DE4217559A1 - Vorrichtung zur Sauberhaltung der exponierten Fläche eines optischen Abbildungssystems oder Radarsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauberhaltung der exponierten Fläche eines optischen Abbildungssystems oder Radarsystems und zwar insbesondere von an Fahrzeugen angebrachten Abbildungssystemen.

An Fahrzeugen aller Art (Pkw′s, Lkw′s, Traktoren, Sonder­ fahrzeugen, einspurigen Fahrzeugen usw.) sind eine Reihe optischer Systeme mit exponierten Flächen angebracht. Hierzu gehören Scheinwerfergläser, Spiegel, Scheiben und seit einiger Zeit auch Radarsysteme oder Kameras für sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung. Für die Verkehrssicherheit ist entscheidend, daß die optische Funktion dieser Systeme gewährleistet bleibt. Da Fahrzeuge Straßenschmutz, Ölnebel, Sprühnebel, Schnee, Eis, Regen, Kraftstoffniederschlägen, Ruß usw. ausgesetzt sind, besteht das Problem, daß die exponierten Flächen der optischen Systeme möglichst auch gerade während der Fahrt saubergehalten werden müssen und eine gelegentliche Reinigung nicht ausreicht.

Neben Abbildungssystemen an Fahrzeugen besteht diese Pro­ blematik auch z. B. bei industriell in verschmutzter Atmo­ sphäre eingesetzten optischen Überwachungssystemen. Auch hier ist eine dauerhafte Selbstreinigung der exponierten Oberfläche wünschenswert.

Es wurde zwar bereits in Betracht gezogen, Pkw-Außenrück­ spiegel mittels eines Ultraschallsystems von Regentropfen zu befreien, jedoch sind bekannte und preiswerte Ultraschallan­ regungssysteme, die man auf der Spiegelrückseite an beliebi­ gen geeigneten Stellen anbringen kann, im Fall von optischen Systemen mit für Strahlung durchlässigen Elementen, d. h. Objektiven, praktisch nicht einsetzbar. Abgesehen von diesem Aspekt, ist es schwierig, einen zu Schwingungen angeregten nassen Spiegel nebelfrei zu halten und die Bewegungsamplitu­ den auf Werte einzuschränken, bei denen die Beanspruchung des Spiegels gering genug bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, das Abbildungsfeld beliebiger exponierter optischer Abbildungssysteme und Radarsysteme sauberzuhalten.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird entweder die exponierte Oberfläche z. B. in Form eines Filters, Spiegels usw. oder ein Schutz­ fenster als die exponierte Oberfläche des optischen Systems mittels eines ring- oder rohrartigen angekoppelten piezo­ elektrisch anregbaren Systems zu Ultraschall-Biegeschwin­ gungen einer solchen Amplitude angeregt, daß sich auf einem durch vorgesehene Einrichtungen aufgebrachtem Reinigungs- Flüssigkeitsfilm Kapillarwellen bilden, die zu einer Zer­ stäubung der Flüssigkeit führen. Die Schmutzteilchen werden von der Reinigungsflüssigkeit vorzugsweise in Form von mit geeigneten Detergentien versetzten Wassers unterkrochen und dabei mit dem Wasser abgenebelt. Der mit dem Kapillarwellen- Restfilm zurückbleibende Schmutzanteil wird bei einem nächsten Spülimpuls der Flüssigkeitszuführungseinrichtungen verdünnt und durch erneute Abnebelung beseitigt.

Vorzugsweise wird intervallweise jeweils kurz angeregt, um auf diese Weise kurze Reinigungsphasen zwischen ungestörten Abbildungsphasen zu ermöglichen. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, bei nur gelegentlich auftretenden kürzeren Schmutzeinwirkungen beispielsweise stets nach einer solchen Einwirkung kontinuierlich über eine längere Zeit anzuregen und abzunebeln.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Vorrichtung mit einem ring- oder rohrförmigen Resonatorelement aus piezo­ elektrisch anregbarem Material, das über ein am Schutzfen­ ster vorgesehenes Rohrelement mit dem Schutzfenster bzw. der exponierten Fläche gekoppelt ist. Hierdurch ist es möglich, mit äußerst geringer Bewegungsamplitude des Resonatorele­ ment, das zu Radial- und Axialschwingungen anregbar ist, auf dem Schutzfenster deutlich verstärkte Bewegungsamplituden zu erzielen, die zu Kapillarwellen mit einer effektiven Abstäu­ bung führen. Das Resonatorelement unterliegt dabei einer geringen Beanspruchung, so daß es möglich ist, einen einzi­ gen preisgünstigen Piezokeramikring einzusetzen. Wie weiter unten erläutert, lädt sich durch die relative Wandstärke des Resonatorelements und Rohrelements sowie einen geeigneten Übergang zwischen Schutzfenster und daran vorgesehenem Rohrstück erzielen, daß die Koppelstelle zwischen Piezo- Resonatorelement und Rohrstück praktisch in einem Bewegungs­ knoten liegt und daß eine deutlich Verstärkung auf dem Schutzfenster möglich ist.

Das Schutzfenster ist vorzugsweise konvex geformt und be­ steht mit dem Rohrstück aus Quarzglas oder einem stabilen Boro-Silikatglases wie Duran bzw. Pyrex. Die Festigkeit dieser Materialien reichen auch bei etwa 60 kHz und größerer Bewegungsamplitude aus, um Standzeitprobleme und einge­ schränkte Lebensdauer auszuscheiden.

Insgesamt stellt diese bevorzugte Ausführung somit eine kostengünstige, zuverlässige Vorrichtung dar, die mit gerin­ gen elektrischen Spannungen und kleinen Leistungen auskommt, wobei durch die schlechte Wärmeleitung der Gläser auch noch eine Erwärmung des Piezo-Resonatorelements vermieden ist. Daher ist eine solche Vorrichtung für einen Einsatz in grobem Umfang insbesondere auch an Fahrzeugen geeignet.

Ist es aus irgendeinem Grund nicht möglich oder unvorteil­ haft, das Schutzfenster bzw. eine andere exponierte Fläche mit einem ringförmigen Rohrstück zu versehen, so können eine Schutzfensterfassung und damit auch das Schutzfenster bzw. die andersartige eingefaßte exponierte Fläche mit einer piezoelektrisch anregbaren Struktur zu Schwingungen angeregt werden, die gemäß den Unteransprüchen 10 bis 12 aus einem oder mehreren massiven Metallstücken besteht, die beabstan­ det und über ein oder mehrere scheibenartige Piezoelemente miteinander verbunden sind. Eine solche Ausführung kann allerdings aufwendiger sein, erbringt jedoch auch den Vor­ teil einer Kapillarwellenzerstäubung mit Reinigungseffekt der oben beschriebenen Art, wobei die Metall-Piezostruktur den erforderlichen Beanspruchungen standhält.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines wesentlichen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Integration der Vorrichtung aus Fig. 1 in eine an einem Fahrzeug angebrachte Kamera,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht und im Längs- und Querschnitt und

Fig. 4 ein weiteres, modifiziertes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht und im Längs- und Quer­ schnitt.

In Fig. 1 sind ein Schutzfenster und das Rohrstück, in das das Fenster übergeht, mit 1 gekennzeichnet. Ein Piezokera­ mik-Ringresonatorelement 2 ist z. B. mit Epoxidharz auf der äußeren Mantelfläche des Rohrstücks aufgeklebt. Daneben ist es prinzipiell möglich, auch die Stirnseite zum Ankleben zu verwenden. Im Ausführungsbeispiel wurde Duranglas verwendet, wobei das zylindrische Rohrstück einen Innendurchmesser von 45 mm aufweist und in eine konvexe Kalotte mit etwa 45 mm Krümmungsradius übergeht. Dies entspricht etwa der "Fisch­ augenoptik" einer CCD-Kamera.

Die Wandstärke des Resonatorelement 2 beträgt 4 bis 5 mm, wobei seine Radialresonanz bei etwa 25 kHz liegt und die Axialresonanz bei etwa 50 kHz. In der Nähe dieser Resonanzen kann das Rohrstück mit der Kalotte 1 zu Biegeschwingungen mit den Eigenwerten m, n (m = 1, 2, 3, . . . , n = 2, 3, 4) angeregt werden, wobei sich auf der Rohrstückmantelfläche 2n parallel zur Rohrachse verlaufende Knotenlinien und m senkrecht zur Rohrachse und parallel zueinander verlaufende Knotenkreise der Bewegungsamplitude ausbilden.

Auf der Kalotte gehen die 2n Knotenlinien in 2n Knotenradien und die Knotenkreise in konzentrische Knotenkreise über. Zwischen den Knotenlinien schwingt das Glasrohr mit größeren Amplituden (Bäuchen), die auf der Kalotte größer als auf der Mantelfläche sind. Bei einer Leistungsaufnahme unter 5 Watt konnte im Ausführungsbeispiel bereits eine effektive Zer­ stäubung erzielt werden, wenn Reinigungsflüssigkeit z. B. über einen konzentrischen Kreis von Zuführungsröhrchen auf die Kalotte gebracht wird. Dabei schwingt das Glasrohr bzw. die Kalotte zwischen den Knotenlinien mit einer solchen Amplitude, daß sich auf der Kalotte Kapillarwellen auf dem Flüssigkeitsfilm bilden, die zu einer Zerstäubung bzw. Abnebelung der Flüssigkeit führen, die die Schmutzteilchen quasi unterkriecht. Die Zuführung des "Spülwassers", das vorzugsweise mit geeigneten Detergentien wie Alkohole, Tenside und dergleichen versetzt ist, erfolgt periodisch, wobei noch zurückbleibender Schmutz in einem Restfilm aufeinanderfolgend verdünnt und abgenebelt wird.

Die gezeigte Kombination ist jedoch nicht die einzig mögli­ che, mit der eine solche Effektivität erzielbar ist. Z.B. ist es günstiger für die zur Mitte der Kalotte hin zunehmen­ de Amplitudenverstärkung, wenn die Kalotte flacher ausgebil­ det wird und der Krümmungsradius im Übergangsbereich von der Kalotte zum Rohrstück geringer ist. Auch kann das Wandstär­ kenverhältnis anders gewählt werden, wobei die Bedingung, die Kontaktstelle im Bewegungsknoten zu halten um so besser erfüllt ist, je mehr die Piezoresonatorwandstärke die Wand­ stärke des Glasrohres übersteigt. Der Fachmann wird dann je nach zu schützender Optik und den ihm zur Verfügung stehen­ den Materialien eine jeweils geeignete Kombination wählen.

In Fig. 2 ist die Vorrichtung aus Fig. 1 in eine CCD-Kameraan­ ordnung integriert. Das Schutzfenster 1 ist der Wölbung einer sonst exponierten Linse 3 eines angedeuteten optischen Systems der Kamera angepaßt. Die Kapillarwellen sind mit 4 gekennzeichnet. Eine Schutz- und Montagekapsel 6 sitzt mit einer Dichtlippe 7 am Rohrstück des Fensters 1. Am vorderen Ende weist die Kapsel 6 einen nach innen rechtwinklig umge­ bogenen Rand auf. Im Raum zwischen diesem Rand und der Dichtung ist eine Flüssigkeitszuführung 5 in Form einer Ringdüse angebracht, die an die Scheibenwischerpumpe des Fahrzeugs angeschlossen ist. Das Piezoresonatorelement 2 weist einen angedeuteten Anschluß zu einer Generator-Platine auf, von der eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt wird, die an den Mantel- oder Stirnflächen des Elements 2 angebracht sind, um die Axial- bzw. Radialultra­ schallschwingungen zu erzeugen.

Anstelle eines konvex gewölbten Schutzfensters kann durchaus auch ein ebenes Schutzfenster (z. B. vor Spiegeln) verwendet werden. Auch sind außer den genannten Gläsern andere für bestimmte Strahlungsfrequenzen (z. B. auch Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung) transparente und/oder strahlungsdurch­ lässige Materialien, die die Biegeschwingungen dauerhaft aushalten, geeignet. Z. B. bei Radarsystemen, die künftig zunehmend auch in Spezialfahrzeugen eingesetzt werden, ist die exponierte Fläche aus undurchsichtigem Kunststoff.

Ist die exponierte Fläche des optischen Systems ein Spiegel oder z. B. ein Filter, d. h. besteht aus einem selbst zu Biegeschwingungen fähigen Element, so kann dieses direkt in der obigen Weise zu Schwingungen angeregt und hierdurch gereinigt werden.

Ist es aus irgendeinem Grund nicht möglich, das exponierte optische Element oder Schutzfenster mit einem Rohrstück zu versehen, so können auch alternativ Vorrichtungen gemäß der Fig. 3 und 4 eingesetzt werden. In Fig. 3 ist ein Schutz­ fenster 1 in ein hierzu mit einem Absatz versehenes oberes massives ringförmiges Metallstück 8a eingelegt. Der Durch­ messer des Metallstücks beträgt etwa 5 cm und die Höhe bis zur Einsatzstelle für das Fenster 1 im abgeschrägten oberen Rand etwa 4 cm. Bei etwa 20 kHz Axialschwingung entspricht diese Länge λ/4. Ein unterer massiver Metallring 8b ist mit entsprechender Länge und gleichem Durchmesser ausgebildet und mit Abstand mittels mehrerer Schrauben 9 mit dem Metall­ ring 8a verbunden. Zwischen jeweils zwei Schrauben ist ein scheibenförmiges Piezoelement 10 zwischen die Metallhälften 8a, 8b eingefügt, in die die Schrauben 9 unter Vorspannungen eingezogen sind. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt 6 solcher Piezoelemente vorhanden, die insbesondere eine Schwingung in Richtung der Längsachse der Metallringe, jedoch auch in Radialrichtung ermöglichen und so Biege­ schwingungen im Fenster 1 hervorrufen. Die massiven Metall­ ringe 8a, 8b sowie die im Vergleich dünnen Piezoscheiben 10 halten ausreichend hohen Bewegungsamplituden stand, um zu einer Zerstäubung aufgebrachter Flüssigkeit führende Kapil­ larwellen zu erzeugen. Die Piezoscheiben sind laminatartige Strukturen aus piezokeramischen Schichten und Metallschich­ ten, die als Elektroden dienen. Die Anschlußdrähte hierfür sind angedeutet.

In der alternativen Ausführungsform der Fig. 4 sind 6 zylin­ derartige Strukturen an einem massiven Metallring 11 befe­ stigt, in den das Fenster 1 in der gezeigten Weise einge­ setzt ist. Jede Struktur besteht aus zwei massiven Metallzy­ lindern 8a′, 8b′ von etwa 4 cm Höhe (entsprechend λ/4 für eine Frequenz von angenähert 32 kHz). Eine Schraube 12 verbindet jeweils zwei Metallzylinder mit Abstand und unter Vorspannung. Zwischen den Metallzylindern 8a′, 8b′ ist jeweils ein scheibenförmiges Piezoelement 10′ mit mittiger Aussparung für die Schraube 12 eingefügt. Wie in Fig. 3 wird vorzugsweise Aluminium als Material für die Metallteile verwendet. In der Mitte der Piezoelemente 10 bzw. 10′ sowie auf deren Ober- und Unterseite befinden sich jeweils Elek­ troden, an die die Wechselspannung zur Schwingungserzeugung angelegt wird. Jede der schwingfähigen Strukturen weist vorzugsweise dieselbe Resonanzfrequenz auf, so daß eine gleichmäßige Verteilung von Knotenlinien auf dem Fenster 1 hervorgerufen wird. Das eingelegte Schutzfenster kann sowohl eben als auch gewölbt ausgebildet sein. Diese etwas aufwen­ digere Struktur bewirkt eine günstigere Einkopplung der Schwingung als die gemäß Fig. 3, bei der die Einkopplung jeweils an den Piezoelementen eher punktuell ist.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Sauberhaltung der exponierten Fläche eines optischen Abbildungssystems oder Radarsystems, dadurch gekennzeichnet, daß eine ring- oder rohrartige, piezoelektrische anreg­ bare Resonatoreinrichtung (2) vorgesehen ist, die an die exponierte Fläche in Form eines optischen Elements oder Schutzfensters (1) angekoppelt ist und über die das Element bzw. Schutzfenster zu Biegeschwingungen im Ultra­ schallfrequenzbereich anregbar ist, und daß Einrichtungen (5) vorgesehen sind, über die auf die schwingende Ober­ fläche des Elements bzw. Schutzfensters Flüssigkeit aufgebracht wird, auf der durch die Biegeschwingungen Ultraschall-Kapillarwellen hervorgerufen werden, die zur Zerstäubung der Flüssigkeit zusammen mit durch sie abge­ lösten Schmutzteilchen von der Oberfläche führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Resonatoreinrichtung (2) auf die des Elements bzw. Schutzfensters angepaßt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (5) die Flüssigkeit periodisch auf die schwingende Oberfläche zuführen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element bzw. Schutzfenster (1) zur Ankopplung an die Resonatoreinrichtung (2) auf der der zu reinigenden Oberfläche entgegengesetzten Seite in ein Rohrstück übergeht, an dem die Resonatoreinrichtung befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinrichtung (2) auf der Mantelfläche und/oder der Stirnseite des Rohrstücks aufgeklebt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzfenster (1) und gegebenenfalls das Rohr­ stück (2) aus Glas, insbesondere Quarzglas oder einem Silikatglas wie Duran, Pyrex bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Resonatoreinrichtung (2) dem mehrfachen der Dicke des Elements bzw. Schutzfensters (1) und der Wandstärke des sich gegebenenfalls daran an­ schließenden Rohrstücks entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (5) zum Aufbringen der Flüssigkeit Zuführungsröhrchen aufweisen, die für das Reinigen von Schutzfenstern an einem Fahrzeug an dessen Scheiben­ wischerpumpe angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element bzw. Schutzfenster (1) eine konvexe zu reinigende Oberfläche aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Element bzw. Schutzfenster eine ringsförmige Fassung (8a; 11) befestigt ist, die durch ein oder meh­ rere piezoelektrisch anregbare Resonatoreinrichtungen anregbar ist, die jeweils aus zwei beabstandet verbunde­ nen massiven Metallstücken (8a, 8b, 8a′, 8b′) bestehen, zwischen denen ein oder mehrere scheibenartige Piezoele­ mente (10, 10′) eingefügt sind und die eine Länge von im wesentlichen λ/4 bei der jeweiligen Anregungsfrequenz aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8a) das obere ringförmige Metallstück bildet, das mit einem unteren ebenfalls ringförmigen Metallstück (8b) im wesentlichen gleicher Länge mittels mehrerer Schrauben (9) und über mehrere scheibenartige Piezoelemente (10) jeweils in Abstandsbereichen zwischen den Schrauben verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Resonatoreinrichtungen auf einem Kreis­ ring auf der Unterseite der Fassung (11) befestigt sind und jeweils ein scheibenartiges Piezoelement (10′) mit ringförmiger Aussparung für eine Schraube (12) zur Verbindung der beiden Metallstücke (8a′, 8b′) aufweisen, die aus massiven Metallzylindern gleicher Länge von im wesentlichen λ/4 der Anregungsfrequenz bestehen.