-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor.
-
Hintergrund-Technik
-
Eines der Dokumente, die die Struktur eines Ultraschallsensors offenbaren, ist das
US-Patent Nr. 9383443 (Patentdokument 1). Der Ultraschallsensor, der im Patentdokument 1 beschrieben ist, umfasst ein Gehäuse, ein Wandlerelement und zumindest ein Masseelement. Das Gehäuse umfasst einen Seitenwandabschnitt und eine Basisoberfläche, die als Membran gebildet ist. Das Wandlerelement ist an der Basisoberfläche angeordnet, um Ultraschallschwingungen zu erzeugen und zu erfassen. Das zumindest eine Masseelement ist an der Basisoberfläche angeordnet. Das zumindest eine Masseelement ist derart angeordnet, dass zumindest ein Element der Kraft und des Drehmoments, das durch das zumindest eine Masseelement auf die Membran ausgeübt wird, mit steigender Schwingungsfrequenz ansteigt. Das zumindest eine Masseelement ist in der Mitte der Basisoberfläche angeordnet. Das zumindest eine Masseelement weist eine Impedanz auf, die einen Schwingungsmodus dritter Ordnung der Membran derart ändert, dass der Schwingungsmodus dritter Ordnung der Membran einem Schwingungsmodus erster Ordnung der Membran nahekommt.
-
Referenzl iste
-
Patentdokument
-
Patentdokument 1:
US-Patent Nr. 9383443 -
Zusammenfassung der Erfindung
-
Technisches Problem
-
Der Ultraschallsensor, der im Patentdokument 1 beschrieben ist, kann durch Verwenden des zumindest einen Masseelements zwei Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen, was zwei Schwingungsmodi entspricht.
-
Bei dem Ultraschallsensor, der im Patendokument 1 beschrieben ist, ist jedoch das zumindest eine Masseelement an der Basisoberfläche des Gehäuses angeordnet, so dass das Wandlerelement nicht ohne weiteres an der Basisoberfläche des Gehäuses angebracht werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung geht das oben beschriebene Problem mit einer Aufgabe eines Bereitstellens eines Ultraschallsensors an, der zwei Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen kann und der einen Bodenabschnitt aufweist, an dem ohne weiteres ein piezoelektrisches Element angebracht werden kann.
-
Lösung für das Problem
-
Ein Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, einen Bodenabschnitt und zwei Gewichtsabschnitte. Das Gehäuse weist eine zylindrische Form mit Boden auf und umfasst einen Bodenabschnitt und einen Umfangswandabschnitt, der sich von dem Bodenabschnitt in einer Axialrichtung einer Mittelachse des Bodenabschnitts aus erstreckt, wobei die Mittelachse orthogonal zu dem Bodenabschnitt ist. Das piezoelektrische Element ist an dem Bodenabschnitt im Inneren des Gehäuses angeordnet. Die zwei Gewichtsabschnitte sind an dem Umfangswandabschnitt außerhalb des Gehäuses so vorgesehen, dass sie einander bei Betrachtung in der Axialrichtung nicht überlappen. Bei dem Ultraschallsensor neigen sich, wenn sich der Bodenabschnitt während einer Schwingung bei einer Frequenz eines ersten Schwingungsmodus in Richtung einer Seite in der Axialrichtung biegt, die beiden Gewichtsabschnitte in Richtung einer anderen Seite in der Axialrichtung. Wenn sich der Bodenabschnitt während einer Schwingung bei einer Frequenz eines zweiten Schwingungsmodus in Richtung der einen Seite in der Axialrichtung biegt, neigen sich die beiden Gewichtsabschnitte in Richtung der einen Seite in der Axialrichtung.
-
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Ultraschallsensor bereitzustellen, der zwei Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen kann und an dem ohne weiteres ein piezoelektrisches Element angebracht werden kann.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die einem Bodenabschnitt gegenüberliegt.
- 2 ist eine Draufsicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die dem Bodenabschnitt gegenüberliegt.
- 3 ist eine Unteransicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite des Bodenabschnitts.
- 4 ist eine Seitenansicht, die den Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 5 ist ein Blockdiagramm, das die Schaltungsstruktur des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 6 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem ein Gehäuse und Gewichtsabschnitte eines Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 1 bei der Frequenz eines ersten Schwingungsmodus schwingen.
- 7 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen.
- 8 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz eines zweiten Schwingungsmodus schwingen.
- 9 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen.
- 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die einem Bodenabschnitt gegenüberliegt.
- 11 ist eine Unteransicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite des Bodenabschnitts.
- 12 ist eine Seitenansicht, die den Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 13 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem ein Gehäuse und Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 2 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen.
- 14 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen.
- 15 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen.
- 16 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Ultraschallsensoren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sind identischen oder entsprechenden Abschnitten in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen gegeben, um eine doppelte Beschreibung wegzulassen.
-
(Ausführungsbeispiel 1)
-
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die einem Bodenabschnitt gegenüberliegt. 2 ist eine Draufsicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die dem Bodenabschnitt gegenüberliegt. 3 ist eine Unteransicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite des Bodenabschnitts. 4 ist eine Seitenansicht, die den Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
Wie in den 1 bis 4 dargestellt ist, umfasst ein Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 110, ein piezoelektrisches Element 120 und zwei Gewichtsabschnitte 130.
-
Das Gehäuse 110 ist ein Zylinder mit Boden und weist einen Bodenabschnitt 111 und einen Umfangswandabschnitt 115 auf. Der Umfangswandabschnitt 115 erstreckt sich von dem Bodenabschnitt 111 in einer Axialrichtung Z einer Mittelachse C des Bodenabschnitts 111 orthogonal zu dem Bodenabschnitt 111.
-
Wie in 3 dargestellt ist, weist der Bodenabschnitt 111 bei Betrachtung in der Axialrichtung Z einen kreisförmigen Umriss auf. Der Bodenabschnitt 111 weist einen Mittelabschnitt 112 und einen Außenumfangsabschnitt 113 auf, der den Mittelabschnitt 112 umgibt, wenn der Ultraschallsensor 100 von der Seite des Bodenabschnitts 111 betrachtet wird.
-
Die Mitte des Mittelabschnitts 112 befindet sich bei Betrachtung in der Axialrichtung Z an der Mittelachse C des Bodenabschnitts 111. Die Form des Mittelabschnitts 112 ist bei Betrachtung in der Axialrichtung Z nicht besonders eingeschränkt, der Mittelabschnitt 112 weist bei dem Ausführungsbeispiel jedoch einen Umriss eines abgerundeten Rechtecks auf. Insbesondere weist der Mittelabschnitt 112 bei Betrachtung in der Axialrichtung Zeinen Umriss eines abgerundeten Rechtecks auf. Insbesondere weist jede eines Paars kurzer Seiten des abgerundeten Rechtecks eine Halbkreisform auf. Der Mittelabschnitt 112 weist bei Betrachtung in der Axialrichtung Z eine Längsrichtung X und eine Lateralrichtung Y auf. Die langen Seiten des Mittelabschnitts 112 erstrecken sich in der Längsrichtung X des Mittelabschnitts 112. Die kurzen Seiten des Mittelabschnitts 112 erstrecken sich in der Lateralrichtung Y des Mittelabschnitts 112, die orthogonal zu der Längsrichtung X ist.
-
Der Innenumfangsrand des Außenumfangsabschnitts 113 ist bei Betrachtung in der Axialrichtung Z entlang des Außenumfangsrands des Mittelabschnitts 112 angeordnet. Der Außenumfangsrand des Außenumfangsabschnitts 113 bildet bei Betrachtung in der Axialrichtung Z den Außenumfangsrand des Bodenabschnitts 111.
-
Wie in den 1 bis 4 dargestellt ist, sind die Oberfläche des Mittelabschnitts 112, die der Außenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, und die Oberfläche des Mittelabschnitts 112, die der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, orthogonal zu der Axialrichtung Z. Die Oberfläche des Außenumfangsabschnitts 113, die der Außenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, ist orthogonal zu der Axialrichtung Z. Die Oberfläche des Bodenabschnitts 111, die der Außenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, ist in dem Mittelabschnitt 112 zurückgesetzt.
-
Wie in den 1 bis 4 dargestellt ist, erstreckt sich der Umfangswandabschnitt 115 von dem Außenumfangsabschnitt 113 des Bodenabschnitts 111 in der Axialrichtung Z. Der Umfangswandabschnitt 115 weist eine offene Endoberfläche 116 auf, die an der Seite angeordnet ist, die dem Bodenabschnitt 111 gegenüberliegt. Die offene Endoberfläche 116 ist orthogonal zu der Axialrichtung Z. Die offene Endoberfläche 116 weist bei dem Ausführungsbeispiel bei Betrachtung in der Axialrichtung Z die gleiche Umrissform auf wie der Außenumfangsabschnitt 113, wobei die Form der offenen Endoberfläche 116 jedoch nicht besonders eingeschränkt ist. Die offene Endoberfläche 116 könnte bei Betrachtung in der Axialrichtung Z eine Fläche aufweisen, die kleiner ist als diejenige des Außenumfangsabschnitts 113.
-
Das Gehäuse 110 ist aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Gehäuse 110 aus einem isolierenden Material hergestellt sein könnte.
-
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist das piezoelektrische Element 120 an dem Bodenabschnitt 111 im Inneren des Gehäuses 110 angeordnet. Insbesondere ist das piezoelektrische Element 120 in dem Mittelabschnitt 112 angeordnet. Das piezoelektrische Element 120 ist durch ein Haftmittel aus beispielsweise einem Epoxidharz an den Mittelabschnitt 112 gebunden. Wie in 2 dargestellt ist, befindet sich die Mitte des piezoelektrischen Elements 120 bei Betrachtung in der Axialrichtung Z vorzugsweise an der Mittelachse C.
-
Die Struktur des piezoelektrischen Elements 120 ist nicht besonders eingeschränkt. Das piezoelektrische Element 120 könnte einen piezoelektrischen Körper, der aus einer piezoelektrischen Keramik hergestellt ist, wie zum Beispiel PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), und ein Paar von Elektroden aufweisen, die so angeordnet sind, dass diese den piezoelektrischen Körper von beiden Seiten in der Axialrichtung Z einspannen.
-
Wie in den 1 bis 4 dargestellt ist, sind die beiden Gewichtsabschnitte 130 an dem Umfangswandabschnitt 115 außerhalb des Gehäuses 110 so vorgesehen, dass diese einander bei Betrachtung zumindest in der Axialrichtung Z nicht überlappen. Insbesondere befinden sich die beiden Gewichtsabschnitte 130 bei Betrachtung in der Axialrichtung Z auf einer einzelnen virtuellen geraden Linie, die durch die Mittelachse C verläuft. Zusätzlich befinden sich die beiden Gewichtsabschnitte 130 an einer einzelnen Position in der Axialrichtung Z.
-
Die Formen der beiden Gewichtsabschnitte 130 sind nicht besonders eingeschränkt. Bei dem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Gewichtsabschnitte 130 Formen auf, die rotationssymmetrisch zueinander um die Mittelachse C sind. Die beiden Gewichtsabschnitte 130 sind so vorgesehen, dass sie sich bei Betrachtung in der Axialrichtung Z radial von dem Außenumfangsabschnitt 113 um die Mittelachse C als Mitte erstrecken. Zusätzlich weist jeder der beiden Gewichtsabschnitte 130 eine erste Endoberfläche 131, eine zweite Endoberfläche 132 und eine Seitenendoberfläche 133 auf.
-
Die erste Endoberfläche 131 ist dem Bodenabschnitt 111 in der Axialrichtung Z zugewandt. Die erste Endoberfläche 131 ist orthogonal zu der Axialrichtung Z. Die erste Endoberfläche 131 ist gesondert von dem Bodenabschnitt 111. Die zweite Endoberfläche 132 zeigt weg von der ersten Endoberfläche 131. Dies bedeutet, dass die zweite Endoberfläche 132 in der Axialrichtung Z weg von dem Bodenabschnitt 111 zeigt. Die zweite Endoberfläche 132 ist orthogonal zu der Axialrichtung Z. Die Position der zweiten Endoberfläche 132 in der Axialrichtung Z ist nicht besonders eingeschränkt, bei dem Ausführungsbeispiel befindet sich jedoch die zweite Endoberfläche 132 in der Axialrichtung Z an der gleichen Position wie die offene Endoberfläche 116. Dies bedeutet, dass die zweiten Endoberflächen 132 der zwei Gewichtsabschnitte 130 durchgehend mit der offenen Endoberfläche 116 sind. Bei Betrachtung in der Axialrichtung Z ist die Seitenendoberfläche 133 in Bezug auf die Mittelachse Z als Mitte orthogonal zu der Radialrichtung.
-
Das Material der beiden Gewichtsabschnitte 130 ist nicht besonders eingeschränkt. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Gewichtsabschnitte 130 aus dem gleichen Material hergestellt wie das Gehäuse 110 und sind in das Gehäuse 110 integriert.
-
5 ist ein Blockdiagramm, das die Schaltungsstruktur des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 5 dargestellt ist, umfasst der Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ferner eine Steuereinheit 140. Die Steuereinheit 140 ist elektrisch mit dem piezoelektrischen Element 120 verbunden. Die Steuereinheit 140 kann Pulsspannungen mit verschiedenen Frequenzen an das piezoelektrische Element 120 anlegen. Anders ausgedrückt kann die Steuereinheit 140 Pulssignale mit verschiedenen Frequenzen an das piezoelektrische Element 120 senden. Die Steuereinheit 140 kann als Signal eine Spannung empfangen, die erzeugt wird durch eine Schwingung des Bodenabschnitts 111 in dem piezoelektrischen Element 120.
-
Die Steuereinheit 140 ist beispielsweise außerhalb des Gehäuses 110 angeordnet. Die Steuereinheit 140 ist elektrisch über ein leitfähiges Bauteil mit einer flexiblen gedruckten Schaltung (FPC) mit beispielsweise einer Harzschicht und Verdrahtung und zwei Verdrahtungsabschnitten, die mit dieser FPC verbunden sind, mit dem piezoelektrischen Element 120 verbunden. Beispielsweise wird das oben beschriebene leitfähige Bauteil in die Öffnung, die in der offenen Endoberfläche 116 gebildet ist, von außerhalb des Gehäuses 110 eingeführt und ist im Inneren des Gehäuses 110 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 140 elektrisch über einen Anschlussleitungsdraht mit dem piezoelektrischen Element 120 verbunden sein könnte.
-
Der Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Füllbauteil und ein schallabsorbierendes Material aufweisen. Das Füllbauteil ist beispielsweise aus Silikonschaum hergestellt und das Gehäuse 110 ist mit dem Füllbauteil gefüllt. Das Füllbauteil ist dazu angeordnet, die unnötigen Schwingungen mit Frequenzen, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheiden, zu dämpfen, wenn der Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 bei der Resonanzfrequenz in Resonanz ist. Das schallabsorbierende Material ist an der Seite des piezoelektrischen Elements 120 vorgesehen, die dem Bodenabschnitt 111 gegenüberliegt. Das schallabsorbierende Material absorbiert den Ultraschall, der ins Innere des Gehäuses 110 übertragen wird, wenn Ultraschall von dem Bodenabschnitt 111 nach außerhalb des Gehäuses 110 übertragen wird.
-
Die Verfahren zum Senden und Empfangen von Ultraschall durch Verwenden des Ultraschallsensors 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung werden beschrieben. Erstens legt die Steuereinheit 140, wenn Ultraschall durch den Ultraschallsensor 110 übertragen wird, eine Pulsspannung an das piezoelektrische Element 120 an, wie in 5 dargestellt ist. Dies bewirkt, dass das piezoelektrische Element 120 schwingt. Dann bewirkt, wie in den 1 bis 4 dargestellt ist, die Schwingung des piezoelektrischen Elements 120, dass hauptsächlich der Mittelabschnitt 112 des Bodenabschnitts 111, der mit dem piezoelektrischen Element 120 verbunden ist, schwingt. Dies kann Ultraschall von dem Bodenabschnitt 111 nach außerhalb des Gehäuses 110 übertragen.
-
Wenn Ultraschall durch den Ultraschallsensor 120 empfangen wird, bewirkt der Ultraschall, von außerhalb des Gehäuses 110, der hauptsächlich auf den Mittelabschnitt 112 des Bodenabschnitts 111 getroffen ist, dass hauptsächlich der Mittelabschnitt 112 des Bodenabschnitts 111 schwingt. Die Schwingung hauptsächlich des Mittelabschnitts 112 des Bodenabschnitts 111 erzeugt eine Spannung in dem piezoelektrischen Element 120. Wie in 5 dargestellt ist, empfängt die Steuereinheit 140 die Spannung, die in dem piezoelektrischen Element 120 erzeugt wird, als Signal. Der Ultraschallsensor 100 kann Ultraschall auf diese Weise empfangen.
-
Der Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann als eine Entfernungsmessvorrichtung zum Messen der Entfernung zu einem Objekt, das außerhalb angeordnet ist, durch beispielsweise Senden von Ultraschall und Empfangen des Ultraschalls, der durch das Objekt reflektiert wird, verwendet werden.
-
Zusätzlich können das Gehäuse 110 und die Gewichtsabschnitte 130 des Ultraschallsensors 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel in zumindest zwei Schwingungsmodi schwingen. Zusätzlich weist der Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel die zwei Gewichtsabschnitte 130 auf, so dass der Bodenabschnitt 111 bei Resonanzfrequenzen, die sich voneinander unterscheiden, in den zwei Schwingungsmodi schwingen kann. Ein Experimentbeispiel 1, bei dem die Verformung des Gehäuses 110 und der Gewichtsabschnitte 130 des Ultraschallsensors 100 in den beiden Schwingungsmodi untersucht wurde, ist unten beschrieben.
-
Bei dem Experimentbeispiel 1 wurde eine Simulationsanalyse der Verformung des Gehäuses während einer Schwingung in den zwei Schwingungsmodi an dem Ultraschallsensor gemäß einem Beispiel 1 durchgeführt. Die Simulationsanalyse wurde durch Resonanzanalyse (Modalanalyse) durchgeführt, die die Finite-Elemente-Methode verwendet. Das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 weisen die gleichen Strukturen auf wie bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1. Zusätzlich beträgt bei dem Experimentbeispiel 1 der Durchmesser des Bodenabschnitts 111 bei Betrachtung in der Axialrichtung Z 15,5 mm, beträgt die Abmessung, in der Axialrichtung Z, von der Oberfläche des Bodenabschnitts 111, die dem Äußeren des Gehäuses 110 zugewandt ist, zu den ersten Endoberflächen 131 der Gewichtsabschnitte 130 4,77 mm, beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 130 in der Axialrichtung Z 4,2 mm, beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 130 in der Radialrichtung in Bezug auf die Mittelachse C als Mitte 3,55 mm und beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 130 in der Richtung orthogonal zu der Radialrichtung in Bezug auf die Mittelachse C als Mitte bei Betrachtung in der Axialrichtung Z 5,2 mm.
-
6 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 1 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen. 7 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen. 8 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz eines zweiten Schwingungsmodus schwingen. 9 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen. Die 6 bis 9 stellen das Gehäuse und Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors als Umrissfiguren dar, bei denen gilt, je größer die Menge einer Verformung der einzelnen Abschnitte aus dem Anfangszustand ist, desto weißer ist deren Darstellung. Zusätzlich sind in den 6 bis 9 dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 1 die gleichen Bezugszeichen gegeben wie dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1.
-
Wie in den 6 und 7 dargestellt ist, schwang bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 1, wenn eine Pulsspannung an das piezoelektrische Element 120 angelegt wurde, um zu bewirken, dass das Gehäuse 110 in dem ersten Schwingungsmodus (Grundschwingungsmodus) schwingt, das Gehäuse 110 derart, dass, wenn sich der Bodenabschnitt 111 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z bog, sich die beiden Gewichtsabschnitte 130 in Richtung der anderen Seite in der Axialrichtung Z neigten. Die Frequenz der Pulsspannung zu diesem Zeitpunkt betrug 45,082 kHz. Andererseits schwang bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 1, wie in den 8 und 9 dargestellt ist, wenn eine Pulsspannung, die identisch zu der Pulsspannung war, die bei dem ersten Schwingungsmodus angelegt wurde, mit Ausnahme der Frequenz, an das piezoelektrische Element 120 angelegt wurde, um zu bewirken, dass das Gehäuse 110 in dem zweiten Schwingungsmodus schwingt, das Gehäuse 110 derart, dass die beiden Gewichtsabschnitte 130 sich in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z neigten, wenn sich der Bodenabschnitt 111 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z bog. Die Frequenz der Pulsspannung zu diesem Zeitpunkt betrug 53,717 kHz.
-
Dies bedeutet, dass, wie in den 6 bis 9 dargestellt ist, bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Experimentbeispiel 1 der Bodenabschnitt 111 sich in dem zweiten Schwingungsmodus in im Wesentlichen der gleichen Weise verformte wie bei dem ersten Schwingungsmodus und in der Axialrichtung Z schwang. Entsprechend hat man herausgefunden, dass bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 1 der Bodenabschnitt 111 mit im Wesentlichen der gleichen Schwingungsintensität bei zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen schwingen konnte und der Ultraschallsensor zwei Typen Ultraschall mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen konnte.
-
Dies bedeutet, dass, wie bei dem oben beschriebenen Experimentbeispiel 1 dargestellt ist, bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung die zwei Gewichtsabschnitte 130 an dem Umfangswandabschnitt 115 außerhalb des Gehäuses 110 so vorgesehen sind, dass sie einander bei Betrachtung in der Axialrichtung Z nicht überlappen. Zusätzlich neigen sich während einer Schwingung bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus, wenn sich der Bodenabschnitt 111 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z biegt, die zwei Gewichtsabschnitte 130 in Richtung der anderen Seite in der Axialrichtung Z. Während einer Schwingung bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus neigen sich, wenn sich der Bodenabschnitt 111 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z biegt, die zwei Gewichtsabschnitte 130 in Richtung der einen Seite in der Axialrichtung.
-
Entsprechend kann der Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel den Ultraschall mit der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus auf die gleiche Weise behandeln wie den Ultraschall, der bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus gesendet und empfangen wird. Dies bedeutet, dass der Ultraschallsensor 100 zwei Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen kann. Ferner kann, da die beiden Gewichtsabschnitte 130 an dem Umfangswandabschnitt 115 außerhalb des Gehäuses 110 vorgesehen sind, das piezoelektrische Element 120 ohne weiteres an dem Bodenabschnitt 111 im Inneren des Gehäuses 110 angebracht werden.
-
Zusätzlich stört, wenn der Ultraschallsensor 100 ferner ein schallabsorbierendes Material aufweist, das im Inneren des Gehäuses 110 angeordnet ist, da das schallabsorbierende Material keinen direkten Kontakt zu den Gewichtsabschnitten 130 herstellt, das schallabsorbierende Material nicht die Verformung der Gewichtsabschnitte 130, wenn die Gewichtsabschnitte 130 schwingen.
-
Bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vorzugsweise die Richtwirkung des Ultraschalls, der gesendet und empfangen werden kann, wenn das Gehäuse 110 in dem ersten Schwingungsmodus schwingt, merklich von der Richtwirkung des Ultraschalls, der gesendet und empfangen werden kann, wenn das Gehäuse 110 in dem zweiten Schwingungsmodus schwingt. Da die Richtwirkung in dem ersten Schwingungsmodus sich merklich von der Richtwirkung in dem zweiten Schwingungsmodus unterscheidet, können die Entfernung zu einem Objekt, das außerhalb des Ultraschallsensors 100 angeordnet ist, und die Höhe des Objekts erfasst werden durch Senden von Ultraschall mit zwei Frequenzen in Richtung des Objekts und Empfangen des Ultraschalls, der durch das Objekt reflektiert wird.
-
Zusätzlich ist bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel vorzugsweise die Frequenz des ersten Schwingungsmodus nahe an der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus. Wenn die Frequenzen nahe beieinander sind, kann die Bandbreite der Treiberfrequenzen des Ultraschallsensors 100 erhöht werden.
-
Ferner befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel bei Betrachtung in der Axialrichtung Z die zwei Gewichtsabschnitte 130 auf einer einzelnen virtuellen geraden Linie, die durch die Mittelachse C verläuft. Dies bringt die Form des Bodenabschnitts 111, die während einer Schwingung bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus verformt wird, näher an die Form des Bodenabschnitts 111, die während einer Schwingung bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus verformt wird. Letztlich kann die Schwingungsintensität während einer Schwingung in dem zweiten Schwingungsmodus erhöht werden.
-
Ferner weisen bei dem Ausführungsbeispiel die zwei Gewichtsabschnitte 130 Formen auf, die rotationssymmetrisch zueinander um die Mittelachse C sind. Dies bringt die Form des Bodenabschnitts 111, die während einer Schwingung bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus verformt wird, näher an die Form des Bodenabschnitts 111, die während einer Schwingung bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus verformt wird. Letztlich kann die Schwingungsintensität während einer Schwingung in dem zweiten Schwingungsmodus weiter erhöht werden.
-
(Ausführungsbeispiel 2)
-
Ein Ultraschallsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Die Form der Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von derjenigen des Ultraschallsensors 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Entsprechend werden die Komponenten, die identisch oder entsprechend zu denjenigen des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung sind, nicht beschrieben.
-
10 ist eine perspektivische Ansicht des Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite, die dem Bodenabschnitt gegenüberliegt. 11 ist eine Unteransicht des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von der Seite des Bodenabschnitts. 12 ist eine Seitenansicht, die den Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in den 10 bis 12 dargestellt ist, sind bei dem Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung zweite Endoberflächen 232 der zwei Gewichtsabschnitte 230 von der offenen Endoberfläche 116 in der Axialrichtung Z beabstandet. Dies bedeutet, dass die zwei Gewichtsabschnitte 230 derart angeordnet sind, dass die zweiten Endoberflächen 232 von der offenen Endoberfläche 116 beabstandet sind.
-
Da der Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel auch die zwei Gewichtsabschnitte 230 aufweist, kann der Bodenabschnitt 111 bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in den beiden Schwingungsmodi schwingen. Ein Experimentbeispiel 2, bei dem die Verformung des Gehäuses 110 des Ultraschallsensors 200 in den Schwingungsmodi untersucht wurde, wird im Folgenden beschrieben.
-
Bei dem Experimentbeispiel 2 wurde die gleiche Simulationsanalyse wie bei dem Experimentbeispiel 1 an dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 2 durchgeführt. Das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 weisen die gleichen Strukturen wie diejenigen des Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 auf. Zusätzlich beträgt bei dem Experimentbeispiel 2 der Durchmesser des Bodenabschnitts 111 bei Betrachtung in der Axialrichtung Z 15,5 mm, beträgt die Abmessung, in der Axialrichtung Z, von der Oberfläche des Bodenabschnitts 111, die dem Äußeren des Gehäuses 110 zugewandt ist, zu den ersten Endoberflächen 131 der Gewichtsabschnitte 230 1,5 mm, beträgt die Abmessung, in der Axialrichtung Z, von der offenen Endoberfläche 116 zu den zweiten Endoberflächen 232 der Gewichtsabschnitte 230 0,7 mm, beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 230 in der Axialrichtung Z 6,79 mm, beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 230 in der Radialrichtung in Bezug auf die Mittelachse C als Mitte 5,25 mm und beträgt die Länge der Gewichtsabschnitte 230 in der Richtung orthogonal zu der Radialrichtung in Bezug auf die Mittelachse C als Mitte bei Betrachtung in der Axialrichtung Z 1 mm.
-
13 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 2 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen. 14 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus schwingen. 15 ist eine Unteransicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen. 16 ist eine Seitenansicht, die durch Simulation einen Zustand darstellt, bei dem das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus schwingen. Die 13 bis 16 stellen das Gehäuse und die Gewichtsabschnitte des Ultraschallsensors als Umrissfiguren dar, ähnlich den 6 bis 9. Zusätzlich sind in den 13 bis 16 dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 2 die gleichen Bezugszeichen gegeben wie dem Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2.
-
Wie in den 13 und 14 dargestellt ist, schwang auch bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 2, wenn eine Pulsspannung an das piezoelektrische Element 120 angelegt wurde, um zu bewirken, dass das Gehäuse 110 in dem ersten Schwingungsmodus (Grundschwingungsmodus) schwingt, das Gehäuse 110 derart, dass, wenn der Bodenabschnitt 111 sich in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z bog, die beiden Gewichtsabschnitte 230 sich in Richtung der anderen Seite in der Axialrichtung Z neigten. Die Frequenz der Pulsspannung zu diesem Zeitpunkt betrug 48,281 kHz. Andererseits schwang, wie in den 15 und 16 dargestellt ist, bei dem Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 2, wenn eine Pulsspannung, die identisch zu der Pulsspannung war, die bei dem ersten Schwingungsmodus angelegt wurde, mit Ausnahme der Frequenz, an das piezoelektrische Element 120 angelegt wurde, um zu bewirken, dass das Gehäuse 110 in dem zweiten Schwingungsmodus schwang, das Gehäuse 110 derart, dass die zwei Gewichtsabschnitte 230 sich in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z neigten, wenn sich der Bodenabschnitt 111 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z bog. Die Frequenz der Pulsspannung zu diesem Zeitpunkt betrug 55,655 kHz.
-
Wie in dem Experimentbeispiel 2 dargestellt ist, sind auch bei dem Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung die zwei Gewichtsabschnitte 230 an dem Umfangswandabschnitt 115 außerhalb des Gehäuses 110 so vorgesehen, dass sie einander bei Betrachtung in der Axialrichtung Z nicht überlappen. Zusätzlich neigen sich, wenn der Bodenabschnitt 111 sich während einer Schwingung bei der Frequenz des ersten Schwingungsmodus in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z biegt, die zwei Gewichtsabschnitte 230 in Richtung der anderen Seite in der Axialrichtung Z. Wenn sich der Bodenabschnitt 111 während einer Schwingung bei der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z biegt, neigen sich die zwei Gewichtsabschnitte 230 in Richtung einer Seite in der Axialrichtung Z. Entsprechend kann der Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 auch zwei Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen und kann das piezoelektrische Element 120 ohne Weiteres an dem Ultraschallsensor 200 angebracht werden.
-
Bei der Beschreibung der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele könnten kombinierbare Strukturen miteinander kombiniert werden.
-
In allen Belangen sind die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele exemplarisch und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche definiert, und nicht durch die obige Beschreibung, und beinhaltet alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und des Schutzbereichs, die äquivalent zu den Ansprüchen sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100,200
- Ultraschallsensor
- 110
- Gehäuse
- 111
- Bodenabschnitt
- 112
- Mittelabschnitt
- 113
- Außenumfangsabschnitt
- 115
- Umfangswandabschnitt
- 116
- offene Endoberfläche
- 120
- piezoelektrisches Element
- 130, 230
- Gewichtsabschnitt
- 131
- erste Endoberfläche
- 132, 232
- zweite Endoberfläche
- 133
- Seitenendoberfläche
- 140
- Steuereinheit
-
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
-
