JP6467408B2 - 抵抗合金、抵抗合金からなる抵抗素子を有する部材、および抵抗合金を製造するための製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気抵抗器用、特に低抵抗の（niederohmigen）電流測定用抵抗器用の抵抗合金に関する。また、本発明は、その抵抗合金から製造される部材または部品（Bauelement）、およびそれに適した製造方法に関する。

銅−マンガン−ニッケル合金は、高精度の抵抗器用の、特に低抵抗の電流測定用抵抗器（“シャント”（分路））用の材料として長期間使用されてきた。そのような銅−マンガン−ニッケル合金の例は、本出願人より市販されており、質量分率８２〜８４％の銅、質量分率２〜４％のニッケル、および質量分率１２〜１５％のマンガンを有する商品名マンガニン（Manganin（登録商標））（例えば、Ｃｕ_８４Ｎｉ_４Ｍｎ_１２）の抵抗合金である。既知の銅−マンガン−ニッケル合金は、高精度の抵抗器用の抵抗合金に関する全ての要件を満たし、例えば、固有の電気抵抗の低い温係数、銅に対する低い熱起電力、および時間に対する電気抵抗の高い安定性に関する要件を満たす。さらに、既知の銅−マンガン−ニッケル合金は、良好な技術的特性、特にそのような銅−マンガン−ニッケル合金を加工して線（ワイヤ）、テープ（リボン）、箔および抵抗器部材を形成することが可能な良好な成形性または加工特性（Verarbeitungsfaehigkeit）を有する。しかし、既知の銅−マンガン−ニッケル合金の利点は、０．５Ω・ｍｍ^２／ｍ以下の比較的低い固有の電気抵抗に限られる。

より高い固有の電気抵抗用として、例えばニッケル−クロム合金類が知られているが、これらには、同様に種々の欠点がある。第一に、ニッケル−クロム合金は、たいてい、銅−マンガン−ニッケル合金よりもはるかに高価である。第二に、ニッケル−クロム合金の製造技術は、多くの点で取扱いがより困難である。例えば、ニッケル−クロム合金の熱加工性（Warmumformbarkeit：熱成形性）は比較的低く、固有の電気物理的材料特性を調整または決定するのに複雑なまたは高価な熱処理工程（aufwaendige Waermebehandlungsprozesse）が必要である。さらに、ニッケル−クロム合金の場合での溶融工程における加工温度は、銅−マンガン−ニッケル合金の場合よりも約５００Ｋ高く、これは、より高いエネルギ・コストおよび設備装置の材料摩耗を生じさせる。さらに、ニッケル−クロム合金の良好な耐酸性は、それ（エッチング技術）以外の場合には望ましいが、エッチング技術による抵抗器構造の製造では大きい問題を生じさせ、また、加熱処理で生じる酸化物の酸洗による除去が複雑または高価で危険性のない製造工程となる。

また、銅−マンガン−ニッケル−アルミニウム−マグネシウム合金２９−５−１は、固有の電気抵抗１（Ω・ｍｍ^２）／ｍを有し、それによってその固有の電気抵抗（率）の低い温度係数の要件を満たすことが、知られている。しかし、この抵抗合金は、２０℃で＋３μＶ／Ｋの銅に対する高い熱起電力を有し、その結果、大きい誤り（Fehler：誤差、障害）電流によって、この合金は高精度の測定用途に適さないものとなる。

従来技術に関して、さらに、独国特許第１０９２２１８号Ｂ、米国特許第３９８５５８９号、特開昭６２−２０２０３８号公報Ａ、および欧州特許出願公開第１２６４９０６号Ａ１を参照する。

最後に、独国特許第１０３３４２３号Ｂには汎用型の抵抗合金が開示されている。しかし、この既知の抵抗合金は、定量的に、銅に対する比較的高い熱起電力−２μＶ／Ｋを有するという欠点がある。

独国特許第１０９２２１８号明細書 米国特許第３９８５５８９号明細書 特開昭６２−２０２０３８号公報 欧州特許出願公開第１２６４９０６号明細書 独国特許第１０３３４２３号明細書 欧州特許出願公開第０６０５８００号明細書

従って、本発明の目的は、それに応じて、銅−マンガン−ニッケル系の改善された抵抗合金を実現することであり、その抵抗合金は、できるだけ高い固有の電気抵抗、銅に対する低い熱起電力、電気抵抗の低い温度係数、および固有の電気抵抗の時間に対する高い安定性（時間不変性）を有し、これらの特性が、既知の銅−マンガン−ニッケル合金に関して上述した良好な技術的特性（例えば、加工性）と組み合わされる。

この目的は、主要請求項に記載された本発明による抵抗合金によって達成される。

本発明による抵抗合金は、第１に、上述した既知の銅−マンガン−ニッケル合金に従って、銅成分、マンガン成分およびニッケル成分を有する。本発明は、マンガン成分が質量分率２３％乃至２８％を有し、一方、ニッケル成分が質量分率９％乃至１３％を有することを特徴とする。銅−マンガン−ニッケルに基づくそのような抵抗合金は、実際に上述の諸要件を満たすことが見出された。

種々の合金成分の各質量分率は、本発明による抵抗合金が、２０℃で±１μＶ／Ｋ、±０．５μＶ／Ｋまたは±０．３μＶ／Ｋ（の各々）より小さい、銅に対する低い熱起電力を有するように、互いに調整される。

マンガン成分の質量分率は、例えば、２４％〜２７％、２５％〜２６％、２３％〜２５％、２３％〜２６％、２３％〜２７％、２４％〜２８％、２５％〜２８％、２６％〜２８％または２７％〜２８％の範囲とすることができる。マンガン成分の質量分率２４．５％〜２５．５％は特に有利である。

一方、ニッケル成分の質量分率は、例えば、９％〜１２％、９％〜１１％、９％〜１０％、１０％〜１３％、１１％〜１３％、１２％〜１３％、１０％〜１２％または１１％〜１２％の範囲とすることができる。

さらに、最大３％の質量分率を有する追加的なスズ成分は、固有の電気抵抗の温度安定性の改善に寄与できることが見出された。従って、本発明による抵抗合金は、最大で３％の質量分率を有するスズ成分を有することが好ましい。

さらに、最大１％の質量分率を有する追加的な珪素（シリコン）成分は、同様に、固有の電気抵抗の温度安定性の改善に寄与できることが見出された。従って、本発明による抵抗合金は、スズ成分に加えてまたはスズ成分の代わりに、最大で１％の質量分率を有する珪素成分を有することができる。

さらに、最大０．３％の質量分率を有する追加的なマグネシウム成分は、硬化効果によって脆化を回避するのに役立つことが実際に見出された。従って、本発明による抵抗合金は、スズ成分および／または珪素成分に加えてまたはスズ成分および／または珪素成分の代わりに、最大で０．３％の質量分率を有するマグネシウム成分を有することができる。

本発明による抵抗合金の好ましい実施形態は、銅の質量分率６５％、ニッケルの質量分率１０％、およびマンガンの質量分率２５％を有するＣｕ_６５Ｎｉ_１０Ｍｎ_２５である。

本発明による抵抗合金の別の実施形態は、銅の質量分率６４％、ニッケルの質量分率１０％、マンガンの質量分率２５％、およびスズの質量分率１％を有するＣｕ_６４Ｎｉ_１０Ｍｎ_２５Ｓｎ_１である。但し、スズの質量分率は、銅のより高い質量分率で補うまたは均衡するように（銅の質量分率の増えた分だけ）、より少なくすることができる。

本発明による抵抗合金の別の実施形態は、銅の質量分率６２％、ニッケルの質量分率１１％、およびマンガンの質量分率２７％を有するＣｕ_６２Ｎｉ_１１Ｍｎ_２７である。

本発明による抵抗合金の別の実施形態は、銅の質量分率６１％、ニッケルの質量分率１１％、マンガンの質量分率２７％、およびスズの質量分率１％を有するＣｕ_６１Ｎｉ_１１Ｍｎ_２７Ｓｎ_１である。スズの質量分率も、銅のより高い質量分率で補うまたは均衡するように（銅の質量分率の増えた分だけ）、より少なくすることができる。

本発明による抵抗合金は、固有の電気抵抗（率）が、０．５（Ω・ｍｍ^２）／ｍ乃至２（Ω・ｍｍ^２）／ｍの範囲にあることが好ましい。

さらに、本発明による抵抗合金の固有の電気抵抗（率）は、±０．５％または±０．２５％（の各々）より小さい相対的変化を有する、時間に対する安定性（時間不変性）を、特に３０００時間の期間内で少なくとも＋１４０℃の温度でエージング過程または進行を加速する少なくとも＋１４０℃のより高い温度で、有することが好ましい。

さらに、言及すべきこととして、本発明による抵抗合金は、銅に対する低い熱起電力を有し、その熱起電力は、温度２０℃で±１μＶ／Ｋ、±０．５μＶ／Ｋ、または±０．３μＶ／Ｋ（の各々）より小さいことが好ましい。

さらに、固有の電気抵抗は、特に＋２０℃乃至＋６０℃の温度範囲で、好ましくは±５０・１０^−６Ｋ^−１、±３５・１０^−６Ｋ^−１、±３０・１０^−６Ｋ^−１、または±２０・１０^−６Ｋ^−１（の各々）より小さい低い温度係数を有していて比較的（相対的に）温度一定（不変）である。

本発明による抵抗合金の電気的特性に関して、さらに言及すべきこととして、抵抗合金は、温度に依存する抵抗（率）の相対的変化を示す抵抗（率）／温度の曲線を有し、その抵抗（率）／温度の曲線は第２のゼロ（０）交差を有し、その第２のゼロ（０）交差は、＋２０℃、＋３０℃または＋４０℃（の各々）より高い温度で、および／または＋１１０℃、＋１００℃または＋９０℃（の各々）より低い温度で生じることが好ましい。

本発明による抵抗合金の機械的特性に関して、言及すべきこととして、機械的引張強度は、少なくとも、５００ＭＰａ、５００ＭＰａまたは５８０ＭＰａである。

さらに、本発明による抵抗合金は、（各々）少なくとも、１５０ＭＰａ、２００ＭＰａまたは２６０ＭＰａの降伏強度を有することが好ましく、一方、破断伸びは３０％、３５％、４０％または４５％（の各々）より大きいことが好ましい。

本発明による抵抗合金の技術的特性に関して、言及すべきこととして、抵抗合金は、はんだ付け（weichloetfaehig：軟ろう付け）および／または硬ろう付け（hartloetfaehig）することができることが好ましい。

さらに、本発明による抵抗合金は、伸線の場合、少なくともφ＝−４．６の対数変形度（logarithmischen Umformgrad）で、非常に良好な成形性（umformbar）を有することが好ましい。

本発明による抵抗合金は、例えば、ワイヤ(Draht)（例えば、丸線、平角線）、帯板(Band：テープ、リボン)、薄板(Blech：シート)、ロッド(Stab：棒)、チューブ(Rohr：管)または箔 (Folie：フィルム)のような種々の製造形態で製造することができる。但し、本発明は、製造形態に関して上述の製造形態に限定されない。

また、発明は、さらに、本発明による抵抗合金製の抵抗素子を有する電気部材または電子部材（Baumelement：構成要素）を含む。例えば、それは、例えば欧州特許出願公開第０６０５８００号Ａ１でそれ自体知られているような、抵抗器、特に低抵抗の電流測定用抵抗器とすることができる。

最後に、本発明は、本発明による抵抗合金に関する上述の説明から明らかなように、対応する製造方法をも含む。

本発明による製造方法の一部として、抵抗合金は、人工的な熱エージング（経年劣化、老化）処理を施すことができ、その際、抵抗合金は開始温度からエージング温度まで加熱される。この処理は、エージング処理の範囲内で数回繰り返すことができ、その抵抗合金は、定期的に繰り返しエージング温度まで加熱され再び開始温度まで冷却される。エージング温度は、例えば、＋８０℃乃至＋３００℃の範囲とすることができ、一方、開始温度は＋３０℃または２０℃（の各々）より低いことが好ましい。

本発明の他の有利な更なる展開は、従属請求項における特徴であり、または、図面を参照して本発明の好ましい実施形態の説明によってより詳しく説明する。

図１は、本発明による範囲がプロット（記録）された、銅−マンガン−ニッケル合金の相図である。 図２は、本発明による抵抗合金製の抵抗素子を有する、本発明による電流測定用抵抗器の設計構造の例を示している。 図３は、本発明による抵抗合金の相異なる実施形態における、固有の電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。 図４は、本発明による抵抗合金の長期的な安定性を示すグラフである。

図１は銅−マンガン−ニッケル合金の相図であり、ここで、銅の質量分率が左上辺側の軸上に示され、ニッケルの質量分率が右上辺側の軸上に示されている。一方、マンガンの質量分率が、底辺側の軸上に示されている。

相図は、一方で、抵抗合金が硬化する（Aushaertungen）傾向がある領域１を斜線陰影形態で示している。

相図は、他方で、α＝０で示される線２を示しており、ここで、この線上の抵抗合金の温度係数は０（ゼロ）に等しく、即ち、抵抗合金は、この線上で温度から独立した固有の電気抵抗（率）を有する。

最後に、相図は、本発明による抵抗合金を特徴付ける領域３を示しており、領域３におけるマンガンの質量分率は２３％乃至２８％であり、領域３におけるニッケルの質量分率は９％乃至１３％である。

図２は、本発明による電流測定用抵抗器４の簡略化された斜視図を示しており、これは欧州特許出願公開第０６０５８００号Ａ１でそのものが知られており、繰り返しを避けるために、この欧州特許出願公開の内容全体を参照により本明細書に組み込む。

電流測定用抵抗器４は、基本的に、２つの板状の銅製の連結部５、６と、それらの間に配置された、抵抗合金を例えばＣｕ_６５Ｎｉ_１０Ｍｎ_２５とすることができる、本発明による抵抗合金製の抵抗素子７とからなる。

図３は、温度の関数としての相対的な抵抗変化ＤＲ／Ｒ２０の温度依存性の変化を示している。この図から明らかなように、種々の例示的な抵抗合金は第２のゼロ交差８、９または１０を有し、ゼロ交差８はおよそ温度Ｔ_{ｚｅｒｏ１}＝４３℃で生じ、ゼロ交差９はおよそ温度Ｔ_{ｚｅｒｏ２}＝７５℃で生じる。一方、ゼロ交差１０はおよその温度Ｔ_{ｚｅｒｏ３}＝８２℃で生じる。

最後に、図４は、本発明による抵抗合金の長期的安定性を示している。この図から明らかなように、３０００時間の期間にわたる相対的な抵抗（率）変化ＤＲは、実質的に０．２５％未満である。

本発明は、上述の好ましい例示的な実施形態に限定されるものではない。実際、同様に本発明の思想を利用する多数の変形および変更が、可能であり、従って保護の範囲に含まれる。さらに、本発明は、各従属請求項が引用する請求項に関係なく、例えば主請求項の特徴を含まないそれぞれの従属請求項の構成および特徴の保護をも求めるものである。

１ 硬化の領域
２ α＝０の線（温度安定性）
３ 本発明による合金領域
４ 電流測定用抵抗器
５ 接続部分
６ 接続部分
７ 抵抗素子
８ 第２のゼロ交差
９ 第２のゼロ交差
１０ 第２のゼロ交差

Claims (10)

1. 電気抵抗器（４）用の抵抗合金（３）であって、
   （ａ）２３％乃至２８％の質量分率を有するマンガン成分と、
   （ｂ）９％乃至１３％の質量分率を有するニッケル成分と、
   を含み、
   （ｃ）残部が銅成分からなり、
   （ｄ）前記マンガン成分の質量分率および前記ニッケル成分の質量分率は、前記抵抗合金（３）が２０℃で±１μＶ／Ｋより小さい銅に対する低い熱起電力を有するように選択されるものであることを特徴とする、
   抵抗合金。
2. （ａ）最大で３％の質量分率を有するスズ成分、および／または
   （ｂ）最大で１％の質量分率を有する珪素成分、および／または
   （ｃ）最大で０．３％の質量分率を有するマグネシウム成分
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の抵抗合金（３）。
3. （ａ）前記銅成分の質量分率が６５％であり、前記ニッケル成分の質量分率が１０％であり、前記マンガン成分の質量分率が２５％である、または
   （ｂ）前記ニッケル成分の質量分率が１０％であり、前記マンガン成分の質量分率が２５％であり、スズ成分の質量分率が最大で１％であり、前記銅成分の質量分率が残部である、または
   （ｃ）前記銅成分の質量分率が６２％であり、前記ニッケル成分の質量分率が１１％であり、前記マンガン成分の質量分率が２７％である、または
   （ｄ）前記ニッケル成分の質量分率が１１％であり、前記マンガン成分の質量分率が２７％であり、スズ成分の質量分率が最大で１％であり、前記銅成分の質量分率が残部である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の抵抗合金（３）。
4. （ａ）０．５（Ω・ｍｍ^２）／ｍより大きく２．０（Ω・ｍｍ^２）／ｍより小さい固有の電気抵抗、および／または
   （ｂ）２０℃で±０．５μＶ／Ｋより小さい銅に対する低い熱起電力、および／または
   （ｃ）温度依存性の相対的抵抗変化（ＤＲ／Ｒ_２０）を示し、＋２０℃より高く＋１１０℃より低い温度において第２のゼロ交差（８、９、１０）を有する抵抗／温度曲線
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の抵抗合金（３）。
5. （ａ）少なくとも５００ＭＰａの機械的抗張力、および／または
   （ｂ）少なくとも１５０ＭＰａの降伏力、および／または
   （ｃ）少なくとも３０％の破断伸び
   を特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の抵抗合金（３）。
6. （ａ）前記抵抗合金（３）は硬ろう付けおよび／または軟ろう付け可能である、および／または
   （ｂ）前記抵抗合金（３）は、伸線の場合に少なくともφ＝−４．６の対数変形度を達成するような、良好な成形性がある
   ものであることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の抵抗合金（３）。
7. （ａ）線の形態、
   （ｂ）帯板の形態、
   （ｃ）薄板の形態、
   （ｄ）ロッドの形態、
   （ｅ）チューブの形態、または
   （ｆ）箔の形態
   中のいずれかの製造形態であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の抵抗合金（３）。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の抵抗合金（３）からなる抵抗素子を有する部材（４）。
9. 電気抵抗器（４）用の抵抗合金（３）を製造するための製造方法であって、
   （ａ）２３％乃至２８％の質量分率を有するマンガン成分、
   （ｂ）９％乃至１３％の質量分率を有するニッケル成分、および
   （ｃ）残部である銅成分
   が合金にされて前記抵抗合金（３）を形成するステップを含み、
   （ｄ）前記マンガン成分の質量分率および前記ニッケル成分の質量分率は、前記抵抗合金（３）が２０℃で±１μＶ／Ｋより小さい銅に対する低い熱起電力を有するように、選択されるものであることを特徴とする、製造方法。
10. （ａ）前記抵抗合金（３）は、人工的な熱エージング処理を受け、開始温度からエージング温度まで加熱され、および／または
    （ｂ）前記抵抗合金（３）は、前記エージング処理の範囲内で、周期的に繰り返し、前記エージング温度に加熱されて、再び前記開始温度まで冷却され、および／または
    （ｃ）前記エージング温度は、＋８０℃より高く＋３００℃より低い、および／または
    （ｄ）前記開始温度は、＋３０℃より低い
    ものであることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。

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