Optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung und mit mindestens einem zwischen Sender und Empfänger angeordneten optischen Koppelelement, welches über mindestens eine lichtdurchlässige oder reflektierende Grenzfläche verfügt.
Solche Sensoreinrichtungen werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Regensensoren zur Steuerung einer Scheibenreinigungsanlage eingesetzt. In der DE 197 20 874 C2 ist ein Regensensor beschrieben, der auf dem Funktionsprinzip der gestörten Totalreflexion von infrarotem Licht basiert, welches mittels eines optischen Koppelelementes unter einem Winkel von 45° über eine Optik in eine Fahrzeugscheibe eingekoppelt wird. Bei trockener und sauberer Scheibe wird das Licht an der Scheibenaußenseite totalreflektiert und unter einem Winkel von ebenfalls 45° über eine zweite Optik von einem Empfänger detektiert. Eine Benetzung der Scheibe koppelt Licht aus dem Strahlengang aus, da an dieser Stelle die Totalreflexion nicht mehr stattfindet.
Bei entsprechenden äußeren Bedingungen wie niedriger Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit kann es im Inneren des Sensors zu einer
Beschlagbildung kommen. Der Beschlag besteht aus mikroskopisch kleinen Wassertropfen, die die optische Funktion des Sensors aufgrund ihrer streuenden Wirkung erheblich einschränken. Bekannt ist es, den Sensor elektrisch zu beheizen, um vorhandenen Beschlag nach dem Einschalten des Sensors zu verdampfen bzw. Beschlagbildung während des Betriebs zu verhindern.
Hierzu ist eine relativ aufwendige, insbesondere auch kostenaufwendige Heizvorrichtung erforderlich.
Es stellte sich die Aufgabe, eine optoelektronische Sensoreinrichtung zu schaffen, bei der sich das Auftreten von Beschlag mit verringertem Aufwand verhindern oder zumindest vermindern läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grenzfläche durch stoffliche oder strukturelle Ausbildung eine feuchtigkeitsverteilende, feuchtigkeitsableitende oder feuchtigkeitsabsorbierende Oberfläche aufweist.
Aus der DE 100 19 782 A1 ist eine optoelektronische Sensoranordnung bekannt, die eine schmutzabweisende Beschichtung aufweist.
In der DE 197 09 165 A1 wird die Verwendung von Nano-Partikeln zur Oberflächenbehandlung von Fahrzeugkomponenten vorgeschlagen, wodurch unter anderem auch das Beschlagen von Fahrzeugscheiben, Glasdächern sowie von Solarzellen an Fahrzeugen und Gebäuden verhindert werden soll.
Im Stand der Technik nicht erwähnt ist eine beschlagsverhindernde Beschichtung von Sensoranordnungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere auch nicht die Beschichtung von optoelektronischen Sensoren.
Eine optoelektronische Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug, die mit einer beschlagsverhindernden Beschichtung versehen ist, ist bisher weder aus der Literatur noch durch sonstige Veröffentlichungen bekanntgeworden und dies obwohl, insbesondere für die Nutzung von Regensensoren in Kraftfahrzeugen ein dringendes Bedürfnis nach einer kostengünstigen beschlagsgeschützten Sensorik besteht.
Die stoffliche oder strukturelle Ausgestaltung der Grenzfläche(n) eines optischen Koppelelements kann entweder durch geeignete Materialwahl und/oder geeignete Oberflächenbearbeitung bei der Fertigung des Koppelelements oder auch nachträglich durch das nachträgliche Aufbringen
einer Beschichtung auf Grenzflächen des Koppelelements erfolgen.
Beschlagverhindernde Überzüge können vorteilhaft durch Lacke, Filme, Folien oder aufgedampfte Schichten hergestellt werden. Besonders vorteilhafte Eigenschaften bieten Oberflächenbeschichtungen auf der Basis nanopartikulärer Systeme.
Die stoffliche oder strukturelle Ausgestaltung der Grenzfläche(n) eines optischen Koppelelements kann auf verschiedene Weise die Beschlagbildung verhindern, beispielsweise dadurch, daß durch Aufhebung der
Oberflächenspannung ein zur Grenzfläche planparalleler Feuchtigkeitsfilm erzeugt wird. Der Abbau der Oberflächenspannung kann durch Tenside oder auch das Aufbringen einer optisch inaktiven Nanostrukturierung auf die Grenzschichtoberfläche erreicht werden.
Eine Ableitung von Beschlag kann dadurch erzielt werden, daß durch eine geeignete Beschichtung und/oder Oberflächenstrukturierung der Grenzfläche, vorzugsweise durch eine optisch inaktive Nanostrukturierung, deren Oberflächenspannung stark erhöht wird. Feuchtigkeit perlt von derart gestalteten Oberflächen einfach ab. Hierbei unterstützend wirken können auf die Feuchtigkeit durch Schwerkraft, Wind oder Rüttel beweg ungen im Fahrzeug einwirkende Scherkräfte.
Eine auf vorteilhafte Weise beschlagsverhindernde Wirkung hat auch eine feuchtigkeitsabsorbierende Ausführung der Grenzfläche, welche dadurch funktioniert, daß Wassermoleküle auf der Grenzfläche zumindest temporär in das Materialgefüge des Koppelelementes eingebaut werden.
Koppelelemente im Sinne der Erfindung können alle zu einer optoelektronischen Sensoranordnung gehörenden optisch wirksamen
Elemente sein und zwar insbesondere optoelektronische Bauelemente, Optikkörper, Linsenelemente, Reflexions- und Lichtleitfolien und Abdeckelemente.
Eine Skizze eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die einzige Figur erläutert das Funktionsprinzip einer optoelektronischen Sensoreinrichtung am Beispiel eines Regensensors.
Schematisch dargestellt ist der Strahlengang bei einer optoelektronischen Sensoreinrichtung. Um Regen oder Verschmutzungen auf der Fahrzeugscheibe (4) eines Kraftfahrzeugs zu sensieren, strahlt eine als
Lichtsender (2) wirkende Sende-Diode eine optische Strahlung, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von ca. 880 nm, über eine erste Linsenstruktur (6) zur Parallelisierung des Lichtbündels und ein Koppelelement (1 ) unter einem Winkel von 45° in das Glas der Fahrzeugscheibe (4) ein. An der Außenfläche der Fahrzeugscheibe (4) wird der einfallende Lichtstrahl unter einem Winkel von 45° totalreflektiert und fällt über das Koppelelement (1 ) und über eine fokussierend wirkende zweite Linsenstruktur (7) auf eine als Lichtempfänger (3) wirkende Foto-Diode.
Befinden sich Regentropfen oder Schmutzteilchen auf der Außenseite der Fahrzeugscheibe (4), so wird an diese Stelle ein Teil der auftreffenden
Strahlung aus der Fahrzeugscheibe ausgekoppelt oder absorbiert, was eine Verminderung der von der Foto-Diode empfangenen Strahlungsintensität bewirkt. Diese Intensitätsänderung kann durch eine mit der Foto-Diode verbundene Elektronik, die in der Figur nicht dargestellt ist, leicht registriert werden.
Die dargestellte Anordnung löst vor allem das Problem der brechungsfreien Lichteinkopplung in die Fahrzeugscheibe (4). Das hierzu verwendete Koppelelement (1 ) kann vorteilhafterweise durch eine Folie ausgebildet sein,
welche eine Prismenstruktur aufweist, wobei die Flächen der Prismen genau senkrecht zum eingekoppelten bzw. ausgekoppelten Lichtstrahlenbündel angeordnet sind, wodurch ein brechungsfreier Übergang der Strahlung in das Koppelelement (1 ) sowie aus dem Koppelelement (1 ) heraus, erreicht wird. Das Koppelelement (1 ) ist mit der Fahrzeugscheibe (4) durch eine Klebeschicht (5) verbunden.
Zur besonders kostengünstigen Herstellung einer beschlagsunempfindlichen Sensoranordnung können erfindungsgemäß einzelne oder auch sämtliche dargestellten optischen Elemente, im einzelnen also die freiliegende Fläche des Koppelelements (1 ), der Lichtsender (2), der Lichtempfänger (3) sowie auch die erste und zweite Linsenstruktur mit jeweils einer, in der Figur nicht separat dargestellten beschlagsverhindernden Beschichtung versehen sein.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße optoelektronische
Sensoranordnung nicht auf eine Anwendung als Regensensor beschränkt, sondern eignet sich prinzipiell für alle Arten von optischen Sensoren in Kraftfahrzeugen. Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung ist die vorteilhafte Realisierung von Positionssensoren, insbesondere von Lenkwinkelsensoren.
Bezugszeichen mikrostrukturierte Folie (Koppelelement)
2 (Licht-)Sender
3 (Licht-)Empfänger
4 Fahrzeugscheibe
10 5 Klebeschicht
6 erste Linsenstruktur zweite Linsenstruktur