DE102004050158B3

DE102004050158B3 - Transparente Scheibe mit einer beheizbaren Beschichtung

Info

Publication number: DE102004050158B3
Application number: DE102004050158A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Schmidt; Carole Dr. Baubet; Marc Dr. Maurer
Original assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG; Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH
Current assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-16
Also published as: MY147554A; BRPI0516580A; WO2006040498A1; CA2584240C; CN101077036A; PL1803327T3; JP5372372B2; PT1803327T; AU2005293406B2; AU2005293406B8; ES2714178T3; US20090044464A1; KR101282871B1; US20110062139A1; JP2008517422A; TR201901863T4; BRPI0516580B1; MX2007004284A; CN101077036B; CN200944682Y

Abstract

Bei einer transparenten Scheibe (1) mit einer elektrisch beheizbaren Beschichtung (2), die sich über einen wesentlichen Teil der Fläche der Scheibe, insbesondere über deren Sichtfeld (A), erstreckt und mit mindestens zwei niederohmigen Sammelleitern (4, 5) elektrisch so verbunden ist, dass nach Anlegen einer elektrischen Speisespannung an die Sammelleiter ein Strom über ein von der Beschichtung gebildetes Heizfeld fließt, erstrecken sich erfindungsgemäß, ausgehend von mindestens einem der Sammelleiter (4, 5), weitere niederohmige Leiterelemente (4G, 5G) in Kontakt mit der Beschichtung in das Heizfeld hinein, deren Länge größer als die Breite des jeweiligen Sammelleiters ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine transparente Scheibe mit einer elektrisch beheizbaren Beschichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Besonders für Fahrzeug-Windschutzscheiben besteht eine große Marktnachfrage nach beheizbaren Ausführungen, wobei die Heizung als solche optisch möglichst wenig wahrnehmbar bzw. störend sein soll. Deshalb wird zunehmend eine beheizbare transparente Beschichtung der Scheiben nachgefragt.
Ein generelles Problem von heizbaren Beschichtungen mit geringer Lichtabsorption ist ihr noch relativ hoher Flächenwiderstand, der jedenfalls bei großen Abmessungen der zu beheizenden Scheibe bzw. bei langen Strompfaden eine hohe Betriebsspannung erfordert, die jedenfalls höher als die üblichen Bordspannungen von Fahrzeugen ist. Würde man den Flächenwiderstand absenken wollen, so geht dies bei den bisher bekannten Schichtsystemen mit einer Verringerung der Transmission von sichtbarem Licht einher, da die leitfähigen Schichten dicker sein müssten.
Aus diesen technischen Gründen werden derzeit noch drahtbeheizte Scheiben bevorzugt verbaut, die sich ohne weiteres mit der üblichen Bordspannung speisen lassen. Diese Verbundscheiben mit eingelegten Heizfeldern aus sehr dünnen Drähten werden aber nicht von allen Abnehmern akzeptiert.

Das Patent DE 1 256 812 B1 beschreibt eine Glasscheibe, die mittels einer flächig auf ihre Oberfläche aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht aus Metall oder Metalloxid beheizbar ist. Diese Veröffentlichung mit Anmeldepriorität aus 1963 geht von einem sehr hohen Schichtwiderstand von 200 Ω/Flächeneinheit aus. Um diese Schicht trotzdem mit einer verhältnismäßig geringen Spannung über zwei seitliche niederohmige Sammelleiter homogen zu beheizen, sind von den letzteren ausgehend sich über das gesamte Sichtfeld der Scheibe erstreckende schmale, gedruckte, niederohmige Kammelektroden vorgesehen. Diese kämmen mit abwechselnden Polaritäten miteinander. Sie enden erst jeweils kurz vor dem jeweils gegenüber liegenden Sammelleiter. Damit wird zwar erreicht, dass der Heizstrom quer zur Längserstreckung der einzelnen Linien der Kammelektroden nur verhältnismäßig kurze Wege innerhalb der Schicht zurücklegen muss.

Als Vorteil im Vergleich mit Scheiben, die nur mithilfe von gedruckten schmalen Heizleitern beheizt werden, wird dort die homogene Heizleistung bei relativ großen gegenseitigen Abständen der Kammelektroden genannt.

Die besagten, optisch schraffurartigen Linien stören jedoch die Durchsicht und die optische Anmutung des Haupt-Sichtfeldes der so ausgeführten Scheibe. Der optische Vorteil einer transparenten Heizschicht bleibt ungenutzt. Diese Scheibe ist nur als Heckscheibe für Automobile vorgesehen. Als Windschutzscheibe dürfte sie auch gegenwärtig nicht eingesetzt werden, da bei diesen jedenfalls in einem genormten sogenannten A-Sichtfeld keinerlei Sichtbeeinträchtigungen vorliegen dürfen.

Ein weiteres Problem bei Heizbeschichtungen kann dadurch entstehen, dass sie mitunter nicht homogen über die gesamte Fläche der transparenten Scheibe aufgebracht werden können, sondern dass man eine oder mehrere Unterbrechungen, sogenannte „Kommunikationsfenster", darin vorsehen muss, welche den Fluss des Heizstroms beeinträchtigen und ggf. zur Ausbildung von „hot spots" (lokalen Überhitzungen) an ihren Rändern führen. Solche Kommunikationsfenster dienen dazu, die an sich kurzwellige bzw. infrarote Strahlen reflektierende Beschichtung lokal für bestimmte Informationsflüsse oder -signale durchlässiger zu machen.

Zum Einleiten und Abführen des Heizstroms in solche Beschichtungen wird mindestens ein Paar von (streifenförmigen) Elektroden oder Sammelleitern (auch „bus bars") vorgesehen, welche die Ströme in die Schichtfläche möglichst gleichmäßig und einleiten und auf breiter Front verteilen sollen. Bei Fahrzeugscheiben, die wesentlich breiter als hoch sind, liegen die Sammelleiter meist entlang den längeren (in Einbaulage oberen und unteren) Kanten der Scheibe, so dass der Heizstrom den kürzeren Weg über die Scheibenhöhe fließen kann. Zugleich liegen die erwähnten Kommunikationsfenster zumeist an der oberen Scheibenkante und erstrecken sich dort über mehrere Zentimeter Breite.

Das Dokument WO 00/72 635 A1 beschreibt ein transparentes Substrat mit IR-reflektierender Beschichtung und einem durch flächiges Entfernen oder Fortlassen der Beschichtung hergestellten Kommunikationsfenster.

Offensichtlich bildet jegliches die Homogenität der Beschichtung verändernde Kommunikationsfenster eine Störung der Stromflüsse. Es entstehen lokale Temperaturspitzen („hot spots"), die zu Schäden am Substrat (Wärmespannungen) und an der Beschichtung selbst führen können. Das ist nicht nur dann der Fall, wenn die Beschichtung großflächig fehlt, sondern auch dann, wenn das Kommunikationsfenster durch eine mehr oder weniger große Anzahl von einzelnen, nicht zusammenhängenden Schlitzen gebildet wird. Auch diese bilden in dem betreffenden Flächenbereich eine merkliche Erhöhung des Schichtwiderstandes und lassen zugleich ebenfalls die erwähnten hot spots entstehen.

Das zuletzt genannte Dokument schlägt als Maßnahme zum Vermindern der Störwirkung des großflächigen Kommunikationsfensters vor, an dessen Rand ein elektrisch leitfähiges Band vorzusehen, das einen sehr viel geringeren ohmschen Widerstand pro Quadrateinheit hat als die Heizschicht. Es soll die Ströme um den Ausschnitt herum leiten. Bevorzugt wird ein Kommunikationsfenster vollständig von einem solchen Band umrahmt. Das Band kann durch Aufdrucken und Einbrennen einer leitfähigen, Silber enthaltenden Siebdruckpaste hergestellt werden. Es kann aber auch durch Auftragen eines elektrisch leitfähigen Lacks oder durch Auflegen eines metallischen Streifens angebracht werden. In allen Fällen ist natürlich eine elektrisch leitende Verbindung des Bandes mit der Beschichtung funktionsnotwendig.

Das Band kann optisch durch Überlagern eines opaken, elektrisch nicht leitfähigen Maskierungsstreifens, z. B. aus schwarzem Email kaschiert werden. Solche Maskierungsstreifen bestehen in der Regel aus einem nicht leitfähigen, schwarz gefärbten einbrennbaren Material (Siebdruckpaste). Infrarot-Strahlung wird von diesem Material nicht reflektiert, sondern absorbiert.

Aus WO 03/024 155 A2 ist eine einschlägige transparente Scheibe mit beheizbarer Beschichtung bekannt, bei der einerseits eine Betriebsspannung von maximal 42 V angegeben wird, die aber auch das Problem von „hot spots" an den Rändern eines Kommunikati onsfensters zu lösen sucht. Generell werden mehrere unterschiedliche Spannungsniveaus verwendet, wobei an (z. B. wegen des Kommunikationsfensters) verkürzte Strompfade eine geringere Spannung angelegt wird, um lokale Überhitzungen zu vermeiden. Speziell wird der Bereich des Kommunikationsfensters aus der beheizbaren Fläche ausgespart, indem man einen gesonderten Sammelleiter zwischen das Kommunikationsfenster und den anderseitigen Sammelleiter legt.

Bekannt ist ferner aus DE 36 44 297 A1 eine Vielzahl von Beispielen zum Unterteilen heizbarer Beschichtungen einer Fahrzeug-Windschutzscheibe. Unterteilungen können demnach durch flächig schichtfreie Abschnitte und/oder durch mechanisch oder mit Laserstrahlung eingebrachte Einschnitte realisiert werden. Sie dienen zum gezielten Einstellen und Lenken eines Stromflusses innerhalb der beschichteten Fläche und sollen eine möglichst gleichmäßige Stromdichte in den betreffenden Flächen gewährleisten.

Aus WO 2004/032569 A2 ist eine weitere Gestaltung einer transparenten Scheibe mit heizbarer Beschichtung bekannt, die ebenfalls eine Homogenisierung der Heizleistung in der Fläche durch in die Beschichtung eingebrachte Trennlinien zu erreichen sucht.

DE 29 36 398 A1 befasst sich mit Maßnahmen, bei einer transparenten Scheibe mit heizbarer Beschichtung Stromspitzen im Übergang von den Sammelleitern zur Beschichtung zu verhindern. Generell wird angestrebt, die abrupte Widerstandsdifferenz zwischen Beschichtung und Sammelleitern durch Verwendung höherohmiger Materialien oder Formgebungen für die letzteren, oder auch mit Zwischenwiderständen, zu verringern. Für die Beschichtung werden dort Flächenwiderstände zwischen 1 und 10 Ohm pro Flächeneinheit angegeben. In einer von mehreren dort beschriebenen Lösungsvarianten wird die zum jeweils gegenüber liegenden Sammelleiter weisende Kante jedes Sammelleiters wellenförmig ausgebildet. Die Ausbildung von zur Heizbeschichtung gerichteten Spitzen soll dabei vermieden werden. Mit diesem Ansatz wird eine merkliche Verlängerung der Übergangslinie zwischen dem Sammelleiter und der Beschichtung und damit eine Verringerung der Stromdichte in diesem Übergang angestrebt. All diese Maßnahmen erscheinen jedoch wenig dazu geeignet, die beheizbare Schicht mit einer verhältnismäßig geringen Spannung speisen zu können.

Es ist auch bekannt, auf der Lichteinfallseite von photovoltaischen Solarzellen sogenannte Gitter- oder Kammelektroden vorzusehen (vgl. beispielsweise WO 03/075 351 A2) Sie werden häufig durch Siebdrucken hergestellt und bestehen aus einem am Rand der Solarzelle angeordneten Sammelleiter und einer Mehrzahl von sehr schmalen Kammzinken, die sich vom Sammelleiter ausgehend über die Fläche der Solarzelle erstrecken. Sie er möglichen ein flächenhaftes Abgreifen der photovoltaischen Spannung, die an den beiden Flächenseiten des Absorbers bzw. zwischen der frontseitigen Kammelektrode und der metallisch-vollflächigen Rückelektrode anliegt, ohne den Lichteintritt in den Absorber zu stark zu mindern.

DE 197 02 448 A1 offenbart einen beheizbaren Spiegel, auf dessen Glaskörper zwei kammartig ausgebildete und ineinander verzahnte Leiterbahnen oder Elektroden mit einer sie überdeckenden und die Zwischenräume zwischen den Kammzinken ausfüllenden PTC-Beschichtung aufgebracht sind. Hier stellt sich allerdings nicht das Problem, die Beheizung optisch unauffällig zu gestalten, weil die Leiterbahnen und die Heizschicht hinter der Spiegelschicht liegen können.

DE 198 32 228 A1 beschreibt eine Fahrzeugscheibe mit einer elektrisch leitfähigen und als Antenne genutzten optisch transparenten Beschichtung. Aus der Antennenschicht werden hochfrequente Funksignale rein kapazitiv mithilfe einer Koppelelektrode abgegriffen, die aus mehreren miteinander verbundenen dünnen Drähten besteht, die in einem im Vergleich zu ihrem Durchmesser großen Abstand parallel zueinander angeordnet sind, sich vom Rand in das Sichtfeld der Scheibe hinein erstrecken und dort blind enden. Es besteht keine galvanische Kopplung zwischen der Beschichtung und diesen Drähten, da sie jeweils in unterschiedlichen Ebenen der Verbundscheibe angeordnet sind.

Die schon mehrfach erwähnten Sammelleiter können sowohl durch (Sieb-)Drucken vor oder nach dem Auftragen der Beschichtung auf die Scheibe hergestellt werden, oder durch Auflöten von dünnen Metallband-Streifen, vorzugsweise aus (verzinntem) Kupfer. Es gibt auch Kombinationen von gedruckten und Metallband-Sammelleitern (vgl. z. B. DE 198 29 151 C1 ). Die Sammelleiter werden zwar meist bandförmig und schmal ausgeführt, sind jedoch undurchsichtig. Aus optischen Gründen werden sie deshalb jeweils in der Nähe des Außenrandes der betreffenden transparenten Scheiben angeordnet. Meist können sie durch opake (meist ebenfalls durch Siebdrucken hergestellte) Randbeschichtungen kaschiert werden. Auch die erwähnten Kommunikationsfenster können durch diese Randbeschichtungen kaschiert werden, sofern letztere für die zu übertragende Strahlung hinreichend durchlässig sind.

Bei gängigen Fahrzeug-Windschutzscheiben sind diese opaken Beschichtungen als Rahmen ausgeführt, die als weitere Funktion die Klebeverbindung zwischen der Scheibe und der Karosserie gegen UV-Strahlen abschirmen. Diese Rahmen umschreiben das Sichtfeld der Scheiben. Bei Windschutzscheiben unterscheidet man ferner noch ein A-Sichtfeld in mitten der Scheibenfläche, in dem es keinerlei Sichtbeeinträchtigungen (z. B. Färbungen, Drähte, oder auch Schäden) geben darf, und das näher zum Rand liegende B-Sichtfeld.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von DE 1 256 812 B1 eine trans- parente Scheibe mit heizbarer Beschichtung zu schaffen, die bei verringerter Beeinträchtigung der Durchsicht mit verhältnismäßig geringen Betriebsspannungen betrieben werden kann und dennoch eine homogene Wärmeverteilung leistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung an.

Mit diesen Merkmalen und Maßnahmen erreicht man eine relative Verkürzung des Weges des Stromflusses innerhalb der vergleichsweise hochohmigen Beschichtung selbst, weil ein Teil der Distanz zwischen den eigentlichen Sammelleitern und dem zentralen Haupt-Heizfeld durch niederohmige Hilfsleiter überbrückt wird. Ferner wird der Übergangswiderstand zwischen dem Sammelleiter und der Beschichtung durch starke Vergrößerung der Kontaktflächen weiter verringert. In der Folge wird auch die benötigte Spannung zum Treiben des Heizstroms über die Heizfläche geringer.

Zwar wird diese Ausgestaltung ganz bevorzugt bei Windschutzscheiben angewendet, bei denen es für einen sicheren Fahrbetrieb auf eine gute Durchsicht in dem zentralen Sichtfeld ankommt, jedoch können erfindungsgemäße beheizbare Scheiben auch an anderer Stelle in Fahrzeuge sowie weitere bewegliche Maschinen und Geräte sowie auch in Gebäuden eingebaut werden.

Während bei den herkömmlichen Solarzellen mit Gitter- oder Kammelektroden die Spannung über die Dicke der Absorberschicht anliegt, wird bei der erfindungsgemäßen Anwendung eine Spannung mit dem Ziel angelegt, einen Strom in der Fläche der Beschichtung fließen zu lassen. Die erfindungsgemäßen Leiterelemente haben somit die Wirkung, die wie üblich am Rand der Scheibe angeordneten Sammelleiter elektrisch einander anzunähern, ohne jedoch das Sichtfeld der Scheibe wesentlich zu beeinträchtigen.

Im Einsatz in Fahrzeugen ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere das direkte Speisen der Windschutzscheiben-Heizung mit der üblichen Bordspannung von 12 bis 14 V Gleichspannung, wobei dem natürlich eine möglichst niederohmige Beschichtung sehr entgegen kommt. Die Länge der Hilfsleiter wird abhängig vom effektiven Flächenwiderstand der jeweiligen Beschichtung dimensioniert; je besser leitfähig die Beschichtung selbst ist, desto kürzer werden die Hilfsleiter sein können.

Gleichwohl kann mit dieser Konfiguration die vollflächige Beschichtung der transparenten Scheibe – abgesehen von eventuell vorzusehenden Kommunikationsfenstern – beibehalten werden, so dass weder Maskierungs- noch Entschichtungsmaßnahmen notwendig werden. Somit bleiben die positiven Eigenschaften der Beschichtung, nämlich insbesondere Infrarot-Reflexion (Wärmedämmung) und homogene Farberscheinung auf ganzer Fläche, erhalten.

Die möglichst dünnen zusätzlichen Leiterelemente bzw. Gitterelemente beeinträchtigen die Durchsicht durch die Scheibe nur sehr unwesentlich.

Da die transparente Scheibe in fast allen Fällen als Verbundscheibe ausgeführt wird, wobei die Beschichtung selbst auf einer im Verbund innen liegenden Fläche angeordnet ist, könnten die Leiterelemente außer durch Drucken auch als feine Drähte ausgeführt werden, die beispielsweise in an sich bekannter Weise auf einer Verbund-Klebefolie fixiert und dann mit dieser Folie auf die Beschichtung aufgelegt werden, wobei sie in elektrischen Kontakt mit der Beschichtung treten. Dieser Kontakt ist nach dem endgültigen Verkleben der Verbundscheibe langzeitstabil.

In der Ausführung als Siebdruck-Strukturen werden die Leiter- oder Gitterelemente vorzugsweise vor dem Abscheiden der Beschichtung auf ein Substrat (Glas- oder Kunststoffscheibe oder auch Kunststofffolie) aufgebracht. Dies kann in einem Arbeitsgang mit dem Aufbringen der eigentlichen Sammelleiter oder bus bars geschehen.

Es ist ferner möglich, mit diesen Leiter- oder Gitterelementen ein etwa am Rand der Scheibe in die Beschichtung eingebrachtes Kommunikationsfenster niederohmig zu überbrücken, ohne die Ausbildung von hot spots befürchten zu müssen. Die Ströme in den bekannten Problemzonen an den seitlichen Rändern solcher Kommunikationsfenster werden durch die Gitterelemente sehr stark reduziert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels in Gestalt einer Fahrzeug-Windschutzscheibe und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.

Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung
1 eine Ausführungsform eine transparenten Scheibe mit einer elektrisch heizbaren Beschichtung, bei der bandförmige Sammelleiter mit fingerartig sich in die Scheibenfläche erstreckenden Gitter- oder Leiterelementen verbunden sind,
2 eine zweite Ausführungsform, bei der die beheizbare Beschichtung mithilfe von Trennlinien in Strompfade gegliedert ist;
3 einen Teil-Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Scheibe entlang der Linie III-III in 1;
4 ein Detail aus 3.
Gemäß 1 ist in einer heizbaren Verbundscheibe 1 mit im Wesentlichen trapezförmigem (geschwungenem) Umriss in an sich bekannter Weise eine vollflächige transparente und elektrisch leitfähige Beschichtung 2 eingebettet. Die Scheibe 1 ist hier nur etwa zur Hälfte dargestellt; ihre andere Hälfte ist gleichartig ausgeführt.
Eine mit 2T bezeichnete gestrichelte Linie deutet an, dass der äußere Rand der kontinuierlich beschichteten Fläche allseitig geringfügig vom Außenrand der Verbundscheibe 1 nach innen rückversetzt ist oder dass ein Randstreifen von der vollflächigen Beschichtung abgeteilt ist. Man erreicht so einerseits eine elektrische Isolierung nach außen, andererseits einen Schutz der Beschichtung gegen vom Außenrand vordringende Korrosionsschäden. Der Einzug des äußeren Randes 2T kann durch Entfernen der Beschichtung entlang dem Rand der Scheibe, durch Maskieren des Substrats vor dem Abscheiden der Beschichtung oder auch durch Einbringen einer die Beschichtung durchdringenden, entlang dem Außenrand der Scheibe umlaufenden Trennlinie hergestellt sein, welche den Zwecken Isolation und Korrosionsschutz genügen kann.
Die Beschichtung selbst besteht bevorzugt und in an sich bekannter Weise aus einem thermisch hoch belastbaren Schichtsystem mit mindestens einer metallischen Teilschicht, das die zum Biegen von Glasscheiben erforderlichen Temperaturen von mehr als 650 °C schadlos, d. h. ohne Verschlechterung seiner optischen, Wärme reflektierenden und elektrischen Eigenschaften erträgt. Das Schichtsystem umfasst neben metallischen Schichten (vorzugsweise Silber) noch weitere Teilschichten wie Entspiegelungsschichten sowie ggf. Blockerschichten.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung können jedoch auch andere elektrisch leitfähige Schichtsysteme mit geringerer Temperaturbelastbarkeit verwendet werden, und insbesondere auch solche Schichtsysteme, die nicht unmittelbar auf einer starren Glas- oder Kunststoffscheibe, sondern auf einer Kunststofffolie (vorzugsweise PET-Folie) abgeschieden sind. All diese Schichtsysteme werden bevorzugt durch Sputtern (Magnetron-Kathodenzerstäubung) abgeschieden.
Der Flächenwiderstand gängiger Schichtsysteme der vorstehend erwähnten Art liegt zwischen 2 und 5 Ω/Flächeneinheit. Fahrzeug-Windschutzscheiben mit solchen Schichtsystemen müssen insgesamt eine Lichttransmission von mindestens 75 % erreichen.
An sich sind jedoch hier die Zusammensetzung und die Herstellung der Beschichtung von untergeordneter Bedeutung, so dass nicht noch näher darauf einzugehen sein wird.
Auf den Rand der Verbundscheibe 1 ist eine opake Farbschicht 3 rahmenförmig aufgebracht, deren innerer Rand 3R das Sichtfeld der transparenten Scheibe 1 umschreibt. Sie kann in einer anderen (im Verbund innen oder außen liegenden) Ebene der Verbundscheibe als die Beschichtung 2 liegen. Sie dient als Schutzschicht gegen UV-Strahlung für einen Klebestrang, mit dem die fertige Scheibe in eine Fahrzeugkarosserie eingeklebt wird. Außerdem kann sie optisch Anschlusselemente für elektrische Zusatzfunktionen der Scheibe 1 kaschieren.
So erkennt man entlang dem oberen Rand der Verbundscheibe 1 im von der Farbschicht 3 überdeckten Flächenbereich einen ersten Sammelleiter 4 und entlang dem unteren Rand einen zweiten Sammelleiter 5. Beide Sammelleiter 4 und 5 sind mit der Beschichtung 2 in an sich bekannter Weise direkt elektrisch leitend verbunden.
Unterhalb des Sammelleiters 4 ist in Scheibenmitte noch ein Kommunikationsfenster 2C zur Hälfte angedeutet, das ebenfalls von der Farbschicht 3 überdeckt und somit optisch kaschiert ist.
Viele Fahrzeug-Windschutzscheiben sind mit einem hier nicht dargestellten getönten, jedoch lichtdurchlässigen Streifen („Bandfilter") entlang ihrer Oberkante ausgestattet, der insbesondere Blendung durch Sonnenstrahlen vermindert. Auch ein solcher Streifen kann dazu beitragen, das Kommunikationsfenster optisch zu kaschieren. Er kann auch einen Teils der Breite des Streifens der Farbschicht 3 entlang der Oberkante der Scheibe ersetzen oder ergänzend dazu vorgesehen werden.
Die Verbundscheibe 1 besteht in der Regel aus zwei starren Scheiben aus Glas und/oder Kunststoff und einer diese flächig verbindenden Klebeschicht. Die Sammelleiter 4 und 5 werden auf die Klebeschicht (z. B. eine thermoplastische Klebefolie aus Polyvinylbutyral „PVB", aus Ethylen-Vinyl-Acetat „EVA" oder auch Polyurethan „PU") aufgelegt und an deren Oberfläche fixiert, bevor die Klebeschicht mit den starren Scheiben zusammengelegt und verklebt wird.
Die Sammelleiter 4 und 5 können aus dünnen und schmalen Metallfolienstreifen (Kupfer, Aluminium) bestehen, die meist auf der Klebefolie vorfixiert und beim Zusammenlegen der Verbundschichten auf die Beschichtung mit elektrischem Kontakt aufgelegt werden. Der elektrische Kontakt kann aber auch durch Auflöten der Sammelleiter 4 und 5 sichergestellt werden. Im späteren Autoklavprozess wird durch Einwirkung von Wärme und Druck ein sicherer Kontakt zwischen den Sammelleitern und der Beschichtung erreicht.
Die Sammelleiter 4 und 5 können, wie schon erwähnt, alternativ oder ergänzend durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste hergestellt werden, die beim Biegen der Glasscheiben eingebrannt wird. Dies ist auch wesentlich weniger aufwändig als das Auflegen von Metallbandabschnitten. Allerdings haben gedruckte Sammelleiter jedenfalls bei industrieller Durchlauf-Fertigung einen höheren ohmschen Widerstand als solche aus Metallfolienstreifen. Eine Festlegung auf Metallfolien- oder Siebdruck-Sammelleiter ist daher nur abhängig von dem individuellen Scheibentyp und ggf. von dem Gesamtwiderstand des Heizschichtsystems möglich.
Im Vergleich mit der Beschichtung 2 haben die Sammelleiter stets vernachlässigbare ohmsche Widerstände und heizen sich im Betrieb der Heizung nicht nennenswert auf.
Man kann in an sich bekannter Weise zwei (oder noch mehr) getrennt elektrisch speisbare Heizfelder in der Verbundscheibe 1 vorsehen (mit vertikaler Teilung z. B. in der Scheibenmitte), die natürlich auch über separate Außenanschlüsse an die jeweilige Spannungsquelle anzuschließen sind. Man kann in diesem Fall für beide Heizfelder einen gemeinsamen Masseleiter verwenden, so dass nur der Sammelleiter 4 oder der Sammelleiter 5 in zwei Abschnitte unterteilt werden muss, während der jeweils andere durchgängig ist. In der ersten Variante sind vier Außenanschlüsse notwendig, in der zweiten nur drei.
Auf die Außenanschlüsse an sich wird hier nicht näher eingegangen, da diese im Stand der Technik mannigfach vorbeschrieben wurden.
Innerhalb des vom Rand 3R der Farbschicht 3 umschriebenen Sichtfelds ist mit einer strichpunktierten Linie A das sogenannte A-Sichtfeld der Windschutzscheibe schematisch angedeutet. Die Linie A ist keine reale Kante oder dgl. in der Scheibe oder der Beschichtung, sondern dient nur zur optischen Verdeutlichung der ungefähren Lage des gedachten A-Sichtfelds. Letzteres ist in Anhang 18 der ECE R43 anhand von bestimmten Parametern einer beliebigen Fahrzeugumgebung definiert. In diesem Feld ist jede Art der Sichtbeeinträchtigung unzulässig. Außen um das A-Sichtfeld herum erstreckt sich das B-Sichtfeld, in dem geringfügige Sichteinschränkungen durch Einbauten etc. zulässig sind.
Vom oberen Sammelleiter 4 ausgehend erstreckt sich eine Schar von Linien in das Sichtfeld der Verbundscheibe 1 aus dem von der Farbschicht 3 überdeckten Randbereich in das B-Sichtfeld hinein. Sie stellen Leiter- oder Gitterelemente 4G dar, die elektrisch mit dem Sammelleiter 4 und mit der Beschichtung 2 verbunden sind und ihrerseits im Vergleich mit der letzteren niederohmig sind. Eine Mehrzahl von ihnen überbrückt ferner das Kommunikationsfenster 2C, so dass eine direkte Stromversorgung auch der vom Sammelleiter 4 aus gesehen jenseits des Kommunikationsfensters liegenden Beschichtung 2 gewährleistet ist. Optisch sind sie einerseits durch die Farbschicht kaschiert, eine weitere Kaschierung kann ggf., wie schon erwähnt, ein hier nicht dargestellter getönter Farbstreifen (Bandfilter) leisten.
Auch vom unteren Sammelleiter 5 erstrecken sich Leiter- oder Gitterelemente 5G in das B-Sichtfeld der Verbundscheibe 1 hinein.
Während bei konventionellen Scheiben mit Schichtheizung dieses Typs der Heizstrom über den gesamten Abstand zwischen den Sammelleitern nur über die Beschichtung fließen muss, kann diese Distanz mit den Gitterelementen gemäß der vorliegenden Erfindung je nach Ausdehnung des A-Sichtfelds auf Werte zwischen 50 und 80 % verkürzt werden, wobei eine Teilmenge des Stroms die restliche Distanz in den Gitterelementen überbrückt.
Nach wie vor bleibt ein wenn auch verringerter Stromfluss über die Gesamtfläche der Beschichtung erhalten, da ja die Sammelleiter in den Abschnitten zwischen den Gitterelementen nicht von der Beschichtung abgetrennt werden. Dieser Stromfluss kann jedoch nicht zur Ausbildung von hot spots an den Rändern des Kommunikationsfensters 2C führen.
Für die bereits weiter oben erörterten Zwecke der vorliegenden Erfindung müssen die Gitterelemente 4G bzw. 5G neben ihrer guten Leitfähigkeit auch innigen galvanischen Kontakt mit der Beschichtung haben. Es ist zwar prinzipiell denkbar, sie als Drahtabschnitte auszuführen. Bevorzugt werden sie jedoch schon vor dem Abscheiden der Beschichtung auf die Scheibenoberfläche aufgedruckt, welche später die Beschichtung tragen soll. Zwar ist es auch möglich, sie auf die fertige Beschichtung zu drucken, jedoch geht damit das Risiko einer Beschädigung der mechanisch wenig belastbaren, in sich mehrlagigen Beschichtung einher.
Bevorzugt werden die Gitterelemente aus einer gut leitfähigen Siebdruckpaste mit mindestens 80 %, vorzugsweise mehr als 85 % Silberanteil gedruckt.
Verwendet man gedruckte Sammelleiter 4 und 5, so können letztere mit den Gitterelementen 4G/5G in einem Arbeitsgang und aus derselben Druckpaste hergestellt werden. Danach sind keine gesonderten Arbeitsgänge mehr zum elektrischen Kontaktieren der Gitterelemente und der Sammelleiter mehr erforderlich.
Verwendet man hingegen Sammelleiter aus Metallfolienbändern, so müssen diese mit der Beschichtung und den Gitterelementen niederohmig elektrisch verbunden werden. Man wird die verzinnten Folienbänder vorzugsweise mit den Gitterelementen in an sich be kannter Weise verlöten. Grundsätzlich lassen sich die hier verwendeten Druckpasten mit hohem Metallanteil gut mit verzinnten Metallbändern verlöten.
Die Längen und gegenseitigen Abstände der Gitterelemente 4G und 5G, ihre Anzahl sowie die Abmessungen der Sammelleiter können hier nur schematisch repräsentiert werden. Erkennbar sind jedoch die relativen Abmessungen; während die eigentlichen Sammelleiter 4 und 5 in der üblichen Bandform mit mehreren Millimetern Breite ausgeführt werden, sind die Gitterelemente 4G und 5G möglichst schmal und optisch unauffällig, jedoch deutlich länger als die Breiten der Sammelleiter.
Die individuelle Konfiguration in einer konkreten Verbundscheibe kann zwar durch Simulationen in weiten Grenzen vorherbestimmt werden, bleibt jedoch sehr stark von der Größe bzw. den Abmessungen der konkreten Scheibe, von der Bauart der Sammelleiter und von den elektrischen Eigenschaften der realen Beschichtung abhängig.
Es kann beispielsweise auch genügen, nur einen der Sammelleiter mit Gitterelementen zu kombinieren. Bei relativ geringem Abstand zwischen den beiden Sammelleitern 4 und 5 können die Gitterelemente selbst auch verkürzt werden.
Man hat für einen konkreten Scheibentyp gegenseitige Abstände von 25 mm zwischen den einzelnen Gitterelementen als brauchbar ermittelt. Durch Variation der Abstände können jedoch die verfügbaren Flächen-Heizleistungen bei gegebenem Widerstand der Gitterelemente nach Bedarf eingestellt werden. Ferner werden hier vereinfachend nur geradlinig verlaufende Gitterelemente gezeigt. Dies schließt nicht aus, dass man sie in der Praxis mit gekrümmten und/oder gewellten oder auch schleifenförmigen Verläufen herstellen wird, die möglicherweise optisch weniger auffällig sind.
Die 2 zeigt eine Variante, bei der die Beschichtung 2 im Sichtfeld durch Trennlinien 2S unterteilt ist. Die Trennlinien 2S können die gesamte Beschichtung bis zur Substratoberfläche durchdringen oder auch nur bis zur substratnächsten leitfähigen Teilschicht vordringen. Sie sollen die an sich kontinuierliche Beschichtung in parallele Strompfade untergliedern. Es gibt verschiedene Technologien zum Erzeugen solcher Trennlinien, unter denen das Laserschneiden derzeit die gebräuchlichste, weil am Ergebnis gemessen wirtschaftlichste ist. Insbesondere sind die damit herstellbaren Trennlinien extrem schmal und mit dem bloßen Auge nur schlecht wahrnehmbar.
Stellt man sich die Ansicht der 2 aus der Sicht eines Fahrzeugführers (in einem links gesteuerten Fahrzeug) vor, so wird er am häufigsten durch den Flächenanteil schauen müssen, in dem die Trennlinien 2S am nächsten beisammen liegen. Diese verfolgen den Zweck, den Stromfluss durch die Beschichtung 2 im A-Sichtfeld genau in diesem Bereich zu bündeln und damit in diesem primären Sichtbereich bei Sichtbehinderungen durch Schnee, Eis oder Wassertröpfchen die höchste Wärmeleistung bereitzustellen und am schnellsten für klare Sicht zu sorgen.
Das Layout der Trennlinien 2S ist hier ebenfalls nur schematisch angedeutet und erlaubt nur bedingt Rückschlüsse auf reale Konfigurationen. Es ist ferner nicht immer zweckmäßig, die Trennlinien stets durchlaufend einzubringen, sondern es ist denkbar, einzelne oder alle Trennlinien segmentiert, sozusagen gestrichelt, auszuführen bzw. statt längerer Trennlinien einzelne kurze Abschnitte zum Lenken des Stroms in vorgegebene Pfade vorzusehen. Auch dies ist jedoch an sich aus dem vorstehend erwähnten Dokument DE 36 44 297 A1 bekannt.
3 zeigt eine Schnittansicht durch den Rand der Scheibe 1 entlang der Linie III-III in 1. Man erkennt zwei starre Einzelscheiben 1.1, 1.2 (aus Glas oder Kunststoff) sowie eine diese in der üblichen Weise miteinander adhäsiv verbindende, optisch klar transparente, elektrisch isolierende Klebeschicht 1.3. Letztere ist horizontal strichpunktiert unterteilt, um anzudeuten, dass sie real deutlich dicker als die auf der unteren Scheibe 1.2 abgeschiedene transparente Beschichtung 2. Diese ist hier ihrer Sichtbarkeit wegen grau schattiert gezeichnet. Die Klebeschicht kann in der üblichen Weise durch eine etwa 0,76 mm dicke PVB-Folie gebildet sein.
Die Bezugszeichen aus 1 und 2 wurden beibehalten. Erkennbar liegt die Beschichtung 2, deren äußerer Randbereich mit der Trennlinie 2T abgeteilt ist, auf der Scheibe 1.2 oberhalb des Sammelleiters 5 und des an diesen anschließenden Gitterelements 5G, die hier vor dem Abscheiden der Beschichtung 2 als Siebdruck-Strukturen aufgetragen wurden. Die opake Farbschicht 3 ist hier auf der im Verbund innenliegenden Fläche der Scheibe 1.1 aufgedruckt und überdeckt in der vertikalen Projektion (Durchsichtrichtung) die Trennlinie 2T, den Sammelleiter 5 und den an letzteren direkt anschließenden Abschnitt des Gitterelements 5G. Letzteres verläuft jedoch im Weiteren über den Rand 3R der opaken Farbschicht 3 in das Sichtfeld der Scheibe 1 hinein.
Die opake Farbschicht 3 könnte abweichend von dieser Darstellung auch auf den hier nicht sichtbaren Außenflächen einer der Scheiben 1.1 oder 1.2 liegen, oder auch auf derselben Oberfläche wie die Beschichtung 2 und die Sammelleiter 4 und 5.
4 verdeutlicht die Anordnung der Gitterelemente mit einem weiteren Schnitt, dessen Blickrichtung von rechts in 3 in der Ebene der Oberfläche der Scheibe 1.2 verläuft. Man blickt also auf die Stirnseiten der Gitterelemente 5G, in deren Hintergrund sich der Sammelleiter 5 quer zur Blickrichtung erstreckt. Im Bereich des mittleren sichtbaren Git terelements 5G ist die Beschichtung 2 der Oberfläche der Scheibe 1.2 zur Verdeutlichung ein Stück weit ausgespart. Man erkennt dort genauer, dass sowohl der Sammelleiter als auch das Gitterelement 5G unter der Beschichtung 2 auf der Oberfläche der Scheibe 1.2 liegen.
In einer Ausführung mit einem aus Metallfolien hergestellten Sammelleiter würde man diesen auf die Beschichtung 2 auflegen und mit ihr durch Lötverbindungen, ggf. auch durch leitfähige Kleber (was als Alternative ebenfalls bekannt ist) möglichst durchgängig und niederohmig verbinden. Lötverbindungen sind natürlich insbesondere in den Bereichen der Gitterelemente vorzusehen.

Claims

Transparente Scheibe (1) mit einer elektrisch beheizbaren Beschichtung (2), die sich über einen wesentlichen Teil der Fläche der Scheibe, insbesondere über deren Sichtfeld (A) erstreckt und mit mindestens zwei einander gegenüber liegenden niederohmigen Sammelleitern (4, 5) elektrisch so verbunden ist, dass nach Anlegen einer elektrischen Speisespannung an die Sammelleiter ein Strom über ein von der Beschichtung gebildetes Heizfeld fließt, wobei sich ausgehend von mindestens einem der Sammelleiter (4, 5) weitere niederohmige Leiterelemente (4G, 5G), deren Länge größer als die Breite des jeweiligen Sammelleiters (4, 5) ist, in Kontakt mit der Beschichtung in das Heizfeld hinein erstrecken und darin mit Abstand vor dem gegenüberliegenden Sammelleiter enden, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (4G, 5G) das Heizfeld nur außerhalb eines zentralen Sichtfeldes überdecken, um die Distanz zwischen den Sammelleitern (4, 5) elektrisch zu verkürzen, und dass der Strom in dem von den Leiterelementen (4G, 5G) nicht überdeckten Teil des Heizfeldes im Wesentlichen parallel zu deren Längserstreckung fließt.
Scheibe nach Anspruch 1, deren Rand zumindest auf einem Teil ihres Umfangs, insbesondere im Bereich der Sammelleiter (4, 5), von einer opaken Farbschicht (3) bedeckt ist, wobei sich die weiteren Leiterelemente (4G, 5G) über die von der Farbschicht bedeckte Fläche hinaus in das Sichtfeld der Scheibe erstrecken.
Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (4G, 5G) als gedruckte Linien und/oder als Drähte ausgebildet sind.
Scheibe nach Anspruch 3 mit Linien oder Drähten von nicht mehr als 0,5 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,3 mm Breite oder Dicke, auf die Scheibenfläche projiziert gemessen.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Sammelleiter (4, 5) durch Drucken und/oder aus Metallfolien hergestellt sind.
Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass gedruckte Sammelleiter vor oder nach dem Aufbringen der Beschichtung auf das jeweilige Substrat aufgedruckt sind.
Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus Metallfolien hergestellte Sammelleiter (4, 5) elektrisch mit der Beschichtung und mit den weiteren Leiterelementen (4G, 5G) durch Löten zumindest an diskreten Kontaktstellen verbunden sind.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Leiterelemente (4G, 5G) mit gleichmäßigen oder nicht gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Leiterelemente (4G, 5G) alle mit gleicher Länge oder mit unterschiedlichen Längen ausgeführt sind.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Leiterelemente (4G, 5G) nur über einen Teil der Längserstreckung eines oder beider Sammelleiter (4, 5) angeordnet sind.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Leiterelemente (4G, 5G) als Linien, offene oder geschlossene Schleifen, Geraden, Bögen und/oder Mäander ausgeführt sind.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer Ausführung als Fahrzeug-Windschutzscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Leiterelemente sich höchstens bis zur Grenze des genormten A-Sichtfeldes dieser Windschutzscheibe erstrecken.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens entlang ihrem oberen Rand ein getönter Farbstreifen erstreckt, welcher dort angeordnete Leiterelemente (4G) wenigstens teilweise überdeckt.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) im Sichtfeld durch Trennlinien (2S) in parallele Strompfade unterteilt ist.
Scheibe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinien (2S) den Stromfluss durch die Beschichtung 2 in einem primären Sichtbereich oder A-Sichtfeld bündeln.
Scheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand der kontinuierlichen Beschichtung (2) allseitig geringfügig vom Außenrand der Scheibe (1) nach innen rückversetzt ist oder dass ein Randstreifen (2T) von der vollflächigen Beschichtung (2) mittels einer Trennlinie (2T) abgeteilt ist.
Verbundscheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei starre Scheiben (1.1, 1.2) aus Glas und/oder Kunststoff und eine diese flächig verbindende Klebeschicht (1.3) umfasst, wobei die elektrisch beheizbare Beschichtung (2), die Sammelleiter (4, 5) und das oder die Leiterelemente (4G, 5G) auf im Verbund innenliegenden Flächen der Scheibe angeordnet sind.