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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor, insbesondere zur Bestimmung
der physikalischen Eigenschaft eines Messgases, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Gassensor oder Gasmessfühler dieser Art (
DE 41 26 378 A1 ) weist die Kontaktiervorrichtung
zwei am Endabschnitt des Sensorelements sich gegenüberliegende
Kontakthalter, ein ringartiges Federelement, das in Umfangsrichtung
eine Unterbrechung aufweist, so dass zwei einander zugekehrte Federenden
gebildet sind, und einen die Kontakthalter mit Federelement umfassendes
Abstützglied
auf. Die Kontakthalter nehmen auf Andruckflächen, die auf voneinander abgekehrten Großflächen des
Endabschnitts des Sensorelements angeordneten Kontaktflächen zugekehrt
sind, elektrische Kontaktelemente auf, die insbesondere als Kontaktzungen
oder -fahnen oder -streifen ausgebildet sind und durch die Vorspannung
des Federelements auf die Kontaktflächen des Sensorelements aufgepresst
werden und dadurch eine elektrische Verbindung zu einer an die Kontaktiervorrichtung
geführten,
mehradrigen Anschlussleitung für
das Sensorelement herstellen. Das Abstützglied ist als eine im Querschnitt
im wesentlichen U-förmige
Stützhülse aus
dünnem
Federstahlblech ausgebildet, die die durch das Federelement auf
das Sensorelement aufgepressten Kontakthalter auf einem Großteil deren Umfangs
umfasst und ausgescherte, schräg
nach außen
gebogene Federstege besitzt, die sich mit ihren unter mechanischer
Vorspannung stehenden, freien Enden an einer Schutzhülse abstützen. Hierdurch
wird eine Schüttel-
und Schwingungsfestigkeit der Kontaktiervorrichtung innerhalb der
Schutzhülse gewährleistet.
Die Schutzhülse
umschließt
die Kontaktiervorrichtung und ist endseitig mit einem elastischen,
stopfenartigen Formteil abgeschlossen, wobei zwischen Formteil und
Schutzhülse
ein Dichtungsring eingelegt ist. Das Formteil weist eine Durchgangsöffnung für die Anschlussleitung
auf, in der auch die Verbindungsstellen zwischen den Kontaktelementen
und den elektrischen Adern der Verbindungsleitung einliegen.
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Bei
der Montage von Kontaktiervorrichtung und Sensorelement wird die
Schutzhülse
soweit über die
Anschlussleitung zurückgezogen,
dass die Kontaktiervorrichtung frei zugänglich ist. Die Federenden des
ringartigen Federelements werden mittels eines Hilfswerkzeugs auseinandergedrückt, und
der die Kontaktflächen
tragende Endabschnitt des Sensorelements wird zwischen die Kontakthalter
eingeschoben. Dadurch, dass das ringartige Federelement dabei nicht
fest auf den Kontakthaltern aufliegt, kann der Endabschnitt ohne
Beschädigung
der empfindlichen Kontaktflächen,
die meist aus Platin oder Gold bestehen, zwischen die Kontakthalter
eingeschoben werden. Am Ende des Einsetzens des Sensorelements in
die Kontaktiervorrichtung wird das Hilfswerkzeug entfernt, so dass
jetzt die mechanische Vorspannung des Federelements auf die Kontakthalter
mit dazwischenliegendem Endabschnitt des Sensorelements wirkt. Danach
wird die Schutzhülse über Formteil
und Kontaktiervorrichtung bis hin zu dem Sensorgehäuse geschoben,
in dem das Sensorelement mittels einer Schutzkappe verbaut ist,
und dabei das Formteil in den Endabschnitt der Schutzhülse eingesetzt.
Nun wird der eine Endabschnitt der Schutzhülse auf dem Formteil verpresst
und der andere Endabschnitt der Schutzhülse auf dem Sensorgehäuse verschweißt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass beim Feigen
von Kontaktiervorrichtung und Sensorelement die Anschlussleitung,
das Formteil und sonstige Bauteile der sog. Kabelbaum-Baugruppe
sowie die Kontaktiervorrichtung sich bereits in ihrem endmontierten
Zustand in der Schutzhülse
befinden und das Formteil auch bereits mit der Schutzhülse verpresst
oder verstemmt ist. Das Fügen
von Sensorelement und Kontaktiervorrichtung erfolgt automatisch beim
Einführen
des im Sensorgehäuse
verbauten Sensorelements in die Schutzhülse, wobei zugleich in der
Fügeendstellung
die Schutzhülse
ihre vorbestimmte Lage auf dem Sensorgehäuse erreicht, so dass lediglich
noch das Verschweißen
des kabelbaumfernen Endes der Schutzhülse an dem Sensorgehäuse vorgenommen
werden muss. Die erfindungsgemäß als Federelement
zum Aufpressen der Kontakthalter auf das Sensorelement und die Fügehilfe
verwendete Federklammer mit Federsteg und Federschenkel stützt in Fügeendstellung
zugleich die Kontaktiervorrichtung an der Schutzhülse ab,
so dass – anders
als bei den eingangs beschriebenen bekannten Gassensoren – ein gesondertes
Abstützglied
eingespart werden kann. Damit reduziert sich die Anzahl der Bauteile
weiter und Fertigungs- und Montagekosten können gesenkt werden. In der
Fügebeginnstellung
wirkt kein oder nur ein stark reduzierter Kontaktdruck auf die Kontaktfläche am Sensorelement,
so dass das Fegen kontaktflächenschonend
erfolgt. In der Fügeendstellung
wird dagegen ein ausreichend hoher Kontaktdruck auf die Kontaktfläche ausgeübt.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Gassensors, teilweise geschnitten, mit einem
Sensorelement und einer Kontaktiervorrichtung in Fügebeginnstellung,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des Gassensors in 1 mit
Kontaktiervorrichtung und Sensorelement in Fügebeginnstellung,
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des Gassensors in 1 mit
Kontaktiervorrichtung und Sensorelement in Fügeendstellung.
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Der
in 1 schematisiert in Seitenansicht teilweise geschnitten
dargestellte Gassensor dient zur Messung einer physikalischen Eigenschaft
eines Messgases und ist beispielsweise eine Lambdasonde, mit welcher
die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine messbar
ist. Der Gassensor besitzt ein Gehäuse 11, in dem ein
stabförmiges Sensorelement 12 gasdicht
fixiert ist. Der Gassensor 12 ist mit einer elektrischen
Anschlussleitung 13 verbunden, die zum Anschluss des Sensorelements 12 an
ein hier nicht dargestelltes Steuergerät dient. Die Anschlussleitung 13 weist
eine gasdurchlässige
Kabelumhüllung 14 auf,
in der mehrere Anschlusskabel 15 geführt sind, von denen in 1 zwei
Anschlusskabel 15 zu sehen sind. Jedes Anschlusskabel 15 besitzt
einen elektrischen Leiter, der von einem Isoliermantel umgeben ist.
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Das
Gehäuse 11 weist
einen messgasseitigen Gehäuseabschnitt 111,
einen anschlussseitigen Gekäuseabschnitt 112 und
einen dazwischen angeordneten Montagesechskant 113 auf.
Am messgasseitigen Gehäuseabschnitt 111 ist
ein Schutzrohr 16 mit Gasein- und Gasauslassöffnungen 17 befestigt. Das
Schutzrohr 16 umgibt einen aus dem Gehäuse 11 herausragenden,
messgasseitigen Abschnitt des Sensorelements 12. Am messgasseitigen
Gehäuseabschnitt 111 des
Gehäuses 11 ist
ein Gewinde 18 angebracht, mit dem der Gassensor in einem
das Messgas führenden
Messgasrohr, z. B. in dem Abgasrohr der Brennkraftmaschine, befestigt
wird. Am anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 112 des
Gehäuses 11 ist
eine metallische Schutzhülse 20 mittels einer
radial umlaufenden Schweißnaht 19 gasdicht befestigt.
Innerhalb der Schutzhülse 20 ist
auf dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 112 eine Schutzkappe 21 aufgesetzt,
die eine axiale Druckkraft auf eine im Innern des Gehäuses 11 das
Sensorelement 12 gasdicht umschließende, keramische Dichtung 47 aufbringt
und diese dadurch gegen die Gehäuseinnenwand
presst. Das stabförmige
Sensorelement 12 besitzt auf voneinander abgekehrten Großflächen seines
aus der Schutzkappe 21 vorstehenden, anschlussseitigen
Endabschnitts 121 Kontaktflächen 22, die in 1 nur
schematisiert angedeutet sind. Diese Kontaktflächen 22 sind mittels
einer Kontaktiervorrichtung 23 mit den elektrischen Leitern
der Anschlusskabel 15 verbunden. Hierzu sind Kontaktelemente 24 vorgesehen,
die beispielsweise als Kontaktzungen, Kontaktstreifen oder Kontaktfahnen
ausgebildet, mit den elektrischen Leitern der Anschlusskabel 15 durch
Crimpen verbunden und mittels der Kontaktiervorrichtung 23 auf
die Kontaktflächen 22 aufgedrückt sind.
Die Schutzhülse 20 weist
ausgehend von dem Gehäuse 11 drei
im Durchmesser abgestufte Hülsenabschnitte 201, 202 und 203 auf.
Der durchmessergrößte Hülsenabschnitt 201 sitzt
endseitig auf dem Gehäuse 11 auf und
im durchmesserkleinsten Hülsenabschnitt 203 liegt
ein die Schutzhülse 20 verschließendes Formteil 25 ein.
Der mittlere Hülsenabschnitt 202 überdeckt im
wesentlichen die Kontaktiervorrichtung 23. Auf den durchmesserkleinsten
Hülsenabschnitt 203 ist das
Ende der Kabelumhüllung 14 aufgeschoben. Das
Formteil 25 weist eine der Anzahl der Anschlusskabel 15 entsprechende
Zahl von Durchgangslöchern
auf, durch die die Anschlusskabel 15 bis zur Crimpstellung
mit den Kontaktelementen 24 hindurchgeführt sind. Das Formteil 25 ist
im durchmesserkleinsten Hülsenabschnitt 203 durch
Verpressen oder Verstemmen unverschieblich festgelegt.
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Die
in 1 nur schematisch angedeutete Kontaktiervorrichtung 23 ist
in 2 und 3 in konstruktiver Ausführung perspektivisch
dargestellt, wobei Sensorelement 12 und Kontaktiervorrichtung 23 in 2 in
Fügebeginnstellung
in 3 in Fügeendstellung
dargestellt sind. Die Kontaktiervorrichtung 23 weist zwei
sich am Sensorelement 12 gegenüberliegende Kontakthalter 26, 27 und
ein die beiden Kontakthalter 26, 27 übergreifendes
Federelement 28 auf, das jeden Kontakthalter 26, 27 auf
eine Großfläche des
Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 aufpresst,
wobei zugleich das Federelement 28 sich an dem mittleren
Hülsenabschnitt 202 abstützt, so
dass eine Schüttel-
und Schwingungsfestigkeit der Kontaktiervorrichtung 23 innerhalb
der Schutzhülse 20 gewährleistet
ist. Jeder Kontakthalter 26, 27 weist eine der
Gesamtanzahl der Kontaktflächen 22 auf
die Großflächen des
Endabschnitts 121 entsprechende Zahl von Andruckflächen 261, 271 auf.
Bei mehreren Kontaktflächen
pro Großfläche sind
die Andruckflächen 261, 271 parallel
zueinander in Achsrichtung des Sensorelements 12 ausgerichtet. Die
Andruckflächen 261, 271 der
Kontakthalter 26, 27 sind auf den einander zugekehrten
Seiten der Kontakthalter 26, 27 angeordnet, so
dass sie bei zwischen den Kontakthaltern 26, 27 eingeschobenem Endabschnitt 121 jeweils
den Großflächen des
Endabschnitts 121 zugekehrt sind. Auf den Andruckflächen 261, 271 ist
jeweils ein Kontaktelement 24 aufgenommen, so dass bei
durch das Federelement 28 auf den Endabschnitt 121 aufgepressten
Kontakthaltern 26, 27 zwischen jeweils einen Kontaktelement 24 und
einer Kontaktfläche 22 ein
ausreichend hoher Kontaktdruck hergestellt ist, der eine gute leitfähige Verbindung
zwischen Leiterelement 24 und Kontaktfläche 22 herstellt,
so dass nur geringe Übergangsverluste
auftreten.
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Um
ein fertigungstechnisch einfaches und kostengünstiges Zusammensetzen von
Sensorelement 12 und Kontaktiervorrichtung 23,
das sog. Fügen,
zu realisieren, ist vor dem Fügen
einerseits die Schutzhülse 20 mit
der sog. Kabelbaum-Baugruppe aus Anschlussleitung 13 mit
Kabelumhüllung 14,
Anschlusskabeln 15, der mit letzteren verbundenen Kontaktiervorrichtung 23 und
aus Formteil 25 durch Verpressen oder Verstemmen des Formteils 25 fest verbunden
und andererseits das Sensorelement 12 im Gehäuse 11 mit
Schutzkappe 21 verbaut, wobei lediglich der Endabschnitt 121 des
Sensorelements 12 aus der Schutzkappe 21 herausragt.
Das Federelement 28 ist als axial verschiebliche Fügehilfe
gestaltet, die beim Fügen
einen Fügeweg
zwischen einer Fügebeginn-
und einer Fügeendstellung
zurücklegt
und sich hierzu an der Schutzkappe 21 abstützt. Der
von der Fügehilfe
zurückgelegte
Fügeweg
ist von dem Aufschiebeweg des gehäuseseitigen Hülsenendes
der Schutzhülse 20 auf
den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 112 des
Gehäuses 11 abgeleitet, d.
h. dass der Verschiebeweg, der erforderlich ist, um die Schutzhülse 20 in
ihre Endstellung auf dem Gehäuseabschnitt 112 aufzuschieben,
zwangsläufig
zu einer Relativverschiebung von Sensorelement 12 und Kontaktiervorrichtung 23 über den
Fügeweg
zwischen Fügebeginn-
und -endstellung führt.
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Beim
Fügen erfolgt
ein Einschieben des Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 zwischen die
Kontakthalter 26, 27 dadurch, dass die Schutzhülse 20 mit
dem Ende des durchmessergrößten Hülsenabschnitt 201 auf
den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 112 des
Gehäuses 11 zunehmend
aufgeschoben wird.
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Um
beim Fügen
die mechanisch empfindlichen, üblicherweise
aus einem Edelmetall, wie Platin oder Gold, bestehenden Kontaktflächen 22 gegen mechanische
Beschädigung
zu schützen
ist die Fügehilfe
so ausgebildet, dass die vom Federelement 28 auf die Kontakthalter 26, 27 aufgebrachte
Aufpresskraft in der Fügebeginnstellung
deutlich kleiner ist als in der Fügeendstellung. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind Federelement 28 und Fügehilfe durch eine U-förmige Federklammer 29 realisiert,
die einen quer zur Fügerichtung
sich erstreckenden Federsteg 291 und zwei davon einstückig abgehende,
identisch ausgebildete Federschenkel 292 aufweist. Die
Federklammer 29 ist einstückig aus einem streifenförmigen Federblech
gefertigt, wobei die Federschenkel 292 vom Federsteg 291 aus
zum Schenkelende hin stark verjüngt
sind. Der Federsteg 291 besitzt eine zentrale Öffnung 30 zum
Durchführen
des Endabschnitts 121 des Sensorelements 12. Die
Federklammer 29 ist relativ zu den Kontakthaltern 26, 27 so
angeordnet, dass der Federsteg 291 der Schutzkappe 21 zugekehrt
ist und die Federschenkel 292 die Kontakthalter 26, 27 auf
deren voneinander abgekehrten Rücken 262 und 272 übergreifen.
Die Rücken 262 und 272 sind
so ausgebildet, dass die zu dem der Schutzkappe 21 zugekehrten Ende
der Kontakthalter 26, 27 hin abfallen, also in Fügerichtung
ansteigen. Die Federschenkel 292 sind so geformt, dass
sie in einem sich an den Federsteg 291 anschließenden ersten
Schenkeabschnitt 292a einen vom Federsteg 291 aus
sich über
die Schenkellänge
verringernden Abstand und in einem sich daran anschließenden zweiten
Schenkelabschnitt 292b einen über die Schenkellänge zunehmenden Abstand
voneinander aufweisen. Die Schenkelenden 292c der vom Federsteg 291 zum
Schenkelende hin sich verjüngenden
Federschenkel 292 sind rechtwinklig so abgebogen, dass
die beiden Schenkelenden 292c der Federschenkel 292 einander
zugekehrt sind. Zwischen den Schenkelenden 292c und den Federschenkeln 292c ergibt
sich dadurch jeweils ein Umbiegungsabschnitt 292d. Die
Schenkelenden 292c tauchen in Führungsrinnen 31 ein,
die in den Kontakthaltern 26, 27 ausgebildet sind,
wobei sich jeweils eine Führungsrinne 31 in
Fügerichtung
am Ende eines ansteigenden Rückens 262 bzw. 272 anschließt.
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Die
Federklammer 29 nimmt bei Beginn des Fügens von Sensorelement 12 und
Kontaktiervorrichtung 23 eine Fügebeginnstellung gemäß 2 und
am Ende des Fügens
eine Fügeendstellung
gemäß 3 ein.
Durch die beschriebene Ausbildung der Federklammer 29 liegen
in der Fügebeginnstellung
die zweiten Schenkelabschnitte 292b der Federschenkel 292 auf
den Rücken 262 bzw. 272 der
Kontakthalter 26, 27 auf, während die ersten Schenkelabschnitte 292a noch
vor den Kontakthalter 26, 27 platziert sind. Die
Schenkelenden 292c greifen in die Führungsrinnen 31 formschlüssig ein.
Die beiden Kontakthalter 26, 27 werden durch die
Federschenkel 292 im Verbund gehalten wobei durch an den Kontakthaltern 26, 27 ausgebildete
Distanzelemente ein Einschiebekanal für das Sensorelement 12 gebildet
ist. Das im Gehäuse 11 und
Schutzkappe 21 verbaute Sensorelement 12 wird
in die Schutzhülse 20 eingeschoben,
wobei der Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 durch
die Öffnung 30 im
Federsteg 291 hindurchtritt und in den Einschiebekanal 33 zwischen
den Kontakthaltern 26, 27 eintaucht (2). Die
Kontakthalter 26, 27 liegen damit nahezu kräftefrei
auf den Großflächen des
Sensorelements 12 auf. Wird nunmehr die Schutzhülse 20 zunehmend
auf den Gehäuseabschnitt 112 des
Gehäuses 11 aufgeschoben,
so legt sich die Schutzkappe 21 mit ihrer Stirnseite an
dem Federsteg 291 der Federklammer 29 an und verschiebt
die Federklammer 29 längs
des Fügewegs
bis in die Fügeendstellung
(3). In der Fügeendstellung
ist die Schutzhülse 20 vollständig auf
den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 112 aufgeschoben
und kann dort verschweißt
werden. Bei Zurücklegen
des Fügewegs
dringt der Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 tiefer
zwischen die Kontakthalter 26, 27 ein, und die
Kontaktflächen 22 auf
den Endabschnitt 121 gelangen in Kontakt mit den Kontaktelementen 24,
die auf den Andruckflächen 261 und 271 der
Kontakthalter 26, 27 aufliegen. Die ersten Schenkelabschnitte 292a der Federschenkel 292 schieben
sich zunehmend auf die ansteigenden Rücken 262, 272 der
Kontakthalter 26, 27 auf, wodurch über die
Andruckflächen 261, 271 ein
zunehmender Anpressdruck zwischen den Kontaktelementen 24 und
den Kontaktflächen 22 erzeugt wird.
Durch Aufspreizen der ersten Schenkelabschnitte 292a der
Federschenkel 292 werden die zweiten Schenkelabschnitte 292b der
Federschenkel 292 zunehmend voneinander abgespreizt, und
in Fügeendstellung
pressen sich die Umbiegungsabschnitte 292d in den zweiten
Schenkelabschnitten 292b an die Innenwand des mittleren
Hülsenabschnitts 202 der
Schutzhülse 20 an,
so dass die Kontaktiervorrichtung 23 zusätzlich an
der Schutzhülse 20 abgestützt und
der Kontaktdruck auf Kontaktelement 24 und Kontaktflächen 22 zusätzlich erhöht ist (3).