JP2005526221A - 密封した電気接点部分を有するセラミックイグナイター - Google Patents

Abstract

強いセラミックイグナイターは、イグナイターの操作寿命を著しく向上しうる改良されたシーリング系を含む。好適なイグナイターは導電性コールドゾーン（１４a、１４ｂ）および比較的高い抵抗率を有するホットゾーン（１２）を含む。気密シーラント材（１００）は各コールドゾーン上の１つ以上の電気的接続を被覆し、それにより電気的短絡および/または望ましくない酸化、から生じるイグナイターの故障を避ける。

Description

本発明はセラミックイグナイターに関し、さらに詳しくは装置の電気接点部分の改良された密封を有するセラミックイグナイターに関する。

セラミックイグナイターは、ガス焼成炉、ストーブおよび衣類乾燥器のような特定の点火用途において使用が増加している。一般的には、米国特許第3,875,477;3,928,910; 3,974,106;4,260,872;4,634,837;4,804,823;4,912,305;5,085,237;5,191,508;5,233,166;5,378,956;5,405,237;5,543,180;5,785,911;5,786,565;5,801,361;5,820,789;5,892,201;6,028,292;および6,078,028号明細書を参照されたい。

セラミックイグナイターのデザインおよび性能は改良されているが、課題はなお存在し、最適いｎは機能することを妨げうる。１つの永続的な課題は水分もしくは他の流体がイグナイターの電気的導線もしくは接触部分（すなわち電気的接触が、一般にはリードフレームによりイグナイター部材と適合している）に浸透することである。

浸透する流体は種々の源から生じ、周囲の領域および大気雰囲気からの水分、ならびにセラミック部材が発火するケロセンのような液体燃料を含む。

調理環境は特に問題である。ガスレンジ設備に用いられるセラミックイグナイダーはレンジの上のポットもしくは他の器具から生じる、こぼれたもしくは跳ねた流体（たとえば液体，蒸気等）と接触することが多い．埋め込用接合材料（特に、エポキシ系シーランドが多い）と組合わせて用いられる。保護ハウジング部材が、このような流体を避けるために用いられているが、このようなハウジングは十分な結果を必ずしも与えていない。もし流体がイグナイターの保護ハウジングに浸透し、その中の導線と接触すると、イグナイターは短絡を生じ、故障しうる。さらに、流体の浸透も保護された導線部分の酸化を促進し、早期のイグナイターの故障を生じうる。

このように、改良された性能を与えうる新しいセラミックイグナイターを得ることが望まれている。特に、イグナイターの電気的接触部分の望ましくない流体浸透部分および／または酸化に向上した抵抗性を有するセラミックイグナイターを得ることが望ましい。

本発明は、望ましくは水分および／または酸素の浸透に著しく向上した抵抗性を示しする新規なセラミックイグナイターを提供する。

本発明の好適なイグナイターは、イグナイターの電気的接触部分に水分および／または酸素の侵入を効果的に阻止する材料で被覆されるかあるいはその材料を少なくとも部分的に含む。これらの被覆用組成物は、通常、気密シーラント材もしくは組成物といわれる。気密シーラント材は電気的接触部分（通常、イグナイターのホットゾーン領域の末端である）を囲むのが適切であり、それにより望ましくない流体／環境接触から電気的接合部分を絶縁する。好適な気密シーラント組成物はセラモプラスチック（ceramoplastic）材料、たとえばガラス／雲母材料である。本発明者は、セラモプラスチック材料は従来の埋め込用組成物のような、他の材料に比べて水分浸透に著しく向上した抵抗性を驚くべきことに与えうることを見出した。たとえば、後述する例２に示される比較の結果を参照されたい。

さらに、本発明者は、本発明による気密シーラント材の使用は減少した断面形状を有するイグナイター部材の製造を可能にすることを見出した。このような減少した寸法のイグナイターは種々の用途に有用であり得、スパーク点火のために設計されたガス燃料器具への使用を含む。

さらに、方法が本発明のイグナイター製造のために提供され、本発明によるシーラント材で、イグナイターの電気的接触部分を被覆すること、特に封入すること、を含む。適切には、シーラント材はインサート成形型、もしくはバッチ型プロセスにおいてイグナイターに適用され、そこでは少なくとも１つのイグナイター部材、好ましくは多数のイグナイター部材が型内にあり、シーラント組成物はイグナイターの電気的接触領域に適用される。射出成形プロセスも好適であり、製造コストおよび時間の低減を可能にしうる。さらに他の方法も適切であり、トランスファー成形および圧縮成形を含む。

好適な態様において、本発明のセラミックイグナイターは単一、もしくは他のデバイスと一体構造として製造されうる。たとえば、イグナイター部材は、検知用部材（たとえばガス炎センサー）との一体構造に形成され得、そこでこれらの部材（イグナイターおよびセンサー）は、気密シーラント組成物単独でもしくは他の成形用材料とともに、使用することにより単一の一体構造として成形される。主な成形用組成物として気密シーラント組成物を用いることは、そのような材料の熱的安定性のために好適である。気密シーラント組成物が成形用材料として使用される主な材料であるとの言及は、気密シーラント材組成物が、使用されう成形用組成物の全質量基準で約５０，６０，７０，８０もしくは９０％より大きい量で組成することを意味する。

もう１つの好適な系において、セラミックイグナイターは上述のような気密シーラント組成物とともに製造されうる。形成された部材はサイジング部材と適合するようにされ、その部材は形成されるイグナイター部材に所望の形状および大きさを与えうる。この方法により、単一のイグナイター部材が種々の異なる用途および環境に利用されうる。

特に、イグナイター部材は、好ましくはねじ、鍵、または確実にネストを形成、または所望の外形寸法を与える比較的大きな構造（たとえば丸いか角のあるブロック）と適合する、もしくはその範囲内にありうる、他の締結表面、を含む気密シーラント組成物のさらされた表面とともに形成される。ついでこの比較的大きな構造はガス調理もしくは加熱器具のような特定の環境に搭載されうる。

さらに本発明は、電気的接続を受けるのに適合したイグナイター部材を提供し、特に電気的接続はイグナイター部材と脱着できるように用いられうる。このような「差し込み」（”plug-in”）形状は単一のイグナイターが多数の異なる電気的接続もしくは導線とともに使用されることを可能にしうる。適切には、イグナイター部材の少なくとも底部を囲むハウジング部材は、たとえば導線のスナップフィットもしくは他の脱着可能な使用により電気的接続を受けるのに適合される。そのハウジングは気密シーラント材、好ましくはイグナイターの少なくとも電気的接触部分を包む気密シーラント組成物で形成されうる。

上述のように、従来のイグナイター部材はイグナイターの電気的接触部分を囲むシーラントハウジング（たとえばセラミックブロック）を含むことが多かった。

埋込み用接合材（通常、エポキシ材料）はハウジングを充填し、それによりイグナイターの電気的接触領域を包むのに使用されてきた。エポキシの他のシーラントは、通常手で付着されるが、デバイスへの流体の浸透を容易にする望ましくない空隙をもたらし、デバイスの美的外観を損ないうる。

これに対し、本発明のイグナイターはこのようなセラミックブロックもしくは他の別個のハウジングを必要としない。むしろ、シーラント組成物自体はイグナイター上に一体シーリング部材を形成し得、個別のハウジングユニットの必要性を除去する。さらに、個別のハウジングユニットの不存在は比較的小さい断面サイズで、比較的低い製造コストのイグナイター系を与えうる。

本発明のイグナイターは数多くの用途に利用しうる。詳しくは、本発明のイグナイターは、流体が存在することが多い環境、たとえば流体にさらされることがよく起る調理用ガスバーナーを点火するような調理用環境、において特に有用である。

他の本発明の態様は、下記に記述される。

上述のように、本発明は望ましくない水分もしくは他の環境による浸透に著しく向上した抵抗性を示しうるセラミックイグナイターを提供する。イグナイター部材の電気的接触部分は、セラミックプラスチック材料のような気密シーラント材で少なくとも部分的に被覆されるか、またはそれを含むのが好ましい。

本発明者は、本発明による気密シーラント材の使用はイグナイターの水分抵抗性／不浸透を与えるだけでなく、イグナイターの全体寸法の低下を可能にする。そして、これは以前にセラミックイグナイターを使用し得なかったかもしれない特定の使用環境でもっと容易に使用することを可能にする。

本発明において使用される気密シーラント材は非常に低い水分および／または酸素浸透を示し、たとえば気孔率約０を示す。ここで、気孔率０を考えられるシーラント材は，後述する例２のプロトコールにより測定されるように、従来の埋込み用組成物に比べて染料化合物の浸透が最小であるか、本質的に浸透がない（肉眼検査）、このような低気孔率材料はここでは「気密シーラント材」（hermetic sealant material”）もしくは他の類似の用語と呼び、定義される。

好適な気密シーラント材は実質的に無機の組成物であり、すなわち材料は最小の炭素含量（たとえば５，１０，２０もしくは３0モル％より少ない炭素）を有し、そして好適には組成物は本質的に、もしくは完全に炭素を含まない（０または１モル％より少ない）。好適な気密シーラント組成物は多くの有機プラスチックよりも優れた熱的特性を有し、そして広い温度の作業範囲、たとえば約−１４００°Ｆ（約−７６０℃）〜１４００°Ｆ（約７６０℃）、を有する。好適な気密シーラント材は熱的劣化もしくは変形に高い抵抗性を有し、たとえばイグナイター部材上に形成された気密シーラント材は点火ガスもしくは他の燃料源から生じうる少なくとも約３５０℃の温度，もっと一般的には通常約４００℃、もしくは５００℃、または５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃もしくは８００℃の温度に、長くさらされても（たとえば、少なくとも０．５，１，２，３もしくは４分間、または少なくとも５，６，７，８，１２，１５，２０，３０分間）変形しない。しかし、次に記載するように、気密シーラント材は比較的低い熱的安定を有する用途に使用されうる。

本発明のイグナイターはホットおよびコールドゾーン部分の両方を含む。ホットゾーンは導電材料および絶縁材料の両方、ならびに任意ではあるが通常、半導体材料、を含む焼成組成物を含む。本発明のセラミックイグナイターの導電性もしくはコールドゾーン部分は比較的高い濃度の導電材料を有することを除けば、ホットゾーンと類似の焼成組成物を含む。

図面について説明すると、図１および２は本発明の例示的なイグナイター１０を示し、ホットゾーン部分１２はコールドゾーン１４ａおよび１４ｂの間に配置され、それらに接している。ヒートシンク１６はコールドゾーン１４ａおよび１４ｂの間に置かれ、ホットゾーンに接している。コールドゾーン端１４ａ’および１４ｂ’はホットゾーン１２の末端に位置し、この分野で通常知られているように導線５０ａ、５０ｂにより、一般にはある種のリードフレーム搭載により、電源（図示せず）に電気的に接続される。

図２は、図１のイグナイターを示し、保護気密シーラント材バリア１００はコールドゾーン１４ａ，１４ｂの末端１４ａ’，１４ｂ’に配置された導線５０ａ、５０ｂを囲む。このバリア１００は、流体が導線５０ａ、５０ｂと接触するのを有効に阻止もしくは著しく妨げる材料であって、かつ、導線５０ａ、５０ｂと導線が電気的に接続される電源（図示せず）の間の接続に悪影響しない、ような材料から製造されるべきである。

上述のように、本発明により用いられる好適な気密シーラント材は無機材料であり、優れた熱的および電気的絶縁体であるばかりでなく、水分および／または酸素を浸透させず（すなわち気孔率０）、そして燃焼、ガス発生もしくは炭化しない。

上述のように、好適な気密バリアシーラント材はガラス結合雲母のようなセラモプラスチック組成物である。特に好適なセラモプラスチックシーラント材はＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｍｐａｎｙから入手しうるガラス結合雲母材料であり、上述のような高い熱的安定性を有する。さらに好適なセラモプラスチック組成物は米国ニュ−ジャ−ジ−州ＣｌｉｆｔｏｎのＭｙｋｒｏｙ／Ｍｙｃａｌｅｘ Ｃｅｒａｍｉｃｓから、種々のグレードのシート、ロッドおよび注文製造／成形形状で商業的に入手しうる。特に好適な材料は、ニュージャージー州ＣｌｉｆｔｏｎのＭｙｋｒｏｙ／Ｍｙｃａｌｅｘ Ｃｅｒａｍｉｃｓから入手しうるＭｙｋｒｏｙ／Ｍｙｃａｌｅｘ Ｇｒａｄｅ５６１−Ｖ（合成雲母に結合された成形しうるガラスであるセラモプラスチック材料）である。このＭｙｋｒｏｙ／Ｍｙｃａｌｅｘ Ｇｒａｄｅ ５６１−Ｖ材料は比重３．２：水分吸収０；絶縁耐力３５０Ｖ／ｍｉｌ；引張り強さ７５０ｐｓｉ；およびロックウェルＨ硬さ９３である。

これらの材料特性のために、気密バリア１００の形成は導線５０ａ５０ｂを水分との接触から有効に保護するために少量の材料を必要とするにすぎない。これはイグナイターの全体寸法の低減を可能にし、従来セラミックイグナイターを利用し得なかったかもしれない、特定の使用環境での使用をもっと容易にすることを可能にする。

さらにセラモプラスチック材用の比較的薄い被覆は、イグナイターの電気的接触の有効なシーリング与えるためにイグナイター部材に適用されうる。たとえば、図２に示されるように厚さｘ（すなわちイグナイター外表面までの距離）は適切に、約３mm未満、もっと好ましくは２mm、１mm、０．５mm、０．３mm、０．２mm、もしくは０．１mm未満であり得る。

この点について、好適な気密シーラント材は従来の系で用いられる埋込み用接合材よりも著しく大きな絶縁耐力（ｖ／ｍｌ）を示し、薄い被覆層の使用を容易にする。さらに、好適な材料は従来の埋込み用接合材よりも少なくとも約２倍、もっと好ましくは少なくとも約３倍、の絶縁耐力（ｖ／ｍｌ）を示しうる。

さらに、気密バリア被覆は電気的接触を超えるイグナイター部材長さに沿って広く拡大することも必要としない。たとえば図２に示されるように距離ｙ（すなわちイグナイター底面１４ａ’および１４b‘からバリア１００の頂部表面１００’までの距離）は適切に、約４mm未満、もっと好ましくは約３．５mm、３．０mm、２．５mm、もしくは２．０mm、０．２mm、さらには１．０mm未満であり得る。

さらに、気密シーラント組成物は従来の埋込み用接合材を含む他の材料とともに使用されうる。たとえば、気密シーラント材の薄い層はイグナイター部材の導線部分を封入するために用いられうる。そして、この薄い層は、好ましくは高温である異なる材料で被覆されうるが、それは低いレベルの水分および／または酸素気孔率を示す必要はない。たとえば、気密シーラント組成物は、単一のシーラントとして従来の系で使用されているエポキシ系材料のような埋込み用接合材でオーバーコートされうる。

あるいは、埋込み用接合材の層はイグナイターの電気的接触部分に最初に適用されてもよく、次いで本発明の気密シーラント材で封入もしくはキャップされる。

このような組み合わされたシーラント組成物系は比較的低い熱安定性を有する気密シーラント組成物の使用を容易にする。すなわち、あまり低い気孔率を有さないが高い熱安定性を有する、付加的な異なるシーラントを用いることにより、種々の熱安定性を有する気密シーラント材が有効に用いられうる。この設計によって、付加的材料（すなわち、気密シーラント以外の）はシーラントユニットの熱安定性を満たす。

このように、気密シーラント材は、目に見える（肉眼で）劣化がその温度で１分間さらされて生じる前に、比較的低い熱安定性、たとえば約３００℃、４００℃、５００℃もしくは６００℃での安定性、で用いられうる。ガラスまたはガラス／雲母複合体はこのように比較的低温度の安定性を有する適切な気密シーラント材でありうる。付加的な、非気密材料は高い熱安定性を有するべきであり、それは目に見える（肉眼で）劣化しない少なくとも約４００℃、５００℃、６００℃、７００℃もしくは８００℃に長く（０．５〜５分間）さらされるのに耐える能力である。

本発明の好適な態様において、シーラントユニット（一体の気密シーラント組成物でありうる）の外面は所望の形状でありうる。たとえばその外面は調理用レンジのような比較的大きいシステム内にイグナイターを取付けるのを容易にするように加工されていてもよく、たとえばその外面は形成されたイグナイター部材を脱着可能に取付けるのを容易にするためにねじ切り、もしくは溝付けされうる。このような形状の外面は上述の成形製造プロセスにより容易に用意されうる。

図３はこのような多数のシーラント組成を有する系を示す。イグナイター６０はホットゾーン６２、コールドゾーン６４および導線６６ａおよび６６ｂを含み、固定したシーラントハウジング７０内に入れられたエポキシ系埋込み用接合材内に封入されている。気密シーラント材７２は系のシールもしくはプラグを形成し、水分もしくは他の流体が導線６６ａおよび６６ｂと接触するのを阻止する。

図１に示されるように、ホットゾーン１２は非線状で、実質的にＵ字形の電気的通路長「ｅ」（最小通路を強調するために破線で示される）を有し得、イグナイターの各側の長さにわたる。このような非線状のホットゾーン形状はホットゾーン領域にわたって電力密度をもっと有効に拡散し、イグナイターの作動寿命を向上させると考えられるので、通常好適である。

ホットゾーン領域の寸法は、全ホットゾーンの電気的通路長さがここで記載される所定の範囲内であれば、適切に変動しうる。図１に示される一般的な長方形のイグナイターデザインにおいて、コールドゾーンの間のホットゾーン幅（図１において距離「ａ」として示される）は電気的短絡もしくは他の欠陥を避けるのに十分であるべきである。１つの好適なシステムにおいて、距離「ａ」は０．５cmである。

ホットゾーンブリッジ高さ（図１において距離「ｂ」として示される）も上述のようにイグナイターの劣化および故障を生じうるイグナイター欠陥（過度に局地的な加熱を含む）を避けるのに十分な大きさであるべきである。たとえば、図１に示されるデザインについて、好適なホットゾーンブリッジ高さは約０．０３cm〜約０．５cmの範囲である。ここで用いられる「ホットゾーンブリッジ高さ」という用語は、図１において示される寸法「ｂ」により示されるように、通常長方形のセラミックイグナイターの長さ、すなわち長い寸法に平行に延びるホットゾーンの寸法を意味すると理解される。

イグナイターの長さに延びるホットゾーン「ブリッジ」は約２cm以内に全ホットゾーン電気的通路長さを維持するのに十分な大きさに限定されうる。

本発明のセラミックイグナイターのホットゾーン１２、コールドゾーン１４ａ、１４ｂおよびヒートシンク１６の組成は適切に変動しうるが、これらの領域の適切な組成はＷｉｌｌｋｅｎｓらの米国特許第５，７８５，５６５号明細書、ならびにＡｘｅｌｓｏｎらの米国特許第５，１９１，５０８号明細書に開示されている。

もっと詳しくは、ホットゾーン１２の組成は、ホットゾーンが約０．０１オーム−cm〜約３．０オーム−cmの高温（すなわち１３５０℃）抵抗率、および約０．０１オームcm〜約３オーム−ｃｍの室温抵抗率を示すべきものであるべきである。

好適なホットゾーン１２は、電気絶縁材料、金属導電体、および任意であるが好適な態様において半導体材料、の焼成組成物を含む。ここで使用されるように、「電気絶縁材料」という用語もしくはその変形は少なくとも約１０¹⁰オーム−cmの室温抵抗率を有する材料をいい、「金属導電体」、「導電材料」およびその変形は約１０^-2オーム−cmより小さい室温抵抗率を有する材料をいい、そして「半導体セラミック」、「半導体材料」もしくはその変形は約１０〜１０⁸オーム−cmの室温抵抗率を有する材料をいう。

一般にセラミックイグナイター１０のホットゾーン１２の例示的組成は、（ａ）少なくとも約１０¹⁰オーム−cmの抵抗率を有する電気絶縁材料約５０〜約８０vol％（v/o）；（ｂ）約１０〜１０⁸オーム−cmの抵抗率を有する半導体材料約５〜約４５v/o；および約１０^-2オーム−cm未満の抵抗率を有する金属導電体約５〜約２５v/oを含む。

好適には、ホットゾーン１２は電気絶縁材料５０〜７０v/o 、半導体セラミック１０〜４５v/o、および導電材料６〜１６ v/oを含む。通常、金属導電体は二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、および窒化チタンのような窒化物、および炭化チタンのような炭化物からなる群より選ばれ、二ケイ化モリブデンは通常好適な金属導電体である。ある好適な態様において、導電材料はＭｏＳｉ₂であり、ホットゾーンの全組成の約９〜１５vol％、もっと好ましくは全組成の約９〜１３vol％、の量で存在する。

通常、好適な半導体材料は、イグナイター１０のホットゾーン１２およびコールドゾーン１４ａ、１４ｂの全組成の１部として含まれるとき、炭化物、特に炭化ケイ素（ドープおよび未ドープ）、および炭化ホウ素を含むが、これらに限定されない。炭化ケイ素はセラミックイグナイター１０に使用するために一般的に好適な半導体材料である。

ホットゾーン組成物の適切な電気絶縁材料成分は、酸化アルミニウムのような１つ以上の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、もしくは窒化ホウ素のような窒化物、希土酸化物（たとえばイットリア）、もしくは希土オキシ窒化物を含むが、これらに限定されない．窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）が通常、好適である。

本発明のホットゾーン組成物は、酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウム、二ケイ化モリブデンおよびタン化ケイ素を含む。少なくともある態様において、二ケイ化モリブデンは９〜１２vol％の量で存在するのが好ましい。

上述のように本発明のイグナイター１０も、イグナイターに導線５０ａ、５０ｂを取付けるのを可能にするためにホットゾーン１２に電気的に接続する、少なくとも１つの低抵抗率コールドゾーン領域１４ａ、１４ｂを含む。通常、ホットゾーン１２は２つのコールドゾーン１４ａ、１４ｂの間に配置され、そのコールドゾーンはたとえばＡｌＮおよび／またはＡｌ₂Ｏ₃もしくは他の絶縁材料；ＳｉＣもしくは他の半導体材料；およびＭｏＳｉ₂もしくは他の導電材料を含むのが通常である。

好適には、コールドゾーン領域１４ａ、１４ｂはホットゾーンに存在するものよりも導電および／または半導体材料（たとえば、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ₂）の著しく高い割合を有する。したがって、コールドゾーン領域１４ａ、１４ｂはホットゾーン領域１２の約１／５〜１／１０００の抵抗率を有するにすぎず、ホットゾーンのレベルまで温度を上昇しない。もっと好適には、コールドゾーン１４ａ、１４ｂの室温抵抗率はホットゾーン１２の室温抵抗率の５〜２０％である。

本発明のイグナイターに使用する好適なコールドゾーン領域は酸化アルミニウム、窒化アルミニウムもしくは他の絶縁材料約１５〜６５v/o、ＭｏＳｉ₂およびＳｉＣもしくは他の導電および半導体材料（約１：１〜約１：３の体積比）約２０〜７０v/oを含む。もっと好適には、コールドゾーン１４ａ、１４ｂは酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウム約１５〜５０v/o、ＳｉＣ約１５〜３０v/o、およびＭｏＳｉ₂約３０〜７０v/oを含む。製造を容易にするために、コールドゾーン組成はホットゾーン組成と同一の材料で形成されるのが好ましいが、半導体および導電材料の相対的な量はホットゾーン１２よりもコールドゾーン１４ａ、１４ｂの方が大きい。

電気絶縁ヒートシンク１６はホットゾーン１２の対流冷却を緩和するために十分な熱質量を与える組成からなるべきである。さらに、図１に示される系により例示されるように２つの導電脚の間にインサートとして配置されるとき、ヒートシンク１６は延びたコールドゾーン部分１４ａおよび１４ｂのための機械的支持を与えなければならず、そしてイグナイター１０をもっと強固（rugged）にするのに役立たなければならない。

いくつかの態様において、インサート１６は系の質量を低減するために溝をつけられうる（図示せず）。好適には電気絶縁ヒートシンク１６は少なくとも１０⁴オーム−ｃｍの室温低効率および少なくとも約１５０Ｍｐａの強度を有する。もっと好ましくは、ヒートシンク１６全体を加熱し、導線に熱を移動させるほど高くはなく、そして有利なヒートシンクの機能を打消すほど低くはない、熱伝導度を有する。

ヒートシンク１６の適切なセラミック組成は窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナおよびそれらの混合物の少なくとも１つの少なくとも９０％からなる組成を含む。ＡｌＮ−ＭｏＳｉ₂−ＳｉＣのホットゾーン組成物が用いられるとき、少なくとも９０vol％の窒化アルミニウムおよび１０vol％までのアルミナを含むヒートシンク材料は適合した熱膨張および緻密化特性に好適でありうる。好適なヒートシンク組成は米国特許出願第０９／２１７，７９３号に開示されており、その開示全体は引用によりここに組入れられる。

本発明のセラミックイグナイター１０は、公称電圧６，８，１２，２４，１２０，２２０，２３０もしくは２４０ボルトを含む（これらに限定されない）種々の電圧で用いられうる。

本発明の好適なイグナイターは室温から操作温度まで急速に、たとえば４秒以下、３秒以下、さらには２．７５秒もしくは２．５秒以下で約１３５０℃まで、加熱しうる。

さらに、本発明の好適なイグナイター１０は、ホットゾーン領域ｃｍ²当り６０〜２００ワットのホットゾーン電力密度（表面電力）（surface loading）で安定な点火温度を付与しうる。

図４は本発明の好適な系を例示し、そこではイグナイター部材はセンサー部材のような１つ以上の他の機能もしくは操作デバイスと一体構造（すなわち単一成形されて結合された、もしくは一緒になった構造）で成形されている。「作業部材」もしくは他の類似の用語へのここでの言及は、部材が通常、抵抗加熱、電気信号等のような出力を与えることにより、ある態様で環境もしくは他の入力（たとえば、電気的もしくは熱的入力）と反応しうることを示す。さらに詳しくは図４に示されるように一体構造８０はイグナイター部材１０（溝付部材として示される）および炎、熱等を検知しうるセンサー部材８２の作業部材、を含みうる。一体構造８０は種々の形状であり得、意図される使用環境内に適切に適合される。図４は好適な形態を示し、そこでは構造８０は平面構造８４を含み、そこへイグナイター１０およびセンサー８２はブロック８６および８８によりそれぞれ搭載される。構造８０は気密シーラント組成物から完全にもしくは主として形成されうる。あるいは、構造８０は異なる材料で適切に形成され得、気密シーラント組成物は少なくともイグナイター末端部分を封入するのに用いられ、接触は導線でなされる。構造８０を形成するのに適切な気密シーラント組成物以外の材料はたとえばエポキシ材料を含む。

図５は本発明の好適な系を示し、そこではイグナイター１０は好適なだ円形状部材として示されるサイジング部材９０と適合するが、他の形態も適切であり、正方形ブロック等がある。「サイジング部材」もしくは他の類似の用語へのここでの言及は、部材がイグナイター部材に増加した寸法を与えることを示し、イグナイター部材と適合すると（物理的接触で）、たとえばイグナイター部材の幅を約１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０もしくは１００％以上増加させる。図５において、示される部材９０は使用環境で部材を固定するための適合溝を含む。イグナイター１０はサイジング部材内で押圧して適合させて適切に用いられるが、あるいはたとえば接着剤、ねじ締結等によりそこに固定される。

図６は本発明のさらなる好適な系を示し、そこではイグナイター部材１０は電気的接続部材１００および１０２を脱着可能に受けるように適合される。適切な電気的接続は導線を含み、電力をイグナイター部材にその使用中に供給する。

図６に示される好適な系において、接続部材１００および１０２は電気的受領部分１０６および１０８を含むイグナイターハウジング部分１０４に脱着可能に固定される。これらの部分１０６および１０８はそれぞれ接続部材１００および１０２を受け、それらを脱着可能に保持する。図６に示す系は好適な溝（接続部材１０６および１０８上に）およびフランジ（ハウジング１０４内、図６に示されていない）固定系を示す。他の締結系もこのようなねじ締結のように好適である。接続部材は除去され、所望の他の接続部材（導線）で置換されうる。

セラミック部材の処理（すなわち、未焼成体（green body）の処理および焼成条件）および緻密化セラミックからイグナイターの作製は従来法でなされうる。通常、このような方法はＷｉｌｋｅｎｓらの米国特許第５，７８６，５６５号明細書およびＡｘｅｌｅｎらの米国特許第５，１９１，５０８号明細書に実質的にしたがって実行され、それらの開示は引用によりここに組み込まれる。

イグナイターはＷａｓｈｂｕｒｎ米国特許第４，４０５，２３７号明細書に開示されているような通常知られている方法により作製されうる。例示的な条件について後述する例１を参照されたい。

たとえば、未焼成体イグナイターの形成されたビレットは第１の温プレス（たとえば１３００℃のような１５００℃末端）、ついで第２の高温焼成（たとえば１８００〜１８５０℃）に供給されうる。第１の温焼成は理論密度に対して約６５もしくは７０％の緻密化を与え、そして第２のより高温の焼成は理論密度に対し９９％より大きい最終緻密化を与える。

好適なイグナイター製造方法において、ビレットシートは多数の取付けられた、もしくは物理的に取付けられた「潜在的な」イグナイター部材が付与される。ビレットシートは生の段階（green state）（理論密度の約９６％もしくは９８％より大きく緻密化されていない）にあるホットゾーンおよびコールドゾーン組成物を有するが、好ましくは理論密度の約４０％もしくは５０％より大きく、適切には理論密度の９０％もしくは９５％まで、そしてもっと好ましくは理論密度の約６０％〜７０％まで、焼成されている。このような部分緻密化は温プレス処理、たとえば１３００℃のような１５００℃未満で、約１時間、３０００psiのような圧力およびアルゴン雰囲気下で、適切に達成される。

もしホットゾーンおよびコールドゾーン組成物が理論密度の７５もしくは８０％より大きく緻密化されると、ビレットは次の処理段階で切断するのが困難であることが見出された。さらに、もしホットゾーンおよびコールドゾーン組成物が理論密度の約５０％より小さく緻密化されると、ビレットは次の処理で劣化することが多い。ホットゾーン部分はビレットの厚さ部分を超えて延び、残りはコールドゾーンである。

ビレットは比較的広い範囲の形状および寸法であってもよい。好ましくは、ビレットは適切には実質的に正方形、たとえば９インチ×９インチ、もしくは長方形等のような他の適切な寸法および形状であってもよい。ついで、ビレットはたとえばダイアモンド切断工具でいくつかの部分に切断されるのが好適である。好ましくは、これらの部分は実質的に等しい寸法を有する。たとえば９インチ×９インチのビレットで、好ましくはビレットは３つに切断され、得られた各部分は９インチ×３インチである。

さらにビレットは切断され（適切にはダイアモンド切断工具で）、個別のイグナイターを与える。第一の切断はビレットを貫通して、隣接する部材から一つのイグナイター部材の物理的分離を与える。互い違いにする切断はビレット材料の長さを貫通せず、各イグナイターに絶縁ゾーン（ヒートシンク）の装入を可能にする。各切断（貫通および非貫通切断）はたとえば約０．２インチの間隔を置かれる。

ヒートシンクの装入後に、イグナイターは好ましくは理論密度の９９％より大きく、さらに緻密化されうる。このようなさらなる焼成は、高温度、たとえば１８００℃もしくはわずかにその上で、ホット・アイソスタチック・プレスにより実施されるのが好ましい。

ビレットに行われる数回の切断は自動化処理で適切に行われる得、そこでビレットは自動化システムにより、たとえばコンピュータ制御下に切断工具により位置決めされ、切断される。

いったん緻密化されると、電気的接触は上述の図１および２に一般的に示されているように、ホットゾーン領域の末端にあるイグナイター部分のコールド領域末端に適切になされる。電気的接触はたとえば接着剤によりイグナイター―部材に取付けられうる。通常、リードフレームは各接触に取付けられ、電源との接続を可能にする。ついで、電気的接触は、ここで開示されるシーラント組成物で被覆され、カバーされ、もしくは包まれる。好適には、シーラントはインサート成形法によりイグナイター部材に付着され、その上に１つ以上の電気的接触を有するイグナイターは型内に位置され、封入シーラント部分を与えるように適合される。ついで、シーラント組成物が型に添加され、硬化して接触を包むシールもしくはキャップ被覆を与える。

上述のように、本発明のイグナイターは多くの用途で使用され得、ガス相燃料点火用途、たとえば炉および調理用器具、ベースボードヒーター、ボイラーおよびストーブトップである。

さらに本発明のイグナイターは他の用途にも使用され得、種々の系の加熱部材としての使用を含む。もっと詳しくは、本発明のイグナイターは赤外放射源（すなわちホットゾーンが赤外出力を与える）として利用され得、たとえば炉におけるような加熱部材として、もしくは分光計デバイス等を含む監視もしくは検知デバイスにおけるグロープラグ（glow plug）として利用されうる。

次の非制限的な例は本発明の例示である。ここで述べられるすべての文献は引用によりすべてここに組み入れられる。
例１
本発明のイグナイターは次のように適切に製造される。

ホットおよびコールドゾーン組成物は第１のイグナイターのために製造された。ホットゾーン組成物は７０．８vol%（全ホットゾーン組成に対して）のAlN、２０vol%（全ホットゾーン組成に対して）のSiC、および９．２vol%（全ホットゾーン組成に対して）のMoSi₂、を含んでいた。コールドゾーン組成物は２０vol%（全コールドゾーン組成に対して）のAlN、２０vol%（全コールドゾーン組成に対して）のSiC、および６０vol%（全コールドゾーン組成に対して）のMoSi₂、を含んでいた。コールドゾーン組成物はホットダイプレスに充填され、そしてホットゾーン組成物は同一のダイにコールドゾーン組成物の頂部に充填された。組成物の組合わせは熱と圧力下で一緒に緻密化され、イグナイターが得られた。
例２
電気的接触は、例１に記載されるように製造された２つの本質的に同一のイグナイターにろう付け接合で付着された。これらの２つのイグナイターは以下にイグナイターAおよびイグナイターBと呼ばれる。

さらに、イグナイターAは本発明により処理された。特に、その上に電気的接触を有するイグナイターAは型内に置かれ、そしてMykroy/Mycalex Ceramics より入手しうるセラモプラスチック材料が型に添加され、接触を封入し、厨２に一般的に示されるデザインの部材が得られた。

イグナイターBについて、円筒形セラミックハウジング部材が電気的接触のまわりに置かれた。エポキシシーラントがハウジング部材の周りを充填するために添加され、接触を封入した。エポキシシーラントは乾燥し硬化された。

各イグナイターAおよびBの封入された電気的接触の末端が約１０分間、着色された浸透用染料内に置かれた。目による（肉眼）検査による断面分析に基づいて、イグナイターAのセラモプラスチックキャップには流体が吸収されていなかった。一方、流体はイグナイターBのエポキシ/セラミックのハウジング部材に広く吸収されていた。

本発明はその特定の態様について詳しく記載する。しかし、この記載を考慮して、本発明の精神および範囲内で当業者が変更、改良しうることが理解されるであろう。

本発明のヘアピン型セラミックイグナイターを示す。 導線を有する図１のイグナイターが本発明によるシーラント組成物で被覆されていることを示す。 多数の異なるシーラント組成物を含む本発明の特定のイグナイターのデザインを示す。 イグナイターおよびセンサーの両方を含む、好適な一体構造を示す。 本発明の好適なイグナイター系を示す。 本発明の好適なイグナイター系を示す。

Claims (49)

1. イグナイター部材への１つ以上の電気的接続を含み、その電気的接続はその上に気密シーラント材を有する、セラミックイグナイター部材。
2. 気密シーラント組成がセラモプラスチック材からなる請求項１記載のイグナイター部材。
3. イグナイターが、導電性部分；導電性部分に取り付けられた１つ以上の電気的接続；ならびに導電性部分に接続され、それより大きい抵抗率を有するホットゾーン、からなる請求項１もしくは２記載のイグナイター部材。
4. 気密シーラント材が約４００℃の温度に少なくとも５分間さらされて安定である請求項１〜３のいずれか記載のイグナイター部材。
5. 気密シーラント材が実質的に無機組成物である請求項１〜４のいずれか記載のイグナイター部材。
6. 気密シーラント材がSiを含む請求項１〜５のいずれか記載のイグナイター部材。
7. 気密シーラント材が雲母を含む請求項１〜６のいずれか記載のイグナイター部材。
8. リードフレームが１つ以上の電気接続のそれぞれに取り付けられている請求項１〜７のいずれか記載のイグナイター部材。
9. 気密シーラント材が１つ以上の電気接続およびそのリードフレームを覆う請求項８記載のイグナイター部材。
10. 気密シーラント材がインサート成形により付着される請求項１〜９のいずれか記載のイグナイター部材。
11. 気密シーラント材組成物被覆が約３ｍｍ未満の厚さを有する請求項１〜１０のいずれか記載のイグナイター部材。
12. 気密シーラント材被覆が約２ｍｍ未満の厚さを有する請求項１〜１０のいずれか記載のイグナイター部材。
13. 気密シーラント材が気密材と異なるシーラント組成物でさらに被覆される請求項１〜１２のいずれか記載のイグナイター部材。
14. 気密シーラント材が気密材と異なるシーラント組成物の上に被覆される請求項１〜１２のいずれか記載のイグナイター部材。
15. 異なるシーラント組成物が気密シーラント材よりも大きい水分および/または酸素透過性を有する請求項１３もしくは１４記載のイグナイター部材。
16. 異なるシーラント組成物が少なくとも約４００℃で３０秒より多い時間、にさらされる劣化に耐える請求項１３〜１５のいずれか記載のイグナイター部材。
17. 異なるシーラント組成物が注封用セメントである請求項１３〜１６のいずれか記載のイグナイター部材。
18. 異なるシーラント組成物がエポキシ材を含む請求項１３〜１７のいずれか記載のイグナイター部材。
19. 非導電性ヒートシンク材がホットゾーンに接触する請求項３記載のイグナイター部材。
20. ヒートシンク材が導電性部分に配置される請求項１９記載のイグナイター部材。
21. 導電性部分のそれぞれがホットゾーンから同一の方向に延びて一対の脚を定め、非導電性ヒートシンク材が脚の間に配置される請求項２０記載のイグナイター部材。
22. ホットゾーンの室温抵抗率の比がコールドゾーン部分の室温抵抗率の少なくとも約１．５倍である請求項３記載のイグナイター部材。
23. 請求項１〜２２のいずれか記載のイグナイター部材および異なる作業部材を含むイグナイタ-装置。
24. 異なる部材がセンサー部材である請求項２３記載のイグナイター装置。
25. 一体構造がイグナイターおよび異なる部材を含む請求項２３もしくは２４記載のイグナイター装置。
26. 一体構造が主に気密シーラント組成物から形成される請求項２３もしくは２４記載のイグナイター装置。
27. サイジング部材に適合する、請求項１〜２２のいずれか記載のイグナイター部材を含むイグナイター装置。
28. イグナイター部材が、サイジング部材に適合するようにねじ切り、ブラケット取り付け、もしくは溝切り、されている請求項２７記載のイグナイター装置。
29. サイジング部材が楕円形ブロック部材である請求項２７もしくは２８記載のイグナイター装置。
30. 電気的接続を受けるのに適合する、請求項１〜２２のいずれか記載のイグナイター部材を含むイグナイター装置。
31. イグナイターが電気的接続と脱着可能に固着されるハウジングを含む請求項３０記載のイグナイター装置。
32. ハウジングが少なくとも部分的に気密シーラント材から形成される請求項３１記載のイグナイター装置。
33. 請求項１〜３２のいずれか記載のイグナイターにわたって電流を印加することを含む気体燃料の点火方法。
34. イグナイター部材への１つ以上の電気的接続を含む焼成セラミックイグナイタ-部材を用意すること；ならびに気密シーラント材をイグナイター部材に付着させること、を含むセラミックイグナイタ-の形成方法。
35. 気密シーラント材がセラモプラスチック材である請求項３４記載の方法。
36. 気密シーラント材が電気的接続を覆う請求項３４もしくは３５記載の方法。
37. 気密シーラント材がインサート成形により付着される請求項３４〜３６のいずれか記載の方法。
38. 気密シーラント材が別個のハウジングブロックを用いないでイグナイターに付着される請求項３４〜３７のいずれか記載の方法。
39. イグナイターが、導電性部分；導電性部分に取り付けられた１つ以上の電気的接続；ならびに導電性部分に接続され、それより大きい抵抗率を有するホットゾーン、からなる請求項３４〜３８のいずれか記載の方法。
40. 気密シーラント材が約８００℃の温度に少なくとも５分間さらされて安定である請求項３４〜３９のいずれか記載の方法。
41. 気密シーラント材が実質的に無機組成物である請求項３４〜４０のいずれか記載の方法。
42. 気密シーラント材がＳｉを含む請求項３４〜４１のいずれか記載の方法。
43. 気密シーラント材が雲母を含む請求項３４〜４２のいずれか記載の方法。
44. リードフレームが１つ以上の電気接続のそれぞれに取り付けられている請求項３４〜４３のいずれか記載の方法。
45. 気密シーラント材が１つ以上の電気接続およびそのリードフレームを覆う請求項４４記載の方法。
46. 気密シーラント材が射出成形により付着される請求項３４〜４５のいずれか記載の方法。
47. 気密シーラント材が圧縮成形により付着される請求項３４〜４５のいずれか記載の方法。
48. 気密シーラント材がトランスファー成形により付着される請求項３４〜４５のいずれか記載の方法。
49. 気密シーラント材組成物被覆が約３ｍｍ未満の厚さを有する請求項３４〜４８のいずれか記載の方法。

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