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Die Erfindung betrifft ein Schaltsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Schaltsystem dient zur Bedienung eines Geräts durch einen Benutzer. Insbesondere kann das Schaltsystem in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Beispielsweise kann das Schaltsystem als Bedienelement im und/oder am Lenkrad des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Weitere Beispiele für die Verwendung des Schaltsystems sind dessen Anordnung in der Armaturentafel, in der Mittelkonsole, an der Armablage in der Türe o. dgl. im Kraftfahrzeug.
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Ein derartiges Schaltsystem umfasst ein zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbares Schaltelement. Zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements ist das Schaltsystem mit einer Auswerteeinheit versehen. Nach entsprechender Auswertung kann dann mittels des Schaltelements eine zugehörige Funktion für das zugeordnete Gerät schalt- und/oder auslösbar sein. Herkömmlicherweise ist das Schaltsystem mittels elektrischer Leitungen mit dem zugeordneten Gerät verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schaltsystem derart weiterzuentwickeln, dass auf die elektrischen Leitungen zur Verbindung mit dem zugeordneten Gerät verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schaltsystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Schaltsystem ist ein mit dem Schaltelement in Wirkverbindung stehender RFID-Tag vorgesehen. Die Auswerteeinheit weist einen Sender und/oder Empfänger für elektromagnetische Wellen auf, wobei der Sender und/oder Empfänger zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements mit dem RFID-Tag zusammenwirkt. Da keine elektrischen Leitungen vom Schaltsystem zu dem zu bedienenden Gerät notwendig sind, lässt sich das erfindungsgemäße Schaltsystem vorteilhafterweise sehr flexibel anordnen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer Weiterbildung des Schaltsystems kann das Zusammenwirken des RFID-Tags mit der Auswerteeinheit erfolgen, indem die Auswerteeinheit ein Abfragesignal sendet und der RFID-Tag ein Antwortsignal mit einer Information zur Identifikation und/oder Schaltstellung des Schaltelements an die Auswerteeinheit zurücksendet. Dadurch ist die Erkennung bzw. Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements mit Hilfe des Antwortsignals in einfacher Art und Weise ermöglicht.
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Besonders bevorzugt ist, dass es sich bei dem RFID-Tag um einen SAW(Surface-Acoustic-Wave)-Tag handelt. Das von der Auswerteeinheit ausgesandte Abfragesignal wird vom SAW-Tag als codiertes Antwortsignal, das die Information zur Schaltstellung und/oder zur Identifikation des Schalters beinhaltet, zur Auswerteeinheit reflektiert. In vorteilhafter Weise kann der SAW-Tag ohne Energie betreibbar sein.
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In funktionssicherer Art und Weise kann der SAW-Tag ein Substrat aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, ein piezoelektrisches Substrat, beispielsweise einen Quarz, o. dgl. umfassen. Der SAW-Tag kann eine Tag-Antenne zum Empfang des Abfragesignals aufweisen. Die Tag-Antenne kann wiederum mit einem das elektromagnetische Signal des Abfragepulses in eine akustische Oberflächenwelle (surface acoustic wave – SAW-Puls) umwandelnden Interdigitaltransducer (IDT) des SAW-Tags verbunden sein. Der SAW-Tag kann wenigstens einen an einer vorbestimmten Position des Substrats angeordneten Code-Reflektor für die akustische Oberflächenwelle aufweisen. Der an dem Code-Reflektor reflektierte Anteil des akustischen SAW-Pulses kann in einfacher Art und Weise am Interdigitaltransducer (IDT) in ein elektromagnetisches Signal zurückgewandelt sowie von der Tag-Antenne als Antwortsignal gesendet werden. Das entsprechend codiert reflektierte Antwortsignal kann dann vom Sender und/oder Empfänger in der Auswerteeinheit zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements empfangen werden. Die besondere Eigenschaft des aus Lithiumnibat oder Lithiumtantalat bestehenden Substrats ist, dass sich die akustischen Oberflächenwellen mit geringer Geschwindigkeit ausbreiten, so dass deshalb auch Substrate von kleiner Größe möglich sind. Das Schaltsystem lässt sich in diesem Falle sehr kompakt ausgestalten.
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In einer funktionssicheren Ausgestaltung kann der Interdigitaltransducer (IDT) zwei metallische Elektroden umfassen. Die Elektrode kann eine fingerartige und/oder kammartige Struktur aufweisen. Der Code-Reflektor kann aus einem metallischen Streifen bestehen. Der metallische Streifen für den Code-Reflektor kann ebenfalls eine finger- und/oder kammartige Struktur besitzen. Bei dem Metall kann es sich um Aluminium handeln, was besonders kostengünstig ist.
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In einfacher sowie kompakter Anordnung kann das Schaltelement am Code-Reflektor des SAW-Tags angeschlossen sein. Je nach Schaltzustand des Schaltelements ist der Reflektor aktiviert, nämlich wenn der Schalter geöffnet ist, oder deaktiviert, nämlich wenn der Schalter geschlossen ist. Die Trägerwelle für das Abfragesignal kann im Mikrowellen-Bereich, insbesondere mit einer Frequenz zwischen ca. 1 bis 300 GHz, liegen. Bevorzugt wird dabei der Frequenzbereich zwischen 1 und 3 GHz.
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Das erfindungsgemäße Schaltsystem eignet sich besonders zur kostengünstigen Verwendung in einem Bedienfeld, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Bei einer solchen in der Art eines Bedienfeldes ausgestalteten Schalteranordnung zum Schalten und/oder zur Auslösung von Funktionen ist ein Schaltsystem mit wenigstens zwei Schaltelementen vorgesehen.
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Bei einer ersten Ausgestaltung einer solchen Schalteranordnung ist ein, insbesondere einziger, SAW-Tag für die Schaltelemente vorgesehen. Der SAW-Tag weist jeweils einen Code-Reflektor für den Anschluss des jeweiligen Schaltelements auf. Dadurch ist in einfacher Art und Weise die Ermittlung der Identifikation und/oder der Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements anhand des von der Auswerteeinheit empfangenen Antwortsignals ermöglicht. Insbesondere ist auch bei einem einzigen SAW-Tag für mehrere Schaltelemente sowohl die Identifikation als auch die Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements anhand des von der Auswerteeinheit empfangenen Antwortsignals ermittelbar.
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Bei einer weiteren, zweiten Ausgestaltung einer solchen Schalteranordnung ist für jedes Schaltelement ein SAW-Tag vorgesehen. Der jeweilige SAW-Tag weist einen Code-Reflektor für den Anschluss des jeweiligen Schaltelements auf. Insbesondere können die Code-Reflektoren auf den einzelnen SAW-Tags unterschiedlich angeordnet sein. Dadurch ist wiederum in einfacher Art und Weise die Ermittlung der Identifikation und/oder der Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements anhand des von der Auswerteeinheit empfangenen Antwortsignals ermöglicht.
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Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltsystems mit einem zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbaren Schaltelement bereit. Bei diesem Verfahren werden die Schaltstellung und/oder die Identifikation des Schaltelements von einer Auswerteeinheit ermittelt, wozu das Schaltelement mit einem SAW-Tag in Zusammenwirkung steht. Von der Auswerteeinheit wird ein Abfragesignal zum SAW-Tag gesendet. Das Abfragesignal wird vom SAW-Tag empfangen und korrespondierend zur Schaltstellung und/oder Identifikation des Schaltelements codiert. Das derart codierte Abfragesignal wird vom SAW-Tag als codiertes Antwortsignal zur Auswerteeinheit reflektiert. Von der Auswerteinheit werden dann die Schaltstellung und/oder die Identifikation des Schaltelements anhand des codierten Antwortsignals ermittelt.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltsystems ist nachfolgendes festzustellen.
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In heutigen Systemen werden als Mensch-Maschine-Schnittstelle unter anderem Schalter zur Bedienung der Systeme durch den Menschen eingesetzt. Diese Schalter sind in der Regel drahtgebunden in das System eingebunden. Zudem findet durch die drahtgebundene Anbindung eine feste Zuordnung des Schalters an das restliche System statt. Sind der Schalter und das restliche System räumlich getrennt und/oder in keiner festen Position zueinander (z. B. Schalter am Lenkrad), wird die drahtgebundene Anbindung an das restliche System teuer und/oder technisch aufwändig.
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Die Erfindung ermöglicht durch den Einsatz eines heute schon im Stand der Technik befindlichen passiven RFID-Verfahrens (z. B. SAW-Tag), ein drahtloses Erkennen von Schaltvorgängen und deren Zuordnung zu einem definierten Schalter. Dazu wird an einen Reflektor des SAW-Tags ein Schalter angeschlossen, der je nach Schaltzustand den Reflektor aktiviert (Schalter offen) oder deaktiviert (Schalter geschlossen). Zur Auswertung eines Schaltvorgangs sendet ein HF-Reader einen Impuls, den der mit einem Schalter ausgestatte SAW-Tag empfängt. Im SAW-Tag wird dieser Impuls in Abhängigkeit der Anordnung und Anzahl der Reflektoren mehrfach verzögert und als Impulsfolge über eine Antenne wieder ausgeben, um dann vom Reader ausgewertet zu werden. Da durch das Betätigen des Schalters sich die vom Tag ausgegebene Impulsfolge verändert, ist somit die Erkennung des Schaltvorgangs möglich. Die Zuordnung des Schalters wird über eine für jeden Schalter individuelle Anordnung der nicht geschalteten Reflektoren sichergestellt.
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Geschaffen ist mit Hilfe der Erfindung eine drahtlose identifizierbare Schalterkennung.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Nachfolgendem. Die Erfindung ermöglicht bei einer größeren Anzahl von schwer anzubindenden Schaltern einen kostengünstigen Ersatz für bisherige Systeme, weil zum einem auch aufgrund des passiven SAW-Tags die Kabelanbindungen inklusive Stecker an das restliche System entfallen oder anders als bei einem heute üblicherweise über einen Bus ausgewerteten komplexen Schaltsystem, beispielsweise im Kraftfahrzeug, ein schalterseitiger Bustreiber und Mikrocontroller entfallen können. Setzt man dann noch voraus, dass ein Reader im Gesamtsystem schon für andere Anwendungen verfügbar ist, beispielsweise für die Fahrberechtigung im Kraftfahrzeug mittels RFID, so kann dieser mitgenutzt werden, ohne weitere zusätzliche Kosten zu verursachen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein Schaltsystem entsprechend dem Stand der Technik,
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2 ein erfindungsgemäßes Schaltsystem als Blockschaltbild,
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3 das Schaltsystem aus 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in näherer Ausgestaltung und
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4 das Schaltsystem aus 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Beim herkömmlichen Schaltsystem 1 gemäß der 1 ist ein Schaltelement 3 sowie eine Auswerteeinheit 2 vorgesehen. Das Schaltelement 3 ist mittels einer elektrischen Leitung 4 an die Auswerteeinheit 2 angeschlossen, so dass eine drahtgebundene Schalteranbindung 4 für das Schaltelement 3 im Schaltsystem 1 vorliegt. Die Auswerteeinheit 2 ermittelt das jeweilige Schaltelement 3 sowie dessen Schaltstellung über die drahtgebundene Schalteranbindung 4. Für jedes Schaltelement 3 im Schaltsystem 1 ist somit jeweils eine elektrische Leitung 4 erforderlich.
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Das in 2 schematisch dargestellte, erfindungsgemäße Schaltsystem 1' umfasst ein zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbares Schaltelement 3 und eine Auswerteeinheit 2' zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements 3. Mittels des Schaltelements 3 ist dann entsprechend der ermittelten Schaltstellung und/oder Identifikation eine zugehörige Funktion schalt- und/oder auslösbar, beispielsweise können in einem Kraftfahrzeug mittels des Schaltsystems 1' die Fensterheber o. dgl. durch den Benutzer bedient werden.
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Anders als beim herkömmlichen Schaltsystem 1 ist beim erfindungsgemäßen Schaltsystem 1' ein mit dem Schaltelement 3 in Wirkverbindung stehender RFID-Tag 6 vorgesehen. Die Auswerteeinheit 2' weist einen Sender und/oder Empfänger 7 für elektromagnetische Wellen 8 auf. Der Sender und/oder Empfänger 7 wirkt zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements 3 mit dem RFID-Tag 6 zusammen. Aufgrund dieses Zusammenwirkens ist somit eine drahtlose Schalteranbindung 4' zwischen der Auswerteeinheit 2 und der das Schaltelement 3 sowie den RFID-Tag 6 umfassenden drahtlosen Schaltereinheit 5 geschaffen.
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Wie in 3 zur näheren Ausgestaltung des Schaltsystems 1' zu sehen ist, erfolgt das Zusammenwirken des RFID-Tags 6 mit der Auswerteeinheit 2', indem die Auswerteeinheit 2' ein Abfragesignal 9 vom Sender und/oder Empfänger 7 mit zugehöriger Antenne 17 mittels der elektromagnetischen Wellen 8 als Trägerwelle sendet. Die Frequenz der Trägerwelle für das Abfragesignal 9 liegt dabei im Mikrowellen-Bereich, insbesondere zwischen ca. 1 bis 300 GHz und bevorzugterweise zwischen 1 bis 3 GHz. Der RFID-Tag 6 sendet anschließend ein Antwortsignal 10, das eine entsprechende Information codiert, an die Auswerteeinheit 2' zurück. Dadurch ist die Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements 3 mit Hilfe des im Antwortsignal 10 enthaltenen Codes in der Auswerteeinheit 2' ermöglicht.
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In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem RFID-Tag 6 um einen SAW(Surface-Acoustic-Wave)-Tag. In diesem Fall wird das von der Auswerteeinheit 2' ausgesandte Abfragesignal 9 vom SAW-Tag 6 als codiertes Antwortsignal 10, das die Information zur Schaltstellung und/oder zur Identifikation des Schalters 3 beinhaltet, zur Auswerteeinheit 2' reflektiert. Da das Antwortsignal 10 lediglich reflektiert wird, kann der SAW-Tag 6 ohne Energie betreibbar ausgestaltet sein.
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Der SAW-Tag 6 umfasst ein Substrat 11, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat besteht. Bei dem Substrat für den SAW-Tag 6 kann es sich auch um ein piezoelektrisches Substrat 11, beispielsweise einen Quarz, handeln. Weiterhin weist der SAW-Tag 6 eine Tag-Antenne 12 zum Empfang des Abfragesignals 9 auf. Die Tag-Antenne 12 ist mit einem das elektromagnetische Signal des Abfragepulses 9 in eine akustische Oberflächenwelle (surface acoustic wave – SAW-Puls) 14 umwandelnden Interdigitaltransducer (IDT) 13 des SAW-Tags 6 verbunden. Der SAW-Puls 14 bewegt sich dann über die Oberfläche des Substrats 11. Der SAW-Tag 6 weist wenigstens einen an einer vorbestimmten Position des Substrats 11 angeordneten Code-Reflektor 15 für die akustische Oberflächenwelle 14 auf. Am Code-Reflektor 15 wird dann ein Anteil 14b des SAW-Pulses 14 reflektiert sowie ein weiterer Anteil 14c des SAW-Pulses transmittiert. Bei Vorhandensein mehrerer Code-Reflektoren 15 überlagern sich die reflektierten Anteile 14b zu einem gesamten reflektierten SAW-Puls 14a. Der an dem Code-Reflektor 15 bzw. den Code-Reflektoren 15 reflektierte akustische SAW-Puls 14a wird am Interdigitaltransducer 13 in ein elektromagnetisches Signal zurückgewandelt sowie von der Tag-Antenne 12 als Antwortsignal 10 gesendet. Das Antwortsignal 10 ist entsprechend der Anordnung des Code-Reflektors 15 bzw. der Code-Reflektoren 15 sowie der Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements 3 codiert. Das entsprechend codiert reflektierte Antwortsignal 10 wird dann mittels der Antenne 17 vom Sender und/oder Empfänger 7 in der Auswerteeinheit 2' in der Art eines Readers empfangen und zur Ermittlung der Schaltstellung und/oder der Identifikation des Schaltelements 3 in der Auswerteeinheit 2' decodiert.
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Wie weiter der 3 zu entnehmen ist, umfasst der Interdigitaltransducer 13 zwei metallische Elektroden 16, die auf dem Substrat 11 befindlich sind. Die Elektrode 16 weist eine fingerartige und/oder kammartige Struktur auf. Der Code-Reflektor 15 besteht aus einem auf dem Substrat 11 befindlichen, metallischen Streifen, der ebenfalls eine finger- und/oder kammartigen Struktur aufweisen kann. Bei dem Metall handelt es sich beispielsweise um Aluminium. Das Schaltelement 3 ist am Code-Reflektor 15 des SAW-Tags 6 angeschlossen. Somit ist je nach Schaltzustand des Schaltelements 3 der Code-Reflektor 15 aktiviert, wenn das Schaltelement 3 offen ist, oder deaktiviert, wenn das Schaltelement 3 geschlossen ist. Im aktivierten Zustand reflektiert daher der Code-Reflektor 15 einen Teil 14b des SAW-Pulses 14 und transmittiert einen weiteren Teil 14c des SAW-Pulses 14. Im deaktivierten Zustand hingegen findet keine nennenswerte Reflektion statt, vielmehr transmittiert der Code-Reflektor 15 den SAW-Puls 14.
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Wie unmittelbar ersichtlich ist, können somit auch mehrere Schaltelemente 3, 3' an einem SAW-Tag 6 angeschlossen sein. Hierzu weist der SAW-Tag 6 jeweils einen Code-Reflektor 15, 15' für den Anschluss des jeweiligen Schaltelements 3, 3' auf, wobei die Code-Reflektoren 15, 15' jedoch an unterschiedlichen Positionen auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Dadurch ist die Identifikation und die Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements 3, 3' anhand des von der Auswerteeinheit 2' empfangenen Antwortsignals 10 ermöglicht. Somit ist auf diese Art und Weise eine Schalteranordnung mit wenigstens zwei Schaltelementen 3, 3' zum Schalten und/oder zur Auslösung von Funktionen darstellbar.
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Eine Schalteranordnung zum Schalten und/oder zur Auslösung von Funktionen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in 4 zu sehen. Die Schalteranordnung umfasst wiederum zwei Schaltelemente 3, 3'. Anders als bei der Ausführung nach 3 ist hier jedoch für jedes Schaltelement 3, 3' jeweils ein SAW-Tag 6, 6' vorgesehen. Der jeweilige SAW-Tag 6, 6' weist einen Code-Reflektor 15, 15' für den Anschluss des jeweiligen Schaltelements 3, 3' auf. Und zwar ist das Schaltelement 3 am Code-Reflektor 15 des SAW-Tags 6 und das Schaltelement 3' am Code-Reflektor 15' des SAW-Tags 6' angeschlossen. Des Weiteren sind die Code-Reflektoren 15, 15' unterschiedlich beabstandet in Bezug auf den Interdigitaltransducer 13, 13' des SAW-Tags 6, 6' angeordnet. Das von der Auswerteeinheit 2' ausgesandte Abfragesignal 9 wird vom SAW-Tag 6 als Antwortsignal 10 und vom SAW-Tag 6' als Antwortsignal 10' reflektiert. Die Antwortsignale 10, 10' sind wiederum wie oben beschrieben codiert, derart dass die Ermittlung der Identifikation und/oder der Schaltstellung des jeweiligen Schaltelements 3, 3' anhand des von der Auswerteeinheit 2' empfangenen Antwortsignals 10, 10' ermöglicht ist.
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Eine solche Schalteranordnung gemäß 3 oder 4 kann beispielsweise für ein Bedienfeld in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der Patentansprüche. So kann ein derartiges Schaltsystem 1' nicht nur im Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Es ist auch eine Verwendung in Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl. möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Schaltsystem
- 2, 2'
- Auswerteeinheit
- 3, 3'
- Schaltelement
- 4
- Leitung/drahtgebundene Schalteranbindung
- 4'
- drahtlose Schalteranbindung
- 5
- drahtlose Schaltereinheit
- 6, 6'
- RFID-Tag/SAW-Tag
- 7
- Sender und/oder Empfänger
- 8
- elektromagnetische Welle
- 9
- Abfragesignal/Abfragepuls
- 10, 10'
- Antwortsignal
- 11
- Substrat (von SAW-Tag)
- 12
- Tag-Antenne
- 13, 13'
- Interdigitaltransducer (IDT)
- 14
- akustische Oberflächenwelle/SAW-Puls
- 14a
- (gesamter) reflektierter SAW-Puls
- 14b
- reflektierter Anteil (von SAW-Puls)/reflektierter SAW-Puls
- 14c
- transmittierter Anteil (von SAW-Puls)
- 15, 15'
- Code-Reflektor
- 16
- Elektrode (von IDT)
- 17
- Antenne (von Sender und/oder Empfänger)
