Title:
Ultraschallsensor
Kind Code:
B4


Abstract:

Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (62, 64) ein Abstandsstück (63) mit einer äußeren Größe aufweist, die im Wesentlichen der Dicke des Klebeelements (61, 62, 64) entspricht;
– das Abstandsstück (63) in das Klebeelement (61, 62, 64) eingebettet ist,
– ein Elastizitätsmodul des Abstandsstücks (63) größer als der des Klebeelements (61, 62, 64) ist, und
– das Abstandsstück (63) und das Klebeelement (61, 62, 64) einteilig gebildet sind.




Inventors:
Okuda, Yasuyuki (Aichi, Kariya, JP)
Sugiura, Makiko (Aichi, Kariya, JP)
Application Number:
DE102008049081A
Publication Date:
04/02/2009
Filing Date:
09/26/2008
Assignee:
DENSO CORPORATION (Aichi-ken, Kariya-shi, JP)



Foreign References:
200501402482005-06-30
200601811772006-08-17
51421871992-08-25
JP2004343304A2004-12-02
Attorney, Agent or Firm:
Winter, Brandl, Fürniss, Hübner, Röss, Kaiser, Polte Partnerschaft mbB, Patentanwälte, 85354, Freising, DE
Claims:
1. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (62, 64) ein Abstandsstück (63) mit einer äußeren Größe aufweist, die im Wesentlichen der Dicke des Klebeelements (61, 62, 64) entspricht;
– das Abstandsstück (63) in das Klebeelement (61, 62, 64) eingebettet ist,
– ein Elastizitätsmodul des Abstandsstücks (63) größer als der des Klebeelements (61, 62, 64) ist, und
– das Abstandsstück (63) und das Klebeelement (61, 62, 64) einteilig gebildet sind.

2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastizitätsmodul des Klebeelements (61, 62, 64) geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist.

3. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Klebeelements (61, 62, 64) kleiner oder gleich 30 MPa ist.

4. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Klebeelements (61, 62, 64) kleiner oder gleich 10 MPa ist.

5. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
– das Klebeelement (61, 62, 64) eine Mehrzahl von Klebeschichten (65) und ein zwischen der Mehrzahl von Klebeschichten (65) angeordnetes Kernelement (66) aufweist; und
– die Mehrzahl von Klebeschichten (65) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) mittels eines Klebemittels befestigt.

6. Ultraschallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klebeschicht (65) einen Verdrahtungsteil (65a) zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen jedem Ultraschallerfassungselement und einer externen Verdrahtung aufweist.

7. Ultraschallsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (66) eine Leiterplatte (67) ist.

8. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (61, 62, 64) eine Mehrzahl von Klebeschichten (65) und ein zwischen der Mehrzahl von Klebeschichten (65) angeordnetes Kernelement (66) aufweist,
– die Mehrzahl von Klebeschichten (65) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) mittels eines Klebemittels befestigt,
– jede Klebeschicht (65) einen Verdrahtungsteil (65a) zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen jedem Ultraschallerfassungselement und einer externen Verdrahtung aufweist, und
– das Kernelement (66) eine Leiterplatte (67) ist.

9. Ultraschallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
– sich das Klebeelement (61, 62, 64) bis zu einer Seitenoberfläche jedes Schallanpasselements (12p bis 12s) erstreckt; und
– das Kernelement (66) wenigstens zwischen benachbarten Schallanpasselementen (12p bis 12s) angeordnet ist.

10. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (61, 62, 64) eine Mehrzahl von Klebeschichten (65) und ein zwischen der Mehrzahl von Klebeschichten (65) angeordnetes Kernelement (66) aufweist,
– die Mehrzahl von Klebeschichten (65) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) mittels eines Klebemittels befestigt,
– sich das Klebeelement (61, 62, 64) bis zu einer Seitenoberfläche jedes Schallanpasselements (12p bis 12s) erstreckt, und
– das Kernelement (66) wenigstens zwischen benachbarten Schallanpasselementen (12p bis 12s) angeordnet ist.

11. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist:
– ein Schutzelement (70), das eine Außenumfangsoberfläche der Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) und einen Teil einer Außenumfangsoberfläche der Mehrzahl von Schallanpasselementen (12p bis 12s) bedeckt, wobei
– das Schutzelement (70) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) und die Mehrzahl von Schallanpasselementen (12p bis 12s) schützt.

12. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (61) ein Dispersionselement (68) im Klebeelement (61) aufweist, und
– ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Dispersionselements (68) geringer als der des Klebeelements (61) ist.

13. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Abstandsstücks (63) geringer als der des Klebeelements (62, 64) ist.

14. Ultraschallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastizitätsmodul und eine akustische Impedanz des Kernelements (66) größer als ein Elastizitätsmodul und eine akustische Impedanz jeder Klebeschicht (65) sind.

15. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (61, 62, 64) eine Mehrzahl von Klebeschichten (65) und ein zwischen der Mehrzahl von Klebeschichten (65) angeordnetes Kernelement (66) aufweist,
– die Mehrzahl von Klebeschichten (65) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) mittels eines Klebemittels befestigt, und
– ein Elastizitätsmodul und eine akustische Impedanz des Kernelements (66) größer als ein Elastizitätsmodul und eine akustische Impedanz jeder Klebeschicht (65) sind.

16. Ultraschallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Kernelements (66) geringer als der jeder Klebeschicht (65) ist.

17. Ultraschallsensor mit:
– einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen (13p bis 13s), wobei jedes Sensorelement (13p bis 13s) aufweist:
– ein Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) zur Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle; und
– ein Schallanpasselement (12p bis 12s) mit einer Empfangsoberfläche (12a) zum Empfangen der vom Objekt reflektierten Ultraschallwelle, wobei die Empfangsoberfläche (12a) zu einem Raum hin ausgerichtet ist, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden ist, eine Oberfläche des Schallanpasselements (12p bis 12s), die auf der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche (12a) liegt, mit dem Ultraschallerfassungselement (11p bis 115) verbunden ist, und das Schallanpasselement (12p bis 12s) die von der Empfangsoberfläche (12a) empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement (11p bis 11s) leitet; und
– einem Klebeelement (61, 62, 64), das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall (L) zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht, wobei das Klebeelement (61, 62, 64) die Mehrzahl von Sensorelementen (13p bis 13s) mittels eines Klebemittels befestigt, das Klebeelement (61, 62, 64) einen Abschnitt aufweist, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, und ein Elastizitätsmodul des Abschnitts geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements (11p bis 11s) ist, wobei
– das Klebeelement (61, 62, 64) eine Mehrzahl von Klebeschichten (65) und ein zwischen der Mehrzahl von Klebeschichten (65) angeordnetes Kernelement (66) aufweist,
– die Mehrzahl von Klebeschichten (65) die Mehrzahl von Ultraschallerfassungselementen (11p bis 11s) mittels eines Klebemittels befestigt, und
– ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Kernelements (66) geringer als der jeder Klebeschicht (65) ist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen.

Ein Ultraschallsensor, der eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen aufweist, ist bereits bekannt. Solch ein Ultraschallsensor wird zur Erfassung einer Position eines vor dem Ultraschallsensor befindlichen Objekts und zur Erfassung einer Form des Objekts verwendet. Aus dem Bereich der Medizintechnik ist ferner ein Ultraschallgerät zur Gewinnung eines Ultraschallbildes bekannt. Wenn diese Art von Ultraschallsensor eine Position und eine Form eines Hindernisses erfasst, ist es für gewöhnlich erforderlich, ein Zeitintervall zwischen der Aussendung und dem Empfang der Ultraschallwelle zu gewinnen. Es ist ferner erforderlich, eine Zeit- oder Phasendifferenz zwischen der von einem Sensorelement empfangenen Ultraschallwelle und der von einem anderen Sensorelement empfangenen Ultraschallwelle zu gewinnen.

In dem Ultraschallsensor beeinflusst die Positioniergenauigkeit der Sensorelemente die Erfassungsgenauigkeit der Zeit- oder Phasendifferenz der Ultraschallwelle. Es ist folglich von Bedeutung, die Positioniergenauigkeit der Sensorelemente zu verbessern. Die JP 2003-235098 A, welche der US 7 309 948 B2 entspricht, offenbart einen Ultraschallsensor, in dem ein Befestigungselement aus Hartharz bei der Positionierung eines Messwertgebers eine Rolle spielt.

Bei dem in der JP 2003-235098 A offenbarten Ultraschallsensor beschränkt das Befestigungselement die Schwingungen des Messwertgebers, da es aus einem harten Material aufgebaut ist, was dazu führt, dass die Erfassungsempfindlichkeit der Ultraschallwelle verringert wird. Betrachtet man einen Ultraschallsensor zur Überwachung eines Raumes um ein Fahrzeug herum, so verwendet der Ultraschallsensor für gewöhnlich eine Ultraschallwelle geringer Frequenz. In solch einem Fall weist die Ultraschallwelle eine hohe Amplitude auf und verursacht ein hartes Befestigungselement eine deutliche Dämpfung der Ultraschallwelle. Ferner kann das harte Befestigungselement Schwingungen von einem Messwertgeber zu einem anderen Messgeber leiten bzw. übertragen, was eine schlechte Übersprechcharakteristik zur Folge hat.

Weitere Ultraschallwandler sind aus der US 2006/0 181 177 A1 und der US 2005/0 140 248 A1 bekannt. Aus der JP 2004-343 304 A ist ferner ein Verfahren zur Fertigung einer Ultraschallsonde bekannt. Die US 5 142 187 A offenbart darüber hinaus einen piezoelektrischen Wandler zur Verwendung in einer Ultraschallsonde.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor mit einer hohen Positioniergenauigkeit der Sensorelemente und einer geringen Ultraschallwellendämpfung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch Ultraschallsensoren nach den Ansprüchen 1, 8, 10, 12, 15 und 17. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß kann das Raum- bzw. Abstandsintervall zwischen den jeweils benachbarten Ultraschallerfassungselementen genau beibehalten werden, da der Ultraschallsensor das Klebeelement mit der Dicke aufweist, die annähernd dem Raumintervall zwischen den benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht. Folglich kann jedes Sensorelement genau an einer vorbestimmten Position positioniert werden. D. h., die Positioniergenauigkeit der Mehrzahl von Sensorelementen kann verbessert werden. Ferner beschränkt das Klebeelement die Schwingungen in den Ultraschallerfassungselementen nicht wesentlich, da der Elastizitätsmodul des Abschnitts des Klebeelements, der an jedes Ultraschallerfassungselement grenzt, geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements ist. Folglich kann die Empfindlichkeit zur Erfassung der Ultraschallwelle im Ultraschallsensor in einem vorteilhaften Zustand aufrechterhalten werden. Ferner wird die Ultraschallwelle in jedem Sensorelement einzeln und getrennt voneinander übertragen, da fast keine Schwingungsübertragung zwischen den Ultraschallerfassungselementen auftritt. Folglich werden ein Schwingungsrauschen und eine Ultraschallwellendämpfung verringert. Folglich weist der Ultraschallsensor eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik auf.

Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:

1A eine schematische Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Ausführungsform von der Seite eines Schallanpasselements aus gesehen;

1B eine schematische Querschnittsansicht des Ultraschallsensors entlang der Linie IB-IB in der 1A;

2 ein Diagramm, das ein Schwingungsrauschen in Abhängigkeit des Young'schen Moduls eines Klebeelements zeigt;

3 ein Diagramm, das eine Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Young'schen Moduls des Klebeelements zeigt;

4A und 4B beispielhafte Querschnittsansichten in Querrichtung, die schematisch einen Prozess zur Befestigung von piezoelektrischen Elementen mittels Klebemittel unter Verwendung eines Klebeelements zeigen;

5A eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;

5B eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements gemäß der zweiten Ausführungsform von einer Seite einer Klebeebene des Klebeelements aus gesehen;

6A eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß der dritten Ausführungsform;

6B eine schematische Querschnittsansicht in Querrichtung zur Veranschaulichung von piezoelektrischen Elementen gemäß der dritten Ausführungsform;

7A eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Modifikation der dritten Ausführungsform;

7B eine schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie VIIB-VIIB in der 7A;

8A eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform;

8B eine schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie VIIIB-VIIIB in der 8A;

8C eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten Modifikation der dritten Ausführungsform;

8D eine schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie VIIID-VIIID in der 8C;

9A eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten Modifikation der dritten Ausführungsform;

9B eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten Modifikation der dritten Ausführungsform;

10 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform;

11 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten modifizierten Ausführungsform;

12 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten modifizierten Ausführungsform;

13 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten modifizierten Ausführungsform; und

14 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung eines Ultraschallsensors gemäß einer fünften modifizierten Ausführungsform.

(Erste Ausführungsform)

Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 1A bis 4B beschrieben. Nachstehend wird gemäß einem Anwendungsbeispiel ein Ultraschallsensor beschrieben, der als an einem Fahrzeug befestigter Hinderniserfassungssensor verwendet wird.

Nachstehend wird der Aufbau des Ultraschallsensors 10 beschrieben. Der Ultraschallsensors 10 weist, wie in den 1A und 1B gezeigt, ein Gehäuse 31, ein Schaltungselement 18 und eine Mehrzahl von Sensorelementen 13p, 13q, 13r, 13s auf. Das Schaltungselement 18 und die Mehrzahl von Sensorelementen 13p, 13q, 13r, 13s sind im Gehäuse 31 angeordnet. Die Mehrzahl von Sensorelementen 13p, 13q, 13r, 13s sind vier Elemente, die derart in einem Array angeordnet sind, dass jede Reihe in einer Längsrichtung zwei Sensorelemente und jede Reihe in einer Querrichtung zwei Sensorelemente aufweist. Das Schaltungselement 18 ist elektrisch mit der Mehrzahl von Sensorelementen 13p, 13q, 13r, 13s verbunden. Das Schaltungselement 18 empfängt Spannungssignale und gibt Spannungssignale aus, wobei die Spannungssignale mit dem Aussenden bzw. dem Empfang von Ultraschallwellen verknüpft sind.

Der Ultraschallsensors 10 ist beispielsweise an einer Stoßstange 51 des Fahrzeugs befestigt. Der Ultraschallsensors 10 ist dazu ausgelegt, eine Position eines Hindernisses in dreidimensionaler Weise zu erfassen.

Da die Sensorelemente 13p, 13q, 13r, 13s im Wesentlichen gleich aufgebaut sind, wird nachstehend einzig der Aufbau des Sensorelements 13p beschrieben. Das Sensorelement 13p weist ein piezoelektrisches Element 11p (d. h. ein Ultraschallerfassungselement) zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle auf. Das Sensorelement 13p weist ferner ein Schallanpasselement 12p auf, das mit dem piezoelektrischen Element 11p verbunden ist. Das Schallanpasselement 12p überträgt die vom piezoelektrischen Element 11p erzeugte Ultraschallwelle und strahlt die Ultraschallwelle in eine Richtung vor dem Fahrzeug ab. Das Schallanpasselement 12p empfängt die von einem Hindernis reflektierte Ultraschallwelle und überträgt die Schwingungen zum piezoelektrischen Element 11p. D. h., jedes Sensorelement 13p, 13q, 13r, 13s ist dazu ausgelegt, die Ultraschallwelle auszusenden und zu empfangen, und dient als Sendeelement und als Empfangselement.

Das piezoelektrische Element 11p ist beispielsweise aus Bleizirkoniumtitanat (PZT) aufgebaut. Das piezoelektrische Element 11p weist ein piezoelektrisches Element und ein Elektrodenpaar auf. Das piezoelektrische Element weist im Wesentlichen die Form eines quadratischen Prismas auf, dessen Querschnittsform im Wesentlichen der des Schallanpasselements 12p entspricht. Das Elektrodenpaar ist durch Sputtern mit Pt oder Cu, die Plattieren, Drucken einer Leitpaste oder dergleichen auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements gebildet. Eine der Elektroden, die auf einer Seite des Schallanpasselements 12p angeordnet ist, wird nachstehend als erste Elektrode 14p bezeichnet. Die andere der Elektroden, die auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode angeordnet ist, wird nachstehend als zweite Elektrode 15p bezeichnet.

Auf einer Seite des piezoelektrischen Elements 11p ist ein Leitungselement 11a angeordnet, das elektrisch mit der ersten Elektrode 14p verbunden ist. Die erste Elektrode 14p des piezoelektrischen Elements 11p ist über einen Draht 19, der elektrisch mit dem Leitungselement 11a verbunden ist, elektrisch mit dem Schaltungselement 18 verbunden. Die zweite Elektrode 15p des piezoelektrischen Elements 11p ist über einen Draht 19 elektrisch mit dem Schaltungselement 18 verbunden.

Eine akustische Impedanz des Schallanpasselements 12p ist größer als die akustische Impedanz von Luft und kleiner als die akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements 11p. Das Schallanpasselement 12p ist aus Harz mit einer hohen Lebensdauer, wie beispielsweise einem Harz aus der Reihe der Polycarbonate, aufgebaut. Die Schaltungselemente 12p bis 12s sind derart angeordnet, dass ein Abstand „d” zwischen den Mitten der benachbarten Schallanpasselemente annähernd der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle entspricht. Die Schallanpasselemente 12p bis 12s sind in einer Öffnung des Gehäuses 31 befestigt. Ein Schwingungsdämpfungselement 41 ist derart zwischen den Seitenoberflächen der Schallanpasselemente 12p bis 12s angeordnet, dass es nahe an den Sende- und Empfangsoberflächen 12a der Schallanpasselemente 12p bis 12s angeordnet ist. Das Schwingungsdämpfungselement 41 ist ferner derart zwischen einer Innenwand der Öffnung des Gehäuses 31 und jedem Schallanpasselement 12p bis 12s angeordnet, dass es nahe an den Sende- und Empfangsoberflächen 12a angeordnet ist. Das Schwingungsdämpfungselement 41 verhindert effektiv, dass sich eine Ultraschallwelle über das Schwingungsdämpfungselement 41 ausbreitet.

Das Schallanpasselement 12p ist derart gebildet, dass: eine Breite W des Schallanpasselements 12p kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft ist; und eine Dicke annähernd der viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpasselement 12p entspricht. Die Dicke, die annähernd der viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle entspricht, bewirkt, dass eine stehende Welle im Schallanpasselement 12p erzeugt wird. Folglich kann eine Interferenz und eine resultierende Auslöschung der folgenden Ultraschallwellen beschränkt werden; wobei eine Welle der Welle entspricht, die in das Schallanpasselement 12p eintritt, und die andere Welle der Welle entspricht, die an einer Grenze zwischen dem Schallanpasselement 12p und dem piezoelektrischen Element 11p reflektiert wird. Folglich kann das Schallanpasselement 12p die Ultraschallwelle effektiv zum piezoelektrischen Element 11p leiten bzw. übertragen.

Das Schaltungselement 18 ist elektrisch mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU, nicht gezeigt) eines Fahrzeugs verbunden. Die ECU gibt ein Steuersignal zur Steuerung eines Schalldrucks und einer Phase der vom Ultraschallsensor 10 auszusendenden Ultraschallwelle aus. Auf der Grundlage des Steuersignals gibt das Schaltungselement 18 ein Spannungssignal derart an das piezoelektrische Element 11p, dass das piezoelektrische Element 11p schwingt und so die Ultraschallwelle erzeugt. Wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, gibt das piezoelektrische Element 11p ein Spannungssignal, das von einem Schalldruck und einer Phase der empfangenen Ultraschallwelle abhängt, an das Schaltungselement 18. Auf der Grundlage des Spannungssignals vom piezoelektrischen Element 11p führt das Schaltungselement 18 einen Rechenvorgang aus und gibt ein Schwingungssignal an die ECU.

Zwischen den jeweils benachbarten piezoelektrischen Element 11p bis 11s ist ein Klebeelement 61 angeordnet. Das Klebeelement 61 ist derart gebildet, dass es die Form eines Bandes bzw. Streifens aufweist. Zwei Oberflächen des Klebeelements 61, die sich gegenüberliegen, sind mit einem Klebemittel beschichtet. Das Klebeelement 61 befestigt die jeweils benachbarten piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s mittels des Klebemittels. Eine Dicke des Klebeelements 61 wird in Übereinstimmung mit einer Anordnung der Sensorelemente 13p bis 13s gesteuert und eingestellt, so dass ein Raumintervall L zwischen den benachbarten piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s, wie in 1A gezeigt, einen vorbestimmten Wert aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke des Klebeelements 61 annähernd 1 mm. D. h., die piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s sind derart angeordnet und befestigt, dass durch Klebeelement 61 das Raumintervall L von 1 mm erzielt wird.

Die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s werden durch das Klebeelement 61 über das Klebemittel befestigt. Folglich besteht in Abhängigkeit eines Elastizitätsmoduls des Klebeelements 61 die Wahrscheinlichkeit, dass Schwingungen über das Klebeelement 61 zwischen einem piezoelektrischen Element und einem anderen piezoelektrischen Element übertragen werden, was zu einer Verschlechterung der Übersprechcharakteristik führt. Wenn beispielsweise die vom Sensorelement 13p empfangene Ultraschallwelle Schwingungen im piezoelektrischen Element 11p erzeugt, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Schwingungen vom piezoelektrischen Element 11p über das Klebeelement 61 zum piezoelektrischen Element 11q übertragen werden. Um solch eine Verschlechterung der Übersprechcharakteristik zu verhindern, ist das Klebeelement 61 aus einem derartigen Material aufgebaut, dessen Elastizitätsmodul geringer als der jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s ist, so dass eine Schwingungsübertragung fast nicht auftritt.

2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Schwingungsrauschen in Abhängigkeit eines Elastizitätsmoduls des Klebeelements 61. In dem Diagramm kennzeichnet die vertikale Achse das Schwingungsrauschen und die horizontale Achse den Elastizitätsmodul des Klebeelements 61. In dem Diagramm sind zwei Fälle gezeigt, von denen der eine ein Raumintervall L von 0,5 mm und der andere ein Raumintervall L von 1 mm beschreibt. Bei einer Verringerung des Elastizitätsmoduls verringert sich, wie in 2 gezeigt, das Schwingungsrauschen. Wenn das Raumintervall L beispielsweise 1 mm beträgt, weist das Klebeelement 61 vorzugsweise einen Elastizitätsmodul von kleiner oder gleich 30 MPa auf, da das Schwingungsrauschen kleiner oder gleich 10% ist. Das Klebeelement 61 kann ein Klebeband aus Silikongummi, Silikonharz oder dergleichen sein, und beide Oberflächen des Klebebandes können mit einem Klebemittel beschichtet sein.

Wenn das Klebeelement 61, wie in 3 gezeigt, einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist, wird hierdurch die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors verbessert. Wenn das Klebeelement 61 beispielsweise aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von kleiner oder gleich 30 MPa aufgebaut ist, so liegt der Abfall der Empfindlichkeit bei nicht mehr als 20%. Wenn das Klebeelement 61 aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von kleiner oder gleich 10 MPa aufgebaut ist, so liegt der Abfall der Empfindlichkeit bei nicht mehr als 10%. Es sollte beachtet werden, dass die obige Tendenz ebenso erzielt wird, wenn das Raumintervall L bei 0,5 mm liegt.

Die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s können auf die folgende Weise über das Klebeelement 61 verbunden bzw. verklebt werden. Die Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente 11p und 11q werden, wie in 4A gezeigt, unter Verwendung eines Klebeelements 61a aneinander geklebt und befestigt. Die Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente 11r und 11s werden, wie in 4A gezeigt, unter Verwendung eines Klebeelements 61b aneinander geklebt und befestigt. Anschließend werden die piezoelektrischen Elemente 11p und 11q, wie in 4B gezeigt, unter Verwendung eines Klebeelements 61c an die piezoelektrischen Elemente 11r und 11s geklebt bzw. an diesen befestigt. Auf diese Weise werden die vier piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s über die Klebeelemente 61a bis 61c befestigt, wobei die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s durch vorbestimmte Raumintervalle voneinander getrennt sind.

Nachstehend wird die Erfassung eines Hindernisses unter Bezugnahme auf einen beispielhaften Fall, in welchem die Ultraschallwelle vom Sensorelement 13p ausgesendet wird, beschrieben. Die ECU gibt das Steuersignal zur Steuerung des Schalldrucks und der Phase der auszusendenden Ultraschallwelle aus. Das Schaltungselement 18 gibt das Spannungssignal auf der Grundlage des Steuersignals von der ECU an das piezoelektrische Element 11p. Das piezoelektrische Element 11p schwingt in Übereinstimmung mit dem Spannungssignal und erzeugt so die Ultraschallwelle mit einem vorgegebenen Schalldruck und einer vorgegebenen Phase. Die vom piezoelektrischen Element 11p erzeugte Ultraschallwelle wird auf das Schallanpasselement 12p übertragen und von der Sende- und Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12p nach Außerhalb abgestrahlt. Die von der Sende- und Empfangsoberfläche 12a abgestrahlte Ultraschallwelle wird gegebenenfalls von einem Hindernis reflektiert. Die reflektierte Ultraschallwelle wird von der Sende- und Empfangsoberfläche 12a des Schallanpasselements 12p empfangen. Die von der Sende- und Empfangsoberfläche 12a empfangene Ultraschallwelle wird über das Schallanpasselement 12p zum piezoelektrischen Element 11p übertragen. Die zum piezoelektrischen Element 11p übertragene Ultraschallwelle wird vom piezoelektrischen Element 11p erfasst und in ein Spannungssignal gewandelt. Das Spannungssignal wird vom piezoelektrischen Element 11p über das Schaltungselement 18 an die ECU gegeben. Das Schaltungselement 18 führt auf der Grundlage des Spannungssignals vom piezoelektrischen Element 11p einen Rechenvorgang aus.

Da die Sensorelemente 13p bis 13s in einem Array angeordnet sind, kann beispielsweise eine Position des Hindernisses erfasst werden, indem eine Zeit- oder Phasendifferenz zwischen der von einem Sensorelement empfangenen Ultraschallwelle und der von einem anderen Sensorelement empfangenen Ultraschallwelle gewonnen wird.

Das Schwingungsdämpfungselement 41 ist zwischen den Sensorelementen 13p bis 13s angeordnet. Folglich wird die Ultraschallwelle einzeln zu jedem Sensorelement 13p bis 13s übertragen und einzeln in jedem Sensorelement 13p bis 13s erfasst. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik bereitgestellt werden. Ferner wird die Erfassungsempfindlichkeit für Ultraschallwellen verbessert.

Die Sensorelemente 13p bis 13s sind derart angeordnet, dass der Abstand „d” zwischen den Mitten der benachbarten Schallanpasselemente 12p bis 12s annähernd der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle entspricht. Folglich kann ein Einfallswinkel der empfangenen Ultraschallwelle auf der Grundlage einer Phasendifferenz zwischen denjenigen Ultraschallwellen erfasst werden, die von benachbarten Schallanpasselementen 12p bis 12s empfangen werden. Da der Einfallswinkel der Ultraschallwelle mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann, kann die Genauigkeit zum Messen eines Abstandes zum Hindernis und einer Position des Hindernisses verbessert werden.

Die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s werden in einem Zustand, in welchem das Klebeelement 61 die Raumintervalle zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s präzise aufrechterhält, befestigt und positioniert. Folglich kann die Genauigkeit bei der Erfassung eines Abstandes und einer Position eines Hindernisses verbessert werden. Da das Klebeelement 61 aus einem Material aufgebaut ist, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s ist, beschränkt das Klebeelement 61 eine Schwingungsübertragung zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s, so dass die Ultraschallwelle in jedem Sensorelement 13p bis 13s einzeln und separat übertragen wird. Auf diese Weise wird eine Rauschkomponente verringert und eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik bereitgestellt.

Das Klebeelement 61 grenzt einzig an die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s. Folglich beschränkt das Klebeelement 61 eine sich über das Schallanpasselement 12 ausbreitende Ultraschallschwingung nicht. Die Ultraschallwellenerfassungsempfindlichkeit kann in einem vorteilhaften Zustand aufrechterhalten werden.

Bei dem Ultraschallsensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Sensorelemente 13p bis 13s verglichen mit einem Fall, in welchem die Sensorelemente 13p bis 13s nur unter Verwendung eines Schwingungsdämpfungselements befestigt werden, genau positioniert werden. Wenn eine externe Kraft, die beispielsweise durch ein Schütteln des Sensors entsteht, auf den Ultraschallsensor 10 aufgebracht wird, kann eine Verschiebung der Positionen der piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s verglichen mit einem Fall, in welchem die Sensorelemente 13p bis 13s nur unter Verwendung eines Schwingungsdämpfungselements befestigt werden, effektiver beschränkt werden.

(Modifikationen der ersten Ausführungsform)

Nachstehend wird eine erste Modifikation beschrieben. Das Klebeelement 61 kann nicht zwischen den gesamten Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s, sondern zwischen Teilen der Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s angeordnet werden. Der obige Aufbau verringert eine Kontaktfläche zwischen dem Klebeelement 61 und jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s und folglich ein Schwingungshemmnis. Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit für eine Ultraschallwelle verbessert werden. Alternativ kann nicht die gesamte Oberfläche des Klebeelements 61, sondern nur einen Teil der Oberfläche des Klebeelements 61 mit dem Klebemittel bedeckt werden.

Nachstehen wird eine zweite Modifikation beschrieben. Das Klebeelement 61 kann die Seitenoberflächen der ersten Elektrode 14p bedecken und sich in Richtung der Sende- und Empfangsoberfläche 12a jedes Schallanpasselements 12p bis 12s erstrecken, um die Klebefestigkeit zu verbessern. Im obigen Fall erstreckt sich das Klebeelement 61 vorzugsweise so kurz wie möglich, um die Schwingungsdämpfung zu verringern. Vorzugsweise erstreckt sich das Klebeelement 61 beispielsweise in einer Länge von kleiner oder gleich einem Drittel der Dicke der Schallanpassschicht. Im obigen Fall ist eine Kante der Ausdehnung an einer Position eines Wellenknotens angeordnet, so dass eine Verringerung der Empfindlichkeit unterdrückt werden kann.

Nachstehend wird eine dritte Modifikation beschrieben. Das Klebeelement 61 kann derart einteilig gebildet sein, dass ein Querschnitt des Klebeelements 61 in Querrichtung die Form eines Kreuzes aufweist. Wenn das Klebeelement 61 kreuzförmig ausgebildet ist, können die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s anhand eines Prozesses verklebt werden. Folglich können die Herstellungsprozesse vereinfacht werden. Ferner weicht jedes piezoelektrische Element 11p bis 11s kaum von seiner gewünschten Position ab. Folglich kann die Positioniergenauigkeit verbessert werden.

(Effekt der ersten Ausführungsform)

Das Klebeelement 61 weist eine Dicke auf, die annähernd den Raumintervallen zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s entspricht. Die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s werden in einem Zustand verbunden bzw. verklebt, in welchem das Klebeelement 61 die jeweils benachbarten piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s befestigt und die Raumintervalle präzise aufrechterhält. Folglich kann jedes piezoelektrische Element 11p bis 11s genau an einer gewünschten Position angeordnet werden. Durch die genaue Positionierung kann die Genauigkeit bei der Erfassung eines Abstandes zu einem Objekt und einer Position des Objektes verbessert werden. Da das Klebeelement 61 aus einem Material aufgebaut ist, dessen Elastizität geringer als die jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s ist, beschränkt das Klebeelement 61 die Schwingungen in jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s im Wesentlichen nicht. Folglich hält der Ultraschallsensor 10 die Erfassungsgenauigkeit für die Ultraschallwelle in einem geeigneten Zustand aufrecht. Wenn das Klebeelement 61 beispielsweise einen Elastizitätsmodul von kleiner oder gleich 30 MPa aufweist, liegt eine Verringerung in der Empfindlichkeit bei kleiner oder gleich 20%. Wenn das Klebeelement 61 einen Elastizitätsmodul von kleiner oder gleich 10 MPa aufweist, liegt eine Verringerung in der Empfindlichkeit bei kleiner oder gleich 10%. Da Schwingungen kaum von einem piezoelektrischen Element zu einem anderen piezoelektrischen Element übertragen werden, wird die Ultraschallwelle einzeln über jedes Sensorelement 13p bis 13s übertragen. Da auf die vorstehend beschriebene Weise das Schwingungsrauschen verringert wird, kann der Ultraschallsensor 10 mit einer vorteilhaften Übersprechcharakteristik bereitgestellt werden.

(Zweite Ausführungsform)

Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben.

Der Ultraschallsensor 20 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich bezüglich des Aufbaus eines Klebeelements vom Ultraschallsensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Ultraschallsensor 20 weist, wie in den 5A und 5B gezeigt, ein Klebeelement 62 und ein Abstandsstück 63 auf. Das Abstandsstück 63 ist in das Klebeelement 62 eingebettet. Das Abstandsstück 63 ist aus einem Material aufgebaut, dessen Elastizitätsmodul höher als der des Klebeelements ist. Das Abstandsstück 63 weist eine äußere Größe auf, die annähernd einer Dicke des Klebeelements 62 entspricht. Das Abstandsstück 63 und das Klebeelement 62 sind einteilig ausgebildet.

Das Abstandsstück 63 wird durch eine Mehrzahl von Kügelchen bereitgestellt, die jeweils die Form einer Kugel mit einem Durchmesser von 1 mm aufweisen und aus Glas, Hartharz oder dergleichen gebildet sind. Das Abstandsstück 63 sieht, wie in 5B gezeigt, vier Kügelchen vor, die in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind. D. h., ein Außendurchmesser des Abstandsstücks 63 (d. h. des Kügelchens) entspricht im Wesentlichen der Dicke des Klebeelements 62. Wenn eine Seitenoberfläche 11m des piezoelektrischen Elements 11p über das Klebeelement 62 an eine Seitenoberfläche 11n des piezoelektrischen Elements 11q geklebt wird, grenzt das Abstandsstück 63 an die Seitenoberfläche 11m und die Seitenoberfläche 11n.

Da das Abstandsstück 63, wie vorstehend beschrieben, in das Klebeelement 61 eingebettet ist, wird ein effektiver Gesamtelastizitätsmodul des Klebeelements 62 und des Abstandsstücks 63 bei einer geringen Elastizität gehalten. Das Raumintervall zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s wird derart bei einem vorbestimmten Wert gehalten, dass das Abstandsstück 63 an die Seitenoberfläche 11m des piezoelektrischen Elements 11p und an die Seitenoberfläche 11n des piezoelektrischen Elements 11p grenzt. Folglich kann die Positioniergenauigkeit jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s verglichen mit einem Fall, in welchem das Abstandsstück 63 nicht vorhanden ist, verbessert werden.

Das Abstandsstück 63, das durch die Kügelchen aus Glas oder Hartharz bereitgestellt wird, weist einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Klebeelement 61 auf. Folglich beschränkt das Abstandsstück 63 eine thermische Ausdehnung und thermische Kontraktion des Klebeelements 62. Da die obigen Eigenschaften eine Änderung der Raumintervalle zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s unterdrücken, kann die Genauigkeit bei der Ultraschallwellenerfassung im Zusammenhang mit der thermischen Charakteristik verbessert werden.

(Modifikationen der zweiten Ausführungsform)

Das Abstandsstück 63 kann verschiedene Formen aufweisen. So kann es beispielsweise säulenförmig, plattenförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Das Abstandsstück 63 muss aus einem Material aufgebaut sein, dessen Elastizität höher als die des Klebeelements 62 ist. Das Abstandsstück 63 kann beispielsweise aus Metal, wie beispielsweise Edelstahl, aufgebaut sein.

(Effekt der zweiten Ausführungsform)

Der Ultraschallsensor 20 gemäß der zweiten Ausführungsform bringt die gleichen Effekte wie der Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform hervor. Zusätzlich erzielt der Ultraschallsensor 20 der zweiten Ausführungsform die folgenden Effekte. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist das Abstandsstück 63 in das Klebeelement 62 eingebettet. Das Abstandsstück 63 weist eine äußere Größe auf, der annähernd einer Dicke des Klebeelements 62 entspricht. Ein Elastizitätsmodul des Abstandsstücks 63 ist höher als der des Klebeelements 62. Das Abstandsstück 63 und das Klebeelement 62 sind einteilig ausgebildet. Da das Abstandsstück 63 an die Seitenoberfläche 11m des piezoelektrischen Elements 11p und an die Seitenoberfläche 11n des piezoelektrischen Elements 11q grenzt, kann das Raumintervall zwischen der Seitenoberfläche 11m des piezoelektrischen Elements 11p und der Seitenoberfläche 11n des piezoelektrischen Elements 11q bei einem vorgegebenen Abstand aufrechterhalten werden, während eine Kombination des Abstandsstücks 63 und des Klebeelements 62 einen geringen effektiven Elastizitätsmodul aufweisen. Folglich kann die Positioniergenauigkeit jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s verglichen mit einem Fall, in welchem das Abstandsstück 63 nicht vorhanden ist, verbessert werden.

(Dritte Ausführungsform)

Nachstehend wird ein Ultraschallsensor 30 gemäß einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B und 10 beschrieben.

Der Ultraschallsensor 30 der dritten Ausführungsform weist, wie in den 7A und 7B gezeigt, ein Klebeelement 64 auf. Das Klebeelement 64 weist Klebeschichten 65 zur Befestigung jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s und ein Kernelement 66, das zwischen die Klebeschichten 65 geklebt ist, auf. Das Kernelement 66 ist plattenförmig ausgebildet. Das Kernelement 66 weist eine Dicke von 0,2 mm auf, und jede Klebeschicht weist eine Dicke von 0,5 mm auf.

Gleich dem Klebeelement 61 der ersten Ausführungsform sind die Klebeschichten 65 derart ausgebildet, dass ein Elastizitätsmodul der Klebeschichten 65 geringer als der jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s ist, und dass Schwingungen kaum über die Klebeschichten 65 übertragen werden. Das Klebeelement 65 kann beispielsweise derart in Form eines Klebebandes vorgesehen sein, dass die Klebeschichten 65 auf beiden Oberflächen des Klebebandes angeordnet sind, wobei die Klebeschichten gebildet werden, indem beide Oberflächen mit einem Klebemittel beschichtet werden. Die Klebeschichten 65 des Klebeelements 64 grenzen jeweils ein entsprechendes piezoelektrisches Element 11p bis 11s. Die Klebeschichten 65 sind aus einem Material aufgebaut, dessen Elastizität geringer als die jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s ist.

Ein Elastizitätsmodul und eine akustischen Impedanz des Kernelements 66 sind höher als ein Elastizitätsmodul und eine akustische Impedanz der Klebeschichten 65. Das Kernelement 66 ist beispielsweise aus Hartharz aufgebaut. Das Kernelement 66 ist derart gebildet, dass sein Querschnitt in Querrichtung die Form eines Kreuzes aufweist. Das Kernelement 66 bildet eine Raumgrenze zwischen den Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elemente.

Da das Klebeelement 64 derart aufgebaut ist, dass das Kernelement 66 aus Hartharz die Klebeschichten 65 hält, kann die Form des Klebeelements 64 verglichen mit einem Aufbau, bei welchem das Kernelement 66 nicht vorgesehen ist, in geeigneter Weise aufrechterhalten werden.

Da die Klebeschicht 65 und das Kernelement 66 unterschiedliche akustische Impedanzen aufweise, werden Schwingungen dann, wenn sie versuchen, sich vom piezoelektrischen Element 11p zum piezoelektrischen Element 11s auszubreiten, an einer Grenze zwischen der Klebeschicht 65 und dem Kernelement 66 reflektiert. D. h., eine Schwingungsübertragung zwischen einem piezoelektrischen Element und einem anderen piezoelektrischen Element wird unterdrückt. Folglich kann der Ultraschallsensor 30 mit einer vorteilhaften Übersprechcharakteristik bereitgestellt werden.

Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kernelements 66 aus Hartharz geringer als der der Klebeschichten 65 ist, ist eine thermische Ausdehnung und Kontraktion des Klebeelements 64 gering. Folglich kann eine Änderung der Raumintervalle zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s unterdrückt werden, so dass die Genauigkeit bei der Ultraschallwellenerfassung im Zusammenhang mit der thermischen Charakteristik verbessert werden kann.

(Modifikationen der dritten Ausführungsform)

Nachstehend wird eine erste Modifikation unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben. Gemäß der obigen Ausführungsform sind die Bondschichten 65 jeweils auf den gesamten beiden Oberflächen des Kernelements 66 gebildet. Alternativ können die Klebeschichten 65 jeweils auf Teilen der beiden Oberflächen des Kernelements 66 gebildet sein. Jede Klebeschicht 65 kann, wie in den 7A und 7B gezeigt, eine rechteckige Ringform aufweisen. Die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11q werden durch das Kernelement 66 unter Verwendung der Klebeschichten 65 befestigt. Die die obige Form aufweisende Klebeschicht 65 verringert eine Kontaktfläche zwischen jeder Klebeschicht und jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s. Folglich beschränkt das Klebeelement 64 die Schwingungen in jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s nicht stark. Die Erfassungsempfindlichkeit für die Ultraschallwelle kann im Ultraschallsensor 30 in einem vorteilhaften Zustand aufrechterhalten werden. Da eine Schwingungsübertragung zwischen einem piezoelektrischen Element und einem anderen piezoelektrischen Element 11p bis 11s kaum auftritt, wird die Ultraschallwelle in jedem Sensorelement 13p bis 13s einzeln und separat übertragen. Auf diese Weise wird eine Rauschkomponente verringert. Ferner wird eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik bereitgestellt.

Nachstehend wird eine zweite Modifikation der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 8A bis 8D beschrieben. Das Klebeelement 64 gemäß der dritten Ausführungsform und das Abstandsstück gemäß der zweiten Ausführungsform können in Kombination verwendet werden. Es können beispielsweise, wie in den 8A und 8B gezeigt, zwei parallele Abstandsstücke 63, die jeweils eine kreisrunde zylindrische Form aufweisen, an einem oberen bzw. an einem unteren Abschnitt des Klebeelements 64 angeordnet werden. Alternativ können, wie in den 8C und 8D gezeigt, vier Abstandsstücke 63, die jeweils die Form einer Kugel aufweisen, in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet werden. Alternativ kann das Abstandsstück 63 eine beliebige Form aufweisen. Das Abstandsstück 63 kann getrennt vom Kernelement 66 gebildet werden. Alternativ können das Abstandsstück 63 und das Kernelement 66 einteilig gebildet werden. Wenn das Klebeelement gemäß obiger Beschreibung aufgebaut ist, verbessert das Kernelement 66 eine Übersprechcharakteristik und ferner die Positioniergenauigkeit der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s.

Nachstehen wird eine dritte Modifikation der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 9A und 9B beschrieben. Die Klebeschichten 65 können einen elektrisch leitfähigen Bereich zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s und einer externen Leitung aufweisen. Das Kernelement kann, wie in den 9A und 9B gezeigt, ein plattenförmiges Element mit einer Struktur für eine Verdrahtung sein. Das Kernelement kann beispielsweise eine Platine bzw. Leiterplatte sein. Die Klebeschichten 65 weisen leitfähige Klebeschichten 65a auf, von denen jede ein elektrisch leitfähiges Band (d. h. ein elektrisch leitfähiger Streifen) sein kann. Die leitfähige Klebeschicht 65 ist an einem Ort, der an jede erste Elektrode 14p, 14q des piezoelektrischen Elements 11p, 11q grenzt, und an einem Ort, der an jede zweite Elektrode 15p, 15q des piezoelektrischen Elements 11p, 11q grenzt, angeordnet. Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode 14p, 15p bedecken, wie in 9A gezeigt, teilweise die Seitenoberfläche 11m des piezoelektrischen Elements 11p, und sowohl die erste als auch die zweite Elektrode 14q, 15q bedecken teilweise die Seitenoberfläche 11n des piezoelektrischen Elements 11q. Jede Elektrode des piezoelektrischen Elements 11p, 11q ist über eine elektrisch leitfähige Schicht 65a elektrisch mit einer Leitung in der Leiterplatte 67 verbunden. Die Leiterplatte 67 ragt von einem unteren Abschnitt eines Raumes zwischen dem piezoelektrischen Element 11p und dem piezoelektrischen Element 11q nach Außerhalb hervor. Ein Verbindungsteil, der an einem Endabschnitt der Leiterplatte 67 angeordnet ist, ist in einen Verbinder 18a eingelassen und elektrisch mit dem Schaltungselement 18 verbunden. Wenn der obige Aufbau angewandt wird, kann zwischen jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s und dem Schaltungselement 18 eine elektrische Verbindung hergestellt werden, ohne dass ein Verdrahtungsprozess, wie beispielsweise ein Drahtbonden, angewandt werden muss. Es kann eine hoch zuverlässige Verdrahtung bereitgestellt werden.

Nachstehend wird eine vierte Modifikation der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben. Das Klebeelement 64 kann, wie in 10 gezeigt, zwischen eine gesamte eine Seitenoberfläche des Sensorelements 13p bis 13s und eine gesamte andere Seitenoberfläche des Sensorelements 13p bis 13s geklebt sein, wobei sich die eine und die andere Seitenoberfläche gegenüberliegen. D. h., die gesamte eine Seitenoberfläche der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s und der Schallanpasselemente 12p bis 12s kann über das Klebeelement 64 an eine andere Seitenoberfläche der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s und der Schallanpasselemente 12p bis 12s geklebt werden, wobei sich die eine und die andere Seitenoberfläche gegenüberliegen. Wenn der obige Aufbau angewandt wird, ist das Kernelement 66 vorzugsweise derart angeordnet, dass es die Schallanpasselemente 12p bis 12s partitioniert, um eine Schwingungsübertragung von einem Schallanpasselement zu einem anderen Schallanpasselement 12p bis 12s zu beschränken. Da der obige Aufbau eine Kontaktfläche erhöht, werden die Klebefestigkeit und die Positioniergenauigkeit verbessert. Ferner wird ein Schwingungsrauschen effektiv unterdrückt.

(Effekt der dritten Ausführungsform)

Das Klebeelement 64 weist die Klebeschichten 65 zur Befestigung der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s und das zwischen den Klebeschichten 65 angeordnete Kernelement 66 auf. Das Kernelement 66 weist eine Plattenform auf und ist aus Hartharz gebildet. Folglich kann die Form des Klebeelements 64 auf einfache Weise aufrechterhalten werden. Das Klebeelement 64 kann bei einem Bonding-Prozess auf einfache Weise verwendet werden. Da sich die akustische Impedanz der Klebeschicht 65 von der des Kernelements 66 unterscheidet, werden die Schwingungen, die versuchen, sich zwischen den piezoelektrischen Elementes 11p bis 11s auszubreiten, an einer Grenze zwischen der Klebeschicht 65 und dem Kernelement 66 reflektiert. Folglich wird die Schwingungsübertragung zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s unterdrückt. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik bereitgestellt werden.

Die Klebeschichten 65 weisen die Leitung 65a für eine Verbindung zwischen jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s und einer externen Leitung auf. Folglich kann eine elektrische Verbindung zwischen jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s und dem Schaltungselement 18 hergestellt werden, ohne dass ein Verdrahtungsprozess, wie beispielsweise ein Drahtbonden, ausgeführt werden muss. Es kann auf einfache Weise eine hoch zuverlässige Verdrahtung bereitgestellt werden. Als das Kernelement kann vorzugsweise eine Leiterplatte 67 verwendet werden, da die Leiterplatte 67 eine Leitung für eine elektrische Verbindung zu einer externen Leitung bereitstellt.

Wenn das Klebeelement 64 derart aufgebaut ist, dass es sich zu einer Seite von jedem Schallanpasselement 12p bis 12s erstreckt, nimmt die Kontaktfläche zu, so dass die Klebefestigkeit und die Positioniergenauigkeit verbessert werden können. Die Leiterplatte 67 (d. h. das Kernelement) ist wenigstens zwischen den benachbarten Schallanpasselementen 12p bis 12s angeordnet. Folglich kann eine Ultraschallwellenübertragung zwischen den Schallanpasselementen 12p bis 12s beschränkt werden.

(Weitere Ausführungsformen)

Es kann, wie in 11 gezeigt, ein Dispersionselement 68 in dem Klebeelement 61 verteilt werden. Das Dispersionselement 68 weist Dispersionselemente auf, die jeweils im Wesentlichen die Form einer Kugel aufweisen und aus Hartharz aufgebaut sind. Bei den obigen Konfigurationen kann das Klebeelement 61 eine geringe thermische Ausdehnung und Kontraktion aufweisen, da ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Dispersionselements 68 aus Hartharz geringer als der des Klebeelements 61 ist. Folglich wird eine Änderung der Raumintervalle zwischen den piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s unterdrückt und kann die Genauigkeit bei der Ultraschallwellenerfassung in Verbindung mit einer thermischen Charakteristik des Ultraschallsensors verbessert werden. Alternativ kann das Klebeelement 61 aus einem Blasen aufweisenden Schaumstoff aufgebaut sein. In diesem Fall reduziert das Vorhandensein der Blasen effektiv die Elastizität des Klebeelements. Da die Blasen bewirken, dass sich die Schwingung bedingt durch eine Dämpfung verringert, wird eine vorteilhafte Übersprechcharakteristik bereitgestellt.

Zur Befestigung der Sensorelemente 13p bis 13s kann ein Teil des Klebeelements 61 an einer Position angeordnet werden, die einer Position eines Knotens einer stehenden Welle entspricht, die in der Nähe der zweiten Elektrode 15p jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s erzeugt wird. Der Knoten ist an einer Position angeordnet, an welcher die Ultraschallwelle bezüglich ihrer Verlaufsrichtung eine minimale Amplitude aufweist. Die Knotenposition kann anhand einer Simulation, einer aktuellen Messung einer Amplitude oder dergleichen bestimmt werden. Bei dem obigen Aufbau ist es ferner möglich, eine Schwingungsdämpfung, die aus einer Beschränkung durch das Klebeelement 61 resultiert, zu reduzieren.

Der Ultraschallsensor kann ferner, wie in 12 gezeigt, ein Schutzelement 70 aufweisen, das eine Außenumfangsoberfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 11p bis 11s bedeckt. Das Schutzelement 70 ist aus einem Material gebildet, das eine derart geringe Elastizität aufweist, dass eine Schwingungsübertragung beschränkt wird. Das Schutzelement 70 ist beispielsweise aus Schaumgummi, Vergussmaterial oder dergleichen aufgebaut. Das Schutzelement 70 kann derart aufgebaut sein, dass es die Aufbringung eines Druckes auf die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s in Richtung der Mitte der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s bewirkt. Im obigen Fall kann jedes piezoelektrische Element 11p bis 11s noch zuverlässiger an der geeigneten Position gehalten werden. Folglich kann die Positioniergenauigkeit verbessert werden. Das Schutzelement 70 kann die piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Wasser, die eine Verschlechterung der Sensoreigenschaften verursachen, schützen und abschirmen. Folglich kann der Ultraschallsensor hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit verbessert werden. Eine Verbindung zwischen dem Schaltungselement 18 und jedem piezoelektrischen Element 11p bis 11s kann wie folgt realisiert werden. Das Schutzelement 70 kann leitfähige Schichten 70a aus einem leitfähigen Material aufweisen, und die leitfähigen Schichten 70a können mit den Elektroden der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s verbunden werden. Alternativ kann das Schutzelement 70 ein Loch für eine Leitung aufweisen, derart, dass ein Teil jeder Elektrode der piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s freiliegt. Alternativ füllt das Schutzelement 70, wie in 13 gezeigt, einen Raum zwischen einer Innenwand des Gehäuses 31, dem Schaltungselement 18 und einer Außenoberfläche jedes piezoelektrischen Elements 11p bis 11s aus. Das Schutzelement 70 füllt ferner einen Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses 31 und einem Teil einer Außenoberfläche jedes Schallanpasselements 12p bis 12s aus, derart, dass das Schutzelement 70 bis zu einem Fünftel der Länge des Schallanpasselements (d. h. ungefähr 1 mm) über einer Kontaktoberfläche zwischen jedem Schallanpasselement und dem piezoelektrischen Element angeordnet ist. Im obigen Fall kann als das Schutzelement vorzugsweise ein Vergusselement verwendet werden. Alternativ kann das Schwingungsdämpfungselement 41, wie in 14 gezeigt, eine Oberfläche der Mehrzahl von Schallanpasselementen 12p bis 12s bedecken. Im obigen Fall weist ein Abschnitt des Schwingungsdämpfungselements 41, welcher die Sende- und Empfangsoberflächen 12a bedeckt, eine Dicke von beispielsweise 1 mm auf, so dass die empfangene Ultraschallwelle mit einer ausreichenden Intensität zur Empfangsoberfläche jedes Schallanpasselements 12p bis 12s übertragen wird. Bei dem obigen Aufbau ist die Grenzfläche zwischen dem Schwingungsdämpfungselement 41 und jedem Schallanpasselement 12p bis 12s nicht nach Außerhalb hin freigelegt. Da das Schwingungsdämpfungselement 41 verhindern kann, dass Wasser durch die Klebeoberfläche eintritt, kann der Ultraschallsensor hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit verbessert werden.

Bei den obigen Ausführungsformen weist der Ultraschallsensor eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen auf, von denen jedes dazu ausgelegt ist, eine Ultraschallwelle auszusenden und zu empfangen. Alternativ kann der Ultraschallsensor ein Ultraschallerfassungselement nur zum Erfassen einer Ultraschallwelle anstelle der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen aufweisen, und kann der Ultraschallsensor ferner ein Ultraschallwellensendeelement aufweisen.

Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen offenbart wurde, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen, so wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird. So sollen zusätzlich zu den aufgezeigten bevorzugten Kombinationen und Konfigurationen andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element enthalten, ebenso als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden werden.