DE102018221566A1

DE102018221566A1 - Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102018221566A1
Application number: DE102018221566.9A
Authority: DE
Inventors: Marc Rosenland; Gerald Scheday; Joachim Stier; Peter Raffelstetter; Charles-Edouard De Gryse; Matthias Allinger; Bernd Rattay; Thomas Pastuszka; Milan Kotynek; Jürgen Ruth; Christian Jaeger; Sascha Frank
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN110873747A

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorelement (20), ein Gehäuse (12) und eine Schutzhülse (42). Das Gehäuse (12) ist zumindest teilweise von der Schutzhülse (42) umgeben und weist eine Längsbohrung (16) auf, in der das Sensorelement (20) angeordnet ist. Der Sensor (10) weist weiterhin einen Kontakthalter (44) und eine Federklammer (46) auf. Der Kontakthalter (44) ist zum Halten des Sensorelements (20) ausgebildet. Die Federklammer (46) ist zum Fixieren des Kontakthalters (44) ausgebildet. Die Federklammer (46) ist zwischen dem Gehäuse (12) und der Schutzhülse (42) derart elastisch verformt angeordnet, dass die Federklammer (46) eine erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter (44) ausübt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Derartige Sensoren weisen üblicherweise eine Dichtung auf. Die Dichtung ist aus einem Material hergestellt, das eine Mischung aus Bornitrid und einer oxidkeramischen Komponente, wie beispielsweise Steatit umfasst. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der DE 100 09 597 A1 , DE 195 32 090 A1 und DE 197 14 203 A1 beschrieben. Die Dichtungen sind scheibenförmig ausgebildet. Die dort beschriebenen Materialien sorgen für eine gute Dichtwirkung, insbesondere gegenüber Kraftstoff, und eine hohe Temperaturbeständigkeit.
Weiterhin ist bei derartigen Sensoren ein Kontakthalter vorgesehen, der das Sensorelement in der Längsbohrung hält. Der Kontakthalter ist einteilig oder mehrteilig, wie beispielsweise zweiteilig, ausgebildet und weist eine Klammer auf oder ist innerhalb einer Schutzhülse des Sensors befestigt.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Bei der zuerst genannten Variante des zweiteiligen Kontakthalters ist der Verbindungsprozess von Kontakthalter und Sensorelement kompliziert und aufwändig. Bei der zweiten genannten Variante mit der Befestigung des einteiligen Kontakthalters in der Schutzhülse kann die Ausrichtung des Kontakthalters variieren und ist nur mit speziellen Maschinen fertigungstechnisch zu positionieren, zu fügen und sichtbar. Die fertigungstechnische Toleranz beim Verpressen des Sensorelements im Sensorgehäuse führt dazu, dass der Kontakthalter nicht in der optimalen Lage positioniert werden kann. Eine variierende Ausrichtung des Kontakthalters bewirkt jedoch eine variierende Ausrichtung des Sensorelements, so dass sich das Sensorelement unter Umständen nicht an seiner Sollposition befindet, was zu einer Messungenauigkeit führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere wird bei dem Sensor der Fügeprozess von Kontakthalter und Sensorelement vereinfacht, wobei der Kontakthalter zudem genauer ausgerichtet werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorelement, ein Gehäuse und eine Schutzhülse. Das Gehäuse ist zumindest teilweise von der Schutzhülse umgeben und weist eine Längsbohrung auf, in der das Sensorelement angeordnet ist. Der Sensor weist weiterhin einen Kontakthalter und eine Federklammer auf. Der Kontakthalter ist zum Halten des Sensorelements ausgebildet. Die Federklammer ist zum Fixieren des Kontakthalters ausgebildet. Die Federklammer ist zwischen dem Gehäuse und der Schutzhülse derart elastisch verformt angeordnet, dass die Federklammer eine erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter ausübt.
Der Kontakthalter ist für das Aufschieben auf das Sensorelement derart ausgebildet, dass eine sichere Verbindung, d.h. elektrische Kontaktierung, zwischen den auf dem Sensorelement befindlichen Kontaktpads und den im Kontakthalter befindlichen Kontaktclips hergestellt werden kann. Die Federklammer ist im Gehäuse zwischen dem Kontakthalter und Gehäuse bzw. um den Kontakthalter herum und an der Gehäusewand abstützend ausgebildet.
Beim Zusammenbauen des Sensors wird das Sensorelement in dem Kontakthalter angeordnet und anschließend in der Längsbohrung des Gehäuses angeordnet. Genauer wird beim Zusammenfügen des Sensors wird am Kabelbaum befindliche Kontakthalter auf das im Gehäuse verpresste Sensorelement gesteckt. Der Kontakthalter ist dabei von der Federklammer umgeben. Beispielsweise wird die Federklammer in der Schutzhülse angeordnet und die Schutzhülse wird auf das Gehäuse mit dem Sensorelement aufgeschoben. Dabei wird die Federklammer zwischen Schutzhülse und Gehäuse komprimiert und verformt sich. Als Ausweichbewegung drückt die Federklammer nach innen auf den Kontakthalter, so dass dieser in seiner Position fixiert wird. Auf diese Weise wird beim Zusammenbauen der Kontakthalter in einem Schritt fixiert und richtig ausgerichtet.
Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Sensorelement für eine Lambdasonde handeln, wie es beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt ist. Ein derartiges Sensorelement weist einen Festelektrolyten und zwei durch den Festelektrolyten voneinander getrennte Elektroden auf. Der Festelektrolyt kann aus einer oder mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrecht erhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Bei einer Weiterbildung erstreckt sich die Längsbohrung entlang einer Längserstreckungsrichtung, wobei die erste Vorspannkraft in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung wirkt. Somit erfolgt eine radiale Zentrierung des Kontakthalters.
Bei einer Weiterbildung übt die Federklammer die erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter punktförmig aus. Damit kann der Kontakthalter kleiner ausgebildet werden und dennoch sicher in seiner Lage fixiert werden.
Bei einer Weiterbildung weist das Gehäuse eine erste Anschlagfläche auf und die Schutzhülse weist eine zweite Anschlagfläche auf, wobei die erste Anschlagfläche und die zweite Anschlagfläche zum elastischen Verformen der Federklammer beim Montieren der Schutzhülse an dem Gehäuse ausgebildet sind. Die Anschlagflächen verhindern ein Verrutschen der Federklammer beim Montieren, so dass die Ausrichtung genau ist.
Bei einer Weiterbildung ist die erste Anschlagfläche eine axiale Anschlagfläche. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Anschlagfläche eine axiale Anschlagfläche. Damit lässt sich die Ausrichtung und Fixierung durch eine einfache axiale Bewegung von Schutzhülse und Gehäuse relativ zueinander realisieren.
Bei einer Weiterbildung ist die Federklammer als Hülse mit Schlitzen ausgebildet. Bevorzugt ist die Hülse leicht gewellt ausgebildet. Damit wird eine zuverlässige und lagerichtige Fixierung des Kontakthalters mit einem einfach und kostengünstig herzustellenden Bauteil realisiert.
Die Schlitze können sich dabei parallel zur Längsachse der Hülse in alternierender Weise von gegenüberliegenden Längsenden der Hülse erstrecken. Dadurch wird eine stabile Federklammer vorgesehen, die sich gleichmäßig elastisch verformen kann.
Bei einer Weiterbildung ist die Federklammer an der Schutzhülse befestigt. Dies verhindert ein versehentliches Verrutschen der Federklammer.
Bei einer Weiterbildung ist die Federklammer mittels Verschweißen oder Verstemmen an der Schutzhülse befestigt. Damit wird in einfacher und kostengünstiger Weise ein versehentliches Verrutschen der Federklammer verhindert.
Bei einer Weiterbildung weist die Federklammer eine Federzunge auf, die zum Drücken gegen den Kontakthalter ausgebildet ist. Dabei erleichtert die Federzunge die Montage und sorgt für eine Zentrierung des Kontakthalters.
Bei einer Weiterbildung ist zwischen dem Kontakthalter und dem Sensorelement eine Kontaktfeder angeordnet, wobei die Kontaktfeder eine zweite Vorspannkraft auf das Sensorelement ausübt. Die zweite Vorspannkraft dämpft die erste Vorspannkraft, so dass die Montage erleichtert wird.
Die Kontaktfeder kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall, hergestellt sein, und kann so der elektrischen Kontaktierung des Sensorelements dienen.
Bei einer Weiterbildung ist die Kontaktfeder bügelförmig ausgebildet. Die Bügel werden beim Einschieben des Sensorelements zwischen die Bügel auseinander gedrückt, so dass das Sensorelement zentriert wird. derartige bügelförmige Kontaktfedern sind kostengünstig herzustellen.
Bei einer Weiterbildung ist die Federklammer zum Zentrieren des Kontakthalters in der Längsbohrung oder äußeren Schutzhülse ausgebildet. Damit wird eine Ausrichtung gemäß Sollposition ermöglicht.
Bei einer Weiterbildung lagert die Federklammer den Kontakthalter schwimmend. Dies wird durch einen im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren vergrößerten Innendurchmesser und Außendurchmesser der Federklammer erreicht, die als Positioniereinheit dient.
Bei einer Weiterbildung weist die Federklammer mindestens einen ersten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung auf, der zum Fixieren der Federklammer in der Schutzhülse ausgebildet ist, wobei die Federklammer weiterhin mindestens einen zweiten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung zum Fixieren des Kontakthalters aufweist
Figurenliste
Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine perspektivische Ansicht einer Federklammer gemäß der ersten Ausführungsform,
3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine Explosionsdarstellung eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform,
5 eine Querschnittsansicht des Sensors gemäß der dritten Ausführungsform und
6 eine Querschnittsansicht des Sensors gemäß der vierten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Der Sensor 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Gehäuse 12 weist ein Gewinde 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums (nicht näher gezeigt) auf. Das Gehäuse 12 weist eine Längsbohrung 16 auf. Die Längsbohrung 16 erstreckt sich entlang einer Längsachse bzw. Längserstreckungsrichtung 18. Die Längsbohrung 16 weist eine schulterförmige Ringfläche auf. Die Ringfläche befindet sich angrenzend an einem dem Messgasraum zugewandten stirnseitigen Ende des Gehäuses. An dem stirnseitigen Ende ist eine Schutzrohrbaugruppe festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Die Schutzrohrbaugruppe weist mindestens ein Schutzrohr und bevorzugt mehrere Schutzrohre auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr auf. Die Schutzrohrbaugruppe kann beispielsweise zwei innere Schutzrohre aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sowohl das äußere Schutzrohr als auch das innere Schutzrohr weisen nicht näher gezeigte Ein- und Austrittsöffnungen auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.
Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 20 zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 20 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 20 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 22. Das Sensorelement 20 weist ein anschlussseitiges Ende 24 und ein messgasseitiges Ende 26 auf. Das messgasseitige Ende 26 liegt dem anschlussseitigen Ende 24 in der Längserstreckungsrichtung 22 gesehen gegenüber. Das anschlussseitige Ende 24 ist mit elektrischen Anschlüssen 28 des Sensors 10 ausgebildet, um elektrisch kontaktiert zu werden. Das messgasseitige Ende 26 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des inneren Schutzrohrs ausgesetzt zu werden.
Auf der schulterförmigen Ringfläche befindet sich beispielsweise ein metallischer Dichtring (nicht näher gezeigt), auf dem ein messgasseitiges Keramikformteil 30 aufliegt. Das messgasseitige Keramikformteil 30 hat in Richtung der Längsbohrung 16 verlaufend einen durchgehenden messgasseitigen Durchbruch 32, durch den sich das Sensorelement 20 erstreckt. Beabstandet vom messgasseitigen Keramikformteil 30 ist in der Längsbohrung 16 weiter ein anschlussseitiges Keramikformteil 34 angeordnet. Das anschlussseitige Keramikformteil 34 hat ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 16 verlaufend einen zentral angeordneten und durchgehenden anschlussseitigen Durchbruch 36, durch den sich das Sensorelement 20 erstreckt. Der messgasseitige Durchbruch 32 des messgasseitigen Keramikformteils 30 und der anschlussseitige Durchbruch 36 des anschlussseitigen Keramikformteils 34 verlaufen fluchtend zueinander.
Zwischen dem messgasseitigen Keramikformteil 30 und dem anschlussseitigen Keramikformteil 34 befindet sich mindesten eine Dichtung 38 und bevorzugt mehrere Dichtungen 38, wie beispielsweise drei Dichtungen 38. Es versteht sich, dass je nach Anwendung mehr oder weniger Dichtungen vorgesehen sein können.
Das anschlussseitige Ende 24 des Sensorelements 20 ist mit Anschlusskontakten 40 elektrisch kontaktiert, die ebenfalls aus dem Gehäuse 12 bzw. der Kabelbaumgruppe in einer Schutzhülse 42 des Sensors 10 herausragen. Die Anschlusskontakte 40 werden mit einem nicht näher gezeigten, mit Anschlusskabeln versehenen Kontaktstecker kontaktiert.
Der Sensor 10 weist weiterhin die Schutzhülse 42 auf. Das Gehäuse 12 ist zumindest teilweise von der Schutzhülse 42 umgeben. die Schutzhülse ist beispielsweise aus Metall hergestellt. Der Sensor 10 weist weiterhin einen Kontakthalter 44 und eine Federklammer 46 auf. Der Kontakthalter 44 ist zum Halten des Sensorelements 20 ausgebildet. Der Kontakthalter 44 umgibt das Sensorelement 20. Im montierten Zustand befindet sich der Kontakthalter 44 innerhalb der Schutzhülse 42. Die Federklammer 46 ist zum Fixieren des Kontakthalters 44 ausgebildet. Wie in 1 gezeigt, ist die Federklammer 46 zwischen dem Gehäuse 12 und der Schutzhülse 42 derart elastisch verformt angeordnet, dass die Federklammer 46 eine erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter 44 ausübt. Auf diese Weise wird der Kontakthalter 44 fixiert und zentriert.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Federklammer 46 bei der ersten Ausführungsform. Bei der ersten Ausführungsform ist die Federklammer 46 als Käfig oder Hülse 48 mit Schlitzen 50 ausgebildet. Die Hülse 48 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse 52 ausgebildet. Die Hülse 48 weist zwei Längsenden 54, 56 auf, die sich entlang der Längsachse 52 gesehen gegenüberliegen. Die Schlitze 50 erstrecken sich in alternierender Reihenfolge von den gegenüberliegenden Längsenden 54, 56 parallel zu der Längsachse 52. Die Hülse 48 ist entlang der Längsachse 52 gesehen wellenförmig mit mindestens einer sich radial nach innen bezogen auf die Längsachse 52 erstreckenden Einkerbung 58 in einem mittleren Abschnitt 60 ausgebildet. Das
Wie in 1 gezeigt, weist das Gehäuse 12 eine erste Anschlagfläche 62 auf. Die Schutzhülse 42 weist eine zweite Anschlagfläche 64 auf. Die erste Anschlagfläche 62 und/oder die zweite Anschlagfläche 64 sind axiale Anschlagflächen. Die axialen Anschlagflächen 62, 64 sind parallel zueinander und senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 18, 22 orientiert. Die erste Anschlagfläche 62 und die zweite Anschlagfläche 64 sind zum elastischen Verformen der Federklammer 46 beim Montieren der Schutzhülse 42 an dem Gehäuse 12 ausgebildet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Beim Zusammenbauen des Sensors 10 wird das in der Längsbohrung 16 des Gehäuses 12 angeordnete und befestigte Sensorelement 20 in dem Kontakthalter 44 angeordnet. Der Kontakthalter 44 wird von der Federklammer 46 umgeben. Beispielsweise wird die Federklammer 46 in der Schutzhülse 42 angeordnet, so dass diese an der zweiten Anschlagfläche 64 anliegt. Die Schutzhülse 42 wird dann auf das Gehäuse 12 aufgeschoben. Dabei kommt die Federklammer 46 mit der ersten Anschlagfläche 62 in Berührung. Beim weiteren Zusammenschieben wird die Federklammer 46 zwischen Schutzhülse 42 und Gehäuse 12 komprimiert und verformt sich. Als Ausweichbewegung drückt die Federklammer 46 mit der Einkerbung 58 nach innen auf den Kontakthalter 44, so dass dieser in seiner Position fixiert und in der Längsbohrung 16 zentriert wird. Die erste Vorspannkraft der Federklammer 46 wirkt dabei in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 18. Insbesondere übt die Federklammer 46 die erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter 44 punktförmig aus.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Federklammer 46 im Wesentlichen käfigförmig ausgebildet. So weist die Federklammer 46 zwischen einem Vorderende 66 und einem Hinterende 68 gesehen einen ersten Anlageabschnitt 70, einen abgewinkelten mittleren Abschnitt 72 und einen zweiten Anlageabschnitt 74 auf. Der erste Anlageabschnitt 70 befindet sich an dem Vorderende 66 der Federklammer 46. Der abgewinkelte mittlere Abschnitt 72 befindet sich zwischen dem ersten Anlageabschnitt 70 und dem zweiten Anlageabschnitt 74. Der erste Anlageabschnitt 70 ist zum Anliegen an einem zylindrischen Wandabschnitt 76 der Schutzhülse 42 ausgebildet. Der zweite Anlageabschnitt 74 ist zum Anliegen an einer Schulterfläche 78 der Schutzhülse 42 ausgebildet. Der zweite Anlageabschnitt 74 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Anlageabschnitt 72. Insbesondere erstreckt sich der zweite Anlageabschnitt 74 in radialer Richtung bezogen auf die Längserstreckungsrichtung 18. Die Federklammer 46 weist eine Federzunge 80 auf, die zum Drücken gegen den Kontakthalter 44 ausgebildet ist. Die Federzunge 80 ist mit dem abgewinkelten mittleren Abschnitt 72 einstückig ausgebildet und erstreckt sich geneigt zu diesem in Richtung zu dem zweiten Anlageabschnitt 74, was das Einschieben des Kontakthalters 44 in die Federklammer 46 erleichtert. Die Federklammer 46 ist an der Schutzhülse 42 befestigt. Die Befestigung kann über einen Schweißpunkt 82 an der Schutzhülse 42 und dem ersten Anlageabschnitt 70 realisiert sein. Der Schweißpunkt 82 kann mittels Laserschweißen ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzhülse 42 nach dem Einsetzen der Federklammer 46 eine Verstemmung 84 aufweisen, so dass sich die Federklammer 46 nicht in axialer Richtung bewegen kann. Die Federklammer 46 kann optional an dem zweiten Anlageabschnitt 74 an der Schutzhülse 42 befestigt sein oder an der Schulterfläche 78 beweglich aufliegen.
Weiterhin ist bei der zweiten Ausführungsform zwischen dem Kontakthalter 44 und dem Sensorelement 20 mindestens eine Kontaktfeder 86 angeordnet Die Kontaktfeder 86 übt eine zweite Vorspannkraft auf das Sensorelement 20 aus. Die Kontaktfeder 86 ist bügelförmig ausgebildet. Beim Einschieben des Sensorelements 20 in die Kontaktfeder werden die Bügel auseinander gedrückt, so dass das Sensorelement 20 gehalten wird. Die zweite Vorspannkraft bewirkt eine Dämpfung der ersten Vorspannkraft, so dass keine übermäßige Kraft auf das Sensorelement 20 wirkt, die dieses beschädigen könnte. Die zweite Vorspannkraft bewirkt außerdem eine Zentrierung des Sensorelements 20. Die Kontaktfeder 86 kann zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 20 ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Kontaktfeder 86 aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt.
Ein gedämpft gelagertes Kontaktierungsverfahren sorgt für eine Kraftvermittelung der Kontaktclip-Anpresskräfte auf dem Sensorelement 20. Bei bislang bekannten Sensoren wird das Sensorelement, das in vielen Fällen leicht gebogen ist, im Gehäuse mittels Packungen eingepresst. Dabei kann es dazu kommen, dass das Sensorelement eine leichte Neigung im Gehäuse aufweisen kann. Diese nicht optimale Ausrichtung des Sensorelements im Gehäuse wird durch die zuvor beschriebene gedämpfte Kontaktierung überwunden und korrigiert. Die gedämpfte Kontaktierung hat dafür zu sorgen, dass die Kräfte beim Fügeprozess, insbesondere dem Aufschieben der Kabelbaumgruppe auf die Baugruppe umfassend das im Gehäuse verpresste Sensorelement, nicht dazu führen kann, dass das Sensorelement vorgeschädigt bzw. mit asymmetrisch wirkenden Kräften belastet wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Reibungskräfte zwischen den unterschiedlichen Materialien, insbesondere Keramik und Stahl, minimiert bzw. aufeinander abgestimmt werden. Anschläge sind im Sinne einer klaren Positionierung des Bauteils zulässig, sollen jedoch möglichst vermieden werden, da sie ggf. eine Ausweichneigung des Kontakthalters aufgrund erforderlicher Toleranzen genügen können.
4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Sensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10 gemäß der dritten Ausführungsform, wobei der Schnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 18, 22 verläuft. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der dritten Ausführungsform weist die Federklammer 46, die als Positioniereinheit dient, im Vergleich zu Positioniereinheiten bei herkömmlichen Sensoren einen vergrößerten Außendurchmesser 88 und einen vergrößerten Innendurchmesser 90 auf. Dadurch wird ermöglicht, dass die Federklammer 46 den Kontakthalter 44 schwimmend lagert. Eine schwimmende Lagerung erlaubt in axialer Richtung ein gewisses Spiel, so dass der Kontakthalter in axialer Richtung nicht eindeutig fixiert ist. Dadurch können mechanische oder thermische Längenänderungen aufgenommen werden.
Bei herkömmlichen Sensoren wird beim Fügen der Baugruppe in den Kabelbaum das Sensorelement zwischen Crimpkontakte bestehend aus zwei sich gegenüberliegenden Kontaktfederpaaren gefügt. Bei Fügen und nachfolgenden Prozessschritten wie beispielsweise Schweißspaltverstemmen und Vorspannen bzw. Versschweißen können Relativverschiebungen zwischen Sensorelement und Kontakthalter auftreten, die eine einseitige Last auf das keramische Sensorelement bis hin zu Überbeanspruchung aufbauen. Daher wird eine Ausgleichsbewegung, die die Last auf das keramische Sensorelement minimiert , durch eine schwimmende Lagerung vorgesehen, die durch eine Tellerfeder zwischen Kontakthalter und einer axialen Anschlagfläche der Schutzhülse realisiert wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren, bei denen eine Tellerfeder zwischen Kontakthalter und einer axialen Anschlagfläche der Schutzhülse vorgesehen ist, wird bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform somit die schwimmende Lagerung zu den Kontaktpartnern Kontakthalter 44 und Federklammer 46 verlegt. Über einen größeren Innendurchmesser der Federklammer 46 wird dem Kontakthalter mehr Ausgleichweg zugeteilt Dadurch kann der Außendurchmesser der Federklammer 46 größer gewählt werden. Der vergrößerte Außendurchmesser wird die Federklammer 46 besser in der Schutzhülse 42 zentriert. Die Federklammer 46 und der Kontakthalter 44 haben dadurch einen besser definierten Reibbeiwert als dies bei herkömmlichen Sensoren mit dem Tiefziehteil Schutzhülse und der Tellerfeder der Fall ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der vierten Ausführungsform weist die Federklammer 46, die als Positioniereinheit dient, mindestens einen ersten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung 92 auf, der zum Fixieren der Federklammer 46 in der Schutzhülse 42 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck erstreckt sich der erste hakenförmige oder krallenförmige Vorsprung 92 in im Wesentlichen radialer Richtung nach außen. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Federklammer 46 mehrere erste hakenförmige oder krallenförmige Vorsprünge 92 auf, wie beispielsweise drei oder vier. Weiterhin weist die Federklammer 46 weiterhin mindestens einen zweiten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung 94 zum Fixieren des Kontakthalters 44auf. Zu diesem Zweck erstreckt sich der zweite hakenförmige oder krallenförmige Vorsprung 94 in im Wesentlichen radialer Richtung nach innen. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Federklammer 46 mehrere zweite hakenförmige oder krallenförmige Vorsprünge 94 auf, wie beispielsweise drei oder vier. Die hakenförmigen oder krallenförmigen zweiten Vorsprünge 94 umgreifen den Kontakthalter 44 teilweise an seinem der zweiten Anschlagfläche 64 gegenüberliegenden axialen Ende.
Bei herkömmlichen Sensoren wird, wie oben bereits erläutert, eine schwimmende Lagerung durch eine Tellerfeder zwischen Kontakthalter und einer axialen Anschlagfläche der Schutzhülse realisiert. Dabei kann es zu eine außermittigen Lage der Tellerfeder, des Kontakthalters und/oder der Federklammer durch Crimpkontakte mit Vorverformung kommen. Die an der Schutzhülse anliegende Ferderklammer ergibt dabei eine deutliche Außermittigkeit zur Sensorelementlängsachse.
Der erste Vorsprung der Federklammer bei der vierten Ausführungsform fixiert die Federklammer 46 mittig zur Längsachse der Schutzhülse 42. Der zweite Vorsprung der Federklammer bei der vierten Ausführungsform fixiert den Kontakthalter 44 mittig relativ zur Federklammer 46. Durch die Fixierung wird eine mögliche Rotation des kontakthaltes verhindert. Vor dem Fügen der Federklammer 46 in die Schutzhülse 42 wird der Kontakthalter zentriert und in Position gehalten, so dass kein Herausfallen möglich ist. Zusätzlich ist ein Herausarbeiten der Einheit aus Kontakthalter und federklammer während des Kabelbaumtransports unterbunden oder zumindest deutlich erschwert. Die Federklammer bewirkt wenig Widerstand gegen einen Ausgleich von potentiellen Außermittigkeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10009597 A1 [0004]
DE 19532090 A1 [0004]
DE 19714203 A1 [0004]

Claims

Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (20), ein Gehäuse (12) und eine Schutzhülse (42), wobei das Gehäuse (12) zumindest teilweise von der Schutzhülse (42) umgeben ist und eine Längsbohrung (16) aufweist, in der das Sensorelement (20) angeordnet ist, wobei der Sensor (10) weiterhin einen Kontakthalter (44) und eine Federklammer (46) aufweist, wobei der Kontakthalter (44) zum Halten des Sensorelements (20) ausgebildet ist, wobei die Federklammer (46) zum Fixieren des Kontakthalters (44) ausgebildet ist, wobei die Federklammer (46) zwischen dem Gehäuse (12) und der Schutzhülse (42) derart elastisch verformt angeordnet ist, dass die Federklammer (46) eine erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter (44) ausübt.
Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei sich die Längsbohrung (16) entlang einer Längserstreckungsrichtung (18) erstreckt, wobei die erste Vorspannkraft in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung (18) wirkt.
Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Federklammer (46) die erste Vorspannkraft auf den Kontakthalter (44) punktförmig ausübt.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse (12) eine erste Anschlagfläche (62) aufweist, wobei die Schutzhülse (42) eine zweite Anschlagfläche (64) aufweist, wobei die erste Anschlagfläche (62) und die zweite Anschlagfläche (64) zum elastischen Verformen der Federklammer (46) beim Montieren der Schutzhülse (42) an dem Gehäuse (12) ausgebildet sind.
Sensor (10) nach Anspruch 4, wobei die erste Anschlagfläche (62) und/oder die zweite Anschlagfläche (64) eine axiale Anschlagfläche sind.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Federklammer (46) als Käfig oder Hülse (48) mit Schlitzen (50) ausgebildet ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Federklammer (46) an der Schutzhülse (42) befestigt ist.
Sensor (10) nach Anspruch 7, wobei die Federklammer (46) mittels Verschweißen oder Verstemmen an der Schutzhülse (42) befestigt ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Federklammer (46) eine Federzunge (80) aufweist, die zum Drücken gegen den Kontakthalter (44) ausgebildet ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen dem Kontakthalter (44) und dem Sensorelement (20) eine Kontaktfeder (86) angeordnet ist, wobei die Kontaktfeder (86) eine zweite Vorspannkraft auf das Sensorelement (20) ausübt.
Sensor (10) nach Anspruch 10, wobei die Kontaktfeder (86) bügelförmig ausgebildet ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Federklammer (46) zum Zentrieren des Kontakthalters (44) in der Längsbohrung (16) ausgebildet ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Federklammer (46) den Kontakthalter (44) schwimmend lagert.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Federklammer (46) mindestens einen ersten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung aufweist, der zum Fixieren der Federklammer (46) in der Schutzhülse (42) ausgebildet ist, wobei die Federklammer (46) weiterhin mindestens einen zweiten hakenförmigen oder krallenförmigen Vorsprung zum Fixieren des Kontakthalters (44)aufweist.