JP6167681B2

JP6167681B2 - サージアブソーバ

Info

Publication number: JP6167681B2
Application number: JP2013122477A
Authority: JP
Inventors: 雅樹野本; 広瀬　英一郎; 英一郎広瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: JP2014241194A

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。

特開２００３−３１３３７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。

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い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、円筒状の金属製のステム部材と、前記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キャップ電極と、前記キャップ電極内で前記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、キャップ電極内で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、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、前記内部電極部が、前記リード線の先端側に固定され、前記封着ガラスから離間し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、内部電極部が、リード線の先端側に固定され、封着ガラスから離間しているので、内部電極部と封着ガラスとの間に露出したリード線が細く、この部分では放電が生じ難い。また、主放電空間となる内部電極部とキャップ電極との間に橋絡する部分がないと共に、封着ガラスから内部電極部が離間しているので、放電で発生した金属蒸気が封着ガラスに付着し難く長寿命化が可能になる。

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、前記キャップ電極が、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又は円筒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、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又は円筒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４の発明に係るサージアブソーバは、第３の発明において、前記内部電極部の外周面と前記キャップ電極の内周面との間隔が、前記キャップ電極の天面と前記内部電極部の上面との間隔及び前記封着ガラスの上面と前記内部電極部の下面との間隔よりも狭いことを特徴とする。
すなわち、このサージアブソーバでは、内部電極部の外周面とキャップ電極の内周面との間隔が、キャップ電極の天面と内部電極部の上面との間隔及び封着ガラスの上面と内部電極部の下面との間隔よりも狭いので、封着ガラスから離間した内部電極部の外周面とキャップ電極の内周面との間で放電させることができる。したがって、キャップ電極と内部電極部との間隔を狭くして互いに近接させることで、放電で生じた金属蒸気がキャップ電極の内面や内部電極部に付着するため、下方の封着ガラスの表面に付着し難く、特性劣化を抑制することができる。

第５の発明に係るサージアブソーバは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記内部電極部と前記封着ガラスとの間に挿入された絶縁性受け部を備え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、内部電極部と封着ガラスとの間に挿入された絶縁性受け部を備えているので、絶縁性受け部によって封着ガラスの上面近傍での放電を防ぎ、封着ガラス上面に放電で発生した金属蒸気が付着することを抑制することができる。

第６の発明に係るサージアブソーバは、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記キャップ電極の内側から、前記内部電極部と前記封着ガラスとの間に突出した金属円環部を有し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、キャップ電極の内側から、内部電極部と封着ガラスとの間に突出した金属円環部を有しているので、金属円環部によって放電で発生した金属蒸気を受け止め、封着ガラスに付着することを抑制することができる。

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、キャップ電極内で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実施形態において、内部電極部とリード線とを示す斜視図及び底面図である。本発明に係るサージアブソーバの第３実施形態を示す断面図及び絶縁性受け部を示す斜視図である。本発明に係るサージアブソーバの第４実施形態を示す断面図である。第４実施形態において、内側キャップ電極を収納したキャップ電極を示す斜視図である。本発明に係るサージアブソーバの第５実施形態を示す断面図である。第５実施形態において、中間筒部材を示す斜視図及び断面図である。

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、円筒状の金属製のステム部材２と、ステム部材２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、ステム部材２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キャップ電極５と、キャップ電極５内でキャップ電極５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を挿入する挿入孔を有し、挿入孔に挿入された状態でリード線４が溶接されている。
上記キャップ電極５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。

内部電極部６の外周面とキャップ電極５の内周面との間隔ａは、キャップ電極５の天面と内部電極部６の上面との間隔ｂ及び封着ガラス３の上面と内部電極部６の下面との間隔ｃよりも狭く設定されている。
キャップ電極５は、例えば洋白製であり、ステム部材２は、鉄ニッケル合金等で形成されている。
キャップ電極５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。

キャップ電極５は、真空引き又はガス置換した後に下部がステム部材２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、ステム部材２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。
このように、キャップ電極５をステム部材２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、キャップ電極５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、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とキャップ電極５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を屈曲させキャップ電極５を基板１００上に倒した状態でキャップ電極５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、筐体となるキャップ電極５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、キャップ電極５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を屈曲させキャップ電極５を基板１００上に倒した状態とし、さらにキャップ電極５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上の配線等にキャップ電極５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、キャップ電極５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、金属製のキャップ電極５により、キャップ電極５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、まずキャップ電極５とトリガー部との間でトリガ放電が行われ、さらに放電が進展して内部電極部６の中央部とキャップ電極５との間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、キャップ電極５内でキャップ電極５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５とステム部材２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、キャップ電極５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、筐体となるキャップ電極５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、内部電極部６が、リード線４の先端側に固定され、封着ガラス３から離間しているので、内部電極部６と封着ガラス３との間に露出したリード線４が細く、この部分では放電が生じ難い。また、主放電空間となる内部電極部６とキャップ電極５との間に橋絡する部分がないと共に、封着ガラス３から内部電極部６が離間しているので、放電で発生した金属蒸気が封着ガラス３に付着し難く長寿命化が可能になる。

また、キャップ電極５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。

さらに、内部電極部６の外周面とキャップ電極５の内周面との間隔ａが、キャップ電極５の天面と内部電極部６の上面との間隔ｂ及び封着ガラス３の上面と内部電極部６の下面との間隔ｃよりも狭いので、封着ガラス３から離間した内部電極部６の外周面とキャップ電極５の内周面との間で放電させることができる。したがって、キャップ電極５と内部電極部６との間隔を狭くして互いに近接させることで、放電で生じた金属蒸気がキャップ電極５の内面や内部電極部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。

なお、キャップ電極５と内部電極部６との間隔ａ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５の内面や内部電極部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から第５実施形態について、図４から図９を参照して以下に説明する。なお、以下の各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、内部電極部６が円柱状であるのに対し、第２実施形態のサージアブソーバは、図４に示すように、内部電極部２６が螺旋状のバネ形状を有している点である。
なお、リード線４は、内部電極部２６の中心軸上に配されて上部が内部電極部２６の下端に、冷間圧接、溶接、ロウ接、はんだ付け、導電性接着材又はかしめにより固定されている。また、リード線４自体の先端側を螺旋状のバネ加工することで、内部電極部２６を形成しても構わない。

次に、第３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、内部電極部６と封着ガラス３との間が単に空間になっているのに対し、第３実施形態のサージアブソーバ３１では、図５に示すように、内部電極部６とステム部材２の封着ガラス３との間に挿入された絶縁性受け部３７を備えている点である。

すなわち、第３実施形態では、図５の（ａ）（ｂ）に示すように、中心にリード線４が挿通される孔が形成され円板状に絶縁性セラミックス等で形成された絶縁性受け部３７が封着ガラス３上に設置されている。この絶縁性受け部３７は、外径が内部電極部６よりも小さく設定されている。また、絶縁性受け部３７は、上部及び下部よりも外径が大きくされた拡径部３７ａを中間部に有している。
なお、絶縁性受け部３７の外周面にカーボントリガー部を形成しても構わない。このカーボントリガー部は、絶縁性受け部３７側で生じる初期放電をアシストするものであり、内部電極部６の中央部で生じる主放電を促進するものではない。

このように第３実施形態のサージアブソーバ３１では、内部電極部６と封着ガラス３との間に挿入された絶縁性受け部３７を備えているので、絶縁性受け部３７によって封着ガラス３の上面近傍での放電を防ぎ、放電で発生した金属蒸気が封着ガラス３上面に付着することを抑制することができる。特に、絶縁性受け部３７の拡径部３７ａが、飛散する金属蒸気を受け止めて封着ガラス３に付着することを抑制する。

次に、第４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、内部電極部６と封着ガラス３との間が単に空間になっているのに対し、第４実施形態のサージアブソーバ４１では、図６及び図７に示すように、キャップ電極５の内側に金属製の内側キャップ電極４６が設置されて、内部電極部６と封着ガラス３との間に内側キャップ電極４６の底面部が配されている点である。

上記内側キャップ電極４６は、底面部にリード線４が挿通可能な底部孔４６ａが形成されている。この内側キャップ電極４６は、キャップ電極５よりも外径が若干小さいと共に長さも若干短く設定されている。さらに、内側キャップ電極４６は、キャップ電極５の上部に溶接等で固定され、その底面部が内部電極部６と封着ガラス３との間に配されている。すなわち、内側キャップ電極４６の底面部は、キャップ電極５の内側から、内部電極部６と封着ガラス３との間に突出した金属円環部となる。
したがって、第４実施形態のサージアブソーバ４１では、内側キャップ電極４６の底面部が、キャップ電極５の内側から内部電極部６と封着ガラス３との間に突出した金属円環部となり、この金属円環部によって放電で発生した金属蒸気を受け止め、封着ガラス３に付着することを抑制することができる。

次に、第５実施形態と第４実施形態との異なる点は、第４実施形態では、内側キャップ電極４６の底面部が内部電極部６と封着ガラス３との間に設けられているのに対し、第５実施形態のサージアブソーバ５１は、図８及び図９に示すように、内部電極部６と封着ガラス３との間に金属製の中間筒部材５６が設置されている点である。この中間筒部材５６は、天面部にリード線４を挿通可能な上部孔５６ａが形成されている。

この中間筒部材５６は、封着ガラス３上に設置された状態で天面部が内部電極６から離間する高さに設定されている。また、中間筒部材５６は下方に向かって内径が徐々に広がって肉厚が薄く設定された断面テーパ状に形成されている。なお、中間筒部材５６は、キャップ電極５の内側に溶接等で固定されている。また、この中間筒部材５６は、上下逆の状態で設置されていても構わない。
したがって、第５実施形態のサージアブソーバ５１においても、中間筒部材５６の天面部が金属円環部として、内部電極部６と封着ガラス３との間を遮るように設けられているので、放電時に飛散する金属蒸気を天面部が受け止めて封着ガラス３に付着して橋絡することを防止可能である。

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。
例えば、上記実施形態では、内部電極部を円柱状に形成しているが、内部が中空の有底円筒状の内部電極部とし、リード線が内部電極部の有底部に固定されたもの等でも構わない。

１，２１，４１，５１…サージアブソーバ、２…ステム部材、３…封着ガラス、４…リード線、５…キャップ電極、６，２６…内部電極部、３７…絶縁性受け部、４６…内側キャップ電極、５６…中間筒部材

Claims

基板上に実装されるサージアブソーバであって、
円筒状の金属製のステム部材と、
前記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キャップ電極と、
前記キャップ電極内で前記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を備え、
前記キャップ電極の表面に、半田実装用のメッキが施され、
前記キャップ電極自体が、実装用の接続端子として前記基板上に直接接合されることを特徴とするサージアブソーバ。
請求項１に記載のサージアブソーバにおいて、
前記内部電極部が、前記リード線の先端側に固定され、前記封着ガラスから離間していることを特徴とするサージアブソーバ。
請求項１又は２に記載のサージアブソーバにおいて、
前記キャップ電極が、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又は円筒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。
請求項３に記載のサージアブソーバにおいて、
前記内部電極部の外周面と前記キャップ電極の内周面との間隔が、前記キャップ電極の天面と前記内部電極部の上面との間隔及び前記封着ガラスの上面と前記内部電極部の下面との間隔よりも狭いことを特徴とするサージアブソーバ。
請求項１から４のいずれか一項に記載のサージアブソーバにおいて、
前記内部電極部と前記封着ガラスとの間に挿入された絶縁性受け部を備えていることを特徴とするサージアブソーバ。
請求項１から５のいずれか一項に記載のサージアブソーバにおいて、
前記キャップ電極の内側から、前記内部電極部と前記封着ガラスとの間に突出した金属円環部を有していることを特徴とするサージアブソーバ。