JP2562045B2 - サージ吸収装置 - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
- H01C7/12—Overvoltage protection resistors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
- H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
- H02H9/06—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using spark-gap arresters
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T1/00—Details of spark gaps
- H01T1/16—Series resistor structurally associated with spark gap
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はサージ吸収装置に関し、さらに詳しくはマイ
クロギャップ式サージ吸収素子とバリスタとを電気的に
直列に接続してなるサージ吸収装置に関するものであ
る。
クロギャップ式サージ吸収素子とバリスタとを電気的に
直列に接続してなるサージ吸収装置に関するものであ
る。
［従来の技術］ ZnO系バリスタは電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性における
非直線性が極めて大きく、その電圧−電流特性をＩ＝kV
αで表わしたときの電圧非直線係数αは25〜50、さらに
50を越えるものもあって、優れた非直線性を示すところ
から、その特性を利用して従来サージ吸収等に使用され
ている。しかしながら、このようなZnO系バリスタは、
電圧が印加されると漏れ電流が生じ、常時電圧が印加さ
れたまま長時間使用に供されると、次第に電圧−電流特
性の劣化が進行し、ついには破壊に至って短絡状態を生
じ、熱暴走する危険がある。
非直線性が極めて大きく、その電圧−電流特性をＩ＝kV
αで表わしたときの電圧非直線係数αは25〜50、さらに
50を越えるものもあって、優れた非直線性を示すところ
から、その特性を利用して従来サージ吸収等に使用され
ている。しかしながら、このようなZnO系バリスタは、
電圧が印加されると漏れ電流が生じ、常時電圧が印加さ
れたまま長時間使用に供されると、次第に電圧−電流特
性の劣化が進行し、ついには破壊に至って短絡状態を生
じ、熱暴走する危険がある。
そこで、上記ZnO系バリスタ本来の優れたサージ応答
特性を保持しながら、前記漏れ電流の発生を最低限に抑
えてZnO系バリスタの劣化を防止し、ひいては前記の危
険を回避するために、ZnO系バリスタにマイクロギャッ
プ式サージ吸収素子を電気的に直列に接続してなるサー
ジ吸収装置が提案された（特開昭58−95933号公報参
照）。しかしながら、この装置では、電圧非直線係数α
の大きいZnO系バリスタを使用していたために、ライン
電圧よりも高いバリスタ電圧を示すZnO系バリスタが選
択されていた。
特性を保持しながら、前記漏れ電流の発生を最低限に抑
えてZnO系バリスタの劣化を防止し、ひいては前記の危
険を回避するために、ZnO系バリスタにマイクロギャッ
プ式サージ吸収素子を電気的に直列に接続してなるサー
ジ吸収装置が提案された（特開昭58−95933号公報参
照）。しかしながら、この装置では、電圧非直線係数α
の大きいZnO系バリスタを使用していたために、ライン
電圧よりも高いバリスタ電圧を示すZnO系バリスタが選
択されていた。
［従来技術の問題点］ このような従来のサージ吸収装置ではライン電圧より
も高いバリスタ電圧を示すZnO系バリスタを使用してい
たために、サージ吸収装置としての放電開始電圧および
サージ応答電圧が高くなり、それに伴なってサージ応答
速度も必然的に遅くなるところから、そのサージ吸収装
置の放電能力は小さく、したがって機器を保護するサー
ジ吸収装置の能力が十分でないという問題があった。
も高いバリスタ電圧を示すZnO系バリスタを使用してい
たために、サージ吸収装置としての放電開始電圧および
サージ応答電圧が高くなり、それに伴なってサージ応答
速度も必然的に遅くなるところから、そのサージ吸収装
置の放電能力は小さく、したがって機器を保護するサー
ジ吸収装置の能力が十分でないという問題があった。
しかしながら、この酸化亜鉛バリスタの優れた電圧非
直線性という特性は、捨て難く、サージ吸収素子用のバ
リスタとしての主流を占めるに至った。したがって電圧
非直線係数αの小さいバリスタについてはサージ吸収素
子用のバリスタとしての応用はこれまで考えられなかっ
た。
直線性という特性は、捨て難く、サージ吸収素子用のバ
リスタとしての主流を占めるに至った。したがって電圧
非直線係数αの小さいバリスタについてはサージ吸収素
子用のバリスタとしての応用はこれまで考えられなかっ
た。
［研究に基づく知見事項］ そこで本発明者等は、上述のような状況に鑑みて種々
研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
第１図のような等価回路で示されるマイクロギャップ
式サージ吸収素子２とバリスタ３とを電気的に直列に接
続してなるサージ吸収装置１において、そのバリスタ３
の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性図を表している第２図につ
いて考察すると、α＝1/log10（V10mA/V1mA）で表わさ
れるバリスタの電圧非直線係数αは第２図中の1mAから1
0mAに至るＶ−Ｉ曲線の勾配に相当しており、このαが
小さいバリスタのＶ−Ｉ曲線ａの勾配は、αが大きいバ
リスタのＶ−Ｉ曲線ｂ′の勾配よりも大きく（急に）な
っていることがわかる。
式サージ吸収素子２とバリスタ３とを電気的に直列に接
続してなるサージ吸収装置１において、そのバリスタ３
の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性図を表している第２図につ
いて考察すると、α＝1/log10（V10mA/V1mA）で表わさ
れるバリスタの電圧非直線係数αは第２図中の1mAから1
0mAに至るＶ−Ｉ曲線の勾配に相当しており、このαが
小さいバリスタのＶ−Ｉ曲線ａの勾配は、αが大きいバ
リスタのＶ−Ｉ曲線ｂ′の勾配よりも大きく（急に）な
っていることがわかる。
上記のようなサージ吸収装置１に組み込まれて使用さ
れるバリスタ３としては、マイクロギャップ式サージ吸
収素子の損傷を避けなければならないところから、当然
それに続流が発生しないようなバリスタ電圧（V1mA）を
示すバリスタを選定しなければならないが、そのために
はライン電圧VLとＶ−Ｉ曲線ｂ′とが交差する点のライ
ン電流ILがマイクロギャップ式サージ吸収素子２のアー
ク維持電流IAよりも小さく、すなわちIL〈IAでなければ
ならない。従来技術において使用されていたZnO系バリ
スタは、Ｖ−Ｉ曲線ｂのようにな特性を有するが、I
L〈IAであれば続流が発生しないことから、ZnO系バリス
タでもバリスタ電圧VOをVO′まで下げ、曲線ｂ′のよう
なＶ−Ｉ特性のものを使用することが可能である。さら
に、前記Ｖ−Ｉ曲線ｂ′よりも1mA〜10mA間で大きな勾
配を有するＶ−Ｉ曲線ａを示すバリスタ、すなわち前記
αの小さいバリスタについてみると、ライン電圧VLとＶ
−Ｉ曲線ａとが交差する点の電流IL′は、V1mA〜V10mA
間の電圧の変化が大きくなるため、ILよりも小さく、す
なわちIL′〈ILとなる。したがってＶ−Ｉ曲線ａを右側
へ平行移動させてＶ−Ｉ曲線ａ′となるまで、換言すれ
ばIL′がIL（IL′＝IL〈IA）となるまで、Ｖ−Ｉ曲線ａ
を示すバリスタのバリスタ電圧VO′をVO″まで低くする
ことが可能になる。
れるバリスタ３としては、マイクロギャップ式サージ吸
収素子の損傷を避けなければならないところから、当然
それに続流が発生しないようなバリスタ電圧（V1mA）を
示すバリスタを選定しなければならないが、そのために
はライン電圧VLとＶ−Ｉ曲線ｂ′とが交差する点のライ
ン電流ILがマイクロギャップ式サージ吸収素子２のアー
ク維持電流IAよりも小さく、すなわちIL〈IAでなければ
ならない。従来技術において使用されていたZnO系バリ
スタは、Ｖ−Ｉ曲線ｂのようにな特性を有するが、I
L〈IAであれば続流が発生しないことから、ZnO系バリス
タでもバリスタ電圧VOをVO′まで下げ、曲線ｂ′のよう
なＶ−Ｉ特性のものを使用することが可能である。さら
に、前記Ｖ−Ｉ曲線ｂ′よりも1mA〜10mA間で大きな勾
配を有するＶ−Ｉ曲線ａを示すバリスタ、すなわち前記
αの小さいバリスタについてみると、ライン電圧VLとＶ
−Ｉ曲線ａとが交差する点の電流IL′は、V1mA〜V10mA
間の電圧の変化が大きくなるため、ILよりも小さく、す
なわちIL′〈ILとなる。したがってＶ−Ｉ曲線ａを右側
へ平行移動させてＶ−Ｉ曲線ａ′となるまで、換言すれ
ばIL′がIL（IL′＝IL〈IA）となるまで、Ｖ−Ｉ曲線ａ
を示すバリスタのバリスタ電圧VO′をVO″まで低くする
ことが可能になる。
本発明者等は、以上の点に着目して、バリスタの基本
特性としては最大の欠点と考えられている電圧非直線係
数αの小さいバリスタを試行錯誤でサージ吸収素子の特
性向上を目的として試験した結果、バリスタ電圧がライ
ン電圧よりも小さく、かつ電圧非直線係数αが１〈α
〈20の範囲にあるバリスタを前記サージ吸収装置１のバ
リスタ３として組み込むと、前記従来のサージ吸収装置
よりも、放電開始電圧が低く、かつサージ応答電圧が低
く、その結果、サージ応答速度が速く、さらにサージ応
答後の残留電圧も低いサージ吸収装置、したがってサー
ジ吸収特性の優れたサージ吸収装置が得られること、 を見出した。
特性としては最大の欠点と考えられている電圧非直線係
数αの小さいバリスタを試行錯誤でサージ吸収素子の特
性向上を目的として試験した結果、バリスタ電圧がライ
ン電圧よりも小さく、かつ電圧非直線係数αが１〈α
〈20の範囲にあるバリスタを前記サージ吸収装置１のバ
リスタ３として組み込むと、前記従来のサージ吸収装置
よりも、放電開始電圧が低く、かつサージ応答電圧が低
く、その結果、サージ応答速度が速く、さらにサージ応
答後の残留電圧も低いサージ吸収装置、したがってサー
ジ吸収特性の優れたサージ吸収装置が得られること、 を見出した。
［発明の目的および発明の構成］ 本発明は、上記知見に基づいて発明されたもので、サ
ージ吸収特性の優れたサージ吸収装置を提供することを
目的とし、 マイクロギャップ式サージ吸収素子とバリスタとを電
気的に直列に接続してなるサージ吸収装置において、前
記バリスタのバリスタ電圧がライン電圧よりも小さく、
かつ前記バリスタの電圧非直線係数αが１〈α〈20の範
囲にあることを特等とする、前記サージ吸収装置、 に係わるものである。
ージ吸収特性の優れたサージ吸収装置を提供することを
目的とし、 マイクロギャップ式サージ吸収素子とバリスタとを電
気的に直列に接続してなるサージ吸収装置において、前
記バリスタのバリスタ電圧がライン電圧よりも小さく、
かつ前記バリスタの電圧非直線係数αが１〈α〈20の範
囲にあることを特等とする、前記サージ吸収装置、 に係わるものである。
［発明の具体的な説明］ 本発明において使用されるマイクロギャップ式サージ
吸収素子としては、本出願人の出願に係わる前記特開昭
58−95933号公報および特開昭55−128283号公報に開示
されている放電管であり、すなわち、この放電管は、絶
縁体表面に付着させた導電性薄膜に10〜100μｍのマイ
クロギャップを形成して、このマイクロギャップにより
前記薄膜を複数個に分割し、この分割された複数個の薄
膜片のうちの両端に位置する導通性薄膜片にそれぞれ電
極を固着するとともに、これらの電極にそれぞれ電線を
電気的に接続させ、そして前記電極間を絶縁性被覆材で
被覆し、その被覆材の中にAr、Ne等の不活性ガスを封入
してなるものである。この放電管をマイクロギャップ式
サージ吸収素子又はマイクロギャップサージアブザーバ
と呼んでおり、10〜100μｍのギャップ長からなるマイ
クロギャップによって放電を誘発し、主放電はマイクロ
ギャップにつながる電極端子間に形成されて、火花の遅
れが短い、静電容量が小さい、数kA級のサージ耐量があ
るという特性を有するもので、本発明のサージ吸収装置
に用いる場合には、この放電管の放電開始電圧は、その
放電管が組み込まれる回路の最大回路電圧よりも高くな
ければよく、その回路の種類、特性等に応じて適宜設定
される。
吸収素子としては、本出願人の出願に係わる前記特開昭
58−95933号公報および特開昭55−128283号公報に開示
されている放電管であり、すなわち、この放電管は、絶
縁体表面に付着させた導電性薄膜に10〜100μｍのマイ
クロギャップを形成して、このマイクロギャップにより
前記薄膜を複数個に分割し、この分割された複数個の薄
膜片のうちの両端に位置する導通性薄膜片にそれぞれ電
極を固着するとともに、これらの電極にそれぞれ電線を
電気的に接続させ、そして前記電極間を絶縁性被覆材で
被覆し、その被覆材の中にAr、Ne等の不活性ガスを封入
してなるものである。この放電管をマイクロギャップ式
サージ吸収素子又はマイクロギャップサージアブザーバ
と呼んでおり、10〜100μｍのギャップ長からなるマイ
クロギャップによって放電を誘発し、主放電はマイクロ
ギャップにつながる電極端子間に形成されて、火花の遅
れが短い、静電容量が小さい、数kA級のサージ耐量があ
るという特性を有するもので、本発明のサージ吸収装置
に用いる場合には、この放電管の放電開始電圧は、その
放電管が組み込まれる回路の最大回路電圧よりも高くな
ければよく、その回路の種類、特性等に応じて適宜設定
される。
例えば、10〜100μmncマイクロギャップを有し直流放
電開始電圧が220Vのガス入り放電管では、160Vでグロー
放電が起きる。
電開始電圧が220Vのガス入り放電管では、160Vでグロー
放電が起きる。
本発明において使用されるバリスタは、そのバリスタ
電圧がライン電圧よりも小さく、かつその電圧非直線係
数αが１〈α〈20の範囲にあればどのような種類のバリ
スタでも使用することができるが、好適にはTiO2系、Sr
TiO3系およびSnO2系のバリスタが使用され、また上記α
は通常５〜10であるのが好ましい。
電圧がライン電圧よりも小さく、かつその電圧非直線係
数αが１〈α〈20の範囲にあればどのような種類のバリ
スタでも使用することができるが、好適にはTiO2系、Sr
TiO3系およびSnO2系のバリスタが使用され、また上記α
は通常５〜10であるのが好ましい。
通常用いられるZnO系バリスタの電圧非直線係数
（α）が、α＞25で好ましい特性を有しているのに対し
て、本発明では、ZnO系バリスタのような高αではなく
低αのバリスタ、即ちZnO系バリスタ（α＞25）のαの
下限値である25より小さいバリスタ（α＜25を使用する
点で新規な構成を有し、かつ、放電開始電圧及びサージ
応答電圧を低くできるという効果が得られるが、サージ
吸収装置を製作するに当たっては、αの値は８〜10付近
が最も好ましい特性が得られるところ、下限値が１＜α
まで、また上限値がα＜20でも実用上許容し得る本発明
の効果を有する。
（α）が、α＞25で好ましい特性を有しているのに対し
て、本発明では、ZnO系バリスタのような高αではなく
低αのバリスタ、即ちZnO系バリスタ（α＞25）のαの
下限値である25より小さいバリスタ（α＜25を使用する
点で新規な構成を有し、かつ、放電開始電圧及びサージ
応答電圧を低くできるという効果が得られるが、サージ
吸収装置を製作するに当たっては、αの値は８〜10付近
が最も好ましい特性が得られるところ、下限値が１＜α
まで、また上限値がα＜20でも実用上許容し得る本発明
の効果を有する。
マイクロギャップ式サージ吸収素子とバリスタとを接
続するには、この両者が電気的に接続されればどのよう
な手段によってもよいが、かしめ、はんだ付け、基板に
よる配線等を利用するのが好都合である。
続するには、この両者が電気的に接続されればどのよう
な手段によってもよいが、かしめ、はんだ付け、基板に
よる配線等を利用するのが好都合である。
本発明のサージ吸収装置を組み立てるに当たっては、
全体が形状を安定させるため、一般に絶縁性のケースま
たは被覆材、あるいは熱収縮性チューブ等で被ったり、
あるいはそれらの被覆部材の内部にさらに充填材を充填
するのが好ましい。
全体が形状を安定させるため、一般に絶縁性のケースま
たは被覆材、あるいは熱収縮性チューブ等で被ったり、
あるいはそれらの被覆部材の内部にさらに充填材を充填
するのが好ましい。
本発明のサージ吸収装置は広範囲の電気的な装置およ
び機器の回収に組み込むことができ、特に電源ラインを
有する装置および機器のライン間、ライン−アース間に
おいて好都合に使用される。
び機器の回収に組み込むことができ、特に電源ラインを
有する装置および機器のライン間、ライン−アース間に
おいて好都合に使用される。
［実施例］ ついで、実施例を参照しながら本発明を説明する。
実施例１ 第３図の縦断面図で示されるような、かしめ６によっ
て互いに電気的に直列に接続されているサージ吸収素子
４とバリスタ５とを円筒状の絶縁性ベース７上に固定
し、そしてそのベース７の外側を熱収縮性チューブ８で
被覆した構造のサージ吸収装置に対してサージを印加し
て、実験を遂行した。
て互いに電気的に直列に接続されているサージ吸収素子
４とバリスタ５とを円筒状の絶縁性ベース７上に固定
し、そしてそのベース７の外側を熱収縮性チューブ８で
被覆した構造のサージ吸収装置に対してサージを印加し
て、実験を遂行した。
使用したバリスタはα＝10、バリスタ電圧＝20VのSrT
iO3系バリスタであり、また使用したサージ波形は（1.2
X50）μsec−5KVであった。
iO3系バリスタであり、また使用したサージ波形は（1.2
X50）μsec−5KVであった。
また比較のため、上記バリスタの代わりに、α＝60、
バリスタ電圧＝220VのZnO系バリスタを使用して、上記
と同様な実験を繰り返した。
バリスタ電圧＝220VのZnO系バリスタを使用して、上記
と同様な実験を繰り返した。
これらの実験の条件および結果をそれぞれ第１表およ
び第２表に示す。
び第２表に示す。
第２表に示された結果から、実施例１では比較例１と
比べて、放電開始電圧、サージ応答電圧およびサージ残
留電圧がいずれも著しく低減していることがわかる。
比べて、放電開始電圧、サージ応答電圧およびサージ残
留電圧がいずれも著しく低減していることがわかる。
実施例２ 第４図の縦断面図で示されているような、かしめ６に
よって互いに電気的に直列に接続されているサージ吸収
素子９とバリスタ10とを円筒状の絶縁ケース11内に収容
し、そしてそのケース11内に絶縁性充填材12を充填した
構造のサージ吸収装置について、実施例１と同様な実験
を遂行した。
よって互いに電気的に直列に接続されているサージ吸収
素子９とバリスタ10とを円筒状の絶縁ケース11内に収容
し、そしてそのケース11内に絶縁性充填材12を充填した
構造のサージ吸収装置について、実施例１と同様な実験
を遂行した。
使用したバリスタはα＝８、バリスタ電圧＝50VのTiO
2系バリスタであり、また比較のため、上記バリスタの
代りに、α＝70、バリスタ電圧＝470VのZnO系バリスタ
を使用して同様な実験を繰り返した。
2系バリスタであり、また比較のため、上記バリスタの
代りに、α＝70、バリスタ電圧＝470VのZnO系バリスタ
を使用して同様な実験を繰り返した。
これらの実験の条件および結果をそれぞれ第３表およ
び第４表に示す。
び第４表に示す。
第４表に示された結果から、実施例２では比較例２と
比べて、放電開始電圧、サージ応答電圧およびサージ残
留電圧がいずれも著しく低減していることがわかる。
比べて、放電開始電圧、サージ応答電圧およびサージ残
留電圧がいずれも著しく低減していることがわかる。
［発明の効果］ 以上述べた説明から明らかなように、本発明による
と、放電開始電圧、サージ応答電圧および残留電圧がい
ずれも低く、したがって応答速度が速い、サージ吸収能
力の優れたサージ吸収装置が提供される。
と、放電開始電圧、サージ応答電圧および残留電圧がい
ずれも低く、したがって応答速度が速い、サージ吸収能
力の優れたサージ吸収装置が提供される。
第１図は本発明の装置を示す等価回路図、第２図は本発
明装置の特性を説明するためのグラフ、そして第３図お
よび第４図はそれぞれ本発明の実施例において採用した
サージ吸収装置の縦断面図である。図において 2,4,9……マイクロギャップ式サージ吸収素子、3,5,10
……バリスタ、a,a′,b,b′……電圧−電流曲線。
明装置の特性を説明するためのグラフ、そして第３図お
よび第４図はそれぞれ本発明の実施例において採用した
サージ吸収装置の縦断面図である。図において 2,4,9……マイクロギャップ式サージ吸収素子、3,5,10
……バリスタ、a,a′,b,b′……電圧−電流曲線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猿渡 暢也 埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地 三菱鉱業セメント株式会社セラミックス 研究所内 (72)発明者 伊藤 隆明 埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地 三菱鉱業セメント株式会社セラミックス 工場内 (56)参考文献 特開 昭58−95933（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−174601（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−119834（ＪＰ，Ｕ) 「ズバリ！わかる半導体の応用と回 路」電子展望編、発行（株）誠文堂新光 社、（昭和45年８月第８版発行）Ｐ．44 〜49 静電気学会誌第６巻第６号（1982) Ｐ．11〜18
Claims (1)
- 【請求項１】マイクロギャップ式サージ吸収素子とバリ
スタとを電気的に直列に接続してなるサージ吸収装置に
おいて、前記バリスタのバリスタ電圧がライン電圧より
も小さく、かつ前記バリスタの電圧非直線係数αが１＜
α＜20の範囲にあり、しかも該バリスタがTiO2系バリス
タ、SrTiO3系バリスタおよびSnO2系バリスタの中から選
択されたものであることを特徴とするサージ吸収装置。
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Non-Patent Citations (2)
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| 「ズバリ！わかる半導体の応用と回路」電子展望編、発行（株）誠文堂新光社、（昭和４５年８月第８版発行）Ｐ．４４〜４９ |
| 静電気学会誌第６巻第６号（１９８２）Ｐ．１１〜１８ |
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