JP4890131B2 - リード線引出し形ｓｐｄ - Google Patents

Description

本発明は、酸化亜鉛形バリスタを収納した収納ケースから絶縁電線によるリード線引出し形ＳＰＤ（Surge Protective Device：サージ防護デバイス）に関する。

雷害を防止する目的から、単相または三相交流電路や直流電路において電気機器と大地間に、雷による過渡的な過電圧を制限してサージ電流を分流するデバイスとしてＳＰＤが設置されている。このＳＰＤ用素子としては、酸化亜鉛形バリスタが一般的に使用されている。

酸化亜鉛形バリスタは、ＺｎＯを主成分とする矩形や円板形の板状耐雷素子で、表裏両面に薄板状に電極を被着している。酸化亜鉛形バリスタは、表裏両面の電極間に印加する電圧に応じて抵抗が変化する特性、つまり、閾値電圧以下の電圧が印加された時には極めて高抵抗であって実質的に絶縁性を示し、閾値電圧を超える電圧が印加された時には低抵抗を示す非線形性の電流電圧特性を有する。

一般に、酸化亜鉛形バリスタを使用したＳＰＤは、酸化亜鉛形バリスタに放電ギャップやＳＰＤ保護用としての温度ヒューズ、電流ヒューズなどの他のＳＰＤ用素子と組み合わせて構成される。酸化亜鉛形バリスタは、雷サージが繰り返し入力されると、その入力レベルによっては経時的に劣化し、漏れ電流が増加して発熱し、熱暴走による発煙発火の原因となることがある。そこで、ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止する保護手段として、バリスタ劣化による発熱で断線動作する温度ヒューズを酸化亜鉛形バリスタに一体に組み付けることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、酸化亜鉛形バリスタを使用したＳＰＤは、酸化亜鉛形バリスタを含む複数種類のＳＰＤ用素子を樹脂製の絶縁性収納ケースに収納して、収納ケースでＳＰＤ用素子を電気的機械的に保護している。収納ケースに収納された酸化亜鉛形バリスタを含むＳＰＤ用素子の電極のケース外への電極引出しは、金属線や金属板の引出し導体、外部引出しリード線などの複数種類の導体を使用して行われている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２２９３０３号公報 特開２００１−２９７９０４号公報

収納ケースから絶縁電線のリード線を引き出したＳＰＤは、収納ケース内でＳＰＤ用素子の電極と外部引出しリード線とを金属線や金属板の引出し導体で接続して、ＳＰＤ回路を構成している。このような引出し導体とＳＰＤ用素子及び外部引出しリード線との接続は、半田付けやカシメ、圧着など様々な簡易な工法で行われているが、接続箇所が多くてＳＰＤ製造組立の接続工程に相当な工数を必要としていた。また、半田付けなどの接続工法に加え、外部引出しリード線の先端部の絶縁被覆を除去して導体を露呈させる段剥ぎの作業、工数を必要として、ＳＰＤ製造コストの低減を難しくしている。さらには、収納ケースから外部引出しリード線を引き出した場合、信頼性の面から引出しリード線に数ｋｇの引張り荷重に耐えることが要求される。この要求を満たすため、外部引出しリード線の先端部を収納ケース内で屈曲させるなどして収納ケースでリード線を直接的に支持することが行われ、複雑な構成になるという問題がある。

本発明は前述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、酸化亜鉛形バリスタを収納する収納ケースから引き出す外部引出しリード線と収納ケース内の引出し導体との接続を簡便にして、かつ、安定した高い機械的強度で接続することのできるリード線引出し形ＳＰＤを提供することにある。

本発明の上記目的を達成する技術的手段は、酸化亜鉛形バリスタを含むＳＰＤ用素子を収納した収納ケース内で外部引出しリード線用絶縁電線と前記ＳＰＤ用素子の引出し導体を接続したＳＰＤであって、収納ケースは、リード線の絶縁被覆端部が挿入されるリード線引出し用第一孔と、この第一孔に部分的に開口して引出し導体の先端部が挿入される引出し導体接続用第二孔を有し、第一孔に挿入したリード線の絶縁被覆端部の局部に第二孔に挿入した引出し導体の先端部を交差させて貫通させることで、リード線と引出し導体を電気的かつ機械的に接続する。

ここで、収納ケースは、樹脂製の絶縁ケースが適用できる。収納ケースに収納される酸化亜鉛形バリスタを含むＳＰＤ用素子とは、酸化亜鉛形バリスタのみの場合と、酸化亜鉛形バリスタと酸化亜鉛形バリスタ以外の他の種類のＳＰＤ用素子のことである。酸化亜鉛形バリスタ以外の他のＳＰＤ用素子は、放電ギャップ（製品化されている放電ギャップ部品）、酸化亜鉛形バリスタに一体的に形成される温度ヒューズ、酸化亜鉛形バリスタと別体で酸化亜鉛形バリスタに配線される温度ヒューズ、電流ヒューズなどである。収納ケースに複数のＳＰＤ用素子が収納される場合、その複数全てのＳＰＤ用素子の引出し導体が対応する外部引出しリード線に接続される、或いは、複数のＳＰＤ用素子の内の選択されたもののみの引出し導体が対応する外部引出しリード線に接続される。本発明は、外部引出しリード線に対応する引出し導体を貫通させて電気的かつ機械的に接続する構造の第一孔と第二孔を収納ケースに具備させる。

収納ケースの第一孔は、絶縁電線である外部引出しリード線の絶縁被覆端部が軸方向に挿脱可能な直線状の挿入孔である。外部引出しリード線の絶縁被覆端部は、絶縁被覆剥ぎ代無しの端部で、直線状の導体（銅線、軟銅線など）の外周全域を樹脂材などの絶縁被覆材で覆っている。第一孔の先端は閉口端で、この閉口端に当接するまでリード線の絶縁被覆端部が挿入される。第一孔の先端より離れた所定の箇所に第二孔が開口する。第二孔は、第一孔と直交または所定の交差角度で交差する直線状の挿入孔である。第二孔の第一孔と反対の端から第二孔に、引出し導体の直線状にした先端部が挿脱可能に挿入される。第一孔にリード線の絶縁被覆端部を挿入してから、第二孔に引出し導体の先端部を挿入する。引出し導体の先端部を先鋭端にして、この先鋭端を第二孔から第一孔へと挿入すると、先鋭端が第一孔に挿入されているリード線絶縁被覆端部の外周一部に突き刺さり、絶縁被覆材と導体を貫通する。リード線の絶縁被覆の材質によっては、この絶縁被覆の引出し導体が突き刺さる箇所を予め除去するように穴開け加工する方法でもよい。引出し導体の先端部がリード線の絶縁被覆端部の一部を貫通することで、両者が電気的かつ機械的に接続される。このような突き刺し貫通による両者の電気的接続状態は、半田付けやカシメといった他の工法に比べ安定しないが、雷サージに対応するＳＰＤにおいては後述する理由で問題にならない。第一孔のリード線に第二孔の引出し導体を交差させて貫通させる構造のため、両者の機械的な接続が常に強固に行われ、第一孔に対してリード線を引き出す方向に荷重を掛けたときに、第二孔に引出し導体の先端部が係止して、リード線の引張り荷重を常に数ｋｇ以上の大きなものにし、リード線引出形ＳＰＤの機械的な信頼性が良くなる。

本発明においては、収納ケースの第一孔に挿入したリード線の絶縁被覆端部と第二孔に挿入した引出し導体の先端部の互いに交差する角度が直角か、または、第一孔でのリード線引出し方向に対して鋭角にすることが望ましい。ここでの鋭角は、４５°〜９０°の角度である。このような交差角度の規定で、第一孔に対してリード線を引き出す方向に荷重を掛けたときに、引出し導体の先端部がリード線側に食い込む作用をして、リード線の引張り荷重をより強固、安定したものにする。

また、本発明においては、引出し導体は、先端部が先鋭な線材を適用することができる。線材の引出し導体は、市販品で安価な裸電線が適用できる。また、線材の引出し導体に対応する収納ケースの第二孔は加工性の良い丸孔が適用でき、この第二孔への引出し導体の挿入が容易になる。

また、本発明においては、収納ケースの第一孔の奥が、第一孔に挿入された外部引出しリード線の先端が突き当たる閉口端にすることができる。

ここでの第一孔の奥の閉口端は、収納ケースの側壁で構成することができる。第一孔に外部引出しリード線用絶縁電線は、その先端が第一孔の閉口端に当接するところまで挿入されて位置決めされる。これにより第一孔へのリード線の挿入量が一定し、第二孔から挿入される引出し導体との電気的かつ機械的な接続が良好に行えるようになる。また、第一孔に挿入されるリード線の先端は絶縁被覆で被覆された導体の先端（切断面）が露呈しているが、この導体先端面は第一孔の閉口端で絶縁保護されて収納ケースの外面に出ず、リード線引出し形ＳＰＤの絶縁対策が容易になる。

本発明によれば、収納ケースの第一孔に挿入された外部引出しリード線の絶縁電線に対して収納ケースの第二孔に挿入した引出し導体の先端部を突き刺すワンタッチ式の簡易な作業で外部引出しリード線と引出し導体の電気的機械的接続ができるので、外部引出しリード線と引出し導体の接続箇所が多くても、工数と作業時間少なくして接続することができ、ＳＰＤ製造組立の工数低減と、製造組立コストの低減を容易にするという優れた効果を奏する。また、外部引出しリード線の絶縁被覆端部を第一孔に挿入して引出し導体を突き刺し貫通させるため、リード線の絶縁被覆端部の絶縁被覆全てを除去する段剥ぎ作業が不要となり、尚更に接続工数少なくして、ＳＰＤ製造組立の作業性を上げることができる。

また、収納ケースの第一孔に挿入した外部引出しリード線に第二孔に挿入した引出し導体の先端部を交差させて貫通させたので、第一孔に対してリード線を引き出す方向に荷重を掛けたときに、第二孔に引出し導体の先端部が係止して、リード線の引張り荷重が常に数ｋｇ以上の大きなものにでき、機械的強度の安定した高信頼度のリード線引出形ＳＰＤが提供できる。

図１及び図２は、第１の実施の形態を示すリード線引出し形ＳＰＤの要部構成を示し、図３は等価回路を示す。同図のリード線引出形ＳＰＤは、ＺｎＯを主成分とする酸化亜鉛形バリスタ１と、酸化亜鉛形バリスタ１の裏面側の電極１２に接続された放電ギャップ２を備える。酸化亜鉛形バリスタ１と放電ギャップ２の二種類のＳＰＤ用素子が、共通の収納ケース３０に収納される。酸化亜鉛形バリスタ１は、単相三線または三相三線交流電路に適用される矩形平板状の耐雷素子で、表面側にライン相の三電極１１、…を有する。裏面側の電極１２は、表面側の三電極１１、…の全てに対向する共通電極である。酸化亜鉛形バリスタ１の形状は矩形状に限らず、円盤状のものであってもよい。収納ケース３０は樹脂製の絶縁ケースで、収納ケース３０から計４本の外部引出しリード線２０、…を平行に引出してリード線引出し形ＳＰＤを構成する。

酸化亜鉛形バリスタ１の表面側三電極１１、…それぞれに１本ずつ引出し導体１３、…が半田５で接続される。この３本の引出し導体１３、…は、裸電線の線材であり、それぞれの先端部が対応するリード線２０、…に電気的かつ機械的に接続される。酸化亜鉛形バリスタ１の共通電極１２に接続された放電ギャップ２から１本の引出し導体１４が引き出されて、対応する１本のリード線２０に電気的かつ機械的に接続される。

収納ケース３０は矩形箱形の二分割ケースで、本体部３０ａと蓋部３０ｂを備える。本体部３０ａは、有底上端開口の矩形箱形で、底部に平行な４条のリード線引出し用第一孔３１、…を有する。各第一孔３１、…は直線状で、それぞれに１本ずつ絶縁被覆付外部引出しリード線２０、…の絶縁被覆端部２０’が挿脱可能に挿入される。本体部３０ａの内部空間に、バリスタ位置決め保持用リブ部３０ｃと第二孔形成筒部３０ｄが形成される。リブ部３０ｃ上に酸化亜鉛形バリスタ１が、その裏面の共通電極１２を下にして位置決め載置される。酸化亜鉛形バリスタ１の共通電極１２に半田付けなどで接続された放電ギャップ２は、本体部３０ａの底と酸化亜鉛形バリスタ１の間の空間に設置される。リブ部３０ｃに位置決め載置された酸化亜鉛形バリスタ１の表面の三電極１１、…に対応して第二孔形成筒部３０ｄが形成される。第二孔形成筒部３０ｄは、対応する第一孔３１の真上に突設させた円柱筒で、それぞれに第二孔３２を軸方向に貫通させている。第二孔３２は、線材の引出し導体１３の１本が挿脱可能に挿入される直線状の貫通孔で、対応する第一孔３１と交差する。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第一孔３１の先端は収納ケース３０の側壁で閉口されて、この閉口端に当接するところまでリード線２０の絶縁被覆端部２０’が挿入される。第一孔３１の閉口端から５ｍｍ程度離れた一箇所に第二孔３２の先端（下端）が開口する。第一孔３１の底に、第二孔３２の延長孔としての小孔３３が形成される。図５に示す小孔３３は、収納ケース３０の底板を貫通させているが、貫通させない有底の凹状孔でもよい。

以上の実施の形態のリード線引出し形ＳＰＤは、次のように製造組立をすることができる。図４に示すように、収納ケース３０の本体部３０ａから蓋部３０ｂを開き、本体部３０ａの底部の第一孔３１に対応する絶縁電線のリード線２０を挿入する。リード線２０は１本の導体２０ａの外周を絶縁被覆材２０ｂで被覆したもので、絶縁被覆材２０ｂを剥がしていない絶縁被覆端部２０’が対応する第一孔３１に軽く圧入されるようにして挿入される。図５（Ａ）に示すように、第一孔３１の閉口端に絶縁被覆端部２０’の先端が当接するまで、リード線２０の挿入が行われる。このようなリード線挿入は、４本のリード線２０、…に対してそれぞれ順に行うか、治具（図示せず）を使用して４本同時に行うことができる。リード線挿入後、図４に示すように収納ケース３０の本体部３０ａに引出し導体付バリスタ１を組み付け、このときにバリスタ１から延在する引出し導体１３を対応する第二孔３２に差し込む。

図５（Ｂ）に示すように、線材の引出し導体１３の先端を先鋭にして、この先端部を第二孔３２に挿入し、第二孔３２から第一孔３１内のリード線２０の絶縁被覆端部２０’に交差する方向で貫通させる。引出し導体１３の先端部は、第二孔３２にガイドされて変形することなく第一孔３１に達し、そのまま先鋭端が絶縁被覆端部２０’の絶縁被覆材２０ｂに突き刺さり、絶縁被覆材２０ｂと導体２０ａを貫通して小孔３３に達する。引出し導体１３の先端部がリード線２０の導体２０ａを貫通することで、両者が電気的かつ機械的に接続され、接続作業が終了する。このような接続作業は、治具（図示せず）を使用して３本の引出し導体１３、…に対して順に、或いは、３本同時に行うことができる。また、放電ギャップ２の引出し端子１４と対応するリード線の接続も、上記と同様に行うことができる。このような接続作業は、第一孔にリード線を挿入し、第二孔に引出し端子を挿入するのみの簡単な作業で行うことができ、ＳＰＤ製造組立工数を大幅に低減させ、組立時間を短縮することが容易になる。

図５（Ｂ）の接続工程において、引出し導体１３の先端部をリード線２０に貫通させると、引出し導体１３の先鋭端が収納ケース３０の底の小孔３３から突出することがある。このように突出した先鋭端は刃物などで切断して、図１に示すように収納ケース３０の裏面に銘板などの絶縁シール３５を貼付する。或いは、小孔３３に絶縁材を充填して、小孔３３を絶縁封止してもよい。なお、前述したように小孔３３を有底の凹状孔にして、引出し導体１３の先鋭端がケース外に突出しないようにすれば、前述のような特別な絶縁対策は不要である。

引出し導体１３を対応するリード線２０に貫通させて両導体を電気的かつ機械的に接続した場合、電気的接続状態は安定せず、両導体の接触不良、電気的接続不良が生じる可能性がある。しかし、ＳＰＤ（雷サージ防護デバイス）用素子として使用される場合においては、電気的接続不良箇所が放電ギャップ的な動作をして問題は無い。即ち、電気的接続不良箇所にＳＰＤ動作時に大きなサージ電圧が印加され、大電流が数十μｓと極短時間だけ流れるから、仮に酸化被膜で接触抵抗が大きくなっていても大きなサージ電圧で酸化被膜を破壊させ信頼性を低下させないという効果を奏する。

また、引出し導体１３を対応するリード線２０に貫通させて両導体を機械的接続することで、機械的強度が大きく、かつ、安定する。図５（Ｂ）に示すように、第一孔３１と第二孔３２の交差角度をθとすると、この交差角度θは第一孔３１に挿入されたリード線２０の引出し方向Ｘに対して直角か鋭角に設定する。リード線２０に引出し方向Ｘに引張り荷重を掛けたとき、リード線２０を貫通する引出し導体１３の先端部が第二孔３２に係止して、リード線２０に必要な引張り荷重を大きく設定することができる。このような引張り荷重は、交差角度θが直角か直角に近い鋭角の場合に効果的に増大させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を図６〜図８を参照して説明する。図６及び図７は、第２の実施の形態のリード線引出し形ＳＰＤの要部構成を示し、図８は等価回路を示す。同図のリード線引出形ＳＰＤは、酸化亜鉛形バリスタ１の三電極１１、…に対応する引出し導体１３、…それぞれに温度ヒューズ機能を持たせ、バリスタ１の劣化による発熱で温度ヒューズ動作を視認させる表示器４０を具備させている。

引出し導体１３は線材で、先端部が対応する第二孔３２に挿入されてリード線２０を貫通する。引出し導体１３の後端部の途中部分が、酸化亜鉛形バリスタ１の対応する電極１１に低溶融金属合金４１で接合される。低溶融金属合金４１は、バリスタ１の過大サージ劣化による発熱で溶融する低融点合金である。引出し導体１３の後端部が低溶融金属合金４１から後方に突出し、その先端に表示板４２が固定される。収納ケース３０の表示板４２と対向する部分に表示窓４３が形成される。表示板４２と表示窓４３で、１つの表示器４０が構成される。このような表示器４０が、酸化亜鉛形バリスタ１の三電極１１、…に対応する引出し導体１３、…それぞれに１つずつ設置される。

図６に示す引出し導体１３は、酸化亜鉛形バリスタ１の経時的劣化による異常発熱により低溶融金属合金４１が溶融することで、後端部が酸化亜鉛形バリスタ１の電極１１から切り離されるばね力を有する。厳密には、低溶融金属合金４１が完全に溶融する前の軟化時点で、引出し導体１３がそのばね復元力により変位動作して、温度ヒューズの溶断動作を行い、図７の状態となる。図７は、引出し導体１３が第二孔３１に挿入された先端部を基点に変位動作したときのもので、後端部の表示板４２が移動する。表示板４２の表示面を表示窓４３の２倍以上の面積にして、この表示面の色分けした半分ずつが表示窓４３に対向するように表示板４２を変位させる。すると、表示窓４３から表示板４２の色を見分けることで、図６の正常な状態か、図７の異常な状態か、が一目で認知できる。

以上で説明したリード線引出し形ＳＰＤにおける酸化亜鉛形バリスタは、表面側に三電極を裏面側に共通電極を形成した三相多端子バリスタであるが、本発明はこれに限定されることなく、酸化亜鉛形バリスタの表裏面に一対の電極を形成した二端子バリスタなども適用可能である。

本発明の第１の実施の形態のリード線引出し形ＳＰＤの主要部構成を示す部分断面を含む側面図である。 図１のＳＰＤの部分断面を含む正面図である。 図１のＳＰＤの等価回路である。 図１のＳＰＤの製造組立時の分解側面図である。 （Ａ）は図１ＳＰＤの製造組立時の部分拡大断面図、（Ｂ）は二導体接続時の部分拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態のリード線引出し形ＳＰＤの主要部構成を示す部分断面を含む側面図である。 図６のＳＰＤの温度ヒューズ動作時の部分断面を含む側面図である。 図１のＳＰＤの等価回路である。

符号の説明

１ 酸化亜鉛形バリスタ、ＳＰＤ用素子
２ 放電ギャップ、ＳＰＤ用素子
１１、１２ 電極
１３．１４ 引出し導体
２０ リード線
２０’ 絶縁被覆端部
２０ａ 導体
２０ｂ 絶縁被覆材
３０ 収納ケース
３０ａ 本体部
３０ｂ 蓋部
３１ 第一孔
３２ 第二孔
３３ 小孔
４０ 表示器
４１ 低溶融金属合金
４２ 表示板
４３ 表示窓
θ 交差角度
Ｘ リード線引出し方向

Claims (3)

1. 酸化亜鉛形バリスタを含むＳＰＤ用素子を収納した収納ケース内で外部引出しリード線用絶縁電線と前記ＳＰＤ用素子の引出し導体を接続したＳＰＤであって、
   前記収納ケースは、前記リード線の導体の外周全域を絶縁被覆材で覆った絶縁被覆端部が圧入されるようにして挿入されるリード線引出し用第一孔と、この第一孔に部分的に開口して前記引出し導体の先鋭な線材である先端部が挿入される引出し導体接続用第二孔と、前記第一孔の底に前記第二孔の延長孔として形成した小孔とを有し、前記第一孔に挿入した前記リード線の絶縁被覆端部の局部に前記第二孔に挿入した前記引出し導体の先端部を交差させて前記絶縁被覆材と導体を貫通させ前記小孔に達することで、前記リード線と引出し導体を電気的かつ機械的に接続したことを特徴とするリード線引出し形ＳＰＤ。
2. 前記第一孔に挿入した前記リード線の絶縁被覆端部と前記第二孔に挿入した前記引出し導体の先端部の互いに交差する角度が直角または前記第一孔でのリード線引出し方向に対して鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のリード線引出し形ＳＰＤ。
3. 前記第一孔の奥が、当該第一孔に挿入された前記リード線の先端が突き当たる閉口端であることを特徴とする請求項１または２に記載のリード線引出し形ＳＰＤ。

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