ES2263222T3 - Sensor de humedad compacto con optica eficaz de gran oblicuidad. - Google Patents
Sensor de humedad compacto con optica eficaz de gran oblicuidad.Info
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Abstract
Un sensor (100) de humedad para montarse sobre una primera superficie (30) de una hoja de vidrio (18) para detectar humedad en una pluralidad de zonas (174a, 174b, 174c, 174d) de detección sobre una segunda superficie (32) de la hoja de vidrio (18), comprendiendo el mencionado sensor (100) de humedad: a) un alojamiento (28); b) emisores (156a, 156b) primero y segundo dispuestos en el mencionado alojamiento (28) para emitir rayos de luz; c) un primer de detector (158a) dispuesto en el mencionado alojamiento (28) para detectar rayos de luz que viajan a lo largo de una primera trayectoria (173a) óptica que se extiende desde el mencionado primer emisor (156a) hasta la segunda superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174a) de detección y de nuevo hasta el mencionado primer de detector (158a) y para detectar rayos de luz que viajan a lo largo de una segunda trayectoria (173b) óptica que se extiende desde el mencionado segundo emisor (156b) hasta la segunda superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174b) de detección y de nuevo hasta el mencionado primer detector (158a); y d) un segundo detector (158b) dispuesto en el mencionado alojamiento (28) para detectar rayos de luz que viajan a lo largo de una tercera trayectoria(173c) óptica que se extiende desde el mencionado primer emisor (156a) hasta la segunda superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174c) de detección y de nuevo hasta el mencionado segundo detector (158b) y para detectar rayos de luz que viajan a lo largo de una cuarta trayectoria (173d) que se extiende desde el mencionado segundo emisor (156b) hasta la segunda superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174d) de detección y de nuevo hasta el mencionado segundo detector (158b) caracterizado porque las longitudes de las mencionadas trayectorias (173b, 173c, 173d) ópticas segunda, tercera y cuarta son sustancialmente iguales a la longitud de la mencionada primera trayectoria (173a) óptica.
Description
Sensor de humedad compacto con óptica eficaz de
gran oblicuidad.
La invención se refiere genéricamente a un
sensor óptico de humedad para montarse sobre la superficie interior
de un parabrisas y, más particularmente, a un sensor compacto óptico
de humedad que tiene emisores ópticos, detectores y componentes
ópticos montados sobre una placa plana de circuito que está situada
paralela a la superficie interior. Un acoplador que tiene colimador
y lentes de enfoque se usa para refractar haces de luz cuando los
haces de luz viajan desde los emisores, y se reflejan desde la
superficie exterior del parabrisas hacia atrás hasta los
detectores.
Desde hace tiempo los vehículos de motor se han
equipado con limpiaparabrisas accionados con motor para limpiar la
humedad de la superficie exterior del parabrisas, al menos dentro
del campo de visión del conductor, y generalmente sobre una zona
más grande a fin de realzar la visión por todo el parabrisas. En la
mayoría de los vehículos de hoy, el sistema de limpiaparabrisas
incluye conmutadores de varias posiciones o de velocidad variable
que permite que el conductor seleccione un amplio intervalo de
velocidades, cuando no una variación infinita, para adecuarse a las
condiciones. Los controles de limpiaparabrisas se accionan
manualmente y típicamente incluyen una característica de retraso
por medio de la cual los limpiaparabrisas operan intermitentemente
a intervalos de retraso de tiempo seleccionados.
Recientemente se han desarrollado sistemas de
control de limpiaparabrisas que incluyen un sensor de humedad
montado en el parabrisas para activar automáticamente el motor
cuando hay humedad depositada sobre la superficie del parabrisas u
otra ventana del vehículo sobre la cual se pueda emplear un
limpiaparabrisas, tal como la ventana trasera. Al detectar lluvia u
otra humedad sobre la superficie de vidrio, los limpiaparabrisas se
pueden controlar en consecuencia. Dichos sistemas de control de
limpiaparabrisas liberan al conductor de la inconveniencia de
ajustar frecuentemente la velocidad del limpiaparabrisas a medida
que cambian las condiciones de conducción. Los sistemas de control
de limpiaparabrisas con sensores ópticos de humedad se han
incorporado en la producción de diversos modelos de coches de
pasajeros. Con el fin de aumentar el uso comercial y la aceptación
por el consumidor de los sistemas de control de limpiaparabrisas,
existe la necesidad de un sensor óptico de humedad más compacto y
menos oneroso.
Sistemas de control de limpiaparabrisas han
empleado un cierto número de diferentes tecnologías para detectar
las condiciones de humedad encontradas por un vehículo, incluyendo
sensores conductores, condensadores, piezoeléctricos y ópticos. Los
sensores ópticos operan sobre el principio de que un haz de luz se
dispersa o desvía de su trayectoria normal por la presencia de
humedad sobre la superficie exterior del parabrisas. Los sistemas
que emplean sensores ópticos tienen la ventaja singular de que el
medio de detección de perturbaciones en una trayectoria óptica está
relacionado directamente con el fenómeno observado por el conductor
(es decir, perturbaciones en la trayectoria óptica que permite la
visión al conductor).
Noak (patente de los Estados Unidos n.º
4.355.271) describe un sensor óptico de humedad que tiene
componentes ópticos montados en un alojamiento a modo de caja
sujetos a la superficie interior del parabrisas. Los dispositivos
sensor de humedad para controlar los limpiaparabrisas de un vehículo
como se describe por McCumber y colaboradores y Teder (patentes de
los Estados Unidos n.º 5.059.877 y 5.239.244) también describen un
alojamiento a modo de caja montado sobre la superficie interior del
parabrisas para encerrar los elementos ópticos y electrónicos.
En los sensores ópticos de humedad, la luz
procedente de un emisor se dirige al interior del parabrisas según
un ángulo de aproximadamente 45° respecto del parabrisas. La luz es
reflejada, entonces, por la superficie exterior del parabrisas
según un ángulo de aproximadamente 45° y se dirige a un detector. La
presencia de humedad en la superficie del parabrisas afecta a la
reflexión de la luz en la interfaz aire-vidrio en la
superficie exterior del parabrisas, y este cambio en la luz
reflejada se procesa electrónicamente y se utiliza como la señal
para activar los limpiaparabrisas.
McCumber y colaboradores (patente de los Estados
Unidos n.º 4.620.141) describe un circuito de control automático
para disparar un barrido de las palas de limpiaparabrisas como
respuesta a la presencia de gotitas de agua sobre la superficie
exterior de un parabrisas.
Cuando el ángulo de entrada del haz de luz en el
parabrisas es superior a 50º, normalmente se produce una pérdida de
señal. Cuando el ángulo de entrada es inferior a 40°, se produce una
pérdida de sensibilidad y el sensor no es capaz de detectar
adecuadamente humedad en el parabrisas. En consecuencia, es esencial
que el ángulo de entrada del haz de luz procedente del emisor entre
en el parabrisas a aproximadamente 45°.
El ángulo deseado de 45° se puede conseguir
montando los dispositivos optoelectrónicos (emisores y detectores)
a 45° o desviando en la luz a medida que viaja entre los
dispositivos y el parabrisas de vidrio. Stanton (patente de los
Estados Unidos 5.414.257) describe un sensor óptico que tiene
dispositivos optoelectrónicos montados en una placa de circuito
según un ángulo apropiado respecto de la superficie de vidrio de
forma que su eje óptico se extiende según el ángulo apropiado de
45° o puede ser desviado de forma que así sea. Stanton muestra
dispositivos fundidos a partir de resina flexible de epoxi, y el
curvado de los conductores de los dispositivos según un ángulo para
facilitar el montaje en ángulo. El problema con el curvado de los
conductores de los dispositivos electrónicos es que la mayor parte
del equipo de inserción de componentes automáticos no puede
insertar componentes con conductores curvados, lo que aumenta el
coste de montar las placas de circuito. Además, los dispositivos de
conductores curvados son menos fiables desde el punto de vista de
las prestaciones.
El montaje de dispositivos optoelectrónicos
sobre placas de circuito sin curvar los conductores se describe en
Zettler (patente de los Estados Unidos 5.560.245). Los emisores y
detectores están montados en pequeñas placas satélite de circuito
que están en ángulo respecto de la placa principal de circuito. Las
placas satélite de circuito forman un ángulo para estar alineadas
con los emisores y detectores según el ángulo apropiado de 45°
respecto del parabrisas. Aunque esta configuración de montaje no
precisa la conformación de conductores, el uso de pequeñas placas
de circuito como éstas crea otros problemas. Las pequeñas placas de
circuito usadas para montar los dispositivos optoelectrónicos no
pueden acomodar la circuitería de procesado de señal, que debe
estar localizada en una placa de circuito diferente. El uso de
múltiples placas de circuito y la orientación de las placas de
circuito en el alojamiento del sensor, aumenta el tamaño y el coste
del sensor.
Los dispositivos optoelectrónicos
convencionales, incluyendo los nuevos dispositivos con tecnología de
montaje en la superficie (SMT), están diseñados genéricamente de
forma que el eje óptico esté perpendicular a la placa de circuito
sobre la que se montan. Teder (patente de los Estados Unidos n.º
5.661.303) describe el uso de una sola placa de circuito montada
coplanaria con la superficie del parabrisas lo que se traduce en un
recinto de sensor de bajo coste y compacto. Sin embargo, este
diseño requiere componentes ópticos que tienen eje óptico que está
aproximadamente paralelo al eje óptico de los dispositivos
optoelectrónicos. Es deseable reducir el tamaño y el coste de los
componentes ópticos para reducir más el tamaño y el coste del sensor
de humedad.
Otro modo de reducir el tamaño y el coste del
sensor óptico incluye reducir el número de componentes
optoelectrónicos. Noak describe el uso de un solo detector para
detectar simultáneamente dos o más emisores. Muller (patente de los
Estados Unidos n.º 5015931) describe que se pueden obtener varios
haces a partir de un solo emisor no direccional. Dichas
configuraciones proporcionan la zona deseada de detección con un
menor número de detectores. McCumber y colaboradores (patente de
los Estados Unidos n.º 4.620.141) describe que una configuración
equilibrada tiende a rechazar el efecto de la luz ambiente. Los
emisores, sin embargo, varían típicamente entre aproximadamente 2:1
en intensidad de señal. Esto ha limitado la capacidad de los
sistemas de sensor óptico de humedad de la técnica anterior para
conseguir un buen equilibrio de señal. Las trayectorias ópticas
mostradas por Muller en 5015931 tienen una longitud desigual. De
este modo, las trayectorias tendrían una eficacia óptica diferente,
y no se podrían utilizar para fabricar un sistema bien equilibrado.
Teder (patente de los Estados Unidos n.º 5.661.303) utiliza cuatro
emisores y dos detectores para conseguir cuatro trayectorias ópticas
de igual longitud. Sin embargo, es deseable reducir el tamaño y el
coste del sensor de humedad usando incluso menos componentes.
El sensor óptico de humedad debería acoplarse
firmemente al parabrisas y los elementos ópticos contenidos en su
interior se deberían acoplar ópticamente al parabrisas a fin de
eliminar eficazmente la interfaz entre los
emisores-detectores de luz y la superficie de vidrio
desde un punto de vista óptico. Purvis (patente los Estados Unidos
n.º 5.262.640) describe una capa intercalada adhesiva intermedia
para fijar el alojamiento del sensor y los elementos ópticos
contenidos en su interior al parabrisas. El alojamiento de sensor se
fija directamente a la superficie del parabrisas o a otra ventana
del vehículo por medio de una capa intercalada intermedia dispuesta
entre el alojamiento de sensor y la superficie interior del
parabrisas.
Los fabricantes de vehículos desean un sensor
que ya esté instalado por el fabricante del parabrisas, o un sensor
que sea muy fácil instalar en la línea de producción del vehículo.
El fabricante del parabrisas despacha parabrisas anidados juntos de
forma que hay muy poco espacio para montar un sensor.
Schofield (patente de los Estados Unidos n.º
4.930.743) describe el uso de un soporte, tal como un soporte de
espejo retrovisor, para montar el sensor óptico de humedad. Este
enfoque necesita una estructura de soporte adicional o la adición
de piezas de silicona para acoplar ópticamente el sensor de humedad
al parabrisas. Un sistema de montaje de soporte se traduce en
partes adicionales y en el incremento de costes.
Bendix (patente de los Estados Unidos 5.278.425)
y Stanton (5.414.257) describe en que una lente se puede fijar
permanentemente al parabrisas de forma que un alojamiento de sensor
se pueda montar de forma amovible sobre la lente. La lente puede
impartir potencia focal al haz, como se muestra en la patente de
Bendix. Alternativamente, la lente puede acoplar los haces al
parabrisas a través de superficies planas normales a la dirección
del haz, como se describe en la patente de Stanton. Sin embargo,
tanto las patentes de Bendix como de Stanton requieren una lente
que sea aproximadamente tan gruesa como el parabrisas. Al apilar los
parabrisas para su transporte desde el fabricante del vidrio hasta
la línea de montaje de vehículo, el espacio adicional necesario
para la lente añade costes adicionales de manipulación al coste del
parabrisas. Es deseable tener un sensor que esté fijado al
parabrisas y que sea lo suficientemente delgado para no interferir
con el anidado de parabrisas durante el despacho.
Los modernos parabrisas con control solar, tales
como parabrisas vendidos bajo la marca comercial
"EZ-KOOL" comercialmente disponibles en
Libbey-Owens-Ford Co., absorberán
los rayos infrarrojos usados por muchos sensores ópticos de
humedad. Los sensores sin acoplamiento o elementos ópticos que
agrupen la luz es probable que sean demasiado ineficaces para usar
en estos parabrisas. En la patente de Alemania n.º DE 3.314.770 de
Kohler y colaboradores, las lentes en un acoplador aumentan la zona
detectada y la eficacia de un sensor de humedad. Watanabe (patente
de los Estados Unidos n.º 4.701.613) describe una serie de ranuras
en V que acopla rayos dentro y fuera de un parabrisas con una
eficacia mejorada, sin embargo, los dispositivos están montados
según un ángulo de 45° respecto de la superficie del vidrio debido
a que las ranuras no agrupan los rayos de luz divergentes y los
enfocan sobre el detector. Es deseable montar los componentes
optoelectrónicos sobre una sola placa plana de circuito mientras se
mejora el rendimiento del sensor óptico de humedad para usarse en
parabrisas modernos con control solar.
La presente invención se refiere a un sensor de
humedad para montar sobre una primera superficie de una hoja de
vidrio para detectar humedad en una zona de detección sobre una
superficie secundaria de la hoja de vidrio.
De acuerdo con la invención, el sensor se
proporciona con múltiples sistemas ópticos
emisor-detector para proporcionar un conjunto
ordenado de zonas detectadas. Se usa un par de emisores
conjuntamente con un par de detectores para conseguir cuatro
trayectorias ópticas diferentes de igual longitud y cuatro zonas de
detección sobre la superficie de vidrio. Los emisores y detectores
forman un sistema eléctrico equilibrado que está conectado
eléctricamente a la circuitería de control de limpiaparabrisas para
controlar el funcionamiento del sistema de limpiaparabrisas.
Además, el número de componentes
optoelectrónicos se reduce, lo que disminuye el coste del sensor sin
reducir la eficacia y el rendimiento del sensor de humedad.
Lo anterior, así como otras ventajas de la
presente invención, serán evidentes más fácilmente para aquellos
expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción
detallada de una realización preferida al considerarse a la luz de
los dibujos que se acompañan, en los cuales:
la figura 1 es una vista parcial en perspectiva
que muestra el montaje de un sensor óptico de humedad montado sobre
el parabrisas de un automóvil;
la figura 2 es la vista en perspectiva ampliada
que muestra el montaje de un sensor de humedad sobre la superficie
interior del parabrisas;
la figura 3 es la vista en perspectiva ampliada
que muestra la relación de montaje entre el alojamiento y el
acoplador de un sensor de humedad;
la figura 4 es una vista en sección transversal
que muestra el colimador montado contiguo al emisor en la presente
invención;
la figura 5 es una vista lateral tomada a lo
largo de la línea 5-5 que muestra la abertura de la
lente de colimación;
la figura 6 es una vista en perspectiva que
muestra el colimador que se extiende desde el acoplador;
la figura 7 es la visa lateral tomada a lo largo
de la línea 7-7 que muestra la abertura de la lente
de colimación;
la figura 8 es la vista en planta del sensor
óptico de humedad de la presente invención se ilustra las cuatro
trayectorias ópticas;
la figura 9 es un diagrama esquemático que
ilustra los componentes optoelectrónicos de la realización de la
presente invención; y
la figura 10 es una vista en sección transversal
de la lente de colimación que usa una lente segmentada.
Haciendo referencia ahora a la figura 1, se
muestra genéricamente un sensor 10 de humedad de la presente
invención y una parte de un automóvil, incluyendo un capó 12,
montantes 14 laterales y un techo 16 que definen una abertura
dentro de la cual está montado un parabrisas 18. Las palas 20 de
limpiaparabrisas, mostradas en su posición de descanso a lo largo
de los bordes inferiores del parabrisas, son operables de una forma
convencional para girar según arcos 22 y barrer de la superficie
del parabrisas 18, la humedad acumulada. El sensor 10 de humedad
está afirmado al parabrisas dentro de la zona barrida por las palas
20 de limpiaparabrisas.
Como se muestra en la figura 2, el sensor 10 de
humedad incluye un acoplador 24, una placa 26 de circuito para
montar componentes 27 electrónicos, y un alojamiento 28 de sensor
fijable al acoplador 24 para encerrar la placa 26 de circuito.
El acoplador 24 incluye una superficie 29 de
montaje que está firmada a la superficie 30 interior de parabrisas
18 para realizar la detección óptica de humedad sobre la superficie
32 exterior del parabrisas. El sensor 10 de humedad está montado
típicamente contiguo al espejo retrovisor (no mostrado) sobre la
superficie 30 interior a fin de minimizar cualquier construcción a
la vista para los pasajeros en el automóvil, aunque el sensor se
puede montar en cualquier lugar del parabrisas. El parabrisas 18 es
genéricamente relativamente plano en la zona donde el sensor 10 se
ha de montar, de forma que la superficie 29 de montaje del acoplador
24 puede ser plana. Sin embargo, se contempla que la superficie 29
de montaje del acoplador 24 pueda estar contorneada
correspondientemente para casar con una superficie curvada de
parabrisas allí donde sea adecuado. El sensor 10 también se puede
montar en otras ventanas, incluyendo la ventana trasera.
Una capa intercalada 34 adhesiva por los dos
lados se usa para afirmar la superficie 29 de montaje del acoplador
al parabrisas el 18 o a otra ventana. La capa intercalada 34 está
fabricada a partir de silicona o de otro material de plástico
transparente similar flexible. El acoplador 24 se puede afirmar al
parabrisas 18 por el fabricante del vidrio antes de transportar el
parabrisas 18 hasta la línea de montaje de automóviles. Un manguito
36 rectangular se extiende desde el acoplador 24 opuesto a la
superficie 29 de montaje, y pestañas 37 de retención se extienden
hacia fuera desde los extremos del manguito para afirmar el
acoplador al alojamiento 28 como se describe en lo que sigue.
El acoplador 24 también tiene un colimador 37
que incluye un cuerpo 38 de colimación que se extiende desde el
acoplador, y una lente 40 de colimación dispuesta contigua al cuerpo
de colimación. La lente 40 de colimación tiene un eje 41 óptico que
se extiende a través del cuerpo 38 de colimación según un ángulo de
45° respecto de la superficie interior del parabrisas 30. El
acoplador 24 incluye, además, un enfocador 42 que tiene un cuerpo
43 de enfoque que se extiende desde el acoplador, y una lente 44 de
enfoque dispuesta contigua al cuerpo de enfoque. La lente 44 de
enfoque tiene un eje 45 óptico que se extiende a través del cuerpo
43 de enfoque según un ángulo de 45° respecto de la superficie
interior del parabrisas 30. El acoplador 24, el cuerpo 38 de
colimación, la lente 40 de colimación, el cuerpo 43 de enfoque y la
lente 44 de enfoque están formados preferiblemente de forma
integrada a partir de una sola pieza de material. La lente 40 de
colimación está formada conformando la superficie del cuerpo 38 de
colimación, y la lente 44 de enfoque está formada conformando la
superficie del cuerpo 43 de enfoque, en la forma descrita en lo que
sigue. Como alternativa, una lente 40 de colimación separada puede
estar dispuesta contigua al cuerpo 38 de colimación y una lente 44
de enfoque separada puede estar dispuesta contigua al cuerpo 43 de
enfoque.
El acoplador está formado a partir de un
material refractario, tal como policarbonato, o resina de poliéster,
aunque se puede usar cualquier material adecuado que pueda resistir
un amplio intervalo de temperaturas al que pueda estar sometido un
automóvil. El acoplador 24 acopla ópticamente rayos de luz dentro y
fuera del parabrisas 18 de forma que los rayos de luz no se desvíen
a medida que pasan desde el cuerpo 38 de colimación hasta el
parabrisas, y desde el parabrisas hasta el cuerpo 43 de enfoque.
Además, el acoplador 24 proporciona una base firme para montar la
lente 40 de colimación, lente 44 de enfoque y el alojamiento 28 en
el parabrisas 18.
El grosor del acoplador 24 es una consideración
importante desde un punto de vista de embalaje al transportar el
parabrisas desde el fabricante de vidrio hasta la línea de montaje
de automóvil. Se han diseñado estantes especiales y material de
embalaje para embalar los parabrisas individuales tan próximos como
sea posible para la eficacia del despacho, mientras se protegen los
parabrisas durante el transporte para impedir grietas u otros daños
a los parabrisas. Los parabrisas de automóvil incluyen típicamente
un botón de montaje (no mostrado) sobre el parabrisas para montar
el espejo retrovisor de forma que los estantes de despacho puedan
acomodar dicho botón de montaje. El acoplador 24 tiene un grosor
inferior a 5 mm, que es más delgado que el botón típico de montaje
de espejo. En consecuencia. El acoplador 24 delgado permite que el
fabricante de vidrio monte el acoplador 24 en la línea de
producción de parabrisas sin tener que cambiar los procesos de
embalaje y de manipulación de material usados para entregar los
parabrisas a la línea de montaje de automóvil. La capacidad de
montar el acoplador en las operaciones de fabricación de parabrisas
sin cambiar las características de embalaje y de manipulación de
material es una consideración importante para obtener un incremento
en el uso del sensor de humedad y en el sistema de control de
limpiaparabrisas por las compañías automovilísticas.
Haciendo referencia ahora a las figuras 2 y 3,
el alojamiento 28 de sensor está fabricado a partir de un plástico
duro o de otro material rígido y es opaco para bloquear la luz no
deseada. Por claridad, la figura 3 muestra el acoplador 24 sin
mostrar el colimador o enfocador. El alojamiento 28 incluye una base
46 y cuatro paredes laterales que se extienden desde la base,
formando preferiblemente un recinto con forma de caja. El
alojamiento 28 está dimensionado para ajustarse sobre el manguito
36 de acoplador 24 una vez que el acoplador ha sido afirmado al
parabrisas 18. Hay ranuras 50 formadas sobre el interior de las
paredes 48 de alojamiento para recibir las pestañas 37 de acoplador
y retener de forma amovible el alojamiento 28 al acoplador 24. Las
paredes 48 laterales de alojamiento 28, así como el manguito 36 de
acoplador 24, están fabricadas cada una ligeramente deformables
para facilitar la introducción por presión del alojamiento en su
sitio sobre el acoplador de forma que las pestañas 37 de acoplador
entre en las ranuras 50. Opcionalmente, puede haber muescas cortadas
en el manguito 36 de acoplador 24 para aumentar la deformación.
Una vez que el alojamiento 28 se ha introducido
por presión en su sitio sobre el manguito 36 de acoplador,
cualesquiera fuerzas laterales aplicadas al acoplador 24 se
transfieren por las paredes 48 de alojamiento al manguito 36. Las
paredes 48 de alojamiento y el manguito 36 de acoplador tienen una
superficie con mucha área, y no tendrán tendencia a concentrar
fuerzas que lleven a la ruptura. Además, la forma no circular del
manguito 36 de acoplador absorbe fuerzas torsionales aplicadas al
alojamiento 28. El presente sensor de humedad tiende, de este modo,
a permanecer firmemente sujeto al parabrisas en caso de una
colisión, o si éste fuera agarrado torpemente por un pasajero
curioso. Una muesca 51 en una pared 48 lateral de alojamiento 28
facilita su retirada con una moneda o destornillador.
Preferiblemente, el acoplador 24 está autoclaveado en el parabrisas
con la ayuda de una silicona de muy alta adhesión, aunque cualquier
material adecuado se puede utilizar. La profundidad somera del
procedimiento de fijación del acoplador permite realizar una
instalación como ésta en la instalación del fabricante del
parabrisas, sin afectar la densidad de embalado del parabrisas como
se describe en lo que antecede. A los fabricantes de vehículos no
les gustan los procesos relativos a adhesivos u otros productos
químicos, y prefieren que el acoplador del sensor de humedad les
venga fijado al parabrisas.
Además, para hacer resistente al impacto el
sensor de humedad, el diseño sujeto del perímetro es sencillo de
instalar. En contraste a los procedimientos de fijación del sensor
de humedad que presentan abrazaderas separadas u otras
características de fijación, el presente alojamiento de sensor de
humedad se puede colocar mediante presión sobre el acoplador en una
operación realizada con una mano. Esto reduce el tiempo se lleva al
fabricante del vehículo instalar el sensor de humedad, reduciendo el
coste del sistema.
Una sola placa 26 plana de circuito se retiene
en el alojamiento mediante pestañas 52 que se extienden hacia
dentro desde la superficie interior de las paredes de alojamiento.
La placa 26 de circuito incluye una superficie 54 de dispositivo
sobre la cual están montados los componentes 27 electrónicos. La
placa 26 de circuito se monta en el alojamiento 28 de forma que la
superficie 54 de dispositivo esté sustancialmente paralela a la
superficie 30 interior del parabrisas 18 cuando el alojamiento 28
está afirmado al acoplador 24 y el acoplador está afirmado al
parabrisas.
Los componentes 27 electrónicos se montan sobre
la superficie 54 de dispositivo de la placa 26 de circuito de forma
que las superficies superiores de los componentes electrónicos estén
sustancialmente paralelas a la superficie 54 de dispositivo. Se
pueden usar técnicas convencionales de montaje de superficie para
montar los componentes sobre la placa 26 de circuito.
Los componentes 27 electrónicos incluyen un
emisor de 56, un detector 58 y circuitería 59 de procesado de
señal. Aunque solo se muestra un emisor 56 y detector 58 se pueden
usar múltiples emisores y detectores como se describe lo que sigue.
El emisor 56 es preferiblemente un diodo que emite luz infrarroja,
aunque se puede usar cualquier emisor adecuado, y el detector 58 es
preferiblemente un fotodiodo, aunque se puede usar cualquier
detector adecuado. El emisor 56 y el detector 58 son dispositivos
montados en superficie, tales como las piezas de Siemens números
SFH-421 y BPW-34FAS,
respectivamente. El emisor 56 y el detector 58 también se pueden
implantar usando el cuadrito menudo de monocristal de silicona
pegado directamente a la placa 26 de circuito según un enfoque
chip-en-placa.
La circuitería de procesado de señal incluye
componentes 59 convencionales montados en la placa 26 de circuito.
Además, puede haber montadas barricadas 61 de luz en la placa de
circuito para excluir la luz ambiente del detector 58 y para
impedir la comunicación óptica o interferencia inadecuadas entre el
emisor 56 y el detector 58 en el alojamiento. El emisor 56 y el
detector 58 están conectados eléctricamente al procesado de
señal.
Como se muestra la figura 4, el emisor 56 está
compuesto típicamente por un alojamiento o carcasa 60 de plástico,
un cuadrito menudo de un monocristal que emite infrarrojos montado
dentro de una depresión en la carcasa, y una región 64 rellena de
epoxi transparente. El emisor 56 radia rayos de luz 65, típicamente
de una longitud de onda específica tal como energía infrarroja a
880 nm, aunque se pueden usar otras longitudes de onda. Los rayos
65 de luz se emiten como un abanico divergente de rayos que es
asimétrico respecto de un eje 66 de emisión que se extiende desde
el emisor principalmente en una dirección perpendicular a la
superficie 54 de dispositivo de la placa 26 de circuito. Los rayos
65 de luz emanan del emisor 56 sobre un despliegue de ángulos con
cada uno de los rayos viajando según un ángulo \theta_{E}
respecto del eje 65 de emisión. La intensidad de cada uno de los
rayos 65 que diverge del emisor 56 es sustancialmente el coseno de
\theta_{E}. De este modo, los rayos 65 procedentes del emisor
56 son los más resistentes a lo largo del eje 66 de emisión. En el
campo próximo, en el cual opera la invención, los rayos según un
ángulo \theta_{E} de emisor de más de aproximadamente 50° están
apantallados por la carcasa 60 del emisor y, por ello, son menos
intensos.
Como se muestra la figura 2, el detector 58
incluye una superficie 67 de detección que se extiende
sustancialmente paralela a la superficie 54 el dispositivo. Un eje
68 detección de la mayor sensibilidad de detección se extiende
desde la superficie 67 de detección en una dirección que es
principalmente perpendicular a la superficie 67 de detección y a la
superficie 54 del dispositivo de la placa 26 de circuito. El
detector 58 también tiene un ángulo de aceptación (no mostrado) que
se extiende simétricamente alrededor del eje 68 de detección tal
que los haces de luz que chocan contra el detector dentro del ángulo
de aceptación harán que el detector 58 genere una señal de control.
El emisor 56 específico y el detector 58 a utilizar se escogerán de
forma que el detector sea sensible para la longitud de onda de la
luz emitida por el emisor.
Cuando el alojamiento 28 está afirmado al
acoplador 24 como se muestra la figura 2, el cuerpo 38 de colimación
y la lente 40 de colimación se extienden hacia el emisor 56 y el
cuerpo 43 de enfoque y la lente 44 de enfoque se extienden hacia el
detector. Una parte de los rayos 65 de luz que emanan del emisor 56
chocan contra la lente 40 de colimación y se coliman en un haz 72
que viaja a través del cuerpo 38 de colimación a lo largo del eje
41 óptico de la lente de colimación. Los rayos de luz que chocan
contra la lente 40 de colimación van preferiblemente desde
aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50° respecto del eje 66 de
emisión, aunque la lente puede estar conformada para aceptar rayos
de luz a partir de ángulos menores o mayores. La lente 40 de
colimación está dispuesta respecto del emisor 56 de forma que el eje
41, forma un ángulo 69 oblicuo respecto del eje 66 de emisión. El
ángulo 69 oblicuo está preferiblemente entre 39 y 51°, aunque puede
ser menor o mayor. La superficie de la lente 40 de colimación puede
estar conformada, como se describe lo que sigue, para formar un haz
colimado de intensidad suficiente para qué el detector 58 pueda
producir una señal utilizable.
Análogamente, la lente 44 de enfoque está
dispuesta respecto del detector 58 y hecha de forma que el eje 45
óptico de la lente 44 de enfoque forma un ángulo 71 oblicuo respecto
del eje 68 de detección. El ángulo 71 oblicuo está preferiblemente
entre 39 y 51°. La superficie de la lente 44 de enfoque está
conformada, como se describe en lo que sigue, para enfocar el rayo
colimado sobre la superficie de detección del detector. El rayo 70
colimado se enfoca en un abanico de rayos convergentes que tiene
intensidad suficiente en la superficie 67 de detección de forma que
el detector pueda producir una señal utilizable. El abanico de rayos
de luz que convergen sobre la superficie de detección va
preferiblemente desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50°
respecto del eje de detección, aunque el abanico de rayos puede
formar ángulos menores o mayores respecto del eje de detección.
La luz viaja desde el emisor 56 hasta el
detector 58 a lo largo de una trayectoria 73 óptica. Los rayos de
luz procedentes del emisor que se coliman en el rayo 72 colimado
viajan a lo largo de la trayectoria óptica en el parabrisas 18
según un ángulo de 45° respecto de la superficie 30 interior. El haz
72 de luz colimada choca contra la superficie 32 exterior en una
región 74 de detección y se refleja hacia atrás a lo largo de la
trayectoria 73 óptica a través del parabrisas al interior del cuerpo
43 de enfoque según un ángulo de cuarenta y cinco grados respecto
de la superficie 30 interior. El eje 45 óptico de la lente 44 de
enfoque se traslada desde el eje 41 óptico de la lente 40 de
colimación en la superficie del acoplador 24 una distancia T. Ningún
rayo de luz suelto viaja lateralmente a lo largo de esta
traslación; más bien es un artificio que indica que el centro
óptico del sistema cambia en la superficie del acoplador 24. La
distancia T se seleccionan de forma que la lente 44 de enfoque
reúne toda la anchura del haz 72. La superficie 40 de colimación es
una superficie truncada de rotación, simétrica alrededor del eje 41
óptico. La traslación T del eje 41 óptico hasta el eje 45 óptico
sucede debido a la naturaleza de la asimetría de las aberturas de
colimación y de enfoque. La superficie exterior del vidrio actúa
como un espejo de plegado. Debido a los efectos de este espejo de
plegado, los rayos próximos al eje de emisión chocan contra el
detector según un ángulo lejos del eje de detección. De este modo,
un haz que pasa a través del centro óptico del colimador no pasa a
través del centro óptico de la lente del enfocador, que está
cambiado respecto del eje de detección.
Haciendo referencia ahora a las figuras 5 y 6,
la lente 40 de colimación tiene una abertura 82 de recepción de luz
definida por el perímetro 80. El perímetro 80 pueden ser los bordes
físicos de la lente el 40 de colimación, o el perímetro 80 puede
decidir el área de la superficie de lente que recibe luz emitida
directamente por el emisor 56 y que colima dicha luz como se
describe en lo que antecede. Los rayos de luz que chocan contra la
superficie de lente exterior a la abertura 82 no se coliman y no son
transmitidos eficazmente al detector 58. La abertura 82 de
recepción de luz tiene una anchura W, como se muestra, medida en la
dirección de la línea 5-5 de referencia. La
abertura 82 de recepción de luz tiene un centro 84 físico situado en
el centro del perímetro 80.
El centro óptico de una lente se define como el
punto en el cual interseca un eje óptico la superficie de lente.
Además, por definición, un rayo de luz que viaja a lo largo del eje
óptico que entra en la abertura de lente a través del centro óptico
va recto, mientras que el resto de rayos que entran en la abertura
de lente son reflejados por la lente a lo largo de una trayectoria
paralela al eje óptico. La lente 40 de colimación tiene un centro
86 óptico desviado, apartado del centro 84 físico y, por lo tanto,
un eje 41 óptico desviado del centro. Preferiblemente, el centro 86
óptico está desplazado del centro 84 físico aproximadamente un 22%
de la anchura W, aunque se puede utilizar cualquier desplazamiento
adecuado. La superficie del cuerpo 38 de colimación del acoplador
24 puede, opcionalmente, estar cubierta con un material opaco para
excluir rayos que no chocan contra la abertura 82, o se puede
permitir el paso a dichos rayos a través del acoplador sin
obstruir. Adicionalmente, la superficie de la lente de colimación
exterior al perímetro 80 que define la apertura 82 puede,
opcionalmente, estar cubierta con un material opaco para excluir
rayos que no chocan contra la abertura 82, o se puede permitir que
dichos rayos pasen a través del acoplador no obstruido. Únicamente
aquellos rayos de emisor que pasan a través de la abertura 82 son
útiles para detectar
lluvia.
lluvia.
Haciendo referencia ahora a figura 7, la lente
44 de enfoque tiene una abertura 90 de transmisión de luz definida
por el perímetro 88. El perímetro 88 puede ser los bordes físicos de
la lente 44 de enfoque, o el perímetro 88 puede definir la zona de
la superficie de lente que transmite el haz de luz colimada en un
haz hasta la superficie 67 de detección del detector 58. Los rayos
de luz que salen de la lente de enfoque fuera de la abertura 90 no
están enfocados sobre el detector 58. La abertura 90 tiene una
anchura W, como se muestra. La lente 44 de enfoque tiene un centro
90 físico situado en el centro del perímetro 88. El centro 94 óptico
de la lente 44 está desviado del centro, es decir, está apartado
del centro 92 físico y, por lo tanto, el eje 45 óptico de lente de
enfoque también está desviado del centro. Preferiblemente, el centro
94 óptico está desplazado del centro 92 físico aproximadamente un
22% de la anchura W, aunque se puede utilizar cualquier
desplazamiento adecuado. La superficie del cuerpo 43 de enfoque de
acoplador 24 puede estar cubierta opcionalmente con un material
opaco para excluir rayos que no chocan contra la abertura 90, o se
puede permitir que dichos rayos pasen a través del acoplador no
obstruido. Adicionalmente, la superficie de la lente 44 de enfoque
fuera del perímetro 88 que define la abertura 90 puede estar
cubierta opcionalmente con un material opaco para excluir rayos que
no chocan contra la abertura 90, o se puede permitir que dichos
rayos pasen a través del acoplador no obstruido.
Cuando el sensor de humedad está en
funcionamiento, el controlador (no mostrado) señala el emisor 56 que
hace que rayos 65 de luz se emitan simétricamente alrededor del eje
de emisión. Los rayos 65 de luz que chocan contra la abertura 82 de
la lente de colimación se coliman en un haz 72 que viaja a lo largo
de la trayectoria 73 óptica que es paralela con el eje 41 óptico de
la lente de colimación. El haz 72 de luz está acoplado ópticamente
en la capa 34 intercalada y, a continuación, en el parabrisas 18 a
lo largo de la trayectoria 73. El haz 72 de luz viaja a través del
parabrisas 18, prosiguiendo según un ángulo de aproximadamente 45° y
se refleja por la superficie 32 exterior del parabrisas 18 en la
región 74 de detección. El rayo reflejado pasa hacia atrás a través
de parabrisas 18 a lo largo de la trayectoria óptica 73 según un
ángulo de cuarenta y cinco grados respecto de la superficie del
parabrisas. El haz 72 de luz colimada viaja a través del cuerpo 43
de enfoque y de la lente 44 de enfoque. La lente de enfoque enfoca
el rayo 72 colimado sobre la superficie del detector 58. Si se ha
acumulado humedad 76 sobre el parabrisas en la región 70 de
detección, no todo el haz 72 de luz colimada se reflejará hacia
atrás hasta el cuerpo 43 de enfoque y el detector 58 producirá una
señal representativa de la cantidad de luz que se detecta. Aunque
el detector generalmente tiene la mayor sensibilidad cuando los
haces de luz son perpendiculares a la placa 26 de circuito,
cualesquiera haces 72 de luz dentro del ángulo de aceptación del
detector 58 se detectaría. La circuitería 59 de procesado de señal
recibe la señal del detector e interpreta el cambio en la señal
como la presencia de humedad y controla los limpiaparabrisas en
consecuencia.
Para un correcto funcionamiento, la lente 40 de
colimación debe está situada respecto del emisor 56 de la forma que
una cantidad suficiente de rayos 65 de luz que chocan contra la
abertura 82 de lente se colimarán. Haciendo referencia de nuevo a
la figura 4, el ángulo de una línea que interseca la superficie de
la lente 40 de colimación respecto del parabrisas se muestra en
\theta_{X}. Valores de \theta_{X} varían sobre la
superficie de la lente de colimación. Como se menciona en lo que
antecede, es preferible que los rayos del haz 72 de luz colimada
viajen dentro del parabrisas 18 según un ángulo \theta_{G} de
cuarenta y cinco grados respecto de la superficie 30 del
parabrisas. Con el fin de que la lente de colimación refracte los
rayos del emisor hasta el ángulo requerido de cuarenta y cinco
grados, se puede demostrar manejando la ley de Snell que:
\vskip1.000000\baselineskip
\theta_{X}=arctan[(sen(\theta_{E})-n\cdot
sen(\theta_{G}))/(cos(\theta_{E})-n\cdot(cos(\theta_{G}))]
donde n es el índice de refracción
del acoplador 24. El acoplador 24 está moldeado preferiblemente a
partir de policarbonato, que tiene un índice de refracción de n =
1,57 a 880 nm. Como alternativa, el acoplador se puede fabricar a
partir de vidrio, acrílico o algún otro material transparente. A
partir esta ecuación, se puede mostrar, por ejemplo, que para un
ángulo \theta_{E} de emisor de 10°, se requiere un ángulo de
superficie de lente de colimación de 76°. Para un ángulo escarpado
como éste, aproximadamente la mitad de la intensidad del haz
procedente del emisor se refleja fuera de la superficie de la lente
de colimación, y de este modo no entra en el parabrisas 18. La
reflexión aumenta dramáticamente incluso a ángulos de emisor más
pequeños. Por lo tanto, esta relación entre el ángulo del emisor y
el ángulo de la superficie de lente de colimación crea a un límite
inferior sobre la distancia entre la lente 40 del colimador y el eje
66 de emisión. Análogamente, el mismo límite inferior se coloca en
la distancia entre la lente 44 de enfoque y el eje 68 de detección.
Los rayos de luz que pasan a través de la lente 44 de enfoque más
cerca de aproximadamente 10° respecto del eje 68 de detección se
reflejarán internamente desviados de la superficie interior de la
lente 44 de enfoque, y reducirán la intensidad del haz enfocado que
alcanza la superficie 67 de
detección.
Otros efectos crean un límite superior para la
distancia entre el eje 66 de emisión y la lente 40 de colimador. A
medida que \theta_{E} aumentar, la oblicuidad reduce la
intensidad del haz emisor que varían según el cos \theta_{E}
como se describe en lo que antecede. Además, para valores de
\theta_{E} de aproximadamente cincuenta grados, los rayos de
luz emitidos están apantallados por la carcasa 60 del emisor. De
este modo, el intervalo de ángulos que pueden estar acoplados de
forma útil en el parabrisas 18 está confinado a los ángulos de
emisor entre aproximadamente 10 y aproximadamente cincuenta grados.
De nuevo, para ángulos menores, una fracción demasiado grande del
rayo se refleja fuera de la superficie de la lente de colimador.
Para ángulos mayores, la oblicuidad reduce la intensidad de la luz
emitida, y la luz está apantallada por la carcasa del emisor.
Dentro de este intervalo de ángulos de emisor, efectos de reflexión
y oblicuidad apenas se cancelan. De este modo, los rayos de luz
emitida son razonablemente uniformes dentro del intervalo prescrito
de ángulos de emisor. Esta restricción del haz emisor lleva una
ventaja adicional puesto que permite que el diseño encaje dentro
del requisito de altura de 5 mm del acoplador. Un intervalo más
amplio de rayos de emisor requeriría un acoplador más alto.
Análogamente, rayos de los que viajan por encima de aproximadamente
cincuenta grados respecto del ejes 68 de detección serán muy mal
recibidos por el detector 58 debido a la gran oblicuidad. Como con
el colimador 37, restringir los ángulos de los rayos recibidos
procedentes de la lente 44 de enfoque por el detector 58 permite un
diseño de acoplador 24 de pantalla.
La superficie de la lente 40 de colimación está
conformada para permitir que la lente de colimación colime una gran
parte de los rayos de luz que viajan procedentes del emisor cuando
el eje 66 de emisión o forma un ángulo oblicuo respecto del eje 41
óptico. Preferiblemente, la superficie de la lente de colimación es
una superficie continua, convexa refractaria, aunque la superficie
puede estar ser segmentada, como se describe en lo que sigue. La
forma apropiada de la superficie de lente se puede determinar usando
un sistema de programa informático de diseño óptico, tal como el
sistema Zemax de Focus Software en Tucson, AZ. La forma de la
superficie resultante se representa mejor mediante una asfera
polinomial. La superficie se da mediante una función sag, que
genera la distancia z entre la superficie y el radio a partir del
eje óptico. Esta superficie puede ser, con el fin de ilustrar:
\vskip1.000000\baselineskip
z=cr^{2}/(1+\sqrt{1-(1+k)c^{2}r^{2}})+\alpha_{1}r^{2}+\alpha_{2}r^{4}+\alpha_{3}r^{6}+\alpha_{4}r^{8}+...
Donde:
| Coeficiente | Valor | |
| r | Infinito | |
| c | 0 | |
| a_{1} | 0,22631484 | |
| a_{2} | -0,018779505 | |
| a_{3} | 0,0010712278 | |
| a_{4} | 0 |
Este procedimiento de describir una lente
asférica es familiar para aquellos expertos en la técnica de diseño
de sistema óptico. Como alternativa, una lente esférica de radio
3,163 mm puede ser sustituida, sin embargo, se induce aberración
que puede reducir la intensidad de la luz transmitida por la lente.
Los valores dados permitirán una ligera divergencia del rayo
colimado, que facilita los requisitos de tolerancia de colocación de
emisor.
Aunque únicamente se requiere una trayectoria
óptica para fabricar un sensor de humedad que funcione, una única
trayectoria puede proporcionar una zona de detección de área de
superficie inadecuada para un funcionamiento suave de los
limpiaparabrisas. Haciendo referencia ahora a la figura 8, se
proporciona una realización de la presente invención con una
disposición diferente de componentes ópticos que proporcionan
múltiples trayectorias ópticas. El sensor 100 de la realización
alternativa incluye un emisor 156a y 156b, primero y segundo, y un
detector 158a y 158b, primero y segundo, montados en una superficie
de dispositivo de placa de circuito (no mostrada) en una forma a
similar a la descrita en lo que antecede. El emisor 156a primero
está situado en la placa de circuito (no mostrada) en una primera
esquina 102a de un cuadrado 104, y el segundo emisor 156b está
situado sobre la placa de circuito en una segunda esquina 102b
opuesta a la primera esquina 102a. Los emisores 156a y 156b primero
y segundo incluyen ejes de emisión (no mostrados) similares al eje
69 de emisión del emisor 56 mostrado en la figura 4. El primer
detector 158a está situado sobre la placa de circuito en una
tercera esquina 102c del cuadrado 104, y el segundo detector 158b
está situado sobre la placa de circuito en una cuarta esquina 102d
opuesta a la tercera esquina 102c. Los detectores 158a y 158b
primero y segundo incluyen ejes de detección (no mostrados)
similares al eje 68 de detección del detector 56 mostrado en la
figura 4. La placa de circuito se monta en un alojamiento 28
mostrado en la figura 3 de forma similar a la placa 26 de circuito
descrita en lo que antecede.
El sensor 100 incluye un acoplador 106 que tiene
una superficie de montaje (no mostrada) que está montada en el
parabrisas de forma similar al acoplador 24 descrito en lo que
antecede. El alojamiento 28 está sujeto al acoplador 106 de forma
similar al acoplador 24 descrito en lo que antecede. El acoplador
106 incluye un primer colimador 108a situado al contiguo al primer
emisor 156a en la primera esquina 102a cuando el alojamiento 28
está sujeto al acoplador 106. El acoplador 106 también incluye un
segundo colimador 108b situado contiguo al segundo emisor 156b en
la segunda esquina 102b cuando el alojamiento 28 está sujeto al
acoplador 106. Cada colimador 108a y 108b incluye dos cuerpos 109
de colimación y dos lentes 110 de colimación. Las dos lentes 110 de
colimación entran en contacto entre sí de forma que sus ejes 111
ópticos forman un ángulo de aproximadamente noventa grados cuando
se ven como se muestra la figura 8. Las lentes 110 de colimación
están formadas preferiblemente de forma integrada con los cuerpos
109 de colimación, aunque lentes separadas pueden estar dispuestas
contiguas a cada cuerpo de colimación como se describe en lo que
antecede.
Cada una de las lentes 110 de colimación son
similares a la lente 40 de colimación descrita en lo que antecede,
y para evitar duplicación no se describirá con tal detalle. Cada
lente 110 de colimación tiene un centro físico, centro óptico y un
eje óptico similar al centro 84 físico, centro 86 óptico y eje 41
óptico de la lente 40 de colimación como se muestra en las figuras
4, 5, 6, las lentes 110 de colimación del primer colimador 108a
están dispuestas contiguas al primer emisor 156a de forma que cada
uno de los ejes ópticos forma un ángulo oblicuo respecto del eje de
emisor descrito en lo que antecede. Las lentes 110 de colimación del
segundo colimador 108b están dispuestas contiguas al segundo emisor
156b de forma que cada uno de los ejes ópticos forma un ángulo
oblicuo respecto del eje de emisor descrito en lo que antecede. La
superficie de las lentes 110 de colimación están formadas
similarmente a la lente 40 de colimación descrita en lo que antecede
de forma que el centro óptico está desviado del centro físico por
las razones descritas en lo que antecede.
El acoplador 106 también incluye un primer
localizador 114a situado contiguo al primer detector 158a en la
tercera esquina 102c donde el alojamiento 28 está sujeto al
acoplador 106. El acoplador 106 incluye, además, un segundo
enfocador 114b situado conjunto al segundo detector 158b en la
cuarta esquina 102d cuando el alojamiento 28 está sujeto al
acoplador 106. Cada enfocador 114a y 114b incluye dos cuerpos 115 de
enfoque y dos lentes 116 de enfoque. Las dos lentes 116 de enfoque
entran en contacto entre sí de forma que sus ejes 117 ópticos
forman un ángulo de aproximadamente noventa grados al verse como se
muestra la figura 8. Las lentes 116 de enfoque están formadas
preferiblemente de forma integrada con los cuerpos 115 de enfoque,
aunque lentes separadas pueden estar dispuestas contiguas a cada
cuerpo de enfoque como se describe en lo que antecede. Una esquina
de cada lente 110 de colimación y lente 116 de enfoque se retira
para permitir la yuxtaposición pero las características de las
lentes no se ven afectadas negativamente.
Cada una de las lentes 116 de enfoque son
similares a la lente 44 de enfoque descrita en lo que antecede y
para evitar duplicación no se describirá con tal detalle. Cada lente
116 de enfoque tiene un centro físico, un centro óptico, y un eje
óptico similar al centro 92 físico, al centro 94 óptico y al eje 45
óptico de la lente 44 de enfoque como se muestra en las figuras 2 y
7. Las lentes 116 de enfoque del primer enfocador 114 a están
dispuestas contiguas al primer detector 158a de forma que cada uno
de los ejes ópticos forma un ángulo oblicuo respecto del eje emisor
descrito en lo que antecede. Las lentes 116 de enfoque del segundo
enfocador 114b están dispuestas contiguas al segundo detector 158b
de forma de cada uno de los ejes ópticos forma un ángulo oblicuo
respecto del eje de emisor descrito en lo que antecede. La
superficie de las lentes 116 de enfoque están formadas análogamente
a la lente 44 de enfoque descrita en lo que antecede, de forma que
el centro óptico está desviado del centro físico por las razones
descritas en lo que antecede.
Se facilitan cuatro trayectorias ópticas 173a,
173b, 173c y 173d. La primera trayectoria 173a óptica se extiende
desde el primer emisor 156a a través de una lente 110 de colimador y
cuerpo 109 de colimador del primer colimador 108a, en el parabrisas
según un ángulo de cuenta y cinco grados respecto de la superficie
interior hasta una primera zona 174a de detección, hacia atrás a
través del parabrisas según un ángulo de cuarenta y cinco grados
respecto de la superficie interior del parabrisas, a través de un
cuerpo 115 de enfoque y lente 116 de enfoque del primer enfocador
114a hasta el primer de detector 158a. La segunda trayectoria 173b
óptica se extiende desde el segundo emisor 156b a través de una
lente 110 de colimador y cuerpo 109 de colimador del segundo
colimador 108b, en el parabrisas según un ángulo de cuarenta y cinco
grados respecto de la superficie interior de una segunda zona 174b
de detección, hacia a atrás a través del parabrisas según un ángulo
de cuarenta y cinco grados respecto de la superficie interior de
parabrisas, a través del cuerpo 115 de enfoque y lente 116 de
enfoque del primer enfocador 114a hasta el primer de detector
158a.
La tercera trayectoria 173c óptica se extiende
desde el primer emisor 156a a través de una lente 110 colimadora y
cuerpo 109 de colimador del primer colimador 108a en el parabrisas
según un ángulo de cuarenta y cinco grados respecto de la
superficie interior hasta una segunda zona 174c de detección, hacia
atrás a través del parabrisas según un ángulo de cuarenta y cinco
grados respecto de la superficie interior de parabrisas a través del
cuerpo 115 de enfoque y lente 116 de enfoque del segundo enfocador
114b hasta el segundo detector 158b. La cuarta trayectoria 173b
óptica se extiende desde el segundo emisor 156b a través de la lente
110 de colimador y cuerpo 109 de colimador del segundo colimador
108b, en el parabrisas según un ángulo de cuarenta y cinco grados
respecto de la superficie interior hasta una cuarta zona 174d de
detección, hacia atrás a través del parabrisas según un ángulo de
cuarenta y cinco grados respecto de la superficie interior de
parabrisas, a través del cuerpo 115 de enfoque y lente 116 de
enfoque del segundo enfocador 114b del segundo detector 158b.
Durante el funcionamiento, los emisores 156a y
156b emiten rayos de luz divergentes al interior de un hemisferio
de forma que cada una de las lentes 110 colimadoras contiguas
reciben una cantidad de luz igual. Los dos cuerpos 109 de
colimación y lentes 110 en el primer colimador 108a produce haces
172a y 172b de luz colimada primero y segundo, similares al haz 72
colimado descrito en lo que antecede. Los haces 172a y 172b de luz
colimada primero y segundo se desplegarán según ángulos rectos
entre sí al verse como se muestra la figura 8, y cada haz de luz
viaja a lo largo de la trayectoria 173a y 173c óptica primera y
tercera, respectivamente. Los dos cuerpos 109 de colimación y
lentes 110 en el segundo colimador 108b producen haces 172c y 172d
de luz colimada tercero y cuarto, similares al haz 72 colimado
descrito en lo que antecede. Los haces 72c y 72d de luz colimada
tercero y cuarto se desplegarán según ángulos rectos entre sí, y
cada rayo de luz viaja a lo largo de las trayectorias 173b y 173d
ópticas segunda y cuarta, respectivamente.
El primer haz 172a de luz colimada es reflejado
por la superficie exterior del parabrisas en la primera zona 174a
de detección, hacia atrás a través del cuerpo 115 de enfoque y
lentes 116 de enfoque hasta el primer detector 158a. Si hay
presente humedad en la primera zona de detección sobre la superficie
exterior del parabrisas, algo del haz de luz colimada no se
reflejará hacia atrás al interior del enfocador 114 y el primer
detector 158a emitirá una señal correspondiente al cambio en la luz
detectada. La señal se procesará por la circuitería de procesado de
señal (no mostrado) similar a la circuitería 59 de procesado de
señal mostrada en la figura 2 y los limpiaparabrisas se controlarán
en consecuencia. Análogamente, los haces de luz colimada segundo,
tercero y cuarto se reflejarán fuera de las zonas de detección
correspondientes, y el detector primero y segundo de detector
detectará todos los cambios en la luz recibida. Al usar cuatro zonas
de detección, el sensor 100 de humedad puede proporcionar un
control de limpiaparabrisas mejorado y realzar la visibilidad.
La disposición de los componentes ópticos en la
realización alternativa del sensor 100 de humedad proporciona un
sistema óptico equilibrado, puesto que las cuatro trayectorias 102
ópticas tienen igual longitud e igual eficacia óptica. Esta
disposición compensará las diferencias en el rendimiento entre
emisores 56, el cual puede variar considerablemente. Ambos
detectores 58 recibirán una cantidad igual de luz procedente de un
emisor particular, y la suma de la luz recibida procedente de ambos
emisores será la misma para cada detector.
Haciendo referencia a la figura 9, se muestra un
sistema 190 eléctrico equilibrado para usar conjuntamente con el
sistema óptico equilibrado descrito en lo que antecede para
proporcionar un sistema equilibrado detector de humedad. Una fuente
de corriente pulsada acciona emisores 156a y 156b, que están
preferiblemente conectados en serie por la línea 191. Un haz de luz
(representado por líneas 172a, 172b, 172c, 172d) viaja a lo largo
de una trayectoria óptica acopla cada emisor 156a, 156b a cada
detector 158a, 158b. Cada trayectoria óptica tiene una longitud
igual y una eficacia óptica similar. Los detectores 158a, 158b,
funcionan en modo corriente, y están conectados entre sí a un nodo
192 común de suma de corriente. La circuitería de procesado y
control de señal conectada al nodo 192 detecta la presencia de
lluvia. Para un sistema de sensor de humedad perfectamente
equilibrado, no fluirá corriente desde el nodo 192 hasta la
circuitería de procesado y control de la señal en ausencia de
lluvia. Un sistema de sensor de humedad equilibrado es deseable
puesto que precisa menos intervalo dinámico de la circuitería de
procesado de señal, y realza la capacidad del sistema para rechazar
luz ambiente.
Parabrisas modernos con control solar, tales
como los parabrisas vendidos bajo la marca comercial
"EZ-KOOL" comercialmente disponibles en Libby
Owens Ford, Co., reducen el paso de luz infrarroja a través del
parabrisas. Los sensores ópticos de humedad usados en dichos
parabrisas deben tener un alto rendimiento puesto que el parabrisas
reduce la transmisión del rayo infrarrojo procedente del emisor
hasta el detector. El sensor 100 de humedad descrito en lo que
antecede proporciona un sensor eficaz capaz de usarse con estos
parabrisas con control solar. Los sensores de humedad como se
describen en lo que antecede, se han probado en el parabrisas con
control solar de la marca "EZ-KOOL" usando
acopladores compuestos de resina colada de poliéster que producen
17 microamperios por amperio de corriente de emisor que es
suficiente para la circuitería típica de procesado de señal. El
sensor de humedad proporciona una zona de detección combinada de 57
mm^{2} usando únicamente dos emisores y dos detectores, y
versiones de producción probablemente tienen zonas de detección
incluso mayores.
Haciendo referencia ahora a la figura 10, se
muestra una realización alternativa de una lente de colimador
usando una lente segmentada, o lente 202 Fresnel en lugar de la
lente continua y convexa 40 estudiada en lo que antecede. La lente
202 Fresnel también se puede usar como lente de enfoque en lugar de
la lente 44 de enfoque continua y convexa. Debido a la similitud
entre la lente de colimación y la lente de enfoque como se estudió
en lo que antecede, únicamente se estudia un colimador de lente
Fresnel. Se puede usar una lente Fresnel similar para el enfocador
40 de lente continua y conversa descrito en lo que antecede.
La lente 202 de colimador Fresnel tiene la
ventaja de que la región de lente, y por ello el sensor de humedad
como un todo, se puede fabricar aún más delgado. El acoplador 24
resultante más delgado es a costa del gasto de algún rendimiento
óptico, y un molde de algún modo más complejo, necesario para formar
el acoplador y las lentes 202. Una lente como ésta se puede
construir proyectando la superficie de la lente de colimador de las
figuras 4 y 6 sobre la superficie interior de acoplador 24,
permitido para extenderse hasta una profundidad D en una operación
de módulo. Esto se traduce en lente 202 de colimador compuesta por
un cierto número de segmentos 204 de refracción. Observe que, como
contraste a la construcción común de una lente Frente, el plano de
proyección de los rayos de luz no es ortogonal al eje óptico, sino
que más bien forman un ángulo para proporcionar reflexión en la
superficie exterior del vidrio como se describe en lo que antecede.
Alternativamente, programas de diseño ópticos tales como el Zemax
mencionado en lo que antecede se puede utilizar para generar la
superficie requerida directamente, usando mandos basculables
adecuados para conseguir el plano deseado de proyección. Como un
procedimiento adicional de generación de la superficie, la fórmula
obtenida por la ley de Snell se puede emplear para generar los
ángulos requeridos.
La desventaja del enfoque segmentado es que crea
a regiones de oclusión, tales como se muestra en 206. Regiones 206
de oclusión se producen cuando los rayos de luz chocan contra un
segmento 208 de retorno que no es útil. Dichos segmentos son
necesarios para mantener la geometría de las lentes dentro de la
profundidad D. Las regiones 206 de oclusión, sin embargo, no son
capaces de dirigir luz en la dirección deseada y degradan el
rendimiento óptico del sistema. La configuración de múltiples
trayectorias de la invención, como se muestra en la figura 8, no se
modifica. Análogamente, el procedimiento de fijación no se modifica.
En enfoque de Fresnel se puede fabricar con muchos segmentos, como
se muestra, o con tan pocos como dos. Además, aunque se prefiere que
la proyección esté sobre el plano de la pared interior del
acoplador, el plano de proyección puede estar basculado de algún
modo hacia los dispositivos ópticos. Una implantación como ésta
exigiría algunas pocas regiones de oclusión.
Además del parabrisas frontal de un vehículo de
motor, el sensor de humedad de la presente invención también se
puede usar en otras superficies de vidrio para detectar la
humedad.
Claims (3)
1. Un sensor (100) de humedad para montarse
sobre una primera superficie (30) de una hoja de vidrio (18) para
detectar humedad en una pluralidad de zonas (174a, 174b, 174c, 174d)
de detección sobre una segunda superficie (32) de la hoja de vidrio
(18), comprendiendo el mencionado sensor (100) de humedad:
a) un alojamiento (28);
b) emisores (156a, 156b) primero y segundo
dispuestos en el mencionado alojamiento (28) para emitir rayos de
luz;
c) un primer de detector (158a) dispuesto en el
mencionado alojamiento (28) para detectar rayos de luz que viajan a
lo largo de una primera trayectoria (173a) óptica que se extiende
desde el mencionado primer emisor (156a) hasta la segunda
superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas
(174a) de detección y de nuevo hasta el mencionado primer de
detector (158a) y para detectar rayos de luz que viajan a lo largo
de una segunda trayectoria (173b) óptica que se extiende desde el
mencionado segundo emisor (156b) hasta la segunda superficie (32)
del mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174b) de detección y
de nuevo hasta el mencionado primer detector (158a); y
d) un segundo detector (158b) dispuesto en el
mencionado alojamiento (28) para detectar rayos de luz que viajan a
lo largo de una tercera trayectoria(173c) óptica que se
extiende desde el mencionado primer emisor (156a) hasta la segunda
superficie (32) del mencionado vidrio (18) en una de las zonas
(174c) de detección y de nuevo hasta el mencionado segundo detector
(158b) y para detectar rayos de luz que viajan a lo largo de una
cuarta trayectoria (173d) que se extiende desde el mencionado
segundo emisor (156b) hasta la segunda superficie (32) del
mencionado vidrio (18) en una de las zonas (174d) de detección y de
nuevo hasta el mencionado segundo detector (158b)
caracterizado porque las longitudes de las mencionadas
trayectorias (173b, 173c, 173d) ópticas segunda, tercera y cuarta
son sustancialmente iguales a la longitud de la mencionada primera
trayectoria (173a) óptica.
2. El sensor (100) de humedad de la
reivindicación 1 que incluye, además, un acoplador (106) que tiene
colimadores (108a, 108b) para colimar una parte de rayos de luz
emitidos procedentes de los mencionados emisores (156a, 156b)
alrededor de ejes de emisión que se extienden perpendicularmente
respecto de la primera superficie (30) de la hoja de vidrio (18) en
rayos de luz colimados (172a, 172b) que viajan a lo largo de las
mencionadas trayectorias ópticas (173a, 173b, 173c, 173d) y
enfocadores (114a, 114b) para enfocar los mencionados rayos de luz
colimada (172a, 172b) en rayos convergentes sobre los mencionados
detectores que tienen ejes de detección que se extienden
perpendicularmente respecto de la primera superficie (30) de la hoja
de vidrio (18).
3. El sensor (100) de humedad de la
reivindicación 2, en el cual los mencionados colimadores (108a,
108b) incluyen una apertura (82) de recepción de luz con un centro
(84) físico y un centro (86) óptico tal que un eje (41) óptico se
extiende a través del mencionado centro (86) óptico, y el mencionado
centro (86) óptico está separado del mencionado centro (84) físico,
estando dispuestos los mencionados colimadores (108a, 108b) de
forma que el mencionado eje (41) óptico forma primeros ángulos
oblicuos respecto del mencionado eje de emisión, y en el cual los
mencionados enfocadores (114a, 114b) incluyen una apertura (90) de
transmisión de luz con un centro (92) físico y un centro (94)
óptico de forma que un eje óptico se extiende a través del
mencionado centro (94) óptico y el mencionado centro (94) óptico
está separado del mencionado centro físico (96), estando dispuestos
los mencionados enfocadores (114a, 114b) de forma que el mencionado
eje óptico forma segundos ángulos oblicuos respecto del mencionado
eje de detección.
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