JP2024087330A - 銅合金材料およびシャント抵抗器 - Google Patents
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Abstract
【課題】低い体積抵抗率、低いＴＣＲ、小さい対銅熱起電力を有する銅合金材料およびこれによって形成される抵抗体を備えたシャント抵抗器を提供する。【解決手段】銅－マンガン系の銅合金材料は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる。体積抵抗率が１５～２５μΩ・ｃｍである。ＴＣＲの絶対値が１５０×１０－６／Ｋ以下である。対銅熱起電力が１μＶ／Ｋ以下である。１７５℃、３０００時間の耐熱試験において、抵抗値変化が－０．３～０％である。【選択図】図１
Description
本発明は銅合金材料およびシャント抵抗器に関する。
シャント抵抗器に用いられる主な抵抗合金として、銅－マンガン系合金（マンガニン（登録商標）：銅－マンガン－ニッケル）、銅－ニッケル系合金、ニッケル－クロム系合金、鉄－クロム系合金がある。シャント抵抗器用の抵抗合金は、高い電流検出精度を得る為に、ＴＣＲ（抵抗温度係数）の絶対値が小さく、銅に対して熱起電力の絶対値が小さい銅－マンガン系合金を用いることが多い。
従来の銅合金材料では、低い体積抵抗率（たとえば約２０μΩ・ｃｍ程度以下または１５～２５μΩ・ｃｍ）、低いＴＣＲ（たとえば１００×１０－６／Ｋ以下または１５０×１０－６／Ｋ以下）、小さい対銅熱起電力（たとえば１μＶ／Ｋ以下）を有する抵抗合金を構成することが困難であった。
銅－マンガン系合金としては、約２９μΩ・ｃｍの体積抵抗率を持つ銅－マンガン－スズ系合金が存在する。この抵抗合金を用いて小型のシャント抵抗器を設計すると、低抵抗化のためには抵抗体板厚を厚くする必要があり、その場合、プレス加工が困難となる。一方、電極間距離を小さくして低抵抗化した場合、銅からなる電極のＴＣＲの寄与が大きくなるため、シャント抵抗器の製品全体としてのＴＣＲが増加することになる。
体積抵抗率が低い銅－ニッケル系合金（体積抵抗率約２０μΩ・ｃｍ）をシャント抵抗器の抵抗材料として使用することも考えられるが、一般に、この抵抗合金が持つＴＣＲが大きいため、製品にしたときのＴＣＲも大きくなる。また、対銅熱起電力も大きいため、シャント抵抗器の抵抗合金としては適さない。
特許文献１には、銅－マンガン系の金属に、鉄、ケイ素を添加することで対銅熱起電力を改善した抵抗合金が開示されているが、さらなる特性改善が望まれている。
なお、対銅熱起電力を下げる目的で鉄を添加することで、耐熱試験の電気的性能が悪化する。この性能低下を防ぎつつＴＣＲを低くすることが望ましい。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、低い体積抵抗率（たとえば約２０μΩ・ｃｍ程度以下または１５～２５μΩ・ｃｍ）、低いＴＣＲ（たとえば１００×１０－６／Ｋ以下または１５０×１０－６／Ｋ以下）、小さい対銅熱起電力（たとえば１μＶ／Ｋ以下）を有する銅合金材料およびこれによって形成される抵抗体を備えたシャント抵抗器を提供することを目的とする。
本発明に係る銅－マンガン系の銅合金材料の一例は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる。
一例において、体積抵抗率が１５～２５μΩ・ｃｍである。
一例において、ＴＣＲの絶対値が１５０×１０－６／Ｋ以下である。
一例において、対銅熱起電力が１μＶ／Ｋ以下である。
一例において、１７５℃、３０００時間の耐熱試験において、抵抗値変化が－０．３～０％である。
一例において、ＴＣＲの絶対値が１５０×１０－６／Ｋ以下である。
一例において、対銅熱起電力が１μＶ／Ｋ以下である。
一例において、１７５℃、３０００時間の耐熱試験において、抵抗値変化が－０．３～０％である。
本発明に係るシャント抵抗器の一例は、
抵抗体および電極を備える電流検出用のシャント抵抗器であって、
前記抵抗体は、銅－マンガン系の銅合金材料によって形成され、
前記銅合金材料は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる。
抵抗体および電極を備える電流検出用のシャント抵抗器であって、
前記抵抗体は、銅－マンガン系の銅合金材料によって形成され、
前記銅合金材料は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる。
本発明に係る銅合金材料およびシャント抵抗器によれば、低い体積抵抗率（たとえば約２０μΩ・ｃｍ程度以下または１５～２５μΩ・ｃｍ）、低いＴＣＲ（たとえば１００×１０－６／Ｋ以下または１５０×１０－６／Ｋ以下）、小さい対銅熱起電力（たとえば１μＶ／Ｋ以下）が実現される。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る銅合金材料の相図である。銅合金材料は、銅の他に、マンガン、鉄、スズを含む。銅の質量分率が左上辺側の軸上に示され、鉄およびスズの質量分率の合計が右上辺側の軸上に示され、マンガンの質量分率が、底辺側の軸上に示されている。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る銅合金材料の相図である。銅合金材料は、銅の他に、マンガン、鉄、スズを含む。銅の質量分率が左上辺側の軸上に示され、鉄およびスズの質量分率の合計が右上辺側の軸上に示され、マンガンの質量分率が、底辺側の軸上に示されている。
図１には、本実施形態による銅合金材料を特徴付ける領域Ｒを示す。領域Ｒにおけるマンガンの質量分率は４．５％から５．５％である。領域Ｒにおける鉄およびスズの質量分率の合計は０．２％から０．８％であり、より詳細には、鉄は０．１％から０．３％の質量分率であり、スズは、０．１％から０．５％の質量分率である。残りは銅である。
次の表１に示すように、様々な組成を有する銅－マンガン系の銅合金材料を用い、それぞれについて特性を測定した。具体的には、本実施形態における実施例１～３と、組成範囲を検証するための供試材１～１４と、比較例１～２とについて、それらの組成および特性を示す。
なお耐熱試験（供試材４を除く）の条件は、材料の厚みを４００～５００μｍとし、大気中で１７５℃に維持した状態を３０００時間継続し、その後抵抗値の変化を測定した。
供試材１～４を比較すると、マンガンの添加により、体積抵抗率が上がり、一方ＴＣＲ（抵抗温度係数）は小さくなる。
供試材５～８を比較すると、鉄の添加により抵抗値変化が大きくなる。
供試材９～１４を比較すると、スズの添加によりＴＣＲを下げる効果がある。なお、本明細書において単に「ＴＣＲ」という場合、ＴＣＲの絶対値を意味する場合がある。
比較例１および２において、銅－マンガン－鉄－ケイ素の四元系合金は、対銅熱起電力を小さくするために鉄を少量添加している。なお、本明細書において単に「対銅熱起電力」という場合、対銅熱起電力の絶対値を意味する場合がある。比較例１および２と、鉄を含まない他の例（とくに供試材１～３および９～１４）とを比較すると、鉄の添加によって、耐熱試験により抵抗値変化（抵抗値の減少量）が大きくなっている。
図２は、供試材１～４および９～１４について、体積抵抗率（横軸、μΩ・ｃｍ）とＴＣＲ（縦軸、ｐｐｍ／Ｋ）との関係を示すグラフである。一般に、銅－マンガン合金に他元素を添加すると、ＴＣＲは低下するが、体積抵抗率は増加する。そのためＴＣＲ特性をより低く改善する場合の効果の評価に際しては、体積抵抗率とＴＣＲとを組み合わせて考える必要がある。つまり、銅－マンガン合金の体積抵抗率－ＴＣＲのグラフ（図２）に対して、体積抵抗率が同じ場合にＴＣＲがより大きくなっていれば、ＴＣＲが悪化していると評価できる。
供試材９～１４を比較すると、スズを少量添加することでＴＣＲを下げる効果がある。しかし、スズの添加量が１％を超えるとＴＣＲの減少がやや緩やかとなり、２％を超えると、スズを添加しない銅－マンガン合金のほうがＴＣＲは良好となる。したがって、ＴＣＲ改善のためには、スズの添加は１％以下とするのが望ましい。
図３は、供試材２および５～８について、鉄の含有量（横軸、質量％）と抵抗値変化（縦軸、％）との関係を示すグラフである。表１の供試材２、５、６を比較すると、鉄の添加により対銅熱起電力が改善される。一方で、図３に示すように耐熱試験による抵抗値の減少が大きくなる。
図３によれば、鉄を０．１～０．３質量％含む抵抗合金であれば、対銅熱起電力を改善しつつ、耐熱試験による抵抗値の減少を比較的小さく抑えることができる。
図４は、供試材２および９～１４について、スズの含有量（横軸、質量％）と抵抗値変化（縦軸、％）との関係を示すグラフである。スズを含まない供試材２は抵抗値変化が約－０．５％であったが、供試材９～１４のようにスズを添加することで、抵抗値変化は０％～－０．３％程度へと改善され、抵抗値変化を小さくすることができた。
図５は、供試材６および実施例１～３について、スズの含有量（横軸、質量％）と抵抗値変化（縦軸、％）との関係を示すグラフである。上述のように、対銅熱起電力を下げるために鉄の添加が必要である。そこでＣｕ－５Ｍｎ－０．２Ｆｅ（供試材６）にスズを添加した場合（実施例１～３）について検証した。実施例１～３からわかるように、スズの少量の添加により、耐熱試験における抵抗値の減少を小さくすることができた。
以上説明するように、実施例１～３に係る銅合金材料は、低い体積抵抗率（約２０μΩ・ｃｍ程度以下（より厳密には２１μΩ・ｃｍ以下）または１５～２５μΩ・ｃｍ）、低いＴＣＲ（１００×１０－６／Ｋ以下または１５０×１０－６／Ｋ以下）、小さい対銅熱起電力（１μＶ／Ｋ以下）を有する。
実施例１～３に係る銅合金材料は、小型かつ低抵抗のシャント抵抗器に適した抵抗合金であり、ＴＣＲも低い。このような銅合金材料を用いることにより、電流検出精度が良好となり、小型化により省スペース化が可能で、電子機器の小型化に寄与する。
実施例１～３は、いずれもマンガンを５質量％含む。供試材１～４との比較によれば、マンガンの含有量を４．５～５．５質量％の範囲内で変化させても、低い体積抵抗率、低いＴＣＲ、小さい対銅熱起電力を維持できると考えられる。
実施例１～３は、いずれもスズを０．１～０．５質量％含む。
以上より、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる銅－マンガン系の銅合金材料は、低い体積抵抗率、低いＴＣＲ、小さい対銅熱起電力を有する。
なお、上記表１に示すように、実施例１～３によれば、体積抵抗率が１５～２５μΩ・ｃｍであり、ＴＣＲの絶対値が１５０×１０－６／Ｋ以下（より厳密には５０×１０－６～１５０×１０－６／Ｋ）であり、対銅熱起電力が１μＶ／Ｋ以下であり、１７５℃、３０００時間の耐熱試験において、抵抗値変化が－０．３～０％である。
［実施形態２］
実施形態２は、電流検出用のシャント抵抗器に係るものである。本実施形態に係るシャント抵抗器は、実施形態１に係る銅合金材料を用いて製造される。
実施形態２は、電流検出用のシャント抵抗器に係るものである。本実施形態に係るシャント抵抗器は、実施形態１に係る銅合金材料を用いて製造される。
図６に、実施形態２に係るシャント抵抗器の構成例を示す。図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は平面図であり、図６（ｃ）は側面図である。
図６に示すシャント抵抗器１０は、プレス等により個片状の抵抗体１１を作製し、その両端に銅の電極１２ａ，１２ｂを突合せ溶接した構造である。
抵抗体１１と電極１２ａ，１２ｂとは、ＥＢ（電子ビーム）溶接、ＬＢ（レーザービーム）溶接等で接合することができる。図６に示すシャント抵抗器１０は、比較的大型のシャント抵抗器であり、一個ずつ作ることがある。
抵抗体の材料は、実施形態１で説明した銅－マンガン系の銅合金材料によって形成される。すなわち、この銅合金材料は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる。
上述のように、実施形態１（実施例１～３）に係る銅合金材料を用いているので、シャント抵抗器１０は小型かつ低抵抗とすることができ、ＴＣＲも低い。このようなシャント抵抗器１０を用いることにより、電流検出精度が良好となり、小型化により省スペース化が可能で、電子機器の小型化に寄与する。
１０…シャント抵抗器
１１…抵抗体
１２ａ，１２ｂ…電極
１１…抵抗体
１２ａ，１２ｂ…電極
Claims (6)
- 銅－マンガン系の銅合金材料であって、
マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる銅合金材料。 - 体積抵抗率が１５～２５μΩ・ｃｍである、請求項１に記載の銅合金材料。
- ＴＣＲの絶対値が１５０×１０－６／Ｋ以下である、請求項１に記載の銅合金材料。
- 対銅熱起電力が１μＶ／Ｋ以下である、請求項１に記載の銅合金材料。
- １７５℃、３０００時間の耐熱試験において、抵抗値変化が－０．３～０％である、請求項１に記載の銅合金材料。
- 抵抗体および電極を備える電流検出用のシャント抵抗器であって、
前記抵抗体は、銅－マンガン系の銅合金材料によって形成され、
前記銅合金材料は、マンガンを４．５～５．５質量％、鉄を０．１～０．３質量％、スズを０．１～０．５質量％含み、残部が銅からなる、
電流検出用のシャント抵抗器。
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