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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermittlung
von Flüssigkeitstropfen, Feuchtigkeit und dergleichen,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus
der
DE 10 2006
032 372 A1 geht ein kapazitiver Regensensor für
Kraftfahrzeuge hervor, bei dem Elektroden auf einer Leiterplatte
angeordnet sind, wobei eine äußere Elektrodenoberfläche
die Form eines nicht ausgefüllten Rechteckes besitzt, und
eine innere Elektrodenoberfläche, die vollständig innerhalb
der äußeren Elektrodenoberfläche angeordnet
ist, die Form eines Rechteckes besitzt. Diese äußere
Elektrode und die innere Elektrode sind auf der einer Kraftfahrzeugscheibe
zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet. Die äußere
Elektrode und die innere Elektrode bilden einen Kondensator, dessen
Streufeldlinien sich durch die Kraftfahrzeugscheibe erstrecken.
Wenn ein Regentropfen auf die Kraftfahrzeugscheibe trifft, verändert
sich die Elektrizitätszahl im Bereich der Streufeldlinien
und damit die Kapazität des Kondensators. Diese Kapazitätsänderung
wird von elektronischen Bauteilen ausgewertet und als Steuerungsinformation
für einen Scheibenwischer an eine Bordelektronik weitergeleitet.
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Ein
Problem eines derartigen kapazitiven Regensensors besteht darin,
dass er relativ empfindlich in Bezug auf Oberflächenrauschen
und Verunreinigungen ist. Bekannte, kapazitive Regensensoren weisen
zumeist eine hohe Impedanz auf, was zu Störungen führen
kann, wenn unerwünschte Gegenstände auf die Kraftfahrzeugscheibe
gelangen. Da die Elektroden eine größere Impedanz
besitzen als Wasser, wirkt dieses für die elektrischen
Feldlinien wie ein Leiter auf den jeweiligen Elektroden. Die elektrischen
Feldlinien folgen dem Weg des kleinsten Widerstandes, d. h. also
dem Wasser. Wegen der hohen Impedanz können daher die genannten
Störungen entstehen, weil sich die statische Elektrizität nicht
entladen kann. Wenn kapazitive Regensensoren ineinander greifende
Elektroden aufweisen, kann es zu einem störenden Nebensprechen
und zu Fehlfunktionen kommen, wenn sich die von den Elektroden erzeugten
elektrischen Felder überlagern.
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Üblicherweise
sind bekannte Regensensoren so ausgestaltet, dass ihre Elektroden über
unterschiedlich lange elektrische Leitungen mit den Auswerteschaltungen
verbunden sind. Die Länge der Leitungen hängt
dabei vom Ort der Auswerteschaltungen ab. Dies hat zur Folge, dass
die über diese Leitungen übertragenen Signale
unterschiedlich gedämpft und abgeschwächt werden.
Beispielsweise dämpft eine lange Leitung mit vielen Ecken
bzw. Biegungen ein Signal stärker als eine kurze Leitung
mit nur wenigen Ecken bzw. Biegungen. Die von der Auswerteschaltung
empfangenen Signale schwanken daher beträchtlich, je nach
Entfernung des Sensors von der Auswerteschaltung. Diese muss daher so
ausgelegt sein, dass sie große Unterschiede der Signalpegel
ausgleichen kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensoranordnung
zur Ermittlung von Flüssigkeitstropfen und dergleichen
zu schaffen, die relativ unempfindlich gegen Störungen,
wie z. B. Rauschen und Verunreinigungen, ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Der
wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die Messergebnisse der vorliegenden Sensoranordnung durch Verunreinigungen,
wie z. B. Eis, Schmutz oder Schnee, Reinigungsmittel und Metallgegenstände
oder -partikel relativ wenig beeinflusst werden, weil die Differenz
zwischen zwei mit zwei voneinander getrennten Elektroden erzeugten
Feldern gemessen wird. Da die die oszillierenden Signale für
die Elektroden sowie die eigentlichen Sensorsignale erzeugende integrierte Schaltung
bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im unmittelbaren
Bereich der jeweiligen Sensoreinheit vorgesehen ist, entfällt
der Nachteil der oben erwähnten unterschiedlich langen
Leitungen zur Verbindung mit einer Recheneinheit. Vorteilhafterweise können
die vorliegenden Sensoranordnungen bzw. deren Sensoreinheiten an
einem beliebigen geeigneten Ort hinter dem Rückspiegel
oder auch an anderen Orten der Kraftfahrzeugscheibe angeordnet werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoreinheiten relativ
einfach eingestellt werden kann. Beispielsweise sind zur Einstellung
der Empfindlichkeit am Ort der Sensoreinheit nur zwei Widerstände
erforderlich. Ein Mikroprozessor und eine spezielle Software werden
hierfür nicht benötigt. Vorteilhafterweise verbraucht
die vorliegende Sensoranordnung weitaus weniger Ruhestrom als ein
kapazitiver Regensensor, sodass die Fahrzeugbatterie nicht unnötig
belastet oder sogar entleert werden kann. Da bei der vorliegenden
Sensoranordnung die benötigten Schaltelemente, wie oben
schon erwähnt, am Ort der Sensoranordnung und nicht davon
entfernt angeordnet sind, spricht diese sehr schnell an. Die bei
bekannten kapazitiven Sensoren zu erwartenden Verzögerungen,
die auf die Übertragung von Signalen über größere
Entfernungen zurückzuführen sind, treten bei der
vorliegenden Sensoranordnung nicht ein. Die Funktion der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung wird auch durch extreme Temperaturschwankungen nicht
negativ beeinträchtigt.
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Vorteilhafterweise
können mit der vorliegenden Sensoranordnung Flüssigkeitstropfen
bzw. -tröpfchen, z. B. in der Form von Nebel, oder Schmutzpartikel
gemessen bzw. ermittelt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Im
Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang
mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Elektrodeneinheit der erfindungsgemäße
Sensoranordnung,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II durch die Elektrodeneinheit der 1,
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3 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise und Funktion
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und
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4 ein
weiteres Blockschaltbild zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung mit zwei Elektrodeneinheiten.
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Die
vorliegende Sensoranordnung 10 umfasst wenigstens eine
Elektrodeneinheit 1, die gemäß 1 im
Wesentlichen eine äußere Elektrode 3 und
eine innere Elektrode 4 besitzt, wobei die äußere Elektrode 3 die
innere Elektrode 4 etwa ringförmig umgibt und
durch eine Unterbrechung 5 unterbrochen ist. Vorzugsweise
besitzt die äußere Elektrode 3 die Form
eines Rechteckes und weist die ebenfalls rechteckige innere Elektrode 4 eine
den Innenraum 6 der äußeren Elektrode 3 im
Wesentlichen ausfüllende Fläche auf, die jedoch
außenseitig von der äußeren Elektrode 3 an
allen Seiten beabstandet ist. Die innere Elektrode 4 überdeckt
eine Messfläche, in der beim Betrieb der Sensoranordnung 10 Regentropfen bzw.
Wassertröpfchen, Schmutzpartikel oder dergleichen auftreffen.
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Die
innere Elektrode 4 und die äußere Elektrode 3 erzeugen
beim Anlegen einer Spannung die in der 2 dargestellten,
gerichteten elektrostatischen Felder 7 bzw. 8 in
Bezug auf das nächstliegende Erdpotential, das in der 1 durch
eine schematisch dargestellte Masseleitung 26 angedeutet
ist. Die äußere Elektrode 3 und die innere
Elektrode 4 sind dabei vorzugsweise an einer Kraftfahrzeugscheibe 9 angeordnet
bzw. befestigt. Es ist jedoch auch denkbar, diese Elektroden 3, 4 auf
einem Substrat oder einer Leiterplatte anzuordnen und das Substrat
bzw. die Leiterplatte an der Kraftfahrzeugscheibe 9 zu
befestigen.
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Bei
der Masseleitung 26 kann es sich bei der Anwendung der
vorliegenden Sensoranordnung in einem Kraftfahrzeug beispielsweise
um einen Bereich der Karosserie des Fahrzeuges oder aber auch um
eine der Sensoranordnung 10 nächstliegende andere
Masseleitung handeln.
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Beim
Anlegen einer Spannung an die innere Elektrode 4 und an
die äußere Elektrode 3 entsteht das in
der 2 dargestellte, gerichtete elektrostatische Feld 7 zwischen
der äußeren Elektrode 4 und der Masseleitung 26 sowie
das dargestellte, gerichtete elektrostatische Feld 8 zwischen
der inneren Elektrode 4 und der Masseleitung 26.
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An
die Elektroden 3, 4 der Elektrodeneinheit 1 werden
gemäß 3 oszillierende Signale 22 von einem
Oszillator 23 angelegt. Dabei verläuft eine entsprechende,
das Signal 22 führende Zuleitung zur inneren Elektrode 3 durch
die Unterbrechung 5 (1) der äußeren
Elektrode 3. Wenn ein Regentropfen oder dergleichen auf
die innere Elektrode 4 oder auf die dieser inneren Elektrode 4 gegenüberliegende Seite
der Kraftfahrzeugscheibe 9 trifft, erzeugt die Sensoreinheit 1 ein
Sensorsignal 12, das an eine integrierten Schaltung 21 angelegt
wird. Das Sensorsignal entspricht einer durch die Regentropfen bewirkten
Frequenzänderung. Vorzugsweise umfasst die integrierte
Schaltung 21 gemäß 3 auch
den Oszillator 23.
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Die
integrierte Schaltung 21 verarbeitet das Sensorsignal 12 in
einer Bearbeitungsschaltung 24 und legt ein erzeugtes Ausgangssignal 14 an
einen Signalausgang 25 an.
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Das
Ausgangssignal 14 wird einem Mikroprozessor bzw. einer
Recheneinheit 18 zugeführt und durch die Recheneinheit 18 verarbeitet.
Diese erzeugt ein Steuersignal 19, das an eine zu steuernde Einrichtung,
bei der es sich beispielsweise um einen Scheibenwischer 19 eines
Kraftfahrzeuges handelt, angelegt wird, um diesen bei Ermittlung
einer bestimmten Regenmenge einzuschalten oder bei Unterschreiten
einer vorbestimmten Regenmenge auszuschalten.
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform erläutert,
bei der zwei an einer Kraftfahrzeugscheibe 9 voneinander
beabstandete Elektrodeneinheiten 1 und 1' vorgesehen
sind und zusammenwirken. Die Elektrodenanordnung 1' ist
entsprechend der Elektrodenanordnung 1 ausgebildet und
umfasst eine innere Elektrode 4' und eine äußere
Elektrode 3'. Die Elektrodeneinheit 1' erzeugt
das Sensorsignal 12' und legt dieses an eine Bearbeitungsschaltung 24' einer
integrierten Schaltung 21' an. Diese erzeugt an dem Ausgangsanschluss 25' ein
Ausgangssignal 14'.
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Die
Spannungsversorgung der integrierten Schaltungen 21 und 21' wird
von der Recheneinheit 18 über die Leitungen 27 bzw. 27' so
gesteuert, dass immer nur eine der beiden integrierten Schaltungen 21 bzw. 21' aktiv
bzw. eingeschaltet ist. Die jeweils aus den integrierten Schaltungen 21 bzw. 21' nacheinander über
die Signalausgänge 25 bzw. 25' ausgelesenen
Ausgangssignale 14 bzw. 14' werden über die
Leitung 16 zur Recheneinheit 18 übertragen
und in dieser ausgewertet. Dieser Auswertung entsprechend wird nacheinander
die jeweils auf den inneren Elektroden 4 bzw. 4' befindliche
Wassermenge ermittelt und wird der Scheibenwischer 20 über
die Leitung 28 durch das Steuersignal 19 entsprechend
angesteuert.
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Im
Folgenden wird beispielhaft näher erläutert, wie
die Elektrodeneinheit 1, 1' dabei zusammenwirken.
Zunächst ermittelt beispielsweise die von der Recheneinheit 18 eingeschaltete
Elektrodeneinheit 1 bei Einsetzendem Regen die auf der
Fläche ihrer inneren Elektrode 4 enthaltende Regenmenge.
Die Elektrodeneinheit 1' ist dabei ausgeschaltet. Wenn das
Sensorsignal an der integrierten Schaltung 21 einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet, erzeugt die integrierte Schaltung 21 ein
Ausgangssignal 14, das der Recheneinheit 18 über
die Leitung 16 zugeführt wird. Über die
Leitung 28 wird der Scheibenwischer 20 von der
Recheneinheit 18 eingeschaltet.
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Danach
werden nach dem Abwischen der Kraftfahrzeugscheibe 9 und
somit der inneren Elektroden 4 bzw. 4' die Elektrodeneinheit 1 aus-
und die Elektrodeneinheit 1' eingeschaltet. Die auf der
inneren Elektrode 4' der Elektrodeneinheit 1' enthaltende Regenmenge
wird ermittelt und der integrierte Kreis 21' zeigt an,
ob die ermittelte Regenmenge größer ist als der
zugeordnete, vorbestimmte Schwellenwert. Wenn dies zutrifft, wird
ein Ausgangssignal 14' über die Leitung 16 an
die Recheneinheit 18 geliefert. Die Recheneinheit 18 berechnet
das entsprechende Steuersignal 19 zum Einschalten des Scheibenwischers 20.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Elektrodeneinheiten 1, 1' in
getrennten Gehäusen oder in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sein können. Es ist alternativ auch denkbar,
diese getrennt oder gemeinsam in ein Kunstharz-Material einzugießen.
Zur Einstellung der Empfindlichkeit der einzelnen Elektrodeneinheiten 1, 1' können
in der aus den 1 und 4 ersichtlichen
Weise die Ausgänge der inneren und äußeren
Elektroden 3, 4 bzw. 3', 4' mit
Stellwiderständen 6, 11 bzw. 6', 11' verbunden werden.
Die Elektrodeneinheit 1 oder die Elektrodeneinheiten 1, 1' können
an einem Ort der Kraftfahrzeugscheibe 9, beispielsweise
hinter dem Rückspiegel des Kraftfahrzeuges, oder auch an
anderen Orten der Kraftfahrzeugscheibe 9 angeordnet werden.
Es können auch mehr als zwei Elektrodeneinheiten vorgesehen
werden, um verschiedene Steuersignale für den Scheibenwischer 20 zu
generieren.
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Durch
die verschiedenen Steuersignale können beispielsweise unterschiedliche
Wischintervalle bestimmt werden.
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- 1
- Elektrodeneinheit
- 1'
- Elektrodeneinheit
- 3
- äußere
Elektrode
- 3'
- äußere
Elektrode
- 4
- innere
Elektrode
- 4'
- innere
Elektrode
- 5
- Unterbrechung
- 6
- Stellwiderstand
- 6'
- Stellwiderstand
- 7
- elektrostatisches
Feld
- 7'
- elektrostatisches
Feld
- 8
- elektrostatisches
Feld
- 8'
- elektrostatisches
Feld
- 9
- Kraftfahrzeugscheibe
- 10
- Sensoranordnung
- 10'
- Sensoranordnung
- 11
- Stellwiderstand
- 11'
- Stellwiderstand
- 12
- Sensorsignal
- 12'
- Sensorsignal
- 14
- Ausgangssignal
- 14'
- Ausgangssignal
- 16
- Leitung
- 18
- Recheneinheit
- 19
- Steuersignal
- 19'
- Steuersignal
- 20
- Scheibenwischer
- 21
- integrierte
Schaltung
- 21'
- integrierte
Schaltung
- 22
- oszillierendes
Signal
- 22'
- oszillierendes
Signal
- 23
- Oszillator
- 24
- Bearbeitungsschaltung
- 25
- Signalausgang
- 26
- Masseleitung
- 27
- Leitung
- 27'
- Leitung
- 28
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006032372
A1 [0002]