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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Niederschlagsensoren zum Überwachen
der Akkumulierung von Niederschlag auf Fensterglas. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung optische Niederschlagsensoren
zur Verwendung in Fahrzeugen. Speziell betrifft die vorliegende
Erfindung die in für
Fahrzeuge vorgesehenen optischen Niederschlagsensoren verwendete
Optik und ein Verfahren zum Verwenden der Sensoren.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Es
ist wünschenswert,
den ein Fahrzeug bedienenden Fahrer von den Ablenkungen beim manuellen Durchführen bestimmter,
mit dem Betrieb des Fahrzeugs in Zusammenhang stehender Funktionen
zu befreien. Komfort und Sicherheit können durch Automatisieren dieser
Funktionen bedient werden. Der Betrieb der Wischer für die Windschutzscheibe
oder ein anderes Fensterglas eines Fahrzeugs ist eine Funktion,
die automatisiert worden ist.
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Das
Automatisieren des Betriebs dieser Wischer erfordert das Erfassen
des Vorhandenseins von Wasser oder Niederschlag auf den Außenflächen des
Fensterglases. Wenn Wasser erfasst wird, wird ein Signal erzeugt,
verarbeitet eine elektronische Schaltung das Signal und werden die
Wischer automatisch verwendet, um das Wasser von der Fensterglasfläche zu entfernen.
Es sind mehrere Vorgehensweisen hinsichtlich dieses Erfassens von
Wasser auf Fensterglas angewendet worden. Dabei handelte es sich
unter anderem um das Erfassen einer Veränderung der Leitfähigkeit
oder Kapazität
an einem Abtastpunkt auf der Außenfläche bei Vorhandensein
von Feuchtigkeit. Dabei handelte es sich unter anderem um von auf
die Fläche
des Fahrzeugs auftreffenden Regentropfen (z.B. auf das Fensterglas
oder einen anderen Teil des Fahrzeugs auftreffenden Regen) erzeugte
akustische Effekte. Diese Vorgehensweisen umfassten ferner verschiedene
optische Techniken.
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Optische
Sensoren arbeiten gemäß dem Prinzip,
dass ein Lichtstrahl durch das Vorhandensein von Wasser auf der
Außenfläche des
Fensters gestreut oder von seinem normalen Weg abgelenkt wird. Die
Systeme, bei denen die optischen Sensoren verwendet werden, bieten
den klaren Vorteil, dass sie das gleiche oder ein im Wesentlichen
gleiches Phänomen
erfassen, welches den Wischerbetrieb erforderlich macht, wobei es
sich dabei um eine Unterbrechung der Lichtdurchlässigkeit des Fensterglases
durch auf der Außenfläche befindliches
Wasser handelt.
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Generell
wird ein Lichtstrahl in den Infrarot- oder Nah-Infrarot-Bereichen
in einem Winkel, der eine Totalreflexion an der Außenfläche bewirkt,
aus dem Innenraum des Fahrzeugs in das Fensterglas abgestrahlt. Eine
fotoelektrische Vorrichtung, wie z.B. eine Fotodiode oder ein Fototransistor,
empfängt
dann das reflektierte Licht und erzeugt ein repräsentatives elektrisches Signal.
Das an der fotoelektrischen Vorrichtung empfangene Licht weist bei
trockener Außenfläche bestimmte
Charakteristiken auf. Die Charakteristiken verändern sich, wenn Wasser auf
der Außenfläche an der
Stelle vorhanden ist, an der der Lichtstrahl mit der Außenfläche in Kontakt
kommt. Da Wasser einen Brechungsindex hat, der dem von Glas nahe
kommt, bewirkt das Vorhandensein von Wasser, dass ein wesentlicher
Teil des Lichts, der andernfalls zu dem Empfänger reflektiert würde, abgeleitet
wird. Diese Veränderung
der Charakteristiken führt
zu einer entsprechenden Veränderung
des von der fotoelektrischen Vorrichtung erzeugten elektrischen
Signals. Das Signal wird von der elektronischen Schaltung verarbeitet,
um den Betrieb der Wischer zu steuern.
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Eine
kürzlich
entwickelte Vorgehensweise zum Herstellen eines optischen Niederschlagsensors,
die im US-Patent Nr. 5,661,303 von Teder beschrieben ist, umfasst
das Verwenden von Emissionslinsen zum Kollimieren von von mehreren
Leuchtdioden (LEDs) abgestrahltem Infrarotlicht und zum Leiten des
Lichts auf die Außenfläche des
Fensterglases in Winkeln, die eine Totalreflexion bewirken. Es werden
dann Empfangslinsen zum Leiten und Fokussieren des reflektierten
abgestrahlten Lichts auf Empfänger
verwendet.
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Eine
weitere kürzlich
entwickelte Vorgehensweise ist in dem tschechischen Patent Nr.
CZ 285,291 B6 von
Lan et al. beschrieben, und bei dieser wird ein drehbarer Parabolspiegel
zum Kollimieren und Leiten von von mehreren LEDs kommendem Nah-Infrarot-Licht
auf die Außenfläche in einem
Winkel, der eine Totalreflexion bewirkt, verwendet. Das reflektierte
abgestrahlte Licht wird dann von einem weiteren drehbaren Parabolspiegel
auf einen Empfänger
geleitet und fokussiert.
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Ein
Problem, das in Zusammenhang mit der Verwendung von optischen Sensoren
für die
Niederschlagsdetektion auftritt, ist die Desensibilisierung der
fotoelektrischen Vorrichtung des Empfängers durch Umgebungslicht.
Helles Umgebungslicht, wie z.B. Sonnenlicht, das auf die fotoelektrische
Vorrichtung des Empfängers
auftrifft, bewirkt, dass die Vorrichtung relativ unempfindlich gegen
das zu dem Empfänger übertragene abgestrahlte
Licht wird. Wenn genügend
Umgebungslicht auf den Empfänger
auftrifft, kann sich das in Reaktion auf das Vorhandensein von Wasser
auf der Außenfläche von
dem Empfänger
erzeugte Signal nicht ausreichend unterscheiden, um für die Elektronik
zum zuverlässigen
Steuern der Wischer von Nutzen zu sein.
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Die
Vorgehensweise des Patents '303,
bei der Linsen verwendet werden, umfasst offensichtlich opake Elemente
nahe und seitlich der optischen Achsen der Empfangslinsen zum Blockieren
eines Teils des zu den Empfängern
gelangenden Umgebungslichts. Das Patent '291 beschreibt oder zeigt keine Einrichtung
zum Verhindern, dass Umgebungslicht zu dem Empfänger gelangt.
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Gemäß dem US-Patent
Nr. 4,798,956 von Hochstein werden zwei Verfahren zum Lösen des
Problems mit dem Umgebungslicht angewendet. Bei dem ersten Verfahren
wurde der Empfänger
auf dem Boden einer schwarzen Röhre
platziert, um die Anzahl von Richtungen, aus denen Umgebungslicht
erfolgreich zu dem Empfänger
gelangen kann, zu begrenzen. Die Verwendung von Infrarot-Emittern
war das Herzstück
des zweiten angewendeten Verfahrens. Gemäß dem Patent '956 wurde Infrarot
zum Kompensieren des Umgebungslichts verwendet. Es zeigt, dass handelsübliche Infrarot-Emitter,
im Gegensatz zu der Solarstrahlungsenergie, die ihren Spitzenwert
bei ungefähr
500 nm erreicht, eine Spitzenenergie bei 940 nm abstrahlen. Es wurde
dann ein Filter in der Röhre
zwischen der Öffnung
der Röhre
und dem Empfänger
platziert, das das Infrarotlicht durchließ, jedoch Licht mit kürzeren Wellenlängen als
der des Infrarot, einschließlich
der solaren Spitzenwellenlänge
von 500 nm, reflektierte.
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Offensichtlich
schützt
keine der beschriebenen Vorgehensweisen den Empfänger auf adäquate Weise vor Umgebungslicht,
um unter sämtlichen
Lichtverhältnissen,
mit denen ein Niederschlagsensor erwartungsgemäß konfrontiert wird, ein korrektes
Erfassen von Wasser auf einer Außenfläche eines Fensterglases sicherzustellen.
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Ferner
stellt die Einführung
von Sonnenschutz- oder Thermoglas für Fahrzeuge neue Herausforderungen
an den Konstrukteur von optischen Niederschlagssensoren. Sonnenschutzglas
enthält
Zusatzstoffe zum Filtern von Infrarot- und Nah-Infrarot-Licht, damit
diese nicht das Glas durchlaufen. Ein solches Glas schützt den
Innenraum des Fahrzeugs von Aufheizung und anderen abträglichen
Auswirkungen, die bei dieser Wellenlänge des Lichts auftreten. Es
verhindert jedoch auch im Wesentlichen, dass das von dem Emitter
kommende Infrarotlicht zu dem Empfänger gelangt. Es hat sich jedoch
herausgestellt, dass zumindest einige optische Infrarot-Niederschlagssensoren
in Zusammenhang mit solchem Glas unbrauchbar sind. Das Problem der
Reflexion von Umgebungslicht, das bei dem Stand der Technik entsprechenden Konfigurationen
evident ist, wird verstärkt,
wenn die Verwendung von Infrarotemittern keine praktikable Option
mehr ist.
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Entsprechend
besteht weiterhin Bedarf an einem optischen Niederschlagssensor
mit verbesserter Reflexion von Umgebungslicht, insbesondere bei
Verwendung bei Sonnschutz- oder Thermoglas.
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Zusammenfassender Überblick über die
Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen
Niederschlagssensor mit verbesserter Reflexion von Umgebungslicht
bereitzustellen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen
verbesserten Betrieb eines optischen Niederschlagsensors bei den
ungünstigsten
Lichtbedingungen, mit denen ein Fahrzeug-Niederschlagssensor erwartungsgemäß konfrontiert
wird, zu ermöglichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine effektive
Verwendung eines optischen Niederschlagssensors bei Sonnenschutz-
oder Thermoglas in einem Fahrzeug zu ermöglichen.
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Die
Lösung
der vorgenannten und weiterer Aufgaben der vorliegenden Erfindung,
die hier im weitesten Sinne beschrieben ist, erfolgt mit einem hier
offenbarten optischen Niederschlagssensor und Verfahren. Die Erfindung
betrifft einen Niederschlagssensor nach Anspruch 1 zum Detektieren
von Wasser auf einem Fahrzeugglas und ein Verfahren zu dessen Verwendung.
Der Niederschlagssensor weist einen optischen Emitter und eine erste
Spiegelfläche
auf, die mit dem optischen Emitter in optischer Verbindung steht.
Die erste Spiegelfläche
dient zum Reflektieren und Kollimieren einer Lichtemission von dem
optischen Emitter. Der Niederschlagssensor weist ferner einen optischen
Empfänger
und eine zweite Spiegelfläche
auf, die mit dem optischen Empfän ger
in optischer Verbindung steht. Die zweite Spiegelfläche dient
zum Fokussieren von kollimiertem Licht auf den optischen Empfänger. Der
Niederschlagssensor weist ferner einen Zwischenreflektor auf, der mit
der ersten Spiegelfläche
und der zweiten Spiegelfläche
in optischer Verbindung steht. Die Merkmale der vorliegenden Erfindung,
die aus DE-A-198 21 335 bekannt sind, sind in dem Oberbegriff von
Anspruch 1 aufgenommen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in der Beschreibung aufgenommen sind
und Teil derselben bilden und in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Teile bezeichnen, zeigen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Teilansicht mit Darstellung eines an einer Windschutzscheibe
eines Fahrzeugs angebrachten optischen Niederschlagssensors;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 aus 1 des
optischen Niederschlagssensors und der Windschutzscheibe;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Glasform;
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4 eine
perspektivische Ansicht der Glasform;
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5 eine
Teilschnittansicht mit genauerer Darstellung des Feldreglers;
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6 eine
grafische Darstellung des Effekts des Feldreglers.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen optischen
Niederschlagssensor 10 in Bezug auf ein Fahrzeug 24,
das eine von der Motorhaube 12, den Seitenstreben 14 und
dem Dach 16 gebildete Öffnung
aufweist, in der die Windschutzscheibe 18 angeordnet ist.
Die Scheibenwischer 20 sind in ihrer Ruheposition gezeigt,
wobei die von ihnen bei Betrieb beschriebenen Bögen durch Bögen 22 gezeigt sind.
Der optische Niederschlagssensor 10 ist an einer bevorzugten
Stelle in Reichweite der in Betrieb befindlichen Wischer 20 dargestellt.
Der Niederschlagssensor 10 ist zwar an der Windschutzscheibe 18 angebracht
gezeigt, er kann jedoch an jedem beliebigen Fensterglas angebracht
sein, an dem das Erfassen von Niederschlag gewünscht ist, einschließlich Rück- oder
Seitenfenster, Schiebedächer
oder Scheinwerfer.
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Gemäß 2, 3 und 4 weist
der optische Niederschlagssensor 10 ein Gehäuse 28 auf,
das eine Schaltplatine 30 und eine Glasform 38 enthält. Die
Schaltplatine 30 dient als Befestigungssubstrat für die gesamte
elektronische Schaltung, einschließlich Elektronikkomponenten 32,
Emittern 34 und Empfänger 36. Diese
Elektronikkomponenten 32 verarbeiten die den Emittern 34 und
dem Empfänger 36 zugehörigen Signale und
bilden auf herkömmliche
Weise, die Fachleuten auf dem Sachgebiet bekannt und hier nicht
beschrieben ist, ein elektrisches Interface zu dem Fahrzeug 24.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
ist das Formglas 38 ein einzelnes Glasstück und weist
die gesamte Optik des optischen Niederschlagssensors 10 mit
Ausnahme der Emitter 34 und des Empfängers 36 auf und umfasst
optische Einkerbungen 40 für die Emitter, eine optische
Einkerbung 42 für
den Empfänger, einen
Zwischenreflektor 44, erste Spiegelflächen 52 und eine zweite
Spiegelfläche 54.
Positionierstifte 66 bilden ebenfalls Teil der Glasform 38,
wie in 3 gezeigt, und passen mit (nicht gezeigten) Löchern an
der Schaltplatine 30 zusammen, um eine konsistente Ausrichtung
der Emitter 34 mit den optischen Einkerbungen 40 für die Emitter
und des Empfängers 36 mit
der optischen Einkerbung 42 für den Empfänger sicherzustellen.
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Wie
nachstehend beschrieben, wird bei der erfindungsgemäßen Konfiguration,
bei der die zweite Spiegelfläche 54 zum
Abschirmen des Empfängers 36 verwendet
wird, der Zugang von Umgebungslicht zu dem Empfänger 36 in sehr starkem
Maße reduziert.
Das Formglas 38 weist jedoch vorzugsweise Färbemittel zum
Ausfiltern von Umgebungslicht 64 bei anderen Wellenlängen als
den von dem Emitter 34 abgestrahlten auf, wodurch noch
weiter verhindert wird, dass Umgebungslicht 64 zu dem Empfänger 36 gelangt.
Die Glaszusammensetzung für
klare und getönte
Windschutzscheiben 18 ist vorzugsweise derart gewählt, dass
die gleiche Wellenlänge
von Licht wie von den Emittern 34 abgestrahlt durchgelassen
wird. Diese Filtereigenschaften des Glases werden durch Zugabe der
folgenden Farbmittel zu dem Glas erreicht:
- • CoO (im
Bereich von 0,01 Gewichts-% bis 1,0 Gewichts-%)
- • CeO2 (im Bereich von 0,0 Gewichts-% bis 6,0
Gewichts-%)
- • TiO2 (im Bereich von 0,0 Gewichts-% bis 11,0
Gewichts-%)
- • NiO
(im Bereich von 0,0 Gewichts-% bis 0,6 Gewichts-%)
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Das
CoO ist die Hauptfunktionskomponente des Glases, und die drei anderen
Komponenten verbessern die Filterfunktion durch Reduzieren der Durchlässigkeit
im sichtbaren Blaubereich. Der Wert 0,0 Gewichts-% besagt, dass
die letzten drei Komponenten wegfallen können, wenn die Durchlässigkeit
im Blauteil der sichtbaren Spektren akzeptabel ist. Die am stärksten bevorzugte
Zusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Diese Zusammensetzung
bewirkt, dass das Formglas 38 dunkelblau ist.
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Ferner
kann jede der Komponenten, d.h. optische Einkerbungen 40 für die Emitter,
optische Einkerbung 42 für den Empfänger, Zwischenreflektor 44,
erste Spiegelflächen 52,
zweite Spiegelfläche 54 und
Positionierstifte 66, aus mehreren mechanisch oder durch
Klebung miteinander verbundenen Elementen aufgebaut sein. Das Gehäuse 28 ist
im Schnappsitz über
der Schaltplatine 30 und dem Formglas 38 platziert,
um die Anordnung zu sichern und das Zusammenpassen der Positionierstifte 66 mit
den Löchern
an der Schaltplatine 30 aufrechtzuerhalten. Der optische
Niederschlagssensor 10 ist über die Befestigungsfläche 68 des
Formglases 38 mittels eines transparenten Kunststoffklebebands 56 an
der Windschutzscheibe 18 befestigt. Die Befestigungsfläche 68 hat
ein leicht konvexe Form, um sich weitgehend der Krümmung der
Windschutzscheibe 18 anzupassen. Bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
wird angenommen, dass die Windschutzscheibe 18 eine Biegung
mit einem Radius von ungefähr
3280 mm und eine Dicke von 4,7 ± 0,2 mm aufweist.
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Bei
den Emittern
34 gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich um GaAs-LEDs von OSRAM mit der Bezeichnung "SFM 420 TOPLED". Diese weisen die
in Tabelle 2 aufgeführte
relative spektrale Emission auf. Ihre Strahlungscharakteristiken
sind die eines Kosinus-Emitters und weisen eine aktive Chipfläche auf:
A = L × W
= 0,3 mm × 0,3
mm = 0,09 mm
2. LEDs mit vergleichbaren Charakteristiken
können
ebenfalls verwendet werden.
Tabelle
2
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Die
optischen Einkerbungen 40 für die Emitter sind sphärische Vertiefungen
in dem Formglas 38 und sind derart über den Emittern 34 angeordnet,
dass abgestrahltes Licht 58 primär senkrecht zu der Fläche der optischen
Ein kerbungen 40 für
die Emitter verläuft,
da das im Wesentlichen in sämtliche
Richtungen abgestrahlte Licht 58 von den Emittern 34 ausgeht.
Auf diese Weise und unter idealen Bedingungen wird das abgestrahlte
Licht 58 beim Durchlaufen der Grenze der optischen Einkerbungen 40 für die Emitter
nicht gebrochen und verläuft über einen
geraden Weg zu der ersten Spiegelfläche 52.
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Die
ersten Spiegelflächen 52 sind
parabolische Flächen
auf dem Formglas 38, von denen jede einen Brennpunkt von
4,7 mm und eine Achse "a" von 60° aufweist
und mit einem Metallfilm aus Aluminium metallisiert ist. Es können auch
andere Metalle anstelle von Aluminium verwendet werden, wie z.B.
Gold. Ferner braucht die Beschichtung nicht durch Anwendung von
Metallisierungstechniken aufgebracht zu werden, und sie braucht
nicht einmal aus Metall zu bestehen. Reflektierender Kunststoff
oder andere Beschichtungen, die opak sind, können ebenfalls verwendet werden.
Der Teil des Metallfilms, der dem Befestigungsbasisteil 68 am nächsten liegt,
ist der Vorderrand. Gemäß 4 werden
bei dieser bevorzugten Ausführungsform
drei optische Einkerbungen 40 für die Emitter und drei erste
Spiegelflächen 52 über drei
Emittern 34 verwendet. Dies dient der Erhöhung der
Menge an abgestrahltem Licht 58, das zu dem Empfänger 36 gelangen
kann. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis des
abgestrahlten Lichts 58 zu Streulicht verbessert, das trotz
der Abschirmtechniken, die Teil der vorliegenden Erfindung sind,
zu dem Empfänger 36 gelangen
kann. Ferner kann die Anzahl von Emittern 34 und diesen
zugeordneten optischen Einkerbungen 40 und ersten Spiegelflächen 52 derart
ausgewählt
sein, dass Feldstärken
erzeugt werden, die den Betrieb des Empfängers 36 optimieren, der
von der Systemgeometrie, den Eigenschaften der fotoelektrischen
Vorrichtung und den Produktionstoleranzen der Sensoren abhängig ist.
Die Konfiguration der ersten Spiegelfläche 52 bewirkt, dass
das abgestrahlte Licht 58 reflektiert und kollimiert wird.
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Das
abgestrahlte Licht 58 läuft
zu einer ersten Reflexionsregion 46 des Zwischenreflektors 44.
Die erste Reflexionsregion 46 weicht von einer zwischen
der optischen Einkerbung 40 für den Emitter und der optischen
Einker bung 42 für
den Empfänger
gezogenen Geraden um einen Winkel "c" ab.
Der Winkel "c" ist auf 7,5° eingestellt.
Der Zwischenreflektor 44 kann je nach Anwendung metallisiert
oder nicht metallisiert sein. Das Nichtmetallisieren des Zwischenreflektors 44 bietet
den Vorteil einer zusätzlichen
Reflexion des Umgebungslichts 64 dadurch, dass das Umgebungslicht 64,
das sich dem Zwischenreflektor 44 in kleineren als den
Totalreflexionswinkeln nähert,
den Zwischenreflektor 44 durchlaufen kann. Die erste Reflexionsregion 46 und
eine zweite Reflexionsregion 48 weisen jeweils gemittelte
Reflexionspunkte auf, die als mittlere Distanz jeder Reflexionsfläche von
der Befestigungsfläche 68 definiert
ist.
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Diese
Ausführungsform
weist Feldregler 50 auf, die als von der Fläche der
ersten Reflexionsregion 46 mit einem Scheitelwinkel von
90° vorstehende
Konen ausgebildet sind. Die Feldregler 50 haben den Effekt
der Normalisierung oder anderweitigen Steuerung der Stärke des
abgestrahlten Lichts 58 über die Breite des abgestrahlten
Lichts 58. Gemäß 5 wird
ein wesentlicher Teil des abgestrahlten Lichts 58, das
auf einen Feldregler 50 auftrifft, nicht reflektiert, so
dass nur ein kleiner Teil unterdrückten Lichts 59 weiter
auf dem optischen Pfad in Richtung auf den Empfänger 36 verläuft, wobei
das restliche abgestrahlte Licht 58 den Feldregler 50 durchläuft. Die
Feldregler 50 sind an denjenigen Stellen platziert, an
denen die Stärke
des abgestrahlten Lichts 58 begrenzt werden soll.
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6 zeigt
eine grafische Darstellung der Felddichte des abgestrahlten Lichts 58 in
Bezug auf die Position der Emitter 34 und ohne Vorhandensein
von Wassertropfen 60. Der linke Teil der grafischen Darstellung zeigt
die Felddichte bei Nichtverwendung von Feldreglern 50.
Der rechte Teil der grafischen Darstellung zeigt die Effekte der
an Stellen auf der ersten Reflexionsregion 46 platzierten
Feldregler 50, die den größten Felddichten des linken
Teils der grafischen Darstellung entsprechen. Der Effekt der Feldregler 50 besteht
in der Normalisierung der Felddichten über die Emitter 34.
Diese Technik bietet die Möglichkeit
zum Normalisieren der Effekte bei Vorhandensein von Wassertropfen 60 auf
der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe innerhalb späte rer
Begrenzungen, in denen das abgestrahlte Licht 58 auf die
Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe trifft, oder des erfassten Bereichs. Somit wird
dann, wenn Wassertropfen 60 an verschiedenen Stellen auf
der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe und innerhalb des erfassten Bereichs auftreffen,
das von Lageveränderungen
bewirkte Maß an
Veränderung
der Stärke
des abgestrahlten Lichts 58 normalisiert. Dies ermöglicht eine
konsistentere Variation der Stärke
des abgestrahlten Lichts 58 unabhängig von der Lage der Wassertropfen
innerhalb des erfassten Bereichs.
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Bei
der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind Feldregler 50 auf
der ersten Reflexionsregion 46 angeordnet. Es wird jedoch
erwartet, dass vergleichbare Ergebnisse durch Platzieren von Feldreglern 50 auf
der zweiten Reflexionsregion 48 oder auf einer Kombination
aus erster Reflexionsregion 46 und zweiter Reflexionsregion 48 erzielt
werden können.
Ferner hat sich herausgestellt, dass bei bestimmten Anwendungen mit
einem erfindungsgemäßen optischen
Niederschlagssensor 10 ohne Verwendung von Feldreglern 50 eine zufriedenstellende
Leistung erreicht werden kann.
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Nach
der Reflexion an der ersten Reflexionsregion 46 läuft das
abgestrahlte Licht 58 durch das transparente Kunststoffklebeband 56 in
die Windschutzscheibe 18. Das transparente Kunststoffklebeband 56 ist derart
gewählt,
dass es einen Brechungsindex hat, der dem des Glases der Windschutzscheibe 18 sehr
nahe ist, um durch Reflexions- und Beugungseffekte bewirkte Verluste
zu vermeiden. Ferner hat bei dieser Ausführungsform das transparente
Kunststoffklebeband 56 eine Dicke von 1,5 ± 0,2 mm.
Das abgestrahlte Licht 58 verläuft in einem Winkel zu der
Grenze zwischen Luft und Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe, welcher eine Totalreflexion bewirkt.
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Die
Formel für
die Berechnung der Totalreflexion lautet:
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Die
Totalreflexionsbedingung wird erreicht, wenn der Winkel β 90° beträgt.
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Entsprechend
muss der Zugangswinkel "α" 41,30° oder mehr
relativ zu der Normalen der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe betragen. Es wurde ein Winkel "α" von 45° ausgewählt.
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Wenn
die Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe trocken ist, wird das abgestrahlte Licht 58 gemäß dem oben
beschriebenen Prinzip der Totalreflexion vollständig reflektiert. Das abgestrahlte
Licht 58 durchläuft dann
das transparente Kunststoffklebeband 56 zu der zweiten
Reflexionsregion 48 des Zwischenreflektors 44 und
wird dann zu der zweiten Spiegelfläche 54 reflektiert.
Die zweite Spiegelfläche 54 ist
eine parabolische Fläche
auf dem Formglas 38 mit einem Brennpunkt von 6 mm und einer
Achse "b" von 45°, und sie
ist mit Aluminium metallisiert. Die zweite Spiegelfläche 54 fokussiert
das abgestrahlte Licht 58 durch die optische Einkerbung 42 für den Empfänger und
weiter zu dem Empfänger 36.
Die optische Einkerbung 42 für den Empfänger ist eine sphärische Vertiefung
in dem Formglas 38 und ist derart über dem Empfänger 36 angeordnet,
dass das abgestrahlte Licht 58 primär senkrecht zu der Fläche der
Einkerbung 42 für
den Empfänger
verläuft,
da das im Wesentlichen in sämtliche
Richtungen abgestrahlte Licht 58 von der zweiten Spiegelfläche 54 zu
dem Empfänger 36 verläuft. Auf
diese Weise und unter idealen Bedingungen wird das abgestrahlte
Licht 58 beim Durchlaufen der Grenze der optischen Einkerbung 42 für den Empfänger nicht
gebrochen und verläuft über einen
geraden Weg zu dem Empfänger 36.
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Der
Empfänger
36 gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
ist ein Silizium-NPN-Fototransistor von VISHAY TELEFUNKEN mit der
Bezeichnung "TEMT4700". Er weist die in
Tabelle 3 aufgeführte
relative spektrale Emission auf. Seine relative Richtungsempfindlichkeit
folgt einer Kosinus-Charakteristik und weist eine aktive Chipfläche auf:
A = L × W
= 0,74 mm × 0,74
mm = 0,55 mm
2. Fototransistoren mit vergleichbaren Charakteristiken
können
ebenfalls verwendet werden.
Tabelle
3
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Das
relative funktionale Spektralfenster eines Dioden-Transistor-Paars
mit dem Emitter
34 und dem Empfänger
36 ist in Tabelle
4 dargestellt.
Tabelle
4
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3 und 4 zeigen,
dass bei dieser Ausführungsform
nur eine zweite Spiegelfläche 54,
eine optische Einkerbung 42 für den Empfänger und ein Empfänger 36 verwendet
werden. Es können
mehrere davon zum Vergrößern des
erfassten Bereichs auf der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe verwendet werden. Es wird angenommen, dass ein
daraus resultierender Vorteil von der zusätzlichen Größe und Komplexität, die der
optische Niederschlagssensor 10 dadurch erhält, wieder
aufgehoben wird.
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Bei
dem oben beschriebenen Prozess, bei dem keine Wassertropfen 60 vorhanden
sind, wird eine vorhersagbare Feldstärke an dem Empfänger 36 und
ein daraus resultierendes Signal von dem Empfänger 36 bis zu den
Stabilitätsgrenzen
der Elektronikvorrichtungen, einschließlich den Emittern 34 und
dem Empfänger 36, erzeugt.
Wenn Wassertropfen 60 vorhanden sind, wie in 2 gezeigt,
wird durch die große Ähnlichkeit
der Beugungsindizes von Glas und Wasser die Grenze an der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe optisch aufgeweicht und die Totalreflexionsbedingung
beeinträchtigt.
Dies bewirkt wiederum, dass ein wesentlicher Teil des abgestrahlten
Lichts 58 als abgeleitetes Licht 62 die Grenze
durchläuft.
Dadurch wird die Feldstärke
am Empfänger 36 und
somit das Signal verändert,
das derart von dem Empfänger 36 erzeugt
wird, dass es von den Elektronikkomponenten 32 verarbeitbar
ist, um ein Signal zum Betätigen
der Wischer 20 zu erzeugen.
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Wie
oben beschrieben, besteht ein Problem, das in Zusammenhang mit der
Verwendung von optischen Sensoren für die Niederschlagsdetektion
auftritt, in der Desensibilisierung des Empfängers 36 durch Umgebungslicht 64.
Helles Umgebungslicht 64, wie z.B. Sonnenlicht, das auf
den Empfänger 36 auftrifft,
bewirkt, dass die fotoelektrische Vorrichtung relativ unempfindlich
gegen das abgestrahlte Licht 58 wird. Wenn genügend Umgebungslicht
auf den Empfänger 36 auftrifft,
unterscheidet sich das in Reaktion auf das Vorhandensein von Wassertropfen 60 von
dem Empfänger 36 erzeugte
Signal nicht in ausreichendem Maße, um für die Elektronikkomponenten 20 zum
zuverlässigen
Steuern der Wischer 20 von Nutzen zu sein.
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Wie
beschrieben worden ist, wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform
eine Kombination aus einer Auswahl aus Wellenlängen für das abgestrahlte Licht 58 und
zum Filtern innerhalb der Glasform 38 verwendet, um einen
Teil des Umgebungslichts 64 zu reflektieren. Dies allein
reicht jedoch nicht aus, um einen korrekten Betrieb des optischen
Niederschlagsensors 10 sicherzustellen. Es wird ein größerer Schutz
vor Umgebungslicht 64 benötigt. Durch die Kombination
aus der durch die Aluminiummetallisierung bewirkten Lichtundurchlässigkeit
der zweiten Spiegelfläche 54 und
ihrer durch das Vorhandensein des Zwischenreflektors 44 vereinfachten
Platzierung wird auf effektive Weise ein wesentlicher Teil des Umgebungslichts 64 reflektiert
und somit der Empfänger 36 abgeschirmt.
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Gemäß 2 kann
sich die Aluminiummetallisierung bis zu einer Stelle an der Vorderkante
fortsetzen, an der das abgestrahlte Licht 58 nach der Reflexion
an der Außenfläche 26 der
Windschutzscheibe wieder in das Formglas 38 eintritt. Der
Zwischenreflektor 44 ermöglicht eine solche Platzierung.
Dies führt
dazu, dass die zweite Spiegelfläche 54 zwischen
den meisten Quellen für
Umgebungslicht 64 mit Ausnahme derjenigen Quellen angeordnet
ist, welche Wege durch den erfassten Bereich erzeugen, die auf der
Windschutzscheibe 18 parallel zu dem abgestrahlten Licht 58 verlaufen.
Ferner hat das Umgebungslicht 64, dessen Zugangswinkel
relativ zu der Windschutzscheibe 18 größer ist als derjenige, bei
dem die oben genannten parallelen Wege erzeugt werden, keine direkten
Wege über
die Kombination aus Zwischenreflektor 44 und zweiter Spiegelfläche 54 zu
dem Empfänger 36.
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Die
optische Geometrie ist beim Reflektieren von Umgebungslicht 64 so
erfolgreich, dass sie es ermöglicht,
den optischen Niederschlagssensor 10 bei Anwendungen mit
sogenanntem Fahrzeug-Sonnenschutz- oder Thermoglas zu verwenden.
Dieses Glas enthält
Zusatzstoffe, die Licht im Infrarot- und Nah-Infrarot-Wellenlängenbereich
absorbieren. Wenn der optische Niederschlagssensor 10 der
zuvor beschriebenen Ausführungsform
(oder ein beliebiger optischer Niederschlagssensor, bei dem Emitter
verwendet werden, die Licht im Infrarot- oder Nah-Infrarot-Bereich
abstrahlen) auf eine Wind schutzscheibe 18 aus einem solchen Glas
aufgebracht ist, wird durch diese Absorption die zu dem Empfänger 36 gelangende
Felddichte auf ein unverwendbares Maß reduziert.
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Dies
führt zu
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der die Glasform 38 keine Farbmittel zum Filtern von
Licht aufweist. Ferner ist eine LED des Emitters 34 ausgewählt, die
Licht bei Wellenlängen
im Weißlichtbereich
abstrahlt, das nicht in wesentlichem Maße von dem Sonnenschutz- oder
Thermoglas absorbiert wird. Bei anderen dem Stand der Technik entsprechenden
Konfigurationen wäre
dies nicht möglich,
da der Empfänger
in zu hohem Maße
dem Umgebungslicht ausgesetzt wäre.
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Bei
dem Emitter
34 gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich um eine InGaAIP-LED von OSRAM mit der Bezeichnung "LA E675 Power TOPLED". Er weist die in
Tabelle 5 aufgeführte relative
spektrale Emission auf. Andere LEDs mit vergleichbaren Charakteristiken
können
ebenfalls verwendet werden.
Tabelle
5
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Der
Empfänger
36 gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
ist wie bei der vorherigen Ausführungsform
ebenfalls ein Silizium-NPN-Fototransistor von VISHAY TELEFUNKEN
mit der Bezeichnung "TEMT4700". Tabelle 6 zeigt
die relativen spektralen Emissionen der für den Emitter
34 dieser
Ausführungsform
verwendeten LED.
Tabelle
6
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Ansonsten
ist diese Ausführungsform
der zuvor detailliert beschriebenen Ausführungsform gleich.
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Die
vorstehende Beschreibung und die erläuternden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind mit verschiedenen Modifikationen
und alternativen Ausführungsformen
in den Zeichnungen gezeigt und detailliert beschrieben worden. Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung
der Erfindung nur exemplarisch ist und dass der Schutzumfang. der
Erfindung nur auf die Patentansprüche beschränkt ist, wie sie angesichts
des Stands der Technik interpretiert werden. Ferner kann die hier
veranschaulichend offenbarte Erfindung auch bei Nichtvorhandensein
von Elementen, die hier nicht speziell offenbart sind, auf geeignete
Weise in die Praxis umgesetzt werden.
