JP7786247B2 - サージ防護素子 - Google Patents

Description

本発明は、落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐのに使用するサージ防護素子に関する。

電話機、ファクシミリ、モデム等の通信機器用の電子機器が通信線との接続する部分、電源線、アンテナ或いはＣＲＴ駆動回路等、雷サージや静電気等の異常電圧（サージ電圧）による電撃を受けやすい部分には、異常電圧によって電子機器やこの機器を搭載するプリント基板の熱的損傷又は発火等による破壊を防止するために、サージ防護素子が接続されている。

従来、サージ防護素子としては、例えば図５に示すように、表面上に形成した導電性膜１０４ａを中央で分割して放電ギャップ（マイクロギャップ）１０４ｂを設けたセラミックスの碍子１０４と、碍子１０４の両端部に設けた一対のキャップ電極１０５とで構成された放電素子を、一対の封止電極１０３でガラス管１０２内に封止したサージアブソーバが知られている（特許文献１参照）。

特開平８－１５３５６５号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のサージ防護素子では、放電ギャップ１０４ｂを介して対応している一対の導電性膜１０４ａ又は一対のキャップ電極１０５の間に、電圧を加えることで電界が生じ、放電はその電界に影響を受ける。その際の電界は、図６に示すように、対向している円筒形状の一対の導電性膜１０４ａの先端だけでなく、その他の部分にも円筒形状の導電性膜１０４ａを出入りする方向に生じている。すなわち、一対の導電性１０４ａの先端が線状に対向している部分に電界が集中しているだけでなく、その外側の外周面にも電界が多く発生している。
このため、大電流の放電が生じた場合には、封止筐体である外囲器（ガラス管１０２）や外囲器とのハーメチックシール部分にも放電が達する状況となり、強度を顕在する構造体に対してプラズマによるスパッタリングが熱・衝撃のダメージを与え、破壊に至る問題があった。また、導電性膜１０４ａはサージ放電路に存在するため、熱・スパッタの影響を受け易く、サージ後の放電開始電圧が変化してしまう不都合もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、放電による熱・衝撃のダメージを軽減でき、放電開始電圧の変動も抑制可能なサージ防護素子を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明のサージ防護素子は、絶縁性管と、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極と、前記絶縁性管内に収納された柱状又は筒状の絶縁性部材と、前記絶縁性部材の両端部に被せられ前記一対の封止電極の内面に基端部が接触した一対のキャップ電極とを備え、前記一対のキャップ電極が、互いの先端部が間隔を空けて対向していると共に、前記先端部の外径が先端に向けて漸次拡径されていることを特徴とする。

このサージ防護素子では、一対のキャップ電極が、互いの先端部が間隔を空けて対向していると共に、先端部の外径が先端に向けて漸次拡径されているので、向かい合わされテーパ状に拡径した一対の先端部の間に介在する空間内に電界を集中させることで、熱・衝撃のダメージを軽減させることができる。

すなわち、拡径して広くなって対面した一対の先端部間に電界が集中すると共に、テーパ状の先端部の外周面側には電界が出入りし難く、放電による外周面側や絶縁性管等の他の構造体への熱・衝撃のダメージが低減される。このように先端部がテーパ状であることで、線状に対向しているのではなく、互いに面同士で対向した空間に電界が集中して、その外側の外周面へは電界が生じ難くなる。また、先端部の先端の断面形状が鋭くなるため、先端に電界が集中し易くなる。このように、導電性膜を無くし、キャップ電極に放電開始電圧を決定する機能を具備させることで、サージ後の放電開始電圧の変動も抑制可能になる。
なお、従来のサージ防護素子では、一対の導電性膜の間（マイクロギャップ）が放電開始電圧を決定しているギャップであったが、本発明では、一対の先端部の間が放電開始電圧を決定しているギャップとなる。

第２の発明のサージ防護素子は、第１の発明において、前記先端部の内径も先端に向けて漸次拡径され、前記先端部と前記絶縁性部材の外周面との間に空間が形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、先端部の内径も先端に向けて漸次拡径され、先端部と絶縁性部材の外周面との間に空間が形成されているので、誘電体である絶縁性部材側に電界が生じ易いため、先端部と絶縁性部材の外周面との間に形成された空間に電界が生じ易くなって、さらに外周面側に生じる電界が少なくなる。

第３の発明のサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、前記先端部が先端ほど半径方向外側に反ったラッパ状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、先端部が先端ほど半径方向外側に反ったラッパ状に形成されているので、先端部の外周面が凹曲面となり、先端部が一様に拡径されている場合に比べて、先端部の外周面と絶縁性管との距離及び空間を大きく確保できることで、絶縁性管への放電の影響をより低減することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサージ防護素子によれば、一対のキャップ電極が互いの先端部が間隔を空けて対向していると共に、先端部の外径が先端に向けて漸次拡径されているので、放電による熱・衝撃のダメージを軽減させることができると共に、放電開始電圧の変動も抑制することができる。
したがって、本発明のサージ防護素子では、サージ破壊耐量及びサージ特性耐量の向上を図ることができる。

本発明に係るサージ防護素子の一実施形態を示す斜視図である。 本実施形態において、一対のキャップ電極を取り付けた絶縁性部材を示す断面図である。 本実施形態において、サージ防護素子を示す正面図である。 本実施形態において、一対のキャップ電極間に生じる電界分布を示す全体的な図（ａ）及び要部を拡大した図（ｂ）である。 本発明に係るサージ防護素子の比較例において、サージ防護素子を示す正面図である。 本実施形態の比較例において、一対のキャップ電極間に生じる電界分布を示す全体的な図（ａ）及び要部を拡大した図（ｂ）である。

以下、本発明に係るサージ防護素子の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のサージ防護素子１は、図１から図３に示すように、絶縁性管２と、絶縁性管２の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極３と、絶縁性管２内に収納された柱状又は筒状の絶縁性部材４と、絶縁性部材４の両端部に被せられ一対の封止電極３の内面に基端部が接触した一対のキャップ電極５とを備えている。
上記一対のキャップ電極５は、互いの先端部５ａが間隔を空けて対向していると共に、先端部５ａの外径が先端に向けて漸次拡径されている。
なお、上記絶縁性部材４は、円柱状に形成されている。

本実施形態では、上記先端部５ａの内径も先端に向けて漸次拡径され、先端部５ａと絶縁性部材４の外周面との間に空間Ｓが形成されている。
すなわち、先端部５ａが、先端に向けて漸次拡径されて絶縁性部材４ａの外周面から半径方向外方に漸次離間していることで、空間Ｓを形成している。
また、上記先端部５ａは、先端ほど半径方向外側に反ったラッパ状に形成されている。

なお、本実施形態では、封止電極３の外側にリード線７の一端が溶接、半田付け、埋め込み等により接続されている。
上記封止電極３は、例えばＦｅ（鉄）－Ｎｉ（ニッケル）合金の表面を酸化銅で被覆した金属で形成され、円板状又は円柱状となっている。
例えば、封止電極３はジュメット線から作られている。

上記絶縁性管２は、例えば鉛ガラス等で略円筒状に形成されたガラス管であり、中央部が、半径方向外側に膨らんでいる。
また、一対の封止電極３は、ガラス管の絶縁性管２に両端開口部に嵌め込まれて加熱処理によって融着され、絶縁性管２が密着状態となって固定されている。

上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ_６，ＣＯ_２，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４，Ｈ_２，大気等及びこれらの混合ガスが採用される。
上記絶縁性部材４は、アルミナ、ムライト、コランダムムライト等のセラミックス材料で形成されている。なお、本実施形態の絶縁性部材４は、アルミナで形成されている。

上記キャップ電極５は、例えば銅で形成されている。
キャップ電極５は、有底の筒状に形成され、基端部である底面部５ｃと、底面部５ｃに基端側が接続され外径が一定の直胴部５ｄと、直胴部５ｃの先端側に接続された上記先端部５ａとで構成されている。

なお、キャップ電極５の外周面には、物理蒸着（ＰＶＤ）法や化学蒸着（ＣＶＤ）法などの薄膜形成技術によるＳｎＯ_２等の導電性膜として形成しても構わない。
一対のキャップ電極５の間隔は、用途等に応じて適宜設定され、従来の導電性膜の間に形成されたマイクロギャップと同様の間隔に設定しても構わない。

本実施形態のサージ防護素子１において、一対のキャップ電極５間の電界分布をシミュレーションした結果を、図４を参照して説明する。
図４から分かるように、一対のキャップ電極５間の電界は、拡径された一対の先端部５ａ間の空間に集中している。特に、拡径された先端部５ａと絶縁性部材４との間の空間Ｓ内、すなわち、先端部５ａの内側の空間Ｓにも電界が集中している。その反面、先端部５ａの外周面側に生じている電界が少ないことがわかる。
なお、図４及び図６は、元々カラー画像の図であるが、これをグレースケール化した図で示している。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、一対のキャップ電極５が、互いの先端部５ａが間隔を空けて対向していると共に、先端部５ａの外径が先端に向けて漸次拡径されているので、向かい合わされテーパ状に拡径した一対の先端部５ａの間に介在する空間内に電界を集中させることで、熱・衝撃のダメージを軽減させることができる。

すなわち、拡径して広くなって対面した一対の先端部５ａ間に電界が集中すると共に、テーパ状の先端部５ａの外周面側には電界が出入りし難く、放電による外周面側や絶縁性管２等の他の構造体への熱・衝撃のダメージが低減される。このように先端部５ａがテーパ状であることで、線状に対向しているのではなく、互いに面同士で対向した空間に電界が集中して、その外側の外周面へは電界が生じ難くなる。

また、先端部５ａの先端の断面形状が鋭くなるため、先端に電界が集中し易くなる。このように、導電性膜を無くし、キャップ電極５に放電開始電圧を決定する機能を具備させることで、サージ後の放電開始電圧の変動も抑制可能になる。
なお、従来のサージ防護素子では、一対の導電性膜の間（マイクロギャップ）が放電開始電圧を決定しているギャップであったが、本実施形態のサージ防護素子１では、一対の先端部５ａの間が放電開始電圧を決定しているギャップとなる。

また、先端部５ａの内径も先端に向けて漸次拡径され、先端部５ａと絶縁性部材４の外周面との間に空間Ｓが形成されているので、誘電体である絶縁性部材４側に電界が生じ易いため、先端部５ａと絶縁性部材４の外周面との間に形成された空間Ｓに電界が生じ易くなって、さらに外周面側に生じる電界が少なくなる。

さらに、先端部５ａが先端ほど半径方向外側に反ったラッパ状に形成されているので、先端部５ａの外周面が凹曲面となり、先端部５ａが一様に拡径されている場合（先端部５ａの外周面が軸線方向に対して一定の角度で傾斜している場合）に比べて、先端部５ａの外周面と絶縁性管２との距離及び空間を大きく確保できることで、絶縁性管２への放電の影響をより低減することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，１０１…サージ防護素子、２，１０２…絶縁性管、３，１０３…封止電極、４，１０４…絶縁性部材、５，１０５…キャップ電極、５ａ…キャップ電極の先端部、Ｓ…先端部と絶縁性部材の外周面との間の空間

Claims (1)

1. 絶縁性管と、
   前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極と、
   前記絶縁性管内に収納され全体がセラミックスで形成された柱状又は筒状の絶縁性部材と、
   前記絶縁性部材の両端部に被せられ前記一対の封止電極の内面に基端部が接触した一対のキャップ電極とを備え、
   前記一対のキャップ電極が、互いの先端部が間隔を空けて対向していると共に、前記先端部の外径が先端に向けて漸次拡径され、
   前記先端部の内径も先端に向けて漸次拡径され、前記先端部と前記絶縁性部材の外周面との間に空間が形成され、
   前記先端部が、先端ほど半径方向外側に反ったラッパ状に形成され、外周面が凹曲面となっていることを特徴とするサージ防護素子。