CN1160579C - 超声波传感器 - Google Patents

Abstract

一种超声波传感器，包含罩子和压电元件。罩子中具有空洞，并且在空洞的一端设置底部。底部具有厚的部分，该部分沿第一方向延伸，还具有一对厚度小于厚的部分的薄的部分，沿第二方向设置在底部的相对侧上。压电元件辐射和或检测超声能，并将它设置在底部的内表面上厚的部分的中心处。

Description

超声波传感器

本发明涉及一种超声波传感器，用于辐射和/或探测超声能，本发明尤其涉及一种用于检测物体的存在或测量与一物体的距离的超声波传感器，如用作障碍检测传感器、车辆倒车声纳或转弯声纳等。

已知一种超声波传感器，它间断性地辐射(或传送)超声波脉冲，并检测(或接收)由物体反射回的超声波脉冲，由此检测物体的存在或测量与物体的距离。图1示出在车辆中用作倒车声纳或转弯声纳的传统超声波传感器。超声波传感器1包含金属罩2。罩子2有一空洞，该空洞具有圆形截面，由此形成圆柱形状。将容纳于空洞3内的平坦压电元件4固定在罩子2的底部2a的内表面。连接电缆5的一根导线6连接压电元件4的一个电极，而另一根导线6通过罩子2连接压电元件4的另一个电极。一种诸如毡之类的吸音材料7覆盖压电元件4，并且一种诸如硅橡胶或氨基甲酸乙酯(urethane)橡胶之类的绝缘树脂8密封压电元件4和吸音材料7。

将这样的超声波传感器安装到例如车辆的保险杆上(图中未示出)，用作倒车声纳或转弯声纳，用于障碍探测。当将超声波传感器安装到保险杆上时，安装有压电元件4的罩子底部大致上设置得垂直于马路或地面的表面，从而放置得面对着超声能辐射的方向。在这样的超声波传感器中，当超声波辐射范围和检测范围沿水平方向太窄时，在检测范围中产生死角，而当超声波辐射范围和检测范围沿垂直方向太宽时，从地面反射的超声波太吵杂。因此，在上述超声波传感器1中，将超声波喇叭9从罩子2的外侧朝罩子2的外方向安装，以控制超声波辐射和检测范围，从而超声波辐射和检测范围沿水平方向宽，而沿垂直方向窄。

但是当用安装超声波喇叭来控制超声波传感器的方向性时，雨水和泥(从马路由车胎溅起)、灰尘等等可能积聚并滞留于超声波喇叭中，导致超声波传感器的故障。另外，当超声波喇叭发生变形时，超声波传感器的方向性改变。进而，使用超声波喇叭导致了超声波传感器体积增大。

为了克服上述问题，第9-284896号日本公开专利公告中揭示了一种用于控制方向性的结构，这种结构不使用超声波喇叭。如图2A和2B中所示，超声波传感器11具有一个罩子12，其中设置了一个长椭圆形或椭圆柱形空洞13。将盘状压电元件15固定到罩子12的底部14。当使用具有这样的结构的罩子12时，超声能沿长椭圆或椭圆截面的纵向比沿横向扩展得更宽。因此，可使超声波辐射和检测范围沿水平方向宽，而沿垂直方向窄。

例如，当超声波传感器的外径D为18mm，超声波辐射和检测范围沿水平方向为80度，而沿垂直方向为60度，因此，展现了各向异性的辐射和检测范围，而不需使用超声波喇叭。

但是，当将具有上述结构的超声波传感器制得小型时，超声波辐射和检测范围沿垂直方向变宽，使超声波辐射和检测范围沿水平方向和沿垂直方向的差变小，从而小型的超声波传感器不会非常地各向异性。

在图2A中，使在空洞13的边缘垂直形成的内壁表面沿椭圆的纵向延伸，从而每一个都具有总长度H为13mm，宽度W为8mm。其中形成有空洞13的罩子12外部直径D为14mm。直径为7mm的压电元件15容纳于罩子12中，并被固定安装到底部14的内表面上。在图2B中，罩子12的底部14的均匀厚度T为0.7mm。罩子12的每一个侧壁的最小厚度为0.5mm。图3中示出具有上述尺寸的超声波传感器沿水平和垂直方向的方向性。图3表明，超声波辐射和检测范围(半衰变角)沿水平方向为80度，而沿垂直方向宽到70度。因此，外部直径D为14mm的超声波传感器沿水平和垂直方向的各向异性比外径为18mm的超声波传感器更小。应该知道，用于估算超声波辐射和检测范围的半衰变角是二个方向之间的角度，在这二个方向上，超声波辐射和检测灵敏度小于前端面处(或零度方向)的辐射和检测灵敏度的20log0.5dB(大致为60dB)。

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种即使当将超声波传感器制得小型时，对于水平和垂直方向仍具有各向异性辐射和检测特性的超声波传感器。

超声波传感器包含罩子和压电元件。罩子中具有空洞，并且空洞一端设置有底部。底部具有厚的部分，沿第一方向延伸，还有一对薄的部分，其厚度比厚的部分小，并沿不同于第一方向的第二方向，设置在底部的相对的侧壁上。压电元件辐射和/或检测超声波，并被设置在底部内部表面上厚的部分的中心处。

底部可以是圆形的。或者，底部可以具有长椭圆或椭圆形状。在这种情况下，长椭圆或椭圆的纵向或横向最好分别相应于底部的第二方向和第一方向。

薄的部分的厚度可以小于空洞周围的侧壁厚度。所述罩子的所述底部的外部表面可以是平坦的。另外，超声波传感器可以包含绝缘树脂，该绝缘树脂设置在薄的部分。

根据本发明，由于薄的部分和厚的部分之间的厚度差。超声波传感器的辐射和检测范围沿底部薄的部分的设置方向相对更窄。不使用超声波喇叭，就达到这一点，因此提供了一种超声波传感器，它在水平方向和垂直方向之间具有高度各向异性的辐射和检测特性。即使将超声波传感器制得小型，也是这样。

由于将压电元件固定到罩子底部的厚的部分而不是薄的部分，当受到外部撞击时，超声波传感器不容易破裂。这样，提高了高各向异性超声波传感器的抗冲击性并允许将其投入实际应用。另外，作为形成厚的部分的结果，可保持罩子的底部表面的强度，从而可以使薄的部分的厚度较小，因此允许超声波传感器显著地各向异性。

在底部为长椭圆形或椭圆形，并且薄的部分位于长椭圆形或椭圆形的纵向的情况下，可以进一步增加辐射和检测范围的各向异性。

当在薄的部分上设置绝缘树脂时，可减小超声波传感器的反射时间。

为了描述本发明，在附图中示出几种形式，它们是目前较好的，但是应该知道，本发明不限于所示的精确安排和手段。

图1是传统的超声波传感器的结构截面图。

图2A传统的超声波传感器主要部分的结构截面的平面图。图2B是沿图2A的线2B-2B的截面图。

图3描述了图2所示的传统的超声波传感器的方向性。

图4是根据本发明的实施例的超声波传感器的结构的截面图。

图5A是超声波传感器的罩子截面的平面图。

图5B是沿图5A的线5C-5C的截面图(或沿垂直方向的截面图)。

图5C是沿图5A的线5C-5C的截面图(或沿水平方向的截面图)。

图6是示出传统的超声波传感器中，沿垂直设置方向的辐射和检测范围角随罩子的底部厚度的变化的图。

图7是示出传统的另一种超声波传感器中，沿垂直设置方向的辐射和检测范围角随罩子的底部厚度的变化的图。

图8是根据本发明的超声波传感器的罩子的截面图，它接受方向性的测量。

图9是示出根据本发明的上述超声波传感器中，当L/R比例变化时，辐射和检测范围角的变化。

图10示出传统的超声波传感器方向性和根据本发明的超声波传感器的方向性之间的比较。

图11示出根据本发明的超声波传感器的方向性沿水平设置方向和沿垂直设置方向之间的比较。

图12是根据本发明的另一个实施例的超声波传感器的罩子的截面的平面图。

图13A是根据本发明的另一个实施例的超声波传感器的罩子截面的平面图。

图13B是沿图13A的线13B-13B的截面图(或沿垂直方向的截面图)。

图14是示出反射时间和绝缘树脂厚度之间的关系。

下面，参照附图详细地描述本发明的较佳实施例。

如图4和图5A到5C所示，根据本发明的较佳实施例的超声波传感器30包含罩子31。罩子31为例如圆柱形，并且整个的罩子31由诸如铝等金属材料制成。在罩子31中沿罩子31的延伸方向形成空洞33。如图5A中所示，空洞33具有通常为长椭圆形或椭圆形截面，在其底部包含纵向和横向。例如，图5A示出，沿y轴截面的长度比沿x轴截面的长度更长，从而截面的纵向和横向分别相应于y轴和x轴。罩子31包含底部32，并且底部具有相应于柱形罩子31外部形状的圆形外部表面和相应于空洞33形状的椭圆或长椭圆的内部表面。

压电元件35容纳于空洞33内，并被固定到底部32的内部表面上。压电元件35设计得可振动的，从而根据所加的电信号产生超声能，并检测该超声能，以根据检测的超声波产生检测信号。压电元件35以例如大约40kHz的频率工作。

底部32包含厚的部分32a和薄的部分32b。厚的部分32a位于底部32的中心，并沿底部32的横向延伸。薄的部分32b分别为月牙形，并位于底部32的纵向。薄的部分32b厚度小于厚的部分32a。

如图4所示，使用导电膏之类的材料，将压电元件35的应该电极表面固定到底部32的中心部分处的厚的部分32a的内表面上。相应地，如图5B所示，将薄的部分32b设置在安装压电元件35的厚的部分32a的两侧。厚的部分32a的厚度大于罩子31的外周围侧壁34的最小厚度。薄的部分32b的厚度小于罩子31的外周围侧壁34的最小厚度。

如图4中所示，诸如毡之类的吸音材料36覆盖超声波传感器30中的压电元件35，并且将具有弹性的绝缘树脂37(诸如硅橡胶或氨基甲酸乙酯橡胶)填充到罩子31中，以密封空洞33。将温度补偿型单片电容器38嵌在绝缘树脂37中。电容器38的一个外部电极通过一根导线39连接到罩子31，罩子31和压电元件35的一个电极表面电气连接，而电容器38的另一个外部电极通过另一根导线39连接到压电元件35的另一个电极表面。一根电缆40的用于输入和输出信号的两根信号线41连接电容器38的每一个外部电极。

通过例如将声波传感器30安装到车辆上来使用超声波传感器30。当将超声波传感器30安装在车辆上时，空洞33的纵向(y轴方向)位于大致上垂直于路面或地面的方向，而横向(x轴方向)位于大致和路面水平的方向。罩子31的底部32沿检测的方向。

具有上述结构的超声波传感器30使得可将辐射和检测范围在垂直方向变窄。即使当超声波传感器30制得小时，在垂直方向辐射和检测范围的不容易变宽，由此允许在垂直方向的辐射和检测范围保持窄。结果，在水平方向和垂直方向之间辐射和检测范围的差别变大，由此即使是小型的超声波传感器来说，也大大增加了各向异性的程度。

为了使在垂直方向的辐射和检测范围变窄，以增加超声波传感器各向异性的程度，可将超声波传感器的罩子的整个底部制得薄，在罩子3 1的底部不形成厚的部分。图6和表1示出对于传统的超声波传感器(外部直径D为18mm)，当罩子的底部的厚度(它在整个底部是均匀的)从0.7mm减小到0.3mm时，辐射和检测角沿垂直方向的变化。

罩子底部的厚度(mm)	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
						发送和接受角(°)	30	40	48	54	60

图7和表2示出对于外部直径D为14mm的另一个传统超声波传感器来说，当罩子的底部的厚度(它在整个底部是均匀的)从0.7mm减小到0.3mm时，辐射和检测范围角沿垂直设置方向的变化。

罩子底部的厚度(mm)	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
						发送和接受角(°)	40	50	58	64	70

图6和图7，以及表1和表2示出，对于外部直径为18mm的超声波传感器和外部直径为14mm的超声波传感器来说，都可通过使罩子底部薄，将辐射和检测范围做得窄。超声波传感器的外部直径越小，则辐射和检测范围越宽。例如，在传统的超声波传感器中，当底部的厚度为0.7mm时，对于外部直径为18mm和外部直径为14mm超声波传感器来说，辐射和检测范围分别是60度和70度。当底部的厚度是0.3mm时，对于外部直径为18mm和外部直径为14mm的超声波传感器来说，辐射和检测范围分别为30度和40度。为了使辐射和检测范围沿垂直设置方向变窄，必需做的是使罩子的底部尽可能薄。但是，当罩子的整个底部都形成为薄的部分，并且压电元件被固定到薄的部分时，压电元件趋向于遭受外部撞击，从而破裂。因此，当罩子的整个底部形成为薄的部分时，实际上难以产生小型的高度各向异性的超声波传感器。另外，当考虑到超声波传感器的抗冲击性时，有一个极限，即罩子的底部可做得多薄，从而使得超声波传感器可能做到有足够的各向异性。

与此相反，根据本发明的超声波传感器30，形成底部32，使得有厚的部分32a和薄的部分32b，并且将压电元件35固定到厚的部分32a，从而罩子的底部32不容易由于压电元件35的振动而破裂，由此允许薄壁部分32b的厚度制得较小。因此，实际上可得到超声波传感器30，它在水平方向和垂直方向之间具有高度各向异性的辐射和检测特性。在图8所示的超声波传感器中，罩子31的外部直径是14mm，外周围壁34的最小厚度T是0.5mm，厚的部分32a的厚度T2是0.7mm，而薄壁部分32b的厚度T1是0.3mm。当底部32的半径R是6.5mm，并且厚的部分32a的半径是(R-L)mm时(L是薄的部分32b的长度)，辐射和检测范围随薄的部分32b的长度L与底部32的半径R的比值L/R的变化示于图9和表3中。

薄壁部分的长度L与底部半径R之间的比值L/R	0	0.1	0.2	0.3	0.4
						发送和接受角(°)	70	65	60	55	48

图9和表3示出当比值L/R增加时，超声波传感器30的辐射和检测范围变窄。由于压电元件35的直径是0.7mm，故L/R比值范围从0到0.4时允许将压电传感器35固定到厚的部分32a。特别当L/R比值为0.4时，可以得到接近于当整个的底部32形成为薄的部分32b时所得到的辐射和检测角.

图10示出了传统的超声波传感器的方向性和本发明的超声波传感器30的方向性之间的比较。更具体地说，示出直径为18mm的传统的超声波传感器(其底部厚度为0.7mm)在垂直方向的的辐射和检测范围；外部直径为14mm的传统的超声波传感器(其底部厚度为0.7mm)在垂直方向的的辐射和检测范围；和本发明的超声波传感器30(L/R比值接近于0.4)的辐射和检测范围。从图10可见，根据本发明，即使当超声波传感器30的直径为14mm时，也可达到比直径为14的传统的超声波传感器更窄的辐射和检测范围。

图11描述了使用图5的罩子31的超声波传感器30在水平方向和垂直方向的方向性。这里，超声波传感器30的直径是14mm，厚的部分32a的厚度是0.75mm，薄的部分32b的厚度是0.3mm，而L/R＝2.5mm/6.5mm＝0.38。可见，超声波传感器30辐射和检测范围的高度各向异性。

可以各种方式修改超声波传感器30。虽然在根据较佳实施例描述的超声波传感器30中，在底部空洞30为椭圆或长椭圆的形状，空洞也可以是圆形截面。如图12所示，根据另一个实施例提供的超声波传感器50包含罩子51，该罩子为圆形截面。罩子51的底部52包含厚的部分52a和薄的部分52b，厚的部分52a位于底部52的中心，并且沿第一方向延伸，而薄的部分52b沿垂直于第一方向设置在厚的部分52a的相对侧。罩子51的侧壁54在底部52的整个边周厚度均匀。要注意，为了清楚起见，图4中所示的吸音材料、绝缘树脂、导线等等为清楚起见在图12中没有示出。根据该结构，当空洞33是简单的圆形时可以容易并低成本地生产罩子31。然而，由于薄的部分52b，超声波传感器保证了各向异性的辐射和检测范围。

图13A和13B示出根据本发明的另一个实施例的超声波传感器。超声波传感器60除其薄的部分32b上还包含了绝缘树脂61之外，和超声波传感器30相同。绝缘树脂61由诸如硅树脂或氨基甲酸乙酯树脂制成，它使得薄的部分32b的不需要的振动变弱。薄的部分32b的不需要的振动可能增加超声波传感器60的反射，这导致了超声波传感器60由于超声波传感器60的反射干扰了接近的物体反射的超声能，而无法检测非常接近于超声波传感器60的物体的存在，或无法测量与接近的物体的非常短的距离。

根据超声波传感器60，罩子31的底部32的薄的部分上的绝缘树脂61有效减小了反射时间。如图14中所示，反射时间根据绝缘树脂61厚度的增加而减小。因此，绝缘树脂61具有足够的厚度，使得反射时间被限制在由超声波传感器60的预计目的所需的特性所决定的值。作为一个实际问题，最好使反射时间等于1ms或更短。因此，绝缘树脂61的厚度最好接近于大约0.9mm或更大。当绝缘树脂61太厚时，在辐射超声波时底部32的振动也不利地衰减。因此，绝缘树脂61的厚度最好小于大约2.1mm。

虽然在本发明中厚的部分和薄的部分之间的界限是阶梯状的，但也可以形成为光滑的坡度。但是，最好罩子的外部表面形成为平面，使得超声波传感器的辐射和检测特性不失去。

还要注意，虽然本发明的超声波传感器解释为双重的使用装置，用于辐射和检测超声波，本发明的超声波传感器也可以单单用作超声波辐射装置或超声波检测装置。在这种情况下，本发明的超声波传感器作为具有各向异性的辐射范围的超声波辐射装置，或具有各向异性的检测范围的超声波检测装置。

虽然已经解释了本发明的较佳实施例，但是在下面的权利要求的范围内可以期待按照这里揭示的原理进行多种样式的设计。因此，可以理解为本发明的范围除了权利要求阐述的以外，不受限制。

Claims (7)

1.一种超声波传感器，其特征在于包含：

罩子，其中具有空洞和设置在所述空洞一端的底部，所述底部具有沿第一方向延伸的厚的部分，以及一对厚度比所述厚的部分小的薄的部分，所述薄的部分沿不同于所述第一方向的第二方向，设置在所述底部的相对侧上；及

用于辐射和/或检测超声波的压电元件，所述压电元件设置在所述底部的内表面上的所述厚的部分的中心，

其中，所述第一和第二方向相互直交，且所述厚的部分和薄的部分的厚度垂直于所述底面。

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于所述底部为圆形。

3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于所述底部为长椭圆形或椭圆形。

4.如权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于所述长椭圆形或椭圆形的纵向或横向分别相应于底部的第二方向和第一方向。

5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于罩子包含围绕空洞的侧壁，并且薄的部分厚度小于所述侧壁的厚度。

6.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于所述罩子的所述底部的外表面是平坦的。

7.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于还包含设置在薄的部分上的绝缘树脂。

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