JP2020181721A - サージ防護素子の製造方法 - 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の製造方法を提供すること。【解決手段】 互いの対向面３ａを当接させた状態で一対の封止電極３を絶縁性管２内に挿入する封止電極挿入工程と、一対の封止電極を互いに離間させる放電空間形成工程と、放電空間形成工程後に絶縁性管と一対の封止電極とを接合させると共に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電極接合工程とを有し、一対の封止電極の少なくとも一方が、対向面に凹部３ｃを有し、封止電極挿入工程で、凹部内に放電制御ガスを閉じ込めた状態で互いの対向面を当接させ、放電空間形成工程で、凹部内の放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の封止電極を互いに離間させる。【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。

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の製造方法は、互いの対向面を当接させた状態で一対の封止電極を絶縁性管内に挿入する封止電極挿入工程と、前記封止電極挿入工程後に、一対の前記封止電極を互いに離間させる放電空間形成工程と、前記絶縁性管と一対の前記封止電極とを接合させると共に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電極接合工程とを有し、一対の前記封止電極の少なくとも一方が、前記対向面に凹部を有し、前記封止電極挿入工程で、前記凹部内に前記放電制御ガスを閉じ込めた状態で互いの前記対向面を当接させ、前記放電空間形成工程で、前記凹部内の前記放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の前記封止電極を互いに離間させることを特徴とする。

このサージ防護素子の製造方法では、放電空間形成工程で、凹部内の放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の封止電極を互いに離間させるので、一対の封止電極間に間隔調整用の部材を配することなく、凹部内に閉じ込めた放電制御ガスの膨張力によって一対の封止電極間に放電空間を容易に形成することができる。
なお、凹部内の放電制御ガスを膨張させる方法としては、凹部内の放電制御ガスを加熱する方法、絶縁性管に封止電極を封止する際にチャンバーの圧力を下げることによって、凹部内の放電制御ガスを圧力差により膨張させる方法、これらの加熱や減圧を同時に行う方法等が利用できる。
上記加熱や減圧を行う場合、加熱温度，加熱時間，圧力差，減圧時間及び凹部の容積等に応じて、一対の封止電極の離間量を調整することが可能である。

第２の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１の発明において、前記凹部が、前記対向面の外周縁よりも半径方向内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の製造方法では、凹部が、対向面の外周縁よりも半径方向内側に形成されているので、凹部が対向面の外周縁に形成されていないことで、対向面の外周縁を含む封止電極の外周面全体を接合させることができ、接合強度及び熱伝導性を向上させることができる。

第３の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１又は第２の発明において、前記凹部が、周方向に均等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の製造方法では、凹部が、周方向に均等に形成されているので、周方向にわたってバランス良く放電制御ガスが膨張することで、一対の封止電極が傾いて離間してしまうことを抑制できる。

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の製造方法によれば、放電空間形成工程で、凹部内の放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の封止電極を互いに離間させるので、一対の封止電極間に間隔調整用の部材を配することなく、凹部内に閉じ込めた放電制御ガスの膨張力によって一対の封止電極間に放電空間を容易に形成することができる。
したがって、本発明に製造方法で作製したサージ防護素子は、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製造方法の第１実施形態において、放電空間形成工程前（ａ）及び放電空間形成工程後（ｂ）のサージ防護素子を示す軸線方向の断面図である。 第１実施形態において、封止電極を示す平面図である。 本発明に係るサージ防護素子の製造方法の第２実施形態において、封止電極を示す平面図である。 本発明に係るサージ防護素子の製造方法の第３実施形態において、封止電極を示す平面図である。

以下、本発明に係るサージ防護素子の製造方法の第１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。

本実施形態の製造方法で作製したサージ防護素子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と共に互いの対向面３ａを離間させて対向配置した一対の封止電極３とを備えている。
上記一対の封止電極３は、互いの対向面３ａに複数の凹部３ｃが形成されている。

本実施形態では、図２に示すように、例えば凹部３ｃが、対向面３ａの中央部に形成されていると共に、中央部を囲んで周方向に等間隔で複数形成されていることが好ましい。これら凹部３ｃは、平面視円形状に形成されている。
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。
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。
また、封止電極３の外周面には、ガラスとの濡れ性を向上させるために亜酸化銅の膜が形成されている。
なお、封止電極３及びリード線５として、ジュメット線材で形成されたいわゆるスラグリードを採用しても構わない。

本実施形態のサージ防護素子１の製造方法は、図１の（ａ）に示すように、互いの対向面３ａを当接させた状態で一対の封止電極３を絶縁性管２内に挿入する封止電極挿入工程と、図１の（ｂ）に示すように、一対の封止電極３を互いに離間させる放電空間形成工程と、放電空間形成工程後に絶縁性管２と一対の封止電極３とを接合させると共に一対の封止電極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電極接合工程とを有している。

一対の封止電極３の少なくとも一方は、対向面３ａに凹部３ｃを有し、封止電極挿入工程で、凹部３ｃ内に放電制御ガスを閉じ込めた状態で互いの対向面３ａを当接させる。本実施形態では、一対の封止電極３の両方の対向面３ａに凹部３ｃが形成されている。
そして、放電空間形成工程で、凹部３ｃ内を加熱して凹部３ｃ内の放電制御ガスを膨張させ、図１の（ｂ）に示すように、当接していた一対の封止電極３を互いに離間させる。
なお、放電空間形成工程では、封止電極３と絶縁性管２との外部を減圧することで放電制御ガスを膨張させてもよく、加熱と減圧とを同時に行ってもよい。

上述したように、複数の凹部３ｃが、対向面３ａの外周縁よりも半径方向内側に形成されていると共に、周方向に均等に形成されていることが好ましい。
なお、図１では、一対の封止電極３の対向面３ａにおいて互いの凹部３ｃをずらして配置している。
また、凹部３ｃ内の加熱は、例えば絶縁性管２を外部から加熱することで行う。

このように本実施形態のサージ防護素子１の製造方法では、放電空間形成工程で、凹部３ｃ内を加熱して凹部３ｃ内の放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の封止電極３を互いに離間させるので、一対の封止電極３間に間隔調整用の部材を配することなく、凹部３ｃ内に閉じ込めた放電制御ガスの膨張力によって一対の封止電極３間に放電空間を容易に形成することができる。また、加熱温度，加熱時間及び凹部３ｃの容積等に応じて、一対の封止電極３の離間量を調整することが可能である。

また、凹部３ｃが、対向面３ａの外周縁よりも半径方向内側に形成されているので、凹部３ｃが対向面３ａの外周縁に形成されていないことで、対向面３ａの外周縁を含む封止電極３の外周面全体を接合させることができ、接合強度及び熱伝導性を向上させることができる。
さらに、凹部３ｃが、周方向に均等に形成されているので、周方向にわたってバランス良く放電制御ガスが膨張することで、一対の封止電極３が傾いて離間してしまうことを抑制できる。

次に、本発明に係るサージ防護素子の製造方法の第２及び第３実施形態について、図３及び図４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、各凹部３ｃが平面視円形状であるのに対し、第２実施形態のサージ防護素子の製造方法では、図３に示すように、封止電極２３の対向面３ａに形成される各凹部２３ｃが、平面視正方形状である点である。
また、第３実施形態のサージ防護素子の製造方法は、図４に示すように、封止電極３３の対向面３ａに形成される各凹部３３ｃが、封止電極３３の軸線を中心とした平面視円環状である点で第１及び第２実施形態と異なっている。

このように第２及び第３実施形態のサージ防護素子の製造方法でも、第１実施形態と同様に、一対の封止電極２３，３３間に間隔調整用の部材を配することなく、凹部２３ｃ、３３ｃ内に閉じ込めた放電制御ガスの膨張力によって一対の封止電極２３，３３間に放電空間を容易に形成することができる。

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。
例えば、上記実施形態では放電空間形成工程の後に、電極接合工程を実施しているが、封止電極の対向面が当接した状態で絶縁性管と封止電極とを接合し、そのガラス等の絶縁性管が軟化している状態で、周囲を減圧することで放電空間を形成してもよい。

１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３，２３，３３…封止電極、３ａ…（封止電極の）対向面、３ｃ，２３ｃ，３３ｃ…凹部

Claims (3)

1. 互いの対向面を当接させた状態で一対の封止電極を絶縁性管内に挿入する封止電極挿入工程と、
   前記封止電極挿入工程後に、一対の前記封止電極を互いに離間させる放電空間形成工程と、
   前記絶縁性管と一対の前記封止電極とを接合させると共に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電極接合工程とを有し、
   一対の前記封止電極の少なくとも一方が、前記対向面に凹部を有し、
   前記封止電極挿入工程で、前記凹部内に前記放電制御ガスを閉じ込めた状態で互いの前記対向面を当接させ、
   前記放電空間形成工程で、前記凹部内の前記放電制御ガスを膨張させ、当接していた一対の前記封止電極を互いに離間させることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。
2. 請求項１に記載のサージ防護素子の製造方法において、
   前記凹部が、前記対向面の外周縁よりも半径方向内側に形成され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１又は２に記載のサージ防護素子の製造方法において、
   前記凹部が、周方向に均等に形成されていることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。

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