JP2020004576A - サージ防護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで作製可能であると共に、封止電極の対向面の高い平行度を得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、一対の封止電極の対向面に挟まれて一対の封止電極の間隔を規定する間隔調整部材４とを備え、間隔調整部材が、３個以上の同径の絶縁性球体４ａである。これにより、一対の封止電極の対向面同士が平行になり易くなる。すなわち、３個以上の同径の絶縁性球体を一対の封止電極で挟む簡易な構成であるため、低コストで作製でき、封止電極の対向面の高い平行度を得ることができる。【選択図】図１

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の接続する部分、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には、ガラス管内で対向する金属部材の間に導電被覆した部材を挟んだマイクロギャップ式サージ防護素子が記載されている。このマイクロギャップ式サージ防護素子では、導電被覆した部材の中央に数μｍ〜数十μｍのスリット（ギャップ）を設け、規定の電圧以下では対向する金属部材間に電流が流れない構造となっている。そして、設定した電圧を超えると、スリット間にアーク放電が発生し、対向する金属部材間に電流が流れるようになっている。

このサージ防護素子は、ガラス管のガラス軟化による形状変化能と金属との接合特性を利用したデバイスであり、量産性にも優れていることから幅広い分野で活用されている。
また、特許文献２には、電極間の空隙に絶縁板を挟んだアレスタと呼ばれるサージ防護素子が記載されている。また、特許文献３及び４には、絶縁性の球体を電極間に挟んだサージ防護素子が記載されている。

特公昭６３−５７９１８号公報 実開平２−１８９１号公報 特公平７−７５１９０号公報 特開平１１−３１７２７６号公報

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、ガラス被覆型マイクロギャップ式サージ防護素子は、ガラスと金属部材との接合性が良好であり、ガスの封止性や、大気や水分の遮断性等の優れた信頼性を有しているが、マイクロギャップを構成するスリット幅が狭いと共に、マイクロギャップ周辺を形成している導電性被覆の厚さが数十μｍと薄いため、サージ耐量が１５００Ａ程度が限界であった。また、導電性被覆の成膜工程やマイクロギャップを形成するためのレーザ加工工程が必要があり、工程が複雑になると共に作製に時間が掛かり、高コスト化してしまう不都合があった。

一方、アレスタ型サージ防護素子は、直径５ｍｍの製品における耐量が２０００Ａであり、直径８ｍｍの製品における耐量が５０００Ａであり、ガラス被覆型マイクロギャップ式サージ防護素子よりも高いサージ耐量特性を有している。このようなアレスタ型サージ防護素子は、高信頼性が要求される大型家電、太陽光発電及び上下水道といったインフラ設備向け等に採用されている。なお、アレスタ型サージ防護素子は、金属とセラミックスとの接合において、高価な接合剤（銀系ロウ材）や、ガラス製円筒部材より高価なアルミナ製円筒部材が必要となる。さらに、セラミックスと金属部との接合には非常に高い技術が必要であると共に、電極内部に電極補助材（グラファイト等）を設けたり、電極保護及び放電助長の目的で対向電極表面に誘電材料を付与したりする必要があり、製造工程が複雑となっている。そのため、アレスタ型サージ防護素子は、製造費用がガラス被覆型マイクロギャップ式サージ防護素子と比べて大幅に上昇する傾向にあった。特に、静電気対策に用いる場合では上記マイクロギャップのような非常に狭い間隔で対向する電極を互いに離間させる必要があり、高精度にギャップを設定することが困難であった。

また、特許文献３では、絶縁性球体を一対の封止電極で挟んで電極間のギャップを設定しているが、図１０に示すように、絶縁性管２内で一対の封止電極３の対向面で挟まれた絶縁性球体４が対向面の中央から片寄った位置に配されると、絶縁性管２に封止電極３を挿入するためのクリアランスＣがあるため、封止電極３の軸線が絶縁性管２の軸線に対して傾いてしまい、封止電極３の対向面同士が平行でなくなって目的の放電開始電圧が得られない等の放電に対する動作安定性が低下するという問題があった。
このため、特許文献４に記載のサージ防護素子では、絶縁性球体を封止電極の軸線上に配するために円筒体の別部材を用いているが、この場合、構造が複雑になると共に部材コストや工程が増加してしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、低コストで作製可能であると共に、封止電極の対向面の高い平行度を得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、一対の前記封止電極の対向面に挟まれて一対の前記封止電極の間隔を規定する間隔調整部材とを備え、前記間隔調整部材が、３個以上の同径の絶縁性球体であることを特徴とする。

このサージ防護素子では、間隔調整部材が、３個以上の同径の絶縁性球体であるので、３個以上の同径の絶縁性球体と封止電極の対向面との接触点で三角形以上の多角形が構成されることで、一対の封止電極の対向面同士が平行になり易くなる。したがって、３個以上の同径の絶縁性球体を一対の封止電極で挟む簡易な構成であるため、低コストで作製でき、封止電極の対向面の高い平行度を得ることができる。

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、一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面の中央に凸部を有し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、一対の封止電極の少なくとも一方が、その対向面の中央に凸部を有しているので、各絶縁性球体が凸部の周りに配され、互いに分散されて広い多角形を構成し易くなり、封止電極の対向面のより高い平行度を得ることが可能になる。

第３の発明に係るサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面に前記絶縁性球体の個数に対応した数の凹部を有しており、前記絶縁性球体が、前記凹部に嵌まっ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、絶縁性球体が、凹部に嵌まっているので、別部材を用いることなく、絶縁性球体の位置決めができ、封止電極の対向面のさらに高い平行度を得ることができる。

第４の発明に係るサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面に前記対向面と中心軸を同じくした円環状に形成された溝部を有しており、前記絶縁性球体が、前記溝部に嵌まっ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、絶縁性球体が、円環状の溝部に嵌まっているので、各絶縁性球体を円環状の溝部で位置決めできる。

第４の発明に係るサージ防護素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記絶縁性管が、ガラス管であることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、絶縁性管が、ガラス管であるので、アルミナ等のセラミックスに比べて安価に作製できると共に、高いガス封止性及び水分等の遮断性により優れた信頼性が得られる。

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、間隔調整部材が、３個以上の同径の絶縁性球体であるので、低コストで作製でき、封止電極の対向面の高い平行度を得ることができる。
したがって、本発明に係るサージ防護素子は、小型かつ安価で高信頼性の製品が要求される電気機器の電源回路部や通信回路部用などに好適である。特に、本発明のサージ防護素子は、基板実装用として静電気対策を含む幅広い用途に好適である。

本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を示す封止電極で封止する際の斜視図である。 第１実施形態において、絶縁性管を破断した状態のサージ防護素子を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態において、絶縁性管を破断した状態のサージ防護素子を示す正面図である。 第２実施形態において、封止電極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実施形態において、絶縁性管を破断した状態のサージ防護素子を示す正面図である。 第３実施形態において、封止電極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実施形態において、封止電極を示す斜視図である。 第４実施形態において、絶縁性管を破断した状態のサージ防護素子を示す正面図である。 本発明に係る従来例において、絶縁性管を破断した状態のサージ防護素子を示す正面図である。 絶縁球体の球数・直径と封止電極の直径との関係を示す説明図である。

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、一対の封止電極３の対向面に挟まれて一対の封止電極３の間隔を規定する間隔調整部材４とを備えている。
上記間隔調整部材４は、３個以上の同径の絶縁性球体４ａで構成されている。なお、本実施形態では、間隔調整部材４として３個の絶縁性球体４ａを採用している。

上記絶縁性管２は、円筒状であり、鉛ガラス等のガラス管で形成されている。なお、絶縁性管２は、安価で封止性等に優れたガラス管で形成することが好ましいが、アルミナなどの結晶性セラミックス材で形成しても構わない。
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。

上記封止電極３は、例えばジュメット線，４２アロイ（Ｆｅ：５８ｗｔ％、Ｎｉ：４２ｗｔ％），Ｃｕ等で円柱状に形成されている。
各封止電極３には、外側に突出したリード線５の基端部が埋め込まれている。

絶縁性球体４ａは、例えばガラス，セラミックス，樹脂等の球体であって、例えば２００〜８００μｍの直径のものが採用されている。すなわち、絶縁性球体４ａがスペーサとなり、本実施形態では絶縁性球体４ａの直径が一対の封止電極３間のギャップとして規定される。

３個の絶縁性球体４ａは、一対の封止電極３の対向面で挟まれた際に、図３に示す二点鎖線のように、各絶縁性球体４ａの頂点を結ぶと三角形を構成し、各頂点に封止電極３の対向面を接触させると各接触点を結ぶ線で同様の三角形が構成される。この三角形を構成する平面によって、一対の封止電極３の対向面同士が互いに平行に配されることになる。なお、絶縁性球体４ａの個数が多いほど、封止電極３の対向面との接触点が多くなって多角形が構成され、封止電極３がより傾き難くなり、対向面同士のより高い平行度が得られる。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、間隔調整部材４が、３個以上の同径の絶縁性球体４ａであるので、３個以上の同径の絶縁性球体４ａと封止電極３の対向面との接触点で三角形以上の多角形が構成されることで、一対の封止電極３の対向面同士が平行になり易くなる。すなわち、３個以上の同径の絶縁性球体４ａを一対の封止電極３で挟む簡易な構成であるため、低コストで作製でき、封止電極３の対向面の高い平行度を得ることができる。
特に、絶縁性管２が、ガラス管であることで、アルミナ等のセラミックスに比べて安価に作製できると共に、高いガス封止性及び水分等の遮断性により優れた信頼性が得られる。

次に、本発明に係るサージ防護素子の第２及び第３実施形態について、図４〜図７を参照して以下に説明する。なお、以下の各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、封止電極３の対向面が平坦面であるのに対し、第２実施形態のサージ防護素子２１では、図４及び図５に示すように、一対の封止電極２３の少なくとも一方が、その対向面の中央に凸部２３ａを有している点である。
すなわち、第２実施形態では、封止電極２３の対向面中央に山型の凸部２３ａが形成されている。

第２実施形態では、一対の封止電極２３の両方において対向面に凸部２３ａがそれぞれ形成されている。なお、この凸部２３ａは、その高さが絶縁性球体４ａよりも低く設定されている。
このように第２実施形態のサージ防護素子２１では、一対の封止電極２３の少なくとも一方が、その対向面の中央に凸部２３ａを有しているので、各絶縁性球体４ａが凸部２３ａの周りに配され、互いに分散されて広い多角形を構成し易くなり、封止電極２３の対向面のより高い平行度を得ることが可能になる。

次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、封止電極２３の対向面中央に凸部２３ａが形成されているのに対し、第３実施形態のサージ防護素子３１では、図６及び図７に示すように、一対の封止電極３３の少なくとも一方が、その対向面に絶縁性球体４ａの個数に対応した数の凹部３３ａを有しており、各絶縁性球体４ａが、凹部３３ａに嵌まっている点である。

すなわち、第３実施形態では、３個の絶縁性球体４ａの形状に対応して封止電極３３の対向面に断面円弧状で平面視円形の凹部３３ａが３つ形成されている。
なお、第３実施形態では、一対の封止電極３３の両方において各対向面の対応する位置に凹部３３ａがそれぞれ形成されている。これらの凹部３３ａは、その深さが絶縁性球体４ａの半径よりも低く同一に設定されている。すなわち、一対の封止電極３３間のギャップは、絶縁性球体４ａの直径から上下で嵌まる２つの凹部３３ａの深さを差し引いた値となる。

３つの凹部３３ａは、封止電極３３の対向面中央を避け、対向面の中心を囲んだ正三角形の頂点にそれぞれ配されて形成されている。このように、複数の凹部３３ａは、封止電極３３の対向面中心を囲むように均等な間隔で配されることが好ましい。
第３実施形態では、絶縁性管２の下部に挿入した一方の封止電極３３の各凹部３３ａに絶縁性球体４ａの下部を嵌めた状態で、他方の封止電極３３を挿入し、他方の封止電極３３の各凹部３３ａに絶縁性球体４ａの上部を嵌めた状態で、加熱封止処理によりガラス管の絶縁性管２と一対の封止電極３３とを密着固定する。

このように第３実施形態のサージ防護素子３１では、絶縁性球体４ａが、凹部３３ａに嵌まっているので、別部材を用いることなく、絶縁性球体４ａの位置決めができ、封止電極３３の対向面のさらに高い平行度を得ることができる。

次に、第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、互いに離間して形成された３つの凹部３３ａに絶縁性球体４ａが一つずつ嵌まっているのに対し、第４実施形態のサージ防護素子４１では、図８及び図９に示すように、一対の封止電極４３の少なくとも一方が、その対向面に前記対向面と中心軸を同じくした円環状に形成された溝部４３ａを有しており、絶縁性球体４ａが、溝部４３ａに嵌まっている点である。

すなわち、第４実施形態では、封止電極４３の対向面に、絶縁性球体４ａの形状に対応した断面円弧状とされた円環状の溝部４３ａが設けられている。この円環状の溝部４３ａ内に３個以上の絶縁性球体４ａが嵌まっている状態で封止されることで、第４実施形態のサージ防護素子４１が作製される。
このように第４実施形態のサージ防護素子４１では、絶縁性球体４ａが、円環状の溝部４３ａに嵌まっているので、各絶縁性球体４ａを円環状の溝部４３ａで位置決めできる。

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。

上記各実施形態では、絶縁性球体を３つ用いているが、４つ以上を使用しても構わない。
なお、配置可能な絶縁性球体の球数・直径と封止電極の直径との関係を、図１１を用いて説明する。
例えば、絶縁性球体総数１〜１０までの絶縁性球体の配置を、図１１に示す。この場合、絶縁性球体の総数をｎ、封止電極内（対向面内）に環状に連続して並んだ絶縁性球体の球数をｎ_ｒとする。図１１からわかるように、絶縁性球体が５個までは封止電極内に環状に並べて配置可能である。また、絶縁性球体が６個の場合、６個の環状となるか、５個の環状配置の中央に１個配置される。さらに、絶縁性球体が７〜９個の場合、環状に連続して並んだｎ_ｒ（ｎ−１）個と、中央に１個を配置可能である。なお、絶縁性球体が１０個以上では、連続した環状配置にならない場合が生じる。

上記環状に連続して並んだ絶縁性球体ｎ_ｒ個が封止電極内に並ぶ場合の絶縁性球体の球数ｎ_ｒ・直径Ｘと封止電極直径Ｄとの関係を、表１に示す。

なお、絶縁性球体ｎ個が封止電極に連続して環状に並ぶ場合、絶縁性球体ｎ_ｒ個が封止電極内に収まる絶縁性球体の最大直径Ｘは、以下の式で表すことができる。

１，２１，３１，４１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３，２３，３３，４３…封止電極、４…間隔調整部材、４ａ…絶縁性球体、２３ａ…凸部、３３ａ…凹部、４３ａ…溝部

Claims (5)

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、
   一対の前記封止電極の対向面に挟まれて一対の前記封止電極の間隔を規定する間隔調整部材とを備え、
   前記間隔調整部材が、３個以上の同径の絶縁性球体であ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、
   一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面の中央に凸部を有していることを特徴とするサージ防護素子。
3. 請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
   一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面に前記絶縁性球体の個数に対応した数の凹部を有しており、
   前記絶縁性球体が、前記凹部に嵌まっていることを特徴とするサージ防護素子。
4. 請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
   一対の前記封止電極の少なくとも一方が、その対向面に前記対向面と中心軸を同じくした円環状に形成された溝部を有しており、
   前記絶縁性球体が、前記溝部に嵌まっていることを特徴とするサージ防護素子。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のサージ防護素子において、
   前記絶縁性管が、ガラス管であることを特徴とするサージ防護素子。

Images