JPH08213147A

JPH08213147A - 放電型サージ吸収素子

Info

Publication number: JPH08213147A
Application number: JP4231895A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Suzuki; 吉朗鈴木; Junichi Ida; 順一井田; Akio Mukai; 昭雄向井; Tatsuzo Hosokawa; 辰三細川
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1996-08-20
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JP2927698B2

Abstract

(57)【要約】【構成】放電電極16，16を放電間隙20を隔てて対向配
置し、これを放電ガスと共に気密容器22内に封入し、リ
ード端子18，18を気密容器22外に導出して成る第１の放
電型サージ吸収素子10であって、放電ガスを窒素ガスに
０.５〜２０重量％の六弗化硫黄ガスを混合させたもの
より構成した。【効果】気密容器内に封入する放電ガスとして、極め
て安定した窒素ガスに、空気の２〜３倍の絶縁耐力があ
り、アーク放電に対する消弧作用が強い六弗化硫黄ガス
を所定の比率で混合させたものを用いているため、放電
間隙の間隙長を拡大したり封入ガスの圧力を上昇させる
ことなく、動作電圧を比較的高い値に設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気密容器内に封入し
た放電間隙における放電現象を利用してサージ等の過電
圧を吸収する放電型サージ吸収素子に係り、特に、比較
的高い動作電圧を容易に実現できる放電型サージ吸収素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子機器に侵入する過渡的な異常
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、気密容器内に封入した放電間隙における放電現象を
利用した放電型サージ吸収素子が用いられている。その
一例として、図８に示す放電型サージ吸収素子50は、丸
棒状の電極基体52の表面にエミッタ層54を被着させて成
る一対の放電電極56，56の下端にリード端子58，58を接
続し、これを所定の放電間隙60を隔てて互いに平行する
よう配置し、ガラス管を加工して形成した気密容器62内
に、希ガスを主体とした放電ガスと共に封入し、上記リ
ード端子58，58を気密容器62の下端封着部62ａを貫通さ
せて外部に導出して成る。

【０００３】この放電型サージ吸収素子50は、例えば図
９に示すように、被保護回路64に接続された一対の電源
ラインＬ1とグランドＧ間、及びＬ2とグランドＧ間に、
リード端子58，58を介してそれぞれ挿入接続される。し
かして、上記電源ラインＬ1−グランドＧ間あるいはＬ2
−グランドＧ間に伝導性のコモンモード・サージが印加
されると、上記放電間隙60にグロー放電を経てアーク放
電が生成され、該アーク放電の大電流を通じてサージは
グランドＧ側に逃がされることとなる。

【０００４】この放電型サージ吸収素子50の動作電圧
（直流放電開始電圧）は、自然現象として発生する一般
的な誘導雷サージの電圧値（３０００Ｖ以下）を考慮し
て、通常は３００Ｖ〜５００Ｖ程度に設定されるが、用
途や使用目的によっては、より高い動作電圧が要求され
る場合がある。例えば、電気用品取締法の下で課せられ
る耐電圧試験においては、電源ラインＬ1，Ｌ2間を短絡
した上で、Ｌ1−Ｇ間及びＬ2−Ｇ間にＡＣ１２００Ｖあ
るいはＡＣ１５００Ｖの過電圧が１分間印加されるた
め、これよりも低い動作電圧を備えた放電型サージ吸収
素子を接続しておくと、この試験電圧によって素子が動
作して電流が流れてしまい、結果として試験に不合格と
なってしまう。このため、上記試験電圧によっては絶対
に動作しないよう、放電型サージ吸収素子50の動作電圧
を２４００〜３８００Ｖといった比較的高い値に設定す
る必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
放電型サージ吸収素子の動作電圧は、放電ガスの組成を
一定とした場合には、パッシェンの法則に従い、放電間
隙の間隙長及び封入ガスの圧力によって規定される。図
１０は、縦軸に動作電圧Ｅｚを、また横軸にガス圧Ｐと
間隙長ｄとの積を表したグラフであり、いわゆるパッシ
ェン・カーブを示している。このグラフより明らかなよ
うに、動作電圧Ｅｚを高く設定するためには、ガス圧Ｐ
あるいは間隙長ｄの少なくとも一方を増加させればよい
こととなる。しかしながら、封入ガスの圧力Ｐについて
は、既存の製造設備の関係から１気圧以上に高めること
は困難であり、気密容器の内部においては実質上３００
Torr程度に止まっていた。このため、放電型サージ吸収
素子の動作電圧を一定以上に高めるためには、専ら放電
間隙の間隙長ｄを拡大せざるを得ず、これが素子の小型
化に対する障害となっていた。

【０００６】この発明は、従来の上記問題点に鑑みて案
出されたものであり、その目的とするところは、気密容
器内の封入ガスの圧力を高めたり、放電間隙長を拡大す
ることなく、その動作電圧を比較的高い値に設定可能な
放電型サージ吸収素子を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、放電型サージ吸収素子の動作電圧を決定する残りの
ファクタであるガス組成について種々検討を試みた結
果、不活性ガスに所定量の六弗化硫黄ガス（ＳＦ₆）を
混合させたものが効果的であることを見出し、本発明を
完成するに至ったものである。すなわち、本発明に係る
放電型サージ吸収素子は、複数の放電電極を放電間隙を
隔てて対向配置すると共に、これを放電ガスと共に気密
容器内に封入し、上記放電電極に接続されたリード端子
を気密容器外に導出して成る放電型サージ吸収素子にお
いて、上記放電ガスを不活性ガスに０.５〜２０重量％
の六弗化硫黄ガスを混合させたものより構成したことを
特徴とする。上記放電ガスを、不活性ガスに１〜２重量
％の六弗化硫黄ガスを混合させたものより構成すること
がより望ましい。上記不活性ガスは、窒素ガス（Ｎ₂）
の他、ネオン（Ｎｅ），アルゴン（Ａｒ），キセノン
（Ｘｅ），ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスが該当する。

【０００８】

【作用】気密容器内に封入する放電ガスとして、極めて
安定した窒素ガスや希ガス等の不活性ガスに、空気の２
〜３倍の絶縁耐力があり、アーク放電に対する消弧作用
が強い六弗化硫黄ガスを所定の比率で混合させたものを
用いることにより、放電型サージ吸収素子の動作電圧
（直流放電開始電圧）を、放電間隙の間隙長を拡大した
り、封入ガスの圧力を上昇させることなく、比較的高い
値に容易に設定することができる。

【０００９】

【実施例】以下、添付図面に基づき、本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る第１の放電
型サージ吸収素子10を示す縦断面図である。この第１の
放電型サージ吸収素子10は、一対の電極基体12，12の表
面ににエミッタ層14，14を被着形成して放電電極16，16
と成し、各電極基体12，12の下端部にデュメット線（銅
被覆鉄ニッケル合金線）や４２−６合金線等より成るリ
ード端子18，18を接続し、両放電電極16，16を所定の距
離を隔てて平行に配置して放電間隙20を形成すると共
に、これをガラス管の両端開口を気密封止して形成した
気密容器22内に放電ガスと共に封入し、各放電電極16，
16のリード端子18，18を気密容器22の下端封着部22ａを
貫通させて外部に導出して成る。

【００１０】上記電極基体12は、導電性に優れたニッケ
ル等の金属を細長い丸棒状に加工して成る。上記エミッ
タ層14は、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）や六硼化ランタ
ン（ＬａＢ₆）等より成り、耐スパッタ性能の向上等を
企図して形成される。但し、このエミッタ層14は必須の
構成要素ではなく、該エミッタ層14を形成せずに電極基
体12をそのまま放電電極16として用いることもできる。
上記放電ガスは、窒素ガスを主体とし、これに六弗化硫
黄ガスを所定比率で混合させたものより構成される。

【００１１】この第１の放電型サージ吸収素子10は、図
９に示したように、被保護回路64に接続された一対の電
源ラインＬ1とグランドＧ間、及びＬ2とグランドＧ間
に、リード端子18，18を介してそれぞれ挿入接続され
る。しかして、電源ラインＬ1−グランドＧ間あるいは
Ｌ2−Ｇ間に定格以上の過電圧が印加された場合には、
上記放電間隙20にグロー放電を経てアーク放電が生成さ
れ、該アーク放電の大電流を通じて当該過電圧の吸収が
実現される。

【００１２】この第１の放電型サージ吸収素子10におい
ては、放電ガス中に絶縁耐力に優れた六弗化硫黄ガスが
混入されているため、封入ガスの圧力を高めたり間隙長
を拡大することなく、その動作電圧を２４００〜３８０
０Ｖといった比較的高い値に設定することができる。こ
のため、電気用品取締法の耐電圧試験において、Ｌ1，
Ｌ2−Ｇ間にＡＣ１２００ＶあるいはＡＣ１５００Ｖの
過電圧が連続的に印加されても、第１の放電型サージ吸
収素子10は動作せず、したがって電流が流れないため当
該試験をクリアできる。

【００１３】つぎに、気密容器22内に封入する窒素ガス
と六弗化硫黄ガスの混合比率について、図２のグラフを
基に考察する。このグラフは、縦軸に動作電圧Ｅｚを、
また横軸に放電ガス全体に占める六弗化硫黄ガスの混合
比率を百分率で表したものであり、放電間隙長や封入ガ
スの圧力を一定とした上で、六弗化硫黄ガスの混合比率
を０重量％から高めていった場合における、動作電圧Ｅ
ｚの推移を示すものである。図示の通り、六弗化硫黄ガ
スの混合比率が０重量％から１重量％付近にかけて動作
電圧Ｅｚが急激に上昇し、六弗化硫黄を全く混合しない
０重量％の場合（Ｅｚ1）に比べ、０.５重量％の場合
（Ｅｚ2）で約４割、１重量％の場合（Ｅｚ3）で約５割
高い値となっていることが看取できる。そして、六弗化
硫黄の混合比率が１重量％を超えてからも、緩やかなが
ら動作電圧Ｅｚは上昇を続ける。

【００１４】また図３は、縦軸に動作電圧Ｅｚを、横軸
に気密容器22内の圧力Ｐを表したグラフであり、の曲
線は１００重量％の六弗化硫黄ガスを気密容器22内に封
入した場合を、は窒素ガス９９重量％、六弗化硫黄ガ
ス１重量％の混合ガスを気密容器22内に封入した場合
を、は１００重量％のアルゴンガスを気密容器22内に
封入した場合をそれぞれ示している。なお、〜の曲
線は、エミッタ層を形成していないニッケル製の放電電
極を３.１mmの放電間隙を隔てて対向配置した放電型サ
ージ吸収素子に、それぞれのガスを充填して測定した結
果をプロットして得られたものである。このグラフより
明らかなように、第１の放電型サージ吸収素子10の動作
電圧Ｅｚを２４００Ｖに設定するためには、（アルゴ
ン１００重量％）の場合には気密容器22内のガス圧Ｐを
約６００Torrまで高める必要があるのに対し、（９９
重量％の窒素ガス＋１重量％の六弗化硫黄ガス）の場
合、約１００Torrで済むことがわかる。また、（１０
０重量％の六弗化硫黄ガス）の場合には、僅か５０Torr
で２４００Ｖの動作電圧Ｅｚを実現できることとなる。

【００１５】以上要するに、第１の放電型サージ吸収素
子10の動作電圧Ｅｚを高めるためには、六弗化硫黄ガス
の濃度をできるだけ高めればよいこととなる。しかし一
方で、六弗化硫黄ガスの混合比率を高めるに従い、第１
の放電型サージ吸収素子10の放電特性が不安定化すると
いう問題が生じる。すなわち、六弗化硫黄ガスは本来比
較的安定した物質であり、アーク放電によって一時的に
分解しても直ちに元の状態に戻る特性を備えているので
あるが、その際に若干の分解生成物が生じるため、その
分ガス圧が低下することとなる。このため、六弗化硫黄
ガスの混合比率には一定の上限を設ける必要があり、六
弗化硫黄ガスの混合比率を徐々に変えて実験を繰り返し
たところ、その混合比率が２０重量％程度までであれ
ば、放電特性の安定度が実用上差し支えないレベルに止
まることが判明した。また、六弗化硫黄ガスの混合比率
が１重量％〜２重量％の範囲にあるときが、動作電圧の
上昇効果と放電特性の安定化との調和が最もとれている
ことも判明した。

【００１６】因みに、封入ガス圧Ｐを２５０Torrに、放
電間隙長ｄを２.４mmに、また気密容器22の直径を７mm
設定し、アルゴン１００重量％の放電ガスを気密容器22
内に封入した場合の動作電圧Ｅｚは１５００Ｖに止まる
のに対し、９９重量％の窒素と１重量％の六弗化硫黄と
の混合ガスを気密容器22内に封入した場合には、同一の
条件下で３６００Ｖの動作電圧Ｅｚが得られた。なお、
窒素ガスの他、アルゴンやキセノン、ネオン、ヘリウム
等の希ガスの単体や、これらの混合ガスを用い、これに
六弗化硫黄ガスを上記比率で混合させても、略同様の結
果が得られるものである。

【００１７】図４は、本発明に係る他の放電型サージ吸
収素子を示すものであり、この第２の放電型サージ吸収
素子30は、気密容器22の下端封着部22ａ内面に誘電体基
台32を配置し、放電電極16，16を構成する電極基体12，
12の下端部を誘電体基台32の凹部32ａ内に嵌挿させると
共に、リード端子18，18を誘電体基台32の貫通孔32ｂ，
32ｂに挿通させた点に特徴を有しており、他の構成は第
１の放電型サージ吸収素子10と実質上同一である。

【００１８】上記誘電体基台32は、アルミナやフォルス
テライト等のセラミック、あるいはガラス等を、図５に
示すように両側面が湾曲したブロック状に形成して成
り、該誘電体基台32の表面にはカーボン線より成るトリ
ガ電極34が形成されている。このトリガ電極34は、カー
ボン線以外の導電材料によって形成してもよい。トリガ
電極34の両端と各放電電極16，16との間には、幅５０〜
３００μｍの微小間隙36，36が形成されている。また、
誘電体基台32の表面における上記微小間隙36，36に対応
する箇所には、深さ５０〜３００μｍの溝38，38が形成
されている。

【００１９】この第２の放電型サージ吸収素子30のリー
ド端子18，18間に、定格以上の過電圧が印加されると、
誘電体基台32の表面を介して放電電極16とトリガ電極34
間の電界強度が高まり、微小間隙36において放電遅れの
少ない微弱な放電が直ちに生成され、過電圧の吸収が開
始される。また、これに続いて誘電体基台32の表面に沿
面放電が生成されて過電圧の吸収が開始されると共に、
該沿面放電を介して多量の電子及びイオンが気密容器22
内に放出されることとなり、そのプライミング効果によ
って放電電極16，16間の放電間隙20に速やかに主放電が
生成される。例えば、１．２／５０μｓ・１０ｋＶの過
電圧を印加した場合、第１の放電型サージ吸収素子10の
応答速度が１.０８μｓであったのに対し、第２の放電
型サージ吸収素子30の応答速度は０.４８μｓとなり、
応答速度の飛躍的な向上が実現できる。

【００２０】因みに、トリガ電極34及び溝38を形成しな
い単なる誘電体基台32を用いた放電型サージ吸収素子に
対して同様の実験を行ったところ、応答速度は０.８４
μｓとなり、第１の放電型サージ吸収素子10よりも良好
な結果が得られた。これは、過電圧印加後直ちに誘電体
基台32の表面に放電遅れの少ない沿面放電が生成され、
該沿面放電を介して過電圧の吸収が開始されると共に、
これによって生じた電子やイオンのプライミング効果に
よって放電間隙20における主放電の生成が促進されるか
らである。

【００２１】なお、図６に示すように、誘電体基台32の
表面に溝38を形成したため、微小間隙36の間隙長を所定
の値に設定し易くなるという利点が生じる。また、放電
電極16とトリガ電極34の端部との間の沿面距離が溝38の
存在によって拡大するため、主放電に伴って発生したス
パッタ物質40によって、放電電極16とトリガ電極34の端
部間の絶縁劣化が生じ難くなり、素子の寿命特性を向上
させることができる。

【００２２】この第２の放電型サージ吸収素子30にあっ
ても、気密容器22内に封入されている放電ガスは、窒素
等の不活性ガスを主体としつつ、これに０.５〜２０重
量％の六弗化硫黄ガスが混合されたものであるから、そ
の動作電圧を容易に高い値に設定することが可能であ
る。すなわち、この第２の放電型サージ吸収素子30にあ
っては、動作電圧が比較的高く、かつ応答性に優れた素
子が実現できることとなる。

【００２３】上記においては、ガラス管を加工して形成
した気密容器内に丸棒状の放電電極を平行に対向配置し
た、いわゆるＮＰＬ(Neon-Pilot-Lamp)型の放電型サー
ジ吸収素子に基づいて説明したが、本発明は他の形式の
放電型サージ吸収素子に応用することもできる。例え
ば、図７に示すように、絶縁材より成る円筒体42の両端
開口に、ニッケル等より成る一対のキャップ状放電電極
43，43を嵌合させ、封着材44を介して両者間を気密封止
して気密容器45と成し、各キャップ状放電電極43，43の
内面先端部43ａ，43ａ間に放電間隙46を形成すると共
に、各キャップ状放電電極43の外面凹部43ｂにそれぞれ
リード端子47を接続した鼓状の第３の放電型サージ吸収
素子48を用い、窒素等の不活性ガスに０.５〜２０重量
％の六弗化硫黄ガスを混合させた放電ガスを上記気密容
器45内に充填するよう構成してもよい。この場合、放電
間隙46の間隙長を比較的短く設定しても高い動作電圧が
得られるため、素子の小型化が可能となる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係る放電型サージ吸収素子にあ
っては、気密容器内に封入する放電ガスとして、極めて
安定した窒素ガスや希ガス等の不活性ガスに、空気の２
〜３倍の絶縁耐力があり、アーク放電に対する消弧作用
が強い六弗化硫黄ガスを所定の比率で混合させたものを
用いているため、放電型サージ吸収素子の動作電圧を、
放電間隙の間隙長を拡大したり、封入ガスの圧力を上昇
させることなく、比較的高い値に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の放電型サージ吸収素子を示
す断面図である。

【図２】六弗化硫黄ガスの混合比率と動作電圧との関係
を示すグラフである。

【図３】各種放電ガスの封入圧力と動作電圧との関係を
示すグラフである。

【図４】第２の放電型サージ吸収素子を示す断面図であ
る。

【図５】第２の放電型サージ吸収素子に係る誘電体基台
と放電電極との係合状態を示す斜視図である。

【図６】第２の放電型サージ吸収素子に係る誘電体基台
に形成された溝を示す拡大部分断面図である。

【図７】第３の放電型サージ吸収素子を示す断面図であ
る。

【図８】従来の放電型サージ吸収素子を示す正面図であ
る

【図９】第１の放電型サージ吸収素子及び従来の放電型
サージ吸収素子の接続例を示す回路図である。

【図１０】パッシェンカーブを示すグラフである。

【符号の説明】

10 第１の放電型サージ吸収素子 16 放電電極 18 リード端子 20 放電間隙 22 気密容器 30 第２の放電型サージ吸収素子 43 キャップ状放電電極 45 気密容器 46 放電間隙 48 第３の放電型サージ吸収素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細川辰三東京都小金井市緑町２丁目９−23 ル・ヴィラージュ205号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の放電電極を放電間隙を隔てて対向
配置すると共に、これを放電ガスと共に気密容器内に封
入し、上記放電電極に接続されたリード端子を気密容器
外に導出して成る放電型サージ吸収素子において、上記
放電ガスを不活性ガスに０.５〜２０重量％の六弗化硫
黄ガスを混合させたものより構成したことを特徴とする
放電型サージ吸収素子。
【請求項２】上記放電ガスを不活性ガスに１〜２重量
％の六弗化硫黄ガスを混合させたものより構成したこと
を特徴とする請求項１に記載の放電型サージ吸収素子。