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Die
Erfindung bezieht sich auf eine optische Einrichtung, welche hinter
einer Fahrzeugscheibe angeordnet ist, wobei die optische Einrichtung
durch die Fahrzeugscheibe hindurch elektromagnetische Strahlung
empfängt
und/oder aussendet. Die optische Einrichtung kann beispielsweise
einen Regensensor umfassen, der an der Innenseite der Windschutzscheibe
angeordnet ist. Dabei kann der Regensensor über eine Klebeschicht an der
Windschutzscheibe befestigt sein oder über eine an der Windschutzscheibe
befestigte Haltevorrichtung gegen die Windschutzscheibe gerückt werden,
wobei auch in diesem Fall zwischen der Windschutzscheibe und dem
Regensensor eine elastische Zwischenschicht (z.B. Silikon als optisches
Koppelmedium) mit ähnlichen
optischen Eigenschaften wie die der Scheibe zur Vermeidung von Luft
zwischen dem Regensensor und der Innenseite der Windschutzscheibe
angeordnet ist. Zur Detektion von Regen wird von dem Regensensor über ein
erstes optisches Führungselement
zur Strahl-Parallelisierung IR-Meßstrahlung ausgesandt, die
bei trockener Scheibe an der Grenzschicht zwischen der Außenseite
der Windschutzscheibe und der Umgebungsluft über ein zweites optisches Führungselement
zur Bündelung
der IR-Meßstrahlung
total zu einem Empfänger
des Regenlichtsensors zurückreflektiert
wird. Bei mit Feuchtigkeit benetzter Scheibe allerdings wird dann
nur noch ein Teil zurückreflektiert,
wobei der Anteil der reflektierten oder nicht reflektierten Strahlung
ein Maß für den Benetzungsgrand
der Scheibe darstellt.
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Die
Funktionstüchtigkeit
des Regensensors ist jedoch nicht mehr gewährleistet, wenn die Außenseite
der Windschutzscheibe im Bereich des Regensensors vereist ist. Zur
Lösung
dieses Problems weisen Regensensoren elektrische Heizungen zur Beheizung
der Windschutzscheibe auf. In der
EP 0 679130 B1 wird vorgeschlagen, den Gehäuseboden des
Regensensors, mit dem dieser an der Windschutzscheibe anliegt, elektrisch
leitfähig
auszubilden, damit dieser über
einen Heizstrom die Windschutzscheibe aufheizen kann. Dabei weist
der leitfähige
Gehäuseboden
transparente Bereiche für
den Ein- und Austritt der Strahlung auf. Zwischen den transparenten
Bereichen ist der Gehäuseboden scheibenseitig
reflektierend ausgebildet, um eine Mehrfachreflektion der Strahlung
innerhalb der Scheibe zu ermöglichen.
Für die
Parallelisierung der ausgesandten Strahlung und die Bündelung
der reflektierten Strahlung sind bei der Einrichtung gemäß
EP 0 679 130 B1 separate
Prismen als optische Führungselemente
vorgesehen, die auf die transparenten Bereiche des Gehäusebodens
aufgesetzt werden. Die Herstellung eines solchen Regensensors mit
separaten optischen Führungselementen
ist jedoch relativ aufwendig.
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Ausgehend
von der
EP 0 679 130
B1 ist es die Aufgabe der Erfindung eine vereinfacht aufgebaute
und herzustellende optische Einrichtung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß in
eine elektrisch leitfähige
und beheizbare Kunststoffplatte, welche direkt oder über ein optisches
Koppelmedium an der Innenseite der Windschutzscheibe angeordnet
ist, mindestens ein optisches Führungselement
zur Fokussierung, Parallelisierung und/oder Umlenkung der Strahlung
einstückig
integriert ist, wobei das optische Führungselement für die verwendete,
relevante Strahlung (beim Regensensor wird IR-Messstrahlung verwendet) transparent
ist. Zur Beeinflussung der Stromdichte innerhalb der Kunststoffplatte
und damit zur gezielten Einstellung von lokal unterschiedlich stark
geheizten Bereichen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die elektrisch
leitfähige
Kunststoffplatte mit lokal unterschiedlichen Wandstärken auszubilden,
wobei die Stromdichte mit zunehmender Wandstärke abnimmt. Aus demselben
Grunde können
in der Kunststoffplatte neben den optischen Führungselementen Bereiche mit
lokal unterschiedlichen Leitfähigkeiten
vorgesehen sein. Im Extremfall ist es sogar vorgesehen durch Öffnungen,
Aussparungen oder Schlitze in der elektrisch leitfähigen Kunststoffplatte
nichtleitende Bereiche zu schaffen. Dabei werden dann zwischen diesen
Bereichen Einschnürungen
mit geringerem Querschnitt geschaffen, in denen die Stromdichte größer ist.
Hergestellt wird diese Kunststoffplatte mit integriertem optischen
Führungselement
in einem zweistufigen Zweikomponenten-Spritzgießverfahren, wobei für die eine
Komponente elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial
verwendet wird und für
die andere Komponente elektrisch nicht leitfähiges Kunststoffmaterial. Das
mindestens eine optische Führungselement
kann eine Linse, ein Prisma, ein Trapez oder eine andere Gestalt
aufweisen, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu parallelisieren,
zu fokussieren oder umzulenken. Die erfindungsgemäße Einrichtung
hat gegenüber
der Einrichtung gemäß
EP 0 679 130 B1 den
Vorteil, daß keine
separaten optischen Führungselemente
notwendig sind, die dann in aufwendiger Weise zusätzlich zu
montieren wären.
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In
dem zweistufigen Spritzgießvorgang
wird
- – entweder
in einem ersten Schritt das optische Führungselement aus einem elektrisch
nicht leitenden und für
die verwendete Strahlung transparenten Kunststoffmaterial geformt
und dann in einem zweiten Schritt von einem elektrisch leitenden
Kunststoffmaterial zur Ausbildung der Kunststoffplatte umspritzt,
- – oder
in einem ersten Schritt die Kunststoffplatte unter Ausbildung mindestens
einer Öffnung
aus einem elektrisch leitfähigen
Kunststoffmaterial geformt und dann in einem zweiten Schritt zur
Ausbildung des optischen Führungselements
elektrisch nicht leitfähiges
und für
die verwendete Strahlung transparentes Kunststoffmaterial in die Öffnung gespritzt.
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Die
erfindungsgemäße Kunststoffplatte
ist vorzugsweise ebenfalls Teil eines Gehäuses der optischen Einrichtung.
Dabei kann die Kunststoffplatte lösbar oder einstückig mit
dem Rest des Gehäuses verbunden
sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird für
die elektrisch leitfähige
Kunststoffplatte ein Material verwendet, das zumindest Strahlung
aus dem Frequenzbereich der verwendeten Strahlung absorbiert. Damit
dient die Kunststoffplatte nicht nur als Halterung für die optischen
Führungselemente
sowie als Heizung für
die Scheibe, sondern zusätzlich
auch als Abschirmung der Empfangssensorik (z.B. eine Photodiode)
gegenüber
Störstrahlung,
wobei als Störstrahlung
solche Strahlung bezeichnet wird, die ohne eine Abschirmung an dem
optischen Führungselement
vorbei zur Empfangssensorik gelangen würde. Die Kunststoffplatte stellt
somit eine strahlungsdichte Wandung des Gehäuses der optischen Einrichtung
dar.
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Da
die Additive, welche einem Kunststoff eine intrinsische elektrische
Leitfähigkeit
verleihen, gleichzeitig eine Absorption von Strahlung im IR-Bereich
und im sichtbaren Bereich bewirken, ist die elektrische Nichtleitfähigkeit
des Materials, das für das
optische Führungselement
verwendet wird, eine notwendige Eigenschaft.
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Im
Zweikomponenten-Spritzgießverfahren können für den jeweiligen
Anwendungsfall (Mess-Strahlung
im infraroten oder im sichtbaren Bereich, wellenlängenselektive
Empfindlichkeit der verwendeten Strahlungsempfänger) durch geeignete Wahl
der Materialeigenschaften der verwendeten Komponenten neben der
elektrischen Leitfähigkeit auch
die optischen Eigenschaften gezielt so eingestellt werden, daß eine optimale
Abschirmung der zumeist hinter der Kunststoffplatte angeordneten
Empfangssensorik vor störender
Strahlung ermöglicht wird.
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Materialauswahl für verschiedene
Anwendungsfälle:
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1) Optische Einrichtung,
die einen Regensensor aufweist:
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Für einen
Regensensor wird ein IR-Strahlungssender eingesetzt. Bei der Auswahl
der Materialien für
die optischen Führungselemente
und die Kunststoffplatte kann hier noch zwischen zwei Fällen für die spektrale
Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers unterschieden werden,
der eingesetzt werden soll. Im ersten Fall (a) ist der Strahlungsempfänger neben
der IR-Meßstrahlung
auch noch zumindest für
Teile des sichtbaren Spektralbereichs empfindlich. Im zweiten Fall
(b) ist der Strahlungsempfänger
nur für
die IR-Meßstrahlung
empfindlich.
- a) Hier wird für die optischen Führungselemente ein
Material eingesetzt, das für
IR-Strahlung transparent
ist und sichtbare (Stör-)Strahlung
absorbiert. Diese optischen Führungselemente
sind für
das menschliche Auge schwarz. Für
die Kunststoffplatte wird, um eine vollständige Abschirmung zu erzielen,
ein Material verwendet, daß sowohl
IR-Strahlung als auch sichtbare Strahlung absorbiert.
- b) Hier ist es nicht notwendig, daß das Material der optischen
Führungselemente
zur Störstrahlungsabschirmung
die sichtbare Strahlung absorbiert. Das Material der Kunststoffplatte,
die als strahlungsdichte Wandung dienen soll, ist für IR-Strahlung
absorbierend, wobei es für
sichtbare Strahlung transparent sein kann. Allerdings sind IR-absorbierende
Materialien in der Regel auch für
sichtbare Strahlung absorbierend.
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2) Optische Einrichtung,
die einen Lichtsensor oder eine Kamera aufweist:
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Hier
liegt die verwendete Messstrahlung zumindest überwiegend im sichtbaren Spektralbereich. Dabei
kann auch hier zwischen zwei Fällen
unterschieden werden. Im ersten Fall (a) ist der Strahlungsempfänger neben
der Messstrahlung im sichtbaren Spektralbereich auch noch zumindest
geringfügig
für IR-Strahlung
empfindlich. Im zweiten Fall (b) ist der Strahlungsempfänger nur
im sichtbaren Spektralbereich empfindlich.
- a)
Hier wird für
die Kunststoffplatte zur Bewirkung einer vollständigen Abschirmung ein Material
verwendet, das für
IR-Strahlung und für
sichtbare Strahlung absorbierend ist. Für das optische Führungselement
wird ein Material verwendet, das zumindest für sichtbare Strahlung transparent
ist und dabei vorzugsweise für
IR-Strahlung absorbierend ist. Falls jedoch die Einkopplung von IR-Störstrahlung
durch das optische Führungselement
vergleichsweise gering ist, ist es nicht notwendig, daß das Material
des optischen Führungselements
im IR-Spektralbereich absorbierend ist.
- b) Hier reicht es, wenn zur Erzielung einer vollständigen Abschirmung
für die
Kunststoffplatte ein Material verwendet wird, daß sichtbare Strahlung absorbiert.
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3) Optische Einrichtung,
die sowohl IR-Strahlung als auch sichtbare Strahlung verwendet:
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(Kombination
aus Regen- und Lichtsensor in einem Gehäuse, das mit der erfindungsgemäßen Kunststoffplatte
abgeschlossen wird) Falls in der optischen Einrichtung sowohl IR-Strahlung
als auch sichtbare Strahlung verwendet wird, wird in Weiterentwicklung
des bereits erwähnten
zweistufigen Zweikomponenten-Spritzgießverfahrens ein dreistufiges
Dreikomponenten-Spritzgießverfahren
angewandt. Dabei werden in einem ersten Schritt nur die optischen
Führungselemente
ausgebildet, die nur für IR-Strahlung
transparent sind und sichtbares Licht absorbieren, während in
einem zweiten Schritt die optischen Führungselemente ausgebildet
werden, die für
sichtbares Licht transparent sind. Schließlich werden die so ausgebildeten
optischen Führungselemente
mit einem für
IR-Strahlung und sichtbare Strahlung absorbierenden Material zur
Ausbildung der Kunststoffplatte als abschirmender Wandung umspritzt.
Dabei kann selbstverständlich
auch die Reihenfolge umgekehrt werden, wobei dann zuerst die Kunststoffplatte
unter Ausbildung von Öffnungen ausgebildet
wird, und dann die Kunststoffmaterialien zur Ausbildung der optischen
Führungselemente,
die für
unterschiedliche Spektralbereiche transparent sind, in die Öffnungen
eingespritzt werden.
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Das
Basismaterial für
die Ausbildung der Kunststoffplatte kann dasselbe sein wie für die Ausbildung
des optischen Führungselements
(beispielsweise Polycarbonat). Dabei werden dem Basismaterial für die Kunststoffplatte
Additive beigemengt, die die elektrische Leitfähigkeit bewirken. Ein derartiges Additiv
ist beispielsweise Kohlenstoff in Form von Ruß oder Kohlenstoff-Fasern.
Ein weiteres bekanntes Additiv sind Metallpartikel. Hier kann der
Fachmann sich im Stand der Technik weiterer Additive bedienen. Die
Wahl des Additivs und dessen Konzentration im Basismaterial kann
der Fachmann je nach gewünschter
Leitfähigkeit
bestimmen. Die Basismaterialien der beiden Komponenten können jedoch
bereits an sich verschieden sein (z.B. Polycarbonat und ABS). Dabei
hat sich gezeigt, daß Leitfähigkeitswerte (reziprok
ausgedrückt
im spezifischen Widerstand) von größenordnungsmäßig 1 Ωcm bis 100 Ωcm für eine elektrische
Heizung durch die Kunststoffplatte geeignet sind.
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Additive
zur gezielten Einstellung der optischen Eigenschaften (wellenlängeselektive
Transparenz bzw. Absorption) sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist in der elektrisch leitfähigen Kunststoffplatte mindestens eine,
vorzugsweise jedoch zwei Elektroden zur elektrischen Kontaktierung
angeordnet, wobei eine Elektrode beispielsweise mit der Bordnetzspannung
des Fahrzeuges und die andere mit Masse verbunden ist. Dabei werden
die Elektroden in vorteilhafter Weise im Spritzgießverfahren
von dem leitfähigen
Kunststoffmaterial umspritzt, wodurch der Gesamtaufwand bei der
Herstellung der optischen Einrichtung im Vergleich zu nachträglich separat
zu kontaktierenden Elektroden verringert wird.
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Es
ist jedoch in einer anderen Ausführungsform
auch vorgesehen, eine Elektrode (z.B. einen Metallstift) nachträglich in
die Kunststoffplatte unlösbar
hineinzupressen. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen,
die Elektroden unter Anpressdruck lösbar mit der Kunststoffplatte
zur Bewirkung einer elektrischen Kontaktierung zu verbinden. Dies
kann beispielsweise mit Hilfe einer sogenannten Ω-Feder im Klemmsitz geschehen.
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Dabei
ist die wirksam mit der Kunststoffplatte in elektrisch leitender
Verbindung stehende Fläche der
Elektrode(n) mindestens genauso groß oder größer als der kleinste stromduchflossene
Querschnitt der Kunststoffplatte. Damit wird sichergestellt, daß die Stromdichte
und damit die Heizwirkung an den Kontaktstellen der Elektroden im
Vergleich zu den eigentlich zu heizenden Bereichen nicht übermäßig groß ist.
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Der
Anbauort der optischen Einrichtung ist nicht auf die Windschutzscheibe
beschränkt.
Vielmehr kommt jede für
IR- und/oder sichtbare Strahlung transparente Scheibe aus Glas oder
Kunststoff im Fahrzeug in Betracht. Dies kann beispielsweise die
Heckscheibe oder eine der Seitenscheiben oder aber auch die Abschlussscheibe
eines Scheinwerfergehäuses
sein, im dein die optische Einrichtung untergebracht ist.
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Das
Ein-/Ausschalten des Heizstroms durch die Kunststoffplatte sowie
dessen Steuerung/Regelung kann in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit eines
oder mehrere Signale erfolgen (Zündung,
Außentemperaturfühler etc.).
Zu diesem Zweck weist die Einrichtung eine entsprechende Ansteuerelektronik
auf.
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Es
ist jedoch auch vorgesehen, eine elektrisch leitfähige Kunststoffplatte
mit sich selbst regelnder PTC-Charakteristik zu verwenden.
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Die
Abstände
zwischen den optischen Führungselementen
werden im Rahmen der Möglichkeiten,
die die optischen Anforderungen erlauben, ebenfalls so gewählt, daß die elektrisch
leitfähigen
Bereiche (Stege) der Kunststoffplatte zwischen den optischen Führungselementen
aufgrund ihres Querschnitts eine bestimmte Stromdichte bewirken.
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Die
elektrisch leitfähige
Kunststoffplatte hat außerdem
dem Vorteil, daß sie
für niederfrequente elektromagnetische
Strahlung eine Faraday'sche eine
Abschirmung bewirkt. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit
der Einrichtung insgesamt besser.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen soll die Erfindung veranschaulicht werden. Es zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf eine elektrisch heizbare Kunststoffplatte mit erfindungsgemäß integrierter
Optik zur Verwendung bei einem Regen-/Lichtsensor,
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2 einen
Schnitt durch die Kunststoffplatte aus 1,
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3 eine
Draufsicht auf eine elektrisch heizbare Kunststoffplatte mit erfindungsgemäß integrierter
Optik zur Verwendung bei einer Kamera,
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4 einen
Schnitt durch die Kunststoffplatte aus 3.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine elektrisch heizbare Kunststoffplatte (1),
in der optische Führungselemente
(4, 4*) für
eine Regen- und Lichtsensorik integriert sind. Dabei sind die mit
dem Bezugszeichen (4) gekennzeichneten optischen Führungselemente,
welche der Regensensorik zugeordnet sind, für IR-Strahlung transparent,
für sichtbare Strahlung
jedoch absorbierend, während
die mit dem Bezugszeichen (4*) gekennzeichneten optischen Führungselemente,
welche einer Lichtsensorik zugeordnet sind, sowohl für IR-Strahlung
als auch für sichtbare
Strahlung transparent sind. Die elektrisch nicht leitfähigen optischen
Führungselemente
(4, 4*) sind einstückig, stoffschlüssig in
der elektrisch leitfähigen
Kunststoffplatte (1) angeordnet. Zur elektrischen Kontaktierung
sind in der Kunststoffplatte (1) zwei Elektroden (2)
angeordnet, die aus der Kunststoffplatte (1) herausragen.
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2 zeigt
einen Schnitt im Bereich der der Regensensorik zugeordneten optischen
Führungselemente
(4) durch die Kunststoffplatte (1) aus 1, welche
hinter einer Scheibe (3) angeordnet ist. Es ist ein Paar
von sich gegenüberliegenden
optischen Führungselementen
(4) zu erkennen, wobei das eine Führungselement mit seinem Linsenkörper (41)
eine Parallelisierung der von einem Strahlungssender (6) ausgehenden
Strahlung bewirkt, während
das andere Führungselement
mit seinem Linsenkörper
(41) eine Fokussierung der reflektierten Strahlung auf
den Strahlungsempfänger
(6) bewirkt. Wie zu erkennen ist, schließen die
optischen Führungselemente
(4) scheibenseitig bündig
mit der Kunststoffplatte (1) ab. Um eine zuverlässige Ankopplung
der optischen Führungselemente
(4, 4*) an die Scheibe (3) zu gewährleisten,
ist zwischen der Scheibe (3) und der Kunststoffplatte (1)
ein Koppelmedium (7), vorzugsweise ein Kleber oder eine
Silikonschicht, angeordnet. Das Koppelmedium (7) ist vorzugsweise
elektrisch isolierend ausgebildet, wodurch ein Fließen von
Leckströmen
zwischen der mit Bordnetzspannung verbunden, leitenden Kunststoffplatte
und der innenseitig möglicherweise
mit Feuchtigkeit beschlagenen Scheibe (3) vermieden wird.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine elektrisch beheizbare Kunststoffplatte
(1) auf bzw. hinter einer Scheibe (3). Die Kunststoffplatte
(1) ist zylinderförmig
ausgebildet, wobei im Zentrum ein optisches Führungselement (4)
angeordnet ist, das einen Linsenkörper (41) Fokussierung
der einfallenden Strahlung auf einen Strahlungsempfänger (6)
aufweist.
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In
diesem Fall ist zwischen der Kunststoffplatte (1) und der
Scheibe (3) kein Koppelmedium vorgesehen. Auf ein Koppelmedium
kann unter Umständen
verzichtet werden, wenn die Fläche
der Kunststoffplatte relativ klein ist.
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- 1
- Kunststoffplatte
- 2
- Kontaktierungs-Elektroden
- 3
- Fahrzeugscheibe
- 4
- Optisches
Führungselement
in der Kunststoffplatte
- 41
- Linsenkörper am
optischen Führungselement
- 6
- Strahlungssender
bzw. Strahlungsempfänger
- 7
- Klebeschicht