JP2016189265A - Discharge tube and manufacturing method of the same - Google Patents

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平野 晋吾
Shingo Hirano
晋吾 平野
黒光 祥郎
Yoshio Kuromitsu
祥郎 黒光
和裕 秋山
Kazuhiro Akiyama
和裕 秋山
良市 杉本
Ryoichi Sugimoto
良市 杉本
峻平 鈴木
Shumpei Suzuki
峻平 鈴木
広瀬 英一郎
Eiichiro Hirose
英一郎 広瀬
尾木 剛
Takeshi Ogi
剛 尾木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a discharge tube which can be configured with a relatively inexpensive electrode material by suppressing increase in component costs and on which a discharge voltage is stable even when being discharged by repeated surges, and a manufacturing method of the same.SOLUTION: The discharge tube includes: an insulating ceramic-made tube 2 containing Al; and a pair of encapsulating electrodes 3 for encapsulating a discharge control gas inside the ceramic-made tube by closing both end openings of the ceramic-made tube. The ceramic-made tube and the encapsulating electrodes are directly joined not through a metallized layer. The encapsulating electrodes are made of Al. The encapsulating electrodes have eutectic element containing parts 4, each containing an element to be eutectic with Al, at the joint surface with the ceramic-made tube.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐためのサージアブソーバや、着火プラグ点灯用のスイッチングスパークギャップとして使用する放電管及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a surge absorber for protecting various devices from, for example, a surge generated by a lightning strike and preventing an accident, a discharge tube used as a switching spark gap for lighting an ignition plug, and a method of manufacturing the same.

放電管は、例えば雷サージや静電気などの過電圧の侵入により電子機器などが故障することを防ぐために用いるサージアブソーバであるガスアレスタ、プロジェクターや自動車のメタルハライドランプ等の高圧放電ランプ、又はガス調理器等の着火プラグに点灯用または着火用の低電圧を供給するためのスイッチングスパークギャップとしても採用されている。   For example, a discharge tube is a gas arrester that is a surge absorber used to prevent breakdown of electronic equipment due to the invasion of overvoltage such as lightning surge or static electricity, high pressure discharge lamp such as projector or automobile metal halide lamp, or gas cooker, etc. It is also employed as a switching spark gap for supplying a low voltage for lighting or ignition to the ignition plug.

通常、放電管は、中空絶縁性セラミックスや中空絶縁性ガラス等の内部に、少なくとも一対の金属電極を配置しながら、金属電極を中空セラミックスにろう付けすることにより絶縁性ガスを封入した構造を有する。従来、例えば図6に示すように、金属電極23としてはCu、Cu合金、42合金電極が採用され、中空絶縁性セラミックスのセラミックス製筒体2としては通常、アルミナ磁器が用いられている。また、セラミックス製筒体2の電極接合面には、Mo−Mnなどによるメタライズ層Mなどが形成されている。このメタライズ層Mがアルミナ磁器表面に存在することにより、Ag−Cu系ろう材15を用いてアルミナ磁器に電極を接合することが可能となる。なお、Cu電極及びAg−Cu系ろう材15を用いて接合した場合、電極‐セラミックス接合界面に、Ag−Cu系共晶層25が形成される。   Usually, the discharge tube has a structure in which an insulating gas is sealed by brazing the metal electrodes to the hollow ceramics while disposing at least a pair of metal electrodes inside hollow insulating ceramics or hollow insulating glass. . Conventionally, for example, as shown in FIG. 6, Cu, Cu alloy, and 42 alloy electrodes have been adopted as the metal electrode 23, and alumina ceramics are usually used as the hollow cylindrical ceramic body 2 of ceramics. Further, a metallized layer M made of Mo-Mn or the like is formed on the electrode bonding surface of the ceramic cylinder 2. The presence of the metallized layer M on the surface of the alumina porcelain makes it possible to join the electrode to the alumina porcelain using the Ag—Cu brazing material 15. In addition, when it joins using Cu electrode and the Ag-Cu type | system | group brazing material 15, the Ag-Cu type | mold eutectic layer 25 is formed in an electrode-ceramics junction interface.

これらの封止構造を有するサージ対策部品やスイッチングスパークギャップ等の放電管では、実使用環境において、大きな雷サージ電流やスイッチング電流が繰り返し印加された際にも放電電圧が変動せず、寿命が長いことが重要である。このような放電電圧の変化に関する課題に対する既存技術として、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸セシウム及び金属チタン等を含有した電極活性化材料を電極に形成した技術(特許文献1)や、耐熱性の高い電極材料(無酸素銅にジルコニウムを含有させたジルコニウム銅)を用いる技術(特許文献2)などが知られている。   In discharge tubes such as surge countermeasure parts and switching spark gaps with these sealing structures, the discharge voltage does not fluctuate even when a large lightning surge current or switching current is repeatedly applied in an actual usage environment, and the life is long. This is very important. As an existing technique for such a problem relating to a change in discharge voltage, a technique (Patent Document 1) in which an electrode activation material containing sodium silicate, cesium silicate, metal titanium, or the like is formed on an electrode, or an electrode having high heat resistance A technique using a material (zirconium copper containing zirconium in oxygen-free copper) (Patent Document 2) is known.

また、これらの放電管では、実使用環境において印加される機械応力に加え、環境温度変化や熱サイクル、雷サージが印加されることによる急激な温度変化などに起因する熱機械的応力に対して信頼性が高いことも重要である。例えば、放電管の熱機械的信頼性を向上させる技術として、大サージ電流印加時の熱衝撃を緩和することにより放電管が放電機能を失うことを防止して信頼性を確保する方法が知られている。これらの技術の例として、特許文献3及び4では、放電時のアーク電流に起因する瞬間的な発熱によって生じるガラス管の機械破壊に対する対策として、弾性変形を生じうる緩衝部材を導入する方法が提案されている。また、特許文献5では、熱衝撃破壊強度を向上させるために金属板を導入する技術が提案されている。   In addition to the mechanical stress applied in actual operating environments, these discharge tubes are resistant to thermomechanical stress caused by environmental temperature changes, thermal cycles, and sudden temperature changes caused by lightning surges. High reliability is also important. For example, as a technique for improving the thermomechanical reliability of a discharge tube, there is a known method for ensuring the reliability by preventing the discharge tube from losing its discharge function by relaxing the thermal shock when a large surge current is applied. ing. As examples of these technologies, Patent Documents 3 and 4 propose a method of introducing a buffer member that can cause elastic deformation as a countermeasure against mechanical breakage of a glass tube caused by instantaneous heat generation caused by an arc current during discharge. Has been. Patent Document 5 proposes a technique for introducing a metal plate in order to improve thermal shock fracture strength.

特表2002−508580号公報Special table 2002-508580 gazette 特開2004−311358号公報JP 2004-311358 A 特許第4265277号公報Japanese Patent No. 4265277 特許第3601320号公報Japanese Patent No. 36001320 特開2014−154528号公報JP 2014-154528 A

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献1及び2では、いずれも特殊な電極材料を用いる必要があり、部品コストが増大してしまう不都合があった。また、セラミックス製筒体と封止用金属電極とを用いた放電管の場合、セラミックス製筒体と封止電極との接合のために、電極と接するセラミックス表面にメタライズ層が必要であり、部品コストが増大してしまうという不都合があった。また、上記特許文献3〜5のように、緩衝部材や金属板を導入する場合も、部材コストが増大してしまう。
さらに、既存の放電管構造技術において知られているCu電極を用いた場合、繰り返しサージによる放電によって電極表面がスパッタされ放電電圧が変動してしまって寿命が低下してしまう問題があった。
また、熱サイクルや熱衝撃などにより発生する電極とセラミックスとの接合界面等での大きな応力が、放電管の損傷や破壊につながるおそれがあり、このような様々な応力印加に対する放電管の信頼性を向上させることが重要になっている。
The following problems remain in the conventional technology.
That is, in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to use a special electrode material, and there is a disadvantage that the component cost increases. In addition, in the case of a discharge tube using a ceramic cylinder and a sealing metal electrode, a metallized layer is required on the ceramic surface in contact with the electrode in order to join the ceramic cylinder and the sealing electrode. There was a disadvantage that the cost would increase. Moreover, also when introduce | transducing a buffer member and a metal plate like the said patent documents 3-5, member cost will increase.
Furthermore, when a Cu electrode known in the existing discharge tube structure technology is used, there has been a problem that the electrode surface is sputtered by discharge due to repetitive surges, and the discharge voltage fluctuates to shorten the life.
In addition, large stress at the bonding interface between the electrode and ceramics generated by thermal cycling or thermal shock may lead to damage or destruction of the discharge tube. The reliability of the discharge tube against such various stresses is applied. It is important to improve.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、部材コストの増大を抑制して比較的安価な電極材料で構成でき、繰り返しのサージにより放電した際も放電電圧が安定し、熱的及び機械的信頼性に優れる放電管及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and can be configured with a relatively inexpensive electrode material while suppressing an increase in member cost. The discharge voltage is stable even when discharged by repeated surges, An object of the present invention is to provide a discharge tube excellent in mechanical reliability and a method for manufacturing the same.

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係る放電管は、Alを含有した絶縁性のセラミックス製筒体と、前記セラミックス製筒体の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、前記セラミックス製筒体と前記封止電極とが、メタライズ層を介さずに直接接合され、前記封止電極が、Alで形成されていることを特徴とする。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, a discharge tube according to a first aspect of the present invention includes an insulating ceramic cylinder containing Al, and a pair of seals that closes both end openings of the ceramic cylinder and seals the discharge control gas therein. The ceramic cylinder and the sealing electrode are directly joined without a metallized layer, and the sealing electrode is made of Al.

本発明の放電管では、従来の放電管において電極材料として用いられているCuと比較して降伏応力が小さいAlから形成される電極とセラミックスとが直接接合されているため、Cu電極を用いた放電管と比較し、セラミックス−金属接合界面に発生する各種の応力を金属の塑性変形によって緩和することにより、高い熱的機械的信頼性を実現することが可能である。また、封止電極がCuに比べてアルゴンなどの放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいAlで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。   In the discharge tube of the present invention, an electrode formed from Al, which has a lower yield stress compared to Cu used as an electrode material in a conventional discharge tube, and a ceramic are directly bonded, so a Cu electrode was used. Compared with the discharge tube, it is possible to realize high thermal mechanical reliability by relaxing various stresses generated at the ceramic-metal joint interface by plastic deformation of the metal. In addition, since the sealing electrode is made of Al, which has a smaller sputtering yield for ions of a discharge control gas such as argon than Cu, there is a change in the electrode surface structure that affects the discharge phenomenon when arc discharge occurs. It is suppressed, and a stable discharge voltage can be exhibited even when discharged by repeated surges.

第2の発明に係る放電管は、第1の発明において、前記封止電極が、前記セラミックス製筒体との接合面に、Alと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を有していることを特徴とする。
すなわち、この放電管では、封止電極が、セラミックス製筒体との接合面に、Alと共晶となる元素(以下、共晶元素という)を含有した共晶元素含有部を有しているので、接合面に存在する共晶元素によってセラミックス製筒体とAlの封止電極との接合強度が向上する。この接合面の共晶元素含有部に存在する共晶元素は、主にろう材中に含有された元素に起因すると考えられ、共晶元素は、接合時にAl電極中に拡散して接合箇所から濃度が減少するが、接合面が不均一核生成のサイトとなって共晶元素が接合面部分に残存し、共晶元素含有部を形成することで、接合界面における接合強度を高めている。したがって、高い熱機械的信頼性を得ることができる。
A discharge tube according to a second invention is the discharge tube according to the first invention, wherein the sealing electrode has a eutectic element-containing portion containing an element that becomes a eutectic with Al on the joint surface with the ceramic cylinder. It is characterized by that.
That is, in this discharge tube, the sealing electrode has a eutectic element-containing portion containing an element that becomes eutectic with Al (hereinafter referred to as a eutectic element) on the joint surface with the ceramic cylinder. Therefore, the bonding strength between the ceramic cylinder and the Al sealing electrode is improved by the eutectic element present on the bonding surface. The eutectic element present in the eutectic element-containing part of the joint surface is considered to be mainly due to the elements contained in the brazing material, and the eutectic element diffuses into the Al electrode at the time of joining and starts from the joint location. Although the concentration decreases, the bonding surface becomes a site for heterogeneous nucleation, the eutectic element remains in the bonding surface portion, and the eutectic element-containing portion is formed, thereby increasing the bonding strength at the bonding interface. Therefore, high thermomechanical reliability can be obtained.

第3の発明に係る放電管の製造方法は、第1又は第2の発明である放電管を製造する方法であって、Alを含有した絶縁性のセラミックス製筒体の両端開口部を一対のAl電極で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有し、前記接合工程で、前記セラミックス製筒体と前記Al電極との間に、Alと共晶となる元素と、Alとを含有するろう材を挟んだ状態で、前記セラミックス製筒体と前記Al電極とを対向方向に加圧すると共に加熱し前記ろう材を溶融させ、前記ろう材中の前記共晶となる元素を前記Al電極中に拡散させることで、前記Al電極の前記セラミックス製筒体との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を形成し、前記共晶元素含有部を有する前記Al電極を前記封止電極として、前記セラミックス製筒体に直接接合させることを特徴とする。
すなわち、この放電管の製造方法では、メタライズ層が形成されていないセラミックス製筒体とAl電極とを対向方向に加圧した状態で加熱し、ろう材を溶融させてセラミックス製筒体とAl電極とを直接接合すると共に、ろう材中のAlと共晶となる元素をAl電極中に拡散させて、接合面にAlと共晶となる元素の共晶元素含有部が形成されることにより、セラミックス製筒体と封止電極との接合界面における高い接合強度が実現される。
A method for manufacturing a discharge tube according to a third invention is a method for manufacturing a discharge tube according to the first or second invention, wherein a pair of openings at both ends of an insulating ceramic cylinder containing Al is provided. A bonding step of closing with an Al electrode and sealing a discharge control gas inside; an element that becomes a eutectic with Al between the ceramic cylinder and the Al electrode in the bonding step; The ceramic cylinder and the Al electrode are pressed in opposite directions and heated to melt the brazing material in a state where the brazing material containing is sandwiched, and the eutectic element in the brazing material is By diffusing into the Al electrode, a eutectic element-containing portion containing the element that becomes the eutectic is formed on the joint surface of the Al electrode with the ceramic cylinder, and the eutectic element-containing portion is included. Using the Al electrode as the sealing electrode, the ceramic And characterized in that directly bonded to the box made cylindrical body.
That is, in this method of manufacturing a discharge tube, a ceramic cylinder having no metallized layer and an Al electrode are heated in a state of being pressed in the opposite direction, and the brazing material is melted to make the ceramic cylinder and the Al electrode. And an element that becomes a eutectic with Al in the brazing material is diffused into the Al electrode, and an eutectic element-containing portion of an element that becomes a eutectic with Al is formed on the bonding surface, High bonding strength at the bonding interface between the ceramic cylinder and the sealing electrode is realized.

第4の発明に係る放電管の製造方法は、第3の発明において、前記セラミックス製筒体が、Al又はAlNで形成され、前記ろう材が、少なくともAlとSiとを含有したAl−Si系ろう材であることを特徴とする。
すなわち、この放電管の製造方法では、セラミックス製筒体が、Al又はAlNで形成され、ろう材が、少なくともAlとSiとを含有したAl−Si系ろう材であるので、Siが共晶元素となり、Alの封止電極の接合面にSiの共晶元素含有部が形成される。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a discharge tube manufacturing method according to the third aspect, wherein the ceramic cylinder is made of Al 2 O 3 or AlN, and the brazing material contains at least Al and Si. -Si-type brazing material.
That is, in this discharge tube manufacturing method, the ceramic cylinder is formed of Al 2 O 3 or AlN, and the brazing material is an Al—Si based brazing material containing at least Al and Si. The eutectic element is formed, and a Si eutectic element-containing portion is formed on the bonding surface of the Al sealing electrode.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る放電管によれば、封止電極がCuに比べて放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいAlで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。
また、本発明の放電管においては、メタライズ層を用いないセラミックス製筒体とAl電極とを直接接合し、さらに封止電極の接合面に、Alと共晶となる元素の共晶元素含有部を形成することで、セラミックス製筒体とAlの封止電極との接合強度を向上させることができる。
したがって、本発明の放電管は、メタライズ層が形成されていないセラミックス製筒体とAlの封止電極とを接合することにより作製されるため、繰り返しのサージにより放電した際も放電電圧が安定し、部材コストの増大を抑制することが可能である。さらに、セラミックス製筒体とAlの封止電極とが直接接合した封止電極の接合面において、共晶元素の共晶元素含有部を形成することで、放電管における封止電極−セラミック製筒体間の接合信頼性を向上させ、放電管の熱機械的耐久性を向上させることができる。
The present invention has the following effects.
That is, according to the discharge tube according to the present invention, the sealing electrode is made of Al, which has a smaller sputtering yield for ions of the discharge control gas than Cu, so that it affects the discharge phenomenon when arc discharge occurs. The change in the electrode surface structure is suppressed, and a stable discharge voltage can be exhibited even when the discharge is repeatedly caused by a surge.
Further, in the discharge tube of the present invention, the ceramic cylindrical body not using the metallized layer and the Al electrode are directly bonded, and the eutectic element-containing portion of the element that becomes a eutectic with Al is further formed on the bonding surface of the sealing electrode. The bonding strength between the ceramic cylinder and the Al sealing electrode can be improved.
Therefore, since the discharge tube of the present invention is manufactured by joining a ceramic cylinder having no metallized layer and an Al sealing electrode, the discharge voltage is stable even when discharged by repeated surges. It is possible to suppress an increase in member cost. Furthermore, a sealing electrode-ceramic cylinder in the discharge tube is formed by forming a eutectic element-containing portion of the eutectic element on the bonding surface of the sealing electrode in which the ceramic cylinder and the Al sealing electrode are directly bonded. The joining reliability between the bodies can be improved, and the thermomechanical durability of the discharge tube can be improved.

本発明に係る放電管及びその製造方法の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the discharge tube which concerns on this invention, and its manufacturing method. 本実施形態の放電管において、製造方法の工程順に接合界面近傍を示す説明図である。In the discharge tube of this embodiment, it is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity in order of the process of a manufacturing method. 本発明に係る放電管及びその製造方法の比較例について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the average discharge start voltage with respect to the surge application repetition frequency about the comparative example of the discharge tube which concerns on this invention, and its manufacturing method. 本発明に係る放電管及びその製造方法の実施例について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the average discharge start voltage with respect to the frequency | count of a surge application repetition about the Example of the discharge tube which concerns on this invention, and its manufacturing method. 比較例に係る放電管において、製造方法の工程順に接合界面近傍を示す説明図である。In the discharge tube which concerns on a comparative example, it is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity in the process order of a manufacturing method. 比較例に係る放電管及びその製造方法の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the discharge tube which concerns on a comparative example, and its manufacturing method.

以下、本発明に係る放電管及びその製造方法の一実施形態を、図1及び図2を参照しながら説明する。   Hereinafter, an embodiment of a discharge tube and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

本実施形態の放電管1は、図1及び図2に示すように、Alを含有した絶縁性のセラミックス製筒体2と、セラミックス製筒体2の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極3とを備えている。
上記封止電極3は、Alで形成されている。この封止電極3は、純度99%以上のAlで形成されていることが好ましい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the discharge tube 1 of the present embodiment closes the insulating ceramic cylinder 2 containing Al and both ends of the ceramic cylinder 2 to control discharge inside. And a pair of sealing electrodes 3 for sealing the gas.
The sealing electrode 3 is made of Al. The sealing electrode 3 is preferably made of Al having a purity of 99% or more.

また、上記セラミックス製筒体2は、Al(アルミナ)で形成されている円筒状の絶縁性管である。このセラミックス製筒体2は、純度96%以上のAlで形成されていることが好ましい。なお、セラミックス製筒体2を、AlN(窒化アルミニウム)で形成しても構わない。 The ceramic cylinder 2 is a cylindrical insulating tube made of Al 2 O 3 (alumina). This ceramic cylinder 2 is preferably made of Al 2 O 3 having a purity of 96% or more. The ceramic cylinder 2 may be formed of AlN (aluminum nitride).

図2(c)に示すように、上記セラミックス製筒体2と上記封止電極3とは、メタライズ層(接合用に封止電極3と異なる金属元素で成膜した金属層)を介さずに直接接合されている。
セラミックス製筒体2と封止電極3との接合に用いられるろう材5は、Alと共晶となる元素とAlとを含有している。本実施形態では、Alと共晶となる元素としてSiを採用し、ろう材5は、少なくともAlとSiとを含有したAl−Si系ろう材である。
さらに、封止電極3のセラミックス製筒体2との接合面には、Alと共晶となる元素の共晶元素含有部4が形成されている。
As shown in FIG. 2C, the ceramic cylinder 2 and the sealing electrode 3 do not go through a metallized layer (a metal layer formed of a metal element different from the sealing electrode 3 for bonding). Directly joined.
The brazing material 5 used for joining the ceramic cylinder 2 and the sealing electrode 3 contains Al and an element that becomes a eutectic with Al. In the present embodiment, Si is employed as an element that is eutectic with Al, and the brazing material 5 is an Al—Si based brazing material containing at least Al and Si.
Further, a eutectic element-containing portion 4 of an element that becomes a eutectic with Al is formed on the joint surface of the sealing electrode 3 with the ceramic cylinder 2.

上記一対の封止電極3は、内側に突出した凸状部3aを有する凸型金属部材であり、互いに対向した凸状部3a間が放電ギャップを形成している。ここで、この凸状部の表面には、仕事関数が低いCs,NaなどAl以外の金属やケイ酸ナトリウムガラスのような無機材料をはじめとする放電を活性化させるための活性層材料を形成させてもよい。
上記セラミックス製筒体2の内面の一部には、放電トリガ膜6が形成されており、この放電トリガ膜6が、セラミックス製筒体2の内面の微細凹凸を埋めて連続したカーボン材料で構成された連続膜である。
上記放電制御ガスは、He、Ar、Ne、Xe、SF、N、CO、C、C、CF、H及びこれらの混合ガス等の不活性ガスである。
The pair of sealing electrodes 3 is a convex metal member having a convex portion 3a protruding inward, and a discharge gap is formed between the convex portions 3a facing each other. Here, an active layer material for activating discharge including a metal other than Al such as Cs and Na having a low work function and an inorganic material such as sodium silicate glass is formed on the surface of the convex portion. You may let them.
A discharge trigger film 6 is formed on a part of the inner surface of the ceramic cylinder 2, and the discharge trigger film 6 is made of a continuous carbon material filling the fine irregularities on the inner surface of the ceramic cylinder 2. Is a continuous film.
The discharge control gas is an inert gas such as He, Ar, Ne, Xe, SF 6 , N 2 , CO 2 , C 3 F 8 , C 2 F 6 , CF 4 , H 2, or a mixed gas thereof. .

この本実施形態の放電管1の製造方法は、セラミックス製筒体2の両端開口部を一対の封止電極3で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有している。
この接合工程では、図2に示すように、セラミックス製筒体2とAl電極13との間に、Alと共晶となる元素と、Alとを含有するろう材5を挟んだ状態で、セラミックス製筒体2とAl電極13とを対向方向に加圧すると共に加熱し、ろう材5を溶融させる。この際、ろう材5中の前記共晶となる元素をAl電極13中に拡散させることで、Al電極13のセラミックス製筒体2との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部4を形成し、共晶元素含有部4を有するAl電極13を封止電極3として、セラミックス製筒体2に直接接合させる。
The manufacturing method of the discharge tube 1 according to this embodiment includes a joining step in which both ends of the ceramic cylinder 2 are closed with a pair of sealing electrodes 3 and the discharge control gas is sealed inside.
In this joining step, as shown in FIG. 2, the ceramics 2 is sandwiched between the ceramic cylinder 2 and the Al electrode 13 with a brazing material 5 containing an element that is eutectic with Al and Al. The cylindrical body 2 and the Al electrode 13 are pressurized in the opposite direction and heated to melt the brazing material 5. At this time, the element which becomes the eutectic in the brazing material 5 is diffused in the Al electrode 13, so that the eutectic containing the element which becomes the eutectic is formed on the joint surface of the Al electrode 13 with the ceramic cylinder 2. The element containing part 4 is formed, and the Al electrode 13 having the eutectic element containing part 4 is directly joined to the ceramic cylinder 2 as the sealing electrode 3.

上記接合工程では、ろう材5を溶融させてセラミックス製筒体2とAl電極13との界面に溶融Al層を形成し、ろう材中5のAlと共晶となる元素とをAl電極13中に拡散させる溶融工程と、冷却によって溶融Al層を凝固させる凝固工程とを有している。これらの工程により、ろう材5中のAlと共晶となる元素とをAl電極13中に拡散させて、セラミックス製筒体2と封止電極3とを直接接合すると共に、封止電極3のセラミックス製筒体2との接合面に、Alと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部4を形成する。
本実施形態では、Al−Si系ろう材5を用いているので、例えば接合温度625℃でアルミナのセラミックス製筒体2とAlの封止電極3とを直接接合することで、封止電極3の接合面にSiの共晶元素含有部4を形成することができる。
In the joining step, the brazing material 5 is melted to form a molten Al layer at the interface between the ceramic cylinder 2 and the Al electrode 13, and the element that becomes a eutectic with Al in the brazing material 5 is contained in the Al electrode 13. And a solidifying step for solidifying the molten Al layer by cooling. Through these steps, Al in the brazing material 5 is diffused into the Al electrode 13 to directly join the ceramic cylinder 2 and the sealing electrode 3, and the sealing electrode 3. A eutectic element-containing portion 4 containing an element that becomes a eutectic with Al is formed on the joint surface with the ceramic cylinder 2.
In the present embodiment, since the Al—Si brazing material 5 is used, the sealing electrode 3 can be obtained by directly bonding the alumina ceramic cylinder 2 and the Al sealing electrode 3 at a bonding temperature of 625 ° C., for example. The eutectic element-containing portion 4 of Si can be formed on the bonding surface.

このように本実施形態の放電管1では、封止電極3がCuに比べてアルゴンなどの放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいAlで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。   As described above, in the discharge tube 1 of the present embodiment, the sealing electrode 3 is formed of Al, which has a smaller sputter yield with respect to ions of a discharge control gas such as argon as compared with Cu. Changes in the electrode surface structure that affect the discharge phenomenon are suppressed, and a stable discharge voltage can be exhibited even when a discharge is repeatedly caused by a surge.

また、封止電極3が、セラミックス製筒体2との接合面に、Alと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部4を有しているので、セラミックス製筒体2と封止電極3との接合強度が向上する。この接合面の共晶元素固溶部4に存在する共晶元素は、主に接合時に使用したろう材5中に含有された元素に起因すると考えられ、接合時にAl電極13中に拡散して接合箇所から濃度が減少するが、接合面が不均一核生成のサイトとなって共晶元素が界面部分に残存し、共晶元素の共晶元素含有部4を形成することで、接合界面における接合強度を高めている。したがって、高い機械的信頼性を得ることができる。   Further, since the sealing electrode 3 has the eutectic element-containing portion 4 containing an element that becomes eutectic with Al on the joint surface with the ceramic cylindrical body 2, the sealing electrode 3 and the ceramic cylindrical body 2 are sealed. Bonding strength with the electrode 3 is improved. The eutectic elements present in the eutectic element solid solution portion 4 on the joint surface are considered to be mainly caused by the elements contained in the brazing material 5 used at the time of joining, and are diffused into the Al electrode 13 at the time of joining. Although the concentration decreases from the joint location, the joint surface becomes a site for heterogeneous nucleation, the eutectic element remains at the interface portion, and the eutectic element-containing portion 4 of the eutectic element is formed. Increases the bonding strength. Therefore, high mechanical reliability can be obtained.

本実施形態の放電管1の製造方法では、セラミックス製筒体2とAl電極13とを対向方向に加圧した状態で加熱し、ろう材5を溶融させることにより、ろう材5中のAlと共晶となる元素をAl電極13中に拡散させ、セラミックス製筒体2と封止電極3とを直接接合すると共に、封止電極3の接合面に、Alと共晶となる元素の共晶元素含有部4を形成するので、セラミックス製筒体2と封止電極3との接合界面における高い接合強度が得られる。   In the method of manufacturing the discharge tube 1 according to the present embodiment, the ceramic cylinder 2 and the Al electrode 13 are heated in a state of being pressed in the opposite direction, and the brazing material 5 is melted, whereby the Al in the brazing material 5 is melted. The element that becomes eutectic is diffused in the Al electrode 13 to directly bond the ceramic cylinder 2 and the sealing electrode 3, and the eutectic of the element that becomes eutectic with Al on the bonding surface of the sealing electrode 3. Since the element-containing portion 4 is formed, high bonding strength at the bonding interface between the ceramic cylinder 2 and the sealing electrode 3 is obtained.

特に、セラミックス製筒体2が、Al又はAlNで形成され、ろう材5が、少なくともAlとSiとを含有したAl−Si系ろう材であるので、Siが共晶元素となり、Alのセラミックス製筒体2とAlの封止電極3とが直接接合されると共に、封止電極3の接合面にSiの共晶元素含有部4が形成される。 In particular, since the ceramic cylinder 2 is made of Al 2 O 3 or AlN and the brazing material 5 is an Al—Si based brazing material containing at least Al and Si, Si becomes a eutectic element, and Al The 2 O 3 ceramic cylinder 2 and the Al sealing electrode 3 are directly bonded, and a Si eutectic element-containing portion 4 is formed on the bonding surface of the sealing electrode 3.

次に、本発明に係る放電管及びその製造方法を、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を具体的に説明する。   Next, the results of evaluating the discharge tube according to the present invention and the method for manufacturing the discharge tube according to an example manufactured based on the above embodiment will be specifically described.

まず、放電制御ガス雰囲気下において、封止電極とセラミックス製筒体とを直接接合させることにより、セラミックス製筒体内部に放電制御ガスを封止した本発明の実施例を作製した。セラミックス製筒体としては、純度96%のAlを用い、封止電極としては、純度99%以上のAl(2Nアルミニウム)を用いた。接合温度としては、ろう材が溶融する温度以上が必要であるため、ろう材が完全に溶融する600℃から625℃までの条件を選択した。ろう付けの雰囲気としては、窒素、アルゴン等の希ガス、水素またはこれらの混合ガスなどを用いることが可能であるが、本実施例では、アルゴンと水素との混合ガスを用いた。 First, an embodiment of the present invention in which a discharge control gas was sealed inside a ceramic cylinder was produced by directly bonding a sealing electrode and a ceramic cylinder in a discharge control gas atmosphere. As the ceramic cylinder, Al 2 O 3 having a purity of 96% was used, and Al (2N aluminum) having a purity of 99% or more was used as the sealing electrode. As the joining temperature, a temperature from 600 ° C. to 625 ° C. at which the brazing material is completely melted was selected because it is required to be higher than the temperature at which the brazing material is melted. As a brazing atmosphere, nitrogen, a rare gas such as argon, hydrogen, or a mixed gas thereof can be used. In this embodiment, a mixed gas of argon and hydrogen is used.

このように作製した本発明の実施例について、放電開始電圧が1500V近傍である試料について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を測定した。なお、比較例として、Cu封止電極とメタライズ付きセラミックス製筒体を用いた放電管も作製した。この比較例においては、放電ガス、放電ギャップ、放電管寸法など電極材料以外の因子を実施例と同様とした。放電開始電圧が1500V近傍である比較試料について、同様にサージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を測定した。これら比較例及び実施例の測定結果を、図3及び図4に示す。なお、サージ印加としては、8/20μs波形で3000A波高値の電流サージを印加した。   About the Example of this invention produced in this way, about the sample whose discharge start voltage is 1500V, the average discharge start voltage with respect to the frequency | count of a surge application repetition was measured. As a comparative example, a discharge tube using a Cu sealing electrode and a metallized ceramic cylinder was also produced. In this comparative example, factors other than the electrode material such as the discharge gas, the discharge gap, and the discharge tube dimensions were the same as those in the example. For the comparative sample having a discharge start voltage in the vicinity of 1500 V, the average discharge start voltage with respect to the number of repeated surges was measured in the same manner. The measurement results of these comparative examples and examples are shown in FIGS. In addition, as a surge application, a current surge having a peak value of 3000 A with an 8/20 μs waveform was applied.

この試験の結果、Cuの封止電極を用いた比較例では、サージ印加回数が増えるほど、平均放電開始電圧が増加しているのに対し、Alの封止電極を用いた本発明の実施例では、サージ印加回数が増えても平均放電開始電圧がほとんど変化していなかった。従って、本発明の実施例の方が、高いサージ耐量特性を示していると考えられる。   As a result of this test, in the comparative example using the Cu sealing electrode, the average discharge start voltage increases as the number of surges applied increases, whereas the embodiment of the present invention using the Al sealing electrode increases. Then, even if the number of surges applied increased, the average discharge start voltage hardly changed. Therefore, it is considered that the example of the present invention shows higher surge withstand characteristics.

次に、本発明の実施例を、大気中で加熱した試料を室温近傍の水の中に投入することにより、試料に温度差約235℃の熱衝撃応力を印加する試験を行った。これら試験の結果、接合温度600℃の実施例では、熱衝撃破壊確率が14%であったのに対し、接合温度625℃の実施例では、熱衝撃破壊確率が0%であった。   Next, the example of the present invention was tested by applying a thermal shock stress with a temperature difference of about 235 ° C. to a sample by putting the sample heated in the atmosphere into water near room temperature. As a result of these tests, the thermal shock fracture probability was 14% in the example with the junction temperature of 600 ° C., whereas the thermal shock fracture probability was 0% in the example with the junction temperature of 625 ° C.

次に、FEI社製分析透過型電子顕微鏡(Titan G2 ChemiSTEM Super−X元素分析装置付き)により、セラミックス製筒体と封止電極との接合面について、界面を中心として界面を挟む方向に約80nm、界面方向に約980nmの長方形領域に関して、Siの元素分析を実施した。その結果、接合温度が高い実施例ほど接合面近傍に高いSi濃度が観測された。   Next, with an analytical transmission electron microscope (with a Titan G2 ChemiSTEM Super-X elemental analyzer) manufactured by FEI, about 80 nm in the direction of sandwiching the interface with the interface between the ceramic cylinder and the sealing electrode. Elemental analysis of Si was performed on a rectangular region of about 980 nm in the interface direction. As a result, the higher the bonding temperature, the higher the Si concentration was observed in the vicinity of the bonding surface.

例えば、接合温度が610℃のものでは、界面近傍の上記長方形領域におけるSi濃度が0.4wt%であったのに対し、接合温度625℃の実施例では、界面近傍の上記長方形領域におけるSi濃度が0.6wt%と高かった。これらの結果は、接合温度625℃の実施例の方が、封止電極の接合面におけるSiが高濃度であることを示していると考えられる。従って、接合面近傍におけるSi濃度が高い場合、実施例の熱機械的特性が向上していると考えられる。   For example, when the junction temperature is 610 ° C., the Si concentration in the rectangular region near the interface was 0.4 wt%, whereas in the example with the junction temperature of 625 ° C., the Si concentration in the rectangular region near the interface. Was as high as 0.6 wt%. These results are considered to indicate that the example in which the bonding temperature is 625 ° C. has a higher concentration of Si in the bonding surface of the sealing electrode. Therefore, when the Si concentration in the vicinity of the joint surface is high, it is considered that the thermomechanical characteristics of the examples are improved.

さらに、封止電極に押し込み治具を当てた後、この治具を封止電極に機械的に押し込むことにより、セラミックス製筒体−封止電極の接合部の機械強度(破壊強度)特性を評価した。その結果、従来のCuの封止電極とメタライズ層付きセラミックス製筒体とを用いて作製した比較例では、平均破壊強度が29MPaであったのに対し、接合温度625℃で接合した本発明の実施例では、平均破壊強度が33MPaであった。このことから、比較例に対して、Alの封止電極を接合させた本発明の実施例は、放電管として高い機械的信頼性が得られている。   Furthermore, after applying a pressing jig to the sealing electrode, the mechanical strength (fracture strength) characteristic of the ceramic cylinder-sealing electrode joint is evaluated by mechanically pressing the jig into the sealing electrode. did. As a result, in the comparative example produced using the conventional Cu sealing electrode and the ceramic cylinder with the metallized layer, the average fracture strength was 29 MPa, whereas the joining temperature was 625 ° C. In the examples, the average breaking strength was 33 MPa. From this, compared with the comparative example, the Example of this invention which joined the sealing electrode of Al has acquired high mechanical reliability as a discharge tube.

1…放電管、2…セラミックス製筒体、3…封止電極、4…共晶元素含有部、5…ろう材、6…放電トリガ膜、M…メタライズ層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Discharge tube, 2 ... Ceramic cylinder, 3 ... Sealing electrode, 4 ... Eutectic element containing part, 5 ... Brazing material, 6 ... Discharge trigger film, M ... Metallization layer

Claims (4)

Alを含有した絶縁性のセラミックス製筒体と、
前記セラミックス製筒体の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、
前記セラミックス製筒体と前記封止電極とが、メタライズ層を介さずに直接接合され、
前記封止電極が、Alで形成されていることを特徴とする放電管。
An insulating ceramic cylinder containing Al;
A pair of sealing electrodes for closing the opening at both ends of the ceramic cylinder and sealing the discharge control gas inside;
The ceramic cylinder and the sealing electrode are directly joined without a metallized layer,
The discharge tube, wherein the sealing electrode is made of Al.
請求項1に記載の放電管において、
前記封止電極が、前記セラミックス製筒体との接合面に、Alと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を有していることを特徴とする放電管。
The discharge tube according to claim 1, wherein
The discharge tube, wherein the sealing electrode has a eutectic element-containing portion containing an element that becomes eutectic with Al on a joint surface with the ceramic cylinder.
請求項1又は2に記載の放電管を製造する方法であって、
Alを含有した絶縁性のセラミックス製筒体の両端開口部を一対のAl電極で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有し、
前記接合工程で、前記セラミックス製筒体と前記Al電極との間に、Alと共晶となる元素と、Alとを含有するろう材を挟んだ状態で、前記セラミックス製筒体と前記Al電極とを対向方向に加圧すると共に加熱し前記ろう材を溶融させ、前記ろう材中の前記共晶となる元素を前記Al電極中に拡散させることで、前記Al電極の前記セラミックス製筒体との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を形成し、
前記共晶元素含有部を有する前記Al電極を前記封止電極として、前記セラミックス製筒体に直接接合させることを特徴とする放電管の製造方法。
A method of manufacturing the discharge tube according to claim 1 or 2,
A bonding step of sealing both ends of the insulating ceramic cylinder containing Al with a pair of Al electrodes and sealing the discharge control gas inside;
In the joining step, the ceramic cylinder and the Al electrode with a brazing material containing Al and an element that becomes eutectic with Al sandwiched between the ceramic cylinder and the Al electrode. Are heated in the opposite direction and heated to melt the brazing material, and the element that becomes the eutectic in the brazing material is diffused into the Al electrode, whereby the ceramic electrode body of the Al electrode is Forming a eutectic element-containing portion containing the element that becomes the eutectic on the joint surface;
A method of manufacturing a discharge tube, wherein the Al electrode having the eutectic element-containing portion is directly bonded to the ceramic cylinder as the sealing electrode.
請求項3に記載の放電管の製造方法において、
前記セラミックス製筒体が、Al又はAlNで形成され、
前記ろう材が、少なくともAlとSiとを含有したAl−Si系ろう材であることを特徴とする放電管の製造方法。
In the manufacturing method of the discharge tube according to claim 3,
The ceramic cylinder is formed of Al 2 O 3 or AlN;
The method for manufacturing a discharge tube, wherein the brazing material is an Al—Si based brazing material containing at least Al and Si.
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