超声波传感器

技术领域

本发明涉及超声波传感器。

背景技术

作为公开了超声波传感器的结构的文献，有美国专利第9383443号说明书(专利文献1)。专利文献1记载的超声波传感器具备外壳、换能器元件、以及至少一个质量要素。外壳具有侧壁部和构成为振动板的基底面。换能器元件配置在基底面，用于产生以及检测超声波振动。至少一个质量要素配置在基底面。至少一个质量要素配置为由振动板上的至少一个质量要素施加的力以及扭矩中的至少一者伴随着振动频率的上升而增加。至少一个质量要素配置在基底面的中央。至少一个质量要素具有如下的阻抗，即，使振动板的3阶振动模式变化，使得振动板的3阶振动模式接近振动板的1阶振动模式。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第9383443号说明书

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1记载的超声波传感器中，能够收发频率不同的两个超声波信号，使得由至少一个质量要素应对两个振动模式。

然而，在专利文献1记载的超声波传感器中，至少一个质量要素配置在外壳的基底面，因此难以将换能器元件安装在外壳的基底面。

本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种能够收发频率不同的两个超声波信号且容易将压电元件安装在底部的超声波传感器。

用于解决问题的技术方案

基于本发明的超声波传感器具备壳体、压电元件和两个锤部。壳体为有底筒状，具有底部和沿着与该底部正交的底部的中心轴的轴向从底部延伸的周壁部。压电元件在壳体的内部配置在底部上。两个锤部在壳体的外部设置在周壁部上，并配置为从上述轴向观察彼此不重叠。该超声波传感器在以第1振动模式的频率进行振动时，当底部向轴向的一侧弯曲为凸状时，两个锤部各自朝向轴向的另一侧倾斜，在以第2振动模式的频率进行振动时，当底部向轴向的一侧弯曲为凸状时，两个锤部各自朝向轴向的一侧倾斜。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够收发频率不同的两个超声波信号且容易安装压电元件的超声波传感器。

附图说明

图1是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的立体图。

图2是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的俯视图。

图3是从底部侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的仰视图。

图4是示出本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的侧视图。

图5是示出本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的电路结构的框图。

图6是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。

图7是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。

图8是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。

图9是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。

图10是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的立体图。

图11是从底部侧观察本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的仰视图。

图12是示出本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的侧视图。

图13是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。

图14是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。

图15是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。

图16是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。

具体实施方式

以下，参照图对本发明的各实施方式涉及的超声波传感器进行说明。在以下的实施方式的说明中，对于图中的相同或者相当部分标注相同附图标记，不再重复其说明。

(实施方式1)

图1是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的立体图。图2是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的俯视图。图3是从底部侧观察本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的仰视图。图4是示出本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的侧视图。

如图1至图4所示，本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100具备壳体110、压电元件120以及两个锤部130。

壳体110为有底筒状，具有底部111和周壁部115。周壁部115沿着与底部111正交的底部111的中心轴C的轴向Z从底部111延伸。

如图3所示，底部111从轴向Z观察具有圆形的外形。从底部111侧观察超声波传感器100，底部111具有中央部112和包围中央部112的外周部113。

从轴向Z观察，中央部112的中心位于底部111的中心轴C上。从轴向Z观察，中央部112的形状没有特别限定，在本实施方式中，中央部112具有圆角方形的外形。从轴向Z观察，中央部112具体地具有圆角长方形的外形，更具体地，该圆角长方形的一对短边各自为半圆状。从轴向Z观察，中央部112具有长边方向X和短边方向Y。中央部112的长边方向X是沿着中央部112的长边的方向。中央部112的短边方向Y是与长边方向X正交且沿着中央部112的短边的方向。

从轴向Z观察，外周部113的内周缘设置为沿着中央部112的外周缘。从轴向Z观察，外周部113的外周缘构成底部111的外周缘。

如图1至图4所示，在中央部112中，朝向壳体110的外侧的面以及朝向壳体110的内侧的面均设置为与轴向Z正交。在外周部113中，朝向壳体110的外侧的面设置为与轴向Z正交。在底部111中，朝向壳体110的外侧的面在中央部112凹陷。

如图1至图4所示，周壁部115从底部111的外周部113沿着轴向Z延伸。周壁部115具有位于与底部111侧相反侧的开口端面116。开口端面116设置为与上述轴向Z正交。在本实施方式中，开口端面116从轴向Z观察具有与外周部113相同的外形，但是开口端面116的形状没有特别限定。开口端面116也可以构成为从轴向Z观察面积比外周部113小。

壳体110包含铝或者铝合金等导电性材料。另外，壳体110也可以包含绝缘性材料。

如图1以及图2所示，压电元件120在壳体110的内部配置在底部111上。具体地，压电元件120配置在中央部112上。压电元件120例如通过环氧树脂等粘接剂与中央部112接合。如图2所示，从轴向Z观察，压电元件120的中心优选位于上述中心轴C上。

压电元件120的结构没有特别限定。压电元件120例如可以具备包含锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷的压电体、和配置为从轴向Z的两侧夹着该压电体的一对电极。

如图1至图4所示，两个锤部130在壳体110的外部设置在周壁部115上，至少配置为从轴向Z观察彼此不重叠。具体地，从轴向Z观察，两个锤部130位于穿过中心轴C的同一假想直线上。此外，两个锤部130在轴向Z上位于相同的位置。

两个锤部130的形状没有特别限定。在本实施方式中，两个锤部130具有关于中心轴C彼此成为旋转对称的形状。两个锤部130各自设置为从轴向Z观察以中心轴C为中心而从外周部113向径向伸出。此外，两个锤部130各自具有第1端面131、第2端面132和侧端面133。

第1端面131在轴向Z上朝向底部111侧。第1端面131设置为与轴向Z正交。第1端面131设置为与底部111分离。第2端面132朝向与第1端面131相反侧。即，第2端面132在轴向Z上朝向与底部111侧相反侧。第2端面132设置为与轴向Z正交。轴向Z上的第2端面132的位置没有特别限定，在本实施方式中，第2端面132在轴向Z上位于与开口端面116相同的位置。即，在两个锤部130各自中，第2端面132与开口端面116连续地设置。侧端面133设置为从轴向Z观察与以中心轴C为中心的径向正交。

构成两个锤部130的材料没有特别限定。在本实施方式中，两个锤部130由与构成壳体110的材料相同的材料构成，并与壳体110成为一体。

图5是示出本发明的实施方式1涉及的超声波传感器的电路结构的框图。如图5所示，本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100还具备控制部140。控制部140与压电元件120电连接。控制部140构成为能够对压电元件120施加各种各样的频率的脉冲电压。换言之，控制部140构成为能够将各种各样的频率的脉冲信号发送给压电元件120。控制部140构成为能够将通过底部111的振动而在压电元件120产生的电压作为信号来接收。

控制部140例如配置在壳体110的外侧。控制部140例如通过导电构件与压电元件120电连接，该导电构件包含具有树脂片和布线的FPC(Flexible Printed Circuits，柔性印刷电路基板)和与该FPC连接的两个布线部。上述导电构件例如从壳体110的外部插入到由开口端面116形成的开口，并配置在壳体110的内部。另外，控制部140也可以通过引线与压电元件120电连接。

本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100也可以还具备填充构件和吸音材料。填充构件例如由硅酮发泡体构成，填充到壳体110的内部。填充构件配置为能够在壳体110的底部111以谐振频率进行谐振时使由与该谐振频率不同的频率造成的无用的振动衰减。吸音材料设置在压电元件120的与底部111侧相反侧。吸音材料在从底部111向壳体110的外部发出超声波时吸收向壳体110的内部发出的超声波。

对使用了本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100的、超声波的发送以及接收的方法进行说明。首先，在使用超声波传感器100发送超声波时，如图5所示，从控制部140向压电元件120施加脉冲电压。由此，压电元件120振动。然后，如图1至图4所示，通过压电元件120振动，从而与压电元件120连接的底部111振动，主要是中央部112振动。由此，能够从底部111向壳体110的外部发出超声波。

在使用超声波传感器100接收超声波时，由于从壳体110的外部碰到底部111的超声波，主要是由于碰到中央部112的超声波，从而底部111振动，主要是中央部112振动。通过底部111振动，主要是通过中央部112振动，从而在压电元件120产生电压。如图5所示，控制部140将在压电元件120产生的电压作为信号来接收。这样，能够使用超声波传感器100来接收超声波。

本实施方式涉及的超声波传感器100例如通过所发送的超声波被位于外部的物体反射并接收该反射的超声波，从而能够作为与该物体的距离测定装置来使用。

此外，本实施方式涉及的超声波传感器100的壳体110以及锤部130能够以至少两个振动模式进行振动。而且，本实施方式涉及的超声波传感器100通过具备两个锤部130，从而能够在该两个振动模式下，分别使底部111以相互不同的谐振频率进行振动。以下，对实验例1进行说明，该实验例1对该两个振动模式下的超声波传感器100的壳体110以及锤部130的变形的样子进行了验证。

在实验例1中，关于实施例1涉及的超声波传感器，对上述两个振动模式各自的振动时的壳体的变形的样子进行了仿真分析。仿真分析通过使用了有限元法的谐振分析(模态分析)来进行。实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部设为与实施方式1涉及的超声波传感器100同样的结构。此外，在实验例1中，将从轴向Z观察时的底部111的直径设为15.5mm，将轴向Z上的、从底部111中朝向壳体110的外侧的面到锤部130的第1端面131的尺寸设为4.77mm，将轴向Z上的锤部130的长度设为4.2mm，将锤部130的以中心轴C为中心的径向长度设为3.55mm，将从轴向Z观察与以中心轴C为中心的径向正交的方向上的锤部130的长度设为5.2mm。

图6是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。图7是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。图8是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。图9是通过仿真示出了实施例1涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。在图6至图9中，作为轮廓图示出了超声波传感器的壳体以及锤部，其中，对壳体的各部位进行了颜色区分，使得随着从初始状态的变形量变大而变得接近白色。此外，在图6至图9中，对实施例1涉及的超声波传感器标注了与实施方式1涉及的超声波传感器100同样的附图标记。

如图6以及图7所示，在实施例1涉及的超声波传感器中，若对压电元件120施加脉冲电压，使得壳体110以第1振动模式(基本振动模式)进行振动，则壳体110振动，使得在底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部130各自朝向轴向Z的另一侧倾斜。此时的脉冲电压的频率为45.082kHz。另一方面，如图8以及图9所示，在实施例1涉及的超声波传感器中，若对压电元件120施加仅频率与在第1振动模式下施加的脉冲电压不同的脉冲电压，使得壳体110以第2振动模式进行振动，则壳体110振动，使得在底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部130各自朝向轴向Z的一侧倾斜。此时的脉冲电压的频率为53.717kHz。

即，如图6至图9所示，在实验例1涉及的超声波传感器中，在第2振动模式下，底部111与第1振动模式时大致同样地变形并在轴向Z上振动。因此，可知在实施例1涉及的超声波传感器中，底部111能够在两个不同的谐振频率下以大致同样的振动强度进行振动，超声波传感器能够收发两个频率不同的超声波。

即，如上述实验例1中所示，在本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100中，两个锤部130在壳体110的外部设置在周壁部115上，并配置为从轴向Z观察彼此不重叠。而且，在以第1振动模式的频率进行振动时，当底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部130各自朝向轴向Z的另一侧倾斜，在以第2振动模式的频率进行振动时，当底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部130各自朝向轴向Z的一侧倾斜。

由此，在本实施方式涉及的超声波传感器100中，能够与以第1振动模式的频率收发的超声波同样地处理第2振动模式的频率的超声波。即，超声波传感器100能够收发频率不同的两个超声波信号。进而，因为两个锤部130在壳体110的外部设置在周壁部115上，所以能够在壳体110的内部将压电元件120容易地安装在底部111上。

此外，在超声波传感器100还具备配置在壳体110的内部的吸音材料的情况下，吸音材料和锤部130彼此不会直接相接，因此在锤部130振动时，能够防止锤部130的变形被吸音材料阻碍。

另外，本实施方式涉及的超声波传感器100优选构成为，在壳体110以第1振动模式进行振动时能够收发的超声波的方向性和在壳体110以第2振动模式进行振动时能够收发的超声波的方向性彼此大不相同。通过使它们彼此大不相同，从而例如能够朝向位于超声波传感器100的外部的物体发送两种频率的超声波，并接收由该物体反射的这些超声波，由此感测到该物体的距离以及该物体的高度。

此外，本实施方式涉及的超声波传感器100优选构成为第1振动模式的频率和第2振动模式的频率彼此接近。通过使它们彼此接近，从而能够拓宽超声波传感器100的驱动频率的带宽。

进而，在本实施方式中，从轴向Z观察，两个锤部130位于穿过中心轴C的同一假想直线上。由此，在以第2振动模式的频率进行振动时发生了变形的状态的底部111的形状变得更接近在以第1振动模式的频率进行振动时发生了变形的状态的底部111的形状。进而，能够使以第2振动模式进行振动时的振动强度更大。

进而，在本实施方式中，两个锤部130具有关于中心轴C彼此成为旋转对称的形状。由此，在以第2振动模式的频率进行振动时发生了变形的状态的底部111的形状变得进一步接近在以第1振动模式的频率进行振动时发生了变形的状态的底部111的形状。进而，能够进一步增大以第2振动模式进行振动时的振动强度。

(实施方式2)

以下，对本发明的实施方式2涉及的超声波传感器进行说明。在本发明的实施方式2涉及的超声波传感器中，锤部的形状与本发明的实施方式1涉及的超声波传感器100不同。因此，对于与本发明的实施方式1涉及的超声波传感器同样的结构，不再重复说明。

图10是从与底部侧相反侧观察本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的立体图。图11是从底部侧观察本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的仰视图。图12是示出本发明的实施方式2涉及的超声波传感器的侧视图。如图10至图12所示，在本发明的实施方式2涉及的超声波传感器200中，两个锤部230各自的第2端面232设置为在轴向Z上与开口端面116分离。即，两个锤部230各自设置为第2端面232与开口端面116分离。

本实施方式涉及的超声波传感器200也具备两个锤部230，由此能够在该两个振动模式下，使底部111分别以不同的谐振频率进行振动。以下，对实验例2进行说明，该实验例2对该两个振动模式下的超声波传感器200的壳体110的变形的样子进行了验证。

在实验例2中，对实施例2涉及的超声波传感器进行了与实验例1同样的仿真分析。实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部设为与实施方式2涉及的超声波传感器同样的结构。此外，在实验例2中，将从轴向Z观察时的底部111的直径设为15.5mm，将轴向Z上的、从底部111中朝向壳体110的外侧的面到锤部230的第1端面131的尺寸设为1.5mm，将轴向Z上的、从开口端面116到锤部230的第2端面232的尺寸设为0.7mm，将轴向Z上的锤部230的长度设为6.79mm，将锤部230的以中心轴C为中心的径向长度设为5.25mm，将从轴向Z观察与以中心轴C为中心的径向正交的方向上的锤部230的长度设为1mm。

图13是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。图14是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第1振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。图15是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的仰视图。图16是通过仿真示出了实施例2涉及的超声波传感器的壳体以及锤部以第2振动模式的频率进行振动时的一种状态的侧视图。在图13至图16中，作为与图6至图9同样的轮廓图而示出了超声波传感器的壳体以及锤部。此外，在图13至图16中，对实施例2涉及的超声波传感器标注了与实施方式2涉及的超声波传感器200同样的附图标记。

如图13以及图14所示，在实施例2涉及的超声波传感器中，也是，若对压电元件120施加脉冲电压，使得壳体110以第1振动模式(基本振动模式)进行振动，则壳体110振动，使得在底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部230各自朝向轴向Z的另一侧倾斜。此时的脉冲电压的频率为48.281kHz。另一方面，如图15以及图16所示，在实施例2涉及的超声波传感器中，若对压电元件120施加仅频率与在第1振动模式下施加的脉冲电压不同的脉冲电压，使得壳体110以第2振动模式进行振动，则壳体110振动，使得在底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部230各自朝向轴向Z的一侧倾斜。此时的脉冲电压的频率为55.655kHz。

像这样，如上述实验例2中所示，即使在本发明的实施方式2涉及的超声波传感器200中，也是，两个锤部230在壳体110的外部设置在周壁部115上，并配置为从轴向Z观察彼此不重叠，并且，在以第1振动模式的频率进行振动时，当底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部230各自朝向轴向Z的另一侧倾斜，在以第2振动模式的频率进行振动时，当底部111向轴向Z的一侧弯曲为凸状时，两个锤部230各自朝向轴向Z的一侧倾斜。由此，即使在实施方式2涉及的超声波传感器200中，也能够收发频率不同的两个超声波信号，并且，压电元件120变得容易安装。

在上述的实施方式的说明中，也可以将能够组合的结构相互组合。

应认为，此次公开的实施方式在所有的方面均为例示，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有的变更。

附图标记说明

100、200：超声波传感器；110：壳体；111：底部；112：中央部；113：外周部；115：周壁部；116：开口端面；120：压电元件；130、230：锤部；131：第1端面；132、232：第2端面；133：侧端面；140：控制部。