CN107076852B - 用于车辆传感器系统的透射式正面加热器 - Google Patents

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Abstract

一种用于车载传感器的加热器被配置以传递感测能量，并且由此允许在所述感测的能量的路径中将所述加热器直接布置在所述感测区域之上。以该方式，提供对所述感测区域的直接加热，以最小化防止结冰和提高除冰速度所需要的能量。

Description

用于车辆传感器系统的透射式正面加热器
关联申请的交叉引用
本申请要求2014年11月3日递交的美国临时申请62/074,211的权益，并且所述美国临时申请通过引用以其全部被并入本文。
发明领域
本发明总体涉及车载系统，并且更具体地涉及先进的车载感测系统。
发明背景
正在开发用于感测车辆附近的行人、其他车辆和障碍物的传感器，以与可以控制车辆的加速装置和制动系统的高级系统一起使用来调节车辆和其他物体之间的距离。最终，这样的系统也可以用于提供自动导航或自动驾驶的车辆。
该类型的传感器，包括雷达、激光雷达(LIDAR)、红外视频、可见光视频和超声，可能受到冰、冻雨或雪——在现实驾驶条件下可能经历的物质——的覆盖物的不利影响。在传感器前面布置护罩或其他材料也可能干扰传感器的操作。特别是对于雷达传感器，布置在雷达传感器之上的任何导电金属(如电加热元件)都可能阻挡无线电波传播。
发明内容
本发明提供一种正面(front-face)加热器，所述正面加热器可以被布置在车载感测系统之上，以限制或移除冻雨、冰或雪的积累物。所述加热器采用聚合物正温度系数(PTC)材料，该材料可以被配置成对于光、声和微波射频能量为可透射的。通过为与PTC材料相连的导电加热器电极适当地确定尺寸和形状，尽管加热器被布置在所感测的能量的路径中，仍然可以使与来自传感器的感测能量的干扰最小化。
具体地，本发明提供一种车载感测系统，所述车载感测系统具有传感器，所述传感器通过窗口区域接收所感测的能量；并且所述车载感测系统具有被设置在所述传感器之上的加热器，所述加热器被设置在所述窗口区域之内并且由电阻薄膜构成，所述电阻薄膜与适合向所述电阻薄膜施加电流的金属导体相连。所述电阻薄膜和金属导体被配置以对于在所述加热器窗口区域内的所述感测的能量为基本上透明的。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供一种汽车使用的能量透明的加热器，所述能量透明的加热器可以被安装在所述感测的能量的路径中，以更快速和彻底地融化所述能量路径中积累的冰、冻雨和雪。通过将所述加热器设置在所述能量路径中，避免了对窗口区域的间接加热，这种间接加热例如可能需要附加的能量和增加的延时。
所述金属导体可以以十指交叉的图案被施加到在所述窗口区域之内的所述电阻薄膜。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供基本上均匀的电流，并且因此为所述加热器提供基本上均匀的加热，以消除热点位、冷点位并且最大化能量效率。
所述电阻薄膜可以为正温度系数材料。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供一种加热器，所述加热器可以主要为自调节的，而不需要温度测量元件和恒温控制。
所述感测的能量可以为微波辐射，并且所述金属导体可以具有经调整以拒绝吸收所述微波辐射的尺寸。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供位于窗口的加热器的益处，而不使所述微波信号降级。
所述金属导体可以具有小于两毫米的垂直宽度和小于0.05毫米的厚度。
因此本发明的至少一个实施例的特征是平衡对于电流分配的需要与最小化微波射束的路径中的(诸如可以吸收微波能量的)金属区域的需要。
所述车辆传感器可以包括用于以预先确定的取向将所述车辆传感器安装到车辆的安装点，并且当所述车辆传感器被安装在所述车辆中时，所述金属导体可以水平地延伸过所述窗口区域。
因此本发明的至少一个实施例的特征是最小化水平面中的(如可能降低微波感测系统的更重要的测量轴线的)衍射效应。
所述加热器提供至少10瓦的热。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供用于迅速除冰的足够的加热能力。
在一个可替换的实施例中，所述感测的能量可以为光，并且所述传感器可以包括支撑所述加热元件的光学透明的基底，并且所述加热元件为基本上不透明的并且包括用于透光的一组孔。
因此本发明的至少一个实施例的特征是提供一种可以以光学感测以及微波感测方式工作的电阻式加热器。
所述传感器可以为具有光传感器和透镜的照相机，所述透镜用于将光聚焦于所述光传感器上，加热元件被布置在所述透镜的焦距之内。
因此本发明的至少一个实施例的特征是最小化对成像式光传感器的成像的干扰。通过将不透明的加热元件布置在焦平面之外，它们可以保持为失焦的，而不产生图像伪影。
所述感测的能量可以为红外光，并且可以包括控制器，所述控制器用于交替进行施加电流到所述加热器和使用所述传感器感测能量。
因此本发明的至少一个实施例的特征是允许加热器和红外传感器共存。
可替换地，所述感测的能量可以为超声能量，并且所述传感器可以为发出超声能量以使其透过声音透明的窗口材料的超声换能器，并且所述电阻材料和金属导体被直接附着于所述窗口材料。
因此本发明的至少一个实施例的特征是通过减少具有不同的声传播性能的材料之间的过渡来最小化对超声能量的阻挡。
在阅读以下具体实施方式、权利要求书和附图之后，本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，在所述附图中同样的附图标记用来指示同样的特征。
附图简述
图1是具有各种不同的障碍物传感器的车辆的立体视图；
图2是本发明中的传感器和如可以被施加在传感器的表面之上的前表面加热器的分解框图；
图3是沿图2的剖切线3-3取的横截面，示出使用具有导电电极的覆层的聚合物材料的薄板的前表面加热器的构造；
图4是图2和图3的加热器的后视图，示出关于促进感测能量的透射的重要尺寸；
图5是与本发明一起使用时的光学传感系统的侧视图，示出加热器在照相机透镜的焦平面内的定位；
图6是类似于图4的图的图，示出为了提供光能量的通道的加热元件的可替换的构造；
图7是类似于图5的图的图，示出与本发明一起使用的超声感测系统；以及
图8是类似于图7的图，示出加热元件的布置。
在详细解释本发明的实施例之前，要理解，本发明就其应用而言不局限于在下面的说明书中陈述的或者在附图中图示说明的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他的实施例，并且能够以各种方式被实践或者被实行。同样，要理解本文中使用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应被视为限制性的。“包括(including)”和“由……构成(comprising)”及其变体的使用意为包含其后列出的项目及其等同物，以及附加项目及其等同物。
优选的具体实施方式
现在参考图1和2，适合与本发明一起使用的车辆10可以包含用于监测车辆10的路径中或车辆10附近的潜在障碍物的各种感测单元12。感测单元12可以包含在外壳17之内的传感器15，例如，所述传感器15用于接收和传感所感测的能量。
传感器15可以与传感器接口电路13交换电信号，所述传感器接口电路13转而与车载计算机11通信，车载计算机11(例如)通过控制转向致动器19a、刹车致动器19b和发动机加速致动器19c来管理车辆控制任务。传感器15还可以与车辆驾驶舱显示器系统23通信，以向车辆乘员提供信息。
外壳17可以包括用于相对于车辆10以预先确定的取向安装外壳17的安装元件19，并且一般地会提供防止环境污染物等的密封。
面向前的感测单元12a可以提供，例如，77千兆赫的长范围的雷达14，所述雷达14提供1至120米的感测能力。作为替代或附加，面向前的感测单元12a可以包括：提供从0.2至80米的感测能力的感测的远红外(夜视)成像18传感器；提供直至280米的感测能力的普通型可见光视频20传感器(或激光雷达16)；短范围的雷达22，例如，使用二十四千兆赫的短范围的雷达并且提供0.2至20米的灵敏度；以及提供0.2至1.5米的感测范围的超声感测24。还可以由侧部感测单元12b提供短范围的雷达和超声感测。
现在参考图2，感测单元12中的每一个可以具有窗口区域26，感测单元12通过所述窗口区域26接收沿感测轴线31向内朝向车辆10的感测能量28。该感测能量28可以是环境中可获得的，或者由与感测单元12相关联的能量源(并且在某些情况中为传感器15)产生的。所接收到的能量，例如，可以为长范围或短范围的雷达、红外光和可见光谱光，包括但不局限于激光射束或超声。
本发明可以提供正面加热器30，所述正面加热器30在窗口区域26和环境暴露于冰、冻雨和雪的源之间被布置在窗口区域26之上。正面加热器30可以通过引线37接收电力，所述电力提供能量以加热正面加热器30，从而融化所接收的冻雨、冰或雪，如若不然所述冻雨、冰或雪可能阻挡感测能量28的向外传输或阻挡所感测的能量的向内接收。在这一点上，正面加热器30可以符合期望地具有高于冰的融点的经调节的表面温度。在一个实施例中，加热器可以具有15至20瓦的瓦数。
来自电引线37的电力可以由电力控制电路35(例如，固态开关装置，如晶体管等)提供，所述电力控制电路35，例如，基于由单独的温度传感器(未示出)感测到的空气温度的范围，或者在可能存在一些干扰的红外传感器的情况中，按照与感测间隔交错的周期间隔切换到引线37的直流电压。到引线37的直流电压可以是浮动的或固定到感测单元12自身所使用的电压，例如，在雷达的情况中，所述感测单元12自身包括射频调制器和解调制放大器。
现在参考图3，正面加热器30可以提供透明的并且在一些情况中为光学透明的聚合物材料的薄层，从而提供基底32。基底32符合期望地为防水的并且可以被处理为防水抗渗的，并且可以为相对于窗口区域26面朝外的，以相对于环境提供对感测单元12的保护。作为替代或附加，附加的能量透射的保护外壳(未示出)可以沿感测能量28的传播方向被布置在正面加热器30的前面。
透明的聚合物材料的背面上涂覆的是PTC(正温度系数)材料33，所述PTC材料具有带正温度系数电阻的导电性能。正温度系数电阻导致电流的量根据材料的温度改变，其中在较低的温度下具有增加的电流，而在较高的温度下具有降低的电流。当在PTC材料33两侧施加基本上恒定的电压源时，该性能提供PTC材料33的自调节温度。
在一个实施例中，PTC材料33可以包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂，如被改性为具有15,000欧姆每平方的薄板电阻率的DuPont 265，包括约28％的醋酸乙烯酯单体和约72％的乙烯单体。为了获得该电气特性，首先可以在约80摄氏度下将该乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂溶解在芳香烃溶剂(如石脑油、二甲苯或甲苯)中，并且静置(let down)到其中溶液总重量的20％为固体。可以添加炭黑(如CABOT VULCAN PF)并进行混合，以使总固体含量为按重量约50％。随后使该材料通过具有0.1至1密耳的夹间隙的三辊分散磨粉机，以进一步分散和压碎固体。用约20％的固体树脂和溶剂溶液进一步静置材料，直至获得期望的薄板电阻率。
适合本发明的正温度系数(PTC)加热器也被公开在授予Leslie M.Watts的美国专利Nos.4,857,711和4,931,627中，所述美国专利通过引用以其全部被并入本文。
PTC材料33的后表面可以支撑十指交叉的电极34，所述电极34在PTC材料33两侧施加电压，所述电压促使电流大体沿PTC材料33的整个广度的平面流过PTC材料33。电极34可以是，例如为使用例如铝等导电金属油墨网眼印刷的或者气相沉积的，或者使用集成电路技术或各种其他制造工艺作为薄贴花施加或从附着的薄膜蚀刻而成的。在一个示例中，添加有20％的平整糊剂(flattening paste)的NazDar 9600系列油墨适合于在本发明的一个实施例中用来形成电极34。该油墨可从美国堪萨斯州的NazDar Inc商业购得。电极34的导电图案可以以范围在约8至10微米之间的厚度被沉积在基底32上。
现在参考图4，在一个示例实施例中，十指交叉的电极34的第一电极总线带36a可以沿正面加热器30的区域的垂直左边缘(与感测能量28的路径偏离一定距离)延伸。第二电极总线带36b可以平行于总线带36a并与之相对地定位，同样与正面加热器30的中心偏离一定距离。
十指交叉的指状电极38a和38b可向内、水平地并且垂直于总线带36的广度并且从总线带36开始延伸，所述十指交叉的指状电极38a和38b中的每一个与第一电极总线带36a和第二电极总线带36b中交替的相应的一个电连通。
雷达系统
典型的雷达传感器可以提供80毫米×80毫米面积的窗口区域26。在该情况中，感测单元12包括微波发射和微波接收天线27。正面加热器30可以延伸越过窗口区域26。
在用于与雷达一起使用的微波辐射的情况中，指状电极38的吸收可以通过控制它们的调谐以及最小化它们的尺寸和广度来进行限制。对于77千兆赫的微波辐射的情况，指状电极38的垂直厚度44将小于0.2毫米，并且符合期望地小于0.15毫米。另外，指状电极38可以具有小于0.05毫米，并且符合期望地小于0.02毫米的厚度。
一般地，指状电极38之间的间距42将大于想要传递的雷达的波长，以便减少干扰。理想地，对于低频率的24千兆赫的微波辐射，所述间距将基本上大于十二毫米；并且在高频率的77千兆赫的雷达的情况中大于三毫米，以及符合期望地是这些值的倍数。一般地，调谐会将厚度44减小为微波辐射的波长的分数，并且会将长度40设定为不等于波长的整倍数。
本发明还预期，例如，通过使用电容元件和分布电感等形成射频扼流器，射频陷阱结构(未示出)可以被布置在指状电极38中。可替换地，短路结构(如二极管)可以用来使指状电极38旁路，以例如在与射频脉冲的施加同步切换时最小化电共振。在微波发射和接收时，可以切断加热电流。
指状电极34的取向将一般地为这样的：通过使电极在水平方向上运作而减少在期望的具有最高分辨率的轴线(典型地为水平轴线)上的衍射效应。本发明预期，减少干扰的其他方法包括根据雷达信号的任何极化(水平或垂直)来为指状电极38确定取向；也可以采用随机变化的指长度和间距。
光感测系统(照相机、激光雷达、红外)
现在参考图5，可替换的感测单元12'可以提供照相机，所述照相机具有在透镜组件54后面、在焦距52处的光传感器50，例如，电荷耦合器件电路，从而将道路等的图像投影在光传感器50的表面上。在该情况中，加热器30可以被布置在透镜组件54前面、在透镜组件54的焦距57之内，以最小化它对光传感器50上形成的图像的影响。射束阑51可以被设置在加热器30前面或在加热器30后面，以限定窗口区域26。
还参考图6，在该情况中，PTC材料33可以铺设成带，所述带在指状电极38之间垂直地穿过以在所述指状电极38之间提供开口60，所述开口60显露出透明的基底32，所述基底32允许光从中穿过而没有漫射或像差。以该方式，可以使用不透明的PTC材料33或者光漫射的PTC材料33。符合期望地，开口60的尺寸将最大化到这样的程度：仍然以符合期望的热均匀性产生适当的热，并且为了必要的电流而通过指状电极38提供足够的导体尺寸。
超声系统
现在参考图7和8，加热器30也可以被应用到提供感测单元12"的超声换能器62。这里，换能器62可以提供，例如，压电材料64，可以借助于表面电极66将电力施加到所述压电材料64。压电材料64可以被耦接到超声透射材料的透射窗口68，如本领域一般所理解的那样。在该情况中，加热器30可以被直接附着到透射窗口68的前面或后面。理想地，组合的电极34、PTC材料33和基底32具有与透射窗口68类似的声机械性能(例如，密度、弹性模量等)，以防止界面处的反射。对感测能量28的干扰也可能来源于机械吸收，这通过控制基底32的聚合物材料的厚度进行处理。电极34和指状电极38可以通过空间填充粘合剂被直接施加到透射窗口68，其中空间填充粘合剂具有与透射窗口68类似的声学性能或者具有在透射窗口68和基底32之间的中间性能。
可替换地，PTC材料33和电极34可以被直接施加到透射窗口68，其中后者以预期的激励频率隐式地与压电材料64声学匹配。声吸收通道阑51可以限定能量接收窗口区域26。
前述的变体和修改都在本发明的范围之内。要理解本文公开和限定的发明涵盖各个特征中的两个或更多个特征的所有可替换的组合，这些特征是文本和/或附图提到的或者是从所述文本和/或附图显而易见的。所有的这些不同组合构成本发明的各个可替换的方面。本文描述的实施例解释已知的用于实践发明的最好方式，并且将使得本领域其他技术人员能够利用本发明。权利要求书要被理解为包括到现有技术所允许的程度的可替换的实施例。
本发明的各种特征被陈述在以下权利要求书中。

Claims (15)

1.一种车载感测系统，所述车载感测系统包括：
传感器，所述传感器通过窗口区域接收所感测的能量；
加热器，所述加热器被设置在所述窗口区域之内、在所述传感器之上，所述加热器包括电阻薄膜，所述电阻薄膜与适于向所述电阻薄膜施加电流的金属导体相连通；并且
其中所述电阻薄膜和金属导体被配置以对于在所述窗口区域内的所述所感测的能量为透明的。
2.如权利要求1所述的车载感测系统，其中所述金属导体以十指交叉的图案被施加到所述窗口区域内的所述电阻薄膜；其中所述电阻薄膜铺设成带，所述带在所述金属导体之间垂直地穿过，其中所述带在所述金属导体之间提供开口，所述开口显露出透明的基底，其中所述透明的基底允许光从所述透明的基底穿过而没有漫射或像差；并且其中射束阑被设置在所述加热器前面以限定所述窗口区域。
3.如权利要求2所述的车载感测系统，其中所述电阻薄膜为正温度系数材料。
4.如权利要求3所述的车载感测系统，其中所述所感测的能量为微波辐射，并且其中所述金属导体具有经调整以最小化所述微波辐射的干扰的尺寸。
5.如权利要求4所述的车载感测系统，其中所述金属导体具有平行于第一电极总线带和第二电极总线带的、小于两毫米的垂直宽度。
6.如权利要求5所述的车载感测系统，其中所述金属导体具有垂直于所述电阻薄膜的平面的、小于0.05毫米的厚度。
7.如权利要求6所述的车载感测系统，其中所述传感器包括用于以预先确定的取向将所述传感器安装到车辆的安装点，并且其中当所述传感器被安装在所述车辆中时，所述金属导体水平地、垂直于所述第一电极总线带和第二电极总线带地延伸过所述窗口区域；
并且其中所述金属导体包括第一电极总线带、第二电极总线带以及十指交叉的指状电极，所述第一电极总线带沿着所述加热器的与所述所感测的能量的路径偏离一定距离的边缘垂直地延伸，所述第二电极总线带平行于所述第一电极总线带并与所述第一电极总线带相对地定位，并且与所述所感测的能量的路径偏离一定距离，并且所述十指交叉的指状电极中的每一个与所述第一电极总线带和所述第二电极总线带中交替的相应的一个电连通，并且所述十指交叉的指状电极向内地、水平地并且垂直于所述第一电极总线带和所述第二电极总线带延伸。
8.如权利要求1所述的车载感测系统，其中所述加热器提供至少10瓦的热；其中所述传感器位于外壳内，并且其中所述窗口区域被配置到所述外壳；并且其中所述窗口区域在所述加热器和所述传感器之间。
9.如权利要求3所述的车载感测系统，其中所述所感测的能量为光，并且其中所述窗口区域包括支撑所述加热器的光学透明的基底，并且其中所述加热器为不透明的并且包括用于透光的一组孔。
10.如权利要求9所述的车载感测系统，其中所述传感器提供具有光传感器和透镜的照相机，所述透镜用于将光聚焦于所述光传感器上，其中所述加热器被布置在所述透镜的焦距之内。
11.如权利要求10所述的车载感测系统，其中所述所感测的能量为红外光，并且进一步包括控制器，所述控制器交替地执行以下动作：施加电流到所述加热器和使用所述传感器感测能量。
12.如权利要求3所述的车载感测系统，其中所述所感测的能量为超声能量，并且其中所述传感器为发出超声能量并使其透射穿过超声透射的窗口材料的超声换能器，并且其中所述电阻薄膜材料和金属导体被直接粘附到所述超声透射的窗口材料。
13.一种车载感测系统，包括：
感测单元，所述感测单元包括提供防止环境污染物的密封的外壳，其中所述感测单元通过窗口区域接收所感测的能量；
位于所述感测单元上的加热器，所述加热器包括电阻薄膜，所述电阻薄膜与适于向所述电阻薄膜施加电流的金属导体相连通；
其中所述电阻薄膜和所述金属导体被配置以对于在所述窗口区域内的所述所感测的能量为透明的。
14.如权利要求13所述的车载感测系统，其中所述加热器包括相对于所述感测单元面朝外的基底。
15.如权利要求13所述的车载感测系统，其中所述加热器位于所述感测单元和环境暴露于冰、冻雨和雪的源之间。
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