CN102438198A

CN102438198A - 超声波传感器

Info

Publication number: CN102438198A
Application number: CN2011102853306A
Authority: CN
Inventors: 酒井博纪
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-05-02
Also published as: US8779649B2; JP5339093B2; KR20120025978A; JP2012060369A; KR101318709B1; US20120056511A1

Abstract

本发明涉及对超声波进行发送或者接收的超声波传感器，其目的在于提供一种与以往相比可以进一步改善回声特性的超声波传感器。包括：主轴方向的端部封闭的有底筒状的外壳；压电元件，该压电元件粘接于所述外壳的内底部中央；以及成形体，该成形体与所述压电元件相对且配置于外壳内，所述成形体在与所述压电元件相对的一个主面形成有许多凹凸部，至少所述许多凹凸部与所述压电元件隔开距离而配置。

Description

超声波传感器

技术领域

本发明涉及对超声波进行发送或者接收的超声波传感器。

背景技术

作为汽车的后部声纳，利用超声波传感器。以往的超声波传感器由主轴方向的端部封闭的有底筒状的外壳、粘接于上述外壳的内底面的压电元件、以及塞住上述外壳的开口部的树脂等构成。超声波传感器通过对上述压电元件施加驱动电压，使上述压电元件和上述外壳振动并朝上述外壳的外侧方向发送超声波，接收从对象物反弹回来的反射波，通过测量反射时间来测定与对象物的距离。

在这样的超声波传感器中，不仅朝外壳的外侧方向发送超声波，朝外壳的内侧方向也发送超声波。朝外壳的内侧方向发送的超声波若到达上述树脂，则会朝上述压电元件的方向反弹，再次使上述压电元件振动。这些额外的振动被识别为回声。一般而言，在这样的情况下，由于超声波在上述树脂与上述压电元件之间有几十次的多重反射，因此，超声波传感器的回声时间有延长的倾向。若回声时间延长，则会引起难以进行近距离的检测的问题。

可解决这样的问题的超声波传感器例如在专利文献1中有披露。该专利文献1所披露的超声波传感器700如图12所示，由外壳体71、压电元件72、基底基板73、引线74、外部连接端子75及吸音材料70构成。

外壳体71为主轴方向的端部封闭的有底筒状，由金属形成。上述外壳体71由有底筒状的外部外壳76及设于上述外部外壳76的内周面的筒状的内部外壳77构成。上述压电元件72粘接于上述外壳体71的内底面。

上述吸音材料70与上述压电元件72相对设置，与上述压电元件72的主面不接触而隔开距离，配置在上述外壳体71的内侧空间。上述吸音材料70由多孔硅形成。

基底基板73设于上述吸音材料70的另一主面。在上述基底基板73连接有2条引线74，一条与上述压电元件72的一个电极连接，另一条与上述外壳体71连接。另外，在上述基底基板73连接有2条与上述引线74连接的外部连接端子75。上述外部连接端子75引出到上述外壳体71的外部。

专利文献1：WO2007/029559号公报

发明内容

在图12所述的现有技术中，通过在外壳的内部设有吸音材料，对回声特性进行了改善。然而，即使实施这些对策也无法完全消除超声波的回声，期望回声特性能进一步改善。

因此，本发明的目的在于提供一种超声波传感器，与以往相比可以进一步改善回声特性。

为解决所述问题，本发明的特征在于，包括：主轴方向的端部封闭的有底筒状的外壳；压电元件，该压电元件粘接于所述外壳的内底部中央；以及成形体，该成形体与所述压电元件相对且配置于外壳内，所述成形体在与所述压电元件相对的一个主面形成有许多凹凸部，至少所述许多凹凸部与所述压电元件隔开距离而配置。若这样构成，则可以使在外壳的内侧方向产生的超声波进行漫反射。由于漫反射后的超声波不易朝压电元件的方向直接反弹，因此，在成形体与压电元件之间不易引起多重反射。另外，由于每次反射时超声波信号衰减，因此，可改善外壳的内侧方向的回声特性。

另外，本发明优选的是，所述许多凹凸部构成为锥体形状。在这种情况下，成形体及用于形成成形体的金属模的制造和加工变得简单，管理变得容易。

另外，本发明优选的是，所述许多凹凸部构成为截顶锥体形状。在这种情况下，成形体的制造和加工变得简单。

另外，本发明优选的是，所述成形体在所述许多凹凸部的外周部形成有多个脚部，所述脚部与所述外壳的内底部接触。在这种情况下，由于可以利用脚部来抑制外壳的振动，因此，可以使回声衰减。另外，可以提高从外壳的底面到成形体的许多凹凸部的距离的精度。

另外，本发明优选的是，所述成形体在所述许多凹凸部的外周部形成有突起，所述突起与所述压电元件的主面接触。在这种情况下，由于可以在某种程度上抑制压电元件的振动的水平，因此，也可以同样地抑制回声的水平。

另外，本发明优选的是，在所述成形体中，所述许多凹凸部中距离所述压电元件最远的部位与所述压电元件的距离是所使用的超声波的1/4波长以下。在这种情况下，由于在外壳的内侧方向产生的超声波与反射波进行相互抵消的动作，因此，超声波的衰减变快，可以进一步抑制回声。

根据本发明，可以使在外壳的内侧方向产生的超声波进行漫反射。由于漫反射后的超声波不易朝压电元件的方向直接反弹，因此，在成形体与压电元件之间不易引起多重反射。另外，由于每次反射时超声波信号衰减，因此，根据本发明，可改善外壳的内侧方向的回声特性。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的超声波传感器的剖视图。

图2是实施方式1所涉及的超声波传感器的外壳的立体图。

图3是实施方式1所涉及的超声波传感器的成形体的立体图。

图4是实施方式1所涉及的超声波传感器的成形体的仰视图。

图5是实验例1及比较例1的超声波传感器的截面概要图。

图6是表示基于图5的实验例1及比较例1的回声特性的图。

图7是表示基于实验例2～5及比较例2的回声特性及综合灵敏度的图。

图8是表示基于实验例2及实验例6～10的回声特性及综合灵敏度的图。

图9是实施方式1的变形例1所涉及的超声波传感器的截面概要图。

图10是本发明的实施方式2所涉及的超声波传感器的截面概要图。

图11是实施方式2的变形例1所涉及的超声波传感器的截面概要图。

图12是现有技术的截面概要图。

标号说明

100...超声波传感器 1...外壳 2...压电元件 3...基底基板 4a、4b...引线5a、5b...外部连接端子 10...成形体 10a...锥体形状的凹部 10b...脚部 10c...突起 11...凹凸部

具体实施方式

下面，说明本发明的实施方式所涉及的超声波传感器。

(实施方式1)

下面，参照图1～4说明实施方式1。本实施方式1的超声波传感器100包括外壳1、压电元件2、基底基板3、引线4a、4b、外部连接端子5a、5b及成形体10。

如图1及图2所示，外壳1为主轴方向的端部封闭的有底筒状，例如由铝等金属材料形成。外壳1的内底面构成为近似椭圆状，在长轴方向的两端部分分别形成凹部1b。另外，在外壳1的外周面的开口侧，在短轴方向的两端部分分别相对设置有切除部1a。

压电元件2在两面设有电极(未图示)，粘接于外壳1的内底面中央。

如图3所示，成形体10构成为近似椭圆状，为嵌入外壳1的形状。成形体10例如由硅树脂形成。

如图4所示，成形体10的下部形成为近似椭圆柱形，设有许多锥体形状的凹部10a、脚部10b及突起10c。

具体而言，许多锥体形状的凹部10a设于成形体10的下部中央的圆形区域，以等间隔形成为栅格状。如图1所示，成形体10设置于外壳1的内部，使得许多凹凸部11不触碰压电元件2。锥体形状的凹部10a的形状是四棱锥。

脚部10b在凹凸部11的外周部的2处设为凸形状。脚部10b嵌入到设于外壳1的内底部的凹部1b而形成。由于这样构成，因此，可以利用脚部10b来抑制外壳1的振动，可以抑制回声。另外，可以提高从外壳1的内底部到锥体形状的凹部10a的距离的精度。

突起10c设于凹凸部11的外周，在本实施例中，例如设于4处。突起10c的高度被设定为与压电元件2的外周部的一部分接触。由于这样构成，因此，尽管会使超声波传感器100的综合灵敏度下降实用上不会产生问题的程度，但同时使回声特性提高。

如图1所示，基底基板3设置于成形体10的另一主面中央。压电元件2和基底基板3由引线4a连接，外壳1和基底基板3由引线4b连接。引线4a与外部连接端子5a连接，引线4b与外部连接端子5b连接。这些连接端子5a和5b引出到外壳1的外部。

另外，从成形体10的另一主面到外壳1的开口部的空间由填充剂(未图示)填充，构成作为防止水滴或异物等侵入的防滴型。

下面示出超声波传感器100的动作。

本发明的超声波传感器100具有发送功能和接收功能。通过对压电元件2施加固有振动频率的驱动电压，使压电元件2激励。在本实施方式中，假定40KHz～400KHz的频率。首先，从外壳1的底面朝外壳1的外侧方向发送超声波。若发送的超声波到达障碍物，则其一部分作为反射波朝超声波传感器100的方向反射。若外壳1的底面接收反射波，则底面进行固有振动，压电元件2振动，从而可以得到电动势。这样，根据从发送超声波到接收反射波的时间，检测到障碍物的距离。

另一方面，在使压电元件2激励时，在外壳1的内侧方向也产生超声波。若该超声波以压电元件2上部的空气作为介质到达成形体10，则利用空气与成形体10的音响阻抗的差异，在成形体10的与压电元件2相对的一个主面发挥反射及吸收作用。由于在这样构成的成形体10的一个主面形成有许多凹凸部，因此，对由外壳1产生的超声波进行漫反射的比例较高。

在本实施方式中，在与压电元件2相对的一个主面形成有许多锥体状的凹部10a，至少许多凹凸部11与压电元件2隔开距离而配置。由于这样构成，因此，在外壳1的内侧方向产生的超声波以压电元件2上部的空气作为介质到达成形体10，在成形体10的表面反射时，可以使超声波漫反射。由于漫反射的超声波难以朝压电元件的方向直接反弹，因此，在成形体与压电元件之间难以引起多重反射。另外，由于每次反射时超声波信号衰减，因此，改善了外壳的回声特性。另外，成形体及用于形成成形体的金属模的制造和加工变得简单，管理变得容易。

另外，以往是将成形体10形成得比外壳1大一圈，将其压入外壳1来调整高度的，但根据本实施方式，由于在成形体10的许多凹凸部11的外周部形成多个脚部10b，脚部10b与外壳1的内底部接触，因此，可以抑制外壳1的振动，可以抑制回声。另外，可以提高从外壳1的内底部到锥体形状的凹部10a的距离的精度。

在本实施方式中，在成形体10的许多凹凸部11的外周形成突起10c，突起10c与压电元件2的主面接触。由于这样构成，因此，可以在某种程度上抑制压电元件2的振动的水平，也可以同样抑制从压电元件2产生的回声的水平。

在本实施方式中，成形体10的许多凹凸部11中距离压电元件2最远的部位、与上述压电元件2的距离是所使用的超声波的1/4波长以下。由于这样构成，因此，所产生的超声波与反射波进行相互抵消的动作，从而超声波的衰减变快，可以进一步抑制回声。

在本实施方式中，将成形体10成形为图2那样的近似椭圆形，但不限于此。

在本实施方式中，在成形体10的与压电元件相对的一个主面设有锥体形状的凹部10a以形成许多凹凸部11，但不限于此。例如，也可以设有半圆形的凹部，也可以设有凸部以形成许多凹凸部11。

在本实施方式中，锥体形状的凹部10a的形状为四棱锥，但不限于此。例如，也可以是圆锥或三棱锥、八棱锥等。

(实验例1与比较例1)

作为实验例1使用图5(A)所示的传感器100A、作为比较例1使用图5(B)所示的传感器400以进行实验。此处，实验例1是在上述的实施方式1的成形体10中省略突起10c的结构。对于成形体10以外的与实施方式1相同的部分，标注相同的标号并省略重复说明。

如图5(A)所示，实验例1的传感器100A与实施方式1同样，在成形体20形成有脚部20b，在成形体20的主面设有许多锥体形状的凹部20a以形成许多凹凸部21。锥体形状的凹部20a设为四棱锥形状。另外，距离h1表示从许多凹凸部21的距离压电元件2最远的部位到压电元件2的距离。此时的距离是0.65mm。

如图5(B)所示，比较例1的传感器400在成形体40形成有脚部40b，成形体40的主面是没有凹凸的平面。距离h2表示从成形体40的与压电元件42相对的主面到压电元件42的距离。此时的距离是0.65mm。

[表1]

条件

成形体的主面的形状

距离(mm)

实验例1	凹凸	0.65
			比较例1	平面	0.65

在表1所示的条件下进行实验。在本实验中，以这2个条件为基础，测定常温的回声特性并进行比较。此处，常温是25℃。回声特性是从输出超声波到压电元件的振动结束的时间。

图6表示实验结果。用于实验的样品数是5。图中的数值表示平均值。实验例1的回声特性的平均值是0.98ms，比较例1的回声特性的平均值是1.36ms。此外，作为超声波传感器所希望的回声特性的值例如在常温下是1.4ms以下。

从以上的结果可知，实验例1、比较例1的回声特性的值都满足期望的值。但是，若将实验例1与比较例1进行比较，则可知，实验例1与比较例相比，常温下的回声特性更优。即，可认为若在成形体的一个主面形成有许多凹凸部，则回声特性进一步提高。

(实验例2～10与比较例2)

实验例2的构造与实施方式1所涉及的超声波传感器100是同一形状。如图1所示，在成形体10的主面设有许多锥体状的凹部10a以形成许多凹凸部11。锥体形状的凹部10a设为四棱锥形状。另外，在成形体10形成脚部10b和突起10c。如图4所示，突起10c设在锥体形状的凹部10a的外周的4处。距离h表示从锥体形状的凹部10a的距离压电元件2最远的部位到压电元件2的距离。此时的距离是0.65mm。

[表2]

条件	成形体的主面的形状	突起的个数	距离(mm)
				实验例2	凹凸	4	0.65
实验例3	凹凸	4	2.13(λ/4)
				实验例4	凹凸	4	0.95
实验例5	凹凸	4	0.80
				实验例6	凹凸	1(外周整个表面)	0.65
实验例7	凹凸	12	0.65
				实验例8	凹凸	8	0.65

实验例9	凹凸	6	0.65
				实验例10	凹凸	0	0.65
比较例2	凹凸	4	0.50

实验例3～5、以及比较例2如表2所示，是与实验例2相比、成形体10与压电元件2的距离h不同的样品。测定其常温的回声特性以及综合灵敏度并进行比较。此处，常温是25℃。回声特性是从输出超声波到压电元件的振动结束的时间。综合灵敏度是接收到的反射波的电压峰值。

距离h表示从锥体形状的凹部10a的距离压电元件2最远的部位到压电元件2的距离。在本实验例中，变更条件，使其从所使用的超声波传感器的1/4波长即2.13mm、到成形体10与压电元件2接触的0.50mm，并进行验证。

图7示出在表2的条件下的实验结果。用于实验的样品数是5。图中的数值表示平均值。此外，作为超声波传感器所希望的回声特性的值例如在常温下是1.4ms以下。另外，所希望的综合灵敏度的值例如在常温下是1.2Vop以上。

若将实验例2、实验例3～5以及比较例2进行比较，则可知，距离h从λ/4起越缩短，回声特性越得到改善。即，可认为从锥体形状的凹部10a的距离压电元件2最远的部位到压电元件2的距离h与回声特性相关。这是因为，距离h为λ/4以下时是不会引起共鸣的条件，有利于使超声波衰减。

但是，在像比较例2那样的、成形体10和压电元件2接触的情况下，回声特性提高，但综合灵敏度为1.60Vop，显著下降。由此，可认为距离h设定在从不妨碍压电元件2的动作的距离到λ/4的区间内是有效的。

实验例6～10如表2所示，是与实验例2相比、突起10c的数量不同的样品。在锥体形状的凹部10a的外周，将突起10c隔开一定的空隙呈点对称地设置，变更对压电元件2进行抑制的面积。测定其常温的回声特性以及综合灵敏度并进行比较。

图8示出在表2的条件下的实验结果。用于实验的样品数是5。图中的数值表示平均值。此外，作为超声波传感器所希望的回声特性的值例如在常温下是1.4ms以下。另外，所希望的综合灵敏度的值例如在常温下是1.2Vop以上。

若将实验例2、以及实验例6～10进行比较，则可知，通过使设有突起10c的部位从外周整个表面逐渐减少为12处、8处、6处、4处、0处，从而综合灵敏度阶段性地上升。其主要原因是对压电元件2的振动进行抑制的面积减少。此处，在突起10c的数量为0处的情况下，综合灵敏度最好，但回声特性最差。这是因为回声特性和综合灵敏度处于不能同时兼顾的关系。

另一方面，在突起的数量为4处的情况下，综合灵敏度为2.23Vop，比较高，常温回声是0.94ms，被充分抑制。由此，可认为突起10c的数量优选为4处。

在本实验中，以设有突起10c的部位为0处、4处、6处、8处、12处、以及外周整个表面而进行了实验，但不限于此。例如，也可以是2处，也可以是奇数处。

(实施方式1的变形例1)

图9是本实施方式1的变形例1所涉及的超声波传感器100B的剖视图。对于与实施方式1相同的部分标注相同的标号，省略重复说明。

本变形例的超声波传感器100B包括外壳1、压电元件2、基底基板3、引线4、外部连接端子5及成形体30。

在成形体30的与压电元件2相对的主面设有许多截顶锥体形状的凹部30a、脚部30b及突起30c。

具体而言，许多截顶锥体形状的凹部30a设于成形体30的主面中央的圆形区域，以等间隔形成为栅格状。设置成形体30，使得设有截顶锥体形状的凹部30a的许多凹凸部31与压电元件2不触碰。

截顶锥体形状的凹部30a的形状是四棱锥台。由于这样构成，因此，成形体的制造和加工变得简单。

在上述实施方式中，设计成在成形体与外壳的内侧之间留下间隙，使得填充硅容易进入，但不限于此。例如，也可以将成形体形成得比外壳大一圈并将其嵌入等。

在上述实施方式中，作为成形体的材料使用了硅树脂，但不限于此。例如，也可以使用尿烷那样的闭孔泡沫、开孔泡沫、或毛毡那样的合成纤维。

(实施方式2)

图10是本实施方式2所涉及的超声波传感器500的剖视图。本实施方式的超声波传感器500包括外壳51、压电元件52、基底基板53、引线54、外部连接端子55及成形体50。

在成形体50的与压电元件52相对的主面设有由许多锥体形状的凸部50a所形成的许多凹凸部56、脚部50b及突起50c。

实施方式2的与实施方式1的不同之处在于成形体50的形状。

具体而言，许多锥体形状的凸部50a设于成形体50的主面中央的圆形区域，以等间隔形成为栅格状。设置有成形体50，使得锥体形状的凸部50a与压电元件52不触碰。锥体形状的凸部50a的形状是四棱锥。由于这样构成，因此，可以得到与实施方式1同样的效果。

(实施方式2的变形例1)

图11是本实施方式2的变形例1所涉及的超声波传感器500A的剖视图。对于与实施方式2相同的部分标注相同的标号，省略重复说明。

本变形例的超声波传感器500A包括外壳51、压电元件52、基底基板53、引线54、外部连接端子55及成形体60。

在成形体60的与压电元件52相对的主面设有由许多截顶锥体形状的凸部60a所形成的许多凹凸部61、脚部60b及突起60c。

具体而言，许多截顶锥体形状的凸部60a设于成形体60的主面中央的圆形区域，以等间隔形成为栅格状。设置有成形体60，使得截顶锥体形状的凸部60a与压电元件52不触碰。截顶锥体形状的凸部60a的形状是四棱锥台。由于这样构成，因此，成形体的制造和加工变得简单。

Claims

1.一种超声波传感器，其特征在于，包括：主轴方向的端部封闭的有底筒状的外壳；压电元件，该压电元件粘接于所述外壳的内底部中央；以及成形体，该成形体与所述压电元件相对且配置于外壳内，

所述成形体在与所述压电元件相对的一个主面形成有许多凹凸部，至少所述许多凹凸部与所述压电元件隔开距离而配置。

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，

所述许多凹凸部构成为锥体形状。

3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，

所述许多凹凸部构成为截顶锥体形状。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的超声波传感器，其特征在于，

所述成形体在所述许多凹凸部的外周部形成有多个脚部，所述脚部与所述外壳的内底部接触。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的超声波传感器，其特征在于，

所述成形体在所述许多凹凸部的外周部形成有突起，所述突起与所述压电元件的主面接触。

6.如权利要求1～5中的任一项所述的超声波传感器，其特征在于，

在所述成形体中，所述许多凹凸部中距离所述压电元件最远的部位与所述压电元件的距离是所使用的超声波的1/4波长以下。