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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Objekts in einer Umgebung, eine Fahrzeugscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts in einer Umgebung.
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Stand der Technik
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass Sensorvorrichtungen zum Erfassen eines Fahrzeugumfelds oder zum Schutz vor Kollisionen des Fahrzeugs mit Objekten in einer Umgebung in den vergangenen Jahrzehnten zu einem dramatischen Rückgang von Verkehrstoten geführt haben. Dadurch wurde nicht nur die Situation der Autofahrer verbessert, sondern es setzten sich auch zunehmend Fußgängerschutzsysteme durch. Beispielsweise existieren heutzutage Notbremsassistenten in Fahrzeugen, die eine bevorstehende Kollision durch berührungslose Detektion (beispielsweise mittels Video, LIDAR (Engl. light detection and ranging), Ultraschall) erkennen können. Ferner ist es möglich, bei einem nicht mehr zu verhindernden Personenunfall aktive Schutzmaßnahmen einzuleiten. In diesem Zusammenhang existieren beispielsweise Systeme, die Verletzungen von Fußgängern durch Anheben der Motorhaube oder durch Fußgänger-Airbags, die sich über der Frontscheibe und der A-Säule entfalten können, minimieren. Die Auslösung solcher Maßnahmen erfolgt meist durch einen Kontaktsensor in der Stoßstange, also relativ spät im zeitlichen Verlauf der Kollision.
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Aus
US 9,513,321 B2 sind flächige Sensorelemente aus mehreren leitfähigen und dielektrischen Materialschichten bekannt, die als Außenhaut eines Roboters das Annähern anderer Objekte in der Umgebung erkennen können. Das verwendete Erfassungsprinzip beruht auf einer kapazitiven Erfassung der Annäherung eines Objekts über die Veränderung eines in den Raum greifenden elektrischen Feldes. Eine Dimension der Elektroden, also deren flächige Ausdehnung bzw. Abstand zueinander, die zur Erfassung des Objekts in der Umgebung dienen, ist etwa in der Größenordnung der zu detektierenden Objektdistanz, so dass zur Erkennung von weiter entfernten Objekten große Elektroden erforderlich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Objekts in einer Umgebung vorgesehen, wobei die Sensorvorrichtung ein optisch transparentes, dielektrisches Substrat, eine elektrisch leitfähige, optisch transparente Schichtstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist, und eine optisch transparente dielektrische Deckschicht, die die Schichtstruktur bedeckt, aufweist, wobei die Schichtstruktur dazu geeignet ist, das Objekt kapazitiv zu erfassen.
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Die Sensorvorrichtung kann eine berührungslose Detektion von Objekten frühzeitig ermöglichen, so dass bereits vor einem Aufprall des Objekts dieses zuverlässig erkannt und die Kollision gegebenenfalls verhindert werden kann.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Sensorvorrichtung insgesamt optisch transparent ausgebildet sein kann, kann sie sehr einfach auf oder in eine Glas- oder Kunststoffscheibe eines Fahrzeugs integriert werden. So kann beispielsweise die (insbesondere gesamte) Frontscheibe eines Fahrzeugs als ein solcher kapazitiver Nahbereichssensor ausgeführt werden, ohne dass sichtbare Veränderungen am Fahrzeugdesign vorgenommen werden müssen. Insbesondere ist es möglich, bei selbstfahrenden Fahrzeugen die Front- und Heckscheiben großflächig mit der Sensorvorrichtung auszustatten, so dass eine große Objektdistanz zwischen dem zu erfassenden Objekt und der Sensorvorrichtung abgedeckt werden kann, um frühzeitig eine mögliche Kollision mit beispielsweise Fußgängern zu erkennen und optional durch ein Ausweichmanöver zu verhindern.
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Die Sensorrichtung kann aufgrund ihrer (groß-)flächigen, dünnen Ausgestaltung besonders gut für neue Fahrzeugdesigns mit steiler Fahrzeugfront bzw. sehr kurzer oder gar nicht mehr vorhandenen Motorhaube geeignet sein. Ferner kann die Sensorvorrichtung die generelle Umfeldsensorik für Assistenzsysteme oder einen automatischen Fahrbetrieb eines Fahrzeugs komplementieren, da in einem solchem Fahrbetrieb ein aktiver Fußgängerschutz unerlässlich sein kann.
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In anderen Worten kann die Sensorvorrichtung unter anderem geeignet sein, Maßnahmen zu realisieren, mit denen eine Erfassung eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs frühzeitig durchgeführt werden kann, ohne ein Fahrzeugdesign negativ zu beeinflussen.
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In einer Ausführungsform weist die Schichtstruktur eine erste Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, eine auf der ersten Elektrodenschicht angeordnete dielektrische Isolierschicht und eine auf der Isolierschicht angeordnete mehrteilige zweite Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Auf diese Weise kann auf besonders einfache und günstige Weise ein kapazitiver Sensor bewirkt werden, indem die erste Elektrodenschicht als Abschirmelektrode für die mehrteilige zweite Elektrodenschicht dienen kann. Die mehrteilige zweite Elektrodenschicht stellt das eigentliche kapazitive Sensorelement dar, da die einzelnen Elektrodenelemente dielektrisch voneinander isoliert sind und ein elektrisches Feld erzeugen, das sich in den Raum hinaus ausbreiten kann.
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In einer Ausführungsform ist die erste Elektrodenschicht oder die zweite Elektrodenschicht auf dem Substrat angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, dass die mehrteilige zweite Elektrodenschicht entweder nach außen hin, also vom Substrat weg, oder zu dem Substrat hinweist. In einer Einbausituation der Fahrzeugscheibe kann die Schichtstruktur nach innen in den Fahrzeugraum weisen und durch das Substrat nach außen hin geschützt und beispielsweise keiner Witterung ausgesetzt sein, so dass geringe Anforderungen an das Material der Schichtstruktur gestellt werden und die Schichtstruktur kostengünstig hergestellt sein kann. Es ist ebenfalls möglich, dass die Schichtstruktur in einer Einbausituation der Fahrzeugscheibe nach außen hinweisen und durch die dielektrische Deckschicht vor Umwelteinflüssen geschützt werden kann.
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In einer Ausführungsform können die erste und/oder zweite Elektrodenschicht aus zumindest einem Material ausgewählt aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO, Engl. transparent conductive oxide), insbesondere Zinn-dotiertem Indium-Oxid (ITO, Engl. indium tin oxide), Aluminium-dotiertem Zink-Oxid (AZO, Engl. aluminum doped zinc oxide) und/oder Fluor-dotiertem Indium-Oxid (FTO, Engl. fluorine doped tin oxide), aus transparentem, insbesondere leitfähigen, Polymer, insbesondere Poly-3,4-ethylendioxythiopen (PEDOT), aus Silber (insbesondere in Form von Silber-Nanodrähten) und aus Kohlenstoff (insbesondere in Form von Kohlenstoff-Nanodrähten und/oder von Graphen) ausgebildet sein.
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TCO-Materialien können sich besonders gut als Elektrodenschichten eignen, da ihr Einsatz in elektronischen Displays oder Dünnschicht-Solarzellen ausreichend erprobt und preisgünstig sein kann. Insbesondere können ITO, AZO oder FTO besonders gut aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit, Transparenz und Stabilität als Elektrodenmaterial für transparente Elektrodenschichten dienen. Ferner sind ITO-Schichtsysteme ausreichend erprobt, um ein Biegen und Tempern einer zuvor beschichteten Fahrzeugscheibe zu überstehen und hart genug, um an der Außenseite der Windschutzscheibe eingesetzt zu werden. ITO-Schichten sind beispielsweise ausreichend als Automobilverglasung mit einem integrierten Vereisungsschutz erprobt, da ITO eine thermische Emission reduzieren kann, ohne dass sichtbare Drähte in der Fahrzeugscheibe sichtbar sind. Ferner sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt, TCO-Schichten auf verschiedene Materialien, insbesondere auf Glas, aufzubringen. Solche Verfahren umfassen unter anderem VakuumBeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Beschichtung oder Lasersintern.
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Das Silber, insbesondere in Form der Silber-Nanodrähte, und/oder der Kohlenstoff, insbesondere in Form der Kohlenstoff-Nanodrähte und/oder des Graphens, können in eine oder mehrere geeignete Matrixmaterialien eingebettet sein.
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Die Realisierung der mehrteiligen zweiten Elektrodenschicht kann beispielsweise durch ein chemisches oder physikalisches Ätzverfahren, das unerwünschte Schichtregionen abträgt, oder durch Maskierung der betroffenen Bereiche vor Aufbringen der Elektrodenschicht, zum Beispiel Fotolithografie, bewirkt werden.
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In einer Ausführungsform kann die Isolierschicht Siliziumoxynitrid (SiOxNy), ein oder mehrere Metalloxide oder ein oder mehrere Metallnitride (oder eine Kombination von einem oder mehrerer dieser Materialien) aufweisen. Das bzw. die Metalloxide und/oder das bzw. die Metallnitride können verschieden vom Siliziumoxynitrid sein. Siliziumoxynitrid kann eine besonders preisgünstige Realisierung der Isolierschicht darstellen, die insbesondere gut in Verbindung mit TCO-Schichten zusammenwirken kann.
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In einer Ausführungsform kann das Substrat Glas oder transparentes Polymer, insbesondere Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat, aufweisen. Diese Materialien können üblicherweise zur Herstellung von Fahrzeugscheiben verwendet werden, so dass auf bekannte Herstellungsprozesse bei der Herstellung der Sensorvorrichtung zugrückgegriffen werden können.
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In einer Ausführungsform kann die Deckschicht Siliziumoxynitrid (SiOxNy) aufweisen. Die Deckschicht kann einem mechanischen Schutz, der Isolation gegen Überbrückung von Kontakten durch Regen oder Berührung, und dem Schutz von Personen vor Stromschlag etc. dienen. Transparentes Siliziumoxynitrid kann eine preiswerte und technisch ausgereifte Realisierung der Deckschicht darstellen.
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In einer Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Substrat und der Schichtstruktur, zwischen der Schichtstruktur und der Deckschicht und/oder zwischen den einzelnen Schichten der Schichtstruktur auf, die der Haftvermittlung zwischen zwei benachbarten Schichten bzw. einer Schicht und der Schichtstruktur dienen kann. Auf diese Weise kann eine besonders stabile Verbindung der einzelnen Schichten bzw. der Schichtstruktur der Sensorvorrichtung bewirkt werden, um die Langlebigkeit der Sensorvorrichtung zu garantieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Fahrzeugscheibe für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei die Fahrzeugscheibe eine Sensorvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt aufweist. Die Fahrzeugscheibe kann insbesondere eine Windschutzscheibe, also eine Frontscheibe oder eine Heckscheibe des Fahrzeugs, sein oder auch eine Seitenscheibe des Fahrzeugs. Die Sensorvorrichtung kann großflächig, insbesondere entlang der gesamten Scheibenerstreckung, aufgebracht bzw. in die Fahrzeugscheibe integriert sein. Die Fahrzeugscheibe bzw. die Sensorvorrichtung kann insbesondere an steilen Fahrzeugfronten vorgesehen sein.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts in einer Umgebung unter Verwendung der Sensorvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, wobei das Objekt in der Umgebung kapazitiv mittels der Schichtstruktur erfasst wird. In anderen Worten kann das Objekt in der näheren Umgebung der Sensorvorrichtung erfasst werden, indem das Objekt die Feldlinien eines elektrischen Felds, das durch die zweite mehrteilige Elektrodenschicht erzeugt werden kann, ablenkt oder stören kann, so dass die Existenz des Objekts erfasst werden kann. Der Erfassungsvorgang kann mehrmals, insbesondere kurz hintereinander, wiederholt durchgeführt werden, um eine Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen und eine Rate von falschen Positiv-Erfassungen zu reduzieren. Es kann insbesondere eine (sich verändernde) Distanz vom Objekt zum Sensor erfasst werden.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Einleiten einer oder mehrerer Schutzmaßnahmen auf, wenn ein Objekt in der Umgebung erfasst wird. Gerade die Verwendung der Sensorvorrichtung, die zuverlässig und genau arbeiten kann, kann eine schnelle und zuverlässige Aktivierung der Schutzmaßnahmen für den Fußgänger ermöglichen. Solche Maßnahmen können beispielsweise Schutzmechanismen wie zum Beispiel Aktivieren einer Motorhaube, eines Fußgängerairbags etc. umfassen. Insgesamt kann durch diese Maßnahmen ein wirksamer Aufprallschutz des Fußgängers bewirkt werden. Ferner kann es möglich sein, als Schutzmaßnahme einen Bremsvorgang einzuleiten. Auch wenn eine vollständige Bremsung des Fahrzeugs nicht bewirkt wird, kann die Lage des Fußgängers im Aufprall detektiert und gegebenenfalls eine Lösung der Bremse, falls vorteilhaft, wieder eingeleitet werden. Dies kann einen Sekundäraufprall für den Fußgänger anders und gegebenenfalls vorteilhaft gestalten. Eine weitere Maßnahme kann eine Vor-Aufprallaktivierung eines flächigen Fußgängerairbags darstellen, der beispielsweise bei Kollisionen mit neuen Fahrzeugformen mit steilen Frontstrukturen und/oder unübersichtlicher gemischter Verkehrssituation im automatischen Fahrmodus verwendet werden kann. Aufgrund der großen Reichweite des Sensors ist es ebenfalls möglich, im Gegensatz zur Kontaktsensoren die Schutzmaßnahmen frühzeitig einzuleiten. Ferner kann das Objekt mehrfach in Abhängigkeit der Objektdistanz in der Umgebung erfasst werden, so dass eine Rate von falschen Positiv-Meldungen eines Objekts in der Umgebung der Sensorvorrichtung reduziert werden kann.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer in einer Windschutzscheibe integrierten Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 und 3 schematische Schnittansichten eines ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Sensorvorrichtung in 1; und
- 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das bei Betrieb der Sensorrichtung abläuft.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein in 1 dargestelltes Fahrzeug 10 weist eine Windschutzfrontscheibe 12 auf, in der eine Sensorvorrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung integriert ist. Das Fahrzeug 10 ist dabei als Bus ausgebildet, der Personen in einem automatischen Fahrbetrieb befördert. Fahrzeugscheiben des Fahrzeugs 10 und insbesondere die Windschutzfrontscheibe 12 sind unter einem steilen Winkel, in anderen Worten, fast senkrecht, zu einem Fahrzeugboden des Fahrzeugs 10 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 14 dient dazu, ein Objekt 16, hier einen Fußgänger, kapazitiv in einer näheren Umgebung der Sensorrichtung 14 zu erfassen, indem eine Störung bzw. Veränderung von Feldlinien 18 eines elektrischen Feldes, das von der Sensorvorrichtung 14 erzeugt wird, erfasst wird. Die Sensorvorrichtung 14 kann auch in einer Rückscheibe und/oder in einer der Seitenscheiben des Fahrzeugs 10 integriert sein.
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Die in 2 gezeigte Windschutzfrontscheibe 12 weist die Sensorvorrichtung 14 auf, die ein Substrat 20 aus Glas umfasst, auf der eine flächige Schichtstruktur 21 vorgesehen ist. Die Schichtstruktur 21 weist eine mehrteilige, hier zweiteilige, elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 22 auf, die auf dem Substrat 20 aufgebracht ist. Schichtelemente 22a, 22b der Elektrodenschicht 22 sind voneinander getrennt und ohne Kontakt miteinander auf dem Substrat 20 vorgesehen. Die Elektrodenschicht 22 ist in einer dielektrischen Isolierschicht 24 der Schichtstruktur 21 eingebettet, die die Elektrodenschicht 22 überdeckt, eine Verbindung mit dem Glassubstrat 20 in Bereichen außerhalb der Elektrodenschicht 22 schafft und gleichzeitig die Schichtelemente 22a, 22b elektrisch voneinander trennt. Bei Anlegen einer Spannung an die Elektrodenelemente 22a, 22b wird das elektrische Feld durch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektrodenelementen 22a, 22b erzeugt. Auf der Isolierschicht 24 ist eine flächige, elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 26 der Schichtstruktur 21 aufgebracht, die als Abschirmelektrode wirkt. Die Elektrodenschicht 26 ist mittels einer dielektrischen Deckschicht 28 der Sensorvorrichtung 14 bedeckt, die eine Einkapselung der Schichtstruktur 21 bewirkt. In einer Einbausituation der Windschutzfrontscheibe 14 weist das Glassubstrat 20 nach außen und die Deckschicht 28 nach innen in einen Fahrgastinnenraum.
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In einer alternativen, in 3 gezeigten Ausführung der Windschutzfrontscheibe 12 weist eine Sensorvorrichtung 14 ein Glassubstrat 20 auf, auf dem die elektrisch leitfähige Abschirm-Elektrodenschicht 26 aufgebracht ist. Die Elektrodenschicht 26 ist mit einer Isolierschicht 24 bedeckt, auf der eine mehrteilige, hier zweiteilige, elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 22 aufgebracht ist. Schichtelemente 22a, 22b der Elektrodenschicht 22 sind voneinander getrennt und ohne Kontakt miteinander auf der Isolierschicht 24 vorgesehen. Eine dielektrische Deckschicht 28 bedeckt die Isolierschicht 24 und die Elektrodenschicht 22. Die Funktion der Elektrodenelemente 22a, 22b ist gleich zu der Funktion der Elektrodenelemente 22a, 22b in 2. In einer Einbausituation der Windschutzfrontscheibe 14 weist die Deckschicht 28 nach außen und das Glassubstrat 20 nach innen in einen Fahrgastinnenraum.
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In beiden Ausführungsformen sind die Elektrodenschichten 22 und 26 aus leitfähigen Materialien, beispielsweise ITO, ausgebildet. Sowohl die Isolierschicht 24 als auch die Deckschicht 28 sind beispielsweise aus Siliziumoxynitrid hergestellt.
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Es sind zahlreiche Alternativen für Substratmaterial, leitfähige, isolierende und schützende Schichten denkbar, die optische Transparenz aufweisen. Anstelle von Glas kann transparentes Polymer als Material für das Substrat 20 verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass die Elektrodenschichten 22, 26 aus leitfähigem Polymer, beispielsweise PEDOT, oder verwandten Verbindungen realisiert sind. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, Silber-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanodrähte oder Graphen, ggf. eingebettet in geeignete Matrixmaterialien, als optisch transparente und elektrisch leitende Elektrodenschichten 22, 26 zu verwenden. Diese Nanodrähte bzw. das Graphen können gegebenenfalls in Verbund mit leitfähigen Oxiden aufgebracht sein.
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Es ist auch möglich, dass die Sensorrichtung 14 zusätzlich zumindest eine optische transparente, dielektrische Zwischenschicht zwischen je zwei benachbarten Schichten 22-28 bzw. zwischen einer Schicht 22, 24, 26 und dem Substrat 20 aufweist, die eine Haftvermittlung der beiden benachbarten Schichten 22-28 bzw. einer der Schichten 22, 24, 26 und dem Substrat 20 darstellt.
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Eine Kontaktierung und Ansteuerung der Sensorvorrichtung
14 kann auf konventionale Weise durchgeführt werden, beispielsweise wie in
US 9,513,321 B2 beschrieben ist.
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Insgesamt ist die Sensorvorrichtung 14 optisch transparent, so dass ein Design und eine übliche Funktion der Windschutzfrontscheibe 12 gegenüber einer konventionalen Ausgestaltung ohne die Sensorvorrichtung 14 erhalten ist.
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Während eines Betriebs der Sensorrichtung 14 wird ein in 4 gezeigtes Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Erfassen des Objekts 16 in der Umgebung der Sensorvorrichtung 14 durchgeführt.
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In einem ersten Verfahrensschritt S2 wird das Objekt 16 kapazitiv mittels der Schichtstruktur 21 erfasst, indem eine Veränderung der Feldlinien 18 des von den Elektrodenelementen 22a, 22b erzeugten Felds erfasst wird. Dieser Vorgang kann beispielsweise während eines Umgebungsscans wiederholt erfolgen, so dass das Objekt 16 wiederholt erfasst und optional eine abnehmende Objektdistanz zwischen dem Objekt 16 und der Sensorvorrichtung 14 erfasst werden können. Diese wiederholte Erfassung des Objekts 16 kann die Genauigkeit der Objekterfassung erhöhen, da eine Anzahl von irrtümlich positive Erfassungen des Objekts 16 minimiert werden kann.
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In einem optionalen zweiten Verfahrensschritt S4 werden Schutzmaßnahmen unter Verwendung von Ob-Board-System des Fahrzeugs 10 eingeleitet, wie beispielsweise ein Bremsvorgang, ein Verändern des eingeleiteten Bremsvorgangs, das Auslösen eines Fußgängerairbags, der außenseitig an dem Fahrzeug 10 vorgesehen ist, oder, je nach Design des Fahrzeugs 10, das aktive Anheben einer Motorhaube, um das Objekt 16 vor einem Aufprall auf dem Fahrzeug 10 zu schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9513321 B2 [0003, 0030]
