JP5829779B1 - サージ吸収素子 - Google Patents

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Abstract

サージ吸収素子は、バリスタ基体と、前記バリスタ基体の両端面に電気的に接続されて前記バリスタ基体を挟持する一対の電極と、前記一対の電極の各々に電気的に接続する外部リードと、前記電極を被覆する外装部材と、前記一対の電極の間に設けられ、かつ前記バリスタ基体が発生する熱によって不可逆的に膨張して前記一対の電極のうち少なくとも一方を前記バリスタ基体から引き離す熱膨張体と、を備える。前記熱膨張体が膨張を開始する温度は、例えば、180℃以上である。

Description

本発明は、電子部品及び電子部品が実装された回路をサージ電圧から保護するサージ吸収素子に関する。
サージ吸収素子は、一定値以上の高電圧が印加されたときにサージ電流を流し、後段の回路を保護する機能を有する。サージ吸収素子は、一般に、ZnO等のバリスタ基体の両端に一対の電極が取り付けられ、各々の電極から外部リードが引き出され、さらにバリスタ基体及び電極が外装部材で覆われる構造となっている。
バリスタ基体は、電流が流れることにより動作開始電圧が低下する。すなわち、バリスタ基体は、電流が流れることによりサージ吸収素子の機能が劣化し、徐々にショート(短絡)状態に近づく。このため、サージ吸収素子は、バリスタ基体に過大なサージ電圧が何度も印加されて劣化が進行すると、最終的にはショート(短絡)故障となる。
例えば、特許文献1には、電子部品を保護する目的で使用するサージ電圧吸収用の金属酸化物バリスタ(サージ吸収素子)にバイメタルを内蔵した機能を有するバイメタル付金属酸化物バリスタが記載されている。
実開平1−86202号公報
特許文献1に記載されたバイメタル付金属酸化物バリスタは、金属酸化物を含むバリスタ基体に定格以上のサージ電圧が印加されると、バリスタ基体の発熱によりバイメタルが変形してオープン(開放)状態となり、金属酸化物バリスタに流れる電流を遮断する。その後、電流が遮断されると金属酸化物バリスタが自然冷却され、バイメタルが元に戻ってショート(短絡)状態に復帰し、再びサージ吸収素子の機能を回復する。
しかしながら、特許文献1に記載されたバイメタル付金属酸化物バリスタは、バリスタ基体自体の劣化を食い止めるものではない。そのため、金属酸化物バリスタが自然冷却されるとバイメタルが元に戻ってショート(短絡)状態に復帰するので、金属酸化物バリスタ(サージ吸収素子)に定格以上のサージ電圧が印加されて電流が繰り返し流れてショート(短絡)故障が発生し、金属酸化物バリスタの温度上昇を招く可能性があった。
本発明は、サージを吸収する機能が劣化したサージ吸収素子に電流が流れることを抑制することを目的とする。
本発明は、バリスタ基体と、前記バリスタ基体の両端面に電気的に接続されて前記バリスタ基体を挟持する一対の電極と、前記一対の電極の各々に電気的に接続する外部リードと、前記電極を被覆する外装部材と、前記一対の電極の間に設けられ、かつ前記バリスタ基体が発生する熱によって不可逆的に膨張して前記一対の電極のうち少なくとも一方を前記バリスタ基体から引き離す熱膨張体と、を備え、前記熱膨張体は、冷却後も膨張した状態を維持することを特徴とするサージ吸収素子である。
本発明は、サージ吸収素子のサージを吸収する機能が劣化した状態におけるショート(短絡)故障の発生を抑制することができる。
図1は、実施の形態1に係るサージ吸収素子を示す断面図である。 図2は、実施の形態1に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す断面図である。 図3は、実施の形態2に係るサージ吸収素子を示す部分断面図である。 図4は、実施の形態2に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す部分断面図である。 図5は、実施の形態3に係るサージ吸収素子を示す部分断面図である。 図6は、実施の形態3に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す部分断面図である。
本発明を実施するための形態(実施の形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るサージ吸収素子を示す断面図である。図2は、実施の形態1に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す断面図である。
サージ吸収素子10は、一定値以上の高電圧が印加されたときにサージ電流を流す機能、すなわちサージ吸収機能を有している。図1及び図2に示すように、実施の形態1のサージ吸収素子10は、バリスタ基体11と、一対の電極12a,12bと、外部リード13a,13bと、外装部材15a,15bと、熱膨張体14と、を備えている。
バリスタ基体11は、例えば、ZnO又はSrTiO等の金属酸化物を含むが、バリスタ基体11に用いることができる材料は、前述した金属酸化物に限定されるものではない。バリスタ基体11は、一対の端面11Ta、11Tbと、側部11Sとを有する。を接続する。一対の端面11Ta、11Tbは、互いに対向する。側部11Sは、一対の端面11Ta,11Tbを接続する。
一対の電極12a,12bは、それぞれが、バリスタ基体11の両端面11Ta、11Tbに電気的に接続する。具体的には、電極12aがバリスタ基体11の端面11Taと電気的に接続され、電極12bがバリスタ基体11の端面11Tbと電気的に接続される。このような構造により、一対の電極12a,12bは、バリスタ基体11を挟持し、かつ電気的に接続されていない。
外部リード13a,13bは、それぞれが、一対の電極12a,12bの各々に電気的に接続する。外装部材15a,15bは、一対の電極12a,12bを被覆する。
バリスタ基体11と電極12bとは、例えば、導電性接着剤等により接着されて電気的に接続される。バリスタ基体11と電極12aとは、例えば、導電性ペースト等により、引き離し可能かつ電気的に接続されている。本実施の形態において、バリスタ基体11及び電極12bと、バリスタ基体11及び電極12aとの少なくとも一方が、引き離し可能かつ電気的に接続されていればよい。このため、バリスタ基体11及び電極12bと、バリスタ基体11及び電極12aとの両方が、例えば、導電性ペースト等によって電気的に接続されていてもよい。
熱膨張体14は、バリスタ基体11の側部11Sに配置されて一対の電極12a,12bの間に設けられて、一対の電極12a,12bに挟持される。熱膨張体14は、バリスタ基体11が発生する熱によって不可逆的に膨張して、一対の電極12a,12bのうち少なくとも一方をバリスタ基体11から引き離す。本実施の形態においては、電極12bがバリスタ基体11に接着され、電極12aがバリスタ基体11に導電性ペースト等により接続されているので、熱膨張体14が膨張することにより、電極12aがバリスタ基体11から引き離される。前述したように、電極12bがバリスタ基体11から引き離されてもよいし、電極12a,12bの両方がバリスタ基体11から引き離されてもよい。
例えば、バリスタ基体11が劣化し、動作開始電圧が低下して短絡故障状態となった結果、バリスタ基体11に大電流が流れることによりバリスタ基体11が熱を発生する。このようにして発生した熱が熱膨張体14に伝わることにより、熱膨張体14は、不可逆的に膨張(熱膨張)して電極12aをバリスタ基体11から引き離す。
熱膨張体14は、バリスタ基体11の側部11Sに巻き付ける形で配置される。熱膨張体14は、例えば、絶縁性の接着剤等により電極12a及び電極12bに接着されている。外装部材15a,15bは、例えば樹脂であり、電極12a,12bを覆い、かつ熱膨張体14の一部を覆う。このように、本実施の形態において、外装部材15a,15bは、熱膨張体14の一部を被覆しているが、熱膨張体14のすべては被覆しない。このため、外装部材15a,15bに被覆されていない熱膨張体14の部分は、サージ吸収素子10の外部から視認可能である。また、熱膨張体14は、後述するように熱によって膨張するが、外装部材15a,15bは、熱膨張体14のすべてを被覆しないので、熱膨張体14の膨張の阻害が抑制される。
熱膨張体14は、例えば、熱によって不可逆的に膨張可能な樹脂である。熱によって不可逆的に膨張可能な樹脂としては、例えば、住友スリーエム社製のAF−3024が用いられる。熱によって不可逆的に膨張可能な樹脂の熱膨張体14は、予め定められた温度に達すると、内部に複数の気孔が形成されて発泡状態となり膨張して、外形の寸法が増大する。熱膨張体14は、内部に一旦複数の気孔が形成されると、冷却後も体積が減少しない。このように、熱膨張体14は、不可逆的に膨張する。すなわち、熱膨張体14は、一旦膨張すると、膨張した状態を維持する。
熱膨張体14が不可逆的に膨張して外形の寸法が大きくなると、一対の電極12a,12b同士の距離が大きくなる。その結果、熱膨張体14は、図2に示すように、電極12aをバリスタ基体11から引き離し、バリスタ基体11と電極12aとの間に絶縁空隙16を形成する。電極12aがバリスタ基体11から引き離されると、サージ吸収素子10は、オープン(開放)状態となるため、一対の電極12a,12bに電圧が印加されても、バリスタ基体11に電流は流れない。
バリスタ基体11に過大なサージ電圧が何度も印加されて過大な電流が何度も流れると、バリスタ基体11が劣化し動作開始電圧が低下して短絡故障状態に近づく。すなわち、サージ吸収素子10は、サージ吸収機能が劣化する。バリスタ基体11が短絡故障状態に近づくと、動作開始電圧が低下するので、サージ吸収素子10が電源ラインの相間に接続されているような場合には、バリスタ基体11に電流が流れて発熱し、温度が上昇する。その結果、サージ吸収素子10、より具体的には外装部材15a,15bの温度が上昇する。
熱膨張体14は、劣化したバリスタ基体11に流れる電流によるバリスタ基体11の発熱によって不可逆的に膨張する。このため、サージ吸収素子10は、熱膨張体14が一旦膨張すると、図2に示すように、バリスタ基体11と電極12aとの間に絶縁空隙16が形成された状態を維持する。このため、サージ吸収素子10は、熱膨張体14が一旦膨張すると、オープン(開放)状態が維持される。サージ吸収素子10は、熱膨張体14が膨張した後において、バリスタ基体11に電流が流れないので、サージ吸収機能が低下した状態において、サージ吸収素子10が取り付けられた電源ライン、回路又は機器類のショート(短絡)故障の発生を抑制することができる。また、サージ吸収素子10は、サージ吸収機能が低下した状態において、バリスタ基体11及び外装部材15a,15bの温度上昇が抑制される。
熱膨張体14が不可逆的な膨張を開始する温度を膨張開始温度と称する。熱膨張体14は、膨張開始温度(例えば180℃)以上になったときに不可逆的に膨張する。膨張開始温度は、熱によって不可逆的に膨張可能な樹脂の仕様によって異なるので、前述した180℃に限定されるものではない。膨張開始温度は、例えば、外装部材15a,15bの耐熱温度以下であることが好ましく、外装部材15a,15bの耐熱温度以下よりも5℃から10℃程度低いことがより好ましい。熱膨張体14に用いられる膨張可能な樹脂の仕様及び外装部材15a,15bの仕様の少なくとも一方を変更することで、膨張開始温度を外装部材15a,15bの耐熱温度以下とすることができる。
サージ吸収素子10は、サージ吸収機能が劣化した状態になると、熱膨張体14が不可逆的に膨張して、安全側のオープン(開放)状態が維持される。その結果、サージ吸収機能が劣化したサージ吸収素子10には電流が流れなくなるので、サージ吸収素子10が取り付けられた回路又は機器類のショート(短絡)故障の発生を抑制することができる。また、サージ吸収素子10は、サージ吸収機能が劣化した状態でバリスタ基体11に電流が流れ続けることを抑制できる。その結果、サージ吸収素子10は、温度上昇が抑制されるので、安全性が向上する。さらに、熱膨張体14は、外装部材15a,15bの耐熱温度以下で不可逆的に膨張するので、外装部材15a,15bを耐熱温度以下で使用することができる。
本実施の形態において、熱膨張体14は、熱によって不可逆的に膨張する樹脂が用いられるが、熱によって不可逆的に膨張するものであれば、樹脂に限定されるものではない。例えば、熱膨張体14は、膨張開始温度以上になると一対の電極12a,12b同士の距離を大きくするように変形する形状記憶合金であってもよい。また、熱膨張体14は、塑性変形する材料で作られた容器に封入された気化物質又は熱膨張係数の大きい材料のような構造体であってもよい。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係るサージ吸収素子を示す部分断面図である。図4は、実施の形態2に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す部分断面図である。
図3及び図4に示すように、サージ吸収素子20は、バリスタ基体21と、一対の電極22a,22bと、外部リード23a,23bと、外装部材25a,25bと、を備えている。バリスタ基体21は、実施の形態1に係るサージ吸収素子10が備えるバリスタ基体11と同様の形状及び機能を有する。
サージ吸収素子20が、実施の形態1のサージ吸収素子10と異なるところは、熱膨張体24の形状及び機能である。熱膨張体24は、柱状の部材であり、一対の電極22a,22bの間に屈曲部24Bを有している。屈曲部24Bは、S字状に屈曲している。屈曲部24Bは、サージ吸収素子20の外側からは見えない屈曲した部分の内側に、マーク24aが設けられている。マーク24aは、サージ吸収素子20が備えるバリスタ基体21が劣化した結果、サージ吸収素子20がオープン(開放)状態になったことを示す。
本実施の形態において、サージ吸収素子20は、複数の熱膨張体24を備える。複数の熱膨張体24は、一対の電極22aと電極22bとの間に挟持され、かつバリスタ基体21の側部21Sの外側に配置されている。バリスタ基体21の端面21Ta,21Tbと直交する方向からサージ吸収素子20を見た場合、複数の熱膨張体24aは、バリスタ基体21の側面21Sが延びる方向に沿って、それぞれ略等間隔で配置されることが好ましい。このようにすることで、複数の熱膨張体24aが不可逆的に膨張した場合、一対の電極22aと電極22bとの距離を均等に大きくすることができる。その結果、電極22a又は電極22bがバリスタ基体21から確実に引き離される。
複数の熱膨張体24の数は限定されるものではないが、サージ吸収素子20は、少なくとも3個の熱膨張体24を備えることが好ましい。このようにすれば、複数の熱膨張体24が不可逆的に膨張したときにおける電極22a又は電極22bの傾きが抑制されるので、電極22a又は電極22bがバリスタ基体21から確実に引き離されて、サージ吸収素子20が確実にオープン(開放)状態となる。
バリスタ基体21の劣化が進行すると、サージ吸収素子20は動作開始電圧が低下して短絡故障状態に近づく。この状態で、バリスタ基体21に電流が流れて熱膨張体24の温度が膨張開始温度以上になると、熱膨張体24が不可逆的に膨張して屈曲部21Bが伸びる。熱膨張体24が不可逆的に膨張することにより、電極22aがバリスタ基体21から引き離され、バリスタ基体21と電極22aとの間に絶縁空隙26が形成される。
熱膨張体24の屈曲部24Bが伸びると、屈曲した部分の内側に設けられたマーク24aが熱膨張体24の外側から見えるようになるので、サージ吸収素子20は、オープン(開放)状態になったことをユーザーに知らせることができる。熱膨張体24の材質及び膨張開始温度は、実施の形態1で説明した熱膨張体14と同等である。
このように、サージ吸収素子20は、実施の形態1のサージ吸収素子10と同様な作用及び効果を奏する。さらに、サージ吸収素子20は、ユーザーにオープン(開放)状態になったことを知らせることができ、さらにサージ吸収素子20の交換を促すことができる。新しいサージ吸収素子20に交換されることにより、後段の回路をサージ電圧から確実に保護することができる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に係るサージ吸収素子を示す部分断面図である。図6は、実施の形態3に係るサージ吸収素子のオープン状態を示す部分断面図である。
図5及び図6に示すように、サージ吸収素子30は、バリスタ基体31と、一対の電極32a,32bと、外部リード33a,33bと、外装部材35a,35bと、熱膨張体34と、を備えている。サージ吸収素子30が備えるバリスタ基体31は、実施の形態1のサージ吸収素子10と同様の形状及び機能を有する。
サージ吸収素子30が、実施の形態1のサージ吸収素子10と異なるところは、一対の電極32a,32b又は外装部材35a,35bの各々に、熱膨張体34を覆うカバー34a,34bが取り付けられている点である。
カバー34a,34bは、一対の電極32a,32bの、互いに向かい合う面に設けられている。カバー34aは、電極32aに取り付けられ、カバー34bは、電極32bに取り付けられている。カバー34a,34bは、例えば、各々の電極32a,32bを折り曲げることにより電極32a,32bと一体で形成されてもよいし、各々の電極32a,32bとは別部材として、各々の電極32a,32bに取り付けられてもよい。カバー34a,34bは、外装部材35a,35bの各々に取り付けられてもよい。
カバー34a,34bは、一対の電極32a,32bに挟持された熱膨張体34の外側に設けられている。図5に示すように、カバー34aとカバー34bとは、電極32a,32bに取り付けられている部分とは反対側の端部が、互いに重なっている。このような構造により、カバー34a,34bは熱膨張体34を覆う。カバー34a,34bは、熱膨張体34が不可逆的に膨張して一対の電極32a,32b間の距離が大きくなった場合に、電極32a,32bに取り付けられている部分とは反対側の端部が開くようになっている。
バリスタ基体31の劣化が進行すると、サージ吸収素子30は動作開始電圧が低下して短絡故障状態に近づく。この状態で、バリスタ基体31に電流が流れて熱膨張体34の温度が膨張開始温度以上になると、熱膨張体34が不可逆的に膨張する。熱膨張体34が不可逆的に膨張することにより、電極32aがバリスタ基体31から引き離され、バリスタ基体31と電極32aとの間に絶縁空隙36が形成される。
熱膨張体34が膨張すると、カバー34aとカバー34bとの間が開き、熱膨張体34が外側から見えるようになるので、サージ吸収素子30は、オープン(開放)状態になったことをユーザーに知らせることができる。熱膨張体34の材質及び膨張開始温度は、実施の形態1で説明した熱膨張体14と同等である。
このように、サージ吸収素子30は、実施の形態1のサージ吸収素子10と同様の作用及び効果を奏する。さらに、サージ吸収素子30は、ユーザーに、サージ吸収素子30がオープン(開放)状態になったことを知らせるとともに、サージ吸収素子30の交換を促すことができる。新しいサージ吸収素子30に交換されることにより、後段の回路がサージ電圧から確実に保護される。
熱膨張体34は、カバー34a,34b側が、カバー34a,34b及び外装部材35a,35bの少なくとも一方とは異なる色であることが好ましい。このようにすると、カバー34a,34bが開いたときに、熱膨張体34とカバー34a,34b及び外装部材35a,35bの少なくとも一方とが異なる色であることから、ユーザーは熱膨張体34を視認しやすくなる。その結果、サージ吸収素子30は、ユーザーに、サージ吸収素子30がオープン(開放)状態になったことを確実に知らせることができる。
実施の形態1のサージ吸収素子10がオープン(開放)状態になったことをユーザーに知らせる手法としては、例えば、熱膨張体14の外面に、膨張開始温度以上になったときに色が変化する塗料を塗布したり、膨張開始温度以上になったときに色が変化する材料を熱膨張体14に用いたりすること等が挙げられる。
また、実施の形態1の熱膨張体14が熱によって膨張したことを検出するセンサーと、センサーが熱膨張体14の熱による膨張を検出したときの出力に基づいて警報を発する警報器とを、例えば、サージ吸収素子10の後段の回路に設けることにより、サージ吸収素子10がオープン(開放)状態になったことをユーザーに知らせてもよい。熱膨張体14が膨張したことを検出するセンサーは、例えば、熱膨張体14の長さを検出するセンサー、熱膨張体14の温度が膨張開始温度以上になったことを検出する温度センサー等である。警報器は、例えば、センサーが熱膨張体14の膨張を検出したときに、光及び音の少なくとも一方を発するものであってもよい。
以上、実施の形態1から実施の形態3を説明したが、前述した内容により実施の形態1から実施の形態3が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施の形態1から実施の形態3の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。
10,20,30 サージ吸収素子、11,21,31 バリスタ基体、12a,12b,22a,22b,32a,32b 電極、13a,13b,23a,23b,33a,33b 外部リード、14,24,34 熱膨張体、24a 故障表示マーク、34a,34b カバー、15a,15b,25a,25b,35a,35b 外装部材。

Claims (5)

  1. バリスタ基体と、
    前記バリスタ基体の両端面に電気的に接続されて前記バリスタ基体を挟持する一対の電極と、
    前記一対の電極の各々に電気的に接続する外部リードと、
    前記電極を被覆する外装部材と、
    前記一対の電極の間に設けられ、かつ前記バリスタ基体が発生する熱によって不可逆的に膨張して前記一対の電極のうち少なくとも一方を前記バリスタ基体から引き離す熱膨張体と、を備え、
    前記熱膨張体は、冷却後も膨張した状態を維持し、前記熱膨張体が膨張したとき、前記熱膨張体に設けられたマークが前記熱膨張体の外側から見えるようにしたことを特徴とするサージ吸収素子。
  2. バリスタ基体と、
    前記バリスタ基体の両端面に電気的に接続されて前記バリスタ基体を挟持する一対の電極と、
    前記一対の電極の各々に電気的に接続する外部リードと、
    前記電極を被覆する外装部材と、
    前記一対の電極の間に設けられ、かつ前記バリスタ基体が発生する熱によって不可逆的に膨張して前記一対の電極のうち少なくとも一方を前記バリスタ基体から引き離す熱膨張体と、を備え、
    前記熱膨張体は、冷却後も膨張した状態を維持し、前記熱膨張体が不可逆的に膨張する温度になったときに前記熱膨張体の色が変化する塗料が、前記熱膨張体の表面に塗布されていることを特徴とするサージ吸収素子。
  3. 前記一対の電極又は前記外装部材の各々に設けられて前記熱膨張体を覆うカバーを備え、
    前記熱膨張体が熱によって不可逆的に膨張したときに前記カバーが開き、前記熱膨張体を視認できるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載のサージ吸収素子。
  4. 前記熱膨張体が熱によって不可逆的に膨張したことを検出するセンサーと、
    前記センサーが前記熱膨張を検出したときの出力に基づいて警報を発する警報器と、
    を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のサージ吸収素子。
  5. 前記熱膨張体が膨張を開始する温度は、180℃以上であることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載のサージ吸収素子。
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