(57)【要約】【課題】比抵抗を増大させるとともに抵抗値の変動を制御可能にする抵抗材料、抵抗器及び製造方法を提供する。【解決手段】電流を検出するための抵抗材料１１ａ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金属粒子と、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絶縁粒子と、酸化チタンと、を含む。【選択図】図４
2020170817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を検出するための抵抗材料であって、
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金属粒子と、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絶縁粒子と、酸化チタンと、を含む抵抗材料。
【請求項２】
請求項１に記載の抵抗材料であって、
前記絶縁粒子は、前記金属粒子同士が接触した金属体によって囲まれ、
前記酸化チタンは、少なくとも前記金属体に分散している、
抵抗材料。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の抵抗材料であって、
前記絶縁粒子の体積比が前記金属粒子の体積比以上である抵抗材料。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の抵抗材料であって、
該抵抗材料に対する前記酸化チタンの割合が３ｖｏｌ％以下である抵抗材料。
【請求項５】
請求項１に記載の抵抗材料であって、
抵抗温度係数が−２００ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下である抵抗材料。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の抵抗材料であって、
前記金属粒子と前記絶縁粒子と前記酸化チタンとの焼結体である抵抗材料。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の抵抗材料と、
前記抵抗材料を挟む二つの電極と、
を有する抵抗器。
【請求項８】
抵抗材料の製造方法であって、
絶縁性を有する絶縁粉末と導電性を有する金属粉末と酸化チタンの粉末とを混合し、
混合により得られた混合粉を前記金属粉末の融点よりも低い所定の温度において加圧しながら焼結する、
抵抗材料の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の抵抗材料の製造方法であって、
前記酸化チタンの粉末の平均粒径は、前記金属粉末の平均粒径以下である、
抵抗材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の抵抗材料の製造方法であって、
前記酸化チタンの粉末の平均粒径は、１０ｎｍ以上である、
抵抗材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を検出するための抵抗材料、抵抗器及び抵抗材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、マトリックス材料の粒子と金属材料の粒子とを混合して焼結した抵抗材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−００１４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の抵抗材料においては、マトリックス材料として絶縁性を有する粒子が用いられているため、比抵抗を大きくすることはできるものの、温度変化による抵抗値の変動を所望の設計範囲まで下げることは困難であった。
【０００５】
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、比抵抗を増大させるとともに抵抗値の変動を制御可能にする抵抗材料、抵抗器及び抵抗材料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】
【０００６】
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金属粒子と、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絶縁粒子と、酸化チタンと、を含む。
【発明の効果】
【０００７】
この態様によれば、抵抗材料において酸化チタンが分散されるので、抵抗材料について比抵抗を増大させるとともに抵抗値の変動を制御可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】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】図１Ｂは、図１ＡのＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図２】図２は、抵抗器の製造方法の一例を示す図である。
【図３】図３は、抵抗器の製造方法の他の例を示す図である。
【図４】図４は、実施例における酸化チタンを有する供試体の構造を示す図である。
【図５】図５は、比較例における酸化スズを有する供試体の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
［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。
【００１１】
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。
【００１２】
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て大電流の検出用途に用いられる。
【００１３】
本実施形態では、高周波の電流を検出する検出精度を高めるために、抵抗器１の自己インダクタンス値が小さくなるよう抵抗器１が薄く形成されている。抵抗器１は、円板状に扁平に形成されており、抵抗材料からなる抵抗体１１と、抵抗体１１を挟む二つの電極２１及び２２と、を備えている。
【００１４】
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に設定されている。また、抵抗体１１の直径ｒは、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、抵抗体１１の厚さｔ1に比べて大きく形成される。例えば、抵抗体１１の直径ｒは、数ｍｍに設定される。本実施形態では抵抗体１１の直径ｒが３ｍｍに設定されている。
【００１５】
本実施形態では、抵抗体１１の厚さ方向、すなわち電極２１及び電極２２間の方向に電流経路が形成される。この電流経路は、一般的なシャント抵抗器の電流経路に比べて短いため、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に用いられる合金単体の比抵抗よりも大きな値に設計することが求められる。
【００１６】
例えば、抵抗器１が大電流の検出用途に用いられる場合は、抵抗体１１の抵抗値は、５０μΩ以上１，０００μΩ以下の範囲内の値に設定され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（体積抵抗値）が２００μΩ・ｃｍ（マイクロオームセンチメートル）以上、３００,０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内に制御可能な抵抗材料が好ましい。
【００１７】
二つの電極２１及び２２は、一対の電極２１及び２２間の方向、すなわち抵抗体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２２は、抵抗体１１の両面に形成され、具体的には電極２１及び２２のうち、一方の電極が抵抗体１１の上面に形成され、他方の電極が抵抗体１１の下面に形成される。
【００１８】
電極２１及び２２については、抵抗器１を低背化するために厚さｔ2を薄くすることが好ましい。例えば、電極２１及び２２の厚さｔ2は抵抗体１１の厚さｔ1よりも薄く形成される。本実施形態では電極２１及び２２の厚さｔ2は共に０．１ｍｍに設定されている。
【００１９】
以上のように、本実施形態の抵抗器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って、電流を検出する抵抗器１の自己インダクタンス値を小さくすることができる。これにより、抵抗器１に生じる検出電圧のＳ／Ｎ比を確保しつつ、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低減することができる。
【００２０】
［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を構成する抵抗体の比抵抗（５０μΩ・ｃｍ〜１００μΩ・ｃｍ）に比べて大きくなるよう絶縁性を有する絶縁粒子、導電性を有する金属粒子、及び抵抗特性を安定させる添加剤により構成される。
【００２１】
抵抗材料１１ａは、絶縁粒子及び金属粒子に添加剤が分散している構造を有する。抵抗材料１１ａの比抵抗を高める観点から、抵抗材料１１ａにおける絶縁粒子の体積比が金属粒子の体積比以上である抵抗材料を用いることが好ましい。抵抗材料１１ａは、絶縁粒子と金属粒子と添加剤との焼結体によって構成される。
【００２２】
ここで、抵抗材料１１ａを構成する金属粒子、絶縁粒子及び添加剤の各々について説明する。
【００２３】
＜金属粒子＞
抵抗材料１１ａの金属粒子としては、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。
【００２４】
具体例としては、ニクロム、マンガニン（登録商標）、ゼラニン（登録商標）、及び銅ニッケルなどの金属材料から選択される合金が挙げられる。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ことが好ましい。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の金属粒子としては、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金属材料を用いて形成することが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
また、金属粒子の割合（含有率）については、抵抗材料１１ａにおいて電流経路を確保する観点から、抵抗材料１１ａを構成する金属粒子、絶縁粒子及び添加剤の混合物基準で金属粒子の含有率を３０ｖｏｌ％以上に設定することが好ましい。また、抵抗材料１１ａの比抵抗を金属粒子単体の比抵抗よりも高める観点から、混合物基準で金属粒子の含有率を８０ｖｏｌ％以下に設定することが好ましい。
【００２７】
＜絶縁粒子＞
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。
【００２８】
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。
【００２９】
＜添加剤＞
抵抗材料１１ａには、抵抗材料１１ａの比抵抗を増大させるとともに抵抗材料１１ａの抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）を下げるための調整剤が添加されている。ＴＣＲとは、抵抗材料１１ａの温度変化による抵抗値変化の割合を表す指標である。シャント抵抗器においては、ＴＣＲの絶対値が大きくなるにつれて電流の検出誤差が大きくなる傾向がある。
【００３０】
抵抗材料１１ａの添加剤としては、絶縁性を有し、かつ分散性及び化学的な安定性に優れた酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられる。酸化チタンを用いることによって、抵抗材料１１ａの抵抗特性のバラツキ及び再現性の低下が抑制される。この理由について発明者らは、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金属粒子に対し、酸化チタンは反応を起こしにくい性質を有していることから、金属粒子同士が接触した金属体において酸化チタンが分散されやすいと推測している。
【００３１】
また、酸化チタンについては、自身の温度が常温から上昇するにつれて自身の抵抗値が減少する性質を有している。それゆえ、抵抗材料１１ａに酸化チタンが分散されることで、抵抗材料１１ａ全体のＴＣＲが低下する。
【００３２】
抵抗材料１１ａのＴＣＲを効果的に下げるには、絶縁粒子の体積比（占有率）が金属粒子の体積比よりも大きな抵抗材料に酸化チタンを添加することが好ましい。このような抵抗材料において一定量の酸化チタンが添加されると、金属粒子に対する酸化チタンの体積比が高くなるので、抵抗材料１１ａのＴＣＲを下げやすくなる。これにより、抵抗材料１１ａの抵抗特性の安定性が向上する。
【００３３】
このように、酸化チタンを抵抗材料１１ａに分散させることによって、抵抗特性の再現性を確保しつつ抵抗材料１１ａのＴＣＲを−２００ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下の範囲内に調整することが可能となる。ここで、ＴＣＲの範囲について下限値の絶対値が上限値に比べて大きくしている理由は、抵抗体１１に積層される電極２１及び電極２２によって抵抗器１全体のＴＣＲが上昇してしまうからである。そのため、上昇分を考慮してＴＣＲの下限値が下げられている。
【００３４】
抵抗材料１１ａに対する酸化チタンの割合については、抵抗材料１１ａの抵抗特性のバラツキ及び再現性の観点から、混合物基準で酸化チタンの含有率を３ｖｏｌ％以下に設定することが好ましい。また、秤量調整における粉末の取扱いの操作性の観点から酸化チタンの含有率を０．５ｖｏｌ％以上に設定することが好ましい。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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により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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
抵抗材料１１ａの製造方法は、抵抗材料１１ａの金属粒子を形成するための金属粉末と、抵抗材料１１ａの絶縁粒子を形成するための絶縁粉末と、添加剤としての酸化チタンの粉末とを混合する混合工程を有する。さらに、この製造方法は、混合工程での混合によって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を加圧しながら焼結する焼結工程を有する。
【００４５】
混合工程においては、融点が絶縁粉末の融点よりも低い金属粉末が用いられ、金属粉末の粒径が絶縁粉末の粒径に対して同等又は小さくなるように造粒することが好ましい。
【００４６】
この場合、造粒後において金属粉末の平均粒径が０．５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内に収まるよう、また絶縁粉末の平均粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内に収まるよう造粒することが好ましい。なお、造粒後の金属粉末につい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ことが好ましい。
【００４７】
さらに、酸化チタンの粉末については平均粒径が金属体粉末の平均粒径（０．５μｍ〜２０μｍ）以下である粒子を用いることができる。抵抗材料１１ａへの分散性を確保しつつ抵抗特性のバラツキを抑制する観点から、酸化チタンの粉末としては造粒後において平均粒径が０．０１μｍ（１０ｎｍ）以上０．５μｍ以下（５００ｎｍ）の範囲内にある粒子を用いることが好ましい。
【００４８】
焼結工程においては、例えば、混合粉の容器を減圧することによって混合粉をプレスする。混合粉をプレスする圧力（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、抵抗材料１１ａにおいて電流が流れる電流経路を確保しやすくなるという傾向がある。
【００４９】
このため、焼結工程においてはプレス圧を高めに設定することが好ましい。また、所定の温度（焼結温度）は、金属粉末の融点よりも低い温度であり、金属粉末の融点よりも１５％程度低い温度に設定することが好ましい。
【００５０】
上述の混合工程及び焼結工程を行うことにより、抵抗材料１１ａを好適に製造することができる。酸化チタンの粉末の結晶構造は、特に限定されるものではなく、ルチル型、アナターゼ型、又はブルッカイト型（斜方晶）であってもよい。なお、いずれの結晶構造を有する酸化チタンを用いたとしても、焼結後における酸化チタンの結晶構造はルチル型となる。
【００５１】
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。
【００５２】
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、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金属粒子と、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絶縁粒子と、酸化チタンと、を含む。
【００５３】
上述のニクロム、銅マンガン及び銅ニッケルは、電流の検出に用いられる合金であり、自身の温度変化による抵抗値の変化が比較的小さい。したがって、これらの合金を抵抗材料１１ａに用いることにより、電流の検出に必要となる抵抗値を確保しやすくなるとともにＴＣＲの上昇を抑えることができる。
【００５４】
また、上述のアルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素及びジルコニアは、セラミックス材料であり、熱膨張係数が低いため基板材料として用いられている。このため、これらを絶縁粒子として用いることによって、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、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。
【００５５】
さらに、上述の酸化チタンは、金属粒子よりも融点が高いため、金属粒子と反応を起こしにくいことから、抵抗材料１１ａに酸化チタンを分散させることができる。それゆえ、抵抗材料１１ａの抵抗特性のバラツキを抑制することができる。
【００５６】
このように、抵抗材料１１ａにおいて絶縁性を有する酸化チタンを分散させることによって、抵抗材料１１ａの比抵抗が増大するとともに抵抗材料１１ａの抵抗特性のバラツキを抑えることができる。さらに酸化チタンは、温度上昇に伴って電流が流れやすくなる性質を有していることから、抵抗材料１１ａ全体のＴＣＲを下げることもできる。
【００５７】
したがって、上述のように抵抗材料１１ａを構成することにより、抵抗材料１１ａの比抵抗を増大させるとともに抵抗材料１１ａの抵抗値の変動を制御可能にすることができる。
【００５８】
また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａについて発明者らは、金属粒子同士が接触した金属体によって絶縁粒子が囲まれるとともに少なくとも金属体に酸化チタンが分散している構造を有していると推測している。
【００５９】
さらに発明者らは、絶縁粒子が金属体で取り囲まれているので、金属体が絶縁粒子を囲むように三次元網目状に形成されていると推測している。そのため、抵抗材料１１ａにおいて電流通路が確保されて抵抗特性のバラツキが抑えられ、また温度変化や高電圧の印加などに起因する電流経路の遮断が起こり難くなって抵抗材料１１ａの抵抗特性が安定しやすくなったと考えている。
【００６０】
これに加え、抵抗材料１１ａの電流経路となる金属体においても、絶縁性を有する酸化チタンが分散されるので、抵抗材料１１ａの比抵抗を増大させつつ抵抗特性のバラツキを抑えることができる。また、抵抗材料１１ａの金属粒子は温度上昇に伴う抵抗値の上昇量が絶縁粒子に比べて大きいため、温度上昇に伴い抵抗値が減少する酸化チタンが金属体に分散されることで、抵抗材料１１ａのＴＣＲを確実に下げることができる。
【００６１】
したがって、酸化チタンを用いることで、温度変化に伴い抵抗値が変動する金属体に酸化チタンが分散されることになるので、抵抗材料１１ａにおいて効果的にＴＣＲを下げつつ比抵抗を上げることができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、絶縁粒子の体積比が金属粒子の体積比以上である抵抗材料１１ａを用いることが好ましい。これにより、抵抗材料１１ａにおける金属粒子に対する酸化チタンの割合が大きくなるので、より効果的に、抵抗材料１１ａのＴＣＲ及び比抵抗を制御することが可能となる。例えば、微量の酸化チタンであっても抵抗材料１１ａのＴＣＲ及び比抵抗を確保することができれば、酸化チタンの添加量を節約することも可能となる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａに対する酸化チタンの割合（含有率）を混合物基準で３ｖｏｌ％以下に設定することが好ましい。これにより、抵抗材料１１ａのＴＣＲ及び比抵抗のバラツキを抑制することができる。
【００６４】
また、本実施形態によれば、絶縁粒子、金属粒子及び酸化チタンの粒子を用いて抵抗材料１１ａを構成することにより、抵抗材料１１ａのＴＣＲを−２００ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下の範囲内に制御することが可能となる。これにより、抵抗材料１１ａの温度変化に伴う抵抗値の変動が抑えられるので、抵抗材料１１ａからなる抵抗器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できる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、抵抗材料１１ａは、絶縁粒子と金属粒子と酸化チタンとの焼結体によって構成される。焼結体は、金属粉末と絶縁粉末と酸化チタン粉末とを混合して焼結されるものであるため、抵抗材料１１ａの絶縁粒子及び金属粒子の中において酸化チタンを分散させることができる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、抵抗器１は、上述の抵抗材料１１ａからなる抵抗体１１と、抵抗体１１を挟む二つの電極２１，２２と、を有する。これにより、酸化チタンが分散されている抵抗材料１１ａからなる抵抗体１１を用いるので、比抵抗が大きく、かつ抵抗特性が安定した抵抗器１を提供することができる。
【００６７】
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、絶縁性を有する絶縁粉末と導電性を有する金属粉末と酸化チタンの粉末とが混合され、その混合粉が金属粉末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が加圧されながら焼結される。これにより、絶縁粒子を囲む三次元網目状の金属体において酸化チタンが分散した抵抗材料１１ａを製造することができる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、混合粉に含まれる酸化チタンについては平均粒径が金属粉末の平均粒径以下である粉末が用いられる。これにより、抵抗材料１１ａの金属粒子よりも酸化チタンを分散させることができる。
【００６９】
特に平均粒径が１０ｎｍ以上である酸化チタンの粉末を用いることが好ましい。これにより、抵抗材料１１ａのＴＣＲ及び比抵抗のバラツキを抑制することができる。
【００７０】
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。
【００７１】
例えば、上記実施形態では抵抗器１における電極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。
【００７２】
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。
【実施例】
【００７３】
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としての抵抗特性及び構造の評価を行った。以下、供試体の作製方法及びその評価について説明する。
【００７４】
［抵抗特性評価用の供試体の作製］
＜実施例１〜３＞
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。
【００７５】
また、抵抗材料１１ａを作成するための酸化チタンの粉末として、粒径２０ｎｍの粉末［Ａｅｒｏｘｉｄｅ（登録商標）  Ｔｉ０２  Ｐ２５：日本アエロジル株式会社製］と、粒径１８０ｎｍの粉末［ＪＡ−１：テイカ株式会社製］とを用いた。
【００７６】
（混合・造粒）
まず、上述した絶縁粉、金属粉、酸化チタンの粉末を第１表の混合割合で秤量し、乳鉢と乳棒とを用いて、各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。
【００７７】
造粒した混合粉（混合物）の各粒子の平均粒径は下記のとおりである。
・アルミナ粉末    ：  平均粒径２．２μｍ
・ニクロム粉末    ：  平均粒径２．０μｍ
・酸化チタン粉末  ：  平均粒径０．０２μｍ（２０ｎｍ）
【００７８】
（加圧・焼結）
次に、造粒した混合粉を直径１０ｍφのカーボン製ダイスに入れ、そのカーボン製ダイスをホットプレス機（多目的高温炉ハイマルチ５０００：富士電波工業株式会社製）に収容する。そしてホットプレス機において、カーボン製ダイス内の混合粉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を加圧しながら焼結した。得られた直径１０ｍｍ、厚さ１．８ｍｍの円板状の焼結体を供試体とした。
【００７９】
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  ：  ０．８ｋＮ〜３．９ｋＮ
・焼結温度  ：  ９００℃〜１３００℃
・保持時間  ：  ５分〜２０分
【００８０】
平均粒径２０ｎｍの酸化チタン粉末を用いるとともに、アルミナ粉末とニクロム粉末との割合を１：１の関係に維持した状態で酸化チタン粉末の添加量を変更することによって、実施例１〜３の供試体Ｔ１〜Ｔ３を作製した。
【００８１】
＜実施例４〜６＞
酸化チタンについては平均粒径２０ｎｍの粉末に代えて平均粒径１８０ｎｍの粉末を用い、その他の条件は実施例１〜３と同じ作製条件とした。このような条件において、アルミナ粉末とニクロム粉末との割合を１：１の関係に維持した状態で、平均粒径が１８０ｎｍである酸化チタン粉末の添加量を変更することによって、実施例４〜６の供試体Ｔ４〜Ｔ６を作製した。
【００８２】
＜比較例１＞
酸化チタンを添加することなく、アルミナ粉末とニクロム粉末との割合を１：１に調整した供試体Ｔ１０を用意した。
【００８３】
［構造評価用の供試体の作製］
＜実施例７＞
抵抗特性評価用の供試体として作製した実施例１の供試体Ｔ１を用いた。
【００８４】
＜比較例２＞
酸化チタンに代えて酸化スズを５ｖｏｌ％だけ添加した供試体Ｔ１１を用意した。
【００８５】
［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。
【００８６】
＜抵抗特性＞
・比抵抗の算出
供試体の温度が基準温度２５℃であるときの供試体の抵抗値Ｒａを測定し、この抵抗値Ｒａに基づいて、次式（１）のように比抵抗を算出した。
【００８７】
比抵抗（μΩ・ｃｍ）＝Ｒａ（Ω）×Ｓ（ｃｍ2）／Ｔｈ（ｃｍ）      ・・・（１）
ここで、面積Ｓは０．２５π（ｃｍ2）であり、厚みＴｈは０．１８（ｃｍ）である。
【００８８】
・ＴＣＲ（抵抗温度係数）の測定
供試体の温度が試験温度１００℃に達したときの供試体の抵抗値Ｒを測定し、この抵抗値Ｒと、上述の基準温度２５℃における抵抗値Ｒａとに基づいて、次式（２）のようにＴＣＲを算出した。
【００８９】
ＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）＝（Ｒ−Ｒａ）／Ｒａ÷（Ｔ−Ｔａ）×１０6  ・・・（２）
ここで、基準温度Ｔａは２５℃であり、試験温度Ｔは１００℃である。なお、試験温度Ｔは、抵抗器が定常状態に達したときに想定される抵抗器の温度である。
【００９０】
＜構造＞
走査電子顕微鏡（ＮＢ−５０００：株式会社日立ハイテクノロジーズ製）及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（検出部Ｘｆｌａｓｈ４０１０／制御ユニットＳＥＶＩＩＩ：ＢＲＵＫＥＲ製）を用いて、供試体Ｔ１，Ｔ１１の断面を元素マッピングにより撮像した。
【００９１】
[評価結果]
供試体についての評価結果を以下に説明する。
【００９２】
＜構造＞
図４は、実施例７として、アルミナ粉末とニクロム粉末との割合を１：１にした状態で酸化チタンを１．１ｖｏｌ％だけ添加した供試体Ｔ１の断面を模式的に示した断面図である。この断面図は、供試体Ｔ１を構成するアルミナ、ニクロム及び酸化チタンをそれぞれ元素マッピングした画像を用いて作成されている。
【００９３】
図４に示すように、供試体Ｔ１は、絶縁粒子であるアルミナ粒子を含む島部と、金属体を構成するニクロム粒子からなる海部と、によって構成される海島構造を有している。なお、供試体Ｔ１をあらゆる方向から切ったとしても、図４と同様、海島構造になっていると考えられる。
【００９４】
すなわち、供試体Ｔ１には、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ニクロム体のネットワークが三次元網目状に形成されていると考えられる。
【００９５】
そして、ニクロム粒子が結合したニクロム体及びアルミナ粒子において、酸化チタン粒子がばらばらに散らばっている。すなわち、絶縁粒子及び金属体において酸化チタンが分散されている。金属体については、ニクロムに代えて銅マンガン及び銅ニッケルを用いたとしても、ニクロムと同様、酸化チタンと反応することなく、酸化チタンが分散すると考えられる。また、絶縁粒子についても、アルミナ粒子に代えて窒化アルミ、窒化ケイ素及びジルコニアを用いたとしても、アルミナ粒子と同様、酸化チタンは分散すると考えられる。
【００９６】
なお、酸化チタン粒子は、アルミナ粒子の表面に付着しやすい性質を有していると考えられる。そのため、図４に示すように、酸化チタン粒子がアルミナ粒子の表面の少なくとも一部を取り囲むように分散しているようにみえる。
【００９７】
図５は、比較例２として、酸化チタンの代わりに酸化スズを添加した供試体Ｔ１１の断面を模式的に示した断面図である。この断面図は、供試体Ｔ１１を構成するアルミナ、ニッケル、クロム及びスズをそれぞれ元素マッピングした画像を用いて作成されている。
【００９８】
図５に示すように、還元によって酸化スズから酸素が離脱したスズと、ニクロムからクロムが離脱したニッケルと、が反応を起こしてニッケル−スズ合金が形成され、ニクロムから離脱したクロム単体がニッケル−スズ合金の周りに形成されている。このように、酸化チタンに代えて酸化スズが添加されると、酸化スズが金属粒子と反応を起こしてしまうため、酸化スズが分散されなくなってしまう。
【００９９】
したがって、図４に示したように、化学的安定性に優れている酸化チタンを添加剤として用いることによって、金属粒子と酸化チタン粒子とが反応を起こすことなく、絶縁粒子及び金属体において酸化チタン粒子が分散されることがわかった。
【０１００】
＜抵抗特性＞
供試体の抵抗特性を第１表及び第２表に示す。
【０１０１】
【表１】
2020170817.tif 000003
【０１０２】
【表２】
2020170817.tif 000004
【０１０３】
まず、第１表について説明する。第１表には、平均粒径２０ｎｍの酸化チタン粉末を用いて作製した供試体Ｔ１乃至Ｔ３の抵抗特性と、比較例１として酸化チタン粉末が添加されていない供試体Ｔ１０の抵抗特性が示されている。
【０１０４】
第１表に示す結果によれば、ＴＣＲについては、酸化チタンの添加量（含有量）が１．１ｖｏｌ％である供試体Ｔ１のＴＣＲは、供試体Ｔ１０のＴＣＲから「２５」低下して「０」になった。酸化チタンの添加量が３ｖｏｌ％である供試体Ｔ２のＴＣＲは、供試体１０のＴＣＲから「２２５」低下して「−２００」になった。
【０１０５】
このように、酸化チタンの添加量が増加するにつれてＴＣＲが低下する傾向があることがわかった。この理由については、酸化チタンは温度上昇により抵抗値が下がる特性を有しているため、供試体Ｔ１〜Ｔ３に占める酸化チタンの割合が大きくなるにつれて、酸化チタンの上記特性が供試体Ｔ１〜Ｔ３のＴＣＲに寄与する度合いが強くなったと推測される。
【０１０６】
ＴＣＲの低下量については、図４に示したように酸化チタン粒子はアルミナ粒子及びニクロム体に分散する傾向を有していることから、アルミナ粉末及びニクロム粉末の割合を１：１から仮に７：３に変更したとしても、ＴＣＲの低下量は、第１表に示す結果と同じような傾向を示すと考えられる。
【０１０７】
このように、酸化チタンの添加量を変更することによって、ＴＣＲを−２００ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下の設計範囲内に制御可能となり、かつ、電流の検出精度を確保する観点から、一対の電極を有する抵抗器のＴＣＲを所望の設計範囲内に収めることができる。
【０１０８】
一方、酸化チタンの添加量が増加するにつれてＴＣＲのバラツキが大きくなる傾向があり、酸化チタンの添加量が５ｖｏｌ％であるときにはＴＣＲのバラツキが大きくなり過ぎることがわかった。
【０１０９】
この理由は、酸化チタンの添加量が増加するほど、三次元網目状のニクロム体において電流経路が酸化チタン粒子によって遮断される箇所の割合が変動しやすくなると推測される。したがって、ＴＣＲのバラツキを抑えるためには、酸化チタンの添加量を３％ｖｏｌ以下にすることが好ましい。
【０１１０】
また、第１表に示す結果によれば、比抵抗については、酸化チタンの添加量が１．１ｖｏｌ％である供試体Ｔ１の比抵抗は、供試体Ｔ１０の比抵抗から「３４０」上昇して「１，０５０」になった。さらに酸化チタンの添加量を３ｖｏｌ％に増やした供試体Ｔ２の比抵抗は、供試体Ｔ１０の比抵抗から「１，５９０」上昇して「２，３００」になった。この抵抗比の数値は、酸化チタンを添加せずにアルミナ粉末とニクロム粉末との割合を６：４の割合にした抵抗材料の抵抗比とほぼ同等である。
【０１１１】
このように、酸化チタンの添加量が増加するにつれて比抵抗が上昇する傾向があることがわかった。この理由は、金属体に比べて比抵抗が高い酸化チタンの添加量を増やすほど、ニクロム体の内部に分散される酸化チタン粒子の個数が増加するため、ニクロム体に電流が流れにくくなり、比抵抗が増大すると推測される。
【０１１２】
比抵抗の上昇量については、アルミナ粉末の体積比をニクロム粉末の体積比よりも大きくすることによって、抵抗材料１１ａに占めるニクロム体の割合が小さくなるので、第１表に示す結果よりも比抵抗の上昇量が大きくなると考えられる。
【０１１３】
また、ＴＣＲのバラツキと同様、酸化チタンの添加量が増加するにつれて比抵抗のバラツキは大きくなる傾向があり、酸化チタンの添加量が５ｖｏｌ％である供試体Ｔ３については比抵抗のバラツキが大きくなり過ぎることがわかった。
【０１１４】
次に、第２表に示された結果について説明する。第２表には、第１表とは異なり、平均粒径１８０ｎｍの酸化チタン粉末を用いて作製した供試体Ｔ４〜Ｔ６の抵抗特性が示されている。
【０１１５】
第２表に示す結果によれば、ＴＣＲについては、第１表と同じように、酸化チタンの添加量が増加するにつれてＴＣＲが低下する傾向は維持されるものの、ＴＣＲの低下量は、第１表に比べて小さくなることがわかった。この理由は、酸化チタン粒子の平均粒径を２０ｎｍから１８０ｎｍに大きくしたことにより、酸化チタンの分散性が悪くなり、酸化チタンの特性の寄与度が小さくなったと推測される。
【０１１６】
また、酸化チタンの添加量が増加するにつれてＴＣＲのバラツキが大きくなる傾向はあるものの、第１表に比べてＴＣＲのバラツキ自体は小さくなることがわかった。この理由は、酸化チタンの分散性が悪くなることで、酸化チタン粒子によってニクロム体の電流経路が遮断される箇所が少なくなると推測される。
【０１１７】
また、第２表に示す結果によれば、比抵抗については、第１表と同じように、酸化チタンの添加量が増加するにつれて比抵抗が上昇する傾向はあるものの、比抵抗の上昇量は、第１表に比べて小さくなることがわかった。また、酸化チタンの添加量が増加するにつれて比抵抗のバラツキが大きくなる傾向はあるものの、第１表に比べて比抵抗のバラツキ自体が小さくなることがわかった。
【０１１８】
このように、酸化チタン粉末の平均粒径を２０ｎｍから１８０ｎｍまで大きくしても、比抵抗を増大させるとともにＴＣＲを下げることができる。これに加え、ＴＣＲの低下量及び比抵抗の上昇量は小さくなるものの、ＴＣＲ及び比抵抗の双方のバラツキを小さくすることができる。
【０１１９】
なお、第２表に示した実施例では平均粒径１８０ｎｍの酸化チタン粉末を用いたが、酸化チタン粉末の平均粒径がニクロム粉末の平均粒径以下であれば、酸化チタンの分散性が確保されると考えられる。
【０１２０】
したがって、酸化チタン粉末の平均粒径を金属粉末の平均粒径以下にすることにより、バラツキを抑制しつつ抵抗材料１１ａにおいて比抵抗を増大させるとともにＴＣＲを下げることができる。なお、酸化チタン粉末の平均粒径が金属粉末の平均粒径に近づくにつれてＴＣＲの低下量及び比抵抗の上昇量は小さくなると考えられる。
【０１２１】
また、第１表に示した実施例１〜３では平均粒径２０ｎｍの酸化チタン粉末を用いたが、仮に平均粒径１０ｎｍの酸化チタン粉末を使用したとしても、酸化チタンの分散性に与える影響は軽微であり、第１表に示した結果と同様の結果を示すと考えられる。
【０１２２】
したがって、酸化チタン粉末の平均粒径を１０ｎｍ以上にすることにより、必要以上に小さな粒径の酸化チタン粉末を用意しなくて済むため、製造コストを低減しつつ抵抗材料１１ａにおいて比抵抗を増大させるとともにＴＣＲを下げることができる。
【０１２３】
以上の結果から、抵抗材料１１ａを絶縁粒子、金属粒子及び酸化チタン粒子を用いて構成することにより、抵抗材料１１ａについて比抵抗を増大させつつＴＣＲを下げて安定した抵抗特性が得られることがわかった。
【０１２４】
上記実施例１〜６においては、金属粒子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合金であっても、同様の製造方法により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は、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。
【０１２５】
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セラミックス粉末を用いたとしても、同様の抵抗特性が得られると考えられる。
【０１２６】
また、上記実施例１〜６においては、抵抗材料１１ａとして、ニクロム粉末、アルミナ粉末、及び酸化チタン粉末のみを用いて供試体Ｔ１乃至Ｔ４を形成したが、抵抗特性を改善するための調整剤を添加してもよい。また、上記実施例１〜６においては、金属粒子をマトリックス材料としたが、絶縁粒子をマトリックス材料としてもよい。
【符号の説明】
【０１２７】
１    抵抗器
１１    抵抗体
１１ａ  抵抗材料
２１、２２  電極
【図１Ａ】
2020170817.tif 000005
【図１Ｂ】
2020170817.tif 000006
【図２】
2020170817.tif 000007
【図３】
2020170817.tif 000008
【図４】
2020170817.tif 000009
【図５】
2020170817.tif 000010