DE10238168B4

DE10238168B4 - Wischfeld unabhängiges, sensorgesteuertes Scheibenwischer System für Fahrzeuge mit Sichtfenster

Info

Publication number: DE10238168B4
Application number: DE10238168A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwarz
Original assignee: Peter Schwarz
Current assignee: SCHWARZ, PETER, 92367 PILSACH, DE
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: DE10238168A1

Abstract

Regensensor nach dem kapazitiven Messprinzip, mit einem Messkondensator (12) auf der Messfläche und einem Referenzkondensator (10), wobei der Messkondensator eine kammartige Elektrodenstruktur aufweist und die Bahnbreite und der Bahnabstand der Messelektroden zwischen 0,2mm und 0,7mm beträgt und einer Auswertschaltung bestehend aus einem ersten Oszillator (19) mit dem Messkondensator (12) und einem zweiten Oszillator (18) mit dem Referenzkondensator (10), einer Verknüpfungsschaltung (20) die die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren (18, 19) verknüpft, wobei das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung einem Frequenzteiler (21,22) zugeführt wird und die Ausgangssignale des. Frequenzteilers (21,22) zu den Oszillatoren zurückgeführt werden und zur Auswertung des Signals einem Bandpass (24) zugeführt werden.

Description

Sensoren für diesen Zweck gibt es bereits in kapazitiver Ausführung und in optischer Ausführung. Kapazitive Sensoren messen die durch Wasser Einfluss sich verändernde Dielektrizitätskonstante. Die Dielektrizitätskonstante bestimmt die Frequenz eines Oszillators. Durch Vergleich mit einem Referenzoszillator, kann eine Messspannung abgeleitet werden., deren Größe analog zur Kapazität eines Kondensators sich ändert.
Bekannt ist:
DE4000735A1 Verfahren und Anordnung zur Steuerung eines Scheibenwischers, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, wobei ein Regensensor an der zu wischenden Scheibe im Bereich des Scheibenwischers ein Sensorsignal in Abhängigkeit von der Feuchtigkeitsmenge abgibt, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals, nachdem der Scheibenwischer den Sensor passiert hat, ermittelt wird und zur Steuerung der Wischhäufigkeit herangezogen wird.
Bekannt ist:
DE19921640A1 Regensensor zur Steuerung von Elektromotoren für den Einsatz in Wintergärten, Fensterrolladen, Sonnenmarkisen, Fenstern und Lichtkuppeln, wobei zwei Vergleichswerte für eine Vergleichs-/Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden, so dass hierdurch witterungsangepasste Funktionen durch eine Schalteinheit eingeleitet werden können. Durch eine Anordnung zweier kapazitiver Felder deren Messbereiche getrennt nach oben und unten wirken, ist die Übermittlung zweier unabhängig voneinander erfasster Messergebnisse durch die Messelektronik an die Vergleichs-Auswerteeinheit sichergestellt. Die obere Seite der Regensensorplatine dient als Schutz vor Niederschlag für das untere Messfeld.
Bekannt ist:
DE2214735 Elektronischer Durchflussmesser für Flüssigkeiten der aus 2 elektrisch und mechanisch identischen Oszillatoren besteht, wobei die Mess- u. Referenzfrequenz gemischt werden und aus der Schwebung das Nutzsignal gewonnen wird.
Bekannt ist:
DE10015430C1 Kapazitiv arbeitender Sensor zur Detektion von Kondensation an Oberflächen In der Erfindung wird die Oberfläche der Passivierungsschicht hydrophil gemacht, wodurch eine Betauung über die ganze Oberfläche der Passivierungsschicht erfolgen und wahrgenommen werden kann.
Bekannt ist:
DE3138642A1 Regensensor. Mit 2 Elektroden in Form miteinander verschrankter bzw. verschachtelter Gruppen von Leiterbahnen auf einer elektrisch isolierenden Trägerplatte versehene Regensensoren werden mit einer für besondere Witterungsverhältnisse wie Vereisung, Taubefall u. dgl. benötigten Heizung in einer Form ausgeschaltet, die den gerätetechnischen Aufwand für eine solche Heizung extrem verringert, gleichzeitig die Störungsanfälligkeit klein hält und dabei auch Kosten, Gewicht und Raumbedarf eines solchen Regensensors vermindert, indem nämlich direkt auf der Trägerplatte eine zusätzliche, als Heizleiter ausgelegte Leiterbahnschleife mit endseitigen Anschlüssen angebracht ist. Diese Leiterbahnschleife kann auf der Rück- bzw. Unterseite der Trägerplatte angeordnet sei, sie kann aber auch gemeinsam mit den Elektroden auf der Oberseite angeordnet sein bzw. eine Elektrode bilden.
Bekannt ist:
US4429343 Kapazitives Feuchtigkeitssensor Element mit 2 Kammelektroden aus Dünnfilm Platin welches auf einem Glassubstrat abgelagert ist, die vollständig von einem wasserabsorbierendem Material bedeckt sind wie cellulose acetate butyrate oder Silikon Gummi. Die Beschichtung ist grundsätzlich so dick oder dicker wie der Abstand der Kammlektroden..
Bekannt ist:
DE3842180C2 Feuchtigkeitssensor mit einem dielektrischen Träger, ersten und zweiten elektrisch leitenden Teilen, die in Abstand voneinander, einen Spalt bildend auf der ersten Hauptoberfläche des Trägers angeordnet sind. Verbindungseinrichtungen, die die ersten und zweiten elektrisch leitenden Teile mit einem Signalgeber und einem Signalempfänger elektrisch verbinden, so dass ein elektrisches Bezugssignal auf den Sensor aufgegeben und vom Signalempfänger in veränderter Form empfangen werden kann.
Optische Systeme messen den Brechungsindex, durch das Glas einer Windschutzscheibe und deren Veränderungen durch auftreffendes Wasser. Dazu ist eine Lichtquelle (LED) notwendig und ein Fotowiderstand oder Halbleiter, der das Lichtsignal und dessen Veränderungen registriert und elektrisch umsetzt.
Das daraus gewonnene elektrische Signal dient zur Ansteuerung einer Scheibenwischerelektronik, die den Scheibenwischer in Abhängigkeit von dem auftreffendem Wasser auf der Windschutzscheibe steuert. Bei Auftreffen von Wasser auf der Windschutzscheibe wird der Scheibenwischer ausgelöst. Trifft kein Wasser auf die Scheibe auf, stoppt der Wischer wieder.
Durch eine Scheibenwischersteuerung mit Regensensor erhöht sich die Fahrsicherheit des Fahrers wesentlich, da er nun nicht mehr der Schrecksekunde bei plötzlichem Spritzwasser ausgesetzt ist. Die Steuerung kann innerhalb von Millisekunden umschalten, von Intervallbetrieb auf Dauerbetrieb und sogar auf Schnellbetrieb, wenn das notwendig ist.
Die Nachteile eines kapazitiven Sensors bestehen darin, dass die Empfindlichkeit sehr stark durch Störsignale im Auto reduziert wird.
Außerdem muss der Sensor hinter der Windschutzscheibe oder im Glas der Windschutzscheibe angebracht werden. Dies beeinflusst die zu messende Dielektrizitätskonstante des Wassers und reduziert das Messsignal erheblich. Und zwar umso mehr, je größer der Abstand des Sensors vom Messobjekt (Wasser) ist.
Optische Sensoren verwenden meist nur eine Lichtquelle und sind dadurch auf eine Punktmessung (mehrere Punkte erhöhen den Aufwand) beschränkt. So dass nicht immer exakt erfasst werden kann, wann die Scheibe benetzt ist.
Außerdem muss die Messung immer in Verbindung mit dem Scheibenwischer gemacht werden, so dass der Sensor nur in Verbindung mit der Windschutzscheibe und der überstrichenen Fläche des Scheibenwischers funktioniert. Dies schränkt die Ergonomie des Fahrzeugs unter Umständen ein.
Die Vorteile des neuen Systems sind:
Durch Verwendung des kapazitiven Sensorsystems wird die Empfindlichkeit gegenüber optischen Systemen durch flächige Messung erhöht. Der Erhöhung der Empfindlichkeit sind durch Vergrößerung des Sensors theoretisch keine Grenzen gesetzt.
Das System funktioniert ohne den Einfluss des Scheibenwischers auf den Sensor – ohne Begrenzung auf die Wischerflächen.
Dadurch kann der Sensor auch auf oder innerhalb der Karosserie untergebracht werden.
Das auftreffende Wasser tritt unmittelbar mit der Sensorfläche in Kontakt, ohne Verluste durch die Windschutzscheibe. Der Sensor kann so optimiert werden um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Lang anhaftendes Wasser auf der Sensoroberfläche kann durch kurzzeitiges Anheizen der Sensoroberfläche über eine Widerstandsbahn wieder verdampft werden.
Durch dynamische bandbegrenzte Auswertung der Benetzungsänderungen des Sensorsignals (AC-Signal), können frequenzabhängige Störgrößen ausgefiltert werden, z.B. Zündimpulse, mechanische Schwingbewegungen des Motors, die sich auf den Sensor übertragen, sowie hochfrequente elektromagnetische Felder, was insgesamt zu weiterer Erhöhung der Empfindlichkeit führt.
Durch Ausfiltern des Gleichspannungsanteils werden Einflüsse der Scheibendielektrizitätskonstante, Luftfeuchtigkeit, sowie elektrostatischer Felder unwirksam gemacht
Detailbeschreibung:
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Der Regensensor besteht aus der Sensorfläche und der Messelektronik. Auf der Sensorfläche befinden sich zwei Messelektroden (2) und (3) aus Metall, welche kammartig angeordnet sind. Die Bahnen (2) (4) und (3) (6) bilden zusammen mit dem Dielektrikum des Substrates (1) und der Schutzisolierung (28) (z. B. Epoxydharz L und Härter L der Fa. R&G GmbH. Waldenbuch, Deutschland), sowie den Regentropfen einen Kondensator (12).
Die Finger der Messelektrode (3) sind durch die Metallverbindung (4) so kurz wie möglich verbunden. Natürlich darf mit der Messelektrode (2) kein Kurzschluß entstehen. Daher ist es sinnvoll die Metallverbindung (4) mittels Durchkontaktierung auf eine andere Layer zu bringen. Wobei Bahn (4) direkt unterhalb der Bahn (6) sein sollte um Störeinstrahlung auszuschließen. Der Abstand von Messelektrode (3) zur Masseelektrode (2) ist an allen Stellen der Sensorfläche so kurz wie möglich zu halten. Ähnlich einer bifilar gewickelten Spule müssen beide Elektroden (2) und (3) minimalen Abstand zueinander besitzen, so dass Einflüsse außerhalb des Messabstandes unwirksam bleiben. Die Masseelektrode (2) kann außerdem zwischen den Kontaktierungen (8) und (7) als Heizwiderstand (13) ausgeführt sein, um langanhaftende Wassertropfen zu verdampfen.
Eine zusätzliche Abschirmung bildet der Metallring (9) auf der Sensorfläche, der durch den Guard-Ausgang des Oszillators angesteuert wird.
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Die Kapazität des Sensorkondensators (12) wird mit der Referenzkapazität (10) über zwei Relaxationskondensatoren verglichen, mit einer Frequenz von etwa 100kHz bis 1MHz. Der Messoszillator besteht aus dem Kondensator (12), dem Widerstand (15) und dem NAND-Gatter (19). Der Heizwiderstand (13) wird von dem Kondensator (11) überbrückt, sodass nur das RC-Glied (12)(15) wirksam ist. Das NAND-Gatter (19) hat Schmitttrigger Eingänge und wird zusätzlich von dem nachgeschalteten -Frequenzteiler getriggert. Der Referenzoszillator besteht aus dem Referenzkondenstor (10) und dem Widerstandsnetzwerk (14) (16) (17), sowie aus dem NAND-Gatter (18). Widerstand (17) ist kann in Form eines PTC zur Temperatur-kompensation hinzugefügt werden, da durch den Heizwiderstand (13) das Substrat (1) bis ca. 70°C aufgeheizt wird.
Beide Oszillatorausgänge gehen auf das NAND (20). Dessen Ausgang triggert das Flipflop (21). Der Ausgang Q von Flipflop (21) triggert das Flipflop (22). Beide Flipflops sind als Frequenzteiler geschaltet. Ausgang Q von Flipflop (22) triggert den Referenzoszillator. Der invertierende Ausgang NQ (22) triggert den Messoszillator. Unterschiedliche RC-Konstanten bewirken eine unterschiedliche Impulsdauer am Ausgang Q von Flipflop (22). Diese Impulse werden über das RC-Glied (27) gesiebt. Die resultierende Spannung wird gefiltert und anschließend verstärkt. Das Filter (24) ist als Bandpassfilter 1. Ordnung ausgelegt. Die Gleichspannungsanteile werden nicht verstärkt, so dass Offsetprobleme durch den Messkondensator nicht auftreten. Die untere Grenzfrequenz kann ca. 100Hz betragen. Gleichzeitig werden damit auch, die sich mechanisch übertragende Motorbewegungen ausgefiltert. Die obere Grenzfrequenz beträgt ca. 2000Hz. Damit werden Zündimpulse und Halbleiterrauschen unterdrückt.
Das Signal am Ausgang (26) ist als ein AC-Signal, das nur den Veränderungen von Wasserbenetzung auf dem Messkondensator (12) entspricht.
Dieses Signal kann anschließend noch auf einen Schwellwertschalter (36) geleitet werden, der eine variable Referenzspannung (32) hat. Das daraus gebildeter Signal (33) triggert schließlich eine Wischersteuerung, die in einem Mikrokontroller programmiert sein kann.
2. Der Messkondenstor sollte Wassertropfen mit einem Durchmesser von <0.5mm noch unterscheiden können. Der Abstand (30) der Leiterbahnen (2) und (3) richtet sich nach der Tropfengröße. Die Distanz (30) wird auch durch die Dicke der Lackierung (28) bestimmt. Sie beträgt ca. 0.1 mm.
Die optimale Distanz (30) ist ungefähr 0.3mm. Die Bahnbreite von (2) und (3) ebenfalls 0.3mm. Wählt man eine größere Bahnbreite und Bahnabstand (>0.7mm), dann werden die Störspannungen zu groß und damit das Nutzsignal uneffektiv.
Der Metallring (9) wird mit dem Ausgang von NAND (20) verbunden. Die Empfindlichkeit und der Störabstand wird durch den Guard-Ring (9) erhöht.
Die Auswerteelektronik befindet sich in unmittelbarer Nähe des Messkondensators (12), bestenfalls auf der Rückseite der Platine (1).
Der gesamte Sensor bestehend aus Messkondensator (12), Auswerteelektronik und Heizung (13), muss abgeschirmt sein. D.h. die Rückseite und Seitenwände des Sensorgehäuses (35) sind aus elektrisch leitendem Material (z.B. Kupfer) und sind mit Masse (7) verbunden.

Claims

Regensensor nach dem kapazitiven Messprinzip, mit einem Messkondensator (12) auf der Messfläche und einem Referenzkondensator (10), wobei der Messkondensator eine kammartige Elektrodenstruktur aufweist und die Bahnbreite und der Bahnabstand der Messelektroden zwischen 0,2mm und 0,7mm beträgt und einer Auswertschaltung bestehend aus einem ersten Oszillator (19) mit dem Messkondensator (12) und einem zweiten Oszillator (18) mit dem Referenzkondensator (10), einer Verknüpfungsschaltung (20) die die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren (18, 19) verknüpft, wobei das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung einem Frequenzteiler (21,22) zugeführt wird und die Ausgangssignale des. Frequenzteilers (21,22) zu den Oszillatoren zurückgeführt werden und zur Auswertung des Signals einem Bandpass (24) zugeführt werden.
Regensensor nach Patentanspruch 1, Dadurch gekennzeichnet, dass niederfrequente Bewegungen des Wassers auf dem Sensor durch elektronische oder mechanische oder chemische Maßnahmen unterdrückt werden.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hochfrequente Signale, ab 2kHz, die das Messsignal aus dem kapazitiven Sensor überlagern, unterdrückt werden.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhaftendes Wasser auf der Sensorfläche verdampft wird, indem die masseseitige Messelektrode gleichzeitig als Widerstandsbahn benutzt wird, die sich bei Anlegen einer Spannung erhitzt und das auf dem Sensor befindliches Wasser verdampft.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor außerhalb und/oder innerhalb des Bereiches den der Scheibenwischer überstreicht untergebracht wird.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnbreite und der Bahnabstand der Messelektrode etwa gleich sind
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzisolierung auf der Sensor Oberfläche einschließlich der Messelektroden zwischen 0.1mm und 0.3mm Dicke hat.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch gefilterten Messsignale über einen Schwellwertschalter mit variablem Sollwert zu einem digitalen Signal gewandelt werden.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Messsignal lediglich einen einzigen Wischervorgang auslöst.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines einzigen Wischervorgangs die digitalen Messsignale gezählt werden und zur Geschwindigkeitsbestimmung des Scheibenwischers herangenommen werden.
Regensensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von positiver und negativer Messelektrode, des kapazitiven Sensors an allen Stellen der Elektroden, inklusive Anfang und Ende und Verbindungsbahn der kammartigen Elektroden auf das Maß gemäß Anspruch 1 minimiert ist, ähnlich der bifilaren Wicklung einer Spule.