JP4352098B1 - 放電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高応答性の維持、耐久性向上に資する放電素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
絶縁性基台の表面にスパークギャップを介して対向形成した１対のグロー放電電極と、この電極の両極側から導電接続し、かつ基台表面から所定の空間領域をもって対向形成したアーク放電電極と、両方の放電電極に導電接続して外部回路と接続させるリード端子と、リード端子の一部、グロー放電電極、及びアーク放電電極を放電ガス雰囲気下で気密内包したケースと、から成り、アーク放電電極の先端縁を基台表面と略平行となる辺状に形成する。その製造方法は、グロー放電電極を基台の両端縁部まで延設形成し、グロー放電電極と基台とを板状のアーク放電電極もって狭持して導電性を確保し、外部回路接続用のリード端子を取り付けた後、これらを放電ガス雰囲気下でケース内に気密内包させる。
【選択図】 図１

Description

スパークギャップ間のグロー放電をトリガ（契機、又は引きがね）としてアーク放電に移行させる放電素子の技術分野に属し、特に、アーク放電時のグロー放電電極に及ぶスパッタ物質の影響を少なくして耐久性を向上させた放電素子に関する。

車載前照灯、プロジェクター、内視鏡、等の高輝度放電灯の点灯装置のイグナイタ回路（起動回路）のスイッチング素子として、スパークギャップ（微小間隙）間に放電を発生させる放電素子が用いられている。このイグナイタ回路は、主にパルスエネルギーを蓄積するコンデンサ、パルストランス、コンデンサのエネルギーをパルストランスの１次側に印加するためのスイッチとして機能する放電素子、から構成している。

この放電素子を用いたイグナイタ回路は、トリガ回路を省略できるためにその回路構成を簡略化できる利点があったが、より短い時間間隔で始動させると共に、回路内で高電圧パルスを発生させる必要があるため、放電素子に対しては応答性と耐久性の向上が要求されていた。

かかる要求を満たすべく開発された放電素子が、特許文献１に放電管として開示されている。この放電管は、両端が開口した絶縁材より成るケース部材の両端開口部を、アーク放電用の放電電極を兼ねた一対の蓋部材で気密に閉塞することによって気密外囲器を形成すると共に、該気密外囲器内に所定の放電ガスを封入し、また、上記蓋部材の放電電極部間に所定の放電間隙を形成すると共に、ケース部材の内壁面に、微小放電間隙（スパークギャップ）を隔てて対向配置されて一対のグロー放電用のトリガ放電膜を複数組について形成した構成である。さらに、放電電極の表面に所定物質を含有する絶縁性被膜を形成している。

この特許文献１の放電管に改良を加えた放電管、すなわち、放電電極の被膜成分の変更やトリガ放電膜の配置等の構成を変更したものが特許文献２に開示されている。

特開２００３−７４２０号公報（第３−４項、図１） 特開２００６−４０８３１号公報（第３−４項、図１）

しかしながら、特許文献１、２の放電管は、以下の問題点があった。
すなわち、アーク放電用である放電電極の対向面の面積は放電管のサイズ等から考慮しても大きいものとなっている。このため、アーク放電時のアークの始端や終端位置が放電電極の対向面内でその中心位置から、グロー放電電極であるトリガ放電膜が配置されている放射方向のいずれかにずれてしまう場合が多々あった。この「ずれ」は放電電極の対向面の仕上がり状態やその平行度等の製造上の誤差に起因するため、例えば、電極の被膜成分を変更しても特許文献１、２の放電管の構成においては抜本的にこれを抑制することは困難であった。

かかるずれが発生すると、放電時に発生するスパッタ物質が周囲のトリガ放電膜に付着したり又は放電痕が発生したりするため、これらがトリガ放電膜におけるスパークギャップの絶縁不良の原因となり、トリガ放電膜としての機能が損なわれることとなった。この結果、放電管として応答性の遅れを招くばかりでなく、耐久性も低下する事態となっていた。

そこで、本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、アーク放電の発生位置が安定するアーク放電電極を有することにより、グロー放電電極のスパークギャップの絶縁劣化や損傷を抑制し、高応答性を維持しつつ耐久性向上に資する放電素子及びその製造方法を提供する。

上記目的を達成するため、本願発明の放電素子は、以下のように構成している。
すなわち、絶縁性の基台の表面にスパークギャップを介して対向形成した１対又は複数対のグロー放電電極と、該グロー放電電極の両極側からそれぞれ導電接続し、かつ前記スパークギャップの形成面から所定の空間領域をもって対向形成したアーク放電電極と、該アーク放電電極及びグロー放電電極に導電接続して外部回路と接続させるリード端子と、該リード端子の一部、前記グロー放電電極、及び前記アーク放電電極を放電ガス雰囲気下で気密内包したケースと、から成り、前記アーク放電電極は、両極側のグロー放電電極から漸次離隔する方向で上方に延びる延設部を形成し、かつ先端縁を前記スパークギャップの形成面と平行方向に延びる辺状に形成したことを特徴としている。

ここで、上記の所定の空間領域とは、基台表面に形成したグロー放電電極のスパークギャップ部分とアーク放電電極の先端縁、及び対向した２つの先端縁が結ぶ形成面が、相互に接触することなく適宜な離隔距離を有することにより構成される空間状の領域を意味する。

また、アーク放電電極の先端縁を辺状に形成するとは、基台のグロー放電電極のスパークギャップ形成面と平行面の方向は長く、前記形成面との直交面の方向は短くなるように形成していることである。

このアーク放電電極の先端縁は、上記グロー放電電極の対向方向、すなわち、スパークギャプの形成方向とは略直交方向に延びる直線状、先端鋭利凸部の列状、山形凸部の列状、屈曲線状、波線状、又は凸曲線状となる何れかの辺状に形成している。

グロー放電電極及び前記アーク放電電極の形成は、グロー放電電極をそれぞれ基台の両端縁部まで形成すると共に、アーク放電電極をグロー放電電極と基台縁部とを挟持状にして導電接続させたものであることを特徴としている。より好適には、アーク放電電極を、導電性を有する弾性金属から形成し、グロー放電電極を形成した基台の端部を狭持して圧着する形態である。これにより、放電素子の製造時における基台及びグロー放電電極とアーク放電電極の相互の位置決めが容易に、かつ安定することとなる。なお、基台の形状は棒状、板状、筒状、又は柱状の何れであっても良い。

さらに、グロー放電電極及び前記アーク放電電極の配置形成は、例えば、基台が平板状であれば、対向する両面側（上面及び下面）にそれぞれ配置形成するようにしても良い。

そして、本願発明の放電素子の製造方法は、以下のように構成している。
すなわち、絶縁性の基台の表面にスパークギャップを介して対向形成した１対又は複数対のグロー放電電極を基台の両端縁部まで延設形成し、該グロー放電電極と基台とを導電性をもって挟持すると共に、両極側のグロー放電電極から漸次離隔する方向で上方に延びる延設部を有すると共に、その先端縁を前記スパークギャップの形成面と平行方向に延びる辺状に形成した板状のアーク放電電極を対向させて取り付け保持し、かつ該アーク放電電極及び上記グロー放電電極に導電接続して外部回路と接続させるリード端子を取り付けた後、該リード端子の一部、前記グロー放電電極、及び前記アーク放電電極を所定の放電ガス雰囲気下でケース内に気密内包させたことを特徴としている。

本願発明の放電素子は、トリガ用のグロー放電電極とアーク放電電極が適宜な空間領域をもって各々対向形成されると共に、アーク放電電極の先端縁がスパークギャップ形成面側に延びる形状ではない。つまり、アーク放電電極の先端縁がグロー放電電極の形成面とは所定距離を有しつつ、この形成面との平行面方向に延びる辺状に形成したことにより、アーク放電時のアークの始端及び終端位置がグロー放電電極側に殆どずれない。

このため、本願発明の放電素子は、グロー放電電極のスパークギャップ形成面がアーク放電電極のアーク放電に起因するスパッタ物質（所謂、コンタミ）の影響を殆ど受けずに絶縁性が劣化することなく、放電素子としての高応答性を維持しつつ、耐久性が向上する効果を発揮する。

また、本願発明の放電素子は、アーク放電電極がグロー放電電極と基台とを導電性をもって一体的に狭持する構成であるため、部品点数削減による製造コストの抑制だけでなく、基台とアーク放電電極の位置決めが安定する。これは基台表面に形成したグロー放電電極とアーク放電電極との位置決め精度が向上して、両者間に適宜な空間領域を安定的に確保できることとなる。この結果、上記スパッタ物質のスパークギャプへの影響を抑制できることとなる。

本実施例の放電素子を示す一部切り欠き斜視図である。 本実施例の放電素子の縦断面図である。 本実施例の放電素子のアーク放電電極の先端縁の変更例を複数示す平面図である。 本実施例の放電素子全体の変更例を示す縦断面図である。 本実施例の放電素子全体の変更例を示す一部切り欠き斜視図（Ａ）、（Ｂ）である。

以下に、本願発明にかかる放電素子及びその製造方法の最良の実施形態例について、図面に基づき詳細に説明する。

図１は本実施例の放電素子を示す一部切り欠き斜視図であり、図２は本実施例の放電素子の縦断面図であり、図３は本実施例の放電素子のアーク放電電極の先端縁の変更例を複数示す平面図である。

本実施例の放電素子１は、主に、絶縁性を有する板状の基台２の表面に所定のスパークギャップ３１を有するグロー放電電極３と、これと導通接続すると共にその上方側の空間領域に配設するアーク放電電極４と、アーク放電電極４及びグロー放電電極３に導電接続して外部回路と接続させるリード端子５と、これらを覆いつつ所定ガスを気密内包するケース６と、から構成している。

基台２は、絶縁性材であるセラミック素材、具体的にはアルミナ磁器、ムライト磁器、ステアライト磁器等の焼結体、又は樹脂に無機材を混合させたガラスエポキシ基材から矩形平板状に形成している。なお、基台２の形状は、この実施例に限定するものではなく、必要により棒状、筒状、又は柱状の何れかの形状を採用することも可能である。

この基台２の一方側の表面には、その長手方向にグロー放電電極３を薄膜状に形成している。グロー放電電極３は、基台２の長手方向の両端縁部から中央に向かって対向する先端半円の薄膜と、この２つの半円中央が結ぶ線上に２つの円形薄膜を直列状に配置して所定距離を有する複数のスパークギャップ３１を対向形成した構成である。グロー放電電極３の材質は、タングステン、モリブデン、ニッケル、黒鉛等から成る導電性材であり、上記形状を蒸着、印刷、貼付、エッチング、スパッタリング、フォトリゾグラフィー、メッキ、又は手書き等の種々の手段により基台２の表面に形成している。

グロー放電電極３の上方側には、所定の空間領域をもって、かつ適宜な対向間隔を有するアーク放電電極４を配設している。このアーク放電電極４は、弾性を有する導電性金属から成り、側面視コ字状を成す支持体４２と、その一方側を斜め上方に延ばした延設部４１を形成して構成している。支持体４２は、基台２の端部側をグロー放電電極３と共に上下から狭持、圧接して基台２を支持すると共に、グロー放電電極３の両極側とそれぞれ導電接続（電気的に接続）している。

延設部４１は、斜め上方に延びて他のアーク放電電極４と対向し、アーク放電間隔を構成している。延設部４１の対向部分である先端縁４１ａは、基台２のスパークギャップ形成面とはほぼ平行であって、前記形成面とは所定の離隔距離を維持する形状、言わば、辺状に形成している。

アーク放電電極４の先端縁４１ａは、図１に示す実施例では曲線であるが、図３に示すように、直線状、先端鋭利凸部の列状、山形凸部の列状、屈曲線状、波線状、又は一部凸状に多様な形態に変更しても良い。また、斜め上方に延びる形態の延設部４１を先端縁近傍の一部の板面のみ基台２の表面と平行となる形態としても良い。いずれにしても、アーク放電電極４の先端縁４１ａがスパークギャップ３１を形成した基台２の表面と間に所定の空間領域を確保していれば良い。なお、先端縁４１ａの形状選択は、放電電圧や放電回数、又は製造コスト等を考慮して適宜に選択すれば良い。

ところで、このアーク放電電極４の先端縁４１ａとスパークギャップ３１の形成面である基台２との空間領域は少なくともアーク放電の影響が及ばない、より具体的にはアーク放電の一部がスパークギャップ３１に接触しない寸法、例えば、アーク放電電極４の先端縁４１ａの板厚寸法より２倍以上の寸法を確保することが好適である。かかる寸法は、放電現象や要求仕様に応じて適宜に調整すれば良い。

アーク放電電極４の支持体４２の側端部には、外部回路との接続用のリード線５１を配設したリード端子５が当接し、アーク放電電極４及びグロー放電電極３と導電接続（電気的に接続）している。このリード端子５は、ジュメット線（銅被覆鉄ニッケル合金線）であり、後述するケース６の封着材としても機能するものである。

ケース６は、本実施例では円筒状のガラス管であり、上記のリード端子５と共に、基台２、グロー放電電極３、及びアーク放電電極４を覆いつつ所定の放電ガスを気密内包（封入）している。この放電ガスは、通常、希ガス、窒素ガス、炭酸ガス、等の単独ガス又はこれらの混合ガスを放電電圧や放電寿命等の特性に応じて適宜に選択又は組み合わせた不活性ガスである。

上記構成の放電素子１の製造方法は、以下の行程となる。
すなわち、絶縁性の基台２の表面にスパークギャップ３１を介して対向形成した１対のグロー放電電極３を基台２の両端縁部まで延設形成する。次に、グロー放電電極３と基台２とを支持体４２をもって挟持し、延設部４１の対向する先端縁４１ａはスパークギャップ３１から所定の空間領域を持って離隔配置させたアーク放電電極４を取り付け保持する。
そして、アーク放電電極４及び上記グロー放電電極３に導電接続して外部回路と接続させるリード端子５を取り付けた後、リード端子５、グロー放電電極３、及びアーク放電電極４を放電ガス雰囲気下でケース６の内部に気密内包させて製造が完了する。
［作用］

上記構成の放電素子１は、以下のように作用する。
外部からリード端子５のリード線５１を介してアーク放電電極４及びグロー放電電極３に所定電圧が印加されると、まず、グロー放電電極３のスパークギャップ３１に電界が集中し、スパークギャップ３１に電子が放出されて基台２の表面上に沿面コロナ放電が発生する。この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行し、このグロー放電がアーク放電電極４へと移転してアーク放電電極４の先端縁４１ａを結ぶアーク放電に移行する。

本実施例の放電素子１は、スパークギャップ３１に生じるグロー放電をトリガとして利用してアーク放電を発生させるために高い応答性を実現している。また、グロー放電電極３とは所定の空間領域をもってアーク放電電極４の先端縁４１ａを対向配置すると共に、その先端縁４１ａの形状もスパークギャップ形成面と略平行を成す曲線や直線等の辺状としているために、例えば、先端縁４１ａに放電痕が発生したとしても、アーク放電の始端及び終端位置はグロー放電電極３のスパークギャップ側にはずれることはない。このため、アーク放電電極４のアーク放電時に発生するスパッタ物質（所謂、コンタミ）等がグロー放電電極３やスパークギャップ３１へ付着することが回避できてスパークギャップ３１の絶縁劣化を抑制できる結果、放電素子としての耐久性が向上することとなる。
［他の実施形態例］

本実施例の放電素子１は、円筒ガラス管であるケース６にグロー放電電極３及びアーク放電電極４を収納すると共に、基台２の片面のみにグロー放電電極３を構成し、その上方の空中に所定の空間領域をもってアーク放電電極４を配設する形態であるが、この形態に限定するものではない。

すなわち、図４に示すように、基台２の両面側にグロー放電電極３及びアーク放電電極４を構成する形態としても良い。この形態であれば、製造コストは若干嵩むが、耐久性のさらなる向上が図れることとなる。

また、図５（Ａ）に示すように、基台２のグロー放電電極３及びアーク放電電極４の配設側を基台外周に沿った矩形箱状のケース６で覆う形態に変更することも可能である。この形態の場合には、グロー放電電極３の形成の反対側にアーク放電電極４を貫通させて適宜にリード端子５とし、グロー放電電極側を前記ケース６と基台２でガス封止している。このため、アーク放電電極４には、基台２に取り付ける支持体４２の部分は省略されている。なお、アーク放電電極４の先端縁４１ａは、辺状の形態が確保できれば、図５（Ｂ）に示すように、所定板厚の円盤状に変更するようにしても良い。

１ 放電素子
２ 基台
３ グロー放電電極
３１ スパークギャップ
４ アーク放電電極
４１ 延設部
４１ａ 先端縁
４２ 支持体
５ リード端子
５１ リード線
６ ケース

Claims (6)

1. 絶縁性の基台の表面にスパークギャップを介して対向形成した１対又は複数対のグロー放電電極と、
   該グロー放電電極の両極側からそれぞれ導電接続し、かつ前記スパークギャップの形成面から所定の空間領域をもって対向形成したアーク放電電極と、
   該アーク放電電極及びグロー放電電極に導電接続して外部回路と接続させるリード端子と、
   該リード端子の一部、前記グロー放電電極、及び前記アーク放電電極を放電ガス雰囲気下で気密内包したケースと、から成り、
   前記アーク放電電極は、両極側のグロー放電電極から漸次離隔する方向で上方に延びる延設部を形成し、かつ先端縁を前記スパークギャップの形成面と平行方向に延びる辺状に形成したことを特徴とする放電素子。
2. 前記アーク放電電極の辺状の先端縁が、
   前記グロー放電電極の対向方向と略直交方向に延びる直線状、先端鋭利凸部の列状、山形凸部の列状、屈曲線状、波線状、又は凸曲線状であることを特徴とする請求項１記載の放電素子。
3. 前記グロー放電電極及び前記アーク放電電極の形成が、
   グロー放電電極をそれぞれ基台の両端縁部まで形成すると共に、アーク放電電極を該グロー放電電極と基台縁部とを挟持状にして導電接続させたものであることを特徴とする請求項１乃至２記載の放電素子。
4. 前記基台が、
   棒状、板状、筒状、又は柱状の何れかであることを特徴とする請求項１乃至３記載の放電素子。
5. 前記グロー放電電極及び前記アーク放電電極の配置形成が、
   対向する両面側にそれぞれ配置形成したものであることを特徴とする請求項１乃至４記載の放電素子。
6. 絶縁性の基台の表面にスパークギャップを介して対向形成した１対又は複数対のグロー放電電極を基台の両端縁部まで延設形成し、
   該グロー放電電極と基台とを導電性をもって挟持すると共に、両極側のグロー放電電極から漸次離隔する方向で上方に延びる延設部を有すると共に、その先端縁を前記スパークギャップの形成面と平行方向に延びる辺状に形成した板状のアーク放電電極を対向させて取り付け保持し
   かつ該アーク放電電極及び上記グロー放電電極に導電接続して外部回路と接続させるリード端子を取り付けた後、
   該リード端子の一部、前記グロー放電電極、及び前記アーク放電電極を所定の放電ガス雰囲気下でケース内に気密内包させたことを特徴とする放電素子の製造方法。

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