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Die Erfindung betrifft eine Messteilung für eine Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Positionsmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Messteilung.
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Eine derartige Messteilung umfasst eine Vielzahl entlang einer Messrichtung hintereinander angeordneter länglicher Teilungsstriche, die sich jeweils mit einer bestimmten Länge winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zur Messteilung erstrecken, und die jeweils eine bestimmte Breite senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung aufweisen.
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Eine derartige Messteilung ist an einem so genannten Teilungsträger, z. B. zur Bildung eines Maßstabes, ausgebildet bzw. angeordnet und wird an einem von zwei zueinander beweglichen Bauteilen angebracht, deren Position mittels der Positionsmesseinrichtung bestimmt werden soll. An dem anderen der beiden zueinander beweglichen Bauteile ist eine Abtasteinrichtung des Positionsmesssystems angebracht, so dass sich durch Abtastung der Messteilung mittels der Abtasteinrichtung die Position des einen Bauteils bezüglich des anderen Bauteils ermitteln lässt. Zur Abtastung der Messteilung eignet sich beispielsweise das photoelektrische Messprinzip.
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Die Messteilung kann z. B. als eine Inkrementalteilung ausgebildet sein, die aus einer Mehrzahl periodisch (äquidistant) hintereinander angeordneter Teilungsstriche besteht, so dass aus deren Abtastung mittels der Abtasteinrichtung (relative) Positionsinformation hinsichtlich der Änderung der Lage des einen Bauteils bezüglich des anderen Bauteils gewonnen werden kann.
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Für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, wobei die beiden Bauteile beispielsweise durch das Bett und den Schlitten einer Werkzeugmaschine gebildet werden, ist eine hohe Präzision der Positionsmesseinrichtung von großer Bedeutung. Das gilt insbesondere für die Messteilung, die entlang der Messrichtung über ihre gesamte Länge präzise Positionsinformation enthalten muss. Daher besteht die Gefahr, dass hochpräzise Messteilungen von dritten unbefugt als Kopiervorlagen für die Herstellung weiterer Messteilungen verwendet werden. Um dies zu verhindern, können auf einer Messteilung Markierungen vorgesehen sein, die als Kopierschutz beispielsweise unter Bildung eines Logos (einer Firma, eines Firmenschlagwortes, eines Geschäftsabzeichens, einer Marke oder dergl.) einen Hinweis auf den Hersteller der Original-Messteilung geben. Hierdurch können unberechtigt hergestellte Kopien von Messteilungen als solche identifiziert werden.
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Hierbei besteht jedoch das Problem, dass durch die Modifikation der Messteilung Signalschwankungen bei der Abtastung der Messteilung mittels der zugeordneten Abtasteinrichtung auftreten, die wiederum zu Messfehlern führen können.
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Aus der
DE 198 55 782 A1 ist ein Maßstab für eine optische Positionsmesseinrichtung bekannt, auf dessen Maßstabträger eine Messteilungsstruktur sowie, außerhalb der Messteilungsstruktur, Markierungen angeordnet sind.
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In der
GB 2 277 827 A sind Ausschnitte aus Messteilungen mit kreisringförmig umlaufenden Nuten dargestellt, in welche abschnittsweise Verdickungen eingearbeitet sind.
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In der
DE 695 11 040 T2 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Sicherheitskennzeichens mit Hilfe elektronischer Mittel beschrieben, das zur Erzeugung von Sicherheitsmustern an Wertpapieren, insbesondere an Banknoten oder Wertscheinen dient.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messteilung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der durch Markierungen in Form von Modifikationen der Teilungsstriche gebildete Kopierschutz im Gebrauch der Positionsmesseinrichtung zu keiner Beeinträchtigung des Abtastsignals führt.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Messteilung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist auf der Messteilung eine Mehrzahl Markierungen vorgesehen, wobei die einzelnen Markierungen durch eine Modifikation der Form, nämlich der Breite, eines jeweiligen Teilungsstriches in einem Teilbereich des entsprechenden Teilungsstriches gebildet werden und wobei die Teilbereiche, in denen die Teilungsstriche eine modifizierte Breite aufweisen, jeweils nur eine solch geringe Länge aufweisen, dass jene Markierungen in ihrer Gesamtheit keine wesentlich (substanzielle) Beeinträchtigung des Abtastsignals bewirken, welches bei Abtastung der Messteilung erzeugt wird.
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Um sicherzustellen, dass keine substantielle Beeinflussung des Abtastsignals (also des von der Abtasteinrichtung bei der Abtastung der Messteilung erzeugten Ausgangssignals) erfolgt, beträgt die Länge einer Markierung, also die Länge eines jeweiligen Teilbereichs, in dem die Breite eines Teilungsstriches kleiner oder größer ist als in den übrigen Bereichen, höchstens sechs Prozent, vorzugsweise höchstens vier Prozent und insbesondere zwischen zwei Prozent und vier Prozent der Länge eines jeweiligen Teilungsstriches, wobei die einzelnen Teilungsstriche bevorzugt eine übereinstimmende Länge aufweisen.
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Die Intensität des durch die Markierungen beeinflussten Abtastsignals soll dabei um maximal 5% von der Intensität des ungestörten Abtastsignals (welches bei Abtastung einer ansonsten identischen Messteilung – jedoch ohne Modifikation der Breite der Teilungsstriche – als Bestandteil einer Positionsmesseinrichtung mittels der Abtasteinheit der Positionsmesseinrichtung erzeugt würde) abweichen, damit die Abweichung nicht als substanziell angesehen wird und die Funktion der Messteilung bzw. der entsprechenden Positionsmesseinrichtung nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
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Die einzelnen Markierungen der Messteilung, die zur Bildung eines Kopierschutzes dienen, werden also jeweils durch Teilbereiche der Teilungsstriche gebildet, in denen die Teilungsstriche eine Verdickung (also eine größere Breite als in den übrigen Bereichen) oder eine Einschnürung (also eine geringere Breite als in den übrigen Bereichen) aufweisen. Entscheidend ist dabei, dass diese Teilbereiche, in denen die Breite der Teilungsstriche modifiziert ist, entlang der Erstreckungsrichtung der Teilungsstriche eine so geringe Ausdehnung aufweisen, dass alle Markierungen in ihrer Gesamtheit nicht zu einer substantiellen Störung des erzeugten Abtastsignals führen. Dies kann zur Folge haben, dass die als Kopierschutz dienenden Markierungen von einem Menschen nicht mit dem bloßen Auge, sondern nur mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops deutlich erkennbar sind. In jedem Fall müssen die Markierungen in irgendeiner Form lesbar bzw. auslesbar sein, um als Kopierschutz dienen zu können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht nur bei Messteilungen in Form linearer Maßstäbe anwendbar sondern auch bei Teilscheiben für Winkelmesssysteme. Im letztgenannten Fall erstreckt sich die Messrichtung entlang eines Kreisbogens und nicht entlang einer Geraden. Zudem weisen die Teilungsstriche bei einer Teilscheibe für ein Winkelmesssystem eine geringfügige Änderung der Breite in radialer Richtung auf. Denn die Breite der Teilungsstriche ist konstruktionsbedingt am äußeren Rand der Teilungsscheibe geringer als am inneren, dem Mittelpunkt der Teilungsscheibe zugewandten Rand. Diese kontinuierliche Änderung der Breite eines Teilungsstriches vom inneren Rand zum äußeren Rand einer Teilungsscheibe bildet jedoch keine Markierung im Sinne der vorliegenden Erfindung, die durch eine Modifikation der Form einzelner Teilungsstriche in einem Teilbereich gebildet wird. Denn die (äußerst geringfügige) Zunahme der Breite der Teilungsstriche vom inneren Rand zum äußeren Rand einer Teilungsscheibe ist bei allen Teilungsstrichen der entsprechenden Teilungsscheibe gleichermaßen vorgesehen. Es handelt sich somit nicht um eine Markierung im Sinne der vorliegenden Erfindung, durch die auf der Messteilung ein Kopierschutz, z. B. in Form eines Musters, erzeugbar ist, der auf den Hersteller der entsprechenden Messteilung hinweist.
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Ein weiteres Kriterium für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gestattete Länge der den Kopierschutz bildenden Markierungen lässt sich dadurch definieren, dass nicht die Länge der einzelnen Markierungen betrachtet wird, sondern vielmehr die Gesamtlänge der Markierungen über einen bestimmten Abschnitt der Messteilung. Denn für die Frage, ob die Modifikation der Breite der Teilungsstriche zur Bildung der besagten Markierungen zu einer substantiellen Beeinflussung des Abtastsignals führt oder nicht, ist vor allem die Gesamtlänge aller Markierungen in einem solchen Abschnitt der Messteilung von Bedeutung, der bei der Abtastung der Messteilung durch die Abtasteinrichtung als Ganzes erfasst wird.
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In vielen Fällen entspricht die Ausdehnung (in Messrichtung) des von der Abtasteinrichtung erfassten Abtastbereiches der Messteilung in etwa der Länge der einzelnen Teilungsstriche; der Abtastbereich ist dann also in etwa quadratisch. In diesem Fall soll die Summe der Länge aller einzelnen Markierungen in einem Abschnitt der Messteilung, dessen Ausdehnung in Messrichtung der Länge der Teilungsstriche entspricht, maximal sechs Prozent, vorzugsweise maximal vier Prozent, der Summe der Länge aller Teilungsstriche in dem besagten Abschnitt der Messteilung betragen.
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Die Markierungen benachbarter Teilungsstriche können entlang der Messrichtung der Messteilung nebeneinander oder auch zueinander versetzt angeordnet sein, so dass durch die Markierungen mindestens eine Linie, z. B. in Form einer Geraden oder einer gekrümmten Linie, gebildet wird, die sich auf der Messteilung über eine Mehrzahl von Teilungsstrichen erstreckt und dabei senkrecht oder geneigt zu der Erstreckungsrichtung der einzelnen Teilungsstriche verläuft.
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Die Linien bzw. Geraden können einen oder mehrere Schriftzüge bilden, die auf den Hersteller der Messteilung hinweisen.
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Eine Positionsmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Messteilung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 20 charakterisiert.
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Hierbei beträgt die Gesamtlänge der Markierungen in jedem Abtastbereich, der von der Abtasteinrichtung bei der Durchführung einer Messung als zusammenhängender Bereich erfasst werden kann, höchstens sechs Prozent, vorzugsweise höchstens vier Prozent, der Gesamtlänge aller Teilungsstriche in dem Abtastbereich. Der Abtastbereich ist dabei definiert als ein Abschnitt der Messteilung mit einer derartigen Ausdehnung entlang der Erstreckungsrichtung der Messteilung, dass er einem Bereich der Messteilung von einer Größe entspricht, der von der Abtasteinrichtung bei der Abtastung der Messteilung als Ganzes erfasst werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Positionsmesseinrichtung mit einer Messteilung und einer Abtasteinrichtung zum Abtasten der Messteilung;
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2 eine Ansicht einer Messteilung für eine Positionsmesseinrichtung gemäß 1, die Markierungen als Kopierschutz aufweist;
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2a einen vergrößerten Ausschnitt der Messteilung aus 2.
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In 1 ist schematisch eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Lage zweier zueinander beweglicher Bauteile in Form von Maschinenteilen dargestellt, bei denen es sich beispielsweise um das Bett und den Schlitten einer Werkzeugmaschine handeln kann. Die Positionsmesseinrichtung weist einen Maßstab S auf, der durch einen Teilungsträger T mit einer darauf angeordneten Messteilung M gebildet wird, sowie eine Abtasteinrichtung A zum photoelektrischen Abtasten der Messteilung M. Die Abtasteinrichtung A umfasst in bekannter Weise eine (Halbleiter-)Lichtquelle L sowie im Strahlengang des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes eine Kondensorlinse K und eine Abtastplatte P, die zwischen der Lichtquelle L und der Messteilung M angeordnet sind. Das von der Lichtquelle L erzeugte Licht wird mittels der Kondensorlinse K parallelisiert und als kollimiertes Lichtbündel zunächst der (lichtdurchlässigen) Abtastplatte P und dann der Messteilung T des Maßstabes S zugeführt. Das Licht wird an der mit der Messteilung M versehenen Oberfläche des Maßstabs S reflektiert und gelangt nach erneuter Wechselwirkung mit der Abtastplatte P zu einem durch eine Photodiodenanordnung D gebildeten Empfänger der Abtasteinrichtung A. Es handelt sich hierbei um eine Abtastung der Messteilung M im Auflichtverfahren, wobei das von der Messteilung M reflektierte Licht der strahlungsempfindlichen Oberfläche der Photodiodenanordnung D empfangen wird. Die Photodiodenanordnung D erzeugt ein Ausgangssignal (Abtastsignal), das charakteristisch für die Intensität und räumliche Verteilung des auf die strahlungsempfindliche Oberfläche O auftreffenden, an der Messteilung M reflektierten Lichtes ist.
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Der Maßstab S einerseits und die Abtasteinrichtung A andererseits werden an je einem der beiden oben genannten Maschinenteile befestigt, so dass das Ausmaß jeder Bewegung der beiden Maschinenteile zueinander durch Abtastung der Messteilung M des Maßstabes S mittels der Abtasteinrichtung A ermittelt werden kann. Derartige Positionsmesseinrichtungen sind allgemein bekannt, vergl. Alfons Ernst, Digitale Längen- und Winkelmesstechnik, verlag moderne industrie, Landesberg/Lech (1998), so dass hier keine weitergehende Beschreibung des Aufbaus und der Funktion der Positionsmesseinrichtung erforderlich ist.
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In den 2 und 2a ist eine mögliche Messteilung M des Maßstabes S aus 1 dargestellt, die aus einer Mehrzahl entlang einer Messrichtung R mit konstantem Abstand – beabstandet durch Zwischenräume 2 – periodisch hintereinander angeordneter Teilungsstriche 1 besteht. Die Teilungsstriche 1 erstrecken sich jeweils mit konstanter Länge L senkrecht zur Messrichtung R und weisen eine Breite B in Messrichtung auf.
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Diese Messteilung M bildet eine so genannte Inkrementalteilung, d. h. eine periodische Anordnung äquidistanter Teilungsstriche 1 mit einer einheitlichen Breite B, durch deren Abtastung sich (relative) Änderungen der Position des einen Maschinenteils bezüglich des anderen Maschinenteils erfassen lassen.
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Als Kopierschutz, d. h. um zu vermeiden, dass die Messteilung M als Vorlage für die Herstellung weiterer, identisch gestalteter Messteilungen verwendet wird, sind die Teilungsstriche 1 und die Zwischenräume 2 mit Markierungen 10, 20 versehen. Dabei sind die Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 gebildet durch (entlang der Erstreckungsrichtung E erstreckte) Teilbereiche der Länge l der Teilungsstriche 1, in denen die Teilungsstriche 1 jeweils eine geringere Breite b aufweisen als in ihren übrigen Bereichen. Durch diese als Einschnürungen ausgebildeten Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 werden entsprechende, komplementäre Markierungen 20 (in Form von Verdickungen) der Zwischenräume 2 gebildet, wobei die Zwischenräume 2 im Bereich dieser Markierungen 20 eine größere Breite aufweisen als in ihren übrigen Bereichen.
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Die die Markierungen 10 bildenden Einschnürungen der Teilungsstriche 1 sowie die die komplementären Markierungen 20 bildenden Verdickungen der Zwischenräume 2 sind jeweils beidseitig begrenzt durch entlang der Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 verlaufende Begrenzungslinien 11, 12 bzw. 21, 22. Dabei sind die Begrenzungslinien 11, 12 einer Markierung 10 eines Teilungsstriches bzw. die Begrenzungslinien 21, 22 einer komplementären Markierung 20 eines Zwischenraumes 2 jeweils entlang der Messrichtung R voneinander beabstandet und entlang der Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 zueinander versetzt. Hierdurch bilden die Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 und die komplementären Markierungen 20 der Zwischenräume 2 Linien 3, im Ausführungsbeispiel in Form von Geraden, die sowohl bezüglich der Messrichtung R der Messteilung M als auch bezüglich der Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 geneigt verlaufen.
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Diese Linien 3 in Form von Geraden bilden gemäß 2 einen Schriftzug, der einen Hinweis auf Hersteller der Messteilung M enthält. Bei unbefugtem Anfertigen einer Kopie der Messteilung 2 würde dieser Schriftzug mitkopiert, so dass die unbefugt angefertigte Kopie mit einem Hinweis auf den Hersteller der Original-Messteilung versehen wäre.
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Wie anhand 2 erkennbar, können hierbei durchaus zwei oder sogar mehr Markierungen 10 bzw. 20 in einem Teilungsstrich 1 und einem Zwischenraum 2 vorgesehen sein. Ferner können die einzelnen Markierungen 10 bzw. 20 eine unterschiedliche Länge l in Erstreckungsrichtung E der Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 aufweisen. Von Bedeutung ist dabei, dass die Gesamtlänge aller Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 und aller komplementären Markierungen 20 der Zwischenräume 2 hinreichend klein verglichen mit der Gesamtlänge aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 ist, so dass das Vorhandensein der Markierungen 10 bzw. 20 nicht zu einer substantiellen Beeinträchtigung des bei der Abtastung der Messteilung M erzeugten Abtastsignals führt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Gesamtlänge aller Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 bzw. komplementären Markierungen 20 der Zwischenräume 2 in einem Abtastbereich der Messteilung M, d. h. in einem Bereich mit einer solchen Ausdehnung entlang der Messrichtung R, der von der zugeordneten Abtasteinrichtung A (vgl. 1) beim Abtasten der Messteilung M gerade als Ganzes erfasst werden kann, hinreichend klein verglichen mit der Gesamtlänge aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 ist, um eine substantielle Beeinträchtigung bzw. Störung des Abtastsignals zu vermeiden, welches erzeugt wird, wenn die Abtasteinrichtung – in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Position bezüglich der Messteilung M – den entsprechenden Abtastbereich der Messteilung M erfasst.
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In 2 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass der jeweilige Abtastbereich eine Ausdehnung L in Messrichtung R aufweist, die der Länge L der Teilungsstriche 1 entspricht. Dann beträgt die Gesamtlänge der Markierungen 10 der Teilungsstriche 1 bzw. der komplementären Markierungen 20 der Zwischenräume 2 in einem beliebigen Abtastbereich der Messteilung M, d. h. in jedem Bereich, der von der zugeordneten Abtasteinrichtung im Betrieb der Positionsmesseinrichtung zusammenhängend erfassbar ist, weniger als sechs Prozent, vorzugsweise maximal vier Prozent der Gesamtlänge aller Teilungsstriche 1 bzw. Zwischenräume 2 in dem jeweiligen Abtastbereich.
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Diese Regeln gelten unabhängig von der Form des Abtastbereiches, der von der der Messteilung M jeweils zugeordneten Abtasteinrichtung erfasst wird, also unabhängig davon, ob der jeweilige Abtastbereich quadratisch ausgebildet ist, wie im Ausführungsbeispiel, oder ob dessen Ausdehnung in Messrichtung R kleiner oder größer als die Länge L der Teilungsstriche 1 ist. Entscheidend ist allein, dass im jeweils abgetasteten Bereich der Messteilung M die Gesamtlänge der Markierungen 10 bzw. die von den Markierungen 10 insgesamt überdeckte Fläche klein ist im Vergleich zu der Gesamtlänge aller Teilungsstriche 1 bzw. der von der Gesamtheit aller Teilungsstriche 1 überdeckten Fläche. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Markierungen 10 das Abtastsignal nicht substantiell beeinträchtigen.
