DE69838859T2

DE69838859T2 - Kompakter Feuchtigkeitssensor mit wirksamer, sehr schräggestellter Optik

Info

Publication number: DE69838859T2
Application number: DE69838859T
Authority: DE
Inventors: Rein S. Bloomington TEDER
Original assignee: Pilkington North America Inc
Current assignee: Pilkington North America Inc
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: AU735005B2; CN1276911A; CA2302660C; EP1641013A1; KR20010024515A; EP1053558A4; TR200000965T2; EP1641013B8; KR100528114B1; EP1053558B1; CZ302798B6; PL339430A1; EP1053558A1; DE69834347D1; US5898183A; ES2263222T3; CA2302660A1; DE69838859D1; AU9682998A; DE69834347T2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen Feuchtigkeitssensor zur Befestigung an der inneren Oberfläche einer Windschutzscheibe, und insbesondere auf einen kompakten optischen Feuchtigkeitssensor mit optischen Emittern, Detektoren und optischen Komponenten, die auf einer ebenen Schaltungsplatte, die parallel zu der inneren Oberfläche positioniert ist, befestigt sind. Ein Koppler mit Kollimator- und Fokussierungslinsen wird verwendet, um Lichtstrahlen zu brechen, wenn sich die Lichtstrahlen von den Emittern aus ausbreiten und von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe zurück zu den Detektoren reflektiert werden.
Motorfahrzeuge wurden seit langem mit motorgetriebenen Scheibenwischern ausgestattet, um Feuchtigkeit von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe zu entfernen, zumindest im Sichtfeld des Fahrers und im Allgemeinen über eine größere Fläche, um die Sicht durch die Windschutzscheibe zu verbessern. In den meisten heutigen Fahrzeugen enthält das Scheibenwischersystem Mehrpositionsschalter oder Schalter für variable Geschwindigkeit, die dem Fahrer ermöglichen, zur Anpassung an die Bedingungen einen weiten, wenn nicht einen unendlich variablen Bereich von Geschwindigkeiten auszuwählen. Wischersteuerungen werden manuell betätigt und enthalten typischerweise eine Verzögerung, wodurch die Wischer intermittierend mit ausgewählten Zeitverzögerungsintervallen arbeiten.
Es wurden kürzlich Wischersteuersysteme entwickelt, die einen an der Windschutzscheibe befestigten Feuchtigkeitssensor enthalten, um automatisch den Motor zu betätigen, wenn Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder eines anderen Fahrzeugfensters, auf dem ein Wischer verwendet werden kann, wie der Heckscheibe, niederschlägt. Durch Erfassen von Regen oder anderer Feuchtigkeit auf der Glasoberfläche können die Wischer entsprechend gesteuert werden. Derartige Wischersteuersysteme befreien den Fahrer von dem Bemühen, die Wischergeschwindigkeit häufig einzustellen, wenn sich die Fahrtbedingungen ändern. Wischersteuersysteme mit optischen Feuchtigkeitssensoren wurden bei der Herstellung mehrerer Modelle von Passagierfahrzeugen eingebaut. Um die kommerzielle Verwendung und die Verbraucherakzeptanz der Wischersteuersysteme zu erhöhen, besteht eine Notwendigkeit für einen kompakteren und kostengünstigeren optischen Feuchtigkeitssensor.
Wischersteuersysteme haben eine Anzahl unterschiedlicher Technologien angewendet, um die von einem Fahrzeug angetroffenen Feuchtigkeitsbedingungen zu er fassen, einschließlich gleitender, kapazitiver, piezoelektrischer und optischer Sensoren. Optische Sensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein Lichtstrahl durch die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe gestreut oder von seinem normalen Pfad abgelenkt wird. Die Systeme, die optische Sensoren verwenden, haben den einmaligen Vorteil, dass die Mittel zum Erfassen von Störungen in einem optischen Pfad direkt auf die von dem Fahrer beobachtete Erscheinung bezogen sind (d. h. Störungen in dem optischen Pfad, die die Sicht des Fahrers beeinflussen).
Noak ( US-Patent Nr. 4355271 ) offenbart einen optischen Feuchtigkeitssensor mit optischen Komponenten, die in einem kastenartigen Gehäuse befestigt sind, das an der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe angebracht ist. Die Feuchtigkeitssensorvorrichtungen zum Steuern der Scheibenwischer eines Fahrzeugs, wie sie von McCumber et al. und Teder ( US-Patente Nrn. 5059877 und 5239244 ) offenbart sind, zeigen auch ein kastenartiges Gehäuse, das an der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe befestigt ist, für die Aufnahme der Optik und Elektronik.
Bei optischen Feuchtigkeitssensoren wird Licht von einem Emitter unter einem Winkel von angenähert fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die Windschutzscheibe in diese gerichtet. Das Licht wird dann von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe unter einem Winkel von angenähert fünfundvierzig Grad reflektiert und in einen Detektor gerichtet. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Windschutzscheibe beeinträchtigt die Reflexion von Licht an der Luft/Glas-Grenzfläche an der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe, und diese Änderung des reflektierten Lichts wird elektronisch verarbeitet und als das Signal zur Aktivierung der Scheibenwischer verwendet.
McCumber et al. ( US-Patent Nr. 4620141 ) offenbaren eine automatische Steuerschaltung zur Auslösung eines Wischvorgangs der Scheibenwischer in Abhängigkeit von der Anwesenheit von Wassertröpfchen auf der äußeren Oberfläche einer Windschutzscheibe.
Wenn der Eintrittswinkel des Lichtstrahls in die Windschutzscheibe größer als fünfzig Grad ist, tritt häufig ein Signalverlust auf. Wenn der Eintrittswinkel kleiner als vierzig Grad ist, tritt ein Empfindlichkeitsverlust auf, und der Sensor ist nicht in der Lage, Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe ordnungsgemäß zu erfassen. Folglich ist es wesentlich, dass der Eintrittswinkel des von dem Emitter in die Windschutzscheibe eintretenden Lichtstrahls bei angenähert fünfundvierzig Grad liegt.
Der gewünschte Winkel von fünfundvierzig Grad kann erhalten werden durch Befestigen der optoelektronischen Vorrichtungen (Emitter und Detektoren) unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad oder durch Ablenken des Lichts, wenn es sich zwischen den Vorrichtungen und der Glaswindschutzscheibe ausbreitet. Stanton ( US-Patent Nr. 5414257 ) offenbart einen optischen Sensor mit optoelektronischen Vorrichtungen, die auf einer Schaltungsplatte unter einem zweckmäßigen Winkel mit Bezug auf die Oberfläche des Glases so befestigt sind, dass ihre optische Achse sich unter dem zweckmäßigen Winkel von fünfundvierzig Grad erstreckt oder abgelenkt werden kann, so dass sie dies tut. Stanton lehrt Vorrichtungen, die aus flexiblem Epoxidharz gegossen sind, und das Biegen der Leitungen der Vorrichtungen unter einem Winkel, um die winkelmäßige Befestigung zu erleichtern. Das Problem des Biegens der Leitungen der elektronischen Vorrichtungen besteht darin, dass die am stärksten automatisierte Ausrüstung zur Einfügung von Komponenten die Komponenten mit gebogenen Leitungen nicht einfügen können, was die Kosten der Montage der Schaltungsplatten erhöht. Zusätzlich sind die Vorrichtungen mit gebogenen Leitungen weniger zuverlässig unter dem Gesichtspunkt des Leistungsvermögens.
Die Befestigung von optoelektronischen Vorrichtungen auf Schaltungsplatten ohne Biegen der Leitungen wird in Zettler ( US-Patent Nr. 5560245 ) offenbart. Die Emitter und Detektoren sind auf kleinen Satellitenschaltungsplatten befestigt, die mit Bezug auf die Hauptschaltungsplatte abgewinkelt sind. Die Satellitenschaltungsplatten sind abgewinkelt, um die Emitter und Detektoren unter dem geeigneten Winkel von fünfundvierzig Grad mit der Windschutzscheibe auszurichten. Obgleich diese Befestigungskonfiguration nicht die Formung von Leitungen erfordert, schafft die Verwendung derartig kleiner Schaltungsplatten andere Probleme. Die zur Befestigung der optoelektronischen Vorrichtungen verwendeten kleinen Schaltungsplatten können die Signalverarbeitungsschaltung nicht aufnehmen, die auf einer getrennten Schaltungsplatte angeordnet werden muss. Die Verwendung mehrerer Schaltungsplatten und die Orientierung der Schaltungsplatten in dem Gehäuse des Sensors erhöht die Größe und die Kosten des Sensors.
Herkömmliche optoelektronische Vorrichtungen einschließlich der Vorrichtungen der neuen Oberflächenbefestigungstechnologie (SMT) sind im Allgemeinen so ausgebildet, dass die optische Achse senkrecht zu der Schaltungsplatte ist, auf der sie befestigt sind. Teder ( US-Patent Nr. 5661303 ) offenbart die Verwendung einer einzelnen Schaltungsplatte, die koplanar mit der Oberfläche der Windschutzscheibe befestigt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, was zu einem kostengünstigen und kompakten Sensorgehäuse führt. Jedoch erfordert diese Ausbildung optische Komponenten mit optischen Achsen, die angenähert parallel zu der optischen Achse der optoelektronischen Vorrichtungen sind. Es ist wünschenswert, die Größe und die Kosten der optischen Komponenten zu verringern, um die Größe und die Kosten des Feuchtigkeitssensors weiter herabzusetzen.
Ein anderer Weg zur Verringerung der Größe und der Kosten des optischen Sensors enthält die Herabsetzung der Anzahl von optoelektronischen Komponenten. Noak offenbart die Verwendung eines einzelnen Detektors, um gleichzeitig zwei oder mehr Emitter zu erfassen. Muller ( US-Patent Nr. 5015931 ) offenbart, dass mehrere Strahlen von einem einzelnen, nicht gerichteten Emitter abgeleitet werden können. Derartige Konfigurationen ergeben die gewünschte Erfassungsfläche mit einer geringeren Anzahl von Detektoren. McCumber et al. ( US-Patent Nr. 4620141 ) offenbaren, dass eine ausgeglichene Konfiguration die Tendenz hat, die Wirkung von Umgebungslicht zurückzuweisen. Emitter jedoch variieren typischerweise um etwa 2:1 in der Signalstärke. Dies hat die Fähigkeit von optischen Feuchtigkeitssensoren nach dem Stand der Technik begrenzt, ein gutes Signalgleichgewicht zu erzielen. Die von Muller in '931 gezeigten optischen Pfade haben eine ungleiche Länge. Somit haben die Pfade einen unterschiedlichen optischen Wirkungsgrad und können nicht verwendet werden, um ein gut ausgeglichenes System herzustellen. Teder ( US-Patent Nr.5661303 ) verwendet vier Emitter und zwei Detektoren, um vier optische Pfade gleicher Länge zu erhalten, jedoch ist es wünschenswert, die Größe und die Kosten des Feuchtigkeitssensors durch Verwendung von noch weniger Komponenten zu verringern.
Der optische Feuchtigkeitssensor sollte in sicherem Eingriff mit der Windschutzscheibe stehen, und die darin enthaltene Optik sollte optisch so mit der Windschutzscheibe gekoppelt sein, dass die Grenzfläche zwischen den Lichtemittern-Detektoren und der Glasoberfläche unter einem optischen Gesichtspunkt wirksam eliminiert wird. Purvis ( US-Patent Nr. 5262640 ) beschreibt eine Klebstoff-Zwischenschicht zum Befestigen des Sensorgehäuses und der darin enthaltenen Optik an der Windschutzscheibe. Das Sensorgehäuse wird direkt an der Oberfläche der Windschutzscheibe oder eines anderen Fahrzeugfensters mittels einer Zwischenschicht, die zwischen dem Sensorgehäuse und der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe angeordnet ist, befestigt.
Fahrzeughersteller wünschen einen Sensor, der bereits von dem Windschutzscheiben-Hersteller installiert wird, oder einen Sensor, der in der Fahrzeug-Montagelinie sehr leicht zu installieren ist. Die Windschutzscheiben-Hersteller versenden Windschutzscheiben, die so aneinandergelegt sind, dass sehr wenig Raum zur Befestigung eines Sensors vorhanden ist.
Schofield ( US-Patent Nr. 4930743 ) offenbart die Verwendung einer Klammer wie einer Rückspiegelklammer zum Befestigen des optischen Feuchtigkeitssensors. Diese Maßnahme erfordert eine zusätzliche Stützstruktur oder das Hinzufügen von Silikonstücken, um den Feuchtigkeitssensor optisch mit der Windschutzscheibe zu koppeln. Ein Klammerbefestigungssystem führt zu zusätzlichen Teilen und erhöhten Kosten.
Bendix ( US-Patent Nr. 5278425 ) und Stanton ('257) lehren, dass eine Linse ständig an der Windschutzscheibe befestigt sein kann, derart, dass ein Sensorgehäuse abnehmbar an der Linse befestigt werden kann. Die Linse kann dem Strahl Brechkraft verleihen, wie in Bendix gezeigt ist. Alternativ kann die Linse die Strahlen durch ebene Oberflächen, die normal zu der Strahlrichtung sind, zu der Windschutzscheibe koppeln, wie in Stanton offenbart ist. Jedoch erfordern sowohl Bendix als auch Stanton eine Linse, die ungefähr so dick wie die Windschutzscheibe ist. Wenn die Windschutzscheiben für den Transport von dem Glashersteller zu der Fahrzeug-Montagelinie gestapelt werden, fügt der für die Linse erforderliche zusätzliche Raum zusätzliche Handhabungskosten zu den Kosten der Windschutzscheibe hinzu. Es ist wünschenswert, einen Sensor zu haben, der an der Windschutzscheibe befestigt ist und ausreichend dünn ist, um das Aneinanderlegen der Windschutzscheibe während des Versands nicht zu beeinträchtigen.
Moderne solargesteuerte Windschutzscheiben wie unter der Marke "EZ-KOOL" verkaufte Windschutzscheiben, die kommerziell von Libbey-Owens-Ford Co. erhältlich sind, absorbieren die von vielen optischen Feuchtigkeitssensoren verwendeten Infrarotstrahlen. Es ist wahrscheinlich, dass Sensoren ohne eine Kopplungs- oder Lichtsammeloptik nicht ausreichend effizient sind für die Verwendung bei diesen Windschutzscheiben. Im deutschen Patent Nr. DE 3314770 für Kohler et al. vergrößern Linsen in einem Koppler die erfasste Fläche und den Wirkungsgrad eines Feuchtigkeitssen sors. Watanabe ( US-Patent Nr. 4701613 ) offenbart eine Reihe von V-Nuten, die Strahlen mit einem verbesserten Wirkungsgrad in eine und aus einer Windschutzscheibe koppeln, jedoch sind die Vorrichtungen unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die Glasoberfläche befestigt, da die Nuten nicht divergierende Lichtstrahlen sammeln und sie auf den Detektor fokussieren. Es ist wünschenswert, die optoelektronischen Komponenten auf einer einzelnen ebenen Schaltungsplatte zu befestigen, während der Wirkungsgrad des optischen Feuchtigkeitssensors für eine Verwendung bei modernen solargesteuerten Windschutzscheiben verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Feuchtigkeitssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Feuchtigkeitssensors sind in den Unteransprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtigkeitssensor zur Befestigung an einer ersten Oberfläche einer Glasscheibe, um Feuchtigkeit in einem Erfassungsbereich auf einer zweiten Oberfläche der Glasscheibe zu erfassen. Der Feuchtigkeitssensor enthält einen an der ersten Oberfläche der Glasscheibe zu befestigenden Koppler für das Koppeln von Lichtstrahlen in das und aus dem Glas, und ein abnehmbar an dem Koppler befestigtes Gehäuse. Eine ebene Schaltungsplatte ist in dem Gehäuse befestigt und hat eine Vorrichtungsfläche, die allgemein parallel zu der ersten Oberfläche der Glasscheibe angeordnet ist. Ein Emitter zum Emittieren von Lichtstrahlen um eine Emissionsachse ist an der Vorrichtungsfläche befestigt. Die Emissionsachse erstreckt sich von dem Emitter angenähert senkrecht zu der Vorrichtungsfläche der Schaltungsplatte. Ein Kollimator zur Parallelrichtung von Lichtstrahlen von dem Emitter in einen parallel gerichteten Lichtstrahl hat eine Öffnung mit einer körperlichen Mitte und einer optischen Mitte, die im Abstand von der körperlichen Mitte angeordnet ist. Eine optische Achse erstreckt sich durch die optische Mitte. Der Emitter und der Kollimator sind derart angeordnet, dass die optische Achse einen ersten schrägen Winkel mit Bezug auf die Emissionsachse bildet.
Ein Detektor mit einer Erfassungsfläche und einer Erfassungsachse, die sich von der Erfassungsfläche erstreckt, ist auf der Vorrichtungsfläche der ebenen Schaltungsplatte so befestigt, dass die Erfassungsachse angenähert senkrecht zu der Vorrichtungsfläche ist. Der Detektor erfasst auf die Erfassungsfläche treffendes Licht und erzeugt Signale in Abhängigkeit von dem erfassten Licht. Der Koppler enthält auch eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des parallel gerichteten Lichtstrahls auf die Erfassungsfläche. Die Fokussierungsvorrichtung hat eine Öffnung mit einer körperlichen Mitte und einer optischen Mitte, die im Abstand von der körperlichen Mitte angeordnet ist. Eine optische Achse erstreckt sich durch die optische Mitte. Die Fokussierungsvorrichtung und der Detektor sind derart angeordnet, dass die optische Achse einen zweiten schrägen Winkel mit Bezug auf die Erfassungsachse bildet.
Der Sensor ist mit mehreren optischen Emitter/Detektor-Systemen versehen, um eine Anordnung von erfassten Bereichen vorzusehen. Ein Paar von Emittern wird in Verbindung mit einem Paar von Detektoren verwendet, um vier getrennte optische Pfade gleicher Länge und vier Erfassungsbereiche auf der Glasoberfläche zu erhalten. Die Emitter und Detektoren bilden ein ausgeglichenes elektrisches System, das elektrisch mit der Scheibenwischer-Steuerschaltung zum Steuern der Betätigung des Wischersystems verbunden ist.
Eine effiziente und kostengünstige Vorrichtung zum Befestigen der Feuchtigkeitssensoren an der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs ist vorgesehen. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Koppler allgemein an der inneren Oberfläche der Windschutzscheiben durch den Glashersteller vor dem Transport der Windschutzscheiben zu der Fahrzeug-Herstellungsfabrik befestigt. Der Fahrzeughersteller befestigt zweckmäßig das Sensorgehäuse, das die Schaltungsplatte enthält, an dem Koppler, wenn das Fahrzeug montiert wird. Da der Koppler klein, dünn und relativ billig ist, kann der Koppler an allen Windschutzscheiben befestigt werden, die von dem Glashersteller zu einer spezifischen Montagelinie in einer Automobilfabrik transportiert werden, ohne Änderung der von dem Glashersteller verwendeten herkömmlichen Verpackungsmaterialien. Wenn die Windschutzscheiben in einem Fahrzeug installiert werden, kann die Befestigung des Sensors beendet werden durch zweckmäßige Befestigung des Sensorgehäuses an dem Koppler.
Die Herstellungskosten des Sensors werden durch Befestigen sämtlicher optoelektronischer Komponenten und der Signalverarbeitungsschaltung auf einer einzelnen ebenen Schaltungsplatte herabgesetzt. Die Oberflächenbefestigungstechnologie und die Chip-auf-Platte-Technologie kombiniert mit automatischen Montagetechniken für die Herstellung der Schaltungs platte ergeben einen verbesserten Wirkungsgrad und Kostensenkungen bei der Herstellung der Sensoren. Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung eliminiert die Verwendung mehrerer Schaltungsplatten und einer Formung von Leitungen bei den optischen Vorrichtungen.
Ein wesentlicher Teil der aus jedem Emitter austretenden Lichtstrahlen wird in jeden der beiden Detektoren gekoppelt, was einen hohen optischen Wirkungsgrad ergibt. Zusätzlich werden ein Paar von Emittern und ein Paar von Detektoren verwendet, um vier optische Pfade gleicher Länge zu bilden, so dass ein ausgeglichenes optisches System mit vier Erfassungsbereichen erhalten wird. Die Anzahl von optoelektronischen Komponenten wird herabgesetzt, was die Kosten des Sensors verringert ohne Einbuße der Effektivität und des Wirkungsgrads des Feuchtigkeitssensors.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden augenscheinlich für den Fachmann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wenn dies im Licht der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht ist, die einen optischen Feuchtigkeitssensor zeigt, der ein Feuchtigkeitssensor gemäß der Erfindung, der an der Windschutzscheibe eines Automobils befestigt ist, sein kann;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht ist, die die Befestigung eines Feuchtigkeitssensors an der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe zeigt;
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht ist, die die Befestigungsbeziehung zwischen dem Gehäuse und dem Koppler zeigt;
4 eine Querschnittsansicht ist, die den benachbart dem Emitter befestigten Kollimator in dem Feuchtigkeitssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Seitenansicht ist, die entlang der Linie 5-5 in 4 genommen ist und die Kollimationslinsenöffnung zeigt;
6 eine perspektivische Ansicht ist, die den sich von dem Koppler erstreckenden Kollimator in dem Feuchtigkeitssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine entlang der Linie 7-7 in 2 genommene Seitenansicht ist, die die Kollimationslinsenöffnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine Draufsicht auf ein erstes alternatives Beispiel des Feuchtigkeitssensors ist, die die vier optischen Pfade illustriert;
9 ein schematisches Diagramm ist, das die optoelektronischen Komponenten des ersten alternativen Beispiels illustriert; und
10 eine Querschnittsansicht eines zweiten alternativen Beispiels des Feuchtigkeitssensors ist, die die eine segmentierte Linse verwendende Kollimationslinse illustriert.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der allgemein ein Feuchtigkeitssensor 10 und ein Teil eines Automobils gezeigt ist, enthaltend eine Haube 12, Seitenpfosten 14 und ein Dach 16, die eine Öffnung definieren, in der eine Windschutzscheibe 18 befestigt ist. Scheibenwischerblätter 20, die in ihrer Ruheposition entlang der unteren Kanten der Windschutzscheibe gezeigt sind, sind in herkömmlicher Weise so betätigbar, dass sie in Bögen 22 schwingen und angesammelte Feuchtigkeit von der Oberfläche der Windschutzscheibe 18 wischen. Der Feuchtigkeitssensor 10 ist innerhalb des von den Scheibenwischerblättern überstrichenen Bereichs an der Windschutzscheibe befestigt.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der Feuchtigkeitssensor 10 einen Koppler 24, eine Schaltungsplatte 26 zum Befestigen elektronischer Komponenten 27 und ein Sensorgehäuse 28, das an dem Koppler 24 zum Umschließen der Schaltungsplatte 26 anbringbar ist.
Der Koppler 24 enthält eine Befestigungsfläche 29, die an der inneren Oberfläche 30 der Windschutzscheibe 18 befestigt ist für die optische Erfassung von Feuchtigkeit auf der äußeren Oberfläche 32 der Windschutzscheibe. Der Feuchtigkeitssensor 10 ist typischerweise benachbart dem Rückspiegel (nicht gezeigt) an der inneren Oberfläche 30 so befestigt, dass jegliche Sichtbeeinträchtigung für die Passagiere in dem Automobil minimiert wird, obgleich der Sensor irgendwo an der Windschutzscheibe befestigt werden kann. Die Windschutzscheibe 18 ist im Allgemeinen relativ flach in dem Bereich, in welchem der Sensor 10 zu befestigen ist, so dass die Befestigungsfläche 29 des Kopplers 24 eben sein kann. Jedoch in Betracht gezogen werden, dass die Befestigungsfläche 29 des Kopplers 24 entsprechend konturiert sein kann, um an die gekrümmte Oberfläche der Windschutzscheibe ange passt zu sein, wenn dies zweckmäßig ist. Der Sensor 10 kann auch an anderen Fenstern einschließlich des Heckfensters befestigt sein.
Eine doppelseitig klebende Zwischenschicht 34 wird verwendet, um die Kopplerbefestigungsfläche 29 an der Windschutzscheibe 18 oder einem anderen Fenster zu befestigen. Die Zwischenschicht 34 besteht aus Silikon oder einem anderen ähnlichen flexiblen, durchsichtigen Kunststoffmaterial. Der Koppler 24 kann von dem Glashersteller vor dem Transport der Windschutzscheibe 18 zu der Automobil-Montagelinie an der Windschutzscheibe 18 befestigt sein. Eine rechteckige Manschette 36 erstreckt sich von dem Koppler 24 gegenüber der Befestigungsfläche 29, und Rückhaltezungen 137 erstrecken sich von den Enden der Manschette nach außen, um den Koppler an dem Gehäuse 28 zu befestigen, wie nachfolgend beschrieben ist.
Der Koppler 28 hat auch einen Kollimator 37 enthaltend einen Kollimationskörper 38, der sich von dem Koppler erstreckt, und eine Kollimationslinse 40, die angrenzend an den Kollimationskörper angeordnet ist. Die Kollimationslinse 40 hat eine optische Achse, die sich durch den Kollimationskörper 38 unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe 30 erstreckt. Der Koppler 24 enthält weiterhin eine Fokussiervorrichtung 42 mit einem Fokussierkörper 43, der sich von dem Koppler erstreckt, und eine Fokussierlinse 44, die benachbart dem Fokussierkörper angeordnet ist. Die Fokussierlinse 44 hat eine optische Achse 45, die sich durch den Fokussierkörper 43 unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe 30 erstreckt. Der Koppler 24, der Kollimationskörper 38, die Kolli mationslinse 40, der Fokussierkörper 43 und die Fokussierlinse 44 sind vorzugsweise integral aus einem einzelnen Materialstück gebildet. Die Kollimationslinse 40 ist gebildet durch Formen der Oberfläche des Kollimationskörpers 38, und die Fokussierlinse 44 ist gebildet durch Formen der Oberfläche des Fokussierkörpers 43 in einer nachfolgend beschriebenen Weise. Alternativ kann eine getrennte Kollimationslinse 40 benachbart dem Kollimationskörper 38 angeordnet sein, und eine getrennte Fokussierlinse 44 kann benachbart dem Fokussierkörper 43 angeordnet sein.
Der Koppler ist aus einem Licht brechenden Material wie Polycarbonat oder Polyesterharz gebildet, obgleich jedes geeignete Material verwendet werden kann, das einem weiten Bereich von Temperaturen, denen ein Automobil ausgesetzt werden kann, widerstehen kann. Der Koppler 24 koppelt optisch Lichtstrahlen in die und aus der Windschutzscheibe 18, so dass die Lichtstrahlen nicht abgelenkt werden, wenn sie von dem Kollimationskörper 38 zu der Windschutzscheibe und von der Windschutzscheibe zu dem Fokussierkörper 43 gehen. Zusätzlich liefert der Koppler 24 eine sichere Basis zum Befestigen der Kollimationslinse 40, der Fokussierlinse 44 und des Gehäuses 28 an der Windschutzscheibe 18.
Die Dicke des Kopplers 24 ist eine wichtige Betrachtung unter dem Verpackungsgesichtspunkt, wenn die Windschutzscheibe von dem Glashersteller zu der Automobil-Montagelinie transportiert wird. Spezielle Gestelle und Verpackungsmaterialien wurden entworfen, um die individuellen Windschutzscheiben so eng wie möglich für den Versandwirkungsgrad zu verpacken, während die Windschutzscheiben während des Transports geschützt sind, um ein Zerkratzen oder eine andere Beschädigung der Windschutzscheiben zu vermeiden. Die Automobil-Windschutzscheiben enthalten typischerweise einen Befestigungsknopf (nicht gezeigt) an der Windschutzscheibe zum Befestigen des Rückspiegels derart, dass die Versandgestelle einen derartigen Befestigungsknopf aufnehmen können. Der Koppler 24 nach der vorliegenden Erfindung ist weniger als 5 mm dick, was dünner als der typische Spiegelbefestigungsknopf ist. Folglich ermöglicht der dünne Koppler 24 dem Glashersteller, den Koppler 24 in der Windschutzscheiben-Herstellungslinie zu befestigen, ohne dass die Verpackungs- und Materialhandhabungsvorgänge, die zum Liefern der Windschutzscheiben zu der Automobil-Montagelinie verwendet werden, geändert werden müssen. Die Fähigkeit, den Koppler bei den Windschutzscheiben-Herstellungsoperationen zu befestigen, ohne die Verpackungs- und Materialhandhabungsmaßnahmen zu ändern, ist eine wichtige Betrachtung bei der Erzielung einer erhöhten Verwendbarkeit des Feuchtigkeitssensors und des Wischersteuersystems durch die Automobilunternehmen.
Es wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen, in denen das Sensorgehäuse 28 aus einem harten Kunststoff oder anderen starren Material gebildet ist und lichtundurchlässig ist, um unerwünschtes Licht zu blockieren. Aus Gründen der Klarheit zeigt 3 den Koppler 24, ohne den Kollimator oder die Fokussiervorrichtung zu zeigen. Das Gehäuse 28 enthält eine Basis 46 und vier Seitenwände 48, die sich von der Basis erstrecken, wobei sie vorzugsweise ein kastenförmiges Gehäuse bilden. Das Gehäuse 28 ist so bemessen, dass es über die Manschette 36 des Kopplers 24 passt, nachdem der Koppler an der Windschutzscheibe 18 befestigt wurde. Nuten 50 sind im Inneren der Gehäusewände 48 gebildet, um die Kopplerzungen 137 aufzunehmen und das Gehäuse 28 abnehmbar an dem Koppler 24 zu halten. Die Seitenwände 48 des Gehäuses 28 sowie die Manschette 36 des Kopplers 24 sind jeweils leicht verformbar ausgebildet, um das Einschnappen des Gehäuses in seiner Lage über dem Koppler zu erleichtern, so dass die Kopplerzungen 137 in die Nuten 50 eintreten. Wahlweise können Kerben in die Manschette 36 des Kopplers 24 geschnitten sein, um die Verformung zu vergrößern.
Nachdem das Gehäuse 28 in seiner Lage über der Kopplermanschette 36 eingeschnappt ist, werden auf den Koppler 24 ausgeübte seitliche Kräfte durch die Gehäusewände 48 auf die Manschette 36 übertragen. Die Gehäusewände 48 und die Kopplermanschette 36 haben eine große Oberfläche und keine Tendenz, Kräfte, die zu einem Bruch führen, zu konzentrieren. Weiterhin absorbiert die nichtkreisförmige Form der Kopplermanschette 36 auf das Gehäuse 28 ausgeübte Torsionskräfte. Der vorliegende Feuchtigkeitssensor hat somit die Tendenz, in dem Fall einer Kollision fest haftend an der Windschutzscheibe zu bleiben, oder wenn er durch einen neugierigen Passagier unsachgemäß gehandhabt wird. Eine Kerbe 51 in einer Seitenwand 48 des Gehäuses 28 erleichtert seine Entfernung mit einer Münze oder einem Schraubendreher. Vorzugsweise wird der Koppler 24 an der Windschutzscheibe mit Hilfe eines stark klebenden Silikons autoklaviert, obgleich jedes geeignete Material verwendet werden kann. Die seichte Tiefe des Kopplerbefestigungsverfahrens ermöglicht, dass eine derartige Installation bei dem Windschutzscheiben-Hersteller durchgeführt werden kann, ohne die Packungsdichte der Windschutzscheibe zu beeinträchtigen, wie vorstehend beschrieben ist. Fahrzeughersteller mögen keinen Prozess, der mit Klebstoffen oder anderen Chemikalien zu tun hat, und bevorzugen, dass der Feuchtigkeitssensorkoppler in einem an der Windschutzscheibe befestigten Zustand zu ihnen gelangt.
Zusätzlich zur stoßresistenten Ausbildung des Feuchtigkeitssensors ist die am Umfang befestigte Konstruktion einfach zu installieren. Im Gegensatz zu Feuchtigkeitssensor-Befestigungsverfahren, die getrennte Klammern oder andere Befestigungsteile verwenden, kann das vorliegende Feuchtigkeitssensorgehäuse in einer einhändigen Operation an dem Koppler einschnappen. Dies verkürzt die Zeit, die der Fahrzeughersteller benötigt, um den Feuchtigkeitssensor zu installieren, wodurch die Kosten des Systems verringert werden.
Eine einzelne ebene Schaltungsplatte 26 wird durch Zungen 52 in dem Gehäuse gehalten, die sich von der inneren Oberfläche der Gehäusewände nach innen erstrecken. Die Schaltungsplatte 26 enthält eine Vorrichtungsfläche 54, auf der die elektronischen Komponenten 27 befestigt sind. Die Schaltungsplatte 26 ist so in dem Gehäuse 28 befestigt, dass die Vorrichtungsfläche 54 angenähert parallel zu der inneren Oberfläche 30 der Windschutzscheibe 18 ist, wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 24 befestigt und der Koppler an der Windschutzscheibe befestigt ist. Die elektronischen Komponenten 27 sind auf der Vorrichtungsfläche 54 der Schaltungsplatte 26 so befestigt, dass die oberen Oberflächen der elektronischen Komponenten angenähert parallel zu der Vorrichtungsfläche 54 sind. Herkömmliche Oberflächenbefestigungstechniken können angewendet werden, um die Komponenten auf der Schaltungsplatte 26 zu befestigen.
Die elektronischen Komponenten 27 enthalten einen Emitter 56, einen Detektor 58 und eine Signalverarbeitungsschaltung 59. Obgleich ein einzelner Emitter 56 und Detektor 58 gezeigt sind, können mehrere Emitter und Detektoren verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben ist. Der Emitter 56 ist vorzugsweise eine Infrarotlicht emittierende Diode, obgleich jeder geeignete Emitter verwendet werden kann, und der Detektor 58 ist vorzugsweise eine Photodiode, obgleich jeder geeignete Detektor verwendet werden kann. Der Emitter 56 und der Detektor 58 sind oberflächenmontierte Vorrichtungen, wie Siemens-Teilenummern SFH-421 bzw. BPW-34FAS. Der Emitter 56 und der Detektor 58 können auch unter Verwendung von Silizium, das direkt mit der Schaltungsplatte 26 in einer Chip-auf-Platte-Maßnahme prägeverbunden ist, implementiert werden.
Die Signalverarbeitungsschaltung enthält herkömmliche Komponenten 59, die auf der Schaltungsplatte 26 befestigt sind. Zusätzlich können Lichtbarrikaden 61 auf der Schaltungsplatte befestigt sein, um Umgebungslicht von dem Detektor 58 auszuschließen und eine nicht ordnungsgemäße optische Kommunikation oder ein Übersprechen zwischen dem Emitter 56 und dem Detektor 58 in dem Gehäuse 28 zu vermeiden. Der Emitter 56 und der Detektor 58 sind elektrisch mit der Signalverarbeitung verbunden. Zusätzliche Einzelheiten betreffend die Arbeitsweise der Signalverarbeitungsschaltung und die Schnittstelle zwischen der Steuervorrichtung und dem Wischersteuersystem können aus den US-Patenten Nrn. 4620141 , 5059877 , 5239244 und 5568027 erhalten werden.
Wie in 4 gezeigt ist, ist der Emitter 56 typischerweise aus einem Kunststoffgehäuse 60, einer Infrarotstrahlen emittierenden Diode 62, die in einer Vertiefung in dem Gehäuse befestigt ist, und einem mit klarem Epoxid gefüllten Bereich 64 zusammengesetzt. Der Emitter 56 strahlt Lichtstrahlen 65 aus, typischerweise mit einer spezifischen Wellenlänge wie Infrarotenergie bei 880 nm, obgleich andere Wellenlängen verwendet werden können. Die Lichtstrahlen 65 werden als ein divergierender Strahlenfächer emittiert, der symmetrisch um eine Emissionsachse 66 ist, die sich von dem Emitter primär in einer Richtung senkrecht zu der Vorrichtungsfläche 54 der Schaltungsplatte 26 erstreckt. Die Lichtstrahlen 65 treten aus dem Emitter 56 über eine Verspleißung von Winkeln aus, wobei jeder Strahl sich unter einem Winkel θ_E mit Bezug auf die Emissionsachse 66 ausbreitet. Die Intensität jedes der Strahlen 65, die von dem Emitter 56 divergieren, ist angenähert der Cosinus von θ_E. Somit sind die Strahlen 65 von dem Emitter 56 entlang der Emissionsachse 66 am stärksten. In dem Nahfeld, in welchem die Erfindung arbeitet, sind die Strahlen bei einem Winkel θ_E von mehr als etwa fünfzig Grad durch das Emittergehäuse 60 abgeschattet und damit weniger intensiv.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der Detektor 58 eine Erfassungsfläche 67, die sich angenähert parallel zu der Vorrichtungsfläche 54 erstreckt. Eine Erfassungsachse 68 mit höchster Erfassungsempfindlichkeit erstreckt sich von der Erfassungsfläche 67 in einer Richtung, die primär senkrecht zu der Erfassungsfläche 67 und der Vorrichtungsfläche 54 der Schaltungsplatte 26 ist. Der Detektor 58 hat auch einen Annahmewinkel (nicht gezeigt), der sich symmetrisch zu der Erfassungsachse 68 derart erstreckt, dass auf den Detektor innerhalb des Annahmewinkels auftreffende Lichtstrahlen bewirken, dass der Detektor 58 ein Steuersignal erzeugt. Der zu verwendende spezifische Emitter 56 und Detektor 58 werden so gewählt, dass der Detektor für die Wellenlänge von von dem Emitter emittiertem Licht empfindlich ist.
Wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 24 befestigt ist, wie in 2 gezeigt ist, erstrecken sich der Kollimationskörper 38 und die Kollimationslinse 40 zu dem Emitter 56 hin, und der Fokussierkörper 43 und die Fokussierlinse 44 erstrecken sich zu dem Detektor hin. Ein Teil der aus dem Emitter 56 austretenden Lichtstrahlen 65 trifft auf die Kollimationslinse 40, und sie werden in einen Strahl 72 parallelgerichtet, der entlang der optischen Achse 41 der Kollimationslinse durch den Kollimationskörper 38 hindurchgeht. Die Lichtstrahlen, die auf die Kollimationslinse 40 auftreffen, liegen vorzugsweise im Bereich von angenähert 10 bis angenähert fünfzig Grad mit Bezug auf die Emissionsachse 66, obwohl die Linse so geformt sein kann, dass sie Lichtstrahlen von kleineren oder größeren Winkeln annimmt. Die Kollimationslinse 40 ist relativ zu dem Emitter 56 so angeordnet, dass die optische Achse 41 einen schrägen Winkel 69 mit Bezug auf die Emissionsachse 66 bildet. Der schräge Winkel 69 liegt vorzugsweise zwischen 39 und 51 Grad, obgleich er kleiner oder größer sein kann. Die Oberfläche der Kollimationslinse 40 muss, wie nachfolgend beschrieben ist, so geformt sein, dass sie einen parallelgerichteten Strahl von ausreichender Intensität bildet, so dass der Detektor 58 ein verwendbares Signal erzeugen kann.
In gleicher Weise ist die Fokussierlinse 44 relativ zu dem Detektor 58 so angeordnet, dass die optische Achse 45 der Fokussierlinse 44 einen schrägen Winkel 71 mit Bezug auf die Erfassungsachse 68 bildet. Der schräge Winkel 71 liegt vorzugsweise zwischen 39 und 51 Grad. Die Oberfläche der Fokussierlinse 44 ist, wie nachfolgend beschrieben ist, so geformt, dass der parallelgerichtete Strahl 72 auf die Erfassungsfläche des Detektors fokussiert wird. Der parallelgerichtete Strahl 72 wird in einen Fächer von konvergierenden Strahlen mit ausreichender Intensität an der Erfassungsfläche 67 fokussiert, so dass der Detektor ein verwendbares Signal erzeugen kann. Der Fächer von auf die Erfassungsfläche konvergierenden Lichtstrahlen liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa fünfzig Grad mit Bezug auf die Erfassungsachse, obgleich der Strahlenfächer kleinere oder größere Winkel mit Bezug auf die Erfassungsachse bilden kann.
Das Licht breitet sich von dem Emitter 56 zu dem Detektor 58 entlang eines optischen Pfads 73 aus. Die Lichtstrahlen von dem Emitter, die in den parallelgerichteten Strahl 72 parallelgerichtet sind, pflanzen sich entlang des optischen Pfads unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche 30 in die Windschutzscheibe 18 fort. Der parallelgerichtete Lichtstrahl 72 trifft auf die äußere Oberfläche 32 in einem Erfassungsbereich 74 und wird entlang des optischen Pfads 73 zurück durch die Windschutzscheibe und in den Fokussierkörper 43 unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche 30 reflektiert. Die optische Achse 45 der Fokussierlinse 44 ist von der optischen Achse 41 der Kollimationslinse 40 an der Oberfläche des Kopplers 24 um einen Abstand T versetzt. Kein einzelner Lichtstrahl breitet sich seitlich entlang dieser Versetzung aus; vielmehr ist es ein Kunstgriff, der anzeigt, dass die optische Mitte des Systems an der Oberfläche des Kopplers 24 verschoben wird. Der Abstand T wird so gewählt, dass die Fokussierlinse 44 die volle Breite des Strahls 72 sammelt. Die Kollimationsfläche 40 ist eine schräg abgeschnittene Drehfläche, die symmetrisch zu der optischen Achse 41 ist. Die Versetzung T der optischen Achse 41 zu der optischen Achse 45 ergibt sich aus der Natur der Asymmetrie der Kollimations- und Fokussieröffnungen. Die Außenfläche des Glases wirkt wie ein Faltspiegel. Aufgrund der Wirkungen dieses Faltspiegels treffen Strahlen nahe der Emissionsachse unter einem Winkel auf den Detektor, der weit von der Erfassungsachse ist. Somit geht ein durch die optische Mitte des Kollimators hindurchgehender Strahl nicht durch die optische Mitte der Fokussierlinse hindurch, die von der Erfassungsachse weg verschoben ist.
Es wird nun auf die 5 und 6 Bezug genommen, in denen die Kollimationslinse 40 eine durch den Umfang 80 definierte Lichtempfangsöffnung 82 hat. Der Umfang 80 kann die körperliche Kante der Kollimationslinse 40 sein, oder der Umfang 80 kann den Bereich der Linsenoberfläche definieren, der direkt von dem Emitter 56 emittiertes Licht empfängt und der derartiges Licht parallelrichtet, wie vorstehend beschrieben ist. Lichtstrahlen, die auf die Linsenoberfläche außerhalb der Öffnung 82 treffen, werden nicht parallelgerichtet und nicht wirksam zu dem Detektor 58 übertragen. Die Lichtempfangsfläche 82 hat eine Breite W, wie gezeigt ist, gemessen in der Richtung der Bezugslinie 5-5. Die Lichtempfangsöffnung 82 hat eine körperliche Mitte 84, die in der Mitte des Umfangs 80 angeordnet ist.
Die optische Mitte einer Linse ist definiert als der Punkt, an dem eine optische Achse die Linsenoberfläche schneidet. Auch geht definitionsgemäß ein Lichtstrahl, der sich entlang der optischen Achse ausbreitet, die in die Linsenöffnung durch die optische Mitte eintritt, gerade hindurch, während alle anderen Strahlen, die in die Linsenöffnung eintreten, durch die Linse entlang eines zu der optischen Achse parallelen Pfads abgelenkt werden. Die Kollimationslinse 40 hat eine optische Mitte 86 außerhalb der Mitte, die im Abstand von der körperlichen Mitte 84 angeordnet ist, und daher eine optische Achse 41 außerhalb der Mitte. Vorzugsweise ist die optische Mitte 86 gegenüber der körperlichen Mitte 84 um etwa 22 der Breite W versetzt, obwohl jede geeignete Versetzung verwendet werden kann. Die Oberfläche des Kollimationskörpers 38 des Kopplers 24 kann wahlweise mit einem undurchsichtigen Material bedeckt sein, um Strahlen auszuschließen, die nicht auf die Öffnung 82 treffen, oder derartige Strahlen können unbehindert durch den Koppler hindurchgehen. Zusätzlich kann die Oberfläche der Kollimationslinse außerhalb des Umfangs 80, der die Öffnung 82 definiert, wahlweise mit einem undurchsichtigen Material bedeckt sein, um Strahlen auszuschließen, die nicht auf die Öffnung 82 treffen, oder derartige Strahlen können ungehindert durch den Koppler hindurchgehen. Nur solche Emitterstrahlen, die durch die Öffnung 82 hindurchgehen, sind nützlich für die Erfassung von Regen.
Es wird nun auf 7 Bezug genommen, in der die Fokussierlinse 44 eine Lichtübertragungsöffnung 90 hat, die durch den Umfang 88 definiert ist. Der Umfang 88 kann die körperliche Kante der Fokussierlinse 44 sein, oder der Umfang 88 kann den Bereich der Linsenoberfläche definieren, der den parallelge richteten Lichtstrahl 72 in einem fokussierten Strahl zu der Erfassungsfläche 67 des Detektors 58 überträgt. Lichtstrahlen, die aus der Fokussierlinse außerhalb der Öffnung 90 austreten, werden nicht auf den Detektor 58 fokussiert. Die Öffnung 90 hat eine Breite W, wie gezeigt ist. Die Fokussierlinse 44 hat eine körperliche Mitte 92, die in der Mitte des Umfangs 88 positioniert ist. Die optische Mitte 94 der Linse 44 ist außerhalb der Mitte, das heißt, sie ist im Abstand von der körperlichen Mitte 92 angeordnet, und daher ist die optische Achse 45 der Fokussierlinse auch außerhalb der Mitte. Vorzugsweise ist die optische Mitte 94 von der körperlichen Mitte 92 um etwa 22% der Breite W versetzt, obgleich jede geeignete Versetzung verwendet werden kann. Die Oberfläche des Fokussierkörpers 43 des Kopplers 24 kann wahlweise mit einem undurchsichtigen Material bedeckt sein, um Strahlen auszuschließen, die nicht auf die Öffnung 90 treffen, oder derartige Strahlen können ungehindert durch den Koppler hindurchgehen. Zusätzlich kann die Oberfläche der Fokussierlinse 44 außerhalb des die Öffnung 90 definierenden Umfangs 88 wahlweise mit einem undurchsichtigen Material bedeckt sein, um Strahlen auszuschließen, die nicht auf die Öffnung 90 auftreffen, oder derartige Strahlen können ungehindert durch den Koppler hindurchgehen.
Wenn der Feuchtigkeitssensor in Betrieb ist, signalisiert die Steuervorrichtung (nicht gezeigt) dem Emitter 56, wodurch bewirkt wird, dass Lichtstrahlen 65 symmetrisch zu der Emissionsachse emittiert werden. Die Lichtstrahlen 65, die auf die Öffnung 82 der Kollimationslinse treffen, werden in einen Strahl 72 parallelgerichtet, der sich entlang des optischen Pfads 73, der parallel zu der optischen Achse 41 der Kollimationslinse ist, fortpflanzt. Der Lichtstrahl 72 wird optisch in die Zwischenschicht 34 und dann in die Windschutzscheibe 18 entlang des optischen Pfads 73 gekoppelt. Der Lichtstrahl 72 geht durch die Windschutzscheibe 18 unter einem fortgesetzten Winkel von angenähert fünfundvierzig Grad hindurch und wird von der äußeren Oberfläche 32 der Windschutzscheibe 18 in dem Erfassungsbereich 74 reflektiert. Der reflektierte Strahl geht durch die Windschutzscheibe 18 entlang des optischen Pfads 73 unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die Oberfläche der Windschutzscheibe zurück. Der parallelgerichtete Lichtstrahl 72 geht durch den Fokussierkörper 43 und die Fokussierlinse 44 hindurch. Die Fokussierlinse fokussiert den parallelgerichteten Strahl 72 auf die Oberfläche des Detektors 58. Wenn sich Feuchtigkeit 76 auf der Windschutzscheibe in dem Erfassungsbereich 74 angesammelt hat, wird nicht der gesamte parallelgerichtete Lichtstrahl 72 zurück zu dem Fokussierkörper 43 reflektiert, und der Detektor 58 erzeugt ein Signal, das für die erfasste Lichtmenge repräsentativ ist. Obgleich der Detektor im Allgemeinen die höchste Empfindlichkeit hat, wenn die Lichtstrahlen senkrecht zu der Schaltungsplatte 26 sind, wird jeder Lichtstrahl 72 innerhalb des Annahmewinkels des Detektors 58 erfasst. Die Signalverarbeitungsschaltung 59 empfängt das Detektorsignal und interpretiert die Änderung des Signals als die Anwesenheit von Feuchtigkeit und steuert die Wischer entsprechend.
Für eine ordnungsgemäße Arbeitsweise muss die Kollimationslinse 40 mit Bezug auf den Emitter 56 so angeordnet sein, dass eine ausreichende Menge der Lichtstrahlen 65, die auf die Linsenöffnung 82 treffen, parallelgerichtet wird. Wieder unter Bezugnahme auf 4 ist der Winkel einer Linie, die die Oberfläche der Kollimationslinse 40 mit Bezug auf die Windschutzscheibe schneidet, bei θ_x gezeigt. Werte von θ_x variieren über die Oberfläche der Kollimationslinse. Wie vorstehend erwähnt ist, ist es bevorzugt, dass die Strahlen des parallelgerichteten Lichtstrahls 72 sich innerhalb der Windschutzscheibe 18 unter einem Winkel θ_G von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die Windschutzscheiben-Oberfläche 30 fortpflanzen. Damit die Kollimationslinse die Emitterstrahlen zu dem erforderlichen Winkel von fünfundvierzig Grad hin bricht, kann durch Manipulieren des Snell'schen Gesetzes gezeigt werden, dass: θx = arctan[(sin(θE) – n × sin(θG))/(cos(θE) – n × cos(θG))]
Hierin ist n der Brechungsindex des Kopplers 24. Der Koppler 24 ist vorzugsweise aus Polycarbonat geformt und hat einen Brechungsindex von n = 1,57 bei 880 nm. Alternativ kann der Koppler aus Glas, Acryl oder einem anderen klaren Material hergestellt sein. Anhand dieser Gleichung kann beispielsweise gezeigt werden, dass für einen Emitterwinkel θ_E von 10 Grad ein Winkel der Oberfläche der Kollimationslinse von 76 Grad erforderlich ist. Bei einem derart steilen Winkel wird etwa die Hälfte der Intensität des Strahls von dem Emitter von der Oberfläche der Kollimationslinse weg reflektiert und tritt somit nicht in die Windschutzscheibe 18 ein. Die Reflexion nimmt bei sogar noch kleineren Emitterwinkeln dramatisch zu. Daher stellt diese Beziehung zwischen dem Emitterwinkel und dem Winkel der Oberfläche der Kollimationslinse eine untere Grenze für den Abstand zwischen der Kollimatorlinse 40 und der Emissionsachse 66 her. In gleicher Weise wird dieselbe untere Grenze für den Abstand zwischen der Fokussierlinse 44 und der Erfassungsachse 68 hergestellt. Durch die Fokussierlinse 44 näher als etwa 10 Grad zu der Erfassungsachse 68 hindurchgehende Lichtstrahlen werden intern von der Innenfläche der Fokussierlinse 44 weg reflektiert und reduzieren die Intensität des fokussierten Strahls, der die Erfassungsfläche 67 erreicht.
Andere Wirkungen stellen eine obere Grenze des Abstands zwischen der Emissionsachse 66 und der Kollimatorlinse 40 her. Wenn θ_E zunimmt, verringert die Schrägheit die Stärke des Emitterstrahls, der gemäß cos θ_E variiert, wie vorstehend beschrieben ist. Auch werden bei Werten von θ_E von etwa fünfzig Grad die emittierten Lichtstrahlen durch das Emittergehäuse 60 verschattet. Somit ist der Bereich von Winkeln, bei denen eine Einkopplung in die Windschutzscheibe 18 nützlich ist, auf Emitterwinkel zwischen etwa 10 und etwa fünfzig Grad begrenzt. Wieder wird bei kleineren Winkeln ein zu großer Bruchteil des Strahls von der Oberfläche der Kollimatorlinse weg reflektiert. Bei größeren Winkeln reduziert die Schrägheit die Stärke des emittierten Lichts, und das Licht wird durch das Gehäuse des Emitters verschattet. Innerhalb dieses Bereichs von Emitterwinkeln löschen sich die Wirkungen der Reflexion und der Schrägheit grob aus. Somit sind die emittierten Lichtstrahlen vernünftigerweise gleichförmig innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs von Emitterwinkeln. Diese Beschränkung des Emitterstrahls hat einen weiteren Vorteil dahingehend, dass sie ermöglicht, dass die Konstruktion in das Erfordernis der Höhe von 5 mm für den Koppler passt. Ein weiterer Bereich von Emitterstrahlen würde einen größeren Koppler erfordern. In gleicher Weise werden Lichtstrahlen, die sich bei über fünfzig Grad von der Erfassungsachse 68 fortpflanzen, aufgrund der hohen Schrägheit kaum von dem Detektor 58 empfangen. Wie bei dem Kollimator 37 ermöglicht eine Beschränkung der Winkel der von der Fokussierlinse 44 durch den Detektor 58 empfangenen Strahlen eine flache Konstruktion des Kopplers 24.
Die Oberfläche der Kollimationslinse 40 ist so geformt, dass der Kollimationslinse ermöglicht wird, einen großen Teil der von dem Emitter kommenden Lichtstrahlen parallelzurichten, wenn die Emissionsachse 66 einen schrägen Winkel mit Bezug auf die optische Achse 41 bildet. Vorzugsweise ist die Oberfläche der Kollimationslinse eine kontinuierliche, konvex brechende Oberfläche, obgleich die Oberfläche segmentiert sein kann, wie nachfolgend beschrieben ist. Die angemessene Form der Linsenoberfläche kann unter Verwendung eines optischen Entwurfssoftwaresystems bestimmt werden, wie des Zemax-Systems von Focus Software in Tucson, Arizona. Die sich ergebende Oberflächenform wird am besten durch eine polynomische asphärische Form dargestellt. Die Oberfläche ist durch eine Durchhangfunktion gegeben, die den Abstand z zwischen der Oberfläche und dem Radius von der optischen Achse erzeugt. Die Oberfläche kann zum Zwecke der Illustration sein:
Hierin sind:

Koeffizient Wert

r unendlich

c 0

a₁ 0,22631484

a₂ –0,018779505

a₃ 0,0010712278

a₄ 0
Dieses Verfahren einer asphärischen Linse ist für den Fachmann des Entwerfens optischer Systeme üblich.
Alternativ kann eine sphärische Linse mit dem Radius von 3,163 mm eingesetzt werden, jedoch wird eine Aberration induziert, die die Intensität des von der Linse übertragenen Lichts herabsetzen kann. Die gegebenen Werte ermöglichen eine leichte Divergenz des parallelgerichteten Strahls, wodurch die Toleranzanforderungen der Emitteranordnung erleichtert werden.
Obgleich nur ein optischer Pfad erforderlich ist, um einen funktionierenden Feuchtigkeitssensor zu schaffen, kann ein einzelner optischer Pfad eine ungenügende Erfassungsfläche für eine glatte Operation der Wischer ergeben. Es wird nun auf 8 Bezug genommen, in der ein alternatives Beispiel mit einer unterschiedlichen Anordnung von optischen Komponenten, die mehrere optische Pfade ergeben, vorgesehen ist. Der Sensor 100 des alternativen Ausführungsbeispiels enthält einen ersten und einen zweiten Emitter 156a und 156b und einen ersten und einen zweiten Detektor 158a und 158b, die auf einer Schaltungsplattenanordnungs-Oberfläche (nicht gezeigt) in einer Weise ähnlich der vorbeschriebenen befestigt sind. Der erste Emitter 156a befindet sich auf der Schaltungsplatte (nicht gezeigt) in einer ersten Ecke 102a eines Quadrats 104, und der zweite Emitter 156b befindet sich auf der Schaltungsplatte in einer zweiten Ecke 102b entgegengesetzt zur ersten Ecke 102a. Der erste und der zweite Emitter 156a und 156b enthalten Emissionsachsen (nicht gezeigt) ähnlich der Emissionsachse 69 des in 4 gezeigten Emitters 56. Der erste Detektor 158a befindet sich auf der Schaltungsplatte in einer dritten Ecke 102c des Quadrats 104, und der zweite Detektor 158b befindet sich auf der Schaltungsplatte in einer vierten Ecke 102d gegenüber der dritten Ecke 102c. Der erste und der zweite Detektor 158a und 158b enthalten Erfassungsachsen (nicht gezeigt), die ähnlich der Erfassungsachse 68 des in 4 gezeigten Detektors 56 sind. Die Schaltungsplatte ist in einem in 3 gezeigten Gehäuse 28 in einer ähnlichen Weise wie die vorbeschriebene Schaltungsplatte befestigt.
Der Sensor 100 enthält einen Koppler 106 mit einer Befestigungsfläche (nicht gezeigt), die an der Windschutzscheibe in einer Weise ähnlich dem vorbeschriebenen Koppler 24 befestigt ist. Das Gehäuse 28 ist an dem Koppler 106 in einer Weise ähnlich dem vorbeschriebenen Koppler 24 angebracht. Der Koppler 106 enthält einen ersten Kollimator 108a, der sich benachbart dem ersten Emitter 156a an der ersten Ecke 102a befindet, wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 106 befestigt ist. Der Koppler 106 enthält auch einen zweiten Kollimator 108b, der sich benachbart dem zweiten Emitter 156b an der zweiten Ecke 102b befindet, wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 106 befestigt ist. Jeder Kollimator 108a und 108b enthält zwei Kollimationskörper 109 und zwei Kollimationslinsen 110. Die beiden Kollimationslinsen 110 stoßen aneinander an, so dass ihre optischen Achsen 111 einen Winkel von angenähert neunzig Grad bilden, wenn sie in 8 gezeigt betrachtet werden. Die Kollimationslinsen 110 sind vorzugsweise integral mit den Kollimationskörpern 109 ausgebildet, obgleich getrennte Linsen benachbart jedem Kollimationskörper angeordnet sein können, wie vorstehend beschrieben ist.
Jede der Kollimationslinsen 110 ist ähnlich der vorstehend beschriebenen Kollimationslinse 40, und wird, um eine Verdopplung zu vermeiden, nicht in solchen Einzelheiten beschrieben. Jede Kollimations linse 110 hat eine körperliche Mitte, eine optische Mitte und eine optische Achse ähnlich der körperlichen Mitte 84, der optischen Mitte 86 und der optischen Achse 41 der in den 4, 5 und 6 gezeigten Kollimationslinse 40, Kollimationslinsen 110 des ersten Kollimators 108a befinden sich benachbart dem ersten Emitter 156a, derart, dass jede der optischen Achsen einen schrägen Winkel mit Bezug auf die vorbeschriebene Emitterachse bildet. Die Kollimationslinsen 110 des zweiten Kollimators 108b befinden sich angrenzend an den zweiten Emitter 156b derart, dass jede der optischen Achsen einen schrägen Winkel mit Bezug auf die vorbeschriebene Emitterachse bildet. Die Oberfläche der Kollimationslinsen 110 ist ähnlich der vorbeschriebenen Kollimationslinse 40 gebildet, derart, dass die optische Mitte gegenüber der körperlichen Mitte aus den vorbeschriebenen Gründen versetzt ist. Der Koppler 106 enthält auch eine erste Fokussiervorrichtung 114a, die sich benachbart dem ersten Detektor 158a an der dritten Ecke 102c befindet, wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 106 befestigt ist. Der Koppler 106 enthält weiterhin eine zweite Fokussiervorrichtung 114b, die sich benachbart dem zweiten Detektor 158b an der vierten Ecke 102d befindet, wenn das Gehäuse 28 an dem Koppler 106 befestigt ist. Jede Fokussiervorrichtung 114a und 114b enthält zwei Fokussierkörper 115 und zwei Fokussierlinsen 116. Die beiden Fokussierlinsen 116 stoßen so aneinander an, dass ihre optische Achsen 117 einen Winkel von angenähert neunzig Grad bilden, wenn sie wie in 8 gezeigt betrachtet werden. Die Fokussierlinsen 116 sind vorzugsweise integral mit den Fokussierkörpern 115 ausgebildet, obgleich getrennte Linsen angrenzend an jeden Fokussierkörper angeordnet sein können, wie vorstehend beschrieben ist. Eine Ecke jeder Kollimationslinse 110 und Fokussierlinse 116 ist entfernt, um die Nebeneinanderanordnung zu ermöglichen, aber das Leistungsvermögen der Linsen wird nicht beeinträchtigt.
Jede der Fokussierlinsen 116 ist ähnlich der vorbeschriebenen Fokussierlinse 44, und zur Vermeidung einer Verdopplung wird sie nicht derart detailliert beschrieben. Jede Fokussierlinse 116 hat eine körperliche Mitte, eine optische Mitte und eine optische Achse ähnlich der körperlichen Mitte 92, der optischen Mitte 94 und der optischen Achse 45 der in den 2 und 7 gezeigten Fokussierlinse 44. Die Fokussierlinsen 116 der ersten Fokussiervorrichtung 114a befinden sich benachbart dem ersten Detektor 158a derart, dass jede der optischen Achsen einen schrägen Winkel mit Bezug auf die vorbeschriebene Emitterachse bildet. Die Fokussierlinsen 116 der zweiten Fokussiervorrichtung 114b befinden sich benachbart dem zweiten Detektor 158b derart, dass jede der optischen Achsen einen schrägen Winkel mit Bezug auf die vorbeschriebene Emitterachse bildet. Die Oberfläche der Fokussierlinsen 116 ist ähnlich der vorbeschriebenen Fokussierlinse 44 derart ausgebildet, dass die optische Mitte gegenüber der körperlichen Mitte aus den vorbeschriebenen Gründen versetzt ist.
Vier optische Pfade 173a, 173b, 173c und 173d sind vorgesehen. Der erste optische Pfad 173a erstreckt sich von dem ersten Emitter 156a durch eine Kollimatorlinse 110 und einen Kollimatorkörper 109 des ersten Kollimators 108a, in die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche zu einem ersten Abtastbereich 174a, zurück durch die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe, durch einen Fokussierkörper 115 und eine Fokussierlinse 116 der ersten Fokussiervorrichtung 114a zu dem ersten Detektor 158a. Der zweite optische Pfad 173b erstreckt sich von dem zweiten Emitter 156b durch eine Kollimatorlinse 110 und einen Kollimatorkörper 109 des zweiten Kollimators 108b, in die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche zu einem zweiten Abtastbereich 174b, zurück durch die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe, durch den Fokussierkörper 115 und die Fokussierlinse 116 der ersten Fokussiervorrichtung 114a zu dem ersten Detektor 158a.
Der dritte optische Pfad 173c erstreckt sich von dem ersten Emitter 156a durch eine Kollimatorlinse 110 und einen Kollimatorkörper 109 des ersten Kollimators 108a, in die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche zu einem zweiten Abstastbereich 174c, zurück durch die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe, durch den Fokussierkörper 115 und die Fokussierlinse 116 der zweiten Fokussiervorrichtung 114b zu dem zweiten Detektor 158b. Der vierte optische Pfad 173d erstreckt sich von dem zweiten Emitter 156b durch die Kollimatorlinse 110 und den Kollimatorkörper 109 des zweiten Kollimators 108b, in die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche zu einem vierten Erfassungsbereich 174d, zurück durch die Windschutzscheibe unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad mit Bezug auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe, durch den Fokussierkörper 115 und die Fokussierlinse 116 der zweiten Fokussiervorrichtung 114b zu dem zweiten Detektor 158b.
Im Betrieb emittieren die Emitter 156a und 156b divergierende Lichtstrahlen so in eine Halbkugel, dass jede der benachbarten Kollimatorlinsen 110 eine gleiche Lichtmenge empfängt. Die beiden Kollimationskörper 109 und Linsen 110 bei dem ersten Kollimator 108a erzeugen einen ersten und einen zweiten parallelgerichteten Lichtstrahl 172a und 172b, ähnlich dem vorbeschriebenen parallelgerichteten Strahl 72. Der erste und der zweite parallelgerichtete Lichtstrahl 172a und 172b werden unter zueinander rechten Winkeln zerspleißt, wenn sie wie in 8 gezeigt betrachtet werden, und jeder Lichtstrahl bewegt sich entlang des ersten bzw. dritten optischen Pfads 173a und 173c. Die beiden Kollimationskörper 109 und -linsen 110 bei dem zweiten Kollimator 108b erzeugen einen dritten und einen vierten parallelgerichteten Lichtstrahl 172c und 172d, ähnlich dem vorbeschriebenen parallelgerichteten Strahl 72. Der dritte und der vierte parallelgerichtete Lichtstrahl 172c und 172d werden unter zueinander rechten Winkeln zerspleißt, und jeder Lichtstrahl bewegt sich entlang des zweiten bzw. vierten optischen Pfads 173b und 173d.
Der erste parallelgerichtete Lichtstrahl 172a wird durch die äußere Oberfläche der Windschutzscheibe in dem ersten Erfassungsbereich 174a reflektiert, zurück durch den Fokussierkörper 115 und die Fokussierlinsen 116 zu dem ersten Detektor 158a. Wenn Feuchtigkeit in dem ersten Erfassungsbereich auf der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe vorhanden ist, wird ein Teil des parallelgerichteten Lichtstrahls nicht zurück in die Fokussiervorrichtung 114 reflektiert, und der erste Detektor 158a emittiert ein Signal entsprechend der Änderung des erfassten Lichts. Das Signal wird durch die Signalverarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) ähnlich der in 2 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung 59 verarbeitet, und die Wischer werden entsprechend gesteuert. In gleicher Weise werden der zweite, dritte und vierte parallelgerichtete Lichtstrahl von den entsprechenden Erfassungsbereichen wegreflektiert, und der erste oder zweite Detektor erfasst jegliche Änderungen in dem empfangenen Licht. Durch Verwendung von vier Erfassungsbereichen kann der Feuchtigkeitssensor 100 eine verbesserte Wischersteuerung und erhöhte Sichtbarkeit erzielen.
Die Anordnung der optischen Komponenten bei dem Feuchtigkeitssensor 100 nach dem alternativen Ausführungsbeispiel ergibt ein ausgeglichenes optisches System, da die vier optischen Pfade 102 gleiche Länge und gleichen optischen Wirkungsgrad haben. Diese Anordnung kompensiert Differenzen im Wirkungsgrad zwischen Emittern 56, der beträchtlich variieren kann. Beide Detektoren 58 empfangen eine gleiche Lichtmenge von einem bestimmten Emitter, und die Summe des von beiden Emittern empfangenen Lichts ist für jeden Detektor dieselbe.
Es wird auf 9 Bezug genommen, in der ein ausgeglichenes elektrisches System 190 zur Verwendung in Verbindung mit dem vorbeschriebenen ausgeglichenen optischen System gezeigt ist, um ein ausgeglichenes Feuchtigkeitssensorsystem zu ergeben. Eine gepulste Stromquelle treibt die Emitter 156a und 156b, die vorzugsweise durch die Leitung 191 in Reihe geschaltet sind. Ein Lichtstrahl (dargestellt durch gestrichelte Linien 172a, 172b, 172c, 172d), der sich entlang eines optischen Pfads bewegt, koppelt jeden Emitter 156a, 156b mit jedem Detektor 158a, 158b. Jeder optische Pfad hat eine gleiche Länge und einen ähnlichen optischen Wirkungsgrad. Die Detektoren 158a, 158b arbeiten in der Strombetriebsart und sind in einem gemeinsamen Stromsummierungsknoten 192 miteinander verbunden. Eine mit dem Knoten 192 verbundene Signalverarbeitungs- und -steuerschaltung erfasst die Anwesenheit von Regen. Für ein perfekt ausgeglichenes Feuchtigkeitssensorsystem fließt bei Abwesenheit von Regen kein Strom von dem Knoten 192 zu der Signalverarbeitungs- und -steuerschaltung. Ein ausgeglichenes Feuchtigkeitssensorsystem ist wünschenswert, da es einen geringeren dynamischen Bereich der Signalverarbeitungsschaltung erfordert und die Fähigkeit des Systems zur Zurückweisung von Umgebungslicht erhöht.
Moderne solargesteuerte Windschutzscheiben wie Windschutzscheiben, die unter der Marke "EZ-KOOL" verkauft und kommerziell von Libbey Owens Ford, Co. erhältlich sind, verringern den Durchgang von Infrarotlicht durch die Windschutzscheibe. Auf derartigen Windschutzscheiben verwendete optische Feuchtigkeitssensoren müssen einen hohen Wirkungsgrad haben, da die Windschutzscheibe den Durchgang des Infrarotstrahls von dem Emitter zu dem Detektor reduziert. Der vorbeschriebene Feuchtigkeitssensor 100 ergibt einen effizienten Sensor, der in der Lage ist, bei diesen solargesteuerten Windschutzscheiben verwendet zu werden. Feuchtigkeitssensoren wie vorbeschrieben wurden auf solargesteuerten Windschutzscheiben der Marke "EZ-KOOL" geprüft unter Verwendung von Kopplern, die aus Polyester-Gießharz gebildet sind, welche 17 Mikroampere pro Ampere Emitterstrom erzeugen, was für eine typische Signalverarbeitungsschal tung ausreichend ist. Der Feuchtigkeitssensor ergab eine kombinierte Erfassungsfläche von 57 Quadratmillimetern unter Verwendung von nur zwei Emittern und zwei Detektoren, und Produktionsversionen haben voraussichtlich noch größere Erfassungsflächen.
Es wird nun auf 10 Bezug genommen, in der ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kollimatorlinse gezeigt ist, die eine segmentierte Linse oder Fresnel-Linse 202 anstelle der vorbeschriebenen kontinuierlichen konvexen Linse 40 verwendet. Die Fresnel-Linse 202 kann auch als die Fokussierlinse anstelle der vorbeschriebenen kontinuierlichen konvexen Fokussierlinse 44 verwendet werden. Aufgrund der vorbeschriebenen Ähnlichkeit zwischen der Kollimationslinse und der Fokussierlinse wird nur ein Fresnel-Linsen-Kollimator diskutiert. Eine ähnliche Fresnel-Linse kann für die Fokussiervorrichtung verwendet werden, die in gleicher Weise wie die vorbeschriebene kontinuierliche Konvexlinsen-Fokussiervorrichtung 40 arbeitet.
Die Fresnel-Kollimatorlinse 202 hat den Vorteil, dass der Linsenbereich und somit der Feuchtigkeitssensor insgesamt noch dünner ausgebildet werden kann. Der sich ergebende dünnere Koppler 24 ergibt sich unter dem Verlust von optischem Wirkungsgrad, und eine etwas komplexere Form zur Bildung des Kopplers und der Linsen 202 wird benötigt. Eine derartige Linse kann konstruiert werden durch Projizieren der Oberfläche der Kollimatorlinse nach den 4 und 6 auf die innere Oberfläche des Kopplers 24, zugelassen zur Erweiterung auf eine Tiefe D in einer Modulo-Operation. Dies ergibt eine Kollimatorlinse 202, die aus einer Anzahl von Brechungssegmenten 204 gebildet ist. Es ist festzustellen, dass im Gegensatz zu der ge meinsamen Konstruktion einer Fresnel-Linse die Ebene der Projektion der Lichtstrahlen nicht orthogonal zu der optischen Achse ist, sondern vielmehr abgewinkelt, um eine Reflexion an der äußeren Oberfläche des Glases zu erhalten, wie vorstehend beschrieben ist. Alternativ können optische Entwurfsprogramme wie das vorgenannte Zemax verwendet werden, um die geforderte Oberfläche direkt zu erzeugen, wobei geeignete Neigungsbefehle verwendet werden, um die gewünschte Projektionsebene zu erzielen. Als ein weiteres Verfahren zur Erzeugung der Oberfläche kann die vom Snell'schen Gesetz abgeleitete Formel verwendet werden, um die erforderlichen Winkel zu erzeugen.
Der Nachteil der segmentierten Ausbildung besteht darin, dass Verschlussbereiche geschaffen werden, wie bei 206 gezeigt ist. Verschlussbereiche 206 treten auf, wenn Lichtstrahlen auf ein unnützes Rückkehrsegment 208 treffen. Derartige Segmente werden benötigt, um die Geometrie der Linse innerhalb der Tiefe D zu halten. Die Verschlussbereiche 206 sind jedoch nicht in der Lage, Licht in der gewünschten Richtung zu lenken und verschlechtern den optischen Wirkungsgrad des Systems. Die in 8 gezeigte Mehrpfadkonfiguration ist nicht modifiziert. In gleicher Weise bleibt das Befestigungsverfahren unverändert. Die Fresnel-Ausbildung kann mit vielen Segmenten hergestellt werden, wie gezeigt ist, oder mit so wenigen wie zwei. Auch kann, während es bevorzugt ist, dass die Projektion auf die Ebene der Innenwand der Kopplers erfolgen soll, die Projektionsebene etwas zu den optischen Vorrichtungen hin geneigt sein. Eine derartige Implementierung erfordert weniger Verschlussbereiche.
Zusätzlich zu der vorderen Windschutzscheibe eines Motorfahrzeugs kann der Feuchtigkeitssensor nach der vorliegenden Erfindung auch auf anderen Glasoberflächen zur Erfassung von Feuchtigkeit verwendet werden.

Claims

Feuchtigkeitssensor (10) zur Befestigung auf einer ersten Oberfläche einer Glasscheibe (18), um Feuchtigkeit in einem Erfassungsbereich auf einer zweiten Oberfläche (32) der Glasscheibe (18) zu erfassen, welcher Feuchtigkeitssensor (10) aufweist: einen Koppler (24) zur Befestigung auf der ersten Oberfläche (30) der Glasscheibe (18) für das optische Koppeln von Lichtstrahlen in das und aus dem Glas (18); ein an dem Koppler (24) befestigtes Gehäuse (28); eine planare Schaltungsplatte (26), die in dem Gehäuse (28) befestigt ist und eine Vorrichtungsfläche (54) aufweist, die sich im Allgemeinen parallel zu der ersten Oberfläche (30) der Glasplatte (18) befindet; einen Emitter (56), der an der Vorrichtungsfläche (54) befestigt ist, um Lichtstrahlen um eine Emissionsachse (66), die sich von dem Emitter (56) angenähert senkrecht zu der Vorrichtungsfläche (54) erstreckt, herum zu emittieren; eine Kollimationsvorrichtung (37), die optisch mit dem Koppler (24) gekoppelt ist zum Parallelrichten von Lichtstrahlen von dem Emitter (56) in ein parallel gerichtetes Lichtbündel (72), welche Kollimationsvorrichtung (37) so angeordnet ist, dass eine erste optische Achse einen ersten schiefen Winkel (69) mit Bezug auf die Emissionsachse (66) bildet; einen Detektor (58) mit einer Erfassungsfläche (67) und einer Erfassungsachse (68), die sich von der Er fassungsfläche (67) erstreckt, um auf die Erfassungsfläche (67) um die Erfassungsachse (68) herum auftreffendes Licht zu erfassen und zum Erzeugen von Signalen als Antwort auf das erfasste Licht, welcher Detektor (58) derart auf der Vorrichtungsfläche (54) der planaren Schaltungsplatte (26) befestigt ist, dass die Erfassungsachse (68) angenähert senkrecht zu der Vorrichtungsfläche (54) ist; und eine Fokussiervorrichtung (42), die optisch mit dem Koppler (24) gekoppelt ist, um das parallel gerichtete Lichtbündel (72) in einen konvergierenden Strahlenfächer auf die Erfassungsfläche (67) zu fokussieren, welche Fokussiervorrichtung (42) derart angeordnet ist, dass eine zweite optische Achse einen zweiten schiefen Winkel (71) mit Bezug auf die Erfassungsachse (68) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationsvorrichtung (37) eine Lichtempfangsöffnung (82) mit einer körperlichen Mitte (84) und einer optischen Mitte (86) derart hat, dass sich die erste optische Achse durch die optische Mitte (86) erstreckt und die optische Mitte (86) einen Abstand von der körperlichen Mitte (84) aufweist, und die Fokussiervorrichtung (42) eine Lichtübertragungsöffnung (90) mit einer körperlichen Mitte (92) und einer optischen Mitte (94) derart hat, dass sich die zweite optische Achse durch die optische Mitte (94) erstreckt und die optische Mitte (94) im Abstand von der körperlichen Mitte (92) angeordnet ist.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Kollimationsvorrichtung (37) eine Kollimations linse (40) enthält und die Fokussiervorrichtung (42) eine Fokussierlinse (44) enthält.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 2, bei dem der Koppler (24), die Kollimationsvorrichtung (37), die Kollimationslinse (40), die Fokussiervorrichtung (42) und die Fokussierlinse (44) integral aus einem einzelnen Materialstück gebildet sind.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Signalverarbeitungsschaltung (59), die auf der Schaltungsplatte (26) befestigt und mit dem Emitter (56) und dem Detektor (58) verbunden ist zum Steuern des von dem Emitter (56) emittierten Lichts und zum Verarbeiten der Signale von dem Detektor (58).
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem der erste schiefe Winkel (69) zwischen neununddreißig und einundfünfzig Grad liegt und der zweite schiefe Winkel (71) zwischen neununddreißig und einundfünfzig Grad liegt.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die optische Mitte (86) der Lichtempfangsöffnung (82) der Kollimationsvorrichtung um zumindest 20% der Breite der Lichtempfangsöffnung (82) gegenüber der körperlichen Mitte (84) der Lichtempfangsöffnung (82) versetzt ist.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die optische Mitte (86) der Lichtübertragungsöffnung (82) der Fokussiervorrichtung um zumindest 20% der Breite der Lichtübertragungsöffnung (82) gegenüber der körperlichen Mitte (84) der Lichtübertragungsöffnung (82) versetzt ist.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Kollimationsvorrichtung (37) angeordnet ist, um von dem Emitter (56) emittierte Lichtstrahlen parallel zu richten, wobei die Lichtstrahlen im Bereich von angenähert zehn bis angenähert fünfzig Grad mit Bezug auf die Emissionsachse (66) liegen.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Fokussiervorrichtung (42) angeordnet ist, um einen parallel gerichtetes Lichtbündel (72) in einen konvergierenden Strahlenfächer auf die Erfassungsfläche (67) zu fokussieren, wobei der Lichtstrahlenfächer im Bereich von angenähert zehn bis angenähert fünfzig Grad mit Bezug auf die Erfassungsachse (68) liegt.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 2, bei dem die Kollimationslinse (40) und die Fokussierlinse (44) kontinuierliche Konvexlinsen sind.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Kollimationsvorrichtung (37) eine segmentierte Kollimationslinse (40) enthält und die Fokussiervorrichtung (42) eine segmentierte Fokussierlinse (44) enthält.
Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 2, bei dem weiterhin die Kollimationsvorrichtung (37) eine zweite Kollimationslinse (40) enthält und die Fokussiervorrichtung (42) eine zweite Fokussierlinse (44) enthält, und der Feuchtigkeitssensor (10) weiterhin einen zweiten Emitter (56) und einen zweiten Detektor (58), die auf der Vorrichtungsfläche (54) befestigt sind, eine zweite Kollimationsvorrichtung (37), die optisch mit dem Koppler (24) gekoppelt ist und eine dritte und eine vierte Kollimationslinse (40) enthält, und eine zweite Fokussiervorrichtung (42), die optisch mit dem Koppler (24) gekoppelt ist und eine dritte und eine vierte Fokussierlinse (44) enthält, enthält, wobei Lichtstrahlen von beiden Emittern (56) in Lichtbündel parallel gerichtet werden und die Lichtbündel auf beide Detektoren (58) fokussiert werden.