CN102652269A - 超声波传感器及超声波传感器的安装方法 - Google Patents

超声波传感器及超声波传感器的安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及的超声波传感器具有以下结构：在安装于缓冲器4的背面的超声波传感器中设有匹配构件3，该匹配构件3与该超声波传感器的超声波发送面和所述缓冲器4之间的相对面密接，且该匹配构件3的声阻抗比所述超声波发送面和所述缓冲器各自的声阻抗要小，因此谐振频率波动较小、力图提高发送功率并实现稳定化。

Description

超声波传感器及超声波传感器的安装方法
技术领域
本发明涉及超声波传感器及将超声波传感器安装到缓冲器背面的方法。
背景技术
作为现有的这种超声波传感器，例如有专利文献1～专利文献3所公开的超声波传感器。专利文献1所公开的结构如下：在缓冲器背面设有凹坑（凹部），利用产生超声波的陶瓷8、金属基底9及按压盖板27或按压板簧34，将陶瓷8的未与金属基底9相接的一侧表面（以下称作陶瓷表面）按压到缓冲器背侧的凹面中。
专利文献2所公开的结构如下：在缓冲器上形成凹部，直接紧密接合超声波元件的振动面，从而利用粘接剂进行粘贴固定。此外，专利文献3所公开的结构如下：在超声波传感器的底部（发送面）设有突起部，将该突起部与安装构件相接触。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平10-123236号公报
专利文献2：日本专利特开昭62-240890号公报
专利文献3：日本国专利特开2007-147319号公报
但是，专利文献1所记载的结构中，由于缓冲器背面和陶瓷表面的接触状态不均匀，因此存在以下问题：产生空气层且超声波发送效率下降。此外，若缓冲器表面的凹坑面的面精度较差，则存在发送效率的偏差增大等问题。
此外，在专利文献2所记载的结构中，由于完全固定了超声波传感器元件，因此，无法因故障等而交换超声波传感器元件。此外，由于缓冲器薄壁部分也作为超声波的振动面，因此存在以下问题：为了产生对空气超声波传播效率较佳的40kHz频带的频率，需要增大超声波传感器元件的厚度及口径，而导致超声波传感器变得不实用。
此外，在专利文献3所记载的结构中，突起部中超声波的传输范围较窄、确保了希望的指向性，但粘接方法不明确。此外，在将超声波传感器固化固定于缓冲器背面的情况下，由于振动部分的质量增大，因此，谐振频率（超声波的发送频率）容易发生变动，即存在的问题有：还会根据固定条件而发生变动。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种谐振频率变动较小、且能力图提高发送效率以及实现稳定化的超声波传感器及超声波传感器的安装方法。
发明内容
本发明所涉及的超声波传感器在超声波发送面上设有匹配构件，该匹配构件的声阻抗比缓冲器和超声波传感器各自的声阻抗要小。
在本发明所涉及的超声波传感器中，超声波传感器的超声波发送面、匹配构件、缓冲器和空气的声阻抗满足以下关系：
Z1>Z2<Z3
Z2>Zair
式中
Z1···超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗
Z2···匹配构件的声阻抗
Z3···缓冲器的声阻抗
Zair···空气的声阻抗。
在本发明所涉及的超声波传感器的安装方法中，将超声波传感器配置于缓冲器背面的规定位置，利用固定构件来按压所述超声波传感器的结构要素即金属壳体的凸缘部，在该按压的状态下，将所述固定构件固定到所述缓冲器。
根据本发明所涉及的超声波传感器，在超声波发送面设有匹配构件，该匹配构件的声阻抗比缓冲器和超声波传感器各自的声阻抗要小，因此，无需在缓冲器中设置贯穿孔，就能将超声波传感器直接安装于缓冲器背面并检测障碍物，由于超声波传感器不会露出缓冲器表面，因此能提高缓冲器的设计性。
此外，将匹配构件插入于超声波传感器和缓冲器的相对面之间，能提高两者间的间接紧贴性、降低发送功率的偏差。
根据本发明所涉及的超声波传感器，超声波传感器的超声波发送面、匹配构件、缓冲器和空气的声阻抗满足以下关系，因此能提高超声波的发送效率：
Z1>Z2<Z3
Z2>Zair
式中
Z1···超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗
Z2···匹配构件的声阻抗
Z3···缓冲器的声阻抗
Zair···空气的声阻抗。
根据本发明所涉及的超声波传感器的安装方法，将超声波传感器配置于缓冲器背面的规定位置，利用固定构件来按压所述超声波传感器的结构要素即金属壳体的凸缘部，在该按压的状态下，将所述固定构件固定到所述缓冲器，因此，使得缓冲器背面和超声波传感器的超声波发送面之间的距离即匹配构件的厚度成为一定距离。此外，能对加压状态进行管理，因此，超声波的收发效率得以稳定且可靠性得以提高。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的超声波传感器的安装状态的原理图。
图2是表示将本发明的实施方式1的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态的剖视图。
图3是用于实施方式1的超声波传感器的匹配构件的俯视图。
图4是表示将本发明的实施方式2的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态的剖视图。
图5是表示将本发明的实施方式3的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态的剖视图。
图6是用于实施方式3的超声波传感器的匹配构件的俯视图。
图7是表示将本发明的实施方式4的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态的剖视图。
图8是表示将本发明的实施方式5的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态的剖视图。
图9是对超声波传感器和缓冲器之间的加压状态进行监视的电路图。
图10是表示输出电压相对于加压压力的变化的特性图。
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。
实施方式1
图1是表示本发明所涉及的超声波传感器的原理图，其结构如下：在杯形金属壳体1的底面中央设有PZT（锆钛酸铅）2，将匹配构件3与金属壳体1和缓冲器4之间的相对面密接，该匹配构件3比金属壳体1和缓冲器4的各自的声阻抗要小。
具有上述结构的超声波传感器使从金属壳体1的发送/接收面发射的超声波穿过匹配构件3、缓冲器4并沿箭头a方向前进。然后，撞上未图示的障碍物等并被反射的反射波沿箭头b方向前进，穿过匹配构件3、缓冲器4，并从金属壳体1的接收面入射到PZT 2。
在该情况下，为了提高超声波收发功率，使超声波传感器的超声波发送面、匹配构件、缓冲器及空气的声阻抗满足以下关系。
Z1>Z2<Z3
Z2>Zair
式中
Z1···超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗
Z2···匹配构件的声阻抗
Z3···缓冲器的声阻抗
Zair···空气的声阻抗
图2表示将根据实施方式1的超声波传感器安装到缓冲器背面的状态，将匹配构件3卡合到形成于缓冲器4的背面的凹部4a中，使金属壳体1的凸缘部1a与缓冲器4的背面相抵接。接着，将具有贯穿金属壳体1的孔6b的固定环6嵌入该金属壳体，在将孔6b周边的凸缘部6a与金属壳体1的凸缘部1a相抵接的状态下，利用粘接剂7将固定环6粘接固定到缓冲器4的背面。
匹配构件3由具有2种声阻抗的匹配构件3a、3b所构成，各匹配构件3a、3b的声阻抗满足以下关系。
Z21》Z22
式中
Z21···中央部的第一匹配构件的声阻抗
Z22···周边部的第二匹配构件的声阻抗
在该情况下，中央部的第一匹配构件3a采用消泡有机(defoamedsilicone)，周边部的第二匹配构件3b采用发泡聚苯乙烯(foamed polystyrene)或发泡有机硅(foamed silicone)。此外，可用即使材质相同、声阻抗却不同的构件来实现。在该情况下，若匹配构件3具有紧贴性、触变性（因表面张力而形状变化较小的材料），则更佳。
而且，第一匹配构件3a和缓冲器4的背面之间的接触面的形状具有长宽比。图3（a）、（b）、（c）是相对于周边部的第二匹配构件3b改变了中央部的第一匹配构件3a的形状的结构，图3（a）中第一匹配构件3a的形状为四边形，图3（b）中第一匹配构件3a的形状为椭圆形，图3（c）中第一匹配构件3a的形状为圆形，它们与缓冲器4的背面的接触面之间的长宽比各不相同。
在周边部的第二匹配构件3b中，以间隔大致相等的方式混入了圆形或多边形的例如玻璃、金属等固态物5。
如上所述，根据实施方式1，不用对缓冲器4设置贯穿孔，就能将超声波传感器直接安装于缓冲器4的背面并检测障碍物，因此，超声波传感器不会露出缓冲器表面，提高缓冲器4的设计性。
此外，使超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗Z1、匹配构件的声阻抗Z2、缓冲器4的声阻抗Z3、空气的声阻抗Zair满足以下关系：
Z1>Z2<Z3
Z2>Zair
从而能提高超声波的收发效率。
此外，由具有2种声阻抗的中央部的第一匹配构件3a和周边部的第二匹配构件3b来构成匹配构件3，使中央部的第一匹配构件3a的声阻抗Z21、周边部的第二匹配构件3b的声阻抗Z22满足以下关系；
Z21》Z22
从而能提高超声波的收发效率并改变超声波的指向性。
另外，根据超声波传感器的设置环境，可使超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗Z1、匹配构件的声阻抗Z2、缓冲器4的声阻抗Z3、空气的声阻抗Zair的关系满足以下关系：
Z1>Z2>Z3
或
Z1<Z2<Z3。
此外，通过对匹配构件3混入固态物5，使缓冲器4的背面与金属壳体1的超声波发送面之间的距离即匹配构件3的厚度成为一定距离，因此，超声波的收发效率得以稳定且可靠性得以提高。
实施方式2
图4表示将本发明的实施方式2的超声波传感器安装到缓冲器4的背面的状态，使周边部的第二匹配构件3b形成为杯形，从而形成覆盖金属壳体1的超声波发送/接收面的结构（帽结构）。
根据本实施方式2，由于利用第二匹配构件3b来覆盖金属壳体1的超声波发送/接收面，因此，能容易将超声波传感器安装到缓冲器4背面的凹部4a。
而且，具有降低在缓冲器的厚度方向上传播的超声波分量的效果，能消除不需要的超声波辐射。
实施方式3
图5表示将实施方式3的超声波传感器安装到缓冲器4的背面的状态，其结构如下：在金属壳体1的超声波发送/接收面的周围设置突起8，该突起8的高度与匹配构件3的厚度大致相等。如图6（a）所示那样，在金属壳体1的超声波发送/接收面的周围，以等间隔来设置该突起8。或者，如图6（b）所示那样，以包围匹配构件3的周围的方式来将上述突起8设置成环状，且上述突起8的高度与该匹配构件的厚度大致相同。此外，如图6（c）所示那样，在将匹配构件3形成为椭圆形的情况或如图6（d）所示那样将匹配构件3形成为四边形的情况下，以包围该匹配构件3的周围的方式来形成上述突起8，且上述突起8的高度与该匹配构件的厚度大致相同。
根据本实施方式3，将缓冲器4的背面和金属壳体1的超声波发送/接收面1a之间的距离即匹配构件3的厚度保持一定，因此，能对匹配构件3的加压状态进行管理，超声波的收发效率得以稳定且可靠性得以提高。
实施方式4
图7表示将实施方式4的超声波传感器安装到缓冲器4的背面的状态，在形成于缓冲器4的背面的凹部4a的底面设有直径比该凹部4a要小的凹部4b，该凹部4b的深度与匹配构件的厚度大致相同，该凹部4b周围的突起部4c、即凹部4a的底面承接金属壳体1的超声波发送/接收面1a的周围。在该情况下，匹配构件3的平面形状可与图6（a）～（d）所示相同地，成为圆形、椭圆形、四边形、其它形状等任意形状。
根据本实施方式4，由凹部周围的突起部4c承接金属壳体1的超声波发送/接受面，组装时不对匹配构件3施加所需压力以上的压力，因此，能对匹配构件3的加压状态进行管理，超声波的收发效率得以稳定且可靠性得以提高。
实施方式5
图8表示将实施方式5的超声波传感器安装到缓冲器4的背面的状态，将匹配构件3卡合到形成于缓冲器4的背面的凹部4a中，使金属壳体1的凸缘部1a与缓冲器4的背面相抵接。其结构如下：固定环6具有贯穿金属壳体1的孔6b，该孔6b周边的凸缘部6a与金属壳体1的凸缘部1a之间形成有间隙10，并且，将该凸缘部6a的周边弯曲成为截面呈U字型以使其具有弹性，利用该U字型弯曲前端部将凸缘部1a按压到缓冲器4的背面。
根据本实施方式5，利用固定环6一侧的弹性将金属壳体1的凸缘部1a按压到缓冲器4的背面，因此，能将缓冲器4的背面与金属壳体1的超声波发送/接受面之间的距离即匹配构件3的厚度保持一定，能对匹配构件3的加压状态进行管理，超声波的收发效率得以稳定且可靠性得以提高。
另外，如上述实施方式1、2、5所示，利用具有2种声阻抗的匹配构件3a、3b来构成匹配构件3，对匹配构件3的周边部的匹配构件3b采用压敏橡胶，利用固定环6的凸缘部6a对匹配构件3b进行加压，以安装到缓冲器4的背面，能适当地进行加压。
图9表示对该加压状态进行监视的电路的一示例，如图10所示那样在施加一定电压E的状态下，加压橡胶即周边部的匹配构件3b的输出电压V相对于加压力P而变化，因此，确定加压力P以使其输出电压V落在适当的加压区域内。当落在适当的加压区域以外时，若利用输出电压V来发出报警，则能始终以适当的压力将周边部的匹配构件3b安装到缓冲器4的背面。
另外，在上述各实施方式中，使其具有以下结构：将固定环6的凸缘部6a至少分为2部分，使该各分割部的配合部可彼此相连结，并且使各分割部的基部可弯曲，从而使得交换超声波传感器变容易。
工业上的实用性
本发明能获得收发效率稳定的超声波传感器及超声波传感器模块，并且，能以较佳外形将它们安装到缓冲器4的背面。

Claims (12)

1.一种超声波传感器，安装于缓冲器的背面，其特征在于，设有匹配构件，该匹配构件与该超声波传感器的超声波发送面和所述缓冲器之间的相对面密接，该匹配构件的声阻抗比该超声波传感器的超声波发送面和所述缓冲器的声阻抗要小。
2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，超声波传感器的超声波发送面、匹配构件、缓冲器和空气的声阻抗满足以下关系：
Z1>Z2<Z3
Z2>Zair
式中
Z1···超声波传感器的发送面（金属壳体）的声阻抗
Z2···匹配构件的声阻抗
Z3···缓冲器的声阻抗
Zair···空气的声阻抗。
3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，匹配构件由具有第一声阻抗的构件和具有第二声阻抗的构件来构成，至少一个构件与缓冲器之间的接触面的形状具有长宽比，各构件的声阻抗满足下式的关系：
Z21》Z22
式中
Z21···中央部的第一构件的声阻抗
Z22···周边部的第二构件的声阻抗。
4.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，第一构件为消泡有机硅、第二构件为发泡聚苯乙烯或发泡有机硅。
5.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，匹配构件由具有第一声阻抗的构件和具有第二声阻抗的构件来构成，第二构件为覆盖超声波发送面的帽结构。
6.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，对周边的匹配构件或周边的匹配构件混入圆形或多边形形状的固态物。
7.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，对中央的匹配构件采用压敏橡胶，以监视超声波传感器和缓冲器的加压状态，具有在一定阈值以上或以下时发出报警的功能。
8.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，在超声波传感器的结构要素即金属壳体的超声波发送面和所述缓冲器的抵接面中的任意一个面上设有突起部，利用该突起部，将插入在所述抵接面的匹配构件的厚度保持一定。
9.如权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，利用突起部的形状来改变匹配构件的长宽比。
10.一种超声波传感器的安装方法，其特征在于，将权利要求1至9中任一项所述的超声波传感器配置于缓冲器背面的规定位置，用固定构件来按压所述超声波传感器的结构要素即金属壳体的凸缘部，在该按压的状态下，将所述固定构件固定于所述缓冲器。
11.如权利要求10所述的超声波传感器的安装方法，其特征在于，固定构件包括始终按压金属壳体的凸缘部的施力构件。
12.如权利要求10所述的超声波传感器的安装方法，其特征在于，在固定构件上形成施力构件。
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