JPH01124983A - サージ吸収素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、放電間隙と電圧非直線抵抗体とを並列接続し
て気密容器中に封入したサージ吸収素子に係り、特に、
沿面放電と気中放電という異なる放電現象を併用するこ
とにより、寿命特性を向上させたサージ吸収素子に関す
る。

［従来の技術］ 従来より、電子機器に加わる過渡的な異常電圧や誘導雷
等のサージから電子回路部品を保護するため、気密容器
中に封入した放電間隙の放電現象を利用したアレスタや
電圧非直線抵抗体より成るバリスタ等、種々のサージ吸
収素子が用いられており、本出願人も、放電間隙と電圧
非直線抵抗体とを並列接続して気密容器中に封入したサ
ージ吸収素子を提案（特開昭５９−１５７９８１、実開
昭６０−３２７８３等）している。

上記本出願人の提案によるサージ吸収素子１は、第３図
に示す如く、電圧非直線抵抗体２の両端に一対の電極６
，６を接続すると共に、画電極６゜６間に放電間隙７を
形成して上記電圧非直線抵抗体２と放電間隙７とを並列
接続し、これを放電ガスと共に気密容器ｌＯ中に封入し
て外部端子１）゜１）を導出した構造を有している。

上述の構成を有するサージ吸収素子１に、クリップ電圧
以上の電圧値を有するサージが印加されると、バリスタ
動作によって瞬時に（数１０［ｎＳ］程度）電圧非直線
抵抗体２を通して電流が流れてサージ吸収が開始され、
この電流による電圧非直線抵抗体２の電圧降下が放電間
隙７の放電開始電圧以上になると、上記電極６，６間に
グロー放電を経てアーク放電が生成し、このアレスタ動
作によって大電流のサージが吸収される。この様に、上
記サージ吸収素子１は、放電遅れが大きいというアレス
タの欠点をバリスタ動作によって補うと共に、電流耐量
が小さいというバリスタの欠点をアレスタ動作で補うこ
とによって、連応性と大電流耐量性とを合わせ持つ優れ
たサージ吸収特性を有するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記サージ吸収素子にあっては、放電間隙の
放電開始に初期電子の存在が不可欠であり、例えば、暗
黒中に数百時間以上放置される等、極端な初期電子不足
の環境下では放電遅れが生じる。この放電遅れは、印加
電圧が低くなるに従って大きくなるため、電圧非直線抵
抗体から放電へのサージ吸収の転移は、第２図曲線Ｂに
示す如く、サージ電圧が低くなるにつれて数［μＳ］程
度の長い時間を要する様になる。従って、上記サージ吸
収素子が、暗黒中でしかも低電圧サージの印加頻度が大
きい状況で用いられる場合には、電圧非直線抵抗体のエ
ネルギー負荷が増大して劣化が生じ、その寿命が短くな
る恐れがある。

本発明は、上述の点に鑑み案出されたもので、放電間隙
と電圧非直線抵抗体との並列接続構造を持つサージ吸収
素子が有する優れたサージ吸収特性を損なうことなく、
暗黒中等、初期電子の著しく不足する状況で使用され、
且つ、印加されるサージ電圧が低い場合でも、直ちに放
電を開始して電圧非直線抵抗体のエネルギー負荷を軽減
させることにより、その寿命特性を向上させたサージ吸
収素子を実現することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題を解決するため種々検討の結果、沿面コロナ
放電の応答速度が非常に速い（数１０〜数１００［ｎｓ
］程度）ことに着目し、電圧非直線抵抗体によるサージ
吸収と電極間の気中放電によるサージ吸収との間に、上
記沿面コロナ放電によるサージ吸収を介在させる構造と
することにより本発明の完成に至ったものである。

従って、本発明のサージ吸収素子は、電圧非直線抵抗体
の両端に一対の電極を接続すると共に、上記電極間に放
電間隙を形成し、これを放電ガスが充填された気密容器
中に封入したサージ吸収素子に於いて、上記電圧非直線
抵抗体上に絶縁体層を形成して、その表面に抵抗体被膜
を付着させ、該抵抗体被膜にスリットを形成して、上記
抵抗体被膜を絶縁分割すると共に、上記電極間の放電間
隙より十分幅の狭い放電間隙を形成し、上記電圧非直線
抵抗体、抵抗体被膜間の放電間隙及び電極間の放電間隙
を並列接続したことを特徴とする特のである。

［作用］ 本発明は、上述の如き構成であるので、サージ吸収素子
にクリップ電圧以上のサージが印加されると、瞬時に（
数１０［ｎＳ１程度）電圧非直線抵抗体を通してサージ
電流が流れてサージ吸収が開始され、このサージ電流値
と上記電圧非直線抵抗体の抵抗値との積に相当する電圧
降下が生ずることになる。電流量の増加に伴って上記電
圧降下も増大し、これが抵抗体被膜間に於ける放電間隙
の放電開始電圧を超えると直ちに（数ｌＯ〜数１００［
’ｎＳ］程度）上記放電間隙に沿面コロナ放電が生成す
る。次いで、この沿面コロナ放電は、゛　　放電によっ
て発生した荷電粒子の存在と抵抗分による抵抗体被膜の
電流制限作用とによって電極間の放電間隙に転移してグ
ロー放電を生成し、更にこれが、サージ電流の増大に伴
って電極外面間に移行してアーク放電を形成し、これに
よって大電流のサージが吸収される。

上記抵抗体被膜間の放電間隙に於ける沿面放電から電極
間の放電間隙に於ける気中放電への転移時間は、数１０
０［ｎｓ１程度であり、電圧非直線抵抗体にサージ電流
が流れ始めてから電極間の放電現象へサージ吸収が転移
するまでの時間はｌ［μＳ］以下となる。

【実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るサージ吸収素子の断
面図を示すものである０図に於いてサージ吸収素子１は
、ＺｎＯやＳｉＣ或いはこれらの混合物を主体として、
これに少量の添加物を加えた材料を焼結させて形成した
柱状の電圧非直線抵抗体２の側周面に絶縁体層３を形成
して、その表面に抵抗体被膜を付着させ、該抵抗体被膜
の略中央部に幅５０〜１００［μｍ］程度のスリットを
形成して、上記抵抗体被膜を２つの部分４．４に絶縁分
割すると共に、上記スリットによって放電間ｆ１５を形
成している。更に上記電圧非直線抵抗体２の両端に一対
の電極６，６を接続して、該電極６，６間の対向部分に
、上記抵抗体被膜４．４間の放電間隙５よりも十分に幅
の広い（数［鶴］程度）放電間隙７を形成し、これを、
セラミックやガラス等の絶縁物より成る筒状棒８の両端
に一対の金属キャップ９．９を取り付けて形成した気密
容器ｌＯ内に収納して、外部端子１）．１）を導出し、
上記気密容器ｌＯ内に、希ガス（Ｈｅ。

Ｎｅ、Ａｒ等）や窒素ガス等の不活性ガス或いは六弗化
硫黄ガス等より適宜選定された放電ガスを封入した構造
を有している。この状態で上記電圧非直線抵抗体２、抵
抗体被膜４，４間の放電間隙５及び電極６，６間の放電
間隙７が電気的に並列接続される。

上記絶縁体ｉｉ３は、耐熱性及び耐還元性を有する絶縁
材料、例えば、ビスマスガラスより成り、電圧非直線抵
抗体２と抵抗体被膜４．４とを電気的に絶縁すると共に
、サージ吸収素子ｌの製造中に於ける真空ベーキングや
サージ吸収時に於ける放電による上記電圧非直線抵抗体
２の還元を防止して、そのクリップ電圧値を安定化させ
ている。

上記抵抗体被膜４．４は、その抵抗値が小さすぎると、
大きなサージ電流が流れて、放電間隙５の放電によるス
パッタ現象で抵抗体波ｙ！４．４が損傷を受けると共に
、電流制限効果が低下して電極６．６間の放電間１）１
７への放電転移が遅れ、−方、抵抗値が大きすぎるとサ
ージ電流が流れ難くなって放電開始が遅れることとなる
ため、その抵抗値は１〜１００［Ω］の範囲が好適であ
る。また、上記抵抗体波１）４．４は、その放電間隙５
から電極６．６間の放電間隙７への放電転移を容易にす
るため、その仕事関数を電極６．６の仕事関数よりも大
きい値に設定することが好ましく、通常、上記電極６，
６の仕事関数が４［ｅｖ］未満であることから、４［ｅ
ｖ］以上が好適である。

上述の抵抗値及び仕事関数の条件を満たす材料としては
、炭素や酸化ルテニウム等が挙げられる。

尚、抵抗体被膜４，４間の放電間隙５に於ける放電開始
電圧は、通常、電圧非直線抵抗体２のクリップ電圧より
も若干（直流放電開始電圧で３０〜５０［Ｖ］程度）高
く設定されるが、その値は、上記放電間隙５を形成する
スリットの数及び幅によって調整し得る。

上記電極６．６は、放電特性及び加工特性が良好で仕事
開数が抵抗体被膜４．４より小さな材料、例えばニッケ
ルや鉄或いはこれらの合金等より成り、必要によりその
表面にＢａＯやＬａＢ・等のエミッタ層を形成したもの
である。その形状は、上記電圧非直線抵抗体２の端面よ
りも−回り大きな基部６ａ、６ａの周縁から側壁部６ｂ
、６ｂを立ち上げたキャンプ状と成されており、上記側
壁部６ｂ、６ｂに於ける外面の面積が先端の面積よりも
十分に広くなる様に形成されている。上記電圧非直線抵
抗体２と電極６．６との接続に際しては、上記抵抗体２
の両端面に導電性接着剤（図示せず、）を塗布し、上記
電極６．６が電圧非直線抵抗体２の両端を覆う様に被せ
て、上記電極の側壁部６ｂ、６ｂ内面と電圧非直線抵抗
体２側周面の抵抗体被膜４，４との間に所定の距離が保
たれ、且つ、上記電極の側壁部６ｂ、６ｂ先端が抵抗体
被１）１４．４から所定距離はなれた空間で対向して放
電間隙７が形成される様に位置決めして焼成している。

この段階で、抵抗体被膜４．４も電極６゜６に接続され
る。

上記電極６．６の形状及び電圧非直線抵抗体２側周面の
抵抗体被膜４．４との位置関係を上述の様に設定すると
、電極側壁部６ｂ、６ｂ先端のエッヂ効果による電界集
中によって、抵抗体被膜４．　　・４間の放電間隙５に
於いて生成した放電が、確実に、且つ迅速に、電極側壁
部６ｂ、６ｂ先端間の放電間隙７に転移し、スパッタに
よる抵抗体被膜４．４の損傷をより確実に防止できるも
のである。

この場合、放電ガスの封入圧力（Ｐ）と電極６゜６間の
放電間隙７の長さ（ｄ）との関係を、上記放電間隙７の
放電開始電圧（Ｖｓ）に関するパッシェンの法則による
ガス圧（Ｐ）と放電間隙長（ｄ）との積（Ｐ　−ｄ値）
が（Ｖｓ）の最小値付近となる様に設定すれば、上記放
電間隙５から放電間隙７への放電転移が更に容易になる
。

また、電極側壁部６ｂ、６ｂ先端の放電面積が小さいの
で、サージ電流の増大によってこの部分の電流密度が直
ちに飽和状態となり、電極側壁部６ｂ、６ｂ先端間の放
電が面積の広い電極側壁部６ｂ、６ｂの外面間に移行す
る。従って、電極６゜６に於ける放電でスパッタしてい
る部分と抵抗体被膜４．４間の放電間隙５との距離が大
きくなるため、放電間隙５まで飛来するスパッタ物質の
量が大きく減少し、上記電極６．６のスパッタ物質に起
因する放電間隙５の絶縁劣化を防止し得る。

この場合、電極側壁部６ｂ、６ｂ内面と抵抗体被１ｇ１
４．４との距離を小さ（保って、抵抗体被膜４゜４表面
の消イオン効果により上記電極側壁部６ｂ。

６ｂ内面に放電が生成し難くしておけば、電極側壁部６
ｂ、６ｂ先端間から外面間への放電移行が更に容易にな
る。

第２図は、上記サージ吸収素子と従来のサージ吸収素子
の暗黒中に於けるＶ−Ｔ特性を示すグラフである。即ち
、直流放電開始電圧が３６０［Ｖ］のサージ吸収素子を
暗黒中に３４０時間放置して、これに電圧（Ｖ）を変化
させて電圧波形１゜２Ｘ５０　［μＳ］のサージを印加
し、電圧非直線抵抗体によるサージ吸収から電極間の放
電によるサージ吸収への転移時間（Ｔ）を測定したもの
であ、す、曲線Ａが本発明に係るサージ吸収素子の特性
、曲線Ｂが従来のサージ吸収素子の特性である。

従来のサージ吸収素子の転移時間が、０．　８　［ＫＶ
］（７）サージのときニ４　［＃Ｓ］　、３　［ＫＶ］
　（７）サージのときに１　［μＳ］であるのに対し、
本発明のサージ吸収素子は、直流放電開始電圧である３
６０［Ｖ］以上のサージに対し、１［、ｕｓ］以下の短
い転移時間となっている。

［発明の効果］ 以上詳述の如く、本発明のサージ吸収素子は、電圧非直
線抵抗体と電圧非直線表面の抵抗体被膜による放電間隙
と電圧非直線抵抗体両端の電極による放電間隙とを並列
接続した構造を有しているので、電圧非直線抵抗体によ
って開始されたサージ吸収は、抵抗体被膜の放電間隙に
よる沿面放電を経て電極間の放電間隙による気中放電へ
と移行する。上記沿面放電は、初期電子が少なく、且つ
、印加電圧が低い場合でも放電開始遅れが非常に少ない
ので、電圧非直線抵抗体から沿面放電及び気中放電への
サージ吸収の転移時間が短くなって電圧非直線抵抗体の
エネルギー負荷が軽減され、その劣化が防止されて寿命
特性が向上する。しかも、上記電圧非直線抵抗体による
連応性と気中放電による大電流耐量性は何ら損なわれる
ことなく、そのまま保持されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るサージ吸収素子の断
面図、第２図は、本発明のサージ吸収素子と従来のサー
ジ吸収素子にサージを印加した場合の印加電圧とサージ
吸収の転移時間との関係を示すＶ−Ｔ特性グラフであり
、第３図は、従来例の断面図である。 １・・・サージ吸収素子、２・・・電圧非直線抵抗体、
３・・・絶縁体層、４．４・・・抵抗体被膜、５・・・
放電間隙、６．６・・・電極、６ａ、６ａ−・・基部、
６ｂ、６ｂ・・・側壁部、７・・・放電間隙、１０・・
・気密容器。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧非直線抵抗体の両端に一対の電極を接続する
   と共に、上記電極間に放電間隙を形成し、これを放電ガ
   スが充填された気密容器中に封入したサージ吸収素子に
   於いて、上記電圧非直線抵抗体上に絶縁体層を形成して
   、その表面に抵抗体被膜を付着させ、該抵抗体被膜にス
   リットを形成して、上記抵抗体被膜を絶縁分割すると共
   に、上記電極間の放電間隙より十分幅の狭い放電間隙を
   形成し、上記電圧非直線抵抗体、抵抗体被膜間の放電間
   隙及び電極間の放電間隙を並列接続したことを特徴とす
   るサージ吸収素子。
2. （２）抵抗体被膜の抵抗値を１乃至１００［Ω］に設定
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のサ
   ージ吸収素子。
3. （３）抵抗体被膜の仕事関数を電極の仕事関数より大き
   い値に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項に記載のサージ吸収素子。
4. （４）抵抗体被膜の仕事関数を４［ｅｖ］以上の値に設
   定したことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   サージ吸収素子。
5. （５）抵抗体被膜を炭素又は酸化ルテニウムとしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載のサージ吸収
   素子。
6. （６）電極を、基部の周縁から側壁部を立ち上げたキャ
   ップ状と成して上記側壁部先端間に放電間隙を形成し、
   且つ上記側壁部の外面面積を先端面積よりも十分に広く
   なる様に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第５項の何れかに記載のサージ吸収素子。
7. （７）電極側壁部の内面と電圧非直線抵抗体上の抵抗体
   被膜との間に所定の距離が保たれる様に、上記電極と電
   圧非直線抵抗体とを配置して、上記電極側壁部先端間の
   放電間隙を上記抵抗体被膜から所定距離はなれた位置に
   形成したことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   のサージ吸収素子。