JP2014053437A - 電流検出用抵抗器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、高周波電流による表皮効果の影響を抑制した電流検出用抵抗器を提供する。
【解決手段】抵抗体１１と少なくとも一対の電極１２とを備えた電流検出用抵抗器であって、電極間において抵抗体１１は径が４ｍｍ以下の柱状に構成されている。電極１２のそれぞれは、電極配置方向に長く、抵抗体を挟んだ電極間距離の２倍よりも長い。また、電極１２のそれぞれは角柱状であり、電極の断面における略中心に抵抗体が固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は電流検出用抵抗器に係り、特に高周波電流の検出に適した電流検出用抵抗器に関する。

電子機器における電源管理、特に直流電力の測定のために電流検出用抵抗器が使用されている。電流検出用抵抗器は、電流検出精度に優れ、温度ドリフトが小さく、大電流が印加されても過剰な発熱をせず、特に低い抵抗値が要求される分野において利用されており、例えば板状の形状からなる電流検出用抵抗器が提案されている（特許文献１参照）。

また、近年、電子機器においては、省エネルギー化や高効率化のために、インバーター等を用いた複雑な電力制御が行われており、電源マネジメント等において高周波電流の高精度の検出が望まれている。特許文献１の板状の抵抗器を高周波電流の検出に用いた場合、比較的低い周波数の段階から表皮効果が現れるため、正確な電流の検出には不向きである。つまり、表皮効果によって抵抗体に電流分布が生じ、電流が流れる実効面積が減少することにより抵抗値が変動する。このため、高周波を含む電流については、上記文献に示された抵抗器では正確な電流検出が困難となる。

一方、高周波電流の測定は一般にホールセンサ等が用いられている。しかしながら、機器の小型化が望まれており、ホールセンサ等による電流検出では機器の小型化の要求に十分に応えられないという問題がある。

特開２００２−５７００９号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、小型で、高周波電流による表皮効果の影響を抑制した電流検出用抵抗器を提供することを目的とする。

本発明の電流検出用抵抗器は、抵抗体と少なくとも一対の電極とを備えた電流検出用抵抗器であって、電極間において抵抗体は径が４ｍｍ以下の柱状に構成されたことを特徴とする。電極のそれぞれは、電極配置方向に長く、抵抗体を挟んだ電極間距離の２倍よりも長い。また、電極のそれぞれは角柱状であり、電極の断面における略中心に抵抗体が固定されている。

本発明によれば、抵抗体を細い径にすることによって、高周波電流を検出する場合の表皮効果による抵抗値変動が抑制され、高周波を含む電流に対して高精度の電流検出が可能となる。そして、電極のそれぞれは角柱状であり、電極配置方向に長いので、面実装し易く、また、回路パターンとの実装面積を確保でき、放熱を高めることができる。

本発明の第１実施例の抵抗器の、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ｃ）のＡＡ線に沿った断面図であり、（ｃ）は平面（底面）図であり、（ｄ）は左右の側面図である。 本発明の第２実施例の抵抗器の断面図である。 本発明の第３実施例の抵抗器の、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明の第４実施例の抵抗器の、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は左右の側面図であり、（ｃ）は平面（底面）図であり、（ｄ）は（ｃ）のＢＢ線に沿った断面図であり、（ｅ）は正面（背面）図であり、（ｆ）は（ｅ）のＣＣ面の矢視断面図である。 本発明の第１実施例の電流検出用抵抗器の製造工程を示す斜視図である。 上記製造工程の変形例の斜視図である。 図６Ａにおける抵抗体の形成方法および溶接方法の変形例を示す図である。 本発明の第２実施例の抵抗器の製造工程を示す斜視図である。 上記製造工程の変形例の斜視図である。 本発明の第３実施例の抵抗器の製造工程を示す斜視図である。 上記製造工程の変形例の斜視図である。 本発明の第４実施例の抵抗器の製造工程を示す斜視図である。 本発明の抵抗器の実装例を示す斜視図である。 図１２における電圧検出端子の配置例を示す図である。 本発明の抵抗器の抵抗値についての周波数特性を示すグラフである。 本発明の抵抗器のインダクタンス変化率についての周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図１５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。

図１は本発明の第１実施例の抵抗器の構造を示す。この抵抗器は、抵抗体１１と少なくとも一対の電極１２を備える。抵抗体１１は、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金など、一般的に電流検出用抵抗器に用いられている抵抗合金材が利用可能である。電極１２は高導電率金属材であるＣｕなどが用いられる。

電極１２間において抵抗体１１は、径が４ｍｍ以下の円柱状に構成されている。抵抗体１１を細い径にすることによって、高周波電流を検出する場合の表皮効果による抵抗値変動が抑制され、高周波を含む電流に対して高精度の電流検出が可能となる。すなわち、直流電流の検出を基本とする電流検出用抵抗器において、ある程度迄の高周波電流に対して表皮効果による実効的な電流流路の減少を起こさず、直流電流と同様に高精度の電流検出が可能となる。なお、抵抗体は本願の線径であれば角柱状のものも採用し得るが、表皮効果を抑える上では円柱状とすることが好ましい。

図示するように、抵抗体１１と電極１２との接合部分に段差を有する。これにより、抵抗体１１が配置された側の電極１２の端面に電圧検出端子を固定できるため、実効的な抵抗値に基づいてより高精度な電流検出が可能となる。電極１２のそれぞれは角柱状であり、電極１２の断面における略中心に抵抗体１１が固定されている。角柱状の電極を採用することで、面実装し易く、また、実装時に上下の方向性がないので取り扱いに便利である。

電極１２のそれぞれは、電極配置方向に長く、抵抗体１１を挟んだ電極１２間の距離の２倍よりも長い。これにより、回路パターンとの実装面積を確保でき、放熱を高めることができる。抵抗体１１の径が小さいので、耐久性を確保する上で、抵抗体１１の放熱が重要となる。そして、電極１２は抵抗体１１の断面積よりも大きな断面積を有している。これにより、配線パターン、電極１２、抵抗体１１へと、電流経路が徐々に狭まる構成になるため、大電流を測定する場合でも抵抗体への過度な負荷集中を抑制することができる。

また、抵抗体１１の長さは抵抗体の径の１．５倍よりも小さい。すなわち、抵抗体の径を４ｍｍ以下と細くし、且つその長さを短くしている。これにより、高周波の大電流検出に適し、低い抵抗値であり、且つ小型化を実現できる。また、抵抗体１１の径が小さいので、あまり長くすると強度不足になるからである。

次に、抵抗器の抵抗値およびサイズの具体例について説明する。製品設計上、抵抗値は０．１ｍΩや０．２ｍΩに設定される。断面円形のＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系合金線を用い０．２ｍΩの抵抗値とする場合、直径φが１ｍｍに対して長さＮが０．３６ｍｍ、直径φが２ｍｍに対して長さＮが１．４２ｍｍ、直径φが３ｍｍに対して長さＮが３．２ｍｍとなる。つまり抵抗体の長さＮは直径φの１．５倍よりも短い長さにしている。

抵抗体の直径φが２ｍｍに対して長さＮが１．４２ｍｍの場合（抵抗値０．２ｍΩの場合）、電極１２の電極配置方向長さＭは５ｍｍとし、電極幅Ｐは３ｍｍとしている。これらのサイズを採用することで、良好な抵抗値の周波数特性、放熱性等をバランスよく実現できる。

図２は本発明の第２実施例の抵抗器を示す。第１実施例との相違点は、電極１２ａの抵抗体との当接面に凹部Ｑを備え、該凹部Ｑに抵抗体１１の端部を嵌め込んで固定したものである。これにより、抵抗体の位置決め作業が容易となり、且つ、抵抗体と電極との接合をより容易に形成することができる。

図３は本発明の第３実施例の抵抗器を示す。この実施例では、電極１２ｂがパイプ状になっていて、細長い抵抗体１１の両端部が電極１２ｂを貫通した構造になっている。この実施例でも、抵抗体１１の径を細くすることで、高周波電流が流れた時の表皮効果による抵抗値変動を抑制することができる。そして、抵抗体が電極１２ｂの内部を貫通した構造となっていることから、後述するようにスェージング加工の適用が可能であり、また、焼き嵌めによる方法も適用可能である。焼き嵌めとは、パイプ状の電極を加熱膨張させて穴を広げ、その穴に抵抗体を挿入してから冷却し、パイプ状の電極が収縮することで電極と抵抗体とを密着させ固定する方法である。

図４は本発明の第４実施例の抵抗器を示す。この実施例では、抵抗体が中央の円柱状抵抗体１１とその両端の扁平状抵抗体１１ａから構成されている。そして、扁平状抵抗体１１ａの上下両面に板状の電極１２ｃを備えている。従って、中央に細い径の円柱状の抵抗体とその両端に角柱状の電極を備えた構造は上記の各実施例と共通である。この例でも、角柱状の電極１２ｃを備えることから、面実装が容易、放熱性が向上する、等のメリットも上記の各実施例と同様である。

図５は上記第１実施例の抵抗器の製造方法を示す。まず、（ａ）に示すように、長尺の電極帯材２０ａ、抵抗帯材２０ｂ、電極帯材２０ａをクラッド接合した帯材２０を準備する。帯材２０は、個別に電極帯材２０ａ、抵抗帯材２０ｂ、電極帯材２０ａを準備し、レーザ溶接等により溶接することで形成してもよい。そして、帯材２０をプレス等により、抵抗器１個分に相当する角材２１に切断する。

次に、（ｂ）（ｃ）に示すように、切断した角材２１の両端部分を工具で把持し、これを回転させ、抵抗帯材２０ｂ部分に切削工具２２を押し当てることで、これを切削し、断面が円となる抵抗体１１を形成する。角材２１の電極帯材２０ａ部分は長尺状帯材２１の切断時に電極寸法に合わせておくことで、そのまま電極１２を形成することができる。なお、抵抗帯材２０ｂ部分の切削加工時に生じた金属加工歪みは２００乃至６００℃で熱処理することで、取り除くことができる。また、必要に応じて抵抗値調整を行う。

図６Ａは上記第１実施例の抵抗器の製造方法の変形例を示す。まず、（ａ）に示すように、長尺の断面矩形の電極帯材２３と、断面円形の抵抗線材２４を準備する。そして、プレス加工等により、上記帯材２３を電極１２のサイズに合わせて切り出し、電極チップ２３ｃを形成する。同様に、上記線材２４を抵抗体１１のサイズに合わせて切り出し、抵抗体チップ２３ｃを形成する。

次に、（ｂ）に示すように、２個の電極チップ２３ｃで１個の抵抗体チップ２４ｃを挟み込む。その際、電極チップ２３ｃと抵抗体チップ２４ｃの界面にろう材２５を介在させる。そして、ろう材に合わせて６００乃至９００℃に加熱することで、ろう材による接合を形成する。これにより、（ｃ）に示す本発明の第１実施例の抵抗器が完成する。なお、必要に応じて抵抗値調節を行う。

図６Ｂの（ａ）は、抵抗体チップ２４ｃの形成方法の変形例を示す。抵抗体１１の軸方向（電極配置方向）長さに相当する厚さの抵抗材シート２７を準備する。そして、プレスで打ち抜くことで、所要の径および軸方向長さの抵抗体チップ２４ｃを得ることができる。

図６Ｂの（ｃ）は、ろう材を用いた接合方法の変形例を示す。この例では、レーザビーム照射装置２８を用いて、抵抗体チップ２４ｃと電極チップ２３ｃとをレーザ溶接により固定する。なお、レーザ溶接に限らず、電子ビーム溶接等の各種溶接方法も採用可能である。

図７は上記第２実施例の抵抗器の製造方法を示す。（ａ）に示すように、電極帯材から形成した電極チップ２３ｃ（図６Ａ参照）の抵抗体接合部分に抵抗体チップ２４ｃが嵌合する凹部Ｑを形成する。そして、（ｂ）に示すように、凹部Ｑに抵抗体チップ２４ｃを嵌め込む。圧接により電極チップ２３ｃと抵抗体チップ２４ｃとを固定したり、レーザ溶接により固定したり、あらかじめ凹部Ｑ内にろう材を配置してろう接により固定してもよい。これにより、（ｃ）に示す本発明の第２実施例の抵抗器（図２参照）が完成する。

図８は上記第２実施例の抵抗器の製造方法の変形例を示す。この実施例は多数個取りの製造方法に関する。（ａ）に示すように、電極１２のその配置方向長さＭ（図１（ｃ）参照）の厚さを有する電極シート材３０を準備する。電極シート材３０には、凹部Ｑが規則的に形成されている。そして、下側の電極シート材３０の凹部Ｑに複数の抵抗体チップ２４ｃの一端を嵌合し、他端を上側の電極シート材３０の凹部Ｑに嵌合して圧接等により固定する。

そして、（ｂ）に示すように、電極シート材３０を抵抗体チップ２４ｃが中央に位置するように、且つ電極幅Ｐ（図１（ｄ）参照）となるように切断線Ｃに沿って切断する。これにより、本発明の第２実施例の抵抗器（図２参照）が形成される。

図９は上記第３実施例の抵抗器の製造方法を示す。まず、（ａ）に示すように、製作する抵抗器抵抗体の径を有する長尺の抵抗線材２４と、断面に半円状の凹部を備えた矩形状電極部材３１を準備する。ここで、半円状の凹部の径は抵抗線材２４の径と一致する。そして、（ｂ）に示すように、２個の電極部材３１の間に抵抗線材２４を挟み込む。そして、カシメ等により圧着することで、２個の電極部材３１同士、および電極部材３１と抵抗線材２４とを接合する。この際、加熱することで、接合を安定化することができる。

そして、２個の電極部材３１を１組として、長尺の抵抗線材２４を鋏み込んだ組を多数組形成する。ここで重要なのは組間の間隔Ｌである。この間隔Ｌにより、抵抗器の抵抗値が決定される。そして、（ｃ）に示すように、切断線Ｃに沿って切断する。これにより、（ｄ）に示すように、本発明の第３実施例の抵抗器（図３参照）が完成する。

図１０は上記第３実施例の抵抗器の製造方法の変形例を示す。まず、（ａ）に示すように、長尺の抵抗線材２４と、長尺のパイプ状の電極材３２を準備する。そして、（ｂ）に示すように、パイプ状の電極材３６の内部に抵抗線材２４ｂを通して外周から圧力を加えることで（いわゆるスェージング加工で）抵抗線材２４と電極材３２とを接合する。次に、切断線Ｃに沿って切断し、１個の抵抗器に対応した個片３２ｃに分離する。

そして、（ｃ）に示すように、切断した１個の抵抗器に対応した個片３２ｃの両端部分を工具で把持し、これを回転させ、個片３２ｃの中央部分に切削工具２２を押し当てることで、これを切削し、抵抗体層を露出させて断面が円となる抵抗体１１を形成する（（ｄ）参照）。さらに、（ｅ）に示すように、プレスまたは鍛造により電極の表面に平坦面を形成し、本発明の第３実施例の抵抗器（図３参照）が完成する。なお、電極部分を角形に加工してから、抵抗体を露出させる切削加工を行ってもよい。

さらに、（ｆ）に示すように、電極１２ｂを角柱状に鍛造する時に、電圧検出端子の取り出し位置となる凸部１３を形成するようにしてもよい。

図１１は上記第４実施例の抵抗器の製造方法を示す。まず、（ａ）に示すように、２層の電極材シート３３ａ間に抵抗材シート３３ｂを鋏み込んだ長尺のクラッド材３３を準備する。次に、（ｂ）に示すように、クラッド材３３の中央部で電極材シート３３ａを切削し、抵抗材シート３３ｂが露出する溝３４を形成する。これにより、クラッド材３３の電極材シート３３ａが中央部で左右に切断分離される。クラッド材３３の裏面側にも同様に溝３４を形成する。そして、プレス等で、１個の抵抗器に対応した個片３３ｃに切断分離する。

次に、（ｃ）に示すように、切断した１個の抵抗器に対応した個片３３ｃの両端部分を工具で把持し、これを回転させ、抵抗材の露出部分３４に切削工具２２を押し当てることで、これを切削し、断面が円となる抵抗体１１を形成する。これにより、（ｄ）に示すように、抵抗体が中央の円柱状抵抗体１１とその両端の扁平状抵抗体１１ａから構成されていて、扁平状抵抗体１１ａの上下両面に板状の電極１２ｃを備えた、本発明の第４実施例の抵抗器（図４参照）を形成することができる。

図１２は本発明の抵抗器の実装例を示す。例えば、アルミ基板４０上に回路パターン４１が配置され、直方体状の電極１２間に円柱状の抵抗体１１を備えた抵抗器が面実装により回路パターン４１にハンダで固定されている。電圧検出端子１４は電極の抵抗体との接合面付近から取り出されている。

図１３は上記実装例における電圧検出端子の引出位置を示す。（ａ）は、抵抗体１１と電極１２の外周面に段差があるので、電圧検出端子１４の引出位置を電極１２の抵抗体１１を挟んだ側となる面Ｘとしている。これにより、電極の抵抗分の影響をほとんど含まず、実際の抵抗体の抵抗成分に基づく電流検出に限りなく近づけることができ、精度の高い電流検出が可能となる。

（ｂ）は、電圧検出端子１４の引出位置を電極１２の抵抗体１１を固定した面と外周面の角付近の外周面側の位置Ｙとしている。これによっても、同様に電極の抵抗分の影響をほとんど含まず、高い精度での電流検出が可能である。

図１４は本発明の抵抗器の抵抗値についての周波数特性を示す。「φ８」（抵抗体直径が８ｍｍ）から「φ１」（抵抗体直径が１ｍｍ）迄の各種線径の抵抗体について、周波数特性を検討した。その結果、「φ８」（抵抗体直径が８ｍｍ）と太いサイズの抵抗器では、周波数１０ＫＨｚ以上で、表皮効果の影響が出始め、抵抗値が上昇する。「φ４」（抵抗体直径が４ｍｍ）と比較的細いサイズの抵抗器では、周波数１００ＫＨｚ以上で、表皮効果の影響が出始め、抵抗値が上昇する。「φ１」（抵抗体直径が１ｍｍ）と最も細いサイズの抵抗器では、周波数１０００ＫＨｚ以上で、表皮効果の影響が出始め、抵抗値が上昇する。これらの結果から、「φ４」（抵抗体直径が４ｍｍ）以下の細い径の抵抗体の抵抗器で、高周波電流による表皮効果による影響を抑制できると認められる。

図１５は本発明の抵抗器のインダクタンス変化率についての周波数特性を示す。インダクタンスが上昇すると、特に高周波電流の計測では大きな誤差が生じることになる。抵抗値と同様にインダクタンス変化率も、抵抗体の径が細い程、高周波数領域まで電流検出用抵抗器として使用可能であると認められる。

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例に限定されず、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。

本発明は、電流検出用抵抗器、特に高周波電流を計測する電流検出用抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (5)

1. 抵抗体と少なくとも一対の電極とを備えた電流検出用抵抗器であって、
   前記電極間において前記抵抗体は、径が４ｍｍ以下の柱状に構成されたことを特徴とする電流検出用抵抗器。
2. 前記抵抗体と前記電極との接合部分に段差を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
3. 前記電極のそれぞれは、電極配置方向に長く、前記抵抗体を挟んだ電極間距離の２倍よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
4. 前記電極のそれぞれは角柱状であり、前記電極の断面における略中心に前記抵抗体が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
5. 前記抵抗体の長さは前記抵抗体の径の１．５倍よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
   

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