DE4201737C2 - Sensoreinrichtung zur Erfassung des Benetzungsgrades einer transparenten Scheibe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten Sensoreinrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung von auf einer transparenten Scheibe vorhandenem Niederschlag aus.

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

Durch die DE 33 14 770 C2 ist eine Sensoreinrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches vorausgesetzten Art bekanntgeworden. Bei diesem Gegenstand sind an einem mit einer transparenten Scheibe verbundenen Strahlenleitkörper zwei Linsen angeordnet, von denen eine einem Strahlensender und die andere einem Strahlenempfänger zugeordnet ist. Dabei können die Linsen am Strahlenleitkörper so vorhanden bzw. derart ausgestaltet sein, daß vom Strahlensender in divergierender Form ausgehende Strahlen dadurch parallelisiert und nach Reflexion an der dem Niederschlag ausgesetzten Scheibenoberfläche in dem Strahlenempfänger zugeführte konvergierende Strahlen umgesetzt werden.

Durch die DE-OS 24 20 594 ist darüber hinaus eine optoelektronische Sensoreinrichtung zur Erfassung von auf einer transparenten Scheibe vorhandenem Niederschlag bekanntgeworden, wobei zwecks senkrechtem Ein- bzw. Austritt der Strahlen in bzw. aus dem Strahlenleitkörper und zur gleichmäßigen Verteilung des Strahlengangs optische Mittel vorgesehen sind, die bezüglich ihrer wirksamen Oberfläche asphärisch ausgestaltet sind.

Außerdem sind durch die DE-Z "Zeiss-Information 24, Heft 88 aus 1978/1979, Seiten 19 bis 25" Hinweise bezüglich "Asphärische Optik" bekanntgeworden, durch die es einem Fachmann vorgegeben ist, daß Linsen billig aus Kunststoff im Spritzgußverfahren herstellbar sind, wobei mit denselben Öffnungsfehler korrigiert werden können.

Außerdem ist aus dem DE-GM 69 02 466 zu entnehmen, daß Signal/Rausch-Verhältnis für den Infrarot-Strahlenbereich mit Hilfe von asphärischen Linsen zu verbessern.

Im übrigen sind durch die US-PS 3,708,221 unterschiedlich gestaltete asphärische Linsen bekanntgeworden.

Allen vorgenannten Druckschriften sind aber keine Hinweise auf die konkrete Ausbildung der Linse(n) und eine besondere Zuordnung zum Strahlensender bzw. Strahlenempfänger entnehmbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, daß optimale Verhältnisse hinsichtlich der Ein- und Auskopplung der Strahlen in den bzw. aus dem Strahlenleitkörper mittels relativ einfach herzustellender Linsen gewährleistet sind und eine besonders kompakte Bauform durch die Ausgestaltung der Linsen und deren Zuordnung zum Strahlensender bzw. Strahlenempfänger realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausbildung ist, daß bei einfacher Herstellbarkeit der Linsen ein relativ großer Anteil der von dem Strahlensender emittierten Strahlen für die Messung ausnutzbar ist und daß durch die Wahl des Durchmessers der Linse entsprechend zumindest der doppelten Dicke der Scheibe der für die Kompaktheit der Einrichtung wesentliche Wert der Brennweite (Abstandsweite f) genügend klein gehalten ist.

Es ist zwar durch die EP 0 146 177 B1 eine asphärische Linse mit einer im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches beschriebenen, nach einem Polynom gestalteten Oberfläche bekanntgeworden. Die dort angegebene konkrete Ausbildung der Linse ist aber nicht für die Realisierung einer sehr kompakten Bauform einer Sensoreinrichtung der beanspruchten Art geeignet und Anregungen auf ein derartiges Vorgehen sind aus dieser Druckschrift nicht ableitbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Sensoreinrichtung mit ihren wesentlichen Bestandteilen,

Fig. 2 eine Sensoreinrichtung wie in Fig. 1 mit einer ersten Linsenvariante,

Fig. 3 eine Sensoreinrichtung wie in Fig. 1 mit einer zweiten Linsenvariante,

Fig. 4 eine Sensoreinrichtung wie in Fig. 1 mit einer dritten Linsenvariante,

Fig. 5 eine Sensoreinrichtung wie in Fig. 1 mit einer vierten Linsenvariante.

In der Zeichnung ist der Einfachheit halber nur der den Strahlensender umfassende Teil der Sensoreinrichtung dargestellt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht eine zur Erfassung des Benetzungsgrades einer vorzugsweise aus Glas bestehenden Scheibe I mit insbesondere tropfenförmigem Niederschlag vorgesehene Sensoreinrichtung im wesentlichen aus einem einerseits einem Strahlensender III (z. B. Typ SFH 485 P der Fa. Siemens) und andererseits einem der Einfachheit halber nicht dargestellten Strahlenempfänger (z. B. Typ SFH 205 der Fa. Siemens) zugeordneten Strahlenleitkörper II, der mittels optischem Kleber auf der nicht dem Niederschlag ausgesetzten inneren Oberfläche I′ der Scheibe I befestigt ist. Bei der Scheibe I handelt es sich insbesondere um die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, an der die in einem auch der Einfachheit halber nicht dargestellten Gehäuse angeordnete Sensoreinrichtung an exponierter, d. h. die Sicht nicht beeinträchtigender, jedoch für die Erfassung des Niederschlags prädestinierter Stelle der inneren Oberfläche I′ vorhanden ist. Der Strahlenleitkörper besteht dabei aus einem prinzipiell trapezförmig ausgebildeten Basisteil IIa, an dessen beiden sich gegenüberliegenden Trapezflächen IIa′ jeweils eine Strahlenlinse IIb mit ihrer eben ausgeführten Basisfläche IIb′ angeordnet ist. Die beiden gleich groß ausgeführten Trapezflächen IIa′ sind hierbei so am Basisteil IIa angeordnet, daß die Mittellinien der beiden Strahlenlinsen IIb um einen Winkel von etwa 90° gegeneinander versetzt sind. Die Strahlenlinsen IIb können dabei mit ihren Basisflächen IIb′ entweder an den Trapezflächen IIa′ z. B. unter Zuhilfenahme von jeweils einem Zentrierstift und optischem Kleber befestigt oder direkt am Basisteil IIa einstückig ausgeformt sein.

Um nunmehr die von dem Strahlensender III emittierten, ein divergierendes Strahlenbündel bildenden Strahlen optimal in den Strahlenleitkörper II und damit in die Scheibe I einzukoppeln, ist die Linsenoberflache IIb′′ vom Rand bis zum Zentrum nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestaltet und bis zu einem rotationssymmetrischen Körper fortgeführt. Der polynomförmige Verlauf kann dabei kontinuierlich oder unterbrochen gewählt sein, wobei sich im letzteren Fall eine sägezahnartige Kontur ergibt. Dadurch wird erreicht, daß das Intensitätsprofil kein ausgeprägtes Maximum im Zentrum aufweist, sondern sich in abgeflachter bzw. homogenisierter Form darstellt. Gegenüber einer üblicherweise verwendeten sphärischen Linse besteht dabei noch der Vorteil, daß auch im Randbereich der Linse IIb eine Parallelität der Strahlen erzielt wird. Zur Beeinflussung des Intensitätsprofils können an der Oberfläche IIb′′ der Linse IIb oder gegebenenfalls an der Basisfläche IIb′ der Linse IIb gezielt Störstellen in einer vom Zentrum zum Rand hin abnehmenden Konzentration vorhanden sein, wobei die Störstellengröße auf die statistische Durchtrittstropfengröße abgestimmt ist. Diese Störstellen können dabei entweder auf gedruckt oder eingeätzt bzw. in Form von Erhebungen oder Vertiefungen vorhanden sein. Der so ausgebildeten Linse IIb ist die quasi als Punkt anzusehende Strahlenemissionsfläche IIIa des Strahlensenders III mit einer Abstandsweite f′ zugeordnet und zwar ist die rechnerische, im Zusammenhang mit dem Strahlenwinkel stehende Abstandsweite f um die Differenz Δf korrigiert, die sich aus der Entfernung e der Strahlenemissionsfläche IIIa vom Strahlenaustrittsfenster IIIb bzw. der Dicke und dem Brechungsindex des Strahlenaustrittsfensters IIIb ergibt. Bei einer derart korrigierten Abstandsweite f′ und einer im vorstehend angegebenen Sinn ausgebildeten Linsenoberfläche ist es ohne weiteres möglich, den Durchmesser D der Linse II zumindestens zweimal so groß wie die Dicke d_s der Scheibe I zu wählen, woraus eine relativ große Meßfläche an der äußeren Oberfläche I′′ der Scheibe I resultiert. Aufgrund des optimierten Intensitätsprofils ergeben sich einerseits relativ gute Verhältnisse in optischer Hinsicht und zwar, weil eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch aus der eigentlichen Meßstrecke ausgekoppelte und dann aus irgendwelchen Gründen wieder eingekoppelte Strahlen weitgehend ausgeschlossen ist. Andererseits wird die Energieausbeute und damit das verbessert. Darüberhinaus bringt eine derart ausgebildete asphärische Linse nur ein relativ geringes Bauvolumen mit sich, wobei im Zusammenhang mit der kompletten Sensoreinrichtung eine kompakte Bauform realisierbar ist, denn der Strahlensender III bzw. der Strahlenempfänger kann mit einer sehr kleinen Abstandsweite f′ von der Linse IIb angebracht werden.

Da die dem nicht dargestellten Strahlenempfänger zugeordnete, am anderen Ende des Strahlenleitkörpers IIa vorhandene, die an der äußeren Oberfläche I′′ der Scheibe reflektierten Strahlen als konvergierendes Strahlenbündel auskoppelnde Linse genauso wie die dem Strahlensender III zugeordnete Linse IIb ausgebildet ist, erübrigt sich ein näheres Eingehen auf diesen Bereich.

Die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Varianten der Sensoreinrichtung beziehen sich auf Ausgestaltungen der Linsenoberfläche IIb′′.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Linsenoberfläche IIb′′ vom Rand zum Zentrum hin in breitenmäßig gleich abgestufter Form vorhanden, wobei der Verlauf der einzelnen, jeweils die gleiche Breite b aufweisenden Stufen nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestaltet ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Linsenoberfläche IIb′′ ebenfalls in breitenmäßig gleich abgestufter Form vorhanden, wobei der Verlauf der einzelnen, jeweils die gleiche Breite b aufweisenden Stufen auch nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestaltet ist. Zusätzlich ist bei dieser Variante der Ausgangspunkt jeder einzelnen Stufe in dieselbe Tiefenebene gelegt.

Auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Linsenoberfläche IIb′′ in breitenmäßig gleich abgestufter Form vorhanden, wobei der Verlauf der einzelnen, jeweils die gleiche Breite b aufweisenden Stufen auch nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestaltet ist. Bei dieser Variante liegen die Ausgangspunkte der einzelnen Stufen in unterschiedlichen Tiefenebenen. Hierdurch wird eine Massereduzierung im Zentrum der Linse IIb erreicht, was neben einer Gewichtseinsparung noch den Vorteil der Vermeidung von Einfallstellen beim Herstellungsprozeß mit sich bringt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist die Linsenoberfläche IIb′′ wiederum in abgestufter Form vorhanden, wobei der Verlauf der einzelnen Stufen auch nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestaltet ist. Bei dieser Variante sind die Breiten der einzelnen Stufen zwar unterschiedlich, aber dafür liegen die Ausgangspunkte der Stufen wiederum in derselben Tiefenebene.

Bei solchen ggf. auch mit Störstellen zu versehenden Ausführungsformen wird das Intensitätsprofil noch weiter homogenisiert.

Werden derartige Ausführungsformen eingesetzt, so ist lediglich darauf zu achten, daß an den parallel zur Längsachse der Linse IIb liegenden Oberflächenbereichen der Linsenoberfläche IIb′ durch geeignete Maßnahmen - wie z. B. Mattieren derselben - sicher­ gestellt ist, daß keine Strahlen dort eingekoppelt werden können.

Claims (10)

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung des Benetzungsgrades einer vorzugsweise aus Glas bestehenden transparenten Scheibe mit insbesondere tropfenförmigem Niederschlag, wobei an die nicht dem Niederschlag ausgesetzte innere Oberfläche der Scheibe im Bereich des von einer motorisch betriebenen Scheibenwischeinrichtung erfaßten Wischfeldes die vordere Oberfläche von einem prinzipiell trapezförmig ausgebildeten Strahlenleitkörper mittels optischen Kleber angekoppelt ist, dessen jeweils unter einem Winkel von etwa 90° stehende, etwa gleichgroß ausgeführte Trapezflächen in räumlicher Trennung voneinander jeweils ein Strahlensender bzw. ein Strahlenempfänger über jeweils eine Linse derart zugeordnet sind, daß vom Strahlensender in divergierender Form emittierte Strahlen über die zugeordnete, eine im Prinzip konvex ausgebildete Linsenoberfläche aufweisende Linse parallelisiert in den Strahlenleitkörper eingekoppelt und in Abhängigkeit von dem auf der Scheibe befindlichen Niederschlag reflektiert, sowie über die dem Strahlenempfänger zugeordnete, ebenfalls eine im Prinzip konvex ausgebildete Linsenoberfläche aufweisende Linse ausgekoppelt und in konvergierender Form dem Strahlenempfänger zugeleitet werden, der jeweils ein von der zugeordneten Niederschlagsmenge abhängiges Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Strahlensender (III) und die dem Strahlenempfänger jeweils zugewandte Linsenoberfläche (IIb′′) in ihrem Verlauf zumindest partiell nach einem gleich/größer dritten Grades gewählten Polynom asphärisch gestaltet und der jeweilige Durchmesser (D) der Linse zumindest zweimal so groß wie die Dicke (d_s) der Scheibe (1) ausgebildet ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestalteten Linsenoberfläche (IIb′′) in kontinuierlicher Form vom Rand bis zum Zentrum der Linse (IIb) vorhanden ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der nach einem gleich oder größer dritten Grades gewählten Polynom gestalteten Linsenoberfläche (IIb′′) in abgestufter Form vom Rand bis zum Zentrum der Linse (IIb) vorhanden ist.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einer Linse (IIb) zugeordnete Strahlensender (III) mit einem ebenen, das divergierende Strahlenbündel brechenden Strahlenaustritts-Fenster (IIIb) versehen ist, von dessen Oberfläche die quasi als Punkt sich darstellende Strahlenemissionsfläche (IIIa) in einer bestimmten Entfernung (e) angeordnet ist und daß die Strahlenemissionsfläche (IIIa) mit einer bestimmten, in Abhängigkeit von der Entfernung (e) und der Dicke sowie dem Brechungsindex des Strahlenfensters (IIIb) korrigierten. Abstandsweite (f′) von der Basisfläche (IIb′) der Linse (IIb) angeordnet ist.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (IIb) einen gegenüber der Dicke (d_s) der Scheibe (I) zumindest zweimal größeren Durchmesser (D) aufweisen.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die dem Strahlensender (III) zugeordnete Linse (IIb) mit definiert angeordneten, eine gleichmäßige Intensitätsverteilung der Strahlen des Strahlenbündels bewirkenden Störstellen (IIb*) in einer vom Zentrum der Linse (IIb) zum Rand derselben hin abnehmenden Art und Weise versehen ist.

7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (IIb*) auf der Linsenoberfläche (IIb′′) in aufgedruckter Form vorhanden sind.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Linsenoberfläche (IIb′′) vorhandenen Störstellen (IIb*) durch Einsatz der Ätztechnik realisiert sind.

9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (IIb*) durch in die Linsenoberfläche (IIb′′) eingebrachte Ausnehmungen gebildet sind.

10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (IIb*) durch an die Linsenoberfläche (IIb′′) angeformte Erhebungen gebildet sind.