WO2008009533A2 - Gas sensor with sensor element and sealing member - Google Patents
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- WO2008009533A2 WO2008009533A2 PCT/EP2007/056121 EP2007056121W WO2008009533A2 WO 2008009533 A2 WO2008009533 A2 WO 2008009533A2 EP 2007056121 W EP2007056121 W EP 2007056121W WO 2008009533 A2 WO2008009533 A2 WO 2008009533A2
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Definitions
- the invention is based on a gas sensor for determining a physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature of the measurement gas, according to the preamble of claim 1.
- a known gas sensor of this type (DE 195 32 090 Al) has a provided with a mounting thread and a mounting sleeve, metallic housing and a rod-shaped, planar sensor element which is fixed in the housing and protrudes axially with two end portions on mutually remote housing sides of the housing , Gas-sensitive electrodes are arranged in the so-called measuring-gas-side end section of the sensor element, and contact surfaces are arranged on the so-called connection-side end section of the sensor element and are connected to the electrodes via conductor tracks. The contact surfaces are connected via contact holders or contact plug made of ceramic with guided to the sensor element leads.
- the measuring gas side end portion is covered by a multi-walled protective tube having gas passage holes through which the sample gas reaches the gas-sensitive electrodes.
- a sealing element enclosing the sensor element is provided, which is arranged between two ceramic moldings and axially compressed by axially pressing the ceramic moldings so that it presses on the one hand to the sensor element and on the other hand to an inner wall portion of the housing radially.
- the axial pressing force is maintained by means of a metal cap which is caulked with its cap edge on the metal housing. The cap bottom presses the one ceramic part against the sealing member, while the other ceramic part rests against an annular shoulder formed in the housing, which constitutes an abutment.
- the sealing member is in three parts and consists of two steatite discs and a boron nitride disc arranged in between, which are individually inserted into the housing during assembly of the gas sensor.
- Contact plugs or contact holders which come into use on the end face on the measuring gas side and force-fit, for example, the connecting conductors onto the contact surfaces on the sensor element are known in different configurations, for example from DE 101 32 827 A1, DE 101 32 828 A1 or DE 101 32 823 C1. Structure and operation of a sensor element for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine is described for example in DE 199 41 051 Al.
- Such a gas sensor used as an exhaust gas sensor or lambda probe is inserted into an exhaust pipe of an internal combustion engine and protrudes into the exhaust gas flow guided in the exhaust pipe with the measuring gas side end portion of the sensor element surrounded by a protective tube.
- the exhaust pipe is provided with an opening in which a male thread bearing, hollow cylindrical connector is welded.
- the gas sensor with its housing, which is provided with a sealing flange, inserted into the connector so that the bottom of the sealing flange rests on the annular end face of the connector.
- a guided over the housing union nut is screwed with an internal thread in the external thread of the connector and presses the annular flange on the end face of the connector, so that a sealing seat of the housing is made in the connector (DE 197 39 435 Al).
- the gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that only a few parts must be assembled during assembly of the gas sensor, whereby the assembly time is significantly shortened and the assembly cost is significantly reduced.
- the assembly comprises the obstruction of the mounting element consisting of sensor element and sealing element in a sensor housing or directly in a connection piece on a sample gas tube carrying the measurement gas and establishing the axial seal between the sealing element and sensor housing or connection piece.
- the sealing element is provided with two spaced, circumferential flanks, of which a first flank is formed on the messgas stoolen front side of the sealing element.
- the first edge is close to a formed on the housing, circumferential first shoulder.
- the second flank of the sealing element is overlapped gas-tight by a likewise circumferential second shoulder of the housing and thus clamped the sealing member axially against the other housing shoulder.
- This second shoulder is made by locally heating the housing in the region of the second flank and swaging the heated area.
- the process of local heating and compression of the housing, which is also used in the manufacture of ignition candles is extremely inexpensive.
- the gas-tight assembly module of sealing member and sensor element is produced in a pre-assembly stage.
- a radial flange is integrally formed according to an advantageous embodiment of the invention on the sealing member on the one hand rests on an annular shoulder of a introduced into the sample gas tube, hollow cylindrical connector and on the other hand is covered with a metallic sealing ring on which a directed to the annular shoulder axial force acts, which is produced by means of a hollow screw.
- the sealing member is a sintered ceramic body on the sensor element, which is preferably produced by injection molding.
- the ceramic body is prefabricated as a green compact with an axially continuous, preferably central longitudinal channel whose channel cross-section is dimensioned larger by a material shrinkage which occurs during sintering than the cross-section of the sensor element. The sintering process is then carried out with inserted into the longitudinal channel sensor element.
- the ceramic body has a
- Inner ceramic component surrounding sensor element which is easily flowing and soft
- an outer ceramic component enclosing the inner ceramic component, which has high strength and thermal shock resistance.
- This has the advantage that the inner ceramic component snugly and seamlessly adhere to the sensor element during sintering, so that a gas-tight connection between the ceramic body and the sensor element is formed.
- the ceramic outer body sprayed on the inner ceramic component, the ceramic body has high strength and thermal shock resistance, so that it is sufficiently resistant to stone and water hammer.
- the manufacture of the seal body in a multi-component injection molding process is production-friendly and cost-effective.
- the sealing member extends over the terminal-side end portion of the sensor element and has means for fixing electrical connection lines on the end portion of the sensor element.
- This design of the sealing body eliminates not only a separate contact holder for connecting the connecting lines to the sensor element, but is also a heat conduction or
- the means for fixing the electrical connection lines can be designed in different ways. You can in the sealing member integrated spring elements that the
- the ceramic body forming the sealing member has, in its region covering the connection-side end portion of the sensor element, a third ceramic component which has a high degree of toughness.
- the ceramic component with the high toughness ensures a sufficient elasticity of the ceramic body in the region of the contact surfaces of the sensor element.
- the assembly module for installation in a connection piece on a sample gas tube leading the sample gas is set in a short, metallic mounting sleeve, which has a screw thread for screwing with the connection piece and a tool engagement surface for carrying out the screw assembly.
- the mounting sleeve can be designed as a hollow screw and the tool engagement surface may be formed as a key hexagon or elliptical or wavy key surface. Due to the short metallic mounting sleeve, which encloses preferably designed as a ceramic body with good thermal insulation properties sealing member in a small, practically limited to the installation area in the connector body region, the heat input of the reduced
- the advantages of the temperature reduction in the Kunststoffier Scheme of the sensor element achieved with the gas-tight obstruction of the sensor element in the thermally insulating ceramic body are not nullified by the subsequent obstruction of the gas sensor in the connection piece of the sample gas tube, but remain unrestricted.
- the temperature in the contact region of the sensor element can thus be kept relatively low overall and the cable outlet can be created in a less temperature-resistant, more cost-effective design.
- the surface of the ceramic sealing member adjoining the mounting sleeve is kept as large as possible up to the contacting region, for which purpose the sealing member has a waisted shape in this region.
- the volume of the preferably designed as a ceramic body sealing member can be reduced and the diameter the screw thread on the mounting sleeve thus the usual M 18 to M 14 can be reduced.
- the volume of construction is reduced, and material costs are saved.
- the permanently connected to the ceramic sealing member mounting sleeve of the gas sensor for installation on the sample gas tube so that no additional mounting hardware is required, which are not captive in the uninstalled state and strike during transport and handling on the ceramic seal member and can damage this ,
- the determination of the mounting module is made by pressing the sealing member in the mounting sleeve and then caulking the mounting sleeve, wherein preferably the caulking is carried out at a temperature between 400 0 C to 800 0 C.
- the compression takes place via a on the sealing member at the measuring gas side end portion of the sensor element end portion formed cone and a formed in the interior of the mounting sleeve counter cone, wherein the cone and counter cone are pressed together with their conical surfaces.
- Cone and counter-cone are designed so that due to self-locking a shaking of the compression is prevented by vibrations on the sample gas tube.
- cone and counter-cone are preferably designed such that the cone angles have an acute angle smaller than 15 °.
- FIG. 1 shows a longitudinal section of a gas sensor with sensor housing and a mounting module built therein sensor element and sealing member
- FIG. 2 is a perspective view of the mounting module of the gas sensor in Fig. 1,
- FIG. 3 is a bottom view of the mounting module in the direction of arrow III in Fig. 2, 4 shows a similar view as in FIG. 3 in the green state of the sealing member, FIG.
- FIG. 5 shows a half section of a gas sensor with a mounting module of sensor element and sealing element installed directly in the connection piece of a sample gas tube
- FIG. 6 shows a same illustration of the gas sensor as in FIG. 5 with modified protective tube attachment
- FIG. 7 shows an enlarged view of the detail VII in FIG. 5 with connecting leads mounted by means of a holder
- FIG. 8 shows a detail of an end portion of the mounting module according to another
- FIG. 9 is a plan view of the holder in Fig. 8,
- FIG. 10 is a view similar to FIG. 8 of the mounting module according to two further and eleven embodiments,
- FIG. 13 shows a detail of a half section of the gas sensor in FIG. 12 with a modified connection between the mounting module and the mounting sleeve, FIG.
- FIG. 14 is a half section of the mounting sleeve in Fig. 13 with attached caulking
- Fig. 15 are each a same view as in Fig. 13 with further modifications of the connection and 16 PHg between mounting module and mounting sleeve.
- the gas sensor shown in section in FIG. 1 with a sensor element 11 for determining a physical property of a measuring gas serves, for example, for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine.
- the gas sensor can also be used for determining the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas or for measuring the temperature of the exhaust gas.
- the gas sensor has a rotationally symmetrical metallic housing 10 in which the planar sensor element 11 which is rod-shaped in the exemplary embodiment is guided.
- the sensor element 11 emerges from the housing 10 with a measuring-gas-side end section 111 and a connection-side end section 112 on end faces of the housing 10 facing away from one another.
- the test gas exposable measuring gas end portion 111 carries gas-sensitive in a known manner
- a so-called outer electrode 12 arranged on the surface of the sensor element 11 is indicated schematically in FIGS. 1 and 2.
- the protective tube 13 is provided with Gas thoroughly Stammsöffhungen 14 through which the sample gas or exhaust gas can reach the sensor element 11.
- the protective tube 13 is fixedly connected to the housing 10, wherein in the illustrated embodiment, the protective tube 11 is integral with the housing 10.
- the housing 10 In an exhaust pipe leading the exhaust pipe of an internal combustion engine or an internal combustion engine - the housing 10 is provided with a mounting winch 15 and a mounting hexagon 16.
- a sealing member 17 located in the housing 10 encloses the sensor element 11 in sections and seals it against the housing 10, so that no measuring gas can reach the connection side of the gas sensor from the side of the measuring gas.
- the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 carries in a known manner contact surfaces, which serve for connecting the gas sensor to an evaluation. Of the contact surfaces are in Fig. 1, two contact surfaces 18, 19 indicated schematically. The contact surfaces are connected via conductor tracks, not shown here with the electrodes in the measuring gas side end portion 111.
- the sealing member 17 is gas-tightly connected in a pre-assembly stage with the sensor element 11 to a mounting module 30 (FIG. 2), which is axially inserted into the housing 10 and fixed gas-tight therein.
- the sealing member 17 is a rotationally symmetrical
- Ceramic body 20 which is produced as an injection molded part by injection molding and sintered onto the sensor element 11, so that a solid, gap and gap-free, gas-tight connection between the sensor element 11 and the ceramic body 20 is made.
- the ceramic body 20 encloses the portion of the sensor element 11 which is inserted in the housing 10 and extends with a body portion reduced in diameter over the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 protruding from the housing 10.
- the ceramic body 20 integrated spring elements 21, 22 are formed, which serve for clamping connection leads to the contact surfaces 18, 19 of the sensor element 11.
- the number of formed, integrated spring elements 21, 22 corresponds to the number of existing contact surfaces 18, 19 on the sensor element 11.
- the ceramic body 20 is produced in a multi-component injection molding of two or optionally three ceramic components (FIGS. 2 and 3).
- An inner ceramic component 201 that immediately surrounds the sensor element 11 is soft and light fluently.
- An outer component 202 enclosing the inner ceramic component 201 has high strength and thermal shock resistance.
- An optional third ceramic component 203 (FIG. 2) provided in the region covering the terminal-side end portion 112 of the sensor element 11 has a high toughness.
- the ceramic body 20 produced from these two or three ceramic components in the multi-component injection molding process as green body 23 is provided with a central, axially continuous longitudinal channel 24 (FIG. 4).
- the rectangular in cross-section to the rod-shaped, planar sensor element 11 channel cross-section of the longitudinal channel 24 is dimensioned by a material shrinkage during sintering larger than the cross section of the sensor element 11, so that after insertion of the sensor element 11 in the longitudinal channel 24, a circumferential gap 25 between the sensor element 11th and green body 23 remains, as shown in Fig. 4.
- the inner ceramic component 201 shrinks onto the sensor element 11 and snuggles against the sensor element 11 in a gap-free and gapless manner (FIG. 3) that the mounting module 30 is gas-tight.
- the outer ceramic component 202 gives the ceramic body 20 a sufficiently high resistance to stone and water hammer and the toughness of the third ceramic component 203 ensures a damage-free clamping of the connection conductors on the contact surfaces 18, 19 by the ceramic body 20 formed on the spring elements 21, 22 with sufficiently high pressure ,
- flanks 26, 27 are formed on the ceramic body 20 at an axial distance from each other, which rotate on the ceramic body 20 and may have a flat, a concave or a convex contour (FIGS. 1 and 2).
- the one flank 26 is formed on the end face of the ceramic body 20 which is close to the measuring gas side end portion 111, and the other flank 27 on the transition to the reduced diameter body portion, which surrounds the connection-side end portion 112 of the sensor element 11.
- the flank 26 is in a form-fitting manner on an annular shoulder 28 formed in the housing 10.
- the other flank 27 is overlapped by a circumferential second shoulder 29 of the housing 10 such that on the one hand the flank 26 and the shoulder 28 and on the other hand the flank 27 and the shoulder 29 are pressed gas-tight.
- This axial strain of the ceramic body 20 between the shoulders 28, 29 in the housing 10 is achieved in that after insertion of the mounting module 30 of ceramic body 20 and sensor element 11 in the housing 10 such that the flank 26 is positively supported on the shoulder 28, the Housing 10 in the region of the second edge 27 of the ceramic body 20, ie at the housing end, is locally heated, for example by inductive heating, and the housing 10 is compressed in the heated area.
- the self-gas-tight mounting module 30 is also gas-tight in the housing 10 in a simple assembly process.
- the gas sensor shown in half section in FIG. 5 a housing is dispensed with and the assembly module 30 consisting of the sensor element 11 and the sealing member 17 'sintered as ceramic body 20 is installed directly in a measuring gas tube 31 carrying the measuring gas.
- the elimination of the metallic housing not only means a manufacturing advantage, but also reduces the heat absorption of the sample gas tube 31.
- the sample gas pipe 31 has a measuring opening 32 which is enclosed by a hollow cylindrical connecting piece 33.
- the connecting piece 33 is designed in one piece with the sample gas pipe 31.
- the connecting piece 33 can also be used as a separate component in the measuring opening 32 and welded to the pipe wall of the sample gas pipe 31.
- the mounting module 30 is inserted into the connecting piece 33 such that the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 projects into the interior of the sample gas pipe 31.
- the partially received in the connector 33 sealing member 17 ' is sealed against the inner wall of the connecting piece 33.
- a radial flange 34 is integrally formed on the sealing member 17 'and ceramic body 20 having a the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 facing radial edge 341, which is perpendicular to the sealing member axis, and facing away from it, the measuring gas side end portion 111 facing oblique edge 342 , which is cone-shaped.
- the connecting piece 33 has a peripheral annular shoulder 35 upstream of the measuring opening 32, which is adapted to the inclined flank 342 of the radial flange 34 and thus has a funnel-shaped form.
- the seal member 17 ' is located on the inclined shoulder 342 of the radial flange 34 on the annular shoulder 35 and protrudes with a protruding into the interior of the sample gas pipe 31 inside.
- a metallic sealing ring 36 is placed on the radial edge 34.
- a sealing member 17 'surrounding hollow screw 37 which is bolted to an external thread 38 in a formed on the connector 33 female thread 39, presses with its annular end face the sealing ring 36 on the radial edge 341 on the radial flange 34 and presses the radial flange 34 with the
- a central recess 42 is introduced into the sealing element 17 'from its end remote from the measurement gas, releasing the contact surfaces 18, 19 and thus forming them is that after insertion of the connecting conductor into the recess 42, the connecting conductors are pressed in the base of the recess 42 on the contact surfaces 18, 19.
- the contact surface 19 is located on the thereof
- a locking receptacle for a connecting leads holding holder is provided, which is designed in the embodiment of FIGS. 5 and 6 as a circumferential locking groove 43. Holder and connecting lines are illustrated in the detail VII in FIG. 5 enlarged in FIG. 7 and are described in detail below.
- the gas sensor shown in half section in Fig. 6 is substantially the same structure as the gas sensor described in Fig. 5, so that the same components are provided with the same reference numerals.
- the gas sensor in FIG. 6 differs only in the connection of the protective tube 41 to the sealing member 17 '.
- the protective tube 41 is not crimped as in Fig. 5 to the sealing member 17 ', but tightened by the axial contact pressure of the union nut 37 between the oblique shoulder 342 on the radial flange 34 of the sealing member 17' and formed on the connector 33 annular shoulder 35.
- connection lines 44 fixed to the contact surfaces 18, 19 at the connection-side end section 112.
- the leads 44 are spaced from a holder 46 made of a temperature resistant thermoplastic or thermoset, spaced from its line end, e.g. by injecting the holder 46 to the connecting line 44, taken.
- the cable ends are formed to contact eyelets 45.
- the holder 46 is formed so that it engages over the front side of the sealing member 17 'on its outer circumference and in the latching groove 43 there existing can be clipped.
- the contact lugs 45 are inserted so far on the connecting lines 44 in the recess 43 that they are between the contact surfaces 18, 19 and the sealing member 17 'are clamped.
- the sealing member 17 ' projects beyond the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 and has a locking receptacle 47 for a holder 47 in the Kochsteh Kunststoff the still existing recess 42 arranged upstream locking groove 48 for clipping of the holder 47.
- the holder 47 which can be seen in plan view in FIG. 9, in turn grips the connection conductors 44 at a distance from their line end, and the line ends are in turn formed into contact loops 45.
- the holder 47 has two diametrically arranged spring elements 49 which engage in the latching groove 48 on the sealing member 17 '.
- the sealing member 17 ' which in turn is provided with a recess 42, protrudes beyond the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 and has a recess 42 for locking a conical holder 50 adjoining, to the end of the sealing member 17 'toward widening funnel 51, which has an adapted to the cone of the holder 50 funnel opening.
- the holder 50 is in turn molded onto the connection lines 44 at a distance from the conductor ends, and the conductor ends of the connection lines 44 are in turn formed as contact eyelets 45.
- the sealing member 17 'designed as a ceramic body 20 is configured identically as in FIG. 8, with the difference that the contact surfaces 18, 19 release on the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 Recess 42 'has a larger clear diameter.
- the locking receptacle for a holder 52 is arranged on the inner wall of the protruding region of the sealing member 17 'in turn as a recess 42' upstream locking groove 48.
- the molded onto the connecting lines 44 holder 52 has axial projecting webs 521, from each of which a spring element 53 protrudes from electrically conductive material and is directed radially inwardly towards the end portion 112 of the sensor element 11.
- the spring elements 53 are injected into the holder 52 and each contacted with one of the overmolded connecting lines 44.
- the holder 52 like the holder 47 in FIGS. 8 and 9, has two spring webs 54 which lock the holder 52 snapped into the annular groove 48 and inserted into the recess 42 'with the webs 521 against axial withdrawal from the sealing member 17'.
- the spring elements 53 connected to the line ends of the connection lines 44 are not injected into the holder 52 but are inserted into the holder composed of two half-shells and clamped between the half-shells.
- the gas sensor shown as a further exemplary embodiment in FIG. 12 in turn has the mounting module 30, which in a pre-assembly stage consists of the connection of sensor element 11 and
- the sealing member 17 is in turn a rotationally symmetrical ceramic body 20, which is produced as an injection molded part by injection molding and sintered onto the sensor element 11, so that a solid, gap and gap-free, gas-tight connection between the sensor element 11 and the ceramic body 20 exists.
- the ceramic body 20 in turn extends over the entire sensor element 11 with the exception of the measuring gas ausique, measuring gas side end portion 111.
- the ceramic body 20 is in turn made in a multi-component injection molding of the two ceramic components 201 and 202, wherein the inner, immediately the sensor element 11th surrounding ceramic component 201 ensures sufficient electrical insulation and the outer ceramic component 202 enclosing the inner ceramic component 201 offers high mechanical strength for protection against assembly forces, stone chipping and thermal shock.
- the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 facing the end portion of the ceramic body 20 is designed as a cone 55 which tapers towards the end of the ceramic body 20 and at the tapered cone end via radially extending shoulders 56, for example, a circumferential radial shoulder 56, to the outer diameter of the Ceramic body 20 drops.
- the cone 55 is designed so that its cone angle is an acute angle less than 15 °.
- each recess 42 is again provided in the end section of the ceramic body 20 facing away from the cone 55, which recesses are introduced from the free front end of the ceramic body 20.
- locking grooves 48 are provided in the contact surface 18 and 19 opposite wall of the ceramic body 20.
- a contact spring 57 is inserted in each recess 42.
- Each contact spring 57 is designed to be U-shaped at the end and engages with its free spring leg in the latching groove 48, so that the contact spring 57 is secured against removal. Due to the spring tension between the two U-legs, the other spring leg presses against the contact surface 18 or 19.
- each contact spring 57 is electrically and mechanically firmly connected to a connecting line 44.
- the junction of the contact spring 57 and connecting cable 44 are located in a contact spring holder 58 made of temperature-resistant plastic, which is placed on the front side of the ceramic body 20 and held by means of a crimped on the ceramic body 20 cuff 59.
- the intermediate region between the cone 55 and the end portion of the ceramic body 20 covering the contacting region of the sensor element 11 is designed to be waisted in order to enlarge the body surface.
- a rib structure or a simple rectangular geometry can be provided.
- the mounting module 30 is fixed in a short, metallic mounting sleeve 60.
- the mounting sleeve 60 has a screw thread 61 and a horrangriff Structure 62.
- the latter can be designed, for example, as a key hexagon, as shown in FIGS. 12 to 16, or as an elliptical or wavy key surface.
- the fixing of the mounting module 30 is effected by pressing the sealing member 17 "forming ceramic body 20 in the mounting sleeve 60 and then caulking the mounting sleeve 60.
- the mounting sleeve 60 adapted to the cone 55 of the ceramic body 20 counter-cone 63, which has a same cone angle Like the cone 55 on the ceramic body 20, so that when inserting the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 cone 55 and counter cone 63 are flush with each other.
- the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 of the ceramic body 20 is first pressed in the mounting sleeve 60, wherein the Cone 55 is inserted deeper into the counter-cone 63.
- the mounting sleeve 30 is caulked on the ceramic body 20, whereby caulked lugs 64 are formed, which press on the shoulder 56 formed on the ceramic body 20 at the end of the cone 55.
- the caulking preferably takes place at elevated temperatures between 400 0 C and 800 0 C, d amit when heating the gas sensor in the hot sample gas tube, the caulking is not solved.
- a resulting from the different coefficients of thermal expansion of ceramic body 20 and metallic mounting sleeve 60 reduction of Verstemmkraft is not critical, since the actual fixing of the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 via cone 55 and counter-cone 63 takes place.
- the protective tube 41 is fixed, which is formed in the embodiment of FIG. 12 by a double protective tube, consisting of an inner protective tube 411 and an outer protective tube 412, which are arranged concentrically to the sensor element 11 and the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 overlap.
- the double protection tube has in a known manner Gas toughsöffhungen 14, through which the sample gas reaches the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11.
- the caulking of the mounting sleeve 60 after pressing of ceramic body 20 and mounting sleeve 60 via cone 55 and counter-cone 63 is then carried out on the free end face of the ceramic body 20 with splitting off of lugs 64 of an integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66, which then at the front of the Ceramic body 20 abut.
- the mounting sleeve 60 is shown in front of its assembly in the mounting module 30 in half section.
- a caulking tool 65 is sketched in half section, which attaches to the integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66 and from this the caulked nose 64 is separated and folded over to the end face of the ceramic body 20, as shown in Fig. 13.
- gas sensors is dispensed with the formation of a counter-cone 63 in the mounting sleeve 60 and the counter-cone 63 formed on a clamping ring 67 which is inserted between the cone 55 on the ceramic body 20 and the mounting sleeve 60 ,
- the cone 55 is formed so that it tapers towards the measuring gas side end of the ceramic body 20, while in
- the cone 55 is designed so that it widens steadily in diameter to the measuring gas side end of the ceramic body 20 out.
- the caulked lugs 64 are in the embodiment of FIG. 15 on the clamping ring 67 and in the embodiment of FIG. 16 réellestemmt on the free end face of the ceramic body 20.
- the caulked lugs 64 are, as described above, in turn bent from the integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66.
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Abstract
A gas sensor is disclosed for determining a physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gaseous component or the temperature of the measurement gas. The gas sensor comprises a sensor element (11) with an end section (111) on the measurement gas side and an end section (112) on the connection side, and a sealing member (17) that surrounds the sensor element (11) for separating in a measurement gas-tight manner the end section (111) on the measurement gas side from the end section (112) on the connection side. In order to save manufacturing costs and shorten the assembly time, the sealing member (17) is joined in a gas-tight manner to the sensor element (11), forming an assembly module (30). The sealing member (17) is preferably a ceramic body (20) produced by a die-casting method, and the assembly module (30) is formed by sintering the ceramic body (20) on the sensor element (11).
Description
Beschreibung description
Titel GassensorTitle gas sensor
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a gas sensor for determining a physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature of the measurement gas, according to the preamble of claim 1.
Ein bekannter Gassensor dieser Art (DE 195 32 090 Al) weist ein mit einem Montagegewinde und einem Montagesechskant versehenes, metallisches Gehäuse und ein stabförmiges, planares Sensorelement auf, das im Gehäuse festgelegt ist und mit zwei Endabschnitten an voneinander abgekehrten Gehäuseseiten axial aus dem Gehäuse herausragt. Im sog. messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements sind gassensitive Elektroden und auf dem sog. anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements sind Kontaktflächen angeordnet, die über Leiterbahnen mit den Elektroden verbunden sind. Die Kontaktflächen werden über Kontakthalter oder Kontaktstecker aus Keramik mit zu dem Sensorelement geführten Anschlussleitungen verbunden. Der messgasseitige Endabschnitt ist von einem mehrwandigen Schutzrohr überdeckt, das Gasdurchtrittslöcher aufweist, über die das Messgas an die gassensitiven Elektroden gelangt.A known gas sensor of this type (DE 195 32 090 Al) has a provided with a mounting thread and a mounting sleeve, metallic housing and a rod-shaped, planar sensor element which is fixed in the housing and protrudes axially with two end portions on mutually remote housing sides of the housing , Gas-sensitive electrodes are arranged in the so-called measuring-gas-side end section of the sensor element, and contact surfaces are arranged on the so-called connection-side end section of the sensor element and are connected to the electrodes via conductor tracks. The contact surfaces are connected via contact holders or contact plug made of ceramic with guided to the sensor element leads. The measuring gas side end portion is covered by a multi-walled protective tube having gas passage holes through which the sample gas reaches the gas-sensitive electrodes.
Zur gasdichten Durchführung des Sensorelements durch das Gehäuse ist ein das Sensorelement umschließendes Dichtungsglied vorgesehen, das zwischen zwei Keramikformteilen angeordnet und durch axiales Verpressen der Keramikformteile axial so zusammengedrückt wird, dass es sich einerseits an das Sensorelement und andererseits an einen Innenwandabschnitt des Gehäuses radial anpresst. Die axiale Verpresskraft wird mittels einer Metallkappe aufrechterhalten, die mit ihrem Kappenrand am Metallgehäuse verstemmt ist. Der Kappenboden presst das eine Keramikteil gegen das Dichtungsglied, während das andere Keramikteil an einer im Gehäuse ausgebildeten Ringschulter anliegt, die ein Widerlager darstellt. Das Dichtungsglied ist dreiteilig und besteht aus zwei Steatitscheiben und einer dazwischen angeordneten Bornitridscheibe, die bei der Montage des Gassensors einzeln in das Gehäuse eingelegt werden.
An dem messgasseitigen Endabschnitt zum Einsatz kommende Kontaktstecker oder Kontakthalter, die beispielsweise die Anschlussleiter kraftschlüssig auf die Kontaktflächen am Sensorelement aufpressen, sind in unterschiedlichen Konfigurationen z.B. aus der DE 101 32 827 Al, DE 101 32 828 Al oder aus DE 101 32 823 Cl bekannt. Aufbau und Wirkungsweise eines Sensorelements zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise in der DE 199 41 051 Al beschrieben.For gas-tight passage of the sensor element through the housing, a sealing element enclosing the sensor element is provided, which is arranged between two ceramic moldings and axially compressed by axially pressing the ceramic moldings so that it presses on the one hand to the sensor element and on the other hand to an inner wall portion of the housing radially. The axial pressing force is maintained by means of a metal cap which is caulked with its cap edge on the metal housing. The cap bottom presses the one ceramic part against the sealing member, while the other ceramic part rests against an annular shoulder formed in the housing, which constitutes an abutment. The sealing member is in three parts and consists of two steatite discs and a boron nitride disc arranged in between, which are individually inserted into the housing during assembly of the gas sensor. Contact plugs or contact holders which come into use on the end face on the measuring gas side and force-fit, for example, the connecting conductors onto the contact surfaces on the sensor element are known in different configurations, for example from DE 101 32 827 A1, DE 101 32 828 A1 or DE 101 32 823 C1. Structure and operation of a sensor element for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine is described for example in DE 199 41 051 Al.
Ein solcher als Abgassensor oder Lambdasonde verwendeter Gassensor ist in ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine eingesetzt und ragt mit dem von einem Schutzrohr umgebenen messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements in den im Abgasrohr geführten Abgasstrom hinein. Zum Verbauen des Abgassensors am Abgasrohr ist das Abgasrohr mit einer Öffnung versehen, in der ein ein Außengewinde tragendes, hohlzylindrisches Anschlussstück eingeschweißt ist. Der Gassensor ist mit seinem Gehäuse, das mit einem Dichtflansch versehen ist, so in das Anschlussstück eingesetzt, dass die Unterseite des Dichtflansches auf der ringförmigen Stirnseite des Anschlussstücks aufliegt. Eine über das Gehäuse geführte Überwurfmutter ist mit einem Innengewinde in dem Außengewinde des Anschlussstücks verschraubt und presst den Ringflansch auf die Stirnfläche des Anschlussstückes auf, so dass ein Dichtsitz des Gehäuses im Anschlussstück hergestellt ist (DE 197 39 435 Al).Such a gas sensor used as an exhaust gas sensor or lambda probe is inserted into an exhaust pipe of an internal combustion engine and protrudes into the exhaust gas flow guided in the exhaust pipe with the measuring gas side end portion of the sensor element surrounded by a protective tube. To install the exhaust gas sensor on the exhaust pipe, the exhaust pipe is provided with an opening in which a male thread bearing, hollow cylindrical connector is welded. The gas sensor with its housing, which is provided with a sealing flange, inserted into the connector so that the bottom of the sealing flange rests on the annular end face of the connector. A guided over the housing union nut is screwed with an internal thread in the external thread of the connector and presses the annular flange on the end face of the connector, so that a sealing seat of the housing is made in the connector (DE 197 39 435 Al).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei der Montage des Gassensors nur wenige Teile zusammengefügt werden müssen, wodurch die Montagezeit wesentlich verkürzt und der Montageaufwand deutlich verringert wird. Die Montage umfasst die Verbauung des aus Sensorelement und Dichtungsglied bestehenden Montagemoduls in einem Sensorgehäuse oder direkt in einem Anschlussstück an einem das Messgas führenden Messgasrohr und das Herstellen der axialen Abdichtung zwischen Dichtungselement und Sensorgehäuse bzw. Anschlussstück.The gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that only a few parts must be assembled during assembly of the gas sensor, whereby the assembly time is significantly shortened and the assembly cost is significantly reduced. The assembly comprises the obstruction of the mounting element consisting of sensor element and sealing element in a sensor housing or directly in a connection piece on a sample gas tube carrying the measurement gas and establishing the axial seal between the sealing element and sensor housing or connection piece.
Bei Verbauung des Montagemoduls in einem Sensorgehäuse ist gemäß einer vorteilhaften Aus- führungsform der Erfindung das Dichtungselement mit zwei voneinander beabstandeten, umlaufenden Flanken versehen, von denen eine erste Flanke an der messgasseitigen Stirnseite des Dichtungselements ausgebildet ist. Die erste Flanke liegt dicht an einer am Gehäuse ausgebildeten, umlaufenden ersten Schulter an. Die zweite Flanke des Dichtungselements wird von einer ebenfalls umlaufenden zweiten Schulter des Gehäuses gasdicht übergriffen und damit das Dichtungsglied axial gegen die andere Gehäuseschulter verspannt. Diese zweite Schulter wird durch lokales Erhitzen des Gehäuses im Bereich der zweiten Flanke und durch Stauchen des erhitzten Bereichs hergestellt. Das Verfahren der lokalen Erhitzung und Stauchung des Gehäuses, das auch bei der Fertigung von Zünd-
kerzen angewandt wird, ist äußerst kostengünstig. Das gasdichte Montagemodul aus Dichtungsglied und Sensorelement wird in einer Vormontagestufe hergestellt.When obstructing the mounting module in a sensor housing according to an advantageous embodiment of the invention, the sealing element is provided with two spaced, circumferential flanks, of which a first flank is formed on the messgasseitigen front side of the sealing element. The first edge is close to a formed on the housing, circumferential first shoulder. The second flank of the sealing element is overlapped gas-tight by a likewise circumferential second shoulder of the housing and thus clamped the sealing member axially against the other housing shoulder. This second shoulder is made by locally heating the housing in the region of the second flank and swaging the heated area. The process of local heating and compression of the housing, which is also used in the manufacture of ignition candles is extremely inexpensive. The gas-tight assembly module of sealing member and sensor element is produced in a pre-assembly stage.
Zum Verbauen des Montagemoduls unmittelbar am Messgasrohr ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung am Dichtglied ein Radialflansch angeformt, der einerseits auf einer Ringschulter eines in das Messgasrohr eingeführten, hohlzylindrischen Anschlussstücks aufliegt und andererseits mit einem metallischen Dichtungsring belegt ist, auf den eine zur Ringschulter gerichtete Axialkraft wirkt, die mittels einer Hohlschraube erzeugt wird.To install the mounting module directly on the sample gas tube, a radial flange is integrally formed according to an advantageous embodiment of the invention on the sealing member on the one hand rests on an annular shoulder of a introduced into the sample gas tube, hollow cylindrical connector and on the other hand is covered with a metallic sealing ring on which a directed to the annular shoulder axial force acts, which is produced by means of a hollow screw.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.The measures listed in the further claims advantageous refinements and improvements of the claim 1 gas sensor are possible.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtungsglied ein auf das Sensorelement aufgesinterter Keramikkörper, der vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt ist. Dabei ist der Keramikkörper als Grünling mit einem axial durchgängigen, vorzugsweise zentralen Längskanal vorgefertigt, dessen Kanalquerschnitt um eine beim Sintern einsetzende Materialschwin- dung größer bemessen ist als der Querschnitt des Sensorelements. Der Sintervorgang wird dann mit in den Längskanal eingesetztem Sensorelement vorgenommen.According to an advantageous embodiment of the invention, the sealing member is a sintered ceramic body on the sensor element, which is preferably produced by injection molding. In this case, the ceramic body is prefabricated as a green compact with an axially continuous, preferably central longitudinal channel whose channel cross-section is dimensioned larger by a material shrinkage which occurs during sintering than the cross-section of the sensor element. The sintering process is then carried out with inserted into the longitudinal channel sensor element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Keramikkörper eine dasAccording to a preferred embodiment of the invention, the ceramic body has a
Sensorelement umschließende innere Keramikkomponente, die leicht fließend und weich ist, und eine die innere Keramikkomponente umschließende äußere Keramikkomponente auf, die eine hohe Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit besitzt. Dies hat den Vorteil, dass die innere Keramikkomponente sich beim Sintern spalt- und lückenlos an das Sensorelement anschmiegt, sodass eine gasdichte Verbindung zwischen Keramikkörper und Sensorelement entsteht. Durch die auf die innere Keramikkomponente aufgespritzte äußere Keramikkomponente besitzt der Keramikkörper eine hohe Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit, so dass er ausreichend resistent gegen Stein- und Wasserschlag ist. Die Fertigung des Dichtungskörpers in einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren ist fertigungstechnisch problemlos und kostengünstig.Inner ceramic component surrounding sensor element, which is easily flowing and soft, and an outer ceramic component enclosing the inner ceramic component, which has high strength and thermal shock resistance. This has the advantage that the inner ceramic component snugly and seamlessly adhere to the sensor element during sintering, so that a gas-tight connection between the ceramic body and the sensor element is formed. By the ceramic outer body sprayed on the inner ceramic component, the ceramic body has high strength and thermal shock resistance, so that it is sufficiently resistant to stone and water hammer. The manufacture of the seal body in a multi-component injection molding process is production-friendly and cost-effective.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Dichtungsglied über den anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements und weist Mittel zum Festlegen von elektrischen Anschlussleitungen auf dem Endabschnitt des Sensorelements auf. Durch diese Ausbildung des Dichtungskörpers entfällt nicht nur ein separater Kontakthalter zum Anschließen der Anschlussleitungen an das Sensorelement, sondern wird auch eine Wärmeleitung oderAccording to an advantageous embodiment of the invention, the sealing member extends over the terminal-side end portion of the sensor element and has means for fixing electrical connection lines on the end portion of the sensor element. This design of the sealing body eliminates not only a separate contact holder for connecting the connecting lines to the sensor element, but is also a heat conduction or
Wärmestrahlung von dem heißen Gehäuse zu den Anschlusskontakten deutlich reduziert. Dadurch
kann die Baulänge des Gassensors verkürzt werden und/oder wird ein Einsatz des Gassensors in einem höheren Temperaturbereich möglich.Heat radiation from the hot housing to the terminals significantly reduced. Thereby the length of the gas sensor can be shortened and / or a use of the gas sensor in a higher temperature range possible.
Die Mittel zum Festlegen der elektrischen Anschlussleitungen können dabei in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Sie können im Dichtungsglied integrierte Federelemente, die dieThe means for fixing the electrical connection lines can be designed in different ways. You can in the sealing member integrated spring elements that the
Anschlussleitungen auf die im anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements angeordneten elektrischen Kontaktflächen aufpressen, oder die Kontaktflächen freigebende Aussparungen aufweisen, die so geformt sind, dass die in die Aussparungen eingeschobenen Enden der Anschlussleitungen im Grunde der Aussparungen auf die Kontaktflächen aufgepresst sind.Press connection lines on the arranged in the terminal-side end portion of the sensor element electrical contact surfaces, or the contact surfaces releasing recesses, which are shaped so that the inserted into the recesses ends of the connecting lines are basically pressed on the recesses on the contact surfaces.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der das Dichtungsglied bildende Keramikkörper in seinem den anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements überdeckenden Bereich eine dritte Keramikkomponente auf, die eine hohe Zähigkeit besitzt. Die Keramikkomponente mit der hohen Zähigkeit stellt eine ausreichende Elastizität des Keramikkörpers im Bereich der Kontaktflächen des Sensorelements sicher.According to an advantageous embodiment of the invention, the ceramic body forming the sealing member has, in its region covering the connection-side end portion of the sensor element, a third ceramic component which has a high degree of toughness. The ceramic component with the high toughness ensures a sufficient elasticity of the ceramic body in the region of the contact surfaces of the sensor element.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Montagemodul zur Verbauung in einem Anschlussstück an einem das Messgas führende Messgasrohr in einer kurzen, metallischen Montagehülse festgelegt, die ein Schraubgewinde zum Verschrauben mit dem Anschlussstück und eine Werkzeugangriffsfläche zur Durchführung der Schraubmontage aufweist. Die Montagehülse kann dabei als Hohlschraube ausgeführt und die Werkzeugangriffsfläche als Schlüsselsechskant oder als elliptische oder wellenförmige Schlüsselfläche ausgebildet sein. Durch die kurze metallische Montagehülse, die das vorzugsweise als Keramikkörper mit guten Wärmeisolationseigenschaften ausgeführte Dichtungsglied in einem kleinen, praktisch auf den Einbaubereich in das Anschlussstück beschränkten Körperbereich umschließt, reduziert sich die Wärmeeinkopplung von demAccording to an advantageous embodiment of the invention, the assembly module for installation in a connection piece on a sample gas tube leading the sample gas is set in a short, metallic mounting sleeve, which has a screw thread for screwing with the connection piece and a tool engagement surface for carrying out the screw assembly. The mounting sleeve can be designed as a hollow screw and the tool engagement surface may be formed as a key hexagon or elliptical or wavy key surface. Due to the short metallic mounting sleeve, which encloses preferably designed as a ceramic body with good thermal insulation properties sealing member in a small, practically limited to the installation area in the connector body region, the heat input of the reduced
Anschlussstück am heißen Messgasrohr auf den Endbereich des Keramikkörpers, in dem die elektrische Kontaktierung des Sensorelements erfolgt. Damit werden die mit der gasdichten Verbauung des Sensorelements in dem thermisch isolierenden Keramikkörper erzielten Vorteile der Temperaturreduzierung im Kontaktierbereich des Sensorelements nicht durch die anschließende Verbauung des Gassensors im Anschlussstück des Messgasrohrs zunichte gemacht, sondern bleiben uneingeschränkt erhalten. Die Temperatur im Kontaktierbereich des Sensorelements kann somit insgesamt relativ niedrig gehalten und der Kabelabgang in einer weniger temperaturbeständigeren, kostengünstigeren Ausführung erstellt werden. In vorteilhafter Weise wird dabei die an der Montagehülse sich anschließende Oberfläche des keramischen Dichtungsglieds bis hin zum Kontaktierbereich möglichst groß gehalten, wozu das Dichtungsglied in diesem Bereich eine taillierte Form aufweist. Durch die Festlegung der Montagehülse auf dem Montagemodul kann das Volumen des vorzugsweise als Keramikkörper ausgeführten Dichtungsglieds verringert und der Durchmesser
des Schraubgewindes auf der Montagehülse damit vom üblichen M 18 auf M 14 verringert werden. Das Bauvolumen wird verkleinert, und Stoffkosten werden eingespart. Darüber hinaus ist durch die mit dem keramischen Dichtungsglied fest verbundenen Montagehülse der Gassensor für den Einbau am Messgasrohr komplettiert, so dass keine zusätzlichen Montageteile erforderlich sind, die im unverbauten Zustand nicht verliersicher sind und beim Transport und Handling auf das keramische Dichtungsglied aufschlagen und dieses beschädigen können.Connecting piece on the hot sample gas tube to the end region of the ceramic body, in which the electrical contacting of the sensor element takes place. Thus, the advantages of the temperature reduction in the Kontaktierbereich of the sensor element achieved with the gas-tight obstruction of the sensor element in the thermally insulating ceramic body are not nullified by the subsequent obstruction of the gas sensor in the connection piece of the sample gas tube, but remain unrestricted. The temperature in the contact region of the sensor element can thus be kept relatively low overall and the cable outlet can be created in a less temperature-resistant, more cost-effective design. In an advantageous manner, the surface of the ceramic sealing member adjoining the mounting sleeve is kept as large as possible up to the contacting region, for which purpose the sealing member has a waisted shape in this region. By fixing the mounting sleeve on the mounting module, the volume of the preferably designed as a ceramic body sealing member can be reduced and the diameter the screw thread on the mounting sleeve thus the usual M 18 to M 14 can be reduced. The volume of construction is reduced, and material costs are saved. In addition, is completed by the permanently connected to the ceramic sealing member mounting sleeve of the gas sensor for installation on the sample gas tube, so that no additional mounting hardware is required, which are not captive in the uninstalled state and strike during transport and handling on the ceramic seal member and can damage this ,
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Festlegung des Montagemoduls durch Verpressen des Dichtungsglieds in der Montagehülse und anschließendes Verstemmen der Montagehülse vorgenommen, wobei vorzugsweise die Verstemmung bei einer Temperatur zwischen 4000C bis 8000C vorgenommen wird. Durch diese Maßnahmen wird beim Aufheizen des Gassensors im heißen Messgasrohr die Verbindung zwischen der Montagehülse und dem Dichtungsglied nicht gelöst. Eine durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Montagehülse und Dichtungsglied auftretende Verringerung der Verstemmkraft ist unkritisch, da die eigentliche Halte- rang des Dichtungsglieds in der Metallhülse über die Verpressung erfolgt.According to an advantageous embodiment of the invention, the determination of the mounting module is made by pressing the sealing member in the mounting sleeve and then caulking the mounting sleeve, wherein preferably the caulking is carried out at a temperature between 400 0 C to 800 0 C. By these measures, the connection between the mounting sleeve and the sealing member is not solved when heating the gas sensor in the hot gas sample tube. A reduction in the caulking force occurring due to the different coefficients of thermal expansion of the mounting sleeve and the sealing member is not critical, since the actual holding position of the sealing member in the metal sleeve takes place via the compression.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführangsform der Erfindung erfolgt die Verpressung über einen am Dichtungsglied an dessen dem messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements zugekehrten Endabschnitt ausgebildeten Konus und über eine im Innern der Montagehülse ausgebildeten Gegenkonus, wobei Konus und Gegenkonus mit ihren Konusflächen aufeinandergepresst sind. Konus und Gegenkonus sind dabei so ausgeführt, dass aufgrund von Selbsthemmung ein Losschütteln der Verpressung durch Vibrationen am Messgasrohr verhindert wird. Vorzugsweise sind hierzu Konus und Gegenkonus so ausgebildet, dass die Konuswinkel einen spitzen Winkel kleiner als 15° aufweisen.According to an advantageous Ausführangsform of the invention, the compression takes place via a on the sealing member at the measuring gas side end portion of the sensor element end portion formed cone and a formed in the interior of the mounting sleeve counter cone, wherein the cone and counter cone are pressed together with their conical surfaces. Cone and counter-cone are designed so that due to self-locking a shaking of the compression is prevented by vibrations on the sample gas tube. For this purpose, cone and counter-cone are preferably designed such that the cone angles have an acute angle smaller than 15 °.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführangsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail in the following description with reference to a Ausführangsbeispiels shown in the drawings. Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gassensors mit Sensorgehäuse und eines darin verbauten Montagemoduls aus Sensorelement und Dichtungsglied,1 shows a longitudinal section of a gas sensor with sensor housing and a mounting module built therein sensor element and sealing member,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Montagemoduls des Gassensors in Fig. 1 ,2 is a perspective view of the mounting module of the gas sensor in Fig. 1,
Fig. 3 eine Unteransicht des Montagemoduls in Richtung Pfeil III in Fig. 2,
Fig. 4 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 3 im Grünzustand des Dichtungsglieds,3 is a bottom view of the mounting module in the direction of arrow III in Fig. 2, 4 shows a similar view as in FIG. 3 in the green state of the sealing member, FIG.
Fig. 5 einen Halbschnitt eines Gassensors mit einem direkt im Anschlussstück eines Messgasrohrs verbauten Montagemoduls aus Sensorelement und Dichtungsglied,5 shows a half section of a gas sensor with a mounting module of sensor element and sealing element installed directly in the connection piece of a sample gas tube,
Fig. 6 eine gleiche Darstellung des Gassensors wie in Fig. 5 mit modifiziertem Schutzrohranbau,6 shows a same illustration of the gas sensor as in FIG. 5 with modified protective tube attachment, FIG.
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts VII in Fig. 5 mit mittels eines Halters montierten Anschlussleitungen,7 shows an enlarged view of the detail VII in FIG. 5 with connecting leads mounted by means of a holder,
Fig. 8 ausschnittweise einen Endbereich des Montagemoduls gemäß einem weiteren8 shows a detail of an end portion of the mounting module according to another
Ausführungsbeispiel im Halbschnitt mit mittels eines Halters montiertenEmbodiment in half section with mounted by means of a holder
Anschlussleitungen,Connecting cables,
Fig. 9 eine Draufsicht des Halters in Fig. 8,9 is a plan view of the holder in Fig. 8,
Fig. 10 jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 des Montagemoduls gemäß zweier weiterer und 11 Ausführungsbeispiele,10 is a view similar to FIG. 8 of the mounting module according to two further and eleven embodiments,
Fig. 12 einen Längsschnitt eines Gassensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,12 is a longitudinal section of a gas sensor according to another embodiment,
Fig. 13 ausschnittweise einen Halbschnitt des Gassensors in Fig. 12 mit modifizierter Verbindung zwischen Montagemodul und Montagehülse,13 shows a detail of a half section of the gas sensor in FIG. 12 with a modified connection between the mounting module and the mounting sleeve, FIG.
Fig. 14 einen Halbschnitt der Montagehülse in Fig. 13 mit angesetztem Verstemmwerkzeug,14 is a half section of the mounting sleeve in Fig. 13 with attached caulking,
Fig. 15 jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 13 mit weiteren Modifizierungen der Verbin- und 16 düng zwischen Montagemodul und Montagehülse.Fig. 15 are each a same view as in Fig. 13 with further modifications of the connection and 16 düng between mounting module and mounting sleeve.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Gassensor mit einem Sensorelement 11 zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Mit einer anderen konzeptionellen Ausbildung des Sensorelements kann der Gassensor auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der Temperatur des Abgases verwendet werden.
Der Gassensor weist ein rotationssymmetrisches, metallisches Gehäuse 10 auf, in dem das im Ausführungsbeispiel stabförmige, planare Sensorelement 11 hindurchgeführt ist. Das Sensorelement 11 tritt dabei mit einem messgasseitigen Endabschnitt 111 und einem anschlussseitigen Endabschnitt 112 an voneinander abgekehrten Stirnseiten des Gehäuses 10 aus dem Gehäuse 10 heraus. Der dem Messgas aussetzbare messgasseitige Endabschnitt 111 trägt in bekannter Weise gassensitiveThe gas sensor shown in section in FIG. 1 with a sensor element 11 for determining a physical property of a measuring gas serves, for example, for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. With another conceptual design of the sensor element, the gas sensor can also be used for determining the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas or for measuring the temperature of the exhaust gas. The gas sensor has a rotationally symmetrical metallic housing 10 in which the planar sensor element 11 which is rod-shaped in the exemplary embodiment is guided. In this case, the sensor element 11 emerges from the housing 10 with a measuring-gas-side end section 111 and a connection-side end section 112 on end faces of the housing 10 facing away from one another. The test gas exposable measuring gas end portion 111 carries gas-sensitive in a known manner
Elektroden und ist mit einem Schutzrohr 13 abgedeckt. Von den gassensitiven Elektroden ist in Fig. 1 und 2 eine auf der Oberfläche des Sensorelements 11 angeordnete sog. Außenelektrode 12 schematisiert angedeutet. Das Schutzrohr 13 ist mit Gasdurchtrittsöffhungen 14 versehen, durch die hindurch das Messgas oder Abgas an das Sensorelement 11 gelangen kann. Das Schutzrohr 13 ist fest mit dem Gehäuse 10 verbunden, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel das Schutzrohr 11 einstückig mit dem Gehäuse 10 ist. Zum Einbau des Gassensors in ein hier nicht dargestelltes, das Messgas führendes MessgasrohrElectrodes and is covered with a protective tube 13. Of the gas-sensitive electrodes, a so-called outer electrode 12 arranged on the surface of the sensor element 11 is indicated schematically in FIGS. 1 and 2. The protective tube 13 is provided with Gasdurchtrittsöffhungen 14 through which the sample gas or exhaust gas can reach the sensor element 11. The protective tube 13 is fixedly connected to the housing 10, wherein in the illustrated embodiment, the protective tube 11 is integral with the housing 10. For installation of the gas sensor in a not shown here, the sample gas leading sample gas tube
- bzw. in ein das Abgas führendes Abgasrohr einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors - ist das Gehäuse 10 mit einem Montagewinde 15 und mit einem Montagesechskant 16 versehen. Ein im Gehäuse 10 einliegendes Dichtungsglied 17 umschließt das Sensorelement 11 abschnittsweise und dichtet dieses gegen das Gehäuse 10 ab, so dass von der Messgasseite her kein Messgas zu der Anschlussseite des Gassensors gelangen kann. Der anschlussseitige Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 trägt in bekannter Weise Kontaktflächen, die zum Anschließen des Gassensors an eine Auswerteelektronik dienen. Von den Kontaktflächen sind in Fig. 1 zwei Kontaktflächen 18, 19 schematisch angedeutet. Die Kontaktflächen sind über hier nicht dargestellte Leiterbahnen mit den Elektroden im messgasseitigen Endabschnitt 111 verbunden.- In an exhaust pipe leading the exhaust pipe of an internal combustion engine or an internal combustion engine - the housing 10 is provided with a mounting winch 15 and a mounting hexagon 16. A sealing member 17 located in the housing 10 encloses the sensor element 11 in sections and seals it against the housing 10, so that no measuring gas can reach the connection side of the gas sensor from the side of the measuring gas. The connection-side end portion 112 of the sensor element 11 carries in a known manner contact surfaces, which serve for connecting the gas sensor to an evaluation. Of the contact surfaces are in Fig. 1, two contact surfaces 18, 19 indicated schematically. The contact surfaces are connected via conductor tracks, not shown here with the electrodes in the measuring gas side end portion 111.
Für eine vereinfachte Montage ist das Dichtungsglied 17 in einer Vormontagestufe gasdicht mit dem Sensorelement 11 zu einem Montagemodul 30 (Fig. 2) verbunden, das axial in das Gehäuse 10 eingesetzt und darin gasdicht festgelegt ist. Das Dichtungsglied 17 ist ein rotationssymmetrischerFor a simplified assembly, the sealing member 17 is gas-tightly connected in a pre-assembly stage with the sensor element 11 to a mounting module 30 (FIG. 2), which is axially inserted into the housing 10 and fixed gas-tight therein. The sealing member 17 is a rotationally symmetrical
Keramikkörper 20, der als Spritzgussteil im Spritzgussverfahren hergestellt und auf das Sensorelement 11 aufgesintert ist, so dass eine feste, spalt- und lückenfreie, gasdichte Verbindung zwischen dem Sensorelement 11 und dem Keramikkörper 20 besteht. Der Keramikkörper 20 umschließt dabei den im Gehäuse 10 einliegenden Abschnitt des Sensorelements 11 und erstreckt sich mit einem im Durchmesser reduzierten Körperabschnitt über den aus dem Gehäuse 10 vorstehenden messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11. Im Bereich der Kontaktflächen 18, 19 des Sensorelements 11 sind am Keramikkörper 20 integrierte Federelemente 21, 22 angeformt, die zum Aufklemmen von Anschlussleitern auf die Kontaktflächen 18, 19 des Sensorelements 11 dienen. Die Anzahl der ausgebildeten, integrierten Federelemente 21, 22 entspricht der Zahl der vorhandenen Kontaktflächen 18, 19 am Sensorelement 11. Der Keramikkörper 20 ist in einem Mehrkomponenten- Spritzgussverfahren aus zwei bzw. optional drei Keramikkomponenten hergestellt (Fig. 2 und 3). Eine innere Keramikkomponente 201, die unmittelbar das Sensorelement 11 umschließt ist weich und leicht
fließend. Eine die innere Keramikkomponente 201 umschließende äußere Komponente 202 besitzt eine hohe Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Eine optionale dritte Keramikkomponente 203 (Fig. 2), die in dem den anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 überziehenden Bereich vorgesehen ist, hat eine hohe Zähigkeit. Der aus diesen zwei bzw. drei Keramikkomponenten im Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren als Grünling 23 hergestellte Keramikkörper 20 ist mit einem zentralen, axial durchgängigen Längskanal 24 versehen (Fig. 4). Der in Anpassung an das stabförmige, planare Sensorelement 11 rechteckige Kanalquerschnitt des Längskanals 24 ist dabei um einen beim Sintern einsetzenden Materialschwund größer bemessen als der Querschnitt des Sensorelements 11 , so dass nach Einführen des Sensorelements 11 in den Längskanal 24 ein umlaufender Spalt 25 zwischen Sensorelement 11 und Grünling 23 verbleibt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Durch das Sintern, dem das Sensorelement 11 und der auf das Sensorelement 11 aufgeschobene Grünling 23 gemeinsam ausgesetzt wird, schrumpft die innere Keramikkomponente 201 auf das Sensorelement 11 auf und schmiegt sich spalt- und lückenlos an das Sensorelement 11 an (Fig. 3), so dass das Montagemodul 30 gasdicht ist. Die äußere Keramikkomponente 202 verleiht dem Keramikkörper 20 eine ausreichend große Beständigkeit gegen Stein- und Wasserschlag und die Zähigkeit der dritten Keramikkomponente 203 gewährleistet ein schadensfreies Aufklemmen der Anschlussleiter auf die Kontaktflächen 18, 19 durch die am Keramikkörper 20 ausgebildeten Federelemente 21, 22 mit ausreichend hoher Andruckkraft.Ceramic body 20 which is produced as an injection molded part by injection molding and sintered onto the sensor element 11, so that a solid, gap and gap-free, gas-tight connection between the sensor element 11 and the ceramic body 20 is made. In this case, the ceramic body 20 encloses the portion of the sensor element 11 which is inserted in the housing 10 and extends with a body portion reduced in diameter over the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 protruding from the housing 10. In the area of the contact surfaces 18, 19 of the sensor element 11, the ceramic body 20 integrated spring elements 21, 22 are formed, which serve for clamping connection leads to the contact surfaces 18, 19 of the sensor element 11. The number of formed, integrated spring elements 21, 22 corresponds to the number of existing contact surfaces 18, 19 on the sensor element 11. The ceramic body 20 is produced in a multi-component injection molding of two or optionally three ceramic components (FIGS. 2 and 3). An inner ceramic component 201 that immediately surrounds the sensor element 11 is soft and light fluently. An outer component 202 enclosing the inner ceramic component 201 has high strength and thermal shock resistance. An optional third ceramic component 203 (FIG. 2) provided in the region covering the terminal-side end portion 112 of the sensor element 11 has a high toughness. The ceramic body 20 produced from these two or three ceramic components in the multi-component injection molding process as green body 23 is provided with a central, axially continuous longitudinal channel 24 (FIG. 4). The rectangular in cross-section to the rod-shaped, planar sensor element 11 channel cross-section of the longitudinal channel 24 is dimensioned by a material shrinkage during sintering larger than the cross section of the sensor element 11, so that after insertion of the sensor element 11 in the longitudinal channel 24, a circumferential gap 25 between the sensor element 11th and green body 23 remains, as shown in Fig. 4. By sintering, to which the sensor element 11 and the green element 23 pushed onto the sensor element 11 are exposed together, the inner ceramic component 201 shrinks onto the sensor element 11 and snuggles against the sensor element 11 in a gap-free and gapless manner (FIG. 3) that the mounting module 30 is gas-tight. The outer ceramic component 202 gives the ceramic body 20 a sufficiently high resistance to stone and water hammer and the toughness of the third ceramic component 203 ensures a damage-free clamping of the connection conductors on the contact surfaces 18, 19 by the ceramic body 20 formed on the spring elements 21, 22 with sufficiently high pressure ,
Zur Dichtung des Keramikkörpers 20 gegenüber dem Gehäuse 10 sind am Keramikkörper 20 zwei Flanken 26, 27 im Axialabstand voneinander ausgebildet, die am Keramikkörper 20 umlaufen und eine ebene, eine konkave oder eine konvexe Kontur aufweisen können (Fig. 1 und 2). Die eine Flanke 26 ist an dem dem messgasseitigen Endabschnitt 111 naheliegenden Stirnende des Keramikkörpers 20 ausgebildet und die andere Flanke 27 am Übergang zu dem im Durchmesser reduzierten Körperabschnitt, der den anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 umschließt. Die Flanke 26 liegt an einer im Gehäuse 10 ausgeformten, ringförmigen Schulter 28 formschlüssig an. Die andere Flanke 27 ist von einer umlaufenden zweiten Schulter 29 des Gehäuses 10 derart übergriffen, dass einerseits die Flanke 26 und die Schulter 28 und andererseits die Flanke 27 und die Schulter 29 gasdicht aufeinandergepresst sind. Diese axiale Verspannung des Keramikkörpers 20 zwischen den Schultern 28, 29 im Gehäuse 10 wird dadurch erreicht, dass nach Einsetzen des Montagemoduls 30 aus Keramikkörper 20 und Sensorelement 11 in das Gehäuse 10 derart, dass die Flanke 26 sich an der Schulter 28 formschlüssig abstützt, das Gehäuse 10 im Bereich der zweiten Flanke 27 des Keramikkörpers 20, also am Gehäuseende, lokal erhitzt wird, z.B. durch induktive Erwärmung, und das Gehäuse 10 im erhitzten Bereich gestaucht wird. Damit ist das selbst gasdichte Montagemodul 30 in einem einfachen Montagevorgang auch gasdicht im Gehäuse 10 festgelegt.
Bei dem in Fig. 5 im Halbschnitt dargestellten Gassensor ist auf ein Gehäuse verzichtet und das aus dem Sensorelement 11 und dem als Keramikkörper 20 aufgesinterten Dichtungsglied 17' bestehende Montagemodul 30 direkt in einem das Messgas führenden Messgasrohr 31 verbaut. Der Wegfall des metallischen Gehäuses bedeutet nicht nur einen Fertigungsvorteil, sondern reduziert auch die Wärmeaufnahme vom Messgasrohr 31. Zum Einbau des Gassensors weist das Messgasrohr 31 eine Messöffnung 32 auf, die von einem hohlzylindrischen Anschlussstück 33 umschlossen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist das Anschlussstück 33 einstückig mit dem Messgasrohr 31 ausgeführt. Das Anschlussstück 33 kann aber auch als separates Bauteil in die Messöffnung 32 eingesetzt und mit der Rohrwandung des Messgasrohrs 31 verschweißt werden. Das Montagemodul 30 ist in das Anschlussstück 33 so eingesetzt, dass der messgasseitige Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 in das Innere des Messgasrohrs 31 hineinragt. Das teilweise im Anschlussstück 33 aufgenommene Dichtungsglied 17' ist gegen die Innenwand des Anschlussstücks 33 abgedichtet. Hierzu ist an dem Dichtungsglied 17' bzw. Keramikkörper 20 ein Radialflansch 34 angeformt, der eine dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 zugekehrte Radialflanke 341 aufweist, die rechtwinklig zur Dichtungsgliedachse verläuft, und eine davon abgekehrte, zum messgasseitigen Endabschnitt 111 weisende schräge Flanke 342 aufweist, die konusartig ausgebildet ist. Das Anschlussstück 33 weist eine der Messöffnung 32 vorgelagerte, umlaufende Ringschulter 35 auf, die der Schrägflanke 342 des Radialflansches 34 angepasst ist und damit eine trichterförmige Form hat. Bei in das Anschlussstück 33 eingesetztem Montagemodul 30 liegt das Dichtungsglied 17' mit der Schrägflanke 342 des Radialflansches 34 auf der Ringschulter 35 auf und ragt mit einem Vorstehende in das Innere des Messgasrohrs 31 hinein. Auf die Radialflanke 341 ist ein metallischer Dichtungsring 36 aufgelegt. Eine das Dichtungsglied 17' umschließende Hohlschraube 37, die mit einem Außengewinde 38 in einem am Anschlussstück 33 ausgebildeten Innengewinde 39 verschraubt ist, presst mit seiner ringförmigen Stirnfläche den Dichtungsring 36 auf die Radialflanke 341 am Radialflansch 34 auf und presst den Radialflansch 34 mit dessenTo seal the ceramic body 20 relative to the housing 10, two flanks 26, 27 are formed on the ceramic body 20 at an axial distance from each other, which rotate on the ceramic body 20 and may have a flat, a concave or a convex contour (FIGS. 1 and 2). The one flank 26 is formed on the end face of the ceramic body 20 which is close to the measuring gas side end portion 111, and the other flank 27 on the transition to the reduced diameter body portion, which surrounds the connection-side end portion 112 of the sensor element 11. The flank 26 is in a form-fitting manner on an annular shoulder 28 formed in the housing 10. The other flank 27 is overlapped by a circumferential second shoulder 29 of the housing 10 such that on the one hand the flank 26 and the shoulder 28 and on the other hand the flank 27 and the shoulder 29 are pressed gas-tight. This axial strain of the ceramic body 20 between the shoulders 28, 29 in the housing 10 is achieved in that after insertion of the mounting module 30 of ceramic body 20 and sensor element 11 in the housing 10 such that the flank 26 is positively supported on the shoulder 28, the Housing 10 in the region of the second edge 27 of the ceramic body 20, ie at the housing end, is locally heated, for example by inductive heating, and the housing 10 is compressed in the heated area. Thus, the self-gas-tight mounting module 30 is also gas-tight in the housing 10 in a simple assembly process. In the case of the gas sensor shown in half section in FIG. 5, a housing is dispensed with and the assembly module 30 consisting of the sensor element 11 and the sealing member 17 'sintered as ceramic body 20 is installed directly in a measuring gas tube 31 carrying the measuring gas. The elimination of the metallic housing not only means a manufacturing advantage, but also reduces the heat absorption of the sample gas tube 31. To install the gas sensor, the sample gas pipe 31 has a measuring opening 32 which is enclosed by a hollow cylindrical connecting piece 33. In the illustrated embodiment of FIG. 5, the connecting piece 33 is designed in one piece with the sample gas pipe 31. However, the connecting piece 33 can also be used as a separate component in the measuring opening 32 and welded to the pipe wall of the sample gas pipe 31. The mounting module 30 is inserted into the connecting piece 33 such that the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 projects into the interior of the sample gas pipe 31. The partially received in the connector 33 sealing member 17 'is sealed against the inner wall of the connecting piece 33. For this purpose, a radial flange 34 is integrally formed on the sealing member 17 'and ceramic body 20 having a the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 facing radial edge 341, which is perpendicular to the sealing member axis, and facing away from it, the measuring gas side end portion 111 facing oblique edge 342 , which is cone-shaped. The connecting piece 33 has a peripheral annular shoulder 35 upstream of the measuring opening 32, which is adapted to the inclined flank 342 of the radial flange 34 and thus has a funnel-shaped form. When inserted into the connector 33 mounting module 30, the seal member 17 'is located on the inclined shoulder 342 of the radial flange 34 on the annular shoulder 35 and protrudes with a protruding into the interior of the sample gas pipe 31 inside. On the radial edge 341, a metallic sealing ring 36 is placed. A sealing member 17 'surrounding hollow screw 37 which is bolted to an external thread 38 in a formed on the connector 33 female thread 39, presses with its annular end face the sealing ring 36 on the radial edge 341 on the radial flange 34 and presses the radial flange 34 with the
Schrägflanke 342 gegen die Ringschulter 35 am Anschlussstück 33. In seinem in das Messgasrohr 31 hineinragenden Vorstehende trägt das Dichtungsglied 17' eine umlaufende Nut 40. Ein den in das Messgasrohr 31 hineinragenden messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 umschließendes Schutzrohr 41 ist mit seinem Schutzrohrende in die Nut 40 hinein angebördelt.Oblique flank 342 against the annular shoulder 35 on the connecting piece 33. In its protruding into the sample gas tube 31 above the sealing member 17 'carries a circumferential groove 40. A projecting into the sample gas tube 31 measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 enclosing protective tube 41 is with its protective tube end in the Grooved 40 into it.
Zum Aufklemmen der elektrischen Anschlussleiter auf die am anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 angeordneten, elektrischen Kontaktflächen 18, 19 ist in das Dichtungsglied 17' von seiner vom Messgas abgekehrten Stirnseite her eine zentrale Aussparung 42 eingebracht, die die Kontaktflächen 18, 19 freigibt und so ausgebildet ist, dass nach Einschieben der Anschlussleiter in die Aussparung 42 die Anschlussleiter im Grunde der Aussparung 42 auf die Kontaktflächen 18, 19 aufgepresst sind. Von den Kontaktflächen 18, 19 ist in Fig. 5 nur die eine Kontaktfläche 18 auf der einen Großfläche des Sensorelements 11 zu sehen. Die Kontaktfläche 19 befindet sich auf der davon
abgekehrten anderen Großfläche des Sensorelements 11. Außerdem ist noch eine Arretieraufnahme für einen die Anschlussleitungen fassenden Halter vorgesehen, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 als umlaufende Rastnut 43 ausgeführt ist. Halter und Anschlussleitungen sind in dem in Fig. 7 vergrößert dargestellten Ausschnitt VII in Fig. 5 illustriert und nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben.In order to clamp the electrical connection conductors to the electrical contact surfaces 18, 19 arranged at the connection-side end section 112 of the sensor element 11, a central recess 42 is introduced into the sealing element 17 'from its end remote from the measurement gas, releasing the contact surfaces 18, 19 and thus forming them is that after insertion of the connecting conductor into the recess 42, the connecting conductors are pressed in the base of the recess 42 on the contact surfaces 18, 19. Of the contact surfaces 18, 19, only the one contact surface 18 on the one large surface of the sensor element 11 can be seen in FIG. 5. The contact surface 19 is located on the thereof In addition, a locking receptacle for a connecting leads holding holder is provided, which is designed in the embodiment of FIGS. 5 and 6 as a circumferential locking groove 43. Holder and connecting lines are illustrated in the detail VII in FIG. 5 enlarged in FIG. 7 and are described in detail below.
Der in Fig. 6 im Halbschnitt dargestellte Gassensor ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie der zu Fig. 5 beschriebene Gassensor, so dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Gassensor in Fig. 6 unterscheidet sich lediglich in der Anbindung des Schutzrohrs 41 an das Dichtungsglied 17'. Das Schutzrohr 41 ist nicht wie in Fig. 5 an das Dichtungsglied 17' angebördelt, sondern durch die axiale Anpresskraft der Überwurfmutter 37 zwischen der Schrägschulter 342 am Radialflansch 34 des Dichtungsglieds 17' und der am Anschlussstück 33 ausgebildeten Ringschulter 35 festgespannt.The gas sensor shown in half section in Fig. 6 is substantially the same structure as the gas sensor described in Fig. 5, so that the same components are provided with the same reference numerals. The gas sensor in FIG. 6 differs only in the connection of the protective tube 41 to the sealing member 17 '. The protective tube 41 is not crimped as in Fig. 5 to the sealing member 17 ', but tightened by the axial contact pressure of the union nut 37 between the oblique shoulder 342 on the radial flange 34 of the sealing member 17' and formed on the connector 33 annular shoulder 35.
In Fig. 7 ist der Ausschnitt VII in Fig. 5 vergrößert dargestellt und um die an die Kontaktflächen 18, 19 am anschlussseitigen Endabschnitt 112 festgelegten Anschlussleitungen 44 ergänzt. Die Anschlussleitungen 44 sind von einem Halter 46 aus einem temperaturbeständigen Thermoplast oder Duroplast im Abstand von ihrem Leitungsende, z.B. durch Anspritzen des Halters 46 an die Anschlussleitung 44, gefasst. Die Leitungsenden sind zu Kontaktösen 45 geformt. Der Halter 46 ist so ausgebildet, dass er stirnseitig das Dichtungsglied 17' an dessen Außenumfang übergreift und in die dort vorhandene Rastnut 43 einklipsbar ist. Wird der Halter 46 stirnseitig auf das Dichtungsglied 17' aufgesetzt und an das Dichtungsglied 17' soweit angedrückt, dass er mit seinem Außenrand in die Rastnut 43 einschnappt, so sind die Kontaktösen 45 an den Anschlussleitungen 44 in die Aussparung 43 soweit eingeschoben, dass sie zwischen den Kontaktflächen 18, 19 und dem Dichtungsglied 17' eingeklemmt sind.In FIG. 7, the detail VII in FIG. 5 is enlarged and supplemented by the connection lines 44 fixed to the contact surfaces 18, 19 at the connection-side end section 112. The leads 44 are spaced from a holder 46 made of a temperature resistant thermoplastic or thermoset, spaced from its line end, e.g. by injecting the holder 46 to the connecting line 44, taken. The cable ends are formed to contact eyelets 45. The holder 46 is formed so that it engages over the front side of the sealing member 17 'on its outer circumference and in the latching groove 43 there existing can be clipped. If the holder 46 is mounted on the front side of the sealing member 17 'and pressed on the sealing member 17' so far that it snaps with its outer edge in the locking groove 43, the contact lugs 45 are inserted so far on the connecting lines 44 in the recess 43 that they are between the contact surfaces 18, 19 and the sealing member 17 'are clamped.
Bei dem in Fig. 8 im Halbschnitt ausschnittweise dargestellten, modifizierten Montagemodul 30 überragt das Dichtungsglied 17' den anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 und weist als Arretieraufnahme für einen Halter 47 eine im Überstehbereich der nach wie vor vorhandenen Aussparung 42 vorgelagert angeordnete Rastnut 48 zum Einklipsen des Halters 47 auf. Der in Fig. 9 in Draufsicht zu sehende Halter 47 fasst wiederum die Anschlussleiter 44 im Abstand von deren Leitungsende, und die Leitungsenden sind wiederum zu Kontaktösen 45 geformt. Der Halter 47 besitzt zwei diametral angeordnete Federelemente 49 die in die am Dichtungsglied 17' innenliegende Rastnut 48 eingreifen. Ist der Halter 47 in der Rastnut 48 arretiert, so sind die Kontaktösen 45 in der Aussparung 42 zwischen den Kontaktflächen 18, 19 und dem Dichtungslied 17' eingeklemmt, so dass eine gute elektrische Verbindung zwischen Anschlussleitern 44 und Kontaktflächen 18, 19 gewährleistet ist. Diese Ausführungsform der elektrischen Verbindung zwischen Anschlussleitern 44
und Kontaktflächen 18, 19 hat gegenüber der in Fig. 7 dargestellten, konstruktiven Gestaltung den Vorteil, dass die Kontaktflächen 18, 19 besser gegen Wasser- und Steinschlag abgeschirmt und der Halter 47 im Falle der Anordnung des Gassensors im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine besser gegen den Temperatureinfluss des Abgasrohrs geschützt ist.8, the sealing member 17 'projects beyond the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 and has a locking receptacle 47 for a holder 47 in the Überstehbereich the still existing recess 42 arranged upstream locking groove 48 for clipping of the holder 47. The holder 47, which can be seen in plan view in FIG. 9, in turn grips the connection conductors 44 at a distance from their line end, and the line ends are in turn formed into contact loops 45. The holder 47 has two diametrically arranged spring elements 49 which engage in the latching groove 48 on the sealing member 17 '. If the holder 47 is locked in the latching groove 48, the contact lugs 45 are clamped in the recess 42 between the contact surfaces 18, 19 and the sealing member 17 ', so that a good electrical connection between connecting conductors 44 and contact surfaces 18, 19 is ensured. This embodiment of the electrical connection between connecting conductors 44 and contact surfaces 18, 19 has over the structural design shown in Fig. 7, the advantage that the contact surfaces 18, 19 better shielded against water and stone chips and the holder 47 in the case of the arrangement of the gas sensor in the exhaust pipe of an internal combustion engine better against the influence of temperature the exhaust pipe is protected.
In dem in Fig. 10 ausschnittweise in seinem anschlussseitigen Endbereich dargestellten, modifizierten Montagemodul 30 ragt das wiederum mit einer Aussparung 42 versehene Dichtungsglied 17' über den anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 hinaus und besitzt als Arretiervorrichtung für einen konusförmigen Halter 50 einen an die Aussparung 42 sich anschließenden, sich zum Ende des Dichtungsglieds 17' hin erweiternden Trichter 51, der eine an den Konus des Halters 50 ange- passte Trichteröffnung aufweist. Der Halter 50 ist wiederum an die Anschlussleitungen 44 im Abstand von den Leiterenden angespritzt, und die Leiterenden der Anschlussleitungen 44 sind wiederum als Kontaktösen 45 ausgebildet. Wird der Halter 50 mit seinem Konus in den Trichter 51 eingeschoben, so werden die Kontaktösen 45 in der Aussparung 42 geklemmt, während der Halter 50 über die Konuspassung festgesetzt wird. Bei dieser Ausbildung von Arretieraufnahmen am Dichtungsglied 17' und Halter 50 entfallen sowohl Federelemente als auch Hinterschnitte im Keramikkörper 20 zur Gewinnung der Rastnut 43, wie diese in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und 9 vorhanden ist.In the modified mounting module 30 illustrated in detail in FIG. 10 in its connection-side end region, the sealing member 17 ', which in turn is provided with a recess 42, protrudes beyond the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 and has a recess 42 for locking a conical holder 50 adjoining, to the end of the sealing member 17 'toward widening funnel 51, which has an adapted to the cone of the holder 50 funnel opening. The holder 50 is in turn molded onto the connection lines 44 at a distance from the conductor ends, and the conductor ends of the connection lines 44 are in turn formed as contact eyelets 45. If the holder 50 is inserted with its cone in the hopper 51, the contact lugs 45 are clamped in the recess 42, while the holder 50 is fixed on the Konuspassung. In this embodiment of locking receptacles on the sealing member 17 'and holder 50 accounts for both spring elements and undercuts in the ceramic body 20 for obtaining the locking groove 43, as in the embodiment of FIGS. 8 and 9 is present.
Bei dem in Fig. 11 im Halbschnitt dargestellten, modifizierten Montagemodul 30 ist das als Keramikkörper 20 ausgebildete Dichtungsglied 17' identisch wie in Fig. 8 ausgestaltet, mit dem Unterschied, dass die die Kontaktflächen 18, 19 auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 freigebende Aussparung 42' einen größeren lichten Durchmesser aufweist. Die Arretieraufnahme für einen Halter 52 ist an der Innenwand des Überstehbereichs des Dichtungsglieds 17' wiederum als eine der Aussparung 42' vorgelagerte Rastnut 48 angeordnet. Der an die Anschlussleitungen 44 angespritzte Halter 52 weist axiale vorspringende Stege 521 auf, aus denen jeweils ein Federelement 53 aus elektrisch leitendem Material vorsteht und radial nach innen hin zum Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 gerichtet ist. Die Federelemente 53 sind mit in den Halter 52 eingespritzt und jeweils mit einem der umspritzten Anschlussleitungen 44 kontaktiert. Der Halter 52 weist wie der Halter 47 in Fig. 8 und 9 zwei Federstege 54 auf, die den in die Ringnut 48 einschnappenden und mit den Stegen 521 in die Aussparung 42' eingeschobenen Halter 52 gegen axiales Abziehen vom Dichtungsglied 17' arretieren. Alternativ sind die mit den Leitungsenden der Anschlussleitungen 44 verbundenen Federelemente 53 nicht in den Halter 52 eingespritzt, sondern in den aus zwei Halbschalen zusammengesetzten Halter eingelegt und zwischen den Halbschalen geklemmt.In the case of the modified assembly module 30 illustrated in half section in FIG. 11, the sealing member 17 'designed as a ceramic body 20 is configured identically as in FIG. 8, with the difference that the contact surfaces 18, 19 release on the connection-side end portion 112 of the sensor element 11 Recess 42 'has a larger clear diameter. The locking receptacle for a holder 52 is arranged on the inner wall of the protruding region of the sealing member 17 'in turn as a recess 42' upstream locking groove 48. The molded onto the connecting lines 44 holder 52 has axial projecting webs 521, from each of which a spring element 53 protrudes from electrically conductive material and is directed radially inwardly towards the end portion 112 of the sensor element 11. The spring elements 53 are injected into the holder 52 and each contacted with one of the overmolded connecting lines 44. The holder 52, like the holder 47 in FIGS. 8 and 9, has two spring webs 54 which lock the holder 52 snapped into the annular groove 48 and inserted into the recess 42 'with the webs 521 against axial withdrawal from the sealing member 17'. Alternatively, the spring elements 53 connected to the line ends of the connection lines 44 are not injected into the holder 52 but are inserted into the holder composed of two half-shells and clamped between the half-shells.
Der in Fig. 12 als weiteres Ausführungsbeispiel dargestellte Gassensor weist wiederum das Montagemodul 30 auf, das in einer Vormontagestufe aus der Verbindung von Sensorelement 11 und
Dichtungsglied 17" hervorgegangen ist. Das Dichtungslied 17" ist wiederum ein rotationssymmetrischer Keramikkörper 20, der als Spritzgussteil im Spritzgussverfahren hergestellt und auf das Sensorelement 11 aufgesintert ist, so dass eine feste, spalt- und lückenfreie, gasdichte Verbindung zwischen dem Sensorelement 11 und dem Keramikkörper 20 besteht. Der Keramikkörper 20 erstreckt sich dabei wiederum über das gesamte Sensorelement 11 mit Ausnahme des dem Messgas auszusetzenden, messgasseitigen Endabschnitts 111. Der Keramikkörper 20 ist wiederum in einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren aus den beiden Keramikkomponenten 201 und 202 hergestellt, wobei die innere, unmittelbar das Sensorelement 11 umgebende Keramikkomponente 201 eine ausreichende elektrische Isolierung gewährleistet und die die innere Keramikkomponente 201 umschließende äußere Keramikkomponente 202 eine hohe mechanische Festigkeit zum Schutz vor Montagekräften, Steinschlag und Thermoschock bietet.The gas sensor shown as a further exemplary embodiment in FIG. 12 in turn has the mounting module 30, which in a pre-assembly stage consists of the connection of sensor element 11 and The sealing member 17 "is in turn a rotationally symmetrical ceramic body 20, which is produced as an injection molded part by injection molding and sintered onto the sensor element 11, so that a solid, gap and gap-free, gas-tight connection between the sensor element 11 and the ceramic body 20 exists. The ceramic body 20 in turn extends over the entire sensor element 11 with the exception of the measuring gas auszusetzenden, measuring gas side end portion 111. The ceramic body 20 is in turn made in a multi-component injection molding of the two ceramic components 201 and 202, wherein the inner, immediately the sensor element 11th surrounding ceramic component 201 ensures sufficient electrical insulation and the outer ceramic component 202 enclosing the inner ceramic component 201 offers high mechanical strength for protection against assembly forces, stone chipping and thermal shock.
Der dem messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 zugekehrte Endabschnitt des Keramikkörpers 20 ist als Konus 55 ausgeführt, der sich zum Ende des Keramikkörpers 20 hin verjüngt und an dem davon abgekehrten Konusende über radial verlaufende Schultern 56, beispielsweise eine umlaufende Radialschulter 56, auf den Außendurchmesser des Keramikkörpers 20 abfällt. Der Konus 55 ist so ausgeführt, dass sein Konuswinkel ein spitzer Winkel kleiner 15° ist.The measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 facing the end portion of the ceramic body 20 is designed as a cone 55 which tapers towards the end of the ceramic body 20 and at the tapered cone end via radially extending shoulders 56, for example, a circumferential radial shoulder 56, to the outer diameter of the Ceramic body 20 drops. The cone 55 is designed so that its cone angle is an acute angle less than 15 °.
Zum Kontaktieren des Sensorelements 11 auf den vom anschlussseitigen Endabschnitt 112 getragenen Kontaktflächen 18, 19 sind in dem vom Konus 55 abgekehrten Endabschnitt des Keramikkörpers 20 wiederum Aussparungen 42 vorgesehen, die vom freien Stirnende des Keramikkörpers 20 aus eingebracht sind. In jeder Aussparung 42 sind in der der Kontaktfläche 18 bzw. 19 gegenüberliegenden Wand des Keramikkörpers 20 Rastnuten 48 vorgesehen. In jede Aussparung 42 ist eine Kontaktfeder 57 eingeschoben. Jede Kontaktfeder 57 ist endseitig U- förmig ausgeführt und greift mit ihrem freien Federschenkel in die Rastnut 48, so dass die Kontaktfeder 57 gegen Ausziehen gesichert ist. Durch die Federspannung zwischen den beiden U-Schenkeln presst sich der andere Federschenkel auf die Kontaktfläche 18 bzw. 19 auf. An ihrem von dem U- förmig Ende abgekehrten Ende ist jede Kontaktfeder 57 mit einer Anschlussleitung 44 elektrisch und mechanisch fest verbunden. Die Verbindungsstelle von Kontaktfeder 57 und Anschlussleitung 44 liegen in einem Kontaktfederhalter 58 aus temperaturbeständigem Kunststoff , der stirnseitig auf den Keramikkörper 20 aufgesetzt ist und mittels einer auf den Keramikkörper 20 aufgebördelten Manschette 59 gehalten ist. Der Zwischenbereich zwischen dem Konus 55 und dem den Kontaktierbereich des Sensorelements 11 überdeckenden Endabschnitt des Keramikkörpers 20 ist zur Vergrößerung der Körperoberfläche tailliert ausgebildet. Alternativ kann anstelle einer Taillierung auch eine Rippenstruktur oder eine einfache Rechteckgeometrie vorgesehen werden.
Zur Verbauung des Gassensors in einem Anschlussstück eines Messgasrohrs, wie letzteres beispielsweise in Fig. 5 und 6 dargestellt ist, ist das Montagemodul 30 in einer kurzen, metallischen Montagehülse 60 festgelegt. Die Montagehülse 60 weist ein Schraubgewinde 61 und eine Werkzeugangrifffläche 62 auf. Letztere kann beispielsweise als Schlüsselsechskant, wie in Fig. 12 bis 16 dargestellt, oder als elliptische oder wellenförmige Schlüsselfläche ausgebildet sein. Die Festlegung des Montagemoduls 30 erfolgt durch Verpressen des das Dichtungsglied 17" bildenden Keramikkörpers 20 in der Montagehülse 60 und anschließendes Verstemmen der Montagehülse 60. Hierzu weist die Montagehülse 60 einen an den Konus 55 des Keramikkörpers 20 angepassten Gegenkonus 63 auf, der einen gleichen Konuswinkel aufweist, wie der Konus 55 am Keramikkörper 20, so dass beim Einsetzen des Montagemoduls 30 in die Montagehülse 60 Konus 55 und Gegenkonus 63 plan ineinanderliegen. Zur Festlegung des Montagemoduls 30 in der Montagehülse 60 wird der Keramikkörper 20 zunächst in der Montagehülse 60 verpresst, wobei der Konus 55 tiefer in den Gegenkonus 63 eintaucht. Anschließend wird die Montagehülse 30 auf dem Keramikkörper 20 verstemmt, wodurch verstemmte Nasen 64 entstehen, die sich auf die am Keramikkörper 20 am Ende des Konus 55 ausgebildete Schultern 56 aufdrücken. Das Verstemmen erfolgt vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen zwischen 4000C und 8000C, damit beim Aufheizen des Gassensors im heißen Messgasrohr die Verstemmverbindung nicht gelöst wird. Eine durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikkörper 20 und metallischer Montagehülse 60 entstehende Reduktion der Verstemmkraft ist unkritisch, da die eigentliche Festlegung des Montagemoduls 30 in der Montagehülse 60 über Konus 55 und Gegenkonus 63 erfolgt. An derIn order to contact the sensor element 11 with the contact surfaces 18, 19 carried by the connection-side end section 112, recesses 42 are again provided in the end section of the ceramic body 20 facing away from the cone 55, which recesses are introduced from the free front end of the ceramic body 20. In each recess 42 locking grooves 48 are provided in the contact surface 18 and 19 opposite wall of the ceramic body 20. In each recess 42, a contact spring 57 is inserted. Each contact spring 57 is designed to be U-shaped at the end and engages with its free spring leg in the latching groove 48, so that the contact spring 57 is secured against removal. Due to the spring tension between the two U-legs, the other spring leg presses against the contact surface 18 or 19. At its end remote from the U-shaped end, each contact spring 57 is electrically and mechanically firmly connected to a connecting line 44. The junction of the contact spring 57 and connecting cable 44 are located in a contact spring holder 58 made of temperature-resistant plastic, which is placed on the front side of the ceramic body 20 and held by means of a crimped on the ceramic body 20 cuff 59. The intermediate region between the cone 55 and the end portion of the ceramic body 20 covering the contacting region of the sensor element 11 is designed to be waisted in order to enlarge the body surface. Alternatively, instead of a sidecut, a rib structure or a simple rectangular geometry can be provided. For the obstruction of the gas sensor in a connecting piece of a sample gas tube, as the latter is shown for example in FIGS. 5 and 6, the mounting module 30 is fixed in a short, metallic mounting sleeve 60. The mounting sleeve 60 has a screw thread 61 and a Werkzeugangrifffläche 62. The latter can be designed, for example, as a key hexagon, as shown in FIGS. 12 to 16, or as an elliptical or wavy key surface. The fixing of the mounting module 30 is effected by pressing the sealing member 17 "forming ceramic body 20 in the mounting sleeve 60 and then caulking the mounting sleeve 60. For this purpose, the mounting sleeve 60 adapted to the cone 55 of the ceramic body 20 counter-cone 63, which has a same cone angle Like the cone 55 on the ceramic body 20, so that when inserting the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 cone 55 and counter cone 63 are flush with each other.For fixing the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 of the ceramic body 20 is first pressed in the mounting sleeve 60, wherein the Cone 55 is inserted deeper into the counter-cone 63. Subsequently, the mounting sleeve 30 is caulked on the ceramic body 20, whereby caulked lugs 64 are formed, which press on the shoulder 56 formed on the ceramic body 20 at the end of the cone 55. The caulking preferably takes place at elevated temperatures between 400 0 C and 800 0 C, d amit when heating the gas sensor in the hot sample gas tube, the caulking is not solved. A resulting from the different coefficients of thermal expansion of ceramic body 20 and metallic mounting sleeve 60 reduction of Verstemmkraft is not critical, since the actual fixing of the mounting module 30 in the mounting sleeve 60 via cone 55 and counter-cone 63 takes place. At the
Montagehülse 60 ist das Schutzrohr 41 befestigt, das im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 durch ein Doppelschutzrohr, bestehend aus einem inneren Schutzrohr 411 und einem äußeren Schutzrohr 412 gebildet ist, die konzentrisch zum Sensorelement 11 angeordnet sind und den messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 überdecken. Das Doppelschutzrohr weist in bekannter Weise Gasdurchtrittsöffhungen 14 auf, durch die das Messgas an den messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 gelangt.Mounting sleeve 60, the protective tube 41 is fixed, which is formed in the embodiment of FIG. 12 by a double protective tube, consisting of an inner protective tube 411 and an outer protective tube 412, which are arranged concentrically to the sensor element 11 and the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11 overlap. The double protection tube has in a known manner Gasdurchtrittsöffhungen 14, through which the sample gas reaches the measuring gas side end portion 111 of the sensor element 11.
In dem in Fig. 13 ausschnittweise dargestellten, gegenüber Fig. 12 modifizierten Gassensor sind Konus 55 am Keramikkörper 20 und Gegenkonus 63 in der Montagehülse 60 gegenüber Fig. 12 gegensinnig ausgeführt, d.h. der Konus 55 am Keramikkörper 20 nimmt zum messgasseitigen Ende des Keramikkörpers 20 stetig zu. Entsprechend erweitert sich auch der Gegenkonus 63 im Innern der Montagehülse 60, wobei die Konuswinkel kleiner 15° beibehalten sind. Die Verstemmung der Montagehülse 60 nach Verpressen von Keramikkörper 20 und Montagehülse 60 über Konus 55 und Gegenkonus 63 erfolgt dann an der freien Stirnseite des Keramikkörpers 20 unter Abspaltung von Nasen 64 von einem an der Montagehülse 60 stirnseitig angeformten Ringsteg 66, die dann an der Stirnseite des Keramikkörpers 20 anliegen.
In Fig. 14 ist die Montagehülse 60 vor ihrem Zusammenbau in den Montagemodul 30 im Halbschnitt dargestellt. Zusätzlich ist im Halbschnitt ein Verstemmwerkzeug 65 skizziert, das an dem einstückig an der Montagehülse 60 angeformten Ringsteg 66 ansetzt und von diesem die verstemmte Nase 64 abtrennt und auf die Stirnseite des Keramikkörpers 20 umlegt, wie dies in Fig. 13 dargestellt ist.In the detail shown in Fig. 13, compared to Fig. 12 modified gas sensor cone 55 on the ceramic body 20 and counter-cone 63 in the mounting sleeve 60 with respect to FIG. 12 carried out in opposite directions, ie the cone 55 on the ceramic body 20 takes the messgasseitigen end of the ceramic body 20 steadily to. Correspondingly, the counter-cone 63 in the interior of the mounting sleeve 60 widens, the cone angle being kept smaller than 15 °. The caulking of the mounting sleeve 60 after pressing of ceramic body 20 and mounting sleeve 60 via cone 55 and counter-cone 63 is then carried out on the free end face of the ceramic body 20 with splitting off of lugs 64 of an integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66, which then at the front of the Ceramic body 20 abut. In Fig. 14, the mounting sleeve 60 is shown in front of its assembly in the mounting module 30 in half section. In addition, a caulking tool 65 is sketched in half section, which attaches to the integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66 and from this the caulked nose 64 is separated and folded over to the end face of the ceramic body 20, as shown in Fig. 13.
Bei den beiden in Fig. 15 und 16 im Halbschnitt ausschnittweise dargestellten Gassensoren ist auf die Ausbildung eines Gegenkonus 63 in der Montagehülse 60 verzichtet und der Gegenkonus 63 auf einem Spannring 67 ausgebildet, der zwischen dem Konus 55 am Keramikkörper 20 und der Montagehülse 60 eingelegt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 15 ist der Konus 55 so ausgebildet, dass er sich zum messgasseitigen Ende des Keramikkörpers 20 hin verjüngt, während imIn the two in Fig. 15 and 16 in half section partially shown gas sensors is dispensed with the formation of a counter-cone 63 in the mounting sleeve 60 and the counter-cone 63 formed on a clamping ring 67 which is inserted between the cone 55 on the ceramic body 20 and the mounting sleeve 60 , In the embodiment of FIG. 15, the cone 55 is formed so that it tapers towards the measuring gas side end of the ceramic body 20, while in
Ausführungsbeispiel der Fig. 16 der Konus 55 so ausgeführt ist, dass er sich zum messgasseitigen Ende des Keramikkörpers 20 hin im Durchmesser stetig erweitert. Die verstemmten Nasen 64 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 15 auf den Spannring 67 und im Ausführungsbeispiel der Fig. 16 auf die freie Stirnseite des Keramikkörper 20 aufgestemmt. Die verstemmten Nasen 64 sind, wie zuvor beschrieben, wiederum von dem an der Montagehülse 60 angeformten Ringsteg 66 abgebogen.
Embodiment of FIG. 16, the cone 55 is designed so that it widens steadily in diameter to the measuring gas side end of the ceramic body 20 out. The caulked lugs 64 are in the embodiment of FIG. 15 on the clamping ring 67 and in the embodiment of FIG. 16 aufgestemmt on the free end face of the ceramic body 20. The caulked lugs 64 are, as described above, in turn bent from the integrally formed on the mounting sleeve 60 annular web 66.
Claims
1. Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, mit einem Sensorelement (11), das einen dem Messgas aussetzbaren messgasseitigen Endabschnitt (111) und einen anschlussseitigen Endabschnitt (112) zum Belegen mit elektrischen Anschlussleitungen (44) aufweist, und mit einem das Sensorelement (11) umschließenden Dichtungsglied (17; 17') zur messgasdichten Trennung des messgas- und des anschlussseitigen Endabschnitts (111, 112) des Sensorelements (11), dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17; 17') gasdicht mit dem Sensorelement (11) zu einem Montagemodul (30) verbunden ist.1. A gas sensor for determining a physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature of the measurement gas, comprising a sensor element (11) which exposes the measurement gas exposing the measurement gas side end portion (111) and a connection-side end portion (112) for covering with electrical Connecting lines (44), and with a sensor element (11) enclosing seal member (17; 17 ') for measuring gas-tight separation of the measuring gas and the connection-side end portion (111, 112) of the sensor element (11), characterized in that the sealing member ( 17, 17 ') is connected in a gas-tight manner to the sensor element (11) to form an assembly module (30).
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagemodul (30) in einem2. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the mounting module (30) in one
Gehäuse (10) mit axial aus dem Gehäuse (10) herausragenden Endabschnitten (111, 112) verbaut und das Dichtungsglied (17) axial gegen das Gehäuse (10) abgedichtet ist.Housing (10) with axially from the housing (10) protruding end portions (111, 112) installed and the sealing member (17) is sealed axially against the housing (10).
3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Abdichtung am Dichtungsglied (17) zwei im Axialabstand voneinander umlaufende Flanken (26, 27) ausgebildet sind, die auf am Gehäuse (10) ausgebildeten, einander zugekehrten Schultern (28, 29) gasdicht aufliegen.3. Gas sensor according to claim 2, characterized in that for the axial sealing on the sealing member (17) has two mutually axially spaced flanks (26, 27) are formed on the housing (10) formed, mutually facing shoulders (28, 29) rest gas-tight.
4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (26, 27) des Dichtungsglieds (17) und die Schultern (28, 29) des Gehäuses (10) eben oder gekrümmt ausgebildet sind und spaltlos aufeinanderliegen.4. Gas sensor according to claim 3, characterized in that the flanks (26, 27) of the sealing member (17) and the shoulders (28, 29) of the housing (10) are flat or curved and lie without a gap on each other.
5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) zugekehrte Flanke (26) des Dichtungsglieds (17) an einer im Gehäuse (10) ausgearbeiteten Schulter (28) anliegt und dass durch Stauchen des im Bereich der Flanke (27) des Dichtungsglieds (17), die dem anschlussseitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) zugekehrt ist, lokal erhitzten Gehäuses (10) die andere Schulter (29) am Gehäuse (10) gebildet und die gasdichte Abdichtung zwischen den Flanken (26, 27) und den Schultern (28, 29) hergestellt ist.5. Gas sensor according to claim 4, characterized in that the said measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) facing flank (26) of the sealing member (17) on a in the housing (10) elaborated shoulder (28) is applied and that by upsetting in the region of the flank (27) of the sealing member (17), which is the connection-side end portion (112) of the sensor element (11) facing locally heated housing (10) the other shoulder (29) on the housing (10) formed and the gas-tight Seal between the flanks (26, 27) and the shoulders (28, 29) is made.
6. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem anschlussseitigen Endab- schnitt (112) des Sensorelements (11) zugekehrte Flanke (27) des Dichtungsglieds (17) mit geringem6. Gas sensor according to claim 5, characterized in that the connection-side end portion (112) of the sensor element (11) facing flank (27) of the sealing member (17) with little
Axialabstand innerhalb des Gehäuses (11) nahe dem Gehäuseende liegt. Axial distance within the housing (11) near the housing end lies.
7. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagemodul (30) in einem Anschlussstück (33) verbaut ist, das eine Messöffhung (32) in einem Messgas führenden Messgasohr (31) umschließt und dass das Dichtungsglied (17') gegen die Innenwand des Anschlussstücks (33) abgedichtet ist.7. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the mounting module (30) in a connecting piece (33) is installed, which encloses a Meßöffhung (32) in a measuring gas measuring gas tube (31) and that the sealing member (17 ') against the Inner wall of the connecting piece (33) is sealed.
8. Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Dichtungsglied (17') ein Radialflansch (34) angeformt ist, der einerseits an einer die Messöffhung (32) umschließenden, am Anschlussstück (32) ausgebildeten Ringschulter (35) anliegt und andererseits auf seiner davon abgekehrten Flanschseite mit einem vorzugsweise metallischen Dichtungsring (36) belegt ist, auf den eine zur Ringschulter (35) am Anschlussstück (33) gerichtete Vorspannkraft wirkt.8. Gas sensor according to claim 7, characterized in that on the sealing member (17 '), a radial flange (34) is formed, on the one hand on a measuring opening (32) enclosing, on the connecting piece (32) formed annular shoulder (35) and on the other on its facing away from the flange side with a preferably metallic sealing ring (36) is occupied, acts on the one to the annular shoulder (35) on the connecting piece (33) directed biasing force.
9. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft von einer das Dichtungsglied (17') umfassenden Hohlschraube (37) aufgebracht ist, die mit einem Außengewinde (38) in einem im Anschlussstück (33) ausgebildeten Innengewinde (39) verschraubt ist und sich mit ihrer ringförmigen Stirnseite auf den Dichtungsring (36) aufbresst.9. Gas sensor according to claim 8, characterized in that the biasing force of a sealing member (17 ') comprising hollow screw (37) is applied, which is screwed with an external thread (38) in a connection piece (33) formed internal thread (39) and with its annular end face aufbresst on the sealing ring (36).
10. Gassensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die am Anschlussstück (33) ausgebildete Ringschulter (35) am und die auf der Ringschulter (35) eben aufliegende Flanschseite des Radialflansches (34) jeweils konusförmig ausgebildet sind.10. Gas sensor according to claim 8 or 9, characterized in that the connecting piece (33) formed annular shoulder (35) on and on the annular shoulder (35) flat flange side of the radial flange (34) are each cone-shaped.
11. Gassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der am Anschlussstück (33) ausgebildete Ringschulter (35) und dem Radialflansch (34) ein Endbereich eines den messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) überdeckenden Schutzrohrs (41) eingespannt ist.11. Gas sensor according to one of claims 8 to 10, characterized in that between the formed on the connecting piece (33) annular shoulder (35) and the radial flange (34) has an end portion of the measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) covering the protective tube ( 41) is clamped.
12. Gassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17') in seinem den messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) nahe liegenden Bereich eine umlaufende Nut (40) zum Anbördeln des Randes eines den messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) überdeckenden Schutzrohrs (41) aufweist.12. Gas sensor according to one of claims 8 to 10, characterized in that the sealing member (17 ') in its the measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) lying near a circumferential groove (40) for flaring the edge of the measured gas side End section (111) of the sensor element (11) overlapping protective tube (41).
13. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagemodul (30) zur Verbauung in einem Anschlussstück an einem das Messgas führenden Messgasrohr in einer kurzen, metallischen Montagehülse (60) festgelegt ist, die ein Schraubgewinde (61) zum Verschrauben mit dem Anschlussstück und eine Werkzeugangriffsfläche (62), vorzugsweise einen Schlüsselsechskant, aufweist. 13. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the mounting module (30) is fixed for installation in a connection piece on a sample gas tube leading the sample gas in a short, metallic mounting sleeve (60) having a screw thread (61) for screwing with the connection piece and a tool engagement surface (62), preferably a key hex.
14. Gassensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung des Montagemoduls (30) durch Verpressen des Dichtungsglieds (17") in der Montagehülse (60) und anschließendes Verstemmen der Montagehülse (60), vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 4000C bis 8000C, vorgenommen ist.14. Gas sensor according to claim 13, characterized in that the fixing of the mounting module (30) by pressing the sealing member (17 ") in the mounting sleeve (60) and then caulking the mounting sleeve (60), preferably at a temperature between 400 0 C to 800 0 C, is made.
15. Gassensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dem messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) zugekehrte Endabschnitt des Dichtungsglieds (17") als Konus (55) ausgebildet ist, der in einem Gegenkonus (63) eingepresst ist, und dass der Gegenkonus (63) an dem dem messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) zugekehrten, vorderen Ende der Montagehülse (60) angeordnet ist.15. Gas sensor according to claim 14, characterized in that the measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) facing the end portion of the sealing member (17 ") is formed as a cone (55) which is pressed in a counter-cone (63), and the countercone (63) is arranged on the front end of the mounting sleeve (60) facing the measuring gas side end section (111) of the sensor element (11).
16. Gassensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel von Konus (55) und Gegenkonus (63) kleiner 15° ist.16. Gas sensor according to claim 15, characterized in that the cone angle of cone (55) and counter-cone (63) is less than 15 °.
17. Gassensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkonus (63) unmittelbar an der Innenwand der Montagehülse (60) ausgeformt ist.17. Gas sensor according to claim 15 or 16, characterized in that the counter-cone (63) is formed directly on the inner wall of the mounting sleeve (60).
18. Gassensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkonus (63) an der Innenfläche eines Spannrings (67) ausgeformt ist, der zwischen der zylindrischen Innenwand der Montagehülse (60) und dem Dichtungsglied (17) angeordnet ist.18. Gas sensor according to claim 15 or 16, characterized in that the counter-cone (63) on the inner surface of a clamping ring (67) is formed, which is arranged between the cylindrical inner wall of the mounting sleeve (60) and the sealing member (17).
19. Gassensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass am Dichtungsglied (17) vor oder hinter dem Konus (55) eine umlaufende Radialschulter (56) vorhanden ist, auf die die Montagehülse (60) aufgestemmt ist.19. Gas sensor according to one of claims 15 to 18, characterized in that the sealing member (17) in front of or behind the cone (55) has a circumferential radial shoulder (56) is provided, on which the mounting sleeve (60) is clamped.
20. Gassensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus (55) auf dem Dichtungsglied (17") sich zu dem messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) zugekehrten Ende des Dichtungsglieds (17") hin verjüngt und dass die Montagehülse (60) auf die Stirnseite des Spannrings (67) aufgestemmt ist.20. Gas sensor according to claim 18, characterized in that the cone (55) on the sealing member (17 ") to the measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) facing the end of the sealing member (17") tapers and that the mounting sleeve (60) is clamped on the end face of the clamping ring (67).
21. Gassensor nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an der Montagehülse (60) mindestens ein den messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) überdeckendes Schutzrohr (411, 412) befestigt, vorzugsweise angeschweißt, ist.21. Gas sensor according to one of claims 13 to 20, characterized in that attached to the mounting sleeve (60) at least one the measuring gas side end portion (111) of the sensor element (11) covering the protective tube (411, 412), preferably welded, is.
22. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17; 17') sich über den anschlussseitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) erstreckt und Festlegemittel zum Festlegen der elektrischen Anschlussleitungen (44) auf dem Endabschnitt (112) aufweist.22. Gas sensor according to one of claims 1 to 21, characterized in that the sealing member (17, 17 ') extends over the connection-side end portion (112) of the sensor element (11) and Has fixing means for fixing the electrical connection lines (44) on the end portion (112).
23. Gassensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegemittel im Dichtungsglied (17) integrierte Federelemente (21, 21) zum Klemmen der Anschlussleitungen (44) auf am anschluss- seitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) angeordneten Kontaktflächen (18, 19) aufweisen.23. Gas sensor according to claim 22, characterized in that the fixing means in the sealing member (17) integrated spring elements (21, 21) for clamping the connecting lines (44) on the connection-side end portion (112) of the sensor element (11) arranged contact surfaces (18 , 19).
24. Gassensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegemittel eine im Endbereich des Dichtungsglieds (17') ausgebildete Aussparung (42), die zum freien Ende des Dichtungs- glieds (17') hin offen ist und am anschlussseitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) angeordnete Kontaktflächen (18, 19) freigibt, und eine Arretieraufnahme für einen die Anschlussleitungen (44) im Abstand von deren Leitungsenden fassenden Halter (46; 47; 50; 52) aufweisen und dass die Aussparung (42; 42') so ausgebildet ist, dass bei in die Arretieraufnahme eingesetztem Halter (46; 47; 50; 52) die Leitungsenden der Anschlussleiter (44) im Grunde der Aussparung (42; 42') auf die Kontaktflächen (18, 19) aufgepresst sind.24. Gas sensor according to claim 22, characterized in that the fixing means in the end region of the sealing member (17 ') formed recess (42) which is open towards the free end of the sealing member (17') and at the connection-side end portion (112) and the contact elements (18, 19) arranged on the sensor element (11) have a locking receptacle for a holder (46; 47; 50; 52) holding the connection lines (44) at a distance from their line ends, and in that the recess (42; In the case of holders (46; 47; 50; 52) inserted in the arresting receptacle, the line ends of the connecting conductors (44) are pressed onto the contact surfaces (18, 19) at the bottom of the recess (42; 42 ').
25. Gassensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretieraufnahme von einer im Außenmantel des Dichtungsglieds (17') nahe dessen freiem Ende angeordneten, umlaufenden Rastnut (43) gebildet ist, in die der Halter (46) mit seinem Außenrand eingeschnappt ist.25. Gas sensor according to claim 24, characterized in that the arresting receptacle is arranged in the outer jacket of the sealing member (17 ') near its free end, circumferential latching groove (43) into which the holder (46) is snapped with its outer edge.
26. Gassensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17') über den anschlussseitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) übersteht und die Arretieraufnahme von mindestens einer im Überstehbereich der Aussparung (42) vorgelagert angeordnete Rastnut (48) gebildet ist, in die der Halter (47) mit mindestens einem Federelement (49) eingeschnappt ist.26. Gas sensor according to claim 24, characterized in that the sealing member (17 ') projects beyond the connection-side end section (112) of the sensor element (11) and the locking receptacle is formed by at least one latching groove (48) arranged in the upstream region of the recess (42) is, in which the holder (47) is snapped with at least one spring element (49).
27. Gassensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17') über den anschlussseitigen Endabschnitt (112) des Sensorelements (11) übersteht und die Arretieraufnahme von einem an der Aussparung (42) sich anschließenden, zum Ende des Dichtungsglieds (17') sich öffnenden Trichter (51) gebildet ist, in den der Halter (50) mit einem der Trichterform angepassten Konus einpressbar ist.27. Gas sensor according to claim 24, characterized in that the sealing member (17 ') projects beyond the connection-side end portion (112) of the sensor element (11) and the locking receptacle of a at the recess (42) adjoining, to the end of the sealing member (17 ') opening funnel (51) is formed, in which the holder (50) can be pressed with a cone adapted to the cone shape.
28. Gassensor nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Aussparung (42) eintauchenden Leitungsenden der Anschlussleitungen (44) zu Kontaktösen (45) geformt sind. 28. Gas sensor according to one of claims 24 to 27, characterized in that in the recess (42) dipping line ends of the connecting lines (44) are formed to contact eyelets (45).
29. Gassensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Aussparung (42') eintauchenden Leitungsenden der Anschlussleitungen (44) mit Federkontakten (53) versehen sind, die in einem mit in die Aussparung (42') eintauchenden Haltervorsprung (521) angeordnet sind.29. A gas sensor according to claim 26, characterized in that in the recess (42 ') dipping line ends of the connecting lines (44) are provided with spring contacts (53) in a with in the recess (42') dipping retaining projection (521) are arranged.
30. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsglied (17; 17'; 17") ein auf das Sensorelement (11) aufgesinterter Keramikkörper (20) ist, der vorzugsweise ein Spritzgussteil ist.30. Gas sensor according to one of claims 1 to 29, characterized in that the sealing member (17; 17 '; 17 ") is a sintered on the sensor element (11) ceramic body (20), which is preferably an injection molded part.
31. Gassensor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (20) eine das Sensorelement (11) umschließende, innere Keramikkomponente (201), die weich und leicht fließend ist, und eine die innere Keramikkomponente (201) umschließende äußere Keramikkomponente (202) aufweist, die eine hohe Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit besitzt.31. Gas sensor according to claim 30, characterized in that the ceramic body (20) enclosing the sensor element (11), inner ceramic component (201), which is soft and easy flowing, and an inner ceramic component (201) enclosing outer ceramic component (202 ) having high strength and thermal shock resistance.
32. Gassensor nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (20) in seinem sich über den anschlussseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) erstreckenden Bereich eine dritte Keramikkomponente (203) aufweist, die eine hohe Zähigkeit besitzt.32. A gas sensor according to claim 31, characterized in that the ceramic body (20) in its over the terminal-side end portion (111) of the sensor element (11) extending portion has a third ceramic component (203) which has a high toughness.
33. Gassensor nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (20) ein Mehrkomponenten-Spritzgussteil ist.33. Gas sensor according to claim 31 or 32, characterized in that the ceramic body (20) is a multi-component injection molded part.
34. Gassensor nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (20) als Grünling (23) mit einem axial durchgängigen, vorzugsweise zentralen Längskanal (24) vorgefertigt ist, dessen Kanalquerschnitt um eine beim Sintern einsetzende Materialschwindung größer bemessen ist als der Querschnitt des Sensorelements (11), und dass das Sintern mit in den Längskanal (24) eingesetztem Sensorelement (11) vorgenommen ist. 34. Gas sensor according to one of claims 30 to 33, characterized in that the ceramic body (20) is prefabricated as a green compact (23) with an axially continuous, preferably central longitudinal channel (24) whose channel cross-section is dimensioned larger by a material shrinkage which occurs during sintering as the cross-section of the sensor element (11), and that the sintering is carried out with in the longitudinal channel (24) inserted sensor element (11).
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