(57)【要約】【課題】  イオン源材料の膨れを抑制可能であり、高い付着力と結晶化度とを得ることができるサージ防護素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  絶縁性管２と、絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極３とを備え、一対の封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部５を有し、一対の突出電極部の対向面５ａに多孔質金属層８が設けられていると共に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で放電活性層９が多孔質金属層内に少なくとも一部が入り込んだ状態で多孔質金属層の表面に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性管と、
前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、
一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、
一対の前記突出電極部の対向面に多孔質金属層が設けられていると共に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が、前記多孔質金属層内に少なくとも一部が入り込んだ状態で前記多孔質金属層の表面に設けられていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項２】
請求項１に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属層が、タングステンで形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属層が、前記突出電極部の外周面にも設けられていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属層が、前記突出電極部に貼り付けられた多孔質金属板であることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項５】
請求項４に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属板が、発泡金属体で形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項６】
請求項４に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属板が、金属繊維を焼結した金属繊維焼結体で形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項７】
請求項４に記載のサージ防護素子において、
前記多孔質金属板が、金属粉末を焼結した焼結体であって内部に複数の空隙を有した金属粉末焼結体で形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のサージ防護素子を製造する方法であって、
前記突出電極部の対向面に前記多孔質金属層を形成する多孔質金属層形成工程と、
前記多孔質金属層の表面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、
前記放電活性層形成工程で、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を前記多孔質金属層に付着させる工程と、
前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有していることを特徴とするサージ防護素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１から３のいずれか一項に記載のサージ防護素子を製造する方法であって、
前記突出電極部の対向面に前記多孔質金属層を形成する多孔質金属層形成工程と、
前記多孔質金属層の表面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、
前記放電活性層形成工程で、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を前記多孔質金属層に付着させる工程と、
前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有し、
前記多孔質金属層形成工程で、前記突出電極部の対向面に金属溶湯を溶射して前記多孔質金属層を形成することを特徴とするサージ防護素子の製造方法。
【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防護素子及びその製造方法に関する。
【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、液晶テレビおよびプラズマテレビ等の画像表示駆動回路等、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、サージ防護素子が接続されている。
【０００３】
従来、例えば特許文献１に示すように、一対の封止電極から対向状態に突出した一対の突出電極部を備え、絶縁性管の内面に放電補助部が形成されたアレスタ型のサージ防護素子が記載されている。このサージ防護素子では、一対の突出電極部の対向面に略直方体状の多数の穴部が略マトリクス状に配置形成され、各穴部内面に、イオン源材料として五酸化バナジウム−酸化亜鉛−酸化バリウム−二酸化テルル系ガラスが含有された被膜が形成されている。
【０００４】
このイオン源材料は、放電電圧の制御と電極保護の目的のために突出電極部の対向面に設けられている。また、上記多数の穴部は、イオン源材料の保持と塗布の均一化とを得るための凹凸として形成されている。すなわち、イオン源材料を突出電極部の対向面に形成した凹凸に付着させ、アンカー効果を利用して脱落を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１５１０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、イオン源材料を突出電極部の対向面の凹凸に付着させているが、アーク耐性を向上させるために、さらに高い付着力でイオン源材料を形成することが要求されている。また、イオン源材料は、結晶化及び電極への付着力向上の目的で熱処理を施す必要があり、熱処理時にイオン源材料の塊が大きいほど、熱処理時に熱分解による脱水反応により蒸気等のガスが発生し、イオン源材料の膨れが生じる。この膨れの影響により、イオン源材料の密度が低下し、結晶化度が低下してしまう問題があった。このように結晶化度が低い場合、繰り返しサージによるイオン源材料の脱落や飛散、及びアーク放電に対する耐性を低下させる原因になっていた。また、熱処理時の温度を高く設定するほど結晶化度は向上するが、一度膨れてしまうと、密度が低下してイオン源材料の結晶化を阻害してしまう不都合があった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、イオン源材料の膨れを抑制可能であり、高い付着力と結晶化度とを得ることができるサージ防護素子及びその製造方法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】
【０００８】
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防護素子は、絶縁性管と、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極とを備え、一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、一対の前記突出電極部の対向面に多孔質金属層が設けられていると共に、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が、前記多孔質金属層内に少なくとも一部が入り込んだ状態で前記多孔質金属層の表面に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このサージ防護素子では、一対の突出電極部の対向面に多孔質金属層が設けられていると共に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が、多孔質金属層内に少なくとも一部が入り込んだ状態で多孔質金属層の表面に設けられているので、放電活性層が多孔質金属層中の空隙（気孔）に入り込んで従来より高い付着力が得られる。また、多孔質金属層に付着させたイオン源材料を熱処理して放電活性層を形成する際に、イオン源材料が多孔質金属層中の空隙内に均一的に微細分散しており、発生する蒸気等が空隙を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層の結晶化度が向上する。
【００１０】
第２の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、前記多孔質金属層が、タングステンで形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属層が、タングステンで形成されているので、高融点金属であるタングステンによってアーク耐性がさらに向上する。
【００１１】
第３の発明に係るサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、前記多孔質金属層が、前記突出電極部の外周面にも設けられていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属層が、突出電極部の外周面にも設けられているので、突出電極部の外周面が多孔質金属層で保護され、さらにアーク耐性が向上する。
【００１２】
第４の発明に係るサージ防護素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記多孔質金属層が、前記突出電極部に貼り付けられた多孔質金属板であることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属層が、突出電極部に貼り付けられた多孔質金属板であるので、多孔質金属板を別に作製して熱溶着やろう材等によって貼り付けるだけで容易に多孔質金属層を形成することができる。また、多孔質金属層の厚さや形状、及び空隙の気孔率等も任意に設定可能になる。
【００１３】
第５の発明に係るサージ防護素子は、第４の発明において、前記多孔質金属板が、発泡金属体で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属板が、発泡金属体で形成されているので、気孔を多数含んだ発泡金属体により高い気孔率の多孔質金属層が得られる。
【００１４】
第６の発明に係るサージ防護素子は、第４の発明において、前記多孔質金属板が、金属繊維を焼結した金属繊維焼結体で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属板が、金属繊維を焼結した金属繊維焼結体で形成されているので、金属繊維間に多数の空隙を有した緻密な多孔質金属層が得られる。
【００１５】
第７の発明に係るサージ防護素子は、第４の発明において、前記多孔質金属板が、金属粉末を焼結した焼結体であって内部に複数の空隙を有した金属粉末焼結体で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、多孔質金属板が、金属粉末を焼結した焼結体であって内部に複数の空隙を有した金属粉末焼結体で形成されているので、金属粉末間に多数の空隙を有した多孔質金属層が得られる。
【００１６】
第８の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１から第７の発明のいずれかのサージ防護素子を製造する方法であって、前記突出電極部の対向面に前記多孔質金属層を形成する多孔質金属層形成工程と、前記多孔質金属層の表面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、前記放電活性層形成工程で、イオン源材料を前記多孔質金属層に付着させる工程と、前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子の製造方法では、放電活性層形成工程で、イオン源材料を多孔質金属層に付着させる工程と、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を熱処理して放電活性層を形成する工程とを有しているので、イオン源材料が多孔質金属層中の空隙内に均一的に微細分散し、熱処理時に発生する蒸気等が空隙を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層の結晶化度が向上する。
【００１７】
第９の発明に係るサージ防護素子の製造方法は、第１から第３の発明のいずれかのサージ防護素子を製造する方法であって、前記突出電極部の対向面に前記多孔質金属層を形成する多孔質金属層形成工程と、前記多孔質金属層の表面に前記放電活性層を形成する放電活性層形成工程とを有し、前記放電活性層形成工程で、前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を前記多孔質金属層に付着させる工程と、前記イオン源材料を熱処理して前記放電活性層を形成する工程とを有し、前記多孔質金属層形成工程で、前記突出電極部の対向面に金属溶湯を溶射して前記多孔質金属層を形成することを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子の製造方法では、多孔質金属層形成工程で、突出電極部の対向面に金属溶湯を溶射して多孔質金属層を形成するので、溶射によって突出電極部の対向面に付着した金属内に多数の空隙（気孔）が生じることで、容易に多孔質金属層を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
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防護素子及びその製造方法によれば、一対の突出電極部の対向面に多孔質金属層が設けられると共に、封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層が、多孔質金属層内に少なくとも一部が入り込んだ状態で多孔質金属層の表面に設けられているので、放電活性層の高い付着力及び結晶化度が得られると共に、熱処理時の膨れの発生が抑制される。
したがって、本発明に係るサージ防護素子では、アーク放電に対する耐性が向上し、サージ耐量特性が向上すると共に安定した放電が可能になる。その結果、放電開始電圧の変動幅を小さくできると共に、電極損傷が低減でき、素子の高寿命化（作動可能なサージ印加数の増大）に寄与することができる。
特に、本発明に係るサージ防護素子は、大電流サージ耐性が要求されるインフラ用（鉄道関連、再生エネルギー関連（太陽電池、風力発電等））の電源及び通信設備に好適である。また、サージ耐量が向上しているため、素子の小型化も可能になり、小型電子機器及び実装基板への応用も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第１実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図２】第１実施形態において、要部を示す拡大断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第２実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図５】本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第３実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図６】本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第４実施形態を示す軸方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るサージ防護素子及びその製造方法の第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。
【００２１】
本実施形態のサージ防護素子１は、図１に示すように、絶縁性管２と、絶縁性管２の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極３とを備えている。
上記一対の封止電極３は、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部５を有している。
上記一対の突出電極部５の対向面５ａには、図２に示すように、多孔質金属層８が設けられていると共に、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層９が、多孔質金属層８内に少なくとも一部が入り込んだ状態で多孔質金属層８の表面に設けられている。すなわち、放電活性層９が、多孔質金属層８内の空隙に浸透した状態で形成されている。
【００２２】
上記多孔質金属層８は、例えばタングステンで形成されており、タングステンの金属溶湯を突出電極部５に溶射することによって形成されている。
また、多孔質金属層８は、突出電極部５の外周面にも設けられている。
なお、本実施形態のサージ防護素子１は、絶縁性管２の内周面にイオン源材料で形成された放電補助部４を備えている。
【００２３】
上記放電活性層９は、イオン源材料として、例えばＳｉ，Ｏを主成分元素とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいる。この放電活性層９は、例えばケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末を加えて前駆体を作製し、この前駆体を多孔質金属層８に塗布して付着させた後、前駆体に対してケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムが融解及び分解する温度以上の温度で熱処理を行うことで作製される。
なお、本実施形態では、放電活性層９を対向面５ａ上の多孔質金属層８における中央部に形成している。
【００２４】
上記放電補助部４は、導電性材料であって、例えば炭素材で形成された放電補助部である。
なお、本実施形態では、放電補助部４は、絶縁性管２の内周面に軸線Ｃに沿って直線状に形成されている。
また、図１では、放電補助部４を軸線Ｃに沿った１本のみ図示しているが、周方向に互いに間隔を空けて複数本形成しても構わない。
【００２５】
上記封止電極３は、例えば４２アロイ（Ｆｅ：５８ｗｔ％、Ｎｉ：４２ｗｔ％）やＣｕ等で構成されている。
封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により加熱処理によって密着状態に固定されている円板状のフランジ部７を有している。このフランジ部７の内側に、内方に突出していると共に絶縁性管２の内径よりも外径の小さな円柱状の突出電極部５が一体に設けられている。
【００２６】
上記絶縁性管２は、アルミナなどの結晶性セラミックス材である。なお、絶縁性管２は、鉛ガラス等のガラス管で形成しても構わない。
上記導電性融着材は、例えばＡｇを含むろう材としてＡｇ−Ｃｕろう材で形成されている。
上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、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。
【００２７】
上記多孔質金属層８は、多数の空隙（気孔）を有したポーラスな金属層であり、例えば空隙間隔が１００ｎｍ〜３００μｍとされる。また、多孔質金属層８の気孔率は、５０〜９８％とされる。
なお、上記気孔率が９８％を超えると、構造体強度が低くなり、サージ（アーク放電）により表面が破損し易くなる。
【００２８】
このサージ防護素子１を製造する方法は、突出電極部５の対向面５ａに多孔質金属層８を形成する多孔質金属層形成工程と、多孔質金属層８の表面に放電活性層９を形成する放電活性層形成工程とを有している。
上記放電活性層形成工程では、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料を含むイオン源材料を多孔質金属層８に付着させる工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性層９を形成する工程とを有している。
さらに、多孔質金属層形成工程において、突出電極部５の対向面５ａに金属溶湯を溶射して多孔質金属層８を形成する。なお、溶射は、プラズマ溶射が採用され、金属溶湯としては、タングステンの溶湯が用いられる。
【００２９】
このように作製したサージ防護素子１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず放電補助部４と突出電極部５又は多孔質金属層８との間で初期放電が行われ、この初期放電をきっかけに、さらに放電が進展して、一方の突出電極部５の対向面５ａの多孔質金属層８各所から他方の突出電極部５側へアーク放電が行われる。
【００３０】
このように本実施形態のサージ防護素子１では、一対の突出電極部５の対向面５ａに多孔質金属層８が設けられていると共に、封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層９が、多孔質金属層８内に少なくとも一部が入り込んだ状態で多孔質金属層８の表面に設けられているので、放電活性層９が多孔質金属層８中の空隙（気孔）に入り込んで従来より高い付着力が得られる。
【００３１】
特に、多孔質金属層８が、タングステンで形成されることで、高融点金属であるタングステンによってアーク耐性がさらに向上する。
また、多孔質金属層８が、突出電極部５の外周面にも設けられているので、突出電極部５の外周面が多孔質金属層８で保護され、さらにアーク耐性が向上する。
【００３２】
また、このサージ防護素子１の製造方法では、放電活性層形成工程で、イオン源材料を多孔質金属層８に付着させる工程と、イオン源材料を熱処理して放電活性層９を形成する工程とを有しているので、イオン源材料が多孔質金属層８中の空隙内に均一的に微細分散し、熱処理時に発生する蒸気等が空隙を介して外部に抜けるため、膨れの発生が抑制され、放電活性層９の結晶化度が向上する。
さらに、多孔質金属層形成工程で、突出電極部５の対向面５ａに金属溶湯を溶射して多孔質金属層８を形成するので、溶射によって突出電極部５の対向面５ａに付着した金属内に多数の空隙（気孔）が生じることで、容易に多孔質金属層８を得ることができる。
【００３３】
次に、本発明に係るサージ防護素子の第２及び第３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。
【００３４】
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、多孔質金属層８を金属溶湯を溶射して形成しているが、第２実施形態のサージ防護素子２１では、図４に示すように、多孔質金属層２８が、突出電極部５に貼り付けられた多孔質金属板である点である。また、この多孔質金属板は、発泡金属体で形成されている。
すなわち、第２実施形態では、タングステン等の発泡金属体で形成された多孔質金属板を熱溶着又はろう材で突出電極部５に接着して多孔質金属層２８としている。
なお、第２実施形態では、突出電極部５の外周面には、多孔質金属層２８を形成していない。
【００３５】
このように第２実施形態のサージ防護素子２１では、多孔質金属層２８が、突出電極部５に貼り付けられた多孔質金属板であるので、多孔質金属板を別に作製して熱溶着やろう材等によって貼り付けるだけで容易に多孔質金属層２８を形成することができる。また、多孔質金属層２８の厚さや形状、及び空隙の気孔率等も任意に設定可能になる。
特に、多孔質金属板が、発泡金属体で形成されているので、気孔を多数含んだ発泡金属体により高い気孔率の多孔質金属層２８が得られる。
【００３６】
次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、多孔質金属板が、発泡金属体で形成されているのに対し、第３実施形態のサージ防護素子３１では、図５に示すように、多孔質金属板が、金属繊維を焼結した金属繊維焼結体で形成されている点である。
すなわち、第３実施形態では、タングステン等の金属繊維を焼結した金属繊維焼結体を熱溶着又はろう材で突出電極部５に接着して多孔質金属層３８を形成している。
このように第３実施形態のサージ防護素子３１では、多孔質金属板が、金属繊維を焼結した金属繊維焼結体で形成されているので、金属繊維間に多数の空隙を有した緻密な多孔質金属層３８が得られる。
【００３７】
次に、第４実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、多孔質金属板が、発泡金属体で形成されているのに対し、第４実施形態のサージ防護素子４１では、図６に示すように、多孔質金属板が、金属粉末を焼結した焼結体であって内部に複数の空隙を有した金属粉末焼結体で形成されている点である。
すなわち、第４実施形態では、タングステン等の金属粉末を例えば気孔率が３０〜９０％となるように焼結した金属粉末焼結体を、熱溶着又はろう材で突出電極部５に接着して多孔質金属層４８を形成している。
このように第４実施形態のサージ防護素子４１では、多孔質金属板が、金属粉末を焼結した焼結体であって内部に複数の空隙を有した金属粉末焼結体で形成されているので、金属粉末間に多数の空隙を有した多孔質金属層４８が得られる。
【００３８】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態および上記各実施例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、上記各実施形態では、上述した液状のイオン源材料の前駆体を突出電極部の対向面に塗布して付着させているが、付着の方法としては、突出電極部の対向面をイオン源材料の前駆体に浸漬させることで、イオン源材料を前記対向面に付着させて構わない。
【符号の説明】
【００３９】
１，２１，３１，４１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極、４…放電補助部、５…突出電極部、５ａ…突出電極部の対向面、９…放電活性層、２８，３８，４８…多孔質金属層
【図１】
2018092754.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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