DE102018221876A1 - Beheizbare Abdeckvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Abdeckvorrichtung (100), aufweisend:- ein Substrat (10) aus Kunststoff; und- innerhalb des Substrats (10) an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung (100) außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats (10) angeordnete Heizdrähte (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine beheizbare Abdeckvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer beheizbaren Abdeckvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik sind Heizungseinrichtungen für transparente Flächenelemente bekannt. Beispielsweise offenbart DE 10 2012 017 264 A1 eine Windschutzscheibe, die mit einer Antibeschlagsbeschichtung versehen ist, wobei bei einer Variante eine Heizschicht im inneren Bereich des Schutzglases vorgesehen ist.
  • Ferner ist eine Beheizung eines LiDAR-Schutzglases (auch als Front Cover oder Cover Glass bezeichnet) z.B. aus DE 10 2011 122 345 A1 bekannt. Dort ist ein biaxialer LiDAR-Scanner offenbart, dessen Schutzglas partiell beheizt ist. Dabei wird das Sendefenster nicht beheizt, wohingegen das Empfangsfenster aber beheizt werden kann. Beim vorgeschlagenen Heizungskonzept werden im Bereich des Empfangsfensters elektrische Leiterbahnen aufgebracht bzw. aufgedampft.
  • Aufgrund der breit ausgebildeten Leiterbahnen kann ein für die Reichweite des LiDARs wichtige hohe Transmission insbesondere im Bereich des Empfangsfensters des LiDAR-Schutzglases signifikant herabgesetzt sein. Des Weiteren muss das komplette LiDAR-Schutzglas im Bereich des Empfangspfades erwärmt werden, was eine hohe elektrische Heizleistung erfordert. Diese Art des Schutzglases und Heizung muss im Inneren des LiDAR-Schutzglases angebracht werden, weshalb die Heizleistung durch das komplette Schutzglas übertragen werden muss, was den elektrischen Energieverbrauch des Sensors enorm erhöhen kann. Aufgrund der Durcherwärmung wird außerdem eine höhere Temperatur auf der Innenseite der Schutzscheibe (Bereich der aufgedampften Heizung) gegenüber der Außenseite (Zielbereich der Erwärmung) erwartet. Somit richtet sich insbesondere bei Schutzscheiben aus Kunststoff die maximal erreichbare Heiztemperatur auf der Außenseite der Windschutzscheibe nach der Temperatur auf der Innenseite der Heizung. Die effektive Flächentemperatur auf der Außenseite ist somit verringert.
  • Eine Lösung, bei der Holzdrähte auf der Außenseite aufgebracht sind, fällt als Lösung für ein heizbares Flächenelement aus, da ein Reinigungs- oder Wischsystem derartige Leiterbahnen unter Umständen abreiben würde.
  • Bekannte auf dem Markt erhältliche optoelektronische 3D-Scanner sind bei schwierigen Witterungsverhältnissen, wie z.B. Regen, Schneefall, Nebel, Vereisung, usw., nur begrenzt einsetzbar, was deren Verfügbar- bzw. Einsetzbarkeit stark einschränkt. Dadurch sind diese 3D-Scanner für ein automatisiertes Fahren auf Level 5 nicht geeignet.
  • Optoelektronische 3D-Scanner sind in unterschiedlichen Varianten bekannt. Hierunter versteht man rotierende Makroscanner, MEMS-basierende Scanner, OPA (engl. Optical Phase Array)-LIDAR, Flash-LIDAR. Allen genannten Systemen ist gemeinsam, dass sie ausgesendetes Laserlicht sammeln. Dabei gibt es optische Systeme, die aus einer oder aus mehreren Linsen bestehen. Alle haben sie gemeinsam, dass sie einen langen optischen Empfangspfad bzw. eine große Anzahl von Linsen aufweisen.
  • Dadurch kann im Sendepfad ein Strahl mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich über den rotierenden Makrospiegel geführt werden. Vorteilhaft kann mit derartigen Systemen, in denen alle Komponenten „rotieren“, ein horizontales Sichtfeld (engl. field of view, FOV) von 360° systemimmanent abgescannt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abdeckeinrichtung bereit zu stellen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Abdeckeinrichtung, aufweisend:
    • - ein Substrat aus Kunststoff; und
    • - innerhalb des Substrats an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats angeordnete Heizdrähte.
  • Durch die in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Abdeckvorrichtung im Außenabschnitt des Substrats angeordneten Heizdrähte kann eine Heizleistung zur Beseitigung von Feuchtigkeit auf dem Substrat vorteilhaft sehr gering sein. Aufgrund des Kunststoffmaterials des Substrats lassen sich die Heizdrähte mit bewährten Verfahren auf einfache Weise in das Substrat einbringen, beispielsweise mittels eines Umspritzverfahrens.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Abdeckvorrichtung, aufweisend die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Substrats aus Kunststoff; und
    • - Bereitstellen von Heizdrähten an einem innerhalb des Substrats an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Abdeckvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte in einer Heizfolie eingebettet sind. Auf diese Weise wird eine alternative Bereitstellung der Heizdrähte im Außenabschnitt des Substrats bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfolie aus dem gleichen Material besteht wie das Substrat. Dadurch wird aufgrund des gleichen Materials von Heizfolie und Substrat eine stabile Materialpaarung realisiert. Durch den dafür erforderlichen Laminierprozess sind die Heizdrähte sehr nahe an der Oberfläche des Substrats angeordnet, wodurch vorteilhaft eine hohe mechanische und thermische Stabilität der Abdeckvorrichtung unterstützt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung sieht vor, dass das Substrat Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat ist. Vorteilhaft kann dadurch für das Substrat ein einfach herstellbares und kostengünstiges Grundmaterial genutzt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung sieht vor, dass an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung innenseitig zugewandten Endabschnitt des Substrats eine erste Hartstoffschicht und/oder auf dem außenseitig zugewandten Endabschnitt des Substrats eine zweite Hartstoffschicht aufgebracht ist. Dadurch sind zusätzliche optionale Schichten möglich, die insbesondere eine Kratzfestigkeit der Abdeckvorrichtung verbessern.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Hartstoffschicht eine erste Antireflexschicht und/oder auf der zweiten Hartstoffschicht eine zweite Antireflexschicht aufgebracht ist. Durch können für die Abdeckvorrichtung vorteilhaft verbesserte Transmissionseigenschaften bereitgestellt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Abdeckvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizdrähte ca. 5µm bis ca. 40µm, vorzugsweise ca. 10µm bis ca. 20 µm dick sind. Dadurch werden günstige Dimensionierungen der Heizdrähte in Relation zu den Abmessungen des Substrats realisiert.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Abdeckvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizdrähte ca. 1 mm bis ca. 10 mm voneinander beabstandet sind. Dadurch werden günstige Abstände der Heizdrähte realisiert, die eine optimale Heizleistung der Heizdrähte für das Substrat unterstützen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Abdeckvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ferner eine Erkennungseinrichtung zum Erkennen von Feuchtigkeit und eine funktional mit der Erkennungseinrichtung verbundene Steuerungseinrichtung zum elektrischen Ansteuern der Heizdrähte aufweist. Vorteilhaft kann dadurch ein Feuchtigkeitsbelag auf dem Substrat detektiert werden, wodurch eine Steuerungseinrichtung aktiviert wird, die die Heizdrähte zum Entfeuchten der Oberfläche des Substrats oder optional noch eine zusätzliche Reinigungseinrichtung ansteuert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt.
  • Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Abdeckvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer Abdeckvorrichtung oder aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen einer Verwendung der Abdeckvorrichtung ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform einer vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung;
    • 2 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung;
    • 3 eine Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung; und
    • 4 eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Abdeckvorrichtung.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, eine verbesserte beheizbare Abdeckvorrichtung bereit zu stellen.
  • Für die Abdeckvorrichtung ist dabei eine Verwendung von Heizungselementen, bestehend aus Leiterbahnen in einem Substrat in Form von synthetischem Kunststoff, z. B. in Form von Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA, „Acrylglas“, „Plexiglas“) vorgesehen. Dadurch kann für die vorgeschlagene Abdeckvorrichtung ein günstiger Anwendungsfall als ein Schutzglas eines LiDARs realisiert werden.
  • Vorteilhaft ergibt sich dadurch ein geringer Leistungsverbrauch, da sich die Leiterbahnen aufgrund von geeigneten Produktionsprozessen nahe der Oberfläche befinden, bzw. weil ein Abstand der Heizelemente (z.B. in Form von Drähten) zur Außenseite des Schutzglases sehr gering ist.
  • Die Leiterbahnen bzw. Drähte haben einen Durchmesser im Bereich von ca. 5µm bis ca. 40µm, die in einem Abstand von ca. 1mm bis ca. 10mm angeordnet sind. Dadurch kann im Falle einer Anwendung als Schutzglas für ein LiDAR-System eine höhere Transmission realisiert werden, wodurch ein geringerer Verlust von Nutzlicht entsteht und somit vorteilhaft eine erhöhte Reichweite des Sensors realisiert werden kann.
  • Höhere Flächentemperaturen der Außenfläche (beheizte Zielfläche) sind auf diese Weise möglich.
  • Ferner lässt sich die vorgeschlagene Abdeckvorrichtung kostengünstig mit einem Spritzguss- oder Spritzprägeverfahren herstellen.
  • Innere oder äußere Oberflächen lassen sich vorteilhaft optional zusätzlich beschichten, z.B. mittels einer Antireflexbeschichtung und/oder einer Hartstoffbeschichtung.
  • Vorteilhaft ist bei der vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung optional auch ein zusätzliches mechanisches Reinigungssystem realisierbar.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung 100 mit mehreren Schichten bzw. Komponenten. Erkennbar ist ein mit INT bezeichneter Bereich, der nach innen in Richtung LiDAR-Sensor (nicht dargestellt) gerichtet ist. Ein Substrat 10 bzw. Grundmaterial ist als ein vorzugsweise transparentes Kunststoffmaterial, wie z.B. Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat, welches für eine elektromagnetische Strahlung des LiDAR-Sensors durchlässig ist, ausgebildet. Optional können innen auf dem Substrat 10 eine erste Hartstoffschicht 30 und darauf eine erste Antireflexschicht 40 angeordnet sein. Analog dazu können auch auf der Außenseite des Substrats 10 optional eine zweite Hartstoffschicht 31 und auf dieser eine zweite Antireflexschicht 41 angeordnet sein.
  • Die genannten zusätzlichen Schichten 30, 40, 31, 41 erhöhen die Transmission sowie die Kratzbeständigkeit der Abdeckvorrichtung für eine entsprechende Wellenlänge des LiDAR-Systems.
  • In das Substrat 10 sind an einer Außenseite EXT durch ein geeignete Verfahren (z.B. Spritzgießen) Heizdrähte 20 eingebracht worden, wobei der Heizdraht 20 z.B. freischwebend mit dem Material des Substrats 10 umspritzt wird. Auf diese Weise repräsentiert der innerhalb des Substrats 10 angeordnete Heizdraht 20 eine elektrisch ansteuerbare Widerstandsheizung. Diese wird aktiviert, um einen Feuchtigkeitsbelag (nicht dargestellt) auf der Außenseite EXT der Abdeckvorrichtung 100 durch Wärmeenergie zu verdampfen und damit das Abdeckvorrichtung 100 für das LiDAR dauerhaft transparent zu halten. Eine Nutzbarkeit bzw. Effizienz des LiDAR-Systems kann auf diese Weise bedeutend verbessert sein.
  • Eine zweite Variante einer vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung ist in 2 dargestellt. Bei dieser Variante ist vorgesehen, dass der Heizdraht 20 zuvor auf eine Heizfolie 21 aus Kunststoff (z.B. Polycarbonat) beispielsweise mäanderartig aufgebracht wurde. Die Heizfolie 21 kann danach um- bzw. hinterspritzt werden und realisiert auf diese Weise ebenfalls an der Außenseite EXT innerhalb des Substrats 10 angeordnete Heizdrähte 20. Vorteilhaft sind das Substrat 10 und die Heizfolie 21 aus demselben Material (z.B. Polycarbonat), sodass daraus eine kompakte Materialverbindung und dadurch eine hohe thermische und mechanische Stabilität für die gesamte Abdeckvorrichtung 100 resultieren. Ferner kann die Heizfolie auch auf das Substrat 10 aufgelegt und in einem Laminiervorgang mit dem Substrat 10 verbunden werden.
  • Die Heizdrähte 20 haben einen Durchmesser, der sich typischerweise im Mikrometerbereich bewegt und sind vorzugsweise im Millimeterbereich, ca. 1mm bis ca. 10mm voneinander beabstandet, wobei die Drahtdicke und die Anordnung der Drahtbahnen der Heizdrähte 20 in Abhängigkeit von der benötigten Heizleistung ausgelegt werden.
  • Gegenüber anderen Lösungen, wie z.B. bei Radarheizungen (mm-Bereich), weist das Substrat 10 eine hohe Transmission im NIR (Nah-Infrarotbereich) und MIR (mittlerer Infrarotbereich) (ca. 800 nm - 2000 m) auf, da die Schutzscheibe 100 transparent für die emittierte Wellenlänge des LiDAR-Sensors sein muss. Im Falle von Kamerasystemen kann der Transmissionsbereich auch im VIS-Bereich (typischerweise von 400 nm bis 800 nm) oder im MIR-Bereich (mittlerer Infrarotbereich) z.B. Infrarotkameras liegen.
  • Die Heizdrähte 20 befinden sich dadurch sehr nahe unter der äußeren Oberfläche, wodurch die Außenseite effektiv und energiesparend erwärmt werden kann.
  • 3 zeigt in einem Blockschaltbild eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Abdeckvorrichtung 100. In diesem Fall ist zusätzlich eine Erkennungseinrichtung 50 vorgesehen, die auf der Außenseite des Substrats 10 einen Belag, z.B. in Form von Feuchtigkeit, Eis, usw. detektieren kann und die funktional mit einer Steuerungseinrichtung 60 verbunden ist, die zur elektrischen Ansteuerung der Heizdrähte 20 vorgesehen ist. Auf diese Weise werden die Heizdrähte 20 nur dann aktiviert, wenn von der Erkennungseinrichtung 50 auf dem Substrat 10 ein Belag erkannt wird. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 60 auch dafür vorgesehen sein, eine mechanische Reinigungseinrichtung (nicht dargestellt) anzusteuern, mit der das Substrat 10 zusätzlich mechanisch gereinigt werden kann.
  • Auf diese Weise ist ein energieschonender Betrieb der Heizdrähte 20 unterstützt, weil diese nur dann, wenn tatsächlich ein Belag auf der auf dem Substrat 10 detektiert wird, aktiviert werden.
  • 4 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer Abdeckvorrichtung 100.
  • In einem Schritt 200 wird ein Substrat 10 aus Kunststoff bereitgestellt.
  • In einem Schritt 210 werden Heizdrähte 20 an einem innerhalb des Substrats 10 an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung 100 außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats 10 bereitgestellt.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem beheizbaren Schutzglas für einen optoelektronischen 3D-Scanner in Form eines LiDAR-Systems erläutert wurde, ist es beispielsweise auch denkbar, die vorgeschlagene Abdeckeinrichtung im Automobilbereich für eine Windschutzscheibe oder z.B. im Gebäudebereich, Schiffstechnik, Flugzeugtechnik, usw. zur Entfeuchtung von Oberflächen bzw. Entfernung von Kondensat vorzusehen.
  • Der Fachmann erkennt somit, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012017264 A1 [0002]
    • DE 102011122345 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Abdeckvorrichtung (100), aufweisend: - ein Substrat (10) aus Kunststoff; und - innerhalb des Substrats (10) an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung (100) außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats (10) angeordnete Heizdrähte (20).
  2. Abdeckvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte (20) in einer Heizfolie (21) eingebettet sind.
  3. Abdeckvorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfolie (21) aus dem gleichen Material besteht wie das Substrat (10).
  4. Abdeckvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat ist.
  5. Abdeckvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung (100) innenseitig zugewandten Endabschnitt des Substrats (10) eine erste Hartstoffschicht (30) und/oder auf dem außenseitig zugewandten Endabschnitt des Substrats (10) eine zweite Hartstoffschicht (31) aufgebracht ist.
  6. Abdeckvorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Hartstoffschicht (30) eine erste Antireflexschicht (40) und/oder auf der zweiten Hartstoffschicht (31) eine zweite Antireflexschicht (41) aufgebracht ist.
  7. Abdeckvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte (20) ca. 5µm bis ca. 40µm, vorzugsweise ca. 10µm bis ca. 20µm dick sind.
  8. Abdeckvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte (20) ca. 1 mm bis ca. 10 mm voneinander beabstandet sind.
  9. Abdeckvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Erkennungseinrichtung (50) zum Erkennen von Feuchtigkeit und eine funktional mit der Erkennungseinrichtung (50) verbundene Steuerungseinrichtung (60) zum elektrischen Ansteuern der Heizdrähte (20).
  10. Verfahren zum Herstellen einer Abdeckvorrichtung (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (10) aus Kunststoff; und - Bereitstellen von Heizdrähten () an einem innerhalb des Substrats (10) an einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Abdeckvorrichtung (100) außenseitig zugewandten Abschnitt des Substrats (10).
  11. Verwendung einer Abdeckvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als ein Schutzglas für einen optoelektronischen 3D-Scanner.
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