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Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zur Montage an einer Scheibe eines Fahrzeugs zur Bestimmung des Sonnenstands, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine Linsenanordnung und einen Detektor aufweist und wobei die Linsenanordnung auf der der Scheibe des Fahrzeugs zugewandten Seite flächig ausgebildet ist.
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Sensorvorrichtungen zur Erfassung des Sonnenstands in Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, sind überwiegend im Armaturenbrett verbaut. Aufgrund der technischen Anforderungen bei der Bestimmung des Einfallswinkels der Sonne aus einem Halbraum oberhalb des Fahrzeugs sind die Sensoren typischerweise erhaben in der Oberfläche, meist in Form einer Halbkugel, ausgebildet. Mit derartigen Sensoranordnungen lässt sich der Einfallswinkel der Sonne und daraus der Sonnenstand gut bestimmen. Diese Information wird insbesondere zur Steuerung der Klimaanlage verwendet. Der Sonnenstand wird auch für andere Auswertungen verwendet. Aufgrund von design-technischen Aspekten ist die Ausbildung einer solchen Sensorvorrichtung auf dem Armaturenbrett jedoch vielfach nicht gewünscht.
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Es sind daher optische Sensorvorrichtungen zur Montage an der Scheibe eines Fahrzeugs, insbesondere in Baueinheit mit Regen-Lichtsensoren, vorgeschlagen worden. Eine optische Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
EP 3 144 648 B1 bekannt. Mit dieser Sensorvorrichtung wird eine grobe, bidirektionale Detektion der einfallenden Sonnenstrahlung erreicht.
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Weiterhin ist in der
US 6 297 740 B1 ein Solarstrahlungssensor zur Bestimmung der Größe und Intensität der solaren Einstrahlung beschrieben. Die Vorrichtung weist einen Diffusor mit Kanälen für Photodioden auf. Jede Photodiode ist optisch von den anderen Photodioden isoliert. Der Diffusor ist so ausgebildet und angeordnet, dass Strahlung aus 360° der Umgebung empfangen werden kann.
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In der
US 2006/0 268 262 A1 sind ein Sensor zur Erfassung der Intensität photonischer Strahlung und eine Kalibrationsmethode für den Sensor beschrieben. Der Sensor weist ein Gehäuse, eine Linse sowie einen Schaltungsträger auf, der so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass ein Rand der Linse zugewandt ist. Ein erstes und ein zweites Sensorelement sind auf der einen Seite des Schaltungsträgers angeordnet, wobei das erste und das zweite Sensorelement voneinander durch einen ersten Flansch separiert sind. Der Flansch dient hierbei als ein Abschattungselement. Weiterhin ist mindestens ein drittes Sensorelement auf der anderen Seite des Schaltungsträgers angeordnet, das dazu vorgesehen ist, sowohl die Richtung als auch die Intensität der Strahlungsquelle zu erfassen.
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Zudem werden in der WO 2012/ 014 236 A1 ein Quadrantenphotodetektor und ein Verfahren zur Verfolgung des Sonnenstandes beschrieben. Der Photodetektor hat vier Photosensoren die in Quadranten angeordneten sind. In einer bestimmten Distanz von dem Photosensor ist eine undurchsichtige Maske angeordnet, die in einer Draufsicht in etwa die Hälfte von jedem Photodetektor abdeckt.
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In der
DE 10 2011 075 597 A1 ist eine Lichterkennungsvorrichtung beschrieben, wobei ein erstes Lichtbauteil und ein erstes Licht empfangendes Element, ein Licht emittierendes Element, ein zweites Lichtbauteil und ein zweites Licht empfangendes Element in einem Gehäuse aufgenommen sind, das an einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges anbringbar ist. Das erste Lichtbauteil und das zweite Lichtbauteil haben einen ersten Verschweißungsabschnitt bzw. einen zweiten Verschweißungsabschnitt. Die ersten und zweiten Lichtbauteile werden derart zusammengefügt, dass während das erste Lichtbauteil und das zweite Lichtbauteil in Kontakt miteinander an einer dazwischenliegenden Kontaktfläche sind, der erste Verschweißungsabschnitt und der zweite Verschweißungsabschnitt thermisch miteinander verschweißt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau besonders gute Messergebnisse bei der Bestimmung des Sonnenstands erreicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer optischen Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer optischen Sensorvorrichtung zur Montage an einer Scheibe, insbesondere Windschutzscheibe, eines Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeugs, zur Bestimmung des Sonnenstands, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine Linsenanordnung und einen Detektor aufweist und wobei die Linsenanordnung auf der der Scheibe des Fahrzeugs zugewandten Seite flächig ausgebildet ist, wobei die Linsenanordnung mindestens vier Linsenabschnitte aufweist, wobei die Linsenabschnitte durch eine lichtundurchlässige Struktur definiert sind, wobei die lichtundurchlässige Struktur auf der der flächigen Seite der Linsenanordnung gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, wobei jedem Linsenabschnitt ein Detektor zugeordnet ist, und wobei die lichtdurchlässige Struktur als Kreuzrippe ausgebildet ist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Linsenanordnung eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche aufweist und Rippen der Kreuzrippe durch die Ecken der Grundfläche verlaufen. Die Linsenabschnitte sind funktional getrennt, können dabei jedoch körperlich in der Linsenanordnung miteinander verbunden sein.
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Mit einem solchen Aufbau wird eine optische Sensorvorrichtung geschaffen, die den Sonnenstand über einen großen Teil des über dem Fahrzeug befindlichen Halbraums ermöglicht. Mit entsprechenden Algorithmen auf Basis einfacher mathematischer Berechnungen lassen sich die einzelnen Signale der Detektoren entsprechend auswerten. Die Linsenanordnung besteht aus einem für das Sonnenlicht, insbesondere Infrarotlicht, transparenten Material. Die lichtundurchlässige Struktur, die insbesondere für Infrarotlicht undurchlässig ist, unterteilt den Messbereich auf der der Scheibe abgewandten Seite der Linsenanordnung in vier separate Bereiche, in denen mit den Detektoren jeweils separat ein Bereich gemessen wird. Die optische Sensorvorrichtung besteht insoweit aus einem zweikomponentigen Gehäuse, das aus einem infrarotundurchlässigen Material besteht. Die Linsenanordnung wird aus einem fließfähigen, infrarotdurchlässigen Kunststoff gebildet und in einem Guss erzeugt.
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Die lichtundurchlässige Struktur ist als Kreuzrippe ausgebildet. Darunter werden zwei sich unter 90° kreuzende Rippen verstanden. Weiterhin weist die Linsenanordnung eine etwa quadratische Grundfläche auf. Die Ecken müssen dabei nicht winklig gebildet sein, sondern sind typischerweise abgerundet. Alternativ kann die Grundfläche auch vollständig rund ausgebildet sein. Bevorzugt verlaufen die Rippen der Kreuzrippe durch die Ecken der Grundfläche der Linsenanordnung. Zwischen den Kreuzrippen sind die einzelnen Linsenabschnitte gebildet. Jedem Linsenabschnitt ist daher eine Längsseite der Grundfläche der Linsenanordnung zugeordnet.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der Linsenanordnung erodiert. Durch eine derartige Struktur wird das Licht gestreut. Das eingetretene Licht wird beim Verlassen der Linsenanordnung durch die Kreuzrippe getrennt und durch die Erodierstruktur gestreut. Auch andere Materialverarbeitungsverfahren, die zu einer Streuung des Lichts führen, können eingesetzt werden. Auch mit diesen wird ein positives Ergebnis erreicht. Bei einer polierten Oberfläche ändert sich die Winkelcharakteristik und der Öffnungswinkel der einzelnen Signale der Linsenabschnitte. Dies wäre im vorliegenden Fall zwar nicht vorteilhaft, aber grundsätzlich möglich. So können die vier Detektoren, die auch als ein Detektor mit vier fotosensitiven Flächen ausgebildet sein können, jeweils ein unabhängiges Signal empfanden. Die im Halbraum um das Fahrzeug stattfindende Sonnenbewegung erzeugt mit Hilfe der Kreuzrippe eine Relativveränderung der Helligkeit in dem jeweiligen Linsenabschnitt. Die gemessene Lichtintensität im jeweiligen Quadranten variiert und die Signaländerung wird vom Detektor registriert. Je nach Sonnenstand sind die gemessenen Intensitäten in allen Linsenabschnitt zu jeder Zeit und Sonnenposition immer unterschiedlich (außer bei senkrechtem Einfall). Daher unterscheiden sich die Sonnen-positionsabhängigen Wertematrizen der jeweiligen fotosensitiven Flächen bzw. der vier Detektoren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Detektoren unterhalb der Linsenabschnitte zwischen den Rippen der Kreuzrippe angeordnet.
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Weiterhin ist die Kreuzrippe bevorzugt derart ausgebildet, dass sie in den äußeren Randbereichen über die Linsenanordnung hinaus steht und sich entlang der Außenseite der Linsenanordnung in Richtung der der Scheibe zugewandten Seite erstreckende Stege aufweist. Die Kreuzrippe selbst ist im Wesentlichen auf der der Scheibe abgewandten Seite der Linsenanordnung angeordnet.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zentrale Bereich der Linsenanordnung auf der der Scheibe abgewandten Seite durch ein mit der Kreuzrippe verbundenes lichtundurchlässiges Abdeckelement belegt. Das Abdeckelement ist dabei bevorzugt punktsymmetrisch zum Mittelpunkt der Kreuzrippe und insbesondere kreisförmig ausgebildet. Dadurch verbleiben bei der Linsenanordnung im Wesentlichen der äußere Bereich, der von seiner erodierten Oberfläche Licht zu dem jeweils zugeordneten Detektor streut, das dort registriert wird. Die Detektoren sind auf der der Scheibe abgewandten Seite der Linsenanordnung angeordnet. Durch Abdeckung eines zentralen Bereichs der Linsenanordnung wird die Richtungssensitivität der einzelnen Linsenabschnitte erhöht.
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Bevorzugt weist die Linsenanordnung auf der der Scheibe abgewandten Seite im zentralen Bereich eine nach innen gewölbte Form auf. Es ist also eine konvexe Mulde gebildet, deren tiefster Punkt im Vergleich zu allen Punkten der Oberfläche der Mulde den geringsten Abstand zu der der Scheibe zugewandten Seite der Linsenanordnung hat. Das lichtundurchlässige Abdeckelement ist dazu korrespondierend vorstehend, in Richtung der der Scheibe zugewandten Seite gewölbt und liegt in der in der Linsenanordnung gebildeten Mulde an.
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Bevorzugt weist die Linsenanordnung eine zentrale durchgehende Ausnehmung auf, deren Querschnitt mehr als den Faktor 2 kleiner ist als der Querschnitt der nach innen gewölbten Form der der Scheibe abgewandten Seite. Die Kreuzrippe und insbesondere das damit verbundene Abdeckelement sind mit einem entsprechenden lichtundurchlässigen stabförmigen Element verbunden, das diese zentrale durchgehende Ausnehmung der Linsenanordnung ausfüllt.
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Die Kreuzrippe, die zentrale Abdeckung und das stabförmige Element sind bevorzugt einstückig ausgebildet. Auch durch dieses stabförmige Element wird die Richtungssensitivität der einzelnen Linsenabschnitte erhöht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die optische Sensorvorrichtung einen Regen-Lichtsensor auf. Bevorzugt ist die Linsenanordnung einstückig mit Linsenelementen für den Regen-Lichtsensor verbunden. Weiterhin bevorzugt sind Linsenelemente für einen Vorfeldsensor ebenfalls einstückig mit der Linsenanordnung verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Linsenanordnung aus einer Vergussmasse erzeugt. Bevorzugt sind sämtliche Linsen in dem Sensor, also sowohl die Linsenanordnung der optischen Sensorvorrichtung sowie zugehörige Linsen eines Regen-Lichtsensors und eines Vorfeldsensors in einem Arbeitsschritt aus der Vergussmasse erzeugt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Scheibe und einer an der Scheibe angeordneten optischen Sensorvorrichtung der oben beschriebenen Art. Für die Details dieser Sensorvorrichtung wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
- 1: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung von der der Scheibe abgewandten Seite aus;
- 2: eine perspektivische Ansicht nur der Linsenanordnung der optischen Sensorvorrichtung von der Seite der Scheibe aus;
- 3: eine perspektivische Ansicht nur der Linsenanordnung der optischen Sensorvorrichtung von der der Scheibe gegenüberliegenden Seite aus;
- 4: eine perspektivische Ansicht nur der Kreuzrippe und der lichtundurchlässigen Teile der optischen Sensorvorrichtung von der Scheibe aus;
- 5: eine perspektivische Ansicht nur der Kreuzrippe und der lichtundurchlässigen Teile der optischen Sensorvorrichtung von der der Scheibe gegenüberliegenden Seite aus;
- 6: eine Draufsicht auf die optische Sensorvorrichtung mit Detektoren von der der Scheibe gegenüberliegenden Seite aus; und
- 7: eine perspektivische Ansicht der Linsenanordnung der optischen Sensorvorrichtung mit weiteren optischen Elementen.
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In 1 ist die optische Sensorvorrichtung 1 in perspektivischer Ansicht von der Scheibe 2 abgewandten Seite dargestellt. Das heißt, dass die optische Sensorvorrichtung 1 auf einer Scheibe 2 angeordnet ist, die in der dargestellten Perspektive unterhalb der optischen Sensorvorrichtung 1 angeordnet ist. Die optische Sensorvorrichtung 1 ist im Wesentlichen aus einer Linsenanordnung 3 und einer Kreuzrippe 9 zusammengesetzt bzw. besteht aus diesen beiden Elementen. Die Linsenanordnung 3 ist ein im Wesentlichen würfelförmiger Block, der jedoch auf der der Scheibe 2 zugewandten Seite plan ist und auf der gegenüberliegenden Seite, also auf der in 1 sichtbaren Seite weitergehend strukturiert ist. Die Eckbereiche sind dabei abgerundet ausgebildet und die Länge und Höhe der Seiten können deutlich voneinander abweichen. Insbesondere beträgt die Höhe zwischen 30 % und 70 % der Länge der quadratischen Grundfläche der Linsenanordnung 3. Die Linsenanordnung 3 weist eine erodierte Oberfläche 8 auf, so dass einerseits das von der Seite der Scheibe 2 einfallende Licht innerhalb der Linsenanordnung 3 gestreut wird und andererseits das aus der Linsenanordnung 3 austretende Licht ebenfalls gestreut wird. Die Linsenanordnung 3 ist durch die Kreuzrippe 9 in vier verschiedene Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 funktional unterteilt. Jedem dieser Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 ist ein Detektor zugeordnet, der das aus diesen Linsenabschnitten 4, 5, 6, 7 austretende Licht erfasst. Dabei kann es sich um vier einzelne fotosensitive Detektoren, insbesondere Infrarotdetektoren, oder um einen Detektor mit vier getrennten fotoempfindlichen Flächen handeln. Der Detektor muss in jedem Fall so ausgelegt sein, dass eine getrennte Erfassung der vier Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 ermöglicht ist. Die Kreuzrippe 9 weist im Wesentlichen zwei senkrecht zueinander stehende Rippen 10 und 11 auf. Die Rippen verlaufen über die Eckbereiche der Linsenanordnung 3, die eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche aufweist. Die Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 erstrecken sich daher im Wesentlichen jeweils entlang einer der Längsseiten der Linsenanordnung 3. Die Kreuzrippe 9 weist in den Außenbereichen Stege 12 auf, die sich entlang der Außenwand der Linsenanordnung bis zu der der Scheibe 2 zugewandten Seite der Linsenanordnung 3, also bis zur Scheibe 2, erstrecken. Dadurch werden die Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 auch im Außenbereich definiert. Die Kreuzrippe 9 ist außerdem bevorzugt mit einem Abdeckelement 13 verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet, das die der Scheibe 2 gegenüberliegende Seite der Linsenanordnung 3 in einem zentralen Bereich abdeckt. Dadurch wird die Richtungssensitivität der Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 deutlich erhöht. Das Abdeckelement 13 ist bevorzugt kreisförmig ausgebildet.
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In 2 ist eine Draufsicht auf die Linsenanordnung 3 von der Seite der Scheibe 2 aus dargestellt. Deutlich zu erkennen ist hier die im Wesentlichen quadratische Grundfläche der Linsenanordnung 3, die jedoch in den Eckbereichen stark abgerundet ausgebildet ist. Die Linsenanordnung 3 weist eine zentrale Ausnehmung 14 auf, die vollständig durch die Linsenanordnung 3 hindurchgeht. Erkennbar sind in der 2 auch Vergussverbindungen 15, durch die die Linsenanordnung 3 mit weiteren Linsenelementen verbunden ist und im Herstellungsprozess gemeinsam hergestellt wird.
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In 3 ist die Linsenanordnung 3 gemäß 2 von der der Scheibe 2 abgewandten Seite in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Linsenanordnung 3 ist scheibenseitig am größten und ist unterhalb der Vergussverbindungen 15 dann entlang einer Stufe 16 etwas eingezogen. Die Linsenanordnung 3 läuft dann ganz leicht konisch zu, bildet dann jedoch an der Oberseite immer noch eine etwa quadratische Grundfläche aus, die im Wesentlichen der quadratischen Grundfläche auf der Oberseite der Linsenanordnung gemäß 2 entspricht, jedoch durch die Stufe 16 und die leicht konische Ausbildung etwas kleiner ist. Diese der Scheibe 2 abgewandte Seite 17 der Linsenanordnung 3 ist nach innen gewölbt ausgebildet in Richtung der der Scheibe 2 zugewandten Seite. Es ist eine konvexe Mulde oder Vertiefung gebildet. Auch hier ist die zentrale Ausnehmung 14 zu erkennen, die durchgehend ausgebildet ist. Diese ist auf der in 3 sichtbaren Seite, also der der Scheibe 2 abgewandten Seite, etwas größer als in der in 2 sichtbaren Seite, also der der Scheibe 2 zugewandten Seite. In den Eckbereichen der Seite 17 der Linsenanordnung 3 sind vier Einschnitte 18 vorgesehen, durch die die Kreuzrippe 9 verläuft, die hier nicht dargestellt ist. Die Linsenanordnung 3 kann auch runde Außenflächen haben. Es ändert sich dann die Winkelcharakteristik der Signalantwort. Darüber hinaus bestimmt die Neigung der Außenwand der Linsenanordnung 3 die Breite des erfassten Bereichs. Man kann also die durch die Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 erzeugten optischen Signale zentrieren bzw. zueinander positionieren, wenn die Neigung der Außenwand einen größeren Wert hat oder auch auseinanderlaufen lassen, wenn die Neigung der Außenwand verkleinert wird.
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In 4 ist die Kreuzrippe 9 in perspektivischer Ansicht von der Seite der Scheibe 2 aus dargestellt, jedoch ohne die Linsenanordnung 3. Die Kreuzrippe 9 weist neben den beiden eigentlichen Rippen 10 und 11 mit den Stegen 12 im Außenbereich auch das zentrale Abdeckelement 13 auf, das kreisförmig ausgebildet ist. In dieser Darstellung ist auch erkennbar, dass das zentrale Abdeckelement 13 vorstehend gewölbt ausgebildet ist und insofern der Form der Seite 17 der Linsenanordnung 3 entspricht, die nach innen gewölbt ist. Das zentrale Abdeckelement 13 ist in gleicher Weise gewölbt. Weiterhin ist im Mittelpunkt der Kreuzrippe 9 ein zentrales stabförmiges Element 19 vorgesehen, das nach Art eines Kegelstumpfes sich zur Spitze leicht verjüngend ausgebildet ist. Die Größe und Geometrie dieses stabförmigen Elements 19 korrespondiert mit der zentralen Ausnehmung 14 in der Linsenanordnung 3. Das stabförmige Element 19 dient einerseits zur Erhöhung der Richtungssensitivität der vier Linsenabschnitte 4, 5, 6, 7 und andererseits zur geometrischen Ausrichtung der Linsenanordnung 3 und der Kreuzrippe 9 zueinander. Außerdem kann dadurch im Herstellungsprozess Luft aus dem Werkzeug entweichen, wenn das Material eingespritzt wird. Weiterhin sind hier Teile des Gehäuses 20 der Sensorvorrichtung 1 dargestellt. Das Gehäuse 20 und die Kreuzrippe 9 sind einstückig aus einem Material und in einem Arbeitsgang, insbesondere aus einem infrarotundurchlässigen Material, hergestellt.
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In 5 ist eine perspektivische Ansicht der Kreuzrippe 9 gemäß 4 von der der Scheibe 2 abgewandten Seite aus dargestellt. In 5 ist die Kreuzrippe 9 mit den Rippen 10 und 11 und dem zentralen Abdeckelement 13 und dem stabförmigen Element 19 zu erkennen. Das Gehäuse 20 der Sensorvorrichtung 1, insbesondere die scheibenseitige Gehäusewand, weist Formen 21 zur Aufnahme der Vergussverbindungen 15 für die Linsenanordnung 3 auf. Der Rippenkörper 9 ist auf seiner Außenseite mit einer umgebenden Wandung 22 verbunden, an der die Rippen 10, 11 mit den Stegen 12 anschließen. Durch die Breite der Stege 12 ist der Abstand zwischen der Wandung 22 und der Linsenanordnung 3 bestimmt. Die Linsenanordnung 3 wird zunächst in einem Werkzeug gespritzt, das Werkzeug dann zurückgefahren und dann wird das Gehäusematerial im Werkzeug zur Herstellung der Kreuzrippe 9 und des Gehäuses 20 gespritzt.
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In 6 ist eine Draufsicht auf die optische Sensoranordnung 1 von der der Scheibe 2 abgewandten Seite dargestellt, wobei hier, vergleichbar zur Darstellung in 1, sowohl die Kreuzrippe 9 als auch die Linsenanordnung 3 dargestellt sind. Weiterhin ist hier auch auf der von der Scheibe 2 abgewandten Seite ein Detektorgehäuse 23 mit darin aufgenommenen Detektoren 24, 25, 26 und 27 dargestellt. Jeder Detektor 24, 25, 26, 27 ist einem Linsenabschnitt 4, 5, 6, 7 zugeordnet.
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In 7 ist die Linsenanordnung 3 zusammen mit weiteren optischen Elementen dargestellt, die in der optischen Sensorvorrichtung 1 zusätzlich vorhanden sein können. Dies sind insbesondere die optischen Elemente 28, 29 und 30, 31 eines Regensensors und das optische Element 32 eines Vorfeldsensors. Die verschiedenen optischen Elemente sind durch Vergussverbindungen 15 verbunden, so dass diese in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.
