JP4825145B2 - サージ吸収素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、気密外囲器内に封入した複数の放電電極間の放電間隙における放電現象を利用して誘導雷等のサージを吸収することにより、電子機器が損傷することを防止するサージ吸収素子とその製造方法に関する。

この種のサージ吸収素子に好適に使用できる放電管として、本出願人は、先に実用新案登録第３１２５２６５号を提案した。
この放電管60は、図７及び図８に示すように、両端が開口した絶縁材よりなる円筒状のケース部材62の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材64，64で気密に封止することによって気密外囲器66を形成し、該気密外囲器66内に、所定の放電ガスを封入してなる。

上記蓋部材64は、気密外囲器66の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部68と、ケース部材62の端面に接する接合部70を備えており、両蓋部材64，64の放電電極部68，68間には、所定の放電間隙72が形成されている。
また、上記ケース部材62の内壁面74の円周方向に、微小放電間隙76を隔てて対向配置された一対のトリガ放電膜78，78が、複数組形成されている。一対のトリガ放電膜78，78の内、一方のトリガ放電膜78は、一方の放電電極部68と電気的に接続され、他方のトリガ放電膜78は、他方の放電電極部68と電気的に接続されている。

上記放電電極部68の表面には、炭化チタン（ＴｉＣ）が含有された被膜80が形成されている。
上記気密外囲器66内に封入する放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、ハロゲンを含む気体やＯ_２等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。

上記構成を備えた放電管60が放電型サージ吸収素子として使用された場合、放電電極を兼ねた上記蓋部材64，64を介してサージが印加されると、トリガ放電膜78の両端と蓋部材64，64間の微小放電間隙76に電界が集中し、これにより微小放電間隙76に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部68，68間の放電間隙72へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行してサージの吸収が行われるのである。
実用新案登録第３１２５２６５号

ところで、上記被膜80は、炭化チタンの粉末を、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーに添加したものを、放電電極部68表面に塗布することによって形成されるものであるが、寸法が１mm程度と非常に小さい放電電極部68表面に被膜80を均一に塗布することが困難であり、その結果、放電管60の放電開始電圧にばらつきを生じていた。
尚、この場合の放電開始電圧は、直流放電開始電圧のみならずインパルス放電開始電圧も含まれる。インパルス放電開始電圧は、インパルス（サージ）電流が印加された場合の放電開始電圧のことをいう。

この発明は、従来の上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放電開始電圧（直流放電開始電圧及びインパルス放電開始電圧）のばらつきを抑制できるサージ吸収素子及びその製造方法を実現することにある。
また、本発明の他の目的は、放電電極や被膜の表面に不純ガスを付着することに起因する放電特性の劣化を抑制することのできる長寿命な放電サージ吸収素子及びその製造方法を実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るサージ吸収素子は、複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入してなる放電管において、上記放電電極の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜を形成したことを特徴とする。

上記炭化チタンとして、１００〜１０００℃で焼成されたものを用いるのが好ましい。

また、本発明に係るサージ吸収素子の製造方法は、１００〜１０００℃で焼成した炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーとを混合し、この混合物を、放電電極の表面に塗布して上記被膜を形成することを特徴とする。

超音波振動を与えながら、上記炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、バインダーとを混合させるのが好ましい。

本発明のサージ吸収素子にあっては、放電電極の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜を形成したことにより、放電開始電圧（直流放電開始電圧及びインパルス放電開始電圧）のばらつきを抑制できるサージ吸収素子を実現できる。

また、優れたゲッター効果を発揮する１００〜１０００℃で焼成された炭化チタンを用いた場合には、放電ガス中に含まれている不純ガスや気密外囲器の封止工程で混入した不純ガスを、上記１００〜１０００℃で焼成して成る炭化チタンがその内部に吸着固定化し、放電電極及び被膜表面に不純ガスが付着することを防止する。その結果、不純ガスが放電電極や被膜の表面に付着することに起因する放電特性の劣化が抑制され、長寿命なサージ吸収素子を実現できる。

上記被膜は、１００〜１０００℃で焼成した炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーとを混合し、この混合物を、放電電極の表面に塗布することにより形成することができるが、超音波振動を与えながら、炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、バインダーとを混合させると、炭化チタン粉末及び珪化モリブデン粉末をバインダー中に均一に撹拌させることができ、放電電極表面に塗布後の被膜の特性が安定化する。

本発明に係るサージ吸収素子10は、図１及び図２に示すように、両端が開口した絶縁材としてのセラミックよりなる角筒状のケース部材12の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材14，14で気密に封止することによって気密外囲器16を形成してなる。

上記蓋部材14は、気密外囲器16の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部18と、ケース部材12の端面に接する接合部20を備えており、両蓋部材14，14の放電電極部18，18間には、所定の放電間隙22が形成されている。
放電電極部18と接合部20を備えた上記蓋部材14は、無酸素銅や、無酸素銅にジルコニウム（Ｚｒ）を含有させたジルコニウム銅で構成されている。尚、ケース部材12の端面と蓋部材14の接合部20とは、銀ろう等のシール材（図示せず）を介して気密封止されている。

また、上記ケース部材12の内壁面24には、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材14，14と微小放電間隙26を隔てて配置された線状のトリガ放電膜28が複数形成されている。図１及び図２においては、トリガ放電膜28を、ケース部材12の内壁面24に等間隔で４本形成した場合が例示されている。
上記トリガ放電膜28は、カーボン系材料等の導電性材料で構成されている。このトリガ放電膜28は、例えば、カーボン系材料より成る芯材を擦り付けることにより形成することができる。

上記放電電極部18の表面には、炭化チタン（ＴｉＣ）と、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ）が含有された被膜30が形成されている。
また、上記気密外囲器16内には、所定の放電ガスが封入されている。この放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、ハロゲンを含む気体やＯ_２等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。

本発明の上記サージ吸収素子10にあっては、放電電極を兼ねた上記蓋部材14，14を介してサージが印加されると、トリガ放電膜28の両端と蓋部材14，14間の微小放電間隙26に電界が集中し、これにより微小放電間隙26に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部18，18間の放電間隙22へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行してサージの吸収が行われるのである。

而して、本発明のサージ吸収素子10は、放電電極部18の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜30を形成したことにより、放電開始電圧（直流放電開始電圧及びインパルス放電開始電圧）のばらつきを抑制できる。
その理由は、以下の通りである。放電開始電圧は、ケース部材12と蓋部材14とをシール材を介して気密封止した後の被膜30の塗布状態に大きく左右されるものである。すなわち、気密封止時には処理温度が最大８３０℃の高温に達することから、封止後に被膜30中に気泡が発生したり、クリープ現象（高温変形現象）が発生することにより、放電開始電圧にばらつきをを生じる要因となっている。珪化モリブデンは、高融点（融点が２０００℃以上）で高温での機械的強度が大きいと共に耐クリープ性に非常に優れていることから、被膜30中に珪化モリブデンを含有させることにより、気泡の発生やクリープ現象が発生し難く、封着後の被膜30の塗布状態が安定化するために放電開始電圧（直流放電開始電圧及びインパルス放電開始電圧）のばらつきを抑制できると考えられるのである。

図３は、放電電極部18の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜30を形成した本発明に係るサージ吸収素子10の直流放電開始電圧の分布を示すヒストグラム、図４は、放電電極部18の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜30を形成した本発明に係るサージ吸収素子10のインパルス放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。
尚、実験で使用した本発明のサージ吸収素子10の被膜30中の珪化モリブデン、炭化チタン、バインダーの配合比は、１：５：４００と成されている。
また、図５は、放電電極部の表面に、炭化チタンのみが含有された被膜を形成した比較例のサージ吸収素子の直流放電開始電圧の分布を示すヒストグラム、図６は、放電電極部の表面に、炭化チタンのみが含有された被膜を形成した比較例のサージ吸収素子のインパルス放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。
直流放電開始電圧は、本発明のサージ吸収素子10、比較例のサージ吸収素子をそれぞれ５０個用意し、各サージ吸収素子について、電圧の印加方向を正（＋）逆（−）変えて、それぞれ１回づつ測定した。
また、インパルス放電開始電圧は、本発明のサージ吸収素子10、比較例のサージ吸収素子をそれぞれ５０個用意し、各サージ吸収素子について、電圧の印加方向を正（＋）逆（−）変えて、２．５ｋＶのインパルス電圧を印加してそれぞれ１回づつ測定した。
図３〜図６のヒストグラムに示される通り、放電電極部18の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜30を形成した本発明に係るサージ吸収素子10は、放電電極部の表面に、炭化チタンのみが含有された被膜を形成した比較例のサージ吸収素子に比べて、放電開始電圧（直流放電開始電圧及びインパルス放電開始電圧）のばらつきが抑制されていることが判る。しかも、本発明のサージ吸収素子10は、電圧の印加方向が正逆の何れであっても、放電開始電圧のばらつきが抑制されている。

尚、上記炭化チタンとして、優れたゲッター効果を発揮する１００〜１０００℃で焼成して成る炭化チタンを用いても良い。
すなわち、１００〜１０００℃で焼成した炭化チタンを用いた場合には、放電ガス中に含まれている不純ガスや気密外囲器16の封止工程で混入した不純ガスを、被膜30に含有された１００〜１０００℃で焼成して成る炭化チタンがその内部に吸着固定化するので、放電電極部18及び被膜30表面に不純ガスが付着することが防止される。その結果、不純ガスが放電電極部18や被膜30の表面に付着することに起因する放電特性の劣化が抑制され、長寿命なサージ吸収素子10を実現できる。

以下において、焼成した炭化チタンを用いた上記サージ吸収素子10の製造方法を説明する。
先ず、ケース部材12の内壁面24に、カーボン系材料より成る芯材を擦り付けることによりトリガ放電膜28を形成しておく。
また、炭化チタン粉末を大気中又は真空中において１００〜１０００℃で焼成する。この焼成を行うことにより、炭化チタンは優れたゲッター効果を有するようになる。

次に、焼成した炭化チタン粉末と、珪化モリブデンと、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーとを混合し、この混合物を、蓋部材14，14の放電電極部18表面に塗布することにより被膜30を形成する。尚、超音波振動を与えながら、炭化チタン粉末と、モリブデン酸カリウム粉末と、バインダーとを混合させると、炭化チタン粉末及び珪化モリブデン粉末をバインダー中に均一に撹拌させることができ、放電電極部18表面に塗布後の被膜30の特性が安定化する。
上記被膜30中の焼成した炭化チタンの含有割合は、０．０１〜５０重量％と成すのが放電開始電圧のばらつきを抑制する上で、また、不純ガスが放電電極部18や被膜30の表面に付着することに起因する放電特性の劣化を効果的に抑制する上で好ましい。
また、被膜30中の珪化モリブデンの含有割合は、０．０１〜５０重量％と成すのが、放電開始電圧のばらつきを抑制する上で好ましい。
尚、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０．０１〜７０重量％、純水が９９．９９〜３０重量％の配合割合で混合される。

最後に、ケース部材12内の真空排気を行った後、所定の放電ガスを導入し、その後、ケース部材12と蓋部材14とをシール材を介して気密封止することにより、上記サージ吸収素子10が完成する。

本発明に係るサージ吸収素子を示す概略断面図である。 図１のＡ−Ａ概略断面図である。 本発明に係るサージ吸収素子の直流放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。 本発明に係るサージ吸収素子のインパルス放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。 比較例のサージ吸収素子の直流放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。 比較例のサージ吸収素子のインパルス放電開始電圧の分布を示すヒストグラムである。 従来の放電管（サージ吸収素子）を示す概略断面図である。 図７のＢ−Ｂ概略断面図である。

符号の説明

10 サージ吸収素子
12 ケース部材
14 蓋部材
16 気密外囲器
18 放電電極部
22 放電間隙
26 微小放電間隙
28 トリガ放電膜
30 被膜

Claims (4)

1. 複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入してなる放電管において、上記放電電極の表面に、炭化チタンと、珪化モリブデンが含有された被膜を形成したことを特徴とするサージ吸収素子。
2. 上記炭化チタンが１００〜１０００℃で焼成されていることを特徴とする請求項１に記載のサージ吸収素子。
3. 請求項２に記載のサージ吸収素子の製造方法であって、１００〜１０００℃で焼成した炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーとを混合し、この混合物を、放電電極の表面に塗布して上記被膜を形成することを特徴とするサージ吸収素子の製造方法。
4. 超音波振動を与えながら、上記炭化チタン粉末と、珪化モリブデン粉末と、バインダーとを混合させることを特徴とする請求項３に記載のサージ吸収素子の製造方法。

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