JP4247555B2

JP4247555B2 - 放電型サージ吸収素子

Info

Publication number: JP4247555B2
Application number: JP2003289678A
Authority: JP
Inventors: 義和花村; 孝一今井
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005063720A

Description

本発明は、誘導雷などのサージ（異常電圧）が各種機器内に侵入することを防ぐために、サージをガス放電させることで吸収する放電型サージ吸収素子に係り、特に高密度実装化を可能とすべく小型薄型化を可能とする放電型サージ吸収素子に関するものである。

従来、放電型サージ吸収素子としては、円筒型形状で両端にリード端子を接続したものが多く使用されているが、昨今の電子機器等における高密度実装化の流れで、この放電型サージ吸収素子にあっても小型化して表面実装部品とすることが求められている。また、放電型サージ吸収素子にあっては、端面にメタライズ処理したアルミナ系のセラミック外囲器の両端を、アルミナとの熱膨張係数が比較的近いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなる放電電極で、銀ろうを用いて気密に封止し、その内部には封入するガスとしてＮｅ−Ａｒ等の不活性ガスを用いていた。

この放電型サージ吸収素子を表面実装部品として小型化するためには、外形寸法を小さくすること以外に、部品が転がらずにスムースに実装作業を行えるようにするために角型形状にする必要がある。そして、表面実装部品とするからには、２８０℃のリフローではんだ付けされた後に急冷するという熱衝撃に耐えることも必要である。また一方、サージに対する応答性を向上させることが求められており、その対策として封入ガスとして不活性ガスに水素ガスを混合させることが行われるが、上述した従来の放電型サージ吸収素子にあっては、封入ガスに水素を混合した場合に、高温放置で放電開始電圧が変動するという問題があった。これは、水素と放電電極内のＦｅ，Ｎｉ及び金属に内蔵するガスとが反応して水素の量が減少していくことに原因がある。

この対策として、電極を水素と反応しにくい材質にすることが必要とされ、その材質として無酸素銅を用いたところ高温雰囲気中でもこの放電型サージ吸収素子は安定した特性が得られた。このように放電電極を無酸素銅製とすることで、放電特性については安定化する放電型サージ吸収素子ではあるが、その反面、銅とセラミック外囲器との熱膨張差が大きい（銅の熱膨張係数はセラミックの２倍近い）ため、セラミック外囲器に無酸素銅製放電電極をろう付けする際に特に角部に残留応力を生じ、はんだリフロー等の熱衝撃（２４０〜２６０℃から常温への急冷）により小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器にクラックが生じる恐れがあった。外囲器にクラックが生じると、放電空間内の封入ガスが漏出してしまい、設定した放電特性が維持することができなくなる。
特開平２−１８６５７７号公報

そこで本発明にあっては、上述した課題を解決すべく、水素混合ガスを封入してサージに対する応答性を向上させ、かつ放電開始電圧が変化することのない安定した特性を有するとともに、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器で熱衝撃性に優れた表面実装部品とすることができる放電型サージ吸収素子の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の放電型サージ吸収素子は、角型のセラミックからなる絶縁性筒体の開口両端に外周面に熱膨張を吸収するための凹部を形成した角型の無酸素銅製の電極を放電間隙を設けて相対向して配置するとともに、前記電極の外周面に形成される凹部は、絶縁性筒体に当接する当該電極の鍔部の外側端面中央部に前記鍔部の厚さと同等の深さで、かつ、周部にテーパー面を設けて長方形状もしくは長楕円形状に凹設して形成し、前記絶縁性筒体内に不活性ガスと水素ガスの混合ガスを封入し、さらに前記絶縁性筒体における内周及び外周の角部の曲率をこの絶縁性筒体の肉厚の１００〜１３３％としたことを特徴とするものである。

本発明の放電型サージ吸収素子によれば、水素混合ガスを封入してサージに対する応答性を向上させつつも放電開始電圧が変化することのない安定したサージ吸収特性を発揮することができるとともに、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器について熱衝撃性を向上させることにより、表面実装部品として好適に使用することができるものである。

また、絶縁性筒体における内周及び外周の角部の曲率をこの絶縁性筒体の肉厚の１００〜１３３％とすることで、絶縁性筒体が熱衝撃でクラックを生じる恐れがなくなり、かつ絶縁性筒体内の放電空間が小さくなり過ぎることなく、さらに放電型サージ吸収素子を実装する際に転がることのないように平坦部分を確保することができる。

また、電極の外周面に形成した凹部の深さを、絶縁性筒体に当接する当該電極の鍔部の厚さと同等とすることで、熱膨張率が異なるセラミック製絶縁性筒体と無酸素銅製電極とを接続した場合でも、電極の外周方向への熱膨張を凹部で吸収して絶縁性筒体との間に残留応力を生じなくすることができ、これにより表面実装部品としてリフローではんだ付けされる際の熱衝撃に充分耐えることができる。

水素混合ガスを封入してサージに対する応答性を向上させつつも安定したサージ吸収特性を発揮することができるとともに、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器について熱衝撃性を向上させることで表面実装部品として好適に使用するという目的を、放電開始電圧が変化したり、熱衝撃でセラミック外囲器にクラックが生じたりすることなく実現した。

図１及び図２は、本発明に係る実施例の放電型サージ吸収素子１を示すものであり、小型角筒状で薄肉のセラミック外囲器２と、この両端に放電間隙を設けて相対向して配置される角型の鍔部を有する無酸素銅製の一対の電極３と、このセラミック外囲器２と電極３とを接続する銀ろう４とから構成され、その形状としては、長さ４．５ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．６ｍｍの角柱形状の表面実装部品としてなるものである。

上記セラミック外囲器２は、アルミナ等の絶縁性材料からなり、図２に示すごとく、長さ３．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．５ｍｍ（下記電極３よりも０．１ｍｍ小さい）、肉厚０．４５ｍｍの小型で薄肉の角筒形状とするとともに、その内周の角部５と外周の角部６はともにＲ０．４〜Ｒ１．２５の大きな曲率で丸くすることが望ましく、特に肉厚の１００〜１３３％に相当するＲ０．４５〜Ｒ０．６が好適である（本実施例ではＲ０．４５とする）。そして、セラミック製の外囲器に銅製電極を接続するために用いる銀ろうと、セラミック外囲器２との接続性を増すために、セラミック外囲器２の開口端面にはモリブデン−マンガンやタングステン−マンガンを被着させその上からニッケルメッキを施して形成したメタライズ層７が形成されるとともに、その内周壁には電極３との間で生じる延面コロナで生じる電子により放電の応答特性を向上させるための炭素系材料からなるトリガー電極８が部分的に線状に被着形成されている。上記セラミック外囲器２の寸法設定において、肉厚と内周の角部５のＲの寸法は、大きくすると放電空間が小さくなり過ぎて絶縁劣化により寿命が短くなったり安定した放電開始電圧が維持できなくなったりし、また小さくすると熱衝撃でクラックが生じる恐れがあった。また、外周の角部６のＲは、大きくし過ぎると転がらないようにと角型にした形状が転がりやすい円筒形に近くなってしまうものである。

上記電極３は、無酸素銅からなり、図３に示すごとく、上記セラミック外囲器２と当接して放電型サージ吸収素子１の両端に露出し外部電極として機能する縦２．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、肉厚０．４ｍｍの四角形状からなる鍔部９の一方側（放電型サージ吸収素子１の内側）に、セラミック外囲器２の内径に嵌合すべく長円形状の凸段部１０を設けるとともに、その中央部に円柱形状の放電部１１を突設した形状を有している。そして、その鍔部９の他方側の端面中央部には、鍔部９の肉厚と同等の０．４ｍｍの深さで、縦０．８５ｍｍ、横１．４ｍｍの凹部１２が、上記凸段部１０との間の肉厚ができるだけ均一になるように周部にテーパー面を設けて長方形状もしくは長楕円形状に凹設されている。

また、電極３の放電部１１の先端には、深さ０．０１〜０．１５ｍｍの浅い凹部１３を設けるとともにその凹部１３に４分割するように「＋」形状の高さ０．０１〜０．１ｍｍ、底幅０．０１〜０．９ｍｍ（特に０．０５〜０．３ｍｍが好ましい）の断面三角形状の仕切り用リブ１４を形成するとともに、この凹部１３に、珪酸ナトリウム溶液と純水とを配合したバインダーに、添加物としてヨウ化カリウム（ＫＩ）を加えた電極塗布材を塗布し、固化させることで被膜を形成する。この凹部１３に所定量を塗布された固化前の流動性がある電極塗布材は、多少揺動しても「＋」形状の仕切り用リブ１４により移動を規制されかつ仕切り用リブ１４に沿って被着することから、凹部１３内に満遍なく位置することとなる。尚、この仕切り用リブ１４の形状を「＋」としたのは、放電部１１の直径が約１．１ｍｍと小さいことから、これよりも大型の従来の放電型サージ吸収素子で形成されていた網目状、格子状、渦巻状等の多数の凹凸を形成すると凹凸が細かくなり過ぎて、電極塗布材を掛止する作用を発揮できないからであり、「＋」以外にも「＝」や「キ」等の形状の仕切り用リブとしてもよいものである。また、凹部１３の深さが０．１５ｍｍを超えると、電極塗布材の量が多くなり過ぎ塗布厚が増し、この塗布厚が大きいと昇温中に発泡する珪酸ナトリウム溶液は、球状になろうとして局所的に偏在してしまうこととなり、凹部１３内に電極塗布材を満遍なく被着させることができなくなるものである。

上記電極塗布材は、電極を保護し、サージに対する応答特性を向上させるとともに、放電開始電圧を低く安定化させる作用を発揮するもので、その配合比率としては、珪酸ナトリウム溶液と純水とを１：１（重量比）に配合したバインダーに、添加物としてヨウ化カリウム（ＫＩ）を全量の０．１重量％〜４０重量％（本実施例にあっては４０重量％）添加するものである。この添加物としては、仕事関数が小さく電子放出特性に優れ、放電開始電圧を低下させ得るアルカリヨウ化物（ヨウ化カリウム（ＫＩ）をはじめ、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化ルビジウム（ＲｂＩ）等）全般が使用できる。この電極塗布材中のアルカリヨウ化物とバインダーとの配合割合は、アルカリヨウ化物が全量の０．０１〜７０重量％で、バインダー中の珪酸ナトリウム溶液と純水との配合割合は、珪酸ナトリウム溶液が全量の０．０１〜７０重量％である。
尚、電極塗布材に、臭化物（臭化コバルト（ＣｏＢｒ₂）、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）、臭化鉄（ＦｅＢｒ₂、ＦｅＢｒ₃）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ₃）、臭化ニッケル（ＮｉＢｒ₂）、臭化ルビジウム（ＲｂＢｒ）等）を添加すると、より一層、放電開始電圧の安定化を図ることができる。
更に、上記臭化物と共に、あるいは上記臭化物以外に塩化バリウム（ＢａＣｌ）、フッ化バリウム（ＢａＦ）、クロム酸セシウム（Ｃｓ₂ＣｒＯ₄）、モリブデン酸カリウム（Ｋ₂ＭｏＯ₄）、チタン酸カリウム（Ｋ₂Ｔｉ₄Ｏ₉）、タングステン酸カリウム（Ｋ₂ＷＯ₄）、酸化プラセオジウム（Ｐｒ₆Ｏ₁₁）、塩化イットリウム（ＹＣｌ₂）、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を添加しても、放電開始電圧の安定化に効果がある。

上記銀ろう４は、セラミック外囲器２の開口端面とほぼ同一の縦横形状からなり、板厚が厚い方が接続性能として確実となるが、その板厚が厚いほどセラミック外囲器２に対するろう付け時の残留応力が大きくなることから、板厚は０．０２〜０．０４ｍｍが望ましく、特に０．０３ｍｍが好適である。

放電型サージ吸収素子１内の放電空間には、不活性ガスであるネオン、アルゴンに加え、放電開始の応答性に優れる水素ガスを混合した混合ガスを用い、その内部ガス圧は１０ｋＰａ〜３００ｋＰａの範囲とする。この内部ガス圧が小さ過ぎると電極のスパッタが増しそのスパッタに放電ガスも取り込まれてガス圧が変化して放電開始電圧が不安定になる恐れがあり、また内部ガス圧が大き過ぎると電極の放電個所が局所的になって均一な放電が得られなくなることで放電開始電圧が不安定になる恐れがある。

このような構成からなる本実施例の放電型サージ吸収素子１について、熱衝撃にどれだけ耐え得るかを試験すべく、温度槽内の大気中で４００℃に昇温後、温度層から取り出して常温中で扇風機にて強制急冷させ、もしセラミック外囲器にクラックが生じた場合には封入ガスがリークして放電開始電圧が変化するので、この放電開始電圧が所定の設定範囲内で変化しなかった良品率の結果を表１に示す。同様に、さらに余裕度を持たせるべく温度を６００℃にして同様の強制急冷試験を行い、その結果を表２に示す。
（比較例１）

図４及び図５に示すごとく、アルミナ等の絶縁性材料からなるセラミック外囲器２２は、長さ３．４ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．５ｍｍ、長辺側の肉厚０．３５〜０．４ｍｍ、短辺側の肉厚０．４〜０．４５ｍｍからなる薄肉の角筒形状で、その内周の角部２３と外周の角部２４はともにＲ０．２とする。
電極２５は、同じく無酸素銅からなり、図５に示すごとく、縦２．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、肉厚０．５５ｍｍの四角形状からなる鍔部２６の一方側に、長円形状の凸段部２７を設けるとともに、その中央部に円柱形状の放電部２８を突設した形状を有している。そして、その鍔部２６の他方側の端面には、上述した実施例１の凹部はなく、平坦な形状としている。
セラミック外囲器２２と電極２５を接続する銀ろう２９は、板厚を０．０５ｍｍとする。このような構成からなる比較例１の放電型サージ吸収素子２１について、前述同様に４００℃と６００℃から急冷する耐熱衝撃性の試験を行い、その結果を表１と表２に示す。
（比較例２）

この比較例２の放電型サージ吸収素子は、上述した比較例１の放電型サージ吸収素子２１とは銀ろうの板厚を０．０３ｍｍと薄くした点が相違するだけで、それ以外の構成は同一である。この比較例２の放電型サージ吸収素子について、同様に４００℃と６００℃から急冷する耐熱衝撃性の試験を行い、その結果を表１と表２に示す。
（比較例３）

図６及び図７に示すごとく、アルミナ等の絶縁性材料からなるセラミック外囲器３２は、長さ３．４ｍｍ、横３．２ｍｍ、縦２．５ｍｍ、長辺側の肉厚０．３５〜０．４ｍｍ、短辺側の肉厚０．４〜０．４５ｍｍからなる薄肉の角筒形状で、その内周の角部３３と外周の角部３４はともにＲ０．２とする。
電極３５は、同じく無酸素銅からなり、図７に示すごとく、縦２．６ｍｍ、横３．２ｍｍ、肉厚０．４ｍｍの四角形状からなる鍔部３６の一方側に、長円形状の凸段部３７を設けるとともに、その中央部に円柱形状の放電部３８を突設した形状を有している。そして、その鍔部２６の他方側の端面には、鍔部３６の肉厚と同等の０．４ｍｍの深さで、縦０．８５ｍｍ、横１．４ｍｍの凹部３９が、上記凸段部１０との間の肉厚ができるだけ均一になるように周部にテーパー面を設けて長方形状もしくは長楕円形状に凹設されている。
セラミック外囲器３２と電極３５を接続する銀ろう４０は、板厚を０．０３ｍｍとする。このような構成からなる比較例１の放電型サージ吸収素子３１について、前述同様に４００℃と６００℃から急冷する耐熱衝撃性の試験を行い、その結果を表１と表２に示す。

上記表１、表２から明らかなように、比較例１に対し、銀ろう板厚を０．０３ｍｍとしただけの比較例２の良品率は向上することから、銀ろうの板厚を薄くする効果が認められ、またこの比較例２に対し、電極の鍔部の肉厚を０．５５ｍｍから０．４ｍｍと薄くし、かつその他方面に凹部を形成することで比較例３の良品率が大きく向上し、これらの効果が認められる。さらに、この比較例３に対し、セラミック外囲器の内外の角部をＲ０．２からＲ０．４５と丸くし、かつその肉厚を０．４〜０．４５ｍｍと均一化することで、１００％の良品率が得られ、これらの効果が認められた。

本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は中央部の横断面図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子を示す分解図である。本発明の実施例１の放電型サージ吸収素子の電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は底面図である。本発明の比較例１の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は中央部の横断面図である。本発明の比較例１の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は底面図である。本発明の比較例３の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は中央部の横断面図である。本発明の比較例３の放電型サージ吸収素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は底面図である。

符号の説明

１放電型サージ吸収素子
２セラミック外囲器
３電極
４銀ろう
５角部
６角部
７メタライズ層
８カーボントリガー線
９鍔部
１０凸段部
１１放電部
１２凹部
１３凹部
１４仕切り用リブ

Claims

角型のセラミックからなる絶縁性筒体の開口両端に外周面に熱膨張を吸収するための凹部を形成した角型の無酸素銅製の電極を放電間隙を設けて相対向して配置するとともに、前記電極の外周面に形成される凹部は、絶縁性筒体に当接する当該電極の鍔部の外側端面中央部に前記鍔部の厚さと同等の深さで、かつ、周部にテーパー面を設けて長方形状もしくは長楕円形状に凹設して形成し、前記絶縁性筒体内に不活性ガスと水素ガスの混合ガスを封入し、さらに前記絶縁性筒体における内周及び外周の角部の曲率をこの絶縁性筒体の肉厚の１００〜１３３％としたことを特徴とする放電型サージ吸収素子。