具有安裝在基板上的振動器的超聲波傳感器的制作方法

專利名稱：具有安裝在基板上的振動器的超聲波傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有安裝在基板上的超聲波振動器的超聲波傳感器。
背景技術：
迄今為止，具有安裝在由諸如金屬材料或樹脂材料制成的基板上的壓電振動器的超聲波傳感器是公知的。超聲波傳感器安裝在機動車輛上，并且從超聲波傳感器向車輛前方或周圍的物體發射超聲波。基于物體反射并由超聲波傳感器接收的超聲波來檢測物體。通過這種方式檢測到物體的距離和這些物體的二維或三維形狀。
這種類型的超聲波傳感器的實例在JP-A-2002-58097中公開了。該超聲波傳感器的有關部分示于附圖8中。圓柱形鋁殼119連接到車輛主體部件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上的超聲波振動器111。振動器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輛的前側，超聲波朝向車輛的前方發射。基板112接收從位于車輛前方的物體反射的超聲波并由振動器111轉換成電信號。
由于超聲波傳感器安裝在車輛上從外面可以看得見的位置上，因此必須使其盡可能小以不破壞車輛的裝飾設計。然而，存在的問題是基板112的共振頻率隨著其尺寸變小而變高。這導致超聲波的衰減增加并使方向性變得更壞。通過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度。

發明內容
鑒于上述問題，已經作出了本發明，并且本發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，同時保持抗沖擊力的機械強度。
根據本發明的超聲波傳感器包括由例如樹脂等材料制成的基板和安裝在基板上的由壓電元件構成的振動器。超聲波傳感器可以安裝在機動車輛上，以檢測位于車輛前方或周圍的物體。振動器通過饋給它的電信號而振動，并且振動器的振動傳送給基板，該基板向位于車輛前方或周圍的物體發射超聲波。物體所反射的超聲波由基板接收并被振動器轉換成電信號。基于所反射的超聲波，例如檢測從車輛到物體的距離。
用粘合劑將振動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口的溝槽，以降低基板的剛性。通過降低基板的剛性，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，因此沒有降低基板抗沖擊力的機械強度。
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器的第一表面上。在這種情況下，優選不在連接振動器的區域中形成溝槽，以便增加振動器到基板的連接力。溝槽可以形成在兩個表面上。溝槽還可以形成為格柵設置，使得基板的機械強度在每個方向上都是均勻的。代替溝槽或者除了溝槽之外，可以在基板中形成通孔。另外，可以沿基板的側表面形成切口部分，從而進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，以防止雜質顆粒進入溝槽中。
根據本發明，可以在不損失基板的機械強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。通過更好地理解下面參照下列附圖所介紹的優選實施例，本發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器的基板的第一表面所觀察到的根據本發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示出本發明的實施例的修改例1，其中在基板中形成通孔；圖5A-5B示出本發明的實施例的修改例2，其中沿基板的側面形成切口部分；圖6示出本發明的實施例的修改例3，其中用填料填充在基板中形成的溝槽；圖7A-7D示出本發明的實施例的修改例4，其中在基板的第二表面上形成溝槽；和圖8是示出安裝在車輛主體部件上的常規超聲波傳感器的剖面圖。
具體實施例方式
將參照附圖介紹本發明的優選實施例。如圖1A和1B所示，超聲波傳感器10包括產生和檢測超聲波的超聲波振動器11和基板12。超聲波振動器11由如鈦酸-鋯酸鉛(PZT)這樣的壓電元件構成。用一對電極夾持該壓電元件，形成厚度為0.1mm和平面面積為1mm×1mm的超聲波振動器11。由于PZT具有高的壓電系數，因此可以產生高水平的超聲波，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。通過模制或機械加工很容易以低成本將樹脂材料形成為基板12。用粘合劑13將超聲波振動器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在預定位置固定到車輛主體部件20上，使得基板12的第一表面12a面向車輛的內部并且第二表面12b面向車輛的外部。基板12可以由樹脂以外的材料制成，例如半導體材料或玻璃。在使用半導體材料的情況下，可以通過使用公知的半導體制造工藝在基板上形成其他電子元件。
基板由振動器11振動，并且超聲波從基板12發射到將要檢測的物體。被物體反射的超聲波由基板12接收。基于被反射的超聲波來檢測車輛前方或周圍的物體。當接收到由物體反射的超聲波時，基板12以預定的共振頻率振動。振動器11將基板12的振動轉換成電信號。該電信號提供給連接到振動器11的電子部件(未示出)，然后發送到外部的電子控制單元(ECU)。例如，基于發射波和反射波之間的時間差或相位差，計算從車輛到位于該車輛前方的物體的距離。
當基板12由厚度為0.5mm的樹脂板制成時，該厚度是確保足夠的機械強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。一般來說，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，因為共振頻率與剛性的平方根成比例，所以通過減小基板12的剛性可以降低共振頻率。在本發明中，通過以下方式，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的整個第一表面12a的格子狀排列，因此可以使抗沖擊的機械強度在每個方向都是均勻的。因為溝槽14也形成在振動器11的下面，所以振動器11的振動變得更大。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射和接收，因此不產生衰減。
圖1A和1B所示的實施例可以修改成圖2A和2B所示的形式。在這種修改形式中，溝槽14不形成在連接振動器11的第一表面12a的位置上。振動器11更牢固地連接到第一表面12a，并且超聲波在振動器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的中心周圍形成方形溝槽14。在圖3B所示的修改形式中，在基板12的中心周圍形成圓形溝槽14。在圖3C所示的修改形式中，形成一對溝槽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開口的多個孔15。每個孔具有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，因此抗沖擊的機械強度在每個方向上都是均勻的。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，通過形成溝槽14或孔15(由此減小剛性)來降低基板12的共振頻率。相應地，在不增大超聲波傳感器10的尺寸并同時保持抗沖擊的機械強度(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可以只形成在一對側表面12c上或者僅沿著一對側表面12c形成，或者切口部分16可以形成在所有側表面12c上或者沿著所有側表面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填充每個溝槽14。防止雜質顆粒進入溝槽14中，并由此避免由雜質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不形成在對應振動器11的區域中。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上的溝槽相對于第一表面12a上的溝槽成Z字形關系。與前述實施例或其修改例一樣，也減小了基板12的剛性，并相應地減小了共振頻率。
下面將總結本發明所取得的優點。在不減小基板厚度的條件下，可以通過在基板12中形成溝槽14或孔15來減小基板的剛性。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，同時保持基板12抗沖擊力的機械強度。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，通過形成切口部分16(如圖5A和5B所示)，可以進一步減小基板12的剛性。在溝槽14不形成在接觸振動器11的區域中的情況下(如圖2A和2B所示)，因為增大了基板12和振動器11之間的接觸區域，因此可以用粘合劑13將振動器11更牢固地連接到基板12。同時抑制了超聲波在振動器11和基板12之間的邊界處的衰減。當振動器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(如圖7A和7B所示)，振動器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)，防止雜質顆粒進入到溝槽14中，并且避免了由雜質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的總剛性不會受到填料18太大的影響。
本發明不限于上述實施例和其修改例，而且還可以對本發明做各種修改。例如，除了形成在基板12中的溝槽或孔之外，還可以在振動器11中形成溝槽或孔。利用這種方式可以進一步減小超聲波傳感器10的共振頻率，并且可以通過利用這種方式降低振動器11的剛性來增大振動器11的輸出。
盡管已經參照前述優選實施例示出并介紹了本發明，但是對于本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離由所附權利要求書限定的本發明的范圍的情況下，可以在形式上和細節上做各種修改。
權利要求
1.一種超聲波傳感器(10)，包括用于發射和接收超聲波的基板(12)；和安裝在所述基板上的振動器(11)，用于將電信號轉換成將要被發射的所述超聲波，并且用于將接收到的所述超聲波轉換成電信號，其中所述振動器(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)開口的空洞(14)，該第二表面(12b)與所述第一表面相對，由此減小所述基板的剛性。
2.如權利要求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表面(12c)形成切口部分(16)。
6.如權利要求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.如權利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述振動器(11)是由鈦酸-鋯酸鉛制成的壓電元件。
8.如權利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述基板(12)由樹脂材料制成。
9.如權利要求1所述的超聲波傳感器，其中所述基板(12)由半導體材料制成。
10.如權利要求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的第二表面(12b)；和安裝在所述基板上的振動器(11)，用于將電信號轉換成將要被發射的所述超聲波，并且用于將接收到的所述超聲波轉換成電信號，其中在所述基板中形成向所述第一表面(12a)開口的溝槽(14)，由此減小所述基板的剛性；并且所述振動器(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器(11)所構成的超聲波傳感器(10)可有利地用作檢測到位于機動車輛前方的物體的距離的傳感器。從傳感器(10)發射的超聲波被物體反射，并且反射波由傳感器接收。基于反射波，計算從車輛到物體的距離。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保持其抗沖擊力的機械強度。利用這種方式，在不增大超聲波傳感器(10)的尺寸的條件下，獲得實現足夠高的方向性和靈敏度所希望的共振頻率。
文檔編號G01S15/02GK101035394SQ20071008545
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月5日 優先權日2006年3月6日
發明者渡邊和明, 吉田貴彥, 杉浦真紀子, 遠藤升, 奧田泰行 申請人:株式會社電裝