專利名稱：使用聚合壓電膜的探物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲探物傳感器，特別涉及在換能器裝置中使用聚合壓電膜的改進型超聲探物傳感器。
探物傳感器有多種用途。例如，裝在車輛上的探物傳感器能用來警告車輛操縱者道路上有障礙物存在。因此，若把探物傳感器裝在卡車后部，當(dāng)卡車向裝料場倒車時，就可用來提請卡車司機注意卡車與裝料場之間剩下的距離。因此本發(fā)明的目的是提供可以用于這類場合的探物傳感器。
在這類應(yīng)用中我們所要使用的是一種利用超聲波發(fā)射和反射的探物傳感器。探物所要使用的超聲波射束呈扁平直進形狀。因此本發(fā)明的另一個目的是提供產(chǎn)生這種形狀超聲波的換能器裝置。
按照本發(fā)明的原理，上述和其它的目的由用于探物傳感器的換能器裝置實現(xiàn)，它包括細長的聚合壓電膜。該裝置還包括把膜片支撐成細長的一系列弧形段用的機構(gòu)。所有弧形段的彎曲方向和曲率半徑均相同。此外，還有把變化電場加于各弧段膜片厚度上的機構(gòu)，以使膜片發(fā)射超聲波。
按照本發(fā)明的一個方面，膜片支撐機構(gòu)包括剛性底座和剛性蓋子，底座上有支撐面，為一由一系列弧形段構(gòu)成的細長表面，所有弧形段的彎曲方向和曲率半徑均相同，膜片即位于底座和蓋子之間。蓋子上有凹槽，凹槽內(nèi)表面的形狀與底座支撐面相合。膜片支撐機構(gòu)還包括把蓋子固定到底座上，從而把膜片夾緊在底座支撐面和蓋子的凹槽內(nèi)表面之間的構(gòu)件。按照本發(fā)明的另一個方面，蓋子上有一系列與凹槽相通的彼此隔開的孔，每一個孔與膜片的一個弧段相對應(yīng)，換能器裝置還包括在與蓋子的孔對應(yīng)的區(qū)域中使膜片和底座保持間隔的裝置。按照本發(fā)明的又一個方面，底座支撐面由一對相間隔的狹長支撐表面構(gòu)成，上述間隔保持裝置包括底座上該對狹長支撐表面間的表面區(qū)域，它一般與該對狹長的支撐面平行，并從蓋子處后退一段距離。按照本發(fā)明的再一個方面，電場施加機構(gòu)包括由膜片兩邊上的導(dǎo)電區(qū)構(gòu)成的一種電極形式，膜片兩邊的導(dǎo)電區(qū)彼此隔開，每一導(dǎo)電區(qū)與直接跨過膜片厚度的膜片另一邊上的導(dǎo)電區(qū)對應(yīng)，從而形成一系列隔開相對的電極對。
用作探物傳感器的換能器裝置包括細長的聚合壓電膜。本發(fā)明提供了把膜片支撐成由一系列弧形段構(gòu)成的細長形膜片的機構(gòu)，這些弧形段的曲率半徑和彎曲方向均相同。本發(fā)明提供了把變化電場加到每一弧段膜片厚度上以使膜片發(fā)射超聲波的機構(gòu)。
下面參照附圖通過實施例對本發(fā)明進行說明，附圖中

圖1為本發(fā)明的使用聚合壓電膜發(fā)生直線超聲束的超聲波發(fā)生換能器的立體示意圖;
圖2為圖1聚合壓電膜的側(cè)視圖，用來說明如何確定換能器裝置的工作頻率;
圖3A和3B分別為本發(fā)明換能器裝置的俯視圖和側(cè)視圖，分別表示射束的水平和垂直傳播角度;
圖4為本發(fā)明實際換能器裝置的立體分解圖;
圖5例示圖4裝置的安裝;
圖6A和6B分別為使用單個換能器裝置進行發(fā)射和接收的第一探物傳感器實施例的俯視圖和側(cè)視圖;
圖7為本發(fā)明探物傳感器的第二實施例的俯視圖，其中，使用了三個獨立的換能器裝置，每個換能器裝置既用作發(fā)射器，又用作接收器;
圖8為本發(fā)明探物傳感器的第三實施例的俯視圖，并使用了三個換能器裝置，其中二個用作發(fā)射器，第三個用作接收器;
圖9用來說明如何計算圖8傳感器與障礙物之間的距離;
圖10A和10B為本發(fā)明的距離確定和顯示裝置的兩個實施例的框圖;
圖11A和11B分別為換能器裝置和例示性波形的示意圖，用來說明本發(fā)明傳感器的自診斷功能;
圖12說明如何按照本發(fā)明確定障礙物的兩維位置。
聚合壓電膜是一種能用來制造柔性的寬頻帶超聲波換能器的材料。探物所需的超聲波射束為扁平直射型。只要加長超聲波源，所生成的射束便會變得較直。圖1示出了本發(fā)明的這類換能器。如圖1所示，聚合壓電膜10為細長形，并被支撐成一系列弧形段。所有弧形段的曲率半徑和彎曲方向均相同。膜片10被支撐在形狀合適的支撐件12上，使得膜片10的每一弧形段與支撐件12之間保持間隔14。當(dāng)合適頻率的變化電場加于壓電膜10的厚度之上時，膜片10以該頻率振動，發(fā)射超聲波。間隔14使得膜片10在振動時不致碰上支撐件12。
聚合壓電材料，特別是聚偏二氟乙烯(PVDF或PVF2)，即使經(jīng)拉長和支撐也能形成柔性的膜片。當(dāng)膜片10處于具有兩個夾緊區(qū)13的曲線形狀時，在膜片厚度上施加交流電壓，夾緊點之間的區(qū)域就會在與平面垂直的方向上振動(曲率半徑增大或減小)。
此振動是由沿分子鏈方向(箭頭15所示)的長度的膨脹或收縮造成的，分子鏈方向選為與膜片10弧線的切線方向平行。聲學(xué)工程協(xié)會雜志1975年第23卷第21～26頁上M.Tamura等人的文章“使用壓電高聚物的電聲換能器”對這一原理作了描述。當(dāng)驅(qū)動信號頻率變動時，來回振動在共振頻率fo處達到最大。該共振由膜片質(zhì)量及其彈性造成。該共振頻率由下式給出fo=(1/2πR)×Y/p]]>式中，R為弧形段的半徑、Y為楊氏模量、p為壓電膜片10的密度。例如，若R等于0.2英寸，工作頻率fo則等于45千赫。
超聲波射束的角度決定于換能器的尺寸，如圖3A和3B所示。若換能器長L、寬W，則射束水平角φh由下式給出φh＝2 arc sin(1.895 Vs/(πfoL))射束垂直角φv由下式給出φv＝2 arc sin(1.895 Vs/(πfoW))式中，Vs為空氣中的聲速。例如，L為7英尺時φh為0°，L為8英寸時φh為2.5°，W為4英寸時φv為5°。
圖4示出圖1所示意的那類換能器裝置的實際構(gòu)造。如圖4所示，細長形壓電膜片16的表面上有一定形式的電極18。該電極18最好是用銀漿料沉積在膜片16兩邊上的導(dǎo)電區(qū)。膜片16兩邊上的電極18相互隔開，一般為長方形，每一電極在直接跨過膜片厚度的膜片另一邊有一與之相應(yīng)的導(dǎo)電區(qū)，從而形成一系列相隔相對的電極對。膜片16兩邊上的所有電極18由一定形式的銀漿料互相連結(jié)并在膜片一端與導(dǎo)線20連結(jié)。把合適頻率(例如45千赫)的變化電信號加于導(dǎo)線20，就能使壓電膜16振動，產(chǎn)生超聲波。
底座22用來把膜片16支撐成一系列弧形段。因此底座22包括第一支撐面24和第二支撐面26。支撐面24、26為底座22上一對相間距的狹長表面，每一表面的形狀為曲率半徑和彎曲方向均相同的一系列弧形段。如前所述，弧形段的曲率半徑根據(jù)換能器裝置所需工作頻率加以選擇。為了在膜片16和底座22之間保持能讓膜片16振動的合適間隔，底座22在該對支撐面24、26之間還有一表面區(qū)28。表面區(qū)28一般與支撐面24、26平行，但與表面24、26錯開。
為了使膜片16靠在底座22上并保持所需的弧狀，本發(fā)明使用了蓋子30。蓋子30有凹槽32，其內(nèi)表面的形狀與支撐面24、26相合。凹槽32的內(nèi)表面在與支撐面24、26相合的部分之間是連續(xù)的，因此當(dāng)把蓋子30裝到底座22上時，在凹槽32內(nèi)表面與底座22的錯開面28之間有一間隔。
蓋子30上有一系列與凹槽32相通的彼此隔開的孔34。每一個孔34與底座22并因此與膜片16的一弧形段對應(yīng)，因此，使膜片16振動而生成的超聲波能從蓋子30中傳出。
圖4所示裝置還包括膜片16和蓋子30之間的柔性墊片36，用來密封并保護裝置的其余部分不受元件損傷。
為了把底座22、膜片16、墊片36和蓋子30對齊，每個底座22、膜片16和墊片36上在合適位置分別開有若干可以對齊的孔38、40和42，而在蓋子30的凹槽32中相應(yīng)模制有若干銷釘44。裝配時，銷釘44穿過對齊孔38、40和42。若干螺絲46把底座22固定到蓋子30上，膜片16和墊片36即夾于其中;最后裝配的一步是用螺絲48把底板50固定到底座22和蓋子30上。用螺絲54固定在底座22上的防拉脫件52用來防止導(dǎo)線20被拉脫，墊圈56用來密封底板50上的導(dǎo)線20穿孔58。
圖5示出把細長形換能器裝置60裝到車輛，例如卡車62后部的情況。如圖所示，裝置60為圖4所示的細長形裝置。
圖6A和6B為換能器裝置60(圖5)的俯視圖和側(cè)視圖，表示其射束的形式。因換能器裝置60的長度約為7英尺，因此圖6A的俯視圖表示出射束為直線型;圖6B的側(cè)視圖表示出，對于高度為4英寸的裝置，射束的垂直傳播角為5°。為了達到最高系統(tǒng)效率，形成裝置60的壓電膜在發(fā)射期中，其所有弧形段都工作;而在接收期中只有一個或二個弧形段工作。
圖7為一個使用三個獨立的換能器裝置64、66和68的探物傳感器實施例的俯視圖，這三個裝置中，中間的換能器裝置66為弧形而不是直線形，其它兩個為圖4所示的直線形。因此，如圖7所示，裝置64、66和68安裝成它們的主軸大體上位于同一個水平面中。兩側(cè)的換能器裝置64和68離中間換能器裝置66的距離相等，并且與中間裝置66所成的角度也相等。由于裝置64、66和68較短，它們的射束成擴散狀。但是，如圖7所示，通過適當(dāng)調(diào)整兩側(cè)裝置64和68的安裝角，由各重疊射束形成的整個射束還是比較直的。此外，可以看到，在裝置66與裝置64、裝置66與裝置68之間形成兩盲區(qū)，但若適當(dāng)調(diào)整兩側(cè)裝置64和68的安裝角，可使這兩個盲區(qū)的面積減至最小。每一個換能器裝置64、66和68都既用作發(fā)射器，又用作接收器。
圖8是又一個實施例的俯視圖，其中，單弧段換能器裝置70用作接收器，一對發(fā)射換能器裝置72和74等距離地放置在換能器裝置70的兩側(cè)，換能器裝置72和74都產(chǎn)生大體為90°的射束。在圖8所示的結(jié)構(gòu)中，探物范圍受到限制，大體上等于換能器裝置72和74之間的距離，但測距精度非常高。
圖9表示如何根據(jù)從發(fā)射器72、74到接收器70測得的傳播時間計算障礙物76與圖8所示探物傳感器之間的距離。因此，當(dāng)聲波從裝置72發(fā)出、為障礙物76反射并為接收器70所接收時，測得的傳播時間K1為K1＝(X+Z)/Vs，而從發(fā)射器74發(fā)出的超聲波的傳播時間為K2＝(Y+Z)/Vs，其中Vs為空氣中的聲速。X、Y和Z可從下式解得A2＝X2+Z2-2XZ cosθ1A2＝Y(jié)2+Z2-2YZ cosθ2(2A)2＝X2+Y2-2XY cos(θ1+θ2)式中，A為接收器70與發(fā)射器72或74之間的已知距離。距離H即可從已知的三角和幾何關(guān)系中計算而得。
圖10A為本發(fā)明的應(yīng)用一例，其中，上述換能器裝置78連結(jié)到測量超聲脈沖發(fā)射與接收之間的時間的電路80。該測量值提供給距離計算器82，從而確定離開障礙物的距離，距離計算器再把此信息提供給聲音合成器84，從而把聲音傳給駕駛員。或者，如圖10B所示，也可通過由發(fā)射器86和接收器88組成的無線傳送裝置連結(jié)測量線路80和計算線路82，這樣就可更方便地使用這一方法，車輛前部和后部之間不需使用導(dǎo)線。
在上述類型的換能器裝置中使用壓電膜的一個優(yōu)點是可以設(shè)計自診斷功能。如圖11A所示，換能器裝置90由發(fā)射元件92和接收元件94組成。當(dāng)把脈沖經(jīng)過導(dǎo)線96加在發(fā)射元件92上時，產(chǎn)生的聲波通過空氣直接傳送給接收元件94。圖11B表示輸入電脈沖以及接收元件94在導(dǎo)線98上的輸出，該輸出包括響應(yīng)通過空氣直接傳來的聲波的脈沖100以及其后響應(yīng)障礙物反射信號的脈沖102。第一脈沖100用于診斷，以顯示系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，但與測距無關(guān)，測距時只考慮第二脈沖102。
圖12表示出如何確定障礙物104的二維坐標(biāo)。如圖12所示，換能器裝置106由若干發(fā)射元件組成。各元件相繼工作，通過計算聲波傳播到各接收器的時間，即能確定障礙物104的二維坐標(biāo)位置。
因此，上面公開了在換能器裝置中使用壓電膜的改進型探物傳感器。盡管以上公開了本發(fā)明的例示性實施例，但應(yīng)指出，本專業(yè)普通技術(shù)人員很容易對所公開的實施例作出種種變換和改動，因此本發(fā)明只受下列權(quán)利要求書范圍的限定。
權(quán)利要求
1.一種用于探物傳感器的換能器裝置，其特征在于它包括細長形聚合壓電膜片；用來把所述膜片支撐成由一系列弧形段構(gòu)成的細長條形狀的膜片支撐機構(gòu)，所有所述弧形段具有相同的預(yù)定曲率半徑(R)，且彎曲方向都相同；以及把變化電場加到所述每一弧形段膜片厚度上，使該膜片發(fā)射超聲波的電場施加機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的換能器裝置，其特征在于，所述膜片支撐機構(gòu)包括剛性底座，其上有形狀為一細長系列弧形段的支撐面，所有弧形段具有相同的預(yù)定曲率半徑(R)，且彎曲方向均相同;剛性蓋子，其位置放置得使所述膜片位于所述底座與所述蓋子之間，所述蓋子上有凹槽，其內(nèi)表面的形狀與所述底座上的支撐面相合;以及把所述蓋子固定到所述底座上，從而使所述膜片夾緊在所述底座上的支撐面與蓋子內(nèi)表面之間的構(gòu)件。
3.如權(quán)利要求2所述的換能器裝置，其特征在于，所述蓋子上有若干與所述凹槽相通的相間隔的孔，每一個孔與所述膜片的一個弧形段對應(yīng)，該換能器裝置還包括在與所述蓋子的孔對應(yīng)的區(qū)域中使所述膜片與所述底座間保持一定間隔的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的換能器裝置，其特征在于，所述底座上的支撐面由一對相間隔的較狹長表面組成，所述間隔保持裝置包括所述底座上位于該對狹長支撐面之間的一個表面區(qū)，它一般與該對狹長支撐面平行，并與所述蓋子錯開一定間隔。
5.如權(quán)利要求1所述的換能器裝置，其特征在于，所述電場施加機構(gòu)包括一由所述膜片兩邊導(dǎo)電區(qū)形成的電極，所述膜片兩邊的導(dǎo)電區(qū)彼此相隔開，且每一導(dǎo)電區(qū)在直接跨過膜片厚度的膜片的另一邊有一對應(yīng)的導(dǎo)電區(qū)，以形成一系列隔開相對的電極對。
全文摘要
一種用于探物傳感器的換能器裝置，包括細長的聚合壓電膜(16)。該膜片(16)被支撐成由一系列弧形段構(gòu)成的細長條，所有弧形段的彎曲方向相同，且曲率半徑(R)相同。壓電膜(16)兩邊的電極(18)形成相對的電極對，每一對電極分別對應(yīng)于一弧段。電極(18)用來把變化電場加于膜片(16)的厚度之上，從而使膜片(16)發(fā)射超聲波。
文檔編號G01S15/02GK1113009SQ9411530
公開日1995年12月6日 申請日期1994年9月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月14日
發(fā)明者麥諾盧·托德, 昆·T·帕克, 阿爾伯特·卡肖蒂 申請人:惠特克公司