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Die Erfindung betrifft ein Sensormodul zur Anordnung an einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der Fahrzeugtechnik finden autonom bzw. teilautonom fahrende Kraftfahrzeuge immer weitere Verbreitung. Um der Fahrzeugsteuerung ein autonomes bzw. teilautonomes Steuern des Kraftfahrzeuges zu ermöglichen, sind eine Vielzahl von Umfeldsensoren notwendig, mit denen die Umgebung des Kraftfahrzeuges erfasst und daraus die jeweilige Verkehrssituation ermittelt wird. Um die Umfeldsensoren vor schädlichen Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit und Luftströmungen, zu schützen, dient ein Sensorgehäuse, in dem die Umfeldsensoren eingebaut sind. Das Sensorgehäuse selbst kann dann wiederum am Fahrzeug, beispielsweise auf dem Dach, befestigt werden. Für die Funktion verschiedener Umfeldsensoren ist es notwendig, dass das Licht aus der Umgebung des Fahrzeugs zum Umfeldsensor im Sensorgehäuse gelangt. Verschiedene Umfeldsensoren arbeiten außerdem mit ausgesendeten Laserstrahlen (LIDAR-Sensor). Bei diesen Umfeldsensoren ist es notwendig, dass der ausgesandte Lichtstrahl vom Umfeldsensor in die Umgebung des Fahrzeugs abgestrahlt werden kann. Um den jeweiligen Lichtdurchtritt durch das Sensorgehäuse in eine bzw. beide Richtungen zu ermöglichen, sind Sensorgehäuse bekannt, bei denen ein lichtdurchlässiges Durchsichtelement vorhanden ist. Das Durchsichtelement ermöglicht dabei den Schutz des Umfeldsensors vor negativen Umwelteinflüssen und ermöglicht zugleich den Lichtdurchtritt durch die Wandung des Sensorgehäuses im erforderlichen Maß. Lichtdurchlässigkeit im Sinne der Erfindung bedeutet, dass elektromagnetische Strahlung im vom Umfeldsensor verwendeten Wellenlängenbereich durchtreten kann. Die bekannten Umfeldsensoren arbeiten in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2000 nm.
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Um die Funktionalität des Umfeldsensors im Sensormodul unter allen klimatischen Bedingungen zu gewährleisten, ist es bekannt, dass an dem Durchsichtelement des Sensorgehäuses ein Heizelement vorgesehen ist, mit dem das Durchsichtelement beheizt werden kann. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass das Durchsichtelement bei Temperaturen unter 10° C schnee- und eis- und beschlagfrei gehalten wird. Denn durch Schnee und Eis kann der für die Funktion des Umfeldsensors notwendige Lichtdurchtritt durch das Durchsichtelement soweit beeinträchtigt werden, dass der Umfeldsensor nur noch eingeschränkt bzw. gar nicht mehr funktioniert. In diesem Falle müsste dann die autonome bzw. teilautonome Steuerung des Fahrzeuges eingeschränkt bzw. unterbrochen werden.
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Für die Beheizung von Durchsichtelementen im Fahrzeugbau sind Dickschichtelektroden bekannt, bei denen mehrere Heizdrähte auf der Oberfläche des Durchsichtelements befestigt sind. Durch einen Stromfluß durch diese Heizdrähte wird Wärme freigesetzt, so dass das Durchsichtelement schnee- bzw. eis- und beschlagfrei gehalten werden kann.
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Nachteilig an der Beheizung des Durchsichtelements mit Heizdrähten ist es, dass diese Heizdrähte selbst undurchsichtig sind und damit den Sichtbereich des Umfeldsensors stören können. Außerdem ist die Herstellung des Heizelements durch Anbringung der Heizdrähte auf dem Durchsichtelement zeit- und kostenaufwändig.
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Ein weiterer Nachteil ist die inhomogene Temperaturverteilung dieser Technologie, was zu einem ungleichen und verzögerten Abtauveralten führt. Daraus folgend ist die Effizienz solcher Systeme begrenzt, da mittels eines höheren Stroms der Nachteil der Inhomogenität ausgeglichen wird, um in einer kurzen Zeit das gewünschte Abtauverhalten zu gewährleisten. Darüber hinaus führt eine inhomogene Wärmeverteilung zu mechanischen Belastung im beheizten Material, was zu Ermüden und Versagen führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Sensormodul vorzuschlagen, dessen Durchsichtelement mit einem Heizelement beheizt werden kann, das die oben beschriebenen Nachteile des vorbekannten Stands der Technik vermeidet.
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Das erfindungsgemäße Sensormodul beruht auf dem Grundgedanken, dass das Heizelement in der Art einer Dünnschichtelektrode ausgebildet ist. Diese Dünnschichtelektrode kann entweder unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise unter Verwendung eines Trägerelements, auf der Außenseite oder Innenseite des Durchsichtelements befestigt werden. Die Dünnschichtelektrode weist dabei zumindest zwei Kontaktelemente auf, um die Dünnschichtelektrode mit der elektrischen Energieversorgung des Kraftfahrzeuges aus dem Bordnetz mit dem erforderlichen Spannungsniveau zu kontaktieren. Um die Dünnschichtelektrode zugleich mit hoher Heizleistung bei geringem Aufwand für die Fertigung herstellen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Dünnschichtelektrode eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, die Silbernanodrähte und/oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder Carbon-Nano-Tubes (CNT) umfasst. Leitfähige Schichten aus diesen speziellen Materialien sind lichtdurchlässig und erwärmen sich beim Durchfluss von elektrischem Strom so weit, dass ein Vereisen oder Beschlagen des Durchsichtelements verhindert werden kann. Silbernanodrähte können nasschemisch synthetisiert werden, so dass sich im Ergebnis eine Lösung von in einem Dispersionsmittel dispergierten Silbernanodrähten ergibt. Diese Dispersion kann in einfacher Weise auf eine dafür vorgesehene Fläche aufgetragen werden. Durch Verdampfen des Dispersionsmittels bildet sich dann ein ungeordnetes Netzwerk von Silbernanodrähten, das eine elektrisch leitfähige Dünnschichtelektrode bildet. Diese Dünnschichtelektrode aus Silbernanodrähten ist lichtdurchlässig und zugleich elektrisch leitfähig und kann durch entsprechenden Stromfluss hocheffektiv beheizt werden.
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Welche Art von Carbon-Nano-Tubes (CNT) in der elektrisch leitfähigen Schicht der Dünnschichtelektrode verwendet werden, ist grundsätzlich beliebig. Besonderes vorteilhaft ist es, wenn die Carbon-Nano-Tubes in der Art von Carbon-Nanobuds (CNB) ausgebildet sind. Carbon-Nanobuds sind Modifikationen des Kohlenstoffs in Form von kovalent aneinander gebundenen Molekülen aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen. Diese Carbon-Nanobuds bilden bei geeigneter Abscheidung ein ungeordnetes Netzwerk, das voll stromleitfähig ist und zugleich eine ausreichende Lichtdurchlässigkeit aufweist.
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Um den Bedarf an Silber zur Herstellung der Dünnschichtelektrode aus Silbernanodrähten zu reduzieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Silbernanodrähte der Dünnschichtelektrode in einer Matrix aus aluminium-dotiertem Zinkoxid eingebettet sind. Diese Dünnschichtelektroden, bei denen die Silbernanodrähte in aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) verkapselt sind, benötigen erheblich wenig Silber als konventionelle Silber-Gitterelektroden, bei vergleichbar hoher Leitfähigkeit. Die Verkapselung mit einer dünnen AZO-Schicht führt zu einer erheblichen Steigerung der Leitfähigkeit, da das AZO einen leitfähigen Pfad zwischen den Silberdrähten generiert. Zugleich sorgt die Matrix aus AZO für eine mechanische Fixierung der Silbernanodrähte auf dem jeweiligen Substrat und schützt die Silbernanodrähte vor negativen äußeren Einflüssen, beispielsweise einer Oxidation oder Sulfidisierung der Silbernanodrähte.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nanodrähte der Dünnschichtelektrode an den Kontaktpunkten des ungeordneten Netzwerks stoffschlüssig miteinander verschweißt sind. Durch den Stoffschluss der Silbernanodrähte in den Kontaktpunkten wird die Leitfähigkeit der Dünnschichtelektrode erheblich gesteigert. Um die stoffschlüssige Verschweißung der Kontaktpunkte zu ermöglichen, kann die Schicht aus Silbernanodrähten nach dem Verdampfen der Dispersion mit Strom beheizt werden, bis das Silber in den Kontaktpunkten zumindest geringfügig aufschmelzt.
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Durch die Verwendung der Silbernanodrähte können die sehr guten Leitfähigkeitseigenschaften des Silbers hocheffektiv werden. Es reicht ggf. eine Flächendichte von 0,2 bis 0,4 g/m2, insbesondere eine Flächendichte von ungefähr 0,3 g/m2 aus, um eine Dünnschichtelektrode mit ausreichenden Heizeigenschaften zu bilden. Durch die extrem dünne Schichtdicke der Dünnschichtelektrode bei diesen geringen Flächendichten wird außerdem eine Transparenz der Dünnschichtelektrode gewährleistet, die für die Funktion des Umfeldsensors ausschlaggebend ist. In welcher Weise die Dünnschichtelektrode mittelbar bzw. unmittelbar an dem lichtdurchlässigen Durchsichtelement angebracht wird, ist grundsätzlich beliebig. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante wird die leitfähige Schicht, die Silbernanodrähte und/oder Indium-Zinn-Oxid und/oder Carbon-Nano-Tubes umfasst, vollflächig auf dem Durchsichtelement abgeschieden.
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Durch die unmittelbare Anbringung der Dünnschichtelektroden auf dem Durchsichtelement kann eine hocheffektive Fertigung sowie eine hohe Lichtdurchlässigkeit, d.h. hohe Transparenz im Wellenlängenbereich des Umfeldsensors, gewährleistet werden, da zusätzliche Schichten entfallen.
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Alternativ zur vollflächigen Abscheidung der Dünnschichtelektrode unmittelbar auf dem Durchsichtelement kann die leitfähige Schicht, die Silbernanodrähte und/oder Indium-Zinn-Oxid und/oder Carbon-Nano-Tubes umfasst, auch vollflächig auf einem Trägerelement fixiert werden. Das Trägerelement zusammen mit der Dünnschichtelektrode bildet dann einen Heizelementträger, der dann wiederum gemeinsam auf dem Durchsichtelement befestigt werden kann.
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Für die Herstellung der Trägerschicht als Träger für die Dünnschichtelektrode kann insbesondere ein Trägerelement aus Polymerfolie verwendet werden, die beispielsweise aus Polycarbonat oder Polyethylen hergestellt ist. Polycarbonat ist hochtransparent und gewährleistet eine problemlose Durchsicht. Um den Heizelementträger einfach und zuverlässig auf dem Durchsichtelement befestigen zu können, kann die Trägerschicht auf dem Durchsichtelement mit einer Klebeschicht verklebt werden. Dabei ist es grundsätzlich beliebig, ob die Dünnschichtelektrode gemeinsam mit der Klebeschicht auf das Durchsichtelement aufgeklebt wird oder aber auf der gegenüberliegenden Außenseite des Heizelementträgers verbleibt.
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Wenn die Dünnschichtelektrode auf einer nach außen weisenden Fläche angebracht ist, kann der Schutz der Dünnschichtelektrode durch eine Schutzschicht realisiert werden. Diese Schutzschicht wird nach der Herstellung der Dünnschichtelektrode auf der nach außen weisenden Seite der Dünnschichtelektrode angebracht.
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Wenn zum Schutz der Dünnschichtelektrode eine Schutzschicht vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn die Fläche der Schutzschicht kleiner als die Fläche der Dünnschichtelektrode ist. Durch diesen Flächenunterschied steht die Dünnschichtelektrode zumindest bereichsweise über die Schutzschicht über. Diese überstehenden Flächen der Dünnschichtelektrode bilden auf diese Weise problemlos Kontaktierungsflächen, an denen die Dünnschichtelektrode elektrisch kontaktierbar und mit dem Bordnetz verbunden werden kann.
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Ein besonders wirksamer Schutz der Dünnschichtelektrode wird erreicht, wenn die Schutzschicht eine Lackschicht umfasst.
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Eine besonders hohe Haltbarkeit der Schutzschicht, insbesondere der Schutzschicht aus Silicatlack, wird erreicht, wenn die Schutzschicht nach ihrer Aufbringung mit einer Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung gehärtet wird.
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Welche Art von Umfeldsensoren in dem Sensorgehäuse des Sensormoduls angebracht ist, ist grundsätzlich beliebig, solange für die Funktion des Umfeldsensors ein Lichtdurchtritt durch das Durchsichtelement des Sensorgehäuses erforderlich ist. Besonders große Vorteile bietet die Erfindung bei Anordnung von LIDAR-Sensoren und/oder Kamerasensoren und/oder Multikamera-Sensoren im Sensorgehäuse eines Sensormoduls.
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Für welche Art von Verwendung das Sensormodul eingesetzt wird, ist weiterhin grundsätzlich beliebig. Besonders große Vorteile bietet die Erfindung für Sensormodule, bei denen das Sensormodul auf einem Dachmodul zur Bildung eines Fahrzeugdachs befestigt wird.
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Die Erfindung hat also auch ein Dachmodul mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensormodul zum Gegenstand.
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Grundsätzlich kann dieses Dachmodul nach der Erfindung sowohl bei Personenkraftwagen als auch bei Nutzfahrzeugen, wie Lieferwägen oder Zugmaschinen für LKW, zum Einsatz kommen. Es kann als reines Festdach ausgebildet sein oder auch mit einem Dachöffnungssystem versehen sein und damit eine verschließbare Dachöffnung ausbilden.
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Des Weiteren bildet ein solches Dachmodul vorzugsweise eine Baueinheit, die in integrierter Weise Einrichtungen zum autonomen Fahren oder zum teilautonomen, durch Fahrzeugassistenzsysteme unterstützten Fahren umfasst und die auf Seiten eines Fahrzeugherstellers auf einen Fahrzeugrohbau aufsetzbar ist.
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Die Erfindung hat auch ein Kraftfahrzeug mit einem Sensormodul bzw. einem Dachmodul der vorstehend beschriebenen Art zum Gegenstand.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit vier auf einem Dachmodul angeordneten Sensormodulen in schematisierter Ansicht von oben;
- 2 ein Sensormodul gemäß 1 in einem schematisierten Querschnitt;
- 3 das Durchsichtelement des Sensormoduls gemäß 2 in einem schematisierten Querschnitt ;
- 4 eine zweite Ausführungsform eines Durchsichtelements in einem schematisierten Querschnitt;
- 5 das Durchsichtelement gemäß 4 in seitlicher Ansicht;
- 6 eine weitere Ausführungsform eines Durchsichtelements im schematisierten Querschnitt; und
- 7 eine weitere Ausführungsform eines Durchsichtelements im schematisierten Querschnitt.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 in schematisierter Ansicht von oben. Zur Bildung des Fahrzeugdachs 2 wird auf der Fahrzeugkarosserie ein Dachmodul 3 befestigt. Auf der nach oben weisenden Außenseite des Dachmoduls 3 sind vier Sensormodule 4 befestigt, die jeweils zumindest einen Umfeldsensor, beispielsweise einen LIDAR-Sensor beinhalten. Durch die in den Sensormodulen 4 eingebauten Feldsensoren wird eine Erfassung der das Kraftfahrzeug umgebenden Verkehrssituation ermöglicht, um ein autonomes bzw. teilautonomes Betreiben des Kraftfahrzeugs 1 realisieren zu können.
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2 zeigt das Sensormodul 4 in einem schematisierten Schnitt. Das Sensormodul 4 ist dabei insoweit dargestellt, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Im wasser- und staubdicht verkapselten Sensorgehäuse 5 ist ein Umfeldsensor 6 befestigt. Das Sensorgehäuse 5 selbst ist auf dem Dachmodul 3 befestigt.
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Um die Funktion des Umfeldsensors zu ermöglichen, ist an der Vorderseite des Sensorgehäuses 5 ein lichtdurchlässiges Durchsichtelement 7 befestigt, so dass Licht in beide Richtungen durch das Durchsichtelement 7 durchtreten kann.
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3 zeigt das Durchsichtelement 7 im Querschnitt. Zum leichteren Verständnis ist außerdem der Umfeldsensor 6 mit dem entsprechenden Lichtgang schematisiert dargestellt. Das Durchsichtelement 7 umfasst eine Trägerelement 8, auf die eine Dünnschichtelektrode 9 aus Silbernanodrähten aufgebracht wurde. An zwei Seitenkanten der Dünnschichtelektrode 9 sind Kontaktierungselemente 10 vorgesehen, um die Dünnschichtelektrode 9 mit der elektrischen Energieversorgung des Bordnetzes verbinden zu können. Zum Schutz der Dünnschichtelektrode 9 vor unerwünschten Umwelteinflüssen ist auf der Außenseite des Durchsichtelements 7 eine Schutzschicht 11 aus Lack angebracht. Die Silbernanodrähte in der Dünnschichtelektrode 9 bilden ein ungeordnetes Netzwerk, das an den Kontaktpunkten stoffschlüssig verschweißt ist. Das ungeordnete Netzwerk aus Silbernanodrähten ist außerdem in eine Matrix aus aluminium-dotiertem Zink-Oxid eingebettet.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Durchsichtelements 12. Auf einem Trägerelement 13 ist eine Dünnschichtelektrode 14 bestehend aus Carbon-Nanobuds abgeschieden. Zum Schutz der Dünnschichtelektrode ist außerdem an der Außenseite der Dünnschichtelektroden eine Schutzschicht 15 angebracht.
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5 zeigt das Durchsichtelement 12 in Ansicht von vorne. Man erkennt, dass die Seitenflächen des Trägerelements 13, der Dünnschichtelektroden und der Schutzschicht 15 jeweils einen geringfügigen Flächenunterschied aufweisen. Durch den Flächenunterschied zwischen Dünnschichtelektrode 14 und Schutzschicht 15 steht die Dünnschichtelektrode 14 seitlich über die Schutzschicht über. Die überstehenden Flächen 16 können somit zur Kontaktierung der Dünnschichtelektrode 14 genutzt werden.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Durchsichtelements 17. Bei dem Durchsichtelement 17 bilden eine Dünnschichtelektrode 18 aus Indium-Zinn-Oxid und ein Trägerelement 19 einen separat zu fertigenden Heizelementträger 20. Der Heizelementträger 20 wird als separates Bauteil mittels einer Klebeschicht 21 auf ein Trägerelement 22 aufgeklebt.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Durchsichtelements 23. Beim Durchsichtelement 23 wird der Heizelementträger 20 bestehend aus Dünnschichtelektrode 18 und Trägerelement 19 mittels einer Klebeschicht 24 auf die Außenseite des Trägerelements 22 aufgeklebt. Um den Heizelementträger 20 vor umweltschädlichen Einflüssen zu schützen, wird auf der Außenseite des Trägerelements 19 eine Schutzschicht 25 aufgetragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Fahrzeugdach
- 3
- Dachmodul
- 4
- Sensormodul
- 5
- Sensorgehäuse
- 6
- Umfeldsensor
- 7
- Durchsichtelement
- 8
- Trägerelement
- 9
- Dünnschichtelektrode (Silbernanodrähte)
- 10
- Kontaktierungselement
- 11
- Schutzschicht
- 12
- Durchsichtelement
- 13
- Trägerelement
- 14
- Dünnschichtelektrode (Carbon-Nanobuds)
- 15
- Schutzschicht
- 16
- Überstandsfläche
- 17
- Durchsichtelement
- 18
- Dünnschichtelektrode (Indium-Zinn-Oxid)
- 19
- Trägerelement
- 20
- Heizelementträger
- 21
- Klebeschicht
- 22
- Trägerelement
- 23
- Durchsichtelement
- 24
- Klebeschicht
- 25
- Schutzschicht
