JP4830646B2 - サージアブソーバ - Google Patents

Description

本発明は、異常電圧（サージ電圧）から様々な機器を保護するサージアブソーバに関する。

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接続する部分、電子機器が電源線に接続される部分、アンテナ或いはＣＲＴ駆動回路等、雷サージや静電気等の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、サージアブソーバが接続されている。

従来、この種のサージアブソーバとして、例えばマイクロギャップを有する構造のものが提案されている。このサージアブソーバは、導電性被膜で被覆した円柱状のセラミックス材料の周面に、導電性被膜を中央から二つに分割するいわゆるマイクロギャップが形成され、このマイクロギャップ素子の両端に一対の金属キャップを被せて封止ガスと共に円筒状のガラス管内に収容し、このガラス管の両端にリード線を有する封止電極が高温加熱で封止された放電型サージアブソーバである。

このマイクロギャップを有するサージアブソーバとして、例えば、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載のサージアブソーバでは、ガラス管の中に、分割状態の各導電性被膜を間隔をあけて包囲する一対の環状のアーク放電吸収用電極が各封止電極にそれぞれ電気的に接続して設けられており、この導電性被膜から浮上させたアーク放電吸収用電極間でアーク放電を発生させることにより、導電性被膜やキャップ電極の劣化防止を図っている。
特開平６−３１０２５１号公報

ところで、アーク放電の際に電極が高温になり、この電極を構成する金属成分が高温により蒸発する現象が生じ、その蒸発した金属成分が飛散してマイクロギャップに付着する問題がある。そして、繰り返しの使用によりマイクロギャップに金属成分が堆積してギャップを埋めてしまうと、放電開始電圧（Ｖｓ）が低下させるおそれがあり、早期に寿命となる問題がある。

本発明は、アーク放電時に電極から飛散する金属成分がマイクロギャップに付着することを抑制して、放電開始電圧を安定に維持するとともに、長寿命化を図ることを目的とする。

本発明に係るサージアブソーバは、絶縁性部材の表面に放電ギャップを介して導電性被膜が分割形成されてなるマイクロギャップ素子と、該マイクロギャップ素子を介して対向配置されて前記導電性被膜に電気的に接続する一対の主放電電極と、これら主放電電極を両端に配置した状態で内部に前記マイクロギャップ素子を封止ガスと共に封入する絶縁性管とを備えるサージアブソーバであって、前記絶縁性管の外側に、主放電電極間に生じる電界の方向を外側に向ける第３電極を設け、前記第３電極は、いずれか一方の主放電電極に電気的に接続状態とされ、他方の主放電電極に向けて配置されていることを特徴とする。

すなわち、アーク放電時に主放電電極から金属成分が蒸発して飛散する場合、その金属成分は周囲の電界の方向に沿って飛散することになるが、本発明のサージアブソーバにおいては、両主放電電極間に生じる電界の方向が絶縁性管の外側の第３電極によって導電性被膜から離間するように外側に向けられるので、蒸発した金属成分はその電界の方向に沿って絶縁性管の方に向けて多く飛散することにより、導電性被膜への付着が抑制されるのである。
この場合、第３電極は、両主放電電極間に生じる電界の方向を外向きに向けるためのものであり、特許文献１記載のアーク放電吸収用電極とは異なり、アーク放電を生じさせるものではない。

さらに、一対の第３電極を各主放電電極に電気的に接続状態に設けて、絶縁性管の周方向に相互に間隔をおいて配置した構成とすることもでき、両方の電極が分散して、電界を外側に広げるように作用することができる。

本発明に係るサージアブソーバは、第３電極により、主放電電極の間の電界を外側に向けて広げるように生じさせることができるため、アーク放電により蒸発する金属成分を電界の方向に沿って外側に向けて飛散し得て、放電ギャップへの付着を抑制することができ、放電開始電圧を安定に維持するとともに、長寿命化を図ることができる。

以下、本発明にかかるサージアブソーバの実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１及び図2は第１実施形態のサージアブソーバを示している。この実施形態によるサージアブソーバ１は、いわゆるマイクロギャップを使用した放電型サージアブソーバであって、セラミックス材料等からなる円柱状の絶縁性部材２の周面に中央の放電ギャップ３を介して導電性被膜４が分割形成されてなるマイクロギャップ素子５と、このマイクロギャップ素子５の両端に対向配置され導電性被膜４に接触する一対の主放電電極６と、これら一対の主放電電極６を両端に配して、封止ガスと共に封止する絶縁性管７とを備えている。

前記絶縁性部材２は、ムライト焼結体などのセラミックス材料により円柱状に形成されてなり、表面に、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、めっき、ＣＶＤ等の薄膜形成技術により導電性被膜４としてＴｉＮ（窒化チタン）などの薄膜が形成されている。
放電ギャップ３は、導電性被膜４の中央に、絶縁性部材２の周面に沿ってＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザからのレーザ光を照射し、導電性被膜４を分断することによって形成される。この放電ギャップ３は、例えば、０．０１から１．５ｍｍの幅で１から１００本形成されるが、本実施形態では、１５０μｍのものを１本形成している。例示したレーザカットの他、ダイシング、エッチングなどの加工によっても放電ギャップ３を形成することができる。

一対の主放電電極６は、それぞれキャップ電極８と円形ブロック状の端子電極９とによって構成されている。
キャップ電極８は、塑性変形可能な例えばステンレスなどの金属からなり、絞り加工によってキャップ状に形成され、マイクロギャップ素子５の両端部に緊密に被せられている。
端子電極９は、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）合金や、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、及びＣｏ（コバルト）の合金であるコバール（ＫＯＶＡＲ：登録商標）で構成され、絶縁性管７の両端部に緊密に嵌合される外径の円形ブロック状に形成されている。そして、この端子電極９の一端面がキャップ電極８の端面に接触し、他端面に銅覆鋼線等からなるリード線１０が溶接されている。

絶縁性管７は、例えばＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などの絶縁性セラミックス材料やガラスによって構成されており、マイクロギャップ素子５及びキャップ電極８の周囲に空間１１を形成し得る内径に形成され、その両端部に端子電極９が嵌め込まれて固着されている。この固着は、絶縁性管７がセラミックス材料の場合は、その両端面にモリブデン（Ｍｏ）−タングステン（Ｗ）層、Ｎｉ層等からなるメタライズ膜を形成して、端子電極９をろう付けする、あるいは絶縁性管７がガラスの場合はガラスを端子電極９に溶着する、などによって行われる。

この絶縁性管７内に封入される封止ガスは、放電開始電圧などの電気特性が所望の値となるように組成などを調整されたガスであって、例えば、Ａｒ（アルゴン）が使用される。
そして、この絶縁性管７の外表面に第３電極１２が固定されている。この第３電極１２は端子電極９等と同じ導電性金属からなる線状電極であり、絶縁性管７の両端部を除く中央部分に長さ方向に沿って固定されている。該第３電極１２の長さは、その両端部がキャップ電極８の半径外方位置に配置される程度に設定されている。

以上のように構成されるサージアブソーバ１を製造する場合、まず、円柱状の絶縁性部材２の表面にスパッタリング等の薄膜形成技術によってＴｉＮ薄膜を形成した後、レーザカットにより放電ギャップ３を形成して、分割状態の導電性被膜４を有するマイクロギャップ素子５を構成する。そして、絞り加工により一対のキャップ電極８を形成し、マイクロギャップ素子５の両端に嵌着させる。次に、カーボン等で構成した型（図示略）の中に、絶縁性管７を縦に載置し、該絶縁性管７の中に、リード線１０を固着した一方の端子電極９を挿入して、両キャップ電極８を取り付けたマイクロギャップ素子５、及び他方の端子電極９を順に絶縁性管７の中に挿入する。そして、全体を封止ガスの雰囲気とした状態で型を加熱し、両端子電極９と絶縁性管７とを固着することにより、サージアブソーバ１が製造される。

以上のように構成されるサージアブソーバ１は、例えば、プリント基板と一対のリード線１０とをハンダによって接着固定して使用する。そして、外部からサージ電圧が進入した場合は、まず、放電ギャップ３間の放電をトリガーとして導電性被膜４の間でグロー放電が発生し、これが導電性被膜４を伝わって最終的に図２のＡで示すようにキャップ電極８間のアーク放電に移行することにより、サージ電圧を吸収する。

この場合、両キャップ電極８間のアーク放電時の熱によってキャップ電極８の金属成分が蒸発し、絶縁性管７の空間１１内に飛散する現象が生じる。この蒸発した金属成分は、両キャップ電極８間に生じている電界の影響を受け、その電界の方向に沿って飛散するが、本実施形態のサージアブソーバ１の場合、絶縁性管７の外周面に第３電極１２が設けられていることにより、両キャップ電極８間の電界中に導電体として第３電極１２が介在することになり、該第３電極１２の付近においては、両キャップ電極８間の電界が図２の矢印で示すように第３電極１２に吸引されるように向きを変えられることになる。このため、キャップ電極８から蒸発する金属成分がその電界方向に沿って第３電極１２に向けて飛散し、放電ギャップ３に向かう飛散が少なくなり、該放電ギャップ３への金属成分の付着が抑制されるのである。

なお、この放電ギャップ３への金属成分の付着を抑制するために有効な第３電極１２の位置については、該第３電極１２の先端位置が、図２のＰ_１で示すキャップ電極８の先端に対応する位置よりも絶縁性管７の両端方向に突出していることが好ましいが、キャップ電極８の先端から放出される金属成分に第３電極１２による吸引力を作用させ得る程度の位置として、図２のＰ_２で示す位置、つまり前記Ｐ_１からキャップ電極８の先端位置を中心としてほぼ４５°絶縁性管７の中央側に寄った位置から絶縁性管７の両端方向に突出していればよい。

一方、図３から図７は本発明の第２実施形態から第６実施形態のサージアブソーバを示している。これら各実施形態のサージアブソーバにおいても、サージアブソーバとしての基本構成は第１実施形態のものと同じであり、第３電極の構成のみが異なるので、第３電極を除く他の同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図３に示す第２実施形態のサージアブソーバ２１においては、第３電極２２が線状に構成されている点は第１実施形態の第３電極１２と同様であるが、一方のリード線１０に一端部が固着され、端子電極９の端面を通って絶縁性管７の外表面に延びている点が相違している。
すなわち、この第２実施形態のサージアブソーバ２１においては、第３電極２２は、アーク放電する主放電電極６の一方と同極になることになり、半径方向に分離して同極が配置されることになる。したがって、他方の主放電電極６との間に生じる電界が第３電極２２の方向にも生じることになり、全体として外側に向けた電界方向となる。そして、アーク放電によって蒸発した金属成分が外向きの電界方向により外向きに飛散され、放電ギャップ３への付着が抑制されるのである。

なお、この第２実施形態のサージアブソーバ２１においては、第３電極２２がリード線１０に固定されているので、図３の鎖線で示すように絶縁性管７の外表面から浮かせて配置することが可能になる。この場合、例えば、マイクロギャップ素子５の外径が１．７ｍｍ、絶縁性管７の外径が３．８ｍｍとすると、マイクロギャップ素子５の外表面から半径外方に約２ｍｍ、絶縁性管７の外表面から半径外方に約１ｍｍの範囲まで第３電極２２を離間させることが可能である。

図４に示す第３実施形態のサージアブソーバ３１は、第２実施形態のサージアブソーバ２１が１本の第３電極２２を有していたのに対して、絶縁性管７の周方向に１８０°間隔を置いて２本の第３電極２２が設けられている点が相違する。いずれの第３電極２２もリード線１０の一方に固着されている。
この第３実施形態のサージアブソーバ３１は、一方の主放電電極６に２本の第３電極２２が１８０°離れて固定されていることにより、分散して電極が配置されることになり、中央の主放電電極６に対して外側の第３電極２２により、電界が広げられるように外側に向けられ、アーク放電で蒸発した金属成分が外向きに飛散して、放電ギャップ３への付着が抑制されるのである。この図４に示す２本に限らず、３本以上の第３電極２２としてもよい。

さらに、図５に示す第４実施形態のサージアブソーバ４１は、第３実施形態のサージアブソーバ３１では第３電極２２を同一のリード線１０に固着したが、この第４実施形態においては、異なるリード線１０に１本ずつ第３電極２２を固着したものである。
この第４実施形態のサージアブソーバ４１は、両主放電電極６が第３電極２２の存在により半径外方にも分散して配置される形態となり、これに伴い、両主放電電極６間の電界も半径外方に分散し、アーク放電時に蒸発した金属成分が半径外方に向けて多く飛散して、放電ギャップ３への付着が抑制されるのである。

なお、アーク放電時の金属成分の蒸発が一方の電極から多く発生する場合、第４実施形態のサージアブソーバ４１のように両方の主放電電極６に第３電極２２を配置することにより、いずれの主放電電極６からの蒸発が多くても同じ効果を発揮することができる。
また、両第３電極２２は、絶縁性管７の長さ方向に重ならないように、周方向に１８０°間隔を置いて配置されている。図５の例では各リード線１０に１本ずつ配置されているが、各リード線１０に第３電極２２を複数本ずつ配置してもよい。

また、図６は第５実施形態を示しており、このサージアブソーバ５１は、前記第１から第４実施形態の場合には第３電極１２、２２が線状電極であったのに対して、絶縁性管７の外表面に塗布された膜状の第３電極５２とされている。この図６の例では、一方の主放電電極６の端子電極９の端面も含めて被覆しており、この主放電電極６に接続状態の第３電極５２とされている。この第３電極５２の先端の位置は、図３、図４等の例と同様に、他方のキャップ電極８の先端位置の半径外方まで延びて配置される。
この第５実施形態のサージアブソーバ５１は、一方の主放電電極６が中央部分とその周囲に間隔をおいて配置される環状部分とから構成されることになり、両主放電電極６間に生じる電界をより半径外方に広げ得て、金属成分の放電ギャップ３への付着をさらに抑制することができる。

また、図７に示す第６実施形態のサージアブソーバ６１は、膜状の第３電極６２が絶縁性管７の長さ方向の中央部の外周に設けられたものであり、この第３電極６２は、前記第１実施形態のサージアブソーバ１１と同様に、いずれの主放電電極６とも接続されていない。
このサージアブソーバ６１も、絶縁性管７の周囲の第３電極６２によって両主放電電極６間の電界が吸引されるように向きを変えられることになり、蒸発した金属成分が第３電極６２に向けて飛散し、放電ギャップ３に向かう飛散が少なくなるものである。

なお、本発明は前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できる。
例えば、各実施形態では、主放電電極を絶縁性部材に被せたキャップ電極と絶縁性管に嵌め込まれる端子電極とから構成したが、端子電極のみの構成とし、導電性被膜と端子電極とが直接接続される構成としてもよく、その場合は、端子電極の互いに対向する面が主放電面となり、第３電極は、この端子電極の付近まで延びるように配置される。

また、導電性被膜は、Ａｇ（銀）、Ａｇ（銀）／Ｐｄ（パラジウム）合金、ＳｎＯ_２（酸化スズ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｂａ（バリウム）あるいはＢａ化合物、Ｃ（炭素）、Ａｇ（銀）／Ｐｔ（白金）合金、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）などでもよい。
また、端子電極としては、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｎｉなどが適用できる。

本発明の第１実施形態のサージアブソーバを示す一部を破断した縦断面図である。 図１のサージアブソーバの第３電極付近を拡大した部分断面図である。 本発明の第２実施形態のサージアブソーバを示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態のサージアブソーバを示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態のサージアブソーバを示す縦断面図である。 本発明の第５実施形態のサージアブソーバを示す一部を破断した縦断面図である。 本発明の第６実施形態のサージアブソーバを示す一部を破断した縦断面図である。

符号の説明

１…サージアブソーバ、２…絶縁性部材、３…放電ギャップ、４…導電性被膜、５…マイクロギャップ素子、６…主放電電極、７…絶縁性管、８…キャップ電極、９…端子電極、１０…リード線、１１…空間、１２…第３電極、２１、３１、４１、５１、６１…サージアブソーバ、２２、５２、６２…第３電極。

Claims (3)

1. 絶縁性部材の表面に放電ギャップを介して導電性被膜が分割形成されてなるマイクロギャップ素子と、該マイクロギャップ素子を介して対向配置されて前記導電性被膜に電気的に接続する一対の主放電電極と、これら主放電電極を両端に配置した状態で内部に前記マイクロギャップ素子を封止ガスと共に封入する絶縁性管とを備えるサージアブソーバであって、
   前記絶縁性管の外側に、主放電電極間に生じる電界の方向を外側に向ける第３電極を設け、
   前記第３電極は、いずれか一方の主放電電極に電気的に接続状態とされ、他方の主放電電極に向けて配置されていることを特徴とするサージアブソーバ。
2. 前記第３電極は、各主放電電極に電気的に接続状態に一対設けられ、絶縁性管の周方向に相互に間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のサージアブソーバ。
3. 前記第３電極は、絶縁性管の外表面に形成した導電膜から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のサージアブソーバ。

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