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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Verbesserung
eines Gassensors, der in einer Sauerstoffmesseinrichtung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuerungssystems
verwendet werden kann, das einen Sauerstoffgehalt in Abgasen einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs misst.
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2. Zugehöriger Stand
der Technik
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Für die Verbrennungssteuerung
von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist ein
Luft-Kraftstoffverhältnissensor
in einem Abgassystem eingebaut, um ein Luft-Kraftstoffverhältnis zu messen.
Ein solcher Luft-Kraftstoffverhältnissensor ist üblicherweise
mit einem Sauerstoffsensor versehen, der ein Paar Elektroden hat,
von denen eine dem zu messenden Gas ausgesetzt ist und die andere
einem Referenzgas ausgesetzt ist, das in einer Referenzgaskammer
von der Außenseite
des Sauerstoffsensors zugeführt
wird.
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In
den letzten Jahren wurde zur Verbesserung des Einbaus des Sauerstoffsensors
in das Fahrzeug und zur Verminderung von dessen Herstellungskosten
gefordert, die Größe des Sauerstoffsensors
zu vermindern. Zu diesem Zweck wurde beispielsweise in der DE-A-197
03 458 eine verbesserte Struktur vorgeschlagen, in der die Länge des
Sauerstoffsensors verkürzt
ist und eine äußere Abdeckung und
andere Teile durch Falzen zusammengefügt sind. Das Falzen führt jedoch
zu einem Problem der Verminderung der Fläche eines Gasdurchgangs, der das
Referenzgas in die Referenzgaskammer zuführt, was zu einer Verringerung
des Referenzgasstroms führt,
was in einer Verminderung der Messgenauigkeit resultiert.
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Der
Sensor nach der Druckschrift
US 5,537,650 verwendet
eine kreiszylindrische Form des Isolators mit einem Abschnitt verminderten Durchmessers
im Bereich eines Luftdurchgangs, um den Luftdurchgang zwischen der
Außenfläche des Isolators
und einer Innenfläche
eines Gehäuses
auszubilden. Gleichartige Anordnungen sind in der JP-A-8 240 559
und der JP-A-8 22 00 61 gezeigt. Ferner ist in der JP-A-8 240 559
und der JP-A-8 22 00 61 ein Aufbau gezeigt, in welchem ein Raum
oberhalb des Isolators ausgebildet ist, wobei der Raum mit der umgebenden
Atmosphäre
verbunden ist, die Luft als das Referenzgas bereitstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen kompakten Gassensor bereitzustellen,
in dem die Strömung des
Referenzgases mit einem einfachen Aufbau verbessert ist, und einen
Gassensors bereitzustellen, der in der Lage ist, einen bestimmten
Komponentengehalt in Gasen mit einer gewünschten Genauigkeit zu messen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
17 aufgezeigt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden genauen Beschreibung
sowie den beigefügten
Zeichnungen des bevorzug ten Ausführungsbeispiels
der Erfindung deutlicher, die jedoch nicht als die Erfindung auf
das spezielle Ausführungsbeispiel
beschränkend
angesehen werden soll, sondern lediglich zur Erläuterung und zum Verständnis dienen sollen.
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Darin
zeigt:
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1 eine Längsschnittansicht, die einen Sauerstoffsensor
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2 eine geschnittene Explosionsdarstellung,
die den Sauerstoffsensor in 1 zeigt;
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3 eine Schnittansicht entlang
der Linie III-III in 1;
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4 eine Perspektivansicht,
die ein in dem Sauerstoffsensor in 1 angeordnetes
Dichtungselement zeigt;
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5 eine geschnittene Teilansicht,
die eine Anordnung von Elektroden des Sauerstoffsensors aus 1 zeigt;
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6(a), 6(b) und 6(c) eine
Reihenfolge von Zusammenbauvorgängen
des Sauerstoffsensors aus 1;
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7 eine Draufsicht, die eine
erste Modifikation eines isolierenden Halters zeigt, der in einem Sauerstoffsensor
angeordnet ist;
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8 eine Draufsicht, die die
zweite Modifikation eines isolierenden Halters zeigt, der in einem Sauerstoffsensor
angeordnet ist;
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9 eine Draufsicht, die die
dritte Modifikation eines isolierenden Halters zeigt, der in einem Sauerstoffsensor
angeordnet ist;
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10 eine Draufsicht, die
die vierte Modifikation eines isolierenden Halters zeigt, der in
einem Sauerstoffsensor angeordnet ist;
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11 eine Teilschnittansicht,
die ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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12 eine Perspektivansicht,
die ein Dichtungselement des Sauerstoffsensors aus 11 zeigt;
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13 eine geschnittene Teilansicht,
die das Dichtungselement aus 12 zeigt,
das an einem Ende einer ersten Metallabdeckung gehalten ist;
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14 eine geschnittene Teilansicht,
die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels aus 11 zeigt;
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15 eine Längsschnittansicht,
die einen Sauerstoffsensor gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt; und
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16 eine Längsschnittansicht,
die einen Sauerstoffsensor gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Gemäß den Figuren,
insbesondere gemäß 1, ist ein Sauerstoffsensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, der in einem Luft-Kraftstoffverhältnissteuerungssystem
für Kraftfahrzeuge
verwendet werden kann. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf einen Sauerstoffsensor beschränkt ist und alternativ mit
einer Vielzahl von Gassensoren, wie z. B. HC-, CO- und NOx-Sensoren verwendet
werden kann.
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Der
Sauerstoffsensor 1 umfasst allgemein ein Gehäuse 10,
eine Sensoreinheit 2 und Signalaufnahmeleitungen 291 und 292.
Die Sensoreinheit 2 ist hermetisch innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und
umfasst, wie in 5 gezeigt
ist, einen Sensorabschnitt 28 und eine Referenzgaskammer 200.
Der Sensorabschnitt 28 besteht aus einer Messelektrode 21,
einer Vergleichselektrode 22 und einem Festelektrolytkörper 20,
der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordnet
ist. Die Referenzgaskammer 200 ist mit einem Referenzgas
gefüllt,
dem die Vergleichselektrode 22 ausgesetzt ist. Die Signalaufnahmeleitungen 291 und 292 sind
elektrisch mit der Messelektrode 21 und der Vergleichselektrode 22 verbunden.
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Der
Sauerstoffsensor 1 umfasst ferner eine erste Metallabdeckung 11 und
eine zweite Metallabdeckung 12. Die erste Metallabdeckung 11 bedeckt einen
Abschnitt der Sensoreinheit 2, der von dem Sensorabschnitt 28 entfernt
ist, und ist mit dem Gehäuse 10 zusammengefügt. Die
zweite Metallabdeckung 12 ist am Umfang eines oberen Abschnitts
der ersten Metallabdeckung 11 eingesetzt und gefalzt, um
zwei ringförmige
Verbinder 161 und 162 mit der ersten Metallabdeckung 11 zu
bilden, um einen wasserabweisenden Filter 13 zwischen der
ersten und der zweiten Metallabdeckung 11 und 12 zu
halten.
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Erste
und zweite Entlüftungen 110 und 120 sind
in Ausrichtung mit der ersten Metallabdeckung 11 bzw. der
zweiten Metallabdeckung 12 ausgebildet, die über den
wasserabweisenden Filter 13 miteinander verbunden sind,
um das Referenzgas durch ein in 1 gesehen
oberes Ende der Sensoreinheit 2 der Referenzgaskammer 200 zuzuführen.
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Ein
isolierender Halter 3 ist innerhalb der ersten Metallabdeckung 11 angeordnet,
durch den die Signalaufnahmeleitungen 291 und 292 geführt sind. Der
isolierende Halter 3 liegt der ersten Entlüftung 110 gegenüber und
ist, wie später
im Einzelnen diskutiert wird, nicht an eine Innenwand der ersten
Metallabdeckung 11 angepasst, um dazwischen einen Referenzgasdurchlass 115 zu
bilden.
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Die
Sensoreinheit 2 ist innerhalb des Gehäuses 10 gehalten.
Die Sensoreinheit 2 und das Gehäuse 10 sind hermetisch
abgedichtet.
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Das
Gehäuse 10 hat
an seinem Kopf kappenförmige
innere und äußere Abdeckungen 151 und 153,
die den Sensorabschnitt 28 abdecken. Die innere Abdeckung 151 definiert
darin eine Gasmesskammer 150. Gaseinlässe 152 und 154 sind
in der inneren bzw. äußeren Abdeckung 151 bzw. 153 ausgebildet.
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Die
erste Metallabdeckung 11 besteht aus zwei Abdeckelementen:
einem äußeren und
einem inneren Abdeckelement 111 und 112. Das innere
Abdeckelement 112 ist an einem Ende an ein oberes Endes
des Gehäuses 10 über einen
Verstemmring 119 gefügt.
Das äußere Abdeckelement 111 ist
an einen oberen Abschnitt des inneren Abdeckelements 112 durch
Falzen gefügt.
Das innere Abdeckelement 112 hat ein oberes Ende 117,
welches einen unteren Flansch des isolierenden Halters 3 zwischen
sich und einer Schulter 118 des äußeren Abdeckelements 111 erfasst,
um den isolierenden Halter 3 innerhalb des äußeren Abdeckelements 111 zu
halten. Ein Dichtungselement 14 ist in ein oberes Ende
des inneren Abdeckelements 112 in Anlage mit dem oberen
Ende des isolierenden Halters 3 eingesetzt. Die Leitungen 191, 192 und 251 passieren
das Dichtungselement 14.
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Der
isolierende Halter 3 hat darin vier Durchgangslöcher 30 ausgebildet,
durch die die Signalaufnahmeleitungen 291 und 292,
ein mit einem Heizer 25, der später beschrieben wird, verbundenes
Paar von Leitungen 259, die Leitungen 191 und 192 sowie ein
Paar von Leitungen 251 passieren. Die Leitungen 291, 292 und 259 sind
mit den Leitungen 191 und 192 bzw. 251 innerhalb
der Durchgangslöcher 30 verbunden.
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Der
isolierende Halter 3 hat eine, wie in 3 deutlich gezeigt ist, im Wesentlichen
oktogonale Konfiguration. Insbesondere hat der isolierende Halter 3 gerundete
oder gekrümmte
Flächen 31 an seinen
Ecken. Jedes der Durchgangslöcher 30 ist
in der Nähe
einer dieser gekrümmten
Flächen 31 angeordnet.
Der isolierende Halter 3 hat flache Durchlassflächen 32,
die jeweils zwischen zwei benachbarten gekrümmten Flächen 31 begrenzt sind,
um einen Hauptabschnitt des Referenzgasdurchgangs 115 zu bilden.
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Wenn
der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden
der gekrümmten
Flächen 31 des
isolierenden Halters 3 (d. h. eine maximale Länge) als
a definiert ist und der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden
der flachen Durchlassflächen 32 (d.
h. eine minimale Länge)
als b definiert ist, ist es ratsam, dass ein Verhältnis von
b zu a (d. h. b/a) größer oder gleich
0,8 und kleiner oder gleich 0,95 ist (0,8 ≤ b/a ≤ 0,95). Wenn das Verhältnis von
b zu a kleiner als 0,8 ist, wird es schwierig einen gewünschten
Durchmesser der vier Durchgangslöcher 30 sicherzustellen. Wenn
andererseits das Verhältnis
von b zu a größer als
0,95 ist, wird der Spalt zwischen dem isolierenden Halter 3 und
der ersten Metallabdeckung 11 zu klein, um einen ausreichenden
Strom des Referenzgases sicherzustellen.
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Das
Dichtungselement 14 ist, wie in 4 deutlich gezeigt ist, zylindrisch und
hat an seiner dem isolierenden Halter 3 zugewandten Endfläche 410 eine
Vielzahl (in diesem Ausführungsbeispiel
vier) von Vorsprüngen 41,
welche die obere Fläche
des isolierenden Halters berühren,
wie in 1 zu erkennen
ist, um einen Spalt dazwischen beizubehalten, durch den das Referenzgas
fließen
kann. Das Dichtungselement 14 hat darin zudem vier Durchgangslöcher 40 ausgebildet,
von denen jedes zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 41 liegt
und durch die die Leitungen 191, 192 und 252 passieren.
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Die
zweite Metallabdeckung 12 ist gefalzt, um die ringförmigen Verbindungsabschnitte 161 und 162 zu
bilden, so dass sie an dem äußeren Abdeckelement 111 der
ersten Metallabdeckung über
dem wasserabweisenden Filter 3 befestigt ist.
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Die
Sensoreinheit 2 besteht, wie in 5 gezeigt ist, aus dem hohlzylindrischen
Festelektrolytkörper 20 mit
einem Boden, wobei die Messelektrode 21 über eine
Schutzschicht 23 der Gaskammer 150 ausgesetzt
ist, und die Vergleichelektrode 22 der Referenzgaskammer 200 ausgesetzt
ist. In der Referenzgaskammer 200 ist der balkenförmige Heizer 25 angeordnet,
der die Messelektrode 21 und die Vergleichselektrode 22 auf
eine Temperatur aufheizt, bei der die Sauerstoffkonzentration korrekt
gemessen werden kann.
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Die
Messelektrode 21 und die Vergleichselektrode 22 erstrecken
sich zu einem in 1 gesehen
oberen Abschnitt der Sensoreinheit 2 und sind mit den Signalaufnahmeleitungen 291 und 292 verbunden.
Der Heizer 25 hat darin einen Heizwiderstand angeordnet,
der mit den Leitungen 259 verbunden ist.
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Beim
Zusammenbau des Sauerstoffsensors 1 wird die Sensoreinheit 2,
wie in 6(a) gezeigt
ist, mit der die Signalaufnahmeleitungen 291 und 292 verbunden
sind, zunächst
hermetisch in das Gehäuse 10 eingesetzt.
Die inneren und äußeren Abdeckungen 151 und 153 sind
in das untere Ende des Gehäuses 10 eingebaut.
Das innere Abdeckelement 112 der ersten Metallabdeckung 11 ist
eingesteckt, so dass es mit dem oberen Ende des Gehäuses 10 zusammengefügt ist.
Dies vollendet einen unteren Abschnitt des Sauerstoffsensors 1.
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Die
Leitungen 191, 192 und 251 sind, wie
in 6(a) gezeigt ist,
in den isolierenden Halter 3 eingeführt. Das äußere Abdeckelement 111 der
ersten Metallabdeckung 11 ist am Umfang des isolierenden Halters 3 angebracht.
Die Leitungen 259 des Heizers 25 sind mittels
Verbindern 195 mit den Leitungen 251 verbunden.
Die zweite Metallabdeckung 12 mit dem wasserabweisenden
Filter 13 ist oberhalb des äußeren Abdeckelements 111 angeordnet.
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Als
Nächstes
werden die Verbinder 159, wie in 6(b) gezeigt ist, mit den Signalaufnahmeleitungen 291 und 292 zusammengefügt. Das äußere Abdeckelement 111 wird
auf das innere Abdeckelement 112 aufgesetzt und dann gefalzt,
um damit verbunden zu sein und die erste Metallabdeckung 11 zu vollenden.
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Die
zweite Metallabdeckung 12 wird auf die erste Metallabdeckung 11 aufgesetzt
und gefalzt, um die ringförmigen
Verbindungsabschnitte 161 und 162 zu bilden. Dies
vollendet den Sauerstoffsensor 1, wie in 6(c) gezeigt ist.
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Im
Betrieb wird Luft 8, wie in 9 gezeigt ist,
zunächst
von der zweiten Entlüftung 120 über den wasserabweisenden
Filter 13 zur ersten Entlüftung 110 zugeführt und
fließt
dann durch den Referenzgasdurchgang 115, der zwischen dem
Umfang des isolierenden Halters 3 und der Innenwand der
ersten Metallabdeckung 11 ausgebildet ist, aufwärts, und
erreicht die obere Kante des isolierenden Halters 3. Als Nächstes passiert
die Luft 8 den Spalt zwischen dem isolierenden Halter 3 und
dem Dichtungselement 14 und fließt durch Spalte zwischen den
Leitungen 191, 192 und 251 und den Innenwandungen
der Löcher 30,
die in dem isolierenden Halter 3 ausgebildet sind, abwärts. Die
aus den unteren Enden der Löcher 30 austretende
Luft 8 tritt in die Referenzgaskammer 200 am oberen
Ende der Sensoreinheit 2 ein.
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Der
Sauerstoffsensor 1 dieser Erfindung ist ausgelegt, einen
Sauerstoffgehalt in Gasen zu messen, indem die sauerstoffkonzentrationsabhängige elektromotorische
Kraft oder die Strombegrenzung verwendet wird. Genauer gesagt, die
Messung des Sauerstoffgehaltes unter Verwendung der Sauerstoffkonzentra tion
in Abhängigkeit
von der elektromotorischen Kraft wird erreicht, indem durch die
Messelektrode 21 und die Vergleichselektrode 22 die
elektromotorische Kraft überwacht
wird, die in dem Festelektrolytkörper 20 erzeugt
wird und von einem Unterschied der Sauerstoffkonzentration zwischen
der Luft 8 (d. h. ein Referenzgas) und dem Gas der Gasmesskammer 150 abhängt. Die
Messung der Sauerstoffkonzentration unter Verwendung der Strombegrenzung
wird verwirklicht, indem eine vorgegebene Spannung über die
Messelektrode 21 und die Vergleichselektrode 22 angelegt
wird, um einen begrenzten Strom zu erfassen, der von der Konzentration
von Sauerstoff in den Gasen abhängt.
Diese Techniken sind im Stand der Technik bekannt und deren genaue
Erläuterung
unterbleibt hier.
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7 zeigt die erste Modifikation
des isolierenden Halters 3, der eine ovale Form hat, und
der eine Hauptachse a und eine Nebenachse b hat, um zwei Hauptabschnitte
des Referenzgasdurchgangs 115 zwischen dem isolierenden
Halter 3 und der ersten Metallabdeckung 11 auszubilden.
Das Verhältnis von
b zu a ist, wie jenes in 3 gezeigte,
innerhalb eines Bereichs von 0,8 bis 0,95.
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8 zeigt die zweite Modifikation
des isolierenden Halters 3, der aus einem zylindrischen
Element mit zwei flachen Flächen 32 gemacht
ist, die zwei Hauptabschnitte des Referenzgasdurchgangs 115 zwischen
dem isolierenden Halter 3 und der ersten Metallabdeckung 11 begrenzen.
Das Verhältnis von
b zu a ist, wie oben, innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 0,95.
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9 zeigt die dritte Modifikation
des isolierenden Halters 3, der im Querschnitt kreuzförmig ist und
vier Hauptabschnitte des Referenzgasdurchgangs 115 zwischen
den L-förmigen
Flächen 32 und dem äußeren Abdeckelement 111 der
ersten Metallabdeckung 11 ausbildet. Das Verhältnis von
b zu a ist, wie oben, innerhalb eines Bereichs von 0,8 bis 0,95.
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10 zeigt die vierte Modifikation
des isolierenden Halters 3, der darin ein zentrales Loch 39 ausgebildet
hat, welches die das obere Ende des isolierenden Halters 3 erreichende
Luft 8 zum oberen Ende der Sensoreinheit 2 führt. Der
isolierende Halter 3 ist so dargestellt, dass er die Form
gleich der in 7 gezeigten
Form hat, er kann jedoch jede der in den 3, 8 und 9 gezeigten Formen haben.
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11 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des
Sauerstoffsensors. Das Dichtungselement 4 hat, wie in 12 gezeigt ist, einen Flansch 48 an
seinem oberen Ende und vier gekrümmte
Löcher 40,
durch die Leitungen 191, 192 und 252 führen. Die
Krümmung
der Löcher 40 dient
dazu, die Leitungen 191, 192 und 252 fest
in dem Dichtungselement 4 zu halten. Die erste Metallabdeckung 11 hat,
wie deutlich in 13 gezeigt
ist, einen Endabschnitt 481, der kürzer ist als ein Endabschnitt 482 der
zweiten Metallabdeckung 12, um eine ringförmige Stufe
auszubilden, auf der der Flansch 48 des Dichtungselements 4 gehalten
ist, um dadurch einen konstanten Spalt zwischen dem Boden 401 des
Dichtungselements 4 und der oberen Fläche 400 des isolierenden
Halters 3 zu definieren.
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Das
Dichtungselement 4 kann alternativ einen zusätzlichen
Flansch 49 haben, wie in 14 gezeigt
ist, der an dem oberen Ende davon ausgebildet ist und an dem Ende
der zweiten Metallabdeckung 12 gehalten ist, um den konstanten
Spalt zwischen dem Boden 401 des Dichtungselements 4 und der
oberen Fläche 400 des
isolierenden Halters 3 zu definieren.
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15 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel des
Sauerstoffsensors 1, der die erste Metallabdeckung 11 aufweist,
die aus einem einzelnen zylindrischen Element gemacht ist. Das Dichtungselements 14 ist
nahezu spaltfrei auf dem isolierenden Halter 3 angeordnet.
Der isolierende Halter 3 hat einen oberen Flansch 200 und
einen Hohlkörper,
dessen Umfangswand die gleiche Form hat, wie jeder der isolierenden
Halter 3 gemäß 3, 7, 8 und 9. Der obere Flansch 200 ist
an einem oberen Ende der ersten Metallabdeckung 11 über eine
Gummistoffbuchse 250 gehalten.
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Die
Luft 8, die von der zweiten Entlüftung 120 über den
wasserabweisenden Filter 13 und die erste Entlüftung 110 angesaugt
ist, fließt
durch den Referenzgasdurchgang 115 abwärts und tritt dann in die Referenzgaskammer 20 am
oberen Ende der Sensoreinheit 2 ein.
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16 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel des
Sauerstoffsensors 1, der eine Sensoreinheit 2 hat,
die mit Laminaten versehen ist. Beispielsweise beschreibt die U.S.P.
Nr. 5,573,650 (am 12. November 1996 im Namen von Fukaya et al. herausgegeben)
einen solchen Aufbau der Sensoreinheit 2, wobei deren Offenbarung
hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Während die
vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels
zur Erleichterung des Verständnisses
davon beschrieben wurde, ist anzumerken, dass die Erfindung auf
verschiedene Wege verkörpert
werden kann, ohne das Prinzip der Erfindung zu verlassen. Folglich
soll die Erfindung als alle möglichen
Ausführungsbeispiele
und Modifikationen zu den gezeigten Ausführungsbeispielen verstanden
werden, die verwirklicht werden können, ohne dass Prinzip der
Erfindung zu verlassen, das in den nachfolgenden Ansprüchen niedergelegt
ist.