JP2000350358A

JP2000350358A - サージアブソーバ

Info

Publication number: JP2000350358A
Application number: JP11154058A
Authority: JP
Inventors: Hideo Makishima; 秀男巻島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】放電時のイオン衝撃によるエミッタの損傷を防
ぎ、低電圧でサージの抑圧を開始させることが可能なサ
ージアブソーバを提供する。【解決手段】一対の電極基板１によって形成されたエミ
ッタ部５及び放電部４同士を対向するように配置し、エ
ミッタ部５の間隔が放電部４の間隔よりも大であること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、サージアブソーバに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、通信線や電力線に生じるサー
ジ（電気的動揺）から電子機器に搭載された半導体装置
を保護するために、電子機器の入力回路近傍にサージ電
圧を抑制するサージアブソーバが設けられていた。この
サージアブソーバは、動作速度が速く、サージに対する
保護動作を低い電圧で開始することができれば電子機器
を有効に保護することが可能である。また、このサージ
アブソーバを信号線に使用する場合には、静電容量が小
さいことが求められ、雷誘導サージ等から電子機器を保
護する場合には、大電流に対する耐久性も求められてい
た。

【０００３】近年では、フィールドエミッタアレイを電
極に形成することによって、電極両端の電圧を高く設定
することが可能なサージアブソーバが提案されている。
この技術によれば、応答速度を速くし、電極間における
静電容量を比較的小さくすることが可能である。図７
は、その技術の一例として特開平９−２９８８３３号公
報に開示されたサージアブソーバ（サージ吸収素子）の
構成を示す断面図である。図７に示すように、蓋部材７
１と、複数のエミッタ７２を形成したｎ型半導体の基板
部材７３とを所定の距離を設けて対向に配置し、両部材
の周縁部を気密封止して外囲器７０を形成し、係る外囲
器７０の内部は高真空状態にされる。

【０００４】また、図８は前記特開平９−２９８８３３
号公報に開示されたサージアブソーバ（サージ吸収素
子）の他の実施の形態における構成を示す断面図であ
る。複数のエミッタ７２を形成した電子放出部と、エミ
ッタ７２が形成されない平面部とを備えたｎ型半導体の
基板部材７３二枚を、一方の基板部材７３のエミッタ７
２の先端部と、他方の部材の平面部とが所定の距離を設
けて対向するように配置されている。また、両部材の周
縁部を気密封止して外囲器７０を形成し、係る外囲器７
０の内部を高真空状態とする。この様なサージアブソー
バにおいては、両電極にエミッタ７２が形成されている
ので、正負いずれの電圧が印加されてもエミッションが
生じ、放電を開始させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サージアブソーバにおいては次のような問題があった。
フィールドエミッタアレイを電極に形成したサージアブ
ソーバは、エミッタの先端部が鋭く尖っているために、
係る先端部に電界が集中し、電極の両端の電圧が増加す
ると最初にエミッタから電子が電界放射によって放出さ
れる。この放出された電子はエミッタと対向する平面電
極、すなわち陽極と衝突し、係る陽極を局部的に加熱す
るとともに陽極に吸着したガス分子を物理的に脱離させ
る。従って、真空状態となった外囲器の内部では、ガス
分子の数が増加し、係るガス分子は電子と衝突してイオ
ン化し、放電が開始され、正又は負の電圧が印加された
電極を攻撃する。さらに、このガス分子による電極への
加熱及び衝突は、両端の電圧が低下するまで続けられ
る。

【０００６】すなわち、特開平９−２９８８３３号公報
に開示されたサージアブソーバにおいては、放電現象が
エミッタを形成した電極部分と係る電極部分に対向する
平面電極部分との間で行われる。その結果として、放電
時の大電流を担う正イオンがエミッタの形成された電極
を衝撃し、温度上昇とともにエミッタの先端部を鈍化さ
せ、エミッション開始電圧及び放電開始電圧を上昇させ
てしまっていた。

【０００７】本発明は、以上の従来技術における問題に
鑑みてなされたものであり、放電時のイオン衝撃による
エミッタの損傷を防ぎ、低電圧でサージの抑圧を開始さ
せることが可能なサージアブソーバを提供することが目
的である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に提供する本願第一の発明に係るサージアブソーバは、
一対の電極基板の表面に形成されたエミッタ部及び放電
部同士を対向するように配置し、エミッタ部の間隔が放
電部の間隔よりも大であることを特徴とする。

【０００９】一対の電極基板によって形成されたエミッ
タ部及び放電部同士を対向するように配置し、エミッタ
部の間隔が放電部の間隔よりも大であることによって、
管内のイオン濃度が増加するにつれて放電がエミッタ部
から放電部に移行する。従って、エミッタの形状変化、
特に先端部の損傷を軽減することができる。

【００１０】前記課題を解決するために提供する本願第
二の発明に係るサージアブソーバは、エミッタ部の間隔
が前記放電部の間隔の２倍よりも大であることを特徴と
する。

【００１１】エミッタ部の間隔が前記放電部の間隔の２
倍よりも大であることによって、主放電が、平坦で面積
の広い放電部で行われるため、多数の放電が繰り返され
ても放電開始電圧が変化しない。

【００１２】前記課題を解決するために提供する本願第
三の発明に係るサージアブソーバは、開口部を有するゲ
ート電極が絶縁層を介して電極基板の表面に設けられ、
その開口部に各々のエミッタが挿設される態様で設けら
れたことを特徴とする。

【００１３】開口部を有するゲート電極が絶縁層を介し
て電極基板の表面に設けられ、その開口部に各々のエミ
ッタが挿設される態様で設けられたことによって、エミ
ッタの先端に強い電界が加わり、電極基板間の電圧が低
くてもエミッションを開始するため、放電開始電圧を低
くすることができる。

【００１４】前記課題を解決するために提供する本願第
四の発明に係るサージアブソーバは、エミッタと、係る
エミッタが形成されている電極基板との間に抵抗層が設
けられることを特徴とする。

【００１５】エミッタと、係るエミッタが形成されてい
る電極基板との間に抵抗層が設けられることによって、
エミッタ部を流れるエミッション電流及び放電電流が制
限され、先鋭なエミッタの先端の損傷を軽減することが
できる。

【００１６】前記課題を解決するために提供する本願第
五の発明に係るサージアブソーバは、電極基板の両端の
電圧を分圧した電圧がゲート電圧に印加されることを特
徴とする。

【００１７】電極基板の両端の電圧を分圧した電圧がゲ
ート電圧に印加されることによって、放電開始電圧を極
端に低く設定することができる。

【００１８】前記課題を解決するために提供する本願第
六の発明に係るサージアブソーバは、電極基板の両端の
電圧が抵抗によって分圧されることを特徴とする。

【００１９】電極基板の両端の電圧が抵抗によって分圧
されることによって、放電開始電圧を抵抗値によって設
定することができる。

【００２０】前記課題を解決するために提供する本願第
七の発明に係るサージアブソーバは、電極基板の両端の
電圧が静電容量によって分圧されることを特徴とする。

【００２１】電極基板の両端の電圧が静電容量によって
分圧されることにより、放電開始電圧を静電容量の値で
設定することができる。この静電容量とは、例えばエミ
ッタ部とゲート電極との間に形成された絶縁層の厚さを
調節することによって調節することが可能である。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下に、本発明
に係るサージアブソーバの第１の実施の形態における構
成について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係
るサージアブソーバの第１の実施の形態における構成を
示す断面図である。図１に示すように、リング状の絶縁
体３を挟む態様で電極基板１ａと電極基板１ｂとが対向
して設置され、これら絶縁体３、電極基板１ａ及び電極
基板１ｂは適切な接着手段によって接着されて内部を真
空に施した外囲器１０を形成する。電極基板１ａと電極
基板１ｂとの内面は同心円状をなして、外周と高さが異
なっており、高く位置する中央部が平坦状の放電部４と
して、係る放電部４を取り囲むように電極基板１中で最
も低い位置にエミッタ部５がリング状に形成される。ま
た、電極基板１ａ及び電極基板１ｂの最外周部は、絶縁
体３を接着する平面状の接合部２であり、放電部４とエ
ミッタ部５とのほぼ中間の高さに位置する。エミッタ部
５の表面には微細で鋭利な先端部を有するエミッタ６が
多数形成されており、係るエミッタ６と電極基板１のエ
ミッタ部５との間には薄膜又は固体状の抵抗層９が形成
されている。また、エミッタ６は露光及びエッチング等
の方法でコーン形状の突起をエミッタ部５の表面にアレ
イ状に形成したものでも良く、微細な粒子をバインダに
混入してエミッタ部５に塗布しても良い。ここで、互い
に対向した電極基板１ａの放電部４ａと電極基板１ｂの
放電部４ｂとの距離をｄ_１、電極基板１ａと電極基板１
ｂとのエミッタ６同士も互いに対向し、その距離をｄ_２
とすると、エミッタ部５で開始された放電が放電部４に
移行するためには、ｄ_１＜ｄ_２で表される距離が望ましい。さらに、確実に放電現象を
放電部４に移行させ、その状態を保持するためには、２×ｄ_１＜ｄ_２で表すことができる距離が望ましい。

【００２３】次に、本発明に係るサージアブソーバの第
１の実施の形態における動作について図１を参照して以
下に説明する。図１に示すように、多数のエミッタ６を
電極基板１に形成した本発明に係るサージアブソーバに
おいては、エミッタ６の先端部が鋭く尖っているため、
この先端部に電界が集中する。従って、電極基板１の両
端の電圧が増加すると、最初にエミッタ６から電子が電
界放射によって放出される。この電子は正の電圧が印加
された電極基板１に衝突し、係る電極基板１を局部的に
加熱するとともに電極基板１に吸着したガス分子を物理
的に脱離させる。その結果として、真空の外囲器１０の
内部ではガス分子の数が増加し、係るガス分子が電子と
衝突し、イオン化し、放電が開始され、両端の電極基板
１を衝撃する。従って、さらに電極基板１を加熱、衝撃
して、ガス分子を増加させ、電極基板１の両端の電圧が
低下するまで放電状態が維持される。ここで、エミッタ
部５の間隔よりも放電部４の間隔が小さいため、管内の
イオン濃度が増加するにつれて放電現象はエミッタ部か
ら放電部４に移行する。また、エミッタ部５に設けられ
た抵抗層９によって、エミッタ６から放出される電子の
量が制限され、放電した場合にも放電電流が制限され
て、放電現象は主に放電部４で行われる。

【００２４】このように、本発明に係るサージアブソー
バによって、主放電が平坦で比較的面積が広い放電部で
行われることとなり、エミッタの形状変化が小さく、多
回にわたる放電の繰り返しによっても放電による開始電
圧が変化することがない。

【００２５】（実施の形態２）本発明に係るサージアブ
ソーバの第２の実施の形態における構成について図面を
参照して説明する。但し、前述した本発明に係るサージ
アブソーバの第１の実施の形態と同様の構成及び動作に
ついては説明を省略する。図２は、本発明に係るサージ
アブソーバの第２の実施の形態における構成を示す断面
図である。図２に示すように、電極基板１ａ及び電極基
板１ｂのほぼ中央部に同心円状の凹部が設けられてい
る。この凹部の表面をエミッタ部５とし、係るエミッタ
部５には、先端が鋭く尖った形状を有するエミッタ６が
多数形成されている。また、前記凹部の外周に形成さ
れ、表面を平坦に施したリング状の部分は放電部４とす
る。そこで、電極基板１ａのエミッタ５ａと電極基板１
ｂのエミッタ５ｂとの間の距離よりも、電極基板１ａの
放電部４ａと電極基板１ｂの放電部４ｂとの間の距離を
小として設定する。

【００２６】（実施の形態３）また、本発明に係るサー
ジアブソーバの第３の実施の形態において図３を参照し
て以下に説明する。但し、前述した本発明に係るサージ
アブソーバの実施の形態と同様の構成及び動作について
は説明を省略する。図３は、本発明に係るサージアブソ
ーバの第３の実施の形態における構成を示す断面図であ
る。図３に示すように、電極基板１上に形成されるエミ
ッタ部５は、外囲器１０内部において絶縁体３に接する
一部分として形成されている。すなわち、前述した本発
明に係るサージアブソーバの実施の形態１及び実施の形
態２のように、エミッタ部５又は放電部４を円環状に形
成するものではなく、絶縁体３に接した電極基板１の一
部分にエミッタ部５を形成することとなる。この本発明
に係る実施の形態３を採用することによって、前述した
本発明に係るサージアブソーバの実施の形態１と同様の
効果を奏する。

【００２７】ここで、本発明に係るサージアブソーバの
第４の実施の形態における構成として図４を参照して以
下に説明する。但し、前述した本発明に係るサージアブ
ソーバの実施の形態と同様の構成及び動作については説
明を省略する。図４は、本発明に係るサージアブソーバ
の第３の実施の形態における構成を示す断面図である。
図４に示すように、主な構成は前述の本発明に係る一実
施の形態と同様であるが、エミッタ部５の表面に形成さ
れた多数のエミッタ６の先端部には、係る先端部の各々
を覆う態様に位置する開口部を有したゲート電極７が設
置されている。このゲート電極７はエミッタ部５上に絶
縁層３を介して形成されており、エミッタ６とエミッタ
部５との間には、薄膜又は固体形状の抵抗層９が形成さ
れている。ここで、容量Ｃ_１及びＣ_１’は、ゲート電極
７とエミッタ部５との間の静電容量であり、容量Ｃ_２は
対向するゲート電極７間の静電容量である。

【００２８】次に本発明に係るサージアブソーバの第４
の実施の形態における動作について説明する。２枚の電
極基板１の両端の電圧をＥとすると、ゲート電極７に加
わる電圧Ｅｇは、Ｅｇ＝Ｅ×Ｃ_２×Ｃ_１’／（Ｃ_２・Ｃ_１’＋Ｃ_１・
Ｃ_１’＋Ｃ_１・Ｃ_２）で表される。エミッタ６とゲート電極７の開口部は極め
て接近しているために、この電圧Ｅｇが約５０Ｖを越え
ると、エミッタ６の先端からは電子が放出され始める。
このため、ゲート電極を有しない構造のサージアブソー
バに比べ、電極間の電圧を極めて低い状態で放電を開始
させることができる。また、静電容量値の選定によって
放電を開始する電極間電圧を設定することができるた
め、放電開始電圧を正確に、且つ広い範囲で設定するこ
とが可能である。なお、ゲート電極を本発明に係るサー
ジアブソーバの外に引き出して、外部の静電容量分圧器
を利用しても同様の効果を奏する。

【００２９】（実施の形態５）また、本発明に係るサー
ジアブソーバの第５の実施の形態において図５を参照し
てその構成を説明する。但し、前述した本発明に係るサ
ージアブソーバの形態と同様の構成及び動作については
説明を省略する。図５は、本発明に係るサージアブソー
バの第５の実施の形態における構成を示す断面図であ
る。図５に示すように、本発明に係るサージアブソーバ
の第５の実施の形態は、前述の本発明に係るサージアブ
ソーバの第４の実施の形態における構成に加えて、電極
基板１ａと電極基板１ｂとの間が抵抗によって分割され
て電圧が印加される。具体的には、ゲート電極７ａと対
向する電極基板１ａとの間に抵抗Ｒ_１が設けられ、ゲー
ト電極７ｂと電極基板１ｂとの間に抵抗Ｒ_１’が設けら
れる。

【００３０】次に、本発明に係るサージアブソーバの第
５の実施の形態における動作について図５を用いて説明
する。電極基板１ａと電極基板１ｂとの間の電圧をＥ、
抵抗Ｒ_１及び抵抗Ｒ_１’の抵抗値をそれぞれｒ_１及びｒ
_１’とすると、ゲート電極７に加わる電圧Ｅｇは、Ｅｇ＝Ｅ×（ｒ_１’／（ｒ_１＋ｒ_１’））と表すことができる。この様に、エミッタ６とゲート電
極７の開口部が極めて接近しているため、この電圧Ｅｇ
が約５０Ｖを越えると、エミッタ６の先端から電子が放
出され始める。このため、極めて低い電極間電圧で放電
を開始させることが可能である。また、ゲート電極７と
エミッタ６との間には、電極基板１ａと電極基板１ｂと
の間の電圧の分圧が印加されるため、放電開始電圧を抵
抗の値によって設定することができる。

【００３１】（実施の形態６）最後に、本発明に係るサ
ージアブソーバの第６の実施の形態について図６を参照
して以下に説明する。但し、前述した本発明に係るサー
ジアブソーバの実施の形態と同様の構成及び動作につい
ては説明を省略する。図６は、本発明に係るサージアブ
ソーバの第６の実施の形態における構成を示す断面図で
ある。図６に示すように、本発明に係るサージアブソー
バの第６の実施の形態は、前述した本発明に係るサージ
アブソーバの第５の実施の形態と同様の構成を有してお
り、ゲート電極に印加する電圧を作る抵抗分割の構成が
異なるものである。抵抗Ｒ_３は電極基板１ａとゲート７
ａとの間の抵抗であり、同様に、抵抗Ｒ_３’は、電極基
板１ｂとゲート７ｂとの間の抵抗である。また、抵抗Ｒ
_４は、ゲート電極７ａとゲート電極７ｂとの間に設けら
れた抵抗である。ここで、電極基板１ａと電極基板１ｂ
との間の電圧をＥとし、抵抗Ｒ_３、抵抗Ｒ _３’及び抵抗
Ｒ_４の抵抗値をそれぞれｒ_３、ｒ_３’及びｒ_４とする
と、ゲート電極７に加わる電圧Ｅｇは、Ｅｇ＝Ｅ×（ｒ_３’／（ｒ_３＋ｒ_３’＋ｒ_４））となる。この構成によって生じる動作及び効果は本発明
に係るサージアブソーバの実施の形態５と同様である。
なお、ゲート電極を本発明に係るサージアブソーバの外
に引き出して、外部の抵抗分圧器を利用しても同等の効
果が得られる。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係るサージアブソーバによって
奏する効果を以下に列挙する。第一に、エミッタ部に設
けられたエミッタの先端が先鋭形状をなしているため、
比較的低い電圧で電界放出が開始される。従って、サー
ジアブソーバの放電開始電圧も低くなる。第二に、主放
電は、平坦で面積が広い放電部で行われるため、エミッ
タの形状変化が小さく、多数の放電繰り返しによっても
放電開始電圧が変化しない。第三に、エミッタの下部に
抵抗層が形成されているため、エミッタ部に流れるエミ
ッション電流及び放電電流が制限される。従って、エミ
ッタの先端部への損傷の影響が軽減される。第四に、エ
ミッタ同士が対向して位置するため、他のエミッタから
電子放射を受けて常に表面が洗浄される。さらに、主放
電が生じる放電部が対面する面積を比較的大きくするこ
とができるために、大電流を比較的小さい形状で取り扱
うことができる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサージアブソーバの第１の実施の
形態における構成を示す図である。

【図２】本発明に係るサージアブソーバの第２の実施の
形態における構成を示す図である。

【図３】本発明に係るサージアブソーバの第３の実施の
形態における構成を示す図である。

【図４】本発明に係るサージアブソーバの第４の実施の
形態における構成を示す図である。

【図５】本発明に係るサージアブソーバの第５の実施の
形態における構成を示す図である。

【図６】本発明に係るサージアブソーバの第６の実施の
形態における構成を示す図である。

【図７】従来におけるサージアブソーバの構成を示す図
である。

【図８】従来におけるサージアブソーバの構成を示す図
である。

【符号の説明】

１．電極基板２．接合部３．絶縁体４．放電部５．エミッタ部６．エミッタ７．ゲート８．絶縁層９．抵抗層１０．外囲器７０．外囲器７１．蓋部材７２．エミッタ７３．基板部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小な突起を有するエミッタが複数設けら
れてなるエミッタ部と平坦な放電部とが表面に形成され
てなる一対の電極基板が、絶縁体を介して互いの表面が
対向する態様で固定され、一対の電極基板と絶縁体によ
って形成された中空部を真空とするサージアブソーバに
おいて、一対の電極基板のエミッタ部及び放電部同士を
対向するように配置し、エミッタ部同士の間隔が放電部
同士の間隔よりも大であることを特徴とするサージアブ
ソーバ。
【請求項２】エミッタ部の間隔が前記放電部の間隔の２
倍よりも大であることを特徴とする請求項１に記載のサ
ージアブソーバ。
【請求項３】開口部を有するゲート電極が絶縁層を介し
て電極基板の表面に設けられ、その開口部に各々のエミ
ッタが挿設される態様で設けられたことを特徴とする請
求項１に記載のサージアブソーバ。
【請求項４】エミッタと、係るエミッタが形成されてい
る電極基板との間に抵抗層が設けられることを特徴とす
る請求項１乃至請求項３の何れか一に記載のサージアブ
ソーバ。
【請求項５】前記ゲート電極には電極基板の両端の電圧
を分圧した電圧が印加されることを特徴とする請求項１
乃至請求項４の何れか一に記載のサージアブソーバ。
【請求項６】電極基板の両端の電圧が抵抗によって分圧
されることを特徴とする請求項５に記載のサージアブソ
ーバ。
【請求項７】電極基板の両端の電圧が静電容量によって
分圧されることを特徴とする請求項５に記載のサージア
ブソーバ。