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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, der aus
einem mit einem Schallanpassungselement verbundenen piezoelektrischen
Element aufgebaut ist.
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Es
ist ein Ultraschallsensor bekannt, der aus einem piezoelektrischen
Element aufgebaut ist, das auf einer aus Metall, Harz oder dergleichen
aufgebauten Hauptplatte befestigt ist. Bei dieser Art von Ultraschallsensor
sendet ein Ultraschallsender eine Ultraschallwelle aus, wird die
ausgesendete Ultraschallwelle von einem zu erfassenden Objekt reflektiert
und empfängt ein Ultraschallempfänger die reflektierte
Ultraschallwelle. Auf der Grundlage der empfangenen Ultraschallwelle
kann der Ultraschallsensor eine Position des Objekts, einen Abstand
zum Objekt, eine zweidimensionale Form des Objekts oder eine dreidimensionale
Form des Objekts erfassen.
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Die
JP-A-H11-178823 offenbart
einen Ultraschallsensor mit einem Messfühler, der aus einem
piezoelektrischen Element zum Senden und Empfangen einer Ultraschallwelle
und einer Schallanpassungsschicht für eine effizientere
Ausbreitung der Ultraschallwelle aufgebaut ist. Das piezoelektrische Element
und die Schallanpassungsschicht sind mit einem Verkapselungsmaterial
hoher Härte beschichtet. Auf diese Weise wird der Messfühler
vor einer Verschlechterung durch Umwelteinflüsse, wie beispielsweise
Feuchtigkeit, geschützt. Da das piezoelektrische Element
und die Schallanpassungsschicht jedoch vollständig mit
dem Verkapselungsmaterial beschichtet sind, kann es passieren, dass
eine Schwingung der empfangenen Ultraschallwelle derart durch das
Verkapselungsmaterial gedämpft (d. h. geschwächt)
wird, dass sich die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors
verschlechtert. Ferner kann ein Erfassungsfehler des Ultraschallsensors dadurch
verursacht werden, dass sich das Rauschen durch eine Resonanzschwingung
des Verkapselungsmaterials erhöht. Ferner kann es aufgrund
der hohen Härte des Verkapselungsmaterials passieren, dass
das Verkapselungsmaterial eine auf den Messfühler aufgebrachte
Stoßkraft nicht absorbiert, was zu einer Beschädigung
des Messfühlers führen kann.
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Ferner
kann eine Belastung, die aufgrund einer thermischen Ausdehnung und
Kontraktion des Verkapselungsmaterials auf das piezoelektrische Element
aufgebracht wird, einen Erfassungsfehler des Ultraschallsensors
verursachen.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor
bereitzustellen, der derart aufgebaut ist, dass er vor einer durch
Umwelteinflüsse bedingten Verschlechterung geschützt
ist, ohne dabei eine Verringerung seiner Erfassungsempfindlichkeit
hinnehmen zu müssen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallsensor
einen Ultraschalldetektor, ein Schallanpassungselement, ein Gehäuse,
einen Schwingungsdämpfer, eine Schutzabdeckung und ein
Dämpfungselement auf. Der Ultraschalldetektor ist dazu
ausgelegt, eine von einem zu erfassenden Ziel reflektierte Ultraschallwelle
zu erfassen. Das Schallanpassungselement weist eine Befestigungsoberfläche,
an welcher der Ultraschalldetektor befestigt ist, und eine Empfangsoberfläche auf,
die auf der gegenüberliegenden Seite der Befestigungsoberfläche
angeordnet ist und zu einem Raum hin freiliegt, in welchem das Ziel
vorhanden ist, um die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen. Das
Schallanpassungselement ist dazu ausgelegt, die an der Empfangsoberfläche
empfangene reflektierte Ultraschallwelle zu dem an der Befestigungsoberfläche
befestigten Ultraschalldetektor zu übertragen. Der Ultraschalldetektor
und das Schallanpassungselement sind in dem Gehäuse angeordnet.
Das Gehäuse weist eine Öffnung auf, über
welche die Empfangsoberfläche des Schallanpassungselements
zu dem Raum hin freiliegt. Das Gehäuse ist an einem den
Ultraschallsensor nutzenden Objekt befestigbar. Der Schwingungsdämpfer
ist zwischen dem Schallanpassungselement und einem ersten Abschnitt
einer Innenwand an der Seite des Gehäuses angeordnet und
befestigt das Schallanpassungselement an dem Gehäuse. Der
erste Abschnitt der inneren Seitenwand ist nahe der Öffnung
angeordnet. Der Schwingungsdämpfer ist dazu ausgelegt,
eine vom Objekt auf das Schallanpassungselement übertragene
unerwünschte Schwingung zu dämpfen. Die Oberfläche
des Ultraschalldetektors ist derart mit der Schutzabdeckung bedeckt,
das der Ultraschalldetektor vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise
Feuchtigkeit, geschützt werden kann. Das Dämpfungselement
ist dazu ausgelegt, den Ultraschalldetektor vor einer auf den Ultraschallsensor
aufgebrachten externen Kraft zu schützen. Das Dämpfungselement
weist ein erstes Dämp fungselement und/oder ein zweites Dämpfungselement
auf. Das erste Dämpfungselement ist zwischen dem Ultraschalldetektor
und einer Innenwand am Boden des Gehäuses angeordnet. Das
zweite Dämpfungselement ist zwischen dem Ultraschalldetektor
und einem zweiten Abschnitt der Innenwand an der Seite des Gehäuses
angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Ultraschallsensor eine
Mehrzahl von Detektorsätzen auf, die jeweils ein Schallanpassungselement
und einen an dem Schallanpassungselement befestigten Ultraschalldetektor
aufweisen. Die Detektorsätze sind in einem Array angeordnet.
Der Schwingungsdämpfer ist ferner zwischen benachbarten
Schallanpassungselementen angeordnet. Das Dämpfungselement
weist ferner ein zwischen benachbarten Ultraschalldetektoren angeordnetes
drittes Dämpfungselement auf.
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Die
obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht
wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
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1A eine
Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 1B eine
Querschnittsansicht entlang der Linie IB-IB in der 1A;
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2A eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Ausgestaltung der ersten Ausführungsform, und 2B eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der ersten Ausführungsform;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform;
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5 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform;
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6A eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform, und 6B eine Querschnittsansicht
eines Ultraschallsensors gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform;
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7A eine
Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 7B eine
Querschnittsansicht entlang der Linie VIIB-VIIB in der 7A,
und 7C eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIIC-VIIC
in der 7B;
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8 eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
Ausgestaltung der dritten Ausführungsform;
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9A eine
Querschnittsansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der dritten Ausführungsform, und 9B eine Querschnittsansicht
eines Ultraschallsensors gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der dritten Ausführungsform; und
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10 ein
Fahrzeug, an welchem die Ultraschallsensoren gemäß der
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befestigt
sind.
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Der
Ultraschallsensor 10 kann beispielsweise an einem Fahrzeug
befestigt und als Hindernissensor zur Erfassung eines vor dem Fahrzeug
befindlichen Hindernisses verwendet werden.
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Der
Ultraschallsensor 10 weist, wie in den 1A und 1B gezeigt,
einen Ultraschalldetektor 11, ein Schallanpassungselement 12,
einen Schwingungsdämpfer 13, eine Schutzabdeckung 16 und
ein erstes Dämpfungselement 17 auf. Diese Elemente
sind in einem Gehäuse 31 angeordnet. Der Ultraschalldetektor 11 erfasst
eine Ultraschallwelle, die von einem Ultraschallsender (nicht gezeigt)
von dem Fahrzeug aus nach vorne ausgesendet und anschließend
vom vor dem Fahrzeug befindlichen Objekt reflektiert wird. Das Schallanpassungselement 12 empfängt
die reflektierte Ultraschallwelle und bewirkt, dass sich eine Schwingung
der empfangenen Ultraschallwelle zum Ultraschalldetektor 11 ausbreitet. Der
Schwingungsdämpfer 13 dämpft (d. h. verringert oder
verhindert) eine unerwünschte Schwingung, die von außerhalb
auf das Schallanpassungselement 12 übertragen
wird. Die Schutzabdeckung 16 bedeckt eine Oberfläche
des Ultraschalldetektors 11, um den Ultraschalldetektor 11 vor
Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Staub
und/oder dergleichen, zu schützen. Das erste Dämpfungselement 17 schützt
den Ultraschalldetektor 11 vor einer auf den Ultraschallsensor 10 aufgebrachten
externen Kraft (wie beispielsweise einer Belastung oder einer Stoßkraft).
Das Gehäuse 31 weist eine rechteckige Kastenform
mit einer Öffnung auf.
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Der
Ultraschallsensor 10 wird an einem vorbestimmten Abschnitt
des Fahrzeugs befestigt. Der Ultraschallsensor 10 kann
beispielsweise, wie in den 1A, 1B und 10 gezeigt,
an einer vorderen Stoßstange 20 des Fahrzeugs
befestigt werden. Die vordere Stoßstange 20 weist
ein Befestigungsloch zum Aufnehmen des Ultraschallsensors 10 auf.
Eine äußere Seitenwand des Gehäuses 31 nahe
der Öffnung wird derart an einem Befestigungsabschnitt
(d. h. einer Innenwand) 20a des Befestigungslochs befestigt,
dass eine Empfangsoberfläche 12a des Schallanpassungselements 12 nach
außerhalb der vorderen Stoßstange 20 hin
freiliegen kann. Eine Oberfläche der vorderen Stoßstange 20 kann
beispielsweise, wie in 1B gezeigt, mit der Öffnung des
Gehäuses 31 fluchten.
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Eine
Seitenwand 12c des Schallanpassungselements 12 nahe
der Empfangsoberfläche 12a ist über den
Schwingungsdämpfer 13 an einer Innenwand an der
Seite (d. h. an einer inneren Seitenwand) des Gehäuses 31 nahe
der Öffnung befestigt. Der Schwingungsdämpfer 13 ist
zwischen dem Schallanpassungselement 12 und dem Befestigungsabschnitt 20a der
vorderen Stoßstange 20 angeordnet. Das Schallanpassungselement 12 weist eine
Befestigungsoberfläche 12b auf, die auf der gegenüberliegenden
Seite der Empfangsoberfläche 12a liegt. Der Ultraschalldetektor 11 wird
beispielsweise unter Anwendung eines Klebemittels an der Befestigungsoberfläche 12b des
Schallanpassungselements 12 befestigt. Das erste Dämpfungs element 17 ist
zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und einer Innenwand 31a am
Boden des Gehäuses 31 angeordnet.
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In
dem Ultraschallsensor 10 wird die Ultraschallwelle, die
vom Ultraschallsender (nicht gezeigt) ausgesendet und anschließend
vom Hindernis reflektiert wird, an der Empfangsoberfläche 12a des Schallanpassungselements 12 empfangen.
Die empfangene Ultraschallwelle wird über das Schallanpassungselement 12 zum
Ultraschalldetektor 11 übertragen. Der Ultraschalldetektor 11 erfasst
die übertragene Ultraschallwelle und wandelt die erfasste
Ultraschallwelle in ein Spannungssignal.
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Der
Ultraschalldetektor 11 ist elektrisch mit einer Verarbeitungsschaltung
(nicht gezeigt), wie beispielsweise einer elektronischen Steuereinheit (ECU)
des Fahrzeugs, verbunden. Die Verarbeitungsschaltung führt
Berechnungen auf der Grundlage des vom Ultraschalldetektor 11 ausgegebenen Spannungssignals
aus. Die Verarbeitungsschaltung berechnet beispielsweise Zeit- und
Phasendifferenzen zwischen den gesendeten und reflektierten Ultraschallwellen
und misst einen Abstand zwischen dem Hindernis und dem Fahrzeug
auf der Grundlage der berechneten Zeit- und Phasendifferenzen.
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Der
Ultraschalldetektor 11 weist ein piezoelektrisches Element
und ein Elektrodenpaar 14, 15 auf. Das piezoelektrische
Element weist die Form eines rechteckigen Zylinders auf und ist
beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) aufgebaut. Die Elektroden 14, 15 sind
derart auf gegenüberliegenden Oberflächen 11a, 11b des
piezoelektrischen Elements gebildet, dass das piezoelektrische Element zwischen
den Elektroden 14, 15 angeordnet ist. Die Elektroden 14, 15 können
beispielsweise durch eine Metallisierung oder ein Sputtern von Platin
(Pt) oder Kupfer (Cu) oder durch ein Härten einer leitfähigen Paste
gebildet werden.
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Das
Schallanpassungselement 12 weist die Form eines rechteckigen
Zylinders mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf.
Das Schallanpassungselement 12 ist aus einem Material aufgebaut,
das eine akustische Impedanz aufweist, die größer
als eine akustische Impedanz von Luft und kleiner als eine akustische
Impedanz des Ultraschalldetektors 11 ist. Auf diese Weise
kann die vom Hindernis reflektierte Ultraschallwelle effizient zum
Ultraschalldetektor 11 übertragen werden. Das
Schallanpassungselement 12 kann beispielsweise aus einem Polycarbonatharz,
einem Polyetherimidharz oder dergleichen aufgebaut sein. Da solch
ein Harzmaterial einen Elastizitätskoeffizienten aufweist,
der weitestgehend nicht temperaturabhängig ist, ist eine Wellenlänge
einer sich im Schallanpassungselement 12 ausbreitenden
Ultraschallwelle, weitestgehend nicht temperaturabhängig.
Folglich kann der Ultraschallsensor 10 die Ultraschallwelle
genau erfassen. Alternativ kann das Schallanpassungselement 12 aus
Keramik, Glas oder einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, aufgebaut
sein.
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Eine
Breite W des Schallanpassungselements 12 ist auf einen
Wert von kleiner oder gleich der halben Wellenlänge einer
Ultraschallwelle in Luft gesetzt. Eine Dicke T des Schallanpassungselements 12 ist
auf einen Wert einer viertel Wellenlänge einer Ultraschallwelle
in dem Schallanpassungselement 12 gesetzt. Wenn die Ultraschallwelle
beispielsweise eine Frequenz von 65 Kilohertz (kHz) aufweist, wird
die Breite W auf ungefähr 2,6 Millimeter (mm) und die Dicke
T auf ungefähr 5 mm gesetzt.
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Da
die Dicke T des Schallanpassungselements 12 gleich einer
viertel Wellenlänge der Ultraschallwelle im Schallanpassungselement 12 ist,
wird im Schallanpassungselement 12 eine stehende Welle
erzeugt. Auf diese Weise können eine Interferenz und eine
Auslöschung zwischen einer Ultraschallwelle, die in das
Schallanpassungselement 12 einfällt, und einer
Ultraschallwelle, die an einer Grenzfläche zwischen dem
Ultraschalldetektor 11 und dem Schallanpassungselement 12 reflektiert
wird, verringert werden. Dies führt dazu, dass die einfallende
Ultraschallwelle effizient zum Ultraschalldetektor 11 übertragen
wird.
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Alternativ
kann das Schallanpassungselement 12 eine Form aufweisen,
die sich von der Form eines rechteckigen Zylinders mit einem im
Wesentlichen quadratischen Querschnitt unterscheidet. Das Schallanpassungselement 12 kann
beispielsweise die Form eines kreisrunden Zylinders aufweisen. Die Breite
W des Schallanpassungselements 12 kann auf einen Wert gesetzt
werden, der größer als die halbe Wellenlänge
einer Ultraschallwelle in Luft ist.
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Der
Schwingungsdämpfer 13 ist zwischen der Seitenwand 12c des
Schallanpassungselements 12 und dem Gehäuse 31 angeordnet.
Der Schwingungsdämpfer 13 befestigt das Schallanpassungselement 12 am
Gehäuse 31 und dämpft (d. h. verringert
oder eliminiert) eine unerwünschte Schwingung, die von
der vorderen Stoßstange 20 des Fahrzeugs auf das
Schallanpassungselement 12 übertragen wird. Der
Schwingungsdämpfer 13 wird beispielsweise unter
Verwendung eines Klebemittels an die Seitenwand 12c des
Schallanpassungselements 12 und an die Innenwand an der
Seite des Gehäuses 31 geklebt.
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Der
Schwingungsdämpfer 13 ist aus einem Material aufgebaut,
das eine hohe Dämpfungskonstante und eine akustische Impedanz
aufweist, die geringer als eine akustische Impedanz des Schallanpassungselements 12 ist.
Der Schwingungsdämpfer 13 ist beispielsweise aus
einem Silikonkautschuk aufgebaut. Der Schwingungsdämpfer 13 kann
ferner aus einem Material aufgebaut sein, das einen geringen Elastizitätskoeffizienten
und eine geringe Dichte aufweist. So kann beispielsweise ein Schaummaterial,
wie beispielsweise ein Harzschaum, ein Schaumgummi oder ein Schwammgummi,
dazu geeignet sein, als Material für den Schwingungsdämpfer 13 verwendet
zu werden. Da der aus solch einem Material aufgebaute Schwingungsdämpfer 13 zwischen der
vorderen Stoßstange 20 und dem Schallanpassungselement 12 angeordnet
ist, hilft der Schwingungsdämpfer 13 dabei, zu
verhindern, dass die reflektierte Ultraschallwelle über
die vordere Stoßstange 20 zum Schallanpassungselement 12 übertragen wird,
was zur Rauschverringerung beiträgt. Die sich im Schallanpassungselement 12 ausbreitende
Ultraschallwelle kann insbesondere dann, wenn der Schwingungsdämpfer 13 aus
einem Material mit einem geringen Elastizitätskoeffizienten
aufgebaut ist, effizient zum Ultraschalldetektor 11 übertragen
werden, ohne gedämpft zu werden. Folglich kann der Ultraschalldetektor 11 die
Ultraschallwelle mit einer hohen Empfindlichkeit erfassen.
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Vorzugsweise
wird der Schwingungsdämpfer 13 zwischen das Schallanpassungselement 12 und
die Innenwand des Gehäuses 31 geklebt, wobei ein
Klebemittel verwendet wird, das gegenüber von Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Feuchtigkeit, Öl, Chemikalien, Wetter
oder dergleichen, beständig ist. Ferner weist das Klebemittel
vorzugsweise einen Elastizitätskoeffizienten nahe dem Elastizitätskoeffizienten
des Schwingungsdämpfers 13 auf. Eine Klebekraft
des Klebemittels zwischen dem Schallanpassungselement 12 und
dem Schwingungsdämpfer 13 kann verbessert werden,
indem eine Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise eine
Grundierung, eine Ultraviolett-(UV)-Licht-Behandlung oder eine Beschichtung,
bezüglich wenigstens einer der geklebten Oberflächen
des Schallanpassungselements 12 und des Schwingungsdämpfers 13 vorgenommen wird.
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Eine
freiliegende bzw. offenliegende Oberfläche (d. h. die Seitenoberfläche)
des piezoelektrischen Elements des Ultraschalldetektors 11 ist
mit der Schutzabdeckung 16 bedeckt. Die Schutzabdeckung 16 ist
aus einem Material aufgebaut, das einen geringen Elastizitätskoeffizienten
aufweist und gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Öl,
Chemikalien, Wetter oder dergleichen, beständig ist. Die
Schutzabdeckung 16 kann insbesondere aus einem hochpolymeren
Material aufgebaut sein. Die Schutzabdeckung 16 kann aus einem
weichen Harz, wie beispielsweise Urethan, oder einem Vergussmaterial,
wie beispielsweise Kautschuk oder Silikon, aufgebaut sein. Die Schutzabdeckung 16 wird
gemäß einer vorbestimmten Form, wie beispielsweise
einer Platte, ausgebildet und anschließend an die offenliegende
Oberfläche des Ultraschalldetektors 11 geklebt.
Alternativ kann die Schutzabdeckung 16 gebildet werden,
indem die offenliegende Oberfläche des Ultraschalldetektors 11 mit
einem gelartigen Material beschichtet wird. Alternativ kann die
Schutzabdeckung 16 gebildet werden, indem die offenliegende
Oberfläche des Ultraschalldetektors 11 mit einem
flüssigen Harz beschichtet und das Harz anschließend
gehärtet wird. Bei solch einem Ansatz wird die Schutzabdeckung 16 derart dünn
ausgebildet, dass die Haftung zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und
der Schutzabdeckung 16 verstärkt werden kann.
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Die
Schutzabdeckung 16 wird vorzugsweise so dünn wie
möglich ausgebildet, um die Ausbreitung der Ultraschallwellen
nicht zu beeinflussen. Die Schutzabdeckung 16 weist, wie
in 1B gezeigt, einen Abschnitt auf, der sich auf
der Seite der ersten Elektrode 14 über das Schallanpassungselement 12 erstreckt.
Die Länge des sich erstreckenden Abschnitts wird vorzugsweise
so kurz wie möglich ausgelegt, um die Ultraschallwelle
nicht zu dämpfen. Die Länge des sich erstreckenden
Abschnitts liegt vorzugsweise bei unter 1 mm. Da der Ultraschalldetektor 11 durch
die Schutzabdeckung 16 vor Umwelteinflüssen, wie
beispielsweise Feuchtigkeit, welche die Funktion des Ultraschalldetektors 11 verschlechtern, geschützt
wird, kann die Erfas sungsempfindlichkeit des Ultraschalldetektors 11 gewährleistet
werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors 10 gewährleistet
werden.
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Das
erste Dämpfungselement 17 ist aus einem Material
aufgebaut, das einen Elastizitätskoeffizienten aufweist,
der geringer als ein Elastizitätskoeffizient des Ultraschalldetektors 11 ist.
Das erste Dämpfungselement 17 kann insbesondere
aus einem hochpolymeren Material aufgebaut sein. Das erste Dämpfungselement 17 kann
beispielsweise aus einem weichen Harz, wie beispielsweise Urethan,
oder einem Vergussmaterial, wie beispielsweise Kautschuk oder Silikon,
oder dergleichen aufgebaut sein. Das erste Dämpfungselement 17 ist
derart gebildet, dass die Form seines Querschnitts der Form eines
Querschnitts des Ultraschalldetektors 11 entspricht. Das
erste Dämpfungselement 17 ist zwischen der Oberfläche 11b des
Ultraschalldetektors 11 und der Innenwand 31a am
Boden des Gehäuses 31 angeordnet.
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Selbst
wenn eine Stoßkraft auf die Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpassungselements 12 aufgebracht wird, wie beispielsweise
durch einen fremden Gegenstand (wie beispielsweise einen kleinen
Stein), der während der Fahrt des Fahrzeugs gegen die Empfangsoberfläche 12a schlägt,
absorbiert das erste Dämpfungselement 17 die auf
den Ultraschalldetektor 11 übertragene Stoßkraft.
Folglich hilft das erste Dämpfungselement 17 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 aufgrund
der Stoßkraft bricht. Ferner hilft das erste Dämpfungselement 17 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 in Richtung
der Innenwand 31a am Boden des Gehäuses 31 verschoben
wird. Folglich hilft das erste Dämpfungselement 17 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 von der
Befestigungsoberfläche 12b des Schallanpassungselements 12 gelöst
wird. Auf diese Weise schützt das erste Dämpfungselement 17 den
Ultraschalldetektor 11 vor einer auf den Ultraschallsensor 10 aufgebrachten
externen Kraft.
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Da
der Elastizitätskoeffizient des ersten Dämpfungselements 17 geringer
als der des Ultraschalldetektors 11 ist, beeinflusst das
erste Dämpfungselement 17 die Ultraschallwelle
im Ultraschalldetektor 11 fast nicht. Ferner grenzt das
erste Dämpfungselement 17 nur an den Ultraschalldetektor 11. D.
h., das erste Dämpfungselement 17 grenzt nicht an
das Schallanpassungselement 12. Bei solch einem Ansatz
beeinflusst das erste Dämpfungselement 17 die
Ultraschallwelle im Schallanpas sungselement 12 fast nicht.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 gewährleistet
werden. Ferner wird selbst dann, wenn sich die Temperatur des Ultraschallsensors 10 ändert,
eine durch eine thermische Ausdehnung und Kontraktion des ersten
Dämpfungselements 17 bedingte Belastung nicht
auf den Ultraschalldetektor 11 aufgebracht. Folglich kann
ein durch die Belastung verursachter Erfassungsfehler verhindert
werden, so dass die Erfassungsgenauigkeit des Ultraschallsensors 10 gewährleistet
werden kann.
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Das
erste Dämpfungselement 17 ist vorzugsweise aus
einem Material aufgebaut, das einen Elastizitätskoeffizienten
zwischen ungefähr 0,1 Megapascal (MPa) und ungefähr
10 Gigapascal (GPa) aufweist. Die auf den Ultraschallsensor 10 aufgebrachte
Stoßkraft kann effektiv absorbiert werden, indem der Elastizitätskoeffizient
des ersten Dämpfungselements 17 auf einen Wert
von kleiner oder gleich 10 GPa gesetzt wird. Ferner kann der Ultraschalldetektor 11 selbst
dann, wenn eine Belastung, wie beispielsweise eine Biegebelastung,
durch Schwingungen des Fahrzeugs bedingt auf den Ultraschallsensor 10 aufgebracht
wird, eine korrekte Position aufrechterhalten, indem der Elastizitätskoeffizient
des ersten Dämpfungselements 17 auf einen Wert
von größer oder gleich 0,1 MPa gesetzt wird.
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Das
erste Dämpfungselement 17 kann aus dem gleichen
Material wie die Schutzabdeckung 16 aufgebaut sein. Bei
solch einem Ansatz kann die Schutzabdeckung 16 derart einteilig
mit dem ersten Dämpfungselement 17 ausgebildet
sein, dass das erste Dämpfungselement 17 die gleiche
Wirkung wie die Schutzabdeckung 16 aufweisen kann. Ferner kann
ein Fertigungsprozess des Ultraschallsensors 10 vereinfacht
werden.
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Das
erste Dämpfungselement 17 wird unter Verwendung
eines Klebemittels an der zweiten Elektrode 15, die an
der Oberfläche 11b des Ultraschalldetektors 11 gebildet
ist, und/oder der Innenwand 31a am Boden des Gehäuses 31 befestigt.
Folglich kann eine Verschiebung des ersten Dämpfungselements 17 derart
verhindert werden, dass das erste Dämpfungselement 17 eine
korrekte Position aufrechterhalten kann. Alternativ kann das erste
Dämpfungselement 17 ohne eine Verwendung von Klebemittel
befestigt werden. Das erste Dämpfungselement 17 wird
beispielsweise derart gebildet, dass es eine Dicke aufweist, die
größer als ein Zwischenraum zwi schen der zweiten
Elektrode 15 und der Innenwand 31a am Boden des
Gehäuses 31 ist. Anschließend wird das
die größere Dicke aufweisende erste Dämpfungselement 17 derart
gestaucht, dass es eine Dicke aufweist, die geringer als der Zwischenraum
ist. Anschließend wird das gestauchte erste Dämpfungselement 17 in
den Zwischenraum eingefügt. Bei solch einem Ansatz kann
das erste Dämpfungselement 17 ohne eine Verwendung
von Klebemittel zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und
dem Gehäuse 31 befestigt werden.
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Die
Resonanzfrequenz des ersten Dämpfungselements 17 ist
vorzugsweise größer als eine Frequenz einer Störschwingung
eines Objekts, an welchem der Ultraschallsensor 10 befestigt
wird. Wenn der Ultraschallsensor 10 beispielsweise an dem
Fahrzeug befestigt wird, nimmt die Störschwingung bei einer
Frequenz unter 1 kHz einen hohen Wert an. Folglich liegt die Resonanzfrequenz
des ersten Dämpfungselements 17 dann, wenn der
Ultraschallsensor 10 an einem Fahrzeug befestigt wird, vorzugsweise
bei über 1 kHz. Bei solch einem Ansatz kann verhindert
werden, dass der Ultraschallsensor 10 mit der Störschwingung
des Fahrzeugs schwingt. Folglich kann ein Erfassungsrauschen derart
verringert werden, dass die Erfassungsgenauigkeit des Ultraschallsensors 10 verbessert
werden kann.
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Ferner
ist die Resonanzfrequenz des ersten Dämpfungselements 17 vorzugsweise
annähernd gleich einer Resonanzfrequenz des Ultraschalldetektors 11.
Bei solch einem Ansatz wird die zum Ultraschalldetektor 11 übertragene
Ultraschallwelle derart verstärkt, dass die Erfassungsempfindlichkeit
des Ultraschalldetektors 11 verbessert werden kann.
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Gemäß obiger
Beschreibung ist die Form des Querschnitts des ersten Dämpfungselements 17 bei
der ersten Ausführungsform gleich der des Ultraschalldetektors 11.
Alternativ kann das erste Dämpfungselement 17,
wie in 2A gezeigt, einen Querschnitt
aufweisen, der kleiner als der des Ultraschalldetektors 11 ist.
Alternativ kann das erste Dämpfungselement 17 einen
Querschnitt aufweisen, der größer als der des
Ultraschalldetektors 11 ist. Das erste Dämpfungselement 17 kann
insbesondere, wie in 2B gezeigt, die gesamte Innenwand 31a am Boden
des Gehäuses 31 bedecken.
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Die
Schutzabdeckung 16 kann nicht nur die Seitenoberfläche
des piezoelektrischen Elements des Ultraschalldetektors 11,
sondern ebenso die zweite Elektrode 15 des Ultraschalldetektors 11 bedecken.
Bei solch einem Ansatz kann die zweite Elektrode 15 sicher
vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit,
geschützt werden.
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Gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist
der Ultraschallsensor 10, wie vorstehend beschrieben, den
Ultraschalldetektor 11 zur Erfassung der von einem zu erfassenden
Ziel reflektierten Ultraschallwelle, das Schallanpassungselement 12,
das bewirkt, dass sich die reflektierte Ultraschallwelle zum Ultraschalldetektor 11 ausbreitet, das
Gehäuse 31 zum Unterbringen des Ultraschalldetektors 11 und
des Schallanpassungselements 12 und zum Befestigen des
Ultraschallsensors 10 an der vorderen Stoßstange 20 des
Fahrzeugs und den Schwingungsdämpfer 13 zum Befestigen
des Schallanpassungselements 12 am Gehäuse 31 und zum
Dämpfen unerwünschter Schwingungen, die von der
vorderen Stoßstange 20 auf das Schallanpassungselement 12 übertragen
werden, auf.
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Der
Ultraschallsensor 10 weist ferner das erste Dämpfungselement 17 auf,
das zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und der Innenwand 31a am Boden
des Gehäuses 31 angeordnet ist. Selbst wenn eine
externe Kraft auf den Ultraschallsensor 10 aufgebracht
wird, absorbiert das erste Dämpfungselement 17 die
externe Kraft derart, dass der Ultraschallsensor 10 vor
der externen Kraft geschützt werden kann. Da das erste
Dämpfungselement 17 nur an den Ultraschalldetektor 11 grenzt,
beeinflusst das erste Dämpfungselement 17 die
Ultraschallwelle im Schallanpassungselement 12 fast nicht.
Auf diese Weise kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 gewährleistet
werden.
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Der
Ultraschallsensor 10 weist ferner die Schutzabdeckung 16 auf,
mit welcher die offenliegende Oberfläche des Ultraschalldetektors 11 bedeckt
wird. Da der Ultraschalldetektor 11 durch die Schutzabdeckung 16 vor
Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt
wird, kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 gewährleistet
werden.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass der Ultraschallsensor 10 der ersten
Ausführungsform vor einer Verschlechterung, die durch die externe
Kraft und die Umgebungseinflüsse verursacht wird, geschützt
werden kann, ohne dass er dabei eine Verringerung der Erfassungsempfindlichkeit hinnehmen
muss. Ferner beeinflusst das erste Dämpfungselement 17 die
Ultraschallwelle im Ultraschalldetektor 11 fast nicht,
da der Elastizitätskoeffizient des ersten Dämpfungselements 17 geringer
als der des Ultraschalldetektors 11 ist. Auf diese Weise kann
die vom zu erfassenden Ziel reflektierte Ultraschallwelle mit einer
hohen Empfindlichkeit vom Ultraschalldetektor 11 erfasst
werden. Die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 10 kann
verbessert werden, indem die Resonanzfrequenz des ersten Dämpfungselements 17 auf
einen Wert von annähernd gleich der Resonanzfrequenz des
Ultraschalldetektors 11 gesetzt wird. Die Erfassungsgenauigkeit
des Ultraschallsensors 10 kann verbessert werden, indem
die Resonanzfrequenz des ersten Dämpfungselements 17 auf
einen Wert gesetzt wird, der über der Frequenz der Störschwingung
des Fahrzeugs liegt.
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 30 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Der Ultraschallsensor 30 der
zweiten Ausführungsform unterscheidet sich wie folgt vom
Ultraschallsensor 10 der ersten Ausführungsform.
Der Ultraschallsensor 30 weist, wie in 3 gezeigt,
zweite Dämpfungselemente 27 anstelle des ersten
Dämpfungselements 17 auf.
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Die
zweiten Dämpfungselemente 27 sind aus einem Material
aufgebaut, welches die gleichen Eigenschaften (z. B. Elastizitätskoeffizient)
wie das Material aufweisen, aus welchem das erste Dämpfungselement 17 aufgebaut
ist. Während das erste Dämpfungselement 17 zwischen
der zweiten Elektrode 15 des Ultraschalldetektors 11 und
der Innenwand 31a am Boden des Gehäuses 31 angeordnet
ist, ist jedes zweite Dämpfungselement 27 zwischen
einer Seitenwand 11c des Ultraschalldetektors 11 und
einer Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 angeordnet.
D. h., die Schutzabdeckung 16 ist zwischen der Seitenwand 11c des
Ultraschalldetektors 11 und dem zweiten Dämpfungselement 27 angeordnet.
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Die
zweiten Dämpfungselemente 27 sind gegenüberliegend
auf beiden Seiten des Ultraschalldetektors 11 angeordnet.
Wenn der Ultraschalldetektor 11 die Form eines rechteckigen
Zylinders aufweist (d. h., der Ultraschalldetektor 11 weist
vier Seitenwände 11c auf), sind die zweiten Dämpfungselemente 27 jeweils
zwischen einem Paar gegenüberliegender Seitenwände 11c des
Ultraschalldetektors 11 und der Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses 31 angeordnet. Ein Zwischenraum
zwischen einer der gegenüberliegenden Seitenwände 11c und
der inneren Seitenwand 31b ist vorzugsweise gleich dem
Zwischenraum zwischen der anderen der gegenüberliegenden Seitenwände 11c und
der inneren Seitenwand 31b. Bei solch einem Ansatz weisen
die zweiten Dämpfungselemente 27 die gleiche Dicke
auf und sind die zweiten Dämpfungselemente 27 symmetrisch
zum Ultraschalldetektor 11 angeordnet. Folglich nimmt der
Betrag der thermischen Ausdehnung und Kontraktion der zweiten Dämpfungselemente 27 dann, wenn
sich die Temperatur des Ultraschallsensors 30 ändert,
einen gleichen Wert an. Folglich werden die von den zweiten Dämpfungselementen 27 auf
die gegenüberliegenden Seitenwände 11c aufgebrachten Belastungen
derart ausgeglichen, dass die Erfassungsgenauigkeit des Ultraschallsensors 30 gewährleistet
werden kann.
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Das
zweite Dämpfungselement 27 kann den gleichen Effekt
wie das erste Dämpfungselement 17 aufweisen. Selbst
dann, wenn eine Stoßkraft auf die Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpassungselements 12 aufgebracht wird, wie beispielsweise
durch einen fremden Gegenstand (z. B. einen kleinen Stein), der
während der Fahrt des Fahrzeugs gegen die Empfangsoberfläche 12a schlägt,
kann das zweite Dämpfungselement 27 insbesondere
die auf den Ultraschalldetektor 11 übertragene
Stoßkraft absorbieren. Folglich hilft das zweite Dämpfungselement 27 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 durch die
Stoßkraft bedingt bricht. Ferner hilft das zweite Dämpfungselement 27 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 in Richtung
der Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 verschoben
wird. Folglich hilft das zweite Dämpfungselement 27 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschalldetektor 11 von der
Befestigungsoberfläche 12b des Schallanpassungselements 12 gelöst
wird. Auf diese Weise schützt das zweite Dämpfungselement 27 den Ultraschalldetektor 11 vor
einer auf den Ultraschallsensor 30 aufgebrachten externen
Kraft.
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Der
Elastizitätskoeffizient des zweiten Dämpfungselements 27 ist
auf einen geringeren Wert als der des Ultraschalldetektors 11 gesetzt,
und das zweite Dämpfungselement 27 grenzt einzig
an den Ultraschalldetektor 11. Bei solch einem Ansatz beeinflusst
das zweite Dämpfungselement 27 die Ultraschallwelle
im Ultraschalldetektor 11 und im Schallanpassungselement 12 kaum.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 30 gewährleistet
werden.
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Gleich
dem ersten Dämpfungselement 17 ist das zweite
Dämpfungselement 27 vorzugsweise aus einem Material
aufgebaut, das einen Elastizitätskoeffizienten zwischen
ungefähr 0,1 MPa und ungefähr 10 GPa aufweist.
Ferner ist eine Resonanzfrequenz des zweiten Dämpfungselements 27 vorzugsweise annähernd
gleich der des Ultraschalldetektors 11.
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Das
zweite Dämpfungselement 27 wird unter Verwendung
eines Klebemittels an der Seitenwand 11c des Ultraschalldetektors 11 (über
die Schutzabdeckung 16) und/oder an der Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses 31 befestigt. Folglich
kann eine Verschiebung des zweiten Dämpfungselements 27 derart
verhindert werden, dass das zweite Dämpfungselement 27 eine
korrekte Position aufrechterhalten kann. Alternativ kann das zweite
Dämpfungselement 27 ohne eine Verwendung von Klebemittel befestigt
werden. Ein zweites Dämpfungselement 27 wird beispielsweise
derart gebildet, dass es eine größere Dicke als
der Zwischenraum zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und
der Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 aufweist.
Das die größere Dicke aufweisende zweite Dämpfungselement 27 wird derart
gestaucht bzw. zusammengedrückt, dass es eine geringere
Dicke als der Zwischenraum aufweist. Anschließend wird
das gestauchte zweite Dämpfungselement 27 in den
Zwischenraum eingefügt. Bei solch einem Ansatz kann das
zweite Dämpfungselement 27 ohne eine Verwendung
von Klebemittel zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und
dem Gehäuse 31 befestigt werden. Alternativ kann
das zweite Dämpfungselement 27 gebildet werden,
indem der Zwischenraum mit einem Vergussmaterial gefüllt wird.
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Die
Form des zweiten Dämpfungselements 27 kann auf
verschiedene Weise modifiziert werden. Das zweite Dämpfungselement 27 kann
beispielsweise als einteiliges Element ausgebildet werden, das eine
rechteckige Ringform aufweist, um den Ultraschalldetektor 11 entlang
der Seitenwand 11c zu umgeben. In diesem Fall kann ein
Innenumfang des ringförmigen zweiten Dämpfungselements 27 derart eingestellt
werden, dass er leicht kleiner als ein Außenumfang des
Ultraschalldetektors 11 entlang der Seitenwand 11c ist,
und kann ein Außenumfang des ringförmigen zweiten
Dämpfungselements 27 derart eingestellt werden,
dass er leicht größer als ein Innenumfang des
Gehäuses 31 entlang der inneren Seitenwand 31b ist.
Bei solch einem Ansatz kann das ringförmige zweite Dämpfungselement 27 ohne
eine Verwendung von Klebemittel zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und
dem Gehäuse 31 befestigt werden, indem das ringförmige
zweite Dämpfungselement 27 in den Zwischenraum
zwischen dem Ultraschalldetektor 11 und dem Gehäuse 31 eingefügt wird.
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Alternativ
kann das zweite Dämpfungselement 27, wie in 4 gezeigt,
nahe einem Knotenabschnitt des Ultraschalldetektors 11 angeordnet
werden. D. h., das zweite Dämpfungselement 27 kann annähernd
in einer Linie mit dem Knotenabschnitt des Ultraschalldetektors 11 angeordnet
werden. Der Knotenabschnitt ist ein Abschnitt, an dem ein Knoten N
einer im Ultraschalldetektor 11 auftretenden stehenden
Welle auftritt. Der Knoten N der stehenden Welle ist ein Ort, an
welchem die Amplitude der sich im Ultraschalldetektor 11 ausbreitenden
Ultraschallwelle ein Minimum annimmt. Der Knoten N der stehenden
Welle im Ultraschalldetektor 11 tritt, wie in 4 gezeigt,
nahe der zweiten Elektrode 15 auf. Die Position des Knotens
N der stehenden Welle kann anhand einer Simulation oder einer aktuellen Messung
bestimmt werden. Bei solch einem Ansatz beeinflusst das zweite Dämpfungselement 27 die
Ultraschallwelle im Ultraschalldetektor 11 kaum, so dass
die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 30 verbessert
werden kann.
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Alternativ
kann der Ultraschalldetektor 11 einen Abschnitt aufweisen,
der von der Seitenwand 11 hervorsteht oder in der Seitenwand 11 vertieft
ist, und kann das zweite Dämpfungselement 27 einen
Abschnitt aufweisen, der im Eingriff mit dem hervorstehenden oder
vertieften Abschnitt der Seitenwand 11c des Ultraschalldetektors 11 ist.
So ist beispielsweise, wie in 5 gezeigt,
ein Abschnitt 11t, der von der Seitenwand 11c hervorsteht,
um den gesamten Außenumfang des Ultraschalldetektors 11 herum
gebildet, und ein vertiefter Abschnitt 27a, der im Eingriff mit
dem hervorstehenden Abschnitt 11t des Ultraschalldetektors 11 ist,
um den gesamten Innenum fang des zweiten Dämpfungselements 27 herum
gebildet. Bei solch einem Ansatz kann das zweite Dämpfungselement 27 genau
bezüglich des Ultraschalldetektors 11 positioniert
werden. Ferner kann selbst dann, wenn sich ein Klebemittel, welches
den Ultraschalldetektor 11 und das zweite Dämpfungselement 27 verklebt,
verschlechtert, d. h. eine Klebekraft des Klebemittels nachlässt,
verhindert werden, dass sich das zweite Dämpfungselement 27 vom
Ultraschalldetektor 11 löst.
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Das
zweite Dämpfungselement 27 kann aus dem gleichen
Material wie die Schutzabdeckung 16 aufgebaut sein. Bei
solch einem Ansatz kann die Schutzabdeckung 16 derart einteilig
mit dem zweiten Dämpfungselement 27 ausgebildet
sein, dass das zweite Dämpfungselement 27 den
gleichen Effekt wie die Schutzabdeckung 16 aufweisen kann.
Ferner kann ein Fertigungsprozess des Ultraschallsensors 30 vereinfacht
werden.
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Ferner
kann die Schutzabdeckung 16, gleich der ersten Ausführungsform,
einen Abschnitt aufweisen, der sich auf der Seite der ersten Elektrode 14 über
dem Schallanpassungselement 12 erstreckt. Vorzugsweise
wird die Länge des sich erstreckenden Abschnitts so kurz
wie möglich ausgelegt, um die Ultraschallwelle nicht zu
beeinflussen. Insbesondere liegt die Länge des sich erstreckenden
Abschnitts vorzugsweise bei weniger als 1 mm. Die Schutzabdeckung 16 ist
derart ausgebildet, dass sie sowohl dem Ultraschalldetektor 11 als
auch dem zweiten Dämpfungselement 27 entspricht,
und das zweite Dämpfungselement 27 ist über
die Schutzabdeckung 16 am Ultraschalldetektor 11 befestigt.
Alternativ kann die Schutzabdeckung 16 einzig bezüglich
der freiliegenden Oberfläche des Ultraschalldetektors 11 gebildet
werden, nachdem das zweite Dämpfungselement 27 am
Ultraschalldetektor 11 befestigt wurde.
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Der
Ultraschalldetektor 30 kann, wie in 6A gezeigt,
sowohl das erste Dämpfungselement 17 als auch
das zweite Dämpfungselement 27 aufweisen. In diesem
Fall können das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 aus
dem gleichen Material aufgebaut sein. Ferner kann das erste Dämpfungselement 17,
wie in 6B gezeigt, einteilig mit dem
zweiten Dämpfungselement gebildet sein. D. h., das erste
und das zweite Dämpfungselement 17, 27 können
als ein Teil gebildet sein. Bei solch einem Ansatz kann ein Fertigungsprozess
des Ultraschallsensors 30 verein facht werden. Alternativ
können das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 aus
verschiedenen Materialien gebildet sein. In diesem Fall können
das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 als
getrennte Teile gebildet und anschließend beispielsweise
unter Verwendung eines Klebemittels miteinander verbunden werden. Gemäß einem
weiteren Beispiel können das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 mit
Hilfe eines Sandwich-Spritzgießverfahrens (Co-Injection Molding
Technique) einteilig ausgebildet werden. Das Sandwich-Spritzgießen
wird derart ausgeführt, dass der Ultraschalldetektor 11 in
einer Gussformbasis angeordnet wird und anschließend Harzmaterialien
für das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 in
die Gussformbasis gespritzt werden. Bei solch einem Ansatz können
das erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 ohne
eine Verwendung von Klebemittel fest miteinander verbunden werden.
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Gemäß obiger
Beschreibung weist der Ultraschallsensor 30 der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das zweite Dämpfungselement 27 anstelle
oder zusätzlich zum ersten Dämpfungselement 17 auf.
Das zweite Dämpfungselement 27 ist zwischen dem
Ultraschalldetektor 11 und der Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses 31 angeordnet. Wenn eine
externe Kraft auf den Ultraschallsensor 30 aufgebracht
wird, absorbiert das zweite Dämpfungselement 27 die
externe Kraft. Folglich hilft das zweite Dämpfungselement 27 dabei,
zu verhindern, dass der Ultraschallsensor 30 durch die
externe Kraft gebrochen wird. Ferner beeinflusst das zweite Dämpfungselement 27 die
Ultraschallwelle im Schallanpassungselement 12 kaum, da
das zweite Dämpfungselement 27 einzig an den Ultraschalldetektor 11 grenzt.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 30 gewährleistet werden.
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Das
zweite Dämpfungselement 27 ist symmetrisch zum
Ultraschalldetektor 11 angeordnet. Folglich dehnt sich
und zieht sich das zweite Dämpfungselement 27 dann,
wenn sich die Temperatur des Ultraschallsensors 30 ändert,
auf den gegenüberliegenden Seiten auf beiden Seiten des
Ultraschalldetektors 11 in gleicher Weise aus bzw. zusammen. Folglich
werden die vom zweiten Dämpfungselement 27 auf
dem Ultraschalldetektor 11 aufgebrachten Belastungen derart
ausgeglichen, dass die Erfassungsgenauigkeit des Ultraschallsensors 30 gewährleistet werden
kann.
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Die
Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 30 kann
verbessert werden, indem das zweite Dämpfungselement 27 einzig
nahe dem Knotenabschnitt des Ultraschalldetektors 11 angeordnet wird,
an welchem der Knoten N der stehenden Welle im Ultraschalldetektor 11 auftritt.
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 40 gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die 7A–7C beschrieben.
Der Ultraschallsensor 40 unterscheidet sich wie folgt von
den Ultraschallsensoren 10, 30 der vorhergehenden
Ausführungsformen. Der Ultraschallsensor 40 weist
eine Mehrzahl von Sensorsätzen auf, die jeweils einen Ultraschalldetektor
und ein Schallanpassungselement aufweisen.
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Der
Ultraschallsensor 40 weist, wie in den 7A–7C gezeigt,
vier Ultraschalldetektoren 11p–11s und
vier Schallanpassungselemente 12p–12s auf.
Die Ultraschalldetektoren 11p–11s sind jeweils
derart mit den Schallanpassungselementen 12p–12s verbunden,
dass vier Sensorsätze gebildet werden. Die Sensorsätze
sind derart in einem Array bestehend aus zwei Reihen und zwei Spalten
angeordnet, dass der Ultraschallsensor 40 eine dreidimensionale
Position eines zu erfassenden Ziels erfassen kann. In den Zwischenräumen
zwischen den benachbarten Schallanpassungselementen 12p–12s ist
ein Schwingungsdämpfer 13 angeordnet. Der Schwingungsdämpfer 13 ist
ferner in den Zwischenräumen zwischen dem Gehäuse 31 und
jedem der Schallanpassungselemente 12p–12s angeordnet. Folglich
sind die Schallanpassungselemente 12p–12s über
den Schwingungsdämpfer 13 am Gehäuse 31 befestigt.
Die Ultraschalldetektoren 11p–11s sind
mit einer gemeinsamen Verarbeitungsschaltung (nicht gezeigt), wie
beispielsweise einer ECU, elektrisch verbunden.
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Das
erste Dämpfungselement 17 ist, wie in 7B gezeigt,
zwischen der Innenwand 31a am Boden des Gehäuses 31 und
jedem der Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet.
Im Falle der 7B ist das erste Dämpfungselement 17 einteilig
ausgebildet. Alternativ kann das erste Dämpfungselement 17 als
getrennte Teile ausgebildet sein, von denen jedes zwischen dem Gehäuse 31 und
einem entsprechenden der Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet
ist. Das zweite Dämpfungselement 27 ist, wie in
den 7B und 7C gezeigt,
zwischen der Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 und
den Seitenwänden 11c der Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet.
Das zweite Dämpfungselement 27 weist eine derart
rechteckige Ringform auf, dass es die Ultraschalldetektoren 11p–11s entlang
der Seitenwände 11c umgibt. Im Falle der 7C ist
das zweite Dämpfungselement 27 einteilig ausgebildet. Alternativ
kann das zweite Dämpfungselement 27 als getrennte
Teile ausgebildet sein, von denen jedes zwischen der Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses 31 und einem entsprechenden
der Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet
ist.
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Der
Ultraschallsensor 40 weist zusätzlich zum ersten
und zweiten Dämpfungselement 17, 27 ein
drittes Dämpfungselement 37 auf. Das dritte Dämpfungselement 37 ist,
wie in 7C gezeigt, wenigstens teilweise
in jedem der Zwischenräume zwischen den benachbarten Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet.
Das dritte Dämpfungselement 37 weist einen kreuzförmigen
Querschnitt auf und ist aus einem Material aufgebaut, welches die
gleichen Eigenschaften wie das Material aufweist, aus welchem das
erste und das zweite Dämpfungselement 17, 27 aufgebaut
sind.
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Folglich
sind die Ultraschalldetektoren 11p–11s zwischen
dem zweiten und dem dritten Dämpfungselement 27, 37 angeordnet.
Bei solch einem Ansatz werden die Ultraschalldetektoren 11p–11s beabstandet
zueinander zu regelmäßigen Intervallen (d. h.
einer Breite des dritten Dämpfungselements 37)
gehalten und genau zueinander positioniert. Selbst dann, wenn eine
Stoßkraft auf die Empfangsoberfläche 12a des
Schallanpassungselements 12 aufgebracht wird, wie beispielsweise
durch einen fremden Gegenstand (z. B. einen kleinen Stein), der während
der Fahrt des Fahrzeugs gegen die Empfangsoberfläche 12a schlägt,
absorbieren das zweite und das dritte Dämpfungselement 27, 37 die
auf die Ultraschalldetektoren 11p–11s übertragene
Stoßkraft. Folglich helfen das zweite und das dritte Dämpfungselement 27, 37 dabei,
zu verhindern, dass die Ultraschalldetektoren 11p–11s aufgrund
der Stoßkraft brechen. Ferner helfen das zweite und das
dritte Dämpfungselement 27, 37 dabei,
zu verhindern, dass die Ultraschalldetektoren 11p–11s in
Richtung der Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 verschoben
werden. Folglich helfen das zweite und das dritte Dämpfungselement 27, 37 dabei,
zu verhindern, dass die Ultraschalldetektoren 11p–11s von der
Befestigungsoberfläche 12b des Schallanpassungselements 12 gelöst
werden. Auf diese Weise schützen das zweite und das dritte
Dämpfungs element 27, 37 die Ultraschalldetektoren 11p–11s vor
einer auf den Ultraschallsensor 40 aufgebrachten externen
Kraft.
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Der
Elastizitätskoeffizient des dritten Dämpfungselements 37 ist
geringer als der jedes Ultraschalldetektors 11p–11s,
und das dritte Dämpfungselement 37 grenzt einzig
an die Ultraschalldetektoren 11p–11s.
Bei solch einem Ansatz beeinflusst das dritte Dämpfungselement 37 die
Ultraschallwelle in den Ultraschalldetektoren 11p–11s und
den Schallanpassungselementen 12p–12s kaum.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 40 gewährleistet
werden. Gleich dem ersten und dem zweiten Dämpfungselement 17, 27 ist
das dritte Dämpfungselement 37 vorzugsweise aus
einem Material aufgebaut, das einen Elastizitätskoeffizienten aufweist,
der ungefähr zwischen 0,1 MPa und ungefähr 10
GPa liegt, und ist eine Resonanzfrequenz des dritten Dämpfungselements 37 vorzugsweise
annähernd gleich einer Resonanzfrequenz von jedem der Ultraschalldetektoren 11p–11s.
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Das
dritte Dämpfungselement 37 kann aus dem gleichen
Material wie die Schutzabdeckung 16 aufgebaut sein. Bei
solch einem Ansatz kann die Schutzabdeckung 16 derart einteilig
mit dem dritten Dämpfungselement 37 ausgebildet
sein, dass das dritte Dämpfungselement 37 den
gleichen Effekt wie die Schutzabdeckung 16 aufweisen kann.
Ferner kann ein Fertigungsprozess des Ultraschallsensors 40 vereinfacht
werden.
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Das
dritte Dämpfungselement 37 wird unter Verwendung
eines Klebemittels an der Seitenwand 11c von jedem der
Ultraschalldetektoren 11p–11s befestigt.
Folglich kann eine Verschiebung des dritten Dämpfungselements 37 derart
verhindert werden, dass das dritte Dämpfungselement 37 eine
korrekte Position aufrechterhalten kann. Alternativ kann das dritte
Dämpfungselement 37 ohne eine Verwendung von Klebemittel
befestigt werden. Das dritte Dämpfungselement 37 kann
beispielsweise derart gebildet werden, dass es eine größere
Breite als der Zwischenraum zwischen benachbarten Ultraschalldetektoren 11p–11s aufweist.
Anschließend wird das dritte Dämpfungselement 37 auf
eine Dicke gestaucht, die geringer als der Zwischenraum ist, und das
gestauchte dritte Dämpfungselement 37 in den Zwischenraum
eingefügt. Bei solch einem Ansatz kann das dritte Dämpfungselement 37 ohne
eine Verwendung von Klebemittel zwischen benachbarten Ultraschalldetektoren 11p–11s befestigt werden.
Alternativ kann das dritte Dämpfungselement 37 gebildet werden,
indem der Zwischenraum mit einem Vergussmaterial gefüllt
wird.
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Die
Breite des Zwischenraums zwischen der Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses 31 und jedem der Ultraschalldetektoren 11p–11s ist
vorzugsweise gleich der Breite des Zwischenraums zwischen benachbarten
Ultraschalldetektoren 11p–11s. Bei solch
einem Ansatz nimmt die Breite des zweiten Dämpfungselements 27 die
Breite des dritten Dämpfungselements 37 an. Folglich
wird der Betrag der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des zweiten
Dämpfungselements 27 selbst dann, wenn sich die
Temperatur des Ultraschallsensors 40 ändert, gleich
dem Betrag der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des dritten
Dämpfungselements 37. Folglich wird eine vom zweiten
Dämpfungselement 27 auf die Ultraschalldetektoren 11p–11s aufgebrachte
Belastung derart durch die vom dritten Dämpfungselement 37 auf
die Ultraschalldetektoren 11p–11s aufgebrachte
Belastung ausgeglichen, dass die Erfassungsgenauigkeit des Ultraschallsensors 40 gewährleistet
werden kann.
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Der
Ultraschallsensor 40 weist eine Mehrzahl von Sensorsätzen
auf, die in einem Array angeordnet sind. Folglich kann der Ultraschallsensor 40 nicht
nur den Abstand zu einem zu erfassenden Ziel, sondern ebenso die
Position bzw. den Standort des Ziels erfassen, indem er Zeit- und
Phasendifferenzen zwischen den jeweiligen Ultraschallwellen berechnet, die
von den Ultraschalldetektoren 11p–11s empfangen
werden. Da das zwischen den Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnete
dritte Dämpfungselement 37 aus einem Material
mit einem geringen Elastizitätskoeffizienten aufgebaut
ist, hilft das dritte Dämpfungselement 37 dabei,
das aus einem Übersprechen zwischen den Ultraschalldetektoren 11p–11s resultierende
Rauschen zu verringern.
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Die
Breite W (siehe 1) von jedem der Schallanpassungselemente 12p–12s wird
auf einen Wert von kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge
einer Ultraschallwelle in Luft gesetzt. Ein Abstand D zwischen den
Mitten benachbarter Schallanpassungselemente 12p–12s wird
auf eine halbe Wellenlänge einer Ultraschallwelle gesetzt.
Bei solch einem Ansatz können die Zeitdifferenzen zwischen
den empfangenen Ultraschallwellen auf der Grundlage der Phasendifferenzen
zwischen den empfangenen Ultraschallwellen erfasst werden. Folglich
können die Zeitdifferenzen derart genau erfasst werden,
dass der Abstand zum Ziel und die Position des Ziels genau gemessen
werden können. Selbst wenn die Breite W jedes Schallanpassungselements 12p–12s größer
als eine halbe Wellenlänge der Ultraschallwelle in Luft
ist, kann der Ultraschallsensor 40 dazu verwendet werden,
die dreidimensionale Position des Ziels zu erfassen.
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Die
Anzahl und Anordnung der Sensorsätze kann in Abhängigkeit
der gedachten Anwendung des Ultraschallsensors variieren. Wenn der
Ultraschallsensor 40 beispielsweise zwei Sensorsätze
aufweist, kann der Ultraschallsensor 40 dazu verwendet
werden, eine zweidimensionale Position eines zu erfassenden Ziels
zu erfassen. Die Form des dritten Dämpfungselements 37 kann
auf verschiedene Weise geändert werden. Das dritte Dämpfungselement 37 kann
beispielsweise, wie in 8 gezeigt, als getrennte Teile
gebildet werden, von denen jedes in einem entsprechenden Zwischenraum
zwischen benachbarten Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet
ist. Das dritte Dämpfungselement 37 kann mit dem
ersten Dämpfungselement 17 und/oder dem zweiten
Dämpfungselement 27 einteilig ausgebildet sein.
Das dritte Dämpfungselement 37 kann beispielsweise,
wie in 9A gezeigt, einteilig mit dem ersten
Dämpfungselement 17 gebildet sein. Das dritte
Dämpfungselement 37 kann, wie in 9B gezeigt,
einteilig mit dem zweiten Dämpfungselement 27 ausgebildet
sein. Bei solch einem Ansatz kann ein Fertigungsprozess des Ultraschallsensors 40 vereinfacht
werden. Ein oder zwei der drei Dämpfungselemente 17, 27, 37 können
nicht im Ultraschallsensor 40 vorgesehen sein. Der Ultraschallsensor 40 kann beispielsweise
entweder das erste Dämpfungselement 17 oder das
zweite Dämpfungselement 27 aufweisen.
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Die
in den 2A, 2B, 4, 5, 6A und 6B gezeigten
Strukturen können auf den Ultraschallsensor 40 angewandt
werden. Das dritte Dämpfungselement 37 kann einzig
nahe dem Knotenabschnitt jedes Ultraschalldetektors 11p–11s angeordnet
sein. Bei solch einem Ansatz beeinflusst das dritte Dämpfungselement 37 die
Ultraschallwelle in den Ultraschalldetektoren 11p–11s derart
geringfügig, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 40 verbessert
werden kann.
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Gemäß der
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist
der Ultraschallsensor 40 gemäß obiger
Beschreibung eine Mehrzahl von Sensorsätzen auf, die in
einem Array angeordnet sind. Folglich kann der Ultraschallsensor 40 nicht
nur den Abstand zum Ziel, sondern ebenso die Position des Ziels
erfassen, indem er die Zeit- und Phasendifferenzen zwischen den
jeweiligen Ultraschallwellen berechnet, die von den Ultraschalldetektoren 11p–11s empfangen
werden. Der Ultraschallsensor 40 weist zusätzlich
zum ersten und zum zweiten Dämpfungselement 17, 27 das
dritte Dämpfungselement 37 auf, das zwischen benachbarten
Ultraschalldetektoren 11p–11s angeordnet
ist. Folglich werden die Ultraschalldetektoren 11p–11s beabstandet
zueinander zu regelmäßigen Intervallen gehalten
und genau zueinander positioniert. Selbst dann, wenn eine externe Kraft
auf den Ultraschallsensor 40 aufgebracht wird, absorbiert
das dritte Dämpfungselement die externe Kraft derart, dass
der Ultraschallsensor 40 vor der externen Kraft geschützt
werden kann. Da das dritte Dämpfungselement 37 einzig
an die Ultraschalldetektoren 11p–11s grenzt,
beeinflusst das dritte Dämpfungselement 37 die
Ultraschallwelle in den Schallanpassungselementen 12p–12s kaum.
Folglich kann die Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 40 gewährleistet
werden.
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Die
vom zweiten Dämpfungselement 27 auf die Ultraschalldetektoren 11p–11s aufgebrachte
thermische Belastung kann durch die vom dritten Dämpfungselement 37 auf
die Ultraschalldetektoren 11p–11s aufgebrachte
thermische Belastung ausgeglichen werden, indem die Breite des Zwischenraums
zwischen der Innenwand 31b an der Seite des Gehäuses 31 und
jedem der Ultraschalldetektoren 11p–11s auf
die Breite des Zwischenraums zwischen den benachbarten Ultraschalldetektoren 11p–11s gesetzt
wird. Bei solch einem Ansatz kann die Erfassungsgenauigkeit des
Ultraschallsensors 40 gewährleistet werden. Die
Erfassungsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 40 kann
verbessert werden, indem das dritte Dämpfungselement 37 einzig
nahe dem Knotenabschnitt jedes Ultraschalldetektors 11p–11s angeordnet
wird.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können
auf verschiedene Weise ausgestaltet werden. Die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können beispielsweise
an einem Fahrzeugabschnitt befestigt werden, der sich von der vorderen
Stoßstange 20 unterscheidet. Die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können,
wie in 10 gezeigt, an einer vorderen
Scheinwerferabdeckung 21 eines Fahrzeugs 60 befestigt werden.
Bei solch einem Ansatz können die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 eine
von einem vor dem Fahrzeug 60 befindlichen Objekt reflektierte
Ultraschallwelle direkt empfangen, um so die reflektierte Ultraschallwelle
sicher zu erfassen. Folglich können die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 in
geeigneter Weise als Fronthindernissensor zur Erfassung eines vor dem
Fahrzeug 60 befindlichen Hindernisses verwendet werden.
Die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können
an einer Blinkerabdeckung 22, einem Türspiegel 23 oder
an einer vorderen Seitentür 28 des Fahrzeugs befestigt
werden. Bei solch einem Ansatz können die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 in
geeigneter Weise als Seitenhindernissensor zur Erfassung eines neben
dem Fahrzeug 60 befindlichen Hindernisses verwendet werden.
Die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können
an einer Schlussleuchtenabdeckung 24, einer Rücklichtabdeckung 25 oder
einer hinteren Seitentür 29 des Fahrzeugs 60 befestigt
werden. Bei solch einem Ansatz können die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 in
geeigneter Weise als hinterer Hindernissensor zur Erfassung eines
hinter dem Fahrzeug 60 befindlichen Hindernisses verwendet
werden.
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Die
Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können an
einem von einem Fahrzeug verschiedenen Objekt befestigt werden.
Die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 können
beispielsweise an einem Innenraumroboter befestigt werden. Wenn
die Ultraschallsensoren 10, 30, 40 in
einer Umgebung verwendet werden, in der sie mit geringer Wahrscheinlichkeit
Feuchtigkeit, Wasserdampf oder dergleichen ausgesetzt sind, kann
die Schutzabdeckung 16 bei den Ultraschallsensoren 10, 30, 40 ausgelassen
werden. Der Ultraschallsensor 11 kann derart ausgelegt
sein, dass er eine Ultraschallwelle nicht nur erfassen, sondern ebenso
aussenden kann.
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Solche Änderungen
und Ausgestaltungen sollen als mit im Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung, so wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist, beinhaltet verstanden werden.
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Vorstehend
wurde ein Ultraschallsensor offenbart.
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Ein
Ultraschallsensor weist einen Ultraschalldetektor 11 zur
Erfassung einer Ultraschallwelle, ein mit dem Ultraschalldetektor
verbundenes Schallanpassungselement 12, ein Gehäuse 31,
in welchem der Ultraschalldetektor und das Schallanpassungselement
angeordnet sind, einen Schwingungsdämpfer 13,
der zwischen dem Schallanpassungselement und einer Innenwand 31b an
der Seite des Gehäuses angeordnet ist, um eine unerwünschte
Schwingung von außerhalb zu dämpfen, und ein Dämpfungselement 17 auf,
das zwischen dem Ultraschalldetektor und einer Innenwand 31a am
Boden des Gehäuses angeordnet ist, um eine auf den Ultraschallsensor
aufgebrachte externe Kraft zu absorbieren. Das Dämpfungselement
grenzt nicht an das Schallanpassungselement.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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