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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine optische Regensensorvorrichtung für
ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Aus
dem Stand der Technik sind optische Regensensoren bzw. Regensensorvorrichtungen
für Kraftfahrzeuge bekannt, welche im Fahrzeuginnenraum über
ein Koppelmedium (z. B. Silikon) an die Windschutzscheibe angekoppelt
sind. Der optische Regensensor leitet dabei einen Lichtstrahl eines Senders
bzw. einer Strahlungsquelle über ein Linsensystem, d. h.
eine Senderoptikanordnung in die Windschutzscheibe. An der Scheibenoberfläche
wird das Licht totalreflektiert und über eine weitere Linse bzw.
eine Empfängeroptikanordnung auf einen Lichtdetektor bzw.
Empfänger geleitet. Je mehr Wasser sich auf der Scheibenoberfläche
der Windschutzscheibe befindet, desto geringer ist die Reflexion
und damit auch das von dem Lichtdetektor gemessene Signal. Der optische
Regensensor kann die Wischeranlage des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit
der detektierten Regenmenge steuern und automatisch die effektivste
Stufe der Wischgeschwindigkeit auswählen.
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Optische
Regensensoren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
sind beispielsweise aus der
DE 102 61 244 A1 bekannt.
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Der
Lichtdetektor sollte möglichst von Fremdlicht (z. B. Sonnenlicht)
abgeschirmt sein, um Störungen zu vermeiden. Neben dem
Fremdlicht durch Sonneneinstrahlung von außen stellen auch Feuchtigkeit
und Verschmutzung im Fahrzeuginnenraum eine der Störgrößen
bei der Regenmengenbestimmung dar. Unter gewissen Umweltbedingungen kommt
es an der Innenseite der Windschutzscheibe und im Regensensor, insbesondere
an den im Regensensor be findlichen optischen bzw. optoelektronischen
bzw. elektronischen Bauelementen, nämlich den Linsensystemen,
der Strahlungsquelle und dem Lichtempfänger zu Beschlag,
welcher die optischen Eigenschaften der optischen Strecke zwischen Strahlungsquelle
und Lichtempfänger im Regensensor beeinflusst. Beschlag äußert
sich in einer Vielzahl von Wassertröpfchen unterschiedlicher
Größe auf den Oberflächen, welche die
geometrischen und reflexiven Eigenschaften der Bauelemente, insbesondere
der Linsensysteme beeinflussen. Ein an dem Linsensystem auftretender
Beschlag sorgt in der Regel für eine schlechtere Transmission
der optischen Strecke im Regensensor, da die Lichtstrahlen durch die
Vielzahl kleiner Wassertröpfchen, welche optisch ebenfalls
wie kleine Linsen wirken, nicht mehr im korrekten Winkel in die
Windschutzscheibe eingekoppelt werden können. Lediglich
ein Teil des Lichts trifft daher in einem für die Totalreflexion
notwendigen Winkel von 45° auf die Oberfläche
der Windschutzscheibe. Dies bedeutet, dass ein deutlich höherer
Vorhalt für die Scheibenabdeckung des Regensensors bezüglich
der Transmissionseigenschaften der Windschutzscheibe berücksichtigt
werden muss. Des weiteren erhält die Linsenoberfläche
durch die Vielzahl der Wassertröpfchen andere reflexive
Eigenschaften. Dadurch, dass bei Vorhandensein eines Beschlags das
von dem Regensensor emittierte Licht nicht mehr zwei (Luft – Linsensystem – Luft),
sondern drei optische Medien (Luft – Wasser – Linsensystem – Wasser – Luft)
durchlaufen muss, wird die Anzahl der Grenzflächen zwischen
optisch unterschiedlichen Medien, an denen ein bestimmter Teil des
Lichts reflektiert wird, von zwei auf vier erhöht. Auch
dies führt zu einem Wirkungsgradverlust des optischen Systems.
Des weiteren können in Abhängigkeit der Größe
der Wassertröpfchen im Zusammenhang mit Vibrationen, welche
insbesondere durch den Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs oder durch
Fahraktivität hervorgerufen werden, trotz trockener Windschutzscheibe
irrtümlich Wischzyklen initiiert werden. Im Gegensatz zur
Strahlungsquelle wird in dem Lichtempfänger des optischen
Regensensors kaum Verlustleistung bzw. Wärme erzeugt, so
dass sich dort auch bevorzugt Beschlag einstellt. Aus diesen Gründen
ist eine Beschlagsreduzierung an den optischen bzw. optoelektronischen
Bauelementen, insbesondere dem Linsensystem des optischen Regensensors wünschenswert.
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Aus
der Praxis bekannt sind Regensensorsysteme bei welchen der Beschlag
elektrisch durch ein Heizungsmodul reduziert wird. Das Linsensystem wird
bei Vorliegen einer Beschlagsgefahr (insbesondere bei Temperaturen
unterhalb von 25°C) leicht erhitzt, um das Mikroklima im
Regensensor hinsichtlich des Taupunkts zu verändern und
damit die Entstehung des Beschlags zu verhindern bzw. diesen zu
reduzieren.
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Auch
Verschmutzungen können die optischen Eigenschaften der
optischen Bauelemente negativ beeinflussen. Verschmutzungen verursachen regelmäßig
eine Filterwirkung bzw. eine Absorption des Lichts. In den bekannten
Systemen verwendet man daher geschlossene Gehäuse für
die Regensensoren, um den Einfluss von Partikeln aus der Fahrzeuginnenraumluft
so gering wie möglich zu halten.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße optische Regensensorvorrichtung
für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren Bauelementen, nämlich
wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, wenigstens
einer Empfangseinrichtung, wenigstens einer Senderoptikanordnung
und wenigstens einer Empfängeroptikanordnung, wobei mittels
der wenigstens einen Empfangseinrichtung eine von der wenigstens
einen Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung empfangbar
ist, wobei die elektromagnetische Strahlung von der wenigstens einen
Strahlungsquelle mittels der wenigstens einen Senderoptikanordnung
an eine Grenzfläche der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs
mit dem Fahrzeugäußeren geleitet, dort reflektiert
und mittels der wenigstens einen Empfängeroptikanordnung
weiter auf die wenigstens eine Empfangseinrichtung geleitet wird,
wobei die Oberfläche wenigstens eines der Bauelemente wenigstens
teilweise mit einer Nanobeschichtung versehen ist, welche eine photokatalytische
Selbstreinigung der Oberflächen bewirkt, hat den Vorteil, dass
ein Beschlagen und eine Verunreinigung der Oberflächen
der optischen bzw. optoelektronischen bzw. elektronischen Bauelemente weitestgehend vermieden
bzw. reduziert wird.
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Es
wird vorgeschlagen, die insbesondere optisch wirksamen Oberflächen
der optischen Bauelemente, insbesondere die Senderoptikanordnung,
die Empfängeroptikanordnung, die elektromagnetische Strahlungsquelle
und/oder die Empfangseinrichtung, des optischen Regensensors mit
einer speziellen Beschichtung zu versehen, die es vermag eine photokatalytische
Selbstreinigung der Oberflächen zu bewirken. Als „photokatalytische
Selbstreinigung" bezeichnet man die Eigenschaft von Oberflächen,
welche mit einer Nanobeschichtung mit Nanopartikeln vorzugsweise
aus Titandioxid (TiO2) beschichtet wurden
und dadurch in der Lage sind, bei Bestrahlung mit Sonnenlicht (insbesondere
UV-Licht) organische Materialien auf der Oberfläche zu
zersetzen. Die Oberflächen bleiben daher sauber. Des weiteren
wirkt eine solche Beschichtung antimikrobiell. Darüber
hinaus führt eine derartige Beschichtung dazu, dass an
den Oberflächen Wasser keine Tröpfchen mehr bildet, sondern
lediglich eine dünne Schicht, wodurch ein Beschlagen dieser
Oberflächen weitestgehend vermieden wird. Derartige Oberflächen
werden auch als superhydrophil bezeichnet.
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Durch
die photokatalytische Selbstreinigung der Bauelemente ist es nun
möglich, für optische Regensensoren auch offene
Gehäuse zu verwenden, was insbesondere für eine
Integration weiterer Funktionen in den Regensensor wie beispielsweise
eine Taupunktsensorik (auch mit einer Feuchtigkeitsmessung), einen
Luftgütesensor oder dergleichen von Vorteil wäre.
Für beide Funktionen ist ein Luftaustausch mit der Umgebung
vonnöten.
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Durch
die Antibeschlagwirkung der Nanobeschichtung kann auf ein Heizmodul
im Regensensor gänzlich verzichtet werden. Die optischen
Eigenschaften werden bei Beschlagsneigung nur noch geringfügig
durch einen dünnen (nahezu unsichtbaren) Wasserfilm beeinflusst.
Eine Beschichtung mit Nanopartikeln aus Titandioxid bewirkt eine
Kostenersparnis und senkt den Bauraumbedarf auf der Platine, da das
Heizmodul nicht mehr benötigt wird. Dadurch kann der Platzbedarf
des Regensensors reduziert oder die Funktionalität des
Regensensors – bei gleichbleibendem Platzbedarf – erweitert
werden.
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Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
prinzipmäßig beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung
einer erfindungsgemäßen optischen Regensensorvorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In
der Figur ist eine erfindungsgemäße optische Regensensorvorrichtung
dargestellt, welche nach dem nachfolgend beschriebenen Prinzip arbeitet.
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Eine
elektromagnetische Strahlungsquelle 6 wie beispielsweise
eine Infrarot-LED oder dergleichen sendet elektromagnetische Strahlung 4 (das sogenannte
Nutzlicht) unter einem bestimmten Winkel von der Innenseite einer
Scheibe bzw. Windschutzscheibe 1 her, also üblicherweise
vom Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) aus, in
Richtung der Windschutzscheibe 1. Die Strahlung 4 passiert
die Grenzfläche zwischen Innenraum und Windschutzscheibe 1 und
wird gegen die von Windschutzscheibe 1 und dem Fahrzeugäußeren
gebildete Grenzfläche 10 gelenkt, die in diesem
Bereich als sensitive Fläche bezeichnet wird. In der Regel sind
dann die Lichtstrahlen in der Windschutzscheibe 1 parallel.
Der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung 4 gegenüber
der Grenzfläche 10 ist dabei so gewählt,
dass die elektromagnetische Strahlung 4 bei einer nicht
beispielsweise durch Regen tropfen 11 benetzten Windschutzscheibe 1 an
der Grenzfläche 10 nach den Gesetzen der Optik
in Richtung der Innenseite der Windschutzscheibe 1 als
reflektierte Strahlung 5 totalreflektiert wird und von
einem in der Nähe der Scheibeninnenseite angeordneten beispielsweise
als Infrarot-LRD ausgebildeten Empfänger 7 bzw.
einer Empfangseinrichtung detektiert wird. Bei einer Benetzung der
Scheibe 1 mit den Regentropfen 11 wird diese Totalreflexion
wie aus der Figur ersichtlich aufgrund der geänderten Brechzahlverhältnisse
an der Grenzfläche 10 gestört bzw. aufgehoben,
so dass ein Teil 4a der elektromagnetischen Strahlung 4 nach
außen ausgekoppelt wird und an dem Empfänger 7 weniger
Strahlung 5 als im Falle der Totalreflexion ankommt. Aus
dem Einbruch des Lichteinfalls (bzw. den Signaldifferenzen) schließt
eine der Strahlungsquelle 6 und dem Empfänger 7 zugeordnete,
z. B. auf einer Leiterplatte angeordnete Auswerteeinheit 8 auf
den vorliegenden Benetzungsgrad und steuert entsprechend Wischvorgänge
des Scheibenwischers. Um dieses Grundprinzip zu realisieren, sind
Strahlungsquelle 6, Empfänger 7 und die
Auswerteeinheit 8 zusammen mit einem nicht dargestellten
Steuergerät in einem Gehäuse 9 untergebracht,
das zum Zwecke der effektiven Lichtstrahlführung mit einer
der Strahlungsquelle 6 zugeordneten Senderoptikanordnung
bzw. Einkoppeloptik 3a und einer dem Empfänger 7 zugeordneten
Empfängeroptikanordnung bzw. Auskoppeloptik 3b ausgerüstet
ist und zum Zwecke der ungestörten Lichtleitung und Einkopplung
der Strahlung 4 bzw. 5 in die bzw. aus der Windschutzscheibe 1 mit
einem optischen Koppelmedium als Zwischenschicht 2, z. B.
aus Silikon, luftblasenfrei an die Windschutzscheibe 1 angekoppelt
ist. Die genannten Einkoppel- bzw. Auskoppeloptiken 3a, 3b bestehen
dabei üblicherweise aus Linsen bzw. Linsensystemen, deren
eine Seite konvex und deren andere Seite plan ist. Die Senderoptikanordnung 3a,
die Empfängeroptikanordnung 3b, die elektromagnetische
Strahlungsquelle 6 und der Empfänger 7 gehören
zu den optischen Bauelementen 3a, 3b, 6, 7 der
optischen Regensensorvorrichtung, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle 6 und
der Empfänger 7 aufgrund ihrer Funktion selbstverständlich
auch als optoelektronische bzw. elektronische Bauelemente bezeichnet werden
können.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nun erfindungsgemäß die
Oberflächen der elekt romagnetischen Strahlungsquelle 6,
des Empfängers 7, der Empfängeroptikanordnung 3b und
der Senderoptikanordnung 3a bzw. der Linsensysteme mit
einer Nanobeschichtung 12 versehen, welche eine photokatalytische
Selbstreinigung der Oberflächen bewirkt. Dadurch wird in
vorteilhafter Weise ein Beschlagen und eine Verunreinigung dieser
Oberflächen weitestgehend vermieden bzw. reduziert. Die Nanobeschichtung 12 weist
dazu Nanopartikel aus Titandioxid (TiO2)
auf.
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In
weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können
selbstverständlich auch nur die Oberflächen ausgewählter
optischer Bauelemente 3a, 3b, 6, 7,
insbesondere auch nur teilweise (z. B. nur der optisch wirksame
Teil der Oberfläche), mit einer Nanobeschichtung 12 versehen
sein, welche eine photokatalytische Selbstreinigung der Oberfläche
bewirkt.
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Grundlage
der Selbstreinigung ist die sogenannte Photokatalyse. Titandioxid
ist ein Halbleiter, in welchem einstrahlendes Licht Elektron-Loch-Paare erzeugt,
wenn die Energie der Photonen größer als die der
Bandlücke ist (innerer photoelektrischer Effekt). Die Elektronen
oder Löcher können in Titandioxid an die Oberfläche
diffundieren und erzeugen dort Radikale, die zur Zersetzung organischer
Substanzen führen. Insbesondere die Löcher haben
eine hohe oxidative Wirkung. Aus Wasser werden OH-Radikale gebildet.
Organische Substanzen werden dadurch zersetzt. Endprodukte sind
oftmals CO2 und Wasser. Die superhydrophilen
Eigenschaften der Oberflächen kommen durch Sauerstoff-Leerstellen an
der Titandioxid-Oberfläche zustande. An diesen Stellen
werden OH-Gruppen gebunden, die zur guten Benetzung mit Wasser führen.
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Es
sind Produkte verfügbar mit welchen Nanobeschichtungen
aus Titandioxid erzeugt werden können. Ein Beispiel hierfür
ist das nach dem AEROSIL®-Verfahren
hergestellte VP TiO2 P90 (hydrophiles pyrogenes
Titandioxid).
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Das
Aufbringen der Beschichtung mit Nanopartikeln aus Titandioxid auf
die Optikanordnun gen 3a, 3b bzw. den Lichtleiter
sollte vorzugsweise während der Sensormontage erfolgen,
falls die Optikanordnungen 3a, 3b aus mehreren
Einzelteilen zusammengesetzt ist. Sind die Optikanordnungen 3a, 3b wie
im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig ausgeführt,
so kann der Beschichtungsvorgang auch vorab erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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