DE102009061087B3

DE102009061087B3 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102009061087B3
Application number: DE102009061087A
Authority: DE
Inventors: Makiko Sugiura; Takaaki Kawai; Hisanaga Matsuoka; Toshiki Isogai; Mitsuyasu Matsuura; Yasuyuki Okuda; Takahiko Yoshida
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: US20120174673A1; DE102009017507A1; US8616061B2; US20090260422A1; US8166824B2; DE102009017507B4

Abstract

Ein Ultraschallsensor weist eine Sendevorrichtung, eine Empfangsvorrichtung und eine Schaltkreisvorrichtung auf. Die Sendevorrichtung sendet eine Ultraschallwelle an ein zu erkennendes Objekt und enthält ein erstes piezoelektrisches Element, welches die Ultraschallwelle zu emittieren vermag, sowie ein erstes akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches sich die emittierte Ultraschallwelle zu einer Außenseite fortpflanzt. Die Empfangsvorrichtung empfängt die vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält ein zweites piezoelektrisches Element, welches die reflektierte Ultraschallwelle zu erkennen vermag, und erzeugt eine Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält weiterhin ein zweites akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches sich die reflektierte Ultraschallwelle zu dem zweiten piezoelektrischen Element fortpflanzt. Die Schaltkreisvorrichtung legt eine Spannung einer Frequenz an das erste piezoelektrische Element an, um das piezoelektrische Element zu veranlassen, die Ultraschallwelle zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung enthält Resonanzfrequenzerkennungsmittel zur Erkennung einer Resonanzfrequenz des ersten oder zweiten akustischen Anpassteils und stellt die Frequenz der Spannung auf die erkannte Resonanzfrequenz ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit Sende- und Empfangsvorrichtungen, von denen jedes ein piezoelektrisches Element und ein akustisches Anpassteil hat, das mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist.
Ein Ultraschallsensor, wie er in der US 2006/0196272 entsprechend der JP-A-2006-242650 beschrieben ist, enthält eine Sendevorrichtung und vier Empfangsvorrichtungen. Wenn eine Wechselspannung an einen Elektrodenfilm oder einen Membranabschnitt angelegt wird, schwingen der Membranabschnitt und der Elektrodenfilm mit einer bestimmten Frequenz, so dass die Sendevorrichtung eine Ultraschallwelle sendet oder überträgt. Die Ultraschallwelle wird von einem zu erkennenden Objekt reflektiert und von jeder Empfangsvorrichtung empfangen. Die Empfangsvorrichtungen geben Signale entsprechend den empfangenen Ultraschallwellen aus. Abstand und Winkel des Objekts relativ zum Ultraschallsensor werden basierend auf Differenzen in Zeit und Phase zwischen den Ausgangssignalen der Empfangsvorrichtungen berechnet.
Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, wird die von der Sendevorrichtung gesendete Ultraschallwelle gedämpft. Somit ändert sich der Schalldruck einer Ultraschallwelle, die von der Empfangsvorrichtung empfangen wird, mit der Umgebungstemperatur. Beim Ultraschallsensor gemäß der US 2006/0196272 sendet die Sendevorrichtung Ultraschallwellen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen und die Feuchtigkeit wird basierend auf einer Differenz im Dämpfungskoeffizienten zwischen den Ultraschallwellen berechnet. Die berechnet Feuchtigkeit wird verwendet, eine festgesetzte Betriebsfeuchtigkeit zu korrigieren. Wenn jedoch der Ultraschallsensor ein akustisches Anpassteil enthält, kann es schwierig werden, die Feuchtigkeit korrekt zu erkennen.
Ein Ultraschallsensor gemäß der JP-A-S63-103993 weist ein akustisches Anpassteil auf. Das akustische Anpassteil hat einen Mikroballon bestehend aus Glas innerhalb, so dass Änderungen in der Charakteristik des akustischen Anpassteils aufgrund einer Temperaturänderung verringert werden können. Jedoch machen es einige Faktoren wie Größe und Festigkeit des akustischen Anpassteils schwierig, einen derartigen Mikroballon im Inneren des akustischen Anpassteils anzuordnen.
US 5 907 521 A1 betrifft einen Ultraschall-Entfernungsmesser, der zur Unterdrückung des Einflusses der direkten Übertragung von Wellen ausgelegt ist und einen Sende-Ultraschall-Sensor sowie einen Empfangs-Ultraschall-Sensor enthält, die getrennt voneinander unter Zwischenlage eines Schaumteils angebracht sind. Jeder der Abschnitte der Sende- und Empfangs Ultraschallsensoren ist innerhalb eines Gehäuses untergebracht.
DE 10 2005 038 649 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, der Ultraschallwellen aussendet und empfängt. Bei dem Verfahren wird ein Kalibrierungsvorgang mit den folgenden Schritten eingesetzt: Ansteuern des Ultraschallwandlers mit einem Prüfsignal für eine vorgebbare Anregungszeit, wobei das Prüfsignal eine vorgebbare Frequenz aufweisen kann; Ermitteln einer Ausschwingfrequenz, mit der der Ultraschallwandler nach der Anregung mit dem Prüfsignal ausschwingt; Ermitteln einer Betriebsfrequenz für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingfrequenz.
DE 37 21 213 A1 betrifft ein Pegel-Messgerät mit einem Ultraschallwandler zur Erzeugung von Ultraschall-Impulsen und Empfangen von dem jeweiligen Pegel entsprechenden Echo-Signalen, und mit einer weiteren Schaltung, die sicherstellt, dass das Gerät bei seiner optimalen Frequenz arbeitet. Zu diesem Zweck wird die Abfall-Phase des Ultraschall-Wandlers ausgenutzt.
Es ist eine Aufgabe, einen Ultraschallsensor zu schaffen, bei dem eine Verringerung von Sende- und Empfangsempfindlichkeiten aufgrund einer Feuchtigkeitsänderung oder einer Temperaturänderung verhindert werden kann.
Mit der Erfindung wird ein Ultraschallsensor gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt weist ein Ultraschallsensor eine Sensorvorrichtung, eine Empfangsvorrichtung und eine Schaltkreisvorrichtung auf. Die Sensorvorrichtung sendet eine Ultraschallwelle an ein zu erkennendes Objekt. Die Sendevorrichtung enthält ein erstes piezoelektrisches Element, welches die Ultraschallwelle zu emittieren vermag und ein erstes akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches sich die emittierte Ultraschallwelle zu einer Außenseite fortpflanzt. Die Empfangsvorrichtung empfängt die vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält ein zweites piezoelektrisches Element, welches die reflektierte Ultraschallwelle zu erkennen vermag und erzeugt eine Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält weiterhin ein zweites akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches sich die reflektierte Ultraschallwelle zu dem zweiten piezoelektrischen Element fortpflanzt. Die Schaltkreisvorrichtung legt eine Spannung einer Frequenz an das erste piezoelektrische Element an, um das piezoelektrische Element zu veranlassen, die Ultraschallwelle der Frequenz zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung enthält Resonanzfrequenzerkennungsmittel zur Erkennung einer Resonanzfrequenz eines der ersten und zweiten akustischen Anpassteile. Die Schaltkreisvorrichtung stellt die Frequenz der Spannung auf die erkannte Resonanzfrequenz ein und legt eine zweite Frequenz an das erste piezoelektrische Element für eine bestimmte Zeitdauer an, um das erste piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle der zweiten Frequenz zu emittieren. Die Resonanzfrequenzerkennungsmittel erkennen die Resonanzfrequenz, indem eine Hallfrequenz eines Ausgangssignals des zweiten piezoelektrischen Elements erkannt wird, das die reflektierte Ultraschallwelle der zweiten Frequenz erkennt. Das Ausgangssignal hat die Hallfrequenz nach Abschluss der Fortpflanzung der reflektierten Ultraschallwelle der zweiten Frequenz zu dem zweiten piezoelektrischen Element.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
1A schematisch die Draufsicht auf einen Ultraschallsensor gemäß einer ersten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsform;
1B schematisch eine Schnittdarstellung entlang Linie IB-IB in 1A;
2 in einer Grafik schematisch die Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Elements einer Empfangsvorrichtung und einer Schwellenwertspannung;
3 ein Flussdiagramm eines ersten Teils eines Schwellenwerteinstellprozesses, der von einer Schaltkreisvorrichtung des Ultraschallsensors der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
4 ein Flussdiagramm eines zweiten Teils des Schwellenwerteinstellprozesses;
5 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ultraschallsensor gemäß einer zweiten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsform;
6 ein Flussdiagramm eines Schwellenwerteinstellprozesses, der von einer Schaltkreisvorrichtung im Ultraschallsensor der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
7 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ultraschallsensor gemäß einer dritten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsform;
8 in einer schematischen Darstellung einen Ultraschallsensor gemäß einer vierten Ausführungsform;
9 ein Flussdiagramm eines Frequenzeinstellprozesses, der von einer Schaltkreisvorrichtung des Ultraschallsensors der vierten Ausführungsform durchgeführt wird;
10 in einer grafischen Darstellung schematisch eine Beziehung zwischen einer Frequenz eines Eingangssignals, das an ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element einer Sendevorrichtung angelegt wird und einer Nachhallfrequenz eines Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elements einer Empfangsvorrichtung im Ultraschallsensor der vierten Ausführungsform;
11 ein Flussdiagramm eines Frequenzeinstellprozesses, der von einer Schaltkreisvorrichtung im Ultraschallsensor einer fünften Ausführungsform durchgeführt wird;
12 in einer schematischen grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einer Frequenz einer Ultraschallwelle, die sich zu einem piezoelektrischen Element einer Empfangsvorrichtung des Ultraschallsensors der fünften Ausführungsform fortpflanzt und einer Impedanz des piezoelektrischen Elements;
13 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ultraschallsensor gemäß einer sechsten Ausführungsform;
14 ein Flussdiagramm eines Frequenzeinstellprozesses, der von einer Schaltkreisvorrichtung im Ultraschallsensor der sechsten Ausführungsform durchgeführt wird; und
15 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ultraschallsensor gemäß einer siebten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Ein Ultraschallsensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben. Der Ultraschallsensor 10 kann als ein Hindernissensor in einem Fahrzeug verwendet werden, um ein Beispiel zu nennen. Die untere Seite in 1A weist in Richtung Boden und die obere Seite in 2 weist in Richtung Außenseite des Fahrzeugs.
Der Ultraschallsensor 10 enthält eine Sendevorrichtung 11, Empfangsvorrichtungen 12p, 12q, 12r, einen Vibrationsdämpfer 18, einen ersten Absorber 19, einen Vibrationsisolator 90, eine Schaltkreisvorrichtung 20 und ein Gehäuse 31. Die Sendevorrichtung 11 sendet oder überträgt eine Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtungen 12p, 12q und 12r erkennen die von einem Objekt (d. h. Hindernis), welches zu erkennen ist, reflektierte Ultraschallwelle. Der Vibrationsdämpfer 18 verhindert eine Fortpflanzung der Ultraschallwelle zwischen der Sendevorrichtung 11 und den Empfangsvorrichtungen 12p, 12q und 12r. Der erste Absorber 19 schützt die Sendevorrichtung 11 und die Empfangsvorrichtung 12p, 12q und 12r vor externen Kräften (Stößen). Der Vibrationsisolator 90 isoliert die Sendevorrichtung 11 von dem Empfangsvorrichtungen 12p. 12q, 12r, um eine Fortpflanzung der Ultraschallwelle von der Sendevorrichtung 11 an die Empfangsvorrichtungen 12p, 12q und 12r zu verhindern. Die Schaltkreisvorrichtung 20 sendet und empfängt Spannungssignale betreffend Sendung und Empfang der Ultraschallwelle. Das Gehäuse 31 ist schachtelförmig mit einer Öffnung ausgebildet. Die Sendevorrichtung 11, die Empfangsvorrichtungen 12p, 12q und 12r, der Vibrationsdämpfer 18, der erste Absorber 19 und der Vibrationsisolator 90 sind in dem Gehäuse 31 aufgenommen.
Da die Empfangsvorrichtungen 12p, 12q und 12r identischen Aufbau haben, sei nachfolgend als Beispiel nur der Aufbau der Empfangsvorrichtung 12p erläutert. Die Empfangsvorrichtung 12p enthält ein akustisches Kopplungs- oder Anpassteil 13p und ein piezoelektrisches Element 14p, das an das akustische Anpassteil 13p angrenzt. Das akustische Anpassteil 13p empfängt die von dem Objekt reflektierte Ultraschallwelle und überträgt die Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Element 14p. Das piezoelektrische Element 14p erkennt die Ultraschallwelle.
Das piezoelektrische Element 14p kann beispielsweise aus piezoelektrischem Zirkontitanat (PZT) oder dergleichen sein. Das piezoelektrische Element 14p enthält einen piezoelektrischen Körper und ein Paar von Elektroden 15p. Der piezoelektrische Körper hat rechteckförmige Zylinderform und ist im Querschnitt identisch zu dem akustischen Anpassteil 13p. Die Elektroden 15p sind an gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers ausgebildet. Somit ist das piezoelektrische Element 14p so ausgebildet, dass der piezoelektrische Körper zwischen den Elektroden 15p eingeschlossen ist. Die Elektroden 15p können beispielsweise durch Platieren oder Sputtern von Platin (Pt), Kupfer (Cu) oder Silber (Ag) oder durch Aufbacken einer leitfähigen Paste gebildet werden.
Das akustische Anpassteil 13p ist aus einem Material mit einer akustischen Impedanz, die größer als eine akustische Impedanz von Luft und kleiner als eine akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements 14p ist. Beispielsweise kann das akustische Anpassteil 13p aus einem Harzmaterial hoher Haltbarkeit gemacht sein, beispielsweise einem Polykarbonatharz.
Eine Dicke L des akustischen Anpassteils 14p ist im Wesentlichen gleich einem Viertel einer Wellenlänge λ der Ultraschallwelle in dem akustischen Anpassteil 13p. Hierdurch wird eine stehende Welle in dem akustischen Anpassteil 13p erzeugt. Somit können Interferenz und Aufhebung zwischen der Ultraschallwelle, welche in das akustische Anpassteil p eintritt und der Ultraschallwelle, die an einer Grenzfläche zwischen akustischem Anpassteil 13p und piezoelektrischem Element 14p reflektiert wird, verringert werden. Im Ergebnis kann die Ultraschallwelle, die in das akustische Anpassteil 13p eintritt, effektiv zum piezoelektrischen Element 14p weitergeführt werden. Es ist bevorzugt, wenn eine Breite W des akustischen Anpassteils 13p im Wesentlichen gleich oder kleiner als eine Hälfte einer Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft ist.
Die Sendevorrichtung 11 enthält ein akustisches Kopplungs- oder Anpassteil 13 und ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element 16, welches an das akustische Anpassteil 13 angrenzt. Das akustische Anpassteil 13 kann aus dem gleichen Material wie das akustische Anpassteil 13p sein und kann den gleichen Aufbau wie das akustische Anpassteil 13p haben.
Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 kann beispielsweise aus piezoelektrischem Zirkontitanat (PZT) oder dergleichen sein. Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 enthält einen piezoelektrischen Körper und ein Paar von Kammelektroden 17. Der piezoelektrische Körper hat eine rechteckige Zylinderform und ist im Querschnitt identisch zum akustischen Anpassteil 13. Die Kammelektroden 17 sind am piezoelektrischen Körper so ausgebildet, dass die piezoelektrischen Schichten mit Elektrodenschichten ineinander verschachtelt sind. In der ersten Ausführungsform hat das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 fünf Schichten oder Lagen. Die Anzahl von Schichten kann sich abhängig von dem Druck der zu sendenden Ultraschallwelle ändern.
Die Elektroden 15p des piezoelektrische Element 14p sind entsprechend über Drähte 14a mit der Schaltkreisvorrichtung 20 verbunden. Die Kammelektroden 17 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 16 sind entsprechend über Drähte 17a elektrisch mit der Schaltkreisvorrichtung 20 verbunden. Die Schaltkreisvorrichtung 20 ist elektrisch mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) in dem Fahrzeug verbunden. Die ECU ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
Wenn der Ultraschallsensor 10 die Ultraschallwelle sendet, empfängt die Schaltkreisvorrichtung 20 von der ECU ein Steuersignal, welches Druck und Phase der zu sendenden Ultraschallwelle steuert. Basierend auf dem Steuersignal gibt die Schalkreisvorrichtung 20 ein Spannungssignal einer bestimmten Frequenz an mehrschichtige piezoelektrische Elemente 16 aus (d. h. legt eine Spannung hieran an), so dass das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 die Ultraschallwelle mit bestimmter Frequenz senden kann. Die Schaltkreisvorrichtung 20 vergleicht eine Ausgangsspannung eines jeden piezoelektrischen Elements 14p mit einer Schwellenwertspannung Vs, um zu erkennen, ob die Ultraschallwelle empfangen worden ist. Wenn die Ausgangsspannung des piezoelektrische Element 14p gleich oder größer als die Schwellenwertspannung Vs ist, bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, dass die Ultraschallwelle empfangen wurde und gibt an die ECU ein Vibrationssignal entsprechend der Ausgangsspannung aus.
Die Ultraschallwellenerkennung, die von der Schaltkreisvorrichtung 20 durchgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 zeigt eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung Vo des piezoelektrischen Elements 14p und der Schwellenwertspannung Vs.
Wenn die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Eingangsspannung Vi einer bestimmten Frequenz an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 anlegt, sendet das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 eine Ultraschallwelle der bestimmten Frequenz aus. Die gesendete oder übertragene Ultraschallwelle wird von einem Objekt reflektiert und von jedem piezoelektrischen Element 14p empfangen. Das piezoelektrische Element 14p erzeugt die Ausgangsspannung Vo entsprechend einem Schalldruck der empfangenen Ultraschallwelle. Wenn die Ausgangsspannung Vo gleich oder größer als die Schwellenwertspannung Vs ist, wie durch einen Punkt X in 2 gezeigt, bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, dass das piezoelektrische Element 14p die Ultraschallwelle empfängt. Die Schwellenwertspannung Vs ist ausreichend größer als eine durch Rauschen erzeugte Spannung, um eine fehlerhafte Erkennung der Ultraschallwelle zu vermeiden.
Das akustische Anpassteil 13 der Sendevorrichtung 11 und die akustischen Anpassteile 13p der Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r sind durch den Vibrationsdämpfer 18 in einem bestimmten Muster angeordnet. Es ist bevorzugt, wenn ein Abstand d zwischen den Mitten benachbarter akustischer Anpassteile 13, 13p im Wesentlichen gleich einer Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle ist. Alternativ kann der Abstand d unterschiedlich (z. B. größer) als eine Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle sein.
Der Vibrationsdämpfer 18 ist an der Öffnung des Gehäuses 31 befestigt, um Empfangsoberflächen 13j der akustischen Anpassteile 13p und eine Sendeoberfläche 13s des akustischen Anpassteils 13 zu bedecken. Das heißt, die Empfangsoberfläche 13j und die Sendeoberfläche 13s liegen zur Außenseite des Gehäuses 31 nicht frei. Der Vibrationsdämpfer 18 verhindert, dass Fremdkörper wie Wasser und Staub in das Innere des Gehäuses 31 eintreten. Damit verbessert der Vibrationsdämpfer 18 die Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors 10. Das Gehäuse 31 ist an dem Fahrzeug so angeordnet, dass die akustischen Anpassteile 13 und 13p zur Außenseite des Fahrzeugs weisen können. Beispielsweise ist das Gehäuse 31 an einem Stoßfänger 100 des Fahrzeugs befestigt.
Der Vibrationsdämpfer 18 ist aus einem Material, das eine Dämpfungskonstante größer als eine Dämpfungskonstante eines jeden der akustischen Anpassteile 13 und 13p hat und das eine akustische Impedanz niedriger als eine akustische Impedanz eines jeden der akustischen Anpassteile 13 und 13p hat. Beispielsweise ist der Vibrationsdämpfer 18 aus Silikongummi. Weiterhin ist der Vibrationsdämpfer 18 aus einem Material fertigbar, das niedrigen Elastizitätskoeffizienten und niedrige Dichte hat. Beispielsweise kann ein Schaummaterial wie Kunststoffschaum, Schaumgummi oder Schwammgummi auf geeignete Weise als Material für den Vibrationsdämpfer 18 verwendet werden.
Da der Vibrationsdämpfer 18 aus einem der genannten Materialien ist und um die akustischen Anpassteile 13 und 13p herum liegt, kann der Vibrationsdämpfer 18 eine Fortpflanzung der Ultraschallwelle unter den akustischen Anpassteilen 13 und 13p verhindern. Somit kann Störrauschen, das von der Ultraschallwellenfortpflanzung herrührt, verhindert werden. In der ersten Ausführungsform hat der Vibrationsdämpfer 18 eine Dicke von einem Millimeter oder weniger an einem Abschnitt, der die Empfangsoberflächen 13j und die Sendeoberfläche 13s bedeckt. Hierdurch kann die Ultraschallwelle auf geeignete Weise durch den Vibrationsdämpfer 18 gesendet und empfangen werden.
Der erste Absorber 19 ist aus einem Material mit einem Elastizitätskoeffizienten niedriger als dem Elastizitätskoeffizienten sowohl des piezoelektrischen Elements 14p als auch des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 16. Beispielsweise kann der erste Absorber 19 aus einem Vergussmaterial sein. Alternativ kann der erste Absorber 19 aus einem hochpolymeren Material wie Urethan, Gummi oder Silikon sein. Der erste Absorber 19 liegt zwischen dem Gehäuse 31 und jedem der mehrschichtigen piezoelektrischen Elemente 16 der Sendevorrichtung 11 und der piezoelektrischen Elemente 14p der Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r. Damit ist jedes piezoelektrische Element vollständig vom ersten Absorber 19 umgeben. Weiterhin können das akustische Anpassteil 13 der Sendevorrichtung 11 und die akustischen Anpassteile 13p der Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r teilweise von dem ersten Absorber 19 eingefasst sein.
Auch wenn eine Stoß- oder Schlagkraft auf die Sendevorrichtung 11 und die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r wirkt, beispielsweise durch einen Stein, der während einer Fahrt des Fahrzeugs auf den Vibrationsdämpfer 18 trifft, kann der erste Absorber 19 diese Stoß- oder Schlagkraft aufnehmen. Weiterhin hilft der erste Absorber 19 dazu bei, eine Verschiebung der Sendevorrichtung 11 und der Empfangsvorrichtungen 12p bis 21r nach unten zum Boden 31a des Gehäuses 31 zu verhindern. Auf diese Weise schützt der erste Absorber 19 die Sendevorrichtung 11 und die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r vor einer Schlagkraft. Da weiterhin jedes piezoelektrische Element vom ersten Absorber 19 umgeben ist, ist jedes piezoelektrische Element mit Sicherheit vor Umwelteinflüssen wie Wasser oder Staub geschützt. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert werden.
Der Vibrationsisolator 90 ist plattenförmig und aus einem Material mit einem höheren Elastizitätskoeffizienten und einer höheren akustischen Impedanz als dasjenige des ersten Absorbers 19. Der Vibrationsisolator 90 liegt zwischen der Sendevorrichtung 11 und jeder der Empfangsvorrichtungen 12p, 12r, die benachbart der Sendevorrichtung 11 liegen. Der Vibrationsisolator 90 steht auf dem Boden 31a des Gehäuses 31, um einen Innenraum des Gehäuses zu unterteilen. Die Sendevorrichtung 11 ist von dem Vibrationsisolator 90 und einer Seitenwand des Gehäuses 31 umschlossen. Damit ist die Sendevorrichtung 11 durch den Vibrationsisolator 90 von den Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r isoliert. Der Vibrationsisolator 90 ist an einem Ende am Vibrationsdämpfer 18 befestigt und am anderen Ende am ersten Absorber 19. Die Dicke des Vibrationsisolators 90 wird so bestimmt, dass eine Fortpflanzung der Ultraschallwelle von dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 zu dem akustischen Anpassteil 13p ausreichend verringert wird. Weiterhin ist die Dicke des Vibrationsisolators 90 so bestimmt, dass eine Interferenz des Vibrationsisolators 90 mit den akustischen Anpassteilen 13p am Vibrationsdämpfer 18 geeignet verringert ist.
Wenn der Ultraschallsensor 10 betrieben wird, empfängt die Schaltkreisvorrichtung 20 das Steuersignal von der ECU des Fahrzeugs. Basierend auf dem Steuersignal legt die Schaltkreisvorrichtung 20 an das piezoelektrische Element 16 eine Spannung einer Frequenz gleich einer gemeinsamen Resonanzfrequenz Fc des akustischen Anpassteils 13 und der akustischen Anpassteile 13p an. Das piezoelektrische Element 16 vibriert oder schwingt gemäß der angelegten Spannung, so dass eine Ultraschallwelle der Resonanzfrequenz Fc durch das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13s zur Außenseite des Fahrzeugs hin übertragen oder gesendet werden kann.
In der ersten Ausführungsform hat das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 eine fünflagige Struktur. Damit kann der Druck der Ultraschallwelle, die von dem mehrschichtigen piezoelektrische Element 16 emittiert wird, fünfmal größer als derjenige einer Ultraschallwelle gemacht werden, die von einem einlagigen oder einschichtigen piezoelektrische Element emittiert wird. Somit kann das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 eine Ultraschallwelle mit hohem Schalldruck emittieren.
Der Vibrationsisolator 90, der die Sendevorrichtung 11 von den Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r isoliert, hat höheren Elastizitätskoeffizienten und eine höhere akustische Impedanz als der erste Absorber 19. Die von dem mehrschichtigen piezoelektrische Element 16 emittierte Ultraschallwelle wird an einer Grenze zwischen dem ersten Absorber 19 und dem Vibrationsisolator 90 reflektiert. Auf diese Weise kann, obgleich der Druck der von dem mehrschichtigen piezoelektrische Element 16 emittierten Ultraschallwelle hoch ist, der Vibrationsisolator 90 die Fortpflanzung der Ultraschallwelle von der Sendevorrichtung 11 an die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r auf geeignete Weise verringern. Folglich kann Störrauschen, das von dieser Fortpflanzung herrührt, verringert werden.
Die von dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 emittierte Ultraschallwelle pflanzt sich durch das akustische Anpassteil 13 fort und wird dann von der Sendeoberfläche 13s zur Außenseite des Fahrzeugs hin abgestrahlt. Die abgestrahlte Ultraschallwelle wird von dem Objekt reflektiert, an den Empfangsoberflächen 13j der akustischen Anpassteile 13p empfangen und pflanzt sich dann durch die akustischen Anpassteile 13p an die piezoelektrischen Elemente 14p fort.
Jedes piezoelektrische Element 14p erzeugt eine Ausgangsspannung mit einer Amplitude entsprechend einem Schalldruck der Ultraschallwelle. Die Ausgangsspannung vom piezoelektrischen Element 14p wird an die Schaltkreisvorrichtung 20 übertragen. Die Schalkreisvorrichtung 20 vergleicht die Amplitude der Ausgangsspannung mit der Schwellenwertspannung Vs. Wenn die Amplitude der Ausgangsspannung gleich oder größer als die Schwellenwertspannung Vs ist, bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, dass eine Ultraschallwelle empfangen wurde. Bei Bestimmung, dass eine Ultraschallwelle empfangen worden ist, gibt die Schaltkreisvorrichtung 20 ein Vibrationssignal entsprechend der Ausgangsspannung an die ECU.
Beispielsweise kann ein Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 10 und dem Objekt basierend auf einer verstrichenen Zeit gemessen werden, gemessen von dem Zeitpunkt, zu dem die Ultraschallwelle abgesendet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ultraschallwelle empfangen wird. Da weiterhin die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r in einem Reihen- und Spaltenmuster angeordnet sind, kann eine dreidimensionale Position des Objekts bezüglich des Ultraschallsensors 19 basierend auf einer Zeitdifferenz oder Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen erkannt werden, die von den Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r empfangen worden sind.
Der Vibrationsdämpfer 18 ist zwischen die akustischen Anpassteile 13p der Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r gesetzt. Die Ultraschallwelle wird von den akustischen Anpassteilen 13p unterteilt. Die unterteilten Ultraschallwellen pflanzen sich an die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r durch die jeweiligen akustischen Anpassteile 13p fort. Somit wird eine gute Übersprechcharakteristik erreicht, so dass der Ultraschallsensor 10 die Ultraschallwelle mit Genauigkeit erkennen kann.
Die Schaltkreisvorrichtung 20 führt einen Schwellenwerteinstellprozess durch, wie er in den 3 und 4 gezeigt ist.
Der Schwellenwerteinstellprozess beginnt bei S101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Temperatur T, einen Atmosphärendruck G und einen Sättigungsdampfdruck Go von (nicht gezeigten) Sensoren empfängt, beispielsweise einem Temperatursensor und ein Luftdrucksensor. Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S103 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen ersten Erkennungsspannungsanlegeprozess durchführt. Im ersten Erkennungsspannungsanlegeprozess legt die Schaltkreisvorrichtung 20 eine erste Erkennungsspannung einer ersten Frequenz F1 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 der Sendevorrichtung 11 für eine kurze Zeitdauer an. Die erste Frequenz 1 ist geringfügig kleiner als die Resonanzfrequenz Fc der akustischen Anpassteile 13 und 13p. Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 vibriert gemäß der angelegten ersten Erkennungsspannung, so dass eine Ultraschallwelle der ersten Frequenz F1 über das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13s zur Außenseite des Fahrzeugs hin ausgesendet wird. Beispielsweise kann die erste Frequenz F1 um 3 Kilohertz (3 kHz) kleiner als die Resonanzfrequenz Fc sein.
Die gesendete Ultraschallwelle der ersten Frequenz F1 wird vom Objekt reflektiert und pflanzt sich dann über die akustischen Anpassteile 13p zu den piezoelektrischen Elementen 14p fort. Jedes piezoelektrische Element 14p erzeugt eine Ausgangsspannung entsprechend der Ultraschallwelle.
Nachfolgend geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S105, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen ersten Amplitudenerhaltprozess durchführt. im ersten Amplitudenerhaltprozess erhält die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Amplitude V der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elements 14p als erste Amplitude V1.
Die Amplitude V der Ausgangsspannung vom piezoelektrischen Element 14p ergibt sich durch folgende Gleichung: V = S × P (1)
In Gleichung (1) stellt P einen Schalldruck der Ultraschallwelle dar, welche sich zu dem piezoelektrischen Element 14p fortgepflanzt hat und S stellt die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Elements 14p dar.
Die Ultraschallwelle wird abgeschwächt oder gedämpft, während sie sich über die Laufstrecke R zwischen dem Ultraschallsensor 10 und dem Objekt und wieder zurück durch die Luft bewegt. Der Schalldruck P ergibt sich durch die folgende Gleichung: P = Ae^–MR/R (2)
In Gleichung (2) stellt A einen bestimmten Koeffizienten dar und M einen Absorptionskoeffizienten. Beispielsweise wird der Koeffizient A basierend auf einem bekannten anfänglichen Schalldruck bestimmt, wobei angenommen wird, dass die Laufstrecke R 0.2 Meter beträgt.
Nachdem die erste Amplitude V1 bei S105 erhalten worden ist, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S107, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen ersten Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess durchführt. Im ersten Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess berechnet die Schaltkreisvorrichtung 20 einen ersten Absorptionskoeffizienten M1 aus den Gleichungen (1) und (2) unter Verwendung der erhaltenen ersten Amplitude V1.
Nachdem in S107 der erste Absorptionskoeffizient M1 berechnet worden ist, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S109, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen zweiten Erkennungsspannungsanlegeprozess durchführt. Im zweiten Erkennungsspannungsanlegeprozess wird eine zweite Erkennungsspannung mit einer zweiten Frequenz F2 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 der Sendevorrichtung 11 für eine kurze Zeitdauer angelegt. Die zweite Frequenz F2 ist etwas größer als die Resonanzfrequenz Fc. Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 vibriert gemäß der angelegten zweiten Erkennungsspannung. Somit wird eine Ultraschallwelle mit der zweiten Frequenz F2 durch das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13s zur Außenseite des Fahrzeugs hin abgestrahlt. Beispielsweise kann die zweite Frequenz F2 um drei Kilohertz (3 kHz) größer als die Resonanzfrequenz Fc sein.
Zur Verbesserung der Sende- und Empfangsempfindlichkeit besteht eine Notwendigkeit, sowohl die erste als auch die zweite Frequenz F1 und F2 nahe an die Resonanzfrequenz Fc heranzubringen. In der ersten Ausführungsform ist die Sendevorrichtung 11 mit dem akustischen Anpassteil 13 und dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 aufgebaut, das an das akustische Anpassteil 13 angrenzt. Das akustische Anpassteil 13 ist aus einem Harzmaterial und hat einen Q-Wert von ungefähr 10. Im Vergleich zu einer Sendevorrichtung des Membrantyps mit einem Siliziumsubstrat kann die Sendevorrichtung 11 einen kleinen Q-Wert haben, sowie eine niedrige Resonanzfrequenz. Daher kann die Sendevorrichtung 11 problemlos Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen F1 und F2 senden, von denen jede nahe an der Resonanzfrequenz Fc ist.
Die gesendete Ultraschallwelle der zweiten Frequenz F2 wird vom Objekt reflektiert und pflanzt sich dann über die akustischen Anpassteile 13p zu den piezoelektrischen Elementen 14p vor. Jedes piezoelektrische Element 14p erzeugt eine Ausgangsspannung entsprechend der Ultraschallwelle.
Nachfolgend geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S111, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen zweiten Amplitudenerhaltprozess durchführt. Im zweiten Amplitudenerhaltprozess erhält die Schaltkreisvorrichtung 20 die Amplitude V der Ausgangsspannung vom piezoelektrischen Element 14p als zweite Amplitude V2.
Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess S113, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen zweiten Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess durchführt. Im zweiten Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess berechnet die Schaltkreisvorrichtung 20 einen zweiten Absorptionskoeffizienten M2 aus den Gleichungen (1) und (2) unter Verwendung der erhaltenen zweiten Amplitude V2.
Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S115, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Feuchtigkeitsberechnungsprozess durchführt. Im Feuchtigkeitsberechnungsprozess wird eine erste Gleichung mit einer Variablen K erhalten durch Einsetzen der ersten Frequenz F1, des ersten Absorptionskoeffizienten M1 und der Temperatur T in die folgende Gleichung: M = (33 + 0.2T)F² × 10^–12 + NF/{K/(2πF) + (2πF)/K) (3)
In Gleichung (3) bedeutet N einen bestimmten Koeffizienten und π bezeichnet die Kreiszahl Pi. Auf ähnliche Weise wird eine zweite Gleichung mit der Variablen K erhalten durch Einsetzen der zweiten Frequenz F2, des zweiten Absorptionskoeffizienten M2 und der Temperatur in obige Gleichung (3). Dann wird die Variable K aus den erhaltenen ersten und zweiten Gleichungen berechnet. Dann wird eine Feuchtigkeit H berechnet, indem die Variable K, der Atmosphären- oder Luftdruck G und der Sättigungsdampfdruck Go in die folgende Gleichung eingesetzt werden: K = 1.92 × (Go/G × H)^1.3 × 10⁵) (4)
Die obigen Gleichungen (2) bis (4) basieren auf Beschreibungen in „E. J. Evans und E. N. Bazley, Acustica 6, 238–244 (1956)” und „H. O. Kneser: J. acoust. Soc. Am., Vol. 5. Iss. 2. pp. 122–126 (1933)”.
Nachdem die Feuchtigkeit H in S115 berechnet wurde, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S117, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess durchführt. In dem Absorptionskoeffizientenberechnungsprozess wird der Absorptionskoeffizient M berechnet unter Verwendung der Feuchtigkeit H aus den Gleichungen (3) und (4) per Frequenz einer Spannung, die von der Schaltkreisvorrichtung 20 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 basierend auf dem Steuersignal von der ECU angelegt wird.
Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S119, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Minimumausgangsspannungsberechnungsprozess durchführt. In dem Minimumausgangsspannungsberechnungsprozess wird der Schalldruck P der Ultraschallwelle, die sich zu dem piezoelektrischen Element 14p fortgepflanzt hat, nachdem sie sich durch Luft über die Laufstrecke R fortgepflanzt hat, aus der Gleichung (2) unter Verwendung des Absorptionskoeffizienten M berechnet, der in S117 berechnet wurde. Dann wird eine Minimumausgangsspannung Vu aus Gleichung (1) unter Verwendung des berechneten Schaltkreis P berechnet.
Nachdem die minimale Ausgangsspannung Vu bei S119 berechnet wurde, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S120, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob die Minimumausgangsspannung Vu gleich oder kleiner als ein Wert ist, der erhalten wird durch Multiplizieren der Schwellenwertspannung Vs mit einem bestimmten Koeffizienten α. Das heißt, in S121 bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, ob Vu ≤ αVs. Der Grund, warum die Minimumausgangsspannung Vu mit der multiplizierten Schwellenwertspannung αVs verglichen wird, ist, dass es die Möglichkeit gibt, nicht in der Lage zu sein, die Ultraschallwelle genau zu erkennen, da es eine Verringerung der Minimumausgangsspannung Vu gibt, wenn die Minimumausgangsspannung Vu direkt mit der Schwellenwertspannung Vs verglichen wird. In der ersten Ausführungsform beträgt der Koeffizient α 2.0 (d. h. α = 2.0). Der multiplizierte Schwellenwert αVs entspricht einer zweiten Schwellenwertspannung.
Wenn die Minimumausgangsspannung Vu größer als der multiplizierte Schwellenwert αVs entsprechend NEIN bei S121 ist, springt der Schwellenwerteinstellprozess zu S125.
Wenn im Gegensatz hierzu die Minimumausgangsspannung Vu gleich oder kleiner als der multiplizierte Schwellenwert αVs entsprechend JA bei S121 ist, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S123, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Schwellenwertverringerungsprozess durchführt. Im Schwellenwertverringerungsprozess wird die Schwellenwertspannung Vs auf einen Wert verringert, der ermittelt wird durch Division der Minimumausgangsspannung Vu mit einem bestimmten Koeffizienten β. Bei der ersten Ausführungsform wird der Koeffizient β gleich dem Koeffizienten α gemacht. Alternativ kann der Koeffizient β unterschiedlich zum Koeffizienten α gemacht werden.
Wenn auf diese Weise die Minimumausgangsspannung Vu gleich oder kleiner als der multiplizierte Schwellenwert αVs aufgrund einer Änderung in der Feuchtigkeit wird, wird bei S123 die Schwellenwertspannung Vs verringert. Nebenbei gesagt, die verringerte Schwellenwertspannung Vs kann auf einen Anfangswert zurückgesetzt werden (d. h. auf die Schwellenwertspannung Vs vor der Verringerung), oder sie kann allmählich auf den Anfangswert erhöht werden, wenn eine bestimmte Zeitdauer nach S123 verstrichen ist.
Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess von S123 nach S125 weiter. Bei S125 bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, ob ein Zündschalter (IGSW) des Fahrzeugs im Zustand im Zustand AUS ist. Wenn der Zündschalter AUS ist, was JA bei S125 entspricht, endet der Schwellenwerteinstellprozess. Wenn im Gegensatz hierzu der Zündschalter im Zustand EIN entsprechend NEIN bei S125 ist, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S101 zurück.
Wie oben beschrieben legt bei dem Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform die Schaltkreisvorrichtung 20 die Spannung an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 an, um das mehrschichtige piezoelektrische Element zu veranlassen, die Ultraschallwelle zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung 20 erkennt, dass das piezoelektrische Element 14p die Ultraschallwelle empfängt, wenn die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elements 14p gleich oder größer als die Schwellenwertspannung Vs ist. Weiterhin berechnet basierend auf der Feuchtigkeit H, die in dem Feuchtigkeitsberechnungsprozess bei S115 berechnet wurde, die Schaltkreisvorrichtung 20 den Schalldruck P der Ultraschallwelle, die sich über die Laufstrecke R in Luft fortgepflanzt hat. Wenn die Minimumausgangsspannung Vu, die aus dem Schalldruck P berechnet wurde, gleich oder kleiner als die multiplizierte Schwellenwertspannung αVs ist, verringert die Schaltkreisvorrichtung 20 die Schwellenwertspannung Vs.
Auf diese Weise schätzt die Schaltkreisvorrichtung 20 den Dämpfungsbetrag der Ultraschallwelle (d. h. den Betrag der Verringerung des Schalldrucks P) aufgrund einer Änderung der Feuchtigkeit H. Die Schaltkreisvorrichtung 20 verringert die Schwellenwertspannung Vs gemäß der Minimumausgangsspannung Vu (d. h. gemäß dem Grad der Dämpfung der Ultraschallwelle). Damit kann die Schwellenwertspannung Vs gemäß einer Änderung der Feuchtigkeit H eingestellt werden.
Genauer gesagt, wenn bei dem Schwellenwerteinstellprozess gemäß der 3 und 4 die Minimumausgangsspannung Vu, die aus dem Schalldruck P der Ultraschallwelle berechnet wird, welche sich zu dem piezoelektrischen Element 14p nach einer Fortpflanzung in Luft über die Laufstrecke R fortgepflanzt hat, gleich oder kleiner als die multiplizierte Schwellenwertspannung αVs ist, stellt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Schwellenwertspannung Vs so ein, dass die Schwellenwertspannung Vs verringert werden kann. Das heißt, die Minimumausgangsspannung Vu wird mit der multiplizierten Schwellenwertspannung αVs und nicht mit der Schwellenwertspannung Vs verglichen.
Durch diese Vorgehensweise kann, selbst wenn die Minimumausgangsspannung Vu abnimmt, der Ultraschallsensor 10 mit Genauigkeit die Ultraschallwelle erkennen.
Weiterhin wird bei dem Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform die Schwankung K aus der Gleichung (4) unter Verwendung der Feuchtigkeit berechnet, die in dem Feuchtigkeitsberechnungsprozess berechnet wurde. Der Absorptionskoeffizient M wird aus der Gleichung (3) unter Verwendung von K berechnet. Der Schalldruck P der Ultraschallwelle wird aus Gleichung (2) unter Verwendung des Absorptionskoeffizienten M berechnet. Die Minimumausgangsspannung Vu wird unter Verwendung des Schalldrucks P berechnet. Wenn die Minimumausgangsspannung Vu gleich oder kleiner als die multiplizierte Schwellenwertspannung αVs ist, wird die Schwellenwertspannung Vs so eingestellt, dass die Schwellenwertspannung Vs verringert werden kann.
Auf diese Weise wird der Schalldruck P der Ultraschallwelle, welcher sich zum piezoelektrischen Element 14p nach einer Bewegung durch Luft über die Laufstrecke R fortgepflanzt hat, aus den Gleichungen (2) bis (4) unter Verwendung der Feuchtigkeit H, der Frequenz F der Ultraschallwelle, der Temperatur, dem Luftdruck G und dem gesättigten Dampfdruck Go berechnet. Durch diese Vorgehensweise kann der Dämpfungsgrad der Ultraschallwelle (der Verringerungsbetrag im Schalldruck P) aufgrund einer Änderung in der Feuchtigkeit H abgeschätzt werden.
Bei dem Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform legt die Schaltkreisvorrichtung 20 die erste Erkennungsspannung der Frequenz F1 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 für eine kurze Zeitdauer an, um das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 zu veranlassen, die Ultraschallwelle der ersten Frequenz F1 zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung 20 berechnet den ersten Absorptionskoeffizienten M1 aus der Gleichung (2) unter Verwendung des Schalldrucks P, der in Gleichung (1) unter Verwendung der ersten Amplitude V1 der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elements 14p berechnet wird, welches die Ultraschallwelle empfangen hat, die durch Anlegen der ersten Erkennungsspannung gesendet wurde. Auf ähnliche Weise legt die Schaltkreisvorrichtung 20 die zweite Erkennungsspannung der zweiten Frequenz F2 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 für eine kurze Zeitdauer an, um nun das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 zu veranlassen, die Ultraschallwelle der zweiten Frequenz F2 zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung 20 berechnet den zweiten Absorptionskoeffizienten M2 aus der Gleichung (2) unter Verwendung des Schalldrucks P, der aus Gleichung (1) unter Verwendung der zweiten Amplitude V2 der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elements 14p berechnet wurde, welches die Ultraschallwelle empfängt, die durch Anlegen der zweiten Erkennungsspannung gesendet wurde. Dann erhält die Schaltkreisvorrichtung 20 die erste Gleichung mit der Variablen K durch Einsetzen der ersten Frequenz F1, des ersten Absorptionskoeffizienten M1 und der Temperatur in Gleichung (3). Weiterhin erhält die Schaltkreisvorrichtung 20 die zweite Gleichung mit der Variablen K durch Einsetzen der zweiten Frequenz F2, des zweiten Absorptionskoeffizienten M2 und der Temperatur T in Gleichung (3). Dann berechnet die Schaltkreisvorrichtung 20 die Variable K aus den ersten zwei Gleichungen. Dann berechnet die Schaltkreisvorrichtung 20 die Feuchtigkeit H durch Einsetzen der Variablen K, des Atmosphärendrucks G und des Sättigungsdampfdrucks Go in Gleichung (4).
Durch diese Vorgehensweise erlangt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Feuchtigkeit H ohne Verwendung einer speziellen Vorrichtung, beispielsweise eines Feuchtigkeitssensors. Da weiterhin jede der ersten zwei Frequenzen F1 und F2 nahe an der Resonanzfrequenz Fc liegt, kann die Ultraschallvorrichtung 11 die Ultraschallwellen der ersten und zweiten Frequenzen F1 und F2 mit hoher Empfindlichkeit senden. Damit können Kostenanstiege zur Erkennung der Feuchtigkeit H verringert werden.
Weiterhin ist bei dem Ultraschallsensor 10 das akustische Anpassungsbauteil 13 der Sendevorrichtung 11 aus einem Harzmaterial. Im Vergleich mit beispielsweise einer Sendevorrichtung vom Membrantyp mit einem Siliziumsubstrat kann die Sendevorrichtung 11 einen kleinen Q-Wert und eine niedrige Resonanzfrequenz haben. Daher kann die Sendevorrichtung 11 problemlos Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen F1 und F2 übertragen, von denen jede nahe an der Resonanzfrequenz Fc liegt.
Weiterhin enthält beim Ultraschallsensor 10 die Sendevorrichtung 11 das mehrschichtige piezoelektrische Element 16. Damit kann die Sendevorrichtung 11 eine Ultraschallwelle mit hohem Druck aussenden.
Weiterhin können bei dem Ultraschallsensor 10 die piezoelektrischen Elemente 14p der Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r aus piezoelektrischem Zirkontitanat (PZT) sein. Durch dies können die piezoelektrische Elemente 14p eine Ultraschallwelle auch mit geringem Druck erkennen. Somit können die piezoelektrischen Elemente 14p die Ultraschallwelle mit hoher Empfindlichkeit erkennen.
Weiterhin sind bei dem Ultraschallsensor 10 die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r in einem bestimmten Reihen- und Spaltenmuster (als Beispiel) angeordnet. Damit können Distanz und Azimuthwinkel des Objekts relativ zum Ultraschallsensor 10 basierend auf den Ultraschallwellen gemessen werden, die durch Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r erkannt werden. Damit kann eine dreidimensionale Position des Objekts gegenüber dem Ultraschallsensor 10 gemessen werden.
Zweite Ausführungsform
Ein Ultraschallsensor 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben. Der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Ausführungsformen stellt sich wie folgt dar:
Der Ultraschallsensor 110 enthält weiterhin ein Paar von Elektroden 41, die zur Erkennung einer Dielektrizitätskonstanten des ersten Absorbers 19 verwendet werden.
Eine Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 110 führt einen Schwellenwerteinstellprozess gemäß 6 anstelle des Schwellenwerteinstellprozesses der 3 und 4 durch.
Gemäß 5 sind die Elektroden 41 im ersten Absorber 19 eingebettet und voneinander beabstandet. Die Elektroden 41 sind über jeweilige Drähte 41a elektrisch mit der Schaltkreisvorrichtung 20 verbunden. Die Schaltkreisvorrichtung 20 erkennt die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 basierend auf einer Kapazität zwischen den Elektroden 41. Der Schwellenwerteinstellprozess, der von der Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 110 durchgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezug auf 6 beschrieben.
Der Schwellenwerteinstellprozess beginnt bei S101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 die Temperatur T, den Luftdruck B und den Sättigungsdampfdruck Go ermittelt. Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S115a, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Feuchtigkeitsmessprozess durchführt. Im Feuchtigkeitsmessprozess erkennt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 basierend auf der Kapazität zwischen den Elektroden 41, die im ersten Absorber 19 eingebettet sind. Beispielsweise ist, wenn die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 im Bereich von ungefähr drei bis sechs liegt, die Dielektrizitätskonstante von Wasser ungefähr 80. Da die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 mit einem Anstieg der Feuchtigkeit H zunimmt, kann die Feuchtigkeit H basierend auf der Dielektrizitätskonstanten des ersten Absorbers 19 gemessen werden.
Nachdem die Feuchtigkeit H bei S115a gemessen wurde, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S117, S119, S121, S123 und S125 auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform. Damit wird die Schwellenwertspannung Vs auf geeignete Weise gemäß der Feuchtigkeit H eingestellt.
Wie oben beschrieben sind beim Ultraschallsensor 110 der zweiten Ausführungsform die Elektroden 41 im ersten Absorber 19 eingebettet, die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 wird basierend auf der Kapazität zwischen den Elektroden 41 erkannt und die Feuchtigkeit H wird basierend auf der Dielektrizitätskonstanten des ersten Absorbers 19 gemessen. Durch diese Vorgehensweise wird die Feuchtigkeit H ohne Verwendung einer speziellen Vorrichtung, beispielsweise eines Feuchtigkeitssensors gemessen, so dass die Herstellungskosten des Ultraschallsensors 110 verringert werden können.
<Dritte Ausführungsform>
Ein Ultraschallsensor 210 gemäß einer dritten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezug auf 7 beschrieben. Ein Unterschied zwischen der zweiten und dritten Ausführungsform ist wie folgt:
Der Ultraschallsensor 210 enthält ein Oberflächenakustikwellenelement 50 (SAW-Element) anstelle der Elektroden 41 des Ultraschallsensors 110.
Das SAW-Element 50 enthält Elektroden 51 und 52. Wie aus 7 zu sehen ist, hat jede der Elektroden 51 und 52 eine Kammform und ist an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p angebracht. Es sei festzuhalten, dass das piezoelektrische Element 14p von 7 aus Erläuterungsgründen nicht im Schnitt dargestellt ist. Die Elektroden 51 und 52 sind voneinander beabstandet und elektrisch über nicht gezeigte Drähte mit der Schaltkreisvorrichtung 20 verbunden.
Das SAW-Element 50 empfängt ein Steuersignal von der Schaltkreisvorrichtung 20 und veranlasst die Elektrode 51, eine akustische Oberflächenwelle einer bestimmten Frequenz gemäß dem Steuersignal zu emittieren. Die emittierte akustische Oberflächenwelle pflanzt sich entlang einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p fort und wird von der Elektrode 52 empfangen. Die Elektrode 52 erzeugt ein elektrisches Signal entsprechend der empfangenen akustischen Oberflächenwelle. Es sei festzuhalten, dass das SAW-Element 50 mit einem Film versehen ist, der sich mit der Feuchtigkeit H ändert. Wenn daher die Feuchtigkeit H zunimmt, ist es wahrscheinlich, dass die akustische Oberflächenwelle vom Film absorbiert wird. Im Ergebnis wird die Amplitude in der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 52 empfangen wird, kleiner als die Amplitude der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 aus gesendet wurde.
Der Schwellenwerteinstellprozess, der von Schaltkreisvorrichtung 20 im Ultraschallsensor 210 durchgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezug auf 6 beschrieben.
Der Schwellenwerteinstellprozess beginnt bei S101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 die Temperatur T, den Luftdruck G und den gesättigten Dampfdruck (Sättigungsdampfdruck) Go erhält. Dann geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S115a, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Feuchtigkeitsmessprozess durchführt. In dem Feuchtigkeitsmessprozess misst die Schaltkreisvorrichtung 20 die Feuchtigkeit H basierend auf einer Frequenzdifferenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 50 emittiert wurde mit der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 52 empfangen wurde.
Wie bereits erwähnt, ist das SAW-Element 50 mit dem Film versehen, der sich mit der Feuchtigkeit H ändert. Wenn somit die Feuchtigkeit H zunimmt, nimmt die Amplitude der akustischen Oberfläche während der Fortpflanzung von der Elektrode 51 zur Elektrode 52 ab. Mit anderen Worten, die Frequenz der akustischen Oberflächenwelle ändert sich mit der Feuchtigkeit H während der Fortpflanzung von der Elektrode 51 zur Elektrode 52. Damit kann die Feuchtigkeit H basierend auf der Differenz in der Frequenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 emittiert wurde und der akustischen Oberflächenwelle gemessen werden, die von der Elektrode 52 empfangen wurde.
Nachdem die Feuchtigkeit H bei S115a gemessen worden ist, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S117, S119, S121, S123 und S125 auf gleiche Weise wie bei der zweiten Ausführungsform. Damit wird die Schwellenwertspannung Vs gemäß der Feuchtigkeit H geeignet eingestellt.
Wie oben beschrieben, ist bei dem Ultraschallsensor 210 der dritten Ausführungsform das SAW-Element 50 mit den Elektroden 51 und 52 an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p angebracht. Die Feuchtigkeit H wird basierend auf der Frequenzdifferenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 emittiert wird und der akustischen Oberflächenwelle gemessen, die von der Elektrode 52 empfangen wird. Durch diese Vorgehensweise wird die Feuchtigkeit H ohne Verwendung einer speziellen Vorrichtung, beispielsweise eines Feuchtigkeitssensors gemessen.
Alternativ kann das SAW-Element an einer Oberfläche einer Vorrichtung anders als dem piezoelektrischen Element 14p angebracht werden, um die Feuchtigkeit H zu messen.
<Vierte Ausführungsform>
Ein Ultraschallsensor 310 gemäß einer vierten, erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 beschrieben. Wie aus einem Vergleich der 1B und 8 hervorgeht, hat der Ultraschallsensor 310 den gleichen Aufbau wie der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform. Ein Unterschied zwischen den ersten und vierten Ausführungsformen liegt darin, dass eine Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 310 einen Frequenzeinstellprozess durchführt, der in 9 dargestellt ist, anstelle des Schwellenwerteinstellprozesses der 3 und 4.
Der Frequenzeinstellprozess beginnt bei S1101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob eine Geschwindigkeit E des mit dem Ultraschallsensor 310 ausgestatteten Fahrzeugs gleich oder geringer als eine ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do ist. Beispielsweise kann die Schaltkreisvorrichtung 20 die Fahrzeuggeschwindigkeit D basierend auf einem Geschwindigkeitssignal von der ECU erkennen. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit D größer als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do entsprechend NEIN S1101 ist, wird S1101 wiederholt, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Go wird. Beispielsweise ist bei der vierten Ausführungsform die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do 10 Kilometer pro Stunde (km/h). Alternativ kann bei S1101 die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmen, ob ein Motor des Fahrzeugs angelassen wird. In diesem Fall geht der Frequenzeinstellprozess von S1101 zu S1103 weiter, wenn der Fahrzeugmotor angelassen wird.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do entsprechend JA bei S1101 ist, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1103 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Erkennungsspannungsanlegeprozess durchführt. Im Erkennungsspannungsanlegeprozess legt die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Spannung einer Erkennungsfrequenz Fo an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 für kurze Zeit an. Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 vibriert gemäß der Spannung, so dass eine Ultraschallwelle die Erkennungsfrequenz Fo durch das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13a zur Außenseite des Fahrzeugs gesendet werden kann.
Die übertragene Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo wird vom Objekt reflektiert, pflanzt sich durch die akustischen Anpassteile 13p fort und wird von den piezoelektrischen Elementen 14p empfangen.
Danach geht der Frequenzeinstellprozess zu S1105 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Resonanzfrequenzanalyseprozess durchführt. Im Resonanzfrequenzanalyseprozess erkennt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc der akustischen Anpassteile 13 und 13p basierend auf einer Frequenz der Ultraschallwelle, die von den piezoelektrischen Elementen 14p empfangen wird. Auf diese Weise erkennt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc. Da die akustischen Anpassteile 13 und 13p aus gleichem Material sind, können die akustischen Anpassteile 13 und 13p die gleiche Resonanzfrequenz ungeachtet der Umgebungstemperatur haben. Das heißt, die akustischen Anpassteile 13 und 13p können eine gemeinsame Resonanzfrequenz Fc ungeachtet der Umgebungstemperatur haben.
Genauer gesagt, wenn die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Eingangsspannung Vi der Erkennungsfrequenz Fo an das mehrschichtige piezoelektrischen Element 16 anlegt, sendet das mehrschichtige piezoelektrischen Element 16 eine Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo, wie in 10 gezeigt. Die Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo wird vom Objekt reflektiert und pflanzt sich durch das akustische Anpassteil 13p an jedes piezoelektrische Element 14p fort. Das piezoelektrische Element 14p erzeugt eine Ausgangsspannung Vo der Erkennungsfrequenz Fo bei Empfang der Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo. Wenn die Fortpflanzung der Ultraschallwelle an das piezoelektrische Element 14p abgeschlossen ist, ändert sich eine Frequenz der Ausgangsspannung vom piezoelektrischen Element 14p von der Erkennungsfrequenz Fo zu einer Nachhallfrequenz. Es sei festzuhalten, dass die Nachhallfrequenz gleich der Resonanzfrequenz Fc ist. Daher kann die Resonanzfrequenz Fc durch Durchführung einer Frequenzanalyse der Nachhallfrequenz erkannt werden. Die Resonanzfrequenz Fc kann basierend auf der Ausgangsspannung irgendeines der piezoelektrischen Elemente 14p die Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r erkannt werden. Alternativ kann die Resonanzfrequenz Fc basierend auf den Ausgangsspannungen einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 14p erkannt werden.
Nachdem bei S1105 die Resonanzfrequenz Fc erkannt worden ist, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1107 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Zeitzählprozess durchführt. Im Zeitzählprozess zählt die Schaltkreisvorrichtung 20 eine verstrichene Zeit ET ausgehend von der Zeit, zu der die Resonanzfrequenz Fc bei S1105 erkannt wurde.
Dann geht der Frequenzeinstellprozess zu S1109 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Frequenzsetzprozess durchführt. Im Frequenzsetzprozess setzt die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Frequenz der an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegten Spannung gleich der erkannten Resonanzfrequenz Fc.
In diesem Setzzustand hat die an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegte Spannung die Resonanzfrequenz Fc. Das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 vibriert gemäß der angelegten Spannung, so dass eine Ultraschallwelle der Resonanzfrequenz Fc durch das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13a zur Außenseite des Fahrzeugs hin übertragen werden kann.
In diesem Setzzustand kann die emittierte Ultraschallwelle, da diese von dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 emittierte Ultraschallwelle die Resonanzfrequenz Fc hat, während der Fortpflanzung durch das akustische Anpassteil 13 verstärkt werden. Somit kann der Ultraschallsensor 310 eine hohe Sendeempfindlichkeit haben.
Da in diesem Setzzustand die von dem Objekt reflektierte Ultraschallwelle die Resonanzfrequenz Fc hat, kann die reflektierte Ultraschallwelle während der Fortpflanzung durch das akustische Anpassteil 13p zum piezoelektrischen Element 14p verstärkt werden. Daher kann der Ultraschallsensor 310 eine hohe Empfangsempfindlichkeit haben.
Dann geht der Frequenzeinstellprozess zu S1111 weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob die verstrichene Zeit ET gleich oder größer als eine Schwellenwertzeit ETo ist.
Wenn die verstrichene Zeit ET kleiner als die Schwellenwertzeit ETo entsprechend NEIN bei S1111 ist, kehrt der Frequenzeinstellprozess zu S1109 zurück. Auf diese Weise wird der bei S1109 durchgeführte Frequenzsetzprozess wiederholt, bis die verstrichene Zeit ET gleich oder größer als die Schwellenwertzeit ETo geworden ist.
Wenn die verstrichene Zeit ET gleich oder größer als die Schwellenwertzeit ETo entsprechend JA bei S1111 wird, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1113 weiter. Bei S1113 bestimmt die Schaltkreisvorrichtung 20, ob der Zündschalter (IGSW) des Fahrzeugs im Zustand AUS ist. Wenn der Zündschalter im Zustand AUS entsprechend JA bei S1113 ist, endet der Schwellenwerteinstellprozess. Wenn im Gegensatz hierzu der Zündschalter im Zustand EIN entsprechend NEIN bei S1113 ist, kehrt der Schwellenwerteinstellprozess zu S1101 zurück. So wird die Resonanzfrequenz Fc jedes mal dann erkannt, wenn die Schwellenwertzeit ETo verstreicht. Durch diese Vorgehensweise kann die Frequenz der Spannung, welche an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegt wird, gleich der Resonanzfrequenz Fc gehalten werden, trotz der Tatsache, dass sich die Resonanzfrequenz Fc mit der Temperatur ändert. Daher kann der Ultraschallsensor 310 die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten beibehalten, auch wenn sich die Temperatur ändert.
Wie oben beschrieben erkennt bei dem Ultraschallsensor 310 der vierten Ausführungsform die Schaltkreisvorrichtung 20 die gemeinsame Resonanzfrequenz Fc der akustischen Anpassteile 13 und 13p. Die Schaltkreisvorrichtung 20 setzt die Frequenz der an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegten Spannung gleich der erkannten Resonanzfrequenz Fc.
Durch diese Vorgehensweise wird die Frequenz der Ultraschallwelle, die vom mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 emittiert wird, auf gleich der Resonanzfrequenz Fc eingestellt. Somit kann der Ultraschallsensor 310 die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten beibehalten, auch wenn sich die Temperatur ändert.
Da bei der vierten Ausführungsform die akustischen Anpassteile 13 und 13p aus dem gleichen Material sind, haben die akustischen Anpassteile 13 und 13p die gleiche Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls. Daher können die akustischen Anpassteile 13 und 13p die gleiche (d. h. gemeinsame) Resonanzfrequenz Fc ungeachtet der Temperatur haben.
Alternativ können die akustischen Anpassteile 13 und 13p aus unterschiedlichen Materialien mit der gleichen Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls sein. Alternativ können die akustischen Anpassteile 13 und 13p aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten der Elastizitätsmodule sein. In diesem Fall kann die Schaltkreisvorrichtung 20 die Frequenz der an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegten Spannung gleich einer Resonanzfrequenz irgendeines der akustischen Anpassteile 13, 13p setzen.
Weiterhin erkennt bei dem Ultraschallsensor 310 die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc durch Anlegen der Spannung der Erkennungsfrequenz Fo an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 und dann durch Durchführung der Frequenzanalyse der Nachhallfrequenz in der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elements 14p. Mit dieser Vorgehensweise wird die Resonanzfrequenz Fc mit Sicherheit erkannt, so dass der Ultraschallsensor 310 die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten beibehalten kann.
<Fünfte Ausführungsform>
Ein Ultraschallsensor gemäß der fünften, erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben.
Ein Unterschied zwischen der vierten und der fünften Ausführungsform ist, dass die Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors bei der fünften Ausführungsform den Frequenzeinstellprozess gemäß 11 anstelle des Frequenzeinstellprozesses gemäß 9 durchführt.
Der Frequenzeinstellprozess beginnt bei S1101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do ist. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do entsprechend JA bei S1101 ist, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1103a weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen zunehmenden Erkennungsspannungsanlegeprozess durchführt. In dem zunehmenden Erkennungsspannungsanlegeprozess legt die Schaltkreisvorrichtung 20 an des mehrschichtige piezoelektrische Element 16 eine Spannung einer Erkennungsfrequenz Fo an, welche über die Zeit hinweg allmählich zunimmt. Des mehrschichtige piezoelektrische Element 16 vibriert oder schwingt gemäß der angelegten Spannung, so dass eine Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo durch das akustische Anpassteil 13 von der Sendeoberfläche 13h zur Außenseite des Fahrzeugs hin abgestrahlt werden kann. Alternativ kann die Schaltkreisvorrichtung 20 an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 eine Spannung einer Frequenz Fo anlegen, welche allmählich über die Zeit hinweg abnimmt.
Die Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo wird vom Objekt reflektiert, pflanzt sich durch die akustischen Anpassteile 13p fort und wird dann von dem piezoelektrischen Element 14p empfangen.
Danach geht der Frequenzeinstellprozess zu S1105a weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Resonanzfrequenzsuchprozess durchführt. Im Resonanzfrequenzsuchprozess sucht die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc, die akustischen Anpassteile 13p basierend auf einer Frequenz der Ultraschallwelle die von den piezoelektrischen Elementen 14p empfangen wurde und eine Impedanz Z der piezoelektrischen Elemente 14p.
Insbesondere erzeugt das piezoelektrische Element 14p einen Ausgangsstrom während des Empfangs der Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo. Der Ausgangsstrom der piezoelektrischen Elements 14p ändert sich mit der Erkennungsfrequenz Fo, die mit der Zeit zunimmt. Folglich ändert sich gemäß 12 die Impedanz Z des piezoelektrischen Elements 14p mit der Erkennungsfrequenz Fo. Es sei festzuhalten, dass der Ausgangsstrom des piezoelektrischen Elements 14p einen Gesamtmaximalwert hat, wenn das piezoelektrische Element 14p die Ultraschallwelle der Resonanzfrequenz Fc empfängt. Das heißt, die Impedanz Z des piezoelektrischen Elements 14p hat einen örtlichen Minimumwert, wenn das piezoelektrische Element 14p die Ultraschallwelle der Resonanzfrequenz Fc empfängt. Daher kann die Resonanzfrequenz Fc erkannt werden, indem die Frequenz des Ausgangsstroms entsprechend dem örtlichen Minimumwert der Impedanz Z gesucht wird. Auf diese Weise kann die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc erkennen. Die Resonanzfrequenz Fc kann basierend auf dem örtlichen Minimumwert der Impedanz Z irgendeines der piezoelektrischen Elemente 14p erkannt werden. Alternativ kann die Resonanzfrequenz Fc basierend auf dem örtlichen Minimumwert einer jeden Impedanz Z der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 14p erkannt werden.
Nachdem die Resonanzfrequenz Fc bei S1105a erkannt worden ist, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1107, S1109, S1111 und S1113 auf gleiche Weise wie in der vierten Ausführungsform weiter. Durch diese Vorgehensweise kann die Frequenz der Spannung, die an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegt wird, trotz der Tatsache, dass die Resonanzfrequenz Fc sich mit der Temperatur ändert, gleich der Resonanzfrequenz Fc gehalten werden. Daher kann der Ultraschallsensor der fünften Ausführungsform die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten ungeachtet der Temperatur beibehalten.
Wie oben beschrieben liegt bei der fünften Ausführungsform die Schaltkreisvorrichtung 20 die Spannung der Erkennungsfrequenz Fo, die über die Zeit hinweg zunimmt, an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 an, um das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 zu veranlassen, die Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung 20 misst die Impedanz Z des piezoelektrischen Elements 14p, das die Ultraschallwelle der Erkennungsfrequenz Fo empfangen hat. Die Impedanz Z des piezoelektrischen Elements 14p ändert sich mit der Frequenz der empfangenen Ultraschallwelle. Die Schaltkreisvorrichtung 20 erkennt die Resonanzfrequenz Fc durch Suchen der Frequenz entsprechend des örtlichen Minimumwerts der Impedanz Z. Die Frequenz der Ultraschallwelle, die von dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 16 abgegeben wird, wird auf gleich der erkannten Resonanzfrequenz Fc eingestellt. Somit kann der Ultraschallsensor der fünften Ausführungsform die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten ungeachtet der Temperatur beibehalten.
Alternativ kann die Schaltkreisvorrichtung 20 diese Resonanzfrequenz Fc durch Messen einer Impedanz des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 16 und Durchsuchen einer entsprechenden Frequenz des örtlichen Minimumwerts der Impedanz erkennen. Alternativ kann die Schaltkreisvorrichtung 20 die Resonanzfrequenz Fc durch Anlegen einer Spannung zunehmender Frequenz an das piezoelektrische Element 14p, durch Messen einer Impedanz des piezoelektrischen Elements 14p und dann durch Suchen einer entsprechenden Frequenz des örtlichen Minimumwerts der Impedanz erkennen.
<Sechste Ausführungsform>
Ein Ultraschallsensor 410 gemäß einer sechsten, erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezug auf die 13 und 14 beschrieben. Der Unterschied zwischen der vierten und der sechsten Ausführungsform ist wie folgt:
Der Ultraschallsensor 410 enthält ein Paar von Elektroden 41, die zur Erkennung einer Elektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 verwendet werden. Eine Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 410 führt einen Frequenzeinstellprozess gemäß 14 anstelle des Frequenzeinstellprozesses gemäß 9 durch.
Gemäß 13 sind die Elektroden 41 im ersten Absorber 19 eingebettet und voneinander beabstandet. Die Elektroden 41 sind über entsprechende Drähte 41a elektrisch mit der Schaltkreisvorrichtung 20 verbunden. Die Schaltkreisvorrichtung 20 erkennt die Elektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 basierend auf einer Kapazität zwischen den Elektroden 41.
Der Frequenzeinstellprozess, der von der Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 410 durchgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezug auf 14 beschrieben.
Der Frequenzeinstellprozess beginnt bei S1101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do ist. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do entsprechend JA bei S1101 ist, wie es der Frequenzeinstellprozess zu S1103b weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Umgebungstemperaturmessprozess durchführt. Im Umgebungstemperaturmessprozess erkennt die Schaltkreisvorrichtung 20 die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 basierend auf der Kapazität zwischen den Elektroden 41, die im ersten Absorber 19 eingebettet sind. Da die Dielektrizitätskonstante des ersten Absorbers 19 mit zunehmender Umgebungstemperatur zunimmt, kann die Umgebungstemperatur basierend auf der Dielektrizitätskonstanten des ersten Absorbers 19 gemessen werden. Hierbei wird angenommen, dass eine Temperatur eines jeden der akustischen Anpassteile 13 gleich einer Umgebungstemperatur ist.
Nachdem bei S1103b die Umgebungstemperatur gemessen wurde, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1105b weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Resonanzfrequenzberechnungsprozess durchführt. Im Resonanzfrequenzberechnungsprozess berechnet die Schaltkreisvorrichtung 20 eine Resonanzfrequenz des akustischen Anpassteils 13p. Das heißt, die Schaltkreisvorrichtung 20 berechnet die Resonanzfrequenz Fc der akustischen Anpassteile 13, 13p. Die Resonanzfrequenz Fc ergibt sich aus folgender Gleichung: Fc = {E/{3p(1 – v)}}^1/2/4L (5)
In Gleichung (5) stellt p die Dichte des akustischen Anpassteil 13p dar, v stellt eine Kontraktionszahl des akustischen Anpassteils 13p dar, L stellt die Dicke des akustischen Anpassteils 13p dar und E stellt den Elastizitätsmodul des akustischen Anpassteils 13p dar. Es sei festzuhalten, dass der Elastizitätsmodul des akustischen Anpassteils p unverwechselbar durch die Temperatur des akustischen Anpassteils 13p bestimmt ist, das heißt durch die Umgebungstemperatur, die in S1103b erkannt wurde.
Die Gleichung (5) wird wie folgt erhalten: Wie voranstehend erwähnt, ist die Dicke L des akustischen Anpassteils 13p im Wesentlichen gleich einem Viertel der Wellenlänge λ der Ultraschallwelle in dem akustischen Anpassteil 13p. Das heißt, L = λ/4. Die Wellenlänge λ kann wie folgt dargestellt werden, wobei die Schallgeschwindigkeit C im akustischen Anpassteil 13p als λ = C/Fc ausgedrückt wird. Daher ergibt sich die Resonanzfrequenz Fc durch die folgende Gleichung: Fc = C/4L (6)
Die Schallgeschwindigkeit C kann wie folgt unter Verwendung der Dichte t, der Kontraktionszahl v und dem Elastizitätsmodul E dargestellt werden: C = {E/{3p(1 – v)}}^1/2 (7)
Somit kann die Gleichung (5) aus den Gleichungen (6) und (7) abgeleitet werden.
Nachdem in S1105b die Resonanzfrequenz Fc berechnet wurde, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1107, S1109, S1111 und S1113 auf gleiche Weise wie in der vierten Ausführungsform weiter. Durch diese Vorgehensweise kann die Frequenz der Spannung, die an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegt wird, gleich der Resonanzfrequenz Fc gehalten werden, trotz der Tatsache, dass die Resonanzfrequenz Fc sich mit der Temperatur ändert. Somit kann der Ultraschallsensor 410 der sechsten Ausführungsform die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten ungeachtet der Temperatur beibehalten.
Wie oben beschrieben, misst bei dem Ultraschallsensor 410 der sechste Ausführungsform die Schaltkreisvorrichtung 20 dem Elastizitätsmodul E des akustischen Anpassteils 13p durch Messen der Umgebungstemperatur und berechnet die Resonanzfrequenz Fc unter Verwendung des Elastizitätsmoduls E aus der Gleichung (5).
Die Umgebungstemperatur wird unter Verwendung der Elektroden 41 gemessen, die im ersten Absorber 19 eingebettet sind. Auf diese Weise wird die Umgebungstemperatur ohne Verwendung einer eigenen Vorrichtung, beispielsweise eines Temperatursensors gemessen, so dass die Herstellungskosten des Ultraschallsensors 410 verringert werden können.
Alternativ kann der Ultraschallsensor 410 einen Temperatursensor haben, der im Gehäuse 31 angeordnet ist, um die Umgebungstemperatur zu messen.
<Siebte Ausführungsform>
Ein Ultraschallsensor 510 gemäß einer siebten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
Der Unterschied zwischen der sechsten und der siebten Ausführungsform ist wie folgt:
Der Ultraschallsensor 510 enthält ein akustisches Oberflächenwellenelement 50 (SAW-Element) anstelle der Elektroden 41 des Ultraschallsensors 410.
Das SAW-Element 50 enthält Elektroden 51 und 52. Wie in 15 zu sehen ist, hat jede der Elektroden 51 und 52 eine Kammform und ist an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p angebracht. Es sei festzuhalten, dass das piezoelektrische Element 14p von 15 aus Gründen der Erläuterung nicht im Schnitt dargestellt ist. Die Elektroden 51 und 52 sind voneinander beabstandet und über Drähte (nicht gezeigt) entsprechend mit der Schaltkreisvorrichtung 20 elektrisch verbunden.
Das SAW-Element 50 empfängt ein Steuersignal von der Schaltkreisvorrichtung 20 und veranlasst die Elektrode 51, eine akustische Oberflächenwelle einer bestimmten Frequenz gemäß dem Steuersignal abzugeben. Die abgegebene akustische Oberflächenwelle pflanzt sich entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p fort und wird von der Elektrode 52 empfangen. Die Elektrode 52 erzeugt ein elektrisches Signal entsprechend der empfangenen akustischen Oberflächenwelle.
Ein Frequenzeinstellprozess, der von der Schaltkreisvorrichtung 20 des Ultraschallsensors 510 durchgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezug auf 14 beschrieben.
Der Frequenzeinstellprozess beginnt bei S1101, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 bestimmt, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do ist. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit D gleich oder kleiner als die ultraschallerkennbare Geschwindigkeit Do entsprechend JA bei S1101 ist, geht der Frequenzeinstellprozess zu S1103b weiter, wo die Schaltkreisvorrichtung 20 einen Umgebungstemperaturmessprozess durchführt. Im Umgebungstemperaturmessprozess misst die Schaltkreisvorrichtung 20 die Umgebungstemperatur basierend auf einer Differenz der Frequenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 emittiert wurde und der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 52 empfangen wurde.
Genauer gesagt, da sich das piezoelektrische Element 14p mit zunehmender Umgebungstemperatur ausdehnt, nimmt der Abstand zwischen den Elektroden 51 und 52 des SAW-Elements 50 mit zunehmender Umgebungstemperatur zu. Wenn daher die Umgebungstemperatur steigt, steigt die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle während der Fortpflanzung von der Elektrode 51 zur Elektrode 52 an. Mit anderen Worten, die Frequenz der akustischen Oberflächenwelle nimmt mit einer Zunahme der Umgebungstemperatur während der Fortpflanzung von der Elektrode 51 zur Elektrode 52 ab.
Damit kann die Umgebungstemperatur basierend auf der Frequenzdifferenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 emittiert wurde und der akustischen Oberflächenwelle gemessen werden kann, die von der Elektrode 52 empfangen wurde.
Nachdem in S1103b die Umgebungstemperatur gemessen wurde, geht der Schwellenwerteinstellprozess zu S1105b, S1107, S1109, S1111 und S1113 auf gleiche Weise wie in der sechsten Ausführungsform weiter. Durch diese Vorgehensweise kann die Frequenz der Spannung, die an das mehrschichtige piezoelektrische Element 16 angelegt wird, gleich der Resonanzfrequenz Fc gehalten werden, trotz der Tatsache, dass sich die Resonanzfrequenz Fc mit der Temperatur ändert. Somit kann der Ultraschallsensor 510 der siebten Ausführungsform die hohen Sende- und Empfangsempfindlichkeiten ungeachtet der Umgebungstemperatur beibehalten.
Wie oben beschrieben, ist bei dem Ultraschallsensor 510 der siebten Ausführungsform das SAW-Element 50 mit den Elektroden 51 und 52 an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 14p angebracht. Die Umgebungstemperatur wird basierend auf der Differenz der Frequenz zwischen der akustischen Oberflächenwelle, die von der Elektrode 51 abgegeben wird und der akustischen Oberflächenwelle gemessen, die von der Elektrode 52 empfangen wird. Mit dieser Vorgehensweise wird die Umgebungstemperatur ohne Verwendung einer speziellen Vorrichtung, beispielsweise einem Temperatursensor gemessen.
Alternativ kann das SAW-Element an einer Oberfläche einer Vorrichtung anders als das piezoelektrische Element 14p zur Messung der Umgebungstemperatur angebracht werden.
<Abwandlungen>
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können in einer Vielzahl von Arten abgewandelt werden.
Die piezoelektrischen Elemente 14p und 16 können aus einem anderen Material als PZT gemacht werden. Beispielsweise können die piezoelektrischen Elemente 14p und 16 aus Polyvinylidenflourid (PVDF) sein. Hiermit kann ein Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen dem akustischen Anpassteil 13p und dem piezoelektrischen Element 14p und eine Differenz in der akustischen Impedanz zwischen dem akustischen Anpassteil 13 und dem piezoelektrischen Element 16 verwendet werden. Damit kann eine Dämpfung der Ultraschallwelle verringert werden. Da weiterhin PVDF eine Art von Kunststoff ist, können die akustischen Anpassteile 13 und 13p problemlos durch ein Einsetzgussverfahren hergestellt werden.
In den beschriebenen Ausführungsformen sind die Empfangsoberflächen 13j und die Sendeoberfläche 13s mit dem Vibrationsdämpfer 18 bedeckt, sodass die Empfangsoberflächen 13j und die Sendeoberfläche 13s nicht zur Außenseite des Gehäuses 31 hin freiliegen. Alternativ kann der Vibrationsdämpfer 18 an Seitenflächen der akustischen Anpassteile 13 und 13p nahe der Empfangs- und Sendeoberflächen 13j und 13s sein, so dass die Empfangs- und Sendeoberflächen 13j und 13s zur Außenseite des Gehäuses 31 hin freiliegen. In diesem Fall können die freiliegenden Flächen 13j und 13s mit einem Überzugsmaterial oder dergleichen beschichtet sein.
Der Vibrationsisolator 90 kann einstückig mit dem Gehäuse 31 ausgebildet sein. Das heißt, das Gehäuse 31 und der Vibrationsisolator 90 können einstückig sein, Mit dieser Vorgehensweise kann die Bauteilzahl für den Ultraschallsensor verringert werden und der Vibrationsisolator 90 kann korrekt gegenüber dem Gehäuse 31 positioniert werden.
Die akustischen Anpassteile 13 und 13p können eine von der rechteckigen Zylinderform abweichende Form haben. Beispielsweise können die akustischen Anpassteile 13 und 13p eine Kreiszylinderform haben. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich unerwünschte Vibrationen in den akustischen Anpassteilen 13 und 13p effektiv verringern.
Anzahl und Anordnung von Sendevorrichtung 11 und Empfangsvorrichtungen 12p bis 12r können sich je nach Einsatzzweck ändern. Beispielsweise benötigt für eine Distanzmessung der Ultraschallsensor wenigstens eine Sendevorrichtung und wenigstens eine Empfangsvorrichtung. Für Winkelmessungen benötigt der Ultraschallsensor wenigstens eine Sendevorrichtung und wenigstens zwei Empfangsvorrichtungen.
Derartige Änderungen und Abwandlungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
Gemäß einem Aspekt kann ein Ultraschallsensor eine Sendevorrichtung, eine Empfangsvorrichtung und eine Schaltkreisvorrichtung aufweisen. Die Sendevorrichtung sendet eine Ultraschallwelle an ein zu erkennendes Objekt. Die Sendevorrichtung enthält ein erstes piezoelektrisches Element, welches die Ultraschallwelle zu emittieren vermag und ein erstes akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches die gesendete Ultraschallwelle sich zur Außenseite fortpflanzt. Die Empfangsvorrichtung empfängt die vom Objekt reflektierte Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält ein zweites piezoelektrisches Element, welches die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen vermag und erzeugt eine Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Ultraschallwelle. Die Empfangsvorrichtung enthält weiterhin ein zweites akustisches Anpass- oder Kopplungsteil, durch welches sich die reflektierte Ultraschallwelle zum zweiten piezoelektrischen Element hin fortpflanzt. Die Schaltkreisvorrichtung legt eine Spannung an das erste piezoelektrische Element an, um das erste piezoelektrische Element zu veranlassen, die Ultraschallwelle zu emittieren. Die Schaltkreisvorrichtung bestimmt, dass die Empfangsvorrichtung die reflektierte Ultraschallwelle empfängt, wenn die Ausgangsspannung des zweiten piezoelektrischen Elementes gleich oder größer als eine erste Schwellenwertspannung ist. Die Schaltkreisvorrichtung enthält Feuchtigkeitserkennungsmittel und Schwellenwerteinstellmittel. Die Feuchtigkeitserkennungsmittel erkennen eine Umgebungsfeuchtigkeit der Sende- und Empfangsvorrichtungen. Die Schwellenwerteinstellmittel berechnen basierend auf der erkannten Umgebungsfeuchtigkeit einen Schalldruck der Ultraschallwelle, die von der Empfangsvorrichtung nach der Fortpflanzung über die Laufstrecke zwischen Ultraschallsensor und Objekt und wieder zurück empfangen wurde. Die Schwellenwerteinstellmittel verringern die erste Schwellenwertspannung, wenn die Ausgangsspannung entsprechend dem berechneten Schalldruck kleiner als eine zweite Schwellenwertspannung ist. Die zweite Schwellenwertspannung ist größer als die erste Schwellenwertspannung.
In einem hier nicht beanspruchten Beispiel weist ein Ultraschallsensor zur Erkennung eines Objekts auf:
eine Sendevorrichtung (11) zum Senden einer Ultraschallwelle zu dem Objekt, wobei die Sendevorrichtung (11) ein erstes piezoelektrisches Element (16) aufweist, welches die Ultraschallwelle zu emittieren vermag, wobei die Sendevorrichtung (11) weiterhin ein erstes akustisches Anpassteil (13) aufweist, durch welches sich die emittierte Ultraschallwelle zu einer Außenseite hin fortpflanzt;
eine Empfangsvorrichtung (12p–12r) zum Empfangen der Ultraschallwelle, die von dem Objekt reflektiert wurde, wobei die Empfangsvorrichtung (12p–12r) ein zweites piezoelektrisches Element (14p) aufweist, welches die reflektierte Ultraschallwelle zu erkennen vermag und eine Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Ultraschallwelle erzeugt, wobei die Empfangsvorrichtung (12p–12r) weiterhin ein zweites akustisches Anpassteil (14p) aufweist, durch welches sich die reflektierte Ultraschallwelle zu dem zweiten piezoelektrischen Element (14p) fortpflanzt;
eine Schaltkreisvorrichtung (20) zum Anlegen einer Spannung an das erste piezoelektrische Element (16) um das erste piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle zu emittieren, wobei die Schaltkreisvorrichtung (20) bestimmt, dass die Empfangsvorrichtung (12p–12r) die reflektierte Ultraschallwelle empfängt, wenn die Ausgangsspannung des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) gleich oder größer als eine erste Schwellenwertspannung ist, wobei
die Schaltkreisvorrichtung (20) Feuchtigkeitserkennungsmittel aufweist, um eine Umgebungsfeuchtigkeit der Sende- und Empfangsvorrichtung (11, 12p–12r) zu erkennen, sowie Schwellenwerteinstellmittel zur Berechnung, basierend auf der erkannten Umgebung der Feuchtigkeit, eines Schalldrucks der Ultraschallwelle, welche von der Empfangsvorrichtung (12p–12r) nach Fortpflanzung über eine Lautstrecke zwischen Ultraschallsensor und Objekt und wieder zurück empfangen wird, wobei die Schwellenwerteinstellmittel die erste Schwellenwertspannung verringern kann, wenn die Ausgangsspannung entsprechend dem berechneten Schalldruck kleiner als eine zweite Schwellenwertspannung ist, wobei die zweite Schwellenwertspannung größer als die erste Schwellenwertspannung ist.
Die Schwellenwerteinstellmittel können optional den Schalldruck der Ultraschallwelle aus den vorliegenden drei Gleichungen berechnen: K = 1.92 × (Go/G × H)^1.3 × 10⁵ (a), wobei K eine Variable ist, Go ein Atmosphärendruck ist, G ein Sättigungsdampfdruck ist und H die Umgebungsfeuchtigkeit ist, M = (33 + 0.2T)F² × 10^–12 + NF/{K/(2πF) + (2πF)/K} (b), wobei M ein Absorptionskoeffizient ist, T eine Temperatur ist, F eine Frequenz der Ultraschallwelle ist und N ein bestimmter Koeffizient ist, und P = Ae^–MR/R (c), wobei P der Schalldruck ist, A ein bestimmter Koeffizient ist und R die Laufstrecke ist.
Die Feuchtigkeitserkennungsmittel können z. B. eine erste Erkennungsspannung einer ersten Frequenz an das erste piezoelektrische Element (16) für eine bestimmte Zeitdauer anlegen, um das erste piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle der ersten Frequenz zu emittieren, wobei die erste Frequenz etwas geringer als die Resonanzfrequenz ist,
die Feuchtigkeitserkennungsmittel können einen ersten Absorptionskoeffizienten aus Gleichung (c) basierend auf dem Schalldruck berechnen, wobei der Schalldruck aus einer Amplitude der Ausgangsspannung des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) berechnet wird, das die reflektierte Ultraschallwelle der ersten Frequenz erkennt;
die Feuchtigkeitserkennungsmittel können eine zweite Erkennungsspannung einer zweiten Frequenz an das erste piezoelektrische Element (16) für eine bestimmte Zeitdauer anlegen, um das erste piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle der zweiten Frequenz zu emittieren, wobei die zweite Frequenz etwas größer als die Resonanzfrequenz ist;
die Feuchtigkeitserkennungsmittel können einem zweiten Absorptionskoeffizienten als Gleichung (c) basierend auf dem Schalldruck berechnen, wobei der Schalldruck aus der Amplitude der Ausgangsspannung des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) berechnet wird, das die reflektierte Ultraschallwelle der zweiten Frequenz erkennt;
die Feuchtigkeitserkennungsmittel können eine erste Gleichung ableiten, welche die Variable K enthält, indem der Absorptionskoeffizient in Gleichung (b) eingesetzt wird und eine zweite Gleichung, welche die Variable K enthält, indem der zweite Absorptionskoeffizient in Gleichung (b) eingesetzt wird; und
die Feuchtigkeitserkennungsmittel können z. B. die Feuchtigkeit aus der Gleichung (a) und den erhaltenen ersten und zweiten Gleichungen berechnen.
Das erste akustische Anpassteil (13) kann aus einem Harz oder Kunststoff bestehen.
Durch einen gelartigen Absorber (19) kann wenigstens entweder die Sende- oder Empfangsvorrichtungen (11, 12p–12r) vor einer externen Kraft geschützt werden, wobei die Feuchtigkeitserkennungsmittel die Umgebungsfeuchtigkeit basierend auf einer dielektrischen Konstante des Absorbers (19) erkennen.
Ein akustisches Oberflächenwellenelement (50–52) kann auf einer Oberfläche des ersten oder zweiten piezoelektrischen Elements (16, 14p) angeordnet sein, wobei das akustische Oberflächenwellenelement (50–52) eine akustische Oberflächenwelle emittiert und die emittierte akustische Oberflächenwelle empfängt, wobei
die Feuchtigkeitserkennungsmittel die Umgebungsfeuchtigkeit basierend auf einer Differenz der Frequenz zwischen der emittierten akustischen Oberflächenwelle und der empfangenen akustischen Oberflächenwelle erkennen.
Das erste piezoelektrische Element (16) kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen aufweisen, die aufeinandergestapelt sind, um ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element zu bilden.
Das zweite piezoelektrische Element (14p) kann aus piezoelektrischem Zirkonattitanat (PZT) bestehen.
Jedes der ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente (14p, 16) kann aus Polyvinylidenfluorid bestehen.
Die Empfangsvorrichtung (12p–12r) kann eine Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen aufweisen, die in einem aufgereihten Muster angeordnet sind.
Beschrieben wurde insoweit zusammenfassend ein Ultraschallsensor mit einer Sendevorrichtung, einer Empfangsvorrichtung und einer Schaltkreisvorrichtung. Die Schaltkreisvorrichtung bestimmt, dass die Empfangsvorrichtung eine von einem Objekt reflektierte Ultraschallwelle empfängt, wenn eine Ausgangsspannung der Empfangsvorrichtung gleich oder größer als am erster Schwellenwert ist. Die Schaltkreisvorrichtung weist Feuchtigkeitserkennungsmittel auf, um eine Umgebungsfeuchtigkeit der Sende- und Empfangsvorrichtungen zu erkennen, sowie Schwellenwerteinstellmittel, die basierend auf der erkannten Umgebungsfeuchtigkeit einen Schalldruck der Ultraschallwelle zu berechnen, die von der Empfangsvorrichtung empfangen worden ist, nachdem sie zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt hin- und hergelaufen ist. Die Schwellenwerteinstellmittel verringern den ersten Schwellenwert, wenn die Ausgangsspannung entsprechend dem berechneten Schalldruck kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, der wiederum größer als der erste Schwellenwert ist.

Claims

Ultraschallsensor zur Erkennung eines Objekts, aufweisend: eine Sendevorrichtung (11) zum Senden einer Ultraschallwelle zu dem Objekt, wobei die Sendevorrichtung (11) ein erstes piezoelektrisches Element (16) aufweist, welches die Ultraschallwelle zu emittieren vermag, wobei die Sendevorrichtung (11) weiterhin ein erstes akustisches Anpassteil (13) aufweist, durch welches sich die emittierte Ultraschallwelle zur Außenseite hin fortpflanzt; eine Empfangsvorrichtung (12p–12r) zum Empfangen der Ultraschallwelle, die von dem Objekt reflektiert wurde, wobei die Empfangsvorrichtung (12p–12r) ein zweites piezoelektrisches Element (14p) aufweist, welches die reflektierte Ultraschallwelle zu erkennen vermag und eine Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Ultraschallwelle erzeugt, wobei die Empfangsvorrichtung (12p–12r) weiterhin ein zweites akustisches Anpassteil (14p) aufweist, durch welches sich die reflektierte Ultraschallwelle zu dem zweiten piezoelektrischen Element (14p) fortpflanzt; eine Schaltkreisvorrichtung (20) zum Anlegen einer ersten Spannung einer ersten Frequenz an das erste piezoelektrische Element (16), um das piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle der ersten Frequenz zu emittieren, wobei die Schaltkreisvorrichtung (20) Resonanzfrequenzerkennungsmittel aufweist, um eine Resonanzfrequenz des ersten oder zweiten akustischen Anpassteils (13, 13p) zu erkennen, wobei die Schaltkreisvorrichtung (20) die erste Frequenz der ersten Spannung auf die erkannte Resonanzfrequenz einstellt, um eine Verringerung einer Sendeempfindlichkeit der Sendevorrichtung (11) oder einer Empfangsempfindlichkeit der Empfangsvorrichtung (12p–12r) aufgrund einer Umgebungstemperaturänderung zu verhindern, und wobei die Schaltkreisvorrichtung (20) eine zweite Frequenz an das erste piezoelektrische Element (16) für eine bestimmte Zeitdauer anlegt, um das erste piezoelektrische Element (16) zu veranlassen, die Ultraschallwelle der zweiten Frequenz zu emittieren; die Resonanzfrequenzerkennungsmittel die Resonanzfrequenz erkennen, indem eine Hallfrequenz eines Ausgangssignals des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) erkannt wird, das die reflektierte Ultraschallwelle der zweiten Frequenz erkennt; und das Ausgangssignal die Hallfrequenz nach Abschluss der Fortpflanzung der reflektierten Ultraschallwelle der zweiten Frequenz zu dem zweiten piezoelektrischen Element (14p) hat.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite akustische Anpassteil (13, 13p) die gleiche Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls haben.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreisvorrichtung (20) weiterhin Impedanzmessmittel enthält, um eine Impedanz des ersten piezoelektrischen Elements (16) zu messen, wenn eine Frequenz einer Spannung des ersten piezoelektrischen Elements (16) sich ändert oder eine Impedanz des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) zu messen, wenn eine Frequenz einer Spannung des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) sich ändert; und die Resonanzfrequenzerkennungsmittel die Resonanzfrequenz erkennen, indem die Frequenz entsprechend einem örtlichen Minimumwert der gemessenen Impedanz erkannt wird.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreisvorrichtung (20) weiterhin Temperaturerkennungsmittel aufweist, um eine Temperatur des ersten akustischen Anpassteils (13) zu erkennen, wobei die Resonanzfrequenzerkennungsmittel die Resonanzfrequenz basierend auf der folgenden Gleichung erkennen: F_C = {E/{3 × p(1 – v)}}^1/2/4L, wobei F_C die Resonanzfrequenz ist, E ein Elastizitätsmodul des ersten akustischen Anpassteils (13) ist, wobei der Elastizitätsmodul von der erkannten Temperatur abhängig ist, p eine Dichte des ersten akustischen Anpassteils (13) ist, v eine Kontraktionszahl des ersten akustischen Anpassteils (13) ist und L eine Länge des ersten akustischen Anpassteils (13) in Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwelle ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch einen gelartigen Absorber (19), der das erste akustische Anpassteil (13) vor einer externen Kraft zu schützen vermag, wobei die Temperaturerkennungsmittel die Temperatur basierend auf einer Dielektrizitätskonstanten des Absorber (19) erkennen.
Ultraschallsensor nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch ein akustisches Oberflächenwellenelement (50–52), das auf einer Oberfläche des ersten piezoelektrischen Elements (16) angeordnet ist, wobei das akustische Oberflächenwellenelement (50–52) eine akustische Oberflächenwelle emittiert und die emittierte akustische Oberflächenwelle empfängt, wobei die Temperaturerkennungsmittel die Temperatur basierend auf einer Differenz der Frequenz zwischen der emittierten akustischen Oberflächenwelle und der empfangenen akustischen Oberflächenwelle erkennen.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreisvorrichtung (20) weiterhin Temperaturerkennungsmittel zur Erkennung einer Temperatur des zweiten akustischen Anpassteils (13p) aufweisen, wobei die Resonanzfrequenzerkennungsmittel die Resonanzfrequenz basierend auf der vorliegenden Gleichung erkennen: F_C = {E/{3 × p(1 – v)}}^1/2/4L, wobei F_C die Resonanzfrequenz ist, E ein Elastizitätsmodul des zweiten akustischen Anpassteils (13p) ist, wobei das Elastizitätsmodul von der erkannten Temperatur abhängig ist, p eine Dichte des zweiten akustischen Anpassteils 13p ist, v eine Kontraktionszahl des zweiten akustischen Anpassteils (13p) ist und L eine Länge des zweiten akustischen Anpassteils (13p) in einer Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwelle ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch einen gelartigen Absorber (19), der das zweite akustische Anpassteil (13p) vor einer externen Kraft zu schützen vermag, wobei die Temperaturerkennungsmittel die Temperatur basierend auf einer Dielektrizitätskonstanten des Absorbers (19) erkennen.
Ultraschallsensor nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch ein akustisches Oberflächenwellenelement (50–52), das auf einer Oberfläche des zweiten piezoelektrischen Elements (14p) angeordnet ist, wobei das akustische Oberflächenelement (50–52) eine akustische Oberflächenwelle emittiert und die emittierte akustische Oberflächenwelle empfängt, wobei Temperaturerkennungsmittel die Temperatur basierend auf einer Differenz der Frequenz zwischen der emittierten akustischen Oberflächenwelle und der empfangenen akustischen Oberflächenwelle erkennen.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste piezoelektrische Element (16) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen aufweist, die aufeinandergestapelt sind, um ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element zu bilden.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite piezoelektrische Element (14p) aus piezoelektrischem Zirkonattitanat (PZT) hergestellt ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente (14p, 16) aus Polyvinylidenfluorid hergestellt ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsvorrichtung (12p–12r) eine Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen aufweist, die in einem aufgereihten Muster angeordnet sind.