JP4391918B2 - 電流検出用抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、大電流を高精度で検出するための電流検出用抵抗器に係り、特に２本の電流供給用端子と２本の電圧検出用端子とを備えた４端子型の電流検出用抵抗器に関するものである。

従来から、Ｃｕ−Ｎｉ系合金等の抵抗合金材料を抵抗体とした４端子型の電流検出用抵抗器が知られている（特許文献１，２，３参照）。

特許文献１に記載の電流検出用抵抗器においては、抵抗合金板をコの字状に折り曲げ、両端部に幅広の電流供給用端子と幅狭の電圧検出用端子とを設け、プリント基板の孔部にこれらの端子を挿入して実装するようにした端子挿入型の部品となっている。

特許文献２に記載の電流検出用抵抗器においては、抵抗合金板をブリッジ状に段差を設けるように折り曲げ、両端部に幅広の電流供給用端子と幅狭の電圧検出用端子とを設け、プリント基板のパッドに表面実装するようにした表面実装型の部品となっている。

特許文献３に記載の電流検出用抵抗器においては、抵抗合金板１２の両端部に高導電性金属ストリップ１４，１４を接続固定し、該高導電性金属ストリップ１４，１４に幅広の電流供給用端子と幅狭の電圧検出用端子とを設け、プリント基板のパッドに表面実装するようにした表面実装型の部品となっている（図１および第２コラム第２６−３３行参照）。
実開昭６１−１５６２０１号公報 特開平８−１１５８０２号公報 米国特許第５９９９０８５号明細書

しかしながら、上記引用文献１または２に示すような抵抗合金板一体構造の電流検出用抵抗器においては、実装時のはんだ上がりという問題がある。すなわち、プリント基板に実装する際に、電流検出用抵抗体を構成する抵抗合金板へのはんだの付着量により抵抗値が動いてしまう場合があるという問題がある。

また、上記引用文献３に示すような抵抗合金板の両端部に高導電性金属ストリップを接続固定した電流検出用抵抗器においては、抵抗合金板と高導電性金属ストリップとの間に良好な接続部を低コストで形成することが製造技術面で難しいと共に、良好な接合面が得られないと抵抗値にバラツキが生じる等の問題がある。また、一般的に高導電性金属ストリップには例えばＣｕ（銅）等のような抵抗温度係数（ＴＣＲ）の高いものが使用される。この部分の抵抗温度係数（ＴＣＲ）が抵抗器全体のＴＣＲをプラス側に大きくシフトさせることがある。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、実装性が良好で、良好な電気的特性が得られると共に、比較的低コストで製作が可能な４端子型の電流検出用抵抗器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電流検出用抵抗器は、平面展開視Ｈ字形の抵抗板体と、該抵抗板体の平面展開視Ｈ字形の中央部分を除き前記抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体とからなる２層構造体であって、前記平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分を折り曲げて４本の端子を形成したことを特徴とするものである。

ここで、前記端子を前記２層構造体の平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して略垂直方向に折り曲げて、端子挿入型の部品とすることが好ましく、また、前記端子を前記２層構造体の平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して段差を形成するように折り曲げて、表面実装型の部品としてもよい。

本発明によれば、抵抗板体と高導電性金属板体とからなる２層構造体の平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分を折り曲げて４本の端子を形成したので、実装時にはんだ上がりの問題が生ぜず、良好な実装性が得られる。また、４本の端子を対称に配置し、それぞれの端子が電流供給用端子としても電圧検出用端子としても使えるので、実装基板の配線設計に際して高い自由度が得られる。

また、抵抗板体と高導電性金属板体とからなる２層構造体を熱拡散接合により形成することで、特殊な溶接などを使用せずに比較的低コストで上記構造の電流検出用抵抗器を製作することができる。また、抵抗板体の両端部に抵抗板体と高導電性金属板体とからなる２層構造体の端子を配置することで、抵抗温度係数に起因する抵抗値変化に基づく電流検出誤差を軽減することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の電流検出用抵抗器を示し、図２はその平面展開図を示す。この電流検出用抵抗器１０は、平面展開視Ｈ字形の抵抗板体１１と、該抵抗板体の表面に接合した高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３により構成されている。平面展開視Ｈ字形の中央の横棒部分１４には、高導電性金属板体１２が存在せず、前記抵抗板体１１の一部分１１ａが露出した構造となっている。

抵抗板体１１の上記一部分１１ａがこの電流検出用抵抗器の抵抗器として主として動作する部分となっている。すなわち、この部分１１ａが電流検出用抵抗器の抵抗値を主として発生させる抵抗板体となっている。従って、抵抗板体部分１１ａの長さ、幅、厚さで抵抗値が設定され、大電流の高精度の検出に好適な例えば１ｍΩ程度の低抵抗値の設定が可能である。

上記平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分は、抵抗板体１１とその表面に接合した高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３により構成されている。この２層構造体を図中の点線の部分Ｅ（図２参照）で折り曲げて４本の端子１５，１６，１７，１８が形成されている。４本の端子１５，１６，１７，１８は、同一形状、同一寸法で対称に形成されている。４本の端子１５，１６，１７，１８は、図１に示されるように、抵抗板体１１の平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して略垂直方向に折り曲げられ、プリント基板の孔部に挿入して実装する端子挿入型の部品となっている。

なお、４本の端子１５，１６，１７，１８の下部である点線Ｄ以下に溶融はんだ層等を設けてもよい。溶融はんだ層は、例えば噴流はんだ槽に浸漬することで形成することができる。これにより、実装時のプリント基板上の配線パターンへのはんだ付け性が向上する。

抵抗板体１１の材料としては、Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｍｎ系合金等の抵抗合金材料が用いられ、高導電性金属板体１２の材料としては銅（Ｃｕ、Ｃｕ系合金）等が好ましい。抵抗板体１１と高導電性金属板体１２とは強固に接合され、２層構造体１３が形成されている。

この接合状態では、機械的に強固な接合状態が得られるとともに、電気的な接触抵抗が小さく、電気的にも良好な接合状態が得られる。

Ｃｕ等の高導電性金属板体１２は、下地であるＣｕ−Ｎｉ系合金等の抵抗板体１１とともに電極（端子）を構成するが、単一のＣｕ材料のみでないことで、後述するようにＴＣＲ（抵抗温度係数）補正効果を発生させる。また、２層構造体１３によりバイメタル効果が得られ、熱応力を吸収することができる。

次に、この電流検出用抵抗器１０の使用状態について説明する。４本の端子１５，１６，１７，１８の下部の点線Ｄ以下がプリント基板の孔部に挿入され、配線パターンにはんだ付けにより固定される。このように、この電流検出用抵抗器１０では、抵抗板体１１と高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３の平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分を折り曲げて４本の略垂直方向の端子を形成したので、この縦長の端子１５，１６，１７，１８により実装時にはんだ上がりの問題が生ぜず良好な実装性が得られる。

例えば、端子１５，１７を電流供給用端子とし、端子１６，１８を電圧検出用端子とすると、測定対象の電流は電流供給用端子１５，１７間に供給され、端子１５、抵抗板体１１ａ、端子１７の順にＳ字形に流れる。測定対象の電流により抵抗板体１１ａの両端部に生じる電圧は、電圧検出用端子１６，１８間で検出される。同様に、端子１６，１８を電流供給用端子とし、端子１５，１７を電圧検出用端子とすると、測定対象の電流は電流供給用端子１６，１８間に供給され、端子１６、抵抗板体１１ａ、端子１８の順にＳ字形に流れる。測定対象の電流により抵抗板体１１ａの両端部に生じる電圧は、電圧検出用端子１５，１７間で検出される。

なお、端子１５，１８を電流供給用端子とし、端子１６，１７を電圧検出用端子とすると、測定対象の電流は電流供給用端子１５，１８間に供給され、端子１５、抵抗板体１１ａ、端子１８の順にＣ字形に流れる。測定対象の電流により抵抗板体１１ａの両端部に生じる電圧は、電圧検出用端子１６，１７間で検出される。同様に、端子１６，１７を電流供給用端子とし、端子１５，１８を電圧検出用端子とすると、測定対象の電流は電流供給用端子１６，１７間に供給され、端子１６、抵抗板体１１ａ、端子１７の順にＣ字形に流れる。測定対象の電流により抵抗板体１１ａの両端部に生じる電圧は、電圧検出用端子１５，１８間で検出される。

このように、この電流検出用抵抗器１０では、４本の端子１５，１６，１７，１８を対称に配置し、それぞれの端子が電流供給用端子としても電圧検出用端子としても使えるので、実装基板の配線設計に際して高い自由度が得られる。

ここで、電流供給用端子には大きな電流が流れ、電圧検出用端子には電流は殆ど流れないため、電流供給用端子幅を広く、電圧検出用端子幅を狭くするようにしてもよい。これにより対向する極の電流供給用端子挿入穴と電圧検出用端子挿入穴を無理なく接近させ、部品フットプリント（部品がプリント基板上に占有する面積）を小さくすることが可能となる。

例えば、端子１５，１７を電流供給用端子として、電流経路をＳ字形にした場合には、電流が抵抗板体１１ａに対してＳ字を描いて蛇行して流れ、電圧検出点である電圧検出用端子１６，１８の実装時のプリント基板配線とのはんだ接続部である点線Ｄ以下の部分が電流経路から最も離れた点に位置することになる。このため、電極寸法のばらつき、はんだ上がり等の問題が検出電圧精度に影響を与えにくくなり、実装性が向上する。

電流経路においては、２層構造体１３の端子内にも、大小の差はあれ電位分布が生じる。電位傾度が高い部分に電圧検出のための電極（端子）があると、その電圧検出のための電極近傍の寸法ばらつきが検出電圧に直接的に反映されてしまう。そして、はんだ上がりの影響も生ずる可能性が出てくる。

図３は、試作品の一例の寸法例を示す。この抵抗器では、抵抗板体１１ａの面積が、３．２ｍｍ×２．０ｍｍであり、厚さは０．３８ｍｍである。また、平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分の長さが約５ｍｍとなっている。端子１５，１６，１７，１８を図中の点線Ｅで折り曲げて、平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して略垂直方向に形成し、端子挿入型の部品としている。

図４は、その試作品に４０Ａの電流を通電したときの電位分布を示す。この図は、上記試作品に４０Ａ通電したときの各部電位を、３次元グラフ化したものである。この場合、端子１６，１８が電流供給用端子であり、端子１５，１７が電圧検出用端子となっている。電流供給用端子１６，１８の平面視Ｈ字形の縦棒部分では電位傾度が有り、抵抗板体部分１１ａでは電位傾度は非常に高くなっていることが分かる。なお、線Ｄから平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分の端部までは、はんだの付着領域であり、この部分は等電位となっている。そして、電圧検出端子１５，１７の平面視Ｈ字形の縦棒部分では電位傾度は非常に小さくなっていることが分かる。このため、上述したようにはんだ上がりの問題が生ぜず、安定な電流検出精度を確保することが可能となる。

例えば、比較例として図５に示す抵抗合金一体型の抵抗器の場合、電流供給用電極２１，２３間に所定の電流を流したときの抵抗値が４．６５ｍΩであり、電圧検出用電極２２，２４間で上記電流による検出される電圧に対応した抵抗値は２．２５ｍΩ程度となる。このため、電流供給用電極間で観察される抵抗値に対して、所定の電流に基づく電圧検出用電極間で観察される実効的な抵抗値の乖離が大きくなるという問題がある。この乖離が大きいということは、電流検出の効率が悪いということを意味し、好ましくない。

これに対して、上記本発明の構造の抵抗器では、抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体とからなる２層構造体により端子が構成されるため、図４に示されるように抵抗板体１１ａの部分の電位差がそのまま電圧検出用端子の電圧出力となり、良好な効率が得られる。

次に、本発明の電流検出用抵抗器による抵抗温度係数（ＴＣＲ）の補正効果について説明する。上記の電流検出用抵抗器においては、平面展開視Ｈ字形の抵抗板体１１と、該抵抗板体の平面展開視Ｈ字形の中央の横棒部分１１ａを除き前記抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３であることから、２層構造体の電流経路（１６，１８）に対して抵抗板体の電流経路（１１ａ）と直角に電流が流れる部分が生じることにより、効果的にＴＣＲを補正することが可能となる。

上記図３に示す電流検出用抵抗器の場合、図４に示す電圧検出端子１５，１７間で検出される０℃における検出電圧に対応した電流検出抵抗値はシミュレーション上１．０９０９７ｍΩである。抵抗板体（ＣｕＮｉ）のＴＣＲを＋５０ｐｐｍ／ｄｅｇ、高導電性金属板体（Ｃｕ）のＴＣＲを＋４０００ｐｐｍ／ｄｅｇとして、全体の温度が１００℃になった場合の電流検出抵抗値をシミュレーションしてみると、１．０９３１８３ｍΩとなる。

このため、上記電流検出用抵抗器の電流検出抵抗値としてのＴＣＲは、＋２０ｐｐｍ／ｄｅｇ程度にしかならない。すなわち、電流検出用抵抗器の電流検出抵抗値を主として形成する抵抗板体（ＣｕＮｉ）１１ａのＴＣＲが＋５０ｐｐｍ／ｄｅｇであるのに対して、改善効果が認められる。ちなみに、２層構造体をすべてで高導電性金属板体（Ｃｕ）で構成した場合、シミュレーションしてみると、ＴＣＲは例えば１００ｐｐｍ／ｄｅｇであり、却って悪化することになる。

図６は、図３に示す構造の試作品に４０Ａの電流を通電したときの各部の温度を、３次元グラフ化したものである。この図から、抵抗板体１１ａの中央部が電流の流れ方向に沿って一様に高い温度となっていることが分かる。一般的に、カタログ規格上のＴＣＲには自己発熱は含まれないが、実使用上の自己発熱による抵抗値ドリフトも重要である。通電し自己発熱が発生した場合、各部の抵抗値は各部の温度に従って変化する。抵抗値ドリフト量はオイルバスで測定するＴＣＲ寄与分より悪化するのが一般的である。上記電流検出用抵抗器の構造では、平面展開視Ｈ字形の抵抗板体１１と、該抵抗板体の平面展開視Ｈ字形の中央の横棒部分１１ａを除き前記抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３であることから、これを抑えることが出来る。

例えば、図３に示す構造の電流検出用抵抗器が熱引けの悪いプリント基板に実装され、周囲温度も上がってピーク温度が２００℃になったとして電流検出抵抗値を計算すると、１．０９５９５ｍΩである。０℃における抵抗値が１．０９０９７ｍΩであったから０．５％しか変化していないことが分かる。ピーク温度のΔＴ２００℃で換算すると、この０．５％は２５ｐｐｍ／ｄｅｇに相当する。

図７は、本発明の他の実施形態の電流検出用抵抗器を示す。この抵抗器は、平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分を、平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して段差を形成するように折り曲げ、表面実装型の部品としたものである。すなわち、平面展開視Ｈ字形の中央の横棒部分に抵抗板体１１ａを配置し、平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分に抵抗板体１１の表面に高導電性金属板体１２を接合した２層構造体１３を配置し、平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分２６，２７，２８，２９を中央部に対して段差を形成するように折り曲げて、４本の表面実装用端子部を形成している。

ここで、高導電性金属板体１２側を下面側としているが、これは実装時のプリント基板の配線パッドとのはんだ付け性を考慮したものであるが、抵抗板体１１がそのままはんだ付け可能であれば、表裏逆に折り返して抵抗器を製作しても４端子抵抗器としての性能はほとんど変わらない。また、抵抗板体１１とその表面に接合した高導電性金属板体１２とからなる２層構造体１３をとることから、この２層構造体はバイメタルを構成するため、応力調節を行うことが出来る点も挿入形と共通しており、電気的特性において差異は無い。

図８は、本発明の電流検出用抵抗器のさらに他の実施形態を示す。本発明の抵抗器構造では、電流検出抵抗値を形成する抵抗板体１１ｂの展開長が長いほど（抵抗板体幅が広いほど）抵抗値が低くなる。逆に抵抗値を上げるためには抵抗板体１１ｂを薄くするか、図８に示すように抵抗板体１１ｂにスリット（窓）１１ｃを入れればよい。また、電流検出抵抗値を形成する抵抗板体１１ｂ自体を折り曲げると、折り曲げ部分が時間を経るごとに残留応力が開放される為、抵抗値がドリフトすることがある。これを防ぐ為、図８の様に折り曲げ部Ｅに抵抗板体の無い部分（スリット１１ｃ）を設けることが好ましい。

この様にすれば、曲げ加工の残留応力が抵抗板体１１ｂに残らず、抵抗値の経時変化が防止できる。このような曲げ部に抵抗板体が来ないように窓（スリット）を設ける構造は、図７に示す面実装型に適用しても、同様の効果が得られる。

なお、本発明の電流検出用抵抗器によれば、さらに下記の利点がある。すなわち、挿入部品の場合、抵抗器が実装されるプリント基板上の電圧検出用端子挿入穴と電流供給用端子挿入穴の間には最低限確保しなければならない距離が存在する。あまり近づけるとプリント基板に穴と穴を結ぶクラックが入ってしまうからである。本発明の構造によれば同極の電流供給用端子と電圧検出用端子は同一電極面積内で最大限離すことが可能なので、部品の小型化に有利である。

なお、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。

本発明の一実施形態の電流検出用抵抗器を示す斜視図である。 その平面展開図である。 試作品の寸法例を示す、（ａ）は平面展開図であり、（ｂ）は断面図である。 その試作品に４０Ａの電流を通電したときの各部の電位分布を示す３次元グラフである。 比較例としての抵抗合金一体型の抵抗器の構造例を示す、（ａ）は平面展開図であり、（ｂ）は斜視図である。 上記試作品に４０Ａの電流を通電したときの各部の温度分布を示す３次元グラフである。 本発明の他の実施形態の電流検出用抵抗器を示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態の電流検出用抵抗器を示す、（ａ）は平面展開図であり、（ｂ）は斜視図である。

符号の説明

１０ 電流検出用抵抗器
１１ 抵抗板体
１１ａ，１１ｂ 抵抗板体（電流検出抵抗値形成部分）
１１ｃ スリット（窓）
１２ 高導電性金属板体
１３ ２層構造体
１５，１６，１７，１８ 端子

Claims (6)

1. 平面展開視Ｈ字形の抵抗板体と、該抵抗板体の平面展開視Ｈ字形の中央部分を除き前記抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体とからなる２層構造体であって、前記平面展開視Ｈ字形の四方の縦棒部分を折り曲げて４本の端子を形成したことを特徴とする電流検出用抵抗器。
2. 前記端子を前記２層構造体の平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して略垂直方向に折り曲げて、端子挿入型の部品と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. 前記端子を前記２層構造体の平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して段差を形成するように折り曲げて、表面実装型の部品と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２層構造体は、前記抵抗板体と高導電性金属板体とを熱拡散接合により接合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。
5. 前記４本の端子が同一寸法で前記平面展開視Ｈ字形の中央部分に対して線対称に形成されてい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. 平面展開視Ｈ字形の抵抗板体と、該抵抗板体の平面展開視Ｈ字形の中央部分を除き前記抵抗板体表面に接合した高導電性金属板体とからなる２層構造体であって、前記平面展開視Ｈ字形の中央部分の抵抗板体にスリットを設け、該スリット部分において、前記抵抗板体と前記高導電性金属板体が２層となった部分のみを折り曲げることで、４本の端子を形成したことを特徴とする電流検出用抵抗器。

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