DE10123612A1

DE10123612A1 - Ultraschallwellensender/empfänger

Info

Publication number: DE10123612A1
Application number: DE10123612A
Authority: DE
Inventors: Shinji Amaike; Junshi Ota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: US6593680B2; CN1325193A; JP2001326987A; US20020021056A1; CN1200525C; JP3501100B2; DE10123612B9; ITTO20010450A0; DE10123612B4; ITTO20010450A1

Abstract

Ein Ultraschallwellensender/empfänger ist geschaffen, bei dem der Sender/Empfangsbereich desselben in zumindest einer Richtung relativ schmal ist, und der stabile Widerhallcharakteristika aufweist. Wenn die Dicke eines dickwandigen Abschnitts t1, die Dicke jedes dünnwandigen Abschnitts t2, die Dicke eines Seitenabschnitts, der fortlaufend mit dünnwandigen Abschnitt vorgesehen ist, A ist, x = t2/t1 und y = A/t2, ist dieser Ultraschallwellensender/empfänger so gebildet, daß x und y innerhalb des Bereichs liegen, der durch die folgenden Gleichungen definiert ist: DOLLAR A 0,50 x 0,64 DOLLAR A 0,75 y 1,75 DOLLAR A y -(50/7) È x + 163/28 DOLLAR A y >= -(50/7) È x + 135/28.

Description

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Ultra schallwellensender/empfänger, der beispielsweise als ein Abstandssensor und ein Rücksensor für die Verwendung bei einem Automobil verwendet wird.

Bisher ist ein Ultraschallwellensender/empfänger bekannt, bei dem ein piezoelektrisches Schwingungselement auf der inneren Unterseitenoberfläche eines zylindrischen Gehäuses mit einer Unterseite befestigt ist, und das die äußere Un terseitenoberfläche des Gehäuses als eine Ultraschallwel lensende/empfangsoberfläche verwendet. Wenn ein solcher Ul traschallwellensender/empfänger als ein Sensor für die Ver wendung in einem Auto verwendet wird, werden reflektierte Wellen vom Boden als Rauschen erfaßt, falls der Sen de/Empfangsbereich in der vertikalen Richtung hinsichtlich dem Boden zu breit ist, und der Erfassungsbereich weist ei nen toten Bereich auf, falls der Sende/Empfangsbereich in der horizontalen Richtung zu schmal ist. Keines von beidem ist wünschenswert. Dementsprechend wurde ein Ultraschall wellensender/empfänger erfunden, der so angeordnet ist, daß sein Sende/Empfangsbereich in der vertikalen Richtung schmal ist, und daß sein Sende/Empfangsbereich in der hori zontalen Richtung breit ist, und zwar durch Bilden des hoh len Abschnitts des Gehäuses derart, daß derselbe in der vertikalen Richtung lang und in der horizontalen Richtung kurz ist, und ferner durch Bilden eines dickwandigen Ab schnitts und dünnwandiger Abschnitte auf der Unterseite des Gehäuses. Bei einem solchen Ultraschallwellensen der/empfänger kann beispielsweise durch Bilden eines dick wandigen Abschnitts mit einer Dicke von 0,75 mm und dünn wandigen Abschnitte mit einer Dicke von 0,3 mm auf der Un terseite des Gehäuses mit einem Durchmesser von 18 mm und durch Anordnen der dünnwandigen Abschnitte in der vertika len Richtung ein Ultraschallwellensender/empfänger erhalten werden, bei dem der Sende/Empfangsbereich in der vertikalen Richtung 40 Grad beträgt.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwellensen ders/empfängers 1, der als Rücksensor für die Verwendung bei einem Auto verwendet wird. Der Sende/Empfangsbereich ist durch einen vollen Winkel bei halbem Maximalwert bzw. durch einen Halbwertsvollwinkel ausgedrückt. Der "volle Winkel bei halbem Maximalwert" bezieht sich auf einen Win kel, der durch beide Richtungen gebildet ist, an denen eine Reduktion von 20.log 0,5 dB (etwa 6 dB) der Sen de/Empfangsempfindlichkeit hinsichtlich der Sen de/Empfangsempfindlichkeit in der Richtung entgegengesetzt zu dem Boden (der Richtung von 0°) auftritt.

Da bei einem solchen herkömmlichen Ultraschallwellensen der/empfänger die Widerhallcharakteristika instabil sind und die Widerhallzeit lang ist, können jedoch Ultraschall wellen, die von einem Objekt, das zu dem Ultraschallwellen sender/empfänger benachbart ist, reflektiert werden, den Widerhall desselben stören, so daß es Fälle gibt, bei denen das Vorhandensein des benachbarten Objekts nicht erfaßt werden kann und/oder bei denen der Abstand zu dem benach barten Körper nicht gemessen werden kann. Insbesondere wenn Wassertropfen auf der Sende/Empfangsoberfläche haften, ist die Widerhallzeit tendenziell länger, und folglich tritt ein Problem auf, wenn dieser Ultraschallwellensen der/empfänger als ein Sensor für die Verwendung bei einem Auto verwendet wird, da der Sensor Wind und Regen ausge setzt ist.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, einen Ultraschallwellensender/empfänger zu schaffen, bei dem der Sende/Empfangsbereich desselben in zumindest einer Richtung relativ schmal ist, und der stabile Wider hallcharakteristika aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwellensen der/empfänger gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallwellen sender/empfänger geschaffen, der ein zylindrisches Gehäuse mit einer Unterseite, ein piezoelektrisches Schwingungsele ment, das auf der inneren Unterseitenoberfläche der Unter seite des Gehäuses befestigt ist, und eine Ultraschallwellen ende/Empfangsoberfläche, die durch die äußere Untersei tenoberfläche der Unterseite des Gehäuses definiert ist, umfaßt. Bei diesem Ultraschallwellensender/empfänger umfaßt die Unterseite des Gehäuses einen dickwandigen Abschnitt, auf dem das piezoelektrische Schwingungselement befestigt ist, und einen dünnwandigen Abschnitt, der dünner ist als der dickwandige Abschnitt. Wenn die Dicke des dickwandigen Abschnitts t1 ist, die Dicke des dünnwandigen Abschnitts t2 ist, die Dicke eines Seitenabschnitts, der fortlaufend mit dem dünnwandigen Abschnitt vorgesehen ist, A ist, und die Gleichungen als x = r2/t1, und y = A/t2 eingestellt sind, ist dieser Ultraschallwellensender/empfänger so gebildet, daß x und y innerhalb des Bereichs liegen, der durch die folgenden Gleichungen definiert ist:

0,50 ≦ x ≦ 0,64

0,75 ≦ y ≦ 1,75

y ≦ -(50/7).x - 163/28

y ≧ -(50/7).x + 135/28

Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillier ten Beschreibung offensichtlich werden. Bevorzugte Ausfüh rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfol gend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht, die einen Ul traschallwellensender/empfänger gemäß einem Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2A eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Gehäuses des in Fig. 1 gezeigten Ultraschallwel lensenders/empfängers zeigt, wobei das Gehäuse entlang einer Ebene parallel mit der Unterseiten oberfläche desselben gezeigt ist;

Fig. 2B einen vertikalen Abschnitt des Gehäuses entlang einer Linie b-b in Fig. 2A;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen t2/t1 und dem vollen Winkel bei halbem Maximalwert zeigt, wenn A/t2 variiert sind;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen t2/t1 und der Widerhallzeit zeigt, wenn A/t2 variiert sind;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen A/t2 und dem vollen Winkel bei halbem Maximalwert zeigt, wenn t2/t1 variiert sind;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen A/t2 und der Widerhallzeit zeigt, wenn t2/t1 variiert sind;

Fig. 7 ein Diagramm, das einen wünschenswerten Bereich numerischer Werte zeigt, wenn x = t2/t1, und y = A/t2;

Fig. 8 ein Diagramm, das die Sen de/Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwellen senders/empfängers zeigt;

Fig. 9 eine schematische Ansicht, die den Erfassungsbe reich eines Rücksensors für die Verwendung bei einem Auto zeigt; und

Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem vol len Winkel bei halbem Maximalwert und dem Erfas sungsabstand zeigt.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Ultraschallwel lensender/empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Ultraschallwellensen der/empfänger 10 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 besteht beispielsweise aus Alu minium. Auf der inneren Unterseite des Gehäuses sind ein dickwandiger Abschnitt 14 und dünnwandige Abschnitte 16 ge bildet. Ein piezoelektrisches Schwingungselement 18 ist auf dem dickwandigen Abschnitt 14 in der inneren Unterseite des Gehäuses 12 befestigt. Eine Elektrode des piezoelektrischen Schwingungselements 18 ist mit dem Gehäuse verbunden, das geerdet ist. Ein schallabsorbierendes Material 20 ist auf der gegenüberliegenden Seite an der inneren Unterseiten oberfläche des Gehäuses 12 befestigt, wobei das piezoelek trische Schwingungselement 18 dazwischen liegt.

Ein Kondensator 22 ist dem piezoelektrischen Schwingungs element 18 über das absorbierende Material 20 gegenüberlie gend angeordnet. Befestigungsbauglieder 24, die aus Silizi umgummi oder dergleichen hergestellt sind, sind jeweils an beiden Endes des Kondensators 22 befestigt. Eine Elektrode des Kondensators 22 und die andere Elektrode des piezoelek trischen Schwingungselements 18 sind durch eine Leitung 26 elektrisch verbunden. Ein externer Anschluß 28 ist mit der einen Elektrode des Kondensators 22 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators 22 ist mit dem Gehäuse verbun den, das durch eine Leitung (nicht gezeigt) geerdet ist. Außerdem ist ein externer Anschluß (nicht gezeigt) auf dem Gehäuse 12 vorgesehen.

Die innere Unterseite des Gehäuses 12 ist mit einem ersten Haftmittel 30 gefüllt, wie z. B. einem auf Silizium basie rendem Haftmittel mit einer relativ hohen Viskosität. Das erste Haftmittel bedeckt das schallabsorbierende Material 20 und das piezoelektrische Schwingungselement 18. Der Zweck der Verwendung eines Haftmittels mit einer hohen Vis kosität ist es, die Einflüsse des Haftmittels, mit dem das schallabsorbierende Material getränkt ist, auf die akusti schen Charakteristika zu minimieren. Nachdem das erste Haftmittel 30 ausgehärtet ist, werden die Befestigungsbau glieder 24 auf beiden Seiten des Kondensators 22 darauf plaziert. Ferner wird ein zweites Haftmittel 32, wie z. B. ein auf Silizium basierendes Haftmittel mit einer relativ niedrigen Viskosität, darüber gefüllt. Der Grund für die Verwendung eines Haftmittels mit einer niedrigen Viskosität als das zweite Haftmittel ist es, den Füllvorgang zu ermöglichen.

Fig. 2A ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Gehäuses 12 des Ultraschallwellensenders/empfängers 10, der in Fig. 1 gezeigt ist, darstellt, wobei das Gehäuse entlang einer Ebene parallel mit der Unterseite desselben gezeigt ist, und Fig. 2B ist ein vertikaler Abschnitt, der das Ge häuse entlang der Linie b-b in Fig. 2A zeigt. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist ein hohler Abschnitt des Gehäuses 10 bei einer Draufsicht beispielsweise in einer im wesentlichen ovalen Form gebildet. In der Richtung der lange Achse des Ovals sind die dünnwandigen Abschnitte 16, die dünner sind als der dickwandige Abschnitt 14 auf beiden Seiten des dickwandigen Abschnitts 14 gebildet. Der dickwandige Ab schnitt 14 ist dagegen so gebildet, daß er sich in der Richtung der kurzen Achse des Ovals erstreckt. Der Ultra schallwellensender/empfänger 10, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird so verwendet, daß die Richtung der langen Achse des Querschnitts des Gehäuses 12 in der Richtung vertikal hin sichtlich des Bodens eingestellt ist, und die kurze Achse desselben in der Richtung horizontal hinsichtlich des Bo dens eingestellt ist. Bei dem Ultraschallwellensen der/empfänger 10 definiert die äußere Unterseitenoberfläche des Gehäuses 12 eine Sende/Empfangsoberfläche. Hier ist die Form des Querschnitts des Gehäuses 12 nicht auf eine im we sentlichen ovale Form beschränkt, sondern der Querschnitt desselben kann in einer im wesentlichen rechteckigen Form, einer im wesentlichen elliptischen Form oder einer im we sentlichen runden Form gebildet sein.

Durch Variieren der Dicke des dickwandigen Abschnitts 14, jedes der dünnwandigen Abschnitte 16 und des Seitenab schnitts 12a, der fortlaufend mit den dünnwandigen Ab schnitten 16 des in Fig. 2 gezeigten Gehäuses vorgesehen ist, wurden volle Winkel bei halbem Maximalwert und Wider hallzeiten des Ultraschallwellensenders/empfängers 10, der diese Gehäuse 12 verwendet, gemessen. Die Meßergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 10 und in den Fig. 3 bis 6 ge zeigt. Hier ist das Gehäuse 12, das in diesem Ausführungs beispiel verwendet wird, vollständig aus Aluminium gebildet und hat einen Durchmesser von 18 mm.

[Tabelle 1]

A/t2 = 0,75

[Tabelle 2]

A/t2 = 1,00

[Tabelle 3]

A/t2 = 1,25

[Tabelle 4]

A/t2 = 1,50

[Tabelle 5]

A/t2 = 1,75

[Tabelle 6]

t2/t1 = 0,43

[Tabelle 7]

t2/t1 = 0,50

[Tabelle 8]

t2/t1 = 0,57

[Tabelle 9]

t2/t1 = 0,64

[Tabelle 10]

t2/t1 = 0,71

Nachfolgend zeigen Tabelle 11 und Fig. 10 die Beziehung zwischen dem vollen Winkel bei halbem Maximalwert und dem Erfassungsabstand in der vertikalen Richtung, mit einer In stallationshöhe von einer Einstellung von 40 cm, wenn der Ultraschallwellensender/empfänger 10 wie in Fig. 10 gezeigt als Rücksensor für die Verwendung bei einem Auto verwendet wird.

[Tabelle 11]

Installationsposition des Ultraschallwellensen ders/empfängers: eine Höhe von 40 cm über dem Boden
Wie aus Tabelle 11 und Fig. 10 ersichtlich, ist der Erfas sungsabstand umso länger, je kleiner der volle Winkel bei halbem Maximalwert ist. Genauer gesagt ist der Erfassungs abstand in einem Fall, bei dem der volle Winkel bei halbem Maximalwert 40° beträgt, 1,5 mal so lang wie in einem Fall, bei dem der volle Winkel bei halbem Maximalwert 60° be trägt. Da bei diesem Ultraschallwellensender/empfänger 10 jedoch die Sende/Empfangsoberfläche sowohl als Sendeober fläche als auch als Empfangsoberfläche für Ultraschallwel len dient, solange nicht die Schwingungen, wenn Ultra schallwellen gesendet werden, in einer so kurzen Zeit wie möglich getrennt werden, werden reflektierte Wellen beim Senden in den Schwingungen vergraben und werden den Ultra schallwellensender/empfänger daran hindern, eine Erfassung durchzuführen. Folglich ist es zusätzlich dazu, daß der volle Winkel bei halbem Maximalwert klein ist, praktischer weise erforderlich, daß die Widerhallzeit nicht mehr als 1,5 ms beträgt bei Bedingungen, unter denen Wassertropfen auf der Sender/empfängeroberfläche haften. Falls die Wider hallzeit nicht mehr als 1,5 ms beträgt, während Wassertrop fen auf der Sender/empfängeroberfläche haften, wird unter trockenen Bedingungen eine geringere Widerhallzeit erhal ten.

Dementsprechend werden aus den obigen Ergebnissen die Be dingungen, die gleichzeitig die Eigenschaft erfüllen, daß der volle Winkel bei halbem Maximalwert nicht mehr als 40° ist, und daß die Widerhallzeit nicht mehr als 1,5 ms be trägt, in Tabelle 12 gezeigt.

[Tabelle 12]

Um die Effekte zu erreichen, die durch die vorliegende Er findung beabsichtigt sind, ist es, wie es aus Tabelle 12 ersichtlich ist, wenn das Verhältnis der Dicke t2 des dünn wandigen Abschnitts 16 hinsichtlich der Dicke t1 des dickwandigen Abschnitts 14 0,57 beträgt, wünschenswert, daß das Verhältnis der Dicke A des Seitenabschnitts 12a hinsichtlich der Dicke t2 des dünnwandigen Abschnitts 16 auf 0,75 bis 1,75 eingestellt ist.

Wenn außerdem das Verhältnis der Dicke t2 des dünnwandigen Abschnitts 16 hinsichtlich der Dicke t1 des dickwandigen Abschnitts 14 0,64 beträgt, ist es wünschenswert, daß das Verhältnis der Dicke A des Seitenabschnitts 12a hinsicht lich der Dicke t2 des dünnwandigen Abschnitts 16 auf 0,75 bis 1,25 eingestellt ist.

Aus diesen Ergebnissen ergibt sich die in Fig. 7 gezeigte Beziehung. Das heißt, wenn x = t2/t1, und y = A/t2, ist die Dicke t1 des dickwandigen Abschnitts 14, die Dicke t2 jedes der dünnwandigen Abschnitte 16 und die Dicke A des Seiten abschnitts 12a so eingestellt, daß x und y innerhalb des Bereichs liegen, der durch die folgenden Gleichungen defi niert ist, wobei die Effekte, die durch die vorliegende Er findung erreicht werden sollen, erreicht werden können.

0,50 ≦ x ≦ 0,64 (1)

0,75 ≦ y ≦ 1,75 (2)

y ≦ -(50/7).x + 163/28 (3)

y ≧ -(50/7).x + 135/28 (4)

In Fig. 8 zeigen die durchgezogenen Linien die Direktivi tätscharakteristika in der vertikalen und der horizontalen Richtung des Ultraschallwellensenders/empfängers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein Aluminiumgehäuse verwen det, bei dem der Durchmesser 18 mm, die Dicke t1 des dick wandigen Abschnitts 14 0,70 mm, die Dicke t2 jedes der dünnwandigen Abschnitte 16 0,40 mm und die Dicke A des Sei tenabschnitts 12a, der fortlaufend mit den dünnwandigen Ab schnitten vorgesehen ist, 0,4 mm beträgt.

Ebenfalls in Fig. 8 zeigen die gestrichelten Linien die Di rektivitätscharakteristika in der vertikalen Richtung des Ultraschallwellensenders/empfängers 10 gemäß einem ver gleichbaren Beispiel, das ein Aluminiumgehäuse verwendet, bei dem der Durchmesser 18 mm, die Dicke t1 des dickwandi gen Abschnitts 0,70 mm, die Dicke t2 jedes der dünnwandigen Abschnitte 0,30 mm und die Dicke des Seitenabschnitts 12a, der fortlaufend mit dem dünnwandigen Abschnitt vorgesehen ist, 0,4 mm beträgt.

Es ist aus Fig. 8 offensichtlich, daß der volle Winkel bei halbem Maximalwert (etwa 30°) des Ultraschallwellensen ders/empfängers 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung bessere Direktivitätscharakteristika in der vertikalen Richtung schafft im Vergleich zu dem vollen Winkel bei halbem Maximalwert (etwa 60°) des herkömmlichen Beispiels.

Folglich kann gemäß dem Ultraschallwellensender/empfänger 10 dieses Ausführungsbeispiel der Erfassungsabstand länger gemacht werden, da der volle Winkel bei halbem Maximalwert in der vertikalen Richtung nicht mehr als 40° beträgt, und ist kaum Einflüssen von reflektierten Wellen von dem Boden ausgesetzt. Da ferner gemäß dem Ultraschallwellensen der/empfänger 10 dieses Ausführungsbeispiels die Widerhall zeit nicht mehr als 1,5 ms beträgt, wenn Wassertropfen an der Sender/empfängeroberfläche haften, kann der Einfluß von Sendewellen auf reflektierte Wellen minimiert werden.

Wie aus dem vorhergehenden offensichtlich, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ultraschallwellensen der/empfänger geschaffen, bei dem der Sen der/Empfangsbereich desselben in zumindest einer Richtung relativ schmal ist, und der stabile Widerhallcharakteristi ka aufweist. Dieser Ultraschallwellensender/empfänger weist einen langen Erfassungsabstand auf, und kann als ein Rück sensor mit einer besseren Leistungsfähigkeit verwendet wer den.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von der Er findung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen, und daher sollen die angehängten Ansprüche alle solche Änderungen und Modifikationen abdecken, wie sie in die wahre Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Ultraschallwellensender/empfänger (10), der folgende Merkmale aufweist:
ein zylindrisches Gehäuse (12) mit einer Unterseite;
ein piezoelektrisches Schwingungselement (18), das an der inneren Unterseitenoberfläche der Unterseite des Gehäuses (12) befestigt ist; und
eine Ultraschallwellensende/empfangsoberfläche, die durch die äußere Unterseitenoberfläche der Unterseite des Gehäuses (12) definiert ist,
wobei die Unterseite des Gehäuses (12) einen dickwan digen Abschnitt (14), an dem das piezoelektrische Schwingungselement (18) befestigt ist, und einen dünn wandigen Abschnitt (16) umfaßt, der dünner ist als der dickwandige Abschnitt (14), und
wobei, wenn die Dicke des dickwandigen Abschnitts (14) t1 ist, die Dicke des dünnwandigen Abschnitts (16) t2 ist, die Dicke eines Seitenabschnitts (12a), der fort laufend mit dem dünnwandigen Abschnitt (16) vorgesehen ist, A ist, und die Gleichungen als x = t2/t1 und y = A/t2 eingestellt sind,
der Ultraschallwellensender/empfänger (10) so gebildet ist, daß x und y innerhalb des Bereichs liegen, der durch die folgenden Gleichungen definiert ist:
0,50 ≦ x ≦ 0,64
0,75 ≦ y ≦ 1,75
y ≦ -(50/7).x + 163/28
y ≧ -(50/7).x + 135/28.