JP5948684B2 - シャント抵抗装置 - Google Patents

Description

本発明はシャント抵抗器の電圧検出装置に係り、特にその抵抗体に流れる監視対象電流により該抵抗体の両端に形成される電圧を取り出す電圧検出回路の構成に関する。

電池の充放電電流を監視し、電池の充放電電流を制御する等の目的でシャント抵抗器が使用される。上記シャント抵抗器は、監視対象電流の経路に挿入され、該電流によってシャント抵抗器両端に生じる電圧を検出し、既知の抵抗値から電流を検出する。係る抵抗器両端に形成される電圧を取り出す電圧検出回路の構造として、特開２００３−１２１４８１号公報に記載のものが提案されている。

上記公報では、面実装型の電流検出用抵抗器に存在する僅かな量の自己インダクタンスによって形成される誤差電圧を上記抵抗器の中心軸に沿って近傍に配置した電圧検出配線に形成される相互インダクタンスに基づく電圧で相殺することで、抵抗器の自己インダクタンスに基づく誤差電圧が抵抗器の検出電圧に影響しないようにすることができる配線構造が記載されている（図３，００１６−００２１欄参照）。

しかしながら、特に大電流用途のシャント抵抗器は一般に寸法が大きく、電圧検出回路基板に面実装ができない等、上記配線構造の適用が困難な場合がある。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、該抵抗器に存在する僅かな量の自己インダクタンスによって形成される誤差電圧の影響を除去することができる電圧検出回路を提供することを目的とする。

本発明のシャント抵抗装置は、抵抗体と、該抵抗体に監視対象電流を流すための一対の主電極と、該主電極にそれぞれ接続され、前記抵抗体に生じる電圧を検出するための一対の検出端子と、該検出端子とそれぞれ電気的に接続された一対の配線と、を備え、前記検出端子および前記配線よりなる一対の電圧検出配線は、互いに所定の離間距離を保った状態で前記抵抗体の外周方向へ引き出してから、前記一対の検出端子における前記主電極とのそれぞれの接続部の離間距離よりも近接させたことを特徴とする。また、前記一対の配線の次段に、抵抗値ｒの抵抗とキャパシタンスＣのコンデンサからなるローパスフィルタを備え、該ローパスフィルタは、実効的インダクタンスＬｅ（但し、Ｌｅ＝前記抵抗体の自己インダクタンスＬ−前記一対の配線の相互インダクタンスＭ）、前記抵抗体の抵抗値Ｒとした時、Ｌｅ／Ｒ＝Ｃ・ｒ、なる関係を有する。

本発明によれば、一対の配線には抵抗体を流れる電流Ｉによって形成される磁束Φが鎖交し、相互インダクタンスＭが生じる。従って、抵抗体を流れる電流Ｉにより抵抗体の抵抗Ｒに基づく検出電圧の他に、抵抗体自体の自己インダクタンスＬに基づく誤差電圧と一対の配線の相互インダクタンスＭに基づく電圧とが形成される（図４参照）。そして、次段にローパスフィルタを接続することで、抵抗体の自己インダクタンスＬに電流Ｉが流れることによって生じる誤差電圧が一対の配線およびローパスフィルタにより相殺され、出力電圧に現れなくなる。その結果、出力電圧には抵抗体の抵抗値Ｒと電流Ｉの積の電圧のみが取り出され、上記誤差電圧が除去される（図８参照）。

本発明の一実施例のシャント抵抗器を示す斜視図である。 シャント抵抗器にコネクタを装着したシャント抵抗装置の斜視図である。 図２を正面から見た構造図である。 図２を正面から見た構造図である。 図３Ａおよび図３Ｂの変形例を示す構造図である。 抵抗器とコネクタの一対の配線部分の等価回路図である。 シャント抵抗装置と電圧検出回路基板の接続形態の一実施例を示す図である。 第１と第２のコネクタの形状例を示す図である。 抵抗ｒとキャパシタンスＣとからなるローパスフィルタの回路図である。 ローパスフィルタによる誤差電圧除去についての説明図である。 シャント抵抗器と電圧検出回路基板の接続形態の他の実施例を示す図である。 シャント抵抗器と電圧検出回路基板の接続形態の他の実施例を示す図である。 シャント抵抗器と電圧検出回路基板の接続形態の他の実施例を示す図である。 シャント抵抗器と電圧検出回路基板の接続形態の他の実施例を示す図である。 左図は一対の配線によるループを二重に設けたコネクタの断面図であり、右図はその等価回路図である。 抵抗体は中空または内部が高抵抗部である例を示す、左図は斜視図であり、中央および右図は左図のＡＡ矢視方向の断面図である。 本発明のシャント抵抗装置の他の例の斜視図である。 図１５の装置における抵抗器とコネクタの接続例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図１６を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１は本発明の一実施例のシャント抵抗器を示す。このシャント抵抗器１０は、マンガニン等の抵抗合金材料からなる棒状（円柱状）の抵抗体１１と、該抵抗体とは別部材の一対の銅等の高導電率金属材料からなる棒状（円柱状）の主電極１２，１２と、該抵抗体の近傍に起立した一対の検出端子１３ａ，１３ａとを備える。検出端子１３ａは、抵抗体の両端面に当接した端子材（電圧検出電極）１３より延在しており、抵抗体１１に生じる電圧を検出するためのものである。また、検出端子１３ａは、主電極１２における所定の接続部に接続されており、本例では、主電極１２の抵抗体１１側の端面に接続されている。検出端子１３ａにはコネクタが接続可能で、電圧検出回路に接続する一対の配線が該コネクタにより検出端子１３ａに電気的に接続される。

この抵抗器１０では、抵抗体１１と該抵抗体に監視対象電流を流すための主電極１２との間に電圧検出電極１３を介在させている。そして、円柱状の抵抗体１１の長さ方向の両端面に板状の電圧検出電極１３の端面と円柱状の主電極１２の端面とがそれぞれ対向するように固定されている。ここで、抵抗体１１と電圧検出電極１３、および主電極１２と電圧検出電極１３とは、それぞれの接合面を当接させて圧接またはろう接により接合したものであり、機械的にも強固で電気的にも安定している。従って、検出端子１３ａにおいて、主電極の銅材の抵抗分の影響を受けることなく、直接抵抗体１１自体の抵抗値および抵抗温度係数に基づく電圧を検出することが可能となる。

上記シャント抵抗器１０によれば、電圧検出電極と検出端子が一体の接合パーツであるため、組み付け工程が簡易となる。また、検出端子１３ａの固定位置のバラツキを抑制することができ、抵抗体１１の直近位置での電圧検出が可能となる。

また、電圧検出電極１３が電極の一部になる為、接合部分から外れることがなく、耐久性にも優れ、抵抗値の経時変化も小さくなる。そして、電極と抵抗体と厚み又は径方向への重なり部分がなく全体として柱状であり、電極と抵抗体とが断面（端面）で接合し、その接合面全体にわたって接合している為、スムーズな電流経路と放熱経路が得られ、接合強度も強い。

また、シャント抵抗器１０は、円柱状に構成した電極１２，１２の両端に扁平部１２ｆ，１２ｆを形成した構造である。扁平部１２ｆには開口を備え、バッテリ等と接続したバスバー１５を、開口を介してボルトおよびナット１４を用いて接続固定ができる構造になっている。扁平部１２ｆを形成したので、バスバーや平板状の接続端子金具との接続固定が容易となる。

図２は電圧検出電極１３の検出端子１３ａを電圧検出回路のコネクタ２１に接続した状態を示す。上述したように、シャント抵抗器は、監視対象電流の経路に挿入され、該電流によってシャント抵抗器の抵抗体１１の両端に生じる電圧を電圧検出回路により検出し、既知の抵抗値から電流を検出する。係る抵抗体１１の両端に形成される電圧を取り出す電圧検出回路の入力部に、検出端子１３ａと接続可能なコネクタ２１を備えている。

図３Ａはコネクタ２１の内部を示す。コネクタ２１には検出端子１３ａに嵌着し、それぞれ電気的に接続された一対の配線２３を備える。検出端子１３ａと、この検出端子１３ａにそれぞれ電気的に接続された配線２３とを含む一対の電圧検出配線は、互いに所定の離間距離を保った状態で抵抗体１１の中心軸から外周方向へ引き出してから、互いに近接させている。

すなわち、一対の検出端子１３ａおよび／または検出端子１３ａに嵌着した配線２３の端部が、検出端子１３ａ同士の離間距離（抵抗体１１の中心軸方向における離間距離）と略同じ距離を隔てて上方に延びる。そして、抵抗体１１から離れた所定の位置において、抵抗体の軸方向と略平行となるように配線２３同士を近接させる。そして配線２３は、平衡線または撚り線２３ａとして図示しない電圧検出回路基板側に接続される。なお、本文において所定個所とは、前述の抵抗体１１から離れた所定の位置および／または電圧検出配線が近接する個所を示す。検出端子１３ａと配線２３からなる一対の電圧検出配線は、配線２３を屈曲させることによって近接している。電圧検出配線を近接させる所定個所はコネクタ２１内に設けられている。平衡線または撚り線２３ａは一対の配線が近接し、外部磁束や電界の影響を受けないことが好ましい。

図３Ｂはコネクタ２１とシャント抵抗器１０を接続した状態の概念図である。図示するように一対の電圧検出配線と抵抗体１１の中心軸により形成される面Ｓには抵抗体１１を流れる電流Ｉによって形成される磁束Φ（抵抗体１１の内部に自己インダクタンスＬが生じる、および、抵抗体１１の外部に相互インダクタンスＭが生じる）が鎖交する。

従って、図４に示すように、抵抗体１１を流れる電流Ｉにより抵抗体の抵抗Ｒに基づく検出電圧の他に、抵抗体自体の自己インダクタンスＬに基づく誤差電圧と一対の配線２３の相互インダクタンスＭに基づく電圧とが形成される。ここで、コネクタ２１の出力端Ａ’Ｂ’から抵抗体１１側を見たインダクタンスは自己インダクタンスＬに基づく電圧と相互インダクタンスＭに基づく電圧とが同一の電流で逆方向に形成されるため、Ｌ−Ｍ、となり、これを「実効的インダクタンスＬｅ」と定義する。従って、Ｌｅ＝Ｌ−Ｍとなる。

図３Ｃは一対の配線２３と並行して磁束Φと鎖交する銅箔等の金属層３０を形成した例を示す。例えば、コネクタ２１の正面側または裏面側に金属層３０を形成したり、プリント基板上に配線２３を形成した場合は、その裏面側に金属層３０を形成するようにしてもよい。磁束Φと鎖交する金属層３０を形成することにより、渦電流によって、インダクタンスＬｅを定量的に減少させることができる。また、例えば３相インバータでそれぞれの相にシャント抵抗器を隣接して設け、各相の電流を独立して測定する場合などにおいては、隣接する相の電流の磁束の影響を減少させることができる。

本発明は抵抗体１１の抵抗Ｒに基づく正規の検出電圧の他に、抵抗体自体の自己インダクタンスＬに基づく誤差電圧の影響を取り除くことができる電圧検出回路を提供することにある。このため、図５に示すように平衡線または撚り線２３ａの先端にコネクタ２２を設け、該コネクタを介して電圧検出回路基板２０のローパスフィルタ２４に接続する。誤差電圧の影響を除去するためには実効的インダクタンスＬｅを一定値に固定し、ローパスフィルタの回路定数に合わせる必要がある。

実効的インダクタンスＬｅを一定値に固定するために、抵抗体１１の両端から引き出した検出端子１３ａと配線２３を含む電圧検出配線が、抵抗体を流れる電流の中心を含む平面内で、常に一定の面積を確保できるようにしてループを描くように配置する。実効的インダクタンスＬｅを一定値に固定するに当たり、必ずしも一対の配線２３間の離隔距離が検出端子１３ａ間の間隔寸法と同じである必要は無いが、実効的インダクタンスＬｅは外部磁束の影響を受けない範囲でなるべく大きくとった方が寸法の誤差に対する変化が少なくなる。そこで、一対の配線２３間の間隔を一対の検出端子１３ａ間の間隔とするのが好ましい。

また、一対の配線２３の高さ、すなわち、抵抗体から配線の屈曲部分までの距離Ｘの一例としては、Ｙを抵抗体の直径とすると、０≦Ｘ≦Ｙとすることができる。Ｘ≫Ｙであると、磁束鎖交領域Ｓに抵抗体を流れる電流以外に起因する外部磁束が鎖交することによって誤差電圧を生じさせる可能性がある。ただし、外部磁束からの影響を受けない範囲で、磁束鎖交領域Ｓを大きくとることが、自己インダクタンスＬの変化による影響を小さくする上では好ましいといえる。例えば、抵抗体の径を小さくした（例えば直径４ｍｍ以下）場合は、Ｘ＞Ｙであっても領域Ｓが過剰に大きなものとはならないため、外部磁束の影響がそれほど大きくはならない。また、例えば直流電流の検出のように、後述する表皮効果の影響を受けない条件の下で電流測定を行う場合は、外部磁束の影響を小さくするために、Ｘをなるべく０に近づけるようにしてもよい。

図６はコネクタ２１，２２の形状例を示す。抵抗器の検出端子１３ａは、抵抗体１１の両端面に当接した端子材（検出電極１３）より延在し、起立しているので、これにコネクタ２１の孔部２１ｈを差し込むことで容易に装着が可能である。

図７は電圧検出回路基板２０に設けた抵抗ｒとキャパシタンスＣとからなるローパスフィルタ２４の回路例を示す。係るローパスフィルタ２４をコネクタ２１の一対の配線２３の後段に接続する。そして、実効的インダクタンスＬｅ（＝Ｌ−Ｍ）、抵抗体１１の抵抗値Ｒ、ローパスフィルタのキャパシタンスＣ、抵抗値ｒとした時、
Ｌｅ／Ｒ＝Ｃ・ｒ
なる関係が得られると、図８に示す理由により、抵抗体１１の自己インダクタンスＬに電流Ｉが流れることによって生じる誤差電圧が一対の配線２３の相互インダクタンスＭおよびローパスフィルタ２４により相殺され、出力電圧に現れなくなる。その結果、出力電圧には抵抗体１１の抵抗値Ｒと電流Ｉの積の電圧のみが取り出される。

これにより、電流検出用抵抗器に特に鋸歯状波電流が流れた時に波形ピークおよびボトム付近で生じる抵抗体の自己インダクタンスＬによる大きな誤差電圧が除去され、正規の電流Ｉに比例した抵抗値Ｒによる電圧のみを取り出すことが可能となる。

なお、キャパシタンスＣと抵抗ｒからなるローパスフィルタ２４は電圧検出回路基板２０に配置しなければならないものではなく、相互インダクタンスＭが生じる一対の配線２３の次段側であればどこでもよく、図９に示すように、電圧検出回路基板側のコネクタ２２の内部に配置するようにしてもよい。この実施例においてはコモンモードチョークコイル２５をさらにコネクタ２２の内部に配置し、同相信号を除去するようにしている。

これにより、マイコンなどの信号処理回路が入った電圧検出回路基板２０にはこれらの素子は入れなくて済む。そして、抵抗器１０とコネクタ２１，２２を結ぶ平衡線または撚り線２３ａを使う事により、マイコンなどの信号処理回路が入った基板２０側でフィルタ定数を調整する必要がなくなり、フィルタの効果としてはコネクタ２１側に入れるよりも高くなる。外乱に対しても電圧検出回路基板２０の直前に配置したローパスフィルタ２４が作用するため安定性が高くなる。なお、コモンモードチョークコイル２５はローパスフィルタ２４の下段に配置しても良い。

さらに、図１０に示すように、コネクタ２１内の一対の配線２３に抵抗（１／２・ｒ）を直列接続し、一対の配線２３間にコンデンサ（Ｃ）を接続し、一対の配線２３自体にローパスフィルタ２４を配置するようにしてもよい。これにより、一対の配線２３に相互インダクタンスＭが形成され、生じた電圧がローパスフィルタ２４を通過することで、抵抗体１１の自己インダクタンスＬにより形成された誤差電圧が除去され、抵抗体１１の抵抗値Ｒと電流Ｉの積による電圧のみが平衡線または撚り線２３ａにより電圧検出回路基板２０に送られる。なお、コモンモードチョークコイルはどこにおいてもよいが、コネクタ２２側に入れたほうがコモンモードノイズ除去効果は高いと考えられる。

図１１はさらに信号レベルを上げてＳ／Ｎ比を良くする目的でアンプ２６をコネクタ２１に入れた例を示す。なお、コモンモードチョークコイル２５をコネクタ２２に入れても良い。この実施例では、平衡線または撚り線からなる信号線２３ａの他に、アンプを動かす為の電源線２３ｂが必要になるが、アンプ２６により信号レベルが高いので、電流検出用抵抗器１０と電圧検出回路基板２０が離れていても信号のＳ／Ｎ比が高く保てるという特徴がある。

図１２はコネクタ２１側には相互インダクタンスＭを形成する一対の配線２３のみを収容し、コネクタ２２側にコモンモードチョークコイル２５、ローパスフィルタ２４、アンプ２６を配置した例である。これにより、電圧検出回路基板２０の構成を簡素化することができるという利点がある。

図１３の左図は実効的インダクタンスＬｅをゼロにすることが可能な配線パターン例を示す。コネクタ２１の内部には、検出端子１３ａに嵌着しそれぞれ電気的に接続される第１の一対の配線２３を備え、この一対の配線２３は、一対の検出端子１３ａ，１３ａ間の離間距離で、上方に延び、所定の高さで水平に延び、交差する第１のループと、同じ離間距離迄水平に延び、さらに上方に延び、所定の高さで水平に延び、近接または交差する第２のループを形成する第２の一対の配線２１ｂとを備える。近接または交差した第２の一対の配線は平衡線または撚り線２３ａとしてコネクタ２２を介して電圧検出回路基板２０に接続されることは上記の実施例と同様である。

第１のループが形成する面Ｓｎには抵抗体１１に流れる電流Ｉによる磁束Φｎが鎖交し、図１３の右図に示すように相互インダクタンスＭｎによる電圧が形成される。同様に、第２のループが形成する面Ｓｆには抵抗体１１に流れる電流Ｉによる磁束Φｆが鎖交し、相互インダクタンスＭｆによる電圧が形成される。

従って、実効的インダクタンスＬｅは、Ｌｅ＝Ｌ−Ｍｎ−Ｍｆとなり、
Ｌ＝Ｍｎ＋Ｍｆの場合に、Ｌｅ＝０となる。すなわち、抵抗体の自己インダクタンスＬによって生じる誤差電圧を相互インダクタンスＭｎ＋Ｍｆによって生じる電圧で相殺することができる。それ故、この場合にはローパスフィルタの設置は不要である。

なお、Φｆは、抵抗体１１の電流Ｉにより発生し、遠方側のループ面Ｓｆと鎖交する磁束であり、Φｎは、ループ面Ｓｆよりも抵抗体側に近接する側のループ面Ｓｎと鎖交する磁束であるので、それぞれの磁束密度Ｂｆ，Ｂｎは、
Ｂｎ＞Ｂｆ
となる。従って、∫_ＳｆＢｓ・ｄｓ＝∫_ＳｎＢｎ・ｄｓとするには、（Ｓｆの面積）＞（Ｓｎの面積）とする必要がある。

図１４は抵抗体１１の内部に貫通孔１１ａまたは高抵抗材料１１ｂを配置した実施例を示す。通常、抵抗体１１には円柱状または板体状の低比抵抗でＴＣＲの良好な抵抗合金材料が用いられるが、この実施例では上記材料からなる円柱状抵抗体１１の内部に貫通孔１１ａまたは高抵抗材料１１ｂを配置している。抵抗体は断面が矩形状（角柱状の抵抗体）であっても一定の効果があるが、本発明の実施例においてはより好ましい形状として断面が円状の抵抗体を示す。なお、抵抗体１１は中空または内部が高抵抗部である。

監視対象電流はその制御精度の向上等の必要性から高周波数化する傾向にある。特に、電流検出用抵抗器に例えば鋸歯状波電流が流れた時には高周波数成分が多量に含まれる。高周波数成分の電流は表皮効果により抵抗体の外周面側に偏って流れ、抵抗体の中央部には電流が流れにくくなる。従って、高周波電流が流れる実効面積が減少するので、抵抗値が高くなる。このため、高周波数成分を含む電流については正確な電流検出が困難となる。

そこで、図１４に示すように、円柱状抵抗体１１の内部に軸心方向に貫通した貫通孔１１ａまたは高抵抗部１１ｂを設けることで、もともと電流が貫通孔または高抵抗部を流れないので、電流経路の変動幅を小さくすることができる。従って、高周波数成分の電流の表皮効果による抵抗値の変動を抑制することができ、より精度の高い電流検出が可能となる。なお、表皮効果は抵抗体の直径にも依存し、必ずしも貫通孔１１ａや高抵抗部１１ｂを設けなくてもよい場合がある。

図１５および図１６は、一対の電圧検出端子１３ａを、抵抗体１１を被覆した絶縁性樹脂１１ｘの表面を這わせるように抵抗体１１の両端近傍から引き延ばし、中央部分で接近して起立させたシャント抵抗装置の構造例である。抵抗体１１は主電極１２よりも細い構造にしている。検出端子１３ａの一端は、主電極１２の外周面を接続部として固定し、他端は配線（撚り線）２３ａに接続されている。なお、検出端子１３ａの一端を、主電極１２の抵抗体１１側の端面に接続するようにしてもよい。検出端子１３ａと配線２３ａとから構成される電圧検出配線は、所定個所、すなわち、検出端子１３ａにおいて近接している。電圧検出端子１３ａと抵抗体１１とは、絶縁性樹脂１１ｘを介在させる等により絶縁が保たれている。電圧検出端子１３ａの起立部分は、図示しない撚り線２３ａに接続する。この例でも、電圧検出端子１３ａの一部が電流方向に沿って引き延ばされ固定されているため、実効的インダクタンスＬｅを一定の値に固定することができる。

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。

本発明は、シャント抵抗器に流れる監視対象電流によりその抵抗体両端に生じる電圧を検出する電圧検出回路に利用可能である。

Claims (7)

1. 抵抗体と、
   該抵抗体に監視対象電流を流すための一対の主電極と、
   該主電極にそれぞれ接続され、前記抵抗体に生じる電圧を検出するための一対の検出端子と、
   該検出端子とそれぞれ電気的に接続された一対の配線と、を備え、
   前記検出端子および前記配線よりなる一対の電圧検出配線は、互いに所定の離間距離を保った状態で前記抵抗体の外周方向へ引き出してから、前記一対の検出端子における前記主電極とのそれぞれの接続部の離間距離よりも近接させたことを特徴とするシャント抵抗装置。
2. 前記所定の離間距離は、前記一対の検出端子における前記主電極とのそれぞれの接続部の離間距離と略同じであることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。
3. 前記検出端子と前記配線との接続はコネクタにより行うことを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。
4. 前記一対の配線の次段に、抵抗値ｒの抵抗とキャパシタンスＣのコンデンサからなるローパスフィルタを備え、
   該ローパスフィルタは、実効的インダクタンスＬｅ（但し、Ｌｅ＝前記抵抗体の自己インダクタンスＬ−前記一対の配線の相互インダクタンスＭ）、前記抵抗体の抵抗値Ｒとした時、
   Ｌｅ／Ｒ＝Ｃ・ｒ
   なる関係を有することを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。
5. 前記抵抗体は断面が円状であることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。
6. 前記抵抗体は中空または内部が高抵抗部であることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。
7. 前記検出端子は前記主電極における前記抵抗体側の端面と接続していることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗装置。

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