(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの少なくとも１つの物理的な量を測定するためのガス測定フィーラ（１０）であって、センサ素子（２０）が設けられており、該センサ素子（２０）が、シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）によって当該ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）内に位置固定されており、シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）が、少なくとも１つのシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）を有している形式のものにおいて、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、セラミックス材料を含有しており、該セラミックス材料が、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の熱処理によって焼結されており、該シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、前記熱処理によって、熱処理前のシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有していて、ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）とセンサ素子（２０）とにガス密に結合されていることを特徴とする、ガス測定フィーラ。
【請求項２】
ガスの少なくとも１つの物理的な量を測定するためのガス測定フィーラ（１０）であって、センサ素子（２０）が設けられており、該センサ素子（２０）が、シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）によって当該ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）内に位置固定されており、シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）が、少なくとも１つのシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）を有している形式のものにおいて、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が多孔質に形成されていて、金属成分を含有しており、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、反応焼結のためのシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の熱処理によって、熱処理前のシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有していて、ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）とセンサ素子（２０）とにガス密に結合されていることを特徴とする、ガス測定フィーラ。
【請求項３】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）のセラミックスの割合が、３０質量％であり、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、３０質量％の割合を備えた金属成分を含有している、請求項１または２記載のガス測定フィーラ。
【請求項４】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、溶接によって当該ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）または別の金属製のエレメント（１２１，１３１，１４２）に結合されている、請求項２または３記載のガス測定フィーラ。
【請求項５】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、最高２０質量％のガラス割合を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項６】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、当該ガス測定フィーラ（１０）の、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）に隣接した少なくとも１つの部分に材料接続的に結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項７】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、閉鎖気孔率を有しており、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の気孔割合が、１５〜５０体積％の範囲であり、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の平均的な気孔サイズが、１〜１００μｍの範囲であり、気孔の少なくとも９０％が、１０〜６０μｍの範囲内の気孔サイズを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項８】
シールエレメント（１１１，１５１，１６１）が、センサ素子（２０）とハウジング（２１）との間の領域を完全に塞いでいる、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項９】
シール装置（１２０，１３０）が、金属製の成形部材（１２１，１３１）を有しており、該成形部材（１２１，１３１）が、金属製のハウジング（２１）に溶接（１２４）によって結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１０】
成形部材（１２１，１３１）がポット状に形成されており、センサ素子（２０）が、成形部材（１２１，１３１）内に中心で配置されている、請求項９記載のガス測定フィーラ。
【請求項１１】
成形部材（１３１）が、一方の側に、絶縁性のエレメント（１３３）を収容するための切欠きを有しており、絶縁性のエレメント（１３３）が、センサ素子（２０）を収容するための貫通孔を有している、請求項１０記載のガス測定フィーラ。
【請求項１２】
シール装置（１４０）が、センサ素子（２０）を取り囲むボディ（１４２）を有しており、該ボディ（１４２）とハウジング（２１）との間に第１のシールエレメント（１４１）がかつ／またはボディ（１４２）とセンサ素子（２０）との間に第２のシールエレメント（１４３）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１３】
ボディ（１４２）の、センサ素子（２０）を収容する切欠き（１４４）の形状が、センサ素子（２０）に対して垂直な切断平面で見て、センサ素子（２０）の横断面に相当している、請求項１２記載のガス測定フィーラ。
【請求項１４】
シールエレメント（１５１）が、ハウジング（２１）に隣接した領域（１５３）に、センサ素子（２０）に隣接した領域（１５２）よりも高い金属の割合と低いセラミックスの割合とを有しており、金属の割合および／またはセラミックスの割合が、シールエレメント（１５１）の、ハウジング（２１）に隣接した領域（１５３）から、シールエレメント（１５１）の、センサ素子（２０）に隣接した領域（１５２）に向かって少なくとも１つの段階でまたは連続的に変化している、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１５】
シールエレメント（１６１）および／またはハウジング（２１）および／またはセンサ素子（２０）が、少なくとも部分的に層（１６２，１６３）によって被覆されており、該層（１６２，１６３）が、セラミックス材料および／またはガラスを含有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１６】
シールエレメント（１１１，１４１，１５１，１６１）と当該ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）または別の金属製のエレメント（１２１，１３１，１４２）との間に中間層（１６２）が設けられており、該中間層（１６２）が、酸化アルミニウムおよび／または酸化ジルコニウムおよび／またはリン酸アルミニウムを含有している、請求項１から１５までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１７】
ガスの少なくとも１つの物理的な量を測定するためのガス測定フィーラ（１０）を製作するための方法であって、この場合、ガス測定フィーラ（１０）が、センサ素子（２０）を有しており、該センサ素子（２０）をハウジング（２１）内にシール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）によって位置固定し、この場合、該シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）が、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）を有している形式のものにおいて、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）のための出発材料をシール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）内に装入し、該シール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）を出発材料と共に熱処理にさらし、該熱処理によって、出発材料を焼結し、これによって、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、熱処理後、熱処理前のシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有しており、これによって、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）を、熱処理の間、ガス測定フィーラ（１０）のハウジング（２１）とセンサ素子（２０）とにガス密に結合することを特徴とする、ガス測定フィーラを製作するための方法。
【請求項１８】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、熱処理によって、ガス測定フィーラ（１０）の、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）に隣接した少なくとも１つの部分に対して材料接続的な結合部を形成しており、シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、熱処理後、閉鎖気孔率を形成しており、この場合、熱処理時に発生した温度が１０００℃を上回っていない、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）が、熱処理後、４０質量％のセラミックスの割合と、６０質量％の金属の割合とを有している、請求項１７または１８記載の方法。
【請求項２０】
シールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の出発材料を、予備成形されたエレメントの形で熱処理前にシール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）内に装入するかまたはシールエレメント（１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１）の出発材料を射出成形法によってシール装置（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）内に装入する、請求項１７から１９までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有利にはガス、特に内燃機関の排ガスの少なくとも１つの物理的な量を測定するためのガス測定フィーラであって、センサ素子が設けられており、該センサ素子が、シール装置によって当該ガス測定フィーラのハウジング内に位置固定されており、シール装置が、少なくとも１つのシールエレメントを有している形式のものに関する。
【０００２】
さらに、本発明は、有利にはガス、特に内燃機関の排ガスの少なくとも１つの物理的な量を測定するためのガス測定フィーラを製作するための方法であって、この場合、ガス測定フィーラが、センサ素子を有しており、該センサ素子をハウジング内にシール装置によって位置固定し、この場合、該シール装置が、シールエレメントを有している形式のものに関する。
【０００３】
【従来の技術】
このような形式のガス測定フィーラは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２６３７８号明細書に基づき公知である。この公知のガス測定フィーラは、長手方向に延びるプレーナ型のセンサ素子を有している。このセンサ素子は測定ガス側の区分で、測定したい測定ガスに接触する。センサ素子の、測定ガス側の区分とは反対の側の接続側の区分には、センサ素子を、ガス測定フィーラの外部に配置された評価電子装置とコンタクトするためのコンタクト面が設けられている。
センサ素子の測定ガス側の区分と接続側の区分とはシール装置によって分離されている。このシール装置は測定ガス側のセラミックス成形部材と接続側のセラミックス成形部材との間に配置されている。両セラミックス成形部材とシール装置とは、センサ素子を収容するための貫通孔を有している。シール部材を製作するためには、まず予備プレスされたシールリングが両セラミックス成形部材の間で圧縮される。シールリングの圧縮時には、このシールリングがステアタイト粉末に変形される。その後、このステアタイト粉末が半径方向でセンサ素子とハウジングとに当て付けられ、この場合、センサ素子がハウジング内でシールされる。
さらに、ドイツ連邦共和国特許第１９５３２０９０号明細書に基づき、ステアタイトから成る２つのシールエレメントの間で窒化ホウ素から成る別のシールエレメントが圧縮されたシール装置が公知である。シール作用は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２６３７８号明細書と同じく、セラミックス成形部材を介してシール材料に所定の力が加えられることによって達成される。これによって、シール材料が強く圧縮され、変形によってセンサ素子とハウジングとに圧着されるようになっている。
【０００４】
前述したシール装置には、要求されたシール作用を達成するために、シール材料が常に高い圧力下になければならないという欠点がある。したがって、このような形式のシール装置は高価であると共に製造技術的に手間のかかるものとなる。さらに、シール装置の圧縮時に生ぜしめられる力によってセンサ素子が損傷され得る。
【０００５】
ヨーロッパ特許出願公開第０７０６０４６号明細書に基づき、センサ素子がガラスシール部材によってセラミックス製の保持体内に位置決めされているシール装置が公知である。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５２６７４号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３１６８号明細書に開示されたシール装置は、セラミックス粉末、たとえばステアタイトとガラス粉末とから成る混合物を含有したシールエレメントを有している。このシールエレメントは最高１０００℃の温度に加熱される。この熱処理によって、ガラス粉末がステアタイトマトリックス内で溶融され、したがって、ステアタイトマトリックスの気孔内に拡散する。熱処理によるセラミックスの割合の焼結は行われない。
【０００６】
ガラス成分を含有したシール装置には、このシール装置の、運転に基づく加熱時にまたは冷却時にまたは熱衝撃負荷下で、ガラス含有のシール部材に亀裂が生ぜしめられ得る応力状態が発生するという欠点がある。さらに、ガラス含有のシール部材の電気抵抗が、ガス測定フィーラの運転中に生ぜしめられるより高い温度で著しく低下する。これによって、望ましくない電流がセンサ素子とハウジングとの間に生ぜしめられ得る。
【０００７】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２６３７８号明細書
【特許文献２】
ドイツ連邦共和国特許第１９５３２０９０号明細書
【特許文献３】
ヨーロッパ特許出願公開第０７０６０４６号明細書
【特許文献４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５２６７４号明細書
【特許文献５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３１６８号明細書
【非特許文献１】
「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １６（１９９６年）」（第２６１〜２６７頁）
【非特許文献２】
「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ５（１９８９年）」（第２９〜３５頁）
【非特許文献３】
「Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．」（第１４巻、Ｎｏ．４、１９９９年４月、第１４８５〜１９４９頁）
【非特許文献４】
「Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（２０００年２月、Ｎｒ．４、第１５９〜１９１頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス測定フィーラを改良して、ガス測定フィーラのハウジング内でのセンサ素子の製造技術的に簡単なシールおよび保持が可能となるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明によるガス測定フィーラの第１の構成では、シールエレメントが、セラミックス材料を含有しており、該セラミックス材料が、熱処理の範囲内で焼結されていて、熱処理後、熱処理前のシールエレメントの体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有しているようにした。
【００１０】
さらに、この課題を解決するために本発明によるガス測定フィーラの第２の構成では、シールエレメントが多孔質に形成されていて、金属成分を含有していて、熱処理後、熱処理前のシールエレメントの体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有しているようにした。
【００１１】
さらに、この課題を解決するために本発明の方法では、シールエレメントのための出発材料をシール装置内に装入し、該シール装置を出発材料と共に熱処理にさらし、該熱処理の間、出発材料を焼結プロセスにさらし、これによって、シールエレメントが、熱処理後、熱処理前のシールエレメントの体積に対して、最高５％の体積減少または体積増加を有しているようにした。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１および２の特徴部に記載の特徴を備えた本発明によるガス測定フィーラならびに請求項１７の特徴部に記載の特徴を備えた、ガス測定フィーラを製作するための本発明による方法は、ガス測定フィーラのハウジング内でのセンサ素子の製造技術的に簡単なシールおよび保持が可能となるという利点を有している。
【００１３】
本発明によるガス測定フィーラのシール装置はシールエレメントを有している。このシールエレメントは熱処理にさらされる。この場合、シールエレメントは熱処理によって最高５％の体積増加または体積減少を被る。これによって、シールエレメントが、熱処理の間、ガス測定フィーラの、取り囲んでいる部分、たとえばハウジングとセンサ素子とにガス密に結合されることが可能となる。シール作用を維持するためには、シールエレメントを外力の作用なしにハウジング内に配置することができる。シール作用ならびにハウジング内でのセンサ素子の位置決めは、シールエレメントが熱処理によって体積増加を被る場合に特に確実に達成することができる。
【００１４】
本発明の１つの観点によれば、シールエレメントはセラミックス材料を含有している。このセラミックス材料は熱処理によって焼結されている。このような形式のシールエレメントを製作するためには、既知の方法を使用することができる。この方法は、熱処理時のセラミックスの焼結縮みを少なくとも十分に回避しているかまたは補償している。このような方法の複数の例は、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １６（１９９６年）」（第２６１〜２６７頁）ならびに「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ５（１９８９年）」（第２９〜３５頁）および「Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．」（第１４巻、Ｎｏ．４、１９９９年４月、第１４８５〜１９４９頁）ならびに両記事に引用された刊行物に記載されている。
【００１５】
焼結縮みを少なくとも十分に回避してガス密なシールエレメントを提供するこのような方法に対する別の例では、まず、Ａｌベース合金、特にＡｌ−Ｍｇ合金、たとえば５質量％のＭｇの割合を備えたＡｌＭｇ５の粉末と、セラミックス粉末、特に金属酸化物粉末、たとえばＭｇＯとの出発混合物から出発する。詳細には、１μｍ〜２００μｍ、有利には１０μｍ〜５０μｍ、たとえば約１０μｍの標準偏差を備えた約３０μｍの平均的な粒子サイズを備えた２５．００ｇのＡｌＭｇ５粉末（製造元：Ｅｃｋａｒｔ  Ｍｅｐｕｒａ、型式記号：ＥＣＫＡ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｇｒｉｅｓｓ  Ａ５）が、０．５μｍ〜５０μｍ、たとえば４μｍの平均的な粒子サイズと、たとえば１．２ｍ２／ｇの固有の表面積とを備えた１５．６６ｇのＭｇＯ粉末と共に使用される。この混合物は、後続の反応焼結の範囲内でのＡｌ−Ｍｇ合金の完全な酸化時に酸化マグネシウムを備えたＭｇＡｌ２Ｏ４の種類のスピネル（尖晶石）が形成されるように化学量論的に組成されている。使用される出発粉末はまずエタノール内に装入され、そこで、このエタノールが再び除去される前に集中的に撹拌される。次いで、粉末混合物が形状付与にさらされる、すなわち、所定の形状に加工成形され、したがって、圧粉体に成形される。その後、この圧粉体が圧縮され、これによって、４５％〜５５％、有利には４７％〜５２％の圧粉体の圧粉密度が生ぜしめられる。この圧粉密度が下回られる場合には、最終的に獲得されたセラミックス材料が一般的に過度に高い開放気孔率を有しており、かつ／または後続の反応焼結の途中に液化する金属が部分的に圧粉体から流出する。これによって、気密性が損なわれる。その後、圧粉体を形成するための形状付与に続いて、熱処理の範囲において、酸化するガス雰囲気内、たとえば空気、酸素またはその他の酸素含有の雰囲気下で反応焼結が行われる。有利には、この反応焼結は空気下で行われる。典型的な熱処理プログラムでは、圧粉体が、まず室温から２Ｋ／ｍｉｎ〜５Ｋ／ｍｉｎ、たとえば３Ｋ／ｍｉｎの加熱率で５５０℃に加熱される。その後、０．５Ｋ／ｍｉｎ〜３Ｋ／ｍｉｎ、たとえば１Ｋ／ｍｉｎでの加熱率で５５０℃から７００℃へのさらなる加熱が行われる。７００℃への到達後、圧粉体が０．５Ｋ／ｍｉｎ〜３Ｋ／ｍｉｎ、たとえば０．５Ｋ／ｍｉｎの加熱率でさらに１０００℃に加熱される。１０００℃の最終温度への到達後、焼結された圧粉体がそこに０〜３時間、たとえば２時間保持され、次いで、１０Ｋ／ｍｉｎの冷却率で室温に冷却される。
【００１６】
反応焼結の途中、圧粉体に含有された合金粉末粒子または一般的な金属粉末粒子がまず表面的に酸化される。その後、引き続き温度が上昇すると、いま表面的に酸化された金属粉末粒子の内部に含まれている金属もしくはそこに含まれている合金が溶融する。すなわち、金属粉末粒子から金属溶融物が形成される。この金属溶融物は酸化被膜によって閉じ込められている。その後、引き続き温度が上昇すると、表面的に酸化された、内部に金属溶融物を有する粒子が裂開し、これによって、液状の金属もしくは液状の金属合金が、毛管力と、金属溶融物による、上述したように、有利には金属酸化物から成るセラミックス粉末粒子の可能な限り良好な湿潤性とに基づき流出し、使用されたセラミックス粉末粒子に基づき、スポンジのように作用する多孔質のマトリックスを形成する溶融されていない酸化被膜がまず浸透し、その後、マトリックスと反応し、これによって、前述した例において、ガス密なマトリックスが形成される。このマトリックスはスピネル、前述した例ではＭｇＡｌ２Ｏ４、場合によっては反応させられていない金属残分、予めそこに存在している金属粉末粒子の場所に少なくとも十分に閉鎖気孔および場合によってはまだセラミックス粉末粒子の残分とを有している。この限りにおいて、形成された酸化セラミックス材料は、一般的にまだ存在する金属残分または合金残分に基づき、金属・セラミックス複合材料とも呼ぶことができる。
【００１７】
前述した反応メカニズムでは、金属粉末粒子の酸化の度合いにまず熱処理プログラムと、金属もしくは合金の選択と、金属もしくは合金の粒子サイズとによって影響を与えることができる。さらに、金属酸化物もしくはセラミックス粒子を備えた取り囲んでいる領域への金属溶融物の可能な限り十分なかつ効率のよい流出もしくはオーバフローに関して、金属溶融物が金属酸化物粉末粒子を効率よく湿潤することが重要となる。このことは、前述したように、表面的に酸化された、内部で溶融された金属粉末粒子の内部が、形成したい、一般的に閉鎖気孔を規定することにも通じる。特に熱処理時の適切な温度操作を介して、金属溶融物が、表面的に酸化された粒子から流出する時点もしくは温度を比較的精密に調整することが可能となり、これによって、液状の金属とセラミックス粉末粒子との反応が、規定された温度範囲内で行われる。この温度範囲は可能な限り、所望の多結晶のマトリックス相、すなわち、前述した例では、少なくとも部分的に形成したい化合物ＭｇＡｌ２Ｏ４に適合されている。
【００１８】
金属粉末粒子としてのＡｌ−Ｍｇ合金粉末とセラミックス粉末粒子としてのＭｇＯ粉末とを備えた出発混合物の前述した例では、まず酸化被膜のまたは一般的なセラミックス被膜の不動態化形成が５００℃〜６００℃の温度範囲内で金属粉末粒子の表面に生ぜしめられ、これによって、その後、合金の溶融が、この表面的に酸化された粉末粒子の内部でもしくは酸化セラミックス被膜の内部で行われる。この場合、さらに、焼結雰囲気と加熱速度とは、この被膜が、まず閉じ込められた金属溶融物の溶融温度を超えても完全なままであり、したがって、この金属溶融物を取り囲んでいるように選択されている。その後、熱処理時のさらなる温度上昇の途中では、酸化被膜だけでなく、閉じ込められた金属溶融物も膨張する。金属溶融物の熱膨張係数はセラミックス被膜の熱膨張係数よりも大きいので、温度の増加時には、臨界的な応力と、規定された流出温度でのセラミックス被膜の裂開とが生ぜしめられ、これによって、酸化された粉末粒子の内部に位置する金属溶融物が流出し、取り囲んでいるセラミックスマトリックスを金属酸化物粉末粒子と共に湿潤する。この流出は、上述した、マトリックスの有利な湿潤特性と毛管力とによって助成され、これによって、金属溶融物が実際に完全に被膜からマトリックス内に吸い込まれる。
【００１９】
ちなみに、流出温度に金属粉末粒子の粒子サイズと、金属粉末粒子の化学的な組成と、焼結雰囲気の湿分含有量とによって影響が与えられることに注意しなければならない。有利には、裂開および流出は、可能な限り規定された、７００℃〜９００℃、特に有利には７５０℃〜８００℃の温度区間で行われる。その後、流出直後に化学反応が実行される。この化学反応によって、マトリックスが凝固されて圧縮される。したがって、まずまだ開放気孔の物体内に酸素が、金属溶融物の少なくとも部分的な酸化のための雰囲気から提供され、これによって、前述した例では、一次的に酸化アルミニウムが形成されるものの、二次的には、すでに複雑な酸化混合物、たとえばスピネルが形成される。この反応は、局所的な体積膨張と同時のマトリックス圧縮に結びつけられていて、したがって、少なくとも十分に特に完全にガス密な所望のフォーム状の構造を生ぜしめる。この構造では、予め金属溶融物が位置していた場所が閉鎖気孔となっている。この閉鎖気孔は、新たに形成された、酸化セラミックスの材料から成るマトリックスによって完全に取り囲まれている。前述した最高１０００℃の温度での反応プロセスが操作されると、例では、主要な割合のＡｌ２Ｏ３ならびにさらにＭｇＯ、スピネルおよび金属Ａｌの僅かな残分を備えた多相の構造が形成される。この場合、相割合は、出発組成の選択、出発混合物内の粒子サイズ、加熱速度、マトリックス温度、焼結雰囲気および保持時間に応じて変化する。この限りにおいて、この材料はフォーム状の金属・セラミックス複合材料である。スピネルへのマトリックスの主たるまたは完全な変換は１３００℃以降の最終温度によって達成することができる。
【００２０】
全体的に、前述した方法の結論によれば、閉鎖気孔が埋め込まれた酸化セラミックスマトリックスと、場合によっては、金属構造領域とを備えた酸化セラミックス材料が常に獲得される。この場合、気孔の場所およびサイズは、予めそこに位置する金属粉末粒子の場所によって十分に規定される。したがって、この材料は十分な閉鎖気孔率を有していて、一般的にガス密である。反応焼結前の圧粉体の体積に比べて、反応焼結後に獲得された圧粉体は０％〜１０％、特に０％〜３％の体積増加を有している。この限りにおいて、少なくとも十分な閉鎖気孔を備えたセラミックスフォームとして記載することができるセラミックス材料が生ぜしめられる。
【００２１】
本発明の別の観点によれば、シールエレメントが、金属成分を含有していて、多孔質に形成されている。シールエレメントのフォーム状の構造によって、シールエレメントは気孔なしの材料よりも高い弾性を有している。これによって、シールエレメントを、ガス測定フィーラの、取り囲んでいる部分に良好なシール作用を伴って当て付けることができる。たとえば運転中に生ぜしめられる温度変化に基づく機械的な応力（熱衝撃）はシールエレメントの弾性によって低減することができる。これによって、このような応力に基づく、ガス測定フィーラの、取り囲んでいる部分、たとえばセンサ素子へのシールエレメントの力作用が減少させられる。このような形式の金属フォームならびに金属フォームを製作するための種々異なる方法は、たとえば「Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（２０００年２月、Ｎｒ．４、第１５９〜１９１頁）に記載されている。
【００２２】
ガス測定フィーラを製作するための本発明による方法は、センサ素子をガス測定フィーラのハウジング内でシールしかつハウジング内に保持するための簡単なかつ廉価な方法である。
【００２３】
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載したガス測定フィーラもしくはガス測定フィーラを製作するための方法の有利な構成もしくは実施態様および変化形が可能となる。
【００２４】
シールエレメントが、熱処理後、ガス測定フィーラの、シールエレメントに隣接した部分、たとえばセンサ素子またはハウジングに対して材料接続的な結合部を有しているようにシールエレメントの材料が選択されると、ガス測定フィーラのハウジング内でのセンサ素子の特に確実な保持およびシールが達成される。
【００２５】
シールエレメントが、最高２０質量％、特に有利には最高１０質量％のガラス割合を有していると、シールエレメントはより僅かな伝導性および亀裂形成に対するより僅かな傾向を有している。
【００２６】
シールエレメントが、最高４０％の気孔割合で閉鎖気孔率を有しているかまたはシールエレメントが気孔なしに形成されていると、有害物質がシールエレメントを貫通することが有効に阻止される。さらに、多孔質のシールエレメントでは、熱衝撃時のかつ機械的な負荷時の亀裂形成に対する傾向が減少させられる。さらに、多孔質のシールエレメントの弾性によって、このような応力に基づき生ぜしめられる、たとえばセンサ素子に作用する力が減少させられる。
【００２７】
本発明の特に有利な構成では、気孔の少なくとも９０％の気孔サイズが、１０〜６０μｍの範囲にあり、平均的な気孔サイズが、２０〜４０μｍの範囲にある。この構成によって、特に高いシール作用と同時に亀裂形成に対する特に僅かな傾向が達成される。
【００２８】
本発明の有利な構成では、シールエレメントが、センサ素子とハウジングとの間の領域を完全に塞いでいる。シールエレメントは２つまたはそれ以上の領域を有していてよい。これらの領域はセラミックスの割合と金属の割合とに区別されている。この場合、シールエレメントの、金属製のハウジングに隣接した領域は、センサ素子に隣接した領域よりも高い金属の割合および／または低いセラミックスの割合を有している。これによって、シールエレメントは、熱処理の間、金属製のハウジングだけでなくセラミックス製のセンサ素子に対しても特に確実な結合部を形成している。７０質量％よりも多くの金属の割合では、シールエレメントを付加的にまたは択一的に溶接によってハウジングに結合することができる。
【００２９】
本発明の有利な構成では、ポット状の金属製の成形部材が設けられており、この成形部材の底部が、センサ素子を収容するための切欠きを有している。シールエレメントは、センサ素子と金属製の成形部材の中空円筒状の壁との間の領域に設けられている。金属製の成形部材は溶接によってハウジングに結合することができる。また、金属製の成形部材が、一体に形成されたハウジングの部分区分であることも可能である。シールエレメントのための出発材料は簡単にポット状の成形部材内にセンサ素子と共に装入することができ、ガス測定フィーラの外部でまたはガス測定フィーラ内への装入後に熱処理にさらすことができる。本発明のこの構成の改良形では、金属製の成形部材が、金属製の成形部材の底部に設けられた、センサ素子のための切欠きの領域にセンサ素子のための中間室を有しており、この中間室内に絶縁性の、たとえばセラミックス製のエレメントが配置されている。この絶縁性のエレメントによって、センサ素子と金属製の成形部材との間の十分な絶縁が保証されている。
【００３０】
本発明の別の有利な構成では、セラミックス材料および／または金属材料からなる中空円筒状のボディが設けられており、この中空円筒状のボディが、センサ素子とハウジングとの間に配置されている。ボディとハウジングとの間にかつ／またはボディのセンサ素子との間にシールエレメントが設けられている。
【００３１】
さらに、シールエレメントおよび／またはハウジングおよび／またはセンサ素子が、絶縁および／または固着改善のために、たとえばセラミックス材料またはガラスから成る層によって被覆されていると有利である。
【００３２】
さらに、シールエレメントとハウジングとの間に中間層が設けられており、この中間層が、酸化アルミニウムおよび／または酸化ジルコニウムおよび／またはリン酸アルミニウムを含有していると特に有利である。このような形式の層によって、特にセラミックス製のシールエレメントにおいて、セラミックス材料とハウジングの金属材料との反応に基づき、熱処理の間、亀裂がシールエレメントに生ぜしめられることが阻止される。
【００３３】
シールエレメントの出発材料が、熱処理前、予備成形されたエレメントとしてまたは射出成形法によってハウジング内に装入されると有利である。熱処理の間、シールエレメントの出発材料は、ガス測定フィーラの、隣接した部分、特にハウジングまたはセンサ素子に対して材料接続的な結合部を形成する。シールエレメントが、熱処理の間、ハウジング内にまたは別の金属製のエレメント内に配置されていると、ハウジングもしくは金属製のエレメントの溶融を回避するために、熱処理時に発生する最高１０００℃の温度を短時間で上回るようになっている。
【００３４】
通常、運転中にガス測定フィーラのハウジングがさらされている温度を熱処理の温度が上回る場合には、熱処理は、有利には、ガス測定フィーラのハウジングの外部の金属製のエレメント内で行われる。この事例では、ハウジングのために、金属製のエレメントの材料よりも少ない温度安定性を有する材料を選択することができる。
【００３５】
シールエレメントは、予備成形されたエレメントの形でまたは射出成形法によってシール装置内に装入されてよい。予備成形されたエレメントは、シール装置もしくはガス測定フィーラの製造法および構造に基づき、シールエレメントの精密なかつ不変の形状が必要となる場合に特に有利である。これに対して、射出成形法は、シールエレメントをシール装置内に装入するために、特に簡単なかつ効率のよい方法である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００３７】
図１には、第１実施例としてガス測定フィーラ１０、たとえば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するかまたは内燃機関の排ガスの温度を測定するための電気化学的なセンサの一部が示してある。ガス測定フィーラ１０は、ハウジング２１内に配置されたプレーナ型のセンサ素子２０を有している。このセンサ素子２０は測定ガス側の区分２２と接続側の区分２４とを有している。
【００３８】
センサ素子２０の接続側の区分２４では、センサ素子２０の外面にコンタクト面３１が形成されている。このコンタクト面３１は、センサ素子２０の測定ガス側の区分２２に設けられた測定素子２３に電気的に接続されている。コンタクト面３１にはコンタクト形成装置（図示せず）が作用している。このコンタクト形成装置によって、測定素子２３は接続線路（図示せず）を介して、ガス測定フィーラ１０の外部に配置された評価回路に電気的に接続されている。
【００３９】
センサ素子２０の測定ガス側の区分２２寄りの側では、ハウジング２１に二重壁の保護管２５が位置固定されている。この保護管２５はガス流入開口２６を有している。このガス流入開口２６によって、センサ素子２０の測定ガス側の区分２２への測定ガスの流入が可能となる。
【００４０】
ガス測定フィーラ１０は排ガス管路の測定開口（図示せず）に配置されていて、センサ素子２０の測定ガス側の領域２２と保護管２５とで排ガス管路内に突入している。ガス測定フィーラ１０を固定するためには、つば３２に作用する中空ねじまたは袋ナットが設けられている。この中空ねじまたは袋ナットは排ガス管路の測定開口のねじ山に係合している。
【００４１】
センサ素子２０をハウジング２１内でシールしかつハウジング２１内に保持するためには、シールエレメント１１１を備えたシール装置１１０が設けられている。このシール装置１１０とは、センサ素子２０の長手方向軸線ならびにハウジング２１の内壁に沿った設定された領域を意味している。シールエレメント１１１は、この設定された領域に沿ってセンサ素子２０とハウジング２１との間の空間を完全に塞いでいる。シールエレメント１１１は、センサ素子２０およびハウジング２１に対して材料接続的（Ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）な結合部を有している。
【００４２】
図２、図３、図４ａ、図４ｂ、図５および図６には、図１に示したガス測定フィーラ１０の部分区分が示してある。シール装置１２０，１３０，１４０，１５０，１６０の種々異なる構成と、概略的にシール装置１２０，１３０，１４０，１５０，１６０の領域におけるハウジング２１およびセンサ素子２０とが図示してある。ハウジングおよびセンサ素子には図１と同じ符号が付してある。
【００４３】
図２に示したシール装置１２０は、金属製の成形部材１２１と、シールエレメント１２２とを有している。成形部材１２１はポットに類似して成形されていて、側壁１２３と底部１２５とを有している。側壁１２３はハウジング２１の構成に相応して横断面で見て円形に形成されていて、中空シリンダを成している。金属製の成形部材１２１は少なくとも一方の端部で底部１２５によって閉鎖されて形成されている。この底部１２５はポットの底部に相応して平らに形成されている。また、底部１２５を、側壁１２３に対して先細りされた別の形状、すなわち、たとえば半球形または円錐形に形成することも可能である。成形部材１２１の底部１２５はセンサ素子２０を収容するための貫通孔１２６を中心に有している。この場合、センサ素子２０は成形部材１２１の中空円筒状の側壁１２３の対称軸線に配置されている。センサ素子２０と成形部材１２１との間の領域はシールエレメント１２２によって塞がれている。このシールエレメント１２２は成形部材１２１の貫通孔１２６の領域にも設けられていてよい。成形部材１２１はその側壁１２３でハウジング２１の内壁に接触していて、たとえば１つまたはそれ以上の（たとえばレーザ溶接による）溶接結合部１２４によってハウジング２１に結合することができる。
【００４４】
図３には、図２に示したシール装置の変化形が示してある。シール装置１３０は、同じくポットに類似して成形された、シールエレメント１３２によって充填された成形部材１３１を有している。この成形部材１３１は側壁と底部とを備えている。側壁は溶接結合部１３４によってハウジング２１に結合されている。底部は中心に切欠きを有している。この切欠き内には、たとえばセラミックス材料から成る絶縁性のエレメント１３３が設けられている。この絶縁性のエレメント１３３も同じく、センサ素子２０を収容するための切欠きを中心に有している。絶縁性のエレメント１３３はその一方の側で成形部材１３１の底部の切欠きよりも広幅に形成されているので、絶縁性のエレメント１３３は成形部材１３１の底部に載置することができる。
【００４５】
図４ａおよび図４ｂにはシール装置の別の変化形が示してある。この場合、図４ｂは、図４ａに示したＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿ったシール装置１４０の断面図である。このシール装置１４０は、第１のシールエレメント１４１と、中空円筒状のボディ１４２と、第２のシールエレメント１４３とを有している。ボディ１４２の内室は、センサ素子２０と第２のシールエレメント１４３とを収容するための切欠き１４４を形成している。ボディ１４２は、たとえばセラミックス材料および／または金属材料を含有している。ボディ１４２の寸法は、このボディ１４２をハウジング２１およびセンサ素子２０から間隔を置いて配置することができるように選択されている。ボディ１４２とハウジング２１との間の中空室には第１のシールエレメント１４１が設けられており、ボディ１４２とセンサ素子２０との間の中空室には第２のシールエレメント１４３が設けられている。ボディ１４２の切欠き１４４は、この切欠き１４４の横断面が、（センサ素子２０の長手方向軸線に対して垂直な平面で見て）センサ素子２０の、相応に拡大された横断面に相当しているように成形されている。
【００４６】
図５には、シール装置の変化形が示してある。シール装置１５０は、シールエレメント１５１が第１の領域１５２と第２の領域１５３とを有している点で図１に示したシール装置と異なっている。シールエレメント１５１の第１の領域１５２はセンサ素子２０を取り囲んでいる。シールエレメント１５１の第２の領域１５３は第１の領域１５２とハウジング２１との間に設けられている。これによって、第１の領域１５２はセンサ素子２０に接触しており、第２の領域１５３はハウジング２１に接触している。シールエレメント１５１の第１の領域１５２は主成分としてセラミックス材料を含有している。このセラミックス材料は、セラミックス製のセンサ素子２０に対して材料接続的な結合部を形成している。これに対して、シールエレメント１５１の第２の領域１５３は主成分として金属材料を含有している。この金属材料は、金属製のハウジング２１に対して材料接続的な結合部を形成している。また、シールエレメント１５１が、ハウジング２１に隣接して、より高い金属の割合を有していて、センサ素子２０に隣接して、より高いセラミックスの割合を有していることも可能である。この場合、シールエレメント１５１の金属の割合はハウジング２１からセンサ素子２０に向かって段階的にまたは連続的に減少しており、シールエレメント１５１のセラミックスの割合はハウジング２１からセンサ素子２０に向かって段階的にまたは連続的に増加している。
【００４７】
図６には、シール装置の別の変化形が示してある。シール装置１６０は、シールエレメント１６１とハウジング２１との間に第１の層１６２がかつ／またはシールエレメント１６１とセンサ素子２０との間に第２の層１６３が設けられている点で図１に示したシール装置と異なっている。第１の層１６２と第２の層１６３とは、たとえばガラスまたはセラミックス材料を含有していてよく、特に絶縁および固着改善のために働く。本発明の別の特に有利な構成では、第１の層１６２が中間層として形成されていて、酸化アルミニウムおよび／または酸化ジルコニウムおよび／またはリン酸アルミニウムを含有していて、５０〜２００μｍ、有利には１００μｍの厚さを有している。また、このような形式の中間層１６２がシールエレメント１２２，１３２，１４１，１４３とガス測定フィーラ１０の別の金属製のエレメント１２１，１３１，１４２との間に設けられていることも可能である。この中間層１６２は、熱処理の間、セラミックス材料とハウジング２１の金属材料との反応に基づき、亀裂がシールエレメントに生ぜしめられることを阻止している。
【００４８】
図１〜図６に示したシール装置１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０のシールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１は、本発明の第１の観点によれば、８０〜１００質量％の割合を備えたセラミックス材料と、０〜２０質量％のガラス割合とを有している。センサ素子２０の運転のために、このセンサ素子２０とハウジング２１との間の特に良好な絶縁が必要となる場合には（１ＭΩ以上）、３質量％以下のガラス割合が有利である。本発明の第２の観点によれば、シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１は、３０〜１００質量％、有利には６０質量％の割合を備えた金属材料と、０〜７０質量％、有利には４０質量％の割合を備えたセラミックス材料とを含有している。
【００４９】
シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の出発材料は熱処理にさらされる。この熱処理の間、シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１が形成される。このシールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の体積は熱処理によって最高５％だけ減少するかまたは増加すらする。この場合、熱処理前のシールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の出発材料の体積が熱処理後のシールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の体積と比較され得る。
【００５０】
シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１は、熱処理の間、１５〜５０体積％の範囲、特に３５体積％の気孔割合を備えた閉鎖気孔率を形成している。シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の平均的な気孔サイズは、有利には２０〜４０μｍの範囲、特に３０μｍである。気孔の９０％以上は１０〜６０μｍの範囲内の気孔サイズを有している。
【００５１】
主としてセラミックス製のシールエレメントでは、有利には、α＞７・１０−６／Ｋの熱膨張係数と１０１０Ωよりも大きな抵抗率とを有するセラミックス材料が選択される。
【００５２】
シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の出発材料は、予備成形されたエレメントとしてハウジング２１内に装入することができる。このためには、シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１がまずセンサ素子２０に被着されるようになっており、その後、シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１とセンサ素子２０とがユニットとしてハウジング２１内に押し込まれるようになっている。ガス測定フィーラ１０を製作するための別の方法では、センサ素子２０がハウジング２１の内部に位置決めされ、シールエレメント１１１，１２２，１３２，１４１，１４３，１５１，１６１の出発材料が射出成形法によって装入される。
【００５３】
図２および図３に示した本発明の実施例では、シールエレメント１２２，１３２の熱処理がハウジング２１の外部で実施されてもよい。このためには、センサ素子２０およびシールエレメント１２２，１３２ならびに場合によっては絶縁性のエレメント１３３がまず金属製の成形部材１２１，１３１内に装入されるようになっており、その後、前述したエレメントが熱処理にさらされるようになっている。この熱処理によって、前述したエレメントが結合されて１つのユニットが形成される。このユニットはハウジング２１内に押し込むことができる。次いで、金属製の成形部材１２１，１３１が溶接（たとえばレーザ溶接または抵抗溶接）またはろう付けによってガス密にハウジング２１に結合されるようになっている。
【００５４】
図４ａおよび図４ｂに示した実施例では、類似の形式でセンサ素子２０、ボディ１４２、第２のシールエレメント１４３および場合によっては第１のシールエレメント１４１がハウジング２１の外部で熱処理にさらされるようになっている。その後、前述したエレメントから熱処理により形成されたユニットによってハウジング２１の内部を塞ぐことができる。このハウジング２１は、高い金属の割合を有する第１のシールエレメント１４１に対して、たとえば溶接（たとえばレーザ溶接または抵抗溶接）またはろう付けによってガス密に結合することができる。変化形として、第１のシールエレメント１４１が最初にハウジング２１内で熱処理にさらされてもよい。この熱処理は、たとえばハウジング２１の外部での熱処理よりも低い温度で行われ得る。第２の熱処理によって、第１のシールエレメント１４１は、ハウジング２１およびボディ１４２に対して材料接続的なガス密な結合部を形成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としてのシール装置を備えた本発明によるガス測定フィーラの一部の横断面図である。
【図２】本発明の第２実施例としてのシール装置の概略図である。
【図３】本発明の第３実施例としてのシール装置の概略図である。
【図４ａ】本発明の第４実施例としてのシール装置の概略図である。
【図４ｂ】図４ａに示したＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。
【図５】本発明の第５実施例としてのシール装置の概略図である。
【図６】本発明の第６実施例としてのシール装置の概略図である。
【符号の説明】
１０  ガス測定フィーラ、  ２０  センサ素子、  ２１  ハウジング、  ２２測定ガス側の区分、  ２３  測定素子、  ２４  接続側の区分、  ２５  保護管、  ２６  ガス流入開口、  ３１  コンタクト面、  ３２  つば、  １１０  シール装置、  １１１  シールエレメント、  １２０  シール装置、  １２１  成形部材、  １２２  シールエレメント、  １２３  側壁、  １２４  溶接結合部、  １２５  底部、  １２６  貫通孔、  １３０  シール装置、  １３１  成形部材、  １３２  シールエレメント、  １３３  絶縁性のエレメント、  １３４  溶接結合部、  １４０  シール装置、  １４１  シールエレメント、  １４２  中空円筒状のボディ、  １４３  シールエレメント、  １４４  切欠き、  １５０  シール装置、  １５１  シールエレメント、  １５２  第１の領域、  １５３  第２の領域、  １６０  シール装置、  １６１  シールエレメント、  １６２  第１の層、  １６３  第２の層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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