-
Hintergrund der Erfindung
-
Optische
Automobil-Regensensoren zum Automatisieren des Wischerbetriebs werden
trotz bekannter Nachteile wie dem falschen Wischen und der Empfindlichkeit
gegenüber abgelagertem Salz immer beliebter. Andererseits
sind kapazitive Regensensoren nicht so ausgereift, um trotz ihrer
behaupteten Vorteile von der Automobilindustrie akzeptiert zu werden.
-
Kapazitiven
Regensensoren, wie in der Patentliteratur beschrieben, basieren
auf leitende Elektroden oder Platten, die auf dem Glas abgelagert
werden und eine Abtast-Kapazitanz bilden, die durch Regentropfen auf
der Fensteraußenfläche mittels ihres elektrostatischen
Nahfelds beeinflusst werden.
-
Automobilfenster
können aus einer einzigen Glasplatte oder aus laminierten
Glasplatten bestehen. Obwohl die innere Fensteroberfläche
leicht zugänglich ist, wurde sie aufgrund der gesamten
Glasdicke (für gewöhnlich 5,5 mm), die die abgetasteten
Regentropfen trennt, für das Einsetzen der Abtastplatten
selten als brauchbar angesehen. Als ein Ergebnis sind die Kapazitanz-Änderungen
infolge von Regentropfen klein und das resultierende Tiefpegel-Signal
ist für parasitäre Auswirkungen anfällig.
Beispielsweise führen Temperaturänderungen auf
der Windschutzscheibe, kombiniert mit der Temperaturabhängigkeit
der Glas-Dielektrizitätskonstante, zu zufälligen Änderungen
in der gemessenen Kapazitanz, was zu einem falschen Wischen führen
kann. Das
US-Patent 6.373.263 begegnet
diesem Problem, indem es neben der Abtast-Kapazitanz eine Hilfs-Kompensation-Kapazitanz
einschließt (s.
1).
-
Trotz
dieser Verbesserungen waren kapazitive Regensensoren aus dem Stand
der Technik nicht geeignet, um kleine Regentropfen wie beispielsweise
jene, die durch Beschlag auf der Windschutzscheibe gebildet werden,
zu handhaben. Für gewöhnlich erzeugt Beschlag
ein Signal in der Größenordnung von 10 mV, verglichen
mit Hunderten von mV infolge von Regen. Das Zurechtkommen mit Beschlagsituationen
erfordert eine viel höhere Empfindlichkeit und die Unterdrückung
von Störfaktoren, die im Stand der Technik nicht erkannt
wurden. Für gewöhnlich verarbeiten Regensensoren
aus dem Stand der Technik sich schnell verändernde Signale
infolge von Regentropfen und weisen die langsamen Temperatur-induzierten
parasitären Signale ab. Jedoch würde ein solches
Filtern auch Beschlag-induzierten Signale infolge ihres langsamen
Entstehens abweisen. Ähnlich ignorierte der Stand der Technik
Störsignale, die durch die veränderliche parasitäre
Kapazitanz zwischen den Wischern und den Regen-Abtastplatten erzeugt
werden.
-
Obwohl
der Stand der Technik die ungünstigen Auswirkungen der
Kondensation auf den Abtastplatten erkannte, wurde die Wirkung einer
später beschriebenen Wasseradsorption nicht anerkannt.
Adsorptions-induzierte Signale sind verglichen mit Regentropfen
vernachlässigbar, können jedoch für das
Erfassen von Beschlag-Niederschlag nachteilig sein.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit kapazitiven Regensensoren
mit hoher Empfindlichkeit, die auf der inneren Fensteroberfläche
eingesetzt werden, während sie ein falsches Wischen minimiert.
-
Ein
erster Aspekt der Erfindung ist die Beseitigung von Adsorptionswirkungen
durch das hermetische Abdichten der kapazitiven Abtastplatten.
-
Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines Strahlungssensors,
um Signale infolge von plötzlichen Sonnenstrahländerungen
zu verwerfen.
-
Ein
dritter Aspekt der Erfindung ist die Signalverarbeitung zum Ausschließen
eines falschen Wischens infolge der Wischer-Wechselwirkung mit dem
Regensensor.
-
Ein
vierter Aspekt der Erfindung ist die Unterdrückung des
elektrostatischen Fernfelds um den Sensor herum, um ein falsches Wischen
infolge von Gegenständen nahe an der Innenseite des Fensters
zu minimieren.
-
Ein
fünfter Aspekt der Erfindung ist das Vereinfachen der elektrischen
Verbindung zwischen der abgedichteten Umschließung und
der Außenseite mithilfe von gedruckten Leitern auf dem
Glas.
-
Ein
sechster Aspekt der Erfindung ist die Anbringung der kapazitiven
Platten mittels Verwendung eines adhäsiven Aufklebers.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von durchsichtigen
kapazitiven Platten (Elektroden), wodurch die direkte Strahlungserwärmung
der Elektroden und des angrenzenden Dielektrikums (Glas) reduziert
wird.
-
Von
jedem der zuvor erwähnten Aspekte der Erfindung wird angenommen,
dass er von patentierbarer Bedeutung mit seinen eigenen Rechten
ist, und dass die Aspekte auf vorteilhafte Weise in Synergie vereinigt werden
können, um verschiedene, besonders bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
-
Solchermaßen
wird gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor bereitgestellt, der auf einer
Innenfläche eines Fensters eingesetzt wird, wobei der Sensor
einen Abtastbereich zum Erfassen von Feuchtigkeit auf der Außenfläche
des Fensters hat, um Wischbefehle zu erzeugen, die an einem Scheibenwischer
angelegt werden, der eingesetzt wird, um die Außenfläche
zu wischen, wobei der Sensor folgendes umfasst: (a) mindestens zwei
auf der Innenfläche gelagerte Elektroden, die eine Kapazitanz
bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden einen Abtastbereich
auf der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb
dessen das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst;
(b) eine Gehäuseanordnung, die mit der Innenfläche
des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden zu umschließen, wobei
zumindest ein Teil der Gehäuseanordnung als elektrostatische
Abschirmung zum Abschirmen der Elektroden ausgeführt ist;
und (c) elektrische Verbindungen, die in die Gehäuseanordnung
dringen, worin die Gehäuseanordnung aufgebaut ist, um die
Elektroden hermetisch abzudichten, damit die Kapazitanz gegenüber einer
Feuchtigkeitsabsorption im We sentlichen unempfindlich gemacht wird.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein elektronischer
Stromkreis bereitgestellt, der mit den Elektroden verknüpft
ist und aufgebaut ist, um ein Ausgabesignal zu erzeugen, das die Kapazitanz
anzeigt.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verarbeitungssystem
bereitgestellt, um Wischbefehle zu erzeugen, die von dem Ausgabesignal
abgeleitet werden;
Gemäß einem weiteren Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist das Verarbeitungssystem aufgebaut,
um einen Filter mit einem dynamischen Verhalten bereitzustellen,
das abhängig vom Ausgabesignal variiert.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Verarbeitungssystem
so aufgebaut, dass: (a) wenn der Wischer nicht aktiviert ist, das
Verarbeitungssystem das Ausgabesignal filtert, um Änderungen
mit einer Frequenz von weniger als einer ersten Grenzfrequenz (Cut-On
Frequenz) zu verwerfen, und (b) wenn der Wischer aktiviert ist,
das Verarbeitungssystem das Ausgabesignal filtert, um Änderungen
mit einer Frequenz von weniger als einer zweiten Grenzfrequenz zu
verwerfen, wobei die zweite Grenzfrequenz höher ist als
die erste Grenzfrequenz.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die elektrischen
Verbindungen als gedruckte Leiter auf der Innenfläche ausgeführt.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Gehäuseanordnung
vorrangig aus Leitmaterial ausgeführt, um die elektrostatische
Abschirmung bereitzustellen.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird auch ein Detektor
bereitgestellt, um die Sonnenstrahlung zu erfassen, wobei das Verarbeitungssystem
auf eine Ausgabe vom Detektor reagiert, wenn der Wischer nicht aktiviert
wird, um das Erzeugen eines Wischbefehls innerhalb einer vorgebenen
Zeitspanne nach einem abrupten Anstieg der Sonnenstrahlung zu verhindern.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die mindestens
zwei Elektroden auf einer Oberfläche einer flexiblen nicht
leitenden Schicht gelagert, die für die Anbrin gung an der
Innenfläche des Fensters aufgebaut ist.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die mindestens
zwei Elektroden und die flexible, nicht leitende Schicht im Wesentlichen
durchsichtig.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die flexible, nicht
leitende Schicht mit einem Kleber zum Anbringen an der Innenfläche
des Fensters beschichtet.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die mindestens
zwei Elektroden im Wesentlichen durchsichtig.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine erste der
mindestens zwei Elektroden mit einem Signal betrieben, um ein elektrostatisches
Nahfeld zumindest im Abtastbereich und ein elektrostatisches Fernfeld
zu erzeugen, wobei das kapazitive Regensensor weiterhin eine dritte
Elektrode umfasst, die mit einem Gegensignal betrieben wird und
aufgebaut ist, um ein zweites elektrostatisches Feld zu erzeugen,
das zumindest einem Teil des elektrostatischen Fernfelds der ersten
Elektrode entgegenwirkt.
-
Gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung wird auch ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor
bereitgestellt, der auf einer Innenfläche eines Fensters
eingesetzt wird, wobei der Sensor einen Abtastbereich hat, um die
Feuchtigkeit auf der Außenfläche des Fensters
zu erfassen, um Wischbefehle zu erzeugen, die an einen Wischer angelegt
werden, der zum Wischen der Außenfläche eingesetzt
wird, wobei der Sensor folgendes umfasst: (a) mindestens zwei auf
der Innenfläche gelagerte Elektroden, die eine Kapazitanz
bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden einen Abtastbereich
auf der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb dessen
das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst;
(b) eine Gehäuseanordnung, die mit der Innenfläche
des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden zu umschließen,
wobei zumindest ein Teil der Gehäuseanordnung als elektrostatische
Abschirmung zum Abschirmen der Elektroden ausgeführt ist;
(c) eine elektronische Schaltung, die mit den Elektroden verknüpft
ist und aufgebaut ist, um ein Ausgabesignal zu erzeugen, das die
Kapazitanz anzeigt; und (d) ein Verarbei tungssystem zum Erzeugen
von Wischbefehlen, die vom Ausgabesignal abgeleitet werden, worin
das Verarbeitungssystem so aufgebaut ist, dass: (i) wenn der Wischer
nicht aktiviert ist, das Verarbeitungssystem das Ausgabesignal filtert,
um Änderungen mit einer Frequenz von weniger als einer
ersten Grenzfrequenz zu verwerfen; und (ii) wenn der Wischer aktiviert
ist, das Verarbeitungssystem das Ausgabesignal filtert, um Änderungen
mit einer Frequenz von weniger als einer zweiten Grenzfrequenz zu
verwerfen, wobei die zweite Grenzfrequenz höher ist als
die erste Grenzfrequenz.
-
Gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor
bereitgestellt, der auf einer Innenfläche eines Fensters
eingesetzt wird, wobei der Sensor einen Abtastbereich zum Erfassen
der Feuchtigkeit auf der Außenfläche des Fensters
hat, um Wischbefehle zu erzeugen, die an einen Wischer angelegt
werden, die zum Wischen der Außenfläche eingesetzt
werden, wobei der Sensor folgendes umfasst: (a) mindestens zwei
auf der Innenfläche lagernde Elektroden, die eine Kapazitanz
bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden einen Abtastbereich
auf der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb
dessen das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst;
(b) eine Gehäuseanordnung, die mit der Innenfläche
des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden zu umschließen,
wobei mindestens ein Teil der Gehäuseanordnung als eine
elektrostatische Abschirmung ausgeführt ist, um die Elektroden
abzuschirmen; und (c) eine elektronische Schaltung, die mit den
Elektroden verknüpft ist und aufgebaut ist, um ein Ausgabesignal
zu erzeugen, das die Kapazitanz anzeigt; (d) ein Verarbeitungssystem
zum Erzeugen von Wischbefehlen, die vom Ausgabesignal abgeleitet
werden; und (e) einen Detektor zum Erfassen einer Sonnenstrahlung;
wobei das Verarbeitungssystem auf eine Ausgabe vom Detektor reagiert,
wenn der Wischer nicht aktiviert ist, um die Erzeugung eines Wischbefehls
innerhalb einer vorgebenen Zeitspanne nach einem abrupten Anstieg
der Sonnenstrahlung zu verhindern.
-
Gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung wird auch ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor
bereitgestellt, der auf einer Innenfläche eines Fensters
eingesetzt wird, wobei der Sensor einen Abtastbereich zum Erfassen
von Feuchtigkeit auf der Außenfläche des Fensters
hat, um Wischbefehle zu erzeugen, die an einen Wischer angelegt
werden, der zum Wischen der Außenfläche eingesetzt
wird, wobei der Sensor folgende umfasst: (a) mindestens zwei auf
der Innenfläche gelagerte Elektroden, die eine Kapazitanz
bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden einen Abtastbereich
auf der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb dessen
das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst;
und (b) eine Gehäuseanordnung, die mit der Innenfläche
des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden zu umschließen,
wobei zumindest ein Teil der Gehäuseanordnung als elektrostatische
Abschirmung zum Abschirmen der Elektroden ausgeführt ist,
worin die mindestens zwei Elektroden auf einer Oberfläche
einer flexiblen, nicht leitenden Schicht gelagert werden, die zum
Anbringen an der Innenfläche des Fensters aufgebaut ist.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die mindestens
zwei Elektroden und die flexible, nicht leitende Schicht im Wesentlichen
durchsichtig.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die flexible, nicht
leitende Schicht mit einem Kleber zum Anbringen an der Innenfläche
des Fensters beschichtet.
-
Gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor
auf einer Innenfläche eines Fensters eingesetzt, wobei
der Sensor einen Abtastbereich zum Erfassen von Feuchtigkeit auf
der Außenfläche des Fensters hat, um Wischbefehle
zu erzeugen, die an einen Wischer angelegt werden, der für
das Wischen der Außenfläche eingesetzt wird, wobei
der Sensor folgendes umfasst: (a) mindestens zwei Elektroden, die
auf der Innenfläche angeordnet sind und eine Kapazitanz
bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden einen Abtastbereich
auf der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb
dessen das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst;
(b) eine Gehäuseanordnung, die mit der Innenfläche
des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden zu umschließen,
wobei mindestens ein Teil der Gehäuseanordnung als elektrostatische
Abschir mung zum Abschirmen der Elektroden ausgeführt ist,
worin die mindestens zwei Elektroden im Wesentlichen durchsichtig
sind.
-
Gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung wird auch ein kapazitiver Fahrzeug-Regensensor
bereitgestellt, der auf einer Innenfläche eines Fensters
eingesetzt wird, wobei der Sensor einen Abtastbereich zum Erfassen
von Feuchtigkeit auf der Außenfläche des Fensters
hat, um Wischbefehle zu erzeugen, die an einen Wischer angelegt
werden, der für das Wischen der Außenfläche
eingesetzt wird, wobei der Sensor folgendes umfasst: (a) mindestens
zwei Elektroden, die auf der Innenfläche angeordnet sind
und eine Kapazitanz bilden, wobei die mindestens zwei Elektroden
einen Abtastbereich für ein elektrostatisches Nahfeld auf
der Außenfläche des Fensters bestimmen, innerhalb
dessen das Vorhandensein von Wasser die Kapazitanz erfassbar beeinflusst,
wobei die Elektroden weiterhin ein elektrostatisches Fernfeld bilden;
(b) mindestens eine Kompensations-Elektrode, die aufgebaut ist,
um ein kompensierendes elektrostatisches Fernfeld zu bilden, damit selektiv
zumindest einem Teil des elektrostatischen Fernfelds der Abtast-Kapazitanz
entgegengewirkt wird; (c) eine Gehäuseanordnung, die mit
der Innenfläche des Fensters zusammenwirkt, um die Elektroden
zu umschließen, wobei zumindest ein Teil der Gehäuseanordnung
als eine elektrostatische Abschirmung zum Abschirmen der Elektroden
ausgeführt ist; und (d) eine elektronische Schaltung, die
mit den Elektroden verknüpft ist und aufgebaut ist, um
ein Ausgabesignal zu erzeugen, das die Abtast-Kapazitanz anzeigt;
und (e) ein Verarbeitungssystem zum Erzeugen von Wischbefehlen,
die vom Ausgabesignal abgeleitet werden, worin die elektronische
Schaltung eine erste der mindestens zwei Elektroden mit einem Abtastsignal
und die Kompensations-Elektrode mit einem Gegensignal derart betreibt,
dass zumindest ein Teil des elektrostatischen Fernfelds der ersten
Elektrode reduziert wird. Obwohl in erster Linie auf Windschutzscheiben
Bezug genommen wird, ist die vorliegende Erfindung auch an Rückscheiben,
Dachfenster sowie an Außenspiegeln anlegbar.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine schematische Draufsicht eines Aufbaus von kapazitiven Platten
eines Regensensors aus dem Stand der Technik, auf die oben Bezug
genommen wird.
-
2 ist
eine graphische Darstellung eines gemessenen Signals versus abgetasteten
Regentropfendurchmessers in einem typischen kapazitiven Regensensor.
-
3-a und 3-b sind
schematische Draufsichten, die zwei andere Aufbauten der kapazitiven
Platten in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung darstellen.
-
4 ist
eine teilweise weggeschnittene dreidimensionale Ansicht, die eine
hermetische Umschließung gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
5 ist
eine dreidimensionale Ansicht einer hermetischen Umschließung
mit gedruckten Leitern gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
-
6 ist
eine schematische Draufsicht, die einen Aufbau an kreisförmigen
Platten darstellt, die einen Photosensor einschließen.
-
7 ist
ein Signalablaufdiagramm einer bevorzugten Signalverarbeitungsanordnung.
-
8 ist
eine Querschnittsansicht, die durch einen kreisförmigen
kapazitativen Regensensor genommen wird, der eine Fernfeld-erzeugende
Platte einschließt, um die parasitäre Empfindlichkeit
naher Gegenstände zu minimieren.
-
9 ist
eine Querschnittsansicht, die durch einen nichtkompensierten kreisförmigen
Regensensor genommen wird, der in Übereinstimmung mit einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut und betrieben
wird, die in der Nähe des Sensors Gleichspannungslinien
zeigt.
-
10 ist
eine Querschnittsansicht, die durch einen kompensierten Regensensor
genommen wird, der in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung aufgebaut und betrieben wird und
in der Nähe des Sensors Gleichspannungslinien zeigt.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
2 veranschaulicht
als eine Funktion des abgetasteten Tröpfchendurchmessers
die gemessene Ausgabespannung in einem kapazitiven Regensensor mittels
Verwendung der in der 3-a gezeigten
Platten, die auf einem 5,5 mm dicken Glas abgelagert werden. Selbst
wenn die gemessenen Werte einzelne Tröpfchen betreffen,
wurde eine ähnliche Abhängigkeit mit mehrfachen
kleinen Tröpfchen beobachtet, die auf den empfindlichen
Bereich gesprüht werden. Eine praktische Folge ist die,
dass ein Beschlag wie beispielsweise vom Fahrverkehr auf nassen
Straßen zu einem kaum zu unterscheidenden Signal führt
und sich nicht wie Regentropfen auch nur langsam aufbaut. Als Ergebnis
führen Versuche zum Erfassen eines Beschlags mit kapazitiven
Regensensoren aus dem Stand der Technik, die lediglich mittels der
Senkung des Entscheidungs-Schwellwerts oder mittels der Erhöhung
der Verstärkung erfolgen, zu einem falschen Wischen infolge von
parasitären Signalen, die vernachlässigbar waren,
wenn man lediglich mit der Erfassung von Regentropfen befasst war.
Zum Beispiel begegnete man in Tests einem falschen Wischen (d. h.
unnötige Aktivierung der Wischer) ohne erkennbaren Grund,
wenn der Abend hereinbrach. Dieses Phänomen verschwand
nur, nachdem die Abtastplatten getrocknet und hermetisch abgedichtet
wurden. Seinen Ursprung fand man in dem relativ undurchsichtigem
Adsorptionsphänomen, das im folgenden Zitat der Gebrauchsanweisung
von Hydrosorb 1000 Automated Water Sorption Analyser beschrieben
wird, der von Quantachrome instruments hergestellt wird (www.
quantachrome.com), und zwar mit dem Titel WATER VAPOR SORPTION
THEORY (WASSERDAMPF SORPTIONSTHEORIE:
"Wasser wird zumindest
bis zu einem gewissen Grad von der Oberfläche der meisten
Feststoffe adsorbiert. Die adsorbierte Wassermenge ist eine Funktion
der Affinität zwischen der Oberfläche und den
Wassermolekülen, der Temperatur, der Wasserdampfkonzentration
(d. h. dem Druck, ausgedrückt sei es als Teildruck, als
relativer Druck, als relative Feuchtigkeit oder als Wasseraktivität)
und natürlich der absoluten Größe der
ausgesetzten Fläche der Oberfläche. Zusätzlich
zu diesen Molekülen, die direkt auf der Oberfläche
des Feststoffs adsorbieren, können zusätzliche
Moleküle abhängig von der Porengröße
in Poren kondensieren.
-
Die
Affinität zwischen Wasser und der Oberfläche hängt nicht
nur von schwachen Dispersionskräften, sondern auch von
elektrostatischen Kräften und spezifischeren Kräften
ab, die mit der Bildung der Wasserstoffbindungen verknüpft
sind. Die Stärke der Wasserstoffbindung hängt
von der chemischen Natur der Oberfläche, besonders vom
Sauerstoffvorkommen ab. Hydroxylgruppen spielen ebenfalls eine wichtige
Rolle, besonders in Silika (Siliziumoxiden), die abhängig
von der Behandlungstemperatur unterschiedliche Hydroxylgruppenmengen
an der Oberfläche mit sich führen."
-
Vorausgesetzt
dass Glas grundsätzlich Siliziumdioxid (SIO2)
ist, neigt es besonders zu einer Feuchtigkeitsadsorption, die, nicht
wie eine gewöhnliche Kondensation, nicht bei irgendeiner
besonderen relativen Feuchtigkeit auftritt und zu dünn
ist, um gesehen werden zu können. Das bloße Abdecken
der kapazitiven Platten wie im Stand der Technik kann für
gewöhnlich die Kondensation minimieren, wohingegen das
hermetische Abdichten auch für das Verhindern der Adsorption
obligatorisch ist. Der Begriff "hermetisch" wird hierin in der Beschreibung
verwendet und beansprucht, um jegliche Abdichtungen zu betreffen,
die das Einströmen oder Ausströmen von Luft unter
normalen Betriebsbedingungen des Systems verhindern. In den meisten
bevorzugten Fällen wird das Gehäuse auch aus Materialien
hergestellt und auf solche Weise montiert, dass es für
Wasserdampf im Wesentlichen undurchlässig ist.
-
Man
fand heraus, dass die Regensensoren aus dem Stand der Technik bei
der Erfassung von Regentropfen infolge der resultierenden großen
Signale (Änderungen in der Kapazitanz) wirkungsvoll waren,
die leicht von einer sich langsam ändernden Glastemperatur
zu unterscheiden sind. Obwohl ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz
(Cut-On Frequenz) von 1 Hz wirkungsvoll ist, um Regentropfensignale
weiterzuleiten und Temperatur-induzierte Ausgabeänderungen
zu verwerfen, verwirft es auch das sich langsam bildende Beschlag-Signal.
Für gewöhnlich wäre eine Grenzfrequenz
in der Größe von 0,05 Hz erforderlich, um die
Beschlag-Signale weiterzuleiten und dennoch Temperatur-induzierte
Signale zu verwerfen.
-
Zusammenfassend:
Der Sensor kann Ausgaben der folgenden Art ausgeben:
- 1. Schnelle Änderungsrate, herrührend entweder
von Regentropfen oder von parasitären Sonnen-induzierten
Wärmemomenten. Die zwei Signale werden durch den Hochpassfilter übertragen
und das parasitäre Signal wird mithilfe eines Strahlungsdetektors
(später erörtert) verworfen.
- 2. Mittlere Änderungsrate, herrührend von
einem Dunstaufbau und übertragen durch den Hochpassfilter
mit einer passend gewählten Grenzfrequenz wie beispielsweise
0,05 Hz.
- 3. Langsame Änderungsrate infolge von Umgebungs-Lufttemperaturänderungen.
Der 0,05 Hz Hochpassfilter würde diese Signale weitestgehend
abschwächen und die Beschlag-Signale weiterleiten.
-
Jedoch
fand man heraus, dass die Verwendung eines Hochpassfilters mit dem
Filter mit einer niedrigeren Grenzfrequenz in Alleinstellung keine
annehmbare Lösung bereitstellen könnte.
-
Genauer
wurde beobachtet, dass der Wischerbetrieb manchmal nicht mehr aufhört,
selbst nachdem das Fenster trocken gereinigt wurde. Den Grund fand
man in einem parasitären Signal, das mittels der kapazitiven
Kopplung zwischen den Wischblättern erzeugt wird, die über
die Abtastplatten gehen. Wie den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt
ist, ist die Zeit, die für die Filterausgabe erforderlich
ist, um zu verfallen oder sich von einem Eingabesignal zu erholen,
umgekehrt proportional zu seiner Grenzfrequenz, d. h. ungefähr
20 Sekunden für einen Filter mit einer Grenzfrequenz von
0,05 Hz. Dies bedeutet, dass die durch sowohl den Wischer als auch
durch die jüngsten Regentropfen induzierten Signale länger
dauern könnten, nachdem die Windschutzscheibe trocken ist,
und dass jedes Wischen ein weiteres auslöst.
-
Diese
Komplikation wird auf vorteilhafte Weise gelöst, indem
ein Filtern mit Merkmalen verwendet wird, die von den Umständen
abhängen – d. h. "adaptives Filtern". In einer
Ausführungsform werden mehr als ein Filter verwendet: z.
B. ein Filter mit einer Grenzfrequenz von 0,05 Hz, mit einer Abfallzeit,
die in Bezug auf einen Wischzyklus lang ist, und ein zweiter Filter
mit einer Grenzfrequenz von 2 Hz und einer Abfallzeit, die verglichen
mit einem Wischzyklus kurz ist. Nach dieser Vorgehensweise wird
der erste Filter verwendet, wenn sich das System in einem Stand-by-Zustand
befindet – d. h. kein Regen – während
der zweite Filter eingeschaltet wird, wenn ein erstes Wischen einmal
eingesetzt hat, und ersetzt vorzugsweise die Funktion des ersten
Filters. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird der Inhalt des ersten Filters, nachdem er ausgeschaltet wird,
von jeder Vergangenheit befreit, so dass, wenn der Wischer einmal
gestoppt wird und das System auf Stand-by zurückkehrt,
er ohne Spuren vergangener Signale wieder zum Einschalten bereit
ist. Es ist den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt, dass mittels
Verwendung digitaler Techniken ein komplizierters adaptives Filern
implementiert werden kann. Es sollte angemerkt werden, dass die
gesamte Verarbeitung, die wirkungsvoll ist, um Signale zu wählen,
die nur Frequenzen oberhalb eines bestimmten Werts haben oder innerhalb
eines bestimmten Bereichs liegen, hierin als "Filtern" bezeichnet
wird, selbst wenn die verwendeten digitalen Verarbeitungstechniken
für gewöhnlich nicht auf diese Weise bezeichnet
werden.
-
3-a veranschaulicht einen Aufbau der Abtastelektroden
(-platten) einer ersten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung. Die Abtastplatten werden vorzugsweise auf die Fenster-Innenfläche
gedruckt. Diese Anordnung tastet Regentropfen in einem Bereich ab,
an der Fenstervorder(Außen)fläche gegenüber
des Spalts zwischen den Platten 2 und 3. In 3-b wird der effektive Abtastbereich gegenüber
den beiden Spalten ohne das Verdoppeln der Aufstandsfläche
des Sensors verdoppelt. Für den Fall, dass die Erfindung
für ein laminiertes Fenster verwendet wird, das eine innere
leitende (und durchsichtige) Schicht wie beispielsweise ein Heizungsgitter
oder eine Beschichtung oder eine Wärme-reflektierende Beschichtung
hat, wird ein Bullauge (Öffnung) in der leitenden Schicht
vor dem Regensensor hergestellt, so dass die leitende Schicht die
Abtastplatten von der Vorderfläche des Fensters nicht abschirmt.
-
4 ist
eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines ersten abgedichteten
kapazitiven Regensensors, der die Platten wie in 3-a einschließt.
Das Sensorgehäuse 1 ist vorzugsweise elektrisch
leitend und geerdet, wodurch es ebenfalls als elektrostatische Abschirmung
dient; es wird für gewöhnlich mithilfe eines Silikon-Dichtungsmittels,
das einen Schutz für die Abtastplatte gegen Kondensation
und Adsorption bereitstellt, (nur Platte 3 wird gezeigt)
an der Innenfläche 8 der Windschutzscheibe angebracht.
Um die Adsorption so weit wie möglich zu minimieren, ist
es vorteilhaft, vor dem Abdichten den Raum innerhalb der Umschließung
zu trocknen. Die gedruckte Leiterplatte 4 schließt
eine elektronische Schaltung ein, die die abgetastete Kapazitanz
in ein Ausgabesignal umwandelt. Die elektronische Schaltung schließt
für gewöhnlich eine Wechselstromquelle ein, die
die abgetastete Kapazitanz in ein Ausgabesignal konvertiert. Die
elektronische Schaltung umfasst für gewöhnlich
eine Wechselstromquelle, die mit einer Platte verbunden wird, um
ein Erregungssignal bereitzustellen, und einen Ladungsverstärker
mit seiner mit der zweiten Platte verbundenen Eingabe, um ein Kopplungssignal
abzutasten. Für gewöhnlich wird das Ausgabesignal
des Ladungsverstärkers demoduliert und gefiltert, um die
Regensensorausgabe zu bilden. Diese Ausgabe wird dann einem Signalprozessor
und einer Steuereinheit zugeführt, die für gewöhnlich
von einem Verarbeitungssystem ausgeführt wird, das einen oder
mehrere Mikroprozessoren einschließt. Die Funktion des
Signalprozessors und der Steuereinheit wird weiter unten mit Bezug
auf das schematische Beispiel aus 7 weiter
beschrieben. Die elektrische Verbindung mit den kapazitiven Platten
(nicht gezeigt) wird vorzugsweise durch die Verwendung eines mit
Silber geladenen Silikonklebers. Die Verbindung mit der Außenseite
der Umschließung wird vorzugsweise mit der Verwendung eines
Verbindungsglieds 5 ausgeführt, das Stifte hat,
die im Gehäuse 1 eingebettet und elektrisch davon
isoliert sind.
-
5 veranschaulicht
einen kapazitiven Regensensor in Übereinstimmung mit einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau ähnelt
dem der 4, mit Ausnahme davon, dass
das elektrische Verbindungsglied 5 nicht vorhanden ist
und die gedruckte Leiterplatte wird mithilfe von auf die Glasoberfläche
gedruckten Leitern 6 – in der Windschutzscheibenindustrie
für gewöhnlich mittels Verwendung einer Standard-Silberdruckfarbe – auf
die Glasoberfläche aufgedruckt. Anschlussflächen 7,
die schematisch gezeigt werden, tragen Nietansätze (nicht
gezeigt), die darauf gelötet sind und an denen Kabel angebracht
sind. Um zu verhindern, dass das Gehäuse die gedruckten
Leiter kurzschließt, wird in ihrer jeweiligen Wand (nicht
gezeigt) ein Zwischenraum bereitgestellt, der mit einem isolierenden
Dichtungsmittel, z. B. Silikon, gefüllt ist. Der Vorteil dieses
Verbindungsverfahrens liegt darin, dass das Gehäuse aus
einem leitenden Polymer spritzgeformt werden kann, das Erfordernis
der Isolierung zwischen dem Gehäuse und den Verbindungsgliedstiften,
wie es in der Implementierung der 4 gezeigt
wird, vermeidend.
-
Man
fand heraus, dass selbst hermetisch abgedichtete Regensensoren als
Reaktion auf plötzliche Änderungen in der Sonnenstrahlung – z.
B. wenn man in einen Tunnel kommt oder daraus kommt – gelegentlich ein
falsches Wischen erzeugen. Der Grund wurde in lokalen Glastemperatur-Transienten
infolge absorbierter Strahlung gefunden, die die Glas-Dielektrizitätskonstante
und demnach die abgetastete Kapazitanz beeinträchtigen.
Dies Wirkung erfolgt schnell, da Wärme direkt auf den Platten
(die undurchsichtig und daher wäremabsorbierend sind) entwickelt
wird, ohne durch die Wärmediffusion im Glas verzögert
zu werden. Obwohl der oben beschriebene Hochpassfilter wirkungsvoll
ist, um falsche Signale infolge der Wärmediffusion der
umgebenden Luft durch das Glas zu verwerfen, erzeugt eine plötzliche
direkte thermische Erwärmung der Elektroden und des angrenzenden
Glases entsprechende parasitäre Signale, die, wie beschrieben,
zu schnell sind, um durch den Hochpassfilter gedämpft zu
werden.
-
Um
diesem Problem zu begegnen, benutzen gewisse besonders bevorzugte
Implementierungen der vorliegenden Erfindung einen Strahlungssensor
zum Abtasten der Sonnenstrahlung und zum Verwerfen eines jeden jeglichen
transienten Signals, das innerhalb eines kurzen Zeitfensters nach
einer abrupten Änderung in der Strahlungsintensität
auftritt. Mittels eines nicht einschränkenden bevorzugten
Beispiels veranschaulicht 6 eine kreisförmige
Regensensorgeometrie gemäß einer anderen Implementierung
der vorliegenden Erfindung, worin für gewöhnlich,
die Platte 2 die Erregerplatte ist, und die Platte 3 ist
die Abtastplatte. Eine Öffnung in der Platte 3 erlaubt
dem Umgebungslicht, eine lichtempfindliche Vorrichtung wie beispielsweise
eine Silizium-Photodiode zu beleuchten, die vorzugsweise auf einer
gedruckten Leiterplatte montiert ist. Wenn eine Strahlungsänderung
einen vorab eingestellten Schwellwert (für gewöhnlich
nach Amplitude und Gradient bestimmt) übersteigt, werden
Wisch-Sperrbefehle ausgegeben – wie schematisch in 7 gezeigt.
Für gewöhnlich wird der Wisch-Sperrbefehl nur
ausgegeben, wenn sich das System im Stand-by-Modus befindet; er
wird nicht erzeugt, wenn der Wischer infolge des abgetasteten Regens
bereits wischt. Der Strahlungssensor kann auch für andere
Funktionen wie beispielsweise das Ein- und Ausschalten der Scheinwerfer
als Reaktion auf Umgebungslichtbedingungen verwendet werden.
-
7 veranschaulicht
das Flussdiagramm des Wischerbefehlgenerators in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das
Regensensorsignal, das proportional zur gemessenen Kapazitanz ist,
wird, wie oben beschrieben, an zwei Hochpassfilter angelegt, und
zwar mit Grenzfrequenzen von jeweils 2 Hz und 0,05 Hz. Der Wischerbefehlgenerator
aktiviert oder deaktiviert vorzugsweise gemäß dem logischen
Ablauf, wie dargestellt, die Wischer, gemäß der
Ausgabesignale zusammen mit dem Strahlungssensor-Signal. Es soll
angemerkt werden, dass das Ablaufdiagramm bloß beispielhaft
ist, und dass entsprechende oder ähnliche Funktionen mittels
Verwendung eines anderen logischen Aufbaus erreicht werden können.
Mittels eines nicht einschränkenden Beispiels kann der
Strahlungssensor in parallel zur Haupt-Abtastlogik arbeiten, indem
er ein Wischer-Sperrsignal für eine gegebene Zeitspanne
nach einem abrupten Anstieg der Strahlung erzeugt wird und von einem
aktuellen Zustand der ausgestellten Wischer bedingt wird.
-
Kehrt
man jetzt auf ein weiteres bevorzugtes Merkmal bestimmter Implementierungen
der vorliegenden Erfindung zurück, werden die kapazitiven
Platten in diesem Fall auf einem dünnen nicht leitenden
Substrat, vorzugsweise auf einem selbstklebenden Aufkleber, aufgedruckt,
der dann an der Innenfläche des Fensters befestigt wird.
Zum Zweck der Beschreibung und der Ansprüche werden die
Elektroden dieser Implementierungen, wenn gleich indirekt, auch
als "auf der Oberfläche des Fensters angeordnet" beschrieben.
Diese Ausführungsform hat die folgenden Vorteile.
- 1. Sie ist ungeachtet ihres Herstellungsverfahrens
an jedes Fenster anlegbar.
- 2. Sie ist billiger, da sie kein Aufdrucken direkt auf die Windschutzscheibe
benötigt.
- 3. Sie stellt eine größere Flexibilität
bereit und erlaubt dem System wahlweise oder im Nachhinein zu bestehenden
Fenster hinzugefügt zu werden.
- 4. Sie kann an verschiedenen Stellen am Fenster angelegt werden.
- 5. Die kapazitiven Platten können aus einem durchsichtigen
leitenden Material wie beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO) hergestellt
sein, das für gewöhnlich in Touch-Panel-Displays
verwendet wird.
-
Die
Verwendung von durchsichtigen kapazitiven Platten ist an und für
sich sogar für die direkte Anbringung auf das Fenster vorteilhaft
und stellt einen weiteren bedeutenden Vorteil bereit: Verglichen
mit einer undurchsichtigen Schicht wie beispielsweise Silberdruckfarbe
reduziert sie in starkem Maße den die Menge an Sonnenstrahlung,
die von den Elektroden absorbiert wird. Als Ergebnis reduziert die
Verwendung durchsichtiger kapazitiver Platten die lokale Erwärmung
des Glases, weshalb kein falsches Wischen als Ergebnis als Reaktion
auf abrupte Änderungen in der Sonnenstrahlung hervorgehen
wird. Es sollte angemerkt werden, dass, während die direkte
Anlegung von durchsichtigen Elektroden auf der Oberfläche
des Fensters in den umfassenden Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
fällt, die direkte Anlegung von ITO auf das Fenster durch bestehende
Herstellungstechniken ein teures Vakuumverfahren mit sich bingen
würde, das für eine Massenproduktion ökonomisch
nicht brauchbar ist. Es gibt daher eine besondere Synergie für
die Kombination der Verwendung von ITO mit einem selbstklebenden
Aufkleber, wie oben beschrieben.
-
Nicht
die Empfindlichkeit für das Vorhandensein des Wischers
auf der Vorderseite betreffend (wie zuvor beschrieben), wurde mit
kapazitiven Regensensoren aus dem Stand der Technik ein anderes
Problem infolge ihrer parasitären Empfindlichkeit gegenüber
nahen, leitenden Gegenständen aufgeworfen, die mit dem von
den Platten erzeugten elekrostatischen Fernfeld in Wechselwirkug
treten. Diese Empfindlichkeit kann zu falschem Wischen infolge der
Nähe einer Hand eines Menschen führen, die nicht
weiter als 10 cm vom Sensor auf einer Seite des Fensters entfernt
ist. Dieses Phänomen ist besonders störend für
Insassen eines Fahszeugs, deren normale Bewegung eine Hand oder
einen anderen Körperteil in der Nähe der Innenseite
des Fensters bringen würde. Obwohl das Sensorgehäuse
bevorzugt leitend ist und viel vom Fernfeld auf der Innenseite des
Fensters abschirmt, falten sich manche Felder von der Außenseite
dennoch zurück und lecken durch das Glas, wobei sie möglicherweise
mit nahen leitenden Gegenständen oder Insassen in Wechselwirkung
treten, was zu falschem Wischen führt.
-
In
der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem mittels Verwendung
einer Hilfsplatte gelöst, die ein entgegengesetztes Fernfeld
erzeugt, ohne im Wesentlichen das Nahfeld zwischen den Abtastplatten
zu beeinflussen, auf dem die Feuchtigkeits-Abtastung basiert. Es
wird angenommen, dass diese Vorgehensweise da äußerst
wirkungsvoll ist, wo die Erregerelektrode eingesetzt wird, um im
Wesentlichen die Abtastelektrode zu umgeben, und die Kompensations-Elektrode
eingesetzt wird, um im Wesentlichen die Erregerelektrode zu umgeben.
In einem besonders bevorzugten Fall eines kreisförmigen
Sensors kann dieser Aufbau als eine Anordnung an konzentrischen
kreisförmigen Elektroden ausgeführt sein.
8 veranschaulicht
einen Querschnitt eines kreisförmigen Regensensors dieser
Art, d. h. der eine zusätzliche Außenrand-Fernfeld-Unterdrückung-Platte
einschließt.
9 zeigt eine Feld-Simulation
ohne Kompensation (die Spannung an der Unterdrückung-Platte
beträgt Vc = 0). In
10 wird
eine Spannung Vc = –7 V Spitze-Spitze an die Feld-Unterdrückung-Platte
angelegt. Diese Spannung ist in Gegenphase zu der der Erregerplatte
und erzeugt somit ein Gegenfeld, das das ursprüngliche
elektrostatische Fernfeld selektiv unterdrückt. Die Tabelle
unten zeigt die Spannungen an den Punkten A, B und C, worin A im
Nahfeldbereich liegt, das für Regentropfen auf der Fensteraußenfläche empfindlich
ist, während B und C in ihrem kompensierten Bereich auf
der Innenseite des Fensters liegen, wo das Unterdrückung-Feld
optimiert ist. Es ist klar, dass die Feld-Unterdrückung-Platte
die Spannung bei A und B nahezu annuliert – zu der die
parasitäre Empfindlichkeit proportional ist, aber nur leicht
die Spannung bei A beeinflusst – zu der die Regenempfindlichkeit
proportional ist. Tabelle
| | Vc
= 0 V | Vc
= –7 V |
| A | 1,75
V | 1,50
V |
| B | 0,30
V | –0,005
V |
| C | 0,25
V | 0,005
V |
-
Es
wird gewürdigt sein, dass die obigen Beschreibungen lediglich
vorgesehen sind, um als Beispiele zu dienen, und dass viele weitere
Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen bestimmt,
möglich sind.
-
Zusammenfassung
-
Ein
kapazitiver Regensensor zur Aktivierung von Fahrzeugfensterwischern
schließt folgendes ein: kapazitive Platten, elektronische
Schaltung für die Abtastung der Kapazitanz zwischen den
Platten, Verarbeitung des abgetasteten Kapazitanz-Signals und Erzeugung
von Wischbefehlen. Die kapazitiven Platten sind von Wasseradsorption
geschützt und von Kondensation mittels einer hermetischen
Umhüllung. Die Verbindungen zwischen dem inneren und äußeren
der Umhüllung sind wahlweise durch Leiter verwirklicht,
die auf der Fensterscheibe gedruckt sind. Wischer-induzierte und
andere parasitäre Signale werden mittels eines adaptiven
Filters verworfen. Wahlweise wird ein Strahlungssensor verwendet,
um Sonnen-induzierte schnelle Temperaturveränderungen zu
unterdrücken. Eine optionale Fernfeld-Unterdrückung-Platte
wird verwendet, um falsche Wisch-Vorgänge zu minimieren,
die von nahen Gegenständen verursacht werden.
-
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
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www. quantachrome.com [0044]