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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor zum
Abstrahlen und/oder Erfassen von Ultraschallenergie und spezieller
auf einen Ultraschallsensor, um die Existenz von Objekten zu erfassen oder
einen Abstand zu einem Objekt zu messen, der beispielsweise als
ein Hinderniserfassungssensor, ein Fahrzeugrückwärtssonar oder ein Eckensonar,
usw., verwendet wird.
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Ein
Ultraschallsensor ist bekannt, der Ultraschallpulse intermittierend
abstrahlt (oder sendet) und die Ultraschallpulse, die von einem
Objekt reflektiert werden, erfaßt
(oder empfängt),
wodurch die Existenz des Objekts erfaßt wird oder der Abstand zu
dem Objekt gemessen wird. 1 zeigt
einen herkömmlichen
Ultraschallsensor, der in einem Fahrzeug als ein Rückwärtssonar
oder Eckensonar verwendet wird. Der Ultraschallsensor 1 umfaßt ein metallisches
Gehäusebauglied 2.
Das Gehäusebauglied 2 besitzt
einen Hohlraum mit einem kreisförmigen
Querschnitt, wodurch eine kreisförmige
zylindrische Form gebildet ist. Ein flaches piezoelektrisches Element 4,
das in dem Hohlraum 3 aufgenommen ist, ist an der inneren
Oberfläche
eines Bodenabschnitts 2a des Gehäusebauglieds 2 befestigt.
Einer der Signaldrähte 6 eines
Verbinderkabels 5 ist mit einer der Elektroden des piezoelektrischen
Elements 4 verbunden, während
der andere Signaldraht 6 durch das Gehäusebauglied 2 in einer
elektrisch leitfähigen
Verbindung mit der anderen der Elektroden des piezoelektrischen
Elements 4 ist. Ein schallabsorbierendes Material 7,
beispielsweise Filz, bedeckt das piezoelektrische Element 4,
während
ein isolierendes Harz 8, beispielsweise Silikongummi oder
Urethangummi, das piezoelektrische Element und das schallabsorbierende
Material 7 abdichtet.
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Derartige
Ultraschallsensoren sind beispielsweise an einer Automobilstoßstange
(nicht gezeigt) angebracht, um als Rückwärtssonare oder Eckensonare
zur Hinderniserfassung verwendet zu werden. Wenn der Ultraschallsensor
an der Stoßstange
angebracht ist, ist der untere Abschnitt des Gehäusebauglieds, an dem das piezoelektrische
Element 4 befestigt ist, im wesentlichen senkrecht zu der
Oberfläche
von Straßen
oder dem Untergrund eingestellt, um positioniert zu sein, um einer
Richtung, aus der Ultraschallenergie abgestrahlt wird, zugewandt
zu sein. Wenn bei derartigen Ultraschallsensoren der Ultraschall-Abstrahlungsbereich
und der -Erfassungsbereich in der horizontalen Richtung zu schmal
sind, tritt in dem Erfassungsbereich ein Totwinkel auf, wohingegen,
wenn der Ultraschall-Abstrahlungsbereich und der -Erfassungsbereich
in der vertikalen Richtung zu breit sind, der reflektierte Ultraschall
von dem Untergrund zu verrauscht wird. Daher ist bei dem oben beschriebenen
Ultraschallsensor 1 ein Ultraschallhorn 9 an der äußeren Seite
des Gehäusebauglieds 2 von
außerhalb
des Gehäusebauglieds 2 angebracht,
um den Ultraschallwellen-Abstrahlungs- und -Erfassungs-Bereich derart
zu steuern, daß der
Ultraschall-Abstrahlungs- und -Erfassungs-Bereich in der horizontalen
Richtung breit und in der vertikalen Richtung schmal sind.
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Wenn
die Richteigenschaften von Ultraschallsensoren durch das Anbringen
eines Ultraschallhorns an denselben gesteuert werden, können sich
jedoch Regenwasser und Schmutz (der durch die Reifen des Fahrzeugs
von der Straße
spritzt), Staub oder dergleichen ansammeln und eine Verstopfung
in dem Ultraschallhorn bilden, was ein Versagen des Ultraschallsensors
zur Folge hat. Außerdem ändern sich
die Richteigenschaften des Ultraschallsensors, wenn das Ultraschallhorn
deformiert wird. Die Verwendung von Ultraschallhörnern hat ferner große Ultraschallsensoren
zur Folge.
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Um
die oben beschriebenen Probleme zu lösen, offenbart die offengelegte
Japanische Patentveröffentlichung
9-284896 eine Struktur zum Steuern der Richteigenschaften ohne die
Verwendung von Ultraschallhörnern.
Wie in den 2A und 2B ge zeigt ist, besitzt ein
Ultraschallsensor 11 ein Gehäusebauglied 12, in dem
ein länglicher
oder elliptischer zylindrischer Hohlraum 13 vorgesehen
ist. Ein scheibenförmiges
piezoelektrisches Element 15 ist an einem unteren Abschnitt 14 des
Gehäusebauglieds 12 angebracht.
Wenn das Gehäusebauglied 12 mit
einer solchen Struktur verwendet wird, breitet sich die Ultraschallenergie
in der longitudinalen Richtung des länglichen oder elliptischen
Querschnitts breiter aus als in der transversalen Richtung. Daher
kann der Ultraschall-Strahlungs-
und -Erfassungs-Bereich in der horizontalen Richtung breit und in
der vertikalen Richtung schmal gemacht werden.
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Wenn
der Ultraschallsensor beispielsweise einen äußeren Durchmesser D von 18
mm aufweist, beträgt
der Ultraschallwellen-Strahlungs- und -Erfassungs-Bereich in der
horizontalen Richtung 80 Grad und in der vertikalen Richtung 60 Grad,
wodurch sich ohne die Verwendung eines Ultraschallhorns ein anisotroper Strahlungs-
und Erfassungs-Bereich zeigt.
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Wenn
der Ultraschallsensor mit der oben beschriebenen Struktur jedoch
klein gemacht wird, wird der Ultraschall-Strahlungs- und -Erfassungs-Bereich
in der vertikalen Richtung breit, was bewirkt, daß der Unterschied
zwischen dem Ultraschall-Strahlungs- und -Erfassungs-Bereich in
der horizontalen Richtung und dem in der vertikalen Richtung klein
ist, so daß der
kleine Ultraschallsensor nicht sehr anisotrop ist.
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In 2A sind die vertikal gebildeten
Innenwandoberflächen
an den Rändern
des Hohlraums 13 ausgebildet, um sich derart in der longitudinalen
Richtung des länglichen
Körpers
zu erstrecken, daß jede
eine Gesamtlänge
H von 13 mm und eine Breite W von 8 mm aufweist. Das Gehäusebauglied 12,
in dem der Hohlraum 13 gebildet ist, besitzt einen äußeren Durchmesser
D von 14 mm. Das piezoelektrische Element 15 mit einem
Durchmesser D von 7 mm ist in das Gehäusebauglied 12 aufgenommen
und an der inneren Oberfläche des
Bodenabschnitts 14 befestigt. In 2B besitzt der Bodenabschnitt 14 des
Gehäusebauglieds 12 eine gleichmäßige Dicke
T von 0,7 mm. Die minimale Dicke von jeder der Seitenwände des
Gehäusebauglieds 12 beträgt 0,5 mm.
Die Richteigenschaften, in der horizontalen und der vertikalen Richtung,
eines solchen Ultraschallsensors mit den vorher genannten Abmessungen
sind in 3 gezeigt. 3 zeigt, daß der Ultraschall-Strahlungs-
und -Erfassungs-Bereich (Halbabfallwinkel) in der horizontalen Richtung 80 Grad
beträgt, während der
in der vertikalen Richtung bei 70 Grad breit ist. Daher ist der
Ultraschallsensor mit einem äußeren Durchmesser
D von 14 mm in der horizontalen und der vertikalen Richtung weniger
anisotrop als der Ultraschallsensor mit einem äußeren Durchmesser D von 18
mm. Es sei bemerkt, daß der
Halbabfallwinkel, der verwendet wird, um den Ultraschall-Strahlungs-
und -Erfassung-Bereich auszuwerten, der Winkel zwischen Richtungen
ist, bei denen die Ultraschall-Strahlungs- und -Erfassungs-Empfindlichkeit geringer
ist als 20 log 0,5 dB (näherungsweise
60 dB) der Strahlungs- und Erfassungs-Empfindlichkeit an der Vorderseite
(oder in der Null-Grad-Richtung).
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Aus
der
DE 41 20 681 A1 sind
Ultraschallsensoren mit Gehäusebaugliedern
bekannt, die einen Boden haben, der in seinem Mittenbereich membranartig
dünn ausgestaltet
ist. Auf dem membranartig dünnen
Boden sind verschiedene Piezoschwinger aufgebracht. Die unterschiedlichen
Piezoschwinger dienen dazu, neben einer Grundwelle auch eine Welle
höherer
Ordnung anzuregen, so daß sich
die Schallnebenkeulen der von den beiden Piezoschwingern angeregten
Wellen so überlagern,
daß die
Minima in der Abstrahlcharakteristik des Piezoschwingers, der die
Grundwelle anregt, von den Schallkeulen des Piezoschwingers, der
die Oberwelle anregt, aufgefüllt
werden. Hierdurch wird eine vergleichmäßigte Abstrahlcharakteristik
erreicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallsensor
zu schaffen, der anisotrope Strahlungs- und Erfassungs-Charakteristika bezüglich einer
horizontalen und einer vertikalen Richtung aufweist, selbst wenn
der Sensor klein ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Ultraschallsensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der
Ultraschallsensor weist ein Gehäusebauglied
und ein piezoelektrisches Element auf. Das Gehäusebauglied besitzt einen Hohlraum
in demselben und einen Bodenabschnitt, der an einem Ende des Hohlraums
vorgesehen ist. Der Bodenabschnitt besitzt einen dicken Abschnitt,
der sich entlang einer ersten Richtung erstreckt, und ein Paar von
dünnen
Abschnitten, die eine geringere Dicke aufweisen als der dicke Ab schnitt
und auf gegenüberliegenden
Seiten des Bodenabschnitts entlang einer zweiten Richtung, die sich
von der ersten Richtung unterscheidet, vorgesehen sind. Das piezoelektrische
Element strahlt und/oder erfaßt
Ultraschall und ist in der Mitte des dicken Abschnitts auf einer
inneren Oberfläche
des Bodenabschnitts vorgesehen.
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Der
Bodenabschnitt kann eine kreisförmige
Form aufweisen. Alternativ kann der Bodenabschnitt eine längliche
oder elliptische Form aufweisen. In einem solchen Fall entsprechen
eine longitudinale Richtung und eine transversale Richtung der länglichen
oder elliptischen Form vorzugsweise der zweiten Richtung bzw. der ersten
Richtung des Bodenabschnitts.
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Die
dünnen
Abschnitte können
eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als die Dicke einer Seitenwand, die
den Hohlraum umgibt. Die äußere Oberfläche des
Bodenabschnitts des Gehäusebauglieds
kann flach sein. Ferner kann der Ultraschallsensor ein isolierendes
Harz aufweisen, das auf den dünnen
Abschnitten vorgesehen ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Strahlungs- und Erfassungs-Bereich des Ultraschallsensors in
der Richtung, entlang der die dünnen
Abschnitte des Bodenabschnitts vorgesehen sind, aufgrund des Unterschieds
der Dicke zwischen den dünnen
Abschnitten und dem dicken Abschnitt relativ schmal. Dies wird ohne
die Verwendung eines Ultraschallhorns erreicht, wodurch ein Ultraschallsensor
geschaffen wird, der sehr anisotrope Strahlungs- und Erfassungs-Charakteristika
zwischen der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung aufweist.
Dies ist der Fall, selbst wenn der Ultraschallsensor klein gemacht
wird.
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Da
das piezoelektrische Element an dem dicken Abschnitt, und nicht
an dem dünnen
Abschnitt, an dem Bodenabschnitt des Gehäusebauglieds befestigt ist,
bricht der Ultraschallsensor nicht ohne weiteres, wenn derselbe
einem äußeren Stoß unterworfen
wird. Folglich besitzt der stark anisotrope Ultra schallsensor eine
erhöhte
Stoßfestigkeit,
was ermöglicht,
daß derselbe
in Betrieb genommen wird. Überdies
kann die Festigkeit der unteren Oberfläche des Gehäusebauglieds infolge des Bildens
des dicken Abschnitts beibehalten werden, so daß die Dicke der dünnen Abschnitte
gering gemacht werden kann, was ermöglicht, daß der Ultraschallsensor ausgeprägt anisotrop
ist.
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Falls
der Bodenabschnitt eine längliche
oder elliptische Form aufweist, und wenn die dünnen Abschnitte in einer longitudinalen
Richtung der länglichen
oder elliptischen Form angeordnet ist, kann die Anisotropie des
Strahlungs- und Erfassungs-Bereichs weiter erhöht sein.
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Wenn
ein isolierendes Harz auf den dünnen
Abschnitten vorgesehen ist, ist es möglich, die Nachhallzeit des
Ultraschallsensors zu reduzieren.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht der
Struktur eines herkömmlichen
Ultraschallsensors;
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2A eine Querschnittdraufsicht
der Struktur der Hauptabschnitte des herkömmlichen Ultraschallsensors;
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2B eine Schnittansicht entlang
der Linie 2B-28 von 2A;
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3 die Richteigenschaften
des herkömmlichen
Ultraschallsensors von 2;
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4 eine Schnittansicht der
Struktur eines Ausführungsbeispiels
des Ultraschallsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5A eine Querschnittdraufsicht
des Gehäusebauglieds
des Ultraschallsensors;
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5B eine Schnittansicht entlang
der Linie 5B-5B von 5A (oder
eine Querschnittansicht in der vertikalen Richtung);
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5C eine Schnittansicht entlang
der Linie 5C-5C von 5A (oder
eine Querschnittansicht in der horizontalen Richtung);
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6 einen Graphen, der die
Schwankungen des Strahlungs- und
Erfassungs-Bereich-Winkels in der vertikalen Einstellrichtung über der
Dicke des Bodenabschnitts des Gehäusebauglieds bei dem herkömmlichen
Ultraschallsensor zeigt;
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7 einen Graphen, der die
Abweichungen des Strahlungs- und
Erfassungs-Bereich-Winkels in der vertikalen Einstellrichtung über der
Dicke des Bodenabschnitts des Gehäusebauglieds bei einem anderen
herkömmlichen
Ultraschallsensor zeigt;
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8 eine Schnittansicht des
Gehäusebauglieds
des Ultraschallsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung, der einer Richteigenschaftsmessung unterworfen ist;
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9 einen Graphen, der die
Abweichungen des Strahlungs- und
Erfassungs-Bereich-Winkels zeigt, wenn das L/R-Verhältnis variiert
wird, bei dem vorher genannten Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10 einen Vergleich zwischen
den Richteigenschaften des herkömmlichen
Ultraschallsensors und denen des Ultraschallsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11 einen Vergleich zwischen
den Richteigenschaften des Ultraschallsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung in der horizontalen Einstellrichtung und der vertikalen
Einstellrichtung;
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12 eine Querschnittdraufsicht
des Gehäusebauglieds
eines Ultraschallsensors gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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13A eine Querschnittdraufsicht
des Gehäusebauglieds
eines Ultraschallsensors gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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13B eine Schnittansicht
entlang der Linie 13B-13B von 13A (oder
eine Querschnittansicht in der vertikalen Richtung); und
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14 einen Graphen, der eine
Beziehung zwischen der Nachhallzeit und der Dicke des isolierenden Harzes
zeigt.
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Wie
in 4 und den 5A bis 5C gezeigt ist, weist ein Ultraschallsensor 30 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein Gehäusebauglied 31 auf.
Das Gehäusebauglied 31 besitzt
beispielsweise eine kreisförmige
zylindrische Form, wobei das gesamte Gehäusebauglied 31 aus einem
metallischen Material, beispielsweise Aluminium, besteht. Ein Hohlraum 33 ist
entlang der Erstreckungsrichtung des Gehäusebauglieds 31 in
dem Gehäusebauglied 31 gebildet.
Wie in 5A gezeigt ist,
besitzt der Hohlraum 33 einen allgemein länglichen
oder elliptischen Querschnitt, der eine longitudinale Richtung und
eine transversale Richtung an dem unteren Ende desselben einschließt. Beispielsweise
zeigt 5A, daß die Länge des
Querschnitts entlang der y-Achse größer ist als die Länge des
Querschnitts entlang der x-Achse, so daß die longitudinale Richtung
und die transversale Richtung des Querschnitts der y-Achse bzw.
der x-Achse entsprechen. Das Gehäusebauglied 31 umfaßt einen
Bodenabschnitt 32, wobei der Bodenabschnitt 32 eine kreisför mige äußere Oberfläche aufweist,
die der äußeren Form
des zylindrischen Gehäusebauglieds 31 entspricht,
und eine längliche
oder elliptische innere Oberfläche,
die der Form des Hohlraums 33 entspricht.
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Ein
piezoelektrisches Element 35 ist in dem Hohlraum 33 aufgenommen
und an der inneren Oberfläche
des Bodenabschnitts 32 befestigt. Das piezoelektrische
Element 35 ist entworfen, um zu schwingen, um basierend
auf einem angelegten elektrischen Signal Ultraschallenergie zu erzeugen,
und um die Ultraschallenergie zu erfassen, um ein Erfassungssignal
entsprechend dem erfaßten
Ultraschall zu erzeugen. Das piezoelektrische Element 35 arbeitet
beispielsweise bei einer Frequenz von etwa 40 kHz.
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Der
Bodenabschnitt 32 besitzt einen dicken Abschnitt 32a und
dünne Abschnitte 32b.
Der dicke Abschnitt 32a befindet sich in der Mitte des
Bodenabschnitts 32 und erstreckt sich in der transversalen
Richtung des Bodenabschnitts 32. Die dünnen Abschnitte 32b besitzen
jeweils eine Halbmondform und befinden sich in der longitudinalen
Richtung des Bodenabschnitts 32. Die dünnen Abschnitte 32b besitzen
eine Dicke, die geringer ist als die des dicken Abschnitts 32a.
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Wie
in 4 gezeigt ist, ist
unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Haftmittels oder dergleichen eine
der Elektrodenoberflächen
des piezoelektrischen Elements 35 an der inneren Oberfläche des
Dickenabschnitts 32a in dem mittleren Abschnitt des Bodenabschnitts 32 befestigt.
Folglich sind, wie in 5B gezeigt ist,
die dünnen
Abschnitte 32b auf beiden Seiten des dicken Abschnitts 32a,
an dem das piezoelektrische Element 35 befestigt ist, angeordnet.
Die Dicke des dicken Abschnitts 32a ist größer als
die minimale Dicke der äußeren peripheren
Seitenwand 34 des Gehäusebauglieds 31.
Die Dicke der dünnen
Abschnitte 32b ist geringer als die minimale Dicke der äußeren peripheren
Seitenwand 34 des Gehäusebauglieds 31.
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Wie
in 4 gezeigt ist, bedeckt
ein schallabsorbierendes Material 36, beispielsweise Filz,
das piezoelektrische Element 35 in dem Ultraschallsensor 30,
wobei ein isolierendes Harz 37 mit elastischen Eigenschaften,
beispielsweise Silikongummi oder Urethangummi, in das Gehäusebauglied 31 gefüllt ist,
um den Hohlraum 33 abzudichten. Ein Einzelplattenkondensator 38 des
Temperaturkompensationstyps ist in das isolierende Harz 37 eingebettet.
Eine der äußeren Elektroden
des Kondensators 38 ist durch einen der Anschlußleitungsdrähte 39 mit
dem Gehäusebauglied 31,
das in elektrisch leitfähiger
Verbindung mit einer der Elektrodenoberflächen des piezoelektrischen
Elements 35 ist, verbunden, während die andere der äußeren Elektroden
des Kondensators 38 durch den anderen der Anschlußleitungsdrähte 39 mit
der anderen der Elektrodenoberflächen
des piezoelektrischen Elements 35 verbunden ist. Zwei Signaldrähte 41 eines
Kabels 40 zum Eingeben und Ausgeben von Signalen sind mit
jeder der äußeren Elektroden
des Kondensators 38 verbunden.
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Der
Ultraschallsensor 30 wird beispielsweise verwendet, indem
derselbe an einem Fahrzeug befestigt wird. Wenn der Ultraschallsensor 30 an
einem Fahrzeug angebracht ist, ist die longitudinale Richtung (y-Achsenrichtung)
des Hohlraums 33 in der Richtung im wesentlichen senkrecht
zu der Straßenoberfläche oder
dem Untergrund anzuordnen, während
die transversale Richtung (die x-Achsenrichtung) im wesentlichen
horizontal zu der Straßenoberfläche anzuordnen
ist. Der Bodenabschnitt 32 des Gehäusebauglieds 31 ist
in der Erfassungsrichtung auszurichten.
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Der
Ultraschallsensor 30, der die oben beschriebene Struktur
aufweist, macht es möglich,
den Strahlungs- und Erfassungs-Bereich
in der vertikalen Richtung schmaler zu machen. Selbst wenn der Ultraschallsensor 30 klein
gemacht wird, wird der Strahlungs- und Erfassungs-Bereich in der
vertikalen Richtung nicht ohne weiteres breiter, wodurch es möglich ist,
daß der
Strahlungs- und Erfassungs-Bereich in der vertikalen Richtung schmal
gehalten wird. Folglich ist der Un terschied zwischen dem Strahlungs-
und Erfassungs-Bereich in der horizontalen Richtung und dem in der
vertikalen Richtung groß,
wodurch das Ausmaß,
in dem der Ultraschallsensor anisotrop ist, stark erhöht ist,
selbst für
einen kleinen Ultraschallsensor.
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Um
den Strahlungs- und Erfassungs-Bereich in der vertikalen Richtung
zur Erhöhung
des Grades, zu dem der Ultraschallsensor anisotrop ist, schmaler
zu machen, kann der gesamte Bodenabschnitt des Gehäusebauglieds
des Ultraschallsensors dünn
gemacht werden, ohne einen dicken Abschnitt an dem Bodenabschnitt
des Gehäusebauglieds
31 vorzusehen.
6 und Tabelle 1 zeigen die
Abweichungen des Strahlungs- und Erfassungs-Winkels in der vertikalen
Richtung, wenn die Dicke des Bodenabschnitts des Gehäusebauglieds
(die durch den gesamten Bodenabschnitt gleichmäßig ist) für einen herkömmlichen
Ultraschallsensor mit einem äußeren Durchmesser
D von 18 mm von 0,7 mm auf 0,3 mm verringert wird. Tabelle
1
7 und
Tabelle 2 zeigen die Abweichungen des Strahlungs- und Erfassungs-Bereich-Winkels in der
vertikalen Einstellrichtung, wenn die Dicke des Bodenabschnitts
des Gehäusebauglieds
(die über
den gesamten Bodenabschnitt gleichmäßig ist) für einen anderen herkömmlichen
Ultraschallsensor mit einem äußeren Durchmesser
D von 14 mm von 0,7 mm auf 0,3 mm verringert wird. Tabelle
2
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Die 6 und 7 und die Tabellen 1 und 2 zeigen, daß der Strahlungs-
und Erfassungs-Bereich durch das Dünnen des Bodenabschnitts des
Gehäusebauglieds
sowohl für
den Ultraschallsensor mit einem äußeren Durchmesser
von 18 mm als auch für
den mit einem äußeren Durchmesser
von 14 mm schmal gemacht werden kann. Je kleiner der äußere Durchmesser
des Ultraschallsensors ist, desto breiter ist der Strahlungs- und Erfassungsbereich.
Bei dem herkömmlichen
Ultraschallsensor beträgt
der Strahlungs- und Erfassungs-Bereich beispielsweise 60 Grad für einen äußeren Durchmesser
von 18 mm und 70 Grad für
einen äußeren Durchmesser
von 14 mm, wenn die Dicke des Bodenabschnitts 0,7 mm beträgt. Wenn
die Dicke des Bodenabschnitts 0,3 mm beträgt, beträgt der Strahlungs- und Erfassungs-Bereich
für einen äußeren Durchmesser von
18 mm 30 Grad und für
einen äußeren Durchmesser
von 14 mm 40 Grad. Um den Strahlungs- und Erfassungs-Bereich in
der vertikalen Einstellrichtung schmaler zu machen, ist alles, was
notwendig ist, den Bodenabschnitt des Gehäusebauglieds so dünn wie möglich zu
machen. Wenn jedoch der gesamte Bodenabschnitt des Gehäusebauglieds
als dünner
Abschnitt ausgebildet wird und das piezoelektrische Element an dem
dünnen
Abschnitt befestigt wird, tendiert das piezoelektrische Element
dazu, einem äußeren Stoß unterworfen
zu werden und somit zu brechen. Wenn daher der gesamte Bodenabschnitt
als ein dünner
Abschnitt ausgebildet wird, ist es in der Praxis schwierig, einen
kleinen Ultraschallsensor mit einer hohen Anisotropie herzustellen. Wenn
außerdem
der Stoßwiderstand
des Ultraschallsensors berücksichtigt
wird, existiert eine Grenze dahingehend, wie dünn der Bodenabschnitt des Gehäuse bauglieds
gemacht werden kann, so daß der
Ultraschallsensor nicht ausreichend anisotrop gemacht werden kann.
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Im
Gegensatz dazu ist der Bodenabschnitt
32 gemäß dem Ultraschallsensor
30 der
vorliegenden Erfindung ausgebildet, um einen dicken Abschnitt
32a und
einen dünnen
Abschnitt
32b aufzuweisen, wobei das piezoelektrische Element
35 an
dem dickwandigen Abschnitt
32a befestigt ist, so daß der Bodenabschnitt
32 des
Gehäusebauglieds
nicht ohne weiteres durch die Schwingung des piezoelektrischen Elements
35 bricht, wodurch
es möglich
ist, daß die
Dicke des dünnwandigen
Abschnitts
32b klein gemacht wird. Daher ist es in der
Praxis möglich,
einen Ultraschallsensor
30 zu erzeugen, der stark anisotrope
Strahlungs- und Erfassungseigenschaften zwischen der horizontalen
Richtung und der vertikalen Richtung aufweist. Bei dem Ultraschallsensor,
der in
8 gezeigt ist,
beträgt
der äußere Durchmesser
D des Gehäusebauglieds
31 14
mm, die minimale Dicke T der äußeren peripheren
Wand
34 beträgt
0,5 mm, die Dicke T2 des dickwandigen Abschnitts
32a beträgt 0,7 mm
und die Dicke T1 des dünnwandigen
Abschnitts
32b beträgt
0,3 mm. Wenn der Radius R des Bodenabschnitts
32 6,5 mm
beträgt
und der Radius des dickwandigen Abschnitts
32a (R-L) mm
beträgt, wobei
L die Länge
des dünnwandigen
Abschnitts
32b ist, nehmen die Abweichungen des Strahlungs- und Erfassungs-Bereichs über dem
Verhältnis
der Länge
L des dünnwandigen
Abschnitts
32b zu dem Radius R des Bodenabschnitts
32,
L/R, die in
9 und Tabelle
3 gezeigten Werte an. Tabelle
3
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9 und Tabelle 3 zeigen,
daß das
Verhältnis
L/R zunimmt, wenn der Strahlungs- und Erfassungs-Bereich des Ultraschallsensors 30 schmaler
wird. Da der Durchmesser des piezoelektrischen Elements 35 0,7
mm beträgt,
ermöglicht
ein L/R-Verhältnisbereich
von 0 bis 0,4, daß der
piezoelektrische Wandler 35 an dem dicken Abschnitt 32a befestigt
wird. Speziell wenn das L/R-Verhältnis
0,4 beträgt,
kann ein Strahlungs- und
Erfassungs-Verhältnis
erreicht werden, das dem, das erhalten wird, wenn der gesamte Bodenabschnitt 32 als
dünner
Abschnitt 32a ausgebildet wird, nahekommt.
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10 zeigt einen Vergleich
zwischen den Richteigenschaften des herkömmlichen Ultraschallsensors und
denen des Ultraschallsensors 30 der vorliegenden Erfindung.
Spezieller zeigt 10 den
Strahlungs- und Erfassungs-Bereich des herkömmlichen Ultraschallsensors
mit einem Durchmesser von 18 mm (dessen Bodenabschnitt 0,7 mm dick
ist) in der vertikalen Richtung; den Strahlungs- und Erfassungs-Bereich
des herkömmlichen
Ultraschallsensors mit einem Durchmesser von 14 mm (dessen Bodenabschnitt
0,7 mm dick ist) in der vertikalen Richtung; und den Strahlungs-
und Erfassungs-Bereich des Ultraschallsensors 30 der vorliegenden
Erfindung mit einem L/R-Verhältnis
von näherungsweise
0,4. Aus 10 ist zu sehen,
daß gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Strahlungs- und Erfassungs-Bereich erreicht werden
kann, der schmaler ist als der des herkömmlichen Ultraschallsensors
mit einem Durchmesser von 18 mm, selbst wenn der Ultraschallsensor 30 einen
Durchmesser von 14 mm aufweist.
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11 zeigt die Richteigenschaften
des Ultraschallsensors 30 unter Verwendung des Gehäusebauglieds 31 von 5 in der horizontalen Richtung
und der vertikalen Richtung. Hier beträgt der Durchmesser des Ultraschallsensors 30 14
mm, die Dicke des dicken Abschnitts 32a beträgt 0,75
mm, die Dicke des dünnen Abschnitts 32b beträgt 0,3 mm
und L/R beträgt
2,5/6,5 mm = 0,38. Es ist zu sehen, daß der Ultraschallsensor 30 in
der Richtung des Strahlungs- und Erfassungs-Be reichs ziemlich stark
anisotrop ist.
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Der
Ultraschallsensor 30 kann auf verschiedene Arten modifiziert
werden. Obwohl bei dem Ultraschallsensor 30, der gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
erklärt
wurde, der Hohlraum 33 an dem unteren Ende einen länglichen
oder elliptischen Querschnitt aufweist, kann der Hohlraum einen
kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Wie in 12 gezeigt
ist, besitzt ein Ultraschallsensor 50 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
ein Gehäusebauglied 51,
bei dem ein Hohlraum 53 mit einem kreisförmigen Querschnitt
vorgesehen ist. Ein Bodenabschnitt 52 des Gehäusebauglieds 51 umfaßt einen
dicken Abschnitt 52a und dünne Abschnitte 52b,
wobei der dicke Abschnitt 52a in der Mitte des Bodenabschnitts 52 angeordnet
ist und sich in einer ersten Richtung erstreckt, während die
dünnen
Abschnitte 52b auf den gegenüberliegenden Seiten des dicken
Abschnitts 52a in der Richtung senkrecht zu der ersten
Richtung vorgesehen sind. Eine Seitenwand 54 des Gehäusebauglieds 51 besitzt
eine gleichmäßige Dicke
um den gesamten Umfang des Bodenabschnitts 52. Es sei bemerkt,
daß ein
schallabsorbierendes Material, ein isolierendes Harz, Anschlußleitungsdrähte oder dergleichen,
die in 4 gezeigt sind,
zu Zwecken der Klarheit in 12 nicht
gezeigt sind. Gemäß dieser Struktur
kann das Gehäusebauglied 31 einfach
und mit geringen Kosten hergestellt werden, da der Hohlraum 53 eine
einfache Kreisform aufweist. Trotzdem stellt der Ultraschallsensor 50 aufgrund
der dünnen
Abschnitte 52b den anisotropen Strahlungs- und Erfassungs-Bereich
sicher.
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Die 13A und 13B zeigen einen Ultraschallsensor 60 gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Ultraschallsensor 60 ist
identisch zu dem Ultraschallsensor 30, mit der Ausnahme,
daß der
Ultraschallsensor 60 ferner ein isolierendes Harz 61 auf
den dünnen
Abschnitten 32b aufweist. Das isolierende Harz 61 kann
aus einem Material wie z.B. Silikonharz oder Urethanharz bestehen und
dämpft
eine ungewollte Schwingung der dünnen
Abschnitte 32b. Die ungewollte Schwingung des dünnen Abschnitts 32b erhöht in gleicher
Weise einen Nachhall des Ultraschallsensors 60, was das
Problem verursacht, daß der
Ultraschallsensor 60 die Existenz des Objekts in nächster Nähe zu dem
Ultraschallsensor 60 nicht erfassen kann, oder eine sehr
kurze Distanz zu dem naheliegenden Objekt nicht messen kann, da
der Nachhall des Ultraschallsensors 60 mit der Ultraschallenergie,
die durch das naheliegende Objekt reflektiert wird, interferiert.
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Gemäß dem Ultraschallsensor 60 verringert
das isolierende Harz 61 auf dem dünnen Abschnitt 32b des
Bodenabschnitts 32 des Gehäusebauglieds 31 die
Nachhallzeit wirksam. Wie in 14 gezeigt
ist, wird die Nachhallzeit entsprechend der Zunahme der Dicke des
isolierenden Harzes 61 verringert. Folglich besitzt das
isolierende Harz 61 eine derart ausreichende Dicke, daß die Nachhallzeit
auf einen Wert begrenzt wird, der durch die erforderlichen Charakteristika
für den
bestimmungsgemäßen Zweck
des Ultraschallsensors 60 bestimmt ist. In der Praxis ist
es bevorzugt, daß die
Nachhallzeit gleich oder kleiner 1 ms gemacht wird. Folglich beträgt die Dicke
des isolierenden Harzes 61 vorzugsweise etwa 0,9 mm oder
darüber.
Wenn das isolierende Harz 61 zu dick ist, wird die Schwingung
des Bodenabschnitts 32 während des Abstrahlens von Ultraschall nachteilig
gedämpft.
Daher ist die Dicke des isolierenden Harzes 61 vorzugsweise
geringer als 2, 1 mm.
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Obwohl
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Grenze zwischen dem dicken Abschnitt und dem dünnen Abschnitt
eine stufenartige Form aufweist, kann dieselbe eine glatte Neigung
aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, daß die äußere Oberfläche des Gehäusebauglieds in eine ebene
Oberfläche
gebildet ist, so daß die
Strahlungs- und Erfassungs-Eigenschaft des Ultraschallsensors nicht
verloren geht.
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Es
sei ferner bemerkt, daß,
obwohl der Ultraschallsensor der vorliegenden Erfindung als eine
Vorrichtung für
eine duale Verwendung zum Abstrahlen und Erfassen von Ultraschall
erklärt
wurde, der Ultraschallsensor der vorliegenden Erfindung auch als
entweder nur eine Ultraschallabstrahlvorrichtung oder eine Ultraschallerfassungsvorrichtung
verwendet werden kann. In diesem Fall ist der Ultraschallsensor
der vorliegenden Erfindung als eine Ultraschallabstrahlungsvorrichtung
mit einem anisotropen Abstrahlungsbereich oder eine Ultraschallerfassungsvorrichtung
mit einem anisotropen Erfassungsbereich wirksam.
