CN219253172U - 超声波换能器及超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超声波换能器及超声波传感器，包括导电基板、绝缘薄膜以及导电层，其中，导电基板，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面设置有防粘连结构；绝缘薄膜，包括第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面，所述第三表面贴合于所述第一表面上，且所述第三表面覆盖于所述防粘连结构；导电层，形成于所述第四表面。本实用新型通过采用电容式的超声波换能器，对超声的波束角可以达到更窄的波束角，同时在第一表面设置防粘连结构，使得绝缘薄膜与导电基板之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜与导电基板之间的真空吸附效果，具有更好的灵敏度，更小的余振，更高的可靠性。

Description

超声波换能器及超声波传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是指一种超声波换能器及超声波传感器。

背景技术

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面，尤其用于汽车自动泊车系统。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

相关技术中的超声波传感器主要包括金属壳体以及安装在金属壳体内的压电晶片(即压电陶瓷片)，压电晶片既可以发射超声波，也可以接收超声波，但压电陶瓷片产生超声波时波束角较宽，降低超声波传感器的灵敏度，降低了超声波传感器的可靠性。

发明内容

本实用新型的目的在于至少一定程度上解决现有技术中的不足，提供一种改进的超声波换能器及超声波传感器。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种超声波换能器，包括：

导电基板，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面设置有防粘连结构；

绝缘薄膜，包括第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面，所述第三表面贴合于所述第一表面上，且所述第三表面覆盖于所述防粘连结构；以及

导电层，形成于所述第四表面。

在一些实施例中，所述防粘连结构包括多个同心且直径不等的环形凹槽和/或多个间隔分布的第一凸起部。

在一些实施例中，还包括支撑座与外壳，所述外壳包括封闭端以及与所述封闭端相对的敞口端，所述绝缘薄膜装配于所述外壳内，所述导电层朝向所述封闭端，且所述导电层与所述外壳内壁连接，所述支撑座压覆于所述第二表面，且所述支撑座于所述敞口端与所述外壳连接。

在一些实施例中，还包括第一极片，所述第二表面设置有第二凸起部，所述第一极片上开设有与所述第二凸起部匹配的扣合孔以及两个弹性孔，两个所述弹性孔位于所扣合孔的两侧，所述第一极片通过所述扣合孔扣合于所述第二凸起部上。

在一些实施例中，所述支撑座的侧壁具有相对设置的两个第一安装孔，所述第一极片的一端具有引出部，所述第一极片的另一端自一所述第一安装孔处伸出，所述引出部于另一所述第一安装孔处伸出。

在一些实施例中，所述外壳为金属材质制成，所述导电层为镀金层、镀锡层或导电层；

所述外壳的外壁具有第二极片，所述第二极片一端通过所述外壳与所述导电层电连接。

在一些实施例中，所述导电层背离所述绝缘薄膜的一侧形成有防腐涂层，所述防腐涂层由聚碳酸酯、三防漆或油墨制成。

在一些实施例中，所述绝缘薄膜周侧具有加厚导电环。

在一些实施例中，还包括防尘件，所述防尘件包覆于所述外壳与所述支撑座周侧。

在一些实施例中，所述防尘件为弹性材料制成。

在一些实施例中，所述封闭端具有多个网孔，多个所述网孔呈蜂窝状排列。

还提供了一种超声波传感器，包括主控板以及如上述所述的超声波换能器，所述超声波换能器安装于所述主控板上，且与所述主控板电连接。

在一些实施例中，还包括安装组件，所述安装组件包括螺接件、螺套件以及锁紧件，所述主控板上开设有两个第二安装孔，所述螺接件穿过所述第二安装孔与所述螺套件连接，所述螺接件至少部分外露于所述螺套件外，且与所述锁紧件连接。

在一些实施例中，两个所述第二安装孔之间的间距为6mm-43mm。

在一些实施例中，所述主控板与所述第一极片、所述第二极片焊接。

在一些实施例中，还包括固定件，所述支撑座上开设有两个固定孔，所述固定件两端分别穿过对应的所述固定孔固定于所述主控板上。

与相关技术相比，本实用新型实施例的有益效果在于：采用电容式的超声波换能器，对超声的波束角可以达到更窄的波束角，同时在第一表面设置防粘连结构，使得绝缘薄膜与导电基板之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜与导电基板之间的真空吸附效果，具有更好的灵敏度，更小的余振，更高的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的超声波换能器的第一角度的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的超声波换能器的第二角度的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的超声波换能器的仰视图；

图4为本实用新型实施例提供的超声波换能器的俯视图；

图5为本实用新型实施例提供的超声波换能器的侧视图；

图6为本实用新型的图5的SA-SA剖面图；

图7为本实用新型实施例提供的超声波传感器的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的超声波传感器的第一角度的爆炸图；

图9为本实用新型实施例提供的超声波传感器的第二角度的爆炸图；

图10为本实用新型实施例提供的超声波传感器的第一角度的剖视图；

图11为本实用新型实施例提供的超声波传感器的安装示意图；

图12为本实用新型实施例提供的具备防尘件的超声波传感器的第一角度的剖视图；

图13为本实用新型实施例提供的具备防尘件的超声波传感器的第二角度的剖视图；

图14为本实用新型实施例提供的超声波传感器的使用状态示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

请参阅图1及图7，本实用新型提供了一种超声波传感器，包括主控板1以及超声波换能器2，超声波换能器2安装于主控板1上，且与主控板1电连接。

一同参阅图6，超声波换能器2包括导电基板21、绝缘薄膜22以及导电层23，导电基板21包括第一表面以及与第一表面相对的第二表面211，第一表面设置有防粘连结构212；绝缘薄膜22包括第三表面221以及与第三表面221相对的第四表面，第三表面221贴合于第一表面上，且第三表面221覆盖于防粘连结构212；导电层23形成于第四表面。

本实施例通过将导电层23形成于绝缘薄膜22的第四表面，以此将导电层23以及绝缘薄膜22构成超声波换能器2中的振动薄膜，从而满足在导电基板21以及导电层23上施加一定频率的脉冲电场或交变电场时，通过振动薄膜发生上下振动，产生超声波，或振动薄膜会在外部超声波的作用下产生振动，绝缘薄膜22与导电基板21形成的电容值就会随振动薄膜的振动而改变，从而产生可探测的电信号。通过采用电容式的超声波换能器2，对超声的波束角可以达到更窄的波束角。可以理解的，由于第三表面221贴合于第一表面，为了避免分子间相互作用力，避免绝缘薄膜22与导电基板21之间的相互粘连，同时在第一表面设置防粘连结构212，使得绝缘薄膜22与导电基板21之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜22与导电基板21之间的真空吸附效果，具有更好的灵敏度，更小的余振，更高的可靠性。需要说明的是，第三表面221覆盖于防粘连结构212，即防粘连结构212在厚度方向上投影于绝缘薄膜22上的投影与绝缘薄膜22能完全重合。

一同参阅图8及图9，进一步地，超声波换能器2还包括支撑座24与外壳25，外壳25包括封闭端251以及与封闭端251相对的敞口端252，绝缘薄膜22装配于外壳25内，导电层23朝向封闭端251，且导电层23与外壳25内壁连接，支撑座24压覆于第二表面211，且支撑座24于敞口端252与外壳25连接。

本实施例中，外壳25作为载体，用于安装绝缘薄膜22、导电层23以及导电基板21，安装次序如下，首先将绝缘薄膜22自敞口端252置于外壳25内，且导电层23朝向封闭端251，再将导电基板21压覆于绝缘薄膜22之上，将绝缘薄膜22压平。导电基板21压覆于绝缘薄膜22之上后，将支撑座24压覆在导电基板21之上，并与外壳25扣合。可以理解的，外壳25内具有容置腔253用于安装绝缘薄膜22、导电层23以及导电基板21，且利用支撑座24压合，避免绝缘薄膜22、导电层23以及导电基板21松动或者脱落。

需要说明的是，外壳25与绝缘薄膜22之间的连接可以为过盈配合，也可以在外壳25的内壁设置有卡位，用于绝缘薄膜22卡设于卡位上，避免脱落。当然外壳25的封闭端251与导电层23之间具有间隔。

一同参阅图3，在实际应用过程中，封闭端251具有多个网孔2511，多个网孔2511呈蜂窝状排列。具体地，网孔2511为直径在0.3～5mm之间的圆孔或六边形孔，最佳孔径为1.2mm，按蜂窝式样排布，圆孔与圆孔之间距离为0.5～5mm之间，最佳间距为1.6mm。圆孔依次错开密布，相临圆孔的圆心之间可连出正三角形。通过这种模仿蜂窝排列形状的仿生学原理，来确保更多的超声波能穿透网孔2511。

进一步地，本实施例中的导电基板21以圆片状为示例，防粘连结构212包括多个同心且直径不等的环形凹槽2121和/或多个间隔分布的第一凸起部。可以理解的，在一些实施例中，防粘连结构212包括多个同心且直径不等的环形凹槽2121，多个环形凹槽2121以导电基板21的圆心为圆心，沿着直径的方向间隔分布，形成多个同心圆凹槽。需要说明的是，同心圆之间的间隔优选为等距，当然在一些实施例中同心圆之间的间隔也可以不等距。还可以理解的，同心圆凹槽可以为通过导电基板21的第一表面朝外凸起围合形成的凹槽，也可以为通过导电基板21的第一表面朝内凹陷形成的凹槽结构，在此不对其形成方式进行限定。

在一些实施例中，防粘连结构212包括多个间隔分布的第一凸起部，即自圆心沿着直径方向间隔分布多个第一凸起部，第一凸起部可以为按照一定规律排列，即在周向方向沿着圆心等角度(或非等角度)间隔设置，在径向上(即沿着直径方向)等距(或非等距)间隔设置。需要说明的是，第一凸起部的设置旨在于使得绝缘薄膜22与导电基板21之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜22与导电基板21之间的真空吸附效果，因此上述的关于第一凸起部的分布方式旨在于解释说明，而非对其进行限定。

当然在一些实施例中，防粘连结构212包括多个同心且直径不等的环形凹槽2121和多个间隔分布的第一凸起部，通过环形凹槽2121和第一凸起部相互配合，使得绝缘薄膜22与导电基板21之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜22与导电基板21之间的真空吸附效果。

可以理解的，导电基板21也可以为方形片状、椭圆形片状或者多边形片状结构，与之配合的环形凹槽2121也可以为方形凹槽、椭圆形凹槽或者多边形凹槽，因此在此不对其形状进行特别限定，只要可以实现绝缘薄膜22与导电基板21之间的接触面大大减小，避免了分子间作用力或绝缘薄膜22与导电基板21之间的真空吸附效果即可。

一同参阅图2至图5，在一些实施例中，超声波换能器2还包括第一极片26，第二表面211设置有第二凸起部2111，第一极片26上开设有与第二凸起部2111匹配的扣合孔261以及两个弹性孔262，两个弹性孔262位于所扣合孔261的两侧，第一极片26通过扣合孔261扣合于第二凸起部2111上。

本实施例中的第一极片26以长条片状结构为示例，可以理解的，本实施例通过第一极片26将导电基板21的电信号引出，为了便于第一极片26与导电基板21之间的连接稳定，于第一极片26上设置有扣合孔261，于导电基板21的第二表面211设置有第二凸起部2111，扣合孔261与第二凸起部2111相适配。装配时，在支撑座24压覆在导电基板21之上，并与外壳25扣合后，将第一极片26的扣合孔261装配于导电基板21上的第二凸起部2111上，此时第一极片26与导电基板21至少部分贴合连接，便于电信号引出。

还可以理解的，本实施例中的第二凸起部2111为T型凸点，通过冲压形成于导电基板21上。

需要说明的是，本实施例的扣合孔261的孔径自一端朝着另一端逐渐递减，便于与第二凸起部2111扣合。本实施例的第一极片26还设置有弹性孔262，呈八字状分设于扣合孔261的两侧，两个弹性孔262之间间距较小的一端位于扣合孔261孔径小的一端，两个弹性孔262之间间距较大的一端位于扣合孔261孔径大的一端，以便在扣合时提供弹力。还需要说明的是，本实施例中的导电基板21为金属材质制成。

在一些实施例中，支撑座24的侧壁具有相对设置的两个第一安装孔241，第一极片26的一端具有引出部263，第一极片26的另一端自一第一安装孔241处伸出，引出部263于另一第一安装孔241处伸出。

可以理解的，第一极片26包括主体部264以及与主体部264一体成型的两个插接部265。两个插接部265分别位于主体部264的两端，且插接部265的宽度小于主体部264的宽度，插接部265用于穿过对应的第一安装孔241。支撑座24的侧壁的第一安装孔241，用于对第一极片26进行固定限位，避免其绕着第二凸起部2111旋转或者移动之类的情况发生。优选地，第一安装孔241为扁孔。优选地，第一安装孔241的孔径小于主体部264的宽度，第一安装孔241的孔径大于插接部265的宽度。为了便于将导电基板21的电信号引出，一插接部265设置有引出部263，即该引出部263用于与主控板1电连接。该引出部263与插接部265连接的一端形成有一个台阶2631，以搭接于支撑座24的顶端，引出部263另一端为形成于台阶2631上的朝上延伸的连接部2632，以与主控板1连接。

需要说明的是，由于第一极片26的两端分别于对应的第一安装孔241处伸出，因此第一极片26为中间凹陷，两端翘起的状态，即中间处与导电基板21连接，两端分别与第一安装孔241插接(如图13所示)。

在一些实施例中，外壳25为金属材质制成，导电层23为镀金层、镀锡层或导电层23；外壳25的外壁具有第二极片27，第二极片27一端通过外壳25与导电层23电连接。

可以理解的，本实施例通过第二极片27将导电层23的电信号引出。装配时，绝缘薄膜22上的导电层23与外壳25的内侧相接，第二极片27通过外壳25与导电层23连接，利用外壳25的金属导电性，确保导电层23的电信号可以引出。优选地，第二极片27在本实施例中与外壳25为一体的钣金冲压结构。

当绝缘薄膜22上的导电层23与外壳25的内侧相接时，为了确保接触良好，绝缘薄膜22周侧具有加厚导电环221，即加厚导电环221设置在绝缘薄膜22上与外壳25相接部分。

需要说明的是，导电层23为镀金层或镀锡层或其他镀金属层，也可以电镀导电层，优选为镀金层。可以理解的，导电层23不仅可以通过电镀形成于绝缘薄膜22的第四表面，也可以通过涂覆形成于绝缘薄膜22的第四表面。

还可以理解的，在一些实施例中，外壳25也可以设计为塑胶结构，此时需要在第二极片27处套一个金属套片连接导电层23，实现导通。

还需要说明的是，导电基板21可以为正极，导电层23为负极，此时第一极片26为正极片，第二极片27为负极片；在其它一些实施例中，导电基板21也可以为负极，导电层23为正极，此时第一极片26为负极片，第二极片27为正极片。

具体地，绝缘薄膜22、导电基板21与绝缘薄膜22上的导电层23形成一个电容器的效果，第二极片27通过外壳25内侧与导电层23相连，第一极片26的引出部263通过主体部264与导电基板21连接。第一极片26的引出部263以及第二极片27焊接在主控板1上。主控板1通过驱动交换的50Khz的超声波频率的交变电场，来给导电基板21与绝缘薄膜22上的导电层23之间施加脉冲电场或交变电场。脉冲电场或交变电场驱动超声波的绝缘薄膜22及导电层23振动。触发空气以50Khz的超声波频率振动。回波信号打在导电层23之上，导致绝缘薄膜22与导电基板21之间的间距轻微变化，导致电容变化，这个信号被主控板1接收并处理。

在一些实施例中，导电层23背离绝缘薄膜22的一侧形成有防腐涂层，防腐涂层由聚碳酸酯、三防漆或油墨制成。

可以理解的，导电层23在沿海或环境恶劣城市具有污染效果的环境下，导电层23会被腐蚀导致超声波传感器失效，因此，在导电层23上再喷涂一层防腐涂层，以确保绝缘薄膜22上的导电层23能长期可靠工作，起到进一步的耐腐蚀作用，以便适应更多的恶劣环境。优选地，防腐涂层可以为三防漆、油漆、聚碳酸酯或油墨等耐腐蚀的材料制成。

一同参阅图10至图14，在一些实施例中，还包括安装组件28，安装组件28包括螺接件281、螺套件282以及锁紧件283，主控板1上开设有两个第二安装孔11，螺接件281穿过第二安装孔11与螺套件282连接，螺接件281至少部分外露于螺套件282外，且与锁紧件283连接。

可以理解的，由于电容式超声波测距传感器为了确保灵敏度，需要保证一定的面积来保证电容量，因此，本实施例采用一种在保证电容量的前提下，可以实现体积小型化的安装结构。具体如下，在主控板1内侧设置两个圆孔(即第二安装孔11)，优选地，圆孔间距在6mm～43mm之间，更优选地，间距为31.6mm。两颗螺丝(即螺接件281)分别穿过所述两个圆孔，在主控板1的另一端以螺柱(即螺套件282)锁固。需要说明的是，螺丝预留出来的多余长度，用于用户安装。该方式安装简便，在安装基板3上只要留好两个间距为31.6的圆孔，将漏出端螺丝穿过安装基板3的相应圆孔，再以螺母(即锁紧件283)旋紧固定即可，这样用户安装非常方便，可实现简易安装，且有利于体积小型化。

本实施例中的螺柱采用六角铜柱，主控板1为PCB板。

在一些实施例中，还包括固定件29，支撑座24上开设有两个固定孔242，固定件29两端分别穿过对应的固定孔242固定于主控板1上。

可以理解的，在上述结构装配完成后，为了进一步确保超声波换能器2与主控板1之间连接的稳定性，利用固定件29从支撑座24的两个固定孔242处穿过，与主控板1连接。优选地，固定件29为金属丝，其两端可以焊接于主控板1上，确保其稳固性。

在一些实施例中，还包括防尘件210，防尘件210包覆于外壳25与支撑座24周侧。

本实施例提供的超声波传感器经常用于身高测量，在其前端与身高测量仪的边缘要留有间隙，这个间隙时间久了会积累灰尘，因此，在超声波传感器的圆周侧部环绕包覆有防尘件210，本实施例中的防尘件210采用弹性材料制成，弹性材料可以为硅胶或者橡胶中的一种。优选地，防尘件210采用软硅胶制作，具体环绕包覆于外壳25与支撑座24周侧，阻挡灰尘从超声波传感器的侧面进入身高测量仪器的内部，起到防尘效果。可以理解的，防尘件210也可以用其它类型的弹性材料制成。

可以理解的，该超声波传感器也可以应用于其它测距场景中，并不局限于身高测量场景。

可以理解地，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种超声波换能器，其特征在于，包括：

导电基板，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面设置有防粘连结构；

绝缘薄膜，包括第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面，所述第三表面贴合于所述第一表面上，且所述第三表面覆盖于所述防粘连结构；以及

导电层，形成于所述第四表面。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述防粘连结构包括多个同心且直径不等的环形凹槽和/或多个间隔分布的第一凸起部。

3.根据权利要求1-2任意一项中所述的超声波换能器，其特征在于，还包括支撑座与外壳，所述外壳包括封闭端以及与所述封闭端相对的敞口端，所述绝缘薄膜装配于所述外壳内，所述导电层朝向所述封闭端，且所述导电层与所述外壳内壁连接，所述支撑座压覆于所述第二表面，且所述支撑座于所述敞口端与所述外壳连接。

4.根据权利要求3所述的超声波换能器，其特征在于，还包括第一极片，所述第二表面设置有第二凸起部，所述第一极片上开设有与所述第二凸起部匹配的扣合孔以及两个弹性孔，两个所述弹性孔位于所扣合孔的两侧，所述第一极片通过所述扣合孔扣合于所述第二凸起部上。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述支撑座的侧壁具有相对设置的两个第一安装孔，所述第一极片的一端具有引出部，所述第一极片的另一端自一所述第一安装孔处伸出，所述引出部于另一所述第一安装孔处伸出。

6.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述外壳为金属材质制成，所述导电层为镀金层、镀锡层或导电层；

所述外壳的外壁具有第二极片，所述第二极片一端通过所述外壳与所述导电层电连接。

7.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，所述导电层背离所述绝缘薄膜的一侧形成有防腐涂层，所述防腐涂层由聚碳酸酯、三防漆或油墨制成。

8.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，所述绝缘薄膜周侧具有加厚导电环。

9.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，还包括防尘件，所述防尘件包覆于所述外壳与所述支撑座周侧。

10.根据权利要求9所述的超声波换能器，其特征在于，所述防尘件为弹性材料制成。

11.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，所述封闭端具有多个网孔，多个所述网孔呈蜂窝状排列。

12.一种超声波传感器，其特征在于，包括主控板以及如权利要求6-11任意一项中所述的超声波换能器，所述超声波换能器安装于所述主控板上，且与所述主控板电连接。

13.根据权利要求12所述的超声波传感器，其特征在于，还包括安装组件，所述安装组件包括螺接件、螺套件以及锁紧件，所述主控板上开设有两个第二安装孔，所述螺接件穿过所述第二安装孔与所述螺套件连接，所述螺接件至少部分外露于所述螺套件外，且与所述锁紧件连接。

14.根据权利要求13所述的超声波传感器，其特征在于，两个所述第二安装孔之间的间距为6mm-43mm。

15.根据权利要求12所述的超声波传感器，其特征在于，所述主控板与所述第一极片、所述第二极片焊接。

16.根据权利要求12所述的超声波传感器，其特征在于，还包括固定件，所述支撑座上开设有两个固定孔，所述固定件两端分别穿过对应的所述固定孔固定于所述主控板上。

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