JPH02503049A - 非線形材料及びそれを用いる過電圧保護素子 - 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】 本発明は反復性過渡過電圧から電子回路を保護する材料、および前記材料を用い る素子に関する。これらの材料は過電圧保護を与えるほか、静ブリードおよび過 電圧保護の両方を与えるようにも適切化することができる。

さらに詳しく述べれば、この材料は非線型電気抵抗特性を有し、ナノ秒の立上り 時間を持つ反復性電気過渡現象に応答することができ、低い電気キャパシタンス を有し、大きなエネルギーを処理する能力を有し、さらに静ＮＴＱのブリード・ オフを与えるのに必要な範囲内の電気抵抗を有する。

なおも詳しく述べれば、材料組成および素子形状は５０Ｖから１５．０００Ｖま でにわたるクランプ電圧を生じるオン状態の抵抗率の範囲を与えるように適切化 される。材料組成は同時に１ｖオームから１０７オーム以上までにわたる静ブリ ード抵抗を生じるオフ状態の抵抗率を与えるようにも適切化される。最終の通用 によって静ブリードが要求されないならば、オフ状態の抵抗は１０’オームから １０９オーム以上までわたるように適応されるが、依然として電圧クランプの目 的で所望のオン状態抵抗を維持することができる。

要するに、本発明で開示される材料は、絶縁マトリックスまたは結合材の中に一 様に分散された導電性粒子から成っている０粒子の最大サイズは電極間隔によっ て決定される。所望の実施例では、を極間隔は少なくとも５粒子の直径に等しく なければならない０例えば、約１０００ミクロンの電極間隔を使用すると、最大 粒子サイズは約２００ミクロンである。この例では、より小さい粒子サイズを使 用することもできる０粒子間の分離は、入って来ろ過渡過電圧に応じて隣接する 導電性粒子間に量子力学的トンネル作用が生じるだけ小さくなければならない。

さらに詳しく述べれば、結合材の中に分散された粒子の性質は、所望の応用次第 で本発明を事実上無制限のサイズ、形状、および幾何模様に作る利点を与える０ 例えばポリマ結合材の場合、材料は集積回路グイ、不連続電子デバイス、プリン ト回路基板、電子機器シャシ、コネクタ、ケーブルおよび相互接続電線、ならび にアンテナを含む事実上すべての電気装置のレベルで応用されるように成形され る。

結合材の中に分散された粒子の性質は、所望の応用次第で本発明を事実上無制限 のサイズ、形状、および幾何模様に作る利点を与える。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の素子を用いる標準の電子回路の応用例である。

第２図は非直線材料の断面の拡大図である。

第３図は本発明の材料を使用する標準素子の実施例である。

第４図はクランプ電圧対導電性粒子容積百分率のグラフである。

第５図は本発明から作られた素子の過電圧レスポンスを測定する標準試験装置で ある。

第６図は本発明から作られた素子に加えられる過渡過電圧パルスの電圧対時間の グラフである。

発明の詳細な説明 第１図に示される通り、本発明から作られた素子は入って来る過渡過電圧信号に 対して関連回路部品および回路を保護する。第１図の電子回路１０は規定値Ｖ、 よりも一般に低い電圧で作動し、■、０２倍ないし３倍以上の入って来る過渡過 電圧によって損傷されることがある。第１図において、電子ライン１３で装置に 入ろ過渡過電圧１１が示されている。このような過渡入来電圧は雷、ＥＭＰ、静 電放電、および誘導電力サージから生じることがある。

このような過渡過電圧が加わると、非線型素子１２は高抵抗状態から低抵抗状態 にスイッチし、それによって点１５の電圧を安全値にクランプしかつ過度の電流 を入力ライン１３からシステム接地１４に分路する。

非線型材料は、標準混合法を用いて絶縁マトリックスまたは結合材の中に一様に 分散されている導電性粒子から成っている。材料のオン状態抵抗およびオフ状態 抵抗は、結合材内部の粒子間隔および絶縁結合材の電気特性によって決定される 。結合材は電気的に２つの役割を演じ、まずそれはｉ電性粒子間の分離に適合す る媒体を提供し、それによって量子力学的トンネル作用を制御し、次にそれは絶 縁体として均等分散の電気抵抗を適合させる。正規の作動条件の間および正規の 作動電圧範囲内で、非線型材料がオフ状態であると、材料の抵抗は極めて高い、 普通、それは１０５オームから１０”オーム以上にわたる静電放電のブリード− オフに要求される範囲内であるか、またはギガ・オーム領域の高い抵抗である。

オフ状態での静ブリードによる伝導、および過電圧過渡現象に応じた伝導は主と して近接する導電性粒子間にあり、粒子を分離する絶縁結合材料を通して量子力 学的トンネル効果から生じる。

第２図は導電性粒子の粒子間隔２．０と、電極２４とを備えた２端子素子の概略 図である０粒子２１から粒子２２までの電子伝導用の電位障壁は分離距離２０お よび絶縁結合材料２３の電気特性によって決定される。オフ状態では、この電位 障壁は比較的高く、非線型材料用の高ｉ）！気抵抗率を生じる。バルク抵抗率の 特定値は、結合材への導電性粒子の容積百分率充填率、粒子のサイズと形状、お よび結合材そのものの組成を調節することによって適切化することができる。良 く混合された均質の系では、容積百分率充填率が粒子間隔を決定する。

非線型材料に高い電圧を加えると、粒子間伝導に対する電位障壁が急減し、量子 力学的トンネル作用により材料を流れる電流が大幅に増加する。この低い電気抵 抗の状態は非線型材料のオン状態と呼ばれる。トンネル効果および電位障壁に及 ぼす電圧増加の影響の詳細は、原子準位での均質の量子力学理論によって良く説 明される。伝導の性質は主として量子機械トンネル作用であるので、材料の高速 立上り電圧パルスに対する時間レスポンスは極めて迅速である。オフ状態の抵抗 率からオン状態の抵抗率への推移はサブ・ナノ秒台で生じる。

本発明の材料を用いる標準的な素子の実施例が第３図に示されている。第３図の 特定な設計はプリント回路基板応用で電子コンデンサを保護するのに適している 。この発明の材料３２は、平行な２個の平リード付銅電極３０および３１の間に 成形され、エポキシでカプセル化されている。これらの応用では、電極間隔はｏ 、ｏｏｓインチ〜ｏ、　ｏ　ｓ　ｏインチ（約０．１２７１１１１〜１．２７鶴 ）であることができる。

第３図の素子の特定な応用では、２００ボルト〜４００ボルトのクランプ電圧、 １０ボルトで１０メガオームのオフ状態抵抗、および１ナノ秒未満のクランプ時 間が要求される。この仕様は０．０１０インチ（約０．２５４ｍ）で隔置された 電極間に材料を成形することによって満たされる。素子の外径は０．２５インチ （約６．３５０）である、他のクランプ電圧仕様は材料の厚さ、材料の組成、も しくはその両方を調節することによって満たすことができる。

第３図に示される特定実施例の、重量による材料組成の一例はポリマー結合材３ ５％、橋かけ剤１％、および導電性粉末６４％である。この組成では、結合材は シラスティック（Ｓｉｔａｓｔｉｃ）　３５υシリコーン・ゴムであり、橋かけ 剤はヴアロックス（Ｖａｒｏｘ）過酸化物であり、導電性粉末は平均粒子サイズ １０ミクロンの二、ケル粉末である。

当業者は、広範囲のポリマーその他の結合材、導電性粉末、組成および材料が可 能であるとを理解していると思う０本発明の非線型材料を作る結合材と混合し得 る他の導電性粒子には、アルミニウム、ベリリウム、鉄、金、銀、プラチナ、鉛 、錫、青銅、黄銅、銅、ビスマス、コバルト、マグネシウム、モリブデン、パラ ジウム、タンタル、タングステンおよびそれらの合金、炭化チタンを含む炭化物 、炭化ホウ素、炭化タングステン、ならびに炭化タンクルなどの金属粉末、カー ボンブランクおよび黒鉛を含む炭素を基礎とする粉末、さらには金属窒化物およ び金属ホウ化物が含まれている。絶縁接着材はポリエチレン、ポリプロピレン、 塩化ポリビニル、天然ゴム、ウレタン、およびエポキシ、シリコン・ゴム、フル オロポリマー、ならびに重合体混合物および合金を含むことがあるが、これらに 制限されない、他の絶縁結合材としてはセラミック、耐火材料、ワックス、オイ ル、およびガラスなどがある。結合材の主な機能は、過電圧が加えられる状況下 での適正な量子力学トンネル作用を保証するように、ａｌｉ粒子の粒子間隔を設 定・維持することである。

結合材は事実上絶縁物であるが、その電気特性を変えるためにいろいろな材料を それに加えたり混合することによって、その抵抗率に関して適正化される。この ような材料としては粉状バリスタ、有機半導体、カンプリング剤および帯電防止 剤などがある。

５０ポルトから１５．０００ボルトまでのクランプ電圧を得るために、上記のガ イドラインに従って広範囲の組成を作ることができる０粒子サイズおよび容積百 分率充填率、ならびに素子の厚さおよび幾何形状によって決定される粒子間隔は 最終クランプ電圧を左右する。これの例として、第４図は同じ厚さと幾何形状を 有しかつ同じ混合法で作られた材料の容積百分率導体の関数としてのクランプ電 圧を示す、第４図で試験された素子のオフ状態抵抗はすべて約１０メガオームで ある。

第５図は本発明の材料で作られた素子の電気的レスポンスを測定する試験回路を 示す、普通１〜５ナノ秒の立上り時間の、高速立上り時間パルスは、パルス発生 器５０によって作られる。パルス発生器の出力インピーダンス５１は５０オーム である。パルスは、高電圧ライン５３とシステム接地５４との間に接続されてい る試験中の非線形素子５２に加えられる。非線形素子の電圧対時間特性は、高速 蓄積オシロスコープ５７によって点５５および５６で測定される。

第５図で試験された素子の標１！電気レスポンスは、素子に加えられる過渡過電 圧パルスの電圧対時間のグラフとして第６図に示されている。第６図において、 入力パルス６０は５ナノ秒の立上り時間および１．０００ボルトの電圧振幅を有 する。素子のレスポンス６１はこの特定例で３６０ボルトのクランプ電圧を示す 。

第６図で試験された素子のオフ状態抵抗は８メガオームである。

本発明の材料を組み立てる工程は、標準のポリマー処理法および装置を含む、好 適な工程は、導電性粒子を結合材料に組み入れる２０一ル式ゴム・ミルを利用す る。ポリマー材料はミルでバンド状に巻付けられ、必要な場合は橋かけ剤が加え られ、導電性粒子が結合材にゆっくり加えられる。導電性粒子が結合材に完全に 混合してから、混合物はミル・ロールからシート状にはがされる。

バンバリー（Ｂａｎｂｕｒｙ）混合、押出混合および他の同様な混合装置を含む 他のポリマー処理法が利用されることがある。所望厚さの材料が電極間に成形さ れる。必要な場合、環境保護用の別のパフケージ法が利用されることがある。

浄書（内容に変更なし） 導電体容積対ＶＣ 導電体容積％ 手続補正書（方式） ％式％ ２、発胡の名称　　　過電圧保護素子及び材料３、補正をする者 ５、補正命令の日付　　　自　　発 ６、補正の対象　　　　　代理権を証明する書面７、補正の内容　　　　　別紙 のとおり国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．隔置された導体間に置かれてそれらと接触する材料であって、ａ）接近して 隔置され、均等に分布された導電性材料の粒子であり、０．１ミクロン〜２００ ミクロンの範囲内にあって粒子間に量子力学的トンネル作用を提供するように隔 置される前記粒子と、 ｂ）前記導電性粒子間に所定の抵抗を提供するとともに量子力学的トンネル作用 の媒体を提供するように選択された結合材と、 を含むことを特徴とする材料。
2. ２．結合材が電気絶縁物であることを特徴とする請求の範囲第１項記載による材 料。
3. ３．結合材料は１０８〜約１０１６オーム・センチメートルの範囲の電気抵抗率 を有する、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
4. ４．結合材は粉末材料コンパウンド、粉末金属酸化物、粉末半導体、有機半導体 、有機塩、カップリング剤、および添加物などのような材料の追加によって変え られたその抵抗特性を有するポリマー体である、ことを特徴とする請求の範囲第 １項記載による材料。
5. ５．結合材はポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ポリビニル、天然ゴム、ウレ タン、およびエポキシのような有機ポリマーから選択される、ことを特徴とする 請求の範囲第１項記載による材料。
6. ６．結合材はシリコン・ゴム、フルオロポリマー、およびポリマー混合物ならび に合金から選択される、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
7. ７．結合材はセラミックおよび耐火合金を含む材料から選択される、ことを特徴 とする請求の範囲第１項記載による材料。
8. ８．結合材はワックスおよびオイルを含む材料から選択される、ことを特徴とす る請求の範囲第１項記載による材料。
9. ９．結合材はガラスを含む材料から選択される、ことを特徴とする請求の範囲第 １項記載による材料。
10. １０．結合材は発煙二酸化シリコン、水晶、アルミナ、三水化アルミニウム、長 石、シリカ、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、木粉、結晶シ リカ、タルク、マイカ、または硫酸カルシウムを含む、ことを特徴とする請求の 範囲第１項記載による材料。
11. １１．導電性粒子はアルミニウム、ベリリウム、鉄、金、銀、プラチナ、鉛、錫 、青銅、黄銅、銅、ビスマス、コバルト、マグネシウム、モリブデン、パラジウ ム、タンタル、タングステンおよびその合金、炭化チタンを含む炭化物、炭化ほ う素、炭化タングステン、および炭化タンタルの粉末、カーボンブラックおよび 黒鉛を含む炭素を基礎とする粉末、ならびに窒化金属およびホウ化金属の粉末を 含む、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
12. １２．導電性粒子はアルミニウム、ベリリウム、鉄、金、銀、プラチナ、鉛、錫 、青銅、黄銅、銅、ビスマス、コバルト、マグネシウム、モリブデン、パラジウ ム、タンタル、タングステンおよびその合金、炭化チタンを含む炭化物、炭化ほ う素、炭化タングステン、および炭化タンタルの粉末、カーボンブラックおよび 黒鉛を含む炭素を基礎とする粉末、ならびに窒化金属およびホウ化金属の粉末を 含むような、導体で被覆された一様なサイズの中空または固体ガラス球を含む、 ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
13. １３．導電性粒子は約１０−１〜１０−６オーム・センチメートルの範囲の抵抗 率を有する、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
14. １４．材料にある導電性粒子の容積による百分率は約０．５％を越えるとともに 約５０％未満である、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による材料。
15. １５．端子間の電子回路にナノ秒の過渡過電圧保護を与える、ことを特徴とする 請求の範囲第１〜１４項のどれでも１つの項記載による材料を利用する２端子素 子。
16. １６．電子回路にナノ秒の過渡過電圧保護を与えることを特徴とする請求の範囲 第１〜１４項のいずれか１つの項記載による材料を利用する電極付き素子。
17. １７．電子回路にナノ秒の過渡過電圧保護を与えることを特徴とする請求の範囲 第１〜１４項のいずれか１つの項記載による材料を利用するリード付きの電極付 き素子。
18. １８．電子回路および静電ブリードにナノ秒の過渡過電圧保護を与えることを特 徴とする請求の範囲第１〜１４項のいずれか１つの項記載による材料を利用する 素子。
19. １９．電子回路および静電ブリードにナノ秒の過渡過電圧保護を与えることを特 徴とする請求の範囲第１〜１４項のいずれか１つの項記載による材料を利用する 電極付き素子。
20. ２０．電子回路および静電ブリードにナノ秒の過渡過電圧保護を与えることを特 徴とする請求の範囲第１〜１４項のいずれか１つの項記載による材料を利用する リード付きの電極付き素子。