JP2005063721A

JP2005063721A - 放電型サージ吸収素子

Info

Publication number: JP2005063721A
Application number: JP2003289679A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Hanamura; 義和花村; Koichi Imai; 孝一今井
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP4247556B2

Abstract

【課題】放電開始電圧が変化することのない安定した特性を有するとともに、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器で熱衝撃性に優れた表面実装部品とすることができる放電型サージ吸収素子の提供を目的とする。
【解決手段】放電型サージ吸収素子１は、放電間隙を設けて相対向して配置してなる電極３の端面に凹部１３を形成し、該凹部にスパッタリング防止効果を有する電極塗布材を塗布するとともに、この凹部上面には「＋」形状の仕切り用リブ１４を突設させ、上記電極塗布材の移動を規制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導雷などのサージ（異常電圧）が各種機器内に侵入することを防ぐために、サージをガス放電させることで吸収する放電型サージ吸収素子に係り、特に高密度実装化を可能とすべく小型薄型化を可能としかつ安定した放電特性が得られる放電型サージ吸収素子に関するものである。

従来、放電型サージ吸収素子としては、放電ガスを封入した円筒型形状のセラミック外囲器の両端に電極を配設し、この電極にリード端子を接続したものが多く使用されており、一般に放電時のスパッタリングを抑えるために電極の放電部分に、電極保護用及び応答特性向上用に、ケイ酸ナトリウム溶液と純水との混合液をバインダとし、添加剤にヨウ化カリウムを混合した電極塗布材を被着している。そして、この電極塗布材が電極の放電部分に均一に被着するように、電極の先端部分にはリブを格子状に細かく形成し、ここに電塗布材溶液を塗布し焼成して被着させていた。

一方、昨今の電子機器等における高密度実装化の流れで、この放電型サージ吸収素子にあっても小型化して表面実装部品とすることが求められている。また、放電型サージ吸収素子にあっては、端面にメタライズ処理したアルミナ系のセラミック外囲器の両端を、アルミナとの熱膨張係数が比較的近いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなる放電電極で、銀ろうを用いて気密に封止し、その内部には封入するガスとしてＮｅ−Ａｒ等の不活性ガスを用いていた。そして、この放電型サージ吸収素子を表面実装部品として小型化するためには、外形寸法を小さくすること以外に、部品が転がらずにスムースに実装作業を行えるようにするために角型形状にする必要がある。そして、表面実装部品とするからには、２８０℃のリフローではんだ付けされた後に急冷するという熱衝撃に耐えることも必要である。

しかし、この表面実装部品とすべく小型化した放電型サージ吸収素子にあっては、電極の放電部分が直径約１．１ｍｍと小径であることから、そこにリブを格子状に細かく形成することは困難であるとともに、そこに被着させる電極塗布材の表面張力にとって細か過ぎる凹凸は掛止する作用を発揮できなかった。そのため、図６に示すごとく、電極３２の放電部分には、リブを設けずに深さ約０．１ｍｍの平坦な凹部３３を中央に形成していた。しかし、凹部に流し込んだ電極塗布材は凹部外側に集中しがちで中央部分には被着しないものが発生する。このような構成からなる放電型サージ吸収素子３１を３０個用意し、この試料について直流放電開始電圧値を測定すると、図７のヒストグラムに示されるごとく分布が広がるとともに、平均値を大きく下回る電圧値のものが発生する。これは、電極塗布材が外側に固まって集中することで電極表面よりも突出し、電極間隔が狭くなることによるものである。さらに、図８に示すサージ寿命試験において、放電を３００回繰り返すことで直流放電開始電圧値が低下する。これは、電極の放電部分の中央部に電極塗布材が被着されないことで、スパッタリングするためと思われる。
特開平２−１８６５７７号公報

そこで本発明にあっては、上述した課題を解決すべく、高密度実装化を可能とすべく小型薄型化を可能とした放電型サージ吸収素子において、放電開始電圧がばらついたり変化したりすることのない安定した特性を発揮させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の放電型サージ吸収素子は、放電間隙を設けて相対向して配置してなる電極の端面には凹部を形成し、該凹部にスパッタリング防止効果を有する電極塗布材を塗布するとともに、この凹部上面には仕切り用リブを突設し上記電極塗布材の移動を規制することを特徴とするものである。

また、仕切り用リブは電極凹部上面に複数本突設し電極凹部を複数域に分割したことを特徴とするものである。

また、電極凹部上面に突設された仕切り用リブは＋形状とすることを特徴とするものである。

本発明の放電型サージ吸収素子によれば、高密度実装化を可能とすべく小型薄型化を可能とした放電型サージ吸収素子において、放電開始電圧がばらついたり変化したりすることのない安定したサージ吸収特性を発揮することができる。

また、仕切り用リブは電極凹部上面に複数本突設し電極凹部を複数域に分割することで、電極塗布材が仕切り用リブに移動を規制されて電極の放電部分に満遍なく被着され、放電開始電圧がばらついたり変化したりすることのない安定した放電特性を発揮させることができる。

また、電極凹部上面に突設された仕切り用リブを＋形状とすることで、電極凹部に仕切り用リブを容易に形成することができるとともに、電極塗布材が仕切り用リブに移動を規制されて電極の放電部分に満遍なく被着され、放電開始電圧がばらついたり変化したりすることのない安定した放電特性を発揮させることができる。

放電型サージ吸収素子を表面実装部品として小型にするという目的を、放電開始電圧がばらついたり寿命変化したりすることなく達成し、安定したサージ吸収特性を発揮することができた。

図１〜図３は、本発明に係る実施例の放電型サージ吸収素子１を示すものであり、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器２と、この両端に放電間隙を設けて相対向して配置される角型の鍔部を有する無酸素銅製の一対の電極３と、このセラミック外囲器２と電極３とを接続する銀ろう４とから構成され、その形状としては、長さ４．５ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．６ｍｍの角柱形状の表面実装部品としてなるものである。

上記セラミック外囲器２は、アルミナ等の絶縁性材料からなり、図２に示すごとく、長さ３．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．５ｍｍ（下記電極３よりも０．１ｍｍ小さい）、肉厚０．４５ｍｍの小型で薄肉の角筒形状とするとともに、その内周の角部５と外周の角部６はともにＲ０．４〜Ｒ１．２５の大きな曲率で丸くすることが望ましく、特に肉厚の１００〜１３３％に相当するＲ０．４５〜Ｒ０．６が好適である（本実施例ではＲ０．４５とする）。そして、セラミック製の外囲器に銅製電極を接続するために用いる銀ろうと、セラミック外囲器２との接続性を増すために、セラミック外囲器２の開口端面にはモリブデン−マンガンやタングステン−マンガンを被着させその上からニッケルメッキを施して形成したメタライズ層７が形成されるとともに、その内周壁には電極３との間で生じる延面コロナで生じる電子により放電の応答特性を向上させるための炭素系材料からなるトリガー電極８が部分的に線状に被着形成されている。上記セラミック外囲器２の寸法設定において、肉厚と内周の角部５のＲの寸法は、大きくすると放電空間が小さくなり過ぎて絶縁劣化により寿命が短くなったり安定した放電開始電圧が維持できなくなったりし、また小さくすると熱衝撃でクラックが生じる恐れがあった。また、外周の角部６のＲは、大きくし過ぎると転がらないようにと角型にした形状が転がりやすい円筒形に近くなってしまうものである。

上記電極３は、無酸素銅からなり、図３に示すごとく、上記セラミック外囲器２と当接して放電型サージ吸収素子１の両端に露出し外部電極として機能する縦２．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、肉厚０．４ｍｍの四角形状からなる鍔部９の一方側（放電型サージ吸収素子１の内側）に、セラミック外囲器２の内径に嵌合すべく長円形状の凸段部１０を設けるとともに、その中央部に円柱形状の放電部１１を突設した形状を有している。そして、その鍔部９の他方側の端面中央部には、鍔部９の肉厚と同等の０．４ｍｍの深さで、縦０．８５ｍｍ、横１．４ｍｍの凹部１２が、上記凸段部１０との間の肉厚ができるだけ均一になるように周部にテーパー面を設けて長方形状もしくは長楕円形状に凹設されている。

また、電極３の放電部１１の先端には、深さ０．０１〜０．１５ｍｍ（本実施例では０．１ｍｍ）の浅い凹部１３を設け、かつその凹部１３に４分割するように「＋」形状の高さ０．０１〜０．１ｍｍ（本実施例では０．０３ｍｍ）、底幅０．０１〜０．９ｍｍ（特に０．０５〜０．３ｍｍが好ましく、本実施例では０．０９ｍｍ）の断面三角形状の仕切り用リブ１４を形成するとともに、この凹部１３に、珪酸ナトリウム溶液と純水とを配合したバインダに、添加物としてヨウ化カリウム（ＫＩ）を加えた電極塗布材を塗布し、固化させることで被膜を形成する。この凹部１３に所定量を塗布された固化前の流動性がある電極塗布材は、多少揺動しても「＋」形状の仕切り用リブ１４により移動を規制されかつ仕切り用リブ１４に沿って被着することから、凹部１３内に満遍なく位置することとなる。尚、この仕切り用リブ１４の形状を「＋」としたのは、放電部１１の直径が約１．１ｍｍと小さいことから、これよりも大型の従来の放電型サージ吸収素子で形成されていた網目状、格子状、渦巻状等の多数の凹凸を形成すると凹凸が細かくなり過ぎて、電極塗布材を掛止する作用を発揮できないからであり、「＋」以外にも「＝」や「キ」等の形状の仕切り用リブとしてもよいものである。また、凹部１３の深さが０．１５ｍｍを超えると、電極塗布材の量が多くなり過ぎ塗布厚が増し、この塗布厚が大きいと昇温中に発泡する珪酸ナトリウム溶液は、球状になろうとして局所的に偏在してしまうこととなり、凹部１３内に電極塗布材を満遍なく被着させることができなくなるものである。

上記電極塗布材は、電極を保護し、サージに対する応答特性を向上させるとともに、放電開始電圧を低く安定化させる作用を発揮するもので、その配合比率としては、珪酸ナトリウム溶液と純水とを１：１（重量比）に配合したバインダに、添加物としてヨウ化カリウム（ＫＩ）を全量の０．１重量％〜４０重量％（本実施例にあっては４０重量％）添加するものである。この添加物としては、仕事関数が小さく電子放出特性に優れ、放電開始電圧を低下させ得るアルカリヨウ化物（ヨウ化カリウム（ＫＩ）をはじめ、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化ルビジウム（ＲｂＩ）等）全般が使用できる。この電極塗布材中のアルカリヨウ化物とバインダとの配合割合は、アルカリヨウ化物が全量の０．０１〜７０重量％で、バインダ中の珪酸ナトリウム溶液と純水との配合割合は、珪酸ナトリウム溶液が全量の０．０１〜７０重量％である。
尚、電極塗布材に、臭化物（臭化コバルト（ＣｏＢｒ₂）、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）、臭化鉄（ＦｅＢｒ₂、ＦｅＢｒ₃）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ₃）、臭化ニッケル（ＮｉＢｒ₂）、臭化ルビジウム（ＲｂＢｒ）等）を添加すると、より一層、放電開始電圧の安定化を図ることができる。
更に、上記臭化物と共に、あるいは上記臭化物以外に塩化バリウム（ＢａＣｌ）、フッ化バリウム（ＢａＦ）、クロム酸セシウム（Ｃｓ₂ＣｒＯ₄）、モリブデン酸カリウム（Ｋ₂ＭｏＯ₄）、チタン酸カリウム（Ｋ₂Ｔｉ₄Ｏ₉）、タングステン酸カリウム（Ｋ₂ＷＯ₄）、酸化プラセオジウム（Ｐｒ₆Ｏ₁₁）、塩化イットリウム（ＹＣｌ₂）、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を添加しても、放電開始電圧の安定化に効果がある。

上記銀ろう４は、セラミック外囲器２の開口端面とほぼ同一の縦横形状からなり、板厚が厚い方が接続性能として確実となるが、その板厚が厚いほどセラミック外囲器２に対するろう付け時の残留応力が大きくなることから、板厚は０．０２〜０．０４ｍｍが望ましく、特に０．０３ｍｍが好適である。

放電型サージ吸収素子１内の放電空間には、不活性ガスであるネオン、アルゴンに加え、放電開始の応答性に優れる水素ガスを混合した混合ガスを用い、その内部ガス圧は１０ｋＰａ〜３００ｋＰａの範囲とする。この内部ガス圧が小さ過ぎると電極のスパッタが増しそのスパッタに放電ガスも取り込まれてガス圧が変化して放電開始電圧が不安定になる恐れがあり、また内部ガス圧が大き過ぎると電極の放電個所が局所的になって均一な放電が得られなくなることで放電開始電圧が不安定になる恐れがある。

このような構成からなる本実施例の放電型サージ吸収素子１を３０個用意し、この３０個の試料について直流放電開始電圧を正負電圧でそれぞれ測定し、その結果をヒストグラムとして図４に示す。また、サージ寿命試験として、本実施例の放電型サージ吸収素子１について放電を３００回行ってそのときの放電開始電圧の変化を測定し、その結果を図５に示す。

上記図４、図５から明らかなように、従来例に対し、本実施例の放電型サージ吸収素子１はバラツキが少なく所定の範囲内に収まるとともに、サージ寿命試験においても放電開始電圧が変化することなく安定していることがわかる。

本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は中央部の横断面図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子を示す分解図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子の電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は要部縦断面図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子における直流放電開始電圧のバラツキを示すグラフ図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子におけるサージ寿命試験を示すグラフ図である。従来の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は中央部の横断面図である。従来の放電型サージ吸収素子における直流放電開始電圧のバラツキを示すグラフ図である。従来の放電型サージ吸収素子におけるサージ寿命試験を示すグラフ図である。

符号の説明

１放電型サージ吸収素子
２セラミック外囲器
３電極
４銀ろう
５角部
６角部
７メタライズ層
８カーボントリガー線
９鍔部
１０凸段部
１１放電部
１２凹部
１３凹部
１４仕切り用リブ

Claims

放電間隙を設けて相対向して配置してなる電極の端面には凹部を形成し、該凹部にスパッタリング防止効果を有する電極塗布材を塗布するとともに、この凹部上面には仕切り用リブを突設し上記電極塗布材の移動を規制することを特徴とする放電型サージ吸収素子。
仕切り用リブは電極凹部上面に複数本突設し電極凹部を複数域に分割したことを特徴とする請求項１記載の放電型サージ吸収素子。
電極凹部上面に突設された仕切り用リブは＋形状とすることを特徴とする請求項１記載の放電型サージ吸収素子。