JP6750495B2 - サージ防護素子及びその製造方法 - 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防護素子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、液晶テレビおよびプラズマテレビ等の画像表示駆動回路等、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、サージ防護素子が接続されている。

従来、例えば特許文献１に示すように、一対の封止電極から対向状態に突出した一対の突出電極部を備え、絶縁性管の内面に放電補助部が形成されたアレスタ型のサージ防護素子が記載されている。このサージ防護素子では、一対の突出電極部の対向面に略直方体状の多数の穴部が略マトリクス状に配置形成され、各穴部内面に、イオン源材料として五酸化バナジウム−酸化亜鉛−酸化バリウム−二酸化テルル系ガラスが含有された被膜が形成されている。

このイオン源材料は、放電電圧の制御と電極保護の目的のために突出電極部の対向面に設けられている。また、上記多数の穴部は、イオン源材料の保持と塗布の均一化とを得るための凹凸として形成されている。すなわち、イオン源材料を突出電極部の対向面に形成した凹凸に付着させ、アンカー効果を利用して脱落を防止している。

実用新案登録第３１５１０６９号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、イオン源材料を突出電極部の対向面の凹凸に付着させているが、アーク耐性を向上させるために、さらに高い付着力でイオン源材料を形成することが要求されている。また、イオン源材料は、結晶化及び電極への付着力向上の目的で熱処理を施す必要があり、熱処理時にイオン源材料の塊が大きいほど、熱処理時に熱分解による脱水反応により蒸気等のガスが発生し、イオン源材料の膨れが生じる。この膨れの影響により、イオン源材料の密度が低下し、結晶化度が低下してしまう問題があった。このように結晶化度が低い場合、繰り返しサージによるイオン源材料の脱落や飛散、及びアーク放電に対する耐性を低下させる原因になっていた。また、熱処理時の温度を高く設定するほど結晶化度は向上するが、一度膨れてしまうと、密度が低下してイオン源材料の結晶化を阻害してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、イオン源材料の膨れを抑制可能であり、高い付着力と結晶化度とを得ることができるサージ防護素子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、第１の発明に係るサージ防護素子は、絶縁性管と、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、一対の前記突出電極部の対向面に、複数の縦穴部が形成されていると共に、一対の前記突出電極部の外周面に、少なくとも一つの前記縦穴部に連通した横穴部が形成され、一対の前記突出電極部の対向面に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が設けられ、前記放電活性層の少なくとも一部が、前記縦穴部内に埋め込まれていることを特徴とする。

このサージ防護素子では、一対の突出電極部の対向面に、複数の縦穴部が形成されていると共に、一対の突出電極部の外周面に、少なくとも一つの縦穴部に連通した横穴部が形成され、一対の突出電極部の対向面に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が設けられ、放電活性層の少なくとも一部が、縦穴部内に埋め込まれているので、放電活性層が縦穴部に入り込んで従来よりも高い付着力が得られる。また、突出電極部に付着したイオン源材料を熱処理して放電活性層を形成する際に、イオン源材料から発生する蒸気等が縦穴部に連通した横穴部を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層の結晶化度が向上する。

第２の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、複数の前記縦穴部のうち少なくとも一部が、前記突出電極部の軸方向に対して傾斜していることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、複数の縦穴部のうち少なくとも一部が、突出電極部の軸方向に対して傾斜しているので、軸方向に平行なものだけの場合に比べて、放電活性層のより高い付着力を得ることができる。

第３の発明に係るサージ防護素子の製造方法において、第１又は第２の発明のサージ防護素子を製造する方法であって、前記突出電極部の対向面に複数の縦穴部を形成すると共に、前記突出電極部の外周面に、少なくとも一つの前記縦穴部に連通した横穴部を形成する穴形成工程と、前記突出電極部の対向面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、前記放電活性層形成工程で、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を前記突出電極部の対向面に付着させる工程と、前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子の製造方法では、放電活性層形成工程で、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を突出電極部の対向面に付着させる工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性層を形成する工程とを有しているので、熱処理時にイオン源材料から発生する蒸気等が縦穴部に連通した横穴部を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層の結晶化度が向上する。

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及びその製造方法によれば、一対の突出電極部の対向面に、複数の縦穴部が形成されると共に、一対の突出電極部の外周面に、少なくとも一つの縦穴部に連通した横穴部が形成され、一対の突出電極部の対向面に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が設けられ、放電活性層の少なくとも一部が、縦穴部内に埋め込まれるので、放電活性層の高い付着力及び結晶化度が得られると共に、熱処理時の膨れの発生が抑制される。
したがって、本発明に係るサージ防護素子では、アーク放電に対する耐性が向上し、サージ耐量特性が向上すると共に安定した放電が可能になる。その結果、放電開始電圧の変動幅を小さくできると共に、電極損傷が低減でき、素子の高寿命化（作動可能なサージ印加数の増大）に寄与することができる。
特に、本発明に係るサージ防護素子は、大電流サージ耐性が要求されるインフラ用（鉄道関連、再生エネルギー関連（太陽電池、風力発電等））の電源及び通信設備に好適である。また、サージ耐量が向上しているため、素子の小型化も可能になり、小型電子機器及び実装基板への応用も可能になる。

本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第１実施形態を示す軸方向の断面図である。 第１実施形態において、突出電極部を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 第１実施形態において、突出電極部を示す軸方向の断面図である。 本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第２実施形態において、突出電極部を示す軸方向の断面図である。 本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第３実施形態において、突出電極部を示す軸方向の断面図である。

以下、本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第１実施形態を、図１から図４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、絶縁性管２と、絶縁性管２の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極３とを備えている。
上記一対の封止電極３は、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部５を有している。
上記一対の突出電極部５の対向面５ａには、図２から図４に示すように、複数の縦穴部６ａが形成されている。また、一対の突出電極部５の外周面５ｂには、少なくとも一つの縦穴部６ａに連通した横穴部６ｂが形成されている。

さらに、一対の突出電極部５の対向面５ａには、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層９が設けられ、放電活性層９の少なくとも一部が、縦穴部６ａ内に埋め込まれている。すなわち、放電活性層９が、縦穴部６ａ内まで入り込んだ状態で対向面５ａに形成されている。

上記縦穴部６ａは、図３に示すように、対向面５ａに互いに間隔を空けて突出電極部５の軸方向に沿って多数形成されている。なお、本明細書では、突出電極部５の軸方向を単に軸方向と記載している。
また、上記横穴部６ｂは、図３及び図４に示すように、複数の縦穴部６ａの底部に連通して対向面５ａに平行な方向（軸方向に垂直な方向）であって、軸線Ｃを中心とした放射状に延在して形成されている。

なお、本実施形態では、３本の横穴部６ｂが形成されているが、３本に限らず、１本でも構わないが、多くの本数とすることが好ましい。また、横穴部６ｂは、突出電極部５の軸方向において同じ位置でなくても構わず、異なる軸方向の位置に形成しても良い。
これら縦穴部６ａ及び横穴部６ｂは、機械加工により形成された微細穴である。
なお、本実施形態のサージ防護素子１は、絶縁性管２の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部４を備えている。

上記放電活性層９は、イオン源材料として、例えばＳｉ，Ｏを主成分元素とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいる。この放電活性層９は、例えばケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末を加えて前駆体を作製し、この前駆体を多孔質金属層８に塗布して付着させた後、前駆体に対してケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムが融解及び分解する温度以上の温度で熱処理を行うことで作製される。
なお、本実施形態では、放電活性層９を対向面５ａ上の中央部に形成している。

上記放電補助部４は、導電性材料であって、例えば炭素材で形成された放電補助部である。
なお、本実施形態では、放電補助部４は、絶縁性管２の内周面に軸線Ｃに沿って直線状に形成されている。
また、図１では、放電補助部４を軸線Ｃに沿った１本のみ図示しているが、周方向に互いに間隔を空けて複数本形成しても構わない。

上記封止電極３は、例えば４２アロイ（Ｆｅ：５８ｗｔ％、Ｎｉ：４２ｗｔ％）やＣｕ等で構成されている。
封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により加熱処理によって密着状態に固定されている円板状のフランジ部７を有している。このフランジ部７の内側に、内方に突出していると共に絶縁性管２の内径よりも外径の小さな円柱状の突出電極部５が一体に設けられている。

上記絶縁性管２は、アルミナなどの結晶性セラミックス材である。なお、絶縁性管２は、鉛ガラス等のガラス管で形成しても構わない。
上記導電性融着材は、例えばＡｇを含むろう材としてＡｇ−Ｃｕろう材で形成されている。
上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、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。

このサージ防護素子１を製造する方法は、突出電極部５の対向面５ａに複数の縦穴部６ａを形成すると共に、突出電極部５の外周面５ｂに、少なくとも一つの縦穴部６ａに連通した横穴部６ｂを形成する穴形成工程と、突出電極部５の対向面５ａに放電活性層９を形成する放電活性層形成工程とを有している。
上記放電活性層形成工程では、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を突出電極部５の対向面５ａに付着させる工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性層９を形成する工程とを有している。

すなわち、穴形成工程では、例えばドリル加工等の機械加工によって、突出電極部５の対向面５ａに一定間隔で複数の縦穴部６ａを所定深さで軸方向に形成すると共に、突出電極部５の外周面５ｂから複数の横穴部６ｂを複数の縦穴部６ａに連通するように対向面５ａに対して平行に形成する。
また、放電活性層形成工程では、イオン源材料を対向面５ａに塗布するとイオン源材料が縦穴部６ａ内に一部が浸入し、さらにイオン源材料を熱処理すると、イオン源材料から発生した蒸気等が縦穴部６ａに連通した横穴部６ｂを介して突出電極部５の外部へと放出される。そして、熱処理後は、イオン源材料が縦穴部６ａ内に入り込んだ状態で結晶化されて放電活性層９が形成される。

このように作製したサージ防護素子１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず放電補助部４と突出電極部５との間で初期放電が行われ、この初期放電をきっかけに、さらに放電が進展して、一方の突出電極部５の対向面５ａ各所から他方の突出電極部５側へアーク放電が行われる。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、一対の突出電極部５の対向面５ａに、複数の縦穴部６ａが形成されていると共に、一対の突出電極部５の外周面５ｂに、少なくとも一つの縦穴部６ａに連通した横穴部６ｂが形成され、一対の突出電極部５の対向面５ａに、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層９が設けられ、放電活性層９の少なくとも一部が、縦穴部６ａ内に埋め込まれているので、放電活性層９が縦穴部６ａに入り込んで従来よりも高い付着力が得られる。

また、このサージ防護素子１の製造方法では、放電活性層形成工程で、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を突出電極部５の対向面５ａに付着させる工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性層９を形成する工程とを有しているので、熱処理時にイオン源材料から発生する蒸気等が縦穴部６ａに連通した横穴部６ｂを介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層９の結晶化度が向上する。

次に、本発明に係るサージ防護素子の第２及び第３実施形態について、図５及び図６を参照して以下に説明する。なお、以下の各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、縦穴部６ａが全て軸方向に沿って形成されているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子では、図５に示すように、縦穴部２６ａが軸方向に対して傾斜しているものも含んでいる点である。
なお、縦穴部２６ａは、軸方向に対して４５度以内の角度とすることが好ましい。
また、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、横穴部２６ｂが全て対向面５ａに平行に延在しているのに対し、第３実施形態のサージ防護素子では、図６に示すように、横穴部３６ｂが軸方向に対して傾斜しているものも含んでいる点ある。なお、横穴部３６ｂは、対向面５ａに対して４５度以内の角度とすることが好ましい。

このように第２実施形態及び第３実施形態のサージ防護素子では、第１実施形態と同様に、放電活性層９が縦穴部２６ａに入り込んで従来よりも高い付着力が得られると共に、熱処理時に発生する蒸気等が縦穴部２６ａに連通した横穴部６ｂ，３６ｂを介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層９の結晶化度が向上する。特に、第２実施形態及び第３実施形態では、複数の縦穴部２６ａのうち少なくとも一部が、突出電極部５の軸方向に対して傾斜しているので、軸方向に平行なものだけの場合に比べて、放電活性層９のより高い付着力を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態および上記各実施例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、上述した液状のイオン源材料の前駆体を突出電極部の対向面に塗布して付着させているが、付着の方法としては、突出電極部の対向面をイオン源材料の前駆体に浸漬させることで、イオン源材料を前記対向面に付着させて構わない。

１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極、４…放電補助部、５…突出電極部、５ａ…突出電極部の対向面、５ｂ…突出電極部の外周面、６ａ，２６ａ…縦穴部、６ｂ，３６ｂ…横穴部、９…放電活性層

Claims (3)

1. 絶縁性管と、
   前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、
   一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、
   一対の前記突出電極部の対向面に、複数の縦穴部が形成されていると共に、一対の前記突出電極部の外周面に、少なくとも一つの前記縦穴部に連通した横穴部が形成され、
   一対の前記突出電極部の対向面に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が設けられ、前記放電活性層の少なくとも一部が、前記縦穴部内に埋め込まれ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、
   複数の前記縦穴部のうち少なくとも一部が、前記突出電極部の軸方向に対して傾斜してい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を製造する方法であって、
   前記突出電極部の対向面に複数の縦穴部を形成すると共に、前記突出電極部の外周面に、少なくとも一つの前記縦穴部に連通した横穴部を形成する穴形成工程と、
   前記突出電極部の対向面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、
   前記放電活性層形成工程で、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を前記突出電極部の対向面に付着させる工程と、
   前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有していることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。

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