JP3550093B2 - 改良された耐酸化性を有する新しいセラミック点火器およびその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
セラミック材料はガス燃焼炉、ストーブおよび衣類乾燥器における点火器（ｉｇｎｉｔｅｒｓ）として大いなる成功を享受している。セラミック点火器は通常ヘアピンもしくはＵ形を有し、導電性末端部と高抵抗中間部を含む。点火器が通電導線に接続されるとき、高抵抗中間部（すなわち「ホットゾーン」（“ｈｏｔ ｚｏｎｅ”））は温度が上昇する。
【０００２】
セラミック点火器の技術は、支持のために電気抵抗脚部（ｌｅｇ）の間に配置された電気的に非伝導性のセラミックインサートをさらに有するヘアピン形状点火器について長く知っている。特に、特開平２−９４２８２号公報は、ＳｉＣ／ＺｒＢ_２ 抵抗脚部、および抵抗脚部の間に配置されたＡｌＮ絶縁インサート（すなわち「サポートゾーン」（“ｓｕｐｐｏｒｔ ｚｏｎｅ”））を有するセラミック点火器を開示する。特開平２−９４２８２号公報は２つの領域の熱膨張係数（「ＣＴＥ」）を適合させるためにＡｌＮインサートにＢＮを添加することをさらに教示する。同様に、米国特許第５，１９１，５０８号明細書（「Ａｘｅｌｓｏｎ」）は「電気非伝導性」（“ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ”）を有するヘアピン形状セラミック点火器を開示し、そしてインサートはアルミナ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムから製造されるべきであり、そのそれぞれは電気的に絶縁性材料であることを教示する。米国特許第４，６３４，８３７（「Ｉｔｏ」）はＳｉ_３ Ｎ_４ ／ＭｏＳｉ_２−にもとづくホットゾーンおよびＳｉ_３ Ｎ_４ ／Ａｌ_２ Ｏ_３ インサートを有するセラミック点火器を開示する。
【０００３】
さらに従来技術は導電性フィラメントが絶縁性セラミック材料に埋め込まれたセラミック点火器を開示する。たとえば、米国特許第４，９１２，３０５号明細書（「Ｔａｔｅｍａｓｕ」）はＳｉ_３ Ｎ_４ ／Ａｌ_２ Ｏ_３ ／Ｙ_２ Ｏ_３ セラミック体に埋め込まれたタングステンワイアを開示する。米国特許第４，８０４，８２３号明細書（「Ｏｋｕｄａ」）は、ＴｉＮもしくはＷＣ導電性セラミック層（Ｓｉ_３ Ｎ_４ も含む）がＡｌＮもしくはＳｉ_３ Ｎ_４ のいずれかのセラミック基板内に配置されたセラミック点火器を開示する。さらにＯｋｕｄａは基材は周期律表ＩＩａもしくは ＩＩＩａ族またはアルミニウムの酸化物、窒化物、もしくはオキシ窒化物のような焼結助剤をさらに含んでもよいことを開示する。７欄、５０〜５５行を参照されたい。
【０００４】
ヘアピン形点火器におけるインサート材料は高度に電気絶縁性であるのが通常であるが、従来技術はある電気伝導性（ＭｏＳｉ_２ のような）および／または半導体成分（ＳｉＣのような）を有するインサートを開示する例がある。たとえば、ＪＰ−０２０８６（「ＪＰ’０８６」）はインサートの主構成成分が炭化ケイ素である開示を提供する。しかし、研究は、ＳｉＣおよびアルミニウムのような導電性材料を含む第１の材料、ならびに９９％を超えるＳｉＣを含む第２の材料の高温比抵抗は高温で同等になりやすいことを示した。したがって、仮にこれらの材料がホットゾーンおよびインサートとして、同一点火器にそれぞれ使用されるとしたら、インサート材料にわたって電気的短絡がおそらく生じるであろう。もう１つの例において、米国特許第５，２３３，１６６号明細書（「Ｍａｅｄａ」）は、窒化ケイ素、希土酸化物８〜１９％、シリカ２〜７％およびＭｏＳｉ_２ ７〜２０％からなる、セラミック基板に埋め込まれたホットゾーンを有する点火器を開示する。Ｍａｅｄａは、１ｗｔ％より多い量のアルミナを有するガラス相を形成することを避けるように教示する。
【０００５】
米国特許第５，８０１，３６１号明細書（Ｗｉｌｌｋｅｎｓ ’３６１）は高圧用途（２２０Ｖ〜２４０Ｖ）における使用のために設計されたセラミック点火器を開示し、そこでは従来のヘアピン形状のホットゾーンがサポートゾーンによりその脚部とその脚部の外側の両方の間でセラミック材料により支持される。さらにＷｉｌｌｋｅｎｓの’３６１は、このサポートゾーンは電気的に絶縁性（すなわち、少くとも１０^６ オーム−ｃｍの電気比抵抗を有するべきである）であるべきであり、そして好適には窒化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化ケイ素の少くとも１つを少くとも９０ｖｏｌ ％含むべきである、ことを教示する。Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’３６１は、このサポートゾーン材料はホットゾーンに調和できる熱膨張および緻密化特性を有するばかりでなく、ホットゾーンを酸化（すなわち、３０，０００サイクルにわたり１０％未満のアンペア数低下）から保護するのを助けるべきであることをさらに開示する。Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’３６１に対応するＷＩＰＯ公開において、サポートゾーンの提案された電気比抵抗は１０^８ オーム−ｃｍである。
【０００６】
しかし、Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’３６１の点火器は電圧印加の要求性能仕様に達するが、点火器の連続使用は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から本質的になる１つのサポートゾーンの有意な長期使用損傷を明らかにした。すなわち、この点火器の抵抗は延長された使用試験の間著しく増大した。さらに、緻密化の問題（おそらく熱膨張の不適合による）は製造時にこれらのサポートゾーンと出くわした。最後に、Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’３６１は、１つの実施例において、ホットゾーンの白熱グロー（ｗｈｉｔｅ−ｈｏｔ ｇｌｏｗ）・（室温比抵抗約０．３オーム−ｃｍを有していた）は下方へクリープする傾向にあることを観察し、このクリープは窒化アルミニウムにもとづくインサートによる電流の流れにより引き起こされると示唆した。
【０００７】
米国特許第５，７８６，５６５号明細書（Ｗｉｌｌｋｅｎｓ ’５６５）は、点火器の２つの平行な脚部の間に配置されたサポートゾーン（すなわち「インサート」）を有するもう１つのセラミック点火器を開示する。
Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’５６５によれば、このインサートは「電気的に絶縁性の吸熱器」（“ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｓｉｎｋ”）もしくは「電気的に非伝導性の吸熱器」（“ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｓｉｎｋ”）と呼ばれ、好適には少くとも約１０^４ オーム−ｃｍの比抵抗を有する。好ましくはそのインサートの組成は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化ケイ素の少くとも１つの少くとも９０ｖｏｌ ％からなるが、もっと好ましくはそれは窒化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化ケイ素の少くとも１つから本質的になる。
【０００８】
しかし、Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’５６５の点火器は印象的な速度を有することがわかったが、約１３００℃の温度での長期使用は有意な割合の損傷を再びもたらした。
したがって、点火器の電気的特性を変えず、使用時に酸化の問題を発生させず、そして製造時に緻密化もしくは加工の問題をいずれも提出しない、窒化アルミニウムにもとづくサポートゾーンに対する要求がある。特に、Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’５６５に開示された点火器についてのこれらの課題を解決するサポートゾーンに対する要求がある。
【０００９】
ＡｌＮにもとづくサポートゾーン（すなわち「インサート」（“ｉｎｓｅｒｔ”））材料の受け入れられない酸化の理由を見出すための努力において、本発明者は広範な研究を企だて、ＡｌＮ表面上のアルミナの広範な、密着性のない（ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）層を見出した。アルミナはＡｌＮよりもはるかに高いＣＴＥを有し、そしてＡｌＮの酸化は容積で６％の膨脹を形成するので、ＡｌＮインサート材料（すなわちアルミナの生成）はインサート材料におけるき裂を引起こし、そして長期使用の損傷の原因であると考えられる。同時に、本発明者は同様の長期酸化に関係する損傷を受けない、従来のＡｌＮ−ＳｉＣ−ＭｏＳｉ_２ ホットゾーン組成物を有する従来の点火器も試験した。長期使用後に、これらの従来のホットゾーンは３Ａｌ_２ Ｏ_３ −２ＳｉＯ_２ の組成を有するムライトを実質的な量で含む密着した（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）表面層を有することがわかった。アルミナと異って、ムライトはＡｌＮとはるかに調和しうるＣＴＥを有し、ＡｌＮから生成されたときに小さな容積変化しか生じない。したがって、理論に縛られることは望まないが、ムライト表面層の形成はＡｌＮにもとづくインサート材料の成功に重要であると考えられる。
【００１０】
上記の知見に照らして、望ましいムライト層は炭化ケイ素２ｖｏｌ ％〜４０ｖｏｌ ％をＡｌＮにもとづくインサートに添加することにより生成されうると考えられた。この組成物の、それに続く製造および試験は望ましい密着性ムライト層の存在を確認した。このように、ＡｌＮにもとづくインサートの酸化問題は炭化ケイ素を添加してＡｌＮインサートの表面にムライトの密着性を形成することにより著しく改良されることができる。
【００１１】
ＡｌＮ−ＳｉＣインサート材料の適合についての知見は、従来の絶縁体システムの公知の特徴に関する技術の教示に照らすと驚くべきことである。ＡｌＮに関して、本質的にＡｌＮ絶縁体は受け入れられない酸化を生じることがＷｉｌｌｋｅｎｓの’３６１で知られていた。ＳｉＣに関して、本質的にＳｉＣサポートゾーンは、高温で、受け入れられない電気的短絡を生じることが知られていた。したがって、両化合物を有意な量で含有する混合物が受け入れられない酸化も、短絡も、または両方を生じるであろうことに重大な懸念があった。そうではなく、この新しいサポートゾーンは、受け入れられる耐酸化性および短絡不発生の両方を提供することが見出された。
【００１２】
したがって、本発明によれば、（ａ）一対の導電性セラミック末端、および
（ｂ）コールド末端の間に配置されたセラミックホットゾーン、ならびに
（ｃ）ホットゾーンがその上に配置されるサポートゾーン、そのサポートゾー ンは；
（ａ）窒化アルミニウム約５０ｖｏｌ ％〜約８０ｖｏｌ ％、および
（ｂ）炭化ケイ素約２ｖｏｌ ％〜約４０ｖｏｌ ％、からなる、
を含むセラミック点火器が提供される。
【００１３】
図１は、１つの好適な態様であり、１つの好適な点火器は抵抗ホットゾーン１１により電気的に接続されて配置された２つの導電性脚部９および１３を含むヘアピン形状を有し、脚部１３は同一方向にホットゾーンから伸びており、インサート１９は導電性脚部１３の間に配置される。
一般に、サポートゾーンは絶縁相として窒化アルミニウム５０ｖｏｌ ％〜８０ｖｏｌ ％を含む。もしサポートがＡｌＮを５０ｖｏｌ ％少なく含むと、サポートは導電性すぎることがあり、短絡の危険がある。サポートがＡｌＮを８０ｖｏｌ ％より多く含むならば、増大した酸化の危険があるのが通常である。
【００１４】
一般に、サポートゾーンは、炭化ケイ素を２ｖｏｌ ％〜４０ｖｏｌ ％をさらに含む。もしサポートが炭化ケイ素を２ｖｏｌ ％より少なく含むならば、ムライトを生成するのに不十分な反応原料しかなく、サポートは酸化を非常に受けやすい。もしサポートがこの相を４０ｖｏｌ ％より多く含むと、たとえ得られるセラミックサポートが適切に導電性である（すなわち、半導体）にすぎなくても、高温で短絡の危険があるのが通常である。炭化ケイ素は所望のムライト被覆を形成するのに十分なケイ素含量を有し、約４０ｖｏｌ ％より少ない量でインサート中に存在するとき、得られる複合体インサート材料において短絡を引起すほど導電性ではない。
【００１５】
ある好適な態様において、炭化ケイ素はサポートゾーンの１０ｖｏｌ ％〜４０ｖｏｌ ％含み、好適には約２０ｖｏｌ ％〜約４０ｖｏｌ ％の量である。
Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’５６５に開示されているＭＩＭデザインとともに好適に用いられるいくつかの態様において、インサートはＳｉＣ２０〜３５ｖｏｌ ％好ましくはＳｉＣ２５〜３５ｖｏｌ ％を含む。
【００１６】
本発明のインサート材料がＷａｓｈｂｕｒｎ型の導電性（コールド）ゾーンおよびホットゾーンと適合するいくつかの態様において、インサート材料の熱膨張係数は非常に低くてもよい。たとえば、１つの実験において、本質的にＡｌＮ７０％およびＳｉＣ３０％からなるインサート材料は、ＡｌＮ２０％、ＳｉＣ６０％およびＭｏＳｉ_２ ２０％を含む導電性ゾーンと実質的に接触しているときにき裂を生じることが見出された。この損傷はインサートと導電性ゾーンの間のＣＴＥ不適合により生じたと考えられる。アルミナ約１０％が続いてインサートに添加されたときに、緻密化はうまくいった。したがって、いくつかの態様において、サポートゾーンは少くとも６×１０^−６／℃の熱膨張係数を有する高ＣＴＥセラミックの２ｖｏｌ ％〜２０ｖｏｌ ％をさらに含む。好適には、高ＣＴＥセラミックはアルミナである。インサートが、ＡｌＮ２０％、ＭｏＳｉ_２ ２０％およびＳｉＣ６０％を含む導電性ゾーンと実質的に接触したいくつかの実験において、アルミナ５％を含む有意の数のインサートがなおき裂を生じた。一方、アルミナ１０％を有する本質的にすべてのインサートはき裂を示さなかった。したがって、いくつかの態様において、好適にはインサートはアルミナ５〜１５％、さらに好適にはアルミナ８〜１５ｖｏｌ ％を含む。アルミナがインサート組成物に有益でありうるとの知見は驚くべきことである。なぜなら、Ｍａｅｄａは、インサートへの数％より多いアルミナ添加は望ましくないガラス相を生じさせると教示するからである。
【００１７】
インサートにおけるＳｉＣ含量が比較的低い（すなわち、ＳｉＣ２５ｖｏｌ ％未満）いくつかの態様において、インサートへの少量のニケイ化モリブデンのさらなる添加は耐酸化性を増大させるのを助けたことが見出された。したがって、いくつかの態様において、サポートゾーンは、特にＳｉＣ含量が比較的低いときに、ＭｏＳｉ_２ １ｖｏｌ ％〜４ｖｏｌ ％をさらに含む。ＭｏＳｉ_２ がサポートゾーンの耐酸化性に対して有する望ましい効果のために、ＭｏＳｉ_２ １〜４ｖｏｌ ％を含むいくつかの態様において、ＳｉＣ１０ｖｏｌ ％程度の少量が所望の耐酸化性を生ずるのに必要とされることが仮定される。したがって、いくつかの好適な態様において、インサートはＳｉＣ１０ｖｏｌ ％〜２５ｖｏｌ ％（もっと好ましくはＳｉＣ１０ｖｏｌ ％〜２０ｖｏｌ ％）およびＭｏＳｉ_２ １ｖｏｌ ％〜４ｖｏｌ ％を含む。さらにＭｏＳｉ_２ の添加はインサートの色を変えることもわかった。したがって、もし識別する色が望まれるならば、そうするためにＭｏＳｉ_２ を使用しないのが好ましい。
【００１８】
加えて、ニケイ化モリブデンの使用は異なった種類の酸化物層を生じることがさらにわかった。特に、ＭｏＳｉ_２ 含有サポートゾーンで生じる酸化物もムライトを含むが、それはＡｌＮ−ＳｉＣ−Ａｌ_２ Ｏ_３ サポートゾーンから生じる酸化物層よりも薄くて、もっと密着性である。さらにＭｏＳｉ_２ 添加により製造される層は従来のＷａｓｈｂｕｒｎホットゾーンにより製造される層に質的にもっと類似しているようにみえる。
【００１９】
さらに、ニケイ化タングステンはＭｏＳｉ_２ と同一機能を果たしうると考えられる。したがっていくつかの態様において、サポートゾーンは、
（ｃ）ニケイ化モリブデン、ニケイ化タングステン、およびそれらの混合物か らなる群より選ばれる金属導電体約１ｖｏｌ ％〜約４ｖｏｌ ％、
をさらに含む。
【００２０】
本発明のいくつかのサポートゾーンは新規な組成を構成しうるとさらに考えられる。したがって本発明によれば：ａ）窒化アルミニウム５０〜８０ｖｏｌ ％
ｂ）ＳｉＣ２５〜３５ｖｏｌ ％、ならびに
ｃ）アルミナ８〜１５ｖｏｌ ％、
を含む（そして好ましくはからなる）緻密化多結晶セラミックが提供される。
【００２１】
さらに本発明によれば：
ａ）窒化アルミニウム５０〜８０ｖｏｌ ％
ｂ）ＳｉＣ１０〜２５ｖｏｌ ％、
ｃ）アルミナ８〜１５ｖｏｌ ％、ならびに
ｄ）ニケイ化モリブデン１〜４ｖｏｌ ％、
を含む（および好ましくはからなる）緻密化多結晶セラミックが提供される。
【００２２】
好適には、導電性セラミックゾーンおよびホットゾーンは一対の脚部を有するヘアピンを示し、サポートゾーンは接触長さを示す支持部の間に配置され、そこではサポートゾーンは（ｉ）実質的に脚部にそって導電性ゾーンと、そして（ｉｉ）実質的に先端でホットゾーンと接触する。これはＷｉｌｌｋｅｎｓの５，７８６，５６５（その明細書はここに引用により完全に取込まれる）に実質的に開示された設計であり、通常ＭＩＭデザインといわれる。一般に、このＭＩＭデザインにおいてサポートおよびコールドゾーンの間の接触は接触長さの少くとも８０％を含む。
【００２３】
さらに、ヘアピンＭＩＭ点火器デザインを用いることも酸化／短絡問題を改良するの助ける。従来のヘアピン−インサートシステムにおいて、ホットゾーンはヘアピンの各支持部領域の重要な部分をつなぎ、ホットゾーン領域の間に配置されたインサートと比べて比較的高い比抵抗も有する。これらのゾーンの相対的な比抵抗はあまり高くないので（約１０倍）、電気が絶縁体を通って１つのホットゾーンから他のホットゾーンにおそらく流れた。対照的に、ＭＩＭデザインでは導電性領域は本質的に各脚部に及ぶ。これらの領域の相対的な比抵抗は通常はるかに高い（約１０００倍）ので、はるかに少ない電気が絶縁体をおそらく流れる。
【００２４】
加えて、ＭＩＭデザインのホットゾーンは本質的にヘアピンの先端のみに位置するので、インサートの比較的少い部分のみが高温にさらされ、それにより酸化を受けることになる機会を減少させる。
さらに、理論に縛られることは望まないが、Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’３６１により用いられる２４Ｖシステムよりも低い作動電圧を有するシステムで本発明のインサート組成物を用いることは、ＡｌＮにもとづくインサートによる短絡を本質的になくすことに寄与する。
【００２５】
点火器要素にわたる低電圧降下は絶縁体およびホットゾーンの相対的な抵抗によって絶縁体による短絡を妨げるのを助ける。
ホットゾーンはガス燃焼のために機能的加熱を供給する。好適な態様において、米国特許第５，０４５，２３７号明細書（その明細書は引用によりここに全体的に組入れられる）に開示される窒化アルミニウム、ニケイ化モリブデンおよび窒化ケイ素の構成成分が使用される。Ｗａｓｈｂｕｒｎ特許で示されるように、ＡｌＮ−ＳｉＣ−ＭｏＳｉ_２ 系は約０．００１〜約１００オーム−ｃｍの範囲にわたる比抵抗を有する点火器を製造しうる柔軟な系である。これらのホットゾーンは１０００〜１５００℃の温度範囲で通常０．０４オーム−ｃｍ〜１００オーム−ｃｍ、好ましくは０．２オーム−ｃｍ〜１００オーム−ｃｍの比抵抗を有する。
【００２６】
通常、ホットゾーンは：
（ａ）窒化アルミニウム約５０〜約７５ｖｏｌ ％、
（ｂ）炭化ケイ素、炭化ホウ素、およびそれらの混合物からなる群より選ばれ る半導体材料約１０〜約４５ｖｏｌ ％、ならびに
（ｃ）ニケイ化モリブデン、ニケイ化タングステン、炭化タングステン、窒化 チタン、およびそれらの混合物からなる群より選ばれる金属導電体約８．５〜 約１４ｖｏｌ ％、
を含む。
【００２７】
Ｗｉｌｌｋｅｎｓの’５６５に開示されるＭＩＭ点火器を含む用途において、ホットゾーンは好ましくは窒化アルミニウム約５０〜７５ｖ／ｏ、ＭｏＳｉ_２ 約８．５〜１４ｖ／ｏ、およびＳｉＣ１０〜４５ｖ／ｏを含み、そして０．００１５〜０．００９０平方インチの断面、および０．５ｃｍ以下の電気的通路の長さを有する。もっと好ましくは、それは窒化アルミニウム約６０〜７０ｖ／ｏ、ＭｏＳｉ_２ 約１０〜１２ｖ／ｏ、およびＳｉＣ２０〜２５ｖ／ｏを含み、そして０．００３０〜０．００５７平方インチの断面、および０．０５０〜０．２００インチの電気的通路の長さを有する。最も好ましくは、それはＡｌＮ約６４ｖ／ｏ、ＭｏＳｉ_２ １１ｖ／ｏ、そしてＳｉＣ２５ｖ／ｏを含み、０．００４５〜０．００５１平方インチの断面、および０．０７５インチ〜０．１２５インチの電気的通路の長さを有する。
【００２８】
好適には、緻密化ホットゾーンの出発粉末および粒子両方の粒径は、Ｗａｓｈｂｕｒｎ特許に記載されるものと類似している。いくつかの態様において、緻密化体のホットゾーン成分の平均粒径（ｄ_５０）は次のとおりである：ａ）電気的に絶縁性材料（すなわち、ＡｌＮ）：約〜１０μｍ；ｂ）半導体材料（すなわち、ＳｉＣ）：約１〜１０μｍ；ｃ）および金属導体（すなわち、ＭｏＳｉ_２）：約１〜１０μｍ。
【００２９】
導電性端末９および１３はワイヤ導線に電気的接続するための手段を提供する。好ましくは、それらもＡｌＮ、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ_２ からなるが、好適なホットゾーン組成物よりも、著しく高い割合の導電性および半導体材料（すなわちＳｉＣおよびＭｏＳｉ_２）を有する。したがって、それらはホットゾーンよりもはるかに低い比抵抗を有するのが通常であり、ホットゾーンにより経験される温度まで加熱しない。導電性セラミックゾーンは好適には：
（ａ）窒化アルミニウム約１５ｖｏｌ ％〜約６０ｖｏｌ ％、
（ｂ）炭化ケイ素、炭化ホウ素およびそれらの混合物、ならびに、
（ｃ）ニケイ化モリブデン、ニケイ化タングステン、炭化タングステン、窒化 チタン、およびそれらの混合物からなる群より選ばれる金属導電体約１５〜 約５０ｖｏｌ ％、
を含む。
【００３０】
もっと好適には、導電性セラミックゾーンは窒化アルミニウム約２０ｖｏｌ ％、炭化ケイ素約６０ｖｏｌ ％、およびニケイ化モリブデン約２０ｖｏｌ ％を含む。好適な態様において、導電性末端９および１３の寸法は０．０５ｃｍ（幅）×４．２ｃｍ（深さ）×０．１ｃｍ（厚さ）である。他の態様において、導電性金属は導電性脚部を形成するために吸熱材料およびホットゾーン上に堆積されうる。
【００３１】
いくつかの態様において、導電性セラミックゾーンおよびホットゾーンは一対の脚部を有するヘアピンを示し、サポートゾーンは接触長さを示すために脚部の間に配置され、サポートゾーンは（ｉ）実質的に脚部に沿う導電性ゾーンおよび（ｉｉ）実質的に先端のホットゾーンと接触する。好適には、サポートおよびコールドゾーンの間の接触は接触長さの少くとも８０％を含む。
【００３２】
図１のＥＰＬとして示されるように、ホットゾーンの電気的通路長さは、０．５ｃｍより小さい。インサート材料１９はホットゾーンと接触するためにインサートとして供給され、ホットゾーン１１から伸びる導電性脚部の間に残る空間を実質的に充たす。一対の導線５０および５１が導電性末端９および１３のそれぞれに取付けられ、電圧がそれに印加されるとき、電流はホットゾーン１１を通って第１の導線５０から第１の導電性脚部９を流れ（それによりホットゾーンの温度を上昇させる）、ついで第２の導線５１を通って存在する第２の導電性脚部１３を通る。
【００３３】
好適な態様において、インサートの寸法は、４．０ｃｍ（深さ）×０．２５ｃｍ（幅）×０．１ｃｍ（厚さ）である。
セラミック成分の処理（すなわち生素地の処理および焼成条件）および緻密化セラミックからの点火器の作製はいかなる従来法によってもなされうる。通常、このような方法はＷａｓｈｂｕｒｎ特許に実質的にしたがって実行される。好適な態様において、生積層物は、米国特許第５，１９１，５０８号明細書（Ａｘｅｌｓｏｎ特許）に開示されるようにガラス媒体中での熱間静水圧プレスにより緻密化される。緻密化はホットゾーンが理論密度の少くとも９５％、好ましくは９９％の密度を有するセラミック体を生じさせる。
【００３４】
本発明の点火器は多くの用途において使用され得、炉のような気相燃料燃焼用途、ならびに料理用器具、ベースボードヒーター（ｂａｓｅｂｏａｒｄ ｈｅａｔｅｒ）、ボイラーおよびストーブ上部（ｓｔｏｖｅ ｔｏｐｓ）を含む。一般的に、セラミック高温表面点火器を使用する方法が提供され：
ａ）本発明の点火器を提供すること、ならびに
ｂ）点火器の導電性セラミック末端間に電圧を加えること、それによりホット ゾーンの抵抗加熱を生じさせ、そしてサポートゾーンの表面にムライトの保護 層を形成させること、
の段階を含む。
実施例Ｉ
この実施例はサポートゾーンインサートとして使用するための種々の組成物の安定性を試験する。
【００３５】
下の表Ｉに示されるセラミック組成物は、適切な割合で、選択された粉末を混合し、生試験試料に混合物を圧密化することにより作成された。ついで、これらの試料はガラスカプセル化された熱間静水圧プレスで理論密度の少くとも約９９％に緻密化され、最後に砂吹きされた。
適否を判定するために４つの基準がある。第１の電気比抵抗は２５℃で測定される。高い電気比抵抗を有するインサートはヘアピンを通過する電流が導電性および抵抗ゾーンを通る意図された経路を迂回しないことを確実にするために望ましい。もし材料が抵抗性であるので比抵抗が２５℃で少くとも２メガ−オームであったならば、「最良」（“ｂｅｓｔ”）と判定された。もし材料が２５℃で０．５メガ−オーム以下の比較的低い比抵抗を有していたら、これは「不十分」（“ｐｏｏｒ”）と判定された。なぜなら、その使用は短絡の機会を増加しそうだからであった。
【００３６】
第２の基準である耐酸化性は、１４２５℃で１８時間、静止酸化試験により測定された。３０μｍ以下の酸化膜を有するインサートは「最良」（“ｂｅｓｔ”）と判定されたが、少くとも８０μｍの酸化膜を有するインサートは不十分と判定された。
第３の基準である熱膨張係数は、混合物計算方式により評価された。５．３×１０^−６／℃〜５．５×１０^−６／℃のＣＴＥを有する材料が良好（ｇｏｏｄ）と判定された。なぜならそれは、典型的な「Ｗａｓｈｂｕｒｎ」導電性ゾーン（約５．４×１０^−６／℃のＣＴＥを有する）に対して組合わされたときに、緻密化からの冷却に際しておそらくき裂を生じないであろうからであった。
【００３７】
第４の基準である配色（ｃｏｌｏｒ ｍａｔｃｈ）は典型的なＷａｓｈｂｕｒｎ抵抗ゾーンと比較して目視検査（ｖｉｓｕａｌ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）で評価された。いくつかの用途において、抵抗ゾーンの色にインサートを配色するのが望ましいことがあり、一方、他の用途においては明らかに対照的な色彩を与えるのが望ましいことがある。
【００３８】
下の表の解析は数多くの好適な範囲を示す。
第１に、表は、有意のアルミナ添加が、正しいＣＴＥ適合をＷａｓｈｂｕｒｎ型の導電性ゾーンに与えるために必要であることを明確に示す。実施例１〜５を６〜１０と比較されたい。したがって、好適にはサポートゾーンはアルミナ２〜２０ｖｏｌ ％、もっと好適にはアルミナ８〜１５ｖｏｌ ％を含む。
【００３９】
【表１】

第２に、表は、ニケイ化モリブデンの添加が色彩についてばかりでなく最良の耐酸化性を得るのにも良好であることを示す。実施例９〜１０を１〜８と比較されたい。しかし、４ｖｏｌ ％より多い添加はインサートの電気絶縁特性を望ましくなく増加させうることも明らかである。したがって、いくつかの態様において、インサートはニケイ化モリブデン１〜４ｖｏｌ ％を有するのが好適である。
【００４０】
ＳｉＣに関して、表は電気比抵抗と耐酸化性の間の妥協を示す。インサートの耐酸化性は、ＳｉＣが少くとも２０〜３０ｖｏｌ ％であるときに良好である（ムライトを形成するＳｉＣの能力を暗示する）のが通常であるが、電気比抵抗は、ＳｉＣ４０％未満が用いられるときに良好であるのが通常である。したがって、たいていの態様において、特にもしインサートがこれらの３成分から本質的になるならば、ＳｉＣ部分約２０〜３５ｖｏｌ ％が望ましく、好適には２５ｖｏｌ ％〜３５ｖｏｌ ％である。
【００４１】
さらに表は、少量のニケイ化モリブデンを供給することは、インサートの耐酸化性に劇的で有益な効果をもたらし、それによりＳｉＣ含量をもっと低い含量に低下させ、そしてインサートに望ましい識別色を与えることも示す。したがって、ＳｉＣ含量が２５％以下（好ましくは１０〜２５ｖｏｌ ％）であるＡｌＮ−ＳｉＣ−ＭｏＳｉ_２ を含む系において、ＭｏＳｉ_２ 部分は好適には１〜３ｖｏｌ ％である。
実施例ＩＩ
この実施例は本発明点火器の優れた耐酸化性を示す。
【００４２】
生積層物がＷｉｌｌｋｅｎｓの’５６５の図５に示されるデザインに実質的にしたがって構成された。ＡｌＮ６０ｖ／ｏ、ＳｉＣ３０ｖ／ｏおよびＡｌ_２ Ｏ_３ １０ｖ／ｏからなる電気絶縁性吸熱粉末混合物の隣りに置かれた、ＡｌＮ７０．８ｖ／ｏ、ＳｉＣ２０ｖ／ｏおよびＭｏＳｉ_２ ９．２ｖ／ｏのホットゾーン粉末混合物からなる複合体粉末が温間プレスされビレットを形成し、ついで図５の生タイル２４を形成するために薄く切られた。温間プレスされた生素地のホットゾーン部分は、理論密度の約６５％の密度を有していたが、一方ＡｌＮ部分は理論密度の約６５％の密度を有していた。導電性末端を表わす生タイルはＡｌＮ２０ｖ／ｏ、ＳｉＣ６０ｖ／ｏおよびＭｏＳｉ_２ ２０ｖ／ｏを含む粉末混合物を温間プレスすることにより得られ、理論密度の約６３％の密度を有するビレットを形成し、それから図５のタイル２１および３２が薄く切り出された。生タイルは図５に示されるように積層され、ついで約１８００℃で約１時間、ガラスカプセル化された熱間静水圧プレスにより緻密化され、その場で形成された第２の抵抗断片を有するセラミックブロックを形成した。ブロックは、ついで幅を横切って薄く切られ、１．５”×０．１５０”×０．０３０”（３．８１ｃｍ×０．３８１ｃｍ×０．０７６ｃｍ）の寸法の多数の高温表面構成要素を製造した。得られるホットゾーンは約０．１２５ｃｍの深さを有する第１の抵抗断片、およびその場で形成された、深さ約０．０５ｃｍを有する第２の抵抗断片から構成された、ホットゾーンの長さ（ＥＰＬ）および厚さは、それぞれ約０．２５ｃｍおよび０．０７６ｃｍであった。
【００４３】
適切な導線が高温表面構成要素の導電性部分に取付けられ、約３０Ｖの電圧が印加された。ホットゾーンは２秒未満で約１３００℃の温度に達した。
新しいサポートゾーンの耐酸化性を試験するために、点火器は１８Ｖのエネルギーの２０，０００サイクルに供されたが、各サイクルは３０秒の「オン」相および３０秒の「オフ」相からなっていた。この試験の後に、サポートゾーンの表面は酸化物の厚さを測定することにより酸化を分析された。酸化物の厚さは約５０μｍであることがわかった。これはＷｉｌｌｋｅｎｓ ’５６５で開示されたサポートゾーンについて測定された酸化物厚さより約７〜１０倍薄い。
比較例Ｉ
窒化ケイ素約９ｖｏｌ ％、アルミナ１０ｖｏｌ ％および窒化アルミニウム８１ｖｏｌ ％を含むサポートゾーンが調製された。しかしこのゾーンおよび隣接の導電性ゾーンを含む点火器タイルは緻密化の間に裂けた。このタイルはサポートゾーンと隣接する導電性ゾーンの間のＣＴＥ不適合のために裂けたと考えられる。窒化ケイ素は非常に低いＣＴＥ（３．４×１０^−６／℃）を有するので、サポートゾーンでのその使用は望ましくないレベルまでサポートゾーンの全体ＣＴＥを低下させることが結論づけられた。
比較例ＩＩ
ＡｌＮ約９６ｖｏｌ ％およびアルミナ４ｖｏｌ ％を含むサポートゾーンが調製された。しかし、このゾーンは受け入れられない耐酸化性を有することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明点火器の好適な１態様を示す図である。

Claims (5)

1. （ａ）一対の導電性セラミック末端、および
   （ｂ）導電性セラミック末端の間に配置されたセラミックホットゾーン、ならびに
   （ｃ）ホットゾーンがその上に配置されるサポートゾーン、そのサポートゾーンは；
   （ｉ）窒化アルミニウム約５０ｖｏｌ ％〜約８０ｖｏｌ ％、および
   （ｉｉ）炭化ケイ素約２ｖｏｌ ％〜約４０ｖｏｌ ％、からなる、
   を含むセラミック点火器。
2. 導電性セラミックゾーンが：
   （ａ）窒化アルミニウム約１５ｖｏｌ ％〜約６０ｖｏｌ ％、
   （ｂ）炭化ケイ素、炭化ホウ素およびそれらの混合物、ならびに
   （ｃ）ニケイ化モリブデン、ニケイ化タングステン、炭化タングステン、窒化 チタン、およびそれらの混合物からなる群より選ばれる金属導電体約１５〜約 ５０ｖｏｌ ％、
   を含む請求項１記載の点火器。
3. セラミック高温表面点火器を使用する方法であり：
   ａ）（ｉ）一対の導電性セラミック末端、および
   （ｉｉ）導電性セラミック末端の間に配置されたセラミックホットゾーン、
   ならびに
   （ｉｉｉ）ホットゾーンがその上に配置されるサポートゾーン、そこではサポ ートゾーンが窒化アルミニウム約５０ｖｏｌ ％〜約８０ｖｏｌ ％、およ び炭化ケイ素約２ｖｏｌ ％〜約４０ｖｏｌ ％からなる、
   を含むセラミック点火器を供給すること、ならびに
   ｂ）点火器の導電性セラミック末端間に電圧を付与しそれによってホットゾーンの抵抗加熱を生じさせ、そしてサポートゾーンの表面にムライトの保護層を形成する、
   段階からなる方法。
4. ａ）窒化アルミニウム５０〜８０ｖｏｌ ％、
   ｂ）ＳｉＣ２５〜３５ｖｏｌ ％、ならびに
   ｃ）アルミナ８〜１５ｖｏｌ ％、
   を含む緻密化多結晶セラミック。
5. ａ）窒化アルミニウム５０〜８０ｖｏｌ ％、
   ｂ）ＳｉＣ１０〜２５ｖｏｌ ％、
   ｃ）アルミナ８〜１５ｖｏｌ ％、ならびに
   ｄ）ニケイ化モリブデン１〜４ｖｏｌ ％、
   を含む緻密化多結晶セラミック。

Images