DE3537051C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes eines Meß­ gases in einem Meßgasraum nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Die DE-OS 31 40 444 zeigt einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes eines Meßgases in einem Meßgasraum, bei dem sich ein als planare Laminat­ struktur ausgebildetes Sauerstoffühlerelement von seinem in den Meßgasraum vorstehenden Längsende in Längsrichtung des Sauerstoffsensors etwa bis an das meßgasseitige Ende eines die Schutzeinrichtung des Sauerstoffsensors umge­ benden und den Sauerstoffsensor an einer den Meßgasraum abschließenden Trennwand befestigenden Haltergehäuses erstreckt. Dort sind die Elektroden des Sauerstoffühler­ elements mittels fester bzw. unlösbarer Verbindungen elektrisch an von einem Keramikkörper aufgenommene Lei­ tungsdrähte angeschlossen.

Während der Einsatzdauer des Sauerstoffsensors treten erhebliche Temperaturschwankungen innerhalb des Meßgas­ raums auf, in dem das Sauerstoffühlerelement angeordnet ist. Dies gilt insbesondere für Sauerstoffsensoren, die zu Messungen in einer Abgasleitung vorgesehen sind, die zur Entsorgung einer Brennkraftmaschine dient, die zeit­ weise nicht in Betrieb ist. Die aus diesen Einsatzcharak­ teristika resultierenden hohen und oft auftretenden Tem­ peraturschwankungen schwächen mit der Zeit die festen Verbindungen zwischen den Elektroden des Sauerstoffüh­ lerelements und den Leitungsdrähten. Hierbei besteht die Gefahr, daß Anschlußverbindungen unterbrochen werden, was zu einer erheblichen Fehlfunktion in der Steuerung der Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsge­ mäßen Sauerstoffsensor derart weiterzubilden, daß sein Einsatz über eine längere Betriebsdauer ohne Gefahr von Fehlfunktionen an den Anschlußverbindungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Anordnung der Anschlußverbindung gewährleistet, daß die an der Anschlußverbindung auftretenden Temperatur­ differenzen im Vergleich zum Stand der Technik relativ gering sind. Die daher mögliche Ausbildung der Anschluß­ verbindung als Steckverbindung geht mit dem weiteren Vorteil einher, daß bei Unbrauchbarkeit des Sauerstoffühlerelements andere Teile des Sauerstoffsensors ohne großen Aufwand wiederverwendet werden können.

Die DE-OS 32 03 612 zeigt einen Sauerstoffsensor, bei dem die Mantel- bzw. Meßelektrode des rohrförmig ausge­ bildeten Sauerstoffühlerelements unmittelbar hinter der den Meßgasraum begrenzenden Trennwand endet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Sauerstoffsensor;

Fig. 2 ein Diagramm, das Temperaturmessungen an einem Sauerstoffühlerelement in Abhängigkeit von der Länge desselben zeigt;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Explosionsdarstellung des Sauerstoffühler­ elements und andere Teile des Sauerstoffsensors aus Fig. 4;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels des Sauerstoffühlerelments des Sauerstoff­ sensors aus Fig. 3;

Fig. 7 und 8 Schnitte entlang den Linien VII-VII und VIII-VIII in Fig. 6;

Fig. 9 eine Explosionsdarstellung des Sauerstoffühler­ elements aus Fig. 6;

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines luftdichten Dichtungsrings für den Sauerstoffsensor aus Fig. 3;

Fig. 11(a) einen Teilschnitt eines metallischen Halter­ gehäuses zur Lagerung des Sauerstoffsensors aus Fig. 3, vor der endgültigen Befestigung des Sauerstoffsensors am Haltergehäuse;

Fig. 11(b) eine Fig. (a) ähnliche Darstellung nach der endgültigen Befestigung;

Fig. 12 eine Fig. 11(b) entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Sauerstoffsensors;

Fig. 13 einen Teilschnitt eines Abschnitts des Sauerstoff­ sensors aus Fig. 3 entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 14;

Fig. 14 und 15 Schnittansichten entlang den Linien XIV-XIV und XV-XV in Fig. 13;

Fig. 16 einen Schnitt durch ein elektrisches Verbindungs­ element entlang der Linie XVI-XVI in Fig. 17;

Fig. 17 eine Draufsicht auf das elektrische Verbindungs­ element aus Fig. 16;

Fig. 18 eine teilweise geschnittene Endansicht des elek­ trischen Verbindungselements aus Fig. 16; und

Fig. 19 eine Fig. 8 ähnliche Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des elektrischen Anschlußabschnitts des Sauerstoffühlerelements.

Ein Sauerstoffsensor 1 ist an einer einen Meßgasraum, beispielsweise einen Abgaskrümmer oder ein Abgasrohr, bildenden Trennwand 5 derart befestigt, daß ein fest in einer rohrförmigen Schutzeinrichtung 2 angeordnetes Sauerstoffühlelement 3 einen vorgegebenen Abstand l zwischen der Außenfläche der Trennwand 5 und seinem atmos­ phäreseitigem, zweiten Längsende aufweist, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine Brennkraftmaschine wird so betrieben, daß der Sauerstoffsensor 1 härtesten Bedingungen ausge­ setzt ist, d. h. einem Abgas mit einer Temperatur von etwa 900°C. Das Sauerstoffühlerelement 3 hat eine Breite von 4 mm und eine Dicke von 1,2 mm und enthält eine elektri­ sche Heizeinrichtung mit einer Leistung von 3 Watt. Die Temperatur wird nahe des zweiten Längsendes des Sauer­ stoffühlerelements 3 in einem Punkt A für unterschiedliche Längen des Sauerstoffühlerelements 3 gemessen und ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dem in diesem Versuch einge­ setzten Sauerstoffsensor 1 ist das Sauerstoffühlerelement 3 mittels eines Halteteils 6 fest innerhalb der Schutzein­ richtung 2 angeordnet. Dieses Halteteil 6 unterteilt den Innenraum der Schutzeinrichtung 2 strömungsmitteldicht in zwei Teilräume. Am ersten Längsende des Sauerstoffüh­ lerelements 3 ist ein Sauerstofferfassungsabschnitt ausge­ bildet, der innerhalb des Meßgasraums in der in diesen ragenden Schutzeinrichtung 2 angeordnet und dem in die Schutzeinrichtung 2 eingeführten Abgas ausgesetzt ist. Das atmosphäreseitige Ende der Schutzeinrichtung ist durch einen Gummistopfen 7 verschlossen.

Die Temperatur im Punkt A des Sauerstoffühlerelements 3 wird durch zwei Faktoren der Wärmeübertragung vom Abgas zum Punkt A erhöht. Bei dem ersten Faktor handelt es sich um eine in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 8 gekenn­ zeichnete Wärmeübertragung vom Abgas zum Punkt A direkt zur Sauerstoffühlerelement 3; beim zweiten Faktor handelt es sich um eine in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 9 be­ zeichnete Wärmeübertragung über die Trennwand 5 und ein Haltergehäuse 4, mittels dem der Sauerstoffsensor 1 an der Trennwand 5 befestigt ist. Der Temperaturanstieg im Punkt A wird in erster Linie durch den zuletzt genann­ ten Faktor der Wärmeübertragung verursacht. Um den Tem­ peraturanstieg im Punkt A des Sauerstoffühlerelements 3 einzuschränken wird ein Mindestabstand l zwischen dem zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 3 und der Außenfläche der Trennwand 5 festgelegt, wie nachstehend erläutert wird.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Temperatur im Punkt A des Sauerstoffühlerelements 3 unter 200°C bleibt, wenn der Abstand l nicht kleiner als 40 mm ist. Eine Unter­ schreitung dieses Abstands führt zu einem abrupten Tem­ peraturanstieg im Punkt A. Das Sauerstoffühlerelement 3 ist daher derart dimensioniert und in der Schutzeinrich­ tung 2 angeordnet, daß der beschrieben Abstand l zumin­ dest 40 mm beträgt.

Der in Fig. 3 dargestellte Sauerstoffsensor hat ein läng­ liches planares Sauerstoffühlerelement 10 mit einer Lami­ natstruktur. Das Sauerstoffühlerelement 10 besteht im wesentlichen aus stabilisierter Zirkondioxid-Keramik oder anderen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytwerk­ stoffen. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, hat das Sauer­ stoffühlerelement 10 Rechteckquerschnitt. Das Sauer­ stoffühlerelement 10 weist an seinem in den Fig. 3 und 5 links angeordneten ersten Längsende einen Sauerstoff­ erfassungsabschnitt 12 auf. Dieser Sauerstofferfassungs­ abschnitt 12 erzeugt gemäß dem Prinzip einer Sauerstoff­ konzentrationszelle ein elektrisches Signal. Dieses elek­ trische Signal wird über elektrische Anschlüsse, die am in den Fig. 3 und 5 rechts dargestellten zweiten Längs­ ende des Sauerstoffühlerelements 10 angeordnet sind, einer äußeren Vorrichtung zugeführt.

Die in den Fig. 6 bis 9 dargestellte Laminatstruktur des Sauerstoffühlerelements 10 umfaßt einen länglichen planaren Festelektrolytkorpus 14, der im wesentlichen aus Zirkondioxid besteht, und eine poröse Innenelektrode 16 aus Platin oder einem anderen geeigneten Werkstoff, die auf einen Außenflächenbereich des Festelektrolytkorpus nahe einem dem ersten Längsende des Sauerstoffühlerele­ ments 10 entsprechenden Ende desselben aufgedruckt ist. Auf die Außenfläche des Festelektrolytkorpus 14, auf die die Innenelektrode 16 gedruckt ist, sind ein U-förmi­ ger Zirkondioxidrahmen 18 und eine Sauerstoffühlerschicht 20, die im wesentlichen ebenfalls aus Zirkondioxid-Keramik besteht, derart laminiert, daß die Innenelektrode 16 zwischen dem Festelektrolytkorpus 14 und dem Zirkondioxid­ rahmen 18 und die Sauerstoffühlerschicht 20 auf dem Zir­ kondioxidrahmen 18 angeordnet ist. Eine poröse Außenelek­ trode 22, die aus dem gleichen Werkstoff wie die Innen­ elekrode 16 besteht, ist auf die Sauerstoffühlerschicht 20 gedruckt. Die Außenelektrode 22 wird mit Ausnahme ihres Fühlerabschnitts durch eine Schutzschicht 24, die aus dem gleichen Material besteht wie die Sauerstoffühler­ schicht 20, geschützt.

Der Zirkondioxid-Rahmen 18 weist einen länglichen recht­ eckförmigen Ausschnitt 25 auf, der über seine Länge aus­ gebildet ist. Wie die Fig. 6 bis 8 zeigen, wirkt dieser Ausschnitt 25 mit dem Feldelektrolytkorpus 14 und der Sauerstoffühlerschicht 20 zusammen, um einen Referenzgaskanal 26 zu bilden, der an seinem einen Ende in der Nähe des Endes des Zirkondioxid-Rahmens 18, das dem ersten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 entspricht, geschlossen ist. Der Referenzgaskanal 26 ist an seinem anderen Ende, das dem zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelementes 10 entspricht, gegenüber der Umgebungsluft offen. Die Innenelektrode 16 ist benachbart zu dem geschlossenen Endteil des Refe­ renzgaslanals 28 angeordnet, so daß sie der Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Außen­ elektrode 22, die auf der Seite der Sauerstoffühlerschicht 20 angeordnet ist, die dem Zirkondioxid-Rahmen 18 gegenüber­ liegt, ist im wesentlichen zu der Innenelektrode 16 ausgerichtet angeordnet, so daß die Außenelektrode 22 über ein in der Schutzschicht 24 ausgebildetes Fenster 28 einem Meßgas (Abgas) außerhalb des Sauerstoffühlerelements 10 ausgesetzt ist. Die Elektroden 16, 22 sind mit elektrischen Leitungen 30, 32 versehen, die sich von ihnen über die Länge des Sauerstoffühlerelements 10 in Richtung auf dessen zweites Längsende erstrecken, um einen elektrischen Anschluß für die Elektro­ den 16, 22 vorzusehen. Die Gesamtlänge der elektrischen Leitung 32 der Außenelektrode 22 ist auf der Außenfläche der Sauerstoffühlerschicht 20 angeordnet, während die elektrische Leitung 30 der Innenelektrode 16 teilweise auf der Ober­ fläche des Festeleketrolytkorpus 14 angeordnet ist. Genauer gesagt, der Zirkondioxid-Rahmn 18 und die Sauerstoffühlerschicht 20 haben Löcher 34, 34. Die elektrische Leitung 30 ist an ihrem mittleren Abschnitt unter einem rechten Winkel zur Oberfläche des Festelektrolytkorpus 14 in Richtung auf die elektrische Leitung 32 abgedreht, so daß ihr von der Innenelektrode 16 entfernter Endabschnitt 30 a im wesentlichen in der gleichen Ebene wie ein entsprechender Endabschnitt 32 a der elektrischen Leitung 32 der Außen­ elektrode 22 angeordnet ist. Diese Ebene verläuft im we­ sentlichen senkrecht zur Dicke des Sauerstoffüherelements 10, wie in Fig. 6 gezeigt. Die elektrischen Leitungen 30, 32 erstrecken sich parallel zueinander von den ent­ sprechenden Elektroden 16, 22 zwischen der Sauerstoffühler- und der Schutzschicht 20, 24 in Richtung auf das zweite Längs­ ende des Sauerstoffühlereleentes 10 und liegen am zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 frei, wie Fig. 6 deutlich zeigt. Diese Endabschnitte 30 a, 32 a der elektrischen Leitungen 30, 32 dienen als elektrische Kontakte, die eine erste elektrische Anschlußeinrichtung 33 bilden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoffühlerelement 10 wird ein äußerer Raum, der mit dem Fenster 28 am Sauerstofferfassungsabschnitt 12 in Verbindung steht, relativ zu einem Referenzgasraum 26, der durch den Zirkondioxid-Rahmen 18, den Festelektrolytkorpus 14 und die Sauerstoffühlerschicht 20 gebildet wird, in einem strömungsmitteldichten Zustand gehalten. Die Innen­ elektrode 16 ist einem Referenzgas, beispielsweise der Um­ gebungsluft, im Referenzkanal 26 ausgesetzt, während die Außen­ elektrode 22 dem Meßgas ausgesetzt ist, das durch das Fenster 28 eingeführt wird. Mit diesen Gasen, die mit der Innen- und der Außenelektrode 16, 22 in Kontakt stehen, wird gemäß dem Prinzip einer Sauerstoffkonzen­ trationszelle zwischen der Innen- und der Außenelektrode 16, 22 eine elektromotorische Kraft induziert, die auf eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen den bei­ den Gasen zurückzuführen ist, so daß ein Ausgangssignal, das diese elektromotorische Kraft ver­ körpert, durch die elektrischen Leitungen 30, 32 erhalten wird.

Die Umgebungs­ luft wird als Referenzgas in den Referenzgaskanal 26 durch dessen offenes Ende am zweiten Längsende des Sauerstoffühlerele­ ments 10 eingeführt. Ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Abgas wird als Meßgas durch das Fenster 28 am Sauerstofferfassungsabschnitt 12 des Sauerstoffühlerelements 10 in Richtung auf die Außenelektrode 22 eingeführt. Die Sauerstoffkonzentration des als Meßgas dienenden Abgases wird gemessen, indem die Umgebungsluft als Referenzgas verwendet wird. Das die Sauerstoffkonzentration des Ab­ gases verkörpernde elektrische Ausgangssignal wird über die elektrischen Leitungen 30, 32 an ihren Endabschnitten 30 a, 32 a an den ersten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33 erhalten.

Auf der Seite des Festelektrolytkorpus 14, die der Seite gegenüberliegt, auf die die Innenelektrode 16 gedruckt ist, sind eine Aluminiumoxid-Isolationsschicht 36, eine Zirkondioxid-Isolationsschicht 38 und eine elektrische Heizschicht 40, die ein Heizelement 42 und zwei damit verbundene elektrische Leitungen 44, 46 aufweist, ange­ ordnet. Das Heizelement 42 ist zu dem Sauerstofferfassungs­ abschnitt 12 des Sauerstoffühlerelements 10 ausgerichtet angeordnet. Die elektrischen Leitungen 44, 44 erstrecken sich vom Heiz­ element 42 über die Länge des Sauerstoffühlerelements 10 in Richtung auf dessen zweites Längsende, so daß das Heiz­ element 42 mit Strom versorgt wird, um den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 des Sauerstoffühlerelements 10 zu erhitzen. Diese elektrischen Leitungen 44, 44 sind mit Ausnahme ihrer Endabschnitte 44 a, 44 a durch eine Schutzschicht 46 , die aus Zirkondioxid-Keramik besteht, vor einem Auftreffen des Abgases geschützt. Anders aus­ gedrückt, die Endabschnitte 44 a, 44 a liegen am zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 frei und dienen als elektrische Kontakte, die eine zweite elektrische Anschlußein­ richtung 45 bilden, welche an der Seite angeordnet sind, die der ersten elektrischen Anschlußeinrichtung 33 für die Elektroden 16, 22 gegenüber­ liegt. Durch das zwangsläufige Erhitzen des Sauerstoff­ erfassungsabschnittes 12 über die elektrische Heizschicht 40 wird es möglich, die erforderliche Aufwärm­ zeit vor dem beständigen Betrieb des Sauerstoffsensors nach dem Beginn der Beaufschlagung des Sauerstofferfassungsabschnitts 12 mit einem Abgas von einer kalten Brennkraftmaschine zu verkürzen. Darüber hinaus hält die elektrische Heiz­ schicht 40 den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 selbst dann auf einer geeigneten Betriebstemperatur, wenn die Tempe­ ratur des Abgases für den beabsichtigten Betrieb des Sauerstoffsen­ sors nicht ausreichend hoch ist. Somit versetzt die Heiz­ schicht 40 den Sauerstoffsensor in die Lage, zu jeder Zeit eine beständige und genaue Messung der Sauerstoff­ konzentration des Meßgases durchführen zu können.

Das Sauerstoffühlerelement 10 wird in einer geeigneten bekannten Weise hergestellt, beispielsweise durch Laminieren der Schichten der Elektroden und der Heizeinrichtung sowie an­ derer Schichten, beispielsweise Isolationsschichten, auf einer Rohlage und durch gemeinsames Brennen der mehrere Schichten aufweisenden laminaren Struktur. Alternativ dazu kann das Sauerstoffühlerelement 10 auch durch Ausbilden der vor­ stehend erwähnten Schichten auf der Rohlage mit Hilfe ei­ nes Druckverfahrens und gemeinsames Brennen der gedruckten, mehrere Schichten aufweisenden Struktur hergestellt werden. Obwohl das Sauerstoffühlerelement 10 vorzugsweise aus einem Fest­ elektolytmaterial, das Zirkondioxid als Hauptbestandteil enthält, hergestellt wird, ist es auch möglich, andere Festelektrolytmaterialien zu ver­ wenden.

Der Sauerstofferfassungsabschnitt 12 kann des weiteren im wesentlichen aus einem Halbleiter­ oxid, wie beispielsweise Titandioxid, hergestellt werden, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration eines Abgasses oder andern Meßgases ändert. In diesem Fall erfaßt der Sauerstoff­ sensor eine Veränderung des elektrischen Widerstandes des Sauerstofferfassungsabschnittes 12, die durch eine Veränderung des Sauerstoffpartialdruckes des Meßgases verursacht wird.

Wie aus den Fig. 3 bis 5 hervorgeht, ist das längliche planare bzw. plattenförmige Sauerstoffühlerelement 10, das den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 an seinem ersten Längsende aufweist, an drei voneinander beab­ standeten Stellen entlang seines mittleren Abschnittes in Längsrichtung durch ein erstes, zweites und drittes ke­ ratmisches Isolationselement 48, 50, 52, das eine geeignete Länge aufweist, gelagert. Dieses erste, zweite und dritte keramische Isolationselement 48, 50, 52, sind in einem zylindrischen Schutzrohr 54 aus rostfreiem Stahl oder einem ande­ ren metallischen Material untergebracht. Die drei ke­ ramischen Isolationselemente 48, 50, 52 und das Sauerstoffühler­ element 10 sind über drei Füllmaterialien im Schutz­ rohr 54 fixiert, und zwar über eine erste luft­ dichte Masse 56, die zwischen dem ersten und zweiten keramischen Isolationselement 48 und 50 angeordnet ist, eine zweite luftdichte Masse 58, die zwischen dem zweiten und dritten keramischen Isolationselement 50 und 52 ange­ ordnet ist, und eine Klebemasse 62, die benachbart zu einer Scheibe 60 angeordnet ist, welche an ein Ende der dritten luftdichten Masse 52 an der Seite des zweiten Längs­ endes des Sauerstoffühlerelements 10 stößt. Daher wird das Sauerstoffühler­ element 10 zur Mittellinie des Schutzrohrs 54 ausgerichtet, wie in Fig. 4 gezeigt.

Das Sauerstoffühlerelement 10 ist derart im Schutzrohr 54 untergebracht und fixiert, daß der Sauerstofferfassungsabschnitt 12 benachbart zum ersten Längs­ ende und das offene Ende des Referenzgaskanals 26 am zwei­ ten Längsende in Freiräumen des Schutzrohrs 54 ange­ ordnet sind, die über die erste und die zweite luftdichte Masse 56, 58 luftdicht voneinander getrennt sind.

Das Schutzrohr 54 ist an zwei in Längsrichtung vonein­ ander beabstandeten Abschnitten nach innen gepreßt, so daß ein erster und ein zweiter radial einwärts vorstehender Vor­ sprung 64, 66 gebildet werden, wie die in Fig. 3 gezeigt. Diese einwärts gerichteten Vorsprünge 64, 66 verhindern eine Bewegung des ersten, zweiten und dritten keramischen Iso­ lationselementes 48, 50, 52, der ersten und zweiten luft­ dichten Masse 56, 58 und der Scheibe 60 in Längsrichtung des Schutzrohrs 54.

Ein viertes keramisches Isolationselement 68 ist derart im Schutzrohr 54 angeordnet, daß das zweite Längs­ ende des Sauerstoffühlerelements 10 in einen zur Trennwand 90 gerichteten End­ abschnitt des Isolationselementes 68 eingesetzt ist. Dieses vierte Isolationselement 68 ist so fixiert, daß es zwischen dem zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 und einem Gummistopfen 70 angeordnet ist, der im zweiten Endab­ schnitt des Schutzrohrs 54 in Preßsitz angeordnet ist. Elektrische Leitungs­ drähte 72 a, 72 b und 72 c erstrecken sich durch den Gummi­ stopfen 70 in das vierte keramische Isolationselement 68. Mehrere Verbindungselemente, die in Verbindung mit Fig. 13 beschrieben werden, sind im Isolationselement 68 gelagert und an die Leitungsdrähte 72 a, 72 b und 72 c sowie an eine Erdleitung 122 angeschlossen. Mit diesem Ver­ bindungselementen sind die Leitungsdrähte 72 a, 72 b, 72 c an die elektrischen Leitungen 30 und 44, 44 angeschlossen, die sich von der Innenelektrode 16 des Sauerstoffühlerelements 10 und von der elektrischen Heizschicht 40 aus er­ strecken. Die sich von der Außenelektrode 22 aus er­ streckende elektrische Leitung 32 ist über das ent­ sprechende Verbindungselement und die Erdleitung 122 an das Schutzrohr 54 elektrisch angeschlossen, so daß sie über ein Halterungsgehäuse 86, welches das Schutzrohr 54 lagert, geerdet ist. Zwischen den Elektroden 16, 22 und damit dem Leitungs­ draht 72 a und der Erdleitung 122 wird eine elektromotorische Kraft erhalten; die elektrische Heizschicht 40 wird über die Leitungsdrähte 72 b, 72 c mit Strom versorgt, um den Sauer­ stofferfassungsabschnitt 12 in der vorstehend beschriebenen Weise zu erhitzen.

Der die Öffnung des Schutzrohrs 54 an seinem zweiten Längs­ ende verschließende Gummistopfen 70 verhindert das Ein­ dringen von Strömungsmittel, beispielsweise Wasser, in das Schutz­ rohr 54. Des weiteren ist der zweite Endabschnitt des Schutzrohrs 54, in dem der Gummistopfen 70 unter­ gebracht ist, zusammengepreßt oder radial einwärts gegen die Umfangsfläche des Gummistopfens 70 verstemmt. Somit ist der zweite Endabschnitt des Schutzrohrs 54 mit eingerückten Teilen 55 versehen, wie in Fig. 3 gezeigt, die den Gummistopfen 70 im Schutzrohr 54 haltern. Der nach innen zusammengedrückte Gummstopfen 70 hält die Leitungsdrähte 72 a, 72 b, 72 c und verhindert dadurch Vibrations- oder Ratterbewegungen derselben, die sonst auf die zugehörigen Kom­ ponenten im Sauerstoffsensor, insbesondere die elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45, übertragen würden. Die auf den Gummi­ stopfen 70 ausgeübte radial einwärts gerichtete Kom­ pressionskraft schützt die elektrische Anschlußeinrichtungen 33, 45 inner­ halb des Schutzrohrs 54 gegenüber einem Ausfall infolge von Ermüdungserscheinungen aufgrund von Vibrationen.

Wie Fig. 3 zeigt, besitzt das Schutzrohr 54, in dem das Sauerstoffühlerelement 10 untergebracht ist, eine Vielzahl von Öffnungen 74 im ersten Endabschnitt und Lufteinlaßöffnungen 76 in seinem dem vierten keramischen Iso­ lationselement gegenüberliegenden Abschnitt 68. Der Sauerstoffsensor ist derart installiert, daß das erste Längs­ ende des Schutzrohrs 54 innerhalb einer Strömungs­ mittelleitung angeordnet ist, durch die das Meßgas (Abgas) fließt. In diesem Zustand wird das Meßgas durch die Öffnungen 74 in das erste Längsende des Schutzrohrs 54 eingeführt und auf den Sauerstofferfassungabschnitts 12 gerichtet. Mittlerweile ist die Um­ gebungsluft durch die Lufteinlaßöffnungen 76 im Referenz­ gaskanal 26, der im Sauerstoffühlerelement 10 ausgebildet ist, ein­ gedrungen. Wie insbesondere in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Öffnungen 74 in diametral gegenüberliegenden Teilen der zylindrischen Wand des Schutzrohrs 54 so ausgebildet, daß sie gegenüberliegenden Seitenflächen des Sauerstoffühlerelements 10 gegenüberliegen, welche senkrecht zu gegenüberliegenden Primärflächen verlaufen, die mit den Seitenflächen zur Ausbildung des Umfangs des Sauerstoffühler­ elements 10 im Querchnitt der Fig. 4 zusammenwirken. Der Sauerstofferfassungsabschnitt 12 ist auf einer der Primär­ flächen angeordnet.

Da die Öffnungen 74 in den Abschnitten der zylindrischen Wand des Schutzrohrs 54 ausgebildet sind, die der Primärfläche des Sauerstoffühlerelements 10, auf der der Sauerstofferfassungs­ abschnitt 12 angeordnet ist, nicht gegenüberliegt, trifft der Strom des Meßgases nicht direkt auf den Festelektrolytkorpus 14 und die Außenelektrode 22 auf, so daß eine Verschlechterung des Sauerstofferfassungsabschnitts 12 wirksam minimiert und die nutzbare Lebens­ dauer des Sauerstoffsensors verlängert werden kann. Das Schutzrohr 54 ist an seinem ersten Längsende offen, d. h. es ist mit einer Öffnung 78 versehen, die die Strömung des Meßgases im Schutzrohr 54 erleichtert und dadurch das Ansprechvermögen des Sauerstofferfassungsabschnitts 12 auf eine Änderung der Sauerstoffkonzentration des Meß­ gases verbessert.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß das Schutzrohr 54 aus einem ersten Schutzabdeckungsab­ schnitt 80 zwischen dem ersten Längsende und der ersten luftdichten Masse 56, der die Öffnungen 74 aufweist und einem zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 82 zwischen der ersten luftdichten Masse 56 und dem zweiten Längsende besteht. Der erste Schutzabdeckungsabschnitt 80 schützt den Ab­ schnitt des Sauerstoffühlerelementes 10, der dem Meßgas ausgesetzt ist und den Sauerstofferfassungsabschnitt 12 umfaßt. Der zweite Schutzabdeckungsabschnitt 82 schützt das übrige Sauerstoffühlerelement 10. Das einstückige Schutzrohr 54 bilden eine Schutzeinrichtung, die aus dem ersten und dem zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 80 und 82 besteht. Durch die Verwendung dieses einstückigen Schutzrohrs 54 wird die Gesamtkonstruktion des Sauerstoffsensors verein­ facht.

Das einstückige Schutzrohr 54 wird durch das Halterge­ häuse 86 eingesetzt. Das Schutzrohr 54 wird luft­ dicht über einen luftdichten Dichtungsring 84, der zwischen der Außenfläche des Schutzrohrs 54 und der Innenfläche des Haltergehäuses 86 angeordnet ist, am Haltergehäuse 86 fixiert. Das Schutzrohr 54 und das Haltergehäuse 86 sind so relativ zueinander fixiert, daß der Dichtungsring 84 in Längsrichtung des Schutzrohrs 54 zu der ersten luftdichten Masse 56 aus­ gerichtet ist. Der luftdichte Dichtungsring 84 ist so angeordnet, daß er der ersten luftdichten Masse 56 über die Wand des Schutzrohrs 54 gegenüberliegt. Das Haltergehäuse 86 ist die Trenn­ wand 90 eines Abgasrohres eines Kraftfahrzeuges geschraubt, so daß der erste Schutzabdeckungsabschnitt 80 innerhalb der Strömungsmittelleitung (im Abgasrohr) angeordnet ist. Somit ist das Schutzrohr 54 strömungsmitteldicht an der Trennwand 90 befestigt. Wenn das Schutzrohr 54 über das Haltergehäuse 86 an der Trennwand 90 befestigt ist, ist die Außenelektrode 22 des Sauerstofferfassungsabschnitts 12 im Schutzrohr 54 dem Meßgas (Ab­ gas) ausgesetzt, das durch die Öffnungen 74 eindringt. Zur gleichen Zeit ist die Innenelektrode 16 der Umgebungsluft ausgesetzt, die durch die Lufteinlaßöffnungen 76 in den Referenzgaskanal 26 eindringt. Eine Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Meßgas und der Umgebungsluft wird als elektrisches Ausgangssignal erfaßt, das durch eine elektro­ motorische Kraft verkörpert wird, die zwischen den Elektroden 16, 22 induziert wird. Das elektrische Ausgangssignal wird über den Leitungsdraht 72 a und die Erdleitung 122 erhalten.

Wie in Fig. 10 dargestellt ist, handelt es sich bei dem Dichtungsring 84 um ein zylindrisches Element, das ein keilförmig zulaufendes Ende 85 aufweist. Das Haltergehäuse 86 besitzt eine Ringnut 92 in einem hinteren Teil auf der vom Gewindeabschnitt 88 entfernten Seite einer Innenfläche, die eine Bohrung bildet, durch die sich das Schutzrohr 54 erstreckt. Diese Ringnut 92 und die Außenfläche des Schutzrohrs 54 wirken zusammen und bilden einen Dichtungsraum, der durch den Dichtungsring 84 derart gefüllt ist, daß dessen keilförmig zulaufendes Ende 85 an der Innenseite der Ringnut 92 in Längsrichtung des Schutzrohrs 54 ange­ ordnet ist. Der zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Schutz­ rohr 54 angeordnete Dichtungsring 84 wird im Dichtungsraum gehaltert, indem das hintere Ende eines zylindrischen Flansches 94 des Haltergehäuses 86 gegen die äußere Endfläche des Dichtungsringes 84 verstemmt ist. Durch dieses Verstemmen des Dichtungs­ ringes 84 wird ein Spalt zwischen der Innenfläche des Haltergehäuses 86 und der Außenfläche des Schutzrohrs 54 gefüllt und dadurch die Luftdichtigkeit zwischen diesen aufrechterhalten.

Während der Sauerstoffsensor an der Trennwand 90 installiert wird, ist das Sauerstoffühlerelement 10 so im Schutzrohr 54 angeodnet, daß der Ab­ stand l zwischen der Außenfläche der Trenn­ wand 90 und dem zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 mindestens 40 mm beträgt. Die Trennwand 90, das Haltergehäuse 86, das Schutzrohr 54 und das Sauerstoffühlerelement 10 sind so relativ zueinander angeordnet, daß der Abstand l zwischen dem zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 und der Trennwand 90 nicht weniger als 40 mm beträgt. Durch diese Anordnung kann die Temperatur am zweiten Längsende des Sauerstoffühlerelements 10 unter 200°C gehalten werden, d. h. die erste und zweite elektrische Anschluß­ einrichtung 33, 45 können auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten werden. Darüber hinaus trägt diese An­ ordnung des Sauerstoffühlerelements 10 zur Verringerung der Temperaturdifferenz des Sauerstoffühler­ elements 10 am zweiten Längsende während Betriebszeiten und Außerbetriebszeiten bei. Daher wird das Sauerstoffühlerelement 10 vor thermischen Spannung geschützt, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden.

Es ist wünschenswert, die Gesamtlänge des Sauerstoffühlerelements 10, insbesondere der Abstand l zwischen der Trennwand 90 und dem zweiten Längsende, so groß wie möglich zu halten, um die Temperatur am zweiten Längsende so niedrig wie möglich zu halten. Für den maximalen Abstand l sind jedoch durch die Umgebung, in der der Sauerstoffsensor in­ stalliert ist, Grenzen gesetzt. Gewöhnlich beträgt der größtmögliche Abstand l etwa 100 mm. Die Breite und Dicke des planaren Sauerstoffühlerelements 10 sind geeignet festgelegt, um eine beabsichtigte mechanische Festigkeit und ein bestimmtes Ausmaß der Wärmeüber­ tragung vom ersten zum zweiten Längsende zu erhalten. Normalerweise besitzt das Sauerstofffühlerelemente 10 eine Breite w zwischen 3 und 7 mm sowie eine Dicke t zwischen 1 und 3 mm (Fig. 5). Die mechanische Festigkeit nimmt ab, wenn diese Abmessungen w, t reduziert werden. Andererseits wird die durch das Sauerstoffühlerelement 10 zu über­ tragende Wärmemenge erhöht, und die Temperatur am zweiten Ende steigt an, wenn diese Abmessungen w, t erhöht werden.

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

Die erste und zweite luftdichte Masse 56, 58 werden während der Montage des Sauerstoffühlerelements 10 und der zuge­ hörigen Bestandteile geformt. Genauer gesagt, werden das erste, zweite und dritte keramische Isolationsele­ ment 48, 50, 52, die Scheibe 60 und preßgeformte Gegenstände 96, 98 in der in Fig. 5 gezeigten Art und Weise hergestellt. Die Gegenstände 96, 98, die schließ­ lich als erste und zweite luftdichte Masse 56, 58 dienen, werden aus Partikeln aus Talk oder einem anderen anor­ ganischen Material preßgeformt. In der Zwischenzeit wird das Schutzrohr 54 nur mit dem ersten einwärts gerichteten Vorsprung 64 hergestellt, während der zweite einwärts ge­ richtete Vorsprung 66 danach ausgebildet wird.

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

In diesem Zustand wird die Scheibe 60 gegen die obere End­ fläche des dritten Isolationselementes 52 mit einem geeig­ neten Werkzeug gepreßt, so daß die preßgeformten Gegen­ stände 96, 98 niedriger Dichte weiter komprimiert und zu den luftdichten Massen 56, 58 mit erhöhter Dichte ver­ formt werden. Somit füllen die luftdichten Massen 56, 58 den vom Schutzrohr 54, Sauerstoffühlerelement 10 und ersten, zwei­ ten und dritten Isolationselement 48, 50, 52 gebildeten Raum aus. Durch den auf die Scheibe 60 ausgeübten Druck wird das Schutzrohr 54 radial einwärts komprimiert, so daß der zweite einwärts gerichtete Vorsprung 66 ausgebildet wird, der die eingesetzte Einheit in Position hält.

Nachdem das Sauerstoffühlerelement 10 im Schutzrohr 54 positioniert und fixiert ist und die luftdichten Massen 56, 58 ausgebildet worden sind, wird eine geeignete vorgeformte Masse aus Glas in das Schutzrohr 54 eingesetzt und zu der Klebe- bzw. Bindungsmasse 62 verschmolzen.

Das Haltergehäuse 86 wird am Schutzrohr 54 derart montiert, daß es in dessen Längsrichtung angeordnet ist und im wesentlichen einen Abschnitt des Schutz­ rohrs 54 abdeckt, in dem die erste luftdichte Masse 56 angeordnet ist. Wie in den Fig. 11(a) und 11(b) genauer dargestellt ist, wird der zylindrische Flansch 94 des Haltergehäuses 86 gegen den Dichtungsring 84 ver­ stemmt, der im Dichtungsraum bzw. in der Ringnut 92 angeordnet ist, so daß auf diese Weise das Haltergehäuse 86 am Schutzrohr 54 befestigt wird. Durch den Verstemmvorgang am zylindrischen Flansch 94 preßt der Dichtungsring 84 den entsprechenden Teil der zylindrischen Wand des Schutzrohrs 54 radial einwärts gegen die erste luftdichte Masse 56 und bewirkt somit, daß ein Teil der Wand ein­ wärts vorsteht. Da das Volumen des die luftdichte Masse 56 aufnehmenden Raumes durch die Begrenzungsflächen des ersten und zweiten Isolationselementes 48, 50, des Schutzrohrs 54 und des Sauerstoffühlerelements 10 festgelegt ist, führt der einwärts gerichtete Vorsprung der zylindrischen Wand des Schutzrohrs 54 zu einer weiteren Komprimierung der Partikel der luftdichten Masse 56, so daß auf diese Weise die Dichte der luftdichten Masse 56 erhöht wird. Ferner wird durch die Reaktionskraft der ersten luftdichten Masse 56 der Oberflächendruck zwischen dem Schutzrohr 54 und dem Dichtungsring 84 erhöht und dadurch die Luftdichtigkeit zwischen dem Schutzrohr 54 und dem Haltergehäuse 86 verbessert.

Das Schutzrohr 54 besteht aus rostfreiem Stahl SUS-310S mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 17,5 × 10^-6°C^-1 bei 0-600°C. Das Haltergehäuse 86 und der Dichtungsring 84 sind aus rostfreiem Stahl SUS-304 mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18,9 × 10^-6°C^-1 bei 0-600°C hergestellt. Wie vor­ stehend erläutert, wird die Differenz des Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten zwischen beliebigen zwei der drei Teile 54, 86,, 84 relativ klein gehalten, um eine erhöhte Luftdichtigkeit zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Schutzrohr 54 zu erreichen. Mit anderen Worten, der Einsatz von Materialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem großen Ausmaß verschieden sind, bewirkt einen rela­ tiv großen Spalt zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Schutz­ rohr 54 nach einer langen Betriebsdauer des Sauer­ stoffsensors unter schwankenden Temperaturen. Um eine verbesserte Luftdichtigkeit zwischen dem Haltergehäuse 86 und dem Schutzrohr 54 zu erreichen, wird empfohlen, metallische Materialien zu verwenden, deren Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht größer als 3 × 10^-6°C^-1 ist.

Obwohl das Schutzrohr 54 den gleichen Durchmesser über die gesamte Länge aufweist, kann es auch aus einem Rohr mit zwei Durchmessern hergestellt werden, wie in Fig. 12 gezeigt, das einen Endabschnitt 100 mit kleinem Durchmesser (entsprechend dem ersten Schutzabdeckungsab­ schnitt 80 der Fig. 3), einen Abschnitt 102 mit großem Durchmesser (entsprechend dem zweiten Schutzabdeckungsab­ schnitt 82 der Fig. 3) und einen konischen Abschnitt 104 aufweist, der die Abschnitte 100, 102 miteinander ver­ bindet. In diesem Fall wird das Schutzrohr 54 in ein­ facher Weise durch eine Befestigung festgeklemmt, wenn der preßgeformte Gegenstand 96 im Schutzrohr 54 während des Zusammenbaues des Sauerstoffsensors zu der ersten luft­ dichten Masse 56 komprimiert wird. Mit anderen Worten, der Einsatz eines derartigen Schutzrohrs 54 mit zwei Durchmessern macht es möglich, ein Verziehen des Schutzrohrs 54 oder andere Probleme zu verhindern, die auftreten können, wenn das Schutzrohr 54 an seinem einen Endab­ schnitt während des Zusammenbaues des Sauerstoffsensors festgeklemmt wird. Darüber hinaus kann durch das Schutzrohr 54 mit zwei Durch­ messern der konische Abschnitt 104 eng an die entsprechende Innenfläche 106 des Haltergehäuses 86 angepaßt werden, wo­ durch eine bessere luftdichte Abdichtung zwischen den bei­ den Teilen 54 und 86 erreicht wird.

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

Wie in den Fig. 13 bis 15 genauer gezeigt ist, handelt es sich bei dem vierten keramischen Isolationselement 68 um ein zylindrisches Element, das auf einer Seite eine Ausnehmung 110 besitzt, in die ein elektrischer Stecker 108 des Sauerstoffühlerelements 10, der die erste und zweite elektrische Anschlußeinrichtung 33, 45 trägt, eingesetzt ist. Wie in Fig. 13 gezeigt, be­ sitzt das keramische Isolationselement 68 des weiteren auf der anderen Seite vier Leitungsdrahtlöcher 112, in die die Endabschnitte der Leitungsdrähte 72 a, 72 b, 72 c und der Erdleitung 122 eingesetzt sind. Diese vier Leitungs­ drahtlöcher 112 sind so angeordnet, daß die Verlängerungs­ linien von zwei Leitungsdrahtlöchern 112 zu den Endabschnitten 30 a, 32 a der elektrischen Leitungen 30, 32 und die Verlängerunglinien der verbleibenden zwei Leitungsdrahtlöcher 112 zu den Endabschnitten 44 a, 44 a der elektrischen Leitungen 44, 44 auf der gegenüberliegenden Seite des Sauerstoffühlerelements 10 ausgerichtet sind. Die vier Leitungs­ drahtlöcher 112 stehen mit der Ausnehmung 110 in Verbindung, so daß die Leitungsdrähte 72 a, 72 b 72 c und die Erd­ leitung 122 in einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise an die entsprechenden Endabschnitt bzw. die elektrischen Kontakte 30 a, 32 a, 44 a, 44 a der elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 angeschossen werden können.

Jeder Leitungsdraht 72 a, 72 b 72 c und die Erdleitung 122 ist mit dem vorstehend erwähnten Ver­ bindungselement 114 versehen, das aus einem federnden Material besteht. Wie die Fig. 16 bis 18 zeigen, besteht jedes Verbindungselement 114 aus: einem Befestigungsab­ schnitt 112 mit einem U-förmigen Querschnitt, bevor er zum Eingreifen des entsprechenden Leitungsdrahtes 72 a, 72 b , 72 c oder der Erdleitung 122 verstemmt oder ver­ bördelt ist, einem federnden Abschnitt 118, der V-förmig gebogen ist, und einem rohrförmigen Klinkenab­ schnitt 120, der den Befestigungsabschnitt 116 und den federnden Abschnitt 118 miteinander verbindet. Der U-förmige Be­ festigungsabschnitt 116 wird so verstemmt, daß er den End­ abschnitt des Leitungsdrahtes 72 a, 72 b, 72 c oder der Erdleitung 122 ergreift, wodurch das Verbindungsele­ ment 114 am Leitungsdraht 72 a, 72 b, 72 c oder an der Erdleitung 122 fixiert wird. Der Befestigungsabschnitt 116 ist mit zwei gegen­ überliegenden Abschnitten 126, 126 versehen, die mit einem Verbindungsabschnitt 124 zusammenwirken, der sich von dem Klinkenabschnitt 120 zur Ausbildung einer U-förmi­ gen Struktur erstreckt. Die gegenüberliegenden Ab­ schnitte 126, 126 werden von dieser U-förmigen Struktur nach innen gebogen. Somit wird der in die U-förmige Struktur eingesetzte Endabschnitt des Leitungsdrahtes 72 a, 72 b, 72 c oder der Erdleitung 122 elektrisch an das Verbindungselement 114 angeschlossen.

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

Wie Fig. 13 zeigt, wird das Verbindungselement 114 durch das entsprechende Leitungsdrahtloch 112 eingesetzt und derart in der Ausnehmung 110 positioniert, daß der freie Endabschnitt des federnden Abschnittes 118 in Kontakt mit dem Stecker 108 des Sauerstoffühlerelements 10, der in der Ausnehmung 110 ange­ ordnet ist, gehalten wird. Genauer gesagt, wird das freie Ende des federnden Abschnitts 118 des Verbindungsele­ ments 114 in elastischem Preßkontakt mit dem entsprechenden Endabschnitt 30 a, 32 a, 44 a, 44 a der elektrischen Leitung 30, 32, 44, 44 gehalten, der auf den gegenüberliegenden Flächen des elektrischen Steckers 108 bzw. an der ersten und der zweiten elektrischen Anschlußeinrichtung 33, 45 des Sauerstoffühlerelements 10 freiliegt.

Die elektrischen Leitungen 30, 32 sind an der ersten elektrischen Anschlußeinrichtung 33 und die elektrischen Leitungen 44, 44 sind an der zwei­ ten elektrischen Anschlußeinrichtung 45 an die Erd­ leitung 122 und die Leitungsdrähte 72 a, 72 b , 72 c elektrisch angeschlossen. Aufgrund dieser elektrischen Anschlüsse mit Hilfe der Verbindungselemente 114 wird eine elektromotorische Kraft, die die Sauerstoffkonzen­ tration des Meßgases wiedergibt, zwischen der Erd­ leitung 122 und dem Leitungsdraht 72 a erhalten und die zum Erhitzen des Sauerstoffühlerelements 10 in dieses eingebaute elektrische Heizschicht 40 wird über die Leitungs­ drähte 72 b und 72 c mit Strom versorgt.

Jedes Verbindungselement 114 ist derart im vierten ke­ ramischen Isolationselement 68 angeordnet, daß die Klinken­ nase 128 des Klinkenabschnittes 120 in Stoßkontakt mit einer Schulter 130 gehalten wird, die benachbart zu dem Leitungsdrahtloch 112 ausgebildet ist, wie in Fig. 13 gezeigt, so daß das einmal in das vierte keramische Isolationselement 68 eingesetzte Verbindungselement 114 nicht vom Sauerstoffühlerelement 10 weg zurückbewegt wird (in Fig. 13 nach rechts).

Bei dem in der vorstehenden Beschreibung erläuterten Sauer­ stoffsensor können die elektrischen Anschlüsse der Ver­ bindungselemente 114 mit den Leitungsdrähten 72 a, 72 b, 72 c und der Erdleitung 122 in einfacher Weise hergestellt werden, indem der Befestigungsabschnitt 116 der Ver­ bindungselemente 114 auf den Endabschnitt des ent­ sprechenden Leitungsdrahtes 72 a, 72 b, 72 c oder der Erdleitung verstemmt oder gebördelt wird. Um die elektrischen An­ schlüsse der Verbindungselemente 114 mit dem elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 am Sauerstoffühlerelement 10 herzustellen, werden die an den Leitungsdrähten 72 a, 72 b, 72 c und der Erdleitung 122 fixierten Verbindungselemente 114 zuerst in die entsprechenden Leitungsdrahtlöcher 112 im vierten keramischen Isolationselement 68 eingesetzt, so daß die federnden Abschnitte 118 der Verbindungsele­ mente 114 innerhalb der Ausnehmung 110 angeordnet werden. Danach wird das mit den darin angeordneten Verbindungs­ elementen 114 versehene Isolationselement 68 in das zweite Längsende des Schutzrohrs 54 einge­ setzt, so daß der elektrische Stecker 108 des Sauerstoffühlerelements 10, der bereits im Schutzrohr 54 angeordnet ist, in die von den Verbindungselementen 114 in der Ausnehmung 110 des Isolationselementes 68 aus­ gebildete Aufnahme eingesetzt wird.

Wenn das Isolationselement 68 derart in das Schutzrohr 54 eingesetzt worden ist, werden die freien Enden der federnden Abschnitte 118 der Verbindungselemente 114 in elastischem Preßkontakt Preßkontakt mit den Endabschnitten 30 a, 32 a, 44 a, 44 a der entsprechenden elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 gehalten, die an der ersten und der zweiten elektrischen Anschlußeinrichtungen 33, 45 am elektrischen Stecker 108 freiliegen. Somit werden die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44 hergestellt, so daß das Sauerstoffühler­ element 10 ein Ausgangssignal in der Form einer elektro­ motorischen Kraft zur Verfügung stellen kann, die die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wiedergibt, und die elektrische Heizschicht 40 mit Strom versorgt werden kann.

Der Stecker 108 wird in das vierte keramische Isolationselement 68 einge­ setzt, in dem die federnden Abschnitt 118 als Fassung dienen, die den Stecker 108 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung aufnehmen. Daher ist das bloße Kuppeln von Stecker 108 und Fassung 68 bzw.118 ausreichend, um die elektrischen Leitungen 30, 32, 44, 44, und die Erdleitung 122 sowie die Leitungsdrähte 72 a, 72 b, 72 c anzuschließen. Die erste und die zweite elektrische Anschlußeinrichtung 33, 45 am Stecker 108 bilden vorstehende Verbindungsele­ mente oder Kontakte, während die Verbindungselemente 114 zurückspringende Verbindungselemente oder Kontakte vorsehen. Das Isolationselement 68 dient als Gehäuse zur Lagerung der Verbindungselemente 114 in der Form einer Aufnahme bzw. Fassung, mit der der Stecker 108 elastisch in Eingriff bringbar ist.

Es ist auch möglich, die erste und die zweite Anschlußeinrichtung 33, 45 als Fassung, die aus zurückspringenden elektrischen Kontakten besteht, herzustellen und einen Stecker vorzusehen, der aus vorstehenden Verbindungselementen 114 im Isolations­ element 68 besteht, so daß die vorstehenden Verbindungs­ elemente in die Fasung eingesetzt werden können, um das Sauerstoffühlerelement 10 elektrisch anzuschließen.

Bei dem dargestellten Stecker 108 wird bevorzugt, die freiliegenden Endabschnitte 30 a, 32 a, 44 a, 44 a so auszubilden, daß diese über die Oberflächen der Sauerstoffühlerschicht 20 und der Zirkondioxid-Isolationsschicht 38 vorstehen, wie in Fig. 19 gezeigt. Dies sichert einen fehlerfreien Kontakt der freiliegenden Endabschnitte 30 a, 32 a, 44 a, 44 a mit den federnden Ab­ schnitten 118 der Verbindungselemente 114, und zwar selbst dann, wenn das Sauerstofffühlerelement 10 abgelenkt, durchgebogen oder in Breitenrichtung verformt wird.

Es ist auch mög­ lich, die erste und die zweite elektrische Anschlußein­ richtung 33, 45 durch Endabschnitte der Leitungen 30, 32, 44, 44 und Basisschichten einer geeigneten Dicke auszubilden, die auf der Sauerstoffühlerschicht 20 und der Zirkon­ dioxid-Isolationsschicht 38 angeordnet sind, um als Substrate für die Endabschnitte der Leitungen zu dienen.

Der Vorteil eines einfachen elektrischen Anschlusses des Sauerstoffühlerelements 10 mit Hilfe eines direkten Kontaktes des Steckers 108 mit den Ver­ bindungselementen 114 ist in hohem Maße mit einem anderen Vorteil des Sauerstoffsensors verknüpft, näm­ lich demjenigen, daß das Sauerstoffühlerelement 10 derart ausge­ bildet ist, daß das zweite Längsende mindestens 40 mm von der Außenfläche der Trennwand 90 an der das Schutz­ rohr 54 mit Hilfe des Haltergehäuses 86 befestigt ist, entfernt angeordnet ist. Die Temperatur am Stecker 108 bleibt daher unter 200°C; dadurch treten Ermüdungserscheinungen des federnden Abschnittes 118 der Verbindungselemente 114 und einer Oxidation der Endabschnitte der elektrischen Leitungen nicht auf. Daher können die Verbindungselemente 114 aus einem üblichen federnden Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Es besteht keine Notwendigkeit, ein Federmaterial zu verwenden, das eine besonders hohe Wärmebeständigkeit besitzt. Somit ist der vorliegende Sauerstoffsensor sowohl in bezug auf die Zuverlässigkeit des elektrichen An­ schusses als auch auf die Materialkosten der Verbindungs­ elemente beträchtlich verbessert.

Es versteht sich, daß die Stecker-Fassungs-Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen des Sauerstoffühlerelements 10 und den äußeren Leiterelementen (Leitungsdrähten und Erdleitung) durch eine andere Art der Verbindung ersetzt werden kann, bei der die elektrischen Leitungen des Sauerstoffühlerelements 10 mit entsprechenden Leiterelementen direkt oder über geeignete Verbindungselemente verlötet werden. In diesem Fall bewirkt der geforderte Minimalabstand l auch eine Verhinderung einer möglichen Auswanderung von Ag aus dem Lötmaterial sowie von Rissen oder von einer Entfernung der gelöteten Abschnitte. Daher wird die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen verbessert.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Sauerstoffsensor sind die erste Schutzabdeckungseinrichtung 80 und die zweite Schutzabdeckungseinrichtung 82, die die rohrförmige Schutz­ einrichtung für das Sauerstoffühlerelement 10 bilden, durch das einstückige Schutz­ rohr 54 gebildet. Hierdurch kann die Schutzeinrichtung leicht her­ gestellt und der Sauerstoffsensor einfach zusammen­ gebaut werden. Es ist möglich, den ersten und den zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 80, 82 ge­ trennt auszubilden.

Obwohl die luftdichten Massen 56, 58 zur luftdichten Halterung des Sauerstoffühlerelementes 10 im Schutzrohrelement 54 vorzugsweise aus Partikeln aus Talk hergestellt werden, können auch andere wärmebeständige anorganische partikelförmige Materialien, wie beispielsweise Aluminium­ oxid, Anwendung finden. Obwohl bei der dargestellten Aus­ führungsform zwei luftdichte Massen vorgesehen sind, ist es auch möglich, eine einzige luftdichte Masse oder drei oder mehr luftdichte Massen an Stellen anzuordnen, die in Längsrichtung des Sauerstoffühlerelements 10 im Abstand voneinander angeordnet sind. Darüber hinaus kann die Bindungs- bzw. Klebemasse 62 auch aus einem Zement bestehen. Es ist möglich, eine derartige Klebemasse aus anorganischen Ma­ terialien an zwei oder mehr Stellen in Längsrichtung des Sauerstoffühlerelements 10 vorzusehen.

Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform ein luft­ dichter Dichtungsring 84 mit einem keilförmig zulaufenden Ende 85 verwendet wird, um das Haltergehäuse 86 am Schutz­ rohr 54 unter Ausbildung eines luftdichten An­ schlusses zu befestigen, kann das Haltergehäuse 86 auch durch Schweißen oder mittels Preßpassung am Schutzrohr 54 befestigt werden.

Der erste Schutzabdeckungsabschnitt 80 des Schutzrohrs 54 ist mit den Öffnungen 74 in der Öffnung 78 zur Einführung des Meßgases versehen. Es ist jedoch auch möglich, die Öffnungen 74 in Fortfall zu bringen, so daß das Meßgas allein durch die Öffnung 78 eingeführt wird. In diesem Fall kann eine Verbesserung der Haltbarkeit des Sauerstoff­ sensors erreicht werden.

Claims (6)

1. Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartial­ druckes eines Meßgases in einem Meßgasraum, mit einem länglichen planaren Sauerstoffühlerelement, das an seinem ersten Längsende, das innerhalb des Meßgasraums angeordnet ist, einen Sauerstofferfassungsabschnitt und an seinem zweiten Längsende, das außerhalb des Meßgasraums angeord­ net ist elektrische Anschlußeinrichtungen aufweist, einer rohrförmigen Schutzeinrichtung zur Aufnahme des Sauerstoffühlerelements und einem Haltergehäuse zur Be­ festigung der rohrförmigen Schutzeinrichtung an einer den Meßgasraum begrenzenden Trennwand, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Längsende des länglichen planaren Sauerstoffühlerelements (10) zumindest einen Abstand (l) von 40 mm zur Trennwand (90) aufweist und mittels Verbindungselementen (114), die benachbart zu den elektri­ schen Anschlußeinrichtungen (33, 45) angeordnet sind, elektrisch angeschlossen ist, wobei die elektischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) an einer Fläche des plana­ ren Sauerstoffühlerelements (10) freiliegen und in direktem Kontakt mit den Verbindungselementen (114) eine Steckverbindung ausbilden.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) einen Stecker (108) und die Verbindungselemente (114) eine Fassung ausbilden, in die der Stecker (108) zur Herstellung eines Preßkontaktes mit den elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) eingesetzt ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußeinrichtungen (33, 45) einen Ausgangssignalkontakt und einen Erdkontakt aufweisen und daß der Erdkontakt über das entsprechende Verbindungselement (114) an die metallisch ausgebildete Schutzeinrichtung (82) elektrisch angeschlossen ist.

4. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschluß­ einrichtungen (33, 45) elektrische Kontakte aufweisen, die über die Oberfläche des planaren Sauerstoffühler­ elements (10) vorstehen.

5. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren einen Gummi­ stopfen (70) aufweist, der in den vom Sauerstoff­ erfassungsabschnitt (12) entfernten Längsendabschnitt der Schutzeinrichtung (82) mittels Preßpassung eingesetzt ist, daß die Verbindungselemente (114) an entsprechende Leiterelemente, die sich durch den Gummistopfen (70) erstrecken und einen Anschluß an eine äußere Vorrichtung herstellen, elektrisch angeschlossen sind und daß die Schutzeinrichtung (82) um den Gummistopfen (70) radial einwärts zusammengepreßt ist, um den Gummistopfen (70) und die Leiterelemente strömungsmitteldicht zu halten.

6. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußein­ richtungen (33, 45) elektrische Kontakte zur Stromzufuhr zu einer elektrischen Heizeinrichtung aufweisen, die am Fühlerelement (10) zum Erhitzen des Sauerstoff­ erfassungsabschnittes (12) vorgesehen ist