Verfahren zum Betreiben eines Regensensors insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Re- gensensors insbesondere für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Regensensor mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.

In vielen Kraftfahrzeugen werden heutzutage Regensensoren eingesetzt, die eine automatische Steuerung des Scheibenwischers am Kraftfahrzeug ermöglichen. Zu diesem Zweck werden zumeist optische Regensensoren eingesetzt, die im Fahrzeuginnenraum über ein Koppelmedium wie beispielsweise Silikon an die Windschutzscheibe angekoppelt werden. Ein derartiger Regensensor weist dabei eine Sendeeinheit und einen Detektor auf. Die Sendeeinheit leitet einen Lichtstrahl, zumeist über ein Linsensystem in die Scheibe. An der Scheibenoberfläche wird das Licht total reflektiert. Von dort aus wird das Licht über eine weitere Linse oder ein weiteres Linsensystem auf den Detektor geleitet. Je mehr Wasser sich nun auf der Scheibenoberfläche befindet, desto geringer ist die Reflexion und damit auch das vom Detektor gemessene Signal. Damit lässt sich die Menge des auf der Scheibe befindlichen Wassers de- tektieren und die Wischeranlage in Abhängigkeit der detek- tierten Regenmenge automatisch auf eine günstige Stufe der Wischgeschwindigkeit steuern.

üblicherweise weist die Sendeeinheit einige oder mehrere LEDs auf, die mit unterschiedlichen Stromstärken angesteuert werden können, um unterschiedliche Helligkeiten zu erzeugen. Der Detektor ist üblicherweise in seiner Empfindlichkeit variier-

bar, so dass er geeignet, insbesondere auf unterschiedliche Scheibentransmissionen einstellbar ist. Als Licht, das von der Sendeeinheit ausgeht, wird insbesondere Infrarotlicht eingesetzt. Entsprechend wird der Detektor so ausgestaltet, dass er für Infrarotlicht sensitiv ist. Dabei kann das von der Sendeeinheit ausgehende Licht unter Verwendung eines erhöhten LED-Stroms auch gepulst betrieben werden. Ein derartiger Regensensor ist beispielsweise aus der DE 42 17 390 C2 bekannt .

Bei Regensensoren, die auf einer derartig gepulsten Lichtmessung basieren, werden üblicherweise in Abhängigkeit von der Scheibentransmissionen die Sendelichtstärke beziehungsweise die Detektorempfindlichkeit variiert, bis ein günstiger Ar- beitspunkt eingestellt ist. Eine Ansteuerung der Scheibenwischervorrichtung erfolgt nur dann, wenn das Regensignal eine bestimmte Schwelle über- oder unterschreitet. Eine Schwierigkeit besteht bei dieser Vorgehensweise darin, dass der Detektor Licht erfasst, das zum einen Nutzlicht von der Sendeein- heit und zum anderen auch unerwünschte Anteile des jeweiligen Umgebungslichts, das so genanntes Fremdlicht enthält. üblicherweise wird daher beim Detektor der von der Sendeeinheit ausgehende Nutzlichtanteil vom Fremdlichtanteil durch eine geeignet ausgeführte Filtereinrichtung getrennt. Um eine gute Abtrennung des Fremdlichts erreichen zu können, wird die

Nutzlichtmessung mit einer bestimmten Verzögerung nach dem Einschalten des Sendelichts durchgeführt. Die Dauer der Verzögerung wird dabei unter Berücksichtigung der Filterabstimmung und der Ansprechzeit der eingesetzten Operationsverstär- ker ermittelt.

Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Betreiben eines Regensensors insbesondere für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, bei dem ein charakteristisches Merkmal des vom Detektor emp- fangenen Empfangssignals ausgenutzt wird, um die erforderliche Messverzögerung zu ermitteln. Dabei kann eine Messverzö-

gerung ermittelt werden, die für den jeweils individuell verwendeten Regensensor optimiert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein vom Detektor empfangenes Signal das als Funktion der Zeit vorliegt, dazu genutzt um die für den individuellen Regensensor günstige Messverzögerung zu ermitteln.

Signale, die als zeitabhängige Funktion vom Detektor erfasst werden und die einen Scheitelpunkt aufweisen sind dabei be- sonders geeignet. Denn bei solchen Signalen kann die Messverzögerung insbesondere dadurch festgelegt werden, dass die Zeit vom Einschalten des Sendelichts bis zu der Zeit ermittelt wird, zu der die Funktion ihren Scheitelpunkt aufweist. Beispielsweise kann hierzu das als Funktion der Zeit empfan- gene Nutzlichtsignal verwendet werden.

Sofern das Nutzlichtsignal verwendet wird um die erforderliche Messverzögerung zu ermitteln, kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine reduzierte Standardmessverzöge- rung, beginnend mit einem Startwert schrittweise angehoben wird. Gleichzeitig kann der Wert des Nutzlichts überwacht werden. Das heißt, der Wert des Nutzlichts wird am Detektor korrespondierend zu der jeweiligen Messverzögerung ermittelt. Wird dabei ein lokales Maximum des Nutzlichtwertes ermittelt, so ist die für den individuell verwendeten Regensensor erforderliche beziehungsweise optimierte Messverzögerung ermittelt. Damit kann also mittels eines iterativen Verfahrens die für den jeweiligen Regensensor optimale Messverzögerung ermittelt und eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch die jeweils vorhandene Eingangsimpedanz des Detektors berücksichtigt werden, so dass die ermittelte Messverzögerung in Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz modifiziert wird. Da die Eingangsimpedanz indirekt von deren Scheibentransmissionen abhängt, wird diese bei der Ermittlung der Messverzögerung damit ebenfalls berücksichtigt.

Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Messverzögerung automatisch durch den Regensensor selbst ermittelt werden kann. Zum einen kann dies bereits vor Auslieferung des mit dem Regensensor ausgestatteten Fahrzeugs erfolgen. Um allerdings auch Alterungseffekte berücksichtigen zu können ist es auch möglich, die jeweils aktuell erforderliche Messverzögerung beispielsweise im Rahmen eines Referenzwischzyklusses zu ermitteln. Hierzu kann die Messverzögerung im Laufe der Lebensdauer des Regensensors zu fest vorgegebenen Zeitabständen, zyklisch oder auf Aufforderung durch den Nutzer des Fahrzeugs wiederholt werden.

Weiterhin wird ein Regensensor insbesondere für Kraftfahrzeu- ge vorgeschlagen, der eine Sendeeinheit und einen Detektor aufweist. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Trennung eines von der Sendeeinheit ausgehenden Nutzlichts von einem, nicht von der Sendeeinheit stammenden Fremdlicht vorgesehen. Zudem ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe ein charakteristisches Merkmal eines von dem Detektor empfangenen Empfangssignals dazu ausgenutzt werden kann, eine für den jeweiligen Regensensor erforderliche Messverzögerung festzulegen .

Der Regensensor kann auch eine Speichereinrichtung zum Speichern der so festgelegten Messverzögerung aufweisen.

Zur Trennung des Nutzlichts von dem Fremdlicht kann weiterhin vor dem Detektor eine Filtereinrichtung vorgesehen sein, die insbesondere auf bestimmte Grenzfrequenzen abgestimmt ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile. Es zeigen im Einzelnen:

Fig. 1: schematisch einen erfindungsgemäßen Regensensor

Fig. 2: schematisch die Ermittlung der Messverzögerung anhand eines vom Detektor erfassten Eingangssignals

Fig. 3: schematisch den Ablauf einer Initialisierung

Fig. 4: schematisch den Ablauf der Ermittlung der Messverzögerung

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Regensensors. Der Regensensor 10 weist er dabei eine Sendeeinheit 12 sowie einen Detektor 14 auf. Die Sendeeinheit 12 sendet dabei Nutzlicht 18, bevorzugt IR-Licht, in Richtung einer Scheibe 16, bevorzugt über ein nicht dargestelltes Linsensystem, aus. Das Nutzlicht 18 kann dabei als kontinuierli- eher Strahl oder in Form von Lichtpulsen ausgesandt werden.

Auf der Rückseite der Scheibe 20 wird das Nutzlicht 18 infolge von Totalreflexion reflektiert und trifft, gegebenenfalls über ein nicht dargestelltes Linsensystem, auf den Detektor 14. Die Lichtmenge an Nutzlicht 18, die auf den Detektor 14 gelangt, ist von der Benetzung der Scheibe 16 abhängig. Der Detektor kann dabei beispielsweise als Fotodiode ausgeführt sein. Neben dem Nutzlicht 18 fällt auf den Detektor 14 allerdings auch Fremdlicht 20, dass beispielsweise als Umgebungslicht durch die Scheibe 16 auf den Detektor 14 gelangt. In der Regel wird beim Detektor 14 der von der Sendeeinheit 12 ausgehende Nutzlichtanteil durch eine geeignete Filtereinrichtung 22 vom Anteil des Fremdlichts 20 getrennt. Um hierzu eine geeignete Filterung zu erreichen wird die Messung des Nutzlichts mit einer geeigneten Verzögerung nach dem Ein- schalten der Sendeeinheit 12 durchgeführt. Nach dem Stand der Technik wird diese Verzögerung in Abhängigkeit von dem verwendeten Filter 22, dessen Abstimmung und der Ansprechzeit des verwendeten Operationsverstärkers ermittelt. Diese Ermittlung kann beispielsweise in einer Auswerteeinheit 24 durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß wird die Ermittlung der erforderlichen Messverzögerung nun dadurch durchgeführt, dass ein charakteristisches Merkmal eines vom Detektor 14 empfangenen Signals ausgenutzt wird, um die erforderliche, idealerweise optimale Messverzögerung zu ermitteln.

üblicherweise weist die Sendeeinheit 12 einen oder mehrere LEDs auf, die stromgesteuert in unterschiedlicher Helligkeit betrieben werden können. Die Empfindlichkeit des Detektors 14 muss an die jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere an die

Transmission der Scheibe 16 angepasst werden, so dass ein optimaler Arbeitspunkt eingestellt werden kann.

In Figur 2 ist schematisch die Einstellung der Messverzöge- rung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die gesamte

Messverzögerung 26 setzt sich dabei aus einer Kombination der Ansprechverzögerung TOl des Operationsverstärkers und eine Messverzögerung durch die Filtereigenschaften TF zusammen. Das vom Detektor 14 gemessene Licht ist proportional zu einer Spannung U, die als Funktion der Zeit N(t) dargestellt ist. Zum Zeitpunkt Tl wird über ein Steuersignal S die Sendeeinheit 12 eingeschaltet. Nach der Anprechverzögerung TOl eines verwendeten Operationsverstärkers, die typischerweise zwischen 200 ns und 12 μs liegt, beginnt das Messsignal N anzu- steigen, bis es ein Maximum erreicht hat. Zum Zeitpunkt T2 wird das Steuersignal S wieder abgeschaltet und das Messsignal N(t) fällt steil ab. Der optimale Messzeitpunkt TN in Bezug auf das Messsignal N ist nun der, zudem das Messsignal N (t) ein Maximum Pl aufweist.

Die Messverzögerung 26 mit der nach dem Einschalten des Steuersignals S gemessen werden muss wird allerdings von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Als ein wesentlicher Faktor sind dabei Toleranzen in den Bauteilen der Fremdlichtfilter zu nennen. Denn der im Detektor verwendete Fremdlichtfilter wird auf ganz bestimmte Grenzefrequenzen abgestimmt. Bei der Auslegung dieses Filters geht man von Nominalwerten der ver-

wendeten Bauteile aus. Außerdem können variierende Ansprechzeiten des verwendeten Operationsverstärkers sowie gegebenenfalls die Eingangsimpedanz des Detektors den optimalen Messzeitpunkt beeinflussen. Diese Faktoren können zu einem so ge- nannten Verschleifen des Messsignals bei der Adaption an dunkle Scheiben führen und eine Messung der Regenmenge verfälschen .

Verändert sich nun, wie in Figur 2 dargestellt, die Ansprech- zeit des Operationsverstärkers zu TO2, so führt dies dazu, dass das Nutzersignal N(t) zwar zum Zeitpunkt TN, jedoch im Punkt P2 gemessen wird, der aber noch auf der ansteigenden Flanke des Nutztsignals N(t) liegt. Wird somit in Folge der beschriebenen Tolleranzen der verwendeten Bauteile oder auf Grund variierender Ansprechzeiten des verwendeten Operationsverstärkers die Messung zu früh durchgeführt, kann dies zu einem Verlust in der Empfindlichkeit des Regensensors führen, Daraus ist zu erkennen, dass es wichtig ist, den Messzeitpunkt bei jedem Regensensor individuell in Abhängigkeit von den eingesetzten Bauelementen und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ansprechzeitverzögern des verwendeten Operationsverstärkers festzulegen.

Erfindungsgemäß wird die Messverzögerung nun nicht mehr an- hand der bekannten Nominalwerte festgelegt, sondern anhand eines charakteristischen Merkmals des mit dem Detektor gemessenen Signals. Dabei eignet sich insbesondere der zeitliche Verlauf des Signals, wobei die optimale Messverzögerung dem Scheitelpunkt eines Nutzlichtsignals entspricht. Vorteilhaft- erweise wird dieser Zeitpunkt vor dem erstmaligen Benutzen des Regensensors ermittelt und die daraus resultierende Messverzögerung für den Regensensor abgespeichert und bei zukünftigen Messungen zugrunde gelegt.

In Figur 3 ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach dem Ankoppeln des Regensensors an die Windschutzscheibe kann eine Initialisierung 28 durch

die Einstellung eines Arbeitspunktes und die erstmalige Einstellung einer Messverzögerung durchgeführt werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung der Initialisierung 28 ist, dass definierte Umgebungsbedingungen vorliegen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Scheibe, an der der Regensensor 10 angekoppelt ist, trocken ist und während der Initialisierung nicht benetzt wird. Die Initialisierung kann in vorteilhafter Weise bereits am Ende der Herstellung des Kraftfahrzeugs im so genannten Bandendetest oder bei der Parametrisierung des Sensors im Kraftfahrzeug beim Kunden durchgeführt werden.

Zur Durchführung der Initialisierung wird im Schritt 30 zunächst eine für den Regensensor 10 geltende Standardmessver- zögerung für die Nutzlichtmessung eingestellt. Anschließend wird die Sendeeinheit 12 mit einer Standardstromstärke bestromt und im Detektor 14 mit einer Standardempfindlichkeit im Schritt 36 geprüft, ob ein Nutzlichtwert vorliegt, der in einem festgelegten gültigen Bereich liegt. Ist dies nicht der Fall, so können im Stromvariations-Schritt 32 und im Empfind- lichkeitsvariations-Schritt 34 der Strom der Sendeeinheit 12 und die Empfindlichkeit des Detektors 14 so lange variiert werden, bis eine Kombination von Strom und Empfindlichkeit gefunden ist, bei der sich ein Nutzlichtwert im gültigen Be- reich ergibt. Damit ist die Initialisierung 28 abgeschlossen, ein Arbeitspunkt 38 und damit die Werte für die Bestromung der Sendeeinheit 12 und die Empfindlichkeit des Detektors 14 sind festgelegt.

Die weitere Vorgehensweise zum Festlegen der Messverzögerung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Ausgehend von dem in der Initialisierung 28 festgelegtem Arbeitspunkt 38 wird nun im Schritt 40 die Messverzögerung zwischen der Aktivierung der Sendeeinheit 12 und der Aktivierung des Detektors 14 auf einen Wert eingestellt, der kleiner als der Standardwert der Messverzögerung ist. Der Betrag der prozentualen Reduzierung orientiert sich dabei an den theoretisch auftretenden ToIe-

ranzen der im Fremdlichtfilter 22 verwendeten Bauelemente sowie an der nominalen Ansprechzeit des verwendeten Operationsverstärkers, wobei zusätzlich eine geeignet große Toleranz berücksichtigt wird. Damit kann der Betrag der Reduzierung insbesondere in einem Bereich zwischen 30% und 70% des Standardwertes liegen und beispielsweise 50% des Standardwertes betragen. Mit dieser reduzierten Messverzögerung wird dann im Schritt 42 zur Ermittlung eines Nutzlichtwerts eine Nutzlichtmessung durchgeführt. Der Nutzlichtwert kann anschlie- ßend im Schritt 44 gespeichert oder zumindest in einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher zwischengespeichert werden. Anschließend werden weitere Messungen des Nutzlichtwertes durchgeführt, wobei bei jeder Messung die reduzierte Messverzögerung um einen geeigneten Betrag verlängert wird. Abhängig von den Bauteiltoleranzen und dem verwendeten Operationsverstärker steigen die Nutzlichtwerte bis zu einem Scheitelpunkt an. Die Lage des Scheitelpunkts kennzeichnet dann die für diesen Regensensor optimierte Messverzögerung.

Im Schritt 46 wird daher der Wert der reduzierten Messverzögerung um eine vorgegebene Zeit, beispielsweise um 1 μs erhöht und dann im Schritt 48 eine Nutzlichtmessung mit der neuen, verlängerten Messverzögerung durchgeführt. Im Vergleichsschritt 50 wird geprüft, ob der hierbei aktuell be- stimmte Nutzlichtwert kleiner ist als der zuvor ermittelte

Nutzlichtwert. Ist dies der Fall, so ist die optimierte Messverzögerung mit dem zuvor ermittelten Nutzlichtwert ermittelt. Die so ermittelte Messverzögerung kann im Schritt 56 beispielsweise in einem EEPROM abgespeichert und bei allen weitern Messungen mit dem Regensensor 10 berücksichtigt werden .

Wird im Vergleich 50 ermittelt, dass der aktuell ermittelte Nutzlichtwert nicht kleiner ist als der zuvor ermittelte Nutzlichtwert, so ist der Scheitelpunkt Pl noch nicht erreicht. Die Schleife kann demnach grundsätzlich unter erneuter Erhöhung der reduzierten Messverzögerung nochmals ausge-

führt werden. Davor kann allerdings hier ein Hardware- Prüfungsschritt 52 vorgesehen werden, mit dem festgestellt wird, ob ein Hardwarefehler vorliegt. Dabei ist ein Fehler insbesondere dann anzunehmen, wenn die iterativ erhöhte redu- zierte Messverzögerung einen festgelegten Maximalwert überschritten hat, der deutlich größer ist, als die für diesen Sensor festgelegte Standardmessverzögerung. Dieser Maximalwert kann beispielsweise auf einem Wert von mehr als 130% der Standardmessverzögerung, insbesondere auf 150% der Standard- messverzögerung festgelegt werden. Denn beim Erreichen des festgelegten Maximalwertes entspricht die Signalform am Ausgang des Operationsverstärkers nicht den Vorgaben, so dass ein Hardware-Fehler vorliegt. In diesem Fall wird die Ermittlung der optimalen Messverzögerung abgebrochen und im Schritt 54 ein Fehler gemeldet oder in einem Fehlerprotokoll abgespeichert. Wird im Schritt 52 kein Hardware-Fehler erkannt, so wird das Verfahren wie bereits beschrieben iterativ fortgesetzt, bis die optimale Messverzögerung gefunden ist.

Die Ermittlung der Messverzögerung 26 wurde zwar anhand eines iterativen Verfahrens beschrieben, jedoch sind auch andere Verfahren zur Auswertung der Messkurve N(t), insbesondere Verfahren zur Ermittlung eines Scheitelpunktes verwendbar. Beispielsweise kann durch Bildung der Ableitung der Funktion N(t) nach der Zeit ein Scheitelpunkt dadurch gefunden werden kann, dass die Ableitung gleich Null gesetzt wird, so dass sich der Scheitel mit der Bedingung = 0 ergibt. dt

Bei der Ermittlung der Messverzögerung 26 kann weiterhin auch die jeweils anliegende Eingangsimpedanz des Detektors 14 berücksichtigt werden. Die Eingangsimpedanz ist indirekt abhängig von der Scheibentransmission, so dass damit letztendlich auch die Scheibentransmission berücksichtigt werden kann.

Mit dem beschrieben Verfahren kann die erforderliche beziehungsweise die optimale Messverzögerung 26 durch den Sensor selbst ermittelt werden. Dies kann bereits im Verlauf des

Bandendetests im Werk durchgeführt werden. Dabei kann der Vorgang beispielsweise über die Busschnittstelle durch das Programm im jeweiligen Prüftürm angetriggert werden.

Sofern die Ermittlung der Messzeitverzögerung im Laufe der

Lebensdauer eines Senders wiederholt, beispielsweise zyklisch wiederholt wird, können damit Alterungseffekte etwa an den Bauteilen des Regensensors 10 oder der Umgebung, wie der Windschutzscheibe, ausgeglichen werden. Hierzu ist es erfor- derlich, wiederum die geforderte definierten Umgebungsbedingungen zu schaffen. Daher wird die Wiederholung bevorzugt während eines Referenzwischzyklusses durchgeführt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Regensensor 1 können somit auch geänderte Ansprechzeiten des Operationsverstärkers ausgeglichen werden, die beispielsweise durch Alterung oder Austausch herbeigeführt werden. Außerdem können preiswerte Operationsverstärker eingesetzt werden, die eine längere Ansprechzeit haben. In keinem dieser Fälle ist eine Anpassung der Sensorsoftware selbst erforderlich.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass mit dem Verfahren auch die stets vorhandenen Schwankungen der Ansprechzeit der Operationsverstärker innerhalb einer Herstellungscharge kompensiert werden können. Dies gilt auch für Toleranzschwankungen und

Drifterscheinungen sowie Verletzungen der Spezifikation, die schon bei der Bandendkontrolle im Werk erkannt werden. Fehlerhafte Regensensoren können so leicht und zu einem frühen Zeitpunkt aussortiert werden.