CN105408033A - 一种清理窗户上的水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于清理窗户上的水的装置，包括用于耦合到窗户的一个或多个变频器。所述一个或多个变频器中的每个能操作以在多个不同频率中的任意频率下生成各个波类型。频率发生器(925)向所述一个或多个变频器提供用于多个不同频率的超声驱动信号(926)。模式控制器(930)控制所述发生器(925)和电极(210)的变频器配置，以将具有从多个不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波施加到窗户。

Description

一种清理窗户上的水的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种清理窗户上的水的方法和装置。

背景技术

窗户可通过人工清洁来保持透过窗户的清晰视野。车辆上，使用雨刷来除去水滴和清洁窗户。雨刷具有雨刷片，雨刷片一般由橡胶或塑料制成，并且被设置为与窗户表面接触。电机运转带动机构驱动雨刷的雨刷片横扫窗户表面。雨刷片会磨损，需要定期更换。雨刷机构笨重，昂贵并且也会遭受磨损。

市场上可买到的产品比如RainX(RTM)可用在窗户表面，来更容易地清洁窗户。然而，当使用接触窗户表面清洁窗户的方法时，应用在窗户表面的产品也被除去了，并且必要进一步施用这些产品。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种清理来自窗户的水滴的装置，该装置包括：

耦合到窗户的一个或多个变频器，一个或多个变频器中的每个生成多个具有从不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波；发生器，用于向变频器提供用于多个不同频率的超声驱动信号；以及模式控制器，用于配置发生器和变频器，生成具有从多个不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波。

根据本发明的另一个方面，提供一种利用所述方面的任一项的装置来清理来自窗户的水滴的方法，该方法包括：选择超声波的波类型及对应频率，促使发生器生成选择频率的驱动信号，和配置一个或多个变频器中的每个在选择的频率下运行并且产生选择的波类型。

从下面说明性的描述中可以领会到本发明能不仅清除例如雨水和其他降水的水滴，而且还能清除例如污垢的杂质污染的水滴以及含有诸如挡风玻璃冲洗液中使用的去污剂的添加剂的水。

根据本发明的进一步方面，提供一种用于配置一个或多个变频器的驱动电路，该驱动电路包括发生器，该发生器用于向变频器提供用于多个不同频率的超声驱动信号；以及模式控制器，用于配置发生器和变频器，生成具有从多个不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波。

与具有多个电极的超声变频器一起使用的驱动电路的一个实施方式，包括用于选择性地将发生器连接到电极的一排开关，以及模式选择器，该模式选择器用于控制发生器的运行频率以及产生用于选择开关的开关状态的开关控制信号。

在驱动电路的一个实施方式中，频率发生器被配置为生成不同频率的同相信号和相同频率的180度相移的信号，并且模式控制器能操作以配置发生器生成具有选择的频率的信号和180度相移的相同信号，并且配置变频器的电极，使一组电极接收180度相移的信号，另一组电极接收同相信号。

附图说明

通过结合下面仅举例说明一些特征的附图的描述，某些实例的各种特征和优势会更加明显，并且其中：

图1是示出一种清理窗户的方法的一个实例的流程图；

图2A是变频器的一个实例的示意图；

图2B是图2A中的变频器的一个侧视图的示意图；

图3A-3C是向窗户上的水滴发射出超声波的变频器的示意图；

图4A是示出电极配置的一个实例的变频器的一个侧视图的示意图；

图4B是示出变频器电极配置的另一个实例的变频器的侧面示意图；

图4C是示出例如沿窗户表面向窗户上的水滴发射出超声波实现模式变换的变频器的示意图；

图4D是示出例如沿窗户表面发射出超声波通过水滴雾化来清理窗户表面上的水滴的变频器的示意图；

图4E是示出例如沿层压窗户表面发射出超声波的变频器的示意图，其中，超声波穿过窗户表面上的水滴通过模式变换和雾化来清理窗户表面上的水滴；

图4F是示出例如沿具有加热元件的窗户表面发射出超声波的变频器的示意图，超声波穿过窗户表面上的水滴通过模式变换和雾化来清理窗户表面上的水滴；

图5A-5B是示出变频器电极配置的其他实例的变频器的一个侧视图的示意图；

图5C是示出例如发射超声波的变频器的示意图，超声波穿过水滴实现模式变换；

图5D是示出例如发出超声波的变频器的示意图，超声波穿过窗户上的水滴实现模式变换以沿窗户表面推进水滴；

图6A-6B是示出变频器电极配置的进一步实例的变频器的一个侧视图的示意图；

图6C是示出根据一个实例向窗户上的水滴发射超声波以促使水滴克服窗户表面的表面张力并离开窗户表面的变频器的示意图；

图6D是示出例如向窗户上的水滴发射超声波以促使水滴离开窗户表面并通过经过水滴和窗户表面之间的空气去除水滴的变频器的示意图；

图7是检测和清理降水的一种说明法的流程图；

图8是根据一个实例玻璃基板上不同相速度的超声波的散布特性的图表；

图9A是变频器和控制和运行变频器的关联电路的一个实例的示意图；

图9B是变频器和控制和运行变频器的关联电路的另一个实例的示意图；以及

图10A和图10B是具有贴有变频器的挡风玻璃的车辆的示意图。

具体实施方式

在此所描述的某些实例涉及一种清理窗户的方法和装置。所述装置包括变频器，该变频器被设置为发射沿窗户的表面或通过窗户传播的超声波。在此所描述的某些实例涉及超声地清理玻璃上的降水。术语“降水”旨在包括雨水、雨夹雪、雪、冰、毛毛雨、薄雾、浓雾、冰雹或其他类型的降水。超声波清除窗户上的降水。变频器可粘结到窗户的表面。

为便于说明，以下描述涉及水滴。清理水滴可能涉及利用超声波进行窗户表面上的水滴的振动、推进和/或雾化中的一个或多个。然而，本发明的实例可用来清除窗户上的其他水滴，例如：液相沉淀比如水和其他物质的混合物或溶液或油。可通过喷水或水洗或喷水和例如去污剂的助剂的混合物或溶液，然后超声地清理窗户，来除去窗户上的固体沉淀。

窗户可选择地包括加热元件。在某些情况下，窗户可以是建筑物的窗户或车辆的窗户。例如，车辆用的窗户可由汽车玻璃制造。窗户可以是车辆用的窗户，比如车辆的前挡风玻璃、后窗户、天窗或侧窗。窗户可包括层压层，其中层压层夹在顶层玻璃和底层玻璃之间。例如，层压层可以是压缩在两层退火玻璃之间的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)层压板。

在此所描述的某些实例涉及清理车辆的层压挡风玻璃或后窗户上的水。超声地清理层压挡风玻璃或后窗户上的水。

使用的术语“超声的”或“超声地”涉及具有超声频率的波。超声频率被认为大约在100千赫(kHz)与50兆赫(MHz)之间或以上。超声波从耦合到信号发生器上的变频器发射出来。发生器可以是信号发生器，该信号发生器被配置为向变频器提供超声频率电信号。变频器被设置为被驱动着基于来自发生器的超声信号生成超声波。

在此所描述的某些实例中，变频器被配置为能发射出100kHz-4MHz或以上的频率。可利用一个或多个变频器来清理窗户。

在此所描述的一个或多个变频器中的每个包括多个电极。每个变频器的电极被配置为可独立于其他电极独立运行。照此，变频器可被配置为在可能的超声波频率范围内的频率运行。可通过在信号发生器上生成该频率的电信号并且将该信号施加到具有间隔的一“组”电极上与自然频率对应，以实现频率选择。贯穿整个说明书使用的术语“一个(a)”“一个(one)”或“单个(single)”频率应理解为涉及变频器发射出的中心频率或主频率，这是因为发射出的一个波段的频率的频宽是围绕中心频率。

可动态地选择超声波的频率和/或波类型。在此提及的频率和波类型的组合是一种运行方式。不同的表面声波的实例包括瑞利波、兰姆波和板波。频率的某些范围可有优选的波类型，反之亦然。例如，瑞利波可在大约2.5MHz以上的较高频率下生成；兰姆波可在大约1MHz与2.5MHz之间的中频下生成；而板波可在大约1MHz以下的较低频率下生成。

在此所描述的一个或多个变频器能选择一个或多个变频器发射出的超声波的频率和/或波类型。由于每个变频器的运行条件是可动态选择的，因此，每个变频器的运行模式是动态的。由于每个变频器可用多个运行模式，因此，每个变频器是“多模式”变频器。

参考图，现将描述某些实例。具体特征的一组图使用的相同参考数字涉及相同特征。

图1流程图中示出了一种清理窗户的实例方法。在块100中选择运行模式。运行模式涉及变频器运行，并且基于变频器特定组的电极的运行来选择模式。变频器的每个电极可单独连接到信号发生器，来实现每个电极的独立运行。单独选择待连接到信号发生器上的电极，能够动态地控制变频器选择的运行频率。例如，电极可以单独连接或连续成组连接，或一些电极可以根本不连接。例如，沿变频器每隔一个电极可进行连接，其中交替电极是运行的，因此是有效的，而剩余的电极是不运行的，因此是无效的。基于变频器运行模式的选择，也就是，基于选择的运行用数组电极和来自发生器的信号频率，可因此实现变频器的理想工作频率。在块150，基于选择的运行模式清理窗户。通过变频器发射出来的超声波来清理窗户，该变频器在选择的运行模式下，也就是，具有理想的频率和/或该运行模式下的波类型。

图2A示出具有多个电极210的变频器200。每个电极具有各自的连接器，连接器向频率发生器和开关电路提供电连接，频率发生器和开关电路参照图9A和9B的描述。屏蔽条230将电极210从地平面250电隔离。变频器的压电材料240可由锆钛酸铅(PZT)材料或任何其他适合的压电材料制造，例如石英晶体。电极210可具有沿压电层延伸的电极“指”的外表。在压电层对边的进一步的电极从电极指电连接到地面250。由于电极指可由在单独电极对边的压电材料上的电极“片”来代替，进一步的电极可以有或也可以没有电极“指”的外表。

图2B示出参照图2A所述的变频器的侧视图。进一步的电极260电连接到地面250。当变频器运行时，信号发生器施加具有需要频率的信号到为该频率选择的一组电极，并且电极耦合到压电层，促使变频器发出超声波。垂直于电极指的方向，例如在箭头270指出的方向，发射超声波。

可以通过将变频器贴附到窗户表面上来将变频器耦合到窗户。可通过变频器化学胶合或物理固定在窗户表面将变频器贴附到窗户表面上。市场上可买到合适的粘合剂，例如粘合剂可包括环氧树脂。使用时，粘合剂在变频器和窗户表面之间形成粘合层。该粘合层可以是薄的，具有均匀厚度且无气泡，例如在真空条件下制备的。变频器可贴附到窗户上，电极“指”210面向窗户表面，或选择性地贴附，使得电极“指”210背向窗户表面。朝向窗户的电极210增加了施加到窗户上的波能，但还增加了例如通过电极连接器向电极提供电连接的难度。

现将描述变频器运行模式的实例。在此描述的实例中，变频器可被配置为在100kHz-4MHz或以上的频率范围内任意选择的频率运行，适合与具有特定物理性质的玻璃一起使用；在本实例中是汽车的挡风玻璃。基于信号发生器生成的电信号的选择频率和变频器的特定组的电极的选择来选择频率。例如，在某些实例中，数组电极可被配置为大约220kHz、570kHz、1.39MHz、2MHz或3.1MHz的任意频率中选择的频率。

可以使用大约这些值的频率；例如220kHz+/-50kHz、570kHz+/-50kHz、1.39MHz+/-100kHz、2MHz+/-100kHz和3.1MHz+/-100kHz。

参照图4A/B,5A/B以及6A/B，稍后将描述这些实例频率中每一种频率的选择。应该注意到，由于正如预期的，任何频率都是可选择的，因此基于使用在此所描述的不同组的电极选择的频率不应认为是有限制的。基于为预定频率选择而制造和配置的变频器，在频率范围内任意频率的选择都是可能的。基于在此所描述的方法，通过运行多组电极，可选择运行频率。然而，本发明并仅不限于在此所描述的可选择频率。

图3A-3C示出运行时可从一个或多个变频器超声地发射出来的不同波类型的实例。

在图3A的实例中，变频器300通过粘合层320，例如环氧树脂粘结到窗户310的表面。水滴330可出现在窗户的表面。变频器能被驱动发射出只通过窗户表面传播的超声波。实例中的超声波是表面声波，比如瑞利波340。变频器发射出的瑞利波可在大约2.5MHz以上的较高频率生成。瑞利波沿窗户的表面向水滴传播。由于超声波耦合到窗户表面，波可能在窗户表面遇到水滴。由于超声波到达水滴时超声波是具有特定频率的(并且因此具有特定波长)，超声波“见到”水滴时，能量从超声波转移到水滴，来清理窗户表面上的水滴。窗户表面的水滴的雾化是通过将超声波的较高能量高效转移到水滴来实现的。在这个实例中，可通过雾化或推进过程来清理水滴。可通过完全或部分雾化水滴来除去窗户表面的水滴。可通过进一步的推进或振动过程来清理部分雾化的剩余水滴。例如，可推动水滴沿窗户表面移动，来避免水滴阻碍透过窗户的清晰视野。

在图3B的实例中，从变频器发射出的超声波是兰姆波。兰姆波沿窗户的表面传播。在本实例中，从变频器发射出的兰姆波的频率介于大约1MHz与2.5MHz之间。沿变频器耦合在上面的窗户表面传播的兰姆波350比沿窗户的背面传播的兰姆波360有更大的振幅。在窗户两面传播的兰姆波350和360可是同相的或异相的，例如，兰姆波可以分别是对称波或反对称波。变频器表面的兰姆波350可比窗户背面的兰姆波360具有更高的位移。因此，一旦出现水滴，从变频器发射出的大部分超声波能量就穿过窗户表面传播。在本实例中，可沿窗户表面推进水滴，以除去水滴。如果足够的能量通过，例如，模式转换，从兰姆波350转移到水滴，那么可通过水滴雾化来清理水滴。

瑞利波和兰姆波以各种不同的频率共同存在。在所述的1MHz的频率下，出现的大都是兰姆波，在所述的3MHz的频率下，出现的大都是瑞利波。随着频率的增加，波类型从兰姆波向瑞利波渐进地改变，也就是，兰姆波在较低频率占优势，但频率增加时，瑞利波在较高频率占优势。

在图3C的实例中，从变频器发射出的超声波是板波370。在本实例中，从变频器发射出的板波可具有相对低的频率，大约1MHz以下。板波370主要通过窗户本体传播。高波长的板波具有较低频率，因此板波只可以振动在窗户表面的水滴。在窗户表面的水滴的振动可使分离的水滴合并并结合来形成相对较大的水滴。

图3A-3C示出耦合到窗户表面的仅一个变频器，然而许多变频器可耦合到窗户表面。一个或多个变频器可耦合到靠近窗户的边缘或在窗户的外围区域。一个或多个变频器可隐藏于视野之外。

应该明白，由于高于截止频率的超声波具有较高能量，超过临界频率或截止频率就可实现雾化。低于截止频率的超声波没有足够的能量促使水滴雾化发生，然而这些超声波具有足够的能量来推进水滴穿过窗户表面。也具有进一步的截止频率，低于该截止频率，不能实现推进水滴，然而振动水滴是可能的。雾化、推进或振动的截止频率可依赖于水滴的尺寸和/或组成。举例来说，想一下窗户表面上的水滴：较小的水滴具有较大的表面积与体积之比(与具有较大的表面积与体积之比的较大水滴相比较)，因此较小的水滴具有较大的表面张力。较小的水滴需要大量的能量(从较高的超声频率来说)，以在实现推进或雾化前克服表面张力，也就是，与可能需要较少的能量就能实现雾化的较大水滴相比，可能需要较高的超声频率来雾化和除去较小的水滴。

可处理窗户表面，例如通过涂覆可选的涂层，可选的涂层可改进水滴和窗户表面之间的表面张力。例如，如果可选的涂层涂覆到窗户表面，窗户表面可变为疏水的或亲水的，以分别降低或增加水滴和窗户表面之间的表面张力。例如可在窗户表面涂覆RainX(RTM)来改进水滴的接触角。因此，可选的涂层或窗户的表面处理可改进雾化、推进和/或振动所需的截止频率。

如上所述，配置每个变频器的电极，这样每个电极独立于其他电极来运行。通过运行不同“组”的电极来选择频率或波类型。例如，可选择性地运行电极的不同组合，并且一些电极可选择性地在不同相位运行或不运行。选择的不运行的电极可电性浮动。如果电极被选择运行，那么通过频率发生器施加信号电压到选择的电极和地面之间；相反地，选择的不运行的电极是浮动电极，则不要施加电压到电极。举例来说，如果只有一半的电极运行，那么本“组”电极包括全部可用的电极中的一半，这些电极是运行的。

图4A-4B示出用于实现窗户表面水滴雾化的变频器内的电极组的运行实例模式或配置。在这些实例中，这些配置促使变频器发出超声波，超声波的频率大约2.5MHz以上。这些超声波的波类型主要是瑞利波。

在图4A的实例中，变频器400包括多个电极405和410。这些电极靠近压电层415，例如PZT材料。电连接到地面425的进一步电极420在靠近电极405和410的压电层的另一面。运行时，一些电极405是浮动电极且没有连接到信号发生器，然而其他电极410活动连接到信号发生器。可以运行连接的本组电极410来生成频率在2.5MHz以上的超声波。

可选择性地加工变频器内的某些物理参数，使这些参数具有预定的属性。例如，可设计电极，使变频器在预定的或选择的频率下运行。例如，每个电极的宽度或连续电极间的间隙或间距是设计参数，特定频率可依赖于这些设计参数。可以设计不同变频器电极，这样，操作不同组的电极就可使变频器发射出具有预定频率的超声波。例如图4A所示的变频器包括28个独立电极。图4A所示的28个独立电极405和410的每一个具有0.4毫米(mm)的宽度，电极间的间隙或间距是0.1mm。为生成频率大约为3.1MHz的波，28个电极410的一组替换电极410连接到信号发生器上，来接收频率大约为3.1MHz的信号，而干预电极405是浮动的。相邻的有效或运行电极410间的间距与在该频率下生成的波的波长有关。电场可设立在运行电极410和地电极420之间，使压电层变为有效的，以实现发射超声波的变频器的位移。

图4B示出变频器400(类似于图4A中描述的)，在变频器内，电极410接收第一频率和相位的信号，而干预电极405接收相同频率但同电极410相比180度相移的信号。本配置允许额外的电场430设立在相邻电极410和405之间。本配置允许额外电场促使变频器的压电层变为更加“有效的”，从而引起变频器更大的位移，也就是，发射出幅度较大的超声波。本配置可提高变频器的运行频率和/或增加转移到窗户表面上的水滴的能量。

图4C-4F的实例对应参照图3A所描述的实例。变频器400通过粘合层435粘结到窗户440的表面。变频器可以是图4A-4B中所描述的变频器并且可发射出频率在2.5MHz以上的超声波。图4C-4F示出的实例中，运行时变频器发射出的超声波是表面声波，比如瑞利波。变频器发射出的超声波445耦合到窗户表面并且沿窗户表面传播。出现在窗户表面的水滴450可能遇到沿窗户表面传播的超声波。一旦遇到水滴，来自超声波的能量转移到水滴。能量转移可基于模式转换进行。较高的频率的模式转换要比较低的频率更强烈。模式转换是一种能量转移过程，在这一过程中，机械波比如超声波耦合到液体，例如窗户表面上的水滴，而纵波455传输给液体。照此，随着能量转移，入射到水滴的超声波的振幅也将减小，并且例如超声波可被称为“漏溢”波。照此，越过水滴的超声波的振幅要比入射到水滴的超声波振幅要小。传输到水滴的纵波具有施加压力460到水滴内表面的作用，这样压力可沿水滴所在的窗户表面推动水滴或促使水滴雾化。

图4D示出窗户表面的水滴465雾化的实例。因此，窗户是清洁的。窗户是通过水滴雾化来清理的。

图4E示出变频器耦合到层压窗户的实例。例如，层压窗户可以是车辆用挡风玻璃。变频器可耦合到窗户的外围区域或窗户的边缘。变频器可隐藏于视野之外的包围窗户的橡胶密封圈下面。层压窗户可包括夹在玻璃顶层440和玻璃底层475之间的层压层470。贴附到窗户表面的一个或多个变频器运行时，每个变频器可被配置为发射超声波，超声波只通过玻璃顶层440传播。在本实例中，由于超声波实质上只通过玻璃顶层传播，超声波不通过层压层传播。这是有利的，因为没有超声波能量在层压层内“损失”，否则会引起超声波的强吸收与衰减。配置变频器为只发射表面声波具有提高清理窗户效率的优点，这是因为在层压层内的衰减得以阻止。所有的超声波能量被限制在窗户表面，使从超声波到水滴的能量转移最大化，来高效地清理窗户。

图4F示出可选择地包括加热元件485的且贴附到窗户上的变频器的实例。例如，包括加热元件的窗户可以是车辆的后窗。如下所示，变频器可贴附到与包含加热元件的一面相对的窗户表面。贴附到窗户表面的一个或多个变频器运行时，变频器可被配置为发射超声波，超声波只通过窗户表面480传播。照此，超声波不通过加热元件传播。同图4E中的实例的层压层相似，在加热元件内没有波能量损失；而所有可用的波能量被导向窗户表面的水滴，来清理窗户。变频器400也可被配置为发射其他声波，例如兰姆波或板波，来高效地清理后文即将描述的窗户。

上文所描述的图4C-4F涉及能发射频率大约2.5MHz以上的变频器。发射出的较高频率可以生成表面声波比如通过模式转换和玻璃表面的水滴雾化来清理窗户的瑞利波。以下部分将描述不同电极配置下的变频器运行的其他实例模式。在此所描述的任何电极配置可用来清理任何类型的窗户，比如只由一块玻璃组成的简单的窗户，包括层压层或加热元件的窗户或其他类型的窗户。

图5A-5B示出用于实现推进窗户表面的水滴的变频器内的电极组的运行实例模式或配置。在这些实例中，电极配置可促使变频器发射出频率在大约1MHz与2.5MHz之间的超声波。发射出的超声波主要是兰姆波。

图5A-5B示出变频器500的不同运行实例模式。图5A-5B中的每一个涉及不同的电极配置。变频器500包括多个电极505和510。这些电极在压电层515上。地电极520在靠近电极505和510的压电层的另一面。运行时，一些电极505因未连接到信号发生器上而是电性浮动的，而其他电极510连接到信号发生器上来接收选择频率的信号。运行连接的本组电极510来接收频率的范围在大约1MHz与2.5MHz之间的信号，并按照信号生成超声波。将图5A和图5B中的有效电极510间隔开，以提供在此范围内的自然频率。

图5A-5B的实例中所示出的变频器包括28个独立的电极。28个独立电极505和510的每一个具有0.4mm的宽度，电极间的电极间隙或间距是0.1mm。在图5A的本实例中，连接到信号发生器的本组电极510包括10个电极，这样浮动电极向左连接在连接的电极之间。电极配置或运行模式的特定实例可用来生成具有频率大约为2MHz的超声波。图5B的实例中所示的变频器仅包括28个独立的电极。标记为+的相邻对的电极连接到示出的信号发生器(不包括作为单个电极对连接的在压电层每一端的单个电极)。电极配置或运行模式可用来生成具有频率大约为1.39MHz的超声波。图5A和图5B中浮动的电极505相对于电极510可交替接收选择频率的但180度相移的信号。

图5C-5D的实例对应于根据图3B所描述的实例。变频器500通过粘合层530粘结到窗户535的表面。一个或多个变频器可以是图5A-5B所描述的变频器并且发射出频率在大约1MHz和2.5MHz之间的超声波。在图5C-5D所示的实例中，运行时，变频器发射出来的超声波主要是兰姆波。变频器发射出来的超声波540和545沿窗户的顶面和底面传播。超声波被耦合到窗户表面。出现在窗户表面的水滴550或许遇到沿窗户顶面传播的超声波，变频器贴附在窗户顶面。图5C示出穿过水滴传播的超声波，能量从超声波转移到水滴，例如通过模式装换。纵波555传输到水滴。传输到物质的纵波具有施加压力560到水滴内表面的作用。

图5D示出入射到水滴的超声波对水滴本身具有作用。入射到水滴的超声波沿窗户表面推动水滴。推进535的方向同超声波传播的方向一致。当水滴沿窗户表面被推动时，水滴的形状可能发生改变。例如，水滴可能具有尾端570和前缘575，尾端570和前缘575与窗户表面之间有不同接触角。例如，与前缘575相比，尾端570可与窗户表面有较大的接触角。沿窗户表面推动水滴的能力使得窗户580得以清理。

一旦沿表面驱动水滴，尾端与窗户表面之间接触角的变化会改变超声波耦合到水滴的耦合效率。因此，一旦开始推进，就有必要改变变频器的运行模式，以改进发射的超声波的频率，从而保持水滴的推进。照此，可动态切换运行模式，也就是，发射的超声波的不同的频率和/或波类型来清理窗户。

在图5C和5D的实例中，沿变频器耦合的窗户表面传播的兰姆波540和350的振幅可比沿窗户相对面传播的兰姆波545和360大。要是图4E和/或4F的实例中的每个变频器400被配置为发射兰姆波来清理窗户，这或许是有利的。这是因为，由于促使模式转换的兰姆波540和350具有较大的振幅且不受层压层或加热元件影响，具有较低的能量且靠近层压层470或加热元件485传播的兰姆波545和360不应影响推进(或雾化)效率，推进(或雾化)用于清理来自窗户的水滴。

以下部分将描述不同电极配置下的变频器的其他运行实例模式。

图6A-6B示出实现窗户表面水滴振动的变频器内的电极组的运行实例模式或配置。在这些实例中，电极配置可促使变频器发射频率在大约1MHz以下或介于大约200KHz和1MHz之间的超声波。发射的超声波可以是板波或振动波。

图6A-6B示出变频器600的不同运行实例模式。图6A-6B中的每一个涉及不同的电极配置。变频器600包括多个电极605和610。这些电极坐落在压电层615上。电连接到地面625的进一步电极620在靠近电极605和610的压电层的另一面。运行时，一些电极605可以不连接到信号发生器，然而其他电极610连接到信号发生器。连接本实例中的本组电极610来接收频率范围在大约200KHz和大约1MHz之间的信号，并按照信号生成超声波。图5A的单个有效电极510和图5B的有效电极对被配置为具有在该范围内的自然频率。

图6A-6B的实例所示的变频器包括28个独立电极。28个独立电极605和610的每一个具有0.4mm的宽度，电极间的间隙或间距是0.1mm。在图6A所示的实例，连接到信号发生器的本组电极610包括18个电极。这些电极连接在电极组中，电极组的电极“连接4/错过4/连接5/错过2/连接5/错过4/连接4”分别由630,635,640,645,650,655和660表示。利用电极配置或运行模式生成具有频率大约为570kHz的超声波。在图6A和6B中浮动的电极605相对于电极610可交替地接收选择频率的但180度相移的信号。

图6B的实例所示的变频器同样地包括28个独立电极，连接到信号发生器的本组电极610包括18个电极。示出的电极在电极组内连接，电极组的电极“连接8/错过12/连接8”沿压电层分别由665,670和675表示。可利用电极配置或运行模式生成具有频率大约为200kHz的超声波。

图6C-6D的实例对应于根据图3C所描述的实例。变频器600通过粘合层粘结到窗户的表面。变频器可以是图6A-6B所描述的变频器并且被驱动发射出频率范围在大约200kHz和1MHz之间的超声波。在图6C-6D所示的实例中，运行时，变频器发射出来的超声波主要是板波。变频器发射出来的超声波680通过窗户本体传播。超声波的频率与窗户的谐振频率或振动频率(谐振条件下)相匹配。通过窗户本体传播的超声波促使窗户振动。

在图6C的实例中，示出的水滴685出现在窗户表面。窗户的振动使水滴和窗户表面的表面张力得以克服。在振动的窗户表面的水滴690可被“踢出”或“喷出”窗户表面。因此，水滴离开窗户表面，并且超声波清理窗户。进一步地，窗户表面上方的气流695可辅助清理窗户。这可以通过移动水滴进一步远离窗户表面来实现，因此降低水滴或许再次回到振动面的机率。

例如，图4E和/或4F的实例中的每个变频器400可被配置为发射根据图6C-6D所描述的振动板波来清理窗户。这具有高效清理层压窗户或具有过个加热元件的窗户的优势，因为板波具有较低的频率(因此较长的波长)，并且照此，板波不会“遇见”比板波波长小的加热元件。

图4-图6所描述的运行实例模式可用来基于电连接到信号发生器的电极的不同配置以及发生器生成的信号的不同频率来控制变频器发射出的超声波的频率和波长。现将描述利用变频器的一个或多个运行模式清理窗户的实例方法。

图7是概括利用一个或多个变频器运行模式清理窗户的方法700的实例流程图。在块760检测窗户上水滴的出现。在块770，选择运行模式的一种模式或顺序。可选择一种运行模式或一个以上的运行模式的顺序来清理窗户。由于变频器的运行模式是基于变频器内活动连接到信号发生器的电极的配置，在本系统的实例中，单个变频器只有一种运行模式可在任何时间运行。因此，如果需要一个以上的运行模式来清理窗户780，运行模式必须依次选择。

例如，如果使用两种运行模式将水滴从窗户清理掉，那么在选择第一种运行模式下，变频器要被配置为发射具有频率为大约3.1MHz的超声波，在选择第二种运行模式下，配置变频器为发射具有频率为大约2MHz的超声波。在本实例中，变频器的两种运行模式可动态交替，以配置变频器为第一次发射具有频率为大约3.1MHz的超声波，而第二次发射具有频率为大约2MHz的超声波。当然，发射频率的选择取决于窗户表面上的水滴的数量以及水滴的尺寸。其他实例频率可用来以较低频率促使水滴振动，然后以较高频率推动或雾化水滴。

图7所描述的清理窗户的方法运行从变频器发射的超声波的频率和波类型(也就是，运行模式)动态控制或选择。对于，例如清理车辆窗户上的冰或泥，这或许是有利的。第一种模式可选择为振动窗户并将窗户表面的冰打碎，第二种模式选择为移动破碎的冰块穿过窗户表面来清理窗户。可通过雾化选择进一步的模式来清理融化的冰或水滴。变频器运行频率的动态选择使得不同频率的超声波以控制的方式从变频器发射出来，穿过窗户表面传播，或选择地通过窗户本体传播。基于上文所描述的电极配置的大量不同组合，单一变频器可获得多个不同运行模式。

利用每种运行模式选择之间设定的时延可依次选择运行模式。例如，连续的运行模式间的时延可以是5微秒，也就是，变频器发射超声波的频率和电极组可每5微秒改变一次。运行时，时延可以是平等固定的或动态改变的。5微秒的时延仅是一个实例；可利用其他的时延，例如：多个微秒范围例如1-10微秒。可选择时延来确保当下一种模式施加到水滴时，施加到水滴的一种模式的结果仍是有效的。可以是手动或自动地进行运行模式的检测760和选择770。例如，车辆司机可基于对在窗户表面的水滴或其他降水的目测手动选择变频器的运行模式。或者，检测系统可被配置为自动检测降水的出现。如果检测是自动进行的，需要至少两个变频器：充当发射器的第一变频器以及充当接收器的第二变频器。信号发生器和用来清理降水的一个或多个变频器可用作检测系统的发射器。或者，额外单独的变频器可用作发射器。可基于变频器检测降水，变频器发射在接收器检测到的超声波，其中超声波具有“默认”振幅或与窗户表面上的零水滴或其他降水对应的信号强度。如果再第二变频器接收到的信号强度不同于默认的信号强度，表明在窗户表面出现了水或其他降水。在窗户表面出现了水或其他降水的地方，能量可从传播的超声波转移到水或其他降水。照此，超声波可经受衰减，并且当超声波到达在第二变频器的接收器时，信号强度将低于默认值。因此，检测到在窗户表面出现水滴或其他降水。衰减的程度表明窗户表面降水(或水滴)的量，或降水的类型(例如雨夹雪)。可利用检测到的水或其他降水的量来自动选择运行模式来清理综上所描述的窗户。

图8是图表800，该图表为超声波在玻璃基质(也就是窗户)上的相速度的散布810建立的模型。此信息对检测每种波类型对坐落在窗户表面的水滴的影响是有用的。纵轴表示每秒米m/s的相速度。对应于以赫兹(频率)测量的散布，横轴表示在3mm厚的玻璃上的兆赫兹的频率。

在图8的实例中，建模的超声波是表面声波。建模的玻璃基质3mm厚，大致是车辆玻璃的厚度，或层压挡风玻璃的顶层玻璃的厚度。对于反对称波和对称波来说，通过块状玻璃传播的超声波的相速度由曲线830和835示出。对于比如窗户用的薄玻璃或玻璃基质来说，声波表现与块状玻璃相比不同并且表现出表面耦合或板波行为。超声波的相速度以每秒米(m/s)示出，而3mm厚的玻璃基质的频率扩散以赫兹(Hz)示出。图表示出当超声波通过玻璃基质传播时，超声波的相速度或速度是如何随频率变化的。

图8示出发射出的超声波可以是一阶声波(第一模式)830和835，二阶声波(第二模式)840和845，三阶声波(第三模式)850和855或更高阶声波。如图8中所示，超声波是兰姆波并且可是反对称波或对称波，也就是，分别是异相的或同相的。反对称波的相速度用830,840和850示出。对称波的相速度用835,845和855示出。发射出的用于在此描述的变频器的不同配置的超声波的频率以反对称波(830)的一阶模式下的相速度-散布关系通过860A，865A，870和875表示。570kHz“板”波的相速度用860A表示；大约1.5MHz的兰姆波用865表示；而更高频率的“瑞利”波用870和875表示。对于有较低散布值，也就是板波，的变频器或许有较高的位移，因为较低散布值的发射出的超声波有较长的波长。在图表上穿过虚线880，885，890和895的发射出的超声波的波长(λ)分别是：λ＝10mm；λ＝4.9mm；λ＝2.16mm；λ＝1.55mm。

例如，一阶模式反对称波860A内的频率在570kHz的“板”波的波长为10mm，而二阶模式反对称波860B(在稍高移频)波长也为10mm。可以看出，与有大约8000m/s的较快相速度的二阶波相比，一阶波860A具有大约2000m/s的较慢相速度。

举例来说，分别具有较短波长2.16mm和1.55mm的较高频率的超声波870和875的波长接近于典型水滴的直径(几毫米)。因此，由于强模式转换，这些波更适合雾化水滴。相反地，具有较长波长10mm的较低频率超声波860A有较弱的模式转换(若有的话)并且不适合雾化水滴，但或许适合振动水滴。当然，在某种程度上介于雾化和振动之间的“中间”组的频率将引起在较低频率的较弱的模式转换和较高频率的强模式转换之间的模式转换。本图表有助于准确描述清理有水滴的窗户所使用的最适合的频率。参照图9A和9B在此描述多模式变频器和关联的电路的实例实施。

关于图9A，变频器可以是众多中的一个，包括例如图2所示的压电基板上的多个电极210。每个电极210通过连接器960连接到开关电路940的多个二进制开关941的每一个上。所有的开关连接到频率发生器925的输出926上。模式控制器930控制频率发生器和开关电路。模式控制器控制施加到开关941的输出信号的频率。模式开关也选择哪个开关导电以及哪个开关不导电，从而选择接收输出信号的本组电极210。在本实例中，其他电极电性浮动。模式控制器通过例如施加二进制信号到控制输入942来控制开关。频率和选择的接收输出信号的电极组的组合定义上文所描述的变频器运行模式。

频率发生器可另外包括脉冲发生器950，该脉冲发生器950以期望的传号－空号比(mark-spaceratio)启动或关闭脉冲信号926，以减少变频器的加热。可通过控制器930来控制输出信号926的脉冲。可根据感应器T测得的变频器温度控制脉冲。

图9B不同于图9A，因为图9A中浮动的电极211接收频率发生器的180度相移的输出信号926。为此，频率发生器具有进一步输出926+180以及额外开关电路940-，开关电路940-在模式控制器930的控制下选择其他电极211，模式控制器930具有控制额外开关电路940-的额外控制端口943。因此，图9B的系统可选择变频器的任意电极，来接收信号926和180度相移的信号926。

操作者，例如车辆司机，可手动选择根据图7所描述的模式。可利用检测窗户上水的量的检测器970自动选择根据图7所描述的模式。

图10A和10B图示地描述了安装在车辆上的本发明的清理装置。

图10A的实例示出贴附到车辆窗户1030上的清理装置1000。清理装置包括在此所描述的一个或多个多模式变频器1010。在这种情况下，车辆窗户是可能是层压窗户的挡风玻璃。多个变频器1010贴附到窗户的外围区域且可选择的隐藏于视野之外的橡胶密封圈下面。变频器被驱动以发射超声波1020，超声波1020被耦合到窗户表面并穿过窗户表面传播。在本实例中传播的方向是垂直于变频器电极的方向。窗户表面的降水1040可依据在此所描述的方法，例如振动、推进和/或雾化，来清理。变频器可以直线型方式沿窗户边缘设置，这样超声波可穿过整个窗户表面传播。变频器的贴附位置允许从窗户表面的任何区域清理降水。这些变频器贴附到窗户上，允许车辆司机以及优选的前座乘客透过窗户有开阔的视野。在示出的本实例中，变频器贴附在窗户的顶部。变频器也可在窗户周围的其他位置。清理装置1000可优选地贴附在车辆的其他窗户上，例如侧窗1050和/或后窗。

图10B示出检测和清理车辆窗户上的降水的实例装置1060。在本实例中，参照图7上文所描述的，贴附到窗户上的多个变频器1010中的一个或多个充当发送器，而一个或多个进一步的变频器1070可充当接收器。变频器1070传送和接收穿过窗户传播的超声波1080。因此可检测到降水的出现。水滴自动从上文所描述的窗户自动清理掉。

上文在此所描述的实例提供了清理窗户表面上的水滴的稳健(robust)方法。具有许多电极的变频器的组合以及电极不同组合和运行频率的选择使得运行模式具有广泛的选择。这些模式可自动选择。在此所描述的实例中，单一变频器可被动态配置为在多个不同频率下，例如根据电极不同配置的五种不同频率下，单独发射超声波。然而，应该明白可额外选择更多的频率。

举例来说，上文所描述的发明，在某一时间在选择的频率下运行变频器。然而，变频器可被设计为在基本频率下运行并且在该频率下同时有一个或多个谐波。

允许运行模式的选择，在这些模式下，一旦出现水滴，变频器发射出的大部分超声波能量通过窗户表面传播。这就允许高效除去水滴来清理窗户表面。

然而，举例说明，本发明是参照窗户，尤其是车辆窗户，加以描述，司机可清理不具备挡风玻璃的车辆，例如摩托车，的遮阳板上的降水。其他使用的实例包括车辆的外反射镜。

然而，举例说明，本发明是参照清理降水，尤其是水滴，加以描述，可用来清理可能包括添加剂比如用于清洗玻璃的去污剂和/或防冻剂的其他水滴；例如应用到挡风玻璃的屏幕清洗剂。窗户上的污垢或其他污染物可通过水，或掺杂有去污剂的水洗掉，然后利用本发明来清理污水。

呈现前文描述来说明和描述所描述的原则的实例。该说明不是用来详细描述或限制所揭示的任何精密形式的原则。根据以上教导可进行多种修改和更正。参照具体实例描述的特征不应该认为是限定具体实例，而是可与在此所描述的任何一个实例相结合或合并。

Claims (32)

1.一种清理来自窗户的水滴的装置，所述装置包括：

用于耦合到窗户的一个或多个变频器，所述一个或多个变频器中的每个能操作以生成具有从多个不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波；

发生器，其向变频器提供用于多个不同频率的超声驱动信号；以及

模式控制器，用于配置所述发生器和所述一个或多个变频器，以生成具有从多个不同频率和波类型中任意选择的频率和波类型的超声波。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个不同频率在100kHz-4MHz的频率范围中。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述变频器具有多个电极，并且所述模式控制器能操作以选择所述变频器的不同组的电极，用于生成不同频率和波类型的超声波。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述频率发生器被配置为生成不同频率的同相信号和相同频率的180度相移的信号，并且所述模式控制器能操作以配置所述发生器生成具有选择的频率的信号和180度相移的相同信号，并且能操作以配置所述变频器的所述电极，使一组电极接收180度相移的信号，且另一组电极接收所述同相信号。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述模式控制器包括用于选择频率和波类型的模式选择器以及用于选择不同组的电极的开关电路。

6.根据权利要求3、4或5所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以选择所述变频器的不同组的电极，用于生成具有选择的频率的超声波，选择的频率的范围有a)220kHz+/-50kHz，b)570kHz+/-50kHz，c)1.39MHz+/-100kHz，d)2MHz+/-100kHz，以及e)3.1MHz+/-100kHz。

7.根据权利要求3、4、5或6所述的装置，其中，所述模式控制器被设置为通过选择一组电极配置所述变频器在特定频率下运行，所述一组电极按距离间隔开，距离取决于此频率的波的波长。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述波类型包括表面声波、瑞利波、兰姆波以及板波。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以配置所述发生器和所述变频器生成波，所述波主要是频率在2.5MHz以上的瑞利波。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以配置所述发生器和所述变频器生成波，所述波主要是频率在1MHz与2.5MHz之间的兰姆波。

11.根据权利要求8、9或10所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以配置所述发生器和所述变频器生成波，所述波主要是频率在200kHz与1MHz之间的板波。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以配置所述变频器和所述发生器以在不同的选择的频率和波类型下连续运行。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述模式控制器能操作以利用配置间的时延来将所述发生器和所述变频器从一种配置改为另一种配置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述时延的范围是1-10微秒。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述发生器被设置为将超声驱动信号以脉冲施加到所述变频器。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置进一步包括：

控制系统，具有检测器，所述检测器被设置为感应所述变频器中的一个或多个发射出的超声波，来检测窗户上的衰减量，其中，所述模式选择器响应所述检测器，根据检测到的衰减量来选择所述发生器和所述变频器的配置。

17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述变频器具有28个电极，每个电极具有0.4毫米的电极宽度，而所述电极间的间隔为0.1毫米。

18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括窗户，并且其中，所述一个或多个变频器固定在所述窗户的外表面。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述窗户是用于车辆的窗户。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述用于车辆的窗户是前挡风玻璃、后窗、侧窗或天窗中的一个。

21.根据权利要求18、19或20所述的装置，其中，所述窗户是层压窗户，包括夹在玻璃的顶层和玻璃的底层之间的层压层。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个变频器固定在所述窗户表面的外围区域。

23.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括多个所述变频器。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述多个变频器沿窗户外表面的外围区域呈条状固定在窗户上。

25.一种利用根据权利要求1至24中任一项所述的装置清理窗户上的降水的方法，所述方法包括：

选择超声波的波类型以及对应频率，

使所述发生器生成具有选择的频率的驱动信号，并且

配置所述一个或多个变频器中的每个以在所述选择的频率下运行并产生所选择的波类型。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述一个或多个变频器中的每个包括多个电极，并且配置所述一个或多个变频器中的每个在所选择的频率下以所选择的波类型运行包括选择所述变频器的一组电极以及将具有所选择的频率的驱动信号施加到所选择的组。

27.根据权利要求24或25所述的方法，包括利用一种选择的频率和波类型振动在所述窗户的表面的降水，和/或利用另一种频率和波类型推动降水越过所述窗户的表面，和/或利用再一种频率和波类型雾化所述窗户的表面上的降水。

28.根据权利要求25、26或27所述的方法，其中，所述超声驱动信号被以脉冲提供给所述一个或多个变频器中的每个。

29.根据权利要求25、26、27或28所述的方法，进一步包括在不同频率和波类型之间动态地切换。

30.根据权利要求29所述的方法，包括施加在切换频率间的1-10微秒时延。

31.根据权利要求25至30所述的方法，其中，所述超声波实质上只通过所述窗户的表面区域传播到距离所述窗户的表面小于3毫米的深度。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述窗户是层压窗户，所述层压窗户包括夹在玻璃的顶层和玻璃的底层之间的层压层，并且所述超声波实质上只通过玻璃的顶层传播。