DE3537051A1

DE3537051A1 - Sauerstoffsensor

Info

Publication number: DE3537051A1
Application number: DE19853537051
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Takao Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-10-18
Filing date: 1985-10-17
Publication date: 1986-04-24
Also published as: JPH063429B2; JPS6197562A; US4732663A; DE3537051C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration eines Meßgases, insbesondere eines von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgases. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen solchen Sauerstoffsensor, der ein längliches Fühlerelement besitzt, das an seinem einen Längsende einen Sauerstofferfassungsabschnitt und an seinem anderen Längsende eine elektrische Anschlußeinrichtung aufweist, wobei das Fühlerelement derart in einer rohrförmigen Schutzeinrichtung untergebracht ist, daß der Sauerstofferfassungsabschnitt dem Meßgas ausgesetzt ist.

Es ist ein Sauerstoffsensor bekannt, der die Sauerstoffkonzentration eines von Brennkraftmaschinen abgegebenen Abgases erfaßt oder ermittelt, um die Verbrennung bzw. die Verbrennung sbedingungen für den Kraftstoff der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Signalen zu steuern, die von dem Sauerstoff sensor erzeugt werden, und dadurch das Abgas zu reinigen und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu senken.

Bei einem Beispiel eines derartigen Sauerstoffsensors findet ein Fühlerelement Verwendung, das einen Korpus aus einem

Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt, beispielsweise Zirkonoxid, das mit Kalziumoxid oder Yttriumoxid dotiert ist, und desweiteren geeignete Elektroden umfaßt, die auf gegenüberliegenden Flächen des Festelektrolytkorpus ange-5 ordnet sind. Bei diesem Sauerstoffsensor ist eine der Elektroden einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere Elektrode dem Abgas ausgesetzt ist. Im Betrieb erzeugt der Sauerstoffsensor ein Ausgangssignal, das eine elektromotorische Kraft verkörpert, die zwischen den beiden Elektroden nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle induziert wird. In neuerer Zeit nimmt die Tendenz zu, anstelle eines bisher verwendeten rohrförmigen Fühlerelementes ein längliches planares Fühlerelement einzusetzen, da sich hierdurch der Sensor besonders leicht herstellen läßt und einen einfachen Aufbau aufweist. Ein derartiges längliches planares Fühlerelement besitzt an seinem einen Ende einen Sauerstofferfassungsabschnitt, der einem Abgas oder einem anderen Meßgas ausgesetzt wird. Solche planaren Sauerstoffühlerelemente und Sauerstoffsensoren, die ein planares Sauerstofffühlerelement aufweisen, sind beispielsweise in der US-PS 4 450 065 sowie der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 58-172542 beschrieben.

Sauerstoffsensoren der verschiedenen vorstehend beschriebenen Typen werden so installiert, daß der Sauerstofferfassungsabschnitt ihres Sauerstoffühlerelementes einem Abgas oder einem anderen Meßgas mit erhöhter Temperatur ausgesetzt wird. Darüberhinaus wird das Fühlerelement durch eine eingebaute elektrische Heizeinrichtung positiv erhitzt, so daß der Erfassungsabschnitt auf einer hohen Temperatur gehalten wird und derart funktionieren kann, daß eine genaue Sauerstofferfassung des Meßgases erreicht wird.

Somit wird der gesamte Abschnitt des Fühlerelementes einer relativ hohen Temperatur ausgesetzt. In der Zwischenzeit werden elektrische Leitungen für ein elektrisches Ausgangssignal, das den Sauerstoffpartialdruck des Meßgases anzeigt, und elektrische Leitungen zur Stromversorgung der elektrischen Heizeinrichtung an äußere Leiter, die sich vom Sauerstoffsensor aus erstrecken, elektrisch angeschlossen, um eine elektrische Verbindung mit äußeren Vorrichtungen herzustellen. Die vorstehend erwähnte Wärmeeinwirkung auf das Fühlerelement ruft jedoch Schwierigkeiten und Unbequemlichkeiten in bezug auf die Herstellung der elektrischen Anschlüsse zwischen den elektrischen Leitungen des Fühlerelementes und den äußeren Leitern hervor.

Beispielsweise werden die Leitungen des Fühlerelementes an Verbindungselemente aus Federmaterial derart angesc-hlossen, daß die Leitungen und die Verbindungselemente in elastischem Preßkontakt relativ zueinander gehalten werden. Diese elektrischen Verbindungselemente werden an geeignete äußere Leiter elektrisch angeschlossen. Solche elektrischen Verbindungen mit Hilfe eines Preßkontaktes zwischen den Leitungen und den Verbindungselementen bringen jedoch Ermüdungserscheinungen der elastischen Verbindungselemente sowie eine Oxidation der Kontakte aufgrund der Wärmeeinwirkung mit sich. Es steht ein anderes Verfahren zur Herstellung der elektrischen Verbindung zur Verfügung, bei dem die äußeren Leiterelemente mit Kontaktpunkten der Leitungen verlötet werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß das Lötmaterial, wie beispielsweise Ag, wandert und daßeine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß die gelöteten Abschnitte reißen oder abplatzen. In jedem Fall ist ein derartiger Sauerstoffsensor in bezug auf die Zuverlässigkeit seiner elektrischen Anschlüsse nicht vollständig zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Sauerstoffsensor zur Verfügung zu stellen, der frei von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes eines Meßgases in einem Meßgasraum gelöst, der die folgenden Bestandteile aufweist: Ein längliches planares Sauerstofffühlerelement mit einem Sauerstofferfassungsabschnitt benachbart zu einem Längsende desselben und mit elektrischen Anschlußeinrichtungen benachbart zu dem anderen Längsende, eine rohrförmige Schutzeinrichtung zur Aufnahme und zum Schutz des Sauerstoffühlerelementes, die eine erste Schutzabdeckungseinrichtung zum Schützen von mindestens einem Endabschnitt des Fühlerelementes, der innerhalb des Meßgasraumes angeordnet, dem Meßgas ausgesetzt ist und den Sauerstoff erfassungsabschnitt aufweist, und eine zweite Schutzabdeckungseinrichtung zum Abdecken des verbleibenden Abschnittes des Fühlerelementes, der dem Meßgas nicht ausgesetzt ist, umfaßt, und ein Haltergehäuse zur Befestigung der rohrförmigen Schutzeinrichtung an einer Trennwand, die den Meßgasraum begrenzt, wobei das längliche planare Sauerstoffühlerelement eine Länge von mindestens 40 mm, gemessen von der Trennwand bis zu dem vorstehend genannten anderen Längsende,aufweist.

Bei einem derartig ausgebildeten Sauerstoffsensor ist die rohrförmige Schutzeinrichtung relativ zum Haltergehäuse so angeordnet und das Fühlerelement relativ zur rohrförmigen Schutzeinrichtung so dimensioniert und angeordnet, daß die Länge des Fühlerelementes von der Fläche der Trennwand

bis zu dem vorstehend genannten anderen Längsende nicht weniger als 40 mm beträgt, so daß ein Endabschnitt benachbart zu dem anderen Längsende des Fühlerelementes unter 200° C gehalten wird und Schwankungen der Temperatur des Endabschnittes während des Betriebes des Sensors und wenn sich dieser außer Betrieb befindet auf ein Minimum gebracht werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die rohrförmige Schutzeinrichtung durch ein einstückiges Schutzrohrelement gebildet, das aus der ersten und zweiten Schutzabdeckungseinrichtung besteht. Das Schutzrohrelement wird durch das Haltergehäuse in strömungsmitteldichter Weise gelagert. Vorzugsweise ist ein luftdichter Dichtungsring zwischen der Außenfläche des Schutzrohrelementes und dem Haltergehäuse angeordnet, so daß auf diese Weise ein strömungsmitteldichter Anschluß erreicht wird. In diesem Hall kann das Schutzrohrelement mit verbesserter Luftdichtigkeit zwischen der Außenfläche des Rohrelementes und der Innenfläche des Haltergehäuses fest am Haltergehäuse angebracht werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Sauerstoffsensor desweiteren mindestens eine luftdichte Masse aus einem anorganischen partikelförmigen Material, wie beispielsweise Talk und Aluminiumoxid, das einen Abschnitt eines Raumes füllt, der vom Umfang des Fühlerelementes und von der Innenfläche des Schutzrohrelementes begrenzt wird und sich über eine vorgegebene Länge entlang der Achse des Schutzrohrelementes erstreckt. Diese luftdichte Masse aus anorganischem partikelförmigen Material bewirkt, daß der Sauerstoffsensor eine

hohe Erfassungsgenauigkeit in bezug auf die Sauerstoffkonzentration des Meßgases besitzt, und zwar über eine verlängerte Zeitdauer selbst unter harten Betriebsbedingungen, bei denen der Sensor einem wiederholten Erhitzen und Abkühlen ausgesetzt ist. Wenn das Schutzrohrelement am Halterungsgehäuse mittels eines luftdichten Dichtungsringes befestigt ist, wie vorstehend erläutert, ist es wünschenswert, daß die luftdichte Masse im Schutzrohrelement über eine Wand des Schutzrohrelementes dem luftdichten Dichtungsring gegenüberliegend angeordnet ist, d.h. in Längsrichtung zum luftdichten Dichtungsring ausgerichtet ist. In diesem Fall kann die Luftdichtigkeit der luftdichten Masse während der Montage des Sensors verbessert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt die erste Schutzabdeckungseinrichtung der rohrförmigen Schutzeinrichtung mindestens eine öffnung zur Einführung des Meßgases. Diese mindestens eine öffnung ist in einem Abschnitt einer zylindrischen Wand der ersten Schutzabdeckungseinrichtung ausgebildet, der dem Sauerstofferfassungsabschnitt des Fühlerelementes nicht gegenüberliegt. Falls erforderlich, kann die erste Schutzabdeckungseinrichtung an einem Ende ihrer zylindrischen Wand auf der Seite, die dem Längsende des Fühlerelemehtes entspricht, das benachbart zu dem Sauerstoff erfassungsabschnitt angeordnet ist, eine öffnung aufweisen. In den Fällen, in denen die rohrförmige Schutzeinrichtung eine derartige Strömungsmittelbahn in der Form der vorstehend erwähnten öffnung aufweist, trifft das Meßgas nicht direkt auf den Sauerstofferfassungsabschnitt, so daß der Erfassungsabschnitt in wirksamer Weise vor einer Verschlechterung infolge eines direkten Auftreffens eines

Stromes des Meßgases geschützt wird. Somit kann die Lebenserwartung des Sauerstoffsensors verbessert werden. Darüberhinaus trägt die Ausbildung einer derartigen Strömungsmittelbahn in den ausgewählten Abschnitten der rohrförmigen Schutzeinrichtung dazu bei, den Bedarf nach einer genauen Umfangspositionierung der rohrförmigen Schutzeinrichtung relativ zum Meßgasstrom, um dadurch ein direktes Auftreffen des Meßgases auf den Sauerstofferfassungsabschnitt zu verhindern, in Fortfall zu bringen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine öffnung in mindestens einem Teil der zylindrischen Wand der ersten Schutzabdeckungseinrichtung ausgebildet, der mindestens einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes gegenüberliegt, welche Seitenflächen mit gegenüberliegenden Primärflächen des Fühlerelementes zusammenwirken, um den Umfang des Fühlerelementes im Querschnitt desselben zu bilden. Da der Sauerstofferfassungsabschnitt auf einer der gegenüberliegenden Primärflächen angeordnet ist, trifft das durch die öffnung eingeführte Meßgas nicht direkt auf den Sauerstofferfassungsabschnitt. Es ist möglich, die Strömungsmittelbahn so zu gestalten, daß sie nur aus einer öffnung besteht, die am Ende der zylindrischen Wand der ersten Schutzabdeckungseinrichtung auf der Seite ausgebildet ist, welche dem Längsende des Fühlerelementes entspricht und benachbart zu dem Sauerstoff erfassungsabschnitt angeordnet ist. Durch die öffnung kann das Meßgas in die erste Schutzabdeckungseinrichtung strömen.

Um einen einfachen und schnellen elektrischen Anschluß des Fühlerelementes mit einer einfachen Anschlußeinrichtung

während der Montage des Sensors zu erreichen, wird bevorzugt, den Sauerstoffsensor mit Verbindungseinrichtungen auszustatten, die Verbindungselemente aufweisen, welche benachbart zu den elektrischen Anschlußeinrichtungen angeordnet sind. Die Anschlußeinrichtungen liegen auf einer Fläche des planaren Fühlerelementes frei und werden in direktem Kontakt mit den Verbindungselementen der Verbindungseinrichtungen gehalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Verbindung besitzen die elektrischen Anschlußeinrichtungen die Form eines Steckers, während die Verbindungseinrichtungen die Form einer Fassung aufweisen, in die der Stecker geführt wird, um einen Preßkontakt mit den elektrischen Anschlußeinrichtungen herzustellen.

Das Fühlerelement kann eine elektrische Heizeinrichtung zum Erhitzen des Sauerstofferfassungsabschnittes und zum Halten dieses Abschnittes auf einer geeigneten erhöhten Temperatur aufweisen, damit das Sauerstofferfassungselement ein elektrisches Ausgangssignal zur Verfügung stellen kann, das die Sauerstoffkonzentration des Meßgases genau wiedergibt. In diesem Fall können die elektrischen Anschlußeinrichtungen elektrische Kontakte aufweisen, die eine Stromzufuhr zur elektrischen Heizeinrichtung ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzen die elektrischen Anschlußeinrichtungen elektrische Kontakte, die über die Fläche des planaren Fühlerelementes vorstehen, um einen sicheren Anschluß der Kontakte mit den entsprechenden Verbindungselementen zu gewährleisten.

Der Sauerstofferfassungsabschnitt des Fühlerelementes kann aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt sein, das im

wesentlichen aus Zirkondioxidkeramik besteht, und kann so betrieben werden, daß der Sauerstoffpartialdruck des Meßgases auf der Basis einer elektromotorischen Kraft bestimmt wird, die zwischen Elektroden induziert wird, welche auf dem Festelektrolyt angeordnet sind. Alternativ dazu kann der Sauerstofferfassungsabschnitt auch aus einem Halbleiteroxid hergestellt sein, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck des Meßgases ändert.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Sauerstoffsensor und ein Haltergehäuse zur Befestigung des Sauerstoffsensors an einem Abgasrohr, der bei Versuchen eingesetzt wurde, bei denen die Temperatur eines Fühlerelementes des Sensors an einem Abschnitt benachbart zu seinem Längsende auf der Seite der Atmosphäre mit unterschiedlichen Längen des Fühlerelementes vom Abgasrohr aus gemessen wurde;

Figur 2 ein Diagramm, das Temperaturmessungen des Fühlerelementes in Abhängigkeit von der Länge desselben zeigt;

Figur 3 einen teilweise abgeschnittenen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensors;

- -16 -

Figur 4 einen Querschnitt entlang Linie IV-IV

in Figur 3;

10 15 20

Figur 5 eine auseinandergezogene Ansicht eines Sauerstoffühlerelementes und anderer Teile des Sauerstoffsensors der Figur 4, die die Art und Weise des Zusammenbaus dieser Elemente wiedergibt;

Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines

Ausführungsbeispiels eines Sauerstofffühlerelementes, das bei dem Sauerstoffsensor der Figur 3 Verwendung findet;

die Figuren

und 8 Schnitte entlang den Linien VII-VII

und VIII-VIII der Figur 6;

Figur 9 eine auseinandergezogene Ansicht des Sauerstoffühlerelements der Figur 6;

25 30

Figur 10 eine perspektivische Ansicht eines

luftdichten Dichtungsringes, der bei dem Sauerstoffsensor der Figur 3 Verwendung findet;

Figur 11(a) eine Teilansicht im Schnitt, die ein

metallisches Haltergehäuse zur Lagerung des Sauerstoffsensors der Figur 3 an seinem Schutzabdeckungselement sowie weitere Teile des Sensors vor der

Figur 11 (b)

TO

Figur

die Figuren 14 und

Figur

endgültigen Befestigung des Schutzrohrelementes am metallischen Haltergehäuse zeigt;

eine Ansicht ähnlich Figur 11 (a) nach der endgültigen Befestigung des Schutzrohrelementes an dem metallischen Haltergehäuse;

einen Teilschnitt entsprechend Figur 11 (b), der eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt;

eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt (entlang Linie XIII-XIII der Figur 14) eines Abschnittes des Sauerstoffsensors der Figur 3, die einen keramischen Isolator zeigt, in dem elektrische Anschlüsse des Fühlerelementes hergestellt sind;

Schnittansichten entlang den Linien XIV-XIV und XV-XV der Figur 13;

eine Vorderansicht im Schnitt (entlang Linie XVI-XVI der Figur 17) eines elektrischen Verbindungselementes, das bei dem Sauerstoffsensor der Figur 3 Verwendung findet;

eine Draufsicht auf das elektrische Verbindungselement der Figur 16;

Figur 18 eine teilweise weggeschnittene Endansicht des elektrischen Verbindungselementes der Figur 16 von der linken Seite; und
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Figur 19 eine Ansicht ähnlich Figur 8, die eine andere Ausführungsform eines elektrischen Anschlußabschnittes des Fühlerelementes zeigt, bei der elektrische Leitungen an ihren Endabschnitten freiliegen.

Figur 2 zeigt die Temperaturen eines Sauerstoffühlerelementes 3 eines in der in Figur 1 dargestellten Weise in-Ij. stallierten Sauerstoff sensors I. Diese Temperaturen wurden an einem Längsendabschnitt des Fühlerelementes 3 vom Abgas entfernt gemessen.

Genauer gesagt wurde der Sauerstoffsensor 1 an einer üblichen 2Q Stelle installiert, die für das Erfassen eines von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgases geeignet ist, d.h. an einem Auslaßkrümmer oder Auslaßrohr 5 (Trennwand, die das Abgas von der Umgebung getrennt hält) der Brennkraftmaschine derart befestigt, daß das fest in einem Schutzrohrelement 2 angeordnete Fühlerelement 3 eine vorgegebene Länge 1 von der Außenfläche des Abgasrohres 5 bis zu einem zweiten Längsende an der Seite der Atmosphäre besaß, wie in Figur 1 gezeigt. Die Brennkraftmaschine wurde so betrieben, daß der Sauerstoffsensor 1 den härtesten Bedingungen aus-₃Q gesetzt wurde, auf die der Sensor wahrscheinlich trifft.

Mit anderen Worten, die Brennkraftmaschine wurde so betrieben, daß der Sauerstoffsensor 1 einem Abgas von etwa

900° C ausgesetzt wurde. Das Fühlerelement 3 besaß eine Breite von 4 mm und eine Dicke von 1,2 mm und enthielt eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Leistung von 3 W. Die Temperatur wurde bei Punkt A benachbart zu dem zweiten ersten Längsende des Fühlerelementes 3 mit unterschiedlichen Werten der Länge 1 des Fühlerelementes gemessen. Die entsprechenden Meßergebnisse sind in Figur 2 dargestellt. Bei dem in diesem Versuch eingesetzten Sauerstoffsensor wurde das Fühlerelement 3 über ein Halteelement 6 fest innerhalb des Schutzrohrelementes 2 angeordnet. Dieses Halteelement 6 unterteilte das Innere des Schutzrohrelementes 2 in strömungsmitteldichter Weise in zwei Räume auf unterschiedlichen Seiten des Halteelementes 6. Das Fühlerelement 3 besaß einen Sauerstofferfassungsabschnitt, der benachbart zu einem ersten Längsende auf der Seite des Abgases angeordnet war, so daß der Erfassungsabschnitt dem durch das entsprechende Ende des Schutzrohrelementes 2 eingeführten Abgas ausgesetzt war. Das zweite Längsende auf der Seite der Atmosohäre wurde durch einen Gummistopfen 7 verschlossen.

Die Temperatur des Fühlerelementes 3 bei Punkt A wird durch zwei Faktoren der Wärmeübertragung vom Abgas zum Punkt A erhöht. Bei dem ersten Faktor handelt es sich um eine Wärmeübertragung (in Figur 1 bei 8 gekennzeichnet) zum Punkt A direkt durch das Fühlerelement 3 selbst, während es sich bei dem zweiten Faktor (bei 9 in Figur 1 gezeigt) um eine Wärmeübertragung über das Abgasrohr 5 und ein Haltergehäuse 4 handelt, mittels dem der Sensor 1 am Abgasrohr 5 befestigt ist. Ein Anstieg der Temperatur am Punkt A wird jedoch in erster Linie durch den zuletzt genannten Faktor der Wärmeübertragung (9) verursacht. Um

den Temperaturanstieg am Punkt A des Fühlerelementes 3 einzuschränken, wird die Länge 1 des Fühlerelementes 3 zwischen seinem ersten Längsende und der Befestigungsfläche des Abgasrohres 5 gemäß den Prinzipien dieser Erfindung festgelegt, wie nachfolgend erläutert wird.

Wie aus dem Diagramm der Figur 2 hervorgeht, wird die Temperatur am Punkt A des Fühlerelementes 3 unter 200° C gehalten, wenn die Länge 1 nicht geringer als 40 mm beträgt. Eine Abnahme dieser Länge 1 führt zu einem abrupten Anstieg der Temperatur am Punkt A des Fühlerelementes 3. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist das Fühlerelement 3 derart dimensioniert und im Schutzrohrelement 2 angeordnet, daß die Länge eines Abschnittes des Fühlerelementes 3, der sich auf der Seite der Atmosphäre erstreckt, geringer als 40 mm ist, genauer gesagt das zweite Längsende des Fühlerelementes 3 um eine Strecke 1 von mindestens 40 mm von der Außenfläche des Abgasrohres 3 entfernt angeordnet ist.

Um die vorliegende Erfindung weiter zu verdeutlichen, werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen im einzelnen in Verbindung mit den Figuren 3-19 beschrieben.

In Figur 3 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Sauerstoff sensor dargestellt, der ein längliches planares Sauerstoffühlerelement 10 mit einer laminaren Struktur aufweist. Das planare Fühlerelement 2 besteht im wesentlichen aus stabilisierter Zirkondioxid-Keramik oder anderen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytmaterialien.

Wie im Querschnitt der Figur 4 und in der perspektivischen

Ansicht der ffigur 5 gezeigt ist, handelt es sich bei dem Fühlerelement 10 um einen länglichen Korpus mit Rechteckform im Querschnitt, der relativ zu seiner Länge eine geringe Breite aufweist. Das Fühlerelement 10 weist an einem ersten Längsende (linkes Ende in den Figuren 3 und 5) einen Sauerstofferfassungsabschnitt 12 auf. Dieser Sauerstoff erf assungsabschnitt 12 erzeugt gemäß dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle ein elektrisches Signal. Dieses elektrische Signal wird über elektrische An-Schlüsse an einem zweiten Längsende (rechtes Ende in den Figuren 3 und 5) des Fühlerelementes 10 einer äußeren Vorrichtung zugeführt.

Wie dies in größeren Einzelheiten in den Figuren 6 bis 9 dargestellt ist, weist das Fühlerelement 10 eine laminare Struktur auf, die aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten besteht. Diese laminare Struktur des Fühlerelementes 10 umfaßt einen länglichen planaren Festelektrolytkorpus 14, der im wesentlichen aus Zirkondioxid besteht, und eine poröse innere Elektrode 16 aus Platin oder einem anderen geeigneten Material, die durch Aufdrucken auf einen Bereich der Außenfläche des Festelektrolytkorpus 14 benachbart zu einem Ende desselben, das dem ersten Längsende des Fühlerelementes 10 entspricht, hergestellt worden ist. Auf die Oberfläche des Festelektrolytkorpus 14, auf die die innere Elektrode 16 gedruckt ist, sind ein U-förmiger Zirkondioxid-Rahmen 18 und eine Sauerstoffühlerschicht 20, die im wesentlichen ebenfalls aus Zirkondioxid-Keramik besteht, derart laminiert, daß die innere Elektrode 16 zwischen dem Festelektrolytkorpus 14 und dem Zirkondioxid-Rahmen 18 und die Fühlerschicht 20 auf den Zirkondioxid-Rahmen 18 angeordnet ist. Eine poröse äußere Elektrode 22, die aus dem gleichen Material

wie die innere Elektrode 16 besteht, ist auf die Fühlerschicht 20 gedruckt. Die äußere Elektrode 22 wird mit Ausnahme ihres Fühlerabschnittes durch eine Schutzschicht 24, die aus dem gleichen Material besteht wie die Fühlerschicht 20, geschützt.

Der Zirkondioxid-Rahmen 18 weist einen länglichen rechteckförmigen Ausschnitt 25 auf, der über seine Länge ausgebildet ist. Wie die Figuren 6-8 zeigen, wirkt dieser Ausschnitt 25 mit dem Festelektrolytkorpus 14 und der Fühlerschicht 20 zusammen, um einen Referenzgaskanal 26 zu bilden, der an seinem einen Ende in der Nähe des Endes des Zirkondioxid-Rahmens 18, das dem ersten Längsende des Fühlerelementes 10 entspricht, geschlossen ist. Der Referenzgaskanal 26 ist an seinem anderen Ende, das dem zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 entspricht, gegenüber der Umgebungsluft offen. Die innere Elektrode 16 ist benachbart zu dem geschlossenen Endteil des Referenzgaskanales 26 angeordnet, so daß die Elektrode 16 im Kanal 26 der Atmosphäre ausgesetzt ist. Die äußere Elektrode 22, die auf der Seite der Fühlerschicht 20 angeordnet ist, die dem Zirkondioxid-Rahmen 18 gegenüberliegt, ist im wesentlichen zu der inneren Elektrode 16 ausgerichtet angeordnet, so daß die Elektrode 22 über ein in der Schutzschicht 24 ausgebildetes Fenster 28 einem Meßgas (Abgas) außerhalb des Fühlerelementes 10 ausgesetzt ist. Die innere und äußere Elektrode 16, 22 sind mit elektrischen Leitungen 30, 3 2 versehen, die sich von den Elektroden über die Länge des Fühlerelementes 10 in Richtung auf dessen äußeres oder zweites Längsende erstrecken, um einen elektrischen Anschluß für die Elektroden 16, 22 vorzusehen. Die Gesamtlänge der elektrischen

Leitung 32 der äußeren Elektrode 22 ist auf der Außenfläche der Fühlerschicht 20 angeordnet, während die elektrische Leitung 30 der inneren Elektrode 16 teilweise auf der Oberfläche des Festelektrolytkorpus 14 angeordnet ist. Genauer gesagt, der Zirkondioxid-Rahmen 18 und die Fühlerschicht 20 besitzen Löcher 34, 34, die sich durch diese in Dickenrichtung erstrecken. Die elektrische Leitung 30 ist an ihrem mittleren Abschnitt unter einem rechten Winkel zur Oberfläche des Festelektrolytkorpus 14 in Richtung auf die elektrische Leitung 32 abgedreht, so daß ihr von der inneren Elektrode 16 entfernter Endabschnitt 30a in im wesentlichen der gleichen Ebene wie der entsprechende Endabschnitt 32a der elektrischen Leitung 32 der äußeren Elektrode 22 angeordnet ist. Diese Ebene verläuft im wesentlichen senkrecht zur Dickenrichtung des Fühlerelementes 10, wie in Figur 6 gezeigt. Die elektrischen Leitungen 30, 32 erstrecken sich parallel zueinander von den entsprechenden Elektroden 16, 22 zwischen den Fühler- und Schutzschichten 20, 24 in Richtung auf das zweite Längsende des Fühlerelementes 10 und liegen bei 30 a, 32a am zweiten Endabschnitt des Fühlerelementes frei, wie Figur 6 deutlich zeigt. Diese Endabschnitte 30a, 32a der elektrischen Leitungen 30, 32 dienen als elektrische Kontakte, die erste elektrische Anschlußeinrichtungen 33 bilden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Sauerstoffühlerelementes 10 wird ein äußerer Raum, der mit dem Fenster 28 am Erfassungsabschnitt 12 in Verbindung steht, relativ zu einem Referenzgasraum 26, der durch den Zirkondioxid-Rahmen 18, den Festelektrolytkorpus 14 und die Fühlerschicht 20 gebildet wird, in einem Strömungsmitteldichten Zustand gehalten. Die innere

Elektrode 16 ist einem Referenzgas, beispielsweise der Umgebungsluft, im Kanal 26 ausgesetzt, während die äußere Elektrode 22 dem äußeren Meßgas ausgesetzt ist, das durch das Fenster 28 eingeführt wird. Mit diesen Gasen, die mit der inneren und äußeren Elektrode 16, 22 in Kontakt stehen, wird gemäß dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle zwischen der inneren und äußeren Elektroden 16, 22 eine elektromotorische Kraft induziert, die auf eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen den beiden unterschiedlichen Gasen zurückzuführen ist, so daß ein Ausgangssignal, das diese elektromotorische Kraft verkörpert, durch die entsprechenden elektrischen Leitungen 30, 3 2 erhalten wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Umgebungsluft als Referenzgas in den Referenzgaskanal 26 durch dessen offenes Ende am zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 eingeführt. Ein von einer Brennkraftmaschine, beispielsweise der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, abgegebenes Abgas wird als Meßgas durch das Fenster 28 am Erfassungsabschnitt 12 des Fühlerelementes 10 in Richtung auf die äußere Elektrode 22 eingeführt. Die Sauerstoffkonzentration des als Meßgas dienenden Abgases wird gemessen, indem die Umgebungsluft als Referenzgas verwendet wird. Das die Sauerstoffkonzentration des Abgases verkörpernde elektrische Ausgangssignal wird über die elektrischen Leitungen 30, 32 an ihren Endabschnitten 30 an den ersten elektronischen Anschlußeinrichtungen erhalten.

Auf der Seite des Festelektrolytkörpers 14, die der Seite gegenüberliegt, auf die die innere Elektrode 16 gedruckt ist, sind eine Aluminiumoxid-Isolationsschicht 36, eine

Zirkondioxid-Isolationsschicht 38 und eine elektrische Heizschicht 40, die ein Heizelement 42 und zwei damit verbundene elektrische Leitungen 44, 44 aufweisen, angeordnet. Das Heizelement 42 ist zu dem Sauerstofferfassungsabschnitt 12 des Fühlerelementes 10 ausgerichtet angeordnet, Die elektrischen Leitungen 44, 44 erstrecken sich vom Heizelement 42 über die Länge des Fühlerelementes 10 in Richtung auf dessen zweites Längsende, so daß das Heizelement über diese Leitungen 44, 44 mit Strom versorgt wird, um den Erfassungsabschnitt 12 des Fühlerelementes zu erhitzen. Dieses Paar elektrischer Leitungen 44, 44 wird mit Ausnahme ihrer Endabschnitte 44a, 44a durch eine Schutzschicht 46, die aus Zirkondioxid-Keramik besteht, vor einem Auftreffen des Abgases geschützt. Anders ausgedrückt, die Endabschnitte 44a, 44a liegen am zweiten Iiängsende des Fühlerelementes Io frei und dienen als elektrische Kontakte, die zweite elektrische Anschlußeinrichtungen 45 bilden, welche an der Seite angeordnet sind, die den ersten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33 für die innere und äußere Elektrode 16, 22 gegenüberliegt. Durch das zwangsläufige Erhitzen des Sauerstofferfassungsabschnittes 12 über die elektrische Heizeinrichtung 40 wird es möglich, die erforderliche Aufwärmzeit vor dem beständigen Betrieb des Sensors nach dem Beginn der Beaufschlagung des Erfassungsabschnittes 12 mit einem Abgas von einer kalten Brennkraftmaschine zu verkürzen. Darüberhinaus hält die elektrische Heizeinrichtung 40 den Erfassungsabschnitt 12 selbst dann auf einer geeigneten Betriebstemperatur, wenn die Temperatur des Abgases für den beabsichtigten Betrieb des Sensors nicht ausreichend hoch ist. Somit versetzt die Heizeinrichtung 40 den Sauerstoffsensor in die Lage, zu jeder Zeit eine beständige und genaue Messung der Sauerstoff-

konzentration des Meßgases durchführen zu können.

Das Fühlerelement 10 wird in einer geeigneten bekannten Weise hergestellt, beispielsweise durch Laminieren der Schichten der Elektroden und der Heizeinrichtung sowie anderer Schichten, beispielsweise Isolationsschichten, auf einer Rohlage und durch gemeinsames Brennen der mehrere Schichten aufweisenden laminaren Struktur. Alternativ dazu kann das Fühlerelement 10 auch durch Ausbilden der vorstehend erwähnten Schichten auf der Rohlage mit Hilfe eines Druckverfahrens und gemeinsames Brennen der gedruckten, mehrere Schichten aufweisenden Struktur hergestellt werden. Obwohl das Fühlerelement 10 vorzugsweise aus einem Festelektrolytmaterial, das Zirkondioxid als Hauptbestandteil enthält, hergestellt wird, ist es auch möglich, andere Festelektrolytmaterialien für das Fühlerelement zu verwenden .

Der Sauerstofferfassungsabschnitt 12 des Fühlerelementes kann desweiteren im wesentlichen aus einem Halbleiteroxid, wie beispielsweise Titandioxid, hergestellt werden, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration eines Abgases oder anderen Meßgases ändert. In diesem Fall erfaßt der Sauerstoffsensor eine Veränderung des elektrischen Widerstandes des Erfassungsabschnittes 12, die durch eine Veränderung des Sauerstoffpartialdruckes des Meßgases verursacht wird.

Wie aus den Figuren 3 bis 5 hervorgeht, ist das längliche planare oder plattenförmige Kühlerelement 10, das den

Sauerstofferfassungsabschnitt 12 benachbart zu seinem ersten Längsende aufweist, an drei voneinander beabstandeten Stellen entlang seines mittleren Abschnittes in Längsrichtung durch ein erstes, zweites und drittes keramisches Isolationselement 48, 50, 52, das eine geeignete Länge aufweist,gelagert. Dieses erste, zweite und dritte keramische Isolationselement 48, 50, 52, die das Fühlerelement 10 lagern, sind in einem zylindrischen Schutzrohrelement 54 aus rostfreiem Stahl oder einem anderen metallischen Material untergebracht. Die drei keramischen Isolationselemente 48, 50, 52 und das Fühlerelement 10 sind über drei Füllmaterialien in dem Schutzrohrelement 54 fixiert, und zwar über eine erste luftdichte Masse 56, die zwischen dem ersten und zweiten keramischen Isolationselement 48 und 50 angeordnet ist, eine zweite luftdichte Masse 58, die zwischen dem zweiten und dritten keramischen Isolationselement 50 und 52 angeordnet ist, und eine Klebemasse 62, die benachbart zu einer Scheibe 60 angeordnet ist, welche an ein Ende der dritten luftdichten Masse 52 an der Seite des zweiten Längsendes des Fühlerelementes 10 stößt. Daher wird das Fühlerelement 10 zu der Mittellinie des Schutzrohrelementes 54 ausgerichtet gehalten, wie in Figur 4 gezeigt.

Bei der vorstehenden Ausführungsform ist das Fühlerelement 10 derart im Schutzrohr 54 untergebracht und fixiert, daß der Erfassungsabschnitt 12 benachbart zum ersten Längsende und das offene Ende des Referenzgaskanals 26 am zweiten Längsende in Freiräumen in gegenüberliegenden ersten und zweiten Endabschnitten des Schutzrohrelementes 54 angeordnet sind, welche über die erste und zweite luftdichte Masse 56, 58 in luftdichter Weise voneinander getrennt sind.

Das Rohrelement 54 ist an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Abschnitten nach innen gepreßt, so daß ein erster und ein zweiter radial einwärts vorstehender Vorsprung 64, 66 gebildet wird, wie in Figur 3 gezeigt. Diese einwärts gerichteten Vorsprünge 64, 66 verhindern eine Bewegung des ersten, zweiten und dritten keramischen Isolationselementes 48, 50, 52, der ersten und zweiten luftdichten Masse 56, 58 und der Scheibe 60 in Längsrichtung im Rohrelement 54.

Ein viertes keramisches Isolationselement 68 ist derart im Schutzrohrelement 54 angeordnet, daß der zweite Längsendabschnitt des Fühlerelementes 10 in einen inneren Endabschnitt des Isolationselementes 68 eingesetzt ist. Dieses vierte Isolationselement 68 ist so fixiert, daß es zwischen dem zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 und einem Gummistopfen 70 angeordnet ist, der in den zweiten Endabschnitt des Schutzrohrelementes 54 im Preßsitz angeordnet ist. Elektrisch leitende Elemente in der Form von Leitungsdrähten 72a, 72b und 72c erstrecken sich durch den Gummistopfen 70 in das vierte keramische Isolationselement 68. Mehrere Verbindungselemente (die in Verbindung mit Figur 13 beschrieben werden) sind im Isolationselement 68 gelagert und an die Leitungsdrähte 72a, 72b und 72c sowie eine Erdungsleitungl22 angeschlossen. Mit diesen Verbindungselementen sind die Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c an elektrische Leitungen 30 und 44, 44 angeschlossen, die sich von der inneren Elektrode 16 des Fühlerelementes 10 und von der elektrischen Heizeinrichtung 40 aus erstrecken. Die sich von der äußeren Elektrode 22 aus erstreckende elektrische Leitung 3 2 ist über das entsprechende Verbindungselement und die Erdleitung 122

an das Schutzrohrelement 54 elektrisch angeschlossen, so daß die äußere Elektrode 22 über ein Halterungsgehäuse 86 (das nachfolgend beschrieben wird), welches das Schutzrohrelement 54 lagert, geerdet ist. Bei der vorstehenden Ausführungsform wird eine elektromotorische Kraft zwischen der inneren und äußeren Elektrode 16, 22 zwischen dem Leitungsdraht 72a und der Erde (Erdungsleitung 122) erhalten, und die elektrische Heizeinrichtung 40 wird über die Leitungsdrähte 72b, 72c mit Strom versorgt, um den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 in der vorstehend beschriebenen Weise zu erhitzen.

Der die öffnung des Rohrelementes 54 an seinem zweiten Ende verschließende Gummistopfen 70 verhindert das Eindringen von Strömungsmittel, beispielsweise Wasser, in das Rohrelement. Desweiteren ist der zweite Endabschnitt des Schutzrohrelementes 54, in dem der Gummistopfen 70 untergebracht ist, zusammengepreßt oder radial einwärts gegen die Umfangsflache des Gummistopfens 70 verstemmt. Somit ist der zweite Endabschnitt des Rohrabschnittes 54 mit eingerückten Teilen 55 versehen, wie in Figur 3 gezeigt, die den Gummistopfen 70 in wirksamer Weise ia Rohrelement 54 haltern. Der nach innen zusammengedrückte Gummistopfen 70 hält die Leitungsdrähte 72a,72b, 72c in fester Weise und verhindert dadurch Vibrations- oder Ratterbewegungen dieser Leitungsdrähte, die sonst auf die zugehörigen Komponenten im Sauerstoffsensor, insbesondere die elektrischen Anschlüsse, übertragen werden würden. Die auf den Gummistopfen 70 ausgeübte radial einwärts gerichtete Kompressionskraft schützt die elektrischen Anschlüsse innerhalb des Rohrelementes 54 gegenüber einem Ausfall infolge von Ermüdungserscheinungen aufgrund von Vibrationen der

Leitungen.

Wie Figur 3 zeigt, besitzt das Schutzrohrelement 54, in dem das Fühlerelement 10 untergebracht ist, eine Vielzahl von Öffnungen 74 im ersten Endabschnitt und Lufteinlaßöffnungen 76 in seinem Abschnitt, der dem vierten keramischen Isolationselement 68 entspricht. Wie später erläutert, ist der Sauerstoffsensor derart installiert, daß das erste Längsende des Schutzrohrelementes 54 innerhalb einer Strömungsmittelleitung angeordnet ist, durch die das Meßgas (Abgas) fließt. In diesem Zustand wird das Meßgas durch die öffnungen 74 in das erste Längsende des Rohrelementes 54 eingeführt und auf den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 des Fühlerelementes 10 gerichtet. Mittlerweile ist die Umgebungsluft durch die Lufteinlaßöffnungen 76 im Referenzgaskanal 26, der im Fühlerelement 10 ausgebildet ist, eingedrungen. Wie insbesondere in Figur 4 dargestellt ist, sind die öffnungen 74 in diametral gegenüberliegenden Teilen der zylindrischen Wand des Schutzrohrelementes 54 so ausgebildet, daß sie gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes 10 gegenüberliegen, welche senkrecht zu gegenüberliegenden Primärflächen verlaufen, die mit den Seitenflächen zur Ausbildung des Umfangs des Fühlerelementes 10 im Querschnitt der Figur 4 zusammenwirken.

Der Erfassungsabschnitt 12 ist auf einer der Primärflächen angeordnet.

Da die öffnungen 74 in den Abschnitten der zylindrischen Wand des Schutzrohrelementes 54 ausgebildet sind, die der Primärfläche des Fühlerelementes 10, auf der der Erfassungsabschnitt 12 angeordnet ist, nicht gegenüberliegen, trifft der Strom des Meßgases nicht direkt auf den Festelektrolyten und die äußere Elektrode 22 am Erfassungsabschnitt 12 auf,

so daß eine Verschlechterung des Erfassungsabschnittes 12 in wirksamer Weise minimiert und die nutzbare Lebensdauer des Sensors verlängert werden kann. Das Schutzrohrelement 54 ist an seinem ersten Längsende offen, d.h. das Rohrelement 54 ist mit einer öffnung 78 versehen, die die Strömung des Meßgases im Rohrelement 54 erleichtert und dadurch das Ansprechvermögen des Erfassungsabschnittes 12 auf eine Änderung der Sauerstoffkonzentration des Meßgases verbessert.
10

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß das Schutzrohrelement 54 aus einem ersten Schutzabdeckungsabschnitt 80 (zwischen dem ersten Ende und der ersten luftdichten Masse 56), der die öffnungen 74 aufweist, und einem zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 8 2 (zwischen der ersten luftdichten Masse 56 und dem zweiten Ende) besteht. Der erste Schutzabdeckungsabschnitt 80 schützt einen Abschnitt des Fühlerelementes 10, der dem Meßgas ausgesetzt ist und den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 umfaßt. Der zweite Schutzabdeckungsabschnitt 8 2 schützt den verbleibenden Abschnitt des Fühlerelementes 10. Mit anderen Worten, das einstückige Schutzrohrelement 54 bildet eine rohrförmige Schutzeinrichtung, die aus einer ersten und zweiten Schutzabdeckungseinrichtung 80 und 82 besteht. Durch die Verwendung dieses einstückigen Schutzrohrelementes 54 wird die Gesamtkonstruktion des Sauerstoffsensors vereinfacht.

Das einstückig ausgebildete Schutzrohrelement 54, das aus dem ersten und zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 80, 82 besteht, wird durch das vorstehend erwähnte Haltergehäuse 86 eingesetzt. Das Rohrelement 54 wird in luftdichter Weise über einen luftdichten Dichtungsring 84, der zwischen der Außenfläche des Schutzrohrelementes 54 und der Innenfläche des Haltergehäuses 86 angeordnet ist,

am Haltergehäuse fixiert. Das Schutzrohrelement 54 und das Haltergehäuse 86 sind so relativ zueinander fixiert, daß der luftdichte Dichtungsring 84 in Längsrichtung des Rohrelementes 54 zu der ersten luftdichten Masse 56 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten, der luftdichte Dichtungsring 84 ist so angeordnet, daß er der ersten luftdichten Masse 56 über die Wand des Rohrelementes 54 gegenüberliegt. Das Haltergehäuse 86 ist an eine Wand einer Strömungsmittelleitung, beispielsweise eine Trennwand 90 eines Abgasrohres eines Kraftfahrzeuges, geschraubt, so daß der erste Schutzabdeckungsabschnitt 80 innerhalb der Strömungsmittelleitung (im Abgasrohr) angeordnet ist. Somit ist das Rohrelement 54 strömungsmitteldicht an der Trennwand 90 befestigt. Wenn das Rohrelement 54 über das Haltergehäuse 86 an der Trennwand 90 befestigt ist, ist die äußere Elektrode 22 des Erfassungsabschnittes 12 des Fühlerelementes 10 im Rohrelement 54 dem Meßgas (Abgas) ausgesetzt, das durch die im Rohrelement 54 ausgebildeten öffnungen 74 eindringt. Zur gleichen Zeit ist die innere Elektrode 16 der Umgebungsluft ausgesetzt, die durch die öffnungen 76 und den Referenzgaskanal 26 eindringt Eine Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Meßgas und der Umgebungsluft wird als elektrisches Ausgangssignal erfaßt, das durch eine elektromotorische Kraft verkörpert wird, die zwischen der inneren und äußeren Elektrode 16, 22 induziert wird. Das elektrische Aus'gangssignal wird über den Leitungsdraht 72a und den Etfclungsdraht 122 erhalten.

Wie in Figur 10 in vergrößerter Weise dargestellt ist, handelt es sich bei dem Dichtungsring 84 um ein zylindrisches Element, das ein keilförmig zulaufendes Ende 85 aufweist. Das Haltergehäuse 34 besitzt eine Ringnut 92 in einem hinteren Teil (auf der vom Gewindeabschnitt entfernten

Seite) seiner Innenfläche, die eine Bohrung bildet, durch die sich das Rohrelement 54 erstreckt. Diese Ringnut 92 und die Außenfläche des Rohrelementes 54 wirken zusammen und bilden einen Dichtungsraum, der durch den Dichtungsring 84 derart gefüllt ist, daß dessen keilförmig zulaufendes Ende 85 an der Innenseite der Ringnut 92 in Längsrichtung des Rohrelementes 54 angeordnet ist. Der zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Rohrelement 54 angeordnete Dichtungsring 84 wird im Dichtungsraum (92) gehaltert, indem das hintere Ende eines zylindrischen Flansches 94 des Haltergehäuses 86 gegen die äußere Endfläche des Dichtungsringes 84 verstemmt ist. Durch dieses Verstemmen des Dichtungsringes 84 wird ein Spalt zwichen der Innenfläche des Haltergehäuses 86 und der Außenfläche des Rohrelementes 54 gefüllt und dadurch die Luftdichtigkeit zwischen diesen beiden Elementen 86, 84 aufrechterhalten.

Während der Säuerstoffsensor an der Trennwand 90, die die Strömungsmittelleitung (Meßgasraum, in dem das Meßgas vorhanden ist) begrenzt, installiert wird, ist das Fühlerelement 10 so im Schutzrohr 54 angeordnet, daß die Länge 1 (Figur 3) zwischen der Außenfläche der Trennwand 90 und dem zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 mindestens 40 mm beträgt. Mit anderen Worten, die Trennwand 90, das Haltergehäuse 86, das Rohrelement 54 und das Fühlerelement 10 sind so relativ zueinander angeordnet, daß die Länge 1 des Fühlerelementes 10 von der Trennwand 90 aus nicht weniger als 40 mm beträgt. Durch diese Anordnung kann die Temperatur am zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 unter 200° C gehalten werden, d.h. die erste und zweite elektrische Anschluß-

einrichtung 33, 45 für das Fühlerelement 10 und die elektrische Heizeinrichtung 40 können auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten werden. Darüberhinaus trägt die Anordnung des Fühlerelementes 10 mit der Länge 1 von mindestens 40 mm zur Verringerung der Temperaturdifferenz des Fühlerelementes 10 am zweiten Längsende während Betriebszeiten und Außerbetriebszeiten des Sensors bei. Daher wird das Fühlerelement 10 vor thermischen Spannungen geschützt, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden.

Es ist wünschenswert, die Gesamtlänge des Fühlerelementes 10, insbesondere die Länge 1 zwischen der Trennwand 90 und dem zweiten Längsende, so groß we möglich zu halten, um die Temperatur am zweiten Längsende des Fühlerelementes 10 so niedrig wie möglich zu halten. Für die maximale Länge 1 sind jedoch durch die Umgebung, in der der Sauerstoffsensor installiert ist, Grenzen gesetzt. Gewöhnlich beträgt die obere Grenze der Länge 1 etwa 100 mm. Die Breite und Dicke des planaren Fühlerelementes 10 sind in geeigneter Weise festgelegt, um eine beabsichtigte mechanische Festigkeit des Elementes 10 und ein bestimmtes Ausmaß der Wärmeübertragung durch das Element 10 vom ersten zum zweiten Ende zu erhalten. Normalerweise besitzt das Fühlerelement 10 eine Breite "w" innerhalb eines Bereiches von 3 - 7 mm sowie eine Dicke "t" innerhalb eines Bereiches von 1 - 3 mm (Figur 5). Die mechanische Festigkeit des Fühlerelementes 10 nimmt ab, wenn die Abmessungen ¹V und "t" reduziert werden.

Andererseits wird die durch das Fühlerelement 10 zu übertragende Wärmemenge erhöht,und die Temperatur am zweiten Ende steigt an, wenn die Abmessungen "w" und "t" erhöht werden.

Die beiden luftdichten Massen 56, 58, die bei der dargestellten Ausführungsform Verwendung finden, werden durch Kompression von Partikeln aus wärmebeständigen anorganischen Materialien, beispielsweise Talk und Aluminiumoxid, preßgeformt, während die Klebemasse 62 aus einem geeigneten anorganischen Klebemittel, beispielsweise Glas, hergestellt wird, durch die Verwendung von anorganischem partikelförmigen Material mit einer hohen Wärmebeständigkeit (normalerweise nicht niedriger als 500° C, jedoch in Abhängigkeit von der Betriebsumgebung des Sensors) können die luftdichten Massen 56, 58 die beabsichtigte Luftdichtigkeit über eine relativ längere Zeitdauer aufrechterhalten, und zwar selbst dann, wenn die luftdichten Massen 56, 58 abwechselnd periodisch erhitzt und gekühlt werden. In entsprechender Weise wird durch die Verwendung eines anorganischen Binde- bzw. Klebemittels für die Klebemasse 6 2 eine stabile Lagerung und Fixierung des Fühlerelementes 10 im Rohrelement erreicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wirkt eine der beiden luftdichten Massen, d.h. die luftdichte Masse 58 zwischen dem zweiten und dritten keramischen Isolationselement 50, 52, auch als Klebemasse wie die Klebemasse 62, um das Fühlerelement 10 am Rohrelement 54 zu befestigen.
25

Die erste und zweite luftdichte Masse 56, 58 werden während der Montage des Fühlerelementes 10 und der zugehörigen Bestandteile geformt. Genauer gesagt, werden das erste, zweite und dritte keramische Isolationselement 48, 50, 52, die Scheibe 60 und die preßgeformten Gegenstände 96, 98 in der in Figur 5 gezeigten Art und Weise hergestellt. Die Gegenstände 96, 98, die schließ-

lieh als erste und zweite luftdichte Masse 56, 58 dienen, werden aus Partikeln aus Talk oder einem anderen anorganischen Material preßgeformt. In der Zwischenzeit wird das Rohrelement 54 nur mit dem ersten einwärts gerichteten Vorsprung 64 hergestellt, während der zweite einwärts gerichtete Vorsprung 66 danach ausgebildet wird.

Das Fühlerelement 10 wird durch das Isolationselement 48, den preßgeformten Gegenstand 96, das zweite Isolationselement 50, den preßgeformten Gegenstand 98, das dritte keramische Isolationselement 52 und die Scheibe 60 in dieser Reihenfolge geführt. Danach wird die aus dem Fühlerelement 10 und den vorstehend erwähnten Teilen bestehende Einheit durch die am zweiten Längsende befindliche öffnung in das Schutzrohrelement 54 eingesetzt, während das Rohrelement 54 in seiner Aufrechtstellung über eine geeignete Befestigung gehalten wird, und zwar derart, daß sich das zweite Ende nach oben öffnet. Die eingesetzte Einheit wird durch den ersten einwärts vorstehenden Vorsprung 64 gestoppt und positioniert, wenn der untere Rand des ersten Isolationselementes 48 gegen den Vorsprung 64 stößt. Zur gleichen Zeit wird das Fühlerelement 10 durch die das Rohrelement 54 lagernde Befestigung positioniert.

In diesem Zustand wird die Scheibe 60 gegen die obere Endfläche des dritten Isolationselementes 52 mit einem geeigneten Werkzeug gepreßt, so daß die preßgeformten Gegenstände 96, 98 niedriger Dichte weiter komprimiert und zu den luftdichten Massen 56, 58 mit erhöhter Dichte verformt werden. Somit füllen die luftdichten Massen 56, 58 den vom Rohrelement 54, Fühlerelement 10 und ersten, zweiten und dritten Isolationselement 48, 50, 52 gebildeten

Raum aus. Durch den auf die Scheibe 60 ausgeübten Druck wird das Rohrelement 54 radial einwärts komprimiert, so daß der zweite einwärts gerichtete Vorsprung 66 ausgebildet wird, der die eingesetzte Einheit in Position hält. 5

Nachdem das Fühlerelement 10 im Rohrelement 54 positioniert und fixiert worden ist und die luftdichten Massen 56, ausgebildet worden sind, wird eine geeignete vorgeformte Masse aus Glas in das Rohrelement 54 eingesetzt und zu der Klebe- bzw. Hndungsmasse 62 verschmolzen.

Das Haltergehäuse 86 wird am Schutzrohrelement 54 derart montiert, daß es in Längsrichtung des Rohrelementes 54 angeordnet ist und im wesentlichen einen Abschnitt des Rohrelementes abdeckt, indem die erste luftdichte Masse 56 angeordnet ist. Wie in den Figuren 11 (a) und 11 Cb) genauer dargestellt ist, wird der zylindrische Flansch 94 des Haltergehäuses 86 gegen den Dichtungsring 84 verstemmt, der im Dichtungsraum (Ringnut) 92 angeordnet ist, so daß auf diese Weise das Haltergehäuse 86 am Rohrelement 54 befestigt wird. Durch den Verstemmvorgang am zylindrischen Flansch 94 preßt der Dichtungsring 84 den entsprechenden Teil der zylindrischen Wand des Rohrelementes 54 radial einwärts gegen die erste luftdichte Masse 56 und bewirkt somit, daß ein Teil der Wand einwärts vorsteht. Da das Volumen des die luftdichte Masse 56 aufnehmenden Raumes durch die Begrenzungsflächen des ersten und zweiten Isolationselementes 48, 50, des Rohrelementes 54 und des Eühlerelementes 10 festgelegt ist, führt der einwärts gerichtete Vorsprung der zylindrischen Wand des Rohrelementes 54 zu einer weiteren Komprimierung der Partikel der luftdichten Masse 56, so daß auf diese Weise die Dichte oder die Luftdichtigkeit der luftdichten

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Masse 56 erhöht wird. Ferner wird durch die Reaktionskraft der ersten luftdichten Masse 56 der Oberflächendruck zwischen dem Rohrelement 54 und dem Dichtungsring 84 erhöht und dadurch die Luftdichtigkeit zwischen dem Rohrelement 54 und dem Haltergehäuse 86 verbessert.

Das bei dieser Ausführungsform verwendete Schutzrohrelement 54 besteht aus rostfreiem Stahl SUS-310S mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 17,5

χ 10"⁶° C ~^l bei 0 - 600° C. Das Haltergehäuse 86 und der Dichtungsring 84 sind aus rostfreiem Stahl SUS-304 mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18,9 χ ΚΓ⁶° C "^X bei 0 - 600° C hergestellt. Wie vorstehend erläutert, wird die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beliebigen zwei der drei Elemente 54, 86, 84 relativ klein gehalten, um eine erhöhte Luftdichtigkeit zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Rohrelement 54 zu erreichen. Mit anderen Worten, der Einsatz von Materialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem großen Ausmaß verschieden sind, bewirkt einen relativ großen Spalt zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Rohrelement 54 nach einer langen Betriebsdauer des Sauerstoff sensors unter schwankenden Temperaturen. Um eine verbesserte Luftdichtigkeit zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Rohrelement 54 zu erreichen, wird empfohlen, metallische Materialien zu verwenden, deren Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht größer als 3 χ 10"⁶° C "^ ist.

Obwohl das Schutzrohrelement 54 den gleichen Durchmesser über die gesamte Länge aufweist, kann es auch aus einem Rohr mit zwei Durchmessern hergestellt werden, wie in Figur 12 gezeigt, das einen Endabschnitt 100 mit kleinem Durchmesser (entsprechend dem ersten Schutzabdeckungsabschnitt 80 der Figur 3), einen Abschnitt 102 mit großem

Duchmesser (entsprechend dem zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 8 2 der Figur 1) und einen konischen Abschnitt aufweist, der die Abschnitte 100, 102 miteinander verbindet. In diesem Fall wird das Schutzrohrelement 54 in einfächer Weise durch eine Befestigung festgeklemmt, wenn der preßgeformte Gegenstand 96 im Rohrelement 54 während des Zusammenbaues des Sauerstoffsensors zu der ersten luftdichten Masse 56 komprimiert wird. Mit anderen Worten, der Einsatz eines derartigen Rohres mit zwei Durchmessern macht es möglich, ein Verziehen des Rohrelementes 54 oder andere Probleme desselben zu verhindern, die auftreten können, wenn das Rohrelement 54 an seinem einen Endabschnitt während des Zusammenbaues des Sensors festgeklemmt wird. Darüberhinaus kann durch das Rohr mit zwei Durchmessern der konische Abschnitt 104 eng an die entsprechende Innenfläche 106 des Haltergehäuses 86 angepaßt werden, wodurch eine bessere luftdichte Abdichtung zwischen den beiden Elementen 54 und 86 erreicht wird.

Die elektrischen Leitungen 30, 32 der Elektroden 16, 22 und die elektrischen Leitungen 44, 44 der elektrischen Heizeinrichtung 40 werden an die Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c und die Erdungsleitung 122 elektrisch angeschlossen, wie in Figur 13 und den nachfolgenden Figuren dargestellt ist.

Wie in den Figuren 13 - 15 genauer gezeigt ist, handelt es sich bei dem vierten keramischen Isolationselement 68 um ein allgemein zylindrisches Element, das auf einer Seite eine Ausnehmung 110 besitzt, in die ein Abschnitt 108 eines elektrischen Steckers des Fühlerelementes 10, der die erste und zweite elektrische Anschlußeinrichtung

33, 45 trägt, eingesetzt ist. Wie in Figur 13 gezeigt, besitzt das keramische Isolationselement 68 desweiteren auf der anderen Seite vier Leitungsdrahtlöcher 112, in die die Endabschnitte der Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c und der Erdungsleitung 122 eingesetzt sind. Diese vier Leitungsdrahtlöcher 112 sind so angeordnet, daß die Verlängerungslinien der beiden Löcher 112 zu den Endabschnitten 30a, 32a der Leitungen 30, 32 und die Verlängerungslinien der verbleibenden zwei Löcher 112 zu den Endabschnitten 44a, 44a der Leitungen 44, 44 auf der gegenüberliegenden Seite des Fühlerelementes 10 ausgerichtet sind. Die vier Leitungsdrahtlöcher 112 stehen mit der Ausnehmung 110 in Verbindung, so daß die Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c und die Erdungsleitung 122 in einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise an die entsprechenden Endabschnitte (elektrische Kontakte) 30a, 32a, 44a, 44a der Leitungen 30, 32, 44, 44 angeschlossen werden können.

Jeder Leitungsdraht 72a, 72b, 72c und die Erdungsleitung 122 ist an seinem Ende mit dem vorstehend erwähnten Verbindungselement 114 versehen, das aus einem federnden Material besteht. Wie die Figuren 16-18 zeigen, besteht jedes Verbindungselement 114 aus: Einem Befestigungsabschnitt 116 mit einem U-förmigen Querschnitt, bevor er zum Ergreifen des entsprechenden Leitungsdrahtes 72a, 72b, 72c oder der Erdungsleitung 122 verstemmt oder verbördelt ist, einen federnden Abschnitt 118, der V-förmig gebogen ist, und einem allgemein rohrförmigen Klinkenabschnitt 120, der den Befestigungsabschnitt 116 und federnden Abschnitt 118 miteinander verbindet. Der U-förmige Befestigungsabschnitt 116 wird so verstemmt, daß er den Endabschnitt des Leitungsdrahtes 72a, 72b, 72c oder der

Erdungsleitung 122 ergreift, wodurch das Verbindungselement 114 am Leitungsdraht oder der Erdungsleitung fixiert wird. Der Befestigungsabschnitt 116 ist mit zwei gegenüberliegenden Abschnitten 126, 126 versehen, die mit einem Verbindungsabschnitt 124 zusammenwirken, der sich von dem Klinkenabschnitt 120 zur Ausbildung einer U-förmigen Struktur aus erstreckt. Die gegenüberliegenden Abschnitte 126, 126 werden von dieser U-förmigen Struktur nach innen gebogen. Somit wird der in die U-förmige Struktur eingesetzte Endabschnitt des Leitungsdrahtes 72a, 72b, 72c oder der Erftlungsleitung 122 elektrisch an das Verbindungselement 114 angeschlossen.

Der Klinkenabschnitt 120 besitzt eine Klinkennase 128 auf einer seiner Flächen, die dem Verbindungsabschnitt 124 gegenüberliegt. Diese Klinkennase 128 ist unter einem geeigneten Winkel zur Längsrichtung des Verbindungselementes 114 schief abgebogen, so daß es sich von ihrem festen Ende bis zu ihrem freien Ende auf der Seite des Befestigungsabschnittes 116 erstreckt und das freie Ende vom Klinkenabschnitt 120 weg angeordnet ist.

Wie Figur 13 zeigt, wird das Verbindungselement 114 durch das entsprechende Leitungsdrahtloch 112 eingesetzt und derart in der Ausnehmung 110 positioniert, daß der freie Endabschnitt des federnden Abschnittes 118 in Kontakt mit dem Abschnitt 108 des elektrischen Steckers des Fühlerelementes 10, der in der Ausnehmung 118 angeordnet ist, gehalten wird. Genauer gesagt, wird das freie Ende des federnden Abschnittes 118 des Verbindungselementes 114 in elastischem Preßkontakt mit dem entsprechenden

Endabschnitt 30a, 32a, 44a, 44a der elektrischen Leitung 30, 32, 44, 44, gehalten, der auf den gegenüberliegenden Flächen des Abschnittes 108 des elektrischen Steckers (erste und zweite elektrische Anschlußeinrichtungen 33, 45) des Fühlerelementes 10 freiliegt.

Wie vorstehend erläutert, sind die elektrischen Leitungen 30 und 32 an den ersten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33 und die elektrischen Leitungen 44 und 44 an den zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 45 an die Erdungsleitung 122 und die Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c elektrisch angeschlossen. Aufgrund dieser elektrischen Anschlüsse mit Hilfe der Verbindungselemente 114 wird eine elektromotorische Kraft, die die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wiedergibt, zwischen der Erdungsleitung 122 und dem Leitungsdraht 72a erhalten und die zum Erhitzen des Fühlerelementes 10 in dieses eingebaute elektrische Heizeinrichtung 40 wird über die Leitungsdrähte 72b und 72c mit Strom versorgt.

Jedes Verbindungselement 114 ist derart im vierten keramischen Isolationselement 68 angeordnet, daß die Klinkennase 128 des Klinkenabschnittes 120 in Stoßkontakt mit einer Schulter 130 gehalten wird, die benachbart zu dem Leitungsdrahtloch 112 ausgebildet ist, wie in Figur 13 gezeigt, so aß das einmal in das vierte keramische Isolationselement 68 eingesetzte Verbindungselement 114 nicht vom Fühlerelement 10 weg zurückbewegt wird (in Figur 13 nach rechts»") .

Bei dem in der vorstehenden Beschreibung erläuterten Sauerstoffsensor können die elektrischen Anschlüsse der Verbindungselemente 114 mit den Leitungsdrähten 72a - 72c und

der Erdungsleitung 122 in einfacher Weise hergestellt werden, indem der Befestigungsabschnxtt 116 der Verbindungselemente 114 auf den Endabschnitt des entsprechenden Leitungsdrahtes oder der Erdungsleitung verstemmt oder gebördelt wird. Um die elektrischen Anschlüsse der Verbindungselemente 114 mit den elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 am Fühlerelement Io herzustellen, werden die an den Leitungsdrähten 72a - 72c und der Erdungsleitung 122 fixierten Verbindungselemente 114

TO zuerst in die entsprechenden Leitungsdrahtlöcher 112 im vierten keramischen Isolationselement 68 eingesetzt, so daß die ferdernden Abschnitte 118 der Verbindungselemente 114 innerhalb der Ausnehmung 110 angeordnet werden. Danach wird das mit den darin angeordneten Verbndungselementen 114 versehene Isolationselement 68 in den zweiten Endabschnitt des Schutzrohrelementes 54 eingesetzt, so daß der Abschnitt 108 des elektrischen Steckers des Fühlerelementes 10, der bereits im Schutzrohrelement 54 angeordnet ist, in die von den Verbindungselementen 114 in der Ausnehmung 110 des Isolationselementes 68 ausgebildete Aufnahme eingesetzt wird.

Wenn das Isolationselement 68 derart in das Schutzrohrelement 54 eingesetzt worden ist, werden die freien Enden der federnden Abschnitte 118 der Verbindungselemente 114 in elastischem Preßkontakt mit den Endabschnitten 30a, 32a, 44a, 44a der entsprechenden elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 gehalten, die an den ersten und zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 am Abschnitt 108 des elektrischen Steckers des Fühlerelementes 10 freiliegen. Somit werden die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 hergestellt, so daß das Fühlerelement 10 ein Ausgangssignal in der Form einer elektro-

motorischen Kraft zur Verfügung stellen kann, die die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wiedergibt, und die elektrische Heizeinrichtung 40 mit Strom versorgt werden kann.
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Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, dient der Abschnitt 108 des Fühlerelementes 10 als Stecker, während die in das vierte keramische Isolationselement 68 eingesetzten federnden Abschnitte 118 als Fassung dienen, die den Stecker zur Herstellung einer elektrischen Verbindung aufnimmt. Daher ist das bloße Kuppeln von Stecker und Fassung ausreichend, um die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 des Fühlerelementes 10 und der Erdleitung 122 sowie der Leitungsdrähte 72a, 72b, 72c herzustellen. Die ersten und zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 am Abschnitt 108 des elektrischen Steckers bilden vorstehende Verbindungselemente oder Kontakte, während die Verbindungselemente 114 zurückspringende Verbindungselemente oder Kontakte vorsehen. Das Isolationselement 68 dient als Gehäuse zur Lagerung der Verbindungselemente 114 in der Form einer Aufnahme bzw. Fassung, mit der der Abschnitt 108 des elektrischen Steckers elastisch in Eingriff bringbar ist.

Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform ein Stecker in der Form der ersten und zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 (elektrischer Anschlußabschnitt 108) und eine Fassung in der Form der Verbindungseiemente 114, die im Isolationselement 68 gelagert sind, Verwendung finden, ist es auch möglich, die ersten und zweiten Anschlußeinrichtungen 33, 45 in der Form einer Fassung, die aus zurückspringenden elektrischen Kontakten

besteht, herzustellen und einen Stecker vorzusehen, der aus vorstehenden Verbindungselementen (114) im Isolationselement 68 besteht, so daß die vorstehenden Verbindungselemente in die Fassung eingesetzt werden können, um das Fühlerelement 10 elektrisch anzuschließen.

Bei der dargestellten Ausführungsform, bei der der Abschnitt 108 des Fühlerelementes 10 als Stecker wirkt, wird es bevorzugt, die freiliegenden Endabschnitte 30a, 32a, 44a, 44a der elektrischen Leitungen so auszubilden, daß diese über die Oberflächen der Fühlerschicht 20 und der Zirkondioxid-Isolationsschicht 38 vorstehen, wie in Figur 19 gezeigt. Diese Ausführungsform sichert einen fehlerfreien Kontakt der freiliegenden Endabschnitte 30a, 32a, 44a, 44a der Leitungen mit den federnden Abschnitten 118 der Verbindungselemente 114, und zwar selbst dann, wenn das Federelement 10 abgelenkt, durchgebogen oder in Breitenrichtung verformt wird.

Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform beide elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 aus den erhabenen Endabschnitten 30a, 32a der elektrischen Leitungen 30, 32 oder den erhabenen Endabschnitten 44a, 44a der elektrischen Leitungen 44, 44 bestehen, ist es auch möglieh, die ersten und zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 durch Endabschnitte der Leitungen 30, 32, 44, 44 und Basisschichten einer geeigneten Dicke auszubilden, die auf der Fühlerschicht 20 und der Zirkondioxid-Isolationsschicht 38 angeordnet sind, um als Substrate für die Endabschnitte der Leitungen zu dienen.

Der Vorteil eines einfachen elektrischen Anschlusses des Fühlerelementes 10 mit Hilfe eines direkten Kontaktes

des Abschnittes 108 des elektrischen Steckers mit den Verbindungselementen 114 ist in hohem Maße mit einem anderen Vorteil des vorliegenden Sauerstoffsensors verknüpft, nämlich demjenigen, daß das Fühlerelement 10 derart ausgebildet ist, daß das zweite Längsende mindestens 40 mm von der Außenfläche der Trennwand 90, an der das Schutzrohrelement 54 mit Hilfe des Haltergehäuses 86 befestigt ist, entfernt angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Länge 1 von mindestens 40 mm des Fühlerelementes 10 von der Trennwand 90 bis zum zweiten Längsende macht es möglich, die Temperatur am Abschnitt 108 des elektrischen Steckers des Fühlerelementes 10 unter 200° C zu halten und dadurch in wirksamer Weise die Möglichkeit von Ermüdungserscheinungen des federnden Abschnittes 118 der Verbindungselemente 114 und einer Oxidation der Endabschnitte der elektrischen Leitungen auf ein Minimum zu bringen. Daher können die Verbindungselemente 114 aus einem üblichen federndem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Es besteht keine Notwendigkeit, ein Federmaterial zu verwenden, das eine besonders hohe Wärmebeständigkeit besitzt. Somit ist der vorliegende Sauerstoffsensor sowohl in bezug auf die Zuverlässigkeit des elektrischen~>Anschlusses als auch auf die Materialkosten der Verbindungselemente beträchtlich verbessert.

Es versteht sich, daß die Stecker-Fassungs-Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen des Fühlerelementes 10 und den äußeren Leiterelementen (Leitungsdrähten und Erdungsleitung) durch eine andere Art der Verbindung ersetzt werden kann, bei der die elektrischen Leitungen des Fühlerelementes 10 mit entsprechenden Leiterelementen direkt oder über geeignete Verbindungselemente verlötet werden. In diesem Fall bewirkt

die geforderte Minimallänge 1 des Fühlerelementes 10 auch eine Verhinderung einer möglichen Auswanderung von Ag aus dem Lötmaterial sowie von Rissen oder von einer Entfernung der gelöteten Abschnitte, Daher wird die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen verbessert.

Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführüngsformen der Erfindung sind lediglich beispielhafter Natur. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern mit diversen Änderungen und Verbesserungen verwirklicht werden kann.

Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform sind die erste Schutzabdeckungseinrichtung 80 und die zweite Schutzabdeckungseinrichtung 82, die die rohrförmige Schutzeinrichtung für das Fühlerelement 10 vorsehen, durch ein einheitliches Element in der Form eines einstückigen Schutzrahrelementes 54 einer einfachen Konstruktion gebildet. Durch die Verwendung eines derartigen einstückigen Rohrelementes kann die Schutzrohreinrichtung leichter hergestellt werden und der Sauerstoffsensor einfacher zusammengebaut werden als dies bei der Verwendung von zwei getrennten Elementen für den ersten und zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 80, 82 der rohrförmigen Schutzeinrichtung möglich ist. Es ist ;edoch auch möglich, daß der erste und zweite Schutzabschnitt 80 und8 2 durch getrennte Rohrelemente gebildet werben.

Obwohl die luftdichten Massen 56, 58 zur luftdichten Halterung des Fühlerelementes 10 im Schutzrohrelement 54 vorzugsweise aus Partikeln aus Talk hergestellt werden, können auch andere wärmebeständige anorganische

partikelförmige Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Anwendung finden. Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform zwei luftdichte Massen vorgesehen sind, ist es auch möglich, eine einzige luftdichte Masse oder drei 5 oder mehr luftdichte Massen an Stellen anzuordnen, die in Längsrichtung des Fühlerelementes 10 im Abstand voneinander angeordnet sind. Etarüberhinaus kann die Bindungs- bzw. Klebemasse 62 auch aus anderen anorganischen Materialien, beispielsweise einem Zement, als Glas bestehen, das bei der dargestellten Ausführungsform Verwendung findet. Es ist möglich, eine derartige Klebemasse aus anorganischen Materialien an zwei oder mehr Stellen in Längsrichtung des Fühlerelementes 10 vorzusehen.

Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform ein luftdichter Dichtungsring 84 mit einem keilförmig zulaufenden Ende verwendet wird, um das Haltergehäuse 86 am Schutzrohrelement 54 unter Ausbildung eines luftdichten Anschlusses zu befestigen, kann das Haltergehäuse 86 auch durch Schweißen oder mittels Preßpassung am Rohrelement 54 befestigt werden.

Die ersten Schutzabdeckungsabschnitte 80 des Schutzrohrelementes 54 sind mit den öffnungen 74 und der öffnung 78 zur Einführung des Meßgases versehen. Es ist jedoch auch möglich, die öffnungen 74 in Fortfall zu bringen, so daß das Meßgas allein durch die öffnung 78 eingeführt wird. In diesem Fall kann eine Verbesserung der Haltbarkeit des Sensors erreicht werden.

Aus der vorstehenden Erläuterung wird deutlich, daß der erfindungsgemäß ausgebildete Sauerstoffsensor dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Fühlerelement eine Länge von

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mindestens 40 mm von der Oberfläche der Trennwand, an dem das Haltergehäuse befestigt ist, bis zum Längsende des Fühlerelementes an der vom Meßgas entfernten Seite besitzt. Hierdurch kann der Abschnitt des Fühlerelementes benachbart zum zweiten Längsende auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten werden, wodurch die elektrischen Anschlußabschnitte für die elektrischen Verbindungen für ein elektrisches Ausgangssignal des Sensors und für die Stromzufuhr der Heizeinrichtung auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten werden können. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der elektrischen Anschlüsse des Sensors verbessert. Der Sensor findet in geeigneter Weise als Abgassensor Verwendung und wird insbesondere auf dem Gebiet der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches für eine Brennkraftmaschine industriell eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird somit ein Sauerstoffsensor zur Ermittlung des Sauerstoffpartialdruckes eines Meßgases in einem Meßgasraum vorgeschlagen, der ein längliches planares Fühlerelement, eine rohrförmige Schutzvorrichtung und ein Haltergehäuse besitzt. Das Fühlerelement weist einen Sa.uerstofferfassungsabschnitt benachbart zu seinem einen Längsende und elektrische Anschlußkontakte benachbart zu seinem anderen Längsende auf. Die rohrförmige Schutzvorrichtung nimmt das Fühlerelement auf und besitzt eine erste Schutzabdeckung zum Schütze von mindestens einem Endabschnitt des Fühlerelementes, der im Meßgasraum angeordnet, dem Meßgas ausgesetzt ist und den Sauerstofferfassungsabschnitt umfaßt. Die rohrförmige Schutzvorrichtung weist desweiteren eine zweite Schutzabdeckung zum Schütze des verbleibenden Abschnittes des Fühlerelementes auf, der dem Meßgas nicht

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ausgesetzt ist. Sie ist über das Haltergehäuse an dner Trennwand befestigt, die den Meßgasraum begrenzt. Das längliche planare Sauerstoffühlerelement weist eine Länge von mindestens 40 mm von der Trennwand bis zu dem anderen Längsende auf.

Claims

Patentansprüche

1. Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes eines Meßgases in einem Meßgasraum, g e k e η η zeichne t durc h:

Ein längliches planares Sauerstoffühlerelement (10) mit einem Sauerstofferfassungsabschnitt (12) benachbart zu einem Längsende und elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) benachbart zu dem anderen Längsende;

eine rohrförmige Schutzeinrichtung zur Unterbringung und zum Schutz des Sauerstoffühlerelementes(lO ) ,die eine erste Schutzabdeckungseinrichtung (80) zum Schütze von mindestens einem Endabschnitt des Fühlerelementes (10), der innerhalb des Meßgasraumes angeordnet, dem Meßgas ausgesetzt ist und den Sauerstofferfassungsabschnitt (12) umfaßt, und mit einer zweiten rohrförmigen Schutzabdeckungseinrichtung (8 2) zum Abdecken des verbleibenden Abschnittes des Fühlerelementes (10) , der nicht dem Meßgas ausgesetzt ist; und

ein Haltergehäuse (86) zur Befestigung der rohrförmigen Schutzeinrichtung an einer Trennwand (90), die den Meßgasraum begrenzt,

wobei das längliche planare Sauerstoffühlerelement (10) eine Länge von mindestens 40 mm von der Trennwand (90) bis zu dem anderen Längsende besitzt.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch l,dadurc h ge· kennzeichnet, daß die rohrförmige Schutzeinrichtung durch ein einstückiges Schutzrohrelement (54) gebildet wird, das aus der ersten und der zweiten Schutzabdeckungseinrichtung (80, 82) besteht und unter Ausbildung eines Strömungsmitteldichten Anschlusses vom Haltergehäuse (86) gelagert wird.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß er desweiteren einen luftdichten Dichtungsring (84) aufweist, der zwischen der Außenfläche des Schutzrohrelementes (54) und dem Hältergehäuse (86) unter Aufrechterhaltung eines strömungsmitteldichten Anschlusses angeordnet ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß er desweiteren eine luftdichte Masse (56, 58) aus einem anorganischen partikelförmigen Material aufweist, die einen Abschnitt eines vom Umfang des Fühlerelementes (10) und der Innenfläche des Schutzrohrelementes (54) gebildeten Raumes über eine vorgegebene Länge entlang der Achse des Schutzrohrelementes (54) ausfüllt.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet, daß die luftdichte Masse (56) im Schutzrohrelement (54) über eine Wand des Schutzrohrelementes dem luftdichten Dichtungsring (84) gegenüber angeordnet ist.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die luftdichte Masse (56, 58) im Schutzrohrelement (54) an mehreren Stellen angeordnet ist, die im Abstand voneinander entlang der Achse des Schutzrohrelementes angeordnet sind.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß das Fühlerelement (10) mindestens an einer Stelle mit einem Klebemittel (62), das aus einer Gruppe von anorganischen Materialien, die Zement und Glas enthält, ausgewählt ist, im Schutzrohrelement (54) fixiert ist.

8. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e kennzeich net, daß das Schutzrohrelement (54)

aus einem Rohr besteht, das einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser und einen Abschnitt mit großem Durchmesser aufweist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Abschnittes mit kleinem Durchmesser. 20

9. Sauerstoffsensor nach Anspruch l,d a durch gekennzeichnet, daß die erste Schutzabdeckungseinrichtung (80) der rohrförmigen Schutzeinrichtung mindestens eine Öffnung (74, 78) zum Einführen des Meßgases aufweist, die in einem Abschnitt einer zylindrischen Wand der ersten Schutzabdeckungseinrichtung (80) ausgebildet ist, der dem Sauerstofferfassungsabschnitt (12) nicht gegenüberliegt.

10. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzabdeckungseinrichtung (80) eine Öffnung (78) an einem

Ende ihrer zylindrischen Wand auf der Seite, die dem einen Längsende des Fühlerelementes (10) entspricht, aufweist.

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9,dadurc h gekennzeichnet, daß das längliche planare Sauerstoffühlerelement (10) gegenüberliegende Primärflächen und gegenüberliegende Seitenflächen aufweist, die zusammenwirken und den Umfang des Fühlerelementes im Querschnitt bilden, daß der Erfassungsabschnitt (12) an einer der gegenüberliegenden Primärflächen angeordnet ist und daß die mindestens eine öffnung (74, 78) in mindestens einem Teil der zylindrischen Wand der ersten Schutzabdeckungseinrichtung (80) angeordnet ist, der mindestens einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes (10) gegenüberliegt.

12. Sauerstoffsensor nach Anspruch l,dadurc h gekennzeichnet , daß die erste Schutzabdeckungseinrichtung (80) eine Öffnung (78) an einem Ende auf der Seite, die dem einen Längsende des Fühlerelementes (10) entspricht, aufweist und daß das Meßgas durch diese öffnung in die erste Schutzabdeckungseinrichtung strömen kann.

13. Sauerstoffsensor nach Anspruch l,dad ure h gekennzeichnet, daß er desweiteren Verbindungseinrichtungen umfaßt, die benachbart zu den elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) angeordnete Verbindungselemente (114) umfassen und daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen an einer Fläche des planaren Fühlerelementes (10) benachbart zu dem anderen Längende freiliegen und in direktem Kontakt mit den Verbindungselementen

(114) gehalten werden.

14. Sauerstoffsensor nach Anspruch 13, da durch gekennzeichne t, daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) die Form eines Steckers (108) aufweisen, während die Verbindungseinrichtungen (114) die Form ener Fassung aufweisen, in die der Stecker (108) zur Herstellung eines Preßkontaktes mit den elektrischen Anschlußeinrichtungen eingesetzt ist. 10

15. Sauerstoffsensor nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) einen Ausgangssignalkontakt und einen Erdkontakt aufweisen und daß es sich bei der rohrförmigen Schutzeinrichtung um ein metallisches Element handelt, wobei der Erdkontakt über das entsprechende Verbindungselement (114) an die zweite Schutzabdeckungseinrichtung (8 2) elektrisch angeschlossen ist.

16. Sauerstoffsensor nach Anspruch 13, da du r c h gekenn zeichnet, daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) elektrische Kontakte aufweisen, die über die Oberfläche des planaren Fühlerelementes (10) vorstehen.

17. Sauerstoffsensor nach Anspruch 13,da durch gekennzeichn et, daß er desweiteren einen Gummistopfen ( 70) aufweist, der in einen Längsendabschnitt der zweiten Schutzabdeckungseinrichtung (8 2) mittels Preßpassung eingesetzt ist, daß die Verbindungselemente (114) an entsprechende Leiterelemente, die sich durch den Gummistopfen (20) erstrecken und einen Anschluß ai eine äußere Vorrichtung herstellen, elektrisch angeschlossen sind und daß ein Abschnitt der zweiten

Schutzabdeckungseinrichtung (8 2) , der dem Gummistopfen (70) entspricht, radial einwärts zusammengepreßt ist, um den Gummistopfen (70) und die Leiterelemente strömungs· mitteldicht zu halten.
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18. Sauerstoffsensor nach Anspruch 17, da du r ch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (10) eine eingebaute elektrische Heizeinrichtung (40) aufweist, die zum Erhitzen des Sauerstofferfassungsabschnittes (12) dient.

19. Sauerstoffensor nach Anspruch 13,da durch ge kennzeichne t, daß das Fühlerelement (10) eine eingebaute elektrische Heizeinrichtung (40) aufweist, die zum Erhitzen des Sauerstofferfassungsabschnittes (12) dient, und daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) elektrische Kontakte zur Stromzufuhr zu der elektrischen Heizeinrichtung aufweisen.