超声波换能器装置和车辆后端外围监测系统的制作方法

专利名称：超声波换能器装置和车辆后端外围监测系统的制作方法
技术领域：
本发明大致有关于超声波换能器(ultrasound transducers)装置，特别有关于可调控其超声波传输涵盖范围的超声波换能器装置。
背景技术：
超声波换能器可适用于必须检测物体的各种应用之中。典型的用途包含 摄像机的目标对象的测距(range fmding)。利用超声波进行车辆后端近处障碍 物的检测(obstacle detection),也是常见的应用实例。在多种实例之中，超声 波换能器利用压电元件(piezoelectric element)来产生超声波，以执行这些功 能。在大部分的情况之下，同一个超声波换能器常被利用来作为超声波的发 射器(ultrasound transmitter)以及接收器(ultrasound receiver)的双重功能装置。 换言之，同一超声波装置须负责产生被用作扫描及/或测距用的超声波，以及 接收反射回来的超声波。不论是处于发射或接收操作模式，超声波换能器的发散及接收波场的形 状时常对其应用用途有重要的影响。例如，在车辆后端外围监测的用途之中， 其发射及接收超声波覆盖场(ultrasound wave coverage field),通常需要予以造 形(shaping)，以便其达到最佳操作状态。 一般而言，其两种覆盖场皆需要在 水平方向上相对宽广而在其垂直方向则相对较窄的场形造形。宽阔的水平发 射覆盖场形可以增加有效监测角度范围，以避免漏失了正进行倒车的车辆其 后方的物体。另一方面，较低窄的垂直方向扫描角度，则可以降低被地面反 射回来的超声波所干扰的可能性。车辆后端监测系统的超声波换能器的接收操作模式下的覆盖场形造形 基本上应与其发射模式者相同或相似。在诸如摄像机测距之类的其它应用用途，亦有类似的需求。本技术领域中已多有尝试要对超声波换能器的覆盖场形的构形予以调 变控制。如本领域技术人员所熟知，基础声学原理显示，对于具有杯形音筒的超声波换能器而言，其须有某一特定的内壳壁面构形，才得以符合水平较 宽而垂直较窄的覆盖场形造形。在此种最佳化的换能器结构构形之中，其内 壳壁面沿着垂直于超声波的发射方向的平面所截取的截面为一种类似于直 立的矩形或椭圆形的轮廓。具体而言，其内壳壁面的截面轮廓具有水平方向 较小而垂直方向较大的尺寸。换言之，具有水平较窄宽度而垂直较大高度的 音筒的超声波换能器，属较适于产生一个水平较宽而垂直较窄的覆盖场形造 形的装置。在美国专利6,370,086号，"用于测量距离的超声波感应器(Ultrasound Sensor for Distance Measurement)"之中，Li提出一种超声波感应器，其压 电超声波产生元件的外壳具有一种特别造形的腔室。Li试图利用将其基本上 为垂直矩形的内壁开口修改为其所揭露的多种独特形状中之一，以调整其覆 盖场形的形状。Li因而宣称能够将其覆盖场形形塑成为足以涵盖车辆的整个 横截面的一种水平角度范围的覆盖场。不过，Li的感应器并未超出供类似用 途的基本超声波换能器元件的基础声学原理之外。Amaike等人的美国专利6,250,162号"用于测量距离的超声波感应器 (Ultrasound Sensor)"，其中则揭示了与上述Li的做法不同的、据称可以 形塑水平较宽而垂直较窄超声波覆盖场形的一种超声波感应器。Amaike等人 系于其感应器的底部应用了一种结构性的厚-薄构形。不过，Amaike等人所 提议的超声波感应器的基本结构构形，仍未能超出垂直较宽水平较窄的内壳 壁面轮廓的基本构形。另一方面，Rapps等人则在美国专利5,446,332号的"超声波换能器 (Ultrasonic Transducer)"中提出了一种不同的作法，其采用了附着于振荡 薄膜及/或外壳上的阻尼装置(dampingmeans),同时利用压电振荡器在其系统 内的多处布放，而试图形塑其覆盖场，使之成为水平较宽而垂直较窄的形状。虽然诸如上述的现有超声波换能器已被广泛应用于包含车辆后端外围 监测系统等的应用用途之中，但其中仍有诸如其相匹配的电子电路无法在合 理的检测感应灵敏度范围内提供足够的水平覆盖角度的问题。 一个车辆后端 外围监测系统，若无法提供足够的水平涵盖范围，便代表需要使用更多个换 能器才能足够地覆盖诸如一部商用轿车或小卡车的整个后端范围。与此相反的另有一个问题是其在垂直方向上的覆盖范围不够狭小的问题。这虽然属于己知问题，但如果一部车辆的后端外围监测系统的垂直方向 涵盖范围太大，而导致频繁的误报警，虽然其并不致于造成安全上的问题， 但对于使用者而言，则是使用上的极度不方便干扰。发明内容本发明因此提供一种超声波换能器，其具有增进的覆盖特性而可以符合 特定用途的需求。本发明超声波换能器的声波覆盖场利用其外壳壁上指定位 置处的至少一个切割口，而得以造形调整。换能器杯形构造体的外壳壁上的 切割口，可以导致该切割口所在位置方向超声波强度的减弱，不论是其所发 射的超声波或其所接收的超声波都是如此。为实现上述目的，本发明提供一种超声波换能器装置，其具有杯形圆柱 体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯体开口之 内的超声波，该装置包含有该外壳上的至少一个切割口，其可减低该装置的 覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发射出的与接收到的超声波的强度。如上所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口形成了穿透该 外壳厚度的开口。如上所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口形成该外壳上 的厚度縮减区。如上所述的超声波换能器装置，其中该厚度縮减区为该外壳外表面上的凹陷区。如上所述的超声波换能器装置，其中该厚度縮减区为该外壳内表面上的 凹陷区。如上所述的超声波换能器装置，其中该厚度缩减区包含了该外壳外表面 上及内表面上的凹陷区。如上所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口为长形切槽，其具有沿着该杯形圆柱体外壳的周缘圆圈360度角度范围中的约90度的长 度。本发明还提供一种超声波换能器，其也可以提供具有增进的覆盖特性而 同样也可符合特定用途的需求。本发明的超声波换能器的音波覆盖场利用其外壳壁上指定位置处的至少一个厚度縮减区而得以造形调整。换能器杯形构 造体的外壳壁上的厚度縮减区，可以导致该切割口所在位置方向超声波强度 的减弱，不论是其所发射的超声波或其所接收的超声波都是如此。换能器外 壳壁上的厚度縮减区可以是其外壳壁的外表面或内表面上的凹陷区。本发明还提供一种超声波换能器装置，其具有杯形圆柱体外壳，以将超 声波发射出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯体开口之内的超声波，该 装置包含有该外壳上相对设置的两个切割口，其可减低该装置的覆盖场朝向 两个切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。本发明还提供一种超声波装置，其包含有换能器，该换能器在其外壳上 具有至少一个切割口 ，该切割口可减低该换能器的覆盖场朝向所述至少一个 切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。本发明提供一种超声波换能器，其包含有在其外壳上的至少一个切割 口，该切割口可减低该换能器的覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发 射出与接收到的超声波的强度。本发明提供一种车辆后端外围监测系统，其包含超声波换能器，其具有 杯形圆柱体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯 体开口之内的超声波，该装置包含有该外壳上的至少一个切割口，其可减低 该装置的覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发射出与接收到的超声 波的强度。，如上所述的车辆后端外围监测系统，其中所述至少一个切割口朝向地面。本发明提供一种车辆后端外围监测系统，其包含超声波换能器，其具有 杯形圆柱体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯 体开口之内的超声波，该装置包含有该外壳上相对设置的两个切割口，其可 减低该装置的覆盖场朝向两个切割口对应方向发射出与接收到的超声波的 强度。如上所述的车辆后端外围监测系统，其中所述两个切割口分别朝向地面 及天空。本发明的超声波换能器装置可以沿着任何所需伸展方向上的特定角度 范围需求而提供超声波覆盖。


图1A及图1B分别显示超声波外围监测系统的现有技术换能器不同观察 角度的透视图。图2显示超声波外围监测系统的另一现有技术换能器的透视图。 图3显示超声波外围监测系统的又一现有技术换能器的透视图。 图4A显示依据本发明实施例的压电换能器的透视图。 图4B为图4A换能器的侧视图。图5显示依据本发明另一实施例的压电换能器的透视图。 图6显示依据本发明又一实施例的压电换能器的透视图。 图7显示依据本发明再一实施例的压电换能器的透视图。 图8A及图8B分别显示依据本发明再又一实施例的压电换能器的不同 视角透视图。图8C为图8A及图8B换能器的侧视图。图9的曲线图显示商用车辆后端外围监测系统的现有超声波换能器的超 声波强度特性。图10的曲线图显示依据本发明，以图9的换能器为基础制作而成的换 能器的超声波强度特性。
具体实施方式
依据本发明的超声波换能器装置可以提供符合特定应用用途需求的较 佳超声波覆盖特性。针对应用用途的需要，本发明的超声波换能器装置可以 沿着任何所需伸展方向上的特定角度范围需求而提供超声波覆盖，不论是水 平、垂直、或其间的任何指向。此外，在超声波的发射及接收两种操作模式 之下，本发明的超声波换能器装置皆可达成此种需求。利用在其外壳壁(housing wall)的指定位置上具有至少一个切割口(cnt)的 新颖换能器装置，本发明可以达成超声波覆盖场(ultrasound wave coverage fidd)的场形调变(fidd shaping)。本发明外壳壁上的此一个或多个特征切割口 为切穿的切割口，也就是，其切割穿透换能器的超声波筒壁的整个厚度，并 具有选定的切割形状及面积。另一方面，本发明换能器装置的外壳壁上的厚度縮减区(housing wall thickness reduction area)则为外壳壁表面上具由指定形 状及大小的选定区域，其厚度较其外围的厚度为小。本发明中穿透切割口或厚度縮减区在换能器外壳壁上的位置与换能器 装置的超声波场型的功能性调整有所关联。这些将于后面说明文字段落中参 考本发明各种优选实施例而予以说明。图IA及图IB分别显示超声波外围监测系统的现有技术换能器不同观 察角度透视图。图1A及图IB中的换能器与诸如Murata Manufacturing Company, Ltd. (10-1， Higashikotari l國chome, Nagaokakyo画shi， Kyoto 617-8555, Japan)所生产的商用换能器相当类似。图1A中所示为现有技术超声波换能器 100的大致圆柱形的杯形换能器外壳110。杯体开口 120朝向相对于图面换 能器100的左前下方的方向，并显现了其内壳壁130的大致直立长形的横截 面构形。此直立长形横截面构形在图IB的透视图中有更为清楚的显示，这 由其外壳壁在周缘顶部及底部处的厚度要比在左右周缘处薄也可以看出。如同上述，在美国专利6,250,162号中，虽然Amaike在其换能器的底部 部分应用了结构性的厚-薄构形，但图IA及图IB的整体元件的基本结构构 形实质上仍是符合垂直较宽而水平较窄的外壳内部开口截面轮廓构形。这可 容许图IA及图IB的换能器IOO形成一个大致上水平较宽而垂直较窄的超声 波覆盖场形，从而较能符合例如车辆后段外围监测系统的需求。图4A显示依据本发明实施例的压电换能器的透视图，而图4B则为图 4A换能器的侧视图。图4A中本发明的换能器装置400，可以被认为是以图 IA及图IB的现有技术元件为基础，应用本发明的基本理论所制作而成的。以换能器100的基本构造作为基础，在其杯形外壳410的圆柱体壁上形 成有两个切割口 461及471。如同本领域技术人员所可以理解，此两切割口 461及471可以利用对现有元件的外壳构造，在此实例中为图IA及图IB中 的换能器100进行加工而形成，或者，这些切割口也可在元件的外壳410被制作成形时一并形成。在图4A所描述的实施例之中，切割口 461及471为沿着外壳410的周 缘圆圈而形成的长形的切槽。每一切割口的长度可弹性选定以符合目标超声 波场形的需求。在此实施例之中，切割口461及471在图中被显现大约占有 整个外壳周缘360度角度范围中的90度。此外，在此实施例中，切割口461及471以元件400的对称中心为准而 相对设置。再者，元件400的切割口461及471被显示是位于其外壳410上 接近于元件400的底部表面处的轴线位置之处。如同本领域技术人员所熟知， 此底部表面为超声波产生元件，通常为一只压电元件所设置的位置。上述切 割口相对于基础元件外壳的所有这些结构上的特征，如果同时参考图4B将 可更易于获得理解验证。本发明元件400的外壳410侧壁上所形成的切割口 461及471，可以提 供对于其超声波覆盖场形调整的增进控制，以便符合特定应用用途的需要。 图9及图10中所显现的实验结果可以清楚证明此点。图9的曲线图所显示 为商用车辆后端外围监测系统中的现有超声波换能器的超声波强度特性，而 图10的曲线图则显示依据本发明以图9的换能器为基础制作而成的换能器 在相同于图9的测试条件下所获得的超声波强度特性。图9中所显示的被测换能器的超声波发射覆盖场特性 (N15—nocut@40kHz—Aug06 2006)，其在40kHz的频率之下测量所得，此 频率为一般商用车辆后端外围监测系统所使用的典型频率。被测元件为此特 定用途而依商用需求所设计、制造并销售，这可由其特性图中看出由曲线 所显现的水平覆盖特性显示，在截止强度为-3dB时，被测元件可以涵盖约 IIO度的水平覆盖角度范围，即由左侧的-59度至右侧的+52度。另一方面， 在同样的-3dB截止强度时，其垂直覆盖范围则约为50度，由向下的-23度至 向上的+25度，如图中曲线920所显示。在对相同的测试换能器进行加工以在杯形外壳的下周缘位置形成与图 4A及图4B中所显示的实施例元件实质相同的切割口 471之后，该元件即变 成施行本发明的实体样品。此样品换能器接着在与图9中未依据本发明加工 前的元件所接受的相同的测试环境之中以相同的频率进行测试。检视图10的测试结果即可发现，由曲线1010所代表的，经加工后的换 能器的水平覆盖特性，并未有所变动，仍是涵盖了约IOO度的范围，在-3dB 之下由左-51度至右+59度。不过，由于在换能器的底侧形成了切割口的结果， 其垂直覆盖特性已经有了改变。由特性曲线1020所代表的垂直覆盖范围变 成为约30度，艮P，在-3dB截止强度下由向上的+22度至向下的-8度。注意到朝向上方的覆盖角度为水平参考平面以上的+22度，可以认为是与未依据本发明的做法加工以前的换能器的+24度实质相当，应属实验可接 受误差范围内的差异。不过，由于原件底部切割口的出现，其朝向下方的覆 盖角度(相对于水平参考平面)变成縮减为-8度。上下两角相加后为约30度的垂直覆盖角度，相对于图9被测现有技术 对照元件的50度垂直覆盖角度范围，为大约20度的增进。对于商用车辆后 端外围监测系统而言，此种程度的进步是相当显著。较小的垂直覆盖角度范 围，可以降低对于出现在车辆后端外围，但并不构成实质安全问题的对象的 误判机会。如上所述，依据本发明经加工后被测而得的图10中所显现的覆盖特性 的超声波换能器装置，仅在其外壳周缘的下方具有一个切割口。图7所显示 为依据本发明再一实施例的压电换能器的透视图。如图所示，图7的实施例 为具备顶侧切割口 761的一只超声波换能器700。此种单一切割口换能器， 相对于不具有任何切割口的现有换能器，可以展现朝向上方的覆盖角度范围 有所縮减的超声波场形覆盖特性。随着实际应用的需求，本发明的换能器亦可以在其外壳顶侧拥有一个切 割口，以使其朝向水平参考面上方的覆盖角度范围得以縮减。本发明的换能 器因此便可以在外壳周缘的顶侧及底侧各形成一个切割口，形成一个双切割 口的换能器。除了图4A及图4B中所显示的实施例之外，图8A、图8B及 8C中的换能器800代表了施行本发明的另一种具体作法。换能器800具有 与图7的换能器相同的基本外壳构造。实例换能器700具有实质上杯形的外 壳710，其开口 720的横截面为四圆角的直立矩形内壁轮廓。图2显示超声波外围监测系统的另一现有技术换能器的透视图，而图5 则显示依据本发明另一实施例的压电换能器500的透视图。换能器500可被 考量为是利用图2的现有技术换能器200加工制作而得到的。与图4A及4B 的换能器400相类似，图5的换能器实施例500也具有杯形外壳510，但其 开口 520的横截面则为四圆角的直立矩形内壁轮廓。换能器500在其外壳510 的顶侧及底侧分别具有两个相对设置的外壳壁切割口 561及571。此双切割 口换能器500因此便得以拥有比图7的换能器700更为縮减的垂直覆盖范围。图3显示超声波外围监测系统的又一现有知技术换能器的透视图。相比 之下，图6的透视图则显示依据本发明又一实施例的压电换能器。超声波换能器600在其外壳610的顶侧及底侧分别形成有切割口 661及671。图6的 换能器600实质上以与上述美国专利5，446，332号中所揭示的相同的具有多 重压电振荡器的换能器为基础构造的。本发明的实施例换能器600实质上以 图3中所显示的现有技术换能器300为基础，在其外壳中形成了顶切割口 661 及底切割口 671。图6中本发明换能器600因此便得以具有比图3之现有换 能器300明显縮减为较窄的垂直覆盖角度特性。因此，依据本发明的超声波换能器装置，便能够提供较佳的覆盖场形特 性，以符合各种特定用途的需求。依据本发明所提供的超声波覆盖场形的调 变，利用在外壳的指定位置上提供切割口或厚度縮减区而成为可能。换能器 杯形外壳结构体的外壳壁上所形成的切割口或厚度縮减区，实质上会导致偏 向切割口或厚度縮减区在外壳体上所在位置方向的超声波(不论是发射波或 接收波)的强度的衰减。因此，不论是外壳壁上的切割口，或以壁面上凹陷 形式存在的厚度縮减区，便成为换能器调整其超声波覆盖场的形状的手段。 注意到外壳上因厚度縮减所形成的凹陷区可以是在外壳壁体的内表面上所 形成的凹陷区。前面的描述说明文字为针对本发明的特定多个实施例所进行的说明，在 不脱离于本发明的精神范围的情况之下，其各种修改变化仍属可能。因此， 上述说明文字内容不应被用以限质本发明，而本发明的范围应以所附的权利 要求书的范围而加以限定。
权利要求
1.一种超声波换能器装置，其具有杯形圆柱体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯体开口之内的超声波，该装置包含有该外壳上的至少一个切割口，其用以减低该装置的覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发射出的与接收到的超声波的强度。
2. 如权利要求1所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口形成了穿透该外壳厚度的开口。
3. 如权利要求1所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口 形成该外壳上的厚度縮减区。
4. 如权利要求3所述的超声波换能器装置，其中该厚度縮减区为该外 壳外表面上的凹陷区。
5. 如权利要求3所述的超声波换能器装置，其中该厚度縮减区为该外 壳内表面上的凹陷区。
6. 如权利要求3所述的超声波换能器装置，其中该厚度縮减区包含了 该外壳外表面上及内表面上的凹陷区。
7. 如权利要求1所述的超声波换能器装置，其中所述至少一个切割口 为长形切槽，其具有沿着该杯形圆柱体外壳的周缘圆圈360度角度范围中的 约90度的长度。
8. —种超声波换能器装置，其具有杯形圆柱体外壳，以将超声波发射 出该外壳的杯体开口，及接收进入到该杯体开口之内的超声波，该装置包含 有该外壳上相对设置的两个切割口 ，其用以减低该装置的覆盖场朝向两个 切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。
9. 一种超声波装置，其包含有换能器，该换能器在其外壳上具有至少一个切割口，该切割口用以减低 该换能器的覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发射出与接收到的超 声波的强度。
10. —种超声波换能器，其包含有在其外壳上的至少一个切割口 ，该切割口用以减低该换能器的覆盖场朝向所述至少一个切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。
11. 一种车辆后端外围监测系统，其包含超声波换能器，其具有杯形圆柱体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯 体开口，及接收进入到该杯体开口之内的超声波，该装置包含有该外壳上的至少一个切割口 ，其用以减低该装置的覆盖场朝向所述至少 一个切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。
12. 如权利要求11所述的车辆后端外围监测系统，其中所述至少一个切 割口朝向地面。
13. —种车辆后端外围监测系统，其包含超声波换能器，其具有杯形圆柱体外壳，以将超声波发射出该外壳的杯 体开口，及接收进入到该杯体开口之内的超声波，该装置包含有该外壳上相对设置的两个切割口 ，其用以减低该装置的覆盖场朝向两个 切割口对应方向发射出与接收到的超声波的强度。
14. 如权利要求13所述的车辆后端外围监测系统，其中所述两个切割口 分别朝向地面及天空。
全文摘要
本发明提供一种超声波换能器装置和车辆后端外围监测系统，其中该超声波换能器装置可依用途需求而形塑调整其发射及接收操作模式中的超声波覆盖场的场形。利用在换能器外壳壁上设定位置处所形成的至少一个切割口，其超声波覆盖场的造形即可予以调整。换能器杯形构造体外壳壁上的切割口可以导致覆盖场朝向切割口方向超声波强度的减低，不论是其所发射的超声波或其所接收的超声波都可以得到降低。本发明的超声波换能器装置可以沿着任何所需伸展方向上的特定角度范围需求而提供超声波覆盖。
文档编号G10K11/18GK101271685SQ20071015318
公开日2008年9月24日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者刘元平, 吴文中, 李世光, 王彦杰, 萧文欣, 谢宗霖, 邹年棣, 郑志强, 陈俊杉, 陈昱元, 黄耀田 申请人:同致电子企业股份有限公司;李世光