(57)【要約】【課題】放電開始電圧の低下を図ることができる放電トリガ膜を有する放電管及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  セラミックス製筒体２と、セラミックス製筒体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、セラミックス製筒体の内面の一部に、放電トリガ膜４が形成されており、放電トリガ膜が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいる。上記ハロゲン化アルカリ金属化合物としては、例えばＣｓＢｒ又はＣｓＦが採用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製筒体と、
前記セラミックス製筒体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、
前記セラミックス製筒体の内面の一部に、放電トリガ膜が形成されており、
前記放電トリガ膜が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいることを特徴とする放電管。
【請求項２】
請求項１に記載の放電管において、
前記ハロゲン化アルカリ金属化合物が、ＣｓＢｒ又はＣｓＦであることを特徴とする放電管。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放電管において、
前記カーボン材料が、カーボンナノチューブを含んでいることを特徴とする放電管。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の放電管を製造する方法であって、
カーボン材料の粉末を水中に分散させたカーボン分散水にハロゲン化アルカリ金属化合物を溶解させてハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水とする工程と、
前記セラミックス製筒体の内面の一部に、前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させる工程と、
付着させた前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させて前記放電トリガ膜を形成する工程とを有していることを特徴とする放電管の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の放電管の製造方法において、
前記セラミックス製筒体と前記一対の封止電極とを封止材により接合させて前記放電制御ガスを内部に封入する際の加熱により、前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させることを特徴とする放電管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐためのサージアブソーバや、着火プラグ点灯用のスイッチングスパークギャップとして使用する放電管及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電管は、例えば雷サージや静電気などの過電圧の侵入により電子機器などが故障することを防ぐために用いるサージアブソーバであるガスアレスタ、高圧放電ランプや着火プラグ用のスイッチングスパークギャップとしても採用されている。
【０００３】
このような雷サージ対策部品やスイッチングスパークギャップとしての放電管において、特に繰り返し放電に対する動作電圧の安定性が要求される。従来、セラミックス製チューブを二つの金属電極で封じたガスアレスタやスイッチングスパークギャップにおいては、放電電圧の安定性向上のために、放電電極表面の電子放出材料の塗布したもの（特許文献１参照）や、放電トリガ膜としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料を応用したもの（特許文献２参照）が報告されている。
【０００４】
また、ガスアレスタ型放電管の電気特性は、放電トリガ膜の特性に影響を受けるが、この放電トリガ膜としては、通常カーボン系材料が用いられている。このような放電トリガ膜の形成プロセスに関して、従来、棒状のカーボン固体をセラミックス容器側壁に擦り付ける方法が開示されている（特許文献２参照）。また、特許文献２においては、放電トリガ膜をＣＮＴとアモルファスカーボンとの焼結体にシリコンオイルを含浸させてなるカーボン材料とした放電管が開示されている。また、特許文献３においては、ＣＮＴを含む導電性ペーストを焼成させて形成されたトリガ電極膜が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１２５２６８号公報
【特許文献２】特許第４３３８４６６号公報
【特許文献３】特許第４０６６７０４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。
一般に、放電管の放電開始電圧（Ｖｓ）は、下記Ｐａｓｃｈｅｎの法則の式に従って、放電ギャップ（ｄ）、ガス種、混合ガス組成及びガス圧力（ｐ）に依存することが知られている。
Ｖｓ＝Ａｐｄ／（Ｂ＋ｌｎ（ｐｄ））
（Ａ，Ｂは定数）
上記法則によると、ある放電開始電圧を実現するためには、上記因子を制御する必要があり、封入ガスの組成、圧力以外に、金属電極間のギャップ、中空セラミックス容器のサイズを適宜選択することが必要となる。一方、放電電圧の変化幅を広げるためには、これらの因子に従うことによる限界があった。したがって、製品の放電電圧設計の幅を広げるため、特に放電電圧を低下させるため、これら以外の制御因子を用いて放電開始電圧の制御を行うことが求められている。例えば、放電トリガ膜を用いて放電開始電圧の低下を行うことが考えられる。しかしながら、従来の上記特許文献に記載の放電トリガ膜では放電電圧の低下を図ることが困難であった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、放電開始電圧の低下を図ることができる放電トリガ膜を有する放電管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の発明に係る放電管は、セラミックス製筒体と、前記セラミックス製筒体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、前記セラミックス製筒体の内面の一部に、放電トリガ膜が形成されており、前記放電トリガ膜が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいることを特徴とする。
この放電管では、放電トリガ膜が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいるので、仕事関数が低く電子放出能が高いハロゲン化アルカリ金属化合物によって放電開始電圧を大幅に下げることができる。
【０００９】
第２の発明に係る放電管は、第１の発明において、前記ハロゲン化アルカリ金属化合物が、ＣｓＢｒ又はＣｓＦであることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明に係る放電管は、第１又は第２の発明において、前記カーボン材料が、カーボンナノチューブを含んでいることを特徴とする。
すなわち、この放電管では、カーボン材料が、カーボンナノチューブを含んでいるので、電子放出特性に優れたカーボンナノチューブによって、高い放電特性を得ることができる。
【００１１】
第４の発明に係る放電管の製造方法は、第１から第３の発明のいずれかの放電管を製造する方法であって、カーボン材料の粉末を水中に分散させたカーボン分散水にハロゲン化アルカリ金属化合物を溶解させてハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水とする工程と、前記セラミックス製筒体の内面の一部に、前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させる工程と、付着させた前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させて前記放電トリガ膜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、この放電管の製造方法では、セラミックス製筒体の内面の一部に、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させた後に水分を蒸発させて放電トリガ膜を形成するので、水分が蒸発する過程でカーボン材料の粉末が凝集すると共にセラミックス製筒体の内面の微細凹凸に沿って連続して付着することで、膜を得ることができる。なお、ハロゲン化アルカリ金属化合物は、カーボン分散水に溶け易く、安定した膜質の放電トリガ膜を得ることができる。
【００１２】
第５の発明に係る放電管の製造方法は、第４の発明において、前記セラミックス製筒体と前記一対の封止電極とを封止材により接合させて前記放電制御ガスを内部に封入する際の加熱により、前記ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させることを特徴とする。
すなわち、この放電管の製造方法では、セラミックス製筒体と一対の封止電極とを封止材により接合させて放電制御ガスを内部に封入する際の加熱により、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させるので、水分蒸発のための別工程が不要になり、工程数の削減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る放電管によれば、放電トリガ膜が、カーボン材料とＣｓＢｒやＣｓＦ等のハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいるので、放電開始電圧を大幅に下げることができる。したがって、従来の制御因子（封入ガスの組成等）以外で、放電トリガ膜を制御因子として放電開始電圧の制御が可能になる。
また、本発明に係る放電管の製造方法によれば、セラミックス製筒体の内面の一部に、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させた後に水分を蒸発させて放電トリガ膜を形成するので、水分が蒸発する過程でカーボン材料の粉末が凝集すると共にセラミックス製筒体の内面の微細凹凸に沿って連続して付着することで、膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る放電管及びその製造方法の一実施形態において、放電管を示す断面図である。
【図２】本発明に係る放電管及びその製造方法の実施例において、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例において、ＣｓＢｒ又はＣｓＦを添加した際のＣｓ量と放電開始電圧（Ｖｓ）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る放電管及びその製造方法の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００１６】
本実施形態の放電管１は、図１に示すように、セラミックス製筒体２と、セラミックス製筒体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。
上記セラミックス製筒体２の内面の一部には、放電トリガ膜４が形成されており、この放電トリガ膜４が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでいる。
また、この放電トリガ膜４は、セラミックス製筒体２の内面の微細凹凸を埋めて連続した膜である。
上記カーボン材料は、カーボンナノチューブが好ましく、上記ハロゲン化アルカリ金属化合物は、例えばＣｓＢｒ又はＣｓＦである。
【００１７】
上記セラミックス製筒体２は、円筒状のアルミナ等で形成された絶縁性管である。なお、セラミックス製筒体２は、アルミナなどの結晶性セラミックス材が好ましい。また、上記セラミックス製筒体２内面の微細凹凸は、サブミクロンから数ミクロンレベルの凹凸である。
上記一対の封止電極３は、内側に突出した凸状部３ａを有するＣｕ等の凸型金属部材であり、互いに対向した凸状部３ａ間が放電ギャップを形成している。この放電ギャップの間隔は、約１ｍｍである。
【００１８】
また、これらの封止電極３は、ロウ材等の封止材３ｂによりセラミックス製筒体２に接合され封着されている。
上記放電制御ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、ＳＦ６、Ｎ２、ＣＯ２、Ｃ３Ｆ８、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ４、Ｈ２及びこれらの混合ガス等の不活性ガスである。
【００１９】
上記放電トリガ膜４は、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水（具体的には、カーボン材料としてカーボンナノチューブの粉末を水中に分散させたカーボン分散水に、ＣｓＢｒ又はＣｓＦ等のハロゲン化アルカリ金属化合物を溶解させたもの）をセラミックス製筒体２の内面の中間部分に付着させ、このハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させて形成させたものである。この放電トリガ膜４は、セラミックス製筒体２の内面に１つ又は複数形成されている。
【００２０】
この本実施形態の放電管１の製造方法は、カーボン材料の粉末を水中に分散させたカーボン分散水にハロゲン化アルカリ金属化合物を溶解させてハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水とする工程と、セラミックス製筒体２の内面の一部にハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させる工程と、付着させたハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させて放電トリガ膜４を形成する工程とを有している。
また、セラミックス製筒体２と一対の封止電極３とを封止材３ｂにより接合させて放電制御ガスを内部に封入する際の加熱により、カーボン分散水の水分を蒸発させている。
【００２１】
この放電管１の製造方法について、より具体的な製造例で説明すると、まず、カーボンナノチューブの粉末を水中に分散させたカーボン分散水を用意し、このカーボン分散水にＣｓＢｒ又はＣｓＦ等のハロゲン化アルカリ金属化合物を溶解させる。すなわち、所定量のハロゲン化アルカリ化合物を直接カーボン分散水に加えた後、カーボン分散水を撹拌することでハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を調製することができる。または、所定量のハロゲン化アルカリ化合物を溶解した水溶液を調製した後、これらのハロゲン化アルカリ化合物水溶液とカーボン分散水とを撹拌することにより、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を調製することができる。
次に、このハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水をセラミックス製筒体２の内面の所定領域に付着させて描画する。この際の描画方法としては、例えば描画するためのロッドを用い、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水をロッド先端に付けてセラミックス製筒体２の内面の所定領域にロッド先端を接触させることで描画する。
【００２２】
また、他の描画方法としては、スタンプ法、マスク印刷法、インクジェット法などの様々な方法が採用可能である。なお、上記マスク印刷法を用いた場合、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水をマスクによって選択的に付着させて膜をパターン形成させることが可能であり、様々な形状を付与させることができる。
本実施形態では、酸化物セラミックスと濡れ性の良いカーボン分散水を用いているので、描画したハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水は、セラミックス表面の微細な凹凸を埋めるように水と共にカーボン粉末が侵入する。
【００２３】
次に、上記カーボン分散水を描画したセラミックス製筒体２内の空気を、所定の放電制御ガス（例えば、Ａｒ）で置換した後に、セラミックス製筒体２の両端開口部に、封止材３ｂとしてロウ材を用いて一対の封止電極３を加熱処理により密着固定する。この加熱処理の際、ロウ材を溶融させるために８００℃以上に加熱し、同時にハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させる。加熱により水分が蒸発する過程で、含有するカーボン粉末が凝集し、セラミックス表面の微細凹凸に沿って連続した放電トリガ膜４となる。このように、ガス封入時の加熱処理によって、ハロゲン化アルカリ金属化合物及びカーボン以外の水分が容易に揮発することで、ハロゲン化アルカリ金属化合物及びカーボンの電子放出特性を阻害する残留物を十分に低減することが可能である。また、カーボンの高い分散性を持つ液体の状態でセラミックス表面に塗布するので、バインダーを用いないで済む。
【００２４】
従来のカーボン固体を擦り付ける方法では、擦り付けたカーボン膜表面の凹凸が大きく、緻密性に欠けると共に不連続部分が多く、機械的又は電気的な衝撃によりカーボンの飛散が生じ、繰り返しの放電特性が不安定になる。これに対して、本実施形態では、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の描画によって微細凹凸を埋めた連続膜を得ることができるので、繰り返し放電時の放電特性が安定すると共に、従来品よりも単位面積当たりのカーボン量が多く、特性の維持に有効である。
【００２５】
このように本実施形態の放電管１では、放電トリガ膜４が、カーボン材料とハロゲン化アルカリ金属化合物とを含んでおり、ハロゲン化セシウム金属化合物が放電トリガ膜４に選択的に存在するので、仕事関数が低く電子放出能が高いハロゲン化アルカリ金属化合物によって放電開始電圧を大幅に下げることができる。
特に、カーボン材料が、カーボンナノチューブを含んでいるので、電子放出特性に優れたカーボンナノチューブによって、高い放電特性を得ることができる。
【００２６】
また、セラミックス製筒体２の内面の一部に、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を付着させた後に水分を蒸発させて放電トリガ膜４を形成するので、水分が蒸発する過程でカーボン材料の粉末が凝集すると共にセラミックス製筒体２の内面の微細凹凸に沿って連続して付着することで、連続膜を得ることができる。なお、ハロゲン化アルカリ金属化合物は、カーボン分散水に溶け易く、安定した膜質の放電トリガ膜４を得ることができる。したがって、連続膜である放電トリガ膜４によって、放電管内部における高い電流を伴う繰り返しアーク放電に対しても、安定した放電特性を得ることができる。
さらに、セラミックス製筒体２と一対の封止電極３とを封止材３ｂにより接合させて放電制御ガスを内部に封入する際の加熱により、ハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水の水分を蒸発させるので、水分蒸発のための別工程が不要になり、工程数の削減を図ることができる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明に係る放電管及びその製造方法を、上記実施形態に基づいて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。
【００２８】
ハロゲン化アルカリ金属化合物としてＣｓＢｒを用いると共にカーボン材料としてカーボンナノチューブを用いたカーボン分散水でハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を作製し、このハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を用いて放電トリガ膜を形成した本発明の実施例について、放電トリガ膜に対してＸ線回折を行った際のＸＲＤプロファイルを図２に示す。なお、この実施例における添加したＣｓ量は０．６ａｔ％である。このグラフからわかるように、放電トリガ膜には、ＣｓＢｒが含まれていることがわかる。
【００２９】
次に、ハロゲン化アルカリ金属化合物としてＣｓＢｒを用いると共にカーボン材料としてカーボンナノチューブを用いたカーボン分散水でハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を作製し、このハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を用いて放電トリガ膜を形成した本発明の実施例と、ハロゲン化アルカリ金属化合物を含有せず、カーボン材料としてカーボンナノチューブを用いたカーボン分散水を塗布して放電トリガ膜を形成した比較例とについて、放電開始電圧を測定した。なお、この実施例における添加したＣｓ量は１．２ａｔ％である。この結果、比較例では、放電開始電圧が３８６０Ｖであったのに対し、本発明の実施例では、３１７０Ｖであり、大幅に放電開始電圧が低下した。
【００３０】
次に、添加量の異なるＣｓＢｒ又はＣｓＦを用いると共にカーボン材料としてカーボンナノチューブを用いたカーボン分散水でハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を作製し、これらのハロゲン及びアルカリ金属成分を含有するカーボン分散水を用いて放電トリガ膜を形成した複数の実施例を作製し、放電トリガ膜のＣｓ量と放電開始電圧（Ｖｓ）との関係を調べた結果を、図３に示す。この結果からわかるように、Ｃｓを全く含有しない放電トリガ膜の場合（Ｃｓ量＝０ａｔ％）に比べて、ＣｓＢｒ又はＣｓＦを含有させた放電トリガ膜では、いずれも放電開始電圧が低下していることがわかる。
【００３１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記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。
【符号の説明】
【００３２】
１…放電管、２…セラミックス製筒体、３…封止電極、３ｂ…封止材、４…放電トリガ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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