JP2011228669A - 抵抗体、抵抗器、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ−Ｎｉ系合金が有する低い体積抵抗率と優れた抵抗温度係数を維持しつつ、銅電極に対する熱起電力を低減させることができる抵抗体、抵抗器、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃｕ−Ｎｉ系合金からなる第１の板材と、Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる第２の板材とを積層することにより形成される抵抗体であって、第１の板材１１ａと第２の板材１１ｂとの間に、それぞれの金属材料が拡散した拡散層１１ｃが形成されており、前記拡散層は、前記抵抗体の全体厚みに占める割合が１０％以上である。積層された一層の厚みが２５μｍ以下となるように前記板材を圧延することが好ましい。前記抵抗体１１に少なくとも一対の電極１２を形成して抵抗器を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、抵抗合金からなる金属板を抵抗体として用いた電流検出用の抵抗器に関する。

電流検出用に用いられる抵抗器の抵抗体としてＣｕ−Ｎｉ系合金（ＪＩＳ Ｃ２５２１相当）が広く用いられている。Ｃｕ−Ｎｉ系合金は、低体積抵抗率と優れた抵抗温度係数を有する抵抗材料であるが、電極として抵抗体と接合する銅に対する熱起電力が大きいことが抵抗材料として問題となる。すなわち、銅電極に対する熱起電力が大きな抵抗材料を抵抗体として使用した場合、抵抗体の両端で温度差が発生すると、ゼーベック効果により起電力が発生するため、実際には電流が流れていなくても微電流が流れているように検出されてしまう恐れがある。

また、実際に電流を流すと、ペルチエ効果により抵抗体の両端に温度差が発生する。そして電流をオフにした場合、抵抗体の両端に温度差が生じていることから、ゼーベック効果の起電力が残留し、未だ電流が流れているように検出されてしまうという問題がある。

Ｃｕ−Ｎｉ系合金の代替材料として、銅電極に対する熱起電力が＋４μＶ／ＫとＣｕ−Ｎｉ系合金の熱起電力よりも小さいＮｉ−Ｃｒ系合金（ＪＩＳ Ｃ２５２０相当）を使用することも考えられる。しかし、Ｎｉ−Ｃｒ系合金の体積抵抗率はＣｕ−Ｎｉ系合金の約２倍である為、Ｃｕ−Ｎｉ系合金を用いた場合と同サイズ・同抵抗値の抵抗器にするには、約２倍の体積が必要になるため、合金材料を多く使用することになり、コストアップにつながる。

また、抵抗材料の性質を改善する方法として、他の金属を添加し性質を調整することも考えられる。しかしながら、Ｃｕ−Ｎｉ系合金が有する低い体積抵抗率と優れた抵抗温度係数を維持しつつ銅電極に対する熱起電力が大きいという問題を解決するには多大な時間を要するものと考えられる。なお、一般に合金材料は、大量生産することでコストを抑えているが、小型の抵抗器の製作にはそれほど大量の抵抗材料を必要としない。新規抵抗材料を作る場合、小量、小ロットで作るとコストアップにつながり、また、ロット間の電気的特性を安定化するのが困難であるといった問題がある。

本発明者等は下記特許文献に示すように、複数の金属材料を積層し抵抗体を形成することで、抵抗材料としての性質を改善することについて、各種の研究・開発を行ってきている。

特開２００２−０５７００９号公報 特開２００５−２８６１６７号公報 特開２００６−１４０２９６号公報 特開２００７−１８９０００号公報 特開２００９−２５２８２８号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、Ｃｕ−Ｎｉ系合金の銅電極に対する熱起電力を低減させることができる抵抗体、抵抗器、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の抵抗体は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金からなる第１の板材と、Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる第２の板材とを積層することにより形成される抵抗体であって、第１の板材と第２の板材との間に、それぞれの金属材料が拡散した拡散層が形成されており、前記拡散層は、前記抵抗体の全体厚みに占める割合が１０％以上であることを特徴とする。特に、積層された一層の厚みが２５μｍ以下となるように圧延することが好ましい。

本発明によれば、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層とを交互に積層した抵抗体を形成し、その合金層間にそれぞれの金属材料が拡散した拡散層が形成され、拡散層を抵抗体の全体厚みに占める割合が１０％以上に形成することで、抵抗体に銅電極を接合する場合に、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層の銅電極に対する熱起電力を大幅に低減することができる。これにより、Ｃｕ−Ｎｉ系合金が有する低い体積抵抗率と優れた抵抗温度係数を維持しつつ、銅電極に対する熱起電力を低減することができ、材料使用量を抑制しつつ、ゼーベック効果やペルチェ効果に伴う誤った電流検出を防止できる。

（ａ）は本発明の一実施例の抵抗体の斜視図であり、（ｂ）は比較例としての従来の抵抗体の斜視図である。 Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層とを交互に積層した抵抗体に銅電極を接合した抵抗器の断面図である。 上記抵抗体の部分拡大断面図である。 上記抵抗器の斜視図である。 本発明の実施例と比較例に係る各種抵抗体の銅電極に対する熱起電力を示すグラフである。 熱起電力の算定のためのモデル化した抵抗体の斜視図である。 Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層の構成比と銅電極に対する熱起電力の関係を示すグラフである。 （ａ）は一層厚みと銅電極に対する熱起電力（ＴＥＭＦ）の関係を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のＢ部分を一層厚み方向に拡大したグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図８を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１（ａ）は本発明の一実施例の抵抗体１１を示し、図１（ｂ）は比較例としての従来の抵抗体１１を示す。本発明の抵抗体１１は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金の板材が圧延されることによって形成された第１の層１１ａと、Ｎｉ−Ｃｒ系合金の板材が圧延されることによって形成された第２の層１１ｂとが積層して形成されたものである。これに対して、比較例の抵抗体１１は、従来から用いられているＣｕ−Ｎｉ系合金のみからなるバルク抵抗体である。なお、Ｃｕ−Ｎｉ系合金は、具体的にはＪＩＳ Ｃ２５２１に相当する材料であり、４２．０〜４８．０％（ｍ／ｍ）のＮｉ、０．５〜２．５％（ｍ／ｍ）のＭｎ、９９．０％（ｍ／ｍ）以上のＣｕ＋Ｎｉ＋Ｍｎからなる材料を用いている。Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、ＪＩＳ Ｃ２５２０の電熱用ニッケルクロム帯１種に相当する材料であり、７７％（ｍ／ｍ）以上のＮｉ、１９〜２１％（ｍ／ｍ）のＣｒ、０．１５％（ｍ／ｍ）のＣ、０．７５〜１．６％（ｍ／ｍ）のＳｉ、２．５％（ｍ／ｍ）以下のＭｎを含み、更にＦｅ等が１．０％（ｍ／ｍ）以下含まれることがある。

この実施例では、それぞれ厚さ１ｍｍのＣｕ−Ｎｉ系合金の板材とＮｉ−Ｃｒ系合金の板材とを準備し、これらを重ね、加熱しながら圧延して、厚さ約０．２ｍｍの２層構造の積層体（試料Ａ）を作成した。それぞれの板材は厚さ０．１ｍｍになるまで圧延された計算になる。従って、第１の層１１ａと第２の層１１ｂの厚み比が１：１である。厚み比は原材料の厚み比を選択することで、任意に調整可能である。加熱温度は５００〜１０００℃、加圧は４ｔｏｎ、１０^−２ｐａ以下の真空雰囲気で積層体を作製した。

図２に示すように、得られた積層体である抵抗体を切断し、さらに重ね、圧延して積層することを繰り返し、一層当たりの厚みがサブミクロンとなるようにしてもよい。図２に示す例は８層の積層体である。また、特性を確認するため、積層と圧延を繰り返して、７５０層の積層体とした試料Ｂを準備した。試料Ｂは、一層の厚みが約０．２７μｍであり、全体の厚みが約０．２ｍｍである。また、５２５０層の積層体とした試料Ｃを準備した。試料Ｃは、一層の厚みが約０．０３８μｍであり、全体の抵抗体１１の厚みは約０．２ｍｍである。

図３は積層体である抵抗体の積層状態の詳細断面図である。圧延と熱処理によって、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層１１ａとＮｉ−Ｃｒ系合金層１１ｂとの間に、それぞれの金属材料が相互に拡散して形成された拡散層１１ｃが形成されている。拡散層１１ｃがどの程度できるかは熱処理条件等で変化するが、本願において作成した各サンプルにおいては拡散層１１ｃは約３μｍの層厚みであった。拡散層１１ｃの厚みは、抵抗体１１の全体厚みに占める割合が１０％以上であることが、後述するように対銅電極に対する熱起電力低減効果の面から好ましい。

これらの積層体からなる抵抗体１１の両端下面に銅電極１２，１２を接合することで、本発明の銅電極と抵抗体の接合界面における熱起電力を低減した抵抗器が完成する。すなわち、図４に示すように、上記の各種抵抗体１１の下面にＣｕの板材を接合して電極１２，１２を形成し、電極１２，１２間にはエポキシ樹脂を塗布して保護膜１３を形成した。こうして、長さＬ：６ｍｍ、幅Ｗ：３ｍｍ、電極の幅ｄ：２ｍｍ、高さＴ：０．６ｍ、抵抗体厚みｔ：０．２ｍｍの抵抗器を作成した。なお、電極は、抵抗体１１の両端下面ではなく、両端の端面に接合してもよい。

図５は上記の各種抵抗体（試料Ａ〜Ｃ、比較例）を用いて作成した抵抗器の熱起電力を示すグラフである。横軸は温度差（Ｋ）であり、縦軸は熱起電力（μＶ）の絶対値である。グラフの傾きが温度差当たりの熱起電力に相当する。上記グラフのデータから、下記熱起電力が得られた。
比較例： Ｃｕ−Ｎｉ系合金のみからなる抵抗体、熱起電力 −３９μＶ／Ｋ
試料Ａ： ２層の積層抵抗体（厚み＝０．２ｍｍ）、熱起電力 −２８μＶ／Ｋ
試料Ｂ： ７５０層の積層抵抗体（厚み＝０．２ｍｍ、一層厚み＝０．２７μｍ）、
熱起電力 −７．４μＶ／Ｋ
試料Ｃ： ５２５０層の積層抵抗体（厚み＝０．２ｍｍ、一層厚み＝０．０３８μｍ）、
熱起電力 −６．８μＶ／Ｋ
なお、試料Ａ〜Ｃの第１と第２合金層の厚み比はＣｕ−Ｎｉ系合金層：Ｎｉ−Ｃｒ系合金層＝１：１である。

比較例と、本発明の各種積層材料（試料Ａ〜Ｃ）の熱起電力を比較した結果から、本発明の積層抵抗体は銅電極に対する熱起電力が大幅に低下していることがわかる。また、試料Ａと試料Ｂ，Ｃとを比較すると、同じ層厚み比であっても多層化して、一層をサブミクロン以下の厚みにすることによって、熱起電力が約１／４まで減少することを確認することができた。

従って、Ｃｕ−Ｎｉ系合金を使用しつつ、その低体積抵抗率と良好な抵抗温度係数を生かしつつ、対銅電極の熱起電力の値を低下させることができ、電流検出の精度を向上させることができる。また、Ｃｕ−Ｎｉ系合金板材とＮｉ−Ｃｒ系合金板材を１枚ずつ積み重ねる場合、各層の厚み比で対銅熱起電力の値を制御することができる。

なお、積層した抵抗体１１は、２層とか３層など積層数が少ないものは、各層における電気抵抗の逆数（電気伝導率）と各材料の熱起電力が分かれば、積層体全体の熱起電力を算出することが可能である。すなわち、抵抗温度係数は各層の抵抗比率によって決定できるが、熱起電力は電気伝導率の比率によって決定できる。

２層にした場合の熱起電力の算出方法について、図６を参照して説明する。まず、体積抵抗率ρに従って、各層の電気抵抗を算出する。

次に、積層体の合成電気抵抗を算出する。各層を積み重ねた場合の複合した合成電気抵抗Ｒcompoundは、並列回路と見なして求めることができる。

そして、積層したときの合成熱起電力ＴＥＭＦcompoundを算出する。電気抵抗の逆数（電気伝導率）で、各層の占める割合と各層の熱起電力を掛けた数値を足し算することで、以下の式のとおり求めることができる。

但し、Ｒ：電気抵抗、ρ：電気抵抗率、ＴＥＭＦ：熱起電力、ａ、ｂ：各層の厚み

Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層を２層積層した抵抗体において、熱起電力の実測値と、上記算出式より得た算出値とを比較した結果、両者はほぼ一致しており、上記算出式は妥当であると考えられる。なお、１層の厚みがサブミクロンレベル程度に薄い多層の積層抵抗体（試料Ｂ，Ｃ）になった場合、上記の計算式が成立せず、２層の抵抗体（試料Ａ）と比べて対銅電極の熱起電力はさらに小さな値を示すことが、図５に示す熱起電力の実測結果からわかる。

図７は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金とＮｉ−Ｃｒ系合金とを積み重ねた積層体において、各層の厚み比を変えることで対銅熱起電力の値を制御できることを示したグラフである。図７のＸ軸はＣｕ−Ｎｉ系合金層の割合で、残りはＮｉ−Ｃｒ系合金層であり、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層を重ねた場合の双方の厚み割合となる。Ｙ軸は積層体である抵抗体に接合する銅電極に対する熱起電力（TEMF）を示す。図７によれば、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層の含有量が増える（つまりＣｕ−Ｎｉ系合金層の厚みを増していく）に従って対銅熱起電力が大きくなっていくことが分かる。つまり、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層に対してＮｉ−Ｃｒ系合金層の割合を多くしていけば、対銅熱起電力が改善されるが、Ｎｉ−Ｃｒ系合金は一般に高価で、抵抗率が高く、使用量をできるだけ少なくすることが望まれる。

本発明の下記表１に示す実施例では、
Ｃｕ−Ｎｉ系合金層厚み：Ｎｉ−Ｃｒ系合金層厚み＝５０：５０
とし、積層枚数（一層厚み）を変えて対銅熱起電力（TEMF）を比較した。すなわち、抵抗体の全体厚みを２００μｍに固定し、積層枚数を２、４、８、・・・５２５０枚と変化させたサンプル１、２、３、・・・９を作成し、熱起電力を測定した。この結果を以下に示す。

なお、１層厚みは出発材料全体を圧延して所定厚みとすることから計算される値であり、実際の一層の厚みとは拡散層を含まないため少し異なる。すなわち、各サンプルそれぞれの全体厚みは約２００μｍなので、一層厚み＝２００μｍ／積層枚数で算出している。実際の一層厚みというと上述のように、拡散層が介在するので、どこからどこまでが一層厚みか不明確となるためである。ＳＥＭによる分析結果から各サンプルにおいて拡散層の一層の厚みが約３μｍであったため、拡散層割合は
（積層枚数−１）×３μｍで算出した値＝拡散層の全体厚み、
として、抵抗体全体厚みに占める割合を算出している。

図8（ａ）は一層厚みをＸ軸とし対銅熱起電力（TEMF）をY軸としたグラフであり、図8（ｂ）は図8（ａ）のＢ部分をX軸方向に拡大した図である。図中、サンプル３（Ｓ３）は拡散層割合が約１０％（積層枚数：８枚、一層厚み：２５μｍ）の例を示す。一層厚みがこの厚さ以下の範囲ではグラフの角度が急である（厚くなると角度がなだらかになる）、つまり、対銅熱起電力の特性が急激に改善されることが分かる。従って、一層厚み25μｍ以下（拡散層割合が約１０％以上）で熱起電力に大きな改善効果がある。

サンプル７〜９（Ｓ７〜９）は、図8（ｂ）から明らかなように、一層厚みが２μｍ以下であり、略全体が拡散層となっており、サンプル１に比べて熱起電力が大きく改善されていることが分かる。図中、サンプル８（Ｓ８）は一層厚みが０．３μｍ（７５０層積層、拡散層割合が１００％）の例である。なお、この例は上記試料Ｂと同一サンプルである。サンプル９（Ｓ９）は一層厚みが０．０４μｍ（５２５０層積層、拡散層割合が１００％）の例である。なお、この例は上記試料Ｃと同一サンプルである。

この程度の厚さになると、熱起電力特性が安定化する。つまり、サンプル７以上に、一層厚みを薄くしても、熱起電力特性の改善はあまりない。図中の一点鎖線ＭはＣｕＮｉ層とＮｉＣｒ層との厚み比を５０：５０で一層厚みが１００μｍで積層した場合（サンプル１，試料Ａ）の熱起電力のラインである。一層厚みを薄くしていくと、このラインＭを離れて熱起電力が改善されることが分かる。

すなわち、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層とを積層することによって熱起電力が改善されるのではあるが、特に、一層当たりの層の厚みを薄くしていくことによって、単にＣｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層とを積層しただけでは期待し得ない熱起電力の改善が得られる。具体的には、単にＣｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層とを積層しただけのサンプル１では熱起電力が−２８μＶ/Ｋであるのに対し、サンプル３では一層の厚みを２５μｍ以下まで圧延し、拡散層が全体厚みの１０％以上を占めた抵抗体にすることによって、熱起電力を−２３μＶ/Ｋ迄改善することができる。さらにサンプル７〜９では拡散層が全体厚みの１００％となることで熱起電力を−７μＶ/Ｋ迄飛躍的に改善することができる。

従って、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層との厚み比を５０：５０に維持しつつ、一層厚みを低減し拡散層比率を上げることで、高価なＮｉ−Ｃｒ系合金材料を多量に使用することなく、Ｎｉ−Ｃｒ系合金層に近い対銅熱起電力が得られる。また、上記実施例では、Ｃｕ−Ｎｉ系合金層とＮｉ−Ｃｒ系合金層との厚み比を５０：５０の例を示したが、これと異なる割合であっても上述と同様に熱起電力の改善効果がある。

なお、積層体の形成には、金属板同士を面で接合する拡散接合法、若しくはクラッド接合などを用いることが好ましいが、スパッタや蒸着法、そしてメッキにより積層することも可能である。

また、Ｎｉ−２０Ｃｒ系合金をＣｕ−１２Ｍｎ−２Ｎｉ系合金やＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ系合金等の銅に対する熱起電力が小さい材料に変更しても、同様の効果がある。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金が有する低い体積抵抗率と優れた抵抗温度係数を維持しつつ、銅電極に対する熱起電力を低減させることができるので、材料使用量を抑制しつつ、ゼーベック効果やペルチェ効果に伴う誤った電流検出を防止できる。従って、抵抗合金からなる金属板を抵抗体として用いた電流検出用の抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (7)

1. Ｃｕ−Ｎｉ系合金からなる第１の板材と、Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる第２の板材とを積層することにより形成される抵抗体であって、
   第１の板材と第２の板材との間に、それぞれの金属材料が拡散した拡散層が形成されており、
   前記拡散層は、前記抵抗体の全体厚みに占める割合が１０％以上であることを特徴とする抵抗体。
2. Ｃｕ−Ｎｉ系合金は、４２．０〜４８．０％のＮｉと、０．５〜２．５％のＭｎと、９９．０％以上のＣｕ＋Ｎｉ＋Ｍｎからなる合金であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗体。
3. 請求項１または請求項２に記載の前記抵抗体に少なくとも一対の電極を備えたことを特徴とする抵抗器。
4. Ｃｕ−Ｎｉ系合金からなる第１の板材と、Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる第２の板材とを重ねる工程と、当該重ねた板材を圧延する工程により、第１および第２の板材を積層して得られる抵抗体の製造方法であって、
   前記圧延によって、第１の板材と第２の板材との間に、それぞれの金属材料が拡散した拡散層が形成されていることを特徴とする抵抗体の製造方法。
5. 前記拡散層は、前記抵抗体の全体厚みに占める割合が１０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の抵抗体の製造方法。
6. 積層された一層の厚みが２５μｍ以下となるように圧延することを特徴とする請求項４に記載の抵抗体の製造方法。
7. 請求項４に記載の抵抗体の製造方法において、更に前記抵抗体に少なくとも一対の電極を形成することを特徴とする抵抗器の製造方法。

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