JP2020009838A - シャント装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の検出精度を向上させた、幅広の金属フレーム端子をシャント抵抗器に接続したシャント装置を提供する。【解決手段】シャント装置１は、抵抗合金からなる抵抗体５と、抵抗体５の両端に接合された高導電率金属からなる一対の電極６，７と、を備えたシャント抵抗器２と、シャント抵抗器２に接続された一対の幅広の金属フレーム端子３，４と、を備える。電極６，７は、電圧検出部１０，１１を区画する段差１２，１３を備えている。フレーム端子３，４は、段差１２，１３と抵抗体５との間に位置する電圧検出部１０，１１に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出用のシャント抵抗器に係り、特に抵抗合金からなる抵抗体の両端部に金属からなる電極を接合した大電流用途のシャント抵抗器に、抵抗体の両端部に生じる電圧を検出する引出端子を接続したシャント装置に関するものである。

従来から、シャント抵抗器は、車載用バッテリーの充放電の電流を監視するなどの大電流の電流検出用途に広く用いられている。このようなシャント抵抗器は、抵抗合金板材からなる抵抗体と、その両端に固着した銅材からなる電極とを備えており、電極の適当な場所に検出電極部を設け、例えばそこにアルミワイヤーを接続することにより抵抗体両端部で発生した電圧を検出する。

このようなシャント抵抗器では、大電流の検出精度に優れていること、温度ドリフトが小さいこと、大電流が印加されても過剰な発熱をしないこと、１ｍΩ以下の低抵抗値であること、などが要求される。このような低抵抗値の抵抗器に生じる電圧を高精度且つ温度ドリフトを小さく検出するには、抵抗合金材料の種類や抵抗器の形状、構造の他、抵抗体両端部に生じる電圧を検出する端子の位置が大きく関係する。

すなわち、上記端子の接続位置が電極上であれば、抵抗体の両端部に生じる電圧は一応検出可能である。しかしながら、１ｍΩ以下の低抵抗値の抵抗器では、電極の内部抵抗を無視することができず、端子の接続位置が明確に定まらないために、端子の接続位置にばらつきが生じ、結果として、電流の検出精度が安定しないという問題がある。

特開２０１６−０５４２２４号公報 特開２０１５−１８４２０６号公報 特開２０１７−００９４１９号公報 特開２００１−１１８７０１号公報

ところで、近年、大電流回路で用いられる電流検出用抵抗器では、幅広の金属フレーム端子を、電圧を検出する引出端子とする要求がみられるようになってきている。係る幅広の金属フレーム端子を引出端子とすると、ワイヤボンディングのような細い径の端子と異なり、幅広の金属フレーム端子を用いることにより、幅広の電極の取付け位置によって、その電圧検出値はブレやすい。

特に溶接による引出端子の取付けは位置精度を出すことが難しく、取付け位置のばらつきの影響が顕著に出やすい。仮に、金属フレーム端子を従来技術の凹孔に溶接しようとすると、凹孔を構成する壁面が邪魔になりポイントを絞るためにある程度狭い範囲での接続が必要とされ、接続方法が限定され時間とコストがかかる。また、一般に半田接合では、半田が熱で流動しやすく、経年劣化の影響を受け易いため、長期安定性が望めないというデメリットがある。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、低抵抗値の大電流検出用途のシャント抵抗器に、幅広の金属フレーム端子を電圧検出引出端子として接続して、電流の検出精度を向上させたシャント装置を提供することを目的とする。

一態様は、抵抗合金からなる抵抗体と、前記抵抗体の両端に接合された高導電率金属からなる一対の電極と、を備えたシャント抵抗器と、前記シャント抵抗器に接続された一対の幅広の金属フレーム端子と、を備え、前記電極は、電圧検出部を区画する段差を備えており、前記フレーム端子は、前記段差と前記抵抗体との間に位置する前記電圧検出部に接続されていることを特徴とするシャント装置である。

一態様は、前記段差の長さは、前記電極の幅方向の長さよりも短いことを特徴とする。
一態様は、前記段差は、直線状、円弧状、またはコの字状に形成されていることを特徴とする。
一態様は、前記フレーム端子の一部は、前記段差に跨がって、前記段差によって形成された空間にはみ出して配置されていることを特徴とする。

一態様は、前記フレーム端子の一方の端面は、前記段差と同一平面内に位置していることを特徴とする。
一態様は、前記電圧検出部は、前記抵抗体に隣接しており、前記抵抗体と前記段差との間の距離は、前記フレーム端子の幅方向の長さよりも長いことを特徴とする。

電極は段差を備えているため、フレーム端子の電極への接続位置（固定位置）は特定される。そして、段差を設けることにより、抵抗温度係数のばらつきが大きくなる現象を抑制することができる。すなわち、フレーム端子は抵抗体に隣接して特定位置に配置され、かつ段差をはみ出しても、抵抗温度係数のばらつきが大きくなる現象を抑制することができる。結果として、シャント装置は、電流の検出精度を向上させることができる。

シャント装置の一実施形態を示す斜視図である。 フレーム端子の接続位置とフレーム端子の電圧検出位置との関係を説明する図である。 シャント装置の平面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 凹溝の他の実施形態を示す図である。 段差の他の実施形態を示す図である。 段差の形成による効果を説明する図である。 段差の形成による効果を示すグラフである。 段差のさらに他の実施形態を示す図である。 段差のさらに他の実施形態を示す図である。 段差のさらに他の実施形態を示す図である。 直進方向に進む電流を示す図である。 Ｓ字方向に進む電流を示す図である。 コの字方向に進む電流を示す図である。 抵抗器の製造工程を示すフローチャートである。 製造過程における抵抗器を示す図である。 製造過程における抵抗器を示す図である。 製造過程における抵抗器を示す図である。 製造過程における抵抗器を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する図面において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。以下で説明する複数の実施形態において、特に説明しない一実施形態の構成は、他の実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図１は、シャント装置１の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、シャント装置１は、シャント抵抗器２と、シャント抵抗器２に固定された一対の幅広の金属フレーム端子（リードフレーム端子）３，４を備えている。以下、本明細書において、シャント抵抗器２を単に抵抗器２と呼ぶことがある。

抵抗器２は、所定の厚みと幅を有する抵抗合金板材からなる抵抗体５と、抵抗体５の両端に接合された高導電率金属からなる一対の電極６，７とを備えている。抵抗体５の両端面は、電極６，７の端面に溶接（例えば、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接、または、ろう接）などの手段によって接合されている。

抵抗体５の材質の一例として、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金などの低抵抗合金材を挙げることができる。電極６，７の材質の一例として、銅（Ｃｕ）を挙げることができる。フレーム端子３，４の材質の一例として、錫（Ｓｎ）めっきされた銅（Ｃｕ）またはめっきされていない銅を挙げることができる。

一般的に、１ｍΩ以下の低抵抗値を有する抵抗器では、電極内部の抵抗成分によって生じる電位分布を無視することができない。したがって、フレーム端子３，４の接続位置が抵抗体５から外側に離れるほど、温度による抵抗値の変化の割合を示す抵抗温度係数（ＴＣＲ）が増加してしまう。結果として、電流を精度よく検出することができない。そこで、２つの検出端子は抵抗体により近接した位置で、かつ、抵抗体からほぼ等しい距離地点で電圧を検出することが理想的である。

上述したシャント装置の場合、フレーム端子の接続位置がずれて接続されることにより生じるばらつきは、電流の検出精度に大きな影響を及ぼし、結果として、電流の検出精度にばらつきが生じてしまう。図２は、フレーム端子の接続位置とフレーム端子の電圧検出位置との関係を説明する図である。

幅広のフレーム端子３，４が電極６，７に接続されている場合、図２の黒丸Ｘに示すように、実質的な電圧の検出位置は、フレーム端子の電極との接触面の中央である（Ａ＝Ａ’）。したがって、フレーム端子の接続位置が明確に定まっていない場合、抵抗体とその両側のフレーム端子との間の距離が異なる場合がある。図２に示す例では、抵抗体とフレーム端子４の検出位置との間の距離Ｂは、抵抗体とフレーム端子３の検出位置との間の距離Ｂ’よりも小さい（Ｂ＜Ｂ’）。

ボンディングワイヤ（例えば、特許文献１参照）などの小さな径を有する端子を接続する場合とは異なり、フレーム端子の接続位置を明確に特定することは一般的に困難であり、フレーム端子の接続位置には、ばらつきが生じやすい。特に、フレーム端子を電極に溶接する場合、フレーム端子の接続位置を精度よく決定することは困難であり、ばらつきの影響が顕著に生じやすい。

フレーム端子の接続位置を特定する方法として、電極に形成された凹穴（例えば、特許文献２参照）にフレーム端子を嵌め込む方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、凹穴を構成する壁面がフレーム端子の凹穴への接続を阻害してしまう。したがって、フレーム端子の接続方法は、凹穴を構成する壁面に囲まれた狭い範囲での接続を可能とする方法に限定されてしまう。結果として、フレーム端子の接続には、時間とコストがかかってしまう。

一般的に、半田付けによるフレーム端子の接続の場合、半田は、熱で流動しやすく、経年劣化の影響を受けやすいため、フレーム端子の長期的な安定接続が困難となる場合がある。このような観点からも、フレーム端子は溶接されることが望ましい。

そこで、本実施形態では、電流の検出精度を向上させるために、シャント装置１は、フレーム端子３，４の接続位置を特定するための構造を備えている。以下、シャント装置１の詳細な構造について、図面を参照しつつ説明する。

図３は、シャント装置１の平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図３において、白抜き矢印は電流方向を表している。図１、図３、および図４に示すように、電極６，７は、電流方向と垂直な方向に延びる電圧検出部１０，１１を区画する段差１２，１３を備えている。

電圧検出部１０は、抵抗体５に隣接する電極６の一部分であり、抵抗体５と段差１２との間の部分である。フレーム端子３は、電圧検出部１０上に配置されており、電圧検出部１０に接続されている。フレーム端子４は、電圧検出部１１上に配置されており、電圧検出部１１に接続されている。電圧検出部１０，１１のそれぞれは、言い換えれば、電圧検出領域を構成している。

本実施形態では、電極６は、その表面に形成された凹溝２２を有しており、電極７は、その表面に形成された凹溝２３を有している。段差１２は凹溝２２の一部（より具体的には、抵抗体側の壁）を構成しており、段差１３は凹溝２３の一部（より具体的には、抵抗体側の壁）を構成している。段差１２，１３のそれぞれは、その隣接する位置に中空部（空間）ＳＰを形成している。

図５は、凹溝２２，２３の他の実施形態を示す図である。図５に示すように、凹溝２２は電極６の外側端面６ａまで延びていてもよく、凹溝２３は電極７の外側端面７ａまで延びていてもよい。

シャント装置１の寸法の一例について、図３および図４を参照しつつ説明する。図３および図４では、図面を見やすくするために、シャント装置１の構成要素の一部は誇張して描かれている。図３に示すように、抵抗器２の長手方向の長さＬ１は４０ｍｍであり、抵抗器２の幅方向の長さＷ１は１５ｍｍである。抵抗体５と段差１２との間の距離（すなわち、電圧検出部１０の幅方向の長さ）Ｄ１は２ｍｍである。

凹溝２２の幅方向の長さＷ２は１ｍｍである。図４に示すように、凹溝２２の深さ（すなわち、段差１２の高さ）Ｄｐは０．５ｍｍである。抵抗器２の厚さｔ１は２ｍｍであり、フレーム端子３の厚さｔ２は０．６ｍｍである。なお、シャント装置１の寸法は、図３および図４に示す実施形態には限定されない。

凹溝２２，２３は抵抗体５に関して対称的に配置されている。したがって、図示しないが、抵抗体５と段差１３との間の距離は距離Ｄ１と同一であり、段差１３の水平方向の長さは長さＬ２と同一であり、凹溝２３の幅方向の長さは長さＷ２と同一であり、凹溝２３の深さは深さＤｐと同一である。

本実施形態では、長さＬ２は長さＷ１よりも小さく、段差１２は、抵抗器２の幅方向において、電極６の一部に形成されている。図６は、段差１２の他の実施形態を示す図である。図６では、図面を見やすくするために、フレーム端子３，４の図示は省略されている。図６に示すように、長さＬ２は長さＷ１と同じであってもよい。この場合、段差１２は、抵抗器２の幅方向において、電極６の全体に形成されている。

図１に示すように、フレーム端子３は、電極６の電圧検出部１０と接触する接触部３ａと、接触部３ａと垂直な垂直部３ｂと、垂直部３ｂと垂直であり、かつ接触部３ａと平行な屈曲部３ｃとを備えている。フレーム端子３，４は同一の構造を有している。つまり、フレーム端子４は、フレーム端子３と同様に、接触部４ａと、垂直部４ｂと、屈曲部４ｃとを備えている。フレーム端子３，４の接触部３ａ，４ａは、抵抗体５に隣接するように抵抗体５の両側の電極６，７に接続されている。

ユーザーは、段差１２に基づいて、フレーム端子３を電圧検出部１０に配置することができる。より具体的には、ユーザーは、フレーム端子３の接触部３ａの段差側の端面３ｄが段差１２と同一平面内に位置するように、フレーム端子３を電圧検出部１０に接続することが好ましいが、後述するように、段差１２に跨がって、中空部ＳＰにはみ出して、中空部ＳＰの一部を覆うように接続しても支障がない。フレーム端子４の電圧検出部１１への接続方法も、フレーム端子３の接続方法と同様である。フレーム端子４の接触部４ａの段差側の端面４ｄが段差１３と同一平面内に位置することが好ましい。本実施形態によれば、電極６，７は段差１２，１３を備えているため、ユーザーはフレーム端子３，４の接続位置（配置位置）を特定することができる。

段差１２，１３を備えたシャント装置１は以下の効果を奏することができる。以下、段差１２の形成による効果について、図７を参照しつつ説明する。上述したように、段差１２は、その隣接する位置に中空部ＳＰを形成している。上述した実施形態では、フレーム端子３は、その接触部３ａの段差側の端面３ｄが段差１２と同一平面内に配置されるように、電圧検出部１０に接続されることが好ましいが、フレーム端子３の一部は、段差１２に跨がって、中空部ＳＰにはみ出して配置されてもよい。

図７は、段差１２の形成による効果を説明する図である。段差１２が設けられていない場合、電圧の検出位置Ｐ１はフレーム端子３の電極６との接触面の中央である。これに対し、図７に示すように、段差１２が形成されている場合、フレーム端子３の一部は段差１２からはみ出して配置される。電圧の検出位置Ｐ２はフレーム端子３の電極６との接触面の中央である。したがって、抵抗体５と電圧検出位置Ｐ２との間の距離Ｄａは、抵抗体５と電圧検出位置Ｐ１との間の距離Ｄｂよりも小さい。

このように、段差１２は、フレーム端子３の電極６との接触面を段差１２の内側（すなわち、抵抗体５側）に制限することができる。したがって、フレーム端子３が抵抗体５から離間して配置されても、電圧は抵抗体５により近接した位置で検出され、かつフレーム端子３，４の接続位置に生じるばらつきは低減される。したがって、シャント装置１は電流の検出精度を向上させることができる。

図８は、段差１２の形成による効果を示すグラフである。図８において、横軸はフレーム端子３の電極６に対する相対位置を表しており、縦軸は抵抗温度係数を表している。

図８では、横軸の基準（ゼロ）は、フレーム端子３の端面（すなわち、段差側の端面３ｄ）が段差１２と同一平面内に位置しているときのフレーム端子３の位置である。フレーム端子３が抵抗体５から離間する位置に配置されると、フレーム端子３の位置を示す数値は正数になる。フレーム端子３が抵抗体５に近接する位置に配置されると、フレーム端子３の位置を示す数値は負数になる。

図８に示すように、段差１２が設けられている場合、フレーム端子３が抵抗体５から離間する位置に配置されると、フレーム端子３は段差１２からはみ出す。この場合の抵抗温度係数は段差１２が設けられていない場合の抵抗温度係数よりも小さい。

フレーム端子３が抵抗体５に近接する位置に配置された場合の抵抗温度係数の変化は次の通りである。段差１２が設けられている場合の抵抗温度係数は段差１２が設けられていない場合の抵抗温度係数よりもゼロに近接している（図８参照）。この理由は、段差１２の形成によって生じる電位分布は、段差１２が形成されていない場合に生じる電位分布と異なり、フレーム端子３の接続位置のずれ量に対する抵抗温度係数の変化量は、段差１２の有無によって異なるためである。本実施形態では、図８から分かるように、段差１２を設けることにより、抵抗温度係数のばらつきが大きくなる現象を抑制することができる。

本実施形態では、段差１２，１３は、上から見たときに直線状に形成されている。より具体的には、段差１２，１３は抵抗器２の幅方向（図３参照）と平行に延びている。しかしながら、段差１２，１３の形状は本実施形態には限定されない。

図９乃至図１１は、段差１２，１３のさらに他の実施形態を示す図である。図９乃至図１１において、図面を見やすくするために、フレーム端子３，４の図示は省略されている。

図９に示すように、段差１２，１３は、上から見たときに円弧状に形成されてもよい。図９に示す実施形態では、段差１２，１３のそれぞれは、抵抗体５から離れる方向に湾曲した形状を有している。電圧検出部１０は段差１２と抵抗体５との間に形成されており、電圧検出部１１は段差１３と抵抗体５との間に形成されている。

図１０に示すように、段差１２，１３は、上から見たときにコの字状に形成されてもよい。図１０に示す実施形態では、段差１２，１３のそれぞれは、抵抗体５から離れる方向に突出する形状を有している。電圧検出部１０は段差１２と抵抗体５との間に形成されており、電圧検出部１１は段差１３と抵抗体５との間に形成されている。

図１１に示すように、段差１２，１３は、上から見たときに抵抗体５を挟んで斜交いに配置されてもよい。図１、図３、および図４に示す実施形態では、段差１２，１３は、抵抗体５を挟んで互いに対向しているが、図１１に示す実施形態では、段差１２，１３は、抵抗体５を挟んで斜めに配置されている。

フレーム端子３，４の接続位置、すなわち、段差１２，１３の形成位置は、電流方向やフレーム端子３，４の幅方向の長さなどの要素に基づいて決定される。以下、電流方向と段差１２，１３の形成位置との関係について、図１２乃至図１４を参照して説明する。

図１２は、直進方向に進む電流を示す図である。図１３は、Ｓ字方向に進む電流を示す図である。図１４は、コの字方向に進む電流を示す図である。図１２、図１３、および図１４では、フレーム端子３，４および凹溝２２，２３の図示は省略されている。

電流方向が直進方向である場合（図１２参照）、図３、図９、図１０、および図１１に示す実施形態に係る段差１２，１３が好適に適用される。電流方向がＳ字方向である場合（図１３参照）、図３、図９、および図１０に示す実施形態に係る段差１２，１３が好適に適用される。電流方向がコの字方向である場合（図１４参照）、図１１に示す実施形態に係る段差１２，１３が好適に適用される。このように、電流方向に応じて段差１２，１３の形成位置を決定することにより、シャント装置１は電流の検出精度を向上させることができる。

抵抗器２の製造方法例について、図１５乃至図１９を参照して説明する。図１５は抵抗器２の製造工程を示すフローチャートである。図１６乃至図１９は、製造過程における抵抗器２を示す図である。図１７乃至図１９では、シャント抵抗器２の外形は簡略的に描かれている。図１６に示すように、まず、抵抗体５の両側に電極６，７が接合された帯状の金属板材（素材）を用意する（図１５のステップ１参照）。次いで、図１７に示すように、作業者は、この金属板材を打ち抜いて、抵抗器２の外形を形成する（図１５のステップ２参照）。

次いで、作業者は、抵抗器２の表面をプレスで叩き、抵抗器２の表面を平坦にする（図１５のステップ３参照）。このステップ３により、抵抗器２の表面の凹凸および／または抵抗器２の反りは矯正される。本実施形態によれば、ステップ２において、抵抗器２の外形が既に形成されているため、作業者は、プレスで叩く位置を明確に決定することができ、抵抗器２を小さな力で矯正することができる。

次いで、図１８に示すように、作業者は、電極６，７の表面に段差１２，１３（図１８では、凹溝２２，２３）を形成する（図１５のステップ４参照）。段差１２，１３を形成する手段は限定されない。一実施形態では、段差１２，１３はプレス加工により形成されてもよく、他の実施形態では、段差１２，１３は研磨（研削）により形成されてもよい。段差１２，１３の形成により、抵抗器２の表面の凹凸および／または抵抗器２の反りが生じるおそれがある。そこで、作業者は、ステップ４の後、ステップ３と同様の工程を実行して、抵抗器２の表面を平坦にする（図１５のステップ５参照）。

次いで、図１９に示すように、作業者は、電極６，７のそれぞれにボルト穴８，９のそれぞれを形成する（図１５のステップ６参照）。その後、作業者は、ステップ３，５と同様の工程を実行してもよい（図１５のステップ７参照）。本実施形態では、作業者は、段差１２，１３を形成した後にボルト穴８，９を形成しているが、ボルト穴８，９を形成した後に段差１２，１３を形成してもよい。その後、作業者は、抵抗器２を切り離して、抵抗器２を製品化する（図１５のステップ８参照）。

本実施形態では、作業者は、金属板材を打ち抜いて抵抗器２の外形を形成する工程（第１形成工程）を最初に実行し、その後、段差１２，１３またはボルト穴８，９を形成する工程（第２形成工程）を実行する。さらに、本実施形態では、作業者は各形成工程ごとにプレスによる平坦化工程を実行しているため、ばりの発生は抑制される。さらには、作業者は、抵抗器２の表面の平坦化により、プレス後の追加工も精度よく実行することができる。

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。

１ シャント装置
２ シャント抵抗器
３，４ フレーム端子
３ａ，４ａ 接触部
３ｂ，４ｂ 垂直部
３ｃ，４ｃ 屈曲部
３ｄ，４ｄ 段差側の端面
５ 抵抗体
６，７ 電極
６ａ，７ａ 外側端面
８，９ ボルト穴
１０，１１ 電圧検出部
１２，１３ 段差
２２，２３ 凹溝

Claims (6)

1. 抵抗合金からなる抵抗体と、前記抵抗体の両端に接合された高導電率金属からなる一対の電極と、を備えたシャント抵抗器と、
   前記シャント抵抗器に接続された一対の幅広の金属フレーム端子と、を備え、
   前記電極は、電圧検出部を区画する段差を備えており、
   前記フレーム端子は、前記段差と前記抵抗体との間に位置する前記電圧検出部に接続されていることを特徴とするシャント装置。
2. 前記段差の長さは、前記電極の幅方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載のシャント装置。
3. 前記段差は、直線状、円弧状、またはコの字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシャント装置。
4. 前記フレーム端子の一部は、前記段差に跨がって、前記段差によって形成された空間にはみ出して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシャント装置。
5. 前記フレーム端子の一方の端面は、前記段差と同一平面内に位置していることを特徴とする請求項１に記載のシャント装置。
6. 前記電圧検出部は、前記抵抗体に隣接しており、
   前記抵抗体と前記段差との間の距離は、前記フレーム端子の幅方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載のシャント装置。

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