(57)【要約】本発明は、測定ガスの物理的な特性、特に、自動車の内燃機関の排ガスにおける酸素濃度及び温度を測定する測定センサであって、ハウジング（１１）と、端部区分（１６２）がハウジング（１１）から突出している測定エレメント（１６）と、前記端部区分（１６２）に装着された結合コネクタ（２４）と、前記端部区分（１６２）と結合コネクタ（２４）とを半径方向において覆うハウジングスリーブ（２９）とが設けられており、該ハウジングスリーブ（２９）がその一方のスリーブ端部（２９１）でハウジング（１１）に固定されていて、他方のスリーブ端部（２９２）において閉鎖されている形式のものに関する。このような形式の測定センサにおいて、自動車の極端な振動負荷及び加速においても測定センサにおける電気的及び機械的な破損を回避するために、本発明の構成では、ハウジングスリーブ（２９）の内部に設けられた自由空間（３１）が、非導電性の粒状材料（３３）によって完全に満たされているようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスの物理的な特性、特に、自動車の内燃機関の排ガスにおける酸素濃度及び温度を測定する測定センサであって、ハウジング（１１）が設けられていて、該ハウジング（１１）内に測定エレメント（１６）が受容されていて、該測定エレメント（１６）の、接触接続部として働く端部区分（１６２）が、ハウジング（１１）から突出しており、端部区分（１６２）に装着された結合コネクタ（２４）が設けられていて、端部区分（１６２）と結合コネクタ（２４）とを半径方向において覆うハウジングスリーブ（２９）が設けられており、該ハウジングスリーブ（２９）がその一方のスリーブ端部（２９１）でハウジング（１１）に固定されていて、他方のスリーブ端部（２９２）において閉鎖されている形式のものにおいて、ハウジングスリーブ（２９）の内部に設けられた自由空間（３１）が材料（３３）によって完全に満たされていることを特徴とする測定センサ。
【請求項２】
材料（３３）がばら荷として充てんされている、請求項１記載の測定センサ。
【請求項３】
材料が、非導電性の粒状の無機材料である、請求項２記載の測定センサ。
【請求項４】
材料が珪砂又はコランダム粒である、請求項３記載の測定センサ。
【請求項５】
ハウジングスリーブ（２９）の、ハウジング（１１）とは反対側のスリーブ端部（２９２）を、材料（３３）の充てん後に閉鎖するために、成形体（３２）がハウジングスリーブ（２９）に挿入されており、該成形体（３２）を貫いて、結合コネクタ（２４）に接続された接続ケーブル（２７）が延びている、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定センサ。
【請求項６】
ハウジングスリーブ（２９）と成形体（３２）とが互いに半径方向でプレスされている、請求項５記載の測定センサ。
【請求項７】
材料（３３′）が耐熱性で多孔性のフォームである、請求項１記載の測定センサ。
【請求項８】
フォーム形成材料として、オルトケイ酸（H４SiO４）が使用されており、該オルトケイ酸の分子が、脱水と酸化ケイ素の鎖状分子の形成下においてコロイド構造を形成する、請求項７記載の測定センサ。
【請求項９】
ハウジングスリーブ（２９）の、ハウジング（１１）とは反対側のスリーブ端部（２９２）が、成形体（３２）によって閉鎖されていて、該成形体（３２）を貫いて、結合コネクタ（２４）に接続された接続ケーブル（２７）が延びており、ハウジングスリーブ（２９）に、有利には結合コネクタ（２４）の上に位置する上側の半径方向の開口（３４）と、有利には結合コネクタ（２４）の下に位置していてフォーム形成材料を装入するための半径方向の開口（３５）とが配置されている、請求項８記載の測定センサ。
【請求項１０】
下側の孔（３５）がフォーム形成材料の装入後に、有利には溶接によって閉鎖されている、請求項９記載の測定センサ。
【請求項１１】
下側の孔（３５）の孔直径が約１〜３ｍｍである、請求項９又は１０記載の測定センサ。
【請求項１２】
ハウジング（１１）におけるハウジングスリーブ（２９）の固定が、気密に、有利にはハウジング（１１）とスリーブ縁部との溶接によって行われている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の測定センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載されている形式の、測定ガスの物理的な特性、特に、自動車の内燃機関の排ガスにおける酸素濃度及び温度を測定する測定センサに関する。
【０００２】
このような測定センサは例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第４１２６３７８号明細書又はドイツ連邦共和国特許公開第１９５４２６５０号明細書に基づいて公知である。例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９９４１０５１号明細書に開示されているプレーナ薄膜技術で構成された測定エレメントは、ハウジングから突出している接続側の端部区分に導電性のコンタクト面を有しており、このコンタクト面は結合コネクタによって接触接続される。結合コネクタは２つのコンタクト部分保持体から成っており、両コンタクト部分保持体は、測定エレメントの端部区分の互いに離れている側において測定エレメントに圧着され、そして各１つのコンタクト部分でコンタクト面に接触している。良好な電気的接触接続を保証するために、両コンタクト部分保持体は、両コンタクト部分保持体の外側を取り囲むクランプばねを用いて、測定エレメントの端部区分に押し付けられる。条片状の金属薄板から成るコンタクト部分は、コンタクト部分保持体を超えて延長されていて、接続ケーブル用の結合箇所を形成しており、各コンタクト部分は接続ケーブルとクリンプ結合されている。クリンプ箇所は、ハウジングスリーブを閉鎖する成形体の内部に位置していて、この成形体を貫いて接続ケーブルが延びている。
【０００３】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による測定センサには、極めて頑丈であるという利点があり、測定センサの機械的及び電気的な損傷は、例えば高速走行やオフロード走行のような自動車における極端な使用条件下においても、生じることがない。結合コネクタの周りに存在する自由空間を本発明のように充てんすることによって、結合コネクタにおける極端な振動負荷や振動加速でさえも、良好に緩衝され、ひいては例えばコンタクト部分、コンタクト保持体及び／又はクランプばねのような電気・機械式の接触接続部の領域における損傷が回避される。
【０００４】
請求項１に記載された測定センサの別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。
【０００５】
本発明の有利な構成では、材料がばら荷として充てんされており、これによって一方ではハウジングスリーブの内部における自由空間を完全に充てんすることが保証され、かつ他方では自由空間の充てんが著しく簡単化される。
【０００６】
本発明の別の有利な構成では、充てんされる前記材料として、珪砂、コランダム粒又はプラスチック粒が使用される。粒が細かければ細かいほど、存在する中空室をより良好に満たすことができ、かつ振動負荷時における緩衝作用がより改善される。
【０００７】
本発明の別の有利な構成では、前記材料が、耐熱性で多孔性のフォームである。このようなフォームには、その硬度が、測定エレメント損失を惹起するような応力を構成部材において生ぜしめるほど高くない、という利点がある。フォームの硬度は、例えば自由空間に充てんされるフォーム形成材料の量によって調節することができる。フォームは、セラミック製の注型物質とは異なり、十分な酸素透過性を有しているので、このような測定センサは特に、酸素ポンピング作用を有する限界電流型センサ（Grenzstromsonde）として使用されることができる。
【０００８】
本発明の別の有利な構成では、フォーム形成材料として、オルトケイ酸（H４SiO４）が使用されており、該オルトケイ酸の分子が、脱水と酸化ケイ素の鎖状分子の形成下においてコロイド構造を形成するようになっている。１００℃を上回る温度への加熱によって、なお存在する水は気化し、この際にフォームを膨らませる。後には、酸化ケイ素（SiO２）から成るフォームが残り、このフォームの多孔性に対しては、コロイド溶液の乾燥程度もしくは含水率によって影響を与えることができる。この場合残留水分が少ないほど、フォームの孔は小さくなり、相応に硬度が高められる。
【０００９】
本発明の別の有利な構成によれば、ハウジングスリーブの、ハウジングとは反対側のスリーブ端部が、成形体によって閉鎖されていて、該成形体を貫いて、結合コネクタに接続された接続ケーブルが延びており、ハウジングスリーブに、結合コネクタの上に位置する上側の半径方向の孔と、結合コネクタの下に位置している半径方向の孔とが配置されている。下側の孔は、ハウジング内部にフォーム形成材料を装入するために働き、この孔のサイズによって同様に、生じるフォームの孔サイズ及び硬度に対して影響を与えることができる。そして下側の孔はフォーム形成材料の充てん後に、例えば溶接によって閉鎖される。上側の孔は加熱プロセス中に蒸気を流出させるために働くのみならず、自由空間が完全に発泡されたことを視覚的にチェックするためにも働く。
【００１０】
図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００１１】
図１は、内燃機関の排ガス中における酸素濃度を測定するための測定センサを示す縦断面図であり、
図２は、図１に示された測定センサの変化実施例を、測定センサの一部を図１のように縦断面して示す図である。
【００１２】
図１には自動車の内燃機関の排ガス中における酸素濃度を測定する測定センサ（ラムダセンサーとも呼ばれる）が、測定ガスの物理的な特性を測定する一般的な測定センサのための実施例として、縦断面図で示されており、この測定センサは金属製のハウジング１１を有しており、このハウジング１１はその外側に六角形部１２とねじ山１３とを、多シリンダ内燃機関のエキゾーストパイプへの測定センサの取付けのために有している。エキゾーストパイプに測定センサをシールして取り付けるためには、ハウジング１１におけるリング溝１５に紛失不能に固定されたシールリング１４が働く。
【００１３】
ハウジング１１には電気化学式の測定エレメント１６が受容されており、この測定エレメント１６の構造は例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９９４１０５１号明細書に記載されている。測定エレメント１６は真ん中で、電気絶縁性の２つのセラミック部分１７，１８とその間に位置するシール部材１９とから成るユニットを用いて、半径方向でハウジング１１にプレス嵌めされ、かつ軸方向でハウジング１１内に緊締されており、測定エレメント１６の測定ガス側の端部区分１６１と接続側の端部区分１６２とはハウジング１１から突出している。軸方向における緊締のためには、ハウジング１１に形成された支持肩部１１２と、セラミック部分１７に支持された圧縮ばね２０と、皿ばね２０を覆って張設されている保持キャップ２１とが働き、この保持キャップ２１はそのキャップ縁でハウジング１１に係止されている。測定エレメント１６のガス感応性の端部区分１６１は、ハウジング１１に固定されたダブル保護管２２によって覆われている。
【００１４】
測定エレメント１６の、保護キャップ２１の中心を貫通している接続側の端部区分１６２には、互いに反対を向いた側にコンタクト面２３が設けられており、これらのコンタクト面２３を介して測定エレメント１６は接触接続される。そのために結合コネクタ２４が働き、この結合コネクタ２４はコンタクト面２３の数に相当する数のコンタクト部分２５を有しており、これらのコンタクト部分２５は、セラミック製の２つのコンタクト部分保持体２６に保持されている。条片状の金属薄板として構成されたコンタクト部分２５は、コンタクト部分保持体２６を越えて延長されていて、その端部で各１つの接続ケーブル２６とクリップ結合されている。接続側の端部区分１６２に対向して位置するように配置されたコンタクト部分保持体２６は、外側をクランプばね２８によって取り囲まれており、これによってコンタクト部分２５とコンタクト面２３との間には、十分に高いコンタクト圧が生ぜしめられる。
【００１５】
測定エレメント１６の、結合コネクタ２４を保持する接続側の端部区分１６２には、ハウジングスリーブ２９が被せ嵌められており、このハウジングスリーブ２９は一方のスリーブ端部２９１で、ハウジング１１の外側に形成されたリングカラー１１１に上から係合していて、そこで気密に、例えば環状の溶接シーム３０によって固定されている。ハウジングスリーブ２９はこの場合、結合コネクタ２４と保持キャップ２１とを半径方向間隔をおいて取り囲んでおり、その結果ハウジングスリーブ２９の内部には自由空間３１が存在している。この自由空間３１は一方では保持キャップ２１によって、かつ他方ではプラスチック製の成形体３２によって画成されており、この成形体３２はハウジングスリーブ２９の、ハウジング１１とは反対側のスリーブ端部２９２に押し込まれていて、該スリーブ端部２９２とプレス固定されている。成形体３２を貫いて接続ケーブル２７が延びているが、この場合コンタクト部分２５と接続ケーブル２７との間におけるクリンプ結合部（Crimpverbindung）はなお成形体３２の内部に位置している。
【００１６】
このように構成された測定センサを振動負荷及び振動加速に対して鈍感にするために、自由空間３１は材料３３によって満たされており、この材料３３はハウジングスリーブ２９内への成形体３２の挿入前に、自由空間３１にばら荷として充てんされる。材料３３としては、非導電性の粒状の無機材料、例えば珪砂、コランダム粒又はプラスチック粒が使用される。自由空間３１をこのような材料で充てんすることによって、極めて強い緩衝作用が測定エレメント１６において生ぜしめられ、そしてこのような緩衝作用は、自動車の極端な振動負荷や振動加速時においても、電気機械式の接触部分、例えばコンタクト部分保持体２６、コンタクト部分２５又はクランプばね２８の領域において破損が生じることを阻止する。
【００１７】
図２に一部を拡大されて示された測定センサは、図１に示された測定センサと次の点で異なっている。すなわちこの測定センサでは、ハウジングスリーブ２９の内部における自由空間３１に充てんされた材料３３′はフォームであり、このフォームの多孔率もしくは硬度は相応に合わせられている。フォームを形成する材料としては有利にはオルトケイ酸（H４SiO４）が使用され、その分子は、脱水と鎖状分子
【００１８】
【数１】
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の形成下においてコロイド構造を形成する。ハウジングスリーブ２９内には２つの孔３４，３５が設けられており、そのうちの有利には上側の孔３４は結合コネクタ２４の上に配置され、かつ下側の孔３５は結合コネクタ２４の下に配置されている。下側の半径方向孔３５を通してフォーム形成材料がもたらされ、次いでこの下側の孔３５は閉鎖される。測定センサを、１００℃を上回る温度に加熱することによって、オルトケイ酸に含有された水（H２O）が気化し、膨らんでフォームが形成される。蒸気は上側の孔３４を介して流出する。加熱プロセスの終了後に自由空間３１は完全に、酸化ケイ素（SiO２）から成るフォーム３３′によって満たされており、このフォームの多孔率には乾燥程度によって影響を与えることができる。フォーム３３′のより高い硬度を得たい場合には、可能な限り低い残留含水量が望まれている。残留水分によるフォームへの影響に加えて、孔サイズひいてはフォーム硬度は、自由空間３１に充てんされるコロイド溶液の量と、下側の孔３５の内側横断面とによって影響され得る。孔３５は有利には１〜３ｍｍの孔直径をもって形成される。
【００１９】
本発明は、内燃機関の排ガス中における酸素濃度を測定する測定センサに限定されるものではなく、例えば排ガス中における窒素酸化物の濃度を測定する測定センサにも、排ガスの温度を測定する測定センサにおいても、ハウジングスリーブ２９の内部における自由空間３１への材料３３；３３′の充てんによって、同様な有利な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】内燃機関の排ガス中における酸素濃度を測定するための測定センサを示す縦断面図である。
【図２】図１に示された測定センサの変化実施例を、測定センサの一部を図１のように縦断面して示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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