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Die Erfindung betrifft einen Regensensor, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der
Technik
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Es sind Regensensoren in zahlreichen
unterschiedlichen Ausführungsformen
bekannt. Üblicherweise
besteht ein solcher Sensor aus einer optischen Sende-Empfangsstrecke.
Ein unter einem Winkel von ca. 42 bis 65 Grad in die Fahrzeugscheibe
eingekoppeltes Licht wird unter Totalreflexion an der trockenen äußeren Grenzfläche reflektiert
und trifft in einen in passendem Winkel ausgerichteten optischen Empfänger. Stehen
Wassertropfen oder steht ein Wasserfilm auf der Außenfläche der
Scheibe, so tritt keine Totalreflexion mehr auf, sondern es wird
ein erheblicher Teil des Lichts nach außen abgestrahlt. Das Empfangssignal
wird dadurch deutlich geschwächt. Der
Grad dieser Abschwächung
kann als Maß für die Benetzung
der Scheibe mit Wasser verwendet werden. Das gewonnene Signal kann
bspw. als Eingangssignal einer Einschaltsteuerung einer Scheibenwischvorrichtung
dienen, wie es beispielsweise aus der
DE 198 27 541 A1 oder aus
der
DE 196 43 465
A1 hervor geht.
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Die bekannten Regensensoren bestehen
typischerweise aus einer Optikeinheit, einer Elektronikeinheit,
einem Gehäusedeckel
sowie aus zugehörigen
Befestigungselementen. Die Optikeinheit umfasst meist die notwendigen
optischen Elemente, ein Trägerelement
zu deren Aufnahme sowie ein Koppelkissen. Die Elektronikeinheit
umfasst im Wesentlichen eine Leiterplatte. Die optischen Elemente
umfassen Linsen, diffraktive Elemente und lichtablenkende Komponenten.
Die Funktion der optischen Elemente besteht darin, das Licht zur
Sammeln, zu Fokussieren, zu Streuen und derart abzulenken, dass
es unter Totalreflexionsbedingungen auf die Scheibe trifft bzw.
unter Totalreflexion von der Scheibe reflektiertes Licht zum Empfänger hin
zurück
gelenkt wird. Eine Totalreflexion bei trockener Scheibe kann unter
einem typischen Winkelbereich von ca. 42 bis 65 Grad auftreten.
Die optischen Elemente können
in einer sog. Lichtleitervariante im Trägerelement integriert sein.
Eine alternative Ausführungsform
wird als Maskenvariante bezeichnet. Hierbei sind die optischen Elemente
als separate Elemente in eine Trägerplatte
eingebracht.
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Beide genannten Varianten von Regensensoren
weisen an einer der Scheibe zugewandten Seite wenigstens einen Lichtaustrittsbereich
sowie einen Lichteintrittsbereich auf. Diese Bereiche müssen aus einem
Material bestehen, das für
den Wellenlängenbereich
des hindurch tretenden Lichts weitgehend durchlässig ist. Zur Abschirmung von
möglicherweise störendem Umgebungslicht
sind die übrigen
Bereiche zweckmäßigerweise
aus für
diesen Wellenlängenbereich
nicht transparentem Material gefertigt, damit Licht nur über die
vorgesehenen Lichtkanäle
zu den lichtdetektierenden Bauelementen auf der Leiterplatte gelangen
kann.
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Diese nicht transparenten Bereiche
des Regensensors werden typischerweise auch als Fremdlichtsperre
bezeichnet. Eine solche Fremdlichtsperre kann bspw. aus einer nicht
transparenten Silikonschicht bestehen, die auf die Unterseite eines
Kunststofflichtleiters aufgespritzt ist. Eine Fremdlichtsperre kann
bspw. auch durch eine Metallbeschichtung realisiert sein, die auf
die Oberseite des transparenten Lichtleiters aufgedampft bzw. aufgesputtert
sein kann.
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Bei der Lichtleitervariante ist der
Lichtleiter i.d.R. mit einer zusätzlichen
Fremdlichtsperre versehen, die möglichst
alle nichtoptischen Bereiche für den
Spektralbereich des Lichts undurchlässig macht, der für die Signalauswertung
heran gezogen wird und für
den die Sensoren empfindlich sind. Bei der sog. Maskenvariante des
Regensensors kann bei entsprechendem Materialeinsatz die Trägerplatte
selbst als Fremdlichtsperre dienen. Bei beiden Va rianten liegt jedoch
ein Bauteil vor, das aus zumindest zwei Komponenten besteht.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei einem Regensensor, der eine Messstrecke
mit wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger für elektromagnetische
Wellen aufweist, ist in der Messstrecke eine die Wellenausbreitung
zwischen dem Sender und dem Empfänger
beeinflussende Glasscheibe angeordnet. Die Beeinflussung erfolgt
derart, dass sich bei Ausbildung eines Belages auf der Scheibe ein
vom Empfänger
detektiertes Ausgangssignal ändert.
Der Regensensor weist ggf. Strukturen zur Ein- und Auskoppelung
der elektromagnetischen Wellen auf, die strahlungsbündelnde
Eigenschaften aufweisen. Die Strukturen sind weiterhin in Bereichen
außerhalb
der Messstrecke jeweils mit einer für die elektromagnetischen Wellen nicht
durchlässigen
Fremdlichtsperre versehen. Gemäß der Erfindung
umfassen die Strukturen zur Ein- und Auskoppelung der elektromagnetischen
Wellen wenigstens ein Trägerelement
und ein Koppelelement, die jeweils eine räumliche Struktur aufweisen. Das
Koppelelement und das Trägerelement
sind formschlüssig
miteinander verbunden.
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Die elektromagnetischen Wellen sind
bei einer bevorzugten Ausgestaltung bzw. Anwendung des Regensensors
Lichtwellen. Diese können
im Wesentlichen Wellenlängenanteile
im sichtbaren Bereich als auch im nicht sichtbaren Bereich aufweisen. Insbesondere
Infrarotlicht eignet sich gut für
die vorliegende Anwendung. Bei der Glasscheibe handelt es sich vor zugsweise
um eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, bei dem der Regensensor
vorzugsweise zum Einsatz kommt. Der Belag auf der Windschutzscheibe
kann insbesondere ein feuchter Niederschlag, bspw. Regen oder Nebel
sein.
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Der erfindungsgemäße Regensensor weist vorzugsweise
eine Fremdlichtsperre auf, die vorzugsweise als formstabile oder
flexible Komponente auf die ebenfalls formstabilen Strukturen aufgebracht ist
und für
eine Verbesserung der Signalgüte
durch Abschirmung von Fremdlichtanteilen sorgt. Die Strukturen zur
Ein- und Auskoppelung der elektromagnetischen Wellen bestehen vorzugsweise
im Wesentlichen aus transparentem Kunststoff, insbesondere aus spritzgegossenem
Kunststoff. Die Strukturen lassen sich besonders vorteilhaft als
integriertes Strukturbauteil herstellen. Hierauf lässt sich
die Fremdlichtsperre in einfacher Weise aufbringen, bspw. als Kunststoffmaske,
die nur in den Bereichen der Messstrecke für die elektromagnetischen Wellen durchlässig bzw.
transparent ist. In Bereichen der Messstrecke kann diese Kunststoffschicht
vorzugsweise mit Öffnungen
versehen sein, die sich insbesondere durch Ausstanzen an den vorgesehenen Stellen
herstellen lassen.
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Das erfindungsgemäße Koppelelement weist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung zumindest abschnittsweise eine zu den
optischen Elementen des Regensensors bzw. zu dessen Trägerplatte
gewandte Negativform auf, so dass die optischen Elemente bzw. die
Trägerplatte
zumindest teilweise in dem Koppelelement eingebettet sind. Wahlweise
können die
optischen Elemente auch vollständig
im Koppelelement eingebettet bzw. in diesem integriert sein.
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Die Erfindung sieht vor, dass bei
der sog. Maskenvariante die scheibenseitige Fläche des Trägerelements mit den darin eingebrachten
optischen Elementen nicht flach, sondern dreidimensional gestaltet
ist. Das Koppelelement weist sensorseitig die entsprechende Negativform
dieser Oberfläche
auf oder kann auch direkt die optischen Elemente beinhalten, die
dann durch die Öffnungen
der Trägerplatte
in das Innere des Sensors reichen. Weiterhin können auch zusätzliche
Elemente integriert werden.
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Das Koppelelement weist vorzugsweise
eine elastische Struktur auf und ist bspw. ein transparenter Elastomer,
insbesondere Silikon, TPE oder ein geeigneter Schmelz- und Reaktionsklebstoff,
der im flüssigen
Zustand vor oder während
der Scheibenankopplung mit der Trägerplatte bzw. mit den optischen Elementen
in Verbindung gebracht wird. Ein solches formbares Koppelmedium
kann die dreidimensionale Struktur der Trägerplatte bzw. der optischen
Elemente annehmen und sich dieser anpassen. Das Koppelelement wird
im vorliegenden Zusammenhang auch als Koppelkissen bezeichnet.
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Die räumliche Oberfläche der
Trägerplatte kann
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung auch so ausgestaltet sein, dass sie z.B. in Form eines
Tubus in das Koppelelement hinein ragt. Hierdurch sowie durch die
nicht flache Ausführung der
scheibenseitigen Fläche
der Trägerplatte
mit den eingebrachten optischen Elementen können optische Kurzschlüsse im Koppelmedium
verringert werden.
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Zur Reduzierung von Brechungseffekten
an der Grenzfläche
der optischen Elemente zum Koppelkissen kann die scheibenseitige
Fläche
der optischen Elemente senkrecht zur entsprechend der Totalreflexionsbedingung
ausgerichteten optischen Achse angeordnet werden.
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Die Haftung zwischen Koppelmedium
und der Trägerplatte
bzw. den optischen Elementen wird durch die nicht flache Ausgestaltung
der scheibenseitigen Fläche
der Trägerplatte
sowie durch die dreidimensionale Oberfläche des Koppelmediums verbessert.
Das Koppelmedium kann bspw. eine Pyramidenstruktur aufweisen, was
die haftende Oberfläche
vergrößert. Es
können
auch formschlüssige
Verbindungsabschnitte in Form von Hinterschnitten vorgesehen sein.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
sieht vor, dass die Trägerplatte Öffnungen
aufweist, in die das Koppelelement eingreift. Ggf. kann auch eine
im Regensensor befindliche Leiterplatte auf in die Trägerplatte
ragenden Abschnitten des Koppelelements flexibel gelagert sein.
Durch Öffnungen
in der Trägerplatte
kann das elastische Koppelelement, bspw. das elastomere Koppelkissen
auf die Innen-, Ober- oder Außenseite
der Trägerplatte
geführt
werden, um z.B. Elastomerfedern oder Dichtungen auszubilden. Elastomerfedern
im Inneren des Sensors können
dazu dienen, z.B. die Leiterplatte fest zwischen Gehäusedeckel
und Trägerelement
zu fixieren und ggf. gleichzeitig die Dickentoleranz der Leiterplatte auszugleichen.
Die Dichtungen können
auch dazu dienen, das Gehäuse
nach außen
abzudichten. Hierzu kann eine Ausführungsform der Erfindung vorsehen,
dass ein Gehäusedeckel über einen
Dichtungsabschnitt des Koppelelements bzw. des Koppelkissens gegen
die Trägerplatte
nach außen
abgedichtet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung kann die Trägerplatte
jeweils nicht nur die scheibenseitige Gehäusebegrenzung des Regensensors
bilden, sondern auch die seitliche Gehäusebegrenzung darstellen.
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Die optischen Elemente können im
Fall eines spritzgießbaren
Elastomerkoppelmediums direkt aus diesem Medium bestehen und damit
als Teil des Koppelkissens mitgespritzt werden. Hierdurch kann eine Werkstoffkomponente
sowie ein Verarbeitungsschritt im Gesamtprozess eingespart werden.
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Die sog. Maskenvariante des Regensensors hat
gegenüber
der sog. Lichtleitervariante u.a. den Vorteil, dass kein optischer
Kurzschluss zwischen den optischen Elementen innerhalb des Trägerelements
gebildet wird. Zudem ist die Werkstoffauswahl vereinfacht, da die
Trägerplatte
keine direkte optische Funktion erfüllen muss. Der Fremdlichtschutz kann
vielmehr durch eine einfache Einfärbung oder Beschichtung erreicht
werden. Bei der Werkstoffauswahl kann aus diesem Grund auf eine
breitere Palette von in Frage kommenden Materialien, insbesondere
Kunststoff zurück
gegriffen werden, um damit der mechanischen Gehäusefunktion gerecht zu werden. Dagegen
sind die optische Transparenz und die erfor derlichen mechanischen
Funktionen bei der Lichtleitervariante schwieriger zu realisieren.
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Weiterhin können mit der Maskenvariante kürzere Zykluszeiten
bei der Herstellung der Trägerplatte
im Spritzgießprozess
und damit geringere Herstellkosten realisiert werden, da die für die Darstellung
der Kunststofflinsen typischerweise auftretenden Masseanhäufungen
entfallen können.
Ein separates Vorspritzen und anschließendes Einspritzen der optischen
Elemente führt
ebenfalls zu einem kürzeren
Spritzzyklus bei der Herstellung.
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Die Erfindung wird nachfolgend in
bevorzugten Ausführungsbeispielen
anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
erste Variante eines erfindungsgemäßen Regensensors in schematischer
Darstellung und
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2 eine
zweite Variante des Regensensors in schematischer Darstellung.
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In den 1 und 2 sind zwei alternative Varianten
eines Regensensors 2 in schematischen Darstellungen gezeigt.
Gleiche Teile in den Figuren sind grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Der Regensensor 2 besteht im Wesentlichen aus
einem Oberteil 4 mit einem Gehäusedeckel 6 und einem
als Trägerplatte 8 bezeichneten
Trägerelement, auf
dem das Oberteil 4 aufliegt und fixiert ist.
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Auf einer Auflagefläche 12 der
Trägerplatte 8 ist
eine Leiterplatte 10 befestigt, an deren Unterseite ein
Sender 14 sowie ein Empfänger 16 angeordnet ist.
Der Sender 14 kann insbesondere eine LED sein. Der Empfänger 16 kann
insbesondere eine Photodiode o. dgl. sein. Die Wellenlängenbereiche
von Sender 14 und Empfänger 16 sind
zweckmäßigerweise so
aufeinander abgestimmt, dass der Sender 14 einen relativ
schmalen Wellenlängenbereich
abstrahlt und der Empfänger 16 im
Wesentlichen nur für
diesen Wellenlängenbereich
empfindlich ist. Sender 14 und Empfänger 16 befinden sich
an gegenüber
liegenden Enden der Leiterplatte 10, so dass ein Strahlengang 36 mit
schräg
ausfallendem und schräg
einfallendem Licht gebildet werden kann. Der Ein- und Ausfallswinkel
ist gleich und kann in einem sinnvollen Bereich von ca. 42 bis 65
Grad liegen. Unter diesen Winkeln tritt bei einer trockenen Windschutzscheibe typischerweise
Totalreflexion auf, so dass das vom Sender 14 abgestrahlte
Licht nahezu vollständig
an der äußeren Grenzfläche der
Windschutzscheibe reflektiert wird.
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Unterhalb der Trägerplatte 8 ist ein
Koppelelement 22 angeordnet, das auch als sog. Koppelkissen
bezeichnet werden kann. Die Trägerplatte 8 ist zudem
mit Linsen 18 versehen, die entweder als separate Komponenten
ausgebildet (vgl. 1)
oder einstöckig
mit dem Koppelelement 22 ausgebildet sein können (vgl. 2). In jedem Strahlengang 36 des
Senders 14 wie auch des Empfängers 16 ist eine derartige
Linse 18 angeordnet, die für eine Strahlbündelung
sorgt.
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Weiterhin ist in einem mittleren
Bereich der Trägerplatte 8 eine
Linse 34 erkennbar, die vorzugsweise als automatische Licht-Steuerungs-Linse
ausgebildet ist und die ebenfalls als separates Bauteil (1) ausgebildet oder integraler
Bestandteil des Koppelelements 22 sein kann (2).
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Die Leiterplatte 10 weist
vorzugsweise eine Schaltung mit der erforderlichen Sende- und Auswerteelektronik
auf und ist über
einen Stecker (nicht dargestellt) mit dem Fahrzeugbordnetz verbunden.
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Der Gehäusedeckel 6 weist
eine zylindrische oder quaderförmige
Kontur mit herunter gezogenen Seitenteilen auf. Diese dienen zur
Verbindung mit seitlichen Auflagen der Trägerplatte 8, die das
Unterteil des Regensensors 2 bildet. Die Trägerplatte 8 weist
vorzugsweise eine runde oder rechteckförmige Kontur auf, die der Kontur
des Gehäusedeckels 6 angepasst
und mit einer Unterseite 20 mit dem Koppelelement 22 verbunden
ist, das wiederum auf einer Glasscheibe (nicht dargestellt) aufgebracht
ist. Die Verbindung zur Glasscheibe, die vorzugsweise eine Windschutzscheibe
eines Kraftfahrzeuges ist, erfolgt an einer unteren Fügefläche 30 des
Koppelelements 22. Der Regensensor 2 wird mittels
Federelementen (nicht dargestellt) bündig und fest auf der Oberfläche der
Glasscheibe aufgebracht.
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Die Verbindung zum Gehäusedeckel 6 erfolgt über flexible
Dichtungen 28, die vorzugsweise durch das flexible Koppelelement 22 gebildet
werden. Hierzu wird die Trägerplatte 8 in
einem weiteren Fügevorgang,
insbesondere einem Spritzgießprozess
mit dem Koppelelement 22 verbunden. Das als flexibles Koppelkissen
ausgestaltete Koppelelement 22 dringt dabei in alle Zwischenräume und
Kanäle 24 der
Trägerplatte 8 ein,
bildet dabei flexible Federelemente 26 an den Auflageflächen 12.
der Leiterplatte 10 und stellt gleichzeitig Dichtungen 28 zum
Aufsetzen und dichten Abschluss des Gehäusedeckels 6 zur Verfügung.
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Die Trägerplatte 8 weist
durch ihre Formgebung und ihr nicht transparentes Material bereits
die für
eine gute Signalauswertung erforderlichen Fremdlichtsperren auf.
Bei der zweiten Variante gemäß 2 werden die Linsen 18 gemeinsam
mit. dem Koppelkissen 22 hergestellt, indem die vorgefertigte
Trägerplatte 8 zwischen
zwei Werkzeughälften eines
Gießwerkzeugs
gebracht wird. Die eine Werkzeughälfte bildet die Form des Koppelkissens 22 ab, während die
andere Werkzeughälfte
die Form der optischen Elemente, d.h. der Linsen 18 abbildet.
Diese bestehen in diesem Fall aus dem gleichen flexiblen Material
wie das Koppelkissen 22, bspw. aus Silikon, aus TPE oder
einem anderen geeigneten transparenten Material.
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Befindet sich an der Außenseite
der Glasscheibe ist ein Wassertropfen, so sorgt dieser für eine Veränderung
der Brechungsverhältnisse
an der Grenzfläche
zur Luft. Diese veränderte
Lichtbrechung resultiert in einer variablen Signalabschwächung des
vom Empfänger
detektierten Lichtanteils und ist ein Maß für die Benetzung der Glasscheibe mit
feuchtem Niederschlag. Die Fremdlichtsperre sorgt dafür, dass
im auf den Empfänger 16 treffenden Licht
weitest gehend alle Umgebungslichtanteile ausgefiltert bleiben,
wodurch die Zuverlässigkeit
der vom Regensensor 2 gelieferten Signale erhöht ist.
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Eine Verbesserung der Haftung zwischen Koppelkissen 22 und
Unterseite 20 der Trägerplatte 8 kann
dadurch erreicht werden, dass die Unterseite 20 eine dreidimensionale
Strukturierung aufweist, wie dies in den 1 und 2 verdeutlicht
ist. Alternativ kann eine verbesserte Haftung auch durch eine Formschlussverbindung
mit Hilfe von einem oder mehreren Hinterschnitten erreicht werden.
Beide Strukturierungen können
auch problemlos kombiniert werden.
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- 2
- Regensensor
- 4
- Oberteil
- 6
- Gehäusedeckel
- 8
- Trägerelement/Trägerplatte
- 10
- Leiterplatte
- 12
- Auflagefläche
- 14
- Sender
- 16
- Empfänger
- 18
- Linse
- 20
- Unterseite
- 22
- Koppelelement/Koppelkissen
- 24
- Kanal
- 26
- Federelement
- 28
- Dichtung
- 30
- Fügefläche
- 32
- Klebstoffschicht
- 34
- ALS-Linse
- 36
- Strahlengang