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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem kapazitiven
Regensensor und einem Lichtsensor mit einem lichtempfindlichen Bereich,
wobei der Regensensor eine Leiterplatte und wenigstens ein Paar
von beabstandeten Elektroden, die an der Oberseite der Leiterplatte
vorgesehen und mit dieser elektrisch verbunden sind, aufweist.
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Derartige
Sensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 032 372 A1 bekannt
und dienen dazu, Regentropfen auf einer Scheibe, insbesondere der
Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, zu erkennen. Dazu weist
der Sensor auf der Leiterplatte zwei beabstandete Elektroden auf,
die über
eine Auswerteeinrichtung miteinander verbunden sind und als Kondensator
wirken. Der Regensensor wird hinter der Windschutzscheibe montiert,
so dass beim Betrieb des Sensors elektrische Feldlinien zwischen den
Elektroden durch die Windschutzscheibe und den darüber liegenden
Außenbereich
verlaufen. Bei auftretendem Regen bilden sich Regentropfen auf der
Windschutzscheibe, so dass die Feldlinien durch die Wassertropfen
beeinflusst werden und sich die Kapazität des Kondensators ändert. Die
Wassertropfen wirken hier als ein Dielektrikum zwischen den Elektroden
des Kondensators. Bei einer an dem Kondensator anliegenden Spannung
sind abhängig
von der Kapazität
unterschiedlich viele Ladungsträger
in dem Kondensator vorhanden, und die Auswerteeinheit erfasst die
Ladungsträgeränderung
aufgrund der Kapazitätsänderung
durch die Regentropfen. So kann das Vorhandensein von Wassertropfen
auf der Windschutzscheibe detektiert werden.
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Ein
Lichtsensor verfügt über einen
lichtempfindlichen Bereich, der als lichtempfindliches Element zum
Beispiel eine Fotodiode aufweist und hinter der Windschutzscheibe
platziert ist. Die Fotodiode ändert ihre
elektrischen Eigenschaften abhängig
von der Menge einfallenden Lichts, worüber die Umgebungshelligkeit
erfassbar ist.
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Aus
der
DE 10 2006
035 184 A1 ist eine modular aufgebaute Sensoreinheit mit
einem Regensensor und einem Lichtsensor bekannt. Der Regensensor
weist eine Leiterplatte und ein Paar beabstandeter Elektroden auf
und ist in einem ersten Sensormodul angeordnet. Der Lichtsensor
ist in einem zweiten Sensormodul angeordnet. Durch den modularen Aufbau
wird eine hohe Flexibilität
bei der Sensorausstattung des Kraftfahrzeugs erreicht.
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Aus
der
DE 299 24 958
U1 ist ein optischer Regensensor zur Erfassung von sichtbeeinflussenden
Umgebungsparametern bekannt. Der Sensor weist wenigstens einen Sender
und wenigstens einen Empfänger
für elektromagnetische
Wellen auf. Zwischen dem Sensor und der Windschutzscheibe ist ein
Lichtleiter angeordnet, in dem eine Linsenstruktur eingearbeitet
ist. Die Linsenstruktur sorgt für die
gewünschte
Fokussierung bzw. Parallelisierung des Lichts auf den Empfänger.
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Heutige
Fahrzeuge verfügen über eine Mehrzahl
von Sensoren, die zum Beispiel hinter der Windschutzscheibe vorzusehen
sind, wodurch die effektive Fläche
der Windschutzscheibe verkleinert wird. Die Abmessungen des Regensensors
und seine Funktionalität
werden im Wesentlichen durch die Abmessungen der Elektroden bestimmt,
wobei sich zwischen den Elektroden eine ungenutzte Fläche ergibt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung zu
schaffen, durch welche die beanspruchte Fläche verringert wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Lichtsensor an der Leiterplatte derart vorgesehen ist, dass
zwischen den Elektroden einfallendes Licht auf den lichtempfindlichen
Bereich trifft.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es also, den Lichtsensor in den kapazitiven Regensensor
zu integrieren. Die Elektroden des kapazitiven Regensensors bilden
dabei in an sich bekannter Weise einen Kondensator. Eine dazwischen
befindliche Fläche wird
von dem Lichtsensor genutzt, um dort einfallendes Licht zu erfassen. Über eine
Auswerteschaltung wird ein Messwert für das dort einfallende Licht
zur weiteren Verwendung bereitgestellt. Dadurch wird die von der
Regensensorstruktur nicht genutzte Fläche zwischen den beabstandeten
Elektroden für
den Lichtsensor genutzt, so dass keine zusätzliche Fläche für den Lichtsensor erforderlich
ist. Der Lichtsensor beeinflusst im Betrieb das elektrische Feld
zwischen den Elektroden nicht, so dass auch Ladungen auf den Elektroden
nicht beeinflusst werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der lichtempfindliche
Bereich des Lichtsensors zwischen den Elektroden angeordnet sein.
Damit ergibt sich die Möglichkeit
zwischen den Elektroden des Regensensors einfallendes Licht direkt
zu erfassen.
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Auch
kann der lichtempfindliche Bereich des Lichtsensors an der Oberseite
der Leiterplatte liegen. Durch diese Anordnung kann das Licht aus
allen Richtungen ungehindert auf den Lichtsensor fallen, so dass
eine Beschattung des lichtempfindlichen Bereichs zum Beispiel durch
die Elektroden des kapazitiven Regensensors oder durch andere Komponenten
vermieden wird. Somit kann die Fläche des lichtempfindlichen
Bereichs gering gehalten werden.
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Alternativ
kann in der Leiterplatte zwischen den Elektroden eine Lichtdurchtrittsöffnung ausgebildet
und der lichtempfindliche Bereich des Lichtsensors an der Rückseite
der Leiterplatte derart positioniert sein, dass durch die Lichtdurchtrittsöffnung einfallendes
Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Lichtsensors trifft.
Abhängig
von der Gestaltung des Regensensors können zum Beispiel die Elektroden
nahe aneinander liegen, wodurch der Lichtsensor aufgrund seiner
Baugröße nicht
zwischen den Elektroden platziert werden kann. Das einfallende Licht
kann in diesem Fall durch die Lichtdurchtrittsöffnung den lichtempfindlichen
Bereich des hinter der Leiterplatte angeordneten Lichtsensors beleuchten. Es
ergibt sich eine Sensoranordnung, bei der die beanspruchte Fläche der
Sensoranordnung auf der Scheibe gering ist.
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Zusätzlich können die
Seitenfläche
und die Rückseite
der Leiterplatte von einer Abdeckung umgeben sein. Die Abdeckung
bildet zusammen mit der Leiterplatte ein Gehäuse, in der eine Elektronik,
zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung und Verdrahtung, vollständig untergebracht
und damit vor Feuchte, Verschmutzung und Beschädigung geschützt werden
kann. In diesem Fall kann auch der Lichtsensor innerhalb des Gehäuses untergebracht
sein. Die so geschaffene geschlossene Einheit aus Lichtsensor und
kapazitivem Regensensor erleichtert zusätzlich die Montage der Sensoren,
da die so geformte Sensoranordnung als ein Bauteil einfach und schnell montiert
werden kann.
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Dabei
kann die Abdeckung aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. So
werden die Elektroden und die Elektronik innerhalb des Gehäuses vor
elektromagnetischen Störfeldern
geschützt, und
eine Ausbreitung von Feldlinien in den Fahrzeuginnenraum wird vermieden
oder verringert. Dies ist besonders effektiv, wenn die Abdeckung
zusätzlich an
die Fahrzeugmasse angeschlossen ist. So können Beeinflussungen der Sensoren
zum Beispiel durch statische Aufladungen vermieden werden.
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Auch
kann die Abdeckung elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sein.
Dadurch kann die Abdeckung selbst als Elektrode wirken, indem zwischen der
Abdeckung und wenigstens einer Elektrode auf der Leiterplatte eine
elektrische Spannung angelegt wird. Dabei ist es aus Sicherheitsgründen sinnvoll, die
Abdeckung auf das Massepotential und die andere Elektrode auf eine
davon abweichende Spannung zu legen. Auch kann die Abschirmung gegenüber Störfeldern
weiter verbessert werden, wenn die Leiterplatte und die Abdeckung
dasselbe Massepotential aufweisen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Elektroden aus mindestens
zwei leitfähigen Flächen auf
der Leiterplatte bestehen. Beispielsweise können die Elektroden auf die
Leiterplatte kaschiert sein. Die flächige Ausführung ermöglicht es, den Regensensor
insgesamt flach auszubilden. Da sich die Elektroden nur gering von
der Leiterplatte erheben, kann die Sensoranordnung mit dieser Fläche plan
an der Windschutzscheibe angebracht werden kann. Weiterhin kann
sich aufgrund der flachen Ausführung
der Elektroden das elektrische Feld nur zu einem geringen Teil in
den Bereich unmittelbar zwischen den Elektroden ausbreiten und weist
daher eine starke Ausdehnung senkrecht zu der Leiterplatte, das
heißt
in Richtung auf die Windschutzscheibe auf.
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Schließlich können die
Elektroden als zwei konzentrisch angeordnete leitfähige Flächen ausgebildet
sein. Darüber
wird sichergestellt, dass ein möglichst
homogener Kondensator gebildet wird, der außerdem eine besonders hohe
Effektivität
aufweist. Bei unterschiedlicher Ausgestaltung verschiedener Abschnitte
des Kondensators werden die Eigenschaften von vornherein durch die
Bauform beeinflusst, so dass einige Bereich stärker zu der Sensorwirkung beitragen
als andere. Durch diese weniger beitragenden Abschnitte wird jedoch
die Fläche
des Sensors auf der Scheibe, hinter welcher der Regensensor angeordnet
ist, unnötig
vergrößert. Auch
wird durch die konzentrischen Elektroden sichergestellt, dass Regentropfen
an jeder Stelle der Windschutzscheibe im gleichen Maße zur Erfassung
beitragen und erfasst werden. Die konkrete Ausgestaltung der Elektroden
kann beliebig gewählt
sein. Es bieten sich zum Beispiel konzentrische Kreise, Rechtecke,
Quadrate oder Elipsen an.
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Hinsichtlich
weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche und
nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung
mit einem kapazitiven Regensensor und einem Lichtsensor im Querschnitt,
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2 eine
Draufsicht auf die Sensoranordnung aus der 1,
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3 eine
beispielhafte Ausführung
einer Leiterplatte mit Elektroden und Lichtsensor in Schnittansicht,
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4 Ausführungsbeispiele
für die
Anordnung eines Lichtsensors zwischen den Elektroden eines kapazitiven
Regensensors, und
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5 eine
zweite Ausführungsform
einer Sensoranordnung mit kapazitivem Regensensor und integriertem
Lichtsensor.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit
einem kapazitiven Regensensor und einem integrierten Lichtsensor 2 gezeigt.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ein Gehäuse, das aus einer Leiterplatte 3 und
einer Abdeckung 4 gebildet ist. Die Abdeckung 4 besteht
aus einem leitfähigen
Material und ist mit der Leiterplatte 3 elektrisch verbunden.
Die Leiterplatte 3 ist plan ausgeführt und die Abdeckung 4 umgibt
die Seitenflächen
und Rückseite
der Leiterplatte 3 unter Bildung eines Innenraums 5.
Aus dem Gehäuse
ragt seitlich ein Stecker 6 heraus, der mit der Leiterplatte 3 verbunden
ist. Über
den Stecker 6 und die Leiterplatte 3 ist die Abdeckung 4 an
ein Massepotential des Fahrzeugs angeschlossen.
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Der
kapazitive Regensensor umfasst zwei beabstandete Elektroden 7, 8 und
eine nicht gezeigte Auswerteeinrichtung. Die Elektroden 7, 8 sind
als leitfähige
Flächen
ausgebildet, die auf die Leiterplatte 3 kaschiert sind,
wie in der 3 prinzipiell gezeigt ist. Die
Elektroden 7, 8 sind als innere Elektrode 7 und äußere Elektrode 8 konzentrisch
zueinander angeordnet, wie in der 2 gezeigt
ist. Die innere Elektrode 7 besitzt eine rechteckige Grundform,
und die äußere Elektrode 8 umgibt
die innere Elektrode 7 als rechteckiger Ring, wobei der
Abstand zwischen den Elektroden 7, 8 an allen
Stellen näherungsweise gleich
groß ist.
Die Abmessungen der äußeren Elektrode 8 und
der Leiterplatte 3 sind so gewählt, dass sie näherungsweise übereinstimmen,
wobei die Leiterplatte 3 geringfügig größer ist als die äußere Elektrode 8,
um diese vollständig
aufzunehmen.
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Die
Auswerteeinrichtung ist in dem Innenraum 5 des Gehäuses untergebracht
und über
elektrische Durchverbindungen 9 durch die Leiterplatte 3 mit
den Elektroden 7, 8 verbunden. Die Auswerteeinrichtung
ist elektrisch an den Stecker 6 angeschlossen. Die Leiterplatte 3 weist
außerdem
eine Aussparung 10 auf, die zwischen den Elektroden 7, 8 vorgesehen
ist.
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Der
Lichtsensor 2 ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und weist einen
lichtempfindlichen Bereich 11 auf, der in die Aussparung 10 eingesetzt ist.
Der lichtempfindliche Bereich 11 schließt bündig mit der Aussparung in
der Leiterplatte 3 ab. Eine nicht dargestellte Auswerteschaltung
für den
Lichtsensor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Lichtsensors 2 vorgesehen
und über
die Leiterplatte 3 mit dem Stecker 6 verbunden,
alternativ ist es möglich,
die Auswerteschaltung für
den Lichtsensor und/oder den Regensensor auf der Leiterplatte 3 anzuordnen.
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Eine
Montage der Sensoranordnung 1 in einem Fahrzeug erfolgt üblicherweise
durch Anbringen an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs. Dazu wird das
Gehäuse
der Sensoranordnung 1 mit der Leiterplatte 3 als
Einheit hinter die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs geklebt
oder gepresst. Die Sensoranordnung 1 wird über den
Stecker 6 mit einer Elektronik des Fahrzeugs verbunden.
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Im
Betrieb bilden die Elektroden 7, 8 des kapazitiven
Regensensors einen Kondensator, an den eine elektrische Spannung
angelegt wird. Die Spannung bewirkt, dass die Elektroden 7, 8 elektrisch
unterschiedlich geladen werden und sich zwischen den Elektroden 7, 8 ein
elektrisches Feld aufbaut. Das elektrische Feld erstreckt sich senkrecht
zu der Leiterplatte 3 durch die Windschutzscheibe hindurch
zu der Außenseite
des Kraftfahrzeugs, so dass Regentropfen, die sich auf der Windschutzscheibe
sammeln, im elektrischen Feld zwischen den Elektroden 7, 8 liegen.
Durch die Regentropfen ändert
sich die Kapazität
des Kondensators des kapazitiven Regensensors, da sie als Dielektrikum
zwischen den Elektroden 7, 8 wirken, und es fließen Ladungsträger zu oder
von den Elektroden 7, 8, die von der Auswerteeinrichtung
des Regensensors erfasst werden. Die Auswerteeinrichtung gibt ein
Steuersignal über
den Stecker 6 an die Fahrzeugelektronik weiter, die anhand
des Steuersignals verschiedene Aufgaben, wie zum Beispiel die Betätigung des
Scheibenwischers oder die Veränderung
der Parameter für
die Bremsenansteuerung oder die Klimaregelung im Fahrzeuginnenraum
ausführt.
Die leitfähige
Abdeckung 4 schirmt den Innenraum 5 der Sensoranordnung 1 gegen
elektrische Störfelder
ab.
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Zwischen
den Elektroden 7, 8 fällt Licht auf den lichtempfindlichen
Bereich 11 des Lichtsensors 2. Der Lichtsensor 2 ermittelt
die Intensität
des einfallenden Lichts in der zugehörigen Auswerteschaltung und übermittelt
das Ergebnis ebenfalls über
den Stecker 6 an die Fahrzeugelektronik. Diese kann abhängig von
diesem Messwert wiederum verschiedene Aufgaben übernehmen, wie zum Beispiel
das Betätigen
des Abblendlichts. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
ist der, dass der Lichtsensor 2 auf jeden Fall in einem
für einen
Scheibenwischer zugänglichen
Bereich liegt, so dass eine bessere Auswertung, zum Beispiel bei
Schneefall, ermöglicht
ist.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
sind in der 4 gezeigt. Die 4a bis 4c zeigen
unterschiedlich geformte konzentrische Elektroden 7, 8, die
entweder rechteckig, oval oder kreisförmig ausgeführt sind. Zwischen den Elektroden 7, 8 ist
jeweils der Lichtsensor 2 angeordnet. Die Form des Lichtsensors 2 ist
länglich
gewählt,
wobei aber, wie in der 4b zu sehen ist, der Lichtsensor 2 auch
die Form eines Ringsegments aufweisen kann. Prinzipiell sind auch
Lichtsensoren 2 mit unterschiedlich geformten oder mehrteiligen
verteilten lichtempfindlichen Bereichen 11 möglich.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, die in 5 gezeigt ist, umfasst der kapazitive Regensensor
eine Mehrzahl von konzentrischen kreisförmigen Elektroden 7, 8.
Die Anordnung der Elektroden 7, 8 ermöglicht eine
großflächige und
feine Erfassung von Regentropfen auf der Windschutzscheibe, da die
Elektroden 7, 8 paarweise sehr eng angeordnet
sind. Ein Bereich des kapazitiven Regensensors ist von den Elektroden 7, 8 ausgespart
und die dahinter liegende Leiterplatte 3 weist eine entsprechende
Aussparung 10 auf, in die der Lichtsensor 2 mit
seinem lichtempfindlichen Bereich 11 eingesetzt ist. Anzumerken
bleibt hier, dass die Empfindlichkeit des Regensensors auch im lichtempfindlichen
Bereich des Lichtsensors 2 gegeben ist. Da der Lichtsensor 2 nur
einen geringen Teil der Fläche
des Sensors einnimmt, wird die Funktionsweise des Regensensors kaum
beeinträchtigt.
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Die
Elektroden 7, 8 sind zusätzlich von einem Massering 12 umgeben,
der elektrisch mit der leitfähigen
Abdeckung 4 verbunden ist. Dadurch wird eine besonders
gute Abschirmung des Regensensors gegen Störfelder erreicht.
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Die
Wirkungsweise der Mehrzahl der konzentrischen Elektroden 7, 8 ist
derart, dass jeweils benachbarte Elektroden 7, 8 mit
unterschiedlichen Spannungen geladen werden, wobei der Ladungsträgerfluss
der benachbarten Elektroden 7, 8 von der Auswerteeinrichtung
untersucht wird. Wassertropfen auf der Windschutzscheibe wirken
am stärksten
auf das elektrische Feld beziehungsweise in die Feldlinien zwischen
den angrenzenden benachbarten Elektroden 7, 8 ein.
Somit kann mit erhöhter
Genauigkeit die Menge der Wassertropfen auf der Scheibe bestimmt
werden. Dieser Sensormesswert wird über den Stecker 6 an
die Fahrzeugelektronik übermittelt, genauso
wie der des Lichtsensors 2.