DE102013009126B4

DE102013009126B4 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102013009126B4
Application number: DE102013009126.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Niemann; Carsten THUN
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2025-02-20
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN104215267B; CN104215267A; DE102013009126A1; US9470622B2; US20140353474A1; RO130943A2

Abstract

Sensorvorrichtung zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Scheibe (4) mit einem Sender (2) und einem Empfänger (3) und mit einer zwischen dem Sender (2) und dem Empfänger (3) angeordneten Optik (1), wobei die Optik (1) eine obere Ebene (13, 23) zum Anschluss an eine Scheibe (4) aufweist und wobei die Optik (1) einen Auskoppelbereich (8), der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik (1) in die Scheibe (4) dient, und einen Einkoppelbereich (16) aufweist, der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe (4) in die Optik (1) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich (8) mindestens zwei in einem Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1) in Richtung des Einkoppelbereichs (16) geneigte Flächen (9, 10, 11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Scheibe mit einem Sender und einem Empfänger und mit einer zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordneten Optik, wobei die Optik eine obere Ebene zum Anschluss an eine Scheibe aufweist und wobei die Optik einen Auskoppelbereich, der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik in die Scheibe dient, und einen Einkoppelbereich aufweist, der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe in die Optik dient. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Optik für eine solche Sensorvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Windschutzscheibe und einer daran angeordneten Sensorvorrichtung.
Aus der DE 40 06 174 C1 ist eine erste Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser ersten bekannten Sensorvorrichtung ist an der Windschutzscheibe eine Optik angeordnet, in die an dem einen Ende von einem Strahlensender eine Strahlung eingeleitet wird. Die Strahlung wird in der Optik und der an der Oberseite der Optik anliegenden Scheibe mehrfach reflektiert. In Abhängigkeit von dem Benetzungsgrad der Scheibe erfolgt eine Auskopplung der Strahlen aus der Scheibe. Am anderen Ende der Optik ist ein Empfänger angeordnet, der ein der Niederschlagsmenge umgekehrt proportionales Signal liefert. Die Sensorvorrichtung arbeitet dabei auf dem optischen Prinzip der Totalreflektion.
Eine zweite Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2007 036 492 B4 bekannt. DE 100 01 705 A1 , DE 10 2008 061 616 A1 und FR 2 722 291 A1 offenbaren weitere Sensorvorrichtungen.
Es besteht das grundsätzliche Problem, dass der für die Sensorvorrichtung zur Verfügung stehende Raum immer kleiner wird. Damit wird auch die Fläche der Optik, die den sensierenden Bereich ausbildet, immer kleiner. Das erhaltene Signal wird dadurch ungenauer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei kleiner Bauform noch ein nutzbares Signal zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Scheibe liefert.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Hinsichtlich einer Optik erfolgt die Lösung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und hinsichtlich eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Bei einer Sensorvorrichtung zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Scheibe mit einem Sender und einem Empfänger und mit einer zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordneten Optik, wobei die Optik eine obere Ebene zum Anschluss an eine Scheibe aufweist und wobei die Optik einen Auskoppelbereich, der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik in die Scheibe dient, und einen Einkoppelbereich aufweist, der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe in die Optik dient, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Auskoppelbereich mindestens zwei in einem Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene der Optik in Richtung des Einkoppelbereichs geneigte Fläche aufweist. Damit wird erreicht, dass die von dem Sender in die Optik eingeleiteten elektromagnetischen Strahlen besonders gut im Auskoppelbereich aus der Optik ausgekoppelt und in die Windschutzscheibe eingekoppelt werden. Die obere Ebene der Optik bezeichnet keine durchgängige Ebene in einem flächigen Sinn, sondern den gesamten sich an die Scheibe anschließenden Bereich. Dieser ist nicht durchgängig eben ausgebildet, sondern weist beispielsweise die erfindungsgemäßen geneigten Flächen im Auskoppelbereich auf.
Bevorzugt haben die geneigten Flächen einen Neigungswinkel zwischen 4° und 10° gegenüber der oberen Ebene. Besonders bevorzugt weisen die geneigten Flächen einen Winkel von 5° gegenüber der oberen Ebene der Optik auf. Da der Empfänger die elektromagnetische Strahlung seitlich in die Optik sendet, wird der Winkel, unter dem die elektromagnetischen Strahlen auf die geneigten Flächen treffen, im Vergleich zu nicht geneigten Flächen größer. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Auskoppelbereich vier geneigte Flächen auf. Von diesen vier geneigten Flächen sind mindestens zwei in Richtung des Einkoppelbereichs geneigt. Bevorzugt ist jedoch eine geneigte Fläche oder sind in einer anderen Ausführungsform zwei der geneigten Flächen in Richtung des Senders geneigt.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist auch der Einkoppelbereich mindestens eine gegenüber der oberen Ebene der Optik geneigte Fläche auf. Der Einkoppelbereich ist der Bereich, in dem das Licht aus der Scheibe in die Optik eingekoppelt wird. Dieser ist benachbart zum Empfänger der Sensorvorrichtung angeordnet. Durch diese Ausgestaltung der Geometrie des Einkoppelbereichs wird eine besonders gute Auskopplung des Lichts aus der Windschutzscheibe in den Einkoppelbereich erreicht. Die geneigte Fläche des Einkoppelbereichs weist bevorzugt einen Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene der Optik auf und besonders bevorzugt einen Neigungswinkel zwischen 4° und 10° gegenüber der oberen Ebene der Optik auf. Besonders bevorzugt weist die geneigte Flächen einen Winkel von 5° gegenüber der oberen Ebene der Optik auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Einkoppelbereich mindestens zwei geneigte Flächen auf, deren geneigte Flächen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, insbesondere in der Neigung aufeinander zulaufend ausgerichtet sind. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist der Einkoppelbereich zwei oder mehr geneigte Flächen auf, die in ihrer Neigung auf den Auskoppelbereich zulaufen. Diese sind bevorzugt randseitig, also besonders nah am Empfänger ausgebildet. Die am weitesten vom Empfänger entfernte geneigte Fläche oder auch die am weitesten und am zweitweitesten entfernte geneigte Fläche sind bevorzugt in Richtung des Empfängers geneigt, also entgegengesetzt geneigt zu den vorher genannten geneigten Flächen.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist die Optik zwischen dem Auskoppelbereich und dem Einkoppelbereich an ihrer Unterseite, also der oberen Ebene gegenüberliegend, eine konvexe Form auf. Durch diese speziell angepasste geometrische Form an der Unterseite der Optik wird die innere Totalreflektion realisiert, so dass die elektromagnetischen Strahlen im Inneren der Optik nahezu verlustfrei reflektiert werden. Diese konvexe Form ist zwischen dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich angeordnet. Die geneigten Flächen des Auskoppelbereichs sind in Richtung des Einkoppelbereichs geneigt. Nur die geneigten Flächen, die vollständig oberhalb des Zwischenbereichs der Unterseite sind, der die konvexe Form hat, sind mit ihrer Neigung in Richtung des Einkoppelbereichs geneigt.
Dies gilt umgekehrt auch für die geneigten Flächen des Einkoppelbereichs. Nur die geneigten Flächen im Einkoppelbereich, die vollständig oberhalb des Zwischenbereichs mit der konvexen Form an der Unterseite sind, sind in Richtung des Einkoppelbereichs bzw. des Empfängers geneigt.
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Optik auf ihrer Oberseite zwischen dem Auskoppelbereich und dem Einkoppelbereich einen zentralen ebenen Bereich auf. Dieser Bereich trennt letztlich den Einkoppelbereich und den Auskoppelbereich voneinander. Unterseitig existiert der Zwischenbereich, der die jeweils mittleren Abschnitte des Einkoppelbereichs und des Auskoppelbereichs übergreift. Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Optik eine dem Sender gegenüberliegende Einkoppeloptik auf, die nach Art einer Schüssel mit einem konvex nach außen vorstehenden Boden ausgebildet ist. Dadurch erfolgt eine besonders gute Fokussierung und eine Sammlung von Streulicht. Dadurch erfolgt eine maximale Lichteinkopplung in die Optik. Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung einschließlich des Senders und des Empfängers, die bevorzugt als Dioden ausgebildet sind, auf Wellenlängen von 880 nm bis 920 nm abgestimmt.
Ein anderer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Optik für die obengenannte Sensorvorrichtung, wobei die Optik eine obere Ebene zum Anschluss an eine Scheibe aufweist und wobei die Optik einen Auskoppelbereich, der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik in die Scheibe dient und einen Einkoppelbereich aufweist, der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe in die Optik dient. Weiterhin weist der Auskoppelbereich der erfindungsgemäßen Optik mindestens zwei in einem Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene der Optik in Richtung des Einkoppelbereichs geneigte Flächen auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Kraftfahrzeugs mit einer Windschutzscheibe und einer daran angeordneten Sensorvorrichtung zum Erfassen von Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe. Die Sensorvorrichtung ist dabei entsprechend der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in schematischer Darstellung mit einer darauf angeordneten Scheibe;
2: eine perspektivische Ansicht der Optik der Sensorvorrichtung gemäß 1;
3: einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einem Gehäuse.

In 1 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in schematischer Darstellung mit einer darauf angeordneten Scheibe 4 dargestellt. Die Sensorvorrichtung weist im Wesentlichen eine Optik 1, einen Sender 2 und einen Empfänger 3 auf. Die Optik 1 ist dabei anliegend an eine Scheibe 4 angeordnet. Die Optik 1 weist dazu eine obere Ebene 13 zum Anschluss an die Scheibe auf. Die Optik 1 hat dabei keine durchgehende obere Ebene, sondern ist nur teilweise im oberen Bereich eben ausgebildet. Der Begriff der oberen Ebene bezeichnet die Oberseite, die zum Anschluss an die Scheibe 4 vorgesehen ist. Der Sender 2 ist typischerweise als Diode ausgebildet und strahlt elektromagnetische Strahlen in die Optik 1 ein. Dazu weist die Optik 1 dem Sender 2 gegenüberliegend eine Einkoppeloptik 5 auf, die nach Art einer Schüssel 7 mit einem konvex nach außen vorstehenden Boden 6 ausgebildet ist. Die elektromagnetischen Strahlen gelangen dann von der Optik 1 über einen Auskoppelbereich 8 in die Scheibe 4. An der Oberseite der Scheibe 4 werden die elektromagnetischen Strahlen reflektiert und werden letztlich mehrfach zwischen der Optik 1 bzw. deren Unterseite 21 und der Oberseite der Scheibe 4 reflektiert. Wenn die Scheibe 4 mit Wasser oder Regen benetzt ist, werden elektromagnetische Strahlen aus diesem System ausgekoppelt und die Intensität nimmt ab. Die Abnahme der Intensität am Empfänger 3, der typischerweise ebenfalls eine Diode ist, ist dann ein Maß für die Benetzung der Scheibe 4 auf der Oberseite. Der Auskoppelbereich 8 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei geneigte Flächen 9, 10 und 11 auf, die eine Neigung in Richtung des Empfängers 3 oder eines in der Nähe des Empfängers 3 angeordneten Einkoppelbereichs 16 haben. Der Winkel α beträgt zwischen 2 und 20°, bevorzugt 4° bis 10° und insbesondere 5° bis 8°. Durch diese Geometrie auf der Oberseite des Lichtleiters kommt es zu einer besonders hohen Kopplung des Lichts aus der Optik 1 und einer besonders guten Einkopplung des Lichts in die Scheibe 4. Weiterhin ist eine der geneigten Fläche 11 spiegelsymmetrisch gegenüberliegende Fläche 14 vorgesehen, die in umgekehrter Richtung, also in Richtung des Empfängers des Senders 2 geneigt ist. Die geneigten Flächen 11 und 14 sind durch eine im Querschnitt dreieckige Spitze 12 voneinander getrennt. Die zum Sender 2 geneigte Fläche 14 befindet sich vollständig oberhalb der Unterseite 21, soweit diese eine konvexe Form hat und zwischen dem Auskoppelbereichs 16 und dem Einkoppelbereich 8 liegt. Etwa in der Mitte der Optik 1 ist ein zentraler ebener Bereich 13 vorgesehen. Dieser ist tatsächlich eben und anliegend an die Scheibe 4 ausgebildet. Im rechten Bereich der 1, also benachbart zum Empfänger 3 ist ein Einkoppelbereich 16 vorgesehen, in dem die elektromagnetischen Strahlen aus der Scheibe 4 maximal in die Optik 1 gekoppelt bzw. aus der Scheibe 4 ausgekoppelt werden. Auch hier sind mehrere geneigte Flächen vorgesehen. Dies sind insbesondere die Flächen 17 und 20, die unmittelbar benachbart zu dem Empfänger 3 sind und in Richtung des Senders 2 oder in Richtung des Auskoppelbereichs 8 geneigt sind. Die Flächen 17 und 20 sind mit einem Winkel β gegenüber der oberen Ebene 13 geneigt. Der Winkel der Neigung beträgt zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 4° und 10° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 8°. In Richtung zum Sender 2 anschließend ist eine weitere geneigte Fläche 18 vorgesehen, die in Richtung des Empfängers 3 geneigt ist. Die Flächen 18 und 17 sind dabei symmetrisch zueinander rechts und links zu einer im Querschnitt dreieckigen Struktur 19 angeordnet. Die Fläche 18 befindet sich vollständig oberhalb der konvexen Unterseite 21 der Optik 1. In Richtung des Senders 2 daneben befindet sich eine weitere geneigte Fläche 15, die ebenfalls in Richtung des Empfängers 3 geneigt ist, also dieselbe Neigung aufweist wie die geneigte Fläche 18. Die Flächen 15, 17, 18 und 20 sind alle mit demselben Winkel, insbesondere mit einem Winkel zwischen 4° und 8° geneigt. Die Flächen 15 und 18 haben dabei eine Neigung in Richtung des Empfängers 3, während die Flächen 17 und 20 eine Neigung in Richtung des Senders 2 haben. Diese beiden Gruppen von Flächen sind daher entgegengesetzt geneigt zueinander.
In 2 ist eine Optik 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Im Gegensatz zur 1 ist hier also weder die Scheibe 4, noch der Sender 2 noch der Empfänger 3 dargestellt. Gut zu sehen ist hier die Einkoppeloptik 5, die nach Art einer Schüssel 7 ausgebildet ist und dabei einen konvex nach außen also in Richtung des Senders 2 vorstehenden Boden 6 aufweist. Die obere Ebene, die zur Anlage an die Scheibe 4 vorgesehen ist, ist in einem mittleren zentralen Bereich 13 und in einem umlaufenden Rahmen 23 auch flächig ausgebildet und zur Anlage an die Scheibe 4 vorgesehen. In den übrigen Bereichen sind im Wesentlichen die geneigten Flächen 9, 10, 11 und 14 des Auskoppelbereichs 8 und die geneigten Flächen 15, 17, 18 und 20 des Einkoppelbereichs 16 vorgesehen. Benachbart zum Empfänger 3 ist eine Auskoppeloptik 22 vorgesehen. Diese ist im Wesentlichen als konvex ausgebildete kugelförmige Fläche ausgestaltet.
In 3 ist vergleichbar zu 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Querschnitt dargestellt. Im Gegensatz zu 1 ist hier die Darstellung seitenverkehrt, d. h. auf der rechten Seite ist der Sender 2 und auf der linken Seite ist der Empfänger 3 angeordnet. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist ein Gehäuse 30 vorgesehen, in dem der Sender 2 auf einer Platine 31 und der Empfänger 3 auf einer Platine 32 angeordnet ist. Sender 2 und Empfänger 3 sind bevorzugt Dioden, die im Infrarotbereich von 880 nm bis 920 nm arbeiten.
Bei den geneigten Flächen 9, 10, 11, 14, 15, 17, 18, 20 sind die Winkel eingezeichnet. Diese betragen für die Neigung 5° und für die kurze angestellte Fläche 47°. Die konvex ausgeformte Unterseite 21 ist als Teil eines Kreisumfangs ausgebildet.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Sensorvorrichtung zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Scheibe (4) mit einem Sender (2) und einem Empfänger (3) und mit einer zwischen dem Sender (2) und dem Empfänger (3) angeordneten Optik (1), wobei die Optik (1) eine obere Ebene (13, 23) zum Anschluss an eine Scheibe (4) aufweist und wobei die Optik (1) einen Auskoppelbereich (8), der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik (1) in die Scheibe (4) dient, und einen Einkoppelbereich (16) aufweist, der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe (4) in die Optik (1) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich (8) mindestens zwei in einem Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1) in Richtung des Einkoppelbereichs (16) geneigte Flächen (9, 10, 11) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigten Flächen (9, 10, 11) des Auskoppelbereichs (8) einen Neigungswinkel zwischen 4° und 10° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (16) mindestens eine gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1) geneigte Fläche (15, 17, 18, 20) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Fläche (15, 17, 18, 20) des Einkoppelbereichs (16) einen Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1), insbesondere zwischen 4° und 10° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1), aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (16) mindestens zwei geneigte Flächen (15, 17, 18, 20) aufweist und dass hiervon mindestens zwei geneigte Flächen (17, 18) des Einkoppelbereichs (16) entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, insbesondere in der Neigung aufeinander zulaufend ausgerichtet sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (1) zwischen dem Auskoppelbereich (8) und dem Einkoppelbereich (16) an ihrer Unterseite, also der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1) gegenüberliegend, eine konvexe Form aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (1) auf ihrer der Scheibe (4) zugewandten Oberseite zwischen dem Auskoppelbereich (8) und Einkoppelbereich (16) einen zentralen ebenen Bereich (13), mit dem die obere Ebene (13, 23) der Optik (1) ausgebildet ist, aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (1) eine dem Sender (2) gegenüberliegende Einkoppeloptik (5) aufweist, die nach Art einer Schüssel (7) mit einem konvex nach außen vorstehenden Boden (6) ausgebildet ist.
Optik (1) für eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer oberen Ebene (13, 23) zum Anschluss an eine Scheibe (4) und einem Auskoppelbereich (8), der zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlen aus der Optik (1) in die Scheibe (4) dient, und einem Einkoppelbereich (16), der zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Scheibe (4) in die Optik (1) dient, wobei der Auskoppelbereich (8) mindestens zwei in einem Neigungswinkel zwischen 2° und 20° gegenüber der oberen Ebene (13, 23) der Optik (1) in Richtung des Einkoppelbereichs (16) geneigte Flächen (9, 10, 11) aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Scheibe (4), insbesondere einer Windschutzscheibe, und einer daran angeordneten Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.