DE102005040147A1

DE102005040147A1 - Sonnensensor für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005040147A1
Application number: DE200510040147
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Richwin
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-01
Also published as: WO2007022960A1

Abstract

Beschrieben wird ein Sonnensensor für ein Kraftfahrzeug mit einer von der Einstrahlungsrichtung abhängigen Empfindlichkeit, mit einem Strahlungsempfänger und einem vor dem Eintrittsfenster des Strahlungsempfängers angeordneten optischen Körper, wobei der optische Körper eine Facettenstruktur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnensensor für ein Kraftfahrzeug mit einer von der Einstrahlungsrichtung abhängigen Empfindlichkeit, mit einem Strahlungsempfänger und einem vor dem Eintrittsfenster des Strahlungsempfängers angeordneten optischen Körper.

Sonnensensoren werden in Kraftfahrzeugen zur Bestimmung der Sonneneinstrahlungsintensität und/oder der Sonneneinstrahlungsrichtung verwendet. Die erfaßten Daten sind insbesondere zur Steuerung von Klimaautomaten vorgesehen, da die Sonneneinstrahlung das subjektive Temperaturempfinden der Fahrzeuginsassen wesentlich mitbestimmt. Erfaßt werden vorzugsweise der Vertikalwinkel, also die Winkelhöhe der Sonne über dem Horizont und der Horizontalwinkel, der die Himmelsrichtung der Sonne relativ zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs angibt. Des weiteren sind z. B. für eine Zwei-Zonen-Klimaautomatik die Sonneneinstrahlung auf die Fahrer- und Beifahrerseite getrennt zu ermitteln, für eine Ein-Zonen-Klimaautomatik die Gesamt-Sonneneinstrahlung.

Sonnensensoren weisen im allgemeinen eine von der Einstrahlungsrichtung abhängige Empfindlichkeit auf. Hierdurch können Sonnensensoren mit einem Strahlungsempfänger realisiert werden, bei denen die erfaßte Sonnenstrahlungsintensität in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung gewichtet ist. Typische Richtungen für die Empfindlichkeitsmaxima sind ca. 45° zur Fahrtrichtung und ca. 45° zum Horizont.

Im Stand der Technik wird die Winkelcharakteristik der Sonnensensoren durch einen entsprechend ausgerichteten Einbau des Strahlungsempfängers erreicht. Eine genaue Ausrichtung des Strahlungsempfängers bedeutet allerdings einen hohen Montageaufwand.

Aus der EP 0350 866 B1 ist ein Fotodetektorsystem mit einem halbkugelförmigen Diffusor bekannt. Ein derartiger Diffusor weist eine relativ große Bauhöhe auf und führt zu einer großen Bauhöhe des Sensors insgesamt.

Es stellte sich die Aufgabe, einen möglichst einfach und kostengünstig herstellbaren Sonnensensor zu schaffen, der sich zudem durch einen flachen Sensoraufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der optische Körper eine Facettenstruktur aufweist.

Ein derartiger optischer Körper ist einfach und kostengünstig als ein scheibenartiges Kunststoff-Spritzgußteil herstellbar.

Vorteilhaft ist, wenn der optische Körper gleichzeitig ein Gehäuseteil des Sonnensensors ausbildet. Hierdurch wird es auch ohne großen Aufwand möglich, einen Sonnensensor vorteilhaft mit anderen an der Windschutzscheibe angeordneten optischen Sensoren, wie beispielsweise Feuchtigkeits- oder Umgebungslichtsensoren, zu kombinieren und in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren.

Optische Körper mit Facettenstrukturen auf ihrer Oberfläche werden auch zur Ausbildung von Lichtleitkörpern oder Streuscheiben verwendet, wobei die Facetten hierbei in vielen Fällen lichtbrechende Prismen bilden. Der im Zusammenhang mit einem Sonnensensor verwendete optische Körper bildet ebenfalls einen Lichtleitkörper aus, dessen Ein- und bzw. oder Austrittsflächen als Diffusoren wirken können.

Als Facettenstruktur kann dabei jede, vorzugsweise periodische Strukturierung eines im wesentlichen flächigen optischen Körpers angesehen werden, die wenigstens zwei Gruppen von unterschiedlich ausgerichteten Flächen aufweist. Die Facettenstruktur ist bevorzugt als eine asymmetrische Sägezahnstruktur ausgebildet, wobei kürzere Sägezahnflanken etwa parallel zur Flächennormale des optischen Körpers verlaufen und längere Sägezahnflanken schiefwinklig dazu angeordnet sind.

Durch die Sägezahnstruktur kann bereits eine vom Einfallswinkel abhängige Transmission erzielt werden. Der Effekt wird noch verstärkt, wenn die kürzeren und die längeren Sägezahnflanken unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. So können die längeren Sägezahnflanken mit lichtsammelnden Zylinderflächen und/oder mit einer diffusen Oberfläche versehen sein, um eine möglichst große Lichtmenge zu sammeln und/oder auf eine möglichst große Fläche des Strahlungsempfängers zu verteilen.

Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die kürzeren Sägezahnflanken möglichst wenig lichtdurchlässig ausgebildet sind und zu diesem Zweck vorzugsweise eine absorbierende oder reflektierende Oberfläche aufweisen.

Beim Einbau des Sonnensensors in ein Kraftfahrzeug können die Kanten der prismenförmigen Facetten zunächst in einer Richtung parallel zur Fahrzeughochachse und parallel zur Windschutzscheibe liegen. In dieser Anordnung ist das Empfindlichkeitsmaximum in horizontaler Richtung unter dem durch den Facettenwinkel vorgegebenen Winkel, in vertikaler Richtung liegt es in Richtung des Scheibenlotes.

Dreht man nun die Kanten der Facetten um das Scheibenlot, so verschiebt sich die Richtung der Hauptempfindlichkeit auch vertikal.

Durch diese beiden Winkel (Facettenwinkel und Drehwinkel der Gesamtstruktur) können so die horizontale und vertikale Richtung der Hauptempfindlichkeit eingestellt werden. Die Breite der Winkelcharakteristik wird durch die Streustärke der diffusen Flächen eingestellt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenigstens zwei Strahlungsempfänger mit unterschiedlicher Ausrichtung vorzusehen. Hierdurch wird es möglich, sowohl die genaue Einstrahlungsrichtung als auch die absolute Einstrahlungsintensität zu erfassen.

Die Strahlungsempfänger können vorteilhaft als einfache und kostengünstige Fotodioden ausgeführt sein und weisen vorzugsweise ein möglichst großflächiges Eintrittsfenster auf. Vorteilhaft ist, wenn die Fotodioden speziell für infrarote Strahlung empfindlich sind. Hierzu ist es vorteilhaft, den optischen Körper durch Einfärbung als Filter für infrarote Strahlung auszubilden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in ihrer Toleranzunempfindlichkeit, durch die sie sich gegenüber Blenden- oder Linsenanordnungen auszeichnet. Die Winkelcharakteristik wird hier unabhängig von der Position des Strahlungsempfängers zur optischen Struktur erzeugt, solange sich der Strahlungsempfänger vollständig unterhalb der Struktur befindet.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze zum Aufbau eines Sonnensensors,
2 eine Skizze einer vorteilhaften Ausführungsform.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sonnensensors in einer schematischen Darstellung. Der Sonnensensor besteht aus einem flächig ausgeführten optischen Strahlungsempfänger (1), der beispielsweise durch eine Fotodiode mit einem relativ großen Eintrittsfenster ausgebildet sein kann.
Vor dem Lichteintrittsfenster des Strahlungsempfängers (1) ist ein optischer Körper (2) angeordnet, bei dem eine zum Strahlungsempfänger (1) im wesentlich parallel verlaufende Fläche eine Facettenstruktur ausbildet. Die Facettenstruktur ist durch eine Folge von gleichartigen, jeweils asymmetrisch ausgebildeten Sägezähnen geformt. Die Sägezahnstruktur (3) ist in diesem Beispiel an der dem Strahlungsempfänger (1) zugewandten Unterseite des optischen Körpers (2) angeformt. Alternativ kann die Sägezahnstruktur (3) auch an der Oberseite oder auch zugleich an Unter- und Oberseite des optischen Körper (2) angeordnet sein.
Die Sägezahnstruktur (3) kann dabei aus einer Vielzahl von einzelnen Zähnen bestehen oder aber, im Extremfall, auch nur aus einem einzelnen Zahn, der eine einzelne, bezogen auf die Eintrittsfläche des Strahlungsempfängers (1), schräge Kante ausbildet.
Wie die 1 zeigt, bewirkt die Sägezahnstruktur (3) des optischen Körper (2) bereits eine deutliche Richtungscharakteristik bezüglich der zum Strahlungsempfänger (1) gelangenden Strahlungsintensität. Fällt ein Lichtstrahl auf eine lange, spitzwinklig zur Oberfläche des Strahlungsempfängers (1) liegende Flanke (4) eines Sägezahns (Lichtweg a), so wird der größte Anteil des auftreffenden Lichts in Richtung auf den Strahlungsempfänger (1) transmittiert.
Fällt Licht dagegen auf eine der kürzeren, etwa senkrecht zu Oberfläche des Strahlungsempfängers (1) verlaufende Flanke (5) eines Sägezahns, dargestellt durch den Lichtweg b, so wird der größte Anteil des auftreffenden Lichts am Strahlungsempfänger (1) vorbeigelenkt. Nur ein relativ geringer Anteil des dabei streifend auf eine längere Flanke (4) treffenden Lichts wird in Richtung auf den Strahlungsempfänger (1) geleitet.
Entsprechend wird Licht, welches flach von der linken Seite einfällt, zu einem größeren Teil auf den Strahlungsempfänger (1) gelenkt, als Licht, welches unter einem gleichen Winkelabstand von rechts einfällt.
Die Sägezahnstruktur (3) bildet somit eine Richtcharakteristik für einfallendes Licht aus, welches frontal gegenüber seitlich einfallendem Licht begünstigt und außerdem den linken vor dem Sonnensensor liegenden Halbraum vor dem rechten Halbraum bevorzugt. Diese Hervorhebung kann noch dadurch gesteigert werden, daß die längeren Flanken (4) der Sägezahnstruktur (3), etwa durch ein Beschichtung, eine optisch diffus wirkende Oberfläche (6) aufweisen und die schmalen Flanken (5) optisch absorbierend oder reflektierend wirken.
Zur Bestimmung einer absoluten Strahlungsintensität oder zu einer genaueren Winkelauflösung können mehrere versetzt gegeneinander angeordnete Sonnensensoren vorgesehen sein, deren Meßergebnisse durch eine Verhältnisbildung ausgewertet werden können.
Vorteilhaft ist es beispielsweise, die Sensoren derart anzuordnen, daß deren Sägezahnstrukturen (3a, 3b) um einen Winkel α gegeneinander versetzt sind. Eine derartige Anordnung deutet die 2 schematisch an. Die Lage der Sägezahnstruktur (3a, 3b) ist hier durch die Schraffur der optischen Körper (2a, 2b) dargestellt.

1: Strahlungsempfänger
2, 2a, 2b: optischer Körper
3, 3a, 3b: Sägezahnstruktur
4: längere Flanke
5: kürzere Flanke
6: diffuse Oberfläche
a, b: Lichtwege

Claims

Sonnensensor für ein Kraftfahrzeug mit einer von der Einstrahlungsrichtung abhängigen Empfindlichkeit, mit einem Strahlungsempfänger (1) und einem vor dem Eintrittsfenster des Strahlungsempfängers (1) angeordneten optischen Körper (2, 2a, 2b), dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper (2, 2a, 2b) eine Facettenstruktur aufweist.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (1) flächig ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper (2, 2a, 2b) ein Kunststoffspritzgußteil ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Facettenstruktur räumlich asymmetrisch ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Facettenstruktur durch eine sägezahnförmige Strukturierung (3, 3a, 3b) einer Fläche des optische Körper (2, 2a, 2b) ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper (2, 2a, 2b) wenigstens zwei Gruppen von optischen Flächen mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist.
Sonnensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gruppe der optischen Flächen diffus streuend ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gruppe der optischen Flächen Zylinderflächen ausbilden.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (1) als Fotodiode ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlungsempfänger mit jeweils einem optischen Körper (2a, 2b) nebeneinander angeordnet sind.
Sonnensensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Körper (2a, 2b) gegeneinander einen Winkelversatz aufweisen.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper (2, 2a, 2b) ein nur für infrarote Strahlung durchlässiges, eingefärbtes Gehäuse aufweist.