JP6562269B2 - サージ防護素子 - 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防護素子に関する。

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、いわゆるサージアブソーバと言われるサージ防護素子が接続されている。
例えば、このサージ防護素子としては、対向した電極を密閉空間内に保持し、その空間に各種ガスを封止し、電極間の放電によって異常電圧をアースに流す避雷器（アレスタ）等がある。

従来のサージ防護素子として、通信線のサージ対策などで複数のアレスタを使用しなければならない状況下においては、アレスタの複合素子である３極管などを用いて、線間や線−対地間のサージ対策としている。例えば特許文献１及び２には、同一空間内に３つの電極を配置した３極管が提案されている。また、特許文献３には、異なる寸法の放電ギャップの内部が独立した室になった避雷管が提案されている。

国際公開第２０１１／１４８７８０号 特開２０１０−２１８６９９号公報 特開昭６０−１２４３８１号公報（第９図）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
特許文献１及び２に記載の技術では、各電極間隔と、使用する共通のガスとがその放電電圧を決定するパラメータであり、独立してパラメータを選択できないことから、設計の自由度が比較的小さいという不都合があった。また、特許文献３に記載の技術では、各素子について個々にパラメータを選択することができるが、多極化する場合に直線的に素子を配置して連結する必要があり、素子全体が長くなって大きなアスペクト比を持たざるを得ず、使用対象や設置状況が限定されてしまう問題があった。また、電極間隔は使用部材の設定によって比較的自由に選択できるが、封止時に加熱を伴うプロセスが必要であり、各放電空間に異なるガスを封入しようとする場合、何度も加熱するか、あるいは溶融温度の異なるロウ材を使用する必要があり、実際には実現性が低い。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、複数のアレスタ部を備え、ガス種等のパラメータの組み合わせを個別に選択可能であり、多極化の設計自由度が高いサージ防護素子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、第１の発明に係るサージ防護素子は、筒状の金属製の外側ステム部材と、前記外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部と、前記外側ステム部材上に固定され複数の前記内側素子部の上部を気密に封止する金属製の外側キャップとを備え、前記内側素子部が、前記外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された筒状の金属製の内側ステム部材と、前記内側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一対のリード線と、前記内側ステム部材上に固定され前記リード線の先端側を気密に封止する金属製の内側キャップとを備えていることを特徴とする。

本発明のサージ防護素子では、筒状の金属製の外側ステム部材と、外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部と、外側ステム部材上に固定され複数の内側素子部の上部を気密に封止する金属製の外側キャップとを備えているので、複数の内側素子部と、内側素子部の内側キャップを電極とした外側の素子部とで、それぞれ個別にアレスタ部として機能する。すなわち、内蔵する複数の内側素子部だけでなく、複数の内側素子部自体を電極としてアレスタ部が構成され、複数のアレスタ部を一体化することができる。したがって、外側キャップ内に封入するガス種や内側素子部毎に封入するガス種、又は各内側素子部の配置や寸法等のパラメータを、上記アレスタ部毎に独自に選択可能であり、高い設計自由度を得ることができる。

第２の発明のサージ防護素子は、第１の発明において、前記内側キャップ内及び前記外側キャップ内にガスが封入され、前記内側キャップ内に封入されたガスと、前記外側キャップ内に封入されたガスとが、互いに異なる種類であることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、内側キャップ内に封入されたガスと、外側キャップ内に封入されたガスとが、互いに異なる種類であるので、異なるガス種の設定によって内側素子部と外側の素子部とで異なる放電特性を個別に設定することが可能になる。

第３の発明のサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、複数の前記内側素子部のうち、少なくとも一つの前記内側キャップ内に封入されたガスが、他の前記内側素子部の前記内側キャップ内に封入されたガスと異なる種類であることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、複数の内側素子部のうち、少なくとも一つの内側キャップ内に封入されたガスが、他の内側素子部の内側キャップ内に封入されたガスと異なる種類であるので、異なるガス種の設定によって異なる放電特性の内側素子部を内蔵することが可能になる。

第４の発明のサージ防護素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、複数の前記内側素子部のうち、少なくとも一つの一対の前記リード線の間隔が、他の前記内側素子部の一対の前記リード線の間隔と異なることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、複数の内側素子部のうち、少なくとも一つの一対のリード線の間隔が、他の内側素子部の一対のリード線の間隔と異なるので、電極間隔が異なる内側素子部により、異なる放電特性の内側素子部を内蔵することができる。

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防護素子によれば、筒状の金属製の外側ステム部材と、外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部と、外側ステム部材上に固定され複数の内側素子部の上部を気密に封止する金属製の外側キャップとを備えているので、複数の内側素子部と、内側素子部の内側キャップを電極とした外側の素子部とで、それぞれ個別にアレスタ部として機能する。
したがって、外側キャップ内に封入するガス種や内側素子部毎に封入するガス種、又は各内側素子部の配置や寸法等のパラメータを、上記アレスタ部毎に独自に選択可能であり、高い設計自由度を得ることができる。
これにより、用途の異なるアレスタ部を一体化することができ、例えば電源用とＥＳＤ対策用とをアレイ化することが可能になる。

本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態を示す斜視図である。

以下、本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を、図１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防護素子１は、図１に示すように、円筒状の金属製の外側ステム部材２と、外側ステム部材２内に封着ガラスＧで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部３Ａ，３Ｂと、外側ステム部材２上に固定され複数の内側素子部３Ａ，３Ｂの上部を気密に封止する金属製の外側キャップ４とを備えている。

上記内側素子部３Ａ，３Ｂは、外側ステム部材２内に封着ガラスＧで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された円筒状の金属製の内側ステム部材５Ａ，５Ｂと、内側ステム部材５Ａ，５Ｂ内に封着ガラスＧで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一対のリード線６Ａ，６Ｂと、内側ステム部材５Ａ，５Ｂ上に固定されリード線６Ａ，６Ｂの先端側を気密に封止する金属製の内側キャップ７Ａ，７Ｂとを備えている。

上記外側キャップ４内及び各内側キャップ７Ａ，７Ｂ内には、それぞれ真空又は放電制御ガスが封入されている。
例えば、上記内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスと、外側キャップ４内に封入されたガスとが、互いに異なる種類に設定されている。
また、複数の内側素子部３Ａ，３Ｂのうち、少なくとも一つの内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスを、他の内側素子部３Ａ，３Ｂの内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスと異なる種類に設定しても構わない。
なお、上記放電制御ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、ＳＦ_６、ＣＯ_２、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、Ｈ_２、Ｎ_２、空気及びこれらの混合ガスが選択可能である。

上記外側キャップ４及び内側キャップ７Ａ，７Ｂは、例えば洋白等で上部が閉塞された円筒状に形成され、表面にＮｉメッキしたもの等が採用可能である。
外側ステム部材２及び内側ステム部材５Ａ，５Ｂは、例えば鉄ニッケル合金等で形成されている。
内側キャップ７Ａ，７Ｂは、真空引き又はガス置換した後に下部が内側ステム部材５Ａ，５Ｂ上に圧入、ロウ付け、コールドウェルド(冷間圧接)、電気溶接等で接合され、内側ステム部材５Ａ，５Ｂ内に低融点ガラスの封着ガラスＧでハーメチック溶接されたリード線６Ａ，６Ｂと電気的に絶縁されてハーメチックシール構造となっている。

また、外側キャップ４は、真空引き又はガス置換した後に下部が外側ステム部材２上に圧入、ロウ付け、コールドウェルド(冷間圧接)、電気溶接等で接合され、外側ステム部材２内に低融点ガラスの封着ガラスＧでハーメチック溶接された内側素子部３Ａ，３Ｂの内側ステム部材５Ａ，５Ｂと電気的に絶縁されてハーメチックシール構造となっている。
なお、外側キャップ４及び外側ステム部材２は、内側キャップ７Ａ，７Ｂ及び内側ステム部材５Ａ，５Ｂを内蔵可能な内径を有している。

このように、内側キャップ７Ａ，７Ｂを内側ステム部材５Ａ，５Ｂに固定する際、及び外側キャップ４を外側ステム部材２に固定する際、加熱工程が不要になるため、それぞれ封止する放電制御ガスの圧力を高め易く、良好な応答電圧を得やすくなるとともに、高電圧化（高Ｖｓ化）も容易である。
また、加熱工程が不要になるため、使用している部材の熱による変性や脱ガスが起こり難くなり、想定外の放電現象が起こり難くなる。

なお、外側キャップ４や内側キャップ７Ａ，７Ｂの内周面には、トリガー部を形成しても構わない。このトリガー部は、例えば炭素材で形成されたカーボントリガであって、線状や楕円膜状などに形成される。

このように、本実施形態のサージ防護素子１では、複数のアレスタ部を内蔵した構造を有している。すなわち、本実施形態のサージ防護素子１は、一対のリード線６Ａ，６Ｂを電極とした各内側素子部３Ａ，３Ｂによる複数の内側アレスタ部と、隣接する内側素子部３Ａ，３Ｂの内側キャップ７Ａ，７Ｂ同士を電極とした外側アレスタ部とを有している。
例えば、内側アレスタ部である各内側素子部３Ａ，３Ｂを静電気対策用とすると共に、外側アレスタ部を電源用とし、異なる用途に用いることが可能である。

このように第１実施形態のサージ防護素子１では、筒状の金属製の外側ステム部材２と、外側ステム部材２内に封着ガラスＧで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部３Ａ，３Ｂと、外側ステム部材２上に固定され複数の内側素子部３Ａ，３Ｂの上部を気密に封止する金属製の外側キャップ４とを備えているので、複数の内側素子部３Ａ，３Ｂと、内側素子部３Ａ，３Ｂの内側キャップ７Ａ，７Ｂを電極とした外側の素子部とで、それぞれ個別にアレスタ部として機能する。

すなわち、内蔵する複数の内側素子部３Ａ，３Ｂだけでなく、複数の内側素子部３Ａ，３Ｂ自体を電極としてアレスタ部が構成され、複数のアレスタ部を一体化することができる。したがって、外側キャップ４内に封入するガス種や内側素子部３Ａ，３Ｂ毎に封入するガス種、又は各内側素子部３Ａ，３Ｂの配置や寸法等のパラメータを、上記アレスタ部毎に独自に選択可能であり、高い設計自由度を得ることができる。

また、内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスと、外側キャップ４内に封入されたガスとを、互いに異なる種類に設定することで、異なるガス種の設定によって内側素子部３Ａ，３Ｂと外側の素子部とで異なる放電特性を個別に設定することが可能になる。
さらに、複数の内側素子部３Ａ，３Ｂのうち、少なくとも一つの内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスを、他の内側素子部３Ａ，３Ｂの内側キャップ７Ａ，７Ｂ内に封入されたガスと異なる種類に設定することで、異なるガス種の設定によって異なる放電特性の内側素子部３Ａ，３Ｂを内蔵することが可能になる。

次に、本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態について、図２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、同じ形状の内側素子部３Ａ，３Ｂを内蔵しているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子２１は、図２に示すように、複数の内側素子部２３Ａ，２３Ｂのうち、一つの内側素子部２３Ａの一対のリード線２６Ａの間隔ｄ１が、他の内側素子部２３Ｂの一対のリード線２６Ｂの間隔ｄ２と異なる点である。

すなわち、第２実施形態は、内側素子部２３Ａの一対のリード線２６Ａの間隔ｄ１は、内側素子部２３Ｂの一対のリード線２６Ｂの間隔ｄ２よりも広く設定されている。
このように第２実施形態のサージ防護素子２１では、内側素子部２３Ａの一対のリード線２６Ａの間隔ｄ１が、内側素子部２６Ｂの一対のリード線２６Ｂの間隔ｄ２と異なるので、電極間隔が異なる内側素子部２３Ａ，２３Ｂにより、異なる放電特性の内側素子部２３Ａ，２３Ｂを内蔵することができる。

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。

例えば、上記各実施形態では、いずれも同じ太さのリード線を採用しているが、複数の内側素子部のうち少なくとも一つで、他と異なる太さのリード線を採用しても構わない。なお、リード線を太くすることで放電電流を大きく取れ、高耐量のアレスタ部を構成することが可能である。
また、上記各実施形態のサージ防護素子では、２つの内側素子部を内蔵しているが、３以上の内側素子部を備えても構わない。

１，２１…サージ防護素子、２…外側ステム部材、３Ａ，３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ…内側素子部、４…外側キャップ、５Ａ，５Ｂ…内側ステム部材、６Ａ，６Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ…リード線、７Ａ，７Ｂ…内側キャップ、ｄ１，ｄ２…リード線の間隔、Ｇ…封着ガラス

Claims (4)

1. 筒状の金属製の外側ステム部材と、
   前記外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された複数の内側素子部と、
   前記外側ステム部材上に固定され複数の前記内側素子部の上部を気密に封止する金属製の外側キャップとを備え、
   前記内側素子部が、前記外側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された筒状の金属製の内側ステム部材と、
   前記内側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一対のリード線と、
   前記内側ステム部材上に固定され前記リード線の先端側を気密に封止する金属製の内側キャップとを備えていることを特徴とするサージ防護素子。
2. 請求項１に記載のサージ防護素子において、
   前記内側キャップ内及び前記外側キャップ内にガスが封入され、
   前記内側キャップ内に封入されたガスと、前記外側キャップ内に封入されたガスとが、互いに異なる種類であることを特徴とするサージ防護素子。
3. 請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
   前記内側キャップ内にガスが封入され、
   複数の前記内側素子部のうち、少なくとも一つの前記内側キャップ内に封入されたガスが、他の前記内側素子部の前記内側キャップ内に封入されたガスと異なる種類であることを特徴とするサージ防護素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のサージ防護素子において、
   複数の前記内側素子部のうち、少なくとも一つの一対の前記リード線の間隔が、他の前記内側素子部の一対の前記リード線の間隔と異なることを特徴とするサージ防護素子。

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