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Die
Erfindung betrifft einen kapazitiven Regensensor zum Erfassen von
Regen bzw. Regentropfen auf einer Scheibe eines Fahrzeugs, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs.
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Eine
der Komfortfunktionen heutzutage in Kraftfahrzeugen ist die bedarfsweise
automatische Aktivierung der Scheibenwischer. Um eine derartige Funktion
zu realisieren wird ein Regensor vorgesehen, der Regen auf der Windschutzscheibe
detektiert.
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Aus
der
US 6 373 263 B1 ist
beispielsweise ein kapazitiver Sensor zum Erfassen von Regentropfen
auf einer Außenfläche einer Windschutzscheibe eines
Fahrzeugs bekannt. Dabei werden drei kapazitive Sensoren auf der
Innenseite der Windschutzscheibe angeordnet. Einer der kapazitiven
Sensoren dient dabei der Erfassung von Regentropfen, während
die beiden anderen Sensoren Kompensationssensoren für einen
Temperaturausgleich bilden. Die Sensoren sind hierbei abgeschirmt,
um sie vor Schmutz auf der Innenseite der Scheibe zu schützen, sowie
vor kapazitiven Einflüssen durch Objekte in der Nähe
der Sensoren, wie beispielsweise der Hand eines Fahrzeuginsassen.
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Des
Weiteren sind optische Regensensoren auf dem Markt. Solche optischen
Regensensoren, wie sie beispielsweise in der
DE 601 27 130 T2 beschrieben
sind, weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. So kann es zu einem
Wischen durch die Wischereinrichtung kommen, obwohl die Scheiben
trocken sind bzw. es nicht regnet. Dies liegt daran, dass die umgebenden
Lichtbedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Funktionsweise
des optischen Regensensors haben und daher auch zu einem fälschlichen
Erfassen von Regentropfen führen können, obwohl
es nicht regnet. Des Weiteren sind diese Sensoren relativ groß und
daher auffällig. Außerem sind die Sensoren verhältnismäßig
teuer.
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Kapazitive
Regensensoren, wie sie zuvor mit Bezug beispielsweise auf die
US 6 373 263 B1 beschrieben
wurden, basieren auf einer Oberflächenkapazität,
wobei der Wert der Kapazität ansteigt, wenn es regnet.
Dabei treten jedoch zwei Hauptprobleme auf. Der Wert für
die Kapazität kann durch jegliches Material beeinflusst
werden mit einer relativen Dielektrizitätskonstanen von
größer als eins, das nahe der Oberfläche
des Kondensators ist oder diesen erreicht. Die Bewegungen eines
Fahrers oder Beifahrers können daher das System irreführen.
Eine sich näherende Hand kann ein ähnliches Signal
erzeugen wie Regen, der auf die Scheibe von außen fällt.
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Ein
zweites Problem ist ein schneller Temperaturanstieg, beispielsweise
aufgrund einer Erwärmung oder Aufheizung der Windschutzscheibe
oder das Herausfahren aus einem Tunnel in die Helligkeit. Dieser
verändert die Dielektrizitätszahl bzw. Dielektrizitätskonstante
des Glases der Windschutzscheibe sehr schnell, so dass es ebenfalls
zu einer Irreführung des Systems kommen kann.
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Bezüglich
des ersten Problems wird eine elektrische Abschirmung verwendet.
Mit anderen Worten, es wird eine leitende Platte zwischen den Sensor
und den Passagierraum eingelegt. Das kann jedoch wiederum zu Materialproblemen
führen und zu parasitären Kapazitätsproblemen.
Bezüglich des zweiten Problems wird in der zuvor beschriebenen
US 6 373 263 B1 ein
differentieller, kapazitiver Regensensor für die Windschutzscheibe
verwendet.
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Gemäß der
Erfindung wird nun eine verbesserte Sensoreinrichtung bereitgestellt
zum Erfassen von Regen bzw. Regentropfen auf einer Scheibe eines
Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreineinrichtung zur Detektion
von Regen bzw. Regentropfen auf einer Scheibeneinrichtung weist
wenigstens zwei Sensorelemente auf, wobei die Sensorelemente auf
gegenüberliegenden Seiten der Scheibeneinrichtung bzw.
auf gegenüberliegenden Seiten innerhalb der Scheibeneinrichtung
angeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung hat hierbei
den Vorteil, dass auf diese Weise unterschiedliche Kapazitäten
bei den Kondensatoren erzeugt werden können, wenn beispielsweise
eine Person im Innenraum sehr nahe an die Schei be kommt oder sich
die Temperatur der Scheibe infolge von Sonneneinstrahlung schnell ändert.
Bei Regen der von außen auf die Scheibe fällt
bleiben die Kapazitäten dagegen gleich groß. Auf
diese Weise kann sehr einfach und zuverlässig bestimmt
werden, ob Regen auf die Scheiben fällt oder ob die Veränderung
der Kapazitäten der Kondensatoren der Sensorelemente auf
anderen Ursachen beruht als auf Regen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung weist die Scheibeneinrichtung
beispielsweise wenigstens drei Lagen auf. Die beiden äußeren
Lagen können hierbei aus Glas bestehen oder dieses aufweisen
bzw. ein oder mehrere Glasschichten aufweisen. Zwischen den beiden
Lagen kann wenigstens eine Zwischenlage angeordnet sein. Dies Zwischenlage
kann aus aus Glas und/oder Kunststoff bestehen oder diese aufweisen.
Die Zwischenlage kann beispielsweise ein oder mehrere Schichten
aus Glas und/oder Kunststoff aufweisen. Durch die Anordnung der
Sensoreinrichtung bzw. deren Sensoreelemente zwischen diesen Lagen,
können die Sensorelemente sehr einfach geschützt
werden, ohne dass eine äußere Abdeckung notwendig
ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich bei
einer Scheibeneinrichtung beispielsweise aus nur einer oder zwei
Lagen die Sensoreinrichtung vorzusehen. Bei einer Scheibeneinrichtung
aus zwei Lagen kann z. B. ein Sensorelement zwischen den beiden
Lagen und ein Sensorelement auf der Innenseite der Scheibeneinrichtung,
die dem Fahrzeuginnenraum zugewandt ist, angeordnet werden. Dieses
Sensorelement kann dann zusätzlich mit einem Schutz, beispielsweise
gegen Verschmutzung, versehen werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind die beiden Sensorelemente derart gegenüberliegend
angeordnet, so dass sie sich vollsändig überlappen,
teilweise überlappen oder nicht gegenseitig überlappen
bzw. voneinander seitlich beabstandet angeordnet sind. Eine überlappende
Anordnung hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung einen sehr
kompakten Aufbau ermöglicht.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind die Sensorelemente der Sensoreinrichtung bzw. deren Kondensatoren
spiegelbildlich, gegenüberliegend angeordnet. Die Kondensatoren
weisen dabei jeweils den gleichen Aufbau auf bzw. ihre Elektroden
sind in gleicher Weise ausgebildet, beispielsweise als ineinander
verschränkte Kämme oder Doppelspirale usw..
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine oder beide
Elektroden des Kondensators eines Sensorelements aus Draht, einem transparenten
elektrischen Leitungsmaterial, einem opaken elektrischen Leitungsmaterial
und/oder einem teilweise opaken elektrischen Leitungsmaterial. Das
transparente elektrische Leitungsmaterial, wie beispielsweise ITO,
hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung im Wesentlichen unsichtbar
für einen Passagier im Innenraum des Fahrzeugs ist und
daher einen großen Spielraum zulässt für
die Anordnung der Sensoreinrichtung in bzw. an der Scheibeneinrichtung
des Fahrzeugs.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Figuren
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht durch eine Scheibe eines Fahrzeugs mit
einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
erste Ausführungsform eines Sensorelements der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung;
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3 eine
zweite Ausführungsform eines Sensorelements der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung; und
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4 eine
dritte Ausführungsform eines Sensorelements der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen
versehen worden.
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In 1 ist
zunächst eine schematische Schnittansicht durch eine Scheibe
bzw. Scheibeneinrichtung 10 eines Fahrzeugs gezeigt, welche
mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 12 versehen
ist. Eine Scheibe bzw. Scheibeneinrichtung 10 eines Fahrzeugs,
wie beispielsweise eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs,
weist im Allgemeinen beispielsweise zwei Lagen 14, 16 aus
ei nem transparenten Material auf. Das Material ist in der Regel
Glas, kann aber grundsätzlich auch aus einem anderen transparenten
Material bestehen oder dieses aufweisen, wie beispielsweise Kunststoff.
Die Erfindung ist nicht auf Glas beschränkt. Zwischen diesen
beiden ersten und zweiten Lagen 14, 16, z. B. aus
Glas, ist des Weiteren wenigstens eine weitere Lage bzw. Zwischenlage 18 angeordnet,
beispielsweise aus Kunststoff. Die Kunststoffzwischenlage 18 kann
hierbei beispielsweise aus Polyvinylbutyral oder PVB bestehen oder
dieses aufweisen. Grundsätzlich kann aber beispielsweise
auch jeder andere geeignete Kunstoff oder Kunstoffkombination als
Zwischenlage 18 vorgesehen werden. Die Erfindung ist nicht
auf PVB als Zwischenlage 18 beschränkt. Neben
Kunstoff kann die Zwischenlage 18 auch aus einem anderen
transparenten Material bestehen. Grundsätzlich auch aus
Glas oder dieses zumindest aufweisen.
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In
dem Beispiel in 1 wird nun eine Sensoreinrichtung 12 vorgesehen,
welche beispielsweise wenigstens zwei Sensorelemente 20, 22 aufweist. Die
Sensorelemente 20, 22 weisen dabei jeweils wenigstens
einen Kondensator bzw. Oberflächenkondensator auf. Dieser
Kondensator ist in 1 nicht dargestellt.
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Wie
in dem Beispiel in 1 weiter gezeigt ist, wird ein
erstes Sensorelement 20 mit seinem jeweiligen Oberflächenkondensator
zwischen der ersten, äußeren Lage 14 aus
Glas und der Zwischenlage 18 angeordnet. Des Weiteren wird
das andere zweite Sensorelement 22 mit seinem Oberflächenkondensator
zwischen der zweiten, inneren Lage 16 aus Glas und der
Zwischenlage 18 angeordnet. Die Sensorelemente 20, 22 sind
somit auf gegenüberliegenden Seiten der Zwischenlage 18 angeordnet
und beispielsweise an der Zwischenlage 18 und/oder der jeweiligen
Lage 14, 16 angebracht bzw. befestigt. Das bedeutet,
dass die Sensorelemente 20, 22 bzw. deren Oberflächenkondensatoren
einander vorzugsweise gegenüberliegen bzw. beispielsweise
spiegelbildlich gegenüberliegend angeordnet sind. Es ist aber
auch möglich die Sensorelemente 20, 22 bzw. die
Oberflächenkondensatoren versetzt zueinander anzuordnen,
wobei sich die Oberflächenkondensatoren der einzelnen Sensorelemente 20, 22 dabei überlappen
(nicht dargestellt). Alternativ können die Sensorelemente 20, 22 bzw.
deren Oberflächenkondensatoren auch derart versetzt zueinander
angeordnet werden, so dass es zu keiner Überlappung zwischen den
Oberflächenkondensatoren kommt (nicht dargestellt). Vorzugsweise
sind die Oberflächenkondensatoren hierbei aber beispielsweise
in der Nähe bzw. benachbart zueinander angeordnet.
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Des
Weiteren kann neben einer Scheibeneinrichtung 10 mit drei
Lagen 14, 16, 18 auch eine Scheibeneinrichtung 10 beispielsweise
mit nur einer Lage, z. B. aus Glas oder zwei Lagen, z. B. aus Glas und/oder
Kunstsoff vorgesehen werden. Bei nur einer Lage werden die beiden
Sensorelemente 20, 22 ebenfalls auf gegenüberliegenden
Seiten der einen Lage der Scheibeneinrichtung angeordnet (nicht
dargestellt). Da in diesem Fall ein Sensorelement auf der Außenseite
der Scheibeneinrichtung angeordnet ist und ein Sensorelement auf
der Innenseite der Scheibeneinrichtung, hin zu dem Innenraum des
Fahrzeugs, müssen beide Sensorelemente zusätzlich
mit einer Schutzabdeckung versehen werden. Bei einer Scheibeneinrichtung
mit zwei Lagen (nicht dargestellt) kann ein Sensorelement zwischen
den beiden Lagen angeordnet werden und ein Sensorelement auf der
Außen- oder Innenseite der Scheibeneinrichtung gegenüberliegend
zu dem ersten Sensorelement. In diesem Fall, kann beispielsweise
nur das außen liegende Sensorelement mit einer zusätzlichen Schutzabdeckung
oder dergleichen versehen werden. Bei einer Scheibeneinrichtung
aus vier Lagen oder mehr Lagen (nicht dargestellt) können
die Sensorelemente wiederum auf gegenüberliegenden Seiten
beispielsweise einer Lage eingeordnet sein, wobei sie vorzugsweise
innerhalb der Scheibeneinrichtung angeordnet bzw. eingebettet sind,
wie bei der Ausführungsform mit drei Lagen.
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Auf
diese Weise kann nun eine Sensoreeinrichtung 12 bzw. eine
Kombination von Sensorelementen 20, 22 bereitgestellt
werden, die einen Unterschied zwischen dem Dielektrikum innen und
außen bereitstellen bzw. erzeugen kann. Der Kondensator des
Sensorelements 20 der hierbei näher zu der Außenumgebung
liegt wird als erster, äußerer Kondensator C1
bezeichnet. Der andere Kondensator des anderen Sensorelements 22 welcher
näher zu den Passagieren im Innenraum des Fahrzeugs liegt
wird als zweiter, innerer Kondensator C2 bezeichnet. Tritt nun Regen
auf, so ändert sich die jeweilige Kapazität des
ersten und zweiten Kondensators C1 und C2 mit zunehmendem Regen
bzw. zunehmenden Regentropfen unterschiedlich stark. Dabei gilt
C1 > C2, d. h. die
Kapaztät des ersten, äußeren Kondensators
C1 ist bei Regen größer als die Kapazität
des zweiten, inneren Kondensators C2.
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In
dem Fall, dass sich beispielsweise das Dielektrikum der Scheibe 10 auf
der Innenseite ändert, indem beispielsweise ein Passagier
von Innen an die Scheibe bzw. Scheibeneinrichtung 10 fasst,
so ändert sich die jeweilige Kapazität des ers ten
und zweiten Kondensators C1 und C2 ebenfalls unterschiedlich. Dabei
gilt, dass die Kapazität des zweiten, inneren Kondensators
C2 größer ist als die Kapazität des ersten, äußeren
Kondensators C1. Es gilt daher C2 > C1.
Diese Änderung der Kapazitäten der Sensorelemente 20, 22 wurde
außerdem experimentell in einem Labor der Fa. Rober Bosch
entsprechend überprüft und nachgewiesen.
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Für
den Fall einer Temperaturänderung der Scheibe bzw. Scheibeneinrichtung 10,
beispielsweise bei einem Temperaturanstieg infolge von Sonneneinstrahlung
durch die Scheibe, ändert sich die Kapaziät der
beiden Kondensatoren C1 und C2 in gleichem Maße. Mit anderen
Worten, die jeweilige Kapazität der beiden Kondensatoren
C1 und C2 ist im Wesentlichen gleich groß. Es gilt somit
C1 = C2. Dieses wurde ebenfalls in Experimenten überprüft
und nachgewiesen.
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Auf
diese Weise kann anhand eines Vergleichs der Kapazitäten
des ersten, äußeren Kondensators C1 und des zweiten,
inneren Kondensators C2 sehr einfach und zuverlässig bestimmt
werden, ob tatsächlich Regentropfen auf die Scheibe 10 mit
der Sensoreinrichtung 12 fallen oder, ob die Änderung
der Kapazitäten der beiden Kondensatoren C1, C2 z. B. auf
einer schnellen Temperaturänderung beruhen oder beispielsweise
eine Folge von Berührungen der Scheibe 10 durch
einen Passagier im Innenraum sind. Dabei kann auf zusätzliche
Maßnahmen verzichtet werden, wie beispielsweise eine Abschirmung
der Sensorelemente oder eine zusätzliche Temperaturmessung
der Scheibe. Weiter sind keine komplexen Algorithmen notwendig zum
Bestimmen, ob der Regensensor tatsächlich Regentropfen
erfasst oder nicht. Des Weiteren sind auch keine verschiedenen Plattenabstände
notwendig, von Platten die beispielsweise zwischen den Kondensatoren
angeordnet werden.
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In 2 ist
eine erste Ausführungsform eines Sensorelements 20 bzw. 22 der
erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 12 dargestellt.
Das Sensorelement 20 bzw. 22 weist dabei beispielsweise
einen Kondensator bzw. hier Oberflächenkondensator 24 auf.
Der Oberflächenkondensator 24 wird dabei durch
zwei Elektroden 26, 28 gebildet. Die beiden Elektroden 26, 28 weisen
dabei jeweils eine kammförmige Form auf und sind beispielsweise
ineinander verschränkt. Zwischen den zwei ineinander verschränkten
kammförmigen-Elektroden 26, 28 ist dabei
ein Dielektrikum 30 angeordnet.
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Des
Weiteren ist in 3 eine zweite Ausführungsform
eines Sensorelements 20 bzw. 22 der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung 12 dargestellt. Hierbei weist das Sensorelement 20 bzw. 22 ebenfalls
einen Kondensator bzw. hier Oberflächenkondensator 24 auf.
Wie in 3 gezeigt ist, wird der Oberflächenkondensator 24 durch
zwei Elektroden 26, 28 gebildet. Die Elektroden 26, 28 weisen
dabei jeweils die Form einer Spirale auf, wobei die spiralförmigen
Elektroden 26, 28 ineinander verschränkt
sind bzw. eine Doppelspirale bilden. Zwischen den spiralförmigen
Elektroden 26, 28 ist dabei ein Dielektrikum 30 vorgesehen.
Eine oder beide der spiralförmigen Elektroden 26, 28 können
dabei beispielsweise eckig ausgebildet sein, wie in 3 gezeigt
ist, oder auch rund (nicht dargestellt). Dies gilt auch für
die beiden kammförmigen Elektroden 26, 28 in 2.
Eine oder beide Elektroden 26, 28 können
neben der eckigen Form, wie sie in 2 gezeigt
ist, auch eine runde bzw. abgerundete Form aufweisen (nicht dargestellt).
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Grundsätzlich
kann aber auch jede andere Form von Kondensator 24 vorgesehen
werden bzw. von Elektroden 26, 28, die den Kondensator 24 bilden.
Beispielsweise können zwei ineinander liegende runde, ovale
und/oder eckige Elektroden vorgesehen werden, wobei ein Dielektrikum 30 zwischen
den Elektroden 26, 28 angeordnete ist. In dem
Beispiel in 4 ist eine äußere,
ringfrömige Elektrode 26 vorgesehen in welcher
eine innere, kreisförmige bzw. punktförmige Elektrode 28 vorgesehen
ist. Statt der punktförmigen Elektrode 28 kann
auch eine weitere innere, ringförmige Elektrode vorgesehen
werdem, die im Inneren mit einem Dielektrikum gefüllt ist
(nicht dargestellt).
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Die
Elektroden 26, 28, wie sie beispielhaft in den 2, 3 und 4 gezeigt
sind, können dabei beispielsweise aus einem transparenten
bzw. im Wesentlichen transparenten elektrischen Leitungsmaterial,
beispielsweise ITO (Indiumzinnoxid), und/oder aus Draht ausgebildet
sein, wobei der Draht hierbei vorzugsweise möglichst dünn
ausgebildet ist, so dass die Elektroden für einen Fahrzeuginassen möglichst
unsichtbar sind. Grundsätzlich können die Elektroden
aber auch aus einem geeigneten opaken oder teilweise opaken Material
hergestellt werden. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung beispielsweise
in einem getönten Bereich einer Fahrzeugsscheibe angeordnet
werden, wo sie weniger auffällt.
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Die
Elektroden des ersten und zweiten Kondensators C1, C2 sind beispielsweise
mit einer Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden bzw. gekoppelt.
Die Auswerteeinrichtung nimmt die ermittelten Größen
der Sensorelemente bzw. deren Signale auf und wertet beispielsweise
die ermittelten Größen (Kapazitäten usw.)
bzw. Signale der Sensorelemente bzw. deren Kondensatoren C1 und
C2 aus und leitet das Ergebnis zum Beispiel als Steuerinformationen
für einen Scheibenwischer an eine Scheibenwischereinrichtung
(nicht dargestellt) oder eine damit verbundene Bordelektronik (nicht
dargestellt) weiter. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise eine
separate Auswerteeinrichtung sein, die beispielsweise mit der Bordelektronik
und/oder einer Scheibenwischereinrichtung gekoppelt ist oder selbst Teil
der Bordelektronik oder der Scheibenwischereinrichtung sein. Auf
Basis der Ergebnisse der Auswertung beispielsweise hier der Kapazitäten
der Sensorelemente bzw. deren Kondensatoren wird eine Scheibenwischereinrichtung
entsprechend gesteuert.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann jeweils
gleiche Sensorelemente aufweisen, beispielsweise zwei Sensorelemente 26, 28,
wie sie in 2, 3 oder 4 dargestellt
sind. Des Weiteren können die Sensorelemente der Sensoreinrichtung
auch unterschiedlich sein. So können die Sensorelemente 26, 28 gemäß der 2 bis 4 beispielsweise
auch miteinander kombiniert werden. Die erfindungsgemäße
Sensoreinrichtung 12 hat, wie zuvor beschrieben, den Vorteil,
dass Bewegungen des menschlichen Körpers und andere Dielektrika
innerhalb des Fahrzeugs, sowie Temperaturänderungen der
Scheibe, beispielsweise aufgrund von Sonnenschein, von auf das Fahrzeug
fallenden Regen sehr einfach und mit geringem Aufwand unterschieden werden
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6373263
B1 [0003, 0005, 0007]
- - DE 60127130 T2 [0004]