CN116075906A

CN116075906A - 用于分流电阻器的电阻合金、电阻合金向分流电阻器的应用以及使用电阻合金的分流电阻器

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Publication number: CN116075906A
Application number: CN202180057127.5A
Authority: CN
Inventors: 金内直辉; 粂田贤孝; 吉冈忠彦
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-05-05
Also published as: WO2022030071A1; US20230287540A1; JP2022030348A; JP7430121B2; DE112021004216T5

Abstract

本发明提供一种用于分流电阻器的电阻合金、电阻合金向分流电阻器的应用以及使用电阻合金的分流电阻器，能够减小用于能够检测大电流的电流检测装置的分流电阻器的TCR。所述电阻合金是用于分流电阻器的铜‑锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，TCR以25℃为基准在100℃下为‑36×10^‑6/K以下。

Description

用于分流电阻器的电阻合金、电阻合金向分流电阻器的应用以及使用电阻合金的分流电阻器

技术领域

本发明涉及用于分流电阻器的电阻合金、电阻合金向分流电阻器的应用以及使用电阻合金的分流电阻器。

背景技术

作为用于电流检测等的电阻器用的电阻合金，有铜-锰系合金、铜-镍系合金、镍-铬系合金、铁-铬系合金等。通常铜-锰系合金(铜-锰-镍系合金)市售有电阻率为29μΩ·cm以上50μΩ·cm以下的合金。关于镍-铬-铝-铜合金，市售有电阻率为120μΩ·cm以上的合金(参照专利文献1等)。

通常，将在20～100℃下0ppm/K附近的值作为目标来设计用于电流检测的电阻合金的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)。利用这样的电阻材料，即使温度条件变化，也能够得到稳定的电流检测精度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2007-329421号

发明内容

本发明要解决的技术问题

近年来，在电流检测用电阻器中，存在想要用于例如1000A等大电流的检测的要求。为了与此对应，分流电阻器的电阻值如100μΩ、50μΩ、25μΩ、10μΩ那样正在低电阻化。

在使用上述电阻合金构成分流电阻器(电流检测用电阻器)的情况下，将铜的电极与电阻体的两端焊接。铜具有高到约4000ppm/K(25～100℃)的TCR。在使分流电阻器小型化或低电阻化的情况下，这样的铜电极的TCR有助于分流电阻器的电阻值的比例增加。因此，作为分流电阻器的TCR增加，电流检测的精度恶化。

在上述专利文献1中公开了利用电阻器的形状来调整TCR的技术。但是，存在由于对电极的加工而使电阻器的实际电阻增加这样的问题。另外，存在使电阻器小型化的情况下的加工以及调整困难等问题。

另外，在使分流电阻器低电阻化且小型化的情况下，也存在电阻器的TCR变大、检测精度降低这样的问题。另外，也需要确保电流检测装置的可靠性。

此外，根据产品规格，分流电阻器的厚度以及宽度有时被固定化。在这样的情况下，为了减小电阻器的电阻值，需要缩短电阻体的长度而实现低电阻化。但是，如果想要通过电子束焊接等将电阻体与电极焊接，则需要考虑焊接痕迹的宽度。因此，缩短电阻体的长度的工序存在加工尺寸的极限。

本发明的目的在于提供一种能够减小用于能够检测大电流的电流检测装置的分流电阻器的TCR的电阻合金。

用于解决技术问题的技术方案

根据本发明的一个观点，本发明提供一种电阻合金，其是用于分流电阻器的铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，以25℃为基准，在100℃TCR为-36×10^-6/K以下。

另外，本发明是一种电阻合金，其是用于分流电阻器的铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，以25℃为基准，在0℃～175℃的范围TCR为-10×10^-6/K以下。

在上述中，锰为9.5～12.5质量％，镍为1～3质量％，锡为2.5～5质量％，剩余由铜构成。

由此，例如能够减小由铜电极形成的分流电阻器的TCR的值。

另外，本发明是上述中的任意一项所述的电阻合金向用于电流检测装置的分流电阻器的电阻体的应用。

另外，本发明是一种分流电阻器，其包括电极以及电阻体，所述电阻体由电阻合金形成，所述电阻合金是铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，TCR以25℃为基准在100℃下为-36×10^-6/K以下。

另外，本发明是一种分流电阻器，其包括电极以及电阻体，所述电阻体由电阻合金形成，所述电阻合金是铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，TCR以25℃为基准在0℃～175℃的范围内为-10×10^-6/K以下。

本说明书包括成为本发明的优先权基础的日本专利申请号2020-134314号的公开内容。

发明效果

根据本发明，能够减小用于能够检测大电流的电流检测装置的分流电阻器的TCR。

另外，根据本发明，能够确保分流电阻器的电流检测的可靠性。

附图说明

图1是本实施方式的包含铜以及锰-锡-镍的电阻体用的合金的四元系合金的相图。

图2是表示本发明的实施方式的电阻器用的合金的评价用试样的形状的图。

图3是表示针对表1、2的试样编号1以及比较例1进行了长期稳定性(可靠性)试验的结果的图。

图4的(a)是表示使用了本发明的第一实施方式的电阻器用的合金的分流电阻器的一个构成例的立体图。图4的(b)是分流电阻器的俯视图以及侧视图。在图4的(b)中表示了元件的尺寸(mm)。

图5A是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图。

图5B是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图，是接着图5A的图。

图5C是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图，是接着图5B的图。

图5D是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图，是接着图5C的图。

图5E是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图，是接着图5D的图。

图5F是表示本发明的第三实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图，是接着图5E的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的用于分流电阻器的电阻合金、使用了该电阻合金的分流电阻器等详细地进行说明。

首先，对与本发明有关的发明人的考察进行说明。

1)作为发明人的着眼点，为了补偿作为电极使用的铜的较高的正的TCR的贡献，对电阻体使用显示负的TCR的电阻合金是重要的。但是，关于具有较大的负的TCR的电阻合金的报告较少。

2)虽然存在低TCR且长期稳定性优异的铜-镍合金，但是这些合金的对铜热电动势大到40μV/K。因此，对于用于流过大电流的电流检测装置的分流电阻器，由于珀耳帖效应，检测精度降低。

3)作为具有负的TCR的合金，有镍-铬系合金。但是，镍-铬系合金的体积电阻率与铜-镍合金、铜-锰合金相比为2倍以上。因此，难以实现分流电阻器的低电阻化。

在本实施方式中，是根据通过使电阻体为负的TCR而能够减小电阻器的TCR这样的构思而完成的。即，探求具有负的TCR的电阻体是重要的。

(第一实施方式)

对以下的本发明的实施方式进行说明。

本实施方式的合金是具有负的TCR的电阻合金，是由铜-锰-镍-锡构成的四元系合金。能够将该电阻合金用作分流电阻器的电阻材料。

此处，铜的质量分数在左上边侧的轴上示出，镍+锡的质量分数在右上边侧的轴上示出。另一方面，锰的质量分数在底边侧的轴上示出。

在图1中示出赋予了本发明的电阻合金的特征的涂黑的区域R，区域R中的锰的质量分数为9.5％～12.5％，区域R中的镍+锡质量分数为3.5％～8％。更详细地说，镍为1％～3％的质量分数，锡为2.5％～5％的质量分数。剩余为铜。

锰的代表值为10.5质量％。镍的代表值为2.0质量％。锡的代表值为3质量％。剩余为铜。

如图2所示，电阻器用的合金的评价用试样X具有两端的电极部(流过电流的部分)1、3、在电极部1、3间延伸的电阻体5、以及位于比电阻体5的两端靠中央侧的电压检测部7、9。电极部1、3间的距离为50mm，电压检测部7、9间的距离为20mm。

接着，对评价用试样的制造工序的一例简单地进行说明。

1)称量原材料。

2)溶解1)的材料。

3)利用冷轧机使材料成为规定厚度的带材。

4)在真空·气体置换炉中，在N₂气氛下在500～700℃下进行1～2小时的热处理。

5)从带材通过冲压加工制作图2的形状的电阻体试样。

6)在真空·气体置换炉下，在N₂气氛下在200～400℃下进行1～4小时的热处理(低温热处理)。

上述的区域R中的合金成分的各质量分数相互调整，以使电阻合金具有以下的特性(适当条件)。

(适当条件)

1)电阻率为41μΩ·cm以上且为54μΩ·cm以下。

2)TCR以25℃为基准在100℃下为-36×10^-6/K以下。

另外，TCR以25℃为基准在60℃下为-25×10^-6/K以下。

另外，TCR以25℃为基准在0℃～175℃的范围内为-10×10^-6/K以下。

3)是对铜热电动势为-1μV/K～+1μV/K的电阻合金。该特性是Cu-Ni系合金的约1/40，是与锰铜相同程度的值。

(基于符合适当条件的电阻合金的效果)

如果使用本实施方式的电阻合金，则能够得到以下这样的效果。

1)能够减小具有使用了包含铜的材料的电极的分流电阻器的TCR。

2)分流电阻器的可靠性试验(加热温度175℃、加热时间1000hr)的电阻值变化率比锰铜小且长期稳定性优异。

3)是具有比镍-铬合金、铁-铬合金小的维氏硬度(200HV以下)且容易进行加工的合金。在维氏硬度大于200HV的情况下，例如在轧制加工时有时会产生裂纹。在为了防止产生裂纹而需要热处理等对策的情况下，工序变得繁杂，但是在本实施方式中，可以不进行热处理。如果考虑加工性，则维氏硬度更优选为150HV以下。另外，从冲压性、机械强度等出发，维氏硬度也优选为150HV以下。

(与电阻合金试样有关的详细说明)

制作了以下所示的各种试样。

在表1、表2中示出了这些试样的各特性。

[表1]

※标记的试样是从本发明的实施方式排除的试样(对象外)

※比较例1、2是不同的市售的材料

表1是表示试样编号1～14的合金材料的组成/成分(质量％)热处理温度、维氏硬度、电阻率、对铜热电动势、加工性的判断结果(○为适当)的表。另外，有时在组成中包含不可避免的杂质。另外，带※标记的试样是从本实施方式的组成脱离的试样(对象外试样)。此外，作为比较例1、2，示出使用了市售的、与本实施例不同组成的材料系的例子。

表1中示出的各种试样生成时的热处理条件为600℃、1小时。通过在600℃以上的温度下进行1小时左右的热处理，由此能够使本实施方式的合金再结晶。代替与此，通过在热处理温度700℃下进行几分钟的热处理，也能够再结晶。通过各种试样的再结晶，能够具有良好的硬度，并且能够如参照表2后述那样实现TCR特性的本发明的目标值。此外，能够得到长期稳定性优异的电阻合金。

另外，在设为小于约600℃的热处理温度、例如约400℃的热处理温度的情况下，维氏硬度大于150HV。然而，维氏硬度优选为150HV以下。在本实施方式中示出的任意的合金材料(试样)也都满足维氏硬度150HV以下这样的适当条件。

对于电阻材料的电阻率，哪个试样都能够得到与作为市售材料的比较例1、2同等的值。对于对铜热电动势，在-1μV/K～+1μV/K的范围内，满足适当条件。对于试样编号9以及编号10，是从该范围脱离的试样(对象外试样)。对于其他的试样，满足该条件。

加工性的评价是尤其进行了轧制加工的情况下的评价。○标记是完成了良好的加工的例子，Δ标记是观察到少许裂纹但具有实用性的试样，×标记是表示轧制加工困难的标记。对于试样编号7，无法得到实用的加工性。对于其他的试样，虽然存在优劣，但是得到了实用的加工性。

[表2]

※标记的试样是从本发明的实施方式排除的试样(对象外)

表2表示了表1中示出的各种试样(电阻合金材)的TCR值。以25℃为基准温度，求出了表2中示出的各测定温度条件下的TCR。表2的试样编号与表1的试样编号对应。

根据表2中示出的数据，可知以下情况。

1)Sn的含量依赖性

试样编号5、编号6不包含Sn。在不包含Sn的合金材料的情况下，存在TCR成为正侧的倾向。

与此相对，通过如试样编号1、编号3、编号4那样以规定的范围包含Sn，能够使TCR向负偏移。这样，为了使TCR成为负，添加Sn是有效的。另一方面，试样编号2的Sn比包含Sn的其他的试样少(1.0质量％)。试样编号7是比包含Sn的其他的试样包含更多的Sn(7.0质量％)的试样，在试样编号7的情况下，如表1所示，加工性降低。并且，无法测定TCR。

2)Ni的含量依赖性

试样编号10虽然以规定的范围包含Sn，但是由于更多地包含Ni，提高了轧制加工等加工性，可是TCR成为正。试样编号9不包含Ni，对铜热电动势稍大，另外，加工性稍微降低。试样编号4的加工性也稍差。

试样编号9与包含Ni的其他的试样相比，对铜热电动势大。由此可知，Ni具有减小对铜热电动势的效果。

根据以上的结果，试样编号2(Sn比规定值少)、编号5、编号6(不包含Sn)、编号10(Ni比规定值多)由于TCR成为正侧，所以从能够达成本发明的目的的试样除外。另外，试样编号7(Sn比规定值多)的加工性差，从能够达成本发明的目的的试样除外。编号9由于对铜热电动势比规定值大，所以排除在外。

如果从以上的结果综合地进行判断，则作为更适当的合金电阻材料，可以举出试样编号1、编号3、编号11、编号12、编号13、编号14。

(合金的特性的总结)

如果总结以上的结果，则如图1的区域R所示，作为本实施方式的分流电阻器的电阻材料亦即合金，锰的质量分数为9.5％～12.5％，区域R中的镍+锡质量分数为3.5％～8％。更详细地说，镍为1％～3％的质量分数，锡为2.5％～5％的质量分数，剩余为铜。

(可靠性试验的结果)

图3是表示针对试样编号1以及比较例1进行了长期可靠性试验的结果的图。长期可靠性试验测定了175℃、1000小时的条件下的电阻值变化ΔR(％)。如图3所示，对于试样编号1，经过1000小时后的电阻值变化约为-0.3％，与此相对，在比较例1(市售材料)的情况下，约为-0.7％。由此可知，使用了本实施方式的合金材料的电阻材料(试样编号1等)的长期可靠性优异。

如以上说明的那样，如果使用本实施方式的电阻体用的合金，则能够提供能够实现41～55μΩ·cm左右的电阻率并且与镍-铬合金、铁-铬系合金相比改善了加工性的电阻合金。

在使用电阻率比较低的电阻材料设计分流电阻器的情况下，如果想要制作高电阻侧的分流电阻器，则使电阻体变薄或者需要电阻体的长度等，存在成为设计上的限制的情况。但是，根据本实施方式，通过使用电阻率比较高的电阻体，能够确保分流电阻器的设计上的自由度。

另外，通过使用电阻率比较高的电阻合金，能够相对地减少作为电极使用的Cu在电阻器整体中的TCR的贡献。因此，能够实现有效地利用了电阻合金的特性的分流电阻器。

此外，可知本实施方式的电阻体用的合金长期可靠性优异。

(第二实施方式)

接着，对本发明的第二实施方式进行说明。图4的(a)是表示使用了本发明的第一实施方式的电阻器用的合金的分流电阻器的一个构成例的立体图。图4的(b)是分流电阻器的俯视图以及侧视图。在图4的(b)中示出了尺寸(mm)。

图4的(a)、(b)所示的分流电阻器A是通过冲压等制作单片状的电阻体11、在其两端对接焊接有Cu的电极15a、15b的结构。

电阻体11与电极15a、15b能够通过EB(电子束)焊接、LB(激光束)焊接等接合。图4所示的分流电阻器A是比较大型的分流电阻，有时一个一个地制作。电阻体的材料能够使用在第一实施方式中说明过的锰为9.5～12.5质量％、镍为1～3质量％、锡为2.5～5质量％、剩余为铜的电阻体材料。此外，可以根据目的使用在第一实施方式中说明过的合金。

本实施方式的分流电阻器通过使用电阻率比较高的电阻体，能够确保分流电阻器的设计上的自由度。

另外，通过使用电阻率比较高的电阻合金，能够相对地减小作为电极使用的Cu在电阻器整体中的TCR的贡献。因此，能够实现有效地利用电阻合金的特性的分流电阻器。

此处，在本实施方式中，以使电阻材料的电阻温度系数成为负侧的方式进行了调整。因此，能够减小接合有铜电极的电阻器本身的电阻温度系数。

另外，对图4的(b)所示的结构、尺寸的分流电阻器A测定了TCR。使用了比较例1作为电阻材料的分流电阻器的TCR为76ppm/K。与此相对，使用了试样编号1的分流电阻器的TCR为50ppm/K。由此可知，如果使用本实施方式的电阻合金，则能够向接近0的方向改善TCR。

(第三实施方式)

接着，对本发明的第三实施方式进行说明。是如下的例子：制作了将电阻体与电极接合的长条状的接合材，进行冲裁切断而制造。由此，能够大量生产比较小型的分流电阻器。

在以下示出这样的制造工序的一例。图5A～图5F是表示本实施方式的分流电阻器的制造工序的一例的图。

如图5A所示，例如，准备长条的平板状等电阻材料21、与电阻材料21同样的长条的平板状的第一电极材料25a、第二电极材料25b。电阻材料21使用在第一、第二实施方式中说明过的合金材料。

如图5B所示，在电阻材料21的两侧分别配置第一电极材料25a以及第二电极材料25b。

也如图5C所示，例如利用电子束、激光束等进行焊接而成为一个平板(在L11、L12处接合)。此时，电子束等的照射部位设为图5C的(a)或图5C的(b)。图5C的(a)是向由电极材料25a、25b以及电阻体21构成的平坦面侧照射电子束等的例子。图5C的(b)是向由电极材料25a、25b以及电阻体21构成的凹陷的内侧照射电子束等的例子。不向电极材料25a、25b中的比电阻体21突出的面照射电子束等，从而减少影响。

利用电阻材料21与电极材料25a、25b的厚度之差，也能够调整电阻值。另外，在图5F中，能够形成后述的台阶(△h₂)。根据接合位置，也可以进行与电阻值、形状有关的各种调整。

接着，如图5D的(a)所示，从图5B的状态如附图标记17所示那样以包含电阻体21的区域的方式通过冲裁等将平板去除为梳齿状。接着，通过冲压等对第一电极材料25a、第二电极材料25b的一部分进行弯曲加工，由此形成具有图5D的(b)的截面图所示的截面形状的结构。另外，附图标记21a、21b是焊接部，是通过电子束照射等连接的部分。

接着，如图5E所示，沿着L31从剩余的区域(基部)25b’切开电极的未被切开的另一端侧(35b)。能够形成第一实施方式的用于电流检测装置的对接结构的电阻器。如果使用本实施方式的制造方法，则具有使包括电极35a、35b以及电阻体31的电阻器的批量生产化成为可能这样的优点。

另外，如图5F所示，在电阻器形成有焊接痕迹43a、43b。通常，由电子束等产生的焊接痕迹的表面成为粗糙的状态。为了进行精密的电流检测，优选将接合线(bonding wire)固定在尽可能接近电阻体的位置，但是此时焊接痕迹有时成为妨碍。根据本实施例，通过在图5C的说明中详述过的方法，能够避免在成为接合面的区域35a-2、35b-2形成焊接痕迹。因此，具有能够将接合线固定在接近电阻体的位置这样的优点。

另外，本实施方式的分流电阻材料在电阻材料制造时的轧制、电阻器制造时的冲压等中具有良好的加工性。

能够保持以上的特征并且能够使TCR成为负的值，能够减小具有铜电极的电阻器的TCR。

(总结)

以下进行本发明的总结。

1)能够使用锰的组成为9.5～12.5质量％(代表值：10.5质量％)、镍为1～3质量％(代表值：2.5质量％)、锡为2.5～5质量％(代表值：3％)、剩余由铜构成的电阻合金。

2)优选的是，TCR以25℃为基准在60℃下为-25×10^-6以下。由此，通过在作为电阻材料的基本规格中使TCR为负，对于电阻器能够得到良好的特性。另外，在该情况下，电阻体的TCR优选为-52×10^-6/K以上。

3)优选的是，TCR以25℃为基准在0℃～175℃的范围内为-10×10^-6/K以下的值。由此，在主要使用的全部区域的温度范围内能够成为负的TCR。因此，在分流电阻器所使用的全部温度范围内能够改善TCR特性。

另外，在该情况下，TCR优选为-75×10^-6/K以上。

4)TCR以25℃为基准在100℃下为-36×10^-6/K以下。另外，在该情况下，TCR优选为-65×1^-6/K以上。

在上述实施方式中，对于图示的构成等，并不限定于这些，在发挥本发明的效果的范围内可以适当地变更。此外，只要不脱离本发明的目的的范围，则可以适当地变更并进行实施。

另外，本发明的各构成要素可以任意地取舍选择，具备取舍选择后的构成的发明也包含在本发明中。

工业实用性

本发明可以用作电阻器用的合金。

附图标记说明：

X电阻器用的合金的评价用试样

R适用区域

1、3两端的电极部(流过电流的部分)

5 电阻体

7、9 电压检测部

A 分流电阻器

11 单片状的电阻体

15a、15b 电极

21 长条的平板状等的电阻材料

25a 长条的平板状的第一电极材料

25b 长条的平板状的第二电极材料

35b 电极的未被切开的另一端侧

43a、43b 焊接痕迹

本说明书中引用的全部刊物、专利以及专利申请通过原样引用而纳入到本说明书中。

Claims

1.一种电阻合金，其特征在于，

所述电阻合金是用于分流电阻器的铜-锰系的电阻合金，

还包含锡以及镍，

TCR以25℃为基准在100℃下为-36×10^-6/K以下。

2.一种电阻合金，其特征在于，

所述电阻合金是用于分流电阻器的铜-锰系的电阻合金，

还包含锡以及镍，

TCR以25℃为基准在0℃～175℃的范围内为-10×10^-6/K以下。

3.根据权利要求1或2所述的电阻合金，其特征在于，

锰为9.5～12.5质量％，镍为1～3质量％，锡为2.5～5质量％，剩余由铜构成。

4.权利要求1至3中任一项所述的电阻合金向用于电流检测装置的分流电阻器的电阻体的应用。

5.一种分流电阻器，其特征在于，

所述分流电阻器分流电阻器包括电极以及电阻体，

所述电阻体由电阻合金形成，所述电阻合金是铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，TCR以25℃为基准在100℃下为-36×10^-6/K以下。

6.一种分流电阻器，其特征在于，

所述分流电阻器包括电极以及电阻体，

所述电阻体由电阻合金形成，所述电阻合金是铜-锰系的电阻合金，还包含锡以及镍，TCR以25℃为基准在0℃～175℃的范围内为-10×10^-6/K以下。