超声波传感器的制作方法

专利名称：超声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波传感器，还涉及一种具有超声波传感器的机动车泊车辅助 装置以及一种用于制造超声波传感器的相应方法。
背景技术：
超声波传感器在机动车中例如被用于泊车辅助装置，泊车辅助装置在泊车时测量 距障碍物的剩余距离，这些障碍物限定一个停车位的边界。这种类型的泊车辅助装置典型 地包括一个或多个超声波传感器和一个控制装置，其中，这些超声波传感器包含一个超声 波换能器，该超声波换能器不仅用于发射而且用于接收超声波信号。对超声波传感器的一 个决定性的功能要求尤其是在小于30cm的距离范围内的所谓的近物测量能力。DE 3431 684 Al公开了一种具有罩或罐状壳体的电声换能器，所述壳体的基面构 造为薄膜。在该薄膜上放置一个压电陶瓷体作为换能器元件，所述陶瓷体在位于薄膜对面 的侧上被一个减振的泡沫材料层覆盖。为了在垂直平面中产生具有特别小的张角的声辐 射，而在水平平面中产生一个具有比较大的张角的声辐射，所述薄膜及包围该薄膜的侧壁 在一个垂直于声辐射方向的平面中的轮廓被近似椭圆形地、也就是非旋转对称地构造。对 这种类型的结构不利的是，特别是在脉动运行中不仅薄膜、而且侧壁被激励成旁模的振荡。DE 197 27 877 Al公开了一种超声波传感器，具有一个带有环形壁和一个作为振 荡膜的底面的类似罐形的壳体。在壁的外侧上设置一个稳定环，以便给予壳体更大的刚性 及将超声波振荡基本上限定在作为振荡膜的罐底上。但是，尤其是在超声波换能器的脉动 发射激励时这种结构也会出现典型地相应于膜式罐壁的翻转及皱摺运动的旁模的激励。这 些旁模影响超声波传感器的近物测量能力，因为所述旁模延长了发射激励之后的衰减时间 并且具有由附近物体反射的小超声波信号的差频模型叠加。

发明内容
因此所期望的是，在超声波传感器的发射运行中进一步减小旁模的激励及由此改 善近物测量能力。由此设置一个具有壳体的超声波传感器，该壳体具有一个环绕的侧壁和一个底 面，也就是说以罐或罩的样式成型。在底面上设置一个用于产生超声波振荡的换能器元件， 例如一个压电元件。侧壁包括一个下侧壁区段，在该下侧壁区段中侧壁在一个与底面平行 的平面中具有一个基本非旋转对称的型廓。此外，侧壁包括一个上侧壁区段，在该上侧壁区 段中侧壁向着侧壁的一个上边缘过渡到一个基本旋转对称的型廓中。通过构造两个侧壁区段，这两个侧壁区段通过直接包围底面中非旋转对称的型廓 的下侧壁区段或者通过过渡到侧壁上边缘上的旋转对称的型廓的过渡部来区分，与传统超 声波传感器相比显著地减小了在由该换能器元件激励底面的主或工作振荡模式时例如引 起侧壁的翻转-和/或皱摺振荡的振荡旁模的不期望的间接激励。此外，由工作模式形成干扰旁模的比例已经可通过电测量在传感器壳体上求得，这些壳体没有被泡沫材料填充物或类似材料减振。各个模分别通过一个等效电路图表明特 性。在此，旁模的形成可通过各个旁模及主模的衰减比例来判断。借助传统超声波传感器 的对比测量示出以因数5至10提高旁模的衰减，这些超声波传感器具有一个罐状壳体，该 壳体具有沿着侧壁的高度恒定的侧壁型廓及必要时具有一个在侧壁外侧上的稳定环。在由泡沫材料填充物或类似物衰减及必要时根据应用被装入另外的在工作中包 围壳体的包封中的超声波传感器中，各个模的固有形状以及旁模与工模相比提高的衰减可 借助激光干涉仪来证明。此外，提高的旁模衰减还导致可直接证明地、改进地减少在超声波 传感器的放大的电接收信号中的干扰差频，这些干扰差频与附近物体的小的反射超声波信 号竞争，并且由此能够实现根据本发明超声波传感器的改进的近物测量能力。根据超声波传感器的一个优选的进一步构型，侧壁在上侧壁区段中与下侧壁区段 相比至少在很大程度上逐渐变细，也就是说侧壁在上侧壁区段中的平均壁厚小于在下侧壁 区段中的平均壁厚。根据另一个优选的进一步构型，上侧壁区段在壳体的总高的超过50% 上延伸。优选地，上侧壁区段在壳体的总高的少于80%上延伸。在该进一步构型中，可特别 显著地提高对干扰旁模的衰减。根据一个优选的进一步构型，壳体在下和上侧壁区段中具有一个基本圆柱形的外 轮廓。这样类型的超声波传感器可特别简单地构建，因为下和上侧壁区段通过壳体内轮廓 的走向构造，而外轮廓例如可被设置成与超声波传感器的常用类型相同的形状。以此方式， 例如机动车的围绕件不需适配其形状。根据一个优选的进一步构型，侧壁具有一个在上侧壁区段中环绕的外加厚部。该 加厚部用作稳定环，该稳定环导致壳体具有更大的刚性，这减少了旁模的出现，在旁模中侧 壁被偏移。此外，改善了壳体的机械稳固性。优选地，该外加厚部沿着侧壁的上边缘延伸。根据一个优选的进一步构型，上侧壁区段包括壳体内轮廓的一个在垂直于底面的 平面中倾斜的走向。所述垂直于底面的平面例如在壳体的圆柱形或通常旋转对称的外轮廓 的情况下可以是一个穿过外轮廓的对称轴线的平面，其中，内轮廓与垂直于底面的平面的 交线的区段形成一个相对外轮廓对称轴线倾斜的直线。优选地，该交线区段相对于底面倾 斜大约45°地延伸，使得例如内轮廓区段式地沿着一个具有90°张角的锥形的壳面延伸。根据另一个优选的进一步构型，上侧壁区段包括壳体内轮廓的一个在垂直于底面 的平面中弯曲的走向。所述垂直于底面的平面例如在壳体的圆柱形或通常旋转对称的外轮 廓的情况下可以是一个穿过外轮廓的对称轴线的平面，其中，内轮廓与垂直于底面的平面 的交线的区段形成一条弯曲的线。优选地，内轮廓包括一个基本四分之一圆形的走向，也就 是说，内轮廓与垂直平面的交线的区段以一个四分之一圆的形式延伸。在这两种进一步构 型中，可实现壳体的带有特别高的旁模衰减的、特别有利的振动特性。根据一个优选的进一步构型，上侧壁区段包括壳体内轮廓的一个在垂直于底面的 平面中阶梯状的走向。所述垂直于底面的平面例如在壳体的圆柱形或通常旋转对称的外轮 廓的情况下可以是一个穿过外轮廓的对称轴线的平面，其中，内轮廓与该垂直于底面的平 面的交线的区段形成一条水平的、也就是说平行于底面的线。这样类型的走向可以特别简 单的方式制造。


下面根据优选的实施形式及附图被详细说明本发明。在这些图中图IA示出根据本发明的一种实施形式的超声波传感器的俯视图；图IB-C示出图IA的超声波传感器的两个不同剖面图；图2示出根据另一种实施形式的、具有四分之一圆形式的内轮廓走向的超声波传 感器的剖面图；图3示出根据另一种实施形式的、具有分段式线性内轮廓走向的超声波传感器的 剖面图；图4示出具有对比变化曲线的、由根据本发明的一种实施形式的超声波传感器接 收的信号变化曲线的图表；图5A示出一个由传统超声波传感器发射的超声波信号的频谱；以及图5B示出一个由根据一种实施形式的超声波传感器发射的超声波信号的频谱。在图中只要不明确说明不同，则相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。
具体实施例方式图IA示出了一个超声波传感器100的俯视图，该超声波传感器适合于在机动车的 泊车辅助系统中使用。该超声波传感器包括一个罐状壳体101，该壳体具有一个底面104和 一个环形地包围该底面的侧面102。该壳体101由一种金属材料例如铝成型出或铣削出并 且出于腐蚀及涂装原因被涂覆底漆。该图的观察者的视线从上方落到壳体101的内部，使得底面104的内侧转向观察 者。机电的换能器元件106在此例如圆柱盘形的压电元件被设置、例如被粘贴在底面104 的内侧上并且被触点接通。出于清楚的原因取消了触点接通部的视图。壳体101内部中的 剩余空间被一种同样未示出的衰减材料填满。此外，所示的壳体101可被例如软弹性体制 成的另外的包封结构包围。底面104近似具有带有倒圆的短侧面的矩形形状。该矩形在其中心通过圆弧形突 起132加宽，这些突起包围换能器元件106的安置点。侧壁102在其上边缘(在图IA中观 察者的视线落到该上边缘上)上具有一个平行图平面并且平行于底面104的边缘面，该边 缘面由两个同心的圆周线限定边界，所述圆周线的中心位于一个对称轴线134上，壳体101 的外轮廓120相对该对称轴线被旋转对称地构造。图IB示出了图IA的超声波传感器沿着在图1中用B-B标出的剖切平面的剖面图， 该剖切平面穿过外轮廓120的对称轴线134。外轮廓120在壳体101的总高118的绝大部 分上延伸地以一个具有外径136的圆柱形式构造，其中圆柱轴线位于对称轴线134上。外 轮廓120与圆柱形的区别在于，在壳体101的上边缘116上构造了一个用作稳定环的加厚 部122并且侧壁102的下棱边138被倒圆，侧壁102与底面104的外侧在该下棱边上相遇。外轮廓120在所示的实施形式中关于对称轴线134旋转对称地构造，而内轮廓IM 则基本不同于旋转对称的形状。在下侧壁区段108中，该下侧壁区段直接连接到底面104 上，内轮廓1 具有一个垂直的走向144，使得侧壁102在下侧壁区段108中以拉伸体的形 式被成型，也就是说，侧壁在一个可任意地在下侧壁区段108内部选择的、平行于底面104 且在该底面上方延伸的平面中具有恒定的横截面形状。因为内轮廓1 跟随底面104的在图IA中示出的非旋转对称的外形，所以侧壁102在下侧壁区段108中的横截面形状是非旋 转对称的。此外，在本实施例中侧壁102在下侧壁区段108中的厚度不是恒定的。在侧壁102的连接到下壁区段108上的上壁区段114中，内轮廓124逐渐地由其在 下侧壁区段108中具有的非旋转对称的横截面形状过渡到一个在上边缘116上的旋转对称的 造型。在该实施形式中，上侧壁区段114包括一个过渡区段110和一个边缘区段112，在该边 缘区段中内轮廓124相对于外轮廓120的对称轴线1；34垂直地且旋转对称地延伸，也就是说 具有一个圆柱面142，该圆柱面的圆柱轴线与对称轴线1；34相重合。在此，圆柱面142的内径 被如此选择，使得该圆柱面在沿着对称轴线1；34的投影中完全包围底面104的非旋转对称的 外形。如由图IA中可见，底面104的近似矩形的外形的短侧面130恰好被如此倒圆，使得 它们在沿着对称轴线134的投影中与在边缘区段112中呈圆柱形的内轮廓IM重合。而在过渡区段110中，内轮廓IM在这样的区段中沿着一个向下逐渐收缩的、尖端 位于对称轴线134上的锥形的外壳面140延伸，这些区段在沿着对称轴线134的投影中位 于底面104的外形之外。这在图IB的垂直的、延伸穿过对称轴线134的剖切平面中相应于 一个直的截面轮廓，该截面轮廓相对对称轴线Π4或底面104倾斜地延伸。该锥形的张角 146可例如为90°，以至于外壳面相对对称轴线134倾斜45°的角度。在这些在沿着对称 轴线134的投影中位于底面104轮廓之内的区段中，内轮廓1 垂直地延伸到内轮廓的在 下侧壁区段108中垂直走向的延续部中。上侧壁区段114在侧壁102或壳体101的总高118的大于50%上延伸。因为内轮 廓124的走向在上侧壁区段114中向着上边缘116逐渐扩宽，而外轮廓120在忽略构造于 上边缘116上的加厚部122的情况下基本圆柱形地、也就是以恒定外径136延伸，所以总体 上得到了外壁102在上侧壁区段108中的逐渐变细。图IC示出了图IA中的超声波传感器100沿着在图IA中用C-C标出的剖切平面的 另一个剖面图，所述剖切明面同样穿过外轮廓120的对称轴线134。在替换的实施形式中， 例如可消除一个边缘区段112，在该边缘区段中侧壁102的内轮廓124圆柱形地延伸，使得 上侧壁区段108仅仅包括一个过渡区段110并且侧壁102只在上边缘116上呈现一个旋转 对称的造型。图2和3分别在剖面图中示出了超声波传感器100的其它实施形式，在这些实施 形式中，内轮廓1 在过渡区段Iio中的走向与之前描述的实施形式的在图IB中示出的锥 形壳面形状140不同地构型。图2和3的剖面图的剖切平面分别延伸穿过壳体101的外轮 廓120的对称轴线134。壳体101的底面104如在图IA-C中的实施形式中那样具有一个 近似矩形的形状，从而得到一个如图IA的基本相同的俯视图并且取消了相应于图2和3的 实施形式的俯视图的分开示图。图2和3的剖切平面沿着近似矩形的底面104的纵轴线延 伸，相应于图IB中的示图。在图2的实施形式中，内轮廓IM在过渡区段110中被这样构型，使得它在示出的 剖面图中代替图IB中的直的、倾斜的截面轮廓140具有一个弯曲的截面轮廓600，该截面轮 廓光滑地连接到内轮廓1 在边缘区段112中的圆柱形走向142并且向下以相对底面104 不断减小的倾斜度延续。弯曲的截面轮廓600具有一个在弯曲的走向上恒定的曲率半径 602，该曲率半径例如可被如此选择，使得弯曲的截面轮廓600在其下端部上达到一个平行 于底面104的倾斜度，也就是说总体上四分之一圆形地延伸。
在图3的实施形式中，内轮廓1 在所示的剖面图中在过渡区段110中具有一个 区段式地由直线轮廓区段140，700，140’组成的截面轮廓。连接到内轮廓IM在边缘区段 112中的圆柱形走向142上的第一轮廓区段140相对底面104倾斜45°地延伸。一个平行 于底面104地延伸的第二轮廓区段170及一个第三轮廓区段140’连接在该第一轮廓区段 140上，该第三轮廓区段又相对底面104倾斜45°地延伸。替换的实施形式也可在边缘区段112与下侧壁区段108之间设置一个纯阶梯状的 过渡部，使得该边缘区段112在没有具有末端高度的过渡区段110的情况下直接连接到下 侧壁区段108上。此外，内轮廓124的走向也可以以不同于图3中示出的方式分段式地由多 个区段组成，这些区段被阶梯状地成型(即在如图IB的垂直剖面图中具有水平截面轮廓)， 锥形地成型(即在如图IB的垂直剖面图中具有直线倾斜的截面轮廓，和/或以圆形或另外 弯曲的截面轮廓成型。例如具有四分之一圆形截面轮廓的走向也可由内轮廓1 的一个分 段式地由一些锥形和/或阶梯状的区段组成的走向来近似。在超声波传感器100的运行中，该压电换能器元件106脉动式地、交替地被控制装 置加载电激励信号，该激励信号产生一个垂直于底面104的相应的电场。在极化方向合适 时，该电场例如产生换能器元件106横向于施加的电场的收缩。换能器元件106切向于底 面104的收缩根据所谓的挠性弯曲原理(Flexbogenprinzip)产生底面104的挠曲。在此适宜的是，为了实现最大可能的偏移施加一个控制信号，该控制信号的频率 与底面的在机械上可能的、例如近似旋转对称的基模、工模或上模(Obermode)相一致的频 率。通过在控制装置中换能器元件106的合适的电布线这样地增大了工模的机械带宽，使 得可发射需要大带宽的短超声波脉冲。在脉动地发射激励换能器元件106时，其它的旁模 被激励，这些旁模典型地相应于侧壁102的翻转和皱摺运动。这些模未被电补偿及由此具 有小的带宽或大的时间常数。图5A示出了由传统超声波传感器发射的在20kHz与80kHz之间的频率范围内的 超声波信号的、借助激光干涉仪接收的频谱。在此，频率被以kHz为单位线性地沿着一个水 平轴线312记录，而对数的频谱强度被以对于ImW比较功率的dB被沿着一个垂直轴线310 记录。在示出的频谱中，多个以不同线宽示出的单个曲线叠加，这些单个曲线通过在超声波 传感器的振荡底面的不同点上的测量得到。频谱在48kHz时的工模范围内具有一个明显的 最大值300及其它的次最大值302、304、306，这些次最大值相应于在33kHz、67kHz或75kHz 时干扰超声波传感器运行的旁模。图5B示出了以相同方式获得的超声波信号的频谱，该超声波信号由一个根据本 发明的实施形式的超声波传感器发射出。在48kHz时在工模范围中的最大值300包括紧邻 的边带320，322在内具有与图3A相比未改变的强度。与此相比，不期望的旁模302，304， 306的强度被明显降低了 5至10的因数。图4示出了一个图表，该图表在一个共同的时间轴线204上以不同线宽示出了两 个接收信号的两个信号变化曲线200，202，其中，第一接收信号202被由传统结构形式的超 声波传感器接收，而第二接收信号200由根据本发明实施形式的超声波传感器接收。垂直 的轴线206示出了获得的电压信号的相应信号电平。在第一接收信号202中清楚可见由旁 模在第一接收信号202中引起的差频208，该差频影响传统超声波传感器的近物测量能力。 这种差频在第二接收信号200中被有效抑制。
权利要求
1.超声波传感器(100)，具有一个壳体(101)，该壳体具有一个环绕的侧壁(10 和一 个底面(104)，在该底面上设有一个用于产生超声波振荡的换能器元件(106)，其中，所述 侧壁(102)具有下侧壁区段(108)，所述侧壁(10 在该下侧壁区段中在一个平行于所述底面(104)的 平面中具有一个基本非旋转对称的型廓；及上侧壁区段(114)，所述侧壁(10 在该上侧壁区段中向着所述侧壁(10 的上边缘 (116)过渡到一个基本旋转对称的型廓中。
2.根据权利要求1的超声波传感器(100)，其中，所述侧壁(10 在所述上侧壁区段 (114)中与所述下侧壁区段(108)相比至少在很大程度上逐渐变细。
3.根据权利要求1或2的超声波传感器(100)，其中，所述上侧壁区段(114)在所述壳 体(101)的总高(118)的多于50%并且尤其是少于80%上延伸。
4.根据前述权利要求中任一项的超声波传感器(100)，其中，所述壳体(101)在所述下 侧壁区段(108)和所述上侧壁区段(114)中具有基本圆柱形的外轮廓(120)。
5.根据前述权利要求中任一项的超声波传感器(100)，其中，所述侧壁(10 具有一个 在所述上侧壁区段(114)中、尤其是在所述上边缘(116)上环绕的外加厚部(122)。
6.根据前述权利要求中任一项的超声波传感器(100)，其中，所述上侧壁区段(114)包 括所述壳体(101)的内轮廓(124)的一个在垂直于所述底面(104)的平面中倾斜的、尤其 是倾斜约45°的走向(140，140’)。
7.根据权利要求1至5中任一项的超声波传感器(100)，其中，所述上侧壁区段(114) 包括所述壳体(101)的内轮廓(124)的一个在垂直于所述底面(104)的平面中弯曲的、尤 其是基本呈四分之一圆形的走向(602)。
8.根据权利要求1至5中任一项的超声波传感器(100)，其中，所述上侧壁区段(114) 包括所述壳体(101)的内轮廓(124)的一个在垂直于所述底面(104)的平面中阶梯状的走 向(700)。
9.用于机动车的泊车辅助装置，具有控制装置和根据权利要求1至7中任一项的超声 波传感器(100)。
10.用于制造超声波传感器(100)的方法，该方法具有以下步骤这样构造一个具有环绕的侧壁(10 和底面(104)的壳体(101)，使得所述侧壁(102) 具有一个下侧壁区段(108)和一个上侧壁区段(114)，该下侧壁区段具有一个在平行于 所述底面的平面中基本非旋转对称的型廓，所述侧壁在所述上侧壁区段中向着所述侧壁 (102)的上边缘(116)过渡到一个基本旋转对称的型廓中；并且将用于产生超声波振荡的换能器元件(106)设置在所述底面(104)上。
全文摘要
本发明提供了一种具有壳体的超声波传感器，该壳体具有一个环绕的侧壁和一个底面。该底面上设置一个用于产生超声波振荡的换能器元件。侧壁包括一个下侧壁区段和一个上侧壁区段，侧壁在该下侧壁区段中在一个平行于底面的平面中具有一个基本非旋转对称的型廓，侧壁在该上侧壁区段中向着侧壁的上边缘过渡到一个基本旋转对称的型廓中。从另一方面看，本发明提供了一种用于机动车的泊车辅助装置，其具有一个控制装置和一个这样类型的超声波传感器，以及提供了一种用于制造超声波传感器的方法。
文档编号G10K9/22GK102113047SQ200980130524
公开日2011年6月29日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年7月31日
发明者M·赖歇 申请人:罗伯特·博世有限公司