专利名称：具有安装在基板上的振动器的超声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有安装在基板上的超声波振动器的超声波传感器。
背景技术：
迄今为止，具有安装在由诸如金属材料或树脂材料制成的基板上的压电振动器的超声波传感器是公知的。超声波传感器安装在机动车辆上，并且从超声波传感器向车辆前方或周围的物体发射超声波。基于物体反射并由超声波传感器接收的超声波来检测物体。通过这种方式检测到物体的距离和这些物体的二维或三维形状。
这种类型的超声波传感器的实例在JP-A-2002-58097中公开了。该超声波传感器的有关部分示于附图8中。圆柱形铝壳119连接到车辆主体部件120，并且超声波传感器110由圆柱形铝壳119支撑，其中超声波传感器110包括由压电元件制成的并安装在基板112上的超声波振动器111。振动器111安装在基板112的第一表面上，并且与基板112的第一表面相反的第二表面面向车辆的前侧，超声波朝向车辆的前方发射。基板112接收从位于车辆前方的物体反射的超声波并由振动器111转换成电信号。
由于超声波传感器安装在车辆上从外面可以看得见的位置上，因此必须使其尽可能小以不破坏车辆的装饰设计。然而，存在的问题是基板112的共振频率随着其尺寸变小而变高。这导致超声波的衰减增加并使方向性变得更坏。通过降低基板的刚性可以降低共振频率。为此，可以想到使基板更薄或者使用具有较低杨式模量的材料。然而，降低基板的刚性大大降低了基板抗冲击力的强度。
发明内容
鉴于上述问题，已经作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种紧凑型超声波传感器，其中降低了共振频率，同时保持抗冲击力的机械强度。
根据本发明的超声波传感器包括由例如树脂等材料制成的基板和安装在基板上的由压电元件构成的振动器。超声波传感器可以安装在机动车辆上，以检测位于车辆前方或周围的物体。振动器通过馈给它的电信号而振动，并且振动器的振动传送给基板，该基板向位于车辆前方或周围的物体发射超声波。物体所反射的超声波由基板接收并被振动器转换成电信号。基于所反射的超声波，例如检测从车辆到物体的距离。
用粘合剂将振动器连接到基板的第一表面，并且在基板中形成向第二表面开口的沟槽，以降低基板的刚性。通过降低基板的刚性，将其共振频率降低到获得高方向性和灵敏度所期望的水平，而不减小基板的厚度或者增大其表面积。由于不减小基板的厚度，因此没有降低基板抗冲击力的机械强度。
代替沟槽或者除了沟槽之外，还可以形成端闭孔。这些沟槽可以形成在其上安装振动器的第一表面上。在这种情况下，优选不在连接振动器的区域中形成沟槽，以便增加振动器到基板的连接力。沟槽可以形成在两个表面上。沟槽还可以形成为格栅设置，使得基板的机械强度在每个方向上都是均匀的。代替沟槽或者除了沟槽之外，可以在基板中形成通孔。另外，可以沿基板的侧表面形成切口部分，从而进一步减小基板的刚性。可以用刚性比基板的刚性低的填料填充沟槽，以防止杂质颗粒进入沟槽中。
根据本发明，可以在不损失基板的机械强度并且不增大基板的表面积的条件下，可以将基板的共振频率降低到所期望的水平。通过更好地理解下面参照下列附图所介绍的优选实施例，本发明的其他目的和特征将变得更加容易理解。
图1A是示出从其上安装振动器的基板的第一表面所观察到的根据本发明的超声波传感器的平面图；图1B是示出沿图1A所示的线1B-1B截取的超声波传感器的剖面图；图2A是示出从其上安装振动器的基板的第一表面所观察到的超声波传感器的修改形式的平面图；图2B是示出沿图2A中所示的线IIB-IIB截取的超声波传感器的修改形式的剖面图；图3A-3D示出图1A所示的超声波传感器的各种修改形式；图4A-4B示出本发明的实施例的修改例1，其中在基板中形成通孔；图5A-5B示出本发明的实施例的修改例2，其中沿基板的侧面形成切口部分；图6示出本发明的实施例的修改例3，其中用填料填充在基板中形成的沟槽；图7A-7D示出本发明的实施例的修改例4，其中在基板的第二表面上形成沟槽；和图8是示出安装在车辆主体部件上的常规超声波传感器的剖面图。
具体实施例方式
将参照附图介绍本发明的优选实施例。如图1A和1B所示，超声波传感器10包括产生和检测超声波的超声波振动器11和基板12。超声波振动器11由如钛酸-锆酸铅(PZT)这样的压电元件构成。用一对电极夹持该压电元件，形成厚度为0.1mm和平面面积为1mm×1mm的超声波振动器11。由于PZT具有高的压电系数，因此可以产生高水平的超声波，并且可以接收低水平的超声波。
基板12由诸如工程塑料等树脂材料制成，并且形成厚度为0.5mm和平面面积为3mm×3mm的方板。通过模制或机械加工很容易以低成本将树脂材料形成为基板12。用粘合剂13将超声波振动器11连接到基板12的第一表面12a的中心部分。超声波传感器10在预定位置固定到车辆主体部件20上，使得基板12的第一表面12a面向车辆的内部并且第二表面12b面向车辆的外部。基板12可以由树脂以外的材料制成，例如半导体材料或玻璃。在使用半导体材料的情况下，可以通过使用公知的半导体制造工艺在基板上形成其他电子元件。
基板由振动器11振动，并且超声波从基板12发射到将要检测的物体。被物体反射的超声波由基板12接收。基于被反射的超声波来检测车辆前方或周围的物体。当接收到由物体反射的超声波时，基板12以预定的共振频率振动。振动器11将基板12的振动转换成电信号。该电信号提供给连接到振动器11的电子部件(未示出)，然后发送到外部的电子控制单元(ECU)。例如，基于发射波和反射波之间的时间差或相位差，计算从车辆到位于该车辆前方的物体的距离。
当基板12由厚度为0.5mm的树脂板制成时，该厚度是确保足够的机械强度以抗冲击所必须的，需要大约5mm×5mm平面面积以获得大约几十kHz的共振频率。一般来说，在不减小基板12的厚度或者增大其表面积的情况下难以降低共振频率。然而，因为共振频率与刚性的平方根成比例，所以通过减小基板12的刚性可以降低共振频率。在本发明中，通过以下方式，在不改变其厚度和平面大小的情况下减小该基板的刚性。
如图1A和1B所示，以格子状排列方式在基板12的第一表面12a上形成沟槽14。沟槽14的宽度为0.1mm，其深度为0.25mm(厚度的一半)，并且相邻沟槽之间的间隔为0.1mm。通过这种方式，在不改变其厚度的情况下大大减小基板12的刚性，并且相应地将共振频率从120kHz减小到60kHz。沟槽14的横截面形状不限于长方形，其也可以是半圆形或楔形。
由于沟槽14形成为均匀覆盖基板12的整个第一表面12a的格子状排列，因此可以使抗冲击的机械强度在每个方向都是均匀的。因为沟槽14也形成在振动器11的下面，所以振动器11的振动变得更大。由于在第二表面12b上不形成沟槽，因此超声波平滑地从其发射和接收，因此不产生衰减。
图1A和1B所示的实施例可以修改成图2A和2B所示的形式。在这种修改形式中，沟槽14不形成在连接振动器11的第一表面12a的位置上。振动器11更牢固地连接到第一表面12a，并且超声波在振动器11和第一表面12a之间的边界上的衰减可以变得更小。
此外，图1A和1B所示的实施例可以修改成图3A-3D所示的形式。在图3A所示的修改形式中，在基板12的中心周围形成方形沟槽14。在图3B所示的修改形式中，在基板12的中心周围形成圆形沟槽14。在图3C所示的修改形式中，形成一对沟槽14，以在基板12的中心处相互交叉。在图3D所示的修改形式中，代替沟槽14，而是形成向第一表面12a开口的多个孔15。每个孔具有0.1mm×0.1mm的平面面积和0.25mm的深度(基板12的厚度的一半)。由于孔15均匀地分布，因此抗冲击的机械强度在每个方向上都是均匀的。可以代替方形孔15，而形成圆形孔。在基板12的厚度方向上的沟槽14的横截面形状(图3A-3C所示)可以任选，即，可以是半圆形或楔形。沟槽14之间的间隔和沟槽14或孔15的深度可以任选。此外，沟槽14和孔15可以组合形成。还可以去除在连接振动器11的位置处的沟槽14或孔。
在上述超声波传感器10中，通过形成沟槽14或孔15(由此减小刚性)来降低基板12的共振频率。相应地，在不增大超声波传感器10的尺寸并同时保持抗冲击的机械强度(即，不减小厚度)的条件下，获得所希望的共振频率，例如60kHz。因此，可以以低成本制造紧凑尺寸的超声波传感器10。此外，基板12的形状不限于方形，例如，其也可以是圆形。
上述实施例的一些修改例示于图4A-7D中。修改例1示于图4A和4B中。在图4A中，贯穿基板12形成彼此平行延伸的通孔17。通孔17可以形成为格子状排列，以彼此交叉。在图4B中，以组合方式形成沟槽14和通孔17。通过利用这种方式形成通孔17和/沟槽14，可以减小基板12的刚性，由此降低共振频率。
修改例2示于图5A和5B中。在图5A中，除了形成在第一表面12a上的沟槽14之外，还沿着基板12的侧表面12c形成L切口部分16。在图5B中，除了沟槽14之外，还在侧表面12c上形成U形切口部分16。切口部分16可以只形成在一对侧表面12c上或者仅沿着一对侧表面12c形成，或者切口部分16可以形成在所有侧表面12c上或者沿着所有侧表面12c形成。利用这种方式可以减小基板12的刚性。
修改例3示于图6中。在图6所示的超声波传感器10中，用刚性比基板12的刚性低的材料制成的填料18填充每个沟槽14。防止杂质颗粒进入沟槽14中，并由此避免由杂质颗粒所引起的超声波衰减。由于填料18的刚性低于基板12的刚性，因此基板12的总刚性不会受到填料18太大的影响。
修改例4示于图7A-7D中。在图7A所示的超声波传感器10中，沟槽14形成在第二表面12b上。沟槽14的尺寸和形状与图1B中的相同，但是它们形成在第二表面12b上而不是第一表面12a上。在图7B所示的超声波传感器10中，沟槽14不形成在对应振动器11的区域中。在图7C所示的超声波传感器10中，沟槽14形成在基板的两个表面12a和12b上，但是它们都比只形成在第二表面12b上的沟槽(图7A和7B)浅一些。在图7D所示的超声波传感器10中，沟槽14形成在两个表面12a和12b上，这与图7C中所示的超声波传感器一样。然而，第二表面12b上的沟槽相对于第一表面12a上的沟槽成Z字形关系。与前述实施例或其修改例一样，也减小了基板12的刚性，并相应地减小了共振频率。
下面将总结本发明所取得的优点。在不减小基板厚度的条件下，可以通过在基板12中形成沟槽14或孔15来减小基板的刚性。因此，基板12的共振频率可以降低到所希望的水平，而不增大其平面尺寸，同时保持基板12抗冲击力的机械强度。沟槽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况下减小了共振频率。
通过形成格子状排列的沟槽14，可以使基板12的刚性在所有方向上都是均匀的。除了沟槽14之外，通过形成切口部分16(如图5A和5B所示)，可以进一步减小基板12的刚性。在沟槽14不形成在接触振动器11的区域中的情况下(如图2A和2B所示)，因为增大了基板12和振动器11之间的接触区域，因此可以用粘合剂13将振动器11更牢固地连接到基板12。同时抑制了超声波在振动器11和基板12之间的边界处的衰减。当振动器11连接到第一表面12a上并且沟槽14形成在第二表面12b上时(如图7A和7B所示)，振动器11可以容易并牢固地连接到基板12。同样也抑制了超声波在边界处的衰减。
在用具有低刚性的填料18填充沟槽14的情况下(如图6所示)，防止杂质颗粒进入到沟槽14中，并且避免了由杂质颗粒引起的超声波的灵敏度下降。由于填料18的刚性低于基板12的刚性，因此基板12的总刚性不会受到填料18太大的影响。
本发明不限于上述实施例和其修改例，而且还可以对本发明做各种修改。例如，除了形成在基板12中的沟槽或孔之外，还可以在振动器11中形成沟槽或孔。利用这种方式可以进一步减小超声波传感器10的共振频率，并且可以通过利用这种方式降低振动器11的刚性来增大振动器11的输出。
尽管已经参照前述优选实施例示出并介绍了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以在形式上和细节上做各种修改。
权利要求
1.一种超声波传感器(10)，包括用于发射和接收超声波的基板(12)；和安装在所述基板上的振动器(11)，用于将电信号转换成将要被发射的所述超声波，并且用于将接收到的所述超声波转换成电信号，其中所述振动器(11)安装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)开口的空洞(14)，该第二表面(12b)与所述第一表面相对，由此减小所述基板的刚性。
2.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述空洞是形成在所述第二表面上的沟槽(14)。
3.如权利要求2所述的超声波传感器，其中所述沟槽(14)形成为格子状排列形式。
4.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述空洞是形成在所述第二表面上的孔(15)。
5.如权利要求1所述的超声波传感器，其中沿着垂直于所述第二表面的所述基板的侧表面(12c)形成切口部分(16)。
6.如权利要求1所述的超声波传感器，其中用刚性低于所述基板的刚性的填料(18)填充空洞(14、15)。
7.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述振动器(11)是由钛酸-锆酸铅制成的压电元件。
8.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述基板(12)由树脂材料制成。
9.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述基板(12)由半导体材料制成。
10.如权利要求1所述的超声波传感器，其中所述基板(12)由玻璃制成。
11.一种超声波传感器(10)，包括用于发射和接收超声波的基板(12)，该基板具有第一表面(12a)和与该第一表面相对的第二表面(12b)；和安装在所述基板上的振动器(11)，用于将电信号转换成将要被发射的所述超声波，并且用于将接收到的所述超声波转换成电信号，其中在所述基板中形成向所述第一表面(12a)开口的沟槽(14)，由此减小所述基板的刚性；并且所述振动器(11)安装在所述基板的所述第一表面(12a)上的不形成所述沟槽(14)的位置处。
全文摘要
基板(12)和安装在基板上的压电振动器(11)所构成的超声波传感器(10)可有利地用作检测到位于机动车辆前方的物体的距离的传感器。从传感器(10)发射的超声波被物体反射，并且反射波由传感器接收。基于反射波，计算从车辆到物体的距离。为了减小基板(12)的刚性并由此将基板(12)的共振频率降低到所希望的值，在基板中形成沟槽(14)。不减小基板的厚度来保持其抗冲击力的机械强度。利用这种方式，在不增大超声波传感器(10)的尺寸的条件下，获得实现足够高的方向性和灵敏度所希望的共振频率。
文档编号G01S15/02GK101035394SQ20071008545
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月5日 优先权日2006年3月6日
发明者渡边和明, 吉田贵彦, 杉浦真纪子, 远藤升, 奥田泰行 申请人:株式会社电装