-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Gassensors
bzw. -meßfuhlers, z.B. für Sauerstoff, der Elektroden, ein Sensorelement,
das beispielsweise eine elektromotorische Kraft erzeugt oder das seinen
elektrischen Widerstandswert zwischen den Elektroden je nach der
Konzentration eines zu messenden Gases ändert, am Sensorelement angeordnete
und mit den Elektroden verbundene Elektrodenanschlüsse sowie ein
metallisches Aufnahmeelement umfaßt, in dem das Sensorelement untergebracht
ist.
-
Wie in teilweiser Schnittansicht in Fig. 2a der beiliegenden Zeichnungen
gezeigt, weist ein Sauerstoffsensor 20 bisher (siehe beispielsweise
US-A-4,784,743) Keramikpulver 30 auf, das zwischen eine Metallkappe 10
und ein Sensorelement 12 gefüllt und zusammengepreßt ist, und das
zusammengepreßte Keramikpulver 30 fixiert das Sensorelement 12 und trennt
Luft vom zu messenden Gas, wenn Luft als eine Standard-Sauerstoffatmosphäre
für das Sensorelement 12 verwendet wird.
-
Die Kappe 10 weist einen Gummistöpsel 14 an seinem oberen offenen
Endabschnitt gegenüberliegend einem Gehäuse 4 auf, um Leitungsdrähte 13
durch diesen hindurch aufzunehmen. Der Stöpsel 14 wird zum Abdichten der
Kappe 10 in Position fixiert, indem die Kappe 10 in Klemmstellung gebracht
wird. Wie in vorliegender Beschreibung verwendet, bedeutet "in
Klemmstellung bringen" den Vorgang des Abdichtens durch mechanisches
Zusammendrucken der Kappe radial nach innen, beispielsweise unter
Verwendung einer Aufspannvorrichtung, die eine Vielzahl von peripheren
Segmenten umfaßt, die aneinandergedrängt werden, um die Kappe
zusammenzudrücken und abzudichten, die im durch die Segmente begrenzten
mittleren Bereich angeordnet ist. Kontaktbuchsen 15 sind am Ende der
Leitungsdrähte 13 angeordnet, um einen Elektrodenanschluß 17 des
Sensorelements 12 und die Kontaktbuchse 15 in einem Keramikgehäuse 16
zu verbinden.
-
Somit haben, wie in auseinandergezogener Perspektivschnittansicht in Fig.
2b gezeigt, die Kontaktbuchsen 15 an sich eine elastische Funktion und
sind im Keramikgehäuse 16 untergebracht, wobei die Kontaktbuchsen 15 und
das Keramikgehäuse 16 einstückig miteinander verbanden sind, um einen
einstückigen Körper zu bilden, und das Sensorelement 12 in den einstückigen
Körper eingefügt ist, um elektrische Verbindung der Kontaktbuchsen 15
und des Elektrodenanschlusses 17 des Sensorelements 12 durch die elastische
Funktion der Kontaktbuchsen 15 an sich zu erreichen.
-
Jedoch weist die Art von Sauerstoffsensor 20 insofern einen Nachteil auf,
als kein hoher Kompressivdruck erzielt werden kann, sodaß die elektrische
Verbindung zwischen dem Elektrodenanschluß 17 und den Kontaktbuchsen 15
instabil wird, da der Elektrodenanschluß 17 und die Kontaktbuchsen 15
durch die elastische Funktion der Kontaktbuchsen 15 an sich in Kontakt
stehen.
-
Der Sauerstoffsensor 20 weist insofern einen weiteren Nachteil auf, als
wenn das Sensorelement 12 in den einstückigen Körper eingefügt wird, die
Auflageschicht, die auf den Kontaktbuchsen 15 vorgesehen ist, mit denen
der Elektrodenanschluß 17 des Sensorelements 12 in Kontakt steht, gegen
den Endabschnitt und den Elektrodenanschluß 17 des Sensorelements 12 reibt
und davon in einem in Fig. 2A gezeigten Abschnitt A abblättert. Als
Ergebnis ergibt sich auch insofern ein Nachteil, als die elektrische
Verbindung zwischen den Kontaktbuchsen 15 und dem Elektrodenanschluß 17
durch Reib(flächen)korrosion usw. aufgrund von Vibration und/oder
Feuchtigkeit während eines langen Verwendungszeitraums des
Sauerstoffsensors schlecht wird.
-
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu
überwinden.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gassensor
zu schaffen, der gute elektrische Verbindung zwischen den Kontaktbuchsen
und dem Elektrodenanschluß während eines langen Verwendungszeitraums
gewährleistet.
-
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gassensor, der Elektroden, ein
Sensorelement, das beispielsweise eine elektromotorische Kraft erzeugt
oder das seinen elektrischen Widerstandswert zwischen den Elektroden je
nach der Sauerstoffkonzentration eines zu messenden Gases ändert, zumindest
einen Elektrodenanschluß (46), der auf dem Sensorelement (22) angeordnet
ist und mit einer Elektrode verbunden ist, ein metallisches Aufnahmeelement
(32), in dem das Sensorelement (22) untergebracht ist, und eine
Buchsenvorrichtung (35) umfaßt, die den oder jeden jeweiligen
Elektrodenanschluß (46) aufnimmt, wobei die genannte oder jede genannte
Buchsenvorrichtung eine Anordnung aus Kontaktbuchsen (41) zum elektrischen
Kontaktieren des Elektrodenanschlusses (46), ein Keramikgehäuse (42),
das die Kontaktbuchsen (41) elektrisch vom metallischen Aufnahmeelement
(32) isoliert, zumindest ein elastisches Element (44) zum Anpressen des
Keramikgehäuses (42) an die Kontaktbuchsen (41) und einen Klemmring (45)
zur Druckausübung auf das/die elastische Element oder Elemente (44) umfaßt,
damit es seine oder sie ihre elastische Kraft ausübt/ausüben, wobei, wenn
der Klemmring in Klemmstellung gebracht ist, um auf das oder die
elastische(n) Element(e) (44) zu drücken, die Kontaktbuchsen (41) mit
einem bestimmten Druck in elektrischen Kontakt mit dem Elektrodenanschluß
(46) gedruckt werden.
-
Durch diese Anordnung können die Kontaktbuchsen durch das/die elastische(n)
Element(e) mit einer großen elastischen Kraft auf den Elektrodenanschluß
gedrückt werden, sodaß die Kontaktbuchsen ganz gewiß elektrisch mit dem
Elektrodenanschluß verbunden werden können. Daher unterliegt der Gassensor
gemäß vorliegender Erfindung keiner Verschlechterung des elektrischen
Kontakts, wie durch Reib(flächen)korrosion usw., auch wenn er für einen
langen Zeitraum verwendet wird und Vibration und/oder Feuchtigkeit
unterworfen ist, sodaß gute elektrische Verbindung über einen langen
Verwendungszeitraum erreicht werden kann.
-
Wenn Vorsprünge auf den Kontaktbuchsen zum Öffnen der Kontaktabschnitte
der Kontaktbuchsen vorgesehen sind, welche mit dem Elektrodenanschluß
in Kontakt stehen, stehen die Vorsprünge mit dem Endabschnitt und dem
Elektrodenanschluß des Sensorelements in Kontakt, während der Endabschnitt
und der Elektrodenanschluß des Sensorelements mit den Kontaktabschnitten
nicht in Kontakt stehen, sodaß eine Auflageschicht, die beispielsweise
aus einem Edelmetall besteht, vorteilhaft nicht abblättert, wenn die
Kontaktabschnitte eine solche Auflageschicht aufweisen. Die
Edelmetallauflageschicht besteht vorzugsweise aus Au, Ag oder Pt.
-
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
-
Fig. 1a eine teilweise Schnittansicht eines Beispiels für einen
erfindungsgemäßen Gassensor ist;
-
Fig. 1b eine auseinandergezogene Perspektivschnittansicht eines Beispiels
für den Aufbau einer Buchsenvorrichtung eines erfindungsgemäßen Gassensors
ist;
-
Fig. 2a eine teilweise Schnittansicht eines Beispiels eines
Sauerstoffsensors nach dem Stand der Technik ist; und
-
Fig. 2b eine auseinandergezogene Perspektivschnittansicht eines Beispiels
für den Aufbau einer elektrischen Verbindung eines Sauerstoffsensors nach
dem Stand der Technik ist.
-
In den Zeichnungen ist 4 ein Gehäuse, 10 ist eine Metallkappe, 12 ist
ein Sensorelement, 13 bezeichnet Leitungsdrähte, 14 ist ein Gummistöpsel,
15 sind Kontaktbuchsen, 16 ist ein Keramikgehäuse, 17 ist ein
Elektrodenanschluß, 20 ist ein Gassensor, z.B. ein Sauerstoffsensor, 22
ist ein Sensorelement, 26 ist ein Innenzylinder, 32 ist ein Außenzylinder,
35 ist eine Buchsenvorrichtung, 41 ist eine Kontaktbuchse, 42 ist ein
Keramikgehäuse, 43 ist ein Metallfitting, 44 ist ein elastisches Element,
45 ist ein Klemmring, 46 ist ein Elektrodenanschlußabschnitt, 47 ist ein
Vorsprung der Kontaktbuchse 41 und 48 ist eine Auflageschicht auf dem
Kontaktabschnitt der Kontaktbuchse 41.
-
In der Folge wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele
im Detail erklärt.
-
Auf die Fig. 1a und 1b Bezug nehmend, weist ein Sauerstoffsensor 20 gemäß
vorliegender Erfindung ein plattenförmiges Sensorelement 22 auf, das von
einem Metallgehäuse 24 und einem metallischen Innenzylinder 26 umgeben
ist, der fest an das Metallgehäuse 24 geschweißt ist. Das Sensorelement
22 ist durch Talk 30 fixiert, der zwischen Keramikstützen 28a, 28b und
28c gefüllt ist, und durch den Talk 30 gasdicht verschlossen.
-
Bei dieser Ausführungsform ist, um das Sensorelement elektrisch mit dem
Äußeren zu verbinden, ein Elektrodenanschluß 46 in eine Buchsenvorrichtung
35 eingefügt, die aus einer Anordnung aus Kontakten 41, die mit
Leitungsdrähten 36 verbunden sind, einem in zwei Abschnitte geteilten
Keramikgehäuse 42, einem Metallfitting 43, elastischen Elementen 44 und
einem Klemmring 45 besteht, und dann ist/wird die äußere Umfangsperipherie
des Klemmrings 45 in Klemmstellung gebracht, d.h. der Klemmring 45 wird
radial nach innen zusammengedrückt, beispielsweise durch eine
Aufspannvorrichtung, um eine Kraft auf die elastischen Elemente 44
auszuüben, um die Kontaktbuchsen 41 mit einem bestimmten Druck gegen den
Elektrodenanschluß 4-6 zu drücken, wie in auseinandergezogener
Perspektivschnittansicht in Fig. 1b gezeigt. Das Metallfitting 43 liegt
in einem Stück vor und besteht aus einem Metall mit geringer
Formfestigkeit. Bei dieser Ausführungsform sind die gewünschten Vorsprünge
47 an den Endabschnitten der Kontaktbuchsen 41 vorgesehen, und die aus
Au bestehenden Auflageschichten 48 sind an den Kontaktabschnitten der
Kontaktbuchsen 41 vorgesehen, welche mit dem Elektrodenanschluß in Kontakt
stehen.
-
Beim Sauerstoffsensor mit obigem Aufbau beträgt eine Preßkraft pro
Kontaktbuchse 41, die von einem elastischen Element 44 ausgeübt wird,
vorzugsweise zumindest das 300-fache, mehr bevorzugt zumindest das
1000-fache des Gesamtgewichts der Buchsenvorrichtung 35.
-
Um den Elektrodenanschluß 46 in die Buchsenvorrichtung 35 einzufügen,
wird die folgende Vorgangsweise angewandt. Zu Beginn wird die
Buchsenvorrichtung 35 so angeordnet, daß die Kontaktbuchsen 41 sich an
jeweiligen Abschnitten des Keramikgehäuses 42 in Position befinden, wobei
die Abschnitte zu diesem Zeitpunkt im Abstand voneinander angeordnet sind.
Das Metallfitting 43 befindet sich um das Keramikgehäuse 42 in Position
und der Klemmring 45 lose um das Fitting 43. Der Elektrodenanschluß 46
wird dann zwischen die Kontaktbuchsen 41 eingefügt, wobei die Vorsprünge
47 bewirken, daß sich die Kontaktabschnitte der Kontaktbuchsen 41 öffnen,
sodaß der Anschluß 46 nicht gegen die Auflageschichten 48, die auf den
Kontaktabschnitten vorgesehen sind, reibt und diese abscheuert. Somit
wird Abblättern der Auflageschichten 48 von den Kontaktabschnitten der
Kontaktbuchsen 41 verhindert, wenn der Anschluß 46 in die
Buchsenvorrichtung 35 eingefügt wird. Nach dem Einfügen des
Elektrodenanschlusses 46 wird der Klemmring 45 in Klemmstellung gebracht,
d.h. durch radial nach innen gerichtetes Zusammendrücken abgedichtet,
z.B. unter Verwendung einer Aufspannvorrichtung, um zu bewirken, daß die
elastischen Elemente 44 das Metallfitting 43 verformen, sodaß sie die
Abschnitte des Keramikgehäuses 42 auf im wesentlichen parallele Art
zusammendrücken, wodurch die Kontaktbuchsen 41 gegen den Eletrodenanschluß
46 gedrückt werden. Während dieses Drückens werden die Vorsprünge 47 der
Kontaktbuchsen 41 flachgedrückt, sodaß die Auflageschichten 48 der
Kontaktabschnitte mit dem Anschluß 46 in Kontakt kommen, damit elektrische
Verbindung zwischen den Kontaktbuchsen 41 und dem Elektrodenanschluß 46
erreicht wird. Die Abschnitte des Keramikgehäuses 42 treffen nicht
aufeinander, sodaß die elastischen Elemente 44 weiterhin elastischen Druck
ausüben, wodurch sie die Auflageschichten 48 der Kontaktabschnitte der
Kontaktbuchsen 41 und den Elektrodenanschluß 46 in elektrischem Kontakt
halten.
-
Bei dieser Ausführungsform wird, um das Sensorelement 22 vor der äußeren
Umgebung zu schützen, ein metallischer Außenzylinder 32 am
Außenumfangsabschnitt eines oberen kreisförmigen Vorsprungs 34 des
Metallgehäuses 24 angebracht, und das untere Ende des metallischen
Außenzylinders 32 wird über den gesamten Umfang des unteren Endes des
metallischen Außenzylinders 32 an den Außenumfangsabschnitt des oberen
kreisförmigen Vorsprungs 34 geschweißt und gasdicht befestigt. Indessen
nimmt das vom seinem unteren an das Gehäuse 24 geschweißten Ende entfernte
obere offene Ende des metallischen Außenzylinders 32 einen Gummistöpsel
38 auf, der Leitungsdrähte 36 darin aufweist, und wird in Klemmstellung
gebracht, um den Gummistöpsel 38 zu fixieren, um so den Außenzylinder
32 abzudichten.
-
Indem auf diese Art verhindert wird, daß die Auflageschichten 48 auf der
Oberfläche der Kontaktabschnitte der Kontaktbuchsen 41, die mit dem
Elektrodenanschluß 46 des Sensorelements 22 in Kontakt stehen, abblättern,
und die Preßkraft der Kontaktabschnitte der Kontaktbuchsen 41 gegen den
Elektrodenanschluß 46 erhöht wird, können die Nachteile von Mängeln beim
elektrischen Kontakt, wie Reib(flächen)korrosion usw., überwunden werden,
auch wenn der Sauerstoffsensor für einen langen Verwendungszeitraum
Vibrationen und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist.
-
Wie aus den obigen Erklärungen hervorgeht, wird beim Gassensor gemäß
vorliegender Erfindung eine Buchsenvorrichtung verwendet, die so geartet
ist, daß die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktbuchsen und dem
Elektrodenanschluß des Sensorelements durch die äußere Druckwirkung des/der
elastischen Elements/Elemente erreicht wird, sodaß auf die Kontaktbuchsen
ein großer Druck ausgeübt werden kann, um eine sichere elektrische
Verbindung zwischen den Kontaktbuchsen und dem Elektrodenanschluß zu
erreichen. Daher kann hervorragender elektrischer Kontakt zwischen den
Kontaktbuchsen und dem Elektrodenanschluß des Sensorelements für einen
langen Zeitraum erreicht werden, ohne daß verschlechterter elektrischer
Kontakt auftritt, auch wenn der Sauerstoffsensor für einen langen
Verwendungszeitraum Vibrationen und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist.
-
Die Erfindung kann auf andere Gassensoren als einen Sauerstoffsensor
angewandt werden.