阅读说明：本技术 用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器 (Sensor for sensing at least one property of a measurement gas in a measurement gas chamber ) 是由 M·阿林格尔 B·劳陶伊 C-E·D·格里斯 C·耶格 G·舍戴 J·施蒂尔 J·鲁特 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测测量气体中的气体组分的分量或测量气体的温度的传感器(10)。传感器(10)包括传感器元件(20)、壳体(12)和保护套筒(42)。壳体(12)至少部分地由所述保护套筒(42)包围并且具有纵向孔(16),在该纵向孔中布置有所述传感器元件(20)。传感器(10)还具有接触部保持件(44)和弹簧夹(46)。接触部保持件(44)构造成用于保持所述传感器元件(20)。弹簧夹(46)构造成用于固定所述接触部保持件(44)。弹簧夹(46)在所述壳体(12)和所述保护套筒(42)之间这样弹性变形地布置,使得所述弹簧夹(46)将第一预紧力施加到所述接触部保持件(44)上。(The invention relates to a sensor (10) for sensing at least one property of a measurement gas in a measurement gas chamber, in particular for sensing a component of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas. The sensor (10) includes a sensor element (20), a housing (12), and a protective sleeve (42). A housing (12) is at least partially surrounded by the protective sleeve (42) and has a longitudinal bore (16) in which the sensor element (20) is arranged. The sensor (10) also has a contact holder (44) and a spring clip (46). A contact holder (44) is configured to hold the sensor element (20). A spring clip (46) is configured for securing the contact portion holder (44). A spring clip (46) is arranged between the housing (12) and the protective sleeve (42) in an elastically deformable manner such that the spring clip (46) exerts a first pretensioning force on the contact retainer (44).)

用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器

技术领域

本发明涉及用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器。

背景技术

由现有技术已知多种用于感测在测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器元件和方法。在此，原则上可以涉及测量气体的任意的物理和/或化学特性，其中，可以感测一个或多个特性。下面尤其基于测量气体的气体组分的分量的定性和/或定量的感测、尤其基于测量气体中的氧气分量的感测来描述本发明。氧气分量例如可以呈分压的形式和/或呈百分比的形式来感测。然而，替代地或附加地，也可以感测测量气体的其他特性、如温度。

这种传感器元件例如可以构型为所谓的λ传感器，如由Konrad Reif(编者)：Sensoren im Kraftfahrzeug，2010年第1版，160-165页已知。通过宽带λ传感器、尤其是平面式宽带λ传感器例如可以在大的区域中确定废气的氧气浓度并且由此推断出燃烧室中的空气燃料比。空气系数λ描述该空气燃料比。

由现有技术尤其已知具有陶瓷传感器元件的传感器，所述陶瓷传感器元件基于确定固体的电解特性的使用、即基于该固体的离子传导特性。这些固体尤其可以是陶瓷固体电解质，如二氧化锆(ZrO₂)、尤其是钇稳定的二氧化锆(YSZ)和鈧掺杂的二氧化锆(ScSZ)，其可以包含氧化铝(Al₂O₃)和/或氧化硅(SiO₂)的少量添加物。

这种传感器通常具有密封件。所述密封件由以下材料制造，该材料包括由氮化硼和氧化物陶瓷的组分、如滑石组成的混合物。这种传感器例如在DE100 09 597 A1、DE 19532 090 A1和DE 197 14 203 A1中描述。所述密封件盘形地构造。在这里所述的材料引起尤其针对燃料的好的密封作用和高的热稳定性。

此外，在这种传感器中设置有接触部保持件，该接触部保持件将传感器元件保持在纵向孔中。接触部保持件一件式或多件式、例如两件式地构造并且具有夹子或固定在传感器的保护套筒内部。

虽然由现有技术已知的传感器具有优点，但这些传感器仍包含改进潜力。在首先提到的两件式接触部保持件的变型方案中，接触部保持件和传感器元件的连接过程是复杂和昂贵的。在所提到的将一件式接触部保持件固定在保护套筒中的第二变型方案中，接触部保持件的定向可以改变并且仅能够通过专用机器在制造技术上定位、接合并且是可见的。在将传感器元件压入传感器壳体中时的制造技术上的公差导致，接触部保持件不能定位在优化的位置中。然而接触部保持件的改变的定向引起传感器元件的改变的定向，使得传感器元件可能不位于它的额定位置上，这会导致测量不精确性。

发明内容

因此，本发明提出一种用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器，该传感器至少在很大程度上避免已知传感器的缺点。在所述传感器中尤其简化接触部保持件和传感器元件的接合过程，其中，接触部保持件还可以更准确地定向。

根据本发明的用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测测量气体中的气体组分的分量或测量气体的温度的传感器包括传感器元件、壳体和保护套筒。壳体至少部分地由保护套筒包围并且具有纵向孔，在该纵向孔中布置有传感器元件。此外，传感器具有接触部保持件和弹簧夹。接触部保持件构造成用于保持传感器元件。弹簧夹构造成用于固定接触部保持件。弹簧夹这样弹性变形地布置在壳体和保护套筒之间，使得弹簧夹将第一预紧力施加到接触部保持件上。

接触部保持件为了推到传感器元件上这样构造，使得可以建立在位于传感器元件上的接触垫和位于接触部保持件中的接触夹之间的可靠连接、即电触点接通。弹簧夹在壳体中在接触部保持件和壳体之间或围绕接触部保持件并且支撑在壳体壁上地构造。

在装配传感器时，传感器元件布置在接触部保持件中并且随后布置在壳体的纵向孔中。更准确地说，在组合传感器时位于线缆束上的接触部保持件***接到压入壳体中的传感器元件上。在此，接触部保持件由弹簧夹包围。弹簧夹例如布置在保护套筒中并且保护套筒被推到具有传感器元件的壳体上。在此，弹簧夹在保护套筒和壳体之间被压缩并且变形。偏移运动使弹簧夹向内压抵到接触部保持件上，使得该接触部保持件被固定在它的位置中。以该方式，在装配时使接触部保持件在一个步骤中固定并且正确定向。

在传感器元件中，可以涉及用于λ传感器的传感器元件，如由Konrad Reif(编者)：Sensoren im Kraftfahrzeug，2010年第1版，160-165页已知。这种传感器元件具有一个固体电解质和通过固体电解质彼此分开的两个电极。固体电解质可以由一个或多个固体电解质层构造。

在本发明的框架中，固体电解质或固体电解质层通常理解为具有电解特性、即具有离子传导的特性的物体或对象。尤其可以涉及陶瓷固体电解质、如二氧化锆(ZrO₂)、尤其是钇稳定的二氧化锆(YSZ)和鈧掺杂的二氧化锆(ScSZ)，其可以包含氧化铝(Al₂O₃)和/或氧化硅(SiO₂)的少量添加物。这也包括固体电解质的原材料并且因此包括构造为所谓的生坯或褐色件(Braunling)，其在烧结之后才变成固体电解质。固体电解质尤其可以构造为固体电解质层或由多个固体电解质层构造。

在本发明的框架中，电极通常理解为能够这样接触固体电解质的元件，使得电流可以保持通过固体电解质和电极。相应地，电极可以包括以下元件，在该元件上离子可以被嵌入到固体电解质中和/或从固体电解质拆出。典型地，所述电极包括贵金属电极，该贵金属电极例如能够作为金属陶瓷电极施加在固体电解质上或者能够以其他方式与固体电解质连接。典型的电极材料是铂金属陶瓷电极。然而原则上也可以使用其他的贵金属、如金或钯。

在扩展方案中，纵向孔沿着纵向延伸方向延伸，其中，第一预紧力在基本上垂直于纵向延伸方向的方向上起作用。因此，实现接触部保持件的径向对中心。

在扩展方案中，弹簧夹将第一预紧力点形地施加到接触部保持件上。由此接触部保持件可以较小地构造并且仍可靠地固定在其位置中。

在扩展方案中，壳体具有第一止挡面并且保护套筒具有第二止挡面，其中，第一止挡面和第二止挡面构造用于在将保护套筒安装在壳体上时使弹簧夹弹性变形。止挡面防止弹簧夹在安装时的滑动，使得定向是准确的。

在扩展方案中，第一止挡面是轴向止挡面。替代地或附加地，第二止挡面是轴向止挡面。由此能够通过保护套筒和壳体彼此相向的简单的轴向运动实现定向和固定。

在扩展方案中，弹簧夹构造为具有缝的套筒。优选地，套筒稍微波形地构造。由此通过简单地和成本有利地制造的构件实现接触部保持件的可靠的和位置正确的固定。

在此，缝可以平行于套筒的纵向轴线以交替的方式从套筒的相对置的纵向端部延伸。由此设置有稳定的弹簧夹，该弹簧夹可以均匀地弹性变形。

在扩展方案中，弹簧夹固定在保护套筒上。这防止弹簧夹的无意的滑动。

在扩展方案中，弹簧夹借助于焊接或压缝(Verstemmen)固定在保护套筒上。由此以简单的和成本有利的方式防止弹簧夹的无意的滑动。

在扩展方案中，弹簧夹具有弹簧舌，该弹簧舌构造用于压到接触部保持件上。在此，弹簧舌简化了装配并且负责接触部保持件的对中心。

在扩展方案中，在接触部保持件和传感器元件之间布置有接触弹簧，其中，接触弹簧将第二预紧力施加到传感器元件上。第二预紧力减小第一预紧力，使得装配简化。

接触弹簧可以由导电材料、如金属制造，并且这样可以用于传感器元件的电触点接通。

在扩展方案中，接触弹簧弓形地构造。在将传感器元件推入到弓之间时所述弓相对彼此被挤开，使得传感器元件对中心。这种弓形的接触弹簧可以成本有利地制造。

在扩展方案中，弹簧夹构造用于接触部保持件在纵向孔或外保护套筒中的对中心。由此能够实现根据额定位置的定向。

在扩展方案中，弹簧夹浮动地支承接触部保持件。这通过用作为定位单元的弹簧夹的相比于传统的传感器增大的内直径和外直径实现。

在扩展方案中，弹簧夹具有至少一个钩形的或爪形的第一突出部，该第一突出部构造用于将弹簧夹固定在保护套筒中，其中，弹簧夹还具有至少一个钩形的或爪形的第二突出部以用于固定接触部保持件。

附图说明

本发明的其他可选细节和特征由下面针对附图中示意性示出的优选实施例的描述得出。

附图示出：

图1根据第一实施方式的根据本发明的传感器的横截面视图，

图2根据第一实施方式的弹簧夹的立体视图，

图3根据第二实施方式的根据本发明的传感器的横截面视图，

图4根据第三实施方式的传感器的***示图，

图5根据第三实施方式的传感器的横截面视图，和

图6根据第四实施方式的传感器的横截面视图。

具体实施方式

图1示出用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测测量气体中的气体组分的分量或测量气体的温度的、根据本发明的第一实施方式的传感器10的横截面视图。传感器10尤其可以用于验证测量气体的物理和/或化学特性，其中，可以感测一个或多个特性。下面尤其参照测量气体的气体组分的定性和/或定量的感测、尤其参照测量气体中的氧气分量的感测来描述本发明。氧气分量例如可以呈分压的形式和/或呈百分比的形式被感测。然而原则上也可以感测其他类型的气体组分，如氧化氮、碳氢化合物和/或氢气。然而，替代地或附加地，也可以感测测量气体的其他特性。本发明尤其可以使用在车辆技术的领域中，因此测量气体室尤其可以是内燃机的废气管路并且测量气体尤其是废气。

传感器10具有壳体12。壳体12例如可以是金属壳体。壳体12具有螺纹14作为用于装入在测量气体室(未详细示出)的壁中的固定件。壳体12具有纵向孔16。纵向孔16沿着纵向轴线或纵向延伸方向18延伸。纵向孔16具有凸肩形的环面。环面邻接在壳体的面向测量气体室的端侧端部上。在端侧端部上固定、例如焊接有保护管组件。保护管组件具有至少一个保护管并且优选具有多个保护管。保护管组件例如具有外保护管和至少一个布置在该外保护管中的内保护管。保护管组件例如可以具有两个内保护管，所述内保护管彼此同心地布置。外保护管和内保护管均具有未详细示出的进入和排出开口，测量气体可以通过这些开口进入到内保护管的内室中或可以从该内室中出来。

传感器10还具有用于感测测量气体的至少一个特性的传感器元件20。传感器元件20平面式地构造。传感器元件20在纵向延伸方向22上延伸。传感器元件20具有接头侧端部24和测量气体侧端部26。在纵向延伸方向22上看，测量气体侧端部26与接头侧端部24相对置。接头侧端部24构造有传感器10的电接头28来进行电触点接通。测量气体侧端部26构造为用于暴露给内保护管的内部中的测量气体。

在凸肩形的环面上例如存在金属密封环(未详细示出)，在该密封环上放置有测量气体侧陶瓷成形件30。测量气体侧陶瓷成形件30在纵向孔16的方向上走向地具有连续的测量气体侧裂口32，传感器元件20延伸经过该测量气体侧裂口。与测量气体侧陶瓷成形件30间隔开地，在纵向孔16中还布置有接头侧陶瓷成形件34。接头侧陶瓷成形件34在纵向孔16的方向上走向地同样具有居中布置的和连续的接头侧裂口36，传感器元件20延伸经过该接头侧裂口。测量气体侧陶瓷成形件30的测量气体侧裂口32和接头侧陶瓷成形件34的接头侧裂口36彼此对准地走向。

在测量气体侧陶瓷成形件30和接头侧陶瓷成形件34之间存在至少一个密封件38和优选多个密封件38、如三个密封件38。当然，根据应用可以设置更多或更少的密封件。

传感器元件20的接头侧端部24与接头接触部40电触点接通，所述接头接触部同样从传感器10的保护套筒42中的壳体12或线缆组件中伸出。接头接触部40与未详细示出的、设有连接线缆的接触插头触点接通。

传感器10还具有保护套筒42。壳体12至少部分地由保护套筒42包围。保护套筒例如由金属制造。传感器10还具有接触部保持件44和弹簧夹46。接触部保持件44构造用于保持传感器元件20。接触部保持件44包围传感器元件20。在安装状态中，接触部保持件44存在于保护套筒42内部。弹簧夹46构造用于固定接触部保持件44。如在图1中示出，弹簧夹46这样弹性变形地布置在壳体12和保护套筒42之间，使得弹簧夹46将第一预紧力施加到接触部保持件44上。以该方式使接触部保持件44紧固和对中心。

图2示出第一实施方式中的弹簧夹46的立体视图。在第一实施方式中，弹簧夹46构造为笼或具有缝50的套筒48。套筒48基本上围绕纵向轴线52旋转对称地构造。套筒48具有两个纵向端部54、56，沿着纵向轴线52看，所述纵向端部相对置。缝50以交替的顺序从相对置的纵向端部54、56平行于纵向轴线52地延伸。沿着纵向轴线52看，套筒48在中间区段60中波形地构造有关于纵向轴线52径向向内延伸的至少一个凹口58。

如图1中所示，壳体12具有第一止挡面62。保护套筒42具有第二止挡面64。第一止挡面62和/或第二止挡面64是轴向止挡面。轴向止挡面62、64彼此平行地并且垂直于纵向延伸方向18、22地取向。第一止挡面62和第二止挡面64构造用于在将保护套筒42安装在壳体12上时使弹簧夹46弹性变形，如下面详细描述的那样。

在装配传感器10时，在壳体12的纵向孔16中布置并固定的传感器元件20布置在接触部保持件44中。接触部保持件44由弹簧夹46包围。弹簧夹46例如布置在保护套筒42中，使得该弹簧夹贴靠在第二止挡面64上。然后保护套筒42被推到壳体12上。在此，弹簧夹46与第一止挡面62接触。在进一步推挤时，弹簧夹46在保护套筒42和壳体12之间压缩并且变形。作为偏移运动，弹簧夹46以凹口58向内压抵到接触部保持件44上，使得该接触部保持件紧固在其位置中并且在纵向孔16中对中心。在此，弹簧夹46的第一预紧力在基本上垂直于纵向延伸方向18的方向上起作用。弹簧夹46尤其将第一预紧力点形地施加到接触部保持件44上。

图3示出用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测测量气体中的气体组分的分量或测量气体的温度的、根据本发明的第二实施方式的传感器10的横截面视图。

下面仅描述相对于第一实施方式的不同并且相同的或类型的构件设有相同的附图标记。在第二实施方式中，弹簧夹46基本上笼形地构造。因此，在前端部66和后端部68之间看，弹簧夹46具有第一贴靠区段70、弯曲的中间区段72和第二贴靠区段74。第一贴靠区段70位于弹簧夹46的前端部66上。弯曲的中间区段72位于第一贴靠区段70和第二贴靠区段74之间。第一贴靠区段70构造用于贴靠在保护套筒42的柱形壁区段76。第二贴靠区段74构造用于贴靠在保护套筒42的凸肩面78上。第二贴靠区段74基本上垂直于第一贴靠区段72地延伸。第二贴靠区段74尤其沿着关于纵向延伸方向18的径向方向延伸。弹簧夹46具有弹簧舌80，所述弹簧舌构造成用于压到接触部保持件44上。弹簧舌80与弯曲的中间区段72一件式地构造并且在朝着第二贴靠区段74的方向上向该第二贴靠区段倾斜地延伸，这使接触部保持件44到弹簧夹46中的推入变简单。弹簧夹46固定在保护套筒42上。所述固定可以通过在保护套筒42和第一贴靠区段70上的焊点82实现。焊点82可以借助于激光焊接构造。替代地或附加地，保护套筒42可以在装入弹簧夹46之后具有压缝部84，使得弹簧夹46不能沿轴向方向运动。可选地，弹簧夹46可以在保护套筒42上固定在第二贴靠区段74上或可运动地贴靠在凸肩面78上。

此外，在第二实施方式中，在接触部保持件44和传感器元件20之间布置有至少一个接触弹簧86。接触弹簧86将第二预紧力施加到传感器元件20上。接触弹簧86弓形地构造。在将传感器元件20推入到接触弹簧中时，弓相对彼此被挤开，使得传感器元件20被保持。第二预紧力引起第一预紧力的减小，使得没有过大的力施加到传感器元件20上，所述过大的力可能损坏该传感器元件。此外，第二预紧力引起传感器元件20的对中心。接触弹簧86可以构造成用于传感器元件20的电触点接通。在这种情况下，接触弹簧86由导电材料制造。

阻尼地受支承的接触方法负责在传感器元件20上的接触夹挤压力的力求取。在迄今已知的传感器中，在许多情况下容易弯曲的传感器元件借助于包装压入壳体中。在此可能出现，传感器元件会具有在壳体中的稍微倾斜。传感器元件在壳体中的这种不优化的定向通过之前所描述的阻尼接触来克服和修正。阻尼接触负责在接合过程中、尤其在将线缆束组推到具有压入壳体中的传感器元件的组件上时的力不会导致，传感器元件受提前损坏或承载以非对称起作用的力。这尤其可以通过以下方式实现：使不同材料、尤其是陶瓷和钢之间的摩擦力最小化或相互协调。在构件明确定位的意义上的碰撞是允许的，但应尽可能避免，因为所述碰撞可能足以引起接触部保持件的基于所要求的公差的偏离倾斜。

图4示出根据第三实施方式的传感器10的***示图。图5示出根据第三实施方式的传感器10的横截面视图，其中，截面垂直于纵向延伸方向18、22地走向。下面仅描述相对于第一实施方式的区别并且相同的和类似的构件设有相同的附图标记。在第三实施方式中，用作为定位单元的弹簧夹46相比于传统传感器中的定位单元具有增大的外直径88和增大的内直径90。由此能够实现，弹簧夹46浮动地支承接触部保持件44。浮动支承在轴向方向上允许一定的间隙，使得接触部保持件在轴向方向上不明确地固定。由此可以接收机械的或热的长度变化。

在传统的传感器中，在将组件接合到线缆束中时传感器元件接合在由两个相对置的接触弹簧对组成的挤压接触部之间。在接合和后面的过程步骤、如焊接间隙压缝和预紧或焊接中，可以出现在传感器元件和接触部保持件之间的相对移动，所述相对移动建立作用到陶瓷传感器元件上的单侧负载直至产生超载。因此，使作用到陶瓷传感器元件上的负载最小化的补偿运动通过浮动支承来设置，该浮动支承通过接触部保持件和保护套筒的轴向止挡面之间的碟形弹簧实现。

因此，相比于传统的在接触部保持件和保护套筒的轴向止挡面之间设有碟形弹簧的传感器，在第三实施方式的传感器10中浮动支承设置成接触部保持件44和弹簧夹46的接触对。通过弹簧夹46的较大的内直径，接触部保持件被分配有更大的补偿路径。由此弹簧夹46的外直径可以选择得较大。增大的外直径使弹簧夹46在保护套筒42中更好地对中心。由此，相比于在传统的具有深拉件保护套筒和碟形弹簧的传感器中的摩擦系数，弹簧夹46和接触部保持件44具有更好限定的摩擦系数。

图6示出根据第四实施方式的传感器10的横截面视图。下面仅描述相对于第一实施方式的区别并且相同的或类似的构件设有相同的附图标记。在第四实施方式中，用作为定位单元的弹簧夹46具有至少一个钩形的或爪形的第一突出部92，该第一突出部构造成用于将弹簧夹46固定在保护套筒42中。为了该目的，钩形的或爪形的第一突出部92沿基本上径向的方向向外延伸。在示出的实施方式中，弹簧夹46具有多个、如三个或四个钩形的或爪形的第一突出部92。此外，弹簧夹46还具有至少一个钩形的或爪形的第二突出部94以用于固定接触部保持件44。为了该目的，钩形的或爪形的第二突出部94沿基本上径向的方向向内延伸。在所示出的实施方式中，弹簧夹46具有多个、如三个或四个钩形的或爪形的第二突出部94。钩形的或爪形的第二突出部94在接触部保持件44的与第二止挡面64相对置的轴向端部上部分地围绕所述接触部保持件。

如上面已经阐释的那样，在传统的传感器中，浮动支承通过接触部保持件和保护套筒的轴向止挡面之间的碟形弹簧实现。在此，由于具有预变形的挤压接触部可能出现碟形弹簧、接触部保持件和/或弹簧夹的偏心位置。在此，贴靠在保护套筒上的弹簧夹得出相对于传感器元件纵向轴线的明显偏心度。

在第四实施方式中，弹簧夹的第一突出部使弹簧夹46关于保护套筒42的纵向轴线居中地固定。在第四实施方式中，弹簧夹的第二突出部使接触部保持件44相对于弹簧夹46居中地固定。通过所述固定，防止接触部保持件的可能的旋转。在将弹簧夹46接合到保护套筒42中之前，使接触部保持件对中心并且保持在位置中，使得不可能出现掉落。附加地，防止或至少明显妨碍由接触部保持件和弹簧夹组成的单元在线缆束运输期间的突出。弹簧夹引起抵抗潜在偏心度的补偿的小的阻力。