Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundscheibe mit einem elektrisch steuerbaren Funktionselement, insbesondere mit einem elektrolumineszierenden Leuchtelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Unter Verbundscheibe wird hier eine Einheit aus einer starren Scheibe und dem in sich aus mehreren Schichten bestehenden, mit der starren Scheibe verbundenen bzw. auf diese auflaminierten Funktionselement verstanden. Als Funktionselement im Sinne dieser Beschreibung werden flächige Elemente wie elektrolumineszierende Leuchtelemente oder auch Scheibenelemente mit elektrisch steuerbarer Lichttransmission verstanden. Es sind also optische Eigenschaften des jeweiligen Funktionselements, die elektrisch steuerbar sind.

Es ist nicht zwingend erforderlich, das Funktionselement zwischen zwei starren Scheiben einer Verbundscheibe einzubetten, aber man wird diese Anordnung im Hinblick auf eine ggf. (bei Elektrolumineszenz-Leuchtelementen) recht hohe Speisespannung aus Sicherheitsgründen vorziehen. Die Einbettung in einen Scheibenverbund sichert das Funktionselement ferner gegen mechanische Einwirkungen sowie gegen Eindringen von Feuchte und Verschmutzungen.

Das Material der starren Scheiben selbst ist grundsätzlich frei wählbar; es können Kunststoffscheiben und Glasscheiben gleichermaßen verwendet werden. Auch Mischverbünde aus Glas- und Kunststoffscheiben sind bekanntlich industriell herstellbar.

Aus EP 0 267 331 A1 ist eine Verbundscheibe für Fahrzeuge mit einem in die Verbund-Klebeschicht eingebetteten Zeichen bekannt, das durch ein Elektrolumineszenz-(„EL-") Leuchtelement dargestellt oder hinterleuchtbar ist. Die erforderlichen elektrischen Zuleitungen sind praktisch unsichtbar durch transparente Leiterbahnen oder -schichten innerhalb des Verbundes dargestellt. Nach Einschalten der Speisespannung scheint das Leuchtzeichen ohne sichtbare Zuleitungen in der Scheibe zu schweben. Das genannte Dokument offenbart zwei unterschiedliche Bauarten der Leuchtelemente. Bei der ersten sind beide spannungsführenden Elektroden auf demselben Substrat vorgesehen und werden vom Leuchtelement überbrückt, das seinerseits eine Brückenelektrode umfasst. Elektrisch betrachtet sind damit zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten gebildet. In der zweiten Bauart ist auf beiden Innenoberflächen der Verbundscheibe jeweils eine der beiden Elektroden als transparente Dünnschicht aufgebracht und ist zwischen ihnen das Leuchtelement angeordnet. Es wird dort auch als Option beschrieben, dass mittels einer opaken Beschichtung der Austritt von Licht durch eine der Scheiben verhindert werden kann.

In der älteren deutschen Patentanmeldung DE 101 26 868 A1 ist eine Scheibe mit einer opaken, gerasterten Beschichtung beschrieben, in der zumindest in einem Teil der opaken Flächenanteile mindestens ein flächiges mehrschichtiges EL-Leuchtelement mit einer transparenten Elektrode vorgesehen ist, das nach Anlegen einer elektrischen Speisespannung Licht auf der Seite der transparenten Elektrode von einer der Flächenseiten der Scheibe abstrahlt. Eine solche Verbundscheibe kann z. B. als Glasdach in einem Fahrzeug verwendet werden, das bei Dunkelheit den Fahrgastraum als Innenleuchte flächig ausleuchtet.

Für die meisten Einsatzgebiete der Verbundscheiben ist eine praktisch konstante Leuchtfarbe des EL-Leuchtelements erwünscht. Im Betrieb solcher großflächiger, anorganischer Dickschicht- EL-Leuchtelemente zumal in Kraftfahrzeugen zeigt sich jedoch, dass bei Temperaturschwankungen Unterschiede in der emittierten Farbe auftreten. So wird ein EL-Leuchtelement bei –20°C mit einer deutlich anderen Farbe als bei +80°C leuchten, wobei diese Temperaturwerte im Betrieb eines Kraftfahrzeugs durchaus realistisch sind. Eine bestimmte Leuchtfarbe, die z. B. farblich zur Einbauumgebung passt, lässt sich nur für einen gewissen begrenzten Temperaturbereich einstellen.

In der vorstehend genannten Literatur wird das Problem nicht diskutiert. Zwar entwickeln diese Leuchtelemente während des Betriebs eine gewisse Eigenwärme aufgrund von Verlustleistungen; die aber praktisch vernachlässigbar ist.

Versuche, die Leuchtfarbe durch eine Nachführung der Frequenz der Speisespannung auszugleichen, führen zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer des EL-Leuchtelements.

Man kann zwar mithilfe eines Temperatursensors das Einschalten des EL-Leuchtelements bei tiefen Temperaturen ganz verhindern. Damit werden auch negative Auswirkungen des Tieftemperatur-Betriebs auf die Lebensdauer des EL-Leuchtelements vermieden.

Die grundsätzlichen Prinzipien der Elektrolumineszenz sind seit langem bekannt. Eine ausführliche Dokumentation dieser Technologie nebst Anwendungsbeispielen, Materialbeschreibungen und erzeugbaren Lichtfarben steht unter der Internet-Adresse „http://www.dupont.com/mcm/luxprint/about.html" (Stand: Dezember 2001) zur Verfügung, so dass auf Einzelheiten hier nur kurz eingegangen werden muss.

Man erzeugt aus zwei leitfähigen Schichten, von denen mindestens eine transparent ist/Licht durchlässt, einen Kondensator. Auf der transparenten Elektrode bringt man in den Kondensator eine (undurchsichtige) Schicht mit Leuchtpigmenten und eine (dieelektrische) Isolierschicht ein. Legt man an die beiden Elektroden dieses Elements eine Wechselspannung (üblich sind 100 V ~), so regt diese in den Leuchtpigmenten Ströme an, die ihrerseits über Streuprozesse Licht erzeugen, das durch die transparente Elektrode austritt.

Die Elektroden-Schichten sowie die Elektrolumineszenzschicht selbst und die dieelektrische Schicht können durch Dickschicht-Siebdrucken auf geeignete Substrate wie Glas, PET-Folien aufgebracht werden. Man erzielt mit diesem bekannten Effekt flächige Leuchteffekte, die zu mannigfachen Zwecken (Beleuchtung, Logos, Signalleuchten) nutzbar sind, wenn man die relativ geringe Lichtdichte und die durch die verwendbaren Materialien eingeschränkte Farbenwahl hinnimmt. Ferner sind die Elektrolumineszenz-Elemente (im folgenden Leuchtelemente) selbst nicht durchsichtig, so dass eine damit versehene Fläche kein (Tages-)Licht durchlässt.

Es sind ferner elektrisch steuerbare Scheibenelemente bekannt, die auf Flüssigkristall-Basis arbeiten und deren Lichttransmission durch Anlegen einer Spannung veränderbar ist. Auch diese Elemente können bei extremen Temperaturen unerwünschte Veränderungen des momentanen Transmissionsgrades zeigen. So kann ein solches Scheibenelement im ausgeschalteten Zustand, in dem es eigentlich undurchsichtig bleiben soll, bei Temperaturen kleiner –5°C von selbst transparent werden.

Es ist aus mannigfachen Beschreibungen bekannt, dass transparente leitfähige metallische oder dotierte Oxid-Dünnschichten als Flächenheizung von Scheiben verwendbar sind. Es ist dazu erforderlich, über geeignete Einspeisungen bzw. Elektroden einen Strom über die Erstreckung der Schicht zu führen, die sich infolge ihres ohmschen Widerstands erwärmt. Solche Schichten sind in aller Regel Teil eines aus mehreren dünnen Schichten bestehenden, zumeist für sichtbares Licht transparenten Schichtsystems, das auch wärmedämmende bzw. -reflektierende Eigenschaften haben kann.

Es sind auch selbsttätig arbeitende Steuerungen mit Sensoren bekannt, mit denen eine (Fahrzeug-)Scheibe selbsttätig beheizt wird, um z. B. Beschlag auf der Innenfläche dieser Scheibe zu entfernen.

DE 198 10 329 A1 beschreibt eine Glastastatur, die mit einer Elektrolumineszenzmatrix kombiniert sein kann. Diese Tastatur umfasst zwei Glasscheiben, davon eine Dünnglasscheibe als Tastaturelement. Auf der von der Dünnglasscheibe abgewandten Flächenseite der dickeren Glasscheibe kann eine elektrische Heizschicht angeordnet sein, die mit dem Leuchtelement nur thermisch gekoppelt ist.

DE 29 34 503 A1 und DE 101 02 394 A1 beschreiben jeweils mit elektrisch beheizbaren Schichten kombinierte Flüssigkristall-Anzeigeelemente, wobei jedoch die beheizbaren Schichten und die eigentlichen Elektroden der Anzeigeelemente elektrisch und physisch streng voneinander getrennt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, temperaturabhängige Schwankungen der Eigenschaften eines an oder in einer Verbundscheibe angeordneten elektrisch steuerbaren Funktionselements mit möglichst geringem Bauaufwand zu verringern. Es soll auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Funktionselements angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verbundscheibe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der daran anschließenden Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegenstands an. Der nebengeordnete Anspruch 11 gibt ein Verfahren zum Betreiben eines einer Verbundscheibe zugeordneten Funktionselements an.

Demnach wird dem Funktionselement eine flächig beheizbare Schicht (Heizschicht) zugeordnet, welche es ermöglicht, jedenfalls bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Temperatur des Funktionselements in den Bereich hinein zu erhöhen, für den dessen optische Eigenschaften, z. B. der Farbton des emittierten Lichts, ausgelegt wurden. Erfindungsgemäß wird zum fallweisen Beheizen eine der für das Funktionselement ohnehin vorzusehenden Elektrodenschichten verwendet. Die elektrische Versorgung der Heizfunktion kann mit einer Gleichspannung sichergestellt werden, die an zwei Elektroden beidseits des Funktionselements angelegt wird. Zur gleichmäßigen Einkopplung des Spannungspotentials in die transparente Elektrode (ITO-Schicht) ist eine breite Leiterbahn ohnehin erforderlich. Folglich ist nur eine zusätzliche Elektrode notwendig, wobei deren Anordnung abhängig von der gewählten Heizspannung zu wählen ist. Damit bei geringen Versorgungsspannungen (z. B. 12 V Gleichspannung) genügend Heizleistung erreicht wird, sollte der Abstand der Busbars gering sein.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Energie- bzw. Stromzufuhr zu der Heizschicht mithilfe eines Temperatursensors selbsttätig gesteuert. Bei unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegendem Messwert des Temperatursensors wird die Heizung für das Funktionselement so lange eingeschaltet, bis die erfasste Temperatur im gewünschten oder festgelegten Bereich liegt.

Man kann mit einer Messung der Umgebungs- bzw. Außentemperatur arbeiten, oder auch die Innenraumtemperatur eines Fahrzeugs als Messgröße verwenden. In bevorzugter Weise wird man den Temperatursensor jedoch möglichst nahe an dem Funktionselement anordnen, z. B. diesen in die Verbundscheibe zu integrieren, um ein möglichst feinfühliges Ansprechen der Temperatursteuerung auf die tatsächliche Temperatur des Funktionselements zu erreichen.

Der zwischen den beiden Elektroden fließende Strom sorgt für eine Erwärmung der Schicht und des damit flächig verbundenen Funktionselements; er beeinträchtigt jedoch nicht die elektrische (Wechselspannungs-)Versorgung des Funktionselements selbst.

Es ist dabei grundsätzlich unerheblich, ob das Funktionselement unmittelbar auf einer Fläche einer starren Scheibe aufgebracht bzw. -gedruckt wird, oder ob es auf einem gesonderten Trägersubstrat wie z. B. auf einer PET-Folie hergestellt wird, die später in geeigneter Weise mit der starren Scheibe verbunden bzw. in einen Verbund einlaminiert wird. In beiden Konfigurationen kann die Heizschicht entweder zwischen der starren Scheibe bzw. der Trägerfolie und dem Funktionselement oder auf der von der Scheibe oder Trägerfolie abgewandten Seite des Funktionselements angeordnet werden.

Über den positiven Einfluss auf die Eigenschaften des Funktionselements, insbesondere über die bessere Farbkonstanz eines EL-Leuchtelements, hinaus kann diese Heizschicht auch den Wärmekomfort in einem Fahrzeug erhöhen, gerade wenn die Verbundscheibe im Dachbereich angeordnet wird.

Wahlfrei ist auch das Verhältnis zwischen der Fläche des Funktionselements und der insgesamten Fläche der Scheibe. Man kann bei Bedarf mehrere Funktions- oder Leuchtelemente mit ggf. unterschiedlichen Farben und Formen nebeneinander anordnen.

Schließlich kann es für bestimmte Anwendungsfälle auch interessant sein, Licht von einem oder mehreren Elektrolumineszenz-Leuchtelementen auf beiden Flächenseiten der Scheibe abzustrahlen. Dann kann man auf eine gesonderte opake Beschichtung verzichten, weil die Elektrolumineszenz-Schichten selbst kein sichtbares Licht durchlassen. Grundsätzlich kann man auch mehrere solche Elektrolumineszenz-Leuchtelemente ggf. mit einander entgegen gesetzten Orientierungen übereinander „stapeln", wobei ggf. eine gemeinsame Zwischenelektrode genutzt werden kann. Diese Zwischenelektrode kann gemäß der Erfindung wiederum auch als Heizschicht dienen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor. Die Beschreibung wird anhand eines EL-Leuchtelements fortgesetzt, ohne jedoch deshalb andere Funktionselemente von der Anwendung ausschließen zu wollen.

Die einzige Figur zeigt in vereinfachter Darstellung eine Ansicht einer Scheibe mit einem EL-Leuchtelement und einer elektrisch beheizbaren Beschichtung.

Eine starre Scheibe 1 trägt ein EL-Leuchtelement 2, das sich nahezu über den gesamten Flächenbereich der Scheibe 1 erstreckt, jedoch einen umlaufenden Randbereich 3 der Scheibe frei lässt. Mit einer gestrichelten Linie 4 ist die Begrenzung eines äußeren Randstreifens der Scheibenfläche bezeichnet, welcher von einer opaken Farbschicht bedeckt sein kann, die als Sichtschutz dient. Natürlich kann sich diese Begrenzung auch in dem vom EL-Leuchtelement 2 überdeckten Flächenbereich der Scheibe 1 befinden; sie ist hier nur der Sichtbarkeit halber außerhalb dieses Flächenbereichs dargestellt.

Dem EL-Leuchtelement 2 ist eine elektrisch leitfähige, vorzugsweise transparente Schicht 5 unterlegt, die sich über die gesamte Fläche der Scheibe 1 erstreckt und auch den opak belegten Randstreifen überdeckt. Man wird -in an sich bekannter Weise- auch diese Schicht 5 einen geringfügigen Abstand von wenigen Millimetern vom Scheibenrand einhalten lassen, um Korrosion zu vermeiden. Die Schicht 5 ist in der Regel eine Teilschicht eines Mehrfach-Schichtsystems, dessen Farb- und Reflexionseigenschaften durch gezielte Definition der Dicken und Stoffe der Einzelschichten in weiten Grenzen nach Bedarf einstellbar sind. Für die hier beschriebene Funktion kommt es aber wesentlich nur auf die elektrische Leitfähigkeit und Beheizbarkeit wenigstens einer der Einzelschichten an. Die Schicht 5 kann z. B. aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) bestehen, aber auch aus einem Metall, z. B. Silber.

Diese Schicht 5 bildet eine der Flächenelektroden des insgesamt wie ein Kondensator aufgebauten EL-Leuchtelements 2, vorzugsweise die Masseelektrode. Wenn dessen Licht durch diese Elektrode hindurch abgestrahlt werden soll, muss sie natürlich für sichtbares Licht transparent sein. Die anderseitige Stromversorgung (Wechselspannung) des EL-Leuchtelements 2 ist mit einem Anschluss 6 angedeutet, der gegen die Schicht 5 isoliert und in nicht näher gezeigter Weise mit der zweiten Flächenelektrode des EL-Leuchtelements 2 verbunden ist. Der Anschluss 6 wird in nicht dargestellter Weise mit einer weiteren Flächenelektrode auf der hier oben liegenden Seite des EL-Leuchtelements 2 verbunden.

Zwei weitere Anschlüsse 7 und 8 dienen zum Zuführen einer Speisespannung (Gleichspannung) zu der Schicht 5. Sämtliche Anschlüsse sind in einem Eckbereich der Scheibe 1 angeordnet. Die Anschlüsse 7 und 8 sind mit Leiterbahnen 7' und 8' elektrisch verbunden. Die Leiterbahn 7' erstreckt sich ausgehend von der Scheibenecke entlang der (in der Darstellung) oberen langen Seitenkante bis in die Nähe der nächsten Scheibenecke. Die Leiterbahn 8' erstreckt sich zunächst entlang einer kurzen Seitenkante der Scheibe 1, beschreibt einen engen Bogen entlang der Scheibenecke und erstreckt sich dann entlang der unteren langen Seitenkante ebenfalls bis in die Nähe der nächsten Ecke.

Die Leiterbahnen 7' und 8' (bei konventionellen Scheibenheizungen werden sie auch als Sammelschienen bezeichnet) können in Form von dünnen Metall-Folienbändern hergestellt werden, die in geeigneter Weise auf der Scheibe befestigt sind. Man kann sie aber auch auf eine starre Scheibe durch Siebdrucken einer leitfähigen Druckpaste aufbringen und anschließend -z. B. beim Biegen oder/und Vorspannen einer Glasscheibe- einbrennen. In jedem Fall sind sie großflächig mit der elektrisch leitfähigen Schicht 5 galvanisch verbunden, wobei sie über oder unter der Schicht 5 liegen können. Bei Bedarf könnte die Schicht sogar zwischen zwei nacheinander (eine vor dem Aufbringen der Schicht, eine danach) aufgebrachten Leiterbahnen eingeschlossen sein. Ferner sind die Leiterbahnen 7' und 8' so angeordnet, dass sie zwischen sich die von dem EL-Leuchtelement 2 überdeckte Fläche der Schicht 5 einschließen. Auch sind sie optisch kaschiert im opak belegten Randbereich der Scheibe 1 verlegt. Natürlich kann auch von der hier sichtbaren Seite der Scheibe her eine weitere optische Kaschierung vorgesehen werden.

Mithilfe einer in die Schicht 5 parallel zu der kurzen Seitenkante eingebrachten Trennlinie 9 ist die Leiterbahn 8' von dem Restfeld der Schicht hochohmig getrennt. Diese Maßnahme wird erforderlich, weil bzw. wenn die beiden Anschlüsse 7 und 8 relativ dicht nebeneinander liegen. Zwar wird dadurch ihre elektrische Kontaktierung nach außen vereinfacht (z. B. kann eine gemeinsame Mehrfach-Steck- oder Lötverbindung verwendet werden), jedoch würde ohne die Trennlinie 9 der Heizstrom auf dem kürzesten Weg, also praktisch direkt zwischen den Anschlüssen 7 und 8 durch die Schicht 5 fließen.

Bei Bedarf wird man solche Trennlinien auch zur elektrischen Isolierung des Anschlusses 6 gegenüber der Schicht 5 in dem Bereich vorsehen, in dem er die Schicht 5 überdeckt. Eine mögliche Ausführung mit zwei Trennlinien beidseits des Anschlusses ist in der Figur strichpunktiert angedeutet.

Die hier gezeigte Konfiguration von Anschlüssen und Leiterbahnen stellt sicher, dass bei Anlegen einer Gleichspannung an die Anschlüsse 7 und 8 und die beiden (in der Darstellung) horizontal verlaufenden Abschnitte der Leiterbahnen 7' und 8' ein gleichmäßig über die Fläche der leitfähigen Schicht 5 verteilter Strom fließt. Die Schicht 5 dient dabei als Masseelektrode des EL-Leuchtelements 2. Eine der Leiterbahnen 7' oder 8' bildet die gemeinsame Aufnahme des abfließenden Stroms sowohl für das EL-Leuchtelement 2 als auch für die Schichtheizung.

Der elektrische Widerstand der Schicht (übliche Flächenwiderstände solcher Schichten liegen zwischen 2 und 4 &OHgr;/Quadrat) führt bei Stromfluss zu einer Erwärmung. Die erzeugte Heizleistung wird zum gezielten Einstellen der Temperatur des EL-Leuchtelements 2 genutzt. Hierfür ist eine Temperatursteuerung 10 vorgesehen, die mit (mindestens) einem Temperaturfühler 11 (z. B. ein flach bauendes PTC-Element) unmittelbar in oder an der Verbundscheibe 1 die Isttemperatur des EL-Leuchtelements 2 erfasst. Sie ist Teil einer nur schematisch angedeuteten Zentralsteuerung 12, die ihrerseits mit einer Stromversorgung für Leistungs- und Mess-/Steuerströme verbunden ist und sämtliche elektrischen Funktionen der Scheibe 1, insbesondere auch die elektrische Versorgung des EL-Leuchtelements 2, beherrscht. Sollte es sich um eine elektrisch bewegliche (Dach-)Scheibe in einem Fahrzeug handeln, so kann die Zentralsteuerung auch deren Positionssteuerung umfassen. Die Temperatursteuerung 10 umfasst jedenfalls die Bau- und Schaltelemente, die zum Einregeln einer Solltemperatur im Bereich des Temperaturfühlers 11 erforderlich sind. Sie wird insbesondere selbsttätig die notwendige Speisespannung an die Anschlüsse 7 und 8 anlegen, wenn der Temperaturfühler eine Isttemperatur unterhalb eines vorbestimmten Wertes signalisiert, und die Speisespannung bei Erreichen einer vorbestimmten Solltemperatur wieder ausschalten.

Dies kann ggf. auch im Ruhezustand eines Fahrzeugs geschehen, wenn unerwünschtes Durchsichtigwerden eines Scheibenelements mit elektrisch steuerbarer Lichttransmission verhindert werden soll.

Selbstverständlich wird durch Begrenzung der Heizleistung bzw. der höchsterreichbaren Temperatur jegliche thermische Schädigung des EL-Leuchtelements 2 durch die Beheizung ausgeschlossen. Selbst wenn die Beheizung der Scheibe 1 mittels der Schicht 5 noch anderweitig, insbesondere von Hand, einschaltbar sein sollte, so kann mithilfe des Temperaturfühlers 11 jegliche zusätzliche Beheizung unterbunden werden, wenn eine weitere Wärmezufuhr in ohnehin heißer Umgebung eine thermische Schädigung des EL-Leuchtelements 2 befürchten ließe.

Schließlich kann die Temperatur- bzw. Zentralsteuerung so gestaltet werden, dass das EL-Leuchtelement 2 nur dann einschaltbar ist, wenn die Temperatur sich innerhalb eines für dessen Betrieb unbedenklichen Bereichs befindet. Das bedeutet, dass dessen Betrieb z. B. auch bei extremen Umgebungstemperaturen verhindert werden könnte.