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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem kapazitiven
Regensensor und einem Lichtsensor mit einem lichtempfindlichen Bereich,
wobei der Regensensor eine Leiterplatte und wenigstens ein Paar
von beabstandeten Elektroden, die an der Oberseite der Leiterplatte
vorgesehen und mit dieser elektrisch verbunden sind, aufweist.
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Derartige
Sensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 032 372 A1 bekannt
und dienen dazu, Regentropfen auf einer Scheibe, insbesondere der
Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, zu erkennen. Dazu weist
der Sensor auf der Leiterplatte zwei beabstandete Elektroden auf,
die über eine Auswerteeinrichtung miteinander verbunden
sind und als Kondensator wirken. Der Regensensor wird hinter der
Windschutzscheibe montiert, so dass beim Betrieb des Sensors elektrische
Feldlinien zwischen den Elektroden durch die Windschutzscheibe und den
darüber liegenden Außenbereich verlaufen. Bei auftretendem
Regen bilden sich Regentropfen auf der Windschutzscheibe, so dass
die Feldlinien durch die Wassertropfen beeinflusst werden und sich
die Kapazität des Kondensators ändert. Die Wassertropfen
wirken hier als ein Dielektrikum zwischen den Elektroden des Kondensators.
Bei einer an dem Kondensator anliegenden Spannung sind abhängig
von der Kapazität unterschiedlich viele Ladungsträger
in dem Kondensator vorhanden, und die Auswerteeinheit erfasst die
Ladungsträgeränderung aufgrund der Kapazitätsänderung
durch die Regentropfen. So kann das Vorhandensein von Wassertropfen
auf der Windschutzscheibe detektiert werden.
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Ein
Lichtsensor verfügt über einen lichtempfindlichen
Bereich, der als lichtempfindliches Element zum Beispiel eine Fotodiode
aufweist und hinter der Windschutz scheibe platziert ist. Die Fotodiode ändert ihre
elektrischen Eigenschaften abhängig von der Menge einfallenden
Lichts, worüber die Umgebungshelligkeit erfassbar ist.
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Heutige
Fahrzeuge verfügen über eine Mehrzahl von Sensoren,
die zum Beispiel hinter der Windschutzscheibe vorzusehen sind, wodurch
die effektive Fläche der Windschutzscheibe verkleinert wird.
Die Abmessungen des Regensensors und seine Funktionalität
werden im Wesentlichen durch die Abmessungen der Elektroden bestimmt,
wobei sich zwischen den Elektroden eine ungenutzte Fläche
ergibt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung zu
schaffen, durch welche die beanspruchte Fläche verringert
wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Lichtsensor an der Leiterplatte derart vorgesehen ist,
dass zwischen den Elektroden einfallendes Licht auf den lichtempfindlichen
Bereich trifft.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es also, den Lichtsensor in den kapazitiven Regensensor
zu integrieren. Die Elektroden des kapazitiven Regensensors bilden
dabei in an sich bekannter Weise einen Kondensator. Eine dazwischen
befindliche Fläche wird von dem Lichtsensor genutzt, um
dort einfallendes Licht zu erfassen. Über eine Auswerteschaltung wird
ein Messwert für das dort einfallende Licht zur weiteren
Verwendung bereitgestellt. Dadurch wird die von der Regensensorstruktur
nicht genutzte Fläche zwischen den beabstandeten Elektroden
für den Lichtsensor genutzt, so dass keine zusätzliche
Fläche für den Lichtsensor erforderlich ist. Der
Lichtsensor beeinflusst im Betrieb das elektrische Feld zwischen
den Elektroden nicht, so dass auch Ladungen auf den Elektroden nicht
beeinflusst werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der lichtempfindliche
Bereich des Lichtsensors zwischen den Elektroden angeordnet sein.
Damit ergibt sich die Möglichkeit zwischen den Elektroden des
Regensensors einfallendes Licht direkt zu erfassen.
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Auch
kann der lichtempfindliche Bereich des Lichtsensors an der Oberseite
der Leiterplatte liegen. Durch diese Anordnung kann das Licht aus
allen Richtungen ungehindert auf den Lichtsensor fallen, so dass
eine Beschattung des lichtempfindlichen Bereichs zum Beispiel durch
die Elektroden des kapazitiven Regensensors oder durch andere Komponenten
vermieden wird. Somit kann die Fläche des lichtempfindlichen
Bereichs gering gehalten werden.
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Alternativ
kann in der Leiterplatte zwischen den Elektroden eine Lichtdurchtrittsöffnung
ausgebildet und der lichtempfindliche Bereich des Lichtsensors an
der Rückseite der Leiterplatte derart positioniert sein,
dass durch die Lichtdurchtrittsöffnung einfallendes Licht
auf den lichtempfindlichen Bereich des Lichtsensors trifft. Abhängig
von der Gestaltung des Regensensors können zum Beispiel
die Elektroden nahe aneinander liegen, wodurch der Lichtsensor aufgrund
seiner Baugröße nicht zwischen den Elektroden
platziert werden kann. Das einfallende Licht kann in diesem Fall
durch die Lichtdurchtrittsöffnung den lichtempfindlichen
Bereich des hinter der Leiterplatte angeordneten Lichtsensors beleuchten. Es
ergibt sich eine Sensoranordnung, bei der die beanspruchte Fläche
der Sensoranordnung auf der Scheibe gering ist.
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Zusätzlich
können die Seitenfläche und die Rückseite
der Leiterplatte von einer Abdeckung umgeben sein. Die Abdeckung
bildet zusammen mit der Leiterplatte ein Gehäuse, in der
eine Elektronik, zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung und Verdrahtung, vollständig
untergebracht und damit vor Feuchte, Verschmutzung und Beschädigung
geschützt werden kann. In diesem Fall kann auch der Lichtsensor innerhalb
des Gehäuses untergebracht sein. Die so geschaffene geschlossene
Einheit aus Lichtsensor und kapazitivem Regensensor erleichtert
zusätzlich die Montage der Sensoren, da die so geformte
Sensoranordnung als ein Bauteil einfach und schnell montiert werden
kann.
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Dabei
kann die Abdeckung aus einem elektrisch leitfähigen Material
bestehen. So werden die Elektroden und die Elektronik innerhalb
des Gehäuses vor elektromagnetischen Störfeldern
geschützt, und eine Ausbreitung von Feldlinien in den Fahrzeuginnenraum
wird vermieden oder verringert. Dies ist besonders effektiv, wenn die
Abdeckung zusätzlich an die Fahrzeugmasse angeschlossen
ist. So können Beeinflussungen der Sensoren zum Beispiel durch
statische Aufladungen vermieden werden.
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Auch
kann die Abdeckung elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sein.
Dadurch kann die Abdeckung selbst als Elektrode wirken, indem zwischen der
Abdeckung und wenigstens einer Elektrode auf der Leiterplatte eine
elektrische Spannung angelegt wird. Dabei ist es aus Sicherheitsgründen
sinnvoll, die Abdeckung auf das Massepotential und die andere Elektrode
auf eine davon abweichende Spannung zu legen. Auch kann die Abschirmung
gegenüber Störfeldern weiter verbessert werden,
wenn die Leiterplatte und die Abdeckung dasselbe Massepotential
aufweisen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Elektroden
aus mindestens zwei leitfähigen Flächen auf der
Leiterplatte bestehen. Beispielsweise können die Elektroden
auf die Leiterplatte kaschiert sein. Die flächige Ausführung
ermöglicht es, den Regensensor insgesamt flach auszubilden.
Da sich die Elektroden nur gering von der Leiterplatte erheben,
kann die Sensoranordnung mit dieser Fläche plan an der
Windschutzscheibe angebracht werden kann. Weiterhin kann sich aufgrund
der flachen Ausführung der Elektroden das elektrische Feld
nur zu einem geringen Teil in den Bereich unmittelbar zwischen den
Elektroden ausbreiten und weist daher eine starke Ausdehnung senkrecht
zu der Leiterplatte, das heißt in Richtung auf die Windschutzscheibe auf.
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Schließlich
können die Elektroden als zwei konzentrisch angeordnete
leitfähige Flächen ausgebildet sein. Darüber
wird sichergestellt, dass ein möglichst homogener Kondensator
gebildet wird, der außerdem eine besonders hohe Effektivität
aufweist. Bei unterschiedlicher Ausgestaltung verschiedener Abschnitte
des Kondensators werden die Eigenschaften von vornherein durch die
Bauform beeinflusst, so dass einige Bereich stärker zu
der Sensorwirkung beitragen als andere. Durch diese weniger beitragenden
Abschnitte wird jedoch die Fläche des Sensors auf der Scheibe,
hinter welcher der Regensensor angeordnet ist, unnötig
vergrößert. Auch wird durch die konzentrischen
Elektroden sichergestellt, dass Regentropfen an jeder Stelle der
Windschutzscheibe im gleichen Maße zur Erfassung beitragen und
erfasst werden. Die konkrete Ausgestaltung der Elektroden kann beliebig
gewählt sein. Es bieten sich zum Beispiel konzentrische
Kreise, Rechtecke, Quadrate oder Elipsen an.
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Hinsichtlich
weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
und nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem kapazitiven
Regensensor und einem Lichtsensor im Querschnitt,
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2 eine
Draufsicht auf die Sensoranordnung aus der 1,
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3 eine
beispielhafte Ausführung einer Leiterplatte mit Elektroden
und Lichtsensor in Schnittansicht,
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4 Ausführungsbeispiele für
die Anordnung eines Lichtsensors zwischen den Elektroden eines kapazitiven
Regensensors, und
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5 eine
zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung mit kapazitivem
Regensensor und integriertem Lichtsensor.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit
einem kapazitiven Regensensor und einem integrierten Lichtsensor 2 gezeigt.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ein Gehäuse, das
aus einer Leiterplatte 3 und einer Abdeckung 4 gebildet
ist. Die Abdeckung 4 besteht aus einem leitfähigen
Material und ist mit der Leiterplatte 3 elektrisch verbunden.
Die Leiterplatte 3 ist plan ausgeführt und die
Abdeckung 4 umgibt die Seitenflächen und Rückseite
der Leiterplatte 3 unter Bildung eines Innenraums 5.
Aus dem Gehäuse ragt seitlich ein Stecker 6 heraus,
der mit der Leiterplatte 3 verbunden ist. Über
den Stecker 6 und die Leiterplatte 3 ist die Abdeckung 4 an
ein Massepotential des Fahrzeugs angeschlossen.
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Der
kapazitive Regensensor umfasst zwei beabstandete Elektroden 7, 8 und
eine nicht gezeigte Auswerteeinrichtung. Die Elektroden 7, 8 sind
als leitfähige Flächen ausgebildet, die auf die
Leiterplatte 3 kaschiert sind, wie in der 3 prinzipiell
gezeigt ist. Die Elektroden 7, 8 sind als innere
Elektrode 7 und äußere Elektrode 8 konzentrisch
zueinander angeordnet, wie in der 2 gezeigt
ist. Die innere Elektrode 7 besitzt eine rechteckige Grundform,
und die äußere Elektrode 8 umgibt die
innere Elektrode 7 als rechteckiger Ring, wobei der Abstand
zwischen den Elektroden 7, 8 an allen Stellen
näherungsweise gleich groß ist. Die Abmessungen
der äußeren Elektrode 8 und der Leiterplatte 3 sind
so gewählt, dass sie näherungsweise übereinstimmen,
wobei die Leiterplatte 3 geringfügig größer
ist als die äußere Elektrode 8, um diese
vollständig aufzunehmen.
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Die
Auswerteeinrichtung ist in dem Innenraum 5 des Gehäuses
untergebracht und über elektrische Durchverbindungen 9 durch
die Leiterplatte 3 mit den Elektroden 7, 8 verbunden.
Die Auswerteeinrichtung ist elektrisch an den Stecker 6 angeschlossen.
Die Leiterplatte 3 weist außerdem eine Aussparung 10 auf,
die zwischen den Elektroden 7, 8 vorgesehen ist.
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Der
Lichtsensor 2 ist innerhalb des Gehäuses angeordnet
und weist einen lichtempfindlichen Bereich 11 auf, der
in die Aussparung 10 eingesetzt ist. Der lichtempfindliche
Bereich 11 schließt bündig mit der Aussparung
in der Leiterplatte 3 ab. Eine nicht dargestellte Auswerteschaltung
für den Lichtsensor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
innerhalb des Lichtsensors 2 vorgesehen und über
die Leiterplatte 3 mit dem Stecker 6 verbunden,
alternativ ist es möglich, die Auswerteschaltung für
den Lichtsensor und/oder den Regensensor auf der Leiterplatte 3 anzuordnen.
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Eine
Montage der Sensoranordnung 1 in einem Fahrzeug erfolgt üblicherweise
durch Anbringen an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs. Dazu wird das
Gehäuse der Sensoranordnung 1 mit der Leiterplatte 3 als
Einheit hinter die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs geklebt
oder gepresst. Die Sensoranordnung 1 wird über
den Stecker 6 mit einer Elektronik des Fahrzeugs verbunden.
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Im
Betrieb bilden die Elektroden 7, 8 des kapazitiven
Regensensors einen Kondensator, an den eine elektrische Spannung
angelegt wird. Die Spannung bewirkt, dass die Elektroden 7, 8 elektrisch
unterschiedlich geladen werden und sich zwischen den Elektroden 7, 8 ein
elektrisches Feld aufbaut. Das elektrische Feld erstreckt sich senkrecht
zu der Leiterplatte 3 durch die Windschutzscheibe hindurch
zu der Außenseite des Kraftfahrzeugs, so dass Regentropfen,
die sich auf der Windschutzscheibe sammeln, im elektrischen Feld
zwischen den Elektroden 7, 8 liegen. Durch die
Regentropfen ändert sich die Kapazität des Kondensators
des kapazitiven Regensensors, da sie als Dielektrikum zwischen den
Elektroden 7, 8 wirken, und es fließen
Ladungsträger zu oder von den Elektroden 7, 8,
die von der Auswerteeinrichtung des Regensensors erfasst werden.
Die Auswerteeinrichtung gibt ein Steuersignal über den Stecker 6 an
die Fahrzeugelektronik weiter, die anhand des Steuersignals verschiedene
Aufgaben, wie zum Beispiel die Betätigung des Scheibenwischers oder
die Veränderung der Parameter für die Bremsenansteuerung
oder die Klimaregelung im Fahrzeuginnenraum ausführt. Die
leitfähige Abdeckung 4 schirmt den Innenraum 5 der
Sensoranordnung 1 gegen elektrische Störfelder
ab.
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Zwischen
den Elektroden 7, 8 fällt Licht auf den
lichtempfindlichen Bereich 11 des Lichtsensors 2.
Der Lichtsensor 2 ermittelt die Intensität des
einfallenden Lichts in der zugehörigen Auswerteschaltung und übermittelt
das Ergebnis ebenfalls über den Stecker 6 an die
Fahrzeugelektronik. Diese kann abhängig von diesem Messwert
wiederum verschiedene Aufgaben übernehmen, wie zum Beispiel
das Betätigen des Abblendlichts. Ein weiterer Vorteil der
erfindungsgemäßen Anordnung ist der, dass der
Lichtsensor 2 auf jeden Fall in einem für einen
Scheibenwischer zugänglichen Bereich liegt, so dass eine
bessere Auswertung, zum Beispiel bei Schneefall, ermöglicht
ist.
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Weitere
Ausführungsbeispiele sind in der 4 gezeigt.
Die 4a bis 4c zeigen
unterschiedlich geformte konzentrische Elektroden 7, 8, die
entweder rechteckig, oval oder kreisförmig ausgeführt
sind. Zwischen den Elektroden 7, 8 ist jeweils der
Lichtsensor 2 angeordnet. Die Form des Lichtsensors 2 ist
länglich gewählt, wobei aber, wie in der 4b zu
sehen ist, der Lichtsensor 2 auch die Form eines Ringsegments
aufweisen kann. Prinzipiell sind auch Lichtsensoren 2 mit
unterschiedlich geformten oder mehrteiligen verteilten lichtempfindlichen
Bereichen 11 möglich.
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In
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 5 gezeigt
ist, umfasst der kapazitive Regensensor eine Mehrzahl von konzentrischen kreisförmigen
Elektroden 7, 8. Die Anordnung der Elektroden 7, 8 ermöglicht
eine großflächige und feine Erfassung von Regentropfen
auf der Windschutzscheibe, da die Elektroden 7, 8 paarweise
sehr eng angeordnet sind. Ein Bereich des kapazitiven Regensensors
ist von den Elektroden 7, 8 ausgespart und die
dahinter liegende Leiterplatte 3 weist eine entsprechende
Aussparung 10 auf, in die der Lichtsensor 2 mit
seinem lichtempfindlichen Bereich 11 eingesetzt ist. Anzumerken
bleibt hier, dass die Empfindlichkeit des Regensensors auch im lichtempfindlichen
Bereich des Lichtsensors 2 gegeben ist. Da der Lichtsensor 2 nur
einen geringen Teil der Fläche des Sensors einnimmt, wird
die Funktionsweise des Regensensors kaum beeinträchtigt.
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Die
Elektroden 7, 8 sind zusätzlich von einem
Massering 12 umgeben, der elektrisch mit der leitfähigen
Abdeckung 4 verbunden ist. Dadurch wird eine besonders
gute Abschirmung des Regensensors gegen Störfelder erreicht.
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Die
Wirkungsweise der Mehrzahl der konzentrischen Elektroden 7, 8 ist
derart, dass jeweils benachbarte Elektroden 7, 8 mit
unterschiedlichen Spannungen geladen werden, wobei der Ladungsträgerfluss
der benachbarten Elektroden 7, 8 von der Auswerteeinrichtung
untersucht wird. Wassertropfen auf der Windschutzscheibe wirken
am stärksten auf das elektrische Feld beziehungsweise in
die Feldlinien zwischen den angrenzenden benachbarten Elektroden 7, 8 ein.
Somit kann mit erhöhter Genauigkeit die Menge der Wassertropfen
auf der Scheibe bestimmt werden. Dieser Sensormesswert wird über den
Stecker 6 an die Fahrzeugelektronik übermittelt, genauso
wie der des Lichtsensors 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006032372
A1 [0002]