[0001] 本申请是申请号为201480038245.1，名称为“通过超声清除降水”的中国专利申请(基于国际申请日为2014年07月18日、国际申请号为PCT/EP2014/065559的国际专利申请，于2015年12月31日进入中国国家阶段)的分案申请。

[0002] 本发明涉及通过超声从窗口清除降水(precipitation)。本发明的实施方式涉及从车辆层叠挡风玻璃清除降水。

[0003] 通常，车辆驾驶员使用雨刷除从一个或多个窗口去除降水，以保持透过窗口的视线清晰。然而，雨刷是橡胶或塑料的，并装配至与马达固定的金属，雨刷的寿命取决于部件多长时间磨损坏。市售产品，例如RainX(RTM)可应用于窗口表面，以便容易地清洁窗口。然而，当使用这些产品时，由于雨刷与窗口表面接触，雨刷也会除去应用于窗口表面的产品，因此必需进一步再应用这些产品。

[0004] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于从窗口清除降水的系统，该系统包括层叠的窗口；一个或多个换能器；以及发生器，用于生成用于所述一个或多个换能器的超声驱动信号，其中，所述层叠的窗口包括顶层玻璃，并且其中，所述一个或多个换能器固定至所述顶层玻璃的表面并由所述发生器驱动，从而产生超声波，其中，所述层叠的窗口的层叠层产生对超声波的衰减效应，其中，所述超声波基本上仅传播穿过所述顶层玻璃的表面区域；并且其中，所述超声波在其传播方向上推动降水。本发明确保了换能器的超声能量可以集中用于清除降水，具有更好的清除降水效果的技术效果。

[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种系统，其包括：控制系统，具有被设置成用于感测一个或多个换能器发出的超声波，从而检测降水的存在；以及控制器，响应于传感器以控制系统或设备的工作。附图说明

[0006] 根据以下结合附图的详细说明，本公开的各种特征和优点将变得显而易见，这些附图仅以实例方式在一起共同说明了本公开的特征，在附图中：

[0007] 图1A是示出具有位于挡风玻璃周边区域的换能器的车辆的示意图。

[0008] 图1B是示出挡风玻璃和用于操作换能器的电子线路的示意图。

[0009] 图2是示出具有粘合至表面的换能器额车辆挡风玻璃的剖面的示意图。

[0010] 图3A是示出换能器向挡风玻璃表面上的降水内发射表面声波的换能器。

[0011] 图3B是示出具有向挡风玻璃表面上的降水内发射表面声波的换能器的成角度挡风玻璃的示意图。

[0012] 图3C是示出利用表面声波推动水滴且使降水雾化的示意图。

[0013] 图4是示出疏水涂层和亲水涂层的降水接触角的示意图。

[0014] 图5是示出以脉冲模式从换能器发出的表面声波的示意图。

[0015] 图6是示出用于使系统内的阻抗线路匹配的方法的示意图。

[0016] 图7A是示出以500kHz的频率工作的叉指式换能器(inter-digital transducer)设计的示意图。

[0017] 图7B是示出以500kHz的频率穿过3mm厚的玻璃的不同类型的波的波长的示意图。

[0018] 图7C是不同的波类型的示意图。

[0019] 图8是示出计算的波速度的曲线图，该波速度作为传播穿过3mm厚汽车玻璃的不同类型的波的频率的函数。

[0020] 图9A是示出以1MHz的频率工作的换能器设计的示意图。

[0021] 图9B是示出以500kHz的频率工作的换能器设计的示意图。

[0022] 图10是附接有换能器的面罩(visor，遮阳板)的示意图。

[0023] 在本说明书中，术语“声波”用于指受驱动的换能器产生的波；其并非指人们可听见的声音范围内的波频率。

[0024] 降水包括雨、雨夹雪、雪、冰、细雨、薄雾、雾、冰雹或其它类型的降水。当降水落在窗口(例如，挡风玻璃)上时，其会妨碍驾驶员的视线。

[0025] 当降水落在窗口上时，降水因表面张力而被吸至窗口表面。降水(例如，液态水)可在窗口表面形成许多液滴。申请人已研究发现大多数液滴中的每一个液滴的尺寸将不同，具有不同直径，且具有不同形状，该形状可以是规则的或不规则的。液滴尺寸的实例可以是大约0.4毫升(ml)，其直径大约为例如1厘米(cm)，但直径可以小得多。车辆(例如，汽车)的前窗口或挡风玻璃是倾斜的，例如倾斜34°。该角度可更大。一些车辆的挡风玻璃的倾斜角度更大，例如35°或更多。后窗口的倾斜角度可大于前挡风玻璃。大液滴从挡风玻璃往下流的速度要快于小液滴，这是因为大液滴质量较大且受重力的影响更大。其它影响，例如液滴的表面张力以及表面气流可影响液滴如何移动穿过表面。表面张力对小液滴的影响可大于较大的液滴。随着液滴尺寸减小，液滴内部的压力增大。例如，与较大的液滴相比，较小的液滴从挡风玻璃流下需要更大的角度。在说明性实施方式中，在系统工作期间利用超声波使液滴合并可很有用，这是因为与较小的液滴相比，由于较大的液滴的质量以及受重力和气流的影响较大，因此可更容易从挡风玻璃清除较大的液滴。此外，无气流的表面张力效应是恒定的，且可与温度无关。

[0026] 本发明的实施方式利用超声波除去窗口表面的降水。通常，超声波为频率高于100千赫(kHz)且高达大约50兆赫(MHz)或更高的声波。本发明的实施方式利用的超声波的频率在大约400kHz至1.5MHz的范围内。换能器用于产生一定频率范围内的声波。换能器并非以单一频率工作，而是以跨越中央频率两侧的频率范围(即，带宽)工作。换能器的工作频率应理解为与换能器的频率带宽内的主工作频率或中央频率相关。

[0027] 在本发明的实施方式中，换能器粘合至窗口表面并受驱动以发出具有超声频率的声波。从换能器发出的声波的频率范围取决于换能器的设计。

[0028] 图1A示出了本发明的实施方式，其中换能器1、2、3、4、5、6、7、8沿车辆的挡风玻璃10的周边区域9设置。换能器粘合或粘结至挡风玻璃周边。对用于除去挡风玻璃的液滴的换能器的附接位置存在有限制。换能器必须设置成不会遮挡车辆驾驶员或其它乘客的视线。
就清除挡风玻璃的降水而言，换能器在挡风玻璃上的位置可影响换能器的效率。可使用任何合适数量的换能器来除去挡风玻璃的降水。沿窗口或挡风玻璃的一侧多或多侧的周边区域可以有多个各自互相隔开的换能器。换能器也可设置成在挡风玻璃的侧面或顶部和底部，或两侧以及顶部和底部形成连续的条。可使用叉指式变换器(IDT)。

[0029] 图1B示意性地示出了用于换能器的驱动电子线路。换能器经由布线123连接至驱动电子线路系统，其中驱动系统包括电源11、控制单元12、频率发生器13、功率放大器14和脉冲发生器15。电源可以是12V或24V的车辆用蓄电池。驱动系统可由雨水传感器122和/或其它手动控制装置121控制。雨水传感器可以是专用零件，或可利用适当的附加电路使用已成为系统一部分的换能器来形成。

[0030] 换能器粘合至挡风玻璃，并由驱动电子线路通电或驱动。合适的粘合剂可在市场上购得，且用于将每一个换能器固定至挡风玻璃。粘合剂用于在每一个换能器与窗口表面之间形成均匀的粘合层。在将换能器粘合至挡风玻璃的说明性实施方式中，在真空中混合粘合剂，以阻止粘合层内形成气泡。如果粘合层中出现气泡，则超声频率将高度衰减，这会妨碍换能器的效率。合适的粘合剂的实例为环氧树脂。在实施方式中，可在真空袋内制备或提供环氧树脂以为混合做准备，之后将环氧树脂应用于挡风玻璃和换能器，其中真空袋包括两个被屏障分开的隔室，且其中屏障被破坏以便在真空袋内混合环氧树脂。在实施方式中，粘合层很薄以便使通过玻璃、粘合层和换能器的多层系统的声音折射最小化。粘合剂可具有其它特殊属性，例如在听觉上使附接至窗口表面的粘合剂的阻抗与窗口表面的阻抗匹配，以通过使窗口表面的所不希望的反射最小化，从而有效地使声波耦合或传输入窗口。每一个换能器包括一组作为紧挨压电层的有源元件的电极，和地电极。在一些实施方式中，换能器与背向窗口的一个电极(例如，地电极)和粘附至挡风玻璃外表面的一个电极(例如，切割电极(cut electrode，电极线，截止电极))附接。在实施方式中，换能器粘合至表面，以便换能器表面与挡风玻璃的表面或它们所附接的其它表面平行。

[0031] 每一个换能器均由图1B中的频率发生器13和功率放大器14驱动，以发射一定的频率范围。设计者可固定并选择发射的频率范围或频率带宽。替代地，频率或带宽可由操作者选择。操作者可以是，例如安装有换能器的车辆的驾驶员。例如，驾驶员可具有根据待从窗口除去的降水量(例如，大雨或小雨情况下)选择发射的频率范围的选择权。也可使用雨水传感器自动进行选择。这可采用拨盘或按钮的形式，以便驾驶员根据情况在车辆内进行选择。驱动换能器会使换能器发出声波。换能器设计可确定换能器能够受驱动以产生声波的整个工作频率范围。除了其它因素，发出的声波还取决于诸如换能器设计、换能器与其所粘合的表面之间的接触角、驱动力的因素。可选择换能器的频率和尺寸以影响从换能器发出的声束的传播，例如选择的频率越高，发出的声束可越集中。发出的每一种声波的波长是换能器电极之间的间隔的函数。

[0032] 可以连续或脉冲模式驱动换能器。脉冲发生器可用于以脉冲模式驱动换能器。在脉冲模式下，声波将以脉冲形式从换能器发出。频率发生器可提供调频信号以产生调频声波。在实例中，通过频率扫描驱动在一定频率范围内的波频率。

[0033] 每一个波由节点和波腹组成，节点为波的振幅最小的区域，而波腹为波的振幅最大的区域。当波在系统中稳定叠加时，会发生驻波。例如，由于传输波和反射波的频率分量的抵消或放大，发射波和反射波可结合形成驻波。在实例中，由于窗口材料与周围介质之间的声阻抗失配，因此沿窗口表面传播的波可在窗口边缘被反射。反射波可干涉在相反方向上传播的波，使得两个波的相位相互抵消或结合以使得形成驻波。申请人已研究发现，在实例中，挡风玻璃表面上的液滴将会受到传播通过或沿挡风玻璃传播的声波的影响。可观察到液滴以不同速度沿挡风玻璃振动或移动，速度可取决于传播通过挡风玻璃或沿挡风玻璃传播的波的节点或波腹的位置。当粘合至挡风玻璃周边的换能器受驱动时，超声振动可分布在挡风玻璃内，例如最大值和最小值的存在与空间干涉图形对应。波腹所处的挡风玻璃区域或靠近换能器所处位置的区域可使液滴的移动速度快于其它液滴。振动液滴或缓慢移动的液滴可能位于挡风玻璃上的节点处或附近，或距换能器所处的位置较远。靠近换能器的液滴可经受直达声场，其中有表面声波(SAW)发出，且表面声波(SAW)在已在挡风玻璃某处被反射之前会遇到液滴。距换能器所处位置更远的液滴可主要经受混响能量场，其中超声波可从所有方向遇到液滴，或可在遇到液滴之前在边界处被反射。例如对于图5中的实施方式而言，使用脉冲能量可降低混响场的程度。

[0034] 在其它实例中，液滴可振动并使较小的液滴与其它/分离的液滴结合形成较大的液滴，然后该较大的液滴可从挡风玻璃的表面流走，从而除去降水。

[0035] 图2示意性地示出了图1A中的车辆的挡风玻璃10的实例的剖面图。挡风玻璃由夹在两片玻璃21、22之间的层叠层20组成。该玻璃适合汽车使用。由于当前的安全法规措施，要求车辆挡风玻璃为层叠玻璃，其中聚乙烯醇缩丁醛(PVB)层叠板压缩在两层退火玻璃之间。可在玻璃表面上喷涂额定量的粘合剂，并加热以压缩两层玻璃之间的层叠层。这减少了与发生碰撞时(例如，发生事故期间)单层回火挡风玻璃损坏相关的问题，在此之前曾使用的是单层回火挡风玻璃。在这种情况下，层叠玻璃还用于将乘客安全气囊容纳在车辆的驾驶舱区域内。层叠层为加强层，其厚度可以是0.38毫米(mm)，且层叠层两侧每一个玻璃片的厚度为3mm，以便挡风玻璃的总厚度可以为大约6.4mm厚。挡风玻璃的顶部表面上可存在或不存在选择性涂层23。换能器1、2、3、4、5、6、7、8在挡风玻璃的边缘附近或挡风玻璃的周边区域粘合至挡风玻璃。粘合层24将换能器附接/固定至挡风玻璃的表面。换能器可粘附于挡风玻璃，并隐藏起来使得从外部看不到。换能器可隐藏在围绕最传统的挡风玻璃的橡胶或塑料密封件25下方，并沿挡风玻璃的周边延伸。换能器设置成使得其工作不受橡胶密封件存在的影响。挡风玻璃具有暴露于天气的外部区域27，以及涉及装配挡风玻璃的车辆内部的内部区域26。

[0036] 图3A是示出图1A、图1B或图2中的粘合至表面有降水的挡风玻璃表面的换能器的示意图。在本实例中，挡风玻璃的表面上存在水滴30。驱动换能器以产生沿挡风玻璃的表面传播(如箭头39所示)的波31，如所示，波31也称为SAW。发出的SAW的频率在400kHz至1.5MHz的范围内，且优选主工作频率为1MHz。每一个换能器的主工作频率可在频率带宽内。例如，也可驱动设计成主工作频率为1MHz的换能器在其频率带宽内以500kHz的频率工作。然而，主工作频率为1MHz的换能器受500kHz的频率驱动时可能无法像主工作频率为500kHz且以500kHz的频率受驱动的换能器那样有效地运转。SAW从换能器发出。车辆挡风玻璃内的层叠层会使超声波高度地衰减，并产生衰减效应。因此，可将超声波限制在表面区域，以便其不会深度穿透入玻璃或层叠层内。可选择波的频率和传输波的模式，使得波基本上不与塑料或层叠层发生相互作用。因此，SAW耦合至物体或挡风玻璃的表面，且不会穿透入挡风玻璃内的层叠内。适合该应用的波可包括兰姆波(Lamb wave)、瑞利波(Rayleigh wave)或其它剪切型波。其它类型的波很可能会衰减，并使其能量消散到层叠层内。除了在挡风玻璃表面传播的SAW之外，其它波32也可被发射入挡风玻璃体内。发射的其它波可包括纵波或剪切型波。在一些实施方式中，可选择波进入汽车玻璃顶层的发射角，以产生传播穿过玻璃的所需类型的超声波。

[0037] 可对换能器进行校准以优化系统的工作效率。

[0038] SAW将耦合至挡风玻璃的表面，且在到达挡风玻璃的边缘时，将会沿挡风玻璃的表面被部分地反射回33挡风玻璃内，如图3A所示。由于挡风玻璃的玻璃材料与挡风玻璃的外部区域或周边区域34的介质之间的声阻抗失配，因此将会产生反射。对于相关频率在400kHz至1.5MHz范围内的超声波而言，其将会由于通过空气而高度地衰减。

[0039] 申请人已研究发现当SAW遇到水滴时，部分波能将通过模式转换35传递至液滴，且纵波37可传播穿过液滴。当将超声波或SAW应用于水滴时，水滴可被雾化(也称作喷射或汽化)。可观察到三个渐进阶段，包括流动36、推动和雾化。

[0040] 水滴与表面的接触角38将影响SAW遇到水滴的角度。该角度已标记为θR，且可与沿挡风玻璃的表面传播的瑞利波的瑞利角相关。SAW可以是瑞利波或兰姆波。如果SAW为兰姆波，则这些可与反对称兰姆波或弯曲模式相关。SAW进入水滴时，会发生模式转换，且纵波传输入水滴。由于模式转换和能量传输，SAW的振幅减小，且也可被称为“漏”波43。传输入水滴的纵波使得水滴内发生流动，由此产生了内部旋转混合和一些气穴现象。下一个阶段表现为水滴的“推动”，其中水滴以直角迅速移动至换能器或IDT电极。

[0041] 图3B为示出图1A或图1B中的车辆的以一定角度倾斜的前挡风玻璃的示意图，在在本实施方式中该角度为θR。在本发明的一些实施方式中，挡风玻璃的表面可弯曲。申请人已研究发现，当水滴受到推动40从而沿表面移动时，每一个水滴均具有在前面的前边缘41和在后面的后边缘42。前边缘与后边缘的形状不同。水滴前边缘和后边缘与表面的接触角不同。如上所述，水滴在边缘处的接触角取决于水滴所处的表面或移动穿过的表面的表面处理。对于在倾斜表面上移动的水滴而言，与平坦表面上的水滴的接触角相比，水滴在前边缘和后边缘与表面的接触角38将不同。如所示，从换能器发出的SAW以角度θR耦合入水滴。在本实例中，SAW在后边缘遇到水滴，然而其它SAW可在前边缘处遇到水滴，这是由于其它SAW是从挡风玻璃周边周围的不同位置发出的，或是由于反射。在前边缘处遇到水滴的其它SAW将以不同于θR的角度耦合入水滴。

[0042] 在图3C的实例中，水滴示为正在汽化或雾化44。沿挡风玻璃传播的SAW能够将能量传输入水滴内，使得水滴振动或共振45，或沿表面移动。有足够能量的话水滴便可共振，从而引起内部旋转混合和气穴现象，并突然变成许多较小的水滴46，从而被雾化。如此，便可清除或除去挡风玻璃表面的降水。

[0043] 水滴内的内部压力变化使得水滴的形状发生变化。水滴的形状通过沿SAW传播的方向变偏斜48而发生变化，如图3C所示。在该图中，水滴示为位于等位面上，以突显SAW对水滴形状的影响。然而在其它实施方式中，水滴的形状也可受表面倾斜角度的影响。当将SAW应用于水滴时，首先会看到水滴“流动”，其中每一个水滴的内部部分旋转，这有可能是气穴现象导致的。其次，水滴受到推动，且可观察到水滴振动或受到推动而移动穿过挡风玻璃的表面。应用SAW能量可允许水滴克服表面张力并沿挡风玻璃的表面移动或变成受推动。水滴受推动的方向可与SAW的传播方向相同。换能器的驱动力可增大以有效地推动水滴穿过挡风玻璃的表面。在“推动”过程期间，水滴可彼此碰撞并形成较大的水滴，由于其质量更大而表面张力减小，因此较大的水滴可更迅速地移动穿过挡风玻璃。推动机制可以是由于与液体内部形成空腔以及空腔塌陷有关的流动，或由于水滴内部的液体循环引起的“气泡活动”47。再次，水滴可雾化，其中水滴被分成小得多的水滴。如此，可利用SAW清除挡风玻璃的降水。

[0044] 申请人已研究发现，由于每一个水滴的尺寸不同，直径不同，因此每一个水滴将具有不同的共振频率，且可以频率范围内的优选频率振动。当遇到具有与水滴的共振频率匹配的正确频率的SAW时，水滴将在高能状态下共振。为了“命中”每一个水滴的共振频率，可驱动换能器使其扫描一个频率范围。许多传播穿过挡风玻璃的SAW(包括反射波)可通过叠加结合以局部地增大其在某些频率处的振幅。换能器的驱动频率可通过扫描整个频率范围来改变。在实施方式中，这使得SAW频率能够“命中”水滴的共振频率。如此，尺寸不同的水滴可被汽化。随着水滴尺寸的减小，其内部压力增大。因此，与大于水滴相比，可更容易使较小的水滴汽化。

[0045] 如前所述，水滴尺寸可大约为0.4ml，直径为大约1cm。为了使水滴共振，水滴直径内可需要容纳整数个半波长。例如，对于波长为1cm的SAW和直径为1cm的水滴，水滴内将可容纳两个半波长的SAW以使水滴共振。

[0046] 在其它实例中，降水可以不是水滴，而可以是冰雹、雪或冰层或其它降水。对于除水滴之外的降水(例如，雨水)，可改变施加的超声波，以实现相似的窗口降水清除效果。例如，可利用超声波来使冬季期间挡风玻璃上形成的冰层或霜层破碎。

[0047] 如讨论的那样，为了进一步改进清除降水的过程，可利用选择性涂层对挡风玻璃的外表面进行处理。图4是示出挡风玻璃表面上的选择性涂层23可能对表面上的液滴造成的影响的示意图。该选择性涂层将位于挡风玻璃表面的外部区域。例如，外表面上的选择性涂层23可以是疏水涂层49，其可通过喷涂或擦拭而添加到表面上。疏水涂层使得层上的任何水滴均受到表面排斥以便使水滴与疏水涂层的接触面积最小化。在说明性实施方式中，挡风玻璃上的疏水涂层优选有助于除去或清除挡风玻璃表面的降水。在换能器在疏水涂层上发出SAW的实例中，SAW与水滴的接触角θR1将很大。替代地，选择性涂层23可以是亲水涂层50。如果将亲水涂层50应用于挡风玻璃表面，则水滴的接触面积将大得多，且SAW与水滴的接触角θR2将很小。为了除去挡风玻璃表面的降水，优选在亲水涂层上设置疏水涂层。由于疏水层的SAW与水滴的接触角大于亲水层的SAW与水滴的接触角(θR1>θR2)，因此可存在SAW转换成水滴的更有效的模式转换，且可更有效地推动水滴穿过挡风玻璃的表面。疏水涂层通过改变水滴与挡风玻璃表面之间的接触角来减小表面张力。挡风玻璃表面的气流也可有助于除去挡风玻璃的降水。液滴与表面之间的接触角还将取决于液滴的粘度和表面材料的类型。例如，液滴是水还是油，或表面是汽车玻璃还是塑料或聚碳酸酯材料，例如摩托车头盔用面罩使用的材料。

[0048] 图5是示出图1A至图3B中的换能器以脉冲模式工作的示意图。由于以例如半秒的时间间隔对波51进行脉冲调制，可阻止换能器的温度上升过多，这是因为其减少了系统内的热量积聚，因此可以脉冲模式驱动换能器。从而允许输入信号的振幅更高，从而更迅速地除去降水。

[0049] 利用频率调制可比振幅调制更有效地清除降水，振幅调制可能不如频率调制有效。也可通过声阻抗匹配来优化传输效率。

[0050] 由于大约三分之二的能量可作为热量传递或损耗，因此可优化系统的功率效率。声损耗可包括系统内的例如玻璃杂质或缺陷处的散射或吸收。为了防止发生热效应，可针对阻抗匹配来对窗口上的电路和材料(例如，换能器)进行优化。

[0051] 图6示意性地示出了阻抗匹配电路60，其使驱动电路的功率放大器14的电阻抗与换能器1、2、3、4、5、6、7、8的阻抗匹配。这提高了电源电路或系统的整体效率，并减少了系统的能量损失。可存在由失配阻抗线路引起的不希望的反射。

[0052] 可通过使换能器与粘合换能器的表面之间的声阻抗差值最小化来使其它阻抗匹配或改进匹配。可在换能器的表面上使用抗反射涂层以增强来自换能器的超声波至粘合换能器的表面内的耦合。可优化换能器设计以使表面之间的声阻抗失配最小化，从而使波的耦合最大化。

[0053] 现在将讨论方形和圆形换能器设计的两种换能器设计类型。市场上可购得的许多压电转换器是圆形的。然而，由于圆形换能器设计在所有径向方向上均等同地辐射声能，因此圆形设计在本申请中并非优选的。由于方形在与其电极垂直的方向上辐射声能，因此优选方形设计。因此，可在将声能应用于挡风玻璃以除去降水期间更严密地控制声能。换能器的切割或成形可变化其共振频率。在说明性实施方式中，可根据换能器和挡风玻璃的特征调节IDT的电极指间隔。

[0054] 图7A是示出图1A或图1B中的适合以500kHz的频率工作的换能器1、2、3、4、5、6、7、8的一种可能的设计的实施方式的示意图。示出的为叉指式换能器(IDT)。IDT可由压电材料制成，或通过切穿电极并使剩下的未切割压电材料尽可能多来修改标准压电换能器的外部电极而制成。根据当时的应用，将IDT设计成通过使电极指的间隔71与可需要激发的波的波长匹配而工作。这可与换能器共振的频率对应。如此，可以制造以超声频率产生SAW的IDT。可有效地调谐IDT以使挡风玻璃的外部玻璃层的物理常数匹配从而优化系统效率。示出的换能器设计可产生从挡风玻璃的表面或挡风玻璃穿入达小于3mm的深度处的波。由于层叠层位于挡风玻璃内3mm深处，因此这将会阻止波遭受衰减效应。

[0055] 对于图7A中的换能器，示出了该换能器的尺寸。电极的尺寸可具体选择，从而选择换能器的工作频率。在本实例中，换能器的直径72为40mm，第一电极73与第二电极74之间相隔4mm的间隙75。所示的第二电极74宽11mm，使得电极指间隔71为15mm。示出的电极以500kHz的频率工作。

[0056] 图7B为示出从图7A所示的实施方式的用于3mm厚汽车玻璃的换能器设计发出的不同类型的波的波长的示意图。对于15mm的电极指间隔，发出的兰姆波(或瑞利波)76的波长将为大约7.8mm，纵波77将为10.8mm，而剪切波78将为大约7.0mm。发出的这三种类型的波的波长将大于其将传播通过的玻璃的3mm的厚度。可利用公知的声波方程(c＝fλ，相速度c＝频率f×波长λ)来计算这些波在汽车玻璃中的相速度或速度。在本实例中，兰姆波以大约每秒3900米(m/s)的速度传播，准纵波以大约5400m/s的速度传播，而剪切波以3500m/s的速度传播。电极指的间隔大致是兰姆波波长的两倍。电极指间隔大约为纵波波长的3/2，以便纵波在本发明的该特定实施方式中不会被激发。

[0057] 图7C示出了可从不同换能器设计发出的波的类型的实例。也可发出其它波，例如瑞利波、纵波或剪切波。

[0058] 挡风玻璃的汽车玻璃中的波的速度(且因此波长)可随频率、材料性能(例如，杨氏模量、密度或泊松比)以及玻璃厚度变化。已知这些参数可在一定的容差内，或可通过实验测得。例如，激光振动计可用于准确地确定系统工作期间挡风玻璃内的空间振动场，以便更准确地测量波在玻璃内的速度，以改善并提高换能器设计的效率。

[0059] 图8示出了每一种类型的波76、77、78的计算的相速度80的曲线图，该相速度作为穿过3mm厚汽车玻璃的波的频率81的函数。这些计算所基于的假设为，波移动穿过的材料为具有以下参数的薄板：玻璃厚度＝3mm；玻璃的杨氏模量＝70吉帕斯卡(GPa)；玻璃密度＝2500千克每立方米(kg/m3)；且玻璃的泊松比＝0.23。示出的兰姆波可略高，并与反对称的兰姆波或弯曲模式相关。纵波和剪切波在选择的穿过汽车玻璃的方向上的相速度在所有示出的频率下均相对恒定82。频率较高时，兰姆(或瑞利)波的相速度增大83。如所见，在
500kHz的频率处，剪切波的速度几乎与兰姆波(或瑞利波)的速度相同。这可有利于有效地清除挡风玻璃表面的降水。

[0060] 本发明的某些实施方式中还使用了一些方形换能器设计。使用的方形换能器为2cm×2cm，并由标准压电材料(例如，锆钛酸铅(PZT))制成。为了形成换能器的电极，利用机械方式或激光在压电材料上切割出槽。将使用相同的电信号使所有电极同时工作。

[0061] 图9A和图9B示出了两个用于图1A或图1B中的换能器的方形换能器设计。与设计成以较低频率(例如，大约500kHz)工作的换能器相比，该换能器可较大且产生波长较长的SAW，设计成以较高频率(例如，大约1MHz)工作的换能器可较小且可产生波长较短的SAW。优选的工作频率可以是1MHz，且可用于具有方形设计的换能器(而非具有圆形设计的换能器)。在一些实施方式中，换能器的厚度为几毫米厚，且换能器的区域越大，压电层越厚。电极层位于压电材料的顶部，且电极层比压电层薄很多。在一些实施方式中，电极层为厚度远小于1mm的薄膜。可利用激光或机械切割方式切割电极层，然而与利用机械切割(其可在电极上留下带毛刺的边缘)相比，利用激光进行切割可使电极具有更好的光洁度。

[0062] 图9A示出了压电材料90厚度d＝3mm，电极91厚度为1.35mm(该厚度与1MHz的工作频率对应，其中波长为2.7mm，相速度为2700m/s)，面积为2cmx2cm的换能器设计。在本实例中，电极91粘附至挡风玻璃的表面，且压电材料的未切割侧背向挡风玻璃。每一个电极指宽度均与每一个发出的波的声波长的一半对应。其它相似实例换能器设计可具有宽度分别为1.08mm和0.9mm的电极，该宽度分别用于1MHz的工作频率(波长为2.16mm，相速度为2160m/s)和1.2MHz的工作频率(波长为1.8mm，相速度为2160m/s)。

[0063] 图9B示出了IDT的替代换能器设计。这是一个用于方形换能器的2.8cmx2.8cm的换能器设计，方形换能器可由圆形压电材料90(PZT材料)制成，如图9B左侧所示。在本实例中，压电层为4mm厚。在本实例中，切割电极粘附至挡风玻璃的表面，其另一侧(或压电层的未切割侧)背向挡风玻璃。地电极可背向挡风玻璃，而非粘附至挡风玻璃表面。可利用高功率激光切割出电极92之间的间隙93。电极位于压电材料的顶部。在本实例中，电极之间的间隙为0.4mm宽，且与跨越电极层的方波形图案95相似。自上而下切穿电极层将形成两个分离的换能器部分，每一个换能器部分均设计成用于500kHz的工作频率(波长为4.32mm，相速度为
2160m/s)。在本实例中，只要在电极层上形成间隙以产生两个分离的电极，可仅需切穿薄电极层，而无需切入压电层，两个部分的电极能够插入彼此内。每一个电极的极化与另一个电极的极化相反。当电极通过插入彼此而结合时，相邻电极从一个电极至下一个电极会形成交替极化96。电极可与相邻或其它电极相反地极化，以便以信号的一个极性使电极的其中之一通电，而以相反极性使另一个电极通电。示出了可观察到的液滴相对于换能器电极的运动94的实例。

[0064] 描述的实例换能器设计可能够使挡风玻璃或其它玻璃表面上的降水的液滴汽化。

[0065] 图3A已示出了层叠层，然而在其它实例中，层叠层可能并不总是存在，例如摩托车头盔面罩。在本实例中，面罩可由塑料或聚碳酸酯材料制成。在本实例中，所选择的用于清除面罩降水的换能器的工作频率可与所讨论的用于清除挡风玻璃降水的实施方式中使用的频率不同。例如，在一些实施方式中，用于清除面罩降水的换能器的频率可低于清除挡风玻璃降水所使用的频率。

[0066] 图10示出了本发明的一个实施方式，其中换能器1、2、3、4、5、6、7、8或31-、32、33附接至面罩30，例如摩托车头盔或其它头盔的面罩，以清除降水或其它碎屑或材料。在面罩的实例中，换能器可直接固定至面罩的表面，并以与上述方式(关于车辆层叠挡风玻璃的实施方式的方式)相似的方式工作，其中SAW用于除去面罩表面的降水。换能器可由驱动系统11、12、13、14、15驱动。在一些实施方式中，换能器受到驱动从而以100kHz至1MHz范围内的频率工作。换能器通过电子布线35和接插件36连接至驱动系统。换能器可直接粘合至面罩或粘合至适于夹在面罩边缘上的可拆卸夹子34，从而允许换掉或更换损坏的面罩。相似地，换能器设置在面罩的周边区域内以避免遮挡骑行者的视线。示出的面罩不包含层叠层，因此可使用任何合适的波(包括SAW)来清除降水。波可耦合至面罩表面或面罩轮廓以有效地传输通过面罩的整个表面。

[0067] 可使用换能器和驱动系统的其它实例包括用于检测系统，其用于检测雨滴或降水的存在，并因此启动系统以清除降水。在实例检测系统中，可利用两个或更多换能器。第一发射换能器可向第二接收换能器发出超声波。接收换能器可能够监控从发射换能器接收的超声波的能量。如果当检查结果为表面无降水时进行校准，则接收换能器将接收到基准水平的声能。当表面出现降水时，降水将吸收声能，且接收换能器将观测到接收的声能下降至低于校准的基准水平，因此表明存在降水。此时，可接通用于清除挡风玻璃表面的降水的超声系统，且超声功率可根据降水的严重程度自动变化。如此，用于操作系统的换能器还可用于控制系统。

[0068] 一些实施方式的优点是，提高了换能器的功率效率或增加了挡风玻璃中的超声能量。通过仔细“谐调”IDT，系统可变得更有效果和更有效率。例如，可使IDT阻抗与挡风玻璃或玻璃匹配，或可对输入频率进行脉冲调制。在其它实施方式中，若干频率可用于通过例如扫描整个频率范围，或利用频率调制来克服玻璃上的驻波。在其它说明性实施方式中，可发现弯曲波或兰姆波可更有效地引导液滴“流动”或推动液滴，同时使发出的剪切波的量最小化，该剪切波能降低系统的有效性。

[0069] 其它实施方式的优点是，通过使用例如脉冲波，使得对换能器的加热最小化，这反过来又允许向系统提供更多的电力，从而允许清除更大区域的挡风玻璃的降水。

[0070] 使用IDT和SAW的优点是，使得可因层叠层存在而导致的任何衰减效应最小化。这可使提供足够电力以除去挡风玻璃的液滴，而不会使挡风玻璃内的内部层叠层分层的问题。

[0071] 说明性实施方式的其它优点是，不会因使用超声换能器清除表面降水而将疏水涂层除去或擦除，其中该表面已经表面处理，且挡风玻璃表面上无任何可见活动部件。

[0072] 本发明的实施方式不仅可应用于层叠汽车挡风玻璃和面罩，而且还可应用于建筑物的层叠窗口以及任何其它情况下使用的层叠窗口，例如船舶和船。

[0073] 本发明的实施方式也可用于非层叠窗口。

[0074] 上述描述仅用于说明和描述上述原理的实例。该描述并非意在穷举或将这些原理限制于所公开的任何精确形式。根据以上教导，可进行许多修改或变化。

[0075] 陈述

[0076] (该部分构成了说明书的一部分)

[0077] 1.一种用于清除层叠挡风玻璃的降水的系统，所述系统包括：

[0078] 层叠挡风玻璃，其中，所述挡风玻璃包括夹在顶层汽车玻璃与底层汽车玻璃之间的层叠层；

[0079] 一个或多个叉指式换能器；和

[0080] 发生器，其用于生成用于所述一个或多个换能器的超声驱动信号，

[0081] 其中，所述一个或多个换能器粘合至所述挡风玻璃的外表面，并由所述发生器驱动以产生表面声波，其中所述表面声波基本上仅传播穿过所述顶层汽车玻璃。

[0082] 2.根据段落1所述的系统，其中，所述一个或多个换能器被设置成产生兰姆波或瑞利波。

[0083] 3.根据段落1所述的系统，其中，所述一个或多个换能器中的每一个被设置成在400kHz至1.5MHz的频率范围内工作。

[0084] 4.根据段落1所述的系统，其中，所述发生器包括脉冲发生器，并且所述发生器被设置成使所述一个或多个换能器产生脉冲表面声波。

[0085] 5.根据段落1所述的系统，所述系统被构造成基于所述表面声波的模式转换而通过超声推动降水。

[0086] 6.根据段落1所述的系统，所述系统被构造成基于所述表面声波的模式转换而通过超声使降水汽化。

[0087] 7.根据段落1或2所述的系统，所述系统被构造成使得所述表面声波从所述挡风玻璃的表面穿入所述顶层汽车玻璃至小于3mm的深度处。

[0088] 8.根据段落1或2所述的系统，其中，所述发生器被设置成使所述换能器产生调频的表面声波。

[0089] 9.根据段落1所述的系统，所述系统包括使所述发生器的阻抗与所述一个或多个换能器的阻抗匹配的阻抗匹配电路。

[0090] 10.根据段落1所述的系统，其中，所述一个或多个换能器利用在真空下形成的均匀粘合层粘合至所述挡风玻璃的表面。

[0091] 11.根据段落1或9所述的系统，其中，所述粘合层的声阻抗接近所述汽车玻璃的声阻抗。

[0092] 12.根据段落1所述的系统，其中，所述挡风玻璃的所述表面涂覆有疏水涂层。

[0093] 13.一种用于清除包括夹在顶层汽车玻璃与底层汽车玻璃之间的层叠层的挡风玻璃的降水的设备，所述设备包括：

[0094] 一个或多个叉指式换能器，利用一个或多个均匀的粘合层粘合至所述挡风玻璃；

[0095] 阻抗匹配电路；和

[0096] 驱动电子元件，被设置成使所述一个或多个换能器通电以产生表面声波，其中所述换能器被设置成使所述表面声波基本上仅传播穿过所述顶层汽车玻璃，

[0097] 其中，所述阻抗匹配电路被设置成使所述驱动电子线路的输出阻抗与所述一个或多个换能器的输入阻抗匹配。

[0098] 14.根据段落13所述的设备，其中，所述一个或多个换能器利用环氧树脂材料在真空下粘合至所述挡风玻璃。

[0099] 15.根据段落13所述的设备，其中，所述表面声波为兰姆波或瑞利波。

[0100] 16.根据段落13所述的设备，其中，所述一个或多个换能器被设置成在400kHz至1.5MHz的频率范围内工作。

[0101] 17.根据段落13所述的设备，其中，所述信号发生器被设置成使所述一个或多个换能器产生调频的表面声波。

[0102] 18.根据段落13所述的设备，其中，所述信号发生器包括脉冲发生器，并且所述信号发生器被设置成使所述一个或多个换能器产生脉冲的表面声波。

[0103] 19.根据段落13所述的设备，其中，所述信号发生器被设置成使所述一个或多个换能器扫描整个频率范围。

[0104] 20.一种用于清除层叠挡风玻璃的降水的设备，所述设备包括：

[0105] 叉指式换能器，其中，所述换能器包括压电材料和两个分离的电极；和[0106] 发生器，被设置成以相反的极性使所述两个分离的电极通电，从而产生表面声波。

[0107] 21.根据段落20所述的设备，其中，所述换能器在400kHz至1.5MHz的频率范围内工作。

[0108] 22.根据段落20所述的设备，其中，所述叉指式换能器是基于通过切入所述电极的表面但不切割所述压电材料来修改标准压电转换器的外部电极而制造的。

[0109] 23.根据段落20或22所述的设备，其中，所述两个分离的电极之间的指间隔为15mm，所述两个分离的电极之间存在4mm的电极间隙，且所述换能器以500kHz的频率工作。

[0110] 24.根据段落20所述的设备，其中，所述表面声波为兰姆波或瑞利波。

[0111] 25.根据段落20所述的设备，所述设备包括用于使所述换能器的输入阻抗与所述发生器的输出阻抗匹配的阻抗匹配电路。

[0112] 26.一种用于清除面罩降水的设备，所述设备包括：

[0113] 一个或多个叉指式换能器，其中，所述一个或多个换能器粘合至所述面罩的表面；以及

[0114] 发生器，其中，所述发生器耦合至所述一个或多个换能器以产生表面声波。

[0115] 27.根据段落26所述的设备，其中，所述表面声波为兰姆波或瑞利波。

[0116] 28.根据段落26所述的设备，其中，所述一个或多个换能器被设置成在100kHz至1MHz的频率范围内工作。

[0117] 29.根据段落26所述的设备，其中，所述面罩为摩托车头盔面罩。

[0118] 30.一种用于从层叠的窗口清除降水的系统，所述系统包括：

[0119] 层叠的窗口，包括夹在顶层玻璃与底层玻璃之间的层叠层；

[0120] 一个或多个叉指式换能器；以及

[0121] 发生器，用于生成用于所述一个或多个换能器的超声驱动信号，

[0122] 其中，所述一个或多个换能器粘合至所述窗口的表面并由所述发生器驱动以产生表面声波，其中，所述表面声波基本上仅传播穿过所述顶层玻璃。

[0123] 31.一种用于从窗口清除降水的系统，所述设备包括：

[0124] 窗口和一个或多个换能器；以及

[0125] 发生器，用于生成用于所述一个或多个换能器的超声驱动信号，

[0126] 其中，所述一个或多个换能器固定至所述窗口的表面并由所述发生器驱动以产生表面声波，所述表面声波基本上仅传播穿过所述窗口的表面区域。

[0127] 32.根据前述段落任一项所述的系统或设备，包括：

[0128] 控制系统，具有传感器，所述传感器被设置成感测由所述换能器的一个或多个发出的超声波以检测降水的存在；以及

[0129] 控制器，响应于所述传感器，以控制所述系统或设备的工作。