JP7194145B2

JP7194145B2 - 抵抗器用の合金及び抵抗器用合金の抵抗器への使用

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Publication number: JP7194145B2
Application number: JP2020066078A
Authority: JP
Inventors: 直輝金内; 賢孝粂田; 忠彦吉岡
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2022-12-21
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: US20230133344A1; CN115279930A; DE112021002136T5; WO2021200326A1; JP2021161512A; CN115279930B

Description

本発明は、抵抗器用の合金及び抵抗器用合金の抵抗器への使用に関する。

電流検出等に用いられる抵抗器用の抵抗合金としては、銅－マンガン系合金、銅－ニッケル系合金、ニッケル－クロム系合金、鉄－クロム系合金等がある。一般的な銅－マンガン系合金（銅－マンガン－ニッケル系合金）は、比抵抗が２９μΩ・ｃｍ以上５０μΩ・ｃｍ以下のものが市販されている。ニッケル－クロム－アルミニウム－銅合金に関しては、比抵抗が１２０μΩ・ｃｍ以上のものが市販されている。

抵抗合金の発明としては、下記先行文献１のものが知られている。特許文献１には、比抵抗が８０～１１５μΩ・ｃｍのものが開示されている。１００μΩ・ｃｍ以上の高比抵抗の抵抗合金としてはニッケル－クロム合金系、鉄－クロム合金が知られているが、比抵抗が１５０μΩ・ｃｍ程度の抵抗合金は市販されていない。

特表２０１６－５２８３７６号公報

ニッケル－クロム系合金、鉄－クロム系合金はそれぞれの問題点が存在する。つまり、ニッケル－クロム合金は１１７～１４３μΩ・ｃｍ以上の高い比抵抗であるが、低ＴＣＲの抵抗合金にすることが難しく、加工性も悪い。鉄－クロム系合金は比抵抗が１４０μΩ・ｃｍ以上の合金であるが、加工性が悪く、磁性を持つため抵抗器にはあまり使用されていない。

本発明は、従来から知られているニッケル－クロム系の合金に近い特性（特に比抵抗）を有する銅－マンガン－ニッケル系の合金を提供することを目的とする。
また、ニッケル－クロム系の合金に比べて加工性に優れる合金を提供することをも目的とする。

本発明の一観点によれば、銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金であって、マンガンが３３～３８質量％であり、ニッケルが８～１５質量％である抵抗体用合金が提供される。

抵抗体用合金の比抵抗は、１１７～１４３μΩ・ｃｍであることが好ましい。
抵抗体用合金のビッカース硬度は２００ＨＶ以下であることが好ましい。スズを０．５質量％以下、または、鉄を０．５質量％以下含むようにしても良い。
本発明は、上記に記載の抵抗体用合金の抵抗器への使用であっても良い。

本発明によれば、ニッケル－クロム系の合金に近い特性（特に比抵抗）を有する銅－マンガン－ニッケル系の合金を提供することができる。この際、ニッケル－クロム系の合金に比べて加工性に優れる合金を提供することができる。

図１は、本実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金である。図２は、合金の電気的特性の評価用素子の一例を示す斜視図である。図３は、本発明の第１の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の一例を示す斜視図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図であり、図４Ａに続く図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図であり、図４Ｂに続く図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図であり、図４Ｃに続く図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図であり、図４Ｄに続く図である。本発明の第２の実施の形態による銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金の三元系合金を抵抗体材料として用いたシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図であり、図４Ｅに続く図である。

以下、本発明の実施の形態による抵抗器用の合金及び抵抗器用合金の抵抗器への使用について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態による銅－マンガン－ニッケル合金の相図である。

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。
図１には、本発明による抵抗合金を特徴付ける黒塗りの領域Ｒを示しており、領域Ｒにおけるマンガンの質量分率は３３％から３８％であり、領域Ｒにおけるニッケルの質量分率は８％から１５％である。残りは銅である。
ニッケルの一部を、スズ０～０．５質量％、または、鉄０～０．５質量％、に置き換えても良い。

図２は、本発明の実施の形態による抵抗器用の合金の評価用サンプルの形状を示す図である。
図２に示すように、抵抗器用の合金の評価用サンプルＸは、両端の電極部（電流を流す部分）１，３と、電極部１，３間に延在する抵抗体５と、抵抗体５の両端よりも中央側の電圧検出部７，９とを有している。電極部１，３間の距離は５０ｍｍであり、電圧検出部７，９間の距離は２０ｍｍである。

次いで、評価用サンプルの製造工程の一例について簡単に説明する。
１）原材料を秤量する。
２）１）の材料を溶解する。
３）冷間圧延機により所定の厚みのフープ材にする。
４）真空・ガス置換炉で、Ｎ_２雰囲気で５００～７００℃、１～２時間の熱処理を行う。
５）フープ材より、プレス加工により図２の形状の抵抗体サンプルを作成する。
６）真空・ガス置換炉で、Ｎ_２雰囲気で２００～４００℃、１～４時間の熱処理（低温熱処理）を行う。

上記の領域Ｒにおける合金成分の各質量分率は、抵抗合金が、以下の特性を有するように互いに調整される。
（適正条件）
１）比抵抗が１１７～１４３μΩ・ｃｍである。
２）抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、±３０ｐｐｍ／ｋである。
３）対銅熱起電力は±２．５μＶ／Ｋ以内である。
４）ニッケルークロム合金、鉄－クロム合金よりも小さなビッカース硬度（２００ＨＶ以下）であり、加工がしやすい合金である。ビッカース硬度は、２００ＨＶより大きい場合、例えば圧延加工の際にヒビが入ることがあり、これを防止するために熱処理が必要になる等の対策が必要になる。ビッカース硬度は、１７０ＨＶ以下とすることがより好ましい。また、プレス性や機械強度等から、ビッカース硬度は１００ＨＶ以上であることが好ましい。また、シート抵抗を高くすることができる。

表１は、サンプル番号１から２３までの合金材料の、組成（質量％）、比抵抗、ＴＣＲ、対銅熱起電力、ビッカース硬度、及び、特性が適切であるかどうかの判定結果（○が適切）を示す表である。尚、Ｃｕは残りの全ての組成（Ｂａｌ．）である。なお、これらの組成には不可避不純物が含まれることがある。
表１によれば、サンプル１から７までは、比抵抗が１１５μΩ・ｃｍ以下であることから、少なくとも上記の適正条件１）を満たさない。サンプル８は、上記適正条件２）を満たさない。

サンプル９は、上記適正条件１）から４）までを全て満たすため、抵抗体用の合金として適用可能な組成であることがわかる。
サンプル１０，１１は、上記適正条件のうち３）を満たさない。
サンプル１２から１４までは、上記適正条件１）から４）までを全て満たすため、抵抗体用の合金として適用可能な組成であることがわかる。

サンプル１５は、上記適正条件のうち２）を満たさない。
サンプル１６から１９までは、上記適正条件１）から４）までを全て満たすため、抵抗体用の合金として適用可能な組成であることがわかる。
サンプル２０は、上記適正条件のうち２）を満たさない。
サンプル２１は、上記適正条件１）から４）までを全て満たすため、抵抗体用の合金として適用可能な組成であることがわかる。
サンプル２２，２３は、上記適正条件のうち１）、または２）を満たさない。

以上のように、本実施の形態では、マンガンの組成が３３から３８（質量％）、Ｎｉの組成が８から１５（質量％）で、残りが全て銅であることが好ましい。
より詳細には、適切な条件を得られる組成は、マンガンが３３～３８（質量％）でニッケルが８～１３（質量％）、マンガンが３５～３７（質量％）でニッケルが８～１２（質量％）、マンガンが３４～３７（質量％）でニッケルが９～１１（質量％）、マンガンが３５～３８（質量％）でニッケルが９～１５（質量％）であっても良い。
尚、Ｆｅを０～０．５（質量％）、または、Ｓｎを０～０．５（質量％）加えても良い。

表２は、従来のＮｉ－Ｃｒ系、Ｆｅ－Ｃｒ系材料の特徴を示すものであり、比較例として示したものである。
比較例１では、Ｃｒが２０（質量％）、Ｎｉが残り全てである。この比較例１では、上記適正条件１）から４）までを満たさない。

比較例２では、Ｃｒが２０（質量％）、Ａｌが２．５（質量％）、Ｃｕが２．５（質量％）、残り全てでＮｉある。この場合には、上記の適正条件１）から３）までは満たし、適正条件４）も満たしているものの、本発明の合金はこれより加工性が優れていることがわかる。
比較例３では、Ｃｒが２５（質量％）、Ａｌが５（質量％）、Ｆｅが残り全てでＮｉある。この場合には、上記の適正条件１）から３）までは満たすが、適正条件４）を満たさない。
このことから、本実施の形態による合金は、適正条件１）から４）までの全てを満たし、比較例の合金に比べて電気特性面で遜色なく、特に、本実施の形態の方が、加工性が良いことがわかる。

尚、特許文献１における合金の成分範囲は以下の通りである。
１）組成
マンガンが２３～２８（質量％）、Ｎｉが９～１３（質量％）、Ｓｎが最大で３である。残りは銅である。
そして、特性は以下の通りである。
比抵抗：５０μΩ・ｃｍ～２００μΩ・ｃｍ
ＴＣＲ:２０℃から１１０℃の範囲でΔＲが第２の０公差を持つ。
対銅熱起電力： ±１．０μＶ／Ｋ
特に、本実施の形態の方が、比抵抗を高くすることができることがわかる。

尚、本実施の形態において、スズを添加することでＴＣＲ値をマイナス側にシフトさせることができる。鉄を添加することでＴＣＲ値と対銅熱起電力とを共にマイナス側にシフトさせることができる。スズを０．５質量％以下、または、鉄を０．５質量％以下の範囲で含むとよい。また、スズまたは鉄は０．３質量％以上の範囲で含むとよい。また、ニッケルの一部を、スズ、または、鉄で置き換えてもよい。
以上に説明したように、本実施の形態による抵抗体用の合金を用いると、１３０μΩ・ｃｍ程度の高い比抵抗（具体的には１１７～１４３ μ Ω・ｃｍの比抵抗）を実現させ、かつ、ニッケル－クロム合金、鉄－クロム系合金に比べて加工性を改善させた抵抗合金を提供することができる。
比抵抗が低い抵抗材料を使ってシャント抵抗器を設計する場合、高抵抗側のシャント抵抗器を作成しようとすると、抵抗体を薄くしたり、抵抗体の長さが必要になったり等、設計上の制約になることがある。しかし、このような場合でも、本実施の形態によれば、高い比抵抗の抵抗体を使うことで、シャント抵抗器の設計上の自由度を確保することができる。

また、高比抵抗の抵抗合金を使用することで、電極として使われるＣｕの抵抗器全体におけるＴＣＲの寄与を相対的に小さくすることができる。このため、抵抗合金の特性を活かしたシャント抵抗器を実現することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態による抵抗器用の合金を用いたシャント抵抗器の一構成例を示す斜視図である。
図３に示すシャント抵抗器Ａは、プレス等により個片状の抵抗体１１を作成し、その両端にＣｕの電極１５ａ，１５ｂを突合せ溶接した構造である。
抵抗体１１と電極１５ａ，１５ｂ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３に示すシャント抵抗器Ａは、比較的大型のシャント抵抗であり、一個ずつ作ることがある。抵抗体の材料は、第１の実施の形態で説明したマンガンが３３～３８（質量％）、Ｎｉが８～１５（質量％）、残りは銅であるものを用いることができる。その他、第１の実施の形態で説明した合金を、目的に応じて使用することができる。

本実施の形態によるシャント抵抗器は、高い比抵抗の抵抗体を使うことで、シャント抵抗器の設計上の自由度を確保することができる。
また、高比抵抗の抵抗合金を使用することで、電極として使われるＣｕの抵抗器全体におけるＴＣＲの寄与を相対的に小さくすることができる。このため、抵抗合金の特性を活かしたシャント抵抗器を実現することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。抵抗体と電極を接合した長尺状の接合材を作成して、打ち抜き切断して製造する例である。これにより、比較的小型のシャント抵抗器を大量生産することができる。
以下に、そのような製造工程の一例を示す。図４Ａから図４Ｆまでは、本実施の形態によるシャント抵抗器の製造工程の一例を示す図である。

図４Ａに示すように、例えば、長尺の平板状等の抵抗材２１と、抵抗材２１と同様の長尺の平板状の第１の電極材２５ａ、第２の電極材２５ｂを準備する。
図４Ｂに示すように、抵抗材２１の両側に第１の電極材２５ａ、第２の電極材２５ｂを配置する。

図４Ｃにも示すように、例えば電子ビームやレーザービームなどで溶接して１枚の平板とする（Ｌ１１、Ｌ１２で接合する）。このとき、電子ビーム等の照射部位は、図４Ｃ（ａ）もしくは図４Ｃ（ｂ）とする。図４Ｃ（ａ）は、電極材２５ａ、２５ｂと抵抗体２１とによる平坦面側に電子ビーム等を照射した例である。図４Ｃ（ｂ）は、電極材２５ａ、２５ｂと抵抗体２１とによる凹みの内側に電子ビーム等を照射した例である。電極材２５ａ、２５ｂにおける抵抗体２１より突出した面には、電子ビーム等が照射されないようにして影響を少なくする。
抵抗材２１と電極材２５ａ、２５ｂとの厚さの差により、抵抗値を調整することもできる。また、後述する段差（Δｈ２）を形成することができる。接合位置により、抵抗値や形状に関する種々の調整を行うことも可能である。

次いで、図４Ｄ（ａ）に示すように、図４Ｂの状態から、符号１７で示すように、抵抗体２１の領域を含むように、くし歯状に、平板を打ち抜くなどにより取り除く。次いで、第１の電極材２５ａ、第２の電極材２５ｂの一部をプレスなどで曲げ加工することで、図４Ｄ（ｂ）に断面図で示すような断面形状を有する構造を形成する。尚、符号２１ａ、ｂは溶接部であり、電子ビーム照射などで接続されている部分である。

次いで、図４Ｅに示すように、電極の切り離されていない他端側（３５ｂ）を、Ｌ３１に沿って、残りの領域（基部）２５ｂ’から切り離す。第１の実施の形態による電流検出装置に用いる突合せ構造の抵抗器を形成することができる。本実施の形態による製造方法を用いると、電極３５ａ、３５ｂと抵抗体３１とからなる抵抗器の量産化が可能となるという利点がある。

なお、図４Ｆに示すように、抵抗器には溶接痕４３ａ、４３ｂが形成される。一般に電子ビーム等による溶接痕の表面は荒れた状態になる。精密な電流検出のためには、ボンディングワイヤーをなるべく抵抗体に近い位置に固定するのが好ましいが、このとき溶接痕が邪魔になることがある。本実施例によれば、図４Ｃの説明で詳述した方法により、ボンディング面となる領域３５ａ－２、３５ｂ－２に溶接痕が形成されることを避けることができる。したがって、抵抗体に近い位置にワイヤを固定することができるという利点がある。

また、本実施の形態によるシャント抵抗材は、抵抗材製造時の圧延や、抵抗器製造時のプレス等において、良好な加工性を有する。
上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、抵抗器用の合金として利用可能である。

Ｘ抵抗器用の合金の評価用サンプル
１，３両端の電極部（電流を流す部分）
５抵抗体
７，９電圧検出部
Ａシャント抵抗器
１１個片状の抵抗体
１５ａ，１５ｂ電極
２１長尺の平板状等の抵抗材
２５ａ長尺の平板状の第１の電極材
２５ｂ長尺の平板状の第２の電極材
３５ｂ電極の切り離されていない他端側
４３ａ，４３ｂ溶接痕

Claims

銅とマンガンとニッケルを含む抵抗体用の合金であって、
マンガンが３３～３８質量％であり、
ニッケルが８～１５質量％であり、
残りは銅であり、
比抵抗が、１１７～１４３μΩ・ｃｍである
抵抗体用合金。
ビッカース硬度が２００ＨＶ以下である請求項１に記載の抵抗体用合金。
前記ニッケルの一部をスズまたは鉄で置き換えた抵抗体用合金であって、
スズを０．５質量％以下、または、鉄を０．５質量％以下含む、
請求項１又は２に記載の抵抗体用合金。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の抵抗体用合金の抵抗器への使用。