JP2010506130A - セラミック発熱体 - Google Patents

Abstract

本発明は、抵抗率が異なる２つまたは３つ以上の領域を含む発熱体本体の作製、および、発熱体を作製するための発熱体本体の一部の加工を含むセラミック抵抗発熱体の新しい製造方法を提供する。また、点火器およびグロープラグのような発熱体は、本発明の製造方法から入手可能に提供される。
【選択図】図１

Description

本願は、２００６年１０月２日に出願された米国仮出願６０／８４９１５４号の利益を主張するものであり、そっくりそのまま引用することによって本明細書に組み入れられる。

本発明は、２つまたは３つ以上の異なる抵抗率の領域を含む発熱体本体の作製、および、発熱体を作製するための発熱体本体の一部の加工を含むセラミック抵抗発熱体の新しい製造方法を含む。また、本発明の製造方法から得られる、点火器およびグロープラグのような発熱体もまた提供する。

セラミック材料は、たとえば、ガス燃焼炉、ストーブおよび衣服乾燥機の点火器として大きな成功を収めてきた。セラミック点火器の製造は、セラミック部品で、その一定部分は抵抗が高く、リード線を使って電流を流すと温度が高くなる電気回路を組み立てることを含む。たとえば、米国特許第６５８２６２９号明細書、同第６２７８０８７号明細書、同第６０２８２９２号明細書、同第５８０１３６１号明細書、同第５７８６５６５号明細書、同第５４０５２３７号明細書および同第５１９１５０８号明細書を参照のこと。

典型的な点火器は、点火器の先端に高抵抗の「ホットゾーン」をともない、その対向する点火器の端からホットゾーンまでに備えられた１つまたは２つ以上の導電性のある「コールドゾーン」をともなった、一般的に矩形形状の発熱体である。今日、入手可能な点火器の１つ、すなわち、ノートン・イグナイター・プロダクツ・オブ・ミルフォード・エヌ・エイチ社から入手可能な「Ｍｉｎｉ−Ｉｇｎｉｔｅｒ^TM」は、１２ボルトから１２０ボルトまでの印加用に設計されており、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）、二ケイ化モリブデン（「ＭｏＳｉ₂」）および炭化ケイ素（「ＳｉＣ」）を含む組成物を有する。

また、現行のセラミック点火器は、とくに、調理用ガスレンジ等用に使用されている点火器のように衝撃が継続される可能性のある環境下で使用している間に破損することがある。

したがって、新しい点火システムが望まれている。とくに、セラミック抵抗体を作製する新しい方法が望まれている。また、機械的完全性に優れた新しい発熱体が望まれている。

２つまたは３つ以上の異なる抵抗率の領域を含む発熱体本体を作る工程と、機能的発熱体を作るために発熱体本体の一部を加工する工程とを含むセラミック発熱体の新しい製造方法が今提供される。

好ましい態様では、加工工程は、導電または絶縁体領域の一部を除去する工程を含み、それにより、電気回路を画定して機能的発熱体を提供する。

上記の方法は、機械的強度が高い発熱体の効率的な生産を可能にすることがわかった。

好ましい態様では、１種または２種以上のセラミック材料は、発熱体本体を作製するために、スリップキャスティングによって堆積される。押出し成形、ディップコーティング、スプレーコート、射出成形および他の方法のような、他の成形方法を用いることも可能である。

セラミック材料を堆積して発熱体本体を作製した後、発熱体本体をさらに加工し、機能的発熱体を提供することができる。とくに、好ましい態様では、発熱体本体の１つまたは２つ以上の領域を、機械加工のような方法で取り除き、機能的電気経路（回路）を形成することができる。ある態様では、それは上記の加工工程の前である。すなわち、作製された発熱体本体は、１つまたは２つ以上の導電性領域を含むようにし、潜在的、しかし機能化されていない電気回路を提供することができる。さらに先の加工工程で、電気回路を画定することができ、そのように作製された発熱体を、点火器のようなセラミック発熱体として機能するようにできる。

１つの好例となるシステムでは、発熱体本体の外側領域は高い導電性を有し、発熱体本体の先端を先細りにして（断面積を小さくして）、抵抗発熱を可能にする。発熱体本体は、その後、発熱体本体の基端から発熱体本体の先端に向けて、反対側の導電領域の領域を取り除く加工を行う。そのように行われた当該加工は、外側の導電領域から電気回路を画定する。

別の好例となるシステムでは、ドレインキャスト（スリップキャスト）塗布を使用することが可能である。たとえば、外側の抵抗性の表皮（ホットゾーンまたは点火ゾーン）をドレインキャスト塗布によって形成し、その導電性表皮を絶縁体領域で覆うことができる。その後、導電性ゾーンを、たとえば、発熱体の基端から発熱体の先端に向けて塗布し、発熱体の先端において分離された抵抗領域を画定することができる。たとえば、導電性組成物によって提供されるような３番目のゾーンを、前記２領域の発熱体の上に、容易にディップコーティングすることができる。

ある好ましい態様では、発熱体本体の形状的な特徴を含むことによって、発熱体本体の加工（たとえば、選択された部分の除去）を容易にすることができる。たとえば、発熱体本体は、容易に取り除いて、外側の電気回路を画定することができる２つまたは３つ以上の突出区画を含むことができる。その突出区画は、たとえば、本体の長さの少なくとも実質的な１部分にわたって発熱体本体の対向する面上に伸びている２つの区画となることができる。

ある態様では、本加工は、高い操作電圧を供給できる伸長された電気経路を提供することができる。当該伸長された電気経路は、より長い長さを提供するために、様々な構成をとることができる。たとえば、Ｓ字状またはらせん状の電気経路を利用することができる。

本発明の好ましい発熱体は、上述したように内側の絶縁体領域ならびに外側の抵抗および／または導電領域を含む、発熱体の断面を通して抵抗率が異なる領域を含むことができる。他の態様では、内側の導電領域および外側の絶縁体領域を使用することができる。

本発明の方法によって得られる好ましいセラミック発熱体は、全て電気的に連続した第１の導電性ゾーン、抵抗ホットゾーンおよび第２の導電性ゾーンを含む。好ましくは、装置を使用している間、電気リード線を使用して第１のまたは第２の導電性ゾーンに（しかし、一般的に両方共導電性ゾーンではない）電力を印加することができる。上述したように、発熱体本体を作製する加工は、抵抗発熱部分と同様に、第１のおよび第２の導電性ゾーンを画定することができる。

本発明のとくに好ましい発熱体は、発熱体の長さの少なくとも１部分（たとえば、電気リード線が発熱体に付けられたところから抵抗ホットゾーンに伸びる長さ領域）に沿って、丸みのある断面形状を有する。さらに、特に好ましい発熱体は、発熱体の長さの少なくとも１領域にわたって、たとえば、発熱体の長さの少なくとも約１０パーセント、４０パーセント、６０パーセント、８０パーセント、９０パーセント、または全発熱体の長さにわたって、実質的に楕円、円形、または他の丸みのある断面形状を有することができる。そのようなロッドの構成は、断面係数を高くすることができ、したがって、発熱体の機械的完全性を高めることができる。

また、特に好ましい発熱体は一体型要素とすることができる。すなわち、発熱体の全長さにわたり発熱体の断面を通して、発熱体が緻密なセラミック体（ボイド空間なし）である。そのような一体型要素は、発熱体の長さ／断面の少なくとも１部分に、ボイド空間（たとえば、セラミック組成物が存在しない１つまたは２つ以上の溝孔）を含むことができる発熱体と異なる。

本発明の発熱体は、６、８、９、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０および２４０ボルトの公称電圧を含む、広い範囲の多様な公称電圧で使用することができる。

本発明の発熱体は、また、様々な装置および発熱システムの点火に有用となることができる。とりわけ、本明細書に記載されているような焼結発熱体を含む発熱システムを提供する。具体的な発熱システムは、ガス料理器、給湯器を含めた業務用および住居用ビルの加熱装置を含む。また、本発明の発熱体は、グロープラグとして、たとえば、燃焼エンジンの使用に対しても有用となることができる。

本明細書で用いる場合、「スリップキャスティング」は、セラミック組成物を型要素に入れ、続いて成形された発熱体を型から取り出す一般的な加工を示す。

本明細書で一般的に用いる場合に、「射出成形された」、「射出成形」またはその他の同様な用語は、材料（ここで、セラミックまたは前セラミック材料）は射出されるか、または典型的に圧力下で、該セラミック体の所望の形状をした型の中に入れられ、次に冷却され、続いて型の複製を保持する固化した要素を除去する一般的な加工を示す。

本発明の他の態様を以下に開示する。

図１は、本発明の好ましい発熱体を示す。 図２Ａは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図２Ｂは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図２Ｃは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図３Ａは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図３Ｂは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図３Ｃは、発熱体を作製するための好ましい加工工程を説明する。 図４Ａは、本発明のさらに好ましい発熱体を示し、発熱体の正面図である。 図４Ｂは、本発明のさらに好ましい発熱体を示し、発熱体の背面図である。 図５Ａは、本発明の好ましい発熱体システムを示す。 図５Ｂは、本発明の好ましい発熱体システムを示す。

上述したように、２つまたは３つ以上の異なる抵抗率を含む発熱体本体を作製すること、および発熱体を作製するために発熱体本体の一部を加工することを含むセラミック抵抗発熱体の新しい製造方法を提供する。好ましい態様では、加工は、導電または絶縁体の一部を取り除き、これにより電気回路を画定し、機能的発熱体を提供することを含む。

図面を今参照すると、図１は、電気回路を提供し発熱体の長さに沿って伸びている導電領域１２と１４とを含む好ましい発熱体１０を示す。発熱体の先端領域１６は先細りにされ（断面積を小さくして）、それによりその領域において抵抗発熱を提供する。コア絶縁体領域１８は導電領域１２と１４とを分離し、それにより電気回路を画定する。

使用中は、電力は、導電領域１２と１４との基端１２Ａと１４Ａとを通って、発熱体１０に供給されることができる（たとえば、図示されないが１本または２本以上の電気リード線による。）。ろう付けのような方法で電気リード線を基端１２Ａと１４Ａとに付けることができる。発熱体の基端１０Ａを、様々な固定具の中に好適に取り付けることができ、たとえば、そこでは、セラモプラスチックシーラント材料が導電要素基端１２Ａ，１４Ａを覆っている。シーランド材料によるそのような被覆は、米国特許第６９３３４７１号明細書に開示されている。発熱体の基端を覆うために金属固定具もまた好適に使用することができる。

図２Ａ〜２Ｃは、断面（たとえば、図１の２−２線に沿った）で、本発明の方法の好ましい加工工程を説明する。

このように、図２Ａに示すように、対向した突出区画２４と２６とを備えたロッド形状の発熱体本体２２を提供するために、概略的に表した構成のスリップキャスト型２０を使用することができる。１つのシステムでは、スリップキャスト型２０を絶縁体セラミック組成物で満たすことができる。結合剤（複数も可）の除去によって硬質要素を提供することができる。

図２Ｂに概略的に説明されているように、その後、被覆導電性組成物３０をスリップキャスト絶縁体部２８の周りに、塗布することができる。その導電性組成物３０を、たとえば、別のスリップキャスティング塗布またはディップコーティングのような他の方法で塗布し、それによって異なる抵抗率の２つの領域（２８，３０）を備えた発熱体２２を作製することができる。

図２Ｃに示すように、その後、突出区画２４と２６とを、機械加工のような方法で取り除くことができ、電気経路を画定し、機能的発熱体３２を提供する。このような発熱体本体の加工を、グリーンの状態または焼結された状態の発熱体本体に行う。このように、領域２４と２６との加工により、とくにそれらの除去により、絶縁体２８は、電気経路を画定する分離された導電性ゾーン３０Ａと３０Ｂとに二分する。使用中、電流は、導電性ゾーン３０Ａおよび先端先細り抵抗領域を通って発熱体の長さを流れ、その後、導電性ゾーン３０Ｂを通って発熱体の長さを逆戻りして流れることができる。

図３Ａ〜図３Ｃは、断面（たとえば、図１の２−２線に沿った）で、３つ以上の異なる抵抗率の領域（たとえば、抵抗率およびセラミック組成が異なる導電性、絶縁体性および抵抗 (発熱または点火）性領域のように、３つまたは４つ以上の異なる抵抗率の領域）を有する発熱体を提供するための本発明の方法のさらに好ましい加工工程を説明する。

このように、図２Ａ〜２Ｃについて、以上述べたように、そして図３Ａで示すように、概略的に表した構成のスリップキャスト型を使用して、対向する突出区画２４と２６とを備えたロッド形状の発熱体本体を提供することができる。１つのシステムでは、スリップキャスト型２０を、絶縁体セラミック組成物２８で満たすことができる。結合剤の除去により、硬質要素を提供することができる。

図３Ｂで概略的に説明するように、その後、抵抗シェルを提供するために被覆抵抗組成物３０をスリップキャスト型の周りに塗布することができる。その後、絶縁体領域２８を提供するために、シェルコアを絶縁体組成物で満たすことができる。絶縁体組成物３０を、たとえば、別のスリップキャスティングによる塗布またはディップコーティングのような他の方法で塗布することが可能である。

その後、また、図３Ｂで概略的に説明するように、その後被覆導電性組成物３１を抵抗組成物層３０の周りに塗布することができる。その導電性組成物３１を、たとえば、別のスリップコーティングまたはディップコーティングのような他の方法によって塗布することができ、それにより、異なる抵抗率の３つの領域（２８、３０および３１）を備えた発熱体２２を作製する。

図２Ｃおよび図３Ｃに示すように、その後、突出区画２４と２６とを、機械加工のような方法で除去することができ、電気経路を画定して機能的発熱体３２を提供する。このような発熱体本体の加工を、グリーンまたは焼結された状態の発熱体本体に対して行う。このように、領域２４と２６との加工によって、とくにそれらを除去することによって、絶縁体２８を、電気経路を画定する分離した導電性ゾーン３０Ａと３０Ｂとに二分する。使用中、電流は、導電性ゾーン３０Ａおよび先端先細り抵抗領域を通って発熱体の長さを流れ、そして、その後導電性ゾーン３０Ｂを通って発熱体の長さを戻って流れることができる。

しかし、ある態様では、スリップキャスティングは、発熱体を製造するためには好ましいアプローチであるかもしれないが、スリップキャスティングに追加してまたはスリップキャスティングを全く置き換えて、他の作製方法もまた好適に使用することができる。たとえば、発熱体本体および作製された（機能化）発熱体を作製するために、押出し成形、射出成形および／またはセラミック組成物のディップコーティング塗布を使用することができる。発熱体を作製するための押出し成形は、国際公開第２００６／０５０２０１号パンフレットに開示されている。発熱体を作製するための射出成形は、国際公開第２００６／０８６２２７号パンフレットに開示されている。

図４Ａおよび４Ｂは、ドレインキャスティング工程によって製造することができる発熱システム要素を表す。とくに、図４Ａは、切欠図で、ドレインキャスティング工程で作製されたセラミック抵抗（ホットまたは点火ゾーン）導電シェル４０を示す。ドレインキャスティング工程では、たとえば、抵抗セラミックスラリーをスリップキャスト型に流し込み、その後短時間に、たとえば、スラリーが型に最初に導入されてから５、４、３、２、１、０．５または０．２５分未満の後に、スラリーを型から流し出す。残っている抵抗セラミック被覆層を、その後乾燥し、そして絶縁体セラミック組成物を、スリップキャスト型の中のシェルの中に導入することができる。その２領域複合物体を、１晩乾燥することができ、その後、任意選択的に揺動（たとえば、振動）の助けを借りてスリップキャスト型から取り出す。このようにして得られた発熱体本体４２（図４Ｂに断面を示す）を、必要に応じて、たとえば１００℃〜１５０℃のように昇温させた温度で、１時間またはそれを超える時間で、さらに乾燥することができる。

塗布導電性ゾーンを、セラミック体基端に組み入れることができ、たとえば、発熱体の基端から発熱体の先端４６に向けて導電性セラミック組成物をディップコーティングし、それによって、導電性外側層の塗布のほかに抵抗ゾーン領域を画定することができる。この３ゾーンまたは３領域セラミック体を、必要に応じて、たとえば１００℃〜１５０℃のような昇温させた温度で、１時間またはそれを超える時間、さらに乾燥することができる。

別個の抵抗率の他の領域もまた、たとえば、ディップコーティングまたはその他の塗布手段によって発熱体本体に含めることができる。たとえば、あるシステムにとって、経路の最も導電性が高い部分と経路の最も抵抗が高い（ホット）領域との間の電気回路経路において、中間抵抗のパワー増幅または増強ゾーンを含むことが好ましい。そのような中間抵抗の増幅ゾーンは、ウィルケンスによる米国特許出願公開第２００２／０１５０８５１号明細書に記載されている。

好ましい増幅ゾーンは、正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有するであろう。増幅ゾーンは、点火器を使用している間、ホットゾーンほど高い温度に発熱しないことが好ましいけれども、好ましくは、増幅ゾーンは、ｉ）点火器のホットゾーンへの有効電流の流れ、およびｉｉ）点火器を使用している間の増幅領域のいくらの抵抗発熱を、可能にする中間の抵抗を有する。

使用中、発熱体の複数の抵抗ゾーンは、好適には別個の抵抗および温度値を示す。このように、増幅ゾーンを含む好適なシステムでは、第１の導電性ゾーンは、好ましくは３つのゾーンの中で最小の抵抗を示し、増幅ゾーンは比較的より高い抵抗を示し、そして、ホットまたは点火ゾーンは点火器の中で最高の抵抗を示す。

増幅ゾーンを含むこのような複数のゾーンシステムは、使用中、類似した温度勾配を一般的に示す。すなわち、導電性ゾーンは、使用中、実質的に発熱せず、ホットまたは絶縁ゾーンは、ある温度、たとえば、少なくとも１０００℃、さらに一般的には少なくとも約１２００℃または１３００℃であるような燃料源を加熱するのに十分な温度に発熱し、そして、それらのゾーンの間に形成された増幅ゾーンは、一般的に、導電性ゾーンに比べて少なくとも約１００、２００、３００または４００℃高い温度から、ホットゾーンに比べて少なくとも約１００、２００、３００または４００℃低い温度の範囲内に発熱することになる。

室温（約２５℃）では、導電性ゾーンは、好ましくは、増幅ゾーンの室温抵抗の約５０％、２５％、１０％または５％以下の抵抗を有し、かつ好ましくは、導電性ゾーンは、ホットゾーンの室温抵抗の約１０％、５％または１％以下の室温抵抗を有することになる。導電性ゾーンは、発熱中も最小の抵抗を示すはずである。

室温では、増幅ゾーンは、好ましくは、ホットゾーンの約７５％、５０％、２５％、１０％または５％以下の抵抗を有することになる。しかし、使用中は、増幅ゾーンの抵抗が、好適には、ホットゾーンの動作温度抵抗を超えることができる。たとえば、動作温度（たとえば、ホットゾーンで少なくとも約１０００℃、または１１００℃）で使用中、増幅ゾーンの抵抗は、少なくともホットゾーンの動作温度における抵抗の少なくとも約１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、１５０％、１６０％、１７０％、１８０％、１９０％、２００％、２２０％、２５０％、２７０％または３００％であってもよい。

本発明の発熱体本体では、作製された複数ゾーン発熱体本体を、その後、とくにセラミック体の長さに沿って本体の基端４６から本体の先端の抵抗ゾーンまで導電性ゾーンを取り除くことによって、電気回路を形成するために加工することができ、これにより電気経路を画定することができる。電気経路を画定するための上記の加工の前または後に焼結を行える。

図５Ａおよび図５Ｂは、追加の好ましい発熱体システム５０を表しており、そのシステムでは、絶縁体領域５２，５４，５６が、導電性ゾーン５８，６０を通る、描かれた電気経路を画定する。抵抗発熱は、先細り先端部分６２で起こる。

このシステム５０では、導電領域は、外側の絶縁体を伴う発熱体５０の内部を形成する。描かれたＳ字状の電気経路を画定する絶縁体領域５２，５４，５６は、外側の絶縁体の選択的な機械加工によって提供することができる。渦巻き形状経路のような他の非線形電気経路は、経路長を伸ばし、それによって発熱体がより高い電圧で動作できるようにするために使用することができる。

作製された発熱体を、必要に応じてさらに加工することができる。たとえば、追加のセラミック組成物を、作製された発熱体に塗布することができる。その後、たとえば、隣接した導電領域間のアーク放電を防止するといったような発熱体の電気経路の能力を高めるために、発熱体を、絶縁体組成物によるディップコーティングのような方法で被覆することができる。前述のアーク放電は、発熱体が湿性燃料（たとえば、灯油、ガソリン、加熱オイル）と一緒に使用される場合、とくに問題となる可能性がある。発熱体に対する外側絶縁体被覆層の塗布は、上述のアーク放電を著しく小さくすることができる。

ディップコーティングによる塗布の場合、セラミック組成物のスラリーまたは他の流体状組成物を好適に使用することができる。塗布されるセラミック組成物の均一層の形成を容易にするために、スラリーは、水および／またはアルコール等のような極性有機溶媒キャリア、および１種または２種以上の添加剤を含むことができる。たとえば、スラリー組成物は、１種または２種以上の有機乳化剤、可塑剤および分散剤を含むことができる。後に続く発熱体の緻密化の間、これらの結合物質を好適に熱的に除去することができる。

さらに、発熱体は、熱電対回路、火炎検出器または火炎整流器のような追加の機能を含むことができる。

発熱体は、また、別個のセラミック組成物の抵抗発熱領域を含むことができる。たとえば、発熱体は、それぞれの領域が異なるセラミック組成物を有する、導電領域、ホット（抵抗発熱）領域および絶縁体領域（すなわち、３領域システム）を含むことができる。

作製された発熱体は、たとえば上昇させた温度および圧力を含む条件下で、好ましくはさらに緻密化させることができる。とくに、作製の後、発熱体を、１つまたは複数の工程の熱加工で焼結させることができる。

複数工程プロトコルの１つでは、スリップキャスティングおよびディップコーティング加工を通じて作製された発熱体を、様々な有機および無機のキャリア物質を除去するための第１の熱処理にかけることができる。たとえば、バインダ等を除去するためにアルゴンのような不活性雰囲気中で１０００℃を超える温度で加熱する。その後、発熱体を、加圧下、１６００℃を超える温度で０．５時間以上の時間焼結させることができる。

以上説明したように、そして、図の発熱体で例示したように、ある好ましいシステムでは、発熱体の長さの少なくとも実質的な１部分は、たとえば、図１に示されている長さｘのような、発熱体の長さの少なくとも１部分に沿って、丸みのある断面形状を有する。図１の発熱体１０は、とくに好ましい構成を描いている。その構成では、発熱体１０が、発熱体の略長さ全体にわたって実質的に円形の断面形状を有し、ロッド形状の発熱体を提供する。しかし、好ましいシステムは、また、発熱体の１部分のみが丸みのある断面形状を有する構成を含む。たとえば、発熱体の長さ（図１で、発熱体長さｘで例示したように）の最大約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０または９０が丸みのある断面を有する。そして、そのような設計では、発熱体の長さの残りが外側に角をともなった輪郭を有することができる。

本発明の発熱体の大きさを広く変えることができ、発熱体の意図された使用に基づいて選択することができる。たとえば、好ましい発熱体の長さ（図１の長さｘ）は、好適には、約０．５ｃｍから約５ｃｍまたはそれより大、より好ましくは約１ｃｍから約３ｃｍとなることができ、発熱体の断面幅（図２Ｃの幅ｙ）は、好適には、約０．２ｃｍから３ｃｍとなることができる。

ある好ましいシステムでは、本発明の発熱体のホットゾーンまたは抵抗ゾーンは、公称電圧で約１４５０℃未満の最大温度まで発熱し、公称電圧の約１１０パーセントである最高ライン電圧で約１５５０℃未満の最大温度まで発熱し、公称電圧の約８５パーセントである最低ライン電圧で約１３５０℃未満の最大温度まで発熱することになる。

様々な組成物を用いて、本発明の発熱体を作製することができる。異なる抵抗のセラミック組成物を、上述したように、好適に使用して、発熱体本体の作製に使用する。

ある態様では、ホットゾーン領域を形成するために他のセラミック組成物を使用する場合、一般的に好ましいホットゾーン組成物は、１）導電性材料、２）半導体材料、および３）絶縁材料の少なくとも３つの成分を含む。導電（コールド）領域および絶縁（ヒートシンク）領域は、同じ成分を含むことができるが、しかし、異なる比率で存在する。一般的な導電材料は、たとえば、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、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を含む。一般的な半導体材料は、炭化ケイ素（ドープされた、またはドープされていない）および炭化ホウ素のような炭化物を含む。一般的な絶縁材料は、アルミナのような金属酸化物、またはＡｌＮ、ＳｉＡＬＯＮ（すなわち、シリコンアルミニウムオキシナイトライド）および／またはＳｉＮ₄のような窒化物を含む。

本明細書で用いる場合、電気的絶縁物質の用語は、少なくとも約１０¹⁰Ω−ｃｍの室温抵抗率を有する物質を示す。本発明の発熱体の電気的絶縁物質成分は、１種または２種以上の金属窒化物および／または金属酸化物を、単独または複数で含むことができ、あるいは、絶縁成分は、前記金属酸化物（複数種可）または金属窒化物（複数種可）に追加して、物質を含むことができる。たとえば、絶縁物質成分は、さらに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン、ＳｉＡＬＯＮもしくは窒化ホウ素のような窒化物、ならびに希土類酸化物（たとえば、酸化イットリウム）もしくは希土類オキシナイトライドを含むことができる。

本明細書で用いる場合、半導体セラミック（または「半導体」）は、約１０Ω−ｃｍと１０⁸Ω−ｃｍとの間に室温抵抗率を有するセラミックである。半導体成分がホットゾーン成分の約４５ｖ／ｏより大きいとして存在する場合（導電セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲内である場合）、得られた組成物は、高い電圧印加に対して導電性が高すぎてしまうことになる（絶縁体の不足による）。逆に、半導体物質がホットゾーン組成物の約５ｖ／ｏよりも小さいとして存在する場合（導電セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲内である場合）、得られた組成物は、高い電圧印加に対して絶縁性が高すぎてしまうことになる（絶縁体の過多による）。さらに、導電体量がより多くなると、所望の電圧に達するために、絶縁体および半導体のより抵抗が高い組成物が必要になる。一般的に、半導体は、炭化ケイ素（ドープされた、またはドープされていない）および炭化ホウ素から成る群由来の炭化物である。

本明細書で用いる場合、導電性物質は、約１０^-2Ω−ｃｍより小さい室温抵抗率を有する物質である。導電成分がホットゾーン組成物の３５ｖ／ｏより多い量で存在する場合、結果として得られたホットゾーン組成物のセラミック、得られたセラミックは伝導性が高すぎることがある。一般的に、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成る群から選択される。二ケイ化モリブデンが一般的に好ましい。

一般的に、使用する場合、好適なホット（抵抗）ゾーン組成物は、（ａ）少なくとも約１０１０Ω−ｃｍの抵抗率を有する電気的絶縁物質を約５０〜約８０ｖ／ｏ、（ｂ）約１０〜１０⁸Ω−ｃｍの抵抗率を有する半導体物質を約５〜約４５ｖ／ｏ、および（ｃ）約１０^-2Ω−ｃｍに満たない抵抗率を有する金属物質を約５〜約３５ｖ／ｏ含む。好ましくは、ホットゾーンは、５０〜７０ｖ／ｏの電気的絶縁セラミック、５〜４５ｖ／ｏの半導体セラミックおよび５〜２０ｖ／ｏの導電物質を含む。

好ましくは、コールドゾーン（導電性）領域は、たとえばＡｌＮおよび／もしくはＡｌ₂Ｏ₃または他の絶縁物質、ＳｉＣもしくは他の半導体セラミック、ならびにＭｏＳｉ₂もしくは他の導電物質を含むものを有する。

発熱体に使用する場合、好ましい増幅ゾーン組成物は、導電領域組成物およびホットゾーン領域組成物と同じ物質を含むことができる。たとえば、好ましい増幅ゾーン組成物は、たとえば、ＡｌＮおよび／もしくはＡｌ₂Ｏ₃または他の絶縁物質、ＳｉＣもしくは他の半導体物質、ならびにＭｏＳｉ₂もしくは他の導電物質を含むことができる。増幅ゾーン組成物は、一般的に、ホットゾーン組成物中のこれらの物質の割合とコールドゾーン組成物中のこれらの物質の割合との間の中間である、導電物質および半導体物質（たとえば、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ₂）の相対割合を有することになる。好ましい増幅ゾーン組成物は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムもしくは他の絶縁体物質を約６０〜７０ｖ／ｏ、ＭｏＳｉ₂もしくは他の導電物質を約１０〜２０ｖ／ｏ、ならびに残りにＳｉＣのような半導体物質を含む。本発明の点火器に使用するのにとくに好ましい増幅ゾーン組成物は、ＭｏＳｉ₂を１４ｖ／ｏ、ＳｉＣを２０ｖ／ｏ、そして残りとしてＡｌ₂Ｏ₃を含む。本発明の点火器に使用するのにとくに好ましい増幅ゾーン組成物は、ＭｏＳｉ₂を１７ｖ／ｏ、ＳｉＣを２０ｖ／ｏ、そして残りとしてＡｌ₂Ｏ₃を含む。本発明の点火器に使用するのに、とくにさらに好ましい増幅ゾーン組成物は、ＭｏＳｉ₂を１４ｖ／ｏ、ＳｉＣを２０ｖ／ｏ、そして、残りとしてＡｌＮを含む。本発明の点火器に使用するのに、とくになおいっそう好ましい増幅ゾーン組成物は、ＭｏＳｉ₂を１７ｖ／ｏ、ＳｉＣを２０ｖ／ｏ、そして残りとしてＡｌＮを含む。

本発明の発熱体は、暖房炉および調理機器のような気相燃料点火用途、ベースボードヒータ、ボイラおよびストーブトップを含む多くの用途で使用されることができる。とくに、本発明の発熱体は、ガス暖房路と同様に、ストーブトップガスバーナー用の点火源として使用されることができる。

本発明の発熱体は、また、液体（湿式）燃料（たとえば、灯油、ガソリン）が蒸発して、点火される場合（たとえば、乗り物の加熱を進める乗り物（たとえば車両）のヒータの内部）の点火の使用に、とくに好適である。

本発明の発熱体は、また、グロープラグ、たとえば、自動車の点火源、として使用するのに好適である。

本発明の発熱体は、赤外線ヒータ用の発熱体として含まれるような追加の特定用途に有用であろう。

次の限定されない例は、本発明の説明に役立つ。本明細書で言及された全ての文書は、そっくりそのままの言及によって本明細書に組み込まれる。

例１：発熱体の製造
図１の図形に示す一般的な構成における本発明の発熱体を以下のようにして作製することができる。

絶縁体組成物（９０体積％Ａｌ₂Ｏ₃および約１０％ＭｏＳｉ₂）の粉を、脱イオン水、クエン酸および２重量パーセントのエポキシ樹脂バインダと一緒に混合する。組成物を、ボールミルで６〜８時間混合する。

絶縁体組成物は、図２Ａの図形に描かれた形状の鋳込型成形に進む。型の中で１晩、その組成物をそのままに放置しておいてもよい。そして、その後作製された発熱体本体を型から取り出してもよい。取り出した発熱体本体を１４０℃で１時間乾燥する。

ディップコーティング塗布のための導電セラミック組成物を、セラミック粉（６３体積％Ａｌ₂Ｏ₃、約３０体積％ＭｏＳｉ₂および７体積％ＳｉＣ）を水およびエポキシ樹脂バインダとともに混合することによって作製する。

作製された絶縁体本体要素を、その後導電セラミック組成物でディップコーティングする。異なる抵抗率の２つのセラミック領域をともなった被覆された発熱体本体を、その後１４０℃、１時間乾燥する。

発熱体本体を、その後１５００℃〜１６００℃、加圧下で焼結させる。

その後、突き出している「耳」部分（図２Ｂの領域２４と２６）は、電気回路を画定して、図１および２Ｃに示すような一般的な構成の機能化した発熱体を提供するために、機械研削によって取り除かれる。

電気リード線を、その後発熱体の基端の導電領域をろう付けすることによって付ける。

例２：ドレインキャスティングによる発熱体の製造
図４Ａ，４Ｂの図形で説明されている一般的な構成の本発明の発熱体を以下のように作製することができる。

抵抗セラミック塗布組成物を、セラミック粉（６３体積％Ａｌ₂Ｏ₃、約２２体積％ＭｏＳｉ₂および５体積％ＳｉＣ）を水およびエポキシ樹脂バインダに混ぜることによって調合する。その組成物を、スリップキャスト型に導入する。その導入から約５秒以内に、スリップキャスト型を逆さまにして導電性組成物を除去し、型の内壁上にセラミック組成物表皮層を残す。

絶縁体組成物（９０体積％Ａｌ₂Ｏ₃および１０体積％ＭｏＳｉ₂）の粉を脱イオン水、クエン酸および２重量パーセントのエポキシ樹脂バインダと混合する。その組成物を、セラミック組成物の内部表皮層をともなったスリップキャスト型の中に導入する。

絶縁体組成物は、図２Ａの図形に描かれた形状の鋳込型成形に進む。型の中で１晩、その組成物をそのままに放置しておいてもよい。そして、その後作製された発熱体本体を型から取り出してもよい。取り出した発熱体本体を１４０℃で１時間乾燥する。

その２領域複合体本体を、１晩乾燥し、そして、その後スリップキャスト型から、型の振動で取り外す。こうして得られた発熱体本体を、１４０℃で１時間乾燥する。

ディップコーティング塗布用の導電セラミック組成物を、セラミック粉（６３体積％Ａｌ₂Ｏ₃、約３０体積％ＭｏＳｉ₂および７体積％ＳｉＣ）を水およびエポキシ樹脂バインダに混ぜることによって調合する。

その導電性ゾーン組成物を、発熱体の先端における発熱体を画定するまで、絶縁ゾーンセラミック本体の基端に組み入れる。その３ゾーンセラミック本体を、１４０℃で１時間乾燥され、１７３０℃での焼結が後に続く。

焼結した３ゾーン要素を、その後電気回路を形成するために加工する。とくに導電性ゾーンを、本体の基端から本体の先端の抵抗ゾーンへ、セラミック本体の長さに沿って除去し、それによって、電気経路を画定する。

電気リード線を、その後発熱体の基端の導電領域をろう付けすることによって付ける。

本発明は、本発明の特定の態様に関して詳細に記載されてきた。しかし、当業者は、この開示を考慮して、本発明の意図および範囲の中で変形したり改良したりできることは認識されるであろう。

Claims (24)

1. 異なる抵抗率の２つまたは３つ以上の領域を含む発熱体本体を作製する工程と、
   発熱体を作製するために前記発熱体本体の一部を加工する工程と
   を含む抵抗セラミック発熱体の製造方法。
2. 前記加工工程が、前記発熱体本体の電気経路を画定する請求項１に記載の方法。
3. 前記加工工程が、前記発熱体本体の１つまたは２つ以上の部分を除去する工程を含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記加工工程が、前記発熱体本体の１つまたは２つ以上の突出区画を除去する工程を含む請求項１または２に記載の方法。
5. 前記除去工程が、前記発熱体本体の対向する２つの区画を除去することを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記発熱体本体が、３つまたは４つ以上の異なる抵抗率の領域を含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記発熱体本体が、絶縁ゾーン、導電性ゾーンおよび抵抗（点火）ゾーンを含む請求項６に記載の方法。
8. 前記発熱体本体が、絶縁ゾーン、導電性ゾーン、増幅および抵抗（点火）ゾーンを含む請求項６に記載の方法。
9. 前記発熱体本体が、前記発熱体の断面を通じて異なる抵抗率の領域を含む請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記発熱体本体が、内側の絶縁体領域および外側の導電領域を含む請求項１に記載の方法。
11. 前記発熱体本体が、スリップキャスティングによって少なくとも一部が作製される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記発熱体本体が、ディップコーティングによって少なくとも一部が作製される請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記発熱体が、前記発熱体長さの少なくとも一部について、実質的に丸みのある断面形状を有する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記発熱体が完全な要素である請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. セラミック材料をスリップキャスティングして発熱体本体を作製する工程と、
    前記発熱体本体の一部を加工して発熱体を作製する工程と
    を含む抵抗セラミック発熱体の製造方法。
16. 前記スリップキャスティング工程が、少なくとも２つの別個のセラミック材料の堆積を含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記加工工程が発熱体の電気経路を画定することを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記加工工程が、前記発熱体本体の１つまたは２つ以上の部分を除去する請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の方法によって得られるセラミック発熱体。
20. （ｉ）２つまたは３つ以上の異なる抵抗率の領域、および（ｉｉ）１つまたは２つ以上の突出区画を含む発熱体本体。
21. 前記発熱体本体が内側の絶縁体領域および外側の導電領域を含む請求項２０に記載の発熱体本体。
22. 請求項１９に記載の発熱体を通って電流を流すガス状燃料の点火方法。
23. 前記電流が、６、８、９、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０および２４０ボルトの公称電圧を有する請求項２２に記載の方法。
24. 請求項１９に記載の発熱体を含む発熱装置。

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