JP2022177468A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、抵抗温度係数を低減することができるシャント抵抗器を用いた電流検出装置を提供する【解決手段】電流検出装置３０は、抵抗体５と、一対の電極６，７と、を備えている。電流検出装置３０には、一対の第１スリット１６，１７と一対の第２スリット２６，２７が形成されており、第１スリット１６，１７は、第１方向に沿って電極６，７および抵抗体５に掛かるように形成されており、第２スリット２６，２７は、第２方向に沿って電極６，７に形成されている。電極６，７には、第１スリット１６，１７、第２スリット２６，２７、および少なくとも一部が抵抗体５に接触する接触面６ａ，７ａによって検出領域２４ａ，２５ａが区画されており、電極６，７は、検出領域２４ａ，２５ａに配置された電圧検出部２０，２１をさらに有している。【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出装置、特にシャント抵抗器を用いた電流検出装置に関する。

シャント抵抗器は、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、抵抗体と、抵抗体の両端に接合された電極と、を備えている。一般に、抵抗体は、銅・ニッケル系合金、銅・マンガン系合金、鉄・クロム系合金、ニッケル・クロム系合金等の抵抗合金で構成されており、電極は、銅等の高導電性金属から構成されている。電極には電圧検出部が設けられており、電圧検出部に導線（例えば、アルミワイヤー）を接続することにより抵抗体の両端部で発生した電圧を検出する。

特開２０１４－９０２０５号公報

シャント抵抗器において、温度変動による影響が小さい条件下での電流の検出を可能にするために、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の特性は、重要である。なお、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、簡単な構造で、抵抗温度係数を低減することができるシャント抵抗器を用いた電流検出装置を提供することを目的とする。

一態様では、電流検出に用いられる電流検出装置であって、抵抗体と、前記抵抗体の両端に接続された一対の電極と、を備え、前記電流検出装置には、一対の第１スリットと前記一対の第１スリットに接続された一対の第２スリットが形成されており、各第１スリットは、前記一対の電極の配置方向である第１方向に沿って各電極および前記抵抗体に掛かるように形成されており、各第２スリットは、前記第１方向に垂直な方向である第２方向に沿って前記各電極に形成されており、前記各電極には、前記各第１スリット、前記各第２スリット、および少なくとも一部が前記抵抗体に接触する接触面によって検出領域が区画されており、前記各電極は、前記検出領域に配置された電圧検出部をさらに有している、電流検出装置が提供される。

一態様では、前記電圧検出部は、前記検出領域の中心よりも前記抵抗体に近い側に配置されている。
一態様では、前記検出領域は、前記電流検出装置の厚さ方向において前記抵抗体よりも突出している。
一態様では、前記電圧検出部は、前記接触面および前記各第１スリットに隣接して配置されている。
一態様では、前記電流検出装置は、配線基板をさらに備え、前記配線基板は、前記電圧検出部に接続される検出部材を備えている。
一態様では、前記一対の第１スリットは繋がっている。

第１スリット、第２スリット、および少なくとも一部が抵抗体に接触する接触面によって区画された検出領域に電圧検出部を配置することで抵抗温度係数を低減することができる。

シャント式電流検出装置としての電流検出装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す電流検出装置の側面図である。 シャント抵抗器の部分拡大図であり、シャント抵抗器を上から見た図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置の他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置のさらに他の実施形態を示す斜視図である。 電流検出装置の部分拡大図である。 電流検出装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。 電流検出装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。

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、シャント式電流検出装置としての電流検出装置３０の一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示す電流検出装置３０の側面図である。図２では電流検出装置３０の一部の図示は省略されている。本実施形態では、電流検出装置３０は、シャント抵抗器１を備えている。言い換えれば、本実施形態の電流検出装置３０は、シャント抵抗器１そのものである。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抵抗合金板材からなる抵抗体５と、第１方向における抵抗体５の両端（すなわち、両側接続面）５ａ，５ｂに接続された高導電性金属からなる一対の電極６，７と、を備えている。電極６は、少なくとも一部が抵抗体５の一端（一方の接続面）５ａに接触する接触面６ａを有しており、電極７は、少なくとも一部が抵抗体５の他端（他方の接続面）５ｂに接触する接触面７ａを有している。電極６，７には、シャント抵抗器１をねじなどで固定するための締結穴８，９がそれぞれ形成されている。

上記第１方向は、電流検出装置３０の長さ方向、すなわちシャント抵抗器１の長さ方向であり、電極６、抵抗体５、および電極７がこの順に配置される方向である。言い換えれば第１方向は電流が流れる方向である。この第１方向に垂直な方向は、第２方向である。第２方向は、電流検出装置３０の幅方向、すなわちシャント抵抗器１の幅方向である。図１および図２に示すように、電極６，７は、同一の構造を有しており、抵抗体５に関して対称に配置されている。

抵抗体５の両端５ａ，５ｂのそれぞれは、電極６，７のそれぞれに溶接（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続（接合）されている。抵抗体５の材質の例として、Ｃｕ－Ｍｎ系合金や、Ｎｉ－Ｃｒ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。Ｃｕ－Ｍｎ系合金や、Ｎｉ－Ｃｒ系合金は銅よりも高い抵抗率を有する。

図１および図２に示すように、本実施形態では、電極６，７の厚さは、抵抗体５の厚さよりも厚い。図２に示すように、電極６，７の裏面と抵抗体５の裏面は同一平面上にある。電極６，７の表面６ｂ，７ｂは、電流検出装置３０（シャント抵抗器１）の厚さ方向において、抵抗体５の表面５ｃよりも高い位置にある。電流検出装置３０（シャント抵抗器１）の厚さ方向とは、第１方向と第２方向の両方に垂直な方向である。電極６の表面６ｂと、接触面６ａと、抵抗体５の表面５ｃによって段差１８が形成されており、電極７の表面７ｂと、接触面７ａと、抵抗体５の表面５ｃによって段差１９が形成されている。段差１８，１９と、表面５ｃによって空間ＳＰが形成されている。

図１に示すように、電流検出装置３０のシャント抵抗器１には、一対のスリット１２，１３が形成されている。スリット１２は、第１スリット１６と、第２スリット２６を含み、スリット１３は、第１スリット１７と、第２スリット２７を含んでいる。すなわち、電流検出装置３０のシャント抵抗器１には、一対の第１スリット１６，１７と一対の第２スリット２６，２７が形成されている。

図３は、シャント抵抗器１の部分拡大図であり、シャント抵抗器１を上から見た図である。図３に示すように、第１スリット１６は、第１方向に沿って電極６および抵抗体５に掛かるように形成されており、第２スリット２６は、第２方向に沿って電極６に形成されている。第１スリット１７は、第１方向に沿って電極７および抵抗体５に掛かるように形成されており、第２スリット２７は、第２方向に沿って電極７に形成されている。具体的には、第１スリット１６は、第１方向に沿って電極６から抵抗体５の一部にかけて形成されており、第１スリット１７は、第１方向に沿って電極７から抵抗体５の一部にかけて形成されている。

第２スリット２６，２７は、第１スリット１６，１７にそれぞれ接続されている。具体的には、第１スリット１６，１７の一端は、第２スリット２６，２７の中央部にそれぞれ接続されている。スリット１２，１３は、シャント抵抗器１の厚さ方向に貫通しており、シャント抵抗器１を上から見たとき、抵抗体５に向かって凸型の形状を有している。

図３に示すように、電極６には、第１スリット１６、第２スリット２６、および接触面６ａによって検出領域２４ａ，２４ｂが区画されており、電極７には、第１スリット１７、第２スリット２７、および接触面７ａによって検出領域２５ａ，２５ｂが区画されている。検出領域２４ａ，２４ｂは、電極６の表面６ｂ上に形成されており、検出領域２５ａ，２５ｂは、電極７の表面７ｂ上に形成されている。検出領域２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、電流検出装置３０の厚さ方向（シャント抵抗器１の厚さ方向）において抵抗体５よりも突出している。

図３に示すように、電極６，７は、抵抗体５の両端５ａ，５ｂに発生する電圧（抵抗体５の電圧）を測定するための電圧検出部２０，２１をそれぞれ有している。電圧検出部２０は、検出領域２４ａ上に配置されており、電圧検出部２１は、検出領域２５ａ上に配置されている。一実施形態では、電圧検出部２０，２１は、検出領域２４ｂ，２５ｂ上にそれぞれ配置されていてもよい。

電流は、スリット１２，１３を避けてシャント抵抗器１を流れる。このため、検出領域２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂでは、電位分布が起きにくくなる。したがって、検出領域２４ａ，２５ａ（または検出領域２４ｂ，２５ｂ）に電圧検出部２０，２１を配置することで、シャント抵抗器１の抵抗温度係数を低減することができる。言い換えれば、検出領域２４ａ，２５ａ（または検出領域２４ｂ，２５ｂ）に配置された電圧検出部２０，２１から電圧を取り出すことで、抵抗温度係数が小さい電圧測定を行うことができ、安定した電流検出を行うことができる。

仮に、第１スリット１６，１７が抵抗体５との間に隙間を空けて電極６，７のみに形成されるとすると、第１スリット１６，１７と抵抗体５との隙間に電流が集中し、第１スリット１６，１７と抵抗体５の近傍の領域では、電位分布が大きくなる。そのため、本実施形態のような電位分布が起きにくい領域を作ることができなくなる。また、このような電流の集中を避けるため、抵抗体５から遠ざかる場所にスリット１２，１３を形成したとすると、検出領域は抵抗体５から遠ざかり、電圧測定の際に、電極６，７の材料（電極材料）の抵抗値の温度特性の影響を受けてしまう。電極材料の温度特性の影響を少なくして抵抗体５の電圧を測定するためには、抵抗体５に近い位置から電圧を取り出すことが望ましい。

一方、本実施形態では、第１スリット１６は、電極６および抵抗体５に掛かるように形成されており、第１スリット１７は、電極７および抵抗体５に掛かるように形成されている。これにより、上述した電流の集中を避けることができ、電位分布が大きくなる領域を無くすことができる。また、抵抗体５に近い位置を電圧検出位置（電圧検出部２０，２１の位置）とすることができるため、電極材料の温度特性の影響が少ない電圧測定が可能となる。結果として、シャント抵抗器１の抵抗温度係数を低減することができる。

また、第１スリット１６，１７と接触面６ａ，７ａにより、エッジ部が形成されるため、このエッジ部を基点として電圧検出位置（電圧検出部２０，２１の位置）の位置合わせを行うことができる。これにより、電圧検出位置による電圧の測定誤差の低減や、温度特性が良好な電圧検出位置を特定することができ、安定した電圧測定を行うことができる。また、電圧検出位置（電圧検出部２０，２１の位置）を制御することで材料特性や製造ばらつきに対して温度特性の補正が可能となる。

本実施形態では、スリット１２，１３は凸型の形状を有しているが、一実施形態では、スリット１２，１３の角は、Ｒ面やＣ面を有していてもよい。

本実施形態では、電圧検出部２０，２１は、第１方向において、検出領域２４ａ，２５ａの中心（中心線ＣＬ１，ＣＬ２）よりも抵抗体５に近い側に配置されている。一実施形態では、電圧検出部２０，２１は、第１方向において、検出領域２４ｂ，２５ｂの中心（中心線ＣＬ１，ＣＬ２）よりも抵抗体５に近い側に配置されていてもよい。これにより、より電極材料の抵抗値の温度特性の影響を小さくすることができ、より精度良く抵抗体５の電圧を測定することができる。

より具体的には、電圧検出部２０は、接触面６ａおよび第１スリット１６の側壁１６ａに隣接して配置されており、電圧検出部２１は、接触面７ａおよび第１スリット１７の側壁１７ａに隣接して配置されている。一実施形態では、電圧検出部２０は、接触面６ａおよび第１スリット１６の側壁１６ｂに隣接して配置されていてもよく、電圧検出部２１は、接触面７ａおよび第１スリット１７の側壁１７ｂに隣接して配置されていてもよい。これにより、さらに電極材料の抵抗値の温度特性の影響を小さくすることができ、より精度良く抵抗体５の電圧を測定することができる。

さらに一実施形態では、図４に示すように、電極６，７は、抵抗体５の電圧を測定するための電圧検出部２２，２３をさらに有していてもよい。電圧検出部２２は、検出領域２４ｂ上に配置されており、電圧検出部２３は、検出領域２５ｂ上に配置されている。具体的には、電圧検出部２２，２３は、第１方向において、検出領域２４ｂ，２５ｂの中心（中心線ＣＬ１，ＣＬ２）よりも抵抗体５に近い側に配置されている。より具体的には、電圧検出部２２は、接触面６ａおよび第１スリット１６の側壁１６ｂに隣接して配置されており、電圧検出部２３は、接触面７ａおよび第１スリット１７の側壁１７ｂに隣接して配置されている。

電圧検出部２０と電圧検出部２２とは、同電位であり、電圧検出部２１と電圧検出部２３とは同電位である。二対の電圧検出部から電圧を取り出すことで、シャント抵抗器１から電圧が取り出された後の電流の経路による電位の変動を抑えることができる。

一実施形態では、シャント抵抗器１は、板状の抵抗体と、上記抵抗体の両端に接合された複数の銅板から成る長尺接合材に、金型やワイヤーカット等により形状加工を施すことにより形成される。一実施形態では、スリット１２，１３は、シャント抵抗器１を金型で打ち抜く、もしくはワイヤーカットによる形状加工を施すことで形成される。さらに一実施形態では、スリット１２，１３の形状を調整することで、ＴＣＲ特性機能を制御することが出来る。

図５は、電流検出装置３０の他の実施形態を示す模式図である。図５では電流検出装置３０の一部の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図４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。図５に示すように、本実施形態の電流検出装置３０は、シャント抵抗器１と配線基板３１を備えている。配線基板３１は、検出部材３６ａ，３６ｂを備えている。配線基板３１の基板本体３３の表面には、シャント抵抗器１からの電圧信号（抵抗体５の電圧）を伝達するための配線４０，４１が形成されており、検出部材３６ａ，３６ｂは、ビアホール３８ａ，３８ｂを介して配線４０，４１に接続されている。

検出部材３６ａ，３６ｂは、電圧検出部２０，２１にそれぞれ接続されている。検出部材３６ａ，３６ｂの一例として銅箔をパターニングして形成された金属のパッドが挙げられる。検出部材３６ａ，３６ｂは、段差１８，１９に跨がって（接触面６ａ，７ａを覆うように）電圧検出部２０，２１に接続されている。電圧検出部２０，２１と配線基板３１の配線４０，４１との接続は、検出部材３６ａ，３６ｂに替えて、金属のリードフレーム（板状の導電材）や、ワイヤーを用いてもよい。

上述のように、本実施形態のシャント抵抗器１は、段差１８，１９を有しており、検出領域２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、シャント抵抗器１の厚さ方向において抵抗体５よりも突出している。これにより、検出部材３６ａ，３６ｂを、段差１８，１９に跨がって配置することができる。このような構成により、電圧の検出位置をより抵抗体５に近付けることができる。結果として、より精度良く抵抗体５の電圧を測定することができる。また、段差１８，１９により、検出部材３６ａ，３６ｂが抵抗体５に接触することを防ぐことができる。

上述のように、抵抗体５は、電極６，７に溶接などの手段によって接続される。そのため、抵抗体５と電極６，７との接合部には溶接痕により凹凸が生じるが、本実施形態では、シャント抵抗器１は、段差１８，１９を有しているので、上記溶接痕の影響を受けずに検出部材３６ａ，３６ｂを段差１８，１９に跨がって接続することができる。また、抵抗体５の上部に空間ＳＰが形成されるため、抵抗体５の発熱が配線基板３１に直接伝わることを避けることができる。

一実施形態では、図６に示すように、配線基板３１は、電圧検出部２０，２１，２２，２３（図４参照）にそれぞれ接続される４つの検出部材３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄを備えていてもよい。４つの検出部材３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄには、図示しない配線に接続されるビアホール３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄがそれぞれ接続される。図６では、基板本体３３の図示は省略されている。本実施形態でも、検出部材３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄは、段差１８，１９に跨がって配置される。

図７は、電流検出装置３０のさらに他の実施形態を示す斜視図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図４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。本実施形態では、第１スリット１６，１７の一端は、第２スリット２６，２７の一端にそれぞれ接続されている。言い換えれば、スリット１２，１３は、シャント抵抗器１を上から見たとき、Ｌ字型の形状を有している。

電極６には、第１スリット１６、第２スリット２６、および接触面６ａによって検出領域２４ａが区画されており、電極７には、第１スリット１７、第２スリット２７、および接触面７ａによって検出領域２５ａが区画されている。本実施形態においても図１乃至図４を参照して説明した効果を奏することができ、図５および図６を参照して説明した実施形態は、本実施形態にも適用することができる。

図８は、電流検出装置３０のさらに他の実施形態を示す斜視図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図７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。本実施形態では、第１スリット１６の第２方向における位置と、第１スリット１７の第２方向における位置は、異なっており、第２スリット２６，２７は互いに反対方向に延びている。すなわち、スリット１２，１３のＬ字型形状の向きは、シャント抵抗器１を上から見たとき、上下左右に反転している。本実施形態においても図１乃至図４を参照して説明した効果を奏することができ、図５および図６を参照して説明した実施形態は、本実施形態にも適用することができる。

図９は、電流検出装置３０のさらに他の実施形態を示す斜視図である。図９では電流検出装置３０の一部の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は図４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。本実施形態の電流検出装置３０は、シャント抵抗器１と、電圧検出端子５０，５１，５２，５３を備えている。本実施形態のシャント抵抗器１は、段差１８，１９を有していない点で図４のシャント抵抗器１と異なっている。すなわち、本実施形態では、電極６，７および抵抗体５の厚さは同じである。

電圧検出端子５０，５１，５２，５３は、電圧検出部２０，２１，２２，２３上にそれぞれ設けられている。電圧検出端子５０，５１，５２，５３の一例として、ピン端子が挙げられる。本実施形態においても図１乃至図４を参照して説明した効果を奏することができ、図７および図８を参照して説明した実施形態は、本実施形態にも適用することができる。

図１０は、電流検出装置３０のさらに他の実施形態を示す斜視図であり、図１１は、電流検出装置３０の部分拡大図である。図１１は、電流検出装置３０を上から見た図である。
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。図１０および図１１では、電流検出装置３０の一部の図示は省略されている。

本実施形態では、第１スリット１６と第１スリット１７は繋がっている。すなわち、第１スリット１６と第１スリット１７とは互いに接続されている。言い換えれば、第１スリット１６は、電極６から電極７にかけて形成されており、第２スリット２６，２７は第１スリット１６の両端に接続されているともいうことができる。また、第１スリット１７は、電極７から電極６にかけて形成されており、第２スリット２６，２７は第１スリット１７の両端に接続されているともいうことができる。

一実施形態では、図１２に示すように、電極６は、検出領域２４ｂ上に配置された電圧検出部２２をさらに有していてもよく、電極７は、検出領域２５ｂ上に配置された電圧検出部２３をさらに有していてもよい。本実施形態では、二対の電圧検出部から電圧が検出される。さらに一実施形態では、図１３に示すように、電極６は、検出領域２４ａ上に配置された電圧検出部２０を有し、電極７は、検出領域２５ｂ上に配置された電圧検出部２３を有していてもよい。本実施形態では、第１スリット１６，１７を挟んで対角線上で抵抗体５の電圧が測定される。

図１０乃至図１３を参照して説明した実施形態においても、図１乃至図４を参照して説明した上述の効果と同様の効果を奏することができる。図５および図６を参照して説明した実施形態および図９を参照して説明した電圧検出端子５０，５１，５２，５３は、図１０乃至図１３を参照して説明した実施形態にも適用することができる。

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，５ｂ 両端（両側接続面）
５ｃ 表面
６，７ 電極
６ａ，７ａ 接触面
６ｂ，７ｂ 表面
８，９ 締結穴
１２，１３ スリット
１６，１７ 第１スリット
１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ 側壁
１８，１９ 段差
２０，２１，２２，２３ 電圧検出部
２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ 検出領域
２６，２７ 第２スリット
３０ 電流検出装置
３１ 配線基板
３３ 基板本体
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ 検出部材
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ ビアホール
４０，４１ 配線
５０，５１，５２，５３ 電圧検出端子

Claims (6)

1. 電流検出に用いられる電流検出装置であって、
   抵抗体と、
   前記抵抗体の両端に接続された一対の電極と、を備え、
   前記電流検出装置には、一対の第１スリットと前記一対の第１スリットに接続された一対の第２スリットが形成されており、
   各第１スリットは、前記一対の電極の配置方向である第１方向に沿って各電極および前記抵抗体に掛かるように形成されており、
   各第２スリットは、前記第１方向に垂直な方向である第２方向に沿って前記各電極に形成されており、
   前記各電極には、前記各第１スリット、前記各第２スリット、および少なくとも一部が前記抵抗体に接触する接触面によって検出領域が区画されており、
   前記各電極は、前記検出領域に配置された電圧検出部をさらに有している、電流検出装置。
2. 前記電圧検出部は、前記検出領域の中心よりも前記抵抗体に近い側に配置されている、請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記検出領域は、前記電流検出装置の厚さ方向において前記抵抗体よりも突出している、請求項１または２に記載の電流検出装置。
4. 前記電圧検出部は、前記接触面および前記各第１スリットに隣接して配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流検出装置。
5. 配線基板をさらに備え、
   前記配線基板は、前記電圧検出部に接続される検出部材を備えている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電流検出装置。
6. 前記一対の第１スリットは繋がっている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電流検出装置。

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