JP6094882B2 - サージアブソーバ - Google Patents

Description

本発明は、落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐのに使用するサージアブソーバに関する。

電話機、ファクシミリ、モデム等の通信機器用の電子機器が通信線との接続する部分、電源線、アンテナ或いはＣＲＴ駆動回路等、雷サージや静電気等の異常電圧（サージ電圧）による電撃を受けやすい部分には、異常電圧によって電子機器やこの機器を搭載するプリント基板の熱的損傷又は発火等による破壊を防止するために、サージアブソーバが接続されている。
例えば、このサージアブソーバとしては、対向した電極を密閉空間内に保持し、その空間に各種ガスを封止し、電極間の放電によって異常電圧をアースに流す避雷器（アレスタ）等がある。

従来のサージアブソーバとして、例えば特許文献１には、絶縁性セラミックス或いはガラスにより、対向する電極を隔離・保持させた構造を有するサージ吸収素子が記載されている。このサージ吸収素子では、中空の角柱或いは円筒形のセラミックス体（ケース部材）の両端にＭｏ−Ｍｎ層とＮｉメッキによる、いわゆるメタライジング処理を施し、４２アロイや銅で冷間圧造した電極（蓋部材）と、銀−銅合金によるロウ付けを行うこと（テレフンケン法）により封止空間を形成している。
また、特許文献２には、複数の放電室を直列に接続し、全体のアーク放電電圧を続流が生じない電圧まで上げて続流を防止するアレスタが提案されている。

特開２００３−３１３３７号公報 特開平０９−９２４３１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
特許文献１に記載のサージアブソーバでは、セラミックス体と電極になる蓋部材とを封止性高く接合することを目的としてセラミックス体の両端に緻密なＭｏ−Ｍｎ層とＮｉメッキを施す工程が必要であり、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等のマイナーメタルが必要になると共に製造コストが増大してしまう問題がある。
また、絶縁性のセラミックス体が外表面積の大部分を占有しており、外部環境で金属などの導体が近接していた場合、放電性能が影響を受けるという不都合があった。例えば、実装する基板の背面に回路パターン等の背面電極が形成されている場合、筐体が絶縁体の場合では内部電極と容量結合するなどして放電空間の電界が意図した状況から変動してしまう問題があった。
さらに、特許文献２に記載の技術では、複数の放電室を直列に連結しているために、全長が長くなってしまい、実装する基板上での占有面積や体積が増大してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、低コストで製造可能であると共に高い接合信頼性が得られ、外部環境の導体の影響を受け難く、小型で続流も抑制可能なサージアブソーバを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るサージアブソーバは、筒状の金属製の内側ステム部材と、前記内側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一本のリード線と、前記内側ステム部材上に固定され前記リード線の先端側を気密に封止する金属製の内側キャップ電極と、前記内側キャップ電極内で前記内側キャップ電極との間に放電空間を空けて前記リード線に固定され前記リード線よりも外径の大きい内部電極部と、前記内側ステム部材の外周側に封着ガラスを介して固定された筒状の金属製の外側ステム部材と、前記内側キャップ電極に対して放電空間を空けて前記内側キャップ電極を覆って前記外側ステム部材上に固定された金属製の外側キャップ電極とを備えていることを特徴とする。

このサージアブソーバでは、内側キャップ電極に対して放電空間を空けて内側キャップ電極を覆って外側ステム部材上に固定された金属製の外側キャップ電極を備えているので、内側キャップ電極の内外に少なくとも２つの放電空間が内部電極部を中心にして筒状に重なった層状に形成される。したがって、複数の放電空間が半径方向に直列に連結されることで、アーク放電電圧が上がって続流を抑制することができると共に小型化を図ることができる。
また、内側キャップ電極との間に放電空間を空けてリード線に固定されリード線よりも外径の大きい内部電極部を備えているので、ハーメチックシール構造を採用してキャップ自体を電極とすることで、全体として簡便な構造であると共に小型化が可能になる。また、キャップ電極とステム部材とが互いに金属同士であるため、既知の種々の工法により接合が容易であると共に高い接合信頼性が得られる。また、セラミックス体の端面をメッキする工程がなく、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等のマイナーメタルの使用を減らすことができる。
また、外側キャップ電極自体を実装端子とすることができるため、実装状態で低背化できると共に高い実装強度を得ることができる。したがって、２本のリード線で立設された場合に比べて、傾き難く、周囲の他の部品との接触を防ぐことができると共に、振動にも強く、高い信頼性を得ることができる。
さらに、このサージアブソーバでは、筐体となる外側キャップ電極が金属であるため、外部環境の導体との相互作用による電界変動の影響を遮蔽することができる。

第２の発明に係るサージアブソーバは、第１の発明において、前記内側キャップ電極及び前記外側キャップ電極が、前記リード線を中心軸上に配して円筒状に形成され、前記内部電極部が、前記リード線を中心軸上に配して円柱状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージアブソーバでは、内側キャップ電極及び外側キャップ電極が、リード線を中心軸上に配して円筒状に形成され、内部電極部が、リード線を中心軸上に配して円柱状に形成されているので、同軸構造の対向電極を構成でき、電極間距離が軸方向に同じであることから、内部電極部の中心表面の電界が強くなり、より少ない電極間距離で放電電圧の制御が可能になる。これにより、より小型化が可能になる。また、電極の対向面積をより省スペースで増大させることが可能になり、放電の安定性に寄与させることができる。また、放電空間が全周で同じ間隔であるため、安定した放電特性を得ることができる。

第３の発明に係るサージアブソーバは、第１又は第２の発明において、互いに同軸に配された前記内側ステム部材と前記外側ステム部材との間に、これらと同軸で筒状の金属製の中間ステム部材が封着ガラスを介して少なくとも１つ設けられ、互いに同軸に配された前記内側キャップ電極と前記外側キャップ電極との間に、これらと同軸で内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極が少なくとも１つの前記中間ステム部材上に固定されていることを特徴とする。
すなわち、このサージアブソーバでは、内側キャップ電極と外側キャップ電極との間に、内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極が少なくとも１つの中間ステム部材上に固定されているので、３つ以上の複数層に放電空間が分割されてアーク放電電圧をさらに上げることが可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサージアブソーバによれば、内側キャップ電極に対して放電空間を空けて内側キャップ電極を覆って外側ステム部材上に固定された金属製の外側キャップ電極を備えているので、複数の放電空間が半径方向に直列に連結されることで、アーク放電電圧が上がって続流を抑制することができると共に小型化を図ることができる。
また、内側キャップ電極との間に放電空間を空けてリード線に固定されリード線よりも外径の大きい内部電極部を備えているので、簡便な構成かつ安価であると共に小型化が可能になり、さらに高い接合信頼性が得られると共に外部環境の導体との相互作用による電界変動の影響を遮蔽することができる。

本発明に係るサージアブソーバの第１実施形態を示す断面図である。 第１実施形態において、サージアブソーバを示す底面図である。 第１実施形態において、サージアブソーバの３種類の実装形態を示す説明図である。 本発明に係るサージアブソーバの第２実施形態を示す断面図である。 第２実施形態において、サージアブソーバを示す底面図である。

以下、本発明に係るサージアブソーバの第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のサージアブソーバ１は、図１及び図２に示すように、筒状の金属製の内側ステム部材２Ａと、内側ステム部材２Ａ内に封着ガラス３で絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一本のリード線４と、内側ステム部材２Ａ上に固定されリード線４の先端側を気密に封止する金属製の内側キャップ電極５Ａと、内側キャップ電極５Ａ内で内側キャップ電極５Ａとの間に放電空間を空けてリード線４に固定されリード線４よりも外径の大きい内部電極部６と、内側ステム部材２Ａの外周側に封着ガラス３を介して固定された筒状の金属製の外側ステム部材２Ｂと、内側キャップ電極５Ａに対して放電空間を空けて内側キャップ電極５Ａを覆って外側ステム部材２Ｂ上に固定された金属製の外側キャップ電極５Ｂとを備えている。

上記内部電極部６は、例えばステンレス、ニッケル、洋白等で形成されている。
また、内部電極部６は、その中心軸上にリード線４を挿入する挿通孔を有し、挿通孔に挿入された状態でリード線４が溶接されている。
上記内側キャップ電極５Ａ及び外側キャップ電極５Ｂは、リード線４を中心軸上に配して上部が閉塞された円筒状に形成され、内部電極部６は、リード線４を中心軸上に配して円柱状に形成されている。

内側キャップ電極５Ａ及び外側キャップ電極５Ｂは、例えば洋白製であり、内側ステム部材２Ａ及び外側ステム部材２Ｂは、鉄ニッケル合金等で形成されている。
内側キャップ電極５Ａは、外側キャップ電極５Ｂ内に間隔を空けて収納可能に、外側キャップ電極５Ｂよりも外径が小さく、高さも低く設定されている。
外側キャップ電極５Ｂの表面は、半田材等で実装し易くするために銀合金等のメッキが施されている。

内側キャップ電極５Ａは、真空引き又はガス置換した後に下部が内側ステム部材２Ａ上に圧入、ロウ付け、コールドウェルド(冷間圧接)、電気溶接等で接合され、内側ステム部材２Ａ内に低融点ガラスの封着ガラス３でハーメチック溶接されたリード線４と電気的に絶縁されてハーメチックシール構造となっている。
また、外側キャップ電極５Ｂは、真空引き又はガス置換した後に下部が外側ステム部材２Ｂ上に圧入、ロウ付け、コールドウェルド(冷間圧接)、電気溶接等で接合され、外側ステム部材２Ｂ内に低融点ガラスの封着ガラス３でハーメチック溶接された内側ステム部材２Ａと電気的に絶縁されてハーメチックシール構造となっている。

このように、内側キャップ電極５Ａ及び外側キャップ電極５Ｂを内側ステム部材２Ａ及び外側ステム部材２Ｂに固定する際に、加熱工程が不要になるため、封止する放電制御ガスの圧力を高め易く、良好な応答電圧を得やすくなるとともに、高電圧化（高Ｖｓ化）も容易である。
また、加熱工程が不要になるため、使用している部材の熱による変性や脱ガスが起こり難くなり、想定外の放電現象が起こり難くなる。
なお、内側キャップ電極５Ａ内及び外側キャップ電極５Ｂ内は、真空又は放電制御ガスが封入された状態とされる。
上記放電制御ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、ＳＦ_６、ＣＯ_２、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、Ｈ_２、Ｎ_２、大気（空気）及びこれらの混合ガスである。

なお、内部電極部６の外周面には、カーボン製のトリガー部を形成しても構わない。このトリガー部は、炭素材で形成されたカーボントリガであって、線状や楕円膜状などに形成されている。

このサージアブソーバ１は、図３に示すように、リード線４と外側キャップ電極５Ｂとを接続端子として実装される。すなわち、図３の（ａ）に示すように、回路基板等である基板１００上の配線等にリード線４を半田材等で接合すると共に、リード線４を屈曲させ外側キャップ電極５Ｂを基板１００上に倒した状態で外側キャップ電極５Ｂを半田材等の導電性融着材１０１で基板１００上の配線等に接合することで、サージアブソーバ１が実装される。

なお、基板１００の背面側に回路パターン等の背面電極１０２が形成されていると、筐体が絶縁体の場合では内部電極と容量結合するなどして放電空間の電界が意図した状況から変動するが、本実施形態のサージアブソーバ１では、筐体となる外側キャップ電極５Ｂが金属であるため、このような変動の心配が無い。すなわち、外側キャップ電極５Ｂにより、外部環境の導体との相互作用による電界変動の影響を遮蔽することができる。

また、図３の（ｂ）に示すように、基板１００にリード線４を半田材で接合すると共に、リード線４を屈曲させ外側キャップ電極５Ｂを基板１００上に倒した状態とし、さらに外側キャップ電極５Ｂの先端に別のリード線４Ｂの一端を半田材等で接合すると共に、このリード線４の他端を半田材等で基板１００上の配線等に接合することで、サージアブソーバ１が実装される。これらの図３の（ａ）及び（ｂ）に示す実装形態では、サージアブソーバ１が基板１００上に倒れた状態で実装されるため、低背化が可能になる。

さらに、図３の（ｃ）に示すように、基板１００上の配線等に外側キャップ電極５Ｂの先端部を半田材等の導電性融着材１０１で接合すると共に、リード線４を屈曲させて折り返し基板１００上の配線等に半田材等で接合することで、サージアブソーバ１が倒立状態で実装される。図３の（ａ）及び（ｃ）に示す実装形態では、外側キャップ電極５Ｂ自体が実装用の接続端子として基板１００上に接合されるため、別途リード線４を接続する必要が無いと共に、高い実装強度を得ることができる。また、図３の（ｃ）のように実装した場合でも、金属製の外側キャップ電極５Ｂにより、外側キャップ電極５Ｂに沿って配されるリード線４との間の影響も無くなる。

このサージアブソーバ１では、過電圧又は過電流が侵入すると、トリガー部が設けられていると、まず内側キャップ電極５Ａとトリガー部との間でトリガー放電が行われ、さらに放電が進展して内部電極部６の中央部と内側キャップ電極５Ａとの間と、内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極５Ｂとの間との２つの放電空間（図１中の二点鎖線で囲んだ領域）で主放電が行われることでサージが吸収される。

このように本実施形態のサージアブソーバ１では、内側キャップ電極５Ａに対して放電空間を空けて内側キャップ電極５Ａを覆って外側ステム部材２Ｂ上に固定された金属製の外側キャップ電極５Ｂを備えているので、内側キャップ電極５Ａの内外に少なくとも２つの放電空間が内部電極部６を中心にして筒状に重なった層状に形成される。したがって、複数の放電空間が半径方向に直列に連結されることで、アーク放電電圧が上がって続流を抑制することができると共に小型化を図ることができる。

また、内側キャップ電極５Ａとの間に放電空間を空けてリード線４に固定されリード線４よりも外径の大きい内部電極部６を備えているので、ハーメチックシール構造を採用してキャップ自体を電極とすることで、全体として簡便な構造であると共に小型化が可能になる。また、キャップ電極とステム部材とが互いに金属同士であるため、既知の種々の工法により接合が容易であると共に高い接合信頼性が得られる。また、接合にＭｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等を使用しないため、これらマイナーメタルの使用を減らすことができる。

また、外側キャップ電極５Ｂ自体を実装端子とすることができるため、実装状態で低背化できると共に高い実装強度を得ることができる。したがって、２本のリード線で立設された場合に比べて、傾き難く、周囲の他の部品との接触を防ぐことができると共に、振動にも強く、高い信頼性を得ることができる。
さらに、筐体となる外側キャップ電極５ｂが金属であるため、外部環境の導体との相互作用による電界変動の影響を遮蔽することができる。

また、内側キャップ電極５Ａ及び外側キャップ電極５Ｂが、リード線４を中心軸上に配して円筒状に形成され、内部電極部６が、リード線４を中心軸上に配して円柱状に形成されているので、同軸構造の対向電極を構成でき、電極間距離が軸方向に同じであることから、内部電極部６の中心表面の電界が強くなり、より少ない電極間距離で放電電圧の制御が可能になる。これにより、より小型化が可能になる。また、電極の対向面積をより省スペースで増大させることが可能になり、放電の安定性に寄与させることができる。また、放電空間が全周で同じ間隔であるため、安定した放電特性を得ることができる。

なお、内側キャップ電極５Ａと内部電極部６との間隔及び内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極５Ｂとの間隔を狭くして互いに近接させることで、放電による金属蒸気がキャップ電極の周面や内部電極部６に付着するため、下方の封着ガラス３の表面に付着し難く、特性劣化を抑制することができる。したがって、放電制御ガスのガス圧を高めて放電電圧を高くしても、飛び散った金属蒸気による影響を低減することができる。

次に、本発明に係るサージアブソーバの第２実施形態について、図４及び図５を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極５Ｂとにより筒状の２層の放電空間を形成しているのに対し、第２実施形態のサージアブソーバ２１では、図４及び図５に示すように、内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極５Ｂとの間に、内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極５Ｃが設けられて、筒状の３層の放電空間を形成している点である。

すなわち、第２実施形態では、互いに同軸に配された内側ステム部材２Ａと外側ステム部材２Ｂとの間に、これらと同軸で筒状の金属製の中間ステム部材２Ｃが封着ガラス３を介して設けられている。また、互いに同軸に配された内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極との間に、これらと同軸で内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極５Ｃが中間ステム部材２Ｃ上に固定されている。したがって、内側ステム部材２Ａと中間ステム部材２Ｃと外側ステム部材２Ｂとは、封着ガラス３で互いに電気的に絶縁され、内側キャップ電極５Ａと中間キャップ電極５Ｃと外側キャップ電極とも、互いに放電空間を介して電気的に絶縁されている。
上記中間ステム部材２Ｃは、内側ステム部材２Ａと同様の金属材料で形成され、上記中間キャップ電極５Ｃは、内側キャップ電極５Ａと同様の金属材料で形成されている。

このように第２実施形態のサージアブソーバ２１では、内側キャップ電極５Ａと外側キャップ電極５Ｂとの間に、内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極５Ｃが中間ステム部材２Ｃ上に固定されているので、３つの複数層に放電空間が分割されてアーク放電電圧をさらに上げることが可能になる。
なお、互いに外径の異なる２以上の中間ステム部材２Ｃ及び中間キャップ電極５Ｃをさらに同軸で設けて、４層以上の多段に放電空間を半径方向に形成しても構わない。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，２１…サージアブソーバ、２Ａ…内側ステム部材、２Ｂ…外側ステム部材、２Ｃ…中間ステム部材、３…封着ガラス、４…リード線、５Ａ…内側キャップ電極、５Ｂ…外側キャップ電極、５Ｃ…中間キャップ、６…内部電極部

Claims (3)

1. 筒状の金属製の内側ステム部材と、
   前記内側ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された一本のリード線と、
   前記内側ステム部材上に固定され前記リード線の先端側を気密に封止する金属製の内側キャップ電極と、
   前記内側キャップ電極内で前記内側キャップ電極との間に放電空間を空けて前記リード線に固定され前記リード線よりも外径の大きい内部電極部と、
   前記内側ステム部材の外周側に封着ガラスを介して固定された筒状の金属製の外側ステム部材と、
   前記内側キャップ電極に対して放電空間を空けて前記内側キャップ電極を覆って前記外側ステム部材上に固定された金属製の外側キャップ電極とを備えていることを特徴とするサージアブソーバ。
2. 請求項１に記載のサージアブソーバにおいて、
   前記内側キャップ電極及び前記外側キャップ電極が、前記リード線を中心軸上に配して円筒状に形成され、
   前記内部電極部が、前記リード線を中心軸上に配して円柱状に形成されていることを特徴とするサージアブソーバ。
3. 請求項１又は２に記載のサージアブソーバにおいて、
   互いに同軸に配された前記内側ステム部材と前記外側ステム部材との間に、これらと同軸で筒状の金属製の中間ステム部材が封着ガラスを介して少なくとも１つ設けられ、
   互いに同軸に配された前記内側キャップ電極と前記外側キャップ電極との間に、これらと同軸で内外に放電空間を空けて内側を封止する金属製の中間キャップ電極が少なくとも１つの前記中間ステム部材上に固定されていることを特徴とするサージアブソーバ。

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