特許 6296409 サージ防護装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6296409

(24)【登録日】2018年3月2日

(45)【発行日】2018年3月20日

(54)【発明の名称】サージ防護装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/04 20060101AFI20180312BHJP

   H02H 7/20 20060101ALI20180312BHJP

   H01C 7/12 20060101ALI20180312BHJP

【ＦＩ】

   H02H9/04 A

   H02H7/20 A

   H01C7/12

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-207228(P2017-207228)

(22)【出願日】2017年10月26日

【審査請求日】2017年11月28日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】592074371

【氏名又は名称】株式会社コンド電機

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】近藤 善一

(72)【発明者】

【氏名】小林 好之

【審査官】 古河 雅輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−２１７４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３１１６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０４１８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１５４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７６２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｃ ７／０２− ７／２２

Ｈ０１Ｃ １１／００−１３／０２

Ｈ０２Ｈ ７／００

Ｈ０２Ｈ ７／１０− ９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源に接続される２つの入力端子と、
継電器の電磁コイルの両端にそれぞれ接続される２つの出力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続され、前記２つの入力端子側から侵入する雷サージに対して作用する雷サージ防護手段と、
前記雷サージ防護手段よりも前記２つの出力端子側にて前記２つの出力端子の間に接続され、前記電磁コイルにて発生する開閉サージに対して作用する開閉サージ防護手段と、
を備えることを特徴とするサージ防護装置。

【請求項2】

前記雷サージ防護手段は第１サージ防護素子を備え、
前記開閉サージ防護手段は、第２サージ防護素子と、アノード側に前記第２サージ防護素子が直列接続された第１ダイオードと、を備え、
前記第２サージ防護素子に対して前記第１ダイオードの反対側において、アノード側に前記第２サージ防護素子が直列接続された第２ダイオードを備え、
前記第１サージ防護素子の動作開始電圧をＶ１、前記第１、第２ダイオードの逆方向耐圧をＶｄ、前記第２サージ防護素子の動作開始電圧をＶ２とすると、以下の式（１）、（２）
Ｖｄ+Ｖ２＞Ｖ１ ・・・ （１）
Ｖ２＜Ｖ１ ・・・ （２）
が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のサージ防護装置。

【請求項3】

前記第１サージ防護素子は放電素子またはバリスタであることを特徴とする請求項２に記載のサージ防護装置。

【請求項4】

前記第２サージ防護素子は放電素子、バリスタまたはツェナーダイオードであることを特徴とする請求項２または３に記載のサージ防護装置。

【請求項5】

絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂で構成され、前記雷サージ防護手段および前記開閉サージ防護手段を収容する筐体を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のサージ防護装置。

【請求項6】

前記雷サージ防護手段および前記開閉サージ防護手段と前記筐体との間に絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂が充填されていることを特徴とする請求項５に記載のサージ防護装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サージ防護装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

鉄道や道路や航空等の交通等に使用される信号装置には、継電器（リレー）が組み込まれている。継電器は、電磁コイルと接点端子とを備えており、電磁コイルに電流を流すことで接点端子を開閉する。接点端子の開閉時には、電磁コイルに逆起電力が生じ、開閉サージ（逆起電力サージとも呼ばれる）が発生する。また、開閉毎に接点接合ノイズ、接点切り替えノイズ、チャタリング等による、完全には除去できないサージが頻発する。このようなサージが信号装置に到達して信号装置を破壊したり、信号装置の動作不良を発生させたりしないように、通常は継電器にサージ防護素子が設けられる。

【0003】

一方、通信機器等の電子機器には、直撃雷や誘導雷によって生じた雷サージや誘導雷サージ（以下、雷サージと誘導雷サージとを単に雷サージと記載する）が侵入し、電子機器を破壊したり、動作不良を発生させたりすることがある。そこで、電子機器には、サージ防護素子が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−２７０３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、雷の発生の増加によって、雷サージが信号装置の破壊または動作不良の原因となることが問題となっている。継電器に設けられたサージ防護素子は、雷サージが信号装置に侵入することを防止する効果もある。しかし、サージ防護素子が継電器で頻繁に発生するサージによって劣化する場合がある。この場合、雷サージの侵入を防止できずに信号装置の破壊または動作不良が発生することがある。このような問題は、信号装置に限らず、継電器を備える電子機器にて発生しうることであるが、特に、交通に使用される信号装置に破壊または動作不良が発生すると、交通の混乱を引き起こし、社会的に大きな問題となる。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、継電器における開閉サージ、および雷サージから電子機器を好適に保護することができるサージ防護装置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】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るサージ防護装置は、電源に接続される２つの入力端子と、継電器の電磁コイルの両端にそれぞれ接続される２つの出力端子と、前記２つの入力端子の間に接続され、前記２つの入力端子側から侵入する雷サージに対して作用する雷サージ防護手段と、前記雷サージ防護手段よりも前記２つの出力端子側にて前記２つの出力端子の間に接続され、前記電磁コイルにて発生する開閉サージに対して作用する開閉サージ防護手段と、を備えることを特徴とする。

【0008】

本発明の一態様に係るサージ防護装置は、前記雷サージ防護手段は第１サージ防護素子を備え、前記開閉サージ防護手段は、第２サージ防護素子と、アノード側に前記第２サージ防護素子が直列接続された第１ダイオードと、を備え、前記第２サージ防護素子に対して前記第１ダイオードの反対側において、アノード側に前記第２サージ防護素子が直列接続された第２ダイオードを備え、前記第１サージ防護素子の動作開始電圧をＶ１、前記第１、第２ダイオードの逆方向耐圧をＶｄ、前記第２サージ防護素子の動作開始電圧をＶ２とすると、以下の式（１）、（２）
Ｖｄ+Ｖ２＞Ｖ１ ・・・ （１）
Ｖ２＜Ｖ１ ・・・ （２）
が成り立つことを特徴とする。

【0009】

本発明の一態様に係るサージ防護装置は、前記第１サージ防護素子は放電素子またはバリスタであることを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係るサージ防護装置は、前記第２サージ防護素子は放電素子、バリスタまたはツェナーダイオードであることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係るサージ防護装置は、絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂で構成され、前記雷サージ防護手段および前記開閉サージ防護手段を収容する筐体を備えることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係るサージ防護装置は、前記雷サージ防護手段および前記開閉サージ防護手段と前記筐体との間に絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂が充填されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、継電器における開閉サージ、および雷サージから電子機器を好適に保護することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態に係るサージ防護装置の回路図である。

【図2】図２は、ユニット化したサージ防護装置の一例の模式図である。

【図3】図３は、図２に示すサージ防護装置の分解図である。

【図4】図４は、図２、３に示すサージ防護装置の組み込み方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、図面を参照して本発明に係るサージ防護装置の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。

【0016】

図１は、実施形態に係るサージ防護装置の回路図である。サージ防護装置１００は、２つの入力端子１１ａ、１１ｂと、２つの出力端子１２ａ、１２ｂと、雷サージ防護手段である第１サージ防護素子１３と、開閉サージ防護手段を構成する第２サージ防護素子１４および第１ダイオード１５と、第２ダイオード１６と、を少なくとも備えている。

【0017】

入力端子１１ａ、１１ｂは、ＤＣ電源である電源１０に接続されている。具体的には、入力端子１１ａがスイッチ３０を介して電源１０の正極側に接続され、入力端子１１ｂが電源１０の負極側に接続されている。

【0018】

出力端子１２ａ、１２ｂは、継電器４０の電磁コイル４１の両端にそれぞれ接続されている。また、出力端子１２ａは入力端子１１ａに接続され、出力端子１２ｂは入力端子１１ｂに接続されている。なお、継電器４０は接触端子４２を備えている。

【0019】

第１サージ防護素子１３は、例えばアレスタ等の放電素子やバリスタであるが、本実施形態ではアレスタである。第１サージ防護素子１３は、入力端子１１ａ、１１ｂの間に接続されている。

【0020】

第２サージ防護素子１４は、例えば放電素子やバリスタやツェナーダイオードであるが、本実施形態では酸化亜鉛バリスタである。第２サージ防護素子１４の一方の端子が第１ダイオード１５のアノード側に接続され、第２サージ防護素子１４と第１ダイオード１５とが直列接続されることによって、開閉サージ防護手段が構成されている。また、第１ダイオード１５のカソードが出力端子１２ａに接続され、第２サージ防護素子１４の別の一方の端子が出力端子１２ｂに接続されている。これにより、開閉サージ防護手段は、第１サージ防護素子１３よりも出力端子１２ａ、１２ｂ側にて出力端子１２ａ、１２ｂの間に接続される。

【0021】

第２ダイオード１６は、第２サージ防護素子１４に対して第１ダイオード１５の反対側においてアノード側に第２サージ防護素子１４が接続され、カソードが入力端子１１ｂ側に接続されている。すなわち、第２サージ防護素子１４の一方の端子は第１ダイオード１５のアノード側に接続し、別の一方の端子は第２ダイオード１６のアノード側に接続している。

【0022】

つぎに、継電器４０の動作について説明する。スイッチ３０をオフ状態からオン状態にすると、電源１０から入力端子１１ａ、出力端子１２ａ、電磁コイル４１、出力端子１２ｂ、第２ダイオード１６、入力端子１１ｂを経由して電流が流れる。これにより、電磁コイル４１が磁力を発生する。この磁力によって、接触端子４２の２つのアームが電磁コイル４１の両端に吸引されて接触端子４２が開状態から閉状態となる。スイッチ３０をオフ状態にすると接触端子４２は開状態になる。継電器４０の開閉状態に応じて、継電器４０を備える、または継電器４０に接続された電子機器が制御される。

【0023】

つぎに、アレスタである第１サージ防護素子１３の作用を説明する。第１サージ防護素子１３は、入力端子１１ａ、１１ｂ側から侵入してきた両極性の雷サージＳ１、Ｓ２に対してサージ防護作用を発揮する。具体的には、第１サージ防護素子１３は、通常の電源１０の電圧が印加されている状態では電流は流れないが、動作開始電圧以上の電圧の雷サージＳ１、Ｓ２が侵入してくると、放電を開始して雷サージＳ１、Ｓ２をバイパスさせる。その結果、第１サージ防護素子１３は、継電器４０を雷サージＳ１、Ｓ２から防護する。

【0024】

つぎに、酸化亜鉛バリスタである第２サージ防護素子１４、および第１ダイオード１５の作用を説明する。第２サージ防護素子１４、および第１ダイオード１５は、継電器４０に発生する開閉サージＳ３に対してサージ防護作用を発揮する。具体的には、スイッチ３０をオン状態からオフ状態にすると、継電器４０の電磁コイル４１の自己誘導作用によって逆起電力が生じ、開閉サージＳ３が発生する。第２サージ防護素子１４の動作開始電圧と第１ダイオード１５の順方向電圧との和以上の電圧の開閉サージＳ３は、第２サージ防護素子１４、第１ダイオード１５、電磁コイル４１によって形成されるループを流れながらこれらの抵抗成分によってエネルギーが消費され、やがて吸収される。

【0025】

すなわち、雷サージＳ１、Ｓ２と開閉サージＳ３が別個に侵入または発生した場合でも、重畳した場合でも、サージ防護装置１００はこれらのサージに対して防護作用を発揮する。

【0026】

以上のように、サージ防護装置１００によれば、雷サージＳ１、Ｓ２および開閉サージＳ３から、継電器４０を備える、または継電器４０に接続された電子機器を好適に保護することができる。

【0027】

なお、第１サージ防護素子１３と、第２サージ防護素子１４と第１ダイオード１５とは、並列接続されているので、雷サージＳ１、Ｓ２が第２サージ防護素子１４と第１ダイオード１５とにも流れ、および／または開閉サージＳ３が第１サージ防護素子１３にも流れる場合が有りうる。

【0028】

そこで、第１サージ防護素子１３の動作開始電圧をＶ１、第１ダイオード１５、第２ダイオード１６の逆方向耐圧をＶｄ、第２サージ防護素子１４の動作開始電圧をＶ２とすると、以下の式（１）、（２）
Ｖｄ+Ｖ２＞Ｖ１ ・・・ （１）
Ｖ２＜Ｖ１ ・・・ （２）
が成り立つことが好ましい。式（１）が成り立つことによって、雷サージＳ１、Ｓ２は第１サージ防護素子１３側のみに流れやすくなる。また、式（２）が成り立つことによって、開閉サージＳ３は第２サージ防護素子１４と第１ダイオード１５側のみに流れやすくなる。これにより、第１サージ防護素子１３を雷サージＳ１、Ｓ２に対して最適に設計しやすくなり、第２サージ防護素子１４および第１ダイオード１５を開閉サージＳ３に対して最適に設計しやすくなる。すなわち、雷サージと開閉サージのそれぞれに対して別個に最適化をすることが可能になり、雷サージと開閉サージとの大小関係に依らず、雷サージと開閉サージの両方に対してより好適に動作可能なサージ防護装置１００とすることができる。例えば、Ｖｄ＝９０Ｖ、Ｖ１＝９０Ｖ、Ｖ２＝５６Ｖとすることで、式（１）、（２）が成り立つ。

【0029】

このサージ防護装置１００は、図２に示すようにユニット化することで、組み立ての作業性の向上、継電器４０に取り付ける際の誤配線の防止を実現でき、生産性を向上できる。

【0030】

ユニット化したサージ防護装置１００は、絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂を成型することで構成された、直方体形状の筐体２０を備える。筐体２０を構成する樹脂は、外気環境に曝されることから、経年劣化を考慮しながら難燃性が求められる。そこで、例えばＵＬ９４規格における垂直燃焼試験グレードがＶ−０に相当する難燃性を有することが好ましい。例えば、筐体２０を構成する樹脂としては、耐熱温度が１００℃から１４０℃であり、融点が１６８℃のポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ユリア樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂等が用いられ、更なる耐熱性を増すために、ガラスフリットを添加する等の技法が用いられる。筐体２０の両端面からはそれぞれ入力端子１１ａ、１１ｂ、出力端子１２ａ、１２ｂが突出している。また、該両端面と略直交する面にはＵ字形の溝部２１が形成されている。この溝部２１は継電器４０の電磁コイル４１の側面に沿った形状を有しており、サージ防護装置１００を電磁コイル４１の近傍に配置しやすくする効果がある。

【0031】

図３は、図２に示すサージ防護装置１００の分解図である。入力端子１１ａ、１１ｂ、出力端子１２ａ、１２ｂ、第１サージ防護素子１３、第２サージ防護素子１４、第１ダイオード１５、および第２ダイオード１６は、回路基板１７に実装されている。入力端子１１ａ、１１ｂ、出力端子１２ａ、１２ｂは、回路基板１７の対向する側面１７ａ、１７ｂとは直交する側面側に取り付けられている。入力端子１１ａ、１１ｂは平端子であり、出力端子１２ａ、１２ｂは中空丸端子である。入力端子１１ａ、１１ｂの根元には、シリコーン樹脂等の絶縁性を有する樹脂１８ａ、１８ｂが塗布形成されている。

【0032】

また、筐体２０は、蓋を取り外した状態で図示されている。筐体２０は、蓋が取り付けられる側が開口し、開口側とは反対側に底面を有している。底面には入力端子１１ａ、１１ｂを挿通するための角形端子孔２２ａ、２２ｂが形成されている。また、筐体２０の開口側の内面には、２つの突起を備えた基板ガイド部２３ａ、２３ｂがそれぞれ設けられている。

【0033】

ユニット化したサージ防護装置１００を組み立てる際には、まず、回路基板１７に各部品を実装し、樹脂１８ａ、１８ｂを塗布形成する。つづいて、回路基板１７を筐体２０に差し込む。このとき、回路基板１７の側面１７ａ、１７ｂがそれぞれ基板ガイド部２３ａ、２３ｂの２つの突起部の間を通過するように差し込むことで、回路基板１７がガイドされ、入力端子１１ａ、１１ｂが角形端子孔２２ａ、２２ｂにスムーズに挿入される。これにより第１サージ防護素子１３、第２サージ防護素子１４、第１ダイオード１５および第２ダイオード１６が筐体２０に収容される。

【0034】

つづいて、筐体２０内に、絶縁性かつ耐熱性を有する樹脂を流し込み、筐体２０と、第１サージ防護素子１３、第２サージ防護素子１４、第１ダイオード１５および第２ダイオード１６との間に充填する。充填する樹脂は、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂をベース材として、適量のシリカ粉末、炭酸カルシュウム粉末、アルミナ粉末等を添加し、耐熱性や放熱性を加味しながら最適条件の樹脂としたものや、上記ベース材のみからなる樹脂である。このとき、入力端子１１ａ、１１ｂの根元に塗布形成した樹脂１８ａ、１８ｂは、入力端子１１ａ、１１ｂと角形端子孔２２ａ、２２ｂの縁との間を閉塞し、充填した樹脂が漏れないように機能する。その後、充填した樹脂は８０℃や１２０℃等の高温下、または常温下で硬化される。硬化した樹脂は、回路基板１７に搭載した各素子の損傷や振動による脱落を防止し、かつ各素子を外部からの塵や粉じん、湿気から保護するように作用し、サージ防護装置１００の信頼性を高める。その後に、筐体２０に蓋を固着する。この蓋には、端子孔が形成されており、出力端子１２ａ、１２ｂは端子孔に挿通される。これにより、サージ防護装置１００のユニット化が完成する。

【0035】

その後、図４に示すように、電磁コイル４１を構成する巻線の両端部４１ａ、４１ｂのそれぞれに取り付けられた丸端子４３ａ、４３ｂを、それぞれ出力端子１２ａ、１２ｂに差し込み、回路基板５０に設けられた、電源１０と電気的に接続された圧接端子受５１ａ、５１ｂに入力端子１１ａ、１１ｂを差し込むことによって、サージ防護装置１００を電源１０および継電器４０と接続することができる。

【0036】

このように、サージ防護装置１００を構成する各素子を、耐熱性を有する材料で密封、保護することにより、個々の素子が発熱した場合でも、他の素子に与える影響を低減できる。

【0037】

（実施例）
図２〜４に示す構成のサージ防護装置１００を作製し、その特性を測定した。なお、電源１０として２４ＶのＤＣ電源を用いた。また、インダクタンスが２７０μヘンリーの電磁コイル４１を備えた継電器４０を使用した。第１サージ防護素子１３として動作開始電圧が１００Ｖのガスアレスタを用いた。第２サージ防護素子１４として動作開始電圧が８５Ｖの酸化亜鉛バリスタを用いた。第１ダイオード１５、第２ダイオード１６として逆方向耐圧が４２Ｖのダイオードを用いた。

【0038】

作製したサージ防護装置１００に対して、ＩＥＣ ６１０００−４−５ 第３版の規定に従って雷サージ耐性試験を行った。試験レベルとしてはコンモードを用い、電源１０からの２４ＶのＤＣ電圧に対して、サージ試験機から１．２μ×５０のサージ電圧を、レベル４の４ｋＶにて重畳し、サージ防護装置１００に印加したところ、各素子に異常は見られなかった。さらに、この雷サージ耐性試験を、サージ電圧（重畳電圧）のレベルを１ｋＶ、２ｋＶ、３ｋＶ、４ｋＶ、５ｋＶとして行いながら、継電器４０の開閉動作を１分間隔で１０回行う負荷試験を実行した。結果、各素子や回路基板には異常は見られなかった。さらに、各素子を回路基板から取り外して、素子単体としての電気特性評価を行ったが、いずれの素子も、試験前の初期特性に近い特性を維持していた。表１は、試験結果を示すものである。表１において、吸収電圧とは、第１サージ防護素子１３が吸収した電圧を示している。また、表１に示すように、開閉サージにおける逆起電力が６００Ｖであったところ、第２サージ防護素子１４はいずれの重畳電圧においても、６３Ｖで吸収を開始した。また、いずれの重畳電圧においてもサージ防護装置１００は正常に動作し、外観に損傷などの異常は見られなかった。また、サージ防護装置１００に対して開閉サージ出力６００Ｖにおける保護回路寿命試験を行ったところ、２５万回の連続試験結果でも機器の損傷は皆無であり、その後も正常に動作することが実証された。

【0039】

【表1】

【0040】

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0041】

１０ 電源
１１ａ、１１ｂ 入力端子
１２ａ、１２ｂ 出力端子
１３ 第１サージ防護素子
１４ 第２サージ防護素子
１５ 第１ダイオード
１６ 第２ダイオード
１７ 回路基板
１７ａ、１７ｂ 側面
２０ 筐体
２１ 溝部
２２ａ、２２ｂ 角形端子孔
２３ａ、２３ｂ 基板ガイド部
３０ スイッチ
４０ 継電器
４１ 電磁コイル
４１ａ、４１ｂ 端部
４２ 接触端子
４３ａ、４３ｂ 丸端子
５０ 回路基板
５１ａ、５１ｂ 圧接端子受
１００ サージ防護装置
Ｓ１、Ｓ２ 雷サージ
Ｓ３ 開閉サージ

【要約】

【課題】継電器における開閉サージ、および雷サージから電子機器を好適に保護することができるサージ防護装置を提供すること。
【解決手段】サージ防護装置は、電源に接続される２つの入力端子と、継電器の電磁コイルの両端にそれぞれ接続される２つの出力端子と、前記２つの入力端子の間に接続され、前記２つの入力端子側から侵入する雷サージに対して作用する雷サージ防護手段と、前記雷サージ防護手段よりも前記２つの出力端子側にて前記２つの出力端子の間に接続され、前記電磁コイルにて発生する開閉サージに対して作用する開閉サージ防護手段と、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】