JP2006024933A - 抵抗性熱発生素子を有する電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁を改善し、部分放電を低減した電力抵抗器等の電気素子の提供。
【解決手段】電気素子１０は導電性抵抗素子１８を具備し、素子１８は、素子１８からの熱を移送するために熱移送媒体上に設けられる。熱移送媒体は、導電性材料２４の層又は本体と、素子１８及び導電性材料間に配置された熱伝導性の誘電性材料２０の層とを具備する。例えば、シリカ釉薬又はポリマカプセル材料等の連続した絶縁材料の膜が抵抗素子１８の周囲に付けられて抵抗素子１８を取り囲み、この膜が抵抗素子１８の縁及び抵抗素子１８に隣接するセラミック材料上に横たわる。
【選択図】図１

Description

本発明は電力抵抗器等の電気素子に関し、特にこのような素子の電気絶縁に関しての改良に関する。

電力抵抗器等の電気素子は、作動中に著しく熱を発生し、装置から金属板又は別の熱伝導材料性本体等の適当なヒートシンクに熱を移転させる熱移転媒体を素子に提供することが通常である。

引用文献１には、接合されたセラミック・銅積層板の一面に熱発生導電性素子が固定された電力抵抗器が開示されている。この熱発生素子は、ハウジングの一開放端に熱伝導性板を取り付けることにより、抵抗器ハウジング内に収容される。積層された板は、第１及び第２アルミナ（酸化アルミニウム）セラミック層間に挟まれたニッケルめっきされた銅製の中間層を具備する。熱発生素子は板の一側のアルミナ基板に固定されているのに対し、板の他側のセラミック基板はニッケルめっきされると共に組立後の装置の外部に配置される。内部では、素子が、ハウジングの外部に設けられた端子に電気接続されている。

この種の内部において代表的には、ハウジングの内部が、絶縁部内に気泡（void）を無くすために真空条件下で混合されたシリコン樹脂の絶縁材料のいわゆる「ポッティング混合物」で充填されるので、作動中の高電圧抵抗素子の部分的放電は最小になる。
米国特許第５３５５２８１号明細書 米国特許第５５１０５９４号明細書 米国特許第５２７４３５２号明細書 米国特許第４８９９１２６号明細書 米国特許第３９５５１６９号明細書

高電圧電気素子の寿命は、部分放電で測定されるような絶縁破壊により制限されるのが通常である。部分放電は、放電侵食により絶縁材料の本体の気泡の成長による絶縁劣化として経時的に増大する。絶縁材料の本体の気泡、及び電場の発散が最大となる絶縁部の縁において、電場強度が変動することにより、絶縁部の放電侵食は発生する。部分放電は比較的汗顔に測定することができるが、どこで発生しているかを予測又は観察することは極めて困難である。

上述のタイプの電力抵抗器等の高電圧電気素子の絶縁部の品質、それ故、部分放電特性及び寿命の改良に対する要求がある。

本発明の一側面によれば、導電性抵抗素子から熱を移転するためにセラミック基板上に設けられた導電性抵抗素子を具備する電気装置において、連続した電気絶縁材料製の膜が抵抗素子の周囲に設けられる結果、絶縁膜が抵抗素子の縁及び隣接する誘電性材料上に横たわった状態で抵抗素子を取り囲む電気装置が提供される。

抵抗素子を取り囲む絶縁材料の連続膜は、装置の部分放電を著しく減少させることができる。抵抗素子及び隣接する誘電性材料、好適にはセラミック材料の縁上に横たわることにより、膜は、抵抗素子の隅及び縁等で特に不連続面で、高電圧発散場を最小にすることができる。

好適な実施形態において、絶縁膜は、厚膜シリカ釉薬（over-glaze）を具備する。釉薬は例えば、低温度ガラス封止組成物、又は厚膜回路特に厚膜抵抗上に絶縁及び保護（表面安定化）層を形成するのに適する任意の材料を具備してもよい。絶縁膜は、抵抗網等上の封止用途に適する厚膜ポリマカプセル材料の組成物を具備してもよい。他の実施形態において、水晶又はアルミナ等の厚膜誘電性材料を代わりに使用してもよい。

絶縁膜の厚さは３〜２５μｍの範囲が代表的であり、好適には５〜２０μｍである。絶縁膜が厚膜シリカ釉薬又は厚膜ポリマカプセル材料からなる実施形態において、膜厚は１５〜２０μｍであるのが好適である。水晶又はアルミナ誘電体の厚膜が使用される実施形態において、材料のより高い誘電性強度のため、絶縁膜は代表的には５〜１０μｍの厚さを有する。

好適には抵抗素子は誘電性材料の表面に付けられ、誘電性材料の表面に少なくとも１個の電気コンタクトを具備し、膜は、コンタクトの縁及びコンタクトに直に隣接する誘電性材料上に横たわる。１個以上の電気コンタクトが誘電性材料の面上に設けられた実施形態において、絶縁膜は、素子のコンタクトに電気接続された素子の抵抗性材料に加え、コンタクトの縁上に横たわる。コンタクトが抵抗素子の周囲の部分を画定する実施形態において、絶縁材料の連続膜は素子を取り囲む。

絶縁膜は抵抗素子のほぼ全領域にわたって付けられ、コンタクトは絶縁膜により囲まれる膜の無い領域を有してもよいので、電気接続はコンタクトの膜の無い領域に形成することができる。

抵抗素子が誘電性基板の表面に付けられた抵抗膜を具備する実施形態において、抵抗膜は基板表面に印刷された抵抗性インクを具備してもよい。このような実施形態において、コンタクトを形成する金属膜を最初に印刷し、次に金属膜上に部分的に抵抗膜を印刷し、抵抗膜に導電性金属膜との電気接続を形成することが望ましい。

本発明の一実施形態において、抵抗素子は、誘電性材料の表面の少なくとも一部に付けられた高抵抗性膜、及びコンタクト又は他の手段により抵抗膜上に設けられ抵抗膜に電気接続された金属箔素子を具備してもよい。箔素子は、抵抗膜よりも著しく低い電気抵抗を有する。抵抗膜は、抵抗膜を有する誘電基板の表面を箔素子と同じ電位で容易に電気接続することができる。

好適な実施形態において、絶縁膜は高抵抗厚膜の周囲に付けられ、抵抗膜及び隣接する誘電性材料の縁上に横たわる。絶縁膜の幅は約２ｍｍの領域内にあってもよく、絶縁膜の１／３の幅は抵抗膜を覆い、他の２／３は抵抗膜の縁に直に隣接するセラミック基板を覆ってもよい。

金属膜素子は、熱伝導性接着剤によりセラミック基板上の抵抗膜に取り付けられるのが好適である。

抵抗素子が金属膜素子を具備する実施形態において、金属箔素子は２枚の誘電性セラミック基板間に挟まれ、各セラミック基板は金属箔素子に接触した抵抗膜を有してもよい。

好適な実施形態において、誘電性材料はアルミナ（酸化アルミニウム）からなり、セラミック基板はほぼ平坦なセラミックタイルからなるのが好適である。金属の又は金属合金の導電性膜は抵抗素子にタイルの反対側の面上にタイルの一面を付けことができるので、作動中に抵抗素子から熱を移送するために、タイルを金属製ヒートシンクに接続してもよい。

好適な実施形態において、抵抗素子は、シリコン樹脂等の絶縁材料を収容するケース内に収容される。

電気装置は、例えば電力抵抗器、半導体又はダイオードであってもよい。

熱伝導性の誘電性材料は、セラミック材料又はマイカからなってもよい。誘電性材料は、例えばアルミニウム基板上にプラズマスプレーされたコーティング又は碍子が付けられた鋼として、導電性基板上に設けられてもよい。

本発明の別の側面によれば、素子からの熱を移送するために、熱移送媒体上に設けられた導電性の抵抗素子を具備する電気装置が提供され、熱移送媒体は、１層の導電性材料又は導電性材料本体と、素子及び導電性材料間に配置された１層の熱伝導性の誘電性材料とを有し、絶縁性材料の連続膜が抵抗素子の周囲に付けられて素子を取り囲み、素子の縁及び隣接する誘電性材料上に横たわることを特徴とする。

本発明は、誘電性基板が金属ヒートシンク等の熱的及び導電性材料の１層又は本体に結合されている状態の組立の種々の段階での電気装置を意図している。

本発明の別の側面によれば、装置から熱を移送するために、熱移送媒体上に設けられた導電性熱発生抵抗素子を具備する。熱移送媒体は、１層の導電性材料又は導電性材料の本体と、装置及び導電性材料間に配置された１層の熱伝導性の誘電性材料とを具備し、素子は、その素子に面する誘電性材料の面に設けられた抵抗膜と接触しており、電気絶縁材料の連続膜は抵抗膜の周囲に付けられて、抵抗膜の縁及び隣接する誘電性材料上に横たわる。

以下、添付図面を参照して本発明の種々の実施形態を詳細に説明する。

図１を参照すると、電気装置１０は電力抵抗器、すなわち１Ｗ以上の電力定格を有する抵抗を具備する。装置は射出成形されたハウジング１２を具備し、ハウジング１２はその開口１６を貫通する１対の電気端子１４（図１には１本のみが図示される）を有する。また、４本の端子が設けられる実施形態も想定されている。端子１４は、熱伝導性の誘電性セラミック基板２０上に設けられた抵抗素子１８を具備する抵抗に電気接続されている。本実施形態において、セラミック基板２０は酸化アルミニウム基板からなる。端子１４は、詳細に後述されるように、抵抗素子１８に半田付けされた接続リード２２により、抵抗素子１８に接続されている。セラミック基板２０は、電気装置のヒートシンクを構成するニッケルめっきされた銅基部板２４に接合、好適には半田付けされる。ハウジングは、好適にはシリコンベースの接着剤により基部板２４に接合される。

ハウジング１２は、ハウジング１２の内部が基部板２４により閉塞されるように基部板２４上に着座する。ハウジング１２の内部は、当業者に周知の方法でシリコン樹脂絶縁材料で「ポッティング」される。セラミック基板２０及び基部板２４は、協働して使用時に抵抗素子１８が発生する熱を移送するための熱移送媒体を画定する。

抵抗素子１８は、図２の平面断面図により詳細に示される。抵抗素子１８の詳細構造は、抵抗素子１８の製造工程を順に示す図３ないし図５を参照して最もよく説明される。

図３において、銀・パラジウム又は銀・プラチナの金属合金の平行な金属ストリップ２６は基板２０上に印刷され、端子１４に電気的に接触するために１対の平行な導電性金属膜を与える。金属ストリップ２６は基板２０の表面上で焼結されて金属膜コンタクトを形成する。次に、複数の平行な抵抗性ストリップ２８が、金属ストリップ２６間の間隙を跨いで基板に付けられ、抵抗性ストリップ２８の各縦端で金属ストリップ２６の縁上に部分的に重なる。この結果、各抵抗性ストリップ２８が金属ストリップ２６間を電気接続する。抵抗性ストリップ２８は、基板２０及び金属膜コンタクト２６の表面に抵抗性インクをスクリーン印刷することにより、基板２０に印加される。抵抗性インクは、代表的には１５〜２０μｍの厚膜として印刷される。抵抗性膜が一旦印刷されると、焼結される。

例えば厚膜シリカ釉薬又は厚膜ポリマカプセル材料等の電気的に絶縁された厚膜３０は、図５のハッチング領域で示された基板２０の抵抗素子１８の領域全体に付けられる。絶縁膜３０は、抵抗素子１８の周囲全体に付けられるので、抵抗素子１８の縁上及び抵抗素子１８に隣接するセラミック基板の表面上に横たわった状態で抵抗素子１８を取り囲む。図５に見ることができるように、絶縁膜３０は、抵抗性ストリップ２８間の領域と同様に端部抵抗性ストリップ２８に直に隣接するセラミック基板２０をも含む抵抗性ストリップ２８を覆う矩形ブロックとして付けられる。また、膜は金属ストリップ２６の縁の周囲にも付けられ、抵抗性要素の両側に膜コンタクトを形成する。膜の無いコンタクト領域３２は、抵抗素子１８を電気接続するためにストリップ２６上に設けられる。膜の無い領域３２は、接続リード２２に対するリフロー半田付け用に半田ペーストで印刷される。絶縁膜３０はストリップ２６と２ｍｍだけ重なり、又はその周囲で基板の各縁に隣接した端部抵抗性ストリップ２８の各縁の周囲に同様の量だけ重なる。別の一実施形態において、絶縁膜３０はコンタクト領域３２を除いて基板２０の表面全体にわたって付けることができるので、膜は基板２０の縁まで付けられ、所望ならば基板２０の各側縁の表面に付けられる。

さて、図６を参照すると、本実施形態において、抵抗素子１８は図２ないし図５に示される抵抗素子と異なる構成を有する。本実施形態において、抵抗素子１８は、基板２０の面に設けられた蛇行状抵抗膜３４からなる。抵抗膜３４は、蒸着により基板２０の表面に付けられるのが好適である。抵抗膜３４は、抵抗膜３４の両端に配置された金属膜コンタクト３６で終端する。この配置において、絶縁膜３８は、ハッチング領域で示される抵抗膜３４の領域全体にわたって付けられる。絶縁膜３８は、抵抗素子１８及びセラミック基板２０の各縁間の抵抗素子１８の縁の周囲に境界４１を画定する。絶縁膜の無い領域４０は抵抗膜３４上に設けられ、上述した電気接続を可能にする。

図７の電気装置は、熱発生抵抗素子１８が、前に基部板２４に接合されたセラミック基板２０と、ハウジング１２の内部の第２セラミック基板タイル４２との間に配置されている点を除き、図１の電気装置と同様である。

図７の実施形態の抵抗素子１８は図１の抵抗素子１８とは異なる構造を有し、図８を参照してもっともよく説明される。図８は、図７の矢印Ａ方向に示された、図７に示された装置の部分的に破断した平面図である。本実施形態において、抵抗素子１８は、セラミック基板タイル２０，４２間に挟まれた蛇行状のエッチングされた金属箔４４を具備する。

第２セラミックタイル４２と対面する基板２０の表面は、その領域の大部分の上に、１５〜２０μｍの厚さを有する膜を与える焼結されるスクリーン印刷された抵抗性インクが代表的である高抵抗厚膜４６で覆われる。高抵抗厚膜４６は、少なくとも基板２０の領域に金属箔４４と接触して設けられ、図８の実施形態において、矩形基板２０上に矩形ブロックとして付けられる。この結果、抵抗膜の無い境界領域４８はセラミック基板２０の縁の周囲に残り、抵抗素子１８及び接地平面間の潜在的な放電を低減する。境界領域４８の幅は、例えば１〜３ｍｍの範囲内にあってもよい。高抵抗厚膜４６は、基板２０の表面を金属箔４４に同じ電位で電気接続する。

図１の実施形態に関して上述したように、基部板２４に接触する基板２０の表面は、導電性膜コーティングを具備するので、好適にはリフロー半田付けにより基部板２４に電気接続することができる。コンタクト５０（図８には１本のみが示される）は金属箔４４の各端部に設けられる。コンタクト５０は金属箔４４と一体であり、周知の抵抗溶接法により各端子（図７には図示せず）を接続するための増大した表面積を提供する。金属箔４４は、好適には中央の小さな領域に付けられた熱伝導性接着剤によって基板２０，４２に結合される。

高抵抗厚膜４６の縁は、図１の実施形態において抵抗素子１８の縁がコーティングされたように、例えばシリカ釉薬又はポリマカプセル材料等の絶縁膜でコーティングされる。絶縁膜は、高抵抗厚膜４６でコーティングされた基板表面の全領域の周囲に延びる。絶縁膜は、高抵抗厚膜４６の縁及び境界領域４８の周囲の隣接するセラミック材料に重なる２ｍｍの幅を有する材料のストリップとして付けられる。これは、高抵抗厚膜４６の位置を概略的に示す図９に最もよく示される。図９において、セラミック基板２０の外形は、基板２０の中央領域に高抵抗厚膜の領域を有して平面図に示される。高抵抗厚膜４６の縁は参照番号５２で示され、セラミック基板の縁は参照番号５４で示される。高抵抗厚膜４６が付けられる領域は、セラミック基板２０の境界領域４８を取り囲むハッチング線５６で示される。図９に見られるように、絶縁膜の幅の約１／３は縁５３に沿って高抵抗厚膜４６と重なるのに対し、残りの２／３はセラミック基板２０の表面と更なって、縁５２に直に隣接するが縁５２及び基板２０の縁の間の境界領域の全幅ではないセラミック材料を覆う。

図１０は、コンタクト５０が配置された基板の隅で絶縁膜の境界領域５６が基板２０の縁により接近して付けられる若干異なる一実施形態の、図８と同様の平面図である。図１０の境界領域５６は、図９の実施形態において境界領域５６の矩形フレームと比較して若干歪んだ形状を有する。

添付図面に示される実施形態を参照して本発明の側面を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、さらに発明的な技能及び努力を要することなく種々の変更、変形を実行することができることが理解される。例えば、本発明は、抵抗素子が筒状（管状又は中実の）又は円弧状誘電性基板上に設けられる実施形態をも意図している。さらに、抵抗素子は２以上の基板表面に設けてもよく、例えば素子は誘電性基板の隣接する２表面に設けてもよい。電気装置は、積層構造で誘電性材料の個別の層に各々設けられた複数の抵抗素子を具備してもよい。

本発明の一実施形態に従った電力抵抗器の断面図である。 図１のＩ−Ｉに沿った平面断面図である。 表面に印刷された導電性膜を有するセラミック基板の平面図である。 基板上に複数の薄膜抵抗ストリップが印刷された図３のセラミック基板の平面図である。 絶縁材料の膜を表面に有する図４の基板の平面図である。 基板上に異なるパターンの抵抗膜、電気コンタクト及び絶縁膜を有するセラミック基板を示す、図５と同様の平面図である。 本発明の第２実施形態に従った電力抵抗器の断面図である。 図７のＡ方向から見た、図７の電力抵抗器を部分的に断面した平面図である。 高抵抗膜及び該膜に付けられた絶縁膜を有するセラミック基板の平面図である。 電力抵抗器の異なる実施形態の、図８と同様の平面図である。

符号の説明

１０ 電気装置
１８ 抵抗素子
２０ 熱伝導性の誘電性セラミック基板
２４ 基部板
３０ 絶縁膜
３４ 抵抗膜
３８ 絶縁膜
４４ 金属箔

Claims (21)

1. 導電性の抵抗素子から熱を移転するために熱伝導性の誘電性材料上に設けられた前記抵抗素子を具備する電気装置において、
   連続した電気絶縁材料製の膜が前記抵抗素子の周囲に設けられる結果、前記絶縁膜が前記抵抗素子の縁及び該抵抗素子に隣接する前記誘電性材料上に横たわった状態で前記抵抗素子を取り囲むことを特徴とする電気装置。
2. 前記絶縁膜は、シリカ釉薬、ポリマカプセル材料、水晶又はアルミナ誘電体からなることを特徴とする請求項１記載の電気装置。
3. 前記絶縁膜の厚さは３〜２５μｍの範囲内、好適には５〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の電気装置。
4. 前記抵抗素子は前記誘電性材料の表面に付けられ、該表面に少なくとも１個の電気コンタクトを具備し、
   前記絶縁膜は、前記コンタクトの縁及び該コンタクトに直に隣接する前記誘電性材料上に横たわることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の電気装置。
5. 前記絶縁膜は前記抵抗素子のほぼ全領域にわたって付けられ、
   前記コンタクトは、前記抵抗素子との電気接続のために前記絶縁膜により囲まれる少なくとも一つの膜の無い領域を有することを特徴とする請求項４記載の電気装置。
6. 前記コンタクトは、前記誘電性材料の前記表面に付けられた導電性材料の膜からなることを特徴とする請求項４又は５記載の電気装置。
7. 前記抵抗素子は、前記誘電性材料の前記表面及び前記コンタクトに付けられた抵抗膜を具備することを特徴とする請求項４ないし６のうちいずれか１項記載の電気装置。
8. 前記抵抗膜は前記誘電性材料の前記表面に印刷された抵抗性インクからなることを特徴とする請求項６記載の電気装置。
9. 前記抵抗素子は、前記誘電性材料の前記表面の少なくとも一部に付けられた抵抗性膜と、及び該抵抗膜上に設けられ該抵抗膜に電気接続された金属製の箔素子を具備し、
   該箔素子は、前記抵抗膜よりも低い電気抵抗を有することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の電気装置。
10. 前記絶縁膜は前記抵抗膜の周囲に付けられて、前記抵抗膜の前記縁及び該抵抗膜に隣接する誘電性材料上に横たわることを特徴とする請求項９記載の電気装置。
11. 前記金属箔素子は、熱伝導性接着剤により前記抵抗膜に取り付けられることを特徴とする請求項９又は１０記載の電気装置。
12. 前記金属箔素子は、前記抵抗膜と、該抵抗膜上に横たわる別の熱伝導性誘電材料との間に配置されていることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項記載の電気装置。
13. 前記誘電性材料はアルミナからなることを特徴とする請求項１ないし１２のうちいずれか１項記載の電気装置。
14. 前記誘電性材料はほぼ平坦なセラミックタイルからなることを特徴とする請求項１ないし１３のうちいずれか１項記載の電気装置。
15. 前記導電性材料の層又は本体に隣接した前記タイルの面に導電性膜がつけられていることを特徴とする請求項１４記載の電気装置。
16. 前記抵抗素子は絶縁材料を収容するケース内に収容されていることを特徴とする請求項１ないし１５のうちいずれか１項記載の電気装置。
17. 前記電気装置は電力抵抗器からなることを特徴とする請求項１ないし１６のうちいずれか１項記載の電気装置。
18. 前記誘電性材料は、前記抵抗素子と、熱伝導性材料の第２層又は第２本体との間に配置されていることを特徴とする請求項１ないし１７のうちいずれか１項記載の電気装置。
19. 前記熱伝導性材料の第２層又は第２本体は導電性材料からなることを特徴とする請求項１８記載の電気装置。
20. 前記誘電性材料はセラミック又はマイカからなることを特徴とする請求項１ないし１９のうちいずれか１項記載の電気装置。
21. 導電性熱発生抵抗素子から熱を移送するために、熱移送媒体上に設けられた前記導電性熱発生抵抗素子を具備する電気装置であって、前記熱移送媒体は、１層の導電性材料又は導電性材料の本体と、前記素子及び前記導電性材料間に配置された１層の熱伝導性の誘電性材料とを具備し、前記素子は、該素子に面する前記誘電性材料の面に設けられた抵抗膜と接触している電気装置において、
    連続した電気絶縁材料の膜が前記抵抗膜の周囲に付けられて、前記抵抗膜の縁及び該抵抗膜に隣接する前記誘電性材料上に横たわることを特徴とする電気装置。

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