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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einer
Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sensorelementen.
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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.
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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 , welche der
US 7,309,948 entspricht,
offenbart einen Ultraschallsensor, in dem ein Befestigungselement
aus Hartharz bei der Positionierung eines Messwertgebers eine Rolle spielt.
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Bei
dem in der
JP 2003-235098 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 Ultra schallwelle 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.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor
mit einer hohen Positioniergenauigkeit der Sensorelemente und einer geringen
Ultraschallwellendämpfung bereitzustellen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallsensor
bereitgestellt, der eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten
Sensorelementen aufweist. Jedes Sensorelement weist ein Ultraschallerfassungselement zur
Erfassung einer von einem Objekt reflektierten Ultraschallwelle
auf. jedes Sensorelement weist ferner ein Schallanpasselement mit
einer Empfangsoberfläche zum Empfangen der vom Objekt reflektierten
Ultraschallwelle auf. Die Empfangsoberfläche ist zu einem
Raum hin ausgerichtet, in welchem das Objekt voraussichtlich vorhanden
ist. Eine Oberfläche des Schallanpasselements, die auf
der gegenüberliegenden Seite der Empfangsoberfläche
liegt, ist mit dem Ultraschallerfassungselement verbunden. Das Schallanpasselement
leitet bzw. überträgt die von der Empfangsoberfläche
empfangene Ultraschallwelle zum Ultraschallerfassungselement. Der
Ultraschallsensor weist ferner ein Klebeelement auf, das eine Dicke
aufweist, die annähernd einem Raumintervall zwischen benachbarten
Ultraschallerfassungselementen entspricht. Das Klebeelement befestigt
die Mehrzahl von Sensorelementen mittels eines Klebemittels. Das
Klebeelement weist einen Abschnitt auf, der an jedes Ultraschallerfassungselement
grenzt. Ein Elastizitätsmodul des Abschnitts ist geringer
als der jedes Ultraschallerfassungselements.
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Gemäß dem
obigen Ultraschallsensor 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 Sensorelemen ten
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.
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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:
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1A eine
schematische Draufsicht eines Ultraschallsensors gemäß einer
ersten Ausführungsform von der Seite eines Schallanpasselements
aus gesehen;
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1B eine
schematische Querschnittsansicht des Ultraschallsensors entlang
der Linie IB-IB in der 1A;
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2 ein
Diagramm, das ein Schwingungsrauschen in Abhängigkeit des
Young'schen Moduls eines Klebeelements zeigt;
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3 ein
Diagramm, das eine Empfindlichkeit in Abhängigkeit des
Young'schen Moduls des Klebeelements zeigt;
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4A und 4B beispielhafte
Querschnittsansichten in Querrichtung, die schematisch einen Prozess
zur Befestigung von piezoelektrischen Elementen mittels Klebemittel
unter Verwendung eines Klebeelements zeigen;
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5A eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5B eine
schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements
gemäß der zweiten Ausführungsform von
einer Seite einer Klebeebene des Klebeelements aus gesehen;
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6A eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß der dritten Ausführungsform;
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6B eine
schematische Querschnittsansicht in Querrichtung zur Veranschaulichung
von piezoelektrischen Elementen gemäß der dritten
Ausführungsform;
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7A eine
schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements
eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Modifikation
der dritten Ausführungsform;
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7B eine
schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie
VIIB-VIIB in der 7A;
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8A eine
schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements
eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Modifikation
der dritten Ausführungsform;
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8B eine
schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie
VIIIB-VIIIB in der 8A;
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8C eine
schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements
eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten Modifikation
der dritten Ausführungsform;
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8D eine
schematische Querschnittsansicht des Klebeelements entlang der Linie
VIIID-VIIID in der 8C;
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9A eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten Modifikation der
dritten Ausführungsform;
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9B eine
schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Klebeelements
eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten Modifikation
der dritten Ausführungsform;
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10 eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform;
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11 eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten modifizierten
Ausführungsform;
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12 eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten modifizierten Ausführungsform;
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13 eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer vierten modifizierten Ausführungsform;
und
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14 eine
schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung
eines Ultraschallsensors gemäß einer fünften
modifizierten Ausführungsform.
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(Erste Ausführungsform)
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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.
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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 Sen sorelemente 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 pie zoelektrischen Element 11p reflektiert wird.
Folglich kann das Schallanpasselement 12p die Ultraschallwelle
effektiv zum piezoelektrischen Element 11p leiten bzw. übertragen.
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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.
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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.
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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 Übersprechcha rakteristik
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.
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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.
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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.
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Die
piezoelektrischen Elemente 11p bis 11s können
auf die folgende Weise über das Klebeelement 61 verbunden
bzw. verklebt werden. Die Seitenoberflächen der pie zoelektrischen
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Modifikationen der ersten Ausführungsform)
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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.
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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.
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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.
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(Effekt der ersten Ausführungsform)
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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.
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(Zweite Ausführungsform)
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 20 gemäß einer
zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben.
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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.
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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.
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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 piezo elektrischen
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.
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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.
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(Modifikationen der zweiten Ausführungsform)
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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.
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(Effekt der zweiten Ausführungsform)
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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.
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(Dritte Ausführungsform)
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Nachstehend
wird ein Ultraschallsensor 30 gemäß einer
dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B und 10 beschrieben.
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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.
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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.
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Ein
Elastizitätsmodul und eine akustischen Impedanz des Kernelements 66 sind
höher als ein Elastizitätsmodul und eine akustische
Impedanz der Klebeschichten 65.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Modifikationen der dritten Ausführungsform)
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Effekt der dritten Ausführungsform)
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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.
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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.
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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 Schall anpasselementen 12p bis 12s angeordnet.
Folglich kann eine Ultraschallwellenübertragung zwischen
den Schallanpasselementen 12p bis 12s beschränkt
werden.
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(Weitere Ausführungsformen)
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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.
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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.
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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.
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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, and kann der Ultraschallsensor
ferner ein Ultraschallwellensendeelement aufweisen.
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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.
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Vorstehend
wurde ein Ultraschallsensor offenbart.
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Es
wird ein Ultraschallsensor bereitgestellt, der eine Mehrzahl von
in einem Array angeordneten Sensorelementen 13p bis 13s aufweist.
Jedes Sensorelement 13p bis 13s weist ein Ultraschallerfassungselement 11p bis 11s und
ein Schallanpasselement 12p bis 12s auf. Der Ultraschallsensor
weist ferner ein Klebeelement 61, 62, 64 auf,
das eine Dicke aufweist, die annähernd einem Raumintervall
L zwischen benachbarten Ultraschallerfassungselementen entspricht.
Das Klebeelement 61, 62, 64 befestigt
die Mehrzahl von Sensorelementen 13p bis 13s mittels
eines Klebemittels und weist einen an jedes Ultraschallerfassungselement
grenzenden Abschnitt auf. Ein Elastizitätsmodul des Abschnitts
ist geringer als der jedes Ultraschallerfassungselements 11p bis 11s.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-235098 [0003, 0004]
- - US 7309948 [0003]