超声波传感器
阅读：954发布：2020-05-12
专利汇可以提供超声波传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种在方向特性上具有稳定的 各向异性 的 超 声波 传感器 。根据本发明的 超声波 传感器 的 外壳 包括具有底部的筒形外壳件(10)和内壳件(30)。具有预定尺寸的切口36彼此相对地设置在内壳件(30)的 侧壁 (32)下部。内壳件(30)由 密度 高于外壳件(10)的金属材料制成。从而， 超声波传感器 的振动面(20)可以获得椭圆振动面的振幅，得到在方向特性上具有明显各向异性的超声波传感器。此外，提供了侧面振动的位移量较小的超声波传感器。，下面是超声波传感器专利的具体信息内容。
超声波传感器
技术领域
背景技术
[0002] 用于汽车尾部声纳的现有技术的超声波传感器被设置在汽车的保险杆等上，该超声波传感器被用作为障碍物探测器，例如尾部声纳或者角落传感器。超声波传感器设置在汽车的保险杆等上的方式是，固定有压电元件的外壳底部基本垂直于路面，且该超声波传感器被设置和调整在朝向发射超声波的方向上。在这种应用的超声波传感器中，如果水平安装方向上的超声波发射和接收范围太窄，探测范围即出现死角。如果垂直方向上的超声波发射和接收范围太宽，从地面反射的波会产生噪声。因此，需要水平和垂直方向上的方向特性的各向异性。
[0003] 图9为上述超声波传感器的外壳1的结构示意图。图9(a)为该外壳1的横截面剖视图，图9(b)为图9(a)中沿B-B线(竖直安装方向)的剖视图，图9(c)为图9(a)中沿C-C线(水平安装方向)的剖视图。该外壳1整体上由金属材料制成，例如铝，并设置有在后部开口的空腔3。外壳1的底部2竖直安装方向上的中心有厚部分2a，并在其两边有新月形的薄部分2b。压电元件5的一个电极表面通过导电胶等固定在底部2的中心部位的厚部分2a的内表面。在竖直安装方向上的截面中，如图9(b)所示，薄部分2b位于安装有压电元件5的厚部分2a的两旁。在穿过外壳1的中心的水平安装方向截面中，如图9(c)所示，底部2整体作为厚部分2a。厚部分2a的厚度大于外壳1的外围侧壁4的最小厚度，薄部分2b的厚度小于外壳1的外围侧壁4的最小厚度。
[0004] 具有上述结构的超声波传感器在竖直安装方向上(空腔3的较宽的方向)可以缩窄超声波发射和接收范围。由于水平方向和竖直方向的发射和接收范围不同，可以获得具有各向异性的超声波传感器(例如，参见专利文献1)。
[0005] 专利文献1：日本特开2000-32594号公报
发明内容
[0006] 本发明要解决的问题
[0007] 然而，专利文献1所描述的超声波传感器的外壳1的侧壁设置有厚部分和薄部分，以达到所需的方向特性，这种复杂结构的外壳1由铝通过例如锻造、切削和模具铸造(高压铸造)制造。由于结构复杂，制造成本很高。
[0008] 另一个问题如下。压电元件所粘着的外壳1的表面最好具有保证一定程度振动的结构。特别是，优选外壳1的底面和侧壁之间所形成的部分(角/边)可以进行一定程度的振动。然而，在现有技术的超声波传感器中，外壳1设置有厚部分和薄部分，抑制了特别是厚部分附近的振动。因此，很难达到明显的各向异性。
[0009] 还有另一个问题。现有技术的超声波传感器的外壳1中，外壳1的空腔具有椭圆形横截面，以保证方向特性上的各向异性。外壳1形成为椭圆形，其具有薄侧壁部分，在此部分的侧面振动的振幅大。结果，如果超声波传感器安装在汽车等上，在有橡胶垫片和托架的情况下，超声波传感器的特性可能改变，因此很难保证所需的特性。
[0010] 因此，本发明的主要目的是提供一种方向特性上具有稳定各向异性的超声波传感器。
[0011] 解决问题的技术方案
[0012] 本发明提供一种超声波传感器，该传感器包括具有底部的筒形壳件，设置在所述壳件的底部的内表面的压电元件，其中所述壳件的侧壁的内表面中与所述底部接触的部分设置有切口。
[0013] 在超声波传感器中，所述切口彼此相对地设置在所述壳件的侧壁的内表面中与所述底部接触的部分。
[0014] 这样，所述切口在所述壳件的侧壁的内表面中与所述底部接触的部分中彼此相对地形成，从而可以获得椭圆振动面，增加振动面的振幅。
[0015] 优选地，用于根据本发明的超声波传感器的所述壳件包括外壳件和设置在该外壳件内的内壳件，所述切口设置在内壳件上。
[0016] 这样，用于超声波传感器的所述外壳件和内壳件分别形成有简单结构，并组合。因此，可以获得一种方向特性上具有明显各向异性的超声波传感器。此外，每个零件可以由简单结构的零件组成，从而制造和加工的成本低。
[0017] 此外，在根据本发明的超声波传感器中，所述内壳件由密度大于所述外壳件的金属材料制成。
[0018] 由于所述内壳件采用密度大于外壳件的金属材料，超声波传感器的外壳侧面振动的变化较小。
[0019] 有益效果
[0020] 根据本发明，超声波传感器的壳件中，切口彼此相对地形成在壳件侧壁的内表面与底部接触的部分，从而在超声波传感器振动面上，获得椭圆形的振动面的振幅。从而，获得具有水平和竖直安装方向上明显的各向异性的超声波传感器。
[0021] 此外，由于超声波传感器的内壳件由密度高于外壳件的金属材料制成，可以降低超声波传感器的侧面振动。因此，当超声波传感器安装后，超声波传感器的特性变化较小。
[0022] 此外，因为根据本发明的传感器的壳件结构简单，所以壳件很容易制造和加工。
附图说明
[0024] 图1：图1(a)为根据本发明的超声波传感器的外壳件的俯视图，图1(b)为其截面剖视图；
[0025] 图2：图2(a)为根据本发明的超声波传感器的内壳件俯视图，图2(b)为其截面剖视图，图2(c)为其仰视图；
[0026] 图3：图3(a)为根据本发明的外壳件的透视图，图3(b)为根据本发明的内壳件的透视图；
[0027] 图4：图4(a)为根据本发明的超声波传感器的竖直安装方向的截面剖视图，图4(b)为水平安装方向的截面剖视图；
[0028] 图5为根据本发明的超声波传感器的X侧面和Y侧面的侧面振动位移量的曲线图；
[0029] 图6为根据本发明的超声波传感器的X侧面和Y侧面的位置示意图；
[0030] 图7为现有技术的超声波传感器的外壳的透视图；
[0031] 图8为根据本发明的超声波传感器的内壳件的另一个实施例的透视图；
[0032] 图9：图9(a)为现有技术的超声波传感器实施例的外壳的截面剖视图，图9(b)为沿图9(a)的B-B线的截面剖视图，图9(c)为沿图9(a)的C-C线的截面剖视图。
[0033] 附图标记：
[0034] 10 外壳件
[0035] 12 开口
[0036] 14 空腔
[0037] 16 底面
[0038] 18 侧壁
[0039] 20 振动面
[0040] 22 振动范围
[0041] 30 内壳件
[0042] 32 侧壁
[0043] 34 空腔
[0044] 36 切口
[0045] 40 超声波传感器
[0046] 42 压电元件
[0047] 44 吸声件
[0048] 46 基板
[0049] 48 电缆
具体实施方式
[0050] 实施例1
[0051] 图1、图2和图3展示了根据本发明的一种实施方式的超声波传感器。图1和图2展示了用于本实施例的超声波传感器的外壳件10和内壳件30。图1(a)为外壳件10的俯视图，图1(b)为其截面剖视图。图2(a)为内壳件30的俯视图，图2(b)为其截面剖视图，图2(c)为其仰视图。图3(a)和图3(b)为根据本发明的超声波传感器的外壳件10和内壳件30的透视图。该超声波传感器包括具有底部的圆筒形外壳件10和圆筒形内壳件30。
[0052] 外壳件10设置有开口12和空腔14，并具有底部16和侧壁18。振动面20位于底部16的外表面。压电元件安装在外壳件10的底部16的内表面。
[0053] 外壳件10由金属材料制成，比如铝等。
[0054] 外壳件10的尺寸例如为整体高9mm，外径14mm，内径13mm。外壳件10的底部16具有均匀厚度0.5mm，外壳件10的侧壁18具有均匀厚度0.5mm。
[0056] 内壳件30的作用是提供超声波传感器的方向特性的各向异性。内壳件30位于空腔14内。内壳件30为筒状，并具有空腔34。两个切口36彼此相对地设置在内壳件30的侧壁32的下部。
[0057] 内壳件30由金属材料制成，例如锌等。该内壳件30的金属材料的密度以大于外壳件10的密度为佳。
[0058] 该内壳件30的尺寸例如为整体高度7mm，外径13mm，内径9mm。内壳件30的侧壁32的厚度为2mm。切口36的大小例如为切口宽度8mm，切口深度2mm。
[0059] 内壳件30位于外壳件10的空腔14内，由于存在该内壳件不与振动面20接触的部分，因而振动面20振动在椭圆形状上产生振幅，从而获得超声波传感器的方向特性上的各向异性。
[0060] 图4为超声波传感器40的截面剖视图，该超声波传感器40包括外壳件10和内壳件30。图4(a)为竖直安装方向上的截面剖视图。图4(b)为水平方向上的截面剖视图。
[0061] 压电元件42安装在外壳件10的底部16的内表面。吸声件44位于内壳件30的空腔34内，基板46设置在吸声件44的顶面上。该基板46与电缆48连接。
[0062] 该基板46与内壳件30通过电线50a连接，并通过内壳件30和外壳件10与压电元件42的一个表面上的电极电连接。基板46与压电元件42的另一表面上的电极通过电线50b电连接。
[0063] 对压电元件42施加驱动电压，该驱动电压的频率等于由外壳件10和内壳件30组成的超声波传感器的固有频率，压电元件42被激振，振动面20振动，从而发射超声波。振动面20的声波接收导致振动面20的固有振动，从而获得电信号。
[0064] 在超声波传感器中，因为切口36彼此相对地设置在内壳件30的侧壁32，在外壳件10的振动面20可以形成椭圆振动。从而，在水平和竖直安装方向上的方向特性获得明显的各向异性。
[0065] 此外，内壳件30采用密度高于外壳件10的金属材料，从而降低了外壳件10的侧壁18的侧面振动的位移量。因此，在超声波传感器安装在汽车等的情况下，超声波传感器的特性变化小。
[0066] 此外，该超声波传感器的每个外壳件结构简单，取代现有的复杂结构的超声波传感器，从而可以容易地制造和加工。
[0067] 实验例1
[0068] 图5展示了X侧面和Y侧面的侧面振动的位移量的数值计算结果，其中X侧面和Y侧面为图1所示的外壳件10和图2所示的内壳件30被用作外壳的情况下，通过改变内壳件30材料所制得的各个产品的内壳件的X侧面和Y侧面。横坐标表示振动侧面的坐标，纵坐标表示侧面振动的位移量。通过有限元方法进行数值计算。有限元方法有利于对复杂形状的物体进行数值计算，无需考虑物体的形状。如图6所示，X侧面为振动面20上的椭圆形振动范围22的短轴的延伸的侧面，Y侧面为振动面20上的椭圆振动范围22的长轴的延伸的侧面，在该振动范围22中，颜色越深处，振幅越大。
[0069] 为了比较，同样也给出了现有超声波传感器的外壳1a的侧面振动的位移量的数值计算结果。现有超声波传感器的外壳1a被加工成如图7所示的形状。
[0070] 此次的数值计算中，采用铝作为图7所示的现有产品的金属材料，而本发明的内壳件30分别采用了铝、锌和钨。外壳件10的金属材料为铝。
[0071] 图5(a)显示了现有产品所获得的结果，图5(b)显示了内壳件30采用铝作为材料所获得的结果，图5(c)为内壳件30采用锌作为材料所获得的结果，图5(d)显示了内壳件30采用钨作为材料所获得的结果。
[0072] 现有产品在X侧面上的侧面振动的位移量约为40.0nm，在Y侧面上的侧面振动位移量为60.0nm或更大。
[0073] 当内壳件30与外壳件10均采用铝作为材料，在X侧面上所得到的侧面振动的位移量约为80.0nm，在Y侧面上的侧面振动的位移量为40.0nm至60.0nm。
[0074] 另一方面，当内壳件30采用锌作为材料、其密度大于外壳件10时，X侧面上所获得的侧面振动的位移量为20.0nm至40.0nm，在Y侧面上获得的侧面振动的位移量为40.0nm至60.0nm。
[0075] 当内壳件30采用钨作为材料、其密度大于外壳件10时，X侧面上所获得的侧面振动的位移量为20.0nm至40.0nm，Y侧面上获得的侧面振动的位移量为10.0nm至40.0nm。
[0076] 从以上结果可见，现有产品和内壳件30采用铝材料的产品与内壳件30采用锌和钨材料的产品相比，采用锌和钨材料的产品中，每个壳件的X侧面和Y侧面的侧面振动的位移量被进一步抑制了。也就是说，证明了内壳件30采用密度高于外壳件10的金属材料，侧面振动的位移量被抑制。
[0077] 同样，证明了内壳件30和外壳件10的密度差值越大，越抑制了侧面振动的位移量。
[0078] 实验例2
[0079] 内壳件30的内径和切口36的切口宽度、深度改变时，所获得的数值计算结果。和实验例1一样，数值计算采用有限元方法(FEM)。根据切口宽度和深度的情况和其他情况，所得的结果如表1所示。
[0080] [表1]
[0081]外径 内径 切口宽度 切口深度 共振频率
[mm] [mm] [mm] [mm] [kHz]
模型1 13 10 7 2 37.8
模型2 13 9 7 2 44.7
模型3 13 9 8 2 40.7
模型4 13 9 6 2 46.3
模型5 13 9 8 1 40.8
[mm] [mm] [mm] [mm] [kHz]
模型1 13 10 7 2 37.8
模型2 13 9 7 2 44.7
模型3 13 9 8 2 40.7
模型4 13 9 6 2 46.3
模型5 13 9 8 1 40.8
[0082] 目前批量生产的超声波传感器的共振频率约为40kHz。也就是说，超声波传感器广泛地设计为其振动面的固有振动频率约为40kHz，施加与其电性地相近的信号，以激发固有振动。因此，超声波传感器的外壳需具固有振动频率40kHz，这很重要。如表1所示，模型3和5的共振频率约为40kHz，从而确定其可以合适地使用。
[0083] 同样确定模型3和5具有近椭圆形振动面(未显示)，其他模型具有近菱形振动面(未显示)。菱形不能提供振动面的稳定振动，不能提供方向特性上的明显各向异性。另一方面，模型3和5通过正常激发以椭圆形的方式提供稳定振动，可以在方向特性上获得明显的各向异性。
[0084] 在前述事实例中，内壳件30的切口36为矩形。然而，本发明并不限于此，如图8所示，内壳件30a的切口36a也可以采用凸半圆的形状。
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