JP3545727B2 - 電流検出用抵抗器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流検出用抵抗器に係り、特にその抵抗体に被測定電流を流し、抵抗体両端のケルビン端子（電圧検出端子）から電位差を取り出す電流検出用抵抗器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流検出用抵抗器は、ｍΩオーダの微小抵抗値を有する抵抗体に、未知の比較的大きな電流を流すことで、抵抗体両端に生じる電圧からその電流値を検出する抵抗器であり、例えばノートパソコン等のバッテリ電流の検出等の用途に広く用いられている。被測定電流Ｉが抵抗体を流れることによって、抵抗体の長手方向両端部に設けた電圧検出用端子（ケルビン端子）間に発生する電位差が被測定電流値Ｉに比例するとして使用される。
【０００３】
電流検出用抵抗器に被測定電流Ｉを流し、抵抗体両端のケルビン端子から電位差を取り出すことによって電流検出をする場合、理想的には電位差Ｖｉ−Ｖｏは抵抗体の抵抗値Ｒと被測定電流値Ｉの積になる。図９は、従来の電流検出用抵抗器の構造例を示す。抵抗体１１の長手方向両端に電極１２，１３を備える。そして電極１２，１３間に被測定電流が流れ、抵抗体１１によって生じる電位差がケルビン端子１５，１６から取り出される。
【０００４】
しかしながら、抵抗体の抵抗温度係数がゼロで無い場合、ケルビン端子間に発生する電位差は、被測定電流による抵抗体の温度上昇のため、抵抗値が変化し、被測定電流に比例しなくなる。即ち、電流と電圧の比例直線関係から外れた部分が検出誤差となる。従来は、抵抗温度係数をゼロに近づけることによって、抵抗体を被測定電流が流れることに起因するジュール熱により、抵抗体の抵抗値が変化することを防いでいた。
【０００５】
また、実際には抵抗体のもつ寄生インダクタンスが被測定電流Ｉの時間変化分に対応した電圧を発生させるため、この電圧が検出誤差となる。すなわち、
Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）
ここで、Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）は検出誤差であり、電流変化が大きいほど、つまり高周波であるほど大きくなる。
【０００６】
抵抗体１１のインダクタンスＬｒをゼロに近づけることができれば、この誤差は低減する。しかしながら、抵抗体１１に長さが存在する以上、Ｌｒをゼロにすることは困難であり、近年、例えばノートパソコン等においてもそのクロック周波数が高周波化する傾向にあり、スイッチング電源回路の被測定電流は高周波成分を多く含み、必然的に誤差が生じる原因となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、スイッチング電源回路の電流検出回路のように高い周波数成分まで含有する大電流を検出する電流検出用抵抗器において、その電流検出精度を向上させることができる電流検出用抵抗器の構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電流検出用抵抗器は、電圧検出端子の被測定電流電極からの引出線を、抵抗体と電気的絶縁を取りながら、前記抵抗体の被測定電流経路に沿って、前記抵抗体の面に沿って延長して、その先端部に電圧検出端子を配置したことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、引出線を被検出電流の流れ方向と同一方向に配置し、且つ引出線にある程度の長さを持たせることで、引出線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すことができ、電圧検出端子から見た抵抗体の誘導電圧によって発生する誤差をゼロとすることが可能である。従って、スイッチング電源回路の被測定電流等の高周波成分を多く含む電流に対して、良好な電流値の検出が行える。
【００１０】
又、本発明の電流検出用抵抗器は、電圧検出端子の被測定電流電極からの引出線を、被測定電流経路の抵抗体のジュール熱による発熱部分付近まで被測定電流経路と電気的には絶縁し、熱的には結合した状態で延長し、発熱部分近傍に前記電圧検出端子を配置したことを特徴とする。
【００１１】
上述した本発明によれば、抵抗体で発生するジュール熱を熱的に結合された電圧検出端子からプリント基板等に逃がすことができる。これにより、抵抗体が冷却され、温度の上昇に伴う抵抗温度係数による電圧の検出誤差を低減することができる。
【００１２】
又、本発明の電流検出用抵抗器は、電圧検出端子と、該電圧検出端子の被測定電流電極との間の引出線に、前記電圧検出端子間を信号源として見たときのインピーダンスが、前記電圧検出端子が接続される測定系側の特性インピーダンスと一致するような抵抗体を挿入したことを特徴とする。
【００１３】
上述した本発明によれば、電流検出用抵抗器自体に測定系とのインピーダンスのマッチング誤差を補償する抵抗器を内蔵しているので、これにより測定系とのインピーダンスマッチングが取れ、良好な精度で電流計測を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明の第一の実施形態の電流検出用抵抗器の構造を示す下面図と側面図であり、（ｃ）はその等価回路図である。電流検出用抵抗器は、例えば銅ニッケル合金からなる抵抗体１１の長手方向両端部に電極１２，１３を備える。そして電極１２，１３間に被測定電流が流れ、抵抗体によって生じる電位差がケルビン端子１５，１６から取り出される。この実装構造においては、電圧検出端子（ケルビン端子）１５，１６の被測定電流電極１２，１３からの引出線１７，１８を、抵抗体１１と電気的絶縁を取りながら抵抗体１１の被測定電流経路（図中、白抜きの矢印で示す）に沿って抵抗体の面に沿って延長している。そして、その先端にケルビン端子１５，１６を配置し、プリント基板上の測定系の配線を被測定電流経路と直角方向に引き出している。引出線１７，１８は、図１（ａ）に示すように、抵抗体１１の電流流れ方向の中央部に設けてもよく、図１（ｂ）に示すように抵抗体１１の側面部に設けるようにしてもよい。いずれにしても、抵抗体の近傍にその電流の流れ方向と並行に、絶縁状態を保ちつつ、その近傍に配置することで、磁気的な結合（図中に矢印で示す）を与えることができる。
【００１６】
上述の構造をとると、図１（ｃ）に示すように、抵抗体１１の被測定電流経路とケルビン端子の引出線１７，１８が相互インダクタンスＭにより磁気結合する。従って、ケルビン端子１５，１６間で検出される電圧には、被測定電流経路のインダクタンスの影響による電流の時間的変化に比例した誤差電圧に対して、相互インダクタンスＭにより形成される電圧がこれを打ち消すように作用する。
【００１７】
図１（ｃ）に示す等価回路より、ケルビン端子１５，１６の電圧Ｖｉ，Ｖｏは以下のように表される。
Ｖｉ＝Ｖｒｅｆ+Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）−Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
Ｖｏ＝Ｖｒｅｆ+Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
∴Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）−２×Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
ケルビン端子引出し線の長さを調節して、
Ｌｒ−２×Ｍ＝０
とすれば、
Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ
となり、抵抗体１１の有するインダクタンスＬｒによる誤差電圧が完全に補償され、理想的な電流検出用抵抗器とすることができる。
【００１８】
図２は、本発明の第二の実施形態の実装構造を示す。図２（ａ）は電流検出用抵抗器の下面図であり、（ｂ）は電流検出用抵抗器の側面図である。この実装構造においては、電流検出用抵抗器の抵抗体１１の下面に熱伝導性の良好な絶縁体２１を配置し、更にその下面に電極１２，１３と導通したケルビン端子引出線１７，１８を配置し、ケルビン端子１５，１６はその引出線１７，１８の先端部に配置されている。ケルビン端子１５，１６はプリント基板等の電流検出用抵抗器を固定する基板２２の配線パターン２３に接続固定される。
【００１９】
抵抗体１１に電流を流すと、抵抗体１１の機械的中心付近がジュール熱により最も発熱する。図２に示すように、ケルビン端子１５，１６を抵抗体１１の発熱中心付近の直下まで引き出して配置し、電極１２，１３と導通したケルビン端子引出線１７，１８と抵抗体１１の間を熱伝導の良い絶縁体２１で熱的に結合させておくことにより、発熱中心の熱を基板２２に効率良く逃がすことができる。この構造により、抵抗体１１の温度上昇を低く押さえることができ、抵抗温度係数に起因する電流検出誤差を小さく押さえることができる。なお、熱伝導性の良好な絶縁体２１を抵抗体１１の下面に配置することで、ケルビン端子は発熱中心の近傍に配置することが好ましいが、引出線１７，１８の長さを短くしてケルビン端子１５，１６を電極１２，１３寄りに配置しても、抵抗体１１の発熱を絶縁体２１、引出線１７，１８、ケルビン端子１５，１６を介して基板２２に逃がすことが可能である。
【００２０】
図３は、本発明の第二の実施形態の電流検出用抵抗器の変形例を示す。
図３に示すように、電流検出用抵抗器に被測定電流を流すと発熱するが、その温度は中央部が最も高くなる。ここで、抵抗体１１が正の温度係数を持っているとすると、周囲に比較して中央部の抵抗値が高くなり電流分布は同図矢印Ａで示すように周辺部分に集まってくる。電流は等電位面に直交するから、等電位面Ｂは曲線を描くようになる。この等電位面は、電流量変化→発熱分布変化→抵抗分布変化、が平衡した段階で決まる。さまざまな電流量に対して、等電位差÷電流量（＝抵抗体抵抗値）にあまり変化の無い部分が中心軸より外側に、中心軸に対して対称位置に生ずる。ケルビン端子の引出線と主電流電極との電気的接続部分をこの場所に設ければ、温度係数に起因する抵抗値変化に対する電流検出誤差の軽減が実現できる。
【００２１】
即ち、ケルビン端子の被測定電流電極からの引き出し部分を抵抗器の被測定電流に沿った方向の中心軸から、ずらした位置ａに配置したことを特徴とする。例えば、図示する例においては、ケルビン端子の被測定電流電極からの引き出し部分を、抵抗体の被測定電流の流れ方向に沿った中心から距離ａだけ離隔することにより、様々な電流値Ｉに対して電位差Ｖ／電流Ｉを略一定に保つことができる。なお、この実施形態においても、図２に示すような熱伝導性の良好な絶縁体を抵抗体１１の下面に配置して、基板２２に対して放熱を図るようにしてももちろんよい。
【００２２】
図４は、本発明の第三の実施形態の電流検出用抵抗器の構造を示す。図４（ａ）（ｂ）に示すように、ケルビン端子１５，１６と、ケルビン端子の被測定電流電極１２，１３とを電気的に接続する引出線１７，１８に、両ケルビン端子間を信号源として見たときの出力インピーダンスが、ケルビン端子が接続されるプリント配線基板上のパターンの特性インピーダンスと一致するような抵抗体２５，２６を挿入する。但し引出線１７，１８及びケルビン端子１５，１６は抵抗体１１と電気的に絶縁されている。被測定電流の時間的変化が大きくなると、言い換えれば高周波成分を多く含むようになると、ケルビン端子間に発生する検出電圧は、信号処理回路の入力端まで伝播するうちに歪む。この歪を軽減するために、従来は信号処理回路の入力端にローパスフィルターを挿入する事により波形整形を行っていた。しかしながら、非常に高い周波数を含む検出電圧を信号処理回路に伝送しようとした場合、高周波伝送能力とローパスフィルターの歪軽減能力はトレードオフの関係になってしまう。
【００２３】
図４（ａ）（ｂ）に示すようにケルビン端子１５，１６の近傍に整合用抵抗体２５，２６を配置することで、引出線１７，１８にインピーダンスを持たせる。図４（ｃ）に示すように、そのインピーダンスを含めた検出器への差動電圧伝送ライン２７，２８から見た電流検出用抵抗器ケルビン端子出力のノーマルモード出力インピーダンスを基板上のパターンのノーマルモード特性インピーダンスと一致させ、検出デバイスの入力を同じインピーダンスで終端する。これにより、ケルビン端子から電流検出用抵抗器を見たインピーダンスと、基板上に配置された検出装置側を見たインピーダンスとを整合させることができ、信号処理回路の入力端まで伝搬するケルビン端子の検出電圧波形を歪みなく伝送することができる。
【００２４】
図５は、ケルビン端子を備えた引出線の一実施形態を示す図である。この実施形態においては、ケルビン端子１５，１６を備えた引出線１７，１８は、母材となる抵抗体１１を打ち抜き、且つ折り曲げて形成されている。引出線１７，１８の基部は電極１２，１３の近傍である。ケルビン端子１５，１６は、基板２２に設けられた配線２３に電流の流れ方向に対して垂直方向となるように引き出される。なお、ケルビン端子１５，１６は金属板又は電流検出用の抵抗体と同じ材質の低抵抗体を用いることもできる。これらの金属板は、引出線１７，１８の端部に溶着等の手段により固定される。そして、基板２２上の配線パターン２３への接続は、はんだ付等の手段により固定される。
【００２５】
図６は、引出線の他の実施形態を示す。抵抗体１１の裏面には、電極１２，１３間に熱伝導性の良好な絶縁体２１が配置されている。この絶縁体２１は、例えば薄いガラス層、又はポリイミド樹脂層等で構成され、更にその下部に引出線１７，１８が配置される。引出線１７，１８は、蒸着、スパッタリング、又はめっき等により形成された金属膜又は金属薄片を電極１２，１３に接続するように固定したものである。引出線１７，１８の先端部には上記ケルビン端子１５，１６が固定されている。そして、基板２２上に配置された測定系の配線２３が抵抗体１１の電流の流れ方向に対して略直交するように接続される。
【００２６】
図７は、図６に示す引出線の変形例を示すもので、引出線はたすき掛け状の部分１７ａ，１８ａと、電流の流れ方向に対して垂直方向に配置された部分１７ｂ、１８ｂとから構成されている。そして、引出線１７ｂ，１８ｂの両端にそれぞれケルビン端子１５ａ，１６ａ，１５ｂ，１６ｂがそれぞれ配置されている。このように引出線をたすき掛け状に配置することで、抵抗体１１内の電流分布による誤差の発生を防止し、安定した電圧の測定が可能となる。但し、上記電圧検出端子１５，１６と引出線１７，１８は抵抗体１１から電気的に絶縁されている。また、電極１２は引出線１７を介して電圧検出端子１５と電気的に接続されている。また一方、電極１３は引出線１８を介して電圧検出端子１６と電気的に接続されている。尚、この構成は上述する実施例１乃至３を含むその他の実施例及び／または図面における図１乃至図７に対応する実施例も同様である。
【００２７】
図８は、引出線の他の実施形態を示すもので、この場合には引出線に整合用抵抗体を配置している。図８（ａ）に示すように、電極１２に導通した引出線１７ｃはケルビン端子１５ｃの近傍に整合用抵抗体２３ｃを備えている。尚、引出線１７ｃ及びケルビン端子１５ｃは抵抗体１１から電気的に絶縁されている。この抵抗体２３ｃは、例えば厚膜ペーストのスクリーン印刷により形成することができる。このような不平衡型の引出線は、例えばインパルス電流の測定用抵抗器等に好適な構造である。この場合には、基板２２側に設けられる測定系としては、例えば５０Ω乃至７５Ωの同軸線路を用いるようにしてもよく、この場合には整合用抵抗体のインピーダンスとしても５０Ω乃至７５Ω程度の抵抗体が好ましい。
【００２８】
なお、以上にいくつかの本発明の実施形態について説明したが、上記説明した実施形態は例示であり、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、測定誤差の少ない電流検出用抵抗器が提供される。従って、例えばノートパソコン等のように測定対象の電流が高周波化しても、又大電流化しても、電流検出誤差を補償して、安定に且つ容易に電流を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の電流検出用抵抗器の（ａ）は下面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその等価回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の電流検出用抵抗器の、（ａ）は下面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の変形例の電流検出用抵抗器の下面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の電流検出用抵抗器の、（ａ）は下面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその等価回路図である。
【図５】引出線の構成例を示す、（ａ）は電流検出用抵抗器の下面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図６】引出線の構成例を示す他の実施形態の、（ａ）は電流検出用抵抗器の下面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図７】引出線の構成例を示す更に他の実施形態の、（ａ）は電流検出用抵抗器の下面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図８】整合用抵抗体を備えた引出線の構成例を示す図であり、（ａ）は電流検出用抵抗器の下面図であり、（ｂ）はその等価回路図である。
【図９】従来の電流検出用抵抗器を示す、（ａ）は下面図であり、（ｂ）はその等価回路図である。
【符号の説明】
１１ 抵抗体
１２，１３ 電極
１５，１６ 電圧検出端子（ケルビン端子）
１７，１８ 引出線
２１ 絶縁体
２２ 基板
２３ 測定系配線

Claims (7)

1. 抵抗体の長手方向両端部に被測定電流電極を備え、該被測定電流電極からの電圧検出端子の引出線を、前記抵抗体と電気的絶縁を取り、前記抵抗体の被測定電流経路に沿って並行に配置し、その先端部に電圧検出端子を配置し、前記引出線が前記被測定電流経路と相互インダクタンスにより結合し、前記電圧検出端子において前記抵抗体のインダクタンスの影響が前記相互インダクタンスにより打ち消されるようにしたことを特徴とする電流検出用抵抗器。
2. 前記電圧検出端子を、前記抵抗体の機械的中心付近の直下まで引き出して配置したことを特徴とする請求項１記載の電流検出用抵抗器。
3. 前記被測定電流電極からの電圧検出端子の引出線は、抵抗器の下面または側面に沿って配置したことを特徴とする請求項１記載の電流検出用抵抗器。
4. 前記引出線に、前記電圧検出端子間を信号源として見たときのインピーダンスが、前記電圧検出端子が接続される測定系側の特性インピーダンスと一致するような抵抗体を挿入したことを特徴とする請求項１記載の電流検出用抵抗器。
5. 前記引出線は、前記抵抗体の一部を前記被測定電流電極近傍から打ち抜き及び折り曲げにより形成したものであることを特徴とする請求項１記載の電流検出用抵抗器。
6. 前記引出線は、前記抵抗体に絶縁体を被着し、該絶縁体上に金属パターンを形成したものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電流検出用抵抗器。
7. 前記絶縁体は、熱導電性の良好な被膜であることを特徴とする請求項６記載の電流検出用抵抗器。

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