DE102006033693B4

DE102006033693B4 - Hindernisdetektor mit Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102006033693B4
Application number: DE102006033693A
Authority: DE
Inventors: Makiko Aichi Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: FR2888943B1; JP2007024770A; DE102006033693A1; US7420876B2; US20080165620A1; FR2888943A1

Abstract

Hindernisdetektor zur Erfassung eines Hindernisses (200), mit: – einem Ultraschallsensor (110) zur Erfassung des Hindernisses (200) in einem ersten Erfassungsbereich in kurzem Abstand, wobei der Ultraschallsensor (110) ein Halbleitersubstrat (10), eine Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) zur Aussendung einer Ultraschallwelle durch Umwandeln eines elektrischen Signals und eine Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) zum Empfangen der Ultraschallwelle und zum Umwandeln der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umfasst, wobei die Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) und die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet sind; – einem Erfassungselement (120, 140, 160) zur Erfassung des Hindernisses (200) in einem zweiten Erfassungsbereich in großem Abstand; und – einem Gehäuse (12); wobei – die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) eine Mehrzahl von Empfangselementen (112, 112a–112h) enthält; und – der Ultraschallsensor (110) und das Erfassungselement (120, 140, 160) in dem Gehäuse (12) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass: – wenigstens ein Teil des ersten Erfassungsbereichs...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hindernisdetektor mit einem Ultraschallsensor.
Die JP-A-2001-16694 zum Beispiel offenbart eine Ultraschallvorrichtung, die an einem Fahrzeug wie etwa einem Auto angebracht ist und zur Erfassung eines Hindernisses oder dergleichen verwendet wird. Die Ultraschallvorrichtung umfasst ein Sende-Element und ein Empfangselement (ein Element kann sowohl als Sende- als auch als Empfangselement verwendet werden), und sendet eine Ultraschallwelle von dem Sende-Element aus und empfängt eine Ultraschallwelle, die auf ein Hindernis auftraf und an diesem reflektiert wurde. Die Vorrichtung wird verwendet, um eine arithmetische Verarbeitung auszuführen und somit eine Richtung oder eine Entfernung des Hindernisses zu erfassen oder eine Unebenheit des Hindernisses unter Verwendung eines Schalldrucks, einer Zeitdifferenz und einer Phasendifferenz der von dem Empfangselement empfangenen Ultraschallwelle zu bestimmen.
Als Empfangselement, das für eine solche Ultraschallsensorvorrichtung verwendet wird, ist ein Element bekannt, in dem ein aus einer piezoelektrischen Dünnschicht gebildeter Oszillator auf einer Membran gebildet ist, die wiederum als ein dünner Abschnitt eines Substrats ausgebildet ist. Das Empfangselement mit Membranstruktur ist mit Hilfe einer Halbleitermikrobearbeitungstechnik gebildet und im Folgenden mit MEMS(Micro Electro Mechanical System)-Ultraschallsensorelement oder kurz MEMS-Element bezeichnet. Ein solches MEMS-Element und eine Ultraschallsensorfeldvorrichtung, die dieses Element verwendet, ist zum Beispiel in der JP-A-2003-284182 offenbart. Das Ultraschallsensorelement (Empfangselement) ist durch Anordnen einer dünnen Schicht einer PZT(Blei-Zirkonat-Titanat)-Keramik, welche eine ferroelektrische Substanz ist, zwischen zwei Elektroden gebildet und umfasst einen piezoelektrischen Sensor, der eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist, um eine Ultraschallwelle zu erfassen, wobei während des Messvorgangs des Ultraschallelements eine vorbestimmte Vorspannung zwischen die zwei Elektroden angelegt wird, wodurch die Resonanzfrequenz des Elements geändert werden kann.
Jedoch sind in der obigen Konfiguration eine Ultraschallquelle und eine Ultraschallsensorfeldvorrichtung separat bereitgestellt, so dass die Herstellungskosten hoch sind. Ferner, wenn sie an einem Stoßfänger eines Autos oder dergleichen angebracht sind, beeinflusst die Montagegenauigkeit der Ultraschallquelle und der Ultraschallsensorfeldvorrichtung die Erfassungsgenauigkeit der Richtung oder des Abstandes des Hindernisses, so dass die korrekte Montage sehr lange dauert.
In einer Ultraschallsensorvorrichtung, die direkt an dem Stoßfänger des Autos angebracht ist, kann, wenn ein Wassertropfen oder Staub an einer Oberfläche des Ultraschallsensorelements anhaftet, ein Abstand zu dem Hindernis nicht exakt gemessen werden. Ferner hängt die Dämpfung einer Ultraschallwelle, die sich in Luft ausbreitet, von der Temperatur oder/und der Feuchtigkeit der Luft ab, und die Temperatur und/oder Feuchtigkeit ist unterschiedlich je nach Umgebung des Autos, so dass dahingehend eine Schwierigkeit besteht, dass sich die Erfassungsgenauigkeit des Hindernisses durch den Effekt von Temperaturänderung und Feuchtigkeitsänderung verschlechtert. Insbesondere kann die Umgebungstemperatur mit Hilfe eines Umgebungstemperatur-Sensors gemessen werden. Jedoch existiert kein geeigneter Feuchtigkeitssensor, der außen am Fahrzeug angebracht werden könnte, so dass dieses Problem nicht gelöst ist.
Aus der JP 5-333148 A ist ein Hindernisdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei desweiteren auf folgenden Stand der Technik hingewiesen: US 6 381 197 B1 und DE 195 01 612 A1 . Darüber hinaus findet der Fachmann relevante Informationen in „Infrared and Ultrasonic Sensors Using Ferroelectric Thin Films” von Okuyama et al., in „Transducers 03, The 12th Intern. Conf. On Solid Sate Sensors, Actuators and Microsystems”, Bosten, 08.–12. Juni 2003, Seiten 226–229.
Angesichts des oben beschriebenen Problems ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hindernisdetektor mit einem Ultraschallsensor bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hindernisdetektor zur Erfassung eines Hindernisses einen Ultraschallsensor zur Erfassung des Hindernisses in einem ersten Erfassungsbereich in kurzem Abstand, wobei der Ultraschallsensor ein Halbleitersubstrat, eine Sendevorrichtung zur Aussendung einer Ultraschallwelle durch Umwandeln eines elektrischen Signals und eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen der Ultraschallwelle und zum Umwandeln der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umfasst, wobei die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, ein Erfassungselement zur Erfassung des Hindernisses in einem zweiten Erfassungsbereich in großem Abstand und ein Gehäuse, wobei die Empfangsvorrichtung eine Mehrzahl von Empfangselementen enthält und der Ultraschallsensor und das Erfassungselement in dem Gehäuse angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Hindernisdetektor ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des ersten Erfassungsbereichs in kurzem Abstand des Ultraschallsensors von dem zweiten Erfassungsbereich in großem Abstand des Erfassungselements verschieden ist und das Erfassungselement auf dem Halbleitersubstrat des Ultraschallsensors angeordnet ist.
Da in dem obigen Sensor (Ultraschallsensor) die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung auf demselben Halbleitersubstrat ausgebildet sind, sind die Abmessungen des Sensors minimiert und die Herstellungskosten reduziert. Ferner, da die räumliche Beziehung zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung auf dem Substrat genau definiert sind, wird die Erfassungsgenauigkeit des Sensors nicht wesentlich durch Montagefehler beeinflusst, selbst wenn der Sensor an einem Automobil angebracht wird. Ferner, da der Sensor zwei unterschiedliche Sensortypen umfasst, erfasst der Hindernisdetektor sicher das Hindernis, und zwar in einem weiten Erfassungsbereich. Somit ist der Sensor klein dimensioniert, weist einen weiten Erfassungsbereich auf und kann kostengünstig hergestellt werden.
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 Querschnittsansicht, die einen Hindernisdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1B eine perspektivische Ansicht, die den Hindernisdetektor zeigt;
2 eine vergrößerte Draufsicht, die einen Ultraschallsensor in dem Hindernisdetektor zeigt;
3A eine Draufsicht, die den Ultraschallsensor zeigt, und 3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB, die den Ultraschallsensor zeigt;
4A und 4B schematische Ansichten, die das Erfassungsprinzip des Ultraschallsensors zeigen, und 4C ein Ablaufdiagramm (Zeitdiagramm) eines Signals, das das Erfassungsprinzip des Ultraschallsensors zeigt;
5 ein Ablaufdiagramm (Zeitdiagramm) eines Signals, das die Feuchtigkeitskompensation durch den Ultraschallsensor erläutert;
6A eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor in einem Hindernisdetektor gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt, und 6B ein Ablaufdiagramm (Zeitdiagramm), das Impulssignale zeigt, die von zwei Sende-Elementen ausgegeben werden, und Impulssignale, die von vier Empfangselementen empfangen werden;
7 eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor in einem Hindernisdetektor gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
8A eine Querschnittsansicht, die einen Ultraschallsensor in einem Hindernisdetektor gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt, und 8B eine Draufsicht, die den Ultraschallsensor in dem Hindernisdetektor gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
9 eine Draufsicht, die einen Hindernisdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10A eine Querschnittsansicht, die einen Ultraschallsensor in einem Hindernisdetektor gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt, und 10B eine Draufsicht, die den Ultraschallsensor in dem Hindernisdetektor gemäß der Modifikation zeigt;
11 eine perspektivische Ansicht, die einen Hindernisdetektor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 eine Draufsicht, die einen Hindernisdetektor gemäß einer ersten Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
13 eine perspektivische Ansicht, die einen Hindernisdetektor gemäß einer zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
(Erste Ausführungsform)
Ein Hindernisdetektor wird zum Beispiel in einem Fahrzeug eingebaut und so konfiguriert, dass er ein Hindernis in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst.
Der Hindernisdetektor gemäß einer Ausführungsform umfasst zwei wesentliche Merkmale. Das erste besteht darin, dass ein Ultraschallsensor und eine Erfassungseinheit in demselben Gehäuse angeordnet sind, und das zweite betrifft die Konfiguration des Ultraschallsensors.
Die 1A und 1B sind Ansichten, die schematisch eine Konfiguration des Hindernisdetektors zeigen, wobei 1A eine Querschnittsansicht und 1B eine perspektivische Ansicht mit teilweise entferntem Gehäuse ist.
Wie es in den 1A und 1B gezeigt ist, umfasst ein Hindernisdetektor 100 einen Ultraschallsensor 110 zur Erfassung eines Hindernisses in einer kurzen Entfernung von einem Fahrzeug und einen Bildsensor 120 als eine Erfassungseinheit mit einem Erfassungsbereich, der wenigstens teilweise von dem Erfassungsbereich des Ultraschallsensors 110 verschieden ist, wobei beide in demselben Gehäuse 130 untergebracht sind.
Auf diese Weise ist in dem Hindernisdetektor 100 der Bildsensor 120 mit dem Erfassungsbereich, der sich wenigstens teilweise von dem Erfassungsbereich des Ultraschallsensors 110 unterscheidet, gemeinsam mit dem Ultraschallsensor 110 in dem Gehäuse 130 angeordnet. Das heißt, eine Mehrzahl von Sensoren 110 und 120, die das Hindernis erfassen können und unterschiedliche Erfassungsbereiche haben, sind integriert und somit als eine einzige Vorrichtung 100 konfiguriert. Dadurch gewinnt man einen klein dimensionierten Hindernisdetektor 100, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie dazu geeignet ist, ein Hindernis in einem weiteren Bereich zu erfassen, und die Erfassungsgenauigkeit kann dadurch verbessert werden, dass dasselbe Objekt von zwei Sensoren 110 und 120 erfasst wird. Der Ausdruck ”unterschiedliche Erfassungsbereiche” bedeutet einen anderen Zustand als den, dass Erfassungsbereiche vollständig deckungsgleich sind. Zum Beispiel kann der Zustand einen Fall beinhalten, in dem ein Erfassungsbereich den weiteren Erfassungsbereich enthält.
Ferner sind in der Ausführungsform der Ultraschallsensor 110 und der Bildsensor 120 in demselben Gehäuse 130 angeordnet, und ferner sind ein Sende-Element 111 und ein Empfangselement 112 zur Ausbildung des Ultraschallsensors 110 und ein Fotoelement 121 zur Ausbildung des Bildsensors auf demselben Halbleitersubstrat 10 wie etwa einem Siliziumsubstrat ausgebildet. Das heißt, da der Ultraschallsensor 110 und der Bildsensor 120 als Ein-Chip-Konfiguration ausgebildet sind, erhält man einen kleinen und kostengünstigen Hindernisdetektor 100. In dem Hindernisdetektor 100 kann der Ultraschallsensor 110 ein Hindernis in einem weiten Winkelbereich und kurzen Abstand erfassen, wo Verzerrungen durch eine Linse und dergleichen leicht auftreten können, und der Bildsensor 120 kann ein Hindernis in einem großen Abstand erfassen. Daher kann der Hindernisdetektor 100 ein Hindernis über einen weiten Bereich erfassen.
Als das Fotoelement 121 kann ein herkömmlicher CCD-Bildsensor, ein CMOS-Bildsensor oder dergleichen verwendet werden, der ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit der Intensität des eintretenden Lichts erzeugt. Ein Steuerungsabschnitt verarbeitet ein Bildsignal, das eine Menge aus Pixelwerten ist, die von dem Bildsensor 120 ausgegeben werden, so dass zum Beispiel eine Ausgabe eines Bildes auf der Grundlage des Bildsignals oder eine Erfassung (Erkennung) des Hindernisses erfolgen kann.
Da der CCD-Bildsensor bzw. der CMOS-Bildsensor als das Fotoelement 111 verwendet wird, kann das Element 121 leicht mit dem Sende-Element 111 und den Empfangselementen 112 integriert werden, insbesondere auf Silizium als dem Halbleitersubstrat 10. Ferner können ein Verarbeitungsschaltungsabschnitt des Ultraschallsensors 110 und der Bildsensor 120 auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform sind der Verarbeitungsschaltungsabschnitt (nicht gezeigt) des Ultraschallsensors 110 und der Bildsensor 120 auf einer Schaltungsplatine 11 gebildet.
Das Gehäuse 130 in der Ausführungsform ist aus der Schaltungsplatine 11, auf die das Halbleitersubstrat 10 montiert ist, und einem Gehäuse 12, das auf der Schaltungsplatine 11 befestigt ist, gebildet, und das Sende-Element 111 und das Empfangselement 112 sind elektrisch mit der Schaltungsplatine 11 verbunden.
Ein Bereich des Gehäuses 12 (der obere Teil in 1A), der der Vorderseite des Sensorelements 111 und der Empfangselemente 112 entspricht, ist ein Schutzbereich 12a zum Schutz des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112, und wenn die Vorrichtung für ein Fahrzeug verwendet wird, kann ein wetterfestes Material wie etwa verschiedene Metalle (Aluminiumlegierungen), Kunstharz, Glas oder Kunststoff für diesen Bereich verwendet werden. Das Gehäuse 12 kann als Ganzes aus dem Material gebildet sein, oder es ist nur der Schutzbereich 12a aus dem Material gebildet, und das Material des Gehäuses ist von diesem verschieden. In der Ausführungsform sind das Gehäuse 12 und der Schutzbereich 12a aus demselben Kunstharz gebildet.
Abstandselemente 12b sind als ein Teil des Gehäuses 12 vorgesehen, die einen Raum S zwischen dem Schutzbereich 12a des Gehäuses 12 und einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 sowohl für das Sende-Element 111 als auch für das Empfangselement 112 definieren. Ein Füllstoff 14 ist in dem von dem Schutzbereich 12a, den Trennelementen 12b und dem Halbleitersubstrat 10 gebildeten Raum S angeordnet. Die Abstandselemente 12b können als ein von dem Gehäuse 12 getrenntes und als an dem Gehäuse 12 befestigte Elemente ausgebildet sein.
Hier ist die Schallimpedanz einer Substanz bzw. eines Materials durch das Produkt aus der Dichte der Substanz und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit definiert. Die Ausbreitungseigenschaften einer Schallwelle zwischen zwei Substanzen wird mit zunehmender Differenz ihrer Schallimpedanzen schlechter. Das heißt, mit zunehmender Differenz der Schallimpedanzen des Füllstoffs 14 in dem Raum S und des Schutzbereichs 12a wird die Reflexion einer an einem Hindernis reflektierten Ultraschallwelle an dem Schutzbereich 12a stärker und somit die Übertragung bzw. Weiterleitung zu dem Füllstoff 14 schlechter.
Somit wird entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel als Füllstoff 14 verwendet. In diesem Fall kann die Schallimpedanz des Füllstoffs 14 an die des Schutzbereichs 12a angenähert werden, so dass zum Beispiel die Oszillation des Schutzbereichs 12a über den Füllstoff 14 sicher zu dem Empfangselement 112 übertragen werden kann. Das heißt, die Empfindlichkeit jedes der Empfangselemente 112 kann verbessert werden.
In der Ausführungsform ist das Sende-Element 111 strukturell gleich ausgebildet wie eines der Empfangselemente 112, was weiter unten beschrieben ist. Demzufolge wird die Schallimpedanz des Füllstoffs 14 an die Schallimpedanz des Schutzbereichs 12a angenähert, so dass Oszillationen des Sende-Elements 111 über den Füllstoff 14 sicher zu dem Schutzbereich 12a übertragen werden können und somit die Ausgangsleistung des Sende-Elements 111 verbessert werden kann.
Wenn Kunstharz für den Schutzbereich 12a verwendet wird, kann Sol, in dem Kunstharzpartikel in einer Flüssigkeit dispergiert sind, oder ein Polymergel, das das entsprechende Kunstharzmaterial enthält, als Füllstoff 14 verwendet werden. Es ist erforderlich, dass der Füllstoff 14 ein Material enthält, das das Empfangselement 112 nicht angreift. Daher kann zum Beispiel Silikon-Gel oder Fluor-Gel verwendet werden. Wenn in dem Raum S ein Gas (wie etwa Luft oder ein Edelgas) vorhanden ist, werden Oszillationen des Schutzbereichs 12a schlecht zu dem Empfangselement 112 übertragen (Oszillationen des Sende-Elements 111 werden schlecht zu dem Schutzbereich 12a übertragen). Daher ist es vorteilhaft, das Gas vollständig aus dem Raum S zu entfernen, bevor der Füllstoff 14 eingefüllt wird. Die obige Konfiguration (der Schutzbereich 12a, das Trennelement 12b und der Füllstoff 14) sind ausführlich in der JP-A-2006-94459 beschrieben, die vom Anmelder eingereicht wurde.
In dem Bereich des Gehäuses 12 (das Oberteil in 1A), der der Vorderseite des Fotoelements 121 entspricht, ist eine Linse 122 zur Einstrahlung von Licht in einem vorbestimmten Winkelbereich auf das Fotoelement 121 angeordnet. Insbesondere ist eine Öffnung 12c im oberen Teil des Gehäuses 12 vorgesehen, und die Linse 122 ist so an dem Gehäuse 12 befestigt, dass die Öffnung 12c verschlossen ist. Das heißt, das Gehäuse 12 ist so konzipiert, dass Licht ausschließlich durch die in der Öffnung 12c vorgesehene Linse 122 eintreten kann. Während in 1A ein Beispiel gezeigt ist, in dem die Linse 122 an einer inneren Oberfläche des Gehäuses 12 befestigt ist, kann eine Konfiguration, in der sie an einer äußeren Oberfläche angeordnet ist, oder eine Konfiguration, in der sie in der Öffnung 12c angeordnet ist, verwendet werden. Ferner kann die Linse 122, statt als getrenntes Element, einteilig mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sein. Die Konfiguration des Gehäuses 130 ist nicht auf das Beispiel begrenzt. Sie ist insbesondere nicht begrenzt, solange es den Ultraschallsensor 110 und den Bildsensor 120 aufnehmen kann.
Nachfolgend ist mit Bezug auf 1B, 2 und die 3A und 3B eine Konfiguration des Ultraschallsensors 110 als dem zweiten wesentlichen Merkmal des Hindernisdetektors 100 gemäß der Ausführungsform beschrieben. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht des Ultraschallsensors 110 in dem Hindernisdetektor 100. Die 3A und 3B sind Ansichten, die schematisch eine Konfiguration von Elementen zeigen, die den Ultraschallsensor 110 bilden, wobei 3A eine Draufsicht und 3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB von 3A ist.
Wie es in 1B und 2 gezeigt ist, sind in dem Ultraschallsensor 110 ein Sende-Element 111 und vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d) auf demselben Halbleitersubstrat 10 integriert. Die Elemente 111 und 112 weisen die gleiche Konfiguration auf.
Insbesondere, wie es in den 3A und 3B gezeigt ist, ist das Sende-Element 111 unter Verwendung des Halbleitersubstrats 10 in Form einer SOI(Silicon On Insulator)-Struktur ausgebildet. In dem Halbleitersubstrat 10 bezeichnet eine Bezugszahl 1a eine erste Halbleiterschicht (Trägersubstrat), eine Bezugszahl 1b eine vergrabene Oxidschicht, 1c eine zweite Halbleiterschicht und 1d eine Schutzoxidschicht. Auf einer Membran M, die als Abschnitt geringer Dicke des Halbleitersubstrats 10 durch die Halbleitermikroverarbeitungstechnik gebildet ist, ist ein piezoelektrischer Oszillator 20 derart ausgebildet, dass er die Membran M bedeckt. Der piezoelektrische Oszillator 20 ist so aufgebaut, dass eine piezoelektrische Dünnschicht 2 zwischen zwei Metallelektrodenschichten 3a und 3b angeordnet ist.
In dem auf diese Weise aufgebauten Sende-Element 111 wird eine Wechselspannung an die Metallelektrodenschichten 3a und 3b des piezoelektrischen Oszillators 20 angelegt, um die Membran M mit dem piezoelektrischen Oszillator mit einer vorbestimmten Ultraschallbandfrequenz in Resonanz zu versetzen, wodurch eine Ultraschallwelle ausgesendet werden kann. Wenn die Elemente als die Empfangselemente 112 (112a bis 112d) verwendet werden, wird die Membran M mit dem piezoelektrischen Oszillator 20 durch eine Ultraschallwelle in Resonanz versetzt, die an einem Hindernis (Objekt) reflektiert wurde und zurückkehrt. Anschließend werden die Oszillationen durch den piezoelektrischen Oszillator 20 in elektrische Signale umgewandelt, so dass die Ultraschallwelle empfangen wird.
Wenn die in den 3A und 3B gezeigte Struktur für das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 (112 bis 112d) des Ultraschallsensors 110 verwendet wird, ist der Bereich eines planaren Musters der Membran M in dem Sende-Element 111 vorzugsweise größer als ein Bereich eines planaren Musters der Membran in den Empfangselementen 112 (112a bis 112d), da das Sende-Element 111 typischerweise eine größere Schalldruckausgangsleistung erfordert. Somit kann die Schalldruckausgangsleistung des Sende-Elements 111 erhöht werden. Demgegenüber kann in den Empfangselementen 112 (112a bis 112d) selbst ein kleiner Bereich verwendet werden, wenn eine ausreichende Empfindlichkeit gewonnen wird.
Nachfolgend ist mit Bezug auf die 4A bis 4C ein Prinzip der Erfassung des Hindernisses mit Hilfe des Ultraschallsensors 110 beschrieben. In den 4A bis 4C wird angenommen, dass der in 1b gezeigte Hindernisdetektor 100 verwendet wird, der senkrecht zum Boden gehalten wird, wobei das Sende-Element 111 oben ist.
4A ist eine Ansicht, die schematisch die Empfangselemente 112a und 112b des Ultraschallsensors 110 in einer (X, Y)-Ebene parallel zum Boden und einen Zustand einer Ultraschallwelle, die an einem Hindernis 200 reflektiert wurde und auf die Empfangselemente 112a und 112a auftrifft, zeigt. 4B ist eine Ansicht, die schematisch die Empfangselemente 112a und 112c des Ultraschallsensors 110 in einer (X/Y, Z)-Ebene senkrecht zum Boden und einen Zustand einer Ultraschallwelle, die an einem Hindernis 200 reflektiert wurde und auf die Empfangselemente 112a und 112c auftrifft, zeigt. 4C ist eine Ansicht, die schematisch ein Ablauf- bzw. Zeitdiagramm eines Ultraschall-Impulssignals, das von dem Sende-Element 111 des Ultraschallsensors 110 ausgesendet wird, und eines Ultraschall-Impulssignals, das von den vier Empfangselementen 112a bis 112d empfangen wird, zeigt.
Unter Verwendung der zwei oben in 2 gezeigten Empfangselemente 112a und 112b kann ein Abstand Dx zu dem Hindernis 200 in der XY-Ebene parallel zum Boden, wie es in 4A gezeigt ist, aus der Zeitdifferenz ΔT₁₂ zwischen einem Sendesignal (der Aussendung) des Sende-Elements 111 und einem Durchschnittszeitwert T₁₂ der Empfangssignale (Empfang Nr. 1 und Empfang Nr. 2) der Empfangselemente 112a und 112b, wie es in 4C gezeigt ist, berechnet werden.
Unter Verwendung der zwei oben in 2 gezeigten Empfangselemente 112a und 112b kann ein Azimut θx des Hindernisses 200 gegenüber einer X-Achse in der XY-Ebene parallel zum Boden, wie es in 4A gezeigt ist, aus der Phasendifferenz Δq₁₂ zwischen dem Signal (Empfang Nr. 1) des Empfangselements 112a und dem Signal (Empfang Nr. 2) des Empfangselements 112b, wie es in 4C gezeigt ist, berechnet werden. Hier empfängt das Empfangselement 112a eine Empfangswelle Nr. 1, und das Empfangselement 112b empfängt eine Empfangswelle Nr. 2. ΔL in 4A bedeutet eine Wegdifferenz, die gleich d·cos(θx) ist.
In ähnlicher Weise kann unter Verwendung der zwei Empfangselemente 112a, 112c in 1 links ein Abstand Dz zu dem Hindernis 200 in der Ebene senkrecht zum Boden, wie es in 4B gezeigt ist, aus der Zeitdifferenz ΔT₁₃ zwischen dem Sendesignal (der Aussendung) des Sende-Elements 111 und einem Durchschnittszeitwert T₁₃ von Empfangssignalen (Empfang Nr. 1 und Empfang Nr. 3) der Empfangselemente 112a und 112c berechnet werden, wie es in 4C gezeigt ist. Hier empfängt das Empfangselement 112c eine Empfangswelle Nr. 3, und das Empfangselement 112d empfängt eine Empfangswelle Nr. 4. ΔL in 4B bedeutet eine Wegdifferenz, die gleich d·cos(θz) ist.
Unter Verwendung der zwei Empfangselemente 112a und 112c links in 2 kann ein Azimut θz des Hindernisses 200 bezüglich der zum Boden parallelen Ebene in der Ebene senkrecht zum Boden, wie es in 4B gezeigt ist, aus der Phasendifferenz Δϕ₁₃ zwischen dem Signal (Empfang Nr. 1) des Empfangselements 112a und dem Signal (Empfang Nr. 3) des Empfangselements 112c, wie es in 4C gezeigt ist, berechnet werden.
Auf diese Weise kann gemäß dem Ultraschallsensor 110 in der Ausführungsform ein Abstand und ein Azimut des Hindernisses 200 zu dem Ultraschallsensor 110 unter Verwendung der Abstände Dx, Dz und der Azimute θx, θz bestimmt werden.
Der Ultraschallsensor 110 wie er in den 1B und 2 gezeigt ist kann im Vergleich zu der Vorrichtung, die das Sende-Element (der Ultraschallquelle) und das Empfangselement umfasst, die getrennt ausgebildet sind, klein und kostengünstig hergestellt werden, da das Ultraschall-Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 (112a bis 112d) auf demselben Halbleitersubstrat 10 integriert sind. Ferner wird der Ultraschallsensor 110, wie es in den 1B und 2 gezeigt ist, kaum von der Montagegenauigkeit beeinflusst, wenn er an dem Stoßfänger des Autos oder dergleichen angebracht wird, da eine räumliche Beziehung zwischen dem Sende-Element 111 und den Empfangselementen 112 (112a bis 112d) auf dem Halbleitersubstrat 10 exakt eingestellt ist.
Ferner kann selbst dann, wenn die Anzahl der Sende-Elemente 111 und der Empfangselemente 112, die auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet sind, erhöht ist, oder wenn die Größe des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 verändert ist, der Ultraschallsensor 110 durch eine entsprechend geänderte Maske angepasst werden, so dass die Herstellungskosten für den Ultraschallsensor 110 im Wesentlichen unverändert sind.
Obgleich der in den 1B und 2 gezeigte Ultraschallsensor 110 vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d) umfasst, verwendet er nur eine Kombination aus drei Empfangselementen 112 (112a bis 112c) zur Erfassung des Hindernisses (Objekts) 200, wie es in den 4A bis 4C gezeigt ist. Das heißt er verwendet die zwei Empfangselemente 112a und 112b oben in 2 bei der Messung des Abstandes Dx zu dem Hindernis 200 in der XY-Ebene parallel zum Boden und des Azimuts θx des Hindernisses 200 gegenüber der X-Achse in 4A, und er verwendet die zwei Empfangselemente 112a und 112c links in 2 für den Abstand Dz zu dem Hindernis 200 in der Ebene senkrecht zum Boden und den Azimut θz des Hindernisses 200 gegenüber der Ebene parallel zum Boden, wie es in 4B gezeigt ist.
Andererseits kann, ähnlich wie oben, der Abstand Dx zu dem Hindernis 200 in der XY-Ebene parallel zum Boden und der Azimut θx des Hindernisses 200 bezüglich der X-Achse in 4A unter Verwendung der zwei Empfangselemente 112c und 112d unten in 2 gemessen werden, und der Abstand Dz zu dem Hindernis 200 in der Ebene senkrecht zum Boden und der Azimut θz des Hindernisses 200 gegenüber der Ebene parallel zum Boden, wie es in 4B gezeigt ist, kann unter Verwendung der zwei Empfangselemente 112b und 112d rechts in 2 gemessen werden. Mit anderen Worten, das Hindernis (Objekt) 200 kann unter Verwendung einer Kombination der drei Empfangselemente 112b bis 112d erfasst werden.
Demzufolge werden in dem Ultraschallsensor 110 mit den vier Empfangselementen 112 (112a bis 112d) Daten des Hindernisses (des Objekts) 200, die mit den zwei Kombinationen gemessen werden, verglichen, und wenn sie nicht miteinander übereinstimmen, kann bestimmt werden, dass eines der vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d) nicht ordnungsgemäß funktioniert. Auf diese Weise umfasst der Ultraschallsensor 110 eine Defekterfassungsfunktion.
Wenn nur ein Empfangselement 112 eine Fehlfunktion aufweist, kann das Hindernis (Objekt) 200 in ähnlicher Weise erfasst werden wie oben, nämlich indem eine Kombination von drei Erfassungselementen 112 statt ein Erfassungselement verwendet wird. Daher umfasst der Ultraschallsensor 110 eine Störungssicherungsfunktion.
Wenn der Ultraschallsensor 110 nur die Defekterfassungsfunktion aufweisen soll, sind nur drei Empfangselemente 112 (112a bis 112c) ausreichend. Das heißt, Daten des Hindernisses (Objekts) 200 werden aus den kombinierten Daten der Empfangselemente 112a und 112b und kombinierten Daten der Empfangselemente 112a und 112c berechnet, und kombinierte Daten der Empfangselemente 112b und 112c können zur Überprüfung des Hindernisses (Objekts) 200 verwendet werden. Somit kann ein Ultraschallsensor 110 mit drei Empfangselementen 112 (112a bis 112c) bereitgestellt werden, der die Defekterfassungsfunktion aufweist.
Wie es oben beschrieben ist, kann in dem Ultraschallsensor 110 mit wenigstens drei Empfangselementen 112 selbst dann, wenn ein Empfangselement 112 beschädigt ist oder einen Defekt aufweist, der Sensor so konfiguriert sein, dass er die Defekterfassungsfunktion besitzt, indem er Signale von einzelnen Empfangselementen 112 vergleicht. Ferner kann der Ultraschallsensor 110 mit wenigstens vier Empfangselementen 112 eine Störungssicherungsfunktikon aufweisen. Somit kann ein Ultraschallsensor 110 bzw. ein Hindernisdetektor 100 bereitgestellt werden, der kostengünstig ist und auf einen Defekt aufgrund von anhaftendem Wasser oder Staub anspricht.
Ferner kann der in den 1B und 2 gezeigte Ultraschallsensor so ausgelegt sein, dass das Sende-Element 111 wenigstens zwei Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen durch zweitweise Änderung der Frequenz eines Impulssignals, das an das Sende-Element 111 angelegt wird, aussendet. Somit kann der Ultraschallsensor 110, der in den 1B und 2 gezeigt ist, so ausgelegt sein, dass er durch eine einfache arithmetische Verarbeitung eine Feuchtigkeitskorrekturfunktion besitzt. Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen können ausgesendet werden, indem eine Eingangsspannung mit Frequenzen gesteuert wird, die in der in 3 gezeigten Membran keine Resonanz induzieren.
5 ist eine Ansicht zur Darstellung der Feuchtigkeitkorrekturfunktion und zeigt schematisch ein Ablauf- bzw. Zeitdiagramm eines von dem Sende-Element 111 gesendeten Ultraschall-Impulssignals und Ablauf- bzw. Zeitdiagramme von von den vier Empfangselementen 112 (112a bis 112d) empfangenen Ultraschall-Impulssignalen, und zwar in dem Fall, in dem das Sende-Element 111 des Ultraschallsensors 110, das in den 1B und 2 gezeigt ist, so ausgelegt ist, dass es zwei Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen f1 und f2 aussendet. In den nachstehenden Gleichungen ist P ein Dämpfungsverlust (d. h. eine Absorption einer Schallwelle) und m ein Absorptionskoeffizient einer Ultraschallwelle. Außerdem ist r ein Ausbreitungsabstand, M ein Koeffizient, f eine Frequenz, T eine Temperatur, G0 ein Sättigungsdampfdruck, G ein Gesamtatmosphärendruck und h eine Feuchtigkeit. P ∝ e^–mr (1)
k = 1,92·(G0/G·h)^1,3·10⁵ (3)
Wenn das Sende-Element 111 des Ultraschallsensors 110 die Ultraschallwelle mit der Frequenz f1 und die Ultraschallwelle mit der Frequenz f2 aussendet, wie es in 5 gezeigt ist, während es periodisch zwischen beiden umschaltet, erscheinen Empfangssignale (Empfang 1 bis Empfang 4) entsprechend den Ultraschallwellen mit der Frequenz f1 und der Frequenz f2 in einem jeweiligen der vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d). Eine Beziehung zwischen dem Impulssignal des Sende-Elements 111 und den Impulssignalen der Empfangselemente 112 (112a bis 112d) mit der Frequenz f1 und eine Beziehung zwischen dem Impulssignal des Transmissionselements 111 und den Impulssignalen der Empfangselemente 112 (112a bis 112d) mit der Frequenz f2 sind die gleichen in 4C.
Andererseits werden, wie es in 5 gezeigt ist, selbst dann, wenn ein Pegel des von dem Sende-Element 111 gesendeten Impulssignals mit der Frequenz f1 gleich dem mit der Frequenz f2 ist, Pegel der von den Empfangselementen 112 (112a bis 112d) empfangenen Impulssignale mit der Frequenz f2 im Vergleich zu Pegeln der Überschall-Impulssignale mit der Frequenz f1 stark abgeschwächt.
Wie es in den Formeln (1)–(3) beschrieben ist, hängt der Dämpfungsverlust P (der Absorptionskoeffizient m) der Ultraschallwelle von der Frequenz f der Ultraschallwelle ab, und die Dämpfung nimmt mit zunehmender Frequenz f der Ultraschallwelle zu. Ferner hat der Dämpfungsverlust P (der Absorptionskoeffizient m) der Ultraschallwelle einen Wert, der nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Temperatur T und der Feuchtigkeit h der Ausbreitungsumgebung abhängt.
Hier wird ein Wert der Frequenz f der Ultraschallwelle für das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 (112a bis 112d) jeweils zuvor eingestellt. Wenn der Ultraschallsensor 110 für die Verwendung im Fahrzeug gedacht ist, kann die Temperatur T der Ausbreitungsumgebung mit Hilfe eines Umgebungstemperatur-Sensors gemessen wer den. Hingegen gibt es für die Feuchtigkeit h der Ausbreitungsumgebung keinen geeigneten Sensor, der außen am Fahrzeug angeordnet werden kann.
Da jedoch, wie es in 5 gezeigt ist, die Ultraschallwelle unter Verwendung der zwei Frequenzen f1 und f2 gemessen wird, kann die Feuchtigkeit h aus der Differenz zwischen den Dämpfungskoeffizienten rückgerechnet werden. Die berechnete Feuchtigkeit h wird zur Korrektur der zuvor für den Ultraschallsensor 110 eingestellten Betriebsfeuchtigkeit verwendet, so dass der Ultraschallsensor 110 eine Feuchtigkeitkorrekturfunktion aufweist. Somit können ein Ultraschallsensor 10, der kostengünstig ist und dessen Genauigkeit durch eine Änderung der Feuchtigkeit nicht beeinflusst wird, und ein Hindernisdetektor 100, der den Ultraschallsensor 110 enthält, bereitgestellt werden.
Wenn der Ultraschallsensor 110 die Feuchtigkeitskorrekturfunktion wie oben beschrieben aufweist, werden vorzugsweise wenigstens zwei Sende-Elemente 111 bereitgestellt. In diesem Fall kann, anders als in einem Fall, in dem nur ein Sende-Element 111 verwendet wird, jedes der Sende-Elemente 111 eine Ultraschallwelle mit hohem Q-Wert bei einer unterschiedlichen Frequenz unter Verwendung der Resonanzfrequenz der Membran M, die in 3B gezeigt ist, senden.
Die 6A und 6B zeigen einen Ultraschallsensor 110. 6A ist eine Draufsicht des Ultraschallsensors 114, und 6B ist eine Ansicht, die schematisch ein Ablauf- bzw. Zeitdiagramm von Ultraschall-Impulssignalen, ausgesendet von zwei Sende-Elementen 111 (111a, 111b), und Ultraschall-Impulssignale, empfangen von den vier Empfangselementen 112 (112a bis 112d) zeigt.
Der in 6A gezeigte Ultraschallsensor 110 kann Ultraschallwellen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 gleichzeitig aussenden, wie es in 6B gezeigt ist, indem die zwei Sende-Elemente 111 (111a, 111b) verwendet werden, die Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 aussenden. Somit ist die Korrektur zur Bewegung eines Autos und dergleichen unnötig. Da die Ultraschallwellen mit den unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit haben, erreichen reflektierte Wellen die jeweiligen Empfangselemente 112 (112a bis 112d) zeitgleich. Daher ist eine Frequenzanalyse zur Zerlegung von Empfangssignalen der jeweiligen Empfangselemente 112 (112a bis 112d) mit Frequenzkomponenten f1 und f2 nötig.
7 ist eine Draufsicht, die eine Modifikation des Ultraschallsensors 110 zeigt. In dem in 7 gezeigten Ultraschallsensor 110 ist ein Sende-Element 111 in der Mitte angeordnet, und acht Empfangselemente 112 (112a bis 112h) sind um das Sende-Element herum angeordnet.
Wenn ein Sende-Element 111 und eine gerade Anzahl von Empfangselementen 112 auf diese Weise bereitgestellt sind, ist es vorteilhaft, dass die Empfangselemente 112 um das Sende-Element 111 herum angeordnet sind und paarweise an bezüglich des Sende-Elements 111 symmetrischen Positionen angeordnet sind. Somit kann in den Empfangselementen 112, die paarweise an den bezüglich des Sende-Elements 11 symmetrischen Positionen angeordnet sind, der Schalldruck von Ultraschallwellen, die von dem Sende-Element 111 ausgesendet und dann an einem Hindernis reflektiert und zurückgesendet werden, in etwa ausgeglichen bzw. kompensiert werden. Daher kann eine exakte Erfassung und Messung des Hindernisses ausgeführt werden.
Die Ultraschallsensoren 110 wie sie oben beschrieben sind, sind so ausgelegt, dass sie klein und kostengünstig sind und kaum von der Montagegenauigkeit beeinflusst werden, wenn sie an dem Stoßfänger des Autors angebracht werden, und ferner dazu geeignet sind, die Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit aufgrund des Anhaftens von Wasser und/oder Staub und einer Änderung der Feuchtigkeit zu beseitigen. Daher werden die Sensoren vorzugsweise für den Hindernisdetektor 100 für den Gebrauch im Fahrzeuginnern verwendet.
In dem Ultraschallsensor 110 des Hindernisdetektors 100 gemäß der Ausführungsform ist die Anzahl der Sende-Elemente 111 und Empfangselemente 112, die auf demselben Halbleitersubstrat 10 integriert sind, nicht auf jene in den obigen Beispielen begrenzt. Der Sensor kann wenigstens ein Sende-Element 111 und wenigstens zwei Empfangselemete 112 umfassen. Durch Erhöhen der Anzahl der Empfangselemente 112 kann Information mit einer höheren Auflösung gewonnen werden. Die Anzahl der Sende-Elemente 111 kann auch auf wenigstens zwei erhöht werden. Somit kann der Schalldruck einer zu sendenden Ultraschallwelle erhöht werden, oder die Richtwirkung der Welle kann gesteuert werden.
Wenn das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 auf demselben Halbleitersubstrat 10 ausgebildet sind, kann ein Sendesignal einem Empfangselement zugeführt werden, was ein Rauschen verursacht. Jedoch verwendet die Ausführungsform eine Konfiguration, in der die Empfangselemente 112 in einem Feld angeordnet sind, so dass ein Signal, das im Moment übertragen wird, von einer Mehrzahl von Empfangselementen 112 empfangen und somit ausgelöscht wird. Somit kann ein nahe gelegenes Hindernis 200 mit einem Signal erfasst werden, das ein erhöhtes Rauschsignalverhältnis hat.
In der Ausführungsform ist ein piezoelektrischer Ultraschallsensor 110, der ein piezoelektrisches Material verwendet, beschrieben. Jedoch kann ein Ultraschallsensor 110 vom kapazitiven Typ, der eine Kapazitätsänderung zwischen Elektroden erfasst, oder ein Ultraschallsensor 110 vom Piezo-Typ, der ein Ausgangssignal eines druckabhängigen Messgeräts erfasst, zusätzlich zu dem piezoelektrischen Typ verwendet werden. Ferner kann ein Ultraschallsensor 110 in Kombination mit diesen Typen verwendet werden.
In der Ausführungsform oben ist ein Beispiel gezeigt, in dem das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 zur Bildung des Ultraschallsensors 110 und das Fotoelement 121 zur Bildung des Bildsensors 120 in unterschiedlichen Bereichen desselben Halbleitersubstrats 10 ausgebildet sind. Jedoch kann, wie es in den 8A und 8B gezeigt ist, wenigstens ein Teil des Fotoelements 121 auf der Membran M ausgebildet sein. Das heißt, es kann eine Konfiguration verwendet werden, in der ein Bereich zur Bildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 mit wenigstens einem Teil eines Bereichs zur Bildung des Fotoelements 121 in einer planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 überlappt ist. Die 8A und 8B sind Ansichten, die eine Modifikation des Hindernisdetektors 100 zeigen, wobei 8A eine Querschnittsansicht und 8B eine Draufsicht ist. In 8 ist das Gehäuse 130 weggelassen.
Da in einer solchen Konfiguration ein Sensorausbildungsbereich verkleinert werden kann, kann der Hindernisdetektor 100 weiter minimiert werden. Dabei muss besonders darauf geachtet werden, eine Verringerung der Sendeleistung oder der Empfangsempfindlichkeit durch die Bildung des Fotoelements 121 auf der Membran M zu verhindern. Während oben ein Beispiel gezeigt ist, in dem die piezoelektrischen Oszillatoren 20 zur Ausbildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 auf einer der Oberfläche (z. B. der vorderen Oberfläche), auf der die Fotoelemente 121 gebildet sind, gegenüberliegenden Oberfläche (z. B. der hinteren Oberfläche) gebildet sind, wie es in 8A gezeigt ist, können sie auch auf derselben Oberfläche angeordnet sein (zum Beispiel der Oberfläche zur Bildung der Fotoelemente 121, wie es in 8A gezeigt ist). In diesem Fall wird eine elektrische Verbindung zu einem Verarbeitungsschaltungsabschnitt und dergleichen erleichtert.
In 8B ist ein Beispiel gezeigt, in dem die Fotoelemente 121 entsprechend jeweiligen Bildungsbereichen der vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d) gebildet sind. In einer solchen Konfiguration kann verhindert werden, dass Oszillationen zu einem weiteren Empfangselement 112 über das Fotoelement 121 übertragen werden. Demzufolge kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Jedoch kann ein einziges Fotoelement 121 in einem Bereich so ausgebildet sein, dass alle Ausbildungsbereiche der Empfangselemente 112 bedeckt sind. Ferner kann zusätzlich zu den Empfangselementen 112 das Fotoelement 121 auf der Membran M zur Bildung des Sende-Elements 111 gebildet sein.
(Zweite Ausführungsform)
Nachfolgend ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 9 beschrieben. 9 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration des Hindernisdetektors 100 in der Ausführungsform zeigt. In 9 ist der Klarheit wegen das Gehäuse weggelassen.
Da der Hindernisdetektor 100 in der zweiten Ausführungsform viele Punkte mit jenem der ersten Ausführungsform gemeinsam hat, sind im Folgenden gemeinsame Abschnitte nicht ausführlich beschrieben, und davon abweichende Abschnitte sind selektiv beschrieben.
Wie es in 9 gezeigt ist, verwendet der Hindernisdetektor 100 gemäß der Ausführungsform eine Konfiguration mit wenigstens einem Infrarotsensor 140 zur Erfassung von Infrarotstrahlen von einem Hindernis als eine Erfassungseinheit, statt dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Bildsensor 120.
Auf diese Weise ist gemäß dem Hindernisdetektor 100 der Infrarotsensor 100, der einen Erfassungsbereich aufweist, der wenigstens teilweise von dem Erfassungsbereich des Ultraschallsensors 110 verschieden ist, zusammen mit dem Ultraschallsensor 110 in einem (nicht gezeigten) Gehäuse angeordnet sein. Das heißt, eine Mehrzahl von Sensoren 110 und 140, die das Hindernis erkennen können und unterschiedliche Erfassungsbereiche aufweisen, sind integriert und so als eine Vorrichtung 100 konfiguriert. Demzufolge wird ein kleiner und kostengünstiger Hindernisdetektor 100 bereitgestellt, der so konfiguriert ist, dass er dazu geeignet ist, ein Hindernis in einem weiteren Bereich zu erfassen.
In der Ausführungsform sind der Ultraschallsensor 110 und der Infrarotsensor 140 auf demselben Halbleitersubstrat 10 wie etwa einem Siliziumsubstrat ausgebildet. Das heißt, da der Ultraschallsensor 110 und der Infrarotsensor 140 als Ein-Chip-Konfiguration ausgebildet sind, wird ein weiterer kleiner und kostengünstiger Hindernisdetektor 100 bereitgestellt. Ferner kann der Ultraschallsensor 110 ein Hindernis in einem kurzen Abstand erfassen, und der Infrarotsensor 140 kann ein Hindernis in einem großen Abstand erfassen. Daher kann der Hindernisdetektor ein Hindernis in einem weiten Bereich erfassen. Da sowohl der Ultraschallsensor 110 als auch der Infrarotsensor 140 ein Hindernis bei Nacht erfassen können, kann ein Hindernisdetektor 100 zur Verwendung bei Nacht realisiert werden. Infrarotstrahlen von einem Hindernis können von dem Hindernis ausgesendete Infrarotstrahlen oder an dem Hindernis reflektierte Infrarotstrahlen sein.
Der Sensor verwendet einen Thermosäulen-Infrarotsensor 140, der ein Thermoelement 141 als ein Infraroterfassungselement, das ein elektrisches Signal auf der Grundlage einer Temperaturänderung, die eintritt, wenn das Element eine Infrarotstrahlung empfängt, erzeugt, und ein Infrarotabsorptionsfilm 142, der wenigstens einen Teil des Thermoelements 141 bedeckt, umfasst. Eine Konfiguration des Infrarotsensors 140 ist von dem Anmelder in der JP-A-2002-365140 offenbart. Jedoch ist die Konfiguration des Infrarotsensors 140 nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
In der Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Infrarotquelle 150, die durch Erwärmen eines Widerstandes 151 Infrarotstrahlen aussendet, als eine Erfassungseinheit zusätzlich zu dem Infrarotsensor 140. Demzufolge reflektiert ein Hindernis von der Infrarotquelle 150 ausgesendete Infrarotstrahlen, und der Infrarotsensor 140 erfasst reflektiertes Licht, wodurch das Hindernis erfasst werden kann. Die Infrarotquelle 150 ist ferner auf demselben Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. Demzufolge wird die Vorrichtung kaum von der Montagegenauigkeit beeinflusst, da eine räumliche Beziehung zwischen der Infrarotquelle 150 und dem Infrarotsensor 140 auf dem Substrat genau eingestellt werden kann. Ferner kann der Hindernisdetektor 100 weiter minimiert werden. Ein Bezugszeichen M in 9 bezeichnet Membrane zur Ausbildung des Infrarotsensors 140 bzw. der Infrarotquelle 150.
Oben ist ein Beispiel gezeigt, in dem der Infrarotsensor 140 und die Infrarotquelle 150 in unterschiedlichen Bereichen eines Bereichs zur Ausbildung des Ultraschallsensors 110 gebildet sind. Jedoch kann eine Konfiguration verwendet werden, in der sich ein Bereich zur Ausbildung des Ultraschallsensors 110 wenigstens teilweise mit einem Bereich zur Ausbildung des Infrarotsensors 140 und der Infrarotquelle 150 in einer planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 überlappt.
Zum Beispiel ist es akzeptierbar, wie es in den 10A und 10B gezeigt ist, dass die Infrarotquelle 150 auf dem Sende-Element 111 gebildet ist, und Infrarotsensoren 140 werden in Übereinstimmung mit Ausbildungsbereichen von vier Empfangselementen 112 (112a bis 112d) gebildet. Da in einer solchen Konfiguration der Sensorbildungsbereich verkleinert werden kann, kann auch der Hindernisdetektor 100 weiter verkleinert werden. Da eine Mehrzahl von Infrarotsensoren 140 bereitgestellt wird, kann ferner die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Die 10A und 10B sind Ansichten, die eine Modifikation des Hindernisdetektors 100 wie er in der Ausführungsform gezeigt ist zeigen, wobei 10A eine Querschnittsansicht und 10B eine Draufsicht ist. In 10 ist der Übersichtlichkeit halber das Gehäuse 130 weggelassen.
Es muss besonders darauf geachtet werden, eine Verringerung der Sendeleistung bzw. Empfangsempfindlichkeit durch die Bildung des Infrarotsensors 140 oder der Infrarotquelle 150 auf der Membran M zur Bildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 zu verhindern. Es ist oben ein Beispiel gezeigt, in dem die piezoelektrischen Oszillatoren 20 zur Bildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 auf einer der Oberfläche zur Bildung der Infrarotsensoren 140 oder der Infrarotquelle 150 gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet sind, wie es in den 10A und 10B gezeigt ist. Jedoch können beide auf derselben Oberfläche angeordnet sein (zum Beispiel auf einer Oberfläche zur Ausbildung der Infrarotsensoren 140, wie es in 10A gezeigt ist). In diesem Fall ist die elektrische Verbindung zu einem Verarbeitungsschaltungsabschnitt und dergleichen erleichtert.
(Dritte Ausführungsform)
Nachfolgend ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 11 beschrieben. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Hindernisdetektors 100 in der Ausführungsform zeigt. In 11 ist zur Übersichtlichkeit ein Gehäuse weggelassen.
Da der Hindernisdetektor 100 in der dritten Ausführungsform mit jenen in der ersten oder zweiten Ausführungsform viele Gemeinsamkeiten aufweist, werden nur die von diesen abweichenden Merkmale selektiv beschrieben.
Wie es in 11 gezeigt ist, verwendet der Hindernisdetektor 100 eine Radareinheit 160 mit einem Laserstrahlerzeugungselement 161, das eine Sendewelle aussendet, und einem Laserstrahlerfassungselement 162, das, wenn das Element eine an einem Hindernis reflektierte Welle empfängt, ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität der reflektierten Welle aussendet, als Erfassungseinheit statt dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Bildsensor 120.
Auf diese Weise ist gemäß dem Hindernisdetektor 100 die Radareinheit 160 mit einem Erfassungsbereich, der wenigstens teilweise von dem Erfassungsbereich des Ultraschallsensors 110 verschieden ist, zusammen mit dem Ultraschallsensor 110 in einem Gehäuse (nicht gezeigt) angeordnet. Das heißt, eine Mehrzahl von Sensoren 110 und 160, die das Hindernis erfassen können und unterschiedliche Erfassungsbereiche haben, sind integriert bzw. zusammengelegt und als eine einzige Vorrichtung 100 konfiguriert. Demzufolge wird ein kleiner und kostengünstiger Hindernisdetektor 100 bereitgestellt, der so konfiguriert ist, dass er dazu geeignet ist, ein Hindernis in einem weiteren Bereich zu erfassen.
In der Ausführungsform sind das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 (112a bis 112d) zur Bildung des Ultraschallsensors 110, das Laserstrahlerzeugungselement 161 und das Laserstrahlerfassungselement 162 zur Bildung der Radareinheit 160 auf demselben Halbleitersubstrat 10 wie etwa einem Siliziumsubstrat angeordnet. Das heißt, da der Ultraschallsensor 110 und die Radareinheit 160 als Ein-Chip-Konfiguration ausgebildet sind, wird ein weiterer kleiner und kostengünstiger Hindernisdetektor 100 bereitgestellt. Ferner kann der Ultraschallsensor 110 ein Hindernis in kurzem Abstand erfassen, und die Radareinheit 160 kann ein Hindernis in großem Abstand erfassen. Daher kann der Hindernisdetektor ein Hindernis über einen weiten Bereich erfassen.
Für das Laserstrahlerzeugungselement 161 kann ein herkömmliches Halbleiterlaserelement wie etwa ein auf GaAs basierendes Laserelement verwendet werden, und für die Laserstrahlerfassungseinheit 162 kann eine Fotodiode verwendet werden. Wenn das Laserstrahlerzeugungselement 161 auf demselben Substrat 10 gebildet ist, auf dem das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 ausgebildet sind, werden heterogene Materialien, die zum Beispiel durch Hetero-Epitaxie kombiniert werden können, für das Halbleitersubstrat 10 und das Laserstrahlerzeugungselement 161 ausgewählt und verwendet, so dass sie integriert werden können. Zusätzlich kann ein separat gebildetes Laserstrahlerzeugungselement 161 auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet sein.
Wie es in den 8A und 8B gezeigt ist, kann wenigstens ein Teil des Laserstrahlerfassungselements 162 auf der Membran M zur Bildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 gebildet sein. Das heißt, es kann, wie es in 12 gezeigt ist, eine Konfiguration verwendet werden, in der sich ein Bereich zur Ausbildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 mit wenigstens einem Teil eines Bereichs zur Ausbildung der Laserstrahlerfassungselemente 162 in einer planaren Richtung des Halbleitersubstrats 10 überlappt. 12 ist eine Draufsicht, die eine Modifikation des Hindernisdetektors 100 gemäß der Ausführung zeigt, wobei das Gehäuse 130 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen ist.
Da in einer solchen Konfiguration ein Sensorausbildungsbereich verkleinert werden kann, kann auch der Hindernisdetektor 100 weiter verkleinert werden. Dabei muss besonders darauf geachtet werden, eine Verringerung der Sendeleistung oder der Empfangsempfindlichkeit durch die Bildung des Laserstrahlerfassungselements 162 auf der Membran M zu verhindern.
Die piezoelektrischen Oszillatoren 20 zur Bildung des Sende-Elements 111 und der Empfangselemente 112 können auf derselben Oberfläche wie die, auf der die Lasererfassungselemente 162 ausgebildet sind, oder auf einer dieser Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche gebildet sein. In 12 ist ein Beispiel gezeigt, in dem die Laserstrahlerfassungselemente 162 in Übereinstimmung mit jeweiligen Bildungsbereichen der vier Empfangselemente 112 (112a bis 112d) gebildet sind. In einer solchen Konfiguration kann verhindert werden, dass Oszillationen über das Laserstrahlerfassungselement 162 zu einem weiteren Oszillationselement 112 übertragen werden. Demzufolge kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Jedoch kann auch nur ein einziges Laserstrahlerfassungselement 162 in einem Bereich gebildet sein, und zwar derart, dass es alle Bildungsbereiche der Empfangselemente 112 überdeckt. Ferner kann das Laserstrahlerfassungselement 162 auf der Membran M zur Ausbildung des Sende-Elements 111 zusätzlich zu den Empfangselementen 112 gebildet sein.
In der Ausführungsform ist ein Beispiel gezeigt, in dem das Laserstrahlerzeugungselement 161 und das Laserstrahlerfassungselement 162 als die Radareinheit 160 vorgesehen sind. Jedoch kann eine Konfiguration mit einem Millimeterwellenerzeugungselement und einem Millimeterwellenerfassungselement statt der obigen Konfiguration verwendet werden.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben sind, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt, sondern kann verschiedentlich modifiziert sein.
Für die Erfassungseinheiten kann zusätzlich zu den in den Ausführungsformen gezeigten Modifikationen jede weitere Konfiguration verwendet werden, sofern sie einen Erfassungsbereich hat, der wenigstens teilweise von dem Erfassungsbereich des Ultraschallsensors 110 verschieden ist, und ein Hindernis innerhalb des Erfassungsbereichs erfassen kann.
Ferner zeigt sowohl der Ultraschallsensor 110, der Bildsensor 120, der Infrarotsensor 140, die Infrarotquelle 150 als auch die Radareinheit 160, die in den Ausführungsformen gezeigt sind, nur einen jeweiligen Aspekt. Es ist vorteilhafter, wenn jedes von ihnen in dem Gehäuse 130 angeordnet und vorzugsweise auf demselben Substrat wie das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 zur Ausbildung des Ultraschallsensors 110 konfiguriert werden kann. Ferner kann, wie es in 13 gezeigt ist, eine Konfiguration verwendet werden, in der das Sende-Element 111 und die Empfangselemente 112 zur Ausbildung des Ultraschallsensors 110 und weitere Erfassungseinheiten (zum Beispiel das Fotoelement 121 der Bildsensor 120) jeweils auf getrennten Substraten gebildet sind, die dann auf einem gemeinsamen Substrat (zum Beispiel der Schaltungsplatine 11) angeordnet werden, das dann wiederum in dem Gehäuse 130 angeordnet wird. 13 ist eine Draufsicht, die eine Modifikation des Hindernisdetektors zeigt.
Die vorliegende Erfindung enthält die folgenden Aspekte.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hindernisdetektor zur Erfassung eines Hindernisses einen Ultraschallsensor zur Erfassung des Hinternisses in einem ersten Bereich, wobei der Ultraschallsensor ein Substrat, eine Sendevorrichtung zum Aussenden einer Ultraschallwelle durch Umwandeln eines elektrischen Signals und eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen der Ultraschallwelle und Umwandeln der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umfasst und die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung auf dem Substrat angeordnet sind, ein Erfassungselement zur Erfassung des Hindernisses in einem zweiten Bereich und ein Gehäuse. Die Empfangsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Empfangselementen. Wenigstens ein Teil des ersten Bereichs des Ultraschallsensors ist von dem zweiten Bereich des Erfassungselements verschieden. Der Ultraschallsensor und das Erfassungselement sind in dem Gehäuse angeordnet.
Da in dem oben beschriebenen Sensor die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung auf demselben Substrat ausgebildet sind, sind die Abmessungen des Sensors minimiert und ferner die Herstellungskosten des Sensors reduziert. Ferner, da die räumliche Beziehung zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung auf dem Substrat genau definiert ist, wird die Erfassungsgenauigkeit des Sensors nicht wesentlich durch Montagefehler bzw. Montageungenauigkeiten beeinflusst, selbst wenn der Sensor an einem Kraftfahrzeug angebracht wird. Ferner, da der Sensor zwei unterschiedliche Sensortypen umfasst, erfasst der Hindernisdetektor sicher das Hindernis, und zwar in einem weiten Bereich. Somit ist der Sensor klein dimensioniert, besitzt einen weiten Erfassungsbereich und kann kostengünstig hergestellt werden.
Alternativ kann das Erfassungselement auf dem Substrat des Ultraschallsensors angeordnet sein. In diesem Fall sind der Ultraschallsensor und das Erfassungselement als Ein-Chip-Anordnung vorgesehen.
Alternativ kann die Empfangsvorrichtung wenigstens drei Empfangselemente umfassen. In diesem Fall können selbst dann, wenn eines der Empfangselemente defekt ist oder Probleme bereitet, weitere Empfangselemente das Hindernis erfassen, so dass ein Funktionsfehler von dem Sensor erfasst wird. Ferner kann die Empfangsvorrichtung vier Empfangselemente umfassen. In diesem Fall hat der Sensor nicht nur die Funktionsfehlererfassungsfunktion, sondern auch die Störungssicherungsfunktion.
Alternativ kann die Sendevorrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallwellen aussenden, die alle eine unterschiedliche Frequenz haben. In diesem Fall hat der Sensor eine Feuchtigkeitskompensationsfunktion, so dass eine Beeinträchtigung der Erfassungsgenauigkeit des Sensors durch eine Feuchtigkeitsänderung kompensiert wird. Ferner kann die Sendevorrichtung eine Mehrzahl von Sende-Elementen umfassen, die jeweils einer anderen der unterschiedlichen Frequenzen entsprechen. Ferner kann die Sendevorrichtung zwei Sende-Elemente umfassen. In diesen Fällen erhält man leicht die Feuchtigkeitskompensationsfunktion des Sensors.
Alternativ kann das Substrat eine Mehrzahl von Membranen umfassen, die jeweils der Sendevorrichtung oder der Empfangsvorrichtung zugeordnet, und die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung können auf der jeweiligen Membran angeordnet sein. In diesem Fall fungiert die Membran als Vibrationsoberfläche. Ferner kann sowohl die Sendevorrichtung als auch die Empfangsvorrichtung eine piezoelektrische Schwingungseinrichtung mit einer vorbestimmten Resonanzfrequenz in einem Ultraschallfrequenzbereich sein, und die piezoelektrische Schwingungseinrichtung zusammen mit der Membran können mit der vorbestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Ferner kann das Erfassungselement wenigstens einen Teil umfassen, der auf der Membran angeordnet ist. In diesem Fall ist der Sensor stark verkleinert. Der Ultraschallsensor und das Erfassungselement können auf derselben Seite oder auf unterschiedlichen Seiten der Membran angeordnet sein.
Alternativ kann das Erfassungselement ein Bildsensor sein, der eine Mehrzahl von optischen Erfassungselementen und eine Linse umfasst. Die optischen Erfassungselemente sind in einem vorbestimmten zweidimensionalen Muster angeordnet, so dass jedes optische Erfassungselement eine Bildzelle bildet. Jedes optische Erfassungselement ist dazu geeignet, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Intensität einer Strahlung entspricht, die in das optische Erfassungselement eindringt. Die Linse lenkt die Strahlung in das optische Erfassungselement, wobei die Strahlung aus einem vorbestimmten Winkelbereich eintritt. In diesem Fall wird ein kurzer Erfassungsbereich mit einem weiten Winkel durch den Ultraschallsensor erfasst, und ein langer Erfassungsbereich wird durch den Bildsensor erfasst. Somit hat der Sensor einen weiten und langen Erfassungsbereich. Ferner kann der Sensor eine Öffnung aufweisen, und die Linse kann mit dem Gehäuse derart verbunden sein, dass die Linse die Öffnung des Gehäuses überdeckt.
Alternativ kann das Erfassungselement einen Infrarotsensor zur Erfassung infraroter Strahlung, ausgesendet von dem Hindernis, umfassen. In diesem Fall wird ein kurzer Erfassungsbereich mit weitem Winkel durch den Ultraschallsensor erfasst, und ein langer Erfassungsbereich wird durch den Infrarotsensor erfasst. Somit besitzt der Sensor einen weiten und langen Erfassungsbereich. Ferner kann der Infrarotsensor und der Ultraschallsensor bei Nacht verwendet werden. Ferner kann der Infrarotsensor ein Infraroterfassungselement und einen Infrarotabsorptionsfilm bzw. eine Infrarotabsorptionsschicht umfassen. Das Infraroterfassungselement erzeugt ein elektrisches Signal auf der Grundlage einer Temperaturänderung, wenn das Infraroterfassungselement die Infrarotstrahlung erfasst, und der Infrarotabsorptionsfilm bedeckt wenigstens einen Teil des Infraroterfassungselements. Wenn in diesem Fall das Infraroterfassungselement und der Infrarotabsorptionsfilm auf demselben Substrat ausgebildet sind, ist der Sensor kleiner. Ferner, wenn das Infraroterfassungselement und der Infrarotabsorptionsfilm auf der Membran ausgebildet sind, sind die Abmessungen des Sensors reduziert. Ferner kann das Erfassungselement eine Infrarotquelle zur Aussendung der Infrarotstrahlung durch Erwärmen eines Widerstandes in der Infrarotquelle umfassen. In diesem Fall wird die von der Infrarotquelle ausgesendete Infrarotstrahlung an dem Hindernis reflektiert, und die reflektierte Infrarotstrahlung wird dann von dem Infraroterfassungselement erfasst. Somit wird der Sensor von dem Hindernis erfasst.
Alternativ kann das Erfassungselement einen Millimeterwellengenerator und einen Millimeterwellendetektor umfassen. Der Millimeterwellengenerator erzeugt eine Sendewelle. Die Sendewelle wird an dem Hindernis reflektiert, so dass eine Reflexionswelle erzeugt wird. Der Millimeterwellendetektor erfasst die Reflexionswelle und erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität der Reflexionswelle entspricht. In diesem Fall wird ein kurzer Erfassungsbereich mit weitem Winkel durch den Ultraschallsensor erfasst, und ein langer Erfassungsbereich wird durch das Erfassungselement erfasst. Somit hat der Sensor einen weiten und langen Erfassungsbereich.
Alternativ kann das Erfassungselement einen Laserstrahlerzeugungsgenerator und einen Laserstrahldetektor umfassen. Der Laserstrahlgenerator erzeugt eine Sendewelle. Die Sendewelle wird an dem Hindernis reflektiert, so dass eine Reflexionswelle erzeugt wird. Der Laserdetektor erfasst die Reflexionswelle und erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität der Reflexionswelle entspricht. In diesem Fall wird ein kurzer Erfassungsbereich mit weitem Winkel durch den Ultraschallsensor erfasst, und ein langer Erfassungsbereich wird durch das Erfassungselement erfasst. Somit hat der Sensor einen weiten und langen Erfassungsbereich.
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

Hindernisdetektor zur Erfassung eines Hindernisses (200), mit: – einem Ultraschallsensor (110) zur Erfassung des Hindernisses (200) in einem ersten Erfassungsbereich in kurzem Abstand, wobei der Ultraschallsensor (110) ein Halbleitersubstrat (10), eine Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) zur Aussendung einer Ultraschallwelle durch Umwandeln eines elektrischen Signals und eine Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) zum Empfangen der Ultraschallwelle und zum Umwandeln der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umfasst, wobei die Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) und die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet sind; – einem Erfassungselement (120, 140, 160) zur Erfassung des Hindernisses (200) in einem zweiten Erfassungsbereich in großem Abstand; und – einem Gehäuse (12); wobei – die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) eine Mehrzahl von Empfangselementen (112, 112a–112h) enthält; und – der Ultraschallsensor (110) und das Erfassungselement (120, 140, 160) in dem Gehäuse (12) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass: – wenigstens ein Teil des ersten Erfassungsbereichs in kurzem Abstand des Ultraschallsensors (110) von dem zweiten Erfassungsbereich in großem Abstand des Erfassungselements (120, 140, 160) verschieden ist; und – das Erfassungselement (120, 140, 160) auf dem Halbleitersubstrat (10) des Ultraschallsensors (110) angeordnet ist.
Hindernisdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112h) wenigstens drei Empfangselemente (112, 112a–112h) umfasst.
Hindernisdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112d) vier Empfangselemente (112, 112a–112d) umfasst.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor eine Feuchtigkeitskorrekturfunktion besitzt, indem die Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) eine Mehrzahl von Ultraschallwellen aussendet, deren Frequenzen alle verschieden sind.
Hindernisdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) eine Mehrzahl von Sende-Elementen (111, 111a, 111b) umfasst, die jeweils einer der verschiedenen Frequenzen zugeordnet sind.
Hindernisdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung (111, 111a, 111b) zwei Sende-Elemente (111a, 111b) umfasst.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (10) eine Mehrzahl von Membranen (M) umfasst, die jeweils entweder der Sendevorrichtung (111) oder der Empfangsvorrichtung (112, 112a–112d) zugeordnet sind, und die Sendevorrichtung (111) und die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112d) auf einer der Membranen (M) angeordnet sind.
Hindernisdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung (111) und die Empfangsvorrichtung (112, 112a–112d) jeweils eine piezoelektrische Schwingungseinrichtung mit einer vorbestimmten Resonanzfrequenz in einem Ultraschallfrequenzbereich ist, und die piezoelektrische Schwingungseinrichtung zusammen mit einer der Membranen (M) bei der vorbestimmten Resonanzfrequenz schwingt.
Hindernisdetektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement (120, 140, 160) wenigstens einen Teil umfasst, der auf einer der Membranen (M) angeordnet ist.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Erfassungselement (120) ein Bildsensor (120) ist, der eine Mehrzahl von optischen Erfassungselementen (121) und eine Linse (122) umfasst; – die optischen Erfassungselemente (121) in einem vorbestimmten zweidimensionalen Muster so angeordnet sind, dass jedes der optischen Erfassungselemente (121) eine Bildzelle liefert; – jedes der optischen Erfassungselemente (121) dazu geeignet ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Intensität eines Lichts entspricht, das in das jeweilige optische Erfassungselement (121) eintritt; und – die Linse (122) das Licht in jedes der optischen Erfassungselemente (121) einführt, wobei das Licht in einem vorbestimmten Winkelbereich in die Linse (122) eintritt.
Hindernisdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) eine Öffnung umfasst und die Linse (122) mit dem Gehäuse (12) derart verbunden ist, dass die Linse (122) die Öffnung des Gehäuses (12) bedeckt.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement (140) einen Infrarotsensor (140) zur Erfassung einer von dem Hindernis (200) ausgesendeten Infrarotstrahlung umfasst.
Hindernisdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Infrarotsensor (140) ein Infraroterfassungselement (141) und einen Infrarotabsorptionsfilm (142) umfasst; – das Infraroterfassungselement (141) ein elektrisches Signal auf der Grundlage einer Temperaturänderung erzeugt, wenn das Infraroterfassungselement (141) die Infrarotstrahlung empfängt; und – der Infrarotabsorptionsfilm (142) wenigstens einen Teil des Infraroterfassungselements (141) überdeckt.
Hindernisdetektor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement (140) ferner eine Infrarotquelle (150) zur Aussendung der Infrarotstrahlung durch Erwärmen eines Widerstandes in der Infrarotquelle (150) umfasst.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Erfassungselement (160) einen Millimeterwellengenerator (161) und einen Millimeterwellendetektor (162) umfasst; – der Millimeterwellengenerator (161) eine Sendewelle erzeugt; – die Empfangswelle an dem Hindernis (200) reflektiert wird, so dass eine Reflexionswelle erzeugt wird; und – der Millimeterwellendetektor (162) die Reflexionswelle erfasst und ein elektrisches Signal erzeugt, das der Intensität der Reflexionswelle entspricht.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Erfassungselement (160) einen Laserstrahlgenerator (161) und einen Laserstrahldetektor (162) umfasst; – der Laserstrahlgenerator (161) eine Sendewelle erzeugt; – die Reflexionswelle an dem Hindernis (200) reflektiert wird, so dass eine Reflexionswelle erzeugt wird; und – der Laserstrahldetektor (162) die Reflexionswelle erfasst und ein elektrisches Signal erzeugt, das der Intensität der Reflexionswelle entspricht.
Hindernisdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – der erste Erfassungsbereich in kurzem Abstand des Ultraschallsensors (110) in der Nähe des Ultraschallsensors (110) angeordnet ist; und – der zweite Erfassungsbereich in großem Abstand des Erfassungselements (120, 140, 160) in einer großen Entfernung von dem Erfassungselement (120, 140, 160) angeordnet ist.