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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.
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Es
ist ein Ultraschallsensor bekannt, der ein piezoelektrisches Element
aufweist, das an einem Schallanpasselement befestigt ist. Das Schallanpasselement
verbessert die Übertragung einer Ultraschallwelle, die
von einer Vorrichtung ausgesendet und empfangen wird. Dieser Ultraschallsensor
weist ein Ultraschallwellensendeelement zum Aussenden der Ultraschallwelle
und ein Ultraschallwellenempfangselement zum Empfangen der von einem
Objekt reflektierten Ultraschallwelle auf. Auf diese Weise erfasst
der Sensor eine Position des um den Sensor herum befindlichen Objekts,
einen Abstand zwischen dem Objekt und dem Sensor und eine zwei-
oder dreidimensionale Form des Objekts.
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Der
Sensor wird beispielsweise zur Echographie im medizinischen Bereich
eingesetzt. Die
JP-H05-123317 offenbart
eine Ultraschallsonde, die einen piezoelektrischen Oszillator und
eine Schallanpassschicht aufweist. Der piezoelektrische Oszillator sendet
die Ultraschallwelle aus und empfängt die Ultraschallwelle.
Der piezoelektrische Oszillator ist über eine gemeinsame
Elektrode zweidimensional geschichtet unter der Schallanpassschicht
angeordnet.
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Wenn
die Ultraschallsonde für einen Fahrzeugsensor verwendet
wird, muss die Sonde gegenüber Umwelteinflüssen
derart resistent sein, dass sie in einer Fahrzeugumgebung eingesetzt
werden kann. Insbesondere kann Feuchtigkeit oder ein Wassertropfen
an einer Elektrode oder an einem Drahtverbindungsabschnitt im Oszillator
anhaften. Dies kann zu einer Verringerung der Güte im elektrischen oder
strukturellen Bereich führen.
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Es
ist folglich erforderlich, den Ultraschallsensor vor einer Verschlechterung
und Fehlfunktion zu schützen, die durch Umwelteinflüsse
oder eine Stoßwirkung verursacht werden.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor
bereitzustellen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor
zur Erfassung eines Objekts auf: ein piezoelektrisches Element,
das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine
zweite Elektrode, zwischen denen der piezoelektrische Körper
angeordnet ist, aufweist, wobei das piezoelektrische Element eine
vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle erfasst und die Ultraschallwelle
anfangs von einem Sendeelement ausgesendet wird; ein Schallanpasselement,
das eine Empfangsoberfläche aufweist, welcher der ersten
Elektrode gegenüberliegt und die vom Objekt reflektierte
Ultraschallwelle empfängt, wobei das Schallanpasselement
die Ultraschallwelle von der Empfangsoberfläche über
die erste Elektrode zum piezoelektrischen Körper überträgt;
und eine Schaltung, die über einen Draht elektrisch mit
dem piezoelektrischen Element verbunden ist und ein vom piezoelektrischen
Element ausgegebenes Spannungssignal verarbeitet. Das piezoelektrische
Element ist derart in das Schallanpasselement eingebettet, dass das
Schallanpasselement wenigstens die erste Elektrode, einen Teil einer
Seitenwand des piezoelektrischen Elements und einen Teil des Drahtes
zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen Element bedeckt,
wobei die Seitenwand des piezoelektrischen Elements an die erste
Elektrode grenzt.
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Bei
dem obigen Sensor sind die erste Elektrode, der Teil des Drahtes
zwischen der Schaltung dem piezoelektrischen Element und ein Verbindungsabschnitt
zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen Element vor Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt. Auf diese Weise
können die Erfassungsgenauigkeit der Ultraschallwelle und
die Zuverlässigkeit des Sensors verbessert werden. Folglich
kann die Beständigkeit des Sensors gegenüber von
Umwelteinflüssen verbessert werden.
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Alternativ
kann die Schaltung in das Schallanpasselement eingebettet sein.
In diesem Fall kann ebenso die Stoßfestigkeit des Sensors
verbessert werden.
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Alternativ
kann ein Abstand zwischen der Empfangsoberfläche des Schallanpasselements
und der ersten Elektrode annähernd einer viertel Wellenlänge
der durch das Schallanpasselement übertragenen Ultraschallwelle
entsprechen. In diesem Fall wird der Schalldruck der Ultraschallwelle
erhöht, so dass die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors
verbessert werden kann.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor
zur Erfassung eines Objekts auf: ein piezoelektrisches Element,
das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine
zweite Elektrode, zwischen denen der piezoelektrische Körper
angeordnet ist, aufweist, wobei das piezoelektrische Element eine
vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle erfasst und die Ultraschallwelle
anfangs von einem Sendeelement ausgesendet wird; ein Schallanpasselement,
das eine Empfangsoberfläche aufweist, welche die vom Objekt
reflektierte Ultraschallwelle empfängt, wobei das Schallanpasselement
die Ultraschallwelle von der Empfangsoberfläche zum piezoelektrischen
Körper überträgt; und eine Schaltung,
die über einen Draht elektrisch mit dem piezoelektrischen
Element verbunden ist und ein vom piezoelektrischen Element ausgegebenes
Spannungssignal verarbeitet. Die Empfangsoberfläche liegt
einer Seitenwand des piezoelektrischen Elements gegenüber,
wobei die Seitenwand an die erste Elektrode grenzt, und das piezoelektrische
Element ist derart in das Schallanpasselement eingebettet, dass
das Schallanpasselement wenigstens die erste Elektrode, einen Teil
der Seitenwand des piezoelektrischen Elements und einen Teil des
Drahtes zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen Element
bedeckt.
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Bei
dem obigen Sensor sind die erste Elektrode, der Teil des Drahtes
zwischen der Schaltung dem piezoelektrischen Element und ein Verbindungsabschnitt
zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen Element vor Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt. Auf diese Weise
können die Erfassungsgenauigkeit der Ultraschallwelle und
die Zuverlässigkeit des Sensors verbessert werden. Folglich
kann die Beständigkeit des Sensors gegenüber von
Umwelteinflüssen verbessert werden.
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Ferner
wird die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert, da das
piezoelektrische Element in das Schallanpasselement eingebettet
ist.
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Gemäß einer
dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor,
der in einem Fahrzeug montiert ist, um ein Objekt zu erfassen, auf:
ein Gehäuse, das über ein Vibrationsdämpfungselement
an einer Karosserie bzw. einem Aufbau des Fahrzeugs befestigt ist,
wobei das Vibrationsdämpfungselement eine Vibration von
der Karosserie dämpft; ein piezoelektrisches Element, das einen
piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite
Elektrode, zwischen denen der piezoelektrische Körper angeordnet
ist, aufweist, wobei das piezoelektrische Element eine vom Objekt
reflektierte Ultraschallwelle erfasst und die Ultraschallwelle anfangs
von einem Sendeelement ausgesendet wird; ein Schallanpasselement,
das eine Empfangsoberfläche aufweist, welcher der ersten
Elektrode gegenüberliegt und die vom Objekt reflektierte
Ultraschallwelle empfängt, wobei das Schallanpasselement
die Ultraschallwelle von der Empfangsoberfläche über die
erste Elektrode zum piezoelektrischen Körper überträgt;
und eine Schaltung, die über einen Draht elektrisch mit
dem piezoelektrischen Element verbunden ist und ein vom piezoelektrischen
Element ausgegebenes Spannungssignal verarbeitet. Das piezoelektrische
Element, das Schallanpasselement und die Schaltung sind im Gehäuse
angeordnet. Das piezoelektrische Element ist derart in das Schallanpasselement
eingebettet, dass das Schallanpasselement die erste und die zweite
Elektrode, eine Seitenwand des piezoelektrischen Elements und einen
Teil des Drahtes zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen
Element bedeckt, wobei die Seitenwand des piezoelektrischen Elements
zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
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Bei
dem obigen Sensor sind die erste Elektrode, der Teil des Drahtes
zwischen der Schaltung dem piezoelektrischen Element und ein Verbindungsabschnitt
zwischen der Schaltung und dem piezoelektrischen Element vor Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt. Auf diese Weise
können die Erfassungsgenauigkeit der Ultraschallwelle und
die Zuverlässigkeit des Sensors verbessert werden. Folglich
kann die Beständigkeit des Sensors gegenüber Umwelteinflüssen
verbessert werden.
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Die
obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht
wurde, näher ersichtlich sein.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1A eine
Draufsicht eines Schallanpasselements in einem Ultraschallsensor
gemäß einer ersten Ausführungsform, und 1B eine
Querschnittsansicht des Sensors entlang der Linie IB-IB in der 1A;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Modifikation der zweiten Ausführungsform;
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4 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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5 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Modifikation der dritten Ausführungsform;
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6 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
vierten Ausführungsform;
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7 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Modifikation der vierten Ausführungsform;
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8 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
fünften Ausführungsform;
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9 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
sechsten Ausführungsform; und
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10A eine Draufsicht eines Ultraschallsensors mit
einem elastischen Element gemäß einer siebten
Ausführungsform, und 10B eine
Querschnittsansicht des Sensors entlang der Linie XB-XB in der 10A.
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(Erste Ausführungsform)
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Ultraschallsensor 10 wird in geeigneter Weise für
einen an einem Fahrzeug montierten Hindernissensor verwendet. 1A zeigt
den Sensor 10 von einer Seite des Schallanpasselements
aus. In den Figuren stellt eine obere Seite der 1B eine
Außenseite des Fahrzeugs und eine obere Seite des Blattes
der 1A die Außenseite des Fahrzeugs dar.
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Der
Ultraschallsensor 10 weist ein piezoelektrisches Element 11,
ein Schallanpasselement 12, ein Vibrationsdämpfungselement 13 und
eine Schaltung 19 auf. Das piezoelektrische Element 11 erfasst eine
Ultraschallwelle, die von einem vor dem Fahrzeug befindlichen Objekt
(Hindernis) reflektiert wird. Die Ultraschallwelle wird von einem
Ultraschallwellensendeelement in Richtung eines Bereichs vor dem Fahrzeug
ausgesendet. Die Ultraschallwelle wird vom Schallanpasselement 12 empfangen,
und anschließend wird eine Schwingung des Schallanpasselements 12 zum
piezoelektrischen Element 11 übertragen. Das Vibrationsdämpfungselement 13 schützt das
Schallanpasselement 12 vor einer Vibration, die von außen
auf das Schallanpasselement aufgebracht wird. Die Schaltung 19 erfasst
ein vom piezoelektrischen Element 11 ausgegebenes Spannungssignal.
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Der
Ultraschallsensor 10 ist in einem Gehäuse 71 untergebracht,
das eine Kastenform mit wenigstens einer Öffnung aufweist.
Der Sensor 10 ist an einem vorbestimmten Teil eines Fahrzeugs
befestigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Sensor 10 an
einer Stoßstange 90 befestigt. Der Sensor 10 ist
derart in der Öffnung des Gehäuses 71 befestigt,
dass eine Empfangsoberfläche 12a des Sensors 10 zum
Empfangen der Ultraschallwelle mit einem Film 100 bedeckt
und eine Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 nahe
der Empfangsoberfläche 12a über das Vibrationsdämpfungselement 13 an
der Öffnung des Gehäuses 71 befestigt
ist. Die Schaltung 19 ist an einem Boden 71a des
Gehäuses 71 befestigt. Der Film 100 kann
vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Vibrationsdämpfungselement 13 aufgebaut
sein, derart, dass der Film 100 als das Vibrationsdämpfungselement 13 dient.
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In
dem Sensor 10 sendet das Ultraschallwellensendeelement
die Ultraschallwelle aus und wird die vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle
von der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 empfangen.
Die von der Empfangsoberfläche 12 empfangene Ultraschallwelle
wird über das Schallanpasselement 12 zum piezoelektrischen
Element 11 übertragen. Die zum piezoelektrischen
Element 11 übertragene Ultraschallwelle wird vom
piezoelektrischen Element 11 derart erfasst, dass die Ultraschallwelle
in das Spannungssignal gewandelt wird.
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Die
Schaltung 19 ist elektrisch mit einer ECU (elektronische
Steuereinheit, die nicht gezeigt ist) verbunden. Das Spannungssignal
des piezoelektrischen Elements 11 wird derart an die Schaltung
gegeben, dass die Schaltung 19 eine Berechnung auf der
Grundlage des Spannungssignals ausführt. Anschließend
gibt die Schaltung 19 ein Schwingungssignal an die ECU.
Auf diese Weise wird beispielsweise ein Zeitintervall zwischen einem
Sendezeitpunkt der Ultraschallwelle und einem Empfangszeitpunkt oder
eine Phasenverschiebung zwischen der ausgesendeten Ultraschallwelle
und der empfangenen Ultraschallwelle gemessen, so dass ein Abstand
zwischen der Vorrichtung und dem Objekt erfasst werden kann.
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Das
piezoelektrische Element 11 ist derart gebildet, dass ein
piezoelektrisches Material mit einer viereckigen Prismenform aus
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet
ist. Jede Elektrode wird derart mit Hilfe eines Pt- oder Cu-Sputterns,
eines Plattierungsverfahrens oder eines Back- bzw. Wärmebehandlungsverfahrens
einer leitfähigen Paste gebildet, dass die Elektroden auf
beiden Seiten der viereckigen Prismenform gebildet werden. Hierbei
wird die erste Elektrode 14 bei dem piezoelektrischen Element 11 auf
einer Seite der Empfangsoberfläche des Schallanpasselements 12 und
die zweite Elektrode 15 auf der gegenüberliegenden
Seite der ersten Elektrode 14 gebildet.
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Die
erste Elektrode 14 ist über den Bonddraht 16a mit
dem einen Ende des Leiterrahmens 16b verbunden. An dem
anderen Ende des Leiterrahmens 16b ist eine Kontaktstelle 17a für
eine Verbindung mit einer externen Schaltung des Sensors 10 gebildet.
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Die
zweite Elektrode 15 ist über ein leitfähiges
Material, wie beispielsweise ein Lötmittel, mit einem Elektrodenelement 18a verbunden.
Das Elektrodenelement 18a ist über den Bonddraht 18b mit
einer Kontaktstelle 17b verbunden. Die Kontaktstelle 17b ist
mit der externen Schaltung des Sensors 10 verbindbar.
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Das
piezoelektrische Element 11 ist über die Anschlussdrähte 72–72 und
die Kontaktstellen 17a, 17b elektrisch mit der
Schaltung 19 verbunden.
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Das
Schallanpasselement 12 weist eine viereckige Prismenform
auf, ist aus einem Harzmaterial mit einer geringern akustischen
Impedanz als das piezoelektrische Element 11 aufgebaut
und ist mit Hilfe eines Insert-Molding-Verfahrens derart gebildet,
dass das piezoelektrische Element 11 in das Schallanpasselement 12 eingebettet
ist. Das Schallanpasselement 12 ist beispielsweise aus
einem Harz aus der Reihe der Polycarbonate aufgebaut, das eine geringe
Temperaturabhängigkeit in der Schallgeschwindigkeit im
Harz aufweist. Folglich ist eine Wellenlängenänderung
der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12 bezüglich
einer Temperaturänderung selbst dann gering, wenn sich
die Temperatur um den Sensor 10 herum ändert.
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Der
Bonddraht 16a und der Leiterrahmen 16b und das
Elektrodenelement 18a und der Bonddraht 18b sind
im Schallanpasselement 12 versiegelt. Der Bonddraht 16a und
der Leiterrahmen 16b bilden eine Verdrahtung für
eine Verbindung mit der ersten Elektrode 14. Das Elektrodenelement 18a und der
Bonddraht 18b bilden eine Verdrahtung für eine Verbindung
mit der zweiten Elektrode 15.
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Die
Kontaktstellen 17a-17b sind auf dem Boden 12b angeordnet,
welcher der Empfangsoberfläche 12a gegenüberliegt.
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Das
Schallanpasselement 12 weist eine Breite W auf, die kleiner
oder gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle
in Luft ist. Die Empfangsoberfläche 12a verläuft
parallel zur ersten Elektrode 14. Der Abstand L zwischen
der Empfangsoberfläche 12a und der ersten Elektrode 14 entspricht annähernd
einer viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12.
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Das
Schallanpasselement 12 weist eine Dicke T auf, die annähernd
der viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12 entspricht,
so dass im Schallanpasselement 12 eine stehende Welle erzeugt
wird. Folglich wird eine vom Schallanpasselement 12 empfangene
Ultraschallwelle nicht durch eine an einer Grenzfläche
zwischen dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen
Element 11 reflektierte Ultraschallwelle gelöscht,
so dass eine Auslöschung zwischen der empfangenen Welle
und der reflektierten Welle verringert wird. Die Ultraschallwelle
wird effektiv zum piezoelektrischen Element 11 übertragen.
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Der
Bonddraht 16a und der Leiterrahmen 16b zur Bereitstellung
der mit der ersten Elektrode 14 verbundenen Leitung und
das Elektrodenelement 18a und der Bonddraht 18b zur
Bereitstellung der mit der zweiten Elektrode 15 verbundenen
Leitung werden im piezoelektrischen Element 11 gebildet.
Anschließend wird das piezoelektrische Element 11 mit dem
Bonddraht 16a, dem Leiterrahmen 16b, dem Elektrodenelement 18a und
dem Bonddraht 18b dann, wenn das piezoelektrische Element 11 durch Insert-Molding
im Schallanpasselement 12 angeordnet und geformt ist, in
einer Formvorrichtung angeordnet und befestigt. Anschließend
wird ein wärmehärtendes Harz, wie beispielsweise
ein Harz aus der Reihe der Polycarbonate, mit Hilfe eines Spritzgießverfahrens
(Injection-Molding), eines Spritzpressverfahrens (Transfer-Molding)
oder dergleichen in die Formvorrichtung gespritzt.
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Hierbei
kann es in einigen Fällen passieren, dass die piezoelektrischen
Eigenschaften des piezoelektrischen Elements 11 aufgrund
der Wärme bei einem Insert-Molding-Prozess verschlechtert
werden oder verloren gehen. In diesem Fall wird die Polarisationsverarbeitung
derart ausgeführt, dass vorbestimmten piezoelektrischen
Eigenschaften wiederhergestellt werden. Die Polarisationsverarbeitung wird
beispielsweise ausgeführt, indem, auf den Insert-Molding-Prozess
folgend, eine vorbestimmte Spannung an das Element 11 gelegt
und das Element 11 einer vorbestimmten Temperatur ausgesetzt wird.
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Alternativ
kann der Polarisationsprozess erst ausgeführt werden, nachdem
der Insert-Molding-Prozess ausgeführt wurde, und nicht
vor dem Insert-Molding-Prozess ausgeführt werden.
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Die
erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 15 des
piezoelektrischen Elements 11, die Drähte zur
Verbindung jeder Elektroden 14, 15 und deren Verbindungsabschnitte
sind in das Schallanpasselement 12 eingebettet, so dass
das piezoelektrische Element 11 vor Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt ist. Auf diese Weise
können die Erfassungsgenauigkeit der Ultraschallwelle und
die Zuverlässigkeit des Sensors 10 verbessert
werden. Folglich wird die Beständigkeit des Sensors 10 gegenüber
Umwelteinflüssen verbessert.
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Da
das piezoelektrische Element 11 in das Schallanpasselement 12 eingebettet
ist, wird das piezoelektrische Element 11 selbst dann nicht
verschoben, wenn ein fliegendes Objekt, wie beispielsweise ein kleiner
Stein, derart auf die Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpasselements 12 schlägt, dass eine Stoßwirkung
auf das Schallanpasselement 12 aufgebracht wird. Folglich
kann eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements 11 beschränkt
werden, so dass verhindert wird, dass das piezoelektrische Element 11 bricht
und von dem Schallanpasselement 12 abgelöst wird.
Auf diese Weise kann die Stoßfestigkeit des Sensors 10 verbessert.
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Da
der Positionierungsprozess des piezoelektrischen Elements 11 und
dergleichen vor dem Insert-Molding-Prozess ausgeführt wird,
ist die Positioniergenauigkeit im Sensor 10 hoch.
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Das
Vibrationsdämpfungselement 13 ist zwischen der
Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 und
dem Gehäuse 71 angeordnet. Das Vibrationsdämpfungselement 13 befestigt
die Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 am Schallanpasselement 12 und
verhindert, dass eine Vibration der Stoßstange 90 übertragen
wird.
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Das
Vibrationsdämpfungselement 13 wird mit Hilfe eines
Klebemittels an einer Innenoberfläche 71b des
Gehäuses 71 und der Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 befestigt.
Das Befestigungsverfahren ist beispielsweise ein Verfahren unter
Anwendung eines Klebemittels ein integrierendes Verfahren, wie beispielsweise
ein Doppelspritzgießverfahren (Double Injection Molding),
ein mechanisches, d. h. ein strukturelles Befestigungsverfahren, wie
beispielsweise ein Zusammenpressverfahren (Sandwiching-Verfahren)
und ein Montageverfahren, oder dergleichen.
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Das
Vibrationsdämpfungselement 13 weist eine geringere
akustische Impedanz als das Schallanpasselement 12 und
eine höhere Dämpfungskonstante als das Schallanpasselement 12 auf. Das
Vibrationsdämpfungselement 13 ist beispielsweise
aus einem Silikongummi aufgebaut. Das Schallanpasselement 12 kann
einen geringen Elastizitätsmodul (E-Modul) und/oder eine
geringe Dichte aufweisen. Das Schallanpasselement 12 ist
beispielsweise aus Gummi, Harz mit einer Mehrzahl von Löchern,
wie beispielsweise ein Harzschaum, oder Schaumstoff aufgebaut.
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Da
das Vibrationsdämpfungselement 13 zwischen der
Stoßstange 90 und dem Schallanpasselement 12 angeordnet
ist, wird verhindert, dass die Ultraschallwelle von der Stoßstange 90 zur
Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 übertragen
wird. Eine Übertragung der Ultraschallwelle zum Schallanpasselement 12 verursacht
Rauschen.
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Ferner
ist eine Kraft zur Verringerung der Vibration des Schallanpasselements 12,
die durch die Ultraschallwelle verursacht wird, dann, wenn das Schallanpasselement 12 einen
geringen Elastizitätsmodul aufweist, verhältnismäßig
gering. Folglich wird eine Dämpfung der Vibration der Ultraschallwelle
verringert.
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Auf
diese Weise können das Rauschen und ebenso die Dämpfung
der Ultraschallwelle verringert werden. Die Erfassungsempfindlichkeit
der Ultraschallwelle kann verbessert werden.
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Obgleich
das Schallanpasselement 12 die viereckige Prismenform aufweist,
kann das Schallanpasselement 12 eine zylindrische Form
aufweisen. Wenn die Breite W des Schallanpasselements 12 kleiner
oder gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle
ist, und wenn eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren 10 derart
in einem Array angeordnet ist, dass ein Abstand zwischen zwei Schallanpasselementen 12 von
zwei mittleren Sensoren 10 kleiner oder gleich der halben
Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft ist, weist die
Mehrzahl von Ultraschallsensoren 10 eine hohe Erfassungsgenauigkeit
auf. In diesem Fall arbeitet das Schallanpasselement 12 selbst
dann, wenn die Breite W des Schallanpasselements 12 über
der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft liegt,
als Schallanpassmittel.
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Obgleich
das Schallanpasselement 12 bei dieser Ausführungsform
aus einem Harz aus der Reihe der Polycarbonate aufgebaut ist, kann
das Schallanpasselement 12 aus einem Harz aus der Reihe
der Polyetherimide, aus einem Epoxidharz oder dergleichen aufgebaut
sein.
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Obgleich
das Elektrodenelement 18a zwischen der zweiten Elektrode 15 und
der Kontaktstelle 17b angeordnet ist, kann die zweite Elektrode 15 über
den Bonddraht 18b direkt mit der Kontaktstelle 17b verbunden
sein.
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Das
piezoelektrische Element 11 kann aus einem Polyvinylidenfluoridmaterial
(PVDF-Material) aufgebaut sein. Das PVDF-Material ist ein Harz,
so dass die Schallimpedanzdifferenz zwischen dem Schallanpasselement 12 und
dem piezoelektrischen Element 11 gering ist. Folglich kann
die Dämpfung der Schwingung der Ultraschallwelle minimiert
werden. Ferner wird das piezoelektrische Element 11 auf einfache
Weise durch Insert-Molding im Schallanpasselement 12 gebildet.
Hierbei ist die Länge des Schallanpasselements 12,
einschließlich der Länge des piezoelektrischen
Elements 11, dann, wenn die akustische Impedanz des PVDF-Materials
im Wesentlichen gleich der des Schallanpasselements 12 ist,
vorzugsweise gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle.
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In
der 1 ist die gesamte Fläche
jeder Kontaktstellen 17a, 17b vom Schallanpasselement 12 freigelegt.
Alternativ kann nur die Oberfläche jeder Kontaktstellen 17a, 17b vom
Schallanpasselement 12 freigelegt sein, indem die Kontaktstellen 17a, 17b durch
Insert-Molding im Schallanpasselement 12 angeordnet werden.
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Das
piezoelektrische Element 11 kann als Ultraschallwellensendeelement
zum Aussenden der Ultraschallwelle dienen. In diesem Fall ist es
nicht erforderlich, ein zusätzliches Ultraschallwellensendeelement
zu bilden, da das piezoelektrische Element 11 auch als
das Sendeelement dient. Auf diese Weise werden die Abmessungen des
Sensors 10 minimiert.
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Wenn
das piezoelektrische Element 11 als Sendeelement dient,
das heißt, wenn die Ultraschallwelle vom Sensor 10 ausgesendet
wird, gibt die Schaltung 18 auf der Grundlage eines Steuersignals der
ECU zur Steuerung des Schalldrucks und der Phase der Sendeultraschallwelle
ein Spannungssignal an das piezoelektrische Element 11.
Das piezoelektrische Element 11 schwingt auf der Grundlage des
Spannungssignals derart, dass die Ultraschallwelle mit einem vorbestimmten
Schalldruck und einer vorbestimmten Phase ausgegeben wird. Die vom
piezoelektrischen Element 11 ausgegebene Ultraschallwelle
wird derart zum Schallanpasselement 12 übertragen,
dass die Ultraschallwelle von der Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpasselements 12 nach außerhalb des Fahrzeugs
abgestrahlt wird.
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Das
piezoelektrische Element 11 kann nur zum Aussenden der
Ultraschallwelle dienen. Wenn eine Mehrzahl von piezoelektrischen
Elementen 11 im Sensor 10 gebildet ist, dient
eines der piezoelektrischen Elemente 11 nur zum Aussenden
der Ultraschallwelle und ein anderes der piezoelektrischen Elemente 11 nur
zum Empfangen der Ultraschallwelle. Folglich werden eine Schaltung
zum Aussenden der Ultraschallwelle und eine andere Schaltung zum Empfangen
der Ultraschallwelle unabhängig voneinander im Sensor 10 gebildet.
Auf diese Weise kann ein Aufbau der Schaltungen vereinfacht werden.
Ferner beeinflusst ein Nachhall, der beim Aussenden der Ultraschallwelle
entsteht, das Element zum Empfangen der Ultraschallwelle nicht,
so dass der Sensor 10 die von einem in der Nähe
des Sensors 10 befindlichen Objekt reflektierte Welle empfangen
kann.
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In
dem Sensor 10 sind die piezoelektrischen Elemente 11 durch
ein Insert-Molding-Verfahren derart in das Schallanpasselement 12 eingesetzt,
dass wenigstens die erste Elektrode 14 und ein Teil der Seitenwand 11a des
piezoelektrischen Elements 11, die benachbart zur ersten
Elektrode 14 angeordnet ist bzw. an die erste Elektrode 14 grenzt,
durch das Schallanpasselement 12 bedeckt werden. Bei dieser Ausführungsform
sind alle piezoelektrischen Elemente 11 durch das Schallanpasselement 12 bedeckt.
Ferner wird wenigstens ein Teil der Verdrahtung für eine
elektrische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und
der Schaltung 19, d. h. wenigstens ein Teil der Verdrahtung
für eine Verbindung mit der ersten Elektrode 14 und
der Verdrahtung für eine Verbindung mit der zweiten Elektrode 15,
in das Schallanpasselement 12 eingebettet. Folglich werden
die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 15,
die Verdrahtung für eine Verbindung mit der ersten Elektrode 14,
die Verdrahtung für eine Verbindung mit der zweiten Elektrode 15 und
deren Verbindungsabschnitte vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise
Feuchtigkeit, geschützt. Auf diese Weise wird die Erfassungsgenauigkeit
der Ultraschallwelle verbessert, so dass die Zuverlässigkeit
des Sensors 10 verbessert werden kann. Insbesondere wird
die Beständigkeit des Sensors 10 gegenüber
von Umwelteinflüssen verbessert.
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Da
das piezoelektrische Element derart in das Schallanpasselement 12 eingefügt
und im Schallanpasselement 12 gehalten wird, dass eine Verschiebung
des piezoelektrischen Elements 11 beschränkt wird,
können ein Bruch des piezoelektrischen Elements 11 und
eine Ablösung des piezoelektrischen Elements 11 vom
Schallanpasselement 12 selbst dann verhindert werden, wenn
ein fliegender Gegenstand, wie beispielsweise ein kleiner Stein,
auf die Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 schlägt,
so dass eine Stoßwirkung auf die Empfangsoberfläche 12a aufgebracht
wird. Folglich wird die Stoßfestigkeit des Sensors 10 verbessert.
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Ferner
werden das piezoelektrische Element 11 und dergleichen
auf ihre Anordnung folgend einem Insert-Molding-Prozess unterzogen.
Auf diese Weise kann im Sensor 10 eine hohe Positioniergenauigkeit
erzielt werden.
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In
dem Schallanpasselement 12 ist der Abstand zwischen der
Empfangsoberfläche 12a und der ersten Elektrode 14 nahezu
gleich einer viertel Wellenlänge der im Schallanpasselement 12 übertragenen
Ultraschallwelle, so dass die stehende Welle, die durch die im Schallanpasselement 12 aufgenommene
Ultraschallwelle hervorgerufen wird, erzeugt wird. Folglich wird
der Schalldruck einer Schwingung im Schallanpasselement 12 erhöht,
so dass die Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle verbessert wird.
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Wenn
das Schallanpasselement 12 aus einem Harz aus der Reihe
der Polycarbonate aufgebaut ist, ist die Temperaturänderung
der Schallgeschwindigkeit im Schallanpasselement 12 verhältnismäßig
gering. Folglich wird eine Änderung der Wellenlänge
in Abhängigkeit einer Temperaturänderung verringert,
so dass die Übertragung der Schwingung in stabiler Weise
ausgeführt wird. Ferner wird ein Harzmaterial aus der Reihe
der Polycarbonate in geeigneter Weise für das Insert-Molding-Verfahren
verwendet, so dass das Schallanpasselement 12 auf einfache
Weise gefertigt werden kann.
-
Da
das piezoelektrische Element 11 aus Blei-Zirkonat-Titanat
(PZT) aufgebaut ist, das eine hohe piezoelektrische Konstante aufweist,
kann das piezoelektrische Element 11 eine Ultraschallwelle empfangen,
die einen geringen Schalldruck aufweist. Folglich kann die Empfindlichkeit
des Sensors 10 verbessert werden.
-
Ferner
wird die Differenz der akustischen Impedanz zwischen dem piezoelektrischen
Element 11 und dem Schallanpasselement 12 dann,
wenn das piezoelektrische Element 11 aus einem Material
aus der Reihe der Polyvinylidenfluoride (PVDF) aufgebaut ist, minimiert
werden, so dass die Dämpfung der Ultraschallwelle verringert
werden kann. Ferner kann das piezoelektrische Element 11 auf
einfache Weise durch Insert-Molding im Schallanpasselement 12 gebildet
werden, da das PVDF-Material ein Harz ist.
-
Nachdem
das piezoelektrische Element 11 auf einfache Weise durch
Insert-Molding im Schallanpasselement 12 gebildet wurde,
wird das piezoelektrische Element 11 dem Polarisationsprozess
unterzogen. Selbst wenn die piezoelektrischen Eigenschaften des
piezoelektrischen Elements 11 aufgrund einer Wärmebehandlung
beim Insert-Molding-Prozess des piezoelektrischen Elements 11 verringert
werden oder verloren gehen, werden die piezoelektrischen Eigenschaften
des piezoelektrischen Ele ments 11 wiederhergestellt und
können vorbestimmte piezoelektrische Eigenschaften erzielt
werden.
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Das
piezoelektrische Element 11 kann als das Sendeelement zum
Aussenden der Ultraschallwelle dienen. In diesem Fall ist es nicht
erforderlich, ein zusätzliches Sendeelement im Sensor 10 zu
bilden, so dass die Abmessungen des Sensorelements 10 minimiert
werden können.
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(Zweite Ausführungsform)
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2 zeigt
einen Ultraschallsensor 20 gemäß einer
zweiten Ausführungsform, und 3 zeigt einen
weiteren Ultraschallsensor gemäß einer Modifikation
der zweiten Ausführungsform.
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Bei
dem Sensor 20 ist das piezoelektrische Element 11,
wie in 2 gezeigt, über Bondhügel 21, 22 mit
der Schaltung 19 verbunden.
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Das
piezoelektrische Element ist derart in das Schallanpasselement 12 eingefügt,
dass die zweite Elektrode 15 vom Boden 12b des
Schallanpasselements 12 freigelegt ist. Die erste Elektrode 14 ist über
den Bonddraht 16a mit dem einen Ende des Leiterrahmens 16b verbunden.
An dem anderen Ende des Leiterrahmens 16b ist eine Kontaktstelle 17a gebildet.
Der Bonddraht 16a und der Leiterrahmen 16b sind
im Schallanpasselement 12 versiegelt. Die Oberfläche
der Kontaktstelle 17a ist vom Boden 12b des Schallanpasselements 12 freigelegt
und in das Schallanpasselement 12 eingebettet.
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Der
Bondhügel 21 ist auf der zweiten Elektrode 15 und
der andere Bondhügel 22 auf der Kontaktstelle 17a gebildet.
Die Bondhügel 21, 22 verbinden die Schaltung 19 elektrisch
mit dem piezoelektrischen Element 11. Insbesondere entspricht
der Bondhügel 21 der Leitung für eine
Verbindung zwischen der Elektrode 15 und der Schaltung 19.
Die Leitung für eine Verbindung zwischen dem piezoelektrischen
Element 11 und der Schaltung 19 kann kurz ausgelegt
sein, so dass das Rauschen von der Verbindungsleitung verringert
werden kann. Auf diese Weise kann die Erfassungsgenauigkeit der
Ultraschallwelle verbessert werden.
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Das
piezoelektrische Element 11 mit dem Bondhügel 21 auf
der zweiten Elektrode 15 kann, wie in 3 gezeigt,
durch Insert-Molding derart im Schallanpasselement 12 gebildet
sein, dass ein Teil des Bondhügels 21 von dem
Boden 12b freigelegt ist.
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Hierbei
kann die Kontaktstelle 17a für eine elektrische
Verbindung mit der ersten Elektrode 14 über den
Bonddraht 16a an der Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 gebildet
sein.
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Die
Anzahl und die Anordnung des Bondhügels 21 können
vom in der 2 gezeigten Sensor abweichen.
Wenn eine Mehrzahl von Bondhügeln 21 im Sensor 10 gebildet
ist, können die Parallelität und die Bindekraft
zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und der Schaltung 19 verbessert
werden. In diesem Zusammenhang können die Bondhügel 21 symmetrisch
zur Mitte der zweiten Elektrode 15 angeordnet sein.
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In
einem Zwischenraum zwischen der zweiten Elektrode 15 und
der Schaltung 19 kann ein Unterfüllmaterial 23 vorgesehen
sein. Durch eine Verwendung des Unterfüllmaterials 23 können
die Beständigkeit gegenüber von Umwelteinflüssen
und die Bindekraft verbessert werden. Ein Ausfüller bzw.
Abstandshalter, wie beispielsweise ein Klebeband, kann derart zwischen
der zweiten Elektrode 15 und der Schaltung 19 gebildet
sein, dass die Parallelität zwischen der zweiten Elektrode 15 und
der Schaltung 19 gewährleistet ist.
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Der
Leiterrahmen 16b kann über ein Lötmittel
direkt mit der ersten Elektrode 14 verbunden werden. Ferner
kann die zweite Elektrode 15 über ein Halbleiterplättchen
an die Schaltung 19 geklebt sein.
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Der
Sensor 20 bringt die gleichen Effekte wie der Sensor 10 gemäß der
ersten Ausführungsform hervor. Ferner bildet der Bondhügel 21 bei
dem Sensor 20 die Leitung für eine Verbindung
zwischen der zweiten Elektrode 15 und der Schaltung 19,
so dass das Rauschen von der Leitung verringert und die Erfassungsempfindlichkeit
der Ultraschallwelle verbessert werden können.
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(Dritte Ausführungsform)
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4 zeigt
einen Ultraschallsensor 30 gemäß einer
dritten Ausführungsform, und 5 zeigt einen
weiteren Ultraschallsensor gemäß einer Modifikation
der dritten Ausführungsform.
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Bei
dem Sensor 30 sind die Kontaktstelle 17a, die über
den Bonddraht 16a mit der ersten Elektrode 14 verbunden
ist, und die Kontaktstelle 17b, die über das Elektrodenelement 18a und
den Bonddraht 18b mit der zweiten Elektrode 15 verbunden
ist, wie in 4 gezeigt, an der Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 angeordnet.
Die Kontaktstellen 17a, 17b sind über
Anschlussdrähte 72, 73 elektrisch mit
der an der Innenwand 71b des Gehäuses 71 angeordneten
Schaltung 19 verbunden.
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Folglich
ist die Schaltung 19 an der Innenwand 71b des
Gehäuses 71 angeordnet, so dass die Freiheit bei
der Auslegung bzw. Gestaltung des Sensors verbessert werden kann.
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Das
Schallanpasselement 12 kann, wie in 5 gezeigt,
symmetrisch zum piezoelektrischen Element 11 sein. Insbesondere
verläuft der Boden 12b des Schallanpasselements 12 parallel
zur zweiten Elektrode 15 und ist der Abstand zwischen dem Boden 12b und
der zweiten Elektrode 15 im Wesentlichen gleich einer viertel
Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12.
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Das
Schallanpasselement 12 schwingt symmetrisch zum piezoelektrischen
Element 11, so dass die Schwingung des Schallanpasselements 12 stabil ist.
Folglich wird der Schalldruck verbessert.
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In
diesem Fall wird dadurch, dass eine Nut auf der Empfangsoberfläche 12a mit
einem Material versiegelt ist, das einen geringeren Elastizitätsmodul als
ein Material zum Halten eines Knotens aufweist, verhindert, dass
ein Fremdkörper in die Nut eindringt, ohne dass die Erfassungsgenauigkeit
beeinträchtigt wird. Auf diese Weise kann die Beständigkeit
gegenüber von Umwelteinflüssen verbessert werden.
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Bei
dem Sensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform
und dem Sensor 20 gemäß der zweiten Ausführungsform
ist die Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 nahe
der Empfangsoberfläche 12a über das Vibrationsdämpfungselement 13 an
der Öffnung des Gehäuses 71 befestigt.
Eine Mitte des Schallanpasselements 12 in der Längsrichtung
kann am Gehäuse 71 befestigt sein. In diesem Fall
bildet die Mitte des Schallanpasselements 12 in der Längsrichtung
einen Schwingungsknoten einer stehenden Welle. Die Mitte des Schallanpasselements 12 ist
derart am Gehäuse 71 befestigt, dass ein Befestigungsabschnitt
(d. h. die Mitte) des Schallanpasselements 12 die Schwingung
des Ultraschallwellenerfassungselements nicht beschränkt. Folglich
wird die Dämpfung der Schwingung verringert. Folglich wird
die Signalintensität erhöht und die Erfassungsempfindlichkeit
verbessert.
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Der
Sensor 30 bringt die gleichen Effekte wie der Sensor 10 gemäß der
ersten Ausführungsform hervor. Ferner ist die Schaltung 19 an
der Innenwand 71b des Gehäuses 71 angeordnet,
da die Kontaktstellen 17a, 17b an der Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 gebildet
sind. Auf diese Weise kann die Freiheit bei der Gestaltung des Sensors
verbessert werden.
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Wenn
das Schallanpasselement 12 symmetrisch zum piezoelektrischen
Element 11 ist, schwingt das Schallanpasselement 12 symmetrisch
zum piezoelektrischen Element 11. Folglich ist die Schwingung
des Schallanpasselements 12 stabil, so dass die Empfindlichkeit
und/oder der Schalldruck verbessert werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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6 zeigt
einen Ultraschallsensor 40 gemäß einer
vierten Ausführungsform, und 7 zeigt einen
weiteren Ultraschallsensor gemäß einer Modifikation
der vierten Ausführungsform.
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Bei
dem Sensor 40 ist die Schaltung 19, wie in 6 gezeigt,
ebenso in das Schallanpasselement 12 eingebettet. In der
Schaltung 19 sind ein Bonddraht 41 und eine Kontaktstelle 42 für
eine Verbindung mit einer externen Schaltung, wie beispiels weise
einer ECU, gebildet. Alternativ kann ein Bondhügel, ein
Leiterrahmen oder dergleichen in der Schaltung 19 gebildet
sein.
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Bei
dem Sensor 40 werden die Beständigkeit gegenüber
von Umwelteinflüssen und die Stoßfestigkeit unter
dem piezoelektrischen Element 11, den Verdrahtungen und
der Schaltung 19 verbessert, da die Schaltung 19 in
das Schallanpasselement 12 eingebettet ist.
-
Ferner
kann die Verdrahtung zwischen der Schaltung 19 und dem
piezoelektrischen Element 11 verkürzt werden,
da die Schaltung 19 nahe dem piezoelektrischen Element 11 angeordnet
ist. Folglich wird ein Rauschen von der Verdrahtung verringert,
so dass die Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle verbessert
werden kann.
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Ein
Teil der ersten Elektrode 14 und ein Teil der zweiten Elektrode 15 können
sich, wie in 7 gezeigt, derart erstrecken,
dass sie bis zur Seitenwand 11a des piezoelektrischen Elements 11 reichen,
so dass die sich erstreckenden Teile der ersten und der zweiten
Elektrode 14, 15 über die Bondhügel 21 mit
der Schaltung 19 verbunden werden. Die Schaltung 19 weist
einen Bonddraht 41 und eine externe Verdrahtung 43 für
eine Verbindung mit einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise
einer ECU, auf.
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In
diesem Fall bringt der Sensor 40 die vorstehend beschriebenen
Effekte hervor. Ferner kann die Länge der Verdrahtungen
im Sensor 40 minimiert werden.
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Der
Sensor 40 bringt die gleichen Effekte wie der Sensor 10 gemäß der
ersten Ausführungsform hervor. Ferner können die
Beständigkeit gegenüber von Umwelteinflüssen
und die Stoßfestigkeit unter dem piezoelektrischen Element 11,
den Verdrahtungen und der Schaltung 19 verbessert werden,
da die Schaltung 19 in das Schallanpasselement 12 eingebettet
ist.
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(Fünfte Ausführungsform)
-
8 zeigt
einen Ultraschallsensor 50 gemäß einer
fünften Ausführungsform.
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Bei
dem Sensor 50 sind mehrere Schallanpasselemente 12 und
mehrere piezoelektrischen Elemente 11 in einem Array ausgerichtet
angeordnet. Bei dieser Ausführungsform weist der Sensor 50 vier Schallanpasselemente 12 und
vier piezoelektrische Elemente 11 auf. Insbesondere sind,
wie in 8 gezeigt, zwei Paare des Schallanpasselements 12 und vier
piezoelektrische Elemente 11 in Querrichtung des Sensors 50 fluchten
angeordnet. Zwei Paare des Schallanpasselements 12 und
vier piezoelektrische Elemente 11 sind, wie nicht in der 8 gezeigt,
in einer Richtung der Tiefe des Sensors 50 fluchtend angeordnet.
Die Tiefenrichtung verläuft senkrecht zur Querrichtung.
Bei dieser Ausführungsform entsprechen die Schallanpasselemente 12 und
die piezoelektrischen Elemente 11 dem Schallanpasselement 12 bzw.
dem piezoelektrischen Element 11 des in der 2 gezeigten
Sensors 20. Der Sensor 50 erfasst eine dreidimensionale
Position eines Erfassungsobjekts.
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Die
Empfangsoberflächen 12a der zwei Schallanpasselemente 12 werden
derart durch einen Schlitz 12e geteilt, dass die zwei Schallanpasselemente 12 über
einen Verbindungsabschnitt 12d, der in der Nähe
des Schwingungsknotens N der stehenden Welle angeordnet ist, miteinander
verbunden sind. Auf diese Weise wird die Dämpfung der Ultraschallwelle,
die durch eine Beschränkung des Verbindungsabschnitts 12d verursacht
wird, verringert, so dass die Signalstärke erhöht
wird. Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle verbessert
werden.
-
Die Öffnung
des Schlitzes 12e an der Seite der Empfangsoberfläche
ist mit einem Füllmaterial 51, das beispielsweise
aus Gummi oder aus Gel besteht, das einen geringeren Elastizitätsmodul
als das Schallanpasselement 12 aufweist, versiegelt. Das Füllmaterial 51 schützt
den Sensor 50 vor Feuchtigkeit oder einem Fremdstoff, die
bzw. der in den Sensor 50 eintritt, ohne dabei die Übertragung
der Ultraschallwelle zu verschlechtern.
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Jedes
piezoelektrische Element 11 ist elektrisch mit der gleichen
Schaltung 19 verbunden. Alternativ kann jedes piezoelektrische
Element 11 eine Schaltung 19 für sich
aufweisen.
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Die
vier Paare bestehend aus dem Schallanpasselement 12 und
dem piezoelektrischen Element 11 werden derart gebildet,
dass die vier piezoelektrischen Elemente 11 durch Insert-Molding
in einem Körper des Schallanpasselements 12 gebildet
werden, woraufhin der Schlitz 12e in dem einen Körper des
Schallanpasselements 12 entlang der Übertragungsrichtung
der Ultraschallwelle gebildet wird, wobei der Verbindungsabschnitt 12d zurückbleibt,
derart, dass die vier Schallanpasselemente 12 gebildet werden.
-
Gemäß dem
obigen Verfahren können die Fertigungsschritte verringert
und die Positioniergenauigkeit des Schallanpasselements 12 und
des piezoelektrischen Elements 11 verglichen mit einem Fall,
bei dem jedes piezoelektrische Element 11 einzeln in dem
entsprechenden Schallanpasselement 12 eingebettet wird
und anschließend vier Paare bestehend aus dem Schallanpasselement 12 und
dem piezoelektrischen Element 11 über den Verbindungsabschnitt 12d verbunden
werden, verbessert werden.
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Der
Sensor 50 weist mehrere Schallanpasselemente 12 und
piezoelektrische Elemente 11 auf, derart, dass die Zeitdifferenz
und die Phasendifferenz der von den piezoelektrischen Elementen 11 empfangenen
Ultraschallwelle gewonnen werden können. Auf der Grundlage
der Differenz kann nicht nur der Abstand zwischen dem Sensor und
dem Objekt, sondern ebenso die Position des Objekts bestimmt werden.
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Jedes
Schallanpasselement 12 ist derart gebildet, dass die Breite
W des Schallanpasselements 12 kleiner oder gleich der halben
Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft ist. Der Abstand
d zwischen den Mitten der zwei benachbarten Schallanpasselemente 12 ist
nahezu gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle
in Luft.
-
In
obigem Fall wird die Zeitdifferenz ebenso auf der Grundlage der
Phasendifferenz der von den piezoelektrischen Elementen 11 empfangenen
Ultraschallwelle bestimmt. Folglich wird die Zeitdifferenz der von
den piezoelektrischen Elementen 11 empfangenen Ultraschallwelle
mit hoher Genauigkeit erfasst, so dass die Erfassungsgenauigkeit
von sowohl dem Abstand zum Objekt als auch der Position des Objekts
verbessert werden.
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Hierbei
kann selbst dann, wenn die Breite W des Schallanpasselements 12 nicht
kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle
in Luft ist, die dreidimensionale Position des Objekts erfasst werden.
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Da
die Empfangsoberfläche 12a der Schallanpasselemente 12 durch
den Schlitz 12e geteilt wird, entsteht kein Übersprechen
zwischen den mehreren Schallanpasselementen 12 und piezoelektrischen
Elementen 11, so dass die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich
der Ultraschallwelle verbessert wird.
-
Der
Verbindungsabschnitt 12d kann in der Nähe des
Bodens 12b der Schallanpasselemente 12 gebildet
werden. Ferner kann der Verbindungsabschnitt 12d in der
Nähe der Empfangsoberfläche 12a der Schallanpasselemente 12 gebildet
werden, wenn der Verbindungsabschnitt 12d aus dem gleichen
Material wie das Vibrationsdämpfungselement 13 aufgebaut
ist.
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Jeder
der in den 1-7 gezeigten
Sensoren gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform kann
eine Mehrzahl von Paaren bestehend aus den Schallanpasselementen 12 und
den piezoelektrischen Elementen 11 aufweisen.
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Obgleich
die Anzahl der Schallanpasselemente 12 und der piezoelektrischen
Elemente 11 im Sensor 50 bei vier liegt, kann
der Sensor 50 eine andere Anzahl von Schallanpasselementen 12 und
piezoelektrischen Elementen 11 aufweisen. Ferner kann die
Anordnung der Schallanpasselemente 12 und der piezoelektrischen
Elemente 11 im Sensor 50 vom in der 8 gezeigten
Sensor 50 abweichen. So kann der Sensor 50 beispielsweise
zwei Paare bestehend aus dem Schallanpasselement 12 und
dem piezoelektrischen Elemente 11 aufweisen, wenn die zweidimensionale
Position des Objekts erfasst wird.
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Der
Sensor 50 bringt die gleichen Effekte wie der Sensor 10 gemäß der
ersten Ausführungsform hervor. Ferner wird die Zeitdifferenz
oder die Phasendifferenz der von den piezoelektrischen Elementen 11 empfangenen
Ultraschallwelle derart erfasst, dass nicht nur der Abstand zwischen
dem Objekt und dem Sensor 50, sondern ebenso die Position
des Objekts auf der Grundlage der Zeitdifferenz oder der Phasendifferenz
er fasst werden kann, da der Sensor 50 eine Mehrzahl von
Paaren bestehend aus dem Schallanpasselement 12 und dem
piezoelektrischen Element 11 aufweist.
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Jedes
Paar bestehend aus dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen
Element 11 ist am Verbindungsabschnitt 12d, der
in der Nähe des Schwingungsknotens der im Schallanpasselement 12 erzeugen
stehenden Welle angeordnet ist, an einem weiteren Paar bestehend
aus dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen Element 11 befestigt
bzw. mit diesem weiteren Paar verbunden. Auf diese Weise kann die
Dämpfung der Ultraschallwelle, die durch eine Beschränkung
des Verbindungsabschnitts 12d verursacht wird, verringert
werden, so dass die Signalstärke erhöht wird. Auf
diese Weise kann die Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle,
d. h. die Empfindlichkeit, mit welcher die Ultraschallwelle erfasst
werden kann, verbessert werden. Da die Empfangsoberfläche 12a der
Schallanpasselemente 12 durch den Schlitz 12e geteilt
wird, wobei die Schallanpasselemente 12 an dem Verbindungsabschnitt 12d,
der eine minimale Amplitude der Ultraschallwelle aufweist, gehalten werden,
entsteht kein Übersprechen zwischen den mehreren Schallanpasselementen 12 und
piezoelektrischen Elementen 11. Auf diese Weise kann die
Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle verbessert werden.
-
(Weitere Ausführungsformen)
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Die
Verdrahtung für eine Verbindung zwischen dem piezoelektrischen
Element 11 und der Schaltung 19 kann aus einem
leitfähigen Harzmaterial oder einem leitfähigen
Gummi aufgebaut sein. Bei dem Sensor 30 gemäß der
dritten Ausführungsform können der Bonddraht 16a,
das Elektrodenelement 18a und der Bonddraht 18b beispielsweise
durch eine leitfähige Verdrahtung aus Harz ersetzt werden. In
diesem Fall kann die Verdrahtung mit Hilfe eines Doppelspritzgießverfahrens
(Double Injection Molding) gebildet werden, wenn das piezoelektrische Element 11 durch
Insert-Molding im Schallanpasselement 12 gebildet wird.
Folglich kann der Verdrahtungsaufwand verringert werden, so dass
die Fertigungsschritte zur Fertigung des Sensors vereinfacht werden
können.
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Bei
einem Ultraschallsensor 60 wird das piezoelektrische Element 11,
wie in 9 gezeigt, derart in das Schallanpasselement 12 eingebettet,
dass die an die erste Elektrode 14 grenzende Seitenwand 11a des
piezoelektrischen Elements 11 der Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpasselements 12 gegenüberliegt.
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Der
Sensor 60 bringt die gleichen Effekte wie der Sensor 10 gemäß der
ersten Ausführungsform hervor.
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Ferner
kann die Dicke des piezoelektrischen Körpers entlang einer
Richtung von der ersten Elektrode 14 zur gegenüberliegenden
zweiten Elektrode 15 verringert werden. Hierbei ist die
piezoelektrische Konstante des piezoelektrischen Körpers
entlang der Richtung von der ersten zur zweiten Elektrode 14, 15 hoch.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Ultraschallwelle
von der Seitenwand 11a des piezoelektrischen Elements 11 empfangen,
die senkrecht zur ersten Elektrode 14 verläuft
und an die erste Elektrode 14 grenzt. Hierbei ist die Abmessung
der Seitenwand 11a nicht entlang einer Richtung parallel zur
ersten Elektrode 14 beschränkt. Folglich kann
die Abmessung des piezoelektrischen Elements 11 entlang
der Richtung parallel zur ersten Elektrode 14, d. h. entlang
der Übertragungsrichtung der Ultraschallwelle, erhöht
werden. Auf diese Weise wird die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors
verbessert.
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Das
piezoelektrische Element 11 kann als Empfangs- und Sendeelement
zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle verwendet werden.
-
Das
Schallanpasselement 12 und das Gehäuse 71 können
teilweise oder vollständig mit einem elastischen Element
bedeckt sein. Das elastische Element 70 kann beispielsweise,
wie in 10 gezeigt, teilweise zwischen
dem Boden 12b des Schallanpasselements 12 und
dem Boden 71a des Gehäuses 71 und zwischen
der Seitenwand 12c des Schallanpasselements 12 und
der Innenoberfläche 71b des Gehäuses 71 gebildet
sein. Folglich kann das elastische Element 70 dann, wenn
ein Stoß auf das Schallanpasselement 12 aufgebracht
wird, die Stoßwirkung absorbieren. Auf diese Weise kann
die Stoßfestigkeit des Sensors 10 verbessert werden.
-
Obgleich
die vorliegende Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen
und Ausgestaltungen offenbart wurde, sollte wahrgenommen werden,
dass sie nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und
Ausbildungen beschränkt ist, sondern auf verschiedene Weisen
verwirklicht werden kann, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen,
so wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
wird. Zusätzlich zu den verschiedenen bevorzugten Kombinationen
und Konfigurationen sollen andere Kombinationen und Konfigurationen,
die mehr, weniger oder nur ein einziges Element aufweisen, als mit
im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden
werden.
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Vorstehend
wurde ein Ultraschallsensor offenbart.
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Ein
Ultraschallsensor zur Erfassung eines Objekts weist auf: ein piezoelektrisches
Element 11, das einen piezoelektrischen Körper
und eine erste und eine zweite Elektrode 14, 15,
zwischen denen der piezoelektrische Körper angeordnet ist,
aufweist; ein Schallanpasselement 12, das eine Empfangsoberfläche 12a aufweist,
die eine vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle empfängt;
und eine Schaltung 19, die über einen Draht 16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 21, 22, 72, 73 elektrisch
mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist. Das piezoelektrische Element
ist derart in das Schallanpasselement eingebettet, dass das Schallanpasselement
wenigstens die erste Elektrode, einen Teil einer Seitenwand 11a des
piezoelektrischen Elements und einen Teil des Drahtes zwischen der
Schaltung und dem piezoelektrischen Element bedeckt, wobei die Seitenwand
des piezoelektrischen Elements an die erste Elektrode grenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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