(57)【要約】【課題】部材コストの増大を抑制して比較的安価な電極材料で構成でき、繰り返しのサージにより放電した際も放電電圧が安定した放電管及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  Ａｌを含有した絶縁性の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と封止電極とがメタライズ層を介さずに直接接合され、封止電極がＡｌで形成されている。さらに、封止電極が、セラミックス製筒体との接合面に、Ａｌと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部４を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを含有した絶縁性の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と前記封止電極とが、メタライズ層を介さずに直接接合され、
前記封止電極が、Ａｌで形成されて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、
前記封止電極が、前記セラミックス製筒体との接合面に、Ａｌと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を有していることを特徴とする放電管。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放電管を製造する方法であって、
Ａｌを含有した絶縁性のセラミックス製筒体の両端開口部を一対のＡｌ電極で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有し、
前記接合工程で、前記セラミックス製筒体と前記Ａｌ電極との間に、Ａｌと共晶となる元素と、Ａｌとを含有するろう材を挟んだ状態で、前記セラミックス製筒体と前記Ａｌ電極とを対向方向に加圧すると共に加熱し前記ろう材を溶融させ、前記ろう材中の前記共晶となる元素を前記Ａｌ電極中に拡散させることで、前記Ａｌ電極の前記セラミックス製筒体との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を形成し、
前記共晶元素含有部を有する前記Ａｌ電極を前記封止電極として、前記セラミックス製筒体に直接接合させることを特徴とする放電管の製造方法。
【請求項４】
請求項３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が、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮで形成され、
前記ろう材が、少なくともＡｌとＳｉとを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材であ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、プロジェクターや自動車のメタルハライドランプ等の高圧放電ランプ、又はガス調理器等の着火プラグに点灯用または着火用の低電圧を供給するため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】
通常、放電管は、中空絶縁性セラミックスや中空絶縁性ガラス等の内部に、少なくとも一対の金属電極を配置しながら、金属電極を中空セラミックスにろう付けすることにより絶縁性ガスを封入した構造を有する。従来、例えば図６に示すように、金属電極２３としてはＣｕ、Ｃｕ合金、４２合金電極が採用され、中空絶縁性セラミックスのセラミックス製筒体２としては通常、アルミナ磁器が用いられている。また、セラミックス製筒体２の電極接合面には、Ｍｏ−Ｍｎなどによるメタライズ層Ｍなどが形成されている。このメタライズ層Ｍがアルミナ磁器表面に存在することにより、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材１５を用いてアルミナ磁器に電極を接合することが可能となる。なお、Ｃｕ電極及びＡｇ−Ｃｕ系ろう材１５を用いて接合した場合、電極‐セラミックス接合界面に、Ａｇ−Ｃｕ系共晶層２５が形成される。
【０００４】
これらの封止構造を有するサージ対策部品やスイッチングスパークギャップ等の放電管では、実使用環境において、大きな雷サージ電流やスイッチング電流が繰り返し印加された際にも放電電圧が変動せず、寿命が長いことが重要である。このような放電電圧の変化に関する課題に対する既存技術として、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸セシウム及び金属チタン等を含有した電極活性化材料を電極に形成した技術（特許文献１）や、耐熱性の高い電極材料（無酸素銅にジルコニウムを含有させたジルコニウム銅）を用いる技術（特許文献２）などが知られている。
【０００５】
また、これらの放電管では、実使用環境において印加される機械応力に加え、環境温度変化や熱サイクル、雷サージが印加されることによる急激な温度変化などに起因する熱機械的応力に対して信頼性が高いことも重要である。例えば、放電管の熱機械的信頼性を向上させる技術として、大サージ電流印加時の熱衝撃を緩和することにより放電管が放電機能を失うことを防止して信頼性を確保する方法が知られている。これらの技術の例として、特許文献３及び４では、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に対する対策として、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いる。また、特許文献５では、熱衝撃破壊強度を向上させるために金属板を導入する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５０８５８０号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１３５８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
【特許文献５】特開２０１４−１５４５２８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。
すなわち、上記特許文献１及び２では、いずれも特殊な電極材料を用いる必要があり、部品コストが増大してしまう不都合があった。また、セラミックス製筒体と封止用金属電極とを用いた放電管の場合、セラミックス製筒体と封止電極との接合のために、電極と接するセラミックス表面にメタライズ層が必要であり、部品コストが増大してしまうという不都合があった。また、上記特許文献３〜５のように、緩衝部材や金属板を導入する場合も、部材コストが増大してしまう。
さらに、既存の放電管構造技術において知られているＣｕ電極を用いた場合、繰り返しサージによる放電によって電極表面がスパッタされ放電電圧が変動してしまって寿命が低下してしまう問題があった。
また、熱サイクルや熱衝撃などにより発生する電極とセラミックスとの接合界面等での大きな応力が、放電管の損傷や破壊につながるおそれがあり、このような様々な応力印加に対する放電管の信頼性を向上させることが重要になっている。
【０００８】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、部材コストの増大を抑制して比較的安価な電極材料で構成でき、繰り返しのサージにより放電した際も放電電圧が安定し、熱的及び機械的信頼性に優れ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】
【０００９】
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、Ａｌを含有した絶縁性の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と前記封止電極とが、メタライズ層を介さずに直接接合され、前記封止電極が、Ａｌで形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の放電管では、従来の放電管において電極材料として用いられているＣｕと比較して降伏応力が小さいＡｌから形成される電極とセラミックスとが直接接合されているため、Ｃｕ電極を用いた放電管と比較し、セラミックス−金属接合界面に発生する各種の応力を金属の塑性変形によって緩和することにより、高い熱的機械的信頼性を実現することが可能である。また、封止電極がＣｕに比べてアルゴンなどの放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいＡｌで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。
【００１１】
第２の発明に係る放電管は、第１の発明において、前記封止電極が、前記セラミックス製筒体との接合面に、Ａｌと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を有していることを特徴とする。
すなわち、この放電管では、封止電極が、セラミックス製筒体との接合面に、Ａｌと共晶となる元素（以下、共晶元素という）を含有した共晶元素含有部を有しているので、接合面に存在する共晶元素によってセラミックス製筒体とＡｌの封止電極との接合強度が向上する。この接合面の共晶元素含有部に存在する共晶元素は、主にろう材中に含有された元素に起因すると考えられ、共晶元素は、接合時にＡｌ電極中に拡散して接合箇所から濃度が減少するが、接合面が不均一核生成のサイトとなって共晶元素が接合面部分に残存し、共晶元素含有部を形成することで、接合界面における接合強度を高めている。したがって、高い熱機械的信頼性を得ることができる。
【００１２】
第３の発明に係る放電管の製造方法は、第１又は第２の発明である放電管を製造する方法であって、Ａｌを含有した絶縁性のセラミックス製筒体の両端開口部を一対のＡｌ電極で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有し、前記接合工程で、前記セラミックス製筒体と前記Ａｌ電極との間に、Ａｌと共晶となる元素と、Ａｌとを含有するろう材を挟んだ状態で、前記セラミックス製筒体と前記Ａｌ電極とを対向方向に加圧すると共に加熱し前記ろう材を溶融させ、前記ろう材中の前記共晶となる元素を前記Ａｌ電極中に拡散させることで、前記Ａｌ電極の前記セラミックス製筒体との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部を形成し、前記共晶元素含有部を有する前記Ａｌ電極を前記封止電極として、前記セラミックス製筒体に直接接合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、メタライズ層が形成されていないセラミックス製筒体とＡｌ電極とを対向方向に加圧した状態で加熱し、ろう材を溶融させてセラミックス製筒体とＡｌ電極とを直接接合すると共に、ろう材中のＡｌと共晶となる元素をＡｌ電極中に拡散させて、接合面にＡｌと共晶となる元素の共晶元素含有部が形成されることにより、セラミックス製筒体と封止電極との接合界面における高い接合強度が実現される。
【００１３】
第４の発明に係る放電管の製造方法は、第３の発明において、前記セラミックス製筒体が、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮで形成され、前記ろう材が、少なくともＡｌとＳｉとを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材であ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が、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮで形成され、ろう材が、少なくともＡｌとＳｉとを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材であるので、Ｓｉが共晶元素となり、Ａｌの封止電極の接合面にＳｉの共晶元素含有部が形成される。
【発明の効果】
【００１４】
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、封止電極がＣｕに比べて放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいＡｌで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。
また、本発明の放電管においては、メタライズ層を用いないセラミックス製筒体とＡｌ電極とを直接接合し、さらに封止電極の接合面に、Ａｌと共晶となる元素の共晶元素含有部を形成することで、セラミックス製筒体とＡｌの封止電極との接合強度を向上させることができる。
したがって、本発明の放電管は、メタライズ層が形成されていないセラミックス製筒体とＡｌの封止電極とを接合することにより作製されるため、繰り返しのサージにより放電した際も放電電圧が安定し、部材コストの増大を抑制することが可能である。さらに、セラミックス製筒体とＡｌの封止電極とが直接接合した封止電極の接合面において、共晶元素の共晶元素含有部を形成することで、放電管における封止電極−セラミック製筒体間の接合信頼性を向上させ、放電管の熱機械的耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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を示す断面図である。
【図２】本実施形態の放電管において、製造方法の工程順に接合界面近傍を示す説明図である。
【図３】本発明に係る放電管及びその製造方法の比較例について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を示すグラフである。
【図４】本発明に係る放電管及びその製造方法の実施例について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を示すグラフである。
【図５】比較例に係る放電管において、製造方法の工程順に接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】比較例に係る放電管及びその製造方法の一実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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及び図２を参照しながら説明する。
【００１７】
本実施形態の放電管１は、図１及び図２に示すように、Ａｌを含有した絶縁性の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。
上記封止電極３は、Ａｌで形成されている。この封止電極３は、純度９９％以上のＡｌで形成されていることが好ましい。
【００１８】
また、上記セラミックス製筒体２は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で形成されている円筒状の絶縁性管である。このセラミックス製筒体２は、純度９６％以上のＡｌ２Ｏ３で形成されていることが好ましい。なお、セラミックス製筒体２を、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成しても構わない。
【００１９】
図２（ｃ）に示すように、上記セラミックス製筒体２と上記封止電極３とは、メタライズ層（接合用に封止電極３と異なる金属元素で成膜した金属層）を介さずに直接接合されている。
セラミックス製筒体２と封止電極３との接合に用いられるろう材５は、Ａｌと共晶となる元素とＡｌとを含有している。本実施形態では、Ａｌと共晶となる元素としてＳｉを採用し、ろう材５は、少なくともＡｌとＳｉとを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材である。
さらに、封止電極３のセラミックス製筒体２との接合面には、Ａｌと共晶となる元素の共晶元素含有部４が形成されている。
【００２０】
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。ここで、この凸状部の表面には、仕事関数が低いＣｓ，ＮａなどＡｌ以外の金属やケイ酸ナトリウムガラスのような無機材料をはじめとする放電を活性化させるための活性層材料を形成させてもよい。
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６が形成されており、この放電トリガ膜６が、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カーボン材料で構成された連続膜である。
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。
【００２１】
この本実施形態の放電管１の製造方法は、セラミックス製筒体２の両端開口部を一対の封止電極３で閉塞して内部に放電制御ガスを封止する接合工程を有している。
この接合工程では、図２に示すように、セラミックス製筒体２とＡｌ電極１３との間に、Ａｌと共晶となる元素と、Ａｌとを含有するろう材５を挟んだ状態で、セラミックス製筒体２とＡｌ電極１３とを対向方向に加圧すると共に加熱し、ろう材５を溶融させる。この際、ろう材５中の前記共晶となる元素をＡｌ電極１３中に拡散させることで、Ａｌ電極１３のセラミックス製筒体２との接合面に前記共晶となる元素を含有した共晶元素含有部４を形成し、共晶元素含有部４を有するＡｌ電極１３を封止電極３として、セラミックス製筒体２に直接接合させる。
【００２２】
上記接合工程では、ろう材５を溶融させてセラミックス製筒体２とＡｌ電極１３との界面に溶融Ａｌ層を形成し、ろう材中５のＡｌと共晶となる元素とをＡｌ電極１３中に拡散させる溶融工程と、冷却によって溶融Ａｌ層を凝固させる凝固工程とを有している。これらの工程により、ろう材５中のＡｌと共晶となる元素とをＡｌ電極１３中に拡散させて、セラミックス製筒体２と封止電極３とを直接接合すると共に、封止電極３のセラミックス製筒体２との接合面に、Ａｌと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部４を形成する。
本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材５を用いているので、例えば接合温度６２５℃でアルミナのセラミックス製筒体２とＡｌの封止電極３とを直接接合することで、封止電極３の接合面にＳｉの共晶元素含有部４を形成することができる。
【００２３】
このように本実施形態の放電管１では、封止電極３がＣｕに比べてアルゴンなどの放電制御ガスのイオンに対するスパッタ収率が小さいＡｌで形成されているので、アーク放電が発生した際の放電現象に影響する電極表面構造の変化が抑制され、繰り返しサージにより放電した際も安定した放電電圧を示すことができる。
【００２４】
また、封止電極３が、セラミックス製筒体２との接合面に、Ａｌと共晶となる元素を含有した共晶元素含有部４を有しているので、セラミックス製筒体２と封止電極３との接合強度が向上する。この接合面の共晶元素固溶部４に存在する共晶元素は、主に接合時に使用したろう材５中に含有された元素に起因すると考えられ、接合時にＡｌ電極１３中に拡散して接合箇所から濃度が減少するが、接合面が不均一核生成のサイトとなって共晶元素が界面部分に残存し、共晶元素の共晶元素含有部４を形成することで、接合界面における接合強度を高めている。したがって、高い機械的信頼性を得ることができる。
【００２５】
本実施形態の放電管１の製造方法では、セラミックス製筒体２とＡｌ電極１３とを対向方向に加圧した状態で加熱し、ろう材５を溶融させることにより、ろう材５中のＡｌと共晶となる元素をＡｌ電極１３中に拡散させ、セラミックス製筒体２と封止電極３とを直接接合すると共に、封止電極３の接合面に、Ａｌと共晶となる元素の共晶元素含有部４を形成するので、セラミックス製筒体２と封止電極３との接合界面における高い接合強度が得られる。
【００２６】
特に、セラミックス製筒体２が、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮで形成され、ろう材５が、少なくともＡｌとＳｉとを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材であるので、Ｓｉが共晶元素となり、Ａｌ２Ｏ３のセラミックス製筒体２とＡｌの封止電極３とが直接接合されると共に、封止電極３の接合面にＳｉの共晶元素含有部４が形成される。
【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】
まず、放電制御ガス雰囲気下において、封止電極とセラミックス製筒体とを直接接合させることにより、セラミックス製筒体内部に放電制御ガスを封止した本発明の実施例を作製した。セラミックス製筒体としては、純度９６％のＡｌ２Ｏ３を用い、封止電極としては、純度９９％以上のＡｌ（２Ｎアルミニウム）を用いた。接合温度としては、ろう材が溶融する温度以上が必要であるため、ろう材が完全に溶融する６００℃から６２５℃までの条件を選択した。ろう付けの雰囲気としては、窒素、アルゴン等の希ガス、水素またはこれらの混合ガスなどを用いることが可能であるが、本実施例では、アルゴンと水素との混合ガスを用いた。
【００２９】
このように作製した本発明の実施例について、放電開始電圧が１５００Ｖ近傍である試料について、サージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を測定した。なお、比較例として、Ｃｕ封止電極とメタライズ付きセラミックス製筒体を用いた放電管も作製した。この比較例においては、放電ガス、放電ギャップ、放電管寸法など電極材料以外の因子を実施例と同様とした。放電開始電圧が１５００Ｖ近傍である比較試料について、同様にサージ印加繰り返し回数に対する平均放電開始電圧を測定した。これら比較例及び実施例の測定結果を、図３及び図４に示す。なお、サージ印加としては、８／２０μｓ波形で３０００Ａ波高値の電流サージを印加した。
【００３０】
この試験の結果、Ｃｕの封止電極を用いた比較例では、サージ印加回数が増えるほど、平均放電開始電圧が増加しているのに対し、Ａｌの封止電極を用いた本発明の実施例では、サージ印加回数が増えても平均放電開始電圧がほとんど変化していなかった。従って、本発明の実施例の方が、高いサージ耐量特性を示していると考えられる。
【００３１】
次に、本発明の実施例を、大気中で加熱した試料を室温近傍の水の中に投入することにより、試料に温度差約２３５℃の熱衝撃応力を印加する試験を行った。これら試験の結果、接合温度６００℃の実施例では、熱衝撃破壊確率が１４％であったのに対し、接合温度６２５℃の実施例では、熱衝撃破壊確率が０％であった。
【００３２】
次に、ＦＥＩ社製分析透過型電子顕微鏡（Ｔｉｔａｎ  Ｇ２  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ  Ｓｕｐｅｒ−Ｘ元素分析装置付き）により、セラミックス製筒体と封止電極との接合面について、界面を中心として界面を挟む方向に約８０ｎｍ、界面方向に約９８０ｎｍの長方形領域に関して、Ｓｉの元素分析を実施した。その結果、接合温度が高い実施例ほど接合面近傍に高いＳｉ濃度が観測された。
【００３３】
例えば、接合温度が６１０℃のものでは、界面近傍の上記長方形領域におけるＳｉ濃度が０．４ｗｔ％であったのに対し、接合温度６２５℃の実施例では、界面近傍の上記長方形領域におけるＳｉ濃度が０．６ｗｔ％と高かった。これらの結果は、接合温度６２５℃の実施例の方が、封止電極の接合面におけるＳｉが高濃度であることを示していると考えられる。従って、接合面近傍におけるＳｉ濃度が高い場合、実施例の熱機械的特性が向上していると考えられる。
【００３４】
さらに、封止電極に押し込み治具を当てた後、この治具を封止電極に機械的に押し込むことにより、セラミックス製筒体−封止電極の接合部の機械強度（破壊強度）特性を評価した。その結果、従来のＣｕの封止電極とメタライズ層付きセラミックス製筒体とを用いて作製した比較例では、平均破壊強度が２９ＭＰａであったのに対し、接合温度６２５℃で接合した本発明の実施例では、平均破壊強度が３３ＭＰａであった。このことから、比較例に対して、Ａｌの封止電極を接合させた本発明の実施例は、放電管として高い機械的信頼性が得られている。
【符号の説明】
【００３５】
１…放電管、２…セラミックス製筒体、３…封止電極、４…共晶元素含有部、５…ろう材、６…放電トリガ膜、Ｍ…メタライズ層
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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