CN102227919B - 超声波接收发送器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能提高壳体的加工性并能抑制谐振频率的偏差、且特性稳定的超声波接收发送器。超声波接收发送器(101)包括有底圆筒状壳体(21)、以及设置于该壳体(21)的底面的大致中央部的压电元件(22)。壳体(21)的底面包括：厚度从设有压电元件(22)的部分起、随着接近壳体(21)的内壁面而逐渐变薄的倾斜部(S)；以及从该倾斜部(S)的周缘到壳体(21)的内壁面都保持倾斜部(S)的周缘部的厚度的平坦部(F)。

Description

超声波接收发送器

技术领域

本发明涉及一种超声波接收发送器，特别涉及用于汽车的后部声纳系统、角落声纳系统、还用于在排成纵队停放时对与侧壁等障碍物之间是否存在空间进行检测的停车位传感器等的超声波接收发送器。 

背景技术

超声波接收发送器利用超声波进行检测，间歇性地从压电振动元件发送超声波脉冲信号，用压电振动元件接收来自存在于周围的障碍物的反射波，从而对物体进行检测。 

专利文献1披露了这种超声波接收发送器。图1是表示专利文献1的超声波接收发送器1的壳体的结构的剖视图。超声波接收发送器的壳体11是横截面呈圆形的有底筒状的壳体，在其底部的内表面中央部上安装有压电元件12。形成壳体11的底部，使得其厚度在安装有压电元件12的部分较厚，并随着接近壳体11的内壁面而逐渐变薄。 

专利文献1：日本专利特开2006-174003号公报 

发明内容

专利文献1所披露的超声波接收发送器具有残响较少、方向性狭窄的特性。 

然而，在图1中，用标号A来表示的部分(壳体底部的倾斜部与侧壁部之间的角部)在设计上是尖锐的边缘，但实际上，在该部分形成尖锐的边缘在加工上较困难。 

另外，实际上在图1中的标号A所示的部分形成具有曲率半径R的圆角，但该曲率半径R的偏差会导致超声波接收发送器的谐振频率产生较大的变动，判断为这是特性上不稳定的主要原因之一。 

另外，在采用图1的结构的情况下，判断为无法获得足够的振幅，灵敏度不够。 

本发明的目的在于，提供一种能提高壳体的加工性并能抑制谐振频率的偏差、且振幅较大的超声波接收发送器。 

本发明的超声波接收发送器的特征在于，包括：有底圆筒状的壳体；以及设置于所述壳体的底部的大致中央部的压电元件，所述壳体的底部包括：倾斜部，该倾斜部的厚度从设有所述压电元件的位置起，随着接近所述壳体的内壁面而逐渐变薄；以及平坦部，该平坦部从所述倾斜部的周缘起到所述壳体的内壁面都保持所述倾斜部的周缘部的厚度，在用标号D来表示从所述倾斜部的内侧的端部到所述壳体的内壁面的径向尺寸、用标号d1来表示所述平坦部的径向尺寸时，d1/D为0.1～0.9的范围内的值。 

根据本发明，由于在壳体底部的内表面的倾斜部与内壁面之间存在平坦部，因此，能在加工壳体时高精度地加工底部的形状。另外，在壳体底部的平坦部与内壁面之间的边界部(角部)具有曲率半径为R的圆角，由该曲率半径R的偏差所引起的、超声波接收发送器的谐振频率的变动较小。因此，能获得特性稳定的超声波接收发送器。 

附图说明

图1是表示专利文献1的超声波接收发送器的壳体的结构的剖视图。 

图2是本发明的实施方式所涉及的超声波接收发送器101的剖视图。 

图3是表示超声波接收发送器101的壳体21的各部分的尺寸的图。 

图4是表示壳体21的底部的振幅相对于d1/D的关系的图。 

图5是表示图3中以标号A来表示的部分(由平坦部与内壁面所形成的角部)的曲率半径R与超声波接收发送器的谐振频率之间的关系的图。 

图6是表示超声波接收发送器的残响时间相对于d1/D之间的关系的图。 

图7(A)是表示图2所示的超声波接收发送器101的壳体21的底部的振动分布的图。图7(B)是在放大了图7(A)的纵轴标度的状态下的中央部的特性，图7(C)是放大了图7(A)的纵轴标度的状态下的两侧的特性。 

图8(A)是表示对超声波接收发送器的壳体进行模锻加工时的原材料 21S和锻模(下模)D的图。图8(B)是表示模锻加工的状态、以及利用模锻加工而获得的超声波接收发送器的壳体21的图。 

图9(A)是从超声波接收发送器的壳体21的开口面进行观察的俯视图。图9(B)是位于图9(A)中的直线A-A部分的剖视图。 

图10是简要地表示图8(B)所示的模锻时的、原材料发生形变时的材料的流动状态的剖视图。 

图11(A)是表示所述倾角AOG与壳体21的外底面的平面度之间的关系的图。图11(B)是对所述样品所求出的、倾角AOG与壳体21的外底面的方向性的偏差的结果。 

图12是表示实施方式2所涉及的超声波接收发送器102的方向性的图。 

图13是表示方向性测定时的超声波传感器与对象物之间的位置关系的图。 

标号说明 

101、102超声波接收发送器 

11壳体 

12压电元件 

21壳体 

22压电元件 

23吸音材料 

24基板 

25、26内部引线 

27、28外部引线 

29连接器 

30空间 

31树脂 

F平坦部 

FT上部平坦部 

S倾斜部 

D  锻模 

P  冲头 

具体实施方式

本发明的超声波接收发送器的特征在于，包括：有底圆筒状的壳体；以及设置于壳体的底部的大致中央部的压电元件，壳体的底部包括：倾斜部，该倾斜部的厚度从设有压电元件的位置起，随着接近壳体的内壁面而逐渐变薄；以及平坦部，该平坦部从倾斜部的周缘到壳体的内壁面都保持倾斜部的周缘部的厚度，在用标号D来表示从倾斜部的内侧的端部到壳体的内壁面的径向尺寸、用标号d1来表示平坦部的径向尺寸时，d1/D为0.1～0.9的范围内的值。 

这样，由于在壳体底部的内表面的倾斜部与内壁面之间存在平坦部，因此，能在加工壳体时高精度地加工底部的形状。另外，在壳体底部的平坦部与内壁面之间的边界部(角部)具有曲率半径为R的圆角，但该曲率半径R的偏差所引起的、超声波接收发送器的谐振频率的变动较小。因此，能获得特性稳定的超声波接收发送器。 

在d1/D小于0.1的情况下，在壳体底部的平坦部与内壁面之间的边界部容易带有曲率半径为R的圆角，从而无法将谐振频率的变动变得足够小。另外，在d1/D大于0.9的情况下，由于在壳体底部中，平坦部的外周部(壳体内壁面一侧)的振幅变大，因此，振动容易向壳体内壁面传播，从而容易发生残响。 

另外，有时会将超声波接收发送器用于汽车的停车辅助装置，此时，为了使得不受来自地面、路缘石等的反射所导致的影响，要求具有在垂直轴、水平轴之中的一根轴上较窄、而在另一根轴上较宽的方向性。 

因此，有时在超声波接收发送器的壳体的内部设置一根轴较长而另一根轴较短的凹陷。 

然而，在利用锻造加工制造这样的壳体的情况下，现有的加工方法存在以下的问题。 

(a)当在壳体的内底面上形成阶梯部时，由于材料的流动会受阶梯部分 的阻碍，因此，所产生的较大的负荷会导致壳体的外底面发生变形，从而可能会损害外观。 

(b)另外，由于壳体外底面的形变的偏差较大，因此，这会引起方向性的偏差。 

(c)因此，在现有的锻造加工中，需要在锻造后增加切削工序，以将底面外侧加工得较为平滑，从而较难廉价地进行制造。另外，由于进行切削加工会导致在壳体底部的厚度上产生偏差，因此，这也会引起方向性的偏差。此外，由于追加切削加工会导致残留加工痕迹，因此，还是会损害外观。因此，需要一种特性偏差较小、美观、且廉价的超声波接收发送器，所述超声波接收发送器能利用锻造加工来制造在垂直轴、水平轴的方向性上具有差异的、超声波接收发送器的壳体。 

因此，优选将倾斜部的倾角相对于设置有压电元件的上部平坦部的法线设为例如45度以上。由此，将倾斜部的倾角相对于壳体的内底面的、设置有压电元件的面的法线设为45度以上，从而能获得可以进行锻造加工的、特性偏差较小、美观、且廉价的超声波接收发送器。 

此外，倾斜部的倾角小于90度。 

特别是，优选为壳体的内壁面具有长直径和短直径(与底面平行的面上的内壁面的截面形状为)，设置有压电元件的上部平坦部的一部分大致与所述内壁面相接，将用垂直于以下切线的面来切断壳体时的倾斜部的倾角设置为相对于设置有压电元件的面的法线为45度以上，所述切线与上部平坦部和倾斜部之间的边界线(棱线)相切。在壳体的内壁面具有长轴和短轴，而作为振动面的壳体底面实质上为长圆形或椭圆形，在这种情况下，在进行锻造加工时，壳体底部的厚度容易产生偏差。其结果是，容易在外底面上产生形变和方向性偏差，但根据本发明，能获得特性偏差较小、美观、且廉价的超声波接收发送器。 

实施方式1 

参照图2～图7，对本发明的实施方式1所涉及的超声波接收发送器进行说明。 

图2是本发明的实施方式所涉及的超声波接收发送器101的剖视图。超 声波接收发送器101包括：有底圆筒状的壳体21；以及设置于该壳体21的内底面的大致中央部的压电元件22。 

壳体21的内底面包括：厚度从设有压电元件22的部分起、随着接近壳体21的内壁面而逐渐变薄的倾斜部S；以及从该倾斜部S的周缘到壳体21的内壁面都保持倾斜部S的周缘部的厚度的平坦部F。 

在压电元件22的上部，隔着空间30设置有吸音材料23，该吸音材料23的上部配置有基板24。基板上的电极与壳体21之间用内部引线25相连接，基板24的电极与压电元件22的电极之间经由内部引线26相连接。另外，基板24的连接电极与外部引线27、28的第一端部相连接，外部引线27、28的第二端部与连接器29相连接。外部引线27与内部引线25之间、以及外部引线28与内部引线26之间经由基板24分别相连接。在壳体21的内部中除所述空间30以外的部分都填充有树脂31。 

所述壳体21是铝壳，利用切削加工进行制造。吸音材料23例如是将由聚酯纤维构成的毡化物成形为圆板状的材料。所述树脂31是弹性有机硅树脂。 

图3是表示所述壳体21的各部分的尺寸的图。这里，在将壳体21的底部的、设置有压电元件22的部分的厚度设为t2、将平坦部的厚度设为t1、将设置有压电元件22的部分的直径设为D2、将壳体21的内径设为DI、将壳体21的外径设为DO、将以标号A来表示的部分的曲率半径设为R时，各部分的尺寸如下所示。 

t1＝1.0mm 

T2＝1.5mm 

DO＝14mm 

DI＝11mm 

D2＝8mm 

R＝0.2mm 

此外，压电元件22的直径为7mm，厚度尺寸为0.15mm。 

接着，示出了在所述条件下、使平坦部的径向尺寸d1相对于从倾斜部的内侧的端部到所述壳体的内壁面的径向的尺寸D发生变化时的特性变化。 

图4是表示壳体21的底部的振幅相对于d1/D的关系的图。这里，与压电元件22相对的信号是电压1V、频率67kHz的正弦波信号。图4的纵轴是振幅(nm)。当d1/D＝0时，d1＝0，为现有结构的情况下的特性。当d1/D＝0时，振幅为81.6，与之相对，当d1/D在0.1～0.9的范围内时，振幅大于81.9。另外，该振幅是稳定的振幅。若d1/D超过0.9，则振幅低于81.9。 

由于振幅每变化0.1，超声波传感器的灵敏度都变化约3％，因此，可以说在d1/D＝0时本发明的超声波传感器的灵敏度比专利文献1的要高9％以上。另外，可知在d1/D＝1时本发明的超声波传感器的灵敏度比现有已知的超声波传感器的也要高3％以上。可知若仅在壳体底部、特别是图3的标号A附近设置平坦部，则振幅并不会增大，而若通过将d1/D设为0.1～0.9，则可增大振幅、提高灵敏度。 

图5是表示在图3中以标号A来表示的部分(由平坦部与内壁面所形成的角部)产生圆角时、其曲率半径R与超声波接收发送器的谐振频率之间的关系的图。这里，用R0、R1、R2、R3、R4来表示d1/D＝0、d1/D＝0.1、d1/D＝0.2、d1/D＝0.33、d1/D＝0.67这五个例子的特性曲线。可知当d1/D＝0时，谐振频率随着所述曲率半径R的增大而产生较大的变化，与之相对，若d1/D的值为0.1以上，则谐振频率的变动相对于曲率半径R的变动则较小。 

因而，可知与图1所示的现有结构的超声波接收发送器相比，因壳体21在制造上的误差而产生的谐振频率的偏差较小。 

图6是表示超声波接收发送器的残响时间相对于d1/D的关系的图。当d1/D处于0.1～0.9的范围内时，由于残响时间小于1.2ms，因此，作为车载用的超声波传感器能获得足够的残响特性。即，如图2和图3所示，利用在壳体21的底部具有倾斜部S的结构，能维持较短的残响时间特性。 

图7(A)是表示图2所示的超声波接收发送器101的壳体21的底部的振动分布的图，横轴是离开中心的距离(mm)，纵轴是振幅(nm)。另外，图7(B)是放大了图7(A)的纵轴标度的状态下的中央部的特性，图7(C)是放大了图7(A)的纵轴标度的状态下的两侧的特性。 

这里，d1/D＝0.5的特性是d1/D＝0.1～0.9的范围中的代表特性。当d1/D＝1时，两侧的平坦部的振幅减小。可以推测这是由于压电元件22的径 向振动未顺利地传播至平坦部，从而导致振幅减小。 

另外，当d1/D＝0(没有平坦部)时，两侧的振幅保持不变，只有中央部的振幅减小。可以推测这是由于壳体21的底部因刚性较高而不容易发生振动。 

因而，在0.1～0.9的范围内选择d1/D，从而能力图增大壳体21底部的振幅，提高超声波传感器的灵敏度。 

实施方式2 

参照图8～图13，对本发明的实施方式2所涉及的超声波接收发送器进行说明。 

本实施方式2涉及一种具有相互正交的平面内的射束宽度不同的方向性的超声波接收发送器。另外，在实施方式2中，利用锻造加工来制造超声波接收发送器的壳体。 

图8(A)表示利用锻造加工(模锻)来制造超声波接收发送器的壳体时的原材料21S和锻模(下模)D。图8(A)的下部的图表示将原材料21S嵌入锻模D的内部的状态。原材料21S例如是圆板状的铝板。 

图8(B)的下部的图表示由图8(A)所示的状态起用气锤等敲击冲头(上模)P的状态。之后，若从模中取出原材料，则如图8(B)的上部的图所示，能获得超声波接收发送器的壳体21。 

预先对冲头P的前端面进行加工，使壳体21的内底面成为规定形状。 

图9(A)是从超声波接收发送器的壳体21的开口面来进行观察的俯视图。图9(B)是位于图9(A)中的直线A-A部分的剖视图。超声波接收发送器102包括有底筒状的壳体21、以及设置于该壳体21的内底面的中央部的压电元件22。在图9(A)、图9(B)中，关于设置于壳体21内的吸音材料、空间、引线等，省略图示。 

壳体21的内底面包括：厚度从设有压电元件22的上部平坦部FT起、随着接近壳体21的内壁面而逐渐变薄的倾斜部S；以及从该倾斜部S的周缘到壳体21的内壁面都保持倾斜部S的周缘部的厚度的平坦部F。 

当用标号D来表示从倾斜部S的内侧的端部到壳体21的内壁面的径向的尺寸、用标号d1来表示平坦部F的径向的尺寸时，d1/D是0.1～0.9范围内的 值，这一点与实施方式1的超声波接收发送器相同。 

在实施方式2的超声波接收发送器102中，倾斜部S的倾角AOG相对于设置有压电元件22的上部平坦部FT的法线为45度以上。若壳体21的内底面为同心圆形状，则可以说所述倾角AOG是用通过中心轴的平面进行了切割而获得的截面上的倾角。然而，在该超声波接收发送器102中，壳体21的内底面不是同心圆形状。所述倾角AOG是用垂直于以下切线的面来对壳体21进行切割而获得的截面上的倾角，所述切线是与上部平坦部FT和倾斜部S之间的边界线(棱线)相切。 

图10是简要地表示在图8(B)所示的模锻时、原材料发生形变时的材料的流动状态的剖视图。如图8(A)、图8(B)所示，当壳体21的原材料在锻模D与冲头P之间发生形变时，如图10中的箭头所示，原材料21S的材料从壳体21的内底面的中央向周围延伸。将壳体21的内底面的形状制成如上所述的形状，从而原材料21S会从上部平坦部FT经倾斜部S和平坦部F而光滑地进行延展。因此，不会在倾斜部S与平坦部F之间的边界部等上产生形变，也不会损害壳体21的外底面的平面的美观性。 

图11(A)是表示所述倾角AOG与壳体21的外底面的平面度之间的关系的图。这里对五个例子求出了平面度的平均值。图11(B)是对所述样品所求出的、倾角AOG与壳体21的外底面的方向性的偏差的结果。 

此外，图12是表示图11(B)所示的方向性的图。另外，图13是表示方向性测定时的超声波传感器与对象物之间的位置关系的图。如图13所示，在传感器相对于对象物的角度θ逐渐发生变化的情况下，由传感器发送的声波被对象物所反射，反射后声波由传感器接收并以电压的形式输出，图13表示所述角度θ与输出电压的衰减量的关系。这里，示出了衰减量为-6dB时的角度θ的偏差。 

由图11(A)可知，在倾角AOG为45度以上、壳体21的外底面的平面度为15μm以下时，能获得良好的外观。另外，更为优选的是在将倾角AOG设为50度以上的情况下，平面度为10μm以下。另外，由图11(B)可知，在倾角AOG为45度以上、所述方向性的偏差为±1.5μm以下时，能获得高精度的壳体。 

此外，在实施方式2中，壳体21的内底面使用了非同心圆形的形状，但 不言而喻，在同心圆形的情况下，也可以采用本发明。 

其他实施方式 

在实施方式2中，将铝作为原材料的材料，但作为适于锻造的材料，除铝以外，也可以使用选择性地将Mg、Si、Mn、Fe、Zn等添加至铝中而获得的合金。另外，也可以使用Mg、或使用将Al、Zn等添加至Mg中而获得的合金。 

作为锻造加工的工艺，可以使用利用金属模以一次锻造加工对圆板状原材料进行加工的方法，或使用一边对圆板状的原材料进行传送、一边进行多次锻造加工的方法等。 

Claims (3)

1.一种超声波接收发送器，包括：

有底圆筒状的壳体；以及

设置于所述壳体的底部的大致中央部的压电元件，其特征在于，

所述壳体的底部包括：倾斜部，该倾斜部的厚度从设有所述压电元件的位置起，随着接近所述壳体的内壁面而逐渐变薄；以及平坦部，该平坦部从所述倾斜部的周缘到所述壳体的内壁面都保持所述倾斜部的周缘部的厚度，

在用标号D来表示从所述倾斜部的内侧的端部到所述壳体的内壁面的径向尺寸、用标号d1来表示所述平坦部的径向尺寸时，d1/D为0.1～0.9的范围内的值。

2.如权利要求1所述的超声波接收发送器，其特征在于，

所述倾斜部的倾角相对于设置有所述压电元件的上部平坦部的法线为45度以上。

3.如权利要求2所述的超声波接收发送器，其特征在于，

所述壳体的内壁面具有长直径和短直径，设置有所述压电元件的上部平坦部的一部分大致与所述内壁面相接，

在用垂直于以下切线的面来切断所述壳体后，使所述倾斜部的倾角相对于设置有所述压电元件的面的法线为45度以上，所述切线与所述上部平坦部和所述倾斜部之间的边界线相切。

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