-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einem
piezoelektrischen Element, welches mit einem akustischen Anpassteil
verbunden ist. Unter einem akustischen Anpassteil wird im Rahmen
der vorliegenden Erfindung ein Bauelement verstanden, das der akustischen
Anpassung dient.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Bislang
ist ein Ultraschallsensor bekannt geworden, der ein piezoelektrisches
Element aufweist, welches auf einem Substrat wie etwa einem metallischen
oder einem Kunstharzsubstrat angebracht ist. Der Ultraschallsensor
empfängt Ultraschallwellen, die von einem Sender aus gesendet
bzw. übertragen werden und an einem zu erfassenden Objekt
reflektiert werden. Auf der Grundlage von aus dem Ultraschallsensor
ausgegebenen Signalen wird eine Position und/oder ein Abstand des
Objekts auf zwei- oder dreidimensionale Weise erfasst.
-
Einige
der Ultraschallsensoren weisen eine akustische Anpass-Schicht oder
ein Teil zum Einstellen einer akustischen Impedanz und zum Verbessern eines
Empfangswirkungsgrads von Ultraschallwellen auf. Ein Beispiel des
Ultraschallsensors mit der akustischen Anpass-Schicht ist in der
JP-A-2002-354591 offenbart.
Bei diesem Beispiel ist eine akustische Anpass-Schicht mit einem
mittleren Abschnitt einer Oberfläche des piezoelektrischen
Elements verbunden.
-
Bei
dieser Art des Ultraschallsensors ist das piezoelektrische Element
zwischen einem Paar von Elektroden aufgenommen und ist eine der
Elektroden mit der akustischen Anpass-Schicht verbunden. Die Elektrode
des piezoelektrischen Elements, die mit der akustischen Anpass-Schicht
verbunden ist, ist größer hergestellt als die
akustische Anpass-Schicht, um einen Zuleitungsdraht mit der Elektrode
des piezoelektrischen Elements zu verbinden.
-
Falls
jedoch der mit der akustischen Anpass-Schicht verbundene Elektrodenbereich
größer hergestellt ist als derjenige der akustischen
Anpass-Schicht, gibt es einen Abschnitt des piezoelektrischen Elements,
der nicht mit der akustischen Schicht verbunden ist. Der nicht verbundene
Abschnitt des piezoelektrischen Elements schwingt in einer Phase,
die sich von derjenigen des verbundenen Abschnitts unterscheidet,
was Rauschen erzeugt oder eine Schwingungsdämpfung bewirkt.
Dies führt zu eine Abnahme des Erfassungswirkungsgrads.
Es ist auch vorstellbar, ein Verdrahtungsteil zwischen der Elektrode
des piezoelektrischen Elements und der Anpass-Schicht einzusetzen.
In diesem Fall kann jedoch das piezoelektrische Element in einer
schrägen Art und Weise mit der akustischen Anpass-Schicht
verbunden sein oder es kann eine Grenze zwischen dem piezoelektrischen
Element und der akustischen Anpass-Schicht ausgebildet sein. Die
schräge Verbindung und/oder die Grenze können
eine Schwingungsdämpfung und eine Abnahme in einer Verbindungskraft
zwischen dem piezoelektrischen Element und der akustischen Anpass-Schicht
bewirken.
-
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist in Anbetracht des vorstehend erwähnten
Problems gemacht worden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung be steht
darin, einen verbesserten Ultraschallsensor zu schaffen, der ein
akustisches Anpassteil aufweist, bei welchem ein hoher Erfassungswirkungsgrad
verwirklicht ist. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Ultraschallsensor
bereitzustellen.
-
Der
Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
wird in vorteilhafter Weise in einem Kraftfahrzeug verwendet, um
beispielsweise ein Hindernis vor dem Fahrzeug zu erfassen. Der Ultraschallsensor
kann an einem Teil des Fahrzeugs wie etwa einem vorderen Stoßfänger
angebracht sein. Der Ultraschallsensor weist ein akustisches Anpassteil
zum Empfangen von Ultraschallwellen, die von einem zu erfassenden
Objekt reflektiert werden, ein piezoelektrisches Element zum Umwandeln
von Ultraschallschwingungen in dem akustischen Anpassteil in elektrische
Signale, und eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der elektrischen
Signale, um einen Abstand von dem Fahrzeug zu dem Objekt und/oder
Positionen des Objekts zu erfassen, auf.
-
Das
piezoelektrische Element ist zwischen einem Paar von Elektroden
aufgenommen und mit dem akustischen Anpassteil über eine
leitfähige Schicht, die auf dem akustischen Anpassteil
ausgebildet ist, verbunden. Das piezoelektrische Element, das akustische
Anpassteil und die Verarbeitungsschaltung sind in einem Gehäuse
enthalten. Ein schwingungsdämpfendes Teil ist zwischen
seitlichen Oberflächen des akustischen Anpassteils und
einer inneren Wand des Gehäuses angeordnet, um eine Übertragung
von Schwingungen zwischen dem Gehäuse und dem akustischen
Anpassteil zu unterdrücken.
-
Das
piezoelektrische Element ist aus einem Material wie etwa Bleizirkonattitanant
hergestellt, und das akustische Anpassteil ist aus einem Material
wie etwa Polycarbonat hergestellt. Eine Fläche der Oberfläche
des akustischen Anpassteils, die mit dem piezoelektrischen Element
verbunden ist, ist größer hergestellt als eine
Fläche der Oberfläche des piezoelektrischen Elements,
die mit dem akustischen Anpassteil verbunden ist, wodurch ein Überhangbereich der
leitfähigen Schicht auf der kontaktierenden Oberfläche
des akustischen Anpassteils ausgebildet ist. Der Überhangbereich
ist durch einen Draht, der an den Überhangbereich gebondet
ist, mit der Verarbeitungsschaltung verbunden, wodurch eine erste
Elektrode des piezoelektrischen Elements elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung
verbunden ist. Eine zweite Elektrode des piezoelektrischen Elements
ist durch einen anderen Draht elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung
verbunden.
-
Da
der Überhangbereich auf der leitfähigen Schicht
ausgebildet ist, ist es einfach, den Draht, der die erste Elektrode
mit der Verarbeitungsschaltung verbindet, auf die leitfähigen
Schicht zu bonden. Die Verbindungsoberfläche des akustischen
Anpassteils ist größer als die Fläche
des piezoelektrischen Elements, die mit dem akustischen Anpassteil
verbunden ist, und eine gesamte Fläche des piezoelektrischen
Elements ist mit dem akustischen Anpassteil verbunden. Daher werden
in dem akustischen Anpassteil keine Schwingungen in unterschiedlichen Phasen
erzeugt, und eine Erzeugung von Rauschen wird unterdrückt.
Demgemäß werden Ultraschallschwingungen, die von
dem akustischen Anpassteil empfangen werden, wirksam an das piezoelektrische Element übertragen,
wodurch der Erfassungswirkungsgrad des Ultraschallsensors verbessert
wird.
-
Die
leitfähige Schicht, die auf der Verbindungsoberfläche
des akustischen Anpassteils ausgebildet ist, kann zu ihrer seitlichen
Oberfläche hin verlängert sein, um hierauf einen
Draht zu bonden, um die leitfähige Schicht elektrisch mit
der Verarbeitungsschaltung zu verbunden. In diesem Fall kann der Überhangbereich
beseitigt werden. Ein Verdrahtungselement kann auf einer inneren
Oberfläche des Gehäuses ausgebildet sein, um eine
elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Schicht
und der Verarbeitungsschaltung leicht herzustellen. Alternativ können
das Gehäuse und das schwingungsdämpfende Teil
aus einem leitfähigen Material hergestellt sein, um die
elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Schicht
und der Verarbeitungsschaltung zu vereinfachen.
-
Mehrere
kombinierte Einheiten, wobei jede Einheit aus einem piezoelektrischen
Element und einem akustischen Anpassteil besteht, können
in einer regelmäßigen Anordnung angeordnet sein.
Ein Block zum Ausbilden mehrerer piezoelektrischen Elemente und
ein anderer Block zum Ausbilden mehrerer akustischer Anpassteile
werden verbunden, und dann werden die kombinierten Blöcke
in individuelle kombinierte Einheiten zerteilt (Dicen bzw. Dicing).
Auf diese Weise ist es leicht, die mehreren kombinierten Einheiten
herzustellen.
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die elektrische Verbindung in dem Ultraschallsensor
auf einfache Weise hergestellt und wird die Erfassungsempfindlichkeit
verbessert. Anderer Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden aus einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen,
die nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, leichter ersichtlich werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1A ist
eine Draufsicht, die einen Ultraschallsensor als eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung von einem mit einem piezoelektrischen
Element verbundenen Anpassteil aus gesehen zeigt;
-
1B ist
eine entlang einer Linie IB-IB von 1 genommene
Querschnittsansicht, welche den Ultraschallsensor zeigt;
-
2A–2C sind
Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsvorgangs
des Ultraschallsensors;
-
2D–2F sind
Draufsichten, die den Ultraschallsensor von einer Seite des piezoelektrischen
Elements aus gesehen zeigen, die jeweils 2A–2C entsprechen;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine abgewandelte Form der in 1A und 1B gezeigten
ersten Ausführungsform zeigt;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht, welche einen Ultraschallsensor als eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
5 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine modifizierte Form der in 4 gezeigten
zweiten Ausführungsform zeigt;
-
6A ist
eine Draufsicht, welche einen Ultraschallsensor als eine dritte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von einer Empfangsoberfläche
von mit jeweiligen piezoelektrischen Elementen verbundenen akustischen
Anpassteilen aus gesehen zeigt;
-
6B ist
eine entlang einer Linie VIB-VIB von 6A genommene
Querschnittsansicht, welche den Ultraschallsensor zeigt; und
-
7 ist
eine schematische Ansicht, welche Positionen eines Kraftfahrzeugs
zeigt, an welchen der Ultraschallsensor angebracht sein kann.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nachstehend
wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf 1A–3 beschrieben
werden. Der Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in vorteilhafter Weise in einem Kraftfahrzeug verwendet.
Die hier beschriebene Ausführungsform ist ein Ultraschallsensor
zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Ultraschallwellen werden
von einem auf dem Fahrzeug befindlichen Sender (Transmitter) aus gesendet
(übertragen), und die Ultraschallwellen, die an einem zu
erfassenden Objekt (z. B. einem Hindernis vor dem Fahrzeug) reflektiert
werden, werden durch den Ultraschallsensor empfangen, wodurch ein
Abstand von dem Fahrzeug zu dem Objekt und/oder Positionen des Objekts
erfasst werden.
-
Zuerst
wird anhand von 1A und 1B ein
Aufbau des Ultraschallsensors 10 beschrieben werden. Der
Ultraschallsensor 10 weist ein piezoelektrisches Element 11,
welches Ultraschallschwingungen in elektrische Signale umwandelt,
ein akustisches Anpassteil 12, welches die Ultraschallwellen empfängt
und Ultraschallschwingungen an das piezoelektrische Element 11 überträgt,
und eine Verarbeitungsschaltung 18, welche die ausgegebenen
Signale des piezoelektrischen Elements 11 verarbeitet, auf.
Das akustische Anpassteil 12, das piezoelektrische Element 11 und
die Verarbeitungsschaltung 18 sind mit einem dazwischen
vorgesehenen schwingungsdämpfenden Teil 13 in
einem Gehäuse 31 enthalten.
-
Das
Gehäuse 31 ist in ein Durchgangsloch 20a eingesetzt,
das in einem vorderen Stoßfänger 20 (vgl. 7)
ausgebildet ist. Das akustische Anpassteil 12 weist eine
Form eines rechteckigen Blocks auf und weist eine Empfangsoberfläche 12a,
eine Verbindungsoberfläche 12b und seitliche Oberflächen 12c auf.
Die Empfangsoberfläche 12a liegt außerhalb
des vorderen Stoßfängers 20 frei. Das
schwingungsdämpfende Teil 13 ist zwischen den
seitlichen Oberflächen 12c und einer inneren Wand
des Gehäuses 31 angeordnet, um eine Übertragung
der Ultraschallwellen zwischen dem Gehäuse 31 und
dem akustischen Anpassteil 12 zu unterdrücken.
-
Das
piezoelektrische Element 11 ist mittels eines leitfähigen
Klebstoffs 17 mit der Verbindungsoberfläche 12b des
akustischen Anpassteils 12 verbunden. Die Verarbeitungsschaltung 12 ist
auf einer unteren Wand des Gehäuses 31 positioniert
und über Drähte 19, 19a elektrisch
mit dem piezoelektrischen Element 11 verbunden.
-
Das
piezoelektrische Element 11 ist z. B. aus Bleizirkonattitanat
(PZT) hergestellt und in einem quadratischen Pfeiler ausgebildet.
Das piezoelektri sche Element 11 weist eine erste Oberfläche 11a,
die mit dem akustischen Anpassteil zu verbinden ist, und eine zweite
Oberfläche 11b, die der ersten Oberfläche 11a gegenüberliegt,
auf. Eine erste Elektrode 14 ist auf der ersten Oberfläche 11a ausgebildet,
und eine zweite Elektrode 15 ist auf der zweiten Oberfläche 11b ausgebildet.
Beide Elektroden 14, 15 sind durch Zerstäuben
(Sputtern) oder Plattieren von Pt, Cu oder anderen metallischen
Materialien ausgebildet. Alternativ können sie durch Backen
einer leitfähigen Paste ausgebildet sein. Die erste Oberfläche 11a des
piezoelektrischen Elements 11 liegt in einer rechteckigen
Form vor, die ein Paar von langen Seiten, die im Wesentlichen gleich
einer Breite W (gezeigt in 1A) des
akustischen Anpassteils 12 sind, und ein Paar von kurzen
Seiten, die kürzer als die Breite W sind, aufweist. Insbesondere
ist eine Fläche der ersten Oberfläche 1a kleiner
als eine Fläche der Verbindungsoberfläche 12b des
akustischen Anpassteils 12. Das piezoelektrische Element 11 ist
mit dem akustischen Anpassteil 12 verbunden, wie es in 1B gezeigt
ist, wobei ein Überhangbereich 16a ausgebildet
ist.
-
Das
akustische Anpassteil 12 ist aus einem Material hergestellt,
dessen akustische Impedanz größer als eine akustische
Impedanz von Luft ist und kleiner als diejenige des piezoelektrischen
Elements 11 ist. Das akustische Anpassteil 12 ist
in einer Form eines Pfeilers mit einem quadratischen Querschnitt ausgebildet.
Eine Länge seiner Seite beträgt W, wie es in 1A gezeigt
ist. Da die akustische Impedanz des akustischen Anpassteils 12 zwischen
derjenigen von Luft und derjenigen des piezoelektrischen Elements 11 liegt,
wird eine akustische Impedanzdifferenz an einer Grenze zwischen
dem Ultraschallsensor 10 und Luft kleiner. Demgemäß werden
die Ultraschallwellen an der Grenze (d. h., auf der Empfangsoberfläche 12a)
weniger reflektiert, und ein höherer Anteil der Ultraschallwellen
wird durch den Ultraschallsensor 10 empfangen.
-
Da
das akustische Anpassteil 12 vor dem piezoelektrischen
Element 11 angeordnet ist, wenn der Ultraschallsensor 10 an
dem vorderen Stoßfänger 20 angebracht
ist, dient das akustische Anpassteil 12 auch als ein Schutz
zum Verhindern, dass Wasser oder Staub das piezoelektrische Element
erreichen. Das akustische Anpassteil 12 ist aus einem
Kunstharzmaterial hergestellt, welches eine hohe Widerstandsfähigkeit
aufweist, wie etwa Polycarbonat. Da eine Temperaturabhängigkeit
eines Elastizitätskoeffizienten von Polycarbonatharz gering
ist, sind Änderungen in einer Wellenlänge der
Ultraschallwelle mit der Temperatur gering, und eine stehende Welle kann
stabil erzeugt werden.
-
Eine
leitfähige Schicht 16 ist auf der Verbindungsoberfläche 12b des
akustischen Anpassteils 12 durch Zerstäuben oder
Plattieren von Pt oder Cu oder durch Backen einer leitfähigen
Paste ausgebildet. Die leitfähige Schicht 16 bedeckt
eine gesamte Oberfläche der Verbindungsoberfläche 12b.
Das piezoelektrische Element 11 ist mittels eines leitfähigen Klebstoffs 17 (der
zwischen der ersten Elektrode 14 und der leitfähigen
Schicht 16 angeordnet ist) mit dem akustischen Anpassteil 12 verbunden.
-
Ein
Draht 19 ist mit dem Überhangbereich 16a durch
Drahtbonden oder Löten verbunden, und ein anderer Draht 19a ist
mit der zweiten Elektrode 15 verbunden. Das piezoelektrische
Element 11 ist über die Drähte 19, 19a elektrisch
mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden. Da der Überhangbereich 16a außerhalb
des piezoelektrischen Elements 11 freiliegt, ist es leicht,
den Draht 19 mit der leitfähigen Schicht 16 zu
verbinden.
-
Da
die Verbindungsoberfläche 12b des akustischen
Anpassteils 12 größer als eine erste Oberfläche 11a des
piezoelektrischen Elements 11 ist, ist eine durch eine
Einheitsfläche empfangene Energie in dem piezoelektrischen
Element 11 im Vergleich mit derjenigen in dem akustischen
Anpassteil 12 erhöht. Somit ist ein Wirkungsgrad
einer Energieübertragung erhöht. Vorzugsweise
ist die Verbindungsoberfläche 12b etwa mit dem
1,2-fachen der ersten Oberfläche des piezoelektrischen
Elements 11 hergestellt. Die Breite W des akustischen Anpassteils 12 ist
gleich oder kleiner als eine Hälfte einer Wellenlänge λa
der Ultraschallwelle in Luft hergestellt, und eine Dicke T ist zu ¼ einer
Wellenlänge λm der Ultraschallwelle in dem akustischen
Anpassteil 12 herge stellt. Wenn z. B. eine Frequenz der
Ultraschallwelle 65 kHz beträgt, beträgt die Breite
W etwa 2,6 mm und beträgt die Dicke T etwa 5 mm.
-
Durch
Vorsehen der Breite W zu ¼ der Wellenlänge λm
der Ultraschallwelle kann eine stehende Welle in dem akustischen
Anpassteil 12 erzeugt werden. Eine gegenseitige Auslöschung
zwischen den Ultraschallwellen, die in das akustische Anpassteil 12 eintreten,
und der Ultraschallwellen, die an einer Grenze zwischen dem akustischen
Anpassteil 12 und dem piezoelektrischen Element 11 reflektiert werden,
wird unterdrückt. Daher werden die Ultraschallwellen wirksam
an das piezoelektrische Element 11 übertragen.
-
Das
schwingungsdämpfende Teil 13 ist aus einem Material
hergestellt, welches eine akustische Impedanz aufweist, die geringer
als diejenige des akustischen Anpassteils 12 ist, und das
einen hohen Dämpfungsfaktor aufweist, wie etwa Silikonkautschuk.
Des Weiteren kann als ein Material des schwingungsdämpfenden
Bauteils 13 ein Material mit einem niedrigen Elastizitätskoeffizienten
und einer geringen Dichte wie etwa ein gummi- bzw. kautschukartiges
Material, ein Kunstharzschaum oder ein Schwamm verwendet werden.
Das schwingungsdämpfende Bauteil 13 ist zwischen
der inneren Wand des Gehäuses 31 und den seitlichen
Oberflächen 12c des akustischen Anpassteils 12 angeordnet
und dort mit einem Klebstoff fixiert. Eine Übertragung
der Ultraschallwellen von dem Stoßfänger 20 zu
dem akustischen Anpassteil 12, die ein Rauschen erzeugen
kann, wird durch das schwingungsdämpfende Bauteil 13 unterdrückt.
Da das Material, das einen geringen Elastizitätskoeffizienten
aufweist, Schwingungen des akustischen Anpassteils 12 nicht
stark zurückhält, ist eine Dämpfung der
Ultraschallwellen verringert. Daher ist eine Empfindlichkeit bei
der Erfassung der Ultraschallwellen verbessert.
-
Bei
dem Ultraschallsensor 10, der einen Aufbau aufweist, wie
er vorstehend beschrieben wurde, werden die Ultraschallwellen durch
die Empfangsoberfläche 12a des akustischen Anpassteils 12 empfangen
und über das akustische Anpassteil 12 auf das
piezoelektrische Element 11 übertragen. Die durch das
piezoelektrische Element 11 empfangenen Ultraschallschwingungen
werden in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen Signale
werden über die Verarbeitungsschaltung 18 in eine
an Bord befindliche elektronische Steuereinheit (nicht näher dargestellt)
eingespeist. Die elektronische Steuereinheit berechnet eine Zeitverzögerung
oder eine Phasendifferenz zwischen gesendeten und empfangenen Ultraschallwellen
auf der Grundlage der von der Verarbeitungsschaltung 18 aus
eingespeisten Signale. Positionen des Objekts und/oder ein Abstand
von dem Fahrzeug zu dem Objekt werden auf der Grundlage der Zeitverzögerung
oder der Phasendifferenz berechnet.
-
Vorteile,
die mit der ersten Ausführungsform erzielt werden, werden
nachstehend zusammengefasst. Da die Verbindungsoberfläche 12b des
akustischen Anpassteils 12 größer als
die erste Oberfläche 11a des piezoelektrischen
Elements 11 hergestellt ist, ist das piezoelektrische Element 11 vollständig mit
dem akustischen Anpassteil 12 verbunden, ohne einen nicht
verbundenen Bereich zu belassen. Daher liegen Schwingungen, die
unterschiedliche Phasen aufweisen, in dem akustischen Anpassteil
nicht vor, wird hierin kein Rauschen erzeugt und wird eine Dämpfung
von Schwingungen unterdrückt. Die Ultraschallwellen, die
von dem akustischen Anpassteil 12 empfangen werden, werden
wirksam auf das piezoelektrische Element 11 übertragen,
und hierdurch wird eine Empfindlichkeit bei der Erfassung der Ultraschallwellen
verbessert. Zusätzlich ist die Ultraschallwellenenergie
je Einheitsfläche in dem piezoelektrischen Element 11 erhöht,
da die Fläche der ersten Oberfläche 11a kleiner
als die Verbindungsoberfläche 12b des akustischen
Anpassteils 12 ist.
-
Da
der Überhangbereich 16a auf der leitfähigen
Schicht 16 auf der Verbindungsoberfläche 12b ausgebildet
ist, ist es leicht, den Draht 19 mit der leitfähigen
Schicht 16 zu verbinden. Das piezoelektrische Element 11 kann
im Vergleich mit einem Fall, in welchem ein Zuleitungsdraht zwischen
dem akustischen Anpassteil 12 und dem piezoelektrischen
Element 11 eingesetzt ist, fester mit dem akustischen Anpassteil 12 verbunden
werden.
-
Da
das akustische Anpassteil 12 aus einem Kunstharz vom Polycarbonattyp
hergestellt ist, welches einen Elastizitätskoeffizienten
aufweist, der sich mit der Temperatur nicht viel ändert,
können Änderungen in der Wellenlänge
der Ultraschallwellen mit der Temperatur unterdrückt werden.
Da das piezoelektrische Element 1 aus Bleizirkonatitanat
hergestellt ist, welches einen hohen piezoelektrischen Koeffizienten
aufweist, können die Ultraschallwellen bei einem niedrigen
Pegel empfangen werden, und die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors
ist verbessert.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen des Ultraschallsensors wird unter Bezugnahme
auf 2A–2C, welche
Seitenansichten zeigen, und 2D–2F,
welche Draufsichten von einer Seite des piezoelektrischen Elements
aus gesehen zeigen, erläutert werden. 2D–2F zeigen Draufsichten,
die jeweils den in 2A–2C gezeigten
Seitenansichten entsprechen. Bei diesem Herstellungsverfahren können
mehrere kombinierte Einheiten, die jeweils aus einem piezoelektrischen Element 11 und
einem akustischen Anpassteil 12 zusammengesetzt sind, zur
gleichen Zeit hergestellt werden.
-
Gemäß der
Darstellung in 2A und 2D wird
ein Block 32 (der aus einem Material wie etwa Polycarbonat
hergestellt ist) zum Ausbilden mehrerer akustischer Anpassteile 12 vorbereitet.
Auf einer Oberfläche des Blocks 32 wird eine leitfähige Schicht 16 durch
Zerstäuben oder Plattieren von Pt oder Cu oder Backen einer
leitfähigen Paste ausgebildet. Der Block 32 (und
die leitfähige Schicht 16) weist lange Seiten 32a und
kurze Seiten 32b auf, wie es in 2D gezeigt
ist.
-
Gemäß der
Darstellung in 2B und 2E wird
ein Block 36 (der aus einem Material wie etwa PZT hergestellt
ist) zum Ausbilden mehrerer piezoelektrischer Elemente 11 vorbereitet.
Auf einer ersten Oberfläche des Blocks 36 wird
eine Elektrode zum Herstellen der ersten Elektrode 14 in
gleicher Weise wie die leitfähige Schicht 16 ausgebildet.
Auf einer zweiten Oberfläche des Blocks 36 wird
auf ähnliche Weise eine andere Elektrode 35 zum
Herstellen der zweiten Elektrode 15 ausgebildet. Der Block 36 (und
die Elektrode 35) weist lange Seiten 36a, welche
von gleicher Länge wie die langen Seiten 32a des
Blocks 32 sind, und kurze Seiten 36b, welche kürzer
als die kurzen Seiten 32b des Blocks 32 sind, auf,
wie es in 2E gezeigt ist. Der Bock 32,
der die leitfähige Schicht 16 aufweist, und der
Block 36, der Elektroden 34, 35 aufweist,
werden mit einem leitfähigen Klebstoff 17 aufeinander
laminiert und miteinander verbunden, wie es in 2B und 2E gezeigt
ist. Auf diese Weise werden die Überhangbereiche 16a auf
beiden Seiten des Bocks 32 (der Elektrode 35)
ausgebildet, wie es in 2E gezeigt ist. Eine Breite
des Überhangbereichs 16 wird zu etwa 0,5 mm hergestellt,
sodass der Draht 19 durch Bonden oder Löten hiermit
verbunden werden kann.
-
Gemäß der
Darstellung in 2C und 2F wird
der laminierte Block (32 plus 36) in der laminierten
Richtung entlang den langen Seiten 36a und den kurzen Seiten 36b zerteilt
(Dicing), um hierdurch mehrere kombinierte Einheiten auszubilden, von
denen jede das piezoelektrische Element 11 und das akustische
Anpassteil 12 enthält. Jede kombinierte Einheit
weist den Überhangbereich 16a auf. Bei diesem
speziellen Beispiel wird ein Dicing einmal entlang der langen Seite 36a und
fünfmal entlang der kurzen Seite 36b durchgeführt,
wodurch zwölf Stücke von kombinierten Einheiten
hergestellt werden.
-
Wie
vorstehend beschrieben, werden durch nur einmaliges Ausführen
des Vorgangs zum Verbinden des Blocks 32 mit dem Block 36 mehrere
kombinierte Einheiten leicht hergestellt. Des Weiteren werden die
zwei Blöcke 32, 36 an einer richtigen
Position ohne Schrägstellung zueinander verbunden, da zwei Blöcke,
die eine vergleichsweise große Fläche aufweisen,
mit dem leitfähigen Klebstoff verbunden werden. Falls kleine
Stücke verbunden werden, nachdem sie ausgeschnitten wurden,
ist es schwierig, beide Stücke in einer aufrechten Stellung
zu halten. Falls zwei Stücke in einer schrägen
Stellung verbunden werden, wird die Erfassungsempfindlichkeit als ein
Ultraschallsensor negativ beeinflusst werden.
-
Die
kombinierte Einheit, die aus dem piezoelektrischen Element 11 und
dem akustischen Anpassteil 12 zusammengesetzt ist und gemäß vorstehender
Beschreibung hergestellt wird, wird elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden
und in das Gehäuse 31 eingebracht. Das akustische
Anpassteil 12 wird mittels des schwingungsdämpfenden Teils 13 an
einer Öffnung des Gehäuses 31 befestigt. Damit
wird der Ultraschallsensor 10 fertiggestellt.
-
Die
vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auf verschiedene
Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann, obschon das akustische Anpassteil 12 in
der ersten Ausführungsform aus einem Kunstharzmaterial
hergestellt ist, dieses aus anderen Materialien wie etwa Keramiken
oder Glas hergestellt sein, solange die Bedingung, dass eine akustische
Impedanz an das piezoelektrische Element 11 angepasst ist,
erfüllt ist und eine Beziehung zwischen der Wellenlänge
und den Abmessungen erfüllt ist. Da Keramiken oder Glas
eine ausgezeichnete Wetterbeständigkeit aufweisen, können
diese vorteilhaft verwendet werden, wenn eine solche Eigenschaft
für den Ultraschallsensor verlangt wird. Es ist nicht erforderlich,
die Verbindungsoberfläche 12b vollständig mit
der leitfähigen Schicht 16 zu bedecken. Die leitfähige
Schicht 16 muss wenigstens so ausgebildet sein, dass die
elektrische Verbindung mit der ersten Elektrode 14 hergestellt
und der Überhangbereich 16a zur Verbindung des
Drahts 19 bedeckt ist.
-
Gemäß der
Darstellung in 3 kann die erste Elektrode 14,
die auf der ersten Oberfläche 11a des piezoelektrischen
Elements 11 ausgebildet ist, weggelassen werden. In diesem
Fall wird die erste Oberfläche 11a mittels des
leitfähigen Klebstoffs 17 mit der auf dem akustischen
Anpassteil 12 ausgebildeten leitfähigen Schicht 16 verbunden.
Ein Vorgang des Ausbildens der Elektroden auf dem piezoelektrischen
Element 11 ist in einer gewissen Weise vereinfacht, da
nur die zweite Elektrode 15 auf dem piezoelektrischen Element 11 auszubilden
ist.
-
Das
piezoelektrische Element 11 kann mit einem mittleren Abschnitt
der Verbindungsoberfläche 12b verbunden sein.
Das piezoelektrische Element 11 kann aus anderen Materialien
als PZT wie etwa Quarzkristall, Zinkoxid, Lithiumniobat, Tantalsäure-Lithium
oder Polyvinylidenfluorid hergestellt sein.
-
Ein
Ultraschallsensor 40 als eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Bei
dieser Ausführungsform ist die leitfähige Schicht 16,
die auf der Verbindungsoberfläche 12b ausgebildet
ist, ausgedehnt, um eine gesamte Oberfläche des akustischen
Anpassteils 12 zu bedecken. Es ist auch möglich,
die leitfähige Schicht 16 so auszudehnen, dass
sie seine seitliche Oberfläche 12c teilweise bedeckt.
Die leitfähige Schicht 16 ist als ein dünner
Film so ausgebildet, dass sie eine Schwingung des akustischen Anpassteils 12 nicht
behindert. Die Verbindungsoberfläche 12b ist so
hergestellt, dass sie im Wesentlichen die gleiche Fläche
wie die erste Oberfläche 11a des piezoelektrischen
Elements 11 aufweist. Es ist jedoch möglich, die
Verbindungsoberfläche 12b größer
als die erste Oberfläche 11a des piezoelektrischen
Elements 11 herzustellen.
-
Die
erste Elektrode 14 ist in gleicher Weise wie bei der ersten
Ausführungsform mittels des leitfähigen Klebstoffs 17 mit
der leitfähigen Schicht 16 verbunden. Bei der
zweiten Ausführungsform ist der Draht 19 an die
leitfähige Schicht 16, die auf der seitlichen
Oberfläche des akustischen Anpassteils 12 ausgebildet
ist, gebondet und elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden.
Da die leitfähige Schicht 16 auch auf der seitlichen
Oberfläche des akustischen Anpassteils 12 ausgebildet
ist, kann der Draht 19 mit der leitfähigen Schicht 16 verbunden werden,
auch wenn kein Überhangbereich 16a vorhanden ist.
Die leitfähige Schicht 16 dient auch als ein Film,
der verhindert, dass Wasser oder Öl das akustische Anpassteil 12 berührt,
wodurch die Wasserbeständigkeit des akustischen Anpassteils 12 verbessert
wird. Bei der zweiten Ausführungsform ist es in dem Fall,
dass die Größe der ersten Oberfläche 11a vorbestimmt
ist, nicht erforderlich, die Verbindungsoberfläche 12b größer herzustellen
als die erste Oberfläche 11a. Demgemäß kann
der Ultraschallsensor 40 kompakt hergestellt werden.
-
Die
vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform kann in
eine in 5 gezeigte Form abgewandelt
werden. Bei dieser abgewandelten Form ist ein Verdrahtungsteil 41 auf
einer inneren Wand des Gehäuses 31 ausgebildet
und ist ein anderes Verdrahtungsteil 42 durch das schwingungsdämpfende Teil 13 hindurch
ausgebildet. Die leitfähige Schicht 16, die auf
der seitlichen Oberfläche 12c des akustischen
Anpassteils 12 ausgebildet ist, ist mittels der Verdrahtungsteile 42, 41 und
des Drahts 19 mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden.
D. h., die erste Elektrode 14, die auf der ersten Oberfläche 11a des
piezoelektrischen Elements 11 ausgebildet ist, ist mittels
des leitfähigen Klebstoffs 17, der leitfähigen Schicht 16,
der Verdrahtungsteile 42, 41 und des Drahts 19 elektrisch
mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden.
-
Bei
der abgewandelten Form, die in 5 gezeigt
ist, kann der Draht 19 kurz hergestellt sein und kann daher
eine Möglichkeit einer Drahtablösung verringert
werden. Anstelle des Verdrahtungsteils 41, das auf der
inneren Wand des Gehäuses 41 ausgebildet ist,
kann das Gehäuse 31 selbst aus einem leitfähigen
Material hergestellt sein oder kann ein metallischer Film auf der
inneren Wand des Gehäuses 31 ausgebildet sein.
Das schwingungsdämpfende Teil 13 kann aus einem
Material wie etwa einem leitfähigen Gummi bzw. Kautschuk
hergestellt sein, um hierdurch das Verdrahtungsteil 42 überflüssig
zu machen.
-
Ein
Ultraschallsensor 50 als eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform sind vier Paare kombinierter
Einheiten, von denen jede aus einem piezoelektrischen Element 11p–11s und
einem akustischen Anpassteil 12p–12s besteht,
in einer regelmäßigen Anordnung angeordnet. Bei
dieser Ausführungsform wird eine dreidimensionale Erfassung
von Positionen eines Objekts durchgeführt. In dem Gehäuse 31 sind
vier kombinierte Einheiten über das schwingungsdämpfende
Teil 13 enthalten und mittels Drähten 19, 19a elektrisch
mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden. Auf der Grundlage
von Phasendifferenzen unter den kombinierten Einheiten kann nicht
nur ein Abstand des Objekts von dem Fahrzeug, sondern auch eine
Position des Objekts erfasst werden.
-
Eine
Breite W (vgl. 6A) jedes elektrischen Anpassteils 12p–12s ist
gleich oder kleiner als eine Hälfte einer Wellenlänge λa
der Ultraschallwelle in Luft (W ≤ 1/2 λa) hergestellt,
und ein Abstand d (vgl. 6A) zwischen
den kombinierten Einheiten ist gleich einer Hälfte der
Wellenlänge hergestellt (d = 1/2 λa). Zeitdifferenzen
zwischen den kombinierten Einheiten können auf der Grundlage
von Phasendifferenzen unter den Ultraschallwellen, die durch die kombinierten
Einheiten empfangen werden, mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Der Abstand zu dem Objekt und Positionen des Objekts werden genau
erfasst.
-
Die
Anzahl der kombinierten Einheiten ist nicht auf vier Einheiten beschränkt,
sondern kann gemäß jeweiligen Anwendungen des
Ultraschallsensors 50 festgelegt sein. Beispielsweise werden
nur zwei Einheiten benötigt, um eine zweidimensionale Erfassung
durchzuführen. Abgewandelte Formen der ersten und der zweiten
Ausführungsform können auf die dritte Ausführungsform
ebenso angewendet werden. Da bei der dritten Ausführungsform
mehrere kombinierte Einheiten verwendet werden, kann nicht nur der
Abstand des Objekts von dem Fahrzeug, sondern auch Positionen des
Objekts erfasst werden. Da die Zeitdifferenzen unter den Ultraschallwellen,
die durch mehrere kombinierte Einheiten empfangen werden, aus den
Phasendifferenzen derselben erfasst werden, kann die Erfassungsgenauigkeit
des Ultraschallsensors 50 verbessert werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf
vielfältige Weise abgewandelt werden. Gemäß der
Darstellung in 7 kann der Ultraschallsensor
an verschiedenen Stellen des Kraftfahrzeugs angebracht sein. Wenn
er an einer Scheinwerferabdeckung 21 angebracht ist, wird ein
Hindernis vor dem Fahrzeug sicher erkannt, da die Ultraschallwellen,
die an dem voraus befindlichen Hindernis reflektiert werden, nicht
durch irgendwelche Abschnitte des Fahrzeugs gestört werden.
Wenn der Ultraschallsensor auf einer Blinkerabdeckung 22 oder
einem Türspiegel 23 angebracht ist, wird ein Hindernis,
welches sich seitlich des Fahrzeugs befindet, wirksam erfasst. Wenn
der Ultraschallsensor auf einer Rücklichtabdeckung 24 oder
auf einer Rückfahrscheinwerferabdeckung 25 angebracht
ist, kann ein Hindernis, welches sich hinter dem Fahrzeug befindet,
erfasst werden.
-
Während
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorstehenden,
bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist,
wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass Änderungen
in Form und Einzelheiten hieran vorgenommen werden können,
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den beigefügten
Ansprüchen definiert ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2002-354591
A [0003]