DE102017213294A1

DE102017213294A1 - Schaltungssystem mit einer Funktionseinheit an und/oder in einer transparenten Scheibe und mit einer Treibereinheit für die Funktionseinheit sowie Funktionseinheit, Treibereinheit und Betriebsverfahren für das Schaltungssystem

Info

Publication number: DE102017213294A1
Application number: DE102017213294.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Frischmuth; Andreas Egger; Christian Schneider; Peter Gubesch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltungssystem (10) mit einer elektrischen Funktionseinheit (11), die an und/oder in einer transparenten Scheibe (12) angeordnet ist, und mit einer Treibereinheit (14) für die Funktionseinheit (11), wobei die Treibereinheit (14) in einem Abstand (13) zu der Funktionseinheit (11) angeordnet ist, sodass sich zwischen der Funktionseinheit (11) und der Treibereinheit (14) ein transparenter Zwischenraum (17) befindet. Die Funktionseinheit (11) ist dazu eingerichtet, Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit (11) über zumindest einen transparenten Versorgungspfad zu empfangen und mit der Treibereinheit (14) Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungssystem, das zwei getrennte Einheiten aufweist, nämlich eine Funktionseinheit zum Bereitstellen einer Funktion, beispielsweise einer Messfunktion, und eine Treibereinheit z.B. zum Ankoppeln der Funktionseinheit an eine Steuereinrichtung und/oder an einen Datenbus. Zwischen den beiden Einheiten befindet sich ein Zwischenraum, durch den man hindurch sehen können soll. Die Erfindung umfasst auch die besagten beiden Einheiten, nämlich die Funktionseinheit und die Treibereinheit, sowie ein Betriebsverfahren für das Schaltungssystem.
An einer Fensterscheibe, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein kann, kann vorgesehen sein, dass man zumindest einen Sensor an oder in dem Glas der Fensterscheibe anordnet. Beispielsweise kann ein jeweiliger Sensor für Regen und/oder Helligkeit und/oder Temperatur für eine solche Fensterscheibe vorgesehen sein. Dazu werden typischerweise Daten und/oder Energie zum Betreiben eines solchen Sensors über eine gewisse Wegstrecke am und/oder im Glas der Fensterscheibe geführt. Da aber Glas als Werkstoff tendenziell dort eingesetzt wird, wo eine möglichst uneingeschränkte Durchsicht nach außen gewünscht ist, wäre es von großem Vorteil, wenn die Energie- und Datenübertragung ebenfalls auf für das menschliche Auge möglichst nicht sichtbare Art und Weise von statten ginge.
Aus der US 6 795 226 B2 ist eine Glasscheibe mit einer elektrisch verdunkelbaren Schicht bekannt, wobei zum Erfassen von optischen Signalen ein optischer Sensor in das Glas integriert ist. Ein Messsignal des optischen Sensors kann als Infrarotsignal über Lichtleiter zu einem Rand der Glasscheibe übertragen werden.
Aus der EP 0 480 078 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, die ein Messsignal von einem Sensor hin zu einer Treibereinheit des Sensors über einen Lichtleiter überträgt. Um den Sensor mit Energie zu versorgen, wird über den Lichtleiter mechanische Energie von der Treibereinheit hin zum Sensor übertragen. Beispielsweise kann die Energie mittels einer Vibration übertragen werden.
Aus der DE 10 2005 057 404 A1 ist bekannt, von einem Sensor ein Messsignal zu einer Auswerteeinrichtung hin optisch zu übertragen, um hierdurch bei einer Überwindung eines Hochspannungspotentials eine Potentialtrennung zu erreichen.
Die beschriebene Übertragung von Energie über einen transparenten Zwischenraum hinweg kann also nicht nur bei einer Sensoreinheit erfolgen, sondern allgemein beim Betrieb einer elektrischen Funktionseinheit, die an und/oder in einer transparenten Scheibe angeordnet ist und die mittels einer Treibereinheit z.B. an eine Steuereinrichtung und/oder an einen Datenbus angekoppelt werden soll, um Daten zwischen der Funktionseinheit einerseits und der Steuereinrichtung und/oder dem Datenbus andererseits übertragen zu können. Die Steuereinrichtung kann z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs sein. Der Datenbus kann z.B. ein CAN-Bus (CAN - Controller Area Network) sein.
Es wird also allgemein bei der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, dass die Treibereinheit in einem Abstand zu der Funktionseinheit angeordnet ist, sodass sich zwischen der Funktionseinheit und der Treibereinheit der besagte transparente Zwischenraum befindet. Ein anschauliches Beispiel ist die beschriebene, an einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs angeordnete Sensoreinheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Versorgung einer solchen elektrischen Funktionseinheit mit Energie zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das eingangs beschriebene Schaltungssystem mit der elektrischen Funktionseinheit und der dazu beabstandet angeordneten Treibereinheit wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Funktionseinheit dazu eingerichtet ist, Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit über zumindest einen transparenten Versorgungspfad zu empfangen und mit der Treibereinheit Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen.
Unter den Begriffen „transparent“ bzw. „Transparenz“ und „durchsichtig“ wird dabei verstanden, dass das entsprechende Material (d.h. ein transparentes oder durchsichtiges Material) für elektromagnetische Strahlung bzw. Wellen des sichtbaren Spektrums (d.h. elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 380 nm bis 780 nm), also für sichtbares Licht, weitgehend durchlässig ist.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Funktionseinheit vollständig von einem transparenten Bereich umgeben sein kann und für den Betrieb der Funktionseinheit dennoch Energie zur Verfügung steht und die Funktionseinheit Daten mit der Treibereinheit austauschen kann. Die besagte Scheibe kann z.B. auf Glas und/oder einem anderen transparenten Material (z.B. PMMA - Polymethylmethacrylat) basieren. Die Scheibe kann z.B. eine Glasscheibe oder ein mehrschichtiges Verbundsystem sein. Die Scheibe kann eine Fensterscheibe für ein Gebäude oder Kraftfahrzeug oder eine Schiebedachscheibe für ein Dach des Gebäudes oder das Kraftfahrzeug sein.
Zu der Erfindung gehören Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Um einen transparenten Versorgungspfad für die Energie zu realisieren, weist die Funktionseinheit gemäß einer Weiterbildung zum Empfangen zumindest eines Teils der für den Betrieb vorgesehenen Energie eine optoelektrische Wandlereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung in eine elektrische Leistung umzuwandeln und mit der Leistung die Funktionseinheit zu betreiben. Mit anderen Worten erzeugt die Wandlereinrichtung bei Empfangen der elektromagnetischen Strahlung oder bei Beaufschlagung durch die elektromagnetische Strahlung daraus elektrische Energie, die als Versorgung für die Funktionseinheit dient. Ohne die Energie aus der elektromagnetischen Strahlung ist die Funktionseinheit also ausgeschaltet, es sei denn sie weist einen Energiespeicher zum Zwischenspeichern der aus der Strahlung gewonnenen Energie oder einen anderen Energiespeicher auf. Eine geeignete Wandlereinrichtung kann z.B. mittels zumindest einer photoelektrischen Zelle (Solarzelle) bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Wandlereinrichtung eine Photovoltaikzelle aufweisen, um die Leistung mittels Umgebungslicht, z.B. Sonnenlicht oder Licht aus Straßenlaternen, zu erzeugen. Dies wird auch als „energy harvesting“ bezeichnet.
Um allerdings die elektromagnetische Strahlung gezielt bereitstellen zu können, weist gemäß einer Weiterbildung die Treibereinheit eine Leuchteinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Energie für den Betrieb der Funktionseinheit als elektromagnetische Strahlung durch den transparenten Zwischenraum hindurch zu der Funktionseinheit abzustrahlen. Die Energie erreicht also die Funktionseinheit in Form einer elektromagnetischen Strahlung. Die Leuchteinrichtung kann zum Erzeugen der Strahlung z.B. zumindest eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode oder einen Laserstrahler aufweisen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die Energieübertragung durch den Zwischenraum hindurch transparent erfolgen kann, also keine optische Beeinträchtigung der transparenten Scheibe nötig ist, um die Energie übertragen und hierbei die Energiemenge einstellen oder vorgeben zu können.
Die besagte Leuchteinrichtung ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, die Energie als Infrarotstrahlung und/oder sichtbares Licht und/oder ultraviolette Strahlung abzustrahlen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Energie gebündelt und/oder geführt abgestrahlt oder übertragen werden kann. Dagegen ist z.B. elektromagnetische Strahlung im Radiofrequenzbereich nur schwierig auf eine Funktionseinheit zu fokussieren. Elektromagnetische Strahlung im Bereich Infrarot, sichtbares Licht und/oder Ultraviolett kann beispielsweise mittels eines Lasers ausgerichtet werden.
Die elektromagnetische Strahlung der Leuchteinrichtung kann dabei durch Luft und/oder innerhalb der Scheibe übertragen werden, was den besagten transparenten Versorgungspfad ergibt. Um die Strahlung gezielt zu der Funktionseinheit zu führen, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Treibereinheit und die Funktionseinheit über eine Lichtleitstruktur gekoppelt sind, die dazu eingerichtet ist, die Strahlung mittels interner Reflexion zu führen. Der Versorgungspfad beinhaltet dann die Lichtleitstruktur.
Die Lichtleitstruktur kann auf einer Scheibenoberfläche der Scheibe angeordnet oder in die Scheibe integriert sein, wobei für letzteres eine Weiterbildung vorsieht, dass die Scheibe zwei transparente Schichten aufweist, z.B. zwei Glasplatten, zwischen denen eine die Lichtleitstruktur aufweisende transparente Zwischenschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als Folie ausgestaltet sein, in welche ein Lichtleiter oder Lichtwellenleiter einlaminiert ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Lichtleitstruktur in die Folie selbst eingeprägt sein, beispielsweise eingeätzt oder eingestanzt oder eingeschnitten. Eine Lichtleitstruktur im Inneren der Scheibe weist den Vorteil auf, dass Werte für interne Brechung sichergestellt werden können, während dagegen bei einer Lichtleitstruktur an einer Oberfläche der Scheibe bereits eine Benetzung durch Wassertropfen zu einer unerwünschten Auskopplung der Strahlung führen kann.
Erreicht die Strahlung dann die Funktionseinheit, muss diese von der Wandlereinrichtung aufgenommen oder empfangen werden können. Bei einer Weiterbildung ist die optoelektrische Wandlereinrichtung auf einer Oberfläche der Scheibe angeordnet. Beispielsweise kann die Wandlereinrichtung auf die Scheibe aufgeklebt sein. Dies macht die Montage einfach. Um die Strahlung dann aus der Scheibe heraus zu der Wandlereinrichtung zu führen, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Scheibe eine Auskoppeleinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Strahlung in der Scheibe in Richtung zu der Wandlereinrichtung zu streuen und/oder umzulenken. Die Auskoppeleinrichtung kann beispielsweise Streukerne oder Streuzentren aufweisen, die beispielsweise aus Perlmuttsplittern oder Glimmersplittern gebildet sein können. Es kann auch ein sogenanntes Gitter (Englisch: grating) vorgesehen sein. Die Auskoppeleinrichtung kann auch eine Spiegelfläche oder Reflexionsebene zum Umlenken aufweisen. Eine Reflexionsebene ist beispielsweise ein Schnitt oder ein Bruch in der Zwischenschicht, sodass durch interne Reflexion in der Scheibe die Strahlung umgelenkt wird.
Die Daten werden zwischen der Treibereinheit und der Funktionseinheit ausgetauscht. Hierzu kann eine Kommunikationseinrichtung mit einem treiberseitigen Teil und einem funktionseinheitsseitigen Teil bereitgestellt sein. Die Kommunikationseinrichtung ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der Daten zwischen der Treibereinheit und der Funktionseinheit mittels der Strahlung selbst und/oder mittels zusätzlicher Strahlung zu übertragen. Die zusätzliche Strahlung kann ebenfalls Infrarotstrahlung und/oder sichtbares Licht und/oder ultraviolette Strahlung umfassen.
Um Daten von der Treibereinheit zu der Funktionseinheit hin zu übertragen und hierbei dieselbe Strahlung zu nutzen, mittels welcher auch die Energie übertragen wird, ist gemäß einer Weiterbildung der treiberseitige Teil der Kommunikationseinrichtung dazu eingerichtet, mittels der Leuchteinheit, welche die Strahlung erzeugen kann, die Strahlung in Abhängigkeit von denjenigen Daten zu modulieren, die zu der Funktionseinheit hin zu übertragen sind. Es kann also eine Intensität und/oder Frequenz und/oder Phase der Strahlung in Abhängigkeit von diesen Daten moduliert oder zeitlich verändert werden. Hierdurch ist dann die Information der Daten in der modulierten Strahlung enthalten und kann mittels einer Demodulation in der Funktionseinheit wieder in Daten gewandelt werden. Mittels einer separaten, zusätzlichen Strahlung können die Daten dagegen unabhängig von der Strahlung für die Energie übertragen werden. Die zusätzliche Strahlung kann sich in Bezug auf die Frequenz und/oder den Übertragungspfad oder die Übertragungspfade von der Strahlung für die Energie unterscheiden.
Um Daten von der Funktionseinheit weg und hin zu der Treibereinheit zu übertragen, sieht eine Weiterbildung vor, dass der funktionseinheitsseitige Teil der Kommunikationseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Sendeeinrichtung zu steuern, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der zusätzlichen Strahlung in Abhängigkeit von denjenigen Daten zu erzeugen, die zu der Treibereinheit hin zu übertragen sind. Mittels der Sendeeinrichtung sendet also die Funktionseinheit ihre Daten in Form von zusätzlicher Strahlung an die Treibereinheit aus.
Die Sendeeinrichtung kann dabei in der Scheibe angeordnet sein und die zusätzliche Strahlung in eine Lichtleitstruktur der Scheibe abstrahlen, wo sie dann entlang eines Übertragungspfads der Lichtleitstruktur zu einer Empfangseinrichtung der Treibereinheit übertragen werden kann. Die Sendeeinrichtung kann auch an einer Oberfläche der Scheibe angeordnet sein. Die Scheibe kann dann eine Einkoppeleinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die zusätzliche Strahlung der Sendeeinrichtung zu empfangen und in eine Übertragungsrichtung zur Übertragung an die Empfangseinrichtung der Treibereinheit umzulenken. Die Einkoppeleinrichtung kann beispielsweise eine Spiegelfläche und/oder eine Reflexionsebene vorsehen. Zu beachten ist hierbei, dass die Empfangseinrichtung der Treibereinheit von der Leuchteinrichtung baulich getrennt angeordnet sein kann. Mit anderen Worten kann die Treibereinheit eine verteilte Bauweise aufweisen. Beispielsweise können die Leuchteinrichtung zum Erzeugen der Strahlung und die Empfangseinrichtung zum Empfangen der zusätzlichen Strahlung an unterschiedlichen Rändern der Scheibe angeordnet sein.
Um eine Übertragung von Daten sowohl von der Treibereinheit zu der Funktionseinheit als auch von der Funktionseinheit zu der Treibereinheit zu ermöglichen, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Kommunikationseinrichtung eine bidirektionale Übertragung vorsieht. Um hierbei eine Störung der jeweiligen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung zu vermeiden, kann die Übertragung unterschiedliche, getrennte Übertragungspfade vorsehen. Selbst bei Verwendung gleicher Frequenzen für beide Übertragungsrichtungen ist dann durch Streustrahlung keine Störung gegeben. Die Übertragung kann gleichzeitig erfolgen. Zusätzlich oder alternativ dazu können unterschiedliche Strahlungsfrequenzen oder Moden für die beiden Übertragungsrichtungen vorgesehen sein. Hiermit kann dann der selbe Übertragungspfad genutzt werden. Bei Streustrahlung bleibt die jeweils andere Empfangseinrichtung unbeeinträchtigt. Es ist eine gleichzeitige Übertragung in beide Übertragungsrichtungen möglich. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Zeitmultiplexing vorgesehen sein. Hierbei sendet jeweils nur eine Sendeeinrichtung zur selben Zeit.
Bei der Funktionseinheit kann es sich um eine Sensoreinrichtung mit einem Sensor oder mehreren Sensoren und/oder um eine sogenannte schaltbare Verglasung und/oder um eine Heizeinrichtung zum Heizen z.B. eines Scheibenbereichs und/oder um eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines Anzeigeinhalts handeln. Die jeweiligen Einrichtungen sind jeweils dazu eingerichtet, mittels der Energie betrieben zu werden. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise einen Helligkeitssensor und/oder einen Temperatursensor und/oder einen Regensensor aufweisen. Als Heizeinrichtung kann die Funktionseinheit beispielsweise in einem Erfassungsbereich einer Kamera angeordnet sein, die durch die Scheibe hindurch eine Umgebung filmt oder erfasst. Ist die Scheibe beschlagen oder gefroren, kann mittels der Heizeinrichtung Feuchtigkeit und/oder Eis von der Scheibe verdampft werden. Als Anzeigeeinrichtung kann die Funktionseinheit beispielsweise für eine Kopf-oben-Anzeigeeinrichtung (Head-up-Display) vorgesehen sein. Für den Fall, dass die Funktionseinheit als Sensor ausgestaltet ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass Daten hauptsächlich von dem Sensor zu der Empfangseinrichtung und Energie per Licht auf umgekehrten Weg zu dem Sensor geschickt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Funktionseinheit eine Energiespeichereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einer Ladephase die Leistung von der Wandlereinrichtung zu empfangen und sich dadurch mit Speicherenergie aufzuladen und in einer Abgabephase die Speicherenergie als die Energie für den Betrieb abzugeben. Somit kann die empfangene Leistung über einen vorbestimmten Zeitraum akkumuliert werden und bei genügend vorhandener Energiemenge an Speicherenergie die Funktionseinheit zeitweise aktiviert werden oder eine Datenübertragung durchgeführt werden. Die Funktionseinheit sendet und/oder empfängt somit nur alle X Sekunden, wobei X in einem Bereich von 0,1 s bis 60 s liegen kann. Zwischendurch kann die Funktionseinrichtung oder zumindest der funktionseinheitsseitige Teil der Kommunikationseinrichtung abgeschaltet sein.
Der bisher beschriebene Versorgungspfad zum Empfangen der Energie für den Betrieb der Funktionseinheit basierte auf der besagten elektromagnetischen Strahlung. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Scheibe zumindest zwei elektrisch leitfähige, transparente Leitelemente aufweist und die Funktionseinheit mittels elektrischer Kontaktelemente mit den Leitelementen elektrisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, zum Empfangen zumindest eines Teils der Energie für ihren Betrieb eine elektrische Spannung über die Leitelemente zu empfangen. Handelt es sich bei der Scheibe beispielsweise um eine schaltbare Verglasung, so weist diese in der Regel als elektrische Leitelemente zwei elektrisch leitfähige Schichten auf, die beispielsweise aus ITO (Indiumzinnoxid) gebildet sein können. Zwischen den beiden leitfähigen Schichten kann dann eine Schicht angeordnet sein, deren Transparenz oder optische Transmissivität in Abhängigkeit davon eingestellt werden kann, welche elektrische Spannung zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten anliegt oder bereitgestellt ist. Diese elektrische Spannung kann auch in der beschriebenen Weise für den Betrieb der Funktionseinheit mittels elektrischer Kontaktelemente abgegriffen werden. Elektrische Kontaktelemente können beispielsweise in Form jeweils eines Drahtes gebildet sein. Die elektrischen Leitelemente können zusätzlich oder alternativ auch Bestandteil einer Heizung sein.
Die Leitelemente lassen sich auch zur Datenübertragung nutzen. Gemäß einer Weiterbildung wird zumindest ein Teil der Daten über die Leitelemente elektrisch übertragen. Da die Leitelemente transparent sind, ergibt sich auch hier zumindest ein transparenter Übertragungspfad. Beispielsweise kann eine Modulations-Wechselspannung z.B. durch die Treibereinheit auf die zwischen den Leitelementen bereitgestellte elektrische Spannung aufmoduliert werden, wobei die Modulations-Wechselspannung in Abhängigkeit von den zu übertragenden Daten moduliert wird. Falls die elektrische Spannung selbst ebenfalls eine Wechselspannung ist, kann für die Datenübertragung eine Modulationsfrequenz der Modulations-Wechselspannung eingestellt werden, die von der Frequenz der Wechselspannung verschieden ist. Somit kann eine Störung vermieden werden. Beispielsweise kann also bei einer schaltbaren Verglasung eine Datenübertragung mittels der beiden elektrisch leitfähigen Schichten von der Treibereinheit hin zu der Funktionseinheit und/oder von der Funktionseinheit zu der Treibereinheit vorgesehen sein. Die Kommunikationseinrichtung kann also zusätzlich oder alternativ zu der beschriebenen optischen Datenübertragung auch eine elektrische Datenübertragung umfassen.
Zu der Erfindung gehören auch die Komponenten des beschriebenen Schaltungssystems, d.h. die Funktionseinheit und die Treibereinheit.
Die erfindungsgemäße Funktionseinheit ist dabei dazu eingerichtet, an und/oder in einer transparenten Scheibe angeordnet zu sein und Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit über einen transparenten Versorgungspfad zu empfangen und mit einer Treibereinheit Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen. Sie kann hierzu insbesondere in der beschriebenen Weise die beschriebene optoelektrische Wandlereinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, Strahlung aus der Luft und/oder der Scheibe zu empfangen und in eine elektrische Leistung umzuwandeln und mit der elektrischen Leistung die Funktionseinheit zu betreiben. Die Wandlereinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage zumindest einer Solarzelle und/oder Photovoltaikzelle gebildet sein. Die Wandlereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, elektrische Leistung aus Umgebungslicht zu erzeugen. Zusätzlich oder anstelle der Wandlereinrichtung können auch Kontaktelemente vorgesehen sein, um eine elektrische Spannung aus transparenten Leitelementen der Scheibe zu empfangen.
Die erfindungsgemäße Treibereinheit ist dazu eingerichtet, in einem Abstand zu einer Funktionseinheit angeordnet zu werden, sodass sich zwischen der Funktionseinheit und der Treibereinheit ein transparenter Zwischenraum befindet, und mit der Funktionseinheit Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen, um z.B. die Funktionseinheit an eine Steuereinrichtung und/oder an einen Datenbus für eine Daten-Weiterleitung anzukoppeln und/oder um Daten der Funktionseinheit auszulesen und/oder um die Funktionseinheit mittels Daten (z.B. Steuerbefehlen) zu steuern. Die Funktionseinheit kann durch die Treibereinheit bevorzugt mit Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit über den transparenten Zwischenraum hinweg über einen transparenten Versorgungspfad versorgt werden. Der transparente Zwischenraum kann einen Luftbereich und/oder einen Bereich der transparenten Scheibe beinhalten. Die Treibereinheit weist bevorzugt die besagte Leuchteinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Energie für den Betrieb der Funktionseinheit als elektromagnetische Strahlung durch den transparenten Zwischenraum hindurch zu der Funktionseinheit hin abzustrahlen. Die Leuchteinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage zumindest einer Leuchtdiode gebildet sein.
Durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Schaltungssystems ergibt sich ein Verfahren, das ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist und das vorsieht, dass eine elektrische Funktionseinheit, die an und/oder in einer transparenten Scheibe angeordnet ist, und eine Treibereinheit für die Funktionseinheit bereitgestellt sind, wobei die Treibereinheit in einem Abstand zu der Funktionseinheit angeordnet ist, sodass sich zwischen der Funktionseinheit und der Treibereinheit ein transparenter Zwischenraum befindet. Die Funktionseinheit empfängt Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit über einen transparenten Versorgungspfad und tauscht mit der Treibereinheit Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad aus. Insbesondere strahlt eine Leuchteinrichtung der Treibereinheit zumindest einen Teil der Energie für den Betrieb der Funktionseinheit als elektromagnetische Strahlung durch den transparenten Zwischenraum hindurch zu der Funktionseinheit ab und eine optoelektrische Wandlereinrichtung der Funktionseinheit wandelt die Strahlung in eine elektrische Leistung um und betreibt mit der Leistung die Funktionseinheit.
Zu der Erfindung gehören jeweils auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Funktionseinheit, der erfindungsgemäßen Treibereinheit und des erfindungsgemäßen Verfahrens, die jeweils Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schaltungssystems beschrieben sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der Funktionseinheit, der Treibereinheit und des Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltungssystems;
2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht des Schaltungssystems;
3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schaltungssystems zur Veranschaulichung von Übertragungspfaden;
4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Lichtleitstruktur des Schaltungssystems;
5 eine schematische Darstellung einer Auskoppeleinrichtung des Schaltungssystems;
6 eine schematische Darstellung einer in eine Scheibe integrierten Funktionseinheit des Schaltungssystems;
7 eine schematische Darstellung einer Einkoppeleinrichtung des Schaltungssystems;
8 eine schematische Darstellung einer in eine Scheibe integrierten Sendeeinrichtung einer Funktionseinheit des Schaltungssystems;
9 eine schematische Darstellung des Schaltungssystems mit getrennten Übertragungspfaden;
10 eine schematische Darstellung des Schaltungssystems mit integrierten Übertragungspfaden und mit in einer Scheibe integrierter Funktionseinheit;
11 eine schematische Darstellung des Schaltungssystems, wie es in einer schaltbaren Verglasung bereitgestellt sein kann;
12 eine schematische Darstellung des Schaltungssystems in einer anderen Ausführungsform, wobei eine Funktionseinheit in die schaltbare Verglasung integriert ist; und
13 eine schematische Darstellung eines Schaltungssystems, bei welchem Energie elektrisch mittels einer elektrischen Spannung zwischen zwei elektrisch leitfähigen, transparenten Leitelementen in einer Scheibe über einen transparenten Zwischenraum hinweg zu einer Funktionseinheit übertragen werden kann.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Schaltungssystem 10 mit einer Funktionseinheit 11, die an oder in einer transparenten Scheibe 12 angeordnet sein kann. In einem Abstand 13 zu der Funktionseinheit 11 kann eine Treibereinheit 14 bereitgestellt sein, mittels welcher in der Funktionseinheit 11 elektrische Energie 15 für einen Betrieb der Funktionseinheit 11 bereitgestellt werden kann. Die Funktionseinheit 11 kann beispielsweise ein Sensor sein, der an der Scheibe 12 angeordnet oder in die Scheibe 12 integriert sein kann. Die Scheibe 12 kann beispielsweise eine Fensterscheibe sein. Das Schaltungssystem 10 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingebaut sein.
Der Abstand 13 kann größer als 5 cm, insbesondere größer als 10 cm, sein. Die Energie 15 kann hierbei als elektromagnetische Strahlung 16 von der Treibereinheit 14 über einen transparenten Zwischenraum 17 hinweg übertragen werden. Die Treibereinheit 14 kann hierzu eine elektrische Energiequelle 18 aufweisen, aus welcher eine Leuchteinrichtung 19 mit elektrischer Energie gespeist werden kann. Die Leuchteinrichtung 19 kann eine Leuchtquelle 19' aufweisen, beispielsweise eine Diode oder eine Diodenanordnung aus mehreren Dioden, mittels welcher die elektromagnetische Strahlung 16 erzeugt werden kann. Insbesondere kann als Lichtquelle 19' auch ein Laser oder zumindest eine Laserdiode vorgesehen sein. Hiermit kann eine höhere Leistung bereitgestellt werden und der Strahl ist gebündelter und auch schmalbandiger. Die elektromagnetische Strahlung 16 kann beispielsweise sichtbares Licht und/oder Infrarotlicht und/oder ultraviolettes Licht umfassen. Eine Leistung der Strahlung 16 kann in einem Bereich von 0,5 mW oder 5 mW bis 100 mW oder 1 W oder über 1 W liegen.
In der Funktionseinheit 11 kann eine optoelektrische Wandlereinrichtung 20 bereitgestellt sein, die beispielsweise zumindest eine photoelektrische Zelle aufweisen kann. Hiermit kann die elektromagnetische Strahlung 16 in eine elektrische Leistung 21 gewandelt werden, die über eine Zeit t die Energie 15 bereitstellt.
Mittels der elektromagnetischen Strahlung 16 kann zusätzlich eine Datenübertragung durchgeführt werden. Hierzu kann in der Treibereinheit 14 eine Kommunikationseinrichtung 22 Daten 23 bereitstellen, die von einem Signalgenerator 24 empfangen werden können. Der Signalgenerator 24 kann mittels einer elektronischen Schaltung und/oder einem Mikrocontroller realisiert sein. Der Signalgenerator 24 kann mittels einer Signalmodulation 25 den Energiestrom aus der Energiequelle 18 für die Leuchteinrichtung 19 modulieren. Der Signalgenerator 24 ist hierzu zwischen die Energiequelle 18 und die Leuchteinrichtung 19 geschaltet. Die Signalmodulation 25 kann beispielsweise erfolgen, indem die Daten 23 mittels eines Signalwandlers 26 in ein analoges Modulationssignal (Digital-Analog-Wandlung) gewandelt werden, mittels welchem durch die Signalmodulation 25 eine Spannung und/oder eine Leistung für die Leuchteinrichtung 19 moduliert werden kann. Der Signalwandlung 26 kann auch ein digitales Modulationsverfahren vorsehen, falls die Daten z.B. digital auf die Strahlung 16 aufmoduliert sind.
In der Funktionseinheit 21 kann eine Empfängereinrichtung 27 bereitgestellt werden, welche eine zeitliche Schwankung oder Modulation der empfangenen Leistung 21 als Modulationssignal für eine Demodulation 28 interpretiert oder auskoppelt. Die Empfangseinrichtung 27 kann der Wandlereinrichtung 20 nachgeschaltet sein. Das Modulationssignal kann mittels einer Signalwandlung 29 (Analog-Digital-Wandlung) in digitale Daten 23' gewandelt werden, welche eine Rekonstruktion der Daten 23 darstellen. Die rekonstruierten Daten 23' können einer Kommunikationseinrichtung 30 der Funktionseinheit 11 bereitgestellt werden, welche die Funktionseinheit 11 in Abhängigkeit von den Daten 23' steuern kann. Die Empfangseinrichtung 27 kann auf der Grundlage einer elektronischen Schaltung und/oder eines Mikrocontrollers gebildet sein.
Für die Übertragung der Daten 23 von der Treibereinheit 14 zu der Funktionseinheit 11 kann auch vorgesehen sein, dass die Leuchteinrichtung 19 eine von der Strahlung 16 verschiedene zusätzliche Strahlung erzeugt, die z.B. eine andere Strahlungsfrequenz aufweisen kann. Für den Empfang der zusätzlichen Strahlung kann die Wandlereinrichtung 20 zusätzlich einen Photosensor aufweisen, um die zusätzliche Strahlung ohne Demodulation als Datensignal zu empfangen.
Die Kommunikationseinrichtung 30 der Funktionseinheit 11 kann selbst ebenfalls Daten 31 erzeugen. Die Daten 31 können beispielsweise Messdaten sein. Mittels der Signalwandlung 29 kann aus den zu sendenden Daten 31 ein Steuersignal für eine Sendeeinrichtung 32 erzeugt werden (Digital-Analog-Wandlung). Die Sendeeinrichtung 32 kann eine Leuchtquelle 33 aufweisen, bei der es sich um eine Leuchtdiode oder Leuchtdiodenanordnung handeln kann. Die Sendeeinrichtung 32 kann eine weitere Strahlung 16' erzeugen, welche durch den Zwischenraum 17 hindurch zu einer optoelektrischen Empfangseinrichtung 34 übertragen werden kann, die beispielsweise auf der Grundlage eines Photosensors gebildet sein kann.
Die Empfangseinrichtung 34 kann aus der zusätzlichen Strahlung 16' ein Datensignal erzeugen. Das Datensignal der Empfangseinrichtung 34 kann mittels der Signalwandlung 26 in digitale Daten 31' gewandelt werden (Analog-Digital-Wandlung), die eine Rekonstruktion der Daten 31 darstellen. Die rekonstruierten Daten 31' können der Kommunikationseinrichtung 22 bereitgestellt werden.
Durch die Leuchteinrichtung 19 und die Empfängereinrichtung 34 ist insgesamt ein Transceiver Tr der Treibereinheit 14 gebildet. Durch die Wandlereinrichtung 20 und die Sendeeinrichtung 32 ist ein Transceiver Tr der Funktionseinheit 11 gebildet.
Die Treibereinheit 14 kann somit die Funktionseinheit 11 mit Energie 15 versorgen und es kann ein bidirektionaler Datenaustausch von Daten 23, 31 zwischen den Kommunikationseinrichtungen 22 und 30 erfolgen.
2 veranschaulicht die Anordnung der Funktionseinheit 11 und der Treibereinheit 14 an der Scheibe 12. Die Leuchteinrichtung 19 kann z.B. an einer Schmalseite 35 der Scheibe 12 angeordnet sein. Die Scheibe 12 kann beispielsweise eine Glasscheibe, insbesondere aus Verbundglas mit mehreren Schichten, sein.
3 veranschaulicht einen Schnitt durch die Scheibe 12 und zeigt, wie bei der Scheibe 12 zwischen zwei Schichten 36, 37 eine Zwischenschicht 38 bereitgestellt ist, in welcher mittels interner Reflexion die Strahlung 16 und die zusätzliche Strahlung 16' zwischen der Leuchteinrichtung 19 und der Funktionseinheit 11 übertragen werden kann. Durch die beiden Übertragungsrichtungen ergeben sich zwei transparente Übertragungspfade S, die sich überschneiden können oder die getrennt verlaufen können.
4 veranschaulicht in einer Draufsicht, wie bei der Scheibe 12 zum Führen der Strahlung 16, 16' in der Zwischenschicht 38 eine Lichtleitstruktur 39 ausgebildet sein kann, um die Strahlung 16 auch innerhalb der Zwischenschicht 38 lateral umlenken oder führen zu können. Die Lichtleitstruktur 39 kann beispielsweise gebildet sein, indem eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleiterelement 40 in eine Folie 41 der Zwischenschicht 38 integriert ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass als Lichtleitstruktur 39 in die Folie 41 Brechungskanten 42 eingeätzt oder eingeschnitten oder allgemein in der Folie 41 vorgesehen sind, um hierdurch eine interne Reflexion innerhalb der Lichtleitstruktur 39 zu bewirken.
5 zeigt eine Ausführungsform des Schaltungssystems 10, bei welcher die Funktionseinheit 11 an einer Oberfläche 43 der Scheibe 12 angeordnet sein kann. Dennoch kann die Funktionseinheit 11 die Strahlung 16 der Zwischenschicht 38 empfangen. Hierzu kann in der Zwischenschicht 38 eine Auskoppeleinrichtung 44 bereitgestellt sein. Eine solche Auskoppeleinrichtung 44 kann die Strahlung 16 in Richtung zu der Funktionseinheit 11 umlenken oder streuen. Eine andere Bezeichnung für eine solche Auskoppeleinrichtung 44 ist auch Lumineszenzkonzentrator. Die Auskoppeleinrichtung 44 kann hierzu beispielsweise eine Trübung aufweisen, die von der Strahlung 16 beschienen oder bestrahlt wird. Anstelle einer Trübung können auch reflektierende Elemente oder eine Anordnung eines Spiegels vorgesehen sein.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei welcher die Funktionseinheit 11 direkt zum Empfangen der Strahlung 16 an die Zwischenschicht 38 angekoppelt ist, indem eine lokale, einseitige Öffnung 45 in dem Verbundglassystem der Scheibe 12 vorgesehen ist. Die Öffnung 45 kann beispielsweise verschlossen sein, z.B. mittels eines Epoxidharzes.
Bei den Ausführungsformen gemäß 5 und 6 kann vorgesehen sein, dass auch der zweite Übertragungspfad S zurück von der Funktionseinheit 11 hin zu der (nicht dargestellten) Treibereinheit 14 entlang des Übertragungspfads der Strahlung 16 erfolgt. Mit anderen Worten wird auch die zusätzliche Strahlung 16' dann entlang des dargestellten Übertragungspfads übertragen.
7 zeigt dagegen, dass der Übertragungspfad für die zusätzliche Strahlung 16' zum Übertragen der Daten 31 von der Funktionseinheit 11 hin zu der Treibereinheit 14 (siehe 1) getrennt von dem Übertragungspfad für die Strahlung 16 hin zu der Funktionseinheit 11 ausgestaltet sein kann. 7 veranschaulicht, wie mittels der Sendeeinrichtung 32 eine elektrooptische Signalwandlung vorgesehen ist, die eine indirekte Einkopplung mittels einer Einkoppeleinrichtung 46 vorsieht. Die Funktionseinheit 11 kann hierbei, wie im Fall von 5, auf der Oberfläche 43 der Scheibe 12 angeordnet sein. Mittels der Einkoppeleinrichtung 46 kann die zusätzliche Strahlung 16' derart umgelenkt oder gestreut werden, dass sie in einer Ebene der Zwischenschicht 38 sich entlang der Scheibenebene und hin zu der Empfängereinrichtung 34 der Treibereinheit 14 ausbreitet. Die Empfängereinrichtung 34 der Treibereinheit 14 kann hierbei an einem anderen Ende oder einer anderen Kante der Scheibe 12 angeordnet sein als die Leuchteinrichtung 19 der Treibereinheit 14 (siehe 1). Die Übertragungspfade S sind somit getrennt.
8 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Funktionseinheit 11 in die Scheibe 12 integriert ist, indem wie im Falle von 6 eine lokale, einseitige Öffnung 45 im Verbundsystem der Scheibe 12 vorgesehen ist, in welcher die Funktionseinheit 11 im Bereich der Zwischenschicht 38 angeordnet sein kann. Dort kann sie die zusätzliche Strahlung 16' direkt in die Lichtleitstruktur 39 der Zwischenschicht 38 einstrahlen.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform, die zeigt, wie durch bauliche Trennung der optoelektrischen Wandlereinrichtung 20 und der Sendeeinrichtung 32 zum Ausstrahlen der Strahlung 16' die beiden getrennten Übertragungspfade vorgesehen werden können. Dargestellt ist, wie an der Oberfläche 43 der Scheibe 12 die Wandlereinrichtung 20, eine Funktionsschaltung 11' und die Sendeeinrichtung 32 der Funktionseinheit 11 angeordnet sein können. Die Funktionsschaltung 11' kann beispielsweise den zumindest einen besagten Sensor aufweisen, dessen Messwerte mittels der Strahlung 16' als Daten 31 zu der Treibereinheit 14 übertragen werden sollen. Die Energie für den Betrieb der Funktionsschaltung 11' wird in Form der Strahlung 16 empfangen. Um die Strahlung 16 aus der Lichtleitstruktur 39 der Zwischenschicht 38 umzuleiten, kann die beschriebene Auskoppeleinrichtung 44 vorgesehen sein. Um die Strahlung 16' in die Lichtleitstruktur 39 einzukoppeln, kann die Einkoppeleinrichtung 46 vorgesehen sein. Es ergeben sich getrennte Übertragungspfade für die Hinübertragung und die Rückübertragung.
10 veranschaulicht eine Ausführungsform, die zu der Ausführungsform gemäß 9 korrespondiert, wobei im Unterschied dazu auf eine Auskoppeleinrichtung 44 und eine Einkoppeleinrichtung 46 verzichtet werden kann, indem die Wandlereinrichtung 20 und die Sendeeinrichtung 32 im Bereich der Zwischenschicht 38 angeordnet sind. Die Funktionsschaltung 11' kann bei Bedarf an der Oberfläche 43 angeordnet sein, wodurch ein Messvorgang des zumindest einen Sensors von der Scheibe 12 unbeeinflusst bleiben kann.
11 veranschaulicht die Verwendung des Schaltungssystems 10 in einem Verbundglassystem mit einer in Bezug auf eine Lichttransmittanz schaltbaren Schichtanordnung 47, bei welcher mittels einer Wechselspannung V~ einer Spannungsquelle 48 der Transmittanzgrad oder Trübheitsgrad eingestellt werden kann. Eine andere Bezeichnung für eine solche Schichtanordnung ist auch „Smart Glass“. Die Schichtanordnung 47 kann zwei elektrisch leitfähige Schichten 49 und eine dazwischen liegende Schicht mit PDLC (polymer dispersed liquid crystal) oder ein SPD (suspended particle device) oder eine EC (elektrochrome Verglasung) aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Schichten 49 können auf der Grundlage von ITO (Indiumzinnoxid) gebildet sein. Eine der elektrisch leitfähigen Schichten 49 kann die Zwischenschicht 38 mit der Lichtleitstruktur 39 darstellen.
12 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher zumindest ein Teil der Funktionseinheit 11 in der Zwischenschicht 38 angeordnet ist, wie dies bereits im Zusammenhang mit 10 erläutert worden ist.
Das Schaltungssystem 10 ermöglicht also insgesamt eine kabellose Übertragung von Energie und Daten mittels Licht in einem Verbundglassystem, beispielsweise zur Anwendung bei Sensoren in Gläsern und speziell im Bereich Fahrzeuge/Automotive.
13 veranschaulicht, wie zum Betreiben der Funktionseinheit 11 alternativ zu einer Energieübertragung mittels der Strahlung 16 die elektrische Wechselspannung V~ aus der Spannungsquelle 48 genutzt werden kann, indem die Funktionseinheit 11, z.B. die Funktionsschaltung 11`, die elektrische Wechselspannung V~ über elektrische Kontaktelemente 51 abgreift. Jeweils eines der Kontaktelemente 51 ist dabei mit einer der elektrisch leitfähigen Schichten 49 elektrisch verbunden. Die elektrisch leitfähigen Schichten 49 stellen somit elektrische Kontaktelemente dar. Die Datenübertragung kann weiterhin mittels der Strahlung 16 hin zu der Funktionseinheit 11 und mittels der Strahlung 16' weg von der Funktionseinheit 11 hin zu der Treibereinheit 14 erfolgen. Die Wandlereinrichtung 20 kann dann als eine reine Signalwandlereinrichtung ohne Energiewandlung ausgestaltet sein, also z.B. als Photosensor. Durch eine Modulation der Wechselspannung V~ können die Daten 23 mittels der Wechselspannung V~ zu der Funktionseinheit 11 übertragen werden. Die Demodulation erfolgt dann also anhand der empfangenen Wechselspannung V~.
Im Folgenden sind noch einmal die wichtigsten Weiterbildungen des Schaltungssystems 10 zusammengefasst.
Eine Prinzipskizze stellt 2 dar. In ein Glas einer Scheibe 12 ist ein optischer Übertragungspfad eingearbeitet, der eine bi-direktionale Kommunikation zwischen einem Transceiver Tr der Treibereinheit 14 und einem Sensor oder allgemein einer Funktionseinheit 11 mit eingebautem Transceiver Tr ermöglicht. Ein Blockschaltbild dieses Prinzips ist in 1 gezeigt. Die Übertragung selbst kann mit Licht (Strahlung) im sichtbaren oder aber auch im unsichtbaren Spektrum erfolgen. Das Licht, welches die Energie und die Daten beinhaltet, wird dazu an einer geeigneten Stelle in die Scheibe 12 eingekoppelt. Der Übertragungspfad ist dabei derart (3), dass durch passend gewählte Strukturierung und Schichten in der Scheibe das Licht mit geringer Dämpfung in bi- oder unidirektionaler Art und Weise zwischen den beiden Transceivern Tr gesendet werden kann. Diese empfangen die Energie und die Daten und senden, sollte ein Rückkanal notwendig sein, die Daten auf umgekehrtem oder auf separatem Weg wieder zurück.
Ein wesentlicher Teil ist dieser optische Übertragungspfad. Im einfachsten Fall kann, bei geeigneter Auslegung, das Licht direkt ins Glas bzw. in eine Glasscheibe oder Schicht eines Verbundglases eingekoppelt werden. Weiterhin besteht, wie in 4 gezeigt, die Möglichkeit, bei einem Verbundglassystem einen Lichtwellenleiter in einer Zwischenschicht (z.B. eine PVB-Folie, PVB - Polyvinylbutyral) zu strukturieren oder eine Glasfaser zwischen die Glasscheiben einzulaminieren. Um das Lichtsignal aus einem derartigen Glasverbund auszukoppeln, um z.B. einen Sensor zu betreiben, bieten sich, wie in 5 und 6 skizziert, mehrere Möglichkeiten. Bei einer indirekten Umsetzen (5) wird das Licht aus der Faser ausgekoppelt und gerichtet durch das Glas auf den optoelektrischen Energiewandler gestrahlt. Das Auskoppeln geschieht typischerweise über ein Gitter (grating), es kann aber z.B. auch über einen Lumineszenzkonzentrator geschehen, was insbesondere für die Energieübertragung den Vorteil besitzt, dass die Wellenlänge des Lichts an den optimalen Wirkungsgrad des opto-elektrischen Energiewandlers (z.B. eine Photovoltaikzelle) angepasst werden kann. Bei der direkten Methode (6) wird lokal eine Seite des Glasverbunds geöffnet, sodass der optoelektrische Energiewandler direkt an die Lichtfaser angekoppelt werden kann. Ebenso gibt es wieder eine indirekte (7) und eine direkte (8) Möglichkeit, das Signal und die Energie in den Lichtleiter einzukoppeln. Bei der indirekten Methode befinden sich der Sensor und der elektro-optische Signalwandler auf der Glasoberfläche 43 und das Licht wird über eine Einkoppeleinrichtung in einen in den Glasverbund eingearbeiteten Lichtleiter eingespeist. Bei der direkten Methode ist wiederum eine einseitige lokale Öffnung 43 des Glasverbunds vorgesehen, sodass der elektro-optische Signalwandler direkt an den Lichtleiter angekoppelt werden kann.
9 und 10 zeigen das Schaltungssystem mit der Umsetzung der Signal-Ein- und Auskopplung, wobei wiederum eine indirekte (9) und eine direkte (10) Methode oder eine Mischform davon möglich sind.
Weitere Ausführungsformen (11 bis 13) ergeben sich, wenn anstatt eines einfachen Verbundglassystems ein komplexerer Aufbau mit funktioneller Zwischenschicht (wie es z.B. bei schaltbaren Verglasungen der Fall ist) vorliegt. Diese Systeme bestehen meist aus mehreren verschiedenen Schichten (Glas, Zwischenfolien, transparente Metallschichten, schaltbare Schicht wie SPD oder PDLC), wobei innerhalb der Zwischenfolien eine funktionelle Schicht eingebracht ist, die beidseitig von einer transparenten und leitfähigen dünnen Schicht (z.B. ITO) umgeben ist. Bei einem derartigen Aufbau kann, wie oben beschrieben und in 4 gezeigt, eine der Zwischenschichten als Lichtleiter strukturiert oder in diese ein Lichtwellenleiter einlaminiert sein. Dabei lässt sich das Licht wiederum indirekt (11) oder direkt ( 12) aus dem Lichtleiter ein- bzw. auskoppeln. Als Besonderheit bei einem derartigen Aufbau lässt sich zusätzlich, wie in 13 gezeigt, die leitfähige transparente Schicht als Signal- und/oder Energiepfad nutzen, indem man lokal den Laminatverbund einseitig öffnet. Dabei ist Sorge zu tragen, dass die verwendeten Signale nicht die Funktion der schaltbaren Folie beeinflussen, was sich z.B. durch eine geeignete Wahl der Übertragungsfrequenz bewerkstelligen lässt.
Die verfügbare Leistung bei einer Übertragung mit Licht ist dabei relativ limitiert und stark abhängig von der verwendeten Lichtquelle (mögliche Regulierungen betreffend Sicherheit), vom Übertragungspfad (z.B. monomode oder multimode Lichtwellenleiter) und von der verwendeten Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Es lässt sich eine Leistung im Bereich bis zu 100 mW erreichen, was für zahlreiche kleinere Sensoren ausreichend ist. Zusätzlich ist bei den meisten Sensoren keine permanente Signalübertragung erforderlich, sodass die empfangene Leistung in einer Energiespeichereinrichtung 15' über einen gewissen Zeitraum akkumuliert werden kann und erst bei genügend vorhandener Energiemenge das Sensorsignal übertragen wird - es ist sozusagen ausreichend, nur alle X Sekunden ein Messsignal zu senden. Die Energiespeichereinrichtung 15' kann z.B. mittels eines Kondensators oder eines elektrochemischen Akkumulators zum Speichern der Speicherenergie realisiert sein.
Durch das Schaltungssystem lassen sich Energie und/oder Daten ohne störende Kabelführungen übertragen und dadurch ein deutlich besseres designtechnisches Aussehen erzielen. Zusätzlich wird durch eine Integration des Übertragungspfades in das Glas oder durch ein Verwenden und Strukturieren vorhandener Layer bzw. Schichten bei schaltbaren Verglasungen ein deutlicher Mehrwert einer Scheibe erzielt. Darüber hinaus lässt sich durch den optischen Übertragungspfad der Sensor gänzlich vom Restsystem galvanisch trennen. Optische Signale verursachen keine Probleme betreffend elektromagnetischer Verträglichkeit.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine drahtlose Energie- und Datenübertragung mittels Licht in einem Verbundglassystem bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungssystem
11: Funktionseinheit
12: Scheibe
13: Abstand
14: Treibereinheit
15: Energie
15: Energiespeicher
16: Strahlung
16': Zusätzliche Strahlung
17: Zwischenraum
18: Energiequelle
19: Leuchteinrichtung
19': Leuchtquelle
20: Wandlereinrichtung
21: Leistung
22: Kommunikationseinrichtung
23: Daten
23': Rekonstruierte Daten
24: Signalgenerator
25: Signalmodulation
26: Signalwandlung
27: Empfängereinrichtung
28: Demodulation
29: Signalwandlung
30: Kommunikationseinrichtung
31: Daten
31': Rekonstruierte Daten
32: Sendeeinrichtung
33: Leuchtquelle
34: Empfangseinrichtung
35: Schmalseite
36: Schicht
37: Schicht
38: Zwischenschicht
39: Lichtleitstruktur
40: Lichtleiterelements
41: Folie
43: kannte
43: Oberfläche
44: Auskoppeleinrichtung
45: Öffnung
46: Einkoppeleinrichtung
47: Schichtanordnung
48: Spannungsquelle
49: Elektrisch leitfähige Schicht
50: Schaltbare Schicht
51: Kontaktelement
S: Transparenter Übertragungspfad
Tr: Transceiver
V: Elektrische Spannung
V∼: Elektrische Wechselspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6795226 B2 [0003]
EP 0480078 A1 [0004]
DE 102005057404 A1 [0005]

Claims

Schaltungssystem (10) mit einer elektrischen Funktionseinheit (11), die an und/oder in einer transparenten Scheibe (12) angeordnet ist, und mit einer Treibereinheit (14) für die Funktionseinheit (11), wobei die Treibereinheit (14) in einem Abstand (13) zu der Funktionseinheit (11) angeordnet ist, sodass sich zwischen der Funktionseinheit (11) und der Treibereinheit (14) ein transparenter Zwischenraum (17) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (11) dazu eingerichtet ist, Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit (11) über zumindest einen transparenten Versorgungspfad zu empfangen und mit der Treibereinheit (14) Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad (S) auszutauschen.
Schaltungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Funktionseinheit (11) zum Empfangen zumindest eines Teils der Energie eine optoelektrische Wandlereinrichtung (20) aufweist, die dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (16) in eine elektrische Leistung (21) umzuwandeln und mit der Leistung (21) die Funktionseinheit (11) zu betreiben.
Schaltungssystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Treibereinheit zum Versorgen der Funktionseinheit (11) mit der Energie (15) für den Betrieb der Funktionseinheit (11) eingerichtet ist, indem die Treibereinheit (14) eine Leuchteinrichtung (19) aufweist, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (16) durch den transparenten Zwischenraum (17) hindurch zu der Funktionseinheit (11) abzustrahlen.
Schaltungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Treibereinheit (14) und die Funktionseinheit (11) über eine Lichtleitstruktur (39) gekoppelt sind, die dazu eingerichtet ist, die Strahlung (16) mittels interner Reflexion zu führen.
Schaltungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei die Scheibe (12) zwei transparente Schichten (36, 37) aufweist, zwischen denen eine die Lichtleitstruktur (39) aufweisende transparente Zwischenschicht (38) angeordnet ist.
Schaltungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die optoelektrische Wandlereinrichtung (20) auf einer Oberfläche (43) der Scheibe (12) angeordnet ist und die Scheibe (12) eine Auskoppeleinrichtung (44) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Strahlung (16) in der Scheibe (12) in Richtung zu der Wandlereinrichtung (20) zu streuen und/oder umzulenken.
Schaltungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei eine Kommunikationseinrichtung mit einem treiberseitigen Teil (22) und einem funktionseinheitsseitigen Teil (30) bereitgestellt ist, und die Kommunikationseinrichtung dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Daten (23, 31) zwischen der Treibereinheit (14) und der Funktionseinheit (11) mittels der Strahlung (16) und/oder mittels zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung (16') zu übertragen.
Schaltungssystem (10) nach Anspruch 7, wobei der funktionseinheitsseitige Teil (30) der Kommunikationseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Sendeeinrichtung (32) zu steuern, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der zusätzlichen Strahlung (16') in Abhängigkeit von solchen der Daten (31) zu erzeugen, die zu der Treibereinheit (14) zu übertragen sind, und die Sendeeinrichtung (32) in der Scheibe (12) angeordnet ist und/oder die Scheibe (12) eine Einkoppeleinrichtung (46) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den von der Sendeeinrichtung (32) erzeugten Teil der zusätzlichen Strahlung (16') zu empfangen und in eine Übertragungsrichtung zur Übertragung an eine Empfangseinrichtung (34) der Treibereinheit (14) umzulenken.
Schaltungssystem (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Kommunikationseinrichtung eine bidirektionale Übertragung vorsieht und hierzu für die Übertragung: - unterschiedliche Übertragungspfade (S) und/oder - unterschiedliche Strahlungsfrequenzen und/oder - ein Zeitmultiplexing vorgesehen ist.
Schaltungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionseinheit (11) eine Sensoreinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung und/oder eine schaltbare Verglasung und/oder eine Anzeigeeinrichtung aufweist, die jeweils dazu eingerichtet ist, mittel der Energie (15) betrieben zu werden.
Schaltungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionseinheit (11) eine Energiespeichereinrichtung (15') aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einer Ladephase die Energie zu empfangen und sich mit Speicherenergie aufzuladen und in einer Abgabephase die Speicherenergie für den Betrieb abzugeben.
Schaltungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibe (12) zumindest zwei elektrisch leitfähige, transparente Leitelemente (49) aufweist und die Funktionseinheit (11) mittels elektrischer Kontaktelemente (51) mit den Leitelementen (49) elektrisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, - zum Empfangen zumindest eines Teils der Energie für den Betrieb eine elektrische Spannung (V) über die Leitelemente (49) zu empfangen und/oder - zumindest einen Teil der Daten über die Leitelemente (49) elektrisch zu übertragen.
Funktionseinheit (11) für ein Schaltungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (11) dazu eingerichtet ist, an und/oder in einer transparenten Scheibe (12) angeordnet zu sein und Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit (11) über zumindest einen transparenten Versorgungspfad zu empfangen und mit einer Treibereinheit (14) Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen.
Treibereinheit (14) für ein Schaltungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (14) dazu eingerichtet ist, in einem Abstand (13) zu einer Funktionseinheit (11) angeordnet zu werden, sodass sich zwischen der Funktionseinheit (11) und der Treibereinheit (14) ein transparenter Zwischenraum (17) befindet, und mit der Funktionseinheit (11) Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad auszutauschen.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltungssystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine elektrische Funktionseinheit (11), die an und/oder in einer transparenten Scheibe (12) angeordnet ist, und eine Treibereinheit (14) bereitgestellt sind, wobei die Treibereinheit (14) in einem Abstand (13) zu der Funktionseinheit (11) angeordnet ist, sodass sich zwischen der Funktionseinheit (11) und der Treibereinheit (14) ein transparenter Zwischenraum befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (11) Energie für einen Betrieb der Funktionseinheit über zumindest einen transparenten Versorgungspfad empfängt und mit der Treibereinheit Daten über zumindest einen transparenten Übertragungspfad austauscht.