JP5305011B2 - サージアブソーバ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐのに使用するサージアブソーバ及びその製造方法に関する。

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の接続する部分、電源線、アンテナ或いはＣＲＴ駆動回路等、雷サージや静電気等の異常電圧（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、応答性の良好なサージアブソーバとして、例えば特許文献１に記載されているように、マイクロギャップを有するサージ吸収素子を用いたサージアブソーバが提案されている。このサージアブソーバは、導電性皮膜で被包した円柱状の絶縁性部材であるセラミックス部材の周面に、いわゆるマイクロギャップが形成され、セラミックス部材の両端に一対のキャップ電極を有するサージ吸収素子が放電ガスと共にガラス管内に収容され、円筒状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着された放電型サージアブソーバである。

また、上記ガラス管にサージ吸収素子を収容するサージアブソーバの製造方法として、例えば特許文献２に記載されているように、サージ吸収素子を加熱処理すると共にサージ吸収素子の内部と外部との圧力差を設けることによりサージ吸収素子のガラス管を膨張せしめ、サージ吸収素子のマイクロギャップ周辺部の空間を確保する製造方法が知られている。

特開２００３−２８２２１６号公報 特開昭６３−１２１２８５号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来、サージ吸収素子をガラス管に封入する方式の場合、内部空間を広く確保してサージ耐量を増大させるために、特許文献２に記載されているように、封入時にガラス管を十分膨らませる必要がある。しかしながら、ガラス管を膨らませる際やサージ吸収素子を封入後において、熱膨張率の違いにより接触していたサージ吸収素子又はキャップ電極とガラス管とが離れるように変形すると、互いに離れる方向に力が働き、ガラス管の内面に微小なクラックが入り、サージ耐量が低下してしまうという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ガラス管の内面のクラック発生をサージ耐量を低下させない程度に制御して良好なサージ耐量を維持することが可能なサージアブソーバ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のサージアブソーバは、ガラス管と、該ガラス管の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極と、両端に直接又はキャップ電極を介して前記一対の封止電極を配して前記ガラス管内に収納された碍子と、を備え、前記碍子又は前記キャップ電極に、前記ガラス管の内面に当接すると共に前記ガラス管の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部が形成されていることを特徴とする。

本発明のサージアブソーバの製造方法は、ガラス管内に碍子又は該碍子の両端にキャップ電極を配したものを収納すると共に前記ガラス管の両端開口部を一対の封止電極で閉塞し、放電ガスを内部に封止して組み立て状態とする工程と、前記組み立て状態のまま加熱して前記ガラス管を軟化状態とすると共に前記ガラス管の内圧よりも外圧を低くして軟化した前記ガラス管の中間部を外側に膨出させる工程と、を有し、前記碍子又は前記キャップ電極に、前記ガラス管の内面に当接すると共に前記ガラス管の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部を形成しておくことを特徴とする。

これらのサージアブソーバ及びその製造方法では、碍子又はキャップ電極に、ガラス管の内面に当接すると共にガラス管の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部が形成されるので、接触部がガラス管の内面と点接触又は線接触すると共にガラス管の内面との軸方向における接触角が９０°未満となる。これによって、接触面積が小さくなると共に熱膨張率差で生じる応力の向きをクラックがガラス管の外面へ達しない方向に制御して、サージ耐量の低下を抑制することができる。すなわち、接触面積を小さくして熱膨張率差で生じる応力を低減してクラックの発生及び進行を抑制すると共に、仮にクラックが生じても、クラックがガラス管の外面まで達せずに、接触部近辺で収束してガラス管の内面の一部のみが欠ける程度に抑制することができ、ガラス管の割れを防ぐことが可能である。

また、本発明のサージアブソーバは、前記接触部が、球面形状とされていることが好ましい。
すなわち、このサージアブソーバでは、接触部が、球面形状とされているので、接触部とガラス管の内面とが点接触となり、接触面積がさらに小さくなって熱膨張率差によって生じる応力を低下させることができ、クラックの発生及び進行をさらに抑制することができる。

また、本発明のサージアブソーバは、前記碍子が、板状碍子とされていると共に両端部が前記ガラス管の端部の内径と同じ幅とされ、前記接触部が、前記碍子の両端部に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージアブソーバでは、碍子が板状碍子とされていると共に両端部がガラス管の端部の内径と同じ幅とされ、接触部が碍子の両端部に形成されているので、板状に形成された接触部とガラス管の内面との接触面積がさらに小さくなると共に、最も膨出して高い応力が発生するガラス管の中間部を避けて両端部に接触部が当接することで、よりクラックの発生及び進行を抑制することができる。
また、組立時にガラス管内に板状碍子を振り込む場合でもガラス管の端部の内径と同じ幅の両端部がガラス管の両端部に位置決めされることで、断面積の小さい薄い板状碍子でもキャップ電極部材や金具等を用いずに高い位置精度で自立させることができると共に、円柱状の碍子よりも広い内部空間を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサージアブソーバ及びその製造方法によれば、碍子又はキャップ電極に、ガラス管の内面に当接する凸曲面形状の接触部が形成されるので、接触面積を小さくすると共に熱膨張率差で生じる応力の向きをクラックがガラス管の外面へ達しない方向に制御してサージ耐量の低下を抑制することができる。

本発明に係るサージアブソーバ及びその製造方法の第１実施形態において、加熱膨出前の組み立て状態を示す斜視図及び加熱膨出後のサージアブソーバを示す断面図である。 ガラス管の内面におけるクラックの発生を、従来例の場合について示す説明図である。 ガラス管の内面におけるクラックの発生を、第１実施形態の場合について示す説明図である。 本発明に係るサージアブソーバの第２実施形態において、加熱膨出前の組み立て状態を示す断面図である。 本発明に係るサージアブソーバの比較例において、加熱膨出前の組み立て状態を示す斜視図及び加熱膨出後のサージアブソーバを示す断面図である。

以下、本発明に係るサージアブソーバの第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のサージアブソーバ１は、図１に示すように、ガラス管２と、該ガラス管２の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極３と、両端に一対の封止電極３を配してガラス管２内に収納された板状碍子４と、を備えている。

上記ガラス管２は、鉛ガラス等で円筒状に形成されている。
上記封止電極３は、円柱状の電極部５と、該電極部５に一端が埋め込まれたリード線６と、で構成されたスラグリードである。この封止電極３は、ガラス管２に電極部５が嵌め込まれて加熱処理によって融着されて密着状態に固定されている。
上記ガラス管２内に封入される放電ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ_６，ＣＯ_２，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４，Ｈ_２，大気等及びこれらの混合ガスが採用される。

上記板状碍子４は、アルミナ、ムライト、コランダムムライト等のセラミックス材料で薄板状に形成されている。なお、本実施形態の板状碍子４は、アルミナで形成されている。
この板状碍子４の両端部４ａは、ガラス管２の端部の内径と同じ幅とされていると共に中間部４ｂの幅がガラス管２の端部の内径よりも狭く設定されている。すなわち、板状碍子４の中間部４ｂが絞られている。
なお、板状碍子４の両端部４ａの幅は、ガラス管２の内径と公差０．１ｍｍの範囲内で同一として設定している。

また、板状碍子４の両端部４ａには、ガラス管２の内面に当接すると共にガラス管２の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部４ｃが形成されている。この接触部４ｃは、接触面が球面形状とされている。
さらに、板状碍子４の表裏面の中間部には、カーボン等の導電性材料で形成されたトリガ部７が設けられている。このトリガ部７は、必要に応じて形成される。

次に、このサージアブソーバ１の製造方法について、図１から図３を参照して説明する。

まず、放電ガス雰囲気中において、ガラス管２の下端開口部に一方の封止電極３を嵌め込んで閉塞した状態で、ガラス管２の上端開口部からガラス管２内に板状碍子４を振り込んで収納する。このとき、板状碍子４の両端部４ａがガラス管２の内径と同じ幅に設定されているので、両端部４ａがガラス管２の内面に当接して位置決めされ、ガラス管２内の中央に自立状態に収納される。
さらに、図１の（ａ）に示すように、ガラス管２の上端開口部を他方の封止電極３で閉塞し、ガラス管２の両端開口部をそれぞれ封止電極３で閉塞して放電ガスを内部に封止して組み立て状態とする。

次に、図１の（ｂ）に示すように、上記組み立て状態のままでガラス管２の軟化点以上に加熱してガラス管２を軟化状態とすると共にガラス管２の内圧よりも外圧を低くして軟化したガラス管２の中間部４ｂを外側に膨出させる。すなわち、ガラス管２の外部を減圧することで負圧状態を作り出し、このガラス管２の内部と外部との圧力差によって軟化状態のガラス管２を半径方向外方に膨らんだ状態とする。

このとき、例えば、図２の（ａ）に示すように、ガラス管２の内面に当接する碍子の接触部１４ｃがガラス管２の内面に面接触する略平坦面であって軸方向における接触角θが９０度以上に大きい場合、図２の（ｂ）に示すように、軟化状態のガラス管２の内面に接触部１４ｃが接着されると、熱膨張率差による応力によってガラス管２の内面にクラックＣが発生する。このとき発生したクラックＣは、ガラス管２の半径方向外方に向けて大きく傾いて形成される。さらに、図２の（ｃ）に示すように、ガラス管２を膨らませるとクラックＣがガラス管２の外面まで達してガラス管２が割れてしまう。

これに対して、本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、ガラス管２の内面に当接する板状碍子４の接触部４ｃがガラス管２の内面に点接触する凸状面であって軸方向における接触角θが９０度未満の小さい場合、図３の（ｂ）に示すように、軟化状態のガラス管２の内面に接触部４ｃが接着されると、熱膨張率差による応力によってガラス管２の内面にクラックＣが発生する。このとき発生したクラックＣは、ガラス管２の軸方向に向けて大きく傾いて形成される。さらに、図３の（ｃ）に示すように、ガラス管２を膨らませるとクラックＣがガラス管２の内面側で収束し、内面の一部が接触部４ｃに接着されて剥がれるだけでクラックＣが外面まで達せず、ガラス管２は割れない。

なお、上記膨出工程の際、板状碍子４の中間部４ｂが絞られているので、中間部４ｂがガラス管２の内面に接触しておらず、ガラス管２の膨出を妨げない。
この後、冷却することで、中間部４ｂが膨出した状態で硬化されると共に封止電極３がガラス管２の両端部に融着されてサージアブソーバ１が作製される。

このサージアブソーバ１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず板状碍子４のトリガ部７と封止電極３との間でトリガ放電が行われ、このトリガ放電をきっかけに、さらに放電が進展して一対の封止電極３間で放電が行われることでサージが吸収される。

このように本実施形態のサージアブソーバ１及びその製造方法では、板状碍子４に、ガラス管２の内面に当接すると共にガラス管２の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部４ｃが形成されるので、接触部４ｃがガラス管２の内面と点接触又は線接触すると共にガラス管２の内面との軸方向における接触角θが９０°未満となる。これによって、接触面積が小さくなると共に熱膨張率差で生じる応力の向きをクラックＣがガラス管２の外面へ達しない方向に制御して、サージ耐量の低下を抑制することができる。

すなわち、接触面積を小さくして熱膨張率差で生じる応力を低減してクラックＣの発生及び進行を抑制すると共に、仮にクラックＣが生じても、クラックＣがガラス管２の外面まで達せずに、接触部４ｃ近辺で収束してガラス管２の内面の一部のみが欠ける程度に抑制することができ、ガラス管２の割れを防ぐことが可能である。
特に、接触部４ｃが、球面形状とされているので、接触部４ｃとガラス管２の内面とが点接触となり、接触面積がさらに小さくなって熱膨張率差によって生じる応力を低下させることができ、クラックＣの発生及び進行をさらに抑制することができる。

また、板状碍子４とされていると共に両端部４ａがガラス管２の端部の内径と同じ幅とされ、接触部４ｃが板状碍子４の両端部４ａに形成されているので、板状に形成された接触部４ｃとガラス管２の内面との接触面積がさらに小さくなると共に、最も膨出して高い応力が発生するガラス管２の中間部を避けて両端部に接触部４ｃが当接することで、よりクラックＣの発生及び進行を抑制することができる。

また、組立時にガラス管２内に板状碍子４を振り込む場合でもガラス管２の端部の内径と同じ幅の両端部４ａがガラス管２の両端部に位置決めされることで、断面積の小さい薄い板状碍子４でもキャップ電極部材や金具等を用いずに高い位置精度で自立させることができると共に、円柱状の碍子よりも広い内部空間を得ることができる。

また、板状碍子４の中間部４ｂの幅がガラス管２の端部の内径よりも狭く設定されているので、板状碍子４の表面側と裏面側との空間が中間部４ｂの周辺で連通することで、ガラス管２内を完全に仕切らずにより広い内部空間が確保でき、さらにサージ耐量を増大させることができる。
さらに、板状碍子４の中間部４ｂの幅をガラス管２の端部の内径よりも狭く設定するので、上記中間部４ｂがガラス管２の内面から離間していることでガラス管２の内面に接触せず、ガラス管２の良好な膨出が可能になる。

また、板状碍子４の表裏面の中間部に、導電性材料で形成されたトリガ部７が設けられているので、トリガ部７を介してトリガ放電（コロナ放電）が生じることで、高い応答性を得ることができる。

次に、本発明に係るサージアブソーバ及びその製造方法の第２実施形態について、図４を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、碍子として板状碍子４をガラス管２内に収容しているのに対し、第２実施形態のサージアブソーバ２１では、図４に示すように、両端に一対のキャップ電極２９を配した円柱状碍子２４を一対の封止電極３間に配して封止したマイクロギャップ式のサージアブソーバであり、キャップ電極２９の外周面に接触部４ｃが形成されている点である。

すなわち、第２実施形態では、キャップ電極２９が、外周面が膨出した略円柱状に形成されていると共に、キャップ電極２９の外周面にガラス管２の内面に当接すると共にガラス管２の軸方向の断面形状が円弧状の凸状とされた接触部２９ａが形成されている。また、上記円柱状碍子２４の外周面には、ＴｉＮ等の導電性皮膜２４ａが形成されていると共に放電ギャップとしてマイクロギャップ２４ｂが複数本形成されて導電性皮膜２４ａが分割されている。

この第２実施形態のサージアブソーバ２１でも、キャップ電極２９に、ガラス管２の内面に当接すると共にガラス管２の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部２９ａが形成されるので、接触部２９ａがガラス管２の内面と線接触すると共にガラス管２の内面との軸方向における接触角が９０°未満となることで、接触面積を小さくすると共に熱膨張率差で生じる応力の向きをクラックがガラス管２の外面へ達しない方向に制御してサージ耐量の低下を抑制することができる。

次に、本発明に係るサージアブソーバを、上記実施形態に基づいて実際に作製した実施例により評価した結果を具体的に説明する。

上記第１実施形態のサージアブソーバ１であって、板状碍子４として最大幅２．５ｍｍ（両端部の幅）、最小幅１ｍｍ（中間部の幅）、厚さ０．５ｍｍ、長さ３ｍｍとした寸法で、さらに接触部４ｃが球面形状とされたものをアルミナにより作製し、内径２．５ｍｍのガラス管２に封入したものを実施例として作製し、サージ耐量を測定して評価した。

また、比較例のサージアブソーバ３１であって、図５に示すように、板状碍子３４として幅２．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、長さ３ｍｍとした寸法で、さらに接触部３４ｃが角型で略平坦面形状とされたものをアルミナにより作製し、同様に内径２．５ｍｍのガラス管２に封入したものを作製し、サージ耐量を測定して評価した。

なお、サージ耐量の測定条件は、８／２０μｓ波形のインパルス電流を３回印加し、破壊しない最大の電流値をサージ耐量とした。これら測定した結果を以下の表１に示す。

これら評価の結果、比較例では、サージ耐量が２８００Ａであったのに対し、実施例のサージ耐量は３４００Ａであり、より高いサージ耐量が得られていることがわかる。このように、実施例では、接触部３４ｃが凸形状であってガラス管２の内面に点接触すると共にガラス管２の内面との軸方向における接触角が９０°未満となることで、接触面積が小さくなると共にクラックの進行方向を制御でき、サージ耐量の増加が確認された。

なお、本発明の技術範囲は上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可能である。

１，２１，３１…サージアブソーバ、２…ガラス管、３…封止電極、４，３４…板状碍子、４ａ…板状碍子の両端部、４ｂ…板状碍子の中間部、４ｃ，１４ｃ，２９ａ，３４ｃ…接触部、７…トリガ部、２４…円柱状碍子、２９…キャップ電極

Claims (3)

1. ガラス管と、
   該ガラス管の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極と、
   両端に直接又はキャップ電極を介して前記一対の封止電極を配して前記ガラス管内に収納された碍子と、を備え、
   前記碍子又は前記キャップ電極に、前記ガラス管の内面に当接すると共に前記ガラス管の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部が形成され、
   前記接触部が、前記ガラス管の内面に点接触する球面形状とされていることを特徴とするサージアブソーバ。
2. 請求項１に記載のサージアブソーバにおいて、
   前記碍子が、板状碍子とされていると共に両端部が前記ガラス管の端部の内径と同じ幅とされ、
   前記接触部が、前記碍子の両端部に形成されていることを特徴とするサージアブソーバ。
3. ガラス管内に碍子又は該碍子の両端にキャップ電極を配したものを収納すると共に前記ガラス管の両端開口部を一対の封止電極で閉塞し、放電ガスを内部に封止して組み立て状態とする工程と、
   前記組み立て状態のまま加熱して前記ガラス管を軟化状態とすると共に前記ガラス管の内圧よりも外圧を低くして軟化した前記ガラス管の中間部を外側に膨出させる工程と、を有し、
   前記碍子又は前記キャップ電極に、前記ガラス管の内面に当接すると共に前記ガラス管の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部を形成しておき、
   前記接触部を、前記ガラス管の内面に点接触する球面形状とすることを特徴とするサージアブソーバの製造方法。