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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung von Annäherungen eines Objekts.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung mit einer Sensorauswerte- und Steuerschaltung, wobei eine Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors zum Erfassen der Annäherung eines Objekts mit der Sensorauswerte- und Steuerschaltung gekoppelt ist. Die Sensorauswerte- und Steuerschaltung ist zur Ermittlung des Ladungszustandes der Sensorelektrode und damit zur Erfassung der Kapazität zwischen der Sensorelektrode und der Umgebung ausgebildet.
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Kapazitive Annäherungssensoren sind im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Die Annäherung von Benutzern oder Bedienern von Kraftfahrzeugen ist an unterschiedlichen Stellen des Kraftfahrzeugs erforderlich. An einem Fahrzeuggriff genügt regelmäßig ein kleiner Erfassungsbereich. Bei kapazitiven Sensoranordnungen welche beispielsweise im Heckbereich eines Fahrzeugs angeordnet werden, um die Annäherung eines Benutzers zu erfassen, werden jedoch oft Elektroden mit größerer Erstreckung eingesetzt. Entsprechende Konzepte hat die Anmelderin beispielsweise in den Anmeldungen
DE 10 2010 000 271 ,
DE 10 2010 002 559 und
DE 10 2010 037 577 offenbart.
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Das berührungslose Betätigen einer Heckklappe kann genutzt werden, wenn eine Person Gegenstände beispielsweise mit beiden Händen trägt und eine manuelle Betätigung der Heckklappe nicht oder nur erschwert möglich ist. Das durch die Sensoren detektierte Objekt kann eine Person sein, die sich dem Kraftfahrzeug in der Absicht nähert, die Heckklappe zu betätigen. Die Betätigung der Heckklappe beschreibt dabei sowohl einen Öffnungsvorgang, beispielsweise wenn die Person einen Gegenstand beidhändig in den Kofferraum einlegen möchte oder die Betätigung der Heckklappe betrifft einen Schließvorgang der Heckklappe, wenn die Person beidhändig einen Gegenstand aus dem Kofferraum entnommen hat.
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Diese Sensoren wirken auf einem Prinzip der Veränderung der Kapazität einer Elektrode (der bei einem bestimmen Potenzial vorhandenen Ladung) durch Änderung des umliegenden Dielektrikums. Die mit der Sensorelektrode gekoppelte Steuer- und Auswerteschaltung erfasst eine Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber einem Referenzpotential, indem sie die Sensorelektrode mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch auf- und entlädt und wenigstens einen Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs zur Erfassung der Kapazitätsänderung auswertet. Die Sensorelektrode reagiert dabei auf Annäherungen bzw. Berührungen von Objekten durch eine Kapazitätsänderung des aus der Sensorelektrode und dem Objekt gebildeten Kondensators. Dies lässt sich im Kern darauf zurückführen, dass die Kapazität eines Kondensators von seinem Plattenabstand abhängt.
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Bei kapazitiven Sensoren werden Kapazitätsänderungen auch als Variationen der Auflade- und/oder Entladezeit der Kapazität einer Sensorelektrode ermittelt. Beispielsweise arbeitet der Sensor nach dem Ladungstransferprinzip. Eine Auswerteelektronik nach dem Ladungstransferprinzip benötigt dabei wenigstens einen Referenzkondensator welcher turnusmäßig aufgeladen wird, wobei die Aufladezeit bestimmt wird und als Referenzzeitspanne für die Auswertung von Annäherungen oder Berührungen eines Objektes verwendet wird. Es werden also Änderungen der Aufladezeit des Referenzkondensators ausgewertet, die durch Annäherungen eines Objektes an die Sensorelektrode modifiziert werden.
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Wird ein Gegenstand in die Nähe einer Elektrode gebracht, so ändert sich die Kapazität dieser Elektrode durch die Änderung des Dielektrikums in der Umgebung der Elektrode. Im Regelfall erhöht sich dessen Kapazität je näher das Objekt der Sensorelektrode kommt. Mit Hilfe einer Schaltung kann eine solche Kapazitätsänderung durch die Lade- und Entladevorgänge ermittelt werden. Aus dem Maß der Kapazitätsänderung ergibt sich ein Signal, welches als Indikationssignal für eine Annäherung verwendet werden kann.
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Ebenfalls bekannt ist es, die Erfassungsempfindlichkeit (Sensitivität) mit Hilfe einer Schirmelektrode (Shield-Elektrade) oder auch Richtelektrode zu beeinflussen. Eine solche Elektrode kann z. B. zwischen der Referenzelektrode und der Sensorelektrode angeordnet, um das elektrische Feld der Sensorelektrode verstärkt durch den Erfassungsraum zu leiten und die Erfassungsgenauigkeit damit zu erhöhen. Eine solche Schirmelektrode oder auch Richtelektrode kann mit einem Potenzial beaufschlagt werden, welches dem Potenzial der Sensorelektrode entspricht oder einem anderen, vorgewählten Potenzial. Der Begriff ”Richtelektrode” ist dabei so zu verstehen, dass elektrische Felder durch den Einfluss dieser Elektrode beeinflusst, verzerrt und ausgerichtet werden können, ohne dass die Kapazität dieser Elektrode ausgewertet wird.
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Eine kapazitive Sensoranordnung der genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 063 366 A1 bekannt, außerdem aus dem
US-Patent 5,730,165 bzw. der entsprechenden Patentschrift
DE 196 81 725 B4 . Der Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs ist dabei eine über einem Kondensator messbare Spannung, die von der auf dem Kondensator angesammelten Ladung abhängt, wobei diese Ladung dadurch angesammelt wird, dass periodisch wiederholt die Sensorelektrode durch Koppeln mit der Betriebsspannung aufgeladen und anschließend durch Koppeln mit dem Kondensator über diesen entladen wird.
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Ein anderer derartiger kapazitiver Sensor ist aus der Patentschrift
EP 1 339 025 B1 bekannt.
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Eine kapazitive Sensoranordnung mit einer Sensorelektrode, mit einer hinter der Sensorelektrode angeordneten Masse-Referenzelektrode und mit einer Schirm- bzw. Richtelektrode, die zwischen der Sensorelektrode und der Masse-Referenzelektrode angeordnet ist und die über eine Steuer- und Auswerteschaltung derart mit der Sensorelektrode gekoppelt ist, dass ihr Potential dem Potential der Sensorelektrode nachgeführt wird, ist beispielsweise aus den Veröffentlichungen
EP 0 518 836 A1 ,
US 6,825,752 B2 ,
DE 101 31 243 C1 und
DE 10 2006 044 778 A1 bekannt.
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Je nach Ausbildung der Fahrzeugkarosserie und der Fahrzeugbauteile ist eine Erfassung und Unterscheidung von Betätigungen problematisch. So können beispielsweise Umwelteinflüsse (Regen, Schnee etc.), eine Anhängerkupplung oder besondere Gestaltung der Karosserie Störungen in der Erfassung hervorrufen. Außerdem kann es dazu kommen, dass ungezielte Vorgänge, etwa das Vorbeigehen eines Benutzers am Heck des Fahrzeuges als Betätigungsvorgang fehlinterpretiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Erfassung mit kapazitiven, langgestreckten Sensorelektroden zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungsgesten an einem Kraftfahrzeug hat wenigstens zwei galvanisch getrennte kapazitive Sensorelektrodenabschnitte und wenigstens eine mit den Sensorelektrodenabschnitten gekoppelte Steuer- und Auswerteeinrichtung, welche eine Änderung der Kapazität der Sensorelektrodenabschnitte erfasst.
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Die Sensorelektrodenabschnitte sind entlang einer Längserstreckung der Sensoranordnung axial versetzt zueinander angeordnet, so dass Abschnitte der Längserstreckung von ersten Sensorelektrodenabschnitten überdeckt werden und andere Abschnitte von zweiten Sensorelektrodenabschnitten. Die Sensorelektrodenabschnitte sind axial hintereinander angeordnet, also ohne wesentlichen radialen Versatz. Grundsätzlich kann jedoch auch ein fertigungsbedingter Versatz quer zur Längserstreckung bestehen. Dieser sollte jedoch so bemessen sein, die gesamte Sensorelektrodenanordnung mit ersten und zweiten Abschnitten eine einheitliche, längliche Baugruppe bildet.
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Die ersten und zweiten Sensorelektrodenabschnitte werden von der Steuer- und Auswerteeinrichtung angesteuert, um einen Kapazitätswert der Sensorelektrodenabschnitte getrennt zu ermitteln. Dabei kann es mehrere erste Sensorelektrodenabschnitte und mehrere zweite Sensorelektrodenabschnitte geben, wobei die ersten Abschnitte gemeinsam und die zweiten Abschnitte gemeinsam angesteuert werden (z. B. durch galvanische Kopplung der ersten Abschnitte miteinander einerseits und der zweiten Abschnitte miteinander andererseits).
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Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist derart ausgebildet, dass die ersten Sensorelektrodenabschnitte zeitlich versetzt zu den zweiten Sensorelektrodenabschnitten angesteuert werden. Dies bedeutet, dass die verschiedenen Längsabschnitte der Sensoranordnung zeitlich versetzt abgefragt werden.
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Auf diese Weise ist eine differenzierte Auswertung der Kapazitätsentwicklung entlang der Längsachse möglich. Seitliche Bewegung, z. B. auch solche in gleichbleibendem Abstand vor der Sensorelektrode (Vorbeigehen am Fahrzeugheck) können erfasst und als Betätigung ausgeschlossen werden.
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Im Gegensatz zu Sensoranordnungen, welche entlang ihrer Längserstreckung empfindliche und unempfindliche Bereiche aufweisen, bietet die zeitlich versetzte Ansteuerung der Längsabschnitte eine zeitlich aufgelöste Kapazitätsentwicklung der Abschnitte, die eine wesentlich feinere Differenzierung ermöglicht. Gleichwohl sind die Sensorelektrodenabschnitte selbst durchaus mit empfindlicheren und weniger empfindlichen Unterabschnitten auszustatten.
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Wie oben erläutert, kann es sowohl mehrere erste Sensorelektrodenabschnitte als auch mehrere zweite Sensorelektrodenabschnitte geben. Dabei braucht die Anzahl der ersten Sensorelektrodenabschnitte nicht mit der Anzahl der zweiten Sensorelektrodenabschnitte übereinzustimmen. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Sensoranordnung aus zwei ersten Sensorelektrodenabschnitten bestehen, welche die seitlichen Endabschnitte der Sensorelektrodenanordnung bilden. Eingefasst von den beiden ersten Sensorelektrodenabschnitten ist ein zweiter Sensorelektrodenabschnitt. Auf diese Weise würden die äußeren Abschnitte der Sensoranordnung versetzt zu dem mittleren Abschnitt der Sensoranordnung aktiviert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelektrodenabschnitte als Flachelektroden ausgebildet.
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Derartige Flachelektroden nehmen am Fahrzeug nur einen geringen Bauraum ein und können flexibel, zum Beispiel selbstklebend auf der Innenseite eines Stoßfängers angeordnet werden. Außerdem ist es auch bei solchen Flachelektroden problemlos möglich, die unterschiedlichen Abschnitte zeitlich versetzt anzusteuern. Dazu wird beispielsweise eine durchgehende Elektrode, wie sie als Metallband mit Isolation am Markt verfügbar ist, an Trennstellen unterbrochen, welche dann die Sensorelektrode in mehrere Sensorelektrodenabschnitte teilen. Die unterschiedlichen Sensorelektrodenabschnitte werden durch Zuleitungen mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden, um die verschiedenen Abschnitte zeitlich versetzt ansteuern zu können. Die Zuleitungen werden einseitig an der Isolation entlanggeführt, um die gewünschten Bereiche der innenliegenden Elektrode zu kontaktieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Sensorelektrodenabschnitte, dann, wenn sie nicht aktiv abgefragt werden, zeitweise mit der Fahrzeugmasse gekoppelt.
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Diese Maßnahme verringert die Störanfälligkeit und Fehlsignale der abgefragten Elektrodenabschnitte. Insbesondere kann eine Leitungszuführung zu den ersten Sensorelektrodenabschnitten hinter den zweiten Sensorelektrodenabschnitten erfolgen, so dass dann, wenn Sensorelektrodenabschnitte welche nicht aktiv sind und mit Masse verbunden sind, gleichzeitig eine Abschirmung der dahinter verlaufenden Zuleitung zu anderen Sensorelektrodenabschnitten darstellen. Mit „hinter” ist in diesem Zusammenhang die der Detektion abgewandte Seite der Elektrodenanordnung zu verstehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, können die Sensorelektrodenabschnitte konturiert mit unterschiedlichem Querschnitt ausgebildet sein.
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In Längsrichtung wechseln sensitivere Sensorelektrodenabschnitts-Unterabschnitte mit einer ersten Flächenbreite mit weniger sensitiven Sensorelektrodenabschnitts-Unterabschnitte einer zweiten, geringeren Flächenbreite, so dass abschnittsweise durchgehend leitende, jedoch unterschiedlich sensitive Sensorelektrodenabschnitts-Unterabschnitte mit unterschiedlichen Abmessungen gebildet sind.
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Wenigstens einige der Sensorelektrodenabschnitte sind als Flachelektrode ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Elektrode in einer Raumorientierung (z. B. in Detektionsrichtung) eine Stärke aufweist, die wenigstens eine Größenordnung geringer ist als die maximale Erstreckung in den beiden dazu senkrechten Raumrichtungen (also insbesondere der Richtung der Längserstreckung). Entsprechend dieser Definition dehnt sich die Elektrode als flächige Elektrode senkrecht zu der Detektionsrichtung aus, während sie in der Detektionsrichtung nur geringe Dicke aufweist. Die Flachelektrode kann, wie vorstehend beschrieben, außerdem Bereiche unterschiedlicher Flächenausdehnung in Richtung der Längserstreckung aufweisen. Bereiche mit eingeschnürter Flächenausdehnung wechseln sich mit Bereichen vergrößerter Flächenausdehnung ab. Die Elektrodenfläche entlang der Längserstreckung der Sensorelektrodenabschnitte ist also in verschiedenen Unterabschnitten unterschiedlich. Die entsprechend gebildeten Sensorelektrodenabschnitts-Unterabschnitte wirken mit ihrer Formgebung des durchgehenden Leiters ähnlich wie eine Zusammenschaltung von Kondensatorplatten unterschiedlicher Größe. Durch die verjüngten Abschnitte (kleinere Kondensatorplatten) werden die Bereiche größerer Flächenausdehnung (größerer Kondensatorplatten) verbunden. Da die Flächenbereiche elektrisch leitend verbunden sind, findet grundsätzlich ein Potenzialausgleich auf der Elektrode und ein Ausgleich der Flächenladung statt. Entsprechend reagieren die Bereiche größerer flächiger Ausdehnung stärker als die verjüngten Bereiche auf Annäherungen.
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Eine verformbare, flache und elektrisch isolierende Ummantelung der Sensorelektrode ist zum Umschließen der Elektrode gebildet. Von den derart gestalteten Sensorelektrodenabschnitten sind wiederum erste und zweite Sensorelektrodenabschnitte versetzt entlang der Längsrichtung angeordnet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Sensorelektrodenanordnungen vertikal versetzt zueinander angeordnet. Jede der Sensorelektrodenanordnungen ist mit demselben Steuergerät verbunden und kann wiederum mehrere Sensorelektrodenabschnitte aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, eine Sensorelektrodenanordnung mit mehreren Sensorelektrodenabschnitten der genannten Art mit einer weiteren durchgehenden Sensorelektrode in Kombination zu benutzen.
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Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1 eine schematische Übersicht über die Anordnung einer erfindungsgemäßen Sensorelektrodenanordnung im Heckbereich eines Kraftfahrzeugs;
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2 einen schematischen Verlauf und Aufbau der Sensorelektrodenanordnung aus 1;
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 in Heckansicht schematisch dargestellt. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 2 ist heckseitig, im Flankenbereich des Fahrzeugs platziert. Entlang der Quererstreckung eines Stoßfängers und im unteren Bereich einer Heckschürze ist die Sensorelektrodenanordnung 3a, 3b angeordnet. Die Sensorelektrodenanordnung 3a, 3b weist zwei längliche Sensorelektroden auf, welche sich parallel zueinander in horizontaler Richtung und mit vertikalem Versatz erstrecken.
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Die obere Sensorelektrode 3a ist erfindungsgemäß mit mehreren Sensorelektrodenabschnitten 4a, 4b ausgebildet. Ein Sensorelektrodenabschnitt erster Art 4a wird von zwei Sensorelektrodenabschnitten zweiter Art 4b axial eingefasst.
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Die Abschnitte 4a und 4b sind durch das Steuergerät 2 getrennt ansteuerbar und abfragbar. Auf diese Weise werden entlang der axialen Längserstreckung der Sensorelektrode 3a räumlich aufgelöste Sensierungen möglich.
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Die Ansteuerung der Abschnitte 4a und 4b erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel zeitversetzt, es sind also zu einem Zeitpunkt entweder die Abschnitte 4b oder der Abschnitt 4a aktiv zur Kapazitätserfassung. Nicht aktive Abschnitte werden über das Steuergerät 2 mit der Fahrzeugmasse gekoppelt.
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Die Übergänge zwischen den Abschnitten 4a und 4b können in beliebiger Weise gebildet sein, insbesondere können Kupplungsstücke oder auch einfache Lötverbindung mit anschließendem Vergießen mit Kunststoff oder mit Schrumpfschlauchbedeckung verwendet werden.
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Die zweite Sensorelektrode 3b der Sensorelektrodenanordnung ist eine längliche, durchgehende Sensorelektrode, die über die Zuleitung 4a mit dem Steuergerät 2 gekoppelt ist. Die Informationen dieser Elektrode werden zusätzlich zu den differenzierter aufgelösten Informationen der segmentierten Elektrode 3a ausgewertet.
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2 zeigt den Verlauf und Aufbau der Sensorelektrode 3a in einer schematischen und nicht maßstabsgerechten Weise.
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Die Sensorelektrodenabschnitte 4a und 4b sind mittels der Zuleitungen 11a bzw. 11b mit dem Steuergerät 2 gekoppelt.
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Die Zuleitung 11a wird in dem linken Sensorelektrodenabschnitt 4b zunächst hinter der als Flachelektrode ausgebildeten Sensorelektrode 4b geführt. In dem mittleren Abschnitt 4a kontaktiert die Zuleitung 11a die aktive Sensorelektrode. Die beiden äußeren aktiven Sensorelektroden in den Abschnitten 4b werden über die Zuleitung 11b kontaktiert, wobei im mittleren Abschnitt 4a eine Leiterverbindung hinter der dort aktiven Sensorelektrode 4a geführt ist. Die gestrichelt dargestellten Zuleitungen verlaufen entsprechend auf der Innenseite des Fahrzeuges, hinter denen als Flachelektroden ausgebildeten Sensorelektroden, welche mit ihrer Detektionswirkung nach außen gerichtet sind. Da die Sensorelektroden in den Zeiten, in denen sie nicht aktiv detektieren auf Masse gelegt sind, wird eine eventuelle Wirkung der Zuleitungen selbst als Kapazitätssensor weitestgehend abgeschirmt.
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Die zeitversetzte Ansteuerung durch das Steuergerät 2 führt dazu, dass entweder die Sensorelektrodenabschnitte in den beiden Außenabschnitten 4b aktiv sind und im Abschnitt 4a der Sensorelektrode auf Masse liegt oder andererseits die Sensorelektrode im Abschnitt 4a aktiv ist und die Außenbereiche der Sensorelektroden 4b auf Masse gelegt sind.
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Die Sensorelektrode 3b (in 2 nicht gezeigt) wird als durchgehende Sensorelektrode sowohl gleichzeitig mit den Sensorelektroden 4A als auch 4B angesteuert, wobei eine eigene Zuleitung 10 zu dieser Sensorelektrode vorgesehen ist.
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Bewegt sich nun ein Passant oder ein Benutzer des Fahrzeuges hinter dem Fahrzeug in horizontaler Richtung, also entlang der Längserstreckung der Sensorelektrodenanordnung, so ist dies durch die zeitversetzte und segmentierte Abfrage der Elektrodenabschnitte 4a, 4b zu erfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010000271 [0003]
- DE 102010002559 [0003]
- DE 102010037577 [0003]
- DE 102008063366 A1 [0009]
- US 5730165 [0009]
- DE 19681725 B4 [0009]
- EP 1339025 B1 [0010]
- EP 0518836 A1 [0011]
- US 6825752 B2 [0011]
- DE 10131243 C1 [0011]
- DE 102006044778 A1 [0011]
