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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.
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Ein
Ultraschallsensor wird beispielsweise in ein Fahrzeug (z.B. Kraftfahrzeug)
eingebaut. Ein Sendeabschnitt des Sensors sendet Ultraschallwellen
in Richtung eines zu erkennenden Objekts. Das Objekt reflektiert
die Wellen und ein Empfangsabschnitt im Sensor empfängt die
reflektierten Wellen. Somit kann eine Position und/oder Distanz
des Objekts gegenüber
dem Fahrzeug gemessen werden. Der Ultraschallsensor wird somit beispielsweise
für einen
sicheren Fahrbetrieb durch Überwachung
von Objekten um das Fahrzeug herum verwendet.
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Beispielsweise
wird in der Praxis ein automatisches Parkhilfesystem eingesetzt,
welches einen Ultraschallsensor verwendet. Bei diesem System wird
ein Hecksonar verwendet, um einen Menschen oder ein Hindernis am
Heckbereich des Fahrzeugs zu erkennen. Der Ultraschallsensor ist
an einem rückwärtigen Teil
des Fahrzeugs angeordnet und empfängt von dem Menschen oder Hindernis
reflektierte Ultraschallwellen. Ein Heckzusammenstoß mit dem
Menschen oder dem Hindernis kann somit vermieden werden.
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Weiterhin
wird unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Systems bzw.
einer Technologie mit mikroelektromechanischen System (MEMS) ein
oszillierender Abschnitt aus einer piezoelektrischen Membran als
ein Bauteil oder Element eines Ultraschallsensors auf einem Membranabschnitt
in einem Substrat gebildet. Wenn das Element an dem Fahrzeug in
einer exponierten Lage angeordnet wird, kann eine Distanz zu einem
Objekt möglicherweise
nicht korrekt erkannt werden, da Wassertropfen oder Staub an der
Elementoberfläche
anhaftet. Weiterhin kann das Element durch eine Belastung bzw. externe
Kraft, beispielsweise durch Steinschlag oder dergleichen beschädigt oder
zerstört werden.
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Die
JP-A-2002-58097 beschreibt einen Ultraschallsensor mit einem Schutzaufbau,
mit welchem Anhaftung von Fremdkörpern
oder Beschädigung
bzw. Zerstörung
durch beispielsweise auftreffende Gegenstände verringert oder vermieden
werden kann. Bei diesem bekannten Sensor ist das Empfangselement
in einem Aluminiumgehäuse
angeordnet, um nicht nach außen
hin exponiert zu sein und ein piezoelektrischer Oszillator zur Erkennung von
Ultraschallwellen ist direkt an einer oszillierenden Karte angeordnet.
Der Sensor kann Ultraschallwellen durch Oszillationen, d.h. Vibrationen
der oszillierenden Karte empfangen.
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Jedoch
ist aufgrund ihres Aufbaus die mechanische Festigkeit des Empfangselements,
welches mit MEMS-Technologie hergestellt wird, gering. Wenn das
Element direkt auf der oszillierenden Karte angeordnet wird, kann
das Element ohne weiteres beschädigt
werden. Wenn im Gegensatz hierzu ein Freiraum zwischen der piezoelektrischen
Membran und der oszillierenden Karte beibehalten wird, um Schäden zu verringern,
lassen sich Ultraschallwellen nicht mehr effektiv auf das Element übertragen.
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Angesichts
des Voranstehenden und angesichts weiterer Probleme ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor zu schaffen,
der frei von zumindest einem der oben genannten Probleme ist.
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Allgemein
gesagt, bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor
kann ein oszillierender Abschnitt eines Empfangselements geschützt werden und
Ultraschallwellen, die von einem zu erkennenden Objekt reflektiert
werden, können
effektiv auf das Empfangselement übertragen werden.
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Genauer
gesagt, gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist ein Ultraschallsensor zur Erkennung eines
Objekts ein Sendeelement zum Senden einer Ultraschallwelle zu dem
Objekt, einen Empfangsabschnitt zum Empfang der vom Objekt reflektierten Welle,
einen ersten Übertragungsabschnitt
zum Übertragen
einer Vibration der vom Empfangsabschnitt empfangenen Wellen, einen
zweiten Übertragungsabschnitt
und einen oszillierenden Abschnitt auf, der von der Vibration oszilliert
wird oder in Schwingungen versetzt wird, welche von den ersten und
zweiten Übertragungsabschnitten
vom Empfangsabschnitt übertragen
werden. Der Empfangsabschnitt ist einem Raum ausgesetzt, wo sich
das Objekt befindet. Der zweite Übertragungsabschnitt
ist zwischen den ersten Übertragungsabschnitt
und den oszillierenden Abschnitt gekoppelt, um Vibrationen vom ersten Übertragungsabschnitt
zum oszillierenden Abschnitt zu übertragen.
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Folglich
kann der oszillierende Abschnitt geschützt werden und von dem Objekt
reflektierte Wellen lassen sich effektiv dem oszillierenden Abschnitt übertragen.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen
anhand der Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1A eine
Draufsicht auf ein Empfangselement eines Ultraschallsensors und 1B eine Schnittdarstellung
entlang Linie IB-IB in 1A;
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2A eine
Draufsicht auf einen Ultraschallsensor, der an einem Fahrzeug angeordnet
ist und 2B eine Schnittdarstellung aus
Richtung des Pfeils IIB in 2A;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils von 2B;
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4A bis 4C jeweils
Schnittdarstellungen von Abwandlungen eines Bauteils zur Übertragung
einer Oszillation von einem Übertragungsabschnitt
an einen oszillierenden Abschnitt;
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5A und 5B jeweils
Schnittdarstellungen von Abwandlungen eines Bauteils zur Übertragung
einer Oszillation von einem Übertragungsabschnitt
zu einem oszillierenden Abschnitt;
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6A bis 6C jeweils
Draufsichten auf modifizierte Empfangsabschnitte und 6D bis 6F jeweils
Schnittdarstellungen der modifizierten Empfangsabschnitte entsprechend
den 6A bis 6C; und
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7A und 7B jeweils
Schnittdarstellungen von modifizierten Anordnungen von Empfangselementen.
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Ein
Ultraschallsensor 60 gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend beschrieben. Der Ultraschallsensor 60 sei
beispielsweise an einem Kraftfahrzeug angeordnet und wird als hinderniserkennender
Sensor verwendet. Eine obere Seite in 2B entspricht
einer Außenseite
des Fahrzeugs. Ein Sendeelement 19 und ein Hindernis M
sind hier zusätzlich
dargestellt, um die Übertragung
von Ultraschallwellen zu erläutern.
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Zunächst wird
der Aufbau eines empfangenden Elements oder Empfangselements 10 in
dem Ultraschallsensor 60 beschrieben. Gemäß den 1A und 1B ist
das Empfangselement 10 gebildet durch ein beispielsweise
quadratisches Halbleitersubstrat 11 mit einer SOI-Struktur
(silicon on insulator). Das Substrat 11 wird gebildet durch
Schichten eines ersten isolierenden Films 11b, einer aktiven
Siliziumschicht 11c und eines zweiten isolierenden Films 11d in
dieser Reihenfolge auf eine obere Fläche 11m eines Tragabschnitts 11a aus
Silizium. Ein annähernd
mittiger Teil des Tragabschnitts 11a und der erste isolierende
Film 11b werden unter Verwendung einer MEMS-Technologie
(micro electro mechanical system) im Substrat 11 in Quadratform
entfernt, wie in 1B gezeigt. Somit ist der Tragabschnitt 11a in
Rahmenform ausgebildet und ein annähernd mittiger Teil des Tragabschnitts 11a und
der ersten isolierende Film 11b werden in Form einer quadratischen
Säule entfernt,
sodass die aktive Siliziumschicht 11c und der zweite isolierende
Film 11d in einer quadratischen Membranform verbleiben.
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Ein
piezoelektrischen Oszillator 12 ist auf dem zweiten isolierenden
Film 11d so gebildet, dass er die Membranform abdeckt.
Der Oszillator 12 ist gebildet durch Lagern einer piezoelektrischen
Membran 12a zwischen einer Bodenelektrode 13 und
einer oberen Elektrode 14. Die Membran 12a ist
beispielsweise aus Bleizirkonattitanat (PZT). Die Bodenelektrode 13 enthält einen
quadratischen Teil in Kontakt mit der piezoelektrischen Membran 12a,
sowie ein Elektrodenkissen 13a zum Erlangen eines elektrischen
Potentials. Auf ähnliche
Weise enthält
die obere Elektrode 14 einen quadratischen Teil in Kontakt mit
der piezoelektrischen Membran 12a und ein Elektrodenteil 14a zum
Erhalt eines elektrische Potentials. Jedes der Elektrodenkissen 13a und 14a ist
gemäß 1A im
Bereich einer Ecke des Substrats 11 gebildet.
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Weiterhin
ist ein dritter isolierender Film 15 auf der oberen Elektrode 14 gebildet.
Ein oszillierender Abschnitt 16 ist gebildet durch einen
Teil der Schichtung der aktiven Siliziumschicht 11c, des
zweiten isolierenden Films 11d, des piezoelektrischen Oszillators 12,
der Bodenelektrode 13, der oberen Elektrode 14 und
des dritten isolierenden Films 15. Dieser Teil entspricht
einem inneren Raum, d.h. einer Öffnung
des rahmenförmigen
Drahtabschnitts 11a. Enden des oszillierenden Abschnittes 16 werden vom
Drahtabschnitt 11a getragen.
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Der
oszillierende Abschnitt 16 hat eine bestimmte Resonanzfrequenz.
Ultraschallwellen werden von einem zu erkennenden Objekt reflektiert
und die reflektierten Wellen werden dem Empfangselement 10 übertragen.
Der oszillierende Abschnitt 16 empfängt die übertragenen Wellen und geht
mit den empfangenen Wellen in Resonanz. Eine Verschiebung des oszillierenden
Abschnittes 16 aufgrund der Resonanz wird vom piezoelektrischen
Oszillator 12 in ein Spannungssignal umgewandelt. Somit
können die
Ultraschallwellen erkannt werden.
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In
dem Empfangselement 10, das durch die MEMS-Technologie
gebildet wird, wird der oszillierende Abschnitt 16 vom
Tragabschnitt 11a unterstützt und ein Kon taktteil zur
Einschränkung
des oszillierenden Abschnittes 16 ist klein. Somit kann
eine Auslenkung oder Verschiebung des oszillierenden Abschnittes 16 vergrößert werden.
Damit wird die Empfangsempfindlichkeit für Schwingungen (Vibrationen) verbessert.
Folglich ist das Empfangselement 10 von bemerkenswerter
Empfindlichkeit.
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Wie
in 2A gezeigt, sind vier Empfangselemente 10 in
einer zweireihigen und zweispaltigen Anordnung in dem Ultraschallsensor 60 anordenbar. Die
Empfangselemente 10 sind gemäß 2B in
einem Gehäuse 23 aufgenommen.
Das Gehäuse 23 ist an
der rückwärtigen Fläche 52b einer
Stoßstange 52 in
Fahrtrichtung angeordnet. Die Anzahl der Empfangselemente 10 ist
nicht auf vier beschränkt
und die Anordnung der Empfangselemente 10 ist weiterhin
nicht auf die dargestellte Spalten- und Reihenanordnung beschränkt. Das
Gehäuse 23 hat
Schachtelform und eine Mehrzahl von Innenflächen, an welchen die oszillierenden
Abschnitte 16 anordenbar sind. Wie in 3 gezeigt,
sind Elektroden 18 an einer Innenfläche 23c entsprechend
der hinteren Fläche 52b der
Stoßstange 52 angeordnet,
wobei das Gehäuse 23 die
Mehrzahl von Innenflächen
hat. Ein Elektrodenkissen 13a ist elektrisch mit der Bodenelektrode 13 verbunden
und ein Elektrodenkissen 14a ist elektrisch mit der oberen
Elektrode 14 verbunden. Jede der Elektroden 13 und 14 steht
mit der Elektrode 18 über
ein leitfähiges
Kissen 17 elektrisch in Verbindung. Das heißt, das
Empfangselement 10 ist an der Innenfläche 23c, welche eine
der Mehrzahl von inneren Flächen
ist, angeordnet, da eine Übertragungszeit
bei der inneren Fläche 23c die
kürzeste
ist. Die Übertragungszeit
stellt eine Zeit dar, welche übertragene
Ultraschallwellen von einem Empfangsteil 31b bis zu dem
oszillierenden Abschnitt 16 benötigen. Das Empfangsteil 31b wird
nachfolgend noch beschrieben. Das Kissen 17 ist ein kugelförmiger Abschnitt
aus beispielsweise Metall und verbindet jedes der Elektrodenkissen 13a und 14a mit
der Elektrode 18 durch einen thermischen Pressvorgang.
Die Elektroden 18 sind elektrisch mit einem Schaltkreis
(nicht gezeigt) zur Erkennung eines Spannungssignalausgangs vom
Oszillator 12 verbunden und der Schaltkreis ist elektrisch
mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU, nicht gezeigt) in Verbindung,
die sich in dem Fahrzeug befindet.
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Wie
in den 2A und 2B gezeigt,
hat das Gehäuse 23 einen
Befestigungsabschnitt 23b zur Befestigung des Gehäuses 23 an
der Stoßstange 52.
Der Befestigungsabschnitt 23b hat quadratische Leistenform
mit beispielsweise quadratischem Querschnitt und steht zu einer
Vorderfläche
der Stoßstange 52 von
der rückwärtigen Fläche 52b der
Stoßstange 52 vor.
Wie weiterhin in 2A gezeigt, liegt der Befestigungsabschnitt 23b in
einem annähernd
mittigen Teil eines von den vier Empfangselementen 10 eingefassten
Bereichs.
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Die
Stoßstange 52 hat
ein Befestigungsteil 52a, an welchem der Befestigungsabschnitt 23b anbringbar
ist. Das Befestigungsteil 52b verläuft durch die Stoßstange 52 von
der rückwärtigen Fläche 52b zur
Vorderfläche
hiervon. Der Befestigungsabschnitt 23b des Gehäuses 23 wird
von der rückwärtigen Fläche 52b der
Stoßstange 52 her
in das Befestigungsteil 52a eingeführt. Zwischen der rückwärtigen Fläche 52b der
Stoßstange 52 und
einer äußeren Fläche 23a des
Gehäuses 23 ist
ein Stoßdämpfer 42 gesetzt.
Wenn daher ein Schlag oder Stoß auf
die Stoßstange 52 einwirkt,
lässt sich
eine Übertragung
des Schlags auf das Gehäuse 23 verringern.
Somit kann das Empfangselement 10 im Gehäuse 23 vor
Schäden
geschützt
werden.
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Vier
Empfangsabschnitte 31a sind in dem Befestigungsabschnitt 23b des
Gehäuses 23 angeordnet.
Die Empfangsabschnitte 31a empfangen Ultraschallwellen,
die von einem Sendeelement 19 ausgesendet und von einem
zu erkennenden Objekt, z.B. einem Hindernis M, reflektiert werden.
Jeder der Empfangsabschnitte 31a ist aus rostfreiem Stahl
und hat eine quadratische Säulenform.
Jeder der Empfangsabschnitte 31a hat einen quadratischen
Empfangsteil 31b zum Empfang von Ultraschallwellen. Der
Empfangsteil 31b liegt zu einer Außenseite des Fahrzeugs hin
frei vor, d.h. zu einem Raum oder einer Stelle hin, wo das Hindernis
M vorhanden sein kann. Die Empfangsteile 31b sind gemäß 2A in einer
zweireihigen/zweispaltigen Anordnung angeordnet. Ein Abschirmabschnitt 41 zur
Verringerung der Übertragung
von Ultraschallwellen ist zwischen den Empfangsabschnitten 31a angeordnet,
die einander benachbart sind, sowie zwischen dem Empfangsabschnitt 31a und
dem Befestigungsabschnitt 23b, wie in 2A gezeigt.
Die Empfangsabschnitte 31a sind so angeordnet, dass ein
Abstand zwischen Mittelpunkten der einander benachbarten Empfangsteile 31b gleich
der halben Wellenlänge
einer Ultraschallwelle ist.
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Die
Anordnung der Empfangsabschnitte 31a wird wie oben beschrieben
bestimmt. Jedoch können die
Empfangselemente 10 flexibel gestaltet werden, da Größe und Anordnung
der Empfangselemente 10 nur wenig beschränkt ist.
Daher kann durch Änderung
der Größe der Empfangselemente 10 die
Auslegung hinsichtlich der Resonanz flexibel gemacht werden. Weiterhin
kann die Ausbeute an Empfangselementen 10 pro einzelnem
Halbleiterwafer erhöht
werden, indem jedes Empfangselement 10 verkleinert wird,
da die Empfangselemente 10 durch Trennen hergestellt werden,
nachdem die oszillierenden Abschnitte 16 auf dem Halbleiterwafer
ausgebildet worden sind. Die Produktivität für Empfangselemente 10 kann
somit verbessert werden.
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Ein
Ende eines Übertragungsabschnitts 21 zur Übertragung
von Ultraschallwellen, welche vom Empfangsteil 31b empfangen
worden sind, ist mit einer rückwärtigen Fläche des
Empfangsabschnitts 31a verbunden. Wie in den 2A und 2B gezeigt,
verläuft
das andere Ende des Übertragungsabschnittes 21 entlang
einer Innenfläche
des Befestigungsabschnittes 23b und der inneren Fläche 23c des
Gehäuses 23 und überquert
einen oberen Bereich des oszillierenden Abschnitts 16.
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Der Übertragungsabschnitt 21 ist
aus einem Material, das in der Lage ist, eine Ultraschallwelle als Schwingung
in einem Festkörper
zu übertragen.
Beispielsweise ist der Übertragungsabschnitt 21 aus
einer Metallfolie. Der Übertragungsabschnitt 21 kann beispielsweise
mit einer Seitenfläche
des Empfangsabschnitts 31a verbunden sein, also nicht mit
dem Empfangsabschnitt 31b.
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Gemäß 3 liegt
der Übertragungsabschnitt 21 dem
oszillierenden Abschnitt 16 des Empfangselements 10 gegenüber und
ein Draht 61 ist zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem Oszillationsabschnitt 16 angeordnet. Der Draht 61 ist in
Kontakt mit dem dritten isolierenden Film 15 und verläuft parallel
zu einer Längsrichtung
des Übertragungsabschnitts 21.
Das heißt,
der Draht 61 hat eine geradlinige Form, wie in 3 gezeigt.
Der Draht 61 ist mit dem Übertragungsabschnitt 21 an
drei Verbindungspunkten angebondet, um eine Bogenform zu bilden.
Die gekrümmten
Teile der Bogenform sind in Kontakt mit dem dritten isolierenden
Film 15. Der Draht 61 ist abhängig von Auslenkungen durch Schwingungen
von Ultraschallwellen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar, da die Steifigkeit
des Drahtes 61 aufgrund der Bogenform nicht hoch ist.
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Der
Draht 61 ist in dieser Ausführungsform parallel zur Längsrichtung
des Übertragungsabschnittes 21 angeordnet.
Alternativ kann der Draht 61 auch in einer schrägen Richtung
zur Längsrichtung des Übertragungsabschnittes 21 angeordnet
sein oder er ist nicht von gerader Formgebung. Die Anzahl der Bondierpunkte
zur Bildung der Bogenform ist nicht auf drei begrenzt, solange der
Draht 61 abhängig
von Verschiebungen oder Auslenkungen durch Schwingungen von Ultraschallwellen
zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar ist. Der Draht 61 kann
einer aus einer Mehrzahl von Drähten
sein. In diesem Fall können
die Drähte 61 parallel
zueinander verlaufen oder die Drähte 61 können einander überkreuzen.
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Wie
in 2B gezeigt, werden, nachdem Ultraschallwellen
vom Sendeelement 19 vom Hindernis M, welches zu erkennen
ist, reflektiert und vom Empfangsteil 31b empfangen worden
sind, die empfangenen Ultraschallwellen vom Empfangsabschnitt 31a zum Übertragungsabschnitt 21 als
Schwingungen oder Oszillationen eines Festkörpers übertragen. Sodann werden die
Wellen vom Übertragungsabschnitt 21 durch
den Draht 61 übertragen
und der oszillierende Abschnitt 16, der in Kontakt mit
dem Draht 61 ist, schwingt oder oszilliert mit den Wellen.
Hierbei werden die vom Empfangsteil 31b empfangenen Wellen als
Schwingungen eines Festkörpers
vom Übertragungsabschnitt 21 übertragen.
Somit können
die Wellen dem oszillierenden Abschnitt 16 so übertragen
werden, dass Schwingungsdämpfungen
gering sind. Weiterhin wirkt keine überhohe Kraft auf den oszillierenden
Abschnitt 16, da der Draht 61 abhängig von
Verschiebungen oder Auslenkungen aufgrund von Oszillationen von
Ultraschallwellen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar ist. Somit wird
der oszillierende Abschnitt 16 durch Schwingungen von Ultraschallwellen
nicht beschädigt.
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Weiterhin
kann eine Abschwächung
oder Dämpfung
der Oszillationen verringert werden, da eine Distanz zwischen dem
Empfangsteil 31b und dem oszillierenden Abschnitt 16 so
kurz als möglich gemacht
wird. Dies deshalb, als das Empfangselement 10 an der Innenfläche 23c so
angeordnet ist, dass eine Übertragungszeit
von Ultraschallwellen, die vom Empfangsteil 31b empfangen
wurden, zum oszillierenden Abschnitt 16 so kurz als möglich gemacht
wird.
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Oszillationen
von Ultraschallwellen werden von dem Übertragungsabschnitt 21 durch
den Draht 61 zum oszillierenden Abschnitt 16 übertragen
und der oszillierende Abschnitt 16 schwingt mit den Wellen.
Dann wird ein Spannungssignal vom Oszillator 12 in den
Schaltkreis ausgegeben. Der Schaltkreis wandelt das Spannungssignal
vom Oszillator 12 in ein Signal um, welches von der ECU
verarbeitbar ist. Der Schaltkreis gibt das Signal an die ECU aus
und die ECU führt
eine bestimmte Berechnung basierend auf den Signalen durch. Beispielsweise
werden eine Phasendifferenz zwischen einer vom Sendeelement 19 gesendeten
Ultraschallwelle und einer vom Empfangselement 10 empfangenen
Ultraschallwelle berechnet. Eine Distanz zum Hindernis M und eine Lage
des Hindernisses M können
basierend auf den Differenzen bestimmt werden.
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Wenn
hierbei die Empfangsabschnitte 31a so angeordnet sind,
dass eine Distanz zwischen den Mittelpunkten der Empfangsteile 31b,
die einander benachbart sind, gleich der halben Wellenlänge einer Ultraschallwelle
ist, kann die Zeitdifferenz auch basierend auf der Phasendifferenz
berechnet werden. Damit kann eine Zeitdifferenz zwischen Ultraschallwellen,
welche von jedem der Empfangsteile 31b emp fangen wurden,
genau erkannt werden. Folglich lässt
sich die Genauigkeit zur Messung der Distanz zum Hindernis M und
die Lage des Hindernisses M verbessern.
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Es
findet keine Übertragung
von Ultraschallwellen von einem der Empfangsabschnitte 31a zu
einem anderen Empfangsabschnitt 31a statt, da der Abschirmabschnitt 41 zwischen
den Empfangsabschnitten 31a liegt. Somit werden Ultraschallwellen, die
vom Empfangsteil 31b auf der linken Seite von 2B empfangen
werden, nur dem oszillierenden Abschnitt 16 des Empfangselements 10 übertragen, welches
ebenfalls auf der linken Seite von 2B liegt.
Somit wird zwischen den Empfangsabschnitten 31a eine Übertragung
von Ultraschallwellen separat durchgeführt. Eine Verringerung von Übersprechungen
zwischen den oszillierenden Abschnitten 16 wird somit verbessert.
Folglich wird die Messgenauigkeit für die Position des Hindernisses
M verbessert, da die Zeitdifferenz und die Phasendifferenz genau
bestimmbar werden.
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Eine Übertragungszeit
einer Ultraschallwelle vom Empfangsabschnitt 31b zu dem
oszillierenden Abschnitt 16 wird unter den Kombinationen
aus Empfangsteil 31b und Oszillationsabschnitt 16 gleichförmig gemacht.
Damit kann die Messgenauigkeit für eine
Zeitdifferenz zwischen den Ultraschallwellen, welche von jedem der
Empfangsteile 31b empfangen werden, verbessert werden,
wenn die Position des Hindernisses M gemessen wird. Folglich kann
die Messgenauigkeit hinsichtlich der Position des Hindernisses M
verbessert werden. Um die Übertragungszeiten
unter den Kombinationen aus Empfangsteilen 31b und Oszillationsabschnitten 16 gleichförmig zu
machen, kann beispielsweise eine Distanz zwischen dem Empfangsteil 31b und
dem Oszillationsabschnitt 16, die dem gleichen Empfangselement 10 entsprechen,
aus den Kombinationen gleichgemacht werden.
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Der
Empfangsabschnitt 31a ist aus einem wetterbeständigen Material,
da der Empfangsabschnitt 31a der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Um
die Übertragungseffizienz
für Oszillationen
oder Schwingungen weiter zu verbessern, wird bevorzugt ein Material
mit einer geringen Schwingungsdämpfungseigenschaft
zur Bildung des Empfangsabschnittes 31a verwendet. Basierend
auf den obigen Gründen
ist der Empfangsabschnitt 31a bevorzugt aus einem Metall,
beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Auch kann eine Vielzahl
von synthetischen Harzen oder Kunststoffen, Gläsern, Keramiken oder Gummi
zur Bildung des Empfangsabschnittes 31a verwendet werden.
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Der Übertragungsabschnitt 21 ist
aus irgendeinem Material, das in der Lage ist, effizient eine Oszillation
vom Empfangsabschnitt 31a zu übertragen, beispielsweise aus
Glas, einer Keramik oder einem Kunstharz oder Kunststoff. Der Übertragungsabschnitt 21 ist
in einer beliebigen Form, die in der Lage ist, effizient eine Oszillation
des Empfangsabschnittes 31a zu übertragen, beispielsweise in
Stab- oder Platinenform. Weiterhin, wenn die akustischen Impedanzen
zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem Draht 61 gleichgemacht werden, kann eine Schwingungsdämpfung an
der Schnittstelle von Übertragungsabschnitt 21 und
Draht 61 verringert werden. Beispielsweise werden der Übertragungsabschnitt 21 und
der Draht 61 aus dem gleichen Material gemacht. Um weiterhin
die Übertragungseffizienz zu
erhöhen,
ist der Übertragungsabschnitt 21 so
geradlinig als möglich
ausgebildet und eine Ecke des Übertragungsabschnittes 21 wird
abgerundet.
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Ein
erstes modifiziertes Beispiel wird unter Bezugnahme auf 4A beschrieben.
In diesem Beispiel ist der Ultraschallsensor an einem Kraftfahrzeug
angeordnet und wird als Hinderniserkennungssensor verwendet. Gemäß 4A ist
ein Folienabschnitt 62 aus Metall, Kunstharz oder Kunststoff
in Wellenform ausgebildet und zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 anstelle des Drahtes 61 angeordnet,
sodass die Scheitel der Welle in Kontakt mit dem oszillierenden Abschnitt 16 sind.
Der Folienabschnitt 62 kann abweichend von der Wellenform
beispielsweise auch Röhrenform
haben. In diesem Fall ist die Röhre
so angeordnet, dass eine äußere Fläche der
Röhre sich entlang
des Übertragungsabschnittes 21 erstreckt.
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Bei
dem ersten modifizierten Beispiel kann der Folienabschnitt 62 eine
größere Kontaktfläche mit
dem oszillierenden Abschnitt 16 und dem Übertragungsabschnitt 21 als
der Draht 61 haben, da eine Breite des Folienabschnittes 62 größer als
diejenige des Drahts 61 ist. Somit kann die Übertragungseffizienz
einer Oszillation oder Schwingung verbessert werden. Weiterhin werden überhohe
Lasten nicht auf den oszillierenden Abschnitt 16 aufgebracht,
da der Folienabschnitt 62 abhängig von Auslenkungen durch
Schwingungen von Ultraschallwellen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar ist. Somit wird
der oszillierende Abschnitt 16 vor Schäden durch die Oszillationen
geschützt.
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Ein
zweites modifiziertes Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 4B und 4C beschrieben.
Gemäß 4B ist
ein elastischer geflockter Abschnitt 63 aus Metall, Kunstharz
oder Kunststoff zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 angeordnet. Weiterhin kann gemäß 4C ein
Gelab schnitt 64, beispielsweise ein Polymergel, zwischen
dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 angeordnet sein. In diesen
Fällen
hat sowohl der geflockte Abschnitt 63 als auch der Gelabschnitt 64 eine
große Kontaktfläche mit
dem Übertragungsabschnitt 21 und dem
oszillierenden Abschnitt 16. Die Schwingungsübertragung
oder Oszillationsübertragung
bzw. deren Effizienz kann somit verbessert werden. Weiterhin wird
keine überhohe
Kraft auf den oszillierenden Abschnitt 16 aufgebracht,
da sowohl der geflockte Abschnitt 63 als auch der Gelabschnitt 64 abhängig von Auslenkungen
durch Ultraschallwellen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar sind. Somit
wird der oszillierende Abschnitt 16 von den Oszillationen
oder Schwingungen nicht beschädigt.
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Ein
drittes modifiziertes Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben.
Gemäß 5A ist
ein halbkugelig vorstehender Abschnitt 65 so anordenbar,
dass eine flache Fläche des
vorstehenden Abschnittes 65 in Kontakt mit dem Übertragungsabschnitt 21 ist
und eine Kugelfläche des
vorstehenden Abschnittes 65 annähernd mittig auf dem oszillierenden
Abschnitt 16 zu liegen kommt. Der vorstehende Abschnitt 65 kann
gebildet werden, indem ein Teil des Übertragungsabschnittes 21 mit einem
Vorsprung versehen wird. Alternativ kann der vorstehende Abschnitt 65 als
separates Bauteil aus Kunstharz oder einem Kleber oder dergleichen
sein. Weiterhin kann der vorstehende Abschnitt 65 rechteck/säulenförmig oder
ein Kreiszylinder und nicht eine Halbkugel sein. Weiterhin kann
eine Mehrzahl von vorstehenden Abschnitten 65 zwischen
dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 angeordnet sein.
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Weiterhin
kann gemäß 5B ein
halbkugelig vorstehender Abschnitt 66 so angeordnet werden, dass
eine flache Fläche
des vorstehenden Abschnittes 66 in Kontakt mit einem annähernd mittigen
Teil des dritten isolierenden Films 15 auf dem oszillierenden
Abschnitt 16 ist und eine Kugelfläche des vorherstehenden Abschnittes 66 in
Kontakt mit dem Übertragungsabschnitt 21 ist.
Der vorstehende Abschnitt 66 kann ebenfalls aus einem Kunstharz,
Kleber oder dergleichen sein. Weiterhin kann der vorstehende Abschnitt 66 ebenfalls
rechteck/säulenförmig oder kreiszylinderförmig und
nicht halbkugelförmig
sein. Weiterhin kann auch hier eine Mehrzahl von vorstehenden Abschnitten 66 zwischen
dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 angeordnet sein.
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In
den eben geschilderten Fällen
ist eine Kontaktfläche
mit dem oszillierenden Abschnitt 16 klein, so dass ein
Teil zum Begrenzen von Oszillationen verringert wird, da Ultraschallwellen örtlich durch jeden
der vorstehenden Abschnitte 65 und 66 als Oszillationen
eines Festkörpers
oder in einem Festkörper übertragen
werden. Somit kann die Übertragungseffizienz
von Oszillationen verbessert werden, da die Auslenkungen des oszillierenden
Abschnitts 16 erhöht
werden. Weiterhin ist jeder der vorstehenden Abschnitte 65 und 66 abhängig von
Auslenkungen durch Schwingungen von Ultraschallwellen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem oszillierenden Abschnitt 16 verformbar. Somit wird
der oszillierende Abschnitt 16 nicht durch die Schwingungen
beschädigt,
da keine überhohen
Kräfte
auf den oszillierenden Abschnitt 16 aufgebracht werden.
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Ein
viertes modifiziertes Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 6A bis 6F beschrieben.
Gemäß den 6A und 6B können der Empfangsabschnitt 33a und
der Übertragungsabschnitt 21 einstückig aus
einem gleichen Material sein. In diesem Fall wird eine Schwingungsdämpfung verringert,
da Schwingungen direkt von dem Empfangsabschnitt 31a auf
den Übertragungsabschnitt 21 übertragen
werden können.
Weiterhin lässt
sich die Anzahl von Bauteilen für
das Empfangselement 10 verringern.
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Gemäß den 6B und 6E kann
das Empfangsteil 31b einen kreisförmigen Querschnitt haben. Weiterhin
kann das Empfangsteil 31b einen sternförmigen Querschnitt haben. In
diesen Fällen lässt sich
die Gestaltungsqualität
des Empfangsteils 31b verbessern.
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Gemäß den 6c und 6f kann
eine Fläche
des Empfangsteils 31b größer als eine Querschnittsfläche eines
Teils zur Verbindung des Übertragungsabschnittes 21 gemacht
werden. In diesem Fall wird die Empfangsempfindlichkeit für Ultraschallwellen
verbessert, da die Fläche
zum Empfang von Ultraschallwellen erhöht wird. In jedem der obigen Fälle gemäß den 6A bis 6F ist
ein Abstand zwischen Mittelpunkten der einander benachbarten Empfangsteile 31b gleich
der halben Wellenlänge der
Ultraschallwelle.
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Ein
fünftes
modifiziertes Beispiel wird unter Bezugnahme auf 7A beschrieben.
Gemäß 7A ist
eine Mehrzahl von beispielsweise vier Empfangselementen 10 in
einem Chip 70 integriert. In diesem Fall kann der Raum
zur Anordnung der Elemente 10 verringert werden, da die
Empfangselemente 10 integriert sind. Weiterhin kann die
Anzahl von Herstellungsschritten für den Ultraschallsensor 60 verringert
werden, da die Elemente 10 nicht voneinander getrennt und
neu angeordnet werden müssen.
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Ein
sechstes modifiziertes Bespiel wird unter Bezugnahme auf 7B beschrieben.
Gemäß 7B ist
eine Position zur Anordnung des Empfangselementes 10 nicht
auf die innere Fläche 23c begrenzt.
Stattdessen kann das Empfangselement 10 an einer anderen
inneren Fläche 23d angeordnet sein.
Wenn das Empfangselement 10 an der inneren Fläche 23d angeordnet
ist, wobei das Gehäuse 23 eine
Mehrzahl von inneren Flächen
hat, wird eine Zeit zum Übertragen
einer Oszillation einer von dem Empfangsteil 31b empfangenen
Ultraschallwelle auf den oszillierenden Abschnitt 16 maximal
lang. In diesem Fall ist es, selbst wenn ein Stoß oder Schlag auf die Stoßstange 52 einwirkt,
schwierig, das Empfangselement 10 zu beschädigen, da
das Empfangselement 10 am weitesten entfernt von der Stoßstange 52 angeordnet
ist.
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Der
Ultraschallsensor 60 kann an einem Endabschnitt in Fahrtrichtung
eines Fahrzeugs beliebig angeordnet werden, das heißt, nicht
notwendigerweise an der Stoßstange 52.
Beispielsweise kann der Sensor 60 an einer Karosserie direkt
oberhalb oder unterhalb der Stoßstange
angeordnet werden. In diesem Fall werden vom Hindernis M reflektierte
Ultraschallwellen nicht möglicherweise
von einem Teil des Fahrzeugs abgeschattet, so dass eine genauere
Erkennung durch den Ultraschallsensor 60 möglich ist. Somit
kann der Ultraschallsensor 60 effektiv als Hinderniserkennungssensor
verwendet werden. Weiterhin kann der Sensor 60 jeweils
abhängig
vom Einsatzzweck des Sensors 60 auch an anderen Stellen angeordnet
werden. Wenn beispielsweise der Sensor 60 als Hinderniserkennungssensor
an einer Seitenfläche
eines Fahrzeugs verwendet wird, kann der Sensor 60 im Außenspiegelgehäuse oder
einer Blinkerabdeckung an dieser Seitenfläche angeordnet werden.
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Wenn
der Draht 61, der Folienabschnitt 62, der geflockte
Abschnitt 63, der Gelabschnitt 64 und die vorspringenden
Abschnitte 65 und 66 jeweils aus einem isolierenden
Material sind, muss der dritte isolierende Film 15 nicht
auf dem Empfangselement 10 ausgebildet werden. Weiterhin
ist das Empfangselement 10 nicht auf ein piezoelektrisches
Empfangselement beschränkt.
Es kann beispielsweise auch ein kapazitives Empfangselement als
Empfangselement 10 verwendet werden. Ein kapazitives Empfangselement
erkennt eine Ultraschallwelle durch Änderung einer Kapazität zwischen
Elektroden. Weiterhin kann ein Auslegerelement als Empfangselement 10 verwendet
werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden vom Sendeelement 19 ausgeschickte
und vom Hindernis M reflektierte Ultraschallwellen vom Empfangsabschnitt 31a empfangen.
Der Empfangsabschnitt 31a ist beispielsweise an der Stoßstange 52 an geordnet und
das Empfangsteil 31b liegt zur einem Raum hin frei vor,
wo das Hindernis M zu erwarten ist. Von dem Empfangsabschnitt 31a empfangene
Ultraschallwellen werden dem Oszillationsabschnitt 16 über den Übertragungsabschnitt 21 und
die Drähte 61 als Festkörperschwingung übertragen.
Dämpfungen oder
Abschwächungen
der Wellen sind somit im Vergleich zu einem Fall, wo die Wellen über Luft übertragen
werden, kleiner. Somit können
die Schwingungen der Ultraschallwellen effektiv dem Oszillationsabschnitt 16 übertragen
werden.
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Weiterhin
ist der Oszillationsabschnitt 16 nicht direkt frei der
Außenseite
ausgesetzt und der Empfangsabschnitt 31a und der Oszillationsabschnitt 16 sind über den Übertragungsabschnitt 21 und
beispielsweise den Draht 61 verbunden. Wenn daher der Empfangsabschnitt 31a aufgrund
einer externen Kraft in Richtung des Oszillationsabschnittes 16 verschoben
wird, wird der Oszillationsabschnitt 16 durch einen Kontakt
mit dem Empfangsabschnitt 31a kaum beschädigt. Das
heißt,
im Ultraschallsensor 60 ist der Oszillationsabschnitt 16 geschützt und
vom Hindernis M reflektierte Ultraschallwellen werden wirksam dem
Oszillationsabschnitt 16 übertragen.
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Dem
Oszillationsabschnitt 16 werden keine überhohen Kräfte übertragen, da die Abschnitte
zur Übertragung
von Oszillationen oder Schwingungen, beispielsweise der Draht 61 abhängig von
Verschiebungen zwischen dem Übertragungsabschnitt 21 und
dem Oszillationsabschnitt 16 verformbar sind. Daher wird
der Oszillationsabschnitt 16 durch die Schwingungen von
Ultraschallwellen nur sehr unwahrscheinlich beschädigt.
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Eine
Zeitdifferenz und eine Phasendifferenz von Ultraschallwellen, die
von den Oszillationsabschnitten 16 empfangen werden, können berechnet werden,
da der Ultraschallsensor 60 eine Mehrzahl von Oszillationsabschnitten 16 enthält. Somit
kann eine Distanz zum Hindernis M und kann eine Position des Objekts,
welches zu erkennen ist, basierend auf diesen Differenzen berechnet
und gemessen werden.
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Ultraschallwellen
können
separat zwischen den Empfangsabschnitten 31a übertragen
werden, da von jedem der Empfangsabschnitte 31a empfangene
Ultraschallwellen nur dem entsprechenden Oszillationsabschnitt 16 übertragen
werden. Eine Verringerung von Übersprechen
zwischen den oszillierenden Abschnitten 16 kann somit erhöht werden. Somit
lässt sich
die Zeitdifferenz und Phasendifferenz genauer berechnen. Folglich
kann die Gesamtgenauigkeit bei der Positionserfassung des Hindernisses
M verbessert werden.
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Sämtliche
oszillierenden Abschnitte 16 sind im gleichen Gehäuse 23 angeordnet.
Somit muss nur das Gehäuse 23 am
Befestigungsteil 52a der Stoßstange 52 angebracht
werden, um den Ultraschallsensor 60 am Fahrzeug anzubringen.
Die Oszillationsabschnitte 16 werden durch einen Zusammenstoß mit dem
Befestigungsteil 52a nicht oder nur sehr unwahrscheinlich
beschädigt.
Weiterhin sind Ausrichtungseinstellungen für das Gehäuse 23 und dem Empfangsteil 31b gegenüber der
Fahrzeugkarosserie einfach, da das Gehäuse 23 mit dem Befestigungsteil 52a so
angebracht ist, dass die Empfangsteile 31b in Richtung
eines Raums weisen, wo das Hindernis M zu erwarten ist. Weiterhin
kann die Einbauzeit verkürzt
werden, da eine Mehrzahl von Oszillationsabschnitten 16 gleichzeitig
durch Anbringen des Gehäuses
23 am Befestigungsteil 52a der Stoßstange 52 angebracht
werden kann.
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Der
Ultraschallsensor 60 kann als Hindernissensor zur Erkennung
eines Hindernisses oder eines Menschen um ein Fahrzeug herum verwendet
werden. Weiterhin sind der Empfangsabschnitt 31a und der
Oszillationsabschnitt 16 über den Übertragungsabschnitt 21 und
den Draht 61 verbunden. Wenn somit ein kleiner Stein beim
Fahren des Fahrzeugs auf den Empfangsabschnitt 31a trifft,
wird der Oszillationsabschnitt 16 durch einen Kontakt mit
dem Empfangsabschnitt 31a kaum beschädigt. Weiterhin, wenn Regentropfen,
Staub oder dergleichen sich an einem Fahrzeug anheften, wird der
Oszillationsabschnitt 16 nicht mit Regentropfen und Staub
bedeckt. Somit kann der Ultraschallsensor 60 auch in diesem Fall
genau arbeiten. Das heißt,
der Ultraschallsensor kann an einem Fahrzeug angebracht werden und dort
mit hoher Zuverlässigkeit
eingesetzt werden. Alternativ kann der Oszillationsabschnitt 16 an
der inneren Fläche 23c des
Gehäuses 23 angebracht
werden, so dass eine Übertragungszeit
zur Übertragung der
Schwingungen von dem Empfangsteil 31b zu dem Oszillationsabschnitt 16 kürzer als
eine bestimmte Zeit ist.
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Alternativ
kann der Oszillationsabschnitt 16 an der inneren Fläche 23c des
Gehäuses 23 so
angeordnet werden, dass eine Übertragungszeit
zur Schwingungsübertragung
vom Empfangsteil 31b zum Oszillationsabschnitt 16 kürzer als
die bestimmte Zeit wird.
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Alternativ
kann der Oszillationsabschnitt 16 an der Innenfläche 23d des
Gehäuses 23 so
angeordnet werden, dass eine Schwingungsübertragungszeit vom Empfangsteil 31b zum
Oszillator 16 länger
als die bestimmte Zeit wird.
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Der
Sensor 16 kann eine Mehrzahl von Sätzen aufweisen, wobei jeder
Satz den Empfangsabschnitt 31a, den Oszillationsabschnitt 16,
den ersten Übertragungsabschnitt 21 und
den Draht 61 oder ein Äquivalent
hierzu enthält.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
und Abwandlungen hiervon beschrieben; es versteht sich, dass die Erfindung
nicht hierauf beschränkt
ist. Vielmehr soll die Erfindung eine Vielzahl von weiteren Abwandlungen
und äquivalenten
Anordnungen umfassen. Die Erfindung wird somit nur durch den Umfang
der beigefügten
Ansprüche
und deren Äquivalente
definiert.