超聲波傳感器及超聲波傳感器的安裝方法
2023-10-18 17:36:14 2
專利名稱：超聲波傳感器及超聲波傳感器的安裝方法
技術領域：
本發明涉及超聲波傳感器及將超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的方法。
背景技術：
作為現有的這種超聲波傳感器，例如有專利文獻I 專利文獻3所公開的超聲波傳感器。專利文獻I所公開的結構如下在緩衝器背面設有凹坑(凹部)，利用產生超聲波的陶瓷8、金屬基底9及按壓蓋板27或按壓板簧34，將陶瓷8的未與金屬基底9相接的ー側表面(以下稱作陶瓷表面)按壓到緩衝器背側的凹面中。專利文獻2所公開的結構如下在緩衝器上形成凹部，直接緊密接合超聲波元件的振動面，從而利用粘接劑進行粘貼固定。此外，專利文獻3所公開的結構如下在超聲波 傳感器的底部(發送面)設有突起部，將該突起部與安裝構件相接觸。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利特開平10-123236號公報專利文獻2 日本專利特開昭62-240890號公報專利文獻3 :日本國專利特開2007-147319號公報但是，專利文獻I所記載的結構中，由於緩衝器背面和陶瓷表面的接觸狀態不均勻，因此存在以下問題產生空氣層且超聲波發送效率下降。此外，若緩衝器表面的凹坑面的面精度較差，則存在發送效率的偏差増大等問題。此外，在專利文獻2所記載的結構中，由於完全固定了超聲波傳感器元件，因此，無法因故障等而交換超聲波傳感器元件。此外，由於緩衝器薄壁部分也作為超聲波的振動面，因此存在以下問題為了產生對空氣超聲波傳播效率較佳的40kHz頻帶的頻率，需要增大超聲波傳感器元件的厚度及口徑，而導致超聲波傳感器變得不實用。此外，在專利文獻3所記載的結構中，突起部中超聲波的傳輸範圍較窄、確保了希望的指向性，但粘接方法不明確。此外，在將超聲波傳感器固化固定於緩衝器背面的情況下，由于振動部分的質量増大，因此，諧振頻率(超聲波的發送頻率)容易發生變動，即存在的問題有還會根據固定條件而發生變動。本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在於提供ー種諧振頻率變動較小、且能力圖提高發送效率以及實現穩定化的超聲波傳感器及超聲波傳感器的安裝方法。
發明內容
本發明所涉及的超聲波傳感器在超聲波發送面上設有匹配構件，該匹配構件的聲阻抗比緩衝器和超聲波傳感器各自的聲阻抗要小。在本發明所涉及的超聲波傳感器中，超聲波傳感器的超聲波發送面、匹配構件、緩衝器和空氣的聲阻抗滿足以下關係Z1>Z2〈Z3
Z2>Zair式中Zl · · 超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗Z2 · · ·匹配構件的聲阻抗Z3· · 緩衝器的聲阻抗Zair · · ·空氣的聲阻抗。在本發明所涉及的超聲波傳感器的安裝方法中，將超聲波傳感器配置於緩衝器背面的規定位置，利用固定構件來按壓所述超聲波傳感器的結構要素即金屬殼體的凸緣部，在該按壓的狀態下，將所述固定構件固定到所述緩衝器。根據本發明所涉及的超聲波傳感器，在超聲波發送面設有匹配構件，該匹配構件的聲阻抗比緩衝器和超聲波傳感器各自的聲阻抗要小，因此，無需在緩衝器中設置貫穿孔，就能將超聲波傳感器直接安裝於緩衝器背面並檢測障礙物，由於超聲波傳感器不會露出緩衝器表面，因此能提高緩衝器的設計性。此外，將匹配構件插入於超聲波傳感器和緩衝器的相對面之間，能提高兩者間的間接緊貼性、降低發送功率的偏差。根據本發明所涉及的超聲波傳感器，超聲波傳感器的超聲波發送面、匹配構件、緩衝器和空氣的聲阻抗滿足以下關係，因此能提高超聲波的發送效率Z1>Z2〈Z3Z2>Zair式中Zl · · ·超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗Z2 · · ·匹配構件的聲阻抗Z3· · 緩衝器的聲阻抗Zair · · ·空氣的聲阻抗。根據本發明所涉及的超聲波傳感器的安裝方法，將超聲波傳感器配置於緩衝器背面的規定位置，利用固定構件來按壓所述超聲波傳感器的結構要素即金屬殼體的凸緣部，在該按壓的狀態下，將所述固定構件固定到所述緩衝器，因此，使得緩衝器背面和超聲波傳感器的超聲波發送面之間的距離即匹配構件的厚度成為一定距離。此外，能對加壓狀態進行管理，因此，超聲波的收發效率得以穩定且可靠性得以提高。
圖I是表示本發明所涉及的超聲波傳感器的安裝狀態的原理圖。圖2是表示將本發明的實施方式I的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態的剖視圖。圖3是用於實施方式I的超聲波傳感器的匹配構件的俯視圖。圖4是表示將本發明的實施方式2的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態的剖視圖。圖5是表示將本發明的實施方式3的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態的剖視圖。
圖6是用於實施方式3的超聲波傳感器的匹配構件的俯視圖。圖7是表示將本發明的實施方式4的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態的剖視圖。圖8是表示將本發明的實施方式5的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態的剖視圖。圖9是對超聲波傳感器和緩衝器之間的加壓狀態進行監視的電路圖。圖10是表示輸出電壓相對於加壓壓カ的變化的特性圖。
具體實施方式
下面，基於附圖，對本發明的實施方式進行說明。實施方式I圖I是表示本發明所涉及的超聲波傳感器的原理圖，其結構如下在杯形金屬殼體I的底面中央設有PZT (鋯鈦酸鉛)2，將匹配構件3與金屬殼體I和緩衝器4之間的相對面密接，該匹配構件3比金屬殼體I和緩衝器4的各自的聲阻抗要小。具有上述結構的超聲波傳感器使從金屬殼體I的發送/接收面發射的超聲波穿過匹配構件3、緩衝器4並沿箭頭a方向前迸。然後，撞上未圖示的障礙物等並被反射的反射波沿箭頭b方向前迸，穿過匹配構件3、緩衝器4，並從金屬殼體I的接收面入射到PZT 2。在該情況下，為了提高超聲波收發功率，使超聲波傳感器的超聲波發送面、匹配構件、緩衝器及空氣的聲阻抗滿足以下關係。Z1>Z2〈Z3Z2>Zair式中Zl · · ·超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗Z2 · · ·匹配構件的聲阻抗Z3· · 緩衝器的聲阻抗Zair · · ·空氣的聲阻抗圖2表示將根據實施方式I的超聲波傳感器安裝到緩衝器背面的狀態，將匹配構件3卡合到形成於緩衝器4的背面的凹部4a中，使金屬殼體I的凸緣部Ia與緩衝器4的背面相抵接。接著，將具有貫穿金屬殼體I的孔6b的固定環6嵌入該金屬殼體，在將孔6b周邊的凸緣部6a與金屬殼體I的凸緣部Ia相抵接的狀態下，利用粘接劑7將固定環6粘接固定到緩衝器4的背面。匹配構件3由具有2種聲阻抗的匹配構件3a、3b所構成，各匹配構件3a、3b的聲阻抗滿足以下關係。Z21))Z22式中Z21 · · ·中央部的第一匹配構件的聲阻抗Z22· · 周邊部的第二匹配構件的聲阻抗在該情況下，中央部的第一匹配構件3a採用消泡有機(defoamedsilicone),周邊部的第二匹配構件3b採用發泡聚苯こ烯(foamed polystyrene)或發泡有機娃(foamedsilicone) 0此外，可用即使材質相同、聲阻抗卻不同的構件來實現。在該情況下，若匹配構件3具有緊貼性、觸變性(因表面張カ而形狀變化較小的材料)，則更佳。而且，第一匹配構件3a和緩衝器4的背面之間的接觸面的形狀具有長寬比。圖3(a)、(b)、(C)是相對於周邊部的第二匹配構件3b改變了中央部的第一匹配構件3a的形狀的結構，圖3 (a)中第一匹配構件3a的形狀為四邊形，圖3 (b)中第一匹配構件3a的形狀為橢圓形，圖3 (c)中第一匹配構件3a的形狀為圓形，它們與緩衝器4的背面的接觸面之間的長寬比各不相同。在周邊部的第二匹配構件3b中，以間隔大致相等的方式混入了圓形或多邊形的例如玻璃、金屬等固態物5。如上所述，根據實施方式1，不用對緩衝器4設置貫穿孔，就能將超聲波傳感器直接安裝於緩衝器4的背面並檢測障礙物，因此，超聲波傳感器不會露出緩衝器表面，提高緩衝器4的設計性。 此外，使超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗Z1、匹配構件的聲阻抗Z2、緩衝器4的聲阻抗Z3、空氣的聲阻抗Zair滿足以下關係Z1>Z2〈Z3Z2>Zair從而能提高超聲波的收發效率。此外，由具有2種聲阻抗的中央部的第一匹配構件3a和周邊部的第二匹配構件3b來構成匹配構件3，使中央部的第一匹配構件3a的聲阻抗Z21、周邊部的第二匹配構件3b的聲阻抗Z22滿足以下關係；Z21))Z22從而能提高超聲波的收發效率並改變超聲波的指向性。另外，根據超聲波傳感器的設置環境，可使超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗Z1、匹配構件的聲阻抗Z2、緩衝器4的聲阻抗Z3、空氣的聲阻抗Zair的關係滿足以下關係Z1>Z2>Z3或Z1〈Z2〈Z3。此外，通過對匹配構件3混入固態物5，使緩衝器4的背面與金屬殼體I的超聲波發送面之間的距離即匹配構件3的厚度成為一定距離，因此，超聲波的收發效率得以穩定且可靠性得以提高。實施方式2圖4表示將本發明的實施方式2的超聲波傳感器安裝到緩衝器4的背面的狀態，使周邊部的第二匹配構件3b形成為杯形，從而形成覆蓋金屬殼體I的超聲波發送/接收面的結構(帽結構)。根據本實施方式2，由於利用第二匹配構件3b來覆蓋金屬殼體I的超聲波發送/接收面，因此，能容易將超聲波傳感器安裝到緩衝器4背面的凹部4a。而且，具有降低在緩衝器的厚度方向上傳播的超聲波分量的效果，能消除不需要的超聲波輻射。
實施方式3圖5表示將實施方式3的超聲波傳感器安裝到緩衝器4的背面的狀態，其結構如下在金屬殼體I的超聲波發送/接收面的周圍設置突起8，該突起8的高度與匹配構件3的厚度大致相等。如圖6 (a)所示那樣，在金屬殼體I的超聲波發送/接收面的周圍，以等間隔來設置該突起8。或者，如圖6 (b)所示那樣，以包圍匹配構件3的周圍的方式來將上述突起8設置成環狀，且上述突起8的高度與該匹配構件的厚度大致相同。此外，如圖6(c)所示那樣，在將匹配構件3形成為橢圓形的情況或如圖6 (d)所示那樣將匹配構件3形成為四邊形的情況下，以包圍該匹配構件3的周圍的方式來形成上述突起8，且上述突起8的高度與該匹配構件的厚度大致相同。根據本實施方式3，將緩衝器4的背面和金屬殼體I的超聲波發送/接收面Ia之間的距離即匹配構件3的厚度保持一定，因此，能對匹配構件3的加壓狀態進行管理，超聲波的收發效率得以穩定且可靠性得以提高。實施方式4圖7表示將實施方式4的超聲波傳感器安裝到緩衝器4的背面的狀態，在形成於緩衝器4的背面的凹部4a的底面設有直徑比該凹部4a要小的凹部4b，該凹部4b的深度與匹配構件的厚度大致相同，該凹部4b周圍的突起部4c、即凹部4a的底面承接金屬殼體I的超聲波發送/接收面Ia的周圍。在該情況下，匹配構件3的平面形狀可與圖6 (a) (d)所示相同地，成為圓形、橢圓形、四邊形、其它形狀等任意形狀。根據本實施方式4，由凹部周圍的突起部4c承接金屬殼體I的超聲波發送/接受面，組裝時不對匹配構件3施加所需壓カ以上的壓力，因此，能對匹配構件3的加壓狀態進行管理，超聲波的收發效率得以穩定且可靠性得以提高。實施方式5圖8表示將實施方式5的超聲波傳感器安裝到緩衝器4的背面的狀態，將匹配構件3卡合到形成於緩衝器4的背面的凹部4a中，使金屬殼體I的凸緣部Ia與緩衝器4的背面相抵接。其結構如下固定環6具有貫穿金屬殼體I的孔6b，該孔6b周邊的凸緣部6a與金屬殼體I的凸緣部Ia之間形成有間隙10，並且，將該凸緣部6a的周邊彎曲成為截面呈U字型以使其具有弾性，利用該U字型彎曲前端部將凸緣部Ia按壓到緩衝器4的背面。根據本實施方式5，利用固定環6 —側的彈性將金屬殼體I的凸緣部Ia按壓到緩衝器4的背面，因此，能將緩衝器4的背面與金屬殼體I的超聲波發送/接受面之間的距離即匹配構件3的厚度保持一定，能對匹配構件3的加壓狀態進行管理，超聲波的收發效率得以穩定且可靠性得以提高。另外，如上述實施方式1、2、5所示，利用具有2種聲阻抗的匹配構件3a、3b來構成匹配構件3，對匹配構件3的周邊部的匹配構件3b採用壓敏橡膠，利用固定環6的凸緣部6a對匹配構件3b進行加壓，以安裝到緩衝器4的背面，能適當地進行加壓。
圖9表示對該加壓狀態進行監視的電路的ー示例，如圖10所示那樣在施加一定電壓E的狀態下，加壓橡膠即周邊部的匹配構件3b的輸出電壓V相對於加壓カP而變化，因此，確定加壓カP以使其輸出電壓V落在適當的加壓區域內。當落在適當的加壓區域以外時，若利用輸出電壓V來發出報警，則能始終以適當的壓カ將周邊部的匹配構件3b安裝到緩衝器4的背面。
另外，在上述各實施方式中，使其具有以下結構將固定環6的凸緣部6a至少分為2部分，使該各分割部的配合部可彼此相連結，並且使各分割部的基部可彎曲，從而使得交換超聲波傳感器變容易。
エ業上的實用性本發明能獲得收發效率穩定的超聲波傳感器及超聲波傳感器模塊，並且，能以較佳外形將它們安裝到緩衝器4的背面。
權利要求
1.一種超聲波傳感器，安裝於緩衝器的背面，其特徵在於，設有匹配構件，該匹配構件與該超聲波傳感器的超聲波發送面和所述緩衝器之間的相對面密接，該匹配構件的聲阻抗比該超聲波傳感器的超聲波發送面和所述緩衝器的聲阻抗要小。
2.如權利要求I所述的超聲波傳感器，其特徵在於，超聲波傳感器的超聲波發送面、匹配構件、緩衝器和空氣的聲阻抗滿足以下關係Z1>Z2〈Z3Z2>Zair 式中 Zl · · ·超聲波傳感器的發送面(金屬殼體)的聲阻抗 Z2 · · ·匹配構件的聲阻抗 Z3· · 緩衝器的聲阻抗 Zair · · ·空氣的聲阻抗。
3.如權利要求I所述的超聲波傳感器，其特徵在於，匹配構件由具有第一聲阻抗的構件和具有第二聲阻抗的構件來構成，至少一個構件與緩衝器之間的接觸面的形狀具有長寬t匕，各構件的聲阻抗滿足下式的關係 Z21)) Z22 式中 Z21 · · ·中央部的第一構件的聲阻抗 Z22· · 周邊部的第二構件的聲阻抗。
4.如權利要求3所述的超聲波傳感器，其特徵在於，第一構件為消泡有機矽、第二構件為發泡聚苯乙烯或發泡有機矽。
5.如權利要求3所述的超聲波傳感器，其特徵在於，匹配構件由具有第一聲阻抗的構件和具有第二聲阻抗的構件來構成，第二構件為覆蓋超聲波發送面的帽結構。
6.如權利要求3所述的超聲波傳感器，其特徵在於，對周邊的匹配構件或周邊的匹配構件混入圓形或多邊形形狀的固態物。
7.如權利要求3所述的超聲波傳感器，其特徵在於，對中央的匹配構件採用壓敏橡膠，以監視超聲波傳感器和緩衝器的加壓狀態，具有在一定閾值以上或以下時發出報警的功倉泛。
8.如權利要求3所述的超聲波傳感器，其特徵在於，在超聲波傳感器的結構要素即金屬殼體的超聲波發送面和所述緩衝器的抵接面中的任意一個面上設有突起部，利用該突起部，將插入在所述抵接面的匹配構件的厚度保持一定。
9.如權利要求8所述的超聲波傳感器，其特徵在於，利用突起部的形狀來改變匹配構件的長寬比。
10.一種超聲波傳感器的安裝方法，其特徵在於，將權利要求I至9中任一項所述的超聲波傳感器配置於緩衝器背面的規定位置，用固定構件來按壓所述超聲波傳感器的結構要素即金屬殼體的凸緣部，在該按壓的狀態下，將所述固定構件固定於所述緩衝器。
11.如權利要求10所述的超聲波傳感器的安裝方法，其特徵在於，固定構件包括始終按壓金屬殼體的凸緣部的施力構件。
12.如權利要求10所述的超聲波傳感器的安裝方法，其特徵在於，在固定構件上形成施カ構件
全文摘要
本發明所涉及的超聲波傳感器具有以下結構在安裝於緩衝器4的背面的超聲波傳感器中設有匹配構件3，該匹配構件3與該超聲波傳感器的超聲波發送面和所述緩衝器4之間的相對面密接，且該匹配構件3的聲阻抗比所述超聲波發送面和所述緩衝器各自的聲阻抗要小，因此諧振頻率波動較小、力圖提高發送功率並實現穩定化。
文檔編號G01S7/521GK102652269SQ20108005398
公開日2012年8月29日 申請日期2010年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者井上 悟, 井幡 光詞, 木村 友則, 幸生 西本 申請人:三菱電機株式會社