CN110882882A - 具有复材壳体的超音波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复材壳体的超音波换能器及可于空气中运行的超音波换能器的一种复材壳体，该换能器具有可在大气环境中于一超音波声压电平之下发射、接收、或发射且接收超音波的一机械性质因素。该壳体包含有一第一壳体部件，以及利用与该第一壳体部件不同的材料所制作的至少一第二壳体部件，其具有小于该第一壳体部件的声阻，且利用强附接而在与第一壳体组件之间的一界面处结构性地连结至该第一壳体，以降低该机械性质因素，并同时维持该超音波声压电平。第一与第二壳体部件之间的该强附接形成了该壳体的一个复材结构。

Description

具有复材壳体的超音波换能器

相关文献的交叉引用

本公开为2015年2月25日提出申请美国专利申请序号14/631,521的接续申请案，该申请主张2014年2月27日提出申请美国临时专利申请序号61/945,362的优先权。这些优先申请的整体公开内容于此列供参照。

技术领域

本发明大致涉及一种超音波换能器(ultrasonic transducer)。特别地，本发明涉及具有复材壳体(composite case)而可增进在大气环境中物体的检测的一种空气中运行(airborne)的超音波换能器，可供汽车之应用，其制作容易且成本低廉。

背景技术

于空气中运行的超音波换能器，若可以在空气中发射并接收超音波，以供诸如检测物件的存在及其位置的用途，则亦可称之为收发器(transceiver)。其基本上是一种装置，可进行电气至机械能量转换而发射超音波，以及其反向转换以供超音波检测的转换器(converter)。于现今的应用用途之中，以压电材料(piezoelectric material)制作的块材通常被使用作为转换器。换能器壳体通常与转换器附接在一起，此可使两者机械性地一起振动，并共同形塑各种不同用途所需要的超音波发送及接收特性。诸如铝之类的金属通常被用来制作换能器壳体。

图1以示意性质显示一个现有超音波换能器100的截面构造，其包括内部容纳有一压电块的一壳体110，该压电块为电气至机械能量转换的转换器150。此转换器由其一对导电性针170，经由电线172而连结至一控制电路(图中未显示)。压电转换器150通常利用强力粘剂而被粘附在杯形壳体110的底部，以便壳体能够依换能器100的所需用途而形塑并放大超音波。

通常，一个基本的换能器壳体具有杯形的结构体，其一般会有一压电能量转换器附着在其基底，即，在其杯形壳体的底部。壳体其实际形状及尺寸，以及制作壳体所使用材料的机械力学特性，皆为决定其必须要能符合其超音波感测应用用途所需要的换能特性的主要因素。

例如，在一现有的封闭型超音波换能器中，压电元件被附着在金属壳体的底部，而超音波是由壳体底部的后端表面发送出去。利用设计整个壳体的结构，包含其内部腔室的形状及尺寸，以及杯形壳体侧壁的厚度，便可以形塑所需要的超音波覆盖范围。作为一个例子，汽车车尾的超音波雷达，其在水平方向及垂直方向的覆盖角度，需要有所不同。

不过，若要让换能器壳体具有所需精确度的形状，通常便必须使用机械加工程序。但诸如杯形本体内部开口的形状，使得类似液压冲模压制(stamping press)的较不昂贵制作方法无法适用。

此外，在大部分的商业用途之中，单一个压电换能器必须在超音波发射及接收两种模态之中操作，其发射及接收两种功能必须以一分时控制程序(time-sharing controlscheme)将两者分离开。特定而言，换能器会在一个时间槽中(time slot)发射超音波，接着便变换模态，以在接续的一个时间槽内接收由目标所反射回来的超音波。在大部分的情况下，两者间最好应有一段较短的混响时间(reverberation time)。通常，此混响时间是依此装置的超音波振动机械性质因素(Q，mechanical quality factor)而定。较小的Q因素值通常会导致较短的混响时间。不幸地，较小的Q值亦会导致较低的声波压力水准，而这表示其检测距离的缩短。

对于使用现有金属壳体的换能器而言，这是一个难以解决的问题。现有一般解决方法，会在声波压力电平与较短的混响时间两者，于其间取得平衡。Q值必须利用换能器壳体本体，小心地经由使用粘胶而加以控制。此作法的观念是利用胶来贡献其对整个超音波换能器本体振动的阻尼(damping)。不过，在制造过程之中，胶的均匀性极难以维持控制。特别是，金属壳体内部开口的形状通常相当复杂，使得胶的涂布极易形成不均匀的情形。此外，胶亦需要时间变干，而这会拉长制造程序的时间。

再者，为了发出足够的声压电平，施加于压电元件上的驱动电压通常会较高，而其所接收到反射超音波所转换出来的电信号，其电压则相对相当低。此两个成对的高及低电压信号很容易互相干扰。此外，其噪声比(signal-to-noise ratio)亦受限制，特别是在一个以长电线将压电转换器连接到系统电路的一个系统中为然。为了实现高噪声比，其电路必须尽可能置于接近换能器之处。但是，若承载电路的印刷电路板被装在壳体之内，便会有对整个系统的振动性能产生影响的问题。而且，在大部分的情况下，壳体内的空间并不足以容纳电路板。

发明内容

因此，本技术领域中有需要利用减除复杂的机械加工制造程序，以简化空气中运行换能器壳体的制作。

本技术领域中亦有需要降低空气中运行换能器壳体的Q值，而同时仍提供足够强的超音波声压电平。

本技术领域中亦有需要减除因粘胶的使用而对空气中运行换能器壳体Q值的影响。

本技术领域中亦有需要将电子电路板安装于空气中运行换能器壳体内，以缩短连结电线并改善换能器系统的整体噪声比。

本发明利用提供空气中运行的超音波换能器的一种复材壳体，其具有可在大气环境中于一超音波声压电平之下发射，接收，或发射且接收超音波的一机械性质因素，而实现上述及其他目的。其壳体包含一第一壳体部件与至少一第二壳体部件。第二壳体部件是以与第一壳体部件不同的材料制作，其具有小于该第一壳体部件的声阻，且利用强附接而在与第一壳体组件之间的一界面处结构性地连结至第一壳体，以降低该机械性质因素，并同时维持该超音波声压电平。第一与第二壳体部件之间的强附接形成了壳体的一个复材结构。

依据本发明的超音波换能器的复材壳体，其强附接是为利用结构粘剂而形成于所述多个壳体部件之间的一种粘胶性的强附接。

依据本发明的超音波换能器的复材壳体，其第一壳体部件是为一金属部件，而第二壳体部件则为一塑胶部件。

依据本发明的超音波换能器的复材壳体，其第一金属壳体部件是利用冲模压制而制成。第二壳体部件具有大致中空的圆柱形形状，而第一壳体部件是为杯形的形状，可承纳附着于其一底板的内表面上的一压电元件。以高电压驱动的该压电元件所产生的第一壳体部件该底板的振动，由第一壳体部件的该底板的外表面发送超音波进入空气中。

依据本发明的超音波换能器的复材壳体，其第二塑胶壳体部件是利用射出成型而制成。第二壳体部件具有大致中空的圆柱形形状。塑胶材质第二壳体部件具有小于金属材质第一壳体部件的声阻，以有助于降低该机械性质因素，并同时维持超音波声压电平。

依据本发明的超音波换能器的复材壳体，其强附接是于模具之内于射出成型程序之中形成，或利用强粘性结构粘剂而粘附形成。

附图说明

图1以示意性质显示一现有超音波换能器的横截面构造。

图2以示意性质显示一超音波换能器的透视图，其具有依据本发明的复材壳体。

图3为依据本发明一复材壳体的局部截面透视图，具有一金属材质基本部件，其结构性地连结至其中至少包括一个塑胶材质的两个其他部件。

图4、图4A、图4B、图5、图5A、图5B、图6、图6A、图6B、图7、图7A、图7B、图8、图8A、图9、图9A、图10、图10A、图10B、图11、图11A、图11B分别为依据本发明数种复材壳体实施例的分解透视图与横截面视图。

图12以示意性质显示具整体系统功能，包含有压电转换换器，复材壳体，与控制电路PCB的一超音波换能器。

图13A与图13B为图12实施例的局部截面视图。

图14为与图12类似另一实施例的局部截面视图。

具体实施方式

图2以示意性质显示一超音波换能器200的透视图，其具有依据本发明的复材壳体210。依据本发明超音波换能器一优选实施例的复材壳体210包括有一金属220及一塑胶部件230。此两部件220及230是于一界面之处以强附接(strong bonding)而互相连结在一起，如图中以参考标号240所标示者。此界面240在两部件之间提供一个完美结合且无缝隙的相互连结，此使得两部件得以稳固地互相粘附在一起而形成一个复材结构。

图2所描绘的优选实施例之中，第一壳体部件220可以是为以金属为基础的部件，而第二壳体部件230则可以是为具有一个中央开口238的一种大致中空的圆柱形结构，其具有一个大致拉长的横截面。这表示，此第二壳体部件，其在此优选实施例中是为一塑胶部件，拥有一个薄侧壁232及一个厚侧壁234，如同在大部分的现代车辆的倒车雷达中所可以找到的。一压电转换器250被粘附在金属材质第一壳体部件220内表面大约中心之处。当第一及第二壳体部件220及230于两者间的连接界面240处被稳固地接合在一起以建构换能器200的复材壳体210时，转换器250所在的位置实质上即位于杯形复材壳体210的底部的中心位置。

由于壳体210被分为两个部件部分220及230，其各个部分得以拥有比起整个壳体若被制作成为单一个部件时而言，远为较不复杂的形状。两个较小部件的形状复杂程度因此即可以减低，此使得诸如冲模压制程序得以有利地被使用于金属部件的制作，而射出成型程序则可以同样有利地应用在塑胶部件上。

在图2的实施例中，塑胶部件230可对整个复材壳体210的Q值的减低提供贡献，此是因其本身的弹性本质使其自身的Q值远低于金属部件220，因而使得结合后的复材壳体210表现出其较低的Q值。此外，塑胶材料的质量密度亦比金属为低。如此塑胶部件即可使得复材壳体210的整体质量，比起其整体壳体都使用金属制作时，要明显地低了许多。在相同的机械性激励之下，较低质量的复材壳体会产生较强的振动，因此而得到较大的声压电平。复材壳体210因此即得以同时享受较低Q值与较大声压的好处。而此些好处进一步导致超因波换能器的较大频宽的优点。

前述优点可更进一步降低对大量粘胶的需求，而粘胶一般是被用来降低壳体的Q值，但在其涂布施用的均匀度上却是一个大问题。

再者，同样因为粘胶使用量的减低，复材壳体的更多内部空间便可以被使用来安装系统电子的印刷电路板。

依据本发明的超音波换能器复材壳体，可以进一步展现其得以在接近其可操作频率范围之处产生多于一个以上振动模态的能力。因此，本发明以复材壳体为基础的换能器便可以拥有多于一个以上的可操作共振频率。依据本发明的单一个超音波换能器如此即可以利用不同的频率控制程序来提供满足不同的超音波检测特性需求的应用，例如在角度及距离上供检测操作的弹性应用。

依据本发明的基本观念，超音波换能器的复材壳体可以不仅止在机械观念之下振动其复材结构。以复材壳体为基础的超音波换能器亦可以在较广泛的复材系统的观念之下操作。

如此，依据本发明超音波换能器复材壳体的一优选实施例便会包括有一第一壳体部件以及至少一第二壳体部件。第二壳体部件是以与第一壳体部件不同的材料制作，并利用强附接而在与第一壳体组件之间的一界面处结构性地连结至该第一壳体，而其间的粘附使壳体形成一个复材结构。

图3为依据本发明一复材壳体310的局部截面透视图。其具有一金属材质基本部件320，其结构性地连结至其他两个部件，其中至少包括一个塑胶材质330与一第三壳体部件370，此部件是以与部件320及330所使用的金属及塑胶不同的材料制作。此表示复材壳体310是为三个部件，320，330及370，的一种复材结构。此亦表示复材壳体310在其三个部件之间具有两个连结界面。界面340处于部件320及330之间，而界面342则在部件330与370之间。

注意到图中以虚线圆圈314所标出的，部件320与340之间的连结界面显示，此两部件当其各自结构被制作成形之后，是无法被组装在一起的。形成这种复杂且曲折界面的一种方法是使用模内射出成型(in-mold injection molding)技术。例如，金属部件320先制作成形，并再置入射出成型机器之内，以便塑胶部件330可以制作，并形成其间的界面。

图4、图4A及图4B分别为另一优选实施例，依据本发明一复材壳体410的分解透视图与横截面视图。图4A为沿壳体长轴一A-A线所截取的，复材壳体410的截面图。另一方面，图4B则为沿B-B线所截取的视图。

图4的分解透视图显示两部件420与430之间的连结界面具有高度不规则且曲折的形状，而此性质可在两部件之间实现强附接。诸如结构粘剂粘附，置入式射出，分子粘附，NMT(nano molding technology，纳米模制技术),IMP(in-mold pasting，模内涂剂)，甚至利用螺丝进行机械连结等的工业制程，全皆可用来在部件之间形成强附接。

图5至图11分别为依据本发明数种复材壳体实施例的分解透视图与横截面视图。注意到此些例子各是为不同的设计，但各皆实施了本发明复材壳体的基本概念。于此不对每一例子进行细节解释，但各图中参考标号标示方式可有助于其描述解说。参考标号的后二位数字显示各图中相同或相当的元件。参考标号的第三及第四(若有)则标示图号。如此，例如，图7中实例的压电转换器参考标号750所标示的是相当于图2中的压电转换器250。

在此些例子之中，图7中所显示的复材壳体710具有非常简单的第一部件720，其优选者为以金属为基础的所制成。压电转换器750被粘附在此基础部件的中央部分，而其第二件730，其优选者为一塑胶圆柱形体，则于两部件间界面740之处附接至第一部件上。

金属部件720的简单平片式构造容许以冲模压制制程的高成本效益制造方式来制作复材壳体。其不牵涉昂贵成本的机械加工程序。相较之下，图6中的复材壳体610亦具有一金属基底部件620，其同样亦可利用冲模压制的制作程序进行制作。

图10的复材壳体1010是为一种封闭形态的换能器，因其第二部件1030，其优选者为塑胶材质，具有包覆封闭了壳体开口1038内部的一个尾端表面。端表面上提供一对开孔1033以容许电连接线的通过，以连接至可被容纳于开口空间1038内的电子电路。相较之下，图11中的另一种封闭形态复材壳体1110则在其第二部件1130，其优选者为塑胶材质，上提供三个开孔1133，以连接至可被容纳于开口空间内的电子电路。

图12以示意性质显示具整体系统功能、包含有压电转换器、复材壳体、与控制电路PCB的一超音波换能器。图13A与图13B为图12实施例的局部截面视图。图14为与图12类似另一实施例的局部截面视图。

本发明配合附图以优选实施例公开说明如上，然其各种修改变化变种等效者亦可适用。因此，本领域技术人员在不脱离本发明精神范围的情况下，当可进行各类变动与变化，因此本发明的保护范围当以后附的权利要求所界定者为准。

Claims (7)

1.空气中运行的超音波换能器的一种复材壳体，该换能器具有可在大气环境中于一超音波声压电平之下发射，接收，或发射且接收超音波的一机械性质因素，该壳体包含：

一第一壳体部件；与

以与该第一壳体部件不同的材料所制作的至少一第二壳体部件，其具有小于该第一壳体部件的声阻，且利用强附接而在与第一壳体组件之间的一界面处结构性地连结至该第一壳体，以降低该机械性质因素，并同时维持该超音波声压电平，第一与第二壳体部件之间的该强附接形成了该壳体的一个复材结构。

2.如权利要求1所述的复材壳体，其中

该第二壳体部件具有大致中空的圆柱形形状；

该第一壳体部件是为杯形的形状，可承纳附着于其一底板的内表面上的一压电元件；且

以高电压驱动的该压电元件所产生的该第一壳体部件该底板的振动，由该第一壳体部件的该底板的外表面发送超音波进入空气中。

3.如权利要求1所述的复材壳体，其中该强附接是为利用结构粘剂而形成于所述多个壳体部件之间的一种粘胶性的强附接。

4.如权利要求1所述的复材壳体，其中该第一壳体部件是为一金属部件而该第二壳体部件是为一塑胶部件。

5.如权利要求4所述的复材壳体，其中该强附接是于模具之内于射出成型程序之中形成。

6.如权利要求4所述的复材壳体，其中该第一金属壳体部件是利用冲模压制而制成。

7.如权利要求4所述的复材壳体，其中该第二塑胶壳体部件是利用射出成型而制成。

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