JP7262946B2 - 抵抗材料及び抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、電流を検出するための抵抗材料及び抵抗器に関する。

特許文献１には、絶縁体をマトリックス材料として、扁平状の金属粒子を所定の割合で添加した抵抗材料が開示されている。

特開２０１７－０１９６８５号公報

上述のような抵抗材料においては、マトリックス材料が絶縁体であるため、電気抵抗は大きくなるものの、金属粒子に扁平処理を施さなければ、電流が流れる経路を確保しにくく、金属粒子同士の接触状態も使用状況に応じて変わりやすくなってしまう。

例えば、抵抗材料の温度変化によって接触状態が変化したり、抵抗材料に高い電圧を印加した際に絶縁破壊が生じたりすることで、抵抗材料の抵抗値が変動してしまうことが懸念される。このように、マトリックス材料が絶縁体で構成される抵抗材料は抵抗特性が不安定になりやすい。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、抵抗特性の安定化を図る抵抗材料及び抵抗器を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、電流を検出するための抵抗材料であって、絶縁性を有する粒子と、金属体と、を含み、該抵抗材料に対する前記金属体の割合は、３０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下であり、前記金属体を形成するための金属粉の粒子のアスペクト比が１．０以上２．０以下であり、溶融していない前記絶縁性を有する粒子の周りに、前記金属体の粒子が溶融して三次元網目状に連結されている。

この態様によれば、金属体の三次元網目構造によって、抵抗材料内に導通経路が形成されやすくなるため、抵抗特性を安定させることができる。

図１Ａは、本発明の実施形態における抵抗器の構成例を示す図である。 図１Ｂは、図１ＡのＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。 図２は、抵抗器の製造方法の一例を示す図である。 図３は、抵抗器の製造方法の他の例を示す図である。 図４は、抵抗材料を作製するための金属粉の形状を説明するための図である。 図５は、本実施形態における抵抗材料の構造の一例を示す図である。 図６は、本実施形態における抵抗材料の構造の他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［抵抗器の説明］
まず、本実施形態の抵抗器１の構造について図１Ａ乃至１Ｂを参照して説明する。

図１Ａは、本実施形態における抵抗器１の構造を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩＩ－ＩＩ線に沿う抵抗器１の断面図である。

抵抗器１は、電流を検出するための抵抗器であり、電流検出用抵抗器又はシャント抵抗器と称される。抵抗器１は、例えば、パワーモジュールに搭載され、大電流の検出用途に使用される。

本実施形態の抵抗器１は、高周波の電流を検出する精度を高めるために、抵抗器１を薄くして自己インダクタンス値が小さくなるように形成されている。抵抗器１は、円板状に形成されており、抵抗材料から構成される抵抗体１１と、抵抗体１１を挟む二つの電極２１及び電極２２と、を備えている。

抵抗体１１の厚さｔ₁は、抵抗器１の自己インダクタンス値が小さくなるよう、例えば数ｍｍ（ミリメートル）以下に設定される。本実施形態では抵抗体１１の厚さｔ₁が０．２ｍｍである。また、配線パターンへの実装又はパワー半導体への実装を容易にするために、抵抗体１１の直径Ｒは、抵抗体１１の厚さｔ₁に比べて大きくなるよう、例えば数ｍｍに設定される。本実施形態では抵抗体１１の直径Ｒが３ｍｍφである。

本実施形態では抵抗体１１の厚さ方向に電流経路が形成されるので、一般的なシャント抵抗器の電流経路に比べて短くなる。そのため、抵抗体１１の比抵抗（体積抵抗値）は、一般的なシャント抵抗器の抵抗材料として用いられる合金単体の比抵抗に比べて大きな値に設定される。

例えば、抵抗器１が大電流の検出用途として用いられる場合は、抵抗体１１の抵抗値を５０μΩ以上１，０００μΩ以下の範囲内の値に設定することが想定される。それゆえ、抵抗体１１を構成する抵抗材料としては、比抵抗（体積抵抗率）が２００μΩ・ｃｍ（マイクロオームセンチメートル）以上、３００,０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内に設計可能な抵抗材料が好ましい。

上述のような抵抗材料は、抵抗体１１の比抵抗が、一般的なシャント抵抗器における抵抗体の比抵抗（５０μΩ・ｃｍ～１００μΩ・ｃｍ）に比べて大きくなるように、導電性を有する金属体の粉末と絶縁性を有する絶縁粒子とを用いて混合して形成される。

二つの電極２１及び電極２２は、抵抗体１１の厚さ方向に電流を流すための電極であり、導電性の高い金属材料を用いて形成される。電極２１及び電極２２は、抵抗体１１の両面に形成され、抵抗体１１のうち一方の面に形成された電極を第一の電極２１と称し、他方の面に形成された電極を第二の電極２２と称する。

電極２１及び電極２２の各々の厚さｔ₂は、抵抗器１を低背化するために薄くする。例えば、厚さｔ₂は抵抗体１１の厚さｔ₁よりも薄くする。本実施形態では電極２１及び電極２２の厚さｔ₂が共に０．１ｍｍである。

このように抵抗器１においては、電流の検出に必要となる抵抗値を確保しつつ抵抗器１の厚さｈを薄く形成したことにより、自己インダクタンス値が小さくなる。したがって、抵抗器１のインダクタンスに起因する高周波電流の検出誤差を抑制することができる。

［抵抗材料の説明］
抵抗材料１１ａは、抵抗体１１の比抵抗が一般的なシャント抵抗器の抵抗体の比抵抗に比べて大きくなるよう、絶縁粒子とこの絶縁粒子を囲む三次元網目状の金属体とによって構成されている。抵抗材料１１ａは、金属体を形成するための金属粉と絶縁粒子とを焼結した焼結体である。

焼結前の金属粉としては、アスペクト比が１．０以上２．０以下の範囲内にある粒子を用いるのが好ましい。また、金属粉としては粒径が０．５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある粒子を用い、絶縁粒子としては粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある粒子を用いることができる。

ここで、抵抗材料１１ａを構成する金属体と絶縁粒子とについて説明する。

＜金属体＞
抵抗材料１１ａの金属体としては、一般的なシャント抵抗器の抵抗材料を用いることができる。抵抗特性の安定性を確保する観点から、大電流の検出に適した金属材料、例えば抵抗体１１の温度変化による抵抗値の変化の割合が小さな合金が好ましい。

具体例としては、ニクロムや、マンガニン（登録商標）、ゼラニン（登録商標）、銅ニッケルなどの抵抗材料から選択される少なくとも一つの合金が挙げられる。特に、抵抗材料の抵抗値を確保する観点からニクロムを用いるのが好ましい。また、加工性の観点からはマンガニン（登録商標）を用いることが好ましい。このように、抵抗材料１１ａの金属体は、ニクロム、銅マンガン、及び銅ニッケルからなる群から選択される少なくとも一つを用いて形成するのが好ましい。

ここにいうニクロムは、Ｎｉ－Ｃｒ系合金、又はこれを主成分とする合金であり、銅マンガンは、Ｃｕ－Ｍｎ系合金、又はこれを主成分とする合金であり、銅ニッケルは、Ｃｕ－Ｎｉ系合金、又はこれを主成分とする合金である。なお、マンガニン（登録商標）は、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金、又はこれを主成分とする合金であり、ゼラニン（登録商標）は、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｓｎ系合金、又はこれを主成分とする合金である。

また、抵抗材料１１ａに含まれる金属体の割合は、３０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下である。金属体の割合が３０ｖｏｌ％未満になると、抵抗材料１１ａに電流経路が確保できなくなって抵抗材料としての機能を有しなくなる。一方、金属体の割合が８０ｖｏｌ％を超えると、抵抗材料１１ａの比抵抗が金属体単体の比抵抗とほぼ同じ値まで低下してしまう。

＜絶縁粒子＞
一方、抵抗材料１１ａの絶縁粒子としては、絶縁性に加えて耐熱性に優れたセラミックス材料を用いることができる。例えば、熱応力による接合部のクラックの発生を抑制する観点から、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）及びジルコニア（ＺｒＯ₂）からなる群から選択される少なくとも一つのセラミックス材料が挙げられる。以下では、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムのことをそれぞれアルミナと窒化アルミと称する。

上述のセラミックス材料の中では、放熱性とヒートサイクル耐久性の観点から、絶縁材料として広く利用されているアルミナを用いることが好ましい。また、より高い放熱性が要求される用途では、熱伝導度の大きい窒化アルミを選択することが好ましく、高いヒートサイクル耐久性が要求される用途では、窒化ケイ素を選択することが好ましい。

次に、抵抗器１を製造するための方法について図２及び図３を参照して簡単に説明する。

図２は、本実施形態における抵抗器１の製造方法の一例を説明するための図である。

まず、円板状の抵抗材料１１ａと、円板状の電極材２１ａ及び電極材２２ａと、を準備する。電極材２１ａ及び電極材２２ａは、例えば、銅（Ｃｕ）などの高導電性の金属材料である。

図２（ａ）に示すように、円板状の電極材２１ａ、円板状の抵抗材料１１ａ、円板状の電極材２２ａの順番に、これらが重ねられる。重ねられたこれらの材料を、例えば圧接又は焼結処理などを用いて接合することにより、図２（ｂ）に示すように積層構造１ａが形成される。

続いて、図２（ｃ）に示すように、積層構造１ａを、パンチなどの加工法を用いて、円形状に打ち抜くことで個片化する。これにより、図２（ｄ）に示すように円板状の抵抗器１が形成される。

なお、本実施形態では抵抗器１を円板状に形成したが、抵抗器１を三角形や四角形などの多角形に形成してもよい。以下に抵抗器１を角板状に形成する製造方法について説明する。

図３は、本実施形態における抵抗器１の製造方法の他の例を説明するための図である。図３（ａ）から図３（ｂ）まで工程は、図２（ａ）から図２（ｂ）までの工程と同じある。

図３（ｂ）に示すように積層構造１ａが形成されると、図３（ｃ）に示すように、ダイシングなどの加工法を用いて、積層構造１ａを角形状に切断加工することで個片化する。これにより、図３（ｄ）に示すように角板状の抵抗器１が形成される。

次に、本実施形態における抵抗材料１１ａの製造方法について説明する。

抵抗材料１１ａの製造方法は、導電性を有する金属粉（金属の粉末）と絶縁性を有する絶縁粉（絶縁体の粉末）とを混合する混合工程と、混合により得られた混合粉末を所定の温度において一軸加圧法により混合粉体を加圧しながら焼結する焼結工程と、を有する。

混合工程においては、金属粉として融点が絶縁粉の融点よりも低い金属の粉末が用いられ、金属粉の粒径は絶縁粉の粒径に対して同等又は小さくなるように造粒するのが好ましい。

焼結工程においては、例えば、混合粉体の容器を真空に近い状態にすることで混合粉体をプレスする。プレス圧を高くするほど、抵抗材料１１ａの比抵抗は低下するものの、電流が流れる導通経路（電流経路）を確保しやすくなる傾向がある。このため、プレス圧を高めに設定するのが好ましい。また、所定の温度は、金属粉の融点よりも低い温度であり、金属粉の融点よりも１５％程度低い温度に設定するのが好ましい。

上述の製造方法により、抵抗材料１１ａにおいて絶縁粒子間を金属体が三次元網目状に形成される。

次に、本実施形態における抵抗材料１１ａの作用効果について説明する。

本実施形態によれば、電流を検出するための抵抗材料１１ａは、絶縁性を有する粒子である絶縁粒子と、この絶縁粒子を囲む三次元網目状の金属体と、を含む。そして抵抗材料１１ａの全体に対する金属体の割合が、３０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下の範囲内の割合で抵抗材料を形成した。

このように、抵抗材料１１ａには絶縁粒子が含まれているので、抵抗材料１１ａの比抵抗は金属体単体の比抵抗に比べて大きくなる。そして抵抗材料１１ａの金属体は、絶縁粒子を囲むように電流経路が三次元網目状に形成されているので、金属粒子同士の接触面積を確保しやすく密着性が高くなるため、抵抗特性が安定しやすい。

さらに、温度の変化や高い電圧の印加などによって電流経路が遮断されにくく、抵抗材料１１ａ全体の比抵抗に与える影響は抑えられる。したがって、抵抗材料１１ａの比抵抗を金属体単体の比抵抗に比べて大きくしつつ、抵抗材料１１ａの抵抗特性を安定化させることができる。

また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａのうち導電性を有する金属体をニクロム、銅マンガン、及び銅ニッケルからなる群から選択される少なくとも一つの金属粉を用いて形成した。これらの金属粉は、電流検出に用いられる合金であり、温度変化による抵抗値の変化が小さいため、これらの合金を用いることにより、電流検出に必要となる抵抗値を確保しやすく、かつ、ＴＣＲの上昇を抑えることができる。

さらに、本実施形態によれば、絶縁粒子をアルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素及びジルコニアからなる群から選択される少なくとも一つの絶縁粉を用いて形成した。これらの絶縁粉はセラミックス材料であり、熱膨張係数が低く、基板材料として用いられているため、これらの絶縁粉を用いることにより、抵抗材料１１ａからなる抵抗体１１の熱応力を基板の熱応力に近づけることができる。したがって、抵抗体１１と基板との間におけるヒートサイクルによるクラックの発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａの金属体を三次元網目構造に形成することにより、ＴＣＲを許容範囲としての１００ｐｐｍ以下に収めることができる。これにより、抵抗器１を用いて電流を検出する際の検出精度の低下を抑制することが可能となる。

さらに、抵抗材料１１ａの比抵抗を２００μΩ・ｃｍ以上３０,０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内に設計することが可能となる。これにより、図１に示した縦型の抵抗器１の構造であっても、電流の検出に必要となる抵抗値を確保することができる。

また、本実施形態によれば、導電性を有する金属を粉体で用いてこの金属粉と絶縁粒子とを焼結して抵抗材料１１ａを形成した。これにより、抵抗材料１１ａの金属体を三次元網目状に形成しやすくなる。

そして焼結前の金属粉のアスペクト比は１．０以上２．０以下である。これにより、抵抗材料の抵抗値は等方性を有するので、抵抗器１を作製するにあたり、抵抗材料の向きを気にする必要がないので、容易に加工することができる。

また、本実施形態によれば、導電性を有する金属体に対して絶縁粒子を含有する抵抗材料１１ａからなる抵抗体１１と、抵抗材料１１ａを挟む二つの電極２１及び２２と、を有し、抵抗体１１において金属体を電極２１及び２２間の方向に連続して形成した。これにより、抵抗体１１には絶縁粒子を避けるように多数の電流経路が形成されているので、抵抗体１１の比抵抗を大きくしつつ、抵抗体１１の抵抗特性の安定化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａの製造方法においては、絶縁粒子と金属粉とが混合され、その混合粉体が金属粉の融点よりも低い所定の温度まで加熱され、この状態において混合粉体は加圧しながら焼結される。これにより、抵抗体１１において、絶縁粒子を囲む三次元網目状の金属体を形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では抵抗器１の電極２１及び２２の面積及び厚さを同等にしたが、電極２１及び２２の面積及び厚さのうち少なくとも一方を互いに異なるように形成してもよい。また、電極２１及び２２に貫通口を形成してもよい。

また、抵抗材料１１ａの両面に電極２１及び２２を形成する方法としては、めっき法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、気相成長法、又はコールドスプレー法などを用いてもよい。

次に、本実施形態における抵抗材料１１ａに基づく供試体を作製し、各種測定を行って抵抗材料１１ａとして抵抗特性の評価を行った。以下、供試体の作製方法及びその評価について説明する。

［供試体の作製］
抵抗材料１１ａを作製するための絶縁粉としてアルミナの粉末（ＡＬＭ－４１－０１：住友化学株式会社製）を用いた。また、抵抗材料１１ａを作製するための金属粉として、ニクロムの粉末（エバノーム（登録商標）をマトマイズ法で生成した粒径６μｍの粉末Ｄ５０）を用いた。また、比較例として、アルミナ単体の供試体とニクロム単体の供試体とを用意した。

＜混合・造粒＞
まず、上述した双方の粉末を第１表の混合割合で秤量し、乳鉢と乳棒を用いて、双方の粉末が概ね一様に混ざるまで混合するとともに造粒した。

造粒した混合粉末の各粒子の平均粒径は下記のとおりである。
・アルミナ粉 ： 平均粒径２．２μｍ
・ニクロム粉 ： 平均粒径２．０μｍ

＜加圧・焼結＞
次に、造粒した混合粉末を直径１０ｍφのカーボン製ダイスに入れる。そして、ホットプレス機（多目的高温炉ハイマルチ５０００：富士電波工業株式会社製）を用いて、カーボン製ダイス内の混合粉体をニクロムの融点よりも低い所定の温度まで加熱し、この状態において混合粉体を加圧しながら焼結した。焼結した供試体は、直径１０ｍｍ、厚さ１．８ｍｍの円板状の焼結体である。

ホットプレス条件は下記のとおりである。
・雰囲気 ： ２０Ｐａ以下
・プレス圧 ： ３．０ｋＮ～３．９ｋＮ
・焼結温度 ： １０００℃～１２００℃
・保持時間 ： １０分

アルミナ粉とニクロム粉の割合を変更することによって複数の供試体を作製した。供試体の作製にあたり、アルミナ粉とニクロム粉の割合ごとに必要に応じてプレス圧を変更した。

［評価方法］
上述のようにして得られた供試体について、以下の評価試験を行った。

＜焼結前の金属粉の形状＞
・金属粉のアスペクト比の算出
走査電子顕微鏡（ＪＳＭ－７０００Ｆ：日本電子株式会社製）を用いて、１,８００倍でニクロム粉の粒子（ニクロム粒子）を撮像し、撮像したニクロム粒子のアスペクト比を算出した。

ニクロム粒子のアスペクト比は、撮像したＳＥＭ画像内のニクロム粒子の中から、任
意に２０個を選択し、選択したニクロム粒子ごとに長辺の長さを短辺の長さで除して求める。

＜供試体の構造＞
集束イオン電子ビーム観察装置（ＮＢ－５０００：株式会社日立ハイテクノロジーズ製）を用いて、１０,０００倍で供試体の断面を撮像した。

＜抵抗特性＞
・比抵抗の算出
供試体の温度が２５℃であるときの供試体の抵抗値を測定し、この抵抗値に基づいて比抵抗を算出した。

比抵抗（μΩ・ｃｍ）＝抵抗値（Ω）×面積（ｃｍ²）／厚み（ｃｍ）
ここで、面積は０．２５π（ｃｍ²）であり、厚みは０．１８（ｃｍ）である。

・抵抗温度係数の測定
抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）とは、供試体の温度変化による抵抗値の変化の割合を表すものである。シャント抵抗器においては、抵抗温度係数が大きくなるほど、電流の検出誤差が大きくなる傾向を有する。抵抗温度係数は、下記式により表される。

抵抗温度係数（ｐｐｍ／℃）＝（Ｒ－Ｒａ）／Ｒａ÷（Ｔ－Ｔａ）×１,０００,０００
ここで、Ｒａは基準温度における抵抗値であり、Ｔａは基準温度であり、Ｒは定常状態における抵抗値であり、Ｔは定常状態になる温度である。

＜熱的特性＞
・線膨張係数の測定
複数の供試体のうち特定の供試体の線膨張係数を測定した。線膨張係数とは、供試体の温度上昇によって長さ・体積が膨張する温度あたりの割合を表すものである。

[評価結果]
供試体の抵抗体構造に対する評価結果について説明する。
＜金属粉の形状＞
図４は、造粒したニクロム粉のＳＥＭ画像の一例を示す図である。図４に示すように、ニクロム粉の粒子は、扁平処理が施されていないため、ほぼ球状であった。具体的には、ニクロム粒子のアスペクト比は１．０以上１．７以下の範囲内の値に収まっていた。

このように、抵抗材料１１ａの金属粉としてアスペクト比が１．０以上２．０以下の範囲内にあるニクロム粉を用いたことにより、アルミナ粉とニクロム粉とが一様に混ざり合うので、供試体の内部においてアルミナ粉が一様に分散されやすくなる。

＜試供体の構造＞
図５は、アルミナ粉とニクロム粉の割合を５０：５０にした供試体の断面のＳＥＭ画像を示す図である。図６は、アルミナ粉とニクロム粉の割合を６０：４０にした供試体の断面のＳＥＭ画像を示す図である。

図５及び図６において、黒色部分がアルミナ粒子（アルミナ粉の粒子）であり、他の部分がニクロムの粉体である。他の部分については、ニクロムの結晶配向性の違いに応じて色の濃さが変わっている。

図５及び図６に示すように、供試体は、絶縁粒子であるアルミナ粒子を含む島部と、金属体であるニクロムの粉体からなる海部と、によって構成される海島構造を有している。また、供試体をあらゆる方向から切ったとしても海島構造になっていると考えられる。

このため、供試体においては、溶融していないアルミナ粒子の周りに多数のニクロム粒子が溶融して三次元状に連結することで網目状にネットワークが形成されている。すなわち、ニクロム粒子が結合した金属体は、アルミナ粒子の表面の少なくとも一部を包み込むように形成されている。

このように、供試体は、絶縁性を有する粒子と、その粒子を囲う三次元網目状の金属体とによって構成されている。これにより、アルミナ粒子によって単位面積あたりの電流の通過量を減らしつつ、三次元網目状のニクロムによって電流が流れる経路を数多く確保することができる。

反対に、アルミナをマトリックス材料とした従来の抵抗材料は、金属粒子に扁平処理を施さなければ、電流通路を確保しにくく、またニクロム粒子同士の接触面積が狭くなって接触状態も悪くなりやすい。一般的にニクロム粒子同士の接触が悪い箇所は、温度の変化や高電圧の印加などによって接触状態が変わりやすく、抵抗値が変動する要因になり得る。

これに対し、本実施形態の抵抗材料１１ａには金属体のニクロムが三次元網目状に形成されることにより、アルミナをマトリックス材料とする抵抗材料に比べて、ニクロム粒子同士の接触面積が大きくなるので、接触状態が悪い箇所を減らすことができる。また、ニクロム粒子同士が溶融して連結するので密着性が高まり、高電圧の印加による絶縁破壊の発生を抑制することができる。

抵抗材料１１ａには、絶縁材料（アルミナ粒子）が溶融することなく、粒子の状態でフィラーとして存在している。このため、高電圧や高温による絶縁破壊が生じにくい構造である。なお、絶縁材料（アルミナ）でマトリックスを構成した場合は、絶縁が不均一であることから、高電圧での絶縁破壊が生じやすい。一方、本実施形態では、絶縁材料の周りを三次元網目状に金属体が形成されているため、抵抗特性を安定化させることができる。

また、図６に示すように、供試体におけるニクロムの含有量を５０ｖｏｌ％から４０ｖｏｌ％に減らした場合でも、単位面積あたりのアルミナ粒子の占有率は上昇するものの、多数のアルミナ粒子を三次元網目状に囲むようにニクロムの粉体が形成されている。したがって、ニクロムの含有量にかかわらず、抵抗材料１１ａの比抵抗を高めつつ、抵抗特性を安定化させることができる。なお、ニクロムの含有量を３０ｖｏｌ％まで減らしたとしても、同様にニクロムの三次元網目構造が形成される。

＜抵抗特性・熱的特性＞
供試体の抵抗特性及び熱的特性を第１表及び第２表に示す。

第１表に示す結果によれば、供試体の全体に対するニクロムの含有量が２０ｖｏｌ％である供試体Ｔ１は、電流経路が確保できなくなって抵抗材料として求められる抵抗値を大きく超え、ほぼ絶縁体としての性質を示した。また、ニクロムの含有量が９０ｖｏｌ％である供試体Ｔ１０は、比抵抗がニクロム単体とほぼ同等に低くなった。

したがって、ニクロムの含有量は、抵抗材料１１ａ全体に対して３０ｖｏｌ％以上８０％以下の割合が好ましい。このような範囲の中でニクロムの含有量を変更することにより、比抵抗を２００μΩ・ｃｍ以上３０,０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内の値に設計可能とし、かつ、電流の検出精度を確保する観点からＴＣＲを許容範囲としての１００ｐｐｍ以下に収めることができた。ＴＣＲをより低く抑えるには、ニクロムの含有量を３５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下の範囲内の値に設計するのが好ましい。

また、第１表に示す結果によれば、ニクロムの含有量が４０ｖｏｌ％から少なくなるにつれて、比抵抗が急峻に上昇するとともにＴＣＲも上昇する傾向があることがわかった。この理由は、供試体における三次元網目状の電流経路が細くなったり、電流経路の数が少なくなったりすることで、温度や電流などの変化によってニクロム粒子同士の接触状態が変化した際の影響が比抵抗とＴＣＲとの双方に現れやすくなると推測される。

ただし、ニクロムが三次元網目状に形成されることにより、アルミナをマトリックス材料として用いた場合に比べて、電流経路を確保しやすくなることから、ニクロムの含有量の変更に伴う抵抗特性の急峻な変化は抑えられている。そのため、ニクロム含有量が少なくなっても、ＴＣＲが１００ｐｐｍ以下に収まっている。また、同様の理由から個体差についても抑制されるものと考えられる。

以上の結果から、ニクロムの含有量が抵抗材料１１ａ全体に対して３０ｖｏｌ％以上８０％以下の割合では、抵抗材料１１ａの比抵抗をニクロム単体の比抵抗に比べて大きくしつつ、安定した抵抗特性が得られることがわかった。

上記実施例においては、金属体としてニクロムを用いたが、他の銅マンガン及び銅ニッケルからなる群から選択される少なくとも一つの合金であっても、同様の製造方法により三次元網目状に形成することが可能である。さらに、合金の含有量についても、抵抗体としての機能を維持しつつ合金単体よりも高い比抵抗を確保する観点から、３０ｖｏｌ％以上８０％以下の割合が好ましい。

また、絶縁粒子としてアルミナを用いたが、窒化アルミ、窒化ケイ素及びジルコニアからなる群から選択される少なくとも一つのセラミックス粉末を用いても、同様の抵抗特性が得られると考えられる。

また、上記実施形態においては、導電性を有するニクロム粉に対して絶縁性を有するアルミナ粉のみを添加して形成したが、アルミナ粉の他にも抵抗特性を改善するための粉末を添加してもよい。ニクロム粉に対し、アルミナ粉に加えて他の粉末を添加して抵抗材料１１ａを形成したとしても、粒子を囲む三次元網目状の金属体を形成することが可能である。

第２表に示す結果によれば、供試体の線膨張係数は、アルミナ単体からなる供試体Ｔ０の線膨張係数以上、ニクロム単体からなる供試体Ｔ１１の線膨張係数以下の範囲内の値であった。ニクロムの含有量が少なくなるにつれて、供試体の線膨張係数はアルミナ単体からなる供試体Ｔ０の線膨張係数に近づくことがわかった。

このように、絶縁粒子として基板材料に用いられるセラミックス材料を混合することにより、ヒートサイクルによる抵抗器１と基板の接合部に生じるクラックを抑制することができる。

１ 抵抗器
１１ 抵抗体
１１ａ 抵抗材料
２１、２２ 電極

Claims (7)

1. 電流を検出するための抵抗材料であって、
   絶縁性を有する粒子と、金属体と、を含み、
   該抵抗材料に対する前記金属体の割合は、３０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下であり、
   前記金属体を形成するための金属粉の粒子のアスペクト比が１．０以上２．０以下であり、
   溶融していない前記絶縁性を有する粒子の周りに、前記金属粉の粒子が溶融して三次元網目状に連結された、
   抵抗材料。
2. 請求項１に記載の抵抗材料であって、
   前記金属体は、ニクロム、銅マンガン、及び銅ニッケルからなる群から選択される少なくとも一つにより形成された、抵抗材料。
3. 請求項１又は請求項２に記載の抵抗材料であって、
   前記粒子は、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素及びジルコニアからなる群から選択される少なくとも一つにより形成された、抵抗材料。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の抵抗材料であって、
   抵抗温度係数が１００ｐｐｍ以下である抵抗材料。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の抵抗材料であって、
   比抵抗が２００μΩ・ｃｍ以上３００００μΩ・ｃｍ以下である抵抗材料。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の抵抗材料であって、
   該抵抗材料は、前記金属粉と前記粒子とを焼結した焼結体である、抵抗材料。
7. 電流を検出するための抵抗器であって、
   請求項１から６のいずれか１項に記載された前記抵抗材料と、
   前記抵抗材料を挟む二つの電極と、を有し、
   前記金属体は、前記抵抗材料において前記電極間の方向に連続して形成された、
   抵抗器。

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