TWM572267U

TWM572267U - 超音波傳感器

Info

Publication number: TWM572267U
Application number: TW107208392U
Authority: TW
Inventors: 陳隆; 葉宗壽; 張鳴助
Original assignee: 詠業科技股份有限公司
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-01-01
Also published as: JP3219041U

Abstract

一種超音波傳感器，其包含一聲阻匹配層，其聲阻小於2 MRayl(10⁶公斤/平方公尺．秒)，其組成包含熱固性高分子樹脂、空心球體顆粒散佈在該熱固性高分子樹脂中、以及熱導率大於30W/mK的實心無機材質顆粒散佈在該熱固性高分子樹脂中，其中該實心無機材質顆粒的平均粒徑介於該空心球體顆粒的平均粒徑的5%~50%之間。

Description

超音波傳感器

本創作大體上為一種超音波傳感器，其包含一聲阻匹配層(acoustic matching layer)，更具體言之，其係關於一種超音波傳感器，具有空心球體顆粒與實心無機材質顆粒分散於高分子樹脂中的聲阻匹配層。

超音波傳感器(Ultrasonic transducer)可用於短距離的物件偵測，其藉由發出的超音波碰撞到物體之後反射回來的時間差，可以計算出超音波傳感器與待偵測物體之間的距離。對於超音波偵測而言，待偵測物體的類型與性質並不會受到太多的限制，包括各種表面顏色、透明度、硬度的固體、液體、或粉體等，其都可以用超音波傳感器來進行偵測。故此，現今超音波傳感器已廣泛應用在倒車雷達(parking sensor)、位高偵測(level sensor)、薄片層數偵測(multiple sheet detection)及流量偵測(flow meter)等範疇。

超音波傳感器的主要組成元件為壓電陶瓷片(piezoceramics)，例如以鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PZT)材料製作的陶瓷片，其雙面會塗佈導電層。在運作中施加高頻交流電訊號會讓壓電陶瓷產生高頻率振動，該高頻率震動是一種聲波，如果此聲波的頻率落在超音波範圍，即為超音波振動。然而，為了讓所產生的超音波能從壓電陶瓷傳遞到空氣中，壓電陶瓷的聲阻(acoustic impedance)必須與空氣的聲阻匹配才行。

聲阻(Z)=材料密度(ρ)*超音波聲速(C)，壓電陶瓷的聲阻約為30-35 MRayl(10⁶公斤/平方公尺．秒)，空氣的聲阻約為430 Rayl(公斤/平方公尺．秒)，壓電陶瓷的聲阻與空氣的聲阻，有非常大的差距，導致壓電陶瓷所產生的超音波能量無法傳遞到空氣中，故此，聲阻匹配層(matching layer)就成了超音波傳感器中必要的部件，其會設置在壓電陶瓷與空氣之間，使得兩者的聲阻得以匹配，從而可有效地將超音波傳遞到空氣中。用於空氣傳感器(air transducer)的匹配層聲阻，其最理想值為：√(35M*430)Rayl，約為0.12MRayl，但是自然界中很難找到聲阻低於1MRayl而且又耐用的材料，一般業界常用的匹配層材料為高分子樹脂與空心玻璃球混合成的複合材料，來達到較低的聲阻特性，同時也具有較佳的耐候性及可靠度。為了因應超音波傳感器在各種不同領域的應用，目前業界仍須對聲阻匹配層作進一步的開發與改良，以加強其在各種使用環境下的耐候性與可靠度。

為了讓閱者對本創作之面向有基本的了解，以下段落提出了本創作的簡要說明。此概要並非是本新型內容詳盡的綜覽，並未意欲要表明本新型的所有關鍵或必要元件或是要限定本新型之範疇，其訴求僅在於對後續所將探討的本新型細節描述先，以簡化的形式提出其中的某些概念。

本新型的目的即在於提出一種超音波傳感器，其具有一聲阻匹配層，其中具有高熱導率的實心無機材質顆粒，可在不影響既有聲阻匹配的情況下增加聲阻匹配層的熱傳導性，以加強其耐候性及可靠度。

本新型的面向之一在於提出一種超音波傳感器，其具有一聲阻匹配層，其聲阻小於2 MRayl，該聲阻匹配層包含熱固性高分子樹脂、空心球體顆粒散佈在該熱固性高分子樹脂中、以及熱導率大於30W/mK(瓦/米．度)的實心無機材質顆粒散佈在該熱固性高分子樹脂中，其中該實心無機材質顆粒的平均粒徑介於該空心球體顆粒的平均粒徑的5%~50%之間。

本新型的這類目的與其他目的，在閱者讀過下文中以多種圖形與繪圖來描述的較佳實施例細節說明後，必然可變得更為明瞭顯見。

100‧‧‧超音波傳感器

101‧‧‧外殼

102‧‧‧端子板

103‧‧‧引腳

104‧‧‧壓電陶瓷片

105‧‧‧橡膠墊

106‧‧‧導線

107‧‧‧聲阻匹配層

108‧‧‧熱固性高分子樹脂

109‧‧‧空心球體顆粒

110‧‧‧實心無機材質顆粒

本說明書含有附圖併於文中構成了本說明書之一部分，俾使閱者對本新型實施例有進一步的瞭解。該些圖示係描繪了本創作的一些實施例並連同本文描述一起說明了其原理。在該些圖示中：第1圖繪示出根據本新型實施例一超音波傳感器的截面示意圖；第2圖繪示出根據本新型實施例一超音波傳感器中聲阻匹配層的組成結構放大圖；以及第3圖繪示出根據本新型實施例中，空心球體顆粒在聲阻匹配層中的體積比對聲阻匹配層密度的影響之線圖。

須注意本說明書中的所有圖示皆為圖例性質，為了清楚與方便圖示說明之故，圖示中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現，一般而言，圖中相同的參考符號會用來標示修改後或不同實施例中對應或類似的元件特徵。

在下文的本新型細節描述中，元件符號會標示在隨附的圖示中成為其中的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來表示。這類的實施例會說明足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。為了圖例清楚之故，圖示中可能有部分元件的尺寸會加以誇大。閱者須瞭解到本新型中亦可利用其他的實施例或是在不悖離所述實施例的前提下，作出結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不可被視為是一種限定，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。

首先請參照第1圖，其繪示出根據本新型實施例一超音波傳感器100的截面示意圖。在此實施例中，超音波傳感器100包含一外殼101，例如一圓桶型的塑膠或金屬外殼，其內部設置有一端子板102，可以嵌入方式或使用黏著劑將其固定在外殼101的內壁上。端子板102上具有兩根引腳103，如黃銅鍍錫引腳，其可電連接到外部的交流電來源。壓電陶瓷片104設置在外殼101的另一端，其與端子板102之間設置有橡膠墊105來固定該壓電陶瓷片104並提供其結構支撐。兩條導線106，如軟性印刷電路線，分別連接端子板102上的兩隻引腳103與壓電陶瓷片104上下表面上的導電層，其可將來自引腳103的高頻交流電訊號，傳送至壓電陶瓷片104以使其產生高頻率振動，進而發出超音波。再者，壓電陶瓷片104的外側設置有一聲阻匹配層107，其與壓電陶瓷片104黏合並固定在外殼101內壁上。

在本新型實施例中，壓電陶瓷片104的材質可為鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O3)、鈦酸鉛(PbTiO3)等含鉛的壓電材料，或鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鉀鈉((NaK)NbO3)等不含鉛的壓電材料，其聲阻約為30-35 MRayl，遠大於空氣的聲阻430 Rayl，故需要聲阻匹配層107來使兩者的聲阻匹配。

請參照第2圖，其繪示出根據本新型實施例超音波傳感器100中聲阻匹配層107的組成結構放大圖。本新型的聲阻匹配層107是由熱固性高分子樹脂108、空心球體顆粒109及高熱導率的實心無機材質顆粒110組合而成的複合材料。如第2圖所示，空心球體顆粒109係作為填充物均勻散佈在熱固性高分子樹脂108中，以降低聲阻匹配層107的整體密度，其材料可為空心玻璃球、空心陶瓷球、空心塑膠球等低密度空心球體顆粒，其密度介於0.1g/cm³~0.6g/cm³(公克/立方公分)之間。由於聲阻與材料的密度成正比，聲阻匹配層107的密度越低，所能得出的聲阻也越低，故越能達成聲阻匹配的功效。熱固性高分子樹脂108的材料可為環氧樹脂(epoxy)、酚醛樹脂(phenolic resin)、乙烯基酯樹脂(vinyl ester resin)、聚氨脂(polyurethane)及氰酸酯樹脂(cyanate ester resin)等，其作為聲阻匹配層107的基材。在熱固性高分子樹脂108中加入不同體積比的空心球體顆粒109，經過混合、脫泡及固化等處理，即可調製成不同密度的聲阻匹配層107。

請參照第3圖，繪示出根據本新型實施例中，空心球體顆粒109在聲阻匹配層107中的體積比對聲阻匹配層107的密度的線圖。從圖中可以看出空心球體顆粒109在聲阻匹配層107中的體積比例越大，整個聲阻匹配層107的密度就越小，所能得到的聲阻也越小，但是結構也變得比較脆弱。在本實施例中，空心球體顆粒109的體積比例會被控制在40%~70%之間，以兼顧匹配層的密度與結構的可靠度。這樣的體積比例下，聲阻匹配層107的密度會介於0.4~0.6g/cm³，聲速約為2000~2400m/sec，其能得出的聲阻約介於0.8~1.4 MRayl，已可達到超音波從壓電陶瓷片進入空氣中的業界需求水準。

復參照第2圖。本新型的另一重點在於，除了空心球體顆粒109以外，熱固性高分子樹脂108中還會加入高熱導率的材料來幫助散熱，以增強聲阻匹配層107的熱導率與長時間使用的可靠度。本實施例中使用熱導率大於30W/mK(瓦/米．度)的實心無機材質顆粒110，其均勻散佈在熱固性高分子樹脂108中。須注意的是，在本實施例中，空心球體顆粒109的平均粒徑係介於20μm~80μm(微米)，實心無機材質顆粒110的平均粒徑則會介於空心球體顆粒109的平均粒徑的5%~50%之間。以空心球體顆粒109的平均粒徑為60μm為例，實心無機材質顆粒110的平均粒徑可介於3μm~30μm之間。實心無機材質顆粒110的材料可包括石墨、類鑽石、鑽石、碳化矽、氮化鋁、銅、鋁、不鏽鋼、鎂、鎳、矽等材料。以石墨製作實心無機材質顆粒110為例，石墨顆粒的熱導率為168W/mK，空心玻璃球109的熱導率為0.044W/mK，環氧樹脂的熱導率為0.35W/mK。故實心無機材質顆粒110的加入可以大幅改善聲阻匹配層107的散熱能力與可靠度。

根據上述成分組成所製作出的本新型聲阻匹配層107，其聲阻小於2 MRayl，其中所加入的高導率實心無機材質顆粒，可在不影響既有聲阻匹配的情況下，增加聲阻匹配層的熱傳導性，以加強其耐候性及可靠度，是為一兼具新穎性與實用性的新型創作。

以上所述僅為本新型之較佳實施例，凡依本新型申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本新型之涵蓋範圍。

Claims

一種超音波傳感器，包含一聲阻匹配層，該聲阻匹配層的聲阻小於2 MRayl(10⁶公斤/平方公尺．秒)，其中該聲阻匹配層更包含：熱固性高分子樹脂；空心球體顆粒，散佈在該熱固性高分子樹脂中；以及熱導率大於30W/mK(瓦/米．度)的實心無機材質顆粒，散佈在該熱固性高分子樹脂中，其中該實心無機材質顆粒的平均粒徑介於該空心球體顆粒的平均粒徑的5%~50%之間。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該熱固性高分子樹脂的材質包含環氧樹脂(epoxy)、酚醛樹脂(phenolic resin)、乙烯基酯樹脂(vinyl ester resin)、聚氨脂(polyurethane)或氰酸酯樹脂(cyanate ester resin)。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該空心球體顆粒是由無機材料或有機材料製成的空心球體，包含空心玻璃球、空心陶瓷球、或空心塑膠球。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該空心球體顆粒的密度為0.1g/cm³~0.6g/cm³(公克/立方公分)，用以降低該聲阻匹配層的整體密度。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該實心無機材質顆粒的材質為石墨。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該實心無機材質顆粒的材質包含鑽石、類鑽石、碳化矽、氮化鋁、銅、鐵、鋁、鎂、鎳、矽或不鏽鋼。
如申請專利範圍第1項所述之超音波傳感器，其中該聲阻匹配層之該空心球體顆粒的平均粒徑介於20μm~80μm(微米)。