JPS603820A - 真空開閉器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は真空開閉器に関し、更に詳しくは、実用状態に
あっても器内真空の不良を容易に検出でき、しかも、接
点開閉部の開閉に無関係に検出することのできる新規構
造の真空開閉器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

配電線路の作業時の区分用あるいは事故時の切離し用と
して、最近では真空開閉器が多く採用さ・五ている。

この真空開閉器は、概ね第１図の模式的な縦断面図に示
したような構造になっている。図において、１は例えば
円筒形状の器壁であって、通常、緻密質のセラミックス
焼、結体で構成されている。

器壁１の上端にはカバー２が気密に配設されている。３
はカバー２の中心部から器内に・気密に挿入されカバー
２によって固定されている固定電極で、その上端は配電
線路（図示しない）に結線されている。固定電極３に対
向して可動電極４が配設され、固定電極３と一緒になっ
て接点開閉部を構成する。５は器壁１の下端に気密に配
設されたカバーで、該カバーは、可動電極４を上下方向
に可動せしめるためのベロース６を一体的に具備してい
る。可動電極４は、それに後続するスイッチを介して配
電線路（いずれも図示しない）に結線されている。

この真空開閉器は、普段の実使用状態にあって杜、固定
電極３と可動電極４が接触されていて配電線路を閉の状
態にしている。そして、何らかの理由に基νいて配電線
粋を開の状態にするききに鉱、可動電極４を下方に引き
下けて固定電極３と切シ離なす。

しかしながら、この操作を行なう場合、器内の真空度が
１０−４〜１０−７Ｔｏｒｒ　のときは伺らの不都合も
なく配電線路の電流切断が可能であるが、器内の真空度
が１０−”Ｔｏｒｒ　Ｊ：　ｐ悪化すると固定電極３と
可動電極４の接点は機械的に切シ離されても、両接点間
にはグロー放電が発生して放電電流が継続して流れてし
まい事故発生の原因となる。したがって、器内の真空度
を検出すること、しかも器内の真空度が１０”−’　Ｔ
ｏｒｒ程度に低下しているが否かを検出することが必要
となる。

従来、容器内の真空度を測定するためには、熱　１陰１
ｉＭ　イオｙ　’ｙ”　−Ｖ　、冷陰極イオングージヲ
用いるものなどが使用されてきた。また、１０−３Ｔｏ
ｒｒまでの比較的低い真空度の測定の場合には、ガイス
ラー管などの放電管が用いられている。熱陰極イオンゲ
ージは１０−４よシ高真空側で、冷陰極イオンデージは
１０−５Ｔｏｒｒよ）低真空側で、それぞれ使用されて
いるのが通例である。しかしながら、これらのものはｒ
−ジと容器とをパイプで連結することが必要であシ、更
には、ゲージそれ自体の形状が大きいので小さな容器の
中には刺入できないという問題がある。また、電極３，
４間の放電を検出する形式のものは接点が開放状態にあ
るときにしか真を度を測定することができない。

更に、高周波電源を用いたマグネトロン方式のものも知
られている。この方式のものは、高真空でも測定可能で
あるが、その作動原理は固定電極と可動電極との間に発
生する微少な放電電流を検出するものであるため、これ
もまた接点間は開の状態になっていることが必要である
。仮に、この方式を上記した真空開閉器の真空度測定に
適用する場合には、真空開閉器の外周に円心形状のマグ
ネトロンコイルを配設することが必要となり、そのため
開閉器に結線しである配電線路を測定のたびに外すこと
が必要となる。したがって、電源も大規模なものになる
ということと相俟って、工場などでの検査時には適用可
能ではあるが、例えは柱上に取９つけられているような
実使用状態での適用は極めて困難である。

このように従来の方式においては、接点間が閉の状態に
ある実使用状態で真空開閉器の器内の真空度（の低下）
を検出することは、いずノ］、も困難であシ必ずしも実
用的とはいえなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した問題点を解消し、自らの器内に形状
が小型で安価な真空度検出素子を内蔵し、しかも、該素
子の電気抵抗変化を測定するだけで器内真空度の低下を
検出することができるので測定が極めて簡便となる真空
開閉器の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記問題点の解決を企る研究を重ねる中
で、酸化物半導体はその表面に酸素が化学吸着した場合
、電気抵抗は酸素が化学吸着していない状態とは異なっ
た値になるという事実に着目した。そこで本発明者らは
、この酸化物半導体を真空容器に封入しその電気抵抗の
変化を測定すれば、該真空容器内に大気が微量でも流入
した場合、流入大気中の酸素が該酸化物半導体に化学吸
着し１その電気抵抗を変動せしめるので、その抵抗変化
を測定することによって該真空容器内の真−生産低下の
度合を検出できる、すなわち、該酸化物半導体が酸素の
存否に関する信号の発生源となシ得るとの着想を得、こ
の着想に基づき更なる研究を重ねた結果、本発明の真空
開閉器を開発するに到った。

すなわち、不発、明の真空開閉器は、固定電極と可動電
極とから成る接点開閉部が真空容器内に収容されている
真空開閉器において、該真空容器内に、絶縁基板と該基
板の片面に添着された一対の電極と該一対の電極に付設
された一対のリード線と該基板の片面及び該一対の電極
の両者を被覆して形成された酸化物半導体層とから成る
素子が収容さｊｌかつ、該一対のリード線が該真空容器
の外に気密に導出されて電極抵抗測定棒構に接続されて
いることを特徴とする。

本発明の真空開閉器の１構造例を第２図に示す。

図中の各番号は第１図に例示したと同じ要素を表わす。

本発明の真空開閉器は、器内に真を度測定累子１０を内
蔵していることに特徴がある。

この素子１０に関し、その１例を示す８ｇ３図に基づい
て説明する。第３図において、１１は絶縁基板であって
後述する電極、酸化物半導体層の担体となる。絶縁基板
を構成する材料としては、電気絶縁性でその機械的強度
が適正であれば伺であってもよ、＜、例えば各種セラミ
ックスの焼結体をあげることができる。とくに、Ａ／、
、０３０基板は好ましい。その形状・大きさは、真空開
閉器の内部空間の大きさに応じて適宜選定すればよい。

この基板の一方の面（図では上面）に一対の電極１２　
、１２’が添着され、更には、電極１２，１２′１には
それぞれリードｉ　１３　、１３”が付設される。

これらは、いずれも酸化物半導体の層の電気抵抗を測定
するためのものである。リード線１３．１３’は抵抗計
（図示しない）に結線される。電極１２゜１２′は例え
ば、白金（Ｐｔ）ペーストを基板１の所定部分に印刷し
た後、焼成して焼付けることによシ容易に添着すること
ができる。

１４は酸化物半導体の層であって、基板１１の一方の面
及び一対の電極１２　、１２’のいずれをも被覆する状
態で形成される。この場合、層１４は電極１２　、１２
’を埋め込んで基板１１の片面全体を被覆する層として
形成されてもよいし、第３図のように、電極１２　、１
２’の一部を被覆した状態で形成されてもよい。要は、
この層１４の電気抵抗が電極１２　、１２’を介して測
定できればよいのである。

この層１４を構成する酸化物半導体は、ｎ型半導体、ｐ
型半導体のいずれであってもよい。ｎＭｔ半導体の場合
は、酸素が吸１着すると、その電気抵抗が高くなシ、ｐ
型半導体の場合はその逆の信号を発する。

ｎｕ半導体としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）　、酸化カド
ミウム（ＣｄＯ）　、酸化鉄（ｌｆｔ）　（Ｆｅ２０Ｂ
　）　、酸化インジウム（ｍ）　（Ｉｎ、Ｏ，）、酸化
スズ（ＥＶ）　（５ｎ０２）。

酸化チタン（ＩＶ）　（ＴｉＯ２）　、酸化バナジウム
（Ｉｌｌ）（Ｖ２Ｏｎ）　、酸化パナジウＡ　（Ｖ）　
（ｖ２ｏｓ＞　、酸化タングステン（Ｖｌ）　（ｗｏｓ
）　、酸化モリブデン（Ｖｌ）（Ｍｏ５ｓ　）　＊酸化
ネオジＡ（Ｉ［）（Ｎｄ２０３）　＋酸化ニオブ（Ｖ）
（Ｎｂ２Ｏ，）　の群から選ばれるいずれか１種又はこ
れらの２種以上を適宜に組合せたものがあげられ、また
、ｐ型半導体としては、酸化ニッケル（ｌ［）（ＮｉＯ
）　、酸化コバルト（ＩＩ）　（ＣｏＯ）　、酸化銅（
１）（Ｃｕ２０）、酸化鉄（ｎ）　（ＦｅＯ）　、Ｗｌ
化銀（１）　（Ａｇ２０）　。

酸化コバルト（ＩＶ）コバルト（ＩＩ）　（ＣＯ３０４
）　の群から選ばれるいずれか１種又はこれらの２種以
上を適宜に組合せたものがあげられる。

酸化物半導体層１４は緻密質であっても多孔質であって
もよいが、該層の内部にまで全体として酸素を吸着させ
て電気抵抗の変化を太たらしめるために、層の組織は多
孔質であることが好ましい。

層が緻密質である場合には、酸素吸着層の厚みが概ね１
μｍ以下であるということからして、層の厚みは１μｍ
以下であることが実用的には好ましい。

このような酸化物半導体層は次のようにして形成するこ
とができる。まず、第１の方法は、蒸着法、スパッタリ
ング法、イオンプレーテインダ法などの薄膜成形法であ
る。この方法のうち、スパッタリング法は所望の厚みの
層を安定して成膜できるので好ましい方法である。この
薄膜成形法の場合には、形成された薄膜層はいずれも緻
密質なので、その厚みは１μｍ以下に制御される。

第２の方法は、上記したような酸化物半導体の１ｉ９を
末”ｋ、、水トメチルセルロース、／チルアルコールと
酢酸セルロースなどのバインダー中に添加し、充分混練
してペーストにした後、該ペーストを基板１，１及び電
極１２．１２’の上に所定の厚みで印刷若しくは塗布し
、全体を約１０００℃で焼成する方法である。この場合
には、焼成過程でバインダー成分が熱分解して散逸し、
酸化物半導体の多孔質層が形成される。

第３の方法は、熱分解して上記したような酸化物半導体
を生成する各種の有機金属化合物、すなワチ、亜鉛、ス
ズ、チタン、バナジウム、タングステン、モリブデン、
ネオジム　、ニオーピウム。

ニッケル、コバルト、銅のオクチルアルコール化物など
の金属アルコキシド；亜鉛、スズ、チタン。

パナソウム、タングステン、モリブデン、ネオンみ　、
ニオビウム、ニッケル、コバルト、ｌｉ’ＦＭｆｘトの
ナフテン酸塩もしくはオクチル酸塩とブタノール、トル
エンなどの有機溶媒とから成る溶液を第２の方法と同様
にして印刷若しくは塗布し、所定温度で熱分解させる方
法である。この場合も、多孔質な酸化物半導体の層が形
成さｎる。

本発明にかかる素子を真空開閉器内に収容するに際して
は、該素子を予め４００〜ｉ　ｏｏｏ℃に加熱しながら
排気処理を施し、層１４の内部若しくは表面に吸蔵さ１
１ていた酸素を脱着させることが好ましい。この予備操
作を省略するために、第３図に示したように、基板１１
の他方の面（図では下方の面）に例えは電極１２　、１
２’と同様にして　１焼付けたｐｔ上ヒータ５を添着し
、これにリード線１６　、１６’から通電してヒータ５
を抵抗発熱させることもできる。すなわち、測定時、常
にヒータ５を発熱させておき、素子の温度を１５０〜５
００℃に保持しておくと応答性が速くなるという効果を
生じて好適である。

また、第３図、第４図に例示した素子の層１４の表面を
、更に、第５図に示したような無機質の／ 多孔質層１７で１００〜５００μｍの厚みに被包すると
、この層１７は層１４の機能を低下させることなく層１
４を周囲の塵埃、ミストなどから保護できるので有用で
ある。とくに、第２図に示した真空開閉器において、接
点開閉部を開にするときには両電極から微細な銅ミスト
が発生するが、そのような場合でめっても保獲層１７は
層１４を保護することができる。

層１７は、アルミナ粉、ジルコニア粉なトラ、水、リン
酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウムなどのバインダ成分
と混練して成るペーストを層１４の上に塗布した後、焼
成することによって容易に形成することができる。

本発明の真空開閉器にあっては、上記したような素子が
内蔵されておシ、リード線１３　、１３’又は１６　、
１６’が器壁から外へ気密に導出されている。したがっ
て、リード線１３　、１３’を抵抗計に接続し、暦１４
の電気抵抗の変化を測定することによって、該層１４へ
の酸素吸着の程度、すなわち器内真空度低下の状態を簡
単に検出することが可能となる。

〔発明の実施例〕

実施例１ 絶縁基板として、縦５叫、幅３簡、厚み０．３論のＡ／
、２０．焼結板を用意した。この片面の両はしにｐｔペ
ーストをスクリーン印刷し、裏面には全面に同じｐｔペ
ーストを塗布し、これを１０００℃で焼付けた。Ａｔ２
０ｓ焼結板の片面には一対のｐｔ電極、裏面にはｐｔ上
ヒータ形成された。ここに、それぞれリード線をろう付
けした。しかる後に、ｐｔ電極側の表面にＡ”２０ｓ　
Ｏ−５モルチが加えられたＺｎＯをターゲットにしてス
パッタリング法で厚み１０００λのＺｎＯ多孔質層を形
成し、第４図に示した素子を製造した。スパッタ条件は
、圧力１０−３Ｔｏｒｒ、電力１００Ｗであった。

この素子を第２図に示した真空開閉器の中に封入し、リ
ード線１３　、１３’、１６　、１６’をそれぞれ開閉
器の外に引き出して、リードＭＡ　１３　、’　１３’
にテスターに結線し、−リード線１６　、１６’はスラ
イダックを介して電源に接続した。

ヒータ１５に通電し素子の温度を５００℃に１分間保持
して排気処理を施した。容器内は１Ｏ−７Ｔｏｒｒの真
空度になった。その後、ヒータ１５への電流を減じて素
子温度を３００℃に保持し、その状態で器内には徐々に
空気を導入し、多孔質層１４の電気抵抗の変化を測定し
た。

その結果を、容器内の真空度と素子が示した電気抵抗の
関係として第６図に示した（直線ａ）。

なお、縦軸は、真空度１０−７７ｏｒｒのときの素子の
示した電気抵抗に対する相対値の対数目盛シである。

また、１０Ｔｏｒｒの排気した後は、素子を室温にまで
冷却し、そのまま室温で測定したときの結素子が３００
℃に加熱されている方がはるかに感度が優れている。ま
た、加熱して測定した場合には、それぞれの真空度にお
いて、電気抵抗が定常値に安定するまでの時間は約１分
であるのに対し、室温測定の場合には１０分〜１０時間
もの多大な時間を要した。しかし、そのときでも、ヒー
タ５で３００℃に加熱すると約１分で定常値に到達する
ことが可能であった。

実施例２ ターゲットがＬｉ、Ｏを０．２モルチ含むＮｉＯであっ
たことを除いては実施例１と同様にして素子を製造し、
その素子抵抗を第７図に示した。

実施例３ 実施例１と同様にしてＡ／１．、０３焼結板の片面に一
対のｐｔ電極、裏面にｐｔ上ヒータ形成した。

つぎに、いずれも平均粒径が０．８μｍである５ｎ０２
粉末、Ａ４０ｇ粉末、Ｓｂ、Ｏ，粉末を９８：１：　％
１の重量比で混合し、この混合粉末を２％メチルセルロ
ース水溶液に加えたのち充分に混練してペーストとした
。

このペーストを一対のｐｔ電極が添着されているＡｔ、
　０．、焼結板の片面に塗布し１０００℃で焼成した。

第４図に示した構造の素子が得られた。多孔質層１４の
厚みは１００μｍであった。

この素子を実施例１と同様に真空開閉器の中に内蔵し、
その電気抵抗の変化を測定した。結果を第８図に示した
。

実施例４ ＳｎＯ２に代えてＮｉ０９Ｓｂ２０３に代えてＬｉ２Ｏ
を用いたことを除いては実施例３と同様にして素子を製
造した。素子温度が２００℃であったことを除いては実
施例１と同様の方法で素子の抵抗を測定した。その結果
を第９図に示した。

実施例５ オクチル酸スズ（Ｓｎ含有量約１．２係）にｎ−ブチル
アルコールを加え、Ｓｎ含有量約３係の溶液を調製し、
これを実施例１と同様な電極を設けた基板上に塗布、室
温で１時間乾燥後、１５０℃にてさらに１時間乾燥し、
その後９００℃にて１５分間焼成した。焼成した後の薄
膜の厚さは約１００ＯＡであった。その結果は実施例３
と同様であったが、ヒータを投入しない状態での応答時
間が短く、わ７分で一定値を示した。

実施例６〜１６ ＺｎＯに代えて第１表に示したｎ型半導体を用いたこと
を除いては、実施例１と同様にして素子を製造しこれら
につき実施例１と同様に素子抵抗を測定した。器内の真
空度１０”−’　Ｔｏｒｒのときの電気抵抗と真空度１
０°Ｔｏｒｒ　（大気中）の電気抵抗との相対比の対数
を算出し、その値を用いたｎ型半導体の種類と対応させ
て第１表に示した。

第　１　表 実施例１７〜２１ ＮｉＯに代えて第２表に示したｐｍ半導体を用いたこと
を除いては実施例２と同様にして素子を製造し、これら
につき実施例２と同様にして素子の抵抗を測定した。実
施例６〜１６と同様の手法でその結果を一括して第２表
に示した。

第２表 実施例２２ 実施例１の素子の多孔質層１４側の面を、次のようにし
てＺｒＯ２−め保護層で被覆した。すなわち、ＺｒＯ（
ＮＯｓ　）２粉末５０　ｗｔ％を含むＺｒＯ２粉末（粉
末の平均粒径はいずれも帆６μｍ）に適量の水を加えて
充分混練してペーストにし、このペーストを塗布・乾燥
後約５００℃で焼成した。厚みがｉｏ。

μｍで多孔質な保護層が形成できた。

この素子につき、実施例１と同様にして電気抵抗の変化
を測定したところ、最初に１０−７Ｔｏｒｒにまで排気
する時間が概ね２倍であったことを除いては実施例１と
同じ結果が得られた。

〔発明の効果〕

以上・の説明で明らかなように、本発明の真空開閉器は
、器内に内蔵した真空度測定素子の特性によシ、器内の
真空度が１０−４Ｔｏｒｒにまで低下したとき七九を外
部の簡単な電気抵抗回路で検出することができるので、
接点の開閉状態に無関係に開閉器の実測用状態における
真空度低下の検出が可能となる。したがって、数多く電
柱上に取り付けられる真空開閉器にあっても、その取付
は状態のままで器内真空度の低下状態を検出できるので
極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ従来の真空開閉器及び本発明
の真空開閉器の模式的縦断面図を表わす。 ａ！　３図〜第５図はそれぞれ本発明にかかる真空度ｉ
ｌｌ　＠　’Ａ　−７−’Ｉｔ　＠Ｊｙｓ＜　Ｔ□□１
あ、１６゜〜あ　１９図はいずれも本発明にかかる素子
の電気抵抗と真を度との関係図であり１図中、直線ａは
素子温度が３００℃に保持されている場合、直線すは素
子温度が室温状態にある場合を表わす。 １・・・器壁、２，５・・・カバー、３・・・固定電極
、４・・・可動電極、６・・・ペロース、１０・・・真
空度測定素子、１１・・・絶縁基板、１２　、１２’、
１６　、１６’・・・電極、１３　、１３’・・・リー
ド線、１４・・・酸化物半導体層、１５・・・ヒータ、
１７・・・無機質の多孔質層。 第３図 第４図 １） 第５図 第７Ｌり： メ蝮　（Ｔｏｒｒ）　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　固定電極と可動電極とから成る接点開閉部が真空
   容器内に収容されている真空開閉器において、 該真空容器内に、絶縁基板と該基板の片面に添着された
   一対の電極と該一対の電極に付設された一対のリード線
   と該基板の片面及び該一対の電極の両者を被覆して形成
   された酸化物半導体層とから成る素子が収容され、かつ
   、該一対のリード線が該真空容器の外に気密に導出され
   て電極抵抗測定機構に接続されていることを特徴とする
   真空開閉器。 ２、該素子が、該基板の他方の面に加熱ヒータを具備す
   る素子である特許請求の範囲第１項記載の真空開閉器。 ３、該酸化物半導体が、酸化亜鉛、酸化カドミウム、酸
   化鉄（■）、酸化インゾウム（■）、酸化スズ（■）、
   酸化チタン（■）、酸化バナジウム（ＩＩＩ）　、　［
   化バナジウム（Ｖ）、酸化タングステン（■）、酸化モ
   リブデン（Ｖｌ）、Ｅ１２化ネオジム（ＪＤ）、酸化ニ
   オブ（Ｖ）の群から選ばれる少なくとも１種のｎ型半導
   体である特許請求の範囲第１項記載の真空開閉器。 ４、該酸化物半導体が、酸化ニッケル（Ｉｆ）　、酸化
   コバルト（■）、酸化銅（Ｉ）、酸化鉄（■）。 酸化銀（１）、酸化コバル）　（ＩＶ）コパル）　（Ｉ
   ［）の群から選はれる少なくとも１種のｐ型半導体であ
   る特許請求範囲第１項記載の真空開閉器。 ５、　該酸化物半導体層の表面が、無機質の多孔質層で
   被覆されている特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   真空開閉器。