JP7035505B2

JP7035505B2 - サージ防護素子

Info

Publication number: JP7035505B2
Application number: JP2017242336A
Authority: JP
Inventors: 芳幸田中; 剛尾木; 良市杉本
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP2019110033A

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、サージ防護素子が接続されている。

従来、サージ防護素子として、例えば特許文献１に示すように、対向する一対の放電電極間の絶縁沿面に放電補助部としてカーボントリガ線を形成し、内部に放電制御ガスを充填した構造のものが知られている。このようなサージ防護素子は、カーボントリガ線で放電がトリガされた後、放電が伸展して一対の放電電極間でアーク放電が直接形成される。

特開２０１７－１０７６８０号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来のサージ防護素子では、カーボントリガ線で放電がトリガされてからアーク放電に至る前の時間が非常に短いため、図５の（ａ）に示すように、アーク放電時に電圧に振動が発生してしまう。この電圧の振動は、非常に短い時間で形成されたアーク放電により、急激に放電電流が増加することで生じる。このような電圧の振動が生じると、サージ防護素子の保護レベルと被保護機器の耐圧とが近接している場合、サージ防護素子によって発生した振動電圧が後段に伝搬し、被保護機器内部の耐圧の低い部品において誤動作又は破壊を引き起こすおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、アーク放電時の電圧の振動を抑制することができ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の発明のサージ防護素子は、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、前記絶縁性管内に収納された柱状又は筒状の絶縁性部材と、前記絶縁性部材の両端部に設けられ一対の前記封止電極の内面に接触した一対のキャップ電極と、前記絶縁性部材の周面に導電性材料で形成された放電補助部とを備え、前記キャップ電極の少なくとも外周面が、前記封止電極よりも高抵抗な材料で形成されていることを特徴とする。

このサージ防護素子では、キャップ電極の少なくとも外周面が、封止電極よりも高抵抗な材料で形成されているので、キャップ電極の外周面を形成する高抵抗材料が放電電流に対するブレーキ的な抵抗領域となり、電圧の振動を抑制することができる。したがって、一対の封止電極の内側に直列に高抵抗領域が接続されることになり、アーク放電が形成された際に流れ始める放電電流（数Ａ）が増加する割合を、キャップ電極外周面の高抵抗領域が抑制する。

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、前記キャップ電極の外周面に、前記封止電極よりも高抵抗な高抵抗膜が形成され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、キャップ電極の外周面に、封止電極よりも高抵抗な高抵抗膜が形成されているので、キャップ電極の外周面を容易に高抵抗化することができると共に、キャップ電極本体を低抵抗な材料で形成することができる。

第３の発明に係るサージ防護素子は、第２の発明において、前記高抵抗膜が、ＴｉＮ膜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、高抵抗膜が、ＴｉＮ膜であるので、緻密で硬質な高抵抗膜により高い信頼性が得られる。

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、前記キャップ電極の少なくとも外周面の抵抗値が、１Ω～１ＭΩ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、キャップ電極の少なくとも外周面の抵抗値が、１Ω～１ＭΩであるので、効果的に電圧の振動を抑制することが可能である。なお、キャップ電極の少なくとも外周面の抵抗値が１Ω未満であると、電圧の振動抑制効果が弱く、キャップ電極の少なくとも外周面の抵抗値が１ＭΩを超えると、外周面の高抵抗部分に流れる電流によって発生する電圧がギャップ間の放電開始電圧を上回るようになり、保護特性が劣化する。

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によれば、キャップ電極の少なくとも外周面が、封止電極よりも高抵抗な材料で形成されているので、キャップ電極の外周面を形成する高抵抗材料が放電電流に対するブレーキ的な抵抗領域となり、電圧の振動を抑制することができる。
したがって、本発明のサージ防護素子では、大きな振動電圧により被保護機器内部の耐圧の弱い部品に生じる誤動作又は破壊を防ぐことができる。

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。第１実施形態において、絶縁性部材（ａ）及びキャップ電極を取り付けた絶縁性部材（ｂ）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。第２実施形態において、キャップ電極を取り付けた絶縁性部材を示す斜視図である。本発明に係るサージ防護素子の比較例（ａ）及び実施例（ｂ）において、アーク放電時の電圧の振動を示すグラフである。

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及び図２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、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内に収納された柱状又は筒状の絶縁性部材４と、絶縁性部材４の両端部に設けられ一対の封止電極３の内面に接触した一対のキャップ電極５と、絶縁性部材４の周面に導電性材料で形成された放電補助部６とを備えている。

上記絶縁性管２は、例えばガラス管であって、封止用ガラスあるいは鉛ガラスやソーダ石灰ガラスのような軟質ガラスで構成されており、円筒状となっている。また、絶縁性管２の両端近傍において封止電極３の外周面が絶縁性管２の内周面と溶着されている。
上記封止電極３は、例えばＦｅ（鉄）－Ｎｉ（ニッケル）合金の表面を酸化銅で被覆した金属で形成され、円板状となっている。また、封止電極３の内面にはキャップ電極５と接触しており、封止電極３の外面にはスラグリードであるリード線７が溶接されている。このリード線７は、銅覆鋼線等で形成されている。

一対のキャップ電極５は、絶縁性部材４の両端にそれぞれ係合されており、絶縁性部材４の両端部を覆うように嵌め込まれている。
これらキャップ電極５の少なくとも外周面は、封止電極３よりも高抵抗な材料で形成されている。
本実施形態では、キャップ電極５が、Ｎｉ－Ｃｒ，Ｗ等の高抵抗金属で全体が形成されている。

なお、キャップ電極５の少なくとも外周面の抵抗値は、１Ω～１ＭΩであることが好ましい。さらに、キャップ電極５の少なくとも外周面の抵抗値は、１０Ω～１００Ωの範囲に設定することがより好ましい。

上記絶縁性部材４は、アルミナ，ムライト焼結体などのセラミックス材料で円筒状又は円柱状に形成されている碍子である。
上記放電制御ガスは、放電開始電圧などの電気特性が所望の値となるように組成などを調整された封止ガスであって、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、ＳＦ_６、ＣＯ_２、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、Ｈ_２及びこれらの混合ガス等の不活性ガスである。

上記放電補助部６は、導電性材料であって、例えば炭素材で形成されたカーボントリガである。
放電補助部６は、一対のキャップ電極５の間であって、絶縁性部材４の外周面中央に軸線に沿った短い直線状に形成されている。

この本実施形態のサージ防護素子１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず放電補助部６とキャップ電極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、さらに放電が伸展して、放電電極である一対の封止電極３間でアーク放電が行われる。
なお、このように電圧振動を抑制するためにブレーキ的な抵抗を設ける必要があるが、サージ防護素子に抵抗を外付けしても、サージ電流を最大限放流する段階において抵抗分が残留していると、抵抗に発生する電位降下分の電圧が被保護機器に加えられ、保護性能が落ちてしまうため、好ましくない。

本実施形態のサージ防護素子１のように、絶縁性管２内に放電電流に対するブレーキ的な抵抗領域（高抵抗なキャップ電極５外周面）と、アーク放電形成維持領域とを設けることで、アーク放電形成初期は、ブレーキ的な抵抗領域にアーク放電を形成し、電流の増加と共に抵抗領域を放電が伸展すると、最終的には封止電極間にアーク放電を形成してサージ電流が放流される。上記アーク放電形成初期では、アーク放電による放電電流が高抵抗なキャップ電極５外周面によって一気に増加しないため、電圧振動が抑制される。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、キャップ電極５の少なくとも外周面が、封止電極３よりも高抵抗な材料で形成されているので、キャップ電極５の外周面を形成する高抵抗材料が放電電流に対するブレーキ的な抵抗領域となり、電圧の振動を抑制することができる。

したがって、一対の封止電極３の内側に直列に高抵抗領域が接続されることになり、アーク放電が形成された際に流れ始める放電電流（数Ａ）が増加する割合を、キャップ電極５外周面の高抵抗領域が抑制する。
特に、キャップ電極５の少なくとも外周面の抵抗値が、１Ω～１ＭΩであるので、効果的に電圧の振動を抑制することが可能である。

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３及び図４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、キャップ電極５全体が封止電極３よりも高抵抗な金属で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２１では、図３及び図４に示すように、キャップ電極２５の外周面に封止電極３よりも高抵抗な高抵抗膜２５ａが形成されている点である。

第２実施形態では、キャップ電極２５本体として、例えばステンレス等が用いられ、この外周面に高抵抗膜２５ａが成膜されている。
上記高抵抗膜２５ａは、例えばＴｉＮ膜であって、物理蒸着（ＰＶＤ）法や化学蒸着（ＣＶＤ）法などの薄膜形成技術によって成膜されている。

このように第２実施形態のサージ防護素子２１では、キャップ電極２５の外周面に、封止電極３よりも高抵抗な高抵抗膜２５ａが形成されているので、キャップ電極２５の外周面を容易に高抵抗化することができると共に、キャップ電極２５本体を低抵抗な材料で形成することができる。
また、高抵抗膜２５ａとしてＴｉＮ膜を採用することで、緻密で硬質な高抵抗膜２５ａにより高い信頼性が得られる。

本発明の実施例として上記第２実施形態のサージ防護素子について、アーク放電時の電圧振動を測定した結果を図５の（ｂ）に示す。なお、比較として、ＴｉＮの高抵抗膜を成膜していないキャップ電極を用いた比較例の場合についても、同様に測定した結果を図５の（ａ）に示す。
これらの結果からわかるように、比較例では、アーク放電時に電圧振動が大きく生じているのに対し、本発明の実施例では、比較例に比べて電圧振動が抑制されていることが分かる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態および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。

１，２１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極、４…絶縁性部材、５，２５…キャップ電極、６…放電補助部、２５ａ…高抵抗膜

Claims

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、
前記絶縁性管内に収納された柱状又は筒状の絶縁性部材と、
前記絶縁性部材の両端部に設けられ一対の前記封止電極の内面に接触した一対のキャップ電極と、
前記絶縁性部材の周面に導電性材料で形成された放電補助部とを備え、
前記キャップ電極の外周面に、前記封止電極よりも高抵抗な高抵抗膜が形成され、
前記放電補助部が、前記高抵抗膜から離間して前記絶縁性部材の軸線方向中央に形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
請求項１に記載のサージ防護素子において、
前記高抵抗膜が、ＴｉＮ膜であることを特徴とするサージ防護素子。
請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
前記キャップ電極の少なくとも外周面の抵抗値が、１Ω～１ＭΩであることを特徴とするサージ防護素子。