CN101740017A - 哑铃形腔室的超音波换能器 - Google Patents

Abstract

一种超音波换能器，包含有一杯形壳体，其包括一壳体侧壁，该壳体侧壁的内表面于垂直于该换能器中心轴线的平面上的截面是显现大致哑铃形的周缘曲线。哑铃形周缘曲线可包括有一对大致平行于该哑铃长轴方向的对称对置的直线延伸部份，于其哑铃形长轴的两端，互相对置的，形成哑铃的胀大头部的圆弧线段部份，以及连结圆弧线段部份与其对应相邻的直线部份的一弧形线段。其杯形壳体更可包括有一底部，其朝向该杯形壳体的内部开口空间的内表面是哑铃形的一大致平坦平面，且其两胀大头部部份中的至少其中之一更可具有相对于该大致平坦平面的凹陷部份。

Description

哑铃形腔室的超音波换能器

技术领域

本发明是关于一种超音波换能器，特别是一种用于检测物体的存在及/或测量与物体的间距离的超音波换能器，本发明更特别有关于其超音波传输涵盖范围经造形最佳化的一种超音波换能器装置。

背景技术

超音波换能器可适用于必须侦测物体的各种应用用途之中。超音波换能器的典型用途包括目标对象的侦测(detection)及测距(range finding)。，诸如照像机及摄影机聚焦所需的测距，或利用超音波进行车辆后端近接处障碍物的侦测(obstacledetection)，都是常见应用的例子。在多种实例之中，超音波换能器是利用压电组件(piezoelectric element)来产生超音波，以供执行此等功能。在大部份的情况的下，同一个超音波换能器常被利用来作为超音波的发射器(ultrasound transmitter)以及接收器(ultrasound receiver)的双重功能装置。换言之，同一超音波装置须负责产生被使用作为扫描及/或测距用的超音波，以及接收反射回来的超音波。

不论是处于发射或接收操作模态，一超音波换能器的发散及接收波场的形状，时常对其应用用途有其重要的影响。例如，在车辆后端外围监测的用途之中，其发射及接收超音波覆盖场(ultrasound wave coverage field)两者，通常需要予以造形(shaping)，以利其达到最佳操作状态。一般而言，其两种覆盖场都需要在水平方向上相对宽广而在其垂直方向则相对较窄的场形造形。宽阔的水平发射覆盖场形可以增加有效监测角度范围，以避免漏失了正进行倒车的车辆其后方的物体。另一方面，较低窄的垂直方向扫描角度，则可以降低被地面反射回来超音波所干扰的可能性。

车辆后端监测系统的超音波换能器的接收操作模态下的覆盖场形造形，基本上应与其发射模态者相同或相似。在诸如摄影机测距的类的其它应用用途，也有类似的需求。

为了符合上述需求，习知的一种作法是通过提高超音波换能器的工作频率以图缩小超音波的垂直场形涵盖范围，但却可能同时也缩小了超音波的水平场形涵盖范围。此会加大水平方向的侦测盲区，因此这种作法并不能完全符合实际需求。

另一种习知作法是在超音波换能器的杯形壳体构形设计上进行变化调整，其形成了各种不同形状的内部开口，如长方形、椭圆形、梯形、泪滴形等的截面形状，以试图产生接近理想的超音波的辐射覆盖场形。然而，习知超音波换能器都无法在有效维持水平方向合理涵盖范围的同时，又能有效地缩小垂直方向上的覆盖范围。

例如，图1A显示了第9-284896号日本公开专利所揭示的超音波换能器的结构截面的平面图。在图1A中，超音波换能器1的内部开口10的截面状类似大小交叠的两个椭圆形，而其压电组件14则位于杯形壳体12的底部。虽然使用具有这种结构的杯形壳体12可让超音波的发射和接收范围在水平方向上较宽，而垂直方向上则较窄，但其垂直方向的涵盖场造形则仍不理想。请进一步参照图1B，其显示该超音波换能器的超音波场形涵盖范围，其超音波场形涵盖范围在-3dB处沿水平方向为54度，而沿垂直方向则为50。

发明内容

本发明因此提供一种超音波换能器，其具有增进的超音波场形覆盖特性而可以符合特定用途的需求。该超音波换能器包含一杯形壳体，其包括一壳体侧壁，该壳体侧壁的内表面于垂直于该换能器中心轴线的平面上的截面是显现大致哑铃形的周缘曲线。

依据本发明的一种超音波换能器，其哑铃形周缘曲线具有一对大致平行于该哑铃长轴方向的对称对置的直线延伸部份。

依据本发明的另一种超音波换能器，其哑铃形周缘曲线于其哑铃形长轴的两端各具有互相对置的，形成哑铃的胀大头部的两圆弧线段部份。

依据本发明的又一种超音波换能器，其哑铃形周缘曲线更包括有连结圆弧线段部份与对应相邻的直线部份的一弧形线段。

依据本发明的又一种超音波换能器，其杯形壳体更包括有一底部，其朝向该杯形壳体的内部开口空间的内表面是哑铃形的一大致平坦平面。

依据本发明的又一种超音波换能器，其底部的哑铃形内表面于其两胀大头部部份中的至少其中之一具有相对于该大致平坦平面的凹陷部份。

附图说明

图1A是习知超音波换能器的结构截面图。

图1B显示图1A超音波换能器的超音波场形涵盖范围。

图2A是依据本发明的一实施例超音波换能器的外观立体图。

图2B是图2A的俯视图。

图2C是沿图2B中2C-2C线的剖面图。

图2D显示图2A-2C的超音波换能器的超音波场形涵盖范围。

图3A是依据本发明一第二实施例超音波换能器的外观立体图。

图3B是图3A的俯视图。

图3C是沿图3B中3C-3C线的剖面图。

图3D显示图3A-3C的超音波换能器的超音波场形涵盖范围。

图4A是依据本发明又一实施例超音波换能器的外观立体图。

图4B是图4A的俯视图。

图4C是沿图4B中4C-4C线的剖面图。

【主要组件符号说明】

1，2，3，4--超音波换能器

10--内部开口

12，20，30，40--杯形壳体

14，22，32，42--压电组件

200，300，400--壳体侧壁

2000，3000，4000--平面结构

2002，3002，4002--曲面结构

2002a，3002a，4002a--沟槽结构

202，302，402--底部

3020，4020--凹部

具体实施方式

图2A是依据本发明一实施例的超音波换能器的外观立体图。图2B是图2A中超音波换能器的俯视图。图2C是图2B中沿线2C-2C所截取的剖面图。如图2A至图2C所示，超音波换能器2包含杯形壳体20及压电组件22。作为超音波换能器2的结构主体的杯形壳体20，大致具有圆柱体形的直筒杯形构造。

顾名思义，杯形壳体20的圆柱体形的直筒杯构形即形似一只茶杯，有其杯口及杯底，且其杯壁则为实质上固定直径的直圆筒状。不过，如同习于本技艺者都可理解，杯形壳体20的外壁也可为非纯直筒形，其可以由其杯形底部向开口方向逐渐放大或缩小其直径，这在本发明的超音波换能器都属可行。

杯形壳体20其圆柱形体的对称中心轴线，大致是符合于其所发射及/或接收的超音波的行进方向主轴，且其开口的方向是背向着超音波的发射方向。杯形壳体20在其杯形体构造的杯底部份，其平面大致垂直于壳体中心轴线的底部202。杯形壳体20环绕着中心轴线的则为壳体侧壁200。底部202以及壳体侧壁200两者接合形成了杯形壳体20的杯形构造。

如图2A及2B所显示，环绕着杯形壳体20的开口空间的壳体侧壁200，其外表面除接近于开口侧之处以外，是大致圆筒形的圆柱体外表面。另一方面，壳体侧壁200其围绕着杯形壳体20开口空间的内表面，沿着中心轴线方向观的则具有大致哑铃形的周缘曲线。

换言之，若沿垂直于中心轴线的平面而对杯形壳体20截取截面，则壳体侧壁200的内表面是显现如图所示的哑铃形造形的封闭曲线。如图2B所清楚显示，若以超音波换能器2的中心轴线为对称中心，则壳体侧壁200的此一哑铃形内表面截面曲线具有一对大致平行于哑铃长轴方向的对置直线延伸部份，此两直线部份分别沿着平行于中心轴线的方向前后延伸，即形成了壳体侧壁200内表面的两对置平面结构2000。

另外，壳体侧壁200的哑铃形内表面截面曲线于其哑铃长轴两端，则有大致平行于壳体侧壁200的圆形外表面曲线的，互相对置的，形成哑铃的胀大头部的两圆弧线段部份。此两圆弧线段部份分别沿着平行于中心轴线的方向前后延伸，即形成了壳体侧壁200内表面的两对置曲面结构2002。

此外，壳体侧壁200的哑铃形内表面截面曲线的每一圆弧线段部份，其两端各以一弧形线段而与其对应相邻的直线部份互相连结。每一弧形线段沿着平行于中心轴线的方向前后延伸，即形成了壳体侧壁200内表面的沟槽结构部份2002a，一共四个沟槽结构。

杯形壳体20的底部202的外表面，即相当于杯底平面，是呈大致圆形的平面，而其朝向杯形壳体开口空间的内表面，如图2B所清楚显示，是呈前述哑铃造形的平面。一般而言，压电组件22是设置于底部202哑铃形内表面上的大致中心位置。

图2D显示图2A-2C本发明的超音波换能器的超音波场形涵盖范围。如图所示，以-3dB为截止值，则图2A-2C的超音波换能器的超音波场形涵盖范围在水平方向上为88度(+/-44度)，而垂直方向则为40度。

就习知技术超音波换能器而言，其超音波场形涵盖范围在-3dB处沿水平方向仅为54度，而沿垂直方向则则为50度。两相比较可知，本发明的超音波换能器不仅在水平方向相对于习知技术有较宽的场形涵盖范围，而且在垂直方向有较窄的场形涵盖范围。此可明显验证本发明相较于习知技术的功效增进。

图3A是依据本发明另一实施例的超音波换能器的外观立体图。图3B是图3A中超音波换能器的俯视图。图3C则是图3B中沿3C-3C线所截取的剖面图。

如图3A至3C所示，超音波换能器3包含杯形壳体30及压电组件32。杯形壳体30大致具有圆柱形的直筒杯形构造。

杯形壳体30在其杯形体构造的杯底部份，是其平面大致垂直于壳体中心轴线的底部302。杯形壳体30环绕着中心轴线的则为壳体侧壁300。

环绕着杯形壳体30的开口空间的壳体侧壁300，其外表面是大致圆筒形的圆柱体外表面。壳体侧壁300的内表面，沿着中心轴线观的则具有大致哑铃形的周缘曲线。

壳体侧壁300的内表面是显现哑铃形造形的封闭曲线。此一哑铃形内表面截面曲线具有一对大致平行于哑铃长轴方向的对置直线延伸部份，此两直线部份分别沿着平行于中心轴线的方向延伸即形成了壳体侧壁300内表面的两对置平面结构3000。

哑铃形内表面截面曲线于其哑铃长轴两端，则有大致平行于壳体侧壁300的圆形外表面曲线的，互相对置的，形成哑铃的胀大头部的两圆弧线段部份。此两圆弧线段部份分别沿着平行于中心轴线的方向延伸即形成了壳体侧壁300内表面的两对置曲面结构3002。

哑铃形内表面截面曲线的每一圆弧线段部份，其两端各以一弧形线段而与其对应相邻的直线部份互相连结。每一弧形线段沿着平行于中心轴线的方向延伸即形成了壳体侧壁300内表面的四个沟槽结构部份3002a。

杯形壳体30的底部302的外表面是呈大致圆形的平面，而其朝向杯形壳体开口空间的内表面，如图3B所清楚显示，是呈前述哑铃造形的平面。压电组件32一般是设置于底部302哑铃形内表面上的大致中心位置。

如上所述，本发明图3A至3C的超音波换能器实施例，相较于图2A至2C的实施例，仅在其底部302的内表面构造上稍有不同。如图3C的截面图所示，此第二实施例的底部302在其哑铃形的两胀大部份，相较于图2A至2C的实施例是形成了各一凹部3020。此两凹陷部份是相对于底部302内表面中心部份的下凹，其实质上局部地加深了杯形壳体30的内部开口空间。

图3D显示图3A-3C的超音波换能器的超音波场形涵盖范围。如图所示，以-3dB为截止值，则图3A-3C的超音波换能器的超音波场形涵盖范围在水平方向上为90度，而垂直方向则为32度。对照图2D，本发明此超音波换能器3相较于习知技术又有更进一步的功效增进。

图4A-4C是图3A-3C超音波换能器的变化实施例，其中图4A是其外观立体图，图4B是图第4A的俯视图，而图4C则是沿图4B中4C-4C线的剖面图。图4A-4C的此实施例与前述两实施例相较的下具有大致相同的构造，同样仅在其底部402的内表面构造上稍有不同。如图4C的截面图所示，此第三实施例的底部402只在其哑铃形的两胀大部份的其中之一形成了一凹部4020。此凹陷部份是相对于底部402内表面中心部份的下凹，其也实质上局部地加深了杯形壳体40的内部开口空间。

前面的描述说明文字是针对本发明的特定数个实施例所进行的说明，在不脱离于本发明的精神范畴的情况之下，其各种修改变化仍属可能。因此，前述说明文字内容即不应被拿来限定本发明，而本发明的范畴应以权利要求书的文字内容来加以界定。

Claims (6)

1.一种超音波换能器，其特征在于，包含：

一杯形壳体，其包括一壳体侧壁，该壳体侧壁的内表面于垂直于该换能器中心轴线的平面上的截面是显现大致哑铃形的周缘曲线。

2.如权利要求1所述的超音波换能器，其特征在于，其中该哑铃形周缘曲线具有一对大致平行于该哑铃长轴方向的对称对置直线延伸部份。

3.如权利要求1所述的超音波换能器，其特征在于，其中该哑铃形周缘曲线于其哑铃形长轴的两端各具有互相对置的，形成哑铃的胀大头部的两圆弧线段部份。

4.如权利要求1所述的超音波换能器，其特征在于，其中该哑铃形周缘曲线包括有：

一对大致平行于该哑铃长轴方向的对称对置的直线延伸部份；

于其哑铃形长轴的两端，互相对置的，形成哑铃的胀大头部的圆弧线段部份；与

连结圆弧线段部份与对应相邻的直线部份的一弧形线段。

5.如权利要求1所述的超音波换能器，其特征在于，其杯形壳体更包括有一底部，其朝向该杯形壳体的内部开口空间的内表面是哑铃形的一大致平坦平面。

6.如权利要求5所述的超音波换能器，其特征在于，其中该底部的哑铃形内表面于其两胀大头部部份中的至少其中之一具有相对于该大致平坦平面的凹陷部份。

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