DE102007046031A1

DE102007046031A1 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102007046031A1
Application number: DE102007046031A
Authority: DE
Inventors: Makiko Kariya Sugiura; Kazuaki Kariya Watanabe; Yasuyuki Kariya Okuda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP4635996B2; US7612485B2; US20080073998A1; DE102007046031B4; JP2008085462A

Abstract

Ein Ultraschallsensor zum Erfassen einer Ultraschallwelle, welche von einem Ultraschallgenerator ausgegeben wird und von einem zu erfassenden Objekt reflektiert ist, weist eine akustische Abstimmschicht, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche die Ultraschallwelle empfängt und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, und ein Ultraschall-Erfassungselement auf, das ein Schwingungselement beinhaltet. Das Schwingungselement ist mit der zweiten Oberfläche der akustischen Abstimmschicht gekoppelt. Die akustische Abstimmschicht ist in Übereinstimmung mit einer Stehwelle wiederholt deformierbar, welche von der empfangenen Ultraschallwelle in der akustischen Abstimmschicht erzeugt wird. Das Schwingungselement wird mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht in Resonanz versetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.
Ein Ultraschallsensor im Stand der Technik beinhaltet einen Ultraschallwandler, der auf einem Substrat angeordnet ist, das aus einem Material, wie zum Beispiel Metall und Harz, besteht. Der Ultraschallsensor ist in zum Beispiel ein Fahrzeug montiert. Der Ultraschallsensor sendet eine Ultraschallwelle zu einem Objekt und empfängt die Ultraschallwelle, die von dem Objekt reflektiert wird. Das Senden und Empfangen der Ultraschallwelle wird von einem Element durchgeführt, das imstande ist, die Ultraschallwelle zu senden und zu empfangen. Die gesendete und empfangene Ultraschallwelle liefert eine Information bezüglich eines Objekts um das Fahrzeug, wie zum Beispiel eine Lage des Objekts, einen Abstand von dem Objekt, eine zweidimensionale Form des Objekts und eine dreidimensionale Form des Objekts.
Einige der Ultraschallsensoren beinhalten eine akustische Abstimmschicht, die eine akustische Impedanz steuert. Die akustische Abstimmschicht verbessert einen Wirkungsgrad des Sendens und Empfangens der Ultraschallwelle. Ein Beispiel des Ultraschallsensors, der die akustische Abstimmschicht aufweist, ist in der JP-A-H10-224895 gezeigt, in der eine akustische Abstimmschicht, welche aus synthetischem Harz, das Glasblasen beinhaltet, besteht, auf einer Seite des Ultraschallsensors befestigt ist.
Da der Ultraschallsensor an einem freiliegenden Ort einer Vorrichtung, wie zum Beispiel des Fahrzeugs, angebracht ist, ist das Verkleinern des Ultraschallsensors erforderlich, um ein Verderben der Schönheit der Vorrichtung zu vermeiden. Genauer gesagt ist ein Verringern der sichtbaren Fläche der akustischen Abstimmschicht erforderlich. Ein Verringern der Abmessung der akustischen Abstimmschicht erfordert das Verkleinern eines Ultraschall-Erfassungselements, das an der akustischen Abstimmschicht angebracht ist. Wenn ein sperriges piezoelektrisches Material für das Ultraschall-Erfassungselement verwendet wird, ist es schwierig, dass das Ultraschall-Erfassungselement mit einem Erhöhen der Empfangsempfindlichkeit und einem Verbessern der Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle mit der Schwingung des akustischen Abstimmelements in Resonanz versetzt wird. Das Problem ist, dass es schwierig ist, zwei Ziele für das Verkleinern der akustischen Abstimmschicht und das Verbessern der Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle auszugleichen. Daher ist es für den Ultraschallsensor erforderlich, die Erfassungsempfindlichkeit zu verbessern und seine Abmessung zu minimieren.
Im Hinblick auf das zuvor beschriebene Problem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor zum Erfassen einer Ultraschallwelle, welche aus einem Ultraschallgenerator ausgegeben wird und von einem zu erfassenden Objekt reflektiert wird, auf: eine akustische Abstimmschicht, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche die Ultraschallwelle empfängt und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt; und ein Ultraschall-Erfassungselement, das ein Schwingungselement beinhaltet. Das Schwingungselement ist mit der zweiten Oberfläche der akustischen Abstimmschicht gekoppelt. Die akustische Abstimmschicht ist in Übereinstimmung mit einer Stehwelle, welche von der empfangenen Ultraschallwelle in der akustischen Abstimmschicht erzeugt wird, wiederholt deformierbar. Das Schwingungselement wird mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht in Resonanz versetzt.
Gemäß dem vorhergehenden Ultraschallsensor wird das Schwingungselement des Ultraschall-Erfassungselements mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht in Resonanz versetzt. Die wiederholte Deformation wird von der Stehwelle in der akustischen Abstimmschicht bewirkt, wobei die Stehwelle von der Ultraschallwelle erzeugt wird, die von der ersten Oberfläche der akustischen Abstimmschicht empfangen wird. Daher erhöht der Aufbau die Schwingungsamplitude des Schwingungselements und wird daher die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors bezüglich der Ultraschallwelle verbessert. Hier ist das Erhöhen der Schwingungsamplitude unabhängig von der Fläche der ersten Oberfläche der akustischen Abstimmschicht. Deshalb wird das Verkleinern der akustischen Abstimmschicht realisiert und wird der Ultraschallsensor realisiert, der eine verbesserte Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
1A eine vertikale Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1B eine Draufsicht des Ultraschallsensors, wobei die Ansicht von einer Seite einer akustischen Abstimmschicht genommen ist (siehe einen Teil IB in 1A);
2A eine schematische Ansicht eines Ultraschall-Erfassungselements, wobei die Ansichtsrichtung von 2A einem Pfeil IIA in 1A entspricht;
2B eine Querschnittsansicht des Ultraschall-Erfassungselements, wobei die Ansicht entlang einer Linie IIB-IIB in 2A genommen ist;
3A und 3B Entwurfsdarstellungen von Deformationen der akustischen Abstimmschicht, wobei die Deformationen von einer Stehwelle in der akustischen Abstimmschicht bewirkt werden;
4 eine erläuternde Darstellung zum Erläutern von Fahrzeugorten, an welche ein Ultraschallsensor montiert ist;
5A eine Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansicht von dem Fahrzeuginneren genommen ist;
5B eine Querschnittsansicht des Ultraschallsensors, wobei die Ansicht entlang einer Linie VB-VB in 5A genommen ist;
6 eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Ausgestaltungsbeispiels des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung zum Zeigen eines Beispiels einer Ausgestaltungsweise, um das Ultraschall-Erfassungselement an der akustischen Abstimmschicht anzubringen; und
9 eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Ausgestaltungsbeispiels des Ultraschall-Erfassungselements.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein Ultraschallsensor, der hier im weiteren Verlauf gezeigt ist, ist eine Art eines Hindernissensors, der in ein Fahrzeug monitert ist, was ein Beispiel der Verwendung eines Ultraschallsensors ist. Die 1A und 1B zeigen schematische Ansichten eines Ultraschallsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1A zeigt eine vertikale Querschnittsansicht des Ultraschallsensors. 1B zeigt eine Draufsicht des Ultraschallsensors, wobei die Ansicht von der Seite einer akustischen Abstimmschicht genommen ist (siehe einen Pfeil IB in 1A). Die 2A und 2B zeigen eine schematische Ansicht eines Ultraschall-Erfassungselements 10. Die Ansichtsrichtung von 2A entspricht einem Pfeil IIA in 1A. Die Ansicht von 2B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie IIB-IIB in 2A genommen ist. Die 3A und 3B zeigen Entwurfsdarstellungen einer Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 aufgrund einer Stehwelle. 4 zeigt Beispielsorte zum Montieren des Ultraschallsensors in das Fahrzeug. Die Richtung von dem Fahrzeuginneren zu dem Fahrzeugäusseren ist als der Pfeil IIA in 1A und der Vorderseite von 1B ausgedrückt.
Der Ultraschallsensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine akustische Abstimmschicht 32 und ein Ultraschall-Erfassungselement 10, wie es in den 1A und 1B gezeigt ist. Das Ultraschall-Erfassungselement 10 sendet eine Ultraschallwelle zu einer Vorderseite des Fahrzeugs und erfasst dann die Welle, die von einem Objekt reflektiert wird, das sich auf dem vorderen Raum des Fahrzeugs befindet. Die akustische Abstimmschicht 32 empfängt die reflektierte Welle und sendet eine Schwingung zu dem Ultraschall-Erfassungselement 10.
Die akustische Abstimmschicht 32 weist eine Empfangsoberfläche (eine erste Oberfläche) und eine Montageoberfläche (eine zweite Oberfläche) auf. Die Montageoberfläche 32b liegt der Empfangsoberfläche 32a gegenüber. Die Empfangsoberfläche 32a ist die Oberfläche für das Empfangen der reflektierten Welle. Das Ultraschall-Erfassungselement 10 ist mit der Mitte der Montageoberfläche 32b der akustischen Abstimmschicht 32 verbunden. Eine Bodenoberfläche 11n des Trägers 11a ist unter Verwendung eines Verbindungsmaterials mit der akustischen Abstimmschicht 32 verbunden. Die akustische Abstimmschicht 32 ist an einem zweckmäßigen Ort eines Fahrzeugs 60 angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Ultraschallsensor 1 auf eine Stossstange 20 montiert (siehe 4).
Die Stossstange 20 weist ein Montageelement 20a zum Verbinden der akustischen Abstimmschicht 32 mit der Stossstange 20 auf. Das Montageelement 20a ist dazu ausgelegt, ein Loch zum Einbringen der akustischen Abstimmschicht 32 zu sein. Die akustische Abstimmschicht 32 ist über einen Schwingungsdämpfer 33 auf eine derartige Weise mit dem Montageelement 20a verbunden, dass die Empfangsoberfläche 32a nach außerhalb der Stossstange 20 freiliegt. Der Schwingungsdämpfer 33 ist an der Seitenoberfläche 32c der akustischen Abstimmschicht 32 angebracht, wobei die Seitenoberfläche 32c in der Nähe der Empfangsoberfläche 32a ist. Es gibt keine Beule auf der Außenoberfläche, die von der Empfangsoberfläche 32a, dem Schwingungsdämpfer 33 und der Stossstange 20 erzeugt wird. Die Außenoberfläche ist glatt und flach.
Das Ultraschall-Erfassungselement 10 ist auf der Grundlage eines rechteckig geformten Halbleitersubstrats 11 aus SOI bzw. Silizium-auf-Isolator ausgebildet, wie es in den 2A und 2B gezeigt ist. Das Halbleitersubstrat 11 ist dazu ausgelegt, mehrschichtig zu sein: ein erster Isolationsfilm 11b, eine aktive Siliziumschicht 11c, ein zweiter Isolationsfilm 11d in dieser Reihenfolge. Das Ultraschall-Erfassungselement 10, die mehrfache Schicht, ist auf einer oberen Oberfläche 11n des Trägers 11a angeordnet. Es ist anzumerken, dass andere Materialien, wie zum Beispiel ein gläsernes Material, für das Substrat verwendet werden kann.
Die Mittenteile von sowohl dem Träger 11a als auch dem ersten Isolationsfilm 11b sind unter Verwendung eines MEMS-Verfahrens (mikroelektromechanisches System) beseitigt. Die beseitigten Teile sind rechteckige Formen (die Stelle der beseitigten Teile entspricht der des Mittenteils des Halbleitersubstrats 11). Der Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b weisen die rechteckigen Löcher auf. Die aktive Siliziumschicht 11c und der zweite Isolationsfilm 11d sind rechteckige Filme.
Ein piezoelektrisches Schwingungs-Erfassungselement 12 ist auf dem zweiten Isolationsfilm 11d ausgebildet. Das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement 12 beinhaltet einen piezoelektrischen Film 12a, eine untere Elektrode 13 und eine obere Elektrode 14. Der piezoelektrische Film 12a ist zwischen der unteren Elektrode 13 und der oberen Elektrode 14 angeordnet. Ein Material für den piezoelektrischen Film 12a ist zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat bzw. PZT. Ein Schwingungselement 15 ist durch einen Umfang des Trägers 11a aufgehängt. Der Träger 11a (das heisst ein Sendeelement) sendet eine Schwingung zu dem Schwingungselement 15. Eine Resonanzfrequenz des Schwingungselements 15 wird durch ein Ändern einer Form von Elementen, wie zum Beispiel ein Ändern der Form des piezoelektrischen Films 12a, der unteren Elektrode 13 und der oberen Elektrode 14, und der Lochabmessung des Trägers 11a gesteuert. Daher wird, wenn das MEMS-Verfahren für die Verarbeitung verwendet wird, die Resonanzfrequenz ohne Ändern der Gesamtabmessung des Ultraschall-Erfassungselements 10 gesteuert. Das Schwingungselement 15 ist dazu ausgelegt, dass das Schwingungselement 15 mit einer wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 in Resonanz versetzt wird, wobei die wiederholte Deformation aufgrund einer induzierten Stehwelle besteht. Das Wandeln der Deformation zu einem Spannungssignal durch das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement 12 ergibt das Erfassen der Ultraschallwelle.
Die akustische Abstimmschicht 32 besteht aus einem Material, dessen akustische Impedanz höher als die akustische Impedanz von Luft ist. Die Form der akustischen Abstimmschicht 32 ist ein vierseitiges Prisma, dessen Querschnitt weitestgehend quadratisch ist.
Die akustische Abstimmschicht 32 unterdrückt eine Ultraschallwellenreflexion an der Grenzfläche zwischen Luft und der akustischen Abstimmschicht 32. Das Unterdrücken der Wellenreflexion erhöht die Höhe der empfangenen Ultraschallwelle. Das Material der akustischen Abstimmschicht 32 ist zum Beispiel Harz, das eine Beständigkeitscharakteristik aufweist, wie zum Beispiel Polycarbonat. Die kleine Änderung der Elastizitätskonstante von Polycarbonat mit der Temperatur führt zu der kleinen Änderung einer Ultraschallwellenlänge in der akustischen Abstimmschicht 32. Die Verwendung des Materials, wie zum Beispiel des Polycarbonats, sieht das stabile Erzeugen der Stehwelle vor.
Das Ultraschall-Erfassungselement 10 ist an einem Ort angebracht, der von dem Äußeren der Stossstange 20 nicht sichtbar ist. Daher kann die akustische Abstimmschicht 32 ein Schutz des Ultraschall-Erfassungselements 10 gegen eine Substanz, wie zum Beispiel ein Tröpfchen und Staub, sein. Wenn die akustische Abstimmschicht 32 aus Harz besteht, wird eine Dicke T der akustischen Abstimmschicht verglichen mit einem Fall größer, in dem die akustische Abstimmschicht aus einem Metall besteht. Deshalb wirkt die akustische Abstimmschicht 32, die aus dem Harz besteht, wirksam als der Schutz.
Die Dicke T der akustischen Abstimmschicht 32 ist dazu ausgelegt, ein Viertel der Wellenlänge der Ultraschallwelle zu sein, wobei die Wellenlänge der Wert ist, der in der akustischen Abstimmschicht 32 gemessen wird. Die Breite W der akustischen Abstimmschicht 32 ist dazu ausgelegt, kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle zu sein, wobei die Wellenlänge der Wert ist, der in der Luft gemessen wird. Wenn die Frequenz der Ultraschallwelle auf 65 kHz festgelegt ist, sind die Breite W und die Dicke T 2,6 mm bzw. 5,0 mm.
Die Dicke T von einem Viertel der Wellenlänge sieht ein Erzeugen einer Stehwelle und einer akustischen Abstimmschicht 32 vor. Dies verringert die Interferenz und die sich ergebende Auslöschung der folgenden Wellen: eine Ultraschallwelle, die in die akustische Abstimmschicht 32 einfällt, und eine Welle, die von der Grenzfläche zwischen der akustischen Abstimmschicht 32 und dem Ultraschall-Erfassungselement 10 reflektiert wird. Deshalb wird die Ultraschallwelle wirksam zu dem Ultraschall-Erfassungselement 10 gesendet.
Die akustische Abstimmschicht 32 besteht aus Harz. Alternativ kann die akustische Abstimmschicht 32 aus anderen Materialien, wie zum Beispiel Keramik, Glas und Metall (Aluminium usw.) bestehen, so lange die Materialien die zweckmäßige Bedingung bezüglich einer akustischen Impedanz und die Beziehung der Elementabmessung bezüglich der Wellenlänge erfüllen. Da die Materialien Charakteristiken einer Wetterbeständigkeit und eines Umgebungswiderstands aufweisen, können die Materialien für die akustische Abstimmschicht 32 verwendet werden.
Die Form der akustischen Abstimmschicht 32 ist ein vierseitiges Prisma, dessen Querschnitt weitestgehend quadratisch ist. Alternativ weist die Form der akustischen Abstimmschicht 32 andere Formen, wie zum Beispiel eine Zylinderform, auf. Wenn mehrere Ultraschallsensoren 1 in einer Gruppe angeordnet sein können, lässt die Breite W der akustischen Abstimmschicht 32, die kleiner als eine Hälfte der Ultraschallwellenlänge ist, zu, dass die Sensoren die Ultraschallwelle mit einer hohen Erfassungsgenauigkeit erfassen. Hier ist der Abstand von jeder akustischen Anpassungsschicht 32 die Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle, wobei die Wellenlänge in der Luft gemessen wird. Wenn mehrere Ultraschallsensoren 1 nicht in einer Gruppe angeordnet sein können, ist die Breite W der akustischen Abstimmschicht 32 nicht notwendigerweise kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle.
Der Schwingungsdämpfer 33 ist zwischen der Seitenoberfläche 32c der akustischen Abstimmschicht 32 und dem Montageelement 20a der Stossstange 20 angeordnet, um diese zu verbinden. Der Schwingungsdämpfer 33 verhindert eine Schwingungsübertragung zwischen der Stossstange 20 und dem Montageelement 20a. Der Schwingungsdämpfer 33 ist auf eine derartige Weise an der akustischen Abstimmschicht 32 und dem Montageelement 20a befestigt, dass sich keine Stufe bezüglich einer Aussenoberfläche ergibt, die aus der Empfangsoberfläche 32a und der Stossstange 20 besteht. Unter Verwendung eines Bindemittels, wie zum Beispiel eines Haftmittels und eines Klebstoffs, wird der Schwingungsdämpfer befestigt.
Der Schwingungsdämpfer 33 besteht aus einem Material, das eine hohe akustische Dämpfungskonstante und eine Impedanz aufweist, die niedriger als die des Materials der akustischen Abstimmschicht 32 ist. Das Material des Schwingungsdämpfers 33 ist zum Beispiel Silikongummi. Alternativ kann der Schwingungsdämpfer 33 aus einem Material bestehen, das eine niedrige Elastizität und eine niedrige Dichte aufweist. Die Materialien, die eine niedrige Elastizität und eine niedrige Dichte aufweisen, sind zum Beispiel ein Material, das Poren beinhaltet, wie zum Beispiel ein Gummimaterial, ein Schaumharz und ein Schwamm. Der Vibrationsdämpfer 33, welcher aus den Materialien besteht und zwischen der Stossstange 20 und der akustischen Abstimmschicht 32 angeordnet ist, verhindert ein Erzeugen von Rauschen, das von dem Senden der Ultraschallwellen zwischen dem Montageelement 20a der Stossstange 20 und der Seitenoberfläche 32c der akustischen Abstimmschicht 32 bewirkt wird. Ein Material, das eine niedrige Elastizität aufweist, beschränkt die Schwingung in der akustischen Abstimmschicht 32 schwach, was zu einer kleinen Dämpfung einer Ultraschallschwingung in der akustischen Abstimmschicht 32 führt.
Wenn die Empfangsoberfläche 32a der akustischen Abstimmschicht 32 eine Ultraschallwelle empfängt, wird die akustische Abstimmschicht 32 mit der Ultraschallwelle in Resonanz versetzt und entsteht eine Stehwelle in der akustischen Abstimmschicht 32. Die Stehwelle sieht das wiederholte Ausdehnen und Zusammenziehen in der Dickenrichtung mit der akustischen Abstimmschicht 32 vor. Wenn sich die akustische Abstimmschicht 32 in der Dickenrichtung ausdehnt, zieht sich die akustische Abstimmschicht 32 in der Breitenrichtung zusammen, wie es in 3A dargestellt ist. Bei dieser Deformation ist die Montageoberfläche 32b nach aussen konvex. Das Schwingungselement 15 ist ebenso nach aussen konvex, da sich der Träger 11a des Ultraschall-Erfassungselements 10 seitlich aufweitet. Wenn sich die akustische Abstimmschicht 32 in der Dickenrichtung zusammenzieht, dehnt sich die akustische Abstimmschicht 32 in der Breitenrichtung aus, wie es in 3B dargestellt ist. Bei dieser Deformation ist die Montageoberfläche 32b nach aussen konkav. Das Schwingungselement 15 ist ebenso nach aussen konkav, da sich der Träger 11a des Ultraschall-Erfassungselements 10 seitlich verengt. Genauer gesagt krümmt sich das Schwingungselement 15 des Ultraschall-Erfassungselements 10 synchron zu der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 wiederholt. Hierbei besteht die wiederholte Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 aufgrund der Stehwelle. Die wiederholte Deformation des Ultraschall-Erfassungselements 10 wird zu einem Spannungssignal gewandelt. Dieses Wandeln führt zu dem Erfassen der Ultraschallwelle.
Da die Resonanzfrequenz des Schwingungselements 15 die Frequenz der wiederholten Deformation des akustischen Abstimmelements 32 (das heisst die Frequenz der induzierten Stehwelle) ist, wird eine große Auslenkungsdeformation des Schwingungselements 15 realisiert. Die große Auslenkungsdeformation erhöht eine Amplitude des Signals, das aus dem Ultraschall-Erfassungselement 10 ausgegeben wird. Die Erhöhung der Signalamplitude verbessert die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle.
Eine Schaltung, welche elektronisch mit dem Ultraschall-Erfassungselement 10 verbunden ist (die Schaltung, welche in den Fig. nicht gezeigt ist), ist elektronisch mit einer ECU bzw. elektronischen Steuereinheit verbunden. Die ECU führt eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage des Signals aus, das aus dem Ultraschall-Erfassungselement 10 ausgegeben wird. Die ECU bestimmt zum Beispiel eine Zeitverzögerung oder Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen, die gesendet und empfangen werden. Dies sieht das Erfassen des Hindernisses und die Messung des Abstands zwischen dem Hindernis und dem Fahrzeug vor.
Wenn ein Farbton des Ultraschallsensors 1 mit dem der Stossstange 20 übereinstimmt, wird der Ultraschallsensor 1 unauffällig. Die Farbanpassung wird durch ein Auswählen eines Materials des Sensors sowie eines Lackierens des Ultraschall-Erfassungselements 10 und der akustischen Abstimmschicht 32 mit einer zweckmäßigen Farbe realisiert. Deshalb ist es möglich, den Ultraschallsensor 1 aufzubauen, der eine dezente Ausgestaltung aufweist, um die Schönheit der Stossstange 20 aufrecht zu erhalten.
Der Ultraschallsensor 1 ist in die Stossstange 20 montiert. Alternativ ist der Ultraschallsensor 1 in eine Scheinwerferabdeckung 21 des Fahrzeugs 60 montiert, wie es in 4 gezeigt ist. Bei diesem Aufbau wird die Ultraschallwelle, die von einem Hindernis reflektiert wird, nicht von Teilen des Fahrzeugs unterbrochen und wird die reflektierte Ultraschallwelle zuverlässig von dem Ultraschallsensor 1 erfasst. Dieser Aufbau kann beim Anwenden des Ultraschallsensors 1 an einem Hindernissensor wirksam sein.
Der Ultraschallsensor 1 kann in Übereinstimmung mit seiner Verwendung an anderen Teilen des Fahrzeugs angebracht sein. Wenn der Ultraschallsensor 1 zum Erfassen eines Hindernisses verwendet wird, das seitlich zu dem Fahrzeug ist, ist der Sensor 1 an zum Beispiel einer Blinkerabdeckung 22 oder einem Seitenspiegel 23 angebracht. Wenn der Sensor 1 zum Erfassen eines Hindernisses hinter dem Fahrzeug verwendet wird, ist der Sensor 1 an einer Rücklichtabdeckung 24 oder einer Rückfahrscheinwerferabdeckung 25 angebracht.
In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b die Platte, deren Mittenteil beseitigt ist. Alternativ können der Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b Platten sein, deren Mittenteile nicht beseitigt sind. Die aktive Siliziumschicht 11c und der zweite Isolationsfilm 11d sind Filme, die eine quadratische Form aufweisen. Der Ultraschallsensor 1 kann nicht nur an dem Fahrzeug 60, sondern ebenso an eine andere Vorrichtung, wie zum Beispiel ein Spielzeug und einen Roboter für einen Innengebrauch, montiert sein.
Der Ultraschallsensor 1 arbeitet wie folgt.
Das Schwingungselement 15 des Ultraschall-Erfassungselements 10 wird mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 in Resonanz versetzt. Die wiederholte Deformation entsteht aus der Stehwelle, die von der Empfangsoberfläche 32a der akustischen Abstimmschicht 32 aus der einfallenden Ultraschallwelle erzeugt wird. Der Aufbau erhöht die Schwingungsamplitude des Schwingungselements 15, wobei die Erhöhung unabhängig von der Fläche der Empfangsoberfläche 32a der akustischen Abstimmschicht 32 ist. Deshalb wird das Verkleinern der akustischen Abstimmschicht 32 realisiert und wird die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert.
Das Ultraschall-Erfassungselement 10 ist durch Anwenden eines MEMS-Verfahrens an dem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet. Da das Schwingungselement 15 aus dünnwandigen Teilen des Halbleitersubstrats 11 besteht, kann die Resonanzfrequenz ohne Ändern der Gesamtabmessung des Sensors auf einen gegebenen Wert festgelegt werden. Dies lässt zu, dass der Ultraschallsensor 1 verkleinert wird und daher die akustische Abstimmschicht 32 verkleinert wird, die an dem Ultraschallsensor 1 angebracht ist. Die Struktur des dünnwandigen Schwingungselements 15 realisiert die Erhöhung eines Deformationsvolumens des Schwingungselements 15. Die Erhöhung des Deformationsvolumens verbessert die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle.
Das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement 12 besteht aus Blei-Zirkonat-Titanat bzw. PZT, welches einen großen Wert einer piezoelektrischen Konstante aufweist. Da die Piezoelektrizität des piezoelektrischen Schwingungs-Erfassungselements 12 die Spannung erfasst, die von der Resonanzschwingung erzeugt wird, wird ein starkes Signal aus dem Ultraschall-Erfassungselement 10 ausgegeben. Die Spannung in dem Schwingungselement 15 wird zu dem Spannungssignal gewandelt. Die hohe Empfangsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Welle.
Wenn die akustische Abstimmschicht 32 aus Harz ausgebildet ist, ist die Dicke T der akustischen Abstimmschicht 32 größer als die von der, die aus Metall ausgebildet ist. Die akustische Abstimmschicht 32 des Harzes wirkt wirksam als ein Schutz des Ultraschall-Erfassungselements 10 gegen eine Kollision mit einer Substanz, wie zum Beispiel einem Tröpfchen und einem Staubpartikel. Wenn die akustische Abstimmschicht 32 aus dem Polycarbonat ausgebildet ist, dessen Elastizität sich geringfügig mit einer Temperatur ändert, lässt eine sich ergebende kleine Änderung der Wellenlänge mit der Temperatur das stabile Erzeugen der induzierten Stehwelle zu.
Der Ultraschallsensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist an eine große Vielfalt von Orten des Fahrzeugs 60 montiert. Der Ort, an welchen der Ultraschallsensor 1 montiert ist, hängt von seiner Verwendung ab. Beispiele sind wie folgt. Wenn der Ultraschallsensor 1 zum Erfassen eines Hindernisses verwendet wird, das auf einer Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet ist, ist der Ultraschallsensor 1 entweder an der Scheinwerferabdeckung 21 oder der Stossstange 20 angebracht. Wenn der Ultraschallsensor 1 zum Erfassen eines Hindernisses verwendet wird, das seitlich zu dem Fahrzeug ist, ist der Ultraschallsensor 1 entweder an der Blinkerabdeckung 22 oder dem Seitenspiegel 23 angebracht. Wenn der Ultraschallsensor 1 zum Erfassen eines Hindernisses hinter dem Fahrzeug verwendet wird, ist der Ultraschallsensor 1 an entweder der Rücklichtabdeckung 24 oder der Rückfahrscheinwerferabdeckung 25 angebracht.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die 5A und 5B zeigen schematische Ansichten eines Teils eines Ultraschallsensors 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 5A zeigt eine Draufsicht des Ultraschallsensors 2, wobei die Ansicht von dem Fahrzeuginneren genommen ist. 5B zeigt eine Querschnittsansicht des Ultraschallsensors 2, wobei die Ansicht entlang einer Linie VB-VB in 5A genommen ist. 6 zeigt eine Darstellung zum Erläutern eines Ausgestaltungsbeispiels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Ultraschallsensor 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Ultraschall-Erfassungselement 80, dessen Schwingungselement 85 aufgekragt ist. Wie es in den 5A und 5B gezeigt ist, ist das Schwingungselement 80 des Ultraschall-Erfassungselements 80 mehrschichtig. Jede Schicht ist in der folgenden Reihenfolge angeordnet: die aktive Siliziumschicht 11c, der zweite Isolationsfilm 11d und ein piezoelektrisches Schwingungs-Erfassungselement 82. In dem piezoelektrischen Schwingungs-Erfassungselement 82 ist ein piezoelektrischer Film 82A zwischen einer unteren Elektrode 83 und einer oberen Elektrode 84 angeordnet. Die mehrfache Schicht ist von einem Träger 11a ausgekragt. Die Auslegerausgestaltung, die zuvor erwähnt worden ist, führt zu einer größeren Deformation des Schwingungselements 85 verglichen mit dem Fall, in dem beide Enden des Schwingungselements 85 gehalten werden. Deshalb wird die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert.
Ein Beseitigen eines Teils des Schwingungselements 85 verringert dessen Steifheit. Das Verringern der Steifheit sieht eine große Deformation des Schwingungselements 85 vor. 6 zeigt eine beispielhafte Form des Schwingungselements 85, wobei das Schwingungselement 85 eine Hantelform aufweist. Wie es in 6 gezeigt ist, gibt es eine Verbindung 82b in der Mitte des Schwingungselements 85. Die Hantelformausgestaltung konzentriert die Spannung in einem Bereich um die Enden (82c und 82d) der Verbindung 82b und insbesondere um das Ende 82c der ausgekragten Seite. Die sich ergebende große Deformation verbessert die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle.
Ein Ausbilden des piezoelektrischen Films 82A lediglich um die Enden (82c und 82d) der Verbindung 82b kann eine Ausgestaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein. Die Ausgestaltung verringert die Fläche des piezoelektrischen Films 82A, in welcher eine kleine Deformation gegeben ist. Das Verringern der Fläche des piezoelektrischen Films 82A erhöht eine Ausgangssignalamplitude verglichen mit einem Fall, in dem die Fläche des piezoelektrischen Films 82A nicht verringert ist, und daher wird die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert. Die Ausgestaltung zum Erhöhen der Deformation durch ein Beseitigen eines Teils des Schwingungselements kann an dem Schwingungselement 15 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Der Ultraschallsensor 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine verbesserte Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle auf. Dies ist so, da die ausgekragte Struktur des Schwingungselements 85 zu einer großen Deformation des Schwingungselements 85 führt.
Drittes Ausführungsbeispiel
7 zeigt einen Ultraschallsensor 3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Für ein Ultraschall-Erfassungselement weist der Ultraschallsensor 3 ein Ultraschall-Erfassungselement 40 auf, welches ein kapazitives Schwingungs-Erfassungselement 41 beinhaltet. Wie es in 7 gezeigt ist, beinhaltet das kapazitive Schwingungs-Erfassungselement 41 eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 17, welche einander gegenüberliegen. Eine Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden führt zu dem Erfassen der Ultraschallwelle. Die erste Elektrode 16 ist auf dem ersten Isolationsfilm 11b ausgebildet. Die zweite Elektrode 17 ist auf eine Weise angeordnet, dass die zwei Elektroden (16, 17) einen gegebenen Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden (16, 17) aufweisen. Hier sind die Mittenteile des Trägers 11a des ersten Isolationsfilms 11b nicht beseitigt und weisen dadurch die Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b eine flache Plattenform auf.
Die erste Elektrode 16 ist aufgebaut, um eine zweckmäßige Form (das heisst die Dicke und Breite usw.) aufzuweisen, um mit der wiederholten Schwingung der akustischen Abstimmschicht 32 in Resonanz versetzt zu werden. Die erste Elektrode 16 weist mindestens ein Loch 16a auf, das sich vollständig über die Platte der ersten Elektrode 16 ausdehnt. Das Loch unterdrückt den Effekt der Luft auf die Schwingungsdämpfung des Elements 41. Wenn die akustische Abstimmschicht 32 die Ultraschallwelle empfängt und die Stehwelle darin aufweist, schwingt das kapazitive Schwingungs-Erfassungselement 41. Da lediglich die erste Elektrode 16 mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht 32 in Resonanz versetzt wird, ändert sich der Raum zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 17. Die Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden, das heisst den Elektroden, welche einen Kondensator vorsehen, lässt zu, dass der Sensor die Ultraschallwelle erfasst. Da das kapazitive Schwingungs- Erfassungselement 41 ein breites Resonanzfrequenzband aufweist, ist es nicht erforderlich, das Element 41 mit einer hohen Abmessungsgenauigkeit vorzusehen. Demgemäß wird die Resonanz des Elements 41 einfach vorgesehen.
Der Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b weisen eine flache Plattenform auf. Alternativ sind der Träger 11a und der erste Isolationsfilm 11b die Platte, die ein rechteckiges Loch in der Mitte des Trägers 11a und des ersten Isolationsfilms 11b aufweist.
Das Schwingungselement des Ultraschallsensors 3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Paar der Elektroden (das heisst die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 17). Die Kapazitätsänderung zwischen diesen Elektroden sieht das Erfassen der Schwingung mit dem kapazitiven Schwingungs-Erfassungselement 41 vor. Da das kapazitive Schwingungs-Erfassungselement 41 das breite Resonanzfrequenzband aufweist, ist es nicht erforderlich, das Element 41 mit einer hohen Abmessungsgenauigkeit herzustellen. Demgemäß wird die Resonanz des Elements 41 einfach vorgesehen.
Andere Ausführungsbeispiele

(1) Das Ultraschall-Erfassungselement 10 ist auf eine derartige Weise mit der akustischen Abstimmschicht 32 verbunden, dass das Schwingungselement 15 weitestgehend senkrecht zu der Montageoberfläche 32b ist. Ein spezifisches Beispiel des Aufbaus ist in 8 gezeigt, in welchem die Seitenoberfläche 11p des Trägers 11 in die Montageoberfläche 32b der akustischen Abstimmschicht 32 gepasst ist. Bei diesem Aufbau ist das Schwingungselement 15 von der Montageoberfläche 32b ausgekragt. Die Schwingung der akustischen Abstimmschicht 32 in der Breitenrichtung sieht eine große Verschiebung des Schwingungselements 15 vor. Deshalb wird die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert.
(2) Wie es in 9 gezeigt ist, ist das Schwingungselement 15 mit dem Element kombiniert, zu welchem die Welle von der akustischen Abstimmschicht 32 gesendet wird. Eine Seite des Schwingungselements 15 ist direkt mit der Montageoberfläche 32b verbunden und die gegenüberliegende Seite des Schwingungselements 15 ist mit einem Schwingungsverstärkungselement 90 verbunden. Das Schwingungsverstärkungselement 90 ist ein Element zum Verstärken der Deformation des Schwingungselements 15. Bei diesem Aufbau verstärkt das Schwingungsverstärkungselement 90 die Deformation des Schwingungselements 15 in der Breitenrichtung der akustischen Abstimmschicht (der Richtung des Sendens der Ultraschallwelle). Deshalb wird die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich der Ultraschallwelle verbessert. Ein Material des Schwingungsverstärkungselements 90 ist zum Beispiel ein Halbleiter oder Glas.
(3) Obwohl jedes zuvor dargelegte Ausführungsbeispiel das Ultraschall-Erfassungselement zeigt, das imstande ist, die Ultraschallwelle zu empfangen, kann ein Element zum Senden der Ultraschallwelle für das Ultraschall-Erfassungselement verwendet werden. Dieser Aufbau erhöht einen Druck der Ultraschallwelle, die von der akustischen Abstimmschicht 32 gesendet wird.

Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele von ihr beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele und Aufbauten beschränkt ist. Die Erfindung ist dazu gedacht, verschiedene Ausgestaltungen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Weiterhin sind, obgleich die verschiedenen Aufbauten und Ausgestaltungen, welche bevorzugt sind, beschrieben worden sind, andere Kombinationen und Ausgestaltungen, die mehr, weniger oder lediglich ein einziges Element enthalten, ebenso innerhalb des Umfangs der Erfindung.
Ein zuvor beschriebener erfindungsgemäßer Ultraschallsensor zum Erfassen einer Ultraschallwelle, welche von einem Ultraschallgenerator ausgegeben wird und von einem zu erfassenden Objekt reflektiert ist, weist eine akustische Abstimmschicht, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche die Ultraschallwelle empfängt und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, und ein Ultraschall-Erfassungselement auf, das ein Schwingungselement beinhaltet. Das Schwingungselement ist mit der zweiten Oberfläche der akustischen Abstimmschicht gekoppelt. Die akustische Abstimmschicht ist in Übereinstimmung mit einer Stehwelle wiederholt deformierbar, welche von der empfangenen Ultraschallwelle in der akustischen Abstimmschicht erzeugt wird. Das Schwingungselement wird mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht in Resonanz versetzt.

Claims

Ultraschallsensor zum Erfassen einer Ultraschallwelle, welche von einem Ultraschallgenerator ausgegeben wird und von einem zu erfassenden Objekt reflektiert wird, der aufweist: eine akustische Abstimmschicht (32), die eine erste Oberfläche (32a) und eine zweite Oberfläche (32b) aufweist, wobei die erste Oberfläche (32a) die Ultraschallwelle empfängt und die zweite Oberfläche (32b) der ersten Oberfläche (32a) gegenüberliegt; und ein Ultraschall-Erfassungselement (10, 40, 80), das ein Schwingungselement (15) beinhaltet, wobei das Schwingungselement (15) mit der zweiten Oberfläche (32b) der akustischen Abstimmschicht (32) gekoppelt ist, die akustische Abstimmschicht (32) in Übereinstimmung mit einer Stehwelle wiederholt deformierbar ist, welche von der empfangenen Ultraschallwelle in der akustischen Abstimmschicht (32) erzeugt wird, und das Schwingungselement (15) mit der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht (32) in Resonanz versetzt wird.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei das Ultraschall-Erfassungselement(10) ein Sendeelement (11a) beinhaltet, und das Sendeelement (11a) derart zwischen dem Schwingungselement (15) und der akustischen Abstimmschicht (32) angeordnet ist, dass das Sendeelement (11a) die wiederholte Deformation der akustischen Abstimmschicht (32) zu dem Schwingungselement (15) sendet.
Ultraschallsensor nach Anspruch 2, wobei das Ultraschall-Erfassungselement (10) durch ein mikroelektromechanisches System bzw. MEMS vorgesehen ist und das Schwingungselement (15) durch einen dünnen Abschnitt eines Halbleitersubstrats vorgesehen ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Schwingungselement (15) ein piezoelektrisches Schwingungs-Erfassungselement (12) beinhaltet, das aus einem piezoelektrischen Material besteht, und das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement (12) die wiederholte Deformation auf der Grundlage einer Spannung in dem piezoelektrischen Schwingungs-Erfassungselement (12) erfasst, wobei die Spannung von der wiederholten Deformation bewirkt wird.
Ultraschallsensor nach Anspruch 4, wobei das piezoelektrische Material Blei-Zirkonat-Titanat ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Schwingungselement (15) ein kapazitives Schwingungs-Erfassungselement (41) beinhaltet, das ein Paar von Elektroden und einen Kondensator zwischen dem Paar von Elektroden beinhaltet, und der Kondensator eine Kapazität aufweist, die in Übereinstimmung mit einer Verschiebung der Elektroden änderbar ist, die von der wiederholten Deformation bewirkt wird.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Sendeelement (11a) einen Träger (11a) zum Tragen eines Umfangs des Schwingungselements (15) auf eine derartige Weise vorsieht, dass der Träger das Schwingungselement (15) hochhebt.
Ultraschallsensor nach Anspruch 7, wobei das Schwingungselement (15) von dem Träger ausgekragt ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die akustische Abstimmschicht (32) aus einem Harzmaterial besteht.
Ultraschallsensor nach Anspruch 9, wobei das Harzmaterial ein Polycarbonatharz ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei das Schwingungselement (15) weitestgehend senkrecht zu der zweiten Oberfläche (32b) der akustischen Abstimmschicht (32) ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, der weiterhin aufweist: ein Schwingungsverstärkungselement (90), wobei das Schwingungselement (15) ein piezoelektrisches Schwingungs-Erfassungselement (12) beinhaltet, das aus einem piezoelektrischen Material besteht, das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement (12) zwischen dem Schwingungsverstärkungselement (90) und der akustischen Abstimmschicht (32) beidseitig umfasst ist, das Schwingungsverstärkungselement (90) eine Resonanzschwingung des Schwingungselements (15) verstärkt, die von der wiederholten Deformation der akustischen Abstimmschicht (32) bewirkt wird, und das piezoelektrische Schwingungs-Erfassungselement (12) die wiederholte Deformation auf der Grundlage einer Spannung in dem piezoelektrischen Schwingungs-Erfassungselement (12) erfasst, wobei die Spannung von der wiederholten Deformation bewirkt wird.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Ultraschallsensor an mindestens ein Teil eines Fahrzeug (60) montiert ist, wobei das eine Teil aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Scheinwerferabdeckung (21), einer Rücklichtabdeckung (24), einer Blinkerabdeckung (22) einer Rückfahrscheinwerferabdeckung (25), einem Seitenspiegel (23) und einer Stossstange (20) besteht.