JP4745357B2 - プリント回路基板スパークギャップ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［発明の属する技術分野］
本発明は電気回路を保護するスパークギャップに関し、より詳細にはプリント回路基板に関するスパークギャップに関する。

従来の技術

スパークギャップは回路の前のサージに対するシャントの路を設けるよう高い電圧のサージの損傷効果から回路を保護するよう意図されている。スパークギャップは過渡的な又はサージ放電用の回路内の点を決定し、その様な放電の特定の電位を決定する。望ましい放電の位置は含まれる回路、その様な過渡現象のソース及び好ましい放電路により決定される。放電に必要な差の電圧はスパークギャップからなる２つの導電性の点の間の離間により決定される。要求される放電電位は例えば規制要求により決定される過渡現象又はサージソース及び望ましい保護レベルを決定することにより確立される。

従来のスパークギャップ技術は離散的なスパークギャップ（図１の（Ａ）、（Ｂ））又はよりコスト効率の良いプリント回路基板（ＰＣＢ）スパークギャップ（図２の（Ａ），（Ｂ））を含む。離散的なスパークギャップは一般にその間を固定して離間されたそれぞれの導電性表面でガラス、セラミック又はプラスチックの本体内で終端されたリードで形成される。離散的なスパークギャップの２つの範疇があり、１つは図１の（Ａ）に示されるように制御された雰囲気で密封され、他は図１の（Ｂ）に示されるように通常の大気で密封されない。これらの型の両方は取付用のかなり大きな空間を必要とし（例えばＰＣＢ上に）、両者は離間及び他の機械的な考慮により設けられる間の注意深い物理的な配置及び方向付けが必要である。プリント回路スパークギャップよりコスト的な傾向のある離散的なスパークギャップは幾分より持続的であり、通常より制御された放電電位を示す。

１以上の固定又は柔軟な絶縁体（例えばファイバーグラス又はプラスチック）の層及び１以上の導電材料（例えば銅又は導電性インク）の層からなるプリント回路基板を製造することは良く知られており、ここで種々の回路部品は導電性「トレース」により電気的に接続される。図２（Ａ），（Ｂ）に示されるようにＰＣＢスパークギャップは相互に固定された距離で配置され、望まれない過渡現象又は電位の放電用に制御された点を提供するＰＣＢの導電性トレース（例えば銅）を用いる。ＰＣＢスパークギャップは電位及び含まれるエネルギーに依存するノード間でラミネートされた基板に穿孔されたスロットを有する。ＰＣＢスパークギャップは正確かつ連続的に製造することが比較的容易である。何故ならば物理的な耐性及び配置を通して導入される変化がほとんどないからである。（離散的なスパークギャップと対照的に）ＰＣＢスパークギャップは予想可能な動作を提供し、比較的廉価であり、コストは基板材料の実質的なコストよりわずかに高いだけであろう。

プリント回路基板スパークギャップの欠点は繰り返される放電、破局的な事象、又は長期間の一定の放電で明らかである。これらの状況ではプリント回路基板表面及び銅箔は箔の蒸発により導電性ノード間の空間に関して急速に劣化する。ギャップ空間が増加するにつれてギャップを横切るアークに対して必要な電位は増加し、アークの位置はより制御されない。付加的に基板のラミネートはその様な事象を生ずる集中的な熱により破局的かつ長期の放電中の損傷を維持する。

ＰＣＢスパークギャップを改善するのに有用な幾つかの技術がある。例えば箔の蒸発に関する問題は箔の厚さを増加させることにより又はスパークギャップのＰＣＢスロット型で、スロットの長さを増加することにより（その一方で同じ幅を維持する）遅らせることが可能である。しかしながらスパークギャップを実施することを必要とするＰＣＢの領域はこの技術で増加し、蒸発は実質的に性能を劣化する。他の技術はスパークのエネルギーが２つのギャップに亘り散逸するような離間された一連の多数のギャップの使用である（図２の（Ｂ））。この技術はまたＰＣＢ領域の消費で箔の損傷を遅くする。

故に本発明の目的は従来技術のスパークギャップの上記制限を減少又は除去するスパークギャップを提供することにある。

本発明は上記のＰＣＢスパークギャップの型の改善に関し、それは相互に先端を突き合わせるよう向けられ、スパークギャップのそれぞれのＰＣＢ導電対にはんだ付けされる表面取付デバイス（ＳＭＤ）を用いる。

発明の実施の形態

本発明は図を参照してより詳細に説明される。種々の図に示される類似の符号は同じ又は類似の要素を示す。図３の（Ａ）及び図５を参照するに、本発明によるＰＣＢスパークギャップの実施例が示される。ＰＣＢは非導電性の基板又はラミネート１００及びラミネート１００上に形成された導体２００、３００を含む導電性層を含む。導体２００、３００はスパークギャップ４００を形成するよう離間され、相互に電気的に絶縁間される。スパークギャップ４００は表面取付デバイス（ＳＭＤ）２１０、３１０の付加により増強され、これは導体２００、３００にそれぞれはんだ付けされる。示されたギャップ４００はラミネート１００を通して穿孔されたスロットを含む。しかしながらその様なスロットを穿孔することは本発明の実施に必要ではない。ＳＭＤ２１０は導体端２３０、２３１ではんだフィレット２２０、２２１を介して導体２００に電気的、機械的に接続される。ＳＭＤ３１０は導体端２３０、２３１ではんだフィレット３２０、３２１を介して導体３００に電気的、機械的に接続される。

それを横切ってスパークの形で電気的エネルギーが移動する実際のギャップ４００は導体２００と３００との間の空間により最初に形成される。これらの導体はそれらがギャップがＳＭＤ２１０とＳＭＤ３１０との間で形成されるところで浸食されるようにある蒸気化をなされる。ＳＭＤと導体の端との間で導体の量は用いられたＳＭＤ処理の取付耐性及びはんだフィレットの構成により決定される。

スパークギャップ４００の第一の電極は導体２００及びはんだフィレット２２０により形成され、第二の電極は導体３００及びはんだフィレット３２０により形成される。スパークは２つの電極間の電位差がギャップの幅に依存するレベル及び材料の耐電圧（例えばスロットの場合は空気、又はファイバーグラス）を超えたときに１の電極から他へジャンプする。ＳＭＤ２１０又は３１０間の導電性箔ははんだフィレット２２０、３２０がこの形へ流れ込むような点に決定されるように設けられるよう形成される。このような方法でアークの位置及び従って引き起こされることが要求される電圧差のレベルがより正確に制御される。この決定された点はより制御しにくい丸い又は広い放電表面と対比して望ましい電位と位置での放電を促進する。

第一の電極のみを考えるとアークオーバーにより電極に現れる電気的エネルギーは導体２００、はんだフィレット２２０、ＳＭＤ２１０の導体の端２３０により散逸される。加えて電極の導電性材料内での損失Ｉ2 Ｒにより発生された熱はＳＭＤ２１０及びラミネート１００のような隣接した材料に移動する。図２の（Ａ）の従来技術のスパークギャップでは電気的熱的エネルギーは銅及びラミネートのみにより散逸され、上記のような導電体及びラミネートの腐食を生じた。表面取付デバイスを用いることにより及びそれらに関連するはんだフィレット及び導体端により銅から熱を吸収するために用いられる質量は増加し、銅及び隣接するラミネートに対する損傷は最小化される。加えてはんだフィレットにより設けられる大きな断面領域及び導体端はアークオーバー中の電流への抵抗を低くすることによりＩ２Ｒ損失を直接減少し、それにより発生される熱の量を減少する。

本発明は図に示されるように又はそれぞれ導体２００、３００によるＳＭＤ２１０，ＳＭＤ３１０の「短絡」なしに実施されうる。しかしながらＳＭＤの下の付加的な銅は電気的な抵抗を低くし、熱質量（即ち損害なしにより多くの熱を吸収する）を増加することの両方により付加的な保護を提供する。熱的な質量の更なる増加は異なるはんだ複合物を用いることにより実現される。例えば特定のはんだ複合物はその高い特徴的な熱特性故に選択される。特定のはんだ複合物はまた特定の流体又は凝固特性により選択され、それにより通常得られない厚いはんだ接合が形成される。

用いられたＳＭＤは通常の技術と耐久性を用いてＰＣＢの銅の層にはんだ付けされる。例えばウエーブ又はリフロー方法、蒸気相及び赤外技術である。加えて用いられるＳＭＤの実際の部品の型は上記のようにデバイスが「短絡」されるところで臨界的ではない。デバイスが「短絡」されていないことで部品の選択はより重要であり、低インピーダンス部品（例えばＳＭＤのジャンパー型）が適切な選択である。実際的なこととしてＳＭＤ抵抗はＳＭＤコンデンサより機械的に堅固であり、故により望ましいが、両方とも用いられ得る。同様にして選択されたデバイスの耐久性は臨界的ではない。その様な電気的に拒否される部品はそれらが適切な機械的な特性を維持する（例えばかけない等々）場合になお用いられ得る。加えてＳＭＤはスパークギャップで用いるために特別に貯蔵される必要はなく、他の目的で発注されたＳＭＤも用いることが可能である。

本発明はまた図４の構成を用いて実施でき、ここで２つの対向するＳＭＤはスパークギャップ４００を形成するよう用いられる。図４の配置の変形は図３の（Ａ），（Ｂ）に示される。図３の（Ａ）は２つの対向するＳＭＤの対からなるスパークギャップ４００を有する第二の導体３００上に設けられたＳＭＤの第二の対３１０Ａ，Ｂに対向する第一の導体２００上に設けられたＳＭＤの第一の対２１０Ａ，Ｂを示す。この構成はアークオーバーに対する２つの決定された表面があるところにある冗長性を提供する。このような２つの表面を設けることによりスパークギャップの耐久性は増加する。何故ならば対向するＳＭＤの一つの組の表面を決定するどのような顕著な劣化も対向するＳＭＤの他の組の間のアークを実際に生ずるからである。

図３の（Ｂ）は更なる配列の増強を示す。ＳＭＤの第一２１０Ａ，Ｂと第二３１０Ａ，Ｂの対の間のＳＭＤの第三の対５１０Ａ，Ｂは第二のスパークギャップを形成するために設けられている。この配置は２つのギャップ４００Ａと４００Ｂとの間のアークオーバーエネルギーの分割を許容し、それによりスパークギャップからなるそれぞれの要素上のストレスを減少する。例えば同一のアークオーバー電圧を仮定すると、図３の（Ａ）の配置での単一のスパークギャップは図３の（Ｂ）の配置での２つのスパークギャップのいずれよりも広いことが必要とされ、放散される熱的、電気的エネルギーは図３の（Ａ）の配置でのより少ない部品により放散される。故に図３の（Ｂ）の配置は関連する部品の劣化を増加することなく図３の（Ａ）の配置より高いエネルギースパークを許容する。

また本発明は、図６の配置を用いて実施されても良い。ここで、第一のＳＭＤ２１０Ａ、及び任意の第二のＳＭＤ２１０Ｂは、第２の導体３００と対向する第一の導体２００上に設置される。スパークギャップ４００は、それに取り付けられている１または２以上のＳＭＤの導電性表面を有する第一の導体と、第二の導体の間にギャップを有する。この実施例では、アークによって生じるスパークギャップの一つの側の損傷が有意に保護されるという、従来技術にはない有意な効果が得られる。

従来のＰＣＢスパークギャップと比較したときにコストの増加は最小であり、本質的に２以上のＳＭＤ及びそれらのＰＣＢ上への配置のコストからなる。加えて図１の（Ａ）の離散的なスパークギャップの代わりとしてのＳＭＤの使用は表面取付技術の恩恵（例えば正確で代替可能な部品配置等々．．．）という利点を有する。

ＳＭＤ配置は選択された配置／はんだ付け処理の機械的公差及び配置誤差の最悪の場合の組合せがギャップエッジでの部品により覆われていない導体のある量が常に存在することを保証するように選択されるべきである。この配置の目的ははんだ接続と最初の放電開始に対する決められた点の両方を保証することである。

スパークギャップは８０５又は１２０６ＳＭＤ部品のいずれかを用いて構成される。例えば概略Ｏ ５ミルのＳＭＤ対の端と端の設置精度及び概略１００ミルの側面と側面のクリアランスを有する図３の（Ａ）に示されるような発明の実施例上での導電テストはよい結果をもたらす。配置過程のガイドラインはＳＭＤの端を越える銅の２０ミルを要求するが、この距離は例えば保護溝のレベルに依存して減少する。

ＳＭＤ取付過程の要因により（例えば隣接部品はんだ付け）、側面と側面の中心線クリアランスは８０５の大きさのＳＭＤに対して中心線と中心線を９０ミルに接近し、１２０６の大きさのＳＭＤに対して中心線と中心線を１００ミルに接近する。５ミルのはんだフィレットを達成するために要求される端のクリアランスはまた充分な電気的、機械的接続を提供する。

上記物理的な寸法を有する図３の（Ａ）の配置でなされた反復的な過渡及びサージを含む実験において、非常に満足できる結果が得られた。ジャンパー型ＳＭＤを用いた６ＫＶ及び０．５１ｕｆ毎に２０以上のサージからなるテストがなされた。導体は実質的に劣化を被らないことがわかった。図２の（Ａ）の従来技術の配置でなされた同様の実験は銅の顕著な劣化を生じた。本発明のスパークギャップは過渡的な及び連続的な放電デバイスの両方で有用であることが示された。

当業者には明らかであるが本発明は特定の例を特に参照して説明されてきたが変更及び改善は本発明の本質から離れることなく開示された実施例に対してなされうる。故に請求項は上記の例から自然に生ずる全ての変更に亘るよう意図されるものである。

従来技術で知られている型のスパークギャップを示す。 従来技術で知られている型のスパークギャップを示す。 （Ａ）は本発明の好ましい一実施例の平面及び側面図を示し、（Ｂ）は本発明の好ましい他の実施例の平面及び側面図を示す。 本発明の一実施例の斜視図を示す。 図３の（Ａ）に示された本発明の好ましい一実施例の平面及び側面図を示す。 本発明の他の代替的な実施例の平面及び側面図を示す。

符号の説明

１００ ラミネート
２００、３００ 導体
２１０、３１０ 表面取付デバイス（ＳＭＤ）
２１０Ａ，Ｂ、３１０Ａ，Ｂ、５１０Ａ，Ｂ ＳＭＤ
２２０、２２１、３２０、３２１ はんだフィレット
２３０、２３１ 導体端
４００ スパークギャップ

Claims (2)

1. 各々が第一の導電性表面上に配置され、第一の平坦表面を有する、少なくとも２つの第一の表面取付デバイスを有し、
   第一の導電性表面および前記少なくとも２つの第一の表面取付デバイスは、所定の間隔だけ、第二の導電性表面から分離されており、前記第二の導電性表面と協働して、両導電性表面の間に電気的なアークを可能にするギャップを形成し、
   前記少なくとも２つの第一の表面取付デバイスは、熱吸収部材であることを特徴とするプリント回路基板スパークギャップ。
2. さらに、各々が第二の導電性表面上に配置され、第一の平坦表面を有する、１または２以上の第二の表面取付デバイスを有し、前記第二の導電性表面上の１または２以上の第二の表面取付デバイスは、所定の間隔だけ、前記第一の導電性表面上の少なくとも２つの第一の表面取付デバイスから分離されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路基板スパークギャップ。

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