DE69714547T2

DE69714547T2 - Kompakter feuchtigkeitssensor mit kollimationslinse und prismatischem kuppler

Info

Publication number: DE69714547T2
Application number: DE69714547T
Authority: DE
Inventors: S. Teder
Original assignee: Libbey Owens Ford Co
Current assignee: Pilkington North America Inc
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: US5661303A; EP0840888A1; BR9702274B1; MX9800644A; KR100469605B1; AU712675B2; WO1997044648A1; ZA974464B; EP0840888A4; EP0840888B1; ES2181001T3; DE69714547D1; JPH11509932A; JP3886155B2; ATE221994T1; AU3143697A; TW338755B; KR19990035879A; BR9702274A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen optischen Feuchtigkeitssensor zum Befestigen auf der Innenfläche einer Windschutzscheibe und genauer einen kompakten optischen Feuchtigkeitssensor mit optischen Sendern, Detektoren und optischen Komponenten, die auf einer ebenen Schaltungsplatine befestigt sind, die parallel zu der Innenfläche positioniert ist. Kollimatorlinsen und prismatische Koppler werden verwendet, um Lichtstrahlen zu reflektieren und zu brechen, wenn die Lichtstrahlen von den Emittern auf die Außenfläche der Windschutzscheibe fallen und von dort zurück zu den Detektoren.

Zusammenfassung des Standes der Technik

Motorfahrzeuge sind seit langem mit motorbetriebenen Wischern für die Windschutzscheibe zum Wegwischen von Feuchtigkeit auf der äußeren Fläche der Windschutzscheibe, mindestens innerhalb des Gesichtsfeldes des Fahrers und im Allgemeinen über eine größere Fläche ausgerüstet, um so die Sicht durch die Windschutzscheibe zu verbessern. In den meisten heutigen Fahrzeugen umfasst das Wischsystem für die Windschutzscheibe Schalter mit mehreren Positionen oder variabler Geschwindigkeit, die dem Fahrer ermöglichen, einen breiten, wenn nicht unendlich variablen Bereich von Geschwindigkeiten zu wählen, um sich den Bedingungen anzupassen. Wischersteuerungen werden manuell betätigt und schließen typischerweise ein Verzögerungsmerkmal ein, bei dem die. Wischer intermittierend bei ausgewählten Zeitverzögerungsintervallen arbeiten.
Wischersteuerungssysteme wurden in letzter Zeit entwickeln, die einen auf der Windschutzscheibe befestigten Feuchtigkeitssensor umfassen, um automatisch den Motor zu aktivieren, wenn Feuchtigkeit sich auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder anderen Fahrzeugscheiben, auf denen ein Wischer verwendet werden kann, wie der Rückscheibe ablagert. Durch Abtasten von Regen oder anderer Feuchtigkeit auf der Glasoberfläche können die Wischer entsprechend gesteuert werden. Solche Wischersteuersysteme befreien den Fahrer von den Nachteilen des häufigen Einstellens der Wischergeschwindigkeit, wenn sich die Fahrbedingungen ändern. Wischersteuersysteme mit optischen Feuchtigkeitssensoren wurden in die Produktion von verschiedenen Modellen von Personenkraftfahrzeugen eingeführt, um die kommerzielle Verwendung und die Verbraucherakzeptanz der Wischersteuersysteme zu erhöhen, gibt es einen Bedarf für einen kompakteren und weniger kostenaufwendigen optischen Feuchtigkeitssensor.
Wischersteuersysteme haben eine Anzahl von unterschiedlichen Technologien verwendet, um die durch ein Fahrzeug vorgegebenen Feuchtigkeitsbedingungen abzutasten, einschließende leitende, kapazitive, piezoelektrische und optische Sensoren. Optische Sensoren arbeiten auf dem Prinzip, dass ein Lichtstrahl gestreut oder von seiner üblichen Fahrt durch die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe abgelenkt wird. Die Systeme, die optische Sensoren verwenden, haben den besonderen Vorteil, dass die Mittel zum Abtasten (d. h. Störungen im optischen Weg) sich direkt auf das von dem Fahrer beobachtete Phänomen (d. h. Störungen des optischen Weges, der die Sicht des Fahrers gewährleistet) beziehen. Somit haben optische Systeme im Allgemeinen einen Vorteil über andere Sensortechnologien darin, dass sie eng auf das von den Wischern korrigierte Problem bezogen sind.
McCumber et al. (US-Patent Nr. 4 620 141) offenbart · einen automatischen Steuerschaltkreis zum Triggern einer Schwenkung der Wischerblätter in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Wassertröpfchen auf der äußeren Fläche einer Windschutzscheibe. Die Regensensorvorrichtungen zum Steuern der Wischer für die Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, wie durch McCumber et al. und Teder (US-Patent Nr. 5 059 877 und 5 239 244) offenbart, umfassen ein kastenförmiges Gehäuse, das auf der Innenfläche der Windschutzscheibe befestigt ist. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Windschutzscheibe beeinflusst die Reflektion des Lichts an der Luft-Glasgrenzfläche und diese Änderung im reflektierten Licht wird elektronisch verarbeitet und als Signal zum Aktivieren der Wischer der Windschutzscheibe verwendet.
Das Sensorgehäuse in einem optischen Feuchtigkeitssensor sicher an der Windschutzscheibe befestigt sein und optisch mit der Windschutzscheibe gekoppelt sein, um so effektiv die Grenzfläche zwischen den Sender- Detektoren und der Glasfläche vom optischen Gesichtspunkt zu eliminieren. US-Patent Nr. 5 262 640 von Purvis et al. beschreibt eine Haftzwischenschicht zum Befestigen des Sensorgehäuses an der Windschutzscheibe. Das Sensorgehäuse ist direkt auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder anderen Fahrzeugfenstern mittels einer Zwischenschicht befestigt, die zwischen dem Sensorgehäuse und der Innenfläche der Windschutzscheibe angeordnet ist.
Bei optischen Feuchtigkeitssensoren wird Licht von einem Sensor durch ein Führungsmittel in die Windschutzscheibe bei einem Winkel von ungefähr 45º in Bezug auf die Windschutzscheibe gerichtet. Das Licht wird dann durch die äußere Fläche der Windschutzscheibe bei ungefähr 45º reflektiert und durch ein Richtungsmittel in einen Detektor geleitet. Wasser auf der Außenfläche der Windschutzscheibe beeinflusst den gesamten Transmissionsgrad des optischen Pfades zwischen Emitter und Detektor.
Wenn der Eintrittswinkel der Lichtstrahlen in die Windschutzscheibe größer ist als 50º, tritt häufig ein Signalverlust auf. Wenn der Eintrittswinkel geringer als 40º ist, tritt ein Empfindlichkeitsverlust auf und der Sensor ist nicht in der Lage, zuverlässig Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe zu detektieren. Folglich ist es wesentlich, dass der Eintritts winkel des Lichtstrahls vom Emitter die Windschutzscheibe ungefähr bei 45º auftrifft.
Der gewünschte 45º-Winkel kann durch Befestigen der optoelektronischen Vorrichtungen (Emitter und Detektoren) bei 45º-Winkeln oder durch Ablenken des Lichts, wenn es zwischen den Vorrichtungen und der Glaswindschutzscheibe hin- und hergeht, erzielt werden. Die Sensoren, in denen die Emitter und Detektoren bei 45º-Winkeln zu der Windschutzscheibe befestigt sind, haben geforderte platzaufwendige, kastenförmige Gehäuse. Licht kann nur durch Reflexion, Brechung oder Beugung abgelenkt werden. Reflektierende Spiegel sind für Ablenkungen von 60º oder mehr anwendbar. Ein Spiegel, der eine flachere Ablenkung implementieren soll, muss recht groß sein, um eine weite Ausschrägung von Strahlen aufzunehmen. Defraktive Linse sind nicht sehr effizient und können recht kostenaufwendig sein. Ein refraktiver Dienst kann wirksam einen Strahl ungefähr 20º oder weniger ablenken. Der bevorzugte 45º-Winkel für optische Feuchtigkeitssensoren ist im Allgemeinen zu klein für ein reflektierendes System und zu groß für ein brechendes System. Folglich haben die meisten optischen Sensoren optische Vorrichtungen verwendet, die bei einem geeigneten Winkel entwickelt sind, eher als Vorrichtungen zum Ablenken des Lichts bei einem gewünschten Winkel.
Die oben zitierten Referenzen haben bei 45º entwickelte optische Vorrichtungen, die ein kastenförmiges Gehäuse verlangen. Zusätzliche Beispiele von Befestigungsanordnungen von optische Sensoren, um den 45º- Winkel zwischen der optischen Achse des Emitters und der Glaswindschutzscheibe zu erzielen, sind bei Noack (US-Patent Nr. 4 355 271), Bendicks (US-Patent Nr. 5 323 637) und Larson (US-Patent Nr. 4 859 867) offenbart.
Stanton (US-Patent Nr. 5 414 257) offenbart optische sensoroptoelektronische Vorrichtungen, die auf einer Schaltungsplatte bei einem geeigneten Winkel angeordnet sind, um die optische Achse zu ändern oder abzulenken. Stanton offenbart Vorrichtungen, die aus flexiblem Epoxidharz geformt sind, und das Biegen der Zufuhrleitungen zu den gewünschtem Winkel. Das Problem mit elektronischen Vorrichtungen mit gebogenen Leitungen ist, dass die meisten automatischen Bauteile Einführungsausrichtungen nicht Komponenten mit gebogenen Leitungen einführen können. Zusätzlich zu erhöhten Kosten für den Zusammenbau der Schaltungsplatten sind die Vorrichtungen mit gebogenen Leitungen weniger zuverlässig in Hinsicht auf die Leistung.
Die Anordnung von optoelektronischen Vorrichtungen auf Schaltungsplatten ist auch bei Schierbeck (US- Patent Nr. 4 956 591) und bei Wiegleb et al. (DE 38 06 881) offenbart. Die optoelektronischen Vorrichtungen sind auf schmalen Schaltungsplatinen montiert, die senkrecht zu der Windschutzscheibe ausgerichtet sind. Reflektierende Oberflächen, die jeweils das Licht 90º in einer rotationsmäßigen Weise krümmen, lenken die optische Achse zu dem geforderten Winkel in der Windschutzscheibe ab. Obwohl die Befestigungsanordnungen in diesen Referenzen nicht eine Leitungsbildung verlangen, erzeugt die Verwendung solcher kleinen Schaltungsplatinen andere Probleme. Die kleinen zur Befestigung der optoelektronischen Vorrichtungen verwendeten Schaltungsplatten können nicht den Signalverarbeitungskreis aufnehmen, der auf einer getrennten Schaltungsplatte angeordnet werden muss. Die Verwendung einer Mehrzahl von Schaltungsplatten und die Orientierung dieser Schaltungsplatten in dem Gehäuse des Sensors erhöht die Abmessung und die Kosten des Sensors. Die verlangten Befestigungswinkel für die Optoelektronik in einem Sensor kann auch durch die Verwendung von flexiblen Schaltungsplatten erhalten werden, aber ein solches Material ist teurer und weniger zuverlässig als die Standardschaltungsplatinen.
Optoelektronische Vorrichtungen werden üblicherweise auf eine gedruckte Schaltungsplatte montiert und ausgerichtet, die auch die Signalverarbeitung aufnimmt. Übliche optoelektronische Vorrichtungen, einschließlich der Vorrichtungen in der neuen oberflächenmontierten Technologie (SMT's) sind im Allgemeinen so entwickelt, dass ihre optische Achse senkrecht zu der Schaltungsplatine, auf der sie montiert sind, ist. Die Verwendung einer einzigen Schaltungsplatine, die koplanar mit der Oberfläche mit der Windschutzscheibe montiert ist, kann in geringen Kosten und einem kompakten Sensorgehäuse resultieren. Allerdings liefert ein solches Design wesentliche Probleme hinsichtlich des Erreichens des gewünschten 45º-Winkels, da die optische Achse senkrecht zu der Schaltungsplatine ist.
Eine Konfiguration, die sowohl die Kosten als auch die Abmessung des optischen Sensors reduziert, verwendet einen einzigen Detektor, um gleichzeitig zwei oder mehrere Emitter zu detektieren, wie bei Noack offenbart ist. Eine solche Konfiguration sieht den gewünschten Bereich der Abtastung mit einer geringeren Anzahl von Detektoren vor. Allerdings sind die Lichtwege weit aufgeweitet, was einen größeren Detektor oder zusätzlich optische Elemente zum Konzentrieren des Lichts verlangt.
Ein anderer Problemkreis in der Herstellung von optischen Feuchtigkeitssensoren ist die Befestigung der Sensoren auf der Windschutzscheibe. Fahrzeughersteller wünschen einen Sensor, der schon bei dem Windschutzscheibenhersteller installiert ist oder einen Sensor, der sehr einfach bei der Fahrzeugherstellungslinie zu installieren ist. Der Windschutzscheibenhersteller liefert zusammengepackte Windschutzscheiben, derart, dass wenig Platz zum Montieren eines Sensors ist.
Schofield (US-Patent Nr. 4 930 742) offenbart die Verwendung eines Armes, wie eines Rückspiegelarmes zum Befestigen des optischen Feuchtigkeitssensors. Diese Anwendung benötigt einen zusätzlichen Trägeraufbau oder die Hinzufügung von Siliconteilen, um optisch den Feuchtigkeitssensor an die Windschutzscheibe zu koppeln. Die Befestigungssysteme mit Armen resultiert in zusätzlichen Teilen und erhöht die Kosten.
Bendix (US-Patent Nr. 5 278 425) und Stanton lehren, dass eine Linse ständig an der Windschutzscheibe befestigt ist, derart, dass ein Sensorgehäuse lösbar auf dieser Linse befestigt werden kann. Die Linse kann dem Strahl einen Fokus mitteilen, wie in Bendix gezeigt ist. In alternativer Weise kann die Linse die Strahlen mit der Windschutzscheibe über planare Oberflächen senkrecht zu der Strahlrichtung koppeln, wie bei Stanton offenbart. Allerdings benötigen sowohl Bendix als auch Stanton eine Linse, die ungefähr so dick wie die Windschutzscheibe ist. Wenn die Windschutzscheiben für den Transport von dem Glashersteller zu der Fahrzeugmontagelinie aufeinander gestapelt werden, werden aufgrund des zusätzlichen für die Lin se benötigen Raum zusätzliche Handhabungskosten zu den Kosten der Windschutzscheibe hinzugefügt.
Watanabe (US-Patent Nr. 4 701 613) offenbart eine integrale Koppellinse mit einer Reihe von V-Nuten, die ein segmentiertes Prisma mit ebenen Oberflächen senkrecht zur Richtung der Strahlen bilden. Segmentierte Linsen haben ein größeres Potential zum Zulassen von Umgebungslicht in parasitärer Weise, dass den optischen Wirkungsgrad verringert, und dass das Signal von dem Emitter verschlechtert. Der resultierende Strahl setzt sich bei einem 45º-Winkel in Bezug auf die Windschutzscheibe fort und unterliegt somit nicht der koplanaren Methode.
DE-A-42 02 121 bezieht sich auf einen Feuchtigkeitssensor mit einem Lichtemitter und Detektor, die auf einer gedruckte Schaltungsplatine so angeordnet sind, dass das Licht in eine parallele ebene Glasscheibe gerichtet wird und Licht von dieser empfangen wird über einen prismatischen Koppler und entsprechenden Linsen, wobei die den Emitter/Detektor mit der Schaltungsplatine verbindenden Leitungen in der Weise gebogen sind, dass sie die geeigneten Einfalls- und Reflexionsrichtungen des Lichtpfades vorsehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein kompakter Regensensor zum Befestigung auf der Innenfläche einer Windschutzscheibe vorgesehen. Der Regensensor umfasst Kollimatorlinsen und einen lösbaren prismatischen Koppler, um die Befestigung und Anordnung der Emitter und Detektoren auf einer Schaltungsplatine zu erleichtern, die parallel zu der Innenfläche der Windschutzscheibe positioniert ist.
Der dünne und leichte Koppler der vorliegenden Erfindung ist haftend an der Windschutzscheibe festgelegt. Ein Sensorgehäuse ist lösbar um die äußeren Ränder des Kopplers festgelegt. In dem Sensorgehäuse sind oberflächen-montierte Infrarotemitter und Detektoren sowie ein Signalverarbeitungskreis insgesamt auf einer einzigen Schaltungsplatine befestigt, die in dem Gehäuse festgelegt ist. Wenn das Sensorgehäuse auf dem Koppler montiert wird, ist die bedruckte Schaltungsplatine parallel zu der Innenfläche der Windschutzscheibe angeordnet. Die oberflächenmontierten Emitter und Detektoren, die sehr kostengünstig und raumausnutzend sind, sind auf der Schaltungsplatine mit einer ursprünglichen optischen Achse senkrecht zu der Schaltungsplatine befestigt.
Kompakte Kollimatorlinsen führen drei optische Funktionen beim Richten der Infrarotlichtstrahlen von den Emittern zu den prismatischen Kopplern aus. Für jede Linse sammelt die erste Fläche den Lichtstrahl und eine zweite Fläche reflektiert den Lichtstrahl derart, dass die optische Achse, nachdem sie senkrecht zu der Schaltungsplatine gestartet ist, ungefähr 60º von der ursprünglichen optischen Achse reflektiert wird. Eine dritte Fläche der Linse bildet eine konvexe Linse, um die Strahlen des Lichtbündels zu kollimieren.
Nachdem das Lichtbündel aus der Kollimatorlinse austritt, betritt das Lichtbündel den prismatischen Koppler derart, dass das Lichtbündel ungefähr 15º in die Richtung der ursprünglichen optischen Achse gebrochen und optisch mit der Windschutzscheibe gekoppelt wird. Das resultierende kollimierte Lichtbündel setzt sich bei ungefähr 45º in Bezug auf die Schaltungsplatine und in Bezug auf die ursprüngliche Achse senkrecht zu der Schaltungsplatine fort. Die Innenfläche der Windschutzscheibe, die parallel zu der Schaltungsplatine ist, empfängt die Strahlen des Lichtbündels bei dem gewünschten Winkel von 45º.
Das Lichtbündel wird von der äußeren Oberfläche und zurück durch die Windschutzscheibe bei ungefähr einem 45º-Winkel zu dem prismatischen Koppler und der Kollimatorlinse auf einen Detektor reflektiert. Jedes auf der Außenfläche der Windschutzscheibe vorhandenes Wasser beeinflusst die Lichtmenge, die zurück auf den Detektor gerichtet wird. Das Lichtbündel wird durch den Koppler um ungefähr 15º gebrochen und wird durch die Kollimatorlinse ungefähr bei 60º reflektiert, derart, dass die vertikale Achse senkrecht zu der Schaltungsplatine ist, wenn das Lichtbündel von dem Detektor delektiert wird.
Bei einer Anwendung an der Windschutzscheibe kann der Sensor mit einer Mehrzahl von emitter-detektoroptischen Systemen versehen sein, um ein Feld von abgetasteten Flächen vorzusehen. Die Emitter und Detektoren sind elektrisch mit dem Steuerkreis für die Scheibenwischer verbunden, um den Betrieb des Wischsystems zu steuern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Abmessung des Sensors, insbesondere die Höhe des Sensorgehäuses zu reduzieren, das sich von der Innenfläche der Windschutzscheibe erstreckt. Die Kombination der Strahlablenkungen durch Reflexion und Brechung erlaubt die Verwendung von oberflächenmontierten (SMD) Emittern und Detektoren auf einer einzigen Schaltungsplatine, die parallel zu der Innenfläche der Windschutzscheibe angeordnet ist. Mit der Verwen dung der oberflächenmontierten Emitter und Detektoren muss der Raum zwischen der Schaltungsplatine und prismatischen Koppler nur groß genug sein, um die Kollimatorlinsen aufzunehmen. Die Oberfläche der einzigen in der vorliegenden Erfindung verlangten Schaltungsplatine ist in unmittelbarer Nähe der Innenfläche des Sensorgehäuses montiert. Die Ablenkung der Lichtstrahlen in und aus dem Koppler erlaubt die Verwendung eines dünnen Kopplers. Durch befestigen all der Komponenten und Steuerkreise auf einer einzigen Schaltungsplatine und durch Befestigen einer solchen Schaltungsplatine parallel zu der Innenfläche der Windschutzscheibe kann eine merkbare Verringerung der Höhe des Sensorgehäuses erreicht werden.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Glasherstellern und Motorfahrzeugherstellern ein wirkungsvolleres und kostengünstigeres Mittel zum Montieren von Regensensoren auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Koppler im Allgemeinen auf der Innenfläche der Windschutzscheiben von dem Glashersteller vor dem Transport der Windschutzscheiben zu der Anlage der Herstellung der Fahrzeuge montiert. Der Fahrzeughersteller montiert in bequemer Weise das Sensorgehäuse, das die Schaltungsplatine enthält, auf den Koppler, wenn das Fahrzeug zusammengebaut wird. Da der Koppler klein, dünn und relativ preiswert ist, kann der Koppler auf all den Windschutzscheiben montiert werden, die von dem Glashersteller zu einer bestimmten Zusammenbaulinie bei der Fahrzeuganlage transportiert werden, ohne das übliche, von den Glasherstellern verwendete Verpackungsmaterial zu ändern. Wenn die Windschutzscheiben in einem Fahrzeug installiert werden, kann das Befestigen des Sensors durch einfaches Befestigen des Sen sorgehäuses an den Koppler vollendet werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung der Herstellungskosten des Sensors durch Montieren von optoelektronischen Komponenten- und Signalverarbeitungskreisen auf einer einzigen ebenen Schaltungsplatine. Die SMD-Technologie und Chip-on- Board-Technologie, kombiniert mit automatischen Zusammenbautechniken für die Produktion der Schaltungsplatine sieht einen verbesserte Wirkungsgrad und Kostenreduzierungen bei der Herstellung der Sensoren vor. Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung eliminiert die Verwendung von mehreren Schaltungsplatinen und Leitungsbildung auf optischen Vorrichtungen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Feuchtigkeitssensor mit einem hohem optischen Wirkungsgrad und einer verbesserten Signalstärke vorzusehen. Die vorliegende Erfindung verwendet Linsen mit einer einzigen Fläche, die wirksamer sind als segmentierte Linsen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die kollimierten Lichtstrahlen von zwei Infrarotemittern auf einen einzigen Detektor gerichtet. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Anzahl der benötigen optoelektronischen Komponenten zu reduzieren, ohne die Abmessung zu erhöhen oder die Wirksamkeit und den Wirkungsgrad des Feuchtigkeitssensors zu reduzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen, ebenso wie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden schnell offensichtlich für die Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschrei bung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wenn sie im Lichte der begleitenden Zeichnung betrachtet werden, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht ist, die einen auf einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges montierten optischen Feuchtigkeitssensor zeigt;
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht ist, die die Befestigung des prismatischen Kopplers mit einer Haftzwischenschicht auf der Innenfläche der Windschutzscheibe zeigt;
Fig. 3 ein Querschnitt des optischen Feuchtigkeitssensors ist, der den auf der Windschutzscheibe montierten Sensor zeigt, wobei der Schnitt im Wesentlichen längs der Linie 3-3 der Fig. 1 genommen ist;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Feuchtigkeitssensors ist, der Lichtbündel von zwei Emittern, gerichtet auf einen einzigen Detektor aufweist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des prismatischen Kopplers für ein anderes Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 4 ist; und
Fig. 6 eine schematische Ansicht des Kopplers nach Fig. 5 von oben ist, wobei die Positionierung der anderen optischen Elemente angeschlossen ist, die auf der Schaltungsplatine des anderen Ausführungsbeispiels befestigt sind, um den Weg der Lichtbündel zwischen den Emittern und den Detektoren in dem Feuchtigkeitssensor zu zeigen.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Wenn jetzt Bezug genommen wird auf Fig. 1, dann ist im Allgemeinen ein Feuchtigkeitssensor 10 der vorliegenden Erfindung und ein Teil eines Kraftfahrzeuges einschließlich einer Haube 12, Seitenstützen 14 und einem Dach 16 gezeigt, die eine Öffnung begrenzen, in der eine Windschutzscheibe 18 aufgenommen ist. Windschutzscheiben-Wischerblätter 20, die in ihrer Ruheposition entlang der unteren Kante der Windschutzscheibe gezeigt sind, sind in konventioneller Weise betätigbar, um in Bögen 22 zu schwenken und gesammelte Feuchtigkeit von der Oberfläche der Windschutzscheibe 18 wegzuwischen.
Wie in den Fig. 2-3 gezeigt wird, umfasst der Feuchtigkeitssensor 10 einen prismatischen Koppler 24, eine Schaltungsplatine 26 zum Befestigen von optoelektronischen Komponenten und des Signalverarbeitungskreises und ein Sensorgehäuse 28 zum Aufnehmen der Schaltungsplatine 26 und der Befestigung an den Koppler 24.
Der Koppler 24 ist an der Innenfläche 30 der Windschutzscheibe 18 für die optische Erfassung von Feuchtigkeit auf der Außenfläche 32 der Windschutzscheibe befestigt. Der Feuchtigkeitssensor 10 ist typischerweise benachbart zu dem Rückblickspiegel auf der Innenfläche 30 montiert, um so jede Sichtbehinderung für die Passagiere eines Kraftfahrzeuges zu minimieren. Die Windschutzscheibe 18 ist im Allgemeinen in dem Bereich, in dem der Sensor 10 montiert werden soll, relativ flach, so dass die Bodenfläche 34 des Kopplers 24 eben sein kann. Allerdings wird in Be tracht gezogen, dass die Bodenfläche 34 des Kopplers 24 entsprechend konturiert sein kann, um sich an die gebogene Windschutzscheibe anzupassen, wo dies sinnvoll ist. Eine doppelseitige klebende Zwischenschicht 36 wird verwendet, um den Koppler 24 an der Windschutzscheibe 18 zu befestigen. Die Zwischenschicht 36 besteht aus Silicon oder anderem ähnlich flexiblem Kunststoffmaterial. Der Koppler 24 kann an der Windschutzscheibe 18 durch den Glashersteller vor dem Transport der Windschutzscheibe 18 zu der Kraftfahrzeug-Montagelinie befestigt werden.
Der prismatische Koppler 24 besteht aus Polycarbonat oder anderem ähnlichem Material für die optische Kopplung des Feuchtigkeitssensors 10 mit der Windschutzscheibe 18. Von dem Gesichtspunkt der Material- Zusammensetzung muss der Koppler 24 in der Lage sein, einem weiteren Temperaturbereich zu widerstehen, dem ein Kraftfahrzeug ausgesetzt sein kann.
Der prismatische Koppler 24, der in Fig. 2 gezeigt ist, umfasst vier Paare von prismatischen Regionen, die auf einer Basis 42 ausgebildet sind, wobei jedes Paar ein Emitterprisma 38 und ein Detektorprisma 40 aufweist. Das Emitterprisma 38 umfasst eine Fläche 39 zum Empfangen von Lichtstrahlen und das Detektorprisma 40 weist eine entsprechende Fläche 41 auf, bei der Lichtstrahlen das Detektorprisma 40 verlassen. Die Flächen 39, 41 haben eine leichte konvexe Krümmung und sind bei einem Winkel von ungefähr 21º in Bezug auf die Basis 42 des Koppler 24 geformt. Blockiernuten 44 sind auf der Basis 42 zwischen den Prismapaaren 38, 40 vorgesehen. Eine Mehrzahl von Befestigungsclipsen 46 sind gleichfalls um den Umfang der Basis 42 herum vorgesehen, um das Sensorgehäuse 28 mit der Basis 42 des Kopplers 24 zu verbinden.
Die Dicke des prismatischen Kopplers 24 ist eine wichtige Betrachtung in Hinblick auf die Verpackung, wenn die Windschutzscheibe von dem Glashersteller zu der Kraftfahrzeug-Montagelinie transportiert wird. Spezielle Regale und Verpackungsmaterialien sind entwickelt worden, um die einzelnen Windschutzscheiben so eng wie möglich wegen des Verschiffungswirkungsgrades zu packen, während die Windschutzscheiben gleichzeitig beim Transport geschützt, um Verkratzen und andere Schäden an den Windschutzscheiben zu verhindern. Die Kraftfahrzeugwindschutzscheiben umfassen typischerweise einen Befestigungsknopf auf der Windschutzscheibe für die Montage des Rückblickspiegels derart, dass die Transportregale solche Befestigungsknöpfe aufnehmen können. Der prismatische Koppler 24 der vorliegenden Erfindung ist kleiner als 5 mm, was dünner ist als der typische Spiegelbefestigungsknopf. Folglich erlaubt der dünne prismatische Koppler 24, dass der Glashersteller den Koppler 24 an der Windschutzscheibenproduktionslinie montieren kann, ohne die Verpackung oder Materialbehandlungsprozesse, die für die Auslieferung der Windschutzscheiben an die Kraftfahrzeugmontagelinien verwendet werden, ändern zu müssen. Die Möglichkeit, den Koppler bei dem Windschutzscheibenherstellungsbetrieb zu montieren, ohne die Verpackungs- und Materialhandhabungsmerkmale zu ändern, ist eine wichtige Betrachtung für den Gewinn der erhöhten Anwendbarkeit des Feuchtigkeitssensors und Wischerkontrollsystems bei den Kraftfahrzeugherstellern.
Die Schaltungsplatine 26 wird auf der Basis 48 des Sensorgehäuses 28 montiert, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Das Sensorgehäuse 28 besteht aus Hartkunststoff oder anderem starren Material und umfasst vier verti kale Wände 50, die sich von der Basis 48 erstrecken. Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist, die Abmessung des Sensorgehäuses und insbesondere die Höhe (h) der Wände 50 zu minimieren, die sich von der Innenfläche 30 der Windschutzscheibe 18 erstrecken. Die Wände 50 des Gehäuses 28 umfassen einen Flansch 52, um die Zurückhaltung des Gehäuses 28 durch Clipse 46 auf der Basis 42 des Kopplers 24 zu erleichtern. Die Flansche 52 der Wand 50 benachbart zu den Detektorprismen 40 sind mit einer Blendkante 54 versehen, um Umgebungslicht vom Detektor auf der Schaltungsplatine 26 wegzublocken.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine einzige ebene Schaltungsplatine 26 mit den optoelektronischen Komponenten und dem Signalverarbeitungskreis, die auf der Schaltungsplatine 26 angeordnet sind. Übliche SMD-Techniken können verwendet werden, um die Komponenten auf der Schaltungsplatine 26 zu montieren. Der Koppler 24 in Fig. 2 umfasst prismatische Bereiche für vier Emitter-Detektorpaare. Ein System mit vier Emittern sieht eine ausreichende Fläche für die Detektion von Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe vor, was in einer glatten und fließenden Leistungsfähigkeit des Wischersystems resultiert. Allerdings können die Techniken der Erfindung auch bei anderen Feuchtigkeitsabtastoperationen angewandt werden und können jede Anzahl von Emitter- und Detektorpaaren umfassen.
Wenn nun Bezug auf Fig. 3 genommen wird, zeigt die Querschnittsansicht des Sensors ein einziges Paar von Emittern 56 und Detektoren 58. Zusätzliche Paare von Emittern 56 und Detektoren 58 können auf der Schaltungsplatine 26 in ähnlicher Weise montiert sein. Der optische Pfad des kollimierten Lichtbündels 16, wie die Strahlen des Lichtbündels 60, setzen sich von dem Emitter 56 zu der Außenfläche 32 der Windschutzscheibe 18 Und zurück zu dem Detektor 58 fort, wie auch in Fig. 2 gezeigt wird.
Der Emitter 56 und der Detektor 58 sind SMD- Vorrichtungen, wie die Siemens-Teilenummern SFH-421 und BPW-34FAS. Der Detektor 58 kann eine große Fotodiode oder ein Fototransistor sein. Der Emitter 56 und der Detektor 58 können auch unter Verwendung von Silizium, das direkt auf die Schaltungsplatine 26 in einer Chip-on-Board-Realisierung druckgebondet wird, hergestelt werden. Der Emitter 56 strahlt Infrarotenergie derart ab, dass ein Lichtstrahl 60 hauptsächlich in eine Richtung emittiert wird, die senkrecht zu der Oberfläche der Schaltungsplatine 26 liegt. Die optische Achse 62 des Lichtbündels 60 ist senkrecht zu der Schaltungsplatine 26, wenn sie den Emitter 56 verlässt. Die optische Achse 62 des Lichtbündels 60 geht durch das nominale Zentrum der optischen Flächen in den Feuchtigkeitssensor 10. Der Detektor 58 ist so montiert, dass die Achsen der größten Empfindlichkeit senkrecht zu der Schaltungsplatine 26 sind. Der Detektor 58 hat auch einen Aufnahmewinkel derart, dass Lichtbündel, die den Detektor längs der senkrechten Achse der höchsten Empfindlichkeit oder in den Annahmewinkel um eine solche Achse treffen, den Detektor 58 veranlassen, ein Steuersignal abzugeben.
Eine Kollimatorlinse 64 ist benachbart zu dem Emitter 56 angeordnet und längs der optischen Achse 62 des Lichtstrahls zentriert. Eine gleiche Kollimatorlinse 66 ist benachbart zum Detektor 58 angeordnet. Befestigungssäulen (nicht dargestellt) werden für die Lagerung und Positionierung der Kollimatorlinsen 64, 66 auf der Schaltungsplatine 26 verwendet. Die Kollima torlinse 64 umfasst eine ebene Fläche 68, die die Divergenz der Strahlen des Lichtbündels 60 reduziert. Die Spiegelfläche 70 der Linse 64 wirkt als Faltungsspiegel, das Lichtbündel 60 zu reflektieren. Die Spiegeloberfläche 70 ist bei einem Winkel von 60º in Bezug auf die Fläche der Schaltungsplatine 26 positioniert. Wenn das Lichtbündel 60 die Spiegeloberfläche trifft, wird das Lichtbündel 60 durch den Prozess der totalen inneren Reflexion reflektiert, derart, dass die optische Achse ungefähr 60º von ihrem ursprünglichen Pfad senkrecht zu der Schaltungsplatine 26 reflektiert wird. Die Kollimatorlinse 64 umfasst auch eine konvexe Linsenfläche 72 an dem Ende der Linse 64. Die konvexe Linsenfläche 72 verringert die Divergenz der Strahlen des Lichtbündels 60 der einer fast kol linderten Bedingungen, wenn das Lichtbündel 60 die Kollimatorlinse 64 verlässt.
Die Kollimatorlinse 66 benachbart zum Detektor 58 hat auch eine konvexe Linsenoberfläche 74, eine Spiegelfläche 76 und eine ebene Fläche 78 zum Reflektieren des Lichtbündels 60 zu dem Detektor 58. Die optische Achse 62 des Lichtbündels 60 wird derart reflektiert, dass der Weg des Lichtbündels 60 ungefähr 60º geändert wird, um den gewünschten senkrechten Eintrittswinkel des Lichtbündels 60 in dem Detektor 58 zu erzielen. Obwohl der bevorzugte Winkel bei dem Detektor senkrecht ist, werden alle Lichtbündel 60 innerhalb des Auffangwinkels von dem Detektor 58 detektiert. Der Auffangwinkel bzw. Eintrittswinkel für oberflächenmontierte (SMD) Detektoren ist im Allgemeinen im Bereich von 30-60º.
Der Signalverarbeitungskreis umfasst übliche Komponente 80A, 80B, 80C, 80D (Fig. 3), die auf der Schaltungsplatine befestigt sind. Zusätzlich können Licht hindernisse 82 auf der Schaltungsplatine angeordnet sein, um Umgebungslicht von den Detektoren 58 wegzuhalten und eine ungeeignete optische Kommunikation oder eine Kreuzkupplung zwischen dem Emitter 56 und dem Detektor 58 im Gehäuse 28 zu vermeiden. Der Emitter 56 und der Detektor 58 sind elektrisch mit dem Signalverarbeitungskreis verbunden, dessen Details nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind. Zusätzliche Details hinsichtlich der Funktionsweise des Signalverarbeitungskreises und der Schnittstelle mit der Steuervorrichtung und dem Wischersteuersystem können aus den US-Patenten Nummern 4 620 141, 5 059 877, 5 239 244 und 5 262 640 entnommen werden.
Wenn der Feuchtigkeitssensor in Betrieb ist, signalisiert die Steuervorrichtung (nicht gezeigt) dem Emitter 56 ein Lichtbündel 60 senkrecht zu der Schaltungsplatine 26 abzustrahlen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Lichtbündel durch die Oberfläche der Kollimatorlinse 64, die die Divergenz der Strahlen des Lichtbündels 60 reduziert, gerichtet. Die Strahlen des Lichtbündels 60 gehen durch das klare Material der Kollimatorlinse 64 hindurch, bis sie die Spiegeloberfläche 70 treffen, die das Lichtbündel 60 ungefähr 60º von dem ursprünglichen Weg des Lichtbündels 60 ablenkt. Die resultierende optische Achse 62 liegt ungefähr bei einem 30º-Winkel in Bezug auf die Schaltungsplatine 26. Die konvexe Linsenfläche 72 der Kollimatorlinse 64 kollimiert das Lichtbündel 60 für den Eintritt in den Koppler 24.
Das Lichtbündel 60 tritt in den Koppler 24 an der Fläche 39 des Detektorprismas 38 ein. Die Fläche 39 kann eine konvexe Krümmung einschließen, um sicherzustellen, dass das Lichtbündel vollständig in dem Koppler 24 kollimiert ist. Das Detektorprisma 38, das auf der Basis 42 des Kopplers 24 ausgebildet ist, bewirkt, dass das Lichtbündel ungefähr 15º gebrochen wird. Das Lichtbündel 60 wird optisch in die Zwischenschicht 36 eingekoppelt und dann in die Windschutzscheibe 18, derart, dass das Lichtbündel bei einem Winkel von ungefähr 45º eintritt.
Das Lichtbündel 60 geht durch die Windschutzscheibe 18 hindurch, wobei es bei einem Winkel von ungefähr 45º weiter fortschreitet. An der Außenfläche 32 der Windschutzscheibe 18 wird das Lichtbündel total reflektiert und geht durch die Windschutzscheibe 18 zurück. Wenn Feuchtigkeit auf der äußeren Fläche 32 der Windschutzscheibe 18 vorhanden ist, wird ein Teil des Lichtbündels 60 nicht reflektiert und geht durch die Windschutzscheibe 18 hindurch. Durch Detektieren des von der äußeren Oberfläche 32 reflektierten Lichtbündels erzeugt der Detektor 58 des Feuchtigkeitssensors 10 ein Steuersignal, das die Feuchtigkeitsmenge auf der äußeren Fläche 32 der Windschutzscheibe 18 angibt.
Das Lichtbündel 60, das von der Außenfläche 32 der Windschutzscheibe 18 bei ungefähr 45º reflektiert wird, geht durch die Zwischenschicht 36, die Basis 42 des Kopplers 24 und das Detektorprisma 40 hindurch. Das Lichtbündel 60 geht durch die Prismenfläche 41 hindurch. Das Detektorprisma 40 ist bei einem Winkel gleich dem des Emitterprismas 38 gebildet und es resultiert die Brechung des Lichtbündels 60 um ungefähr 15º. Die konvexe Krümmung der Prismenoberfläche 41 und der konvexen Linsenoberfläche 74 macht das Lichtbündel 60 leicht konvergent. Das Lichtbündel 60 geht durch die Kollimatorlinse 66 hindurch, bis das Lichtbündel 60 von der Spiegelfläche 76 durch eine totale innere Reflexion reflektiert wird. Das Lichtbündel wird von der Spiegelfläche 76 ungefähr 60º reflektiert, derart, dass die optische Achse 62 des Lichtbündels 60 wieder senkrecht zu der Schaltungsplatine 26 ist.
Das Lichtbündel geht durch die Kollimaltorlinse 66 des Detektors und verlässt die Linse 66 bei der ebenen Oberfläche 78. Die ebene Oberfläche 78 konvergiert das Lichtbündel 60 auf einen Punkt auf dem Detektor 58. Obwohl der Detektor im Allgemeinen die höchste Empfindlichkeit hat, wenn die Lichtbündel senkrecht zu der Schaltungsplatine 26 sind, wird jedes Lichtbündel 60 innerhalb des Auffangwinkels des Detektors 58 detektiert. Der Detektor 58 erzeugt ein Steuersignal für den Signalverarbeitungskreis auf der Schaltungsplatine. Das Steuersignal wird verarbeitet und an die Steuervorrichtung zur Steuerung des Betriebes der Windschutzscheibenwischer 20 übertragen.
Der bevorzugte Winkel für das Lichtbündel 60 für den Eintritt in die Windschutzscheibe 18 ist 45º. Im Allgemeinen können annehmbare Signale für einen Eintrittswinkel zwischen 40 und 50º erzeugt werden. Wie oben bemerkt wurde, bewirkt ein Winkel über 50º Verlustsignale und ein Winkel unter 40º einen Verlust an Empfindlichkeit. Um den 45º-Winkel zu erhalten, wenn das Lichtbündel 60 ursprünglich senkrecht sowohl zu der Schaltungsplatine 26 als auch zur Windschutzscheibe 18 startet, wird das Lichtbündel bei ungefähr 60º reflektiert und bei ungefähr 15º gebrochen. Im Allgemeinen reflektierten die Spiegelflächen 70, 76 das Lichtbündel 60, um die optische Achse ungefähr um 60º zu ändern, aber eine annehmbare Reflexion kann in dem Bereich zwischen 50 und 60º auftreten. Die Prismen 38, 40 brechen das Lichtbündel um 15º, aber der annehmbare Bereich liegt zwischen 10 und 20º. Die wichtige Betrachtung ist. Die richtige Betrachtung ist, dass die endgültige Wirkung der Reflexion und der Brechung ein Lichtbündel 60 ist, das die Windschutzscheibe 18 bei ungefähr 45º betritt.
Umgebungslicht stellt häufig ein Problem bei Feuchtigkeitssensoren 10, die ein optischen Detektionssystem verwenden, dar. Umgebungslicht wird im Allgemeinen das Gehäuse bei einem Winkel betreten, der zu steil ist, um von dem Detektor 58 abgetastet zu werden. Zusätzlich sind Lichthindernisse 54, 82 in dem Gehäuse ausgebildet und auf der Schaltungsplatine befestigt, um weiter Umgebungslicht auszuschließen und eine Kreuzkupplung zwischen dem Emitter 56 und dem Detektor 58 zu verhindern. Die Blockiernuten 44, die im Koppler 24 eingebaut sind, dienen zum Fangen von Kreuzkupplungen, die aus parasitärem Regen entstehen könnten.
Die konvexen Linsenoberflächen 72, 74 auf den Linsen 64, 66 können als asphärische Flächen vorgesehen sein. Die Verwendung von asphärischen Flächen reduziert eine optische Abberation, die dazu neigt, den optischen Wirkungsgrad zu verschlechtern. Die gesamte optische Konfiguration der Emitterhälfte des Sensors 10 und der Detektorhälfte des Sensors 10 kann als unendliche konjugierte Verhältnissysteme beschrieben werden. Diese optische Anordnung sieht in inhärenter Weise eine niedrige Abberation vor, und somit weichen die asphärischen Oberflächen nicht stark von wirklichen sphärischen Oberflächen ab.
Die optische Achse 62 des Lichtbündels 60 trifft die prismatischen Oberflächen 39, 41 des Kopplers 24 bei einem schrägen Winkel wie entgegengesetzt, um die Koppelprismen mit Flächen senkrecht zu der optischen Achse zu versehen. Die schräge Erstreckung der Prismen 38, 40 erlaubt eine Ablenkung der optischen Achse 62 in eine Richtung senkrecht zu der Schaltungsplatine unter Verwendung eines einzigen Reflektors. Dies vereinfacht die Verwendung einer einzigen Schaltungsplatine 26 und ein flacheres Design des Kopplers 24. Die Linsen 64, 66 führen verschiedene Funktionen durch, um zur Reduzierung der Anzahl von Teilen, die in dem Sensor 10 verwendet werden müssen, beizutragen. Eine Kombination der obigen Faktoren erlaubt die Verwendung eines kleinen kompakten Gehäuses 28 für den Sensor 10.
Bezug nehmend auf die Fig. 4-6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer unterschiedlichen Anordnung der optischen Komponenten vorgesehen. Der Hauptunterschied zwischen dem Sensor 10 des ersten Ausführungsbeispiels und dem Sensor 84 des alternativen Ausführungsbeispiels ist die Eliminierung der Hälfte der Detektoren durch Richten von zwei Lichtbündeln auf denselben Detektor. Im Prinzip kann ein einziger Detektor Infrarotstrahlung von verschiedenen Emittern empfangen. Bei der vorliegenden Erfindung können Kosteneinsparungen durch Kombinieren von zwei Emittern mit einem einzigen Detektor erhalten werden, ohne nachteilig die Abmessung oder die Betriebskomplexität des Feuchtigkeitssensors 84 zu beeinflussen. Obwohl die Diskussion auf einen Sensor 84 mit vier Emittern und zwei Detektoren gerichtet ist, kann der Sensor 84 jede Anzahl von Emitter-Detektorsätzen enthalten.
Der Feuchtigkeitssensor 84 umfasst einen lösbaren prismatischen Koppler 86, eine Schaltungsplatine 88 und ein Sensorgehäuse 90. Das Sensorgehäuse 90 hat dieselben Merkmale wie das oben beschriebene Gehäuse 28. Die Änderungen bezüglich des Kopplers 86 und der Anordnung der optoelektronischen Komponenten auf der Schaltungsplatine 88 wird im Folgenden hervorgehoben.
In Fig. 5 umfasst der Koppler 86 eine Basis 92 mit vier Emitterprismen 94 und zwei Detektorprismen 96. Die Breite der Detektorprismen 96 wurde vergrößert, um den Empfang von zwei Lichtbündeln 98 mit der optischen Achse 100 an einem Detektor zu vereinfachen. Die Orientierung der Prismen 94, 96 auf der Basis 92 wurde in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel geändert, um die Übertragung der Lichtbündel 98 zwischen den Emittern 102 und den Detektoren 104 zu vereinfachen. Der Koppler 96 ist auf der Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 befestigt, um Feuchtigkeit auf der äußeren Oberfläche 110 der Windschutzscheibe zu detektieren.
Die Kollimatorlinsen 112 benachbart zu dem Emitter 102 sind gleich der Kollimator 64 in dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Kollimatorlinse 114, benachbarte zum Detektor 104, weist zwei getrennte Linsensegmente auf, die integral geformt sind, um zwei Lichtbündel 98 in einen einzigen Detektor 104 zu richten. Die Emitter 102, Detektoren 104 und Kollimatorlinsen 112, 114 sind auf der Schaltungsplatine 88 montiert.
Die Kollimatorlinse 112 ist über dem Emitter 102 in der ursprünglichen optischen Achse 100 positioniert, die sich senkrecht zu dem Emitter auf der Schaltungsplatine 88 erstreckt, wobei letztere gleich dem ersten Ausführungsbeispiel ist. Um eine saubere Ausrichtung mit der Kollimatorlinse 114 zu erzielen, muss die Kollimatorlinse auch gedreht werden. Die Kollimatorlinse 112 wird ungefähr 10 bis 12º um die ursprüngliche optische Achse 100 gedreht, die sich senkrecht zu dem Emitter 102 erstreckt. Wenn das Lichtbündel 98 durch die ebene Fläche 116 tritt und die Spiegelfläche 118 trifft, wird das Lichtbündel 98 60º reflektiert, so dass das Lichtbündel 98 bei einem Winkel von 30º in Bezug auf die Schaltungsplatine 88 und auch zu der Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 liegt. Wegen der Drehung der Linse 112 auf einer vertikalen Achse ist zusätzlich das Lichtbündel 98 auch in der Ebene der Windschutzscheibe 106 gedreht. Die Drehung der Kollimatorlinse 112 und der Weg des Lichtbündels sind in Fig. 6 gezeigt, in der nur das optische System des Sensors 84 dargestellt ist.
Nachdem es durch die Kollimatorlinse 112 hindurchgegangen ist, tritt das Lichtbündel 98 aus der Linse 112 an der konvexen asphärischen Linsenoberfläche 120 aus. Wie oben bemerkt, sind die Strahlen des Lichtbündels 98 teilweise kollimiert. Das Lichtbündel geht dann durch die Prismenfläche 122 des Emitterprismas 94 auf den Koppler 86. Diese Fläche wird auch ungefähr um 10-12º in der Ebene der Windschutzscheibe gedreht, so dass die optische Achse 100 des Lichtbündels 98 nicht weitergedreht wird. Die Prismenfläche 122 ist so positioniert, dass die Fläche 122 bei einem ungefähren Winkel von 21º in Bezug auf die Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 liegt.
Das Emitterprisma 94 bricht das Lichtbündel 98 und die optische Achse 100 ungefähr 15º, derart, dass das Lichtbündel bei dem gewünschten 45º-Winkel in die Windschutzscheibe eintritt. Eine leichte astigmatische Krümmung ist in der Oberfläche 122 des Prismas 94 enthalten, um vollständig das Lichtbündel 98 zu kollimieren. Das Lichtbündel 98 wird unabgelenkt in die Windschutzscheibe 106 gekoppelt und wird durch die Außenfläche 110 der Windschutzscheibe 106 reflek tiert.
Das Lichtbündel 98 geht durch das Detektorprisma 96 auf dem Koppler 86 hindurch. Die Prismenfläche 124 hat eine gemeinsame Ebene für zwei optische Emitterpfade. Eine leichte konvexe Krümmung kann der Prismenfläche 124 hinzugefügt werden, aber die Fläche ist sinnvollerweise flach. Die Fläche 124 des Detektorprismas 96 ist bei einem Winkel von ungefähr 21º in Bezug auf die Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 gebildet. Das Lichtbündel 26 verlässt die Windschutzscheibe 106 bei ungefähr 45º und wird ungefähr 15º durch das Detektorprisma 96 gebrochen, so dass das Lichtbündel 98 bei einem Winkel von ungefähr 30º in Bezug auf die Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 weiterläuft. Wegen der Orientierung des Detektorprismas 96 wird das Lichtbündel 98 um zusätzliche 5º der Ebene der Windschutzscheibe gedreht. Nachdem sie durch das Detektorprisma 96 hindurchgegangen sind, sind die Lichtbündel 98 bei einem Winkel von ungefähr 16º in Bezug auf die Längsachse in der Ebene der Windschutzscheibe.
Nach dem Detektorprisma 96 tritt das Lichtbündel 98 in die Detektorkollimatorlinse 114 an der konvexen asphärischen Oberfläche 126 ein, die das Lichtbündel 98 konvergiert. Das Lichtbündel trifft die Spiegelfläche 128, die das Lichtbündel mit ungefähr 60º reflektiert, derart, dass das Lichtbündel durch die ebene Oberfläche 130 hindurchgeht und auf den Detektor 104 auf der Schaltungsplatine 88 gerichtet wird.
Wegen der Rotation des Lichtbündels 94 in der Ebene der Windschutzscheibe 106 ist die optische Achse 100 des Lichtbündels 98 nach dem Verlassen der Kollimatorlinse 114 nicht exakt senkrecht zu dem Detektor 104 auf der Schaltungsplatine 88. Das Lichtbündel 98 wird typischerweise ungefähr 16º zu der Achse, die sich von dem Detektor 104 senkrecht zu der Schaltungsplatine 88 erstreckt, sein. Der Detektor 104 ist auf der Schaltungsplatine 88 derart befestigt, dass die Achse der höchsten Empfindlichkeit senkrecht zu der Schaltungsplatine 88 liegt. Obwohl das Lichtbündel 98 zu dem Detektor 104 bei einem Winkel von ungefähr 16º zu der Vertikalen ist, trifft das Lichtbündel 98 den Detektor 104 gut innerhalb des Auffangwinkels des Detektors 104.
Fig. 6 zeigt die Konfiguration der optischen Komponenten und den Pfad des Lichtbündels 98 mit der optischen Achse 100, wenn zwei Emitter 102 zu einem einzigen Detektor 104 gerichtet sind. Die Detektorkollimatorlinse 114 hat eine geeignete konvexe Oberfläche 126, eine Spiegelfläche 128 und eine planare Fläche, um Lichtbündel 98 von zwei Emittern 102 aufzunehmen. Die konvexe Fläche 126 der Detektorkollimatorlinse 114 ist nach außen aufgeweitet, um zwei getrennte Flächen 126A, 126B zum Konvergieren der Lichtbündel 98 vorzusehen.
Fig. 6 zeigt auch die leichte Rotation der Strahlen 98 in der Ebene der Windschutzscheibe 106. Die Lichtbündel von den zwei Emittern bilden eine V-förmige Anordnung. Wenn zwei Sätze in einem einzigen Sensor 84 verwenden werden, sind der dritte und vierte Emitter 102 und der zweite Detektor 104 so positioniert, wie gezeigt. Das Gehäuse 90 kann in der Abmessung reduziert werden, da die optische Konfiguration den Lichtbündeln erlaubt, gemeinsame aktive optische Elemente zu teilen. Die Spiegeloberfläche 128 und die planare Fläche 130 der Detektorkollimatorlinse 114 sind gemeinsam für zwei optische Wege ausgebildet.
Diese optische Technik des winkelmäßigen Spektrummultiplexens gewinnt Raum und reduziert die Kosten des Sensors 84. Das Anordnen der Schaltungsplatine 88 parallel zu der Innenfläche 108 der Windschutzscheibe 106 sieht eine merkbar Platz- und Kostenreduktion bei der Herstellung des Sensors 84 vor.
In dem Sensor 84 (und auch in dem Sensor 10) muss der Gesamtbrechwert aller optischen Flächen, die das Lichtbündel 98 trifft, bevor es in die Windschutzscheibe 106 eingekoppelt wird, ausreichend sein, um das Lichtbündel 106 zu kollimieren. Der Hauptteil des Brechwertes ist an der konvexen Linsenfläche 20 der Kollimatorlinse 112 vorgesehen und ein geringerer Teil ist an der Prismenoberfläche 122 des Kopplers 86 vorgesehen. Der Brechwert kann unterschiedlich verteilt sein, indem die Krümmung in einem solchen Umfang eingestellt wird, wie die Änderungen bezüglich der Prismenfläche 122 nicht nachteilig die notwendige Brechung des Lichtbündels 98 beeinflussen.
Eine Option für die Einstellung des Brechwertes liegt darin, einen Teil des Brechwertes früher in den optischen Pfad hinzuzufügen, indem die planare Fläche 116 konvex gemacht wird. Es ist auch möglich, einen Brechtwert zu der Spiegelfläche 118 hinzuzufügen, indem die Spiegelfläche 118 zu einen parabolischen Abschnitt gemacht wird, wobei der Brennpunkt der Parabel an dem Emitter 102 liegt. Die Prismenfläche 122 kann als eine segmentierte Fläche oder Fresnellinse auf Kosten des optischen Wirkungsgrades verwirklicht werden. Eine ähnliche Neuverteilung des Brechwertes kann bei den Detektoroptiken der Sensoren 10, 84 verwendet werden. Allerdings ist es im Allgemeinen vorzuziehen, den Brechwert am Ende des optischen Weges vom Emitter 102 zu der Windschutzscheibe zu platzie ren, um so die Brennweite der Optiken zu verlängern. Das Öffnen der Brennweite resultiert darin, dass weniger Strahlen des Lichtbündels 98 das Detektorprisma 96 verfehlen. Zusätzlich erlauben längere Brennweiten weniger kritische Toleranzen in vielen der Teile.
Zusätzlich zu der vorderen Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges kann der Feuchtigkeitssensor der vorliegenden Erfindung auch auf anderen Glasflächen für die Abtastung von Feuchtigkeit verwendet werden.

Claims

1. Feuchtigkeitssensor zum Befestigen auf einer Oberfläche einer Glasscheibe, um Feuchtigkeit auf einer gegenüberliegenden Glasscheibe zu detektieren, wobei der Feuchtigkeitssensor umfaßt:

a) eine Koppler zum Befestigen auf einer Innenfläche einer Glasscheibe, wobei der Koppler ein Paar von prismatisch brechenden Bereichen in beabstandeter Beziehung umfaßt;

b) ein an dem Koppler befestigtes Gehäuse;

c) eine flache Schaltungsplatine, die in dem Gehäuse befestigt ist und die eine Geräteoberfläche aufweist, die im wesentlichen parallel zu der Innenfläche der Glasscheibe ist;

d) einen auf der Gerätefläche montierten Sender, der Lichtbündel mit einer ungefähr senkrecht zu der Gerätefläche der Schaltungsplatine stehenden optischen Achse emittiert;

e) eine Senderlinse, die in dem Gehäuse montiert und zwischen dem Sender und einem ersten prismatischen Bereich des Kopplers angeordnet ist, wobei die Senderlinse eine Reflexionsfläche aufweist;

f) einen auf der Gerätefläche montierten Detek tor zum Delektieren von den Detektor unter einem Winkel innerhalb eines Annahmewinkels des Detektors treffenden Lichtbündel und zum Erzeugen von Steuersignalen abhängig von den Lichtbündeln und

g) eine Detektorlinse mit einer Reflexionsfläche, wobei die Detektorlinse innerhalb des Gehäuses montiert ist und zwischen dem Detektor und einem zweiten prismatischen Bereich des Kopplers positioniert ist; und wobei die Senderlinse, der Koppler mit prismatisch brechenden Bereichen und die Detektorlinse positioniert sind, um einen Strahlengang von dem Sender zu einer Außenfläche des Glases und zurück zum Detektor zu bilden, derart, daß die Lichtbündel unter einem Winkel ungefähr senkrecht zu der Schaltungsplatine emittiert, in die Glasscheibe gerichtet und von dieser unter einem Winkel zwischen 40 und 50 Grad reflektiert und von dem Detektor unter einem Winkel innerhalb des Annahmewinkels des Detektors empfangen werden.

2. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, einen Signalverarbeitungskreis einschließend, der auf der Schaltungsplatine angeordnet ist und der mit dem Sender und dem Detektor verbunden ist, um die von dem Sender emittierten Lichtbündel zu steuern und um die Steuersignale von dem Detektor zu verarbeiten.

3. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, eine Mehrzahl von Sendern, Senderlinsen, Detektoren und Detektorlinsen, die auf der Schaltungsplatine montiert sind, und eine entsprechende Mehrzahl von prismatischen brechenden Bereichen, die in dem Koppler gebildet sind, einschließend, wobei Sender, Senderlinsen, Detektoren, Detektorlinsen und prismatische Bereiche angeordnet sind, um eine Mehrzahl von Strahlengänge zu bilden, bei denen Lichtbündel unter einem Winkel ungefähr senkrecht zu der Schaltungsplatine emittiert, in die Glasscheibe gerichtet und von dieser unter einem Winkel zwischen 40 und 50 Grad reflektiert und von dem Detektor unter einem Winkel innerhalb des Annahmewinkels des Detektors empfangen werden.

4. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem die prismatischen brechenden Bereiche in dem Koppler eine konvexe Oberfläche zum Sammeln der Lichtbündel einschließt.

5. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem die Senderlinse und die Detektorlinse jeweils eine konvexe Oberfläche zum Collinieren der Lichtbündel einschließen.

6. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 5, bei dem die konvexen Oberflächen asphärische Flächen sind.

7. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem die kombinierte Reflexion der Lichtbündel durch die Senderlinse und Brechung der Lichtbündel durch den ersten prismatischen Bereich die Lichtbündel in dem Bereich zwischen 40 und 50 Grad ablenken und die kombinierte Brechung der Lichtbündel durch den zweiten prismatischen Bereich und Reflexion der Lichtbündel durch die Detektorlinse die Lichtbündel in dem Bereich zwischen 40 und 50 Grad ablenken.

8. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 7, bei dem die Lichtbündel ungefähr 45 Grad durch Reflexion in der Senderlinse und Brechung in dem ersten prismatischen Bereich abgelenkt werden und bei dem die Lichtbündel ungefähr 45 Grad durch Brechung in dem zweiten prismatischen Bereich und Reflexion in der Detektorlinse abgelenkt werden.

9. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 8, bei dem die Lichtbündel ungefähr 60 Grad durch die Senderlinse reflektiert und ungefähr 15 Grad durch den ersten prismatischen Bereich gebrochen werden und bei dem die Lichtbündel ungefähr 15 Grad durch den zweiten prismatischen Bereich gebrochen und ungefähr 60 Grad durch die Detektorlinse reflektiert werden.

10. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem der Koppler eine Dicke von 5 mm oder weniger aufweist.

11. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem der Sender und der Detektor SMD-Bauelemente sind.

12. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem die prismatischen brechenden Bereich auf dem Koppler eine Oberfläche einschließen, die unter einem Winkel von ungefähr 21 Grad in Bezug auf die Innenfläche der Glasscheibe gebildet ist.

13. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem der Koppler Lichtsperrnuten einschließt.

14. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, mit Lichtsperren, die auf der Schaltungsplatine montiert sind und in der Nähe des Detektors angeordnet sind.

15. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 1, bei dem die Lichtbündel an dem Detektor unter einem Winkel ungefähr senkrecht zu der Schaltungsplatine empfangen werden.

16. Feuchtigkeitsensor zum Befestigen auf einer Oberfläche einer Glasscheibe, um Feuchtigkeit auf einer gegenüberliegenden Fläche der Glasscheibe zu delektieren, wobei der Feuchtigkeitsensor umfaßt:

a) einen Koppler zum Befestigen auf einer Innenfläche einer Glasscheibe, wobei der Koppler drei prismatische brechende Bereiche in beabstandeter Beziehung umfaßt;

b) ein an den Koppler befestigtes Gehäuse;

d) einen ersten und einen zweiten auf der Gerätefläche in beabstandeter Beziehung montierten Sender, wobei die Sender Lichtbündel mit einer ungefähr senkrecht zu der Geräteoberfläche der Schaltungsplatine stehenden optischen Achse emittieren;

e) eine erste Senderlinse, die in dem Gehäuse montiert und zwischen dem ersten Sender und einem ersten prismatischen Bereich angeordnet ist und eine zweite Senderlinse, die in dem Gehäuse montiert und zwischen dem zweiten Sender und einem zweiten prismatischen Bereich angeordnet - ist, wobei die Senderlinsen eine Reflexionsfläche umfassen;

f) einen auf der Gerätefläche montierten Detektor zum Delektieren von den Detektor unter einem Winkel innerhalb eines Annahmewinkels des Detektors treffenden Lichtbündeln und zum Erzeugen von Steuersignalen abhängig von dem Lichtsbündeln;

g) eine Detektorlinse mit einer Reflexionsfläche, wobei die Detektorlinse innerhalb des Gehäuses montiert ist und zwischen dem Detektor und einem dritten prismatischen Bereich des Kopplers positioniert ist; und wobei die Senderlinsen, der Koppler mit prismatischen brechenden Bereichen und die Detektorlinse positioniert sind, um einen ersten Strahlengang von dem ersten Sender zu einer Außenfläche des Glases und zurück zu dem Detektor und einen zweiten Strahlengang von dem zweiten Sender zu einer Außenfläche des Glases und zurück zu dem Detektor zu bilden, derart, daß die Lichtbündel von dem ersten und zweiten Sender unter einem Winkel ungefähr senkrecht zu Schaltungsplatine emittiert, in die Glasscheibe gerichtet und von dieser unter einem Winkel zwischen 40 und 50 Grad reflektiert und von dem Detektor unter einem Winkel innerhalb des Annahmewinkels des Detektors empfangen werden.

17. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 16, einen Signalverarbeitungskreis einschließend, der auf der Schaltungsplatine angeordnet ist und der mit den Sendern und dem Detektor verbunden ist, um die von den Sendern emittierten Lichtbündel zu steuern und um die Steuersignale von dem Detektor zu verarbeiten.

18. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 16, bei dem die Lichtbündel von dem Detektor unter einem Winkel von ungefähr 16 Grad in Bezug auf die senkrechte Achse empfangen werden, die sich von dem Detektor auf der Schaltungsplatine erstreckt.

19. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 16, bei dem die Lichtbündel von den Senderlinsen ungefähr 60 Grad reflektiert und von dem ersten prismatischen Bereich ungefähr 15 Grad gebrochen werden und bei dem die Lichtbündel von dem zweiten prismatischen Bereich ungefähr 15 Grad gebrochen und von der Detektorlinse ungefähr 60 Grad reflektiert werden und wobei die Lichtbündel in einer Ebene der Windschutzscheibe durch die Senderlinsen ungefähr 11 und von dem dritten prismatischen Bereich des Kopplers ungefähr 5 Grad gedreht werden.

20. Feuchtigkeitsensor nach Anspruch 16, mit mindestens einem zusätzlichen optischen Satz, der auf der Schaltungsplatine moniert ist, wobei die optischen Sätze mindestens zwei Sender, eine äquivalente Anzahl von Senderlinsen, einen Detektor und eine Detektorlinse umfassen und eine entsprechende Mehrzahl von prismatischen brechenden Bereichen, die in den Kopplern gebildet werden, umfassen, derart, daß die Sender, Senderlinsen, Detektoren, Detektorlinsen und prismatischen Bereiche so positioniert sind, um eine Mehrzahl von Strahlengängen zu bilden, bei denen Lichtbündel bei einem Winkel ungefähr senkrecht zu der Schaltungsplatine emittiert, in die Glasscheibe gerichtet und von der Glasscheibe unter einem Winkel zwischen 40 und 50 Grad reflektiert und von den Detektoren unter einem Winkel innerhalb des Annahmewinkels der Detektoren empfangen werden.