УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК
ULTRASONIC SENSOR

Настоящее изобретение относится к ультразвуковому датчику, к парковочному устройству автомобиля с ультразвуковым датчиком и к соответствующему способу изготовления ультразвукового датчика.
Уровень техники
Ультразвуковые датчики используются в автомобилях, например, в парковочных устройствах, которые при парковке измеряют расстояние, оставшееся до препятствий, которые ограничивают свободное место для стоянки. Подобные парковочные устройства обычно имеют один или несколько ультразвуковых датчиков и блок управления, при этом ультразвуковые датчики оснащены ультразвуковым преобразователем, который служит одновременно для излучения и для приема ультразвуковых сигналов. Решающим функциональным требованием, предъявляемым к ультразвуковым датчикам, является прежде всего их способность выполнять измерения в ближней зоне на удалении менее 30 см.
В DE 3431684 A1 описан электроакустический преобразователь с имеющим форму колпачка, соответственно стаканообразную форму корпусом, основание или дно которого выполнено в виде мембраны. На мембране расположен пьезоэлектрический керамический элемент в качестве преобразовательного элемента, который с обращенной от мембраны стороны покрыт демпфирующим слоем из вспененного материала. С целью обеспечить излучение ультразвука в вертикальной плоскости в особо малом угловом секторе, а в горизонтальной плоскости, наоборот, в сравнительно большом угловом секторе мембрана и окружающая ее боковая стенка выполнены в плоскости, перпендикулярной направлению излучения ультразвука, с приблизительно эллиптическим, т.е. вращательно-симметричным, контуром. Недостаток подобных конструкций состоит в том, что прежде всего в импульсном режиме работы не только мембрана, но и боковая стенка возбуждают колебания в виде побочных мод.
В DE 19727877 A1 описан ультразвуковой преобразователь, имеющий стаканообразный корпус с кольцевой стенкой и дном, выполняющим функцию колеблющейся мембраны. С наружной стороны стенки предусмотрено стабилизирующее кольцо, назначение которого состоит в повышении жесткости корпуса и в ограничении ультразвуковых колебаний в основном дном стаканообразного корпуса, выполняющим функцию колеблющейся мембраны. Однако и в подобной конструкции прежде всего при импульсном возбуждении ультразвукового преобразователя при его работе в режиме передачи возбуждаются побочные моды, которые обычно соответствуют движениям качания и смятия мембраны и боковой стенки стаканообразного корпуса. Такие побочные моды ухудшают способность ультразвукового датчика выполнять измерения в ближней зоне, поскольку они увеличивают время затухания колебаний после возбуждения ультразвукового преобразователя, а на полезный сигнал накладываются в виде биений малые ультразвуковые сигналы, отраженные от близко расположенных объектов.
Исходя из вышеизложенного, представляется целесообразным дальнейшее уменьшение возбуждения побочных мод при работе ультразвуковых датчиков в режиме передачи, что позволило бы улучшить их способность выполнять измерения в ближней зоне.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с этим в изобретении предлагается ультразвуковой датчик, имеющий корпус с круговой боковой стенкой и дном, т.е. корпус, имеющий своего рода стаканообразную форму или форму колпачка. На дне размещен преобразовательный элемент для формирования ультразвуковых колебаний, такой, например, как пьезоэлемент. Боковая стенка имеет нижний участок, на котором она в параллельной дну плоскости имеет в основном вращательно-асимметричный профиль. Помимо этого боковая стенка имеет верхний участок, на котором она в направлении ее верхнего края переходит в по существу вращательно-симметричный профиль.
Благодаря выполнению боковой стенки с обоими указанными выше участками, которые различаются между собой вращательно-асимметричным профилем на непосредственно охватывающем дно нижнем участке, соответственно переходом к вращательно-симметричному профилю у верхнего края боковой стенки, удается значительно по сравнению с традиционными ультразвуковыми датчиками уменьшить нежелательное опосредованное возбуждение обусловленных, например, колебательными движениями качания и/или смятия боковой стенки побочных мод при возбуждении основных или рабочих мод колебаний дна преобразовательным элементом.
Соотношение между выраженностью рабочей моды и выраженностью создающих помехи побочных мод можно помимо прочего определять проведением электрических измерений уже на корпусах ультразвуковых датчиков без демпфирующего заполнителя из вспененного или иного аналогичного материала. Каждую из отдельных мод характеризуют эквивалентной электрической схемой. При этом выраженность побочных мод можно оценить по соотношению между степенью демпфирования отдельных побочных мод и степенью демпфирования основной моды. Результаты сравнительных измерений на обычных ультразвуковых датчиках, имеющих стаканообразный корпус с постоянным по всей высоте боковой стенки ее профилем и с возможно предусмотренным стабилизирующим кольцом с наружной стороны боковой стенки, свидетельствуют о повышении степени демпфирования побочных мод в 5-10 раз.
У ультразвуковых датчиков, которые снабжены демпфирующим заполнителем из вспененного или иного аналогичного материала и корпус которых в соответствии с условиями их применения при необходимости заключен в другие охватывающие его при работе оболочки, собственную форму отдельных мод, а также повышенную по сравнению с рабочей модой степень демпфирования побочных мод можно выявлять лазерной интерферометрией. Повышение степени демпфирования побочных мод приводит, кроме того, к непосредственно обнаруживаемому более эффективному уменьшению создающих помехи биений в электрически усиленном принимаемом сигнале ультразвукового датчика, которые конкурируют с малыми ультразвуковыми сигналами, отраженными от близко расположенных объектов, и позволяет тем самым повысить способность предлагаемого в изобретении ультразвукового датчика выполнять измерения в ближней зоне.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении ультразвукового датчика боковая стенка на ее верхнем участке по меньшей мере преимущественно сужена по сравнению с ее нижним участком, т.е. средняя толщина боковой стенки на ее верхнем участке меньше, чем на ее нижнем участке. В другом предпочтительном варианте верхний участок боковой стенки по своей протяженности занимает более 50% от всей высоты корпуса. При этом предпочтительно, чтобы верхний участок боковой стенки по своей протяженности занимал менее 80% от всей высоты корпуса. В этих вариантах степень демпфирования создающих помехи побочных мод повышается до особо высоких значений.
В еще одном предпочтительном варианте корпус на нижнем и верхнем участках боковой стенки имеет в основном цилиндрический наружный контур. Подобный ультразвуковой датчик особенно прост в монтаже, поскольку разделение боковой стенки на ее нижний и верхний участки определяется формой внутреннего контура корпуса, тогда как его наружный контур может иметь, например, форму, идентичную наружной форме корпуса ультразвукового датчика традиционного типа. Тем самым форму окружающих ультразвуковой датчик частей, например, автомобиля не требуется согласовывать с наружной формой предлагаемого в изобретении ультразвукового датчика.
В еще одном предпочтительном варианте боковая стенка на ее верхнем участке, прежде всего у верхнего края, имеет круговое наружное утолщение. Такое утолщение выполняет функцию стабилизирующего кольца, повышающего жесткость корпуса, что уменьшает появление побочных мод, обусловленных отклонением боковых стенок из своего положения. Помимо этого повышается механическая прочность корпуса. В предпочтительном варианте наружное утолщение проходит вдоль верхнего края боковой стенки корпуса.
В еще одном предпочтительном варианте в пределах верхнего участка боковой стенки внутренний контур корпуса имеет в перпендикулярной дну плоскости форму наклонной линии. Перпендикулярная дну плоскость, например, в случае цилиндрического или в целом вращательно-симметричного наружного контура корпуса может представлять собой плоскость, в которой лежит ось симметрии наружного контура, при этом участок линии пересечения внутреннего контура с перпендикулярной дну плоскостью образует прямую, проходящую наклонно к оси симметрии наружного контура. В предпочтительном варианте такая часть линии пересечения наклонена, например, под углом примерно 45° ко дну, в соответствии с чем, например, внутренний контур локально проходит вдоль боковой поверхности конуса с углом раствора (углом при его вершине) 90°.
В еще одном предпочтительном варианте в пределах верхнего участка боковой стенки внутренний контур корпуса имеет в перпендикулярной дну плоскости вид имеющей изогнутую форму линии. Перпендикулярная дну плоскость, например, в случае цилиндрического или в целом вращательно-симметричного наружного контура корпуса может представлять собой плоскость, в которой лежит ось симметрии наружного контура, при этом участок линии пересечения внутреннего контура с перпендикулярной дну плоскостью образует изогнутую линию. В предпочтительном варианте внутренний контур корпуса имеет в пределах верхнего участка боковой стенки в основном форму четверти окружности, т.е. участок линии пересечения внутреннего контура с перпендикулярной дну плоскостью имеет форму дуги протяженностью в четверть окружности. Оба эти варианта позволяют достичь оптимального характера колебаний корпуса с особо высокой степенью демпфирования побочных мод.
В еще одном предпочтительном варианте в пределах верхнего участка боковой стенки внутренний контур корпуса имеет в перпендикулярной дну плоскости форму образующей ступеньку линии. Перпендикулярная дну плоскость, например, в случае цилиндрического или в целом вращательно-симметричного наружного контура корпуса может представлять собой плоскость, в которой лежит ось симметрии наружного контура, при этом участок линии пересечения внутреннего контура с перпендикулярной дну плоскостью образует горизонтальную, т.е. параллельную дну, линию. Внутренний контур подобной формы особенно прост в изготовлении.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1А - вид в плане ультразвукового датчика, выполненного по одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.1Б, 1В - два разных вида в разрезе ультразвукового датчика, изображенного на фиг.1А,
на фиг.2 - вид в разрезе выполненного по другому варианту ультразвукового датчика с имеющим форму четверти окружности внутренним контуром,
на фиг.3 - вид в разрезе выполненного еще по одному варианту ультразвукового датчика с имеющим кусочно-линейную форму внутренним контуром,
на фиг.4 - диаграмма, на которой представлены характеристика сигнала, принимаемого ультразвуковым датчиком, выполненным по одному из вариантов осуществления изобретения, и характеристика сравнительного сигнала,
на фиг.5А - диаграмма, на которой представлен частотный спектр ультразвукового сигнала, излучаемого традиционным ультразвуковым датчиком, и
на фиг.5Б - диаграмма, на которой представлен частотный спектр ультразвукового сигнала, излучаемого ультразвуковым датчиком, выполненным по одному из вариантов осуществления изобретения.
На всех чертежах конструктивно или функционально одинаковые элементы обозначены, если конкретно не указано иное, одними и теми же позициями.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 в виде в плане показан ультразвуковой датчик 100, пригодный для применения в парковочном устройстве автомобиля (системе помощи при парковке). Такой ультразвуковой датчик имеет горшкообразный или стаканообразный корпус 101 с дном 104 и кольцом охватывающей его боковой стенкой 102. Корпус 101 сформован или выфрезерован из металлического материла, например, из алюминия, и для защиты от коррозии и последующего окрашивания покрыт грунтовкой.
На чертеже корпус 101 показан в виде сверху со стороны его внутренней части, и поэтому внутренняя сторона его дна 104 обращена навстречу направлению его проекции на плоскость. На внутренней стороне дна 104 закреплен, например, приклеен, и контактирует с ней электромеханический преобразовательный элемент 106, в данном случае, например, имеющий форму цилиндрического диска пьезоэлектрический элемент. Для сохранения наглядности чертежа на нем не показаны контактные элементы. Оставшееся свободное пространство внутри корпуса 101 заполнено демпфирующим веществом, которое также не показано на чертеже. Помимо этого показанный на чертеже корпус 101 может быть заключен в другие оболочки, например, из мягких эластомеров.
Дно 104 корпуса имеет приблизительно форму прямоугольника с закругленными короткими сторонами. В своей средней части такой прямоугольник выполнен уширенным с имеющими форму круговых сегментов выпуклостями 132, которые окружают место установки преобразовательного элемента 106. Боковая стенка 102 корпуса на своем верхнем крае, который на фиг.1А обращен навстречу направлению проекции корпуса на плоскость, имеет расположенную параллельно плоскости чертежа и дну 104 граничную поверхность, которая ограниченна двумя концентрическими окружностями, центр которых лежит на оси 134 симметрии, и выполнена вращательно-симметричной относительно наружного контура 120 корпуса 101.
На фиг.1Б изображенный на фиг.1А ультразвуковой датчик 100 показан в разрезе обозначенной на фиг.1А через В-В плоскостью, в которой лежит ось 134 симметрии наружного контура 120 корпуса. Наружный контур 120 корпуса 101 на преобладающей части его общей высоты 118 имеет форму цилиндра с наружным диаметром 136 и с осью, совпадающей с осью 134 симметрии. Форма наружного контура 120 отклоняется от цилиндрической постольку, поскольку у верхнего края 116 корпуса 101 образовано выполняющее функцию стабилизирующего кольца утолщение 122, и помимо этого нижняя кромка 138 боковой стенки 102, где она переходит в наружную сторону дна 104, выполнена закругленной.
В отличие от наружного контура 120, который в показанном на чертеже варианте выполнен вращательно-симметричным относительно оси 134 симметрии, внутренний контур 124 корпуса по своей форме существенно отличается от вращательно-симметричной формы. На нижнем участке 108 боковой стенки, который непосредственно примыкает ко дну 104, внутренний контур 124 имеет форму вертикальной линии 144, и поэтому боковая стенка 102 на своем нижнем участке 108 выполнена по типу экструдированного изделия, т.е. имеет постоянную в поперечном сечении форму в плоскости, которая может располагаться на любом уровне в пределах нижнего участка 108 боковой стенки параллельно дну 104 над ним. Поскольку внутренний контур 124 повторяет показанное на фиг.1А вращательно-асимметричное очертание дна 104, боковая стенка 102 на своем нижнем участке 108 имеет в поперечном сечении вращательно-асимметричную форму. Помимо этого в рассматриваемом варианте боковая стенка 102 имеет на своем нижнем участке 108 не постоянную толщину.
На верхнем участке 114 боковой стенки 102, который примыкает к ее нижнему участку 108, внутренний контур 124 последовательно переходит от вращательно-асимметричной в поперечном сечении формы, которую он имеет на нижнем участке 108 боковой стенки, во вращательно-симметричную форму на верхнем крае 116. В рассматриваемом варианте верхний участок 114 боковой стенки состоит из переходного участка 110 и краевого участка 112, на котором внутренний контур 124 проходит вертикально и имеет вращательно-симметричную форму относительно оси 134 симметрии наружного контура 120, т.е. имеет форму цилиндрической поверхности 142, ось которой совпадает с осью 134 симметрии. Внутренний диаметр цилиндрической поверхности 142 при этом подобран таким, что она полностью окружает вращательно-асимметричное очертание дна 104 в его проекции на плоскость вдоль оси 134 симметрии. Как показано на фиг.1А, короткие стороны 130 прямоугольника, форму которого приблизительно имеет очертание дна 104, закруглены именно таким образом, что они в проекции на плоскость вдоль оси 134 симметрии совпадают с цилиндрическим на краевом участке 112 боковой стенки внутренним контуром 124.
На переходном же участке 110 внутренний контур 124 образован такими участками, которые в проекции на плоскость вдоль оси 134 симметрии расположены вне очертания дна 104, а именно: проходит вдоль боковой поверхности 140 сужающегося вниз конуса, вершина которого лежит на оси 134 симметрии. Подобной форме внутреннего контура на переходном участке в показанном на фиг.1Б разрезе вертикальной плоскостью, в которой лежит ось 134 симметрии, соответствует прямолинейный контур, который проходит наклонно к оси 134 симметрии, соответственно ко дну 104. Угол 146 раствора конуса, т.е. угол при его вершине, может составлять, например, 90°, и в этом случае боковая поверхность конуса будет наклонена к оси 134 симметрии под углом в 45°. На тех же участках, которые в проекции на плоскость вдоль оси 134 симметрии расположены в пределах очертания дна 104, внутренний контур 124 проходит вертикально в продолжение своей вертикальной части, расположенной на нижнем участке 108 боковой стенки.
Верхний участок 114 боковой стенки 102 по своей протяженности занимает более 50% от всей ее высоты 118, соответственно от всей высоты корпуса 101. Поскольку внутренний контур 124 на верхнем участке 114 боковой стенки постепенно уширяется в направлении верхнего края 116, тогда как наружный контур 120 за исключением образованного у верхнего края 116 утолщения 122 имеет в основном цилиндрическую форму, т.е. постоянный наружный диаметр 136, боковая стенка 102 на своем верхнем участке 114 в целом имеет постепенно сужающийся профиль.
На фиг.1В изображенный на фиг.1А ультразвуковой датчик 100 показан в разрезе другой, обозначенной на фиг.1А через С-С плоскостью, в которой также лежит ось 134 симметрии наружного контура 120. В других вариантах можно отказаться, например, от выполнения утолщенного краевого участка 112, на котором внутренний контур 124 боковой стенки 102 имеет цилиндрическую форму, и в этом случае верхний участок 108 боковой стенки будет состоять только из переходного участка 110, а сама боковая стенка 102 будет принимать вращательно-симметричную форму только у верхнего края 116.
На фиг.2 и 3 в разрезе показаны выполненные по другим вариантам ультразвуковые датчики 100, у которых внутренний контур 124 на переходном участке 110 имеет иную форму, отличную от показанной на фиг.1Б формы боковой поверхности 140 конуса в описанном выше варианте. В секущей плоскости каждого из показанных на фиг.2 и 3 разрезов лежит ось 134 симметрии наружного контура 120 корпуса 101. Дно 104 корпуса 101, как и в показанном на фиг.1А-1В варианте, имеет приблизительно прямоугольную форму и поэтому в виде в плане имеет по существу такое же очертание, что и в показанном на фиг.1А виде в плане, в связи с чем отдельные виды в плане выполненных по показанным на фиг.2 и 3 вариантам ультразвуковых датчиков не приведены. Секущая плоскость каждого из показанных на фиг.2 и 3 разрезов проходит вдоль продольной оси приблизительно прямоугольного дна 104 аналогично приведенному на фиг.1Б чертежу.
В показанном на фиг.2 варианте внутренний контур 124 на переходном участке 110 выполнен такой формы, что в приведенном на этом чертеже разрезе он вместо прямолинейного наклонного внутреннего профиля 140, показанного на фиг.1Б, имеет криволинейный контур 600, который сверху плавно переходит в цилиндрическую часть 142 внутреннего контура 124 на краевом участке 112, а вниз продолжается с непрерывно уменьшающимся наклоном относительно дна 104. Такой криволинейный контур 600 имеет постоянный по всей протяженности своего изгиба радиус 602 кривизны, который может быть подобран, например, таким образом, чтобы на своем нижнем конце криволинейный контур 600 достигал параллельного дну 104 наклона, т.е. в целом имел форму четверти окружности.
В показанном на фиг.3 варианте внутренний контур 124 в приведенном на этом чертеже виде в разрезе имеет на переходном участке 110 контур, состоящий из отдельных прямых участков или отрезков 140, 700, 140'. Первый участок 140 внутреннего контура, примыкающий к цилиндрической части 142 внутреннего контура 124 на краевом участке 112, проходит наклонно относительно дна 104 под углом 45° к нему. К первому участку 140 внутреннего контура примыкает его второй участок 140, который проходит параллельно дну 104 и к которому в свою очередь примыкает третий участок 140', проходящий наклонно относительно дна 104 под углом 45° к нему.
В других вариантах может быть также предусмотрен исключительно ступенчатый переход между краевым участком 112 и нижним участком 108 боковой стенки, к которому в этом случае краевой участок 112 примыкал бы непосредственно без переходного участка 110 конечной высоты. Помимо этого внутренний контур 124 может быть составлен из отдельных участков и иным образом, нежели это показано на фиг.3, которые могут быть выполнены со ступенчатым контуром, т.е. иметь в разрезе вертикальной плоскостью, аналогичном показанному на фиг.1Б разрезу, контур с горизонтальными участками, с коническим контуром, т.е. иметь в таком же разрезе вертикальной плоскостью контур с прямолинейными наклонными участками, и/или с дугообразным или иным криволинейным контуром. Так, например, внутренний контур, имеющий форму четверти окружности, можно также заменить приближающимся к нему по своей форме внутренним контуром 124, состоящим из отдельных конических и/или ступенчатых участков.
При работе ультразвукового датчика 100 блок управления подает в импульсном режиме на пьезоэлектрический преобразовательный элемент 106 электрический возбуждающий сигнал, который создает соответствующее электрическое поле, перпендикулярное дну 104. При надлежащем направлении поляризации такое электрическое поле вызывает, например, сжатие преобразовательного элемента 106 в направлении, поперечном приложенному к нему электрическому полю. Такое сжатие преобразовательного элемента 106 тангенциально дну 104 вызывает его прогиб в соответствии с так называемым принципом гибкой дуги.
При этом для достижения максимально возможных отклонений на пьезоэлектрический преобразовательный элемент целесообразно подавать управляющий сигнал с частотой, которая совпадает с механически возможной, например, приблизительно вращательно-симметричной, основной, рабочей или высшей модой колебаний дна. Благодаря использованию надлежащей монтажной электрической схемы для преобразовательного элемента 106 в блоке управления механический диапазон рабочей моды расширяется настолько, что возможна посылка коротких ультразвуковых импульсов, которые требуют широкой полосы частот. При импульсном возбуждении преобразовательного элемента 106 возбуждаются другие побочные моды, которые обычно соответствуют движениям качания и смятия боковой стенки 102. Такие моды электрически не скомпенсированы и поэтому имеют узкую полосу частот, соответственно большие постоянные времени.
На фиг.5А показан зарегистрированный путем лазерной интерферометрии частотный спектр ультразвукового сигнала, излучаемого традиционным ультразвуковым датчиком в диапазоне частот от 20 до 80 кГц. При этом по горизонтальной оси 312 в линейном масштабе отложена частота в кГц, а по вертикальной оси 310 в логарифмическом масштабе отложена спектральная интенсивность в дБ, отнесенная к эталонной мощности в 1 мВт. В представленном на диаграмме спектре присутствует несколько показанных линиями разной толщины наложенных друг на друга отдельных кривых, которые были получены по результатам измерений в различных точках вибрирующего или колеблющегося дна корпуса ультразвукового датчика. В подобном частотном спектре присутствует явный максимум 300 в области рабочей моды с частотой 48 кГц, а также присутствуют другие побочные максимумы 302, 304, 306, которые соответствуют создающим помехи при работе ультразвукового датчика побочным модам с частотой 33 кГц, 67 кГц, соответственно 75 кГц.
На фиг.5Б показан зарегистрированный аналогичным путем частотный спектр ультразвукового сигнала, излучаемого ультразвуковым датчиком, выполненным по одному из вариантов осуществления изобретения. В таком частотном спектре максимум 300 в области рабочей моды с частотой 48 кГц, включая непосредственно примыкающие к нему боковые полосы 320, 322 частот, присутствует с неизменной по сравнению с показанным на фиг.5А частотным спектром интенсивностью. Однако в отличие от него интенсивность нежелательных побочных мод 302, 304, 306 значительно, в 5-10 раз ниже.
На фиг.4 представлена диаграмма, на которой на общей временной оси 204 линиями разной толщины показаны две характеристики двух принимаемых сигналов 200, 202, из которых первый сигнал 202 принимался ультразвуковым датчиком традиционной конструкции, а второй сигнал 200 принимался ультразвуковым датчиком, выполненным по одному из вариантов осуществления изобретения. По вертикальной оси 206 отложен уровень каждого из полученных электрических сигналов напряжения. В первом принимаемом сигнале 202 явно прослеживаются обусловленные побочными модами биения 208, которые ухудшают способность обычного ультразвукового датчика выполнять измерения в ближней зоне. Во втором же принимаемом сигнале 200 подобные биения имеют благодаря их эффективному подавлению гораздо меньший уровень.