CN101499271B - 用于邻近传感器的超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于感测邻近换能器的物体的位置的超声波换能器组件。该超声波换能器组件包括：衬底元件；支撑在衬底元件的平表面上并位于衬底元件的周沿附近的压电陶瓷共振板；以及耦合器，其连接到所述共振板的表面，用于声学地将所述共振板耦合到与该耦合器接触的介质。
Description
技术领域
本发明总体上涉及超声波换能器，更具体地，涉及可并入到用于检测物体的存在和/或距离的传感器中的超声波换能器组件。
背景技术
超声波感测系统提供了有效且高效的检测物体的方法，例如可以用在自动工业制造过程中。这些传感器需要使用换能器来产生超声波信号。例如，用于这种传感器的换能器通常生成沿物体的方向发送的超声波信号，然后再由该换能器接收返回或反射的信号。连接到换能器的处理器处理接收到的信号，并基于发送的信号和接收的信号之间经过的时间，确定物体的存在和/或距物体的距离。
诸如用于基于空气的飞行时间应用的现有技术的压电陶瓷超声波换能器通常被设计为具有非常好的远距离检测能力。在设计这些传感器时，通常希望考虑使得换能器的Q值(即共振)最大，并使得工作频率最小。高Q值使得对返回信号的放大更大，低频率用于减小超声波在空气中的衰减，这是因为衰减是频率的函数。这种现有技术的换能器通常被配置为由陶瓷材料形成的薄盘，其通常展现出高Q值的优点。
出于各种原因，在提供效率以及降低制造圆形陶瓷盘的成本方面存在很多限制，这继而限制了并有陶瓷盘的部件(例如，并入传感器的换能器)的成本降低。因此，希望提供一种另选配置的传感器换能器，其可以并有一共振器部件，该共振器部件具有有助于高效地生产共振器部件和组装的换能器两者的成形因子(form factor)或形状。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种超声波换能器组件用于感测邻近换能器的物体的位置。该超声波换能器组件包括：衬底元件，该衬底元件包括平表面和周沿；支撑在平表面附近的压电陶瓷共振板；以及耦合器，其连接到共振板的表面，用于声学地将所述共振板耦合到与该耦合器接触的介质。
根据本发明的另一方面，提供了一种超声波换能器组件用于感测邻近换能器的物体的位置。该超声波换能器组件包括：衬底元件，该衬底元件包括限定平表面和周沿的印刷电路板；和压电陶瓷共振板，该压电陶瓷共振板包括所述周沿附近的支撑在平表面上的平内表面。在印刷电路板与共振板之间提供电接触，用于将共振板连接到电源。该换能器还包括耦合器，该耦合器包括具有相对的第一侧和第二侧的平面元件，所述第一侧横切(transverse to)共振板的表面延伸并连接到该表面，用于声学地将共振板耦合到与该耦合器的第二侧接触的介质。
根据本发明的又一方面，提供了一种包括用于感测邻近换能器的物体的位置的超声波换能器组件的传感器。该传感器包括：衬底元件，该衬底元件包括限定平表面和周沿的印刷电路板；和矩形压电陶瓷共振板，该矩形压电陶瓷共振板限定伸长的主尺寸和次尺寸。共振板以悬臂梁的方式支撑在衬底元件上，共振板的伸长的主尺寸从衬底元件的周沿延伸。在印刷电路板与共振板之间提供多个电接触，用于将共振板连接到电源，所述多个电接触之一形成所述共振板在所述衬底元件上的悬臂梁支撑。所述传感器还包括盘形耦合器，该耦合器包括具有相对的第一侧和第二侧的平面元件。第一侧横切共振板的表面延伸并连接到该表面。该耦合器由共振板声学地激励，以将信号发送到邻近该耦合器的物体，并且该耦合器接收并发送从物体到共振板的反射信号。
附图说明
尽管说明书后附权利要求特别指出并清楚地请求保护了本发明，但应当相信，根据以下结合附图的描述将更好地理解本发明，在附图中以类似的附图标号指示类似的元件，附图中：
图1是并有根据本发明的换能器组件的传感器系统的部分剖视图的侧视图；
图2是根据本发明的换能器组件的分解立体图；
图3是根据本发明的换能器组件的耦合器端的放大剖视图；
图4是示出根据本发明的换能器组件中的共振板与印刷电路板衬底的组装的分解立体图；
图5是根据本发明可选实施方式的换能器组件的耦合器端的放大剖视图；
图6是图5的可选实施方式的分解立体图。
具体实施方式
在以下对优选实施方式的详细描述中，参照构成本发明一部分的附图，附图中通过例示而非限制的方式示出了可以实践本发明的具体优选实施方式。应当理解，可以采用其他实施方式，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行修改。
参照图1，示出了用于确定邻近超声波传感器10的物体12的存在和距离的超声波传感器10。如下面将进一步描述的，该传感器包括外壳14和换能器组件16，并且包括在外壳14内围绕换能器组件16的阻尼材料18。
参照图2，换能器组件16包括由印刷电路板限定的衬底元件20、换能器或共振板22、以及板状耦合器或耦合组件24，该板状耦合器或耦合组件24连接到共振板22并横切共振板22延伸。耦合组件24提供了相对较小的共振板22与填充了传感器10与物体12之间的空间的诸如空气的介质(如图1中示出的区域15)之间的超声波接口，。
共振板22可以由任何适合的压电材料构成。在优选实施方式中，共振板22包括压电陶瓷板。具体地，共振板22可由诸如PZT5A(例如，可从Morgan Electro Ceramics，Bedford，Ohio获得)的锆钛酸铅构成。与用于本申请的压电陶瓷材料相关的理想特性包括高机电转换效率、基本平坦的温度响应、以及相对高的机械品质因数(Qm)，在本例中Qm约为75。
现在转到图3，耦合组件24包括大体表面区域，用于将来自共振板22的超声波能量传递到介质。在所例示的实施例中，耦合组件24包括振动膜26，该振动膜26限定了耦合组件24的第一侧28。振动膜26能够响应于来自共振板22的振动能而振动。振动膜26包括硬性或刚性材料，并可由多种材料形成，这些材料包括但不限于金属、塑料、或聚合物，例如诸如环氧的模制热固性聚合物。在一个优选实施方式中，振动膜26可由不锈钢薄板形成。如这里所例示的，本实施例的振动膜26是薄的或板状的盘形件，其中来自共振板22的振动能大体上沿垂直于所述衬底元件20的方向分布。也就是说，声振信号沿这样的路径传播，即该路径是从振动膜26的孔30处限定的振动膜26的中央位置到振动膜26的外沿圆周地且径向地导向的。应当理解，振动膜26不限于盘形件，并且可以包括采用其他形状的板状件。
耦合组件24还可以包括阻抗匹配元件32，这里阻抗匹配元件32被例示为位于振动膜26之上的盘形件。阻抗匹配元件32限定了耦合组件24的朝向外的第二侧34。阻抗匹配元件32包括选择用于使得来自共振板22的超声波能量到介质15的耦合最大化的材料，并且通常是不同于振动膜26的材料的其他材料。例如，阻抗匹配元件32可以包括相对弹性材料，例如橡胶、环氧材料、聚合物、玻璃、或这些材料的组合和/或混合。在优选实施例中，为了与空气介质接口，阻抗匹配元件32包括填充玻璃的环氧元件。应当理解，尽管为了描述本实施例采用空气作为介质，但是可以选择阻抗匹配元件32的材料和构成，以使得阻抗匹配元件32被配置为与包括液体或其他气体在内的其他介质相耦合。另外，阻抗匹配元件32不限于所例示的盘形结构，并且可以包括其他形状，例如与振动膜26的形状匹配的形状。
如从图2和图3所见，阻抗匹配元件32包括用于容纳振动膜26的凹部区域31。振动膜26的与第一侧28相对的表面定位为与阻抗匹配元件32的表面33相接合，凹部31用于在振动膜26与阻抗匹配元件32之间传递超声波信号。
还应当理解，在本文所描述的传感器10的某些应用中，可以构造不带阻抗匹配元件32的耦合组件24。例如，可以用振动膜26的材料来构造耦合组件24，该材料被选择用于提供满意的耦合，以有效地将超声波能量递送到介质以及从介质接收超声波能量。
隔离元件35靠近耦合组件24的第一侧28设置，即，位于阻抗匹配元件32和振动膜26后面。隔离元件35优选地由弹性材料形成，并且提供了隔离层或障壁，用于至少将振动膜26并且优选地将振动膜26和阻抗匹配元件32两者与外壳14内的阻尼材料18隔离。在优选实施例中，阻尼材料18包括聚氨酯材料，并且隔离元件35包括硅橡胶材料(即，硅泡沫橡胶)，且具有带中央孔37的圆形结构。隔离元件35优选地具有基本上与耦合组件24的直径匹配的外径。
如在图2中所见，衬底元件20被构造为伸长的矩形元件，该矩形元件包括上平表面36、下平表面38、以及分别由相对的大体平行的侧沿42，44和由相对的大体平行的前沿和后沿46，48限定的周沿40。舌状或半岛部50在侧沿42、44中间以悬臂梁的方式从前沿46延伸出。
再参照图4，共振板22示出为包括伸长的板状元件，该板状元件具有基本上平的内表面52、基本上平的外表面54、前沿56、后沿58以及相对的侧沿60，62。在前沿56和后沿58之间定义了主尺寸D1，在相对的侧沿60，62之间定义了次尺寸D2。共振板22被定位为，其内表面52位于衬底元件20的上表面36上或附近，且其主尺寸D1从衬底元件20的前沿46延伸过半岛部50。共振板22的前沿56位于半岛部50的前沿59附近。共振板22的次尺寸D2基本上等于半岛部50的宽度，如在半岛部50的相对侧64和66之间测量的宽度。
共振板22与衬底元件20平行取向，并且优选地位于衬底元件20上的第一接触焊盘(pad)68上，以形成内表面52与第一接触焊盘68之间的电接触。接触焊盘68优选地包括突起部，该突起部延伸到衬底元件20以上，用于以悬臂梁的方式与衬底元件20相隔开地支撑共振板22。因此，优选地在共振板22的内表面52与衬底元件20的上表面36之间有空气隙。另外，顶部导线(top wire)70设置为在外表面54与衬底元件20上的第二接触焊盘72之间延伸。第一接触焊盘68和第二接触焊盘72包括电连接到衬底元件20上的电源74和处理器76(参见图2)的导体。来自接触焊盘68，72的电连接可以由刻蚀在限定了衬底元件20的印刷电路板上的各个电条线69，73形成，参见图2和图4。应当理解，电源74和处理器76中的任一个或两个可以按照常规形式由衬底元件20上的印刷电路板结构来限定，或者可选地，可远离衬底元件20设置。
尽管优选实施例包括用于支撑共振板22的单个支撑物，即第一接触焊盘68，但是共振板22可由一个或多个附加的支撑物来支撑。例如，共振板22可以支撑在设置在共振板22的纵向端附近的一对支撑物上，其中至少一个支撑物优选地形成与电条线69的电接触。
在组装换能器组件16的过程中，通过执行拾放(pick-and-place)操作的装置将共振板22放置在半岛部50上并且延伸过第一接触焊盘68，可以将共振板22组装到衬底元件20。顶部导线70可在自动操作下组装到衬底元件20，例如通过按照常规卷带供应配置馈送多个制备的顶部导线70来执行的操作。每个连续的顶部导线70可被放置为，其垂直部分与第二接触焊盘72接合，而顶部导线70的水平部分接合过共振板22的上表面，从而经由第二接触焊盘72在外表面54与印刷电路板的电导体73之间形成电接触，参见图4。在所例示的实施例中，在第二接触焊盘72中示出了一个孔用于容纳顶部导线70的垂直部分，然而这种孔对于实施本发明不是必需的。
共振板22与衬底元件20的组装可以按照包括将其他部件放置在衬底元件20上的组装方法来执行。具体来说，共振板22和顶部导线70可以与包括形成处理器76和电源74的其他部件一起放置在限定衬底元件20的印刷电路板上，并且进行常规的表面贴装技术(SMT)回流(reflow)工艺来将部件连接到印刷电路板。因此，通过SMT回流工艺将共振板22的一侧直接附接到衬底元件20的印刷电路板。此外，共振板22的SMT回流附接提供了高的集约型附接，与已知的通常实施用于将现有技术的压电陶瓷超声波部件附接到电路板或类似的安装结构的组装和工艺相比，该SMT回流附接通常需要更少的部分和减少的劳力。
在将共振板22贴装到衬底元件20之后，将耦合组件24至少附接到共振板22的外表面54，并且位于前沿56附近且与共振板22的平面垂直地延伸。具体来说，振动膜26的中央孔30定位为越过共振板22的端部，共振板22的前沿56定位为与阻抗匹配元件32的内面33接合或紧密邻近。另外，隔离元件35定位在耦合组件24的第二侧28处，共振板22延伸通过隔离元件35的中央孔37。在优选实施例中，振动膜26和阻抗匹配元件32连结(bond)到共振板22，使得阻抗匹配元件32的内表面33连结到共振板22的前沿56。另外，连结(bonding)通常还将发生在共振板22的其他表面之间，即内表面52和外表面54以及侧沿60、62，半岛部50上的表面36、38、59、64和66，以及振动膜26位于孔30附近的表面。换言之，可以通过连结来连接振动膜26、共振板22以及半岛部50的所有相邻表面。通常，连结可以通过施加到共振板22的端部的环氧连结物80来实现，从而形成共振板22与耦合组件24的振动膜26和阻抗匹配元件32部件之间的机械连接，以及将隔离元件35附接到耦合组件24的第二侧28。环氧连结物80另外将耦合组件24到衬底元件20的半导部50，使得耦合组件24从衬底元件20被支撑起，其中耦合组件24的第二侧28邻近衬底元件20的前沿46并与该前沿46隔开。
因此，通过由环氧连结物80形成的机械连接使得可以在共振板22与耦合组件24之间传递超声波能量。通过耦合到共振板22，耦合组件24在共振板22的工作频率下呈现了良好的传输性(transmittance)以及与介质的良好阻抗匹配，在当前描述的实施例中，上述工作频率可在大约100kHz到大约1MHz的范围内。
这里描述的换能器组件16的结构的优点与共振板22的结构以及共振板22和衬底元件20的组装相关。具体来说，共振板22的几何结构使得可以从单片陶瓷材料获得多个共振板22。特别地，诸如PZT5A的一片陶瓷材料可以被制造和刻划或切割形成多个基本上对应于共振板22的期望尺寸的单独的矩形件。因此，可以最少浪费或剩余材料最少地制造多个共振板22，与之相比，形成现有技术的盘形换能器共振器要求多个步骤来形成期望形状，并且材料使用效率低。
此外，如上所述，将共振板22平行于衬底元件20放置便于例如通过常规的拾放组装操作自动组装换能器组件16。与之相对，已知的用于组装没有平行于安装结构(即，印刷电路板)安装的换能器共振器的组装操作通常需要操作者操纵陶瓷共振器以有效地相对于安装结构放置共振器。因此，在本换能器设计中效率的组合有利于容易地进行制造和经济地进行组装。
应当理解，本发明不必限于本文针对共振板22描述的特定的矩形。因此，可以为共振板22选择其他形状，尽管具有便于经济地制造共振板22的成形因子的共振板22是优选的。
在图5和图6中例示了本发明的可选实施方式的示例，在图5和图6中，盘形共振板122按照与图1至图4中例示的实施例类似的方式支撑在衬底元件120上，并且其中图5和图6的实施例中的与图1至图4中的实施例对应的元件以相同的附图标记增加100来标注。
类似于以上针对共振板22所描述的材料，共振板122优选地包括压电陶瓷板。共振板122可支撑在第一接触焊盘168上，使得共振板122与衬底元件120的上平表面136隔开地被支撑，在共振板122与衬底元件120之间有空气隙。优选地，第一接触焊盘168在共振板122的几何中心处与共振板122接合，并且可以通过焊接连接167(例如，可以通过SMT回流工艺实施的)来附接，从而在共振板122的内表面152上的电极与第一接触焊盘168之间形成电连接。因此，共振板122以悬臂梁的方式被支撑在第一接触焊盘168上。与共振板122的外表面154上的电极的第二电连接可以通过延伸到衬底元件120上的接触焊盘172的顶部导线170来提供，并且可以通过SMT回流工艺来连接。
例如包括玻璃填充环氧元件的耦合器124位于共振板122的外表面154上，以提供共振板122与介质之间的阻抗匹配。耦合器124可以设置有容纳顶部导线170的凹部，其中耦合器124附接到共振板122的顶部表面154。从共振板122和耦合器124发送并接收到的声音信号的路径沿大体垂直于衬底元件120的平表面136的方向延伸。需要注意的是，在本实施例中，耦合器124被构造为不具有振动膜，其中共振板122基本上将振动能分布在耦合器124的整个区域上，而无需振动膜将能量沿径向分送。
另外，支撑物或支撑环180可以位于衬底元件120上，并基本上与共振板122的内表面152的外周部的至少一部分对齐。支撑环180在平表面136的平面上方延伸，并且包括上表面182，该上表面182优选地与共振板122的内表面152隔开相对小的距离。支撑环180可以与内表面152接合，以限制可以利用第一接触焊盘168施加在安装点处的悬臂力。
尽管例示并描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员显然知道，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种其他修改和变型。因此，旨在由所附权利要求来覆盖处于本发明范围内的所有这种修改和变型。
Claims (20)
1.一种超声波换能器组件，用于感测邻近换能器的物体的位置，该超声波换能器组件包括：
衬底元件，该衬底元件包括平表面和周沿；
支撑在所述平表面附近的压电陶瓷共振板；以及
耦合器，其连接到所述共振板的表面，用于声学地将所述共振板耦合到与该耦合器接触的介质，
其中，所述耦合器包括横切所述共振板延伸的基本上刚性板状振动膜元件。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器组件，其中，所述共振板包括定义了伸长的主尺寸和次尺寸的矩形板，并且所述耦合器附接到所述主尺寸的端部附近。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器组件，其中，所述耦合器还包括延伸过所述板状振动膜元件的阻抗匹配元件。
4.根据权利要求3所述的超声波换能器组件，其中，所述振动膜元件包括一孔，所述共振板延伸到所述孔，并且所述超声波换能器组件包括一连结结构，该连结结构将所述共振板的所述表面机械地连接到所述振动膜元件并且连接到所述阻抗匹配元件。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器组件，其中，所述振动膜元件包括盘形元件。
6.根据权利要求4所述的超声波换能器组件，包括位于所述耦合器的与所述介质相对的一侧上的阻尼材料，并且包括将所述振动膜元件与所述阻尼材料隔开的弹性隔离层。
7.根据权利要求1所述的超声波换能器组件，其中，所述衬底元件包括印刷电路板，并且所述共振板通过表面贴装技术接触电连接到所述印刷电路板，该表面贴装技术接触形成在所述衬底元件的所述平表面与所述共振板的平内侧表面之间。
8.根据权利要求7所述的超声波换能器组件，包括在所述共振板的外侧与所述印刷电路板之间延伸的电导体，所述外侧与所述内侧相对。
9.根据权利要求8所述的超声波换能器组件，其中，所述耦合器包括横切所述共振板延伸的大体上平的元件。
10.根据权利要求1所述的超声波换能器组件，其中，所述共振板以悬臂梁的方式被支撑在一接触焊盘上，从而以隔开的方式大体平行于所述衬底元件延伸。
11.根据权利要求10所述的超声波换能器组件，其中，所述衬底元件包括以悬臂梁的方式从所述衬底元件的所述周沿延伸出的半岛部，并且所述衬底元件限定了所述平表面的一部分。
12.根据权利要求10所述的超声波换能器组件，其中，所述共振板包括盘形元件，并且所述共振板在该共振板的几何中心部被焊接到所述接触焊盘。
13.根据权利要求1所述的超声波换能器组件，其中，所述耦合器连结到所述共振板的平表面，使得由所述共振板发送和接收的声音信号的路径沿垂直于所述衬底元件的所述平表面的方向延伸。
14.一种超声波换能器组件，用于感测邻近换能器的物体的位置，该超声波换能器组件包括：
衬底元件，该衬底元件包括限定了平表面和周沿的印刷电路板；
压电陶瓷共振板，该压电陶瓷共振板包括在所述周沿附近支撑在所述平表面上的平内表面；
在所述印刷电路板与所述共振板之间的电接触，用于将所述共振板连接到电源；以及
耦合器，该耦合器包括具有相对的第一侧和第二侧的平面元件，所述第一侧横切所述共振板的表面延伸并连接到该表面，用于声学地将所述共振板耦合到与该耦合器的第二侧接触的介质。
15.根据权利要求14所述的超声波换能器组件，其中，所述共振板包括定义了伸长的主尺寸和次尺寸的矩形板，并且所述共振板以悬臂梁的方式被支撑在接触焊盘上，其中所述共振板的伸长的主尺寸从所述衬底元件的所述周沿延伸。
16.根据权利要求14所述的超声波换能器组件，其中，所述耦合器包括基本上刚性的盘形振动膜和由不同于所述振动膜的材料制成的阻抗匹配元件，该阻抗匹配元件延伸过所述振动膜，并限定了所述第二侧，并且所述耦合器还包括在所述第一侧处的连结结构，该连结结构将所述共振板的所述表面机械地连接到所述振动膜和所述阻抗匹配元件。
17.根据权利要求16所述的超声波换能器组件，包括围绕所述衬底元件、所述共振板和所述耦合器的阻尼材料，并且所述耦合器还包括将所述振动膜与所述阻尼材料隔开的弹性隔离层。
18.一种包括用于感测邻近换能器的物体的位置的超声波换能器组件的传感器，该传感器包括：
衬底元件，该衬底元件包括限定了平表面和周沿的印刷电路板；
矩形压电陶瓷共振板，该矩形压电陶瓷共振板限定了伸长的主尺寸和次尺寸，所述共振板以悬臂梁的方式支撑在所述衬底元件上，共振板的伸长的主尺寸从所述衬底元件的所述周沿延伸；
在所述印刷电路板与所述共振板之间的多个电接触，用于将所述共振板连接到电源，所述多个电接触之一形成所述共振板在所述衬底元件上的悬臂梁支撑；以及
盘形耦合器，该耦合器包括具有相对的第一侧和第二侧的平面元件，所述第一侧横切所述共振板的表面延伸并连接到该表面，所述耦合器由所述共振板声学地激励，以将信号发送到邻近该耦合器的物体，并且所述耦合器接收并发送从所述物体到所述共振板的反射信号。
19.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述耦合器包括基本上刚性的振动膜和由不同于所述振动膜的材料制成的阻抗匹配元件，该阻抗匹配元件延伸过所述振动膜并限定所述第二侧，并且所述耦合器还包括在所述第一侧处的连结结构，该连结结构将所述共振板的所述表面机械地连接到所述振动膜和所述阻抗匹配元件。
20.根据权利要求19所述的传感器，包括包含围绕所述衬底元件的阻尼材料、所述共振板以及所述耦合器的外壳，并且所述耦合器还包括将所述振动膜与所述阻尼材料隔开的弹性隔离层。
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