JP2007207818A - バリスタ - Google Patents

Abstract

【課題】平易な構造で小型、高性能の３線式電源回路の分電盤等に使用されるバリスタを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、本発明は、両面に電極１６を設けた電圧非直線性抵抗素子１１、１２と、この電圧非直線性抵抗素子１１、１２を両面に設けた端子板２１と、この端子板２１と反対側の前記電圧非直線性抵抗素子１１、１２の電極１６にそれぞれ設けたリード線１４、１５からなるバリスタとしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、家庭用単相３線式電源回路等に使用されるバリスタに関するものである。

電源回路等に取り付けられる異常電圧吸収用のバリスタは、高電圧印加時に低抵抗となってサージ電圧を吸収する電圧非直線性抵抗素子を主要素とし、これに放電ギャップや電流ヒューズを必要に応じて組み合わせて構成される。これらの素子は、電源方式に対応する数だけ用いられ、プリント基板上に半田付けにより独立して平面的に取り付けられる。これらの部品は、１００Ｖ又は２００Ｖといった交流または直流の高電圧電源回路に接続されるものであるため、プリント基板への実装は、絶縁距離を確保して行う必要がある。

このようなバリスタに関する先行技術文献としては、例えば特許文献１をあげることができる。
特開２００３−０２２９０３号公報

上記特許文献１に記載されたバリスタは、構成部品を筐体内に一体的に組立てた本体を、ソケットに着脱可能に装着する構造であり、小型コンパクト化を図ることを目的としているが、筐体を用いる構造であるため、まだその形状は大きく、近年の機器の小型化にともなうバリスタの小型化、高性能化等の要求には十分応えきれていない。

本発明はこのような従来の問題点を解決し、平易な構造で小型化、高性能化を達成することのできるバリスタを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明のバリスタは、両面に電極を設けた電圧非直線性抵抗素子と、この電圧非直線性抵抗素子を両面に設けた端子板と、この端子板と反対側の前記電圧非直線性抵抗素子の電極にそれぞれ設けたリード線からなる構成としたものである。

そして、一対の電源線と中性線よりなる単相３線構成のうち、前記端子板が電源線の中性線に接続され、前記リード線が一対の電源線に接続する構成にすれば、一体化した本体により単相３線のうち電子機器に接続される一対の電源線間およびどちらか一方の電源線と中性線間で動作するサージ吸収素子を提供することができる。

一般に単相３線の電源回路に本発明によるバリスタが装着される場合においては、２つの１００Ｖ回路と１つの２００Ｖ回路などの単相３線式の電源回路おのおのに接続される電気製品や電子機器による負荷は、殆どの場合異なるため、サージ電圧がかかる時間にずれが生じるなどの理由により、同時に２つの電圧非直線性抵抗素子にサージ電圧が印加されることがほとんどない。

これにより、一方の電圧非直線性抵抗素子にサージ電圧が印加された場合、一方の電圧非直線性抵抗素子はサージ電圧により発熱するが、他方の電圧非直線性抵抗素子は発熱していないという状況が起こる。

電圧非直線性抵抗素子にサージ電圧が印加された場合、サージ電圧のエネルギーにより前記電圧非直線性抵抗素子が発熱するが、この発熱量が大きいと前記電圧非直線性抵抗素子の劣化が起こる。

従って、一方の電圧非直線性抵抗素子にサージ電圧が印加された時に、他方の電圧非直線性抵抗素子への放熱によって一方の電圧非直線性抵抗素子の発熱を抑えることにより、サージ電圧の吸収能力を高めることができる。

本発明にかかるバリスタは、２つの電圧非直線性抵抗素子を端子板を介して接合した構成であるため、発熱した一方の電圧非直線性抵抗素子の熱が他方の発熱していない電圧非直線性抵抗素子に伝えられることになる。

このことにより、電圧非直線性抵抗素子を単独で使用した場合より大きなサージ電圧を吸収することができるという優れた効果を有する。

即ち、発熱する一方の電圧非直線性抵抗素子のヒートシンクの役割を、発熱していない他方の電圧非直線性抵抗素子が果たすことにより、発熱している一方の電圧非直線性抵抗素子の発熱を低減することができるため、サージ電圧の吸収能力を高めることができるものである。

また、さらに本発明のバリスタは、端子板に溝もしくはスリットを設けたものであり、この溝もしくはスリットにより、両面に電極を形成した電圧非直線性抵抗素子と、平板状の端子板が密着した状態ではんだ付けを行った場合でも、はんだが溝もしくはスリットにより前記密着部全体にいきわたるため、前記電圧非直線性抵抗素子の電極と端子板のはんだ付けを確実にし、はんだ付け強度及び電気的信頼性を向上させることができる。

本発明に係るバリスタは、両面に電極を設けた電圧非直線性抵抗素子と、この電圧非直線性抵抗素子を両面に設けた端子板と、この端子板と反対側の前記電圧非直線性抵抗素子の電極にそれぞれ設けたリード線からなるものであり、前記電圧非直線性抵抗素子の一方にサージが侵入した場合、この素子の発熱を他方の電圧非直線性抵抗素子に放熱させることができるため、小形化を可能とするバリスタを提供することができるという効果を有する。

以下、本発明のバリスタについて実施の形態を用いて、図１〜図３を用いて説明する。

図１（ａ）は本発明の一実施の形態に係るバリスタの外装樹脂を施す前の一例を示す平面図であり、端子板２１を介して端子板２１の両面に電圧非直線性抵抗素子１１、１２（図示せず）がはんだ（図示せず）により接合され、電圧非直線性抵抗素子１１、１２の端子板２１と接する面と反対側の面の電極１６でおのおのリード線１４並びにリード線１５と接続されている。さらに図１（ａ）で点線で表した外装樹脂１７が施されてバリスタとなる。

図１（ｂ）は図１（ａ）に示すバリスタの外装樹脂１７を施す前の側面図であり、図１（ａ）と同様に両面に電極１６を形成した２つの電圧非直線性抵抗素子１１、１２の間に端子板２１を挟み、電圧非直線性抵抗素子１１、１２の端子板２１に接する面と異なる他方の面の電極１６にリード線１４、１５をそれぞれ接続してはんだ付けにより固定し、電圧非直線性抵抗素子１１、１２と端子板２１、およびリード線１４、１５の電圧非直線性抵抗素子近傍の一部を点線で示す外装樹脂１７によって被覆したものである。

図２（ａ）は、本一実施の形態に使用した端子板２１の平面図であり、端子板２１には上方に開いたスリット２２が形成されている。

スリットを上方に開いた形で設けたのは、はんだ槽に浸漬してはんだ付けする際に、図２（ａ）に示すスリット２２の開口端側からはんだ槽に浸漬するため、図２（ａ）のように上方に開口端があるスリットを有する端子板としている。

図２（ｂ）は、本一実施の形態に用いる他の端子板３１の平面図であり、端子板３１には他の放射状のスリット３２が設けられている。

図２（ｂ）の端子板３１では円形の端子板に４方向に開いたスリット３２を設けているため、端子板３１と電圧非直線性抵抗素子１１、１２をはんだにより接合する場合、図２（ａ）の端子板２１に比べて、はんだがこのスリット３２を通して端子板３１と電圧非直線性抵抗素子１１、１２との界面により流れ込みやすくなり、素子１１、１２と端子板３１のはんだ付けをさらに確実にし、はんだ付強度及び電気的信頼性を向上させることができる。

なお、図２（ｂ）には４本のスリットが端子板の中心部から周縁部に向かって略放射状に形成したスリットを図示したが、４方向に限定されるものではなく、スリットの数を例えば６本や８本など、はんだ付けの状態を確認しながらスリットの本数は適宜選択することができる。

また、図２（ａ）、（ｂ）には端子板の切り込みであり、端子板を貫通するスリット２２、３２を設けた端子板の例を示したが、スリット２２、３２の代わりに端子板２１、３１の少なくとも片面に端子板２１、３１を貫通しない溝（図示せず）を形成してもよい。

次に、本発明に用いられる電圧非直線性抵抗素子１１、１２は特に限定されるものではないがＺｎＯを主成分としてＢｉやＳｂなどの添加物を加えたセラミック粉体を円板形状に成形し、焼成した後、円板の一対の円形主面に電極１６を形成したＺｎＯ系電圧非直線性抵抗素子が好適に用いられる。

電圧非直線性抵抗素子の制限電圧としては、使用される回路の条件に応じて適宜選択されるが、例えば、アース電位間の電圧防護レベルは、住宅内で電気機器を使用する場合に適用される値として１５００Ｖ以下とされており、この値が制限電圧として採用される。

また、端子板２１（または端子板３１）の材質は特に限定されないが、例えば、銅板や黄銅板や真鍮板などが好適に用いられる。

銅板は熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、本発明の目的にはより好適に用いられる。

端子板２１（または端子板３１）の熱伝導の点からは、例えば金属とグラファイトの複合材料や、グラファイトを金属板で挟んだ放熱板等も使用することができる。

この場合、グラファイトとしてポリイミドなどのプラスチックフィルムを熱分解して得られる高配向性のいわゆる熱分解黒鉛を使用した場合には、その熱伝導率が約８００Ｗ／ｍ・Ｋと高く、本発明の端子板として好適に用いることができる。

この端子板２１（または端子板３１）の厚みは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍが好ましく、端子板の強度と、電圧非直線性抵抗素子１１、１２の熱結合という点から、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍがより好ましい。

なぜなら、端子板２１（または端子板３１）の厚みが薄いと、一方の電圧非直線性抵抗素子１１が発熱した場合の熱を他方の同時に発熱していない電圧非直線性抵抗素子１２に伝えやすいため、サージ電圧の吸収能力をより高めることができるが、０．１ｍｍ未満のように薄すぎた場合には端子板２１（または端子板３１）の強度が低く、この端子板を組み込んだバリスタの機械的強度が低下するという問題が発生する場合がある。

また、端子板２１（または端子板３１）の厚みが１．５ｍｍを越えて厚い場合には、強度は十分となるが、発熱している一方の電圧非直線性抵抗素子１１の熱が、他方の同時に発熱していない電圧非直線性抵抗素子１２に伝わりにくくなるため、サージ電圧の吸収能力が低下する場合がある。よって、端子板２１（または端子板３１）の厚みは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍが好ましい。

上記の電圧非直線性抵抗素子１１、１２の間に端子板２１（または端子板３１）を挟み、さらに電圧非直線性抵抗素子１１、１２が端子板と対向する面と反対側の面の電極１６にリード線１４、１５を保持した状態ではんだ槽に浸漬してはんだ付けを行う。

さらにはんだ付けの後で、電圧非直線性抵抗素子１１、１２と端子板２１（または端子板３１）、およびリード線１４、１５の電圧非直線性抵抗素子近傍の一部を外装樹脂１７によって被覆する。

外装樹脂１７としては粉体樹脂が好適に用いられる。粉体樹脂としては特に限定されないが、耐熱性や被覆性、耐湿性等の点から、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂などが好適に用いられる。

このようにして作製したバリスタのサージ電圧吸収能力を評価した。評価に関しては、本発明の一実施の形態によるバリスタと、比較のため図３に示すような、１つの電圧非直線性抵抗素子１の表裏の電極６にリード線４をはんだによって接続し、素子を外装樹脂７によって被覆した従来のバリスタを図４の回路ブロック図に示すＺ１、Ｚ２のおのおのに２個一組として使用した場合についても試験を実施した。

図４は単相３線式の電源回路の一例を示すブロック図であり、通常このような単相３線の電源回路では、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間または電源線Ｌ２と中性線Ｎ間は１００Ｖの電源回路に使用され、また電源線Ｌ１と電源線Ｌ２間は２００Ｖの電源回路として使用される。

なお、本発明の一実施の形態で用いた電圧非直線性抵抗素子１１、１２と、図３の従来品に用いられている電圧非直線性抵抗素子１とは同じ性能のバリスタを用いた。

図４の回路ブロック図において、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間及び電源線Ｌ２と中性線Ｎ間に電圧非直線性抵抗素子Ｚ１、Ｚ２が接続されている。

そして中性線Ｎに接続された端子は、同時に放電管４５を介してアース線Ｅに接続される構成となっている。

ここで、従来品の場合はおのおの２個の単独のバリスタがＺ１、Ｚ２として実装され、２個のバリスタの４本のリード線のうち、２本が中性線Ｎ及び放電管４５を介してアース線Ｅに接続される。

これに対して、本発明の一実施の形態のバリスタの場合は、Ｚ１、Ｚ２は端子板２１（または端子板３１）を介して一体となったものであり、この端子板２１（または端子板３１）が中性線Ｎ及び放電管４５を介してアース線Ｅに接続され、またリード線１４、１５は電源線Ｌ１、Ｌ２に接続される。

さらに図４の回路ブロック図では、このＬ１、Ｌ２間には一対のダイオード４７と動作表示ランプとしてＬＥＤ４８が抵抗４６と直列に接続されている。

図４で４３、４４は電源線Ｌ１、Ｌ２に設けられたヒューズを示す。

サージ電圧吸収能力の評価方法は、図４に示す回路ブロックに上記本発明の一実施の形態によるバリスタと、従来品のバリスタ２個を実装したものについて試験を行った。試験方法は、前処理試験として、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間または電源線Ｌ２と中性線Ｎ間の端子間において、最大連続使用電圧を印加した状態で、８／２０μｓの標準インパルス波形の公称放電電流５０００Ａを１分間隔で５回印加し、これを３０分間隔で３回繰返し実施する。

試験に用いた個数は、本発明の一実施の形態によるバリスタ５０個と、従来品のバリスタ２個を一組として５０組について試験を行った。

前処理試験に引続き、ＪＩＳ Ｃ ５３８１−１に規定された動作責務試験として、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間および電源線Ｌ２と中性線Ｎ間の端子間において最大連続使用電圧を印加した状態で、８／２０μｓの標準インパルス電流にて１０００Ａ、２５００Ａ、５０００Ａ、７５００Ａ、１００００Ａの各電流を印加後、最大連続使用電圧を電源線Ｌ１と中性線Ｎ間および電源線Ｌ２と中性線Ｎ間に各３０分間印加する。試験後、電源線Ｌ１または電源線Ｌ２端子を正方向として電源線Ｌ１と中性線Ｎ間および電源線Ｌ２と中性線Ｎ間のバリスタ特性を測定し、更に逆方向として、中性線Ｎ端子を正方向として中性線Ｎと電源線Ｌ１間および中性線Ｎと電源線Ｌ２間のバリスタ特性を測定し、初期値との変化率を比較した。

ここで、上記動作責務試験においては、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間と、電源線Ｌ２と中性線Ｎ間の各相間ごとに試験を行うことが規定されており、Ｚ１、Ｚ２に同時にサージ電圧がかかることはない。

電源線Ｌ１と中性線Ｎ間で上記の試験を行った試験結果について、（表１）にまとめて示す。

（表１）の試験結果は、電源線Ｌ１と中性線Ｎ間と電源線Ｌ２と中性線Ｎ間の両方の試験結果を総合した平均値、最大値、最小値を示す。

（表１）は、上記の試験を実施した後のバリスタ電圧Ｖ_1mAの変化率について、本一実施の形態による本発明品の場合は５０個の試験結果、従来品の場合は２個一組の５０組についての平均値、最大値、最小値を示す。

（表１）の結果から明らかなように、比較試料として従来品を２個一組で使用した場合のバリスタでは、１ｍＡの電流が流れる電圧であるバリスタ電圧Ｖ_1mAの変化率が試験後に負方向の最小値において−７．５％変化している。

このバリスタ電圧Ｖ_1mAの変化率は±１０％以内にあることが必要とされ、通常これが判定基準とされているが、従来品を２個一組で使用した場合にはこの判定基準である±１０％に近い値となっている。

さらに、バリスタ電圧の変化率がマイナス側に変化することは、特性が劣化傾向にあることを示すため、マイナス側の変化が大きいということは継続的に使用した場合、判定基準の±１０％を越える場合があるため、信頼性としては不十分な場合がある。

これに対して本発明品のバリスタは、試験後のバリスタ電圧特性の変化率が、正負方向ともにプラス側に変化しており、劣化傾向にはなく、継続的に使用することが可能であると判断できる。

これは、本発明品のバリスタでは、発熱する一方の電圧非直線性抵抗素子１１または１２の熱が、発熱していないもう一方の電圧非直線性抵抗素子１２または１１に逃がし、発熱していない側の電圧非直線性抵抗素子がヒートシンクとしての役割を果たすため、印加されるサージ電流に対して耐性が向上するためである。

これに対して、従来品を２個独立して用いた比較例の場合には、電圧非直線性抵抗素子が単独であるため、この素子の発熱が十分放熱されず、印加されるサージ電流により素子が劣化傾向にあるものと考えられる。

以上のように、本発明のバリスタは、２つの電圧非直線性抵抗素子の間に端子板をはんだ付けによって挟み、素子の他方の面にリード線を接続したものであり、素子の間に挟んだ端子板と２つの電圧非直線性抵抗素子を一体化した構成であり、この素子の一方にサージが侵入した場合、この素子の発熱を他方の素子に放熱させることができるため、小形で高性能のバリスタを提供することができる。

なお、電圧非直線性抵抗素子１１、１２の電極１６と端子板２１（または端子板３１）との接続にはんだを用いたが、これに限定されるものでなく、はんだのかわりに導電性樹脂で接続してもよい。

本発明に係るバリスタは、２つの電圧非直線性抵抗素子の間に端子板を挟んで一体化した構成を特徴とするものであり、一方の電圧非直線性抵抗素子の一方にサージが侵入した場合、この素子の発熱を他方の電圧非直線性抵抗素子に放熱させることができるため、小形化を可能とするバリスタを提供することができ、住宅用に設置される単相３線式１００Ｖ、２００Ｖ電路の分電盤に内蔵されている雷サージなどの過渡的な過電圧から電気設備の絶縁破壊を防止する避雷器用素子等に有用である。

（ａ）本発明の一実施の形態におけるバリスタの外装樹脂を施す前の平面図、（ｂ）同側面図 （ａ）本発明の一実施の形態に用いる端子板の一例を示す平面図、（ｂ）同他の端子板の一例を示す平面図 従来品のバリスタの外装樹脂を施す前の平面図 評価試験に用いた回路ブロック図

符号の説明

１１、１２ 電圧非直線性抵抗素子
１４、１５ リード線
１６ 電極
１７ 外装樹脂
２１、３１ 端子板
２２、３２ スリット
４１、４２ 電圧非直線性抵抗素子
４３、４４ ヒューズ
４５ 放電管
４６ 抵抗
４７ ダイオード
４８ ＬＥＤ

Claims (2)

1. 両面に電極を設けた電圧非直線性抵抗素子と、この電圧非直線性抵抗素子を両面に設けた端子板と、この端子板と反対側の前記電圧非直線性抵抗素子の電極にそれぞれ設けたリード線からなるバリスタ。
2. 端子板に溝またはスリットを設けた請求項１に記載のバリスタ。

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