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Die
Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer
Gaskomponente oder der Temperatur eines Messgases, insbesondere
des Abgases von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei
einem bekannten Gasmessfühler
(
DE 101 32 828 A1 )
wird die Kontaktierung zwischen der mindestens einen Kontaktfläche und
dem mindestens einen Leiterelement durch einen Kontakthalter hergestellt,
der mittels eines Federelements das mindestens eine Leiterelement
auf die Kontaktfläche
aufpresst. Das mindestens eine Leiterelement ist über eine
Crimpverbindung an einer Anschlussleitung angeschlossen, mit der
das Sensorelement an ein elektronisches Steuergerät anschließbar ist,
wie dies in der
DE
195 42 650 A1 beschrieben ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Messfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Schweißverbindung
einen optimalen elektrischen Übergangswiderstand
gewährleistet
und eine kostengünstige
Fertigung ermöglicht.
Durch die Einbettung in eine isolierende, keramische Masse wird
die Schweißverbindung
mechanisch entkoppelt und dadurch unanfällig gegenüber Schwingungsbeanspruchungen,
wie sie bei Verwendung des Messfühlers als
Abgassensor in Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen auftreten. Infolge
der damit erzielten größeren mechanischen
Festigkeit des Messfühlers
wird dessen Standzeit wesentlich verlängert. Die Einbettung kann
durch Einpressen oder Vergießen
einer isolierenden Masse oder mittels einer Pulverfüllung erreicht
werden.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Messfühlers
möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird die keramische Masse beim Verbau des Messfühlers als
verdichtete Pulverfüllung
in das Gehäuse
eingebracht und füllt
den zwischen dem Sensorelement und der Gehäuseinnenwand vorhandenen Raum
aus. Als Pulvermaterial wird vorzugsweise Magnesiumoxid (MgO) verwendet.
Zum Einpressen oder Vergießen
wird eine Keramikvergussmasse bevorzugt. Alternativ kann auch Keramikkleber,
Steatit oder Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird die Schweißverbindung
durch Widerstandsschweißen
hergestellt. Das Verschweißen des
vorzugsweise aus Nickel (Ni) hergestellten Leiterelements mit der
vorzugsweise aus Platin oder einem Platincermet bestehenden Kontaktfläche kann aber
auch mit einem Schweißlaser
vorgenommen werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist in dem Gehäuse
eine den Gehäusequerschnitt überspannende
Gegenscheibe festgelegt, durch die der mindestens eine Leiter hindurchgeführt ist.
In das Gehäuse
ist ein den Gehäusequerschnitt
ausfüllendes
Verschlussstück
mit einer das Sensorelement im Bereich der Schweißverbindung umschließenden Durchführung eingepresst
und der Zwischenraum zwischen Gegenscheibe und Verschlussstück sowie
Sensorelement und Wand der Durchführung vollständig mit
einer Keramikvergussmasse und/oder einem Keramikkleber ausgefüllt. Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass auch noch bei einer Miniaturisierung des Messfühlers der Eintrag
der Keramikvergussmasse beziehungsweise des Keramikklebers zu einer
optimalen isolierenden Einbindung der Schweißverbindung und einem optimalen
gasdichten Verschließen
des Sensorelements führt.
Dabei ist die Einbringung der Keramikvergussmasse oder des Keramikklebers
sehr einfach, da keine hohe Genauigkeitsanforderungen an die Position des
Einfüllstutzens
gestellt werden. Die Keramikvergussmasse oder der Keramikkleber
kann mit hoher Mengentoleranz eingefüllt werden, da überschüssige Masse
beim Einschieben des Verschlussstücks über die Durchführung im
Verschlussstück
aus dem Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe verdrängt wird,
und erforderlichenfalls an der freiliegenden Stirnseite des Verschlussstückes wieder
entfernt werden kann. Anhand der aus der Durchführung austretenden Menge an
Keramikvergussmasse oder Keramikkleber ist auch eine Aussage über die
Dichtung möglich.
Da die Keramikvergussmasse beziehungsweise der Keramikkleber sowohl die
Schweißverbindung
zum Verschlussstück
hin als auch den Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe
zum Gehäuse
hin abdichtet, kann auf die herkömmliche
Dichtungspackung aus zwei Steatitscheiben mit dazwischenliegender
Bornitridscheibe verzichtet werden, so dass eine in Achsrichtung
kurze Bauweise des Messfühlers
erzielt wird. Eine solche Dichtungsanordnung ist jedoch in den Fällen vorzusehen,
in denen das Sensorelement zusätzlich
gehaltert werden soll, beispielsweise um Schwingbewegungen des Sensorelements
zu vermeiden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist die im Verschlussstück vorgesehene Durchführung für das Sensorelement
im Bereich der Schweißverbindung
eine an die Querschnittsform des Sensorelements angepasste lichten Querschnitt
auf, wobei der lichte Querschnitt ausgehend von der der Gegenscheibe
zugekehrten Stirnseite hin zu der von der Gegenscheibe abgekehrten Stirnseite
des Verschlussstückes
stetig abnimmt. Durch diese Verjüngung
der Durchführung
wird bei der durch die Einpressung des Verschlussstücks erfolgenden
Verteilung der Keramikvergussmasse und/oder des Keramikklebers eine
Drosselwirkung bewirkt, wobei die Keramikvergussmasse beziehungsweise
der Keramikkleber zunächst
radial gleichmäßig verteilt
wird, um dann mit zunehmender Einpresstiefe des Verschlussstückes zunehmend durch
die Durchführung
herausgepresst zu werden.
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Die
Vormontage des Messfühlers
zur Herstellung der gasdichten Herausführung des mindestens einen
mit dem Sensorelement verbundenen Leiters aus dem Gehäuse erfolgt
in folgenden Verfahrensschritten:
Die Gegenscheibe, durch die
das mindestens eine Leiterelement hindurchgeführt ist, wird im Gehäuse fixiert,
das Verschlussstück
auf das Sensorelement aufgesetzt, das Sensorelement mit seinem Ende
in das Sackloch der Gegenscheibe eingesteckt und das aus der Gegenscheibe
herausragende mindestens eine Leiterelement mit einer Kontaktfläche am Sensorelement
verschweißt.
Nunmehr wird eine bestimmte Menge an Keramikvergussmasse und/oder Keramikkleber
auf die Gegenscheibe gegeben und das Verschlussstück auf dem
Sensorelement soweit zu der Gegenscheibe hin verschoben, bis zwischen Stirnseite
des Verschlussstückes
und der Gegenscheibe nur noch ein kleiner Zwischenraum verbleibt, dessen
minimale axiale Tiefe durch das vorgesehene Distanzstück am Verschlussstück festgelegt
ist. In diesem Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe,
dichtet die Keramikvergussmasse beziehungsweise der Keramikkleber
Verschlussstück
und Gegenscheibe gegenüber
dem Gehäuse ab.
Das Sackloch der Gegenscheibe weist eine Durchgangsbohrung zum Kabelbaum
auf.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines
Messfühlers
in schematisierter Darstellung,
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2 ausschnittweise
einen Längsschnitt des
Messfühlers
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine
perspektivische Draufsicht eines Verschlussstücks des Messfühlers in 2.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Der
in 1 nur ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler dient
zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases. Eine
solche Eigenschaft ist die Konzentration einer Gaskomponente oder
die Temperatur des Messgases. Vorzugsweise wird dieser Messfühler bei
Verbrennungsmotoren oder Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen als Abgassensor
eingesetzt, der entweder die Sauerstoffkonzentration im Abgas der
Brennkraftmaschine (Lambdasonde) oder die Temperatur des Abgases
(Temperatursensor) misst.
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Der
Messfühler
weist ein Gehäuse 11 auf,
in dem ein Sensorelement 12 aufgenommen ist, das mit einem
messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse 11 vorsteht und
dem Messgas ausgesetzt ist. Auf einem anschlussseitigen Endabschnitt 121 trägt das Sensorelement 12 auf
voneinander abgekehrten Oberflächen
mehrere Kontaktflächen 13 aus
Platin oder einem Platincermet, die mit zu dem messgasseitigen Endabschnitt
führenden
elektrischen Leiterbahnen (hier nicht dargestellt) verbunden sind.
Im Ausführungsbeispiel
sind zwei der Kontaktflächen 13 dargestellt.
Das Sensorelement 12 ist durch eine zwischen den beiden
Endabschnitten liegende Dichtungsanordnung 17 hindurchgeführt, die
das Sensorelement 12 am Gehäuse 11 abstützt und
mechanisch in seiner Schwingung dämpft sowie den anschlussseitigen
Endabschnitt 121 gegen das Messgas abdichtet. In bekannter
Weise besteht die Dichtungsanordnung 17 aus zwei Keramikformteilen 14 und 15, z.B.
aus Steatit, die zwischen sich ein Dichtungselement 16,
z.B. aus Bornitrid, einspannen.
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Zum
Anschließen
des Sensorelements
12 an ein elektronisches Steuergerät ist jede
Kontaktfläche
13 von
einem Leiterelement
18 kontaktiert, das zu einem mit der
Anschlussleitung zum elektronischen Steuergerät verbundenen Anschlussstecker
geführt ist,
wie dies beispielsweise in der
DE 195 23 911 C2 beschrieben ist. Das Leiterelement
18 besteht
bevorzugst aus Nickel (Ni). Zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung
mit minimalen Übergangswiderständen sind
die Leiterelemente
18 mit ihren zugeordneten Kontaktflächen
13 verschweißt, wobei
als Schweißverfahren
das Widerstandsschweißen
bevorzugt wird, aber auch Laserschweißen herangezogen werden kann.
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Beim
Einbau des Sensorelements 12 in das Gehäuse 11 wird das Sensorelement 12 im
Bereich der Schweißverbindungen
in eine keramische Masse 19 eingebettet, die den anschlussseitigen
Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 umschließt und sich
an der Innenwand des Gehäuses 11 abstützt. Im
Ausführungsbeispiel
ist die Einbettung in eine verdichtete, hochtemperaturfeste Pulverfüllung vorgenommen,
die den Raum zwischen dem anschlussseitigen Endabschnitt 121 des
Sensorelements 12 und der Innenwand des Gehäuses 11 bis hin
zur Dichtungsanordnung 17 vollständig ausfüllt. Als Pulver wird vorzugsweise
Magnesiumoxid (MgO) verwendet. Die Einbettung in die keramische
Masse 19 kann aber auch durch Vergießen oder Einpressen erfolgen.
In diesem Fall wird als Material eine Keramikvergussmasse, ein Keramikkleber
oder Steatit oder Aluminiumoxid (Al2O3) eingesetzt.
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Die
keramische Masse 19 ist zum Gehäuseende hin durch eine sich
ringsum an der Innenwand des Gehäuses 11 abstützende Isolationsscheibe 20 abgedeckt,
durch die die Leiterelemente 18 hindurchgeführt sind.
Die Isolationsscheibe 20 besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid.
Das Gehäuse 11 ist
endseitig auf die Isolationsscheibe 20 aufgebördelt, so
dass die Isolationsscheibe 20 axial festgelegt ist. Auf
der dem messgasseitigen Endabschnitt zugekehrten Seite der Dichtungsanordnung 17 ist eine
weitere Isolationsscheibe 21 angeordnet, die das Sensorelement 12 umschließt und ringsum
an der Innenwand des Gehäuses 11 anliegt.
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Da
die isolierende, keramische Masse 19 auch Dichtungsfunktion
hat und den anschlussseitigen Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 gegenüber dem
Abgas abdichtet, kann im Fall, dass als keramische Masse 19 nicht
die beschriebene Pulverfüllung,
sondern wie beschrieben eine Verpress- oder Vergießmasse eingesetzt
ist, die Dichtungsanordnung 17 vereinfacht ausgefihrt werden,
indem beispielsweise die Komponenten 15 und 16 der
Dichtungsanordnung 17 entfallen.
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Der
in 2 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
weist ein Gehäuse 11 auf,
in das endseitig ein rohrförmiges,
vorzugsweise biegbares Anschlussstück 23 eingeschoben
ist, in dem die Leiterelemente 18 zu einem das Anschlussstück 23 abschließenden Anschlussstecker
geführt
sind. In das Anschlussstück 23 ist
mit axialem Abstand von dessen in das Gehäuse 11 eintauchenden
Rohrende eine Gegenscheibe 24 eingesetzt, durch die die
Leiterelemente 18 hindurchgeführt sind. Die Leiterelemente 18 sind,
wie bei dem Ausführungsbeispiel
der 1, durch eine Schweißverbindung elektrisch und mechanisch
auf den auf voneinander abgekehrten Großflächen des anschlussseitigen
Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 vorhandenen
Kontaktflächen 13 festgelegt.
Die Gegenscheibe 24 weist ein zum Gehäuseinnern hin offenes, zentrales
Sackloch 25 auf, dessen lichter Querschnitt dem Querschnitt des
Sensorelements 12 entspricht, so dass das Ende des Sensorelements 12 mit
nur geringem Spaltabstand formschlüssig in das Sackloch 25 einzutauchen
vermag. Das Sachloch 25 weist eine Durchgangsbohrung (nicht
dargestellt) auf, durch die der anschlussseitige Endabschnitt 121 des
Sensorelements 12 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist.
Gehäuse 11 und
Anschlussstück 23 sind
durch eine Schweißnaht 22 oder
eine Rundumverstemmung miteinander verbunden.
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In
das Gehäuse 11 ist
ein den lichten Querschnitt des Gehäuses 11 ausfüllendes
Verschlussstück 26 eingesetzt,
das mit einer zentralen Durchführung 27 ausgestattet
ist. Das zylinderförmige
Verschlussstück 26 weist
zwei Zylinderabschnitte 261, 262 mit unterschiedlichem
Durchmessern auf. Das Verschlussstück 26 ist mit seinem
den kleineren Durchmesser aufweisenden Zylinderabschnitt 262 in den
in das Gehäuse 11 eintauchenden
Rohrabschnitt des Anschlussstücks 23 spaltlos
eingeschoben und presst sich mit seinem durchmessergrößeren Zylinderabschnitt 261 an
die Innenwand des Gehäuses 11 an.
An der der Gegenscheibe 24 zugekehrten Stirnseite trägt das Verschlussstück 26 zwei
Distanzelemente 28, die sich an der Gegenscheibe 24 abstützen, so
dass in dem in 2 gezeigten Einsetzzustand des
Verschlussstücks 26 zwischen
der Gegenscheibe 24 und dem durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 262 der
Verbleib eines minimalen Zwischenraums 29 sichergestellt
ist. In diesem Einsetzzustand des Verschlussstücks 26 umschließt die Durchführung 27 das
Sensorelement 12 im Bereich der Kontaktflächen 13 und
der mit den Kontaktflächen 13 verschweißten Leiterelemente 18.
Wie 3 zeigt, ist der lichte Querschnitt der Durchführung 27 an
die Form des Sensorelements 12 angepasst und ist im Ausführungsbeispiel
rechteckig. Die Durchführung 18 verjüngt sich
dabei ausgehend von der der Gegenscheibe 24 zugekehrten
Stirnseite des Verschlussstückes 26 zu
der davon abgekehrten Stirnseite des Verschlussstückes 26 hin.
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Die
Montage des Messfühlers
zur Herstellung der gasdichten Ausführung der Leiterelemente 18 aus
dem Gehäuse 11 wird
mit folgenden Verfahrensschritten vorgenommen:
Das Anschlussstück 23 mit
eingesetzter Gegenscheibe 24 und durch diese hindurchgeführte Leiterelemente 18 wird
komplett vormontiert. Das Sensorelement 12 wird in das
Sackloch 25 der Gegenscheibe 24 eingesteckt und
die aus der Gegenscheibe 24 vorstehenden Leiterelemente 18 werden
mit den Kontaktflächen 13 am
Sensorelement 12 verschweißt. Sensorelement 12 und
Anschlussstück 23 werden
in das Gehäuse 11 eingesetzt,
und Gehäuse 11 und
Anschlussstück 23 werden
miteinander verschweißt.
Nunmehr wird eine bestimmte Menge an Keramikvergussmasse 31 (alternativ
an Keramikkleber 31) in das Schutzrohr 23 auf
die Gegenscheibe 24 gegeben. Dann wird das auf das Sensorelement 12 aufgeschobene
Verschlussstück 26 mit
seinem durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 262 in das Rohrende
des Anschlussstücks 23 eingeschoben. Der
Einschiebedruck führt
zunächst
zu einer gleichmäßigen radialen
Verteilung der Keramikvergussmasse 31 im Zwischenraum 29 zwischen
Verschlussstück 26 und
Gegenscheibe 24. Ist der Zwischenraum 29 maximal
gefüllt
so tritt zunehmend die Keramikvergussmasse 31 in die Durchführung 27 hinein und
wird infolge der Drosselwirkung der sich verjüngenden Durchführung 27 mit
zunehmenden Einpressdruck letztlich auf der von der Gegenscheibe 24 abgekehrten
Stirnseite des Verschlussstücks 26 aus der
Durchführung 27 herausgepresst.
Das Einschieben des Verschlussstücks 26 in
das Anschlussstück 23 ist
beendet, sobald die zwischen den Zylinderabschnitten 261, 262 sich
ausbildende Ringschulter 263 an dem ringförmigen Stirnende
des Anschlussstücks 23 anstößt, spätestens
aber dann, wenn die Distanzelemente 28 sich an die Gegenscheibe 24 anlegen.
Um das Eindringen der Keramikvergussmasse 31 in den zwischen
dem Sackloch 25 in der Gegenscheibe 24 und dem
Sensorelement 12 verbleibende Spalt zu verhindern, ist
auf die dem Verschlussstück 26 zugekehrten
Stirnfläche
der Gegenscheibe 24 ein das Sensorelement 12 dicht
umschließendes
Dichtelement 32 aufgelegt. Das Dichtelement 32 kann
beispielsweise eine kleine, runde Glasfasermatte sein, die im Durchstoßbereich
des Sensorelements 12 geschlitzt ist. Falls aufgrund der
Konsistenz der Keramikvergussmasse 31 ein Austrocknen der
Keramikvergussmasse 31 zu befürchten ist, wird das Verschlussstück 26 im
feuchten Zustand montiert.