JPH10189207A - 電界電子放出型サージ吸収素子の製造方法及び電界電子放出型サージ吸収素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一対の基板部材と枠部材との陽極接合を同時
に達成することができ、しかも枠部材の厚さが薄い場合
でも接合可能で、接合時に電圧を印加してもサージ吸収
動作が生じない電界電子放出型サージ吸収素子の製造方
法を実現する。 【構成】 第１の基板部材12と第２の基板部材14を真空
雰囲気中で対向配置し、陽イオンを含んだ枠部材16を両
基板部材間に挟み、両基板部材の外側面から突出した枠
部材の外周縁部端面19ａに電極枠44を圧着させ、第１の
外部電極層24及び第２の外部電極層26に直流電源46のプ
ラス側を接続し、電極枠44にはマイナス側を接続する。
ホットプレート42で加熱しながら直流電源46から電圧を
印加し、第１の基板部材の対向面周縁12ａと枠部材の第
１の当接面16ａとの陽極接合と、第２の基板部材の対向
面周縁14ａと枠部材の第２の当接面16ｂとの陽極接合と
を同時に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電源線や通信線
等を伝って侵入して来るサージ等の過電圧から電子機器
の電子回路を保護するために、線間あるは各線とグラン
ドとの間に挿入接続されるサージ吸収素子に係り、特
に、電界電子放出現象を用いたサージ吸収素子の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図８に示すように、電子機器の電
子回路60に通じる電源線や通信線等の線Ｌ1，Ｌ2間、あ
るいは各線とＧＮＤ（グランド）との間にサージ吸収素
子62を接続し、誘導雷等のサージから電子回路60を保護
することが行われている。すなわち、線Ｌ1，Ｌ2間ある
いは線Ｌ1，Ｌ2−ＧＮＤ間に、サージ吸収素子62の定格
以上のサージ電圧が印加される場合には、上記サージ吸
収素子62が導通してサージをバイパスし、もって電子回
路60を保護する仕組みである。

【０００３】このようなサージ吸収素子62としては、放
電間隙における放電現象を利用するガスアレスタや、電
圧非直線特性を備えた高抵抗体素子であるバリスタ、あ
るいはｐｎ接合形半導体のアバランシェ（電子雪崩）効
果を利用したシリコンサージアブソーバなど様々な種類
が存在しているが、最近になって電界電子放出現象を用
いたサージ吸収素子が新たに加えられることとなった。

【０００４】この電界電子放出現象を用いたサージ吸収
素子は、特願平８−132728号に記載されている。図９及
び図１０に示すように、そこで開示されている電界電子
放出型サージ吸収素子70は、ｎ形半導体より成る第１の
基板部材12と第２の基板部材14とを所定の距離を隔てて
対向配置させ、両部材の対向面周縁をスペーサをも兼ね
た枠部材16を間に介して気密封止することによって形成
された外囲器18を備えており、該外囲器18内は１０^-6〜
１０^-8Torrの高真空状態に維持されている。

【０００５】また、上記第１の基板部材12の対向面に
は、ｎ形半導体より成る多数のエミッタ・コーン20が、
所定の間隔をおいて突設されている。該エミッタ・コー
ン20は先端が尖った円錐または角錐形状をなしており、
その先端が第２の基板部材14の対向面に向いている。

【０００６】エミッタ・コーン20の表面をも含んだ第１
の基板部材12の対向面と第２の基板部材14の対向面に
は、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔｈ、Ｓｉ、Ｎｉ、
Ｌａ、Ｇｅ、Ａｌ等よりなる薄膜や、Ｗ及びＺｒの二層
構造、あるいは以上の各物質の中の少なくとも１種類を
含んだ炭化物、酸化物、窒化物、無機化合物より構成さ
れる保護膜22が被覆されている。

【０００７】上記第１の基板部材12の外面には、第１の
層24ａと第２の層24ｂとの二層構造を備えた第１の外部
電極層24が形成されており、この第１の外部電極層24に
はカソード端子28が接続されている。また、第２の基板
部材14の外面にも、第１の層26ａと第２の層26ｂとの二
層構造を備えた第２の外部電極層26が形成されており、
この第２の外部電極層26にはアノード端子30が接続され
ている。そして、各端子28，30を線Ｌ1，Ｌ2あるいはＧ
ＮＤに接続することにより、上記電界電子放出型サージ
吸収素子70は、図８に示したのと同様に、線Ｌ1，Ｌ2間
あるいは線Ｌ1，Ｌ2−ＧＮＤ間に挿入接続されることと
なる。

【０００８】しかして、上記線Ｌ1，Ｌ2間あるいは線Ｌ
1，Ｌ2−ＧＮＤ間にサージ等の定格以上の過電圧が印加
され、カソード側のエミッタ・コーン先端部20ａに強い
電界集中が生じると、量子力学的なトンネル効果によっ
て、ｎ形半導体内の電子がポテンシャル障壁を越えて真
空中に放出される、いわゆる電界電子放出現象が生じ
る。放出された電子は高い電位のアノード側、すなわち
第２の基板部材14の対向面で捕捉される結果、第２の基
板部材14及び第１の基板部材12間に電流が流れる先駆放
電が生成され、この先駆放電はその後真空火花放電（真
空アーク放電）に移行することとなる。

【０００９】上記先駆放電が真空火花放電に移行する仕
組みとしては、以下のものが考えられる。すなわち、上
記先駆放電時の電子放出によってエミッタ・コーン先端
部20ａの電流密度が増加して生じた熱エネルギの作用
で、エミッタ・コーン20の表面を覆っている保護膜22を
構成する金属から金属蒸気が発生したり、先駆放電によ
る電子がアノード側に衝突する結果生じる熱エネルギに
よって、第２の基板部材14の対向面を覆っている保護膜
22の金属から同じく金属蒸気が発生し、これら電荷を帯
びた金属蒸気が電流を形成する素となって真空火花放電
が生起される。また、外囲器18内を完全な真空にするの
は実際上困難であり、放電空間を構成する物質の表面に
は僅かながらガス分子が吸着あるいは付着しているので
あるが、これらのガス分子が先駆放電の衝撃で空間内に
放出され、このイオン化されたガス分子が電流を形成す
る素となることも、真空火花放電を促進する要因として
挙げられる。

【００１０】上記の電界電子放出現象は、エミッタ・コ
ーン20に集中する電界強度が所定以上に高まった時点で
初めて生じるものであり、これは所定値以上の電圧が両
電極間に印加された場合にのみ両電極間に電流が流れる
ことを意味するものである。すなわち、両電極間に印加
される電圧の値と流れる電流との間には非直線的な関係
が現れるため、定格以上の過電圧が印加された場合にの
み導通して過電圧をバイパスするというサージ吸収作用
を発揮することが可能となる。

【００１１】しかも、半導体中の電子の速度に比べ、真
空中の電子は散乱を受けることなく進行するため、この
電界電子放出型サージ吸収素子70は極めて高速に動作可
能となる。また、ｐ形半導体とｎ形半導体との接合構造
を有していないため、シリコンサージアブソーバのよう
に静電容量が大きくなるという問題も生じない。

【００１２】図１１は、このような電界電子放出型サー
ジ吸収素子70によるサージ吸収特性を示すものであり、
ピーク電圧値が３ｋＶの原サージ波形に対するサージ吸
収波形を示すグラフである。図示の通り、サージ電圧が
印加されると、瞬時にピークが約２.３２ｋＶの先駆放
電が生成した後、直ちに真空火花放電に移行して約４０
０Ｖの安定したサージ吸収波形が得られる様子が示され
ている。

【００１３】図１２は、電界電子放出型サージ吸収素子
の他の例を示すものである。この電界電子放出型サージ
吸収素子72は、ｎ形半導体より成る第１の基板部材12と
第２の基板部材14とを所定の距離を隔てて対向配置し、
両部材の対向面周縁を枠部材16を間に介して気密封止す
ることによって外囲器18を形成し、該外囲器18の内部空
間を高真空状態となしている点で、上記の電界電子放出
型サージ吸収素子70と共通している。

【００１４】これに対し、第１の基板部材12の対向面
が、多数のエミッタ・コーン20が突設された第１の電子
放出部34と、エミッタ・コーン20が形成されずに平面状
を維持している第１の平面部35とに区分けされていると
共に、第２の基板部材14の対向面も、多数のエミッタ・
コーン20が突設された第２の電子放出部36と、エミッタ
・コーンが形成されずに平面状を維持している第２の平
面部37とに区分けされている点に特徴を有している。そ
して、第１の基板部材12の第１の電子放出部34が第２の
基板部材14の第２の平面部37と対向するように、また第
２の基板部材14の第２の電子放出部36が第１の基板部材
12の第１の平面部35と対向するように、両基板部材は位
置決めされている。

【００１５】両基板部材の対向面には、上記と同様の保
護膜22がそれぞれ形成されている。また、第１の基板部
材12の外面には、第１の外部電極層24が形成されてお
り、該第１の外部電極層24には第１の外部端子38が接続
されている。さらに、第２の基板部材14の外面には、第
２の外部電極層26が形成されており、該第２の外部電極
層26には第２の外部端子40が接続されている。

【００１６】この電界電子放出型サージ吸収素子72は、
上記のようにエミッタ・コーン20を第１の外部端子38側
及び第２の外部端子40側にそれぞれ設けることにより、
第１の外部電極層24と第２の外部電極層26との間で電子
を双方向に放出可能な構造を備えており、極性に気遣う
ことなく利用できると共に、何らかの理由によって逆方
向に過電圧が印加される場合にも対処できる利点を有す
るものである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電界電子放
出型サージ吸収素子の場合、外囲器18の内部を高真空状
態に維持しておく必要があり、そのためには第１の基板
部材12と枠部材16の一方の端面間の接合、及び第２の基
板部材14と枠部材16の他方の端面間の接合が、十分に高
い気密性を保って実現される必要がある。

【００１８】第１の基板部材12及び第２の基板部材14と
枠部材16とを接合する方法としては、フリットガラスや
低融点ガラスを用いて融着させる方法、あるいはポリイ
ミド系の有機接着剤を用いて接着させる方法が一般的で
あるが、両者とも接合工程において余計なガスが発生す
るため、接合後に外囲器18内部のガスを排気する必要が
ある。そして、この脱ガス処理を施すには外囲器18に排
気管を接続しなければならず、例え排気後に当該排気管
を溶融・封止して切除するとしても、溶融封止部が突出
したまま残されるため、外囲器18全体の厚さが増大する
ことが避けられないものであった。また、特に有機接着
剤を用いた接合方法の場合には、使用の過程においても
徐々にガス放出が生じるのみならず、比較的高温の環境
下において使用すると、接合強度が低下するという問題
が指摘されていた。そこで、これらの接合方法の欠点を
克服するものとして、最近では陽極接合法を用いるケー
スが増えてきている。

【００１９】この陽極接合法を用いて外囲器18を形成す
る工程を、図１３〜図１５に沿って説明する。まず、図
１３に示すように、ホットプレート42上に第２の基板部
材14を、第２の外部電極層26を下にして載置すると共
に、内部にＮａ⁺やＨ⁺などの可動イオンを含むガラスに
よって構成した枠部材16の一方の端面を、第２の基板部
材14の対向面周縁14ａに重ねる。この枠部材16の他方の
端面には、枠部材16の端面形状に対応した形状の電極板
74が圧着される。また、上記第２の基板部材14の第２の
外部電極層26には、ホットプレート42を経由して直流電
源46のプラス側が接続されると共に、上記電極板74には
直流電源46のマイナス側が接続される。そして、上記ホ
ットプレート42によって、第２の基板部材14及び枠部材
16が摂氏２００〜６００度に加熱された状態で、上記直
流電源より５０〜１０００Ｖの直流電圧が印加される。

【００２０】この結果、図１４に示すように、一定時間
経過後には枠部材16中の陽イオン48がマイナス側（すな
わち枠部材16の上端面近傍）に移動すると共に、第２の
基板部材14の対向面周縁14ａ近傍にマイナスの電荷が集
中して空間電荷層50が現れ、大きな吸引力を伴う化学結
合が生じて陽極接合が実現される。

【００２１】以上のようにして、第２の基板部材の対向
面周縁14ａと枠部材16の一方の当接面との強固な接合が
完了した後、図１５に示すように、今度は真空雰囲気中
において、ホットプレート42上に第１の基板部材12を第
１の外部電極層24を下にして載置すると共に、枠部材16
の他方の端面を第１の基板部材の対向面周縁12ａに当接
させる。また、上記第１の基板部材12の第１の外部電極
層24には、ホットプレート42経由して直流電源46のプラ
ス側が接続されると共に、第２の基板部材14の第２の外
部電極層26には直流電源46のマイナス側が接続される。
そして、上記ホットプレート42によって、第１の基板部
材12及び枠部材16が摂氏２００〜６００度に加熱された
状態で、上記直流電源46より５０〜１０００Ｖの直流電
圧が印加される。この結果、上記と同様のメカニズムに
よって、第１の基板部材の対向面周縁12ａと枠部材16の
当接面との強固な陽極接合が実現され、高い気密性を備
えた外囲器18が完成するのである。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記の陽極接合法は、
溶融ガラスや接着剤を使用しないため、両基板部材と枠
部材とを高い位置精度で接合することができると共に、
接合後の脱ガス処理が不要である利点を備えている。し
かしながら、陽極接合法を用いて両基板部材と枠部材と
を接合する従来の製造方法には、以下のような欠点があ
った。

【００２３】まず、第２の基板部材14と枠部材16との接
合、及び第１の基板部材12と枠部材16との接合を別々に
行うものであるため、製造効率が低いという問題があ
る。つぎに、枠部材16の厚さが薄い（例えば５００μｍ
以下）場合には、第２の基板部材14と枠部材16との接合
時に（図１３）、枠部材16内の陽イオン48が電極板74側
の端面近傍に蓄積され過ぎる結果、枠部材16を裏返して
当該端面を第１の基板部材12の対向面周縁12ａに当接さ
せ（図１５）、第２の基板部材14側にマイナスの電位を
加えても、図１６に示すように陽イオン48が第２の基板
部材14側に移動できなくなる。このため、第１の基板部
材12との当接面近傍に空間電荷層を形成することができ
ず、第１の基板部材12と枠部材16間の陽極接合が困難と
なる場合が生じる。さらに、図１２に示した両方向に放
電可能な電界電子放出型サージ吸収素子72の場合、図１
７に示すように、枠部材16と第１の基板部材12とを接合
する際には、第２の基板部材14側のエミッタ・コーン20
に対しては、電界電子放出を起こさせる方向に電圧の印
加がなされることとなる。したがって、この印加電圧が
当該サージ吸収素子72の定格電圧以上となる場合には、
第２の基板部材14のエミッタ・コーンの先端20ａから電
子が放出してサージ吸収動作が開始され、第１の基板部
材12と第２の基板部材14間が外囲器18内で導通してしま
うため、枠部材16内に空間電荷層を形成することができ
ず、枠部材16と第１の基板部材12との陽極接合が不可能
となってしまう。このため、接合工程で印加される電圧
値よりも高い定格電圧を備えた素子以外には、この陽極
接合法を適用できないこととなる。

【００２４】この発明は、従来の陽極接合法の欠点を解
消するために案出されたものであり、その目的とすると
ころは、第２の基板部材と枠部材との接合、及び第１の
基板部材と枠部材との接合を同時に達成することができ
ると共に、枠部材の厚さを比較的薄く設定した場合であ
っても接合不能となることがなく、しかも第１の基板部
材及び第２の基板部材の両方向に向けて電子放出が可能
なタイプの電界電子放出型サージ吸収素子の場合でも、
接合工程における電圧印加によってサージ吸収動作が生
じてしまうことのない接合方法を実現することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明に係るサージ吸収素子の製造方法は、半導
体より成り、一方の面に多数のエミッタ・コーンを一体
形成した電子放出部とエミッタ・コーンが形成されない
平面部の少なくとも一方を備えると共に、他方の面に外
部電極層を形成してなる第１の基板部材と、同じく半導
体より成り、一方の面に多数のエミッタ・コーンを一体
形成した電子放出部とエミッタ・コーンが形成されない
平面部の少なくとも一方を備えると共に、他方の面に外
部電極層を形成してなる第２の基板部材とを、一方の基
板部材のエミッタ・コーンの先端部と他方の基板部材の
平面部とが所定の距離を隔てて対向するように配置し、
真空雰囲気中において両基板部材の対向面周縁を枠部材
を間に介して気密封止することによって、内部が高真空
状態となされた外囲器を形成する電界電子放出型サージ
吸収素子の製造方法において、上記枠部材として、内部
に可動イオンを含む絶縁材より構成され、上記第１の基
板部材の対向面周縁と接する第１の当接面と、上記第２
の基板部材の対向面周縁と接する第２の当接面と、対向
配置された両基板部材の外側面から突出する外周縁部と
を備えたものを用い、上記第１の基板部材、枠部材、第
２の基板部材を順に積層載置して、両基板部材の外部電
極層には直流電源のプラス側をそれぞれ接続すると共
に、上記枠部材の外周縁部には上記直流電源のマイナス
側を接続し、所定の温度に加熱された真空雰囲気中にお
いて、上記直流電源より電圧を印加し、第１の基板部材
の対向面周縁と上記枠部材の第１の当接面とを陽極接合
すると同時に、第２の基板部材の対向面周縁と上記枠部
材の第２の当接面とを陽極接合することを特徴とする。
上記枠部材は、例えば内部にＮａ⁺を含む硼珪酸ガラス
によって構成される。

【００２６】しかして、第１の基板部材及び第２の基板
部材と枠部材とを接合するために、直流電源より所定の
電圧を印加すると、該直流電源のマイナス側が接続され
た枠部材の外周縁部に陽イオンが蓄積されるのに対し、
それぞれ直流電源のプラス側に接続された第１の基板部
材及び第２の基板部材との界面部分（すなわち、枠部材
の第１の当接面及び第２の当接面近傍）にマイナスの電
荷が集積して空間電荷層が発生し、第１の基板部材及び
第２の基板部材と枠部材との陽極接合が同時に実現され
る。すなわち、従来のように一方の基板部材と枠部材の
一方の端面との接合が完了してから、他方の基板部材と
枠部材の他方の端面との接合に取りかかるものではない
ため、枠部材の一方の端面近傍に過蓄積されたプラスの
電荷が他方の基板部材との接合時に他方の端面側にうま
く移動できず、この結果陽極接合自体が困難となるとい
う問題は、はじめから生じることがない。もちろん、第
１の基板部材と枠部材との接合、及び第２の基板部材と
枠部材との接合が同時に実現できることにより、製造効
率の向上も達成できる。上記枠部材として、第１の基板
部材及び第２の基板部材の外側面から突出した外周縁部
を備えたものを採択したのは、直流電源のマイナス側を
接続して電圧を印加した際に、プラスの電荷を蓄積させ
るスペースを確保するためである。

【００２７】また、接合時には第１の基板部材及び第２
の基板部材に対して同時に同電位の電圧が印加されるた
め、第１の基板部材及び第２の基板部材の両方にエミッ
タ・コーンを形成したタイプの電界電子放出型サージ吸
収素子であっても、印加電圧値の如何によらず外囲器内
で放電が発生することがない。したがって、例え接合時
に印加される電圧の値が当該電界電子放出型サージ吸収
素子の動作電圧以上であっても、サージ吸収動作が生じ
てしまうことはなく、有効に陽極接合を実現できる。

【００２８】なお、上記枠部材の外周縁部端面に、該外
周縁部端面に対応する形状に折曲された金属帯よりなる
電極枠を圧着すると共に、該電極枠に上記直流電源のマ
イナス側を接続することにより、上記外周縁部の端面全
体に均一に電圧を印加すれば、枠部材中の陽イオンが外
周縁部の端面近傍に満遍なく集積され、枠部材の第１の
当接面及び第２の当接面に空間電荷層がムラなく形成さ
れる。このため、第１の基板部材の対向面周縁と枠部材
の第１の当接面との接合、及び第２の基板部材の対向面
周縁と枠部材の第２の当接面との接合を極めて強固なも
のにできる。

【００２９】以上の方法によって製造された本発明に係
る電界電子放出型サージ吸収素子は、上記第１の基板部
材の対向面周縁と接する第１の当接面と、上記第２の基
板部材の対向面周縁と接する第２の当接面の他、対向配
置された両基板部材の外側面から突出した外周縁部を備
えた枠部材を有する結果、第１の基板部材の外部電極層
と第２の基板部材の外部電極層間の沿面距離が拡大する
こととなる。このため、両基板部材の外部電極層間にサ
ージ電圧が印加された際に、電界電子放出型サージ吸収
素子の外囲器内で放電が生成される代わりに、外囲器の
外側面に沿面放電が生じて素子が動作不良となることを
有効に回避することができる。

【００３０】

【発明の実施の態様】図１に示すように、本発明に係る
第１の電界電子放出型サージ吸収素子10は、第１の基板
部材12と第２の基板部材14とを所定の距離を隔てて対向
配置させ、第１の基板部材の対向面周縁12ａ及び第２の
基板部材の対向面周縁14ａを枠部材16の第１の当接面16
ａ及び第２の当接面16ｂにそれぞれ気密に接合して外囲
器18を形成し、該外囲器18内を１０^-6〜１０^-8Torrの高
真空状態に維持して成る。上記枠部材16は、図２に示す
ように、長方形状のガラス板の真ん中部分を、長方形状
に大きく切り欠いた形状を備えている。この枠部材16の
縦寸法及び横寸法は、第１の基板部材12及び第２の基板
部材14の縦寸法及び横寸法よりも大きく設定されている
ため、上記第１の基板部材の対向面周縁12ａ及び第２の
基板部材の対向面周縁14ａによって、枠部材16の切欠部
17を丁度塞ぐように各基板部材を接合すると、枠部材16
の外周縁部19が第１の基板部材12及び第２の基板部材14
の各外側面から鍔状に突出する形となる（図１）。

【００３１】上記第１の基板部材12の対向面には、多数
のエミッタ・コーン20が、所定の間隔をおいて略全面に
亘って突設されている。図１は断面図であるため、一列
のエミッタ・コーン20のみが表されているが、実際には
一定の間隔をおいて縦横に整列配置されている（図
２）。上記第１の基板部材12は、Ｓｉ中にＰやＡｓ等の
不純物を混入させて成るｎ形半導体によって形成されて
いる。また、エミッタ・コーン20も同様にｎ形半導体よ
り成り、第１の基板部材12と一体的に形成されている。
エミッタ・コーン20は先端が尖った円錐または角錐形状
をなしており、その先端部20ａが第２の基板部材14の対
向面に向いている。ただし、エミッタ・コーン20の先端
部20ａと第２の基板部材14の対向面との間には、所定の
間隙が保たれている。上記エミッタ・コーン20の高さは
約５μｍに、底面の直径は約３〜１０μｍに、またエミ
ッタ・コーン20間のピッチは約７.５〜１５μｍに、先
端の角度は25〜30度に設定されている。

【００３２】エミッタ・コーン20の表面をも含んだ第１
の基板部材12の対向面には、保護膜22が被覆されてい
る。この保護膜22は、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔ
ｈ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｌａ、Ｇｅ、Ａｌ、ダイヤモンド（ア
モルファス・カーボン）等よりなる薄膜や、Ｗ及びＺｒ
の二層構造、あるいは以上の各物質の中の少なくとも１
種類を含んだ炭化物、酸化物、窒化物、無機化合物より
構成される。上記第１の基板部材12の外面には、Ａｌま
たはＣｒを蒸着して形成した第１の層24ａと、該第１の
層24ａの表面にＮｉを蒸着して形成した第２の層24ｂか
ら成る第１の外部電極層24が形成されている。この第１
の層24ａを構成するＡｌまたはＣｒと、第２の層24ｂを
構成するＮｉとは、良好なオーム接触（ohmic contac
t）を実現するものとして選定された。

【００３３】上記第２の基板部材14は、上記第１の基板
部材12と同じくｎ形半導体で構成されており、その対向
面には、上記エミッタ・コーン20の表面等を覆っている
のと同様の物質より成る保護膜22が形成されている。さ
らに、第２の基板部材14の外面には、ＡｌまたはＣｒを
蒸着して形成した第１の層26ａと、該第１の層26ａの表
面にＮｉを蒸着して形成した第２の層26ｂから成る第２
の外部電極層26が形成されている。

【００３４】以上より明らかなように、この第１の電界
電子放出型サージ吸収素子10にあっては、第１の基板部
材12の対向面全域が電子放出部を構成していると共に、
第２の基板部材14の対向面全域が平面部を構成している
こととなる。なお、上記第２の基板部材14の構成材料と
しては、ｎ形半導体以外にも、第１の基板部材12と熱膨
張係数が略等しい他の物質を用いることができ、例えば
Ｍｏがこれに該当する。

【００３５】上記第１の外部電極層24及び第２の外部電
極層26は、必ずしも二層構造とする必要はなく、Ｎｉの
みを蒸着して形成してもよい。上記枠部材16の材質とし
ては、ｎ形半導体と熱膨張係数が近く、可動イオンとし
てのＮａ⁺を含む硼珪酸ガラス（商品名：パイレックス
ガラス）等が用いられる。

【００３６】上記第１の外部電極層24にはカソード端子
28が、また第２の外部電極層26にはアノード端子30が接
続される（図１）。そして、各端子を図８に示したのと
同様、線Ｌ1，Ｌ2あるいはＧＮＤに接続することによ
り、第１の電界電子放出型サージ吸収素子10は、線Ｌ
1，Ｌ2間あるいは線Ｌ1，Ｌ2−ＧＮＤ間に挿入接続され
ることとなる。しかして、上記線Ｌ1，Ｌ2間あるいは線
Ｌ1，Ｌ2−ＧＮＤ間に定格以上のサージ電圧が印加され
ると、エミッタ・コーン20の先端部20ａに強い電界集中
が生じ、量子力学的なトンネル効果によって電子が表面
のポテンシャル障壁を通過して真空中に放出される。こ
のいわゆる電界電子放出現象によって生じた電子は、第
２の基板部材14の対向面で捕捉されるため、第２の基板
部材14及び第１の基板部材12間に電流が流れる先駆放電
が生成され、この先駆放電が真空火花放電に移行するこ
とでサージの吸収が実現されるのである。

【００３７】なお、図示の便宜上、図１及び図２におい
てはエミッタ・コーン20の大きさを強調して描かれてい
るが、実際には上記のようにエミッタ・コーン20はμｍ
単位の大きさであるのに対し、第１の基板部材12はmm単
位（例えば２〜６mm角）の大きさであり、エミッタ・コ
ーン20も数万〜数十万個以上形成されている。因みに、
第１の電界電子放出型サージ吸収素子10の全体の大きさ
は、６mm角で厚さが０.６mm程度である。

【００３８】図３は、本発明に係る第２の電界電子放出
型サージ吸収素子32を示すものである。この第２の電界
電子放出型サージ吸収素子32は、ｎ形半導体より成る第
１の基板部材12と第２の基板部材14とを所定の距離を隔
てて対向配置し、両部材の対向面周縁を枠部材16を間に
介して気密封止することによって外囲器18を形成し、該
外囲器18の内部空間を１０^-6〜１０^-8Torrの高真空状態
となしている点で、上記第１の電界電子放出型サージ吸
収素子10と共通している。また、枠部材16の外周縁部19
が、第１の基板部材12及び第２の基板部材14の外側面よ
りも突出している点でも共通している。

【００３９】これに対し、上記第１の基板部材12の対向
面は、多数のエミッタ・コーン20が所定の間隔をおいて
ドット・マトリクス状に突設配列された第１の電子放出
部34と、エミッタ・コーン20が形成されずに平面状を維
持している第１の平面部35とに区分けされている。ま
た、第２の基板部材14の対向面も、多数のエミッタ・コ
ーン20が所定の距離をおいてドット・マトリクス状に突
設配列された第２の電子放出部36と、エミッタ・コーン
20が形成されずに平面状を維持している第２の平面部37
とに区分けされている。図示の通り、第１の基板部材12
の第１の電子放出部34が第２の基板部材14の第２の平面
部37と対向するように、また第２の基板部材14の第２の
電子放出部36が第１の基板部材12の第１の平面部35と対
向するように、両基板部材は位置決めされている。そし
て、エミッタ・コーン20の先端部20ａと各平面部35，37
との間には、所定の間隙が保たれている。

【００４０】両基板部材の対向面（第１の電子放出部3
4，第２の電子放出部36及び第１の平面部35，第２の平
面部37）には、上記と同様の物質より成る保護膜22がそ
れぞれ形成されている。また、第１の基板部材12の外面
には、ＡｌまたはＣｒより成る第１の層24ａ及びＮｉよ
り成る第２の層24ｂの二層構造を備えた第１の外部電極
層24が形成されており、該第１の外部電極層24には第１
の外部端子38が接続されている。さらに、第２の基板部
材14の外面には、ＡｌまたはＣｒより成る第１の層26ａ
及びＮｉより成る第２の層26ｂの二層構造を備えた第２
の外部電極層26が形成されており、該第２の外部電極層
26には第２の外部端子40が接続されている。

【００４１】この第２の電界電子放出型サージ吸収素子
32は、上記のようにエミッタ・コーン20を第１の基板部
材12側及び第２の基板部材14側にそれぞれ設けることに
より、第１の外部電極層24と第２の外部電極層26との間
で電子を双方向に放出可能な構造とした点に特徴を有す
るものであり、極性に気遣うことなく利用できると共
に、何らかの理由によって逆方向に過電圧が印加される
場合にも対処できる利点を有する。

【００４２】つぎに、上記第１の電界電子放出型サージ
吸収素子10における、第１の基板部材12及び第２の基板
部材14と枠部材16との接合方法について説明する。ま
ず、真空雰囲気中において、図４に示すように、ホット
プレート42の上面に、エミッタ・コーン20及び第１の外
部電極層24を形成済みの第１の基板部材12と、枠部材16
と、第２の外部電極層26を形成済みの第２の基板部材14
とを積層載置する。

【００４３】上記枠部材16の外周縁部端面19ａには、電
極枠44が圧着されている。この電極枠44は、図５に示す
ように、可撓性を備えた良導性の金属帯を、枠部材16の
外周縁部19に対応するように矩形状に折曲して形成され
ている。この電極枠44の開閉端部44ａを左右方向に開き
ながら、枠部材16の外周縁部19を電極枠44内に導き入れ
た後、上記開閉端部44ａを閉じると、電極枠44自体が有
する復元力によって、枠部材16の外周縁部端面19ａと電
極枠44の内面とが圧着されることとなる。そして、図４
に示すように、第２の基板部材14の第２の外部電極層26
には直流電源46のプラス側が接続されると共に、第１の
基板部材12の第１の外部電極層24にも、ホットプレート
42を経由して直流電源46のプラス側が接続される。ま
た、枠部材16の外周縁部端面19ａを覆う電極枠44には、
直流電源46のマイナス側が接続される。

【００４４】しかして、上記直流電源46より５０〜１０
００Ｖの電圧が印加されると、図６に示すように、枠部
材16を構成するガラス内部の陽イオン（Ｎａ⁺）48が電
極枠44側に移動すると同時に、第１の基板部材12及び第
２の基板部材14との界面近傍に、マイナスの電荷が集中
して空間電荷層50が形成され、大きな吸引力が生じて第
１の基板部材12と第２の基板部材14は枠部材16に化学結
合される。すなわち、第１の基板部材の対向面周縁12ａ
と枠部材16の第１の当接面16ａとの陽極接合、及び第２
の基板部材の対向面周縁14ａと枠部材16の第２の当接面
16ｂとの陽極接合が同時に実現されることとなる。

【００４５】上記のように、枠部材16の外周縁部19が第
１の基板部材12及び第２の基板部材14の外側面よりも突
出するように構成したのは、陽イオン48の移動・蓄積先
を確保するためであるが、その結果としてつぎのような
効果が生じる。すなわち、第１の基板部材12の第１の外
部電極層24と第２の基板部材14の第２の外部電極層26間
の沿面距離が、絶縁物質よりなる外周縁部19が突出する
分長くなるため、サージ吸収素子として使用中に、外囲
器18の内部で放電生成される代わりに、誤って外囲器18
の外側面を通じて両外部電極層間が導通してしまうこと
を有効に防止できる。

【００４６】また、枠部材16の外周縁部19を取り囲むよ
うに電極枠44を圧着させたのは、外周縁部の端面19ａ全
体に均一に電界が加わるようにするためである。なお、
上記の陽極接合をより強固なものとするためには、第１
の基板部材の対向面周縁12ａ、第２の基板部材の対向面
周縁14ａ、及び枠部材16の両当接面16ａ，16ｂを可能な
限り平滑化しておくことが必要であり、例えば表面の凹
凸を１μｍ以下に抑えることが望ましい。

【００４７】第２の電界電子放出型サージ吸収素子32に
おける、第１の基板部材12及び第２の基板部材14と枠部
材16との接合についても、上記と同様に行われる。すな
わち、図７に示すように、真空雰囲気中において、ホッ
トプレート42の上面に、エミッタ・コーン20及び第１の
外部電極層24を形成済みの第１の基板部材12と、同じく
エミッタ・コーン20及び第２の外部電極層26を形成済み
の第２の基板部材14とが、枠部材16を間に介して積層載
置され、第１の外部電極層24及び第２の外部電極層26に
は、それぞれ直流電源46のプラス側が接続されると共
に、枠部材16の外周縁部端面19ａに圧着された電極枠44
には、直流電源46のマイナス側が接続される。

【００４８】そして、上記ホットプレート42によって摂
氏２００〜６００度に加熱しながら直流電源46より所定
の直流電圧を印加すると、図示は省略したが、枠部材16
内の陽イオン（Ｎａ⁺）が電極枠44との接触面側に移動
すると共に、第１の基板部材12及び第２の基板部材14と
の界面近傍に空間電荷層が形成され、枠部材16の当接面
と各基板部材の対向面周縁との間の陽極接合が実現され
る。この第２の電界電子放出型サージ吸収素子32の接合
時には、第１の基板部材12側のエミッタ・コーン20と第
２の基板部材14側のエミッタ・コーン20の両者に、同時
に同電位の電界が付与されるため、両基板部材間で放電
生成が生じることがない。したがって、接合工程で印加
される電圧値が、第２の電界電子放出型サージ吸収素子
32の定格電圧以上であっても、陽極接合を有効に行うこ
とができる。

【００４９】上記においては、第１の基板部材12及び第
２の基板部材14の材質としてｎ形半導体を用いる例を示
したが、この発明はこれに限定されるものではなく、Ｓ
ｉ中にホウ素等の不純物を混入させたｐ形半導体によっ
て形成された第１の基板部材12と第２の基板部材14と
を、枠部材16を間に介して陽極接合する際にも適用可能
である。

【００５０】

【発明の効果】本発明に係る電界電子放出型サージ吸収
素子の製造方法にあっては、第１の基板部材と第２の基
板部材との接合を同時に実現することができるため、製
造の効率化を達成できるのみならず、枠部材の厚さを比
較的薄く構成した場合であっても、第１の基板部材の対
向面周縁と枠部材の第１の当接面との接合、及び第２の
基板部材の対向面周縁と枠部材の第２の当接面との接合
を確実に行うことができる。また、第１の基板部材及び
第２の基板部材には、同時に同電位の電圧が印加される
ため、第１の基板部材及び第２の基板部材の両方にエミ
ッタ・コーンを形成したタイプの電界電子放出型サージ
吸収素子であっても、接合時の電圧印加によって外囲器
内で放電が発生することがなく、確実に陽極接合を実現
できる。

【００５１】本発明に係る電界電子放出型サージ吸収素
子にあっては、枠部材の外周縁部が第１の基板部材及び
第２の基板部材の外側面から突出する分、第１の基板部
材の外部電極層と第２の基板部材の外部電極層間の沿面
距離が拡大するため、両外部電極層間にサージ電圧が印
加された際に、外囲器内で放電が生成する代わりに外囲
器の外側面に沿面放電が生じて動作不良となることを有
効に回避することができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の電界電子放出型サージ吸収
素子を示す断面図である。

【図２】第１の電界電子放出型サージ吸収素子を示す分
解斜視図である。

【図３】本発明に係る第２の電界電子放出型サージ吸収
素子を示す断面図である。

【図４】第１の電界電子放出型サージ吸収素子における
第１の基板部材、枠部材及び第２の基板部材の接合工程
を示す概略断面図である。

【図５】電極枠を示す斜視図である。

【図６】第１の基板部材、枠部材及び第２基板部材の接
合原理を示す概念図である。

【図７】第２の電界電子放出型サージ吸収素子における
第１の基板部材、枠部材及び第２の基板部材の接合工程
を示す概略断面図である。

【図８】サージ吸収素子の使用例を示す回路図である。

【図９】従来の電界電子放出型サージ吸収素子を示す断
面図である。

【図１０】従来の電界電子放出型サージ吸収素子を示す
分解斜視図である。

【図１１】電界電子放出形サージ吸収素子のサージ吸収
特性を示す波形図である。

【図１２】従来の電界電子放出型サージ吸収素子の他の
例を示す断面図である。

【図１３】従来の電界電子放出型サージ吸収素子におけ
る第２の基板部材と枠部材との接合工程を示す概略断面
図である。

【図１４】陽極接合法の原理を説明する概念図である。

【図１５】従来の電界電子放出型サージ吸収素子におけ
る第１の基板部材と枠部材との接合工程を示す概略断面
図である。

【図１６】従来の陽極接合法の問題点を説明する概念図
である。

【図１７】従来の電界電子放出型サージ吸収素子におけ
る第１の基板部材と枠部材との接合工程を示す概略断面
図である。

【符号の説明】

10 第１の電界電子放出型サージ吸収素子 12 第１の基板部材 12ａ 第１の基板部材の対向面周縁 14 第２の基板部材 14ａ 第２の基板部材の対向面周縁 16 枠部材 16ａ 枠部材の第１の当接面 16ｂ 枠部材の第２の当接面 19 枠部材の外周縁部 19ａ 枠部材の該周縁部端面 18 外囲器 20 エミッタ・コーン 24 第１の外部電極層 26 第２の外部電極層 32 第２の電界電子放出型サージ吸収素子 34 第１の電子放出部 35 第１の平面部 36 第２の電子放出部 37 第２の平面部 44 電極枠 46 直流電源 48 陽イオン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体より成り、一方の面に多数のエミ
   ッタ・コーンを一体形成した電子放出部とエミッタ・コ
   ーンが形成されない平面部の少なくとも一方を備えると
   共に、他方の面に外部電極層を形成してなる第１の基板
   部材と、同じく半導体より成り、一方の面に多数のエミ
   ッタ・コーンを一体形成した電子放出部とエミッタ・コ
   ーンが形成されない平面部の少なくとも一方を備えると
   共に、他方の面に外部電極層を形成してなる第２の基板
   部材とを、一方の基板部材のエミッタ・コーンの先端部
   と他方の基板部材の平面部とが所定の距離を隔てて対向
   するように配置し、真空雰囲気中において両基板部材の
   対向面周縁を枠部材を間に介して気密封止することによ
   って、内部が高真空状態となされた外囲器を形成する電
   界電子放出型サージ吸収素子の製造方法において、上記
   枠部材として、内部に可動イオンを含む絶縁材より構成
   され、上記第１の基板部材の対向面周縁と接する第１の
   当接面と、上記第２の基板部材の対向面周縁と接する第
   ２の当接面と、対向配置された両基板部材の外側面から
   突出する外周縁部とを備えたものを用い、上記第１の基
   板部材、枠部材、第２の基板部材を順に積層載置して、
   両基板部材の外部電極層には直流電源のプラス側をそれ
   ぞれ接続すると共に、上記枠部材の外周縁部には上記直
   流電源のマイナス側を接続し、所定の温度に加熱された
   真空雰囲気中において、上記直流電源より電圧を印加
   し、第１の基板部材の対向面周縁と上記枠部材の第１の
   当接面とを陽極接合すると同時に、第２の基板部材の対
   向面周縁と上記枠部材の第２の当接面とを陽極接合する
   ことを特徴とする電界電子放出型サージ吸収素子の製造
   方法。
2. 【請求項２】 上記枠部材として、内部にＮａ⁺を含む
   硼珪酸ガラスより構成したものを用いることを特徴とす
   る請求項１に記載の電界電子放出型サージ吸収素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】 上記枠部材の外周縁部端面に、該外周縁
   部端面に対応する形状に折曲された金属帯よりなる電極
   枠を圧着すると共に、該電極枠に上記直流電源のマイナ
   ス側を接続することにより、上記外周縁部の端面全体に
   均一に電圧を印加することを特徴とする請求項１または
   ２に記載の電界電子放出型サージ吸収素子の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体より成り、一方の面に多数のエミ
   ッタ・コーンを一体形成した電子放出部とエミッタ・コ
   ーンが形成されない平面部の少なくとも一方を備えると
   共に、他方の面に外部電極層を形成してなる第１の基板
   部材と、同じく半導体より成り、一方の面に多数のエミ
   ッタ・コーンを一体形成した電子放出部とエミッタ・コ
   ーンが形成されない平面部の少なくとも一方を備えると
   共に、他方の面に外部電極層を形成してなる第２の基板
   部材とを、一方の基板部材のエミッタ・コーンの先端部
   と他方の基板部材の平面部とが所定の距離を隔てて対向
   するように配置し、両基板部材の対向面周縁を枠部材を
   間に介して気密封止して外囲器を形成し、該外囲器内を
   高真空状態と成した電界電子放出型サージ吸収素子にお
   いて、上記枠部材として、絶縁材より構成され、上記第
   １の基板部材の対向面周縁と接する第１の当接面と、上
   記第２の基板部材の対向面周縁と接する第２の当接面
   と、対向配置された両基板部材の外側面から突出する外
   周縁部とを備えたものを用いたことを特徴とする電界電
   子放出型サージ吸収素子。