DE102006005048B4

DE102006005048B4 - Ultraschallsensor mit Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE102006005048B4
Application number: DE102006005048.7A
Authority: DE
Inventors: Makiko Sugiura; Takahiko Yoshida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2026-02-04
Also published as: CN1829395B; FR2882825B1; US20060196272A1; US7540194B2; CN1829395A; JP2006242650A; US7712368B2; FR2882825A1; JP4715236B2; DE102006005048A1; US20090107243A1

Abstract

Ultraschallsensor (100) zur Erfassung eines Objekts (50), mit: – einem Substrat (10); – einer Sendeeinrichtung (S1, S2) zum Aussenden einer Ultraschallwelle; – einer Mehrzahl von Empfangseinrichtungen (R1–R8) zum Empfangen der Ultraschallwelle; – einer als Schaltungsplatine (K) ausgebildeten Schaltung zum Verarbeiten empfangener Ultraschallwellen, die von den Empfangseinrichtungen (R1–R8) empfangen werden, nachdem die von der Sendeeinrichtung (S1, S2) ausgesendete Ultraschallwelle von dem Objekt (50) reflektiert wurde; wobei – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die Empfangseinrichtungen (R1–R8) auf dem Substrat (10) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Anzahl der Empfangseinrichtungen (R1–R8) gleich groß oder größer als drei ist, und die Schaltung dazu geeignet ist, eine Fehlfunktion zu erfassen; – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die drei Empfangseinrichtungen (R1–R3) jeweils eine Oberfläche zum Aussenden bzw. zum Empfangen der Ultraschallwelle aufweisen, wobei die Oberfläche senkrecht zu einem Boden orientiert ist; – die drei Empfangseinrichtungen (R1–R3) aus einer ersten bis einer dritten Empfangseinrichtung (R1–R3) bestehen; – die erste Empfangseinrichtung (R1) oberhalb der dritten Empfangseinrichtung (R3) und links von der zweiten Empfangseinrichtung (R2) angeordnet ist; – die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer horizontalen Ebene, parallel zu dem Boden, zwischen dem Objekt (50) und dem Sensor und einen Winkel in der horizontalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt (50) auf der Grundlage der von der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung (R1, R2) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen; – die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.
Ein Ultraschallsensor ist zum Beispiel an einem Kraftfahrzeug angebracht. Der Sensor erfasst einen Abstand zwischen dem Sensor, d. h. dem Fahrzeug, und einem Hindernis, wenn ein Fahrer das Fahrzeug parkt oder wenn der Fahrer das Fahrzeug wendet. Der Ultraschallsensor ist zum Beispiel in der JP 2001-16 694 A offenbart. Der Sensor zur Erfassung des Hindernisses umfasst eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung, die eine Ultraschallwelle aussendet bzw. die reflektierte Ultraschallwelle empfängt. Der Sensor kann eine Sende/Empfangs-Einrichtung umfassen. Wenn die Sendeeinrichtung die Ultraschallwelle aussendet, trifft die Ultraschallwelle auf das Hindernis. Das Hindernis reflektiert die Ultraschallwelle und die reflektierte Ultraschallwelle wird von der Empfangseinrichtung empfangen. Auf der Grundlage der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwelle werden ein Schalldruck der Ultraschallwelle, eine Zeitverzögerung und/oder eine Phasendifferenz erfasst, so dass eine Richtung zu dem Hindernis und ein Abstand zwischen dem Hindernis und dem Fahrzeug berechnet werden können. Ferner kann eine Konkavität und eine Konvexität des Hindernisses erfasst werden.
Die Empfangseinrichtung der Ultraschallwelle ist zum Beispiel ein Ultraschallelement mit einem Vibrationselement, das aus einer piezoelektrischen Dünnschicht gebildet ist, die auf einer Membran als einem dünnen Abschnitt eines Substrats angeordnet ist. Das Ultraschallelement mit einer Membranstruktur ist zum Beispiel in der JP 2003-284 182 A offenbart. Dieses Element ist durch ein Feinzerspanungsverfahren gebildet, so dass das Element als Ultraschallelement vom MEMS(micro electro mechanical system = mikroelektromechanisches System)-Typ, kurz MEMS-Ultraschallelement, bezeichnet wird. Die JP 2003-284 182 A offenbart ferner einen Ultraschallfeldsensor (engl. ”ultrasonic array sensor”), der die MEMS-Ultraschallelemente enthält.
Das MEMS-Ultraschallelement 90R ist in 13A gezeigt. In dem Element 90R ist eine PZT(Blei Zirkonat Titanat)-Keramik-Dünnschicht 2 als eine ferroelektrische Substanz zwischen einem Paar von Elektroden 3a und 3b angeordnet. Das Element 90R umfasst ferner einen piezoelektrischen Sensor mit einer vorbestimmten Resonanzfrequenz zur Erfassung der Ultraschallwelle. Wenn das Element 90R in Betrieb ist, ist eine vorbestimmte elektrische Vorspannung an die Elektroden 3a und 3b angelegt, so dass die Resonanzfrequenz des Elements 90R geändert, d. h. eingestellt wird.
13B erläutert ein Positionierungsmessverfahren durch Verwenden der Ultraschallwelle, das in der JP 2003-284 182 A offenbart ist. Ein Ultraschallsensor 900 umfasst eine Ultraschallwellen-Quelle 40 als eine Sendeeinrichtung für die Ultraschallwelle und eine Ultraschallfeldeinrichtung A90R als eine Empfangseinrichtung der Ultraschallwelle. Die Ultraschallfeldeinrichtung A90R umfasst eine Mehrzahl von MEMS-Ultraschallelementen 90R, die in einem Feld angeordnet sind. In dem Sensor 900 ist die Quelle 40 benachbart zu der Erfassungseinrichtung A90R angeordnet und sendet die Ultraschallwelle aus. Die Ultraschallwelle trifft auf ein Objekt 51, 52 als einem Hindernis und wird von diesem 51, 52 reflektiert. Auf diese Weise kehrt die Ultraschallwelle zu dem Sensor 900 zurück. Die zurückgekehrte Ultraschallwelle wird von jedem Erfassungselement 90R in der Erfassungseinrichtung A90R empfangen. Auf der Grundlage der empfangenen Ultraschallwelle wird die Position des Objekts 51, 52 einschließlich eines Ausrichtungswinkels des Objekts 51, 52 bestimmt. Insbesondere wird auf der Grundlage einer Sendezeit der Ultraschallwelle in jeder Einfallsrichtung des Erfassungselements 90R der Abstand zwischen dem Erfassungselement 90R und dem Objekt 51, 52 in der Einfallsrichtung berechnet. Somit wird die Verteilung des Abstandes in unterschiedliche Einfallsrichtungen bestimmt. Demzufolge wird der Abstand zwischen dem Objekt 51, 52 und dem Erfassungselement 90R in einer Tiefenrichtung des Objekts 51, 52 bestimmt. Hier ist die Sendezeit der Ultraschallwelle eine Zeitspanne von einem Sendezeitpunkt, wenn die Ultraschallwelle von der Quelle 40 ausgesendet wird, zu einem Rückkehrzeitpunkt, zu dem die Ultraschallwelle zu dem Erfassungselement 90R zurückkehrt.
Hier sind die Quelle 40 und die Erfassungseinrichtung A90R voneinander getrennt. Daher sind die Herstellungskosten der Quelle 40 und der Erfassungseinrichtung A90R erhöht. Ferner, wenn die Quelle 40 und die Erfassungseinrichtung A90R an einer Stoßstange des Fahrzeugs angebracht sind, beeinflusst die Montagegenauigkeit der Quelle 40 und der Erfassungseinrichtung A90R die Genauigkeit der Erfassung der Richtung und des Abstandes des Objekts. Ferner, der Montageabstand zwischen der Quelle 40 und der Erfassungseinrichtung A90R kann erhöht werden.
Ferner gilt allgemein, dass, wenn eine Ultraschallerfassungseinrichtung direkt an der Stoßstange des Fahrzeugs angebracht ist, die Erfassungseinrichtung den Abstand zu dem Objekt nicht korrekt erfassen kann, wenn Wassertropfen oder Staubpartikel auf einer Oberfläche des Erfassungselements haften. Ferner hängt eine Abschwächung der sich durch die Luft ausbreitenden Ultraschallwelle von der Temperatur und der Feuchtigkeit der Luft ab. Diese können sich jedoch ändern, je nach Umgebung des Fahrzeugs. Somit kann die Genauigkeit, mit der das Objekt erfasst werden kann, auch von der Temperatur- und Feuchtigkeitsänderung abhängen. Insbesondere kann die Umgebungstemperatur um das Fahrzeug durch einen Außentemperatursensor oder dergleichen erfasst werden. Jedoch gibt es keinen geeigneten Außenfeuchtigkeitssensor, der auf der Außenseite des Fahrzeugs angebracht ist. Somit kann die Umgebungsfeuchtigkeit des Fahrzeugs nicht erfasst werden.
Die JP 2004-180 262 A offenbart einen Ultraschallsensor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3. Für ein besseres Verständnis des vorliegenden Erfindung sei ferner auf die JP 2005-020 315 A , die DE 101 21 519 A1 und die DE 22 48 797 A verwiesen.
Angesichts des oben beschriebenen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor mit einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Ultraschallsensor zur Erfassung eines Objekts ein Substrat, eine Sendeeinrichtung zum Aussenden einer Ultraschallwelle, eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen zum Empfangen der Ultraschallwelle und eine als Schaltungsplatine ausgebildete Schaltung zur Verarbeitung empfangener Ultraschallwellen, die von den Empfangseinrichtungen empfangen werden, nachdem die Ultraschallwelle von der Sendeeinrichtung durch das Objekt reflektiert wurde. Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtungen sind auf dem Substrat integriert. Der Ultraschallsensor ist dadurch gekennzeichnet, dass: die Anzahl der Empfangseinrichtungen gleich groß oder größer als drei ist, und die Schaltung dazu geeignet ist, eine Fehlfunktion zu erfassen; die Sendeeinrichtung und die drei Empfangseinrichtungen jeweils eine Oberfläche zum Aussenden bzw. Empfangen der Ultraschallwelle aufweisen, wobei die Oberfläche senkrecht zu einem Boden orientiert ist; die drei Empfangseinrichtungen aus einer ersten bis einer dritten Empfangseinrichtung bestehen; die erste Empfangseinrichtung oberhalb der dritten Empfangseinrichtung und links von der zweiten Empfangseinrichtung angeordnet ist; die Schaltung ist dazu geeignet, einen Abstand in einer horizontalen Ebene, parallel zu dem Boden, zwischen dem Objekt und dem Sensor und einen Winkel in der horizontalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt auf der Grundlage der von der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen; die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer vertikalen Ebene, senkrecht zu dem Boden, zwischen dem Objekt und dem Sensor und einen Winkel in der vertikalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt auf der Grundlage der von der ersten und der dritten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen; und die Schaltung ist dazu geeignet, die Abstände und die Winkel in der horizontalen und der vertikalen Ebene auf der Grundlage der von der zweiten und der dritten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu überprüfen, so dass die Schaltung dazu geeignet ist, die Fehlfunktion zu erfassen.
Die Abmessungen des obigen Sensors sind im Vergleich zu einem herkömmlichen Sensor minimiert. Ferner sind die Herstellungskosten des Sensors reduziert. Ferner ist eine räumliche Beziehung zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung genau bestimmt, so dass die Erfassungsgenauigkeit des Sensors durch die Montagegenauigkeit des Sensors nicht beeinflusst wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung (Anspruch 2) kann die Anzahl der Empfangseinrichtungen vier oder größer als vier sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) umfasst ein Ultraschallsensor zur Erfassung eines Objekts ein Substrat, eine Sendeeinrichtung zum Aussenden einer Ultraschallwelle, eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen zum Empfangen der Ultraschallwelle und eine als Schaltungsplatine ausgebildete Schaltung zur Verarbeitung empfangener Ultraschallwellen, die von den Empfangseinrichtungen empfangen werden, nachdem die Ultraschallwelle von der Sendeeinrichtung durch das Objekt reflektiert wurde. Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtungen sind auf dem Substrat integriert. Der Ultraschallsensor ist dadurch gekennzeichnet, dass: die Anzahl der Empfangseinrichtungen gleich oder größer als vier ist; die Sendeeinrichtung und die vier Empfangseinrichtungen jeweils eine Oberfläche zum Aussenden bzw. Empfangen der Ultraschallwelle besitzen, wobei die Oberfläche senkrecht zum Boden orientiert ist; die vier Empfangseinrichtungen eine erste bis eine vierte Empfangseinrichtung umfassen; die erste Empfangseinrichtung oberhalb der dritten Empfangseinrichtung und links von der der zweiten Empfangseinrichtung angeordnet ist; die vierte Empfangseinrichtung unterhalb der zweiten Empfangseinrichtung und rechts von der dritten Empfangseinrichtung angeordnet ist; die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer horizontalen Ebene, parallel zum Boden, zwischen dem Objekt und dem Sensor und einen Winkel in der horizontalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt auf der Grundlage der von der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, und ferner dazu geeignet ist, einen Abstand in einer vertikalen Ebene, senkrecht zum Boden, zwischen dem Objekt und dem Sensor sowie einen Winkel in der vertikalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt auf der Grundlage der von der ersten und der dritten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, so dass erste Daten des Objekts gewonnen werden; die Schaltung dazu geeignet ist, den Abstand und den Winkel in der horizontalen Ebene auf der Grundlage der von der dritten und der vierten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen und ferner dazu geeignet ist, den Abstand und den Winkel in der vertikalen Ebene auf der Grundlage der von der zweiten und der vierten Empfangseinrichtung empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, so dass zweite Daten des Objekts gewonnen werden; und die Schaltung dazu geeignet ist, die ersten Daten und die zweiten Daten zu überprüfen, so dass die Schaltung dazu geeignet ist, die Fehlfunktion zu erfassen.
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:
1A eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1B eine schematische, perspektivische Ansicht, die den auf eine Schaltungsplatine montierten Sensor zeigt;
2A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement in dem Sensor zeigt, und 2B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie IIB-IIB in 2A zeigt;
3 eine Draufsicht, die einen weiteren Ultraschallsensor gemäß einer Modifikation der Ausführungsform zeigt;
4A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement gemäß einer zweiten Modifikation der Ausführungsform zeigt, und 4B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie IVB-IVB in 4A zeigt;
5A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement gemäß einer dritten Modifikation der Ausführungsform zeigt, und 5B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie VB-VB in 5A zeigt;
6A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement gemäß einer vierten Modifikation der Ausführungsform zeigt, 6B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie VIB-VIB in 6A zeigt, und 6C eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Teil VIC des Elements in 6B zeigt;
7A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement gemäß einer fünften Modifikation der Ausführungsform zeigt, und 7B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie VIIB-VIIB in 7A zeigt;
8A eine Draufsicht, die ein Ultraschallelement gemäß einer sechsten Modifikation der Ausführungsform zeigt, 8B eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie VIIIB-VIIIB in 8A zeigt, und 8C eine Querschnittsansicht, die das Element entlang der Linie VIIIC-VIIIC in 8A zeigt;
9A eine schematische Ansicht, die eine Empfangsultraschallwelle in einer X-Y-Ebene, empfangen von den Empfangseinrichtungen zeigt, 9B eine schematische Ansicht, die die Empfangsultraschallwelle in einer Z-Ebene, empfangen von den Empfangseinrichtungen zeigt, und 9C ein Zeitablaufdiagramm, das Signale von einer Sendeeinrichtung und vier Empfangseinrichtungen zeigt;
10 ein Zeitablaufdiagramm, das Signale mit zwei unterschiedlichen Frequenzen von einer Sendeeinrichtung und vier Empfangseinrichtungen gemäß einer siebten Modifikation der Ausführungsform zeigt;
11A eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor gemäß einer achten Modifikation der Ausführungsform zeigt, und 11B ein Zeitablaufdiagramm, das Signale mit zwei unterschiedlichen Frequenzen von zwei Sendeeinrichtungen und vier Empfangseinrichtungen gemäß einer achten Modifikation zeigt;
12 eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor gemäß einer neunten Modifikation der Ausführungsform zeigt; und
13 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils, der ein Ultraschallelement gemäß dem Stand der Technik zeigt, und 13B eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zur Erfassung eines Objekts mit Hilfe einer Ultraschallwelle gemäß dem Stand der Technik erläutert.
Ein Ultraschallsensor 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 1A und 1B gezeigt. 1B zeigt den Sensor 100, der auf eine Schaltungsplatine K montiert ist. Der Sensor 100 umfasst eine Sendeeinrichtung S1 und vier Empfangseinrichtungen R1–R4, die auf demselben Halbleitersubstrat 10 integriert sind, wie es in 1A gezeigt ist. 2A zeigt ein Ultraschallelement 90 zur Bereitstellung sowohl der Sendeeinrichtung S1 als auch der Empfangseinrichtungen R1–R4.
Das Ultraschallelement 90 ist ähnlich dem MEMS-Ultraschallelement 90R als die in 13A gezeigte Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung S1 des Ultraschallelements 90 hat den gleichen Aufbau wie die Empfangseinrichtungen R1–R4 des Ultraschallelements 90.
Das Ultraschallelement 90 ist aus einem SOI(silicon-on-insulator)-Halbleitersubstrat 10 gebildet, wie es in 2B gezeigt ist. Das Substrat 10 umfasst eine erste Halbleiterschicht 1a, die als Trägerschicht dient, eine eingebettete Oxidschicht 1b, eine zweite Halbleiterschicht 1c und eine Schutzoxidschicht 1d. Mit Hilfe eines Halbleiter-Mikrozerspanungsverfahrens ist ein Abschnitt des Substrats 10 dünn ausgebildet, so dass er als Membran M dient. Ein piezoelektrisches Vibrationselement 20 ist auf der Membran M derart ausgebildet, dass es diese überdeckt. Das piezoelektrische Vibrationselement 20 umfasst eine piezoelektrische Dünnschicht 2 und ein Paar von Metallelektroden 3a und 3b. Insbesondere ist die piezoelektrische Dünnschicht 2 zwischen dem Paar von Metallelektroden 3a, 3b angeordnet, die schichtförmig ausgebildet sind.
Wenn das Ultraschallelement 90 als die Sendeeinrichtung S1 verwendet wird, wird an die Metallelektroden 3a, 3b des piezoelektrischen Vibrationselements 20 eine Wechselspannung angelegt, so dass die Membran M zusammen mit dem piezoelektrischen Vibrationselement 20 in einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz in Schwingungen versetzt wird. Auf diese Weise wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Wenn das Ultraschallelement 90 als eine der Empfangseinrichtungen R1–R4 verwendet wird, versetzt die an dem zu messenden Objekt reflektierte, rückkehrende und auf die Membran M auftreffende Ultraschallwelle diese zusammen mit dem piezoelektrischen Vibrationselement 20 in Schwingungen, so dass die rückkehrende Ultraschallwelle mit Hilfe des piezoelektrischen Vibrationselements 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die Ultraschallwelle empfangen.
Wenn das Ultraschallelement 90 als die Sendeeinrichtung S1 verwendet wird, ist es vorteilhaft, dass ein planarer Bereich der Membran M in der Sendeeinrichtung S1 relativ groß ist, da es erforderlich ist, dass der von der Sendeeinrichtung S1 erzeugte und abgegebene Ultraschalldruck groß ist. Hingegen kann der planare Bereich der Membran M in der Empfangseinrichtung R1–R4 vergleichsweise klein sein, solange die Empfangseinrichtung R1–R4 eine ausreichende Empfindlichkeit für die Ultraschallwelle besitzt. Es ist somit vorteilhaft, dass der planare Bereich der Membran M in der Sendeeinrichtung S1 größer als der in jeder der Empfangseinrichtung R1–R4 ist.
3 zeigt einen weiteren Ultraschallsensor 100a gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist der planare Bereich der Membrane Mr in den Empfangseinrichtungen R1–R4 jeweils kleiner als der planare Bereich der Membran Ms in der Sendeeinrichtung S1a.
Die 4A bis 8C zeigen weitere Ultraschallelemente 91–95 zur Verwendung als Sendeeinrichtung S.
Das in den 4A und 4B gezeigte Ultraschallelement 91 umfasst das als SOI-Element gebildete Halbleitersubstrat. Das piezoelektrische Vibrationselement 21 ist auf der Membran M, die als dünner Abschnitt des Substrats 10 ausgebildet ist, derart angeordnet, dass das piezo elektrische Vibrationselement 21 die Membran M bedeckt. Das piezoelektrische Vibrationselement 21 umfasst ebenfalls die piezoelektrische Dünnschicht 2 und die Metallelektroden 3a, 3b, wobei die piezoelektrische Dünnschicht 2 zwischen den Metallelektroden 3a, 3b angeordnet ist.
Die piezoelektrische Dünnschicht 2 des Ultraschallelements 91 ist durch längliche Vertiefungen 2a in vier Teile unterteilt. Diese Vertiefungen 2a werden durch Entfernen eines Teils der piezoelektrischen Dünnschicht 2 gewonnen, und zwar des Teils, bei dem Spannungen, die durch sich radial ausbreitenden Schwingungen der Membran M verursacht werden, verstärkt auftreten. Daher ist die Steifigkeit des Teils der piezoelektrischen Dünnschicht 2, bei dem Spannungen konzentriert auftreten, verringert, so dass sich die Membran M leicht biegt, d. h. die Flexibilität der Membran M ist erhöht. Dadurch kann das piezoelektrische Vibrationselement 21 die Ultraschallwelle mit ausreichendem Schalldruck aussenden.
In dem piezoelektrischen Vibrationselement 22 des in den 5A und 5B gezeigten Ultraschallelements 92 weist die piezoelektrische Dünnschicht 2 längliche Vertiefungen 2b auf, die dadurch gebildet sind, dass die piezoelektrische Dünnschicht 2 im Bereich der länglichen Vertiefungen 2b teilweise, jedoch nicht vollständig durchtrennt ist. Das heißt, die Dicke des Bereichs der piezoelektrischen Dünnschicht 2, in dem verstärkte Spannungen der in radialer Richtung sich ausbreitenden Schwingungen der Membran M auftreten (der Bereich der länglichen Vertiefungen 2b), ist verringert, was zu einer Erhöhung der Flexibilität der Membran M führt, so dass das piezoelektrische Vibrationselement 21 dazu in der Lage ist, die Ultraschallwelle mit ausreichendem Schalldruck auszusenden.
Das in den 6A bis 6C gezeigte piezoelektrische Vibrationselement 23 des Ultraschallelements 93 ist aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet, die aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Dünnschichten 2 und einer Mehrzahl von Metallelektroden 3a–3c gebildet sind, welche alternierend übereinander angeordnet sind. Wenn eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Vibrationselement 21 angelegt wird, erhöht sich die Verformung des piezoelektrischen Vibrationselements 21. Somit ist die Schwingungsamplitude der Membran M erhöht, so dass der Vibrationselement 23 die Ultraschallwelle mit einem ausreichenden Schalldruck aussendet.
In dem in den 7A und 7B gezeigten piezoelektrischen Vibrationselement 24 der Ultraschallelements 94 kragen das piezoelektrische Vibrationselement 24 und die Membran Md von dem Substrat 10 ”freischwingend” hervor. Somit kann die Membran Md ausreichend verformt werden, d. h., kein Abschnitt der Membran Md, die die Verformung der Membran Md verhindert, existiert in der Membran Md. Somit wird, wenn die elektrische Spannung an das piezoelektrische Vibrationselement 24 angelegt wird, so dass das piezoelektrische Vibrationselement 24 verformt wird, die Membran Md ebenfalls stark verformt. Demzufolge gibt der Vibrationselement 24 die Ultraschallwelle mit einem ausreichenden Schalldruck aus.
In dem piezoelektrischen Vibrationselement 25 des in den 8A bis 8C gezeigten Ultraschallelements 95 ist die Membran Me derart ausgebildet, dass ein Teil der eingebetteten Oxidschicht 1b des Substrats 10 ausgehöhlt, d. h. von einer oberen Oberflächenseite des Substrats 10 durch ein Opferätzverfahren abgetrennt ist. Ein Loch H für das Opferätzverfahren ist um die Membran M und Verlängerungen Ha ausgebildet, so dass die Membran Me an einem Teil ihres Umfangs durch die Verlängerungen Ha auf dem Substrat 10 gestützt wird. Somit ist der Teil der Membran Me, der ihre Verformung verhindert, klein. Wenn eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Vibrationselement 25 angelegt wird, so das sich die Membran Me verformt, wird eine Verformung bzw. Verzerrung der Verlängerungen Ha erzeugt, und die Verlängerungen Ha werden stark verformt, so dass im Endeffekt die Membran Me stark verformt wird. Somit sendet das Vibrationselement 25 die Ultraschallwelle mit einem ausreichenden Schalldruck aus.
Da jedes Ultraschallelement 91–95 die Ultraschallwelle mit einem ausreichenden Schalldruck aussenden kann, kann das Element 91–95 der Sendeeinrichtung S1 des Ultraschallsensors 100 eine hohe Erfassungsgenauigkeit liefern. Hier kann das Element 91–95 auch die Empfangseinrichtung R1–R4 des Ultraschallsensors 100 bereitstellen.
Im Folgenden ist ein Verfahren zur Erfassung des Objekts mit Hilfe des Ultraschallsensors 100 mit Bezug auf die 9A bis 9C erläutert. In den 9A bis 9C ist die Substratoberfläche des Ultraschallsensors 100 senkrecht zum Boden angeordnet. Insbesondere ist die Oberfläche der Sendeeinrichtung S1 senkrecht zum Boden angeordnet. Hier ist eine X-Y-Ebene in 9A parallel zum Boden orientiert. Eine Z-Achse in 9B ist senkrecht zum Boden. 9A zeigt die Empfangseinrichtungen R1, R2 des Ultraschallsensors 100 und die empfangene Ultraschallwelle in der X-Y-Ebene. Insbesondere wird die von der Sendeeinrichtung S1 ausgesendete Ultraschallwelle von dem Hindernis 50 reflektiert, und die reflektierte Ultraschallwelle wird von den Empfangseinrichtungen R1, R2 als die Empfangsultraschallwelle empfangen. 9B zeigt die Empfangseinrichtungen R1, R3 des Ultraschallsensors 100 und die Empfangsultraschallwelle in der Z-(X,Y)-Ebene. Hier ist die Z-(X,Y)-Ebene in 9B senkrecht zum Boden. ΔL repräsentiert die Differenz eines Weges der Empfangsultraschallwelle. 9C ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Impulssignal der von der Sendeeinrichtung S1 ausgegebenen Ultraschallwelle und vier Impulssignale der von den vier Empfangseinrichtungen R1–R4 empfangenen Ultraschallwelle zeigt.
In 9A bedeutet Dx einen Abstand zwischen der Mitte des Ultraschallsensors 100 und dem Hindernis 50 in der X-Y-Ebene. Der Abstand Dx wird auf der Grundlage eines von der Sendeeinrichtung S1 ausgegebenen S-Signals Nr. 1, eines von der Empfangseinrichtung R1 empfangenen R-Signals Nr. 1 und eines von der Empfangseinrichtung R2 empfangenen R-Signals Nr. 2 berechnet. Die Empfangseinrichtungen R1, R2 sind auf der oberen Seite des Sensors 100 in 1 angeordnet. Insbesondere wird der Abstand Dx aus einer durchschnittlichen Zeitdifferenz ΔTx zwischen Empfangszeiten (d. h. Ankunftszeiten) der R-Signale Nr. 1 und Nr. 2 und einer Sendezeit (d. h. Ausgabezeit) des S-Signals Nr. 1 berechnet.
In 9A bedeutet θx ein Richtungswinkel zu dem Hindernis 50 in der X-Y-Ebene, d. h. ein Winkel zwischen der Normalen auf den Sensor 100 und der Verbindung zwischen der Mitte des Sensors und dem Hindernis, projiziert auf die X-Y-Ebene. Der Richtungswinkel θx wird von der X-Achse als einer Referenzachse gemessen. Der Richtungswinkel θx wird auf der Grundlage der R-Signale Nr. 1 und Nr. 2 von den Empfangseinrichtungen R1 und R2 gewonnen. insbesondere wird der Richtungswinkel θx aus einer Phasendifferenz ΔPx zwischen dem R-Signal Nr. 1 und dem R-Signal Nr. 2 berechnet.
In 9B bedeutet Dz ein Abstand zwischen der Mitte des Ultraschallsensors 100 und dem Hindernis 50 in de Z-(X,Y)-Ebene, die senkrecht zum Boden orientiert ist. Der Abstand Dz wird auf der Grundlage des S-Signals Nr. 1 von der Sendeeinrichtung S1, des R-Signals Nr. 1 von der Empfangseinrichtung R1 und eines R-Signals Nr. 3, das von der Empfangseinrichtung R3 empfangen wird, berechnet. Die Empfangseinrichtungen R1, R3 sind auf einer linken Seite des Sensors 100 in 1 angeordnet. Insbesondere wird der Abstand Dz aus einer durchschnittlichen Zeitdifferenz ΔTx zwischen Empfangszeiten der R-Signale Nr. 1 und Nr. 3 und der Sendezeit des S-Signals Nr. 1 berechnet.
In 9B bedeutet θz ein Richtungswinkel zu dem Hindernis 50 in der Z-(X,Y)-Ebene, d. h. d. h. ein Winkel zwischen der Normalen auf den Sensor 100 und der Verbindung zwischen der Mitte des Sensors und dem Hindernis, projiziert auf die Z-(X,Y)-Ebene. Der Richtungswinkel θz wird von der X-Y-Ebene als einer Referenzebene gemessen. Der Richtungswinkel θz wird auf der Grundlage der R-Signale Nr. 1 und Nr. 3 von den Empfangseinrichtungen R1 bzw. R3 gewonnen. Insbesondere wird der Richtungswinkel θz aus einer Phasendifferenz ΔPz zwischen dem R-Signal Nr. 1 und dem R-Signal Nr. 3 berechnet.
Auf der Grundlage der Abstände Dx, Dz und der Richtungswinkel θx, θz werden der Abstand zwischen dem Hindernis 50 und dem Sensor 100 und die Richtung zu dem Hindernis 50 bestimmt. Auf diese Weise erfasst der Sensor 100 das Hindernis 50.
In dem Sensor 100 sind die Sendeeinrichtung S1 und die Empfangseinrichtungen R1–R4 auf demselben Substrat 10 integriert. Demzufolge sind die Abmessungen des Sensors 100 und die Herstellungskosten des Sensors 100 im Vergleich zu dem in 13B gezeigten Sensor 900, in dem die Sendeeinrichtung S1 und die Ultraschallfeldeinrichtung A90R unabhängig ausgebildet sind, reduziert. Da die räumliche Beziehung zwischen der Sendeeinrichtung S1 und den Empfangseinrichtungen R1–R4 exakt festgelegt ist, d. h. auf dem Substrat 10 bestimmt ist, beeinflusst die Montagegenauigkeit des Sensors 100 nicht die Erfassungsgenauigkeit des Sensors 100, selbst wenn dieser an der Stoßstange angebracht ist.
Selbst wenn die Anzahl der Sendeeinrichtungen S1 und/oder die Anzahl der Empfangseinrichtungen R1–R4 erhöht oder verringert sind/ist, und/oder selbst wenn die Abmessungen der Sendeeinrichtung S1 und/oder die Abmessungen der Empfangseinrichtungen R1–R4 verändert sind/ist, kann der Sensor 100 ohne Änderung der Maske hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten des Sensors 100 nahezu identisch sind.
Obwohl der Sensor 100 vier Empfangseinrichtungen R1–R4 umfasst, kann das Hindernis 50 auch erfasst werden, wenn nur drei Empfangseinrichtungen R1–R3 verwendet werden. Insbesondere werden der Abstand Dx in der X-Y-Ebene und der Richtungswinkel θx, gemessen von der X-Achse, dadurch gewonnen, dass zwei Empfangseinrichtungen R1, R2 verwendet werden, die auf der oberen Seite des Sensors 100 angeordnet sind. Der Abstand Dz in der Z-(X,Y)-Ebene und der Richtungswinkel θz, gemessen von der X-Y-Ebene werden gewonnen, indem zwei Empfangseinrichtungen R1, R3 verwendet werden, die auf der linken Seite des Sensors 100 (siehe 1) angeordnet sind.
Jedoch können der Abstand Dx in der X-Y-Ebene und der Richtungswinkel θx, gemessen von der X-Achse, auch gewonnen werden, indem zwei Empfangseinrichtungen R3, R4 verwendet werden, die auf einer unteren Seite des Sensors 100 (rechts in 1) angeordnet sind. Der Abstand Dz in der Z-(X,Y)-Ebene und der Richtungswinkel θz, gemessen von der X-Y-Ebene, können gewonnen werden, indem zwei Empfangseinrichtungen R2, R4 verwendet werden, die auf der rechten Seite des Sensors 100 angeordnet sind. Somit kann das Hindernis 50 auch durch nur drei Empfangseinrichtungen R2–R4 erfasst werden.
Demzufolge werden in dem Sensor 100 zwei unterschiedliche Abstände und zwei unterschiedliche Richtungswinkel zu dem Hindernis 50 gewonnen. Durch Vergleich dieser zwei Daten des Hindernisses 50 wird eine Fehlfunktion des Sensors 100 beurteilt. Insbesondere tritt die Fehlfunktion des Sensors 100 ein, wenn zwei Daten des Hindernisses nicht übereinstimmen. Demzufolge hat der Sensor 100 eine Fehlfunktionserfassungsfunktion.
Wenn der Sensor 100 bestimmt, dass nur eine der Empfangseinrichtungen R1–R4 nicht ordnungsgemäß funktioniert, kann der Sensor 100 dennoch das Hindernis 50 korrekt erfassen, indem weitere drei der Empfangseinrichtungen R1–R4 verwendet werden. Demzufolge hat der Sensor 100 eine Fehlfunktionsvermeidungsfunktion.
Ferner, selbst wenn der Sensor 100 nur drei Empfangseinrichtungen R1–R3 umfasst, kann der Sensor 100 die Fehlfunktionserfassungsfunktion haben. Insbesondere werden der Abstand Dx und der Richtungswinkel θx von zwei Empfangseinrichtungen R1, R2 und dem Abstand Dx gewonnen, und der Abstand Dz und der Richtungswinkel θz werden gewonnen, indem zwei Empfangseinrichtungen R1, R3 verwendet werden. Demzufolge wird das Hindernis 50 auf der Grundlage von zwei Kombinationsdaten erfasst, von denen die einen von den Empfangseinrichtungen R1, R2 gewonnen werden und von denen die anderen von den Empfangseinrichtungen R1, R3 gewonnen werden. Die weiteren Kombinationsdaten, die von den Empfangseinrichtungen R2, R3 gewonnen werden, können zur Überprüfung der Berechnung der Erfassung des Hindernisses 50 verwendet werden. Somit kann selbst dann, wenn der Sensor 100 nur drei Empfangseinrichtungen R1–R3 umfasst, der Sensor 100 die Fehlfunktionserfassungsfunktion aufweisen.
Somit besitzt der Sensor 100, wenn er drei oder mehrere Empfangseinrichtungen R1–R3 umfasst, die Fehlfunktionserfassungsfunktion. Wenn der Sensor 100 vier oder mehrere Empfangseinrichtungen R1–R4 umfasst, besitzt der Sensor 100 die Fehlfunktionsvermeidungsfunktion. Somit kann der Sensor 100, wenn die Fehlfunktion des Sensors 100 durch Wassertropfen oder Staub auftritt, die an dem Sensor 100 haften, die Fehlfunktion vermeiden.
Der Sensor 100 kann zwei oder mehrere unterschiedliche Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz ausgeben, die von einer Sendeeinrichtung S1 durch Regeln der Frequenz des Impulssignals in Abhängigkeit von der Zeit gesendet werden, wobei das Impulssignal auf die Sendeeinrichtung S1 angewendet wird. Durch Verwenden von zwei unterschiedlichen Ultraschallwellen kann der Sensor 100 das Hindernis 50 mit Feuchtigkeitskompensationsfunktion erfassen. Hier wird die Eingangsspannung so geregelt, dass sie in einem Frequenzbereich liegt, in den die Resonanzfrequenz der Membran M nicht fällt, so dass die Ultraschallwellen, die zwei unterschiedliche Frequenzen aufweisen, ausgesendet werden.
10 erläutert ein Verfahren zur Kompensation der Feuchtigkeit. In 10 gibt die Sendeeinrichtung S1 zwei Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 aus. Die Sendeeinrichtung S1 sendet die erste Ultraschallwelle mit der ersten Frequenz f1 aus, und dann sendet die Sendeeinrichtung S1 die zweite Ultraschallwelle mit der zweiten Frequenz f2 aus. Die erste und die zweite Ultraschallwelle werden periodisch, d. h. mit einem vorbestimmten Zeitintervall ausgegeben. In vier Empfangseinrichtungen R1–R4 werden das erste R-Signal Nr. 1, das der ersten Ultraschallwelle entspricht, und das zweite R-Signal Nr. 1, das der zweiten Ultraschallwelle entspricht, bis zu dem ersten R-Signal Nr. 4, das der ersten Ultraschallwelle entspricht, und dem zweiten R-Signal Nr. 4, das der zweiten Ultraschallwelle entspricht, erfasst. Die Beziehung zwischen den ersten R-Signalen Nr. 1–4 und dem ersten S-Signal Nr. 1, das der ersten Ultraschallwelle in 10 entspricht, ist die gleiche wie die in 9C. Ferner ist die Beziehung zwischen den zweiten R-Signalen Nr. 1–4 und dem zweiten S-Signal Nr. 1, das der zweiten Ultraschallwelle in 10 entspricht, die gleiche wie die in 9C.
In 10 ist die Höhe des Impulssignals des ersten S-Signals Nr. 1 der ersten Frequenz f1 gleich der des zweiten S-Signals Nr. 1 der zweiten Frequenz f2. Jedoch ist das erste R-Signal Nr. 1 der ersten Frequenz f1 höher als die zweite Frequenz f2, d. h. das zweite R-Signal Nr. 1 der zweiten Frequenz f2 ist im Vergleich zu dem ersten R-Signal Nr. 1 der ersten Frequenz f1 stark abgeschwächt. Entsprechend sind die zweiten R-Signale Nr. 2–4 stark abgeschwächt, d. h. reduziert.
Hierbei wird die Abschwächung P, d. h. der Absorptionsverlust der Ultraschallwelle durch die folgende Formeln gewonnen: P ∝ e^–mr (F1) m = (33 + 0,2T)f²·10^–12 + Mf / k/2πf+2πf/k (F2) k = 1,92·( G₀ / G·h)^1,3·10⁵ (F3)
Hierin ist m ein Absorptionskoeffizient, r ein Sendeabstand, M ein vorbestimmter Koeffizient, f eine Frequenz, T eine Temperatur, G₀ ein Sättigungsdampfdruck, G ein Gesamtluftdruck und h eine Feuchtigkeit.
Gemäß der obigen Formel F1 hängt die Abschwächung P von der Frequenz ab. Mit zunehmender Frequenz f der Ultraschallwelle wird die Abschwächung größer. Ferner hängt die Abschwächung P nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Temperatur T und der Feuchtigkeit h der Sendeumgebung ab. Die Frequenz f der Ultraschallwelle wird vorher bestimmt. Die Temperatur T der Umgebung kann durch einen Außentemperatursensor oder dergleichen erfasst werden. Wenn der Sensor 100 an dem Fahrzeug angebracht ist, kann die Temperatur T, d. h. die Außentemperatur, leicht erfasst werden. Jedoch kann die Feuchtigkeit h der Umgebung, d. h. die Außenfeuchtigkeit h nicht leicht durch einen Feuchtigkeitssensor erfasst werden, da kein geeigneter Feuchtigkeitssensor zur Erfassung der Außenfeuchtigkeit um das Fahrzeug existiert.
Jedoch kann, da die empfangenen Ultraschallwellen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 gemessen werden, die Feuchtigkeit h auf der Grundlage der Differenz von zwei Abschwächungen P berechnet werden, die bei den zwei unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 gewonnen werden. Diese berechnete Feuchtigkeit h wird zur Kompensation der Standardfeuchtigkeit verwendet, die zuvor bestimmt und in dem Speicher 100 gespeichert wird. Somit besitzt der Sensor 100 die Feuchtigkeitskompensationsfunktion. In diesem Fall ist die Erfassungsgenauigkeit des Sensors 100 hinsichtlich der Feuchtigkeitsänderung stark verbessert.
Obwohl der Sensor 100 nur eine Sendeeinrichtung S1 umfasst, ist es vorteilhaft, dass der Sensor 100 zwei oder mehrere Sendeeinrichtungen S1 umfasst. Wenn der Sensor 100 zwei Sendeeinrichtungen S1 umfasst, kann jede Sendeeinrichtung S1 die Ultraschallwelle unterschiedliche Frequenz mit hohem Q-Wert aussenden, wobei die Sendeeinrichtung S1 die Welle unter Verwendung einer unterschiedlichen Resonanzfrequenz der Membran M aussendet.
11 zeigt einen Ultraschallsensor 101 mit zwei Sendeeinrichtungen S1, S2. Der Sensor 101 kann zwei Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 gleichzeitig aussenden, indem er die zwei Sendeeinrichtungen S1, S2 zum Aussenden zweier unterschiedlicher Ultraschallwellen verwendet. Somit ist keine Kompensation zur Kompensierung der Bewegung des Fahrzeugs erforderlich. Da die Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzen, kommen hier die reflektierten Ultraschallwellen gleichzeitig bei dem Sensor 100 an. Demzufolge ist eine Frequenzanalyse zur Zerlegung der Empfangsultraschallwellen in die Komponente mit der ersten Frequenz f1 und die Komponente mit der zweiten Frequenz f2 erforderlich.
12 zeigt einen Ultraschallsensor 102 mit der Sendeeinrichtung S1 und acht Empfangseinrichtungen R1–R8. Die Sendeeinrichtung S1 ist von den acht Empfangseinrichtungen R1–R8 umgeben. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass jeweils zwei der Empfangseinrichtungen R1–R8 symmetrisch bezüglich der Sendeeinrichtung S1 angeordnet sind. Insbesondere sind ein Paar R1, R8 der Empfangseinrichtungen R1–R8, ein Paar R2, R7 der Empfangseinrichtungen R1–R8, ein Paar R3, R6 der Empfangseinrichtungen R1–R8 und ein Paar R4, R5 der Empfangseinrichtungen R1–R8 symmetrisch bezüglich der Sendeeinrichtung S1 angeordnet, so dass jedes Paar der Empfangseinrichtungen R1–R8 die Sendeeinrichtung S1 umgibt.
Da in diesem Fall jedes der oben genannten Paare der Empfangseinrichtungen R1–R8 symmetrisch angeordnet ist, kehrt die reflektierte Ultraschallwelle der von der Sendeeinrichtung S1 ausgegebenen Ultraschallwelle zu dem Paar der Empfangseinrichtungen R1–F8 derart zurück, dass der Schalldruck der empfangenen Ultraschallwelle, die von einer Empfangseinrichtung eines jeweiligen Paares der Empfangseinrichtungen R1–R8 empfangen wird, nahezu gleich groß wie der der anderen Empfangseinrichtung des jeweiligen Paars der Empfangseinrichtungen R1–R8. Demzufolge ist die Erfassungsgenauigkeit des Hindernisses 50 verbessert.
Somit besitzt jeder Sensor 100, 100a, 101, 102 kleine Abmessungen und geringe Herstellungskosten, und die Erfassungsgenauigkeit des Sensors 100, 100a, 101, 102 wird von der Montagegenauigkeit des Sensors an dem Fahrzeug nicht beeinflusst. Ferner hat der Sensor 100, 100a, 101, 102 eine hohe Genauigkeit, selbst wenn Wassertropfen oder Staub auf dem Sensor 100, 100a, 101, 102 haften und selbst wenn sich die Feuchtigkeit um den Sensor 100, 100a, 101, 102 ändert.
Obwohl der Sensor 100, 100a, 101, 102 eine Sendeeinrichtung S1 und vier oder acht Empfangseinrichtungen R1–R8 umfasst, kann der Sensor auch eine oder mehrere Sendeeinrichtungen S1 und zwei oder mehrere Empfangseinrichtungen aufweisen. Wenn der Sensor eine Mehrzahl von Sendeeinrichtungen und eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen umfasst, vergrößert sich die Information von dem Sensor. Ferner, wenn der Sensor zwei oder mehrere Sendeeinrichtungen umfasst, wird der Schalldruck der Ultraschallwelle größer, und die Richtwirkung der Ultraschallwelle wird kontrolliert.
Alternativ können die Empfangseinrichtungen in dem Sensor so in einem Feld angeordnet sein, dass ein Sendesignal von einer Mehrzahl von Empfangseinrichtungen empfangen wird, um das Sendesignal auszulöschen, da das Sendesignal ein Rauschen des Sensors hervorrufen kann. Insbesondere, wenn die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung auf einem Substrat integriert sind, kann das Sendesignal so in die Empfangseinrichtung eintreten, dass das Sendesignal das Rauschen des Sensors verursachen kann. Somit wird durch Auslöschen des empfangenen Sendesignals das Rauschen des Sensors reduziert. Demzufolge ist der Rauschabstand des Signals zur Erfassung des Hindernisses verbessert, wenn sich das Hindernis in der Nähe des Sensors befindet.
Obwohl die Empfangseinrichtung die piezoelektrische Dünnschicht umfasst, so dass die Empfangseinrichtung eine Einrichtung vom piezoelektrischen Typ bereitstellt, kann die Empfangseinrichtung eine Einrichtung vom kapazitiven Typ zur Erfassung einer Kapazitätsänderung zwischen Elektroden sein. Ferner kann die Empfangseinrichtung vom Piezotyp zur Erfassung eines Ausgangssignals von einer durch Druck bewirkten Messung sein. Ferner kann der Sensor eine Kombination dieser unterschiedlichen Empfangseinrichtungstypen sein.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Ultraschallsensor (100) zur Erfassung eines Objekts (50), mit: – einem Substrat (10); – einer Sendeeinrichtung (S1, S2) zum Aussenden einer Ultraschallwelle; – einer Mehrzahl von Empfangseinrichtungen (R1–R8) zum Empfangen der Ultraschallwelle; – einer als Schaltungsplatine (K) ausgebildeten Schaltung zum Verarbeiten empfangener Ultraschallwellen, die von den Empfangseinrichtungen (R1–R8) empfangen werden, nachdem die von der Sendeeinrichtung (S1, S2) ausgesendete Ultraschallwelle von dem Objekt (50) reflektiert wurde; wobei – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die Empfangseinrichtungen (R1–R8) auf dem Substrat (10) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Anzahl der Empfangseinrichtungen (R1–R8) gleich groß oder größer als drei ist, und die Schaltung dazu geeignet ist, eine Fehlfunktion zu erfassen; – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die drei Empfangseinrichtungen (R1–R3) jeweils eine Oberfläche zum Aussenden bzw. zum Empfangen der Ultraschallwelle aufweisen, wobei die Oberfläche senkrecht zu einem Boden orientiert ist; – die drei Empfangseinrichtungen (R1–R3) aus einer ersten bis einer dritten Empfangseinrichtung (R1–R3) bestehen; – die erste Empfangseinrichtung (R1) oberhalb der dritten Empfangseinrichtung (R3) und links von der zweiten Empfangseinrichtung (R2) angeordnet ist; – die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer horizontalen Ebene, parallel zu dem Boden, zwischen dem Objekt (50) und dem Sensor und einen Winkel in der horizontalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt (50) auf der Grundlage der von der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung (R1, R2) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen; – die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer vertikalen Ebene, senkrecht zu dem Boden, zwischen dem Objekt (50) und dem Sensor und einen Winkel in der vertikalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt (50) auf der Grundlage der von der ersten und der dritten Empfangseinrichtung (R1, R3) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen; und – die Schaltung dazu geeignet ist, die Abstände und die Winkel in der horizontalen und der vertikalen Ebene auf der Grundlage der von der zweiten und der dritten Empfangseinrichtung (R2, R3) empfangenen Ultraschallwellen zu überprüfen, so dass die Schaltung dazu geeignet ist, die Fehlfunktion zu erfassen.
Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Empfangseinrichtungen (R1–R8) gleich groß wie oder größer als vier ist.
Ultraschallsensor (100) zur Erfassung eines Objekts (50), mit: – einem Substrat (10); – einer Sendeeinrichtung (S1, S2) zum Aussenden einer Ultraschallwelle; – einer Mehrzahl von Empfangseinrichtungen (R1–R8) zum Empfangen der Ultraschallwelle; – einer als Schaltungsplatine (K) ausgebildeten Schaltung zum Verarbeiten empfangener Ultraschallwellen, die von den Empfangseinrichtungen (R1–R8) empfangen werden, nachdem die von der Sendeeinrichtung (S1, S2) ausgesendete Ultraschallwelle von dem Objekt (50) reflektiert wurde; wobei – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die Empfangseinrichtungen (R1–R8) auf dem Substrat (10) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Anzahl der Empfangseinrichtungen (R1–R8) gleich oder größer als vier ist; – die Sendeeinrichtung (S1, S2) und die vier Empfangseinrichtungen (R1–R4) jeweils eine Oberfläche zum Aussenden bzw. Empfangen der Ultraschallwelle besitzen, wobei die Oberfläche senkrecht zum Boden ist; – die vier Empfangseinrichtungen (R1–R4) eine erste bis eine vierte Empfangseinrichtung (R1–R4) umfassen; – die erste Empfangseinrichtung (R1) oberhalb der dritten Empfangseinrichtung (R3) und links von der zweiten Empfangseinrichtung (R2) angeordnet ist; – die vierte Empfangseinrichtung (R4) unterhalb der zweiten Empfangseinrichtung (R2) und rechts von der dritten Empfangseinrichtung (R3) angeordnet ist; – die Schaltung dazu geeignet ist, einen Abstand in einer horizontalen Ebene, parallel zum Boden, zwischen dem Objekt (50) und dem Sensor und einen Winkel in der horizontalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt (50) auf der Grundlage der von der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung (R1, R2) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, und ferner dazu geeignet ist, einen Abstand in einer vertikalen Ebene, senkrecht zum Boden, zwischen dem Objekt (50) und dem Sensor und einen Winkel in der vertikalen Ebene von dem Sensor zu dem Objekt (50) auf der Grundlage der von der ersten und der dritten Empfangseinrichtung (R1, R3) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, so dass erste Daten des Objekts (50) gewonnen werden; – die Schaltung dazu geeignet ist, den Abstand und den Winkel in der horizontalen Ebene auf der Grundlage der von der dritten und der vierten Empfangseinrichtung (R3, R4) empfangenen Ultraschallwellen zu berechnen, und ferner dazu geeignet ist, den Abstand und den Winkel in der vertikalen Ebene auf der Grundlage der von der zweiten und der vierten Empfangseinrichtung (R2, R4) gewonnenen Ultraschallwellen zu berechnen, so dass zweite Daten des Objekts (50) gewonnen werden; und – die Schaltung dazu geeignet ist, die ersten Daten und die zweiten Daten zu überprüfen, so dass die Schaltung dazu geeignet ist, die Fehlfunktion zu erfassen.
Ultraschallsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Empfangsvorrichtungen in einem Feld angeordnet sind.