JP2010074174A - 対サージ防御装置及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【目的】速い応答速度を有し、自動的にくり返し使用可能な対サージ防御装置とその作製方法を提供する。
【解決手段】高抵抗被膜を金属棒の表面を酸化することによって形成する方法において、まず複数の金属棒を接触し、一体化するための第１の酸化を行い、次に複数の金属棒全体上に高抵抗被膜を形成する第２の酸化を行う。通常第１の酸化と第２の酸化の条件は異なるが同一でもよい。この工程によって、複数の金属棒は高抵抗被膜を介して一体に接続され、かつ金属棒全体の上に高抵抗被膜を有する構造が形成される。次にこの金属棒全体の両端に電極をはんだあるいは導電性接着材によって接続し、対サージ防御装置の主構成物とする。組み立てが容易な金属棒の数は２〜４本を、導電性材料を介して、電気的に直列に接続すれば、より大きな電気抵抗と動作電圧を有する避雷器が作製され、より広範囲の用途に対応できる。金属はモリブデンが望ましい。
【選択図】図１０

Description

本発明は、対サージ防御装置の作製方法及びその方法により作製された装置に関する。対サージ防御装置は、避雷器に代表されるように、突発的に発生する高電圧あるいは大電流から、各種の電気機器を防御するための装置である。本発明は、超高速の応答速度、大きなサージ耐量等の優れた特性を持ち、かつ交換することなしに自動的にくり返し使用することが可能で、更にその特性が高い精度で制御でき、高い歩留りで生産可能な対サージ防御装置を作製する方法及びその方法により作製された装置に関する。

従来、避雷器としては、２つの電極を設けたガラス管内にガスを封入したガラス管型避雷器が使用されてきた。このガラス管型避雷器においては、はじめ電極間は絶縁された状態にあるが、高電圧が加わると徐々に放電が起こり電極間が導通し電流がアースに放出される。しかしながら、放電が終了した後でも、電極間の絶縁性はすぐには回復せずこの間続流を遮断することができない。このような不具合を解消するため、表面にそれ自身の酸化膜を有する複数のモリブデン棒を、酸化膜どうしが互いに接触するように組合わせて成るモリブデン避雷器が提案された（特許公告平０７−１１８３６１、”モリブデン避雷器”、発明者及び出願人：大森清太）。このモリブデン避雷器については、上述のようなガラス型避雷器がもつ短所がなく、アースへの電流放出が極めて短時間でなされるとともに、空気等の酸素雰囲気中であれば電極間の絶縁性が自動的に再び回復し、くり返し使用が可能であるとされている。

しかし、大森清太の提案によるモリブデン避雷器には、重大な欠陥が存在することが明らかになった。それは、図１に概念的に示すように、複数の金属棒（１０）を単に積み重ね接触させた構造では、微視的にみると、それらは面接触にはならず、原子サイズでは凹凸があり、点接触になっており、金属棒（１０）間には少なくとも原子層オーダーの気体の層(１１)が必ず存在することから生じている。即ち、図２に示される大森清太によるモリブデン避雷器を実際に作製し、図３に示される試験回路を用いて、直流電圧を印加し、オシロスコープで電流を測定すると、図４に示すような電流の振動が見られる。同様に、交流電圧を印加すると、急峻なパルス状電流が測定される。このような特性は電極とモリブデン棒またはモリブデン棒とモリブデン棒の間に空気の層が存在するために生じていると考えられ、このような特性を示す限り、避雷器として使用することは不可能である。大森清太のモリブデン避雷器に関しては、これまでにこのような試験を行った結果は報告されていない。従って、従来のモリブデン避雷器のように、表面に高抵抗被膜を有する複数の金属棒を接触させる構造では、実用的な避雷器が持つべき特性を実現できないという重大な問題があった。なお、図２において、（２０）は大森清太の発明による対サージ防御装置で、（２１ａ、２１ｂ）はモリブデン棒、（２２ａ、２２ｂ）は高抵抗被膜、（２３）は電極、（２４）はジルコン砂又は硅砂と酸素の混合物である。

上述のような大森清太の発明による対サージ防御装置の欠点は、複数のモリブデン棒（２１ａ、２１ｂ）のそれぞれの上に、別々にあらかじめ高抵抗被膜（２２ａ、２２ｂ）を形成した後、それらを積み重ねたため、高抵抗被膜（２２ａ、２２ｂ）間に気体の層（１１）が存在することから生じている。すなわち、高抵抗被膜（２２ａ、２２ｂ）が一体でなく、それらの間に界面が存在することが欠点の原因である。

特公平０７−１１８３６１号公報

大森清太の発明によるモリブデン避雷器には、表面に高抵抗被膜を有する複数の金属棒の間の気体又は真空層を除去できないこと及び金属棒どうしが微視的には点接触になるという根本的な問題がある。本発明は独立の金属棒どうしをたとえば積み重ねによって接触させる構造に伴う上述のような従来技術における問題点に鑑みなされたものであり、複数の金属棒を、それらの間の界面を持たないように一体となった半導体結晶の高抵抗被膜により結合させることによって、上記の問題を解決し、速い応答速度を有し、自動的にくり返し使用可能な対サージ防御装置とその作製方法を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明では、高抵抗被膜を表面に有する金属棒を別々に作製し、接触させるように組立てるのではなく、複数の金属棒がそれらの間の界面を持たないように一体となった半導体結晶の高抵抗被膜により、結合するよう開発した新たな高抵抗被膜形成方法を用いて、従来技術のような金属棒間に界面が存在しない対サージ防御装置を実現する。

具体的には、高抵抗被膜を金属棒の表面を酸化することによって形成する方法において、まず複数の金属棒を接触し、結合するための第１の酸化を行い、次に複数の金属棒全体上に高抵抗被膜を形成する第２の酸化を行う。通常第１の酸化と第２の酸化の条件は異なるが同一でもよい。この工程によって、複数の金属棒はそれらの間の界面を持たないように一体となった半導体結晶の高抵抗被膜により、結合され、かつ金属棒全体の上に高抵抗被膜を有する構造が形成される。金属棒の数、寸法及び第１、第２の酸化の条件は、用途に応じて選択される。組み立てが容易な金属棒の数は２〜４本であるが、それを１セットとして、導電性材料を介して、複数のセットを電気的に直列に接続すれば、より大きな電気抵抗と動作電圧を有する対サージ防御装置が作製され、より広範囲の用途に対応できる。金属はモリブデンが望ましいが、他にタンタル、クロム、アルミニウムなどの金属でも差しつかえない。モリブデンは酸化雰囲気中にあれば、比較的低温で短時間に酸化するため、モリブデンからなる金属棒を用いれば、避雷等のサージが加わった時高抵抗被膜が破壊しても、酸化雰囲気中に置くことによって、サージにより生じる熱で高抵抗被膜は直ちに、自動的に再生される。すなわち、自動再生型の対サージ防御装置が実現される。

本発明によれば表面に酸化膜のような半導体結晶の高抵抗層を有する複数の金属棒を、それらの間に界面が存在しないように、高抵抗層を介して一体化した構造をもち、高抵抗層に付随した空乏層の電気的降伏現象を起す電圧または電流を用途に応じて精密に設定でき、かつ再現性良く作製ができる対サージ防御装置を実現することができる。

複数の金属棒上に別々に高抵抗層を形成した後、それらを積み重ねた場合、それらの界面を微視的に見た概念図である。 大森清太の発明によるモリブデン避雷器の概念図である。 避雷器の試験に用いた回路の概念図である。 大森清太の発明による避雷器に直流電圧を印加した場合に観測される電圧の時間変化を表した図である。 複数の金属棒を接触を保ったまま酸化するために用いるホルダ及び金属棒を表す概念図である。 複数の金属棒を接触を保ったまま酸化することにより得られる主要部材の概念図である。 プレート上に主要部材を固定した構造を示す概念図である。 主要部材を有するプレートを容器内に接着し、電極及び電極端子を形成した後の構造を示す概念図である。 容器のふたをとりつけた構造を示す概念図である。 主要部材、酸化剤及び耐火剤を入れた後の本発明の第１の実施例に従う対サージ防御装置を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施例に従う対サージ防御装置を概念的に示す図である。

発明の実施の形態を、以下において、実施例に基づき図面を参照して説明する。
主要部材を円柱状のモリブデン棒とした場合を例に、実施例について述べる。
第１の実施例において、モリブデン棒は直径２mm、長さ７mmで、４本を一体として、主要部材を作製した。

第１の工程において、モリブデン棒の前処理を行った。具体的には自然に形成された表面酸化膜を除去したモリブデン棒を不活性ガス雰囲気下でアセトン液中で洗浄し、次にメチルアルコール中で洗浄し、最後にイオン交換器を通した高純度水で洗浄し、乾燥させた。

第２の工程において、４本のモリブデン棒を結合して一体化するための酸化を行った。４本のモリブデン棒は、図５に示すように、重力によって積み重なり、かつ崩れ落ちないような角度をもつホルダ（１００）上に非酸化雰囲気でセットされ、酸化装置内に入れられた。ホルダ（１００）は高純度石英製が望ましい。図５においては、４本のモリブデン棒（１０１）を１セットとして、２セットが同時に酸化できるように示されているが、更に多くのセットを同時に酸化できるようにホルダを変えることは容易で、また１セットのモリブデン棒の本数を４本に限らなくてよいことは、容易に理解できる。４本のモリブデン棒を一体化するための第１の酸化は、たとえば６５０℃において３０分間、高純度酸素の雰囲気中で行った。しかし、これらの条件は限定されるものではなく、上述の条件は望ましい一例にすぎない。酸化の雰囲気としても、上述の高純度酸素に限定されず、高純度酸素に高純度の水蒸気を加えたものでもよい。
この第１の酸化は、モリブデン棒の一体化を目的としているが、モリブデン棒全体にも薄い高抵抗被膜が形成されている。

第３の工程において、モリブデン棒の全体上に形成されている高抵抗被膜を厚くするために、第２の酸化を行った。この実施例において、第２の酸化は高純度酸化雰囲気中で、５５０℃において５．５時間行ったが、用途に応じてこの条件は変える必要がある。第２の工程における第１の酸化から第３の工程における第２の酸化の間は、試料であるモリブデン棒は、酸化容器の外には出さず、第１の酸化後雰囲気を高純度酸素から高純度窒素に変え、設定温度が第２の酸化温度５５０℃に達した後、再び高純度酸素の雰囲気に切り換えて、第２の酸化を行った。第２の工程で作製された一体となった４本のモリブデン棒からなる主要部材（２００）を図６に概念的に示す。図６において、モリブデン棒（１０１）上及びモリブデン棒間には酸化モリブデンから成る高抵抗被膜（２０１）が形成されている。上で示した５５０℃、５．５時間という第２の酸化で得られる高抵抗被膜の厚さは、約２０μｍであるが、図６においては見やすいように、相対的に厚く示してある。

第４の工程において、４本のモリブデン棒から成る主要部材（２００）を、機械的な安定性を得るため、図７に示すように、接着剤（３０２）でプレート（３０１）上に固定した。プレート（３０１）は電気的に絶縁性で、耐熱性があるものであればよく、接着剤は電気的に絶縁性であれば特に限定されないが、固化に際して、著しく収縮しないものが好ましい。接着剤（３０２）は次の工程で主要部材に電極を形成する際の妨げとならず、後に主要部材を酸化剤とともに容器内に入れる際、酸化剤と主要部材ができるだけ多くの部分で接するように、主要部材（２００）の底部のみを接着するようにするのが好ましい。

第５の工程において、図７に示された上に固定された主要部材（２００）を有するプレート（３０１）を図８に示すように、あらかじめ作製した容器（４００）の内部に接着し、固定した。次に、主要部材（２００）を構成する４本のモリブデン棒の内、両端の２本に電極（４０１）を形成した。電極（４０１）はインジウムはんだを用いて形成したが、導電接着剤を用いるなど他の方法で形成してもよい。ただし、電極（４０１）の形成に際して、高温のプロセスを必要としないことが好ましい。この実施例においては、電極（４０１）は２本のモリブデン棒（１０１）のそれぞれのほぼ中央付近に、インジウムはんだで薄い黄銅板の電極端子（４０２）を固着させるように形成した。２枚の電極端子（４０２）は容器（４００）の外部まで達し、外部への電気的接続が可能となる寸法をもつ。電極端子（４０２）は銅板など他の導電性材料で形成してよい。また、容器（４００）は耐熱性プラスチックで作製したがセラミックなど電気的に絶縁性で、耐熱性の材料で作製すればよい。

第６の工程において、主要部材（２００）を内部にもつ容器（４００）内に酸化剤と耐火剤の混合物（５０１）を入れ、図９に示すように、容器のふた（５０２）を接着剤でとりつけた。次に、容器を真空装置内に置き、ふた（５０２）に開けられた排気孔（５０３）を通して容器内を真空にした。排気孔（５０３）の周辺には接着剤を配置し、容器内が約１０^-3Torrの真空に達した後、加熱により接着剤（５０４）を軟化させ、排気孔（５０３）をふさぐようにして、容器を封じた。容器を封じた後、真空装置から取り出し第１の実施例に従う対サージ防御装置（６００）は完成した。完成した対サージ防御装置（６００）の図９の線Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’に沿った断面図を、図１０（ａ）、図１０（ｂ）の概念図にそれぞれ示した。

完成した対サージ防御装置（６００）は、４０００Ｖのインパルスで導通状態となり、対サージ防御装置として十分機能することが確認された。
また、酸化剤として塩素酸カリを、耐火剤として珪砂を、質量にして１：３の割合で混合したものを、主要部材（２００）とともに容器（４００）内に入れ、封入し、４５００Ｖのインパルスを印加し、３００Ａの電流が流れても、対サージ防御装置（６００）は再生し、動作することが確認された。
なお、第１の実施例において高抵抗被膜は酸化により形成した半導体結晶であるとしたが、高抵抗被膜は、気相成長、スパッタリング、蒸着等の方法によって形成した半導体結晶からなってもよい。

図１１は本発明の第２の実施例に従う対サージ防御装置（１０００）を断面図で概念的に示す。第２の実施例においては、第１の実施例で作製した４本のモリブデン棒からなる主要部材（２００）を１セットとするとき、２セットの主要部材（１２００、１２０１）を組合せてある。２セットの主要部材（１２００、１２０１）の間には導電性の物質から成るつなぎ電極（１００１）があり、２セットの主要部材（１２００、１２０１）は、電気的に直列に接続されている。第１のセットの主要部材（１２００）のつなぎ電極（１００１）と反対側には、容器（１４００）の外部まで延びる電極端子（１００２）が形成されている。電極端子（１００２）の形成方法は、第１の実施例の場合と同様である。第２セットの主要部材（１２０１）のつなぎ電極（１００１）と反対側には、容器（１４００）の外部まで延びる電極端子（１００３）が形成されている。２つのセットの主要部材（１２００、１２０１）とつなぎ電極（１００１）は、それぞれ導電性接着剤を用いて接続した。主要部材（１２００、１２０１）のプレート（１３０１）上への固定方法は、第１の実施例の場合と同様である。容器（１４００）中には第１の実施例と同様、酸化剤と耐火剤が入れられている。容器（１４００）の封じ方は、第１の実施例の場合と同様である。

本発明の第２の実施例に従う対サージ防御装置（１０００）は８０００Ｖのインパルスで導通状態となり、９０００Ｖのインパルスを印加し、６００Ａの電流が流れても、機能は再生した。

本発明の第１及び第２の実施例のいずれにおいても、大森清太の提案のモリブデン避雷器で観測されたような直流電圧印加時の電流の振動は観測されなかった。このことは、本発明による対サージ防御装置は、電流経路のいずれの部分にも、空気間隙は存在しないことを意味している。
また、本発明の第１及び第２の実施例のいずれにおいても、作製条件をそれぞれ一定に保った場合、対サージ防御装置の特性は±２％以内に収まった。それに対して、大森清太の提案による対サージ防御装置の特性を実測したところ、特性の不均一性は±２０％にも達した。このことは、大森清太の提案による金属棒を単に積み重ねる構造において、金属棒間の界面の微視的特性が、積み重ねる際に加わる力によって影響を受け、この力が再現性良く制御できないことから生じる特性の不均一性が本発明の対サージ防御装置には無いことを意味している。すなわち、本発明による対サージ防御装置においては、金属棒間に界面はなく、従来技術のような問題は生じないことを意味している。

なお、本発明による対サージ防御装置の動作原理は以下のように考えられる。まず、ある電圧において非導通から導通状態に変るスイッチ機能は、たとえばモリブデン棒表面及びモリブデン棒間の領域を埋めるモリブデンの酸化物は半導体の結晶であって、結晶粒に付随した空乏層が、ある電界以上で降伏を起すために生じる。それに対し、大森清太の提案によるモリブデン避雷器においては、モリブデン棒間に空気の層が存在し、ある電界以上でこの空気の層が放電が起し、非導通から導通に変る。そのため、大森清太の特許公報においては、スイッチ機能が放電によると明示されている。一方、本発明による対サージ防御装置においては、スイッチ機能を生じさせるために放電は全く利用されておらず、スイッチ機能発生の原理は大森清太によるモリブデン避雷器とは全く異なる。
非導通から導通状態に変った際、加わる電圧が大きく、大電流が流れれば、電流によって発生する熱により、電流経路の一部が破壊される場合がある。この点に関しては、本発明による対サージ防御装置も大森清太が提案したモリブデン避雷器も同じである。

本発明による対サージ防御装置は、大森清太が提案したモリブデン避雷器が有する１）電流の振動にみられる特性の悪さ、２）特性の制御性の悪さ、及び３）生産の際の再現性の悪さという問題を解決したものであるが、非導通から導通へのスイッチ機能を起させる原理を、全く異なるものにしたものでもある。

10 金属棒
11 気体の層
20 大森清太の発明による対サージ防御装置
21a、21b モリブデン棒
22a、22b 高抵抗被膜
23 電極
24 ジルコン砂又は珪砂を含む酸素雰囲気
30 試験回路
31 電源
32 被試験資料
33、34 抵抗
35 オシロスコープ
36 電流計
100 ホルダ
101 モリブデン棒
200 主要部材
201 高抵抗被膜
301 プレート
302 接着剤
400 容器
401 電極
402 電極端子
502 ふた
503 排気孔
504 接着剤
600 第1の実施例に従う対サージ防御装置
1000 第２の実施例に従う対サージ防御装置
1001 つなぎ電極
1002 電極端子
1003 電極端子
1200 主要部材
1201 主要部材
1301 プレート
1400 容器

Claims (6)

1. 複数の平行に配置された金属棒と、該金属棒が一体となるように結合する該金属棒間の半導体結晶の高抵抗体と、該金属棒及び該半導体結晶高抵抗体の全体を覆う連続した半導体結晶高抵抗体の被膜が含まれ、かつ両端の金属棒上に形成された電極が含まれ、該電極間に所定の値以上のサージが加わったとき、該半導体結晶高抵抗体の半導体降伏現象により、非導通状態から導通状態に変る対サージ防御装置。
2. 金属棒の主成分がモリブデンを含む請求項１記載の対サージ防御装置。
3. 金属棒の主成分がタンタル、クロム、アルミニウムを含む請求項１記載の対サージ防御装置。
4. 複数の金属棒を平行に接触させたまま酸化し、該金属棒が一体となるよう結合する該金属棒間の半導体結晶の高抵抗体を形成する第１の工程と、一体となった該金属棒及び金属棒間の該半導体結晶高抵抗体を酸化し、該金属棒及び金属棒間の該半導体結晶高抵抗体の全体を覆う連続した半導体結晶高抵抗体の被膜を形成する第２の工程を含む対サージ防御装置の作製方法。
5. 金属棒の主成分がモリブデンを含む請求項４記載の対サージ防御装置の作製方法。
6. 金属棒の主成分がタンタル、クロム、アルミニウムを含む請求項４記載の対サージ防御装置の作製方法。

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