JP2021190543A - Shunt resistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流検出用のシャント抵抗器に関し、特にシャント抵抗器の電圧検出端子に関する。 The present invention relates to a shunt resistor for current detection, and more particularly to a voltage detection terminal of the shunt resistor.
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、低抵抗材料から構成された抵抗体と、抵抗体の両端に接続された電極と、電極に電気的に接続された電圧検出端子を備えている(例えば、特許文献1参照)。電圧検出端子は、電流が抵抗体を流れるときの電圧降下を測定するための電圧計に接続される。電圧計の測定値を抵抗体の抵抗値で割り算することで、シャント抵抗値に流れる電流値が分かる。 Conventionally, shunt resistors have been widely used for high-current current detection applications such as monitoring the charging / discharging current of an in-vehicle battery. Such a shunt resistor comprises a resistor made of a low resistance material, electrodes connected to both ends of the resistor, and voltage detection terminals electrically connected to the electrodes (eg, patent literature). 1). The voltage detection terminal is connected to a voltmeter for measuring the voltage drop as the current flows through the resistor. By dividing the measured value of the voltmeter by the resistance value of the resistor, the current value flowing through the shunt resistance value can be found.
非接触充電器等の高周波トランス効果を利用した高周波電流制御が必要なシステムにおいて、電流検出の高周波特性は非常に重要な要素である。市場要求の一つである大電流化に伴い、シャント抵抗器での電力損失を低減するために、数百μΩ以下の低い抵抗値を持つ抵抗体が使用されている。 In a system that requires high-frequency current control using the high-frequency trans effect such as a non-contact charger, the high-frequency characteristics of current detection are a very important factor. With the increase in current, which is one of the market demands, resistors with a low resistance value of several hundred μΩ or less are used in order to reduce the power loss in the shunt resistor.
しかしながら、このような抵抗体を持つシャント抵抗器に高周波数の交流電流を流すと、シャント抵抗器を通じて検出される電圧が、実際の電圧から乖離してしまう。この理由は、抵抗体に起因する電圧降下に比べて、シャント抵抗器自身のインダクタンスに起因する電圧降下が相対的に大きくなるからと推定される。特に、10kHz以上の周波数を持つ交流電流をシャント抵抗器に流すと、実際の電圧と、検出電圧との誤差が大きい。結果として、検出電圧から算定される電流値は大きな誤差を含み、正確な電流測定が達成できない。 However, when a high-frequency alternating current is passed through a shunt resistor having such a resistor, the voltage detected through the shunt resistor deviates from the actual voltage. It is presumed that the reason for this is that the voltage drop due to the inductance of the shunt resistor itself is relatively large compared to the voltage drop due to the resistor. In particular, when an alternating current having a frequency of 10 kHz or higher is passed through the shunt resistor, the error between the actual voltage and the detected voltage is large. As a result, the current value calculated from the detected voltage contains a large error, and accurate current measurement cannot be achieved.
そこで、本発明は、高周波数の交流電流が印加された場合でも、検出電圧の誤差を低減でき、正確な電流測定を可能とするシャント抵抗器を提供する。 Therefore, the present invention provides a shunt resistor that can reduce the error of the detected voltage even when a high frequency alternating current is applied and enables accurate current measurement.
一態様では、抵抗体と、前記抵抗体の両側に接続された第1電極および第2電極と、前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ電気的に接続された第1電圧検出端子および第2電圧検出端子を備え、前記抵抗体の中心線から前記第1電圧検出端子および前記第2電圧検出端子までの距離は、前記抵抗体の幅の21〜29%の範囲内にある、シャント抵抗器が提供される。 In one embodiment, the resistor, the first and second electrodes connected to both sides of the resistor, and the first voltage detection terminal and the first voltage detection terminal electrically connected to the first electrode and the second electrode, respectively. A shunt resistor having two voltage detection terminals, the distance from the center line of the resistor to the first voltage detection terminal and the second voltage detection terminal being within the range of 21 to 29% of the width of the resistor. A vessel is provided.
一態様では、前記距離は、前記抵抗体の幅の23〜27%の範囲内にある。
一態様では、前記第1電圧検出端子および前記第2電圧検出端子は、硬化した融着材から構成されている。
一態様では、前記融着材は、はんだを含む。
一態様では、前記シャント抵抗器は、交流電流測定用のシャント抵抗器である。
In one aspect, the distance is in the range of 23-27% of the width of the resistor.
In one aspect, the first voltage detection terminal and the second voltage detection terminal are made of a hardened fused material.
In one aspect, the fusing material comprises solder.
In one aspect, the shunt resistor is a shunt resistor for measuring alternating current.
本発明によれば、電圧検出端子の位置は、抵抗体の中心線から、抵抗体の幅の21〜29%の範囲内にある。発明者が実施した交流電流印加シミュレーションによれば、このような範囲内に位置する電圧検出端子を備えたシャント抵抗器は、高周波数の交流電流を抵抗体に流したときに、検出電圧と実際の電圧との誤差を小さくできることが分かっている。したがって、本発明に係るシャント抵抗器は、高い電流検出精度を達成することができる。 According to the present invention, the position of the voltage detection terminal is within a range of 21 to 29% of the width of the resistor from the center line of the resistor. According to the AC current application simulation carried out by the inventor, a shunt resistor having a voltage detection terminal located within such a range has a detection voltage and an actual voltage when a high frequency AC current is passed through the resistor. It is known that the error with the voltage of can be reduced. Therefore, the shunt resistor according to the present invention can achieve high current detection accuracy.
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。
図1は、シャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図であり、図2は図1に示すシャント抵抗器の上面図である。シャント抵抗器1は、抵抗体3と、抵抗体3の両側に接続された第1電極5Aおよび第2電極5Bと、第1電極5Aおよび第2電極5Bにそれぞれ電気的に接続された第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a shunt resistor, and FIG. 2 is a top view of the shunt resistor shown in FIG. The
抵抗体3の材料の例として、ニッケルクロム系合金、銅ニッケル系合金、銅マンガン系合金、銅−マンガン−ニッケル系合金が挙げられるが、抵抗体3の材料は、その意図した目的を達成できるものである限りにおいて特に限定されない。第1電極5Aおよび第2電極5Bの材料の一例として、銅(Cu)が挙げられるが、第1電極5Aおよび前記第2電極5Bの材料も、その意図した目的を達成できるものである限りにおいて特に限定されない。第1電極5Aおよび第2電極5Bは、シャント抵抗器1の全体の位置を固定するためのボルト孔9A,9Bをそれぞれ有している。
Examples of the material of the
第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、導電性を有する材料から構成されている。図1に示すように、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、第1電極5Aおよび第2電極5Bの表面からそれぞれ突出している。本実施形態では、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、導電性を有するピンから構成されているが、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bの具体的構成は特に限定されない。
The first
図2に示すように、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、抵抗体3の中心線CLから外側に離れた位置にある。中心線CLは、シャント抵抗器1の長手方向に延びる想像線である。中心線CLから第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bまでの距離Sは、抵抗体3の幅をWとすると、S=W×25%±4%、すなわち、抵抗体3の幅Wの21〜29%の範囲内にある。発明者が実施した交流電流印加シミュレーションによれば、このような範囲内に位置する電圧検出端子6A,6Bを備えたシャント抵抗器1は、検出電圧と実際の電圧との誤差を小さくできることが分かっている。
As shown in FIG. 2, the first
図3は、交流電流印加シミュレーションの結果を示すグラフである。図3の横軸は、シャント抵抗器1に印加した交流電流の周波数を表し、図3の縦軸は、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bでの検出電圧(電圧降下)と、印加した交流電流と抵抗体3の抵抗値から算出された理論上の電圧(電圧降下)との誤差を表している。シミュレーションの条件としては、抵抗体3の幅Wは10mm、抵抗体3の厚さは1mm、抵抗体3に印加した交流電流は100Aであった。
FIG. 3 is a graph showing the results of an alternating current application simulation. The horizontal axis of FIG. 3 represents the frequency of the AC current applied to the
図3のシミュレーション結果から分かるように、交流電流の周波数が1kHz以下では、電圧の誤差はほとんど0であるが、10kHzを超えると、電圧の誤差は大きくなる。特に、交流電流の周波数が50kHz以上であると、電圧の誤差は顕著に現れる。しかしながら、抵抗体3の中心線CLから電圧検出端子6A,6Bまでの距離Sが、抵抗体3の幅Wの21〜29%の範囲内にあると、交流電流の周波数が50kHz以上であっても、電圧の誤差は小さい。例えば、距離Sが抵抗体3の幅Wの26%の場合では、周波数が100kHzでの電圧の誤差は0%に近いのに対して、距離Sが0の場合(すなわち電圧検出端子6A,6Bが抵抗体3の中心線CL上にある場合)では、電圧の誤差は約−30%である。
As can be seen from the simulation results of FIG. 3, when the frequency of the alternating current is 1 kHz or less, the voltage error is almost 0, but when it exceeds 10 kHz, the voltage error becomes large. In particular, when the frequency of the alternating current is 50 kHz or more, the voltage error appears remarkably. However, when the distance S from the center line CL of the
電圧の誤差と、交流電流の周波数との関係は、抵抗体3の厚さおよび幅によって若干変わりうるが、距離Sが抵抗体3の幅Wの21〜29%の範囲内にあると、高周波帯域の交流電流を印加したときの電圧の誤差が小さいことが、シミュレーション結果から分かった。
The relationship between the voltage error and the frequency of the alternating current may vary slightly depending on the thickness and width of the
図3に示すように、高周波帯域では、電圧の誤差は、印加される交流電流の周波数に従って大きくなる。そこで、高周波数帯域(例えば、50kHz以上)での電圧の誤差を小さくする観点から、一実施形態では、上記距離Sは、抵抗体3の幅Wの22〜28%の範囲内としてもよく、さらに、一実施形態では、距離Sは、抵抗体3の幅Wの23〜27%の範囲内にしてもよい。距離Sが抵抗体3の幅Wの20%以下、または30%以上であると高周波数帯域(例えば、50kHz以上)では、電圧の誤差が大きくなる。
As shown in FIG. 3, in the high frequency band, the voltage error increases with the frequency of the applied alternating current. Therefore, from the viewpoint of reducing the voltage error in the high frequency band (for example, 50 kHz or more), in one embodiment, the distance S may be in the range of 22 to 28% of the width W of the
このように、シミュレーション結果によれば、電圧検出端子6A,6Bを抵抗体3の中心線CLから離れた位置に配置すると、電圧の誤差が小さくできる。その理由は、交流電流がシャント抵抗器1に流れたときの、シャント抵抗器1自身のインダクタンスに起因する電圧降下が減少するからと推定される。
As described above, according to the simulation results, if the
本実施形態のシャント抵抗器1は、高周波数の交流電流を抵抗体3に流したときに、検出電圧と実際の電圧との誤差を小さくできる。したがって、本実施形態に係るシャント抵抗器1は、高い電流検出精度を達成することができる。
The
図4は、シャント抵抗器の他の実施形態を示す斜視図であり、図5は図4のA−A線断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図1乃至図3を参照して説明した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。 FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of the shunt resistor, and FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG. Since the configuration of the present embodiment, which is not particularly described, is the same as that of the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 3, the duplicate description thereof will be omitted.
シャント抵抗器1は、導電性を有する融着材からなる第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bと、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bによって第1電極5Aおよび第2電極5Bに電気的に接続された基板10を備えている。本実施形態でも、中心線CLから第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bまでの距離は、抵抗体3の幅Wの21〜29%の範囲内にある。
The
本実施形態では、導電性を有する融着材として、はんだが使用されている。ただし、意図した性質(導電性など)を有しているものであれば、はんだ以外の材料を融着材に用いてもよい。 In this embodiment, solder is used as a conductive fusion material. However, a material other than solder may be used as the welding material as long as it has the intended properties (conductivity, etc.).
図5に示すように、第1電圧検出端子6Aは、基板10に形成された第1通孔7A内に配置されている。融着材からなる第1電圧検出端子6Aは、融着材が加熱されて融解した後、硬化した状態であり、第1電圧検出端子6Aの端部は第1電極5Aに接触している。第2電圧検出端子6Bは、基板10に形成された第2通孔7B内に配置されている。融着材からなる第2電圧検出端子6Bも、第1電圧検出端子6Aと同様に、融着材が加熱されて融解した後、硬化した状態である。第2電圧検出端子6Bの端部は第2電極5Bに接触している。
As shown in FIG. 5, the first
本実施形態に使用される基板10は、配線がプリントされた配線基板(あるいはプリント基板)である。基板10は、基台プレート12と、基台プレート12の上下面を覆う絶縁層14を有している。基台プレート12の材料の例としては、ガラスエポキシなどの樹脂、セラミックス、アルミニウムなどの金属、およびこれらの組み合わせが挙げられる。基板10の上下面は絶縁層14から形成されており、基板10の下面を形成する絶縁層14は、第1電極5A、第2電極5B、および抵抗体3に接触している。図示しないが、基板10は、増幅器、A/D変換器、温度センサなどをさらに備えてもよい。図4および図5に示す基板10は例であり、基台プレート12、第1通孔7A、第2通孔7Bを備えている限りにおいて、基板10の構成は図4および図5に示す実施形態に限られない。
The
第1通孔7Aは、第1電極5Aに対向しており、第2通孔7Bは第2電極5Bに対向している。基板10は、第1通孔7Aの内壁を構成する第1導電層15Aと、第2通孔7Bの内壁を構成する第2導電層15Bと、第1導電層15Aおよび第2導電層15Bにそれぞれ電気的に接続された第1配線17Aおよび第2配線17Bをさらに備えている。第1導電層15Aおよび第2導電層15Bの例としては、銅箔、金箔、銀箔等の導電物が挙げられる。銅箔、金箔、銀箔は、めっきにより基台プレート12上に形成することができる。第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、基台プレート12の裏面に配置された第1配線17Aおよび第2配線17Bに電気的に接続されている。本実施形態では、第1配線17Aおよび第2配線17Bは、プリント配線である。
The first through
第1通孔7Aおよび第2通孔7Bの水平断面形状は特に限定されないが、水平断面形状の例としては、円形、半円形が挙げられる。円形の場合、第1通孔7Aおよび第2通孔7Bの直径は、10mm以下とされる。
The horizontal cross-sectional shape of the first through
第1電圧検出端子6Aは、第1通孔7Aの内壁を構成する第1導電層15A、および第1電極5Aに接触している。したがって、第1電圧検出端子6Aは、第1導電層15Aと第1電極5Aとの電気的な接続を確立する。同様に、第2電圧検出端子6Bは、第2通孔7Bの内壁を構成する第2導電層15B、および第2電極5Bに接触している。したがって、第2電圧検出端子6Bは、第2導電層15Bと第2電極5Bとの電気的な接続を確立する。尚、基板10と第1電極5Aおよび第2電極5Bとを機械的に連結するために、ねじ、ボルト、樹脂材などの機械的な連結要素をさらに設けてもよい。
The first
図5に示す、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bは、はんだからなる融着材が加熱されて融解した後、硬化した状態である。図6は、融着材が融解する前のシャント抵抗器1を示す断面図である。図6に示すように、はんだからなる融着材6A’,6B’は、第1通孔7Aおよび第2通孔7Bに配置(充填)される。
The first
融着材6A’,6B’を加熱することで、融着材6A’,6B’を融解させる。その結果、図5に示すように、融着材6A’,6B’は、第1通孔7Aおよび第2通孔7B内で融解し、第1電極5Aおよび第2電極5Bにそれぞれ接触する。加熱温度は、融着材6A’,6B’の融点以上である。融着材6A’,6B’の加熱は、融着材6A’,6B’および基板10を含むシャント抵抗器1の全体を加熱してもよいし、または融着材6A’,6B’を局所的に加熱してもよい。例えば、融着材6A’,6B’の加熱は、リフロー装置、レーザー加熱器などを用いて実施することができる。
By heating the fused
融着材6A’,6B’を融解させた後、融着材6A’,6B’の温度が低下するにつれて、融着材6A’,6B’は硬化し、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bを形成する。硬化した融着材6A’からなる第1電圧検出端子6Aは、第1電極5A、および第1通孔7Aの内壁を形成する第1導電層15Aの両方に接合し、硬化した融着材6B’からなる第2電圧検出端子6Bは、第2電極5B、および第2通孔7Bの内壁を形成する第2導電層15Bの両方に接合する。このようにして、基板10は、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bを通じて第1電極5Aおよび第2電極5Bに電気的に接続される。
After melting the fused
本実施形態は、第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bを固定するためのピン、ボンディングワイヤ、ねじなどの要素は不要であり、これらの要素の取り付け不良などに起因する電流検出精度の低下が起こらない。したがって、本実施形態のシャント抵抗器1は、高い電流検出精度を達成することができる。さらに、本実施形態によれば、第1電極5Aおよび第2電極5Bに通孔やねじ穴を形成することが不要であるので、孔の加工精度に起因する電流検出精度の低下を防止することができる。
In this embodiment, elements such as pins, bonding wires, and screws for fixing the first
第1電圧検出端子6Aおよび第2電圧検出端子6Bを形成する融着材6A’,6B’としてのはんだの例としては、はんだペースト、糸はんだが挙げられる。融着材6A’,6B’は、導電性を有し、かつ接着機能を有する材料であれば、はんだ以外の材料でもよい。例えば、銅ペースト、導電性接着剤を用いてもよい。
Examples of the solder as the fusing
上述した実施形態では、第1通孔7Aおよび第2通孔7Bの両方を有する単一の基板10が使用されているが、本発明は上述した実施形態に限定されない。一実施形態では、基板10は、第1通孔7Aを有する第1基板と、第2通孔7Bを有する第2基板を備えてもよい。この構成でも、第1通孔7A内に配置された第1電圧検出端子6Aにより第1基板は第1電極5Aに連結され、第2通孔7B内に配置された第2電圧検出端子6Bにより第2基板は第2電極5Bに連結される。
In the above-described embodiment, a
上述した各実施形態のシャント抵抗器1は、4端子測定などの電流測定に適用することができる。上記実施形態に係るシャント抵抗器1を用いれば、精度の高い電流検出が達成される。
The
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。 The above-described embodiments have been described for the purpose of allowing a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs to carry out the present invention. Various modifications of the above embodiment can be naturally made by those skilled in the art, and the technical idea of the present invention can be applied to other embodiments. Accordingly, the invention is not limited to the described embodiments, but is to be construed in the broadest range in accordance with the technical ideas defined by the claims.
1 シャント抵抗器
3 抵抗体
5A 第1電極
5B 第2電極
6A 第1電圧検出端子
6B 第2電圧検出端子
7A 第1通孔
7B 第2通孔
9A,9B ボルト孔
10 基板
12 基台プレート
14 絶縁層
15A 第1導電層
15B 第2導電層
17A 第1配線
17B 第2配線
1
Claims (5)
前記抵抗体の両側に接続された第1電極および第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ電気的に接続された第1電圧検出端子および第2電圧検出端子を備え、
前記抵抗体の中心線から前記第1電圧検出端子および前記第2電圧検出端子までの距離は、前記抵抗体の幅の21〜29%の範囲内にある、シャント抵抗器。 With a resistor,
The first and second electrodes connected to both sides of the resistor,
A first voltage detection terminal and a second voltage detection terminal electrically connected to the first electrode and the second electrode, respectively, are provided.
A shunt resistor in which the distance from the center line of the resistor to the first voltage detection terminal and the second voltage detection terminal is within the range of 21 to 29% of the width of the resistor.
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A621 | Written request for application examination |
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