JPH09504359A

JPH09504359A - シルクスクリーン印刷による小型点火素子の活性金属の被覆

Info

Publication number: JPH09504359A
Application number: JP7512654A
Authority: JP
Inventors: アール．アレクセルソン，スコット
Original assignee: サン−ゴバン／ノートンインダストリアルセラミックスコーポレイション
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 1997-04-28
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: CA2173739A1; EP0725916A1; DE69411392T2; WO1995012093A3; CA2173739C; US5564618A; KR960706052A; WO1995012093A2; DE69411392D1; KR100231080B1; US5705261A; EP0725916B1; ES2119381T3; JP3213004B2; AU1396195A

Abstract

(57)【要約】ａ）リードワイヤー、ｂ）セラミック基板、ｃ）約１５０μｍ未満の厚みを有するろうパッド、を含み、このリードワイヤーとセラミック基板が、ろうパッドによって電気的に接続するように置かれたセラミック点火素子。

Description

【発明の詳細な説明】シルクスクリーン印刷による小型点火素子の活性金属の被覆背景技術本発明は、セラミック点火素子（ｃｅｒａｍｉｃｉｇｎｉｔｅｒｓ）およびそれに必要な電気的接続物の製造方法に関するものである。セラミック点火素子に対する改良された電気的接続物は、点火素子の電気的な伝導部にろう付け用パッドを置いてシルクスクリーン印刷し、次いで、そのろう付け用パッドに電気リードワイヤーをろう付けすることにより製造される。慎重なシルクスクリーン印刷は、ろう付け用パッド厚の好ましい制御をもたらす。薄いろう付け用パッドが製造された場合には、熱衝撃に余り影響されず、しかもセラミックの膨張誘起破壊が起こる傾向が少なくなる。発明の背景セラミック点火素子は、長年知られており、商業的に使用されて来たが、その技術使用中の抵抗増加や点火素子の電気的接続の早期破断に悩まされ続けてきた。セラミック点火素子の製造には、セラミック構成要素を通る電気的回路を構成することが必要であり、その一部が高い抵抗を有するため、電流が電気リードからそれを流れる際に温度が上昇する。しかしながら、この電気リードとセラミックとの間の導電性インターフェイスは、典型的に前記リードとセラミックに起因する異質の熱膨張を経験し、そのため割れが発生し易い。更に、望ましくない高い抵抗領域が、金属リードとセラミックとの間の反応、結合された機械的および電気的な接続、機械的欠陥或いは化学的な劣化、例えば酸化、の何れかによってしばしば生成される。そのような抵抗の増加は、問題である。その理由は、点火素子は、例え、電圧低下時あるいは最大需要期間中に標準作動電圧の８５％（例えば、２４．０Ｖが２０．４Ｖ）にまで電圧低下した場合でも、使用寿命全体を通して燃料ガスを点火可能でなければならないからである。もし、供給される電圧が極端に低下した場合、特に古い点火素子は電気的接触が極端に劣化しており、不十分な点火素子温度が結果として生じる。調和のとれた固有抵抗と電気的継続性を達成することは、この分野における継続する目標であった。セラミック点火素子のための電気的接続を製造する従前の試みは、様々な結果をもたらした。例えば、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，８７５，４７７は、ｉ）電気的接触が行われる領域で窒化珪素の部分に軽いサンドブラスト処理を行い、ii）サンドブラスト処理されたターミナルエンド部にアルミニウム金属或いはアルミニウム合金を、溶融金属中への浸漬或いは溶射により被覆し、そしてii i）耐火性で高アルミナタイプの電気的絶縁性のセメントを使用する方法が開示されている。Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，９２８，９１０は、セラミック（ＳｉＣ）本体の物理的スロットに高温の火炎或いはプラズマ溶射によって挿入されたリードをそれぞれスロットに固定することを意図するだけでなく、その点火素子のターミナル部分に完全にないしは連続して包み込むために接着された電気リードを有するガス点火素子が開示されている。Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，９２８，９１０は、簡単な機械的なスクリューとナットの組立部品がセラミック本体に機械的に開けられた孔を通して置かれた珪化モリブデンを含むセラミック点火素子が開示されている。しかしながら、これら先行技術のそれぞれの接続手段は、意図した使用の実質的な抵抗の増加、例えば、少なくとも１００，０００回オン／オフサイクル後に約５％の増加、或いは商業的な再生産性の失敗のどちらの問題に悩まされている。マサセチュッツ州、ワーセスターのノートン社は、電気的接触が、１００，０００回オン／オフサイクル後に接触抵抗において約２％変動以下を有するセラミック点火素子を製造した。これらの点火素子は、（ｉ）電気的接触がなされる部分が少なくとも２０重量％の珪化モリブデン量を有するセラミック点火素子を形成し、（ii）それらの部分に本体の活性な金属ろうをペイントし、（iii）５００℃以上の温度の溶融ろうの手段によって電気リードをパッドにろう付けすることで準備される。しかしながら、ろう材とセラミックとの間の熱膨張の不均衡は、しばしば、ろう材に亀裂を生じ、電気的接続の欠陥に繋がることになる。従って、本発明は、商業的に流動性のある改良されたセラミック点火素子を製造することを目的とし、（ｉ）十分な使用の後でも望ましい接触抵抗を維持し、そして、（ii）ろう材において望ましい熱的膨張特性を有するものである。発明の概要本発明によれば、ａ）リードワイヤー、ｂ）セラミック基板、およびｃ）約１５０μｍ未満の厚みを有するろうパッド、を含み、このリードワイヤーとセラミック基板が、ろうパッドによって電気的に接続にあるように置かれたセラミック点火素子を提供するものである。同様に、本発明によれば、電気的伝導セラミック基板から成る改良されたセラミック点火素子を製造する方法を提供するもので、ａ）電気的な電導セラミック基板上にあるろう材をシルクスクリーン印刷することにより、ろうパッドを作る工程、およびｂ）少なくとも約５００℃の温度で溶けるはんだの手段で該ろうに電気的リードをはんだ付けする工程、を含む方法から成る。図面の簡単な説明第図１は、本発明によるろうパッドにはんだ付けされた接続リードを有する好ましい点火素子の平面図である。望ましい実施形態の説明理論に拘束される訳ではないが、従来のセラミック基板上にろうを塗装する方法では、要求された電気的接続を行うのに必要以上にろうを堆積させていたと考えられる。温度変動の間にこの過剰なろうによって起こる体積の変化は、ろう材の下にあるセラミックの破壊や回路の破損を引き起こすに十分であると考えられる。そのような温度変動は、点火素子の製造過程および使用中に起こると考えらる。セラミック上にろう材を高度に制御された状態でシルクスクリーン印刷することによって、ろう材を十分に薄く、かつ幅狭い寸法に仕上げることができるため、過剰なろう材の堆積を防止し、しかもろうパッドの熱膨張で誘起された破壊および電気的接続欠陥を回避することができる。従って、本発明の点火素子は、所望の長期間の接触抵抗を維持（ろう材の使用により）するだけでなく、所望の熱膨張特性（ろう材の薄さにより）を有するものである。セラミック上のろう材のシルクスクリーン印刷は、従来のシルクスクリーン印刷の如何なる方法でも達成しうる。一つの態様として、マサチューセッツ州、バーリントンのｄｅＨａａｒｔ社で入手可能なＭｏｄｅｌ＃ＳＰ−ＳＡ−５シルクスクリーンユニットが使用された。しかしながら、このユニットが使用された場合は、点火素子にろうパターンの適切な記録を確実にするためにセラミック点火素子に対して最初にイニシャライズされなければならない。このイニシャライズの方法は、マサチューセッツ州、バーリントンのｄｅＨａａｒｔ社で入手可能な真鍮製の入れ子（ｎｅｓｔ）が、前記ユニットの印刷テーブル上の真空ベースプレート上に埋め込まれた。超音波洗浄された点火素子要素は、次いでテーブル上に置かれ、真空中に保持されるか、軽度の粘着テープで保持される。同時に、ニューハンプシャー州、メリマックのＲＩＶ社で入手可能なポリマーメッシュスクリーンが、当該設備におけるスクリーンと点火素子間の高さを調整するために該ユニットのスクリーン印刷位置に低く置かれる。フィーラーゲージが、離間距離を約０．００１５インチ（３８．１ミクロン）に最初に調整するために使用される。この距離は、更に追加的な０．０２０インチ（５０８ミクロン）をスクリーンのスナップバックを許容するために後退される。スクイジー圧力が約２０ｐｓｉ下回る（ｄｏｗｎｆｏｒｃｅ）ようセットされる。このスクリーンは、次いでスクイジー入れ子設備と分離するようセットするために外枠から取り外される。スクイジー前部は、約０．００１インチ（２５．４ミクロン）離間するよう調整され、一方、スクイジー後部は、約０．０１６インチ（４０６．４ミクロン）離間するよう調整されが、両者はフィーラーゲージおよびマイクロメーターダイアルでセットする。このスクリーンは、次いでスクイジー枠に再配備される。入れ子設備に各要素と共にスクリーンパターンの記録は、印刷テーブル上のｘ−ｙ軸マイクロメーターダイアル調整器を使用する。点火素子ブランクは、設備内に置かれ、スクリーン印刷のために適切な粘性を有するろうペーストが、ヘラ型のスクリーンに適用される。このユニットは、次いで点火され、ろうが点火素子ブランクに適用される。このブランクは、次いで視覚で検査され、更に点火素子脚部、好ましくは脚部の端部約０．２５インチ（６３５０ミクロン）以内を被覆するために中心位置にｘ−ｙ軸調整がなされる。このプロセスは、更に適切な記録が達成されるまで繰り返される。本発明によるシルクスクリーン印刷から製造されたろうパッドは、典型的には約１５０ミクロン以下、好ましくは１１５ミクロン以下、更に好ましくは８０ミクロン以下の厚さを有している。理論に拘束される訳ではないが、この減厚されたパッドは、熱衝撃の期間中もろうパッドの熱膨張反応を軽減する。パッドは、典型的には約３．６ｍｍ²以下、好ましくは約２．６ｍｍ²以下、更に好ましくは約２．２ｍｍ²以下の露出した表面領域を有している。最も好ましくは、パッドは、長さ約０．０６インチ、幅約０．０２インチによって特徴ずけされた露出した表面領域を有している。実用的には、ろうパッドの露出した表面領域は、できる限り少なくすべきであり、パッドが、セラミック要素の製造プロセスで残された機械加工による疵に接触しないことを確実にするために点火素子脚部端部の中心にあるようにしたことを見出したものである。本発明で使用されるろう組成は、セラミック点火素子高い伝導部を伴って電気的接続部を形成するこの分野での従来の如何なるろう組成であってもよい。セラミックに対し要求された高度の粘着性を得るために、ろうは典型的にセラミック材料に濡れ、かつ反応する活性金属を含んでおり、ろうに含まれるフィラーメタルによって接着性が付与される。特に活性金属の例として、チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウム及び金が含まれている。活性金属は、好ましくは、チタニウム、ジウニウムである。この活性金属に加えて、ろう材は、１種ないし２種以上の銀、銅、インジウム、錫、鉛、カドミウムおよびリンのようなフィラーメタルを含んでいる。好ましくは、フィラーメタル混合物が使用される。最も好ましくは、ろう材が、活性金属としてチタニウムからなり、かつフィラーメタルとして銅と銀の混合物からなる。一般に、ろう材は、約０．１と約５ウエイトパーセント（“ｗ／ｏ”）の間の活性金属と約９９．９と約９５ｗ／ｏの間のフィラーメタルを含んでいる。このように適切なろう材は、商業的にはウイスコンシン州、カダフィーのルーカス−ミルホート社の取引名Ｌｕｃａｎｅｘおよびカルフォルニア州、ベルモントのウエスゴ社Ｃｕｓｉｌ、Ｃｕｓｉｎで入手可能である。本発明で有用と見出された特殊なろう材は、Ｌｕｃａｎｅｘ７２１およびＣｕｓｉｌＢｒａｚｅを含んでおり、それぞれの物は約７０．５ｗ／ｏの銀、約２７．５ｗ／ｏの銅、および約２．０ｗ／ｏのチタニウムを含んでいる。本発明のセラミック部は、点火素子の分野で通常使用されているどんなセラミックでもよい。好ましくは、セラミックは、窒化アルミ、硅化モリブデン、および炭化珪素からなる。より好ましくは、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．５，０４５，２３７（Ｗａｓｈｂｕｒｎｐａｔｅｎｔ）に開示されている窒化アルミ（ＡｌＮ），硅化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）および炭化珪素（ＳｉＣ）の混合物が使用され、上記特許明細書の開示内容の全ては本発明の参照として取り入れた。この点火素子は、好ましくは、約４０〜７０ボリュームパーセント（ｖ／ｏ）の窒化物セラミックと約３０〜６０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂および約１：３〜３：１の量的比率にあるＳｉＣから成る。より好ましい点火素子は、ウオシュバーン特許に開示された種々の組成を有している。図１は、本発明による点火素子を示すもので、点火素子１０の化学組成は、中間部１４を通じて高度の抵抗部１２から高度の伝導部１６まで様々に変化する。しかしながら、好ましくは、中間部１４は、製造の簡略化のために省略する。この点火素子は、本発明によれば２つの活性金属ろうパッド１８および１８’が電気リード２０および２０’にそれぞれはんだ付けされている。高度の抵抗部１２は、一般に少なくとも温度範囲１０００〜１６００℃において少なくとも約０．０４ｏｈｍ−ｃｍ、好ましくは少なくとも約０．０７ｏｈｍ −ｃｍの固有抵抗を有している。それは、好ましくは、約５０〜７０ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび３０〜５０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂およびＭｏＳｉ₂の約１重量部に対してＳｉＣ約２重量部の重量比率にあるＳｉＣから成る。前記中間部１４が存在する場合には、好ましくは、約５０〜７０ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび３０〜５０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂および重量比率で約１：１にあるＳｉＣから成る。高度の伝導部１６は、一般に１００〜８００℃の温度範囲で約０．００５ｏｈｍ−ｃｍ以下、好ましくは約０．００３ｏｈｍ−ｃｍ以下の固有抵抗を有している。それは、好ましくは、約３０〜５５ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび４５〜７０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂ および重量比率で約１：１〜２：３にあるＳｉＣから成る。このセラミック点火素子の抵抗組成として使用のために好適な窒化物は、窒化硅素、窒化アルミ、窒化ボロン、およびそれらの混合物を含んでいる。好まし窒化物は窒化アルミである。本発明の電気的なワイヤーリードは、従来よりはんだによってろうパッドに接続されている。はんだは、等級を落とすことなく使用中に約４８５℃の温度に維持されるべきであり、しかも低い固有抵抗を有していなければならない。一般に、約５００℃の融点、好ましくは約６００℃を越える融点を有するはんだが使用される。好適なはんだは、典型的には以下の組成をｗ／ｏとして含んでいる。上述した他の金属は、アルミニウム、錫、インジウム、リン、カドミウム、およびニッケルから選択される１種またはそれ以上の金属を含んでいる。好適なはんだは、商業的にはオハヨウ州、シンシナテイのＪ．Ｗ．Ｈａｒｒｉｓ社で入手可能な取引名Ｓａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ４５である。ここで有用と判断された特殊なはんだは、名目上４５ｗ／ｏの銀、３０ｗ／ｏの銅、および２５ｗ／ｏの亜鉛を含んでいる。他の特殊なはんだは、Ｓａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ１２００を含めて、名目上５６％の銀、２２％の銅、１７％の亜鉛、および５％の錫を含んでおり、またＳａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ１５７７は、名目上２５％の銀、５２．５％の銅、２２．５％の亜鉛を含んでいる。ろうパッドにリードワイヤをはんだ付けする際に、はんだを直接ワイヤーろうパッドインターフェイス（フラックスで被覆された）に導入することが有益であることを見いだした。トーチがこのインターフェイスに加熱のために適用される場合、はんだはワイヤーに向かって流れ、そして伝導性の結合部のろう付けされた領域を強化する。幾つかの態様において、加熱源として酸素アセチレントーチが使用される。他の態様においては、コネチカット州、オールドセイブルックのｍｔａ／ＳｃｈｕｎｋＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ社で入手可能な水素を利用しているＭｉｃｒｏｆｆｌａｍｅＳｏｌｄｅｒｉｎｇ加熱システムが使用される。点火素子がシルクスクリーンされた後で、それらは典型的にはグラファイト設備でセラミックにろうを融合させるために加熱される。一般的に、点火素子は、約０．０００１Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する炉で約８１０℃と約８９０℃の間の温度で約６〜１０分間加熱される。選択的に、それらは約５０ｐｐｍ以下の濃度の酸素を含んだアルゴン雰囲気を有する連続ベルト炉で加熱されてもよい。本発明の点火素子は、例えば炉や調理用機器のようなガス状燃料点火装置への適用例を含む多くの用途に使用される。本発明の実施は、以下の実施例および比較例に限定されることはない。実施例実施例１図１に示したような２重脚のヘアピン（Ｕ型）セラミック点火素子がウオシュバーン特許の教示に従って窒化アルミ、炭化硅素および硅化モリブデンで用意された。このセラミックの組成はｗ／ｏで以下の通りである。次に、活性金属のろう付けペースト、Ｌｕｃａｓ−Ｍｉｈａｕｐｔ社で製造されたＬｕｃａｎｅｘ７２１が、金属の粉末状ろうを融合するために耐火性の金属炉で高真空下で８７５℃で約６分間加熱され、化学的にセラミック基板と反応させた。ろう材は、次いで、厚さ約１５０μｍを有するパッドを形成するためにそれぞれの脚の１０００ｕｍｘ２５００ｕｍの領域をシルクスクリーンした。それぞれのろうパッドに従来の銅製の電気的ワイヤーを接着するために、Ｓａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ４５はんだ材が使用された。はんだ付けは、熱源として酸素アセチレントーチを使用して実施した。はんだワイヤーは、接合部に流れ込むように標準銀はんだフラックス中に浸漬され、そして接合される表面を清浄化して銀はんだが溶けるよう許容し、ろう材のパッドワイヤーインターフェイスに流れ込ませる。熱が除去され、接合部は、はんだが冷却で硬化されるまで追加的に５秒間その状態に維持される。このプロセスで製造されたセラミック点火素子は、可視的な２０倍の双眼顕微鏡でろうパッドのクラックを検査した。ろうパッド部で約０．４％以下の割れが観察された。実施例２ろうが単にセラミック基板上でブラシ掛けされた以外は、実施例１と全じ方法が繰り返された。得られたパッドは、厚さ約２００μｍで９．０ｍｍ²の領域を有していた。次いで、この方法で製造されたセラミック点火素子は、ろうパッド部の割れを上述のように検査した。ろうパッド部で約３０％の割れが観察された。これらの割れは、はんだ付けプロセスにおいて要求された熱に起因する熱衝撃によって引き起こされたろうパッド部の量的膨張によるものと考えられる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年８月２４日【補正内容】明細書そのような抵抗の増加は、問題である。その理由は、点火素子は、例え、電圧低下時あるいは最大需要期間中に標準作動電圧の８５％（例えば、２４．０Ｖが２０．４Ｖ）にまで電圧低下した場合でも、使用寿命全体を通して燃料ガスを点火可能でなければならないからである。もし、供給される電圧が極端に低下した場合、特に古い点火素子は電気的接触が極端に劣化しており、不十分な点火素子温度が結果として生じる。調和のとれた固有抵抗と電気的継続性を達成することは、この分野における継続する目標であった。セラミック点火素子のための電気的接続を製造する従前の試みは、様々な結果をもたらした。例えば、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，８７５，４７７は、ｉ）電気的接触が行われる領域で窒化珪素の部分に軽いサンドブラスト処理を行い、ii）サンドブラスト処理されたターミナルエンド部にアルミニウム金属或いはアルミニウム合金を、溶融金属中への浸漬或いは溶射により被覆し、そしてii i）耐火性で高アルミナタイプの電気的絶縁性のセメントを使用する方法が開示されている。Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，９２８，９１０は、セラミック（ＳｉＣ）本体の物理的スロットに高温の火炎或いはプラズマ溶射によって挿入されたリードをそれぞれスロットに固定することを意図するだけでなく、その点火素子のターミナル部分に完全にないしは連続して包み込むために接着された電気リードを有するガス点火素子が開示されている。Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．３，９２８，９１０は、簡単な機械的なスクリューとナットの組立部品がセラミック本体に機械的に開けられた孔を通して置かれた珪化モリブデンを含むセラミック点火素子が開示されている。しかしながら、これら先行技術のそれぞれの接続手段は、意図した使用の実質的な抵抗の増加、例えば、少なくとも１００，０００回オン／オフサイクル後に約５％の増加、或いは商業的な再生産性の失敗のどちらの問題に悩まされている。ＥＰ−Ａ−０４８６００９は、（ａ）リードワイヤー、（ｂ）セラミック基板、および（ｃ）ろうパッド、を含み、前記リードワイヤーとセラミック基板がろうパッドによって電気的に接続するように置かれたことを特徴とするセラミック点火素子、を開示している。ＥＰ−Ａ−０４８６００９は、また、点火素子を製造する方法であって、（ａ）電気的な伝導性のあるセラミック基板の表面にろう材を供給してろうパッドを作る工程、（ｂ）少なくとも約５００℃の温度で溶けるはんだの手段で該ろうに電気的リードをはんだ付けする工程、を含み、前記ろう材がブラシをかける手段によって供給されることを特徴とする方法を開示している。このＥＰ−Ａ−０４８６００９の実施例１に示されているように、この方法では、ろうパッドの厚みが約２００μという結果となる。マサセチュッツ州、ワーセスターのノートン社は、電気的接触が、１００，０００回オン／オフサイクル後に接触抵抗において約２％変動以下を有するセラミック点火素子を製造した。これらの点火素子は、（ｉ）電気的接触がなされる部分が少なくとも２０重量％の珪化モリブデン量を有するセラミック点火素子を形成し、（ii）それらの部分に本体の活性な金属ろうをペイントし、（iii）５００℃以上の温度の溶融ろうの手段によって電気リードをパッドにろう付けすることで準備される。しかしながら、ろう材とセラミックとの間の熱膨張の不均衡は、しばしば、ろう材に亀裂を生じ、電気的接続の欠陥に繋がることになる。従って、本発明は、商業的に流動性のある改良されたセラミック点火素子を製造することを目的とし、（ｉ）十分な使用の後でも望ましい接触抵抗を維持し、そして、（ii）ろう材において望ましい熱的膨張特性を有するものである。発明の概要本発明によれば、ａ）リードワイヤー、ｂ）セラミック基板、およびｃ）約１５０μｍ未満の厚みを有するろうパッド、を含み、このリードワイヤーとセラミック基板が、ろうパッドによって電気的に接続にあるように置かれたセラミック点火素子を提供するものである。同様に、本発明によれば、電気的伝導セラミック基板から成る改良されたセラミック点火素子を製造する方法を提供するもので、ａ）電気的な電導セラミック基板上にあるろう材をシルクスクリーン印刷することにより、ろうパッドを作る工程、およびｂ）少なくとも約５００℃の温度で溶けるはんだの手段で該ろうに電気的リードをはんだ付けする工程、を含む方法から成る。図面の簡単な説明第図１は、本発明によるろうパッドにはんだ付けされた接続りードを有する好ましい点火素子の平面図である。望ましい実施形態の説明理論に拘束される訳ではないが、従来のセラミック基板上にろうを塗装する方法では、要求された電気的接続を行うのに必要以上にろうを堆積させていたと考えられる。温度変動の間にこの過剰なろうによって起こる体積の変化は、ろう材の下にあるセラミックの破壊や回路の破損を引き起こすに十分であると考えられる。そのような温度変動は、点火素子の製造過程および使用中に起こると考えらる。セラミック上にろう材を高度に制御された状態でシルクスクリーン印刷することによって、ろう材を十分に薄く、かつ幅狭い寸法に仕上げることができるため、過剰なろう材の堆積を防止し、しかもろうパッドの熱膨張で誘起された破壊および電気的接続欠陥を回避することができる。従って、本発明の点火素子は、所望の長期間の接触抵抗を維持（ろう材の使用により）するだけでなく、所望の熱膨張特性（ろう材の薄さにより）を有するものである。セラミック上のろう材のシルクスクリーン印刷は、従来のシルクスクリーン印刷の如何なる方法でも達成しうる。一つの態様として、マサチューセッツ州、バーリントンのｄｅＨａａｒｔ社で入手可能なＭｏｄｅｌ＃ＳＰ−ＳＡ−５シルクスクリーンユニットが使用された。しかしながら、このユニットが使用された場合は、点火素子にろうパターンの適切な記録を確実にするためにセラミック点火素子に対して最初にイニシャライズされなければならない。このイニシャライズの方法は、マサチューセッツ州、バーリントンのｄｅＨａａｒｔ社で入手可能な真鍮製の入れ子（ｎｅｓｔ）が、前記ユニットの印刷テーブル上の真空ベースプレート上に埋め込まれた。超音波洗浄された点火素子要素は、次いでテーブル上に置かれ、真空中に保持されるか、軽度の粘着テープで保持される。同時に、ニューハンプシャー州、メリマックのＲＩＶ社で入手可能なポリマーメッシュスクリーンが、当該設備におけるスクリーンと点火素子間の高さを調整するために該ユニットのスクリーン印刷位置に低く置かれる。フィーラーゲージが、離間距離を約０．００１５インチ（３８．１ミクロン）に最初に調整するために使用される。この距離は、更に追加的な０．０２０インチ（５０８ミクロン）をスクリーンのスナップバックを許容するために後退される。スクイジー圧力が約２０ｐｓｉ下回る（ｄｏｗｎｆｏｒｃｅ）ようセットされる。このスクリーンは、次いでスクイジー入れ子設備と分離するようセットするために外枠から取り外される。スクイジー前部は、約０．００１インチ（２５．４ミクロン）離間するよう調整され、一方、スクイジー後部は、約０．０１６インチ（４０６．４ミクロン）離間するよう調整されが、両者はフィーラーゲージおよびマイクロメーターダイアルでセットする。このスクリーンは、次いでスクイジー枠に再配備される。入れ子設備に各要素と共にスクリーンパターンの記録は、印刷テーブル上のｘ−ｙ軸マイクロメーターダイアル調整器を使用する。点火素子ブランクは、設備内に置かれ、スクリーン印刷のために適切な粘性を有するろうペーストが、ヘラ型のスクリーンに適用される。このユニットは、次いで点火され、ろうが点火素子ブランクに適用される。このブランクは、次いで視覚で検査され、更に点火素子脚部、好ましくは脚部の端部約０．２５インチ（６３５０ミクロン）以内を被覆するために中心位置にｘ−ｙ軸調整がなされる。このプロセスは、更に適切な記録が達成されるまで繰り返される。本発明によるシルクスクリーン印刷から製造されたろうパッドは、典型的には約１５０ミクロン以下、好ましくは１１５ミクロン以下、更に好ましくは８０ミクロン以下の厚さを有している。理論に拘束される訳ではないが、この減厚されたパッドは、熱衝撃の期間中もろうパッドの熱膨張反応を軽減する。パッドは、典型的には約３．６ｍｍ²以下、好ましくは約２．６ｍｍ²以下、更に好ましくは約２．２ｍｍ²以下の露出した表面領域を有している。最も好ましくは、パッドは、長さ約１．５２４ｍｍ（０．０６インチ），幅約０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）によって特徴ずけされた露出した表面領域を有している。実用的には、ろうパッドの露出した表面領域は、できる限り少なくすべきであり、パッドが、セラミック要素の製造プロセスで残された機械加工による疵に接触しないことを確実にするために点火素子脚部端部の中心にあるようにしたことを見出したものである。本発明で使用されるろう組成は、セラミック点火素子高い伝導部を伴って電気的接続部を形成するこの分野での従来の如何なるろう組成であってもよい。セラミックに対し要求された高度の粘着性を得るために、ろうは典型的にセラミック材料に濡れ、かつ反応する活性金属を含んでおり、ろうに含まれるフィラーメタルによって接着性が付与される。特に活性金属の例として、チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウム及び金が含まれている。活性金属は、好ましくは、チタニウム、ジウニウムである。この活性金属に加えて、ろう材は、１種ないし２種以上の銀、銅、インジウム、錫、鉛、カドミウムおよびリンのようなフィラーメタルを含んでいる。好ましくは、フィラーメタル混合物が使用される。最も好ましくは、ろう材が、活性金属としてチタニウムからなり、かつフィラーメタルとして銅と銀の混合物からなる。一般に、ろう材は、約０．１と約５ウエイトパーセント（“ｗ／ｏ”）の間の活性金属と約９９．９と約９５ｗ／ｏの間のフィラーメタルを含んでいる。このように適切なろう材は、商業的にはウイスコンシン州、カダフィーのルーカス−ミルホート社の取引名Ｌｕｃａｎｅｘおよびカルフォルニア州、ベルモントのウエスゴ社Ｃｕｓｉｌ、Ｃｕｓｉｎで入手可能である。本発明で有用と見出された特殊なろう材は、Ｌｕｃａｎｅｘ７２１およびＣｕｓｉｌＢｒａｚｅを含んでおり、それぞれの物は約７０．５ｗ／ｏの銀、約２７．５ｗ／ｏの銅、および約２．０ｗ／ｏのチタニウムを含んでいる。本発明のセラミック部は、点火素子の分野で通常使用されているどんなセラミックでもよい。好ましくは、セラミックは、窒化アルミ、硅化モリブデン、および炭化珪素からなる。より好ましくは、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．５，０４５，２３７（Ｗａｓｈｂｕｒｎｐａｔｅｎｔ）に開示されている窒化アルミ（ＡｌＮ），硅化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）および炭化珪素（ＳｉＣ）の混合物が使用され、上記特許明細書の開示内容の全ては本発明の参照として取り入れた。この点火素子は、好ましくは、約４０〜７０ボリュームパーセント（ｖ／ｏ）の窒化物セラミックと約３０〜６０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂および約１：３〜３：１の量的比率にあるＳｉＣから成る。より好ましい点火素子は、ウオシュバーン特許に開示された種々の組成を有している。図１は、本発明による点火素子を示すもので、点火素子１０の化学組成は、中間部１４を通じて高度の抵抗部１２から高度の伝導部１６まで様々に変化する。しかしながら、好ましくは、中間部１４は、製造の簡略化のために省略する。この点火素子は、本発明によれば２つの活性金属ろうパッド１８および１８’が電気リード２０および２０’にそれぞれはんだ付けされている。高度の抵抗部１２は、一般に少なくとも温度範囲１０００〜１６００℃において少なくとも約０．０４ｏｈｍ−ｃｍ、好ましくは少なくとも約０．０７ｏｈｍ −ｃｍの固有抵抗を有している。それは、好ましくは、約５０〜７０ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび３０〜５０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂およびＭｏＳｉ₂の約１重量部に対してＳｉＣ約２重量部の重量比率にあるＳｉＣから成る。前記中間部１４が存在する場合には、好ましくは、約５０〜７０ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび３０〜５０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂および重量比率で約１：１にあるＳｉＣから成る。高度の伝導部１６は、一般に１００〜８００℃の温度範囲で約０．００５ｏｈｍ−ｃｍ以下、好ましくは約０．００３ｏｈｍ−ｃｍ以下の固有抵抗を有している。それは、好ましくは、約３０〜５５ｖ／ｏの窒化物セラミックおよび４５〜７０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂および重量比率で約１：１〜２：３にあるＳｉＣから成る。このセラミック点火素子の抵抗組成として使用のために好適な窒化物は、窒化硅素、窒化アルミ、窒化ボロン、およびそれらの混合物を含んでいる。好まし窒化物は窒化アルミである。本発明の電気的なワイヤーリードは、従来よりはんだによってろうパッドに接続されている。はんだは、等級を落とすことなく使用中に約４８５℃の温度に維持されるべきであり、しかも低い固有抵抗を有していなければならない。一般に、約５００℃の融点、好ましくは約６００℃を越える融点を有するはんだが使用される。好適なはんだは、典型的には以下の組成をｗ／ｏとして含んでいる。上述した他の金属は、アルミニウム、錫、インジウム、リン、カドミウム、およびニッケルから選択される１種またはそれ以上の金属を含んでいる。好適なはんだは、商業的にはオハヨウ州、シンシナテイのＪ．Ｗ．Ｈａｒｒｉｓ社で入手可能な取引名Ｓａｆｅｔｙ− Ｓｉｌｖ４５である。ここで有用と判断された特殊なはんだは、名目上４５ｗ／ｏの銀、３０ｗ／ｏの銅、および２５ｗ／ｏの亜鉛を含んでいる。他の特殊なはんだは、Ｓａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ１２００を含めて、名目上５６％の銀、２２％の銅、１７％の亜鉛、および５％の錫を含んでおり、またＳａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ１５７７は、名目上２５％の銀、５２．５％の銅、２２．５％の亜鉛を含んでいる。ろうパッドにリードワイヤをはんだ付けする際に、はんだを直接ワイヤーろうパッドインターフェイス（フラックスで被覆された）に導入することが有益であることを見いだした。トーチがこのインターフェイスに加熱のために適用される場合、はんだはワイヤーに向かって流れ、そして伝導性の結合部のろう付けされた領域を強化する。幾つかの態様において、加熱源として酸素アセチレントーチが使用される。他の態様においては、コネチカット州、オールドセイブルックのｍｔａ／ＳｃｈｕｎｋＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ社で入手可能な水素を利用しているＭｉｃｒｏｆｆｌａｍｅＳｏｌｄｅｒｉｎｇ加熱システムが使用される。点火素子がシルクスクリーンされた後で、それらは典型的にはグラファイト設備でセラミックにろうを融合させるために加熱される。一般的に、点火素子は、約０．０１３３Ｐａ（０．０００１Ｔｏｒｒ）以下の圧力を有する炉で約８１０ ℃と約８９０℃の間の温度で約６〜１０分間加熱される。選択的に、それらは約５０ｐｐｍ以下の濃度の酸素を含んだアルゴン雰囲気を有する連続べルト炉で加熱されてもよい。本発明の点火素子は、例えば炉や調理用機器のようなガス状燃料点火装置への適用例を含む多くの用途に使用される。本発明の実施は、以下の実施例および比較例に限定されることはない。実施例実施例１図１に示したような２重脚のヘアピン（Ｕ型）セラミック点火素子がウオシュバーン特許の教示に従って窒化アルミ、炭化硅素および硅化モリブデンで用意された。このセラミックの組成はｗ／ｏで以下の通りである。次に、活性金属のろう付けペースト、Ｌｕｃａｓ−Ｍｉｈａｕｐｔ社で製造されたＬｕｃａｎｅｘ７２１が、金属の粉末状ろうを融合するために耐火性の金属炉で高真空下で８７５℃で約６分間加熱され、化学的にセラミック基板と反応させた。ろう材は、次いで、厚さ約１５０μｍを有するパッドを形成するためにそれぞれの脚の１０００ｕｍｘ２５００ｕｍの領域をシルクスクリーンした。それぞれのろうパッドに従来の銅製の電気的ワイヤーを接着するために、Ｓａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ４５はんだ材が使用された。はんだ付けは、熱源として酸素アセチレントーチを使用して実施した。はんだワイヤーは、接合部に流れ込むように標準銀はんだフラックス中に浸漬され、そして接合される表面を清浄化して銀はんだが溶けるよう許容し、ろう材のパッドワイヤーインターフェイスに流れ込ませる。熱が除去され、接合部は、はんだが冷却で硬化されるまで追加的に５秒間その状態に維持される。このプロセスで製造されたセラミック点火素子は、可視的な２０倍の双眼顕微鏡でろうパッドのクラックを検査した。ろうパッド部で約０．４％以下の割れが観察された。実施例２ろうが単にセラミック基板上でブラシ掛けされた以外は、実施例１と全じ方法が繰り返された。得られたパッドは、厚さ約２００μｍで９．０ｍｍ²の領域を有していた。次いで、この方法で製造されたセラミック点火素子は、ろうパッド部の割れを上述のように検査した。ろうパッド部で約３０％の割れが観察された。これらの割れは、はんだ付けプロセスにおいて要求された熱に起因する熱衝撃によって引き起こされたろうパッド部の量的膨張によるものと考えられる。請求の範囲１．ａ）リードワイヤー（２０、２１’）、ｂ）セラミック基板（１２、１４、１６）、およびｃ）ろうパッド（１８、１８’）を含み、前記リードワイヤー（２０、２１’）と前記セラミック基板（１２、１４、１６）が、ろうパッドによって電気的に接続するように置かれたセラミック点火素子（１０）であって、前記ろうパッドが約１５０μｍ未満の厚みを有することを改良点とするセラミック点火素子（１０）。２．前記ろうパッド（１８、１８’）が、約１１５μｍ未満の厚みを有する請求項１記載の点火素子（１０）。３．前記ろうパッド（１８、１８’）が、約８０μｍ未満の厚みを有する請求項１記載の点火素子（１０）。４．前記ろうパッド（１８、１８’）が、３．６ｍｍ²未満の露出した表面領域を有する請求項１記載の点火素子（１０）。５．前記ろうパッド（１８、１８’）が、チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウムおよび金からなる群から選ばれた一つの活性金属を含む請求項１記載のセラミック点火素子（１０）。６．前記ろうパッド（１８、１８’）が、更に銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、鉛、カドミウムおよび燐からなる群から選ばれた少なくとも一つのフィラーメタルを含む請求項１記載のセラミック点火素子（１０）。７．前記ろうパッド（１８、１８’）が、チタニウム、銅および銀を含む請求項１記載のセラミック点火素子（１０）。８．表面を有する電気的な伝導性のあるセラミック基板（１２、１４、１６）からなる改良されたセラミック点火素子（１０）を製造する方法であって、（ａ）電気的な伝導性のあるセラミック基板（１２、１４、１６）表面にろうパッド（１８、１８’）を作るためにろう材を供給する工程、および（ｂ）少なくとも約５００℃の温度で溶解するはんだによって前記ろうパッド（１８、１８’）に電気リード（２０、２０’）をはんだ付けする工程を含む方法であって、前記電気的な伝導性のあるセラミック基板（１２、１４、１６）表面にシルクスクリーン印刷によってろう材を適用する改良点とするセラミック点火素子（１０）の製造方法。９．前記ろう材が、チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウムおよび金からなる群から選ばれた一つの活性金属を含む請求項８記載の方法。 10．前記ろう材が、更に銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、鉛、カドミウムおよび燐からなる群から選ばれた少なくとも一つのフィラーメタルを含む請求項９記載の方法。 11．前記ろう材が、チタニウム、銅および銀を含む請求項８記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ）リードワイヤー、ｂ）セラミック基板、ｃ）約１５０μｍ未満の厚みを有するろうパッド、を含み、前記リードワイヤーと前記セラミック基板が、ろうパッドによって電気的に接続するように置かれたことを特徴とするセラミック点火素子。２．前記パッドが、約１１５μｍ未満の厚みを有する請求項１記載の点火素子。３．前記パッドが、約８０μｍ未満の厚みを有する請求項１記載の点火素子。４．前記パッドが、３．６ｍｍ²未満の露出した表面領域を有する請求項１記載の点火素子。５．チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウムおよび金からなる群から選ばれた一つの活性金属を含む請求項１記載のセラミック点火素子。６．前記ろうパッドが、更に銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、鉛、カドミウムおよび燐からなる群から選ばれた少なくとも一つのフィラーメタルを含む請求項１記載のセラミック点火素子。７．前記ろうパッドが、チタニウム、銅および銀を含む請求項１記載のセラミック点火素子。８．電気的な伝導性のあるセラミック基板からなる改良されたセラミック点火素子を製造する方法であって、（ａ）電気的な伝導性のあるセラミック基板上にろう材をシルクスクリーン印刷することによりろうパッドを作る工程、および（ｂ）少なくとも約５００℃の温度で溶解するはんだによって前記ろうパッドに電気リードをはんだ付けする工程、を含む方法。９．前記ろう材が、チタニウム、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウムおよび金からなる群から選ばれた一つの活性金属を含む請求項８記載の方法。 10．前記ろう材が、更に銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、鉛、カドミウムおよび燐からなる群から選ばれた少なくとも一つのフィラーメタルを含む請求項９記載の方法。 11．記ろう材が、チタニウム、銅および銀を含む請求項８記載の方法。