CN101071170A

CN101071170A - 超声波传感器

Info

Publication number: CN101071170A
Application number: CNA2007101009766A
Authority: CN
Inventors: 奥田泰行; 吉田贵彦; 杉浦真纪子; 寺亮之介; 长谷部雄太
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: JP2007306043A; US7613073B2; DE102007021616A1; DE102007021616B4; CN100533172C; US20070268783A1

Abstract

一种超声波传感器(1)包括：多个振动部分(16)，每个都在向其传送由检测物体(M)反射的超声波(U)时振动以接收相应超声波(U)；多个接收元件(10)，每个都包括该振动部分(16)中的相应一个并基于相应超声波(U)检测检测物体(M)；波导(33)，其保持多个接收元件(10)并被形成为使超声波(U)经波导(33)传送到各接收元件(10)，波导包括：面对检测物体(M)的第一开口(33b)，由检测物体(M)反射的相应超声波(U)经第一开口(33b)进入波导(33)；从第一开口(33b)看不到的第二开口(33c)，其保持多个接收元件(10)，每个振动部分(16)都布置成面对各振动部分(16)接收超声波(U)的方向；反射表面(33a)，用于反射经波导(33)第一开口(33b)朝各振动部分(16)进入的超声波(U)。

Description

超声波传感器

技术领域

本发明涉及一种超声波传感器。

背景技术

近年来，此类超声波传感器例如安装在汽车(车辆)上。超声波传感器传送来自传送装置的超声波，并使用接收装置接收由检测物体反射的该超声波，从而测量汽车周围的物体的方向和距该物体的距离。以这种方式，通过使用超声波传感器来监测汽车的周围区域，可提高驾驶安全性。

例如，超声波传感器安装于汽车的后部。汽车泊车辅助***正被投入实际使用，其通过采用声纳设备在停车过程中帮助司机避免在倒车时与人或障碍物相撞，该声纳设备用于使用超声波传感器来接收被汽车后面的人或障碍物反射的超声波，以及用于检测它们。

另外，人们关注的是超声波传感器的接收元件。该接收元件具有振动部分，其包括形成在薄膜部分上的压电体薄膜，其使用MEMS(微机电***)技术形成为基板的薄壁部分。

当超声波传感器的接收元件安装在车辆中且接收元件暴露于外面时，如果水滴或灰尘粘附在接收元件的表面上，则不能准确测量距检测物体的距离。而且，接收元件可能会被外力负载例如与小石头的相撞而损坏。

在例如JP 2002-58097A中公开了一种具有保护结构的超声波传感器，用于防止由于接收元件的污染或外力负载而毁坏。该接收元件放置在铝壳体内，不使接收元件暴露于外面，且用于检测超声波的压电式振动检测元件直接与波导兼振动板相连。因此，超声波传感器使用波导的振动来接收超声波。

但是，在采用MEMS接收元件的超声波传感器(例如压电式或电容式超声波传感器)中，其具有振动部分，以使用振动部分的振动来检测超声波，通过使接收元件直接与金属壳体相连不可能获得足够的振动。另外，在采用MEMS接收元件的超声波传感器中，接收元件具有由于其结构带来的机构强度较低的压电体薄膜。因此，当接收元件直接与金属壳体相连时，接收元件容易被损坏。

在接收元件不与金属壳体相连且在接收元件和金属壳体之间具有空间时，超声波不能被有效地接收。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，因此，本发明的目的在于提供一种超声波传感器，其可有效地接收超声波，并保护接收元件。

为了实现上述目的，本发明提供一种超声波传感器，其包括多个振动部分、多个接收元件、以及一个波导。所述多个振动部分中的每个都在向其传送由检测物体反射的相应超声波时振动，从而接收所述相应超声波。所述多个接收元件中的每个都包括所述多个振动元件中的相应一个，并基于该相应超声波来检测检测物体。波导保持住所述多个接收元件并形成为使得相应超声波通过波导传送到所述多个接收元件中的每一个。波导包括第一开口、第二开口、以及反射表面。第一开口面对所述检测物体。被检测物体反射的相应超声波通过第一开口进入所述波导。从第一开口处看不到第二开口。所述多个接收元件由波导的第二开口保持住，从而所述多个振动部分的每一个布置成面对某个方向，在该方向上，所述多个振动部分的每一个接收所述相应超声波。反射表面用于在朝着所述多个振动部分中的每一个的方向上反射通过波导第一开口进入的该相应超声波。

附图说明

在参考下面的描述、所附权利要求以及附图的基础上，本发明以及其他目的、特征和优点将更加容易理解，其中：

图1A为超声波传感器的接收元件的示意性平面图；

图1B为沿图1A中的线IB-IB的示意性剖视图；

图2A为根据本发明一个实施例的超声波传感器的纵剖视图；

图2B为根据该实施例从图2A中IIB方向看的平面图；

图2C为根据该实施例从图2A中IIC方向看的平面图；

图3为根据该实施例的第一变化例的纵剖视图，示出了对反射表面的改动；

图4A为根据该实施例的第二变化例的纵剖视图，示出了对第一开口的改动；

图4B为根据该第二变化例的纵剖视图，示出了对第一开口的另一改动；

图5为根据该实施例的第三变化例的纵剖视图，示出了在超声波传感器中，在反射表面上具有能反射超声波的反射件；

图6为根据该实施例的第四变化例的纵剖视图，示出了在超声波传感器中，在除了该反射表面外的波导的内壁面上设有吸收件；

图7A为根据该实施例的第五变化例的纵剖视图，示出了对第一开口、第二开口、反射表面的布置的改动；

图7B为根据所述第五变化例的纵剖视图，示出了对第一开口、第二开口、反射表面的布置的另一改动；

图8A为根据该实施例的第六变化例，从图2A中IIB方向看的平面图，其中接收元件之一被传送元件替代；

图8B为根据所述第六变化例的传送元件与接收元件相整合的另一例子，其中接收元件的一部分被两个传送元件替代，保持接收元件的两两并排结构；以及

图9为根据本发明的另一实施例的超声波传感器的纵剖视图，其中设有罩住第一开口的传送件。

具体实施方式

下面参考附图描述根据本发明的超声波传感器的波导的一个实施例。超声波传感器安装在车辆中，用作障碍物传感器。

图1A、1B为超声波传感器的接收元件的示意图。图1A为接收元件的示意平面图，图1B为沿图1A中线IB-IB看的剖视图。图2A、2B、2C为根据本发明的该实施例的超声波传感器的示图，图2A为该超声波传感器的纵剖视图，图2B为从IIB方向看的图2A的平面图，图2C为从IIC方向看的图2A的平面图。图2A的右手侧示出了车辆的外面。图3为示出了对反射表面进行改动的纵剖视图。图4A、4B示出了对第一开口进行改动的纵剖视图。图5示出了在其反射表面上具有能反射超声波的反射件的超声波传感器的纵剖视图。图6为超声波传感器的纵剖视图，其中吸收件设在波导的除反射表面外的内壁面上。图7A、7B示出了对第一开口、第二开口、反射表面的布置进行改动的纵剖视图。

此外，每个图都进行了部分放大，目的是为了更好地解释。除了图1A、1B外，接收元件的结构都被加以了简化。

(超声波的接收元件的结构)

下面描述设在超声波传感器中的接收元件的结构。

如图1A、1B所示，接收元件10用具有SOI(绝缘体上的硅)结构矩形半导体基板11形成。该半导体基板11通过将第一介电层11b、硅活性层11c、以及第二介电层11d按此顺序堆叠在支撑件11a的上表面11m上而形成，该支撑件由硅制成。

在半导体基板11的中央部分，支撑件11a和第一介电层11b的中央部分可以使用MEMS技术以矩形方式移除。因此，支撑件11a被形成为框架状，在其中央部分中开有四棱柱状的孔。半导体基板11的其余部分，也即，硅活性层11c和第二介电层11d分别形成为矩形薄膜状。

压电振动器12形成在第二介电层11d上，罩住一部分第二介电层11d，该第二介电层形成为薄膜状。压电振动器12通过将例如由铅锌钛(PTZ)制成的压电体薄膜12a放置在下表面电极13和上表面电极14之间而形成。下表面电极13和上表面电极14具有以四边形方式形成的各部分，以将压电体薄膜12a放置在其间，还具有各电极垫13a、14a，其形成在半导体基板11的拐角附近，以除去电势。

另外，第三介电层15形成在上表面电极14的一个表面上。振动部分16由这样一个件形成，在该件中，硅活性层11c、第二介电层11d、压电体薄膜12a、下表面电极13、上表面电极14、以及第三介电层15被堆叠，且该件与支撑件11a的框架状开口相对应。振动部分16的端部由支撑件11a保持。

振动部分16具有预定的谐振频率。振动部分16接收由检测物体反射并传送到接收元件10的超声波，以产生共振。通过使用压电振动器12将由共振产生的振动部分16的位移转换成电压信号，来检测该超声波。

接收元件10的振动部分16使用MEMS技术来制造，其被支撑件11a保持。因此，与振动部分16接触的限制振动的面积较小。因此，振动部分16的位移可以较大，以提高接收器对振动的敏感度。因此，作为接收元件，接收元件10是特别适用的，因为对超声波的接收器敏感度增加了。

如图2A所示，将超声波传送到接收元件10的波导33通过使具有矩形纵向截面的的管状部件以近似直角弯曲而形成。波导33具有位于障碍物M(检测物体)一侧的开口，并包括第一开口33b、第二开口33c、和反射表面33a。由障碍物M反射的超声波U通过第一开口33b进入。第二开口33c设在不能从第一开口33b看到的一个位置。接收元件10的多个振动部分16布置在第二开口33c处，面对着其中超声波U被接收的方向。反射表面33a朝着接收元件10反射通过第一开口33b进入的超声波U。

波导33与一个连接部分相连，该连接部分通过在保险杠紧下面贯穿本体52而形成，使第一开口33b的端部暴露于车辆外面，从而第一开口33b与本体52的外表面垂直。

如图2B所示，在本发明实施例的超声波传感器1中，4个接收元件10布置在第二开口33c处，排列成在纵向上和横向上两个相邻的元件与其他两个平行的阵列。每个振动部分16被连接成使其大体上垂直于其中超声波U被接收的方向。彼此相邻的接收元件10的振动部分16的两个中央部分之间的距离等于超声波U的半波长的整数倍。

反射表面33a形成于弯曲部分33d的内壁面上，与超声波U进入的方向成45度角。如图2C所示，反射表面33a仅可以从第一开口33b看到，第二开口33c不能从第一开口33b看到。

波导33是结构件，其保持住接收元件10。波导33可以优选地由硬材料制成，以提高反射表面33a上的超声波U的反射效率。因此，波导33可以优选地由不同的金属材料例如不锈钢和铝合金制成。另外，也可使用各种合成树脂、玻璃、或陶瓷。

超声波的声压与传送通道的截面积成正比。因此，第一开口33b的开口面积可以优选地等于或大于振动部分16的面积，以接收具有足够信号强度的超声波。

(超声波的传送)

由传送元件20(图8A、8B)传送并由障碍物反射的超声波U通过第一开口33b进入到波导33，并被反射表面33a反射。之后，超声波U到达与供超声波进入的第一开口33b的一个位置相对应的接收元件10，并被振动部分16检测。

例如，如图2A所示，通过第一开口33b从图2A上侧的一个位置进入的超声波U(由带箭头的两个虚线中的上面且左手边的一个来表示)被反射表面33a的上左部分反射，以被布置在图2A左手侧的接收元件10检测。而且，通过第一开口33b从图2A下侧的一个位置进入的超声波U(由带箭头的两个虚线中的下且右手边的一个表示)被反射表面33a的下右部分反射，以被布置在图2A右手侧的接收元件10检测。

当超声波的振动传送到振动部分16且振动部分16振动时，电压信号从压电振动器12(图1A、1B)输出到电路元件(未示出)。

于是，上述电路将从压电振动器12输出的电压信号转换成能在ECU中处理的信号，以输出到ECU。ECU基于输入的信号进行预定的处理。

使用如上所述的多个接收元件10，通过获得由每个接收元件10接收的超声波的时间差和相位差，基于每个差值，不仅可以测量距障碍物M的距离，而且可以测量障碍物M的位置。

另外，波导33并不是对于所述多个接收元件10的每个而言都是必须的，它们可以被集中在一个波导33中。结果，波导33的尺寸可以变小，并从而使超声波传感器1的尺寸变小。

在本发明的实施例中，彼此相邻的接收元件10的振动部分16的两个中央部分之间的距离D等于超声波U的半波长的整数倍。结果，可以基于所接收的超声波的相位差来检测时间差。因此，所接收的超声波的时间差可以被精确地检测。

因此，可以提高对距障碍物M的距离和障碍物M的位置的测量精度。

在具有上述结构的超声波传感器1中，由障碍物M反射并通过第一开口33b进入波导33的超声波U被反射表面33a在对着多个接收元件10的方向上反射。因此，超声波U通过空气介质直接传送到每个接收元件10，而不需要任何中间元件，从而可以减少超声波的衰减。另外，与没形成反射表面33a的情况相比，减少了波导3 3内因多次反射等产生的超声波的衰减，从而提高了超声波传感器1的敏感度。

此外，由反射表面33a反射的超声波U直接传送到振动部分16，从而振动部分16的位移可以较大。因此，被接收元件10接收的检测信号就很强，从而提高了超声波传感器1的敏感度。

另外，第二开口33c不能从第一开口33b看到。因此，例如即使外来物质如石块和水滴朝波导33吹入，并通过第一开口33b进入到波导33中，它们也极少可能会直接与接收元件10相碰撞，从而接收元件10得到保护。

即，可以实现能有效接收超声波U并且其中接收元件10能得到保护的超声波传感器1。

接收元件10的数量只是为了示例目的，其可以不限于四个。至于它们的布局，两个接收元件10不是必须布置在纵向和横向上。可选地，可以采用由多个接收元件10整体模制的芯片。

各种形式的传感器可用作接收元件10。例如，可采用电容式振动检测元件，其使用极间电容的振动来检测超声波。

可采用能传送和接收的元件来代替接收元件10。

波导33不必是具有矩形截面的管状，其可以为例如柱形。

另外，通过改变反射表面33a的形状和角度以调整其中超声波U被接收的方向，可以改变接收元件10布置的间隔。

(第一变化例)

反射表面33a不限于平表面，其可以形成为类似曲面，只要其能朝着接收元件10反射通过第一开口33b进入的超声波。例如，该反射表面33a可以形成为弧状，如图3所示。

(第二变化例)

如图4A所示，第一开口33b可以形成为使得随着从波导33内侧到其在障碍物一侧的端部的延伸其截面积逐渐增加。通过使用这种结构，可在第一开口33b处在超声波U上进行声音收集，且超声波U的声压可以很高。结果，超声波传感器的敏感度可以得到提高。

如图4B所示，第一开口33b可以形成为使得随着从波导33内侧到其在障碍物M一侧的端部的延伸其截面积逐渐减少。通过使用这种结构，波导33的截面积增加，且超声波被有效地传送。另外，第一开口33b变得更窄，从而可以减少外来物质从车辆外面吹入到波导33中。

当超声波传感器1具有可以传送超声波的传送元件20时，在传送超声波的过程中，可以在第一开口33b处在超声波上进行声音收集，从而使所传送的超声波的声压变高。

(第三变化例)

如图5所示，可以通过例如在反射表面33a上施加一个电镀层而在反射表面33a上形成一反射件35，其比波导33的内壁面的超声波反射率要高。通过使用这种结构，提高了反射表面上的超声波反射效率，因此进一步提高了接收元件10的敏感度。

另外，反射件35也可以通过在反射表面33a上附着硬材料如金属镀层、玻璃以及陶瓷来形成。

(第四变化例)

如图6所示，可以波导33的内壁面上除反射表面33a以外的地方形成吸收件36，其由具有比反射表面33a更高的超声波吸收系数的材料形成。该吸收件36可以由例如以下材料制成：海绵、橡胶或者树脂。

通过使用这种结构，减少了由波导33内壁面反射从而变成噪声的超声波。结果，可以进一步提高接收元件10的敏感度。

此外，也可以采用已知的用于消音室等中的几何学吸声结构。

当使用吸收系数等于或大于70％的吸收件36时，可以有效减少噪声。另外，吸收件36可以与反射件35相结合使用。

(第五变化例)

第一开口33b、第二开口33c、反射表面33a的布置可以不受限制，只要第二开口33c不能从第一开口33b看到就行，且只要反射表面33a可以朝着接收元件10反射通过第一开口33b进入的超声波即可。例如，如图7A所示，反射表面33a可以布置成使得超声波相对于反射表面33a的进入角θ大于45度，第二开口33c可以沿着其中超声波U被反射表面3 3a反射的方向形成。

另外，如图7B所示，具有如图7A所示结构的波导33可以与本体52的连接部分相连，相对于本体52的外表面倾斜一定角度。通过使用这种结构，可以改变其中超声波传感器1检测障碍物M的方向。

(第六变化例)

在波导33中可以采用这样一种结构，其中，除了接收元件10外还可以再布置能传送超声波的传送元件20。图8A、8B示出了其中采用MEMS元件的例子。在超声波传感器1中，成阵列布置的接收元件10的一部分可以被一个或多个传送元件20代替。即，传送元件20与接收元件10形成一体，从而在波导33中既存在被传送的信号也存在被接收的信号。被传送元件20传送的超声波例如可以被反射表面33a朝着检测物体反射。通过采用这种结构，传送和接收超声波的超声波传感器1可以被安装在车辆中而不会有损于工业设计。另外，由于这种一体化，可以在一次操作中进行设定。此外，也不会产生接收元件10和传送元件20的位置的不对齐。另外，它们在波导角的中央部分中的布置导致接收和传送的相同方向性。另外，可以以低成本来制造各元件。在图8A所示的结构中，基板可以得到有效使用。在图8B所示的结构中，可以保持接收元件10的两两并排(two-by-two)结构。另外，可以使用除MEMS元件之外的元件来进行这些布置。

(实施例的效果)

根据本发明实施例的超声波传感器1，由障碍物M反射并通过第一开口33b进入波导33的超声波U被反射表面33a在朝着多个接收元件10的方向上反射。因此，超声波U通过空气介质被直接传送到每个接收元件10，无需任何中间件，从而减少了超声波的衰减。另外，与没有形成反射表面33a的情况相比，可以减少波导内由于多次反射等产生的超声波的衰减，从而提高超声波传感器1的敏感度。

此外，由反射表面33a反射的超声波U直接传送到振动部分16，从而可以使振动部分16的位移变得更大。这样，由接收元件10检测的检测信号更强，从而提高了超声波传感器1的敏感度。

另外，第二开口33c不能从第一开口33b看到。因此，例如即使外来物质如石块和水滴朝波导吹入并通过第一开口33b进入到波导33中，也很少可能直接与接收元件10碰撞，因此可以保护接收元件10。

即，可以实现能有效接收超声波U且其中接收元件10能得到保护的超声波传感器1。

通过获得被多个接收元件10接收的超声波U的时间差和相位差，基于每个差值，不仅可以测量距检测物体的距离，而且可以测量检测物体的位置。

另外，波导33对于多个接收元件10中的每个而言不是必须的，它们可以整合在一个波导33中。结果，波导33的尺寸可以很小，从而超声波传感器1的尺寸也可以很小。

(其他实施例)

(1)图9示出了超声波传感器1的纵剖视图，其中设有罩住第一开口33b的传送件34。如图9所示，传送件34可以通过将第一开口33b覆以能朝波导33传送超声波的材料(例如厚度约为1mm的树脂膜)而形成。通过使用这种结构，因为第一开口33b被传送件34罩住，很少可能会有小的外来物质或液体如水滴进入波导33。结果，接收元件10可以更有效地得到保护。传送件34可以是除树脂膜以外的其他材料，只要其材料和尺寸不使超声波产生大的衰减即可。例如，可以采用金属箔。

(2)超声波传感器1可以不仅设置在保险杠紧下面的本体52处，而且可以设在车辆的各个不同位置。例如第一开口33b可以与本体52的接合部分、钥匙孔、或商品型号(marque)相连。通过使用这种结构，第一开口33b不能容易地从车辆外面看到。因此，可以制造出具有优秀工业设计的车辆。

根据其使用，超声波传感器1也可以与其他部件相连。当超声波传感器1用作车辆横向侧上的障碍传感器时，第一开口33b可以连接到转向信号罩等上。

另外，超声波传感器1可以连接到车辆天线上。通过使用这种结构，可以接收车辆外面各个方向上的超声波。

另外，超声波传感器1可以与前照灯、尾灯或倒车灯的罩相连。

(3)因为超声波传感器1即使在下雨或泥泞的恶劣环境下也可以使用，超声波传感器1适于与在户外使用的件例如车辆相连。除了车辆外，超声波传感器1也可以与在户外使用的机械手相连。

本领域技术人员可以得出其他优点，也可以做出其他的变化。在宽范围的术语上本发明并不限于所示出和所述的特定细节、代表性的装置以及示例性的例子。

Claims

1.一种超声波传感器(1)包括：

多个振动部分(16)，每个振动部分都在向其传送由检测物体(M)反射的相应超声波(U)时振动，从而接收该相应超声波(U)；

多个接收元件(10)，每个接收元件包括所述多个振动部分(16)中的相应一个，并基于该相应超声波(U)检测所述检测物体(M)；以及

波导(33)，其保持所述多个接收元件(10)，并被形成为使得该相应超声波(U)通过所述波导(33)传送到所述多个接收元件(10)中的每一个，其中所述波导包括：

第一开口(33b)，其面对着检测物体(M)，其中由检测物体(M)反射的相应超声波(U)通过第一开口(33b)进入到波导(33)中；

第二开口(33c)，其不能从第一开口(33b)看到，其中所述多个接收元件(10)由波导(33)的第二开口(33c)保持，从而所述多个振动部分(16)中的每一个都布置成面对着其中多个振动部分(16)中的每一个接收相应超声波(U)的方向；以及

反射表面(33a)，用于反射所述相应超声波(U)，该超声波通过波导(33)的第一开口(33b)在面对所述多个振动部分(16)的每一个的方向上进入。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述第一开口(33b)以及多个振动部分(16)中的每一个相对于反射表面(33a)布置，从而通过第一开口(33b)进入的相应超声波(U)被反射表面(33a)直接反射，然后直接传送到多个振动部分(16)中的每一个。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，在反射表面(33a)上形成有反射件(35)，该反射件(35)由比波导(33)的内壁面具有更高的对相应超声波(U)的反射率的材料制成。

4.根据权利要求3所述的超声波传感器(1)，其特征在于，在波导(33)的内壁面上除反射表面(33a)以外的地方形成有吸收件(36)，该吸收件(36)由比反射表面(33a)具有更高的对相应超声波(U)的吸收系数的材料制成。

5.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，在波导(33)的内壁面上除反射表面(33a)以外的地方形成有吸收件(36)，该吸收件(36)由比反射表面(33a)具有更高的对相应超声波(U)的吸收系数的材料制成。

6.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述第一开口(33b)被形成为使得随着第一开口(33b)从波导(33)内预定位置朝面对检测物体(M)的第一开口(33b)的端部延伸时第一开口(33b)的横截面积增加。

7.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述第一开口(33b)被形成为使得随着第一开口(33b)从波导(33)内预定位置朝面对检测物体(M)的第一开口(33b)的端部延伸时第一开口(33b)的横截面积减少。

8.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述第一开口(33b)被罩有传送件(34)，该传送件防止外来物质通过第一开口(33b)进入到波导(33)中，并传送相应超声波(U)到波导(33)。

9.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，还包括传送元件(20)，其布置在波导(33)内部，其中所述传送元件(20)朝检测物体(M)传送超声波(U)。

10.根据权利要求1所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述超声波传感器(1)与在室外使用的物体相连。

11.根据权利要求10所述的超声波传感器(1)，其特征在于，所述物体是车辆和机械手之一。