JP2853010B2

JP2853010B2 - サージ吸収素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2853010B2
Application number: JP6145554A
Authority: JP
Inventors: 昭雄向井
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH07335368A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はサージ吸収素子及びそ
の製造方法に係り、特に、外囲器の開口部とキャップを
封着材を介して気密に接合して気密容器を形成し、該気
密容器内に少なくとも放電ガスと放電間隙を封入した構
造を備えたサージ吸収素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子機器に侵入する過渡的な異常
電圧や誘導雷等のサージから電子回路素子を保護するた
め、気密容器内に封入した放電間隙における放電現象を
利用したサージ吸収素子が用いられている。図４はその
一例を示すものであり、このサージ吸収素子５０は、気
密容器５２内にＮｉ・Ｆｅ合金等より成る一対の放電電
極５４を所定の距離を隔てて対向配置して、両放電電極
５４間に放電間隙５６を形成すると共に、両放電電極５
４間にＺｎＯ等より成る電圧非直線抵抗体５８を接続
し、所定の放電ガスを封入して成る。

【０００３】上記気密容器５２は、両端が開口した円筒
状の外囲器６０と、該外囲器６０の開口部６２を閉塞す
る一対のキャップ６４と、上記外囲器６０の開口部６２
とキャップ６４の内面との間に介在して両者間を気密に
接合する封着材６６より形成される。この封着材６６
は、低融点ガラスによって構成される。上記キャップ６
４の材質は、この封着材６６と熱膨張係数が略等しいも
のとして、４２・６合金が選定される。上記放電電極５
４の基端部５４ａは、このキャップ６４の内面に溶接さ
れている。また、キャップ６４の外面には、ハンダ６８
を介してリード線７０が接続される。あるいは、キャッ
プ６４の外面に、リード線７０を溶接してもよい。上記
外囲器６０も、上記封着材６６と熱膨張係数が略等しい
フォルステライトにより形成される。

【０００４】しかして、上記リード線７０を介して定格
以上のサージが印加されると、まず上記電圧非直線抵抗
体５８が通電してサージの吸収が直ちに開始され、この
サージ電流値と電圧非直線抵抗体５８の抵抗値との積に
相当する電圧降下が生じることとなる。そして、サージ
電流量の増加に伴って上記電圧降下も増大し、これが上
記放電間隙５６の放電開始電圧以上となった時点で、即
座に放電間隙５６にグロー放電を経てアーク放電が生成
され、このアーク放電の大電流を通じてサージの本格的
な吸収が実現される。このように、このサージ吸収素子
５０は、放電間隙５６と電圧非直線抵抗体５８との並列
接続構造を備えているため、バリスタの速応性と、アレ
スタの大電流耐量性を兼ね備えた、優れたサージ吸収特
性を発揮し得るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、キャッ
プ６４は封着材６６の熱膨張係数に適合させる関係で４
２・６合金によって形成されているが、この４２・６合
金はそのままの状態では封着材６６との馴染みが悪く、
外囲器６０を気密に封止することができないため、その
表面に金属酸化膜を形成し、両者間の馴染みを良好にす
ることが行われている。すなわち、キャップ６４の内面
に予め放電電極５４を溶接した状態で、全体に湿潤水素
処理を施し、キャップ６４の表面に緻密な凹凸を備えた
深緑色の酸化クロム膜を強固に形成することにより、封
着材６６との接合力を高めている。

【０００６】しかしながら、この金属酸化膜の形成に際
しては、キャップ６４の内面のみならず、外面にまでも
絶縁性の金属酸化膜が形成されてしまうため、リード線
７０等との電気的接続を実現するためには、後でキャッ
プ６４外面の金属酸化膜を研磨して除去する工程が不可
欠となり、製造の煩雑化及び製造コストの上昇を招いて
いた。また、この金属酸化膜は、キャップ６４表面を極
めて強固に覆っているため、これを除去する過程で熱的
・機械的な衝撃によってキャップ６４やサージ吸収素子
５０本体を破損したり、有害な粉塵が発生するといった
問題が生じる。もちろん、キャップ６４の外面を予めマ
スクで覆っておき、金属酸化膜形成後にそのマスクを剥
がすようにすれば、キャップ６４の外面に金属酸化膜が
形成されることを回避できるが、今度はそのマスクの被
覆・剥離工程自体が大きな負担となるため、問題の本質
的な解決とはなり得ない。

【０００７】この発明は、上記従来の問題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、外囲器の開
口部を閉塞するキャップ内面に、封着材との馴染みを良
好にするための金属酸化膜を形成する際に、同時にキャ
ップ外面に絶縁性の酸化膜が強固に形成されてしまうこ
とのないサージ吸収素子を実現することにある。また、
このようなサージ吸収素子の製造方法を実現することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明に係るサージ吸収素子は、開口部を備えた
外囲器と、該外囲器の開口部を閉塞するキャップと、上
記外囲器の開口部とキャップとを接合させる封着材とか
ら成る気密容器内に、少なくとも放電ガスと、複数の放
電電極間に形成された放電間隙とを封入して成るサージ
吸収素子において、上記キャップを、上記封着材と接す
る第１の金属層と、該第１の金属層よりも耐酸化性の強
い第２の金属層との積層構造と成し、上記第１の金属層
の表面の中、少なくとも上記封着材と接する部分に金属
酸化膜を形成し、また、上記外囲器を、上記封着材と熱
膨張係数が略等しい材料で形成すると共に、上記第１の
金属層を、上記封着材と熱膨張係数が略等しい金属によ
って形成し、さらに、上記第２の金属層を、上記第１の
金属層と熱膨張係数が略等しい金属によって形成したこ
とを特徴とする。この第１の金属層表面の金属酸化膜
は、例えば、湿潤水素中で上記キャップ全体に加熱処理
を施すことによって形成される。

【０００９】上記封着材は、例えば低融点ガラスによっ
て構成される。また、上記第１の金属層としては、例え
ば４２・６合金が該当する。この４２・６合金は、Ｎｉ
を４２％、Ｃｒを６％を含有し、残りの成分をＦｅで構
成した合金である。上記第２の金属層としては、例え
ば、５０Ｎｉ・Ｆｅ合金が該当する。この５０Ｎｉ・Ｆ
ｅ合金は、ＮｉとＦｅを１：１の比率で含有するもので
ある。この発明は、上記放電電極間に、電圧非直線抵抗
体を接続したタイプのサージ吸収素子にも応用できる。

【００１０】

【作用】キャップを構成する第２の金属層は、第１の金
属層よりも耐酸化性に優れるため、キャップ全体に酸化
処理を施しても、第２の金属層の表面に絶縁性の金属酸
化膜が強固に形成されることがなく、したがってリード
線等の接続に際し、キャップ外面を研磨して金属酸化膜
を除去する必要がほとんどない。これに対し、第１の金
属層の表面には金属酸化膜が強固に形成されるため、封
着材との馴染みが良好となり、キャップによって外囲器
の開口部を気密に閉塞できる。また、外囲器を封着材と
熱膨張係数が略等しい材料で形成すると共に、第１の金
属層を封着材と熱膨張係数が略等しい金属によって形成
し、さらに、第２の金属層を第１の金属層と熱膨張係数
が略等しい金属によって形成したことから、外囲器、封
着材、第１の金属層、第２の金属層の熱膨張係数が略共
通となり、封着材の加熱・焼成工程において、接合部分
に亀裂や歪みが生じるおそれがなく、高い気密性を維持
できる。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面に基づき、本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明に係る第１のサージ吸収素子
１０を示す断面図である。この第１のサージ吸収素子１
０は、両端が開口した円筒状の外囲器１２と、該外囲器
１２の両端開口部１４を閉塞する一対のキャップ１６
と、該キャップ１６の内面と外囲器１２の開口部１４と
を気密に接合させる封着材１８とから成る気密容器２０
内に、一対の放電電極２２を所定の距離を隔てて配置
し、両放電電極２２間に放電間隙２４を形成すると共
に、両放電電極２２間に電圧非直線抵抗体２６を接続
し、以て放電間隙２４と電圧非直線抵抗体２６との並列
接続構造を実現している。この気密容器２０内には、Ｎ
ｅ，Ｈｅ，Ａｒ，Ｘｅ等の希ガスを主体とした放電ガス
が充填されている。また、上記キャップ１６の外面に
は、ハンダ２８を介してリード線３０が接続されてい
る。あるいは、このキャップ１６の外面に、リード線３
０を溶接してもよい。

【００１２】上記封着材１８は、フリットガラス等の低
融点結晶化ガラスより成る。また、上記外囲器１２は、
この封着材１８と熱膨張係数が略等しいフォルステライ
トによって形成されている。あるいは、アルミナ等、他
のセラミックやガラス等の絶縁材によって形成してもよ
い。上記放電電極２２は、ＦｅやＮｉ、あるいはＮｉ・
Ｆｅ合金など放電特性の良好な金属材よりなり、各放電
電極２２の基端部２２ａは上記キャップ１６内面の略中
央部に溶接されている。また、上記電圧非直線抵抗体２
６は、ＺｎＯを円柱状に加工したものであり、その両端
面が導電性接着剤を介して各放電電極２２の先端凹部２
２ｂに接続されている。

【００１３】上記キャップ１６は、第１の金属層１６ａ
と第２の金属層１６ｂとを積層させた、厚さ０．２〜
０．４ｍｍのクラッド材より成り、内面側に位置する第
１の金属層１６ａは、上記封着材１８と熱膨張係数の略
等しい４２・６合金より構成されると共に、外面側に位
置する第２の金属層１６ｂは、４２・６合金よりも耐酸
化性が強いＮｉやＮｉ・Ｆｅ合金より構成される。特
に、ＮｉとＦｅの含有率が約１：１の５０Ｎｉ・Ｆｅ合
金を用いれば、第１の金属層１６ａと第２の金属層１６
ｂの熱膨張係数を略等しくすることができる。なお、第
１の金属層１６ａと第２の金属層１６ｂの層厚比は１：
１に設定されているが、これは必要に応じて調節するこ
とが可能である。図２に示したように、第１の金属層１
６ａの表面には、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）より成る深
緑色の金属酸化膜３２が形成されている。

【００１４】この第１のサージ吸収素子１０は、以下の
手順によって製造される。まず、円板状と成されたクラ
ッド材にプレス加工を施し、その周縁を第１の金属層１
６ａ側に立ち上げてフランジ１６ｃを形成してキャップ
１６と成し、その第１の金属層１６ａの略中央部に予め
放電電極２２を溶接しておく。つぎに、このキャップ１
６に、放電電極２２を接続したままの状態で湿潤水素処
理を施して、第１の金属層１６ａ表面における、上記放
電電極２２が接続されていない部分に金属酸化膜３２を
形成する。この湿潤水素処理とは、水中を通過させて水
蒸気を含ませた水素ガス雰囲気中にキャップ１６を保持
し、１０００〜１３００°Ｃの温度で数十分間の加熱を
行うものであり、この過程において、４２・６合金に含
まれたＣｒが水分中のＯと結合してＣｒ_２Ｏ_３となる。
なお、この湿潤水素処理において酸化されるのは、４２
・６合金より成る第１の金属層１６ａの露出部分だけで
あり、Ｎｉ・Ｆｅ合金より成る第２の金属層１６ｂ及び
放電電極２２の表面はほとんど変化しない。このため、
第１の金属層１６ａに金属酸化膜３２を形成した後に、
放電電極２２の表面及びキャップ１６の外面を研磨する
必要はほとんどなく、研磨するとしても極僅かの作業で
足りる。

【００１５】つぎに、何れか一方のキャップ１６に接続
された放電電極２２の先端凹部２２ｂに、導電性接着剤
を介して電圧非直線抵抗体２６の一端を接続すると共
に、上記外囲器１２の一方の開口部１４の端面付近に低
融点結晶化ガラスの粉末を含むペーストを塗布し、これ
を上記キャップ１６内面の金属酸化膜３２に当接させ、
上記ペースト中のガラス以外の成分（バインダや溶剤、
結着剤等）を分解・蒸発させ得る温度（２００〜３００
゜Ｃ）で一旦加熱して、これら不要成分を除去する。そ
の後、上記ガラスの結晶化温度である４５０°Ｃで再加
熱し、ペースト中のガラス成分を結晶化させて封着材１
８を形成し、該封着材１８を介して外囲器１２の開口部
１４とキャップ１６とを気密に接合させる。

【００１６】続いて、他方のキャップ１６に接続された
放電電極２２の先端凹部２２ｂに導電性接着剤を塗布す
ると共に、該キャップ１６内面の金属酸化膜３２付近に
上記と同様のペーストを塗布し、これを２００〜３００
°Ｃで一旦加熱して、ペースト中のガラス以外の成分を
除去した後、該ガラスの溶融温度以上で、かつ結晶化温
度よりも若干低い温度（４００°Ｃ程度）で加熱して半
硬化状態としておく。つぎに、該キャップ１６を外囲器
１２の他方の開口部１４に係合して半硬化状態のガラス
を該開口部１４の端面に当接させ、これらをチャンバ内
に配置して真空排気を施した後、所定の放電ガスを内部
に充填させる。その後、４５０°Ｃで再加熱し、上記半
硬化状態のガラスを結晶化させて封着材１８を形成し、
該封着材１８を介して外囲器１２の開口部１４とキャッ
プ１６とを気密に接合させる。なお、半硬化状態のガラ
スの表面には微細な凹凸があるため、これを上記のよう
に開口部１４の端面に当接させると両者間に隙間が生
じ、該隙間を介して上記の真空排気及び放電ガスの充填
が実現されるのである。これに対し、４５０°Ｃで再加
熱を施すと、半硬化状態のガラスが一旦溶融した後、結
晶化して完全な硬化状態となるため、気密性を備えた封
着材１８が得られるものである。

【００１７】図２に示すように、封着材１８は外囲器１
２の端面とキャップ１６内面間のみならず、外囲器１２
の外面先端部とキャップ１６のフランジ１６ｃ内面との
間、及び外囲器１２の内面先端部とキャップ１６内面間
にも配されており、しかも、キャップ１６内面の金属酸
化膜３２には緻密な凹凸が多数形成されているため、キ
ャップ１６内面と封着材１８との馴染みが極めて良好と
なり、金属酸化膜３２と封着材１８とのイオン結合によ
り、両者は強固に接合される。最後に、上記キャップ１
６外面に、ハンダ２８を介してリード線３０を接続する
ことにより、第１のサージ吸収素子１０が完成する。

【００１８】なお、外囲器１２、封着材１８、第１の金
属層１６ａ及び第２の金属層１６ｂを構成する材料とし
て、それぞれの熱膨張係数が略共通となるものを選定し
ているため、封着材１８の上記加熱・焼成工程におい
て、接合部分に亀裂や歪みが生じるおそれがなく、高い
気密性を維持できる。また、上記電圧非直線抵抗体２６
は比較的熱に弱いが、封着材１８として低融点結晶化ガ
ラスを選定したため、その加熱・焼成工程においても僅
か４５０°Ｃにしかならず、電圧非直線抵抗体２６が熱
劣化を起こすことはない。

【００１９】図３は、この発明に係る第２のサージ吸収
素子４０を示すものである。この第２のサージ吸収素子
４０は、両端が開口した円筒状の外囲器１２と、該外囲
器１２の両端開口部１４を閉塞する一対のキャップ１６
と、該キャップ１６の内面と外囲器１２の開口部１４と
を気密に接合させる封着材１８から成る気密容器２０内
に、一対の放電電極２２を所定の距離を隔てて配置し、
両放電電極２２間に放電間隙２４を形成すると共に、所
定の放電ガスを充填して成る。また、上記キャップ１６
の外面には、ハンダ２８を介してリード線３０が接続さ
れている。

【００２０】上記封着材１８は低融点結晶化ガラスより
成り、上記外囲器１２は該封着材１８と熱膨張係数が略
等しいフォルステライトによって形成されている。上記
放電電極２２は、Ｎｉ・Ｆｅ合金など放電特性の良好な
金属材より成り、各放電電極２２の基端部２２ａは上記
キャップ１６内面の略中央部に溶接されている。上記キ
ャップ１６は、第１の金属層１６ａと第２の金属層１６
ｂを積層させた、厚さ０．２〜０．４ｍｍのクラッド材
より成り、内面側に位置する第１の金属層１６ａは、上
記封着材１８と熱膨張係数の略等しい４２・６合金より
構成されると共に、外面側に位置する第２の金属層１６
ｂは、４２・６合金よりも耐酸化性が強く、しかも４２
・６合金と略等しい熱膨張係数を備えた５０Ｎｉ・Ｆｅ
合金より構成されている。また、図示は省略したが、第
１の金属層１６ａの表面には、酸化クロム（Ｃｒ
_２Ｏ_３）より成る金属酸化膜が形成されている。

【００２１】すなわち、この第２のサージ吸収素子４０
は、上記第１のサージ吸収素子１０から電圧非直線抵抗
体２６を取り除いた点に特徴があり、他の構成は第１の
サージ吸収素子１０と実質的に同じである。したがっ
て、キャップ１６に湿潤水素処理を施す際に、封着材１
８と接するキャップ１６内面（第１の金属層１６ａ）に
のみ金属酸化膜３２が形成され、リード線３０等と接続
されるキャップ１６外面（第２の金属層１６ｂ）には、
電気的接続を阻害する金属酸化膜がほとんど形成されな
いという効果も、同様に享受することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明に係るサージ吸収素子にあって
は、上記のように外囲器の開口部を閉塞するキャップ
を、封着材と接する第１の金属層と、該第１の金属層よ
りも耐酸化性の強い第２の金属層との積層構造と成した
ため、キャップ内面に封着材との馴染みを良好にするた
めの金属酸化膜を形成する際に、同時にキャップ外面に
金属酸化膜が強固に形成されてしまうことを防止でき
る。したがって、キャップ外面にリード線等を接続する
際に、金属酸化膜を除去するための研磨作業が全く不要
となるか、必要としても極簡単な研磨作業で済むため、
その分、製造の効率化及びコストの低廉化が図れる。ま
た、研磨工程を通じてサージ吸収素子が劣化したり、有
害な粉塵が発生するといった問題は当然に生じない。ま
た、外囲器を封着材と熱膨張係数が略等しい材料で形成
すると共に、第１の金属層を封着材と熱膨張係数が略等
しい金属によって形成し、さらに、第２の金属層を第１
の金属層と熱膨張係数が略等しい金属によって形成した
ことから、外囲器、封着材、第１の金属層、第２の金属
層の熱膨張係数が略共通となり、その結果、封着材の加
熱・焼成工程において、接合部分に亀裂や歪みが生じる
おそれがなく、高い気密性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサージ吸収素子の一例を示す断面
図である。

【図２】上記サージ吸収素子のキャップと封着材、及び
外囲器との接合部分を示す拡大断面図である。

【図３】本発明に係るサージ吸収素子の他の例を示す断
面図である。

【図４】従来のサージ吸収素子の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０第１のサージ吸収素子１２外囲器１４開口部１６キャップ１６ａ第１の金属層１６ｂ第２の金属層１８封着材２０気密容器２２放電電極２４放電間隙２６電圧非直線抵抗体３２金属酸化膜４０第２のサージ吸収素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】開口部を備えた外囲器と、該外囲器の開
口部を閉塞するキャップと、上記外囲器の開口部とキャ
ップとを接合させる封着材とから成る気密容器内に、少
なくとも放電ガスと、複数の放電電極間に形成された放
電間隙とを封入して成るサージ吸収素子において、上記
キャップを、上記封着材と接する第１の金属層と、該第
１の金属層よりも耐酸化性の強い第２の金属層との積層
構造と成し、上記第１の金属層の表面の中、少なくとも
上記封着材と接する部分に金属酸化膜を形成し、また、
上記外囲器を、上記封着材と熱膨張係数が略等しい材料
で形成すると共に、上記第１の金属層を、上記封着材と
熱膨張係数が略等しい金属によって形成し、さらに、上
記第２の金属層を、上記第１の金属層と熱膨張係数が略
等しい金属によって形成したことを特徴とするサージ吸
収素子。
【請求項２】上記封着材が、低融点ガラスであること
を特徴とする請求項１に記載のサージ吸収素子。
【請求項３】上記第１の金属層が、４２・６合金によ
って形成されていることを特徴とする請求項１または２
に記載のサージ吸収素子。
【請求項４】上記第２の金属層が、５０Ｎｉ・Ｆｅ合
金によって形成されていることを特徴とする請求項１乃
至３の何れかに記載のサージ吸収素子。
【請求項５】上記放電電極間に、電圧非直線抵抗体が
接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れ
かに記載のサージ吸収素子。
【請求項６】開口部を備えた外囲器と、該外囲器の開
口部を閉塞するキャップと、上記外囲器の開口部とキャ
ップとを接合させる封着材とから成る気密容器内に、少
なくとも放電ガスと、複数の放電電極間に形成された放
電間隙とを封入して成り、上記キャップを、上記封着材
と接する第１の金属層と、該第１の金属層よりも耐酸化
性の強い第２の金属層との積層構造と成し、上記第１の
金属層の表面の中、少なくとも上記封着材と接する部分
に金属酸化膜を形成し、また、上記外囲器を、上記封着
材と熱膨張係数が略等しい材料で形成すると共に、上記
第１の金属層を、上記封着材と熱膨張係数が略等しい金
属によって形成し、さらに、上記第２の金属層を、上記
第１の金属層と熱膨張係数が略等しい金属によって形成
して成るサージ吸収素子の製造方法であって、上記金属
酸化膜を、上記キャップ全体を湿潤水素中に保持し、こ
れに加熱処理を施すことによって形成することを特徴と
するサージ吸収素子の製造方法。