JPH056797B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、放電間〓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、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素子を保護するた
め、気密容器中に封入した放電間〓の放電現象を
利用する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〓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
端に一対の放電電極６，６を接続すると共に、両
放電電極６，６間に放電間〓７を形成して上記電
圧非直線抵抗体２と放電間〓７とを並列接続し、
これを放電ガスと共に気密容器１０中に封入して
外部端子１１，１１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
ツプ電圧以上の電圧値を有するサージが印加され
ると、バリスタ動作によつて瞬時に（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〓７の放電開始電
圧以上になると、上記放電電極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
作によつて大電流のサージが吸収される。このよ
うに、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つて
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つて、速応性
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つては、放
電間〓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
従つて大きくなるため、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ようになる。従つて、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〓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放電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つ
て本発明の完成に至つたものである。

従つて、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放電電極を接続して該放
電電極間に放電間〓を形成し、該放電間〓と電圧
非直線抵抗体とを並列接続して、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
子において、上記電圧非直線抵抗体を、少なくと
も一対の端面と、該端面を取り囲む側面を備えた
形状と成し、該電圧非直線抵抗体の側面に絶縁体
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ツトを形成してこれを絶
縁分割し、該抵抗体被膜間に上記放電間〓より十
分幅の狭い補助放電間〓を形成し、また、上記放
電電極を基部周縁から側壁部を立ち上げたキヤツ
プ状と成し、各放電電極の基部内面を上記電圧非
直線抵抗体の端面に接続して、各放電電極と上記
抵抗体被膜とを接続すると共に、各放電電極の側
壁部内面と上記抵抗体被膜との間に所定の距離が
保たれ、且つ、各放電電極の側壁部先端が、上記
補助放電間〓から所定の距離を隔てた外方空間で
相対向して上記放電間〓を形成するよう構成し
た。

［作用］ 本発明は、上述の如き構成であるので、サージ
吸収素子にクリツプ電圧以上のサージが印加され
ると、瞬時に（数10［nS］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
ととなる。電流量の増加に伴つて上記電圧降下も
増大し、これが抵抗体被膜間における補助放電間
〓の放電開始電圧を越えると、直ちに（数10〜数
100［nS］程度）上記補助放電間〓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、放電によつて発生した荷電粒子の作用（すな
わち、電子及びイオンのプライミング効果）と、
抵抗分による抵抗体被膜の電流制限作用とによつ
て、放電電極間の放電間〓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とも
なつて放電電極外面間に移行してアーク放電を形
成し、これによつて大電流のサージが吸収され
る。

上記抵抗体被膜間の補助放電間〓における沿面
放電から放電電極間の放電間〓における気中放電
への転移時間は、数100［nS］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放電
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１［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。図においてサー
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］程度のスリツトを形成して、
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、上記スリツトによつて補助放電間〓５
を形成している。更に上記電圧非直線抵抗体２の
両端面に一対の放電電極６，６を接続して、該放
電電極６，６間の対向部分に、上記抵抗体被膜
４，４間の補助放電間〓５よりも十分に幅の広い
（数［mm］程度）放電間〓７を形成し、これを、
セラミツクやガラス等の絶縁物より成る筒状体８
の両端に一対の金属キヤツプ９，９を取り付けて
形成した気密容器１０内に収納して、外部端子１
１，１１を導出し、上記気密容器１０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に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
の補助放電間〓５及び放電電極６，６間の放電間
〓７が電気的に並列接続される。

上記絶縁体層３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１の製造中
における真空ベーキングやサージ吸収時における
放電による上記電圧非直線抵抗体２の還元を防止
して、そのクリツ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、補助放電間
〓５の放電によるスパツタ現象で抵抗体被膜４，
４が損傷を受けると共に、電流制限効果が低下し
て放電電極６，６間の放電間〓７への放電転移が
遅れ、一方、抵抗値が大きすぎるとサージ電流が
流れ難くなつ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、上記抵抗体被膜４，４は、その補助放電
間〓５から放電間〓７への放電転移を容易にする
ため、その仕事関数を放電電極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、上記放電電極６，６の仕事関数が４［eV］未
満であることから、４［eV］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間の補助放電間〓５にお
ける放電開始電圧は、通常、電圧非直線抵抗体２
のクリツプ電圧よりも若干（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、
上記補助放電間〓５を形成するスリツトの数及び
幅によつて調整し得る。

上記放電電極６，６は、放電特性及び加工特性
が良好で仕事関数が抵抗体被膜４，４より小さな
材料、例えばニツ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LaB₆等
のエミツ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の端面よりも一回り
大きな基部６ａ，６ａの周縁から側壁部６ｂ，６
ｂを立ち上げたキヤツプ状と成されており、上記
側壁部６ｂ，６ｂにおける外面の面積が先端の面
積よりも十分に広くなるように形成されている。
上記電圧非直線抵抗体２と放電電極６，６との接
続に際しては、上記抵抗体２の両端面と放電電極
の基部６ａ，６ａの内面とを、図示しない導電性
接着剤を介して接続し、放電電極の側壁部６ｂ，
６ｂ内面と電圧非直線抵抗体２の側周面の抵抗体
被膜４，４との間に所定の距離が保たれ、且つ、
放電電極の側壁部６ｂ，６ｂ先端が抵抗体被膜
４，４間に形成された補助放電間〓５から所定距
離はなれた外方空間で相対向して放電間〓７が形
成されるよう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も放電電極６，６に接
続される。

上記放電電極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
述のように設定すると、放電電極側壁部６ｂ，６
ｂ先端のエツヂ効果による電界集中によつて、抵
抗体被膜４，４の補助放電間〓５において生成し
た沿面放電が、確実に、且つ迅速に、放電電極側
壁部６ｂ，６ｂ先端間の放電間〓７に転移し、ス
パツ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)と放電電極６，６間の放電間〓７の長
さ(d)との関係を、上記放電間〓７の放電開始電圧
（Vs）に関するパツシエンの法則によるガス圧(P)
と放電間〓長(d)との積（Ｐ・ｄ）が（Vs）の最
小値付近となるように設定すれば、上記補助放電
間〓５から放電間〓７への放電転移が更に容易に
なる。

また、放電電極側壁部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つてこの
部分の電流密度が直ちに飽和状態となり、放電電
極側壁部６ｂ，６ｂ先端間の放電が面積の広い放
電電極側壁部６ｂ，６ｂの外周面に移行する。従
つて、放電電極６，６における放電でスパツタし
ている部分と抵抗体被膜４，４間の補助放電間〓
５との距離が大きくなるため、補助放電間〓５ま
で飛来するスパツタ物質の量が大きく減少し、上
記放電電極６，６のスパツタ物質に起因する補助
放電間〓５の絶縁劣化を防止し得る。この場合、
放電電極側壁部６ｂ，６ｂ内面と抵抗体被膜４，
４との距離を小さく保つて、抵抗体被膜４，４表
面の消イオン効果により上記放電電極側壁部６
ｂ，６ｂ内面に放電が生成し難くしておけば、放
電電極側壁部６ｂ，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おける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1.2×50［μS］の
サージを印加し、電圧非直線抵抗体によるサージ
吸収から放電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り、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］のサージのときに
４［μS］、３［KV］のサージのときに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360［Ｖ］以上のサージに対し、
１［μS］以下の短い転移時間となつている。

［発明の効果］ 本発明に係るサージ吸収素子は、以上のように
構成したため、電圧非直線抵抗体によつて開始さ
れたサージ吸収は、抵抗体被膜間の補助放電間〓
による沿面放電を経て、放電電極間の放電間〓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
移時間が短くなつ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
よる速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
……補助放電間〓、６，６……放電電極、６ａ，
６ａ……基部、６ｂ，６ｂ……側壁部、７……放
電間〓、１０……気密容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電圧非直接抵抗体の両端に一対の放電電極を
   接続して該放電電極間に放電間〓を形成し、該放
   電間〓と電圧非直線抵抗体とを並列接続して、こ
   れを放電ガスが充填された気密容器中に封入した
   サージ吸収素子において、上記電圧非直線抵抗体
   を、少なくとも一対の端面と、該端面を取り囲む
   側面を備えた形状と成し、該電圧非直線抵抗体の
   側面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ツトを形成し
   てこれを絶縁分割し、該抵抗体被膜間に上記放電
   間〓より十分幅の狭い補助放電間〓を形成し、ま
   た、上記放電電極を基部周縁から側壁部を立ち上
   げたキヤツプ状と成し、各放電電極の基部内面を
   上記電圧非直線抵抗体の端面に接続して、各放電
   電極と上記抵抗体被膜とを接続すると共に、各放
   電電極の側壁部内面と上記抵抗体被膜との間に所
   定の距離が保たれ、且つ、各放電電極の側壁部先
   端が、上記補助放電間〓から所定の距離を隔てた
   外方空間で相対向して上記放電間〓を形成するよ
   う構成したことを特徴とするサージ吸収素子。 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 抵抗体被膜の仕事関数を放電電極の仕事関数
   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 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 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 放電電極の側壁部外面の面積を、側壁部先端
   の面積よりも十分に広くなるように形成したこと
   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。