CN115825963B - 一种超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波传感器技术领域，具体涉及一种超声波传感器，该超声波传感器，包括塑壳（3）、压电陶瓷片（4）和匹配层（1），所述压电陶瓷片（4）与所述匹配层（1）连接，所述塑壳（3）与所述匹配层（1）连接，所述压电陶瓷片（4）、所述塑壳（3）和所述匹配层（1）在所述匹配层（1）固化成型过程中连接成为一个整体。本发明的超声波传感器中，塑壳、压电陶瓷片和匹配层一次性连接成型，构成一个整体，减少了装配工序，节约了成本，同时一致性更好，实际产品性能更接近于理论设计参数。
Description
技术领域
本发明涉及超声波传感器技术领域，具体涉及一种超声波传感器。
背景技术
智能家电的材质识别模组中，多使用超声波传感器进行距离探测，以实现自动识别和智能工作。例如，智能扫地机器人通过超声波传感器识别出障碍物，以进行路线规划。目前市面上流行的用于材质识别的超声波传感器种类不多，有的成本相对低廉，其匹配层成型方式是直接将匹配层材料填充于压电陶瓷片与塑壳之间，这样容易造成的后果是陶瓷片倾斜，导致回波测试值偏差。有的则采用一体成型的方式先制备匹配层，再粘接压电陶瓷片到匹配层，虽然有助于减少陶瓷片的倾斜，但是装配过程又相对复杂，装配效率低，产品一致性不好，产品的性能与理论设计值偏差较大。
专利《一种传感器》（CN113390969A）公开了一种传感器，该传感器包括具有安装孔的壳套、嵌设于所述安装孔的内壁上的匹配层，以及安装在所述匹配层上的压电陶瓷片；所述匹配层具有凹槽，所述压电陶瓷片安装在所述凹槽的底壁上。该发明可以增大灵敏度的同时降低余振，提高传感器的性能。该传感器中明确提到了匹配层是通过注塑工艺一体成型的，并且，压电陶瓷片通过贴片胶粘贴在U形的匹配层的底壁上，压电陶瓷片左右两端通过贴片胶与凹槽的侧壁连接。并且，由于压电陶瓷片的负极上有负焊点，为了确保压电陶瓷片与匹配层的底壁紧密粘贴，在匹配层的底壁上预留了焊点槽，压电陶瓷片与U形的匹配层的底壁贴合后，负焊点通过贴片胶粘贴于焊点槽内。
上述方案存在以下问题：虽然匹配层是一体成型的U型结构，并且为了适应压电陶瓷片下表面有凸起的焊点，在U形结构的底壁上设置了用于容纳焊点的焊点槽，但是，该方案中仍然需要将压电陶瓷芯片用胶水粘贴在匹配层上，再将塑壳与匹配层粘贴，粘贴过程为手工组装，胶水粘贴和手工组装仍然容易产生误差，比如，将压电陶瓷片通过贴片胶粘贴在U型的匹配层的底壁时，胶水的厚度很难保持一致，造成产品的一致性不好；还比如，虽然匹配层的U形结构底部用于放置压电陶瓷芯片，但是在贴合时也并不能保证压电陶瓷芯片与U型底面平行，会造成压电陶瓷芯片重心不平衡，同心度受影响，也会造成压电陶瓷芯片对外发射超声波信号不均匀，性能受影响。另外，匹配层和压电陶瓷芯片粘贴后，压电陶瓷芯片和匹配层之间隔着胶水，匹配层和压电陶瓷芯片组装后的结构涉及三种材料，三种材料膨胀系数不一样，会造成压电陶瓷芯片发出的振动信号在不同材料里传输的性能与理论设计值会有较大偏差，而且三种材料膨胀系数不一样，还会造成组装后的产品在振动作用下，使用寿命受影响。
发明内容
本发明的发明目的在于：对现有的超声波传感器的结构进行改进，将压电陶瓷片、塑壳和匹配层在匹配层固化过程中一次性连接成型，以利于简化装配难度，提高产品性能，并且提高产品的一致性，因此提出了一种超声波传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超声波传感器，包括塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1，所述压电陶瓷片4与所述匹配层1连接，所述塑壳3与所述匹配层1连接，所述压电陶瓷片4、所述塑壳3和所述匹配层1在所述匹配层1固化成型过程中连接成为一个整体。
所述压电陶瓷片4、所述塑壳3和所述匹配层1在所述匹配层1固化成型过程中连接成为一个整体是指，将塑壳3和压电陶瓷片4放置在可与匹配层1连接的位置，并预留出可以填充液态匹配层材料的预留空间，将液态匹配层材料注入预留空间，则在液态匹配层材料固化成型为匹配层的过程中，压电陶瓷片4与所述匹配层1连接，所述塑壳3与所述匹配层1连接，塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1构成一个整体。
现有技术中，通常是塑壳、压电陶瓷片和匹配层作为零部件准备好之后，才将其通过胶水粘贴进行组装，从而构成满足性能要求的超声波传感器，所以，如何设计各部分的形状结构，使其能紧密贴合实现理论设计参数是关键，但是本发明的一种超声波传感器中，作为超声波传感器的主要组成部分的压电陶瓷片和所述塑壳在所述匹配层固化过程中一次性连接成型，塑壳、压电陶瓷片和匹配层能紧密结合，无须额外采用胶水将压电陶瓷芯片粘贴在匹配层，因为减少了用胶水粘贴的过程，超声波在传输的时候只需穿透匹配层而不是穿透不同材质的胶水层和匹配层，灵敏度更高。减少了粘贴的步骤，减少了组装过程，加工过程难度降低，减少了组装产生的误差，产品一致性好，成品率高，也降低了成本。
作为本发明的优选方案，部分所述压电陶瓷片4嵌入所述匹配层1中。压电陶瓷片4在匹配层1固化过程中嵌入匹配层，固定在匹配层1上，压电陶瓷片4部分嵌入匹配层1，匹配层将压电陶瓷片4包裹，结合得更加稳固，同时，这样的嵌入不是完全嵌入，而是将部分压电陶瓷片4嵌入匹配层1中，使得压电陶瓷片4的振动信号能通过与匹配层贴合的下表面和侧面进行传输，满足超声波传感器从塑壳端面传输出去的方向性需求。
作为本发明的优选方案，压电陶瓷片4嵌入匹配层1的一侧具有引线端，所述引线端用于与端子线7电连接。
由于压电陶瓷片4在匹配层1固化过程中嵌入匹配层中，所以，当压电陶瓷片4嵌入侧具有引线端时，匹配层自适应地与引线端贴合，而无需提前在匹配层1中预留出放置引线端的空间，也无须考虑压电陶瓷片4嵌入侧引线端的个数和引线端的形状。避免了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行，压电陶瓷芯片重心不平衡，同心度受影响的问题，也克服了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行带来的压电陶瓷芯片对外发射超声波信号不均匀，性能受影响的问题。
作为本发明的优选方案，所述匹配层1为凹槽，所述压电陶瓷片4嵌入所述凹槽的底部。
这样设计的考虑在于，超声波传感器的设计需要具有方向性，也就是在塑壳内远离塑壳端面的方向上阻碍振动信号的传输，振动信号集中从塑壳端面传输出去，匹配层1凹槽的设计以及压电陶瓷片4嵌入所述凹槽的底部设计，有利于阻尼层的阻尼材料填入匹配层1凹槽内压电陶瓷片4上表面的空间里，也有利于在填充阻尼材料的时候控制阻尼层的深度，并且阻尼层能更好地与压电陶瓷片4的上表面贴合。
作为本发明的优选方案，塑壳3内侧壁上的台面301与匹配层1连接。塑壳3是容纳本发明所有填充材料的容器，当塑壳3通过内侧壁上的台面301与匹配层1固定连接后，就将塑壳3内的空间以匹配层1为界进行了区域划分，便于后续工艺中基于该区域划分进行材料的填充和部件的组装。
作为本发明的优选方案，所述匹配层1与所述台面301相连的连接面在所述塑壳3径向上的宽度是所述台面301在所述塑壳3径向上的宽度的1/2～4/5。匹配层1和塑壳3只通过塑壳3内侧壁上的台面301连接，如果接触面较小，没有预留出足够的固定面积，在振动信号的作用下，容易将匹配层1和台面301之间连接端振断而损坏。匹配层1与所述台面301相连的连接面在所述塑壳3径向上的宽度是所述台面301在所述塑壳3径向上的宽度的1/2～4/5，这一特征的限定原因在于：台面301的一部分要与匹配层1连接，另一部分要用于填充减震材料，匹配层1和台面301之间连接端的宽度是连接面越宽连接得越牢固，但是连接面增宽就会使得台面上与匹配层1相邻的减震材料厚度变窄，减震材料厚度变窄减振效果减弱。另一方面，用于填充减震材料的台面宽度也是宽度越宽减振效果越好，用于填充减震材料的台面宽度越宽，匹配层1和台面301之间连接面就越窄，连接端容易振断。为了兼顾连接面的宽度和填充材料的厚度，设定了1/2～4/5这一取值范围，即匹配层1与所述台面301相连的连接面在所述塑壳3径向上的宽度是所述台面301在所述塑壳3径向上的宽度的1/2～4/5，连接面占台301二分之一的宽度，则减振材料占台面301二分之一的宽度；连接面占台面301五分之四的宽度，则减振材料占台面301五分之一的宽度，这一范围的设置兼顾了匹配层1和台面301之间连接端不容易断裂和减振材料厚度满足减振要求的两个效果。
作为本发明的优选方案，还包括阻尼层5、灌封层6和端子线7，所述塑壳3内远离所述匹配层1的空间里依次连接了阻尼层5和灌封层6，所述端子线7的一端嵌入灌封层6，所述压电陶瓷片4位于所述阻尼层5和所述匹配层1之间，所述压电陶瓷片4与端子线7嵌入灌封层6的一端电连接，压电陶瓷片4与端子线7可以直接连接。
作为本发明的优选方案，还包括PCB板21、所述PCB板21位于所述阻尼层5和灌封层6之间，所述压电陶瓷片4与所述PCB板21电连接，所述端子线7与所述PCB板21电连接，为了装配的便利性，增加了PCB板21，端子线7与所述PCB板21电连接后，以PCB板21为中转部件，端子线7和压电陶瓷片4都与PCB板21电连接，焊接方便，而无需将压电陶瓷片4上的线直接与端子线7焊接（线与线之间的焊接工艺要求更高，不容易焊牢，但是PCB上有焊点，焊点接触面积大，线与焊点之间的焊接易于实现）。
作为本发明的优选方案，所述台面301、塑壳3和匹配层1之间构成的环形槽中设置有减振层2。
作为本发明的优选方案，所述减振层2在所述塑壳3的轴向上分为第一减振层和第二减振层，所述第一减振层在所述塑壳3径向上的宽度小于所述第二减振层在所述塑壳3径向上的宽度，所述第一减振层和第二减振层之间的分界面到塑壳端面的距离大于或等于所述压电陶瓷片4上端面到塑壳3端面的距离。
减振层2的厚度厚一些效果较好，但是减振层2的厚度增厚之后，台面301上留给匹配层1和台面301的连接面宽度就会减少，为了兼顾匹配层1和台面301的连接面宽度不被震断，又能增加减振层的厚度，进一步的，将减振层2在所述塑壳3的轴向上分为第一减振层和第二减振层，第一减振层窄，用于跟台面301连接，第二减振层宽，用于增加减振的效果，从剖面来看，减振层2呈现L的形状。考虑到减振层2是对压电陶瓷片4进行减振，而无须对压电陶瓷片4上面的阻尼层5减振，所以第一减振层和第二减振层之间的分界面到塑壳端面302的距离大于或等于所述压电陶瓷片4上端面到塑壳端面302的距离，即第一减振层和第二减振层之间的分界面以压电陶瓷片4与阻尼层5之间的分界面为界，使得性能效果最佳。
作为本发明的优选方案，所述减振层2位于塑壳端面302的一侧是凹面。
作为本发明的优选方案，所述匹配层1的前端面比所述塑壳3的塑壳端面302高出0.05mm-0.5mm，便于根据需要打磨匹配层厚度以调节产品的谐振频率和阻抗参数，满足产品的不同需求。
作为本发明的优选方案，所述匹配层1与所述台面301通过凸台405连接，所述凸台405的直径上小下大。该设计方案考虑的因素在于，一方面是基于模具考虑，凸台405的直径上小下大，模具方便清理、易脱模、不易积灰；另一方面，凸台405的直径上小下大，在传感器工作过程中，匹配层下端面侧壁没有应力集中，使得匹配层侧壁强度更高。
作为本发明的优选方案，所述凸台405的剖面图中斜边与底边之间的夹角范围为40°≤a≤60°。
综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
由于结构上的改进，本发明的一种超声波传感器中压电陶瓷片、塑壳和匹配层在匹配层固化过程中一次性连接成型，减少了组装过程，减少了组装产生的误差，作为超声波传感器的主要组成部分的塑壳、压电陶瓷片和匹配层能紧密结合，无须额外采用胶水将压电陶瓷芯片粘贴在匹配层，因为减少了粘贴的胶水，超声波在传输的时候只需穿透匹配层而不是穿透不同材质的胶水层和匹配层，灵敏度更高。另外，因为减少了粘贴的步骤，加工过程难度降低，产品一致性好，成品率高，也降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种超声波传感器塑壳、压电陶瓷片、匹配层一次性连接成型后的剖视图；
图2为本发明实施例1中一种超声波传感器塑壳的剖视图一；
图3为本发明实施例1中一种超声波传感器塑壳、压电陶瓷片、匹配层一次性连接成型后的剖视图二；
图4为本发明实施例1中一种超声波传感器完整结构的剖视图；
图5为本发明实施例2中带有PCB板的超声波传感器剖面图；
图6为本发明实施例3中一种超声波传感器完整的匹配层图形；
图7为本发明实施例3中一种超声波传感器破损的匹配层图形；
图8为本发明实施例3中对射的超声波传感器回波灵敏度图形；
图9为本发明实施例4中将匹配层下端面与台面连接的凸台设计为直角边的结构示意图；
图10为本发明实施例4中将匹配层下端面与台面连接的凸台设计为斜面的结构图；
图11为本发明实施例4中将匹配层下端面与台面连接的凸台设计为直角边的受力仿真图；
图12为本发明实施例4中将匹配层下端面与台面连接的凸台设计为斜面受力分析仿真图。
附图标记：1-匹配层，2-减振材料（减振层），201-第一减振层，202-第二减振层，3—塑壳，301-台面，302-塑壳端面，303-第二圆柱形通孔，304-第一圆柱形通孔，4-压电陶瓷片，401-上引线端，402-下引线端，403-匹配层前端面，404-匹配层后端面，405-凸台，5-阻尼材料（阻尼层），6-灌封材料（灌封层），7-端子线，20-粘接胶，21-PCB板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种超声波传感器，包括塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1，所述压电陶瓷片4与所述匹配层1连接，所述塑壳3与所述匹配层1连接，所述压电陶瓷片4、所述塑壳3和所述匹配层1在所述匹配层1固化过程中一次性连接成型。图1的剖视图可以较为直观的展示成型后的形状，匹配层1固化后附着于塑壳3内部的台面301和内壁，使匹配层1能够很好地与塑壳3相连。匹配层1上还连接了压电陶瓷片4，塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1如图1所示的连接关系是：压电陶瓷片4、塑壳3和匹配层1在匹配层1固化成型过程中连接成为一个整体，具体是指将塑壳3和压电陶瓷片4放置在可与匹配层连接的位置，并预留出可以填充液态匹配层材料的预留空间，将液态匹配层材料注入预留空间，则在液态匹配层材料固化成型为匹配层的过程中，压电陶瓷片4与匹配层1连接，塑壳3与匹配层1连接，塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1构成一个整体，在匹配层由液体变为固体的过程中一次性连接成型。
现有技术中，通常是将塑壳3（塑壳的剖视图如图2所示）、压电陶瓷片4和匹配层1作为零部件准备好之后，才将其通过胶水粘贴进行组装，从而构成满足性能要求的超声波传感器，所以，如何设计各部分的形状结构，使其能紧密贴合实现理论设计参数是关键，但是本发明的一种超声波传感器压电陶瓷片4、塑壳3和匹配层1在匹配层1固化过程中一次性连接成型，减少了组装过程，减少了组装产生的误差，作为超声波传感器的主要组成部分的塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1能紧密结合，无须额外采用胶水将压电陶瓷芯片4粘贴在匹配层1上，因为减少了粘贴的胶水，超声波在传输的时候只需穿透匹配层而不是穿透不同材质的胶水层和匹配层，灵敏度更高。减少了粘贴的步骤，加工过程难度降低，产品一致性好，成品率高，也降低了成本。
作为本发明的优选方案，部分所述压电陶瓷片4嵌入所述匹配层1中。如图1所示，压电陶瓷片4在匹配层1固化过程中嵌入匹配层中，将压电陶瓷片4固定在匹配层1上，这样的嵌入不是完全嵌入，而是将部分压电陶瓷片4嵌入匹配层1中，使得压电陶瓷片4的振动信号能通过下表面和侧面的匹配层1进行传输，满足超声波传感器从塑壳端面302传输出去的方向性需求。另外，压电陶瓷片4部分嵌入匹配层1，匹配层1将压电陶瓷片4包裹，结合得更加稳固。
作为本发明的优选方案，所述压电陶瓷片4嵌入所述匹配层1的一侧具有引线端，所述引线端用于与端子线7电连接。
如图3所示，由于压电陶瓷片4在匹配层1固化过程中嵌入匹配层1中，所以，当压电陶瓷片4嵌入侧具有引线端401时，匹配层1自适应地与引线端401贴合，而无需提前在匹配层1中预留出放置引线端的端点槽，也无须考虑压电陶瓷片4嵌入侧引线端的个数和引线端的形状。避免了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行的问题，从而避免了压电陶瓷芯片重心不平衡，同心度受影响的问题，也克服了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行带来的压电陶瓷芯片对外发射超声波信号不均匀，性能受影响的问题。
作为本发明的优选方案，所述匹配层1为凹槽，所述压电陶瓷片4嵌入所述凹槽的底部。
这样设计的考虑在于，凹槽底部嵌入压电陶瓷片4，更易于形成匹配层1三面包裹压电陶瓷片4的结构，在匹配层1固化的过程中，压电陶瓷片4和匹配层1贴合得更加紧密，振动信号可以通过压电陶瓷片4与匹配层1接触的那一面和侧面传输出去，满足超声波传感器振动信号传输的方向性要求。安装压电陶瓷片4后匹配层1凹槽内剩余的空间用于填充阻尼层，凹槽结构下阻尼层的填充更加方便，易于加工。也有利于在填充阻尼材料的时候控制阻尼层的深度，并且阻尼层能更好地与压电陶瓷片（4）的表面贴合。
所述的匹配层1外形呈凹槽型，凹槽底部形成前端面403，除了凹槽底部以外的侧壁形成后端面404，匹配层1前端面403比塑壳3端面302高出0.05mm-0.5mm，便于根据需要打磨匹配层厚度以调节产品的谐振频率和阻抗参数，满足产品的不同需求。
匹配层1后端面404附着于塑壳内部3台面301上，并且从图4中来看，线段AB和线段AC的长度比为1/2～4/5（也即是匹配层1与所述台面301相连的连接面在所述塑壳3径向上的宽度是所述台面301在所述塑壳3径向上的宽度的1/2～4/5），其中，点A和点B是所述超声波传感器的纵向剖面图中塑壳3内台面301与所述匹配层1连接部分的两个端点，点C是所述台面301与塑壳3内壁的连接点。这样取值的原因在于，线段AB和线段AC的长度比大于1/2能够保证匹配层在台面301上有足够的接触面积，不至于破损；线段AB和线段AC的长度比小于4/5是给匹配层和塑壳间留下一定空间，用以填充减振材料，防止匹配层侧壁和塑壳硬接触，导致匹配层的径向振动直接传递给塑壳，造成余振大。上述限制是为了确保匹配层侧壁与塑壳台面有足够的接触面积，在台面对匹配层限位时，匹配层侧壁不会在作用力下破裂。
作为优选方案，如图4所示，AD段附着于塑壳内壁，线段AD的长度大于或等于1mm，更能增强匹配层在塑壳上的附着力，其中，线段AD是所述超声波传感器的纵向剖面图中匹配层1的侧壁与所述台面301没有连接部分的线段。
为了实现超声传感器的功能，除了塑壳3、压电陶瓷片4和匹配层1，还包括减振材料2、阻尼材料（阻尼层）5、灌封材料（灌封层）6以及端子线7，该超声波传感器完整结构的剖视图如图4所示。
结合图1-3可以看出，进一步的方案是，塑壳3采用聚合物材质制作，塑壳3内部是圆柱形通孔，其中圆柱形通孔分为第一圆柱形通孔304和第二圆柱形通孔303，第一圆柱形通孔304在塑壳径向上的截面直径大于第二圆柱形通孔303在塑壳径向上的截面直径，塑壳3内由于第一圆柱形通孔304和第二圆柱形通孔303的直径差形成了塑壳3内侧壁的台面301，台面301与匹配层1固定连接，第一圆柱形通孔304用于放置压电陶瓷片4和匹配层1，第二圆柱形通孔303用于填充阻尼材料5、灌封材料6。
由于台面301的设计，内部固定压电陶瓷片4的匹配层1可以固定于塑壳3内，匹配层1固化后附着于塑壳3内部台面301和塑壳3内壁，使匹配层1能够很好地与塑壳3相连，与塑壳3构成一个整体，因此，无须用胶水粘贴，压电陶瓷片4、匹配层1和塑壳3就形成了设计的结构，减少了超声传感器中的构件，有利于简化装配流程，降低成本，并且提高产品的一致性，超声传感器性能更趋近于理论设计值。
作为一种具体的实施例，所述压电陶瓷片4上端面和下端面分别设置了一个引线端，包括上引线端401和下引线端402，所述引线端用于与所述端子线7电连接。由于压电陶瓷片4在匹配层1固化过程中嵌入匹配层中，所以，当压电陶瓷片4嵌入侧具有上引线端401时，匹配层1自适应地与上引线端401贴合，而无需提前在匹配层1中预留出放置上引线端401的空间，也无须考虑压电陶瓷片4嵌入侧引线端的个数和引线端的形状。避免了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行，压电陶瓷芯片重心不平衡，同心度受影响的问题，也克服了因为引线端造成的压电陶瓷芯片和匹配层的接触面不平行带来的压电陶瓷芯片对外发射超声波信号不均匀，性能受影响的问题。
此外，为了保证匹配层与塑壳台面连接端的强度，匹配层1前端面403的直径至少比压电陶瓷片4直径大1mm以上，匹配层1前端面403比压电陶瓷片4直径至少大1mm以上，还可以保证匹配层侧壁的强度。
进一步的方案是，所述的匹配层1与塑壳3间形成环形槽用以填充减振材料2。作为本发明的优选方案，所述减振层2在所述塑壳3的轴向上分为第一减振层和第二减振层，所述第一减振层在所述塑壳3径向上的宽度小于所述第二减振层在所述塑壳3径向上的宽度，所述第一减振层和第二减振层之间的分界面到塑壳端面302的距离大于或等于所述压电陶瓷片4下端面到塑壳端面302的距离。
减振层的厚度厚一些效果较好，但是减振层的厚度增厚之后，台面301上留给匹配层和台面的连接面宽度就会减少，为了兼顾匹配层和台面的连接面宽度不被震断，又能增加减振层的厚度，所以，将减振层2在所述塑壳3的轴向上分为第一减振层201和第二减振层202，第一减振层201窄，用于跟台面连接，第二减振层202宽，用于增加减振的效果，从剖面来看，减振层呈现L的形状。考虑到减振层是对压电陶瓷片4进行减振，而无须对压电陶瓷片4上面的阻尼层减振，所以第一减振层201和第二减振层202之间的分界面到塑壳端面302的距离大于或等于所述压电陶瓷片4上端面到塑壳端面302的距离，即第一减振层201和第二减振层202之间的分界面以压电陶瓷片4与阻尼层之间的分界面为界，使得性能效果最佳。
减振层1的形状是上窄下宽，原因还在于，该形状是由匹配层成型过程中的模具决定的，这样的形状便于脱模。减振层2抑制余振的效果，在这里通过两方面实现，第一是第一减振层201阻隔匹配层后端面侧壁与塑壳的硬接触；第二是减振层轴向上的高度超过压电陶瓷片4下端面。
作为本发明的优选方案，所述减振层2位于塑壳端面302的一侧是凹面。在减振层2中设置凹面结构可以使压电陶瓷片4的发射声压和接受灵敏度不受壳体壁强迫夹制的影响，增强了振动发射信号和回波信号的强度，在采用超声波传感器高频测距时，提高了近距离测距的准确性。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，超声波传感器除了包括塑壳3、压电陶瓷片4、匹配层1、减振材料2、阻尼材料5、灌封材料6以及端子线7以外，还包括PCB板21，带有PCB板的超声波传感器剖面图如图5所示。PCB板21的作用在于，更好的固定压电陶瓷片4上的正负极引线和端子线，确保电连接的稳定可靠。PCB板21通过粘接胶20固定阻尼材料5上，位于阻尼材料5和灌封材料6之间。
实施例3
一种超声波传感器采用如下步骤进行装配：首先，将焊有正负极引线的压电陶瓷片4固定于芯片定位工装上，将芯片定位工装与塑壳3固定在一起。将匹配层1填充于匹配层成型工装内，固定匹配层成型工装、芯片定位工装和塑壳3，加热固化得到如图2所示的整体。将端子线7与压电陶瓷片4连接，在压电陶瓷片4正极端面依次填充阻尼材料5和灌封材料6，最后再填充减振材料2。
如图4所示，匹配层1后端面很好的附着于塑壳3内部台面301上，且匹配层1侧壁强度足够，因此匹配层1、塑壳3和压电陶瓷片4很好的形成了一个整体。如图5所示，匹配层1侧壁强度不够，导致匹配层1损坏。
按照传感器装配步骤，装配好一对传感器A和B，相应传感器的匹配层1前端面高度比塑壳3高出0.05mm-0.5mm。采用函数信号发生器作驱动源，示波器作接收，将传感器A和B做对射，采用方波，10Vpp，9个波驱动，对射距离5cm，依次打磨匹配层1的厚度，调节不同的驱动频率，得到如图8所示的接收波形。具体结果见下表：
表1将传感器A和B做对射的测试数据
图8是将传感器AB做对射时，示波器接收到的回波灵敏度示意图。当匹配层端面高度比塑壳3高出0.5mm时，此时传感器A和B的谐振频率为270kHz,设定函数信号发生器驱动频率为280kHz，得到AB对射的回波灵敏度为10.4mV；用砂纸打磨匹配层厚度，当匹配层端面高度比塑壳3高出0.3mm时，此时传感器A和B的谐振频率为280kHz,设定函数信号发生器驱动频率为290kHz，得到AB对射的回波灵敏度为23.6mV；继续用砂纸打磨匹配层厚度，当匹配层端面高度比塑壳3高出0.1mm时，此时传感器A和B的谐振频率为290kHz,设定函数信号发生器驱动频率为300kHz，得到AB对射的回波灵敏度为30.4mV。
由于匹配层1的前端面高出塑壳0.05mm-0.5mm，所以，可以打磨出与谐振频率相匹配的高度，以提高回路灵敏度。
实施例4
作为本发明的优选方案，所述匹配层1与所述台面301通过凸台405连接，具体地，图9示出了将匹配层下端面与台面连接的凸台设计为直角边的例子，凸台405还可以设计成直径上小下大的状态，将匹配层下端面与台面连接的凸台405设计为斜面的结构图如图10所示。将匹配层的凸台405设计成斜面，一方面是基于模具考虑，模具方便清理、易脱模、不易积灰；另一方面，设计成斜面，在传感器工作过程中，匹配层下端面侧壁没有应力集中，使得匹配层侧壁强度更高。使用仿真软件分析，将匹配层下端面与台面连接的凸台405设计为直角边的受力仿真图如图11，在匹配层侧壁存在一定应力分布，数值为1×104～2×104N/m2，导致传感器在工作工程中存在匹配层侧壁损坏的风险；将匹配层下端面与台面连接的凸台405设计为斜面受力分析仿真图如图12所示，设计成斜面后，匹配层侧壁应力分布很小,最大值为3000N/m2。
进一步的，凸台405的剖面图中斜边与底边之间的夹角a的最佳取值范围为40°～60°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超声波传感器，包括塑壳（3）、压电陶瓷片（4）和匹配层（1），其特征在于，
所述压电陶瓷片（4）与所述匹配层（1）连接，所述塑壳（3）与所述匹配层（1）连接，所述压电陶瓷片（4）、所述塑壳（3）和所述匹配层（1）在所述匹配层（1）固化成型过程中连接成为一个整体；
所述压电陶瓷片（4）、所述塑壳（3）和所述匹配层（1）在所述匹配层（1）固化成型过程中连接成为一个整体具体是指：将塑壳（3）和压电陶瓷片（4）放置在可与匹配层连接的位置，并预留出填充液态匹配层材料的预留空间，将液态匹配层材料注入预留空间，则在液态匹配层材料固化成型为匹配层（1）的过程中，压电陶瓷片（4）与匹配层（1）连接，塑壳（3）与匹配层（1）连接，塑壳（3）、压电陶瓷片（4）和匹配层（1）一次性连接成型；
所述匹配层（1）为凹槽，所述压电陶瓷片（4）嵌入所述凹槽的底部；
所述塑壳（3）内侧壁上的台面（301）与所述匹配层（1）连接；
匹配层（1）固化后附着于塑壳（3）内部台面（301）和塑壳（3）内壁；
所述匹配层（1）与所述台面（301）相连的连接面在所述塑壳（3）径向上的宽度是所述台面（301）在所述塑壳（3）径向上的宽度的1/2～4/5；
台面（301）、塑壳（3）内侧壁和匹配层（1）外侧壁之间构成环形槽空间，环形槽空间中设置有减振层（2）；
所述减振层（2）在所述塑壳（3）的轴向上分为第一减振层和第二减振层，所述第一减振层在所述塑壳（3）径向上的宽度小于所述第二减振层在所述塑壳（3）径向上的宽度，所述第一减振层和第二减振层之间的分界面到塑壳端面（302）的距离大于或等于所述压电陶瓷片（4）上端面到塑壳端面（302）的距离；
所述匹配层（1）与所述台面（301）通过凸台（405）连接，所述凸台（405）的直径上小下大。
2.如权利要求1所述的一种超声波传感器，其特征在于，部分所述压电陶瓷片（4）嵌入所述匹配层（1）中。
3.如权利要求2所述的一种超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷片（4）嵌入所述匹配层（1）的一侧具有引线端，所述引线端用于与端子线（7）电连接。
4.如权利要求1所述的一种超声波传感器，其特征在于，还包括阻尼层（5）、灌封层（6）和端子线（7），所述塑壳（3）内远离所述匹配层（1）的空间里依次连接了阻尼层（5）和灌封层（6），所述端子线（7）的一端嵌入灌封层（6），所述压电陶瓷片（4）位于所述阻尼层（5）和所述匹配层（1）之间，所述压电陶瓷片（4）与端子线（7）嵌入灌封层（6）的一端电连接。
5.如权利要求4所述的一种超声波传感器，其特征在于，还包括PCB板（21）、所述PCB板（21）位于所述阻尼层（5）和灌封层（6）之间，所述压电陶瓷片（4）与所述PCB板（21）电连接，所述端子线（7）与所述PCB板（21）电连接。
6.如权利要求1所述的一种超声波传感器，其特征在于，所述减振层（2）位于塑壳端面（302）的一侧是凹面。
7.如权利要求6所述的一种超声波传感器，其特征在于，所述匹配层（1）的前端面比所述塑壳（3）的塑壳端面（302）高出0.05mm-0.5mm。
8.如权利要求1所述的一种超声波传感器，其特征在于，所述凸台（405）的剖面图中斜边与底边之间的夹角范围为40°≤a≤60°。
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Denomination of invention: A type of ultrasonic sensor Granted publication date: 20240315 Pledgee: Bank of Chengdu science and technology branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: CHENGDU HUITONG WEST ELECTRONIC CO.,LTD. Registration number: Y2024980038048 |