DE102006002067A1

DE102006002067A1 - Ultraschall-Sensor

Info

Publication number: DE102006002067A1
Application number: DE102006002067A
Authority: DE
Inventors: Tomoki Kariya Itoh; Makiko Kariya Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2006-07-20
Also published as: US7213460B2; JP2006200976A; US20060156821A1

Abstract

Ein Empfänger (10) eines Ultraschall-Sensors umfasst Empfangselemente (11a-11e), die jeweils die Form einer ebenen, rechwinkligen Platte aufweisen. Die Empfangselemente (11a-11e) sind so eindimensional in einer Ebene angeordnet, dass ihre Empfangsoberflächen S in dieselbe Richtung weisen und dass die Empfangselemente (11a-11e) in kleinen Abständen in deren Breitenrichtung ausgerichtet sind, wobei Längsenden der Empfangselemente (11a-11e) auf einer bestimmten Seite in einer geraden Linie ausgerichtet sind. Die Breiten B und die Dicken H der Empfangselemente (11a-11e) sind gleich, während die Längen L der Empfangselemente (11a-11e) ungleich sind. Die beiden Längsenden jedes der Empfangselemente (11a- 11e) sind festgelegt, um Schwingungen der Enden zu verhindern. Die Längen L sind so ausgelegt, dass die primären Resonanzfrequenzen der Empfangselemente (11a-11e) ungleich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Sensor und insbesondere einen Ultraschall-Sensor, der ein empfangenes Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal umwandelt oder ein Ultraschallsignal aussendet, indem er ein elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal umwandelt.

Die Anwendungsgebiete eines typischen Ultraschall-Sensors sind weit gestreut. Zum Beispiel wird er als ein vertikales Sonar in einer Echolotmaschine oder einem Fischdetektor, als ein horizontales Sonar für ein Schiff, das eine Richtung oder ein Abstand zu einem Objekt erfasst, und als eine Ultraschalldiagnoseausstattung zum Erstellen einer Diagnose eines inneren Organs durch Abbilden des Organs verwendet.

Ferner wurden Entwicklungen vorangetrieben, um den Ultraschall-Sensor zur Überwachung einer Fahrzeugumgebung zu verwenden und somit zur Fahrsicherheit durch Erfassen eines Abstandes zu oder einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Position von einem Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs beizutragen. Um den Abstand oder die Position zu erfassen, überträgt der in das Fahrzeug eingebaute Ultraschall-Sensor ein Ultraschallsignal, das für Menschen unschädlich ist, und empfängt das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal. Zum Beispiel wird ein Parkunterstützungssystem praktisch angewendet, das einen Fahrer beim Zurücksetzen des Fahrzeugs in einen Parkplatz unterstützt, wobei "Objekten" wie etwa Menschen oder ein hinter dem Fahrzeug befindliches Hindernis ausgewichen wird. In dem Parkunterstützungssystem wird eine allgemein als Hecksonar bezeichnete Vorrichtung verwendet, bei der der Ultraschall-Sensor an einem hinteren Abschnitt des Fahrzeugs angeordnet ist und die das Objekt mit Hilfe des Ultraschall-Sensors erfasst.

Zum Beispiel ist auf der 2. bis 4. Seite und in den 1 bis 3 der JP-H5-347797-A ein Ultraschall-Sensor (insbesondere eine Sonde) offenbart, die zur Erfassung einer Position und eines Abstandes eines Zielobjekts verwendet wird. Insbesondere umfasst der Ultraschall-Sensor in der Veröffentlichung einen piezoelektrischen Komplex und eine Elektrodenanordnung. Der piezoelektrische Komplex ist aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Stoffen aufgebaut, die über organische Polymere miteinander verbunden sind, und die Elektrodenanordnung ist aus einer Mehrzahl von Elektroden hergestellt, die in bestimmten Abständen voneinander auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Komplexes angeordnet und ausgerichtet sind. Ferner sind Abschnitte des piezoelektrischen Komplexes, die die Abstände der Elektrodenanordnung überlappen, mit Füllmaterialien gefüllt, deren Dämpfungsfaktoren höher als die der organischen Polymere sind.

In herkömmlichen Ultraschall-Sensoren einschließlich des Ultraschall-Sensors der Veröffentlichung besitzt ein Empfänger zur Umwandlung eines empfangenen Ultraschallsignals in ein elektrisches Signal eine eindimensionale oder zweidimensionale Struktur. Die eindimensionale Struktur wird gebildet, indem in einer einzigen Richtung in einer Ebene eine Mehrzahl von Schwingplatten (die der Elektrodenanordnung in der Veröffentlichung entsprechen) der gleichen Größe und Form ausgerichtet werden. Die zweidimensionale Struktur wird gebildet, indem in Längs- und Querrichtung in einer Ebene eine Mehrzahl von Schwingplatten mit der gleichen Größe und Form ausgerichtet werden. Zusätzlich wandelt ein Sender des herkömmli chen Ultraschall-Sensors ein von außen empfangenes elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal um und sendet das Ultraschallsignal aus. Der Empfänger empfängt auf den bzw. durch die Schwingplatten das durch das Zielobjekt reflektierte Ultraschallsignal.

Anschließend erfasst der Empfänger zeitliche Abstände zwischen Zeitpunkten, bei denen eine jeweilige der Schwingplatten das reflektierte Ultraschallsignal empfängt. Durch Vergleich der erfassten zeitlichen Abstände mit dem gesendeten Ultraschallsignal kann der Ultraschall-Sensor die zweidimensionale oder dreidimensionale Position des Zielobjekts, den Abstand zwischen dem Zielobjekt und dem Ultraschall-Sensor etc. erfassen.

Der Sender des herkömmlichen Ultraschall-Sensors sendet gewöhnlich das Ultraschallsignal aus, indem er eine einzige Schwingplatte (oder Schallerzeugungsplatte) verwendet. Jedoch wurde ein Sender vorgeschlagen, der das Ultraschallsignal aussendet, indem er eine Mehrzahl von Schwingplatten verwendet, und der die eindimensionale oder die zweidimensionale Struktur aufweist. Es ist Zweck des Senders mit der Mehrzahl von Schwingplatten, die Sendeleistung des Ultraschallsignals zu erhöhen.

Da der herkömmliche Empfänger die Struktur besitzt, die dadurch gebildet ist, dass die Mehrzahl von Schwingplatten gleicher Größe und Form ausgerichtet sind, haben alle Schwingplatten die gleiche Resonanzfrequenz, was bewirkt, dass ein akustisches Übersprechen zwischen den Schwingplatten größer ist. Daher weist der herkömmliche Empfänger ein Problem hinsichtlich der Genauigkeit der Positions- und Abstandsbestimmung des Zielobjekts auf.

Der Ultraschall-Sensor in der JP-H5-347797-A verringert das akustische Übersprechen zwischen den Elektroden (oder Schwingplatten) und verbessert seine Azimutauflösung, da die Abschnitte des piezoelektischen Komplexes, die die Abstände der Elektrodenanordnung überlappen, mit den Füllmaterialien gefüllt sind, die einen höhere Dämpfungsfaktoren als jene der organischen Polymere haben, die den piezoelektrischen Komplex bilden.

Jedoch weist der Ultraschall-Sensor in der Veröffentlichung nach wie vor das Problem auf, dass er einen Herstellungsprozess zum Einspritzen der Füllmaterialien benötigt, was eine Erhöhung der Herstellungskosten zur Folge hat. Zusätzlich hat der Ultraschall-Sensor der Veröffentlichung immer noch das Problem, dass das Volumen und das Gewicht der Füllmaterialien eine Zunahme der Gesamtgröße bzw. des Gesamtgewichts des Ultraschall-Sensors zur Folge hat. Ferner ist es seit kurzem erforderlich, dass der Ultraschall-Sensor einen Ultraschallakkord aussendet, um die Genauigkeit der Bestimmung der Position des Objekts und des Abstandes zu dem Objekt zu verbessern.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Sensor geringer Herstellungskosten bereitzustellen, der:

(1) klein und von geringem Gewicht ist und das Übersprechen zwischen den Schwingplatten verringert, um eine hochgenaue Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts zu ermöglichen; oder
(2) dazu geeignet ist, den Ultraschallakkord auszusenden.

Ein Ultraschall-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Umwandlungsvorrichtungen zur Umwandlung eines ersten Ultraschallsignals in ein elektrisches Signal nach Empfangen des ersten Ultraschallsignals, oder zur Aussendung eines zweiten Ultraschallsignals nach Umwandlung eines elektrischen Signals in das zweite Ultraschallsignal, wobei die Größe der jeweiligen Umwandlungsvorrichtungen und deren primäre Resonanzfrequenzen ungleich sind.

Wenn die Umwandlungsvorrichtungen nach Empfangen des ersten Ultraschallsignals das erste Ultraschallsignal in das elektrische Signal umwandeln, können Einflüsse von Schwingungen unter den Umwandlungsvorrichtungen verringert werden, da die Größen der einzelnen Umwandlungsvorrichtungen verschieden sind. Daher kann ein akustisches Übersprechen zwischen den einzelnen Vorrichtungen reduziert werden. Ferner kann die Genauigkeit der Erfassung physikalischer Größen eines Zielobjekts verbessert werden.

Da der oben beschriebene Effekt einfach dadurch erreicht werden kann, dass die Größen der Umwandlungsvorrichtungen ungleich sind, ist darüber hinaus ein vom normalen Herstellungsprozess des Empfängers abweichender Herstellungsprozess nicht erforderlich. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten des Ultraschall-Sensor im Vergleich zu dem in der JP-H5-347797-A beschriebenen Ultraschall-Sensor, der einen Prozess zum Einspritzen der Füllmaterialen erfordert, zu verringern.

Da die Intervalle zwischen den Umwandlungsvorrichtungen auf ein Minimum verringert werden können, um die Übertragungen zwischen ihnen zu verhindern, kann der Ultraschall-Sensor um einen Betrag der Füllmaterialien, die für den in der JP-H5-347797-A erforderlich ist, kleiner und leichter ausgebildet werden.

In dem Fall, dass die Umwandlungsvorrichtungen nach Umwandlung des elektrischen Signals in das zweite Ultraschallsignal ein Ultraschallsignal aussenden, sind die Umwandlungsvorrichtungen dazu geeignet, einen Ultraschallakkord auszusenden, da die Umwandlungsvorrichtungen ungleich ausgebildet sind.

Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine perspektivische Ansicht, die einen Empfänger eines Ultraschall-Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Querschnittsansicht, die eine erste Struktur von Empfangselementen zeigt, die den Empfänger bilden;
3 eine schematische Querschnittsansicht, die eine zweite Struktur von Empfangselementen zeigt, die den Empfänger bilden;
4 eine schematische Querschnittsansicht, die eine dritte Struktur von Empfangselementen zeigt, die den Empfänger bilden;
5 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Frequenz f und der Auslenkung x einer an beiden Längsenden befestigten Schwingplatte zeigt;
6 eine perspektivische Ansicht, die eine erste Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
7 eine perspektivische Ansicht, die eine zweite Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
8 eine perspektivische Ansicht, die einen Empfänger eines Ultraschall-Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 eine perspektivische Ansicht, die eine Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
10 eine perspektivische Ansicht, die einen Empfänger eines Ultraschall-Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine perspektivische Ansicht, die eine erste Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
12 eine perspektivische Ansicht, die eine zweite Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
13 eine perspektivische Ansicht, die eine dritte Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt; und
14 eine perspektivische Ansicht, die einen Empfänger eines Ultraschall-Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
(Erste Ausführungsform)
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst ein Empfänger 10 eines Ultraschall-Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fünf Empfangselemente (d.h. Umwandlungselemente) 11a–11e, von denen jedes die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte aufweist. Die Empfangselemente 11a–11e sind eindimensional in einer Ebene angeordnet, so dass ihre Empfangsoberflächen S in dieselbe Richtung weisen und das gleiche Oberflächenni veau besitzen. Ferner sind die Empfangselemente 11a–11e mit kleinen Abständen in ihrer Breitenrichtung ausgerichtet, während Längsenden der Empfangselemente 11a–11e, die in eine bestimmte Richtung weisen, in einer geraden Linie ausgerichtet sind. Ferner sind die Breiten B der Empfangselemente 11a–11e gleich groß, die Dicken H der Empfangselemente 11a–11e sind gleich groß, und die Längen L der Empfangselemente 11a–11e sind ungleich.
Beide Längsenden von jedem der Empfangselemente 11a–11e sind an einem (nicht gezeigten) Befestigungselement befestigt, so dass die Enden nicht schwingen. Der Empfänger 10 kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Empfänger 10 hergestellt werden, indem jedes der Empfangselemente 11a–11e getrennt gebildet wird und diese dann miteinander verbunden werden. Alternativ kann der Empfänger 10 als ein einziger Körper auf einem Halbleitersubstrat durch das MEMS- (Micro Electro Mechanical System) hergestellt werden.
[Struktur der Empfangselemente]
Nachfolgend sind die erste bis dritte Struktur der Empfangselemente 11a–11e mit Bezug auf die 2–4 beschrieben. In den 2–4 sind die Dicken der Empfangselemente 11a–11e nicht maßstäblich, sondern zu Darstellungszwecken vergrößert gezeichnet.
<Erste Struktur>
In der in 2 gezeigten ersten Struktur umfasst eine Gruppe von Empfangselementen 11a–11e eine untere bzw. Bodenelektrode 21 in Form einer ebenen Platte, Empfangselektroden 22a–22e und einen piezoelektrischen Komplex 23 aufweist. Die Empfangselemente 11c, 11e und die Empfangselektroden 22c, 22e sind in 2 nicht dargestellt.
Jede der Empfangselektroden 22a–22e gehört zu nur einem der Empfangselemente 11a–11e, und jedem Empfangselement 11a–11e ist nur eine der Empfangselektroden 22a–22e zugeordnet. Die Empfangselektroden 22a–22e sind zueinander beabstandet ausgerichtet. Die Abstände sind sehr klein, verhindern jedoch die Übertragung von Schwingungen von einer der Empfangselektroden 22a–22e auf eine weitere. Mit anderen Worten, die Empfangselektroden 22a–22e sind mit kleinen zueinander ausgerichtet.
Die Empfangselektroden 22a–22e sind parallel zu der ebenen Bodenelektrode 21 angeordnet, und der piezoelektrische Komplex 23 ist zwischen der Gruppe von Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 angeordnet.
Der piezoelektrische Komplex 23 umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 24 und eine Mehrzahl von Schichten 25 aus einem organischen Polymer. Ein oberes Ende von jedem der piezoelektrischen Elemente 24 ist mit einem der Empfangselektroden 22a–22e verbunden und ist ferner nicht mit den zwei benachbarten Elektroden der Empfangselektroden 22a–22e verbunden.
Ein unteres Ende von jedem der piezoelektrischen Elemente 24 ist mit der Bodenelektrode 21 verbunden. Die Schichten 25 aus einem organischen Polymer sind zwischen die piezoelektrischen Elemente 24 gefüllt und bilden eine Klebeverbindung zwischen ihnen. Mit anderen Worten, die piezoelektrischen Elemente 24 sind in die Schichten 25 aus einem organischen Polymer eingebettet. Jedes der piezoelektrischen Elemente 24 ist aus einer ferroelektrischen Substanz wie etwa PZT (Blei Zirkonat Titanat) hergestellt. Die Schichten 25 aus einem organischen Polymer sind zum Beispiel aus Silikonkautschuk, Epoxidharz oder Polyurethan hergestellt.
Somit weist jedes der Empfangselemente 11a–11e eine Struktur auf, in der ein Abschnitt des piezoelektrischen Komplexes 23 zwischen einer der Empfangselektroden 22a–22e und einem Abschnitt der Bodenelektrode 21 angeordnet ist. Das Empfangselement 11a ist zum Beispiel aus der Empfangselektrode 22a, einem Abschnitt des piezoelektrischen Komplexes 23 und einem Abschnitt der Bodenelektrode 21 gebildet, wobei diese schichtweise übereinander angeordnet sind. Ferner ist das Empfangselement 11b aus der Empfangselektrode 22b, einem weiteren Abschnitt des piezoelektrischen Komplexes 23 und einem weiteren Abschnitt der Bodenelektrode 21 gebildet, wobei diese schichtweise übereinander angeordnet sind.
Oberflächen der Empfangselektroden 22a–22e dienen als die Empfangsoberflächen S. Wenn die Empfangselektroden 22a–22e durch Empfangen eines Ultraschallsignals an den Empfangsoberflächen S schwingen, werden ihre Schwingungen zu dem piezoelektrischen Komplex 23 übertragen, und der piezoelektrische Komplex 23 schwingt. Die Schwingung des piezoelektrischen Komplexes 23 erzeugt als Folge des piezoelektrischen Effekts ein elektrisches Signal, das über (nicht gezeigte) Verdrahtungen nach außen gegeben wird, die mit den Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 verbunden sind.
Wie es oben beschrieben ist, ist in den Empfangselementen 11a–11e der ersten Struktur eine Schwingplatte aus einer Schichtstruktur aus den Empfangselektroden 22a–22e, der Bodenelektrode 21 und dem piezoelektrischen Komplex 23 gebildet, und das durch die Schwingplatte empfangene Ultraschallsignal wird in das elektrische Signal umgewandelt.
<Zweite Struktur>
In der in 3 gezeigten zweiten Struktur umfasst eine Gruppe weiterer Empfangselemente 11a–11e die Bodenelektrode 21, die Empfangselektroden 22a–22e und die aus einer ferroelektrischen Substanz wie etwa PZT gebildeten dielektrischen Schichten 31a–31e. In 3 sind die Empfangselemente 11c, 11e, die Empfangselektroden 22c, 22e und die dielektrischen Schichten 31c, 31e nicht dargestellt.
Jede dielektrische Schicht 31a–31e ist zwischen einer der Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 angeordnet.
Jedes der Empfangselemente 11a–11e besitzt eine Struktur, in der eine der dielektrischen Schichten 31a–31e zwischen einer der Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 angeordnet ist. Zum Beispiel ist das Empfangselement 11a aus der Empfangselektrode 22a, der dielektrischen Schicht 31a und einem Abschnitt der Bodenelektrode 21 als Schichtstruktur gebildet. Ferner ist das Empfangselement 11b aus der Empfangselektrode 22b, der dielektrischen Schicht 31b und einem weiteren Abschnitt der Bodenelektrode 21 als Schichtstruktur gebildet.
Die Empfangselektroden 22a–22e sind zueinander beabstandet ausgerichtet, und die dielektrischen Schichten 31a–31e sind zueinander beabstandet ausgebildet. Die Abstände sind sehr klein, verhindern jedoch wirksam die Übertragung von Schwingungen von einer der Empfangselektroden 22a–22e zu einer weiteren und von einer der dielektrischen Schichten 31a–31e zu einer weiteren. Mit anderen Worten, die Empfangselektroden 22a–22e und die dielektrischen Schichten 31a–31e sind mit kleinen Abständen zueinander ausgerichtet.
In diesem Fall fungieren die Oberflächen der Empfangselektroden 22a–22e als die Empfangsoberflächen S. Wenn die Empfangselektroden 22a–22e durch Empfangen des Ultraschallsignals an den Empfangsoberflächen S schwingen, werden die Schwingungen zu den dielektrischen Schichten 31a–31e übertragen, so dass diese schwingen. Die Schwingungen der dielektrischen Schichten 31a–31e erzeugen als Folge des piezoelektrischen Effekts elektrische Signale, die über (nicht gezeigte) Verdrahtungen nach außen übertragen werden, welche mit den Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 verbunden sind.
Wie es oben beschrieben ist, ist in den Empfangselementen 11a–11e der zweiten Struktur eine Schwingplatte aus einer Schichtstruktur aus den Empfangselektroden 22a–22e, der Bodenelektrode 21 und den dielektrischen Schichten 31a–31e gebildet, und das von der Schwingplatte empfangene Signal wird in die elektrischen Signale umgewandelt.
<Dritte Struktur>
In der in 4 gezeigten dritten Struktur umfasst eine Gruppe von Empfangselementen 11a–11e als Empfangselemente vom Kapazitätstyp die Bodenelektrode 21, die Empfangselektroden 22a–22e und Paare von Stützelementen 41.
Jedes Paar von Stützelementen 41 ist zwischen einer der Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 angeordnet. Jede der Empfangselektrode 22a–22e und die Bodenelektrode 21 liegen einander in einem Abstand K gegenüber, der durch das Stützelement 41 aufrecht erhalten wird, wie es in 4 gezeigt ist. Die Bodenelektrode 21 bildet dadurch, dass sie unbeweglich befestigt ist, eine feststehende Elektrode. Jede der Empfangselektroden 22a–22e bildet dadurch, dass ihre Schwingung erlaubt ist, eine bewegliche Elektrode.
Jedes der Empfangselemente 11a–11e ist aus einer der Empfangselektroden 22a–22e und einem Abschnitt der Bodenelektrode 21 gebildet. Zum Beispiel ist das Empfangselement 11a aus der Empfangselektrode 22a und einen Abschnitt der Bodenelektrode 21 gebildet, und das Empfangselement 11b ist aus der Empfangselektrode 22b und einen weiteren Abschnitt der Bodenelektrode 21 gebildet.
Die Empfangselektroden 22a–22e sind mit Abständen zwischen sich ausgerichtet. Die Abstände sind klein, verhindern jedoch die Übertragung von Schwingungen von einem der Empfangselektroden 22a–22e zu einer weiteren der Empfangselektroden 22a–22e. Mit anderen Worten, die Empfangselektroden 22a–22e sind so ausgerichtet, dass zwischen jeweils zwei von ihnen ein kleiner Abstand vorhanden ist.
In diesem Fall fungieren die Oberflächen der Empfangselektroden 22a–22e als die Empfangsoberflächen S. Wenn die Empfangselektroden 22a–22e durch Empfangen des Ultraschallsignals an den Empfangsoberflächen S schwingen, ändern sich die Abstände zwischen der jeweiligen der Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 und somit die entsprechende Kapazitäten zwischen der jeweiligen der Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21. Die Änderungen der Kapazitäten werden über die (nicht gezeigten) Verdrahtungen, die mit den Empfangselektroden 22a–22e und der Bodenelektrode 21 verbunden sind, in die elektrischen Signale umgewandelt.
Wie es oben beschrieben ist, ist in den Empfangselementen 11a–11e eine Schwingplatte durch die Empfangselek troden 22a–22e gebildet, und das von der Schwingplatte empfangene Ultraschallsignal wird in die elektrischen Signale umgewandelt.
[Wirkung und Vorteil der ersten Ausführungsform]
Nachfolgend sind Effekte und Vorteile des Ultraschall-Sensors gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
[1-1]
Ein (nicht gezeigter) Sender des Ultraschall-Sensors, der getrennt von dem Empfänger 10 gebildet ist, überträgt ein Ultraschallsignal an ein zu erfassendes Zielobjekt, und die Empfangselemente 11a–11e des Empfängers 10 empfangen das von dem Zielobjekt reflektierte Ultraschallsignal.
Der Empfänger 10 erfasst zeitliche Abstände zwischen Zeitpunkten, zu denen ein jeweiliges der Empfangselemente 11a–11e das reflektierte Ultraschallsignal empfängt. Anschließend bestimmt der Empfänger 10 die zweidimensionale oder dreidimensionale Position des Zielobjekts und den Abstand zu dem Zielobjekt durch Vergleich der erfassten zeitlichen Abstände mit dem durch den Sender übertragenen bzw. gesendeten Ultraschallsignal. Der Sender kann von jedem Typ sein, einschließlich vom piezoelektrischen Typ und vom kapazitiven Typ.
[1-2]
Wie es in 5 gezeigt ist, hat die an ihren beiden Enden befestigte Schwingplatte bestimmte Resonanzeigenschaften, wonach eine Auslenkung x der mit einer Frequenz f schwingenden Schwingplatte durch die nachstehende Gleichung E1 bestimmt ist.
wobei X_max die maximale Auslenkung, f₁ die primäre Resonanzfrequenz und Q ein Resonanzwert der Schwingplatte ist.
Wie es in 5 gezeigt ist, wird die Auslenkung x 91/256 von X_max, wenn die Frequenz f um ±8·f₁/Q von der primären Resonanzfrequenz f₁ verschieden ist.
Die durch Gleichung E1 dargestellte Beziehung ist für die Empfangselemente 11a–11e gültig, da sie als die Schwingplatten betrachtet werden kann, deren beide Enden jeweils festgelegt sind. Die Empfangselemente 11a–11e haben den gleichen Resonanzwert Q, wenn sie die gleiche Struktur besitzen.
Wenn Fb1 um 8·F1a/Q größer als F1a und F1d um 8 F1a/Q kleiner als F1a ist, wobei F1a, F1b und F1d die primären Resonanzfrequenzen der Empfangselemente 11a, 11b bzw. 11d sind, beträgt ein Einfluss der Schwingung von jedem der Empfangselemente 11a, 11b und 11d auf die weiteren der Empfangselemente 11a, 11b und 11d 1/256 des maximalen Einflusses.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F1c des Empfangselements 11c, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 11b angeordnet ist, um 8·F1b/Q größer als F1b ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F1e des Empfangselements 11e, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 11d angeordnet ist, um 8·F1d/Q kleiner als F1d ist.
Somit können dadurch, dass die primären Resonanzfrequenzen F1a–F1e voneinander verschieden gemacht werden, die Einflüsse zwischen ihren Schwingungen auf 1/256 des maximalen Einflusses verringert werden, was praktisch vernachlässigbar ist. Dann kann ein akustisches Übersprechen zwischen den Empfangselementen 11a–11e verringert werden, und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts kann verbessert werden.
[1-3]
Die primäre Resonanzfrequenz f1 der an ihren beiden Enden festgelegten Schwingplatte wird gemäß der nachstehenden Gleichung E2 berechnet:
wobei L, B und H die Länge, die Breite bzw. die Dicke (bzw. Höhe) der Schwingplatte sind.
Die durch Gleichung E2 dargestellte Beziehung ist für die Empfangselemente 11a–11e gültig, da sie als die an ihren beiden Enden befestigten Schwingplatten betrachtet werden können.
Daher können die primären Resonanzfrequenzen F1a–F1e der Empfangselemente 11a–11e durch die nachfolgenden Gleichungen E3–E7 berechneten werden:

wobei B und H die Breite bzw. die Dicke der Empfangselemente 11a–11e, La–Le die Längen der jeweiligen Empfangselemente 11a–11e und α gleich (B·H³)^1/2 ist.
Dann gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E3 und E4 in die Gleichung (F1b = F1a + 8·F1a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F1b des Empfangselements 11b repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E8:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E3 und E6 in die Gleichung (F1d = F1a – 8·F1a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F1d des Empfangselements 11d repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E9:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E4 und E5 in die Gleichung (F1c = F1b + 8·F1b/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F1c des Empfangselements 11c repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E10:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E6 und E7 in die Gleichung (F1e = F1d – 8·F1d/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F1e des Empfangselements 11e repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E11:
Daher können relative Werte des Längen Lb–Le der Empfangselemente 11b–11e zu der Länge La des Empfangselements 11a berechnet werden, indem man den Resonanzwert Q durch eine Simulation oder eine experimentelle Messung und Substitution des gewonnen Resonanzwerts Q in die Gleichungen E8–E11 gewinnt.
Wenn beispielsweise der Resonanzwert Q gleich 60 ist, sind Lb, Lc, Ld und Le etwa gleich 0,94·La, 0,88·La, 1,07·La bzw. 1,15·La.
[1-4]
Die in [1-2] beschriebenen Wirkungen und Vorteile können in die Praxis umgesetzt werden, indem die Längen La–Le der Empfangselemente 11a–11e wie in [1-3] beschrieben eingestellt werden.
Somit kann in der ersten Ausführungsform das akustische Übersprechen zwischen den Empfangselementen 11a–11e verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden, indem die Längen La–Le ungleich gemacht werden, so dass ihre primären Resonanzfrequenzen ungleich werden.
Ferner, da die Wirkungen und Vorteile der ersten Ausführungsform einfach dadurch erreicht werden können, dass die. Längen La–Le ungleich gemacht werden, ist zur Herstellung des Empfängers kein außergewöhnlicher Prozess erforderlich. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten des Empfängers im Vergleich zu dem in der JP-H5-347797-A beschriebenen Empfänger, der einen Prozess zum Einspritzen der Füllmaterialien erfordert, zu reduzieren.
Ferner, da die Intervalle zwischen den Empfangselementen 11a–11e minimiert werden können, um die Übertragungen der Schwingungen zwischen ihnen zu verhindern, kann der Empfänger 10 um einen Betrag der Füllmaterialien, die für den in der JP-H5-347797-A beschriebenen Empfänger notwendig sind, kleiner und leichter ausgelegt werden.
[1-5]
Wie es in 6 gezeigt ist, können die Empfangselemente 11a–11e so ausgerichtet sein, dass keine Gruppe von Längesenden auf derselben Längsseite der Empfangselemente 11a–11e in einer geraden Linie ausgerichtet ist.
Ferner ist es nicht erforderlich, die Empfangselemente 11a–11e, wie es in 1 gezeigt ist, in der Reihenfolge ihrer Längen L auszurichten. Wie es in 7 gezeigt ist, können die Empfangselemente 11a–11e unabhängig von ihren Längen L in einer beliebigen Reihenfolge ausgerichtet werden.
Zwischen den in den 1 und 7 gezeigten zwei Fällen besteht hinsichtlich der Verringerung des akustischen Übersprechens kein Unterschied, solange die Übertragung der Schwingungen zwischen den Empfangselementen 11a–11e vollständig unterdrückt bzw. blockiert wird.
Da es jedoch unmöglich ist, die Übertragungen zwischen den Empfangselementen 11a–11e vollständig zu blockieren, gibt es eine kleine Differenz zwischen den zwei Fällen hinsichtlich der Verringerung des akustischen Übersprechens.
(Zweite Ausführungsform)
Ein Ultraschall-Sensor einer zweiten Ausführungsform ist von dem der ersten Ausführungsform dahingehend verschieden, dass der Ultraschall-Sensor der zweiten Ausführungsform statt des Empfängers 10 den in 8 gezeigten Empfänger 50 umfasst. Wie es in 8 gezeigt ist, umfasst der Empfänger 50 fünf Empfangselemente (d.h. Umwandlungselemente) 51a–51e, von denen jedes die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte besitzt.
Die Empfangselemente 51a–51e sind eindimensional in einer Ebene angeordnet, wobei ihre Empfangsoberflächen S auf gleicher Höhe liegen. Insbesondere sind die Empfangsoberflächen S in dieselbe Richtung ausgerichtet bzw. orientiert, und die Empfangselemente 51a–51e sind mit kleinen Abständen zueinander ausgerichtet. In der Ausrichtung sind erste Längsenden und zweite Längsende von jedem der Empfangselemente 51a–51e jeweils entlang einer geraden Linie ausgerichtet, wobei die ersten Längsenden Längsenden der Empfangselemente 51a–51e auf einer bestimmten Seite der Empfangselemente 51a–51e umfassen und die zweiten Längsenden Längsenden der Empfangselemente 51a–51e auf der weiteren Seite, das heißt der der bestimmten Seite gegenüberliegenden Seite, umfassen. Ferner sind die Breiten B der Empfangselemente 51a–51e ungleich, die Dicken H der Empfangselemente 51a–51e sind gleich, und die Längen L der Empfangselemente 51a–51e sind gleich.
Beide Längsenden von jedem der Empfangselemente 51a–51e sind an einem (nicht gezeigten) Befestigungselement befestigt, so dass die Enden nicht schwingen. Der Empfänger 50 kann auf jede geeignete Art hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Empfänger 50 hergestellt werden, indem jedes der Empfangselemente 51a–51e getrennt hergestellt wird und diese dann miteinander verbunden werden. Alternativ kann der Empfänger 50 als ein einziger Körper auf einem Halbleitersubstrat 50 unter Verwendung des MEMS' hergestellt werden. Die Strukturen der Empfangselemente 51a–51e sind die gleichen wie jene der Empfangselemente 11a–11e.
[Wirkungen und Vorteile der zweiten Ausführungsform]
Der Ultraschall-Sensor der zweiten Ausführungsform hat die nachstehend beschriebenen Effekte und Vorteile, sowie die in [1-1] beschriebenen Effekte und Vorteile der ersten Ausführungsform.
[2-1]
Die Empfangselemente 51a–51e besitzen auch die in 5 und in Gleichung E1 gezeigten Resonanzeigenschaften, da die Empfangselemente 51a–51e als an beiden Enden festgelegte Schwingplatten betrachtet werden können.
Daher beträgt in einem Fall, in dem F5b um 8·F5a/Q größer als F5a und F5d um 8·F5a/Q kleiner als F5a ist, wobei F5a, F5b und F5d die primären Resonanzfrequenzen der Empfangselemente 51a, 51b bzw. 51d sind, ein Einfluss der Schwingung eines jeweiligen der Empfangselemente 51a, 51b und 51d auf die weiteren der Empfangselemente 51a, 51b und 51d 1/256 des maximalen Einflusses.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F5c des Empfangselements 51c, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 51b angeordnet ist, um 8·F5b/Q größer als F5b ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F5e des Empfangselements 51e, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 51d angeordnet ist, um 8·F5d/Q kleiner als F5d ist.
Somit können dadurch, dass die primären Resonanzfrequenzen F5a–F5e voneinander verschieden gemacht werden, die Einflüsse zwischen ihren Schwingungen auf 1/256 des maximalen Einflusses verringert werden, was vernachlässigbar ist. Dann kann ein akustisches Übersprechen zwischen den Empfangselementen 51a–51e verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden.
[2-2]
Die durch die Gleichung E2 dargestellte Beziehung ist für die Empfangselemente 51a–51e gültig, da sie als die an ihren beiden Enden festgelegte Schwingplatten betrachtet werden können.
Daher können die primären Resonanzfrequenzen F5a–F5e der Empfangselemente 51a–51e aus den nachfolgenden Gleichungen E12–E16 berechnet werden:
wobei L und H die Länge bzw. die Dicke der Empfangselemente 51a–51e, Ba–Be die jeweiligen Breiten der Empfangselemente 51a–51e sind und β gleich H^3/2/L² ist.
Dann gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E12 und E13 in die Gleichung (F5b = F5a + 8·F5a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F5b repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E17:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E12 und E15 in die Gleichung (F5d = F5a – 8·F5a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F5d des Empfangselements 51d repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E18:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E13 und E14 in die Gleichung (F5c = F5b + 8·F5b/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F5c des Empfangselements 51c repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E19:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E15 und E16 in die Gleichung (F5e = F5d – 8·F5d/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F5e des Empfangselements 51e repräsentiert, die folgende Gleichung E20:
Daher können Relativwerte der Breiten Bb–Be der Empfangselemente 51b–51e zu der Breite Ba des Empfangselements berechnet werden, indem der Resonanzwert Q durch eine Simulation oder eine experimentelle Messung gewonnen und der gewonnene Resonanzwert Q in die Gleichungen E17–E20 eingesetzt wird.
Wenn beispielsweise der Resonanzwert Q gleich 60 ist, sind Bb, Bc, Bd und Be etwa gleich 1,28·Ba, 1,65·Ba, 0,75·Ba und 0,56·Ba.
[2-3]
Die in [2-1] beschriebenen Effekte und Vorteile können in die Praxis umgesetzt werden, indem die Breiten Ba–Be der Empfangselemente 51a–51e wie in [2-2] beschrieben eingestellt werden.
Somit kann in der zweiten Ausführungsform das Übersprechen zwischen den Empfangselementen 51a–51e verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden, indem die Breiten Ba–Be ungleich gemacht werden, so dass ihre primären Resonanzfrequenzen ungleich werden.
Ferner, da die Effekte und Vorteile der zweiten Ausführungsform einfach dadurch erreicht werden können, dass die Breiten Ba–Be ungleich gemacht werden, erfordert die Herstellung des Empfängers 50 keine ungewöhnlichen Prozesse. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten des Empfängers im Vergleich zu dem in der JP-H5-347797-A beschriebenen Empfänger, der einen Prozess zum Einspritzen der Füllmaterialien benötigt, zu verringern.
Ferner, da die Abstände zwischen den Empfangselementen 51a–51e minimal sein können, um die Übertragung von Schwingungen untereinander zu verhindern, kann der Emp fänger 50 um einen Betrag der Füllmaterialien, die für den in der JP-H5-347797-A beschriebenen Empfänger erforderlich sind, kleiner und leichter ausgelegt werden.
Ferner, da in der zweiten Ausführungsform der Empfänger 50 insgesamt die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte besitzt, können Strukturen zur Befestigung beider Längsenden der Empfangselemente 51a–51e einfacher als jene des Empfängers 10 der ersten Ausführungsform sein. Daher ist es möglich, den Empfänger 50 leichter herzustellen, was die Herstellungskosten des Empfängers 50 verringert.
[2-4]
Es ist nicht erforderlich, die Empfangselemente 51a–51e, wie es in 8 gezeigt ist, in der Reihenfolge ihrer Breiten auszurichten. Wie es in 9 gezeigt ist, können die Empfangselemente 51a–51e unabhängig von ihren Breiten B in beliebiger Reihenfolge ausgerichtet werden.
In den in den 8 und 9 gezeigten zwei Fällen besteht kein Unterschied hinsichtlich der Verringerung des akustischen Übersprechens, solange die Übertragung der Schwingungen der Empfangselemente 51a–51e vollständig unterdrückt bzw. blockiert ist.
Da es jedoch nicht möglich ist, die Übertragung zwischen den Empfangselementen 51a–51e vollständig zu blockieren, gibt es einen kleinen Unterschied zwischen den zwei Fällen hinsichtlich der Verringerung des akustischen Übersprechens.
(Dritte Ausführungsform)
Ein Ultraschall-Sensor einer dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform dahingehend, dass der Ultraschall-Sensor der dritten Aus führungsform statt des Empfängers 10 den in 10 gezeigten Empfänger 60 umfasst. Wie es in 10 gezeigt ist, umfasst der Empfänger 60 fünf Empfangselemente (d.h. Umwandlungsvorrichtungen) 61a–61e, von denen jede die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte besitzt.
Die Empfangselemente 61a–61e sind eindimensional auf einer Ebene angeordnet, wobei ihre Empfangsoberflächen S auf gleicher Höhe liegen. Insbesondere sind die Empfangsoberflächen S in dieselbe Richtung ausgerichtet, und die Empfangselemente 61a–61e sind mit kleinen Abständen zwischen sich ausgerichtet. In der Ausrichtung sind erste Längsenden und zweite Längsenden jeder der Empfangselemente 61a–61e jeweils entlang einer geraden Linie ausgerichtet, wobei die ersten Längsenden Längsenden der Empfangselemente 61a–61e auf einer bestimmten Seite der Empfangselemente 61a–61e umfassen, und die zweiten Längsenden Längsenden der Empfangselemente 61a–61e auf der weiteren, d.h. der zu der bestimmten Seite entgegengesetzten Seite, umfassen. Ferner sind die Breiten B der Empfangselemente 61a–61e gleich, die Dicken H der Empfangselemente 61a–61e ungleich und die Längen L der Empfangselemente 61a–61e gleich.
Beide Längsenden von jedem der Empfangselemente 61a–61e sind an (nicht gezeigten) Befestigungselementen befestigt, so dass die Enden nicht schwingen. Der Empfänger 60 kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Empfänger hergestellt werden, indem jedes der Empfangselemente 61a–61e getrennt hergestellt wird und die Empfangselemente 61a–61e dann verbunden werden. Alternativ kann der Empfänger 60 als ein Einzelkörper auf einem Halbleitersubstrat durch Verwenden des MEMS' hergestellt werden. Die Strukturen der Empfangselemente 61a–61e sind die gleichen wie jene der Empfangselemente 11a–11e.
[Effekte und Vorteile der dritten Ausführungsform]
Der Ultraschall-Sensor der zweiten Ausführungsform hat Effekte und Vorteile, wie es oben beschrieben ist, sowie die in [1-1] beschriebenen Effekte und Vorteile der ersten Ausführungsform.
[3-1]
Die Empfangselemente 61a–61e besitzen ebenfalls die Resonanzeigenschaften wie sie in 5 gezeigt und in Gleichung E1 dargestellt sind, da die Empfangselemente 61a–61e als an beiden Enden befestigte Schwingplatten betrachtet werden können.
Daher beträgt in dem Fall, in dem F6b um 8·F6a/Q größer F6a und F6d um 8·F6a/Q kleiner als F6a ist, wobei F6a, F6b und F6d die primären Resonanzfrequenzen der Empfangselemente 61a, 61b bzw. 61d sind, ein Einfluss der Schwingung eines jeweiligen der Empfangselemente 61a, 61b und 61d auf die weiteren der Empfangselemente 61a, 61b und 61d 1/256 des maximalen Einflusses.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F6c des Empfangselements 61c, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 61b angeordnet ist, um 8·F6b/Q größer als F6b ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F6e des Empfangselements 61e, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 61d angeordnet ist, um 8·F6d/Q kleiner als F6d ist.
Somit können dadurch, dass die primären Resonanzfrequenzen F6a–F6e voneinander verschieden gemacht werden, die Einflüsse zwischen ihren Schwingungen auf 1/256 des maximalen Einflusses verringert werden, was praktisch vernachlässigbar ist. Dann kann ein akustisches Überspre chen zwischen den Empfangselementen 61a–61e verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden.
[2-2]
Die durch die Gleichung E2 dargestellte Beziehung ist für die Empfangselemente 61a–61e gültig, da sie als die an beiden Enden befestigten bzw. festgelegten Schwingplatten betrachtet werden können.
Daher können die primären Resonanzfrequenzen F6a–F6e der Empfangselemente 61a–61e durch die Gleichungen E21–E25 berechnet werden:
wobei L und B die Länge bzw. die Breite der Empfangselemente 51a–51e sind, Ha–He die Dicken der jeweiligen Empfangselemente 61a–61e sind und γ gleich B^1/2/L² ist.
Dann kann durch Substitution der Gleichungen E21 und E22 in die Gleichung (F6b = F6a + 8·F6a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F6b des Empfangselements 61b re präsentiert, die nachfolgende Gleichung E26 gewonnen werden:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E21 und E24 in die Gleichung (F6d = F6a – 8·F6a/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F6d des Empfangselements 61d repräsentiert, die folgende Gleichung E27:
Ferner gewinnt man durch Substitution der Gleichungen E22 und E23 in die Gleichung (F6c = F6b + 8·F6b/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F6c des Empfangselements 61c repräsentiert, die nachfolgende Gleichung E28:
Ferner, durch Substitution der Gleichungen E24 und E25 in die Gleichung (F6e = F6d – 8·F6d/Q), die die primäre Resonanzfrequenz F6e des Empfangselements 61e repräsentiert, wird die nachfolgende Gleichung E29 gewonnen:
Daher können die Relativwerte der Breiten Hb–He der Empfangselemente 61b–61e zu der Breite Ha des Empfangselements 61a berechnet werden, indem der Resonanzwert Q durch Simulation oder experimentelle Messung gewonnen und der gewonnene Resonanzwert Q in die Gleichungen E26–E29 eingesetzt wird.
Wenn beispielsweise der Resonanzwert Q gleich 60 ist, sind Hb, Hc, Hd und He etwa 1,09·Ha, 1,18·Ha, 0,91 Ha bzw. 0,83·Ha.
[3-3]
Die in [3-1] beschriebenen Effekte und Vorteile können in die Praxis umgesetzt werden, indem die Dicken Ha–He der Empfangselemente 61a–61e wie in [3-2] beschrieben eingestellt werden.
Somit kann in der dritten Ausführungsform das akustische Übersprechen zwischen den Empfangselementen 61a–61e verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden, indem die Dicken Ba–Be ungleich gemacht werden, so dass ihre primären Resonanzfrequenzen ungleich werden.
Ferner, da die Effekte und Vorteile der dritten Ausführungsform einfach dadurch erreicht werden können, dass die Dicken Ha–He ungleich gemacht werden, ist zur Herstellung des Empfängers 60 kein ungewöhnlicher Prozess erforderlich. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten des Empfängers 60 im Vergleich zu dem in der JP-H5-347797-A beschriebenen Empfänger, der einen Prozess zum Einspritzen der Füllmaterialien benötigt, zu verringern.
Ferner, da die Abstände zwischen den Empfangselementen 61a–61e soweit minimiert werden können, dass Schwingungsübertragungen zwischen ihnen gerade verhindert werden, kann der Empfänger 60 um einen Betrag der Füllmaterialien, die für den in der JP-H5-347797 beschriebenen Empfänger erforderlich sind, kleiner und leichter ausgelegt werden.
Ferner, da in der dritten Ausführungsform der Empfänger 60 die Form einer rechtwinkligen Platte aufweist, können Strukturen zur Befestigung beider Längsenden der Empfangselemente 61a–61e einfacher als jene des Empfängers 10 der ersten Ausführungsform sein. Daher ist es leichter möglich, den Empfänger 60 herzustellen, was die Herstellungskosten des Empfängers verringert.
Ferner kann der Empfänger 60 so ausgelegt sein, dass die Breite des Empfängers 60 kleiner als die des Empfängers 50 ist, und daher so, dass die Größe des Empfängers 60 von oben betrachtet kleiner als die des Empfängers 50 ist. Daher kann ein von dem Empfänger 60, der in einem (nicht gezeigten) Paket eingebaut ist, eingenommenes Volumen kleiner sein. Daraus ergibt sich, dass der Ultraschall-Sensor der dritten Ausführungsform kleiner und leichter ausgelegt sein kann.
Die Empfangsoberflächen S der Empfangselemente 61a–61e können unterschiedliche Oberflächenniveaus haben. Zum Beispiel können die Empfangselemente 61a–61e, wie es in 11 gezeigt ist, so angeordnet sein, dass gegenüberliegende Oberflächen, d.h. Oberflächen, die der Oberfläche S gegenüberliegen, das gleiche Oberflächenniveau haben. Alternativ, wie es in 12 gezeigt ist, können die Empfangselemente 61a–61e die gegenüberliegenden Oberflächen auf unterschiedlichem Niveau und gleichzeitig die Empfangsoberflächen S auf unterschiedlichem Niveau haben.
Jedoch ist es vorteilhaft, die Empfangsoberflächen S auf gleiche Höhe zu machen, um die Genauigkeit der Erfassung der Position und des Abstandes des Zielobjekts zu verbessern. Wenn die Oberflächen S unterschiedliche Oberflächenniveaus haben, ist es erforderlich, die zeitlichen Abstände zu korrigieren, in denen die Empfangselemente 61a–61e ein Ultraschallsignal empfangen, was eine komplizierte Schaltung zur Verarbeitung von durch den Empfänger 60 erzeugten Signalen erfordert. Demgegenüber ist es nicht erforderlich, wenn die Oberflächen S auf gleichem Niveau liegen, die zeitlichen Abstände der Empfangszeitpunkte zu korrigieren, so das die Schaltung vereinfacht werden kann.
[3-5]
Es ist nicht notwendig, die Empfangselemente 61a–61e in der Reihenfolge ihrer Dicke H auszurichten, wie es in 10 gezeigt ist. Wie es in 13 gezeigt ist, können die Empfangselemente 61a–61e in einer beliebigen Reihenfolge ausgerichtet sein, unabhängig von ihrer jeweiligen Dicke H.
In den in den 10 und 13 gezeigten zwei Fällen gibt es keinen Unterschied hinsichtlich einer Verringerung des akustischen Übersprechens, solange die Übertragung von Schwingungen zwischen den Empfangselementen 61a–61e vollständig unterdrückt bzw. blockiert ist.
Da es jedoch nicht möglich ist, die Übertragung zwischen den Empfangselementen 61a–61e vollständig zu blockieren, gibt es einen kleinen Unterschied zwischen den zwei Fällen hinsichtlich einer Verringerung des akustischen Übersprechens.
(Vierte Ausführungsform)
Ein Ultraschall-Sensor einer vierten Ausführungsform ist von der der ersten Ausführungsform dahingehend verschieden, dass der Ultraschall-Sensor der zweiten Ausführungsform statt dem Empfänger 10 den in 14 gezeigten Empfänger 70 umfasst. Wie es in 14 gezeigt ist, umfasst der Empfänger 70 neun Empfangselemente (d.h. Um wandlungsvorrichtungen) 71a–71i, von denen jede die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte hat.
Die Empfangselemente 71a–71i sind zweidimensional auf einer Ebene, parallel zu ihren Breitenrichtungen und Längsrichtungen angeordnet, wobei ihre Empfangsoberflächen S das gleiche Oberflächenniveau haben bzw. auf gleicher Höhe liegen. Insbesondere sind die Empfangsoberflächen S in dieselbe Richtung gerichtet, und die Empfangselemente 71a–71i sind mit kleinen Abständen in der Ebene ausgerichtet. Ferner sind die Breiten B der Empfangselemente 71a–71i ungleich, die Dicken H der Empfangselemente 71a–71i sind ungleich, und die Längen L der Empfangselemente 71a–71i sind ungleich.
Beide Enden entlang der Breitenrichtung oder der Längenrichtung von jedem der Empfangselemente 71a–71i sind an einem (nicht gezeigten) Befestigungselement befestigt, so dass die Enden nicht schwingen. Der Empfänger 70 kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Empfänger 70 hergestellt werden, indem jedes der Empfangselemente 71a–71i getrennt hergestellt wird und die Empfangselemente 71a–71i dann miteinander verbunden werden. Alternativ kann der Empfänger 70 als ein Einzelkörper auf einem Halbleitersubstrat durch Verwenden des MEMS hergestellt werden. Strukturen der Empfangselemente 71a–71i sind die gleichen wie jene der Empfangselemente 11a–11e.
Der Empfänger 70 erreicht die gleichen Effekte und Vorteile wie sie in [1-1]–[1-4] beschrieben sind, wenn die Längen, Breiten und Dicken der Empfangselemente 71a–71i so eingestellt sind, dass sie unterschiedliche primäre Resonanzfrequenzen haben. Ferner ist es möglich, die Genauigkeit der Erfassung der Position und des Abstandes des Zielobjekts zu verbessern, indem die Empfangselemente 71a–71i zweidimensional angeordnet werden.
(Weitere Ausführungsformen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen begrenzt, sondern kann auf verschiedene Weise implementiert werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.
[Erste zusätzliche Ausführungsform]
Zum Beispiel kann die Anzahl der Empfangselemente, die der Empfänger enthält, eine andere als 5 oder 9 sein. Die Genauigkeit der Erfassung der Position und des Abstandes des Zielobjekts nimmt mit zunehmender Anzahl zu. Daher kann die optimale Anzahl der Empfangselemente und die optimalen Abstände zwischen den Empfangselementen auf der Grundlage der erforderlichen Genauigkeit experimentell ermittelt werden.
[Zweite zusätzliche Ausführungsform]
Gemäß Gleichung E1 wird die Auslenkung x etwa 1/100 von X_max, wenn die in 5 gezeigte Frequenz f um ±7 f₁/Q von der primären Resonanzfrequenz f₁ verschieden ist.
In dem Fall, dass F1b um 7·F1a/Q größer als F1a und F1d um 7·F1a/Q kleiner als F1a ist, wobei F1a, F1b und F1d die primären Resonanzfrequenzen der Empfangselemente 11a, 11b bzw. 11d sind, beträgt der Einfluss der Schwingungen zwischen den Empfangselementen 11a, 11b und 11d 1/100 des maximalen Einflusses.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F1c des Empfangselements 11c, das in Aus richtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 11b angeordnet ist, um 7·F1b/Q größer als F1b ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die primäre Resonanzfrequenz F1e des Empfangselements 11e, das in Ausrichtung mit (insbesondere benachbart zu) dem Empfangselement 11d angeordnet ist, um 7·F1d/Q kleiner als F1d ist.
Somit können dadurch, dass die primären Resonanzfrequenzen F1a–F1e voneinander verschieden gemacht sind, die Einflüsse zwischen ihren Schwingungen auf etwa 1/100 des maximalen Einflusses verringert werden, was praktisch vernachlässigbar ist. Das akustische Übersprechen zwischen den Empfangselementen 11a–11e kann verringert und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts verbessert werden.
Somit nehmen die Unterschiede zwischen den primären Resonanzfrequenzen F1a–F1e mit zunehmendem Koeffizient n in der nachfolgenden Gleichung E30 zu: f = f1 ± n·f1/Q E30
Daher wird durch Vergrößern des Koeffizienten n der Einfluss der Schwingungen zwischen den Empfangselementen 11a–11e verringert, und die Genauigkeit der Bestimmung der Position und des Abstandes des Zielobjekts kann verbessert werden.
Andererseits nehmen durch Vergrößerung des Koeffizienten n die Unterschiede der Längen L der Empfangselemente 11a–11e zu, so dass die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Empfängers 10 zunehmen.
Daher kann der optimale Koeffizient n experimentell bestimmt werden. Die Werte oben als der Koeffizient n be schriebenen Werte 7 und 8 sind für den praktischen Gebrauch ausreichend.
[Dritte zusätzliche Ausführungsform]
Die Empfänger 10, 50 und 60 der ersten bis dritten Ausführungsform sind an ihren beiden Längsenden befestigt. Jedoch kann jeder der Empfänger 10, 50 und 60 auch nur an seinem einen Längsende befestigt sein.
Ferner ist der Empfänger 70 der vierten Ausführungsform an seinen beiden Enden entlang seiner Längsrichtung oder Breitenrichtung befestigt. Jedoch kann der Empfänger 70 auch nur an einem seiner Enden entlang seiner Längs- oder Breitenrichtung befestigt sein.
[Vierte zusätzliche Ausführungsform]
In jedem der Empfänger 10, 50 und 70 in der ersten zweiten und vierten Ausführungsform können die Empfangselemente die Empfangsoberflächen S auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus haben.
[Fünfte zusätzliche Ausführungsform]
Die Strukturen der oben beschriebenen Empfangselemente können für den Sender verwendet werden, der ein elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal umwandelt und das Ultraschallsignal aussendet. Mit anderen Worten, die Empfangselemente 11a–11e, 51a–51e, 61a–61e und 71a–71i können als Sendeelemente (Umwandlungsvorrichtungen) des Senders fungieren. In diesem Fall fungieren die Empfangsoberflächen S der Empfangselemente als Sendeoberflächen, die das Ultraschallsignal aussenden.
Wenn beispielsweise die Empfangselemente die in 2 gezeigten ersten Strukturen (piezoelektrische Strukturen) aufweisen, senden die Empfangselektroden 22a–22e das Ultraschallsignal aus, wenn der piezoelektrische Komplex 23 als Folge des piezoelektrischen Effekts entsprechend den zwischen der Bodenelektrode 21 und den Empfangselektroden 22a–22e angelegten Spannungen schwingt.
Alternativ senden die Empfangselektroden 22a–22e, wenn die Empfangselemente die in 3 gezeigten zweiten Strukturen (piezoelektrische Strukturen) aufweisen, das Ultraschallsignal aus, wenn die dielektrischen Schichten 31a–31e als Folge des piezoelektrischen Effekts entsprechend den zwischen der Bodenelektrode 21 und den Empfangselektroden 22a–22e angelegten Spannungen schwingen.
Ferner, wenn die Empfangselemente die in 4 gezeigten dritten Strukturen (Strukturen vom Kapazitätstyp) aufweisen, senden die Empfangselektroden 22a–22e das von der elektrostatischen Kraft angetriebene Ultraschallsignal aus, die zwischen der Bodenelektrode 21 und den Empfangselektroden 22a–22e auf der Grundlage des der Bodenelektrode 21 und den Empfangselektroden 22a–22e zugeführten elektrischen Signals erzeugt wird.
Wenn die Empfangselemente als die Sendeelemente des Senders fungieren, ist der Sender dazu geeignet, einen Ultraschallakkord auszusenden, da die primären Resonanzfrequenzen der Sendeelemente ungleich sind.

Claims

Ultraschall-Sensor mit: – Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e, 51a–51e, 61a–61e, 71a–71e) für wenigstens entweder: – eine Umwandlung eines ersten Ultraschallsignals in ein elektrisches Signal nach Empfangen des ersten Ultraschallsignals; oder – eine Aussendung eines zweiten Ultraschallsignals nach Umwandeln eines elektrischen Signals in das zweite Ultraschallsignal; – wobei Abmessungen der einzelnen Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e, 51a–51e, 61a–61e, 71a–71e) ungleich sind und primäre Resonanzfrequenzen der einzelnen Umwandlungsvorrichtungen ungleich sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jede Umwandlungsvorrichtung (11a–11e) der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte aufweist, die eine bestimmte Oberfläche besitzt, die wenigstens entweder als eine Empfangsoberfläche zum Empfangen des ersten Ultraschallsignals oder als eine Sendeoberfläche zum Aussenden des zweiten Ultraschallsignals dient; – die Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) eindimensional in einer Ebene so angeordnet sind, dass: – die bestimmten Oberflächen der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) in dieselbe Richtung weisen; – die Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) in ihrer Breitenrichtung ausgerichtet sind; und – bestimmte Längesenden der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) an einer bestimmten Längsseite der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) in einer allgemein geraden Linie ausgerichtet sind; – Breiten der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) gleich sind; – Dicken der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) gleich sind; und – Längen der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) ungleich sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jede Umwandlungsvorrichtung (51a–51e) der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte aufweist, die eine bestimmte Oberfläche besitzt, die wenigstens entweder als eine Empfangsoberfläche zum Empfangen des ersten Ultraschallsignals oder als Sendeoberfläche zum Senden des zweiten Ultraschallsignals dient; – die Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) eindimensional in einer Ebene angeordnet sind, so dass: – die bestimmten Oberflächen der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) in dieselbe Richtung weisen; – die Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) in ihren Breitenrichtungen ausgerichtet sind; – erste Längsenden der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) an einer ersten Längsseite der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) in einer allgemein geraden Linie ausgerichtet sind; und – zweite Längsenden der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) an einer zweiten Längsseite der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) in einer allgemein geraden Linie ausgerichtet; – Längen der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) gleich sind; – Dicken der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) gleich sind; und – Breiten der Umwandlungsvorrichtungen (51a–51e) ungleich sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jede Umwandlungsvorrichtung der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte aufweist, die eine bestimmte Oberfläche besitzt, die wenigstens entweder als eine Empfangsoberfläche zum Empfangen des ersten Ultraschallsignals oder als eine Sendeoberfläche zum Senden des zweiten Ultraschallsignals dient; – die Umwandlungsoberflächen (61a–61e) eindimensional in einer Ebene angeordnet sind, so dass: – die bestimmten Oberflächen der Umwandlungsvorrichtungen (61-61e) in dieselbe Richtung weisen; – die Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) in ihren Breitenrichtungen ausgerichtet sind; – erste Längsenden der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) an einer ersten Längsseite der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) in einer allgemein geraden Linie ausgerichtet sind; und – zweite Längsenden der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) an einer zweiten Längsseite der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) in einer allgemein geraden Linie ausgerichtet sind; – Längen der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) gleich sind; – Breiten der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) gleich sind; und – Dicken der Umwandlungsvorrichtungen (61a–61e) ungleich sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jede Umwandlungsvorrichtung (71a–71e) der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) die Form einer ebenen, rechtwinkligen Platte aufweist, die eine bestimmte Oberfläche besitzt, die wenigstens entweder als eine Empfangsoberfläche zum Empfangen des ersten Ultraschallsignals oder eine Sendeoberfläche zum Aussenden des zweiten Ultraschallsignals dient; – die Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) zweidimenional in einer Ebene parallel zu Breitenrichtungen und Längsrichtungen der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) angeordnet sind, so dass die bestimmten Oberflächen der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) in dieselbe Richtung weisen; – Breiten der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) ungleich sind; – Dicken der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) ungleich sind; und – Längen der Umwandlungsvorrichtungen (71a–71e) ungleich sind.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) so angeordnet sind, dass ihre Oberflächen dasselbe Oberflächenniveau besitzen.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Längsenden von jeder der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) festgelegt sind, um zu verhindern, dass die Längsenden schwingen.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Resonanzwerte Q der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) gleich sind und eine erste primäre Resonanzfrequenz f₁ einer ersten der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e), die einer zweiten primären Resonanzfrequenz f₂ einer zweiten der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) am nächsten ist, durch folgende Gleichung gegeben ist: f1 = f2 – n·f2/Qwobei der Koeffizient n eine positive ganze Zahl ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Koeffizient entweder 7 oder 8 ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge L, eine Breite B, eine Dicke H, eine primäre Resonanzfrequenz f von jedem der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) einer Beziehung genügen, die durch folgende Gleichung gegeben ist: f = (B·H3)1/2/L2.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e, 51a–51e, 61a–61e, 71a–71e) vom piezoelektrischen Typ sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e, 51a–51e, 61a–61e, 71a–71e) vom kapazitiven Typ sind.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Resonanzwerte Q der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) gleich sind und eine erste primäre Resonanzfrequenz f₁ einer ersten der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e), die einer zweiten primären Resonanzfrequenz f₂ einer zweiten der Umwandlungsvorrichtungen (11a–11e) am nächsten ist, durch die nachfolgende Gleichung gegeben ist: f1 = f2 + n·f2/Qwobei der Koeffizient n eine positive ganze Zahl ist.