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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 2002-58097 A 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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Aus der
WO 95/02237 A1 ist eine Sende- oder Empfangseinheit für Akustikwellen bekannt, die in der Lage ist, durch ein ebenes Bauteil hindurch Akustikwellen auszusenden oder zu empfangen. Hierzu befindet sich in einer gehäuseförmigen Aufnahme hinter dem ebenen Bauteil ein Schallerzeuger oder -empfänger, der einen Oszillator umfasst, der über erste und zweite Übertragungsteile mit dem ebenen Bauteil verbunden ist. Rückseitig stützt sich diese Einheit aus Schallerzeuger oder -empfänger und Übertragungselementen an einem mit Stützleisten versehenen Block ab, der wiederum unter Vorspannung eines Federbauteils steht. Als nachteilig bei diesem bekannten Aufbau wird erachtet, dass die Verbindung zwischen den beiden Übertragungsteilen, die zwischen dem ebenen Bauteil, welches die Akustikwellen abstrahlt oder empfängt und dem Akustiksender oder -empfänger liegt, starr ausgebildet ist. Der Akustiksender oder -empfänger, der beispielsweise in Form eines piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, liegt somit sandwichartig eingeschlossen zwischen den beiden einstückig oder starr miteinander verbundenen Übertragungsabschnitten einerseits und dem Block andererseits, der sich an der Feder abstützt. Die Kombination aus Block (mit vergleichsweise hoher Masse) und Feder stellt eine Einheit hoher Massenträgheit dar, sodass von dem ebenen Bauteil auf die Übertragungselemente wirkende Oszillationen hoher Amplitude weitestgehend ungehindert auf das piezoelektrische Element einwirken oder durchschlagen, das aufgrund der Massenträgheit der Einheit aus Block und Feder nicht rasch genug entsprechende Ausweichbewegungen durchführen kann, sodass Beschädigungen am piezoelektrischen Element zu erwarten sind.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich dem gegenüber zur Aufgabe gemacht, derartige Schäden an beispielsweise dem piezoelektrischen Element zu vermeiden.
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Hierzu wird – ausgehend von der
WO 95/02237 A1 – der zweite Übertragungsabschnitt so ausgestaltet, dass er abhängig von einer Verschiebung zwischen dem ersten Übertragungsabschnitt und dem oszillierenden Abschnitt derart verformbar ist, dass der oszillierende Abschnitt vor überhohen Kräften geschützt ist, welche aufgrund der Vibration von dem ersten Übertragungsabschnitt auf den oszillierenden Abschnitt übertragen werden. Dies bedeutet, dass einer der beiden Übertragungsabschnitte, d. h. konkret der zweite Übertragungsabschnitt, verformbar gestaltet wird, sodass der oszillierende Abschnitt, beispielsweise das piezoelektrische Element, vor zu starken Oszillationen oder Schwingungen geschützt wird, da der zweite Übertragungsabschnitt zunächst verformbar ausgestaltet ist und darüber hinaus zwischen dem ersten Übertragungsabschnitt und dem oszillierenden Abschnitt angeordnet ist, also keine hohen trägen Massen bewegt werden müssen, um entsprechende Ausweichbewegungen zum Schutz des oszillierenden Abschnitts durchzuführen.
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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 an 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 piezoelektrischer 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 Kontaktteil 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 empfangen 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 Gelabschnitt 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 angeordnet 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.
