同軸セラミック点火器及び製造方法
導電性のコア部分が加熱素子の遠位端にある抵抗性の高温領域内まで延在し、それによって導電性のコア部分と抵抗性の高温領域との間の境界面が加熱素子の遠位先端から離れた、新規の同軸セラミック加熱素子及び製造方法。方法は、予成形するか、又は固化させた材料の領域を、１つ又は複数の流動性を有する材料の領域と一体に合わせるステップと、流動性を有する材料を硬化させるか、ゲル化させるか、乾燥させるか、又はその他の方法で凝固若しくは固化させるステップと、焼結することによって一体化した同軸加熱素子を形成するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照により全体として本明細書に援用される２００７年１２月２９日出願の米国仮特許出願第６１／００９，５０７号明細書の利益を主張する。
【０００２】
１．分野
本発明は、新規の同軸セラミック加熱素子を提供する。本発明は、さらに、同軸セラミック加熱素子の新規の製造方法を提供し、この方法は、（１）予成形するか、又は固化させた材料の領域を、１つ又は複数の流動性を有する材料の領域と一体に合わせるステップと、（２）流動性を有する材料を硬化させるか、ゲル化させるか、乾燥させるか、又はその他の方法で凝固若しくは固化させるステップとを含む。好ましくは、素子は続いて焼結され、それによって一体化した同軸加熱素子が形成される。点火器及びグロープラグなどの、本発明の製造方法から得られる同軸加熱素子もまた提供される。
【背景技術】
【０００３】
２．背景
セラミック材料は、例えば、ガス燃焼炉、ストーブ及び衣類乾燥機における点火器として、著しい成功を収めている。セラミック点火器の作製には、セラミック部品を通じた電気回路の組立てが含まれる。セラミック部品の一部は抵抗が高く、ワイヤリード線によって電流が流れると温度が上昇する。例えば、米国特許出願公開第２００６／０１３１２９５号明細書及び米国特許第６，０２８，２９２号明細書；同第５，８０１，３６１号明細書；同第５，４０５，２３７号明細書；及び同第５，１９１，５０８号明細書を参照のこと。
【０００４】
典型的な点火器はほぼ矩形形状の素子であり、点火器の先端に抵抗が高い「高温領域」を有し、点火器の反対側の端部から高温領域にかけて１つ又は複数の導電性の「低温領域」が設けられている。現在利用可能な点火器の一つ、Ｍｉｌｆｏｒｄ，Ｎ．Ｈ．のＮｏｒｔｏｎ Ｉｇｎｉｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能なＭｉｎｉ−Ｉｇｎｉｔｅｒは、１２ボルト〜１２０ボルトの適用で設計され、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）、二珪化モリブデン（「ＭｏＳｉ２」）、及び炭化ケイ素（「ＳｉＣ」）を含む組成物を有する。
【０００５】
セラミック点火器システムには、温度到達時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（すなわち、室温から設計点火温度までの加熱にかかる時間）の高速性、すなわち短さ、及び交換することなく長期間動作するのに十分なロバスト性を含め、様々な性能特性が求められる。しかしながら、従来の点火器の多くは、かかる要件を一貫して満たすことはない。さらに、現行のセラミック点火器は、特に、ガス調理台等に用いられる点火器などの、衝撃が持続し得る環境において、使用中の破損が欠点となっている。
【０００６】
火花点火システムは、セラミック点火器に代わるものとして提案されている手法である。例えば、ガス調理バーナーの点火に有用と言われている特定の火花点火器について、米国特許第５，９１１，５７２号明細書を参照のこと。一般に火花点火が呈する有利な性能特性の一つは、迅速な点火である。すなわち、火花点火器は、作動され次第、極めて迅速にガス又は他の燃料源を点火することができる。
【０００７】
特定の適用では、迅速な点火は決定的に重要であり得る。例えば、いわゆる「瞬間」湯沸かし器が、ますます好評を博している。概して、米国特許第６，１６７，８４５号明細書；同第５，３２２，２１６号明細書；及び同第５，４３８，６４２号明細書を参照のこと。こうしたシステムは、一定量の温水を保管するのではなく、給水管が開栓され次第、例えば、使用者が給水栓を開放位置にひねり次第、本質的に直ちに水を加熱する。従って、水が開放され次第、本質的に即時加熱することにより、栓が開けられ水が「出る」のと実質的に同時に温水を送給することが求められる。かかる瞬間湯沸かしシステムは、一般に火花点火器を利用している。少なくとも現行の多くのセラミック点火器が提供している性能では、瞬間湯沸かし器で求められるような、極めて迅速な点火用途において商業的に利用するには、温度到達時間がかかり過ぎる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
迅速な点火の必要性に応えて、同軸セラミック点火器が提供されている。しかしながら、現行の同軸点火器設計は、ジュール加熱の大部分が点火器の表面又はその近傍で発生する結果となっている。結果として、点火器は外部冷却及び時効効果を一層受け易くなる。さらに、全ての層をスリップキャスト成形するなどの現行の同軸点火器の製造方法は、再現性及び一貫性の問題を被る。全ての層をスリップキャスト成形すると、日によって、及び金型によって寸法に違いが生じ得ることになり、違いがあれば、そのように形成された点火器の性能及び一貫性に影響が出る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここで、新規の同軸セラミック加熱素子及び同軸セラミック加熱素子の作製方法が提供される。本発明の同軸加熱素子は導電性のコア部分を備え、これは、加熱素子の遠位端にある抵抗性の高温領域内まで延在し、従って導電性のコア部分と抵抗性の高温領域との間の境界面が、加熱素子の遠位先端から離れている。換言すれば、高温領域を形成する抵抗領域が、中心コア内まで延在する。結果として、加熱素子の性能が向上する。例えば、本同軸加熱素子の設計は中心加熱を作動させ、外部冷却及び時効効果に対する抵抗性の向上など、多くの利益を提供し得る。さらに、抵抗経路長が長くなると、それによって、より低い抵抗率（より高いＰＴＣ）の材料を使用することが可能となり、点火器の昇温時間が短縮されるなど、さらなる利益が提供される。本同軸加熱素子設計は、経路長が長いことにより、動作電圧をより高くすることも可能となり得る。経路長が短くなると、最終的には材料の抵抗率を非常に高くしなければならず、加熱素子を一貫して作製することは困難となる。従って、本発明によって提供される経路長の長くなった設計により、さらには、より一貫した加熱素子の製造が可能となる。
【００１０】
本方法はまた、コア部分と外側部分と（例えば、コア導電性部分と外側導電性部分と）を、互いに同じレベル又は高さで形成することが可能など、さらなる利点も提供する。
【００１１】
本方法及び加熱素子は、さらに、迅速な温度到達時間値（例えば、約３秒以下、又はさらに約２秒以下）を提供する。本発明の方法は、さらに、特定の所望の特性を有する加熱素子を、一貫して、且つ高い信頼性で作製することを可能にする。
【００１２】
一態様において、本発明は、概して、同軸セラミック加熱素子であって、導電性のコア部分を含み、この導電性のコア部分が素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合し、次にこの高温の抵抗領域が、外側部分を形成する第２の導電性領域と接合する、同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、導電性のコア部分と外側の導電性部分とは、絶縁体部分によって隔離される。
【００１３】
本発明のこの態様に係る実施形態は、以下の特徴を含み得る。加熱素子は、電気抵抗率が異なる複数の部分、例えば、全て電気の通る順序で、第１の導電性領域と、抵抗性の高温領域と、第２の導電性領域とを含み得る。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分（例えば、電気リード線が加熱素子に固定されるところから、抵抗性の高温領域まで延在する長さ）に沿って丸い断面形状を有し得る。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分、例えば、加熱素子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、又は加熱素子の全長について、実質的に楕円形、円形又は他の丸い断面形状を有し得る。加熱素子は、実質的に円形の断面長さを有してもよく、それによりロッド形状の加熱素子がもたらされる。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分について、丸くない、又は非円形の断面長さを有し得る。抵抗性の高温領域は、外側部分における抵抗性の高温領域のレベルと同等なレベルまでコア部分内に延在し得る。導電性領域と抵抗性の高温領域との間の境界面は、従来の同軸設計と比べ、装置の遠位先端からより大きい距離だけ離れたところに設けられる。同軸加熱素子は、中心コアを通り、加熱素子の外側部分に沿って戻る電流の流れを提供し得る。加熱素子は軸対称であり得る。間置される空隙（空気）部分が、１つ又は複数の部分の間、例えば、コア部分と絶縁体部分との間に設けられ得る。導電性のコア部分は、外側の導電性部分内に囲い込まれるか、又はその他の方法で嵌装されてもよく、例えば、導電性のコア部分の約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００パーセント以下の断面が、外側の導電性部分と重なる。
【００１４】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５％が、中心コアで発生する。いくつかの実施形態において、加熱素子のジュール加熱の少なくとも約６％、８％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、及びさらには１００％が、中心コアで発生する。いくつかの実施形態において、加熱素子のジュール加熱の約１０％〜約１００％が、中心コアで発生する。
【００１５】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで導電性のコア部分は、加熱素子の全長の少なくとも約１０％である距離「ａ」だけ加熱素子の遠位先端から離れて高温の抵抗領域と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分は、加熱素子の全長の少なくとも約１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％の距離「ａ」で高温領域と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分は、加熱素子の全長の約１０％〜約５０％の範囲の距離「ａ」で高温領域と接合する。
【００１６】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関する。高温の抵抗領域は、「コア部分」の内側に距離「ｄ」だけ延在する（例えば、図１１Ａに図示されるとおり）。換言すれば、高温の抵抗領域は、絶縁体部分の最遠位端から装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する。これは、高温の抵抗領域が絶縁体部分の最遠位端と面一か、又はさらには遠位にある従来の同軸加熱素子（例えば、図１１Ｂによって図示されるとおり）とは対照的である。高温の抵抗領域は、外側部分において「コア部分」と同じレベルであってもよく（例えば、図１０及び図１１Ａの線２０４及び２０８によって示されるとおり）、又は異なってもよい（例えば、図１０及び図１１Ａの破線によって示されるとおり）。
【００１７】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、高温の抵抗領域は絶縁体部分の間及び絶縁体部分の外表面上に延在し、且つ、絶縁体部分に沿って高温の抵抗領域が延在する距離は、絶縁体部分の間と絶縁体部分の外表面上とで同じである。
【００１８】
加熱素子は、６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０、及び２４０ボルトの公称電圧を含め、幅広い公称電圧で用いることができる。
【００１９】
加熱素子は、様々な装置及び加熱システムにおいて点火するための点火器として有用である。特定の加熱システムとしては、ガス調理ユニット、商業用及び住居用建物の加熱ユニット、並びに瞬間湯沸かし器のように極めて速い点火が求められる様々な加熱ユニットが挙げられる。加熱素子はまた、点火器／グロープラグ用途にも用いることができる。
【００２０】
別の態様において、本発明は、概して、同軸セラミック加熱素子の作製方法に関し、これは、（ａ）予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合するステップと、（ｂ）流動性を有する部分を硬化させるか、ゲル化させるか、乾燥させるか、又はその他の方法で凝固若しくは固化させるステップと、（ｃ）焼結により、内側コア部分と外側部分とが絶縁体部分によって分離された同軸加熱素子を形成するステップとを含む。
【００２１】
本発明のこの態様に係る実施形態は、以下の特徴を含み得る。絶縁体部分は管の形態であり得る。１つ又は複数の流動性を有する材料は、１つ又は複数のスラリーの形態であり得る。１つ又は複数の流動性を有する材料は、１つ又は複数の粉末の形態であり得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、所望の加熱素子形状の金型内に、１つ又は複数の流動性を有する材料を提供し、金型内の材料中に、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を挿入することを含み得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を空の金型に挿入し、金型の絶縁体部分の周囲を、１つ又は複数の流動性を有する材料で少なくとも部分的に充填することを含み得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を空の金型内に部分的に挿入し、金型の絶縁体部分の周囲を、１つ又は複数の流動性を有する材料で少なくとも部分的に充填し、続いて、絶縁体部分をさらに金型内に所望の位置まで挿入することを含み得る。
【００２２】
加熱素子は、外側層の１つ又は複数の箇所を浸漬被覆し、及び／又は除去することにより、絶縁部分及び／又はコア部分の１つ又は複数の箇所を露出させるなど、本方法の任意の段階においてさらなる加工ステップに供され得る。
【００２３】
本発明の他の態様は、以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｂ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｃ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｄ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図２Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図２Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図３Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図３Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ｃ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図５】例示的加熱素子を示す。
【図６】例示的加熱素子を示す。
【図７Ａ】例示的加熱素子を示す。
【図７Ｂ】例示的加熱素子を示す。
【図８Ａ】例示的加熱素子を示す。
【図８Ｂ】例示的加熱素子を示す。
【図９Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｃ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｄ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｅ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図１０】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【図１１Ａ】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【図１１Ｂ】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
上記に考察されるとおり、新規の同軸セラミック加熱素子及び製造方法が提供される。加熱素子は、同軸構造であって、コア部分を含み、このコア部分が素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合し、次にこの高温の抵抗領域が、外側部分を形成する第２の導電性領域と接合する、同軸構造を有する。導電性のコア部分と外側の導電性部分とは、絶縁体部分によって分離される。
【００２６】
本明細書において参照されるとき、用語「絶縁体」又は「電気絶縁材料」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指す。本発明の加熱素子の電気絶縁材料成分は、１つ又は複数の金属窒化物及び／又は金属酸化物のみから、又は主としてそれから構成されてもよく、或いは、絶縁性の成分は、１つ若しくは複数の金属酸化物又は１つ若しくは複数の金属窒化物に加えて材料を含んでもよい。例えば、絶縁材料成分は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素、ＳｉＡＬＯＮ、又は窒化ホウ素などの窒化物；希土類酸化物（例えばイットリア）；又は希土類オキシ窒化物をさらに含有してもよい。
【００２７】
本明細書において参照されるとき、半導体セラミック（又は「半導体」）は、約１０〜１０８オームｃｍの室温抵抗率を有するセラミックである。半導体成分が高温領域の組成物の約４５ｖ／ｏより多く存在する場合（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲のときに）、得られる組成物の導電性は、高電圧用途には高過ぎる（絶縁体が不足しているため）。逆に、半導体材料が約５ｖ／ｏ未満しか存在しない場合（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲のときに）、得られる組成物の抵抗は低過ぎる（絶縁体が多過ぎるため）。ここでも、導体のレベルが高いほど、より抵抗の高い絶縁体と半導体との混合割合が、所望の電圧を実現するために必要となる。典型的には、半導体は、炭化ケイ素（ドープ型及び非ドープ型）、及び炭化ホウ素からなる群からの炭化物である。
【００２８】
本明細書において参照されるとき、「導電性材料」は、約１０−２オームｃｍ未満の室温抵抗率を有する材料である。導電性成分が高温領域の組成物の３５ｖ／ｏより多い量で存在する場合、得られるセラミックの導電性は、高過ぎることになり得る。典型的には、二珪化モリブデン、二珪化タングステン、及び窒化チタンなどの窒化物、及び炭化チタンなどの炭化物からなる群から選択される導体である。二珪化モリブデンが一般には好ましい。
【００２９】
セラミック組成物（例えば、絶縁体、導電性材料、半導体材料、抵抗材料）のいずれについても、セラミック組成物は、１つ又は複数の異なるセラミック材料（例えば、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などの金属酸化物、ＡｌＮなどの窒化物、Ｍｏ２Ｓｉ２及び他のＭｏ含有材料、ＳｉＡｌＯＮ、Ｂａ含有材料など）を含み得る。或いは、互いに異なるセラミック組成物（すなわち、単一の加熱素子において、絶縁体領域、導体領域及び抵抗（点火）領域として機能する、互いに異なる組成物）が、同じセラミック材料配合物（例えば、互いに異なるセラミック材料の二元、三元又はそれ以上の次元の配合物）を含んでもよく、但し、ここでこれらの配合物要素の相対量は異なり、例えば、１つ又は複数の配合物要素が、互いに異なるセラミック組成物のそれぞれの間で、少なくとも５、１０、２０、２５又は３０体積百分率だけ異なる。
【００３０】
様々な組成物を用いて本発明の加熱素子が形成され得る。一般に好ましい高温領域の組成物は、１）導電性材料と；２）半導体材料と；３）絶縁材料との少なくとも３つの成分を含む。導電性（低温）部分と絶縁（ヒートシンク）部分とは、同じ成分から構成されてもよく、但し、上述されるとおり、それらの成分は異なる比率で存在する。典型的な導電性材料としては、例えば、二珪化モリブデン、二珪化タングステン、窒化チタンなどの窒化物、及び炭化チタンなどの炭化物が挙げられる。典型的な半導体としては、炭化ケイ素（ドープ型及び非ドープ型）及び炭化ホウ素などの炭化物が挙げられる。典型的な絶縁材料としては、アルミナなどの金属酸化物又はＡｌＮ及び／又はＳｉ３Ｎ４などの窒化物が挙げられる。
【００３１】
一般に、好ましい高温（抵抗）領域の組成物は、（ａ）少なくとも約１０１０オームｃｍの抵抗率を有する電気絶縁材料を約５０〜約８０ｖ／ｏと；（ｂ）約１０〜約１０８オームｃｍの抵抗率を有する半導体材料を約５〜約４５ｖ／ｏと；（ｃ）約１０−２オームｃｍの抵抗率を有する金属導体を約５〜約３５ｖ／ｏとを含む。好ましくは、高温領域は、５０〜７０ｖ／ｏの電気絶縁性セラミックと、１０〜４５ｖ／ｏの半導体セラミックと、６〜１６ｖ／ｏの導電性材料とを含む。本発明の加熱素子での使用に特に好ましい高温領域の組成物は、１０ｖ／ｏのＭｏＳｉ２と、２０ｖ／ｏのＳｉＣと、残りの割合のＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３とを含む。
【００３２】
本明細書で使用されるとき、「予成形された」は、例えば領域又は１つ若しくは複数の材料を参照するとき、流動性を有さず、且つ流動性を有する材料の領域と結合されても形状が変化しない領域又は１つ若しくは複数の材料を指す。
【００３３】
本明細書で使用されるとき、「流動性」を有する材料又は領域は、予成形された領域又は１つ若しくは複数の材料と結合されると、予成形された領域又は１つ若しくは複数の材料に適合するように動く領域又は１つ若しくは複数の材料を指す。こうした材料としては、例えば、スラリー及び粉末が挙げられる。
【００３４】
本明細書で使用されるとき、「温度到達時間」又は同様の用語は、点火器の高温領域が室温（約２５℃）から燃料（例えばガス）点火温度の約１０００℃まで昇温するのにかかる時間を指す。特定の点火器についての温度到達時間値は、好適には、二色の赤外高温計を使用して測定される。
【００３５】
ここで図面を参照すると、図１Ａ〜Ｄは、同軸加熱素子１０の形成方法の一実施形態を示す。任意の所望の加熱素子形状を有する金型１１に、流動性を有する第１の材料１２が提供される。金型１１を使用して、例えば、図に示されるとおりの、丸い断面、特に円形の断面を有するロッド状の加熱素子が提供される。当然ながら、任意の金型形状が同様に用いられ得る。金型１１には、流動性を有する第２の材料１４もまた提供される。
【００３６】
第１の材料１２と第２の材料１４とは、例えば図１Ａに示されるとおり、金型１１に加えたときに互いに大幅に混ざり合ってはならない。
【００３７】
材料１２、１４のかかる分離は、いくつかの方法で達成することができる。例えば、材料１２、１４を十分に高い粘度で金型１１内に導入することにより、実質的に互いに混ざり合うことを回避し得る。この手法では、材料１２、１４は、粉末として、又は実質的に互いに混ざり合うことのない粘性組成物（例えば、１つ又は複数の高分子結合剤を含む組成物）として導入され得る。
【００３８】
材料１２、１４はまた、より低い粘度の、互いに混ざり合うことは回避される組成物、例えば、ある材料を水性組成物として導入し、第２の材料を有機溶媒担体で導入するなど、異なる極性の担体溶媒を有する組成物で、金型１１内に導入され得る。
【００３９】
さらなる手法では、異なる密度を有する第１の材料１２及び第２の材料１４が利用されてもよく、第１の材料１２は第２の材料１４より密度が高いため、第１の材料は金型の底部に定着し、及び第２の材料は金型の上部に定着して二相となる。
【００４０】
金型に添加される材料１２又は１４の典型的な組成物としては、それぞれ、適切なスラリーとなるよう、水及び／又は１つ若しくは複数の有機溶媒、１つ若しくは複数の結合剤、分散剤及びｐＨ調整と組み合わされたセラミック粉末（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｏＳｉ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４）が挙げられる。ある結合剤組成物は、約６〜８ｗｔ％の植物性ショートニング、２〜４ｗｔ％のポリスチレン及び２〜４ｗｔ％のポリエチレンを含み得る。
【００４１】
当然ながら、相間、例えば、相間の界面の部分に沿っていくらかの量の混合はあってもよく、それにより、各相が凝固又は固化したときの強度及び相間の結合の促進がもたらされ得る。
【００４２】
材料１２、１４は、金型に同時に、又は任意の順序で導入することができ、定着すると、記載のとおり二相を形成し得る。作製を容易にして時間を短縮するため、第１の材料１２がまず初めに添加され、次に第２の材料１４が添加される。第２の材料は、第１の材料１２と第２の材料１４とが過度に混合しないよう漸増させる形で添加され得る。過度に混合すれば、材料１２、１４が各相に定着するまでに、さらに時間を要し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態において、第１の材料１２と第２の材料１４とは、抵抗率が異なる。例えば、例示的実施形態において、第１の材料１２は、加熱素子の遠位端１２ａを形成する抵抗材料である一方、第２の材料１４は導電性材料であり、従って、結果としてその遠位端１２ａに「高温領域」を有する加熱素子（例えば、図１Ｄに示されるとおり）が得られる。必要であれば、第１の材料１２及び第２の材料１４と異なる抵抗率を有する１つ又は複数のさらなる材料がさらに提供され、抵抗率の異なるさらなる領域を有する加熱素子が形成され得る（例えば、図２Ｂ及び図３Ｂに示されるとおり、第１の材料１２と第２の材料１４との間に、「ブースター領域」を形成するよう第３の材料１３が位置する）。図１Ｂに示されるとおり、次に、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６が、金型内の第１の材料１２及び第２の材料１４の中に挿入される。材料１２、１４は流動性を有するため、絶縁体部分１６が金型内のその所望の位置に押し込まれると、絶縁体部分１６によって動かされる。絶縁体部分１６は、いくつかの実施形態において、挿入を促進するよう先の尖った、又は鋭い遠位端を備え得る。いくつかの実施形態において、絶縁体部分１６は、絶縁体部分１６を金型内に適切に置くための１つ又は複数の突出部１５を、近位端に備える（例えば、図１Ｃ及び図３Ａ〜図３Ｂに示されるとおり）。例えば、管の形態が実質的に円形の断面形状を有するとき、絶縁体部分１６の近位端は、例えば、その周囲に沿ってリップを有してもよく、このリップは、金型の上面に載置され、それにより製造中に絶縁体部分１６をその適切な位置に位置決めして保持するように構成される。同様に絶縁体部分１６の位置決めを促進するための、任意の他の好適な１つ又は複数の突出部（例えば、絶縁体部分１６の近位端から延在する対向するタブ）が提供され得る。突出部は、典型的には絶縁体材料で形成され、好ましくは絶縁体部分１６と同じ材料で形成される。しかしながら、必要であれば、突出部１５には異なる材料を使用してもよい。こうした突出部は、場合により加熱素子の製造後に取り除かれてもよく（例えば、材料１２、１４の固化／凝固後又は焼結後）、例えば、容易な取外し機構が提供され得るか、又は必要であれば機械で切り取るか、若しくは同様に取り除き得る。絶縁体部分１６を適切に位置決めし、所望のとおり／必要に応じて材料１２、１４を各相に定着させると、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型から取り出され、必要であれば好適なさらなる加工ステップに供される。特に、加熱素子を高温（例えば、１６００℃、１７００℃又は１８００℃より高温）で焼結すると、緻密な加熱素子が形成される。
【００４４】
このように形成された加熱素子１が図２Ａ及び図２Ｂに示され、これは導電性のコア部分２２を備え、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合する。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離される。この実施形態に従えば、高温領域２０は第１の材料１０で形成される。コア部分２２と外側部分２６とは同じ材料で形成され、これは、図１Ａ〜図１Ｄに示される第２の材料１４である。図２Ｂの実施形態に示されるとおり、第３の材料１３が金型に提供されるときも、コア部分２２と外側部分２６とは同じ材料で形成され、これは、第２の材料１４と第３の材料１３との組み合わせである。
【００４５】
加熱素子は、いくつかの実施形態において、例えば、外側層の１つ又は複数の箇所を浸漬被覆し、除去するなど、従来技術に従う１つ又は複数の追加的な加工ステップに供され、さらなる所望の特性が付与され得る。
【００４６】
図３Ａ及び図３Ｂは、同軸加熱素子の形成方法の別の実施形態を示す。図３Ａに示されるとおり、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６は、金型１１内においてその所望の端部位置に（例えば、適切な位置決めを促進し得るための、絶縁体部分１６の近位端にある１つ又は複数の突出部を使用して）挿入される。次に、流動性を有する第１の材料１２及び第２の材料１４（及び、いくつかの実施形態において、第３の材料１３などの１つ又は複数のさらなる材料）が、同時に、又は任意の順序で順番に金型に提供され、これらはその流れ特性によって金型１１の絶縁体部分１６の周りの空間を完全に充填する。本明細書において考察されるとおり、第１の材料１２と第２の材料１４とは実質的に互いに混じり合わない。必要であれば、絶縁体部分１６がさらに動かされ、材料１２、１４内に位置決めされ得る。次に、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型から取り出され、必要であれば、本明細書に記載される好適なさらなる加工ステップに供される。このように形成された加熱素子１８は、図１Ａ〜図１Ｄの方法に従い提供されるものと同じであり得るとともに、図２Ａ〜図２Ｂに示される。
【００４７】
図４Ａ〜図４Ｃは、同軸加熱素子の形成方法の別の実施形態を示す。この方法は、図１Ａ〜図１Ｄに示される方法と、図３Ａ〜図３Ｂに示される方法との組み合わせである。図４Ａに示されるとおり、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６が、金型１１に部分的に挿入される。次に、流動性を有する第１の材料１２及び第２の材料１４（及び、いくつかの実施形態において、第３の材料１３などの１つ又は複数のさらなる材料）が、同時に、又は任意の順序で順番に金型に提供され、これらはその流れ特性によって金型１１の絶縁体部分１６の周りの空間を完全に充填する。次に、絶縁体部分１６が、金型内のその所望の端部位置まで材料１２、１４中にさらに挿入されるか、又は押し込まれ、本明細書に記載されるとおり、それによって材料１２、１４が動かされる。絶縁体部分１６が適切に位置決めされると、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型１１から取り出され、必要であれば、好適なさらなる加工ステップに供される。このように形成された加熱素子１８は、図１Ａ〜図１Ｄ及び図３Ａ〜図３Ｂの方法に従い提供されるものと同じであり得るとともに、図２Ａ〜図２Ｂに示される。
【００４８】
概して図５に示されるとおり、本発明の好ましい加熱素子１００は、概して、導電性のコア部分２２を含み、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合し得る。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離される。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態に従えば、絶縁体部分１６が金型に提供される前、又は提供された後に、金型は抵抗材料１２で部分的に充填され、一方、金型の残りの部分は、所望のレベルまで導電性材料１４で充填される。抵抗材料及び導電性材料は、特定の実施形態において、セラミックスラリーの形態であってもよく、及びゲルキャスト成形又はスリップキャスト成形技法が用いられ得る。抵抗材料及び導電性材料は、特定の他の実施形態において、セラミック粉末の形態であり得る。予成形するか、又は固化させた／固体の絶縁体部分１６は、金型への挿入前に、例えば、ゲルキャスト成形、スリップキャスト成形、押出し、射出成形、加圧成形、ＣＩＰ等の、絶縁体を形成するための任意の好適な方法によってその所望の形状に形成され得る。ゲル化及び／又は乾燥は、スラリーを固化させるのに好適な加工ステップの例であり得る一方、加圧成形又はＣＩＰ加工は、粉末材料に好適な加工ステップであり得る。
【００５０】
いくつかの実施形態において、例えば図２Ｂに示されるとおり、ブースター領域が提供され、ここではコア部分２２が、比較的抵抗の低い第１の導電性領域２２ａ（導電性材料１４で形成される）と、中程度の抵抗の第２の導電性領域２２ｂ（導電性材料１３で形成される）とを含み、且つ外側部分２６もまた、比較的抵抗の低い第１の導電性領域２６ａ（導電性材料１２で形成される）と、中程度の抵抗の第２の導電性領域２６ｂ（材料１３で形成される）とを含む。そのため、得られる加熱素子は、その電気経路に沿って順番に、比較的抵抗の低い第１の導電性領域と、中程度の抵抗のブースター領域（ときに増強領域とも称される）と、抵抗の高い高温領域（ときに点火領域とも称される）とを含む、電気抵抗の異なる少なくとも３つの領域を備える。ブースター領域は、概して正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有し、高温領域により効果的な電流の流れを提供することができる。Ｗｉｌｌｋｅｎｓに対する米国特許出願公開第２００２／０１５０８５１号明細書を参照のこと。
【００５１】
いくつかの実施形態において、加熱素子の幅又は断面は、遠位範囲において減少又は縮径する。例えば、加熱素子は、その長さの一部分に沿った導電性の範囲で形成されてもよく、さらに、抵抗の増加をもたらすテーパ状の遠位部を備え得る。例えば、点火器の第１の導電性範囲６２（例えばコアの近位端にある）が、高温領域６４の最小の断面積又は幅（図６における幅ｇ）より少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９又は１０倍大きい最大の断面積又は幅（図６における幅ｆ）を有し得る。いくつかの実施形態において、導電性範囲６２と高温領域６４とは同じ材料で形成され、縮径することによってのみ、高温領域６４における抵抗の増加がもたらされる。いくつかの実施形態において、高温領域６４は、導電性範囲６２より大きい抵抗を有する材料で形成され、高温領域６４が縮径していることで、高温領域６４における抵抗の増加がさらに亢進される。高温領域の範囲において、このように幅又は断面積が減少することにより、導電性領域及び高温領域を形成するために用いられる組成物の違いを最小限に抑えることができるため、互いに異なる領域の組成物の熱膨張係数が良好に一致し、それにより、点火器に亀裂が入ったり、又はその他の形で劣化したりする可能性を回避できることを含め、互いに異なる領域の接合が促進されるという利点が提供され得る。より詳細には、高温領域の範囲の幅又は断面積をこのように減少させることで、高温領域の範囲において、比較的導電性が高く、且つ導電性領域に用いられるセラミック材料に少なくとも近いセラミック組成物を使用することが可能となり得る。これらのシステムでは、セラミック材料それ自体ではなく（又はセラミック材料に加えて）、高温領域の幅の減少が、抵抗加熱をもたらす。
【００５２】
本明細書において考察されるとおり、コア６２と外側部分６６との間には、示されるとおり絶縁体領域６８が間置される。図６は、断面の幅又は寸法がその長さに沿って徐々に縮径する加熱素子を示すが、加熱素子は異なるテーパ構成を備えてもよいことが注記される。例えば、加熱素子は、導電性の近位部に沿った断面の幅又は寸法が実質的に一定であってもよく、且つ遠位の高温領域の範囲でのみ縮径してもよい。
【００５３】
多くの用途に丸い断面形状が用いられるが、本発明の加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分について、丸くない、又は非円形の断面形状を有してもよく、例えば、加熱素子長さの最大又は少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセントが、丸くない、又は非円形の断面形状を有するか、又は加熱素子の全長が、丸くない、又は非円形の断面形状を有する。
【００５４】
例えば、加熱素子は、図７Ａ及び図７Ｂに図示される加熱素子７０によって例示されるとおり、実質的に正方形の外形で提供され得る。加熱素子７０は、角状の断面形状（より詳細には、図７Ｂに明確に図示されるとおり、実質的に正方形の断面形状）を有する矩形状又はスティルト状のコア導電性領域７２と、同様に角状の外側導電性領域７４と、それらの間に間置された絶縁体部分７６とを含む。本明細書に記載されるような高温領域が、さらに提供され得る。
【００５５】
図８Ａ及び図８Ｂに示されるとおりの加熱素子８０によって例示されるような、不規則な丸い形状の外形を有する加熱素子もまた、提供され得る。加熱素子８０は、各々が不規則な丸い断面形状を有するコア導電性領域８２及び外側導電性領域８４と、それらの間に間置される不規則な形状の絶縁体部分８６とを含む。本明細書に記載されるような高温領域が、さらに提供され得る。
【００５６】
いくつかの実施形態において、同軸加熱素子に１つ又は複数のさらなる層を加えることが望ましいことがある。例えば、図９Ａ〜図９Ｅに示されるとおり、さらなる外側層２３が提供され得る。特定の実施形態において、この外側層２３は、絶縁体層である。この加熱素子の形成には、上記の一般的な方法を用いることができ、金型の表面の少なくとも一部分に沿って金型の内側を覆うようにして、予成形されたさらなる絶縁体部分４３を金型１１に挿入する追加のステップを伴う。第１のステップとして、絶縁体部分４３が、概して、例えば図９Ａに示されるとおり挿入され、続いて、上記のとおり任意の順序でさらなる加工ステップ（例えば、任意の順序による第１の材料１２／第２の材料１４及び絶縁体部分４６の導入、材料１２、１４の固化又は凝固、及び焼結）が行われることにより、１つ又は複数のさらなる層を有する加熱素子が提供される。例えば、図９Ｅに示されるとおり、加熱素子は導電性のコア部分２２を備えてもよく、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合する。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離され、装置の外表面は、その長さの少なくとも一部分に沿って、外側の絶縁体部分２３によって被覆される。
【００５７】
別の実施形態において、加熱素子は、１つ又は複数のさらなる「内側」層を備え得る。例えば、加熱素子は、本明細書で考察される方法のいずれかに従い、絶縁体部分１６の内側及び／又は周囲に挿入された１つ又は複数の追加的な予成形された絶縁体部分（例えば同軸の絶縁体管）を備えることができる。１つ又は複数の追加的な絶縁体部分は、材料１２、１４を固化又は凝固させる前のいずれの段階でも挿入することができる。任意の形状、数、及び構成の絶縁体部分を提供することができる（例えば、加熱素子に沿って長手方向に延在する細長い絶縁体部分が、例えば概して示されるが、絶縁体部分はそれに限定されず、例えば、加熱素子本体に沿って異なる方向に延びてもよい。必要であれば、図９Ａ〜図９Ｅに関連して考察されたとおりの外側の絶縁体コーティングなど、さらなる層を提供してもよい。
【００５８】
本発明の加熱素子の寸法は幅広く異なり得るとともに、その意図する用途に基づき選択され得る。例えば、加熱素子の長さは、好適には、約０．５〜約５ｃｍ、いくつかの実施形態においては約１〜約３ｃｍであり得る。加熱素子の断面の幅は、好適には約０．２〜約３ｃｍであり得る。同様に、導電性部分、絶縁体部分、及び高温領域部分の長さも好適に異なり得る。導電性のコア部分の例示的長さは、約０．２ｃｍ〜約２ｃｍ、〜約３ｃｍ、〜約４ｃｍ、〜約５ｃｍ、又はそれ以上であり得る。コア導電性領域の典型的な長さは、約０．５〜約５ｃｍであり得る。高温領域の高さは、約０．１ｃｍ〜約２ｃｍ、〜約３ｃｍ、〜約４ｃｍ、又は〜約５ｃｍで、高温領域の電気経路の全長が約０．２〜約２ｃｍ又はそれ以上であり得る。高温領域の電気経路の典型的な長さは、約１．５ｃｍ〜約２ｃｍの範囲である。
【００５９】
本発明に従い形成される同軸加熱素子は、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合又は当接する導電性のコア部分２２と、絶縁体部分２４によって導電性のコア部分２２と隔離される外側の導電性部分２６とを提供し、ここで導電性のコア部分２２は、高温の抵抗領域２０と接合する（例えば、図１０及び図１１Ａの境界線２０４及び２０８によって示されるとおり）。この境界面は、従来の同軸加熱素子と比べて加熱素子の遠位先端２００からより大きい距離「ａ」だけ離れたところに設けられる。特に、同軸加熱素子は、例えば、図１１Ｂの線２１０及び破線によって示されるとおり、コア部分内にある（絶縁体部分２６の間又はその内側の）絶縁体部分２４の最遠位端と面一か、又はそれより遠位にある高温の抵抗領域２０を提供する。例えば、本加熱素子及び方法は、遠位先端２００から離れて、加熱素子の全長「ｂ」の少なくとも約１０％である距離「ａ」を提供し得る。いくつかの実施形態において、コア部分２２は、加熱素子の全長「ｂ」の少なくとも約１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％の距離「ａ」にある境界面２０４で高温領域２０と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分２２は、加熱素子の全長「ｂ」の約１０％〜約５０％の範囲の距離「ａ」において高温領域２０と接合する。外側の導電性部分２６と高温の抵抗領域２０との間の境界面は、コア部分２２における境界面と同等であってもよく（例えば、図１０及び図１１Ａの線２０４及び２０８によって示されるとおり）、又は境界面は、コア部分２２における境界面より「高い」又は「低い」レベルにあってもよい（例えば、図１０及び図１１Ａの破線によって示されるとおり）。外側部分２６における抵抗性の高温領域２０と導電性領域との間の境界面のレベルは、概して同一であるが、必要であれば、異なってもよい。
【００６０】
いくつかの実施形態において、図１１Ａに図示されるとおり、高温の抵抗領域２０は、「コア部分」内に（すなわち、絶縁体部分２４の間又はその内側に）距離「ｄ」だけ延在する。換言すれば、高温の抵抗領域は、絶縁体部分２４の最遠位端から装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する。これは、高温の抵抗領域が絶縁体部分の最遠位端と面一であるか、又はそれより遠位にさえある従来の同軸加熱素子（例えば、図１１Ｂによって図示されるとおり）とは対照的である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、絶縁体部分の全長（図１１Ａにおいて「ｅ」によって示されるとおり）の少なくとも１％である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、距離「ｅ」の少なくとも２％、少なくとも４％、６％、８％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、距離「ｅ」の約１％〜約５０％である。
【００６１】
例示的実施形態において、本発明の加熱素子の高温領域又は抵抗領域は、公称電圧で約１４５０℃未満の最高温度まで；及び公称電圧の約１１０パーセントである上限線間電圧で、約１５５０℃未満の最高温度まで；及び公称電圧の約８５パーセントである下限線間電圧で、約１３５０℃未満の最高温度まで加熱され得る。
【００６２】
本加熱素子及び方法は、内側の導電性のコア部分２２が絶縁体部分２４によって外側の導電性部分２６と隔離される場合について記載されているが、コア部分２２及び／又は外側部分２６が１つ又は複数の絶縁体材料で形成されてもよく、一方、コア部分と外側部分との間に間置される部分２４が１つ又は複数の導電性材料で形成されてもよいことは理解されるべきである。さらに、本明細書に記載される実施形態は、抵抗率の高い組成物によって提供される高温領域２０を備えるが、いくつかの実施形態においては、異なる抵抗率の組成物によって形成されたかかる高温領域はなくてもよい。いくつかの実施形態では、異なる抵抗率の組成物による高温領域２０はなく、加熱素子はテーパ状の遠位端を備えることで、遠位端に高い抵抗を提供する。
【実施例】
【００６３】
以下の非限定的な例は、本発明の例示である。ここで言及される文献は全て、全体として参照により本明細書に援用される。
【００６４】
実施例１：加熱素子の製造
抵抗性組成物（２０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、５ｖｏｌ％のＳｉＣ、７４ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３）の粉末、導電性組成物（２８ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、７ｖｏｌ％のＳｉＣ、６４ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３）の粉末を、１０〜１６ｗｔ％の有機結合剤（約６〜８ｗｔ％の植物性ショートニング、２〜４ｗｔ％のポリスチレン及び２〜４ｗｔ％のポリエチレン）と混合し、約６２〜６４ｖｏｌ％固体の装入物である２つのペーストを形成する。
【００６５】
抵抗性組成物のペーストを、概して図１Ａ〜図１Ｄに図示されるとおりのＵ字型金型に装入し、続いて抵抗性組成物の上に導電性のペースト組成物を装入することにより、概して図１Ａに示されるとおりの分離したセラミック組成物層を提供する。
【００６６】
次に、２本の予成形された絶縁体管を金型に挿入し、それによって絶縁体管を、導電性組成物層を通じて抵抗性組成物層の中まで延在させる。絶縁体管は、絶縁性組成物１０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、８９ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３の組成物によって形成される。
【００６７】
このように充填された金型は、次に１０００℃超の熱で１時間処理し、３つの領域の加熱素子を固化させる。次に加熱素子を金型から取り出し、１ａｔｍの圧力下にアルゴン中１７５０℃で、理論値９５〜９７％まで緻密化させる。
【００６８】
実施例２：加熱素子の製造
以下の構成要素、すなわち、水、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＳｉ２、ＳｉＣ、Ｋｅｌｃｏｇｅｌ（ゲル化剤）、Ｄａｒｖａｎ ８１１（分散剤）、ＷＢ４１０１及びＭ０４０（結合剤）、及びＣａＣｌ２を使用して、抵抗性スラリー及び導電性スラリー（双方とも約５０ｖｏｌ％固体）を形成する。特に、５０〜９５ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３と、１０〜４５ｗｔ％のＭｏＳｉ２と、０〜５ｗｔ％のＳｉＣとの固体混合物を調製する。９０〜９５ｗｔ％の水と、１〜４ｗｔ％のＫｅｌｃｏｇｅｌと、１〜４ｗｔ％のＤａｒｖａｎ ８１１と、０．５〜２．０ｗｔ％の結合剤（ＷＢ４１０４及びＭ０４０）と、０．２５〜１．０ｗｔ％のＣａＣｌ２との液体混合物もまた調製する。次に、固体混合物と液体混合物とを加え合わせて、４０〜６０ｖｏｌ％固体を含むスラリーを提供する。
【００６９】
概して図１Ａ〜図１Ｄに図示されるとおりのＵ字型金型に抵抗性スラリーを装入し、続いて抵抗性組成物の上に導電性スラリーを装入することにより、概して図１Ａに示されるとおりの分離したセラミック組成物層を提供する。
【００７０】
次に、予成形された絶縁体管を金型に挿入し、それによって絶縁体管を、導電性組成物層を通じて抵抗性組成物層の中まで延在させる。
【００７１】
このように充填された金型は、次に乾燥させて金型から取り出す。その後、素子をゲル状にし、焼結によって緻密化したうえ、加圧成形する（熱間等静圧圧縮成形）。次に、さらなる機械加工及びろう付けステップを行い、所望の特性を有する加熱素子を提供する。
【００７２】
本発明は、その特定の実施形態を参照して詳細に記載されている。しかしながら、当業者が、本開示を考察することで、本発明の趣旨及び範囲内において修正及び改良を行い得ることは理解されるであろう。
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照により全体として本明細書に援用される２００７年１２月２９日出願の米国仮特許出願第６１／００９，５０７号明細書の利益を主張する。
【０００２】
１．分野
本発明は、新規の同軸セラミック加熱素子を提供する。本発明は、さらに、同軸セラミック加熱素子の新規の製造方法を提供し、この方法は、（１）予成形するか、又は固化させた材料の領域を、１つ又は複数の流動性を有する材料の領域と一体に合わせるステップと、（２）流動性を有する材料を硬化させるか、ゲル化させるか、乾燥させるか、又はその他の方法で凝固若しくは固化させるステップとを含む。好ましくは、素子は続いて焼結され、それによって一体化した同軸加熱素子が形成される。点火器及びグロープラグなどの、本発明の製造方法から得られる同軸加熱素子もまた提供される。
【背景技術】
【０００３】
２．背景
セラミック材料は、例えば、ガス燃焼炉、ストーブ及び衣類乾燥機における点火器として、著しい成功を収めている。セラミック点火器の作製には、セラミック部品を通じた電気回路の組立てが含まれる。セラミック部品の一部は抵抗が高く、ワイヤリード線によって電流が流れると温度が上昇する。例えば、米国特許出願公開第２００６／０１３１２９５号明細書及び米国特許第６，０２８，２９２号明細書；同第５，８０１，３６１号明細書；同第５，４０５，２３７号明細書；及び同第５，１９１，５０８号明細書を参照のこと。
【０００４】
典型的な点火器はほぼ矩形形状の素子であり、点火器の先端に抵抗が高い「高温領域」を有し、点火器の反対側の端部から高温領域にかけて１つ又は複数の導電性の「低温領域」が設けられている。現在利用可能な点火器の一つ、Ｍｉｌｆｏｒｄ，Ｎ．Ｈ．のＮｏｒｔｏｎ Ｉｇｎｉｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能なＭｉｎｉ−Ｉｇｎｉｔｅｒは、１２ボルト〜１２０ボルトの適用で設計され、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）、二珪化モリブデン（「ＭｏＳｉ２」）、及び炭化ケイ素（「ＳｉＣ」）を含む組成物を有する。
【０００５】
セラミック点火器システムには、温度到達時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（すなわち、室温から設計点火温度までの加熱にかかる時間）の高速性、すなわち短さ、及び交換することなく長期間動作するのに十分なロバスト性を含め、様々な性能特性が求められる。しかしながら、従来の点火器の多くは、かかる要件を一貫して満たすことはない。さらに、現行のセラミック点火器は、特に、ガス調理台等に用いられる点火器などの、衝撃が持続し得る環境において、使用中の破損が欠点となっている。
【０００６】
火花点火システムは、セラミック点火器に代わるものとして提案されている手法である。例えば、ガス調理バーナーの点火に有用と言われている特定の火花点火器について、米国特許第５，９１１，５７２号明細書を参照のこと。一般に火花点火が呈する有利な性能特性の一つは、迅速な点火である。すなわち、火花点火器は、作動され次第、極めて迅速にガス又は他の燃料源を点火することができる。
【０００７】
特定の適用では、迅速な点火は決定的に重要であり得る。例えば、いわゆる「瞬間」湯沸かし器が、ますます好評を博している。概して、米国特許第６，１６７，８４５号明細書；同第５，３２２，２１６号明細書；及び同第５，４３８，６４２号明細書を参照のこと。こうしたシステムは、一定量の温水を保管するのではなく、給水管が開栓され次第、例えば、使用者が給水栓を開放位置にひねり次第、本質的に直ちに水を加熱する。従って、水が開放され次第、本質的に即時加熱することにより、栓が開けられ水が「出る」のと実質的に同時に温水を送給することが求められる。かかる瞬間湯沸かしシステムは、一般に火花点火器を利用している。少なくとも現行の多くのセラミック点火器が提供している性能では、瞬間湯沸かし器で求められるような、極めて迅速な点火用途において商業的に利用するには、温度到達時間がかかり過ぎる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
迅速な点火の必要性に応えて、同軸セラミック点火器が提供されている。しかしながら、現行の同軸点火器設計は、ジュール加熱の大部分が点火器の表面又はその近傍で発生する結果となっている。結果として、点火器は外部冷却及び時効効果を一層受け易くなる。さらに、全ての層をスリップキャスト成形するなどの現行の同軸点火器の製造方法は、再現性及び一貫性の問題を被る。全ての層をスリップキャスト成形すると、日によって、及び金型によって寸法に違いが生じ得ることになり、違いがあれば、そのように形成された点火器の性能及び一貫性に影響が出る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここで、新規の同軸セラミック加熱素子及び同軸セラミック加熱素子の作製方法が提供される。本発明の同軸加熱素子は導電性のコア部分を備え、これは、加熱素子の遠位端にある抵抗性の高温領域内まで延在し、従って導電性のコア部分と抵抗性の高温領域との間の境界面が、加熱素子の遠位先端から離れている。換言すれば、高温領域を形成する抵抗領域が、中心コア内まで延在する。結果として、加熱素子の性能が向上する。例えば、本同軸加熱素子の設計は中心加熱を作動させ、外部冷却及び時効効果に対する抵抗性の向上など、多くの利益を提供し得る。さらに、抵抗経路長が長くなると、それによって、より低い抵抗率（より高いＰＴＣ）の材料を使用することが可能となり、点火器の昇温時間が短縮されるなど、さらなる利益が提供される。本同軸加熱素子設計は、経路長が長いことにより、動作電圧をより高くすることも可能となり得る。経路長が短くなると、最終的には材料の抵抗率を非常に高くしなければならず、加熱素子を一貫して作製することは困難となる。従って、本発明によって提供される経路長の長くなった設計により、さらには、より一貫した加熱素子の製造が可能となる。
【００１０】
本方法はまた、コア部分と外側部分と（例えば、コア導電性部分と外側導電性部分と）を、互いに同じレベル又は高さで形成することが可能など、さらなる利点も提供する。
【００１１】
本方法及び加熱素子は、さらに、迅速な温度到達時間値（例えば、約３秒以下、又はさらに約２秒以下）を提供する。本発明の方法は、さらに、特定の所望の特性を有する加熱素子を、一貫して、且つ高い信頼性で作製することを可能にする。
【００１２】
一態様において、本発明は、概して、同軸セラミック加熱素子であって、導電性のコア部分を含み、この導電性のコア部分が素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合し、次にこの高温の抵抗領域が、外側部分を形成する第２の導電性領域と接合する、同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、導電性のコア部分と外側の導電性部分とは、絶縁体部分によって隔離される。
【００１３】
本発明のこの態様に係る実施形態は、以下の特徴を含み得る。加熱素子は、電気抵抗率が異なる複数の部分、例えば、全て電気の通る順序で、第１の導電性領域と、抵抗性の高温領域と、第２の導電性領域とを含み得る。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分（例えば、電気リード線が加熱素子に固定されるところから、抵抗性の高温領域まで延在する長さ）に沿って丸い断面形状を有し得る。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分、例えば、加熱素子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、又は加熱素子の全長について、実質的に楕円形、円形又は他の丸い断面形状を有し得る。加熱素子は、実質的に円形の断面長さを有してもよく、それによりロッド形状の加熱素子がもたらされる。加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分について、丸くない、又は非円形の断面長さを有し得る。抵抗性の高温領域は、外側部分における抵抗性の高温領域のレベルと同等なレベルまでコア部分内に延在し得る。導電性領域と抵抗性の高温領域との間の境界面は、従来の同軸設計と比べ、装置の遠位先端からより大きい距離だけ離れたところに設けられる。同軸加熱素子は、中心コアを通り、加熱素子の外側部分に沿って戻る電流の流れを提供し得る。加熱素子は軸対称であり得る。間置される空隙（空気）部分が、１つ又は複数の部分の間、例えば、コア部分と絶縁体部分との間に設けられ得る。導電性のコア部分は、外側の導電性部分内に囲い込まれるか、又はその他の方法で嵌装されてもよく、例えば、導電性のコア部分の約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００パーセント以下の断面が、外側の導電性部分と重なる。
【００１４】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５％が、中心コアで発生する。いくつかの実施形態において、加熱素子のジュール加熱の少なくとも約６％、８％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、及びさらには１００％が、中心コアで発生する。いくつかの実施形態において、加熱素子のジュール加熱の約１０％〜約１００％が、中心コアで発生する。
【００１５】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで導電性のコア部分は、加熱素子の全長の少なくとも約１０％である距離「ａ」だけ加熱素子の遠位先端から離れて高温の抵抗領域と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分は、加熱素子の全長の少なくとも約１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％の距離「ａ」で高温領域と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分は、加熱素子の全長の約１０％〜約５０％の範囲の距離「ａ」で高温領域と接合する。
【００１６】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関する。高温の抵抗領域は、「コア部分」の内側に距離「ｄ」だけ延在する（例えば、図１１Ａに図示されるとおり）。換言すれば、高温の抵抗領域は、絶縁体部分の最遠位端から装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する。これは、高温の抵抗領域が絶縁体部分の最遠位端と面一か、又はさらには遠位にある従来の同軸加熱素子（例えば、図１１Ｂによって図示されるとおり）とは対照的である。高温の抵抗領域は、外側部分において「コア部分」と同じレベルであってもよく（例えば、図１０及び図１１Ａの線２０４及び２０８によって示されるとおり）、又は異なってもよい（例えば、図１０及び図１１Ａの破線によって示されるとおり）。
【００１７】
別の態様において、本発明は、概して、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、絶縁体部分によって導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分とを含む同軸セラミック加熱素子に関し、ここで、高温の抵抗領域は絶縁体部分の間及び絶縁体部分の外表面上に延在し、且つ、絶縁体部分に沿って高温の抵抗領域が延在する距離は、絶縁体部分の間と絶縁体部分の外表面上とで同じである。
【００１８】
加熱素子は、６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０、及び２４０ボルトの公称電圧を含め、幅広い公称電圧で用いることができる。
【００１９】
加熱素子は、様々な装置及び加熱システムにおいて点火するための点火器として有用である。特定の加熱システムとしては、ガス調理ユニット、商業用及び住居用建物の加熱ユニット、並びに瞬間湯沸かし器のように極めて速い点火が求められる様々な加熱ユニットが挙げられる。加熱素子はまた、点火器／グロープラグ用途にも用いることができる。
【００２０】
別の態様において、本発明は、概して、同軸セラミック加熱素子の作製方法に関し、これは、（ａ）予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合するステップと、（ｂ）流動性を有する部分を硬化させるか、ゲル化させるか、乾燥させるか、又はその他の方法で凝固若しくは固化させるステップと、（ｃ）焼結により、内側コア部分と外側部分とが絶縁体部分によって分離された同軸加熱素子を形成するステップとを含む。
【００２１】
本発明のこの態様に係る実施形態は、以下の特徴を含み得る。絶縁体部分は管の形態であり得る。１つ又は複数の流動性を有する材料は、１つ又は複数のスラリーの形態であり得る。１つ又は複数の流動性を有する材料は、１つ又は複数の粉末の形態であり得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、所望の加熱素子形状の金型内に、１つ又は複数の流動性を有する材料を提供し、金型内の材料中に、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を挿入することを含み得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を空の金型に挿入し、金型の絶縁体部分の周囲を、１つ又は複数の流動性を有する材料で少なくとも部分的に充填することを含み得る。予成形するか、又は固化させた絶縁体部分と、１つ又は複数の流動性を有する材料の部分とを結合する方法ステップは、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分を空の金型内に部分的に挿入し、金型の絶縁体部分の周囲を、１つ又は複数の流動性を有する材料で少なくとも部分的に充填し、続いて、絶縁体部分をさらに金型内に所望の位置まで挿入することを含み得る。
【００２２】
加熱素子は、外側層の１つ又は複数の箇所を浸漬被覆し、及び／又は除去することにより、絶縁部分及び／又はコア部分の１つ又は複数の箇所を露出させるなど、本方法の任意の段階においてさらなる加工ステップに供され得る。
【００２３】
本発明の他の態様は、以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｂ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｃ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図１Ｄ】本発明の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図２Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図２Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図３Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図３Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図４Ｃ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子を示す。
【図５】例示的加熱素子を示す。
【図６】例示的加熱素子を示す。
【図７Ａ】例示的加熱素子を示す。
【図７Ｂ】例示的加熱素子を示す。
【図８Ａ】例示的加熱素子を示す。
【図８Ｂ】例示的加熱素子を示す。
【図９Ａ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｂ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｃ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｄ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図９Ｅ】本発明の別の好ましい製造手順及び加熱素子、並びにその製造手順によって形成された例示的加熱素子を示す。
【図１０】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【図１１Ａ】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【図１１Ｂ】加熱素子の長さ及び絶縁体領域に対する高温領域と導電性のコア部分との間の境界面の実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
上記に考察されるとおり、新規の同軸セラミック加熱素子及び製造方法が提供される。加熱素子は、同軸構造であって、コア部分を含み、このコア部分が素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合し、次にこの高温の抵抗領域が、外側部分を形成する第２の導電性領域と接合する、同軸構造を有する。導電性のコア部分と外側の導電性部分とは、絶縁体部分によって分離される。
【００２６】
本明細書において参照されるとき、用語「絶縁体」又は「電気絶縁材料」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指す。本発明の加熱素子の電気絶縁材料成分は、１つ又は複数の金属窒化物及び／又は金属酸化物のみから、又は主としてそれから構成されてもよく、或いは、絶縁性の成分は、１つ若しくは複数の金属酸化物又は１つ若しくは複数の金属窒化物に加えて材料を含んでもよい。例えば、絶縁材料成分は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素、ＳｉＡＬＯＮ、又は窒化ホウ素などの窒化物；希土類酸化物（例えばイットリア）；又は希土類オキシ窒化物をさらに含有してもよい。
【００２７】
本明細書において参照されるとき、半導体セラミック（又は「半導体」）は、約１０〜１０８オームｃｍの室温抵抗率を有するセラミックである。半導体成分が高温領域の組成物の約４５ｖ／ｏより多く存在する場合（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲のときに）、得られる組成物の導電性は、高電圧用途には高過ぎる（絶縁体が不足しているため）。逆に、半導体材料が約５ｖ／ｏ未満しか存在しない場合（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲のときに）、得られる組成物の抵抗は低過ぎる（絶縁体が多過ぎるため）。ここでも、導体のレベルが高いほど、より抵抗の高い絶縁体と半導体との混合割合が、所望の電圧を実現するために必要となる。典型的には、半導体は、炭化ケイ素（ドープ型及び非ドープ型）、及び炭化ホウ素からなる群からの炭化物である。
【００２８】
本明細書において参照されるとき、「導電性材料」は、約１０−２オームｃｍ未満の室温抵抗率を有する材料である。導電性成分が高温領域の組成物の３５ｖ／ｏより多い量で存在する場合、得られるセラミックの導電性は、高過ぎることになり得る。典型的には、二珪化モリブデン、二珪化タングステン、及び窒化チタンなどの窒化物、及び炭化チタンなどの炭化物からなる群から選択される導体である。二珪化モリブデンが一般には好ましい。
【００２９】
セラミック組成物（例えば、絶縁体、導電性材料、半導体材料、抵抗材料）のいずれについても、セラミック組成物は、１つ又は複数の異なるセラミック材料（例えば、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などの金属酸化物、ＡｌＮなどの窒化物、Ｍｏ２Ｓｉ２及び他のＭｏ含有材料、ＳｉＡｌＯＮ、Ｂａ含有材料など）を含み得る。或いは、互いに異なるセラミック組成物（すなわち、単一の加熱素子において、絶縁体領域、導体領域及び抵抗（点火）領域として機能する、互いに異なる組成物）が、同じセラミック材料配合物（例えば、互いに異なるセラミック材料の二元、三元又はそれ以上の次元の配合物）を含んでもよく、但し、ここでこれらの配合物要素の相対量は異なり、例えば、１つ又は複数の配合物要素が、互いに異なるセラミック組成物のそれぞれの間で、少なくとも５、１０、２０、２５又は３０体積百分率だけ異なる。
【００３０】
様々な組成物を用いて本発明の加熱素子が形成され得る。一般に好ましい高温領域の組成物は、１）導電性材料と；２）半導体材料と；３）絶縁材料との少なくとも３つの成分を含む。導電性（低温）部分と絶縁（ヒートシンク）部分とは、同じ成分から構成されてもよく、但し、上述されるとおり、それらの成分は異なる比率で存在する。典型的な導電性材料としては、例えば、二珪化モリブデン、二珪化タングステン、窒化チタンなどの窒化物、及び炭化チタンなどの炭化物が挙げられる。典型的な半導体としては、炭化ケイ素（ドープ型及び非ドープ型）及び炭化ホウ素などの炭化物が挙げられる。典型的な絶縁材料としては、アルミナなどの金属酸化物又はＡｌＮ及び／又はＳｉ３Ｎ４などの窒化物が挙げられる。
【００３１】
一般に、好ましい高温（抵抗）領域の組成物は、（ａ）少なくとも約１０１０オームｃｍの抵抗率を有する電気絶縁材料を約５０〜約８０ｖ／ｏと；（ｂ）約１０〜約１０８オームｃｍの抵抗率を有する半導体材料を約５〜約４５ｖ／ｏと；（ｃ）約１０−２オームｃｍの抵抗率を有する金属導体を約５〜約３５ｖ／ｏとを含む。好ましくは、高温領域は、５０〜７０ｖ／ｏの電気絶縁性セラミックと、１０〜４５ｖ／ｏの半導体セラミックと、６〜１６ｖ／ｏの導電性材料とを含む。本発明の加熱素子での使用に特に好ましい高温領域の組成物は、１０ｖ／ｏのＭｏＳｉ２と、２０ｖ／ｏのＳｉＣと、残りの割合のＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３とを含む。
【００３２】
本明細書で使用されるとき、「予成形された」は、例えば領域又は１つ若しくは複数の材料を参照するとき、流動性を有さず、且つ流動性を有する材料の領域と結合されても形状が変化しない領域又は１つ若しくは複数の材料を指す。
【００３３】
本明細書で使用されるとき、「流動性」を有する材料又は領域は、予成形された領域又は１つ若しくは複数の材料と結合されると、予成形された領域又は１つ若しくは複数の材料に適合するように動く領域又は１つ若しくは複数の材料を指す。こうした材料としては、例えば、スラリー及び粉末が挙げられる。
【００３４】
本明細書で使用されるとき、「温度到達時間」又は同様の用語は、点火器の高温領域が室温（約２５℃）から燃料（例えばガス）点火温度の約１０００℃まで昇温するのにかかる時間を指す。特定の点火器についての温度到達時間値は、好適には、二色の赤外高温計を使用して測定される。
【００３５】
ここで図面を参照すると、図１Ａ〜Ｄは、同軸加熱素子１０の形成方法の一実施形態を示す。任意の所望の加熱素子形状を有する金型１１に、流動性を有する第１の材料１２が提供される。金型１１を使用して、例えば、図に示されるとおりの、丸い断面、特に円形の断面を有するロッド状の加熱素子が提供される。当然ながら、任意の金型形状が同様に用いられ得る。金型１１には、流動性を有する第２の材料１４もまた提供される。
【００３６】
第１の材料１２と第２の材料１４とは、例えば図１Ａに示されるとおり、金型１１に加えたときに互いに大幅に混ざり合ってはならない。
【００３７】
材料１２、１４のかかる分離は、いくつかの方法で達成することができる。例えば、材料１２、１４を十分に高い粘度で金型１１内に導入することにより、実質的に互いに混ざり合うことを回避し得る。この手法では、材料１２、１４は、粉末として、又は実質的に互いに混ざり合うことのない粘性組成物（例えば、１つ又は複数の高分子結合剤を含む組成物）として導入され得る。
【００３８】
材料１２、１４はまた、より低い粘度の、互いに混ざり合うことは回避される組成物、例えば、ある材料を水性組成物として導入し、第２の材料を有機溶媒担体で導入するなど、異なる極性の担体溶媒を有する組成物で、金型１１内に導入され得る。
【００３９】
さらなる手法では、異なる密度を有する第１の材料１２及び第２の材料１４が利用されてもよく、第１の材料１２は第２の材料１４より密度が高いため、第１の材料は金型の底部に定着し、及び第２の材料は金型の上部に定着して二相となる。
【００４０】
金型に添加される材料１２又は１４の典型的な組成物としては、それぞれ、適切なスラリーとなるよう、水及び／又は１つ若しくは複数の有機溶媒、１つ若しくは複数の結合剤、分散剤及びｐＨ調整と組み合わされたセラミック粉末（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｏＳｉ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４）が挙げられる。ある結合剤組成物は、約６〜８ｗｔ％の植物性ショートニング、２〜４ｗｔ％のポリスチレン及び２〜４ｗｔ％のポリエチレンを含み得る。
【００４１】
当然ながら、相間、例えば、相間の界面の部分に沿っていくらかの量の混合はあってもよく、それにより、各相が凝固又は固化したときの強度及び相間の結合の促進がもたらされ得る。
【００４２】
材料１２、１４は、金型に同時に、又は任意の順序で導入することができ、定着すると、記載のとおり二相を形成し得る。作製を容易にして時間を短縮するため、第１の材料１２がまず初めに添加され、次に第２の材料１４が添加される。第２の材料は、第１の材料１２と第２の材料１４とが過度に混合しないよう漸増させる形で添加され得る。過度に混合すれば、材料１２、１４が各相に定着するまでに、さらに時間を要し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態において、第１の材料１２と第２の材料１４とは、抵抗率が異なる。例えば、例示的実施形態において、第１の材料１２は、加熱素子の遠位端１２ａを形成する抵抗材料である一方、第２の材料１４は導電性材料であり、従って、結果としてその遠位端１２ａに「高温領域」を有する加熱素子（例えば、図１Ｄに示されるとおり）が得られる。必要であれば、第１の材料１２及び第２の材料１４と異なる抵抗率を有する１つ又は複数のさらなる材料がさらに提供され、抵抗率の異なるさらなる領域を有する加熱素子が形成され得る（例えば、図２Ｂ及び図３Ｂに示されるとおり、第１の材料１２と第２の材料１４との間に、「ブースター領域」を形成するよう第３の材料１３が位置する）。図１Ｂに示されるとおり、次に、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６が、金型内の第１の材料１２及び第２の材料１４の中に挿入される。材料１２、１４は流動性を有するため、絶縁体部分１６が金型内のその所望の位置に押し込まれると、絶縁体部分１６によって動かされる。絶縁体部分１６は、いくつかの実施形態において、挿入を促進するよう先の尖った、又は鋭い遠位端を備え得る。いくつかの実施形態において、絶縁体部分１６は、絶縁体部分１６を金型内に適切に置くための１つ又は複数の突出部１５を、近位端に備える（例えば、図１Ｃ及び図３Ａ〜図３Ｂに示されるとおり）。例えば、管の形態が実質的に円形の断面形状を有するとき、絶縁体部分１６の近位端は、例えば、その周囲に沿ってリップを有してもよく、このリップは、金型の上面に載置され、それにより製造中に絶縁体部分１６をその適切な位置に位置決めして保持するように構成される。同様に絶縁体部分１６の位置決めを促進するための、任意の他の好適な１つ又は複数の突出部（例えば、絶縁体部分１６の近位端から延在する対向するタブ）が提供され得る。突出部は、典型的には絶縁体材料で形成され、好ましくは絶縁体部分１６と同じ材料で形成される。しかしながら、必要であれば、突出部１５には異なる材料を使用してもよい。こうした突出部は、場合により加熱素子の製造後に取り除かれてもよく（例えば、材料１２、１４の固化／凝固後又は焼結後）、例えば、容易な取外し機構が提供され得るか、又は必要であれば機械で切り取るか、若しくは同様に取り除き得る。絶縁体部分１６を適切に位置決めし、所望のとおり／必要に応じて材料１２、１４を各相に定着させると、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型から取り出され、必要であれば好適なさらなる加工ステップに供される。特に、加熱素子を高温（例えば、１６００℃、１７００℃又は１８００℃より高温）で焼結すると、緻密な加熱素子が形成される。
【００４４】
このように形成された加熱素子１が図２Ａ及び図２Ｂに示され、これは導電性のコア部分２２を備え、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合する。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離される。この実施形態に従えば、高温領域２０は第１の材料１０で形成される。コア部分２２と外側部分２６とは同じ材料で形成され、これは、図１Ａ〜図１Ｄに示される第２の材料１４である。図２Ｂの実施形態に示されるとおり、第３の材料１３が金型に提供されるときも、コア部分２２と外側部分２６とは同じ材料で形成され、これは、第２の材料１４と第３の材料１３との組み合わせである。
【００４５】
加熱素子は、いくつかの実施形態において、例えば、外側層の１つ又は複数の箇所を浸漬被覆し、除去するなど、従来技術に従う１つ又は複数の追加的な加工ステップに供され、さらなる所望の特性が付与され得る。
【００４６】
図３Ａ及び図３Ｂは、同軸加熱素子の形成方法の別の実施形態を示す。図３Ａに示されるとおり、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６は、金型１１内においてその所望の端部位置に（例えば、適切な位置決めを促進し得るための、絶縁体部分１６の近位端にある１つ又は複数の突出部を使用して）挿入される。次に、流動性を有する第１の材料１２及び第２の材料１４（及び、いくつかの実施形態において、第３の材料１３などの１つ又は複数のさらなる材料）が、同時に、又は任意の順序で順番に金型に提供され、これらはその流れ特性によって金型１１の絶縁体部分１６の周りの空間を完全に充填する。本明細書において考察されるとおり、第１の材料１２と第２の材料１４とは実質的に互いに混じり合わない。必要であれば、絶縁体部分１６がさらに動かされ、材料１２、１４内に位置決めされ得る。次に、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型から取り出され、必要であれば、本明細書に記載される好適なさらなる加工ステップに供される。このように形成された加熱素子１８は、図１Ａ〜図１Ｄの方法に従い提供されるものと同じであり得るとともに、図２Ａ〜図２Ｂに示される。
【００４７】
図４Ａ〜図４Ｃは、同軸加熱素子の形成方法の別の実施形態を示す。この方法は、図１Ａ〜図１Ｄに示される方法と、図３Ａ〜図３Ｂに示される方法との組み合わせである。図４Ａに示されるとおり、予成形するか、又は固化させた絶縁体部分１６が、金型１１に部分的に挿入される。次に、流動性を有する第１の材料１２及び第２の材料１４（及び、いくつかの実施形態において、第３の材料１３などの１つ又は複数のさらなる材料）が、同時に、又は任意の順序で順番に金型に提供され、これらはその流れ特性によって金型１１の絶縁体部分１６の周りの空間を完全に充填する。次に、絶縁体部分１６が、金型内のその所望の端部位置まで材料１２、１４中にさらに挿入されるか、又は押し込まれ、本明細書に記載されるとおり、それによって材料１２、１４が動かされる。絶縁体部分１６が適切に位置決めされると、材料１２、１４は、材料１２、１４を固化又は凝固させるための要件に従い条件に曝露され、及び／又は処理される（例えば、硬化、ゲル化、乾燥、及び／又は他の好適な手段による）。次に、このように形成された加熱素子が金型１１から取り出され、必要であれば、好適なさらなる加工ステップに供される。このように形成された加熱素子１８は、図１Ａ〜図１Ｄ及び図３Ａ〜図３Ｂの方法に従い提供されるものと同じであり得るとともに、図２Ａ〜図２Ｂに示される。
【００４８】
概して図５に示されるとおり、本発明の好ましい加熱素子１００は、概して、導電性のコア部分２２を含み、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合し得る。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離される。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態に従えば、絶縁体部分１６が金型に提供される前、又は提供された後に、金型は抵抗材料１２で部分的に充填され、一方、金型の残りの部分は、所望のレベルまで導電性材料１４で充填される。抵抗材料及び導電性材料は、特定の実施形態において、セラミックスラリーの形態であってもよく、及びゲルキャスト成形又はスリップキャスト成形技法が用いられ得る。抵抗材料及び導電性材料は、特定の他の実施形態において、セラミック粉末の形態であり得る。予成形するか、又は固化させた／固体の絶縁体部分１６は、金型への挿入前に、例えば、ゲルキャスト成形、スリップキャスト成形、押出し、射出成形、加圧成形、ＣＩＰ等の、絶縁体を形成するための任意の好適な方法によってその所望の形状に形成され得る。ゲル化及び／又は乾燥は、スラリーを固化させるのに好適な加工ステップの例であり得る一方、加圧成形又はＣＩＰ加工は、粉末材料に好適な加工ステップであり得る。
【００５０】
いくつかの実施形態において、例えば図２Ｂに示されるとおり、ブースター領域が提供され、ここではコア部分２２が、比較的抵抗の低い第１の導電性領域２２ａ（導電性材料１４で形成される）と、中程度の抵抗の第２の導電性領域２２ｂ（導電性材料１３で形成される）とを含み、且つ外側部分２６もまた、比較的抵抗の低い第１の導電性領域２６ａ（導電性材料１２で形成される）と、中程度の抵抗の第２の導電性領域２６ｂ（材料１３で形成される）とを含む。そのため、得られる加熱素子は、その電気経路に沿って順番に、比較的抵抗の低い第１の導電性領域と、中程度の抵抗のブースター領域（ときに増強領域とも称される）と、抵抗の高い高温領域（ときに点火領域とも称される）とを含む、電気抵抗の異なる少なくとも３つの領域を備える。ブースター領域は、概して正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有し、高温領域により効果的な電流の流れを提供することができる。Ｗｉｌｌｋｅｎｓに対する米国特許出願公開第２００２／０１５０８５１号明細書を参照のこと。
【００５１】
いくつかの実施形態において、加熱素子の幅又は断面は、遠位範囲において減少又は縮径する。例えば、加熱素子は、その長さの一部分に沿った導電性の範囲で形成されてもよく、さらに、抵抗の増加をもたらすテーパ状の遠位部を備え得る。例えば、点火器の第１の導電性範囲６２（例えばコアの近位端にある）が、高温領域６４の最小の断面積又は幅（図６における幅ｇ）より少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９又は１０倍大きい最大の断面積又は幅（図６における幅ｆ）を有し得る。いくつかの実施形態において、導電性範囲６２と高温領域６４とは同じ材料で形成され、縮径することによってのみ、高温領域６４における抵抗の増加がもたらされる。いくつかの実施形態において、高温領域６４は、導電性範囲６２より大きい抵抗を有する材料で形成され、高温領域６４が縮径していることで、高温領域６４における抵抗の増加がさらに亢進される。高温領域の範囲において、このように幅又は断面積が減少することにより、導電性領域及び高温領域を形成するために用いられる組成物の違いを最小限に抑えることができるため、互いに異なる領域の組成物の熱膨張係数が良好に一致し、それにより、点火器に亀裂が入ったり、又はその他の形で劣化したりする可能性を回避できることを含め、互いに異なる領域の接合が促進されるという利点が提供され得る。より詳細には、高温領域の範囲の幅又は断面積をこのように減少させることで、高温領域の範囲において、比較的導電性が高く、且つ導電性領域に用いられるセラミック材料に少なくとも近いセラミック組成物を使用することが可能となり得る。これらのシステムでは、セラミック材料それ自体ではなく（又はセラミック材料に加えて）、高温領域の幅の減少が、抵抗加熱をもたらす。
【００５２】
本明細書において考察されるとおり、コア６２と外側部分６６との間には、示されるとおり絶縁体領域６８が間置される。図６は、断面の幅又は寸法がその長さに沿って徐々に縮径する加熱素子を示すが、加熱素子は異なるテーパ構成を備えてもよいことが注記される。例えば、加熱素子は、導電性の近位部に沿った断面の幅又は寸法が実質的に一定であってもよく、且つ遠位の高温領域の範囲でのみ縮径してもよい。
【００５３】
多くの用途に丸い断面形状が用いられるが、本発明の加熱素子は、加熱素子長さの少なくとも一部分について、丸くない、又は非円形の断面形状を有してもよく、例えば、加熱素子長さの最大又は少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセントが、丸くない、又は非円形の断面形状を有するか、又は加熱素子の全長が、丸くない、又は非円形の断面形状を有する。
【００５４】
例えば、加熱素子は、図７Ａ及び図７Ｂに図示される加熱素子７０によって例示されるとおり、実質的に正方形の外形で提供され得る。加熱素子７０は、角状の断面形状（より詳細には、図７Ｂに明確に図示されるとおり、実質的に正方形の断面形状）を有する矩形状又はスティルト状のコア導電性領域７２と、同様に角状の外側導電性領域７４と、それらの間に間置された絶縁体部分７６とを含む。本明細書に記載されるような高温領域が、さらに提供され得る。
【００５５】
図８Ａ及び図８Ｂに示されるとおりの加熱素子８０によって例示されるような、不規則な丸い形状の外形を有する加熱素子もまた、提供され得る。加熱素子８０は、各々が不規則な丸い断面形状を有するコア導電性領域８２及び外側導電性領域８４と、それらの間に間置される不規則な形状の絶縁体部分８６とを含む。本明細書に記載されるような高温領域が、さらに提供され得る。
【００５６】
いくつかの実施形態において、同軸加熱素子に１つ又は複数のさらなる層を加えることが望ましいことがある。例えば、図９Ａ〜図９Ｅに示されるとおり、さらなる外側層２３が提供され得る。特定の実施形態において、この外側層２３は、絶縁体層である。この加熱素子の形成には、上記の一般的な方法を用いることができ、金型の表面の少なくとも一部分に沿って金型の内側を覆うようにして、予成形されたさらなる絶縁体部分４３を金型１１に挿入する追加のステップを伴う。第１のステップとして、絶縁体部分４３が、概して、例えば図９Ａに示されるとおり挿入され、続いて、上記のとおり任意の順序でさらなる加工ステップ（例えば、任意の順序による第１の材料１２／第２の材料１４及び絶縁体部分４６の導入、材料１２、１４の固化又は凝固、及び焼結）が行われることにより、１つ又は複数のさらなる層を有する加熱素子が提供される。例えば、図９Ｅに示されるとおり、加熱素子は導電性のコア部分２２を備えてもよく、この導電性のコア部分２２は素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合し、次にこの高温の抵抗領域２０は、第２の導電性の外側部分２６と接合する。導電性のコア部分２２と外側の導電性部分２６とは、絶縁体部分２４によって分離され、装置の外表面は、その長さの少なくとも一部分に沿って、外側の絶縁体部分２３によって被覆される。
【００５７】
別の実施形態において、加熱素子は、１つ又は複数のさらなる「内側」層を備え得る。例えば、加熱素子は、本明細書で考察される方法のいずれかに従い、絶縁体部分１６の内側及び／又は周囲に挿入された１つ又は複数の追加的な予成形された絶縁体部分（例えば同軸の絶縁体管）を備えることができる。１つ又は複数の追加的な絶縁体部分は、材料１２、１４を固化又は凝固させる前のいずれの段階でも挿入することができる。任意の形状、数、及び構成の絶縁体部分を提供することができる（例えば、加熱素子に沿って長手方向に延在する細長い絶縁体部分が、例えば概して示されるが、絶縁体部分はそれに限定されず、例えば、加熱素子本体に沿って異なる方向に延びてもよい。必要であれば、図９Ａ〜図９Ｅに関連して考察されたとおりの外側の絶縁体コーティングなど、さらなる層を提供してもよい。
【００５８】
本発明の加熱素子の寸法は幅広く異なり得るとともに、その意図する用途に基づき選択され得る。例えば、加熱素子の長さは、好適には、約０．５〜約５ｃｍ、いくつかの実施形態においては約１〜約３ｃｍであり得る。加熱素子の断面の幅は、好適には約０．２〜約３ｃｍであり得る。同様に、導電性部分、絶縁体部分、及び高温領域部分の長さも好適に異なり得る。導電性のコア部分の例示的長さは、約０．２ｃｍ〜約２ｃｍ、〜約３ｃｍ、〜約４ｃｍ、〜約５ｃｍ、又はそれ以上であり得る。コア導電性領域の典型的な長さは、約０．５〜約５ｃｍであり得る。高温領域の高さは、約０．１ｃｍ〜約２ｃｍ、〜約３ｃｍ、〜約４ｃｍ、又は〜約５ｃｍで、高温領域の電気経路の全長が約０．２〜約２ｃｍ又はそれ以上であり得る。高温領域の電気経路の典型的な長さは、約１．５ｃｍ〜約２ｃｍの範囲である。
【００５９】
本発明に従い形成される同軸加熱素子は、加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域２０と接合又は当接する導電性のコア部分２２と、絶縁体部分２４によって導電性のコア部分２２と隔離される外側の導電性部分２６とを提供し、ここで導電性のコア部分２２は、高温の抵抗領域２０と接合する（例えば、図１０及び図１１Ａの境界線２０４及び２０８によって示されるとおり）。この境界面は、従来の同軸加熱素子と比べて加熱素子の遠位先端２００からより大きい距離「ａ」だけ離れたところに設けられる。特に、同軸加熱素子は、例えば、図１１Ｂの線２１０及び破線によって示されるとおり、コア部分内にある（絶縁体部分２６の間又はその内側の）絶縁体部分２４の最遠位端と面一か、又はそれより遠位にある高温の抵抗領域２０を提供する。例えば、本加熱素子及び方法は、遠位先端２００から離れて、加熱素子の全長「ｂ」の少なくとも約１０％である距離「ａ」を提供し得る。いくつかの実施形態において、コア部分２２は、加熱素子の全長「ｂ」の少なくとも約１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％の距離「ａ」にある境界面２０４で高温領域２０と接合する。いくつかの実施形態において、コア部分２２は、加熱素子の全長「ｂ」の約１０％〜約５０％の範囲の距離「ａ」において高温領域２０と接合する。外側の導電性部分２６と高温の抵抗領域２０との間の境界面は、コア部分２２における境界面と同等であってもよく（例えば、図１０及び図１１Ａの線２０４及び２０８によって示されるとおり）、又は境界面は、コア部分２２における境界面より「高い」又は「低い」レベルにあってもよい（例えば、図１０及び図１１Ａの破線によって示されるとおり）。外側部分２６における抵抗性の高温領域２０と導電性領域との間の境界面のレベルは、概して同一であるが、必要であれば、異なってもよい。
【００６０】
いくつかの実施形態において、図１１Ａに図示されるとおり、高温の抵抗領域２０は、「コア部分」内に（すなわち、絶縁体部分２４の間又はその内側に）距離「ｄ」だけ延在する。換言すれば、高温の抵抗領域は、絶縁体部分２４の最遠位端から装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する。これは、高温の抵抗領域が絶縁体部分の最遠位端と面一であるか、又はそれより遠位にさえある従来の同軸加熱素子（例えば、図１１Ｂによって図示されるとおり）とは対照的である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、絶縁体部分の全長（図１１Ａにおいて「ｅ」によって示されるとおり）の少なくとも１％である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、距離「ｅ」の少なくとも２％、少なくとも４％、６％、８％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、及びさらには５０％である。いくつかの実施形態において、距離「ｄ」は、距離「ｅ」の約１％〜約５０％である。
【００６１】
例示的実施形態において、本発明の加熱素子の高温領域又は抵抗領域は、公称電圧で約１４５０℃未満の最高温度まで；及び公称電圧の約１１０パーセントである上限線間電圧で、約１５５０℃未満の最高温度まで；及び公称電圧の約８５パーセントである下限線間電圧で、約１３５０℃未満の最高温度まで加熱され得る。
【００６２】
本加熱素子及び方法は、内側の導電性のコア部分２２が絶縁体部分２４によって外側の導電性部分２６と隔離される場合について記載されているが、コア部分２２及び／又は外側部分２６が１つ又は複数の絶縁体材料で形成されてもよく、一方、コア部分と外側部分との間に間置される部分２４が１つ又は複数の導電性材料で形成されてもよいことは理解されるべきである。さらに、本明細書に記載される実施形態は、抵抗率の高い組成物によって提供される高温領域２０を備えるが、いくつかの実施形態においては、異なる抵抗率の組成物によって形成されたかかる高温領域はなくてもよい。いくつかの実施形態では、異なる抵抗率の組成物による高温領域２０はなく、加熱素子はテーパ状の遠位端を備えることで、遠位端に高い抵抗を提供する。
【実施例】
【００６３】
以下の非限定的な例は、本発明の例示である。ここで言及される文献は全て、全体として参照により本明細書に援用される。
【００６４】
実施例１：加熱素子の製造
抵抗性組成物（２０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、５ｖｏｌ％のＳｉＣ、７４ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３）の粉末、導電性組成物（２８ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、７ｖｏｌ％のＳｉＣ、６４ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３）の粉末を、１０〜１６ｗｔ％の有機結合剤（約６〜８ｗｔ％の植物性ショートニング、２〜４ｗｔ％のポリスチレン及び２〜４ｗｔ％のポリエチレン）と混合し、約６２〜６４ｖｏｌ％固体の装入物である２つのペーストを形成する。
【００６５】
抵抗性組成物のペーストを、概して図１Ａ〜図１Ｄに図示されるとおりのＵ字型金型に装入し、続いて抵抗性組成物の上に導電性のペースト組成物を装入することにより、概して図１Ａに示されるとおりの分離したセラミック組成物層を提供する。
【００６６】
次に、２本の予成形された絶縁体管を金型に挿入し、それによって絶縁体管を、導電性組成物層を通じて抵抗性組成物層の中まで延在させる。絶縁体管は、絶縁性組成物１０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ２、８９ｖｏｌ％のＡｌ２Ｏ３及び１ｖｏｌ％のＧｄ２Ｏ３の組成物によって形成される。
【００６７】
このように充填された金型は、次に１０００℃超の熱で１時間処理し、３つの領域の加熱素子を固化させる。次に加熱素子を金型から取り出し、１ａｔｍの圧力下にアルゴン中１７５０℃で、理論値９５〜９７％まで緻密化させる。
【００６８】
実施例２：加熱素子の製造
以下の構成要素、すなわち、水、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＳｉ２、ＳｉＣ、Ｋｅｌｃｏｇｅｌ（ゲル化剤）、Ｄａｒｖａｎ ８１１（分散剤）、ＷＢ４１０１及びＭ０４０（結合剤）、及びＣａＣｌ２を使用して、抵抗性スラリー及び導電性スラリー（双方とも約５０ｖｏｌ％固体）を形成する。特に、５０〜９５ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３と、１０〜４５ｗｔ％のＭｏＳｉ２と、０〜５ｗｔ％のＳｉＣとの固体混合物を調製する。９０〜９５ｗｔ％の水と、１〜４ｗｔ％のＫｅｌｃｏｇｅｌと、１〜４ｗｔ％のＤａｒｖａｎ ８１１と、０．５〜２．０ｗｔ％の結合剤（ＷＢ４１０４及びＭ０４０）と、０．２５〜１．０ｗｔ％のＣａＣｌ２との液体混合物もまた調製する。次に、固体混合物と液体混合物とを加え合わせて、４０〜６０ｖｏｌ％固体を含むスラリーを提供する。
【００６９】
概して図１Ａ〜図１Ｄに図示されるとおりのＵ字型金型に抵抗性スラリーを装入し、続いて抵抗性組成物の上に導電性スラリーを装入することにより、概して図１Ａに示されるとおりの分離したセラミック組成物層を提供する。
【００７０】
次に、予成形された絶縁体管を金型に挿入し、それによって絶縁体管を、導電性組成物層を通じて抵抗性組成物層の中まで延在させる。
【００７１】
このように充填された金型は、次に乾燥させて金型から取り出す。その後、素子をゲル状にし、焼結によって緻密化したうえ、加圧成形する（熱間等静圧圧縮成形）。次に、さらなる機械加工及びろう付けステップを行い、所望の特性を有する加熱素子を提供する。
【００７２】
本発明は、その特定の実施形態を参照して詳細に記載されている。しかしながら、当業者が、本開示を考察することで、本発明の趣旨及び範囲内において修正及び改良を行い得ることは理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック抵抗加熱素子の作製方法であって、
ａ）予成形された材料の領域を、１つ又は複数の流動性を有する材料の領域と一体に合わせるステップと、
ｂ）前記流動性を有する材料を固化させて加熱素子を提供するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記加熱素子が焼結され、それによって一体化した同軸加熱素子が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
予成形された絶縁体材料が導電性領域と接触する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
予成形された絶縁体材料が、導電性領域及び抵抗領域と接触する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
予成形された絶縁体材料が、導電性領域の組成物中に挿入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱素子が、固化後に金型から取り出される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
導電性組成物を金型に加え、その後、前記予成形された要素と前記導電性組成物とを一体に合わせるステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
抵抗性組成物及び前記抵抗性組成物と異なる導電性組成物を金型に加え、その後、前記予成形された要素と前記導電性組成物とを一体に合わせるステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法によって得られる同軸セラミック加熱素子。
【請求項１０】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５％が前記中心コアで発生する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項１１】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約６％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１２】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約８％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１３】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約１０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１４】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約２０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１５】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約３０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１６】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約４０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１７】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１８】
前記加熱素子のジュール加熱の約１０％〜約１００％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１９】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記導電性のコア部分が、前記加熱素子の全長の少なくとも約１０％である距離「ａ」だけ前記加熱素子の前記遠位先端から離れたところで前記高温の抵抗領域と接合する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２０】
距離「ａ」が前記加熱素子の全長の約５０％以下である、請求項１９に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項２１】
距離「ａ」が前記加熱素子の全長の約２０％以下である、請求項１９に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項２２】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の間において前記絶縁体部分の前記遠位端から距離「ｘ」だけ延在し、且つ前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の前記外表面に沿って前記絶縁体部分の前記遠位端から距離「ｙ」だけ延在し、距離「ｘ」は距離「ｙ」とほぼ等しい、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２３】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の間において、前記絶縁体部分の最遠位端から前記装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２４】
輸送機関のグロープラグである、請求項９〜２３のいずれか一項に記載の加熱素子。
【請求項２５】
家庭用電気器具の点火器である、請求項９〜２３のいずれか一項に記載の加熱素子。
【請求項１】
セラミック抵抗加熱素子の作製方法であって、
ａ）予成形された材料の領域を、１つ又は複数の流動性を有する材料の領域と一体に合わせるステップと、
ｂ）前記流動性を有する材料を固化させて加熱素子を提供するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記加熱素子が焼結され、それによって一体化した同軸加熱素子が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
予成形された絶縁体材料が導電性領域と接触する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
予成形された絶縁体材料が、導電性領域及び抵抗領域と接触する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
予成形された絶縁体材料が、導電性領域の組成物中に挿入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱素子が、固化後に金型から取り出される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
導電性組成物を金型に加え、その後、前記予成形された要素と前記導電性組成物とを一体に合わせるステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
抵抗性組成物及び前記抵抗性組成物と異なる導電性組成物を金型に加え、その後、前記予成形された要素と前記導電性組成物とを一体に合わせるステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法によって得られる同軸セラミック加熱素子。
【請求項１０】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５％が前記中心コアで発生する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項１１】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約６％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１２】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約８％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１３】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約１０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１４】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約２０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１５】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約３０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１６】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約４０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１７】
前記加熱素子のジュール加熱の少なくとも約５０％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１８】
前記加熱素子のジュール加熱の約１０％〜約１００％が前記中心コアで発生する、請求項１０に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項１９】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記導電性のコア部分が、前記加熱素子の全長の少なくとも約１０％である距離「ａ」だけ前記加熱素子の前記遠位先端から離れたところで前記高温の抵抗領域と接合する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２０】
距離「ａ」が前記加熱素子の全長の約５０％以下である、請求項１９に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項２１】
距離「ａ」が前記加熱素子の全長の約２０％以下である、請求項１９に記載の同軸セラミック加熱素子。
【請求項２２】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の間において前記絶縁体部分の前記遠位端から距離「ｘ」だけ延在し、且つ前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の前記外表面に沿って前記絶縁体部分の前記遠位端から距離「ｙ」だけ延在し、距離「ｘ」は距離「ｙ」とほぼ等しい、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２３】
加熱素子の遠位端にある高温の抵抗領域と接合する導電性のコア部分と、
絶縁体部分によって前記導電性のコア部分と隔離された外側の導電性部分と、
を含む同軸セラミック加熱素子であって、
前記高温の抵抗領域が、前記絶縁体部分の間において、前記絶縁体部分の最遠位端から前記装置の近位端に向かって距離「ｄ」だけ延在する、同軸セラミック加熱素子。
【請求項２４】
輸送機関のグロープラグである、請求項９〜２３のいずれか一項に記載の加熱素子。
【請求項２５】
家庭用電気器具の点火器である、請求項９〜２３のいずれか一項に記載の加熱素子。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５２３１６０（Ｐ２０１１−５２３１６０Ａ）
【公表日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４０６７８（Ｐ２０１０−５４０６７８）
【出願日】平成２０年１２月２９日（２００８．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１４１２７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８５３１９
【国際公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（５９３１５０８６３）サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド (139)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２９日（２００８．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１４１２７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８５３１９
【国際公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（５９３１５０８６３）サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド (139)
【Ｆターム（参考）】
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