JPH04268111A

JPH04268111A - 長寿命のセラミックス点火器

Info

Publication number: JPH04268111A
Application number: JP29594791A
Authority: JP
Inventors: Scott R Axelson; スコット　アール．アクセルソン; Bradley J Miller; ブラッドリー　ジェイ．ミラー
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1992-09-24
Also published as: EP0486009A1; CA2053454A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、セラミックス点火器と、それへ
の必要な電気的接続を行う改良方法とに関する。更に詳
しく述べるならば、本発明は、導電性セラミックス成分
として二ケイ化モリブデン、炭化ケイ素又はそれらの混
合物を含有するセラミックス点火器に関する。

【０００２】

【発明の背景】セラミックス点火器は何年も前から知ら
れている（米国特許第３８７５４７７号、同第３９２８
９１０号及び米国再発行特許第２９８５３号各明細書参
照）　とは言うものの、点火器を早いうちに故障させも
せず装置の長い寿命にわたって接点の抵抗を実質的に上
昇させもしない、セラミックスの本体への電気接点を製
作することに関して絶えず問題が起こっている。

【０００３】セラミックスの構成部品を通して電気の伝
導を必要とするセラミックス点火器の調製は、電気的な
構成部品のための物理的支持体としてのみ利用されるべ
き、すなわちセラミックスを通しての電気伝導が要求さ
れない場合の、セラミックス本体への単なる物理的な取
付けとは実質的に異なる問題を提起する。金属とセラミ
ックスとの間に導電性の界面を形成することは、熱膨張
特性を同様にすることだけでなく、何千回もの極端な温
度変化に十分に耐え続ける電気の通り道を作ることをも
必要とする。更に、金属とセラミックスは、金属かある
いはセラミックスよりも抵抗性になる界面を形成するよ
うに操作中に反応してもならない。機械的接続と電気的
接続とを組み合わせたものを製作するのに使用されるい
ずれの化学的相互作用もまた、継続する繰返し操作の間
に劣化又は変化する材料組成を生じさせてはならない。機械的な故障又は化学的な劣化すなわち酸化は、どちら
も界面の抵抗を金属及びセラミックスのそれよりも大き
くさせかねないので、両方とも避けなくてはならない。付着と安定な電気の通り道とを組み合わせることの必要
なことは、本発明の点火器に要求されるような長期の繰
返し操作の場合に特有の問題を提起する。

【０００４】セラミックス点火器のために電気接続を行
う以前の試みはいろいろであった。米国特許第３８７５
４７７号明細書は、（ｉ）電気接点を作製すべき領域の
炭化ケイ素点火器の一部分に軽くサンドブラストをかけ
、（ｉｉ）このサンドブラストをかけた末端部を、融解
した金属へ浸漬させるかあるいは溶射によってアルミニ
ウム金属又はアルミニウム合金でコーティングし、そし
て（ｉｉｉ）高アルミナ型の耐火性の電気絶縁セメント
を使って、そうすることを開示する。米国特許第３９２
８９１０号明細書及び同再発行特許第２９８５３号明細
書は、セラミックス（ＳｉＣ）体の物理的スロットに、
それぞれのスロットへ挿入された電気導線を固定しよう
とするだけでなく点火器の末端部分を完全に且つ連続に
包もうとする高温の火炎又はプラズマ溶射によって結合
させた導線を有するガス点火器を開示する。同時係属米
国特許出願第２５８３０７号明細書は、セラミックス体
の機械加工された孔を通して簡単なねじとナットの集成
体が配置される、二ケイ化モリブデンを含有するセラミ
ックス点火器を開示する。

【０００５】上述の接続手段のおのおのは、長期の使用
で抵抗が実質的に増大する、すなわち１００，０００回
のオン／オフの繰返し後に抵抗が５〜１０％あるいはそ
れ以上増加するという問題か、あるいは工業的に再生産
することができないという問題に悩んでいる。抵抗がそ
のように大きく増加することは、点火器産業にとって問
題である。と言うのは、点火器は装置の長期の寿命を通
して、「節電」又はピークの電力需要期の間にしばしば
起こる、時として標準操作電圧の８５％ほどの低い電圧
（２４．０Ｖでなくして２０．４Ｖ）で、燃料ガスに点
火することができなくてはならないからである。天然ガ
スは約１０５０℃で点火し、プロパンガスは約９６０℃
で点火する。利用できる電圧が標準電圧の例えば８５％
まで低下すると、電気接点が苛酷な劣化を経験している
より古い点火器では特に、ガスの点火のために必要とさ
れる温度よりも低い点火温度が生じかねないであろう。このように、１００，０００回の使用の後に、電気接点
のために抵抗が実質的に増大することがなく、そして好
ましくは総抵抗すなわち点火器自体と電気接点の両方の
ための抵抗の増加が少ない点火器が必要とされている。

【０００６】米国特許第４５１２８７１号明細書は、そ
れらへの電気接点がろう付けにより作られる一対のパッ
ドで終わる導電回路が非導電性セラミックス体にスクリ
ーン印刷されるヒーター付きの酸素センサーを開示する
。このセラミックス体は絶縁体であって、単に物理的支
持体として機能するに過ぎない。このように、この米国
特許明細書は、改良された導電性の接続を形成するとい
う問題に立ち向かっていない。

【０００７】従って、本発明の目的は、１００，０００
回のオン／オフ動作後に接点の接触抵抗の変化が約２％
未満であって且つ再現可能なように製造することができ
る改良されたセラミックス点火器を製造することである
。

【０００８】本発明の別の目的は、操作温度で２０００
時間連続して電力を供給後に接触抵抗の変化が約２．５
％未満であるそのような点火器を製造することである。

【０００９】本発明の更に別の目的は、そのような点火
器を導電性セラミックスとして二ケイ化モリブデン、炭
化ケイ素又はそれらの混合物を含んでなるセラミックス
組成物から製造することである。

【００１０】これら及びなお更に別の目的は、以下に掲
げる本発明の詳しい説明から明らかとなろう。

【００１１】発明の概要（ｉ）電気接点を形成すべき箇所で二ケイ化モリブデン
の含有量が少なくとも約２０体積％であるセラミックス
点火器本体を作り、（ｉｉ）それらの箇所でこの本体に
活性金属ろう付け材料の二つのパッドを作り、そして（
ｉｉｉ）これらのパッドに、約５００℃より高い温度で
融解するはんだを用いて電気導線をはんだ付けすること
によって、セラミックス点火器を調製する。

【００１２】好ましい態様の説明本発明のセラミックス点火器は、非導電性セラミックス
を導電性セラミックスと組み合わせて含む。セラミック
ス点火器への改良された電気的接続は、点火器の上にろ
う付け材料のパッドを作り、次いでこのろう付け材料の
パッドへ電気導線をはんだ付けして作られる。二つのそ
のような電気的接続を用いて調製された点火器は、工業
的に再現可能なように製造することができ、そして更に
、１００，０００回のオン／オフ動作を受けた後におい
て約２％未満の接触抵抗の変化を示す。同様に、これら
の点火器は、高温（１２７５〜１５００℃）で２０００
時間２６．４Ｖの電力を連続に供給された後において約
２．５％未満の接触抵抗の変化を示す。セラミックスの
導電性成分は好ましくは、二ケイ化モリブデン、炭化ケ
イ素又はそれらの混合物から構成される。より好ましく
は、１９８８年１０月１４日出願のＷａｓｈｂｕｒｎの
米国特許出願第２５８３０７号明細書に記載されたよう
な、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２）と炭化ケイ素（
ＳｉＣ）との混合物を使用する。この米国特許出願の開
示及び主題は参照によりここに組み入れられる。

【００１３】点火器は、好ましくは、窒化物セラミック
スを約４０〜７０体積％、そして体積比約１：３から３
；１までのＭｏＳｉ２　とＳｉＣを約３０〜６０体積％
含む。より好ましい点火器の組成は、Ｗａｓｈｂｕｒｎ
により説明されたように、そしてその米国特許出願明細
書の図１に示されたようにいろいろである。この場合、
点火器１０（図１）の化学組成は、高抵抗部分１２から
中間部分１４を経て非常に導電性の部分１６まで変化す
る。あるいはまた、且つより一層好ましくは、中間部分
１４は省かれる（製造するのが容器なため）。導電性部
分には、本発明に従って、活性金属のろう付け材料のパ
ッド１８及び１８′が備え付けられ、そしてこれらに電
気導線２０及び２０′がそれぞれはんだ付けされる。

【００１４】図１に示された点火器１０の高抵抗部分１
２は、好ましくは、窒化物セラミックス約５０〜７０体
積％、そして体積比約１：２のＭｏＳｉ２　とＳｉＣ約
３０〜５０体積％から構成される。中間部分１４は、こ
れが存在する場合には、好ましくは、窒化物セラミック
ス約５０〜７０体積％、そして体積比約１：１のＭｏＳ
ｉ２　とＳｉＣ約３０〜５０体積％から構成される。高
導電性部分１６は、好ましくは、窒化物セラミックス約
４５〜５５体積％、そして体積比約１：１から約３：２
までのＭｏＳｉ２　とＳｉＣ約４５〜５５体積％から構
成される。「高抵抗」とは、その部分の１０００〜１６
００℃の温度範囲での抵抗率が少なくとも約０．０４Ω
・ｃｍ、好ましくは少なくとも約０．０７Ω・ｃｍであ
ることを意味する。「非常に導電性」又は「高導電性」
とは、その部分の１００〜８００℃の温度範囲での抵抗
率が約０．００５Ω・ｃｍ未満、好ましくは約０．００
３Ω・ｃｍ未満、最も好ましくは約０．００１Ω・ｃｍ
未満であることを意味する。

【００１５】セラミックス点火器の抵抗性成分として使
用するのに適当な窒化物には、窒化ケイ素、窒化アルミ
ニウム、窒化ホウ素及びそれらの混合物が含められる。好ましくは、窒化物は窒化アルミニウムである。

【００１６】本発明の電気的接続を形成する第一の工程
は、セラミックス点火器の高導電性部分の相対する端部
にろう付け材料のパッド又は領域を作ることである。必
要とされるセラミックスへの高度の付着を達成するため
に、活性金属を含有してなるろう付け材料を利用する。金属は、ろう付け材料に含有された充填材金属によって
セラミックス材料への付着性を与えるのに十分なだけセ
ラミックス材料を濡らし且つそれらと反応する能力を有
するならば、ここでは「活性」であると見なされる。具
体的な活性金属の例には、チタン、ジルコニウム、ニオ
ブ、ニッケル、パラジウム及び金が含められる。好まし
くは、活性金属はチタン又はジルコニウムである。活性
金属のほかに、ろう付け材料は、銀、銅、インジウム、
スズ、亜鉛、鉛、カドミウム及びリンといったような充
填材金属を１又は２種以上含有する。好ましくは充填材
金属の混合物を使用する。最も好ましくは、ろう付け材
料は活性金属としてチタンを、そして充填材金属として
銅と銀との混合物を含んでなる。

【００１７】一般に、ろう付け材料は、重量百分率で約
０．１〜約５％の活性金属及び約９９．９〜約９５％の
充填材金属を含有する。適当であるそのようなろう付け
材料は、ＬｕｃａｓＭｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎｃ．よりＬ
ｕｃａｎｅｘ　の商品名で、またＧＴＥ　Ｐｒｏｄｕｃ
ｔｓ　ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎよりＣｕｓｉｌ　の商品
名で、商業的に入手可能である。ここで有用なことが分
っている具体的なろう付け材料には、Ｌｕｃａｎｅｘ　
７２１　及びＣｕｓｉｌ　ろう付け材料が含められ、お
のおのは公称７０．５％の銀、２７．５％の銅及び２％
のチタンを含有している。

【００１８】次に、ろう付け材料のパッドにはんだによ
って電気導線が接続される。このはんだは、劣化するこ
となしに点火器の使用中約４５０℃の温度に耐えること
ができなくてはならず、そしてまた抵抗率が低くなくて
はならない。一般に、はんだの融点は約５００℃より高
く、好ましくは約６００℃より高い。適当であるそのよ
うなはんだは、重量百分率でもって銀を約１〜約９０％
、銅を約５〜約８０％、亜鉛を約５〜約４０％、そして
アルミニウム、スズ、インジウム、リン、カドミウム及
びニッケルより選択された１又は２種以上の金属を最高
で約４０％まで含有しているものである。好ましくは、
はんだは銀を約１０〜７０％、銅を約１０〜７０％、亜
鉛を約１０〜３５％、そして他の金属を最高で３０％ま
で含有する。最も好ましくは、はんだは銀を約１５〜６
０％、銅を約１０〜６０％、亜鉛を約１２〜３０％、そ
して他の金属を最高で約３０％まで含有する。

【００１９】適当であるそのようなはんだは、Ｈａｎｄ
ｙ　＆　ＨａｒｍｏｎＣｏ．よりＥａｓｙ−Ｆｌｏの商
品名で、またＪ．Ｗ．Ｈａｒｒｉｓ　Ｃｏ．，Ｉｎｃ．
　よりＳａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ　の商品名で、商業的に
入手可能である。本発明で有用であることが分っている
具体的なはんだは、公称４５％の銀、１５％の銅、１６
％の亜鉛及び２４％のカドミウムを含有するＥａｓｙ−
Ｆｌｏ　４５　である。使用することができるこのほか
の具体的なはんだには、公称５６％の銀、２２％の銅、
１７％の亜鉛及び５％のスズを含有するＳａｆｅｔｙ−
Ｓｉｌｖ　１２００、そして公称２５％が銀、５２．５
％の銅及び２２．５％の亜鉛を含有するＳａｆｅｔｙ−
Ｓｉｌｖ　１５７７が含められる。

【００２０】導線をろう付け材料パッドへはんだ付けす
るためには、最初にはんだを金属導線へ適用するのが有
利なことが分っている。導線を点火器のろう付け材料パ
ッド上に配置し次いで加熱してそれを取付ければ、はん
だを導線からろう付け領域へ流して接続することができ
る。この方法は、ろう付け材料を５００℃を超える温度
に加熱する時間を最小限にし、そしてこれは、ろう付け
材料のパッドがはんだで被覆される前に空気で酸化され
るのを最小限にし、防止する。酸化は、しっかりした化
学的結合の形成を妨げかねず、又機械的な破損の結果及
び／又は抵抗が金属導線もしくはセラミックス点火器の
それより高い電気的界面を生ずる結果に至りかねないの
で、有害である。

【００２１】次に掲げる限定しない例と比較例から更に
本発明の実際を認識することができる。以下の例におい
ては、部数及び百分率は、特に断らない限りは全て重量
によるものである。

【００２２】例１図１に示す通りの二脚式の、三つの組成のヘアピン又は
Ｕ字形セラミックス点火器を、Ｗａｓｈｂｕｒｎの米国
特許出願第２５８３０７号明細書の教示に従って窒化ア
ルミナ、炭化ケイ素及び二ケイ化モリブデンから調製す
る。体積％で表せば、導電性部分は５０％の窒化アルミ
ニウム、３０％の二ケイ化モリブデン及び２０％の炭化
ケイ素を含有し、中間部分は６０％の窒化アルミニウム
、２０％の二ケイ化モリブデン及び２０％の炭化ケイ素
を含有し、そして抵抗性部分は６０％の窒化アルミニウ
ム、１３％の二ケイ化モリブデン及び２７％の炭化ケイ
素を含有する。

【００２３】点火器の脚部のそれぞれにろう付け材料の
パッドを形成するため、活性金属ろう付けペーストのＬ
ｕｃａｎｅｘ　７２１　を脚部のおのおのの０．０６″
×０．２５″（１．５ｍｍ×６．４ｍｍ）の領域へはけ
塗りする。ペーストを、耐火性金属炉を用いて高真空下
で８７５℃の温度に１０分間加熱して、パッドを形成す
る。

【００２４】通常の銅製電気導線をろう付け材料のパッ
ドのおのおのへ付着させるため、Ｅａｓｙ−Ｆｌｏ　４
５　はんだ（銀４５％、銅１５％、亜鉛１６％及びカド
ミウム２４％）を使用する。はんだ付けは、加熱源とし
て酸素アセチレントーチを使って行う。標準の銀はんだ
フラックスをはけでろう付け材料パッドへ塗布して表面
をきれいにする。次いで導線を加熱し、この加熱した導
線の上へはんだを持ってくる。溶融したはんだが約５秒
未満で導線上に流れ出す。このはんだを有する導線の端
部を点火器の予めフラックスを塗ったろう付け材料パッ
ド上に配置し、そして酸素アセチレントーチで加熱して
、銀はんだを融解させそしてろう付け材料上へ約５秒未
満の間流れさせ、次いでトーチを遠ざける。冷却によっ
てはんだが固化するまで、導線は所定の位置で更に５秒
間保持される。

【００２５】結果として得られた電気的接続の性能を評
価するため、点火器を、熱電装置の評価を行うための標
準的なアメリカガス協会の試験、ＡＮＳＩ試験手順Ｚ２
１．２０（１９８９）ｐｐ．１２−１３にかけた。この
試験は、点火器を１００，０００回のオン／オフ動作に
連続してかけ、そして装置全体と点火器本体の抵抗変化
の百分率を測定するものである。次いで、電気的接続の
ための抵抗変化を差から計算する。

【００２６】上述のように調製されそして平均の初期点
火器温度がそれぞれ１２９５℃及び１２９３℃である二
つの試料から得られた結果は、表１の通りである。

【００２７】

【表１】

【００２８】例２Ｌｕｃａｎｅｘ　７２１　ろう付け材料を同じ公称組成
を有するＣｕｓｉｌ　ろう付け材料と取替えることを除
いて、例１の手順を繰返す。平均の初期点火温度が１２
８３℃及び１２８２℃である二つの試料から得られた結
果は、表２の通りである。

【００２９】

【表２】

【００３０】比較例Ａ６０％のスズと４０％の鉛とを含有する異なるはんだの
Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌはんだを用
いて、例１の手順を繰返す。酸素アセチレントーチ、プ
ロパントーチ及び電気加熱はんだこてを使用して導線を
ろう付け材料パッドにはんだ付けしようとする試みは、
うまくいかなかった。このはんだは導線をろう付け材料に結合しなかった。

【００３１】例３セラミックス点火器の中間部分を省きそして点火器を２
４．０Ｖで２３５０時間の連続通電試験で評価すること
を除き、例１の手順を繰返す。四つのそのような試料を
評価して、試験の終了時の接点抵抗の変化率が０．８２
％、０．８３％、０．９５％及び０％であることが分っ
た。

【００３２】例４はんだがＳａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ　１５７７であること
を除いて例３の手順を繰返す。多数の試料について連続
通電試験の間の規定された時間後の接点抵抗の変化率は
、表３の通りである。

【００３３】

【表３】

【００３４】例５はんだがＳａｆｅｔｙ−Ｓｉｌｖ　１２００であること
を除いて例４の手順を繰返す。多数の試料について連続
通電試験の間の規定された時間後の接点抵抗の変化率は
、表４の通りである。

【００３５】

【表４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ってろう付け材料パッドにはんだ付
けされた接続導線を有する好ましい点火器の上面図であ
る。

【符号の説明】

１０…点火器１２…高抵抗部分１４…中間部分１６…高導電性部分１８，１８′…ろう付け材料パッド２０，２０′…電気導線

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】　　次に掲げる（ｉ）〜（ｉｉｉ）を含ん
でなるセラミックス点火器。（ｉ）電気接点を形成すべき二つの箇所における二ケイ
化モリブデン含有量が少なくとも約２０体積％であるセ
ラミックス点火器本体（ｉｉ）　上記二つの電気的接続箇所のおのおので上記
本体にくっついた活性金属ろう付け材料のパッド（ｉｉ
ｉ）このろう付け材料のパッドへ約５００℃より高い温
度で融解するはんだを用いて取付けられた電気導線【請
求項２】　　前記点火器本体が窒化物セラミックスを約
４０〜７０体積％、そして約１；３から３；１までの体
積比でＭｏＳｉ２　とＳｉＣとを組み合わせたものを約
３０〜６０体積％含んでなる、請求項１記載のセラミッ
クス点火器。【請求項３】　　前記点火器本体が、（１）窒化物セラ
ミックスを約５０〜７０体積％そして約１；２の体積比
のＭｏＳｉ２　及びＳｉＣを約３０〜５０体積％含有し
てなる高抵抗部分と、（ｉｉ）窒化物セラミックスを約
５０〜７０体積％そして約１；１の体積比のＭｏＳｉ２
　及びＳｉＣを約３０〜５０体積％含有してなる高導電
性部分とを含んでなる、請求項１記載のセラミックス点
火器。【請求項４】　　前記窒化物セラミックスが窒化ケイ素
、窒化アルミニウム、窒化ホウ素及びそれらの混合物か
らなる群より選ばれる、請求項２記載のセラミックス点
火器。【請求項５】　　前記活性金属ろう付け材料のパッドが
チタン、ジルコニウム、ニオブ、ニッケル、パラジウム
及び金からなる群より選ばれた活性金属を含んでなる、
請求項１記載のセラミックス点火器。【請求項６】　　前記活性金属ろう付け材料のパッドが
銀、銅、インジウム、スズ、亜鉛、鉛、カドミウム及び
リンからなる群より選ばれた少なくとも１種の充填材金
属を更に含んでなる、請求項５記載のセラミックス点火
器。【請求項７】　　前記活性金属ろう付け材料のパッドが
チタンと銅と銀とを含んでなる、請求項１記載のセラミ
ックス点火器。【請求項８】　　前記はんだが銀を約１〜９０％、銅を
約５〜８０％、亜鉛を約５〜４０％、そしてアルミニウ
ム、スズ、インジウム、リン、カドミウム及びニッケル
からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を最高で
約４０％まで含んでなる、請求項１記載のセラミックス
点火器。【請求項９】　　設計操作温度で使用するため導電性セ
ラミックス材料への電気接点を作製する方法であって、
（ｉ）導電性セラミックス材料にくっつけて活性金属ろ
う付け材料のパッドを作製する工程と、（ｉｉ）このろ
う付け材料のパッドへ当該接点の最高設計操作温度より
も少なくとも約５０℃高い温度で融解するはんだを用い
て電気導線をはんだ付けする工程とを含む方法。【請求項１０】　　前記活性金属ろう付け材料のパッド
がチタン、ジルコニウム、ニオブ、ニッケル、パラジウ
ム及び金からなる群より選ばれた活性金属を含んでなる
、請求項９記載の方法。【請求項１１】　　前記活性金属ろう付け材料のパッド
が銀、銅、インジウム、スズ、亜鉛、鉛、カドミウム及
びリンからなる群より選ばれた少なくとも１種の充填材
金属を更に含んでなる、請求項１０記載の方法。【請求項１２】　　前記活性金属ろう付け材料のパッド
がチタンと銅と銀とを含んでなる、請求項９記載の方法
。【請求項１３】　　前記設計操作温度が少なくとも約４
５０℃である、請求項９記載の方法。【請求項１４】　　前記はんだが銀を約１〜９０％、銅
を約５〜８０％、亜鉛を約５〜４０％、そしてアルミニ
ウム、スズ、インジウム、リン、カドミウム及びニッケ
ルからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を最高
で約４０％まで含んでなる、請求項９記載の方法。【請求項１５】　　前記はんだが電気導線上に配置され
、次いでこの導線がろう付け材料のパッド上に配置され
そして加熱される、請求項９記載の方法。