(57)【要約】  金属基板に施されたろう（２４）を介した電気的接続状態で連携する抵抗点火装置素子（２６）を伴う金属基板を有する抵抗点火装置システムが提供される。本発明の点火装置システムは、より頑強な点火装置を著しく単純化して製造可能としまた顕著な大量生産を可能にする。好ましいシステムでは、点火装置（２６）および金属基板を隣接させるのに先行して、金属基板に対しろう材料（２４）が施され、こうして、金属基板の規定の領域内に比較的正確な量のろうを施すことが可能になる。
2008501100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板、抵抗素子およびろう材料を含む抵抗点火装置システムにおいて、
前記点火装置および前記金属基板を隣接させる前に、前記ろう材料が前記金属基板に施される抵抗点火装置システム。
【請求項２】
金属基板、抵抗点火装置素子および非ペーストろう材料を含んでなる抵抗点火装置システム。
【請求項３】
前記ろう材料が前記金属基板への圧入によって施される請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項４】
前記ろう材料が、前記点火装置とかみ合うように前記金属基板より上に持ち上げられる請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項５】
前記ろう材料が、前記点火装置の縁部までは広がらない請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項６】
前記ろうが硬化する前は、該ろうは勾配のある垂直面を有する請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項７】
前記点火装置が、はんだなしに前記金属基板に隣接させられる請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項８】
前記ろうが銀を含む請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項９】
前記点火装置が、前記ろう材料とかみ合うべくリセス部を含む請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項１０】
前記金属基板が、リードフレーム基板である請求項１または２に記載の点火装置システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の点火装置を通して電流を印加する段階を有する気体燃料の点火方法。
【請求項１２】
高温および低温ゾーン領域を含み、該低温ゾーンがリセス部を含む点火装置素子。
【請求項１３】
前記リセス部が、ろう材料を収容するように構成される請求項１２に記載の点火装置素子。
【請求項１４】
金属基板、抵抗素子およびろう材料層を含む抵抗点火装置システムにおいて、
前記ろう材料層が、リフローの前に、約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）以下の厚みを有する抵抗点火装置システム。
【請求項１５】
金属基板と、抵抗素子と、ろう材料とを含み、該ろう材料はその全重量に対し少なくとも約８０重量パーセントの銀含有量を有するを含む抵抗点火装置システム。
【請求項１６】
ろう材料を金属基板に施す段階と、
その後抵抗点火装置素子と前記金属基板とを結びつける段階と、
を有する点火装置システムを生産する方法。
【請求項１７】
前記ろう材料が、前記金属基板内の１またはそれ以上の溝路に対し圧縮接合される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ろう材料のストリップが、前記金属基板に施される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属基板がリードフレーム基板であり、前記点火装置素子が該金属基板内にはめ込まれる請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記金属基板が、金属ストリップ材料である請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書に参考として取り入れられている２００４年５月２８日に出願された米国仮出願第６０／５７５，６６６号の利益を請求するものである。
【０００２】
本発明は、一般に抵抗点火装置、より特定的には金属基板に施されたろうを介して電気的接続状態にある、はめ込まれた（ｎｅｓｔ）抵抗点火装置素子を伴うリードフレームといった金属基板を含む抵抗点火装置システムに関する。好ましいシステムでは、セラミック点火装置と金属基板とを隣接させる前に、該金属基板に対してろう材料が施され、このため該金属基板の規定の領域内に比較的正確な量のろうを施すことが可能となる。
【背景技術】
【０００３】
セラミック材は、ガス燃焼炉、ストーブや衣料乾燥機内の点火装置として大きな成功をおさめた。セラミック点火装置は標準的に、導電性端部部分および抵抗性の高い部分を有するセラミック高温表面素子を含む。素子端部が通電リード線に接続されたときに、抵抗性の高い部分（つまり「高温ゾーン」）の温度は上昇する。一般に米国特許第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および６，０２８，２９２号を参照のこと。
【０００４】
これらの点火装置は、抵抗加熱されていることから、その各端部は、標準的には銅線のリード線である導電性リード線に電気的に接続されていなければならない。しかしながら、問題は、リード線に対してセラミック高温表面素子端部を接続することに付随するものである。１つの問題は、互いにうまく固着しないセラミック材料とリード線との接合にあった。セラミックとリード線とを貼り合せるのにろうおよびはんだの組合せを用いる（欧州特許第０４８６００９号を参照）。しかしながら、プロセスが比較的面倒であること、ならびに高温（例えば、１６００〜１８００℃）のはんだの塗布により、セラミック点火装置素子の損傷が頻繁に発生することなどを含めた、数多くの理由で、はんだの使用はあまり望ましくない。
【０００５】
はんだ接続によりひき起こされる問題を解決するために努力がなされてきた。例えば、Axelsonに対する米国特許第５，５６４，６１８号は、ろうとはんだとの間の熱膨張率（ＣＴＥ）の不一致がはんだ付け段階の間に破断をひき起こすことを認識し、シルクスクリーンによるアプローチを採用することにより、ろうを最小限におさえようとした。米国特許第６，４４０，５７８号は、ボンディング特性を改善すると言われているいくつかのはんだ材料を報告している（同じく米国特許第６，６３５，３５８号を参照）。
【０００６】
その他の研究努力は、セラミック点火装置末端システムからはんだを排除することを追求してきたが、これらのアプローチは一般に脆弱なシステムか、あるいは一時しのぎのシステムかのいずれかにしかならなかった。例えば、報告された無はんだ接続が比較的安全でないことを示す、高温表面素子−電気リード線のための機械的支持体の冗長性について記述する英国特許第２，０５９，９５９号を参照のこと。米国特許第５，８０４，０９２号は、セラミック高温表面素子が導電性接点を中にもつソケット内に差し込まれる、あるモジュール式セラミック点火装置について報告している。
【０００７】
電気接続のためにはんだを利用しないきわめて有用なセラミック点火装置がSaint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. の米国特許第６，０７８，０２８号の中で開示されている。セラミック点火装置を生産するためのきわめて有用な方法が、米国特許第５，５６４，６１８号および５，７０５，２６１号および米国公開出願第２００３／００８０１０３号に開示されている。
【０００８】
セラミック点火装置素子に電気的接続をしっかりと行うことのむずかしさに加えて、貼り合せプロセスは面倒な作業である（例えば、米国特許第６，４４０，５７８号および６，６３５，３５８号を参照）。
【特許文献１】米国特許第３，８７５，４７７号明細書
【特許文献２】米国特許第３，９２８，９１０号明細書
【特許文献３】米国特許第３，９７４，１０６号明細書
【特許文献４】米国特許第４，２６０，８７２号明細書
【特許文献５】米国特許第４，６３４，８３７号明細書
【特許文献６】米国特許第４，８０４，８２３号明細書
【特許文献７】米国特許第４，９１２，３０５号明細書
【特許文献８】米国特許第５，０８５，２３７号明細書
【特許文献９】米国特許第５，１９１，５０８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，２３３，１６６号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，３７８，９５６号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，４０５，２３７号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，５４３，１８０号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，７８５，９１１号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，７８６，５６５号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，８０１，３６１号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，８２０，７８９号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，８９２，２０１号明細書
【特許文献１９】米国特許第６，０２８，２９２号明細書
【特許文献２０】欧州特許第０４８６００９号明細書
【特許文献２１】米国特許第５，５６４，６１８号明細書
【特許文献２２】米国特許第６，４４０，５７８号明細書
【特許文献２３】米国特許第６，６３５，３５８号明細書
【特許文献２４】英国特許第２，０５９，９５９号明細書
【特許文献２５】米国特許第５，８０４，０９２号明細書
【特許文献２６】米国特許第６，０７８，０２８号明細書
【特許文献２７】米国特許第５，７０５，２６１号明細書
【特許文献２８】米国公開出願第２００３／００８０１０３号明細書
【特許文献２９】米国特許第６，００２，１０７号明細書
【特許文献３０】米国特許第６，２７８，０８７号明細書
【特許文献３１】米国特許第６，５８２，６２９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
かくして、増強された性能特性を有し得る新しいセラミック点火装置を実現することが望まれる。セラミック点火装置に対し安全な電気的接続を行い得る新しい方法およびシステムの実現が特に望ましい。また、セラミック点火装置を製造する新しい改善された方法およびシステムも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、金属基板に対して施されたろうを介して電気的接続状態にする抵抗点火装置素子を伴う金属基板を含む新しい点火装置システムを提供する。本発明者は、本発明の点火装置システムが、より頑強な点火装置を、著しく単純化された製造により実現できると共に、顕著に大量生産を可能にすることを見出した。
【００１１】
より特定的には、好ましい態様において、リードフレーム基板と、抵抗点火装置と、ろう材料とを含む抵抗点火装置システムが提供される。ろう材料は、点火装置とリードフレームを隣接させる前にリードフレーム基板に施され、かくしてリードフレーム基板の規定の領域内に比較的正確な量のろうを施すことが可能となる。好ましい方法では、リードフレームシートに対し非ペーストろう、特にろうフォイルまたはストリップを施す段階と、それに続いて、例えば金属スタンピングまたはその他のプロセスにより、個々のリードフレームを形成する段階が含まれる。
【００１２】
本発明のこれらの方法およびシステムは、組立てられたリードフレーム／点火装置デバイスに対してろうペーストを施していた従来のアプローチに比べ有意な利点が得られる。なかでも、このようなろうペーストの施工は、労働集約的であり、各デバイス間で被着のバラツキを結果としてもたらす可能性がある。グルー（ｇｌｕｅ）タイプのガンまたはその他の送出器具での手作業によるペーストの施工によると、量、圧力、正確な被着部位および角度などがバラついてしまう。さらに、ろうペースト材料の特性は、温度および湿度といった環境条件と共にバラつく可能性があり、結果として製造されたアセンブリ間でさらなるバラツキがもたらされることになる。
【００１３】
好ましくは、形成されたリードフレームまたは他の金属基板は、リードフレーム内にはめ込まれた点火装置素子の導電性ゾーン領域と嵌合する規定のリードフレーム領域内にろう材料を含む。熱処理により、ろうを介してリードフレームと点火装置を接合するろうリフローが提供される。
【００１４】
本発明のシステムは、頑強なリードフレーム／点火装置システムの製造にとって重要である配置および質量に関し一貫性ある、ろう供給源の被着を可能にする。該ろうは、リードフレーム表面より上に持ち上げられた規定の領域内に被着でき、そのためろうは、嵌合する点火装置表面の中心領域とのみ接触し得る。
【００１５】
点火装置の中心およびろう供給源のこのようなさらに正確な嵌合は、その後形成されるろう／セラミック接合に応力を加えこれを弱化させ、ろう材料が点火装置素子縁部まで広がる可能性を低減させる。実際、本発明の好ましい点火装置システムは、例外的に頑強なリードフレーム／セラミック点火装置継手（ｊｏｉｎｔ）を提供し得る、ということが分かっている。例えば、後述する実施例３の比較結果を参照のこと。
【００１６】
銅および銀ベースの組成物を含めさまざまなろう材料を本発明のシステムにおいて採用することができる。本発明において、実質的な銀部分からなるろう組成物（例えば、全ろう組成物の６０または７０重量パーセント強が銀）が、高温に対し強い、金属基板とセラミック点火装置との間で特に頑強な接合を可能にするということを発見した。
【００１７】
かくして、１つの態様においては、６０または７０重量パーセントを上回る銀含有量をもつろう組成物を有する点火装置システムを含む、高い銀含有量のろう組成物を有する点火装置システムが提供される。好ましいシステムは、金属基板、抵抗素子、そしてその全重量に対し、少なくとも約７０、８０、９０または９５重量パーセントの銀含有量を有するろう材料からなる抵抗点火装置システムを含む。
【００１８】
本発明のシステムでは、さまざまな点火装置素子を利用することができる。本発明のシステムにとって有用である標準的なセラミック点火装置は、高温と低温の両方のゾーン部分を含む。高温ゾーンは、導電性材料および絶縁材料の両方ならびに任意ではあるが標準的に半導体材料を含有する焼結組成物からなる。本発明のセラミック点火装置の導電性または低温ゾーン部分は、点火装置の高温ゾーンと類似の構成要素の焼結組成物を含有することになるが、導電性材料の濃度が比較的高い。
【００１９】
本発明の点火装置システムは、例えば、住宅および商業ビル用のガス暖房ユニット、ガスレンジ上面またはオーブンバーナといった調理器具およびガスおよび液体燃料の急速点火を必要とする他の装置のための点火を含む数多くの利用分野で著しい有用性を有することになる。本発明の好ましい点火装置システムは、６５０℃超に長時間曝露されるような高温環境に対しきわめて安定している。かくして、本発明の好ましい点火装置システムは、自浄（ｓｅｌｆ−ｃｌｅａｎｉｎｇ）式オーブン、燃料電池などを含むオーブンシステムでの点火を行うために有用となる。
【００２０】
上述のように、本発明は、金属基板に対しさまざまな抵抗点火装置素子を接着させるために有用であり、特にセラミック点火装置をリードフレーム基板に接着させるために有用である。本明細書で言及するとおり、リードフレームという用語には極めて多様なパッケージング基板が含まれ、基本的に、例えば金属ストリップ（例えば、Ｕ字形ストリップといった線形または非線形ストリップ）、金属タブなどを含め、点火装置素子に対し例えばろう組成物を介して接着させられるかまたは他の形でかかる点火装置素子と結合されるあらゆる金属基板または材料が含まれ得る。
【００２１】
本発明のその他の態様を、以下に開示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
上述のとおり、ここに本発明は、リードフレームに施されたろうを介して電気的接続状態にありそれにはまり込んだ、またはその他の形式で結合された点火装置素子を伴う金属基板を含む新しい抵抗点火装置システムを提供する。本発明の点火装置システムは、より頑強な点火装置の著しく単純化された製造ならびに顕著な大量生産を可能にする。好ましい金属基板は、１またはそれ以上の点火装置素子をはめ込むことになるリードフレーム基板を含む。
【００２３】
好ましいシステムでは、利用されるろう材料は適切にはストリップまたはテープ状またはフォイル状をしており、いかなる場合でもペースト形態以外のものである（ろうペーストは、粘土状の堅さを有することが多く、ストリップまたはフォイル材料を形成するのに十分堅くない）。このような好ましい非ペーストろう材料は、ろうリフローの後に頑強な点火装置／金属基板継手を提供し得る上述の圧縮接合などにより、点火装置システム基板（例えば、リードフレーム基板）に施すことができる。
【００２４】
上述のとおり、以下の説明は特にリードフレーム基板について言及するが、その説明は、リードフレームとして、一貫して言及しない例えば線形および非線形金属ストリップなどを含み得る金属基板材料の使用にも同様に適用可能である。
【００２５】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の点火装置素子のためのリードフレームまたはその他の金属基板を形成するのに有用なシート１０を示す。シート１０はさまざまな材料であり、標準的には、ステンレス鋼、アルミニウム、各種合金などといった金属であり、ステンレス鋼が好ましい材料である。特に好ましい金属基板材料は、４３０ステンレス鋼シートである。１つの好ましい方法においては、例えばろう組成物を収容するように構成された溝路を形成するため、適切な切削工具でのスカイブ（ｓｋｉｖｅ）手順により、金属リードフレーム基板シートの長さ方向に沿って平行な溝路１２Ａ、１２Ｂが形成される。溝路１２Ａおよび１２Ｂの適切な寸法は、広く変更し得る。少なくともあるシステムについては、溝路の最大深さおよび幅は各々、約０．００１から０．００４インチまで（０．０２５４から０．１０１６ｍｍまで）、より好ましくは約０．００１から０．００３インチまで（約０．０２５４から０．０７６２ｍｍまで）であり、０．００２インチ（０．０５０８ｍｍ）が特に好ましい深さおよび幅である。好ましくは、その溝路の幅は、リフロー間の点火装置素子の縁部までのろうの移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）を回避すべく、点火装置素子の幅より小さいものとなる（例えば、点火装置低温ゾーン区間の幅よりも小さい）。その溝路の床の形状もまた、例えば、特別なスカイブ工具を利用して適切に変えることができる。数多くの利用分野についてカーブした溝路床（すなわちＵ字型横断面形状）が好ましい場合もある。
【００２６】
ろう材料は、各種の方法のいずれかにより、溝路１２Ａおよび１２Ｂに施すことができる。例えば、１つの施工方法においては、ろうのテープまたはフォイル状のストリップが用いられ、溝路１２Ａおよび１２Ｂの凹んだ表面内に圧入または圧縮接合される。ろうフォイルは、市販されている。代替的には、ろうペーストを、グルーガンまたはその他の送出器具から送り出し、少なくとも実質的に溝路１２Ａおよび１２Ｂの各々をろうで充填することができる。しかしかかる手作業のペースト施工は上述のとおり好ましくない。
【００２７】
好ましくは、ろうは、溝路（例えば、図１に示す溝路１２Ａおよび１２Ｂ）を充填するのに十分な量であり、シート１０の平坦な表面の上に広がる。基板１０の平坦な表面上に広がることにより、施されたろうは、点火装置素子とうまく機械的に接触することができる。本発明によるろうの施工はまた、約０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）以下、さらには約０．００４または約０．００３インチ（約０．１０１６または約０．０７６２ｍｍ）以下または約０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）以下の厚み（高さ）を有するろう層といった、かなり薄いろう層の被着をも容易に可能とする。このような薄いろう層は、点火装置／金属基板接合の無欠性を増強させることも含めた著しい利点を有し得る。特に、ろうの体積または厚みが小さくなることで、ろうとセラミック点火装置素子との間の熱膨脹係数の差の結果生じる応力が低減されることになる。ろう層の厚みに対する本明細書での言及は、溝路１２Ａまたは１２Ｂの最低点から該層の最高点（図４中に２４ｂとして示す最高点）までの距離といった、ろう層の最大垂直高さを表わす。
【００２８】
さまざまなろう材料を利用することができる。適切なろう材料は、セラミック点火装置の導電性部分と電気的接続を形成する能力を有するべきである。標準的な適切なろうは、セラミック材料を濡らしそれと反応し、かくしてろうの充填剤金属による接着性をもたらすことのできる活性金属を含有する。特定の活性金属の例としては、チタン、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、パラジウムおよび金が含まれる。１またはそれ以上のこのような活性金属に加えて、ろうは、銅、銀、インジウム、錫、亜鉛、鉛、カドミウムおよびリンといったような１まはたそれ以上の充填剤金属を含有しても良い。好ましいろう材料は、チタン及び／又はニッケルの活性金属との銅／銀混合物を含む。銀および銅の充填剤とチタンを含有する、ウイスコンシン州CudahyにあるLucas-Milhaupt, Incから入手可能なCerametialおよびLucanexといった、さまざまな適切なろうが市販されている。
【００２９】
上述のとおり、主に銀で構成されるろう組成物が数多くの利用分野において好ましく、セラミック点火装置と金属リードフレーム基板との間に著しく頑強な接合をもたらす。このような好ましい高い銀含有量のろう組成物については、全ろう組成物の少なくとも約６０重量パーセント、より好ましくは全ろう組成物の少なくとも約７０、８０、９０または９５重量パーセントが銀であり、残りは、銅及び／又はニッケルといった材料およびチタンといった１またはそれ以上の活性金属である。特に頑強なリードフレーム／セラミック点火装置の接合が、ろう組成物の全重量に対して９０または９５重量パーセントを超える銀含有量をもつろう組成物を用いて実現されている。
【００３０】
シート１０にろうを施した後、該シートを例えば金属スタンピングプロセスなどによって適切に機械加工し、図２および３に描かれているような複数の相対向する隣接したリードフレーム素子１６を収納するシート１４を形成することができる。
【００３１】
上述のとおり、ろう材料を被着させ、リードフレームをスタンピングプロセスまたはその他の形成方法によって構成し、点火装置素子の縁部（すなわち、点火装置底面（施工されたろうと嵌合する）と点火装置側壁との間の９０°の角度により形成される、図７に描かれたとおりの点火装置の縁部２６ａ）に接触することなく点火装置素子の導電性ゾーン領域と嵌合するように、リードフレームから持ち上ったろう供給源を形成することができる。好ましいシステムでは、ろうのリフローに先行して、隆起したろう被着物は、嵌合した点火装置素子の縁部から０．０５マイクロメータ以内まで広がることはない。
【００３２】
本発明のシステムに従ってさまざまなリードフレーム構成をシート１０内に形成し利用できるが、好ましいリードフレームは、セラミック点火装置素子と高い信頼性で係合するようになっている。
【００３３】
かくして、図４を見ればさらに具体的に分かるように、リードフレーム素子１６は、描かれた方向ｘにセラミック点火装置（図４には図示せず）が挿入されるときに貫通するアパーチャ２０を伴った面１８を含む。圧入係合によって、フランジ２２はリードフレーム１６内部において、その挿入されたセラミック点火装置を保持することができる。
【００３４】
図４に示すように、リードフレーム素子１６は、好ましくはリードフレーム１６内へのセラミック点火装置素子のはまり込みを容易にするように構成されたろうパッド２４を有する。かくして、図４に描かれているように、ろうパッド近接側面２４ａは、リードフレーム内への点火装置素子の容易な挿入を阻害する鋭い縁部なしに上向きの勾配を持った側面を有する。ろうパッドの適切な厚み（図４内に「ｙ」として示されている）は変更される可能性があり、熱（リフロー）処理の後の点火装置およびリードフレーム素子の安定した係合を行うのに十分なものであるべきである。上述のとおり、ろうフォイルまたはテープ材料またはその他のストリップ（非ペースト）材料の施工は、金属／ろう／セラミックの継手の無欠性を増強することのできる薄いろう層の被着を可能にする。一般に、適切な厚みｙは、約２５０マイクロメータ以下、より好ましくは約１５０マイクロメータ以下であり、露呈された上部表面積（図４に示された上部表面「ｚ」）は約４平方ミリメートル未満、より好ましくは約３．６または３平方ミリメートル未満である。上述のとおり、ろうの厚み（ｙの値を含めた）に対する本明細書での言及は、溝路１２Ａまたは１２Ｂの最低点から図４中の２４ｂとして示されているろう層の最高点までの距離、といったろう層の最高垂直高さを表わす。
【００３５】
図５および６に概略的に描かれているように、挿入されたセラミック点火装置素子２６はフランジ２２の下で、かつ、ろうパッド２４の上にはまり込む。リードフレーム／点火装置システムに対する電気的接続は、アセンブリおよびろうまで、面２８を通って、延びるリード線によって行うことができる。ろうをセラミック点火装置に融合させるためには、はまり込んだ点火装置を伴うリードフレーム素子は、好ましくは減圧下で加熱される。例えば、ろうの融合のためには、リードフレーム素子内にはまり込んだ点火装置を、好ましくは１０-3トール以下といった減圧下で５〜１０分間、約８００℃以上で加熱することができる。
【００３６】
図７は、低温ゾーン３２ａおよび３２ｂと接触し、その間に配置された高温ゾーン部分３０を含む本発明のシステムにとって有用な１つの好ましいセラミック点火装置２６を示す。スロットの入った領域３４は、高温ゾーン３０の下で、かつ、低温ゾーン３２ａと３２ｂとの間に位置づけされる。代替的には、スロット入り領域３４ではなく、点火装置は低温ゾーン３２ａと３２ｂとの間に介在させられ高温ゾーン３０と接触したセラミックヒートシンク（図示せず）を含んでもよい。低温ゾーン端部３６ａ’および３６ｂ’は、高温ゾーン１２から遠方に位置する。図７に示すように、低温ゾーン遠方端部３６ａ’および３６ｂ’は、リードフレーム素子のろう領域と嵌合するリセス３６ａおよび３６ｂを含んでもよい。
【００３７】
上述のとおり、本発明のシステム内では多種多様な点火装置を利用することができる。例えば、数多くの利用分野のために、図６および７で描かれたような実質的にＵ字形の点火装置が適切なものとなる。米国特許第６，００２，１０７号、６，０２８，２９２号および６，２７８，０８７号に開示されている点火装置によって例示されるような、切除された中央部分なしの線形である（すなわち、スロットなしの設計）素子といったその他の点火装置構成もまた、数多くの利用分野のために適切なものとなる。このような設計はそれぞれ、上述のようにきわめて導電性の高い低温ゾーンおよびより抵抗性の高い高温ゾーンを有する。高温および低温ゾーンの適切な寸法は、米国特許第５，１９１，５０８号、第６，００２，１０７号、第６，０２８，２９２号および第６，２７８，０８７号の中で開示されている。
【００３８】
より特定的には、高温ゾーン領域の寸法は適切に変えることができる。図６および図７に描かれている一般に矩形の点火装置の設計においては、高温ゾーン経路長（図７内に距離「ｐ」として描かれている）は、短絡またはその他の欠陥を回避するのに十分なものであるべきである。好ましい１つのシステムにおいて、この距離「ｐ」は０．５ｃｍである。
【００３９】
高温ゾーンのブリッジ高さ（図７中、距離「ｑ」として描かれている）もまた、点火装置の劣化および故障を結果としてもたらすような過度に局在化された加熱等の点火装置の欠陥を回避するのに十分な寸法であるべきである。
【００４０】
点火装置の長さ方向の下方に広がる高温ゾーン「区間」においては、高温ゾーン電気経路長（図７中のｐ）を約２．５または２ｃｍ以下といった好ましい寸法以内に維持するのに十分なサイズに制限されることになる。
【００４１】
本発明のセラミック点火装置の高温ゾーン３０、低温ゾーン３２ａおよび３２ｂおよびヒートシンク（利用される場合）の組成は適切に変えることができる。これらの領域のための好ましい組成物は、Lin et al.に対する米国特許第６，５８２，６２９号、Willkens et al.に対する米国特許第５，７８６，５６５号およびAxelson et al.に対する米国特許第５，１９１，５０８号の中で開示されている。
【００４２】
より特定的には、高温ゾーン３０の組成物は、約０．０１オーム−ｃｍと約３．０オーム−ｃｍとの間の高温（すなわち、１３５０℃）抵抗率と、約０．０１オーム−ｃｍと約３オーム−ｃｍとの間の室温抵抗率とを示すようなものであるべきである。
【００４３】
好ましい高温ゾーン３０は、電気絶縁材料、金属導体そして、任意のさらに好ましい実施形態においては半導体材料の焼結組成物を含有する。本明細書で使用される「電気絶縁材料」という用語またはその変形形態は、少なくとも約１０10オーム−ｃｍの室温抵抗率を有する材料を意味し、一方「金属導電体」、「導電性材料」という用語およびその変形形態は、約１０-2オーム−ｃｍ未満の室温抵抗率を有する材料を意味し、「半導体セラミック」、「半導体材料」という用語およびその変形形態は約１０〜１０8オーム−ｃｍの間の室温抵抗率を有する材料を意味する。
【００４４】
一般に、高温ゾーン３０のための組成の例としては、（ａ）約５０〜約８０体積パーセント（ｖｏｌ％またはｖ／ｏ）の少なくとも１０10オーム−ｃｍの抵抗率を有する電気絶縁材料と、（ｂ）約５〜約４５ｖ／ｏの約１０〜約１０8オーム−ｃｍの抵抗率を有する半導体材料と、（ｃ）約５〜約２５ｖ／ｏの間の約１０-2オーム−ｃｍ未満の抵抗率を有する金属導体が含まれる。
【００４５】
好ましくは、高温ゾーン３０は、５０〜７０ｖ／ｏの電気絶縁材料、１０〜４５ｖ／ｏの半導体セラミック、および６〜１６ｖ／ｏの導電性材料からなる。
【００４６】
標準的には、金属導体は、ケイ化モリブデン、ケイ化タングステンおよび窒化チタンといった窒化物、そして炭化チタンといった炭化物からなる一群の中から選択され、ケイ化モリブデンが一般に好ましい金属導体である。ある好ましい実施形態においては、導電性材料はＭｏＳｉ2であり、これは、高温ゾーンの組成全体の約９〜１５ｖｏｌ％の量、より好ましくは高温ゾーンの組成全体の約９〜１３ｖｏｌ％の量で存在する。
【００４７】
高温ゾーン３０および低温ゾーン３２ａ、３２ｂの組成全体の一部分として半導体材料が含まれる場合、一般に好ましいその半導体材料には、炭化物、特に炭化ケイ素（ドープされたものおよび未ドープのもの）および炭化ホウ素が含まれるが、これらに制限されるわけではない。炭化ケイ素が、一般的に好まれる半導体材料である。
【００４８】
高温ゾーン組成の適切な電気絶縁材料構成要素には、酸化アルミニウムといった１またはそれ以上の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素または窒化ホウ素といった窒化物、希土類酸化物（例えば、イットリア）または希土類オキシ窒化物が含まれるが、これらに制限されるわけではない。窒化アルミニウム（ＡＩＮ）および酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が一般に好ましい。
【００４９】
本発明の特に好ましい高温ゾーン組成物は、酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウム、ケイ化モリブデンおよび炭化ケイ素を含有する。少なくとも一部の実施形態においては、ケイ化モリブデンは好ましくは９〜１２ｖｏｌ％の量で存在する。
【００５０】
上述のとおり、本発明の点火装置は標準的に、高温ゾーンと電気的接続状態にある少なくとも１つまたはそれ以上の低抵抗率の低温ゾーン領域３２ａ、３２ｂをも含む。標準的には、一般に例えばＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3またはその他の絶縁材料、ＳｉＣまたはその他の半導体材料、およびＭｏＳｉ2またはその他の導電性材料からなる２つの低温ゾーン３２ａと３２ｂとの間に、高温ゾーン３０が配置される。
【００５１】
好ましくは、低温ゾーン領域３２ａ、３２ｂは、高温ゾーン内に存在するものよりも著しく高い百分率の導電性材料及び／又は半導体材料（例えば、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ2）を有することになる。従って、低温ゾーン領域は標準的に高温ゾーン領域の約１／５〜１／１０００の抵抗率しか有しておらず、温度は高温ゾーンのレベルまで上昇しない。より好ましいのは、低温ゾーンの室温抵抗率が高温ゾーンの室温抵抗率の５〜２０パーセントである。
【００５２】
本発明の点火装置において使用するための好ましい低温ゾーン組成物には、約１５〜６５ｖ／ｏの酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたはその他の絶縁体材料および約２０〜７０ｖ／ｏのＭｏＳｉ2およびＳｉＣまたはその他の導電性材料および半導体材料（約１：１〜約１：３の体積比）が含まれる。より好ましくは、低温ゾーンは、約１５〜５０ｖ／ｏの酸化アルミニウム及び／又は窒化アルミニウム、約１５〜３０ｖ／ｏのＳｉＣ、および約３０〜７０ｖ／ｏのＭｏＳｉ2からなる。製造を容易にするためには、低温ゾーン組成物は、好ましくは高温ゾーン組成物と同じ材料で形成される。ただし、半導体材料および導電性材料の相対量は、高温ゾーン内よりも低温ゾーン内の方が大きい。
【００５３】
電気絶縁ヒートシンクがもし利用されるならば、それは、高温ゾーンの対流冷却を緩和するのに十分な熱質量を有する組成物で構成されるべきである。さらに、（図７に示されたスロット付き３４の代わりに）上述のような２つの導電性区画の間に挿入物としてヒートシンクが配置されるならば、該ヒートシンクは、点火装置をもっとでこぼこ（ｒｕｇｇｅｄ）にするような延伸された低温ゾーン部分を機械的に支持する支持体を備えるべきである。好ましくは、かかる電気絶縁ヒートシンクは、少なくとも約１０4オーム−ｃｍの室温抵抗率および少なくとも約１５０ＭＰａの強度を有する。より好ましくは、ヒートシンク材料は、ヒートシンク全体を加熱しリード線に熱を移送するほどには高くない熱伝導率で、又その有益なヒートシンク機能を打ち消すほどには低くない熱伝導率を有する。
【００５４】
ヒートシンクのための適切なセラミック組成物には、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナおよびその混合物のうちの少なくとも１つを少なくとも約９０ｖｏｌ％を含む組成物が含まれる。ＡＩＮ−ＭｏＳｉ2−ＳｉＣの高温ゾーン組成物が利用される場合、少なくとも９０ｖｏｌ％の窒化アルミニウムおよび最高１０ｖｏｌ％のアルミナを含むヒートシンク材料が、相容性ある熱膨脹と高密度化特性を得るために好ましい場合がある。
【００５５】
本発明のセラミック点火装置は、６、８、１２、２４、１２０、２２０、２３０または２４０ボルトという公称電圧を含む、ただしこれに制限されるわけではないが、さまざまな電圧と共に利用され得る。
【００５６】
セラミック構成要素の加工（すなわち、素地加工および焼結条件）および高密度化されたセラミックからの点火装置の調製は、従来の方法により実施可能である。標準的には、かかる方法は、本明細書にその開示が参考として取り入れているWillkens et alに対する米国特許第５，７８６，５６５号、Washburnに対する米国特許第５，４０５，２３７号、およびAxelson et alに対する米国特許第５，１９１，５０８号に実質的に従って実施できる。例示的条件については、以下の実施例１も参照のこと。
【００５７】
例えば、素地点火装置の形成されたビレットを、第１の温間プレス（例えば、１３００℃といった１５００℃未満の温度）とそれに続く第２の高温焼結（例えば、１８００℃または１８５０℃）により加工することができる。第１の温間焼結は、理論上の密度との関係において約６５または７０％の高密度化を実現し、第２のより高温での焼結は理論的密度との関係において９９％より大きい最終的高密度化を実現する。
【００５８】
好ましい点火装置生産方法においては、複数の貼合せまたは物理的な取付けによる「潜在」（ｌａｔｅｎｔ）点火装置素子を構成するビレットシートが用意される。該ビレットシートは、素地状態（約９６％または９８％の理論的密度を超えるまでには高密度化されていない）にあるものの、好ましくは理論的密度の約４０％または５０％超、適切には最高その９０または９５％、より好ましくは最高その約６０〜７０％まで焼結された高温および低温ゾーン組成物を有する。かかる部分的高密度化は、３０００ｐｓｉといった圧力下およびアルゴン雰囲気下で約１時間、例えば１３００℃といった１５００℃未満の温度で温間プレス処理によって適切に達成される。
【００５９】
高温および低温ゾーンの組成物が理論的密度７５または８０パーセント超で高密度化された場合、ビレットをその後の加工段階で切削するのが困難になる。さらに、高温および低温ゾーン組成物が約５０パーセント未満で高密度化される場合、組成物はしばしばその後の加工中に分解する。高温ゾーン部分は、ビレットの厚みの部分を横断して広がり、残りは低温ゾーンである。
【００６０】
ビレットは比較的多種多様な形状および寸法を有し得る。好ましくは、ビレットは適切には実質的に正方形、例えば９インチ×９インチ（２２８．６ｍｍ×２２８．６ｍｍ）平方であるか、または矩形などといったその他の適切な寸法または形状である。ビレットはこのとき好ましくはダイヤモンド切削工具などを用いて、小部分に切削される。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。例えば、９インチ×９インチ（２２８．６ｍｍ×２２８．６ｍｍ）のビレットでは、好ましくは３分の１に切削され、結果として得られる区分の各々は９インチ×３インチ（２２８．６ｍｍ×７６．２ｍｍ）である。
【００６１】
次にこのビレットを（適切にはダイヤモンド切削工具で）さらに切削して、個々の点火装置を得る。最初の切削はビレットを貫通するものであり、隣接する素子から１つの点火装置素子を物理的に分離する。交互の切削は、ビレット材料の長さ方向に貫通するものではなく、絶縁ゾーン（ヒートシンク）の各点火装置内への挿入を可能にする。各々の切削（貫通切削および非貫通切削の両方共）は、例えば、約０．２インチ（５．０８ｍｍ）だけ間隔を開ける。
【００６２】
ヒートシンクゾーンの挿入の後、次に点火装置を好ましくは理論的密度の９９％超まで、さらに高密度化することができる。このようなさらなる焼結は、高温静水圧プレス下で例えば１８００℃またはそれよりわずかに高い温度で実施される。
【００６３】
ビレット内に行われる複数の切削は、自動プレス内で適切に達成でき、ここでビレットは、例えばコンピュータの制御下で自動システムにより位置づけされ切削工具により切削される。
【００６４】
このとき高密度化された点火装置素子を、上記で開示されたように、リードフレーム基板内に組立て、ろうでそれに貼り合せることができる。点火装置に対する電気的接続は、上述のとおり、ろうと接触するリード線により行うことができる。
【００６５】
上述のとおり、本発明の点火装置は、炉および調理器具、ベースボードヒーター、ボイラおよびストーブ上面といった気相燃料点火の利用分野を含めた数多くの利用分野において使用可能である。
【００６６】
本発明の点火装置は、さまざまなシステムにおける加熱素子としての使用を含め、その他の利用分野で利用することもまた可能である。より特定的には、本発明の点火装置を、分光計デバイスを含めた監視または検出デバイス内でグロープラグとして、または炉の中などの加熱素子などとして、赤外線源（すなわち、高温ゾーンは赤外線出力を提供する）として利用することができる。
【００６７】
さらに、以上で論述したとおり、本発明の好ましいセラミック点火装置は、約６５０℃、７００℃、７５０℃または８００℃を超える高温環境で有用なものとなる。例えば、本発明の好ましい点火装置システムは、自浄式オーブン、燃料電池などにおける点火のために有用なものとなる。
【００６８】
以下の制限するためのものではない実施例は、本発明を例示するものである。本明細書に言及されている全ての文書は、その全体が参考として本明細書に取り入れている。
【００６９】
実施例１：点火装置の製造
本発明のシステム内で用いられる点火装置は、以下のように製作可能である。高温ゾーンおよび低温ゾーン組成物が以下のとおりに調製される。高温ゾーン組成物は７０．８体積％（全高温ゾーン組成物に対し）のＡＩＮ、２０体積％（全高温ゾーン組成物に対し）のＳｉＣおよび９．２体積％（全高温ゾーン組成物に対し）のＭｏＳｉ2からなる。低温ゾーン組成物は、２０体積％（全低温ゾーン組成物に対し）のＡＩＮ、２０体積％（全低温ゾーン組成物に対し）のＳｉＣ、および６０体積％（全低温ゾーン組成物に対し）のＭｏＳｉ2からなる。低温ゾーン組成物は、高温ダイプレス内に投入され、高温ゾーン組成物は同じダイ内の低温ゾーン組成物の上面に投入される。組成物の組合せは、熱および圧力下で合わせて高密度化され、点火装置を得る。
【００７０】
実施例２：点火装置システムの構築
本発明の点火装置システムは以下のように製作される。４３０ステンレス鋼を剥ぎとり平行な溝路を形成し、図１に概略が示されている２重の溝路を構成する。この２重溝路に沿って銀ろうフォイルを圧縮接合し、ろうを伴うシートを金属スタンピングして、図２に示されるような複数の取付けられたリードフレームのシートを得る。ろうフォイルは約９６重量パーセントの銀含有量を有し、残りはチタンおよび銅である。
【００７１】
図５および６に全体的に示されているように構成されたヘアピン焼結セラミック点火装置（Saint-Gobain Corporation, Worcester, MAから入手可）を、シートのリードフレーム素子内に挿入し、各点火装置について素子を分離した。その後、約１×１０-3トールの真空オーブン内に１０分間約８００℃で、はめ込まれた点火装置を加熱することにより、個々の点火装置を融合させる（ろうリフロー）。
【００７２】
実施例３；ろう組成物の評価
異なるろう材料を評価するため、リフローされたろうと共にリードフレーム素子内にはめ込まれたセラミック点火装置を用いて、曲げ試験を実施した。テスト対象は、上記の実施例２で記述された設計を有するものの、異なるろう材料を伴う同じリードフレーム内に組立てられて全体としては同一のセラミック点火装置素子であった。はめ込まれた点火装置を片端で固定し、次に、取付けられていない点火装置端部においてプローブによって下向きに曲げた。
【００７３】
高い銀含有量（全組成銀の約９６重量パーセント）のインレイ（ｉｎｌａｉｄ）ろうを有する点火装置素子は、最高の曲げ試験結果を示した。ＣｕＳｉＮ（７０重量パーセント未満の銀）のインレイろうは、その次に優れた結果と、銅／銀ろうペーストで形成された点火装置／リードフレームの継手（インレイフォイルではない）に対する改善と、を示した。高い銀含有量（９６重量パーセント）のインレイろうを伴う点火装置についての故障モードは、セラミック点火装置素子の破断であった。その他の２つのテスト対象のはめ込まれた点火装置についての故障モードは、ろう継手におけるセラミックの飛び出しであった。
【００７４】
本発明は、その特定の実施形態を参照して詳述されてきた。しかしながら、当業者であればこの開示を考慮した上で本発明の精神および範囲内で修正および改善を加えることができるということも分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】部分的に加工されたリードフレーム基板を示す図である。
【図２】本発明の点火装置システムにおいて有用である加工されたリードフレーム基板を示す図である。
【図３】図２のリードフレーム基板の２本のリード線の分解図である。
【図４】ろうを伴う取付け素子の側面図である。
【図５】本発明による点火装置システムの側面図である。
【図６】本発明による点火装置システムの上面図である。
【図７】本発明の点火装置素子を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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