用於探測機動車玻璃上的水份的光學傳感器的製作方法

2023-06-02 10:35:21

專利名稱：用於探測機動車玻璃上的水份的光學傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於探測機動車玻璃上的水份的光學傳感器，它帶有發出光束的發射器，接收器以及至少一個導光元件，光束可以向布置在介於發射器和接收器之間的光通道中的玻璃上的探測區域轉向。
一種此類的光學傳感器已經例如由DE 102 29 239 A1公開。這類光學傳感器已知有多個變型並在機動車中用作所謂的下雨傳感器，它特別可以用於刮水器裝置的(自動)控制。導光元件可以例如是耦合元件，反向後射鏡或者是光傳輸元件，尤其是波導體。
已公開的傳感器典型地，但不是全部按照全反射的原理工作。被現在的下雨傳感器大量使用的探測方法首先基於光在波導體中眾所周知可以通過全反射傳播，因為反射介質，即波導體的外殼或者周邊比波導體芯具有較低的折射係數。分界面，例如玻璃的側面，將此時藉助耦合元件，例如稜鏡，在足夠大的角度(＞42°)下進入波導體的光首先全部反射，因為光束角度對乾燥的界面足夠大，來阻止反射和傳輸的光束分開。如果現在雨滴打溼了光通道，則對改變了的介質過渡(由此從玻璃/空氣到玻璃/水)臨界角從42°變大到60°，這樣現在光的大部分一考慮到作為下雨傳感器的功能以42°和60°之間的角度輸入一通過雨滴射出。與水份相關地消減的通道的導光性能在輸出位置(還是稜鏡或類似物)藉助光電二極體或光電電晶體測量。
不用如在全反射探測原理中那使用定義的基本信號的下降作為有效信號分析，也可以使用在光射入雨滴時散射或者反射的光束作為探測玻璃上的水份的有效信號。全反射和散射探測的結合也是可以的。例如由DE 43 29 188 A1公開了一種傳感器，在這種傳感器中光在玻璃中全反射地傳播。在打溼時光的一部分從玻璃中射出，但又在雨滴上散射回來並射向玻璃內表面，在那裡它可以通過接收器使用。
許多已公開的下雨傳感器直接使用汽車前風擋玻璃，或者前風擋玻璃的一個通常只延伸幾釐米的應探測被雨滴或其它液滴打溼探測區域作為波導體。由發射器射出的光藉助合適的耦合元件，例如稜鏡或全息耦合薄膜，從前風擋玻璃的內側輸入玻璃並重新輸出。因為一方面下雨傳感器不能透視的部分(發射器/接收器，殼體，分析電子設備)不允許影響駕駛員的視野，並且另一方面傳感器的探測區域必須放在前風擋玻璃的一個能通過刮水器裝置清潔的區域中，其間還要生成傳感器結構，此時附加的，在玻璃上或玻璃中形成的波導體用於連接探測區域和下雨傳感器的其它部分之間的距離，或者，用於連接前風擋玻璃不能用刮水器清潔的區域。
由上述此類專利DE 102 29 239 A1公開了一種下雨傳感器，在這種傳感器中附加的波導體構造在複合玻璃的中間層中。在一個合適的位置光從波導體中輸向玻璃外側，在那裡被全反射並重新輸入處於內部的波導體中，從而在玻璃外側的探測區域中存在的水份以希望的方式通過部分輸出導致光束的減弱，它可以然後以已知的方式分析。在此還公開了，引導元件和/或輸出元件是全息圖，由此導光元件對機動車的駕駛員是透明的並因此不限制他的視野。
本發明的任務在於，這樣改進此類的傳感器，即一不影響駕駛員的視野一特別是給傳感器形式或者傳感器結構一個大的變化輻度。
此任務根據本發明利用權利要求1的特徵解決。
在根據權利要求1的解決方案中，發射器和/或接收器設計成透明的併集成在玻璃中。通過按照本發明的透明的光學元件的組合及布置可以實現一不影響駕駛員的視線一不同結構的傳感器形式，由此明顯降低了玻璃以外的費用。根據本發明的傳感器可以用來探測玻璃外側面和/或內側上的水份，即用作下雨傳感器和/或冷凝水傳感器，並且他們可以一在較高的光學精度下一成本經濟地生產。透明的光學元件可以特別集成在複合玻璃的粘貼的中間層中。原則上上述的全反射的方法和/或散射探測的方法都可以用作探測原理。
在該解決方案的一種特別優選的變型中，發射器和接收器並排布置在玻璃上並且導光元件是準直鏡組，以使光束從發射器，經過探測區域，引導到接收器中。這種傳感器關於其布置在玻璃內部和外部的部分可以以大的靈活性和少的費用實現。
在另外一種特別節約空間的變型方案中，發射器和接收器是透明的發射器/接收器系統並且重疊地布置在刮水器能清潔的玻璃的刮水區域，其中發射器布置在接收器和那個設置為要探測的玻璃表面之間。同時導光元件是準直鏡組，以使光束從發射器，經過探測區域並穿過透明的發射器，引導入接收器中。
在所述變型方案中可以有選擇地設置玻璃的外側或內側用以探測。根據另一種有利的變型方案可以如下以簡單的方式進行雙面探測，即附加於為了在玻璃的第一表面上探測設置的第一透明光學元件(發射器，接收器，導光元件)之外，在玻璃中集成第二透明光學元件，它們為了在玻璃的對面的第二表面上探測而設置。其中第一和第二透明光學元件設計成關於一個平行於玻璃的探測側延伸的平面鏡像對稱。
以上所述變型方案的替代方案是，在這種解決建議的框架下，帶有附加波導體的實施方案也是可以的。它首先有這種方案，即發射器和接收器可選擇布置在刮水器能清潔的玻璃的刮水區域內或區域外。同時提出，在介於發射器和接收器之間的光通道的部分上的導光元件是集成在玻璃中的波導體，並且該波導體具有輸入元件，以將從玻璃的探測區域過來的光束輸入波導體。
在此變型方案的一種改進方案中提出，在發射器和光束輸向探測區域的輸出位置之間的光通道，以及在來自探測區域的光束的輸入位置和接收器之間的光通道的至少一部分分別是波導體，其中波導體在輸出位置具有輸出元件，在輸入位置具有輸入元件。關於處於探測區域「前面」和「後面」的波導體區域可以在必要時說成「兩件式」波導體或者「兩個」波導體。有利的是，或者發射器和接收器集成在波導體中，或者光束分別藉助另外的導光元件在波導體中輸入或者輸出，其中另外的導光元件分別是準直鏡組。
此外在探測區域「前面」設置波導體區域不是一定必需的。可以設置另外的導光元件代替它，以使光束直接，無波導體地，從發射器引導到探測區域，其中另外的導光元件是準直鏡組。
在所有帶有附加波導體的實施方案中有利的是，波導體具有玻璃薄膜作為芯並且具有由聚四氟乙烯製成的殼體層，及波導體布置在複合玻璃的粘貼的中間層內或之上。
對本發明所有的變型方案特別有利的是設置聚合物膜，該聚合物膜集成在複合玻璃的粘貼的中間層內或之上，並且透明的發射器，或者透明的發射器和透明的接收器構造在聚合物膜中。不過原則上，透明的光學元件也可以直接集成在PVB中間層內或之上，或在玻璃中的另一個合適的位置中。
本發明的實施例接下來藉助附圖詳細說明。圖中示出

圖1至4是通過機動車的前風擋玻璃的截面圖和根據本發明的傳感器在不含附加波導體的不同變型方案下的示意的部分視圖，圖5至10是相同的示圖，即帶有附加波導體的根據本發明的傳感器不同變型方案，圖11示出了不含附加波導體的實施方式的變型方案，並且圖12示出了帶有附加波導體的實施方式的變型方案。
在根據圖1至12的實施例中分別示出了已知的由複合玻璃製成的汽車前風擋玻璃的斷面，該複合玻璃具有子玻璃4和通常由聚乙烯醇縮丁醛(PVB)製成的粘貼的中間層5。
在圖1中傳感器的光源或者發射器1和接收器2分別製成透明的並且並排集成在PVB層5中。此外可以看出兩個分別是準直鏡組3的導光元件，它們分別以這種方式配屬於發射器1和接收器2或者布置在它們旁邊，使光束11從發射器1穿過子玻璃4被引導到玻璃的外側6上的探測區域12，在探測區域12上轉向並繼續再次穿過子玻璃4被引導到接收器2中。準直鏡組3可以分別由一個或多個具有反射，折射或衍射特性的光學元件組成。這些元件3可以，在直接布置在PVB-層5中時，以已知的全息方法生成，或者在布置在聚合物膜10上時，如進一步聯繫圖11所述，通過機械構造或藉助雷射產生。這些也適用於下面的實施例。
準直鏡組3以通常的方式改變波前或者使光束11的波前轉向，從而在探測區域12上的光束11可以被最優地探測。可以考慮光束11由於在乾燥的界面6情況下產生的全反射的幹擾的減弱、散射探測或組合的方法作為探測方法。這裡光束11可以通過準直鏡組3和/或其它措施象在下面的實施例中一樣引導，從而它多次和探測區域12相互作用。
發射器1和接收器2可以，一方面由於其透明性而不影響駕駛員的視野，可以布置在任意的為探測區域12設置的玻璃上的位置。另一方面傳感器應該不被一般處於風擋玻璃刮水器的刮水區域之外一在相應的情況下一的水份或不清潔度影響；因此探測區域12或者發射器1和接收器2可以並應該布置在用刮水器能清潔的玻璃的刮水區域中。
發射器1和接收器2可以通常只距離幾毫米布置。與分析電子設備或者供電設備的電連接要求只有幾微米厚，事實上看不見的導線，它從發射器1或者接收器2引向玻璃的外圍，並且必要時繼續引向玻璃以外的另外的傳感器部分。
圖3示出了一個實施例，其中發射器1和接收器2作為薄片結構重疊地布置，從而由發射器1發出並由準直鏡組3進一步引導的光束11在界面6上反射回來或散射回來，穿過透明的發射器層1並在處於其下的透明的接收器層2中被收集。由此在玻璃中實現非常緊湊的傳感器結構。
圖1和3在圖2或者圖4中各對應一種實施方式，在該實施方式中探測不限於一個可選擇的玻璃表面，而是可以同時探測玻璃的外側6和內側7。一種緊湊並生產工藝上有利的結構可以如圖示由此實現，即第一和第二光學元件基本上關於一個平行於玻璃的探測側延伸的平面鏡像對稱。
圖5至圖10示出了這種實施例，在該實施例中光束11在介於發射器1和接收器2之間的光通道的大部分上在波導體8中傳輸，該波導體布置在PVB層5內或之上。其中圖5至7是發射器1和接收器2兩者都透明的變型方案，而圖8至10中的變型方案具有不透明的接收器2。替代方案也可以是接收器透明而發射器不透明。波導體8在此使透明的發射器/接收器1和2，或者只是透明的發射器1，分別可選擇地定位在刮水器能清潔的玻璃的刮水區域內或區域外，因為最終只有探測區域12必須定位在刮水區域內。
如圖5所示，光束11首先在波導體8的第一部分中傳播，直到它在一個為希望的探測區域12選定的輸出位置藉助輸出元件9輸出到探測區域12。在玻璃的外側6上光束11在玻璃-空氣界面上或者在外表面6被水份打溼，在玻璃-水界面上反射，或者在當時已經存在的雨滴上散射並轉向，使光束11之後達到波導體8的第二部分，它在相應的輸入位置藉助輸入元件9這樣構造，使光束11在波導體8的第二部分中繼續傳播。耦合元件9可以例如是全息光柵。如在圖6中所示，耦合元件9也可以，特別是以標明的鏡像對稱的方式「加倍「，以實現玻璃上的雙面探測。
發射器1和接收器2可以，特別如在圖5和6中所示，直接集成在波導體8中，或者集成在兩個波導體部分中。不過它們也可以，參見根據圖7的雙面探測，布置在波導體8的外面，其中，如圖所示，可以分別設置一個準直鏡組3。
圖8至10對關於發射器1或者接收器2的布置和結構的變型方案進行說明。根據圖8，透明的發射器1可以和不透明的接收器2組合，其中後者布置在玻璃的外圍。在那裡它一方面不影響駕駛員的視野，另一方面弄髒的玻璃邊緣區域通過波導體8的右側區域連接。在圖9中示出了另一種方案並涉及另一耦合元件9，通過該元件光束11輸出到在機動車的內部的外部接收器2中。替代方案也可以是發射器不透明而接收器透明。
如在圖10中所示，存在一另外對具有透明的發射器1和接收器2的變型方案也一樣一這種方案，即設置一個另外的導光元件，以使光束11在玻璃中直接地無需波導體(部分)地從發射器1引導到探測區域12，其中這個另外的導光元件是準直鏡組3。
在根據圖5至10的變型方案中，波導體8可以有利地具有玻璃薄膜作為芯並且具有由聚四氟乙烯製成的殼體層，並且布置在複合玻璃粘貼的中間層5內或之上。此外對根據圖8至10的變型方案也存在擴展為雙面探測的可能性。
薄片形透明的發射器1和接收器2直接在PVB-層5中的集成原則上也是可以的。不過技術上容易實現的是藉助聚合物膜10的間接的集成，該聚合物膜集成在複合玻璃粘貼的中間層5內或之上。此時透明的發射器1，或透明的發射器1和透明的接收器2構造在聚合物膜10中。然後透明的薄片結構1和2可以有利地首先在聚合物膜10中生成，並且可以然後集成到PVB-層5中。
權利要求
1.用於探測機動車玻璃上的水份的光學傳感器，它帶有向接收器(2)發出光束的發射器(1)，其中光束在介於發射器和接收器之間的光通道上可以引導到玻璃上的布置在發射器和接收器之間的探測區域，其特徵在於，所述發射器(1)和/或接收器(2)設計成透明的併集成在玻璃中。
2.根據權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，-所述發射器(1)和接收器(2)並排地布置，以及-導光元件是透明的準直鏡組(3)，以使光束(11)從發射器(1)經過探測區域(12)引導到接收器(2)。
3.根據權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，-所述發射器(1)和接收器(2)重疊地布置，其中發射器(1)處於接收器(2)和玻璃的探測區域(12)之間，以及-導光元件是透明的準直鏡組(3)，以使光束(11)從發射器(1)經過探測區域(12)並穿過透明的發射器(1)引導到接收器(2)。
4.根據權利要求2或3所述的光學傳感器，其特徵在於，-除了為了在玻璃的第一表面上探測設置的第一透明光學元件(1，2，3，8，9)之外，在玻璃中集成第二透明光學元件(1，2，3，8，9)，它們為了在玻璃的對置的第二表面上探測而設置，-並且第一和第二透明光學元件(1，2，3，8，9)設計成關於平行於玻璃的探測表面(6，7)延伸的平面鏡像對稱。
5.根據權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，-在介於所述發射器(1)和接收器(2)之間的光通道的一部分上，集成在玻璃中的波導體(8)是透明的導光元件，-所述波導體(8)具有輸入元件(9)，以將從玻璃的探測區域(12)過來的光束(11)輸入波導體(8)中。
6.根據權利要求5所述的光學傳感器，其特徵在於，-在所述發射器(1)和光束(11)輸出到探測區域(12)的輸出位置之間的光通道的以及在來自探測區域(12)的光束(11)的輸入位置和接收器(2)之間的光通道的至少一部分分別是波導體(8)，其中所述波導體(8)在輸出位置具有輸出元件(9)，並在輸入位置具有輸入元件(9)，-並且所述發射器(1)和接收器(2)集成在波導體(8)中，或者光束(11)分別藉助另外的導光元件輸入波導體(8)中或者從其中輸出，其中另外的導光元件分別是透明的準直鏡組(3)。
7.根據權利要求5所述的光學傳感器，其特徵在於，設置另外的導光元件，以使光束(11)直接從發射器(1)引導到探測區域(12)，其中另外的導光元件是透明的準直鏡組(3)。
8.根據權利要求5至7中任意一項所述的光學傳感器，其特徵在於，所述波導體(8)具有玻璃薄膜作為芯並且具有由聚四氟乙烯製成的殼體層，並且波導體(8)布置在複合玻璃的粘貼的中間層(5)內或之上。
9.根據權利要求1至9中任意一項所述的光學傳感器，其特徵在於，-設置集成在複合玻璃的粘貼的中間層(5)內或之上的聚合物膜(10)，-並且所述透明的發射器(1)和/或透明的接收器(2)構造在聚合物膜(10)中。
全文摘要
對於一種用於探測機動車玻璃上的水份的光學傳感器，光束(11)可以引導到布置在介於發射器(1)和接收器(2)之間的光通道中的玻璃上的探測區域(12)，在此建議，所述發射器(1)和/或接收器(2)設計成透明的併集成在玻璃中。由此透明光學元件(1，2，3，8，9)可以布置在玻璃的刮水器能清潔的刮水區域內。
文檔編號B60S1/08GK101057133SQ200580038522
公開日2007年10月17日 申請日期2005年10月12日 優先權日2004年11月11日
發明者F·沃爾夫, V·馬圖澤維希, M·泰特韋勒, R·科瓦施克, K·哈羅德, A·帕克 申請人:羅伯特·博世有限公司