DE19643465A1 - Steuervorrichtung für einen optischen Sensor - Google Patents
Steuervorrichtung für einen optischen SensorInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Steuervorrichtung für einen
optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Es
ist bereits eine Steuervorrichtung für optische
Regensensoren zur Verwendung bei Kraftfahrzeug
scheibenwischanlagen bekannt (US 4,859,867), die eine
Kompensationsschaltung für Umgebungslicht Temperatur und
andere Systemvariablen enthält. Zur Kompensation des
Umgebungslichts wird der optische Sender des Regensensors
hochfrequent gepulst betrieben. Ein Empfänger detektiert die
hochfrequente Ausgangsstrahlung des Senders und liefert
modulierte Signale an einen Mikrocontroller, der den
Wechselanteil der Signale von dem Gleichanteil der
Falschsignale (wie z. B. Umgebungslicht usw.) trennt. Die zur
Zeit bevorzugte Frequenz zur Ansteuerung des Senders, in
diesem Fall eine Leuchtdiode (LED), liegt bei 1000 Hz. Die
bevorzugte Pulsweite beträgt 15 Mikrosekunden. Die im
Mikrocontroller ausgewerteten Signale steuern den
Wischermotor. Als Nebeneffekt verlängert sich die
Lebensdauer der LED gegenüber kontinuierlichem Betrieb.
Mit dieser hohen Pulsfrequenz wird jedoch die Lebensdauer
nicht genügend verlängert.
Bei Verringerung der Frequenz und gleichbleibender
Einschaltzeit des optischen Senders, so daß die Verlängerung
der Lebensdauer groß wird, wird es jedoch immer schwieriger,
den Wechselanteil von dem Gleichanteil zu trennen. Außerdem
würde dann die Reaktionszeit des Sensors bei auftretender
Feuchtigkeit in unerwünschter Weise beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, durch eine Reduzierung der Senderleistung die
Lebensdauer des Senders zu erhöhen, ohne die Empfindlichkeit
des Regensensors zu beeinträchtigen. Die Lebensdauer des
Senders wird damit der Lebensdauer der übrigen
elektronischen Bauelemente angeglichen und die Lebensdauer
des gesamten Sensors wird erhöht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Ein wesentlicher Vorteil ist, daß die Steuervorrichtung des
optischen Sensors zwischen Trockenheit und Feuchtigkeit
unterscheidet. Bei Trockenheit wird der Sender mit
reduzierter Leistung und bei Feuchtigkeit wird der Sender
mit voller Leistung betrieben.
Ein weitere Vorteil liegt darin, daß die Reduktion der
Senderleistung ebenfalls durch einen gepulsten Betrieb des
Regensensors erhalten wird.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der obere Grenzwert
der Periodendauer auf die Reaktionszeit des menschlichen
Auges so abgestimmt ist, daß keine Verzögerung wahrnehmbar
ist. Äußere Ereignisse dagegen müssen für die Periodendauer
nicht berücksichtigt werden, da diese deutlich langsamer
ablaufen als die Reaktionszeit, z. B. Regen tropft auf eine
Scheibe.
Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Grad der
Leistungsreduktion durch andere Parameter wie z. B. Tag oder
Nacht variiert werden kann und damit optimal auf die
unterschiedliche Bedürfnisse des Kraftfahrzeugfahrers
eingestellt werden kann.
Ein Vorteil des gepulsten Betriebs liegt darin, daß der
Sensor seine Empfindlichkeit auch während Trockenheit
beibehält und bereits geringe Feuchtigkeit erfaßt.
Ein Vorteil der Reduzierung der Senderleistung bei nicht
gepulstem Betrieb liegt darin, daß der Sensor größere
Feuchtigkeit ohne Verzögerung erfaßt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild bei gepulstem Betrieb des
Senders,
Fig. 2 ein Diagramm des Quotienten der am Sender
abfallenden Spannungen aufgetragen über die Zeit,
bei Vorliegen von Feuchtigkeit oder Trockenheit der
Scheibe bei gepulstem Betrieb des Senders,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zwischen reduzierter und
voller Leistung umschaltbaren Senders,
Fig. 4 ein Diagramm des Quotienten der am Sender
abfallenden Spannungen aufgetragen über die Zeit,
bei Vorliegen von Feuchtigkeit oder Trockenheit der
Scheibe bei einem zwischen reduzierter und voller
Leistung umschaltbaren Sender,
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Schaltung der
Steuervorrichtung für einen optischen Sensor in
einer Scheibenwischersteuervorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung 11
für einen optischen Regensensor 10, der gepulst betrieben
wird. Der Regensensor wird z. B. in Kraftfahrzeugen zur
Steuerung eines Frontscheibenwischers verwendet. Die
Steuervorrichtung 11 umfaßt eine Steuerung 18 mit Zeitgeber
183, einen Transistor T1 als Leistungsschaltelement, einen
Betriebsschalter 16 und einen Tag/Nacht-Erkennungssensor 17.
Der Regensensor 10 weist eine Leuchtdiode (LED) als
optischen Sender 12 auf und einen Empfänger 13. Der Sender
12 wird durch den in Serie angebrachten Transistor T1
geschaltet. Der Pluspol 14 einer Batteriespannung wird über
den Sender 12 und den Transistor T1 auf Masse 15 geschaltet.
Beim Schließen des Betriebsschalters 16 wird die Steuerung
18 eingeschaltet. Über einen Signalausgang 181 der Steuerung
18 wird der Transistor T1 angesteuert. Das Signal am Ausgang
181 hat einen digitalen Verlauf, so daß der Transistor T1
gesperrt oder leitend ist. Die Steuerung 18 erhält über
einen Signaleingang 182 Meßsignale 19 des Regensensors 10
und über einen weiteren Signaleingang 184 weitere Meßsignale
171 des Tag/Nacht-Erkennungssensors. Über einen gestrichelt
dargestellten Signalausgang 101 des Regensensors 10 wird der
nicht dargestellte Scheibenwischer angesteuert. Der
Spannungsabfall am Sender 12 wird mit Us bezeichnet.
Die obere Kurve in Fig. 2 stellt das Verhältnis des
Spannungsabfalls Us zu dem maximalen Spannungsabfall Us,max
am Sender 12 dar, aufgetragen über die Zeitachse t. Der
dargestellte Kurvenverlauf entspricht dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Der Quotient der
Spannungen Us/Us,max nimmt die Werte null oder eins an. Die
Zeitachse t ist unterteilt in drei Bereiche t < t1, t1 < t <
t2 und t < t2. Gemäß der unteren Kurve in Fig. 2 liegt vor
t1 und nach t2 Feuchtigkeit vor. In der Zeit zwischen t1 und
t2 ist keine Feuchtigkeit vorhanden. Demzufolge wird der
Sender 12 nur bei trockener Scheibe durch ein entsprechendes
Meßsignal 19 am Eingang 182 von der Steuervorrichtung 11
gepulst angesteuert, bei feuchter Scheibe dagegen
kontinuierlich.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
für einen optischen Regensensor nach Fig. 1 wird anhand der
Fig. 2 nunmehr näher erläutert:
Bei Feuchtigkeit auf der Scheibe wird T1 leitend gesteuert und der Sender 12 mit voller Leistung betrieben. Der Spannungsabfall Us am Sender 12 ist maximal und der Quotient der Spannungen nimmt den Wert eins an. Solange Feuchtigkeit vorhanden ist, bleibt dieser Zustand erhalten. Dies ist in Fig. 2 bei t < t1 zu erkennen.
Bei Feuchtigkeit auf der Scheibe wird T1 leitend gesteuert und der Sender 12 mit voller Leistung betrieben. Der Spannungsabfall Us am Sender 12 ist maximal und der Quotient der Spannungen nimmt den Wert eins an. Solange Feuchtigkeit vorhanden ist, bleibt dieser Zustand erhalten. Dies ist in Fig. 2 bei t < t1 zu erkennen.
Ist die Scheibe trocken (t < t1), dann wird nach einer durch
den Zeitgeber 183 vorgegebenen Zeit Tv von ca. zwei Minuten,
in der der Sender 12 noch mit voller Leistung betrieben
wird, die Senderleistung über T1 gepulst. In der
vorgegebenen Zeit Tv ist die Empfindlichkeit des Sensors 10
maximal, so daß bei kurzfristig einsetzenden Schauern (unter
Aprilwetter bekannt) der Sensor voll betriebsbereit bleibt.
Nach der vorgegebenen Zeit Tv wird der Sender 12 mit einer
Periodendauer T von 500 Millisekunden und einer Pulsweite Tw
von 10 Millisekunden gepulst. Die Steuerung 18 generiert
hierzu ein entsprechendes Signal für den Transistor T1. Der
Quotient der Spannungen am Sender 12 nimmt zwischen den
Pulsen den Wert null und während der Pulsweite Tw den Wert
eins an.
Zu bemerken ist, das die Zeitachse in Fig. 2
unterschiedliche Maßstäbe aufweist: Die vorgegebene Zeit Tv
kann z. B. zwei Minuten oder mehr betragen, im Gegensatz zur
Periodendauer T, die lediglich 0,5 Sekunden andauert.
In den Zeiträumen, in denen der Quotient der Spannungen null
wird, beträgt der Spannungsabfall Us am Sender 12 ebenfalls
null, d. h. T1 ist gesperrt und der Sender 12 ist
ausgeschaltet. Wenn in diesen Zeitspannen nun Feuchtigkeit
einsetzt (t = t2), wird dies nicht sogleich vom Sensor 10
erfaßt. Erst wenn der Sender 12 wieder mit voller
Empfindlichkeit arbeitet (t = t3) kann der Sensor 10 die
Feuchtigkeit detektieren. Durch die Rückkopplung des Sensors
10 über das Meßsignal 19 mit der Steuerung 18 beendet die
Steuerung 18 den gepulsten Betrieb und der Sender 12 wird
über den Schalter T1 dauerhaft mit voller Empfindlichkeit
aktiviert. Gleichzeitig wird bei t = t3 ein erster
Wischvorgang der Scheibenwischer (hier nicht dargestellt)
über den angedeuteten Signalausgang 101 aktiviert.
Anschließend werden die Wischvorgänge in Abhängigkeit der
durch den Regensensors 10 detektierten Feuchtigkeitsmenge
über den Signalausgang 101 ausgelöst.
Die Wahl der Periodendauer T richtet sich nach der
Reaktionszeit des menschlichen Auges. Die Reaktionszeit
beträgt durchschnittlich ca. 500 Millisekunden. Sobald die
Periodendauer T größer ist als die Reaktionszeit, gewinnt
der Fahrer des Kraftfahrzeugs den Eindruck, daß die
Steuerungsvorrichtung zu langsam reagiert. Die Trägheit des
menschlichen Erfassungsvermögens setzt damit der
Periodendauer T eine obere Grenze. Da die Reaktionszeit
allerdings durch z. B. Witterung, Dunkelheit oder Müdigkeit
des Fahrers größer wird, kann die obere Grenze bei einer
Sekunde liegen. Um den Einfluß der Dunkelheit zusätzlich zu
erfassen, ist es denkbar, Meßsignale 171 eines Tag/Nacht-
Erkennungssensors 17 über einen weiteren Eingang 184 der
Steuerung 18 zuzuführen, um die Periodendauer T bei
Dunkelheit zu vergrößern.
Eine untere Grenze der Periodendauer T der gepulsten
Strahlung ist bei unveränderter Pulsweiten Tw von zehn
Millisekunden durch die Zielsetzung gegeben, die Lebensdauer
des Senders 12 zu erhöhen. Wird die Periodendauer T kurz
gewählt, dann erhöht sich die Modulationsfrequenz und die
Leistungsaufnahme des Senders 12 steigt. Dies wirkt sich
dann negativ auf die Lebensdauer des Senders 12 aus. Die
untere Grenze kann beispielsweise bei 100 Millisekunden
liegen.
Die Pulsweite Tw von ca. zehn Millisekunden ergibt sich
aufgrund meßtechnischer Zwecke. Häufig wird der Sender 12
eines Regensensors 10 zusätzlich mit einer hochfrequenten
Modulation, wie bereits eingangs erwähnt, überlagert, die
eine Periodendauer von einigen Millisekunden oder weniger
aufweist. Um ein Stören der hochfrequenten Modulation zu
verhindern, sollte die Pulsweite Tw größer als die
Periodendauer der hochfrequenten Modulation gewählt werden.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung 31
für einen optischen Regensensor 30, dessen Senderleistung
umschaltbar ist. Die Steuervorrichtung 31 umfaßt eine
Steuerung 38 mit Zeitgeber 383, eine regelbare Stromsenke
S1, einen Betriebsschalter 36 und einen Tag/Nacht-
Erkennungssensor 37. Der Regensensor weist eine Leuchtdiode
als optischen Sender 32 und einen Empfänger 33 auf. Der
Sender 32 wird mit der regelbaren Stromsenke 33 in Serie
geschaltet und an einen Pluspol 34 einer Batteriespannung
und an Masse 35 gelegt. Die Stromsenke S1 wird über einen
Steuerausgang 381 der Steuerung 38 gesteuert. Die Steuerung
38 erhält über einen Signaleingang 382 Meßsignale 39 des
Regensensors 30 und über einen weiteren Signaleingang 384
weitere Meßsignale 371 des Tag/Nacht-Erkennungssensors 37.
Weiterhin ist die Steuerung 38 mit einem Betriebsschalter 36
verbunden. Der Regensensor 30 weist einen gestrichelt
angedeuteten weiteren Signalausgang 301 auf, über den ein
nicht dargestellter Scheibenwischer angesteuert wird.
Fig. 4 stellt, ebenso wie Fig. 2, das Verhältnis des
Spannungsabfalls Us am Sender 32 zu dem maximalen
Spannungsabfall Us,max am Sender 32 und das Vorhandensein
von Feuchtigkeit dar, aufgetragen über die Zeitachse t. Der
dargestellte Kurvenverlauf entspricht dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3. Der Quotient kann Werte
von null bis eins annehmen. In diesem Ausführungsbeispiel
nimmt der Quotient die Werte 0,5 oder eins an.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
für einen optischen Regensensor nach Fig. 3 wird anhand der
Fig. 4 nunmehr näher erläutert:
Bei Feuchtigkeit wird der Sender 32 über die Stromsenke S1 mit voller Leistung betrieben. Der Spannungsabfall Us am Sender 32 ist maximal und der Quotient der Spannungen Us/Us,max nimmt den Wert eins an. Dies ist in Fig. 4 bei t < t1 zu erkennen.
Bei Feuchtigkeit wird der Sender 32 über die Stromsenke S1 mit voller Leistung betrieben. Der Spannungsabfall Us am Sender 32 ist maximal und der Quotient der Spannungen Us/Us,max nimmt den Wert eins an. Dies ist in Fig. 4 bei t < t1 zu erkennen.
Detektiert der Sensor 30 keine Feuchtigkeit mehr (t = t1)
dann wird nach einer durch den Zeitgeber 383 vorgegebenen
Zeit Tv, beispielsweise zwei Minuten, der Sender 32 mit
reduzierter Leistung betrieben. Dafür wird ein
entsprechendes Steuersignal der Steuerung 38 an die
regelbare Stromsenke S1 gelegt. Der Stromfluß durch den
Sender 32 wird reduziert, so daß die abfallende Spannung Us
am Sender 32 z. B. halbiert und die Leistung des Senders 32
ebenfalls reduziert wird. Der Quotient der Spannungen nimmt
einen durch die Steuerung 38 einstellbaren Wert von 0,5 an.
Die Empfindlichkeit des Regensensors nimmt ab.
Setzt Niederschlag ein (t = t2), erfaßt der Regensensor 30
ohne erkennbare Verzögerung die Feuchtigkeit und gibt das
Meßsignal 39 an die Steuerung 38. Die Steuerung 38 schaltet
über die Stromsenke S1 den Sender 32 auf volle Leistung und
löst einen ersten Wischvorgang der Scheibenwischer (hier
nicht dargestellt) aus. Die zukünftige Wischrate des
Scheibenwischers wird aufgrund der Feuchtigkeitsmenge, die
durch den mit nun voller Empfindlichkeit betriebenen
Regensensor erfaßt wird, automatisch bestimmt (t < t2).
Bei geringem Niederschlag erfaßt der Regensensor 30 die
Feuchtigkeit nicht sofort, da die Empfindlichkeit des
Regensensors 30 reduziert ist. Erst bei Aufsummierung der
Feuchtigkeit auf der Scheibe bis zur Detektierbarkeit durch
den Regensensor 30, kann das Meßsignal 39 in der Steuerung
38 den Betrieb des Regensensors 30 mit voller
Empfindlichkeit auslösen. Dies geschieht zum Zeitpunkt t =
t3. In Fig. 4 ist dieser Fall durch die gestrichpunktete
Linie angedeutet. Die Zeitspanne Δt = t3 - t2 ist u. a.
abhängig von der Empfindlichkeitseinstellung des
Regensensors durch die reduzierte Leistung und der
Feuchtigkeitsmenge bzw. der Niederschlagsart.
Der Reduktionsgrad der Senderleistung kann durch die
Steuerung 38 fest vorgegeben werden oder durch äußere
Parameter beeinflußt werden. So z. B. ist es sinnvoll in
Kombination mit einem Tag/Nacht-Erkennungssensor die
Empfindlichkeit des Senders 32 bei Trockenheit der Scheiben
nachts höher einzustellen als tagsüber.
Der Sender 12 eines Regensensors 10 kann ebenfalls
zusätzlich mit einer eingangs erwähnten hochfrequenten
Modulation überlagert werden, die eine Periodendauer von
einigen Millisekunden oder weniger aufweist.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer
Scheibenwischersteuervorrichtung 52 mit Steuervorrichtung 51,
Regensensor 50, Steuereinrichtung 53 für einen Wischermotor 54
sowie Wischermotor 54 und einen durch den Wischermotor 54
angetriebenen Scheibenwischer 55. Der Regensensor 50 weist zwei
Ausgänge auf 501, 502, wobei über den einen Ausgang 502
Meßsignale 59 an die Steuervorrichtung 51 gegeben werden und
über den anderen Ausgang 501 gleiche Meßsignale 59 an die
Steuereinrichtung 53 des Wischermotors 54 gegeben werden.
Die durch den Regensensor detektierte Feuchtigkeit oder
Trockenheit einer nicht dargestellten Windschutzscheibe eines
Kraftfahrzeugs, wird als Meßsignal 59 einerseits an die
Steuerungsvorrichtung 51 des Regensensors 50 geleitet. Aufgrund
dieses Meßsignales 59 schaltet die Steuervorrichtung 51 den
Sender des Regensensors 50 auf volle oder reduzierte Leistung,
wobei unter reduzierter Leistung ebenfalls der gepulste Betrieb
des Regensensors 50 erfaßt wird. Die Wirkungsweise der
Steuervorrichtung 51 für den Regensensor 50 läßt sich den
vorgenannten Ausführungsbeispielen entnehmen. Dieselben
Meßsignale 59 werden über den Ausgang 501 einer
Steuereinrichtung 53 zugeführt, die in bekannter Weise
automatisch in Abhängigkeit der Feuchtigkeitssignale 59 den
Wischermotor 54 ansteuert und den Scheibenwischer 55 betreibt.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der Regensensor 50 zwei
Ausgänge 501, 502 aufweist. Ein Ausgang 502 ist ausreichend,
wenn das Meßsignal 59 der Steuervorrichtung 51 und der
Steuereinrichtung 53 zugeführt wird.
Claims (7)
1. Steuervorrichtung (11, 31) für einen optischen Sensor,
insbesondere einem Regensensor (10, 30) zur vorzugsweisen
Verwendung bei Kraftfahrzeug-Scheibenwischanlagen, der einen
optischen Sender (12, 32), vorzugsweise eine Leuchtdiode,
aufweist
dadurch gekennzeichnet, daß
die Senderleistung in Abhängigkeit eines Meßsignales (19, 39)
des Sensors (10, 30) zwischen voller Leistung und reduzierter
Leistung umschaltbar ist.
2. Steuervorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die reduzierte Senderleistung mit einer
Frequenz von kleiner als 1000 Hz gepulst ist.
3. Steuervorrichtung (11, 31) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reduktionsgrad der Senderleistung durch
Parameter, wie z. B. durch eine Tag/Nacht-Erkennung,
beeinflußbar ist.
4. Steuervorrichtung (11, 31) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß abhängig von dem Meßsignal (19, 39) bei
Trockenheit der Scheibe (t1 < t < t2) erst nach einer
vorgegebenen Zeit (Tv) der Sender (12, 32) mit reduzierter
Senderleistung zu betreiben ist und bei detektierter
Feuchtigkeit (t < t1, t < t2 bzw. t < t3), insbesondere nach
einem ersten Wischvorgang, der Sender (12, 32) mit voller
Leistung zu betreiben ist.
5. Steuervorrichtung (11, 31) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit (Tv) durch die
Steuerung (18, 38) vorgegeben ist oder durch Parameter, wie z. B.
durch eine Tag/Nacht-Erkennung, beeinflußbar ist.
6. Steuervorrichtung (11, 31) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Senderleistung des Senders (12, 32) bei
voller oder reduzierter Leistung mit einer zusätzlichen Frequenz
überlagerbar ist.
7. Scheibenwischersteuervorrichtung (52) mit einen durch eine
Steuereinrichtung (53) gesteuerten Wischermotor (54), der einen
Scheibenwischer (53) antreibt, insbesondere einen
Kraftfahrzeugscheibenwischer, mit einer Steuervorrichtung (11,
31, 51) für einen optischen Sensor, insbesondere für einen
Regensensor (10, 30, 50), dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuervorrichtung (11, 31, 51) nach einem der Ansprüche 1 bis 6
aufgebaut ist.
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