DE10156185A1 - Optische Sensoreinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensoreinrichtung mit mindestens einem optischen Sender und/oder mindestens einem optischen Empfänger (3), wobei dem mindestens einen Sender und/oder Empfänger (3) jeweils ein an die Innenseite einer Kraftfahrzeugscheibe ankoppelbares optisches Führungselement (2), dessen optische Achse (OA) gegen die Scheibennormale geneigt ist, zur Einkopplung von Licht in die Scheibe (5) bzw. zur Auskoppelung von Licht aus der Scheibe (5) zugeordnet ist. Dabei ist das optische Führungselement (2) einstückig in einer Trägerplatte (1) angeordnet und schließt auf der dem Sender und/oder Empfänger (3) abgewandten Seite bündig mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) ab. Das optische Führungselement (2) besteht aus einem Lichtleitkörper (20), der zumindest in Teilbereichen eine zylindrische Mantelfläche (20A) aufweist, und einer einstückig mit dem Lichtleitkörper (20) verbundenen konvexen Sammellinse (21). Erfindungsgemäß ist nun der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (21A) der Sammellinse (21) und dem Schnittpunkt der optischen Achse (OA) mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) so gering, daß die Sammellinse (21) zumindest teilweise im Bereich der Wandstärke der Trägerplatte (1) angeordnet ist, wobei zumindest die Sammellinse (21) des optischen Führungselements (2) zugunsten des Materials der Trägerplatte (1) kreissegmentartig parallel zur optischen Achse unter Ausbildung einer Abflachung (23) beschnitten ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensoreinrichtung mit mindestens einem optischen Sender und/oder mindestens einem optischen Empfänger, wobei dem mindestens einen Sender/Empfänger jeweils ein an die Innenseite einer Kraftfahrzeugscheibe ankoppelbares optisches Führungselement, dessen optische Achse gegen die Scheibennormale geneigt ist, zur Einkopplung von Licht in die Scheibe bzw. zur Auskoppelung von Licht aus der Scheibe zugeordnet ist. Die verwendete Messstrahlung liegt dabei bevorzugt im infraroten oder auch im sichtbaren Spektralbereich.
• Eine derartige Sensoreinrichtung ist beispielsweise aus der DE 199 55 423 A1 bekannt. Diese Sensoreinrichtung dient der Erfassung des Benetzungs- und/oder Verschmutzungsgrades einer Kraftfahrzeugscheibe. Bei dieser Einrichtung sind die optischen Führungselemente einstückig in einer Trägerplatte angeordnet, die gleichzeitig den Deckel des Gehäuses der Sensoreinrichtung bildet. Die für die Messlichtstrahlen transparenten optischen Führungselemente werden im Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren einstückig mit der nicht transparenten Trägerplatte hergestellt, wobei das optische Führungselement auf der den Sendern und Empfängern abgewandten Seite bündig mit der Oberseite der Trägerplatte abschließt. Die Oberseite der Trägerplatte bildet so eine planare Fläche, die zur Ankoppelung der optischen Führungselemente an der Scheibeninnenseite zur Anlage gebracht wird. Für diesen Zweck wird die Oberseite der Trägerplatte über eine Klebeschicht als Koppelmedium haftend an der Scheibeninnenseite befestigt, wobei die Klebeschicht vorzugsweise die gleichen optischen Eigenschaften wie die Führungselemente und die Scheibe aufweist. Alternativ zur Klebeschicht kann auch beispielsweise ein Silikonpad als Koppelmedium vorgesehen sein, über das die Oberseite der Trägerplatte gegen die Scheibeninnenseite gedrückt wird. Die Schrägstellung (Neigung) der optischen Achse des jeweiligen Führungselements gegen die Scheibennormale ist notwendig, um die Messlichtstrahlen unter einem Winkel größer oder gleich dem Winkel der Totalreflexion in die Scheibe einzukoppeln bzw. nur solches Licht aus der Scheibe in Richtung auf den zugehörigen Empfänger auszukoppeln, das unter einem Winkel der Totalreflexion an der Grenzfläche der Scheibenaußenseite reflektiert wurde. Das in der DE 199 55 423 A1 gezeigte optische Führungselement besteht aus einem Lichtleitkörper mit einer zylindrischen Mantelfläche und einer konvexen, rotationssymmetrischen Sammellinse, die auf dem dem Sender/Empfänger zugewandten Ende des Lichtleitkörpers einstückig mit diesem angeordnet ist. Dabei ragt der Lichtleitkörper mit der Sammellinse weit über die Unterseite der Trägerplatte hinaus. Die Sender bzw. Empfänger liegen auf der optischen Achse des jeweils zugehörigen optischen Führungselements, wobei der Abstand zwischen der Sammellinse und dem Sender/Empfänger in etwa der Brennweite der Sammellinse entspricht. Die bei definierter Brennweite vorgegebene Lage des Senders bzw. Empfängers vor bzw. hinter der Sammellinse bestimmt damit auch den Abstand des Senders/Empfängers zur Trägerplatte sowie den Abstand des Senders/Empfängers zur Mittellinie der Trägerplatte, wodurch letztendlich die Höhe und die Basisfläche des Gehäuses der Sensoreinrichtung und damit auch dessen Bauraum mitbestimmt wird.
• Die Verwendung einer kleineren Brennweite zur Bauraumoptimierung geht zu Lasten der optischen Abbildungseigenschaften. Außerdem wird der relative Fehler bei der Positionierung des Senders/Empfängers gegenüber der Sammellinse in bezug auf die Brennweite bei kleinerer Brennweite größer.
• Da die Sensoreinrichtung an der Windschutzscheibe im Blickfeld des Fahrers angebracht wird, ist es wichtig, daß das Gehäuse der Sensoreinrichtung möglichst klein ist, um die Sicht des Fahrers nicht zu beeinträchtigen. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn der Lichtleitkörper parallel zu seiner optischen Achse möglichst kurz ist, und nicht - wie in der DE 199 55 423 A1 gezeigt - weit über die Unterseite der Trägerplatte hinausragt. Es ist mit anderen Worten zur Verkleinerung des Bauraums wünschenswert, daß die Sammellinse bzw. die für die Parallelisierung/Fokussierung wirksame Oberfläche der Sammellinse möglichst nah an den Schnittpunkt der optischen Achse mit der Trägerplatten-Oberseite heranrückt. Dies kann durch eine "Verschiebung" der Sammellinse parallel zur optischen Achse auf Kosten der Länge des Lichtleitkörpers erfolgen. Aufgrund der Neigung der optischen Achse zur Scheibennormalen (und damit auch zur Normalen der Trägerplatte) und aufgrund des Linsendurchmessers, der möglichst groß sein soll, um viel Licht aufzunehmen, stößt der der Trägerplatte zugewandte äußerste Rand der Sammellinse allerdings bei dieser "Verschiebung" gegen die Unterseite der Trägerplatte, wodurch diese Art der Bauraumoptimierung begrenzt wird.
• Um den Bauraum weiterhin zu reduzieren, ist bei der Sensoreinrichtung gemäß WO 01/05626 in der Trägerplatte jeweils um die optischen Führungselemente herum ein Bereich mit reduzierter Wandstärke vorgesehen, um den Rand der Sammellinse bei weiterer Verschiebung dort aufzunehmen. Damit liegt ein Teil der Sammellinse dann in einer Aussparung der Trägerplatte, die durch Wandstärkenreduktion geschaffen wurde. Da jedoch eine gewisse Restwandstärke für die mechanische Stabilität der Trägerplatte notwendig ist, kann die Wandstärke nicht beliebig bis zum Wert Null reduziert werden, so daß auch hier der Bauraumoptimierung Grenzen gesetzt sind.
• Ein weiteres Problem besteht in der einwandfreien Herstellung der optischen Führungselemente im Spritzgießverfahren, da bereits kleinste Ungenauigkeiten und Fehler, z. B. Einfallstellen aufgrund von Schwindung, die optische Qualität hinsichtlich der Lichtführung stark beeinträchtigen. Dabei ist dieses Problem umso schwieriger je größer das abzuspritzende Volumen des optischen Führungselementes (Sammellinse + Lichtleitkörper) ist. Andererseits soll der Durchmesser der Sammellinse und des Lichtleitkörpers möglichst groß sein, um viel Licht aufnehmen zu können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der WO 01/05626 eine Sensoreinrichtung zu schaffen, deren Bauraum weiter reduziert ist, und wobei die optischen Führungselemente einfacher und zuverlässiger herzustellen sind.
• Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Sammellinse und dem Schnittpunkt der optischen Achse mit der Oberseite der Trägerplatte so gering gewählt wird, daß die Sammellinse zumindest teilweise im Bereich der Wandstärke der Trägerplatte angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Sammellinse parallel zur optischen Achse "verschoben" bis die Sammellinse in den Bereich der Wandstärke der Trägerplatte "eintaucht". Dabei wandert der Brennpunkt der Sammellinse und damit auch der Ort des Senders/Empfängers mit, wodurch der Höhenabstand des Sender/Empfängers zur Trägerplatte und der Abstand des Senders/Empfängers zur Mittellinie der Trägerplatte (Gehäusemitte) verringert wird. Dies bewirkt insgesamt eine Reduzierung des Bauraums der Sensoreinrichtung.
• Damit das "Eintauchen" der Sammellinse in den Bereich der Wandstärke der Trägerplatte möglich wird, wird die vorzugsweise rotationssymmetrische Sammellinse des optischen Führungselements zugunsten des Materials der Trägerplatte kreissegmentartig parallel zur optischen Achse unter Ausbildung einer Abflachung beschnitten. Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden Erkenntnis, daß der Verlust an optisch wirksamer Fläche bei einem Maß an Verschiebung/Beschneidung, bei dem bereits eine nennenswerte Bauraumreduzierung und eine effektive Volumenreduzierung des optischen Führungselements erzielt wird, relativ klein ist.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Trägerplatte angrenzend an die Sammellinse einen Bereich reduzierter Wandstärke zur Ausbildung einer lichten Aussparung auf. Damit kann der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Sammellinse und dem Schnittpunkt der optischen Achse mit der Oberseite der Trägerplatte bereits teilweise ohne Beschneidung/Abflachung der Sammellinse reduziert werden. Die weitere Reduzierung des Abstandes erfolgt dann, indem die Sammellinse in den Bereich der Restwandstärke eintaucht, wobei dann die Sammellinse zugunsten der Restwandstärke der Trägerplatte kreissegmentartig unter Ausbildung einer Abflachung beschnitten ist. Damit wird insgesamt eine noch größere Bauraumreduzierung und eine noch größere Volumenreduzierung des optischen Führungselements erreicht, wobei in einer 1. Stufe die Reduzierung gemäß WO 01/05626 über die Schaffung einer lichten Aussparung durch Wandstärkenreduktion erfolgt, und in der 2. Stufe die Reduzierung durch Beschneidung der Sammellinse zugunsten des Materials Restwandstärke erfolgt.
• Da das im Spritzgießverfahren zu füllende Volumen der optischen Führungselemente verkleinert wird, kann in vorteilhafter Weise auch die Zeit für einen Fertigungszyklus verringert werden.
• Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.
• Es zeigt:
• Fig. 1, 2 einen Schnitt durch die Trägerplatte mit integriertem optischen Führungselement gemäß DE 199 55 423 A1,
• Fig. 3 einen Schnitt durch die Trägerplatte mit integriertem optischen Führungselement gemäß WO 01/05626,
• Fig. 4 einen Schnitt durch die Trägerplatte mit integriertem optischen Führungselement gemäß WO 01/05626 mit einer Restwandstärke von Null,
• Fig. 4A, 5, 6 einen Schnitt durch die Trägerplatte mit integriertem optischen Führungselement gemäß der Erfindung,
• Fig. 7 eine Draufsicht auf die kreissegmentartig beschnittene Sammellinse.
• Zum besseren Verständnis ist in Fig. 1 die Trägerplatte (1) einer Sensoreinrichtung aus dem Stand der Technik gemäß DE 199 55 423 A1 gezeigt, bei der das optische Führungselement (2) einstückig in der Trägerplatte (1) integriert ist. Im Brennpunkt der Sammellinse (21) mit der Brennweite (f) ist ein Lichtempfänger (3), z. B. eine Photodiode, auf einer Leiterplatte (4) angeordnet. Der Empfänger (3) empfängt bspw. das Licht, das von einem hier nicht dargestellten Sender, z. B. einer Leuchtdiode, ausgesandt wird und über ein ebenfalls in der Trägerplatte (1) einstückig festgelegtes Führungselement in die Scheibe (5) eingekoppelt wird und dann an der Grenzfläche der Scheibeaußenseite mit der Umgebung zum dargestellten Führungselement (2) reflektiert und von der Sammellinse (21) gebündelt auf den Empfänger (3) gerichtet wird. Es kann sich bei dem dargestellten Empfänger (3) jedoch auch um einen Empfänger handeln, der das Umgebungslicht außerhalb des Kraftfahrzeugs detektieren soll, um dann in Abhängigkeit davon bspw. automatisch das Fahrlicht einzuschalten. Bei dieser Sensoreinrichtung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 ragt der Lichtleitkörper (20), der eine zylindrische Mantelfläche (20A) aufweist, mit seiner Sammellinse (21) weit über die Unterseite (13) der Trägerplatte (1) hinaus. Dies ist in zweifacher Hinsicht nachteilig, denn zum einen ist dadurch der Bauraum der Sensoreinrichtung relativ groß und zum anderen ist das Volumen des optischen Führungselements (2), insbesondere des Lichtleitkörpers (20), relativ groß, was - wie vorstehend beschrieben wurde - ebenfalls nachteilig ist.
• In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, die hinsichtlich des Bauraums der Sensoreinrichtung und des Volumens des Führungselements (2) bereits gegenüber der Anordnung aus Fig. 1 verbessert ist. Dabei wurde die Sammellinse (21) parallel zur optischen Achse (OA) auf Kosten der Länge des Lichtleitkörpers (20) in Richtung Trägerplatten-Oberseite (12) soweit verschoben bis der äußerste Rand der Sammellinse (21) die Unterseite (13) der Trägerplatte (1) berührt.
• In Fig. 3 ist eine Anordnung von Trägerplatte (1) und darin integriertem optischen Führungselement (2) gemäß WO 01/05626 gezeigt. Dabei wurde die Sammellinse (21) gegenüber der Anordnung von Fig. 2 auf Kosten der Länge des Lichtleitkörpers (20) noch weiter verschoben. Um hierbei die optisch wirksame Oberfläche der Sammellinse (21) nicht zu verdecken, weist die Trägerplatte (1) angrenzend an die Sammellinse (21) einen Bereich reduzierter Wandstärke zur Ausbildung einer lichten Aussparung (11) auf. Allerdings kann die Wandstärke nur bis zu einer gewissen Restwandstärke (10) reduziert werden. Anderenfalls käme man irgendwann zu einem Bereich mit der Restwandstärke von Null oder zumindest nahezu Null (siehe Fig. 4), was jedoch die mechanische Stabilität der Trägerplatte (1) beeinträchtigen würde.
• Fig. 4A zeigt eine Anordnung von Trägerplatte mit darin integriertem optischen Führungselement (2) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (21A) der Sammellinse (21) und dem Schnittpunkt der optischen Achse (OA) mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) ist dabei genauso gering wie in der Anordnung gemäß Fig. 4, wobei die Ausführung gemäß Fig. 4 jedoch aufgrund der Restwandstärke von Null nicht zu realisieren ist. Im Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. 4 sind in Fig. 4A erfindungsgemäß die rotationssymmetrische Sammellinse (21) und der zylindrische Lichtleitkörper (20) zugunsten des Materials der Trägerplatte (1) kreissegmentartig parallel zur optischen Achse unter Ausbildung einer Abflachung (23) beschnitten. Das "herausgeschnittene" (oder anders ausgedrückt: das durch das Material der Trägerplatte ersetzte) Kreissegment (22) ist in der Draufsicht auf die Sammellinse (21) in Fig. 7 dargestellt. Dabei ist die Höhe des "herausgeschnittenen" Kreissegments mit b und der Radius der Sammellinse mit r bezeichnet. Aus fertigungstechnischen Gründen sind der beschnittene Lichtleitkörper (20) und die beschnittene Sammellinse (21) an den Rändern (23A) der Abflachung (23) mit einer leichten Rundung (nicht dargestellt) versehen.
• In Fig. 5 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei weist die Trägerplatte (1) - ähnlich wie in der WO 01/05626 - angrenzend an die Sammellinse (21) einen Bereich reduzierter Wandstärke zur Ausbildung einer lichten Aussparung (11) auf. Damit kann der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (21A) der Sammellinse (21) und dem Schnittpunkt der optischen Achse (OA) mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) bereits teilweise ohne Beschneidung/Abflachung der Sammellinse (21) reduziert werden. Die weitere Reduzierung des Abstandes erfolgt dann, indem die Sammellinse (21) in den Bereich der Restwandstärke "eintaucht", wobei die Sammellinse (21) dann - wie vorstehend beschreiben - zugunsten der Restwandstärke (10) der Trägerplatte (1) kreissegmentartig unter Ausbildung einer Abflachung (23) beschnitten ist.
• In Fig. 6 soll die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme hinsichtlich der Bauraumreduzierung verdeutlicht werden. In Fig. 6 ist die Anordnung der Sammellinse (21) gemäß WO 01/05626 (siehe Fig. 3) als gestrichelte Linie eingezeichnet. Der zu dieser Anordnung gehörige Empfängers und die Leiterplatte sind ebenfalls gestrichelt gezeichnet. Demgegenüber ist die Sammellinse (21) in der erfindungsgemäßen Anordnung um die Größe a verschoben. Die Brennweite f der Sammellinse ist dabei fest vorgegeben und in beiden Fällen gleich groß. Die Verschiebung um die Größe a bewirkt, daß der Empfänger (3) um den Betrag Δh näher an die Trägerplatte (1) heranrückt. Gleichzeitig wandert der Empfänger (3) um den Betrag Δs in Richtung der Mittellinie der Trägerplatte (1), wodurch die Fläche der Sensoreinrichtung bzw. des Sensorgehäuses reduziert wird.
• Bei entsprechender Anordnung des gegenüberliegenden optischen Führungselements (siehe Fig. 3), das dem Sender zugeordnet ist, wird der Durchmesser des Sensorgehäuses um den Betrag 2 Δs reduziert.
• Je nachdem, wie tief die Sammellinse (21) in die Wandstärke bzw. Restwandstärke der Trägerplatte (1) "eintaucht", wird nur die Sammellinse (21) oder auch der Lichtleitkörper (20) kreissegmentartig beschnitten.
• Die Trägerplatte (1) bildet vorzugsweise eine Wandung (Deckel) des Sensorgehäuses der Sensoreinrichtung. Bezugszeichenliste 1 Trägerplatte
  10 Restwandstärke der Trägerplatte
  11 lichte Aussparung
  12 Oberseite der Trägerplatte
  13 Unterseite der Trägerplatte
  2 optisches Führungselement
  20 Lichtleitkörper
  20A zylindrische Mantelfläche des Lichtleitkörpers
  21 Sammellinse
  21A Scheitelpunkt der Sammellinse
  22 "herausgeschnittenes" Kreissegment
  23 Abflachung am optischen Führungselement
  3 Sender
  4 Leiterplatte
  5 Scheibe
  6 Messlichtstrahlen
  OA optische Achse des Führungselements
  

Claims (3)

1. Optische Sensoreinrichtung mit mindestens einem optischen Sender und/oder mindestens einem optischen Empfänger (3), wobei dem mindestens einen Sender und/oder Empfänger (3) jeweils ein an die Innenseite einer Kraftfahrzeugscheibe ankoppelbares optisches Führungselement (2), dessen optische Achse (OA) gegen die Scheibennormale geneigt ist, zur Einkopplung von Licht in die Scheibe (5) bzw. zur Auskoppelung von Licht aus der Scheibe (5) zugeordnet ist, wobei
das optische Führungselement (2) einstückig in einer Trägerplatte (1) angeordnet ist,
das optische Führungselement (2) auf der dem Sender und/oder Empfänger (3) abgewandten Seite bündig mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) abschließt,
das optische Führungselement (2) aus einem Lichtleitkörper (20), der zumindest in Teilbereichen eine zylindrische Mantelfläche (20A) aufweist, und einer einstückig mit dem Lichtleitkörper (20) verbundenen konvexen Sammellinse ((21) besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (21A) der Sammellinse (21) und dem Schnittpunkt der optischen Achse (OA) mit der Oberseite (12) der Trägerplatte (1) so gering ist, daß die Sammellinse (21) zumindest teilweise im Bereich der Wandstärke der Trägerplatte (1) angeordnet ist, wobei
zumindest die Sammellinse (21) des optischen Führungselements (2) zugunsten des Materials der Trägerplatte (1) kreissegmentartig parallel zur optischen Achse unter Ausbildung einer Abflachung (23) beschnitten ist.

2. Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (1) angrenzend an die Sammellinse (21) einen Bereich reduzierter Wandstärke zur Ausbildung einer lichten Aussparung (11) aufweist.

3. Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (1) eine Wandung des Sensorgehäuses der Sensoreinrichtung darstellt.