封閉式超音波距離感測器之專利分析
Patent Review of Closed Type Ultrasonic Sensors
胡智凱
1黃仲偉
*2陳俊杉
1Chih-Kai Hu
1, Chang-Wei Huang
*2, Chuin-Shan Chen
1 摘要 本研究以車用封閉式超音波感測器為研究對象，利用聲學理論探討超音波之 產生與傳遞行為。本文首先對超音波感測器的結構作一概述，其次以共振頻率、 指向性、音源強度與殘響時間等四項工作指標為依據，針對近年來相關的超音波 感測器專利進行分析，說明其設計理念與改進之處。最後列表總結不同專利在四 項指標上之差異與貢獻，並對未來超音波感測器設計提出建議。 關鍵詞：封閉式超音波感測器，聲學理論，共振頻率，指向性，音源強度與殘響 時間 AbstractClosed type ultrasonic sensors which have been used widely in cars to detect obstacles within close range are examined. Generation and propagation of ultrasonic waves from the sensors are studied in this paper. The structures of the closed type ultrasonic sensor are briefly introduced. Resonance frequency, directivity, source level, and reverberation time are used as the performance indices. Relevant patents are reviewed and analyzed according to these four indices to explain the core design concepts. Comparisons of relevant patents are summarized to provide a guideline for future design of the closed type ultrasonic sensors.
Keywords: closed type ultrasonic sensors, acoustic theory, resonance frequency,
directivity, source level, and reverberation time
I. 導論 感測器是檢測外界信號或刺激的改變狀況，將其轉 換為電氣訊號之裝置，一般用於自動化控制、安全防 護、監控設備等。超音波感測器(Ultrasonic sensor)即以 超音波做為偵測媒介之感測器，利用超音波之發射與接 收來量測距離、速度等物理量。而所謂超音波是指其頻 率超越人類可聽範圍之音波（約16 kHz）。超音波感測 器使用之歷史悠久，從最早的聲納，到今日已有超音波 醫療成像、倒車雷達、流量感測計及機器人感測元件等 應用。 超音波感測器元件主要構造型式可分為開放式與 封閉式兩種。開放式超音波感測器結構為一開放金屬外 殼內含一圓片，此圓片由一壓電片與金屬片組成，此構 造使得感測器具有較高的靈敏度以及音壓強度(Sound pressure level)，目前已有驅蟲器、遙控器、防盜警示、 物體偵測以及自走車機器人等多項應用。封閉式超音波 感測器其壓電片密封於金屬外殼內，感測效果雖不如開 放式感測器，但較適合於戶外使用，可防水及防塵，應 用於倒車雷達、藥粉感應偵測、流量計等，因應不同用 途其構造也大不相同。 本文之研究對象係以車用封閉式超音波感測器為 主，包含車輛前後裝設之防撞雷達（俗稱倒車雷達）以 及車輛兩側之防側撞系統。目前倒車雷達方面，其偵測 距離約0.3 至 1.5 m，此工作範圍主要受垂直方向偵測 範圍之限制，因為需要避免超音波打到地面之反彈訊號 造成誤判。是故如何在一定頻率下，改善倒車雷達之工 作範圍（使之垂直向狹展，水平向寬廣）為目前主要之 研究課題。在防側撞系統方面，偵測對象主要為車輛行 進時之側方車輛或物體，故距離偵測為其重要之功能， 以現有之最遠偵測距離1.5 m 來看，尚不足以涵蓋一個 車道大約3 至 4 m 之範圍。綜合以上，一個車用超音波 感測器最主要需滿足的目標有二：分別為較廣偵測範圍 與較遠偵測距離，而影響此兩者之關鍵技術在於超音波 感測器金屬外殼之設計。 1國立台灣大學土木工程學系 2私立中原大學土木工程學系
*Corresponding author. E-mail: cwhuang@cycu.edu.tw
1Department of Civil Engineering, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan, R.O.C. 2 Department of Civil Engineering, Chung Yuan Christian University, Chung Li, 32023, Taiwan, R.O.C.
本研究蒐集近年來相關專利，並以共振頻率、指向 性、音源強度與殘響時間等四項作為超音波感測器的工 作指標，分析比較不同專利在四項指標上之差異與貢 獻，希冀對未來超音波感測器設計提出建議。 II. 基本構造與設計議題 封閉式超音波感測器之基本構造如圖1 所示，其中 1 為感測器之外殼，通常為中空圓柱狀之金屬材料（常 用為鋁金屬），一端封閉作為振動板，為超音波之發射 面，另一端開放以填充其他部分；2 為壓電陶瓷片，黏 貼於外殼之振動板上，其兩表面分別電線連接通以正極 與負極，為感測器之制動來源；3 為背填部分，一般為 矽樹脂橡膠，作為感測器之封裝，以吸收與發射方向相 反之超音波，同時對感測器產生阻尼的作用，以抑制感 測器之振動。2 與 3 之間一般以泡棉或羊毛氈阻隔，使 壓電片視後方為空氣，其變形不受背填膠所影響。 感測器發波與收波之流程如下：當發射超音波時， 電極驅動訊號經由電線傳遞給壓電片產生電場，壓電片 受電場驅動產生徑向之變形，連帶彎曲振動板，使振動 (a) (b) 圖1 封閉式超音波感測器構造示意圖：(a) 後視圖，(b) 剖視圖 板產生撓曲振動以發射超音波；當超音波經由障礙物之 反射，回傳至振動面時，振動板將受力連帶使得壓電片 產生變形，此時壓電片因型變產生的電壓差訊號由正負 極之電線接收傳遞至後端電路，經由訊號可知此次收發 波之感測情況。 一個工作性好的超音波感測器，必須具備以下幾個 特點： 1. 驅動頻率為低頻，避免在空氣中衰減過快。 2. 振動模態為振動薄板撓曲模態(Bending mode)。 3. 指向性佳：水平半衰角大，垂直半衰角小。 4. 音源強度大，感測器所能偵測範圍大，距離遠。 5. 殘響時間短，可縮短感測器所能偵測之最短距離。 鄭志強與林嘉宇[1]提出倒車雷達設計指標關聯圖 （如圖2 所示），認為倒車雷達主要之工作指標可分為 四項，分別為振動頻率、指向性、音源強度與殘響時間， 其中指向性又分為發射超音波與接收超音波之指向 性。影響這四個指標的項目主要有壓電片之尺寸、電極 分布，及其驅動電場；感測器外殼則影響振動板之邊 界、振動模態，以及振動頻率；黏貼壓電片與感測器外 殼之膠與背填膠也會影響感測器之行為。圖2 中實線部 分代表已知之關係，虛線部分則表示尚待驗證。 (1) 共振頻率(Resonance frequency) 一般壓電元件之驅動效率以共振頻率最佳，此時其 對應的阻抗最小[2]。因此容易產生較大的振動位移量， 適合製造感測器的發波效果。目前超音波感測器之驅動 頻率以低頻為主，原因在於低頻下之超音波波傳衰減較 慢，可偵測較遠距離，一般頻率介於40 kHz 至 70 kHz 之間，且其振動模態須為撓曲模態，以利發收超音波。 根據圖2，影響感測器頻率者主要有振動板與壓電片之 厚度比，感測器外殼高度與側壁厚度比，以及背填膠的 部分，此外頻率之高低亦影響其振動模態。 圖2 倒車雷達設計指標關連圖 Parking Sensor Reverberation Beam Pattern Source Level Frequency Damping Backing Glue Glue Aluminum Transmission Sensitivity Effective Displacement Mode Shape
Aluminum thickness/piezo thickness Wall height/Wall thickness
Amplitude
Piezo (electrode, shape, area) Input electric field
Window function Boundary condition Mount condition Cut condition Backing Glue Parking Sensor Reverberation Beam Pattern Source Level Frequency Damping
(2) 指向性(Directivity or beam pattern)與半衰角(Half decay angle) 一個超音波感測器於發射或接收超音波時，由於其 結構產生的震動形式及介質中傳遞的聲波波長交互影 響，使得發射的聲場能量有時將集中在某些方向，或是 接受靈敏度隨方向不是均勻分佈的，此即表示超音波感 測器是具有指向性。 指向性之量化一般使用指向性圖案來表示。其將所 選定的頻率下通過音波中心的某指定平面的音壓強度 以極座標或是直角座標來表示，音壓強度之定義為： 10 20log rms sp ref P L P ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1) 其中，Lsp為音壓強度，單位為分貝(dB)，Prms為音壓實 部與虛部之均方根音壓值，Pref為參考音壓值。若以空 氣為傳遞介質，則參考音壓值為20 μPa。 一般超音波感測器之量測標準為其在共振頻率下 驅動，距離發射源半徑30 cm 處之某指定平面之音壓值 為均方根音壓，其中取最大音壓值作為上式之參考音壓 加以正規化。作圖時，一般以振動面正前方之位置為0 °方向角，左右正負 90°來繪製音壓強度。當採極座標 表示時，徑向座標表示音壓強度；以直角座標表示時， 橫座標表方向角，縱座標表音壓強度，如圖3 所示，進 而比較其音壓強度之衰減量對於角度之間的關係。 半衰角為一般用來表示指向性其寬廣或狹窄的指 標，其定義為音壓強度衰減3dB 之角度，亦為能量衰減 為最大能量一半之處，與0 度方向的夾角之兩倍[3]，如 圖3(a)之虛線部分，其半衰角約為 45°。 設計車用封閉式超音波感測器通常期望平行地面 之水平半衰角大，可以偵測較廣之範圍；而垂直地面之 垂直半衰角小，可以避免接收來自地面反射之超音波 （俗稱「照地」）。通常水平半衰角較大之感測器，其 感測效果佳，可以單顆自行發波與收波；若其水平半衰 角較小，則可多顆搭配，分別負責發波與收波。 根據圖2，影響感測器發波指向性之主要因素為振 動模態之形狀(Mode shape)，振動形狀除了受振動頻率 影響外，也與窗函數(Window function)和邊界條件有 關：窗函數之型式與感測器外殼之結構型式有關；邊界 條件的影響因子有二：分別為感測器外殼之厚度以及其 夾持條件。 (3) 音源強度(Source level) 對於一般結構水平與垂直方向對稱之感測器而 言，音源強度之定義為發射面正前方距離30 cm 處之音 壓強度，其中參考音壓值通常為20 μPa。音源強度可以 表示該感測器之發波強度，其值越大表示其發波強度越 大，發射的超音波衰減較慢，因此可以偵測較遠之距離。 由聲學理論可知壓力的大小可利用振動面為點波 源之積分計算，將振動面振動時之位移大小視為點波源 之振幅強弱。故在圖2 的分析中，音源強度與振動面上 之有效位移有關，而振動面之位移分布主要受振動模態 所影響，振動幅度之大小主要與壓電片之幾何形狀、電 極分布和驅動電壓有關。業界常用之壓電片是使用直徑 7 mm，厚度 0.2 mm 之圓形壓電片，極化方向為厚度方 向，驅動電壓為 100V，故振動面有效位移取決於振動 模態。 (4) 殘響時間(Reverberation time) 以脈衝方式施加接近感測器共振頻率的電壓信號 至感測器，當電壓信號消失之後，超音波振動仍會機械 性地短暫時間持續的現象即稱為殘響（參見圖4）。當 超音波感測器是以單顆自行負責發波與收波的時候，若 殘響現象持續很長的時間，則無法進行檢測。因為單顆 發收之後端電路在發波訊息傳遞後即開始收波，若殘響 時間太長，則後端電路將無法分辨發波訊號與收波訊 號，因此殘響時間將決定該感測器之最短偵測距離。 殘響時間之長短與該感測器之阻尼有關，一般而言 最短偵測距離為30 cm 者，殘響時間以小於 1 ms 為佳。 由圖2 可知，影響殘響時間之因素為感測器整體結構之 阻尼，其與感測器外殼之鋁材、壓電片與振動板之間之 黏貼膠、以及壓電片後方之背填膠部分有關。 (a) (b) 圖3 指向性圖案示意圖：(a) 極座標表示圖，(b) 直角座標表示圖
III. 專利分析 本節對於超音波感測器之專利，作一簡要之回顧與 分析，以了解其發展的歷史與演進，同時可由其設計目 的與改進方式驗證圖2 之指標關係。 1. 美國專利 US 4437032 超音波感測器中最早、且最廣為引用之專利為美國 專利US 4437032[4]，此專利確立了使用超音波量測距 離元件構造之雛型，該距離量測方法引用德國專利No. 30 36 081.7 所述之超音波響應原理(Ultrasound-echo principle)。基本構造如圖 5 所示，主要為一壓電陶瓷共 振片(98)，黏貼於圓型外殼(39)的振動板(37)上，之後填 充矽樹脂(100)等抑制振動之材料，並連接電線(38)負責 把發射超音波所需之電壓訊號傳入壓電片，同時在壓電 片接收超音波之後接收其訊號。該專利之特殊要求簡述 如下： 在外殼垂直方向內側填充阻尼(99)（如軟橡膠等）， 使感測器之偵測範圍產生非等向性形狀，如圖6 所示， 原等向之訊號形狀(102)由於阻尼(99)之效應使得訊號 形狀改變為(101)。當元件專司發射超音波時，該阻尼之 圖4 殘響時間示意圖 圖5 垂直剖視圖 邵氏硬度計(Shore hardness)需約 50°至 60°；當元件專 司接收超音波時，阻尼之邵氏硬度計不可超過40°。當 元件專司接收超音波時，外殼材料之邵氏硬度計約 80°。元件發射訊號之中心軸須垂直外殼之中心軸，使 得訊號範圍相對中心軸之角度可達±85°的極限。 2. 美國專利 US 4556814 1985 年，美國 NGK 火星塞公司之日本分公司發表 專利US 4556814[5]（如圖 7 所示）。該專利主要在於 將一般元件外殼發射面(11a)採用的金屬材料，改採用多 孔彈性材料（如環氧樹脂等）；外殼側壁(11b)材料之聲 學阻抗須大於發射面，故外殼之側壁(11b)之材料亦可置 換為多孔彈性材料；此外可增加管狀構件(18)於側壁內 或外側。此項改良最大的好處是殘響時間可以縮短（如 圖8 所示，實線為一般金屬材料外殼之殘響歷時，虛線 圖6 感測範圍示意圖 圖7 設計示意圖 圖8 殘響比較圖 變頻脈衝 （電壓信號） 間接產生振動 （電振動） 超音波振動波形 （機械振動 ） 殘響 反射波無法判別
為多孔彈性材料外殼之殘響歷時。從圖中可看出殘響時 間縮短了約0.4 ms），以縮短感測器所能偵測之最短距 離。 此外，在發射面振動板上的壓電片周圍加工使得其 厚度產生急遽的變化，可以緩和外圍環狀部位的橫波效 應。實作方式可以如下列幾種：將振動板中心厚度(11c) 增加，或增加內側中心厚度；或是在振動板中心與外圍 環狀之間製作溝槽(11d)，或在振動板內側施作溝槽。 3. 美國專利 US 5446332 1995 年，德國博世公司(Robert Bosch GmbH)發表 專利US 5446332[6]，該專利不但參考了上述兩專利及 德國專利DE-OS 31 37 745，同時也是目前相關專利被 引用數最多的。該專利最主要的變革在於替代 US 4437032 專利提及的阻尼，首先於振動板垂直方向用加 勁(4)取代，如圖 9 所示；同時將元件外殼振動板(3)製 作為趨近矩形形狀，可以使得指向性在垂直方向變狹 窄，而水平方向變寬廣，範圍趨近180°（參見圖 9(d)）， 減少感測器之佈設。再者使用與振動板面積幾乎相同之 第二片壓電片(4)，介於第一片壓電片(2)與振動板(3)之 間，分別驅動不同電壓（參見圖9），使得激發的超音 波互相干涉，產生相消或相長的效應，以增進指向性。 此專利設計最大的優點在於製作簡單且節省成本。 4. 美國專利 US 5987992
1999 年，日本村田製作所(Murata Manufacturing Co., Ltd.)發表專利 US 5987992[7]，如圖 10 所示。此專利探 討超音波感測器中溫度補償電容(10)的改進方式，該電 容表面包含一對電極分別連結壓電片與元件外殼，同時 連接後端電路，為電路訊號處理中的一個單元。根據該 專利之結論，溫度補償電容之寬度應小於λ/4，且其距 (a) (b) (c) (d) 圖9 專利 US 5446332 設計示意圖：(a) 加勁振動板，(b) 正面透視 圖，(c) 側面剖視圖，(d) 水平指向性 離壓電片(3)之最遠距離（圖 10(a) X 所示）應小於 λ/4， 其中λ 為壓電片振動產生超音波之波長。同時溫度補償 電容之形狀可為矩形或圓形，此種溫度補償電容的設計 可減少殘響時間（參見圖10(c)）。 5. 美國專利 US 6047603 日本村田製作所於 2000 年又發表專利 US 6047 603[8]，該專利將外殼分為側壁圓柱部分(2)與振動板部 分(4)，如此分別生產再結合之製作品質較為相同且節省 成本，並探討將此兩部分連結之膠黏劑(10)的特性（如 (a) (b) (c) 圖10 專利 US 5987992 設計示意圖：(a) 結構剖視圖，(b) 溫度補償 電容，(c) 殘響時間縮短 10b 10c 10a 10
圖11 所示），對整體元件感測效應之影響。 該專利之特殊要求包括：連結膠黏劑側壁圓柱(2) 與振動板部分(4)的黏著材料，其楊氏係數需介於 100 至20,000 kgf/mm2之間，溫度需介於25 至 125℃之間。 側壁部分(2)之楊氏係數需介於 100 至 20,000 kgf/mm2 之間，溫度需介於25 至 125℃之間。振動板部分(4)之 楊氏係數需介於100 至 20,000 kgf/mm2之間，溫度需介 於 25 至 125℃之間。材料楊氏係數與殘響時間之關係 圖如圖12。 此外，側壁部分(2)可為絕緣材料，使得分別連結壓 電片與外殼之電線傳輸通道(6)(7)可置於其中，且需部 分彎曲一次，其長厚比與長寬比皆需不小於2，末端形 狀 需 逐 漸 變 得 尖 細 。 電 線 材 料 可 使 用 洋 銀(Nickel silver)、鐵鎳合金(Iron-nickel alloy)或磷青銅(Phosphor bronze)。 圖11 專利 US 6047603 設計示意圖 (a) (b) 圖12 殘響時間與材料楊氏係數關係圖：(a) 外殼材料楊氏係數，(b) 膠黏材料楊氏係數 6. 美國專利 US 6181645 美國專利US 6181645[9]中提到：鑒於一般超音波 感測器軸對稱的設計，使得其偵測範圍亦為軸對稱之形 狀。若將感測器置於車輛後方，為了涵蓋整個車體後方 的範圍，則感測器勢必接收到來自地面的錯誤訊息；反 之，若將範圍縮小不致接觸地面，則勢必無法涵蓋整個 車體後方。因此該專利針對車輛後方超音波距離感測 器，特別設計了兩種獨特的結構形狀與材料組成，使得 車輛偵測距離時，可以兼具寬廣的水平角度及狹窄的垂 直角度，以避免來自地面反射的錯誤訊號，具有良好的 指向性。 該專利設計的兩組超音波感測器之結構如下說 明：如圖13(a-b)所示，感測器外殼包含底部的橢圓形部 分(11)以及上部的圓型部分(12)，陽極訊號線(201)連接 橢圓形部分，陰極訊號線(202)連接圓型部份。圓形壓電 陶瓷(20)置於橢圓形底部，而後分別覆上矽樹脂橡膠 (21)、毛氈(22)和軟木(23)作隔離，C 型環(14)置於橢圓 形部分和圓形部分之間的凹槽，以保護上述隔離物，同 時連接陰極訊號線(202)。最後填充矽樹脂橡膠層(15)作 密封。第二個設計與第一個設計類似，差異在於橢圓形 部分(11)改為水滴形(31)，如圖 13(c-d)所示。 7. 美國專利 US 6250162 日 本 村 田 製 作 所 參 考 專 利 US 4437032 與 US 5446332 於 2001 年發表專利 US 6250162 [10]，對於指 向性與殘響和感測器元件外殼結構之間的關係有深入 的討論。該專利首先引用日本 Laid-Open 專利 No. 9-284896，其感測器外殼之凹槽為一縱向長，橫向窄之 橢圓形狀，此構造於得發射超音波時，縱向能量分布較 (a) (b) (c) (d) 圖13 專利 US 6181645 設計示意圖：(a) 橢圓形設計上視圖，(b) 橢 圓形設計剖視圖，(c) 水滴形設計上視圖，(d) 水滴形設計剖 視圖
橫向能量分布廣，致使超音波之發射與接收時，水平半 衰角較寬而垂直半衰角較窄。 其次討論感測器振動板厚度與半衰角之關係，當感 測器外殼直徑為18 mm 時，若振動板厚度越小，垂直 半衰角也越小，偵測範圍越狹窄；水平與垂直半衰角分 別約為80°與 60°。當外殼直徑為 14 mm 時，水平與垂 直半衰角分別約為80°與 70°，結果顯示當感測器之尺 寸直徑越小時，則其指向性之不等向性越不明顯。 為了解決上述外殼較小尺寸時，指向性之不等向特 性喪失的議題，該專利設計之最大的特色，在於改變外 殼結構之振動板厚度。如圖14 所示。振動板(32)之厚度 分為壓電片黏貼之較厚部分(32a)，與壓電片外側垂直方 向之較薄部分(32b)。採用圖 11 之結構後，垂直指向性 可在外殼直徑維持14 mm 之下變得更狹窄。且當振動 板較厚部分與較薄部分之比例（圖 14(b)的 L/R）越大 時，垂直半衰角越小。
(a) (b) (c) (d) 圖14 專利 US 6250162 設計示意圖：(a) 結構上視圖，(b) 結構剖視 圖，(c) 垂直指向性縮小，(d) 殘響時間縮短 該專利另有其他特殊要求，包括：感測器外殼之凹 槽可為圓形、矩形或橢圓形。振動板於縱向分為兩種厚 度，壓電片黏貼於中央較厚之部分(32a)，兩側較薄部分 (32b)之厚度，必須小於外殼側壁(34)。振動板較薄部分 可填充絕緣樹脂(61)，其產生之效果與殘響時間有關， 一般而言殘響時間以小於1 ms 為佳，研究結果顯示樹 脂厚度越大，其對應之殘響時間越短（參見圖14(d)）。 8. 美國專利 US 6370086 延續2001 年的專利 US 6181645，Li 於 2002 年又 發表了專利US 6370086[11]，同樣針對前一個專利提到 之指向性問題，為了避免等向之偵測範圍提供來自地面 的錯誤訊號，該專利又設計了一些特殊的結構來產生不 等向的指向性。 該專利提出之設計特殊要求如下說明：如圖 15 所 示，感測器外殼(10)挖一梯形之形狀(11)，底部黏貼圓 形壓電片(20)，並連接電線(201)以傳遞訊號，之後依序 覆上梯形形狀的矽樹脂橡膠(12)、毛氈(13)和軟木(14) 作隔離，最後塗上矽樹脂橡膠層(15)作密封。由於梯形 之設計。使得其感測範圍上方呈現拱形形狀，下方則平 坦地接近地面。 9. 美國專利 US 6465935 德國博世公司於 2002 年發表專利 US 6465935 [12]，其引述歐洲專利 No.0075302（專利內容同 US 4437032），由於超音波感測器內部阻尼效應，使得外 殼側壁也會跟著振動板一起振動，因此降低其振動效 率。本專利的特色是引進穩定環(Stabilizing ring)與聲音 指向裝置(Sound directing device)，以解決此問題。該專
利之設計示意可參見圖16。 穩定環固定於外殼後端，如示意圖中的(6)所示，其 材料與外殼相同。主要功能為束制外殼的振動，當感測 器共振時，只有振動板產生共振，增進感測器發波與感 度之效率；其次由於穩定環使得質量增加，殘響時間縮 短，由此縮短感測器所能偵測最短距離距離的極限；另 外由於其位置遠離共振板，可以減少感測器之安裝尺 寸；再者穩定環之製作時間與外殼同時，減少製作成 (a) (b) 圖15 專利 US 6370086 設計示意圖：(a) 結構上視圖，(b) 結構剖視圖
本。此外，聲音指向裝置安裝於振動板上，如示意圖中 的(7)所示，主要目的為修平振動板的振動平面，控制感 測器之發收超音波之指向性形狀，使水平半衰角寬廣而 垂直半衰角夾窄。 10. 美國專利 US 6593680 2003 年，日本村田製作所延續 US 6250162 振動板 厚度分為較厚部分與較薄部分之設計，發表專利 US 6593680[13]。該專利針對元件各尺寸對垂直半衰角與殘 響時間的影響進行參數分析，提供一些準則做為設計之 依據。 以圖17 為例，振動板較厚部分之厚度為 t1，較薄 部分之厚度為t2，外殼側壁較薄部分之厚度為A，設定 參數x = t2/t1，y = A/t2。則固定不同y 值下，比較 x 與垂 直半衰角和殘響時間之關係；以及固定不同x 值下，比 較y 與垂直半衰角和殘響時間之關係。由此可歸納出 x 與 y 之設計範圍與臨界值（參見圖 17(c)），其關係式 為： 0.50≤ ≤x 0.64 (2) 0.75y≤1.75 (3) (50 / 7) 163 / 28 y≤ − x+ (4) (50 / 7) 135 / 28 y≥ − x+ (5) 此設計之指向性可有效減少垂直半衰角，避免感測器因 照地產生誤判（參見圖17(d)）。 11. 美國專利 US 6792810
2004 年，德國 Valeo Schalter und Sensoren GmbH 公司發表的專利 US 6792810[14]中，針對傳統超音波感 測器封裝方式的瑕疵，提出新的結構型式。圖 18(a)為 一般車用超音波感測器的封裝方式，包括最外面的塑膠 套(3)，感測器的外殼(11)，以及位於兩者之間用來夾持 感測器的橡膠套(7)；一些常見的部分如：振動板(9)、 壓電片(13)、阻尼材料(19)、空隙(21)、電線(15)、固定 阻尼的橡膠(23)、最後密封的矽樹脂(25)，還有外部結 構如外蓋(27)及固定於車輛保險桿設的卡榫(29)等。其 缺點為組成元件太多，容易產生製作公差與組裝定位的 問題，而且使得感測器工作性的影響因子複雜化。 為因應傳統感測器封裝方式的缺點，該專利提出新 的製作方法，如圖18(b)所示，其最大的特色在於分隔 (a) (b) (c) 圖16 專利 US 6465935 設計示意圖：(a) 上視圖，(b) 剖視圖，(c) 後 視圖 體(51)(diaphragm)的設計，分隔體可分為分隔體壁(45) (diaphragm wall)與分隔體底(49) (Diaphragm bottom)，乃
(a) (b) (c) (d) 圖17 專利 US 6593680 設計示意圖：(a) 結構剖視圖，(b) 結構後視 圖，(c) 設計變數最佳化區域，(d) 最佳化設計指向性圖 (a) (b) 圖18 專利 US 6792810 設計示意圖：(a) 傳統封裝方式，(b) 新型封 裝方式
一複合的泡沫結構(Foam-like structure)。分隔體壁可視 為傳統封裝上塑膠套(3)、外殼(11)及橡膠套(7)三者之功 能，由於施作簡化，其不須另外封裝即可直接安裝於車 輛（如保險桿）上。分隔體底於製作初期其材料可與分 隔體壁之泡沫材料相同，之後再予以去泡沫化；或者可 直接使用非泡沫之金屬材料，在製作過程中與分隔體壁 作剛性連接，而不需額外之組裝。 12. 美國專利 US 6825594 2004 年，德國西門子公司(Siemens)發表專利 US 6825594[15]，其設計特色在於附上至少三個聲波阻抗變 化層，以提升感測器在發波與收波之間切換感應的效 率。該專利之設計如圖 19(a)所示，包含一般超音波感 測器之構造如金屬外殼(2)、壓電片(3)、振動板(4)。不 同的是其設計的聲波阻抗層：填充複合物(8) (Casting compound)與泡沫環(9) (Foam ring)為聲波阻抗相對較 低的第一層。所謂的聲波阻抗其定義為波傳材料的密度 與波速之乘積。包圍第一層的第二層是聲波阻抗相對較 高的金屬壺(10) (Metal pot)；聲波阻抗相對較低的含塑 膠泡沫管環(11) (Tubular foam ring)為第三層，其密度須
小於 0.2kg/dm3。最後的第四層為聲波阻抗相對較高的
塑膠環(12) (Plastic ring)。附帶一提，漆有絕緣材料的高 頻標準電線(6)(7)，其截面積須小於 0.05 mm2。
13. 美國專利 US 6876127
電 裝 株 式 會 社(DENSO Corporation) 與 Nippon Soken 公司於 2005 年發表的專利 US 6876127[16]中提 到，傳統超音波感測器裝設於車輛時，容易因外部物質 （如蠟或灰塵）附著於感測器外殼側壁上，影響其接收 超音波的效果。故該專利提出之設計如圖 19(b)所示， 主要將感測器外殼分為同軸的第一環壁(12b)與第二環 壁(14b)，兩環藉由第一翼(12f)與第二翼(14f)結合固定， 其中預留的空間以吸收層(13)隔離，如此感測器外殼側 壁便不容易因外部物質而降低其感測效果。 14. 美國專利 US 6909970 有鑑於傳統超音波感測器的偵測範圍大、距離近， 安裝多個於車輛時重疊之感測範圍容易互相干擾。因此 (a) (b) 圖19 (a) 專利 US 6825594 設計示意圖，(b) 專利 US 6876127 設計 示意圖 美國專利US 6909970[17]，設計一音波引導圓錐(Guide wave cone)，使得感測範圍縮小、感測距離增長，以提 升感測物體之精確度。 如圖20(a)所示，將感測器(10)置於橡膠製套管(20) 中，音波引導圓錐(30)置於圓錐形開口(24)中心，並固 定在 U 型托架(32)上，在圓錐形開口下方設置一障礙 (240)以避免接收反射自地面之超音波，加熱線(34)之裝 置可以融化阻塞於開口之冬季積雪。裝設音波引導圓錐 之後，其感測範圍在同一距離下角度較小，且可以增加 感測之最遠距離。音波引導圓錐亦可增加感測器之感測 強度，強度約可提升10 dB（參見圖 20(b)）。 15. 美國專利 US 7009326 日本村田製作所於 2006 年發表專利 US 7009326 [18]，提到當感測器的振動板直徑越大時，超音波的波 長越短，指向角也越小；當振動板厚度越厚時，共振頻 越高。但由於車輛公司生產的限制，使得感測器的大小 被侷限，因此指向角無法縮小。因此該專利提出一個在 感測器直徑縮小下，同樣產生狹窄的指向角且不須增加 共振頻的設計。如圖 21(a)所示，其在感測器外殼(2)施 作一溝槽(3)，使得振動板(2’)被支撐部分(4)分為內部區 域與外部區域，由於內部區域和外部區域同時驅動的效 果，使得其壓力分布相位有干涉的效果，產生較為狹窄 之指向角。 上述設計雖然達成指向角縮小之目的，但由於波形 相互干涉的原因，使得殘響時間大幅增加，不利超音波 (a) (b) 圖20 (a) 專利 US 6909970 設計示意圖，(b) 專利 US 7009326 裝設 音波引導圓錐前後之感測強度
之接收，因此該專利提出在凹槽部分填充阻尼物質(5)。 填充阻尼之前超音波接收之訊號幾乎被超音波的發射 訊號所掩蓋，填充阻尼之後超音波之發射與接收訊號才 可明顯分開辨識（參見圖21(b)）。 16. 美國專利 US 7021144 2006 年，日本三菱電機股份有限公司(Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha)發表專利 US 7021144[19]，特別 針對振動面朝下用以量測傾斜角(Tilt angle)之超音波感 測器，提供特別之裝置以避免其因車輛行進時產生之振 動而掉落。 如圖 22(a)所示，超音波感測器裝(3)設於一彈性支 架(2)中，以 V 型螺紋凹槽(34)夾持，該專利提出兩種保 持措施：一為凹槽末端之突起(35)，防止感測器外殼(27) 掉落；二為柱狀部位(36)與其突起部位(37)，防止彈性 支架(2)掉落。 17. 美國專利 US 7162930 日 本 松 下 電 器 產 業 株 式 會 社(Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.)於 2007 年發表專利 US 7162930 （參 見圖22(b)）[20]，其透過特殊的封裝與匹配層，使得感 測器產生的超音波經由適當的角度折射傳播至外部流 體時，幾乎沒有能量的損耗。 如圖23 所示，將感測器(2)置於轉換罩(4)中，附上 匹配層(3)，外部以外罩(9)封裝，之間填充傳播中介層 (6)。外圓柱部分(9y)須施作適當之高度，使得第一表面 區域(7)與第二表面區域(8)之夾角為 0°與 90°之間的某 一設計角度；底板(9x)須保留絕緣部分(10)使得訊號線(5) 不發生短路。 (a) (b) 圖21 (a) 專利 US 7009326 設計示意圖，(b) 專利 US 7009326 阻尼 對殘響時間圖 IV. 結論 由上節之說明可知各專利分別使用不同的方法來 提升超音波感測器各種工作性，針對各專利不同的設計 內容整理列於附錄表1。綜合上述，專利文獻上用來提 升超音波感測器之工作性，大致可分為四個方向： 1. 感測器本身之結構：如將振動板施作多重厚度；將 感測器的中空外殼施作不同之形狀；施作各種凹槽於外 殼；採用多層壓電片等。主要目的是在於改善感測器的 指向性，使水平指向性越大，垂直指向性越小。其次是 調整感測器的共振頻率使其滿足撓曲振動模態。 2. 感測器之邊界條件：感測器之夾持方式；各種金屬 套環、橡膠套；感測器與外部結構之整合組裝等。其目 的主要在於使感測器容易安裝，防止掉落；同時避免異 物（灰塵或雨水）侵入感測器內影響其靈敏度。 3. 材料性質及各種填充物：如改變元件之材料性質； 添加阻尼，如橡膠、泡棉、毛氈；其他匹配層等。其主 要目的在於利用阻尼來減少感測器的殘響時間，縮短感 測器所能偵測的最短距離。 4. 其他外部裝置：如穩定環指向裝置、音波引導圓錐 或外殼溝槽等裝置。主要在於增加音源強度，使感測器 的量測距離可以增大。 未來在超音波感測器設計上可以感測器本身之結 構為設計主體，將振動頻率、指向性與音源強度訂為設 (a) (b) 圖22 (a) 專利 US 7021144 設計示意圖，(b) 專利 US 7162930 設計示意圖 (a) (b) 圖23 (a) 專利 US 7162930 斜切示意圖，(b) 專利 US 7162930 斜切 剖面圖
計之參考指標。在振動頻率方面，由專利 US 7009326 可知振動板厚度可控制感測器之共振頻率。指向性方 面，由於只考慮感測器本身外殼之影響，故專利 US 6465935 與 US 6909970 提出之外部裝置方法（穩定環 指向裝置與音波引導圓錐）不予考慮。而由專利 US 6250162、US 6465935 與 US 6593680 可觀察無論是感 測器外殼形狀為上下狹長之矩形，或是振動板上下方向 厚度較薄，其設計目的皆為上下之振動板邊界較柔性， 水平之邊界較剛性，使得垂直方向相似於平面波，指向 性較窄，水平方向則似點波源，指向性較廣，此為感測 器外殼設計之重要方向，另外，專利US 6181645 與 US 6370086 提出之感測器形狀乃影響窗函數，亦可作外殼 設計之參考。音源強度方面，由前述不同專利可知較無 法單以感測器外殼提升，故以維持振動模態為主。 誌謝 本研究承蒙行政院國家科學委員贊助部分經費，計 畫編號為NSC 94-2218-E-002-061，特此致上謝忱。研 究期間承蒙國立台灣大學應用力學研究所李世光教 授；工程科學及海洋工程學研究所吳文中助理教授、鄭 志強先生、林嘉宇先生；材料科學與工程學研究所謝宗 霖助理教授；土木工程學研究所鄒年棣先生在資料提供 與實驗量測上的諸多幫忙，在此一併致謝。 參考文獻
[1] C. C. Cheng and C. Y. Lin, private communication, 2007.
[2] “IEEE Standard on Piezoelectricity,” ANSI/IEEE Standard
176-1987 (1987), American National Standards Institute/Institute
of Electrical and Electronics Engineers, New York.
[3] 欒桂冬，張金鋒與王仁乾，壓電換能器和換能器陣，修訂版，
北京大學出版社，北京，2005。
[4] E. Gelhard, “Sensor for distance measurement by ultrasound,” U.S. Patent 4437032, March 13, 1984.
[5] T. Ito, E. Ozeki, and O. Kozo, “Piezoelectric ultrasonic transducer with porous plastic housing,” U.S. Patent 4556814, Dec. 3, 1985. [6] P. Rapps, P. Knoll, F. Pachner, M. Noll and M. Fischer, “Ultrasonic
transducer,” U.S. Patent 5446332, Aug. 29, 1995.
[7] K. Watanabe, C. Ochiai, J. Ohta, and M. Kota, “Ultrasonic sensor with temperature compensation capacitor,” U.S. Patent 5987992, Nov. 23, 1999.
[8] S. Ohtera, H. Iwatani, S. Hachinohe and K. Nitta, K. “Ultrasonic sensor,” U.S. Patent 6047603, April 11, 2000.
[9] S. H. Li, “Ultrasound sensor for distance measurement,” U.S. Patent 6181645, Jan. 30, 2001.
[10] S. Amaike and J. Ota, “Ultrasonic sensor,” U.S. Patent 6250162, June 26, 2001.
[11] S. H. Li, “Ultrasound sensor for distance measurement,” U.S. Patent 6370086, April 9, 2002.
[12] D. Wannke, D. Karr, M. Fehse, M. Noll, P. Rapps, E. Waldemar and D. Schmid, “Ultrasonic transducer,” U.S. Patent 6465935, Oct. 15, 2002.
[13] S. Amaike and J. Ota, “Ultrasonic wave transmitter/receiver,” U.S. Patent 6593680, July 15, 2003.
[14] U. Kupfernagel and H. Gotzig, “Ultrasonic sensor,” U.S. Patent 6792810, Sep. 21, 2004.
[15] R. Thurn, “Ultrasonic transducer,” U.S. Patent 6825594, Nov. 30, 2004.
[16] H. Mitsuka, H. Kani, Y. Sato, M. Takeichi, K. Oda, H. Matsuoka and M. Matsuura, “Ultrasonic transceiver and ultrasonic clearance sonar using the same,” U.S. Patent 6876127, April 5, 2005. [17] S. H. Li, “Ultrasonic sensor assembly for a vehicle reversing
radar,” U.S. Patent 6909670, June 21, 2005.
[18] K. Matsuo and J. Ota, “Ultrasonic vibration apparatus use as a sensor having a piezoelectric element mounted in a cylindrical casing and grooves filled with flexible filler,” U.S. Patent 7009326, March 7, 2006.
[19] A. Fukuda and T. Ohsawa, “Ultrasonic wave utilizing device,” U.S. Patent 7021144, April 4, 2006.
[20] M. Hashimo, H. Nagahara and M. Suzuki, “Ultrasonic sensor,” U.S. Patent 7162930, Jan. 16, 2007.
附錄 表1 各專利之設計改進項目與方法 專利編號 驅動頻率/振動模態 指向性/半衰角 音源強度 殘響時間 其他(夾持/材料等) 1 US 4437032 填充阻尼 2 US 4556814 振動板凹槽 多洞彈性材料 3 US 5446332 雙層壓電片 4 US 5987992 補償電容 5 US 6047603 振動板與殼分離 6 US 6181645 指定感測器構造 7 US 6250162 振動板不同厚度 振動板不同厚度 絕緣樹脂 8 US 6370086 指定感測器構造 9 US 6465935 穩定環指向裝置 穩定環指向裝置 10 US 6593680 振動板不同厚度 振動板不同厚度 11 US 6792810 整合封裝 12 US 6825594 聲波阻抗變化層 13 US 6876127 多層環壁 14 US 6909970 音波引導圓錐 音波引導圓錐 15 US 7009326 外殼溝槽 外殼溝槽 外殼溝槽 溝槽阻尼 16 US 7021144 防落夾持 17 US 7162930 匹配層
