JP3149089U - サージ吸収器 - Google Patents

Abstract

【課題】通常のサージ吸収時にはハンダが溶断し難く、一方、サージ吸収素子の故障時において、継続的な過電流がサージ吸収素子に流れた場合にはハンダが溶断し易いサージ吸収器を提供する。【解決手段】ガスアレスタ１２と、該ガスアレスタ１２の端面電極２０に接続されるバリスタ１４と、該バリスタ１４に接続される導電性のバネ部材１６を備え、上記バネ部材１６は、絶縁基板に固定される基端部と、バリスタ１４の電極層４０にハンダ４６を介して接続される接続部１６ｂと、基端部と接続部１６ｂとの間に形成された複数の湾曲部を有しており、上記複数の湾曲部が変形して生じる弾性力により、バネ部材１６の接続部１６ｂが、バリスタ１４の電極層４０から分離する方向への付勢力を有して成り、上記ハンダを、融点が２１０℃以上の高融点金属と、融点が１４０℃以下の低融点金属とを３：１の割合で配合して成る合金で構成した。【選択図】図８

Description

この考案は、電源線等を伝って電子機器内部に侵入する誘導雷等のサージを吸収するサージ吸収器に係り、特に、サージ吸収素子への給電を遮断することにより、故障時におけるサージ吸収素子の発火・焼損を防止できるサージ吸収器に関する。

従来、電子機器の電子回路に通じる電源線や通信線等の線間、あるいは線とグランドとの間にサージ吸収器を接続し、誘導雷等のサージから電子回路を保護することが行われている。すなわち、線間あるいは線−グランド間に、サージ吸収器を構成するサージ吸収素子の定格以上のサージ電圧が印加される場合には、上記サージ吸収素子が導通してサージをバイパスし、もって電子回路を保護する仕組みである。
このようなサージ吸収素子としては、放電間隙における放電現象を利用するガスアレスタや、電圧非直線特性を備えた高抵抗体素子であるバリスタが用いられている。

ところで、上記ガスアレスタやバリスタ等のサージ吸収素子に定格を越える異常な過電圧が印加され、継続的な過電流が流れる等して故障に至る際には、サージ吸収素子が発熱して異常な高温状態となり、発火・焼損する危険性があった。

サージ吸収素子の故障時における発火・焼損を防止するため、例えば、特開２００７−３２４５３５号「切り離し機構付ＳＰＤ」（特許文献１）が提案されている。この特許文献１においては、サージ吸収素子としての「酸化亜鉛形バリスタに、切り離し導体の基端部を絶縁部材を介して取り付けると共に、切り離し導体の先端部を酸化亜鉛形バリスタの電極に低溶融金属合金を介して接合し、前記切り離し導体は、酸化亜鉛形バリスタの異常発熱により前記低溶融金属合金が溶融することで、先端部が酸化亜鉛形バリスタの電極から切り離されるばね力を有する」ものが開示されている。
特開２００７−３２４５３５号

上記特許文献１は、酸化亜鉛形バリスタの電極に、低溶融金属合金を介して切り離し導体を接合し、故障による酸化亜鉛形バリスタの異常発熱で上記低溶融金属合金が溶融した場合に、切り離し導体のばね力による弾性変形を利用して酸化亜鉛形バリスタへの給電を遮断するものである。
しかしながら、酸化亜鉛形バリスタの電極と切り離し導体とを上記低溶融金属合金を介して接続した場合にあっては、酸化亜鉛形バリスタが故障した場合だけでなく、通常のサージ吸収時における酸化亜鉛形バリスタの昇温によっても溶融してしまうおそれがある。

この考案は、従来の上記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、サージ吸収素子と、該サージ吸収素子の電極にハンダを介して接続される導電性のバネ部材を備え、該バネ部材はサージ吸収素子の電極から分離する方向への付勢力を有して成るサージ吸収器において、通常のサージ吸収時にはハンダが溶断し難く、一方、サージ吸収素子の故障時において、継続的な過電流がサージ吸収素子に流れた場合にはハンダが溶断し易いサージ吸収器を実現することにある。

上記目的を達成するため、本考案に係るサージ吸収器は、
サージ吸収素子と、該サージ吸収素子の電極にハンダを介して接続される導電性のバネ部材を備え、該バネ部材はサージ吸収素子の電極から分離する方向への付勢力を有して成るサージ吸収器において、上記ハンダを、融点が２１０℃以上の高融点金属と、融点が１４０℃以下の低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合して成る合金で構成したことを特徴とする。
尚、融点が２１０℃以上の高融点金属と、融点が１４０℃以下の低融点金属とを３：１の割合で配合して成る合金が最も好適である。
上記サージ吸収素子としては、例えば、バリスタ又はガスアレスタが該当する。

融点が２１０℃以上の高融点金属としては、例えば、Ｓｎ−５．０Ｓｂ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−３．０Ｉｎ−０．５Ｂｉ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−４．０Ｉｎ−０．５Ｂｉが該当し、融点が１４０℃以下の低融点金属としては、例えば、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−５２Ｉｎが該当する。このうち、融点が２１０℃以上の高融点金属としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用い、融点が１４０℃以下の低融点金属としてＳｎ−５８Ｂｉを用いるのが好適である。

本考案のサージ吸収器にあっては、サージ吸収素子の電極とバネ部材とを接続するハンダを、融点が２１０℃以上の高融点金属と融点が１４０℃以下の低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合した合金で構成することにより、通常のサージ吸収時には溶断し難く、一方、サージ吸収素子の故障時において、継続的な過電流がサージ吸収素子に流れた場合には溶断し易いサージ吸収器を実現できる。

以下、添付図面に基づいて、本考案に係るサージ吸収器を説明する。図１は、本考案に係るサージ吸収器10を示す斜視図、図２は正面図、図３は平面図、図４は底面図、図５は右側面図である。
本考案のサージ吸収器10は、第１のサージ吸収素子としてのガスアレスタ12と、第２のサージ吸収素子としての２個のバリスタ14と、２個のバネ部材16と、樹脂等より成る支持部材としての絶縁基板18を備えている。

上記ガスアレスタ12は、三極構造のガスアレスタであり、図６に示すように、両端に設けられた一対の端面電極20，20と、端面電極20，20間に設けた中間電極22と、一対の端面電極20，20と中間電極22間に挟まれたセラミック等の絶縁材料より成る第１の円筒管24、第２の円筒管26より成る気密外囲器28を有している。

中央に配置された中間電極22は接地電極であり、また、第１の円筒管24と第２の円筒管26の内部空間同士を連通させる通気孔30が形成されている。
また、両端に配置された一対の端面電極20，20は、気密外囲器28の中心に向けて突出して気密外囲器28内に配置される放電電極部32を備えており、端面電極20，20の放電電極部32，32間には放電間隙34が形成されている。
尚、上記中間電極22には、端子ピン35が接続されている。

上記端面電極20，20、中間電極22は、無酸素銅や、無酸素銅にジルコニウム（Ｚｒ）を含有させたジルコニウム銅で構成されている。また、端面電極20，20、中間電極22と、第１の円筒管24、第２の円筒管26とは、銀ろう等のシール材（図示せず）を介して気密に接合される。
上記気密外囲器28内には、所定の放電ガスが封入されている。この放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。

上記ガスアレスタ12にあっては、端面電極20，20間に定格を越えるサージが印加されると、放電間隙34において放電が生成されサージの吸収が行われるのである。

上記ガスアレスタ12の端面電極20，20には、Ｓｎ−Ｓｂ合金等の高融点金属より成る接合材36を介して、バリスタ14の内面側の電極層40が接続されている。
すなわち、上記バリスタ14は、図７に示すように、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とし、これに微量のＢｉ₂Ｏ_３等の金属酸化物を添加して構成した円板状の電圧非直線抵抗体38の両面に、Ａｇ等より成る円形状の電極層40を形成して成り、さらに、円形状の上記電極層40の周縁部40ａを被覆する樹脂等より成る絶縁層42を形成している。

上記バリスタ14は、印加される電圧が上昇するに従って、抵抗が急激に減少する電圧非直線抵抗特性を有している。すなわち、バリスタ14の電圧非直線抵抗体38の内部は、抵抗率が１〜１０Ω・ｃｍと小さいＺｎＯ微粒子と、該ＺｎＯ微粒子間に介在し、抵抗率が１０^１２〜１０^１３Ω・ｃｍと大きいＢｉ_２Ｏ_３等の金属酸化物との境界層が存在し、バリスタ14の電圧非直線抵抗特性は、上記境界層の非オーム性によって得らるものである。
而して、上記バリスタ14に定格を越えるサージが印加されると、抵抗が急激に減少することにより上記電圧非直線抵抗体38が瞬時に導通してサージの吸収を行うのである。

本考案の上記バリスタ14において、電圧非直線抵抗体38の両面に形成した電極層40の周縁部40ａを絶縁層42で被覆したのは、電極層40，40間の沿面放電を防止するためである。
すなわち、バリスタ14によるサージ吸収時には、電極層40，40間の電圧非直線抵抗体38表面に沿面放電が発生し、該沿面放電によって電圧非直線抵抗体38の表面が高温となって金属化する、いわゆる還元現象が生ずるおそれがあった。そして、電圧非直線抵抗体38の表面が金属化することで、電圧非直線係数及び制限電圧が変動してサージ吸収特性が不安定となり、ついには電極層40，40間が短絡するという危険性がある。
本考案の上記バリスタ14にあっては、電圧非直線抵抗体38の両面に形成した電極層40の周縁部40ａを絶縁層42で被覆することにより、電極層40，40間の沿面距離が延びるため、電極層40，40間における沿面放電の発生を防止できるのである。

上記バリスタ14の外面側の電極層40には、図８に示すように、ハンダ46を介して導電性のバネ部材16が接続されている。このバネ部材16は、コルソン系合金と称されるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金で構成されている。コルソン系合金は、高導電性、高強度、高弾性であると共に、耐応力緩和特性及び良好な曲げ加工性を備えた銅合金であり、且つ、めっき性も良好である。

上記バネ部材16は、板材を加工して形成されたものであり、図９及び図１０に示すように、下端に設けた基端部16ａ、上端に設けた天板部16ｃ、基端部16ａと天板部16ｃとの間に設けた平坦面を有する断面略コ字状の接続部16ｂを有している。基端部16ａは、上記絶縁基板18に形成された孔48（図１及び図４参照）に挿入されて固定され、接続部16ｂの平坦面はバリスタ14の電極層40に接続されるものである。
また、上記基端部16ａと接続部16ｂとの間に、板材を曲げ加工して成る第１の湾曲部16ｄ、第２の湾曲部16ｅ、第３の湾曲部16ｆが略Ｓ字状に連続形成されている。また、上記接続部16ｂと天板部16ｃとの間には、直線部16ｇが介在しており、天板部16ｃは直線部16ｇと直交して設けられている。
上記バネ部材16は付勢力を有しない状態においては、接続部16ｂより下方の湾曲部16ｄ，16ｅ，16ｆ及び基端部16ａが、上記直線部16ｇに対して約３０度傾いている。

以下において、絶縁基板18上に、ガスアレスタ12、２個のバリスタ14、２個のバネ部材16を搭載・固定する手順について説明する。
先ず、ガスアレスタ12の各端面電極20，20に、それぞれ、上記バリスタ14の内面側の電極層40を接合材36を介して接続することにより、ガスアレスタ12と２個のバリスタ14とを一体化する。

次に、各バリスタ14の外面側の電極層40に、ハンダ46を介して、バネ部材16の接続部16ｂの平坦面を接続する（図８参照）。この結果、図１１及び図１２に示すように、ガスアレスタ12、２個のバリスタ14、２個のバネ部材16が一体化される。尚、この状態では、上記の通り、バネ部材16は付勢力を有していないため、接続部16ｂより下方の湾曲部16ｄ，16ｅ，16ｆ及び基端部16ａが、直線部16ｇに対して約３０度外方に傾いている。

次に、ガスアレスタ12の端子ピン35と、バネ部材16の基端部16ａを、絶縁基板18に形成された孔48，49に挿通した後、図示しないハンダを介して絶縁基板18に固着する。
この際、バネ部材16の基端部16ａが、絶縁基板18に対して略垂直となるように、約３０度内方に折り曲げた状態で絶縁基板18に固定する。その結果、バネ部材16の湾曲部16ｄ，16ｅ，16ｆが変形して弾性力を生じることにより、バネ部材16の接続部16ｂは、バリスタ14の電極層40の外面に対して垂直方向に分離する付勢力を有した状態で固定されることとなる。
以上の手順を経て、図１に示す本考案のサージ吸収器10が完成する。

而して、本考案のサージ吸収器10を構成するバリスタ14に定格を越える異常な過電圧が印加されて故障に至る際には、継続的な過電流がバリスタ14に流れることにより電圧非直線抵抗体38の非オーム性境界層が破壊されてしまい、抵抗率の小さいＺｎＯ微粒子相互間での抵抗成分しか得られなくなる。このため、電圧非直線抵抗体38は非オーム性からオーム性へと変化して一種のヒータの如き状態となり、その結果、電圧非直線抵抗体38の温度は１０００℃以上、場合によっては数千℃の高温に達することとなり、遂にはバリスタ14が発火・焼損する危険性がある。

しかしながら、本考案のサージ吸収器10は、故障時に継続的な過電流がバリスタ14に流れると、バリスタ14の電極層40とバネ部材16の接続部16ｂとを接続しているハンダ46が溶断し、その結果、付勢力により、バネ部材16の接続部16ｂが、バリスタ14の電極層40から垂直方向に分離する（図１３参照）。このため、バリスタ14への給電が遮断され、バリスタ14の発火・焼損を防止することができるのである。

而して、本考案のサージ吸収器10にあっては、バネ部材16に複数の湾曲部（第１の湾曲部16ｄ、第２の湾曲部16ｅ、第３の湾曲部16ｆ）を形成し、これら複数の湾曲部（第１の湾曲部16ｄ、第２の湾曲部16ｅ、第３の湾曲部16ｆ）が変形して生じる弾性力により、バネ部材16の接続部16ｂがバリスタ14の電極層40から分離する付勢力を有するように構成したので、弾性力を生じる際にバネ部材16に加わる応力を、複数の湾曲部（第１の湾曲部16ｄ、第２の湾曲部16ｅ、第３の湾曲部16ｆ）において分散させることが可能となる。
このため、バネ部材16にへたりを生じることが防止され、長期間にわたって、故障時に継続的な過電流がバリスタ14に流れた場合におけるバリスタ14への給電を遮断することができ、発火・焼損を防止できる。

上記バリスタ14の電極層40とバネ部材16を接続する上記ハンダ46は、通常のサージ吸収時には溶断し難く、一方、バリスタ14の故障時において、継続的な過電流がバリスタ14に流れた場合には溶断し易いものであることが必要である。

そこで、本考案にあっては、上記ハンダ46を、融点が２１０℃以上の高融点金属と融点が１４０℃以下の低融点金属との合金で構成しており、且つ、高融点金属と低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合して成る。
融点が２１０℃以上の高融点金属としては、例えば、融点が２４３℃のＳｎ−５．０Ｓｂ、融点が２２７℃のＳｎ−０．７Ｃｕ、融点が２２１℃のＳｎ−３．５Ａｇ、融点が２１９℃のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、融点が２１４℃のＳｎ−３．５Ａｇ−３．０Ｉｎ−０．５Ｂｉ、融点が２１１℃のＳｎ−３．５Ａｇ−４．０Ｉｎ−０．５Ｂｉが該当する。
また、融点が１４０℃以下の低融点金属としては、例えば、融点が１３８℃のＳｎ−５８Ｂｉ、融点が１１９℃のＳｎ−５２Ｉｎが該当する。

而して、上記の通り、融点が２１０℃以上の高融点金属と融点が１４０℃以下の低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合した合金でハンダ46を構成することにより、通常のサージ吸収時には溶断し難く、一方、バリスタ14の故障時において、継続的な過電流がバリスタ14に流れた場合には溶断し易いものとなる。
すなわち、融点が２１０℃以上の高融点金属のみでハンダ46を構成すると、通常のサージ吸収時に溶断し難く、且つ、バリスタ14の故障時において、継続的な過電流がバリスタ14に流れた場合にも溶断し難いものとなってしまう。
一方、融点が１４０℃以下の低融点金属のみでハンダ46を構成すると、通常のサージ吸収時に溶断し易く、且つ、バリスタ14の故障時において、継続的な過電流がバリスタ14に流れた場合にも溶断し易いものとなってしまう。
これに対し、本考案の如く、融点が２１０℃以上の高融点金属と融点が１４０℃以下の低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合した合金でハンダ46を構成した場合には、瞬時にバリスタ14が高温となる通常のサージ吸収時には溶断し難く、一方、バリスタ14の故障時において、継続的な過電流がバリスタ14に流れ、徐々にバリスタ14が昇温する場合には溶断し易いものとすることができる。

尚、融点が２１０℃以上の高融点金属と融点が１４０℃以下の低融点金属とを３：１の割合で配合した合金でハンダ46を構成する場合が最も好適である。
本考案者等は、上記ハンダ46を、融点が２１９℃の高融点金属であるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕと融点が１３８℃の低融点金属であるＳｎ−５８Ｂｉを３：１の割合で配合した合金で構成したサージ吸収器10を複数個準備し、これらに通常のサージ吸収時のインパルス放電電流の約５倍である５ｋＡ（電流波形８／２０μｓ）を繰り返し通電させたところ、平均８回の通電までハンダ46が溶断することはなく、通常のサージ吸収時には溶断し難い特性を発揮するものであった。
一方、バリスタ14の故障時におけるハンダ46の溶断特性に関しては、６Ａの過電流が継続的に通電した場合に１ｓで溶断すれば使用に適したものといえる。本考案者等は、上記ハンダ46を、融点が２１９℃の高融点金属であるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕと融点が１３８℃の低融点金属であるＳｎ−５８Ｂｉを３：１の割合で配合した合金で構成したサージ吸収器10を複数個準備し、これらに６Ａの過電流を継続的に通電したところ、平均０．８３ｓで溶断し、継続的な過電流が流れた場合には溶断し易い特性を発揮するものであった。

上記においては、第１のサージ吸収素子としてのガスアレスタ12の端面電極20，20に、第２のサージ吸収素子としてのバリスタ14，14を接続一体化すると共に、バリスタ14，14の外面側の電極層40にバネ部材16，16を接続した場合を例に挙げて説明したが、本考案はこれに限定されるものではない。例えば、単体のガスアレスタ12の端面電極20にバネ部材16を接続したり、単体のバリスタ14の電極層40にバネ部材16を接続するようにしても良い。

本考案に係るサージ吸収器を示す斜視図である。 本考案に係るサージ吸収器を示す正面図である。 本考案に係るサージ吸収器を示す平面図である。 本考案に係るサージ吸収器を示す底面図である。 本考案に係るサージ吸収器を示す右側面図である。 本考案のガスアレスタを示す拡大断面図である。 本考案のバリスタを示す拡大断面図である。 本考案のガスアレスタ、バリスタ、バネ部材の接続状態を示す要部拡大断面図である。 本考案のバネ部材を示す正面図である。 本考案のバネ部材を示す拡大斜視図である。 本考案のガスアレスタ、バリスタ、バネ部材を一体化した状態を示す正面図である。 本考案のガスアレスタ、バリスタ、バネ部材を一体化した状態を示す拡大斜視図である。 バネ部材の接続部が、バリスタの電極層から分離した状態を示す正面図である。

符号の説明

10 サージ吸収器
12 ガスアレスタ
14 バリスタ
16 バネ部材
16ａ バネ部材の基端部
16ｂ バネ部材の接続部
16ｃ バネ部材の天板部
16ｄ バネ部材の第１の湾曲部
16ｅ バネ部材の第２の湾曲部
16ｆ バネ部材の第３の湾曲部
16ｇ バネ部材の直線部
18 絶縁基板
20 ガスアレスタの端面電極
22 ガスアレスタの中間電極
28 ガスアレスタの気密外囲器
35 ガスアレスタの端子ピン
36 接合材
38 バリスタの電圧非直線抵抗体
40 バリスタの電極層
40ａ バリスタの電極層の周縁部
42 バリスタの絶縁層
46 ハンダ
48 絶縁基板の孔
49 絶縁基板の孔

Claims (5)

1. サージ吸収素子と、該サージ吸収素子の電極にハンダを介して接続される導電性のバネ部材を備え、該バネ部材はサージ吸収素子の電極から分離する方向への付勢力を有して成るサージ吸収器において、上記ハンダを、融点が２１０℃以上の高融点金属と、融点が１４０℃以下の低融点金属とを２：１〜５：１の割合で配合して成る合金で構成したことを特徴とするサージ吸収器。
2. 上記ハンダを、融点が２１０℃以上の高融点金属と、融点が１４０℃以下の低融点金属とを３：１の割合で配合して成る合金で構成したことを特徴とする請求項１に記載のサージ吸収器
3. 上記サージ吸収素子が、バリスタ又はガスアレスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載のサージ吸収器。
4. 融点が２１０℃以上の上記高融点金属が、Ｓｎ−５．０Ｓｂ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−３．０Ｉｎ−０．５Ｂｉ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−４．０Ｉｎ−０．５Ｂｉであり、融点が１４０℃以下の上記低融点金属が、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−５２Ｉｎであ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器。
5. 融点が２１０℃以上の上記高融点金属がＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕであり、融点が１４０℃以下の上記低融点金属が、Ｓｎ−５８Ｂｉであることを特徴とする請求項４に記載のサージ吸収器。

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