JP2020155296A - サージ防護素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非常に狭いギャップを低コストで作製可能であるサージ防護素子及びその製造方法を提供すること。【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と共に互いの対向面を離間させて対向配置した一対の封止電極３とを備え、一対の封止電極が、互いの対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されている。この製造方法は、磁性体で形成された一対の封止電極を磁化させる電極磁化工程と、磁化させた一対の封止電極の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の封止電極を絶縁性管内に挿入し一対の封止電極を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態とする電極挿入工程と、一対の封止電極で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と共に絶縁性管と一対の封止電極とを接合させる電極接合工程とを有している。【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及びその製造方法に関する。

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、金属との接合特性と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、セラミックス又はガラス等で形成された円筒体と、電気絶縁性のリング状スペーサを介在させることにより所定距離の空間を隔てて対峙する一対の電極とを備えたサージ防護素子が記載されている。このようなサージ防護素子のように、対向電極をアルミナ等のセラミックス製円筒体で封止したサージ防護素子はアレスタと呼ばれている。

特公昭６３−５７９１８号公報 特開昭６３−３１８０８５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、サージ耐量は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であり、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、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。
さらに、アーク放電により電極部を構成する金属が溶融飛散し、金属成分が絶縁性管の内面に付着することで、一対の封止電極間の絶縁性を悪化させてしまう問題があった。特に、大量の金属成分が絶縁性管の内面に付着すると、絶縁性管の内周面に通電回路が形成されてショートしてしまう場合も有り、その場合はサージ防護素子の寿命と判断されてしまう不都合があった。なお、特許文献２に記載のサージ防護素子では、リング状スペーサが介在しているため、絶縁性管の内周面に金属成分が付着しないが、リング状スペーサの内周面に金属成分が付着して、やはりショートが発生するおそれがあった。また、リング状スペーサを別部材として作製し封止電極間に設置しなければならず、非常に狭いギャップを得ることが困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、非常に狭いギャップを低コストで作製可能であるサージ防護素子及びその製造方法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と共に互いの対向面を離間させて対向配置した一対の封止電極とを備え、一対の前記封止電極が、互いの前記対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されていることを特徴とする。

このサージ防護素子では、一対の封止電極が、互いの対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されているので、磁力線が封止電極に指向しており、放電経路を封止電極に向けて集中させることができる。これにより、封止電極の損傷が対向面中央に集中し、繰り返し放電による耐内部短絡性が向上して、信頼性を向上させることができる。

第２の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１の発明のサージ防護素子を製造する方法であって、磁性体で形成された一対の封止電極を磁化させる電極磁化工程と、磁化させた一対の前記封止電極の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の前記封止電極を絶縁性管内に挿入し一対の前記封止電極を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態とする電極挿入工程と、一対の前記封止電極で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と共に前記絶縁性管と一対の前記封止電極とを接合させる電極接合工程と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の製造方法では、磁化させた一対の封止電極の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の封止電極を絶縁性管内に挿入し一対の封止電極を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態としたまま絶縁性管と封止電極とを接合させるので、間隙を形成するために一対の封止電極間に挿入する部材を用いずに、予め磁化させた一対の封止電極の反発磁界を利用して間隙を保持した状態で一対の封止電極を絶縁性管に接合することができる。このように、空間形成用（一対の封止電極間の空隙を形成するため）の治工具や装置が不要になり、昇温時間の短縮や熱処理エネルギーの削減等の熱処理工程の効率化を図ることができる。
また、一対の封止電極の磁界反発力の大きさによって互いの空隙（ギャップ）を調整することができる。

第３の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第２の発明において、前記電極接合工程が、前記封止電極の材料のキュリー点を越えない温度で前記絶縁性管を加熱して一対の前記封止電極と接合させることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子の製造方法では、電極接合工程が、封止電極の材料のキュリー点を越えない温度で絶縁性管を加熱して一対の封止電極と接合させるので、接合時の加熱によって磁界反発力が弱まって所望の値よりも一対の封止電極の間隙が狭くなってしまうこと防止できる。

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、一対の封止電極が、互いの対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されているので、磁力線が封止電極に指向しており、放電経路を封止電極に向けて集中させることができる。これにより、封止電極の損傷が対向面中央に集中し、繰り返し放電による耐内部短絡性が向上して、信頼性を向上させることができる。
また、本発明に係るサージ防護素子の製造方法によれば、磁化させた一対の封止電極の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の封止電極を絶縁性管内に挿入し一対の封止電極を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態としたまま絶縁性管と封止電極とを接合させるので、間隙を形成するために一対の封止電極間に挿入する部材を用いずに、間隙を挟んだ一対の封止電極を絶縁性管内に接合することができる。
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及びその製造方法の一実施形態において、サージ防護素子を示す軸線方向の断面図である。 本実施形態において、電極磁化工程を示す概念図である。

以下、本発明に係るサージ防護素子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。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とを備えている。
一対の封止電極３は、互いの対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されている。
本実施形態では、一対の封止電極３の互いの対向面がＳ極となっているが、互いの対向面をＮ極としても構わない。

上記封止電極３の材料としては、例えばＦｅ，Ｎｉやこれらの合金等の磁性材料が採用可能である。
また、封止電極３は、非磁性体であるＣｕで被覆されている。なお、Ｃｕ等の非磁性体は、着磁しないため、磁力の影響を受けない。

上記絶縁性管２は、例えば円筒状であり、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。
なお、本実施形態では、一対の封止電極３が絶縁性管２の内側に入り込んで両端開口部を閉塞している。
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。

本実施形態のサージ防護素子１の製造方法は、図１及び図２に示すように、磁性体で形成された一対の封止電極３を磁化させる電極磁化工程と、磁化させた一対の封止電極３の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の封止電極３を絶縁性管２内に挿入し一対の封止電極３を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態とする電極挿入工程と、一対の封止電極３で絶縁性管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と共に絶縁性管２と一対の封止電極３とを接合させる電極接合工程とを有している。

上記電極接合工程では、封止電極３の材料のキュリー点を越えない温度で絶縁性管２を加熱して一対の封止電極３と接合させる。
すなわち、絶縁性管２と封止電極３との接合温度は、封止電極３の材料をＦｅＮｉ合金とした場合、ＦｅＮｉ合金のキュリー点を超えない温度とする。例えば、４７ＦｅＮｉではキュリー点が５００℃程度であり、絶縁性管２の材料として低軟化ガラスを使用することが可能である。

上記電極磁化工程では、図２に示すように、磁界発生装置１０によって封止電極３に対して外部から磁場（磁界）を印加し、封止電極３を磁化させる。この際、一対の封止電極３の対向面が同じ磁極となるように設定する。本実施形態では、一対の封止電極３の対向面がＳ極となるように設定した。
上記磁界発生装置１０としては、例えばコンデンサ式着磁電源装置（パルス式電源）等が採用可能である。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、一対の封止電極３が、互いの対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成されているので、磁力線が封止電極３に指向しており、放電経路を封止電極３に向けて集中させることができる。これにより、封止電極３の損傷が対向面中央に集中し、繰り返し放電による耐内部短絡性が向上して、信頼性を向上させることができる。

また、磁化させた一対の封止電極３の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の封止電極３を絶縁性管２内に挿入し一対の封止電極３を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態としたまま絶縁性管２と封止電極３とを接合させるので、間隙を形成するために一対の封止電極３間に挿入する部材を用いずに、予め磁化させた一対の封止電極３の反発磁界を利用して間隙を保持した状態で一対の封止電極３を絶縁性管２に接合することができる。なお、磁界反発力が強く一対の封止電極３の間隔が必要な間隔よりも広い場合は、リード線５に荷重をかけて封止電極３の間隔を調整した状態で絶縁性管２と接合させてもよい。
このように、空間形成用（一対の封止電極３間の空隙を形成するため）の治工具や装置が不要になり、昇温時間の短縮や熱処理エネルギーの削減等の熱処理工程の効率化を図ることができる。

また、一対の封止電極３の磁界反発力の大きさによって互いの空隙（ギャップ）を調整することができる。
さらに、電極接合工程が、封止電極３の材料のキュリー点を越えない温度で絶縁性管２を加熱して一対の封止電極３と接合させるので、接合時の加熱によって磁界反発力が弱まって所望の値よりも一対の封止電極３の間隙が狭くなってしまうこと防止できる。

なお、本発明の技術範囲は上記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…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極

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と共に互いの対向面を離間させて対向配置した一対の封止電極とを備え、
   一対の前記封止電極が、互いの前記対向面が同じ磁極に磁化された磁性体で形成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を製造する方法であって、
   磁性体で形成された一対の封止電極を磁化させる電極磁化工程と、
   磁化させた一対の前記封止電極の同じ磁極の対向面を互いに向かい合わせると共に一対の前記封止電極を絶縁性管内に挿入し一対の前記封止電極を互いの磁界反発力によって互いに離間した状態とする電極挿入工程と、
   一対の前記封止電極で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と共に前記絶縁性管と一対の前記封止電極とを接合させる電極接合工程とを有していることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。
3. 請求項２に記載のサージ防護素子の製造方法において、
   前記電極接合工程が、前記封止電極の材料のキュリー点を越えない温度で前記絶縁性管を加熱して一対の前記封止電極と接合させることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。

Images