DE112020002082T5

DE112020002082T5 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE112020002082T5
Application number: DE112020002082.7T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Satake; Youhei Suzuki; Kensuke Kobayashi; Dai Kondou
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2022-01-05
Also published as: WO2020218038A1; JP7192640B2; US20220043147A1; CN113728658A; JP2020182038A

Abstract

Ein Ultraschallsensor (1) weist auf: ein Ultraschallelement (5), das zwischen einem elektrischen Signal und einer Ultraschallschwingung umwandelt; und ein Elementaufnahmegehäuse (6), das eine rohrförmige Form mit Boden hat und das Ultraschallelement darin aufnimmt. Das Elementaufnahmegehäuse weist einen Seitenplattenabschnitt (61), der eine rohrförmige Form hat, die eine Richtwirkungsmittelachse (DA) umgibt, und einen Bodenplattenabschnitt (62) auf, der ein Ende des Seitenplattenabschnitts in einer Axialrichtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse schließt. Das Ultraschallelement ist an dem Bodenplattenabschnitt angebracht. Ein Teil des Bodenplattenabschnitts innerhalb einer Kontur des Ultraschallelements bei Betrachtungsrichtung entlang der Richtwirkungsmittelachse enthält einen Raum (622, 624), der dadurch ausgebildet wird, dass ein Teil des Teils innerhalb der Kontur von dem Ultraschallelement getrennt ist.

Description

[Verweis zu in Beziehung stehender Anmeldung]
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Anmeldung Nr. 2019-82277 , eingereicht am 23. April 2019, auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird hier vollinhaltlich Bezug genommen.
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Ultraschallsensor.
[Stand der Technik]
Ultraschallsensoren, die extern Ultraschallwellen als Suchwellen übertragen und die aus den übertragenen Ultraschallwellen resultierenden reflektierten Wellen empfangen, werden zum Beispiel in Objekterfassungsvorrichtungen verwendet, die an Fahrzeugen montiert sind. Diese Art von Ultraschallsensor enthält ein rohrförmiges Gehäuse mit Boden und ein piezoelektrisches Element, das an der inneren Bodenfläche des Gehäuses angebracht ist. Es wurden Studien durchgeführt, um einen einzelnen Ultraschallsensor mit einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen für diesen Ultraschallsensortyp bereitzustellen, und PTL 1 offenbart ein Beispiel einer solchen Struktur. Der in PTL 1 beschriebene Ultraschallsensor weist zwei rohrförmige Gehäuse mit Boden unterschiedlicher Größe und ein piezoelektrisches Element auf. Das offene Ende des rohrförmigen Gehäuses mit kleinerem Boden ist an der inneren Bodenfläche des rohrförmigen Gehäuses mit größerem Boden angebracht, so dass durch das rohrförmige Gehäuse mit kleinerem Boden ein Raum ausgebildet wird. Bei diesem Ultraschallsensor ist das piezoelektrische Element an der äußeren Bodenfläche des rohrförmigen Gehäuses mit kleinerem Boden angebracht. Wenn Ultraschallwellen übertragen oder empfangen werden, wölben sich die Bodenstirnflächen des großen und kleinen rohrförmigen Gehäuses mit Boden in einigen Fällen in die gleiche Richtung und in anderen Fällen in die entgegengesetzten Richtungen, wodurch die Struktur eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen aufweisen kann.
[Patentliteratur]
[PTL 1] JP 2010-278594 A
[Zusammenfassung der Erfindung]
Da jedoch die großen und kleinen rohrförmigen Gehäuse mit Boden dieses Ultraschallsensors miteinander verbunden sind, kann sich die Haltbarkeit signifikant verschlechtern und auch die Herstellungskosten können steigen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Ultraschallsensor, der mit einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen vorgesehen ist, während die Haltbarkeit gewährleistet ist.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein Ultraschallsensor auf: ein Ultraschallelement, das zwischen einem elektrischen Signal und einer Ultraschallschwingung umwandelt; und ein Elementaufnahmegehäuse, das eine rohrförmige Form mit Boden hat und das Ultraschallelement darin aufnimmt, und aufweist: einen Seitenplattenabschnitt, der eine rohrförmige Form hat, die eine Richtwirkungsmittelachse umgibt, und einen Bodenplattenabschnitt, der ein Ende des Seitenplattenabschnitts in einer Axialrichtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse schließt, wobei das Ultraschallelement an dem Bodenplattenabschnitt angebracht ist und ein Teil des Bodenplattenabschnitts innerhalb einer Kontur des Ultraschallelements bei Betrachtungsrichtung entlang der Richtwirkungsmittelachse einen Raum enthält, der dadurch ausgebildet wird, dass ein Teil des Teils innerhalb der Kontur von dem Ultraschallelement getrennt ist.
Diese Konfiguration ermöglicht es dem Ultraschallsensor, zwei Schwingungsausbreitungspfade zu haben, nämlich einen Pfad, auf dem sich die Schwingung von dem Ultraschallelement direkt zu dem Bodenplattenabschnitt des Elementaufnahmegehäuses ausbreitet, und einen Pfad, auf dem sich die Schwingung zu dem Bodenplattenabschnitt über den Raum ausbreitet. Somit wird ein einzelner Ultraschallsensor bereitgestellt, in dem eine Mehrzahl von Schwingungsmoden erzeugt werden und der eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen hat. Die vorherige Konfiguration beseitigt auch die Notwendigkeit, ein weiteres Element zwischen dem Elementaufnahmegehäuse und dem Ultraschallelement zu verbinden, was zu einer verbesserten Haltbarkeit und verringerten Herstellungskosten führt.
Die an den Komponenten oder dergleichen zugeordneten Bezugszeichen in Klammern geben Beispiele für die Entsprechung zwischen den Komponenten oder dergleichen und den spezifischen Komponenten an, die in Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben sind.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das ein Installationsbeispiel eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche die allgemeine Vorrichtungskonfiguration des Ultraschallsensors zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration des in 2 gezeigten Ultraschallmikrofons zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV in 3.
5 ist ein Diagramm, das Schwingungsübertragungspfade zwischen dem Ultraschallelement und dem Elementaufnahmegehäuse zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die akustische Impedanzcharakteristik des in 3 gezeigten Ultraschallmikrofons zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Elementaufnahmegehäuses gemäß der ersten Abwandlung zeigt.
8 ist eine Draufsicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Ultraschallmikrofons gemäß der zweiten Abwandlung zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht, welche die in einem Bodenplattenabschnitt vorgesehene Aussparung gemäß der dritten Abwandlung zeigt.
10 ist eine Querschnittsansicht, welche die Querschnittsform eines Bodenplattenabschnitts gemäß der vierten Abwandlung zeigt.

[Beschreibung der Ausführungsbeispiele]
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsbeispielen sind Teile eines Ausführungsbeispiels, die gleich oder äquivalent mit Teilen eines anderen Ausführungsbeispiels sind, mit denselben Bezugszeichen versehen.
(Ausführungsbeispiel)
Ein Ultraschallsensor 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Der Ultraschallsensor 1 ist zum Beispiel zur Verwendung in einer Objekterfassungsvorrichtung geeignet, die an einem Fahrzeug wie beispielsweise einem Automobil montiert ist, ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auf andere Verwendungen angewendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird als ein typisches Beispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem der Sensor auf eine fahrzeugmontierte Objekterfassungsvorrichtung angewendet wird.
(Installationsbeispiel)
Ein Beispiel für die Installation des Ultraschallsensors 1 an einem Fahrzeug wird in Bezug auf 1 kurz beschrieben. Wie in 1 gezeigt, sind zum Beispiel eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren 1 an einem Fahrzeug V mit einer kastenförmigen Fahrzeugkarosserie V1 installiert. Insbesondere sind die Ultraschallsensoren 1 an einem vorderen Stoßfänger V2 montiert, der an dem vorderen Endteil der Fahrzeugkarosserie V1 angebracht ist, und einem hinteren Stoßfänger V3, der an dem hinteren Endteil angebracht ist.
Der vordere Stoßfänger V2 und der hintere Stoßfänger V3 sind mit Montagelöchern V4 vorgesehen, bei denen es sich um Durchgangslöcher zur Montage der Ultraschallsensoren 1 handelt. Die an dem vorderen Stoßfänger V2 und an dem hinteren Stoßfänger V3 montierten Ultraschallsensoren 1 sind sogenannte fahrzeugmontierte Abstandssonare.
(Konfiguration)
Als nächstes wird die Konfiguration der Ultraschallsensoren 1 in Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Erläuterung ein rechtwinkliges XYZ-Koordinatensystem so festgelegt, dass die Z-Achse parallel zu der Richtwirkungsmittelachse DA der Ultraschallsensoren 1 ist, wie in 2 gezeigt. Die Richtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse DA wird als „Axialrichtung“ bezeichnet. Die obere Seite von 2, d.h. die Seite in positiver Richtung entlang der Z-Achse, kann als „distale Endseite“ in Axialrichtung bezeichnet werden. In ähnlicher Weise kann die untere Seite von 2, d. h. die Seite in negativer Richtung entlang der Z-Achse, als die „proximale Endseite“ in Axialrichtung bezeichnet werden. Des Weiteren kann jede Richtung senkrecht zu der Axialrichtung als eine „Richtung in der Ebene“ bezeichnet werden. Das heißt, eine „Richtung in der Ebene“ ist eine Richtung parallel zu der XY-Ebene in 2. 3 zeigt zusätzlich zu einem XYZ-Koordinatensystem, das dem rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystem von 2 entspricht, die Kontur einer Aussparung 621 mit einer gestrichelten Linie, die nicht sichtbar ist, da diese mit einem später beschriebenen Ultraschallelement 5 abgedeckt ist.
Jeder Ultraschallsensor 1 enthält ein Sensorgehäuse 2, ein elastisches Halteelement 3 und ein Ultraschallmikrofon 4. Das Ultraschallmikrofon 4 enthält das Ultraschallelement 5 und ein Elementaufnahmegehäuse 6. Als nächstes werden die Komponenten des Ultraschallsensors 1 beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, ist das Sensorgehäuse 2 ein Gehäuse des Ultraschallsensors 1 und außerdem konfiguriert, um das elastische Halteelement 3 zu halten. Das Sensorgehäuse 2 enthält einen Gehäusehauptkörperteil 21, einen Verbinderteil 22 und einen rohrförmigen Gehäuseteil 23. Diese Teile des Sensorgehäuses 2 sind einstückig bzw. integral aus einem harten Kunstharz bzw. Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen ausgebildet.
Der Gehäusehauptkörperteil 21 ist ein kastenartiger Teil mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepiped-Außenform und hat eine rohrförmige Form mit Boden mit seinem offenen Ende an der proximalen Endseite in Axialrichtung.
Der Verbinderteil 22 erstreckt sich von dem Seitenwandabschnitt des Gehäusehauptkörperteils 21 nach außen, um den Ultraschallsensor 1 elektrisch mit einer externen Vorrichtung wie beispielsweise einer elektronischen Steuereinheit zu verbinden.
Der rohrförmigen Gehäuseteil 23 ist ein Teil mit einer im Allgemeinen zylindrischen Form, der von dem Gehäusehauptkörperteil 21 zu der distalen Endseite in Axialrichtung vorsteht. Das rohrförmige Gehäuseteil 23 ist konfiguriert, um den axialproximalen Endteil des elastischen Halteelements 3, der eine im Allgemeinen zylindrischen Form hat, zu halten. Die Mittelachse des elastischen Halteelements 3 ist die Richtwirkungsmittelachse DA. Der zylindrische Raum innerhalb des rohrförmigen Gehäuseteils 23 steht mit dem im Wesentlichen rechteckigen Parallelepiped-Raum innerhalb des Gehäusehauptkörperteils 21 in Verbindung. Im Folgenden werden der Raum innerhalb des rohrförmigen Gehäuseteils 23 und der Raum innerhalb des Gehäusehauptkörperteils 21 gemeinsam als „Raum innerhalb des Sensorgehäuses 2“ bezeichnet.
Eine Leiterplatte 24, ein Verdrahtungsabschnitt 25 und ein Abschirmabschnitt 26 sind in dem Raum innerhalb des Sensorgehäuses 2 aufgenommen. Die Leiterplatte 24, die den Betrieb der Ultraschallsensoren 1 steuert, ist im Gehäusehauptkörperteil 21 aufgenommen. Der Verdrahtungsabschnitt 25 verbindet das Ultraschallmikrofon 4 und die Leiterplatte 24 elektrisch. Der Abschirmabschnitt 26 ist an der Innenfläche des Sensorgehäuses 2 befestigt, um die Leiterplatte 24 und den Verdrahtungsabschnitt 25 durch Abdecken der Leiterplatte 24 und des Verdrahtungsabschnitts 25 elektromagnetisch abzuschirmen.
Ein Dämpferelement 27 ist ein scheibenförmiges Element und hat einen Außendurchmesser, der mit dem Innendurchmesser des elastischen Halteelements 3 korrespondiert. Das heißt, das Dämpferelement 27 ist in den zylindrischen Raum innerhalb des elastischen Halteelements 3 an einer Position eingepasst, die näher an der proximalen Endseite als das Ultraschallmikrofon 4 in der Axialrichtung liegt. Das Dämpferelement 27 ist vorgesehen, um die Übertragung von Schwingungen von dem Ultraschallmikrofon 4 zu dem Sensorgehäuse 2 zu unterbinden. Insbesondere ist das Dämpferelement 27 zum Beispiel aus einem geschäumten elastischen Material wie beispielsweise geschäumtem Silikon mit isolierenden und elastischen Eigenschaften ausgebildet.
Ein Füllstoff 28 ist in den Raum innerhalb des Sensorgehäuses 2 gefüllt. Der Füllstoff 28 ist zum Beispiel aus einem Kunstharzmaterial wie beispielsweise Silikongummi mit isolierenden und elastischen Eigenschaften ausgebildet.
Das elastische Halteelement 3 ist aus einem elastischen Material auf Kunstharzbasis wie beispielsweise Silikongummi mit isolierenden und elastischen Eigenschaften ausgebildet. Elastische Materialien auf Kunstharzbasis werden auch als „viskoelastische Materialien“ oder „Elastomere“ bezeichnet. Das elastische Halteelement 3 ist konfiguriert, um das Ultraschallmikrofon 4 elastisch zu stützten, indem es die proximale Endseite des Ultraschallmikrofons 4 abdeckt, während es deren distale Endseite in Axialrichtung freilegt.
Das Ultraschallmikrofon 4 weist das Ultraschallelement 5 und das Elementaufnahmegehäuse 6 auf und dient als ein Ultraschallsender/-empfänger. Das heißt, das Ultraschallmikrofon 4 ist konfiguriert, um in der Lage zu sein, Ultraschallwellen zu übertragen und zu empfangen.
Mit anderen Worten ist das Ultraschallmikrofon 4 konfiguriert, um basierend auf den angelegten Ansteuersignalen Suchwellen entlang der Richtwirkungsmittelachse DA zu übertragen. Die Richtwirkungsmittelachse DA ist eine virtuelle Halblinie, die sich von dem Ultraschallmikrofon 4 entlang der Sende-/Empfangsrichtung von Ultraschallwellen erstreckt und als eine Referenz für den Richtwirkungswinkel dient. Die „Richtwirkungsmittelachse“ kann auch als eine „Erfassungsachse“ bezeichnet werden. Das Ultraschallmikrofon 4 ist auch konfiguriert, um reflektierte Wellen von Objekten in dessen Umgebung zu empfangen, und um empfangene Signale zu erzeugen.
Das Ultraschallelement 5 ist konfiguriert, um elektrische Signale und Ultraschallschwingungen umzuwandeln. Das Ultraschallelement 5 ist zum Beispiel ein piezoelektrisches Dünnfilmelement und seine Dickenrichtung verläuft in Axialrichtung. Wie zum Beispiel in 3 gezeigt, ist das Ultraschallelement 5 an der Innenfläche eines Bodenplattenabschnitts 62, der später beschrieben wird, des Elementaufnahmegehäuse 6, das eine rohrförmige Form mit Boden hat, angebracht. Die Innenfläche des Bodenplattenabschnitts 62 ist eine Fläche, die von einem Seitenplattenabschnitt 61 umgeben ist, der später beschrieben wird.
Insbesondere ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ultraschallelement 5 so platziert bzw. angeordnet, dass es die in dem Bodenplattenabschnitt 62 ausgebildete Aussparung 621 abdeckt, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, und bildet zusammen mit der Aussparung 621 einen ersten Raum 622 aus. Die dem Bodenplattenabschnitt 62 zugewandte verbundene Fläche des Ultraschallelements 5 weist einen Kontaktteil 51, welcher der an dem Bodenplattenabschnitt 62 angebrachte Teil ist, und einen Nicht-Kontaktteil 52 auf, welcher der Rest der verbundenen Fläche des Ultraschallelements 5 ist. Es kann auch gesagt werden, dass der Nicht-Kontaktteil 52 der Teil ist, der nicht mit dem Bodenplattenabschnitt 62 verbunden ist.
Wie zum Beispiel durch die weißen Pfeile in 5 gezeigt, ist der Nicht-Kontaktteil 52 vorgesehen, um zwei Pfade mit unterschiedlichen Schwingungsausbreitungsgeschwindigkeiten von dem Ultraschallelement 5 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 zu erzeugen, so dass der Ultraschallsensor 1 eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen haben kann. Die zwei Schwingungsausbreitungspfade weisen einen ersten Ausbreitungspfad, bei dem sich die Schwingung direkt von dem Ultraschallelement 5 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 ausbreitet, und einen zweiten Ausbreitungspfad auf, bei dem sich die Schwingung von dem Ultraschallelement 5 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 über das erste Feld 622 ausbreitet. Die durch eine solche Konfiguration erzielten Effekte werden später beschrieben. Es sei angemerkt, dass, um diese Effekte zu verstärken, der Nicht-Kontaktteil 52 vorzugsweise eine Fläche einnimmt, die gleich oder größer als die des Kontaktteils 51 in der verbundenen Fläche ist, mit anderen Worten, 50% oder mehr der verbundenen Fläche einnimmt.
Das Elementaufnahmegehäuse 6 hat eine rohrförmige Form mit Boden mit einer Mittelachse, die mit der Richtwirkungsmittelachse DA übereinstimmt, und hat im Inneren einen zweiten Raum 63, der in der Lage ist, das Ultraschallelement 5 aufzunehmen. Das Elementaufnahmegehäuse 6 weist einen Seitenplattenabschnitt 61 und einen Bodenplattenabschnitt 62 auf, die aus dem gleichen Material hergestellt sind. Das Elementaufnahmegehäuse 6 ist nahtlos und einstückig bzw. integral aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium ausgebildet.
Der Seitenplattenabschnitt 61 hat zum Beispiel eine rohrförmige Form, welche die Richtwirkungsmittelachse DA umgibt, d.h. eine zylindrische Form mit einer Mittelachse, die im Wesentlichen parallel zu der Richtwirkungsmittelachse DA verläuft. Der Seitenplattenabschnitt 61 weist einen dünnwandigen Teil 611 und einen dickwandigen Teil 612 auf.
Der dünnwandige Teil 611 hat eine teilweise zylindrische Form mit einer bestimmten Dicke in Radialrichtung senkrecht zu der Richtwirkungsmittelachse DA. Die „Radialrichtung“ ist eine Richtung, die sich radial von der Richtwirkungsmittelachse DA erstreckt. Das heißt, die Radialrichtung ist die Richtung des Radius eines virtuellen Kreises, der auf einer Ebene gezeichnet ist, zu der die Richtwirkungsmittelachse DA eine Normale ist, so dass sich der Kreismittelpunkt an dem Schnittpunkt der Ebene und der Richtwirkungsmittelachse DA befindet. Des Weiteren kann die radiale Abmessung jeder der Komponenten des Seitenplattenabschnitts 61 als „Dicke“ bezeichnet werden. Mit anderen Worten hat der dünnwandige Teil 611 eine konstante Dicke, die kleiner ist als die des dickwandigen Teils 612.
Zum Beispiel hat die Dicke des dünnwandigen Abschnitts 611 eine Abmessung, die der axialen Dicke des Bodenplattenabschnitts 62 am nächsten kommt, aus der radialen Abmessung des Seitenplattenabschnitts 61 und der axialen Abmessung des Bodenplattenabschnitts 62. Insbesondere hat der dünnwandige Teil 611 eine Dicke, die das 0,3- bis 2,0-fache, vorzugsweise das 0,5- bis 1,5-fache, insbesondere das 0,7- bis 1,2-fache der Dicke (d.h. die axiale Abmessung) des Bodenplattenabschnitts 62 beträgt. Typischerweise kann der dünnwandige Teil 611 im Wesentlichen die gleiche Dicke wie der Bodenplattenabschnitt 62 haben.
Der dickwandige Teil 612 hat eine Dicke (d.h. eine radiale Abmessung), die größer ist als die des dünnwandigen Teils 611. Insbesondere weist der dickwandige Teil 612 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine bogenartige Form auf, die durch eine Sehne und einen Bogen definiert ist und sich in der x-Achsenrichtung erstreckt, wenn in einer Richtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse DA betrachtet. Der dickwandige Teil 612 liegt an dem dünnwandigen Teil 611 in der Umfangsrichtung an, welche die Richtwirkungsmittelachse DA umgibt. Die „Umfangsrichtung“ ist die Umfangsrichtung des zuvor erwähnten virtuellen Kreises.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind ein Paar dünnwandiger Teile 611 einander zugewandt, wobei die Richtwirkungsmittelachse DA dazwischen angeordnet ist. In ähnlicher Weise sind ein Paar dickwandiger Teile 612 einander zugewandt, wobei die Richtwirkungsmittelachse DA dazwischen angeordnet ist. Das heißt, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der zweite Raum 63 bei Betrachtung in einer Richtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse DA eine abgerundete rechteckige Form oder eine ovale Form, die aus einem Paar Halbkreise und einem Paar Liniensegmenten besteht. Der Seitenplattenabschnitt 61 weist ein Paar dünnwandiger Teile 611, die mit den Halbkreisen korrespondieren, und ein Paar dickwandiger Teile 612 auf, die mit den Liniensegmenten korrespondieren. Aufgrund dieser Konfiguration ist der Richtwirkungswinkel des Ultraschallmikrofons 4 in Richtung der Y-Achse kleiner als der in Richtung der X-Achse. Da der dickwandige Teil 612 als ein Teil zum Einstellen der Richtwirkung von Ultraschallwellen ausgelegt sein kann, kann er auch als „Richtwirkungs-Einstellteil“ bezeichnet werden.
Der Bodenplattenabschnitt 62 ist eine flache Platte oder eine dünne Platte mit einer Dickenrichtung in Axialrichtung, und ist vorgesehen, um ein Ende des Seitenplattenabschnitts 61 in der Axialrichtung zu schließen. Insbesondere ist der Bodenplattenabschnitt 62 nahtlos und einstückig bzw. integral mit dem axial-distalen Ende des Seitenplattenabschnitts 61 verbunden. Wie in 3 gezeigt, schwingt der Bodenplattenabschnitt 62 nach dem Anbringen an dem Bodenplattenabschnitt 62, wenn das Ultraschallelement 5 Ultraschallwellen überträgt oder empfängt, durch Ultraschall in Axialrichtung, während er sich mit seiner Außenkante biegt, die mit dem Seitenplattenabschnitt 61 verbunden ist, die als ein festes bzw. befestigtes Ende dient. Die Aussparung 621 ist an der Innenfläche des Bodenplattenabschnitts 62 vorgesehen, d.h. an der Stirnfläche, die dem zweiten Raum 63 zugewandt ist, in dem das Ultraschallelement 5 aufgenommen ist.
Die Aussparung 621 ist zum Beispiel eine spritzenförmige Nut und wird durch ein beliebiges geeignetes Verfahren, wie beispielsweise ein Schneidverfahren, ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aussparung 621 vollständig mit dem Ultraschallelement 5 abgedeckt. Das heißt, wie in 3 gezeigt, bildet der Teil des Bodenplattenabschnitts 62 innerhalb der Kontur des Ultraschallelements 5 bei Betrachtung von der Richtwirkungsmittelachse DA, das heißt, der Teil innerhalb der Kontur den ersten Raum 622 aus, da ein Teil davon von dem Ultraschallelement 5 getrennt ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Teil des Bodenplattenabschnitts 62 innerhalb der Kontur mit der Aussparung 621 vorgesehen, so dass der erste Raum 622 zwischen dem Bodenplattenabschnitt 62 und dem Ultraschallelement 5 ausgebildet ist.
Der durch die Aussparung 621 und das Ultraschallelement 5 ausgebildete erste Raum 622 ist mit einem Medium gefüllt, das eine andere Schwingungsausbreitungsgeschwindigkeit als das Material des Bodenplattenabschnitts 62 hat, wie beispielsweise Luft oder Silikon. Mit anderen Worten ist der erste Raum 622 mit einer Substanz gefüllt, die sich von dem Material des Bodenplattenabschnitts 62 unterscheidet.
Das zuvor Beschriebene ist die Basiskonfiguration des Ultraschallsensors 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
(Effekte)
Als nächstes werden die Effekte, die von den Ultraschallsensoren 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels bereitgestellt werden, in Bezug auf die 5 bis 6 beschrieben.
Bei einem Ultraschallsensor 1 mit der zuvor beschriebenen Konfiguration schwingt das Ultraschallelement 5 durch Ultraschall, wenn ein elektrisches Signal von einer Verdrahtung (nicht gezeigt) eingegeben wird. Wenn das Ultraschallelement 5 durch Ultraschall schwingt, erregt die Schwingung das Elementaufnahmegehäuse 6 und bewirkt, dass es schwingt bzw. vibriert. Im Ergebnis schwingt das Ultraschallmikrofon 4 einschließlich des Ultraschallelements 5 und des Elementaufnahmegehäuses 6 in einem bestimmten Schwingungsmodus.
In der zuvor beschriebenen Konfiguration ist der Bodenplattenabschnitt 62 mit der Aussparung 621 vorgesehen und das Ultraschallelement 5 ist so angebracht, um die Aussparung 621 abzudecken. Mit anderen Worte ist der durch die Aussparung 621 ausgebildete erste Raum 622 mit einem Medium gefüllt, das eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingung von dem Ultraschallelement 5 hat, die sich von der des Materials des Bodenplattenabschnitts 62 unterscheidet.
Aus diesem Grund hat das Ultraschallmikrofon 4, wie in 5 gezeigt, einen ersten Schwingungsmodus, der durch die Schwingung von dem Ultraschallelement 5 verursacht wird, die sich direkt zu dem Bodenplattenabschnitt 62 ausbreitet. Zusätzlich zum ersten Schwingungsmodus hat das Ultraschallmikrofon 4 einen zweiten Schwingungsmodus, der durch die Schwingung von dem Ultraschallelement 5 verursacht wird, die sich über den ersten Raum 622 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 ausbreitet. Dementsprechend wird zusätzlich zu einer ersten strukturellen Resonanzfrequenz, die aus dem ersten Schwingungsmodus erzeugt wird, eine zweite strukturelle Resonanzfrequenz aus dem zweiten Schwingungsmodus erzeugt. Die erste strukturelle Resonanzfrequenz und die zweite strukturelle Resonanzfrequenz haben eine derartige Beziehung zueinander, dass keine der beiden eine Resonanzfrequenz höherer Ordnung der anderen ist.
Eine Computersimulation des zuvor beschriebenen Schwingungszustands wurde durchgeführt, um die akustische Impedanzcharakteristik des in 3 gezeigten Ultraschallmikrofons 4 zu erhalten, und das Ergebnis ist in 6 gezeigt. Im Ultraschallmikrofon 4 werden zwei signifikante strukturelle Resonanzfrequenzen im Bereich von 40 bis 80 kHz erzeugt. Eine der bei etwa 48 kHz erzeugten strukturellen Resonanzfrequenzen entspricht dem zuvor beschriebenen ersten Schwingungsmodus. Die andere bei etwa 73 kHz erzeugte strukturelle Resonanzfrequenz wird durch die Erzeugung des zuvor beschriebenen zweiten Schwingungsmodus verursacht. Insbesondere wird die andere strukturelle Resonanzfrequenz als eine Kombination der Schwingungswellen des ersten Schwingungsmodus und der Schwingung des zweiten Schwingungsmodus angesehen.
Wie zuvor beschrieben, hat die Aussparung 621 eine Größe und Form, die signifikant eine erste strukturelle Resonanzfrequenz und eine zweite strukturelle Resonanzfrequenz erzeugen, die keine derartige Beziehung zueinander haben, dass eine der beiden eine Resonanzfrequenz höherer Ordnung der anderen ist. Zum Beispiel ist die Außenform der Aussparung 621 nicht auf eine im Wesentlichen zylindrische Form beschränkt, sondern kann stattdessen im Wesentlichen ein Prisma, ein elliptischer Zylinder oder jede andere geeignete Form sein.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann ein Ultraschallmikrofon 4 durch eine einfache Formänderung, d.h. durch Bereitstellen der Aussparung 621 an der Innenfläche des Bodenplattenabschnitts 62, mit einer Mehrzahl von strukturellen Resonanzfrequenzen bereitgestellt werden. Des Weiteren ist es im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur, bei der zwei rohrförmige Gehäuse mit Boden unterschiedlicher Größe miteinander verbunden bzw. verklebt sind, möglich, eine Verringerung der Haltbarkeit sowie eine Erhöhung der Kosten zu unterbinden. Somit wird ein einzelner Ultraschallsensor 1 mit einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen bereitgestellt, während die Haltbarkeit gewährleistet ist.
(Erste Abwandlung)
Bei dem Ultraschallsensor 1 kann, wie in 7 gezeigt, das Elementaufnahmegehäuse 6 einen Seitenplattenabschnitt 61 haben, der nur aus dem dünnwandigen Teil 611 besteht. Eine solche Struktur kann auch den Effekt mit einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen erzeugen, wenn die Aussparung 621 in dem Bodenplattenabschnitt 62 ausgebildet ist und das Ultraschallelement 5 darauf platziert ist.
(Zweite Abwandlung)
In dem Ultraschallsensor 1, wie in 8 gezeigt, kann das Ultraschallmikrofon 4 eine Struktur haben, bei der das Ultraschallelement 5 nur einen Teil der Aussparung 621 abdeckt, d.h. eine Struktur, bei welcher der erste Raum 622 und der zweite Raum 63 miteinander in Verbindung stehen. Selbst mit einer solchen Struktur bzw. Aufbau kann der Ultraschallsensor 1 wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen haben. Es sei angemerkt, dass 8 eine Draufsicht des Ultraschallmikrofons 4 von der Richtwirkungsmittelachse aus betrachtet zeigt und die gestrichelte Linie den Teil der Kontur der Aussparung 621 darstellt, der aufgrund des Ultraschallelements 5 nicht sichtbar ist.
(Dritte Abwandlung)
Bei dem Ultraschallsensor 1 kann, wie in 9 gezeigt, die Aussparung 621 eine Nut mit einem keilartigen Querschnitt sein. In diesem Fall ist die Außenform der Aussparung 621 zum Beispiel eine konische oder polygonale Pyramide in einer Querschnittsansicht betrachtet. Das heißt, die Aussparung 621 kann eine beliebige Form haben, die dem Ultraschallmikrofon 4 den ersten Raum 622 bereitstellt, der als ein zweiter Ausbreitungspfad der Schwingung von dem Ultraschallelement 5 dient, und die Form ist nicht auf die des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt und kann nach Bedarf geändert werden.
Wenn der Abstand zwischen dem Bodenplattenabschnitt 62 und dem Ultraschallelement 5 in der Dickenrichtung des Bodenplattenabschnitts 62 als „die Tiefe“ dient, wurde ein Beispiel, bei dem die Tiefe des ersten Raums 622 konstant ist, in dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben. Dagegen variiert in diesem abgewandelten Beispiel die Tiefe des ersten Raums 622 abhängig von der Position aufgrund der zuvor beschriebenen Form der Aussparung 621, was es dem Ultraschallsensor ermöglichen kann, drei oder mehr Resonanzfrequenzen zu haben. In diesem Fall kann die Aussparung 621 ohne den keilartigen Querschnitt eine Form mit einer Mehrzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen Tiefen haben, wie beispielsweise eine abgestufte Form, und die Form kann bei Bedarf bestimmt werden. Wenn die Aussparung 621 eine Form hat, deren Tiefe nicht gleichförmig ist, kann zusätzlich auch der Effekt der Erweiterung des Resonanzbandes erzielt werden.
(Vierte Abwandlung)
Bei dem Ultraschallsensor 1 kann, wie in 10 gezeigt, der Bodenplattenabschnitt 62 einen Vorsprung 623 mit einer Rahmenkörperform oder einer teilweisen Rahmenkörperform an seiner Innenfläche anstelle der Aussparung 621 haben. In diesem Fall ist das Ultraschallelement 5 an der distalen Endfläche des Vorsprungs 623 angebracht und bildet einen dritten Raum 624 zusammen mit dem Bereich innerhalb des Vorsprungs 623 aus, der eine im Wesentlichen Rahmenkörperform hat. Mit anderen Worten ist der Teil des Bodenplattenabschnitts 62 innerhalb der Kontur mit dem im Wesentlichen rahmenkörperförmigen Vorsprung 623 vorgesehen. Das Ultraschallelement 5 ist an der distalen Endfläche des Vorsprungs 623 angebracht, so dass der dritte Raum 624 zwischen dem Vorsprung 623 und dem Ultraschallelement 5 ausgebildet ist.
Dies ermöglicht, dass das Ultraschallmikrofon 4 einen Schwingungsmodus hat, der durch die Schwingung von dem Ultraschallelement 5 verursacht wird, die sich über den Vorsprung 623 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 ausbreitet, und einen zusätzlichen Schwingungsmodus hat, der durch die Schwingung von dem Ultraschallelement 5 verursacht wird, die sich über den dritten Raum 624 zu dem Bodenplattenabschnitt 62 ausbreitet. Daher stellt diese Struktur auch einen Ultraschallsensor 1 mit einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen bereit.
Es sei angemerkt, dass der Vorsprung 623 wie bei der Aussparung 621 eine solche Größe und Form hat, dass die erste und zweite strukturelle Resonanzfrequenz unterscheidbar erzeugt werden, die keine derartige Beziehung zueinander haben, dass eine der beiden eine Resonanzfrequenz höherer Ordnung der anderen ist. Des Weiteren kann der dritte Raum 624 entweder ein geschlossener Raum sein, der aufgrund des Ultraschallelements 5 nicht mit dem zweiten Raum 63 verbunden ist, oder ein Raum, der mit dem zweiten Raum 63 in Verbindung steht, wie in der zuvor beschriebenen zweiten Abwandlung.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Obwohl die vorliegende Offenbarung basierend auf Beispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Beispiele und Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Abwandlungen und Variationen innerhalb des Umfangs der Äquivalenz. Darüber hinaus umfassen der Umfang der vorliegenden Offenbarung und deren Geist andere Kombinationen und Ausführungsbeispiele, nicht nur verschiedene Kombinationen und Ausführungsbeispiele, sondern auch solche, die nur eine der Komponenten oder zusätzliche oder weniger Komponenten aufweisen.

(1) Zum Beispiel ist der Ultraschallsensor 1 nicht auf eine Konfiguration beschränkt, die in der Lage ist, Ultraschallwellen zu übertragen und zu empfangen, und kann eine Konfiguration aufweisen, die nur in der Lage ist, Ultraschallwellen zu übertragen. Alternativ kann der Ultraschallsensor 1 derart konfiguriert sein, um nur eine Funktion zum Empfangen der reflektierten Wellen von Suchwellen zu haben, d.h. Ultraschallwellen, die von einem Ultraschallsender übertragen und von Objekten um sie herum reflektiert werden. Das heißt, das Ultraschallmikrofon 4 kann zum Übertragen und Empfangen, nur zum Übertragen oder nur zum Empfangen dienen.
(2) Die Außenform des Ultraschallmikrofons 4, das heißt des Elementaufnahmegehäuses 6, ist nicht auf eine im Wesentlichen zylindrische Form beschränkt, sondern kann stattdessen ein im Wesentlichen reguläres sechseckiges Prisma, ein im Wesentlichen reguläres achteckiges Prisma oder dergleichen sein.
(3) Das Ultraschallelement 5 ist nicht auf ein piezoelektrisches Element beschränkt, und es kann zum Beispiel ein sogenanntes kapazitives Element verwendet werden.
(4) Komponenten, die in der vorherigen Beschreibung nahtlos und integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet sind, können durch Verbinden separater Elemente miteinander ausgebildet werden. In ähnlicher Weise können separate Komponenten, die miteinander verbunden sind, nahtlos und integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet werden.
(5) Komponenten, die in der vorherigen Beschreibung aus dem gleichen Material gebildet sind, können aus Materialien gebildet sein, die sich voneinander unterscheiden. In ähnlicher Weise können aus unterschiedlichen Materialien gebildete Komponenten aus dem gleichen Material gebildet sein.
(6) Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel und dessen Abwandlungen können miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann der Bodenplattenabschnitt 62 eine Form haben, in welcher der Vorsprung 623 vorgesehen ist und die Aussparung 621 innerhalb des Bodenplattenabschnitts 62 ausgebildet ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 201982277 [0001]
JP 2010278594 A [0004]

Claims

Ultraschallsensor (1) mit: einem Ultraschallelement (5), das zwischen einem elektrischen Signal und einer Ultraschallschwingung umwandelt; und ein Elementaufnahmegehäuse (6), das eine rohrförmige Form mit Boden hat und das Ultraschallelement darin aufnimmt, und aufweist: einen Seitenplattenabschnitt (61), der eine rohrförmige Form hat, die eine Richtwirkungsmittelachse (DA) umgibt, und einen Bodenplattenabschnitt (62), der ein Ende des Seitenplattenab- schnitts in einer Axialrichtung parallel zu der Richtwirkungsmittelachse schließt, wobei das Ultraschallelement an dem Bodenplattenabschnitt angebracht ist, und wobei ein Teil des Bodenplattenabschnitts innerhalb einer Kontur des Ultraschallelements bei Betrachtungsrichtung entlang der Richtwirkungsmittelachse einen Raum (622, 624) enthält, der dadurch ausgebildet wird, dass ein Teil des Teils innerhalb der Kontur von dem Ultraschallelement getrennt ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei eine dem Bodenplattenabschnitt zugewandte Stirnfläche des Ultraschallelements aufweist: ein Kontaktteil (51), der ein Teil ist, der an dem Bodenplattenabschnitt angebracht ist; und einen Nicht-Kontaktteil (52), welcher der Rest der Stirnfläche ist, und wobei eine Fläche des Nicht-Kontaktteils gleich oder größer als eine Fläche des Kontaktteils ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Seitenplattenabschnitt aufweist: einen dünnwandigen Teil (611), der eine zylindrische Form oder eine teilweise zylindrische Form mit einer vorgegebenen Dicke in einer Radialrichtung senkrecht zu der Richtwirkungsmittelachse hat; und einen dickwandigen Teil (612), der an einem Teil des dünnwandigen Teils in einer Umfangsrichtung vorgesehen ist, welche die Richtwirkungsmittelachse umgibt, und eine radiale Abmessung hat, die größer als die vorgegebenen Dicke ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ultraschallelement den Raum teilweise oder vollständig abdeckt.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Raum mit einer Substanz gefüllt ist, die sich von einem Material des Bodenplattenabschnitts unterscheidet.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bodenplattenabschnitt eine Aussparung (621) aufweist, und der Raum (622) durch das Ultraschallelement und die Aussparung ausgebildet ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bodenplattenabschnitt einen Vorsprung (623) mit einer Rahmenkörperform oder einer teilweisen Rahmenkörperform aufweist, das Ultraschallelement an einer distalen Endfläche des Vorsprungs angebracht ist, und der Raum (624) durch das Ultraschallelement und einen Bereich innerhalb des Vorsprungs ausgebildet ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, als Reaktion auf einen Abstand zwischen dem Ultraschallelement und dem Bodenplattenabschnitt in einer Dickenrichtung des Bodenplattenabschnitts, der als Tiefe dient, die Tiefe des Raumes konstant ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, als Reaktion auf einen Abstand zwischen dem Ultraschallelement und dem Bodenplattenabschnitt in einer Dickenrichtung des Bodenplattenabschnitts, der als Tiefe dient, die Tiefe des Raumes abhängig von der Position variiert.