CN219871774U - 超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种超声波传感器，包含一压电体，具有隔着该压电体相对的第一表面与第二表面、一声阻匹配层，具有隔着该声阻匹配层相对的第三表面与第四表面、一筒状承载体，具有一开口、一筒底、一连接该开口与该筒底的筒身、以及隔着该筒身与该筒底相对的内表面与外表面，其中该压电体与该声阻匹配层设置在该筒状承载体中，该声阻匹配层的该第四表面与该筒底的该内表面相接，且该声阻匹配层的该第三表面与该压电体的该第二表面相接、以及一减震体包覆该压电体、该声阻匹配层、该筒身的该外表面及/或该筒状承载体的该内表面。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种超声波传感器(ultrasonic transducer)，特别是涉及一种其减震体包覆压电体以及承载体的超声波传感器。
【背景技术】
现有的超声波传感器(ultrasonic transducer)可用于短距离的物体检测，其通过发出的超声波碰撞到物体之后反射回来的时间差，可以计算出超声波传感器与待检测物体之间的距离。对于超声波检测而言，待检测物体的类型与性质并不会受到太多的限制，包括各种表面颜色、透明度、硬度的固体、液体或粉体等，其都可以用超声波传感器来进行检测。因此，现今超声波传感器已广泛应用在停车雷达(parking sensor)、位高检测(levelsensor)、薄片层数检测(multiple sheet detection)及流量检测(flow meter)等领域。
超声波传感器的主要组成组件为压电陶瓷片(piezoceramics)，例如以锆钛酸铅(lead zirconatetitanate,PZT)材料制作的陶瓷片，其双面会涂布导电层。在工作时施加高频交流电讯号会让压电陶瓷产生高频率振动，所述高频率振动是一种声波，如果此声波的频率落在超声波范围，即为超声波振动。然而，为了让所产生的超声波能从压电陶瓷传递到空气中，压电陶瓷的声阻(acoustic impedance)必须与空气的声阻匹配才行。
声阻(Z)＝材料密度(ρ)*超声波声速(C)，压电陶瓷的声阻约为30-35MRayl(106公斤/平方公尺·秒)，空气的声阻约为430Rayl(公斤/平方公尺·秒)，压电陶瓷的声阻与空气的声阻，有非常大的差距，导致压电陶瓷所产生的超声波能量无法传递到空气中。因此，声阻匹配层(acoustic matching layer)就成了超声波传感器中必要的部件，其会设置在压电陶瓷与空气之间，使得两者的声阻得以匹配，从而可有效地将超声波传递到空气中。用于超声波空气传感器(ultrasonic air transducer)的匹配层的声阻，其最理想值为：√(35M*430)Rayl，约为0.12MRayl，但是自然界中很难找到声阻低于1MRayl而且又耐用的材料，一般业界常用的匹配层材料为高分子树脂与空心玻璃球混合成的复合材料，来达到较低的声阻特性。
由于超声波传感器需要靠高频振动来产生声波，如何降低超声波传感器的余震(ringing)、让超声波传感器快速恢复其静止状态而不会降低其性能及可靠度变成了重要课题。目前业界多是在超声波传感器周围设置减震体来减震，但其减震效果及可靠度还需进一步改进。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的新型构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
【实用新型内容】
为了让阅者对本实用新型的目的有基本的了解，以下段落提出了本实用新型的简要说明。此概要并非是本实用新型内容详尽的综览，并未意欲要表明本实用新型的所有关键或必要组件或者要限定本实用新型的范畴，其诉求仅在于对后续所将探讨的本实用新型细节描述先以简化的形式提出其中的某些概念。
本实用新型的主要目的在于提出一种超声波传感器，其通过使减震体包覆压电体以及承载体的内外表面来改进现有超声波传感器的减震效果及可靠度。
本实用新型的目的之一在于提出一种超声波传感器，该超声波传感器包含：一压电体，具有隔着该压电体相对的第一表面与第二表面；一声阻匹配层，具有隔着该声阻匹配层相对的第三表面与第四表面；一筒状承载体，具有一开口、一筒底、一连接该开口与该筒底的筒身、以及隔着该筒身与该筒底相对的内表面与外表面，该压电体与该声阻匹配层设置在该筒状承载体中，该声阻匹配层的该第四表面与该筒底的该内表面相接，且该声阻匹配层的该第三表面与该压电体的该第二表面相接；以及一减震体，包覆该压电体、该声阻匹配层、该筒身的该外表面及/或该筒状承载体的该内表面。另外，本实用新型所述的减震体除了具有减震效果之外，同时也可以当作超声波传感器与装置承靠面的支撑及减震功能。
本实用新型的另一目的在于提出一种超声波传感器，该超声波传感器包含：一压电体，具有隔着该压电体相对的第一表面与第二表面；一筒状承载体，具有一开口、一筒底、一连接该开口与该筒底的筒身、以及隔着该筒身与该筒底相对的内表面与外表面，该压电体设置在该筒状承载体中，且该压电体的该第二表面与该筒底的该内表面相接；以及一减震体，包覆该压电体、该筒身的该外表面及/或该筒状承载体的该内表面。另外，本实用新型所述的减震体除了具有减震效果之外，同时也可以当作超声波传感器与装置承靠面的支撑及减震功能。
本实用新型的这类目的与其他目的，在阅者读过后文中以多种图形与绘图来描述的具体实施例细节说明后，必然可变得更为明了显见。
【附图说明】
图1是根据本实用新型较佳实施例中一超声波传感器的一实施例的截面示意图；以及
图2是根据本实用新型实施例中一超声波传感器的另一实施例的截面示意图。
【具体实施方式】
在下文的本实用新型细节描述中，组件符号会标示在随附的图示中成为其中的一部份，并且以可实行该实施例的特例描述方式来表示。这类的实施例会说明足够的细节使本领域的技术人员得以具以实施。为了图例清楚之故，图标中可能有部分组件的尺寸会加以夸大。阅者须了解到本实用新型中亦可利用其他的实施例或是在不悖离所述实施例的前提下，作出结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不可被视为是一种限定，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。
首先请参照图1，其绘示出根据本实用新型较佳实施例中一超声波传感器100的一实施例的截面示意图。在此实施例中，超声波传感器100包含一压电体102，其具有隔着该压电体102相对的第一表面102a与第二表面102b。压电体102可包含水平截面形状为实心方形、多边形或圆形的压电材料，或是环状压电材料，或是多层陶瓷制程的压电材料，或是具有沟槽的压电材料。该些压电材料可包含锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3)、钛酸铅(PbTiO3)等含铅的压电材料，或钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾钠((NaK)NbO3)等不含铅的压电材料，其声阻约为30-35MRayl，远大于空气的声阻430Rayl，故需要设置声阻匹配层来使两者的声阻匹配。压电体102的导电层上可连接导线(未示出)，如一第一导线及一第二导线，其中该第一导线与压电体102的第一表面102a连接，第二导线与压电体102的第二表面102b连接，以将外部的高频交流电讯号电连接至压电体102，使其产生高频率振动，藉以发出超声波。
仍参照图1。在本实用新型实施例中，声波传感器100还包含一声阻匹配层104，其具有隔着声阻匹配层104相对的第三表面104a与第四表面104b。声阻匹配层104的第三表面104a与压电体102的第二表面102b相接。一般而言，声阻匹配层104在垂直压电体102上表面102a的方向(即厚度方向或轴向)上的厚度约等于压电体102在工作频率下所发出的超声波在该声阻匹配层104中时的波长的1/4，如此能达到最佳的超声波传递效果。声阻匹配层104包含由有机高分子材料以及实心粉体或是空心粉体构成的复合材料，该有机高分子材料包括环氧树脂(Epoxy)、乙烯基酯树脂(vinyl ester resin)、丙烯酸树脂(acrylic resin)、聚氨酯(polyurethane)、紫外线硬化胶(UV胶)、或是氰酸酯树脂(cyanate ester resin)等。空心或实心粉体可为空心玻璃球颗粒或是实心玻璃球颗粒，其系作为填充物均匀散布在该有机高分子材料中，以调整声阻匹配层104的整体密度。空心玻璃球颗粒的密度介于0.1g/cm3～0.6g/cm3(公克/立方公分)之间。由于声阻与材料的密度成正比，声阻匹配层104的密度越低，所能得出的声阻也越低，故越能达成声阻匹配的功效。在有机高分子材料中加入不同体积比的玻璃球颗粒，经过混合、脱泡及固化等处理，即可调制成不同密度且不同厚度的声阻匹配层104。
仍参照图1。在本实用新型实施例中，声波传感器100还包含一筒状承载体106，其具有一开口107、一筒底106a、一连接该开口107与该筒底106a的筒身106b、以及隔着该筒身106b以及该筒底106a彼此相对的内表面106c与外表面106d。压电体102与声阻匹配层104系从开口107设置在筒状承载体106所界定出的容置空间之中，其中声阻匹配层104的第四表面104b与筒底106a的内表面106c相接，声阻匹配层104介于压电体102与筒状承载体106之间。筒状承载体106的水平截面形状可为方形、多边形或是圆形。筒状承载体106的材料可包含选自下列群组或其组合的金属材质：不锈钢、铜、铁、铝、镍，或是下列群组或其组合的非金属材质：玻璃、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龙、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)或者聚醚醚酮(PEEK)。
仍参照图1。在本实用新型实施例中，声波传感器100还包含一减震体108，其包覆压电体102、声阻匹配层104、筒状承载体106筒身106b的外表面106d以及/或筒状承载体106的内表面106c，筒状承载体106筒底106a的外表面106d则从减震体108裸露出来。此外，筒状承载体106筒身106b的内表面106c与压电体102以及声阻匹配层104之间可有一间隙109存在，减震体108可填满该间隙109。如此，在压电体102运作时的高频振动下，减震体108能有效地减震，降低超声波传感器的余震(ringing)。在其他实施例中，也可能设置双层减震体或是两种具有不同减震系数或硬度的减震体，来达到更佳的减震效果。减震体108的材料可包含纤维状弹性体，具体可包括硅胶(Silicone)、橡胶(Rubber)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、苯乙烯弹性体(Styrene Elastomer)、聚酯弹性体(Polyester Elastomer)、烯烃弹性体(Olefin Elastomer)、热塑性硫化橡胶(TPV)、热塑性聚氨酯(TPU)、环氧树脂(Epoxy)、软木(wood cork)、聚酯棉、羊毛毡、玻璃纤维或是泡棉。本实用新型的减震体108可以采用射出成型的方式形成，相较于其他形成方式，射出成形可以精确控制减震体108的尺寸，再加上减震体108包覆了筒身106b的外表面106d，如此声波传感器100可以通过具有弹性的减震体108固定在对应尺寸的槽位上。
现在请参照图2，其绘示出根据本实用新型实施例中一超声波传感器100的另一实施例的截面示意图。此实施例与图1的实施例差别在于，此实施例的超声波传感器100不具备声阻匹配层104，其压电体102的第二表面102b直接与筒状承载体106筒底106a的内表面106c相接。减震体108包覆住压电体102、筒状承载体106筒身106b的外表面106d以及/或筒状承载体106的内表面106c，筒状承载体106筒底106a的外表面106d则从减震体108裸露出来。此外，筒状承载体106筒身106b的内表面106c与压电体102之间可有一间隙109存在，减震体108可填满该间隙109。此实施例适用于不需要设置声阻匹配层或是直接使用筒状承载体106的筒底106a作为声阻匹配层的场合。
根据上述各例示的实施例所制作出的本实用新型超声波传感器，其减震体采用射出成型的方式形成，可精确控制所形成的减震体尺寸，再加上减震体包覆了承载体筒身的外表面，如此声波传感器100可以通过具有弹性的减震体固定在对应尺寸的槽位上，是为一兼具新颖性与实用性的新型创作。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
【符号说明】
100超声波传感器
102压电体
102a第一表面
102b第二表面
104声阻匹配层
104a第三表面
104b第四表面
106筒状承载体
106a筒底
106b筒身
106c内表面
106d外表面
107开口
108减震体
109间隙
Claims (19)
1.一种超声波传感器，其特征在于，包含：
一压电体，具有隔着该压电体相对的第一表面与第二表面；
一声阻匹配层，具有隔着该声阻匹配层相对的第三表面与第四表面；
一筒状承载体，具有一开口、一筒底、一连接该开口与该筒底的筒身、以及隔着该筒身与该筒底相对的内表面与外表面，该压电体与该声阻匹配层设置在该筒状承载体中，该声阻匹配层的该第四表面与该筒底的该内表面相接，且该声阻匹配层的该第三表面与该压电体的该第二表面相接；以及
一减震体，包覆该压电体、该声阻匹配层、该筒身的该外表面及/或该筒状承载体的该内表面。
2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该筒身的该内表面与该压电体以及该声阻匹配层之间有一间隙存在，该减震体填满该间隙。
3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该筒状承载体为不锈钢材质。
4.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还包含第一导线及第二导线，其中该第一导线与该压电体的该第一表面连接，该第二导线与该压电体的该第二表面连接。
5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体采用射出成型的方式形成。
6.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体的材料为苯乙烯弹性体、聚酯弹性体、烯烃弹性体、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯或是环氧树脂。
7.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体为双层减震体。
8.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该压电体的水平截面的形状包含实心方形、多边形或是圆形，该压电体的材料为多层陶瓷制程形成的压电材料或是具有沟槽的压电材料。
9.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该筒状承载体的材料为不锈钢、铜、铁、铝、镍、硅、玻璃、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龙、聚苯硫醚、液晶聚合物或者聚醚醚酮。
10.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该声阻匹配层为有机高分子材料，该有机高分子材料为环氧树脂、乙烯基酯树脂、紫外线硬化胶、聚氨脂、丙烯酸树脂、或是氰酸酯树脂。
11.一种超声波传感器，其特征在于，包含：
一压电体，具有隔着该压电体相对的第一表面与第二表面；
一筒状承载体，具有一开口、一筒底、一连接该开口与该筒底的筒身、以及隔着该筒身与该筒底相对的内表面与外表面，该压电体设置在该筒状承载体中，且该压电体的该第二表面与该筒底的该内表面相接；以及
一减震体，包覆该压电体、该筒身的该外表面及/或该筒状承载体的该内表面。
12.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该筒身的该内表面与该压电体之间有一间隙存在，该减震体填满该间隙。
13.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该筒状承载体为不锈钢材质。
14.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，还包含第一导线及第二导线，其中该第一导线与该压电体的该第一表面连接，该第二导线与该压电体的该第二表面连接。
15.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体采用射出成型的方式形成。
16.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体的材料为苯乙烯弹性体、聚酯弹性体、烯烃弹性体、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯或是环氧树脂。
17.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该减震体为双层减震体。
18.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该压电体的水平截面的形状包含实心方形、多边形或是圆形，该压电体的材料为多层陶瓷制程形成的压电材料或是具有沟槽的压电材料。
19.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，该筒状承载体的材料为不锈钢、铜、铁、铝、镍、硅、玻璃、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龙、聚苯硫醚、液晶聚合物或者聚醚醚酮。
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