(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル状の空洞部が設けられた外部導体と、前記空洞部の中心軸に沿って配された棒状の中心導体と、一方の電極が中心導体に接触された避雷素子とを備えた同軸用避雷器であって、
中心導体の外周部に段差が形成されて、該段差によって中心導体が長さ３〜７ｍｍの複数のセクションに区切られ、
中心導体と避雷素子との接触箇所に近づくにつれて中心導体における前記セクションの径が段階的に小さくなるように形成されることにより、
中心導体と避雷素子との接触箇所に近づくにつれて単位長さ当たりの中心導体と外部導体との静電容量が小さくなるように設定されていることを特徴とする同軸用避雷器。
【請求項２】
避雷素子と中心導体とを接続して避雷素子と中心導体との接触面積を拡大するための接続導体を設けた請求項１記載の同軸用避雷器。
【請求項３】
避雷素子が、絶縁性を有するケースと、該ケースの内側に放電ギャップを隔てた状態で収容された一対の電極とからなり、放電ギャップの長さが５０〜３００μｍである請求項１又は２記載の同軸用避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同軸ケーブルに接続された電子機器に過電流が流れ込むのを防止する同軸用避雷器に関する。とくに、高周波の信号を伝送する同軸ケーブルであっても、好適に用いることのできる同軸用避雷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、トンネル状の空洞部が設けられた外部導体と、前記空洞部の中心軸に沿って配された棒状の中心導体と、一方の電極が中心導体に接触された避雷素子とを備えた同軸用避雷器が知られている。同軸用避雷器の外部導体は、同軸ケーブルの外部導体に接続され、同軸用避雷器の中心導体は、同軸ケーブルの中心導体に接続される。
【０００３】
この同軸用避雷器は、テレビ中継局や移動無線中継局などの設備を雷害から保護するのに広く用いられているが、同軸ケーブルで伝送される信号の電圧定在波比（Ｖ．ＳＷＲ）が避雷素子の静電容量に依存しやすい構造となっていた。とくに、同軸ケーブルで伝送される信号が１００ＭＨｚ以上の高周波である場合には、避雷素子の静電容量が電圧定在波比に及ぼす影響は大きくなる。
【０００４】
このような実状に鑑みてか、特許文献１には、中心導体を分岐させ、その分岐させた中心導体の終端部に避雷素子を設けた同軸用避雷器が提案されている。これにより、避雷素子の静電容量が電圧定在波比に及ぼす影響を小さくすることができるとされている。
【０００５】
しかし、特許文献１の同軸用避雷器は、電圧定在波比を１．１０以下に抑えることのできる周波数の帯域が±５％（中心周波数が１．５ＧＨｚの場合）と狭く、使用する周波数によって中心導体の分岐した部分を交換する必要があるなどの欠点を有していた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−０２５７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、同軸ケーブルで伝送される信号の電圧定在波比が避雷素子の静電容量に依存しにくく、該電圧定在波比を小さく抑えることのできる同軸用避雷器を提供するものである。また、同軸ケーブルを伝送する信号の周波数にかかわらず、該信号の電圧定在波比を小さく抑えることのできる同軸用避雷器を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、トンネル状の空洞部が設けられた外部導体と、前記空洞部の中心軸に沿って配された棒状の中心導体と、一方の電極が中心導体に接触された避雷素子とを備えた同軸用避雷器であって、中心導体と避雷素子との接触箇所に近づくにつれて単位長さ当たりの中心導体と外部導体との静電容量が小さくなるように設定されていることを特徴とする同軸用避雷器を提供することによって解決される。
【０００９】
これにより、避雷素子から中心導体の端部を見たインピーダンスと、中心導体の端部から避雷素子を見たインピーダンスとの差を小さくすることが可能になる。したがって、同軸ケーブルを伝送される信号の電圧定在波比（Ｖ．ＳＷＲ）を低く抑えることができる。
【００１０】
ここで、「単位長さ当たりの中心導体と外部導体との静電容量」とは、中心導体と外部導体とを円筒形コンデンサとみなした場合における、中心導体の軸方向に沿った単位長さ当たりの静電容量をいう。中心導体が外径ｄの円柱形で、外部導体における前記空洞部の断面形状が直径Ｄの円形である場合には、単位長さ当たりの中心導体と外部導体との静電容量（δＣとする）は、下記式１によって定義される。
【数１】
0004791859.tif 000002
ただし、πは円周率であり、εは中心導体と外部導体との間にある絶縁物質の誘電率である。
【００１１】
単位長さ当たりの中心導体と外部導体との静電容量を変化させる手段は、とくに限定されず、中心導体と外部導体との間に誘電率の異なる絶縁材料を配置したり、外部導体の空洞部の形状を調整したりすることによって実現してもよいが、中心導体と避雷素子との接触箇所に近づくにつれて中心導体の外径ｄが小さくなるように形成すると好ましい。これにより、同軸用避雷器を簡素な構造で製造が容易なものとすることができる。中心導体は、通常、円柱形に形成される。
【００１２】
また、中心導体は、その径が連続的に小さくなるように形成されたものであってもよいが、中心導体の外周部に段差が形成され、避雷素子との接触箇所に近づくにつれて中心導体の径が段階的に小さくなるように形成すると好ましい。
【００１３】
中心導体が段差によって複数のセクションに区切られ、該セクションの長さが３〜７ｍｍであることも好ましい。これにより、中心導体を高周波の信号が伝送されるのにさらに適したものとすることができる。中心導体における前記段差で区切られた部分の長さは、中心導体を伝送される信号の波長の４分の１倍程度かそれ以下に設定しておくと、該信号の電圧定在波比をより低く抑えることができる。
【００１４】
避雷素子と中心導体とを接続して避雷素子と中心導体との接触面積を拡大するための接続導体を設けることも好ましい。これにより、避雷素子と中心導体との実質的な接触面積を拡大することが可能になり、中心導体から避雷素子に大きな電流を流すことができるようになる。
【００１５】
避雷素子が、絶縁性を有するケースと、該ケースの内側に放電ギャップを隔てた状態で収容された一対の電極とからなり、放電ギャップの長さが５０〜３００μｍであることも好ましい。これにより、避雷素子を静電容量が小さく、応答時間（電極に過大な電圧が印加され始めてからアーク放電を開始するまでの時間）の短いものとすることができる。また、放電ギャップを有する避雷素子のように、静電容量を有する素子を使用すると、通常、同軸ケーブルを伝送される信号の電圧定在波比が悪化するが、本発明の同軸用避雷器は、放電ギャップを有する避雷素子を使用した場合であっても、同軸ケーブルを伝送される信号の電圧定在波比の悪化を防ぐことができるものとなっている。
【００１６】
ここで、「放電ギャップの長さ」とは、一対の電極における対向面の間隔を意味し、いわゆる放電ギャップ長のことをいう。ただし、一対の電極における対向面に凹凸や傾斜が存在する場合には、最も近接した部分の間隔である。
【００１７】
また、「ケースの内側に放電ギャップを隔てた状態で収容された一対の電極」とは、一対の電極における放電ギャップを形成する部分がケースの内側に収容された状態となっていればよく、必ずしも一対の電極の全体がケースの内側に収容された状態となっていなくてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によって、同軸ケーブルで伝送される信号の電圧定在波比が避雷素子の静電容量に依存しにくく、該電圧定在波比を小さく抑えることのできる同軸用避雷器を提供することが可能になる。また、同軸ケーブルを伝送する信号の周波数にかかわらず、該信号の電圧定在波比を小さく抑えることのできる同軸用避雷器を提供することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の避雷器の好適な実施態様を、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明の同軸用避雷器１００を中心導体１２０の中心軸を含む面で切断した状態を示した斜視図である。図２は、本発明の同軸用避雷器１００を中心導体１２０の中心軸を含む面で切断した状態を示した正面図である。
【００２０】
１．同軸用避雷器の概要
本発明の同軸用避雷器１００は、図１と図２に示すように、トンネル状の空洞部１１１が設けられた外部導体１１０と、空洞部１１１の中心軸に沿って配された棒状の中心導体１２０と、一対の電極１３１，１３２のうち一方の電極１３１が中心導体１２０に接触された避雷素子１３０とを備えたものとなっており、中心導体１２０と避雷素子１３０との接触箇所に近づくにつれて、単位長さ当たりの中心導体１２０と外部導体１１０との静電容量が小さくなるように設定されたものとなっている。
【００２１】
外部導体１１０における空洞部１１１の両端には、同軸ケーブル（図示省略）の先端を接続するための接栓座１５０，１６０が固定されている。接栓座１５０，１６０はそれぞれ、同軸ケーブルの外部導体（図示省略）に接続される外部導体１５１，１６１と、同軸ケーブルの中心導体（図示省略）に接続される中心導体１５２，１６２と、外部導体１５１，１６１の内部に中心導体１５２，１６２を固定し、外部導体１５１，１６１と中心導体１５２，１６２とを絶縁する絶縁材１５３，１６３とからなっている。
【００２２】
接栓座１５０の外部導体１５１と接栓座１６０の外部導体１６１は、同軸用避雷器１００の外部導体１１０を介して互いに電気的に接続されている。また、接栓座１５０の中心導体１５２と接栓座１６０の中心導体１６２は、同軸用避雷器１００の中心導体１２０を介して互いに電気的に接続されている。このため、接栓座１５０に接続された同軸ケーブルから接栓座１６０に接続された同軸ケーブルへと信号を伝送できるようになっている。外部導体１１０は、アース線（図示省略）によって接地される。
【００２３】
２．外部導体
同軸用避雷器１００の外部導体１１０は、トンネル状の空洞部１１１を有するものであれば特に限定されない。本実施態様の同軸用避雷器１００において、外部導体１１０は、図１と図２に示すように、外形が直方体形状となっている。空洞部１１１は、断面形状が円形となっており、外部導体１１０の一方の側面から他方の側面に向かって一直線状に設けられている。空洞部１１１の直径は、空洞部１１１の深さによって変化させてもよいが、本実施態様の同軸用避雷器１００において、空洞部１１１の直径は、１４ｍｍで一定となっている。
【００２４】
また、外部導体１１０の上面から下方に向かって、空洞部１１１とは別の空洞部が設けられており、該別の空洞部に避雷素子１３０を収容することができるようになっている。このため、外部導体１１０は、避雷素子１３０を収容するケースとしても機能するようになっている。避雷素子１３０の電極１３２は、導電性を有するキャップ１４０を介して外部導体１１０と電気的に接続されている。
【００２５】
同軸用避雷器１００の外部導体１１０やキャップ１４０の素材は、電気伝導性を有するものであればとくに限定されないが、通常、アルミニウムや銅などの電気伝導性に優れた金属が採用される。本実施態様の同軸用避雷器１００においては、電気伝導性だけでなく、放熱性にも優れ、加工がしやすく、かつ安価なアルミニウムによって外部導体１１０を形成している。
【００２６】
３．中心導体
本実施態様の同軸用避雷器１００において、中心導体１２０は、図１と図２に示すように、その外周部に段差が形成され、その中央部（中心導体１２０と避雷素子１３０との接触箇所）に近づくにつれて外径ｄが段階的に小さくなるように形成されたものとなっている。
【００２７】
中心導体１２０の段数（中心導体１２０における段差で区切られたセクションの数）は、とくに限定されないが、本実施態様の同軸用避雷器１００においては、外径ｄ１のセクションＳ１と、セクションＳ１の外端に設けられた外径ｄ２（ｄ１＜ｄ２）のセクションＳ２と、セクションＳ２の外端に設けられた外径ｄ３（ｄ２＜ｄ３）のセクションＳ３とで構成された左右対称な５段（中心導体１２０の一端から避雷素子１３０との接続箇所までにおいては３段）構造のものとなっている。
【００２８】
中心導体１２０における段差で区切られたセクションＳ１〜Ｓ３の外径ｄ１〜ｄ３は、中心導体１２０と避雷素子１３０との接触箇所に近づくにつれて単位長さ当たりの中心導体１２０と外部導体１１０との静電容量が小さくなるのであれば、とくに限定されないが、本実施態様の同軸用避雷器１００においては、外径ｄ１を２ｍｍ、外径ｄ２を４ｍｍ、外径ｄ３を６ｍｍに設定しており、中心導体１２０の外端（セクションＳ３の外端）から避雷素子１３０を見たインピーダンスが約５６．９Ω（避雷素子１３０の静電容量を０．６ｐＦとして計算）となり、さらに５０Ωのインピーダンス特性を持つ接栓座１５０から避雷素子１３０を見たインピーダンスは約５３．３Ωとなるようになっている。
【００２９】
このように、接栓座１５０から避雷素子１３０を見たインピーダンスは、通常、同軸ケーブルのインピーダンスに対して±３０％の範囲にあるように設定される。このように、接栓座１５０から避雷素子１３０を見たインピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに近づけることにより、同軸ケーブルで伝送される信号の電圧定在波比を小さくすることができる。接栓座１５０から避雷素子１３０を見たインピーダンスは、同軸ケーブルのインピーダンスに対して±２０％の範囲にあると好ましく、±１５％の範囲にあるとより好ましく、±１０％の範囲にあるとさらに好ましい。
【００３０】
一般的に、セクションＳｎ（ｎは２以上の整数）の外端から避雷素子１３０を見たインピーダンスＺｎは、下記式２によって与えられる。
【数２】
0004791859.tif 000003
ただし、ＺＣは、避雷素子１３０の静電容量であり、下記式３によって与えられる。また、Ｚｉは、中心導体１２０のセクションＳｉ（ｉは、１以上でｎ以下の整数）のインピーダンスであり、下記式４によって与えられる。
【数３】
0004791859.tif 000004
【数４】
0004791859.tif 000005
ただし、ｆは、同軸ケーブルで伝送される信号の周波数であり、Ｃ０は、避雷素子１３０の静電容量である。また、μｉは、中心導体１２０のセクションＳｉと外部導体１１０との間にある絶縁物質の透磁率であり、εｉは、中心導体１２０のセクションＳｉと外部導体１１０との間にある絶縁物質の誘電率である。さらに、Ｄｉは、セクションＳｉを囲む外部導体１１０の内径（空洞部１１１の直径）であり、ｄｉは、セクションＳｉの外径である。
【００３１】
また、中心導体１２０における段差で区切られたセクションＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さも、とくに限定されないが、本実施態様の同軸用避雷器１００においては、セクションＳ１の長さが４．５ｍｍ、セクションＳ２の長さが４．５ｍｍ、セクションＳ３の長さが４．５ｍｍとなっている。このため、十数ＧＨｚ程度の高周波の信号であってもＶ．ＳＷＲを十分に低く抑えることができるようになっている。
【００３２】
同軸用避雷器１００の中心導体１２０の素材は、電気伝導性を有するものであればとくに限定されないが、通常、アルミニウムや銅などの電気伝導性に優れた金属が採用される。本実施態様の同軸用避雷器１００においては、電気伝導性にとくに優れた銅又は燐青銅によって中心導体１２０を形成している。
【００３３】
本実施態様の同軸用避雷器１００において、中心導体１２０のセクションＳ１には、接続導体１７０が設けられている。この接続導体１７０によって、避雷素子１３０の電極１３１の下面が中心導体１２０のセクションＳ２に接触することなくセクションＳ１に接触できるようになっている。本実施態様の同軸用避雷器１００において、接続導体１７０は、円柱状のものとなっているが、接続導体１７０の上面を平坦に形成して、接続導体１７０と電極１３１との接触面積を広く確保してもよい。
【００３４】
４．避雷素子
本実施態様の同軸用避雷器１００において、避雷素子１３０は、図１と図２に示すように、絶縁性を有するケース１３３の内側に一対の電極１３１，１３２が放電ギャップを隔てた状態で収容されたものとなっている。この避雷素子１３０は、雷の発生に起因する過電圧が一対の電極１３１，１３２に印加されると、一対の電極１３１，１３２の間の放電ギャップでアーク放電を発生させ、同軸ケーブルに接続された電子機器に過電流が流れ込むのを防ぐことができるものとなっている。
【００３５】
一対の電極１３１，１３２で挟まれた放電ギャップには、図１と図２に示すように、酸化物や窒化物などの、絶縁性を有する無機物の粉末１３４を充填すると好ましい。これにより、一対の電極１３１，１３２に激しいアークが局所的に生じないようにすることが可能になる。また、粉末１３４による熱伝導によって電極１３１，１３２の温度上昇を抑えることもできるようになると考えられる。したがって、従来の電極非接触型の避雷器に比べて、放電ギャップを短くしながらも、放電耐量を高めることが可能になる。本実施態様の同軸用避雷器１００においては、平均粒径が０．４μｍの酸化アルミニウムの粉末１３４を放電ギャップと避雷素子１３０の内部空間とに充填している。
【００３６】
放電ギャップの長さは、とくに限定されないが、短く設定しすぎると、無機物の粉末１３４を放電ギャップに充填しにくくなるばかりか、避雷素子１３０の静電容量が大きくなりすぎるおそれがある。このため、放電ギャップの長さは、通常、５０μｍ以上に設定される。放電ギャップの長さは、８０μｍ以上であると好ましく、１００μｍ以上であるとさらに好ましい。
【００３７】
一方、放電ギャップの長さを長く設定しすぎると、避雷素子１３０の放電開始電圧が高くなるおそれがある。このため、放電ギャップの長さは、通常、３００μｍ以下に設定される。放電ギャップの長さは、２５０μｍ以下であると好ましく、２００μｍ以下であるとさらに好ましい。本実施態様の同軸用避雷器１００においては、放電ギャップの長さを１５０μｍに設定している。
【００３８】
避雷素子１３０の素材は、とくに限定されないが、本実施態様の避雷器１００においては、融点が高く、安価であり、かつ加工のしやすいモリブデンで一対の電極１３１，１３２を形成している。また、耐熱性と耐食性とに優れたセラミックスでケース１３３を形成している。
【００３９】
５．電圧定在波比の測定結果
続いて、本発明の同軸用避雷器１００を用いて行った電圧定在波比の測定結果について説明する。図３は、本発明の同軸用避雷器１００の中心導体１２０で伝送される信号の周波数（横軸）と電圧定在波比（縦軸）との関係を示したグラフである。図４は、従来の同軸用避雷器（中心導体の外径が一定の同軸用避雷器）の中心導体で伝送される信号の周波数（横軸）と電圧定在波比（縦軸）との関係を示したグラフである。
【００４０】
図４を見ると、従来の同軸用避雷器は、信号の周波数が高くなるにつれて、電圧定在波比が高くなるものであることが分かる。とくに、信号の周波数が３ＧＨｚと非常に高い場合には、電圧定在波比が２．１０にもなっている。これに対し、図３を見ると、本発明の同軸用避雷器１００が、信号の周波数にかかわらず、信号の電圧定在波比を１．２以下に抑えることができるものであることが分かる。とくに、信号の周波数が３ＧＨｚと非常に高い周波数であっても、電圧定在波比は約１．１４と非常に良好な値となっており、本発明の同軸用避雷器１００が、高周波の信号を伝送する同軸ケーブルであっても好適に用いるものであることも分かる。
【００４１】
６．用途
本発明の同軸用避雷器１００は、その用途を特に限定されるものではなく、各種の同軸ケーブルに用いることができる。具体的には、テレビ中継局や、移動無線中継局や、テレビ共同受信設備や、テレメータ観測局や、電話局や、ＩＴＶカメラ設備や、ＬＡＮ設備などで用いられる通信線や電力線に好適に使用することができる。なかでも、低電圧で駆動される微細なデバイスに接続される通信線や電力線に使用すると好適である。とくに、周波数が１００ＭＨｚ以上の信号を伝送する同軸ケーブルに使用するものとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の同軸用避雷器を中心導体の中心軸を含む面で切断した状態を示した斜視図である。
【図２】本発明の同軸用避雷器を中心導体の中心軸を含む面で切断した状態を示した正面図である。
【図３】本発明の同軸用避雷器の中心導体で伝送される信号の周波数と電圧定在波比との関係を示したグラフである。
【図４】従来の同軸用避雷器の中心導体で伝送される信号の周波数と電圧定在波比との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１００  同軸用避雷器
１１０  外部導体
１１１  空洞部
１２０  中心導体
１３０  避雷素子
１３１  電極
１３２  電極
１３３  ケース
１３４  絶縁性を有する無機物の粉末
１４０  キャップ
１５０  接栓座
１５１  外部導体
１５２  中心導体
１５３  絶縁体
１６０  接栓座
１６１  外部導体
１６２  中心導体
１６３  絶縁体
１７０  接続導体
【図１】
0004791859.tif 000006
【図２】
0004791859.tif 000007
【図３】
0004791859.tif 000008
【図４】
0004791859.tif 000009