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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 Referenzelektrode mit dieser Sensorauswerte- und Steuerschaltung gekoppelt ist. Ebenfalls mit der Sensorauswerte- und Steuerschaltung ist eine Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors zum Erfassen der Annäherung eines Objekts gekoppelt, wobei die Sensorauswerte- und Steuerschaltung zur Ermittlung der Kapazität zwischen Sensorelektrode und Referenzelektrode ausgebildet ist.
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Außerdem ist eine Richtelektrode mit der Sensorauswerte- und Steuerschaltung gekoppelt. Die Sensorauswerte- und Steuerschaltung ist ausgebildet, um das Potenzial der Richtelektrode einzustellen.
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Kapazitive Annäherungssensoren sind im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Diese Sensoren wirken auf einem Prinzip der Veränderung der Kapazität einer Elektrode durch Änderung des umliegenden Dielektrikums.
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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. Mit Hilfe einer Schaltung kann eine solche Kapazitätsänderung durch 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-Elektrode) 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.
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Der Begriff "Richtelektrode" ist im Rahmen dieser Anmeldung 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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Die Richtelektrode wird im Zusammenhang mit anderen Anmeldungen und bei eingeschränkter Funktionalität auch als "Schirmelektrode" oder "Shield Electrode" bezeichnet. Im Rahmen dieser Erfindung geht die Funktion der Richtelektrode jedoch über die Funktion einer Schirmelektrode hinaus, so dass hier ein anderer Begriff verwendet wird, welcher den Begriff der Richtelektrode erweitert.
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Die mit der Sensorelektrode gekoppelten 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 Richtelektrode wird im Stand der Technik zwischen der Sensorelektrode und der Referenzelektrode angeordnet, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung ihr Potenzial dem Potential der Sensorelektrode im wesentlichen nachführt, wobei sich ein Detektionsbereich der Sensoranordnung in den Raum vor der Sensorelektrode erstreckt.
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Eine kapazitive Sensoranordnung der genannten Art ist beispielsweise aus dem
US-Patent 5,730,165 bzw. der entsprechenden Patentschrift
DE 196 81 725 B4 bekannt. 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. 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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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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Je nach Ausbildung der Fahrzeugkarosserie und der Fahrzeugbauteile ist eine Erfassung durch Anordnung der Sensoreinrichtung und Steuereinrichtung sowie weitere Bauteile des Fahrzeugs problematisch. So kann beispielsweise eine Anhängerkupplung oder besondere Gestaltung der Karosserie Störungen in der Erfassung hervorrufen.
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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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Erfindungsgemäß weist die Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff eine Anordnung auf, bei der die Richtelektrode und die Sensorelektrode über Teilabschnitte der Längserstreckung der Elektrodenanordnung als Koaxialleiteranordnung ausgebildet sind. In diesen ersten Teilabschnitten verläuft die Richtelektrode als Innenleiter der Koaxialleiteranordnung und die Sensorelektrode als Außenleiter. Die Sensorelektrode umgreift oder umfasst den Innenleiter. Diese Abschnitte wirken als Abschnitte mit einer ersten, maximierten Sensitivität. Diese erste Sensitivität ist gegenüber den später erwähnten Abschnitten mit zweiter Sensitivität größer und wird daher als erhöhte oder auch maximierte Sensitivität bezeichnet.
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Entlang anderer axialer Abschnitte der Elektrodenanordnung, die nicht mit den vorgenannten ersten Teilabschnitten überlappen, verläuft die Richtelektrode nicht innerhalb der Sensorelektrode. Die Richtelektrode verläuft vielmehr außerhalb der Sensorelektrode, also z.B. neben der Sensorelektrode. Diese Bereiche werden als Bereiche verringerter Sensitivität bezeichnet, wie gleich beschrieben wird.
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Erfindungsgemäß weist die Elektrodenanordnung also entlang ihrer Längsabschnitte Bereiche unterschiedlicher Sensitivität auf. In den Bereichen mit hoher Sensitivität ist eine Koaxialleiteranordnung gebildet, mit der Richtelektrode als Innenleiter und der Sensorelektrode als Außenleiter.
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Zur Detektion von Annäherungen von Objekten wird durch die Sensorauswerte- und Steuerschaltung eine Kapazität zwischen der Sensorelektrode und einer Referenzelektrode, z.B. der Fahrzeugmasse ermittelt. Die Ermittlung und Erfassung der Kapazität ist in zahlreichen Veröffentlichungen (siehe oben) in alternativen Gestaltungen beschrieben. Beispielsweise kann eine Ladungsmenge ermittelt werden, die zur Aufladung der Kapazität erforderlich ist. Die Richtelektrode als Innenleiter einer Koaxialleiteranordnung mit der Sensorelektrode als Außenleiter ermöglicht es, das Potenzial unter Steuerung der Sensorauswerte- und Steuerschaltung der innenliegenden Richtelektrode zu verändern. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Veränderung des Potenzials der Innenelektrode eines Koaxialleiters die Sensitivität der außenliegenden Sensorelektrode gegenüber Objektannäherungen beeinflusst werden kann. Die Potenzialbeaufschlagung der Sensorelektrode und der Richtelektrode erfolgt dabei in der Praxis oft mit hoher Frequenz und eine Detektion von sich annähernden Objekten kann sowohl durch die Potenzialwerte (oder auch Spannungsamplituden) als auch durch Phasenverschiebungen und Pulslängenveränderungen der Ansteuerungen von Richtelektrode einerseits und Sensorelektrode andererseits beeinflusst werden.
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Bei der Anordnung als Koaxialleiter entfaltet diese Kombination aus Richtelektrode und Sensorelektrode nur dann ihre Wirkung hinsichtlich einer Sensitivitätserhöhung, wenn die Richtelektrode innerhalb der Sensorelektrode verläuft.
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Da es je nach Einsatz am Kraftfahrzeug jedoch Bereiche gibt, wo ausdrücklich keine maximierte Sensitivität erwünscht ist da Störeinflüsse vorhanden sind oder Bewegungen von Objekten nicht erfasst werden sollen, wird erfindungsgemäß eine Ausbildung von Elektrodenabschnitten mit verringerter Sensitivität vorgesehen. Solche Abschnitte unerwünschter Erfassung können z.B. bei einem Annäherungssensor im Bereich des Heckstoßfängers nahe der Anhängerkupplung angeordnet sein. In diesen Bereichen, wo die Sensitivität der Elektrodenanordnung gering gehalten werden soll, verläuft die Richtelektrode außerhalb der Sensorelektrode. Es kommt auf diese Weise in diesen Bereichen nicht zu einer Sensitivitätserhöhung, die sonst bei Potenzialbeaufschlagung der Richtelektrode erreicht wird.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich also die Elektrodenanordnung in einer durchgehenden Weise, dennoch sind Abschnitte der Elektrodenanordnung sensitiver ausgebildet als andere. Dies wird erfindungsgemäß durch eine räumliche Lageänderung der Elektroden in diesen Bereichen ermöglicht. Insbesondere verläuft die Elektrodenanordnung in den Bereichen erwünscht maximaler Sensitivität als Koaxialleiteranordnung mit innenliegender Richtelektrode.
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Wesentlich ist, dass in den Bereichen, in denen die Sensitivität verringert werden soll, die Richtelektrode nicht räumlich so zu der Sensorelektrode angeordnet wird, dass eine Sensitivitätsverstärkung erfolgt. Beispielsweise kann bei einer durchgehenden Koaxialleiteranordnung in diesen Abschnitten die Innenelektrode nach außen geführt und um die Koaxialleiteranordnung in einem Abschnitt herum geleitet werden, um am Ende des Abschnitts wieder den Innenleiter der Anordnung zu bilden. Die Art und Weise, wie die Richtelektrode außerhalb der Sensorelektrode verläuft ist je nach Bauform wählbar, z.B. kann die Richtelektrode in diesen Bereichen als paralleler, nebenliegender Leiter zur Sensorelektrode auf der Erfassungsseite angeordnet sein oder die Richtelektrode kann um die Sensorelektrode gewunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in den zweiten Teilabschnitten mit verringerter Sensitivität die Richtelektrode und die Sensorelektrode ebenfalls als Koaxialleiteranordnung ausgebildet. Hier jedoch bildet die Richtelektrode den Außenleiter und die Sensorelektrode bildet den Innenleiter der Anordnung. Auf diese Weise wird die Sensorelektrode abgeschirmt gegenüber äußeren kapazitätsändernden Einflüssen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in den Übergangsbereichen zwischen hoher und verringerter Sensitivität Kupplungsmittel angeordnet, welche eine Vertauschung von Innenleiter und Außenleiter innerhalb des Kupplungsmittels bewirken. Innerhalb der Kupplungsmittel werden dazu Innenleiter und Außenleiter gekreuzt, wobei beidseitig ein einfacher Anschluss für die ansonsten gleichen Koaxialleitungsabschnitte möglich ist. Mit diesen Kupplungsmitteln kann ein Koaxialleiter zu einer Sensorelektrodenanordnung mit wechselnden Bereichen hoher und geringer Sensitivität durch einfaches Verbinden hergestellt werden. Eine Elektrodenanordnung kann auf diese Weise angepasst auf jeden Fahrzeugtyp in gewünschter Weise mit gewünschten Erfassungsbereichen erzeugt werden, indem die Koaxialleiteranordnung entsprechend abgelenkt und die Bereiche hoher Sensitivität von den Bereichen niedriger Sensitivität durch Kupplungsmittel getrennt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn an die Sensorauswerte- und Steuerschaltung ein Abschnitt mit verringerter Sensitivität angrenzt, so dass die Sensorauswerte- und Steuerschaltung über diesen Abschnitt mit der Richtelektrode und der Sensorelektrode gekoppelt ist.
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Regelmäßig besteht nicht die Möglichkeit, die Sensorauswerte- und Steuerschaltung unmittelbar angrenzend zu einem gewünschten Erfassungsbereich am Fahrzeug anzuordnen. Stattdessen ist meist eine Zuleitung von dieser Schaltung von ihrem Einbauort zu dem tatsächlichen Erfassungsbereich erforderlich. In diesem Abschnitt sollte jedoch die Sensitivität der Elektrode, da sie noch nicht den tatsächlichen Erfassungsbereich betrifft, möglichst gering gehalten sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Abschnitt verringerter Sensitivität, also einer der zweiten Teilabschnitte in dem die Sensorelektrode nicht die Richtelektrode umschließt, zwischen zwei Teilabschnitten der ersten Art mit maximierter Sensitivität angeordnet.
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Insbesondere bei Fahrzeugen, bei denen bauliche Gestaltungen die Erfassung mit einer Sensorelektrode erschweren, z.B. durch Anbau einer Anhängerkupplung, kann der Bereich um diese störenden äußeren Einflüsse gezielt aus dem Erfassungsbereich ausgeschlossen werden. Dazu wird ein Teilstück in einem Mittelabschnitt der Elektrodenanordnung gezielt unempfindlich ausgelegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Potenzial der Richtelektrode durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung veränderbar.
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Durch eine Veränderung des Potenzials der Richtelektrode kann auf Umwelteinflüsse, z.B. Luftfeuchtigkeit oder Wetterbedingungen Einfluss genommen werden, um die Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung gezielt zu verändern. Auch je nach Betriebszustand des Fahrzeugs kann eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Sensoranordnung gewünscht sein. Die Sensorauswerte- und Steuerschaltung bestimmt das gewünschte Potenzial der Richtelektrode auch in Abhängigkeit davon, welche Kapazitätswerte von den Messungen an der Sensorelektrode ermittelt werden. Das Potenzial der Richtelektrode kann im Rahmen der Erfindung abweichend von dem Potenzial der Sensorelektrode gewählt werden und diesem nicht nur folgen sondern deutlich davon abweichen. Daher wird auch das elektrische Feld in Anpassung an die äußeren Verhältnisse abweichend modifiziert.
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Wann eine Veränderung des Potenzials der Richtelektrode gegenüber der Sensorelektrode vorgenommen wird, hängt von dem Verfahren der Auswertung der Kapazität der Sensorelektrode ab.
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Wird das vorstehend beschriebene Verfahren zur Kapazitätsermittlung gewählt, so wird die Kapazität, gebildet zwischen Referenzelektrode und Sensorelektrode, mit hoher Frequenz schrittweise geladen. Je nachdem, welche Zeitdauer für die Aufladung erforderlich ist, wann also ein Spannungswert an der Kapazität einen Schwellwert übersteigt, kann durch die Auswerteschaltung ein Wert für die Kapazität ermittelt werden.
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Wird festgestellt, dass die Anzahl von Ladezyklen (Burst-Länge) aus einem vorgegebenen Soll-Bereich abweicht (die kann über eine Mehrzahl von Ladezyklen gemittelt werden), so ist dies ein Indiz für eine ungeeignet eingestellte Sensitivität der Anordnung. Eine Kapazitätsänderung kann zwar auch ein Hinweis auf eine Betätigung bzw. Annäherung sein, eine Änderung, die zur Anpassung des Potenzials der Richtelektrode führt findet jedoch bei deutlich längeren Zeitkonstanten statt als die Änderung aufgrund einer Annäherung. Beispielsweise kann die Mittelung der erforderlichen Ladezyklen über mehrere Sekunden oder sogar Minuten erfolgen, um veränderlichen Umwelteinflüssen (Witterung etc.) Rechnung zu tragen.
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Dauert es nach dieser Auswertung z.B. zu lange, bis die vorgegebene Ladeschwelle erreicht wird, so wird die Spannung der Richtelektrode verändert, um die Feldlinien von Sensorelektrode zu Referenzelektrode zu beeinflussen und die Sensitivität der Anordnung zu verändern.
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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 Sensorelektrodenanordnung im Heckbereich eines Kraftfahrzeugs;
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2 einen schematischen Verlauf von Sensorelektrode und Richtelektrode entlang von Abschnitten der Elektrodenanordnung;
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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 3 angeordnet. Die Sensorelektrodenanordnung 3 weist Abschnitte 4a mit gezielt minimierter Sensitivität auf sowie Abschnitte 4b in welchen die Sensitivität maximal sein soll.
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Die Abschnitte 4b sind dabei so ausgebildet, dass hier ein Koaxialleiter aus Richtelektrode und Sensorelektrode gebildet ist. In den Abschnitten 4b verläuft die Richtelektrode als Innenleiter der Koaxialanordnung und die Sensorelektrode als Außenleiter. In den Abschnitten 4a sind die Anordnungen der Leiter vertauscht, die Richtelektrode verläuft als Außenleiter und die Sensorelektrode als Innenleiter.
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Es ist ersichtlich, dass im Heckbereich des Fahrzeugs gezielt Abschnitte mit gewünscht maximaler Empfindlichkeit gebildet sind und im Mittelbereich und im Seitenbereich des Fahrzeugs die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung verringert ist. Die Übergänge zwischen den Abschnitten können in beliebiger Weise gebildet sein, insbesondere können Kupplungsstücke zur Leitervertauschung eingesetzt werden, es kann jedoch auch eine einfache Lötverbindung zum Vertauschen der Leiter mit anschließendem Vergießen mit Kunststoff oder mit Schrumpfschlauchbedeckung verwendet werden.
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2 zeigt den Verlauf der Elektrode in einer schematischen und nicht maßstabsgerechten Weise. Im ganz linken Abschnitt des Elektrodenverlaufs bildet die Sensorelektrode 10 den Innenleiter der Koaxialleiteranordnung 3. Der Außenleiter wird durch die Richtelektrode 11 gebildet. Beim ersten Übergang zum linken Abschnitt 4b erfolgt ein Leiterwechsel, so dass im Abschnitt 4b die Sensorelektrode den Außenleiter bildet und die Richtelektrode 10 den Innenleiter. Im Innenabschnitt 4a, welcher auf der rechten Seite von dem ersten Abschnitt 4b folgt, ist wiederum ein Bereich geringer Empfindlichkeit gebildet, in dem die Sensorelektrode den Innenleiter bildet und die Richtelektrode den Außenleiter bildet. Im rechten Abschnitt 4b bildet wiederum die Sensorelektrode den Außenleiter und die Richtelektrode den Innenleiter.
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Es ist zu erkennen, dass in den Abschnitten mit erhöhter Sensitivität der Außenleiter durch die Sensorelektrode gebildet ist. Der mittlere Abschnitt 4a führt die Sensorelektrode als Innenleiter und damit unter Abschirmung der Richtelektrode und insbesondere ohne die Verstärkungswirkung der Richtelektrode.
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Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, insbesondere können Abschnitte unterschiedlicher Längserstreckung mit unterschiedlichen Sensitivitäten kombiniert werden. Außerdem ist es nicht erforderlich, dass wie im gezeigten Beispiel jederzeit ein Koaxialleiter gebildet ist. Stattdessen könnten beispielsweise im vorgenannten Beispiel die Abschnitte 4a auch einfach aus zwei parallelen Drähten gebildet werden, vorzugsweise mit der Richtelektrode auf der einem Erfassungsbereich zugewandten Seite der Sensorelektrode.
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Wesentlich ist, dass in diesem Bereich die Richtelektrode nicht ihre sensitivitätserhöhende Wirkung entfaltet, da sie nicht entsprechend zu der Sensorelektrode ausgerichtet ist. In den Bereichen erhöhter Sensitivität jedoch wird erfindungsgemäß eine Koaxialanordnung verwendet, wobei die Sensorelektrode den Außenleiter bildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5730165 [0010]
- DE 19681725 B4 [0010]
- EP 1339025 B1 [0010]
- EP 0518836 A1 [0011]
- US 6825752 B2 [0011]
- DE 10131243 C1 [0011]
- DE 102006044778 A1 [0011]
- DE 102010000271 [0012]
- DE 102010002559 [0012]
- DE 102010037577 [0012]
