JP4537103B2 - 抵抗用積層合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低抵抗器用の抵抗体材料として好適に用いることができる抵抗用積層合金の構造、及びその製造方法、さらに該抵抗用積層合金を用いた低抵抗器の構造、及びその製造方法に関する。

従来より、板状の抵抗体の両端に電極を配設した低抵抗器は、放熱性が良好で電流容量が大きくとれるため、電流検出用抵抗器等に広く用いられている。

このような低抵抗器用の抵抗体としては、例えば銅ニッケル系合金、ニクロム系合金、鉄クロム系合金、マンガニン系合金等が用いられ、ｍΩ（ミリオーム）オーダの抵抗値を有する低抵抗器が実現されている。そして、このような低抵抗器は、板体状の上記材料の抵抗体両端部に、銅等の高導電率の金属板体を溶接またはクラッド接合により接合して電極としたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。また、これらの低抵抗器用の抵抗体の両端部にめっき電極を形成することも一般に行われている。
特開平６−２２４０１４号公報 特開２０００−１１４００９号公報

低抵抗器の抵抗体として用いられる抵抗用合金は、例えば銅ニッケル系合金の場合、ＣｕとＮｉ等の複数の金属元素が合金化された材料であり、その特性は主として組成により決定される。このため熱処理などにより例えば抵抗温度係数などの特性を操作することは非常に困難である。よって、ある特性を求める場合には、組成を操作することが要求される。しかしながら、組成を操作することは、大量の金属を溶解して合金を作り、その特性を評価する必要があり、時間やコストがかかり、実施が困難であるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、熱処理のみで、積層金属材料間の拡散を制御し、抵抗温度係数（ＴＣＲ値）及び対Ｃｕ熱起電力値等の特性を操作することができる抵抗用積層合金及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記抵抗用積層合金を用い、抵抗温度係数などの特性を抵抗器の製造工程において操作が可能な、低抵抗器及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の抵抗用積層合金の製造方法は、抵抗用合金を構成する異種の金属材料の薄板を交互に積層し、熱処理を行い、圧延することで、前記金属材料の薄層が交互に形成され、その界面においてそれぞれの原子が相互に拡散し、合金状態が形成された積層合金を形成することを特徴とするものである。

本発明の低抵抗器用の抵抗体材料としての合金は、Ｃｕ及びＮｉのバルク金属薄板を積層して、熱処理・圧延し、各層厚を数十ナノメーター（ｎｍ）程度と極めて薄くした抵抗用積層合金である。この抵抗用積層合金は、抵抗器の製造工程において熱処理を行うことで、抵抗温度係数（ＴＣＲ）及び熱起電力を操作することができる。すなわち、窒素雰囲気下での熱処理により抵抗温度係数（ＴＣＲ）が容易に変化する。また、窒素雰囲気下での熱処理により、Ｃｕに対する熱起電力が容易に変化する。

また、本発明の低抵抗器の製造方法は、Ｃｕの薄板とＮｉの薄板とを交互に積層し、第１の熱処理を行い、圧延することで、前記各薄板の厚みが５０ｎｍ乃至１００μｍとなった薄層が交互に形成され、その界面においてそれぞれの原子が相互に拡散し、合金状態が形成された積層体を形成し、前記積層体を用いて抵抗体を形成し、前記抵抗体の両端部に高導電率金属材料からなる一対の電極を配置し、前記第１の熱処理よりも低い温度で第２の熱処理を行うことで、該熱処理条件により前記抵抗体の特性を操作することを特徴とするものである。これにより、熱処理を行うことで、該熱処理条件により前記抵抗体の抵抗温度係数等の特性を調整することができる。

本発明によれば、抵抗用合金の組成を操作することなく、抵抗器の製造工程における熱処理条件のみで、抵抗温度係数などの特性の操作が可能となる低抵抗器を提供できる。これにより、要求される特性に合った合金材料の入手が困難な場合にも、所要の特性を有する低抵抗器を迅速に提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１（ａ）は、Ｃｕの薄板１とＮｉの薄板２とを準備し、これを交互に多数層仮積層した仮積層体３を示す。それぞれの薄板１，２はバルク金属であり、その出発材料の厚さを変化させることにより、積層後の層間隔を制御することができる。また、出発材料の厚さの比を変化させることにより、積層合金全体としての比抵抗を調整することができる。

この実施形態では、Ｃｕの薄板（厚さ０．０３ｍｍ）と、Ｎｉの薄板（厚さ０．０１ｍｍ）を合計１２４枚仮積層する。このときの全厚は２．５ｍｍ程度になる。なお、ＣｕまたはＮｉのバルク金属薄板の厚さは０．０１乃至０．５ｍｍ程度であることが好ましい。

そして、図１（ａ）に示す仮積層体３に対して加圧しながら、８００℃で１時間程度の熱処理を行い、さらに所定の厚さ（例えば０．２ｍｍ）となるように圧延する。これにより、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕの薄層１ａとＮｉの薄層２ａが交互に積層合金化された板材４が形成される。全厚を０．２ｍｍの板材になるように仮積層体３を圧延した場合、１層あたりの層厚は０．５μｍ乃至２．０μｍの厚さとなる。

なお、積層合金後の一般的なＣｕの薄層の層厚は５０ｎｍ乃至１００μｍ程度であり、好ましくは数十乃至数百ｎｍ程度である。Ｎｉの薄層の層厚も、一般的には５０ｎｍ乃至１００μｍ程度であり、好ましくは数十乃至数百ｎｍ程度である。このときの固有抵抗は、５μΩ・ｃｍ乃至５０μΩ・ｃｍ程度となる。すなわち、この積層合金の板材４は、５０ｎｍ乃至１００μｍの厚みを有するＣｕの薄層とＮｉの薄層とが交互に積層され、その界面においてはそれぞれの原子が相互に拡散し、合金状態が形成され、積層合金化されている。

この異種金属薄層が交互に積層され、合金化されることで、その後の熱処理により、抵抗温度係数や熱起電力等の抵抗用板材の有する特性を変化させることができる。すなわち、この板材を用いて低抵抗器を製作することで、低抵抗器の製造工程において、熱処理により特性を操作することが可能となる。これにより、従来の抵抗用合金ではできなかった、抵抗温度係数等の特性の操作を、低抵抗器の製造工程で行うことが可能となる。

次に、この抵抗用積層合金の製造方法について、その概略を説明する。まず、素材であるＣｕの薄板（バルク材）１とＮｉの薄板（バルク材）２とを、それぞれ多数枚準備する。このときの薄板の厚さおよび枚数は、圧延後の板材の厚さ、および比抵抗等を考慮して決められる。そして、それぞれの薄板１、２を重ね合わせて仮積層体３を形成する。

次に、仮積層体３の上下をフォルダ等で保持固定し、圧力を与える。そして、真空炉内に配置し、炉内を真空雰囲気にして加熱する。例えば、圧力を加えつつ、８００℃で１時間程度の熱処理を行う。冷却後、真空炉よりフォルダ等の固定具を取り出し、固定具から積層体を取り出すと、この積層体はすでに積層界面が積層合金化されている。

次に、この積層体を不図示の圧延装置を用いて圧延し、厚さを例えば１／１０乃至１／２０程度に圧縮し、所定の厚さの板材を形成する。この板材においては、５０ｎｍ乃至１００μｍ程度の極めて薄いＣｕ層１ａとＮｉ層２ａとが交互に積層され、積層合金化された状態となっている。そして、抵抗器の抵抗体を形成するためのフープ材として適当な幅に、スリッター等により切断する。これにより抵抗器を製造するための抵抗体素材となる抵抗用積層合金のフープ材ができあがる。

次に、この抵抗体素材を用いた抵抗器の製造方法について、その概略を説明する。図２（ａ）に示すように、抵抗体１１の両端部に電極となる高導電率金属材料（Ｃｕ）の板体１２，１３を接合する。ここで、抵抗体１１は、厚さが例えば０．５乃至２μｍ程度の極めて薄いＣｕ層１ａとＮｉ層２ａとが交互に積層され、合金化された板材４（図１（ｂ）参照）で構成されている。この電極１２，１３の抵抗体１１への接合は、圧力及び熱を加え相互に拡散接合するクラッド加工、または溶接加工により行う。なお、電極１２，１３はめっき加工により形成してもよい。

次に、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下で、熱処理を行うことにより、抵抗温度係数及び熱起電力値を操作する。例えば、上記構成の抵抗体素材においては、４００乃至６００℃で、０．５乃至５時間程度の熱処理を窒素ガス雰囲気下で行うことで、抵抗温度係数を操作することができる。また、同様な条件で、電極（Ｃｕの板体）１２，１３と抵抗体１１との間の熱起電力値を操作することができる。

図３は、熱処理温度の変化による抵抗温度係数の変化を示した例である。このデータは、１μｍ厚のＣｕ薄層と０．５μｍ厚のＮｉ薄層とを交互に１２４層積層した抵抗体素材についてのものである。そして、窒素ガス雰囲気下で熱処理を３時間行った場合の、熱処理温度に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）の変化を示す。このデータによれば、７００Ｋ以上の温度の熱処理で、熱処理温度を上げることで、抵抗温度係数（ＴＣＲ）は急速に低下することがわかる。

図４は、上記と同条件で、熱処理温度に対する熱起電力の変化を示したものである。すなわち、上記抵抗用積層合金の抵抗体１１と電極（Ｃｕの板体）１２，１３との界面には熱起電力が発生するが、７００Ｋ以上の温度の熱処理で、熱起電力が高くなり、９００Ｋの熱処理でＣｕＮｉ合金の熱起電力と略等しくなることがわかる。

なお、図３及び図４に示すデータは、熱処理時間を一定として熱処理温度を変化させることで抵抗温度係数や熱起電力を操作する例を示したが、熱処理温度を一定として熱処理時間を変化させることで、抵抗温度係数や熱起電力を操作するようにしてもよい。

上記熱処理による抵抗温度係数等の特性の調整後、図２（ｂ）に示すように、電極１２，１３間に絶縁層１４を配置し、また抵抗体１１の表面に絶縁層１５を配置する。ここで、絶縁層１４は、抵抗器１０を実装する際に、はんだが抵抗体１１の表面に接触することを防止するためのものである。また、絶縁層１５は表面保護層である。さらに、電極１２，１３にはんだ層１２ａ，１３ａを形成し、表面実装型の低抵抗器１０が完成する。

この低抵抗器１０は、上述したようにＣｕ薄層とＮｉ薄層とが交互に積層合金化されたものであるので、上述した抵抗器製造工程における熱処理で、その抵抗温度係数等の特性値を操作することができる。したがって、客先の要求に対応させた所要の抵抗温度係数等の特性の調整を、低抵抗器製造工程の段階で行うことができる。これにより、適当な抵抗体素材が入手できない場合にも迅速に所要の特性値を有する抵抗器を製作することが可能となる。なお、低抵抗温度係数等の特性値の操作は、抵抗体１１に電極１２，１３を形成する以前に行っても勿論よい。

また、上記の実施形態においては、Ｃｕの薄層とＮｉの薄層とを交互に積層して、銅ニッケルの抵抗用積層合金を形成した例を示したが、一般的に抵抗用合金を構成する複数で異種の金属材料のバルク板材を、交互に積層して合金化した抵抗用積層合金を製造することができる。例えば、Ｎｉの薄層とＣｒの薄層とを交互に積層して、ＮｉＣｒの抵抗用積層合金を形成するようにしてもよい。

なお、これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記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。

本発明の積層用合金の構造を模式的に示した斜視図であり、（ａ）はＣｕ薄板とＮｉ薄板とから仮積層体を形成した状態を示し、（ｂ）は（ａ）に示す仮積層体を熱処理し、所定の厚さに圧延して積層合金化した状態を示す。 上記抵抗用積層合金を用いた抵抗器の構造例を示す斜視図である。 上記抵抗器の抵抗温度係数と熱処理温度との関係を示すグラフである。 上記抵抗器の熱起電力値と熱処理温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ Ｃｕ薄板
１ａ Ｃｕ薄層
２ Ｎｉ薄板
２ａ Ｎｉ薄層
３ 仮積層体
４ 積層合金化された板材
１０ 低抵抗器
１１ 抵抗体
１２，１３ 電極
１２ａ，１３ａ はんだ層
１４，１５ 絶縁層

Claims (4)

1. Ｃｕの薄板とＮｉの薄板とを交互に積層し、第１の熱処理を行い、圧延することで、前記各薄板の厚みが５０ｎｍ乃至１００μｍとなった薄層が交互に形成され、その界面においてそれぞれの原子が相互に拡散し、合金状態が形成された積層体を形成し、
   前記積層体を用いて抵抗体を形成し、
   前記抵抗体の両端部に高導電率金属材料からなる一対の電極を配置し、
   前記第１の熱処理よりも低い温度で第２の熱処理を行うことで、該熱処理条件により前記抵抗体の特性を操作することを特徴とする低抵抗器の製造方法。
2. 前記第２の熱処理は、４００乃至６００℃で行なうことを特徴とする請求項１に記載の低抵抗器の製造方法。
3. 前記第２の熱処理は、窒素ガス雰囲気下で行なうことを特徴とする請求項１に記載の低抵抗器の製造方法。
4. 前記第１の熱処理は、８００℃で行うことを特徴とする請求項１に記載の低抵抗器の製造方法。

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