JP2018004267A - シャント抵抗器の実装構造および実装基板 - Google Patents

Abstract

【課題】シャント抵抗器の実装構造において、抵抗体の長さに起因する寄生インダクタンスの影響を抑制する。
【解決手段】一対の端子部を備え、電流検出をするための抵抗器と、前記一対の端子部がそれぞれ接続され、前記抵抗器に測定対象電流を流す一対の第１のランドおよび第２のランドからなる実装部と、前記一対のランドが形成された基体と、前記基体に形成され、前記第１のランドから引き出された配線パターンからなる第１の電圧端子と、前記第２のランドに対応する端子部に接続されたワイヤからなる第２の電圧端子と、を有する実装基板とを備えたシャント抵抗器の実装構造。
【選択図】図８

Description

本発明は、電流検出用のシャント抵抗器の実装構造等に関する。

従来から、シャント抵抗器に監視対象の電流を流し、抵抗器両端の電極間に生じる電圧を計測し、既知の抵抗値から電流を検出する電流検出装置が知られている。電流検出装置を用いて、抵抗器に流れる高周波成分を含む電流を検出する場合、抵抗器が有する僅かな寄生インダクタンスが検出値に誤差をもたらす。

図１４は、一般的な電流検出装置Ｘの一例を示す平面図である。基板１１１上に、第１のランドおよび第２のランドを有する配線（電流端子）１１７ａ、１１７ｂと、その間の隙間１２１内から隙間１２１外まで引き出し配線部１２５ａ、１２７ａにより引き出されるセンシング用の配線パターン１２５、１２７（電圧検出端子）とを有している。そして、第１のランドおよび第２のランドに、シャント抵抗器１０１の端子を接続する。

かかる構成において、抵抗体のもつ寄生インダクタンス（抵抗体の長さ、すなわち電極間距離）が、被測定電流の時間変化分に対応した電圧を発生させるため、この電圧分だけ誤差が生じる。

そこで、例えば、特許文献１では、電圧検出端子に接続する基板上の配線パターンを被検出電流の流れ方向と同一方向に配置し、且つある程度の長さを持たせることで、その部分の配線パターンと抵抗体との間に相互誘導が生じる。これにより抵抗体のインダクタンス分による誘導電圧を打ち消し、測定系から見た抵抗体の誘導電圧によって発生する検出誤差を低減とすることが開示されている。

また、特許文献２は、シャント抵抗器を搭載するための基板と、該基板に形成され抵抗器１に電流を流すための一対のランドと、基板に形成され抵抗器とワイヤにより接続される一対のワイヤ接続部とから構成される抵抗器を実装した構造であって、一対のワイヤ接続部は、それぞれが一対のランド間における抵抗器の側方に配置され、一のワイヤは、他のワイヤが接続される電圧検出配線またはその延長線を跨いで、抵抗器の電圧検出位置と電圧検出配線先端のワイヤ接続部との間に接続されている構造が開示されている。

特開２００２−３７２５５１号公報 特開２０１２−２３３７０６号公報

しかしながら、特許文献１の技術を用いると、構造が複雑になり、製造工程が増える。

また、特許文献２の技術を用いると、ワイヤ形成工程が困難になりやすい場合がある。

本発明は、比較的簡単な構造で、抵抗体の長さに起因する寄生インダクタンスの影響を抑制可能なシャント抵抗器の実装構造を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、一対の端子部を備え、電流検出をするための抵抗器と、前記一対の端子部がそれぞれ接続され、前記抵抗器に測定対象電流を流す一対の第１のランドおよび第２のランドからなる実装部と、前記一対のランドが形成された基体と、前記基体に形成され、前記第１のランドから引き出された引き出し配線部により接続される第１の電圧端子と、前記第２のランドからワイヤにより接続される第２の電圧端子と、を有する実装基板と、を備えたシャント抵抗器の実装構造が提供される。

ランドと電圧端子との間の接続を、一方を引き出し配線部により、他方をワイヤにより行うことで、配線を空間的に分離することができる。

前記引き出し配線部と前記ワイヤとは、前記基体の平面視において交差していることが好ましい。

配線パターンのクロス構造を簡単に形成し、センシング部のループ面積を小さくすることができる。

前記引き出し配線部は、前記第１のランドの側部から引き出されていることが好ましい。側部から引き出すことで、パターンをより微細化することができる。

前記抵抗器の端子に、合金のめっき膜が形成されていることが好ましい。

本発明の他の観点によれば、一対の端子部を備え、電流検出をするための抵抗器を実装する実装基板であって、前記一対の端子部がそれぞれ接続され、前記抵抗器に測定対象電流を流す一対の第１のランドおよび第２のランドからなる実装部と、前記一対のランドが形成された基体と、前記基体に形成され、前記第１のランドから引き出された引き出し配線部により接続される第１の電圧端子と、前記第２のランドから離されて形成された（ワイヤによる接続用の）第２の電圧端子と、を備えたシャント抵抗器の実装基板が提供される。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、抵抗体の長さに起因する寄生インダクタンスの影響を抑制可能なシャント抵抗器の実装構造を提供することができる。

シャント抵抗器の第１構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器の第２構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器の第３構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器の第４構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器の第５構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器の第６構成例を示す斜視図である。 図７（ａ）から図７（ｄ）までは、シャント抵抗器の電極の一部を抵抗体側に突出させて、ワイヤーボンディング位置の目印とした例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一構成例を示す図である。 図８に対応するシャント抵抗器の実装構造の回路構成の一例を示す図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す図であり、図８（ａ）、（ｂ）に対応する。 第１又は第２の実施の形態による実装構造（図１１（ａ））と、一般的な実装構造（図１１（ｂ））とを対比させて示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す平面図である。 一般的な電流検出装置の一例を示す平面図である。

以下に、本発明の実施の形態による抵抗器の実装構造について、シャント抵抗器を例にして図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本実施の形態において用いられるシャント抵抗器の構成例について、以下に説明する。

図１は、シャント抵抗器の第１構成例を示す斜視図である。シャント抵抗器１は、例えば、抵抗体３と、第１および第２の電極（一対の端子部）５ａ、５ｂとの端面を突き合わせた突き合わせ構造を有する。抵抗体３は、Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｃｕ−Ｍｎ系などの抵抗材料を用いることができる。電極５ａ、５ｂは、Ｃｕなどの材料を用いることができる。抵抗体３と電極５ａ、５ｂとの接合は、電子ビーム、レーザービームなどの溶接の他、クラッド接合、金属ナノペーストによるろう付け等を用いて形成することができる。シャント抵抗器の製品のサイズの一例としては１０×１０×０．５（ｍｍ）で、抵抗値は０．１ｍΩである。なお、シャント抵抗器１は、前述の抵抗材料のみからなる（別の金属材料の電極を備えない）構造であってもよい。

図２は、シャント抵抗器の第２構成例を示す斜視図である。図２のシャント抵抗器１の構成は、図１の抵抗器１の全面にめっきをした構造である。めっき膜４１は、ワイヤーボンディングをし易くするための表面処理として用いることができる。めっき膜４１は、Ｎｉ−Ｐめっき、Ｎｉ−Ｐ−Ｗめっきなどの合金めっきであり、少なくとも電極のＣｕより抵抗率の大きな材料を用いるのが良い。めっき膜４１は、電解めっきや無電解めっきにより形成される。

尚、図２においては、破線により抵抗体３と電極５ｂとの境界を示したがめっきをすると境界が目視しにくくなる。そこで、境界の近くの電極にマーク７を付した。このマーク７は、後述するように後の工程で行うワイヤーボンディングの位置を決めるための目印表示の一例である。

マークを付すための処理例としては、まず、電極５ｂにパンチ等で凹みをつけておき、その後にめっき膜４１を形成することで凹みを保ったままとし目印とすることができる。

図３は、シャント抵抗器の第３構成例を示す斜視図である。図３のシャント抵抗器１の構成は、シャント抵抗器１の上面のみにめっきをした例である。すなわち、側面と下面にはめっき膜４１がない。上面にはめっき膜４１があるため、マーク７を上面に形成することでワイヤーボンディングの位置決めの目印として有効である。

図４は、シャント抵抗器の第４構成例を示す斜視図である。図４のシャント抵抗器１の構成は、電極５ａ、５ｂの上面のみにめっきをした例である。すなわち、側面と下面、抵抗体３にはめっき膜４１がない。電極５ａ、５ｂの上面にはめっき膜４１があるため、例えば、図３と異なり新たなマークを形成しない場合でも、めっき膜４１の厚さ分の段差が目印となり、ワイヤーボンディングを行う位置を決めることが容易にできる。

図５は、シャント抵抗器の第５構成例を示す斜視図である。図５のシャント抵抗器１の構成は、電極５ａ、５ｂの露出部分にめっきをした例である。抵抗体３の表面にはめっき膜４１は形成されていない。

この構造においても、電極５ａ、５ｂの上面にはめっき膜４１があるため、例えば、図３と異なり新たなマークを形成しない場合でも、めっき膜４１の厚さ分の段差が目印となり、ワイヤーボンディングを行う位置を決めることが容易にできる。

尚、上記の図２から図５までにおいて、めっきの形成部位のバリエーションを示したが、ワイヤーボンディングがし易いという効果を発揮させるという点では、ワイヤーボンディングをする位置又はその近傍も含む領域にのみめっきを形成するようにしてもよい。

図６は、シャント抵抗器の第６構成例を示す斜視図である。図６のシャント抵抗器１ａの構成は、一方の電極５ａと、他方の電極５ｂとがΔｈの段差を有する例である。この例では、一方の電極５ａを曲げ加工することで、段差を形成している。段差を形成する意味については後述する。

図７（ａ）から図７（ｄ）までは、シャント抵抗器１の電極５ａ、５ｂの一部を抵抗体３側に突出させて、ワイヤーボンディング位置の目印とした例を示す図である。図７（ａ）は、一方の電極５ｂのみに突出部９を形成した例を示す図である。図７（ｂ）は、両方の電極５ａ、５ｂに突出部９ａ、９ｂを形成した例を示す図である。図７（ｃ）は、一方の電極５ｂのみに突出部９ｃを形成しており、突出部の位置を電極と抵抗体との接合部が形成されている方向に沿っていずれか一方の端部側にずらして形成した例を示す図である。図７（ｄ）は、図７（ｃ）における突出部９ｃを、一方の側面側に寄せて突出部９ｄとし、突出部９ｄの一端と抵抗器１の一端とを一致させた例を示す図である。

以上のように、突出部９ａから９ｄまでのいずれかを設けることで、ワイヤーボンディングの位置の目印とすることも可能である。

尚、上記のシャント抵抗器は、電極端子を設けていない抵抗体のみの構成でも良い。

次に、上記において例示的に説明したシャント抵抗器の実装構造について詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図８は、本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一構成例を示す図である。図８（ａ）はシャント抵抗器の実装前、図８（ｂ）はシャント抵抗器の実装後の構成を示す斜視図である。

図８に示すように、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造は、上記において図１から図５までおよび図７で説明したうちのいずれか１のシャント抵抗器１と、シャント抵抗器１を実装するための実装基板Ａと、を有している。

シャント抵抗器１は、例えば、上記のように、一対の端子部（第１および第２の電極）５ａ、５ｂを備え、電流検出をするための抵抗器である。

図９は、図８に対応するシャント抵抗器の実装構造の回路構成の一例を示す図である。

図９に示す実装構造（電流検出モジュール）Ｂは、例えば、上記のシャント抵抗器１と、図８に示す実装基板Ａであって、シャント抵抗器１の両端子５ａ、５ｂ間の電圧信号を増幅するアンプ６３と、アンプ６３により増幅した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器６５と、デジタル信号出力を受け取って演算を行うマイコン６７とを有する（図８では図示せず）。

通電時に、シャント抵抗器１の引き出し配線部２５ａ、ワイヤ２８より取得した電圧値が増幅され、デジタルデータに変換され、マイコン６７によって電流値が演算される。電流値は、データバス等を通じて各種電気機器へ送られる。

実装基板Ａは、例えばガラスエポキシ基板などからなる基板（基体）１１と、基板１１の一面に例えば銅箔などの導電性パターンにより形成される第１の配線パターン１７ａ、第２の配線パターン１７ｂと、を有する。

以下に製造工程について簡単に説明する。
１）基板１１の一面に銅箔などによる配線パターンをエッチング工程などにより形成する。
２）任意に、レジスト膜などにより、実装領域等を開口させ、それ以外を覆う。
３）抵抗器を搭載する（図８（ａ）、Ｌ１参照）ことで、一方が配線される。
４）ワイヤーボンディングにより他方を結線（ワイヤ２８）する。

第１の配線パターン１７ａと、第２の配線パターン１７ｂとは、それぞれ、シャント抵抗器１の一対の端子部５ａ、５ｂとそれぞれ電気的に接続され、シャント抵抗器１に測定対象電流が流れる。配線パターン１７ａ，１７ｂにおける端子部５ａ、５ｂの接続箇所を、本明細書では、一対のランド３１ａ、３１ｂと称する。

一対のランド３１ａ、３１ｂは、それぞれの対向する近接端面２２ａ、２２ｂ同士が、距離Ｌ１１だけ隙間２１をもって離間している。図８（ｂ）に符号３１に示す領域が、シャント抵抗器１の実装部を形成する。尚、一対のランド（第１のランド）３１ａ、３１ｂと、シャント抵抗器１の一対の電極（端子部）５ａ、５ｂとは、はんだなどによりそれぞれ接続される。

さらに、実装基板Ａにおいて、基体１１には、第１のランド３１ａと略対向する位置であって、第１の配線パターン１７ａの側部２３とは隙間２１が延在する方向に離れた位置に設けられた第２の電圧端子２７と、第２のランド３１ｂと略対向する位置であって、第２の配線パターン１７ｂの側部２３とは隙間２１が延在する方向に離れた位置に設けられた第１の電圧端子２５とが設けられている。

さらに、基体１１には、第１のランド３１ａから第１の電圧端子２５まで斜め方向に延びる引き出し配線部２５ａが設けられている。さらに、第２のランド３１ｂと第２の電圧端子２７との間を接続する、例えば金属製のワイヤ２８が設けられている。ワイヤ２８は、例えば、ワイヤーボンディングにより形成することができる。なお、電圧端子２５、２７は、前述のアンプ６３等に電気的に接続されている（図示せず）。

図８（ｂ）に示すように、引き出し配線部２５ａとワイヤ２８とが、基体１１の平面視において交差しているが、ワイヤ２８が基体１１の表面から浮いているので、引き出し配線部２５ａとワイヤ２８とを、空間的には基体１１の表面から法線方向に離間させることができる。

従って、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を用いると、比較的簡単な構造で、抵抗体のもつ寄生インダクタンスの影響を抑制することができる。配線パターンのクロス構造を簡単に形成し、センシング部のループ面積を小さくすることができるため、電流検出精度を向上させることができる。一方の配線を基板配線により、他方をワイヤ配線により行うため、実装用のパターンも小型化することができる。

また、２箇所をワイヤーボンディングする場合に比べて、ワイヤーボンディングを１箇所のみ行えば良いため、製造工程が簡単になる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造について説明する。図１０（ａ）（ｂ）は、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す図であり、図８（ａ）（ｂ）に対応する。

図８と図１０との相違点は、図１０の実装構造における実装基板Ａでは、第２の配線パターン１７ｂ上に、半導体部品や金属部品（抵抗体などを含む）などの電子部品３１が搭載されている点である。

このような実装基板Ａにシャント抵抗器を搭載する場合には、図６に示すシャント抵抗器１ａを用いると良い。シャント抵抗器１ａの一方の端子５ｂは、電子部品３１側の領域３３にはんだなどで接続する。図６にも示すように、シャント抵抗器１ａにおける、一方の電極５ａと他方の電極５ｂとの段差（Δｈ）を電子部品の厚さと略一致させることで、シャント抵抗器１ａを実装基板Ａの主面に対して水平に配置することができる。抵抗体のもつ寄生インダクタンスの影響を抑制する効果については、第１の実施の形態と同様である。

（第１および第２の実施の形態の利点のまとめ）
図１１は、第１又は第２の実施の形態による実装構造（図１１（ａ））と、一般的な実装構造（図１１（ｂ））とを対比させて示す平面図である。図１１（ｂ）に示す実装構造では、第１の配線パターン１７ａと、第２の配線パターン１７ｂとから、それぞれ、引き出し配線部２５ｃ、２５ｄにより、第１の電圧端子２５と第２の電圧端子２７とを引き出している。従って、符号ＡＲ１で示す領域において発生する磁束インダクタンスに起因する測定誤差が無視できなくなる。

図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較すれば、本実施の形態に対応する図１１（ａ）の構造では、引き出し配線を空間的に離した状態で交差させているため、磁束インダクタンスに起因する測定誤差を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造について説明する。

図１２は、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す平面図である。

図８と比較するとわかるように、図１２に示す実装構造では、第１のランド３１ａと第１の電圧端子２５との間を繋ぐ引き出し配線部２５ｂが、端面２２ａと略平行な第１の部分２５ｂ−１と、斜めに延びる第２の部分２５ｂ−２とから構成されている点である。また、第１の部分２５ｂ−１を隙間２１の切れる位置まで設けるようにしても良い。

図１２に示す構造を、図８に示す構造と比較すると、引き出し配線部における斜めに延びる部分を短くすることができるため、隙間の長さＬ１２を従来に比べて狭くすることができる。従って、本実施の形態によれば、従来に比べて、より微細な実装構造とすることができる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造について説明する。

図１３は、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造の一例を示す平面図である。

図８と比較すればわかるように、図１３においては、第２のランド３１ｂから第１の電圧端子２５まで水平方向に延びる引き出し配線部２５ｃが設けられている。さらに、第１のランド３１ａと第２の電圧端子２７との間を接続する、例えば金属製のワイヤ２８が設けられている。図１３に示すように、引き出し配線部２５ｃとワイヤ２８とが、基体１１の平面視において略平行で交差していない。

本実施の形態においても、ワイヤ２８が空間的に基体１１の表面から法線方向に離間させることができる。

従って、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を用いると、他の実施の形態と比べて寄生インダクタンス抑制において効果が劣るものの、ランド３１ａ，３１ｂの間隔を狭くでき、微細な実装構造を実現できる。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電流検出装置に利用可能である。

Ａ…実装基板
Ｂ…実装構造（電流検出モジュール）
１、１ａ…シャント抵抗器
３…抵抗体
５ａ、５ｂ…電極（端子部）
７…マーク
１１…基板（基体）
１７ａ…第１の配線パターン
１７ｂ…第２の配線パターン
２５…第１の電圧端子
２５ａ…引き出し配線部
２７…第２の電圧端子
２８…ワイヤ
３１ａ…第１のランド
３１ｂ…第２のランド
４１…めっき膜

Claims (5)

1. 一対の端子部を備え、電流検出をするための抵抗器と、
   前記一対の端子部がそれぞれ接続され、前記抵抗器に測定対象電流を流す一対の第１のランドおよび第２のランドからなる実装部と、
   前記一対のランドが形成された基体と、
   前記基体に形成され、前記第１のランドから引き出された引き出し配線部により接続される第１の電圧端子と、
   前記第２のランドからワイヤにより接続される第２の電圧端子と、
   を有する実装基板と
   を備えたシャント抵抗器の実装構造。
2. 前記引き出し配線部と前記ワイヤとは、前記基体の平面視において交差している請求項１に記載のシャント抵抗器の実装構造。
3. 前記引き出し配線部は、前記第１のランドの側部から引き出されている請求項１又は２に記載のシャント抵抗器の実装構造。
4. 前記抵抗器の端子に、合金のめっき膜が形成されている請求項１から３までのいずれか１項に記載のシャント抵抗器の実装構造。
5. 一対の端子部を備え、電流検出をするための抵抗器を実装する実装基板であって、
   前記一対の端子部がそれぞれ接続され、前記抵抗器に測定対象電流を流す一対の第１のランドおよび第２のランドからなる実装部と、
   前記一対のランドが形成された基体と、
   前記基体に形成され、前記第１のランドから引き出された引き出し配線部により接続される第１の電圧端子と、
   前記第２のランドから離されて形成された第２の電圧端子と、
   を備えたシャント抵抗器の実装基板。

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