JP6795783B2 - 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接続する部分や、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１，２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、絶縁性管の内周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。通常、このようなサージ防護素子では、炭素材で形成された放電補助部が、絶縁性管の内周面に形成されている。このような放電補助部は、一般的にはグラファイト等の導電性のイオン源材料で形成され、初期放電を助長するためのイオン源となっている。また、このようなサージ防護素子では、絶縁性管と突出電極部との位置決めを行うために、突出電極部の基端側に先端部よりも径が大きくされた拡径部が設けられている。

特開平１１−３５４２４４号公報 特開２００１−１０２１４８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
例えば通信線などに用いるサージ防護素子である放電管では、高周波信号に対応する必要があり、対向する突出電極部の対向面はできるだけ面積を小さくし、静電容量をできるだけ小さくしておく必要がある。しかしながら、グロー放電からアーク放電に転移する電流値が低いと、ＤＣ４８Ｖ等の電圧が重畳される回路で使用した場合に、突出電極部の対向面の面積が小さいと、ホールドオーバー（直流電圧により放電し続ける状態）が発生する可能性が高くなってしまう不都合があった。すなわち、グロー放電からアーク放電へ転移するまでの過程は、まずグロー放電が発生し、突出電極部の一部分がグロー放電に覆われ、電流が増加すると、電流密度を一定にする特性によって電極表面のグロー放電領域が広がる。さらに電流が増加し、電極表面全体がグロー放電で覆われて異常グロー状態となり、さらに電流が増加すると、突出電極部の一部に電流が集中してアーク放電へと転移する。この際、グロー放電からアーク放電へ転移する際の電流値を大きくするには、突出電極部の対向面の面積を増大することが重要であるが、突出電極部の対向面の面積を単に大きくすると、放電管（サージ防護素子）全体の静電容量が増大してしまう不都合があった。
また、上記従来の技術では、突出電極部の根元側が突出電極部の外周全体で拡径されているため、絶縁性管内部の放電空間が小さくなってしまう問題があった。特に、突出電極部が、絶縁性管の内面に形成された放電補助部の近傍まで拡径されているため、突出放電部の静電容量に影響を与えてしまうと共に、放電補助部近傍の放電空間が狭くなっ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、突出電極部の対向面の面積を大きくせずに、ホールドオーバーの発生を抑制する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、４つの内面を有した四角筒状の絶縁性管と、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、前記絶縁性管の４つの内面の一部にイオン源材料で形成された放電補助部とを備え、一対の前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部と、一対の前記フランジ部の中央から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部と、一対の前記突出電極部に隣接して形成され一対の前記フランジ部から内方に突出して互いに対向した一対の電極補助部とを有し、前記電極補助部が、前記突出電極部から前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面に向けて延在していると共に前記突出電極部の先端部から前記フランジ部へ向けて傾斜した傾斜面を有し、前記前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されている内面側には形成されていないことを特徴とする。

このサージ防護素子では、電極補助部が、突出電極部から絶縁性管の放電補助部が形成されていない内面に向けて延在していると共に突出電極部の先端部からフランジ部へ向けて傾斜した傾斜面を有し、絶縁性管の放電補助部が形成されている内面側には形成されていないので、電極補助部の傾斜面が、突出電極部の対向面以外にグロー放電を形成する面として機能し、放電電極として面積を増大させることができる。すなわち、突出電極部の対向面（放電面）以外にグロー放電を形成する傾斜面を形成したので、アーク転移点が大電流側へ移動し、ホールドオーバーを発生する電流値が大電流側へ移動することで、ホールドオーバーが発生し難くなる。また、電極補助部の傾斜面は、突出電極部の静電容量に影響し難いと共に、放電補助部が形成された内面側に形成されておらず、放電補助部に近接していないので、放電補助部近傍に十分な放電空間を確保することが可能である。さらに、電極補助部の傾斜面の傾斜角度に応じて、グロー放電の発生や面積を調整することも可能になる。

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、前記電極補助部の前記傾斜面が、前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっ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、電極補助部の傾斜面が、絶縁性管の放電補助部が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっているので、広い傾斜面が確保でき、放電補助部が形成されていない内面側でグロー放電用の面積を極力増大させることができる。

第３の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、前記電極補助部の前記傾斜面が、前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面のうち幅の略半分に向けて拡がっ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、電極補助部の傾斜面が、絶縁性管の放電補助部が形成されていない内面のうち幅の略半分に向けて拡がっているので、グロー放電に寄与する面積を増大させる傾斜面を確保すると共に、絶縁性管の放電補助部が形成されていない内面側で放電空間を拡大することができる。

第４の発明に係るサージ防護素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記電極補助部が、前記絶縁性管の内周面における少なくとも対向する２つの角部の近傍にまで配された位置決め用突起部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では、電極補助部が、絶縁性管の内周面における少なくとも対向する２つの角部の近傍にまで配された位置決め用突起部を有しているので、位置決め用突起部によって絶縁性管と封止電極とを位置決めすることができる。

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、電極補助部が、突出電極部から絶縁性管の放電補助部が形成されていない内面に向けて延在していると共に突出電極部の先端部からフランジ部へ向けて傾斜した傾斜面を有し、前記絶縁性管の放電補助部が形成されている内面側には形成されていないので、傾斜面によりグロー放電用の面積を増大させることができ、ホールドオーバーの発生を抑制することができる。また、電極補助部が、放電補助部が形成されていない内面側には形成されないため、放電補助部近傍に十分な放電空間を確保することが可能である。

本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態において、一対の突出電極部間で切断した際の断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 第１実施形態において、封止電極を示す正面図である。 第１実施形態において、封止電極を示す側面図である。 本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態において、一対の突出電極部間で切断した際の断面図である。 第２実施形態において、封止電極を示す正面図である。 第２実施形態において、封止電極を示す側面図である。

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から図５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及び図２に示すように、４つの内面を有した四角筒状の絶縁性管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、絶縁性管２の４つの内面うち一部にイオン源材料で形成された放電補助部４とを備えている。

上記一対の封止電極３は、図３から図５に示すように、絶縁性管２の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部５と、一対のフランジ部５の中央から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部６と、一対の突出電極部６に隣接して形成され一対のフランジ部５から内方に突出して互いに対向した一対の電極補助部７とを有している。

上記電極補助部７は、突出電極部６から絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面に向けて延在していると共に突出電極部６の先端部からフランジ部５へ向けて傾斜した傾斜面７ａを有し、絶縁性管２の放電補助部４が形成されている内面側には形成されていない。
また、電極補助部７の傾斜面７ａは、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっている。

さらに、電極補助部７は、絶縁性管２の内周面における少なくとも対向する２つの角部２ａの近傍にまで配された位置決め用突起部７ｂを有している。
本実施形態では、位置決め用突起部７ｂが、絶縁性管２の内周面における４つの角部２ａの近傍にそれぞれ設けられている。すなわち、絶縁性管２の内周面にある四隅に位置決め用突起部７ｂが設けられ、各位置決め用突起部７ｂが角部２ａ近傍の絶縁性管２の内周面に当接した状態とされている。

上記放電補助部４は、絶縁性管２の互いに対向する一対の内面の中央に軸線に沿って線状に形成されている。また、これら放電補助部４が形成された内面側には、電極補助部７は形成されていない。
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ている。
上記絶縁性管２は、例えばアルミナなどの結晶性セラミックス材で形成された四角筒状部材である。なお、絶縁性管２は、鉛ガラス等の非晶質管を採用しても構わない。

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、角板状のフランジ部５が絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により密着されて固定されている。
上記一対の突出電極部６は、絶縁性管２と軸線を同じくした略円柱状に形成され、円形状の対向面６ａを先端に有している。

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。

上記突出電極部６の対向面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放電活性層（図示略）が形成されている。
上記放電活性層は、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、この前駆体を封止電極３の表面に塗布した後、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。

上記位置決め用突起部７ｂは、外周部分が半割円柱状に形成されている。
上記封止電極３は、金型を用いた冷間鍛造によって作製され、突出電極部６とフランジ部５と電極補助部７とが同時に一体形成される。

このサージ防護素子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６との間で優先的に初期放電が行われ、この初期放電をきっかけに、突出電極部６の対向面６ａ及び各電極補助部７の傾斜面７ａでグロー放電が発生し、電流が増大すると、さらに放電が進展して一対のフランジ部５間又は突出電極部６間で放電が行われる。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、電極補助部７が、突出電極部６から絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面に向けて延在していると共に突出電極部６の先端部からフランジ部５へ向けて傾斜した傾斜面７ａを有し、絶縁性管２の放電補助部４が形成されている内面側には形成されていないので、電極補助部７の傾斜面７ａが、突出電極部６の対向面６ａ以外にグロー放電を形成する面として機能し、放電電極として面積を増大させることができる。

すなわち、突出電極部６の対向面６ａ（放電面）以外にグロー放電を形成する傾斜面７ａを形成したので、アーク転移点が大電流側へ移動し、ホールドオーバーを発生する電流値が大電流側へ移動することで、ホールドオーバーが発生し難くなる。また、電極補助部７の傾斜面７ａは、突出電極部６の静電容量に影響し難いと共に、放電補助部４が形成された内面側に形成されておらず、放電補助部４に近接していないので、放電補助部４近傍に十分な放電空間を確保することが可能である。

また、電極補助部７の傾斜面７ａが、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっているので、広い傾斜面７ａが確保でき、放電補助部４が形成されていない内面側でグロー放電用の面積を極力増大させることができる。
さらに、電極補助部７の傾斜面７ａの傾斜角度に応じて、グロー放電の発生や面積を調整することも可能になる。
また、電極補助部７が、絶縁性管２の内周面における少なくとも対向する２つの角部２ａの近傍にまで配された位置決め用突起部７ｂを有しているので、位置決め用突起部７ｂによって絶縁性管２と封止電極３とを位置決めすることができる。

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６から図８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、電極補助部７の傾斜面７ａが、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子２１では、図６から図８に示すように、電極補助部２７の傾斜面２７ａが、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面のうち幅の略半分に向けて拡がっている点である。

すなわち、第１実施形態では、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面側だけ電極補助部７が形成されていないが、第２実施形態では、絶縁性管２の放電補助部４が形成されている内面側において、その幅の略半分も電極補助部２７が形成されておらず、突出電極部６と内面との間に広い放電空間が確保されている。したがって、第２実施形態の傾斜面２７ａの面積は、第１実施形態の傾斜面７ａの略半分である。
また、第２実施形態では、位置決め用突起部７ｂが、絶縁性管２の内周面において互いに対向する対角線上の一対の角部２ａ近傍にそれぞれ設けられている。

このように第２実施形態のサージ防護素子２１では、電極補助部２７の傾斜面２７ａが、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面のうち幅の略半分に向けて拡がっているので、グロー放電に寄与する面積を増大させる傾斜面２７ａを確保すると共に、絶縁性管２の放電補助部４が形成されていない内面側で放電空間をさらに拡大することができる。

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、電極補助部の傾斜面が一定の傾斜角度を有した平坦面であるが、曲面としても構わず、また電極補助部の傾斜面として、複数の段差を有した階段状であるが全体として傾斜している面として構わない。

１，２１…サージ防護素子、２…絶縁性管、２ａ…角部、３，２３…封止電極、４…放電補助部、５…フランジ部、６…突出電極部、７，２７…電極補助部、７ａ，２７ａ…電極補助部の傾斜面、７ｂ…位置決め用突起部

Claims (4)

1. ４つの内面を有した四角筒状の絶縁性管と、
   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、
   前記絶縁性管の４つの内面うち一部にイオン源材料で形成された放電補助部とを備え、
   一対の前記封止電極が、前記絶縁性管の両端開口部に密着状態に固定されている一対のフランジ部と、
   一対の前記フランジ部の中央から内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部と、
   一対の前記突出電極部に隣接して形成され一対の前記フランジ部から内方に突出して互いに対向した一対の電極補助部とを有し、
   前記電極補助部が、前記突出電極部から前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面に向けて延在していると共に前記突出電極部の先端部から前記フランジ部へ向けて傾斜した傾斜面を有し、前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されている内面側には形成されていない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、
   前記電極補助部の前記傾斜面が、前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面の幅全体に向けて拡がっていることを特徴とするサージ防護素子。
3. 請求項１に記載のサージ防護素子において、
   前記電極補助部の前記傾斜面が、前記絶縁性管の前記放電補助部が形成されていない内面のうち幅の略半分に向けて拡がっ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において、
   前記一対の電極補助部のそれぞれが、前記絶縁性管の内周面における少なくとも対向する２つの角部の近傍にまで配された位置決め用突起部を有していることを特徴とするサージ防護素子。

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