專(zhuān)利名稱(chēng)：具有安裝在基板上的振動(dòng)器的超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有安裝在基板上的超聲波振動(dòng)器的超聲波傳感器。
背景技術(shù)：
迄今為止，具有安裝在由諸如金屬材料或樹(shù)脂材料制成的基板上的壓電振動(dòng)器的超聲波傳感器是公知的。超聲波傳感器安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)輛上，并且從超聲波傳感器向車(chē)輛前方或周?chē)奈矬w發(fā)射超聲波?；谖矬w反射并由超聲波傳感器接收的超聲波來(lái)檢測(cè)物體。通過(guò)這種方式檢測(cè)到物體的距離和這些物體的二維或三維形狀。
這種類(lèi)型的超聲波傳感器的實(shí)例在JP-A-2002-58097中公開(kāi)了。該超聲波傳感器的有關(guān)部分示于附圖8中。圓柱形鋁殼119連接到車(chē)輛主體部件120，并且超聲波傳感器110由圓柱形鋁殼119支撐，其中超聲波傳感器110包括由壓電元件制成的并安裝在基板112上的超聲波振動(dòng)器111。振動(dòng)器111安裝在基板112的第一表面上，并且與基板112的第一表面相反的第二表面面向車(chē)輛的前側(cè)，超聲波朝向車(chē)輛的前方發(fā)射?；?12接收從位于車(chē)輛前方的物體反射的超聲波并由振動(dòng)器111轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
由于超聲波傳感器安裝在車(chē)輛上從外面可以看得見(jiàn)的位置上，因此必須使其盡可能小以不破壞車(chē)輛的裝飾設(shè)計(jì)。然而，存在的問(wèn)題是基板112的共振頻率隨著其尺寸變小而變高。這導(dǎo)致超聲波的衰減增加并使方向性變得更壞。通過(guò)降低基板的剛性可以降低共振頻率。為此，可以想到使基板更薄或者使用具有較低楊式模量的材料。然而，降低基板的剛性大大降低了基板抗沖擊力的強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，已經(jīng)作出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種緊湊型超聲波傳感器，其中降低了共振頻率，同時(shí)保持抗沖擊力的機(jī)械強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明的超聲波傳感器包括由例如樹(shù)脂等材料制成的基板和安裝在基板上的由壓電元件構(gòu)成的振動(dòng)器。超聲波傳感器可以安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)輛上，以檢測(cè)位于車(chē)輛前方或周?chē)奈矬w。振動(dòng)器通過(guò)饋給它的電信號(hào)而振動(dòng)，并且振動(dòng)器的振動(dòng)傳送給基板，該基板向位于車(chē)輛前方或周?chē)奈矬w發(fā)射超聲波。物體所反射的超聲波由基板接收并被振動(dòng)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；谒瓷涞某暡?，例如檢測(cè)從車(chē)輛到物體的距離。
用粘合劑將振動(dòng)器連接到基板的第一表面，并且在基板中形成向第二表面開(kāi)口的溝槽，以降低基板的剛性。通過(guò)降低基板的剛性，將其共振頻率降低到獲得高方向性和靈敏度所期望的水平，而不減小基板的厚度或者增大其表面積。由于不減小基板的厚度，因此沒(méi)有降低基板抗沖擊力的機(jī)械強(qiáng)度。
代替溝槽或者除了溝槽之外，還可以形成端閉孔。這些溝槽可以形成在其上安裝振動(dòng)器的第一表面上。在這種情況下，優(yōu)選不在連接振動(dòng)器的區(qū)域中形成溝槽，以便增加振動(dòng)器到基板的連接力。溝槽可以形成在兩個(gè)表面上。溝槽還可以形成為格柵設(shè)置，使得基板的機(jī)械強(qiáng)度在每個(gè)方向上都是均勻的。代替溝槽或者除了溝槽之外，可以在基板中形成通孔。另外，可以沿基板的側(cè)表面形成切口部分，從而進(jìn)一步減小基板的剛性。可以用剛性比基板的剛性低的填料填充溝槽，以防止雜質(zhì)顆粒進(jìn)入溝槽中。
根據(jù)本發(fā)明，可以在不損失基板的機(jī)械強(qiáng)度并且不增大基板的表面積的條件下，可以將基板的共振頻率降低到所期望的水平。通過(guò)更好地理解下面參照下列附圖所介紹的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的其他目的和特征將變得更加容易理解。


圖1A是示出從其上安裝振動(dòng)器的基板的第一表面所觀察到的根據(jù)本發(fā)明的超聲波傳感器的平面圖；圖1B是示出沿圖1A所示的線1B-1B截取的超聲波傳感器的剖面圖；圖2A是示出從其上安裝振動(dòng)器的基板的第一表面所觀察到的超聲波傳感器的修改形式的平面圖；圖2B是示出沿圖2A中所示的線IIB-IIB截取的超聲波傳感器的修改形式的剖面圖；圖3A-3D示出圖1A所示的超聲波傳感器的各種修改形式；圖4A-4B示出本發(fā)明的實(shí)施例的修改例1，其中在基板中形成通孔；圖5A-5B示出本發(fā)明的實(shí)施例的修改例2，其中沿基板的側(cè)面形成切口部分；圖6示出本發(fā)明的實(shí)施例的修改例3，其中用填料填充在基板中形成的溝槽；圖7A-7D示出本發(fā)明的實(shí)施例的修改例4，其中在基板的第二表面上形成溝槽；和圖8是示出安裝在車(chē)輛主體部件上的常規(guī)超聲波傳感器的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
將參照附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。如圖1A和1B所示，超聲波傳感器10包括產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的超聲波振動(dòng)器11和基板12。超聲波振動(dòng)器11由如鈦酸-鋯酸鉛(PZT)這樣的壓電元件構(gòu)成。用一對(duì)電極夾持該壓電元件，形成厚度為0.1mm和平面面積為1mm×1mm的超聲波振動(dòng)器11。由于PZT具有高的壓電系數(shù)，因此可以產(chǎn)生高水平的超聲波，并且可以接收低水平的超聲波。
基板12由諸如工程塑料等樹(shù)脂材料制成，并且形成厚度為0.5mm和平面面積為3mm×3mm的方板。通過(guò)模制或機(jī)械加工很容易以低成本將樹(shù)脂材料形成為基板12。用粘合劑13將超聲波振動(dòng)器11連接到基板12的第一表面12a的中心部分。超聲波傳感器10在預(yù)定位置固定到車(chē)輛主體部件20上，使得基板12的第一表面12a面向車(chē)輛的內(nèi)部并且第二表面12b面向車(chē)輛的外部?；?2可以由樹(shù)脂以外的材料制成，例如半導(dǎo)體材料或玻璃。在使用半導(dǎo)體材料的情況下，可以通過(guò)使用公知的半導(dǎo)體制造工藝在基板上形成其他電子元件。
基板由振動(dòng)器11振動(dòng)，并且超聲波從基板12發(fā)射到將要檢測(cè)的物體。被物體反射的超聲波由基板12接收?；诒环瓷涞某暡▉?lái)檢測(cè)車(chē)輛前方或周?chē)奈矬w。當(dāng)接收到由物體反射的超聲波時(shí)，基板12以預(yù)定的共振頻率振動(dòng)。振動(dòng)器11將基板12的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該電信號(hào)提供給連接到振動(dòng)器11的電子部件(未示出)，然后發(fā)送到外部的電子控制單元(ECU)。例如，基于發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差或相位差，計(jì)算從車(chē)輛到位于該車(chē)輛前方的物體的距離。
當(dāng)基板12由厚度為0.5mm的樹(shù)脂板制成時(shí)，該厚度是確保足夠的機(jī)械強(qiáng)度以抗沖擊所必須的，需要大約5mm×5mm平面面積以獲得大約幾十kHz的共振頻率。一般來(lái)說(shuō)，在不減小基板12的厚度或者增大其表面積的情況下難以降低共振頻率。然而，因?yàn)楣舱耦l率與剛性的平方根成比例，所以通過(guò)減小基板12的剛性可以降低共振頻率。在本發(fā)明中，通過(guò)以下方式，在不改變其厚度和平面大小的情況下減小該基板的剛性。
如圖1A和1B所示，以格子狀排列方式在基板12的第一表面12a上形成溝槽14。溝槽14的寬度為0.1mm，其深度為0.25mm(厚度的一半)，并且相鄰溝槽之間的間隔為0.1mm。通過(guò)這種方式，在不改變其厚度的情況下大大減小基板12的剛性，并且相應(yīng)地將共振頻率從120kHz減小到60kHz。溝槽14的橫截面形狀不限于長(zhǎng)方形，其也可以是半圓形或楔形。
由于溝槽14形成為均勻覆蓋基板12的整個(gè)第一表面12a的格子狀排列，因此可以使抗沖擊的機(jī)械強(qiáng)度在每個(gè)方向都是均勻的。因?yàn)闇喜?4也形成在振動(dòng)器11的下面，所以振動(dòng)器11的振動(dòng)變得更大。由于在第二表面12b上不形成溝槽，因此超聲波平滑地從其發(fā)射和接收，因此不產(chǎn)生衰減。
圖1A和1B所示的實(shí)施例可以修改成圖2A和2B所示的形式。在這種修改形式中，溝槽14不形成在連接振動(dòng)器11的第一表面12a的位置上。振動(dòng)器11更牢固地連接到第一表面12a，并且超聲波在振動(dòng)器11和第一表面12a之間的邊界上的衰減可以變得更小。
此外，圖1A和1B所示的實(shí)施例可以修改成圖3A-3D所示的形式。在圖3A所示的修改形式中，在基板12的中心周?chē)纬煞叫螠喜?4。在圖3B所示的修改形式中，在基板12的中心周?chē)纬蓤A形溝槽14。在圖3C所示的修改形式中，形成一對(duì)溝槽14，以在基板12的中心處相互交叉。在圖3D所示的修改形式中，代替溝槽14，而是形成向第一表面12a開(kāi)口的多個(gè)孔15。每個(gè)孔具有0.1mm×0.1mm的平面面積和0.25mm的深度(基板12的厚度的一半)。由于孔15均勻地分布，因此抗沖擊的機(jī)械強(qiáng)度在每個(gè)方向上都是均勻的。可以代替方形孔15，而形成圓形孔。在基板12的厚度方向上的溝槽14的橫截面形狀(圖3A-3C所示)可以任選，即，可以是半圓形或楔形。溝槽14之間的間隔和溝槽14或孔15的深度可以任選。此外，溝槽14和孔15可以組合形成。還可以去除在連接振動(dòng)器11的位置處的溝槽14或孔。
在上述超聲波傳感器10中，通過(guò)形成溝槽14或孔15(由此減小剛性)來(lái)降低基板12的共振頻率。相應(yīng)地，在不增大超聲波傳感器10的尺寸并同時(shí)保持抗沖擊的機(jī)械強(qiáng)度(即，不減小厚度)的條件下，獲得所希望的共振頻率，例如60kHz。因此，可以以低成本制造緊湊尺寸的超聲波傳感器10。此外，基板12的形狀不限于方形，例如，其也可以是圓形。
上述實(shí)施例的一些修改例示于圖4A-7D中。修改例1示于圖4A和4B中。在圖4A中，貫穿基板12形成彼此平行延伸的通孔17。通孔17可以形成為格子狀排列，以彼此交叉。在圖4B中，以組合方式形成溝槽14和通孔17。通過(guò)利用這種方式形成通孔17和/溝槽14，可以減小基板12的剛性，由此降低共振頻率。
修改例2示于圖5A和5B中。在圖5A中，除了形成在第一表面12a上的溝槽14之外，還沿著基板12的側(cè)表面12c形成L切口部分16。在圖5B中，除了溝槽14之外，還在側(cè)表面12c上形成U形切口部分16。切口部分16可以只形成在一對(duì)側(cè)表面12c上或者僅沿著一對(duì)側(cè)表面12c形成，或者切口部分16可以形成在所有側(cè)表面12c上或者沿著所有側(cè)表面12c形成。利用這種方式可以減小基板12的剛性。
修改例3示于圖6中。在圖6所示的超聲波傳感器10中，用剛性比基板12的剛性低的材料制成的填料18填充每個(gè)溝槽14。防止雜質(zhì)顆粒進(jìn)入溝槽14中，并由此避免由雜質(zhì)顆粒所引起的超聲波衰減。由于填料18的剛性低于基板12的剛性，因此基板12的總剛性不會(huì)受到填料18太大的影響。
修改例4示于圖7A-7D中。在圖7A所示的超聲波傳感器10中，溝槽14形成在第二表面12b上。溝槽14的尺寸和形狀與圖1B中的相同，但是它們形成在第二表面12b上而不是第一表面12a上。在圖7B所示的超聲波傳感器10中，溝槽14不形成在對(duì)應(yīng)振動(dòng)器11的區(qū)域中。在圖7C所示的超聲波傳感器10中，溝槽14形成在基板的兩個(gè)表面12a和12b上，但是它們都比只形成在第二表面12b上的溝槽(圖7A和7B)淺一些。在圖7D所示的超聲波傳感器10中，溝槽14形成在兩個(gè)表面12a和12b上，這與圖7C中所示的超聲波傳感器一樣。然而，第二表面12b上的溝槽相對(duì)于第一表面12a上的溝槽成Z字形關(guān)系。與前述實(shí)施例或其修改例一樣，也減小了基板12的剛性，并相應(yīng)地減小了共振頻率。
下面將總結(jié)本發(fā)明所取得的優(yōu)點(diǎn)。在不減小基板厚度的條件下，可以通過(guò)在基板12中形成溝槽14或孔15來(lái)減小基板的剛性。因此，基板12的共振頻率可以降低到所希望的水平，而不增大其平面尺寸，同時(shí)保持基板12抗沖擊力的機(jī)械強(qiáng)度。溝槽14和/或孔15很容易形成在基板12上，并且在不使用附加部件的情況下減小了共振頻率。
通過(guò)形成格子狀排列的溝槽14，可以使基板12的剛性在所有方向上都是均勻的。除了溝槽14之外，通過(guò)形成切口部分16(如圖5A和5B所示)，可以進(jìn)一步減小基板12的剛性。在溝槽14不形成在接觸振動(dòng)器11的區(qū)域中的情況下(如圖2A和2B所示)，因?yàn)樵龃罅嘶?2和振動(dòng)器11之間的接觸區(qū)域，因此可以用粘合劑13將振動(dòng)器11更牢固地連接到基板12。同時(shí)抑制了超聲波在振動(dòng)器11和基板12之間的邊界處的衰減。當(dāng)振動(dòng)器11連接到第一表面12a上并且溝槽14形成在第二表面12b上時(shí)(如圖7A和7B所示)，振動(dòng)器11可以容易并牢固地連接到基板12。同樣也抑制了超聲波在邊界處的衰減。
在用具有低剛性的填料18填充溝槽14的情況下(如圖6所示)，防止雜質(zhì)顆粒進(jìn)入到溝槽14中，并且避免了由雜質(zhì)顆粒引起的超聲波的靈敏度下降。由于填料18的剛性低于基板12的剛性，因此基板12的總剛性不會(huì)受到填料18太大的影響。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例和其修改例，而且還可以對(duì)本發(fā)明做各種修改。例如，除了形成在基板12中的溝槽或孔之外，還可以在振動(dòng)器11中形成溝槽或孔。利用這種方式可以進(jìn)一步減小超聲波傳感器10的共振頻率，并且可以通過(guò)利用這種方式降低振動(dòng)器11的剛性來(lái)增大振動(dòng)器11的輸出。
盡管已經(jīng)參照前述優(yōu)選實(shí)施例示出并介紹了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不脫離由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在形式上和細(xì)節(jié)上做各種修改。
權(quán)利要求
1.一種超聲波傳感器(10)，包括用于發(fā)射和接收超聲波的基板(12)；和安裝在所述基板上的振動(dòng)器(11)，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將要被發(fā)射的所述超聲波，并且用于將接收到的所述超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中所述振動(dòng)器(11)安裝在所述基板的第一表面(12a)上；并且在所述基板中形成向所述第二表面(12b)開(kāi)口的空洞(14)，該第二表面(12b)與所述第一表面相對(duì)，由此減小所述基板的剛性。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述空洞是形成在所述第二表面上的溝槽(14)。
3.如權(quán)利要求2所述的超聲波傳感器，其中所述溝槽(14)形成為格子狀排列形式。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述空洞是形成在所述第二表面上的孔(15)。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中沿著垂直于所述第二表面的所述基板的側(cè)表面(12c)形成切口部分(16)。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中用剛性低于所述基板的剛性的填料(18)填充空洞(14、15)。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述振動(dòng)器(11)是由鈦酸-鋯酸鉛制成的壓電元件。
8.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述基板(12)由樹(shù)脂材料制成。
9.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述基板(12)由半導(dǎo)體材料制成。
10.如權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述基板(12)由玻璃制成。
11.一種超聲波傳感器(10)，包括用于發(fā)射和接收超聲波的基板(12)，該基板具有第一表面(12a)和與該第一表面相對(duì)的第二表面(12b)；和安裝在所述基板上的振動(dòng)器(11)，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將要被發(fā)射的所述超聲波，并且用于將接收到的所述超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中在所述基板中形成向所述第一表面(12a)開(kāi)口的溝槽(14)，由此減小所述基板的剛性；并且所述振動(dòng)器(11)安裝在所述基板的所述第一表面(12a)上的不形成所述溝槽(14)的位置處。
全文摘要
基板(12)和安裝在基板上的壓電振動(dòng)器(11)所構(gòu)成的超聲波傳感器(10)可有利地用作檢測(cè)到位于機(jī)動(dòng)車(chē)輛前方的物體的距離的傳感器。從傳感器(10)發(fā)射的超聲波被物體反射，并且反射波由傳感器接收?；诜瓷洳?，計(jì)算從車(chē)輛到物體的距離。為了減小基板(12)的剛性并由此將基板(12)的共振頻率降低到所希望的值，在基板中形成溝槽(14)。不減小基板的厚度來(lái)保持其抗沖擊力的機(jī)械強(qiáng)度。利用這種方式，在不增大超聲波傳感器(10)的尺寸的條件下，獲得實(shí)現(xiàn)足夠高的方向性和靈敏度所希望的共振頻率。
文檔編號(hào)G01S15/02GK101035394SQ20071008545
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者渡邊和明, 吉田貴彥, 杉浦真紀(jì)子, 遠(yuǎn)藤升, 奧田泰行 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝