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Fahrzeuge
sind üblicherweise
mit Sicherheits-Rückhaltesystemen,
z. B. Airbag-Systemen, ausgestattet, um Insassen, einschließlich eines
Fahrers und eines Beifahrers auf dem Vordersitz, beispielsweise
im Fall eines Unfalls zu schützen.
Da man davon ausgehen kann, dass der Fahrersitz eines Fahrzeugs
besetzt ist, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist, ist es allgemein
wünschenswert,
dass ein Airbag auf der Seite des Fahrers zum Einsatz kommt, wenn
das Fahrzeug einer über
einer bestimmten Schwelle liegenden Verlangsamung unterworfen wird.
Jedoch ist der Fahrer oft allein in dem Fahrzeug, so dass ein Einsatz
des Airbags auf der Beifahrerseite unnötig ist. In anderen Fällen ist
es wünschenswert,
den Airbag auf der Beifahrerseite zu deaktivieren, wenn sich ein
Kind oder ein nach hinten gewandter Kindersitz auf dem Beifahrersitz
befindet oder wenn sich Insassen vor dem Moment der Aktivierung
nach vorne gelehnt haben.
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Demgemäß wurden
bereits mehrere Techniken zum Bestimmen eines Besetzheitsstatus
eines Fahrzeugsitzes zum Zweck eines Deaktivierens von Airbag-Systemen,
beispielsweise in den oben beschriebenen Situationen, entwickelt.
Eine derartige Technik beinhaltet ein Platzieren von Elektroden
in dem Fahrzeugsitz, um die Kapazität eines Objekts zu erfassen,
das auf dem Sitz zwischen den zwei Elektroden positioniert ist,
wobei eine niedrige Kapazität ein
Objekt angibt, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist, beispielsweise
einen Beifahrer. Jedoch ignorieren herkömmliche kapazitive Erfassungssysteme
eine Direktkopplungskapazität
zwischen den Elektroden, was zu ungenauen Messdaten und unerwünschten
masseabhängigen
Ergebnissen führen
kann, beispielsweise wenn sich ein Insasse nach vorne beugt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System für kapazitive
Objekterkennung, ein Verfahren zur kapazitiven Objekterkennung,
Fahrzeugsitzinhabererkennungssysteme sowie ein Verfahren zum Bestimmen
eines Besetztheitsstatus eines Fahrzeugsitzes mit verbesserten Charakteristika
zu liefern.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen
finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
liefert ein System zur kapazitiven Objekterkennung, das folgende Merkmale
aufweist: ein Paar von Elektroden, wobei eine der Elektroden einen
anpassbaren Parameter aufweist, und eine Steuerung, die Strompfade
modelliert, die durch eine Interaktion eines Objekts mit einem elektrischen
Feld zwischen dem Paar von Elektroden als Netzwerk von Kondensatoren
gebildet werden. Die Steuerung ist dahin gehend konfiguriert, den
anpassbaren Parameter auf eine erste Einstellung einzustellen und
einen Satz von Wechselspannungen an das Paar von Elektroden anzulegen
und einen resultierenden ersten Satz von Stromwerten an jeder der
Elektroden zu messen, dahin gehend konfiguriert ist, den anpassbaren
Parameter auf eine zweite Einstellung einzustellen und den Satz
von Wechselspannungen an das Paar von Elektroden anzulegen und einen
resultierenden zweiten Satz von Stromwerten an jeder der Elektroden
zu messen, und dahin gehend konfiguriert ist, Werte für bis zu
alle Kondensatoren des Netzwerks von Kondensatoren auf der Basis
des ersten und des zweiten Satzes von Stromwerten zu bestimmen.
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Die
beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weitergehendes Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu vermitteln, und sie sind in die vorliegende
Spezifikation integriert und stellen einen Bestandteil derselben
dar. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien
der Erfindung zu erläutern.
Andere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres einleuchten, wenn sie
durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser
verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander
nicht unbedingt maßstabsgetreu.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das allgemein ein kapazitives Erfassungssystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
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2 ein
schematisches Diagramm, das ein physisches bzw. physikalisches Modell
eines Abschnitts eines kapazitiven Erfassungssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
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3A ein
schematisches Diagramm, das ein physikalisches Modell eines Abschnitts
eines kapazitiven Erfassungssystems für einen Fahrzeugsitz gemäß einem
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
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3B ein
schematisches Diagramm eines Netzwerks, das sich aus dem physikalischen
Modell der 3A ergibt, gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
-
4 ein
schematisches Diagramm, das allgemein eine Y-Modell-Darstellung eines Vierpols bzw.
Zweitornetzwerks veranschaulicht;
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5A ein
schematisches Diagramm eines kapazitiven Netzwerks der 3B gemäß einem Ausführungsbeispiel;
-
5B eine
Y-Modell-Darstellung des Netzwerks der 5A gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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6A ein
schematisches Diagramm eines kapazitiven Netzwerks der 3B gemäß einem Ausführungsbeispiel;
-
6B eine
Y-Modell-Darstellung des Netzwerks der 6A gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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7 Gleichungen,
die eine Beziehung zwischen Physikalisches-Modell-Kapazitäten und
Y-Modell-Parametern gemäß einem
Ausführungsbeispiel darstellen;
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8 ein
Diagramm, das allgemein ein Modell eines Sitzes und eines zylindrischen
Objekts auf demselben zum Zweck einer Simulation nach der Methode
der finiten Elemente gemäß einem
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
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9A ein
Diagramm, das beispielhafte kapazitive Werte veranschaulicht, die
anhand einer Simulation nach der Methode der finiten Elemente bestimmt
werden, gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
-
9B ein
Diagramm, das beispielhafte kapazitive Werte veranschaulicht, die
anhand einer Simulation nach der Methode der finiten Elemente bestimmt
werden, gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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10 eine
Tabelle, die beispielhafte kapazitive Werte der Simulation nach
der Methode der finiten Elemente der 8, 9A und 9B veranschaulicht;
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11 ein
Blockdiagramm, das allgemein Elektroden, die in einem Fahrzeugsitz
positioniert sind, veranschaulicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
und
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12 ein
Flussdiagramm, das allgemein ein Ausführungsbeispiel eines Prozesses
zur kapazitiven Objekterkennung veranschaulicht, der eine Elektrodenvariation
verwendet, gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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In
der folgenden ausführlichen
Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Bestandteil
des vorliegenden Dokuments bilden und in denen zur Veranschaulichung
spezifische Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, bei denen die Erfindung praktiziert werden kann, Bezug
genommen. Diesbezüglich
wird eine richtungsangebende Terminologie, z. B. „obere(r,
s)”, „untere(r,
s)”, „vordere(r,
s)”, „hintere(r,
s)”, voreilende(r,
s), nacheilender, s) usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung
der jeweils beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen
positioniert sein können,
wird die richtungsangebende Terminologie zu Veranschaulichungszwecken verwendet
und stellt keinesfalls eine Einschränkung dar. Man muss verstehen,
dass auch andere Ausführungsbeispiele
verwendet werden können
und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Somit ist die folgende ausführliche
Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen,
und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden
Patentansprüche
definiert.
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Gemäß hierin
beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kapazitiven Erfassen
und Erkennen eines Objekts, das zumindest teilweise zwischen einem
Paar von Elektroden positioniert ist, vorgesehen, wobei das Erfassen
ein Variieren eines physikalischen Parameters zumindest einer der
Elektroden umfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der physikalische Parameter
eine Oberflächengröße der Elektrode.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der physikalische Parameter eine Position der Elektrode relativ
zu der anderen Elektrode, um einen Abstand zwischen dem Paar von
Elektroden zu variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie nachstehend
ausführlicher
beschrieben wird, sind die Elektroden in einem Fahrzeugsitz positioniert,
um das Vorhandensein von Objekten in dem Sitz, beispielsweise eines
menschlichen Körpers,
zu erkennen, um Sicherheitsvorrichtungen, beispielsweise Airbags
oder sonstige Rückhaltesysteme,
auszulösen,
wenn der Sitz besetzt ist.
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1 ist
ein Block- bzw. ein schematisches Diagramm, das allgemein ein Ausführungsbeispiel eines
Erfassungssystems 30 veranschaulicht, das zur kapazitiven
Objekterkennung, beispielsweise eines menschlichen Körpers, in
einem Fahrzeugsitz konfiguriert ist. Das System 30 umfasst
eine erste Elektrode 32 (E1), eine zweite Elektrode 34 (E2)
und eine Steuerung 36, wobei die erste Elektrode 32 in
einer Rückenlehne 38 positioniert
ist und die zweite Elektrode 34 in einer Sitzfläche 40 eines
Sitzes 42 positioniert ist, der in einem Autochassis oder
-rahmen 44 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst die erste Elektrode 32 eine Mehrzahl von Teilelektroden
oder Teilplatten, die bei A, B, C und D veranschaulicht sind, und
die zweite Elektrode 34 umfasst eine Mehrzahl von Teilelektroden
oder Teilplatten, die bei E, F, G und H veranschaulicht sind.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines physikalischen Modells 50,
das bedeutende Strompfade, die sich aus einer Interaktion zwischen
einem beliebigen Objekt 52 und einem elektrischen Feld
ergeben, das zwischen den Elektroden 32 und 34 gebildet
wird, indem beispielsweise durch die Steuerung 36 Wechselspannungen
an dieselben angelegt werden, als Netzwerk von konzentrierten Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4 modelliert. Der erste Kondensator C1 stellt eine kapazitive
Kopplung zwischen der ersten Elektrode 32 und dem Objekt 52 dar,
der zweite Kondensator C2 stellt eine kapazitive Kopplung zwischen
der zweiten Elektrode 34 und dem Objekt 52 dar,
der dritte Kondensator C3 stellt eine kapazitive Kopplung zwischen
dem Objekt 52 und dem Rahmen 44 dar, und der vierte Kondensator
C4 stellt die direkte kapazitive Kopplung zwischen der ersten und der
zweiten Elektrode 32 und 34 dar.
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Das
physikalische Modell 50 ist ein Beispiel dessen, was üblicherweise
als Zweitornetzwerk bekannt ist. In 2 stellt
der Rahmen 44 eine Referenz oder Masse dar, wobei die erste
Elektrode 32 und der Rahmen 44 ein erstes bzw.
Eingangstor 54 (U1) bilden und die zweite Elektrode 34 und
der Rahmen 44 ein zweites bzw. Ausgangstor 56 (U2)
bilden. Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, werden, um die elektrischen Charakteristika (z.
B. Impedanzen) eines Zweitornetzwerks zu bestimmen oder zu modellieren,
Wechselspannungen an das Eingangs- und das Ausgangstor, beispielsweise
Tore 54 und 56, angelegt, und die resultierenden
Ströme
I1 und I2, wie sie
bei 55 und 57 angegeben sind, werden gemessen.
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3A stellt
ein physikalisches Modell 50 dar, bei dem das Objekt 52 einen
auf dem Fahrzeugsitz 42 befindlichen Beifahrer umfasst.
Wenn Wechselspannungen, die Frequenzen von weniger als 1 MHz (z.
B. im KHz-Bereich) aufweisen, an das Eingangs- und das Ausgangstor 54 und 56 angelegt werden,
kann die innerhalb des Körpers
vorliegende Impedanz des menschlichen Körpers ignoriert werden, und
der menschliche Körper
kann als Kurzschluss behandelt werden.
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3B ist
ein schematisches Diagramm eines Netzwerks 58, das aus
dem konzentrierten Netzwerk 50 der 3A resultiert,
wenn niederfrequente Wechselspannungen (z. B. 10 KHz) durch die
Steuerung 36 derart an das erste oder zweite Eingangstor 54 und 56 angelegt
werden, dass der menschliche Körper 52 als
elektrischer Kurzschluss agiert. Wie durch das Netzwerk 58 veranschaulicht
ist, ist jeweils der erste Anschluss der Kondensatoren C1 und C2 mit
der ersten bzw. zweiten Elektrode 32 gekoppelt, wobei jeweils
der zweite Anschluss der Kondensatoren C1 und C2 mit einem ersten
Anschluss des Kondensators C3 gekoppelt ist. Ein zweiter Anschluss des
Kondensators C3 ist mit dem Rahmen oder der Masse 44 gekoppelt.
Der Kondensator C4 ist zwischen die erste und die zweite Elektrode 32 und 34 gekoppelt.
Gemäß Ausführungsbeispielen,
die nachstehend ausführlicher
beschrieben werden, legt die Steuerung 36 niederfrequente
Wechselspannungen an die erste und die zweite Elektrode 32 und 34 an, um
die Werte der Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 zu bestimmen und um
daraus den Besetztheitsstatus des Sitzes 42 zu ermitteln.
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Wie
bei dem physikalischen Modell 50 der 2 ist
das Netzwerk 58 der 3B ein
Beispiel dessen, was üblicherweise
als passives, lineares Zweitornetzwerk bezeichnet wird. Ein jegliches
derartiges Zweitornetzwerk kann als Netzwerk dreier unabhängiger Parameter
definiert oder modelliert sein. Ein derartiges Modell wird als Admittanz-
oder Y-Modell bezeichnet.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das allgemein eine Admittanz- oder Y-Modell60-Darstellung
eines Zweitornetzwerks, beispielsweise des Zweitornetzwerks 58 der 3, veranschaulicht. Das Y-Modell 60 umfasst
ein erstes und ein zweites Tor 64 und 66, eine
erste bzw. Eingangsadmittanz Y1, die über das erste Tor 64 gekoppelt
ist, eine zweite bzw. Ausgangsadmittanz Y2, die über das zweite Tor 66 gekoppelt
ist, und eine Transferadmittanz Y3, die zwischen das erste und das
zweite Tor 64 und 66 gekoppelt ist. Bei einem
Y-Modell oder Admittanzmodell sind die Eingangsspannungen an den
Toren bekannt, und die Admittanzparameter können durch Messen der resultierenden
Ströme
ermittelt werden.
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Beispielsweise
können
die Werte der Admittanzen Y1, Y2 und Y3 ermittelt werden, indem
eine Spannung V1 an dem ersten Tor 64 angelegt
wird, wobei das zweite Tor 66 kurzgeschlossen wird (d.
h. V2 = 0), und indem eine Spannung V2 an dem zweiten Tor 66 angelegt
wird, wobei das erste Tor 64 kurzgeschlossen wird (d. h.
V1 = 0), und indem die Werte der resultierenden
Ströme
I1 und I2 gemessen
werden, wie bei 68 und 70 veranschaulicht ist.
Die Werte der Admittanzen Y1, Y2 und Y3 können anschlie ßend unter
Verwendung dessen, was oft als Y-Matrix oder Y-Parameter-Matrix (hierin nicht veranschaulicht)
bezeichnet wird, aus den bekannten Werten von V1 und V2 und den gemessenen Werten von I1 und I2 ermittelt werden.
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Während das
Admittanz- oder Y-Modell 60 die Messung der drei Admittanzparameter
Y1, Y2 und Y3 ermöglicht,
erfordert das konzentrierte Netzwerk 50 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 die Messung
der Werte der vier Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4. Als solches besteht eine Herausforderung darin, die
vier Physikalisches-Modell-Parameter C1, C2, C3 und C4 aus lediglich
drei Admittanzparametern, die ausgehend von dem Admittanzmodell
erhältlich
sind, zu bestimmen. Manche herkömmlichen
kapazitiven Erfassungssysteme vermeiden diese Herausforderung, indem
sie die Direktkopplungskapazität
zwischen in dem Sitz positionierten Elektroden, die durch die Direktkopplungskapazität C4 zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode 32 und 34 dargestellt
wird, die in der Rückenlehne 38 bzw.
der Sitzfläche 40 des
Sitzes 42 positioniert sind, einfach ignorieren. Jedoch
ist eine derartige Annäherung
eines kapazitiven Netzwerks nicht gültig, wenn sich ein Beifahrer
auf einem Sitz nach vorne beugt. Messdaten in derartigen Systemen
führen
zu unerwünschten
masseabhängigen
Ergebnissen für
den C1- und C2-Modellparameter.
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Im
Gegensatz zu derartigen herkömmlichen Systemen
verwendet das kapazitive Erfassungssystem 30 Messtechniken,
die unter Verwendung des Admittanzmodelläquivalents des Netzwerks 58 der 3 Werte von zwei Sätzen von drei Admittanzparametern
(d. h. sechs Admittanzparameterwerte) erhalten, wobei ein physikalischer
Parameter der ersten oder der zweiten Elektrode 32 oder 34 zwischen Messungen
angepasst wird. Beispielsweise wird bei einem Ausführungsbeispiel
ein erster Satz von drei Admittanzparametern bestimmt, wobei die
erste Elektrode 32 eine auf einen ersten Wert eingestellte Oberflächengröße oder
Elektrodenfläche
aufweist, und ein zweiter Satz von drei Admittanzparametern wird
bestimmt, wobei die Elektrode 32 eine auf einen zweiten
Wert eingestellte Elektrodenfläche
aufweist. Unter Verwendung dieser zwei Sätze von drei Admittanzparameterwerten
bestimmt die Steuerung 36 Werte der vier Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4 des Netzwerks 58 und bestimmt auf der Basis
eines oder mehrerer Werte der vier Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 einen
Besetztheitsstatus des Sitzes 42, wobei der Besetztheitsstatus
nicht durch den Erdungsstatus des Objekts 52 (z. B. einer
Person) mit dem Chassis oder Rahmen 44 beeinflusst wird.
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Die
nachstehenden 5 bis 7 unten veranschaulichen
ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels
eines Prozesses, den das System 30 verwendet, um einen
Besetztheitsstatus des Sitzes 42 zu bestimmen. Die 5A veranschaulicht
das Netzwerk 58 während
einer ersten Messung, bei der eine Oberflächengröße einer ersten bzw. Rückenlehnenelektrode 32 durch
die Steuerung 36 auf eine erste Elektroden- oder Plattenfläche eingestellt
wird, wie sie bei E1 angegeben ist, und eine zweite bzw. Sitzflächenelektrode 34 auf
eine erste Elektroden- oder Plattenfläche eingestellt wird, wie bei
E2 angegeben ist. Beispielsweise aktiviert die Steuerung 36 bei
einem Ausführungsbeispiel
während
einer ersten Messung alle Teilplatten A, B, C und D, um die erste
bzw. Rückenlehnenelektrode 32 auf
die erste Elektroden- oder Plattenfläche einzustellen, und aktiviert
alle Teilplatten E, F, G und H, um die Sitzfläche auf eine erste Elektroden-
oder Plattenfläche
einzustellen. Die entsprechenden Kapazitätswerte sind bei C1, C2, C3 und
C4 angegeben.
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5B veranschaulicht
die Y- oder Admittanzmodell80-Darstellung
des Netzwerks 58, die Admittanzparameter Y1, Y2 und Y3
aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel
bestimmt die Steuerung 36 die Werte der Admittanzparameter
Y1, Y2 und Y3, indem sie Wechselspannungen V1 und
V2 an die Tore 54 und 56 anlegt,
die resultierenden Ströme
I1 und I2 misst
und eine Y-Parameter-Matrix
verwendet, wie sie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde.
Bei einem Ausführungsbeispiel
wei sen die Spannungen V1 und V2 eine
Frequenz von weniger als 1 MHz auf. Bei einem Ausführungsbeispiel
weisen die Spannungen V1 und V2 eine
Frequenz von 10 KHz auf.
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6A veranschaulicht
ein Netzwerk 58' während einer
zweiten Messung, bei der eine Oberflächengröße der ersten bzw. Rückenlehnenelektrode 32 durch
die Steuerung 36 auf eine zweite Elektroden- oder Plattenfläche eingestellt
wird, wie bei E1' angegeben
ist, und die zweite bzw. Sitzflächenelektrode 34 auf
die erste Elektroden- oder Plattenfläche eingestellt bleibt, wie
wiederum bei E2 angegeben ist. Beispielsweise aktiviert die Steuerung 36 bei einem
Ausführungsbeispiel
lediglich Teilplatten A und B der ersten bzw. Rückenlehnenelektrode 32,
während
alle Teilplatten E, F, G und H der Sitzflächenelektrode 34 während der
zweiten Messung weiterhin durch die Steuerung 36 aktiviert
werden. Die zugeordneten Kapazitätswerte
sind bei C1', C2,
C3 und C4' angegeben.
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Man
beachte, dass durch ein Verändern
der Elektroden- oder Plattenfläche
der ersten Elektrode E1 die Werte von Kopplungskapazitäten, die
der ersten Elektrode E1 zugeordnet sind, zwischen dem Netzwerk 58' der 5A und
dem Netzwerk 58' der 6B variieren,
wie durch C1' und
C4' angegeben ist.
Falls die Plattenfläche
der zweiten Elektrode E2 statt der ersten Elektrode E1 variiert
wird, würden
die Werte der Kopplungskapazitäten
C2 und C3, die der ersten Elektrode E1 zugeordnet sind, statt der
Kopplungskapazitäten
C1 und C4 variieren. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird,
wird angenommen, dass das Variieren der Plattenfläche der
einen Elektrode weder die Erdung des Objekts 52 (d. h.
die Kopplungskapazität
C3) noch die Kopplungskapazität
der nichtvariierten Elektrode (entweder Kopplungskapazität C1 oder
C2) beeinflusst.
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6B veranschaulicht
die Y- oder Admittanzmodell80'-Darstellung des Netzwerks 58', die Admittanzparameter
Y1', Y2' und Y3' aufweist. Wiederum
bestimmt die Steuerung 36 die Werte der Admittanzparameter
Y1', Y2' und Y3', indem sie Wechselspannungen
V1 und V2 an die
Tore 54 und 56 anlegt, die resultierenden Ströme I1' und
I2' misst
und eine Y-Parameter-Matrix
verwendet, wie sie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
wurde.
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Anschließend ermittelt
die Steuerung 36 die Werte der Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 des Netzwerks 50 auf
der Basis der Werte der Admittanzparameter Y1, Y2, Y3, Y1', Y2' und Y3', wie oben beschrieben.
Bei einem Ausführungsbeispiel
werden die Beziehungen zwischen den Kapazitätswerten C1, C2, C3, C4, C1' und C4' und den sechs gemessenen Admittanzparametern
Y1, Y2, Y3, Y1',
Y2' und Y3', die durch das Variieren
der Plattenfläche
der ersten Elektrode 32 erhalten wurden, durch die Gleichungen I
mit VI der 7 beschrieben. Die sechs unbekannten
Kapazitätswerte
C1, C2, C3, C4, C1' und
C4' werden ausgehend
von den sechs gemessenen Admittanzparametern Y1, Y2, Y3, Y1', Y2' und Y3', die durch Variieren
der Plattenfläche
der ersten Elektrode 32 erhalten wurden, bestimmt.
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Anschließend bestimmt
die Steuerung 36 einen Besetztheitsstatus des Sitzes 42 auf
der Basis der Werte der Kapazitäten
C1, C2, C3 und C4. Bei einem Ausführungsbeispiel bestimmt die
Steuerung 36 die Besetztheit, indem sie die Werte der Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4 mit bekannten oder zuvor ermittelten Werten von C1,
C2, C3 und C4 vergleicht. Bei einem Ausführungsbeispiel gibt beispielsweise
ein Wert einer der Kapazitäten
C1, C2, C3 und C4, der innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite
von Werten liegt, das Vorhandensein eines menschlichen Körpers in
dem Sitz 42 an. Bei einem Ausführungsbeispiel gibt ein Wert
von C1, der innerhalb einer ersten vorbestimmten Bandbreite liegt,
an, dass ein Kind auf dem Sitz 42 sitzt (z. B. berührt der
Kopf oder der Rücken
eines Kindes eventuell nicht die erste Elektrode 32 oder
lediglich einen Teil derselben), und ein Wert von C1, der innerhalb
einer zweiten vorbestimmten Bandbreite liegt, gibt an, dass ein
Erwachsener auf dem Sitz 42 sitzt (z. B. berührt der
Kopf oder berühren
die Schultern eines Erwachsenen vollständig die erste Elektrode 32).
Bei einem Ausführungsbeispiel
geben die Werte einer oder mehrerer der Kapazitäten C1, C2, C3 und C4, von
denen jeder innerhalb einer entsprechenden vorbestimmten Bandbreite
von Werten liegt, an, dass ein bestimmtes Objekt auf dem Sitz 42 positioniert
ist, beispielsweise ein menschlicher Körper, ein Auto-Kindersitz oder
ein anderes lebloses Objekt.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist das System 30 auf der Basis
der Werte einer oder einer Kombination einer oder mehrerer der Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4 nicht nur in der Lage, zu ermitteln, ob der Sitz 42 besetzt
ist, sondern das System 30 ist in der Lage, die Art des
Objekts 52, das den Sitz 42 besetzt, zu identifizieren
oder zu erkennen. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind verschiedene Objekte 52 (z. B. Erwachsene, Kinder,
Kindersitze und Gepäck)
unter verschiedenen Bedingungen (z. B. verschiedenen Feuchtigkeits-
und Temperaturbedingungen, trockenen Sitzbezügen, feuchten Sitzbezügen) in
dem Sitz 42 platziert, und es werden entsprechenden Bandbreiten
von Kapazitätswerten
für jede
der Kapazitäten
C1, C2, C3, C4, C1' und
C4' bestimmt, um
eine Datenbank von Kapazitätswerten
für die
verschiedenen Objekte zu entwickeln. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist eine derartige Datenbank in einem Speicher 37 in der
Steuerung 36 gespeichert, und auf diese Datenbank wird
zugegriffen, wenn ein Besetztheitsstatus des Sitzes 42 ermittelt
wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
steuert die Steuerung 36 auf der Basis des Besetztheitsstatus des
Sitzes 42 ein oder mehrere Systeme (z. B. Sicherheitssysteme,
Klimatisierungszonen, Sitzheizsysteme) in einem Fahrzeug, in dem
sich der Sitz 42 befindet, passt ein oder mehrere derartige
Systeme an oder liefert Ausgaben an dasselbe bzw. dieselben. Beispielsweise
aktiviert die Steuerung 36 bei einem Ausführungsbeispiel
ein Airbag-System, das dem Sitz 42 zugeordnet ist, wenn
die Kapazitätswerte
C1, C2, C3 und C4 das Vorhandensein eines Erwach senen in dem Sitz 42 angeben.
Bei einem Ausführungsbeispiel
deaktiviert die Steuerung 36 ein derartiges Airbag-System,
wenn die Kapazitätswerte
C1, C2, C3 und C4 das Vorhandensein eines Kindersitzes, der auf
dem Sitz 42 positioniert ist, angeben.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Steuerung 36 eine fest zugeordnete Steuerung zur
Verwendung bei dem System 30. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Steuerung 36 anderen Systemen oder Merkmalen eines
Fahrzeugs, bei dem das System 30 verwendet wird, zugeordnet
und erfüllt Funktionen
für diese.
Bei einem Ausführungsbeispiel bestimmt
die Steuerung 36 die Werte der Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 fortlaufend
auf eine Zündung eines
Fahrzeugs hin, bei dem das System 30 verwendet wird. Bei
einem Ausführungsbeispiel
bestimmt die Steuerung 36 einen Besetztheitsstatus des
Sitzes 42 auf ein anfängliches
Anlassen des Fahrzeugs hin und prüft den Besetztheitsstatus danach
periodisch.
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Wie
zuvor erwähnt
wurde, wird beim Anwenden der Technik des Variierens eines physikalischen Parameters
einer der Elektrodenplatten, beispielsweise der Elektroden- oder
Plattenfläche
der ersten Elektrode 32, wie oben beschrieben, davon ausgegangen,
dass das Variieren der Plattenfläche
einer Elektrode weder die Erdung des Objekts 52 (d. h.
die Kapazität
C3 in den 2 und 3)
noch die Kopplungskapazität
der nichtvariierten Elektrode (d. h. die Kapazität C2 in den 2 und 3) beeinflusst. Wie durch die nachstehenden 8 bis 10 beschrieben
wird, wurde die Gültigkeit
dieser Annahme überprüft, indem
eine Simulation einer Analyse finiter Elemente (FEM – finite
element analysis) durchgeführt wurde,
die ein Modellieren des Sitzes 42 zusammen mit den Elektroden 32 und 34 und
ein Modellieren eines auf dem Sitz 42 positionierten Objekts
als zylindrischer Körper 90 umfasste.
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Gemäß der Simulation
wurden zuerst Werte der Physikalisches-Modell-Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 unter
Verwendung von FEM-Techniken berechnet, wobei Wechselspannungen
an der ersten und der zweiten Elektrode 32 und 34 modelliert
wurden und wobei die erste Elektrode 32 mit einer ersten Elektrodenfläche modelliert
wurde, ähnlich
der durch das Netzwerk 58 der 5A veranschaulichten. 9A veranschaulicht
die berechneten Werte der Modellkapazitäten C1, C2, C3 und C4 für das simulierte
Ausführungsbeispiel
des Systems 30, wobei die Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 mittels
FEM berechnete Werte von 11,2 pF, 13,9 pF, 62,5 pF bzw. 0,26 pF aufwiesen.
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Als
Nächstes
wurden unter Verwendung von FEM-Techniken Physikalisches-Modell-Kapazitätswerte
berechnet, wobei die erste Elektrode 32 bei einer zweiten
Elektroden- oder Plattenfläche
(d. h. einer angepassten oder variierten Plattenfläche) modelliert
wurde, ähnlich
der durch das Netzwerk 58' der 6A veranschaulichten. 9B veranschaulicht
die berechneten Werte der Modellkapazitäten C1', C2, C3 und C4' für
das simulierte Ausführungsbeispiel
der 30, wobei die Kapazitäten C1', C2, C3 und C4' berechnete Werte
von 8,1 pF, 13,9 pF, 63,5 pF bzw. 0,16 pF aufweisen.
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Wenn
die berechneten Werte der 9B mit denen
der 9A verglichen werden, stellt man fest, dass die
Werte von C1 und C1' und
die Werte von C4 und C4' wie
erwartet variieren und dass der Wert von C2 wie erwartet konstant
bleibt. Jedoch weist die Simulation eine leichte Variation des Wertes
der Massekopplungskapazität
C3 auf, von dem man annimmt, dass er durch die Variation der Elektrodenfläche der
ersten Elektrode 32 nicht beeinflusst wird. Wie nachstehend
beschrieben wird, führt
eine derartige Variation zu Fehlern bei den Werten der gemäß den hierin
beschriebenen Techniken berechneten Physikalisches-Modell-Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf die FEM-Simulation wurden die berechneten
Werte von C1, C2, C3 und C4 der 9A anschließend in
Impedanzen umgewandelt, und auf der Basis der bei der Simulation
verwendeten Wechselspannungen wurden die resultie renden Ströme an jedem
der Tore und Y-Parameter Y1, Y2 und Y3 ermittelt. Desgleichen wurden die
berechneten Werte von C1',
C2, C3 und C4' der 9B in
Impedanzen umgewandelt, und auf der Basis der bei der Simulation
verwendeten Wechselspannungen wurden die resultierenden Ströme an jedem
der Tore und Y-Parameter
Y1', Y2' und Y3' ermittelt. Ausgehend
von diesen Werten von Y1, Y2, Y3, Y1', Y2' und
Y3' wurden unter
Verwendung der Gleichungen I mit VI der 7 die Modellkapazitäten C1,
C2, C3, C4, C1' und
C4' berechnet.
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10 ist
eine Tabelle 100, die Werte der Kapazitäten C1, C2 und C3 für die oben
beschriebene FEM-Simulation veranschaulicht. Eine erste Zeile 102 veranschaulicht „Eingangsdaten”, die mittels FEM
berechnete Werte umfassen. Eine zweite Zeile 104 veranschaulicht
Werte, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Elektrodenvariationstechniken
(d. h. unter Verwendung von Y-Modell-Parametern und der Gleichungen
I bis VI) berechnet werden. Eine dritte Zeile 106 veranschaulicht
die Prozentdifferenz zwischen den „Eingangswerten” und denen,
die unter Verwendung von Techniken der Variation der Elektrodenfläche berechnet
wurden. Wie oben erwähnt
wurde, ergeben sich diese Fehler aus der Tatsache, dass, obwohl
man annimmt, dass die Kopplungskapazität C3 durch die Variation der
Elektrodenfläche
der ersten Elektrode E1 unbeeinflusst bleibt, in der Tat eine geringe
Variation der Kopplungskapazität
C3 vorliegt, wenn die Elektrodenfläche der ersten Elektrode E1
ausgehend von der ersten Elektrodenfläche an die zweite Elektrodenfläche angepasst wird.
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Jedoch
können
Variationen bzw. Schwankungen des Wertes der Kopplungskapazität C3 durch die
Konfiguration des Systems 30, einschließlich z. B. der Bemessung der
Elektrodenfläche
der ersten und der zweiten Elektrode 32, 34 und
deren Positionierung in dem Sitz 42 (die beispielsweise
unter Verwendung der oben beschriebenen FEM-Techniken modelliert
werden kann) minimiert werden oder zumindest innerhalb akzeptabler
Grenzen gehalten werden. Ein Begrenzen oder Minimieren von Schwankun gen
der Kopplungskapazität
C3 verringert wiederum die Fehler bei den ermittelten Werten der
Physikalisches-Modell-Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Elektrodenvariationstechniken
ermittelt werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
liefert beispielsweise ein derartiges Konfigurieren einer Anordnung
der ersten und der zweiten Elektrode 32 und 34 (z.
B. Elektrodenflächen
und Positionierung in dem Sitz 42), dass eine Variation
der Elektrodenfläche
der ersten Elektrode 32 eine 30–50%ige Variation der Werte
C1 und C4 und unerwünschte
Variationen der Werte C2 und C3 von nicht mehr als 1% liefert, präzise Ergebnisse
bei einer Verwendung der hierin beschriebenen Elektrodenvariationstechniken. Derartige
Konfigurationen können
vor einem eigentlichen Zusammenbau und Testen unter Verwendung der
oben beschriebenen FEM-Simulationstechniken überprüft werden.
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Obwohl
sie oben vorwiegend in Bezug auf ein Bestimmen eines Besetztheitsstatus
eines Fahrzeugsitzes beschrieben wurden, können die durch das System 30 verwendeten
Techniken ohne weiteres auch zur Objekterfassung bei anderen Anwendungen
angepasst werden. Außerdem
können ähnliche
Ergebnisse, obwohl sie oben bezüglich
eines Variierens der Elektroden- oder Plattenfläche entweder der ersten oder
der zweiten Elektrode 32 und 34 beschrieben wurden,
erzielt werden, indem statt des Variierens der Elektroden- oder
Plattenfläche
eine Position einer der Elektroden 32 und 34 variiert
wird. Wie durch 11 veranschaulicht ist, kann
beispielsweise eine Position der ersten bzw. Rückenlehnenelektrode 32 zwischen
Messungen über
eine Betätigungseinrichtung 110 variiert
werden, wie durch den Richtungspfeil bei 112 veranschaulicht
ist, und eine Position der zweiten bzw. Sitzflächenelektrode 34 kann
zwischen Messungen über
eine Betätigungseinrichtung 114 variiert
werden, wie durch den Richtungspfeil bei 116 veranschaulicht
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
ermöglicht
ein Variieren einer Position der ersten Elektrode 32 zwischen
Messungen ei ne Bestimmung der sechs Y-Parameter Y1, Y2, Y3, Y1', Y2' und Y3' und wiederum die
Bestimmung der Kapazitäten
C1, C2, C3 und C4, wie oben beschrieben wurde.
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12 ist
ein Flussdiagramm, das allgemein einen Prozess 120 für ein kapazitives
Objekt zwischen einem Paar von Elektroden veranschaulicht, der eine
Elektrodenvariation gemäß einem
Ausführungsbeispiel
verwendet. Der Prozess 120 beginnt 122, indem
er Strompfade, die durch eine Interaktion des Objekts mit einem
elektrischen Feld zwischen dem Paar von Elektroden gebildet werden,
als Netzwerk von Kondensatoren modelliert, wobei sich ein erstes
Tor zwischen einer ersten der Elektroden und einer Referenz (z.
B. Masse) befindet und sich ein zweites Tor zwischen einer zweiten
der Elektroden und der Referenz befindet. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst das kapazitive Netzwerk ein Netzwerk aus vier Kondensatoren.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfassen die vier Kondensatoren eine Kopplungskapazität zwischen
der ersten Elektrode und dem Objekt, eine Kopplungskapazität zwischen der
zweiten Elektrode und dem Objekt, eine Kopplungskapazität zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode und eine Kopplungskapazität zwischen dem
Objekt und der Referenz.
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Der
Prozess 120 beginnt bei 124, indem er einen anpassbaren
Parameter der ersten Elektrode auf eine erste Einstellung einstellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst der anpassbare Parameter eine Elektroden- oder Plattenfläche der
ersten Elektrode. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst der anpassbare Parameter eine Position der ersten Elektrode
relativ zu der zweiten Elektrode.
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Bei 126 wird
ein Satz von Wechselspannungen an die erste und die zweite Elektrode
angelegt, und ein resultierender erster Satz von Stromwerten an
dem ersten und dem zweiten Tor wird gemessen. Bei einem Ausführungsbeispiel
weist der Satz von Wechselspannungen eine Frequenz von weniger als 1
MHz auf.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weisen die Wechselspannungen eine Frequenz von 10 KHz auf.
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Der
Prozess 120 setzt sich bei 128 fort, indem er
den anpassbaren Parameter der ersten Elektrode auf eine zweite Einstellung
einstellt. Bei 130 wird der Spannungssatz erneut an die
erste und die zweite Elektrode angelegt, und ein resultierender zweiter
Satz von Stromwerten an dem ersten und dem zweiten Tor wird gemessen.
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Bei 132 werden
die Werte der Kondensatoren des modellierten kapazitiven Netzwerks
von 122 auf der Basis des ersten und des zweiten Satzes
von Stromwerten bestimmt, die bei 126 und 130 bestimmt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Bestimmen der Werte der Kondensatoren ein Bestimmen
eines ersten Satzes von Y-Parametern eines ersten Y-Modell-Äquivalents des kapazitiven Netzwerks
von 122, wobei die erste Elektrode bei der ersten Einstellung
auf der Basis des ersten Satz von Stromwerten liegt, ein Bestimmen
eines zweiten Satzes von Y-Parametern eines zweiten Y-Modell-Äquivalents des kapazitiven
Netzwerks von 122, wobei die erste Elektrode bei den zweiten
Einstellungen auf der Basis des zweiten Satzes von Stromwerten liegt, und
ein Bestimmen von Werten der vier Kondensatoren des kapazitiven
Netzwerks auf der Basis einer Beziehung zwischen den Kondensatoren
des kapazitiven Netzwerks und dem ersten und dem zweiten Satz von
Y-Parametern (z. B. Gleichungen I bis VI der 7).
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Bei 134 wird
auf der Basis eines oder mehrerer der bei 132 ermittelten
kapazitiven Werte ein Vorhandensein eines Objekts zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode identifiziert. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird das Vorhandensein eines Objekts identifiziert, indem die bei 132 ermittelten
kapazitiven Werte mit vorbestimmten kapazitiven Werten verglichen
werden, die verschiedene Arten von Objekten (z. B. einen menschlichen
Körper)
angeben oder diesen entsprechen.
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Obwohl
hierin spezifische Ausführungsbeispiele
veranschaulicht und beschrieben wurden, wird Fachleuten einleuchten,
dass die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele durch
eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen
ersetzt werden können, ohne
von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die
vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen
der hierin erörterten
spezifischen Ausführungsbeispiele
abdecken. Deshalb ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
lediglich durch die Patentansprüche
und deren Äquivalente
beschränkt
werde.