DE19821335A1 - Optoelektronische Sensoreinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine optoelektronische Sensoreinrichtung zur Erfassung des Benetzungsgrades einer vorzugsweise aus Glas bestehenden, transparenten Scheibe mit insbesondere tropfenförmigem Niederschlag vorgeschlagen, die mit einem an die Scheibe mittels optischem Kleber angekoppelten Strahlenleitkörper versehen ist, dem ein Strahlensender und ein Strahlenempfänger, die auf einem plattenförmigen Substrat angeordnet sind, zugeordnet sind. Bei einer solchen Sensoreinrichtung soll das technische Problem gelöst werden, unter Verringerung der Baugröße eine Ein- und Auskopplung der Strahlung unter einem Winkel von 90 DEG zur Scheibenoberfläche zu ermöglichen, ohne dabei eine Verringerung des genutzten Anteils der abgestrahlten Sendeleistung in Kauf zu nehmen. Dies wird dadurch erreicht, daß die den Strahlensender als divergentes Bündel verlassende Strahlung über hintere und seitliche Oberflächen des Strahlenleitkörpers durch Reflexion und Brechung so beeinflußt wird, daß sie im Bereich der Scheibenoberfläche als Parallelstrahlenbündel unter einem Winkel von etwa 45 DEG zu dieser verläuft und danach auf den Strahlenempfänger fokussiert wird. Dabei wird die vom Strahlensender vorgegebene Abstrahlungsrichtung berücksichtigt, und nur ein Teil der Strahlung zusätzlichen Umlenkungen durch Reflexionsflächen unterworfen.

Description

Die Erfindung geht von einer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten, den Gegenstand des Hauptpatents 197 13 910 bildenden Sensoreinrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung von auf einer transparenten Scheibe vorhandenem Niederschlag aus.

Derartige Einrichtungen sind insbesondere dafür vorgesehen, um in Abhängigkeit der auf der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges befindlichen Niederschlagsmenge ein zugeordnetes Scheibenwischsystem zu beeinflussen.

Durch die DE 42 02 121 C1 ist eine Sensoreinrichtung der im Hauptpatent vorausgesetzten Art bekannt geworden. Bei diesem Gegenstand sind an einem Strahlenleitkörper zwei Linsen angeordnet, von denen eine einem Strahlensender und die andere einem Strahlenempfänger zugeordnet ist. Die Linsen dienen zur Parallelisierung des von dem Strahlensender ausgesandten, divergenten Strahlenbündels bzw. zur Fokussierung des an der äußeren Oberfläche der Scheibe reflektieren, parallelen Strahlenbündels auf den Strahlenempfänger. Um einen für die Totalreflexion an der Scheibenaußenseite geeigneten Winkel des Parallelstrahlenbündels zu realisieren, werden der Strahlensender und -empfänger unter einem Winkel von 45° zur Scheibenoberfläche positioniert. Diese Art der Positionierung macht im allgemeinen eine mechanische Halterung erforderlich und schränkt die Auswahl der geeigneten Sender- und Empfängerbauteile ein.

Die Überwindung dieser Einschränkungen gelingt durch die im Hauptpatent 197 13 910 beschriebene Weiterbildung einer solchen Sensoreinrichtung, die eine Strahlungseinkopplung auch unter einem Winkel von 90° zur Scheibenoberfläche ermöglicht. Mit dieser Weiterbildung ist es möglich, unter Beibehaltung des Strahlenverlaufes im Bereich der Reflexionsfläche an der Scheibenaußenseite auf mechanische Halterungen für Sender- und Empfängerbauteile zu verzichten, was zum einen den Einsatz oberflächenmontierbarer Bauelemente (SMD) erlaubt und zum anderen zu einer Reduzierung der Baugröße der gesamten Sensoreinrichtung führt.

Die mit dieser Ausführung des Strahlenleitkörpers einhergehende Verlängerung des optischen Weges zwischen Strahlensender und Parallelisierungsfläche führt aber im Vergleich zum älteren Stand der Technik über die Verkleinerung des relevanten Raumwinkelelementes zu einer Verringerung des Anteils der genutzten Strahlungsleistung im Verhältnis zu der insgesamt vom Strahlensender abgestrahlten Leistung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile beider Ausführungsformen zu vereinigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst, indem die bei der Abstrahlung vorgegebene Strahlungsrichtung berücksichtigt wird, und nur ein Teil der Strahlung noch zusätzliche Umlenkungen durch Reflexionen erfährt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit ihren wesentlichen Bestandteilen in der Seitenansicht,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Strahlensenderseite der Sensoreinrichtung mit repräsentativen Strahlengängen,

Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Sensoreinrichtung,

Fig. 4 eine abgewandelte Sensoreinrichtung mit zusätzlicher Reflexionsfläche an der Strahlenleitkörpervorderseite.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht eine zur Erfassung des Benetzungsgrades einer vorzugsweise aus Glas bestehenden, transparenten Scheibe 1 mit insbesondere tropfenförmigem Niederschlag vorgesehene, optoelektronische Sensoreinrichtung im wesentlichen aus einem einerseits einem Strahlensender 10 und andererseits einem Strahlenempfänger 11 zugeordneten Strahlenleitkörper 3, der mittels optischem Kleber 2 auf der nicht dem Niederschlag ausgesetzten inneren Oberfläche 1' der Scheibe befestigt ist. Bei der Scheibe handelt es sich insbesondere um die Windschutzscheibe oder Heckscheibe eines Kraftfahrzeuges, an der die in einem der Einfachheit halber nicht gezeigten Gehäuse angeordnete Sensoreinrichtung an exponierter, d. h. die Sicht nicht beeinträchtigender, jedoch für die Erfassung des Niederschlages prädestinierter Stelle der inneren Oberfläche vorhanden ist. Der Strahlensender 10 und der Strahlenempfänger 11 sind dabei als SMD-Bauteile auf einer Leiterplatte 12 angeordnet, die ihrerseits bezüglich des Strahlenleitkörpers 3 über entsprechende Bohrungen 13 in der Leiterplatte 12 und damit kooperierende Dome 13 am Strahlenleitkörper 3 positioniert wird.

Der Strahlenleitkörper selbst besteht aus einem Basisteil 3', das der mechanischen Anbindung an die Leiterplatte dient sowie zwei "Flügeln" 3'', 3''', die die zur Ein- und Auskopplung der Strahlung sowie zu deren Parallelisierung bzw. Fokussierung dienenden Oberflächen tragen.

Aufgrund der räumlichen Abstrahlcharakteristik des Strahlensenders 10 haben Strahlen, die von diesem emittiert werden, grundsätzlich eine Richtungskomponente zur Strahlenempfängerseite hin oder von dieser weg. Diese Tatsache nutzt der erfindungsgemäße Strahlenleitkörper aus, indem er erstere (siehe z. B. 14, 14') durch Brechung an der Linse 4 direkt parallelisiert und in Richtung Scheibenoberfläche 1'' leitet, letztere (siehe z. B. 15, 15') erst nach Brechung an der Eintrittsfläche 5 durch Reflexion an der Parabolfläche 6 parallelisiert und gleichzeitig in Richtung Scheibenoberfläche und Empfängerseite um lenkt. Der Verlauf der Strahlen auf der Empfängerseite erfolgt ähnlich wie bereits im Hauptpatent 197 13 910 beschrieben: das an der Scheibenoberfläche 1'' reflektierte parallele Strahlenbündel fällt auf die Parabolspiegelfläche 7, die es in Kooperation mit der Planspiegelfläche 8 und der Strahlenaustrittsfläche 9 in Richtung des Strahlenempfängers 11 umlenkt und auf diesen fokussiert, wobei allerdings im Unterschied zu der im Hauptpatent dargestellten Ausführung hier auch die letzte Reflexion am Planspiegel 8 innerhalb des Strahlenleitkörpers stattfindet und die Strahlung diesen erst dann durch die Austrittsfläche 9 verläßt. Dies hat Vorteile insbesondere hinsichtlich der Gewährleistung einer dauerhaft guten Qualität der Reflexionsfläche sowie der weitestgehenden Vermeidung von Betauungsproblemen.

Fig. 3 zeigt eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes, bei der die äußere Spiegelfläche 7 plan ausgeführt ist und die Aufgabe der Fokussierung des Parallelstrahlenbündels allein der letzten, in diesem Falle parabolisch ausgeführten Umlenkfläche 9 zufällt.

In der gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführung geänderten Zuordnung der Aufgabe der Fokussierung auf die Reflexions- und Refraktionsflächen 7, 8 und 9 kommt ein generelles Prinzip der hier vorgestellten Erfindung zum Ausdruck:
die beliebige Aufteilung der Umlenkungs- und Fokussierungsaufgabe auf verschiedene Flächen; dies erlaubt z. B. auch eine so gestaltete Aufteilung auf die Flächen, daß jeweils eine von diesen nur eine Strahlenkonvergenz in einer Ebene bewirkt. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise in Verbindung mit zusätzlich in den Strahlenweg eingebrachten, eine Blendenwirkung zur Abschottung von Fremdlicht realisierenden Mitteln vorteilhaft eingesetzt werden.

In Fig. 4 ist neben der durch eine zusätzliche Reflexionsfläche 16 parallel zur Scheibenoberfläche realisierten, mehrfachen Abtastung derselben die selbstverständlich auch in jeder anderen Ausführungsform gegebene Möglichkeit einer mit der Strahleneinkopplungsseite identisch ausgebildeten Strahlenauskopplungsseite dargestellt.

Zur Reduzierung der Baugröße gegenüber dem Stand der Technik trägt bei allen Ausführungen wesentlich die Verwendung sog. SMD-Bauteile bei, die im gleichen Arbeitsgang mit der übrigen Bestückung der Leiterplatte montiert werden können und somit eine preisgünstige Ausführung bei gleichzeitig hoher Positioniergenauigkeit ermöglichen.

Claims (10)

1. Optoelektronische Sensoreinrichtung zur Erfassung des Benetzungsgrades einer vorzugsweise aus Glas bestehenden, transparenten Scheibe mit insbesondere tropfenförmigem Niederschlag, wobei an die nicht dem Niederschlag ausgesetzte, innere Oberfläche der Scheibe im Bereich des von einer motorischen Scheibenwischeinrichtung erfaßten Wischfeldes die vordere Oberfläche eines Strahlenleitkörpers mittels optischem Kleber angekoppelt ist, dem ein Strahlensender und ein Strahlenempfänger, die auf einem plattenförmigen Substrat angeordnet sind, derart zugeordnet sind, daß von dem Strahlensender emittierte Strahlen in Abhängigkeit von dem auf der Scheibe befindlichen Niederschlag reflektiert und zu dem Strahlenempfänger geleitet werden, der jeweils ein von der zugeordneten Niederschlagsmenge abhängiges Signal liefert, wobei der Strahlenleitkörper an seiner hinteren und den seitlichen Oberflächen Bereiche zur Strahleneinkopplung und/oder -auskopplung und/oder -reflexion gemäß Patent 197 13 910 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Strahlensender (10) nächstgelegenen hinteren und seitlichen Oberflächenbereiche (4, 5, 6) derart ausgebildet sind, daß ein erster Teil der von dem Strahlensender (10) ausgesandten Strahlung durch Brechung an einem ersten Abschnitt (4) dieses hinteren Oberflächenbereiches parallelisiert und direkt in Richtung der Scheibenaußenseite (1'') gelenkt, ein zweiter Teil der ausgesandten Strahlung nach Brechung an einem zweiten Abschnitt (5) dieses hinteren Oberflächenbereiches an einem weiteren, diesem nächstgelegenen, seitlichen Oberflächenbereich (6) des Strahlenleitkörpers reflektiert, dabei parallelisiert und in Richtung der Scheibenaußenseite (1'') gelenkt wird, und daß die an der Scheibenaußenseite reflektierte Strahlung durch die dem Strahlenempfänger (11) nächstgelegenen Oberflächenbereiche (7, 8, 9) in Richtung des Strahlenempfängers (11) umgelenkt und auf diesen fokussiert wird.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Abschnitt (4) des dem Strahlensender (10) nächstgelegenen, hinteren Oberflächenbereiches als Segment einer asphärischen Linse ausgebildet ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Reflexionsflächen fungierenden, seitlichen Oberflächenbereiche (6, 7) des Strahlenleitkörpers (3) parabolisch ausgebildet sind.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Reflexionsflächen fungierenden Oberflächenbereiche (6, 7, 8) des Strahlenleitkörpers (3) mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen sind.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlensender (10) und der Strahlenempfänger (11) als SMD-Bauteile ausgeführt sind.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlensender (10) und der Strahlenempfänger (11) in Chip-On-Board Technik ausgeführt sind.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) als metallkaschierte Leiterplatte ausgeführt ist.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) am Strahlenleitkörper (3) form- und/oder kraftschlüssig gehalten ist.

9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) bezüglich des Strahlenleitkörpers (3) über Bohrungen (13) in der Leiterplatte und damit kooperierende Dome (13') am Strahlenleitkörper positioniert ist.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (16) der vorderen Oberfläche des Strahlenleitkörpers verspiegelt ausgeführt ist.