(57)【要約】【課題】応答時間が短いながらも、放電耐量が高く静電容量の小さい避雷素子を提供する。【解決手段】避雷素子１００を、絶縁性を有するケース１１０の内側に一対の電極１２０，１３０が対向した状態で収容されたものとして、一対の電極１２０，１３０のそれぞれの対向面の中央に凸部１２２，１３２を形成し、一方の電極１２０の凸部１２２の先端面と他方の電極１３０の凸部１３２の先端面との間隔を５０〜３００μｍに設定し、絶縁性を有する無機物の粉末１４０を一方の電極１２０の凸部１２２の先端面と他方の電極１３０の凸部１３２の先端面との隙間及び凸部１２２，１３２の周辺の空間に充填した。一対の電極１２０，１３０を形成する素材としては、モリブデンやタングステンが好適である。また、粉末１４０を形成する無機物としては、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムが好適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有するケースの内側に一対の電極が対向した状態で収容された避雷素子であって、一対の電極のそれぞれの対向面の中央に凸部が形成され、一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間隔が５０〜３００μｍであり、絶縁性を有する無機物の粉末が一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間及び凸部の周辺の空間に充填されていることを特徴とする避雷素子。
【請求項２】
凸部の先端面の面積が１〜５０ｍｍ２である請求項１記載の避雷素子。
【請求項３】
一対の電極がモリブデン又はタングステンで形成された請求項１又は２記載の避雷素子。
【請求項４】
前記粉末を形成する無機物が酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムである請求項１〜３いずれか記載の避雷素子。
【請求項５】
前記粉末の平均粒径が０．０１〜５μｍである請求項１〜４いずれか記載の避雷素子。
【請求項６】
凸部の周辺の空間の容積が４０〜２５０ｍｍ３である請求項１〜５いずれか記載の避雷素子。
【請求項７】
絶縁性を有するケースの内側に一対の電極が対向した状態で収容された避雷素子の製造方法であって、一対の電極のそれぞれの対向面の中央に凸部を形成し、一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間隔を５０〜３００μｍに設定し、絶縁性を有する無機物の粉末を一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間及び凸部の周辺の空間に充填することを特徴とする避雷素子の製造方法。
【請求項８】
一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間に薄片を挟み込ませた状態で一対の電極をケースの両端に固定し、ケースの側面に設けた貫通孔から前記薄片をケースの外部へ取り出し、ケースの側面に設けた貫通孔から前記粉末をケースの内部に充填した後、ケースの側面に設けた貫通孔を塞ぐ請求項７記載の避雷素子の製造方法。
【請求項９】
一対の電極をケースともに振動させながら、前記粉末をケースの内部に充填する請求項７又は８記載の避雷素子の製造方法。
【請求項１０】
前記粉末を液体中に分散させたスラリーを一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間に充填し、その後乾燥させる請求項７又は８記載の避雷素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信線や電力線などの線路に接続された電子機器に雷の発生に起因する過電流が流れ込むのを防止するための避雷素子に関する。また、該避雷素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
避雷素子は、これまでに種々のものが提案されており、例えば、一対の電極を放電ギャップを隔てて配したものが知られている（特許文献１を参照）。この電極非接触型の避雷素子では、雷の発生に起因する電圧が一対の電極に印加されると、該一対の電極間にアーク放電が生じるようになっている。
【０００３】
電極非接触型の避雷素子は、放電耐量が１０ｋＡ程度と比較的高く、破損しにくいものではあったが、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）が１００ｎｓ程度と長かった。したがって、電極非接触型の避雷素子では、避雷素子がアーク放電を開始するよりも前に過電流が電子機器に流れ込むこともあり、その際に電子機器が破損することも少なくなかった。
【０００４】
また、モリブデンなどの金属で形成された一対の電極の表面に酸化皮膜を形成し、一対の電極を互いに接触させた避雷素子も提案されている（特許文献２を参照）。この電極接触型の避雷素子において、一対の電極は前記酸化皮膜によって互いに絶縁された状態となっているが、雷の発生に起因する過大な電圧が一対の電極に印加されると、前記酸化皮膜が絶縁破壊を起こすようになっている。
【０００５】
電極接触型の避雷素子は、応答時間が４ｎｓ程度であり、過電流が通信線や電力線に接続された電子機器に流れ込むのを防止しうるものではあったが、放電耐量が３ｋＡ程度と低く破損しやすいという欠点を有していた。
【０００６】
このように、電極接触型の避雷素子と電極非接触型の避雷素子は、一長一短を有しており、どの種類の避雷素子を使用するかは、それを接続する線路の用途などに応じて適宜選択されるが、短い応答時間と高い放電耐量と小さい静電容量との全てを兼ね備えた避雷素子は見当たらないのが実状であった。
【０００７】
ところで、特許文献３には、酸化アルミニウムなどの絶縁性を有する無機物の粉末を相対する一対の電極の隙間（放電ギャップ）に充填した避雷素子が提案されているが、その具体的な構成や作用については開示されていない。したがって、特許文献３の避雷素子は、必ずしも、応答時間を短く維持しながらも放電耐量が高いものであるとはいえなかった。
【０００８】
【特許文献１】特公平０２−０３５４３３号公報
【特許文献２】特公平０７−１１８３６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２００６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、応答時間が短いながらも、放電耐量が高く、かつ静電容量が小さい避雷素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、絶縁性を有するケースの内側に一対の電極が対向した状態で収容された避雷素子であって、一対の電極のそれぞれの対向面の中央に凸部が形成され、一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間隔（以下においては、この間隔を放電ギャップ長と呼ぶことがある）が５０〜３００μｍであり、絶縁性を有する無機物の粉末が一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間（以下においては、この隙間を放電ギャップと呼ぶことがある）及び凸部の周辺の空間に充填されていることを特徴とする避雷素子を提供することによって解決される。
【００１１】
このように、絶縁性を有する無機物の粉末を放電ギャップに充填することによって、放電ギャップ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、充填物による熱伝導によって電極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に比べて放電ギャップ長が短く、応答時間が短いながらも、放電耐量が高く、かつ静電容量の小さい避雷素子を提供することが可能になる。
【００１２】
ここで、「ケースの内側に一対の電極が対向した状態で収容された」とは、一対の電極における凸部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。
【００１３】
凸部の先端面の面積は、とくに限定されないが、凸部の先端面の面積を狭く設定しすぎると、避雷素子の放電耐量が低下することに加えて、電極の製作が困難になるおそれがある。このため、凸部の先端面の面積は、通常、１ｍｍ２以上に設定される。凸部の先端面の面積は、２ｍｍ２以上であると好ましく、３ｍｍ２以上であるとさらに好ましい。
【００１４】
一方、凸部の先端面の面積を広く設定しすぎると、避雷素子の静電容量が大きくなりすぎるおそれがある。このため、凸部の先端面の面積は、通常、５０ｍｍ２以下に設定される。凸部先端面の面積は、３０ｍｍ２以下であると好ましく、２０ｍｍ２以下であるとより好ましく、１０ｍｍ２以下であるとさらに好ましい。
【００１５】
一対の電極を形成する素材は、電極として用いるのに適度な導電性を有するものであればとくに限定されないが、モリブデン又はタングステンであると好ましい。このように、一対の電極を融点の高い金属で形成することによって、避雷素子の放電耐量をさらに高くすることができる。
【００１６】
前記粉末を形成する無機物は、絶縁性を有するものであればとくに限定されず、酸化物や窒化物などを用いることができる。これらのうちでも、珪素や金属の酸化物が好適に用いられる。なかでも、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムは、避雷素子の放電耐量を高めるのに非常に有効であることが確認できた。
【００１７】
前記粉末の平均粒径は、放電ギャップに充填できるのであればとくに限定されないが、小さく設定しすぎると、前記粉末が密になりすぎて漏れ電流が増大し、前記粉末の絶縁性が低下するばかりか、避雷素子の静電容量が大きくなりすぎるおそれもある。このため、前記粉末の平均粒径は、通常、０．０１μｍ以上に設定される。前記粉末の平均粒径は、０．０５μｍ以上であると好ましく、０．１μｍ以上であるとさらに好ましい。
【００１８】
一方、前記粉末の平均粒径を大きく設定しすぎると、前記粉末を放電ギャップに充填しにくくなるおそれがある。このため、前記粉末の平均粒径は、通常、５μｍ以下に設定される。前記粉末の平均粒径は、２μｍ以下であると好ましく、０．８μｍ以下であるとさらに好ましい。
【００１９】
ここで、‘平均粒径’とは、前記粉末を電子顕微鏡で観察して得られる一次粒子の粒径の算術平均値を意味する。
【００２０】
凸部の周辺の空間の容積は、とくに限定されないが、小さすぎると、一対の電極の表面の放熱が不十分となりやすく、避雷素子の放電耐量が低下するおそれがある。このため、凸部の周辺の空間の容積は、通常、４０ｍｍ３以上に設定される。凸部の周辺の空間の容積は、８０ｍｍ３以上であると好ましく、１００ｍｍ３以上であるとより好ましい。
【００２１】
一方、凸部の周辺の空間の容積が大きすぎると、避雷素子の寸法が大きくなりすぎるおそれがある。また、一対の電極の対向面の面積を広くして前記空間の容積を大きくした場合には、避雷素子の静電容量が増大してしまう。このため、凸部の周辺の空間の容積は、通常、２５０ｍｍ３以下に設定される。凸部の周辺の空間の容積は、１５０ｍｍ３以下であると好ましく、１３０ｍｍ３以下であるとさらに好ましい。
【００２２】
また、上記課題は、絶縁性を有するケースの内側に一対の電極が対向した状態で収容された避雷素子の製造方法であって、一対の電極のそれぞれの対向面の中央に凸部を形成し、一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間隔を５０〜３００μｍに設定し、絶縁性を有する無機物の粉末を一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間及び凸部の周辺の空間に充填することを特徴とする避雷素子の製造方法を提供することによっても解決される。
【００２３】
上記の製造方法において、その詳細な手順は、特に限定されないが、一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間に薄片を挟み込ませた状態で一対の電極をケースの両端に固定し、ケースの側面に設けた貫通孔から前記薄片をケースの外部へ取り出し、ケースの側面に設けた貫通孔から前記粉末をケースの内部に充填した後、ケースの側面に設けた貫通孔を塞ぐことによって避雷素子を製造すると好ましい。
【００２４】
これにより、薄片の厚さに等しい長さの放電ギャップを形成することが可能になる。したがって、放電ギャップ長を高い精度で設定できるだけでなく、一対の電極における凸部の先端面を平行に設定することも容易になり、避雷素子の特性のばらつきを抑えることが可能になる。このとき、薄片を取り出す貫通孔と、前記粉末を充填する貫通孔は、別のものであってもよいが、共通のものであると好ましい。これにより、避雷素子をより簡素な構造として、その製造コストを削減することが可能になる。
【００２５】
前記粉末の充填方法も、とくに限定されないが、一対の電極をケースともに振動させながら、前記粉末をケースの内部に充填すると好ましい。また、前記粉末を液体中に分散させたスラリーを一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との隙間に充填し、その後乾燥させることも好ましい。これらの充填方法を採用することによって、前記粉末を放電ギャップに確実に充填することが可能になる。また、前記粉末が圧縮されて密度の高い状態で充填されていると、避雷素子の漏れ電流が増大するおそれがあることが観察されたが、このような充填方法を採用することによって、前記粉末を放電ギャップに適度な密度で充填することもできるようになる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明によって、応答時間が短いながらも、放電耐量が高く、かつ静電容量が小さい避雷素子を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の避雷素子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。
【００２８】
図１は、本発明の避雷素子１００をその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。図２は、本発明の避雷素子１００を分解した状態を示した斜視図である。図３は、本発明の避雷素子１００を組み立てた状態を示した斜視図である。図４は、他の実施態様の避雷素子１００をその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。
【００２９】
１．避雷素子の概要
本発明の避雷素子１００は、図１に示すように、絶縁性を有するケース１１０の内側に一対の電極１２０，１３０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おり、放電ギャップ長Ｌが５０〜３００μｍに設定され、絶縁性を有する無機物の粉末１４０が放電ギャップに充填されたものとなっている。
【００３０】
２．ケース
ケース１１０の形状は、一対の電極１２０，１３０を収容できるのであれば、とくに限定されない。本実施態様の避雷素子１００において、ケース１１０は、図２に示すように、両端に開口を有する筒状のものとなっており、前記開口の近傍に電極１２０，１３０を固定することができるようになっている。また、ケース１１０の側面には、ケース１１０を内外に貫通する貫通孔１１１が設けられている。この貫通孔１１１については後述する。
【００３１】
ケース１１０に対する一対の電極１２０，１３０の固定方法は、とくに限定されず、ケース１１０の開口近傍に設けた凹凸などに一対の電極１２０，１３０を嵌め込むことなどによって固定してもよいが、本実施態様の避雷素子１００においては、図１〜図３に示すように、一対の電極１２０，１３０の外周に接着剤１６０（図１においては黒塗の部分、図２と図３においては網掛ハッチングの部分）を塗布することによって固定している。接着剤１６０の種類は、とくに限定されないが、本実施態様の避雷素子１００においては、耐熱性に優れたエポキシ樹脂を採用している。
【００３２】
ケース１１０の素材は、絶縁性を有するのであれば、とくに限定されないが、通常、耐熱性に優れた素材が選択される。本実施態様の避雷素子１００においては、耐熱性と耐食性とに優れたセラミックスを採用している。
【００３３】
３．電極
一対の電極１２０，１３０は、図２に示すように、一対の電極１２０，１３０（基部１２１，１３１）の対向面の中央に凸部１２２，１３２が形成されたものとなっており、凸部１２２，１３２の先端面で挟まれた空間が放電ギャップを形成するようになっている。一対の電極１２０，１３０をこのような形状とすることで、凸部１２２，１３２の周辺の空間（ケース１１０と一対の電極１２０，１３０で囲まれた空間）の容積を広く確保することが容易となり、避雷素子１００の静電容量を小さく抑えながらも、放電ギャップ長を短くすることができるようになる。
【００３４】
本実施態様の避雷素子１００においては、融点が高く、比較的安価であり、かつ加工のしやすいモリブデンを旋盤を用いて切削することによって一対の電極１２０，１３０を形成した。このとき、凸部１２２，１３２の先端面に凹凸が残っていると、避雷素子１００の動作が不安定になったり、放電ギャップに前記粉末を充填しにくくなるおそれがあるので、凸部１２２，１３２の先端面を研磨して滑らかに形成すると好ましい。
【００３５】
凸部１２２，１３２の形状は、とくに限定されず、避雷素子１００の用途などに応じて適宜決定される。例えば、避雷素子１００を通信線（とくに、高周波の信号を伝送する同軸ケーブル）に接続する場合には、避雷素子１００の静電容量を小さく抑えることが肝要となるので、図１に示すように、凸部１２２，１３２を先細りの錐台状（円錐台状、各錐台状など）に形成して、その先端面の面積を狭くすると好ましい。
【００３６】
図１の避雷素子１００において、凸部１２２，１３２の先端面は、直径が２ｍｍの円形となっており、その面積は約３．１ｍｍ２となっている。また、図１の避雷素子１００において、凸部１２２，１３２の周辺の空間の容積は、約１０５ｍｍ３となっている。
【００３７】
一方、避雷素子１００を電力線に接続する場合には、通信線に接続する場合と比較して、静電容量を低く維持する必要性が低いので、図４に示すように、凸部１２２，１３２を柱状（円柱状、角柱状など）に形成して、避雷素子１００の放電耐量を高くすると好ましい。
【００３８】
図４の避雷素子１００において、凸部１２２，１３２の先端面は、直径が３ｍｍの円形となっており、その面積は約７．１ｍｍ２となっている。また、図４の避雷素子１００において、凸部１２２，１３２の周辺の空間の容積は、約１０４ｍｍ３となっている。
【００３９】
４．放電ギャップ
放電ギャップ長Ｌ（図１を参照）は、５０〜３００μｍの範囲であればとくに限定されない。しかし、放電ギャップ長Ｌを短く設定しすぎると、無機物の粉末１４０を放電ギャップに充填しにくくなるばかりか、避雷素子１００の静電容量が大きくなりすぎるおそれがある。放電ギャップ長Ｌ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。
【００４０】
一方、放電ギャップ長Ｌを長く設定しすぎると、避雷素子１００の放電開始電圧が高くなるおそれがある。放電ギャップ長Ｌ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。第一実施態様の避雷素子１００においては、放電ギャップ長Ｌを１５０μｍに設定している。
【００４１】
放電ギャップ長Ｌの設定方法は、とくに限定されないが、放電ギャップ長Ｌに一致する厚さの薄片を一対の電極１２０，１３０に挟み込ませ、一対の電極１２０，１３０をケース１１０に対して位置固定した後、前記薄片を一対の電極１２０，１３０から抜き取ることによって設定すると好ましい。これにより、放電ギャップ長Ｌをより高い精度で設定するだけでなく、一対の電極１２０，１３０の先端面を平行に設定することも容易になる。一対の電極１２０，１３０に挟み込まれている薄片は、ケース１１０の側面に設けた貫通孔１１１から取り出すことができる。
【００４２】
５．絶縁性を有する無機物の粉末
本実施態様の避雷素子１００において、放電ギャップに充填する粉末１４０には、平均粒径が０．４μｍの酸化アルミニウムの粉末を用いている。粉末１４０の充填は、粉末１４０が乾燥した状態で行ってもよいが、本実施態様の避雷素子１００においては、粉末１４０を液体中に分散させたスラリーを、ケース１１０の側面に設けられた貫通孔１１１（図２）から一対の電極１２０，１３０の凸部１２２，１３２の先端面で挟まれた放電ギャップに注入することによって行っている。
【００４３】
このとき、粉末１４０は、一対の電極１２０，１３０の先端面で挟まれた放電ギャップの部分だけでなく、図１に示すように、凸部１２２，１３２の周辺の空間の全体に亘って充填している。このため、一対の電極１２０，１３０で発生した熱をより広い範囲に拡散できるようになっている。
【００４４】
粉末１４０を分散させる液体の種類は、とくに限定されず、揮発性を有する液体を採用することができる。好適には、沸点が３０〜１００℃の有機化合物が用いられる。本実施態様の避雷素子１００においては、揮発性と安全性を考慮して、メタノールに粉末１４０を分散させた。
【００４５】
本実施態様の避雷素子１００においては、ケース１１０の内部の気密性を確保できるように、粉末１４０が乾燥した後に、貫通孔１１１を塞いだ。貫通孔１１１は、シーリング材などを直接詰め込むことによって塞いでもよいが、本実施態様の避雷素子１００においては、貫通孔１１１の形状に一致するセラミックス製の蓋体１５０を貫通孔１１１に嵌め込むことによって貫通孔１１１を塞いだ。このとき、ケース１１０と接触する蓋体１５０の周部には接着剤を塗布した。
【００４６】
６．避雷素子の特性
次に、本発明の避雷素子と従来の避雷素子の各種特性について説明する。本発明の避雷素子について、応答時間、放電耐量及び静電容量を測定したところ、下記表１のようになった。
【表１】
2007242242.tif 000003
【００４７】
ただし、上記表１において、避雷素子Ａは、図１に示した実施態様の避雷素子であり、避雷素子Ｂは、図４に示した実施態様の避雷素子である。また、上記表１における応答時間は、インパルス電圧波形を４ｋＶ／ｎｓとして測定した値であり、放電耐量は、サージ電流波形を８／２０μｓとして測定した値である。
【００４８】
上記表１を見ると、本発明の避雷素子が、応答時間が短く、放電耐量が高く、かつ静電容量が小さいものであることが分かる。
【００４９】
７．用途
本発明の避雷素子は、その用途を特に限定されるものではなく、各種の線路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、高周波数の信号を伝送する通信線に使用すると好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の避雷素子をその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。
【図２】本発明の避雷素子を分解した状態を示した斜視図である。
【図３】本発明の避雷素子を組み立てた状態を示した斜視図である。
【図４】他の実施態様の避雷素子をその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  避雷素子
１１０  ケース
１１１  貫通孔
１２０  電極
１２１  基部
１２２  凸部
１３０  電極
１３１  基部
１３２  凸部
１４０  絶縁性を有する無機物の粉末
１５０  蓋体
１６０  接着剤
Ｌ  一方の電極の凸部の先端面と他方の電極の凸部の先端面との間隔（放電ギャップ長）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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