JPS6369424A

JPS6369424A - 過電圧保護装置

Info

Publication number: JPS6369424A
Application number: JP62222877A
Authority: JP
Inventors: マルティン・アンドリュー・ライト
Original assignee: Raychem Ltd
Current assignee: Raychem Ltd
Priority date: 1986-09-05
Filing date: 1987-09-04
Publication date: 1988-03-29
Also published as: IL83780A0; EP0259179A3; EP0259179A2; GB8621430D0

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】［産業上の利用分野１本発明は回路保護装置に関し、特に例えば雷のような電
磁パルスによって生じる電圧過渡現象、もしくは静電気
の放電によって生じる過渡現象から電気回路を保護する
ための装置に関する。

［従来の技術とその問題点１静電気の放電や電磁パルスはすべて、ケーブル及び飛行
機や船舶のような構造物に非常に天外な電流や非常に高
い電圧を生ヒさせ、この大電流や高電圧が電気システム
を貫通しそれらに損傷を与え、例えば伝送損失又は記憶
データの欠損のような半導体の破壊もしくは電子回路の
損傷等のハードウェアの損傷を生じさせる。半導体技術
の発達につれて、そのような損傷を生じさせるのに必要
なエネルギは小さくなりつつある。

静電気の放電は、例えば人体のようなコンデンサからの
きわめて早い放電である。これらの放電は局部的に生じ
るので、これらの放電は個々の電子素子に対して軽わめ
て大きな脅威となる。この脅威の大きさは、国際電気標
準会議（以下ＩＥＣという）の技術委員会ＴＣ６Ｓ、Ｗ
Ｇ４の草稿規格書、もしくはＥＳＤにおける５ＡＥ−Ａ
Ｅ−４で提案された規格書によって示されている。これ
らの文書において、最大の脅威の大軽さは５ナノセカン
ド（ｎＳ）の立上り時間と３０ｎＳの立下り時間を有す
る２乗パルスである。このピーク電圧は７０Ａの電流に
おいて１ｓｏｏｏｖとして与えられる。そのエネルギ蓄
積静電容量は３３−Ｊの最大エネルギーを与える１５０
ｐＦとして与えられる。

雷によって生じる電気過渡現象は、電気的／電子的機器
、特に飛行船に対して脅威を与える。誘起されるパルス
の特徴については、ＳＡＥ　　ＡＥ４Ｌ委員会報告ＡＥ
４Ｌ−８１−２２の“雷によって生じる過渡現象の効果
を評価するための試験波形及び技術”に一番良く記述さ
れている。この規格書においては、機器ケーブルが、生
じる電磁周囲条件によって励起される時に生じる雷撃波
形や雷によって生じる電気過渡現象が理想化された形で
記述されている。この規格書においては、通常の動作中
１こおいて生しる電気過渡現象の範囲にっの７アクタに
依存するが、２つの基本的な形（波形３）は、１ないし
１０ＭＨｚの周波数、４５ｎＳの立上り時間及び２４ア
ンペアのピーク電流を有する。また別の波形（波形４Ａ
）は、３００ボルトのピーク電圧と６０アンペアのピー
ク電流を有し、１００ｎＳの立上り時間と２マイクロ七
カンｌ’（μＳ）の時間幅を有する指数関数的に減衰す
る波形である。

すべての効果が非常に短い立上り時間を有する高電圧ス
パイク又は大電流スパイクを発生させることが可能であ
るが、電気的及び電子的装置に対して最も重大な脅威は
、電磁パルスである。ある１つの形のパルスは、（３７
７オームの自由空間インピーダンスに基礎をおくと）そ
のときに生じる１３ＯＡ／ｍの磁場密度、数μｓのパル
ス幅及び数ｎＳの立ち上がり時間において約１０’Ｖ／
ｍ／）電界強度を示すであろうが、このパルスの正確な
特性は複雑である。一般に１０ＫＨｚから１００ＭＨｚ
の周波数の範囲内で生じるパルスが被害を大電気回路を
保護するための装置を製造する時に、例えばあるカルコ
ゲン・ガラスのようなある特定の材料を使うことが、例
えばオビンスキーによる米国特許第３２７１５９１号及
び第３３４３０３４号、並びにダイヤ−による米国特許
第３４３６６０１号に記述されている。これらのカルコ
ゲン・ガラスのいくつかは、“７オールドパツク（ｆｏ
ｌｄｂａｃｋ）装置を形成するために用いられてもよく
、この７オールドバツク装置は、装置固有の限界電圧を
超える電圧が印加されたときに高抵抗状態から低抵抗状
態に変化することを意味している。特に重要なのは“ス
レッシミルド（しきい値）”７オールドバツク装置であ
り、この装置は、スレッシ１ルド”電圧と呼ばれる高電
圧が印加されると、高抵抗状態からある低抵抗状態に変
化するが、ただある小さな“保持”電流が流れている限
り、低抵抗状態に留とまることを意味している。高電圧
の印加で高抵抗状態から低抵抗状態に変化し、異なった
適当な電圧パルスが印加されるまで、たとえ電圧が印加
されなくとも低抵抗状態に留とまる“記憶”装置を形成
するために池のガラスが使用され得る。スレッシミルド
装置は、任意の過渡現象が生じた後すぐにその通常の動
作状態にもどることが所望されるので、ここでは回路保
護装置の製造時におけるスレッシ１ルドン・ガラス材料
は、例えば、非常１こ短い時間、例えば１ｎＳ以下で高
抵抗状態から低抵抗状態にスイッチすることができ、そ
して高抵抗状態と低抵抗状態とでの電気抵抗が２桁、３
桁又は４桁らしくはそれ以上のオーダーで異なるという
多くの好ましい観点から、回路保護装置として使用する
のに適していると考えられる。しかしながら、これらの
材料及び他のスイッチング材料は多くの欠点を有してい
る。例えば、あるスイッチング装置は、あるスレッシミ
ルド材料から形成されてもよいが、その装置は容易に永
久的に導電状態になり、その結果、その保護装置はその
回路が用いることができる前に取り替えるか、リセット
しなければならない。

［発明の目的］本発明の目的は電気的サージ現象がら電気回路を保護す
るための過電圧保護装置を提供することにある。

［発明の構成１この発明は、過渡電圧から電気回路を保護するための構
成を提供していて、この構成は、カルコゲン・〃ラスヲ
基ｔこしたスレッショルド　７オールドバツク形のスイ
ッチング素子を含み、このスイッチング素子は、回路の
電流通電ラインとアースとの間に接続され、あるいは接
続すべく構成されていて、そして、スイッチング素子と
電流通電ラインとの間にスイッチング素子と直列に接続
された２μＦより大きくないコンデンサを含んでいて、
この構成は、過渡電圧すべてが実質的にスイッチング素
子及びコンデンサに流れるような、コンデンサやスイッ
チング素子に並列に接続された通電経路を持たない。

これに関連して、“アース”という語は、過渡現象に上
って生じた電荷を吸収できるのに適した形態及び／又は
コンデンサを有するいずれかの構成を含み、そして、例
えば装置のシャーシや飛行機のような乗り物におけるシ
ャーシ等を含む。

このスイッチング素子は、そのスレッシ３ルド電圧が、
回路の最大電圧よりも大きくなるように選択されるべき
である。

前に提起された問題点の少なくとも一部分は、以下に述
べるような事実に基づいていると我々は考えている。即
ち、過渡現象が生じた後、その回路に生じる通常の直流
電流がそのスイッチング素子を無期限にその低抵抗状態
を保持することができるということと、そして回路にお
ける非常に低周波の交流電流の電力ラインが、材料を“
ラッチ”させる、つまり記憶性質をとるに十分な時間、
スイッチング素子を低抵抗状態に保持し、これにより、
装置が永久的に低抵抗状態に留とまらせるということで
ある。

この発明によれば、スイッチング装置とラインとの間に
スイッチング装置とシリーズにコンデンサを設けること
により、これらの問題を克服している。コンデンサに要
求される容量又は、スイッチング素子が形成される材料
、その保護が望まれろ過渡現象の性質、並びにその回路
の意図された使用といった多くの要因に依存する０例え
ば、静電荷の放電に対して電気回路を保護するためには
、少なくとも１ｎＦのコンデンサが望ましく、特には少
なくとも１０ｎＦのコンデンサが望ましい。

その池の脅威に対する保護としては、例えば１９８１年
２月刊行の“応用物理ジャーナル（Ｊ、ＡｐｐｌＰｈｙ
ｓ）５２（２）の１０８３頁がら１０９０頁にＨ，Ｒ，
フィリップとり、Ｍ、レビンソンにより記述されており
、ここでこれらの文献を参考として引用する。

コンデンサは、例えば少なくとも３０ｎＦより大きく、
好ましくは少なくとも１００ｎＦより大きいことが必要
とされている。この大ぎさのコンデンサは、およそＩＭ
Ｈｚを上回る周波数スペクトラムを有するすべての過渡
現象を大地に通過させ、これによりその装置を過渡現象
から保護することができる。好ましくは、そのコンデン
サは、１μＦよりは大きくなく、特に０．５μＦよりは
大きくない、２μＦ以下のコンデンサ、特に１μＦ以下
のコンデンサを使用することによって、スイッチング装
置自体がコンデンサにより過渡電圧の低周波成分による
損傷に対して保護されるという利点を有す。実測結果に
基づけば、ある種のスイッチング素子は、低い周波数（
例えば１００ＫＨｚ以下）では、高い周波数のときと比
較してより低い電気的エネルギーで、低抵抗状態にラッ
チする結果が得られた。これにより、およそ１０ＭＨｚ
の周波数にてラッチさせるエネルギーに抗することので
きる性質を呈す多くの装置は、もしこのようなコンデン
サが装備されていなければ、低い周波数成分の過渡現象
による過渡電圧に供せられたとき、実際には低抵抗状態
にラッチする。スイッチによりアースに通過しないよう
な過渡現象のいかなる低周波成分も、適宜な手段により
、回路に伝送する信号に損失が生じることなく、電気回
路から容易にろ波され得る。

上述の構成は、電気回路の適したいかなる位置に設けら
れてもよく、通常は、通電ラインと大地との間に接続さ
れ、当然、このような装置を電気回路に１個以上設置し
てもよい。この構成は、便宜上池の電気部品、例えば電
気コネクターに組み込まれてもよく、この場合には、装
置は、装置の通電素子と、ターミナルあるいは接地され
た装置の池の部分、例えば導電性ハウジングあるいはア
ースラインとの間に接続される。スイッチング素子と並
列に導電性経路が設けられていないという事実は、コン
デンサが通電ラインから完全に切り放されているという
ことを意味し、このことは、回路が過渡状態の波頭と同
一の周波数で動作するという利点がある。

この発明による装置の多くの形態では、各々のスイッチ
ング素子は、個別のコンデンサに接続され、このような
配置では、コンデンサ及びスイッチングエレメントを１
つのユニットとして形成するのが便利である。例えば、
もしコンデンサが実質的に平坦なターミナルを備えてい
れば、この久イツチング素子が形成される材料は、ター
ミナル上に直接に被着されるか、あるいは、ターミナル
が適切に準備された後、例えば、モリブデンにてなるス
イッチング素子のための電極材料の層をターミナル上に
被着した後に、前記材料が設けられる。スイッチング素
子が設けられた後に、第２の電極層が配され、その後、
半田の付着をよくするために１つあるいはより多くの層
が随意に設けられる。

装置の他の形態では、しかしながら、例えば、本願と同
じ出願人により本出願と同日に提出され、英国特許８１
１８６２１４３１号に基づく優先権を主張した発明の名
称“回路保護配置”の特許出願（１）で開示したように
、１個のコンデンサが多数のスイッチング素子に接続さ
れてもよい。

しかしながら、たいていの場合、スイッチング素子は、
過渡電圧が治まるや否や高抵抗状態に復帰するが、例え
ば、もし過渡電圧が過度に大きく、あるいはもし多数の
急峻な過渡電圧が加わったとき、スイッチング素子を永
久的に低抵抗状態にさせることは可能である。スイッチ
ング素子が永久的に導電状態となるか否かは、装置で吸
収された過渡電圧のエネルギー量に依存している。いく
つかの応用において、例えば、いくつかのアース装置が
設けられたと軽、保護装置が、このように高抵抗状態に
復帰しないのが望ましい場合があり、つまり、装置が過
渡電圧に対して常に保護されるように、保護装置が取り
替えられるまで機能させないようにする時である。他の
応用では、それに続く過渡電圧から保護できないが装置
が機能をし続けるために、装置が高抵抗状態（オープン
回路）となるのが望ましい。それ故、この構成は、スイ
ッチング素子と直列に接続され、もしスイッチング素子
が永久的に導電状態となったときに高抵抗を示す手段を
含んでもよい。もし、スイッチング素子が永久的に導電
状態となったとき、つまり、通電ラインとアース間の回
路が実際上破壊されたとき、好ましくは、このような手
段は高抵抗を示し、この手段はヒユーズやスイッチを含
む。直流回路あるいはきわめて低い周波数の交流回路の
場合には、装置は、コンデンサとアースとの間に接続さ
れてもよいが、特に直流回路の場合には、スイッチング
素子が高抵抗状態に復帰しないとぎ、コンデンサが通電
ラインから隔てられるように、装置は、通電ラインとコ
ンデンサとの間に接続される。

好ましくは、スイッチング素子を形成する材料は、１ｎ
Ｓより長くないターンオン時間で１０μｓより長くなく
、特に１μｓより長くないターンオフ時間を有している
。又、本出願人による欧州特許明細書８６３０２３２５
．５号で説明したように、材料は、１０４〜１０’Ｖ／
ｃ■の範囲の臨界スイッチング電界強度と、高抵抗状態
にて少なくとも１０７Ω・ｃＩｌｌの抵抗率を有してい
る。更には、好ましいスイッチング素子の材料は、少な
くとも２０００、好ましくは少なくとも４０００そして
特に好ましくは１０，０００　Ｊ／ｒｎ（ジュール／厚
Ｇ１ｍのエレメント）のラッチングエネルギーを有し、
そして、少なくとも１０、特に少なくとも２０　ｋｇｍ
”／ｓ２Ａの性能係数（ｆｉｇｕｒｅ　ｏｒ　ａ＋ｅｒ
ｉｔ）を示し、この性能係数は、次のように定義される
。

二こで、ＥＬは、材料を低抵抗状態にラッチするのに必
要な（厚さｌｌ１１当たりのジュールの単位で測定され
る）エネルギーである。

ρｏｆｆは使用材料が高抵抗状態ののときΩ・ｍの単位
で測定される抵抗率である。

Ｖｔｈは材料の（１１１１当たりのボルトの単位で測定
される）しきい値電界強度である。

εｒは材料の比誘電率である。

スイッチング素子は好ましくはカルコゲン・ガラスから
形成され、このカルコゲン・ガラスは、周期律表（ＩＵ
ＰＡＣ１９６５年版）のＩＶＢ及び／又はＶＢグループ
の１つ又はそれ以上の元素と、付加的にＩＢグループの
元素とともに、グループ■Ｂの１つ又はそれ以上の元素
から形成されるガラスを意味する。このカルコゲン・ガ
ラスは、例えばオビンスキーによる米国特許第３２７１
５９１号において記述されている。上述の好ましい性質
を有する元素を形成するために用いることができる、好
ましいカルコゲン・ガラスは、上述した欧州特許明細書
に記述されている。これらのガラスは、ゲルマニウム、
セレン及びヒ素、そして小量の他の材料を随意に含む、
好ましくは、そのガラスは；（ａ）５から４２原子％までのゲルマニウム、（ｂ）ｉ
ｓから７５原子％までのセレン、及び（ｃ）１０から６
５原子％までのヒ素を含む。ここで、（任意の付加的な材料を除き、（ａ）
、（ｂ）及び（ｅ）の全体のモル量に基礎をおき（ａ）
、（ｂ）及び（ｃ）の比が加え合わされて１００％にな
る。

好ましくは、その化合物は、３５原子％以下のゲルマニ
ウム、より好ましくは３０原子％以下のゲルマニウム、
特に２５原子％以下のゲルマニウムを含んでいる。また
、その化合物は好ましくは、少なくとも２０原子％のセ
レン、特に少なくとも３０原子％のセレンであるが、好
ましくは７０原子％よりも大きくないセレン、特に６０
原子％よりも大きくないセレンを含んでいる。その化合
物は好ましくは、少なくとも２０原子％のヒ素、特に少
なくとも２５原子％のヒ素であるが、特に５５原子％よ
りも大きくないヒ素を含んでいる。従って、この化合物
は好ましくは、（ａ）５から３０原子％＊でのゲルマニウム、（ｂ）２
０から７０原子％までのセレン、及び（ｅ）２０から６
０原子％までのヒ素を含む。そして最も好ま１．＜はその化合物は、（ａ）
５から２５原子％までのデルマニ′クム、（ｂ）３０か
ら６０原子％までのセレン、及び（ｃ）２５から５５原
子％までのヒ素を含む。

成分（ａ）、　（ｂ）及び（ｅ）のすべての比率は各（
ａ）、（ｂ）及びｃｅ＞の全体のモル量に基礎をおき、
この比率は全体で１００％になる。

以下、この発明によるいくつかの実施例を、この発明に
よる装置を用いた電気コネクタの等寸大の部分斜視図を
参照して説明する。

［実施例１英国特許第１．５２２，４８５号に記述されたような固
体の端末接続器のハウジングに挿入されるウェハー１は
、該ウェハーを貫通して延在する１０本の金属導体２を
備えている。導体２の一方の端部は、嵌合する補助的コ
ネクタの“チューニングフォーク”の接点部に適合させ
るために、ビン３に形成されていて、そして、導体の他
方の端部は、フラットケーブルあるいは多数の小さい１
人ワイヤに接続されるよう配列される。導体２゛の端部
はアースに接続される。導体２４をワイヤあるいはフラ
ットケーブル１こ接続するために用いる個々の手段は図
示しないが、一般に、米国特許明細書第３　、８５２　
。

５１７号に記載されるような１個あるいはより多くの結
合装置を含む。

ウェハー１の一方の側に形成された段階状の溝は、ウェ
ハーの幅全体を横切って延在し、この溝の最も深い部分
が各々の導体２の箇所２ａを露出させている。絶縁性で
好ましくは粘着性の帯状のフィルム４が、導体２の露出
した箇所を覆うために溝に沿って設けられ、そして１’
０ＯｎＦのコンデンサ５が各導体２毎に設けられでいて
、該コンデンサ５の一方の電極６自体が、半田付けある
（・は他の方法により導体と接続され、他方の＠極７は
絶縁フィルム４上に位置している。溝の浅い箇所内には
、９個のカルコゲン・プラスによるスイッチを有する層
８が粘着性の帯９上に位置していて、各スイッチは、電
気の通じる各導体に対応している。このスイッチは％銅
にてなる下層の電極１１」−にカルコゲン・ガラスを１
０μｍの厚さに連続的に積層することにより形成されて
いて、接地ビンの導体２°が位置する領域１２を除く電
極１１上にこのようにしてプラスの層が形成される。９
個の銅／金のスポット電極１３は、ガラス層１０上に形
成され、そして、ワイヤボンド１４が各電極１３と各コ
ンデンサ５の電極７との間に形成される。更に、銅の下
層電極１１上に金の接点１５が形成され、この接点１５
と接地導体２゛の露出した箇所とがワイヤ接続される。

正常な運転時には、総ての導体２は、高抵抗のカルコゲ
ン・ガラスの層１０により、相互に、かつ接地導体２゛
から絶縁される。導体２と接続されたラインのいずれか
が、過渡現象を被ったと５、コンデンサ５は、高周波の
過渡現象によって低インピーダンスを呈し、カルコゲン
・ｆラスの層１０より形成されたスイッチ及び電１ｉｉ
、ｉ２は、過渡現象を接地導体２゛に通過させる。接地
導体に対する電位がプラス層１０を低抵抗状態に保持さ
せるよりも高い電圧のもとで過渡現象を被った１本ある
いは複数の導体が直流電流を流す場合には、コンデンサ
５の存在が、いかなる電流の流れをも遮断し、そしてガ
ラス１０は、それ故、直ちに高抵抗状態に復帰するであ
ろう。ラインが低周波の交流電流を流している場合、ガ
ラス層１０のラッチングは、コンデンサ５のインピーダ
ンスにより、及ゾ／または、交流のザイクルにおける位
相の変化する間で電流がゼロになった瞬時に、ガラスが
高抵抗状態に復帰するという事実により、防止される［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、電気回路の通電ラ
インとアースとの間に接続されたスレッシ３ルド形のス
イッチング素子と、該スイッチング素子と電流通電ライ
ンとの間に直列に接続したコンデンサとを含む構成とし
たので、過渡電圧等のサージ現象から電気回路を保護す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した電気コネクタの１実施例を示
す部分破断した斜視図である。１・・・ウェハー、２・・・導体、２゛・・・接地導体
、３・・・ピン、４・・・ＭＭフィルム、５・・・コン
デン？、６゜７・・・電極、８・・・層、９・・・粘着
性の帯、１０・・・ガラス層、１１・・・下層電極、１
３・・・電極、１４・・・ワイヤボンド、１５・・・金
の接点。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）過渡電圧から電気回路を保護するための構成であ
って、カルコゲン・ガラスを基にしたスレッショルドフ
ォールドバック形のスイッチング素子を含み、このスイ
ッチング素子は、回路の電流通電ラインとアースとの間
に接続され、あるいは接続するべく構成されていて、そ
して、スイッチング素子と電流通電ラインとの間にスイ
ッチング素子と直列に接続された２μＦより大きくない
コンデンサを含んでいて、過渡電圧すべてが実質的にス
イッチング素子及びコンデンサに流れるような、コンデ
ンサやスイッチング素子に並列に接続された通電経路を
持たないことを特徴とする過電圧保護装置。
（２）コンデンサが少なくとも１０ｎＦ、好ましくは少
なくとも１００ｎＦの静電容量を有することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。
（３）コンデンサが１μＦよりも大きくない静電容量を
有することを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは
第２項記載の過電圧保護装置。
（４）スイッチング素子が１ナノセカンドよりも長くな
いターン・オン時間を有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載の過電
圧保護装置。
（５）スイッチング素子が少なくとも２０ｍＪ、好まし
くは少なくとも４０ｍＪのラッチ・エネルギーを有する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項の
いずれかの項に記載の過電圧保護装置。
（６）スイッチング素子が１０＾４ないし１０＾５Ｖ／
ｃｍまでの臨界スイッチング電界強度を有することを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか
の項に記載の過電圧保護装置。
（７）過電圧保護装置が、永久的に導電状態となるとき
高抵抗を示す上記スイッチング素子に直列に接続される
装置を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
し第６項のいずれかの項に記載の過電圧保護装置。
（８）スイッチング素子が、ゲルマニウム、セレン及び
ヒ素を含む非晶質化合物を含むことを特徴とする特許請
求の範囲第１項ないし第７項のいずれかの項に記載の過
電圧保護装置。
（９）電流通電ラインを含み、上記構成の手段により過
渡電圧から保護される電気回路であって、該構成は、カ
ルコゲン・ガラスを基にしてなり、電流通電ラインとア
ースとの間に接続されたスレッショルドフォールドバッ
ク形のスイッチング素子と、該スイッチング素子と電流
通電ラインとの間にスイッチング素子とシリーズに接続
された２μＦより大きくないコンデンサとを含んでいて
、過渡電圧すべてが実質的にスイッチング素子及びコン
デンサに流れるような、コンデンサやスイッチング素子
に並列に接続された通電経路を持たないことを特徴とす
る電気回路。