DE102020208465A1

DE102020208465A1 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102020208465A1
Application number: DE102020208465.3A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Kamiya; Itaru Ishii; Tomoki TANEMURA; Takashi Aoki; Tetsuya Katoh
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-01-14
Also published as: JP2021016036A; US11667247B2; US20210009046A1; JP7226154B2

Abstract

Ein Ultraschallsensor beinhaltet: ein Ultraschallelement (53), das vorgesehen ist, um eine Ultraschallwelle zu senden und zu empfangen, die sich entlang einer Richtungsachse (DA) ausbreitet; und einen Elementgehäusekasten (4), der ein Kastendiaphragma (44) beinhaltet, das eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse hat. Ein Resonanzraum (SC) ist zwischen dem Kastendiaphragma und dem Ultraschallelement für die Ausbreitungswelle durch Aufnehmen des Ultraschallelements, während das Ultraschallelement von dem Kastendiaphragma separiert ist, konfiguriert. Eine Hornform ist in dem Elementaufnahmekasten definiert, in dem sich eine Breite des Resonanzraums in einer Richtung orthogonal zur Richtungsachse reduziert, wenn sich der Resonanzraum in einer axialen Richtung Parallel zur Richtungsachse erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Ultraschallsensor.
HINTERGRUND
JP 2011-250327A beschreibt einen Ultraschallsensor, der einen Kasten und ein piezoelektrisches Element beinhaltet. Der Kasten ist in einer zylindrischen Form mit einem Boden und einer Seitenwand ausgebildet. Das piezoelektrische Element ist an dem Boden des Kastens angebracht.
ÜBERBLICK
In dem Ultraschallsensor, der wie vorstehend beschrieben ist, konfiguriert ist, ist der Kasten, der ein Ultraschallelement wie das piezoelektrische Element aufnimmt, zu einem externen Raum freigelegt, in dem ein Erfassungsziel anwesend ist. Insbesondere, wenn beispielsweise der Ultraschallsensor an einem Fahrzeug montiert ist, ist der Ultraschallsensor auf einem äußeren Plattenelement wie einem Stoßfänger in dem Fahrzeug in einem Fahrzeugbordzustand montiert. Aus diesem Grund können harte Fremdkörper wie Kieselsteine mit dem Kasten kollidieren.
In diesem Fall gab es bei dem herkömmlichen Ultraschallsensor Bedenken, das Risse in dem Ultraschallelement, das an dem Kasten angebracht ist, auftreten oder das Ultraschallelement von dem Kasten abgeschält wird. Insbesondere, wenn ein Element vom Typ eines Mikrosystems (MEMS) verwendet wird, wenn so ein Element an dem Boden des Gehäuses angebracht ist, kann das Element beschädigt werden.
Die vorliegende Offenbarung wurde hinsichtlich der vorstehend genannten Umstände ausgefertigt. In anderen Worten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, beispielsweise einen Ultraschallsensor bereitzustellen, der zufriedenstellend ein Ultraschallelement schützen kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Ultraschallsensor
ein Ultraschallelement, das vorgesehen ist, um eine Ausbreitungswelle zu senden oder zu empfangen, die eine Ultraschallwelle ist, die sich entlang einer Richtungsachse ausbreitet; und
einen Elementaufnahmekasten, der das Ultraschallelement aufnimmt und ein Kastendiaphragma beinhaltet, das eine Vibrationsmembran oder eine Vibrationsplatte mit einer Dickenrichtung entlang der Richtungsachse ist. Ein Resonanzraum ist für die Ausbreitungswelle zwischen dem Kastendiaphragma und dem Ultraschallelement definiert.
Eine Hornform ist in dem Elementaufnahmekasten definiert, in dem sich eine Breite des Resonanzraums in einer Richtung orthogonal zur Richtungsachse reduziert, wenn sich der Resonanzraum in einer axialen Richtung Parallel zur Richtungsachse erstreckt.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen deutlicher. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht, die ein Fahrzeug illustriert, das einen Ultraschallsensor gemäß einer ersten Ausführungsform beinhaltet;
2 eine schematische Ansicht, die den Ultraschallsensor von 1 illustriert;
3 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon von 2 illustriert;
4 ein Graph, der Rechnersimulationsergebnisse hinsichtlich Wirkungen aufgrund einer Form eines Resonanzraums von 3 illustriert;
5 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer zweiten Ausführungsform illustriert;
6 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer dritten Ausführungsform illustriert;
7 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer vierten Ausführungsform illustriert;
8 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer fünften Ausführungsform illustriert;
9 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer sechsten Ausführungsform illustriert;
10 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer siebten Ausführungsform illustriert;
11 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer achten Ausführungsform illustriert;
12 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer neunten Ausführungsform illustriert;
13 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer zehnten Ausführungsform illustriert;
14 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ultraschallmikrofon gemäß einer elften Ausführungsform illustriert;

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Ausführungsformen kann ein Teil der einer in einer vorhergehenden Ausführungsform beschriebenen Sache entspricht mit den gleichen Bezugszeichen versehen werden und redundante Erläuterung für den Teil kann weggelassen werden. Wenn nur ein Teil einer Konfiguration in einer Ausführungsform beschrieben ist, kann eine andere vorhergehende Ausführungsform auf die anderen Teile der Konfiguration angewandt werden. Die Teile können kombiniert, obwohl es nicht explizit beschrieben ist, dass die Teile kombiniert werden können. Die Ausführungsformen können teilweise kombiniert werden, obwohl es nicht explizit beschrieben ist, dass die Ausführungsformen kombiniert werden können, sofern es keinen Schaden bei der Kombination gibt.
(Fahrzeugbordkonfiguration)
Gemäß 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Ultraschallsensor 1 auf einem Fahrzeug V als ein Abstandssonar montiert. In anderen Worten ist der Ultraschallsensor 1 auf dem Fahrzeug 1 so montiert, dass ein Objekt, das um das Fahrzeug V herum existiert, erfasst werden kann.
Das Fahrzeug V ist ein sogenanntes vierrädriges Automobil und beinhaltet eine boxförmige Fahrzeugkarosserie V1. Ein Fahrzeugkarosserieblech V2, ein Frontstoßfänger V3 und ein Heckstoßfänger V4, die Fahrzeugkarosserieteile sind, die eine äußere Platte konfigurieren, sind auf der Fahrzeugkarosserie V1 montiert. Der Frontstoßfänger V3 ist an einem Vorderende der Fahrzeugkarosserie V1 vorgesehen. Der Heckstoßfänger V4 ist an einem Hinterende der Fahrzeugkarosserie V1 vorgesehen.
Der Ultraschallsensor 1 ist auf dem Frontstoßfänger V3 und dem Heckstoßfänger V4 montiert, um ein Objekt zu erfassen, das vor und hinter dem Fahrzeug V existiert. Ein Zustand, in dem der Ultraschallsensor 1 auf dem Frontstoßfänger V3 und dem Heckstoßfänger V4 montiert ist, die auf der Fahrzeugkarosserie V1 in dem Fahrzeug V vorgesehen sind, wird nachfolgend als „Fahrzeugbordzustand“ bezeichnet.
Insbesondere sind in dem Fahrzeugbordzustand mehrere (beispielsweise vier) Ultraschallsensoren 1 auf dem Frontstoßfänger V3 montiert. Die mehreren Ultraschallsensoren 1, die auf dem Frontstoßfänger V3 montiert sind, sind an unterschiedlichen Positionen in einer Fahrzeugbreitenrichtung angeordnet. Auf die gleiche Weise sind mehrere (beispielsweise vier) Ultraschallsensoren 1 auf dem Heckstoßfänger V4 montiert. Der Frontstoßfänger V3 und der Heckstoßfänger V4 haben Montagelöcher V5 als Durchgangslöcher zum Montieren des Ultraschallsensors 1.
(Erste Ausführungsform)
2 zeigt einen der Ultraschallsensoren 1, die auf dem Frontstoßfänger V3 des Fahrzeugs V montiert sind. Nachfolgend wird die Konfiguration des Ultraschallsensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
Gemäß 2 hat der Frontstoßfänger V3 eine äußere Stoßfängeraussenoberfläche V31 und eine Stoßfängerrückseitenoberfläche V32. Die Stoßfängeraussenoberfläche V31 ist eine äußere Vorderseitenoberfläche des Frontstoßfängers V3 und vorgesehen, um einem externen Raum SG zugewandt zu sein, der ein externer Raum des Fahrzeugs V ist. Die Stoßfängerrückseitenoberfläche V32 ist eine Oberfläche auf einer Rückseite der Stoßfängeraussenoberfläche V31 und so vorgesehen, um einem Innenraum SN zugewandt zu sein, der ein Raum innerhalb des Frontstoßfängers V3 ist. Das Montageloch V5 ist an der Stoßfängeraussenoberfläche V31 und der Stoßfängerrückseitenoberfläche V32 geöffnet, um den Frontstoßfänger V3 in einer Dickenrichtung zu durchdringen.
Der Ultraschallsensor 1 ist konfiguriert, um Ultraschallwellen senden und empfangen zu können. In anderen Worten ist der Ultraschallsensor 1 konfiguriert, um eine Prüfwelle, die Ultraschallwellen ist, hin zum externen Raum SG entlang einer Richtungsachse DA zu senden. Die „Richtungsachse“ ist eine virtuelle gerade Linie, die sich entlang der Sende-/Empfangsrichtung von Ultraschallwellen von dem Ultraschallsensor 1 erstreckt, und dient als eine Referenz eines Richtungswinkels. Die „Richtungsachse“ kann ebenso als Richtungsmittelachse oder eine Erfassungsachse bezeichnet werden. Der Ultraschallsensor 1 ist konfiguriert, um eine Welle einschließlich einer reflektierten Welle der Prüfwelle, die durch ein Objekt reflektiert wird, das in der Peripherie existiert, von dem externen Raum SG zu empfangen und ein Erfassungssignal in Antwort auf ein Empfangsergebnis der empfangenen Welle auszugeben.
Zur Erleichterung der Illustration wird ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem für Rechtshänder festgelegt, so dass die Z-Achse parallel zur Richtungsachse DA ist, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Zu dieser Zeit wird die Richtung parallel zur Richtungsachse DA als eine „axiale Richtung“ bezeichnet. Eine „distale Endseite in der axialen Richtung“ ist eine Seite in der Emissionsrichtung der Prüfwelle und entspricht einer oberen Seite, das heißt, einer Seite einer positiven Z-Achsenrichtung in 2 und 3. Andererseits entspricht eine „proximale Endseite in der axialen Richtung“ einer unteren Seite, das heißt, einer Seite einer negativen Z-Achsenrichtung in 2 und 3.
Ein axiales proximales Ende einer Komponente wird als ein „proximales Ende“ bezeichnet und ein axiales distales Ende wird als ein „distales Ende“ bezeichnet. Eine beliebige Richtung orthogonal zur axialen Richtung wird als „Ebenenrichtung“ bezeichnet. Die „Ebenenrichtung“ ist eine Richtung parallel zur XY-Ebene in 2 und 3. Die „Ebenenrichtung“ kann in manchen Fällen ebenso als eine „radiale Richtung“ bezeichnet werden. Die „radiale Richtung“ ist eine Richtung orthogonal zur Richtungsachse DA und ist definiert, um sich von der Richtungsachse DA zu erstrecken und zu separieren. In anderen Worten ist die „radiale Richtung“ eine Richtung entlang der sich eine halbe Linie erstreckt, wenn die halbe Linie in der virtuellen Ebene mit einem Kreuzungspunkt der virtuellen Ebene orthogonal zur Richtungsachse DA mit der Richtungsachse DA als ein Startpunkt gezeichnet wird. In anderen Worten ist die „radiale Richtung“ eine radiale Richtung eines Kreises, wenn der Kreis in der virtuellen Ebene mit dem Kreuzungspunkt der virtuellen Ebene orthogonal zur Richtungsachse DA mit der Richtungsachse DA als die Mitte gezeichnet wird.
Der Ultraschallsensor 1 beinhaltet einen Sensorkasten 2 und ein Ultraschallmikrofon 3. Der Sensorkasten 2, der ein Gehäuse des Ultraschallsensors 1 konfiguriert, ist aus einem isolierenden Kunstharz gefertigt. Insbesondere beinhaltet der Sensorkasten 2 einen Kastenhauptkörper 2a, einen sensorseitigen Verbinder 2b und einen Mikrofongehäuseabschnitt 2c.
Der Kastenhauptkörper 2a ist in einer Boxform ausgebildet. Eine Steuerschaltungsplatine (nicht dargestellt) und dergleichen sind innerhalb des Kastenhauptkörpers 2a aufgenommen. Der sensorseitige Verbinder 2b erstreckt sich von dem Kastenhauptkörper 2a in einer Richtung, die die Richtungsachse DA kreuzt. Der sensorseitige Verbinder 2b ist konfiguriert, um abnehmbar an einem leitungsseitigen Verbinder (nicht dargestellt) angebracht zu sein, der in einem Kabelbaum zum elektrischen Verbinden einer externen Einrichtung wie einer ECU vorgesehen ist. ECU ist eine Abkürzung für elektronische Steuereinheit.
Der Mikrofongehäuseabschnitt 2c ist ein im Wesentlichen zylindrischer Abschnitt, der die Richtungsachse DA umgibt und von dem Gehäusehauptkörper 2a hin zu einem distalen Ende in der axialen Richtung hervorsteht. In dem Fahrzeugbordzustand ist das distale Ende des Mikrofongehäuseabschnitts 2c in dem Montageloch V5 aufgenommen, um in nahem Kontakt mit einer inneren Wandoberfläche des Montagelochs V5 zu sein.
(Ultraschallmikrofon)
Das Ultraschallmikrofon 3 ist im Mikrofongehäuseabschnitt 2c untergebracht. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ultraschallmikrofon 3 konfiguriert, um eine im Wesentlichen säulenförmige äußere Form mit der Richtungsachse DA als Mittelachse zu haben. Eine äußere Oberfläche des Ultraschallmikrofons 3 hat eine laterale äußere Wandoberfläche 3a, eine freigelegte Oberfläche 3b und eine äußere Bodenoberfläche 3c. Die laterale äußere Wandoberfläche 3a ist in einer säulenförmigen Oberflächenform entlang der axialen Richtung ausgebildet.
Ein Hülsenelement (nicht dargestellt) ist zwischen einer inneren Wandoberfläche des Mikrofongehäuseabschnitts 2c und der lateralen äußeren Wandoberfläche 3a des Ultraschallmikrofons 3 vorgesehen. Das Hülsenelement ist aus Silikongummi oder dergleichen gefertigt, das eine Isolierende Eigenschaft und Gummielastizität hat. In anderen Worten ist eine Lücke zwischen einer inneren Wandoberfläche des Mikrofongehäuseabschnitts 2c und einer lateralen äußeren Wandoberfläche 3a durch das Hülsenelement abgedichtet, das vorstehend beschrieben ist, so dass Wasser kaum in die Lücke eindringt.
Die freigelegte Oberfläche 3b ist eine äußere Oberfläche, die sich mit der Richtungsachse DA kreuzt, und ist in einer flachen kreisförmigen planaren Form ausgebildet. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die freigelegte Oberfläche 3b vorgesehen, um orthogonal zur Richtungsachse DA zu sein. Das Ultraschallmikrofon 3 ist in dem Mikrofongehäuseabschnitt 2c aufgenommen, so dass die freigelegte Oberfläche 3b von dem Montageloch V5 zum externen Raum SG in der am Fahrzeug montierten Position freigelegt ist.
Die äußere Oberfläche 3c ist eine äußere Oberfläche, die sich mit der Richtungsachse DA kreuzt, und ist in einer flachen kreisförmigen planaren Form ausgebildet. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die äußere Bodenoberfläche 3c vorgesehen, um orthogonal zur Richtungsachse DA zu sein. In anderen Worten ist die äußere Bodenoberfläche 3c als eine Ebene parallel zur freigelegten Oberfläche 3b ausgebildet. Ein proximales Ende des Ultraschallmikrofons 3 einschließlich der äußeren Bodenoberfläche 3c in der axialen Richtung ist mit dem Sensorkasten 2 und dem vorstehend erwähnten Hülsenelement in dem zusammengebauten Zustand und dem Fahrzeugbordzustand abgedeckt. Der „zusammengebaute Zustand“ ist ein Zustand, in dem der Ultraschallsensor 1 durch Montage des Ultraschallmikrofons 3 auf dem Sensorkasten 2 zusammengebaut ist. Der „Fahrzeugbordzustand“ entspricht ebenso dem „zusammengebauten Zustand“.
3 zeigt einen Zustand, in dem das Ultraschallmikrofon 3 aus dem Ultraschallsensor 1 genommen ist, der in 2 gezeigt ist. Gemäß 3 beinhaltet das Ultraschallmikrofon 3 einen Elementgehäusekasten 4, ein Halbleitersubstrat 5 und ein Trägersubstrat 6. Nachfolgend wird jeder Teil beschrieben, der das Ultraschallmikrofon 3 konfiguriert. Um eine Illustration und eine Beschreibung zu vereinfachen, wird die Illustration und Beschreibung einer elektrischen Verbindungsstruktur wie einer Leitung bzw. Verdrahtung innerhalb des Ultraschallmikrofons 3 weggelassen. Die elektrische Verbindungsstruktur, die vorstehend beschrieben ist, kann angemessen basierend auf einem allgemeinen Kenntnisstand bei Einreichung der vorliegenden Anmeldung angemessen ausgebildet werden.
Der Elementgehäusekasten 4, der das Gehäuse des Ultraschallmikrofons 3 konfiguriert, ist in einer Boxform ausgebildet, die eine im Wesentlichen säulenförmige äußere Form hat. Der Elementgehäusekasten 4 ist konfiguriert, um das Halbleitersubstrat 5 und das Trägersubstrat 6 in einem Innenraum SI aufzunehmen, der ein Raum innerhalb des Elementgehäusekastens 4 ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Elementgehäusekasten 4 aus einem Metallmaterial wie Aluminium gefertigt. Wie später beschrieben wird, ist das Material, das den Elementgehäusekasten 4 konfiguriert, nicht auf ein Metallmaterial wie Aluminium beschränkt.
Der Elementgehäusekasten 4 hat einen Seitenplattenabschnitt 41, der in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die die Richtungsachse DA umgibt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Seitenplattenabschnitt 41 in einer zylindrischen Form ausgebildet, die eine Mittelachsenlinie im Wesentlichen parallel zur Richtungsachse DA hat. Eine säulenförmige äußere Wandoberfläche des Seitenplattenabschnitts 41, die einem externen Raum SD zugewandt ist, der ein Raum außerhalb des Elementgehäusekastens 4 ist, ist vorgesehen, um die laterale äußere Wandoberfläche 3a des Ultraschallmikrofons 3 zu konfigurieren. Die Seiteninnenwandoberfläche 41 des Seitenplattenabschnitts 41, die eine innere Wandoberfläche ist, die dem Innenraum SI zugewandt ist, ist mit einer zylindrischen inneren Oberflächenform ausgebildet, die die Richtungsachse DA umgibt.
Der Elementgehäusekasten 4 hat ebenso einen inneren Bodenplattenabschnitt 42, der innerhalb des Mikrofongehäuseabschnitts 2c aufgenommen ist, der in 2 gezeigt ist. Der innere Bodenplattenabschnitt 42 ist vorgesehen, um eine Endseite des Seitenplattenabschnitts 41 zu schließen, das heißt, die proximale Endseite in der axialen Richtung. Der innere Bodenplattenabschnitt 42 wird einmal als separates Element von dem Seitenplattenabschnitt 41 ausgebildet und wird mit dem Seitenplattenabschnitt 41 integriert, in dem er hermetisch und flüssigkeitsdicht mit dem proximalen Ende des Seitenplattenabschnitts 41 durch Schweißen oder dergleichen verbunden wird.
Der innere Bodenplattenabschnitt 42 ist in einer Plattenform ausgebildet, die eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA hat. Der innere Bodenplattenabschnitt 42 ist so vorgesehen, dass eine Hauptoberfläche, die dem externen Raum SD zugewandt ist, die äußere Bodenoberfläche 3c des Ultraschallmikrofons 3 konfiguriert. Die „Hauptoberfläche“ ist eine Oberfläche des plattenförmigen Abschnitts oder Elements orthogonal zur Dickenrichtung. Der innere Bodenplattenabschnitt 42 hat eine innere Bodenoberfläche 42a, die eine Hauptoberfläche ist, die dem Innenraum SI zugewandt ist. Die innere Bodenoberfläche 42a ist mit einer flachen kreisförmigen planaren Form ausgebildet, die sich mit der Richtungsachse DA schneidet. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die innere Bodenoberfläche 42a vorgesehen, um orthogonal zur Richtungsachse DA zu sein.
Der Elementgehäusekasten 4 beinhaltet ferner einen äußeren Bodenplattenabschnitt 43, der zur äußeren Seite von dem Mikrofongehäuseabschnitt 2c freigelegt ist, der in 2 gezeigt ist. Der äußere Bodenplattenabschnitt 43 ist in einer Plattenform ausgebildet, die eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA hat. Der äußere Bodenplattenabschnitt 43 ist vorgesehen, um flüssigkeitsdicht die andere Endseite des Seitenplattenabschnitts 41 zu schließen, das heißt, eine distale Endseite in der axialen Richtung, so dass Flüssigkeit wie Wasser nicht in den Innenraum SI eindringt. Der äußere Bodenplattenabschnitt 43 kann ebenso als ein „oberer Plattenabschnitt“ bezeichnet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der äußere Bodenplattenabschnitt 43 nahtlos integral mit dem Seitenplattenabschnitt 41 ausgebildet.
Der äußere Bodenplattenabschnitt 43 hat ein Kastendiaphragma 44, das eine Vibrationsmembran oder eine Vibrationsplatte mit einer Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA ist. Das Kastendiaphragma 44 ist ein dünner Abschnitt, der auf dem äußeren Bodenplattenabschnitt 43 vorgesehen ist und ausgebildet ist, um ultraschallmäßig derart zu vibrieren, dass der Mittelabschnitt in der Ebenenrichtung sich in der axialen Richtung bewegt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Kastendiaphragma 44 ausgebildet, um eine Dicke von 0,5 mm oder mehr hinsichtlich der Tatsache zu haben, dass der Ultraschallsensor 1 auf einem Fahrzeug montiert ist. In anderen Worten hat das Kastendiaphragma 44 eine plattenartige Form mit einer konstanten Dicke von 0,5 mm oder mehr. Das Kastendiaphragma 44 hat eine im Wesentlichen kreisförmige Form in der Ebenenrichtung, das heißt, in einer Ebene orthogonal zur Richtungsachse DA.
Das Kastendiaphragma 44 ist auf einer Seite des äußeren Bodenplattenabschnitts 43 in der Dickenrichtung vorgesehen. In anderen Worten ist eine Sende- und Empfangsoberfläche 44a, die eine Hauptoberfläche des Kastendiaphragmas 44 ist, die sich mit der Richtungsachse DA schneidet, eine äußere Oberfläche, die dem externen Raum SG zugewandt ist, und ist vorgesehen, um einen Teil der freigelegten Oberfläche 3b bereitstellt. Die Sende- und Empfangsoberfläche 44a und die Diaphragmenrückoberfläche 44b auf einer Rückseite der Sende- und Empfangsoberfläche 44a sind in einer planaren Form orthogonal zur Richtungsachse DA ausgebildet.
Ein Resonanzraum SC ist zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Halbleitersubstrat 5 vorgesehen. In anderen Worten ist das Kastendiaphragma 44 vorgesehen, um dem Halbleitersubstrat 5 über den Resonanzraum SC hinweg in der axialen Richtung zugewandt zu sein. Der Resonanzraum SC ist ein Raum, in dem sich eine Ausbreitungswelle, die eine Ultraschallwelle ist, die sich entlang der Richtungsachse DA ausbreitet, ausbreitet, während sie zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Halbleitersubstrat 5 resoniert, und ist als ein Teil des Innenraums SI definiert, der hermetisch und flüssigkeitsdicht durch den Elementgehäusekasten 4 abgedichtet ist. Das Kastendiaphragma 44 ist konfiguriert, um ultraschallmäßig zu vibrieren, während es gebogen wird, wenn das Halbleitersubstrat 5 die Ausbreitungswelle sendet oder empfängt.
Das Kastendiaphragma 44 hat einen Mittelabschnitt 44c und einen ringförmigen Abschnitt 44d. Der Mittelabschnitt 44c, der ein Abschnitt in der Umgebung der Mitte in der Ebenenrichtung des Kastendiaphragmas 44 ist, ist mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Form ausgebildet, die auf der Richtungsachse DA in einer Draufsicht mit einer Sichtlinie parallel zur axialen Richtung zentriert ist. In anderen Worten ist der Mittelabschnitt 44c benachbart zu einer Raumspitze SC1 in der axialen Richtung angeordnet und hat eine planare Form entsprechend der Form einer oberen Oberfläche in dem Resonanzraum SC. Die Raumspitze SC1 ist ein axiales distales Ende des Resonanzraums SC, das heißt, ein Ende des Resonanzraums SC benachbart zu dem Kastendiaphragma 44. Ein proximales Ende des Resonanzraums SC in der axialen Richtung, das heißt, ein Ende des Resonanzraums SC näher an dem Halbleitersubstrat 5 wird als ein Raumboden SC2 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Resonanzraum SC mit einer im Wesentlichen abgekürzten konischen Form ausgebildet, so dass eine radiale Dimension des Raumbodens SC2 des Resonanzraums SC größer als die Raumspitze SC1 ist.
Der ringförmige Abschnitt 44d ist ein äußerer Abschnitt des Mittelabschnitts 44c in dem Kastendiaphragma 44 in der radialen Richtung und ist vorgesehen, um dem Schlitzabschnitt 45 in der axialen Richtung zugewandt zu sein. Der Schlitzabschnitt 45 erstreckt sich radial von der Raumspitze SC1, um mit der Raumspitze SC1 zu kommunizieren. Der Schlitzabschnitt 45 hat eine radiale Dimension, die größer als die radiale Dimension des Raumbodens SC2 ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schlitzabschnitt 45 so ausgebildet, dass die axiale Dimension 1/4 oder weniger der Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist.
Der Elementgehäusekasten 4 hat einen dicken Kastenabschnitt 46. Der dicke Kastenabschnitt 46 hat einen dicken Abschnitt, der um das Kastendiaphragma 44 in der radialen Richtung ausgebildet ist, und ist vorgesehen, um den Resonanzraum SC von der äußeren Seite in der radialen Richtung zu umgeben. In anderen Worten ist der dicke Kastenabschnitt 46 konfiguriert, um fest eine äußere Kante des Kastendiaphragmas 44 in der radialen Richtung zu tragen. Der dicke Kastenabschnitt 46 hat den Schlitzabschnitt 45. Insbesondere ist der Schlitzabschnitt 45 als ein im Wesentlichen säulenförmiger Raum definiert, der durch Kerben einer axialen distalen Endseite des dicken Kastenabschnitts 46 in der radialen Richtung bereitgestellt wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, beinhaltet der äußere Bodenplattenabschnitt 43 das Kastendiaphragma 44, das ein dünner Abschnitt ist, und den dicken Kastenabschnitt 46. Das Kastendiaphragma 44 und der dicke Kastenabschnitt 46 sind nahtlos integral ausgebildet.
Eine innere Oberfläche des dicken Kastenabschnitts 46, die dem Innenraum Si zugewandt ist, hat eine substratzugewandte Oberfläche 46a und eine Horninnenoberfläche 46b. Die substratzugewandte Oberfläche 46a ist vorgesehen, um dem Halbleitersubstrat 5 und dem Trägersubstrat 6 in der axialen Richtung zugewandt zu sein. Die substratzugewandte Oberfläche 46a ist in einer planaren Form orthogonal zur axialen Richtung ausgebildet. Die substratzugewandte Oberfläche 46a ist im Wesentlichen in einer Ringform in Draufsicht ausgebildet und außerhalb der Horninnenoberfläche 46b in der radialen Richtung vorgesehen.
Die Horninnenoberfläche 46b ist vorgesehen, um den Resonanzraum SC zu konfigurieren, indem sie dem Resonanzraum SC zugewandt ist. Die Horninnenoberfläche 46b ist in der Form einer konischen inneren Oberfläche ausgebildet, die sich hin zum Kastendiaphragma 44 verjüngt, so dass der Raumboden SC2 eine größere radiale Dimension als die Raumspitze SC1 hat. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die Horninnenoberfläche 46b vorgesehen, um die äußere Kante in der radialen Richtung in dem Resonanzraum SC auszubilden, der ein abgekürzter konischer Raum ist. In anderen Worten hat der Elementgehäusekasten 4 eine Hornform, in der die Breite des Resonanzraum SC in der Ebenenrichtung hin zur distalen Endseite in der axialen Richtung reduziert ist.
Der Schlitzabschnitt 45 ist mit einem Abstandshalter 47 gefüllt, der ein elastischer Körper ist. Der Abstandshalter 47 hat ein Elastizitätsmodul, das niedriger als das des Kastendiaphragmas 44 ist. Insbesondere ist der Abstandshalter 47 aus einem Elastomer wie Silikongummi gefertigt. Das Elastizitätsmodul ist beispielsweise das Modul von Y-oung.
Das Halbleitersubstrat 5 ist ein SOI-Substrat mit einer Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA und wird fest durch den Elementgehäusekasten 4 getragen. SOI ist eine Abkürzung für Silicon On Insulator (Silizium auf Isolator). Insbesondere hat das Halbleitersubstrat 5 eine Substratbodenoberfläche 51, die eine Oberfläche benachbart zum Trägersubstrat 6 ist, und eine obere Substratoberfläche 52, die eine Oberfläche ist, die dem Kastendiaphragma 44 zugewandt ist. Die Substratbodenoberfläche 51 ist mit dem Trägersubstrat 6 fixiert an der inneren Bodenoberfläche 42a des inneren Bodenplattenabschnitts 42 verbunden. In anderen Worten ist das Halbleitersubstrat 5 fest mit dem inneren Bodenplattenabschnitt 42 durch das Trägersubstrat 6 verbunden.
Die obere Substratoberfläche 52 ist eine Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 5 und ist im Wesentlich in einer planaren Form orthogonal zur axialen Richtung ausgebildet. Die obere Substratoberfläche 52 ist vorgesehen, um nahe der subtratzugewandten Oberfläche 46a des dicken Kastenabschnitts 46 in einem kontaktlosen Zustand in der axialen Richtung zugewandt zu sein. Insbesondere ist das Halbleitersubstrat 5 so angeordnet, dass eine Lücke zwischen einem Ultraschallelement 53, das heißt, der oberen Substratoberfläche 52 und dem dicken Kastenabschnitt 46 in der axialen Richtung 1/4 oder weniger der Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist.
Das Halbleitersubstrat 5 hat das Ultraschallelement 53, das eine Funktion zum Wandeln elektrischer Signale und Ultraschallvibrationen hat. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ultraschallelement 53 ein Element eines MEMS-Typs, das auf dem Halbleitersubstrat 5 vorgesehen ist, und ist vorgesehen, um die Ausbreitungswelle, die sich entlang der Richtungsachse DA ausbreitet, zu senden und zu empfangen. In anderen Worten hat das Halbleitersubstrat 5 eine Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers eines MEMS-Typs.
Insbesondere beinhaltet das Ultraschallelement 53 ein Elementdiaphragma 54 und einen Schaltungselementabschnitt 55. Das Elementdiaphragma 54 ist eine Vibrationsmembran oder eine vibrierende Platte, die auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet ist und eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA hat. Das Elementdiaphragma 54 ist als dünner Abschnitt in dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet.
Das Elementdiaphragma 54 ist vorgesehen, um ultraschallmäßig zu vibrieren, während es gebogen wird, wenn das Halbleitersubstrat 5 die Ausbreitungswelle sendet und empfängt. In anderen Worten ist das Elementdiaphragma 54 so ausgebildet, um ultraschallmäßig in der gleichen Richtung wie das Kastendiaphragma 44 derart zu vibrieren, dass der Mittelabschnitt in der Ebenenrichtung sich in der axialen Richtung bewegt.
Das Elementdiaphragma 54 hat eine radiale Dimension entsprechend der radialen Dimension des Raumbodens SC2. Insbesondere ist das Elementdiaphragma 54 in einer kreisförmigen Form mit dem gleichen Durchmesser wie der Durchmesser des Raumbodens SC2 oder einem etwas größeren Durchmesser als der Durchmesser des Raumbodens SC2 in einer Draufsicht entlang einer Sichtlinie parallel zur axialen Richtung ausgebildet. Wie vorstehend beschrieben ist, hat in der vorliegenden Ausführungsform das Elementdiaphragma 54 eine radiale Dimension, die im Wesentlichen mit der radialen Dimension des Raumbodens SC2 übereinstimmt.
Der Schaltungselementabschnitt 55 ist an einem im Wesentlichen zentralen Abschnitt bzw. Mittelabschnitt des Elementdiaphragmas 54 in der radialen Richtung vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schaltungselementabschnitt 55 ein piezoelektrisches Element, in dem ein piezoelektrischer Film und eine Dünnschichtelektrode aufeinandergestapelt sind, und ist auf der Seite der oberen Substratoberfläche 52, die eine Oberfläche des Elementdiaphragmas 54 ist, dem Resonanzraum SC zugewandt angeordnet.
In anderen Worten hat das Ultraschallelement 53 eine Konfiguration als PMUT. PMUT ist eine Abkürzung für Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducers (Piezoelektrische, mikromechanische Ultraschallwandler). Insbesondere ist das Ultraschallelement 53 konfiguriert, so dass das Elementdiaphragma 54 ultraschallmäßig basierend auf einer Antriebsspannung vibriert, die eine Wechselspannung ist, die an den Schaltungselementabschnitt 55 angelegt wird. Das Ultraschallelement 53 ist konfiguriert, um eine Ausgangsspannung entsprechend einem Vibrationszustand des Elementdiaphragmas 54 in dem Schaltungselementabschnitt 55 zu erzeugen.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist das Ultraschallelement 53 innerhalb des Elementgehäusekastens 4 aufgenommen und weg von dem Kastendiaphragma 44 angeordnet. Der Resonanzraum SC ist zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Ultraschallelement 53 definiert. Der Resonanzraum SC ist so vorgesehen, dass die axiale Dimension K·(λ/2+Nλ) ist, wenn die Wellenlänge der Ausbreitungswelle λ ist, N eine Ganzzahl von 0 oder mehr ist und K in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die axiale Dimension des Resonanzraums SC eine Distanz zwischen der Diaphragmenrückoberfläche 44b und der substratzugewandten Oberfläche 46a in der axialen Richtung.
In der vorliegenden Ausführungsform sind das Ultraschallelement 53, der Resonanzraum SC und das Kastendiaphragma 44 konfiguriert, um eine Resonanzfrequenz von 30 kHz bis 100 kHz zu haben. Das Ultraschallelement 53, der Resonanzraum SC und das Kastendiaphragma 44 sind konfiguriert, um im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz aufzuweisen. Insbesondere wird die Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement 53 als eine erste Resonanzfrequenz festgelegt, die Resonanzfrequenz in dem Resonanzraum SC wird als eine zweite Resonanzfrequenz festgelegt und die Resonanzfrequenz in dem Kastendiaphragma 44 wird als eine dritte Resonanzfrequenz festgelegt. Die erste Resonanzfrequenz ist eine strukturelle Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53. Die zweite Resonanzfrequenz ist eine Resonanzfrequenz in dem Resonanzraum SC. Die dritte Resonanzfrequenz ist eine strukturelle Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44. Ein Maximalwert aus einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz, einer Differenz zwischen der zweiten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz und einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz ist als Δfr definiert. Ferner ist eine Bandbreite des breitesten Resonanzbandes aus den Resonanzbändern des Ultraschallelements 53, des Resonanzraums SC und des Kastendiaphragmas 44 als BW definiert. Zu dieser Zeit sind das Ultraschallelement 53, der Resonanzraum SC und das Kastendiaphragma 44 konfiguriert, um die Beziehung pf Δfr ≤ BW zu erfüllen.
Das „Resonanzband“ ist ein Frequenzband zwischen zwei Frequenzen fa und fb, das um 3 dB ausgehend von einem Spitzenwert in einer Ausgangskurve oder einer Eigenschaftskurve mit einer Resonanzfrequenz als Spitze abnimmt. „Abnahme um 3 dB vom Spitzenwert“ kann ebenso als „1/√2-mal der Spitzenwert“ bezeichnet werden. Das „Resonanzband“ kann ebenso als das „Resonanzband der strukturellen Resonanz“ oder das „3-dB-Band der Resonanzspitze“ bezeichnet werden. Die Bandbreite kann auch als „-3dB-Bandbreite“, „3db-Bandbreite“ oder einfach „Frequenzbandbreite“ bezeichnet werden. Δfr ist ein Maximalwert des Abweichungsbetrags der Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44, des Ultraschallelements 53 und des Resonanzraums SC.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird das Halbleitersubstrat 5 fest durch den Elementgehäusekasten 4 getragen, während es so angeordnet ist, dass der Resonanzraum SC zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Elementdiaphragma 54 definiert ist. Der Resonanzraum SC hat eine Funktion als ein akustischer Resonanzraum, der in dem Elementgehäusekasten 4 vorgesehen ist. In anderen Worten ist der Resonanzraum SC so vorgesehen, dass die Ultraschallvibration der Ausbreitungswelle sich zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Elementdiaphragma 54, die durch eine Resonanz gekoppelt sind, ausbreitet.
Das Trägersubstrat 6 ist ein Element, das fest das Halbleitersubstrat 5 trägt, das das Ultraschallelement 53 aufweist, und ist in einer Plattenform mit einer Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA ausgebildet. Das Trägersubstrat 6 ist an dem inneren Bodenplattenabschnitt 42 durch eine Kastenfixieroberfläche 61 fixiert, die eine Hauptoberfläche ist, die mit der inneren Bodenoberfläche 42a des inneren Bodenplattenabschnitts 42 verbunden ist.
Das Trägersubstrat 6 hat Verbindungsanschlüsse 62 für elektrische Verbindung zwischen dem Ultraschallmikrofon 3 und der Steuerschaltungsplatine oder dergleichen auf der Seite des Sensorkastens 2, der in 2 dargestellt ist. Die Verbindungsanschlüsse 62 stehen von der Kastenfixieroberfläche 61 entlang der axialen Richtung hervor. Die Verbindungsanschlüsse 62 stehen von dem inneren Bodenplattenabschnitt 42 durch Durchdringen des inneren Bodenplattenabschnitts 42 hervor. Abschnitte, wo die Verbindungsanschlüsse 62 den inneren Bodenplattenabschnitt 42 durchdringen sind flüssigkeitsdicht durch ein Dichtmittel abgedichtet.
Die Montageoberfläche 63 des Trägersubstrats 6 auf der zur Kastenfixieroberfläche 61 gegenüberliegenden Seite ist vorgesehen, so dass sie dem Innenraum SI zugewandt ist. Das Halbleitersubstrat 5 ist auf der Montageoberfläche 63 fixiert. Insbesondere ist die Montageoberfläche 63 mit einem Vertiefungsabschnitt 64 versehen. Das Halbleitersubstrat 5 ist innerhalb des Vertiefungsabschnitts 64 aufgenommen und an dem Trägersubstrat 6 fixiert. Eine Elektrodenanschlussfläche (nicht dargestellt), die um den Vertiefungsabschnitt 64 der Montageoberfläche 63 herum vorgesehen ist, ist mit einer Elektrodenanschlussfläche (nicht dargestellt), die auf dem Halbleitersubstrat 5 vorgesehen ist, durch eine Verdrahtung wie einen Bonddraht verbunden.
(Vorteile)
Nachfolgend wird ein Umriss einer Operation gemäß der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen zusammen mit Vorteilen, die durch die Konfiguration erreicht werden, beschrieben.
In dem Fahrzeugbordzustand ist die freigelegte Oberfläche 3b des Ultraschallmikrofons 3 einschließlich der Sende- und Empfangsoberfläche 44a, die die äußere Oberfläche des Kastendiaphragmas 44 ist, die auf dem äußeren Bodenplattenabschnitt 43 vorgesehen ist, zum externen Raum SG freigelegt. Aus diesem Grund, wenn das Fahrzeug V fährt oder dergleichen, können harte Fremdkörper wie Kieselsteine mit der freigelegten Oberfläche 3b kollidieren, das heißt, mit der Sende- und Empfangsoberfläche 44a.
In dieser Hinsicht ist in der vorstehend beschriebenen Konfiguration das Ultraschallelement 53 innerhalb des Elementgehäusekastens 4 aufgenommen, der in einer Boxform ausgebildet ist, und ist beabstandet von dem Kastendiaphragma 44 angeordnet. In anderen Worten ist das Ultraschallelement 53 nicht an dem äußeren Bodenplattenabschnitt 43 angebracht, der im Fahrzeugbordzustand zum externen Raum SG freigelegt ist.
Aus diesem Grund, sogar, wenn harte Fremdkörper wie Kieselsteine mit der freigelegten Oberfläche 3b kollidieren, wirkt ein Aufprall, der durch die Kollision verursacht wird, nicht direkt auf das Ultraschallelement 53. Aus diesem Grund kann das Auftreten von Rissen oder dergleichen in dem Ultraschallelement 53 zufriedenstellend verhindert werden. Insbesondere, sogar, wenn der äußere Bodenplattenabschnitt 43 nicht dick ausgebildet ist, kann das Auftreten eines Defekts wie eines Risses in dem Ultraschallelement 53 zufriedenstellend vermieden werden. Aus diesem Grund kann das Ultraschallelement 53 zufriedenstellend geschützt werden, während eine Größenzunahme des Ultraschallsensors 1 vermieden wird.
Ferner ist das distale Ende in der axialen Richtung des Elementgehäusekastens 4, der das Gehäuse des Ultraschallmikrofons 3 konfiguriert, flüssigkeitsdicht geschlossen. Aus diesem Grund wird das Eindringen von Flüssigkeit wie Wasser in den Elementgehäusekasten 4 von der freigelegten Oberfläche 3b, das heißt, dem externen Raum SG, zufriedenstellend unterbunden.
Ferner ist ein Abschnitt des Elementgehäusekastens 4, der das Gehäuse des Ultraschallmikrofons 3 konfiguriert, auf der proximalen Endseite in der axialen Richtung durch den Sensorkasten 2 und das Hülsenelement in dem zusammengebauten Zustand bedeckt. Aus diesem Grund wird das Eindringen von Flüssigkeit wie Wasser in den Elementgehäusekasten 4 von dem Innenraum zufriedenstellend unterbunden.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind gemäß der vorstehenden Konfiguration das Ultraschallelement 53 und der Resonanzraum SC gut vor Eindringen von Wasser oder dergleichen geschützt. Demnach wird das Auftreten von Schwierigkeiten wie eines Fehlers in dem Ultraschallelement 53 oder einer Variation der Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC aufgrund des Eindringens von Wasser oder dergleichen zufriedenstellend unterbunden.
Das Elementdiaphragma 54, das mit dem Ultraschallelement 53 versehen ist, ist dem Kastendiaphragma 44 über den Resonanzraum SC hinweg zugewandt angeordnet. In anderen Worten ist der Resonanzraum SC zwischen dem Elementdiaphragma 54, das ein dünner Abschnitt des Halbleitersubstrats 5 ist, und dem Kastendiaphragma 44 vorgesehen, das ein dünner Abschnitt des äußeren Bodenplattenabschnitts 43 ist. Der Resonanzraum SC ist als flüssigkeitsdichter und luftdichter Raum definiert. Aus diesem Grund breitet sich die Ultraschallvibration der Ausbreitungswelle gut zwischen dem Elementdiaphragma 54, das heißt, dem Ultraschallelement 53, und dem Kastendiaphragma 44 durch das Medium (bspw. Luft) in dem Resonanzraum SC aus.
Insbesondere zur Zeit des Sendens der Prüfwelle breitet sich Ultraschallvibration, die in dem Ultraschallelement 53 durch Anlegen der Antriebsspannung erzeugt wird, als eine Ausbreitungswelle an das Medium in dem Resonanzraum SC aus. Die Ultraschallvibration der Ausbreitungswelle, die sich zum Medium in dem Resonanzraum SC ausgebreitet hat, breitet sich zum Kastendiaphragma 44 aus. Die Ultraschallvibration des Kastendiaphragmas 44, die mit der Ausbreitung der Ausbreitungswelle zu dem Kastendiaphragma 44 einhergeht, verursacht, dass eine Prüfwelle hin zum externen Raum SG gesendet wird. Umgekehrt breitet sich zur Zeit des Empfangs die Ultraschallvibration des Kastendiaphragmas 44, das durch die empfangene Welle von dem externen Raum SG angeregt wird, als eine Ausbreitungswelle zum Medium in dem Resonanzraum SC aus. Die Ultraschallvibration der Ausbreitungswelle, die sich zum Medium in dem Resonanzraum SC ausgebreitet hat, breitet sich zum Elementdiaphragma 54 aus. Demzufolge wird eine Ausgangsspannung in dem Schaltungselementabschnitt 55 erzeugt.
Wie vorstehend beschrieben ist, breitet sich die Ultraschallvibration, die in einem des Ultraschallelements 53 und des Kastendiaphragmas 44 erzeugt wird, an das andere durch die gekoppelte Resonanz durch das Medium in dem Resonanzraum SC aus. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform, wenn die Wellenlänge der Ausbreitungswelle λ ist, N eine Ganzzahl von 0 oder mehr ist und K in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 ist, ist der Resonanzraum SC so vorgesehen, dass die axiale Dimension K·(λ/2+Nλ) ist. Demnach wird die Ausbreitungseffizienz der Ausbreitungswelle, die sich zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 ausbreitet, exzellent.
Der Ultraschallsensor 1 ist so konfiguriert, dass die erste Resonanzfrequenz, die zweite Resonanzfrequenz und die dritte Resonanzfrequenz miteinander übereinstimmen. Die erste Resonanzfrequenz ist eine Resonanzfrequenz, das heißt, eine strukturelle Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53. Die zweite Resonanzfrequenz ist eine Resonanzfrequenz, das heißt, resonante Frequenzen, in dem Resonanzraum SC. Die dritte Resonanzfrequenz ist die Resonanzfrequenz, das heißt, die strukturelle Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44. Demnach wird die Ausbreitungseffizienz der Ausbreitungswelle zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 exzellent.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann gemäß der vorstehenden Konfiguration die Ausbreitung der Ultraschallvibration zwischen dem externen Raum SG der Fahrzeugkarosserie und dem Ultraschallelement 53 zufriedenstellend verwirklicht werden, während das Ultraschallelement 53 zufriedenstellend geschützt wird. Insbesondere, sogar, wenn MEMS-Konfiguration als die Ultraschallelemente 53 verwendet werden, mit der schwieriger eine große Leistung erlangt werden kann als mit einer massigen Konfiguration, kann eine exzellente Sende- und Empfangsleistung verwirklicht werden, indem effizient Ultraschallvibrationen durch die gekoppelte Resonanz ausgebreitet werden. Ferner kann wie in dem Fall des Ultraschallsensors 1, um die Stärke des Elementgehäusekastens 4 sicher zu stellen, sogar, wenn das Kastendiaphragma 44, das zum externen Raum SG freigelegt ist, ausgebildet ist, um eine Dicke von 0,5 mm oder mehr zu haben, eine exzellente Sende- und Empfangsleistung verwirklicht werden.
Jedoch ist es bei der Herstellung schwierig, dass die erste Resonanzfrequenz, die zweite Resonanzfrequenz und die dritte Resonanzfrequenz komplett miteinander übereinstimmen. Demnach, um die erste Resonanzfrequenz, die zweite Resonanzfrequenz und die dritte Resonanzfrequenz im Wesentlichen in Übereinstimmung miteinander zu bringen, ist in Betracht zu ziehen, in wie weit die Differenz unter diesen Resonanzfrequenzen beibehalten wird.
In dieser Hinsicht haben die gemeinsamen Erfinder einschließlich des ersten Erfinders der vorliegenden Erfindung Bedingungen infolge intensiver Studien herausgefunden, unter denen die erste Resonanzfrequenz, die zweite Resonanzfrequenz und die dritte Resonanzfrequenz im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Die Bedingung ist Δfr ≤ BW, wobei Δfr ein Maximalwert aus einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz, einer Differenz zwischen der zweiten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz und einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz ist. BW ist eine Bandbreite des breitesten Resonanzbandes aus den Resonanzbändern des Ultraschallelements 53, des Resonanzraums SC und des Kastendiaphragmas 44. Demzufolge können die exzellenten Sende-/Empfangscharakteristika erlangt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform hat der Elementgehäusekasten 4 eine Hornform, in der die Breite des Resonanzraum SC in der Ebenenrichtung reduziert ist, wenn er sich erstreckt. Insbesondere hat der Elementgehäusekasten 4 den dicken Kastenabschnitt 46 um das Kastendiaphragma 44 herum in der radialen Richtung ausgebildet und ist vorgesehen, um den Resonanzraum SC von außen zu umgeben. Der dicke Kastenabschnitt 46 hat die Horninnenoberfläche 46b, die dem Resonanzraum SC zugewandt ist, um dabei den Resonanzraum SC zu konfigurieren. Die Horninnenoberfläche 46b ist in der Form einer konischen inneren Oberfläche ausgebildet, die sich hin zum Kastendiaphragma 44 verjüngt, so dass der Raumboden SC2 eine größere radiale Dimension als die Raumspitze SC1 hat.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird eine Querschnittsfläche des Resonanzraums SC in der Ausbreitungsrichtung der Ausbreitungswelle von dem Ultraschallelement 53 zum Kastendiaphragma 44 zur Zeit des Sendens der Prüfwelle verengt. Dies ermöglicht es, die Ausbreitungswelle und einen Schalldruck der Prüfwelle durch die Ausbreitungswelle zu erhöhen.
4 zeigt ein Ergebnis einer Computersimulation einer Änderung des Schalldrucks aufgrund einer Änderung einer Form des Resonanzraums SC. In 4 repräsentiert die Abszisse rt/rb ein Verhältnis zwischen einem Spitzenoberflächendurchmesser rt und einem Bodenoberflächendurchmesser rb in der abgekürzten Kegelform des Resonanzraums SC, was als radiales Verhältnis bezeichnet wird. Der Spitzenoberflächendurchmesser rt ist ein Radius einer Spitzenoberfläche des Resonanzraums SC auf der Seite der Raumspitze SC1. Der Bodenoberflächendurchmesser rb ist ein Radius einer Bodenoberfläche des Resonanzraums SC auf der Seite des Raumbodens SC2. Wenn das radiale Verhältnis rt/rb 1 ist, hat der Resonanzraum SC eine im Wesentlichen säulenförmige Form.
Wie in den Ergebnissen von Computersimulationen in 4 gezeigt ist, wenn das radiale Verhältnis rt/rb 0,5 ist, kann der Schalldruck auf das Maximum durch Verengen der Querschnittsfläche des Resonanzraums SC zur Zeit des Sendens der Ausbreitungswellen verbessert werden. Demnach ist ein radiales Verhältnis rt/rb bevorzugt in einem Bereich von 0,25 bis 0,75, noch bevorzugter von 0,25 bis 0,55 und am bevorzugtesten 0,5 und ein Wert um 0,5. Das radiale Verhältnis von „0,5 und einem Wert um 0,5“ ist 0,5·β. β ist eine reelle Zahl um 1, beispielsweise in einem Bereich von 0,9 bis 1,1. In anderen Worten ist „0,5 und ein Wert um 0,5“ beispielsweise 0,5±10%, insbesondere 0,45 bis 0,55. Insbesondere, wenn ein Gradient einer Änderung des Schalldrucks von ungefähr 0,5 berücksichtigt wird, wenn das radiale Verhältnis rt/rb auf 0,5 oder einen Wert nahe 0,5 festgelegt ist, ist es bevorzugt, dass eine dimensionale Toleranz des Spitzenoberflächendurchmessers rt eine negative Toleranz ist, während die dimensionale Toleranz des Bodenoberflächendurchmessers rb eine positive Toleranz ist.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das Ultraschallelement 53 das Elementdiaphragma 54, das eine Vibrationsmembran oder eine vibrierende Platte ist, die auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet ist und eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse DA hat. Das Elementdiaphragma 54 hat eine radiale Dimension entsprechend der radialen Dimension des Raumbodens SC2, das heißt, eine radiale Dimension, die im Wesentlichen mit der radialen Dimension des Raumbodens SC2 übereinstimmt.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration trifft die Ausbreitungswelle, die durch die Vibrationen des Elementdiaphragmas 54 emittiert wird, auf den Raumboden SC2 in im Wesentlichen planarer Wellenform. Dies ermöglicht es, die Ausbreitungswelle und einen Schalldruck der Prüfwelle durch die Ausbreitungswelle zu erhöhen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Halbleitersubstrat 5 fest durch den Elementgehäusekasten 4 getragen, so dass eine Lücke zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem dicken Kastenabschnitt 46 in der axialen Richtung gleich oder kleiner als 1/4 der Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist. In anderen Worten ist eine Lücke zwischen der substratzugewandten Oberfläche 46a des dicken Kastenabschnitts 46 und der oberen Substratoberfläche 52 des Halbleitersubstrats 5 festgelegt, um ausreichend kleiner als die Wellenlänge der Ausbreitungswelle zu sein.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann Austreten von Ultraschallvibrationen zur äußeren Seite des Resonanzraums SC soweit wie möglich unterbunden werden. Demnach kann die Ausbreitungseffizienz der Ausbreitungswelle zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Ultraschallelement 53 verbessert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform hat der dicke Kastenabschnitt 46 dem Schlitzabschnitt 45, der sich radial von der Raumspitze SC1 erstreckt, um mit der Raumspitze SC1 zu kommunizieren. Das Kastendiaphragma 44 hat den zentralen Abschnitt 44c, der der Raumspitze SC1 in der axialen Richtung zugewandt ist, und den ringförmigen Abschnitt 44d, der dem Schlitzabschnitt 45 in der axialen Richtung zugewandt ist. Ferner hat der Schlitzabschnitt 45 eine radiale Dimension, die größer als die radiale Dimension des Raumbodens SC2 ist.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann die Vibrationsfläche des Kastendiaphragmas 44 so groß wie möglich gemacht werden, während die Schalldruckkonzentrationswirkung durch Verengung der Querschnittsfläche des Resonanzraums SC in Richtung des Kastendiaphragmas 44 sichergestellt wird. Dadurch ist es möglich, die exzellente Sende-/Empfangsempfindlichkeit zu erreichen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schlitzabschnitt 45 so ausgebildet, dass die axiale Dimension 1/4 oder weniger der Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist. Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration nimmt eine akustische Impedanz des Schlitzabschnitts 45 zu und das Medium (beispielsweise Luft) in dem Resonanzraum SC dringt kaum in den Schlitzabschnitt 45 ein. Demnach kann die Schalldruckkonzentrationswirkung durch Verengung der Querschnittsfläche des Resonanzraums SC hin zum Kastendiaphragma 44 zufriedenstellend sichergestellt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schlitzabschnitt 45 mit dem Abstandshalter 47 gefüllt, der ein elastischer Körper ist. Der Abstandshalter 47 hat ein Elastizitätsmodul, das niedriger als das des Kastendiaphragmas 44 ist. Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann das Austreten von Ultraschallvibrationen von dem Resonanzraum SC zum Schlitzabschnitt 45 soweit wie möglich unterbunden werden. Ferner kann die Anwesenheit des Abstandshalters 47 zufriedenstellend unterbinden, dass die Ultraschallvibration des Kastendiaphragmas 44 gestört wird. Demnach kann die Ausbreitungseffizienz der Ausbreitungswelle zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Ultraschallelement 53 zufriedenstellend aufrechterhalten werden, während die Vibrationsfläche des Kastendiaphragmas 44 soweit wie möglich vergrößert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Elementgehäusekasten 4 ausgebildet, um hermetisch und flüssigkeitsdicht den Resonanzraum SC abzudichten. Aus diesem Grund funktioniert das Medium (beispielsweise Luft) in dem Resonanzraum SC zwischen dem Kastendiaphragma 44 und dem Ultraschallelement 53 gut als Flüssigkeitsfeder zum Ausbreiten von Ultraschallvibrationen. In anderen Worten wird der Resonanzraum SC luftdicht bereitgestellt, so dass die Intensität von spärlichen und dichten Wellen zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 erhöht werden kann. Demnach können gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration exzellente Sende-/Empfangscharakteristika erlangt werden.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist das Ultraschallelement 53 auf dem Halbleitersubstrat 5 als eine Halbleitervorrichtung eines MEMS-Typs ausgebildet. Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann das Halbleitersubstrat 5 zufriedenstellend verkleinert werden, während die Sende-/Empfangsleistung des Ultraschallelements 53 aufrechterhalten wird. Demnach kann wie in einer später beschriebenen achten Ausführungsform in dem Fall, in dem mehrere Ultraschallelemente 53 in der Ebenenrichtung aufgereiht sind, um die Funktion des Ultraschallsensors 1 zu verbessern, soweit wie möglich unterbunden werden, dass der Ultraschallsensor 1 vergrößert wird.
(Zweite Ausführungsform)
Nachfolgen wird eine zweite Ausführungsform mit Bezug auf 5 beschrieben. In der folgenden Beschreibung der zweiten Ausführungsform werden hauptsächlich Abschnitte beschrieben, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform sind Abschnitte die gleich oder äquivalent zueinander sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Demnach kann in der folgenden Beschreibung der zweiten Ausführungsform die Beschreibung der ersten Ausführungsform angemessen für Komponenten, die die gleichen Bezugszeichen wie die der ersten Ausführungsform haben, eingebunden werden, solange es keinen technischen Widerspruch oder eine spezielle zusätzliche Beschreibung gibt.
Wie in 5 gezeigt ist, sind in der vorliegenden Ausführungsform der Schlitzabschnitt 45 und der Abstandshalter 47, die in 3 gezeigt sind, weggelassen. In anderen Worten ist ein Kastendiaphragma 44 als ein dünner Abschnitt ausgebildet, der in der Umgebung der Mitte in der Ebenenrichtung eines äußeren Bodenplattenabschnitts 43 vorgesehen ist.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist eine Vibrationsfläche des Kastendiaphragmas 44 verglichen zu dem Fall der ersten Ausführungsform reduziert. Jedoch kann eine Schalldruckverbesserungswirkung durch Verengung der Querschnittsfläche des Resonanzraums SC zur Zeit des Sendens der Ausbreitungswelle ausreichend verwirklicht werden.
(Dritte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform mit Bezug auf 6 beschrieben. In der folgenden Beschreibung der dritten Ausführungsform werden hauptsächlich Abschnitte beschrieben, die sich von denen der zweiten Ausführungsform unterscheiden. In der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform sind Abschnitte die gleich oder äquivalent zueinander sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Demnach kann in der folgenden Beschreibung der dritten Ausführungsform die Beschreibung der anderen Ausführungsform angemessen für die Komponenten, die die gleichen Bezugszeichen wie die der vorstehend beschriebenen anderen Ausführungsform haben, eingebunden werden, solange es keinen technischen Widerspruch oder eine spezielle zusätzliche Beschreibung gibt. Das gleiche gilt für eine vierte Ausführungsform und nachfolgende weitere Ausführungsform, die später beschrieben werden.
Abhängig von der Sende- und Empfangsfrequenz eines Ultraschallmikrofons 3, ist es bevorzugt eine Horninnenoberfläche 46b in einer gekrümmten Form auszubilden, wie in 6 gezeigt ist. Eine Form der gekrümmten Oberfläche der Horninnenoberfläche 46b kann beispielsweise hyperbolisch, parabolisch, exponentiell oder dergleichen in einer Querschnittsansicht abhängig von der Sende- und Empfangsfrequenz sein. Eine Form der gekrümmten Oberfläche der Horninnenoberfläche 46b kann konkav oder konvex hin zum Resonanzraum SC gemäß der Sende- und Empfangsfrequenz festgelegt werden.
(Vierte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine vierte Ausführungsform mit Bezug auf 7 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Dämpfungselement 401 in dem Resonanzraum SC aufgenommen. Das Dämpfungselement 401 ist vorgesehen, um eine Dämpferwirkung gegenüber Vibration in einem Kastendiaphragma 44 auszuüben. Insbesondere, wie beispielsweise in 9 gezeigt ist, ist das Dämpfungselement 401 ein plattenähnliches Element, das aus Kunstharz wie synthetischem Gummi gefertigt ist, und ist an einer Diaphragmenrückoberfläche 44b angebracht.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird die Erzeugung von Nachhall in einem Ultraschallmikrofon 3 zufriedenstellend reduziert. Demzufolge wird eine Totzonenzeit in einem Ultraschallsensor 1 verkürzt, wodurch eine Erfassungsleistung für kurze Distanzen verbessert wird.
(Fünfte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine fünfte Ausführungsform mit Bezug auf 8 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform hat ein Elementgehäusekasten 4 eine Lüftung 402. Die Lüftung 402 ist in einem inneren Bodenplattenabschnitt 42 vorgesehen. Insbesondere ist die Lüftung 402 ein Durchgangsloch, das einen inneren Bodenplattenabschnitt 42 in einer Dickenrichtung durchdringt, und ist vorgesehen, um einen Innenraum SI innerhalb eines Elementgehäusekastens 4 mit einem externen Raum SD außerhalb des Elementgehäusekastens 4 kommunikativ zu verbinden.
Die Lüftung 402 ist auf flüssigkeitsdichte Weise abgedichtet, so dass Luft durch die Lüftung 402 passieren kann, während das Passieren einer Flüssigkeit durch die Lüftung 402 unterbunden wird. Insbesondere, wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, ist ein Lüftungsdichtungselement 403 an der Lüftung 402 angebracht. Das Lüftungsdichtungselement 403 ist aus eine porösen Material gefertigt, durch das Luft passieren kann, durch das Flüssigkeit jedoch schwer passieren kann.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann Gas zwischen dem Innenraum SI innerhalb des Elementgehäusekastens 4 und dem externen Raum SD außerhalb des Elementgehäusekastens 4 ausgetauscht werden. Dies ermöglicht es, die flüchtige Komponente des Klebstoffs oder dergleichen zur äußeren Seite des Elementgehäusekastens 4 abzulassen.
Ferner kann ein Abschnitt des Innenraums SI, der sich über das Elementdiaphragma 54 hinweg auf der gegenüberliegenden Seite eines Resonanzraums SC befindet, kommunikativ mit der Außenluft verbunden werden. Demzufolge wird ein Widerstand zur Zeit der Deformation des Elementdiaphragmas 54 reduziert und eine Empfangsempfindlichkeit verbessert. Ferner kann durch Bereitstellung des Lüftungsdichtungselements 403 das Eindringen von Flüssigkeit wie Wasser in das Innere des Elementgehäusekastens 4 an der Lüftung 402 zufriedenstellend unterbunden werden.
(Sechste Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform mit Bezug auf 9 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ein Ultraschallmikrofon 3 einen Temperatursensor 404 und eine Frequenzänderungseinheit 405.
Der Temperatursensor 404 ist vorgesehen, um eine Ausgabe entsprechend einer Operationsumgebungstemperatur eines Ultraschallsensors 1 zu erzeugen. Wie in 9 gezeigt ist, ist der Temperatursensor 404 in einem Innenraum SI aufgenommen. In anderen Worten erzeugt der Temperatursensor 404 eine Ausgabe entsprechend einer Temperatur eines Raums um das Ultraschallelements 53 herum. Insbesondere ist der Temperatursensor 404 auf einem Halbleitersubstrat 5 fixiert.
Die Frequenzänderungseinheit 405 ist vorgesehen, um eine Vibrationsfrequenz in einem Kastendiaphragma 44 oder einem Resonanzraum SC in Antwort auf die Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1 zu ändern. Die Operation der Frequenzänderungseinheit 405 wird durch einen Steuerungs-IC gesteuert, der auf einer Steuerschaltungsplatine (nicht dargestellt) montiert ist, die innerhalb des Kastenhauptkörpers 2a aufgenommen ist, der in 2 gezeigt ist.
Wie in 9 gezeigt ist, ist die Frequenzänderungseinheit 405 vorgesehen, um eine strukturelle Resonanzfrequenz eines Kastendiaphragmas 44 basierend auf der Ausgabe des Temperatursensors 404 zu ändern. Insbesondere ist die Frequenzänderungseinheit 405 ein piezoelektrisches Element, das aus massiger piezoelektrischer Keramik wie massiger PZT gefertigt ist, und konfiguriert ist, Verzerrungen durch Anlegen von Spannung zu erzeugen. PZT ist eine Abkürzung für Blei-Zirkonat-Titanit. In anderen Worten ist die Frequenzänderungseinheit 405 an einem Kastendiaphragma 44 oder einer Position nahe dem Kastendiaphragma 44 in dem Elementgehäusekasten 4 angebracht, um eine innere Belastung oder Spannung in dem Kastendiaphragma 44 durch Dehnung zur Zeit des Anlegens einer Spannung einzustellen.
Wenn sich die Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1 ändert, verschiebt sich eine Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44. Wenn sich die Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44 verschiebt, nimmt eine Differenz der Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44 und der Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53 zu. Dann nimmt eine Vibrationsausbreitungseffizienz zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 zu.
Demnach werden in der vorliegenden Ausführungsform der Temperatursensor 404 und die Frequenzänderungseinheit 405 bereitgestellt. In der vorstehend beschriebenen Konfiguration erzeugt der Temperatursensor 404 eine Ausgabe entsprechend der Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1. Demzufolge kann die Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1 erfasst werden. Die Frequenzänderungseinheit 405 ändert die Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44 in Antwort auf die erfasste Operationsumgebungstemperatur. Insbesondere wird eine Steuerspannung an die Frequenzänderungseinheit 405 in Antwort auf die erfasste Operationsumgebungstemperatur angelegt. Die Frequenzänderungseinheit 405 stellt eine interne Belastung, das heißt, eine Spannung in dem Kastendiaphragma 44 durch Erzeugen einer Dehnung gemäß der angelegten Steuerspannung ein.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann die Abweichung einer Resonanzbedingung aufgrund einer Änderung der Operationsumgebungstemperatur gut kompensiert werden. Ferner kann die Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44 unabhängig von den Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC und der Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement 53 gesteuert werden.
Die Frequenzänderungseinheit 405, die in 9 gezeigt ist, kann konfiguriert sein, um die Vibrationsfrequenz in dem Resonanzraum SC durch Ändern eines Volumens des Resonanzraums SC zu ändern. In diesem Fall ändert die Frequenzänderungseinheit 405 die Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC in Antwort auf die erfasste Operationsumgebungstemperatur. Ferner können die Resonanzfrequenzen des Resonanzraums SC unabhängig von den Resonanzfrequenzen in dem Kastendiaphragma 44 und dem Ultraschallelement 53 gesteuert werden.
(Siebte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine siebte Ausführungsform mit Bezug auf 10 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Frequenzänderungseinheit 405 vorgesehen, um eine Vibrationsfrequenz eines Ultraschallelements 53 zu ändern. Insbesondere ist die Frequenzänderungseinheit 405 konfiguriert, um eine strukturelle Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53 basierend auf einer Ausgabe eines Temperatursensors 404 zu ändern.
Insbesondere ist die Frequenzänderungseinheit 405 ein piezoelektrisches Element eines MEMS-Typs und ist ausgebildet, um eine Verzerrung durch Anlegen einer Spannung zu erzeugen. In anderen Worten ist die Frequenzänderungseinheit 405 an einem Elementdiaphragma 54 in einem Halbleitersubstrat 5 oder an einer Position nahe des Elementdiaphragmas 54 vorgesehen, um eine interne Belastung, das heißt, eine Spannung des Elementdiaphragmas 54, durch die Verzerrung zur Zeit des Anlegens der Spannung einzustellen.
Wenn sich die Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1 ändert, verschiebt sich eine Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44. Wenn sich die Resonanzfrequenz des Kastendiaphragmas 44 verschiebt, nimmt eine Vibrationsausbreitungseffizienz zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 ab.
Demnach werden in der vorliegenden Ausführungsform der Temperatursensor 404 und die Frequenzänderungseinheit 405 bereitgestellt. In der vorstehend beschriebenen Konfiguration ändert die Frequenzänderungseinheit 405 eine Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53 in Antwort auf die erfasste Operationsumgebungstemperatur. Insbesondere wird eine Steuerspannung an die Frequenzänderungseinheit 405 in Antwort auf die erfasste Operationsumgebungstemperatur angelegt. Die Frequenzänderungseinheit 405 stellt die interne Belastung, das heißt, die Spannung, in dem Elementdiaphragma 54 durch Erzeugen einer Dehnung in Antwort auf die angelegte Steuerspannung ein.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann die Abweichung einer Resonanzbedingung aufgrund einer Änderung der Operationsumgebungstemperatur gut kompensiert werden. Ferner kann die Resonanzfrequenz des Ultraschallelements 53 unabhängig von den Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC und der Resonanzfrequenz in dem Kastendiaphragma 44 gesteuert werden.
(Achte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine achte Ausführungsform mit Bezug auf 11 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform sind mehrere Kastendiaphragmen 44, mehrere Ultraschallelemente 53 und mehrere Resonanzräume SC in der Ebenenrichtung aufgereiht.
In 11 sind zwei Sätze des Kastendiaphragmas 44, des Ultraschallelements 53 und des Resonanzraums SC in der Y-Achsenrichtung ausgerichtet, sind jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Konfiguration beschränkt. In anderen Worten kann 11 beispielsweise irgendwelche zwei Sätze von Kastendiaphragmen 44, Ultraschallelementen 53 und Resonanzräumen SC mehrfach in der zweidimensionalen X-Y-Richtung aufgereiht illustrieren. Das gleiche gilt für 12 und dergleichen.
Beispielsweise, wie in 11 gezeigt ist, hat der äußere Bodenplattenabschnitt 43 die mehreren Kastendiaphragmen 44 ausgerichtet in der Ebenenrichtung. In dem Elementgehäusekasten 4 sind die mehreren Ultraschallelemente 53 deren Anzahl gleich der der Kastendiaphragmen 44 ist, in einem Zustand aufgenommen, in dem sie in der Ebenenrichtung ausgerichtet sind. Ein Ultraschallelement 53 ist auf einem Halbleitersubstrat 5 vorgesehen.
Die jeweiligen mehreren Ultraschallelemente 53 sind gegenüberliegend zu den Kastendiaphragmen 44 unterschiedlich zueinander angeordnet. In anderen Worten entsprechen das Kastendiaphragma 44 und das Ultraschallelement 53 einander in einer Einszu-eins-Beziehung. Ein Resonanzraum SC ist zwischen einem Kastendiaphragma 44 und einem entsprechenden Ultraschallelement 53 vorgesehen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann jedes der mehreren Ultraschallelemente 53 zufriedenstellend geschützt werden, während eine Funktion als ein Sensorarray unter Verwendung dieser Ultraschallelemente 53 wie beispielsweise eine Winkelerfassungsfunktion oder dergleichen zufriedenstellend verwirklicht werden kann. Ferner werden mehrere Paare des Ultraschallelements 53, des Resonanzraums SC und des Kastendiaphragmas 44 bereitgestellt. Zu dieser Zeit werden die Frequenzcharakteristika in jedem Satz individuell entworfen, wodurch hohe Leistung wie Verbreitern des Bandes verwirklicht werden kann.
(Neunte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine neunte Ausführungsform mit Bezug auf 12 beschrieben. In der folgenden Beschreibung der neunten Ausführungsform werden hauptsächlich Abschnitte beschrieben, die sich von der achten Ausführungsform unterscheiden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind wie in der achten Ausführungsform mehrere Resonanzräume SC in der Ebenenrichtung ausgerichtet. Wie in 12 gezeigt ist, beinhaltet ein Ultraschallmikrofon 3 ferner Vibrationsisolationselemente 406. Die Vibrationsisolationselemente 406 sind jeweils zwischen den benachbarten Resonanzräumen SC angeordnet, um Vibrationsübertragung zwischen den benachbarten Resonanzräumen SC zu unterbinden.
Insbesondere sind die Vibrationsisolationselemente 406 in Abschnitten entsprechend den dicken Kastenabschnitten 46 vorgesehen. Das Vibrationsisolationselement 406 ist aus einem Material mit einer Dämpfungsfunktion oder einer hohen Vibrationsabsorptionseigenschaft wie beispielsweise einem Elastomermaterial wie Silikongummi gefertigt. In diesem Fall kann ein äußerer Bodenplattenabschnitt 43 beispielsweise durch Aufreihen der dicken Kastenabschnitte 46 und der Vibrationsisolationselemente 406 in der Ebenenrichtung und Bonden der dicken Kastenabschnitte 46 und der Vibrationsisolationselemente 406 an eine dünne Platte, die aus Metall gefertigt ist, zum Ausbilden des Kastendiaphragma 44 ausgebildet werden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann Vibrationsübertragung zwischen den Resonanzräumen SC, die in der Ebenenrichtung benachbart zueinander sind, zufriedenstellend unterbunden werden. Demnach, wenn mehrere Sätze des Ultraschallelements 53, des Resonanzraums SC und des Kastendiaphragmas 44 vorgesehen sind, kann eine Interferenz zwischen diesen Sätzen zufriedenstellend unterbunden werden.
(Zehnte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine zehnte Ausführungsform mit Bezug auf 13 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Ultraschallmikrofon 3 konfiguriert, so dass mehrere Ultraschallelemente 53 einem Kastendiaphragma 44 und einem Resonanzraum SC entsprechen.
Insbesondere werden ein gemeinsames Kastendiaphragma 44 und ein gemeinsamer Resonanzraum SC für mehrere Sende- und Empfangseinheiten 700 bereitgestellt. Andererseits ist mindestens ein Ultraschallelement 53 für jede der mehreren Sende- und Empfangseinheiten 700 vorgesehen. In dem Beispiel, das in 13 gezeigt ist, sind die mehreren Ultraschallelemente 53 für ein Halbleitersubstrat 5 vorgesehen. In anderen Worten ist ein Halbleitersubstrat 5, das mehrere Ultraschallelemente 53 hat, vorgesehen, um einem Kastendiaphragma 44 und einem Resonanzraum SC zu entsprechen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration können, obwohl die Interferenzverhinderungsfunktion geringfügig der der vierzehnten Ausführungsform unterlegen ist, die gleichen Wirkungen wie die der achten Ausführungsform erreicht werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind die mehreren Kastendiaphragmen 44, die mehreren Ultraschallelemente 53 oder mehreren Resonanzräume SC in der Ebenenrichtung ausgerichtet, so dass das Ultraschallmikrofon 3 in seiner Funktion verbessert werden kann.
Wenn die mehreren Kastendiaphragmen 44 in der Ebenenrichtung 44 aufgereiht sind, kann jedes der mehreren Kastendiaphragmen 44 eine andere Resonanzfrequenz haben. Wenn die mehreren Ultraschallelemente 53 in der Ebenenrichtung ausgerichtet sind, kann jedes der mehreren Ultraschallelemente 53 eine andere Resonanzfrequenz haben. Wenn die mehreren Resonanzräume SC in der Ebenenrichtung aufgereiht sind, können die mehreren Resonanzräume SC unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben.
(Elfte Ausführungsform)
Nachfolgend wird eine elfte Ausführungsform mit Bezug auf 14 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ein Ultraschallmikrofon 3 eine Sendeeinheit 701 und eine Empfangseinheit 702.
Die Sendeeinheit 701 exklusiv zum Senden ist vorgesehen, um nur eine Funktion zum Senden einer Prüfwelle zu haben. Die Empfangseinheit 702 exklusiv zum Empfangen ist vorgesehen, um nur eine Funktion zum Empfangen einer empfangenen Welle zu haben. Die Sendeeinheit 701 und die Empfangseinheit 702 sind in der Ebenenrichtung aufgereiht. Jede der Sendeeinheit 701 und der Empfangseinheit 702 hat ein Kastendiaphragma 44, ein Ultraschallelement 53 und einen Resonanzraum SC.
Der Resonanzraum SC in der Sendeeinheit 701 ist so ausgebildet, dass eine Querschnittsfläche des Resonanzraums SC hin zu einer Senderichtung verengt ist, das heißt, in der Zeichnung einer positiven Richtung der Z-Achse, ähnlich wie 3 und dergleichen. Dadurch wird es möglich, einen Schalldruck einer Ausbreitungswelle zur Zeit des Sendens einer Prüfwelle zu erhöhen. In anderen Worten wird der Schalldruck der Prüfwelle verbessert.
Andererseits ist der Resonanzraum SC in der Empfangseinheit 702 so ausgebildet, dass eine Querschnittsfläche des Resonanzraums SC hin zu einer Empfangsrichtung verengt ist, das heißt, in der Zeichnung einer negativen Richtung der Z-Achse. Dadurch wird es möglich, einen Schalldruck der Ausbreitungswelle zur Zeit des Empfangs der empfangenen Welle zu erhöhen. In anderen Worten wird die Empfangsempfindlichkeit verbessert.
(Modifikationen)
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Demnach können die vorstehenden Ausführungsformen angemessen geändert werden. Nachfolgend werden typische Modifikationen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Modifikationen werden im Wesentlichen Unterschiede zu den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben. In den vorstehenden Ausführungsformen und den Modifikationen sind gleiche oder äquivalente Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Demnach kann in der folgenden Beschreibung der Modifikationen die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen angemessen für die Komponenten, die die gleichen Bezugszeichen wie die der vorstehenden Ausführungsformen haben, eingebunden werden, solange es keinen technischen Widerspruch oder eine spezielle zusätzliche Beschreibung gibt.
Das Montageziel des Ultraschallsensors 1 ist nicht auf den Frontstoßfänger V3 und den Heckstoßfänger V4 beschränkt. Insbesondere kann der Ultraschallsensor 1 beispielsweise ebenso an dem Fahrzeugkarosserieblech V2 montiert werden. In anderen Worten kann das Montageloch V5 ebenso in dem Fahrzeugkarosserieblech V2 bereitgestellt werden. Ferner ist der Ultraschallsensor 1 nicht auf eine fahrzeugmontierte Verwendung beschränkt. Der Ultraschallsensor 1 ist nicht auf ein Abstandssonar beschränkt. In anderen Worten kann der Ultraschallsensor 1 für andere Anwendungen verwendet werden.
Der Ultraschallsensor 1 ist nicht auf eine Konfiguration beschränkt, die eine Ultraschallwelle senden und empfangen kann. In anderen Worten kann der Ultraschallsensor 1 beispielsweise eine Konfiguration aufweisen, die die Ultraschallwelle nur senden kann. Alternativ kann der Ultraschallsensor 1 nur eine Funktion zum Empfangen einer reflektierten Welle einer Prüfwelle, die eine Ultraschallwelle ist, die von einem anderen Ultraschallsender gesendet wird, durch ein Objekt, das in der Peripherie existiert, aufweisen.
Die Konfiguration jedes Teils des Ultraschallsensors 1 ist ebenso nicht auf das vorstehend beschriebene spezifische Beispiel beschränkt. Insbesondere ist beispielsweise eine externe Form des Ultraschallmikrofons 3, das heißt, des Elementgehäusekastens 4 nicht auf eine im Wesentlichen säulenförmige Form beschränkt und kann eine im Wesentlichen achteckige Prismenform, eine im Wesentlichen regelmäßige achteckige Prismenform oder dergleichen sein. In anderen Worten kann der Elementgehäusekasten 4 in einer im Wesentlichen säulenförmigen Form oder einer im Wesentlichen stumpfen Form bzw. Kegelstupfform ausgebildet werden.
Das Material des Elementgehäusekastens 4 ist nicht auf ein Metallmaterial wie Aluminium beschränkt. In anderen Worten kann der Elementgehäusekasten 4 beispielsweise aus einem Kunstharzmaterial wie Polycarbonat, Polystyrol oder dergleichen gefertigt sein. Alternativ kann der Elementgehäusekasten 4 aus Kohlefaser, kohlefaserhaltigem Harz oder dergleichen gefertigt sein. Alternativ kann mindestens ein Teil des Elementgehäusekastens 4 wie beispielsweise das Kastendiaphragma 44 aus einem Material gefertigt sein, das ein Formgedächtnisfunktion oder eine superelastische Funktion hat. Demzufolge kann eine Resonanzfrequenzänderung, die durch Deformation aufgrund einer Temperaturänderung, eine externe Kraft oder dergleichen verursacht wird, zufriedenstellend unterbunden werden.
Die Struktur des Elementgehäusekasten 4 ist nicht besonders beschränkt, solange keine technischen Unannehmlichkeiten auftreten. Insbesondere können beispielsweise der Seitenplattenabschnitt 41 und der äußere Bodenplattenabschnitt 43 integral und nahtlos wie vorstehend beschrieben aus dem gleichen Material gefertigt sein. Alternativ können der Seitenplattenabschnitt 41 und der äußere Bodenplattenabschnitt 43 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
Die Form des Kastendiaphragmas 44 in der Ebenenrichtung ist ebenso nicht auf eine im Wesentlichen kreisförmige Form wie in dem vorstehend beschriebenen Beispiel beschränkt. In anderen Worten kann als die Form des Kastendiaphragmas 44 in der Ebenenrichtung beispielsweise eine beliebige Form wie eine im Wesentlichen rechteckige Form, eine im Wesentlichen elliptische Form, eine im Wesentlichen regelmäßige Sechseckform, eine im Wesentlichen reguläre Achteckform oder dergleichen übernommen werden. Auf gleiche Weise ist der Resonanzraum SC nicht auf die abgekürzte Kegelform wie in dem spezifischen vorstehend beschriebenen Beispiel beschränkt. In anderen Worten kann der Resonanzraum SC beispielsweise in einer abgekürzten, viereckigen Pyramidenform, einer abgekürzten sechseckigen Pyramidenform, einer abgekürzten achteckigen Pyramidenform oder dergleichen ausgebildet sein. Insbesondere können in der Konfiguration, die den in 3 gezeigten Schlitzabschnitt 45 hat, das Kastendiaphragma 44 und der Resonanzraum SC zueinander unterschiedliche Formen haben. Insbesondere kann, sogar, wenn der Resonanzraum SC in einer abgeschnittenen achteckigen Pyramidenform ausgebildet ist, das Kastendiaphragma 44 in einer kreisförmigen Form ausgebildet sein.
Die Querschnittsform des Kastendiaphragmas 44 ist ebenso nicht auf eine plattenähnliche Form beschränkt. Insbesondere kann beispielsweise das Kastendiaphragma 44 in einer gekrümmten Plattenform ausgebildet sein, die sich hin zum externen Fahrzeugkarosserieraum SC erstreckt. Alternativ kann beispielsweise das Kastendiaphragma 44 in einer gekrümmten Plattenform ausgebildet sein, die hin zum externen Fahrzeugkarosserieraum SG vertieft ist.
Die radiale Dimension des Schlitzabschnitts 45 kann ungefähr die gleiche wie die radiale Dimension des Raumbodens SC2 sein. Alternativ kann die radiale Dimension des Schlitzabschnitts 45 größer als die radiale Dimension der Raumspitze SC1 und kleiner als die radiale Dimension des Raumbodens SC2 sein.
Der dicke Kastenabschnitt 46 kann einen Teil des Seitenplattenabschnitts 41 oder einen Teil des äußeren Bodenplattenabschnitts 43 konfigurieren. Alternativ kann der dicke Kastenabschnitt 46 als ein von dem Seitenplattenabschnitt 41 und dem äußeren Bodenplattenabschnitt 43 separates Element ausgebildet sein und kann an dem Seitenplattenabschnitt 41 oder dem äußeren Bodenplattenabschnitt 43 durch Klebstoff oder dergleichen fixiert sein.
In der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann der Abstandshalter 47 weggelassen werden. In anderen Worten muss nichts in den Schlitzabschnitt 45 gefüllt sein.
Der Schlitzabschnitt 45 kann ebenso in der in 6 gezeigten Konfiguration und anschließenden Zeichnungen vorgesehen sein. In diesem Fall ist der Schlitzabschnitt 45 bevorzugt mit einem Abstandshalter 47 gefüllt. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorstehend beschriebene Konfiguration beschränkt.
Das Dämpfungselement 401 in der vierten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, ist ebenso auf andere Ausführungsformen anwendbar. Jedoch, wenn der Schlitzabschnitt 45 mit dem Abstandshalter 47 gefüllt ist, kann der Abstandshalter 47 die gleiche Funktion wie das in 7 gezeigte Dämpfungselement 401 ausführen. Demnach können der Abstandshalter 47 und das Dämpfungselement 401 selektiv angewendet werden. Es gibt jedoch kein Problem, sogar, wenn der Abstandshalter 47 und das Dämpfungselement 401 zusammen verwendet werden.
Die Lüftung 402 und das Lüftungsdichtungselement 403 in der in 8 gezeigten fünften Ausführungsform sind ebenso auf andere Ausführungsformen anwendbar.
Es gibt keine besondere Beschränkung für die Weise, wie der Temperatursensor 404 installiert ist. Insbesondere kann beispielsweise der Temperatursensor 404 an dem Elementgehäusekasten 4 angebracht sein. Alternativ kann der Temperatursensor 404 ein Temperaturerfassungselement sein, das auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet ist. Alternativ ist eine Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors 1 von außerhalb des Ultraschallsensors 1 verfügbar. Insbesondere kann die Operationsumgebungstemperatur durch eine separate Temperaturerfassungseinheit erfasst werden, die auf dem Fahrzeug V montiert ist. Somit kann die Operationsumgebungstemperatur ebenso von der ECU empfangen werden. Aus diesem Grund kann der Temperatursensor 404 weggelassen werden.
Die Struktur und die Installationsposition der Frequenzänderungseinheit 405 sind ebenso nicht besonders beschränkt. In anderen Worten kann die Frequenzänderungseinheit 405 beispielsweise ein Heizer sein.
Die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz in dem Kastendiaphragma 44 und die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC können miteinander koexistieren. Die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenzen SC in dem Resonanzraum SC und die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement 53 können miteinander koexistieren. Die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz SC in dem Kastendiaphragma 44 und die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement 53 können miteinander koexistieren. Die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz in dem Kastendiaphragma 44, die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenzen in dem Resonanzraum SC und die Frequenzänderungseinheit 405 zum Ändern der Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement 53 können miteinander koexistieren.
Die Konfiguration des Halbleitersubstrats 5 einschließlich des Typs des Ultraschallelements 53 ist nicht besonders beschränkt. In anderen Worten ist das Ultraschallelement 53 beispielsweise nicht auf ein PMUT beschränkt. Insbesondere können die Ultraschallelemente 53 eine Konfiguration aus ein CMUT haben. CMUT ist eine Abkürzung für Capacitive Micro-machined Ultrasound Transducer (kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler) Alternativ kann das Ultraschallelement 53 beispielsweise eine Konfiguration eines massigen Typs aufweisen.
Das Trägersubstrat 6 kann an dem Elementgehäusekasten 4 durch einen Seitenplattenabschnitt 41 fixiert sein. Alternativ kann das Trägersubstrat 6 an dem Elementgehäusekasten 4 durch den dicken Kastenabschnitt 46 fixiert sein.
Das Trägersubstrat 6 kann eine Leiterplatte sein. In anderen Worten können unterschiedliche Schaltungskomponenten für Signalverarbeitung auf der Montageoberfläche 63 montiert sein.
Das Trägersubstrat 6 muss keine Leiterplatte sein. In anderen Worten können unterschiedliche Schaltungskomponenten für Signalverarbeitung auf dem Halbleitersubstrat 5 montiert sein. Alternativ kann die Schaltungskomponente auf einer Steuerschaltungsplatine montiert sein, die innerhalb des Kastenhauptkörpers 2a montiert ist.
Das Trägersubstrat 6 kann mit dem Halbleitersubstrat 5 integriert sein. In anderen Worten kann das Trägersubstrat 6 weggelassen werden.
Die Konfigurationen, die in 3 und 6 bis 10 gezeigt sind, können auf Konfigurationen eines Array-Typs angewendet werden, die in 11 bis 14 gezeigt sind.
Wie aus der Beschreibung der in 8 gezeigten fünften Ausführungsform ersichtlich ist, ist der Resonanzraum SC nicht auf einen Raum beschränkt, der hermetisch und flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. In anderen Worten, wenn die Ausbreitungsleistung der Ultraschallvibration zwischen dem Ultraschallelement 53 und dem Kastendiaphragma 44 zufriedenstellend erlangt wird, ist eine strikte Luftdichtigkeit in dem Resonanzraum SC nicht erforderlich. Wenn jedoch eine Flüssigkeit wie Wasser in den Resonanzraum SC eindringt, nimmt das Volumen des Resonanzraums SC ab, wodurch die Resonanzfrequenzen schwanken. Darüber hinaus kann eine Verschlechterung aufgrund einer Flüssigkeit wie Wasser auftreten, die eingedrungen ist. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass der Resonanzraum SC zumindest als ein flüssigkeitsdichter Raum ausgebildet ist.
In den jeweiligen vorstehenden Ausführungsformen können mehrere Elemente, die integral nahtlos ausgebildet sind, durch Bonden separater Körper ausgebildet werden und mehrere Elemente, die durch Bonden separater Körper ausgebildet werden, können integral nahtlos ausgebildet werden.
In den jeweiligen vorstehenden Ausführungsformen können mehrere Elemente, die aus dem gleichen Material gefertigt sind, durch Materialien ausgebildet werden, die sich voneinander unterscheiden, und mehrere Elemente, die aus Materialien gefertigt sind, die sich voneinander unterscheiden, können aus dem gleichen Material gefertigt werden.
In den jeweiligen vorstehenden Ausführungsformen ist es selbstverständlich, dass Elemente die die Ausführungsformen ausbilden, nicht notwendigerweise essentiell sind, sofern sie nicht als essentiell spezifiziert sind oder prinzipiell als essentiell anzunehmen sind. Falls auf die Komponenten der jeweiligen Ausführungsformen bezüglich numerischer Werte wie Anzahl, Werten, Beträgen und Bereichen Bezug genommen wird, sind die Komponenten nicht auf die numerischen Werte beschränkt, sofern dies nicht als essentiell spezifiziert ist oder grundsätzlich essentiell ist. Ebenso in einem Fall, in dem auf die Komponenten der jeweiligen vorstehenden Ausführungsformen bezüglich Formen und positioneller Beziehungen Bezug genommen wird, sind die Komponenten nicht auf die Formen und positionellen Beziehungen beschränkt, sofern dies nicht als essentiell spezifiziert ist oder grundsätzlich essentiell ist.
Modifikationsbeispiele sind nicht auf das Vorstehende beschränkt. Es ist zu beachten, dass die oben genannten Ausführungsformen für einander nicht irrelevant sind und angemessen kombiniert werden können, es sei denn, eine Kombination ist offensichtlich unmöglich, und dass die Modifikationen für einander nicht irrelevant sind und angemessen kombiniert werden können, es sei denn, eine Kombination ist offensichtlich unmöglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011250327 A [0002]

Claims

Ultraschallsensor (1), aufweisend: ein Ultraschallelement (53), das angeordnet ist, um eine Ausbreitungswelle zu senden oder zu empfangen, die eine Ultraschallwelle ist, die sich entlang einer Richtungsachse (DA) ausbreitet; und einen Elementgehäusekasten (4), der ein Kastendiaphragma (44) beinhaltet, das eine Vibrationsmembran oder eine Vibrationsplatte ist, die eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse haben, wobei der Elementgehäusekasten das Ultraschallelement aufnimmt, während er das Ultraschallelement von dem Kastendiaphragma separiert, wobei ein Resonanzraum (SC) für die Ausbreitungswelle zwischen dem Kastendiaphragma und dem Ultraschallelement definiert ist, und eine Hornform in dem Elementgehäusekasten definiert ist, in dem sich eine Breite des Resonanzraums in einer Ebenenrichtung, die orthogonal zur Richtungsachse ist, reduziert, wenn sich der Resonanzraum in einer axialen Richtung parallel zur Richtungsachse erstreckt.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 1, wobei das Ultraschallelement, der Resonanzraum und das Kastendiaphragma so konfiguriert sind, dass eine erste Resonanzfrequenz, die eine Resonanzfrequenz in dem Ultraschallelement ist, eine zweite Resonanzfrequenz, die eine Resonanzfrequenz in dem Resonanzraum ist, und eine dritte Resonanzfrequenz, die eine Resonanzfrequenz in dem Kastendiaphragma ist, übereinstimmen.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 2, wobei wenn ein Maximalwert aus einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz, einer Differenz zwischen der zweiten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz und einer Differenz zwischen der ersten Resonanzfrequenz und der dritten Resonanzfrequenz als Δfr definiert ist und eine Bandbreite eines breitesten Resonanzbands aus Resonanzbändern des Ultraschallelements, des Resonanzraums und des Kastendiaphragmas als BW definiert ist, eine Beziehung Δfr ≤ BW erfüllt ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elementgehäusekasten einen dicken Kastenabschnitt (46) beinhaltet, der ein dicker Abschnitt ist, der um eine äußere Seite des Kastendiaphragmas in einer radialen Richtung orthogonal zu der Richtungsachse herum zum Umgeben des Resonanzraums ausgebildet ist, der dicke Kastenabschnitt eine Horninnenoberfläche (46b) beinhaltet, die dem Resonanzraum zugewandt ist, um den Resonanzraum zu definieren, der Resonanzraum aufweist einen Raumboden (SC2), der ein Ende des Resonanzraums benachbart zum Ultraschallelement in der axialen Richtung ist, und eine Raumspitze (SC1), die ein Ende des Resonanzraums benachbart zu dem Kastendiaphragma in der axialen Richtung ist, wobei die Horninnenoberfläche in einer kegelförmigen inneren Oberflächenform ausgebildet ist, die den Resonanzraum hin zum Kastendiaphragma verjüngt, und eine radiale Dimension des Raumbodens (SC2) größer als eine radiale Dimension der Raumspitze ist.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 4, wobei das Ultraschallelement ein Elementdiaphragma (54) hat, das eine Vibrationsmembran oder eine vibrierende Platte ist, die auf einem Halbleitersubstrat (5) ausgebildet ist und eine Dickenrichtung entlang der Richtungsachse hat, und das Elementdiaphragma eine radiale Dimension hat, die mit der radialen Dimension des Raumbodens übereinstimmt.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Ultraschallelement fest auf dem Elementgehäusekasten getragen wird, um zu verursachen, dass eine Lücke zwischen dem Ultraschallelement und dem dicken Kastenabschnitt in der axialen Richtung 1/4 oder weniger als eine Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der dicke Kastenabschnitt einen Schlitz (45) hat, der sich von der Raumspitze in der radialen Richtung erstreckt, um mit der Raumspitze zu kommunizieren, das Kastendiaphragma einen Mittelabschnitt (44c) hat, der der Raumspitze in der axialen Richtung zugewandt ist, und einen ringförmigen Abschnitt (44d) hat, der dem Schlitz in der axialen Richtung zugewandt ist, und der Schlitz eine radiale Dimension hat, die größer als die radiale Dimension des Raumbodens ist.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 7, wobei eine axiale Dimension des Schlitzes auf 1/4 oder weniger einer Wellenlänge der Ausbreitungswelle festgelegt ist.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 7 oder 8, ferner einen Abstandshalter (47) aufweisend, der ein elastischer Körper ist, der in den Schlitz gefüllt ist.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 9, wobei der Abstandshalter ein Elastizitätsmodul hat, das niedriger als das des Kastendiaphragmas ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Horninnenoberfläche in einer gekrümmten Form ausgebildet ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine axiale Dimension des Resonanzraums auf K . (λ/2 + Nλ) festgelegt ist, wobei λ die Wellenlänge der Ausbreitungswelle ist, N eine Ganzzahl größer oder gleich 0 ist und K in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei, wenn β in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 ist, ein Verhältnis einer Breite einer oberen Oberfläche des Resonanzraums in der Ebenenrichtung zu einer Breite einer Bodenoberfläche des Resonanzraums in der Ebenenrichtung auf 0,5 β festgelegt ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner ein Dämpfungselement (401) aufweisend, das in dem Resonanzraum aufgenommen ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Elementgehäusekasten eine Lüftung (402) hat, die vorgesehen ist, um einen Innenraum (SI) kommunikativ mit einem äußeren Raum (SD) zu verbinden, und die Lüftung flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, um eine Passage von Luft zu erlauben, während eine Passage von Flüssigkeit unterbunden wird.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 15, wobei der Elementgehäusekasten beinhaltet einen Seitenplattenabschnitt (41), der in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die die Richtungsachse umgibt, einen inneren Bodenplattenabschnitt (42), der eine Endseite des Seitenplattenabschnitts in der axialen Richtung schließt, und einen äußeren Bodenplattenabschnitt (43) der die andere Endseite des Seitenplattenabschnitts in der axialen Richtung flüssigkeitsdicht schließt, wobei das Kastendiaphragma als ein dünner Abschnitt ausgebildet ist, der in dem äußeren Bodenplattenabschnitt vorgesehen ist, und die Lüftung in dem inneren Bodenplattenabschnitt vorgesehen ist.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner eine Frequenzänderungseinheit (405) aufweisend, die vorgesehen ist, um eine Vibrationsfrequenz in dem Ultraschallelement, dem Resonanzraum oder dem Kastendiaphragma in Antwort auf eine Operationsumgebungstemperatur des Ultraschallsensors zu ändern.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mehrere des Kastendiaphragmas, mehrere des Ultraschallelements oder mehrere des Resonanzraums in der Ebenenrichtung aufgereiht sind.
Ultraschallsensor gemäß Anspruch 18, ferner ein Vibrationsisolationselement (406) aufweisend, das zwischen den benachbarten Resonanzräumen angeordnet ist, um eine Vibrationsübertragung zwischen den benachbarten Resonanzräumen zu unterbinden, wenn die mehreren Resonanzräume in der Ebenenrichtung aufgereiht sind.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Ultraschallelement, der Resonanzraum und das Kastendiaphragma konfiguriert sind, um eine Resonanzfrequenz in einem Bereich zwischen 30 kHz und 100 kHz zu haben.
Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Kastendiaphragma eine Sende- und Empfangsoberfläche (44a) hat, die eine äußere Oberfläche ist, die sich mit der Richtungsachse schneidet, wenn der Ultraschallsensor auf einer Fahrzeugkarosserie (V1) eines Fahrzeugs (V) montiert ist, die Sende- und Empfangsoberfläche zu einem Raum (SG) außerhalb der Fahrzeugkarosserie von einem Durchgangsloch (V5) freigelegt ist, das in einer äußeren Platte (V3) der Fahrzeugkarosserie vorgesehen ist, und das Kastendiaphragma ausgebildet ist, um eine Dicke von 0,5 mm oder mehr zu haben.