DE102004031310B4

DE102004031310B4 - Membrantopf für einen Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE102004031310B4
Application number: DE102004031310.5A
Authority: DE
Inventors: Micha Kalbhenn; Peter Rapps; Oliver Hartig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: ES2333803T3; JP4446000B2; EP1763866A1; DE502005008282D1; US7570544B2; WO2006000494A1; CN1977307A; CN100587802C; EP1763866B1; ATE445214T1; DE102004031310A1; US20080130416A1; JP2008504724A

Abstract

Membrantopf für einen Ultraschallwandler mit einer Wandung (3) zum Tragen einer Membran (4), die zu Schwingungen anregbar ist, wobei der Membrantopf (1) zumindest im Bereich der Membran (4) zumindest an der Außenseite des Membrantopfes (1) mit einer galvanischen Beschichtung (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Beschichtung (7) eine mikroporöse Chromschicht aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Membrantopf für einen Ultraschallwandler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon Ultraschallsensoren bekannt, die zur Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen und Hindernissen verwendet werden. Die Sensoren verfügen über eine schwingfähige Membran, die im allgemeinen über ein Piezoelement in Resonanz zu einer Schwingung angeregt wird. Das hierdurch erzeugte Schallsignal wird von der Membran des Ultraschallsensors ausgestrahlt, von einem Hindernis reflektiert und von dem gleichen oder einem benachbarten Ultraschallsensor wieder aufgefangen. Aus der Laufzeit kann der Abstand des Sensors zu dem Hindernis bestimmt werden. Im Allgemeinen ist das Piezoelement am Boden eines Membrantopfes angeordnet, der z. B. im Stoßfänger des Fahrzeugs montiert ist, wobei das Piezoelement mit einer Auswerteelektronik derart verbunden ist, dass die Gesamtheit der Einrichtung den entsprechenden Ultraschallsensor bildet. Damit der von dem Piezoelement erzeugte Schall entsprechend abgestrahlt bzw. auch empfangen werden kann, sind die Membrantöpfe so geformt, dass sie eine Eigenresonanz im Bereich der verwendeten Ultraschallwellen aufweisen. Die Resonanz wird dabei durch die Abmessungen und die Schwingungseigenschaften des Membrantopfes bestimmt, insbesondere durch die Schichtdicke der Membran.
Als Material für die Membrantöpfe wird bevorzugt ein Metall, insbesondere Aluminium, oder ein Keramikmaterial verwendet. Damit die Sensoren nicht unnötig in der Fahrzeugkontur auffallen und damit die Sensoren vor Umwelteinflüssen geschützt werden können, ist es erforderlich, die Sensoren mit entsprechenden Beschichtungen bzw. Lackierungen zu versehen. Je nach Material können diese Schichten jedoch nicht unmittelbar auf den Membrantopf aufgetragen werden. Eine Vielzahl von Materialien haftet entweder nicht hinreichend oder beeinflusst die Schallausbreitung der Ultraschallwellen schädlich. Je nach Schichtdicke kann die Auftragung auch dazu führen, dass die Resonanzfrequenz des Membrantopfes insgesamt verändert wird, so dass die Membran nicht mehr in Resonanz zur Schwingung angeregt werden kann.
Das Dokument WO 03/045586 A1 beschreibt ein Ultraschalldurchflussmessgerät, dessen Membran und Gehäuse aus elektrisch leitenden Materialien bestehen und durch mechanische Beanspruchung und einer elektrischen Verbindung miteinander verbunden werden.
Das Dokument DE 100 23 065 A1 beschreibt einen Ultraschallsensor, wobei für eine optisch verbesserte Membranoberfläche eine Chromschicht auf die Membran aufgetragen wird.
Das Dokument US 3 638 052 beschreibt einen Ultraschallwandler, dessen Membrandicke im Vergleich zu der Membrandicke möglichst positiv für die zu erreichende Resonanzfrequenz dimensioniert wird.
Die Schrift EP 0 802 521 A2 beschreibt einen Sensor, bei dem die Dicke des Wandlergehäuses variiert wird, um entsprechende Schwingungseigenschaften des Sensors einzustellen.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Membrantopf mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dagegen den Vorteil, dass die Membran zumindest an der Außenseite des Membrantopfes mit einer galvanischen Beschichtung versehen ist. Eine galvanische Beschichtung hat den Vorteil, dass sie sich fest mit dem Grundmaterial des Membrantopfes verbindet und zudem in einer gleichmäßigen Dicke aufgetragen wird. Hierdurch können Inhomogenitäten und damit Störungen des Schwingungsverhaltens der Membran verhindert werden. Gegenüber Lackierungen können hierdurch gegebenenfalls dünnere, gleichmäßige Schichten aufgetragen werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Membrantopfes möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass auf den Membrantopf eine Chromschicht, insbesondere eine mikroporöse Chromschicht aufgetragen wird. Eine derartige Chromschicht bietet ein gutes optisches Erscheinungsbild des Sensors und kann gegebenenfalls farblich angepasst werden.
Ferner ist es vorteilhaft, vor der Chrombeschichtung Zwischenschichtung aufzubringen, die eine Korrosionsbeständigkeit der Chromschicht erhöhen. Hierzu werden bevorzugt Schichten aufgetragen, die Kupfer und/oder Nickel enthalten, und die ebenfalls bevorzugte galvanisch aufgetragen werden. Hierdurch kann eine elektrochemische Trennung zwischen dem Aluminium und dem Chrom erreicht werden.
Es ist ferner vorteilhaft, den unbeschichteten Membrantopf in seiner Resonanzfrequenz derart zu verändern, dass erst der beschichtete Membrantopf die gewünschte Resonanzfrequenz aufweist. Hierdurch hat ein beschichteter Membrantopf die gleiche Leistungsfähigkeit im gewünschten Frequenzbereich wie ein bisher üblicher, unbeschichteter Membrantopf.
Ferner ist es vorteilhaft, die einen Hohlbereich des Membrantopfs bildenden Wände des Membrantopfes in einer variablen Dicke auszugestalten, so dass durch die dickeren Wandbereiche ein Membranbereich geformt wird, der somit das Ultraschallsignal in einen gewünschten Richtungsbereich abgibt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Aufsicht von einer offenen Seite auf einen erfindungsgemäßen Membrantopf,
2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Membrantopf,
3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Membrantopfs.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der erfindungsgemäße Membrantopf kann für beliebige Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere ist eine Verwendung vorteilhaft für eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug, da hierbei einerseits eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen und z. B. auch Streusalz gegeben sein muss, während andererseits ein akzeptables Aussehen des Sensors ebenfalls erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung wird daher im Folgenden an einen Membrantopf für eine Verwendung in einem Ultraschallabstandssystem für ein Kraftfahrzeug erläutert.
In der 2 ist ein Querschnitt des Membrantopfes 1 dargestellt, wobei ein Hohlbereich 2 von den Wänden 3 des Membrantopfes eingeschlossen wird. Der Membrantopf ist an einer Seite durch die Membran 4 begrenzt, an deren dem Hohlbereich 2 zugewandter Innenseite für den Sende- und Empfangsvorgang des Ultraschallsignals ein Piezoelement 5 eingesetzt wird, das hier lediglich angedeutet wird und das mit einer Auswerteelektronik, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, verbunden wird. Das der Membran 4 gegenüberliegende Ende des Hohlbereichs 2 des Membrantopfes 1 ist offen, so dass hier die elektrischen Zuleitungen und/oder die Auswerteelektronik in den Membrantopf eingebracht werden können. Die Membran 4 ist wesentlich dünner ausgeführt, als die Wände 3 des Membrantopfes, so dass der von dem Piezoelement erzeugte Schall möglichst nur verhältnismäßig schwach an die Wände 3 des Membrantopfes weitergeleitet wird. Hierdurch soll eine Schallweiterleitung, die andere Sensoren stören könnte, verhindert werden. Zur Halterung in einer geeigneten Einbaueinheit sind die Wände 3 des Membrantopfes 1 mit einer umlaufenden Nut 6 versehen, mit der der Membrantopf 1 in eine geeignete Halteeinheit eingesetzt werden kann. Wie aus der 1 ersichtlich ist, ist die Membranfläche 4 nicht kreisförmig ausgeführt, wie die Außenkontur des Membrantopfes, sondern weist eine nahezu rechteckige Grundstruktur auf. Das Piezoelement 5 ist in der 1 nicht dargestellt und wird bevorzugt zentral auf der Membran 4 angeordnet. In der 2 ist eine Beschichtung 7 des Membrantopfes durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Membrantopf 1 aus Aluminium gebildet. Auf das Aluminium wird zunächst galvanisch eine Kupferschicht aufgebracht, die eine Dicke von mindestens 15 μm aufweist. Hierauf wird eine Glanznickelschicht mit einer Dicke von etwa 10 μm und anschließend eine Halbglanznickelschicht mit einer Dicke von 30 μm aufgetragen. Diese Zwischenschichten, die der Korrosionsbeständigkeit dienen, werden letztlich mit einer Chrombeschichtung abgedeckt, die vorzugsweise mikroporös ausgeführt ist. Die Dicke der Chrombeschichtung beträgt vorzugsweise 0,25 μm. Da die Beschichtung galvanisch durchgeführt wird, erfolgt diese Beschichtung vor einem weiteren Zusammenbau des Sensors, insbesondere vor einem Anbringen des Piezoelements.
Aufgrund der Steifigkeit der abgeschiedenen Materialien erhält man bei einer derartigen Beschichtung einen Frequenzverschub des beschichteten Membrantopfes gegenüber dem unbeschichteten Membrantopf zu höheren Resonanzfrequenzen. Der beschichtete Membrantopf weist daher nicht mehr seine ursprüngliche Resonanzfrequenz auf, die in einer Ausführungsform z. B. 56 KHz beträgt. Um zu erreichen, dass auch der beschichtete Membrantopf eine Resonanz der gewünschten Frequenz aufweist, wird die Schichtdicke der Membran derart vermindert, dass die Resonanz des unbeschichteten Membrantopfes in diesem Fall von 56 KHz auf ca. 52 KHz vermindert wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Gesamtsystem, also der beschichtete Membrantopf weder die Sollfrequenz von 56 KHz erreicht. Der verchromte Sensor verfügt damit über die gewünschte Leistungsfähigkeit im gesamten Frequenzbereich.
Während der Membrantopf einen Durchmesser von bevorzugt 15 mm hat, weist der Membrantopf eine Höhe von etwa 10 mm auf. Die Membrandicke wird in einem Bereich von 0,61 bis 0,63 mm gewählt. Gegenüber einem unbeschichteten Sensor wird hierbei die Membrandicke um etwa 1 mm verringert.

Claims

Membrantopf für einen Ultraschallwandler mit einer Wandung (3) zum Tragen einer Membran (4), die zu Schwingungen anregbar ist, wobei der Membrantopf (1) zumindest im Bereich der Membran (4) zumindest an der Außenseite des Membrantopfes (1) mit einer galvanischen Beschichtung (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Beschichtung (7) eine mikroporöse Chromschicht aufweist.
Membrantopf für einen Ultraschallwandler mit einer Wandung (3) zum Tragen einer Membran (4), die zu Schwingungen anregbar ist, wobei der Membrantopf (1) zumindest im Bereich der Membran (4) zumindest an der Außenseite des Membrantopfes (1) mit einer galvanischen Beschichtung (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Beschichtung (7) mindestens eine Chromschicht aufweist und eine Kupferschicht, eine Glanznickelschicht und/oder eine Halbglanznickelschickt auf dem Membrantopf (1) zum Tragen der Chromschicht galvanisch aufgetragen sind.
Membrantopf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine auf der Chromschicht angeordnete Lackschicht.
Membrantopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Membran (4) so gewählt ist, dass der Membrantopf (1) nach einem Aufbringen der galvanischen Schicht (7) eine vorgegebene Resonanzfrequenz aufweist.
Membrantopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) einen Hohlbereich (2) einschließt, wobei die Wandung eine variablen Dicke aufweist.