JP4968299B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器に関し、特にロボットやＰＬＣ（Programmable Logic Controller）など施設に固定して用いられサージに対する耐性を高めた電気機器に関する。

従来、電気機器は、例えば雷などを原因とする瞬間的な電圧の変化すなわちサージに対する耐久性が要求されることから、電気回路に保護回路を設けることにより、サージにともなう過電流への耐久性を確保している（例えば、特許文献１参照）。この保護回路は電気機器の電気回路ごとに必要、すなわち一つの電気回路について一つの保護回路が必要となる。そのため、電源から電流が供給される入力端子が複数設けられている場合、すなわち複数の電気回路を含む電気機器の場合、各入力端子に対応する各電気回路にそれぞれ保護回路を設ける必要がある。

ところで、例えばロボットやＰＬＣなど施設に固定して用いられる固定型設備の電気機器は、例えばケース（さらにはその厚さ）などの機械的な小型化だけでなく、ケースに収容される基板や電気回路を含めた小型化が要求されている。例えば図１０に示すように、複数の電気回路１０１、１０２を近接して並列に配置して密集度を高めることにより、電気機器の小型化が図られている。

この場合、各電気回路１０１、１０２においてサージのエネルギーを確実に吸収するためには、抵抗素子１０３、１０４の容量（抵抗値）を想定されるサージに応じて大きめに設定する必要がある。しかしながら、抵抗素子１０３、１０４は容量に比例して大型化するため、サージへの耐久性を高めるためには、抵抗素子１０３、１０４の大型化、ならびにこれにともなう電気回路１０１、１０２および基板の大型化を招くという問題がある。また、複数の電気回路１０１、１０２を近接して並列に配置すると、サージにともなう高電圧が印加されたとき、隣り合う電気回路１０１と電気回路１０２との間で意に反する不規則な放電を生じ、かえって電気回路１０１、１０２に障害を与えることになる。

例えば、電気回路１０１における機能回路部１０５の発光ダイオード１０６の端子１０７と、隣り合う電気回路１０２の端子１０８との間に放電が生じると、機能回路部１０５の発光ダイオード１０６にサージにともなう過電流が流れ、発光ダイオード１０６は電気的に破壊されるおそれがある。また、電気回路１０１のカプラ１０９と電気回路１０２のカプラ１１０との間に放電が生じると、機能回路部１０５の発光ダイオード１０６にサージにともなう過電流が流れ、発光ダイオード１０６は電気的に破壊されるおそれがある。さらに、電気回路１０１のカプラ１１１と電気回路１０２のカプラ１１２との間に放電が生じると、機能回路部１０５の発光ダイオード１０６およびカプラ１１１、カプラ１１２にサージにともなう過電流が流れ、これらの電気的な破壊を招くおそれがある。

特開平１−４９９８３号公報

そこで、本発明の目的は、電気回路を近接して並列に配置することにより密集度を高める場合に、さらなる小型化が図られるとともに、電気回路を構成する素子の破壊を防止してサージに対する耐久性が向上する電気機器を提供することにある。

請求項１記載の発明では、放電ギャップ部は、複数の電気回路のうちいずれかの特定電気回路に印加される電圧が例えば雷などによるサージによって所定電圧以上になると、この特定電気回路に隣接する隣接電気回路との間の放電を促す。つまり、特定電気回路に加わる電圧が所定電圧以上になると、特定電気回路と隣接電気回路との間では互いの放電ギャップ部間で意図的に制御された放電が生じる。そのため、特定電気回路の抵抗素子が吸収すべきサージのエネルギーは、隣接する隣接電気回路の抵抗素子によって一部が負担される。すなわち、特定電気回路に流れるエネルギーＥｓは、Ｅｓ＝１／（特定電気回路＋隣接する電気回路の数）となる。その結果、特定電気回路の抵抗素子が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、その抵抗素子が単独でエネルギーを吸収すべき場合と比較して１／２以下となる。例えば、特定電気回路の片側に隣接電気回路が並列に配置されているとき、サージによって特定電気回路の電圧が上昇すると、特定電気回路の放電ギャップ部から片側に隣接する隣接電気回路の放電ギャップ部へ放電が生じる。そのため、特定電気回路の抵抗素子が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、Ｅｓ＝１／（１＋１）となり、その抵抗素子が単独でエネルギーを吸収すべき場合と比較して１／２となる。また、特定電気回路の両側に隣接電気回路が並列に配置されているとき、サージによって特定電気回路の電圧が上昇すると、特定電気回路の放電ギャップ部から両側に隣接する隣接電気回路の放電ギャップ部へそれぞれ放電が生じる。そのため、特定電気回路の抵抗素子が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、Ｅｓ＝１／（１＋２）となり、その抵抗素子が単独でエネルギーを吸収すべき場合と比較して１／３となる。このように、放電ギャップ部によって意図的な放電を生じさせることにより、サージのエネルギーは、特定電気回路の抵抗素子だけでなく、隣接する他の隣接電気回路の抵抗素子によっても吸収される。そのため、各電気回路に接続される抵抗素子の容量（抵抗値）および保護回路の素子の容量は低減可能となる。また、吸収するエネルギーを隣接する電気回路間で負担することにより、サージを吸収するための専用の素子や接地回路なども必要としない。したがって、電気回路を近接して並列に配置することにより密集度を高める場合であっても、抵抗素子の小型化によってさらなる小型化が図られるとともに、電気回路を構成する素子の破壊を防止してサージに対する耐久性が向上することができる。

請求項２記載の発明では、放電ギャップ部は降圧回路部と機能回路部との間に配置されている。降圧回路部は、入力端子を経由して電力供給部から入力された電圧を降下する。そのため、この降圧回路部よりも入力端子と反対側の機能回路部は、高電圧に対する耐久性が低い。請求項２記載の発明のように降圧回路部と機能回路部との間に放電ギャップ部を設けることにより、サージによるエネルギーは機能回路部と並列に接続されている保護回路部を経由して各電気回路の抵抗素子によって吸収される。これにより、機能回路部は、高電圧に対する耐久性が低い場合でも、サージにともなう過電流による破壊が防止される。したがって、サージに対する耐久性を高めることができる。

ところで放電ギャップ部の形成を容易にするために、配線パターンで形成する場合、放電ギャップ部で放電が生じるごとに、配線パターンには損傷が生じる。そのため、放電ギャップ部の形状は、放電が生じるごとに変化する。対向する放電ギャップ部間で放電が生じる放電電圧は、この放電ギャップ部の端部の形状によって変化する。その結果、放電ギャップ部間に放電が繰り返されると、放電時の損傷によって端部形状が変化し、放電電圧の変化を招くという問題がある。

そこで、請求項３記載の発明では、放電ギャップ部は、電気回路を構成する配線パターンに設けられ、第一端部と第二端部とを有している。第一端部は、隣り合う電気回路と互いに対向し、その先端において配線パターンが先鋭形状に形成されている。一方、第二端部は、この第一端部よりもさらに隣り合う電気回路側に設けられており、その先端が平坦形状に形成されている。すなわち、放電ギャップ部は、隣り合う電気回路において互いに対向する配線パターンとして形成され、隣り合う電気回路の平坦な第二端部同士が最も接近して対向している。一方、この第二端部よりも配線パターンの基端側では、第二端部と電気的に接続し先端が先鋭形状の第一端部が対向している。これにより、隣り合う電気回路の配線パターンの間では、当初は平坦な第二端部同士が対向している。この第二端部間における放電によって第二端部が損傷すると、放電ギャップ部では、この第二端部よりも基端側に位置する第一端部同士が対向する。すなわち、第二端部と第一端部との間には、隙間が形成されているため、第二端部が損傷すると、第一端部が新たに対向することになる。このとき、第一端部同士の距離は、第二端部同士の距離よりも大きくなる。

ここで、請求項３記載の発明の場合、第一端部同士および第二端部同士の距離は、意図的かつ所定の電位差で相互間の放電が生じるように設定されている。つまり、端部の形状の相違による放電特性を考慮し、第一端部相互間での放電および第二端部相互間での放電が同一の電位差で生じるように、第一端部間の距離および第二端部間の距離は設定されている。このように、請求項３記載の発明は、平坦形状の第二端部相互間での放電が生じる電位差と、先鋭形状の第一端部相互間での放電が生じる電位差とは同一となるように、対向する第一端部相互間の距離および対向する第二端部相互間の距離が設定されている。なお、本明細書および特許請求の範囲において「同一の電位差」とは、完全に同一の電位差を意味するのではなく、第一端部間および第二端部間の放電が可能な限り「同一の電位差」で生じることを目標とするものであり、電気回路の保護を図る上で許容される程度の誤差を当然に含んでいる。

上記に加え、請求項３記載の発明の場合、第二端部は平坦形状の端部であるのに対し、第一端部は先鋭形状の端部である。すなわち、対向する端部間の距離が小さな第二端部は平坦形状であり、対向する端部間の距離が大きな第一端部は先鋭形状である。その結果、当初対向している第二端部同士では距離が小さな平坦形状の端部間で放電し、第二端部の損傷によって対向することとなる第一端部同士では端部間の距離がやや大きくなるものの先鋭形状の端部間で放電する。先鋭形状の端部間では、平坦形状の端部間よりも放電が生じやすい。すなわち、先鋭形状の端部間の場合、平坦形状の端部よりも端部間の距離を拡大しても、同一の電位差で放電が生じる。これにより、第二端部間での放電と、第一端部間での放電時の放電電圧とは概ね等しく制御される。したがって、繰り返される放電によって放電ギャップ部の端部形状が変化しても、放電電圧を一定に制御することができる。

さらに、請求項３記載の発明では、第一端部と第二端部とは配線パターンが形成される基板において同一の平面上に設けられている。そのため、基板に配線パターンをプリントする場合、第一端部および第二端部は同時に形成される。したがって、工数の増加を招くことなく、放電ギャップ部を容易に形成することができる。また、放電は、基板の表面すなわち配線パターンが形成されている面上に生じやすい。したがって、第一端部と第二端部とを同一の平面上に設けることにより、第一端部間の放電および第二端部間の放電を安定して生じさせることができる。

請求項４または５記載の発明では、第一端部と第二端部とは配線パターンが形成される基板において異なる平面上に設けられている。すなわち、第一端部と第二端部は、基板の板厚方向において間に空間を形成している。これにより、第二端部は、基板との間に空間を形成しつつ三次元的な立体構造として設けられる。第二端部は第一端部よりも先端側に位置しているため、初期の放電によって第二端部が損傷し、損傷した第二端部の一部が基板に残存すると、第一端部における安定した放電は妨げられるおそれがある。そこで、第二端部を立体構造で形成することにより、第二端部が損傷しても、この損傷した第二端部は基板に残存せず、第一端部間の放電を妨げない。したがって、長期的に安定した放電を促すことができる。また、立体構造の第二端部間では、基板の表面に形成されている第一端部間よりも放電が生じにくい。そこで、第二端部を立体構造で形成することにより、損傷した第二端部の一部が残存しても、基板の表面に沿ってより放電が容易な第一端部間で放電が生じる。したがって、第二端部の残骸に妨げられることなく安定した放電を促すことができる。

請求項４記載の発明では、隣り合う他の電気回路と対向する第二端部は、平坦形状に形成されている。これにより、隣り合う電気回路間で互いに対向する第二端部同士は、一定の距離を形成する。そのため、隣り合う第二端部同士で対向する軸に垂直な横軸方向へ位置的なずれが生じても、第二端部の面の粗さを利用して放電が生じる。したがって、安定した放電を促すことができる。また、請求項４記載の発明の場合でも、第一端部間の距離と第二端部間の距離とは、第一端部相互間における放電が生じる電位差と第二端部相互間における放電が生じる電位差とが概ね等しくなるように設定されている。したがって、放電電圧を一定に制御することができる。

また、請求項５記載の発明では、隣り合う他の電気回路と対向する第二端部は、先鋭形状に形成されている。第二端部を先鋭形状とすることにより、平坦形状の第二端部よりも放電が生じやすくなり、隣り合う第二端部間の距離を拡大可能となる。第二端部間の距離が大きくなると、第二端部間に横軸方向のずれがあっても、放電が生じる部分の距離の変化は小さくなる。したがって、第二端部の位置的な精度を高めることなく、安定した放電を促すことができる。また、請求項５記載の発明の場合でも、第一端部間の距離と第二端部間の距離とは、第一端部相互間における放電が生じる電位差と第二端部相互間における放電が生じる電位差とが概ね等しくなるように設定されている。したがって、放電電圧を一定に制御することができる。

本発明の第１実施形態による電気機器の回路構成を示す模式図 図１に示す回路構成を簡略化したブロック図 図１に示す回路構成を簡略化したブロック図 第２実施形態による電気機器の放電ギャップ部を示す概略図 第２実施形態による放電ギャップ部における放電による端部の形状変化を示す説明図 第３実施形態による電気機器の放電ギャップ部を示す概略斜視図 第３実施形態による放電ギャップ部における放電による端部の形状変化を示す説明図 第４実施形態による電気機器の放電ギャップ部を示す概略斜視図 図８のＸ部分を拡大した拡大平面図 従来の電気機器の回路構成を示す模式図

以下、本発明の複数の実施形態による電気機器を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１に示す電気機器１０は、例えば工場や検査室などの固定型設備に適用される。電気機器１０は、これら固定型設備に固定されているロボットやロボットの制御装置、およびＰＬＣなどに適用される据え置き型の電気機器である。電気機器１０は、図１に示す機器回路を初めとする電気的な回路が設けられている図示しない基板を備えている。この基板は、図示しないケースに収容されている。

電気機器１０は、電気回路２０、入力端子２１、機能回路部２２、保護回路部２３および放電ギャップ部２４を備えている。電気回路２０は、図示しない基板に複数設けられている。複数の電気回路２０は、いずれも数ｍｍから数ｃｍ程度に近接して並列に設けられている。各電気回路２０は、一方の端部がそれぞれ入力端子２１に接続し、他方の端部が接続端子２５に接続している。各電気回路２０は、その回路中に少なくとも一つのサージ吸収素子としての抵抗素子２６を有している。この抵抗素子２６は、各電気回路２０にサージにともなう高電圧が印加されたとき、このサージによるエネルギーを吸収する。抵抗素子２６は、サージによるエネルギーを熱に変えることにより、エネルギーを吸収し、電気回路２０に含まれる各種の素子の破壊を防止する。なお、サージ吸収素子は、サージによるエネルギーを吸収し、電気回路２０に含まれる素子のサージによる破壊を防止する機能を果たす素子であれば、抵抗素子２６に限らず適用することができる。この場合、サージ吸収素子としては、抵抗素子２６に変えてバリスタやサーミスタなどを適用することができる。

入力端子２１および接続端子２５は、機能回路部２２と反対側において電源２７などの電力供給部に接続している。複数の入力端子２１は、いずれか一つまたは複数が機械的または電子的なスイッチングによって選択的に電源２７と接続される。入力端子２１は、電源２７と接続されることにより、電源２７から電流が供給される。機能回路部２２は、複数の電気回路２０のそれぞれにおいて、サージ吸収素子である抵抗素子２６と直列に接続されている。機能回路部２２は、機能素子として発光ダイオード３１を含んでいる。機能素子は、本実施形態のように発光ダイオード３１などの発光素子、あるいは各種のセンサなど、通電することにより特定の機能を発揮する素子である。各電気回路２０の機能素子は、同一に限らず、それぞれ異なっていてもよい。

保護回路部２３は、複数の電気回路２０のそれぞれにおいて、抵抗素子２６と直列かつ機能回路部２２と並列に接続されている。保護回路部２３は、保護素子としてコンデンサ３２を含んでいる。保護回路部２３は、機能回路部２２の保護を図るため、電気回路２０に大きなエネルギーが加わったとき、このエネルギーをバイパスする。これにより、電気回路２０に加わる大きなエネルギーは、機能回路部２２を迂回し、保護回路部２３および抵抗素子２６を経由して接続端子２５へ逃がされる。

放電ギャップ部２４は、複数の電気回路２０のそれぞれにおいて、機能回路部２２よりも入力端子２１側で機能回路部２２と直列に設けられている。放電ギャップ部２４は、複数の電気回路２０のうちいずれかの電気回路２０に印加される電圧が所定電圧以上になると、この電圧が上昇した電気回路２０に隣接する他の電気回路２０との間に放電を促す。放電ギャップ部２４は、以下の例のように隣り合う電気回路２０との間で放電を促すための構造を有している。

（１）隣り合う電気回路２０との間において、電気回路２０を構成する配線の回路パターン（プリントパターン）同士を近接させる。
（２）隣り合う電気回路２０との間において、電気回路２０を構成する素子の端子（リード）同士を近接させる。
（３）隣り合う電気回路２０との間ににおいて、電気回路２０を構成する素子の端子（リード）を絶縁体などで保護することなくむき出しにする。
電気回路２０に上記の例のような構造の放電ギャップ部２４を設けることにより、いずれかの電気回路２０から隣接する他の電気回路２０への放電が促される。なお、上記の（１）〜（３）の構造は、放電ギャップ部２４の例であり、隣り合う電気回路２０との間で放電が促される構造であれば、上記（１）〜（３）の例に限るものではない。

また、電気機器１０は、電気回路２０のそれぞれに降圧回路部４０を備えていてもよい。降圧回路部４０は、機能回路部２２および保護回路部２３よりも入力端子２１側に、機能回路部２２および保護回路部２３と直列に設けられている。降圧回路部４０は、抵抗素子４１などの降圧素子を含んでおり、入力端子２１から入力された十数Ｖ程度の電圧を機能回路部２２へ至る前に数Ｖ程度へ降圧する。このように電気回路２０に降圧回路部４０が含まれている場合、放電ギャップ部２４はこの降圧回路部４０と機能回路部２２との間に配置されている。

次に、上記の構成による電気機器１０のサージに対する作用について説明する。
図２は、図１に示す電気機器１０の回路構成を簡略化して示すブロック図である。電気機器１０は、図２に示すように並列に接続される複数の電気回路２０を備えている。図２の場合、複数の電気回路を区別するために左端側から２０Ａ〜２０Ｄとする。また、図２に示す場合、複数の電気回路２０のうち図２における左端側の電気回路２０Ａの入力端子２１が電源２７に接続している状態を例に説明する。落雷などが生じると、電源２７から電気機器１０には通常の電圧（十数Ｖ〜数十Ｖ）よりも高い数千Ｖ以上のサージ電圧が印加される。電気回路２０Ａの入力端子２１が電源２７に接続しているとき、電源２７から電気機器１０に印加されたサージ電圧は、電気回路２０Ａへ入力される。すなわち、図２に示す場合、電気回路２０Ａは特定電気回路となる。これにより、この特定電気回路である電気回路２０Ａに隣接する電気回路２０Ｂは、隣接電気回路となる。

このように特定電気回路である電気回路２０Ａにサージ電圧が印加されると、放電ギャップ部２４において隣接電気回路である電気回路２０Ｂへ放電が生じる。すなわち、放電ギャップ部２４では放電が促されるため、電気回路２０Ａの放電ギャップ部２４と電気回路２０Ｂの放電ギャップ部２４との間で放電が生じ、その他の部分での放電が制限される。このように、放電ギャップ部２４を設けることにより、特定電気回路である電気回路２０Ａに加わる電圧が所定電圧以上になると、電気回路２０Ａと電気回路２０Ｂとの間では互いの放電ギャップ部２４間で意図的に制御された放電が生じる。そのため、電気回路２０Ａにおけるサージによるエネルギーは、隣接電気回路である電気回路２０Ｂへ分配される。これにより、電気回路２０Ａの抵抗素子２６が吸収すべきサージのエネルギーは、その一部が隣接する電気回路２０Ｂの抵抗素子２６によって負担される。すなわち、一般化すると、サージ電圧が印加される特定電気回路に流れるエネルギーＥｓは、Ｅｓ＝１／（特定電気回路＋隣接する電気回路の数）となる。その結果、特定電気回路の抵抗素子２６が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、その抵抗素子２６が単独でエネルギーを吸収すべき場合と比較して１／２以下となる。

上記の例の場合、サージによって電気回路２０Ａの電圧が上昇すると、電気回路２０Ａの放電ギャップ部２４から図２において電気回路２０Ａの右側に隣接する電気回路２０Ｂの放電ギャップ部２４へ放電が生じる。そのため、電気回路２０Ａの抵抗素子２６が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、電気回路２０Ａの抵抗素子２６で負担する場合と比較して、Ｅｓ＝１／（１＋１）＝１／２となる。これにより、電気回路２０Ａの抵抗素子２６が吸収すべきエネルギーは、単独でエネルギーを吸収する従来と比較して１／２となる。

また、図３に示すように、複数の電気回路２０のうち左から二つ目の電気回路２０Ｂの入力端子２１が電源２７に接続している状態のとき、電源２７から電気機器１０に印加されたサージ電圧は、電気回路２０Ｂへ入力される。すなわち、図３に示す場合、電気回路２０Ｂは特定電気回路となる。これにより、この特定電気回路である電気回路２０Ｂに隣接する、すなわち電気回路２０Ｂの両側に隣接する電気回路２０Ａ、２０Ｃは、いずれも隣接電気回路となる。

このように、特定電気回路である電気回路２０Ｂにサージ電圧が印加されると、放電ギャップ部２４において隣接電気回路である電気回路２０Ａおよび電気回路２０Ｃへ放電が生じる。すなわち、放電ギャップ部２４では放電が促されるため、電気回路２０Ｂの放電ギャップ部２４と電気回路２０Ａの放電ギャップ部２４との間、および電気回路２０Ｂの放電ギャップ部２４と電気回路２０Ｃの放電ギャップ部２４との間で放電が生じ、その他の部分での放電が制限される。

図３に示す例の場合、サージによって電気回路２０Ｂの電圧が上昇すると、電気回路２０Ｂの放電ギャップ部２４から両側に隣接する電気回路２０Ａの放電ギャップ部２４および電気回路２０Ｃの放電ギャップ部２４へそれぞれ放電が生じる。そのため、電気回路２０Ｂにおけるサージによるエネルギーは、隣接電気回路である電気回路２０Ａおよび電気回路２０Ｃへ分配される。これにより、電気回路２０Ｂの抵抗素子２６が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、Ｅｓ＝１／（１＋２）＝１／３となる。その結果、電気回路２０Ｂの抵抗素子２６が吸収すべきエネルギーは、単独でエネルギーを吸収する従来と比較して１／３となる。

以上のように、互いに隣接する電気回路２０の相互間では、サージによる高電圧が印加されたとき、放電ギャップ部２４間で放電が生じる。この場合、並列に配置されている複数の電気回路２０のうち両端部の電気回路、および両端部から二つ目の電気回路（図２および図３に示す場合、電気回路２０Ａ、２０Ｂ）の抵抗素子２６には、最大で抵抗素子２６が単独で吸収すべきエネルギーの１／２が加わる。一方、並列に配置されている複数の電気回路２０のうち両端部から二つ目よりも内側の電気回路（図２および図３に示す場合、電気回路２０Ｃ、２０Ｄ）の抵抗素子２６には、最大で抵抗素子２６が単独で吸収すべきエネルギーの１／３が加わる。その結果、並列に複数に配置されている複数の電気回路２０のうち、両端部および両端部から二つ目の電気回路２０の抵抗素子２６はその容量を１／２とし、両端部から二つ目よりも内側の電気回路２０の抵抗素子２６はその容量を１／３に低減することができる。抵抗素子２６は、容量に比例して大型化する。したがって、上記のように放電ギャップ部２４を設けて放電を促し、特定の電気回路におけるサージのエネルギーを隣接する他の電気回路へ分配することにより、各電気回路２０の抵抗素子２６の容量は低減され、各抵抗素子２６の体格も小型化される。

以上説明したように、第１実施形態では、放電ギャップ部２４は、複数の電気回路２０のうちいずれかの電気回路２０に印加される電圧が例えば雷などによるサージによって所定電圧以上になると、電圧が上昇した電気回路２０に隣接する電気回路２０との間の放電を促す。つまり、いずれかの電気回路２０に加わる電圧が所定電圧以上になると、この電圧が上昇した電気回路２０と、これに隣接する電気回路２０との間では互いの放電ギャップ部２４間で意図的に制御された放電が生じる。そのため、いずれかの電気回路２０の抵抗素子２６が吸収すべきサージのエネルギーは、隣接する電気回路２０の抵抗素子２６によってその一部が負担される。その結果、いずれかの電気回路２０において電圧が上昇しても、その電気回路２０の抵抗素子２６が負担すべきサージのエネルギーＥｓは、その抵抗素子２６が単独でエネルギーを吸収すべき場合と比較して１／２以下となる。このように、放電ギャップ部２４によって意図的な放電を生じさせることにより、サージのエネルギーは、特定の電気回路２０の抵抗素子２６だけでなく、隣接する他の電気回路２０の抵抗素子２６によっても吸収される。そのため、各電気回路２０に接続される抵抗素子２６の容量（抵抗値）および保護回路部２３のコンデンサ３２などの保護素子の容量は低減可能となる。また、吸収するエネルギーを隣接する電気回路２０間で負担することにより、サージを吸収するための専用の素子や接地回路なども必要としない。したがって、電気回路２０を構成する素子および電気回路２０自体を小型化することができるとともに、基板および全体的な小型化を図りつつ、サージにともなう高電圧および過電流に対する耐久性を高めることができる。

また、第１実施形態では、放電ギャップ部２４は、降圧回路部４０と機能回路部２２との間に配置されている。降圧回路部４０は、入力端子２１を経由して電源２７から入力された電圧を降下する。そのため、この降圧回路部４０よりも入力端子２１と反対側の機能回路部２２は、高電圧に対する耐久性が低い。降圧回路部４０と機能回路部２２との間に放電ギャップ部２４を設けることにより、サージによるエネルギーは機能回路部２２と並列に接続されている保護回路部２３を経由して各電気回路２０の抵抗素子２６によって吸収される。これにより、機能回路部２２は、高電圧に対する耐久性が低い場合でも、サージにともなう過電流による破壊が防止される。したがって、サージに対する耐久性を高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による電気機器について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、放電ギャップ部２４の具体的な形状を特定している。放電ギャップ部２４は、図４に示すように電気回路２０を形成する配線パターン５０に設けられている。配線パターン５０は、例えば銅などの導電性の金属により、図示しない板状の基板の表面にプリントすることで形成されている。配線パターン５０は、一部が互いに隣り合う電気回路２０側へ突出することにより、互いに対向する部分に放電ギャップ部２４を形成している。すなわち、放電ギャップ部２４は、機能回路部２２と降圧回路部４０とを接続する配線パターン５０に設けられている。

放電ギャップ部２４は、配線パターン５０で形成される第一端部５１および第二端部５２を有している。第一端部５１は、隣り合う電気回路２０と互いに対向し、その対向する配線パターン５０の先端が先鋭形状に形成されている。すなわち、第一端部５１は、隣り合う他の電気回路２０と先鋭形状の先端同士が対向している。
一方、第二端部５２は、第一端部５１よりもさらに対向する電気回路２０側に位置している。この第二端部５２は、第一端部５１との間に配線パターン５０が形成されていない隙間５３を形成している。第一端部５１と第二端部５２との間は、接続パターン部５４によって電気的に接続されている。そのため、第一端部５１と第二端部５２とは、同一の電位となる。すなわち、第一端部５１、第二端部５２および接続パターン部５４は、配線パターン５０によって継ぎ目なく一体に形成されている。また、第一端部５１および第二端部５２は、いずれも図示しない基板の表面に形成されている。すなわち、第一端部５１および第二端部５２は、同一の平面上に位置している。この第二端部５２は、隣り合う電気回路２０と対向する端部が平坦形状となっている。これにより、対向する二つの電気回路２０の第二端部５２は、互いにほぼ平行となっている。

次に、上記の構成による放電ギャップ部２４の作用について図５に基づいて説明する。なお、説明の簡単のため、図５では、図５（Ａ）のみ放電ギャップ部２４を形成する二つの配線パターン５０を示し、図５（Ｂ）から図５（Ｅ）では配線パターン５０のうち一方のみを図示している。
図５（Ａ）に示すように、放電ギャップ部２４を形成する配線パターン５０は、初期段階すなわち放電ギャップ部２４において放電が生じる前の段階において、第二端部５２同士が対向している。これにより、放電ギャップ部２４は、互いに平坦形状の端面を有する第二端部５２によって形成されている。このように、放電ギャップ部２４において第二端部５２が対向しているとき、サージによるエネルギーが加わると、対向する端部間の距離が小さな第二端部５２において放電が生じる。この場合、第二端部５２の中でも特に放電を招きやすい先鋭形状部分、すなわち図５（Ａ）の円形状の破線で示すように第二端部５２の角部５５において隣り合う配線パターン５０との間に放電が生じる。

このように第二端部５２の角部５５における放電が繰り返されると、図５（Ｂ）に示すように放電の衝撃によって第二端部５２は一部が損傷する。この場合、放電が生じやすい二つの角部５５が同時に損傷することはなく、図５（Ｂ）に示すように一方の角部５５は残存する。そのため、第二端部５２の一方の角部５５が損傷すると、サージによるエネルギーが加わったとき、図５（Ｂ）の円形状の破線で示すように対向する端部間の距離が小さな残存する角部５５において放電が生じる。

さらに、残存する角部５５における放電が繰り返されると、この残存する角部５５も損傷する。その結果、図５（Ｃ）に示すように接続パターン部５４が隣接する電気回路２０の配線パターン５０側へ露出する。これにより、サージによるエネルギーが加わったとき、図５（Ｃ）の円形状の破線で示すように対向する端部間の距離が小さな接続パターン部５４の先端において放電が生じる。このとき、第二端部５２は、損傷しやすい角部５５を除く部分が基板上に残存する。しかし、この残存する第二端部５２は、第一端部５１側と電気的に接続していない。そのため、残存する第二端部５２は、放電に寄与しない。

この接続パターン部５４の放電が繰り返されると、接続パターン部５４も損傷する。この場合も、図５（Ｄ）に示すように第一端部５１から第二端部５２側へ延びる二つの接続パターン部５４のうち一方が損傷し、他方が残存する。そのため、図５（Ｄ）の円形状の破線で示すように対向する端部間の距離が小さな接続パターン部５４の先端において放電が生じる。
そして、繰り返される放電によって残存する接続パターン部５４も損傷すると、図５（Ｅ）に示すように第一端部５１が隣接する電気回路２０の配線パターン５０側へ露出する。これにより、サージによるエネルギーが加わったとき、図５（Ｅ）の円形状の破線で示すように先鋭形状の第一端部５１において放電が生じる。

第２実施形態では、放電ギャップ部２４は、電気回路２０を構成する配線パターン５０に設けられ、第一端部５１と第二端部５２とを有している。そのため、放電ギャップ部２４は、放電の回数が少ないとき、隣り合う電気回路２０間で平坦な第二端部５２同士が最も接近して対向している。一方、この第二端部５２よりも配線パターン５０の基端側では、第二端部５２と電気的に接続し先端が先鋭形状の第一端部５１が対向している。これにより、隣り合う電気回路２０の配線パターン５０の間では、放電の回数が少ないとき、平坦な第二端部５２同士が対向し、この第二端部５２間における放電によって第二端部５２が損傷すると、放電ギャップ部２４では、この第二端部５２よりも基端側に位置する第一端部５１同士が対向する。すなわち、第二端部５２と第一端部５１との間には、隙間５３が形成されているため、第二端部５２が損傷すると、第一端部５１が新たに対向することになる。このとき、第一端部５１同士の距離は、第二端部５２同士の距離よりも大きくなる。一方、第二端部５２は平坦形状の端部であるのに対し、第一端部５１は先鋭形状の端部である。すなわち、対向する端部間の距離が小さな第二端部５２は平坦形状であり、対向する端部間の距離が大きな第一端部５１は先鋭形状である。その結果、当初対向している第二端部５２同士では距離が小さな平坦形状の端部間で放電し、第二端部５２の損傷によって対向することとなる第一端部５１同士では端部間の距離がやや大きくなるものの先鋭形状の端部間で放電する。先鋭形状の端部間では、平坦形状の端部間よりも放電が生じやすい。すなわち、先鋭形状の端部間の場合、平坦形状の端部よりも端部間の距離を拡大しても、同一の電位差で放電が生じる。これにより、第二端部５２間での放電と、第一端部５１間での放電時の放電電圧とは概ね等しく制御される。したがって、繰り返される放電によって放電ギャップ部２４の端部形状が変化しても、放電電圧を一定に制御することができる。

また、第２実施形態では、第一端部５１と第二端部５２とは配線パターン５０が形成される図示しない基板において同一の平面上に設けられている。そのため、基板に配線パターン５０をプリントする場合、第一端部５１および第二端部５２は同時に形成される。したがって、工数の増加を招くことなく、放電ギャップ部２４を容易に形成することができる。さらに、放電は、基板の表面すなわち配線パターン５０が形成されている面上に生じやすい。したがって、第一端部５１と第二端部５２とを同一の平面上に設けることにより、第一端部５１間の放電および第二端部５２間の放電を安定して生じさせることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による電気機器について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第３実施形態では、第２実施形態と同様に放電ギャップ部２４の具体的な形状を特定している。放電ギャップ部２４は、図６に示すように電気回路２０を形成する配線パターン５０に設けられている。配線パターン５０の構成は、第２実施形態とほぼ同一である。

放電ギャップ部２４は、配線パターン５０で形成される第一端部６１と、配線パターン５０とは別体の第二端部６２を形成する導電部材６３とを有している。第一端部６１は、隣り合う電気回路２０と互いに対向し、その対向する配線パターン５０の先端が先鋭形状に形成されている。すなわち、第一端部６１は、隣り合う他の電気回路２０と先鋭形状の先端同士が対向している。
一方、導電部材６３に形成されている第二端部６２は、第一端部６１よりもさらに対向する電気回路２０側に位置している。この第二端部６２は、第一端部６１が形成されている図示しない基板の表面との間に空間を形成している。すなわち、第二端部６２は、基板の板厚方向において、第一端部６１が形成されている基板の表面とは異なる平面上に位置している。導電部材６３は、第二端部６２を一体的に形成しており、第一端部６１と電気的に接続されている。そのため、第一端部６１と第二端部６２とは、同一の電位となる。この第二端部６２は、隣り合う電気回路２０と対向する端部が平坦形状となっている。これにより、対向する二つの電気回路２０の第二端部６２は、互いにほぼ平行となっている。第二端部６２が平行であるため、この第二端部６２を結ぶ仮想的な直線に対し垂直な横軸方向において、第二端部６２の相互間では距離が一定となる。

次に、上記の構成による放電ギャップ部２４の作用について図７に基づいて説明する。
図７（Ａ）に示すように、放電ギャップ部２４を形成する配線パターン５０は、初期段階すなわち放電ギャップ部２４において放電が生じる前の段階において、第二端部６２同士が対向している。これにより、放電ギャップ部２４は、互いに平坦形状の端面を有する第二端部６２によって形成されている。これにより、放電ギャップ部２４において第二端部６２が対向しているとき、サージによるエネルギーが加わると、対向する端部間の距離が小さな第二端部６２において放電が生じる。この場合、第二端部６２の中でも特に放電を招きやすい先鋭形状部分、すなわち図７（Ａ）の円形状の破線で示すように第二端部６２の角部６５において隣り合う配線パターン５０との間に放電が生じる。

このように第二端部６２の角部６５における放電が繰り返されると、図７（Ｂ）に示すように放電の衝撃によって第二端部６２を形成する導電部材６３は一部が損傷する。この場合、放電が生じやすい二つの角部６５が同時に損傷することはなく、図７（Ｂ）に示すように一方の角部６５は残存する。そのため、第二端部６２の一方の角部６５が損傷すると、サージによるエネルギーが加わったとき、図７（Ｂ）の円形状の破線で示すように対向する端部間の距離が小さな残存する角部６５において放電が生じる。

さらに、残存する角部５５における放電が繰り返されると、この残存する角部６５も損傷する。その結果、図７（Ｃ）に示すように導電部材６３は第二端部６２を形成する部分が消失する。第３実施形態のように第一端部６１と第二端部６２とを異なる平面上、すなわち立体構造とすることにより、導電部材６３は、角部６５の損傷とともに、第二端部６２を形成する部分も消失する。このとき、放電の衝撃が比較的大きいため、第二端部６２に相当する部分がそのまま基板の表面に落下することはほとんどない。そのため、図７（Ｃ）に示すように、導電部材６３は、第二端部６２に相当する部分が消失する。

第二端部６２が消失すると、残存する導電部材６３間において放電が生じる。この場合も、残存する導電部材６３は放電によって損傷し、導電部材６３の相互間の距離は徐々に大きくなる。そして、図７（Ｄ）に示すように導電部材６３間の距離が放電可能な距離よりも大きくなると、導電部材６３間では放電が生じなくなる。一方、基板の表面に沿った放電は、空間における放電よりも低い電圧で生じる。そのため、導電部材６３の距離が放電が生じない程度まで拡大すると、サージによるエネルギーが加わったとき、図７（Ｄ）の円形状の破線で示すように先鋭形状に形成されている第一端部６１間で放電が生じる。

第３実施形態では、第一端部６１と第二端部６２とは配線パターン５０が形成される図示しない基板において異なる平面上に設けられている。すなわち、第一端部６１と第二端部６２は、基板の板厚方向において間に空間を形成している。これにより、第二端部６２は、第一端部６１が形成されている基板との間に空間を形成しつつ三次元的な立体構造として設けられる。第二端部６２は第一端部６１よりも先端側、すなわち対向する電気回路２０側に位置しているため、初期の放電によって第二端部６２が損傷しても、損傷した第二端部６２は消失し、導電部材６３は基板に残存しない。その結果、第二端部６２が損傷した後に生じる第一端部６１間の放電は妨げられない。したがって、長期的に安定した放電を促すことができる。また、立体構造の第二端部６２間では、基板の表面に形成されている第一端部６１間よりも放電が生じにくい。そこで、第二端部６２を立体構造で形成することにより、損傷した第二端部６２の一部が残存しても、基板の表面に沿ってより放電が容易な第一端部６１間で放電が生じる。したがって、第二端部６２の残骸に妨げられることなく安定した放電を促すことができる。

また、第３実施形態では、隣り合う他の電気回路２０と対向する第二端部６２は、平坦形状に形成されている。これにより、隣り合う電気回路２０間で互いに対向する第二端部６２同士は、横軸方向へ一定の距離を形成する。そのため、隣り合う第二端部６２同士で横軸方向へ位置的なずれが生じても、第二端部６２の面の粗さを利用して第二端部６２のいずれかの位置で放電が生じる。すなわち、第二端部６２は、面の粗さによって微視的な角部が形成されている。そのため、この微視的な角部を基点として放電が生じる。したがって、安定した放電を促すことができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による電気機器の要部を図８に示す。第４実施形態は、第３実施形態の変形である。そのため、第３実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第４実施形態では、図８に示すように導電部材６３が形成する第二端部６２は、第一端部６１と同様に先鋭形状を形成している。その他の構成、すなわち第一端部６１と第二端部６２との三次元的な位置関係は第３実施形態と同様である。このように、第二端部６２を先鋭形状とすることにより、平坦形状の場合と比較して、互いの距離を大きく確保することができる。導電部材６３は、第一端部６１を形成する配線パターン５０と別部材である。そのため、微小な放電ギャップ部２４を形成する二つの導電部材６３を精度よく基板に取り付けるのは困難である。第４実施形態のように第二端部６２を先鋭形状とすることにより、上述のように互いに距離を大きく確保することができるので、導電部材６３の取り付けは容易となる。

そして、互いに距離が大きくなることにより、先鋭形状の第二端部６２が横軸方向にずれても、第二端部６２の先端間の距離の変化は小さくなる。すなわち、図９（Ａ）に示すように第二端部６２の先端間の距離ａ１が小さいとき、第二端部６２の先端が横軸方向へ距離ｂ１ずれると、第二端部６２の先端間の距離ｃ１は、距離ａ１に比較して大きくなる。そして、この距離ｃ１と距離ａ１との差は大きくなる。一方、図９（Ｂ）に示すように第二端部６２の先端間の距離ａ２が大きくなると、第二端部６２の先端が横軸方向へ距離ｂ２ずれると、第二端部６２の先端間の距離ｃ２は、距離ａ２に比較して大きくなるものの、距離ｃ２と距離ａ２との差は相対的に小さくなる。すなわち、第二端部６２の先端間の距離ａ２が大きくなると、距離ｂ２が変化しても、距離ｃ２と距離ａ２とはほとんど等しくなる。このように、第二端部６２を先鋭形状とすることにより、第二端部６２の先端が横軸方向へずれてもその影響は低減される。

以上のように、第４実施形態では、隣り合う他の電気回路２０と対向する第二端部６２は、先鋭形状に形成されている。第二端部６２を先鋭形状とすることにより、隣り合う第二端部６２間の距離を拡大可能となる。第二端部６２間の距離が大きくなると、第二端部６２間に横軸方向のずれがあっても、放電が生じる部分の距離の変化は小さくなる。したがって、第二端部６２の位置的な精度を高めることなく、安定した放電を促すことができる。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、第２実施形態のように一つの先鋭形状部分を有する第一端部５１に代えて、二つの先鋭形状部分または二つ以上の先鋭形状部分を有する第一端部５１としてもよい。第４実施形態においても同様である。

図面中、１０は電気機器、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは電気回路、２１は入力端子、２２は機能回路部、２３は保護回路部、２４は放電ギャップ部、２６は抵抗素子、２７は電力供給部、４０は降圧回路部、５０は配線パターン、５１、６１は第一端部、５２、６２は第二端部、５３は隙間を示す。

Claims (5)

1. 施設に固定して用いられる電気機器であって、
   電力供給部に接続される複数の入力端子と、
   少なくとも一つの抵抗素子を有し、前記入力端子のそれぞれ接続し、互いに近接して並列に設けられている複数の電気回路と、
   複数の前記電気回路において、前記抵抗素子と直列にそれぞれ接続されている機能回路部と、
   複数の前記電気回路において、前記抵抗素子と直列であって前記機能回路部と並列にそれぞれ接続されている保護回路部と、
   複数の前記電気回路において、前記機能回路部よりも前記入力端子側に設けられ、複数の前記電気回路のうちいずれかの特定電気回路に印加される電圧が所定電圧以上になると、前記特定電気回路に隣接する隣接電気回路との間に放電を促す放電ギャップ部と、
   を備えることを特徴とする電気機器。
2. 複数の前記電気回路において、前記機能回路部および前記保護回路部よりも前記入力端子側に直列に設けられ、前記入力端子から入力された電圧を降圧する降圧回路部をさらに備え、
   前記放電ギャップ部は、前記降圧回路部と前記機能回路部との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気機器。
3. 前記放電ギャップ部は、
   前記電気回路を構成する配線パターンに設けられ、
   隣り合う前記電気回路と互いに対向し、その対向する前記配線パターンの先端が先鋭形状に形成されている第一端部と、
   前記配線パターンが形成されている基板において、前記第一端部と同一の平面上に設けられ、前記第一端部よりもさらに対向する電気回路側に位置し、前記第一端部との間に隙間を形成しつつ電気的に接続され、隣り合う電気回路と対向する前記配線パターンの端部が平坦形状に形成され、隣り合う電気回路との間で前記第一端部相互間での放電と同一の電位差で放電が生じる距離で対向している第二端部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２記載の電気機器。
4. 前記放電ギャップ部は、
   前記電気回路を構成する配線パターンに設けられ、
   隣り合う前記電気回路と互いに対向し、その対向する前記配線パターンの先端が先鋭形状に形成されている第一端部と、
   前記配線パターンが形成されている基板において、前記基板の板厚方向で前記第一端部との間に空間を形成する前記第一端部と異なる平面上に前記第一端部と電気的に接続して設けられ、前記第一端部よりもさらに対向する電気回路側に位置し、隣り合う電気回路と対向する前記配線パターンの端部が平坦形状に形成され、隣り合う電気回路との間で前記第一端部相互間での放電と同一の電位差で放電が生じる距離で対向している第二端部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２記載の電気機器。
5. 前記放電ギャップ部は、
   前記電気回路を構成する配線パターンに設けられ、
   隣り合う前記電気回路と互いに対向し、その対向する前記配線パターンの先端が先鋭形状に形成されている第一端部と、
   前記配線パターンが形成されている基板において、前記基板の板厚方向で前記第一端部との間に空間を形成する前記第一端部と異なる平面上に前記第一端部と電気的に接続して設けられ、前記第一端部よりもさらに対向する電気回路側に位置し、隣り合う電気回路と対向する前記配線パターンの端部が先鋭形状に形成され、隣り合う電気回路との間で前記第一端部相互間での放電と同一の電位差で放電が生じる距離で対向している第二端部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２記載の電気機器。

Images