特許 6994195 抵抗体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-15

(45)【発行日】2022-01-14

(54)【発明の名称】抵抗体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/02 20060101AFI20220106BHJP

   B22F 9/08 20060101ALI20220106BHJP

【ＦＩ】

B22F3/02 Z

B22F9/08 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017251364

(22)【出願日】2017-12-27

(65)【公開番号】P2019116664

(43)【公開日】2019-07-18

【審査請求日】2020-12-02

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100092406

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 信太郎

(72)【発明者】

【氏名】中山 昇

(72)【発明者】

【氏名】井上 勇人

(72)【発明者】

【氏名】楠 秀遥

(72)【発明者】

【氏名】森口 昂紀

(72)【発明者】

【氏名】仲村 圭史

(72)【発明者】

【氏名】粂田 賢孝

【審査官】坂口 岳志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２２１６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５２０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８２４４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００－ ９／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１表面と、この第１表面と並行となるように向い合せて配置された第２表面を有し、
第１表面と第２表面との間に、Ｃｕ－Ｍｎ系の金属粉素材を配置し、
第１表面と第２表面とで金属粉素材を所定の押圧力で挟みながら、第１表面と第２表面を対向方向と直交する方向に移動させることで、前記金属粉素材を一体成型物とし、
前記金属粉素材の平均粒径は、１μｍ～１２μｍである、抵抗体の製造方法。

【請求項2】

せん断ひずみ＝（移動距離／金属粉素材の厚み）とした場合に、せん断ひずみを１以上とした、請求項１に記載の抵抗体の製造方法。

【請求項3】

移動距離は、０．５ｍｍ～１０ｍｍである、請求項１に記載の抵抗体の製造方法。

【請求項4】

第１表面と、この第１表面と並行となるように向い合せて配置された第２表面を有し、
第１表面と第２表面との間に、Ｃｕ－Ｍｎ系の金属粉素材を配置し、
第１表面と第２表面とで金属粉素材を所定の押圧力で挟みながら、第１表面と第２表面を対向方向と直交する方向に移動させることで、前記金属粉素材を一体成型物とし、
前記金属粉素材は水アトマイズ法により作成される、抵抗体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流検出用抵抗器に用いる抵抗体の製造方法に係り、特にＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金を用いた抵抗体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金（マンガニン（登録商標））は電流検出用抵抗器の抵抗体材料として、固有抵抗値が小さく、且つ抵抗温度係数が小さいことから、低抵抗値の抵抗器が得られるので、広く使用されている。様々な抵抗値の電流検出用抵抗器を作製するためには、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金を様々な形に塑性加工する必要があり、圧延加工で厚みを調整したり、プレス加工で形状を加工したりして必要な抵抗値を得ている。

【0003】

特に１０ｍΩ以上の比較的高い抵抗値の電流検出用抵抗器を作製するためには、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金の板を箔状に薄く加工する必要があり、より高い抵抗値を得るためには、箔状に薄く加工した板を長いパターン形状に切削加工する必要がある。

【0004】

ところで、下記特許文献１によれば、微粉物質（例えば金属粉末）を平行な第１表面と第２表面との間に配置し、第１表面と第２表面とで上記粉末を所定の押圧力で挟みながら、第１表面と第２表面を対向方向と直交する方向に移動させることで、上記微粉物質を一体成型物（例えば金属板）とする圧縮せん断による固化成形方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００３－２２１６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

抵抗体として用いられる合金は、その生産段階で一般に高温の熱処理を要し、板材あるいは線材として市場に供給される。しかしながら、電流検出用抵抗器の抵抗体として、所要の抵抗値を得るために、抵抗合金を、板材あるいは線材から箔状に薄く加工し、且つ所要のパターン形状・寸法に加工することは容易なことではない。

【0007】

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、任意のパターン形状で且つ薄く形成したＣｕ－Ｍｎ系合金箔を、粉体から作製することができる、電流検出用抵抗器の抵抗体の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の抵抗体の製造方法は、第１表面と、この第１表面と並行となるように向い合せて配置された第２表面を有し、第１表面と第２表面との間に、Ｃｕ－Ｍｎ系の金属粉素材を配置し、第１表面と第２表面とで該金属粉素材を所定の押圧力で挟みながら、第１表面と第２表面を対向方向と直交する方向に移動させることで、前記金属粉素材を一体成型物（金属板）とし、前記金属粉素材の平均粒径は、１μｍ～１２μｍであることを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、抵抗器の抵抗体を構成する金属粉素材は、粉末であるので、メタルマスクやスクリーン印刷等を用いることで、任意のパターン形状で、且つ任意の厚みのＣｕ－Ｍｎ系合金箔を作成することができる。そして、金属抵抗素材の焼結工法のように高温を必要とせず、また、塑性変形加工や切削加工を必要としない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施例のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系抵抗体の製造方法を示す図である。

【図2A】平均粒径１２．９μｍのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉の画像である。

【図2B】平均粒径３．５μｍのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉の画像である。

【図3A】圧縮せん断の移動距離Ｌ＝０ｍｍのＳＥＭによる表面画像である。

【図3B】圧縮せん断の移動距離Ｌ＝０．１ｍｍのＳＥＭによる表面画像である。

【図3C】圧縮せん断の移動距離Ｌ＝０．２ｍｍのＳＥＭによる表面画像である。

【図3D】圧縮せん断の移動距離Ｌ＝０．５ｍｍのＳＥＭによる表面画像である。

【図3E】圧縮せん断の移動距離Ｌ＝１．０ｍｍのＳＥＭによる表面画像である。

【図4】圧縮せん断の移動距離とビッカース硬さの関係のグラフである。

【図5】圧縮せん断の移動距離と体積抵抗の関係のグラフである。

【図6】圧縮せん断で形成された抵抗体の測定温度と体積抵抗の関係のグラフである。

【図7】粉末充填体の形成にスクリーン印刷を適用した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

【0012】

図１は、本発明の一実施例のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系抵抗体の製造方法を示す。その製造方法の概略は、メタルマスク等を用いて必要形状にＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系金属粉素材を充填し、金属粉素材の充填体を形成する。そして、互いに並行となるように向い合せて配置された第１表面と第２表面との間に、金属粉素材を配置し、圧縮荷重を負荷しながら、一方の表面を他方の表面に対して移動させて、金属粉素材の充填体にせん断力を加える圧縮せん断で、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金の金属箔を得る。

【0013】

図１（Ａ）は、メタルマスク１１を下板１２に載置する段階を示す。メタルマスク１１には、開口Ｏを備えることで、金属粉素材を充填するマスク開口Ｏの形状に合わせて、必要な形状の抵抗体パターンを形成することができる。

【0014】

図１（Ｂ）は、メタルマスク１１の開口ＯにＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系金属粉素材を充填し、粉末充填体１３を形成した段階を示す。使用する粉末は、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系金属粉素材である。その平均粒径Φは１～１２μｍであることが好ましい。特に、使用するＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系金属粉素材の平均粒径Φは、後述するように、３．５μｍ程度が望ましい。なお、平均粒径Φは１２．５μｍ程度よりも大きくなると成形が困難になる。また、後述のとおり、これよりも平均粒径が大きくなると、金属光沢が無く、金属箔が形成され難いという問題がある。平均粒径Φが１μｍよりも小さい細かな粒は、水アトマイズ法では形成が難しいという問題がある。

【0015】

使用する金属粉の粉体は真球体でないものが好ましい。真球体だと、圧縮せん断移動に際して、転がりによってうまく紛体がつぶれないことがあるからである。本実施例では、水アトマイズ法等を用いて作製された、適度にいびつなtear-drop（涙）状の、平均粒径Φが３．５μｍ程度の粉体を使用している（図２Ｂ参照）。

【0016】

一方、例えばガスアトマイズ法で得られる金属粉素材は真球形状を有しており、Φ１２．５μｍ以下の小さな平均粒径を得ることは困難である。また、真球形状だと、圧縮せん断移動による金属粉素材の変形が起きにくく、一体成型物（金属板）とすることが難しい。よって、金属粉素材は水アトマイズ法により作成されることが好ましい。

【0017】

図２Ａは、水アトマイズ法で作成された平均粒径Φが１２．９μｍのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉を示している。なお、アトマイズ法とは、紛体の製造方法であり、金属または合金の溶湯をタンディッシュ底部の小孔から流出させて細流とし、これに高速の空気、窒素、アルゴン、水などを吹き付けると、溶湯は飛散、急冷凝固して粉末となる。

【0018】

図１（Ｃ）は、メタルマスク１１を除去した段階を示す。この段階で、下板１２の第１表面１２ａに、メタルマスク１１の開口部ＯのサイズのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系金属粉素材の充填体１３が配置される。

【0019】

図１（Ｄ）は、上板１４の第２表面１４ａと下板１２の第１表面１２ａとで、金属粉素材の充填体１３を圧縮荷重Ｆ１の押圧力で挟む段階を示す。なお、第１表面１２ａと、この第１表面１２ａとが並行となるように、第２表面１４ａが第１表面１２ａに対して向い合せて配置されている。

【0020】

圧縮荷重については、サンプルのサイズを変えて、単位面積当たりの荷重を変えて試験を行うと、１．７ｋＮ／ｍｍ^２（３０ｍｍ×１０ｍｍ）以上の荷重であれば得られる箔の強度は充分確保され、１．２ｋＮ／ｍｍ^２（４０ｍｍ×１０ｍｍ）以下の荷重では、充分な強度が得られず、金属箔が割れてしまう結果となった。よって１．７ｋＮ／ｍｍ^２ 以上の圧縮荷重を掛けることが望ましい。

【0021】

そして、図１（Ｅ）に示すように、上板１４の下面の第２表面１４ａと、下板１２の上面の第１表面１２ａとの間に、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系の金属粉素材の充填体１３を配置し、第２表面１４ａと第１表面１２ａとで金属粉素材を所定の押圧力Ｆ１で挟みながら、第２表面１４ａと第１表面１２ａを対向方向と直交する方向に、所定の距離を移動させることで、金属粉素材の充填体１３にせん断力Ｆ２を作用させることができ、充填体１３を一体成型物である金属箔（抵抗体）１３Ａとすることができる。

【0022】

金属粉素材の充填体１３を所定の押圧力で挟みながら、一方の面を横方向に移動させ、一体成形物である金属箔を形成する圧縮せん断移動距離は、充填体１３の膜厚に対して、１倍以上であることが必要である。すなわち、充填体１３の膜厚が０．５ｍｍである場合は、圧縮せん断移動距離は０．５ｍｍ以上が必要である。

【0023】

すなわち、せん断ひずみ＝（移動距離／金属粉素材の厚み）とした場合に、せん断ひずみを１以上とすることが必要である。

【0024】

図３Ａ－図３Ｅは、平均粒径Φ＝３．５μｍのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉を用い、充填した厚さを０．５ｍｍとし、圧縮せん断移動距離Ｌ＝０ｍｍ（図３Ａ）、Ｌ＝０．１ｍｍ（図３Ｂ）、Ｌ＝０．２ｍｍ（図３Ｃ）、Ｌ＝０．５ｍｍ（図３Ｄ）、Ｌ＝１．０ｍｍ（図３Ｅ）、とした場合のＳＥＭによる表面画像である。

【0025】

上記画像によれば、Ｌ＝０．５ｍｍ以上せん断移動をさせると、粒子形状が確認されず、金属光沢を有して、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金箔が形成されているのがわかる。これに対し、Ｌ＝０．２ｍｍ以下のせん断移動では粉体粒子の形状が保たれており、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金箔は形成されていない。

【0026】

平均粒径Φ＝１２．９μｍのＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉を用いると、上記せん断移動距離のどのサンプルも金属光沢が無く、くすんでいて、金属箔は形成されていない。

【0027】

図４は、圧縮せん断移動距離とサンプルのビッカース硬さの関係を示すグラフである。●印はＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉（平均粒径Φ＝３．５μｍ）についてのものである。得られた硬さは、厚さ０．５ｍｍの場合、０．５ｍｍより短いせん断移動距離では硬さが低く、金属としての硬さがない。

【0028】

これに対し、０．５ｍｍ以上の圧縮せん断移動距離により、金属箔としての硬さが得られる。すなわち、せん断移動距離が０．５ｍｍ以上になると、サンプルのビッカース硬さは大きくなり、３００以上の値を示し、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金箔が形成されていることが確認される。

【0029】

これに対し、■印はＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金粉（平均粒径Φ＝１２．９μｍ）についてのものである。得られたビッカース硬さは、１００以下であり、金属としての硬さがなく、一体成型物である金属箔は形成されていない。

【0030】

図５は、せん断移動距離と体積抵抗値の関係を示す。せん断移動距離Ｌが１ｍｍ以上の金属箔は通常のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金と同等の体積抵抗値を示した。すなわち、４５×１０^－８Ω・ｍ近辺の値を示した。これに対し、Ｌ＝１ｍｍより小さいせん断距離においては、体積抵抗の値が大きく変化した。

【0031】

すなわち、Ｌ＝０．５ｍｍの金属箔は通常のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金よりも１０倍ほど体積抵抗値が高いものであった。このため、比較的高い抵抗値を得たい場合は、Ｌ＝０．５ｍｍのせん断移動をして、高い抵抗値のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金抵抗箔を得ることもできる。

【0032】

図６は、図５におけるＬ＝０．５ｍｍの金属箔とＬ＝１．０ｍｍの金属箔の体積抵抗値の温度特性を示す。Ｌ＝０．５ｍｍの金属箔（図中○で示す）の２５℃における体積抵抗値は５１０μΩ・ｃｍであり、抵抗温度係数は－１３７ｐｐｍ／℃であった。Ｌ＝１．０ｍｍの金属箔（図中■で示す）の２５℃における体積抵抗値は４７μΩ・ｃｍであり、抵抗温度係数は＋２５ｐｐｍ／℃であり、通常のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金と同等の特性が得られた。

【0033】

図１（Ｆ）は、金属粉素材から形成した金属箔（抵抗体）１３Ａが完成した段階を示し、図１（Ｇ）は、金属箔（抵抗体）１３Ａの両端に電極（Ｃｕ板）１５を溶接して、電流検出用抵抗器１６が完成した段階を示す。従って、金属粉素材から金属箔（抵抗体）１３Ａを形成する工程は、加熱することなく、常温環境下で実施できる。

【0034】

そして、メタルマスクやスクリーン印刷法を用いて、固定金型上に金属粉をパターン形状に充填することによって、様々な任意の形状のＣｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金の金属箔を得ることができる。なお、以上は、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金を例に説明したが、例えば、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｓｎ系合金を用いても上記と同様の結果が得られており、本発明はＣｕ－Ｍｎ系合金を抵抗体として用いる場合に適用できるものである。

【0035】

図７は、スクリーン印刷法を用いて、Ｎ字型の抵抗金属箔を形成する例を示す。まず、（Ａ）に示すように、Ｎ字型のスクリーンマスク３１をセットする。次ぎに、（Ｂ）に示すように、金属粉３２をスクリーンマスク上に配置し、スクリーン印刷する。すると、（Ｃ）に示すように、Ｎ字型の粉末充填体３３が形成される。そして、図１（Ｅ）に示すように、粉末充填体３３に圧縮せん断加工を施すことで、Ｎ字型の金属箔抵抗が形成される。

【0036】

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述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。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明は、特にＣｕ－Ｍｎ系合金を用いた電流検出用抵抗器の抵抗体の製造に好適に利用可能である。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】