JP6920971B2

JP6920971B2 - 絶縁構造

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Publication number: JP6920971B2
Application number: JP2017226156A
Authority: JP
Inventors: 山城　啓輔; 啓輔山城
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: JP2019096522A

Description

本発明は、一対の電極間を絶縁する絶縁構造に関する。

従来、一対の電極間を絶縁する絶縁構造を有するものとしては、例えば、真空バルブがある。真空バルブは、円筒状の絶縁容器である支持部材内に一対の電極を設けたものである。支持部材は、セラミック製の絶縁体からなる一対の絶縁筒の間に、円筒状に形成されたステンレス製の放電規制部を接合して構成したものである。一対の電極は、支持部材の一方側端部の絶縁筒と他方側端部の絶縁筒とに互いに離間されるように配設され、互いに絶縁している。この種の真空バルブは、放電規制部が絶縁筒の間に設けられていることにより、支持部材の内外表面の絶縁破壊電圧を上昇させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５８−６８８１８号公報

上述の真空バルブにおいては、絶縁筒と放電規制部との接合は、異なる材料同士の接合なので、接合強度が低くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、絶縁筒と放電規制部とを接合する場合よりも強度の高い絶縁構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る絶縁構造は、一対の電極を支持部材の互いに離間した位置に相互に絶縁した状態で支持させた電極の絶縁構造であって、前記支持部材は、非金属元素及び金属元素を含む絶縁体として構成され、かつ一部に前記非金属元素が離脱されて前記金属元素を含む導体として構成された放電規制部を有し、前記一対の電極は、前記支持部材の絶縁体部分に保持され、前記放電規制部は、表面を露出した状態で前記一対の電極の間に介在されていることを特徴とする。

また、本発明に係る絶縁構造において、前記支持部材は、円筒形状に形成され、前記支持部材の両端に前記電極が配設され、前記放電規制部は、前記支持部材の内周を一周するリング状の部分であるとよい。

また、本発明に係る絶縁構造において、前記支持部材は、板状に形成され、一方の前記電極は、前記支持部材の一方の板面に配設され、他方の前記電極は、前記支持部材の一方の板面又は他方の板面に配設され、前記放電規制部は、前記一方の電極を囲むように形成されているとよい。

また、本発明に係る絶縁構造において、前記他方の電極は、前記支持部材の他方の板面に配設され、前記放電規制部は、前記支持部材の側面を一周する部分であるとよい。

また、本発明に係る絶縁構造において、前記放電規制部は、互いに絶縁するようにして複数設けられているとよい。

上述の構成によれば、支持部材は、非金属元素及び金属元素を含む絶縁体として構成され、かつ一部に非金属元素が離脱されて金属元素を含む導体として構成された放電規制部を有しているので、支持部材の絶縁体部分と放電規制部との結合強度が高く、絶縁構造の強度を高くできる。

図１は、本発明の実施形態１に係る絶縁構造を示す斜視図である。図２は、図１に示した絶縁構造を示す縦断面図である。図３は、図１に示した絶縁構造の放電照射による形成方法を示す縦断面説明図である。図４は、図１に示した絶縁構造の放電照射による形成方法を示す横断面説明図である。図５は、本発明の実施形態１の変形例１に係る絶縁構造を示す斜視図である。図６は、本発明の実施形態１の変形例２に係る絶縁構造を示す斜視図である。図７は、本発明の実施形態１の変形例３に係る絶縁構造を示す斜視図である。図８は、図７に示した絶縁構造を示す縦断面図である。図９は、本発明の実施形態１の変形例４に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１０は、本発明の実施形態１の変形例５に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１１は、本発明の実施形態２に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１２は、図１１に示した絶縁構造を示す縦断面図である。図１３は、本発明の実施形態２の変形例１に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１４は、本発明の実施形態２の変形例２に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１５は、本発明の実施形態２の変形例３に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１６は、本発明の実施形態２の変形例４に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１７は、本発明の実施形態２の変形例５に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１８は、本発明の実施形態２の変形例６に係る絶縁構造を示す斜視図である。図１９は、図１８に示した絶縁構造を示す縦断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る絶縁構造の好適な実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態１の絶縁構造は、真空バルブや真空ブッシングに用いられ、実施形態２の絶縁構造は、ＭＥＭＳのパターンやＩＧＢＴモジュールのＤＣＢ基板等に用いられるものである。

（実施形態１）
実施形態１の絶縁構造１は、図１及び図２に示すように、円筒状の支持部材２と、支持部材２の両端に設けられた一対の電極３と、を備えている。支持部材２は、支持部材本体４と、放電規制部５と、が一体に成形されたものである。支持部材本体４は、窒素（非金属元素）とアルミニウム（金属元素）とを含んだ窒化アルミニウム製であり、絶縁性を呈するものである。放電規制部５は、窒化アルミニウムから窒素を離脱させてアルミニウムを析出させ、導体として構成されたものである。放電規制部５は、表面が露出した状態で、支持部材２の中央部において内周面を１周する所定幅のリング状に形成されている。

電極３は、銅等の導電体によって成形したもので、第一円柱部１１と、第二円柱部１２とを備えている。第一円柱部１１は、支持部材２の中心孔よりも大きな外径を有するように形成され、第二円柱部１２は、支持部材２の中心孔に嵌合することができる内径に形成されている。第一円柱部１１及び第二円柱部１２は、同軸配置となった状態で一体に形成されている。電極３は、第二円柱部１２を支持部材２の中心孔に嵌合させることによって支持部材２の両端部に取り付けられている。一対の電極３は、それぞれ支持部材本体４にのみ接触し、放電規制部５からは離隔された状態にある。支持部材２の内部は真空に保つことができるようになっている。

ここで、絶縁構造１を適用した真空バルブの形成方法を説明する。まず、窒化アルミニウムを用いて支持部材本体４を円筒状に形成する。次いで、支持部材本体４の内周面にリング状の放電規制部５を形成する。放電規制部５の形成方法としては、支持部材本体４にレーザを照射する方法や、支持部材本体４に放電照射を行う方法等がある。レーザを支持部材本体４に照射すると、支持部本体４を構成する窒化アルミニウムから窒素が離脱し、アルミニウムが析出する。このアルミニウム部分が放電規制部５である。レーザを照射して放電規制部５を形成する際には、レーザの投入パワー密度を０．０７Ｗ・ｍｉｎ／ｍｍ程度にするとよい。また、レーザの焦点は、支持部材本体４の放電規制部５を形成する部分の表面にセットするとよい。

放電照射による放電規制部５の形成方法については、図３、図４に基づいて説明する。支持部材本体４の内周面に矩形板状の一対の電極２０，２１を配設する。一対の電極２０，２１は、放電規制部５を設けたい部分を挟むようにして配設する。支持部材本体４の外周面には、支持部材本体４の内周面の電極２０，２１を覆う様に背後電極２２を設ける。背後電極２２は、支持部材本体４の内周面に設置した片方の電極２１と接続し、接地する。そして、支持部材本体４の内周面に設置した一対の電極２０，２１間に高電圧電源２３によって高電圧をかける。尚、高電圧電源２３は接地されている。そうすると、一対の電極２０，２１間においてフラッシオーバが発生し、窒化アルミニウムから窒素が離脱され、アルミニウムが析出する。これが放電規制部５となる。支持部材本体４の厚みが薄いと、フラッシオーバする前に支持部材本体４を貫通する貫通破壊が起きる恐れがある。そこで、支持部材本体４の厚みと、一対の電極２０，２１間の距離との比を１：１０として電圧をかけるとよい。また、電圧は複数回かけてもよい。

放電規制部５を形成すると、支持部材本体４と放電規制部５からなる支持部材２が完成する。その後、一対の電極３と支持部材２とを接合する。一方の電極３は他方の電極３に接離自在となるように配設する。そうすると、絶縁構造１を適用した真空バルブが完成する。

上述の絶縁構造１においては、一対の電極３が互いに離間するように配設されているとともに、一対の電極３が支持部材２の絶縁体部分に支持されているので、一対の電極３間は、絶縁されている。そして、一対の電極３間には、放電規制部５が形成されているので、絶縁破壊電圧を高くすることができる。また、支持部材２は、窒素及びアルミニウムを含む絶縁体（支持部材本体４）として構成され、かつ一部に窒素が離脱されてアルミニウムを含む導体として構成された放電規制部５を有している。従って、金属を絶縁体に接合して放電規制部を形成する場合と比較すると、放電規制部５と支持部材２の絶縁体部分（支持部材本体４）との結合が強固である。また、金属材料が不要なので、材料費を低減できる。また、金属を焼き付けるために昇温する時間が必要ないので、工数も低減でき、コスト削減できる。

（変形例１）
本変形例１の絶縁構造１ａは、実施の形態１に記載の絶縁構造１と、放電規制部の形状が異なり、その他は同一である。変形例１の絶縁構造１ａにおいては、図５に示すように、放電規制部３１は、一対の電極３間の中央部に支持部材２の内周面を回るらせん状に形成されている。放電規制部３１は、一対の電極３とは接していない。放電規制部３１と支持部材本体４とによって支持部材３２が構成されている。この構成によれば、一方の電極３から他方の電極３に至る経路の途中に導体部が複数回出現するので、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例２）
本変形例２の絶縁構造１ｂは、実施の形態１に記載の絶縁構造１と、放電規制部の個数が異なり、その他は同一である。変形例２の絶縁構造１ｂにおいては、図６に示すように、放電規制部５が、一対の電極３間の中央部に、支持部材２の軸方向に互いに間を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。放電規制部５は、一対の電極３とは接していない。複数の放電規制部５と支持部材本体４とによって支持部材３３が構成されている。この構成によれば、一方の電極３から他方の電極３に至る経路の途中に導体部が複数回出現するので、絶縁破壊電圧を高めることができる。この構成によれば、電極３間に電圧をかけた際には、複数の放電規制部５がそれぞれ異なる電位となるので、電界を段階的に緩和することができる。従って、放電規制部がらせん状の場合と比較して、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例３）
本変形例３の絶縁構造１ｃは、実施の形態１に記載の絶縁構造１と、放電規制部の配設場所が異なり、その他は同一である。変形例３の絶縁構造１ｃにおいては、図７及び図８に示すように、放電規制部３４が、一対の電極３間の中央部に、支持部材２の外周面を１周するリング状に形成されている。放電規制部３４は、一対の電極３とは接していない。放電規制部３４と支持部材本体４とによって支持部材３５が構成されている。この構成によれば、支持部材３５の外面側も真空状態に保つ構造であっても、支持部材３５の外周面の絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例４）
本変形例４の絶縁構造１ｄは、実施の形態１に記載の絶縁構造１と、放電規制部の配設場所及び形状が異なり、その他は同一である。変形例４の絶縁構造１ｄにおいては、図９に示すように、放電規制部３６が、一対の電極３間の中央部であって、支持部材本体４の外周面に、外周面を回るらせん状に形成されている。放電規制部３６は、一対の電極３とは接していない。放電規制部３６と支持部材本体４とによって支持部材３７が構成されている。この構成によれば、支持部材３７の外面側を真空状態に保つ構造であっても、支持部材３７の外周面の絶縁破壊電圧を高めることができる。また、一方の電極３から他方の電極３に至る経路の途中に導体部が複数回出現するので、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例５）
本変形例５の絶縁構造１ｅは、変形例３に記載の絶縁構造１ｃと、放電規制部の個数が異なり、その他は同一である。変形例５の絶縁構造１ｅにおいては、図１０に示すように、放電規制部３４が、一対の電極３間の中央部であって、支持部材２の外周面に支持部材２の軸方向に互いに間隔を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。複数の放電規制部３４は、一対の電極３とは接していない。複数の放電規制部３４と支持部材本体４とによって支持部材３８が構成されている。この構成によれば、支持部材３８の外面側を真空状態に保つ構造であっても、支持部材３８の外周面の絶縁破壊電圧を高めることができる。また、一方の電極３から他方の電極３に至る経路の途中に導体部が複数回出現するので、より絶縁破壊電圧を高めることができる。この構成によれば、電極３間に電圧をかけた際には、複数の放電規制部３４がそれぞれ異なる電位となるので、電界を段階的に緩和することができる。従って、放電規制部がらせん状の場合と比較して、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

尚、放電規制部は、支持部材本体４の外周面と内周面とに両方に設けられていても良い。尚、一対の電極３の内、一方の電極３は、他方の電極３に対し、接離自在に設けられていても良い。

（実施形態２）
実施形態２の絶縁構造４１は、実施形態１の絶縁構造１と支持部材の形状及び電極の形状が異なる。実施形態２の絶縁構造４１における支持部材本体４６の材質は、実施形態１の絶縁構造１における支持部材本体４の材質と同一である。実施形態２の絶縁構造４１における放電規制部４５の材質は、実施形態１の絶縁構造１における放電規制部５の材質と同一である。実施形態２の絶縁構造４１は、図１１及び図１２に示すように、支持部材４２と、一対の電極４３，４４と、を備えている。支持部材４２は、矩形の平板状に形成されている。支持部材４２は、放電規制部４５と、矩形平板状の支持部材本体４６と、が一体に形成されたものである。一対の電極４３，４４は、矩形板状に形成され、支持部材４２の一方の板面に互いに間隔を空けて積層されている。一対の電極４３，４４間は、絶縁されている。

放電規制部４５は、支持部材本体４６の一方の板面に、一対の電極４３，４４と接しないように、かつ、一方の電極４３を囲むように、四角いリング状に形成されている。放電規制部４５は、同心配置で、互いに間隔を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。尚、他方の電極４４は接地されている。放電規制部４５は、他方の電極４４を囲むように四角いリング状に形成されていてもよい。放電規制部４５の形成方法は、実施形態１の放電規制部５の形成方法と同一である。絶縁構造４１は、放電規制部４５によって、絶縁破壊電圧を高くすることができる。また、支持部材４２は、窒素及びアルミニウムを含む絶縁体（支持部材本体４６）として構成され、かつ一部に窒素が離脱されてアルミニウムを含む導体として構成された放電規制部４５を有している。従って、放電規制部４５と支持部材４１の絶縁体部分（支持部材本体４６）との結合が強固である。

（変形例１）
本変形例１の絶縁構造４１ａは、実施の形態２に記載の絶縁構造４１と、放電規制部が形成されている部分が異なり、その他は同一である。変形例１の絶縁構造４１ａにおいては、図１３に示すように、放電規制部４５は、支持部材本体４６上において、一方の電極４３の周りを囲むように、かつ、一対の電極４３，４４と接しない四角い、リング状に形成されている。放電規制部４５は、電極４３を中心とした同心配置で、互いに間隔を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。他の放電規制部４５は、支持部材本体４６上において、他方の電極４４の周りを囲むように、かつ、一対の電極４３，４４と接しない四角い、リング状に形成されている。他の放電規制部４５は、電極４４を中心とした同心配置で、互いに間隔を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。尚、他方の電極４４は接地されている。一方の電極４３を囲む放電規制部４５と、他方の電極４４を囲む放電規制部４５と、支持部材本体４６とによって、支持部材５１が構成されている。この構成によれば、一方の電極４３のまわりだけでなく、他方の電極４４の周りにも放電規制部４５を配設しているので、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例２）
本変形例２の絶縁構造４１ｂは、実施の形態２に記載の絶縁構造４１と、放電規制部の形状が異なり、その他は同一である。変形例２の絶縁構造４１ｂにおいては、図１４に示すように、放電規制部５２は、支持部材本体４６上において、一対の電極４３，４４と接しないように、かつ、一方の電極４３の周りを囲むようにらせん状に形成されている。放電規制部５２は、他方の電極４４の周りを囲むようにらせん状に形成されていてもよい。放電規制部５２と支持部材本体４６とにより支持部材５３が構成されている。

（変形例３）
本変形例３の絶縁構造４１ｃは、変形例２に記載の絶縁構造４１ｂと、放電規制部が形成されている部分が異なり、その他は同一である。変形例３の絶縁構造４１ｃにおいては、図１５に示すように、放電規制部５２は、支持部材本体４６上において、一方の電極４３の周りを囲むように、かつ、一対の電極４３，４４と接しないらせん状に形成されている。他の放電規制部５２は、支持部材本体４６上において、他方の電極４４の周りを囲むように、かつ、一対の電極４３，４４と接しないらせん状に形成されている。一方の電極４３を囲む放電規制部５２と、他方の電極４４を囲む放電規制部５２と、支持部材本体４６とによって、支持部材５４が構成されている。この構成によれば、一方の電極４３のまわりだけでなく、他方の電極４４の周りにも放電規制部４５を配設しているので、より絶縁破壊電圧を高めることができる。

（変形例４）
本変形例４の絶縁構造４１ｄは、実施形態２に記載の絶縁構造４１と、他方の電極の形状及び配設位置が異なり、その他は同一である。変形例４の絶縁構造４１ｄにおいては、図１６に示すように、他方の電極５５は、支持部材本体４６と同じ形状に形成され、支持部材本体４６の他方の板面に積層されている。一対の電極４３，５５は、放電規制部４５と接しないようになっている。一対の電極４３，５５間は、絶縁されている。変形例４では、他方の電極５５が接地されているが、他方の電極５５の代わりに一方の電極４３を接地してもよい。この構成によれば、実施形態２の絶縁構造４１と同様の効果を得ることができる。

（変形例５）
本変形例５の絶縁構造４１ｅは、変形例２に記載の絶縁構造４１ｂと、他方の電極の形状及び配設位置が異なり、その他は同一である。変形例５の絶縁構造４１ｅにおいては、他方の電極５５は、図１７に示すように、支持部材本体４６と同じ大きさに形成され、支持部材本体４６の他方の板面に積層されている。一対の電極４３，５５は、放電規制部５２と接しないようになっている。一対の電極４３，５５間は、絶縁されている。変形例５では、他方の電極５５が接地されているが、他方の電極５５の代わりに一方の電極４３を接地してもよい。この構成によれば、変形例２の絶縁構造４１ｂと同様の効果を得ることができる。

（変形例６）
本変形例６の絶縁構造４１ｆは、変形例４に記載の絶縁構造４１ｄと、支持部材本体の構成と、放電規制部の位置とが異なり、その他は同一である。変形例６の絶縁構造４１ｆにおいては、支持部材本体６１は、図１８，図１９に示すように、板状の絶縁部材６４，６５であって、端面が放電規制部６２となっている絶縁部材６４と、端面が絶縁体のままである絶縁部材６５とを交互に積層して構成されている。放電規制部６２は、表面を露出させて、支持部材本体６１の側面を一周する四角いリング状に形成されている。放電規制部６２は、支持部材本体６１の厚さ方向に互いに間隔を空けて、互いに絶縁するようにして複数形成されている。放電規制部６２は、一対の電極４３，５５と接しないようになっている。放電規制部６２と支持部材本体６１とから支持部材６３が構成されている。変形例６では、他方の電極５５が接地されているが、他方の電極５５の代わりに一方の電極４３を接地してもよい。この構成によれば、支持部材本体６１の板面に放電規制部を形成できない場合であっても、放電規制部を形成でき、実施の形態２の絶縁構造４１と同様の効果を得ることができる。

尚、上述の実施形態及び変形例においては、支持部材本体を窒化アルミニウムで形成し、放電規制部をアルミニウムで形成しているが、これに限られない。支持部材本体は、金属元素と非金属元素とからなる絶縁体で構成され、放電規制部は、支持部材本体を構成する絶縁体から非金属元素を離脱させた金属元素からなる導体で構成されていればよい。

１絶縁構造
２支持部材
３電極
４支持部材本体
５放電規制部
１１第一円柱部
１２第二円柱部

Claims

一対の電極を支持部材の互いに離間した位置に相互に絶縁した状態で支持させた電極の絶縁構造であって、
前記支持部材は、非金属元素及び金属元素を含む絶縁体として構成され、かつ一部に前記非金属元素が離脱されて前記金属元素を含む導体として構成された放電規制部を有し、
前記一対の電極は、前記支持部材の絶縁体部分に保持され、
前記放電規制部は、表面を露出した状態で前記一対の電極の間に介在されていることを特徴とする絶縁構造。
前記支持部材は、円筒形状に形成され、前記支持部材の両端に前記電極が配設され、前記放電規制部は、前記支持部材の内周を一周するリング状の部分であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁構造。
前記支持部材は、板状に形成され、一方の前記電極は、前記支持部材の一方の板面に配設され、他方の前記電極は、前記支持部材の一方の板面又は他方の板面に配設され、前記放電規制部は、前記一方の電極を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁構造。
前記他方の電極は、前記支持部材の他方の板面に配設され、前記放電規制部は、前記支持部材の側面を一周する部分であることを特徴とする請求項３に記載の絶縁構造。
前記放電規制部は、互いに絶縁するようにして複数設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の絶縁構造。