DE69935896T2

DE69935896T2 - Kompakte Struktur eines Gassensors und seine Produktionsmethode

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Publication number: DE69935896T2
Application number: DE69935896T
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Kariya-city Aichi-pref.448-0029 Yamada; Hiroaki Kariya-city Aichi-pref. 448-0029 Takaba; Takashi Kariya-city Aichi-pref.448-0029 Kojima; Isao Kariya-city Aichi-pref. Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: EP1688737A3; US6898961B2; DE69935896D1; EP1004876A3; US20020144538A1; US20050155207A1; EP1004876A2; DE69939500D1; US7569792B2; EP1688737B1; EP1004876B1; US6415647B1; EP1004876B2; DE69935896T3; EP1688737A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gassensor, der in einem Luftkraftstoffverhältnissteuersystem für Kraftfahrzeuge zur Messung der Gaskonzentration, wie zum Beispiel O₂, NOx oder CO verwendet werden kann, und betrifft insbesondere einen verbesserten kompakten Aufbau eines derartigen Gassensors und seine Produktionsmethode.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, dass die Steuerung der Verbrennung von internen Verbrennungskraftmaschinen als eine Funktion der in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffkonzentration und des Luftkraftstoffverhältnisses einer Mischung bei der Energieeinsparung und der Emissionssteuerung wirksam ist. Als ein zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen geeigneter Gassensor ist ein Gassensor mit einem festen Elektrolytkörper aus Zirkonoxyd bekannt, zum Beispiel aus der DE 197 03 458 . Dieser Gassensor muss jedoch in der Größe und den Herstellungskosten vermindert werden und in der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit verbessert werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, besteht immer noch ein Bedarf für eine Verbesserung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor zu schaffen, der die oben erwähnten Anforderungen bei einem Gassensor üblichen Aufbaus erfüllt. Entsprechend wird erfindungsgemäß ein Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 geschaffen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die jedoch nicht die Erfindung auf die einzelnen Ausführungsformen beschränken, sondern die nur beispielhaft angegeben sind.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt zur Darstellung eines Gassensors gemäß der Erfindung;
2(a) eine Seitenansicht zur Darstellung eines Isolators;
2(b) eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 2(a);
2(c) eine Schnittansicht längs der Linie B-B in 2(a);
3(a) einen Längsschnitt zur Darstellung des Einbaus eines Isolators in einer Abdeckungsanordnung bei einer bekannten Konstruktion;
3(b) einen Längsschnitt zur Darstellung eines Isolators in einer Abdeckung eines Gassensors gemäß der Erfindung;
4(a) eine Aufsicht zur Darstellung eines zur Aufnahme eines Isolators verwendetes elastischen Teils;
4(b) eine Schnittansicht längs der Linie C-C in 4(a);
5 und 6 Schnittansichten zur Darstellung einer Folge des Einbauverfahrens zum Einbau eines Isolators in eine Abdeckung;
7 eine teilweise vergrößerte Ansicht von 6;
8 eine Schnittansicht zur Darstellung eines in eine Abdeckung beim Einbauverfahrens gemäß 5 und 6 eingebauten Isolators;
9(a) eine teilweise Schnittansicht zur Darstellung des Einbaus einer Abdeckung in ein Gehäuse einer bekannten Konstruktion;
9(b) eine teilweise Schnittansicht zur Darstellung des Einbaus einer Abdeckung in ein Gehäuse gemäß einer bekannten Konstruktion;
10(a) eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines zum Halten eines Fühlelements verwendeten Metallrings;
10(b) eine Schnittansicht längs der Linie D-D in 10(a);
11(a) eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines bei einer bekannten Konstruktion gemäß 9(a) verwendeten Metallrings;
11(b) eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 11(a);
12 eine Teilschnittansicht zur Darstellung des Einbaus einer Abdeckung und einer Abdeckungsanordnung in ein Gehäuse;
13 eine Teilschnittansicht zur Darstellung einer Verschweißung eines Gehäuses und einer Abdeckung;
14(a) eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines zu einer Außenelektrode eines Fühlelements führenden Anschlusses;
14(b) eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines zu einer Innenelektrode eines Fühlelements führenden Anschlusses;
15(a) eine Teilschnittansicht zur Darstellung der Anordnung von Leitungen in einem oberen Abschnitt einer Abdeckung bei der bekannten Konstruktion gemäß 9(a);
15(b) eine Teilschnittansicht zur Darstellung der Leitungen in einem oberen Abschnitt einer Abdeckung in einem Gassensor gemäß der Erfindung;
16 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer in einem Fühlelement angeordneten Heizung;
17 eine Darstellung eines Schweißverfahrens zur Verbindung einer Abdeckung mit einem Gehäuse;
18(a) eine Aufsicht auf eine erste Abänderung eines elastischen Elements zur Aufnahme eines Isolators;
18(b) eine Schnittansicht längs der Linie D-D in 18(a);
19(a) eine Aufsicht zur Darstellung der zweiten Ausführungsform eines elastischen Elements zur Aufnahme eines Isolators;
19(b) eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 19(a);
20(a) eine Aufsicht zur Darstellung der dritten Ausführungsform eines elastischen Elements zur Aufnahme eines Isolators;
20(b) eine Schnittansicht längs der Linie F-F in 20(a);
21(a) eine Aufsicht zur Darstellung einer vierten Ausführungsform des elastischen Elements zur Aufnahme eines Isolators; und
21(b) eine Schnittansicht längs der Linie D-D in 21(a).
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, insbesondere ist in 1 ein Gassensor 1 gemäß der Erfindung dargestellt, der bei einem Luftkraftstoffverhältnissteuersystem eines Kraftfahrzeugs zur Messung eines Sauerstoffgehalts in den Abgasen einer internen Verbrennungskraftmaschine verwendet werden kann.
Der Gassensor 1 umfasst allgemein ein Fährelement 10 und ein hohles zylindrisches metallisches Gehäuse 4 mit dem darin hermetisch angeordneten Fühlelement 10. Das Gehäuse 4 dient ebenfalls als eine Sensorbefestigung zur Befestigung des Gassensors 1, beispielsweise in einem Abgasrohr des Fahrzeugs. Das Fühlelement 10 weist einen dem Gas ausgesetzten Abschnitt 11 auf, der dem zu messenden Gas in einer Gaskammer 13, die durch eine Schutzabdeckungsanordnung 2 gebildet wird, ausgesetzt ist. Der Gassensor 1 umfasst weiter Drähte 81 und 91, einen Isolator 5 und eine metallische Abdeckung 3. Die Drähte 81 und 91 sind mit dem Fühlelement 10 über Verbindungen 75 und 76 verbunden. Der Isolator 5 ist in der metallischen Abdeckung 3 aufgenommen und hält darin die Enden der Drähte 81 und 91.
An einem oberen Abschnitt der metallischen Abdeckung 3 ist über einen zylindrischen Wasser abweisenden Filter 57 eine Abdeckung 39 eingebaut. Die Abdeckung 39 und die metallische Abdeckung 3 bilden darin erste und zweite Entlüftungen 58 und 59 aus, durch die Luft in die Bezugsgaskammer 12, die in dem Gasfühlelement 10 ausgebildet ist, durch den Wasser abweisenden Filter 57 eingeführt wird.
Der Isolator 5 besteht aus einem hohlen zylindrischen Körper 51, der in seinem einen Ende die Drähte 81 und 91 hält, und einem Flansch 52, der einen größeren Durchmesser als der Körper 51 aufweist.
Die metallische Abdeckung 3 besteht aus einem Abschnitt 31 kleinen Durchmessers, einem Abschnitt 32 großen Durchmessers, und einem Schulterabschnitt 33, der den Abschnitt 31 kleinen Durchmessers und den Abschnitt 32 großen Durchmessers verbindet. Der Abschnitt 31 kleinen Durchmessers weist einen Innendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Körpers 51 und kleiner als der Außendurchmesser des Flansches 52 ist. Der Abschnitt 32 großen Durchmessers weist einen Innendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des Flansches 52 ist. Die metallische Abdeckung 3 ist an einem Ende direkt mit dem Gehäuse 4 verbunden.
Der Isolator 5 ist in die metallische Abdeckung 3 durch Pressen der Oberfläche 522 des Flansches 52 durch ein elastisches Teil 6, das in den Abschnitt 32 großen Durchmessers eingepasst ist, eingebaut, um die Oberfläche 521 des Flansches 52 in einen konstanten Eingriff mit dem Schulterabschnitt 33 zu bringen. Insbesondere wird der Isolator 5 durch das elastische Teil 6 und die Schulter 33 der metallischen Abdeckung 3 aufgenommen.
Der Isolator 5 umfasst, wie deutlich in 2(a) gezeigt ist, den zylindrischen Körper 51 und den Flansch 52, der einen größeren Durchmesser als der zylindrische Körper 51 aufweist. Der Isolator 5 umfasst weiter einen unteren zylindrischen Abschnitt 53, der einen ein wenig größeren Durchmesser als der zylindrische Körper 51 aufweist. Der zylindrische Körper 51 weist, wie in den 1 und 2(b) gezeigt, vier darin ausgebildete Öffnungen 511, 512, 513 und 514 auf, durch die die mit dem Fühlelement 10 verbundenen Drähte 81 und 91 und ein Paar Drähte 171, die mit einer Heizung 15 verbunden sind, wie unten beschrieben, verlaufen. Der Flansch 52 und der untere zylindrische Abschnitt 53 weisen, wie in 2(c) gezeigt, eine darin ausgebildete zylindrische Bohrung 531 auf, die mit den Öffnungen 511 bis 514 in Verbindung steht.
Die metallische Abdeckung 3 besteht, wie in den 1 und 3(b) gezeigt, aus dem Abschnitt 31 kleineren Durchmessers, dem Abschnitt 32 größeren Durchmessers und dem Schulterabschnitt 33. Der Abschnitt 31 kleineren Durchmessers hat eine für die Aufnahme des zylindrischen Körpers 51 des Isolators 5 ausreichende Größe. Der Abschnitt 32 großen Durchmessers hat eine zur Auf nahme des Flansches 52 des Isolators 5 ausreichende Größe.
Das elastische Teil 6 ist, wie in den 4(a) und 4(b) gezeigt, eine außen gezahnte Sicherungsscheibe, die aus einer ringförmigen Platte 61, sechs Sicherungsvorsprüngen 62 und sechs Führungsvorsprüngen 67 besteht. Die ringförmige Platte 61 ist kleiner als der Innendurchmesser des Abschnitts 32 großen Durchmessers der metallischen Abdeckung 3. Die Sicherungsvorsprünge 62 stehen vom äußeren Umfang der ringförmigen Scheibe 61 vor, sodass sie einen größeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Abschnitts 32 großen Durchmessers aufweisen. Jeder der Führungsvorsprünge 67 ist zwischen zwei benachbarten Sicherungsvorsprüngen 62 ausgebildet, um das Einsetzen des elastischen Teils 6 in die metallische Abdeckung 3 zu erleichtern und die Festigkeit des elastischen Teils 6 zu erhöhen. Es ist ratsam, dass die Anzahl der Sicherungsvorsprünge 62 größer oder gleich drei (3) ist. Wenn das elastische Teil 6 in die metallische Abdeckung 3 eingebaut ist, ist es, wie in 1 gezeigt, mit den Sicherungsvorsprüngen 62 so angeordnet, dass sie in Richtung einer Öffnung der metallischen Abdeckung 3 weisen.
Der Einbau des Isolators 5 in die metallische Abdeckung 3 wird durch Verwendung des elastischen Teils 6 in folgender Weise erreicht.
Zuerst werden das elastische Teil 6 und der Isolator 5, wie in den 5 und 6 gezeigt, auf eine Aufspannvorrichtung 69 gesetzt. Die Aufspannvorrichtung 69 weist einen sich nach oben erstreckenden mittleren Zylinder 691 auf, wie in den Zeichnungen gezeigt. Der mittlere Zylinder 691 weist an einem Ende eine Ringnut 692 auf, in die der untere zylindrische Abschnitt 53 des Isolators 5 eingesetzt wird. Eine äußere Endwand 693 des mittleren Zylinders 691 bildet die Ringnut 692, wie man in 6 sieht, und weist eine Breite auf, sodass ein Ende der Endwand 693 nur mit der Ringplatte 61 des elastischen Teils 6 in Berührung kommt, ohne mit den Vorsprüngen 62 und 67 zusammen zu stoßen.
Darauf wird die metallische Abdeckung 3, wie in 6 und 8 gezeigt, auf den Isolator 5 gesetzt, und das auf der Aufspannvorrichtung 69 sitzende elastische Teil 6 wird in eine zylindrische Kammer 695, die durch die Außenwand des mittleren Zylinders 691 in der Aufspannvorrichtung 69 gebildet wird, gedrückt, wodurch man einen elastischen festen Eingriff der Sicherungsvorsprünge 62 des elastischen Teils 6 mit der Innenwand der metallischen Abdeckung 3 erreicht.
Die Sicherungsvorsprünge 62 des elastischen Teils 6 werden um einen bestimmten stumpfen Winkel von der Oberfläche 521 des Isolators 5 weg gebogen. Diese Konstruktion bewirkt, dass das elastische Teil 6 nach innen gedrückt wird, wenn es in den Abschnitt 32 der metallischen Abdeckung 3 gedrückt wird, wodurch ein Druck erzeugt wird, der den Flansch 52 des Isolators 5 im dauernden Eingriff mit der Schulter 33 der metallischen Abdeckung 3 drückt.
3(a) zeigt als ein Beispiel den Einbau des Isolators 95 in den üblichen Gassensor 9. Der Isolator 95 ist im Aufbau im Wesentlichen mit dem Isolator 5 in dieser Ausführungsform identisch, wie oben beschrieben, und weist den Flansch 952 auf. Der Isolator 95 ist in der äußeren Abdeckung 932 angeordnet. Die innere Abdeckung 931 ist teilweise in die äußere Abdeckung 932 eingesetzt, wobei ein Ende 934 den Flansch 952 des Isolators 95 in dauernden Eingriff mit der Schulter 935 der äußeren Abdeckung 932 durch die Feder 956 bringt.
Der Vergleich zwischen den 3(a) und 3(b) zeigt, dass die Verwendung des elastischen Teils 6 bei dem erfindungsgemäßen Gassensor 1 die bei dem üblichen Gassensor 9 verwendete innere Abdeckung 931 entbehrlich macht, und dass die Länge L1 zwischen dem Schulterabschnitt 33 und dem unteren Ende der metallischen Abdeckung 3 genauer bestimmt werden kann, als zwischen der Schulter 935 und dem unteren Ende der inneren Abdeckung 931.
Dadurch, dass die innere Abdeckung 931 entfällt, kann der Innendurchmesser der metallischen Abdeckung 3 vergrößert werden, sodass der Abstand L2, wie in 9(b) gezeigt, zwischen der metallischen Abdeckung 3 und dem Draht 711 des Signalaufnahmeanschlusses 71, der elektrisch mit einer Messelektrode des Fühlelements 10 verbunden ist, wie weiter unten beschrieben, verglichen mit dem üblichen Gassensor 9 von 9(a) vergrößert werden kann.
Das in den 1 und 9(b) gezeigte Gehäuse weist eine Kammer 40, ein gekröpftes Ende 41 und einen ringförmigen Sitz 49 auf. Der ringförmige Sitz 49 ist an einer Innenwand des Gehäuses 4 ausgebildet. Das Fühl element 10 ist in der Kammer 40 durch das gekröpfte Ende 41 des Gehäuses 4 eng aufgenommen, um einen metallischen Ring 412, einen zylindrischen Isolator 411 und ein Dichtteil 413 nach unten zu drücken, wie in den Zeichnungen dargestellt, um einen mittleren Flansch 109 des Fühlelements 10 in einen dauernden Eingriff mit dem Sitz 49 durch eine Packung 18 zu drücken.
Der übliche Gassensor 9 weist, wie in 9(a) gezeigt, ein Gehäuse 94 auf. Das Gehäuse 94 weist ein gekröpftes Ende 940 auf, um einen metallischen Ring 946 zu drücken, um ein Fühlelement 910 in dem Gehäuse 94 über einen Isolator 943, ein Dämpfungsteil 942 und ein Dichtteil 941 zu halten. Zwischen dem metallischen ring 946 und dem Isolator 943 ist ein Flansch 939 der inneren Abdeckung 931 angeordnet, um die innere Abdeckung 931 am Gehäuse 94 zu befestigen. Eine Packung 918 ist zwischen dem Fühlelement 910 und einer Innenwand des Gehäuses 94 angeordnet.
Wie man aus dem Vergleich des Aufbaus des Gassensors 1 von 9(b) mit dem üblichen Gassensor 9 in 9(a) sieht, ist das gekröpfte Ende 41 des Gehäuses 4 mit der metallischen Abdeckung 3 umgeben, wodurch sich ein verbesserter Korrosionswiderstand des Endes 41 ergibt.
Der oben beschriebene übliche Gassensor 9 weist einen Flansch 939 der inneren Abdeckung 931 auf, der an dem Dichtteil 941, dem Dämpfungsteil 942 und dem Isolator 943 in dem Gehäuse 94 gehalten wird. Das Dichtteil 941 wird bei dem Herstellungsverfahren des Gassensors 1 aus komprimiertem Talkum hergestellt. Wenn eine Volumenänderung des Dichtteils 941 stattfindet, wird bewirkt, dass die Anordnung des Flansches 939 verändert wird, wodurch sich eine Änderung des Volumens eines Raums, indem der metallische Ring 946 angeordnet ist, ergibt, sodass die Dicke des metallischen Rings 946 zum Kröpfen des Endes 946 des Gehäuses 94 eingestellt werden muss. Die Änderung der Stelle des Flansches 939 bewirkt ebenfalls eine Änderung der gesamten Länge des Gassensors 9. Der Ausgleich dieser Veränderung erfordert die Einstellung der zwischen dem Isolator 95 und der äußeren Abdeckung 932 angeordneten Feder 956. Im Gegensatz dazu weist der Gassensor 1 gemäß dieser Ausführungsform die direkt mit dem Gehäuse 4 verklebte metallische Abdeckung 3 auf. Die Gesamtlänge des Gassensors 1 ist somit gegenüber einer Veränderung des Volumens des Dichtteils 413 aus komprimiertem Talkum unempfindlich, wodurch die Einstellung der Dicke oder der Größe irgendwelcher Teile entfallen kann.
Der metallische Ring 412 des Gassensors 1 ist, wie in den 10(a) und 10(b) gezeigt, aus einer Schleife bestimmter Länge einer runden Stange ausgebildet und weist einen Spalt 418 auf. Der metallische Ring 941 des Gassensors 9 ist, wie in den 11(a) und 11(b) gezeigt, durch Bearbeiten eines verbindungsfreien runden Rundenstreifenteils mit einem ovalen Querschnitt hergestellt. Diese unterschiedliche Form ermöglicht es, die Herstellungskosten des metallischen Rings 412 zu vermindern, wodurch sich die Gesamtkosten des Gassensors 1 vermindern. Die Verwendung des metallischen Rings 412 wird mit der Verbesserung der erreichten luftdichten Abdichtung durch Verschweißen der metallischen Abdeckung 3 mit einem gesamten Umfang des Gehäuses 4 verwirklicht.
Die Schutzabdeckungsanordnung 2 ist, wie man aus 12 sieht, dicht in einer Ringnut 420 gehalten, die im Boden des Gehäuses 4 durch Umbördeln eines ringförmigen Vorsprungs oder eines Kragens 421 nach innen ausgebildet ist. Die Schutzabdeckungsanordnung 2 besteht aus der äußeren und der inneren zylindrischen Abdeckung 21 und 22, deren Enden nach außen umgebogen sind, um die Flansche 219 bzw. 229 auszubilden. Die innere Abdeckung 22 weist ein offenes ausgebuchtetes Ende auf, sodass es in die Ringnut 420 mit einem geeigneten Sitz mit einer Führungswand 422 eingebaut werden kann. Der Einbau der Schutzabdeckungsanordnung 2 an dem Gehäuse 4 wird erreicht, indem man die Flansche 219 und 229 zusammen in die Nuten 420 einsetzt, und den Kragen 421 nach innen umbiegt.
Die metallische Abdeckung 3 ist, wie in 1 und 12 gezeigt, an einem Ende am Gehäuse 4 in dauernder Berührung mit einer ringförmigen Abstufung 48 an einem Flansch 64 befestigt und mit einem Umfangsabschnitt 300 am gesamten Umfang eines oberen Abschnitts des Gehäuses 4 beispielsweise durch Laserschweißen verbunden. Dies verbessert die luftdichte Dichtung zwischen dem Gehäuse 4 und der metallischen Abdeckung 3, verglichen mit einer bekannten Form, wie zum Beispiel der in 9(a) gezeigten, in der die innere Abdeckung an einem Ende in das Gehäuse 94 eingebaut ist.
Die Abstufung 48 wird an einer Oberfläche des Flansches 64 bearbeitet, sodass sie eine flache Oberfläche aufweist, um die Konzentrizität der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses zu erleichtern und die Abschnitte der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses 4, die miteinander verschweißt werden, genau anzuordnen.
13 zeigt einen Querschnitt einer Schweißnaht 34, der Umfangsabschnitte, der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses 4, die mittels Laserschweißens aufgeschmolzen und dann verfestigt wurden. Die Schweißnaht 34 besteht, wie man aus der Zeichnung sieht, aus einem größeren in der metallischen Abdeckung 3 ausgebildeten halbmondförmigen Abschnitt 341 und einem kleineren halbovalen Abschnitt 342, der an der Außenwand des Gehäuses 4 ausgebildet ist. Wenn die maximale Breiten des halbmondförmigen Abschnitts 341 und des halbovalen Abschnitts 342 als A und B bezeichnet werden, die Tiefe des halbovalen Abschnitts 342 als D bezeichnet wird, und die Dicke der metallischen Abdeckung 3 als T bezeichnet wird, sind die Bedingungen B ≥ 0,6A und D T erfüllt. Bei dieser Ausführungsform beträgt A = 1,0 mm, B = 0,6 mm, D = 0,6 mm und T = 0,6 mm. Dies führt zu einer erhöhten Festigkeit der Verbindung der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses 4.
Das Fühlelement 10 besteht aus einem napfförmigen festen Elektrolytkörper, der in einer Kammer 100 ausgebildet ist. In der Kammer 100 ist die Heizung 15 zum Erwärmen des Fühlelements 10 bis zu einer bestimmten Betriebstemperatur angeordnet. Die Kammer 10 bildet eine Bezugsgaskammer 12, die mit den Entlüftungen 58 und 59 in Verbindung steht. Das Fühlelement 10 weist äußere und innere Elektroden 130 und 120 auf, die bei de aus Pt bestehen. Die äußere Elektrode 130 ist an dem dem Gas ausgesetzten Abschnitt 11 angebracht und dient als eine Messelektrode, während die innere Elektrode 120 an einer Innenwand des Fühlelements 10 angeordnet ist, und als eine Referenzelektrode dient. Im Betrieb wird zwischen der äußeren und der inneren Elektrode 130 und 120 eine elektromotorische Kraft als eine Funktion der Konzentration eines Gases in der Gaskammer 13 erzeugt und durch die Drähte 81 und 91 ausgegeben.
Für die Arbeitsweise des Gassensors 1 wird im Einzelnen auf die US-Anmeldung Nr. 09/196,693 vom 20. November 1998, des gleichen Anmelders dieser Anmeldung Bezug genommen, die Bestandteil dieser Beschreibung ist.
Der Signalaufnahmeanschluss 71 ist, wie in den 1 und 14(a) gezeigt, an der Außenwand des Fühlelements 10 in elektrischer Verbindung mit der Außenelektrode 130 befestigt. Der Signalaufnahmeanschluss 72 ist, wie in den 1 und 14(b) gezeigt, in die Kammer 100 des Fühlelements 10 in elektrischer Verbindung mit der Innenelektrode 120 eingesetzt und weist eine zylindrische Halterung 725 auf, die darin die Heizung 15 hält. Die Signalaufnahmeanschlüsse 71 und 72 weisen, wie bereits beschrieben, die Drähte 711 und 721 auf, die elektrisch mit den Drähten 81 und 91 durch die Verbindungen 75 und 76 verbunden sind. Die Signalaufnahmeanschlüsse 72 und 72 bestehen jeweils aus einem Wärme beständigen Federstahl, wie zum Beispiel INCONEL (Marke), dessen Hauptbestandteil Ni ist, um die Lebensdauer zu verbessern.
Die Heizung 15 umfasst, wie in 16 gezeigt, eine rechteckige keramische Stange 150 aus einem Laminat von Substraten, die jeweils aus einer Keramikfolie und einem Wärme erzeugenden Teil bestehen. Metallische Anschlussplatten 153 sind an gegenüberliegenden Flächen der keramischen rechteckigen Stange 150 angeklebt und stehen elektrisch mit den Wärme erzeugenden Teilen durch die Keramiksubstrate in Verbindung. Die metallischen Anschlussplatten 153 weisen daran ausgebildete Leiterstifte 154 auf, die mit den Drähten 171 verbunden sind.
Eine Gummibüchse 45 ist, wie in 15(b) gezeigt, in ein Ende des Abschnitts 31 kleinen Durchmessers der metallischen Abdeckung 3 eingesetzt. Die Gummibüchse 45 nimmt darin die Drähte 81, 91 und 171 auf. Die Abdeckung 39 ist, wie oben beschrieben, in den Abschnitt 31 kleinen Durchmessers der metallischen Abdeckung 3 durch Umbördeln eingebaut. Wenn der Außendurchmesser der Gummibüchse 45 als E bezeichnet wird und der Außendurchmesser des zylindrischen Körpers 51 des Isolators 5 als F bezeichnet wird, gilt die Beziehung E > F. Bei dieser Ausführungsform beträgt E = 10,1 mm und F = 9,8 mm. Diese Konstruktion führt im Wesentlichen zu einer Übereinstimmung des Abstandes d zwischen gegenüberliegenden zwei Öffnungen der vier Öffnungen der Gummibüchse 40, durch die die Drähte 81, 91 und 171 mit dem Abstand D zwischen zwei gegenüberliegenden Öffnungen 511 bis 514 des Isolators 5 verlaufen.
Bei dem üblichen in 15(a) dargestellten Gassensor 9 ist der Außendurchmesser E einer Gummibüchse 945 kleiner als der Außendurchmesser F des Isolators 95.
Insbesondere beträgt E = 6,5 mm und F = 9,8 mm. Diese Konstruktion führt zu einem Unterschied zwischen den Abständen d und D, wodurch ein Biegen der Drähte 981 und 991, die sich von dem Isolator 95 nach innen erstrecken, wenn sie in die Gummibüchse 945 beim Zusammenbau eingesetzt werden, notwendig ist. Es ist nicht ratsam, dass die Drähte 981 und 991 in scharfen Winkeln gebogen werden, sodass eine Vergrößerung des Abstandes L3 zwischen dem Isolator 95 und der Gummibüchse 945 erforderlich ist, wodurch sich insgesamt eine größere Größe des Gassensors 9 ergibt. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Aufbau des Gassensors 1 gemäß 15(b), dass der Abstand L3 zwischen dem Isolator 5 und der Gummibüchse 45 vermindert wird, sodass die Gesamtgröße des Gassensors 1, verglichen mit dem Gassensor 9, stark vermindert werden kann.
Die Heizung 15 kann alternativ aus einem keramischen runden Stab bestehen. Das Fühlelement 10 kann alternativ aus einem laminierten Plattenelement bestehen. Beispielsweise beschreibt die USP-Nr. 5,573,650 vom 12. November 1996 von Fukaya et al. einen Aufbau des Fühlelements 10, wobei diese Beschreibung Bestandteil dieser Beschreibung ist.
17 zeigt ein Verfahren zum Verschweißen der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Zuerst wird die metallische Abdeckung 3 an dem Gehäuse 4 angebracht, um die Anordnung 100 auszubilden. Im Folgenden wird die Anordnung 100 um eine Längsmittellinie 101 gedreht. Nachdem eine bestimmte Umdrehungs geschwindigkeit erreicht ist und konstant gehalten wird, wird eine Schweißpistole 80 aktiviert, um einen Laserstrahl 88 auf den Umfangsabschnitt 300 der metallischen Abdeckung 3 zu senden.
Insbesondere ist die mit der metallischen Abdeckung 3 zu verschweißende Außenwand des Gehäuses 4 so bearbeitet, dass ihr Durchmesser um 0,1 mm größer als der Innendurchmesser der metallischen Abdeckung 3 ist. Die Anordnung 300 wird durch Pressen des Gehäuses 4 in die metallische Abdeckung 3 ausgebildet.
Der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser der äußeren Wand des Gehäuses 4, die mit der metallischen Abdeckung 3 verschweißt wird, und dem Innendurchmesser der metallischen Abdeckung 3 (d.h., dem Innendurchmesser der metallischen Abdeckung 3 minus dem Außendurchmesser des Gehäuses 4) kann in einem Bereich von –0,15 mm bis 0,1 mm liegen, und liegt vorzugsweise in einem Bereich von –0,10 mm bis 0,05 mm, um einen leichten Zusammenbau zu erreichen und eine hermetische Abdichtung zwischen der metallischen Abdeckung 3 und dem Gehäuse 4 zu erreichen.
Im Folgenden wird eine Schweißeinspannvorrichtung 85 vorgesehen, die aus einer Tragplatte 851 und einer Drehplatte 852 besteht. Die metallische Abdeckung 3 der Anordnung 100 ist drehbar in der Tragplatte 851 eingebaut, wobei das Gehäuse 4 in der Drehplatte 852 so befestigt ist, dass die metallische Abdeckung 3 nach unten gerichtet ist, während das Gehäuse 4 nach oben gerichtet ist.
Die Drehplatte 852 wird, zum Beispiel unter Verwendung eines Elektromotors (nicht dargestellt), gedreht, um die Anordnung 100 zu drehen. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Anordnung 1500 mm/min. erreicht, wird sie konstant gehalten. Die Schweißpistole 80 wird eingeschaltet, um den Laserstrahl 88 auszusenden, um die metallische Abdeckung 3 und das Gehäuse 4 miteinander zu verbinden.
Der Laserstrahl 88 kann entweder kontinuierlich oder absatzweise ausgesendet werden. Die Umfangsgeschwindigkeit der Anordnung 100 kann auf einen anderen Wert innerhalb eines Bereichs eingestellt werden, wenn nicht die Schweißfestigkeit die Schweißbedingung der metallischen Abdeckung 3 und des Gehäuses 4 beeinträchtigt werden.
18(a) und 18(b) zeigen eine Abänderung des elastischen Teils 6.
Das elastische Teil 6 unterscheidet sich von dem in 4(a) und 4(b) gezeigten Beispiel nur darin, dass die Verriegelungsvorsprünge 62 und die Führungsvorsprünge 67 insgesamt mit der Ringplatte 61 fluchten. D.h., das elastische Teil 6 weist symmetrisch zueinander gegenüberliegende Flächen auf.
19(a) und 19(b) zeigen eine zweite Abänderung des elastischen Teils 6.
Das elastische Teil 6 weist Verriegelungsvorsprünge 62 auf, die abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen umgebogen sind. Bei dieser Abänderung liegen die ge genüberliegenden Flächen des elastischen Teils 6, wie bei der ersten Abänderung, symmetrisch zueinander, wodurch ein Arbeiter das elastische Teil 6 auf der Aufspannvorrichtung 69 gemäß 6 zum Einbau des Isolators in die metallische Abdeckung 3 anordnen kann, ohne dass er auf die Ausrichtung des elastischen Teils 6 aufpassen muss.
20(a) und 20(b) zeigen die dritte Abänderung des elastischen Teils 6, das sich von dem in 4(a) und 4(b) darin unterscheidet, dass die Verriegelungsvorsprünge 62 alle in der gleichen Richtung um einen Winkel von 45° oder mehr zur Oberfläche der Ringplatte 61 umgebogen sind.
21(a) und 21(b) zeigen die vierte Abänderung des elastischen Teils 6, das sich von dem in den 4(a) und 4(b) nur darin unterscheidet, dass die zwei Vorsprünge 618 an entgegengesetzten gegenüberliegenden Führungsvorsprüngen 67 als Zeichen für einen Arbeiter zur Bestimmung ausgebildet sind, welche Oberfläche des elastischen Teils 6 zur Innenseite der metallischen Abdeckung 3 ausgerichtet sein soll, wenn der Isolator 5 in die metallische Abdeckung 3 eingebaut wird.
Die Vorsprünge 618 erstrecken sich in der gleichen Richtung, in der die Verriegelungsvorsprünge 62 umgebogen sind, sodass sie nicht mit dem Isolator 5 beim Einbau in die metallische Abdeckung 2 zusammenstoßen. Die Anzahl der Vorsprünge 618 ist nicht auf zwei (2) begrenzt, es kann mindestens ein Vorsprung 618 an dem elastischen Teil 6 vorgesehen sein. Bei jeder der dritten und vierten Abänderungen ist es für den Arbeiter leicht, visuell eine der gegenüberliegenden Oberflächen des elastischen Teils 6 festzustellen, das zur Innenseite der metallischen Abdeckung 3 beim Einbau des Isolators 5 ausgerichtet sein muss. Soweit ist es ebenfalls empfehlenswert, dass jede der gegenüberliegenden Oberflächen des elastischen Teils 6 gefärbt ist, oder die gegenüberliegenden Oberflächen in unterschiedlichen Farben gefärbt sind.
Es wird ein verbesserter Aufbau eines Gassensors geschaffen. Der Gassensor umfasst ein hohles Gehäuse, in dem ein Gasfühlelement angeordnet ist, wobei eine Schutzabdeckung an einem Ende des Gehäuses angeordnet ist, eine metallische Abdeckung an dem anderen Ende des Gehäuses eingebaut ist, und ein Isolator vorgesehen ist, in dem Endabschnitte von mit dem Gasfühlelement verbundenen Drähte angeordnet sind. Der Isolator ist an seinem Flansch elastisch in dem Gehäuse unter Verwendung einer Unterlegscheibe gehalten. Die Schutzabdeckung ist an einem Ende mit dem gesamten Umfang des Endes des Gehäuses verschweißt.

Claims

Gassensensor (1), umfassend ein Gasfühlelement (10) mit einem einem Gas ausgesetzten Abschnitt (11); ein hohles Gehäuse (4) mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das Gasfühlelement (10) in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass der dem Gas ausgesetzte Abschnitt (11) außerhalb des Gehäuses (4) einem zu messenden Gas ausgesetzt angeordnet ist; eine an dem ersten Ende des Gehäuses (4) angeordnete Schutzabdeckung (2) zur Abdeckung des dem Gas ausgesetzten Abschnitts (11) des Gasfühlelements (10); Leitungen (81, 91) zur Verbindung des Gasfühlelements (10), die sich von dem zweiten Ende des Gehäuses (4) zur elektrischen Verbindung mit einer äußeren Vorrichtung erstrecken; einen Isolator (5), in dem die mit dem Gasfühlelement (10) verbundenen Leitungen (81, 91) angeordnet sind; und eine mit dem Gehäuse (4) verbundene metallische Abdeckung (3) zur Aufnahme des Isolators (5), wobei das hohle Gehäuse (4) eine Innenkammer (40) und ein offenes Ende (41) aufweist, das so gefalzt ist, dass es elastisch gegen einen Metallring (412), ein Dichtteil (413) und ein Isolierteil (411) in der In nenkammer (40) drückt, um das Gasfühlelement (10) in der Innenkammer (40) zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Abdeckung (3) einen an einer Außenwand des Gehäuses (4) angeordneten Endabschnitt aufweist, von dem ein Umfangsabschnitt mit dem gesamten Umfang der Außenwand des Gehäuses so verschweißt ist, dass das gefalzte offene Ende (41) des Gehäuses (4) im Inneren der metallischen Abdeckung (3) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) an der Innenkammer (40) einen Absatz (48) aufweist, und wobei das Gasfühlelement (10) einen Vorsprung aufweist, der elastisch durch den Metallring (412), das Dichtteil (413) und das Isolierteil (411) durch Umfalzen des offenen Endes (41) des Gehäuses (4) in konstantem Eingriff mit dem Absatz des Gehäuses (4) steht.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Metallring (412) aus einer bestimmten Länge einer runden Stange, die eine Schlaufe bildet, ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Gas fühlelement (10) aus einem napfförmigen Element mit einer darin ausgebildeten Kammer (100) besteht, und eine Außenelektrode (130) aus Platin an dem Gas ausgesetzten Abschnitt (11) und eine Innenelektrode (120) aus Platin an seiner Innenwand aufweist und weiter eine in der Kammer (100) des Gasfühlelements (10) angeordnete Heizvorrichtung umfasst.
Gassensor (1) nach Anspruch 4, weiter umfassend einen Außenanschluss (71) aus Federstahl, der elektrisch mit der Außenelektrode (130) des Gasfühlelements (10) verbunden ist, und einen Innenanschluss (72) aus Federstahl, der elektrisch mit der Innenelektrode (120) verbunden ist, wobei der Außenanschluss (71) einen leitenden Vorsprung (711) aufweist, der mit dem Endabschnitt der einen Leitung (81; 91) in dem Isolator (5) verbunden ist, der Innenanschluss (72) einen leitenden Vorsprung (721) aufweist, der mit dem Endabschnitt der anderen Leitung (91; 81) in dem Isolator (5) verbunden ist, und einen Halteabschnitt (725) für die Heizvorrichtung (15), die die Heizvorrichtung (15) in der Kammer (100) des Gasfühlelements (10) hält.
Gassensor (1) nach Anspruch 4, wobei die Heizvorrichtung (15) als Heizplatte ausgebildet ist, die einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist und die durch Laminieren eines Substrats mit einer Keramikfolie und einem Wärme erzeugenden Teil ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) eine in dem ersten Ende ausgebildete Ringnut (420) und einen Ringkragen (421), der sich vom ersten Ende rings um den Außenumfang der Ringnut (420) erstreckt, aufweist, und wobei die Schutzabdeckung (2) aus einer Anordnung eines äußeren zylindrischen Teils (21) und eines inneren zylindrischen Teils (22) ausgebildet ist, das äußere und innere zylindrische Teil Flansche (219, 229) aufweist, die in die Ringnut (24) des Gehäuses (4) eingesetzt sind, der Ringkragen (421) des Gehäuses (4) nach Innen umgefalzt ist, um die Flansche (219, 229) des äußeren und inneren zylindrischen Teils in der Ringnut (420) zusammenzudrücken, um die metallische Abdeckung (3) mit dem Gehäuse (4) zu verbinden.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, weiter umfassend ein elastisches Isolierteil (6), das an einem von dem Gehäuse (4) entfernten Ende angeordnet ist, um die Leitungen (81, 91) darin zu halten, wobei, wenn ein Außendurchmesser des elastischen Isolierteils (6) als E bezeichnet wird, und ein Außendurchmesser des Isolators (5) als F bezeichnet wird, die Beziehung E >/= F gilt.