DE19804669A1

DE19804669A1 - Elektrisches Kontaktelement

Info

Publication number: DE19804669A1
Application number: DE19804669A
Authority: DE
Inventors: Johann Wehrmann; Heinz Eisenschmid; Alexander Bareiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-08-12
Also published as: US6246000B1; EP0993690A1; JP2001519967A; WO1999040650A1; KR20000075731A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktele ment mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Bekannt sind Sensorelemente, die hohen Temperaturen und Schwingungsbelastungen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise innerhalb des Abgastraktes von Kraft fahrzeugen auftreten können. Die elektrischen Zulei tungen zu solchen Sensorelementen sind erheblichen Temperaturbelastungen ausgesetzt, denen herkömmliche Kabelisolierungen nicht standhalten können. Insbeson dere die Verbindungsstellen der Sensorelemente zu den elektrischen Zuleitungen sowie deren Isolations schichten müssen wirksam gegen zu hohe Temperaturen abgeschirmt werden. So werden beispielsweise bei Lambda-Sonden üblicherweise hochtemperaturbeständige Metallmantelleitungen verwendet, die eine gewisse Mindestlänge aufweisen müssen. Erst ab einer bestimm ten Entfernung zum hochtemperaturbelasteten Meßort können herkömmliche Kabel die elektrische Verbindung zu einer nachgeschalteten Auswerteeinheit übernehmen.

Die Verbindungsstelle zwischen der temperaturbestän digen Metallmantelleitung und der herkömmlichen fle xiblen Kabelleitung muß jedoch vollständig dicht ge gen äußere Einflüsse ausgeführt sein. Problematisch ist weiterhin eine zu große Länge der Metallmantel leitung, die in diesem Fall vibrationsbruchgefährdet ist. Die Metallmantelleitung muß somit wegen der ent stehenden Schwingungsbelastung so kurz wie möglich sein, weshalb neben einer Dichtheit gegen Witterungs einflüsse und Feuchtigkeit auch eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit der Verbindungsstelle notwen dig ist.

Bekannt sind weiterhin Verbindungen zwischen starrer Metallmantelleitung und flexiblen Kabelleitungen, die mit Kunststoff umspritzt sind. Da mit einer solchen umspritzten Kunststoffummantelung jedoch im allgemei nen keine dichten Verbindungen zwischen Metallmantel leitung und den isolierten Kabelleitungen herstellbar sind, sind zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise mit tels Elastomerdichtungen notwendig. Das Volumen der Verbindung sowie deren Masse und damit das Massen trägheitsmoment steigt durch diese Maßnahmen. Dies wirkt sich nachteilig auf die Schwingungsbeständig keit der Mantelleitungen aus, womit diese bruchge fährdet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine dichte und tem peraturbeständige Verbindung zwischen einer Metall mantelleitung und flexiblen Kabelleitungen herzustel len, die zudem eine möglichst geringe Masse aufweist.

Vorteile der Erfindung

Durch die weitgehend vorgefertigten Kontaktelemente können auf schnelle und kostengünstige Weise leichte, temperatur- und schwingungsbeständige elektrische Verbindungen von hochtemperaturbelasteten Sensorele menten zu Kabelbäumen hergestellt werden. Dabei wer den herkömmliche Verbindungstechniken wie Crimpen und Verrasten angewendet. Durch die sehr gute Isolation der elektrischen Kontakte voneinander besteht keine Gefahr von Neben- oder Kurzschlüssen. Aufgrund der geometrischen Gestaltung des Kontaktgehäuses mit Zen trier- und Einführhilfen sind Fehlmontagen nahezu ausgeschlossen. Dadurch ist eine automatische Mon tage, beispielsweise durch Montageroboter sicher ge währleistet. Die anschließende Laserverschweißung der elektrischen Kontakte sowie einer umhüllenden dünnen Schutzhülse aus Metall gestattet ebenfalls eine schnelle automatische Montage. Zudem ist damit eine robuste, bruch- und vibrationssichere, langlebige Verbindung gewährleistet, die gegen Hitze sowie jeg liche Art von Umwelteinwirkung abgeschirmt ist. Durch eine Elastomerabdichtung wird eine dichte und gegen Temperaturen von über 200°C resistente Verkapselung des Verbindungselementes sichergestellt. Besonders vorteilhaft ist schließlich die äußerst kompakte und leichte Bauweise, aufgrund deren die Anfälligkeit gegen Vibrationen und Vibrationsbrüche der Metallman telleitung minimiert ist.

Das Kontaktgehäuse des Kontaktelementes muß relativ hohe Temperaturen aushalten können und kann zu diesem Zweck beispielsweise aus einem duroplastischen Kunst stoff oder auch aus einem keramischen Material beste hen. Diese Materialen weisen zudem die Vorteile einer hohen Steifigkeit und mechanischen Belastbarkeit und einer relativ freien dreidimensionalen Gestaltungs freiheit auf. Die mechanischen Eigenschaften lassen sich durch Faserverstärkungen weiter verbessern. Die Kontur des Kontaktelementes kann zylindrisch, durch die freie Formbarkeit im Guß- oder Spritzgußverfahren jedoch auch beliebig anders gestaltet sein, je nach gewünschter Einbaulage beziehungsweise zusätzlicher Verankerung oder Fixierung.

Zur stabilen und vibrationsfesten mechanischen und elektrischen Verbindung der in der Metallmantellei tung geführten elektrischen Leitungen mit den zu ei ner Auswerteeinheit führenden flexiblen Kabelleitun gen werden diese innerhalb des Kontaktgehäuses durch Laserschweißung miteinander verbunden. Gegenüber her kömmlichen Steckkontakten weisen diese Verbindungen eine deutlich höhere Dauerhaltbarkeit und damit eine bessere Langlebigkeit auf. Durch eine Laserverschwei ßung einer das Kontaktgehäuse umschließenden Metall hülse mit der Metallmantelleitung ist auch im lang andauernden Betrieb das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen, die elektrische Isolierung beeinträch tigenden, Stoffen nahezu ausgeschlossen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten, Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kontaktelement in einer Schnitt ansicht;

Fig. 2a eine Draufsicht auf ein Verbindungs element;

Fig. 2b eine Draufsicht auf ein Verbindungs element nach dem Flachdrücken;

Fig. 2c eine Seitenansicht auf ein Verbindungs element;

Fig. 2d eine Seitenansicht auf ein Verbindungs element nach dem Flachdrücken;

Fig. 2e eine Draufsicht auf ein Verbindungs element und

Fig. 2f eine Draufsicht auf ein Verbindungs element nach dem Flachdrücken.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein Kontaktelement 1 in einer bespiel haften Ausführungsform, welches insbesondere zur elektrischen Kontaktierung eines Sensorelementes ei nes Gasmeßfühlers mit elektrischen Zuleitungen Ver wendung finden kann. Das Kontaktelement 1 besteht im wesentlichen aus einem Kontaktgehäuse 62 mit vorzugs weise zylindrischer Außenkontur, wenigstens einem darin befindlichen Verbindungselement 35 sowie dich tend umschließenden Metallhülse 90. An zwei Stirnsei ten 66, 67 des Kontaktgehäuses 62 führen elektrische Leitungen 2, 20, 22 zu einem hier nicht dargestellten Sensorelement beziehungsweise zu einer hier ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit aus dem Kontakt element 1 heraus. Innerhalb des Kontaktgehäuses 62 ist wenigstens ein Verbindungselement 35 angeordnet, das für eine stabile elektrische Verbindung der Lei tungen 2, 20, 22 sorgt.

Beschrieben wird im folgenden eine Ausführungsform mit zwei eingehenden und zwei ausgehenden elektri schen Leitern, die innerhalb des Kontaktelementes 1 verbunden sind. Ebenso möglich sind jedoch auch Aus führungsformen mit nur einem oder mit mehr als zwei Leitern. Bei nur einer Leitung kann beispielsweise eine Masse über metallische Gehäuseteile geführt sein. Die von dem hier nicht dargestellten Sensorele ment des Gasmeßfühlers kommende elektrische Leitung muß sowohl erschütterungsresistent als auch tempera turbeständig sein, da derartige Gasmeßfühler vorzugs weise an Meßorten zum Einsatz kommen, an denen Tempe raturen von mehr als 800°C herrschen können, bei spielsweise in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeu ges, in Nähe eines Katalysators. Die biegesteife elektrische Leitung 2 umfaßt in der dargestellten Ausführungsform zwei einzelne, voneinander isolierte, Verbindungsleiter 8 und 10, die beispielsweise als Drähte oder als geflochtene oder verdrillte Litzen als Silber, Kupfer oder anderen als Leiter geeigneten Materialien ausgeführt sein können. Diese Verbin dungsleiter 8 und 10 werden von einer Metallmantel leitung 4 umschlossen und sind durch eine Isolierung voneinander getrennt. Diese Isolierung kann bei spielsweise eine Keramikpulver-Isolation 6 oder eine andersartige temperaturbeständige Isolation sein. Eine derartige Keramikpulver-Isolation 6 hat neben der gewünschten Isolationswirkung die günstige Eigen schaft, vibrationsdämpfend zu wirken und dadurch die Bruchgefahr der Leitung 2 aufgrund von Erschütterun gen, plötzlichen Schlägen oder Vibrationen zu redu zieren. Um derartige Gefahren weiter zu verringern, ist die freie Länge der Leitung 2 als Verbindung zwi schen Sensorelement und Kontaktelement 1 so kurz wie möglich zu gestalten, wobei die minimale Länge durch die maximale Temperaturbelastbarkeit des Kontaktele mentes 1, beziehungsweise daran befindlichen dichten den Elementen aus Elastomermaterial, vorgegeben.

Die Metallmantelleitung 4 mit den daraus herausge führten und vorzugsweise als runde, ovale oder flache Kontaktfahnen 12 und 14 ausgeführten Verbindungslei tern 8 und 10 mündet in eine passende Öffnung 80 im Kontaktgehäuse 62. Diese Öffnung 80 befindet sich zentral in einer Stirnseite 67 des Kontaktgehäuses 62 und weist eine Fase 84 zur besseren und leichteren Einführbarkeit der Metallmantelleitung 4 auf. Diese Fase 84 kann beispielsweise eine Schräge von 15 Grad oder mehr aufweisen. Die Tiefe der Fase 84 ist zweck mäßigerweise so zu wählen, daß sie mehr als 5% des Durchmessers der Öffnung 80 beträgt, um eine effek tive Einführhilfe darzustellen. In einem bestimmten Abstand zur Stirnfläche 67, der beispielsweise dem Durchmesser der Öffnung 80 entsprechen kann, weist die Öffnung 80 eine Verjüngung 82 auf, die als An schlag für die Metallmantelleitung 4 dient. Gleich zeitig wirkt diese Verjüngung 82 als Führung für die vor dem Einführen vorzugsweise leicht nach außen ge bogene Kontaktfahnen 12 und 14, so daß diese beim Einschieben der Metallmantelleitung 4 in eine defi nierte Position im Kontaktgehäuse 62 geschoben wer den. Zur exakten Führung dieser Kontaktfahnen 12 und 14 in ihre endgültige Position ist zudem ein zentra ler Keil 64 vorgesehen, durch den die Kontaktfahnen 12 und 14 beim Einschieben der Metallmantelleitung 4 auseinandergelenkt werden.

An einer der Stirnseite 67 gegenüberliegenden Stirn seite 66 des Kontaktgehäuses 62 ist für jedes der wenigstens einen Anschlußleitungen 20, 22 eine runde oder rechteckige Aufnahme 68, 70 vorgesehen, in der kraft- und formschlüssig jeweils ein Verbindungsele ment 35 eingebracht ist. Das Verbindungselement 35 besteht vorzugsweise aus Metall, überlappt mit einem vorzugsweise flachen Ende 36, 38 mit einer der Kon taktfahnen 10, 12 und weist am anderen Ende eine Auf nahme für eine Anschlußleitung 20, 22 auf, die diese durch Verklemmen oder Vercrimpen festhalten kann und gleichzeitig einen elektrischen Kontakt herstellen kann. Die elektrischen Anschlußleitungen 20, 22 be stehen aus einer Seele 24, 26, beispielsweise aus Kupfer- oder Silberdraht und jeweils einer isolieren den Umhüllung 28, 30. Die Kontaktelemente 35, die einem an sich bekannten Kabelschuh ähneln, besitzen eine längliche Kontur und weisen jeweils zwei geöff nete Ringe 40, 42 beziehungsweise 44, 46 auf, die jeweils zur Umklammerung eines abisolierten Endes 32, 34 der elektrischen Leitungen 20, 22 zusammenquetsch bar sind. Die Ringe 40, 42 in einem mittleren Bereich des Kontaktelementes 35 weisen einen geeigneten Durchmesser zur Aufnahme einer Seele 24, 26 der Lei tungen 20, 22 auf. Die separat quetschbaren Ringe 44, 46 weisen einen geeigneten Durchmesser zur Aufnahme der Seele 24, 26 mitsamt der isolierenden Umhüllung 28, 30 der Leitungen 20, 22 auf.

An der flachen Stirnseite 66 des Kontaktgehäuses 62 liegt bündig ein zylindrisches Dichtelement an, des sen Außendurchmesser ungefähr dem des Kontaktgehäuses 62 entspricht oder geringfügig größer ist. Dieses Dichtelement ist vorzugsweise als Elastomertülle 52 ausgeführt und weist für jedes der wenigstens einen Anschlußleitungen 20, 22 eine Durchführung 54, 56 auf, die exakt mit dem Außendurchmesser der Anschluß leitungen 20, 22 korrespondiert. Die Kontaktfahnen 12, 14 der Verbindungsleiter 8, 10 sind mit den ent sprechenden Kontakten 36, 38 der Verbindungselemente 35 verbunden, vorzugsweise durch Laserverschweißung. Diese Schweißpunkte sind hier als Verbindungsstellen 48, 50 eingezeichnet. Zur Zugänglichmachung dieser Verbindungsstellen 48, 50 von außen weist das Kon taktgehäuse 62 entsprechende radiale Durchbrüche 72, 74 auf, die kreisförmig oder oval ausgeführt sein können.

Um das Kontaktgehäuse 62 mit den elektrischen Verbin dungen dichtend und hochtemperaturfest nach außen abzuschotten, ist eine Schutzhülse 90 vorgesehen, die vorzugsweise aus Metall besteht. Die Kontur dieser Schutzhülse 90 korrespondiert mit der Außenkontur des Kontaktgehäuses 62, so daß sie nach dem Laserver schweißen der Verbindungsstellen 48, 50 axial in Richtung der Stirnseite 67 über das Kontaktgehäuse 62 schiebbar ist. Die Schutzhülse 90 ist an einem der Stirnseite 67 zugewandten Ende, nämlich der der Ver bindungsleitung 2 beziehungsweise der Metallmantel leitung 4 zugewandten Seite verjüngt, so daß ihr In nendurchmesser an dieser Stelle mit dem Außendurch messer der Metallmantelleitung 4 annähernd überein stimmt. Sobald die Schutzhülse 90 auf Anschlag über das Kontaktgehäuse 62 geschoben ist, kann sie durch Laserschweißung mit der Metallmantelleitung 4 dich tend verbunden werden. Diese geschlossene Ringschwei ßung ist durch die Kontaktstelle 92 verdeutlicht. Die Schutzhülse 90 ist entsprechend länger als das Kon taktgehäuse 62 ausgeführt, so daß sie zusätzlich die Elastomertülle 52 auf deren gesamter Länge umgreift. Durch Zusammendrücken beziehungsweise Verstemmen der Schutzhülse 90 auf einen kleineren Durchmesser 94 über der ganzen Länge der Elastomertülle 52 wird diese zusammengedrückt beziehungsweise komprimiert und dichtet das Innere des Kontaktgehäuses 62 voll ständig nach außen ab. Die Elastomertülle 52 ist vor zugsweise aus einem hitzebeständigen Material gefer tigt, beispielsweise aus Silikon, Viton, Kalrez oder ähnlichem. Ebenso bestehen die Isolierungen 28, 30 der Leitungen 20, 22 vorzugsweise aus temperaturbe ständigem Material, da sich die Leitungen 20, 22 in einer Wärmeeinflußzone, in der sehr hohe Temperaturen auftreten können, befinden.

Die Fig. 2a bis 2f zeigen mehrere Seitenansichten (2c, 2d) und Draufsichten (2a, 2b, 2e, 2f) auf ein im Kontaktgehäuse 62 fixiertes Verbindungselement 35, das beispielsweise nach dem Einfügen in das Kontakt gehäuse 62 so verdrückt werden kann, daß ein Heraus ziehen unmöglich wird. Nach dem Einstecken kann aus einer kreisförmigen Kontur eines der Ringe 40, 42, 44, 46 oder auch eines zusätzlichen, nicht zur Klem mung einer Leitung 20, 22 oder einer Seele 32, 34 verwendeten, Ringes 37 (Fig. 2a) beispielsweise eine ovale (Fig. 2b) oder eine trapezförmige Kontur (Fig. 2f) hergestellt werden. Das Verbindungselement 35 ist damit in seiner Lage fixiert und kann nicht mehr herausgezogen werden.

Fig. 2a zeigt in der Draufsicht das Verbindungsele ment 35 nach dem Einschieben. Fig. 2b zeigt ein Ver bindungselement 35 mit oval gedrückter Kontur, das damit gegen ein Herausziehen aus dem Kontaktgehäuse 62 gesichert ist. Fig. 2c und 2d zeigen entspre chende Seitenansichten. Diese Eindrückung kann vor zugsweise durch die radialen Gehäuseöffnungen 72, 74 ausgeführt werden, durch die anschließend auch die Verbindung durch Laserschweißung erfolgt. Die Fig. 2e und 2f zeigen eine alternative Kontur nach dem Einschieben (Fig. 2e) und nach dem Verdrücken (Fig. 2f) mit einer trapezförmigen Kontur.

Claims

1. Kontaktelement, insbesondere zum elektrischen Kon taktieren eines Sensorelementes eines Gasmeßfühlers, wobei wenigstens ein in einer Metallmantelleitung geführter Verbindungsleiter mit wenigstens einer fle xiblen Anschlußleitung kontaktiert ist, und eine Ver bindungsstelle zwischen den wenigstens einem Verbin dungsleiter und der wenigstens einen Anschlußleitung in einem Kontaktgehäuse angeordnet ist, das eine dichte und temperaturbeständige Kontaktierung gestat tet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktgehäuse (62) wenigstens ein Verbindungselement (35) umfaßt, das einerseits fest mit der wenigstens einen An schlußleitung (20, 22) verbunden ist, und das ande rerseits mit dem wenigstens einen Verbindungsleiter (8, 10) kontaktierbar ist, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (35) in dem Kontaktgehäuse (62) kraft- und formschlüssig angeordnet ist, und das Kon taktgehäuse (62) von einer temperaturbeständigen Schutzhülse (90) umgriffen ist, die direkt mit der Metallmantelleitung (4) und der wenigstens einen An schlußleitung (20, 22) verbunden ist.

2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kontaktgehäuse (62) aus einem tem peraturbeständigen, elektrisch isolierenden und me chanisch steifen Material besteht.

3. Kontaktelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kontaktgehäuse (62) aus einem kera mischen Material besteht.

4. Kontaktelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kontaktgehäuse (62) aus einem duroplastischen Kunststoff besteht.

5. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktge häuse (62) für jedes der wenigstens einen Verbin dungselemente (35) eine Aussparung (68, 70) in Längs erstreckungsrichtung des Kontaktgehäuses (62) auf weist.

6. Kontaktelement nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kontaktgehäuse (62) eine im wesent lichen zylindrische Außenkontur aufweist.

7. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kontakt gehäuse (62) umgreifende temperaturbeständige Schutz hülse (90) aus einem schweißfähigen Metall besteht.

8. Kontaktelement nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die im wesentlichen zylindrisch geform te Schutzhülse (90) das Kontaktgehäuse (62) bündig umschließt.

9. Kontaktelement nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Außenkontur der Schutzhülse (90) sich an der der Metallmantelleitung (4) des wenig stens einen Verbindungsleiters (8, 10) zugewandten Seite derart verjüngt, daß die Metallmantelleitung (4) von der Schutzhülse (90) bündig umgriffen wird.

10. Kontaktelement nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzhülse (90) mit der Metallman telleitung (4) dichtend verbunden ist.

11. Kontaktelement nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzhülse (90) mit der Metallman telleitung (4) über eine durchgehende Laserschweißung (92) verbunden ist.

12. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kontaktge häuse (62), koaxial zu diesem und bündig mit seiner Stirnseite (66) abschließend, eine im wesentlichen zylindrische Elastomertülle (52) zugeordnet ist.

13. Kontaktelement nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elastomertülle (52) für jede der wenigstens einen Anschlußleitungen (20, 22) eine, diese Anschlußleitungen (20, 22) bündig umschließende Durchführung (54, 56) aufweist.

14. Kontaktelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzhülse (90) die bündig an die Stirnseite (66) des Kontaktgehäuses (62) anliegende Elastomertülle (52) mitumgreift.

15. Kontaktelement nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elastomertülle (52) aus hitzebe ständigem Material, insbesondere Silikon, Viton oder Kalrez, besteht.

16. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomertülle (52) die Schutzhülle (90) an ihrem die Elastomertülle (52) umschließenden Umfang (94) verstemmt ist und die Elastomertülle (52) zusammendrückt.

17. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktge häuse (62) an einer der Stirnseite (66) gegenüberlie genden Stirnseite (67) eine zentrale Öffnung (80) aufweist, deren Durchmesser mit dem der Metallmantel leitung (4) korrespondiert.

18. Kontaktelement nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Öffnung (80) eine Fase (84) auf weist.

19. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (80) axial beabstandet zur Fase (84) eine kegelartige Ver jüngung (82) aufweist.

20. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (12, 14) mit den Kontakten (36, 38) laserverschweißt sind.

21. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktge häuse (62) in Höhe der Verbindungsstellen von den Kontakten (12, 14, 36, 38) jeweils radiale Durchbrü che (72, 74) zum Laserverschweißen der Kontakte (12, 14, 36, 38) aufweist.