JPWO2007040207A1 - 金属箔抵抗器 - Google Patents

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Abstract

抵抗回路パターンを形成した金属箔からなる金属箔抵抗体20を有する金属箔抵抗器。金属箔抵抗体20を絶縁状態でかつその広がり方向に伸縮可能に収容するパッケージ10と、このパッケージ10に絶縁状態で保持され金属箔抵抗体20の電極部20aに接続された外部端子26とを備える。抵抗温度係数を小さくしかつ安定させることができ、また調整要素を少なくして設計自由度を増やすことができる。さらにパッケージに加わる外部応力が金属箔抵抗体に伝わるのを防ぐことによりパッケージを適宜のヒートシンクに取付け易くする。

Description

この発明は、抵抗回路パターンを形成した金属箔からなる金属箔抵抗体をパッケージに封止し、金属箔抵抗体の電極部を外部端子に接続した金属箔抵抗器に関するものである。
絶縁基板に接着剤で貼った金属箔に抵抗回路パターンを形成し、この基板全体を樹脂封止した金属箔抵抗器が公知である。この種の抵抗器では、温度変化に対する抵抗値の変化をできるだけ少なくすること、すなわち抵抗温度係数(Temperature Coefficient of Resistance;以下TCRという)を小さくすることが必要である。
このTCRが大きくなる大きな原因は、金属箔とこれが接着された基板あるいは接着剤との間の熱膨張係数の差異にある。熱膨張係数に差異があるため、周囲温度の変化や金属箔抵抗体の自己発熱により金属箔に応力が加わり、これにより金属箔に歪みが発生するためである。例えばNi−Cr金属箔とセラミック基板では熱膨張係数が大きく異なる。そこで従来より温度変化による歪みや応力の発生がTCRに及ぼす影響を、金属箔自身の温度変化による抵抗変化と相殺させることによりTCRを小さくすることが知られている。
すなわち金属箔の材質や厚さや熱処理、抵抗回路パターン、基板や接着剤の材質や厚さ、などを適切に設定することによってTCRを小さくしている。特開2004−179639号公報(USP 6892443、EP 1422730A1に対応))にはそのような設計要素(調整要素)の数値の設定例が示されている。
従来のものは金属箔を基板に接着し、気密封止したものであるため、金属箔と基板と接着剤との間の熱膨張差により金属箔に歪みや応力が加わることが避けられない。TCRを小さくするためには多くの調整要素(金属箔、基板、接着剤の材質、厚さや、パッケージの構造など)を厳密に設定する必要があり、このようなことは極めて困難である。またTCRの安定性は、接着剤の経時的な特性変化(例えば粘弾性特性の変化)によっても大きな影響を受ける。このため広い温度範囲でTCRを十分に小さくしかつ安定させることは極めて困難である。
一方金属箔自身は通常合金であって、その単体での抵抗温度係数、すなわち歪みや応力を加えない自由な状態での抵抗温度係数は、合金成分の調整、圧延処理や熱処理さらには化学・電気化学的エッチングなどによって十分に小さくすることが可能である。
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、TCRを小さくしかつ安定させることができ、また調整要素を少なくして設計自由度を増やすことができ、さらにパッケージに加わる外部応力が金属箔抵抗体に伝わるのを防ぐことによりパッケージを適宜のヒートシンクに取付け易くすることができる金属箔抵抗器を提供することを目的とする。
本発明によればこの目的は、抵抗回路パターンを形成した金属箔からなる金属箔抵抗体を有する金属箔抵抗器において、前記金属箔抵抗体を絶縁状態でかつその広がり方向に伸縮可能に収容するパッケージと、このパッケージに絶縁状態で保持され前記金属箔抵抗体の電極部に接続された外部端子とを備えることを特徴とする金属箔抵抗器、により達成される。
金属箔抵抗体はパッケージに絶縁状態でかつ金属箔の広がり方向(平面方向で)に伸縮可能に収容したものである。金属箔が水平方向、垂直方向、或いは傾き方向に配置される場合、その水平方向、垂直方向或いは傾き方向が金属箔の平面方向となる。基板に接着剤で固定しないから、周囲温度の変化や金属箔自身の発熱によりパッケージ温度や金属箔温度が変化しても、金属箔自身は自由に伸縮できる。このため金属箔に歪みや応力は加わらない。また合金成分の調整や圧延処理や熱処理やエッチングなどを適切にしてTCRを十分に小さくした金属箔を用いることにより、抵抗器のTCRを十分に小さくし、かつ安定させることができる。
また従来のもののように、基板、接着剤やパッケージなどの材質、厚さ、構造などの調整要素によるTCRの変化を考慮する必要がないから、調整要素が少なくなり、設計が容易であり、設計自由度が増える。
さらにパッケージに加わる外部応力は金属箔に直接伝わることがない。このためパッケージを適宜のヒートシンクに密着させるように固定してもTCRに悪影響を及ぼすおそれがない。
本発明の一実施例による標準抵抗器のの斜視図 図1のII-II線位置で断面した分解図 図1のII-II線の外部端子付近を拡大した断面図 図1の実施例の標準抵抗器全体の分解斜視図 本発明の第2実施例による標準抵抗器の外部端子接続部付近の分解拡大断面図 本発明の第3実施例による標準抵抗器の外部端子接続部付近の断面図 第3実施例による外部端子接続部付近の分解断面図 本発明の第4実施例による標準抵抗器の抵抗体配置を示す平面図 図8のIX-IX線位置における断面図 本発明の第5の実施例による標準抵抗器の抵抗体配置を示す分解斜視図
符号の説明
10、10A、10B、10C、10D パッケージ
12、12A、12B、12C 枠フレーム
12D ブロック
14、14A、14B、14C 下蓋
16、16A、16B、16C、16D 上蓋
18、18A、18B、18Ca、18Cb、18D 抵抗体収容室
20、20A、20B、20Ca、20Cb、20D 金属箔抵抗体
20a 電極部
22、22A、22B、22C 絶縁フィルム
24、24A、24B、24C 絶縁フィルム
26、26A、26C、26D 外部端子
28、28A、28D 内端
30 外部端子挿通孔
32 外端
38 封止材
40 ヒートシンク(冷却ブロック)
42 取付孔
50、52 導体パッド(外部端子)
54 内層回路
60 切欠部
62 接続ワイヤ
パッケージは樹脂、セラミック、ガラスなどの絶縁材料で作ることができる(請求項2)。この場合パッケージは、抵抗体収容室を通る分割面で分割した構造とし、金属箔抵抗体を収容した後でこの分割面を気密封止すればよい。パッケージは金属製としてもよい(請求項3)。この場合抵抗体収容室の内面を、絶縁処理しておく。この絶縁処理は例えば、絶縁塗料を塗布したり、絶縁フィルムを貼っておけばよい。
また金属製のパッケージとし、金属箔抵抗体の両面とパッケージ内面(抵抗体収容室の内面)との間に絶縁フィルムを挟んでおいてもよい(請求項4)。この場合絶縁フィルムは金属箔抵抗体とパッケージ内面との間で僅かに遊動可能とすれば金属箔抵抗体に加わる歪みや応力を一層小さくできる。この絶縁フィルムにはその表面の滑動性を増大し滑り易くするための材料、例えばセラミック粉を塗布あるいは付着させておいてもよい。
パッケージの内部(抵抗体収容室)には絶縁性の液状の熱伝導媒体、例えば絶縁オイルを充填しておいてもよい(請求項5)。この場合は液状媒体により金属箔の熱を速やかにパッケージに伝え外へ放散することができ、冷却性が向上する。この熱伝導媒体は金属箔と比重がほぼ同じであれば、金属箔を熱伝導媒体中に浮遊させて金属箔に作用する重力の影響をさらに抑制できる。金属製のパッケージは、外側をさらに樹脂で被覆し、パッケージを保護してもよい(請求項6)。
外部端子は、その内端がパッケージを貫通して抵抗体収容室内に進入し、その外端がパッケージの外に突出するようにパッケージに固定する。そして金属箔抵抗体の電極部を外部端子の内端に固着すればよい(請求項7)。パッケージを金属製とした時には、外部端子をパッケージに設けた外部端子挿通孔に通し、この挿通孔を絶縁性接着剤や封止ガラスなどを用いて封止すればよい。この挿通孔の封止はパッケージから外部端子あるいは金属箔抵抗体に伝わる応力を吸収し遮断するものがよく、例えば弾性を持った封止材が適する。
外部端子の内端は、例えば高温はんだを用いて金属箔抵抗体にはんだ付けすることができる。なお金属箔としてはNi−Cr合金、銅合金などの抵抗材料を箔状にし所定の圧延処理や熱処理やエッチングなどの加工を施したものが適するが、金属箔の材質によって適切な接合方法を採用すればよいのは勿論である。
外部端子は金属箔に対して略垂直方向に配置することができる(請求項8)。しかし外部端子は金属箔と略平行に配置してもよい。パッケージには1つの金属箔抵抗体を収容したものであってもよいが、1つのパッケージ内に複数の特性が異なる金属箔抵抗体を収容し、これら複数の金属箔抵抗体の特性の組合せを利用して全体として特性を向上させることができる(請求項9)。例えばTCRが互いに逆特性となる金属箔抵抗体を組合せて抵抗器全体としてのTCRを著しく小さくすることができる。
パッケージにはヒートシンクへ取付ける際に用いる取付孔を形成しておくことができる(請求項10)。この発明に係る抵抗器は、パッケージに外部応力が加わっても特性の低下が発生しないので、取付孔を用いてヒートシンクにボルト止めすることができる。このため放熱性を向上させることができ、ヒートシンクの温度を一定に管理することにより抵抗器の安定性を著しく向上させることが可能である。パッケージは接着剤でヒートシンクに接着しても同様の効果が得られる。
金属箔抵抗体はその電極部を上にしてこの電極部で吊るようにしてパッケージに垂直に収容することができる(請求項11)。この場合は金属箔抵抗体に作用する重力の影響を極めて小さくして特性安定性を一層向上させることができる。
以下、本発明の一実施例を適用した標準抵抗器(standard resistor)を示す図1〜4を参照して本発明を詳細に説明する。
これらの図において符号10は金属製のパッケージであり、四角形の枠フレーム12と、下蓋14および上蓋16とを重ね密着固定したものである。このためパッケージ10の中には、枠フレーム12の厚さと同じ高さを持つ扁平な空間が形成され、この空間が抵抗体収容室18となる(図3)。
このパッケージ10の中には、抵抗回路パターンを形成した金属箔からなる金属箔抵抗体20がパッケージ10に対して電気的に絶縁された状態で収容される。この実施例では、金属箔抵抗体20の両面に絶縁フィルム22,24を重ねて抵抗体収容室18に収容している。なお絶縁フィルム22,24は枠フレーム12の開口形状より僅かに小さく枠フレーム12の内側に入る形状であり、金属箔抵抗体20よりも十分に大きい。
金属箔抵抗体20は金属箔に多数の抵抗回路パターン(抵抗エレメント)を互いにバラバラにならないように連結した状態で同時に形成し、後で個々の回路パターン(抵抗エレメント)を切り出して用いる。金属箔が厚い場合はその両面にフォトレジストを塗布し、露光、現像して両面からエッチングし多数の回路パターンを同時形成すればよい。薄い金属箔の場合は予め基板に仮接着し、エッチングにより多数の回路パターンを同時に形成した後、接着剤を溶剤や熱によってその接着力を除去して個々の回路パターンを切り出して用いればよい。
個々の回路パターン(抵抗エレメント)のスリット20′の幅は、箔厚が薄くなるに伴って拡大しておけば、抵抗箔が重なり合ったりするのを防ぐことができる。箔厚が厚い場合は抵抗箔の剛性も大きいので抵抗箔同士が接触したり重なり合うことがない。切り出した個々の回路パターンは、台紙に載せてハンドリングするのがよい。この場合回路パターン(抵抗エレメント)の金属箔が自身の重量により反ることがあっても、塑性変形するほど大きな荷重が加わらなければ回路パターン(抵抗エレメント)は元の状態に復帰するからその機能が害されることはない。
反対に回路パターンを形成した金属箔を絶縁フィルムに保持して、隣接する抵抗領域が互いに重なったり互いに接触するのを防いでもよい。望ましくは、ここで用いる絶縁フィルムは十分に柔軟で金属箔の伸縮を制限せず応力が金属箔に加わらないようにする。絶縁フィルム22、24の一方をこのような柔軟性を持つものとして用いることができる。
26はロッド状の外部端子であり、その内端28は上蓋16に設けた外部端子挿通孔30を通って抵抗体収容室18内に進入し、外端32は外部端子挿通孔30から外へ突出している。内端28には金属箔抵抗体20の電極部20a(図4参照)が固定される。すなわち内端28は電極部20aを貫通し、両者は高温はんだ34で固着される。なお内端28と下蓋14との間には絶縁フィルム22が介在し、内端28および抵抗体20と下蓋14とは電気的に絶縁されている。下蓋14にはこの内端28に対向する位置にくぼみを設け、内端28がフィルム22を下蓋14との間に挟んでフィルム22を傷めるのを防ぐのがよい。
上の絶縁フィルム24には、外部端子26が通る小孔36が形成され(図4)、外部端子26はこの小孔36および前記外部端子挿通孔30を通って外へ突出している。この外部端子挿通孔30は、パッケージ10の組立後に樹脂や封止ガラスなどの封止材38で気密封止される。
この抵抗器を製作する際には、まず枠フレーム12に下蓋14を密着固定して、枠フレーム12の内側に上方が開いた抵抗体収容室18を形成する。この抵抗体収容室18に絶縁フィルム22を敷き、その上に予め外部端子26を固着した金属箔抵抗体20を装填する。そして上の絶縁フィルム24を重ね、上蓋16を枠フレーム12に密着固定し、抵抗体収容室18内の雰囲気を一定にして外部端子挿通孔30を封止材38で封止する。
外部端子挿通孔30を封止する際に、抵抗体収容室18内に乾燥空気や不活性ガスを封入したり、絶縁オイルを充填してもよい。外部端子挿通孔30とは別に封止可能な通孔(図示せず)を設け、封止材38で外部端子挿通孔30を封止した後でこの通孔を使って抵抗体収容室18内の雰囲気を一定に管理してもよい。
この実施例では、抵抗体20の2つの電極20a、20aにそれぞれ2本ずつの外部端子26が固着されて、4端子構造となっている。従って上蓋16には4つの外部端子挿通孔30が、また上の絶縁フィルム24には4つの小孔36が形成されている。これは抵抗値が小さい(例えば1Ω以下)標準抵抗器では、端子と金属箔抵抗体との間の配線抵抗による誤差を防ぐことが必要になり、このため電圧端子と電流端子とを別々に分けて設けたものである。
この抵抗器によれば、抵抗体20は収容室18内に伸縮自在にいわばフリー状態で保持されているから、雰囲気温度の変化や抵抗体20自身の発熱により抵抗体20が伸縮したりパッケージ10に歪みが生じても、抵抗体20にはこの伸縮や歪みによる応力(歪応力)は加わらない。一方金属箔は単体では材質や加工処理によってTCRを極めて小さくすることは可能であるから、TCRを適切に管理した金属箔抵抗体20を用いることにより、これをパッケージ10に封止した抵抗器としてのTCRを十分に小さくし、安定させることが可能である。
このパッケージ10の4隅には、ヒートシンク40に取付けるために用いる取付孔42が形成されている(図3)。取付孔42にはボルト44を通してヒートシンク40に締付け固定される。この際にパッケージ10に歪みが発生するが、抵抗体20にはこの歪みによる応力は伝わらない。従ってパッケージ10の取付固定が容易である。なおヒートシンク40としては、空冷フィン付き伝熱ブロック、冷却液通路を有する冷却ブロック、回路基板を取付けるシャシーや収容ケースなどの他の伝熱性の部材などが使用可能である。
図5は他の実施例の外部端子接続部付近の分解拡大断面図である。この実施例はパッケージ10Aの枠フレーム12Aに水平方向(厚さ方向に直交する方向)の外部端子挿通孔30Aを形成し、ここに外部端子26Aを通し封止材38Aで樹脂封止またはガラス封止し、外部端子26Aの扁平な内端28Aを金属箔抵抗体20Aの電極部に重ね接続したものである。
この抵抗体20Aおよび内端28Aを絶縁フィルム22A、24Aで挟み、下蓋14Aと上蓋16Aを枠フレーム12Aに重ねて密封したものである。
図6は他の実施例の外部端子接続部付近の断面図、図7はその分解図である。この実施例のパッケージ10Bは、下蓋14Bの一端を枠フレーム12Bより外側へ突出させ、この突出部14B’の表面と枠フレーム12Bの内側となる抵抗体収容室18Bに現れる位置とにそれぞれ導体パッド50、52を形成し、これらを下蓋14Bの内層回路54によって接続したものである。導体パッド50、52や内層回路54は公知のプリント配線板と同様な手法により製作することができる。
金属箔抵抗体20Bは導体パッド52にはんだ付けされる。このはんだ付けは、例えば導体パッド52の表面にはんだめっきやはんだボール、はんだペーストなど供給しておき、その上に抵抗体20Bの電極部を押圧し加熱してリフローはんだ付けすればよい。
図8は他の実施例の抵抗体配置を示す平面図であり、上蓋および上の絶縁フィルムを除去して示す。図9は図8におけるIX-IX線位置における断面図である。この実施例は1つのパッケージ10Cの中に異なる2つの金属箔抵抗体20Ca、20Cbを収納し両者を直列接続したものである。ここに抵抗体20Caと20Cbとは温度特性が異なる。例えば一方のTCRが正の時に他方のTCRが負となるものを組合せる。所定温度範囲で両TCRの絶対値がほぼ同じであれば、両TCRの和はほぼ0になり、抵抗器全体としてのTCRを格段に小さくすることができる。
パッケージ10Cの中は2つの抵抗体収容室18Ca、18Cbに仕切られ、両収容室18Ca、18Cbの隔壁の一部が切欠かれている。この切欠き部60には、2つの抵抗体20Ca、20Cbを接続する接続ワイヤ62が通される。なお抵抗体20Ca、20Cbを上下から挟む絶縁フィルム22C、24Cは、切欠き部60を通る連結部で一体に連結され、この連結部は切欠き部60を通るワイヤ62を上下から挟んで、ワイヤ62をパッケージ10Cから絶縁している。
外部端子26Cは前記図5の実施例と同様に枠フレーム12Cを水平に貫通し、気密封止される。14C、16Cは下蓋と上蓋である。
図10は第5の実施例を示す分解斜視図である。この第5の実施例のパッケージ10Dは樹脂製であって、縦長のブロック12Dと上蓋16Dで形成される。このブロック12Dには上方に向かって開く薄い抵抗体収容室18Dが形成され、この抵抗体収容室18Dはブロック12Dの上面に接着される上蓋16Dで気密に塞げるように作られている。
この上蓋16Dには板状の外部端子26D、26Dが垂直に貫通し、その内端28D、28Dは抵抗体収容室18D内への突出している。この内端28D、28Dに金属箔抵抗体20Dの電極部がはんだなどで固定されている。すなわちこの金属箔抵抗体20Dは外部端子26D、26Dの内端28D、28Dに垂直に吊られている。
なお抵抗体20Dには各回路パターンの抵抗領域を分けるスリット20D’が入っている。そのため金属箔抵抗体を20Dを収容室18Dに垂直に収容した場合にはスリット20D’の幅、即ち抵抗領域の間隙が変化して回路パターンの一部が変形したり歪んだりすることが考えられる。しかし金属箔の厚さ、回路パターンの線幅や方向や長さ、スリット20D’の幅や方向(垂直か斜めか水平か)や長さ等を適切に設定することによりこのような問題を回避できる。例えば金属箔の厚さを25μm以上、回路パターンの線幅を1mm以上、金属箔の垂直方向長さを30mm程度以下とすればよい。
外部端子26D、26Dの内端28D、28Dに吊られた抵抗体20Dは、上蓋16Dをブロック12Dの上面に接着固定する際にブロック12Dの抵抗体収容室18Dに挿入される。ここに使用するパッケージ10Dは、絶縁性でかつ熱伝導性および耐熱性が良い樹脂で成形され、このため抵抗体20Dと抵抗体収容室18Dとの間に絶縁フィルムを入れる必要がない。
上蓋16Dには2本の金属製のパイプ27、27が貫通している。これらのパイプ27、27は抵抗体20Dを密封した抵抗体収容室18Dに絶縁オイルを充填するために用いる。すなわち一方のパイプ27から絶縁オイル注入し他方のパイプ27から排気することによって抵抗体収容室18Dに絶縁オイルを充填し、その後で両パイプ27、27をかしめたり封止剤を用いて封止する。ここに用いる絶縁オイルは抵抗体20Dの熱をパッケージ10Dに速やかに逃がし、抵抗体20Dの温度を安定させると共に、抵抗体20Dの遊動を防ぐものである。従ってこの絶縁オイルは電気的には絶縁性でありかつ伝熱性に優れるものが望ましい。なおパッケージ10Dには、外部ヒートシンクなどに固定するための取付孔を予め設けておいてもよい。
この第5の実施例によれば、抵抗体20Dは垂直に配置されるので、抵抗体20Dに重力による応力や歪みが発生しにくく、重力が抵抗体の特性に与える影響を極めて小さくすることができる。またブロック12Dおよび上蓋16Dを樹脂の成形品としたので、抵抗体収容室18Dを十分に狭く成形することが容易であり、抵抗体20Dのパッケージ10Dへの放熱性を良好にすることができる。また外部端子26D、26Dやパイプ27、27は上蓋16Dにインサート成形することができるので、外部端子26D、26Dやパイプ27、27の封止構造が簡単になり、外部端子26D、26Dに外から機械的応力が加わっても抵抗体20Dに伝わりにくい。
また抵抗体20Dは外部端子26D、26Dに吊った状態でブロック12Dの抵抗体収容室18Dに挿入し、上蓋16Dをブロック12Dに機密封止すればよいので、製作が簡単である。さらに上蓋16Dはブロック12Dに接着剤などで固着すれば簡単であるが、ねじ止めなど他の方法で固定しても抵抗体20Dには歪みが伝わらず、抵抗体20Dの特性に影響しない。

Claims (11)

  1. 抵抗回路パターンを形成した金属箔からなる金属箔抵抗体を有する金属箔抵抗器において、
    前記金属箔抵抗体を絶縁状態でかつその広がり方向に伸縮可能に収容するパッケージと、このパッケージに絶縁状態で保持され前記金属箔抵抗体の電極部に接続された外部端子とを備えることを特徴とする金属箔抵抗器。
  2. パッケージは絶縁材料で作られている請求項1の金属箔抵抗器。
  3. パッケージは金属製であり、金属箔抵抗体を収容する抵抗体収容室の内面が絶縁処理されている請求項1の金属箔抵抗器。
  4. パッケージは金属製であり、金属箔抵抗体を収容する抵抗体収容室の内面と金属箔抵抗体との間に絶縁フィルムを挟んだ請求項1の金属箔抵抗器。
  5. パッケージの金属箔抵抗体を収容する抵抗体収容室には絶縁性の熱伝導媒体が充填されている請求項1の金属箔抵抗器。
  6. パッケージは金属製であり、外側が樹脂で封止されている請求項1の金属箔抵抗器。
  7. 外部端子は、その内端がパッケージを貫通して抵抗体収容室に進入しその外端がパッケージの外に突出するようにパッケージに保持され、金属箔抵抗体の電極部が前記外部端子の内端に固着されている請求項1の金属箔抵抗器。
  8. 外部端子は金属箔抵抗体に対して略垂直方向にパッケージを貫通している請求項7の金属箔抵抗器。
  9. 抵抗温度係数が異なる複数の金属箔抵抗体を共通のパッケージに収容し、これれら金属箔抵抗体の組合せにより得られる抵抗温度係数を小さくした請求項1の金属箔抵抗器。
  10. パッケージには、このパッケージをヒートシンクに固定するための取付孔が形成されている請求項1の金属箔抵抗器。
  11. 金属箔抵抗体はその電極部を上にしかつ電極部で吊られた状態でパッケージに垂直に収容されている請求項1の金属箔抵抗器。
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