[发明专利]具有复材壳体的超音波换能器

说明书

本发明公开了一种具有复材壳体的超音波换能器及可于空气中运行的超音波换能器的一种复材壳体，该换能器具有可在大气环境中于一超音波声压电平之下发射、接收、或发射且接收超音波的一机械性质因素。该壳体包含有一第一壳体部件，以及利用与该第一壳体部件不同的材料所制作的至少一第二壳体部件，其具有小于该第一壳体部件的声阻，且利用强附接而在与第一壳体组件之间的一界面处结构性地连结至该第一壳体，以降低该机械性质因素，并同时维持该超音波声压电平。第一与第二壳体部件之间的该强附接形成了该壳体的一个复材结构。

相关文献的交叉引用

本公开为2015年2月25日提出申请美国专利申请序号14/631,521的接续申请案，该申请主张2014年2月27日提出申请美国临时专利申请序号61/945,362的优先权。这些优先申请的整体公开内容于此列供参照。

技术领域

本发明大致涉及一种超音波换能器(ultrasonic transducer)。特别地，本发明涉及具有复材壳体(composite case)而可增进在大气环境中物体的检测的一种空气中运行(airborne)的超音波换能器，可供汽车之应用，其制作容易且成本低廉。

背景技术

于空气中运行的超音波换能器，若可以在空气中发射并接收超音波，以供诸如检测物件的存在及其位置的用途，则亦可称之为收发器(transceiver)。其基本上是一种装置，可进行电气至机械能量转换而发射超音波，以及其反向转换以供超音波检测的转换器(converter)。于现今的应用用途之中，以压电材料(piezoelectric material)制作的块材通常被使用作为转换器。换能器壳体通常与转换器附接在一起，此可使两者机械性地一起振动，并共同形塑各种不同用途所需要的超音波发送及接收特性。诸如铝之类的金属通常被用来制作换能器壳体。

图1以示意性质显示一个现有超音波换能器100的截面构造，其包括内部容纳有一压电块的一壳体110，该压电块为电气至机械能量转换的转换器150。此转换器由其一对导电性针170，经由电线172而连结至一控制电路(图中未显示)。压电转换器150通常利用强力粘剂而被粘附在杯形壳体110的底部，以便壳体能够依换能器100的所需用途而形塑并放大超音波。

通常，一个基本的换能器壳体具有杯形的结构体，其一般会有一压电能量转换器附着在其基底，即，在其杯形壳体的底部。壳体其实际形状及尺寸，以及制作壳体所使用材料的机械力学特性，皆为决定其必须要能符合其超音波感测应用用途所需要的换能特性的主要因素。

例如，在一现有的封闭型超音波换能器中，压电元件被附着在金属壳体的底部，而超音波是由壳体底部的后端表面发送出去。利用设计整个壳体的结构，包含其内部腔室的形状及尺寸，以及杯形壳体侧壁的厚度，便可以形塑所需要的超音波覆盖范围。作为一个例子，汽车车尾的超音波雷达，其在水平方向及垂直方向的覆盖角度，需要有所不同。

不过，若要让换能器壳体具有所需精确度的形状，通常便必须使用机械加工程序。但诸如杯形本体内部开口的形状，使得类似液压冲模压制(stamping press)的较不昂贵制作方法无法适用。

此外，在大部分的商业用途之中，单一个压电换能器必须在超音波发射及接收两种模态之中操作，其发射及接收两种功能必须以一分时控制程序(time-sharing controlscheme)将两者分离开。特定而言，换能器会在一个时间槽中(time slot)发射超音波，接着便变换模态，以在接续的一个时间槽内接收由目标所反射回来的超音波。在大部分的情况下，两者间最好应有一段较短的混响时间(reverberation time)。通常，此混响时间是依此装置的超音波振动机械性质因素(Q，mechanical quality factor)而定。较小的Q因素值通常会导致较短的混响时间。不幸地，较小的Q值亦会导致较低的声波压力水准，而这表示其检测距离的缩短。