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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Detektionselement zur Unterscheidung verschiedener Bewegungszustände nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Detektionselemente zur Unterscheidung verschiedener Bewegungszustände sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
US 5,227,929 eine Anordnung zur Detektion des freien Falls zum Schutz von Festplatten in portablen Computern bekannt, welche einen 3-Achsen Beschleunigungssensor und eine Recheneinheit aufweist. Der 3-Achsen Beschleunigungssensor misst kontinuierlich die Beschleunigung in der x-, y- und z-Achse, wobei die Recheneinheit die Daten des Beschleunigungssensors kontinuierlich auswertet und im Falle eines freien Falls, einen Alarm an die zentrale Recheneinheit des portablen Computers sendet. Die zentrale Recheneinheit gibt im Anschluss ein Signal zum Parken des Schreib-/Lesekopfes der Festplatte. Die Detektion eines freien Falls bedingt, dass keine starken Rotationsbewegungen vorliegen, da die bei Rotationsbewegungen auftretenden Drehbeschleunigungen die eindeutige Erkennung eines freien Falls erschweren.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
US 2006/0236761 A1 eine Anordnung zur Detektion des freien Falls mit Rotationsbewegungen bekannt, wobei die Anordnung ein Beschleunigungsmesselement und ein Winkelgeschwindigkeitsmesselement aufweist. Mit Hilfe der Beschleunigungssignale und der Winkelgeschwindigkeitssignale wird der Massenschwerpunkt der zu schützenden Vorrichtung von einer Recheneinheit errechnet, wobei ein freier Fall mit Rotationsbewegungen mit diesem Verfahren jedoch nicht zuverlässig detektiert werden kann und ferner der Aufbau einer solchen Vorrichtung sehr kompliziert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Detektionselement, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Detektionselement einen Beschleunigungssensor und einen Magnetfeldsensor aufweist, wodurch mit einfachen Mitteln ein freier Fall des Detektionselements und damit auch einer mit ihm verbundenen Vorrichtung bzw. einem System sicherer detektiert werden kann, insbesondere ein freier Fall mit Rotationsbewegung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor in drei Raumrichtungen sensitiv ist und/oder dass der Magnetfeldsensor in drei Raumrichtungen sensitiv ist, wobei eine sehr hohe Messgenauigkeit und eine sehr zuverlässige Detektion des freien Falls erreicht werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, entweder einen zwei-Achsen Beschleunigungssensor bei einem drei-Achsen Magnetfeldsensor zu verwenden, oder einen zwei-Achsen Magnetfeldsensor bei einem drei-Achsen Beschleunigungssensor zu verwenden. Mit diesen Kombinationen können bei geringerem Aufwand noch sehr genaue Messergebnisse und eine zuverlässige Detektion des freien Falls erreicht werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionselement eine Auswerteeinheit aufweist. Beispielsweise ist hierbei möglich, dass der Beschleunigungssensor, der Magnetfeldsensor und die Auswerteeinheit monolithisch integriert aufgebaut werden können. Dies spart Bauraum und Energie und ist darüber hinaus sehr kostengünstig.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionselement in einer Vorrichtung oder in einem System eingebaut ist und die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Vorrichtung dadurch geschützt werden kann, dass durch das Steuergerät eine geeignete Schutzmaßnahme eingeleitet wird, sobald ein freier Fall erkannt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Steuergerät zur Steuerung eines Schreib-/Lesekopfes einer Festplatte verwendet wird, wobei der Schreib-/Lesekopf in einer normalen Position oder in einer Parkposition positioniert werden kann. Wenn ein freier Fall detektiert wird, wird der Schreib-/Lesekopf in die Parkposition gefahren, wobei sich der Schreib-/Lesekopf nicht über der Magnetscheibe der Festplatte befindet. Der Vorteil hierbei ist, dass bei einem Aufprall der Festplatte keine Daten verloren gehen, da sich der Schreib-/Lesekopf sicher in seiner Parkposition befindet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor mikromechanisch ausgestaltet ist und/oder der Magnetfeldsensor mikromechanisch ausgestaltet ist, wobei bevorzugt der Beschleunigungssensor und/oder der Magnetfeldsensor monolithisch mit der Auswerteeinheit integriert aufgebaut sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass die einzelnen Bauteile sehr klein und leicht realisierbar sind und weiterhin ist durch die Verwendung mikromechanischer- und/oder mikroelektronischer Bauteile eine schnelle und kostengünstige Produktion möglich.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Festplatte ist, wobei das bewegliche Element ein Schreib-/Lesekopf ist, wobei die Betriebsposition eine Schreib-/Leseposition des Schreib-/Lesekopfes ist und wobei die Schutzposition eine Parkposition des Schreib-/Lesekopfes ist, wobei für den Fall der Detektion des freien Falls der Schreib-/Lesekopf in die Parkposition gefahren wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Schreib-/Lesekopf sowie die Magnetscheibe der Festplatte im Falle eines Aufpralls sicher gegen Beschädigungen geschützt sind.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion des freien Falls mittels eines Beschleunigungssensors und eines Magnetfeldsensors. Hierbei ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Signal des Beschleunigungssensors drei erste Raumrichtungskomponenten aufweist und/oder dass das Signal des Magnetfeldsensors drei zweite Raumrichtungskomponenten aufweist, was den Vorteil hat, dass die genaue Lage der Vorrichtung und ihre Bewegung bestimmt werden kann. Diese Informationen können auch für andere Anwendungen, wie zum Beispiel die graphische Darstellung auf Displays in Mobiltelefonen, nützlich sein.
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Gemäß anderen bevorzugten Weiterbildungen ist vorgesehen, dass die Summe der Beträge der ersten Raumrichtungskomponenten, mit einem ersten Schwellenwert verglichen wird, wobei ein freier Fall ohne Rotationsbewegung erkannt wird, wenn der erste Schwellenwert für eine vorgegebene Zeit unterschritten ist, wobei weiterhin ein freier Fall mit Rotationsbewegung entweder erkannt, wenn die Summe der Beträge der hochpassgefilterten zweiten Raumrichtungskomponenten einen zweiten Schwellenwert für eine bestimmte Zeit überschritten ist, oder, gemäß einer alternativen Ausführungsform, wenn die Beträge der hochpassgefilterten zweiten Raumrichtungskomponenten jeweils mit einem zweiten Schwellenwert verglichen werden, wobei ein freier Fall erkannt wird, wenn der zweite Schwellenwert für mindestens eine Raumrichtungskomponente für eine weitere bestimmte Zeit überschritten ist. Ein Vorteil dieser Weiterbildungen ist es, dass ein freier Fall mit oder ohne Rotationsbewegungen von anderen Bewegungen, die bei der normalen Benutzung der Vorrichtung entstehen und in der Regel keine Beschädigungen verursachen, unterschieden werden können. Daraus ergibt sich, dass der Schreib-/Lesekopf nicht unnötig in seine Parkposition gefahren wird, was eine störungsarme Arbeitsweise beispielsweise einer Festplatte ermöglicht.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich der Schreib-/Lesekopf einer Festplatte in einer Betriebsposition und in einer Schutzposition befinden kann, wobei er in die Schutzposition gefahren wird, sobald ein freier Fall erkannt wurde. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich der Schreib-/Lesekopf, während er in seiner Schutzposition ist, nicht über der Magnetscheibe der Festplatte befindet, daher werden die Scheibe und der Schreib-/Lesekopf bei dem Aufprall nicht beschädigt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 ein Blockschaltbild des mechanischen Aufbaus der vorliegenden Erfindung,
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2 ein Blockschaltbild der Auswertung der Beschleunigungs- und der Magnetfeldsignale gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 ein Blockschaltbild der Auswertung der Beschleunigungs- und der Magnetfeldsignale gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung von relevanten Achsen der vorliegenden Erfindung,
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5a eine schematische Darstellung beispielhafter Messdaten eines Beschleunigungssensors für einen freien Fall ohne Drehung,
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5b eine schematische Darstellung beispielhafter Messdaten eines Magnetfeldsensors für einen freien Fall ohne Drehung,
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6a eine schematische Darstellung beispielhafter Messdaten eines Beschleunigungssensors für einen freien Fall mit Drehung,
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6b eine schematische Darstellung beispielhafter Messdaten eines Magnetfeldsensors für einen freien Fall mit Drehung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Vorrichtung 8 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Vorrichtung 8 ein Steuergerät 4 und ein Detektionselement 9 aufweist, wobei dieses einen Beschleunigungssensor 2, einen Magnetfeldsensor 1 und eine Auswerteeinheit 3 aufweist. Der Beschleunigungssensor 2 misst, insbesondere kontinuierlich, die auftretenden Beschleunigungskräfte, bevorzugt in drei Raumrichtungen, wobei ein freier Fall, bzw. eine Bewegung der Vorrichtung 8 erkannt wird. Der Magnetfeldsensor 1 misst, insbesondere kontinuierlich, das umgebende Magnetfeld, bevorzugt in drei Raumrichtungen, und ist für das Erdmagnetfeld sensitiv, wobei eine Rotationsbewegung der Vorrichtung einfach erkannt werden kann. Die Auswerteeinheit 3 führt die gemessenen Daten zusammen, verarbeitet sie und wertet die Ergebnisse aus, wobei auf den Bewegungszustand der Vorrichtung 8 geschlossen werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung soll ein freier Fall detektiert werden. Im Folgenden wird der freie Fall auch als ein zweiter Bewegungszustand bezeichnet. Ein erster Bewegungszustand ist eine Bewegung ohne freien Fall und wird als Normalfall aufgefasst, beziehungsweise einer normalen Benutzungssituation der Vorrichtung 8 zugeordnet. Der zweite Bewegungszustand ist ein freier Fall mit oder ohne Rotationsbewegung. Durch die Kombination des Beschleunigungssensors 2 und des Magnetfeldsensors 1, kann ein freier Fall besonders genau erkannt und von einer Störung wie zum Beispiel eine Benutzer-Bewegung oder einem Stoß unterschieden werden. Bei der Erkennung des zweiten Bewegungszustandes durch die Auswerteeinheit 3, wird beispielsweise durch das Steuergerät 4 ein Schutzmechanismus aktiviert, wobei zum Beispiel der Schreib-/Lesekopf einer Festplatte in eine Parkposition gebracht wird, in der er sich nicht über den Magnetscheiben der Festplatte befindet. Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht somit einen sicheren und störungsunempfindlichen Schutz in mobilen Vorrichtungen 8, insbesondere Festplatten.
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In 2 ist ein Blockschaltbild der Auswertung der Beschleunigungs- und der Magnetfeldsignale gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, wobei der Beschleunigungssensor 2 ein erstes Signal 52 und der Magnetfeldsensor 1 ein zweites Signal 51 erzeugt. Beispielsweise weist das erste Signal 52 bei einem in drei Raumrichtungen sensitiven Beschleunigungssensor 2 drei Richtungskomponenten auf, die im Folgenden als erste Richtungskomponenten 41, 42, 43 bezeichnet werden. Beispielsweise weist das zweite Signal 51 bei einem in drei Raumrichtungen sensitiven Magnetfeldsensor 1 drei Richtungskomponenten auf, die im Folgenden als zweite Richtungskomponenten 44, 45, 46 bezeichnet werden. Das erste Signal 52 und das zweite Signal 51 werden zuerst parallel verarbeitet und ausgewertet. Im Anschluss daran werden die Ergebnisse mit einem ODER-Glied 30 verknüpft. Tritt entweder ein freier Fall mit Rotation, detektiert insbesondere von dem Magnetfeldsensor 1, oder ein freier Fall ohne Rotation, detektiert insbesondere von dem Beschleunigungssensor 2 ein, wird ein Signal generiert, das weitere Maßnahmen auslöst, wobei beispielsweise ein Schutzmechanismus aktiviert wird.
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Die Summe der Beträge der ersten Richtungskomponenten 41, 42, 43 wird in einem mit 22 bezeichneten Verfahrensschritt gebildet und im Anschluss in einem mit 21 bezeichneten Verfahrensschritt mit einem ersten Schwellenwert verglichen, wobei ein freier Fall ohne Rotation erkannt wird, wenn der erste Schwellenwert für ein erstes vorgegebenes Zeitintervall 24 unterschritten ist. Dies wird beispielsweise mittels eines Zählers 23 realisiert, wobei die Vergleichsbedingung des mit 21 bezeichneten Verfahrensschritts während des ersten Zeitintervalls erfüllt sein muss. Beispielsweise wird der Zähler 23 gestartet, sobald der erste Schwellenwert unterschritten ist. Der Zähler 23 zählt nur, solange der erste Schwellenwert unterschritten ist, wobei ein freier Fall beispielsweise detektiert wird, sobald der Zählerstand größer ist, als das erste vorgegebene Zeitintervall 24. Der erste Schwellenwert ist sehr von den Sensorcharakteristika abhängig, wobei die Offsets, die Empfindlichkeitsdrift sowie die Temperaturabhängigkeit besonders berücksichtigt werden müssen.
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Hinsichtlich der zweiten Richtungskomponenten 44, 45, 46 findet jeweils eine Hochpassfilterung statt, die jeweils mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Die Summe der hochpassgefilterten Beträge der zweiten Richtungskomponenten wird in einem mit 11 bezeichneten Verfahrensschritt gebildet und im Anschluss in einem mit 13 bezeichneten Verfahrensschritt mit einem zweiten Schwellenwert verglichen, wobei ein freier Fall mit Rotation erkannt wird, wenn der zweite Schwellenwert für ein zweites vorgegebenes Zeitintervall 15 überschritten ist. Dies wird beispielsweise mittels eines Zählers 14 realisiert, wobei die Vergleichsbedingung des mit 13 bezeichneten Verfahrensschritts während des zweiten Zeitintervalls erfüllt sein muss. Beispielsweise wird der Zähler 14 gestartet, sobald der zweite Schwellenwert überschritten ist. Der Zähler 14 zählt nur, solange der zweite Schwellenwert überschritten ist, wobei ein freier Fall beispielsweise detektiert wird, sobald der Zählerstand größer ist, als das zweite vorgegebene Zeitintervall. Dieses erfindungsgemäße Verfahren, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ermöglicht somit eine sichere Detektion eines freien Falls.
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In 3 ist ein Blockschaltbild der Auswertung der Beschleunigungs- und der Magnetfeldsignale, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Auswertung des ersten Signals 52 erfolgt wie gemäß der ersten Ausführungsform (2) bereits beschrieben. Die hochpassgefilterten Beträge der zweiten Richtungskomponenten werden wie bei der ersten Ausführungsform im mit 12 bezeichneten Verfahrensschritt gebildet. Diese werden in einem mit 16 bezeichneten Verfahrensschritt jeweils mit einem dritten Schwellenwert verglichen und die Ergebnisse mit einem ODER-Glied 17 verknüpft, wobei ein freier Fall erkannt wird, wenn der dritte Schwellenwert für mindestens eine Richtungskomponente für das zweite vorgegebene Zeitintervall 15 überschritten ist. Dies wird beispielsweise mittels eines Zählers 14 realisiert, wobei die Vergleichsbedingung des mit 13 bezeichneten Verfahrensschrittes während des zweiten Zeitintervalls erfüllt sein muss. Beispielsweise wird der Zähler 14 gestartet, sobald der dritte Schwellenwert für mindestens eine Richtungskomponente überschritten ist. Der Zähler 14 zählt nur, solange der zweite Schwellenwert überschritten ist, wobei ein freier Fall beispielsweise detektiert wird, sobald der Zählerstand größer ist, als das zweite vorgegebene Zeitintervall 15. Dieses erfindungsgemäße Verfahren, gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ermöglicht somit eine sichere Detektion eines freien Falls.
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In 4 sind sensitive Achsen des Magnetfeldsensors 1, in Bezug auf einen tragbaren Rechner als Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 mittels eines Koordinatensystems schematisch dargestellt, wobei zwei Achsen x, y in der Haupterstreckungsebene der Vorrichtung 8 liegen. Eine weitere Achse z verläuft senkrecht zu ihnen, wobei bei einem freien Fall in erster Linie zwei Achse relevant sind.
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In 5a ist ein Diagramm schematisch dargestellt, in dem das erste Signal 52 mit beispielsweise drei ersten Richtungskomponenten 41, 42, 43, für eine erste beispielhafte Messung eines freien Falls ohne Rotationsbewegung, in Abhängigkeit der Zeit 27 aufgetragen ist. Der freie Fall findet in einem mit 40 bezeichneten Zeitraum statt, wobei eine deutliche Änderung zumindest einer der ersten Richtungskomponenten zu erkennen ist, durch welche der freie Fall eindeutig detektierbar ist.
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In 5b ist ein Diagramm schematisch dargestellt, in dem das zweite Signal 51 mit beispielsweise drei zweiten Richtungskomponenten 44, 45, 46, für die erste beispielhafte Messung in Abhängigkeit der Zeit 27 aufgetragen sich. Der freie Fall findet in dem mit 40 bezeichneten Zeitraum statt, wobei keine deutlichen im Sinne von großen relativen Änderungen der zweiten Richtungskomponenten zu erkennen sind. Für einen solchen Fall kann der freie Fall allein aufgrund des ersten Signals 52 detektiert werden.
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In 6a ist ein Diagramm schematisch dargestellt, in dem das erste Signal 52 mit beispielsweise drei ersten Richtungskomponenten 41, 42, 43, für eine zweite beispielhafte Messung eines freien Falls mit Rotationsbewegung, in Abhängigkeit der Zeit 27 aufgetragen sind. Der freie Fall findet in einem mit 40 bezeichneten Zeitraum statt, wobei aus den ersten Richtungskomponenten kein eindeutiges Ergebnis abgeleitet werden kann, da die Summe der Beträge aufgrund der Rotationsbewegung nicht kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. In diesem Fall muss für eine eindeutige Detektion des freien Falls, das von dem Magnetfeldsensor 1 gemessene zweite Signal 51 beachtet werden.
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In 6b ist ein Diagramm schematisch dargestellt, in dem das zweite Signal 51 mit beispielsweise drei zweiten Richtungskomponenten 44, 45, 46, für die zweite beispielhafte Messung, in Abhängigkeit der Zeit 27 aufgetragen sind. Der freie Fall findet in dem mit 40' bezeichneten Zeitraum statt, wobei hier starke Änderungen der zweiten Richtungskomponenten zu erkennen sind, wodurch eine Rotationsbewegung eindeutig detektiert wird, und somit auch der freie Fall.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5227929 [0002]
- US 2006/0236761 A1 [0003]
