JP2005078968A - サージアブソーバ - Google Patents

Abstract

【課題】 主放電電極部材の主放電面からの金属成分の飛散を抑制して、高サージ耐量・長寿命のサージアブソーバを提供すること。
【解決手段】 サージアブソーバ１は、周面に中央の放電ギャップ２を介して導電性被膜３が分割形成された円柱状セラミックス（絶縁性部材）５と、この円柱状セラミックス５の両端に対向配置され導電性被膜３に接触する一対の主放電電極部材６、７と、一対の主放電電極部材６、７を両端に配して円柱状セラミックス５を内部にＡｒ（アルゴン）等の封止ガスと共に封止する筒型セラミックス（絶縁性管）８とを備えている。
一対の主放電電極部材６、７は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）を備える合金であるコバールの電極基体部と、互いに対向する面の表面を覆い電極基体部よりも高融点の導電性を有するセラミックスコーティング膜１１とを備えている構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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。

従来、例えばマイクロギャップを有するサージ吸収素子を用いたサージアブソーバが提案されている。このサージアブソーバは、導電性被膜で被覆した円柱状の導電性セラミックス部材の周面に、いわゆるマイクロギャップが形成され、セラミックス部材の両端に一対のキャップ電極を有するサージ吸収素子が、所望の電気特性を得るために組成を調整されたガス（以下、封止ガスとする。）と共にガラス管内に収容され、円筒状のガラス管の両端にリード線を有する封止電極が高温加熱で封止された放電型サージアブソーバである。

このような放電型のサージアブソーバの主放電電極間でサージ電圧によるアーク放電（以下、主放電とする。）が行われる場合、主放電により主放電電極が高温となり、主放電電極を構成する金属成分が電極表面から飛散し、これがマイクロギャップを埋めてしまうことによって性能が劣化することがあった。
そこで、主放電電極からの金属飛散を防止するために、主放電電極表面にＳｎＯ_２（酸化スズ）やＣｕ_２Ｏ（酸化銅）等の膜を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
また、放電電極表面にガラス薄膜を被着形成してトンネル効果による導電性を確保しつつイオン衝撃を緩和させるものや（例えば、特許文献３参照。）、放電電極基体部よりも融点が高く、かつ、仕事関数の小さい金属で構成される表層部を形成させたものが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平１０−１０６７１２号公報（第１図） 特開平５−２４２９５１号公報（第１図） 特開平５−３６４６０号公報（第２図） 特開平９−２６６０５４号公報（第２図）

しかしながら、上記従来のサージアブソーバには、以下の課題が残されている。すなわち、通信線や電源線等に対して使用する場合には、より高いサージ耐量・長寿命が要求されているため、上記特許文献１、２に記載のようなＳｎＯ_２やＣｕ_２Ｏ等の被膜では、依然として電極の金属成分が飛散することによって、十分なサージ耐量・サージ寿命を得ることが困難であった。

また、上記特許文献３に記載の技術によれば、トンネル効果を形成するための膜厚制御が困難であるという課題があるとともに、特許文献４に記載の技術によれば、表層部が絶縁物質であるので、導電性被膜で被覆した円柱状セラミックス部材に接する箇所には使用できず、形成範囲が限定されてしまうという問題があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、主放電電極部材の主放電面からの金属成分の飛散を抑制して、高サージ耐量・長寿命のサージアブソーバを提供することを目的とする。

本発明のサージアブソーバは、周面に中央の放電ギャップを介して導電性被膜が分割形成された柱状の絶縁性部材と、該絶縁性部材の両端に対向配置され前記導電性被膜に接触する一対の主放電電極部材と、前記一対の主放電電極部材を両端に配して前記絶縁性部材を内部に封止ガスと共に封止する絶縁性管とを備えたサージアブソーバであって、前記一対の主放電電極部材が、金属製の電極基体部と、少なくとも互いに対向する面の表面を覆い前記電極基体部よりも高融点の導電性を有するセラミックスコーティング膜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は、上記の構成を備えているので、一対の主放電電極部材間で主放電が行われて一対の主放電電極部材が高温とされても、導電性を有するセラミックスコーティング膜が電極基体部を構成する金属やＳｎＯ_２等の被膜よりも高融点であるため熱的に安定しており、被膜がない場合に比べて化学的安定性に優れている。したがって、電極基体部の金属成分が表面から飛散することを抑制することができる。また、導電性を有するのセラミックスコーティング膜が備えられているので、絶縁性部材に形成された導電性被膜と一対の主放電電極部材との接触を良好に維持することができる。

本発明のサージアブソーバは、前記サージアブソーバであって、前記セラミックスコーティング膜が、チタン化合物であることが好ましい。
このサージアブソーバは、上記の構成を有するので、一対の主放電電極部材に通常使用されるコバール（ＫＯＶＡＲ：登録商標）或いはステンレス系金属よりも高融点で化学的安定性に優れたセラミックスコーティング膜を形成させることができる。

また、本発明のサージアブソーバは、前記サージアブソーバであって、前記セラミックスコーティング膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、或いは炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）からなり、一層又は二層以上で形成されていることが好ましい。
このサージアブソーバは、上記の構成を有するので、主放電時に一対の主放電電極部材の表面からの金属飛散をより効果的に抑制することができる。

さらに、本発明のサージアブソーバは、前記サージアブソーバであって、前記セラミックスコーティング膜が、蒸着法によって形成されていることが好ましい。
このサージアブソーバは、蒸着法等の薄膜形成技術によって形成されているので、薄膜形成条件を制御することにより、所望の化学的安定性に優れたセラミックスコーティング膜を形成することができる。

以上説明した本発明においては以下の効果を奏する。
本発明のサージアブソーバによれば、主放電電極部材の表面に導電性を有するセラミックスコーティング膜が形成されているので、主放電電極部材の金属成分の飛散が抑制され、マイクロギャップや絶縁性管内の金属成分の堆積が少量となるためにサージ耐量の高いサージアブソーバを長期間にわたって使用することができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係るサージアブソーバ１は、マイクロギャップを使用した放電型サージアブソーバである。このサージアブソーバ１は、図１に示すように、周面に中央の放電ギャップ２を介して導電性被膜３が分割形成された円柱状セラミックス（絶縁性部材）５と、この円柱状セラミックス５の両端に対向配置され導電性被膜３に接触する一対の主放電電極部材６、７と、一対の主放電電極部材６、７を両端に配して円柱状セラミックス５を内部にアルゴン（Ａｒ）等の封止ガスと共に封止する筒型セラミックス（絶縁性管）８とを備えている。

円柱状セラミックス５は、ムライト焼結体等のセラミックス材料からなり、表面に導電性被膜３として物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）といった蒸着法の薄膜形成技術によるＴｉＮ等の薄膜が形成されている。
放電ギャップ２は、レーザーカット、ダイシング、エッチング等の加工によって０．０１〜１．５ｍｍの幅で１〜１００本形成されるが、本実施形態では、７０μｍ幅のものを１本形成している。

一対の主放電電極部材６、７は、図２及び図３に示すように、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）を備える合金であるコバールの電極基体部１０と、互いに対向する面の表面を覆い前記電極基体部１０よりも高融点の導電性を有するセラミックスコーティング膜１１とを備えている。
また、一対の主放電電極部材６、７は、それぞれ筒型セラミックス８の端面とロウ材１２で接着される縦横比が１以下とされた長方形状の周縁部１３と、筒型セラミックス８の内側かつ軸方向に突出すると共に径方向内側面１５ａで円柱状セラミックス５を支持する突出支持部１５とを備えている。突出支持部１５に囲まれて円柱状セラミックス５の端部に対向する位置には中央領域１５ｂが形成されている。
突出支持部１５は、径方向内側面１５ａと円柱状セラミックス５の端部とが接触しやすいように、図２及び図３に示すように、基端を中心に向けた傾斜面（テーパ面）を有することが望ましい。
この突出支持部１５の先端が互いに対向して主放電面とされている。

筒型セラミックス８は、断面長方形状を有し両端面外形が周縁部１３の外周寸法と一致している。
この筒型セラミックス８と一対の主放電電極部材６、７とによって円柱状セラミックス５等がＡｒ等の封止ガスとともに封止されている。

次に、以上の構成からなる本実施形態のサージアブソーバ１の製造方法について説明する。
まず、一対の主放電電極部材６、７を打ち抜き加工によって所望の形状に成形する。
そして、図３に示すように、突出支持部１５が互いに対向する面の表面に、通常の物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）の装置によってチタン化合物であるＴｉＮを、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１として、例えば、ＴｉＣ（下層）−ＴｉＮ（上層）の２層を蒸着する。

続いて、ロウ材１２とのぬれ性を向上させるために、筒型セラミックス８の両端面に、例えば、モリブデン（Ｍｏ）−タングステン（Ｗ）層とＮｉ層とを各１層ずつ備えるメタライズ層８ａを形成する。
そして、主放電電極部材６の中央領域１５ｂ上に、円柱状セラミックス５を載置して径方向内側面１５ａと円柱状セラミックス５の端面とを接触させる。そして、周縁部１３上にロウ材１２を載置しその上に筒型セラミックス８を載置する。さらに円柱状セラミックス５の上部にロウ材１２を載置し、中央領域１５ｂと対向するように主放電電極部材７を載置して、径方向内側面１５ａと主放電電極部材７とを接触させて仮組する。

上述のように仮組した状態で、十分に真空引き後封止ガス雰囲気として加熱し、ロウ材１２を溶融して封止し、その後急速に冷却を行いサージアブソーバ１を製造する。
こうして製造したサージアブソーバ１を、例えば、図４に示すように、プリント基板等の基板Ｂ上に筒型セラミックス８の一側面である実装面８Ａを基板Ｂ上に載置し、基板Ｂと一対の主放電電極部材６、７の外面とを半田Ｓによって接着固定して使用する。

このサージアブソーバ１によれば、一対の主放電電極部材６、７の互いの突出支持部１５間で主放電が行われて一対の主放電電極部材６、７が主放電面を中心に高温とされても、チタン化合物である導電性のセラミックスコーティング膜１１が電極基体部１０を構成するＦｅ等の金属やＳｎＯ_２等の被膜よりも高融点であるため熱的に安定しており、被膜がない場合に比べて化学的安定性に優れる。
したがって、電極基体部１０の金属成分が表面から飛散することを抑制することができる。また、チタン化合物からなる導電性を有するセラミックスコーティング膜１１が備えられているので、円柱状セラミックス５の表面に形成された導電性被膜３と一対の主放電電極部材６、７との接触を良好に維持することができ、サージ耐性・サージ寿命を向上することができる。さらに、このセラミックスコーティング膜１１が、物理蒸着法又は化学蒸着法といった蒸着法等の薄膜形成技術によって形成されているので、薄膜形成条件を制御することにより、所望の化学的安定性に優れた被膜を形成することができる。

次に、本発明に係る第２の実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第２の実施形態が上記第１の実施形態と異なる点は、図５に示すように、一対の主放電電極部材１６、１７が一対のキャップ電極１８、２０とされて、円柱状セラミックス５の両端に配設されるとともに、さらにその両端に配設された一対の端子電極部材２１、２２と筒型セラミックス８とが封止されるとした点である。

このサージアブソーバ２３の一対のキャップ電極１８、２０は、ステンレス製の金属基体部２５とこれを覆う導電性を有するセラミックスコーティング膜１１とを備えている。金属基体部２５は、ステンレス製で椀状に形成され、外周部２６が突出支持部１５の先端よりも軸方向内方に延びて断面略Ｕ字状に形成され主放電部とされている。
一対の端子電極部材２１、２２は、長方形状の周縁部２７と、筒型セラミックス８の内側かつ軸方向に突出すると共に径方向内側面２８ａで円柱状セラミックス５を支持する突出支持部２８とを備えている。突出支持部２８に囲まれて円柱状セラミックス５の端部に対向する位置には中央領域２８ｂが形成されている。
円柱状セラミックス５の導電性被膜３は、一対のキャップ電極１８、２０の内周面で接触し、一対のキャップ電極１８、２０は、突出支持部２８の径方向内側面２８ａに接触して支持されている。

次に、以上の構成からなる本実施形態のサージアブソーバ２３の製造方法について説明する。
まず、一対の端子電極部材２１、２２を打ち抜き加工によって成形する。
その後、図６に示すように、一対のキャップ電極１８、２０の表面に、第１の実施形態と同様に通常の物理蒸着法又は化学蒸着法の装置によってチタン化合物であるＴｉＮを、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１として被覆させる。
そして、これら一対のキャップ電極１８、２０を円柱状セラミックス５の両端に圧入や嵌め合い等により係合させ、第1の実施形態と同様の方法でサージアブソーバ２３を製造する。

このサージアブソーバ２３によれば、一対のキャップ電極１８、２０の外周部２６付近で主放電が行われるが、これによって一対のキャップ電極１８、２０が主放電面を中心に高温とされても、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１が備えられているので、第１の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の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、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１としてＴｉＮとしているが、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）等の他のチタン化合物、或いは、導電性を有するセラミックスからなり、一層又は二層以上で形成されていればよい。
また、セラミックスコーティング膜１１は、物理蒸着法や化学蒸着法に限らず他の薄膜形成技術によって積層されても構わない。

さらに、円柱状セラミックス５の導電性被膜３は、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ合金、ＳｎＯ_２、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、ＳｉＣ、ＢａＡｌ、Ｃ、Ａｇ／Ｐｔ合金、ＩＴＯ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等からなり、一層又は二層以上で形成されていればよい。また、主放電電極部材は、ＣｕやＮｉ系の合金でもよい。
また、筒型セラミックス８両端面のメタライズ層８ａは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕでも良く、また、メタライズ層を用いず活性金属ロウ材だけで封止しても構わない。
封止ガスは、所望の電気特性を得るために組成を調整され、例えば、大気（空気）でもよく、Ａｒ、Ｎ_２、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｈ_２、ＳＦ_６、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＣＯ_２等、及びこれらの混合ガスでもよい。

上述した実施形態に係るサージアブソーバ２３と、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１のない従来のサージアブソーバとをそれぞれ基板等に実装して使用した際の寿命を比較した。
具体的には、図７に示す、８／２０−５０Ａのサージ電流を繰り返しサージアブソーバに所定の回数印加して、そのときのギャップ間での放電開始電圧（Ｖ）を測定した。結果を図８に示す。
従来のサージアブソーバは、サージ電流を繰り返し印加すると主放電電極部材の金属電極の金属成分が多く飛散し、それらの金属成分が比較的短時間でマイクロギャップに堆積するために、ギャップ間の放電開始電圧が低下して寿命に至る。
一方、本発明に係るサージアブソーバは、導電性を有するセラミックスコーティング膜１１によって主放電電極部材の電極成分の飛散が抑制されるため、マイクロギャップにおける金属成分の堆積が抑制されてギャップ間の放電開始電圧が安定していることがわかる。

本発明の第１の実施形態に係るサージアブソーバを示す軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るサージアブソーバの主放電電極部材を示す正面図である。 図２のＸ−Ｘにおける断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るサージアブソーバを基板上に実装したときを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るサージアブソーバを示す軸方向断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るサージアブソーバのキャップ電極を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るサージアブソーバと従来のサージアブソーバとの比較試験の条件を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るサージアブソーバと従来のサージアブソーバとに対しそれぞれの放電電圧と印加回数とを比較したグラフである。

符号の説明

１、２３ サージアブソーバ
２ 放電ギャップ
３ 導電性被膜
５ 円柱状セラミックス（絶縁性部材）
６、７、１６、１７ 主放電電極部材
８ 筒型セラミックス（絶縁性管）
１０、２５ 金属基体部
１１ セラミックスコーティング膜
１８、２０ キャップ電極（主放電電極部材

Claims (4)

1. 周面に中央の放電ギャップを介して導電性被膜が分割形成された柱状の絶縁性部材と、該絶縁性部材の両端に対向配置され前記導電性被膜に接触する一対の主放電電極部材と、前記一対の主放電電極部材を両端に配して前記絶縁性部材を内部に封止ガスと共に封止する絶縁性管とを備えたサージアブソーバであって、
   前記一対の主放電電極部材が、金属製の電極基体部と、
   少なくとも互いに対向する面の表面を覆い前記電極基体部よりも高融点の導電性を有するセラミックスコーティング膜とを備えていることを特徴とするサージアブソーバ。
2. 前記セラミックスコーティング膜が、チタン化合物であることを特徴とする請求項１に記載のサージアブソーバ。
3. 前記セラミックスコーティング膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、或いは炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）からなり、一層又は二層以上で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサージアブソーバ。
4. 前記セラミックスコーティング膜が、蒸着法によって形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載のサージアブソーバ。
   
   
   

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