(57)【要約】【課題】電気特性を維持しながら、低コストで作製可能であり、ガラス管の熱衝撃に対する機械強度が改善された、コンパクトなサージアブソーバを提供すること。【解決手段】  ガラス管２と、ガラス管の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極３と、両端側に一対の封止電極を配してガラス管内に収納された碍子４と、一対の封止電極のうち少なくとも一方と碍子との間に介在された金属平板５とを備え、金属平板が、封止電極よりも硬度の低い金属で形成され、碍子の端部が、凸状に形成されていると共に金属平板にくい込んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス管と、
該ガラス管の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極と、
両端側に前記一対の封止電極を配して前記ガラス管内に収納された碍子と、
前記一対の封止電極のうち少なくとも一方と前記碍子との間に介在された金属平板とを備え、
前記金属平板が、前記封止電極よりも硬度の低い金属で形成され、
前記碍子の端部が、凸状に形成されていると共に前記金属平板にくい込んでいることを特徴とするサージアブソーバ。
【請求項２】
請求項１に記載のサージアブソーバにおいて、
前記ガラス管の中央部が、半径方向外側に膨らんでいることを特徴とするサージアブソーバ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のサージアブソーバにおいて、
前記封止電極が、少なくとも表面が銅で形成された電極部を有し、
前記金属平板が、銅板であることを特徴とするサージアブソーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
従来、応答性の良好なサージアブソーバとして、例えば特許文献１に記載されているように、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、導電性皮膜で被包した円柱状の絶縁性部材である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放電ガス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着された放電型サージアブソーバである。
【０００４】
また、特許文献２に記載されているように、中央部が膨らんだ構造をもつガラス管の内部にセラミックス素子を内包し、そのセラミックス素子の表面に導電性トリガ膜を形成した構造のサージアブソーバも考案されている。
これらのサージアブソーバに要求される機械特性に関連する項目として、サージ耐量と機械強度とが挙げられる。通常、サージ耐量とは、異常サージ電圧などによりサージアブソーバが放電した後に、サージアブソーバの放電開始電圧が異常を起こさない臨界電流値か、サージアブソーバが機械破壊に至る臨界電流値により定義されている。
【０００５】
特許文献３によると、後者の破壊現象は、サージ吸収による急速な加熱の際のセラミックス素体とガラス管との熱容量及び熱伝導性の差に起因して発生するとされている。これまで、この機械破壊の観点におけるサージ耐量を増大させるために、サージ吸収素子と封止電極との間に、ポリイミドの表面に導電材料を形成した材料による緩衝部材を導入すること（特許文献３参照）、また上記サージ吸収素子と封止電極との間に、融点２０００℃以上のＣｒ、Ｍｏ、Ｗ元素から構成される高融点金属単体または、これらの少なくとも２成分の合金からなる緩衝部材を導入することが考案されてきた（特許文献４参照）。これらの技術は、アーク放電の発熱により誘起されるサージ吸収素子の瞬間的な熱膨張変形を緩衝部材の弾性変形により緩和し、それによりサージアブソーバが破壊することを回避することを目的として考案されてきたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８２２１６号公報
【特許文献２】意匠登録第１４０８２１５号公報
【特許文献３】特許第４２６５２７７号公報
【特許文献４】特許第３６０１３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
サージアブソーバに要求される基本的な機械的特性として、上記の他に製造工程や実使用環境において重要である製品そのものの機械強度がある。サージアブソーバに用いられるガラス管の本質的な機械的性質は脆性であり、ガラス管の臨界破壊応力を超える引張応力が製品に印加されることにより、サージアブソーバのガラス部分が破壊する。また、このような機械応力や衝撃に関する原因のみならず、サージアブソーバ全体に対する熱衝撃により印加される応力によっても同様な機械破壊が生じうる。
一方、サージアブソーバはガラスが軟化する温度以上で製造されるが、サージアブソーバを構成する部材であるセラミックス素子とガラス管との熱膨張係数の差により、最終的に製造されたサージアブソーバのガラス管には残留引張応力が蓄積される。サージアブソーバ製品の熱衝撃に対する耐久性をさらに向上させるためには、製品のガラス管部において重畳する残留引張応力を緩和することが求められてきた。
【０００８】
以上に示したように、サージアブソーバにおいては、特許文献１に記載された構造に対して、従来、特許文献３及び４に示されるように、放電時のアーク電流に起因する瞬間的な発熱によって生じるガラス管の機械破壊への対策として、弾性変形を生じうる緩衝部材を導入する方法が提案されてきたが、現在までのところ、ガラス管封入の冷却過程でガラス管部に発生する残留応力を緩和するための方法はこれまで明確ではなかった。
この際、特許文献３、特許文献４のように放電管内部のセラミックス素子と封止電極との間に、金属製部材を挿入することにより、セラミックス素子とガラスとの熱膨張係数のミスマッチを改善する方法が考えられるが、この場合には、セラミックス素子よりも相当大きな熱膨張係数の部材の挿入、配置が必要になる。
【０００９】
これを目的とした従来の技術として、特許文献４などに記載されている金属キャップをセラミックス素子の先端に取り付けた構造や、特許文献４で考案されているＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属材料の熱膨張係数は、セラミックス素子として用いられるアルミナなどのセラミックス材料の熱膨張係数と同程度に小さく（Ｃｒ、４．９×１０−６／Ｋなど）、このような熱膨張係数のミスマッチを改善する用途の材料としては適していなかった。
また、市場から要求されるサージアブソーバ製品の一つの重要な特徴として、製品サイズの小型化がある。特許文献３及び４において、サージアブソーバの放電空間に挿入される部材が屈曲、湾曲構造を有しているが、これらの屈曲、湾曲構造は、サージアブソーバの長さを大きく増大させてしまい、小型化の市場要求に応えるには適していない構造であった。
【００１０】
さらに、これらの冷却過程において発生する残留応力を低下するための対策がとられる際には、対策コストが低いことが望ましいが、特許文献４で考案されているＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点材料は、部材コストが高いことと硬度が高いため加工コストが高く、これらの材料を用いることは製品コストの面で大きな問題があった。
また、これらの冷却過程において発生する残留応力を低下するための構造変更がとられる場合において、従来の構造のサージアブソーバの電気特性が維持されていることが好ましい。この際、特許文献３及び４のように、サージアブソーバの放電空間に、既存の構造にない特殊な材料が新たに配置されると、仕事関数が材料毎に異なるため、既存の構造と放電特性が異なったものとなってしまい、製品設計を困難なものとしていた。
【００１１】
放電管としての重要な性能因子である放電応答性に関して、特許文献２で報告されているような構造においては、丸まったセラミックス素子先端と平板封止電極との特徴的な接触構造を形成することで所望の電気的性能を実現しており、この構造において、キャップ電極を形成することは、電気特性発現の観点からは望ましい方法ではなかった。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、電気特性を維持しながら、低コストで作製可能であり、ガラス管の熱衝撃に対する機械強度が改善された、コンパクトなサージアブソーバを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、本発明のサージアブソーバは、ガラス管と、該ガラス管の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極と、両端側に前記一対の封止電極を配して前記ガラス管内に収納された碍子と、前記一対の封止電極のうち少なくとも一方と前記碍子との間に介在された金属平板とを備え、前記金属平板が、前記封止電極よりも硬度の低い金属で形成され、前記碍子の端部が、凸状に形成されていると共に前記金属平板にくい込んでいることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、このサージアブソーバでは、金属平板が、封止電極よりも硬度の低い金属で形成され、碍子の端部が、凸状に形成されていると共に金属平板にくい込んでいるので、碍子がしっかり固定されると共に、応力が碍子の端部に集中することで、碍子が柔らかい金属平板によりくい込み易くなって更なる応力緩和が可能になる。また、構造が簡易かつコンパクトであり、低コストで作製可能である。さらに、碍子の凸状に形成された端部の先端面と金属平板の平面との隙間で放電し易くなり、良好な放電特性を得ることができる。
したがって、碍子の組み込みずれが生じ難く、低コストかつコンパクトであると共に、ガラス管の機械強度が改善されて高い信頼性を得ることができる。
【００１５】
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、前記ガラス管の中央部が、半径方向外側に膨らんで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、中央部が半径方向外側に膨らんでいるガラス管を採用する場合に、上記のくい込み効果が特に有効である。このようなガラス管では、内圧で外周が広がって湾曲しているために単なる円筒状のガラス管に比べて強く応力が内在し、強く生じている歪みを、碍子がくい込んだ金属平板で緩和することができる。
【００１６】
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、前記封止電極が、銅で形成された電極部を有し、前記金属平板が、銅板であ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、封止電極が、銅で形成された電極部を有し、金属平板が、銅板であるので、同じ金属材料により、金属平板がない場合と同様の電気特性が得られると共に、金属平板がＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどの材料に比べて柔らかく、碍子の端部がよりくい込み易い。
【発明の効果】
【００１７】
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、金属平板が、封止電極よりも硬度の低い金属で形成され、碍子の端部が、凸状に形成されていると共に金属平板にくい込んでいるので、碍子の組み込みずれが生じ難く、低コストかつコンパクトであると共に、ガラス管の熱衝撃に対する機械強度が改善されて高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るサージアブソーバの一実施形態を示す正面図である。
【図２】本実施形態において、サージアブソーバを示す斜視図である。
【図３】本実施形態において、くい込み部分を示す碍子の面に沿った方向（ａ）及び該方向に直交する方向（ｂ）の拡大断面図である。
【図４】本実施形態において、くい込み部分の凹部を示す金属平板の平面図である。
【図５】本発明に係るサージアブソーバの実施例（金属平板（Ｃｕ平板入り構造））と、従来例（標準構造）との熱衝撃破壊確率を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るサージアブソーバの一実施形態を、図１から図４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。
【００２０】
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、ガラス管２と、該ガラス管２の両端開口部を閉塞して内部に放電ガスを封止する一対の封止電極３と、両端側に一対の封止電極３を配してガラス管２内に収納された板状の碍子４と、一対の封止電極３のうち一方と碍子４との間に介在された金属平板５とを備えている。
【００２１】
上記封止電極３は、少なくとも表面が銅で形成された円柱状の電極部３ａと、該電極部３ａに一端が埋め込まれたリード線７と、で構成されたスラグリードである。この封止電極３は、ガラス管２に電極部３ａが嵌め込まれて加熱処理によって融着されて密着状態に固定されている。なお、本実施形態では、上記電極部３ａは表面がＣｕ薄膜で覆われたニッケル合金で形成されている。
上記ガラス管２内に封入される放電ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ６，ＣＯ２，Ｃ３Ｆ８，Ｃ２Ｆ６，ＣＦ４，Ｈ２，大気等及びこれらの混合ガスが採用される。
【００２２】
上記碍子４は、アルミナ、ムライト、コランダムムライト等のセラミックス材料で薄板状に形成されている。なお、本実施形態の碍子４は、アルミナで形成されている。
この碍子４の端部４ａは、凸状に形成されていると共に、一方の端部４ａが金属平板５の中央部にくい込んでいる。
上記ガラス管２は、鉛ガラス等で略円筒状に形成され、中央部が、半径方向外側に膨らんでいる。
【００２３】
この碍子４の端部４ａは、ガラス管２の端部の内径と略同じ幅とされていると共に中間部４ｂの幅がガラス管２の端部の内径よりも狭く設定されている。すなわち、碍子４の中間部４ｂが絞られている。
なお、碍子４の端部４ａの幅は、ガラス管２の内径と公差０．１ｍｍの範囲内で同一として設定している。
【００２４】
また、碍子４の端部４ａには、ガラス管２の内面に当接すると共にガラス管２の軸方向の断面形状が凸状とされた接触部４ｃが形成されている。この接触部４ｃは、接触面が球面形状とされている。
さらに、碍子４の表裏面の中間部には、カーボン等の導電性材料で形成されたトリガ部６が設けられている。このトリガ部６は、必要に応じて形成される。
【００２５】
封止電極３はジュメット材料から作られており、封止電極３表面のＣｕ薄膜の厚みは１μｍ以下であり、ニッケル合金の性質によってマクロな熱機械的特性が決定される。なお、この封止電極３のみを用いてサージアブソーバを作製した従来の場合には、セラミックス素子である碍子４と封止電極３とが接触する箇所において、封止電極３表面における変形は製造過程において発生しない。
【００２６】
上記金属平板５は、封止電極３よりも硬度の低い金属で円板状に形成されている。
すなわち、封止電極３の電極部３ａはＣｕ薄膜で被覆されたニッケル合金であり、金属平板５は、放電特性の維持、材料の柔軟性、及び熱膨張係数の観点から、Ｃｕで構成されることが望ましい。
このように金属平板５は、銅板が好ましいが、材料の柔軟性の観点からはセラミックス素子である碍子４が接触することで変形が起こりやすい金属であれば、アルミニウムなどでも構わない。
【００２７】
金属平板５の直径は、電極部３ａの直径より小さく、かつ電極部３ａの半径より大とし、ガラス管２との接触を抑制しつつ、碍子４と電極部３ａの間に必ず位置するように配置することが重要である。この金属平板５の直径は、電極部３ａの直径に対して０．５から０．９５の比率に設定されることが好ましい。なお、本実施形態では、直径２．５ｍｍの電極部３ａに対して、直径２ｍｍの金属平板５を使用している。
また、金属平板５の厚みは、残留応力の緩和を実現しつつ、サージアブソーバの構造を大きく変えないために、０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以内とすることが好ましい。０．４ｍｍ以上の厚みになると、サイズを増大させるだけでなく、サージアブソーバ１のガラス管−封止電極接合部が小さくなり、接合信頼性の観点から好ましくない。
【００２８】
次に、このサージアブソーバ１の製造方法について説明する。
【００２９】
まず、放電ガス雰囲気中において、ガラス管２の下端開口部に一方の封止電極３を嵌め込んで閉塞した状態で、ガラス管２の上端開口部からガラス管２内に金属平板５と碍子４とをこの順で振り込んで収納する。このとき、碍子４の端部４ａがガラス管２の内径と同じ幅に設定されているので、端部４ａがガラス管２の内面に当接して位置決めされ、ガラス管２内の中央に自立状態に収納される。
さらに、ガラス管２の上端開口部を他方の封止電極３で閉塞し、ガラス管２の両端開口部をそれぞれ封止電極３で閉塞して放電ガスを内部に封止して組み立て状態とする。
【００３０】
次に、図１の（ｂ）に示すように、上記組み立て状態のままでガラス管２の軟化点以上に加熱してガラス管２を軟化状態とすると共にガラス管２の内圧よりも外圧を低くして軟化したガラス管２の中間部４ｂを外側に膨出させる。すなわち、ガラス管２の外部を減圧することで負圧状態を作り出し、このガラス管２の内部と外部との圧力差によって軟化状態のガラス管２を半径方向外方に膨らんだ状態とする。
【００３１】
なお、上記膨出工程の際、碍子４の中間部４ｂが絞られているので、中間部４ｂがガラス管２の内面に接触しておらず、ガラス管２の膨出を妨げない。
この後、冷却することで、中間部４ｂが膨出した状態で硬化されると共に封止電極３がガラス管２の両端部に融着されてサージアブソーバ１が作製される。なお、このとき碍子４の端部４ａが、柔らかい金属平板５にくい込んで固定され、金属平板５の表面中央部には凹部５ａが形成される。
【００３２】
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、まず碍子４のトリガ部７と封止電極３との間でトリガ放電が行われ、このトリガ放電をきっかけに、さらに放電が進展して一対の封止電極３間で放電が行われることでサージが吸収される。
【００３３】
このように本実施形態のサージアブソーバ１では、金属平板５が、封止電極３よりも硬度の低い金属で形成され、碍子４の端部４ａが、凸状に形成されていると共に金属平板５にくい込んでいるので、碍子４がしっかり固定されると共に、応力が碍子４の端部４ａに集中することで、碍子４が柔らかい金属平板５によりくい込み易くなって更なる応力緩和が可能になる。また、構造が簡易かつコンパクトであり、低コストで作製可能である。さらに、碍子４の凸状に形成された端部４ａの先端面と金属平板５の平面との隙間で放電し易くなり、良好な放電特性を得ることができる。
【００３４】
上記収縮応力により発生する金属平板５の表面における変形量は、１０μｍから１００μｍの範囲で実現され、製造冷却過程において発生するこの変形と熱収縮とにより、ガラス管２に発生する応力を大きく緩和する。従来の封止電極の表面には、最表面が１μｍ程度のＣｕ薄膜で覆われているものがあるが、その電極母材にはニッケル合金が用いられており、硬い性質のため、収縮応力により変形を引き起こすのは困難であり、このような金属平板５へのくい込み効果が得られない。
【００３５】
また、中央部が半径方向外側に膨らんでいるガラス管２を採用した場合に、上記のくい込み効果が特に有効である。このようなガラス管２では、内圧で外周が広がって湾曲しているために単なる円筒状のガラス管に比べて強く応力が内在し、強く生じている歪みを、碍子４がくい込んだ金属平板５で緩和することができる。
【００３６】
さらに、封止電極３が、銅で形成された電極部３ａを有し、金属平板５が、銅板であるので、同じ金属材料により、金属平板５がない場合と同様の電気特性が得られると共に、金属平板５がＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどの材料に比べて柔らかく、碍子４の端部４ａがよりくい込み易い。
すなわち、サージアブソーバの放電特性は、電極の材質の影響を受ける場合があり、サージアブソーバの封止電極３として用いられていない異種の材料をガラス管２内部に内包された従来技術の場合、放電特性の変化が起こりえる。本実施形態における金属平板５の材質は、封止電極３（電極部３ａ）の表面と同じ材質であるので、サージアブソーバの放電特性を変えることなく、この残留応力を低減することが可能になる。すなわち、製品の電気的性能を維持したまま、機械的な信頼性を向上することが実現される。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明に係るサージアブソーバを、上記実施形態に基づいて実際に作製した実施例により評価した結果を具体的に説明する。
【００３８】
本発明の実施例のサージアブソーバとしては、封止電極（電極部）の直径が２．５ｍｍであり、直径２ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＣｕ平板を金属平板として片側に挿入したものを、５３０個作製した。
これらの実施例の各試料について、熱衝撃破壊試験を行い、熱衝撃破壊確率を算出した。その結果を図５に示す。
【００３９】
なお、比較のために、金属平板を入れていない従来例（標準構造）についても同様に５３０個作製し、熱衝撃破壊試験を行い、熱衝撃破壊確率を算出した結果を、図５に併せて示す。
上記熱衝撃破壊試験としては、恒温槽で全ての試料を一度に、１４０℃、３０分の条件で加熱し、各５３０個の試料全てを、２０℃で保持された水の中に全て同時に投入して、温度差１２０℃の熱衝撃による応力を印加した。
また、破壊した試料と破壊しなかった試料との個数をカウントし、熱衝撃破壊確率を以下の式において算出した。
熱衝撃破壊確率（％）＝破壊試料個数／評価試料数×１００
【００４０】
これらの試験結果から、本発明の実施例では、金属平板の無い従来例に比べて熱衝撃破壊確率が大幅に減少していることがわかる。すなわち、同じ熱衝撃条件にも関わらず、従来例では２５％以上の試料が機械破壊を生じたのに対し、本発明の実施例では、約１０％の試料の破壊に留まった。この事実は、Ｃｕの金属平板の挿入により、サージアブソーバのガラス管の熱衝撃に対する機械強度が、飛躍的に高まったことを示している。
なお、サージアブソーバの製造過程において、本発明の実施例では、碍子が接触する金属平板上に、深さ１０から１００μｍの変形（凹部）が生じていたが、金属平板が無い従来の電極表面にはこのような変形は生じていなかった。
【００４１】
次に、従来例（標準構造）と本発明の実施例とについて、各１０試料で各試料１０回（合計１００回）の放電開始電圧の測定による電気特性の比較を行った。その結果、従来例の放電開始電圧の平均値が約４６８０Ｖであるの対して、Ｃｕの金属平板入りの実施例では平均値が約４５４０Ｖとなり、両者の違いはほぼ無いことが実験的に確認された。
【００４２】
なお、本発明の技術範囲は上記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。
【符号の説明】
【００４３】
１…サージアブソーバ、２…ガラス管、３…封止電極、４…碍子、４ａ…碍子の端部、５…金属平板、５ａ…凹部、７…トリガ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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