JP2022066642A - シャント抵抗器およびシャント抵抗装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧検出用の配線の接続位置によるシャント抵抗器の特性のばらつきを抑制することができるシャント抵抗器が提供される。【解決手段】シャント抵抗器１は電極部材１０を備えている。電極部材１０は、抵抗体５に接触する接触部位１０ａと、接触部位１０ａに形成されたスリット２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、シャント抵抗器およびシャント抵抗装置に関する。

電流を抵抗体に流し、その両端の電圧から電流の大きさを検出するシャント抵抗器が存在する（例えば、特許文献１参照）。このようなシャント抵抗器は、円板状の抵抗体と、抵抗体の両面に形成された２つの電極と、を備えている。２つの電極のうちの一方は配線（パッド）に接続されており、他方はボンディングワイヤに接続されている。

特開２０１８－１７０４７８号公報

ボンディングワイヤに接続された電極は、電位分布を有している。したがって、ボンディングワイヤの接続位置がずれることで、検出される抵抗値やシャント抵抗器の抵抗温度係数（Ｔ．Ｃ．Ｒ）が変化することがある。抵抗温度係数は、温度による抵抗値の変化の割合を示す指標である。

そこで、本発明は、電圧検出用の配線の接続位置によるシャント抵抗器の特性のばらつきを抑制することができるシャント抵抗器およびシャント抵抗装置を提供することを目的とする。

一態様では、導電性材料から構成された電極部材を備えるシャント抵抗器が提供される。前記電極部材は、抵抗体に接触する接触部位と、前記接触部位に形成されたスリットと、を備える。

一態様では、前記スリットは、電流方向に垂直な方向に延びている。
一態様では、前記接触部位は、前記抵抗体に隣接する第１面および前記第１面とは反対側の第２面を有しており、前記スリットは、前記第１面および前記第２面に接続された貫通孔である。

一態様では、抵抗体と、前記抵抗体に接触する接触部位を備える電極部材と、前記電極部材に接続された電圧検出配線と、を備えるシャント抵抗装置が提供される。前記電極部材は、前記接触部位に形成されたスリットを備えており、前記電圧検出配線は、前記スリットと前記電極部材のスリット側端部との間の第１配線領域に配置されている。

一態様では、前記シャント抵抗装置は、前記電極部材に接続された電流配線を備えており、前記電流配線は、前記スリットを挟んで、前記第１配線領域とは反対側の第２配線領域に配置されている。
一態様では、前記スリットは、電流方向に垂直な方向に延びている。
一態様では、前記接触部位は、前記抵抗体に隣接する第１面および前記第１面とは反対側の第２面を有しており、前記スリットは、前記第１面および前記第２面に接続された貫通孔である。

本発明によれば、スリットを接触部位に形成することにより、電圧検出用の配線の接続位置によるシャント抵抗器の特性のばらつきを抑制することができる。

電流検出用のシャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図である。 電流検出用のシャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図である。 実装ランドパターンの一実施形態を示す図である。 図３に示す実装ランドパターンに実装されたシャント抵抗装置を示す図である。 本実施形態におけるスリットを形成したシャント抵抗器の有効性を検証するため、抵抗値およびＴ．Ｃ．Ｒの測定位置を説明する図である。 シャント抵抗器の抵抗値の測定位置による変化を示すグラフである。 シャント抵抗器のＴ．Ｃ．Ｒの測定位置による変化を示すグラフである。 シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。 シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。 図３に示す実装ランドパターンに、図９に示すシャント抵抗器を実装して構成されたシャント抵抗装置の一実施形態を示す図である。 図３に示す実装ランドパターンに、図９に示すシャント抵抗器を実装して構成されたシャント抵抗装置の他の実施形態を示す図である。

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。

図１および図２は、電流検出用のシャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図である。図１および図２に示すように、シャント抵抗器１は、所定の厚みと幅を有する板状（薄板状）の抵抗体５と、導電性材料から構成された板状（薄板状）の電極６と、導電性材料から構成された電極部材１０と、を備えている。

抵抗体５の材料の一例として、Ｃｕ－Ｍｎ－Ｎｉ系合金やＮｉ－Ｃｒ系合金などの低抵抗合金材が挙げられる。電極６および電極部材１０の材料の一例として、高導電性金属である銅（Ｃｕ）が挙げられる。

抵抗体５は、第１抵抗体表面５ａと、第１抵抗体表面５ａの反対側の面である第２抵抗体表面５ｂと、を有している。電極部材１０は、第１抵抗体表面５ａに接続されており、電極６は、第２抵抗体表面５ｂに接続されている。すなわち、電極６、抵抗体５、および電極部材１０は、この順にシャント抵抗器１の厚さ方向に積層されている。

図１および図２において、シャント抵抗器１の厚さ方向は、鉛直方向と平行な方向である。第１方向は、シャント抵抗器１の長さ方向である。第２方向は、シャント抵抗器１の幅方向であり、第１方向に垂直な方向である。

電極部材１０は、長方形状を有する本体部１１と、本体部１１から厚さ方向に延びる端子部１４と、を備えている。本体部１１および端子部１４は、一体成形部材である。

電極部材１０（より具体的には、本体部１１）は、抵抗体５に接触する接触部位１０ａを備えている。図１の白抜き矢印で示す方向に電極部材１０を移動させることにより、電極部材１０の接触部位１０ａは抵抗体５に接続される（図２参照）。端子部１４は、電極部材１０の中心線ＣＬに関して、接触部位１０ａの反対側に配置されている。中心線ＣＬは、シャント抵抗器１の第２方向と平行に延び、かつ電極部材１０を二等分する仮想の線分である。

端子部１４および電極６（および抵抗体５）は、シャント抵抗器１の第１方向において、互いに離間して配置されている。この第１方向は、シャント抵抗器１を通過する電流の電流方向と平行である。

電極部材１０は、加圧溶接などの溶接、はんだ、金属ナノ粒子（銀ナノ粒子を用いた銀ペーストや、銅ナノ粒子を用いた銅ペースト）などの接続手段により、抵抗体５の第１抵抗体表面５ａに接続されてもよい。電極６も同様の接続手段により抵抗体５の第２抵抗体表面５ｂに接続されてもよい。端子部１４および電極６には、はんだ実装を可能とするために、ＳｎめっきやＮｉめっき等の表面処理が施されている。

図１および図２に示すように、電極部材１０は、接触部位１０ａに形成されたスリット２０を備えている。スリット２０は、電流方向に垂直な方向（すなわち、第２方向と平行な方向）に延びる長孔である。

スリット２０は、電極部材１０の表面から抵抗体５に達するように貫通している。より具体的には、接触部位１０ａは、抵抗体５に隣接する第１面２１および第１面２１とは反対側の第２面２２を有しており、スリット２０は、これら第１面２１および第２面２２に接続された貫通孔である。

電極部材１０は、第１方向における両端部２３，２４を有している。端部２３はスリット２０に隣接するスリット側端部であり、端部２４はスリット２０から離間する反対側端部である。したがって、スリット２０とスリット側端部２３との間の距離は、スリット２０と反対側端部２４との間の距離よりも小さい。

図２に示すように、スリット２０とスリット側端部２３との間の配線領域Ａ１（点線で囲まれた枠）には、実装の際に電圧検出配線２５が接続される。この電圧検出配線２５は、抵抗体５における電位差（第１抵抗体表面５ａと、第２抵抗体表面５ｂとの間に発生する電位差）を検出するための配線（端子）である。抵抗体５、電極部材１０、電極部材１０に接続された電圧検出配線２５は、シャント抵抗装置１００を構成している。

一実施形態では、電圧検出配線２５は、ボンディングワイヤであってもよい。この場合、電極部材１０（より具体的には、接触部位１０ａ）の配線領域Ａ１には、ボンディングを可能にする表面処理（例えば、ＮｉＰめっきやＮｉめっき等）が施される。

図３は、実装ランドパターンの一実施形態を示す図である。図４は、図３に示す実装ランドパターンに実装されたシャント抵抗装置１００を示す図である。図３および図４に示すように、通電パターン３０，３１の間には、引き出し線３３が配置されており、引き出し線３３は、通電パターン３１に接続されている。引き出し線３３は、抵抗体５の電圧を検出するための電圧検出端子である。

通電パターン３０，３１は、図示しないプリント基板などの回路基板に形成されている。端子部１４および電極６のそれぞれは、はんだなどの手段により通電パターン３０，３１のそれぞれに接続（接合）されている。通電パターン３０、シャント抵抗器１、および通電パターン３１により電流経路が形成される。本実施形態では、電圧測定装置２６を用いて、電圧検出配線２５と引き出し線３３との間の電位差（すなわち、抵抗体５における電位差）を測定することができる。かかる電位差の測定により電流値が算出される。算出された電流値により、例えば自動車に搭載された各種機器の制御が行われる。

図５は、本実施形態におけるスリット２０を形成したシャント抵抗器１の有効性を検証するため、抵抗値およびＴ．Ｃ．Ｒの測定位置を説明する図である。図６は、シャント抵抗器１の抵抗値の測定位置による変化を示すグラフである。図７は、シャント抵抗器１のＴ．Ｃ．Ｒの測定位置による変化を示すグラフである。

図６は、スリット２０の幅の大きさ（１．５ｍｍ～４．５ｍｍ）および測定位置（１．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．７ｍｍ、５．０ｍｍ）を変化させたときの抵抗値のシミュレーション結果を示している。図７は、スリット２０の幅の大きさ（１．５ｍｍ～４．５ｍｍ）および測定位置（１．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．７ｍｍ、５．０ｍｍ）を変化させたときのＴ．Ｃ．Ｒのシミュレーション結果を示している。

本実施形態では、シャント抵抗器１の設定抵抗値は、１００μΩである。抵抗値およびＴ．Ｃ．Ｒの測定位置は、位置０ｍｍを基準位置（中心線ＣＬ（図１参照）上の電極部材１０の中心位置）としたとき、この基準位置からスリット側端部２３までの距離に相当する。

図６の横軸は抵抗値の測定位置を示しており、図６の縦軸は抵抗値［ｍΩ］を示している。図６から明らかなように、電極部材１０の基準位置側の位置においては、スリット２０の幅の大きさが大きくなるほど、抵抗値は大きくなる。測定位置が電極部材１０の基準位置から離れるほど、抵抗値が小さくなる。したがって、スリット２０の幅の大きさを変更することにより、抵抗値を変更することができる。その一方で、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３の位置においては、スリット２０の幅の大きさが大きくなると、抵抗値は小さくなるが、それほど大きく変化しない。

このことから、スリット２０の位置よりも基準位置側の位置に電圧検出配線２５を接続（ボンディング）する場合、電圧検出配線２５の接続位置によって抵抗値特性が変化する。その一方で、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３の位置に電圧検出配線２５を接続（ボンディング）する場合、電圧検出配線２５の接続位置に応じて抵抗値特性はほとんど変化しない。したがって、シャント抵抗器１の特性のばらつきを抑制するために、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３側の位置に電圧検出配線２５を接続することが望ましい。

図６のシミュレーション結果には示されていないが、スリット２０を形成する位置に応じて、抵抗値は変更可能である。つまり、スリット２０を基準位置側の位置に形成すると、抵抗値は大きくなり、スリット２０をスリット側端部２３側の位置に形成すると、抵抗値は小さくなる。

図７の横軸はＴ．Ｃ．Ｒの測定位置を示しており、図７の縦軸はＴ．Ｃ．Ｒ［ｐｐｍ／ｄｅｇ］を示している。図７から明らかなように、電極部材１０の基準位置側の位置においては、スリット２０の幅の大きさが大きくなるほど、Ｔ．Ｃ．Ｒはプラス側になる。測定位置が電極部材１０の基準位置から離れるほど、Ｔ．Ｃ．Ｒがマイナス側になる。したがって、スリット２０の幅の大きさを変更することにより、Ｔ．Ｃ．Ｒを変更することができる。その一方で、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３の位置においては、スリット２０の幅の大きさが大きくなると、Ｔ．Ｃ．Ｒはマイナスになる。測定位置が変わってもＴ．Ｃ．Ｒはほとんど変化しない。

このことから、スリット２０の位置よりも基準位置側の位置に電圧検出配線２５を接続（ボンディング）する場合、電圧検出配線２５の接続位置によってＴ．Ｃ．Ｒ特性が変化する。その一方で、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３の位置に電圧検出配線２５を接続（ボンディング）する場合、電圧検出配線２５の接続位置に応じてＴ．Ｃ．Ｒ特性はほとんど変化しない。したがって、シャント抵抗器１の特性のばらつきを抑制するために、スリット２０の位置よりもスリット側端部２３側の位置に電圧検出配線２５を接続することが望ましい。

図７から明らかなように、スリット２０の幅の大きさを変更することにより、Ｔ．Ｃ．Ｒ特性を変更することができる。特に、図７に示すように、スリット２０の幅の大きさの変更に起因するＴ．Ｃ．Ｒ特性は、基準位置側の位置よりもスリット側端部２３の位置において顕著に変化する。

図７のシミュレーション結果には示されていないが、スリット２０を形成する位置に応じて、Ｔ．Ｃ．Ｒは変更可能である。つまり、スリット２０を基準位置側の位置に形成すると、Ｔ．Ｃ．Ｒはプラス側に調整され、スリット２０をスリット側端部２３側の位置に形成すると、Ｔ．Ｃ．Ｒはマイナス側に調整される。

スリット２０を形成することによる追加的な効果は、次の通りである。特許文献１（すなわち、特開２０１８－１７０４７８号公報）のシャント抵抗器において、抵抗値を変更する方法の１つとして、抵抗体を切削する方法が挙げられる。例えば、抵抗体の側面を切削することにより、抵抗体の断面積（すなわち、電流経路）を減少させて、抵抗値を増加させる。しかしながら、このような方法では、抵抗体に残留応力が発生することがある。このような残留応力は、回路基板に実装した後に、抵抗値が変動する原因となるおそれがある。本実施形態によれば、スリット２０を形成することにより、抵抗体５を切削することなく、抵抗値を変更することができる。したがって、残留応力に起因する抵抗値の変動は生じない。

図８および図９は、シャント抵抗器１の他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、上述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。図８および図９に示すように、電極部材５０は、上述した実施形態に係る電極部材１０よりも小さなサイズを有している。より具体的には、電極部材５０は、電極部材１０よりも第１方向において、短い長さを有している。

電極部材５０は、その全体において、抵抗体５に接触する接触部位５０ａを備えている。図８の白抜き矢印で示す方向に電極部材５０を移動させることにより、電極部材５０の接触部位５０ａは抵抗体５に接続される（図９参照）。図９に示すように、電極部材５０は抵抗体５および電極６と同一のサイズを有している。

電極部材５０の表面（図９の点線で囲まれた面（言い換えれば、接触部位５０ａの全体の面））には、ボンディングを可能にする表面処理（例えば、ＮｉＰめっきやＮｉめっき等）が施される。電極６には、はんだ実装を可能とするために、ＳｎめっきやＮｉめっき等の表面処理が施されている。

上述した実施形態と同様に、スリット２０は、電流方向に垂直な方向に延びる長孔である。電極部材５０の接触部位５０ａは、抵抗体５に隣接する第１面５１および第１面５１とは反対側の第２面５２を有しており、スリット２０は、これら第１面５１および第２面５２に接続された貫通孔である。

図１０は、図３に示す実装ランドパターンに、図９に示すシャント抵抗器を実装して構成されたシャント抵抗装置１００の一実施形態を示す図である。図１０に示す実施形態では、シャント抵抗装置１００は、電極部材５０に接続された電圧検出配線２５および電流配線５５を備えている。

図１０に示すように、電圧検出配線２５は、スリット２０とスリット側端部５３との間の配線領域Ａ１（点線で囲まれた枠）に配置されている。電流配線５５はスリット２０を挟んで配線領域Ａ１とは反対側の配線領域Ａ２（点線で囲まれた枠）に配置されている。この配線領域Ａ２は、スリット２０と反対側端部５４との間の領域である。

図１０に示す実施形態では、電流配線５５は、複数（図１０では、４つ）のボンディングワイヤであるが、電流配線５５の数は本実施形態には限定されない。電流配線５５は、通電パターン３０および電極部材５０に接続されている。通電パターン３０、電流配線５５、シャント抵抗器１、および通電パターン３１により、電流経路が形成される。

図１１は、図３に示す実装ランドパターンに、図９に示すシャント抵抗器を実装して構成されたシャント抵抗装置１００の他の実施形態を示す図である。図１１に示す実施形態では、シャント抵抗装置１００は、複数のボンディングワイヤから構成された電流配線５５の代わりに、クリップ状端子から構成された電流配線５６を備えている。図１０および図１１に示すように、シャント抵抗装置１００は、電流配線として、複数のボンディングワイヤおよびクリップ状端子の少なくとも１つを備えてもよい。

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。

１ シャント抵抗器
５ 抵抗体
５ａ 第１抵抗体表面
５ｂ 第２抵抗体表面
６ 電極
１０ 電極部材
１０ａ 接触部位
１１ 本体部
１４ 端子部
２０ スリット
２１ 第１面
２２ 第２面
２３ スリット側端部
２４ 反対側端部
２５ 電圧検出配線
２６ 電圧測定装置
３０ 通電パターン
３１ 通電パターン
３３ 引き出し線
５０ 電極部材
５０ａ 接触部位
５１ 第１面
５２ 第２面
５３ スリット側端部
５４ 反対側端部
５５ 電流配線
５６ 電流配線

Claims (7)

1. 導電性材料から構成された電極部材を備えるシャント抵抗器であって、
   前記電極部材は、
   抵抗体に接触する接触部位と、
   前記接触部位に形成されたスリットと、を備える、シャント抵抗器。
2. 前記スリットは、電流方向に垂直な方向に延びている、請求項１に記載のシャント抵抗器。
3. 前記接触部位は、前記抵抗体に隣接する第１面および前記第１面とは反対側の第２面を有しており、
   前記スリットは、前記第１面および前記第２面に接続された貫通孔である、請求項１または請求項２に記載のシャント抵抗器。
4. 抵抗体と、
   前記抵抗体に接触する接触部位を備える電極部材と、
   前記電極部材に接続された電圧検出配線と、を備え、
   前記電極部材は、前記接触部位に形成されたスリットを備えており、
   前記電圧検出配線は、前記スリットと前記電極部材のスリット側端部との間の第１配線領域に配置されている、シャント抵抗装置。
5. 前記シャント抵抗装置は、前記電極部材に接続された電流配線を備えており、
   前記電流配線は、前記スリットを挟んで、前記第１配線領域とは反対側の第２配線領域に配置されている、請求項４に記載のシャント抵抗装置。
6. 前記スリットは、電流方向に垂直な方向に延びている、請求項４または請求項５に記載のシャント抵抗装置。
7. 前記接触部位は、前記抵抗体に隣接する第１面および前記第１面とは反対側の第２面を有しており、
   前記スリットは、前記第１面および前記第２面に接続された貫通孔である、請求項４～請求項６のいずれか一項に記載のシャント抵抗装置。

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