CN102768355B

CN102768355B - 超音波感测器

Info

Publication number: CN102768355B
Application number: CN201110122857.7A
Authority: CN
Inventors: 吴文中; 陈俊杉; 林嘉宇; 蔡子勤; 李士丰; 郭俊良
Original assignee: TUNG THIN ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: TUNG THIN ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: CN102768355A

Abstract

一种超音波感测器，包含：一壳体，以及一压电元件。该壳体包括一基壁，以及一连接在基壁周缘并与该基壁界定出一个内部空间的围壁。该基壁具有一个朝向该内部空间的安装面，以及一个与该安装面反向间隔的基底面。该安装面具有一个供该压电元件设置的第一面部、一个位于该第一面部外围且高于该第一面部的第二面部，以及一凹槽，所述凹槽深度为h1，该第二面部与该基底面的距离为h2，且0＜h1/h2≤0.41。借由改变该基壁的结构并增加设置该凹槽，使感测器的指向角能被改变，以随着感测器的应用需求而设计出适当角度的指向角。

Description

超音波感测器

技术领域

本发明涉及一种超音波感测器，特别是涉及一种安装在车上并用于侦测周遭障碍物或车辆间距的超音波感测器。

背景技术

超音波感测器(ultrasonic sensor)是利用超音波的发射与接收来量测物体位置、速度等物理量，为了提升行车安全，超音波感测器已广泛应用在车辆上，作为倒车雷达或作为侦测周遭车辆的防撞侦测系统。参阅图1，为一种已知车辆用的超音波感测器，包含：一金属壳体11，以及一固定设置在壳体11中的压电元件(piezoelectric element)12。所述壳体11的一个基壁111具有一个位于中央的厚壁部112，以及一个连接在该厚壁部112周缘的薄壁部113，该压电元件12是设置在该厚壁部112上。

当压电元件12受到电压作用时，该压电元件12产生变形并连带使该基壁111挠曲振动而发射超音波，发射出的超音波被周遭障碍物反射并传回该基壁111，该基壁111再度振动而连带使该压电元件12变形，此时压电元件12因变形产生的电压信号会传递到图未示出的后端电路，借由此电信号就可以侦测出周遭物体的距离。

超音波感测是有指向性(Directivity)的，所谓指向性是指超音波发射的声波能量无法均匀地传播，可能在某些方向会较为集中、能量较强；类似地，感测器接收回传的超音波时，也并非四面八方传送来的超音波都能均匀接收，而是在某些方向上的接收较为灵敏。一般而言，应用在车辆的超音波感测器，其指向性可分为水平方向的指向性及垂直方向的指向性，并且利用指向角作为指向性的指标，而指向角的角度大小应如何设计，与感测器的应用目的有关。本案发明人透过改良感测器的壳体结构，能达到改变指向角的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构创新、可依应用需求改变结构设计而获得不同指向角的超音波感测器。

本发明超音波感测器，包含：一壳体，以及一压电元件。该壳体包括一基壁，以及一连接在基壁周缘并与该基壁界定出一个内部空间的围壁。该基壁具有一个朝向该内部空间的安装面，以及一个与该安装面反向间隔的基底面。该安装面具有一个第一面部、一个位于该第一面部外围且高于该第一面部的第二面部，以及一个连接在该第一面部及第二面部之间的连接面部，该连接面部与该第一面部共同界定出一凹槽，所述凹槽深度为h1，该第二面部与该基底面的距离为h2，且0＜h1/h2≤0.41。该压电元件位于该凹槽而设置在该壳体的第一面部。

本发明所述的超音波感测器，该第一面部的面积为A1，该第二面部的面积为A2，且0.36≤A1/(A1+A2)≤0.9。

本发明所述的超音波感测器，h1＞0.05毫米。

本发明的有益效果在于：借由改变该基壁的结构并增加设置该凹槽，使感测器的指向角能被改变，并且能依感测器的应用需求设计角度适当的指向角。

附图说明

图1是一种已知超音波感测器的局部剖视图；

图2是一俯视图，显示本发明超音波感测器的一优选实施例的一壳体及一压电元件；

图3是取自图2的3-3线的局部剖视图；

图4是一类似图2的俯视图，用于示意一第一面部的面积A1，以及一第二面部的面积A2所涵盖的范围，图中由右上往左下的斜线涵盖的面积代表A1，由左上往右下的斜线涵盖的面积代表A2；

图5是水平指向角相对于h1/h2的关系图，显示改变该优选实施例的一凹槽深度对于水平指向角的影响；

图6是频率相对于h1/h2的关系图，显示改变该优选实施例的凹槽深度对于一壳体的共振频率的影响；

图7是一个极坐标图，显示本发明(有凹槽)与一已知感测器(无凹槽)的水平指向角测试结果；

图8是水平指向角相对于A1/(A1+A2)的关系图，显示改变该优选实施例的凹槽面积对于水平指向角的影响；

图9是频率相对于A1/(A1+A2)的关系图，显示改变该优选实施例的凹槽面积对于壳体的共振频率的影响。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图2、3，本发明超音波感测器的优选实施例，适用于安装在一车辆上作为倒车雷达，或用于侦测周遭其它车辆或障碍物的位置，所述超音波感测器包含：一壳体2、一压电元件(piezoelectric element)3，以及一封装胶4。

本实施例的壳体2为铝金属制成，但不限于此，该壳体2包括一基壁21，以及一围绕连接在基壁21周缘并与该基壁21界定出一个内部空间20的围壁22。该基壁21的功能相当于振动板，并且能够发出超音波，该基壁21具有一个朝向该内部空间20的安装面211，以及一个与该安装面211反向间隔的基底面212。

其中，该安装面211具有一个位于中央的第一面部213、一个位于该第一面部213外围且高于该第一面部213的第二面部214，以及一个连接在该第一面部213及第二面部214之间的连接面部215。该第一面部213的截面约呈椭圆形，该连接面部215与该第一面部213共同界定出一凹槽210，所述凹槽深度为h1，该第二面部214与该基底面212的距离为h2，且0＜h1/h2≤0.41，而且优选地，h1＞0.05毫米(mm)，使凹槽深度足够而达到较好的感测效果。

参阅图2、3、4，该凹槽210的面积也就是该第一面部213的面积为A1，而第二面部214的面积为A2，且0.36≤A1/(A1+A2)≤0.9，本发明对面积限定的目的在于，该凹槽面积至少要等于压电元件3的面积才能供压电元件3摆放；另外因为本发明一定要设有凹槽210，该凹槽210最大可以扩大到接近A1+A2的面积，但不能等于A1+A2。

继续参阅图2、3，该压电元件3位于该凹槽210而设置在该壳体2的第一面部213，压电元件3为陶瓷材料制成，并能受到电场作用而产生尺寸上的变化。该封装胶4填充在壳体2的内部空间20且覆盖该压电元件3，用于将压电元件3固定在该第一面部213。

当然，该超音波感测器还包含有电容、连接导线等电子电路元件，但由于此等元件非本发明的改良重点，故不再说明。而本发明的使用作动原理，与前述的背景技术记载的原理相同，在此不再详细描述。以下则透过实验说明本发明具有的功效。

参阅图2、3、5，图5数据是针对不同凹槽深度h1对于水平指向角的影响作测试，所述水平方向是指图2中的左右方向，而指向角测试方式是利用标准麦克风量测声压，且麦克风与该基壁21的第二面部214的垂直距离为30公分。其中h2固定为0.8mm，A1固定为35mm²，A2固定为45mm²，所以A1/(A1+A2)＝0.4375。当然，上述数值仅为本实施例的举例，但实施时不须限定。

由图5可看出，当凹槽深度h1愈大时，h1/h2的值也会愈大，所得到的水平指向角也愈大。当h1/h2＝0时，表示没有设置凹槽210，此时水平指向角约为81.5°。一旦增设该凹槽210，并且透过适当的凹槽210设计使得h1/h2＝0.41时，水平指向角可大幅提升到116°左右，此测试结果显示：相对于没有设置凹槽210的感测器，只要在该基壁21形态作改变，并增设该凹槽210，就可以达到改变指向角的目的，而且在本发明限定的0＜h1/h2≤0.41的范围内，可以依据h1/h2的比值不同而获得不同的指向角，但指向角的大小还是必需依据感测器的用途来作适当设计。

参阅图2、3、6，图6是针对不同凹槽深度h1对于金属壳体2的共振频率影响的实验结果，当h1/h2的值愈大时，共振频率就愈小，一般而言，超音波感测器适用的超音波频率约为40kHz(千赫兹)-70kHz，以较低频率传播的好处在于，其随着传播而能量衰减的情况较慢，因此能传播较远的距离，本发明随着h1/h2的值提升到0.41，此时的共振频率已降低到54800Hz左右。

参阅图2、3、7，图7为本发明与一种已知感测器(基壁完全平坦而无凹槽设计)的水平指向角的测试结果，该图是以极坐标的方式表示，以该基壁21正前方的位置代表0°方向角，并绘制左右正负90°的音压强度，径向坐标代表音压强度。其中，本发明的h1＝0.11mm，h2＝0.64mm，A1＝40mm²，A2＝40mm²。实验结果显示本发明相对于无凹槽的感测器，水平指向角较大，因此具有较佳的水平指向性。

参阅图2、3、8，图8数据是在固定凹槽深度h1的情况下，针对不同的凹槽面积A1(但A1+A2的值为固定)对于水平指向角的影响作测试，其中h1固定为0.11mm，h2固定为0.64mm，所以h1/h2＝0.17。由图8可看出，当凹槽面积A1愈大时，A1/(A1+A2)的值也会愈大，所得到的水平指向角也愈大，因此借由改变该基壁21形态及该凹槽面积A1，也就是改变A1/(A1+A2)的比值，可以产生不同的指向角，使本发明可以依据实际应用需求而设计出适当大小的指向角。

参阅图2、3、9，为针对不同凹槽面积A1对于金属壳体2的共振频率影响的实验结果，当A1/(A1+A2)的值愈大时，共振频率就愈小，而且在本发明限定的0.36≤A1/(A1+A2)≤0.9范围内，共振频率都维持在61500Hz以下。

综上所述，借由该壳体2的第一面部213及第二面部214的配合设计，并将该压电元件2设置在该凹陷的第一面部213，使本发明与已知感测器的结构不相同，而且该第一面部213不只是供压电元件2安装使用，还必需透过第一面部213及凹槽210的尺寸设计来制作出最佳化的凹槽面积A1及凹槽深度h1，借此设计出大小适当的指向角，并符合感测器的应用需求，确实达成本发明的目的。

Claims

1.一种超音波感测器，包含：一个壳体，以及一个压电元件，所述壳体包括一个基壁，以及一个连接在基壁周缘并与所述基壁界定出一个内部空间的围壁，所述基壁具有一个朝向所述内部空间的安装面，以及一个与所述安装面反向间隔的基底面，其特征在于：所述安装面具有一个第一面部、一个位于所述第一面部外围且高于所述第一面部的第二面部，以及一个连接在所述第一面部及第二面部之间的连接面部；所述连接面部与所述第一面部共同界定出一个凹槽，所述凹槽深度为h1，所述第二面部与所述基底面的距离为h2，且0＜h1/h2≤0.41；所述压电元件位于所述凹槽中，且设置在所述壳体的第一面部。

2.根据权利要求1所述的超音波感测器，其特征在于：所述第一面部的面积为A1，所述第二面部的面积为A2，且0.36≤A1/(A1+A2)≤0.9。

3.根据权利要求1所述的超音波感测器，其特征在于：h1＞0.05毫米。