專利名稱：用于接近傳感器的超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及超聲波換能器，更具體地，涉及可并入到用于檢測(cè)物體的存在和/或距離的傳感器中的超聲波換能器組件。
背景技術(shù)：
超聲波感測(cè)系統(tǒng)提供了有效且高效的檢測(cè)物體的方法，例如可以用在自動(dòng)工業(yè)制造過程中。這些傳感器需要使用換能器來產(chǎn)生超聲波信號(hào)。例如，用于這種傳感器的換能器通常生成沿物體的方向發(fā)送的超聲波信號(hào)，然后再由該換能器接收返回或反射的信號(hào)。 連接到換能器的處理器處理接收到的信號(hào)，并基于發(fā)送的信號(hào)和接收的信號(hào)之間經(jīng)過的時(shí)間，確定物體的存在和/或距物體的距離。諸如用于基于空氣的飛行時(shí)間應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)的壓電陶瓷超聲波換能器通常被設(shè)計(jì)為具有非常好的遠(yuǎn)距離檢測(cè)能力。在設(shè)計(jì)這些傳感器時(shí)，通常希望考慮使得換能器的 Q值(即共振)最大，并使得工作頻率最小。高Q值使得對(duì)返回信號(hào)的放大更大，低頻率用于減小超聲波在空氣中的衰減，這是因?yàn)樗p是頻率的函數(shù)。這種現(xiàn)有技術(shù)的換能器通常被配置為由陶瓷材料形成的薄盤，其通常展現(xiàn)出高Q值的優(yōu)點(diǎn)。出于各種原因，在提高效率以及降低制造圓形陶瓷盤的成本方面存在很多限制， 這繼而限制了并有陶瓷盤的元件(例如，并入傳感器的換能器)的可控成本降低。因此，希望提供一種另選配置的傳感器換能器，其可以并有一共振器元件，該共振器元件具有有助于高效地生產(chǎn)共振器元件和組裝的換能器兩者的成形因子(form factor)或形狀。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種超聲波換能器組件用于感測(cè)接近換能器的物體的位置。該超聲波換能器組件包括壓電陶瓷共振板，該壓電陶瓷共振板包括具有主尺寸和次尺寸的伸長(zhǎng)的部件。該換能器組件還包括耦合器，該耦合器連接到共振板的表面，用于聲學(xué)地將所述共振板耦合到與該耦合器接觸的介質(zhì)。該耦合器包括橫切所述共振板延伸的基本上剛性的板狀振動(dòng)膜部件。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種超聲波換能器組件用于感測(cè)接近換能器的物體的位置。該超聲波換能器組件包括具有相反的平表面的壓電陶瓷共振板。電接觸件連接到共振板的每個(gè)平表面，用于將共振板連接到電源。該換能器組件還包括具有相反的第一側(cè)和第二側(cè)的耦合器，所述第一側(cè)橫切(transverse to)共振板的表面延伸并連接到該表面，用于聲學(xué)地將共振板耦合到與該耦合器的第二側(cè)接觸的介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種包括用于感測(cè)接近換能器的物體的位置的超聲波換能器組件的傳感器。該傳感器包括矩形壓電陶瓷共振板，該矩形壓電陶瓷共振板限定伸長(zhǎng)的主尺寸和次尺寸。共振板包括相反的平表面。電接觸件連接到所述每個(gè)平表面， 用于將共振板連接到電源。所述傳感器還包括盤形耦合器，該耦合器包括具有相反的第一側(cè)和第二側(cè)的平面部件。第一側(cè)橫切共振板的表面延伸并連接到該表面，其中共振板以懸臂梁的方式支撐在耦接器上，共振板的主尺寸的一端從耦接器的第一側(cè)延伸出。該耦合器由共振板聲學(xué)地激勵(lì)，以將信號(hào)發(fā)送到接近該耦合器的物體，并且該耦合器接收并發(fā)送從物體到共振板的反射信號(hào)。


盡管說明書后附權(quán)利要求特別指出并清楚地請(qǐng)求保護(hù)了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)以下結(jié)合附圖的描述將更好地理解本發(fā)明，在附圖中以類似的附圖標(biāo)號(hào)指示類似的部件，附圖中圖1是并有根據(jù)本發(fā)明的換能器組件的傳感器系統(tǒng)的部分剖視圖的側(cè)視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的換能器組件的分解立體圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的換能器組件的耦合器端的放大剖視圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的換能器組件中的共振板與印刷電路板襯底的組裝的分解立體圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明可選實(shí)施方式的換能器組件的耦合器端的放大剖視圖；圖6是圖5的可選實(shí)施方式的分解立體圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方式的換能器組件的放大剖視圖；以及圖8是并有圖7的換能器組件的傳感器系統(tǒng)的部分剖視圖的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式在以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，參照構(gòu)成本發(fā)明一部分的附圖，附圖中通過例示而非限制的方式示出了可以實(shí)踐本發(fā)明的具體優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解，可以采用其它實(shí)施方式，并且可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行修改。參照?qǐng)D1，示出了用于確定接近超聲波傳感器10的物體12的存在和距離的超聲波傳感器10。如下面將進(jìn)一步描述的，該傳感器包括外殼14和換能器組件16，并且包括在外殼14內(nèi)圍繞換能器組件16的阻尼材料18。參照?qǐng)D2，換能器組件16包括由印刷電路板限定的襯底部件20、換能器或共振板 22、以及板狀耦合器或耦合組件M，該板狀耦合器或耦合組件M連接到共振板22并橫切共振板22延伸。耦合組件M提供了相對(duì)較小的共振板22與填充了傳感器10和物體12之間的空間的諸如空氣的介質(zhì)(如圖1中示出的區(qū)域15)之間的超聲波接口。共振板22可以由任何適合的壓電材料構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施方式中，共振板22包括壓電陶瓷板。具體地，共振板22可由諸如PZT5A(例如，可從Morgan Electro Ceramics, Bedford，Ohio獲得)的鋯鈦酸鉛構(gòu)成。與用于本申請(qǐng)的壓電陶瓷材料相關(guān)的理想特性包括高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、基本平坦的溫度響應(yīng)、以及相對(duì)高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)，在本例中Qm約為75。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，耦合組件M包括大體表面區(qū)域，用于將來自共振板22的超聲波能量傳遞到介質(zhì)。在所例示的實(shí)施例中，耦合組件M包括振動(dòng)膜(diaphragm) 26,該振動(dòng)膜沈限定了耦合組件M的第一側(cè)觀。振動(dòng)膜26能夠響應(yīng)于來自共振板22的振動(dòng)能而振動(dòng)。 振動(dòng)膜沈包括硬性或剛性材料，并可由多種材料形成，這些材料包括但不限于金屬、塑料、 或聚合物，例如諸如環(huán)氧的模制熱固性聚合物。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，振動(dòng)膜26可由不銹鋼薄板形成。如這里所例示的，本實(shí)施例的振動(dòng)膜26是薄的或板狀的盤形件，其中來自共振板22的振動(dòng)能大體上沿垂直于所述襯底部件20的方向分布。也就是說，聲振信號(hào)沿這樣的路徑傳播，即該路徑是從限定于振動(dòng)膜沈的孔30處的振動(dòng)膜沈的中央位置到振動(dòng)膜26的外沿圓周地且徑向地導(dǎo)向的。應(yīng)當(dāng)理解，振動(dòng)膜沈不限于盤形件，并且可以包括采用其它形狀的板狀件。耦合組件M還可以包括阻抗匹配部件32，這里阻抗匹配部件32被例示為位于振動(dòng)膜沈之上的盤形件。阻抗匹配部件32限定了耦合組件M的朝向外的第二側(cè)34。阻抗匹配部件32包括選擇用于使得來自共振板22的超聲波能量到介質(zhì)15的耦合最大化的材料，并且通常是不同于振動(dòng)膜沈的材料的其它材料。例如，阻抗匹配部件32可以包括相對(duì)彈性材料，例如橡膠、環(huán)氧材料、聚合物、玻璃、或這些材料的組合和/或混合。在優(yōu)選實(shí)施例中，為了與空氣介質(zhì)接口，阻抗匹配部件32包括玻璃填充環(huán)氧部件。應(yīng)當(dāng)理解，盡管為了描述本實(shí)施例采用空氣作為介質(zhì)，但是可以選擇阻抗匹配部件32的材料和構(gòu)成，以使得阻抗匹配部件32被配置為與包括液體或其它氣體在內(nèi)的其它介質(zhì)相耦合。另外，阻抗匹配部件32不限于所例示的盤形結(jié)構(gòu)，并且可以包括其它形狀，例如與振動(dòng)膜沈的形狀匹配的形狀。如從圖2和圖3所見，阻抗匹配部件32包括用于容納振動(dòng)膜沈的凹部區(qū)域31。 振動(dòng)膜26的與第一側(cè)觀相反的表面定位為與阻抗匹配部件32的表面33相接合，凹部31 用于在振動(dòng)膜沈與阻抗匹配部件32之間傳遞超聲波信號(hào)。還應(yīng)當(dāng)理解，在本文所描述的傳感器10的某些應(yīng)用中，可以構(gòu)造不帶阻抗匹配部件32的耦合組件M。例如，可以用振動(dòng)膜沈的材料來構(gòu)造耦合組件對(duì)，該材料被選擇用于提供滿意的耦合，以有效地將超聲波能量遞送到介質(zhì)以及從介質(zhì)接收超聲波能量。隔離部件35靠近耦合組件M的第一側(cè)28設(shè)置，即，位于阻抗匹配部件32和振動(dòng)膜沈后面。隔離部件35優(yōu)選地由彈性材料形成，并且提供了隔離層或障壁，用于至少將振動(dòng)膜沈并且優(yōu)選地將振動(dòng)膜沈和阻抗匹配部件32兩者與外殼14內(nèi)的阻尼材料18隔離。 在優(yōu)選實(shí)施例中，阻尼材料18包括聚氨酯材料，并且隔離部件35包括硅橡膠材料(即，硅泡沫橡膠)，且具有帶中央孔37的圓形結(jié)構(gòu)。隔離部件35優(yōu)選地具有基本上與耦合組件 24的直徑匹配的外徑。如在圖2中所見，襯底部件20被構(gòu)造為伸長(zhǎng)的矩形部件，該矩形部件包括上平表面36、下平表面38、以及分別由相反的大體平行的側(cè)沿42，44和由相反的大體平行的前沿和后沿46，48限定的周沿40。舌狀或半島部50在側(cè)沿42、44中間以懸臂梁的方式從前沿 46延伸出。再參照?qǐng)D4，共振板22示出為包括伸長(zhǎng)的板狀部件，該板狀部件具有基本上平的內(nèi)表面52、基本上平的外表面M、前沿56、后沿58以及相反的側(cè)沿60，62。在前沿56和后沿58之間定義了主尺寸D1,在相反的側(cè)沿60，62之間定義了次尺寸D2。共振板22被定位為，其內(nèi)表面52位于襯底部件20的上表面36上或鄰近上表面36，且其主尺寸D1從襯底部件20的前沿46延伸過半島部50。共振板22的前沿56位于鄰近半島部50的前沿59。共振板22的次尺寸&基本上等于半島部50的寬度，如在半島部50的相反側(cè)64和66之間測(cè)量的寬度。共振板22與襯底部件20平行取向，并且優(yōu)選地位于襯底部件20上的第一接觸焊盤(pad)68上，以形成內(nèi)表面52與第一接觸焊盤68之間的電接觸件。接觸焊盤68優(yōu)選地包括突起部，該突起部延伸到襯底部件20以上，用于以懸臂梁的方式與襯底部件20相隔開地支撐共振板22。因此，優(yōu)選地在共振板22的內(nèi)表面52與襯底部件20的上表面36之間有空氣隙。另外，頂部導(dǎo)線(top wire) 70設(shè)置為在外表面M與襯底部件20上的第二接觸焊盤72之間延伸。第一接觸焊盤68和第二接觸焊盤72包括電連接到襯底部件20上的電源74和處理器76 (參見圖幻的導(dǎo)體。來自接觸焊盤68，72的電連接可以由刻蝕在限定了襯底部件20的印刷電路板上的各個(gè)電條線69，73形成，參見圖2和圖4。應(yīng)當(dāng)理解，電源 74和處理器76中的任一個(gè)或兩個(gè)可以按照常規(guī)形式由襯底部件20上的印刷電路板結(jié)構(gòu)來限定，或者可選地，可遠(yuǎn)離襯底部件20設(shè)置。盡管優(yōu)選實(shí)施例包括用于支撐共振板22的單個(gè)支撐物，即第一接觸焊盤68，但是共振板22可由一個(gè)或多個(gè)附加的支撐物來支撐。例如，共振板22可以支撐在位于鄰近共振板22的縱向端的一對(duì)支撐物上，其中至少一個(gè)支撐物優(yōu)選地形成與電條線69的電接觸件。在組裝換能器組件16的過程中，通過執(zhí)行拾放(pick-and-place)操作的裝置將共振板22放置在半島部50上并且延伸過第一接觸焊盤68，可以將共振板22組裝到襯底部件20。頂部導(dǎo)線70可在自動(dòng)操作下組裝到襯底部件20，例如通過按照常規(guī)卷帶供應(yīng)配置饋送多個(gè)制備的頂部導(dǎo)線70來執(zhí)行的操作。每個(gè)連續(xù)的頂部導(dǎo)線70可被放置為，其垂直部分與第二接觸焊盤72接合，而頂部導(dǎo)線70的水平部分接合過共振板22的上表面，從而經(jīng)由第二接觸焊盤72在外表面M與印刷電路板的電導(dǎo)體73之間形成電接觸件，參見圖 4。在所例示的實(shí)施例中，在第二接觸焊盤72中示出了一個(gè)孔用于容納頂部導(dǎo)線70的垂直部分，然而這種孔對(duì)于實(shí)施本發(fā)明不是必需的。共振板22與襯底部件20的組裝可以按照包括將其它元件放置在襯底部件20上的組裝方法來執(zhí)行。具體來說，共振板22和頂部導(dǎo)線70可以與包括形成處理器76和電源 74的其它元件一起放置在限定襯底部件20的印刷電路板上，并且進(jìn)行常規(guī)的表面貼裝技術(shù)(SMT)回流(reflow)工藝來將元件連接到印刷電路板。因此，通過SMT回流工藝將共振板22的一側(cè)直接附接到襯底部件20的印刷電路板。此外，共振板22的SMT回流附接提供了高的集約型附接，與已知的通常實(shí)施用于將現(xiàn)有技術(shù)的壓電陶瓷超聲波元件附接到電路板或類似的安裝結(jié)構(gòu)的組裝和工藝相比，該SMT回流附接通常需要更少的部分和減少的勞力。在將共振板22貼裝到襯底部件20之后，將耦合組件M至少附接到鄰近前沿56的共振板22的外表面M，且與共振板22的平面垂直地延伸。具體來說，振動(dòng)膜沈的中央孔 30定位為越過共振板22的端部，共振板22的前沿56定位為與阻抗匹配部件32的內(nèi)面33 接合或緊密鄰近。另外，隔離部件35定位在耦合組件M的第一側(cè)觀處，共振板22延伸通過隔離部件35的中央孔37。在優(yōu)選實(shí)施例中，振動(dòng)膜沈和阻抗匹配部件32連結(jié)(bond)到共振板22，使得阻抗匹配部件32的內(nèi)表面33連結(jié)到共振板22的前沿56。另外，連結(jié) (bonding)通常還將發(fā)生在共振板22的其它表面之間，即內(nèi)表面52和外表面M以及側(cè)沿 60,62,半島部50上的表面36、38、59、64和66，以及鄰近孔30的振動(dòng)膜沈的表面。換言之，可以通過連結(jié)來連接振動(dòng)膜沈、共振板22以及半島部50的所有相鄰表面。通常，連結(jié)可以通過施加到共振板22的端部的環(huán)氧連結(jié)物80來實(shí)現(xiàn)，從而形成共振板22與耦合組件 24的振動(dòng)膜沈和阻抗匹配部件32元件之間的機(jī)械連接，以及將隔離部件35附接到耦合組件M的第一側(cè)觀。環(huán)氧連結(jié)物80另外將耦合組件M固定到襯底部件20的半導(dǎo)部50，使得耦合組件M從襯底部件20被支撐起，其中耦合組件M的第一側(cè)觀鄰近襯底部件20的前沿46并與該前沿46隔開。因此，通過由環(huán)氧連結(jié)物80形成的機(jī)械連接使得可以在共振板22與耦合組件M 之間傳遞超聲波能量。通過耦合到共振板22，耦合組件M在共振板22的工作頻率下呈現(xiàn)了良好的傳輸性(transmittance)以及與介質(zhì)的良好阻抗匹配，在當(dāng)前描述的實(shí)施例中， 上述工作頻率可在大約IOOkHz到大約IMHz的范圍內(nèi)。這里描述的換能器組件16的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與共振板22的結(jié)構(gòu)以及共振板22和襯底部件20的組裝相關(guān)。具體來說，共振板22的幾何結(jié)構(gòu)使得可以從單片陶瓷材料獲得多個(gè)共振板22。特別地，諸如PZT5A的一片陶瓷材料可以被制造和刻劃或切割形成多個(gè)基本上對(duì)應(yīng)于共振板22的期望尺寸的單獨(dú)的矩形件。因此，可以最少浪費(fèi)或剩余材料最少地制造多個(gè)共振板22，與之相比，形成現(xiàn)有技術(shù)的盤形換能器共振器要求更多步驟來形成期望形狀，并且材料使用效率低。此外，如上所述，將共振板22平行于襯底部件20放置便于例如通過常規(guī)的拾放組裝操作自動(dòng)組裝換能器組件16。與之相對(duì)，已知的用于組裝沒有平行于安裝結(jié)構(gòu)(即，印刷電路板)安裝的換能器共振器的組裝操作通常需要操作者操縱陶瓷共振器以有效地相對(duì)于安裝結(jié)構(gòu)放置共振器。因此，在本換能器設(shè)計(jì)中效率的組合有利于容易地進(jìn)行制造和經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行組裝。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明不必限于本文針對(duì)共振板22描述的特定的矩形。因此，可以為共振板22選擇其它形狀，盡管具有便于經(jīng)濟(jì)地制造共振板22的成形因子的共振板22是優(yōu)選的。在圖5和圖6中例示了本發(fā)明的可選實(shí)施方式的示例，在圖5和圖6中，盤形共振板122按照與圖1至圖4中例示的實(shí)施例類似的方式支撐在襯底部件120上，并且其中圖 5和圖6的實(shí)施例中的與圖1至圖4中的實(shí)施例對(duì)應(yīng)的部件以相同的附圖標(biāo)記增加100來標(biāo)注。類似于以上針對(duì)共振板22所描述的材料，共振板122優(yōu)選地包括壓電陶瓷板。共振板122可支撐在第一接觸焊盤168上，使得共振板122與襯底部件120的上平表面136 隔開地被支撐，在共振板122與襯底部件120之間有空氣隙。優(yōu)選地，第一接觸焊盤168在共振板122的幾何中心處與共振板122接合，并且可以通過焊接連接167(例如，可以通過 SMT回流工藝實(shí)施的)來附接，從而在共振板122的內(nèi)表面152上的電極與第一接觸焊盤 168之間形成電連接。因此，共振板122以懸臂梁的方式被支撐在第一接觸焊盤168上。與共振板122的外表面巧4上的電極的第二電連接可以通過延伸到襯底部件120上的接觸焊盤172的頂部導(dǎo)線170來提供，并且可以通過SMT回流工藝來連接。
例如包括玻璃填充環(huán)氧部件的耦合器IM位于共振板122的外表面巧4上，以提供共振板122與介質(zhì)之間的阻抗匹配。耦合器IM可以設(shè)置有容納頂部導(dǎo)線170的凹部， 其中耦合器124附接到共振板122的頂部表面154。從共振板122和耦合器IM發(fā)送并接收到的聲音信號(hào)的路徑沿大體垂直于襯底部件120的平表面136的方向延伸。需要注意的是，在本實(shí)施例中，耦合器1 被構(gòu)造為不具有振動(dòng)膜，其中共振板122基本上將振動(dòng)能分布在耦合器124的整個(gè)區(qū)域上，而無需振動(dòng)膜將能量沿徑向分送。另外，支撐物或支撐環(huán)180可以位于襯底部件120上，并基本上與共振板122的內(nèi)表面152的外周部的至少一部分對(duì)齊。支撐環(huán)180在平表面136的平面上方延伸，并且包括上表面182，該上表面182優(yōu)選地與共振板122的內(nèi)表面152隔開相對(duì)小的距離。支撐環(huán) 180可以與內(nèi)表面152接合，以限制可以利用第一接觸焊盤168施加在安裝點(diǎn)處的懸臂力。在圖7和圖8中例示了本發(fā)明的另一可選實(shí)施方式的示例，其中可以提供換能器組件216，并且其中圖7和圖8的實(shí)施例中的與圖1至圖4中的實(shí)施例對(duì)應(yīng)的部件以相同的附圖標(biāo)記增加200來標(biāo)注。在圖7和圖8中所例示的換能器組件216類似于參照?qǐng)D1至圖4所描述的換能器組件16，但是被構(gòu)造為不具有支撐共振板222的襯底部件。特別地，共振板222以懸臂梁的方式從耦合器2M支撐起。類似于以上針對(duì)共振板22所描述的材料，共振板122優(yōu)選地包括壓電陶瓷板。此外，類似于前面所描述的共振板22，共振板222可以包括伸長(zhǎng)的矩形部件，并且包括相反的平表面252，254、前沿256、后沿258以及相反的側(cè)沿(僅示出了側(cè)沿 260)。共振板222包括主尺寸和次尺寸，如同針對(duì)共振板22所定義的，參見圖4中的主尺寸和次尺寸D1和D2。耦合器2M可以包括具有振動(dòng)膜2 和阻抗匹配部件232的組件。另外，耦合器 224還可以包括隔離部件235。包括振動(dòng)膜226、阻抗匹配部件232和隔離部件235的耦合器2M可以包含與以上針對(duì)耦合組件M所描述的材料相同的材料，并且如同以上針對(duì)耦合組件M所描述的那樣來構(gòu)造。特別地，耦合器2M包括由振動(dòng)膜2 限定的第一側(cè)228，以及由阻抗匹配部件232限定的第二側(cè)234。振動(dòng)膜2 包括具有相對(duì)于振動(dòng)膜226的圍繞部分減小了的厚度的中央部分230。共振板222的端部延伸以使前沿256鄰近于中央部分 230，耦合器224的第一側(cè)2 橫切(S卩，垂直)共振板222延伸。包括例如環(huán)氧連結(jié)物觀0的連結(jié)結(jié)構(gòu)將共振板222鄰近于前沿256的外表面機(jī)械地連接到振動(dòng)膜226，并且將隔離部件235粘附到耦合器224的第一側(cè)228。連結(jié)物280將共振板222支撐于耦合器224，以懸臂梁的方式從耦合器2M延伸出。也就是說，對(duì)比于圖 1至圖4的實(shí)施例，共振板222的鄰近于前沿的主尺寸的端部被支撐于耦合器2M處，并且可以基本上不用其它結(jié)構(gòu)來支撐。電接觸件(S卩，導(dǎo)線沈8、270)可以與共振板222的相反的平表面252、2M連接于在相反的端部256、258之間的近似中間的位置。導(dǎo)線268、270提供電連接，用于給共振板 222輸送電力并且傳輸來自共振板222的信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管導(dǎo)線沈8、270被示出為與沿著共振板222的主軸的近似中間位置連接，但是用于導(dǎo)線沈8、270的特定位置可以改變。例如，可以細(xì)微調(diào)整在導(dǎo)線沈8、270與共振板222之間的接觸位置以提供用于發(fā)送和接收信號(hào)的特定頻率響應(yīng)。參照?qǐng)D8，換能器組件216可以位于外殼214內(nèi)，用于提供與針對(duì)傳感器10所描述的傳感器類似的傳感器組件或傳感器210。特別地，傳感器210可以包括圍繞換能器組件 216的阻尼材料218(例如，聚氨酯材料)。阻尼材料218可以被提供用于阻尼耦合器2M 和共振板222以降低Q值?？梢酝ㄟ^控制阻尼材料218與耦接器2 和/或共振板222之間的接觸大小來控制該阻尼以提供所期望的Q值。例如，可以減小將振動(dòng)膜2 和阻抗匹配部件232的至少一部分與阻尼材料218隔離的隔離部件235的尺寸，從而允許或增大阻尼材料218與振動(dòng)膜2 和阻抗匹配部件232中的一個(gè)或兩個(gè)之間的接觸。導(dǎo)線268、270通過由線290表示的連接提供了共振板222與位于外殼214之外的電源274和處理器276之間的電連接?？蛇x地，導(dǎo)線268、270可以延伸到位于外殼214之內(nèi)的電源和處理器(沒有示出)。電源274和處理器276被配置為通過導(dǎo)線沈8、270將電功率提供給共振板222，以便在耦合器2M處產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號(hào)，并接收和處理在耦合器 224處接收到的返回信號(hào)以確定物體和傳感器210之間的距離。在此所描述的換能器組件216的優(yōu)點(diǎn)涉及耦合器2M伸出懸臂對(duì)共振板222的支撐，使得與圖1至圖4的換能器組件16相比，對(duì)共振板222的振動(dòng)模式的約束被去除了。盡管在共振板222之內(nèi)的不同方向上可以產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)信號(hào)，但是共振板222的主頻率應(yīng)當(dāng)沿著主尺寸的方向。應(yīng)當(dāng)理解，給共振板222提供懸臂梁支撐提供了這樣一種設(shè)計(jì)， 即在該設(shè)計(jì)中需要用于獲得傳感器210的期望功率輸出的材料可以更少了。此外，沒有沿著主尺寸的約束，允許換能器組件216在不用對(duì)組件216重新進(jìn)行基本設(shè)計(jì)的情況下按比例放大或縮小。此外，在共振板222與襯底之間的連接(例如，在圖1 至圖4的實(shí)施例中所提供的)的去除可以降低換能器組件216的脆弱性，因?yàn)椴贾糜诠舱癜?22上的連接或者對(duì)共振板222的約束更少了。需要注意的是，在本實(shí)施例的另一可選結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)膜2 可以形成為孔位于中央部分230的位置之中。在該結(jié)構(gòu)中，共振板222與耦合器224的附接可以包括(以與針對(duì)圖1至圖4的實(shí)施例所描述的方式類似的方式)布置共振板的前沿256穿過振動(dòng)膜2 中的孔并且鄰近于阻抗匹配部件232。盡管例示并描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然知道，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行各種其它修改和變型。因此，旨在由所附權(quán)利要求書來覆蓋處于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這種修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器組件，用于感測(cè)接近所述換能器的物體的位置，所述超聲波換能器組件包括壓電陶瓷共振板，所述壓電陶瓷共振板包括具有主尺寸和次尺寸并具有沿所述主尺寸和次尺寸的范圍延伸的相反的表面的伸長(zhǎng)的部件；以及耦合器，所述耦合器連接到所述共振板鄰近于所述主尺寸的端部的表面，用于將所述共振板聲學(xué)地耦合到與所述耦合器接觸的介質(zhì)；所述耦合器包括橫切所述共振板延伸的基本上剛性的板狀振動(dòng)膜部件；并且其中所述共振板基本上不由沿所述相反的表面的附加結(jié)構(gòu)支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其中所述共振板包括矩形板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其中所述耦合器還包括在所述振動(dòng)膜部件之上延伸的阻抗匹配部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波換能器組件，其中所述振動(dòng)膜部件包括中央部分，所述中央部分具有相對(duì)于所述振動(dòng)膜部件的圍繞部分減小了的厚度，并且所述共振板延伸到所述中心部分，以及包括將所述共振板的所述表面機(jī)械地連接到所述振動(dòng)膜部件的連結(jié)結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波換能器組件，其中所述振動(dòng)膜部件包括盤形部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波換能器組件，包括位于所述耦合器與所述介質(zhì)相反的一側(cè)之上的阻尼材料，并且包括將所述振動(dòng)膜部件與所述阻尼材料分離的彈性隔離層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，包括電導(dǎo)體，所述電導(dǎo)體與所述共振板的相反側(cè)連接于所述主尺寸的相反兩端之間的近似中間的位置處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器組件，其中所述共振板以從所述耦合器延伸出的懸臂梁的方式來支撐。
9.一種超聲波換能器組件，用于感測(cè)接近所述換能器的物體的位置，所述超聲波換能器組件包括具有相反的平表面的壓電陶瓷共振板；電接觸件，所述電接觸件包括連接到所述共振板的每個(gè)所述平表面的導(dǎo)線，用于將所述共振板連接到電源；以及耦合器，所述耦合器包括具有相反的第一側(cè)和第二側(cè)的平面部件，所述第一側(cè)橫切所述共振板的表面延伸并連接到該表面，用于將所述共振板聲學(xué)地耦合到與所述耦合器的所述第二側(cè)接觸的介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波換能器組件，其中所述共振板包括限定伸長(zhǎng)的主尺寸和次尺寸的矩形板，并且所述共振板以懸臂梁的方式支撐于所述耦合器上，所述共振板的伸長(zhǎng)的主尺寸的一端從所述耦合器的所述第一側(cè)延伸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波換能器組件，其中所述耦合器包括基本上剛性的盤形振動(dòng)膜以及材料不同于所述振動(dòng)膜的阻抗匹配部件，所述阻抗匹配部件在所述振動(dòng)膜之上延伸并限定所述第二側(cè)，并且所述耦合器還包括將所述共振板的所述表面與所述振動(dòng)膜機(jī)械地連接于所述第一側(cè)的連結(jié)結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲波換能器組件，包括圍繞所述共振板和所述耦合器的阻尼材料，并且所述耦合器還包括將所述振動(dòng)膜與所述阻尼材料分離的彈性隔離層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲波換能器組件，其中所述電接觸件在所述主尺寸的相反兩端之間大致中間的位置處與所述共振板連接。
14.一種包括超聲波換能器組件的傳感器，所述超聲波換能器組件用于感測(cè)接近所述換能器的物體的位置，所述傳感器包括矩形壓電陶瓷共振板，所述矩形壓電陶瓷共振板限定伸長(zhǎng)的主尺寸和次尺寸，所述共振板包括相反的平表面；電接觸件，所述電接觸件包括連接到所述共振板的每個(gè)所述平表面的導(dǎo)線，用于將所述共振板連接到電源；盤形耦合器，所述盤形耦合器包括具有相反的第一側(cè)和第二側(cè)的平面部件，所述第一側(cè)橫切所述共振板的表面延伸并連接到該表面，其中所述共振板以懸臂梁的方式支撐在所述耦接器上，所述共振板的伸長(zhǎng)的主尺寸的一端從所述耦接器的所述第一側(cè)延伸出；以及所述耦合器由所述共振板聲學(xué)地激勵(lì)，以將信號(hào)發(fā)送到接近所述耦合器的物體，并且所述耦合器接收并發(fā)送從所述物體到所述共振板的反射信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述耦合器包括基本上剛性的振動(dòng)膜以及材料不同于所述振動(dòng)膜的阻抗匹配部件，所述阻抗匹配部件在所述振動(dòng)膜之上延伸并限定所述第二側(cè)，并且所述耦合器還包括將所述共振板的所述表面與所述振動(dòng)膜機(jī)械地連接于所述第一側(cè)的連結(jié)結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器，包括具有圍繞所述共振板和所述耦合器的阻尼材料的外殼，并且所述耦合器還包括將所述振動(dòng)膜與所述阻尼材料分離的彈性隔離層。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其中所述共振板基本上不由沿所述相反的平表面的附加結(jié)構(gòu)支撐。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述共振板基本上不由沿所述相反的平表面的附加結(jié)構(gòu)支撐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于感測(cè)接近換能器的物體的位置的超聲波換能器組件。該超聲波換能器組件包括壓電陶瓷共振板和耦合器。該共振板以懸臂梁的方式支撐于耦合器。該耦合器橫切共振板延伸，用于聲學(xué)地將所述共振板耦合到與該耦合器接觸的介質(zhì)。
文檔編號(hào)G10K11/00GK102376302SQ20111023510
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者R·K·雷伊 申請(qǐng)人:施耐德電氣美國(guó)股份有限公司