JPH06208870A - 過電圧防止装置 - Google Patents

過電圧防止装置

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JPH06208870A
JPH06208870A JP5236516A JP23651693A JPH06208870A JP H06208870 A JPH06208870 A JP H06208870A JP 5236516 A JP5236516 A JP 5236516A JP 23651693 A JP23651693 A JP 23651693A JP H06208870 A JPH06208870 A JP H06208870A
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JP5236516A
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Paul J Anastasio
ジョゼフ アナスタシオ ポール
James M English
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John Charles Farrar
チャールズ ファーラー ジョン
Ram P Goel
パーカッシュ ゴール ラム
Bernard J Janoss
ジョン ジェイノス バーナード
Christopher J Collins
ジェイ コリンズ クリストファ
Richard K Childers
ケンダル チルダース リチャード
John H Bunch
ヒラリー バンチ ジョン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の過電圧保護装置を改良し、特に多接点コ
ネクタあるいは多接点回路に好適な、構造を簡素化した
装置を提供すること。 【構成】導通アース経路（２６）と、接点（４４）と接
続される不連続の信号経路（１６）と係合する誘電体シ
ート（３０）を備える積層体から成る過応力要素（２
２）を設ける。上記シート（３０）は、電気的過応力保
護材料（３６）が充填される孔（３２）、細孔、あるい
は糸又は繊維の間隙体を備えている。上記において、信
号経路およびアース経路と関連するシート厚みおよび孔
の面積、および保護材料の特性は、構成品を過剰な電圧
レベルから保護するために信号経路からその過剰な電圧
レベルをアースできるような破壊電圧および制限電圧に
対応して設定される。電気的コネクタ（４０、４０’、
４０’’）はハウジング（４２、４２’）および接点
（４４）の形状の異なる各実施例における装置に内蔵さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電圧感応性構成品を保
護する過電圧防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】小型化された電気的構成品、例えば、集
積回路は、中心間距離の近接した極小の電導路の存在に
よって、伝送される信号に過電圧が現れると、機能が脆
弱化される。過電圧は、前記の電気的構成品に過応力を
発生させ、損傷あるいは破損をもたらし、その結果、機
能を失わせる。過電圧は、１５ｋｖを越える静電放電に
よる装置の立ち上がり静電荷から、雷撃あるいは高電圧
線との偶発的接触によって誘起される電圧に至るまでさ
まざまの原因によって生じる。米国特許第４，７２６，
６３８号（１９８８年２月２３日に認可）は、２方向性
ダイオードを電気コネクタに内蔵した過電圧防止組立体
を開示している。この組立体において、ダイオードは、
コネクタと連結している接地路に過電圧レベルを分流す
る電圧破壊特性を有している。しかし、この特許に記載
されているように、このようなダイオードとこれと連結
する基板を付加することは、コネクタの内部に余分なス
ペースを必要とし、また、数多くの離散されたダイオー
ドのような部品を取り扱うという厄介さがある。
【０００３】米国特許第４，８２６，９９１号（１９８
８年２月２３日に認可）は、絶縁材料によって被覆され
た導体粒子と半導体粒子との混合物から形成されるマト
リックスによって構成される過電圧防止力材料を開示し
ている。この材料は、マトリックス内に被覆絶縁材料に
よる鎖が形成され、過電圧の存在下において、望ましく
ない電圧レベルをアースに導通させ、回路を所定の低電
圧に制限する機能を有している。また、米国特許第４，
９７７，３５７号（１９９０年１２月１１日に認可）
は、非常に小さい構造で、構成品の過電圧および過応力
保護を達成することが可能な過電圧防止材料と過電圧防
止装置を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】そこで、本発明は、
従来の過電圧防止装置を改良し、特に多極コネクタある
いは多接点回路に好適な、構造を簡素化した過電圧防止
装置を提供することを目的としている。また、本発明
は、単一構造で、コネクタあるいは回路に用いられる多
接点に好適な一体化過電圧防止を可能とする改良された
過電圧防止装置を提供することを目的としている。
【０００５】さらに、本発明は、異なった形状を有する
電気コネクタに内蔵される、単純で、小さく、一体化が
容易な過電圧防止装置を提供することを目的としてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の過電圧防止装置は、電気信号を伝達する信号
路に対向して配置された接地路と、多数の孔が形成され
た、前記信号路と前記接地路との間に挟まれた絶縁シー
トと、前記信号路に印加された電圧が所定値を越えたと
きにこの所定値を越えた分の電圧に起因する電流を前記
接地路に導く、多数の前記孔に充填され前記信号路及び
前記接地路に接続された過電圧防止材とを備えたことを
特徴とするものである。
【０００７】また、上記の目的を達成するために、本発
明は、構成品に過応力を発生させるレベル以上の過電圧
が接地されるように、広範囲な電圧を受容し急激に抵抗
を変更できる電圧破壊特性を有するマトリックス材料を
用いる過電圧防止装置を提供することを特徴とするもの
である。この材料はコネクタ、回路などの内部の信号路
と接地路との間に挿入されるように内蔵される。この種
のマトリックス材料は、前記の米国特許第４，７２６，
９９１号および第４，９７７，３５７号に記載され、本
発明に用いられる材料の種類はその性能と共に後述す
る。
【０００８】また、本発明は、マトリックス材料が充填
された孔（あるいは開口）を有し、信号用コンタクトお
よび接地用コンタクトと接触する箔あるいは電解メッキ
された領域から成る信号路と接地路（あるいは電極）と
の間に積層される薄い絶縁シートによって構成される過
電圧防止装置を提供することを特徴とするものである。
この過電圧防止装置は非常に薄く、特定のマトリックス
材料と協働して、シート厚み、孔径あるいは孔寸法を選
択することによって、電圧破壊、抵抗の変更およびエネ
ルギー量を制御することができる。
【０００９】
【作用】本発明の過電圧防止装置によれば、信号路に印
加された電圧が所定値を越えると、この所定値を越えた
分の電圧に起因する電流は過電圧防止材により接地路に
導かれる。このため、信号路に接続された回路素子を過
電圧による破壊から保護することができる。
【００１０】本発明の一実施例は、ポリエステルフィル
ム、ポリイミドフィルムあるいはポリアミドフィルムの
ような薄い絶縁シートによって構成されている。この絶
縁シートは、整列して穿孔され、この孔にマトリックス
材料が充填され、電極間に必要な表面積と材料の必要な
厚みを有し、印刷基板、コネクタあるいはそれらの間に
容易に取り付けることができる。この過電圧防止装置
は、基板の一部である電導路によって形成された信号路
の上に配置され、印刷基板に積層されたマトリックス材
を担持するシートと、マトリックス材と密接に接触する
シート材に積層される接地路を備えている。この実施例
において、信号用コンタクトを備えるコネクタは印刷基
板に取り付けられ、信号用コンタクトは信号路および接
地路と半田あるいは他の適当な相互接続技術によって接
続されている。
【００１１】他の実施例において、過電圧防止装置はコ
ネクタのハウジングの底に取り付けられ、信号用コンタ
クトは過電圧防止装置を貫通し、この過電圧防止装置に
対して電極を形成する信号路および接地路に半田付けさ
れている。さらに他の実施例において、コネクタのハウ
ジングの底面に過電圧防止装置を取り付けた直角コネク
タが示されている。
【００１２】本発明は、マトリックス材の厚みと体積を
調整する手段を備えている。この手段は例えば、絹ある
いは合成繊維のような絶縁材料の糸の織物から形成され
るシートであり、そのシートは孔が形成される広さを有
し、適当な厚みと体積でマトリックス材を内蔵する。本
発明におけるこの手段は、不織布繊維でもよく、また、
セラミックあるいは耐火繊維であってもよい。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。まず、図８について説明する。図８には、電圧−
時間プロットが過電圧パルスＴv と共に示してある。こ
の過電圧パルスＴv は、集積回路のような所定の構成品
が損傷あるいは破壊を生じることなく耐え得る限度を越
えた電圧レベルおよびエネルギー量である。この過電圧
Ｔv が信号路に現れるのは、１）人体の静電放電による
装置の立ち上がり静電荷、２）雷撃、あるいは高電圧源
又は高電圧装置の偶発的な短絡によって誘起される電
圧、３）電気的装置の始動あるいは停止のためのスイッ
チ開閉による急激な電圧サージに依存する副次的な回路
によって誘起される電圧、などの広範囲な原因による。
もっとも一般的には、このような過電圧Ｔv は、データ
を処理し、各種論理機能を果たし、計算機的伝送装置を
次々と制御する集積回路などの電気的構成品に信号を伝
送するケーブル（あるいは導体）およびコネクタに現れ
る。
【００１４】過電圧Ｔv は数千ボルトから百ボルト以下
までの範囲内にある電圧であり、その一方、集積回路の
ような電子的構成品は、一般的に３ないし１２ボルトの
範囲の電圧で動作され、それよりわずかに大きい電圧で
動作される機種もある。図８に示される過電圧Ｔv の応
答時間は数ナノ（10-9) 秒という短い期間であり、過電
圧Ｔv の立ち上がり時間は数ナノ秒ないし数ミリ秒であ
る。過電圧Ｔv によって表される曲線の下側の領域は、
過電圧およびこの過電圧がもたらす過応力から構成品を
保護するという観点から別の考察対象となる、この過電
圧パルスのジュールエネルギーを表している。本発明に
よると、保護の対象となる構成品に対して、Ｔv によっ
て表される過電圧と過剰エネルギーからの保護を検討す
る必要があり、この検討に基づいて、電圧破壊の観点か
ら、望ましくない過電圧を接地に分流するように保護装
置の特定仕様を定め、また、制限電圧を選定することが
できる。図８において、ＶBDは特定保護装置の電圧破壊
値を表し、ＶC は過電圧の存在下における、その装置自
身の制限電圧を表している。
【００１５】本発明によれば、過電圧防止装置は、信号
路と接地路との間に設けられた、図８において示される
保護のための要求値に合わせて調整可能な特性を有する
要素を備えている。換言すれば、この装置は、図８に示
されている特性値ＶBDおよびＶC に従って信号路と接地
路との間の抵抗を低下させることによって経路を開放す
るように作動する。
【００１６】図１について説明する。組立体１０は、印
刷回路基板１２と、その上方に位置するコネクタ４０
と、この基板１２の上面に設置された過電圧防止装置２
２を備えている。図１と図２から明らかなように、基板
の上面は一組の信号路１６と接地路１４を備えている。
一般的に、これらの信号路１６と接地路１４は、銅をエ
ッチングし、適当な表面仕上げの施された残存材を露出
させるか、あるいは、シルクスクリーニング又は他の方
法を用いて無電解あるいは電解メッキを行うことによっ
て、基板の上面に、ある厚みにそしてこれら信号路が接
地路に伝送される信号電流に対して十分な導電率を有す
るように形成される。接地路１４はアース母線であり、
信号路１６は信号母線である。これらの信号路と接地路
との間の間隔は、回路基板１２の絶縁材と協働して、十
分な耐電圧抵抗を付与するように定められる。図に示す
ように、信号路１６は、千鳥配列で、電導リングすなわ
ち基板を貫通する孔（あるいは開口）２０の周縁部を形
成する信号端部１８に終端している。孔２０は、一般的
にすず−鉛合金でめっきされ、基板内において、各種部
品（図示せず）が出入りする積層体と信号路とを接続す
る。
【００１７】過電圧防止装置２２は、理解を容易にする
ために厚みをかなり拡大して図示されているが、基板１
２の上面に設置された接地路１４と端部２４において半
田あるいは他の適当な手段で接続される箔状の接地路２
６を備えている。この接地路２６は一定の面積を有し、
さらに詳しくは、信号路１６の表面と接地路２６の両者
に対して直接的に対向して配置されたフイルム（あるい
はシート）３０の形態を有する絶縁材を具備する積層体
の一部である。このフイルムとしては、カプトン（ＫＡ
ＰＴＯＮ）およびマイラ（ＭＹＬＡＲ）（Ｅ．Ｉ．Ｄｕ
ｐｏｎｔ ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ社の商標）あるいは他の
代替えポリアミド、ポリイミドおよびポリエステルフイ
ルムが本発明の要求する絶縁特性を有している。フイル
ム３０は、図示されているよりかなり薄く、０．０５８
ｍｍ（０．００２インチ）あるいはそれより僅かに小さ
い厚みから２．５４０ｍｍ（０．１０インチ）の厚みま
での範囲内のフイルムが用いられる。
【００１８】フイルム（あるいはシート）３０は、図３
に示すように、一組の孔（あるいは開口）３２を有す
る。この孔３２は、孔３２に充填される過電圧防止材３
６のマトリックスの領域を個別にかつ累積的に限定する
ような径を有している。過電圧防止材３６は、後述する
ように、所定の電圧破壊特性と制限電圧特性を有してい
る。前記の米国特許第４，７２６，９９１号および第
４，９７７，３５７号に、過電圧防止材３６として利用
できる各種材料が示唆されている。
【００１９】過電圧防止材３６は、デュロメータで中間
の硬さを示すポリマー粘結材（例えば、フッ化珪素ゴ
ム）を４０．６％と、架橋材（例えば、ＣＳＴ過酸化
物）を１．７％と、アルミニウム水和物を１５．４％
と、導電性粒子（例えば、平均粒径が２０ミクロンのア
ルミニウム粒子）を４２．３％含有する材料から成る。
また、過電圧防止材３６は、ポリマー粘結材を３１．５
％と、架橋材を１．３％と、アルミニウム水和物を１４
％と、導電性粒子（例えば、平均粒径が４ミクロンのア
ルミニウム粒子を４２．１％と平均粒径が２０ミクロン
のアルミニウム粒子を１１．１％の混合粉）を５３．２
％含有する材料から成る。
【００２０】本発明によれば、図１に示すように、コネ
クタ４０は、基板１２の上面に取り付けられ、コンタク
ト４４の下端部４８が孔２０に挿入され、信号路の下の
基板１２の下側で半田付けされる。コンタクト４４の下
端部４８は、こうして、孔を介して上方に延出し（図６
および図７を参照）、従って、コンタクト４４は基板１
２の上面の信号路１６と電気的に接続する。コネクタ４
０は一般的にはプラスチック製ハウジング４２（図１で
は長方形の形状を示している）と、ハウジング内に延出
する上部ポスト部４６を有している。この上部ポスト部
４６は、ケーブルや基板など他の構成品と接続される結
合コネクタの結合接点に接続される。コンタクト４４は
信号用コンタクトであり、信号は、基板１２に設置され
て信号路１６に内部接続された過電圧防止装置にコネク
タ４０を介して伝送される。コネクタ４０のコンタクト
４４に達した過電圧ＴV は、信号路１６に沿って伝送さ
れ、信号路１６から過電圧防止材３６を介して過電圧防
止装置２２に至る経路に現れ、こうして、過電圧防止装
置２２を介して接地される。本発明によると、過電圧が
過電圧防止装置２２の設計値ＶBDおよびＶC を越える
と、低抵抗経路が信号路１６と接地路２４，２６との間
に形成され、その結果、過電圧が接地路１４を経て接地
され、電圧によって生じる電界あるいは望ましくない電
圧成分のエネルギー量のいずれかによる過応力に起因す
る損傷あるいは破壊を防ぐことができる。
【００２１】図１ないし図３から明らかなように、孔３
２の数、孔の中心間距離、孔径、およびシート厚みは、
接地路２６と信号路１６とに接触している過電圧防止材
３６の面積および体積を決定する。本発明によれば、信
号路１６の面積および接地路２６の面積に関連する絶縁
シート厚みと、孔径と、中心間距離は、信号路１６と接
地路２６によって形成される電極と係合する材料３６の
面積と体積を制御するように選択される。なお、本発明
によれば、上記のパラメータと関連する材料組成とマト
リックス材料は、所定の構成品に対する保護の要求値で
あるＶBDおよびＶ Cに基づいて所定の電圧応答を付与す
るように選択される。
【００２２】本発明の方法によれば、シート３０は、孔
３２のパターンを機械的に打抜きされ、この孔３２にド
クターブレードあるいはスキージで材料が孔３２の表面
上に引き延ばされるようにして充填され、過剰の材料は
そのシートの上下面から除去される。その後、シートは
箔状の接地路２６に積層される。そして、この積層体
は、図１に示すような状態で印刷基板に取り付けられ、
接地路２４が接地路１４に半田付けされる。
【００２３】図２は他の実施例を示す。過電圧防止装置
２２Ａは印刷回路基板のめっきされた貫通孔の上側に取
り付けられ（図１参照）、適当なコンタクト受容孔３８
が箔状の接地路２６に形成され、またコンタクト受容孔
３９がシート３０に形成される。図に示される実施例に
おいて、信号路１６の幅、そして特に接地路２６の幅
は、所定の作動特性を得るために必要な過電圧防止材３
６と係合する面積を確保するように調整される。
【００２４】図４について説明する。過電圧防止装置２
２’は印刷基板から離間された別の構成要素として示さ
れているが、前記と同様の要素を備えている。すなわ
ち、箔状の接地路２６’は、過電圧防止材３６が充填さ
れる孔３２を有するシート３０’に積層され、一組の信
号路１６’がこれらと共に開口し１７を形成している。
この開口１７は、接地路２６’のコンタクト受容孔３
８’とシート３０’のコンタクト受容孔３９’と整合し
ている。図５から明らかなように、信号コンタクト４４
は過電圧防止装置２２’のコンタクト受容開口に取り付
けられ、信号路１６’に半田隅肉部（フィレット）にお
いて半田付けされる。コンタクト４４は、印刷基板（図
示せず）の対応するめっきされた貫通孔を介して信号路
に接続されて半田付けされる端部４８を有している。一
方、コンタクト４４の反対側の端部４６は、結合コネク
タ（図示せず）の結合コンタクトと係合する。図５の実
施例において、箔状の接地路２６’と信号路１６’の面
積は、印刷回路基板上の接地路および信号路の各面積と
は無関係に、所定の保護が得られるように適当に選定さ
れる。図５において、コンタクト受容開口３８’は、実
質的に開口１７より大きく、従って、箔状の接地路２
６’は信号路１６’あるいはコンタクト４４と接触しな
い。
【００２５】図６は本発明の他の実施例を示す。コネク
タ４３’はハウジング４２’と、そのハウジング４２’
の外面上の実体部に延出する接地・シールド４３’を有
する。図によって明らかなように、コンタクト４４’は
垂直にハウジング内に延出し、ハウジング４２’に嵌合
された結合コネクタのコンタクトと係合する。ハウジン
グ４２’は、台４１’を有し、その台４１’を介して各
種コンタクト４４’がハウジングに嵌着される。台４
１’の下面に、図４及び図５に示されているのと同様の
過電圧防止装置２２’が取り付けられる。図６におい
て、各種要素２６’、３０’、３６’は信号路１６’上
に配置されている。また、図６において、コンタクト４
４’は半田隅肉部５８を介して基板１２の底部の信号路
５６と相互接続する。シールド４３’は箔状の接地路２
６に半田隅肉部５２において接続され、そして基板１２
上の接地母線（図示せず）にアースされる。
【００２６】コンタクト４４によって伝送された過電圧
成分を含む信号は、過電圧防止材３６を有する信号路１
６’に伝達され、この過電圧防止材３６によって、効果
的に箔状の接地路２６’を介して接地路へ伝達される。
図７はさらに他の実施例を示す。直角コネクタ４０’’
は、図６の実施例で述べた要素に相当する要素を有して
いる。ただし、信号コンタクト４４’’がハウジング４
２’’から延出し、下側のコンタクト端部４８’’が直
角に屈曲し、また、上側コンタクト端部４６’’が基板
の上面と平行を保ちながら、結合コネクタ（図示せず）
のコンタクトと係合する位置に露出している。図７から
明らかなように、外側導電シェル４３’’はコネクタ４
０’’に対して半田付５２’において半田付けによって
接地線２６’に接続される。これによって、過剰な電圧
レベルは接地シェル４３’’と接続している接地回路を
介して伝達される。
【００２７】図９に示す実施例において、薄型部材７０
は、信号電極７２と、接地電極７４と、それらの間に配
置された図３の過電圧防止材３６に相当する材料を含浸
させた繊維７６を備えている。繊維７６は合成材料ある
いは絹のような天然材料から成る絶縁材料の不連続な糸
の織物であり、その厚みは０．０２５４ｍｍ（０．００
１インチ）から２．５４ｍｍ（０．１インチ）の範囲に
あり、好ましくは、０．０５０８ｍｍ（０．００２イン
チ）である。この過電圧防止材料は、繊維に、例えば、
以下の方法で含浸される。すなわち、繊維の上に置かれ
た過電圧防止材を、２ロールゴムミルのシリンダを回転
させ、あるいはカレンダによって５パスまで加圧する。
１つの電極が付加的にこのように含浸された繊維に対し
て同様の装置を用いて圧着される。繊維７６の材料は、
セラミックあるいは耐火材料の繊維でも良く、また、織
布でも不織布でもよい。
【００２８】以上、本発明を好適な実施例について図面
を参照して述べてきたが、本発明は特許請求の範囲によ
ってのみ限定されるものである。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、特に多極コネクタある
いは多接点回路の構造を簡素化することができる。ま
た、単一構造で、コネクタあるいは回路に用いられる他
の接点に好適な一体化過電圧防止機能を提供できる。さ
らに、異なった形状の電気コネクタに内蔵される単純
で、小さく、一体化が容易な、過電圧防止装置を提供で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】印刷回路基板上の本発明の装置を、この基板に
取り付ける以前の基板の上方に位置するコネクタと共に
示す透視図である。
【図２】印刷回路基板に接続された過電圧防止装置の他
の実施例を示す図である。
【図３】過電圧防止材を含む本発明の過電圧防止装置に
おける絶縁シートの単一孔を示す一部断面拡大透視図で
ある。
【図４】２つのコンタクト受容孔を示す本発明の過電圧
防止装置の透視図である。
【図５】図４の過電圧防止装置と、この過電圧防止装置
に接続されるコンタクトを示す透視図である。
【図６】本発明のコネクタとコネクタが取り付けられた
印刷回路基板に組み込まれた過電圧防止装置の実施例を
示す一部断面立面図である。
【図７】印刷回路基板との対応が異なっているコネクタ
の実施例を示す一部断面立面図である。
【図８】過電圧に対する本発明の特性を示す電圧−時間
プロットである。
【図９】過電圧防止材が含浸された繊維から成る薄型過
電圧防止装置の実施例である。
【符号の説明】
１６，１６’ 信号路 １４，２６，２６’ 接地路 ２２，２２’，２２Ａ 過電圧防止装置 ３０，３０’ フィルム（あるいはシート） ３２ 孔 ３６ 過電圧防止材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン チャールズ ファーラー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17112 ハリスバーグ ウインブルドン ドライブ 4096 (72)発明者 ラム パーカッシュ ゴール アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17011 キャンプヒル コロニーロード 515 (72)発明者 バーナード ジョン ジェイノス アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17109 ハリスバーグ マナユンクロード 5340−Ｂ (72)発明者 クリストファ ジェイ コリンズ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94536 フレモント クエンカウエイ 643 (72)発明者 リチャード ケンダル チルダース アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94061 レッドウッドシティ キャンバリ ウエィ 401 (72)発明者 ジョン ヒラリー バンチ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94025 メンロパーク アパートメントワ ン パートリッジアヴェニュー 857

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気信号を伝達する信号路に対向して配
    置された接地路と、 多数の孔が形成された、前記信号路と前記接地路との間
    に挟まれた絶縁シートと、 前記信号路に印加された電圧が所定値を越えたときに該
    所定値を越えた分の電圧に起因する電流を前記接地路に
    導く、多数の前記孔に充填され前記信号路及び前記接地
    路に接続された過電圧防止材とを備えたことを特徴とす
    る過電圧防止装置。
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