JP6753321B2 - 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が、内方に突出して互いに隙間を空けて近接した複数のピン部材を有し、前記複数のピン部材の頭部に、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材が付着されていると共に、前記放電活性材が、前記複数のピン部材の前記隙間にも入り込んでいることを特徴とする。

このサージ防護素子では、複数のピン部材の頭部に、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材が付着されていると共に、放電活性材が、複数のピン部材の隙間にも入り込んでいるので、放電活性材が複数のピン部材の隙間に入り込んで従来よりも高い付着力が得られる。

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、前記ピン部材が、棒状部と、前記棒状部の端部に設けられ前記棒状部よりも外径が大きい前記頭部とを備え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、ピン部材が、棒状部と、棒状部の端部に設けられ棒状部よりも外径が大きい頭部とを備えているので、比較的広い面積となる頭部に放電活性材が付着され、安定した放電特性が得られる。また、頭部間の隙間よりも棒状部間の隙間が広くなり、多くの放電活性材が棒状部間の隙間に入り込むことで、より高いアンカー効果を得ることができる。

第３の発明に係るサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞する封止板部を備え、前記突出電極部が、前記封止板部の内面に接合されていると共に前記複数のピン部材が立設されたピン台座を備え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、突出電極部が、封止板部の内面に接合されていると共に複数のピン部材が立設されたピン台座を備えているので、予め複数のピン部材を取り付けたピン台座を封止板部に接合させることで、封止電極へのピン部材の設置が容易になる。

第４の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１から第３の発明のいずれかのサージ防護素子を製造する方法であって、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少なくとも前記複数のピン部材の頭部に付着させるイオン源材料付着工程と、前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性材を形成する熱処理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、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少なくとも複数のピン部材の頭部に付着させるイオン源材料付着工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性材を形成する熱処理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複数のピン部材の隙間を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性材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、複数のピン部材の頭部に、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材が付着されると共に、放電活性材が、複数のピン部材の隙間にも入り込むので、放電活性材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一実施形態を示す軸方向の断面図である。 本実施形態において、放電活性材を付着させる前の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。 本実施形態において、突出電極部を示す軸方向の断面図である。 本実施形態の他の例において、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一実施形態を、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は、内方に突出して互いに隙間を空けて近接した複数のピン部材６を有している。なお、ピン部材６の本数や間隔は、絶縁性管２の内径等に応じて適宜設定される。
上記複数のピン部材６の頭部６ａ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材７が付着されていると共に、放電活性材７が、複数のピン部材６の前記隙間Ｓにも入り込んでいる。

上記ピン部材６は、棒状部６ｂと、棒状部６ｂの端部に設けられ棒状部６ｂよりも外径が大きい頭部６ａとを備えている。
上記封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部を閉塞する封止板部８を備えている。
また、上記突出電極部５は、封止板部８の内面に接合されていると共に複数のピン部材６が立設されたピン台座９を備えている。

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。

上記放電活性材７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。この放電活性材７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、この前駆体をピン部材６の頭部６ａ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。

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の封止板部８は、円板状に形成され、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。この封止板部８の内側に、絶縁性管２の内径よりも外径の小さな円板状のピン台座９が接合されている。
このピン台座９は、封止板部８に融点の８５〜９０％で加熱拡散接合されている。
また、複数のピン部材６も、ピン台座９に基端部が差し込まれた状態で融点の８５〜９０％で加熱拡散接合されている。

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、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少なくとも複数のピン部材６の頭部６ａに付着させるイオン源材料付着工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性材７を形成する熱処理工程とを有している。
すなわち、イオン源材料付着工程では、イオン源材料を複数のピン部材６の頭部６ａに塗布するとイオン源材料が複数のピン部材６の隙間Ｓにも浸入し、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複数のピン部材６の隙間Ｓ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、イオン源材料が複数のピン部材６の隙間Ｓ内に入り込んだ状態で結晶化されて放電活性材７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、複数のピン部材６の頭部６ａ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材７が付着されていると共に、放電活性材７が、複数のピン部材６の隙間Ｓにも入り込んでいるので、放電活性材７が複数のピン部材６の隙間Ｓに入り込んで従来よりも高い付着力が得られる。

また、ピン部材６が、棒状部６ｂと、棒状部６ｂの端部に設けられ棒状部６ｂよりも外径が大きい頭部６ａとを備えているので、比較的広い面積となる頭部６ａに放電活性材７が付着され、安定した放電特性が得られる。また、頭部６ａ間の隙間よりも棒状部６ｂ間の隙間が広くなり、多くの放電活性材７が棒状部６ｂ間の隙間に入り込むことで、より高いアンカー効果を得ることができる。

さらに、突出電極部５が、封止板部８の内面に接合されていると共に複数のピン部材６が立設されたピン台座９を備えているので、予め複数のピン部材６を取り付けたピン台座９を封止板部８に接合させることで、封止電極３へのピン部材６の設置が容易になる。

また、本実施形態のサージ防護素子１の製造方法では、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少なくとも複数のピン部材６の頭部６ａに付着させるイオン源材料付着工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性材７を形成する熱処理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複数のピン部材６の隙間Ｓを介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性材７の結晶化度が向上する。

なお、本発明の技術範囲は上記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、上記実施形態では、ピン部材をピン台座に立設させた状態で、ピン台座を封止板部に接合しているが、ピン台座を用いずに、ピン部材を封止板部の内面に直接接合させ取り付けても構わない。

また、上述したように、棒状部よりも外径が大きい頭部を有するピン部材が好ましいが、他の実施形態として、図５に示すように、外径が棒状部２６ｂと同じである頭部２６ａを有する複数のピン部材２６であっても構わない。すなわち、ストレートなピン形状のピン部材２６を複数有した突出電極部２５を採用しても構わない。この場合、ピン部材２６の間隔Ｌ１は、最大でピン部材２６の直径Ｌ２の１／２未満とすることが好ましい。この理由は、ピン部材２６の間隔Ｌ１が広すぎると、放電活性材７の保持効果がなくなると共に、アークを受け止める金属面積が減少するためである。

１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極、４…放電補助部、５，２５…突出電極部、６，２６…ピン部材、６ａ，２６ａ…ピン部材の頭部、６ｂ，２６ｂ…棒状部、７…放電活性材、８…封止板部、９…ピン台座、Ｓ…複数のピン部材の隙間

Claims (4)

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が、内方に突出して互いに隙間を空けて近接した複数のピン部材を有し、
   前記複数のピン部材の頭部に、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材が付着されていると共に、前記放電活性材が、前記複数のピン部材の前記隙間にも入り込んで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、
   前記ピン部材が、棒状部と、
   前記棒状部の端部に設けられ前記棒状部よりも外径が大きい前記頭部とを備え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において、
   前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞する封止板部を備え、
   前記突出電極部が、前記封止板部の内面に接合されていると共に前記複数のピン部材が立設されたピン台座を備えてい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を製造する方法であって、
   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少なくとも前記複数のピン部材の頭部に付着させるイオン源材料付着工程と、
   前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性材を形成する熱処理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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