DE102008032519A1 - Ultraschallsensor und Verfahren zu dessen Fertigung - Google Patents

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Yasuyuki Kariya Okuda
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Abstract

Ein Ultraschallsensor weist ein piezoelektrisches Element (11) und ein Schallanpassungselement (12) auf, die miteinander verbunden sind, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden. Die Ultraschalldetektorbasis wird durch einen sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckenden Zwischenraum (16) unterteilt, um eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Ultraschalldetektoren (13p-13s) zu bilden. Der Zwischenraum (16) unterteilt die Ultraschalldetektorbasis derart nicht vollständig, dass die Ultraschalldetektoren (13p-13s) durch einen Abschnitt (17) der Ultraschalldetektorbasis miteinander verbunden sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, der aus einem mit einem Schallanpasselement verbundenen piezoelektrischen Element aufgebaut ist, und ein Verfahren zur Fertigung des Ultraschallsensors.
  • Es ist ein Ultraschallsensor bekannt, der ein mit einer aus Harz oder dergleichen aufgebauten Schallanpassschicht verbundenes piezoelektrisches Element aufweist. Bei solch einem Ultraschallsensor sendet ein Ultraschallsender eine Ultraschallwelle aus, wird die ausgesendete Ultraschallwelle von einem zu erfassenden Objekt reflektiert und empfängt der Ultraschalldetektor die reflektierte Ultraschallwelle. Der Ultraschallsensor kann den Abstand zum Objekt auf der Grundlage der empfangenen Ultraschallwelle erfassen.
  • Wenn ein Ultraschallsensor mehrere Ultraschalldetektoren aufweist, die in einem Array angeordnet sind, können eine Position und eine Form des Objekts auf der Grundlage von Zeit- und Phasendifferenzen zwischen den von den jeweiligen Ultraschalldetektoren empfangenen Ultraschallwellen erfasst werden.
  • Die JP-A-2006-234523 offenbart beispielsweise einen Ultraschallsensor, bei dem eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren in einem Gittermuster angeordnet ist. Die JP-A-S54-61590 offenbart einen Ultraschallsensor, bei dem ein an eine Schallanpassschicht geklebter piezoelektrischer Körper durch einen Schlitz in eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Teilen unterteilt ist.
  • Bei dem in der JP-A-2006-234523 offenbarten Ultraschallsensor ist eine hohe Anzahl von Arbeitsstunden erforderlich, um die Ultraschalldetektoren in dem Gittermuster anzuordnen. Dabei ist es ferner schwierig, die Ultraschalldetektoren in genauen Positionen zueinander anzuordnen. Bei dem in der JP-A-S54-61590 offenbarten Ultraschallsensor ist die Schallanpassschicht nicht unterteilt, obgleich der piezoelektrische Körper in eine Mehrzahl von Teilen unterteilt ist. Folglich kann eine sich in der Schallanpassschicht ausbreitende Ultraschallwelle nicht geteilt werden. Dies führt dazu, dass Rauschen entsteht und eine Schwingung der Ultraschallwelle gedämpft (d. h. abgeschwächt) wird. Das Rauschen und die Schwingungsdämpfung können zu einer Verringerung der Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors führen.
  • Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor mit einer hohen Empfindlichkeit bereitzustellen, der eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren aufweist, die genau in einem Array angeordnet ist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Fertigung des Ultraschallsensors bereitzustellen.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor ein piezoelektrisches Element und ein mit dem piezoelektrischen Element verbundenes Schallanpasselement auf. Das piezoelektrische Element erfasst eine von einem zu erfassenden Ziel reflektierte Ultraschallwelle. Das piezoelektrische Element weist einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode auf, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers gebildet sind. Das Schallanpasselement weist eine Befestigungsoberfläche und eine auf der gegenüberliegenden Seite der Befestigungsoberfläche liegende Empfangsoberfläche auf. Die erste Elektrode des piezoelektrischen Elements ist mit der Befestigungsoberfläche des Schallanpasselements verbunden, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden. Die Empfangsoberfläche des Schallanpasselements ist nach Außerhalb des Sensors freigelegt, um die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen. Das Schallanpasselement bewirkt, dass sich die an der Empfangsoberfläche empfangene Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Element ausbreitet. Die Ultraschalldetektorbasis ist durch einen sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckenden Zwischenraum in eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren unterteilt. Die an der Empfangsoberfläche empfangene Ultraschallwelle wird durch den Zwischenraum geteilt und einzeln von den jeweiligen Ultraschalldetektoren erfasst. Die Ultraschalldetektoren sind durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden. Das Verbindungsstück ist durch einen Abschnitt der Ultraschalldetektorbasis gebildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors die folgenden Schritte auf: Vorbereiten eines piezoelektrischen Elements, das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers aufweist; Vorbereiten eines Schallanpasselements, das eine Ultraschallwellenempfangsoberfläche und eine auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche liegende Befestigungsoberfläche aufweist; Verbinden der ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements mit der Befestigungsoberfläche des Schallanpasselements, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden; und Bilden eines Zwischenraums in der Ultraschalldetektorbasis, um die Ultraschalldetektorbasis in eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren zu unterteilen. Der Zwischenraum erstreckt sich von wenigstens entweder der Empfangsoberfläche oder der zweiten Elektrode in einer Richtung zwischen der Empfangsoberfläche und der zweiten Elektrode. Der Schritt zum Bilden des Zwischenraums weist einen Schritt zum Zurücklassen eines Abschnitts der Ultraschalldetektorbasis in einer Erstreckungsrichtung des Zwischenraums auf. Der Abschnitt dient als Verbindungsstück zur Verbindung der Ultraschalldetektoren miteinander.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors die folgenden Schritte auf: Vorbereiten eines piezoelektrischen Elements, das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers aufweist; Bilden eines ersten Zwischenraums im piezoelektrischen Element, um das piezoelektrische Element in eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen zu unterteilen; Vorbereiten eines Schallanpasselements mit einer Ultraschallwellenempfangsoberfläche und einer auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche liegenden Befestigungsoberfläche; Bilden eines zweiten Zwischenraums im Schallanpasselement, um das Schallanpasselement in eine Mehrzahl von Schallanpasselementen zu unterteilen; und Verbinden der ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements derart mit der Befestigungsoberfläche des Schallanpasselements, dass die erste und die zweite Öffnung fluchten.
  • Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt/zeigen:
  • 1A eine Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 1B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IB-IB in der 1A;
  • 2A2C grafische Darstellungen eines Verfahrens zur Fertigung des in den 1A, 1B gezeigten Ultraschallsensors;
  • 3 eine Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform;
  • 5 eine Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7A7C grafische Darstellungen eines Verfahrens zur Fertigung des in der 6 gezeigten Ultraschallsensors;
  • 8 eine Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform; und
  • 9A eine Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, und 9B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IXB-IXB in der 9A.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Der Ultraschallsensor 10 kann beispielsweise an einem Fahrzeug befestigt und als Sensor zur Erfassung eines Hindernisses verwendet werden.
  • Der Ultraschallsensor 10 weist, wie in den 1A, 1B gezeigt, vier Ultraschalldetektoren (d. h. Ultraschallerfassungselemente) 13p13s, eine Schaltvorrichtung 18 und ein Gehäuse 31 auf. Die Ultraschalldetektoren 13p13s sind aus einem piezoelektrischen Element 11 und einem Schallanpasselement 12 aufgebaut. Die Ultraschalldetektoren 13p13s sind in einem Array bestehend aus zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet und durch ein Verbindungsstück 17 miteinander verbunden. Die Schaltvorrichtung 18 verarbeitet die von den Ultraschalldetektoren 13p13s ausgegebenen Spannungssignale. Die Ultraschalldetektor 13p13s und die Schaltvorrichtung 18 sind im Gehäuse 31 untergebracht. Bei der ersten Ausführungsform ist der Ultraschallsensor 10 an einer Stoßstange 51 des Fahrzeugs befestigt und dazu ausgelegt, eine dreidimensionale Position des Hindernisses zu erfassen.
  • Da die Ultraschalldetektoren 13p13s den gleichen Aufbau aufweisen, wird nachstehend einzig der Ultraschalldetektor 13p als Beispiel beschrieben. Der Ultraschalldetektor 13p weist ein piezoelektrisches Element 11p und ein mit dem piezoelektrischen Element 11p verbundenes Schallanpasselement 12p auf. Das Schallanpasselement 12p empfängt eine Ultraschallwelle, die von einem Ultraschallsender (nicht gezeigt) in einen Bereich vor dem Fahrzeug ausgesendet und anschließend vom vor dem Fahrzeug befindlichen Hindernis reflektiert wird. Das Schallanpasselement 12p bewirkt, dass sich die empfangene Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Element 11p ausbreitet. Das piezoelektrische Element 11p erfasst die sich ausbreitende Ultraschallwelle. Das piezoelektrische Element 11p weist eine erste Elektrode 14p und eine zweite Elektrode 15 auf. Die erste und die zweite Elektrode 14p, 15 sind über entsprechende elektrische Drähte 19 elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden.
  • Die Schallanpasselemente 12p12s der Ultraschalldetektoren 13p13s sind aus dem Schallanpasselement 12 gebildet. Das Schallanpasselement 12 weist eine Empfangsoberfläche 12a zum Empfangen der Ultraschallwelle auf. Die Empfangsoberfläche 12a weist eine Öffnung 12b in Form eines Kreuzes auf. Die Öffnung 12b erstreckt sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung (d. h. in einer Aufwärts- Abwärts-Richtung in der 1B), um einen schlitzförmigen Zwischenraum 16 in Form eines Kreuzes zu bilden. Das Schallanpasselement 12 wird durch den Zwischenraum 16 in die vier Schallanpasselemente 12p12s unterteilt. Folglich sind die Schallanpasselemente 12p12s in einem Array bestehend aus zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet. Jedes der Schallanpasselemente 12p12s weist die Form eines rechteckigen Zylinders mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf. Ein Abstand D zwischen Mitten, d. h. den Mittelpunkten, benachbarter Schallanpasselemente 12p12s ist auf die halbe Wellenlänge der Ultraschallwelle gesetzt.
  • Das Schallanpasselement 12 ist aus einem Material aufgebaut, das eine höhere akustische Impedanz als Luft und eine geringere akustische Impedanz als das piezoelektrische Element 11 aufweist. Das Schallanpasselement 12 kann beispielsweise aus einem Harzmaterial, wie beispielsweise einem Material aus der Gruppe der Polycarbonate, das eine hohe Lebensdauer aufweist, gebildet sein. Eine Seitenwand des Schallanpasselements 12 nahe der Empfangsoberfläche 12a ist über einen Schwingungsdämpfer 41 an einer inneren Seitenwand des Gehäuses 31 nahe einer Öffnung des Gehäuses 31 befestigt. Der Schwingungsdämpfer 41 soll verhindern, dass die Ultraschallwelle über das Gehäuse 31 auf das Schallanpasselement 12 übertragen wird.
  • Eine Breite W des Schallanpasselements 12 ist auf einen Wert von kleiner oder gleich der halben Wellenlänge einer Ultraschallwelle in Luft gesetzt. Eine Dicke T des Schallanpasselements 12 ist auf eine viertel Wellenlänge einer Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12 gesetzt. Wenn die Ultraschallwelle beispielsweise eine Frequenz von 65 kHz aufweist, wird die Breite W auf ungefähr 2,6 mm und die Dicke T auf ungefähr 5 mm gesetzt.
  • Da die Dicke T des Schallanpasselements 12 auf eine viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12 gesetzt ist, wird im Schallanpasselement 12 eine stehende Welle erzeugt. Folglich kann eine Interferenz und Auslöschung zwischen einer einfallenden Ultraschallwelle in das Schallanpasselement 12 und einer an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und dem Schallanpasselement 12 reflektierten Ultraschallwelle verringert werden. Dies führt dazu, dass sich die in das Schallanpasselement 12 einfallende Ultraschallwelle effizient zum piezoelektrischen Element 11 ausbreiten kann.
  • Die Öffnung 12b des Schallanpasselements 12 ist mit einem Dichtungsmaterial 42 gefüllt, das einen geringeren Elastizitätskoeffizienten als das Schallanpasselement 12 aufweist. Das Dichtungsmaterial 42 kann beispielsweise aus Kautschuk, Gel oder dergleichen aufgebaut sein. Folglich verhindert das Dichtungsmaterial 42, dass ein Fremdstoff, wie beispielsweise Wasser (Feuchtigkeit) in den Zwischenraum 16 eindringt, ohne dabei die Ausbreitung der Ultraschallwelle zu beeinflussen. Alternativ kann nicht nur die Öffnung 12b, sondern ebenso der Zwischenraum 16 mit dem Dichtungsmaterial 42 gefüllt sein. Bei solch einem Ansatz wird die strukturelle Festigkeit des Schallanpasselements 12 derart erhöht, dass die strukturelle Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert werden kann.
  • Das piezoelektrische Element 11 weist einen piezoelektrischen Körper und ein Elektrodenpaar bestehend aus einer ersten und einer zweiten Elektrode 14, 15 auf. Der piezoelektrische Körper weist die Form eines rechteckigen Zylinders auf und ist beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) aufgebaut. Der piezoelektrische Körper weist einen Querschnitt auf, dessen Form einer Form eines Querschnitts des Schallanpasselements 12 entspricht. Die erste und die zweite Elektrode 14, 15 sind derart auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers gebildet, dass der piezoelektrische Körper zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 14, 15 angeordnet ist. Die erste und die zweite Elektrode 14, 15 können beispielsweise durch eine Plattierung oder durch Sputtern von Platin (Pt) oder Kupfer (Cu) oder durch eine thermische Behandlung bzw. Backen einer leitfähigen Paste gebildet werden. Da Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) eine hohe piezoelektrische Konstante aufweist, kann das piezoelektrische Element eine Ultraschallwelle selbst dann erfassen, wenn diese einen geringen Schalldruck aufweist. Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert werden.
  • Der Zwischenraum 16 erstreckt sich vom Schallanpasselement 12 teilweise in das piezoelektrische Element 11, um so einen oberen Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 in vier piezoelektrische Elemente 11p11s zu unterteilen, die Form aufweisen, die mit den Schallanpasselementen 12p12s übereinstimmen. Der Zwischenraum 16 erreicht einen unteren Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 nicht, so dass die piezoelektrischen Elemente 11p11s durch den unteren Abschnitt miteinander verbunden werden können. Folglich dient der untere Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 als das Verbindungsstück 17.
  • Die zwischen dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen Element 11 angeordnete erste Elektrode 14 wird, wie in 1B gezeigt, durch den Zwischenraum 16 in vier erste Elektroden 14p14s unterteilt, die Formen entsprechend den Schallanpasselementen 12p12s aufweisen. Die Bezugszeichen 14r, 14s sind in der Zeichnung nicht gezeigt. Da der Zwischenraum 16 nicht bis zum unteren Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 reicht, wird die zweite Elektrode 15 im Gegensatz zur ersten Elektrode nicht durch den Zwischenraum 16 unterteilt. Folglich wird die zweite Elektrode 15 von den piezoelektrischen Elementen 11p11s gemeinsam genutzt, während die ersten Elektroden 14p14s in einer 1:1-Verteilung für die piezoelektrischen Elemente 11p11s vorgesehen sind.
  • Leitfähige Kontaktstellen 11a sind auf den Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente 11p11s gebildet und jeweils elektrisch mit den ersten Elektroden 14p14s der piezoelektrischen Elemente 11p11s verbunden. Die Kontaktstellen 11a sind elektrisch mit den elektrischen Drähten 19 verbunden, die mit der Schaltvorrichung 18 verbunden sind, die auf einer inneren Bodenoberfläche des Gehäuses 31 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 15 der piezoelektrischen Elemente 11p11s ist ohne die leitfähige Kontaktstelle 11a über den elektrischen Draht 19 mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden. Folglich sind die piezoelektrischen Elemente 11p11s elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden. Da die zweite Elektrode 15 von den piezoelektrischen Elementen 11p11s gemeinsam genutzt wird, kann die Anzahl der elektrischen Drähte 19, die zur elektrischen Verbindung der piezoelektrischen Elemente 11p11s mit der Schaltvorrichtung 18 benötigt wird, verringert werden. Gleich der zweiten Elektrode 15 können die ersten Elektroden 14p14s ohne die leitfähigen Kontaktstellen 11a direkt mit den elektrischen Drähten 19 verbunden werden.
  • Der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform ist, wie vorstehend beschrieben, derart aufgebaut, dass das Schallanpasselement 12 und das piezoelektrische Element 11 durch den Zwischenraum 16 unterteilt werden, um die vier Ultra schalldetektoren 13p13s zu bilden, die durch das Verbindungsstück 17 miteinander verbunden sind. Folglich können die Ultraschalldetektoren 13p13s derart einteilig bzw. kombiniert gebildet werden, dass benachbarte Ultraschalldetektoren 13p13s in gleicher Weise mit einem vorbestimmten Abstand (d. h. der Breite des Zwischenraums 16) beabstandet voneinander angeordnet sind. Folglich können die Ultraschalldetektoren 13p13s verglichen mit einem Fall, bei welchem die Ultraschalldetektoren einzeln gebildet werden, genau in einem Array angeordnet werden.
  • Der Ultraschallsensor 10 erfasst ein Hindernis wie folgt. Nachstehend wird ein Fall als Beispiel aufgezeigt, bei welchem das Schallanpasselement 12p des Schallanpasselements 12 eine von einem Hindernis reflektierte Ultraschallwelle empfängt. Eine Ultraschallwelle wird von einem Ultraschallsender (nicht gezeigt) ausgesendet und von dem Hindernis reflektiert. Die reflektierte Ultraschallwelle wird an der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12p empfangen. Die empfangene Ultraschallwelle breitet sich durch das Schallanpasselement 12p aus und erreicht das piezoelektrische Element 11p. Das piezoelektrische Element 11p erfasst die Ultraschallwelle und wandelt die Ultraschallwelle in ein Spannungssignal. Das Spannungssignal wird über die Schaltvorrichtung 18 zu einer Verarbeitungsschaltung, wie beispielsweise einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs, übertragen. Die Verarbeitungsschaltung führt Berechnungen auf der Grundlage des vom piezoelektrischen Element 11p ausgegebenen Spannungssignals aus. Auf diese Weise kann das Hindernis erfasst werden.
  • Im obigen Fall breitet sich die von der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12p empfangene Ultraschallwelle nicht zu den anderen Schallanpasselementen 12q12s aus, da das Schallanpasselement 12p durch den Zwischenraum 16 von den anderen Schallanpasselementen 12q12s getrennt wird. Folglich wird die vom Schallanpasselement 12p empfangene Ultraschallwelle einzig zum piezoelektrischen Element 11p übertragen. Das heißt, die vom Schallanpasselement 12p empfangene Ultraschallwelle wird nicht zu den anderen piezoelektrischen Elementen 11q11s übertragen.
  • Gemäß dem Ultraschallsensor 10 wird die Empfangsoberfläche 12a zum Empfangen der reflektierten Ultraschallwelle, wie vorstehend beschrieben, derart durch den Zwischenraum 16 unterteilt, dass die empfangene Ultraschallwelle einzeln zu den jeweiligen Ultraschalldetektoren 13p13s übertragen und von den jeweiligen Ultraschalldetektoren 13p13s erfasst werden kann. Bei solch einem Ansatz wird eine derart gute Übersprechcharakteristik erzielt, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert werden kann.
  • Ein Abstand zum Hindernis und eine Position des Hindernisses können auf der Grundlage von Zeit- und Phasendifferenzen zwischen den von den Ultraschalldetektoren 13p13s empfangenen Ultraschallwellen gemessen werden. Da der Abstand D zwischen den Mitten benachbarter Schallanpasselemente 12p12s auf die halbe Wellenlänge der Ultraschallwelle gesetzt ist, können die Zeitdifferenzen auf der Grundlage der Phasendifferenzen erfasst werden. Folglich können die Zeitdifferenzen derart genau erfasst werden, dass der Abstand zum Hindernis und die Position des Hindernisses genau gemessen werden können.
  • Die Anzahl und die Anordnung der Ultraschalldetektoren können in Abhängigkeit der beabsichtigten Anwendung des Ultraschallsensors 10 variieren. Wenn der Ultraschallsensor 10 beispielsweise zwei Ultraschalldetektoren aufweist, kann der Ultraschallsensor 10 eine zweidimensionale Position eines Hindernisses erfassen. Der Ultraschallsensor 10 kann ferner beispielsweise sechs Ultraschalldetektoren aufweisen, die in einem Array bestehend aus drei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zur Fertigung des Ultraschallsensors 10 unter Bezugnahme auf die 2A2C beschrieben. Zunächst werden, wie in 2A gezeigt, ein Material 32 für ein Schallanpasselement und ein Material 36 für ein piezoelektrisches Element vorbereitet. Das Material 32 für ein Schallanpasselement kann beispielsweise ein aus Polycarbonat gebildeter Harzblock sein. Elektroden 34, 35 werden durch eine Plattierung oder durch Sputtern von Platin (Pt) oder Kupfer (Cu) oder durch eine thermische Behandlung bzw. Backen einer leitfähigen Paste auf gegenüberliegenden Oberflächen des Materials 36 für ein piezoelektrisches Element vorgeformt. Das Material 32 für ein Schallanpasselement wird beispielsweise unter Verwendung eines Klebemittels auf eine Oberfläche der Elektrode 34 geklebt. Auf diese Weise werden das Material 32 für ein Schallanpasselement und das Material 36 für ein piezoelektrisches Element miteinander verbunden, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden.
  • Anschließend wird, wie in 2B gezeigt, eine Halb-Schnitt-(Half-Cut)-Vereinzelung von einer Oberfläche des Materials 32 für ein Schallanpasselement in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung auf die Ultraschalldetektorbasis ausgeübt, so dass die Ultraschalldetektorbasis halb geschnitten wird und ein Gittermuster aufweist.
  • Auf diese Weise werden eine Öffnung in der Oberfläche des Materials 32 für ein Schallanpasselement und ein sich von der Öffnung in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckender Zwischenraum 16 gebildet. Der Zwischenraum 16 erstreckt sich durch die Elektrode 34 in das Material 36 für ein piezoelektrisches Element, erreicht die Elektrode 35 jedoch nicht. Folglich dient ein Abschnitt des Materials 36 für ein piezoelektrisches Element, der vor dem Zwischenraum 16 angeordnet ist, als das Verbindungsstück 17, durch welches die Ultraschalldetektoren 13p13s miteinander verbunden werden. Das Verbindungsstück 17 ist derart ausgebildet, dass die Ultraschalldetektoren 13p13s derart miteinander verbunden werden können, dass sie eine angemessene strukturelle Festigkeit aufweisen.
  • Anschließend wird die Ultraschalldetektorbasis, wie in 2C gezeigt, durch eine Vereinzelung entlang der Mitte zwischen benachbarten Zwischenräumen 16 geschnitten. Auf diese Weise wird die Ultraschalldetektorbasis in vier Ultraschalldetektoren 13p13s unterteilt, die in einem Array angeordnet und durch das Verbindungsstück 17 miteinander verbunden sind. Obgleich die 2A2C einen Fall aufzeigen, bei welchem der Ultraschallsensor 10 mit vier Ultraschalldetektoren 13p13s gebildet wird, kann die Anzahl der Ultraschalldetektoren im Ultraschallsensor 10 geändert werden, indem eine Schnittposition, an welcher die Ultraschalldetektorbasis geschnitten wird, geändert wird.
  • Anschließend werden die Ultraschalldetektoren 13p13s über die elektrischen Drähte 19 elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden und im Gehäuse 31 untergebracht. Anschließend wird die Seitenwand des Schallanpasselements 12 nahe der Empfangsoberfläche 12a über den Schwingungsdämpfer 41 an der inneren Sei tenwand des Gehäuses 31 nahe der Öffnung des Gehäuses 31 befestigt. Auf diese Weise wird der in der 1 gezeigte Ultraschallsensor 10 gebildet.
  • Gemäß dem Verfahren zur Fertigung des Ultraschallsensors 10 wird der Zwischenraum 16, wie vorstehend beschrieben, gebildet, indem die Halb-Schnitt-Vereinzelung auf den Verbundkörper bestehend aus dem Material 32 für ein Schallanpasselement und dem Material 36 für ein piezoelektrisches Element angewandt wird. Anschließend wird der den Zwischenraum 16 aufweisende Verbundkörper durch eine Vereinzelung getrennt. Bei solch einem Ansatz können auf einfache Weise vier Ultraschalldetektoren 13p13s, die durch das Verbindungsstück 17 miteinander verbunden werden, gebildet werden, so dass die Kosten zur Fertigung des Ultraschallsensors 10 verringert werden können. Ferner können die Ultraschalldetektoren 13p13s verglichen mit einem Fall, bei welchem die Ultraschalldetektoren einzeln gebildet werden, genau in einem Array angeordnet werden.
  • Der Ultraschallsensor 10 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet werden. Der Zwischenraum 16 kann beispielsweise nur das Schallanpasselement 12 unterteilen, so dass das piezoelektrische Element 11 nicht durch den Zwischenraum 16 unterteilt wird. In diesem Fall wird die erste Elektrode 14 in getrennten Verdrahtungsmustern gemäß den jeweiligen Ultraschalldetektoren 13p13s vorgeformt.
  • Das Schallanpasselement 12 kann aus einem von Harz verschiedenen Material gebildet sein. Das Schallanpasselement 12 kann beispielsweise aus Keramik, Glas oder dergleichen, die gegenüber Umwelteinflüssen beständig sind, gebildet sein.
  • Das piezoelektrische Element 11 kann aus einem von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verschiedenen Material gebildet sein. Das piezoelektrische Element 11 kann beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Quarz, Zinkoxid, Lithiumniobat, Lithiumtantalit oder dergleichen gebildet sein. Insbesondere ist eine Differenz der akustischen Impedanz zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und dem Schallanpasselement 12 gering, wenn das piezoelektrische Element 11 aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) gebildet ist, so dass die Ultraschallwelle wirksam vom Schallanpasselement 12 zum piezoelektrische Element 11 übertragen werden kann.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform weist der Ultraschallsensor 10 eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren 13p13s auf, die in einem Array angeordnet sind. Die Ultraschalldetektoren 13p13s sind aus dem piezoelektrischen Element 11 und dem Schallanpasselement 12 aufgebaut, die durch den sich in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckenden Zwischenraum 16 unterteilt sind. Bei solch einem Ansatz kann die an der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 empfangene Ultraschallwelle einzeln zu den jeweiligen Ultraschalldetektoren 13p13s übertragen und einzeln von den jeweiligen Ultraschalldetektoren 13p13s erfasst werden. Folglich kann eine derart gute Übersprechcharakteristik erzielt werden, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert werden kann. Ferner sind die Ultraschalldetektoren 13p13s durch das Verbindungsstück 17 miteinander verbunden. Folglich können die Ultraschalldetektoren 13p13s derart einteilig gebildet werden, dass benachbarte Ultraschalldetektoren 13p13s in gleicher Weise in dem vorbestimmten Abstand beabstandet voneinander angeordnet sind. Folglich können die Ultraschalldetektoren 13p13s verglichen mit einem Fall, bei welchem die Ultraschalldetektoren einzeln gebildet werden, genau in einem Array angeordnet werden.
  • Der Abstand D zwischen den Mitten benachbarter Schallanpasselemente 12p12s ist auf die halbe Wellenlänge der Ultraschallwelle gesetzt. Bei solch einem Ansatz können die Zeitdifferenzen zwischen den empfangenen Ultraschallwellen auf der Grundlage der Phasendifferenzen zwischen den empfangenen Ultraschallwellen erfasst werden. Folglich können die Zeitdifferenzen derart genau erfasst werden, dass der Abstand zum Hindernis und die Position des Hindernisses genau gemessen werden können.
  • Da die zweite Elektrode 15 von den Ultraschalldetektoren 13p13s gemeinsam genutzt wird, kann die Anzahl der elektrischen Drähte 19, die benötigt wird, um die Ultraschalldetektoren 13p13s elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 zu verbinden, reduziert werden.
  • Die Öffnung 12b des Schallanpasselements 12 ist mit dem Dichtungsmaterial 42 gefüllt, das einen geringeren Elastizitätskoeffizienten als das Schallanpasselement 12 aufweist. Folglich verhindert das Dichtungsmaterial 42, dass ein Fremdstoff, wie beispielsweise Wasser, in den Zwischenraum 16 eindringt, ohne dabei die Ausbreitung der Ultraschallwelle zu beeinflussen. Ferner verbessert das Dichtungsmaterial 42 die strukturelle Festigkeit des Schallanpasselements 12.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Der Ultraschallsensor 20 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich dabei wie folgt vom Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform.
  • Bei der ersten Ausführungsform dient der untere Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 als das Verbindungsstück 17, durch welches die Ultraschalldetektoren 13p13s miteinander verbunden werden. Bei der zweiten Ausführungsform dient demgegenüber der obere Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 als das Verbindungsstück 17.
  • Die Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 weist, wie in 3 gezeigt, eine Öffnung 12b in Form eines Kreuzes auf. Die Öffnung 12b erstreckt sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung (d. h. in einer Aufwärts-Abwärts-Richtung in der 3), um einen ersten Zwischenraum 16a zu bilden. Der erste Zwischenraum 16a erstreckt sich bis kurz oberhalb der ersten Elektrode 14 des piezoelektrischen Elements 11. Das Schallanpasselement 12 wird durch den ersten Zwischenraum 16a in vier Schallanpasselemente 12p12s unterteilt. Die Bezugszeichen 12r, 12s sind in der 3 nicht gezeigt.
  • Die zweite Elektrode 15 des piezoelektrischen Elements 11 weist eine Öffnung 15b in Form eines Kreuzes entsprechend der Öffnung 12b auf. Die zweite Elektrode 15 wird durch die Öffnung 15b in vier zweite Elektroden 15p15s unterteilt. Die zweiten Elektroden 15p15s sind über die elektrischen Drähte 19 jeweils mit der Schaltvorrichtung verbunden. Die Bezugszeichen 15r, 15s sind in der 3 nicht gezeigt.
  • Die Öffnung 15b erstreckt sich in einer Richtung (d. h. in einer Abwärts-Aufwärts-Richtung in der 3) entgegengesetzt zur Ultraschallwellenausbreitungs richtung, um einen zweiten Zwischenraum 16b zu bilden. Der erste und der zweite Zwischenraum 16a, 16b fluchten in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung. Der zweite Zwischenraum 16b erstreckt sich teilweise in das piezoelektrische Element 11, um so einen unteren Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 in vier piezoelektrische Elemente 11p11s zu unterteilen. Der zweite Zwischenraum 16b reicht nicht bis zu einem oberen Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11, so dass die piezoelektrischen Elemente 11p11s durch den oberen Abschnitt miteinander verbunden werden können. Folglich dient der obere Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 als das Verbindungsstück 17, durch welches die Ultraschalldetektoren 13p13s miteinander verbunden werden.
  • Das Verbindungsstück 17 grenzt an die erste Elektrode 14. Weder der erste noch der zweite Zwischenraum 16a, 16b unterteilt die erste Elektrode 14, die zwischen dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen Element 11 angeordnet ist. Während die zweiten Elektroden 15p15s in einer 1:1-Verteilung bezüglich der piezoelektrischen Elemente 11p11s vorgesehen sind, wird die erste Elektrode 14 von den piezoelektrischen Elementen 11p11s gemeinsam genutzt. Auf diese Weise kann die Anzahl der elektrischen Drähte 19, die benötigt wird, um die piezoelektrischen Elemente 11p11s elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 zu verbinden, verringert werden. Es ist schwieriger, den elektrischen Draht 19 mit der ersten Elektrode 14 als mit der zweiten Elektrode 15 zu verbinden, da die erste Elektrode zwischen dem Schallanpasselement 12 und dem piezoelektrischen Element 11 angeordnet ist. Da die erste Elektrode 14 gemeinsam genutzt wird, kann die erste Elektrode 14 auf einfache Weise über den elektrischen Draht 19 mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden werden. Die zweiten Elektroden 15p15s sind über die elektrischen Drähte 19 jeweils mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden. Auf diese Weise werden die piezoelektrischen Elemente 11p11s mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden.
  • Der Ultraschallsensor 20 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet werden. Die Ultraschalldetektoren 13p13s können beispielsweise, wie in 4 gezeigt, durch einen Knotenabschnitt der Ultraschalldetektoren 13p13s miteinander verbunden werden. Der Knotenabschnitt ist ein Abschnitt, an dem ein Knoten N einer stehenden Welle in den Ultraschalldetektoren 13p13s auftritt. In dem in der 4 gezeigten Fall befindet sich er Knotenabschnitt im Schallanpasselement 12. Das heißt, das Schallanpasselement 12 weist das Verbindungsstück 17 auf. Der erste Zwischenraum 16a reicht nicht bis zur ersten Elektrode 14, und der zweite Zwischenraum 16b erstreckt sich in das Schallanpasselement 12, indem er durch die erste Elektrode 14 dringt. Folglich ist das Verbindungsstück 17 zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenraum 16a, 16b im Schallanpasselement 12 angeordnet. Der zweite Zwischenraum 16b unterteilt nicht nur die zweite Elektrode 15 in die zweiten Elektroden 15p15s, sondern ebenso die erste Elektrode 14 in vier erste Elektroden 14p14s.
  • Gemäß dem in der 4 gezeigten Aufbau werden die Ultraschalldetektoren 13p13s durch das Verbindungsstück 17, das nur an dem Knotenabschnitt der Ultraschalldetektoren 13p13s angeordnet ist, miteinander verbunden. Bei solch einem Ansatz beeinflusst das Verbindungsstück 17 die Ultraschallwelle in den Ultraschalldetektoren 13p13s derart geringfügig, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 20 verbessert werden kann.
  • Gleich dem Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform ist die Öffnung 12b mit einem Dichtungsmaterial 42 gefüllt, das einen geringeren Elastizitätskoeffizienten als das Schallanpasselement 12 aufweist. Zusätzlich zur Öffnung 12b kann ferner der zweite Zwischenraum 16b mit dem Dichtungsmaterial 42 gefüllt werden. Bei solch einem Ansatz kann die strukturelle Festigkeit des piezoelektrischen Elements 11 verbessert werden.
  • Der Ultraschallsensor 20 der zweiten Ausführungsform kann die gleiche Wirkung wie der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform erzielen. Ferner kann der in der 4 gezeigte Aufbau die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 20 verbessern.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Der Ultraschallsensor 30 unterscheidet sich wie folgt von den vorhergehenden Ausführungsformen.
  • Bei dem Ultraschallsensor 30 der dritten Ausführungsform werden die Ultraschalldetektoren 13p13s, wie in 5 gezeigt, durch einen oberen Abschnitt des Schallanpasselements 12 miteinander verbunden. Folglich dient der obere Abschnitt des Schallanpasselements 12 als das Verbindungsstück 17. Insbesondere weist die Empfangsoberfläche 12a keine Öffnung auf, so dass das Verbindungsstück 17 nahe der Empfangsoberfläche 12a gebildet sein kann. Der erste Zwischenraum 16a ist nicht gebildet, und der zweite Zwischenraum 16b erstreckt sich in einem Bereich nahe der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12, indem er durch die erste Elektrode 14 dringt. Das Verbindungsstück 17 wird vorzugsweise so dünn wie möglich ausgebildet, um eine Schwingungsdämpfung und ein Übersprechen im Schallanpasselement 12 zu verhindern. Die Dicke des Verbindungsstücks 17 kann beispielsweise auf 1 mm gesetzt werden.
  • Der Ultraschallsensor 30 der dritten Ausführungsform kann die gleiche Wirkung wie der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform erzielen. Ferner kann ein Fremdstoff, wie beispielsweise Wasser, nicht in den Ultraschallsensor 30 eindringen, da die Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 keine Öffnung aufweist. Folglich kann der Ultraschallsensor 30 vor einem Fremdstoff geschützt werden. Ferner wird das Erscheinungsbild eines Fahrzeugs, an welchem der Ultraschallsensor 30 befestigt wird, nicht beeinträchtigt, da die nach außerhalb des Fahrzeugs freiliegende Empfangsoberfläche 12a keine Öffnung aufweist.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 40 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben. Der Ultraschallsensor 40 unterscheidet sich wie folgt von den vorhergehenden Ausführungsformen.
  • Bei dem Ultraschallsensor 40 der vierten Ausführungsform weist, wie in 6 gezeigt, weder die Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 noch die zweite Elektrode 15 des piezoelektrischen Elements 11 eine Öffnung auf. Folglich sind die Ultraschalldetektoren 13p13s durch sowohl den oberen Abschnitt des Schallanpasselements 12 als auch den unteren Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 miteinander verbunden. Sowohl der obere Abschnitt des Schallanpasselements 12 als auch der untere Abschnitt des piezoelektrischen Elements 11 dient als das Verbindungsstück 17. Folglich ist das Verbindungsstück 17 sowohl in der Nähe der Empfangsoberfläche 12a als auch in der Nähe der zweiten Elektrode 15 angeordnet. Der Zwischenraum 16 ist im Ultraschallsensor 40 angeordnet. Das in der Nähe der Empfangsoberfläche 12a angeordnete Verbindungsstück 17 wird, wie bei der dritten Ausführungsform beschrieben, vorzugsweise so dünn wie möglich ausgebildet, um eine Schwingungsdämpfung und ein Übersprechen im Schallanpasselement 12 zu verhindern. Die Dicke des Verbindungsstücks 17 nahe der Empfangsoberfläche 12a kann beispielsweise auf 1 mm gesetzt werden. Während die erste Elektrode 14 durch den Zwischenraum 16 in die ersten Elektroden 14p14s unterteilt wird, ist die zweite Elektrode 15 nicht unterteilt. Folglich sind die ersten Elektroden 14p14s in einer 1:1-Verteilung bezüglich der piezoelektrischen Elemente 11p11s vorgesehen und wird die zweite Elektrode 15 von den piezoelektrischen Elementen 11p11s gemeinsam genutzt.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zur Fertigung des Ultraschallsensors 40 unter Bezugnahme auf die 7A7C beschrieben. Zunächst wird, wie in 7A gezeigt, ein piezoelektrisches Element 11 mit einer vorgeformten ersten und einer vorgeformten zweiten Elektrode 14, 15 vorbereitet. Anschließend wird eine Öffnung 14a in Form eines Kreuzes in der ersten Elektrode 14 gebildet. Ferner wird ein Zwischenraum 16c in Form eines Schlitzes, der sich annähernd senkrecht zur ersten Elektrode 14 erstreckt, gebildet, indem das piezoelektrische Element 11 entlang der Öffnung 14a vereinzelt wird. Folglich wird das piezoelektrische Element 11 durch den Zwischenraum 16c in vier piezoelektrische Elemente 11p11s unterteilt.
  • Anschließend wird, wie in 7B gezeigt, ein Schallanpasselement 12 vorbereitet. Anschließend wird eine Öffnung 12c in Form eines Kreuzes, welche die gleiche Form wie die Öffnung 14a aufweist, in einer auf der gegenüberliegenden Seite einer Empfangsoberfläche 12a liegenden Oberfläche gebildet. Ferner wird ein Zwischenraum 16d in Form eines Schlitzes, der sich annähernd senkrecht zu der gegenüberliegenden Oberfläche erstreckt, gebildet, indem das Schallanpasselement 12 entlang der Öffnung 12c vereinzelt wird. Auf diese Weise wird das Schallanpasselement 12 durch den Zwischenraum 16d in vier Schallanpasselemente 12p12s unterteilt.
  • Anschließend werden das piezoelektrische Element 11 und das Schallanpasselement 12, wie in 7 gezeigt, beispielsweise unter Verwendung eines Klebemittels derart miteinander verbunden, dass die Öffnung 14a des piezoelektrischen Elements 11 mit der Öffnung 12c des Schallanpasselements 12 fluchtet. Auf diese Weise werden vier Ultraschalldetektoren 13p13s, die miteinander verbunden und in einem Array angeordnet sind, aus dem piezoelektrischen Element 11 und dem Schallanpasselement 12 aufgebaut.
  • Anschließend werden die Ultraschalldetektoren 13p13s unter Verwendung elektrischer Drähte 19 elektrisch mit der Schaltvorrichtung 18 verbunden. Die Ultraschalldetektoren 13p13s und die Schaltvorrichtung 18 werden in einem Gehäuse 31 untergebracht. Die Ultraschalldetektoren 13p13s werden über einen Schwingungsdämpfer 41 am Gehäuse 31 befestigt. Auf diese Weise wird der in der 6 gezeigte Ultraschallsensor 40 gebildet.
  • Der Ultraschallsensor 40 der vierten Ausführungsform kann die gleiche Wirkung wie der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform erzielen. Ferner kann ein Fremdstoff, wie beispielsweise Wasser, nicht in den Ultraschallsensor 40 eindringen, da die Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12 keine Öffnung aufweist. Folglich kann der Ultraschallsensor 40 vor dem Fremdstoff geschützt werden. Ferner wird das Erscheinungsbild eines Fahrzeugs, an welchem der Ultraschallsensor 40 befestigt wird, nicht beeinträchtigt, da die nach außerhalb des Fahrzeugs freiliegende Empfangsoberfläche 12a keine Öffnung aufweist.
  • (Ausgestaltungen)
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise ausgestaltet werden. Der Ultraschallsensor kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, eine Ultraschallwelle auszusenden. In diesem Fall kann der Ultraschallsensor eine Mehrzahl von geschichteten piezoelektrischen Elementen 11 aufweisen, die übereinandergeschichtet sind. Der Ultraschallsensor kann beispielsweise, wie in 8 gezeigt, zwei piezoelektrische Elemente 11 aufweisen, die übereinandergeschichtet angeordnet sind. Eine zwischen den geschichteten piezoelektrischen Elementen 11 angeordnete Elektrode dient sowohl als erste Elektrode 14 des unteren piezoelektrischen Elements 11 als auch als zweite Elektrode 15 des oberen piezoelektrischen Elements 11. Jedes der geschichteten piezoelektrischen Elemente 11 wird durch einen Zwischenraum 16 unterteilt. Durch den in der 8 gezeigten Aufbau kann der Schalldruck der vom Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallwelle verglichen mit einem Aufbau, bei welchem die piezoelektrischen Elemente 11 nicht geschichtet angeordnet sind, erhöht werden.
  • Im Falle der 8 ist ein Verbindungsstück 17 an einem unteren Abschnitt des unteren piezoelektrischen Elements 11 angeordnet. Die Position des Verbindungsstücks 17 kann gemäß der obigen Ausführungsformen variieren. Im Falle der 8 sind zwei piezoelektrische Elemente 11 übereinandergeschichtet angeordnet. Die Anzahl der übereinandergeschichteten piezoelektrischen Elemente 11 kann variieren.
  • Bei den obigen Ausführungsformen ist der Zwischenraum 16 in Form eines Schlitzes ausgebildet. Die Form des Zwischenraums 16 kann jedoch variieren. Es kann beispielsweise, wie in den 9A und 9B gezeigt, eine Mehrzahl von kreisrunden zylindrischen Zwischenräumen 16 derart in Form eines Kreuzes angeordnet werden, dass das Schallanpasselement 12 und das piezoelektrische Element 11 durch die Zwischenräume 16 unterteilt werden können, um vier Ultraschalldetektoren 13p13s zu bilden. Bei solch einem Ansatz dienen Abschnitte zwischen benachbarten Zwischenräumen 16 ebenso als das Verbindungsstück 17, wodurch das Volumen des Verbindungsstücks 17 erhöht werden kann. Folglich kann die Festigkeit des Ultraschallsensors durch den in den 9A und 9B gezeigten Aufbau verglichen mit dem Aufbau, bei welchem der Zwischenraum 16 in Form eines Schlitzes vorgesehen ist, erhöht werden. Alternativ können zylindrische Zwischenräume 16, die sich von den kreisrunden zylindrischen Zwischenräumen 16 unterscheiden, verwendet werden. So können beispielsweise rechteckige zylindrische Zwischenräume 16 verwendet werden.
  • In den 9A und 9B erstrecken sich die kreisrunden zylindrischen Zwischenräume 16 von der Empfangsoberfläche 12a aus und dringen einzig durch die erste Elektrode 14. Alternativ können sich die kreisrunden zylindrischen Zwischenräume 16 von der Empfangsoberfläche 12a aus erstrecken und sowohl durch die erste Elektrode 14 als auch die zweite Elektrode 15 dringen. Alternativ können sich die kreisrunden zylindrischen Zwischenräume 16 von der zweiten Elektrode 15 aus erstrecken.
  • Solche Änderungen und Ausgestaltungen sollen als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, so wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird, beinhaltet verstanden werden.
  • Vorstehend wurden ein Ultraschallsensor und ein Verfahren zu dessen Fertigung offenbart.
  • Ein Ultraschallsensor weist ein piezoelektrisches Element 11 und ein Schallanpasselement 12 auf, die miteinander verbunden sind, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden. Die Ultraschalldetektorbasis wird durch einen sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckenden Zwischenraum 16 unterteilt, um eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Ultraschalldetektoren 13p13s zu bilden. Der Zwischenraum 16 unterteilt die Ultraschalldetektorbasis derart nicht vollständig, dass die Ultraschalldetektoren 13p13s durch einen Abschnitt 17 der Ultraschalldetektorbasis miteinander verbunden sind.
  • 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 2006-234523 A [0004, 0005]
    • - JP 54-61590 A [0004, 0005]

Claims (20)

  1. Ultraschallsensor mit: – einem piezoelektrischen Element (11), das dazu ausgelegt ist, eine von einem zu erfassenden Ziel reflektierte Ultraschallwelle zu erfassen, wobei das piezoelektrische Element (11) einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode (14, 15) aufweist, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers gebildet sind; und – einem Schallanpasselement (12), das eine Befestigungsoberfläche und eine auf der gegenüberliegenden Seite der Befestigungsoberfläche liegende Empfangsoberfläche (12a) aufweist, wobei die erste Elektrode (14) des piezoelektrischen Elements (11) mit der Befestigungsoberfläche verbunden ist, um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden, die Empfangsoberfläche (12a) nach Außerhalb freiliegt, um die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, und das Schallanpasselement (12) bewirkt, dass sich die an der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Element (11) ausbreitet, wobei – die Ultraschalldetektorbasis durch einen sich in einer Ultraschallwellenausbreitungsrichtung erstreckenden Zwischenraum (16) in eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) unterteilt ist, – die an der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle durch den Zwischenraum (16) geteilt und separat von der Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) erfasst wird, – die Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) durch ein Verbindungsstück (17) miteinander verbunden ist, und – das Verbindungsstück (17) durch einen Abschnitt der Ultraschalldetektorbasis gebildet ist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Zwischenraum (16) einen ersten Zwischenraum (16a) mit einer ersten Öffnung (12b) auf der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) aufweist; und – sich der erste Zwischenraum (16a) von der ersten Öffnung (12b) in Richtung der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) erstreckt.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Zwischenraum (16) einen zweiten Zwischenraum (16b) mit einer zweiten Öffnung (15b) auf der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) aufweist; und – sich der zweite Zwischenraum (16b) von der zweiten Öffnung (15b) in Richtung der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) erstreckt.
  4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Zwischenraum (16) einen ersten und einen zweiten Zwischenraum (16a, 16b) aufweist, die in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung fluchten; – der erste Zwischenraum (16a) eine erste Öffnung (12b) auf der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) aufweist und sich von der ersten Öffnung (12b) in Richtung der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) erstreckt; – der zweite Zwischenraum (16b) eine zweite Öffnung (15b) auf der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) aufweist und sich von der zweiten Öffnung (15b) in Richtung der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) erstreckt; – das Verbindungsstück (17) einzig in der Nähe eines Knotenabschnitts der Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) angeordnet ist; und – ein Knoten der sich durch die Mehrzahl von Ultraschalldetektoren ausbreitenden Ultraschallwelle an dem Knotenabschnitt auftritt.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Elektrode (14, 15) des piezoelektrischen Elements (11) durch den Zwischenraum (16) unterteilt ist.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (16) mit einem Material (42) gefüllt ist, das einen geringeren Elastizitätskoeffizienten als das Schallanpasselement (12) aufweist.
  7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (16) weder durch die Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) noch durch die zweite Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) dringt.
  8. Sensor nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (D) zwischen Mitten benachbarter Ultraschalldetektoren (13p13s) annähernd der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft entspricht.
  9. Sensor nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11) mehrere piezoelektrische Elemente (11) aufweist, die in der Ultraschallwellenausbreitungsrichtung übereinandergeschichtet angeordnet sind.
  10. Sensor nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11) aus einem auf Blei-Zirkonat-Titanat basierenden Material gebildet ist.
  11. Sensor nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11) aus einem auf Polyvinylidenfluorid basierenden Material gebildet ist.
  12. Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors, mit den Schritten: – Vorbereiten eines piezoelektrischen Elements (11), das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode (14, 15) auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers aufweist; – Vorbereiten eines Schallanpasselements (12), das eine Ultraschallwellenempfangsoberfläche (12a) und eine auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) angeordnete Befestigungsoberfläche aufweist; – Verbinden der ersten Elektrode (14) des piezoelektrischen Elements (11) mit der Befestigungsoberfläche des Schallanpasselements (12), um eine Ultraschalldetektorbasis zu bilden; und – Bilden eines Zwischenraums (16) in der Ultraschalldetektorbasis, um die Ultraschalldetektorbasis in eine Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) zu unterteilen, wobei sich der Zwischenraum (16) von wenigstens entweder der Empfangsoberfläche (12a) oder der zweiten Elektrode (15) in einer Richtung zwischen der Empfangsoberfläche (12a) und der zweiten Elektrode (15) erstreckt, wobei – der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) einen Schritt zum Zurücklassen eines Abschnitts der Ultraschalldetektorbasis in einer Ausdehnungsrichtung des Zwischenraums (16) aufweist, wobei der Abschnitt als Verbindungsstück (17) zur Verbindung der Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) miteinander dient.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) einen Schritt zum Bilden eines ersten Zwischenraums (16a) aufweist, der eine erste Öffnung (12b) auf der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) aufweist und sich von der ersten Öffnung (12b) in Richtung der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) erstreckt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) einen Schritt zum Bilden eines zweiten Zwischenraums (16b) aufweist, der eine zweite Öffnung (15b) auf der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) aufweist und sich von der zweiten Öffnung (15b) in Richtung der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) erstreckt.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) einen Schritt zum Bilden eines ersten Zwischenraums (16a) aufweist, der eine erste Öffnung (12b) auf der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) aufweist und sich von der ersten Öffnung (12b) in Richtung der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) erstreckt; – der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) ferner einen Schritt zum Bilden eines zweiten Zwischenraums (16b) aufweist, der eine zweite Öffnung (15b) auf der zweiten Elektrode (15) des piezoelektrischen Elements (11) aufweist und sich von der zweiten Öffnung (15b) in Richtung der Empfangsoberfläche (12a) des Schallanpasselements (12) erstreckt; – der erste und der zweite Zwischenraum (16a, 16b) in der Richtung fluchten; – das Verbindungsstück (17) einzig in der Nähe eines Knotenabschnitts der Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) angeordnet ist; und – ein Knoten einer sich durch die Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) ausbreitenden Ultraschallwelle an dem Knotenabschnitt auftritt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Elektrode (14, 15) des piezoelektrischen Elements (11) durch den Zwischenraum (16) unterteilt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Schritt zum Füllen des Zwischenraums (16) mit einem Material (42), das einen geringeren Elastizitätskoeffizienten als das Schallanpasselement (12) aufweist, aufweist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12–17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Bilden des Zwischenraums (16) ein Anordnen der Mehrzahl von Ultraschalldetektoren (13p13s) derart, dass ein Abstand (D) zwischen Mitten benachbarter Ultraschalldetektoren (13p13s) annähernd der halben Wellenlänge einer Ultraschallwelle in Luft entspricht, umfasst.
  19. Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors, mit den Schritten: – Vorbereiten eines piezoelektrischen Elements (11), das einen piezoelektrischen Körper und eine erste und eine zweite Elektrode (14, 15) auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers aufweist; – Bilden eines ersten Zwischenraums (16c) im piezoelektrischen Element (11), um das piezoelektrische Element (11) in eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (11p11s) zu unterteilen, wobei der erste Zwischenraum (16c) eine erste Öffnung (14a) auf der ersten Elektrode (14) aufweist und sich von der ersten Öffnung (14a) in einer Richtung erstreckt, die annähernd senkrecht zur ersten Elektrode (14) verläuft; – Vorbereiten eines Schallanpasselements (12) mit einer Ultraschallwellenempfangsoberfläche (12a) und einer auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegenden Befestigungsoberfläche; – Bilden eines zweiten Zwischenraums (16d) im Schallanpasselement (12), um das Schallanpasselement (12) in eine Mehrzahl von Schallanpasselementen (12p12s) zu unterteilen, wobei der zweite Zwischenraum (16d) eine zweite Öffnung (12c) auf der Befestigungsoberfläche aufweist und sich von der zweiten Öffnung (12c) in einer Richtung erstreckt, die annähernd senkrecht zur Befestigungsoberfläche verläuft, und wobei die zweite Öffnung (12c) die gleiche Form wie die erste Öffnung (14a) aufweist; und – Verbinden der ersten Elektrode (14) des piezoelektrischen Elements (11) derart mit der Befestigungsoberfläche des Schallanpasselements (12), dass die erste und die zweite Öffnung (14a, 12c) fluchten.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schritt zum Bilden des ersten Zwischenraums (16c) ein Anordnen der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (11p11s) derart, dass ein Abstand (D) zwischen Mitten benachbarter piezoelektrischer Elemente (11p11s) annähernd der halben Wellenlänge einer Ultraschallwelle in Luft entspricht, umfasst; und – der Schritt zum Bilden des zweiten Zwischenraums (16) ein Anordnen der Mehrzahl von Schallanpasselementen (12p12s) derart, dass ein Abstand (D) zwischen Mitten benachbarter Schallanpasselemente (12p12s) annähernd der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft entspricht, umfasst.
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