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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Senderspule für einen
programmierbaren elektronischen Zünder in einem Projektil und
ein System zum Einstellen des Zünders,
wie es z.B. aus der
US
5 343 795 A oder der
US 5 241 892 A bekannt ist.
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Induktive
Zündereinsteller
werden verwendet, um Detonationsdaten an einen Projektil-Sprengkopf
zu übertragen,
wie z.B. Flugzeit- oder Drehungen-bis-zum-Explodieren-Daten, wie es im Stand der Technik
wohl bekannt ist. Schnellfeuerkanonen können eine Feuerrate aufweisen,
die sich im Bereich von 10 Schusseinheiten pro Minute bis zu 10
Schusseinheiten pro Sekunde oder höher bewegt und daher ist es
sehr wichtig, in der Lage zu sein, Daten an ein Projektil schnell
zu übertragen,
wenn es sich von einem Magazin zur Kanone bewegt. Darüber hinaus
ist es äußerst wichtig
zu verifizieren, dass das Projektil die übertragenen Daten korrekt empfangen
hat.
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Die
NATO besitzt einen Standard STANAG 4369 und die Vereinigten Staaten
besitzen einen Standard AOP-22, welche die Kommunikationen zwischen
einem Zündereinsteller
und einem Zünder
lenken. Dies spezifiziert ein 100 KHz-Trägersignal,
das Pulsbreiten-moduliert (PWM) ist, für die vorwärts gerichtete Nachricht, welche
die Detonationsdaten an das Projektil überträgt, und das Puls-Code-moduliert (PCM)
ist, für
die rückwärts gerichtete
oder Rückmeldungsnachricht,
in welcher der Zünder
die übertragenen
Daten bestätigt.
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Wie
im Stand der Technik wohl bekannt, muss die magnetische Schnittstelle
zwischen dem Zündereinsteller
und dem Zünder
einen Energietransfer zulassen, um die Zünderschaltung zu „laden" sowie auch um empfindlich
genug zu sein das zurückgemeldete
Signal, das durch die Zünderschaltung übertragen
wird mit der Leistung, die von dem „Lade"-Teil der Kommunikation von dem Zündereinsteller
zur Verfügung
steht, zu detektieren und zu interpretieren.
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Im
Stand der Technik wurde die Rückmeldungsnachricht
durch Detektieren der Phasenveränderung,
die zwischen der Spannung und dem Strom der Zündereinsteller-Schaltung während einer
Rückmeldung
auftritt, detektiert, da der Zünder
die Zünderspulen-Impedanz
moduliert. Jedoch leidet dieses Verfahren unter dem Problem eines
Signalverlustes, wenn die LC-Schaltung des Zündereinstellers aufgrund einer
Null in der Phasenantwort in Resonanz ist. Um richtig zu arbeiten,
muss das System ein wenig von der Resonanz weggezogen werden, um
in der Nähe
des maximalen Leistungstranfers einer Resonanz zu sein, aber auch
um von dem Nullpunkt entfernt zu sein. Eine kleine Veränderung
bei den Parametern des induktiven Zündereinstellers, wie z.B. eine
Drift bei Kapazitätswerten
oder Induktionswerten, bewirkt durch Temperaturänderungen, kann den Betriebspunkt
zurück
zur Resonanz verschieben, woraus aus Nulldurchgang und Verlust an
Phasenantwort resultiert, so dass keine Rückmeldungsnachricht interpretiert
werden kann.
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Aus
der
US 5 343 795 A ist
eine Senderspule mit einem C-förmigen
Spulenquerschnitt bekannt, deren Kopplungseffizienz verbesserungsbedürftig ist und
die ein Gegenmagnetfeld erzeugt. In der
FR 2 545 207 A1 ist auf
der Seite des Zündereinstellers eine
LC-Schaltung ohne nähere
Spezifizierung offenbart.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Senderspule
für einen
programmierbaren elektronischen Zünder in einem Projektil mit
einer verbesserten Kopplungseffizienz ohne Erzeugung eines Gegenmagnetfeldes
zu schaffen. Darüber
hinaus besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bei
einem System zum Einstellen eines elektronischen Zünders in
einem Projektil gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 3 die bei diesen Systemen auftretenden Nachteile bei
dem Erzeugen und Senden der Rückmeldungsnachricht
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch eine Senderspule gemäß Anspruch 1
und durch ein System gemäß Anspruch
3 gelöst. Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Senderspule ist in Anspruch
2 und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind
in den Ansprüchen
4 bis 15 beansprucht.
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Die
erfinderische Senderspule verwendet einen „L"-förmigen
Spulenquerschnitt, um die Kopplungseffizienz zwischen der Senderspule
des Zündeinstellers
und der Empfängerspule
des Zünders
im Vergleich zum "C"-förmigen Spulenquerschnitt
des Standes der Technik gemäß
US 4 343 795 zu erhöhen. Der
erfinderische „L"-förmige
Querschnitt eliminiert darüber
hinaus ein Gegenmagnetfeld aufgrund der zueinander rechtwinklig
abgewinkelten ersten und zweiten Wicklungsabschnitte.
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Die
Stromdifferenz in der Zündereinsteller-Schaltung
befindet sich bei Resonanz in einem Maximum, im Gegensatz zur Phasenveränderung des
Standes der Technik. Dies eliminiert die Probleme des Verlustes
der Rückmeldungsnachricht
aufgrund eines Nullpunkts. Ein adaptives Abstimmen der Zündereinsteller-Schaltung
für jedes
Projektil eliminiert in jedem Fall jegliche Probleme aufgrund einer
Alterung der Schaltungsanordnung oder aufgrund von Temperaturveränderungen,
durch Sicherstellen der maximalen Signaldetektion zum Detektieren
und Interpretieren der Rückmeldungsnachricht.
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Das
erfinderische System verwendet darüber hinaus einen Positioniermechanismus,
der durch zwei Abstandssensoren und einen linearen Zylinder, der
durch einen Vertikal-Steppermotor angetrieben ist, für eine vertikale
Bewegung, und einen Magneten mit Führungsstäben für eine horizontale Bewegung gebildet
wird. Der Positioniermechanismus positioniert den Zündereinsteller
so, dass jedes Pro jektil induktiv mit dem Zündereinsteller gekoppelt ist,
wenn sich das Projektil aus dem Magazin zur Kanone bewegt. Der Positioniermechanismus
ermöglicht
es dem Zündereinsteller
eine Feuerrate von zumindest 10 Schusseinheiten pro Minute beizubehalten
und Projektile bis zu 1000 mm zu behandeln.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug
auf die Zeichnung, in welcher:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das die erfinderische Senderspule und
ein Blockdiagramm des Zündereinstellers
zeigt;
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2 die „L"-förmige Spule
in weiteren Einzelheiten zeigt;
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3 eine „C"-förmige Spule
des Standes der Technik zeigt;
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4 ein
schematisches Diagramm ist, welches eine Realisierung des Systems
von 1 für Schusseinheiten
zeigt, die sich längs
eines Zuführpfades
von einem Magazin zu einer Schnellfeuerkanone bewegen;
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5 den
Spulenpositionier-Mechanismus zeigt;
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6 die
Spule angefügt
an den Spulenpositionier-Mechanismus zeigt;
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7 ein
Ablaufdiagramm zeigt, das die Kommunikationen zwischen dem Zündereinsteller und
einem typischen Zünder
(XM 782) zeigt;
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8 ein
Ablaufdiagramm für
eine vorwärts gerichtete
Nachricht „1" zeigt;
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9 ein
Ablaufdiagramm für
eine vorwärts gerichtete
Nachricht „0" zeigt;
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10 ein
Ablaufdiagramm für
eine rückwärts gerichtete
oder Rückmeldungsnachricht „0" zeigt;
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11 ein
Ablaufdiagramm für
eine rückwärts gerichtete
oder Rückmeldungsnachricht „1" zeigt;
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12 ein
Schaltungsblockdiagramm für
die Zündereinsteller-Schaltungsanordnung
zeigt;
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13 ein
Schaltungsdiagramm der Schaltungsanordnung des Zündereinstellers und des Zünders in
weiteren Einzelheiten zeigt;
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14 einen
Graph der Stromdifferenz zeigt, wobei Phasendifferenz und Strom
eine Funktion der Abstimm-Kondensatoren sind;
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15 ein
Graph tatsächlicher
Daten der Spannungsdifferenz und der Zünderausgangsspannung für verschiedene
Werte eines Kondensators in dem Zünder sind;
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16 ein detailliertes Schaltungsdiagramm der
Zündereinsteller-Schaltungsanordnung
ist, und
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17 ein detailliertes Schaltungsdiagramm der
geschalteten Kondensator-Schaltung
ist, die zum Abstimmen der Kapazität der LC-Schaltung auf Resonanz
verwendet wird.
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Während diese
Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, werden hierin
spezielle bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung in Einzelheiten beschrieben. Diese Beschreibung ist
eine Exemplifizierung der Grundlagen der Erfindung und es wird nicht
beabsichtigt, die Erfindung durch die besonderen veranschaulichten
Ausführungsformen
zu beschränken.
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Das
elektronische Zündersystem
der vorliegenden Erfindung beinhaltet, wie in 1 zu
sehen, einen Zündereinsteller,
der allgemein bei 10 gezeigt ist und einen elektronischen
Zünder,
der allgemein bei 12 gezeigt ist. Der elektronische Zünder 12 beinhaltet
eine Empfängerspule 14 und
der Zünder 12 ist in
einem Projektil 16 integriert. Elektronische Zünder, Empfängerspulen
und Projektile sind im Stand der Technik gut bekannt.
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Der
Zündereinsteller 10 von 1 beinhaltet eine
Steuereinrichtung 20, die leitend mit einem Sender 22 verbunden
ist. Die erfinderische Senderspule ist allgemein bei 24 gezeigt
und ist leitend sowohl mit dem Sender 22 als auch einem
Empfänger 26 verbunden.
Der Zündereinsteller 10 ist
relativ zum Projektil 16 durch eine Spulenpositions-Steuereinrichtung 28 positioniert,
die einen Spulenpositionierer 30 steuert. Wie in 5 gezeigt,
besteht der Spulenpositionierer 30 aus 2 Abstandssensoren 27 und 29 und einem
linearen Zylinder 31, angetrieben durch einen Vertikal-Steppermotor,
für eine
vertikale Bewegung und aus einem Magneten mit Führungsstäben für eine horizontale Bewegung.
Die Abstandssensoren 27 und 29 detektieren Ausfahr-
und Einfahrpositionen des Magneten. 6 zeigt
die Spule 24 angefügt
an den Spulenpositionier-Mechanismus 30 in weiteren Einzelheiten.
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Die
erfinderische Senderspule 24 weist einen gewickelten Spulenabschnitt 40 und
einen Rück-Spulenabschnitt 42 auf.
Der gewickelte Spulenabschnitt 40 umwickelt 180° des Umfangs
des Projektils in der Nähe
der Empfängerspule 14,
derart, dass der gewickelte Spulenabschnitt 40 und die Empfängerspule 14 im
Wesentlichen co-planar sind. Der Rück-Spulenabschnitt 42 befindet
sich bei 90° zum
gewickelten Spulenabschitt 40, wobei er der Spule 24 einen „L"-förmigen Querschnitt
verleiht. Vom Anmelder ausgeführte
Tests haben gezeigt, dass die „L"-förmige Spule 24 mit
dem gewickelten Abschnitt, der sich um 180° des Umfangs erstreckt, einen
besseren Kopplungs-Koeffizienten liefert als die „C"-Spule des Standes
der Technik. Beim Testen war der „C"-Spulenkopplungs-Koeffizient 0.070,
während
die „L"-förmige Spule
einen Kopplungs-Koeffizientenbereich von 0.091 bis 0.110 hatte.
Dieser Kopplungs-Koeffizient ist besser als es sich irgendein Anmelder
von Spulendesigns vorstellen könnte,
mit Ausnahme der Donut-Spule, die in Handgehaltenen Zündereinstellern
verwendet wird, die in Verbindung mit Zündereinstellern für Schnellfeuerkanonen
aufgrund von Raumbeschränkungen
nicht verwendet werden kann.
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Die „L"-förmige Spule
ist in weiteren Einzelheiten in 2 gezeigt
und eine „C"-förmige
Spule des Standes der Technik ist in 3 gezeigt.
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Ein
Zündereinstellungs-System
für eine Schnellfeuerkanone
ist in 4 gezeigt, in welcher ein Magazin bei 50 gezeigt
ist und ein Zufuhrmechanismus, der bei 52 gezeigt ist,
die Projektile 16 bewegt und sie in die Kanone 54 lädt. Der
Zündereinsteller 10 ist
Teil des Laders und bewegt sich mit dem Lader zu dem Projektil in
dem Magazin, so dass der Zündereinsteller 10 in
eine induktiv gekoppelte Be ziehung gesetzt wird. Dies wird ausführlicher
in Verbindung mit 5 erörtert. Der Zündereinsteller 10 überträgt die Detonationsdaten
zum Zünder 12 in dem
Projektil 16 unter Verwendung einer Senderspule 24,
wobei der Zünder 12 seine
Detonationsdaten mit einem Rückmeldungssignal
bestätigt
und das Projektil zur Kanone 54 zugeführt wird. Die Kanone 54 weist
eine Feuerrate von bis zu 10 Schusseinheiten pro Minute auf.
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7 bis 9 zeigen
die Kommunikationen, die durch STANAG 4369 und AOP-22 gesteuert werden
in weiteren Einzelheiten. Die gesamte Kommunikation ist in 7 gezeigt,
in welcher die Einschaltphase bei 60 gezeigt ist, welche
Leistung zur Zünderschaltung 12 liefert
und dieselbe auflädt,
wie im Stand der Technik wohl bekannt ist. Die vorwärts gerichtete
Nachricht, welche Detonationsdaten enthält, ist bei 62 gezeigt,
eine Verzögerung
ist bei 64 gezeigt und die rückwärts gerichtete oder Rückmeldungsnachricht
ist bei 66 gezeigt. Das Kommunikationsschema, das in 7 gezeigt
ist, ist im Stand der Technik wohl bekannt. Die vorwärts gerichtete
Nachricht „1" ist ein Pulsbreiten-Modulation-(PWM)-Schema,
das den 100 KHz Träger
bei präzisen
Intervallen an und ausschaltet. Eine logische „1" ist durch einen 50%-Einschaltverhältnis-Puls
gekennzeichnet und eine logische „0" ist durch einen 75%-Einschaltverhältnis-Puls
gekennzeichnet, die jeweils entsprechend in 8 und 9 gezeigt
sind. Die rückwärts gerichtete
oder Rückmeldungsnachricht,
die durch den Zünder 12 erzeugt
wird, ist ein Puls-Codemoduliertes-(PCM)-Signal, das durch den Zünder hergestellt
wird, der seine induktive Einstellschaltungs-Anordnung bei präzisen Intervallen
kurz schließt.
Die individuellen Pulse haben ein 50%-Einschaltverhältnis, wie
in 10 und 11 gezeigt
ist. Jedes logische „Bit" an Information besteht
aus 8 oder 16 Pulsen innerhalb eines Zeitfensters, das gleich 32
mal der Periode eines einzelnen Pulses ist. 8 Pulse stellen eine logische „0" dar, wie in 10 gezeigt
und 16 Pulse stellen eine logische „1" dar, wie in 11 gezeigt
ist.
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12 zeigt
ein Hochniveau-Blockdiagramm der Schaltungsanordnung des Zündereinstellers 10.
Ein Oszillator 70 erzeugt das 100 KHz Trägersignal,
das bei 72 gefiltert wird, bei 74 von digital zu
analog konvertiert wird und bei 76 verstärkt wird. Die
Senderspule ist bei 78 gezeigt, welche eine LC-Resonanzschaltung
in Verbindung mit der Kapazitätsabstimm-Schaltungsanordnung 80 bildet.
Die Schaltungsanordnung wird in Verbindung mit jedem Projektil auf
Resonanz abgestimmt, unter Benutzung eines Scheiteldetektors 82,
um den maximalen Strom in Verbindung mit verschiedenen Kondensatorwerten
für 80 zu
detektieren. Die Schaltung wird durch einen Mikro-Controller 84 gesteuert,
der mit dem Scheiteldetektor 82 über einen Analog-zu-Digital-Konverter 86 verbunden
ist. Zusätzlich
zum Leiten der gepufferten Spannung 88 zum Scheiteldetektor 82,
wird die gepufferte Spannung 88 ebenso zum AM-Demodulator 90 geleitet,
der mit einem Differenzierglied 92 verbunden ist, das mit
einem Komparator 94 verbunden ist, welches wiederum mit
einem Controller 84 verbunden ist.
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13 zeigt
ein Schaltungsdiagramm des Zündereinstellers
und der Zünderschaltungs-Anordnung,
mit an verschiedenen Punkten gezeigten Wellenformen. Die Sendespule 24 ist
induktiv mit der Empfängerspule 14 gekoppelt
gezeigt. Der Demodulator 90 wird gebildet aus einer Diode
D1, die bei 100 gezeigt ist und einem aktiven Filter OP
AMP X2, der bei 102 gezeigt ist, zusammen mit ihren zugeordneten
Widerständen
und Kondensatoren. Das Differenzierglied 92 besteht aus
einem OP AMP X, bei 104 gezeigt, das mit dem Komparator
X3 verbunden ist, gezeigt bei 106, zusammen mit deren zugeordneten Widerständen und
Kondensatoren. Die Stromwellenform, welche die Ergebnisse einer
Rückmeldungsmodulation
zeigt, ist bei 108 gezeigt. Die Ausgabe des AM-Demodulators 90 und
des Differenziergliedes 92 ist bei 110 gezeigt
und die endgültige
digitalisierte Ausgabe ist bei 112 gezeigt. Die „Kurzschluss"-Schaltungsanordnung,
die durch den Zünder 12 benutzt
wird, um die Rückmeldungsnachricht zu
erzeugen, besteht aus der Schaltungsanordnung, die in den gepunkteten
Linien bei 114 gezeigt ist. 14 zeigt
einen Graph der Stromdifferenz, wobei Phasendifferenz und Strom
als eine Funktion der Abstimm-Kondensatoren gezeigt sind. Wie zu
erkennen ist, geht die Phasendifferenz durch einen Nullpunkt am
Resonanzpunkt, der durch den Scheitelwert des Stroms Ip1 definiert
ist. Ebenso ist zu erkennen, dass die Stromdifferenz bei Resonanz
den Scheitelwert erreicht.
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15 ist
ein Graph tatsächlicher
Daten der Spannungsdifferenz und der Zünder-Ausgangsspannung für verschiedene Werte eines
Kondensators im Zünder.
Die Stromdifferenz, Zünderspannung,
Umgebungs-Rauschspannung und der Zündereinstellerstrom sind aufgetragen.
Die Bandbreite über
die Abszisse des Plots ist die Resonanzfrequenz der Zünderschaltungs-Anordnung
für jeden
Wert des Zünderkondensators.
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16 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm
der Zündereinsteller-Schaltungs-Anordnung. Der Strom
wird durch Detektieren der Spannung über den 1 Ohm Widerstand gemessen,
gezeigt bei 120, zwischen dem 2000 pF-Kondensator, der
bei 122 gezeigt ist, und der Masse. Diese Spannung wird
bei 124 gepuffert und dann zu einem Scheiteldetektor-Abschnitt
der Schaltungsanordnung, gezeigt bei 126, geleitet, nach
welchem sie in den Mikro-Controller 84 eingegeben wird.
Ein D-Latch 128 wird verwendet, um eine Reihe von Kondensatoren
(gezeigt in 17) zu schalten, die verwendet
werden, um die adaptive Abstimmung zu schaffen.
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Es
ist beabsichtigt, dass die obigen Beispiele und die Offenbarung
veranschaulichend und nicht erschöpfend sind. Diese Beispiele
und die Beschreibung werden Fachleute zu vielen Variationen und
Alternativen anregen. Es ist beabsichtigt, dass alle diese Alternativen
und Variationen im Umfang der angefügten Ansprüche enthalten sind. Fachleute
werden weitere Äquivalente
zu den hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen erkennen, wobei
beabsichtigt ist, dass auch diese Äquivalente durch die hieran
angefügten
Ansprüche
umfasst werden.