JP2017168294A - サージ防護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 突出電極部の寸法が変動しても放電開始電圧Ｖｓの変動を従来よりも抑制することができるサージ防護素子を提供すること。【解決手段】 絶縁性管２と、絶縁性管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、絶縁性管の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部４とを備え、一対の封止電極が、絶縁性管の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部５と、一対のフランジ部から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部６とを有し、一対の突出電極部の対向面に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で一対の放電活性層７が形成されており、放電活性層が、前記内周面の放電補助部の無い領域Ｓよりも放電補助部に近づけて配されている。【選択図】図２

Description

本発明は、落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐのに使用するサージ防護素子に関する。

電話機、ファクシミリ、モデム等の通信機器用の電子機器が通信線と接続する部分、電源線、アンテナ或いはＣＲＴ、液晶テレビおよびプラズマテレビ等の画像表示駆動回路等、雷サージや静電気等の異常電圧（サージ電圧）による電撃を受けやすい部分には、異常電圧によって電子機器やこの機器を搭載するプリント基板の熱的損傷又は発火等による破壊を防止するために、サージ防護素子が接続されている。

従来、例えば特許文献１，２に示すように、一対の封止電極から対向状態に突出した一対の突出電極部を備え、絶縁性管の内周面に放電補助部が形成されたアレスタ型のサージ防護素子が記載されている。通常、このようなサージ防護素子では、炭素材で形成された放電補助部が、絶縁性管の内周面に形成されている。また、このような放電補助部は、一般的にはグラファイト等の導電性のイオン源材料で形成され、初期放電を促進するためのイオン源となっている。

また、サージ防護素子においては、繰り返し放電に対する動作電圧の安定性や優れた耐電圧特性などが要求されるために、放電電極の表面に放電活性化材料の被膜（放電活性層）を形成する技術が検討されている。
従来、例えば特許文献３には、複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入したサージ吸収素子が提案されている。このサージ吸収素子では、放電電極の表面に、Ｃｓ_２ＣＯ_３等のアルカリ金属及び／又はＢａＣＯ_３等のアルカリ土類金属の炭酸塩と、炭化チタンが含有された放電活性化材料の被膜を形成することで、耐電圧特性の向上を図っている。
また、特許文献４においても、２つの電極に電極活性化材料の放電活性層を施与した放電ギャップが提案されている。

特開平１１−３５４２４４号公報 特開２００１−１０２１４８号公報 実用新案登録第３１５６０６５号公報 特許第４１１２１７６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来、突出電極部からの飛散物及びアーク放電の熱によって放電電圧を制御する放電補助部が傷み、特性が劣化してしまうという問題があった。また、従来の技術では、アーク放電が任意の場所に形成されるため、サージ耐量を増加させるためには、絶縁性管自体を大きくする必要があり小型化が難しいという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、放電補助部の損傷を抑制できると共に、絶縁性管を大型化することなく、サージ耐量を向上させることができるサージ防護素子を提供することを目的とする。

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の発明に係るサージ防護素子は、絶縁性管と、前記絶縁性管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、前記絶縁性管の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部とを備え、一対の前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部と、一対の前記フランジ部から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部とを有し、一対の前記突出電極部の対向面に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で一対の放電活性層が形成されており、前記放電活性層が、前記内周面の前記放電補助部の無い領域よりも前記放電補助部に近づけて配されていることを特徴とする。

本発明のサージ防護素子では、放電活性層が、前記内周面の放電補助部の無い領域よりも放電補助部に近づけて配されているので、アーク放電を放電補助部の無い領域の近くで比較的多く形成させることができ、放電補助部が損傷することを抑制することができると共に、サージ耐量を向上させることが可能である。すなわち、初期の放電は、放電活性層の境界部分と放電補助部との間で形成され易く、大電流が流れるアーク放電は、放電活性層のない部分で比較的多く発生するため、放電補助部と該放電補助部の近く形成された放電活性層との間で初期放電が発生した後、アーク放電が放電補助部及び放電活性層から離れた領域で発生する。このため、アーク放電の影響を放電補助部が受け難いと共に、前記内周面の放電補助部の無い領域にはアーク放電による突出電極部からの飛散物が付着し、付着物に放電補助部の代わりとして機能させることも可能になる。

第２の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、前記放電活性層が、前記絶縁性管の軸線よりも前記放電補助部側に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、放電活性層が、絶縁性管の軸線よりも放電補助部側に形成されているので、突出電極部の対向面において放電補助部側の反対側に放電活性層が無い広い領域が形成されることで、放電補助部のある領域の反対側でアーク放電を多く発生させることができる。

第３の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、一対の前記放電補助部が、前記絶縁性管の軸線に対して互いに反対側に配され、前記放電活性層が、一対の前記放電補助部を結ぶ方向に長軸を配した略楕円形状とされていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、放電活性層が、一対の放電補助部を結ぶ方向に長軸を配した略楕円形状とされているので、突出電極部の対向面において放電活性層の短軸方向の両側に放電活性層の無い領域が形成され、これら領域でアーク放電を多く発生させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサージ防護素子によれば、放電活性層が、前記内周面の放電補助部の無い領域よりも放電補助部に近づけて配されているので、アーク放電を放電補助部の無い領域の近くで比較的多く形成させることができ、放電補助部が損傷することを抑制することができると共に、サージ耐量を向上させることが可能である。

本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を示す軸方向の断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 第１実施形態において、一方の封止電極を外した状態のサージ防護素子を示す斜視図である。 本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態を示す軸方向の断面図である。 図４のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 第２実施形態において、一方の封止電極を外した状態のサージ防護素子を示す斜視図である。 本発明に係るサージ防護素子の第３実施形態を示す軸方向の断面図である。 図７のＣ−Ｃ線矢視断面図である。 第３実施形態において、一方の封止電極を外した状態のサージ防護素子を示す斜視図である。 本発明に係るサージ防護素子の第４実施形態を示す軸方向の断面図である。 図１０のＤ−Ｄ線矢視断面図である。 第３実施形態において、一方の封止電極を外した状態のサージ防護素子を示す斜視図である。 本発明に係るサージ防護素子の比較例について印加試験結果を示すグラフである。 本発明に係るサージ防護素子の実施例について印加試験結果を示すグラフである。

以下、本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のサージ防護素子１は、図１から図３に示すように、絶縁性管２と、絶縁性管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、絶縁性管２の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部４とを備えている。
上記一対の封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部５と、一対のフランジ部５から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部６とを有している。

上記一対の突出電極部６の対向面には、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で一対の放電活性層７が形成されている。
また、上記放電活性層７は、前記内周面の放電補助部４の無い領域Ｓよりも放電補助部４に近づけて配されている。
本実施形態では、放電活性層７が、絶縁性管２の軸線Ｃ０よりも放電補助部４側に形成されている。すなわち、放電活性層７が、楕円形状とされていると共に、突出電極部６の対向面において放電補助部４側に偏って配置され、放電補助部４側に近接している。

上記放電補助部４は、導電性材料であって、例えば炭素材で形成されている。本実施形態では、絶縁性管２の軸線Ｃ０に沿った直線状に放電補助部４が形成されている。
上記絶縁性管２は、例えばアルミナなどの結晶性セラミックス材で形成された円筒状部材である。なお、絶縁性管２は、鉛ガラス等の非晶質管を採用しても構わない。

上記封止電極３は、例えば４２アロイ（Ｆｅ：５８ｗｔ％、Ｎｉ：４２ｗｔ％）やＣｕ等で構成されている。
封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により加熱処理によって密着状態に固定されている円板状のフランジ部５を有している。このフランジ部５と突出電極部６とは一体に形成されている。

上記導電性融着材は、例えばＡｇを含むろう材としてＡｇ−Ｃｕろう材で形成されている。
上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ_６，ＣＯ_２，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４，Ｈ_２，大気等及びこれらの混合ガスが採用される。

上記放電活性層７は、例えばＳｉ，Ｏを主成分元素とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいる。この放電活性層７は、例えばケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末を加えて前駆体を作製し、この前駆体を封止電極３の表面に塗布した後、前駆体に対してケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムが融解及び分解する温度以上の温度で熱処理を行うことで作製される。

このサージ防護素子１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず放電補助部４と突出電極部６の放電活性層７の境界部との間で優先的に初期放電が行われ、この初期放電をきっかけに、さらに放電が進展して一対の突出電極部６の放電活性層７の無い領域Ｓ間で放電が行われる。

すなわち、初期の放電は、放電活性層７の境界部分と放電補助部４との間で形成され易く、大電流が流れるアーク放電は、放電活性層７のない部分で比較的多く発生するため、放電補助部４と該放電補助部４の近く形成された放電活性層７との間で初期放電が発生した後、アーク放電が放電補助部４及び放電活性層７から離れた領域で発生する。このため、アーク放電の影響を放電補助部４が受け難いと共に、前記内周面の放電補助部４の無い領域Ｓにはアーク放電による突出電極部６からの飛散物が付着し、付着物に放電補助部４の代わりとして機能させることも可能になる。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、放電活性層７が、前記内周面の放電補助部４の無い領域Ｓよりも放電補助部４に近づけて配されているので、アーク放電を放電補助部４の無い領域Ｓの近くで比較的多く形成させることができ、放電補助部４が損傷することを抑制することができると共に、サージ耐量を向上させることが可能である。
特に、本実施形態では、放電活性層７が、絶縁性管２の軸線Ｃ０よりも放電補助部４側に形成されているので、突出電極部６の対向面において放電補助部４側の反対側に放電活性層７が無い広い領域が形成されることで、放電補助部４のある領域の反対側でアーク放電を多く発生させることができる。

次に、本発明に係るサージ防護素子の第２から第４実施形態について、図４から図１２を参照して以下に説明する。なお、以下の角実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、放電補助部４が１つ形成されていると共に、放電活性層７が、絶縁性管２の軸線Ｃ０よりも放電補助部４側に形成されているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子２１は、図４から図６に示すように、一対の放電補助部４が、絶縁性管２の軸線Ｃ０に対して互いに反対側に配され、放電活性層２７が、一対の放電補助部４を結ぶ方向に長軸を配した略楕円形状とされている点である。

したがって、第２実施形態のサージ防護素子２１では、放電活性層２７が、一対の放電補助部４を結ぶ方向に長軸を配した略楕円形状とされているので、突出電極部６の対向面において放電活性層２７の短軸方向の両側に放電活性層２７の無い領域Ｓが形成され、これら領域Ｓでアーク放電を多く発生させることができる。

次に、第３及び第４実施形態と第１及び第２実施形態との異なる点は、第１及び第２実施形態では、円筒状の絶縁性管２を採用しているのに対し、第３及び第４実施形態のサージ防護素子３１，４１は、図７から図１２に示すように、角筒状の絶縁性管３２を採用している点である。
すなわち、第３及び第４実施形態では、長方形板状のフランジ部３５と円柱状の突出電極部３６とを有した封止電極３３により、角筒状の絶縁性管３２の両端開口部を閉塞している。

また、第３及び第４実施形態では、絶縁性管３２の４つの内面のうち、突出電極部３６に近い面に放電補助部４が形成されている。
このように第３実施形態及び第４実施形態のサージ防護素子３１，４１では、第１及び第２実施形態と同様に、放電活性層３７，４７が、前記内周面の放電補助部４の無い領域Ｓよりも放電補助部４に近づけて配されているので、アーク放電を放電補助部４の無い領域Ｓの近くで比較的多く形成させることができ、放電補助部４が損傷することを抑制することができると共に、サージ耐量を向上させることが可能である。

次に、上記第１実施形態に基づいて実際に作製したサージ防護素子の実施例について、サージ印加試験を行って評価した結果を具体的に説明する。
上記印加試験のサージ条件として、３ｋＶ／１．５ｋＡコンビネーションサージを繰り返し印加した際のインパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐを測定した。インパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐは、３ｋＶ／１．５ｋＡのインパルス電圧を印加し、放電を開始した電圧を求めたものである。

なお、比較例として、円形状の放電補助部４を、突出電極部６の軸線Ｃ０に中心を合わせて形成したものも作製し、本発明の実施例と同様に評価した。
上記比較例におけるサージ印加回数とインパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐとの関係を示すグラフを、図１３に示すと共に、上記実施例におけるサージ印加回数とインパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐとの関係を示すグラフを、図１４に示す。

これらの評価結果から分かるように、上記比較例では、サージ印加回数が増えると共にインパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐが徐々に増加しているのに対し、本発明の実施例では、サージ印加回数が増えてもインパルス放電開始電圧Ｖ_ｉｍｐがほとんど変わっていない。
このように本発明の実施例では、比較例に対して高いサージ耐量を有している。

また、サージ印加試験後に比較例及び実施例の絶縁性管の内周面を観察した結果、比較例では放電補助部が多く損傷していると共に、突出電極部の飛散物が放電補助部側の内面上に多く付着していた。これに対して本発明の実施例では、放電補助部の損傷が少ないと共に、突出電極部の飛散物が放電補助部の反対側の内面に多く付着していた。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，２１，３１，４１…サージ防護素子、２，３２…絶縁性管、３，３３…封止電極、４…放電補助部、５，３５…フランジ部、６，３６…突出電極部、７，２７、３７，４７…放電活性層、Ｃ０…絶縁性管の軸線、Ｓ…放電補助部の無い領域

Claims (3)

1. 絶縁性管と、
   前記絶縁性管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、
   前記絶縁性管の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部とを備え、
   一対の前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部と、
   一対の前記フランジ部から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部とを有し、
   一対の前記突出電極部の対向面に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で一対の放電活性層が形成されており、
   前記放電活性層が、前記内周面の前記放電補助部の無い領域よりも前記放電補助部に近づけて配されていることを特徴とするサージ防護素子。
2. 請求項１に記載のサージ防護素子において、
   前記放電活性層が、前記絶縁性管の軸線よりも前記放電補助部側に形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
3. 請求項１に記載のサージ防護素子において、
   一対の前記放電補助部が、前記絶縁性管の軸線に対して互いに反対側に配され、
   前記放電活性層が、一対の前記放電補助部を結ぶ方向に長軸を配した略楕円形状とされていることを特徴とするサージ防護素子。