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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kontakthalter zur Herstellung einer
Klemmkontaktierung zwischen mindestens einer elektrischen Kontaktfläche und
einem darauf aufliegenden elektrischen Leiter, insbesondere zur
Kontaktierung einer Anschlussleitung an einem Sensorelement eines
Messfühlers
zur Erfassung eines Parameters eines Messgases, insbesondere des
Abgases von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
bekannter Gasmessfühler
zur Erfassung eines Parameters einer Gaskomponente, insbesondere
Lambdasonde oder Temperaturmessfühler,
(
DE 101 32 826 C1 )
weist ein im Querschnitt rechteckiges Sensorelement auf, auf dessen
voneinander abgekehrten Großflächen elektrische
Kontaktflächen
angeordnet sind. Die Kontaktflächen
bilden die elektrischen Anschlusspotentiale von in einem dem Messgas
ausgesetzten Messbereich des Sensorelements angeordneten Elektroden.
Eine an die Kontaktflächen
geführte
Anschlussleitung verbindet das Sensorelement mit einem Steuergerät. Die elektrischen Leiter
der Anschlussleitung werden mittels eines Kontakthalters auf den
Kontaktflächen
elektrisch und mechanisch durch Klemmkontaktierung fixiert. Hierzu
weist der Kontakthalter zwei identisch ausgebildete keramische Andruckkörper und
ein Spannelement auf, das die Andruckkörper gegen die Großflächen des
Sensorelements spannt, so dass die Leiter gegen die Kontaktflächen gepresst
werden. Zusätzlich können die
Leiter am Sensorelement verklebt und/oder mit der jeweiligen Kontaktfläche verschweißt sein.
Das Spannelement ist als Aufschrumpfring, als ringförmig geschlossenes,
gestanztes Scheibenteil mit einer im Querschnitt H-förmigen Öffnung und
nach einwärts
gerichteten Lappen oder als ringförmig geschlossener Drahtbügelteil ausgebildet.
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Bei
der Montage des Messfühlers
werden die Andruckkörper
auf die Kontaktflächen
mit aufliegenden Leitern aufgesetzt und das Spannelement, das als
Spannring oder Spannhülse
ausgebildet ist, auf die Andruckkörper aufgeschrumpft.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Kontakthalter
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die
Ausbildung der Andruckkörper
in einem einteiligen Montagemodul und das Vorsehen von Sollbruchstellen
zwischen den Andruckkörpern, mittels
derer die Andruckkörper
voneinander leicht abtrennbar sind, eine wesentliche Vereinfachung
der Handhabung des Kontakthalters bei der Montage des Messfühlers im
Serienprozess erreicht wird, was sich in einer Senkung der Fertigungskosten
bemerkbar macht.
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Durch
die in den Ansprüchen
2–9 aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Kontakthalters möglich.
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In
den weiteren Ansprüche
11–15
ist ein vorteilhäftes
Verfahren zur Herstellung einer Klemmkontaktierung mittels des erfindungsgemäßen Kontakthalters
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung des Kontakthalters mit den Merkmalen des Anspruchs
16 hat den Vorteil, dass der Kontakthalter als Massenartikel sehr
kostengünstig
gefertigt werden kann. Zudem lassen sich die funktionsrelevanten Maße und Konturen
im Matrizenwerkzeug direkt und sehr genau realisieren.
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Zeichnung
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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 einen
Längsschnitt
eines Messfühlers zur
Erfassung eines Parameters eines Messgases mit Sensorelement, Anschlussleitung
und mit die Anschlussleitung mit dem Sensorelement verbindendem
Kontakthalter, schematisiert dargestellt,
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2 einen
Schnitt des Kontakthalters gemäß Linie
II–II
in 1,
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3 eine
Ansicht des Kontakthalters in Richtung Pfeil III in 2
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4 bis 6 jeweils
eine Draufsicht des Kontakthalters in drei Montagestufen bei der
Herstellung der Klemmkontaktierung von Anschlussleitung und Sensorelement,
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7 bis 9 jeweils
eine Seitenansicht eines Montagemoduls des Kontakthalters mit verschiedenen
Ausführungsformen
einer Sollbruchstelle,
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10 eine
Draufsicht einer modifizierten Ausführung des Kontakthalters,
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11 und 12 jeweils
eine Draufsicht des Montagemoduls des Kontakthalters in zwei modifizierten
Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Der
in 1 im Längsschnitt
schematisiert dargestellte Messfühler
zur Erfassung eines Parameters eines Messgases ist hier als Lambdasonde
zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine
ausgebildet. Der Messfühler
besitzt ein Gehäuse 10,
in dem mittels einer isolierenden Dichtungspackung 11 ein
Sensorelement 12 aufgenommen ist, das mit einem gassensitiven
Abschnitt 121 aus dem Gehäuse 10 vorsteht und
dort von einem mit Öffnungen 14 zum
Durchtreten des Abgases versehenen Schutzrohr 13 umgeben
ist. In dem gassensitiven Abschnitt 121 des Sensorelements 12 sind
in bekannter Weise Elektroden angeordnet, von denen Leiterbahnen
zu einem entfernt von dem gassensitiven Abschnitt 121 liegenden
anschlussseitigen Abschnitt 122 des Sensorelements 12 führen, die
dort in Kontaktflächen 15 münden. Wie in
der Schnittdarstellung des Sensorelements 12 in 2 zu
sehen ist, weist das stabförmige
Sensorelement 12 einen rechteckigen Querschnitt auf. Auf
den voneinander abgekehrten Großflächen des
Sensorelements 12 sind insgesamt vier Kontaktflächen 15 räumlich voneinander
getrennt angeordnet und mit jeweils einer Leiterbahn verbunden.
Die Kontaktflächen 15 sind
mit jeweils einem elektrischen Leiter 16 einer Anschlussleitung 17 kontaktiert, über die
das Sensorelement 12 mit einem Steuergerät verbindbar ist.
Der elektrische Kontakt zwischen den elektrischen Leitern 16 und
den Kontaktflächen 15 ist
mittels eines Kontakthalters 20 hergestellt, der eine Klemmkontaktierung
zwischen einer jeden Kontaktfläche 15 und
einem darauf aufliegende elektrischen Leiter 16 bewirkt.
Der anschlussseitige Abschnitt 122 des Sensorelements 12 mit
Kontakthalter 20 ist von einem auf das Gehäuse 10 aufgesetztem
Rohrteil 18 umschlossen, das stirnseitig mit einer Verschlussscheibe 19 abgeschlossen
ist. Die Anschlussleitung 17 durchsetzt die isolierende
Verschlussscheibe 19 und ist in dieser eingebettet gehaltert.
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Der
Kontakthalter 20 umfasst zwei Andruckkörper 21, 22,
die auf diametralen Seiten des anschlussseitigen Abschnitts 122 angeordnet
und spiegelsymmetrisch ausgebildet sind, sowie ein Spannelement 23,
das an den beiden Andruckkörpern 22 angreift
und auf die Andruckkörper 21, 22 eine
Druckkraft ausübt.
Dadurch wird jeweils ein Andruckkörper 21 bzw. 22 auf
zwei auf ihren zugeordneten Kontaktflächen 15 aufliegende
elektrische Leiter 16 aufgepresst und so eine kraftschlüssige elektrische
und mechanische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 15 am
Sensorelement 12 und den Leitern 16 der Anschlussleitung 17 hergestellt.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spannelement 23 als
Federbügel
mit zwei über
einen Federsteg 241 verbundenen Federschenkeln 242 ausgeführt. Jeder
Federschenkel 242 trägt
endseitig eine Rastnase 243 zum Verrasten an den Andruckkörpern 21, 22.
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Zur
Vereinfachung der Montage und der Herstellung des Kontakthalters 20 und
damit insgesamt zur Senkung der Fertigungskosten für den Messfühler, sind
die beiden Andruckkörper 21, 22 in
einem einteiligen Montagemodul 25 zusammengefasst, wie er
in 4 in Draufsicht zu sehen ist. Die innerhalb des
Montagemoduls 25 ausgebildeten Andruckkörper 21, 22 sind über zwei
Sollbruchstellen 26 gegeneinander abgegrenzt, so dass durch
Aufbrechen der in der Symmetrieebene der spiegelsymmetrisch ausgebildeten
Andruckkörper 21, 22 Gegenden
Sollbruchstellen 26 die beiden Andruckkörper 21, 22 sehr leicht
vereinzelt werden können.
Die Sollbruchstellen 26 werden durch schmale Materialstege 27 mit
Perforation 28 gebildet. Mögliche Ausführungen der Sollbruchstelle 26 sind
in 7 bis 9 zu sehen, in denen jeweils
eine Seitenansicht des Montagemoduls 25 dargestellt ist.
Die Perforation 28 ist im Ausführungsbeispiel der 7 durch
voneinander beabstandet aufgereihte Rundlöcher 29, in 8 durch voneinander
beabstandet aufgereihte Vierecklöcher 30 und
in 9 durch eine Ritze oder einen Längsschnitt 31 realisiert.
Infolge der integrierten Ausbildung der beschriebenen Andruckkörper 21, 22 im Montagemodul 25 weist
letzterer eine zentrale Aufnahmeöffnung 32 für die Kontaktflächen 15 mit
elektrischen Leitern 16 auf. Am Montagemodul 25 sind zwei
diametral angeordnete Rastmulden 32 für die Aufnahme der am Federbügel 24 ausgebildeten Rastnasen 243 sowie
zwei zu den Rastmulden 32 führende Auflaufschrägen 34 für die Federschenkel 242 des
Federbügels 24 angeordnet.
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Für eine kostengünstige,
zur Massenfertigung geeignete Herstellung des Montagemoduls 25 wird
der isolierende Werkstoff, der vorzugsweise aus einer Keramik mit
einem hohen Anteil an Aluminiumoxid oder aus Magnesiumsilikaten
besteht, im Grünzustand
zu einem Strang gepresst, der sowohl die Außenkonturen des Montagemoduls 25,
als auch dessen zentrale Aufnahmeöffnung 32, als auch
die Rastmulden 33 und die Auflaufschrägen 34 aufweist. Diese
funktionsrelevanten Maße
und Konturen lassen sich dabei im Matrizenwerkzeug für das Strangpressen
direkt und sehr genau realisieren. Anschließend wird die Festigkeit der
Sollbruchstellen 26 durch Einbringen der geeigneten Perforation 28 in
die Materialstege 27 auf die Sollvorgabe für die Bruchfestigkeit
der Sollbruchstellen 26 eingestellt. Danach wird der Strang
im Grünzustand
in Einzelstücke
geteilt, wobei die Teilung durch die axiale Länge des Montagemoduls 25 bestimmt
ist. Die Einzelstücke werden
anschließend
gesintert.
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Die
Herstellung der Klemmkontaktierung zwischen Anschlussleitung 17 und
Sensorelement 12 wird wie folgt durchgeführt:
Auf
das Sensorelement 12 wird der Montagemodul 25 soweit
aufgeschoben, dass er die Kontaktflächen 15 auf dem anschlussseitigen
Abschnitt 122 des Sensorelements 12 umgibt. Die
elektrischen Leiter 16 der Anschlussleitung 17 sind
bereits vorher mit den Kontaktflächen 15,
z.B. durch Spaltschweißen oder
Löten,
verbunden, können
aber alternativ auch nach Aufschieben des Montagemoduls 25 zwischen diesen
und den Kontaktflächen 15 eingeschoben werden.
Danach wird, wie dies in 4 dargestellt ist, das Spannelement 23,
hier der Federbügel 24, auf
das Montagemodul 25 aufgeschoben, wobei die Federschenkel 242 mit
ihren Rastnasen 243 auf den Auflaufschrägen 34 am Montagemodul 25 entlanggleiten
und in die am Ende der Auflaufschrägen 34 vorhandenen
Rastmulden 33 einfallen, so dass der Federbügel 24 am
Montagemodul 25 verrastet ist (5). Danach
werden die Sollbruchstellen 26 zerstört, so dass der Montagemodul 25 in
die beiden Andruckkörper 21, 22 aufgetrennt
ist, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Zerstörung der
Sollbruchstellen 26 erfolgt dadurch, dass in den Sollbruchstellen 26 ein Spannungszustand
erzeugt wird, der größer ist
als die Festigkeit der Sollbruchstellen 26. Dies kann auf verschiedene
Weise bewerkstelligt werden:
Im einfachsten Fall wird dieser
Spannungszustand durch die Federkraft des Federbügels 24 erzeugt. Der
Federbügel 24 ist
daher so auszubilden, dass er eine geeignet hohe Druckkraft zur
Verfügung
stellt. Der Spannungszustand in den Sollbruchstellen 26 kann
aber auch durch nachträgliche
Erhöhung
der Druckkraft des Federbügels 24 erzeugt
werden, indem z.B. der montierte Federbügel 24 verformt wird. Eine
solche Verformung kann beispielsweise durch Herstellung einer konkaven
Einwölbung 244 in
den Federsteg 241 des Federbügels 24 bewirkt werden, wie
dies in 6 dargestellt ist. Weitere Möglichkeiten
der Erzeugung des Spannungszustandes in den Sollbruchstellen 26 ist
die direkte Krafteinwirkung auf den Montagemodul 25, z.B.
durch auf die Rastnasen 243 wirkende Druckkräfte, oder
durch direkte Krafteinwirkung auf die Sollbruchstellen 26,
indem an den Materialstegen 27 Druck-, Zug- oder Scherkräfte angreifen.
In den vorstehend beschriebenen Fällen, in denen der Spannungszustand
nicht durch Aufschieben des Spannelements 23 erzeugt wird,
sondern erst dann, wenn das Spannelement 23 bereits montiert
ist, ergibt sich der Vorteil, dass der bereits komplett vormontierte
Kontakthalter 20 auf das Sensorelement 12 aufgesetzt
werden kann, was eine Vereinfachung der Montage mit sich bringt.
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In 10 ist
ein modifizierter Kontakthalter 20 in seinem Vormontagezustand
dargestellt. Er unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Kontakthalter 20 im
wesentlichen dadurch, dass das Spannelement 23 zwei Federbügel 24 aufweist,
die mit ihren Rastnasen 243 in jeweils eine Rastmulde 33 im
Montagemodul 25 eingreifen. Im Montagemodul 25 sind
wiederum die beiden Andruckkörper 21, 22 ausgebildet,
die über
zwei von den Materialstegen 27 mit Perforation 28 gebildeten
Sollbruchstellen 26 begrenzt sind. Zur Herstellung der
Klemmkontaktierung wird der Montagemodul 25 mit bereits
montiertem Spannelement 23 auf das Sensorelement 12 aufgeschoben,
bis der Montagemodul 25 die Kontaktflächen 15 mit elektrischen
Leitern 16 umgibt. Danach werden durch Aufbringen einer
Druckkraft in Richtung der Pfeile 35 und 36 in 10 die
Sollbruchstellen 26 zerstört, so dass nunmehr die beiden
Federbügel 24 des
Spannelements 23 die vereinzelten Andruckkörper 21, 22 auf
die Leiter 16 der Anschlussleitung 17 aufpressen.
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Die
in 11 und 12 dargestellten
modifizierten Montagemodule 25 für den Kontakthalter 20 besitzen
ebenfalls zwei Andruckkörper 21, 22,
die über
zwei als Sollbruchstellen 26 fungierende Materialstege 27 miteinander
verbunden sind. Im Gegensatz zu den Andruckkörpern 21, 22 der
zuvor beschriebenen Montagemodule 25 sind die beiden Andruckkörper 21, 22 nicht
spiegelsymmetrisch, sondern unterschiedlich ausgebildet. Die Materialstege 27 und
damit die Sollbruchstellen 26 liegen außerhalb der Symmetrieebene
der zentralen Aufnahmeöffnung 32.
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Der
beschriebene Kontakthalter 20 ist nicht auf die Anwendung
bei einem Messfühler
beschränkt.
Er kann überall
dort eingesetzt werden, wo eine Klemmkontaktierung zwischen einer
Kontaktfläche
und einem drauf aufliegenden elektrischen Leiter hergestellt werden
soll, so z.B. auch in Tempraturmessfühlern zur Messung der Temperatur
im Abgas von Brennkraftmaschinen oder in Messfühlern zur Druckmessung im Abgas
von Brennkraftmaschinen.