Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Zur Strommessung dienende SMD-Widerstände werden durch Zerteilen eines gezogenen Schichtverbunddrahtes hergestellt, der aus einem Kern (2) aus einer Widerstandslegierung und einem Mantel beispielsweise aus Kupfer besteht. Nach Entfernen eines Teils des Kupfermantels bleiben nur an den Enden des Widerstands als Anschlussteile dienende Mantelstücke (4) zurück.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Widerstände. Es handelt sich um insbesondere zur Strommessung verwendete, auch für die Oberflächenmontage (SMD-Technik) geeignete niederohmige Bauelemente oder Shunts.

[0002] Präzisionsmesswiderstände dieser Art, die bei Bedarf hoch belastbar sein müssen, und deren Widerstandswerte typisch im Milliohmbereich beispielsweise zwischen 0,5 mΩ und 10 mΩ liegen können (aber in anderen Fällen aber auch höher oder noch kleiner sein können), bestehen aus einer der hierfür bekannten und bewährten Legierungen wie z. B. CuMnNi. Die Anschlussteile für die Oberflächenmontage des Widerstands bestehen aus Metall hoher Leitfähigkeit wie insbesondere Kupfer. Für die Herstellung bekannter Bauelemente dieser Art (vgl. beispielsweise EP 0 654 799 oder EP 0 841 668) war beträchtlicher Aufwand erforderlich.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Widerständen der betrachteten Art in großen Stückzahlen mit möglichst geringem Aufwand zu ermöglichen.

[0004] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

[0005] Die Anschlussteile des Widerstands bestehen also aus Mantelstücken, die durch verschweißtes Band- oder Rohrmaterial gebildet sein können und das in der Regel zylindrische Widerstandselement vorzugsweise über dessen gesamtem Umfang rohrförmig umschließen. Zweckmäßig besteht der Widerstand aus gezogenem Schichtverbunddraht, dessen Mantel zwischen den Anschlussteilen entfernt ist, so dass der Mantel nur noch aus den im Abstand voneinander angeordneten Anschlussteilen besteht.

[0006] Die hier beschriebenen Widerstände sind nicht nur sehr einfach aus z. B. kontinuierlich zugeführtem Schichtverbunddraht herstellbar, sondern auch mechanisch sehr stabil und elektrisch hoch belastbar. Außerdem kann bei ihrer Herstellung der gewünschte Widerstandswert besonders einfach in einem großen Bereich eingestellt werden, etwa durch Abdrehen der Widerstandselemente auf einen entsprechenden Durchmesser.

[0007] Die Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Schichtverbunddrahtes kann zweckmäßig in der für Schweißelektroden an sich bekannten Weise erfolgen (DE 197 12 817 C2, DE 198 10 342 A1). Hierbei wird zunächst ein metallisch blankgereinigtes Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kontinuierlich zu einem Rohr geformt und durch ein übliches Schweißverfahren wie WIG-, Plasma-, Induktions- oder Laserschweißen zu dem geschlossenen Rohr verschweißt. Vor dem Verschweißen wird in das noch nicht vollständig fertiggeformte Rohr kontinuierlich ein metallisch blanker Kern eingeführt, der aus einem kompakten Draht oder einem Schichtverbunddraht aus mehreren Metallen oder Legierungen bestehen kann. Der Kupfermantel kann geformt werden, indem ein Band entweder spiralförmig um den Kern gewickelt oder zu einem Rohr mit Längsnaht profiliert wird. Durch nachfolgendes gemeinsames Umformen, z. B. durch Ziehen oder Walzen, werden Mantel und Kern zu dem Schichtverbunddraht mechanisch plattiert. Anschließend kann der so hergestellte Verbunddraht auf erforderliche Endabmessungen in üblicher Weise gezogen werden.

[0008] Spätestens bei dem Ziehvorgang bildet sich schon ein mechanisch relativ stabiler Schichtverbundwerkstoff aus. Zur Schaffung einer noch festeren Verbindung kann aber durch Glühen des Schichtverbunddrahtes eine Diffusionsschicht zwischen der Widerstandslegierung und dem Anschlussmetall ausgebildet werden. Es ist auch denkbar, den Mantel oder die aus ihm gebildeten Anschlussteile mit dem umhüllten Kern zu verschweißen.

[0009] An den in der Zeichnung schematisch in stark vergrößerten Maßstab dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1

einen Längsschnitt durch den Widerstand des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2

eine seitliche Draufsicht auf den Widerstand gemäß Fig. 1;

Fig. 3

eine zweckmäßige Ausführungsform einer Kunststoffkappe für den Widerstand nach Fig. 1;

Fig. 4

ein zweites Ausführungsbeispiel; und

Fig. 5

einen Schnitt durch Fig. 4 längs der Ebene A-A.

[0010] Der in Fig. 1 dargestellte Widerstand enthält ein langgestrecktes Widerstandselement 1 der dargestellten abgestuften Stabform aus einer bekannten Widerstandslegierung wie CuNi, insbesondere CuMnNi, mit einem zylindrischen Mittelteil 2 zwischen zwei zylindrischen Endteilen 3 größeren Durchmessers. Länge und Durchmesser des Mittelteils sind gemäß dem gewünschten Widerstandswert bemessen. Die beiden Endteile 3 sind jeweils mit einem rohrförmigen Mantelstück 4 gleicher axialer Länge aus elektrisch gut leitendem Metall wie Kupfer umhüllt. Die Mantelstücke 4 sind mechanisch fest auf die Endteile 3 aufplattiert und können zur noch besseren gegenseitigen Verbindung auch an das Widerstandselement anlegiert sein, wie noch erläutert wird.

[0011] Zwischen den Mantelstücken 4 ist das Widerstandselement 1 von einem Isolierkörper 6 beispielsweise aus hitzebeständigem Kunststoffmaterial umschlossen, der mindestens eine ebene Außenfläche hat, mit der der Widerstand zur Oberflächenmontage, also als SMD-Bauelement auf eine Schaltungsplatte aufsetzbar ist. In Fig. 2 ist der Isolierkörper 6 schematisch als Kappe mit quadratischem Umfang erkennbar. Die ebene Außenfläche 7 des Isolierkörpers 6 erleichtert das Plazieren des Bauelements bei der Oberflächenmontage auf der Schaltungsplatte am vorgesehenen Anschlussort, da der Isolierkörper das Wegrollen des Widerstands verhindert. Es ist zweckmäßig, wenn die Außenfläche 7 darstellungsgemäß mit dem Umfang der Mantelstücke 4 fluchtet, doch sind auch andere Anordnungen möglich.

[0012] Eine zweckmäßige Ausführungsform einer als Isolierkörper 6 verwendbaren einstückigen Kappe 6' ist in Fig. 3 dargestellt. Sie hat eine der Form des Mittelteils 2 in Fig. 1 entsprechende zylindrische Ausnehmung 8, in die von der einen Außenfläche 7' ein Längsschlitz 9 hineinführt, der so breit bemessen ist, dass die Kappe 6' unter Aufspreizen auf das Mittelteil 2 aufgedrückt werden kann.

[0013] Praktisch realisierte Widerstände mit Werten im Milliohmbereich oder darunter können beispielsweise etwa 10 mm lang sein, wobei das zwischen den beispielsweise etwa 2 mm langen Kupfermantelstücken 4 befindliche Mittelteil 2 je nach gewünschtem Widerstandswert verschiedene Durchmesser von wenigen Millimetern haben kann. Sowohl die Längen als auch die Durchmesser können aber auch wesentlich größer oder kleiner sein.

[0014] Zur Herstellung des dargestellten Widerstands wird zunächst beispielsweise in einer in der DE 197 12 817 C2 beschriebenen Weise ein Schichtverbunddraht hergestellt, der aus einem Drahtkern aus der das spätere Widerstandselement 1 bildenden Legierung und einem später die Mantelstücke 4 bildenden geschweißten Kupfermantel besteht. Der Schichtverbunddraht wird in einer Ziehanlage auf einen gewünschten Durchmesser gezogen.

[0015] Anschließend wird der gezogene Schichtverbunddraht bei einer Temperatur geglüht, die mindestens so hoch ist wie die Rekristallisationstemperatur der Widerstandslegierung (bei einer bestimmten geeigneten CuMnNi-Legierung z. B. in der Größenordnung von 600 °C). Dadurch bildet sich in der Grenzschicht zwischen der Widerstandslegierung und dem Kupfermantel eine Diffusionsschicht aus. Durch das Diffusionsglühen werden die beiden Metalle legierungsähnlich miteinander verbunden.

[0016] Vor der anschließenden Weiterbearbeitung wird der Schichtverbunddraht erneut in einer Ziehmaschine auf einen kleinen Durchmesser gezogen. Dieser Ziehvorgang kann u. a. zur Härtung dienen, da Draht aus den als Beispiel genannten Metallen insbesondere zum Abdrehen zu weich sein kann.

[0017] Zur Ausbildung der eigentlichen Widerstände wird nun der Schichtverbunddraht, der dem Querschnitt durch die Endteile 3 mit den Mantelstücken 4 entspricht, in einzelne Stücke mit der Länge des Widerstands gemäß Fig. 1 zerteilt. Vor, bei oder nach dem Zerteilen muss der axial mittlere Teil des Mantels zwischen den Stücken 4 entfernt werden, so dass die zurückbleibenden Mantelstücke als elektrische Anschlüsse des Widerstands dienen können.

[0018] Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Entfernung des mittleren Mantelteils und zum Zerteilen ist Abdrehen und anschließendes Abstechen auf einem hierfür geeigneten handelsüblichen Drehautomaten. Der Schichtverbunddraht wird dieser Drehmaschine im kontinuierlichen Taktbetrieb zugeführt. In der Regel wird der Mittelteil 2 des Widerstandselements 1 auf einen dem gewünschten Widerstandswert entsprechenden Durchmesser abgedreht, der kleiner ist als der Durchmesser des Schichtverbunddrahtkerns und somit der Endteile 3, wie in Fig. 1 ersichtlich ist.

[0019] Zur Vollendung der als SMD-Bauelement verwendbaren Widerstände wird schließlich noch der Isolierkörper 6 aufgebracht. Beispielsweise wird die Kunststoffkappe 6' in Richtung der beiden Pfeile in Fig. 3 aus einer Lage parallel zur Achse des Widerstandselements 1 auf das Mittelteil 2 aufgeklemmt, was ebenfalls automatisch erfolgen kann.

[0020] Der fertige Widerstand wird vor oder nach dem Aufbringen des Isolierkörpers 6 erneut geglüht (oder gealtert), um ihn in der bei Widerstandsdraht an sich üblichen Weise elektrisch zu stabilisieren.

[0021] Anhand von Fig. 4 und Fig. 5 wird eine andere Möglichkeit der Herstellung von Widerständen der betrachteten Gattung aus dem Schichtverbunddraht erläutert. Hierbei wird der in der oben beschriebenen Weise hergestellte und vorzugsweise geglühte Schichtverbunddraht nicht in die langgestreckten Stücke gemäß Fig. 1 zerteilt, sondern in einzelne flache Scheiben. Diese Scheiben bestehen aus dem zentralen Widerstandselement 10 und den beiden Mantelstücken 14 beispielsweise aus Kupfer gemäß Fig. 4, wobei zur Ausbildung des eigentlichen Widerstands die ursprünglich zwischen den Mantelstücken 14 befindlichen, einander am Scheibenumfang gegenüberliegenden Teile 14' des ringförmigen Kupfermantels zusammen mit den benachbarten Teilbereichen 10' des Widerstandskerns entfernt worden sind.

[0022] Es ist beispielsweise möglich, zunächst den Schichtverbunddraht in Scheiben mit der in Fig. 4 gestrichelt angedeuteten kreisrunden Form zu zerteilen und danach die Bereiche 10' und 14' in einer geeigneten an sich bekannten Weise (z. B. durch Stanzen) zu entfernen. Denkbar ist aber auch der umgekehrte Weg.

[0023] Die sich ergebenden Widerstände der aus Fig. 5 ersichtlichen flachen Form können ohne weiteres und insbesondere ohne die Kunststoffkappe des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 als SMD-Bauelement verwendet werden.

Ansprüche

1. Elektrischer Widerstand insbesondere zur Strommessung mit einem aus einer metallischen Widerstandslegierung bestehenden Widerstandselement (1) und mit zwei im Abstand voneinander an entgegengesetzten Enden (3) des Widerstandselements angeordneten Anschlussteilen aus einem Metall, dessen elektrische Leitfähigkeit höher ist als die der Widerstandslegierung,
dadurch gekennzeichnet, dass als Anschlussteile den Umfang des Widerstandselements (1) rohrförmig umschließende Mantelstücke (4) vorgesehen sind, die durch verschweißtes Band- oder Rohrmaterial gebildet sind.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus gezogenem Schichtverbunddraht besteht, dessen Mantel zwischen den Anschlussteilen (4) entfernt ist.

3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (1) zwischen den Mantelstücken (4) von einem Isolierkörper (6) umschlossen ist, der mindestens eine ebene Außenfläche (7) hat, mit der der Widerstand zur Oberflächenmontage auf eine Schaltungsunterlage aufsetzbar ist.

4. Verfahren zum Herstellen elektrischer Widerstände unter Verwendung von Drahtmaterial aus einer metallischen Widerstandslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein aus der Widerstandslegierung bestehender Drahtkern mit einem Mantel aus Metall mit im Vergleich mit der Widerstandslegierung höherer elektrischer Leitfähigkeit umhüllt wird;

- der aus dem Drahtkern und seinem Mantel gebildete Schichtverbunddraht auf einen kleineren Durchmesser gezogen wird; und

- der gezogene Schichtverbunddraht in die einzelnen Widerstände bildende Stücke zerteilt wird; wobei

- bei jedem einzelnen Widerstand ein axial mittlerer Teil des Mantels entfernt wird, so dass nur an den Enden (3) des Widerstands im Abstand voneinander als Anschlussteile dienende Mantelstücke (4) zurückbleiben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Mantelteil durch Abdrehen entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mittleren Mantelteil auch ein Teil des darunter liegenden Widerstandsmaterials bis auf einen gewünschten Durchmesser entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zwischen den Mantelstücken (4) liegenden Teil (2) des Widerstandselements (1) ein Körper (6) aus Isolierwerkstoff aufgebracht wird, der mindestens eine ebene Außenfläche (7) hat.

8. Verfahren zum Herstellen elektrischer Widerstände unter Verwendung von Drahtmaterial aus einer metallischen Widerstandslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein aus der Widerstandslegierung bestehender Drahtkern mit einem Mantel aus Metall mit im Vergleich mit der Widerstandslegierung höherer elektrischer Leitfähigkeit umhüllt wird;

- der aus dem Drahtkern und seinem Mantel gebildete Schichtverbunddraht auf einen kleineren Durchmesser gezogen wird; und

- der gezogene Schichtverbunddraht in die einzelnen Widerstände bildende Scheiben zerteilt wird; wobei

- bei jedem einzelnen Widerstand einander am Scheibenumfang gegenüberliegende Teile (14') des Mantels zusammen mit einem jeweils angrenzenden Teil (10') der Widerstandslegierung entfernt werden, so dass nur an den beiden Enden des verbleibenden Widerstandselements (10) als Anschlussteile dienende Mantelstücke (14) zurückbleiben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel zu einem geschlossen Rohr verschweißt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gezogene Schichtverbunddraht zur Diffusionsverbindung des Metalls der Anschlussteile mit dem Legierungsmetall geglüht wird.

11. Verwendung eines Widerstands nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Strommessung.

12. Verwendung eines Widerstands nach einem der vorangehenden Ansprüche als SMD-Bauelement.

Zeichnung