JP6064254B2 - 電流検出用抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は電流検出用抵抗器に係り、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端子部材を備えた電流検出用抵抗器に関する。

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電流検出用抵抗器が使用される。上記電流検出用抵抗器は、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、特許文献１に記載のものが提案されている。

特開２００３−１２１４８１号公報

上記文献では、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、特に大電流用途の電流検出用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端子部材を備えた電流検出用抵抗器を提供することを目的とする。

本発明の電流検出用抵抗器は、抵抗合金材料からなる柱状の抵抗体と、該抵抗体の両端にそれぞれ固定された一対の電極と、該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電圧端子部材と、を備え、前記電圧端子部材は、前記電極との接続部と、該接続部より他方の電極側に延出する延出部を備え、前記接続部は前記電極における前記抵抗体側の端面と接続しており、前記延出部のそれぞれの終端は、前記電極間における電流経路に垂直な同一平面まで及んでおり、前記延出部の終端部分に起立した電圧端子部と、前記一対の電極の間であって前記一対の電圧端子部材の間に絶縁部材を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、電圧端子部材は、電極との接続部と、該接続部より他方の電極側に延出する延出部を備え、延出部のそれぞれの終端は、電極間における電流経路に垂直な同一平面まで及んでいるので、延出部の終端に設けた電圧端子部は、電流経路に略垂直な同一平面に配置することができる。従って、抵抗体の監視対象電流によって生じる磁束Φは監視対象電流の円周方向に発生するので、一対の電圧端子部を含む上記同一平面に鎖交しない。それ故、コネクタの接続状況等により電圧端子部を含むループが変動しても、上記磁束Φに鎖交せず、実効的インダクタンスＬｅが変動せず、一定の時定数のローパスフィルタにて抵抗体の有する自己インダクタンスＬによる誤差電圧の補償が可能となる。

本発明の一実施例の電流検出用抵抗器の実装状態を示す斜視図である。 電圧端子部材の分解斜視図である。 電圧端子部材と絶縁部材を抵抗器に装着する状態を示した分解斜視図である。 電圧端子部材の形成方法を示す平面図と斜視図である。 電圧端子部材を備えた電流検出用抵抗器の実装状態の正面略図（部分断面図）である。 電圧端子部材を備えた電流検出用抵抗器の実装状態の側面略図（部分断面図）である。 上記抵抗器の要部の斜視図である。 図５Ｃにおける電圧検出部の変形例の斜視図である。 図５Ｃにおける電圧検出部の他の変形例の斜視図である。 実効的インダクタンスＬｅについての説明図である。 ローパスフィルタを介在させることで、実効的インダクタンスＬｅによって生じる誤差電圧を相殺できることを示す説明図である。 他の電圧端子部材を用いた電流検出用抵抗器の斜視図である。 抵抗器の第１実施例の説明図である。 抵抗器の第２実施例の説明図である。 抵抗器の第３実施例の説明図である。 抵抗器の第４実施例の説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図１２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電流検出用抵抗器の実装状態を示す。この電流検出用抵抗器は、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金等の抵抗合金材料からなる円柱状の抵抗体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角柱状の電極１２と、該電極に接続し監視対象電流により抵抗体両端に生じる電圧を検出する一対の電圧端子部材３を備える。この実施例では、抵抗器はアルミ基板１の配線パターン２にハンダ接合等により固定されている。

電圧端子部材３は電極１２間から基板１に対して垂直に起立している電圧端子部３ａを備え、コネクタ２０内に設けた接続端子２１と接続が可能である。接続端子２１はより線２２に接続され、図示しない電圧検出回路に接続される。すなわち、監視対象電流が抵抗体１１を流れることによって生じる電圧が両電極１２に接続した電圧端子部材３からコネクタ２０内の接続端子２１およびより線２２を介して電圧検出回路に伝達され、そこで電圧値が検出され、既知の抵抗値から電流値が検出される。

図２は電圧端子部を含む電圧端子部材の構成例を示す。電圧端子部材３は、電極１２の抵抗体側端面との接続部３ｂと、該接続部より他方の電極側に延出する第１延出部３ｃ１と、該第１延出部３ｃ１の終端より電極配置方向と直角方向に延出する第２延出部３ｃ２と、該第２延出部の終端で垂直に起立する電圧端子部３ａとからなる。接続部３ｂには抵抗体を嵌め込む凹部Ｏが形成されている。

一対の電圧端子部材の接続部３ｂ間には絶縁部材４が鋏まれ、一対の電圧端子部材間を絶縁する。絶縁部材４には抵抗体を嵌め込む凹部Ｏが形成されている。一対の電圧端子部材３はそれぞれ電圧端子部３ａが内側に位置するように絶縁部材４に接着材等を用いて固定される。その際、一対の電圧端子部３ａが、電極１２間の幅方向両側に配置され、且つ、それぞれ電極１２間の中央に位置するように、第１延出部３ｃ１および第２延出部３ｃ２の長さが設定されている。なお、絶縁部材４は例えばガラエポ基板を用いて形成する。

図３は電圧端子部材と絶縁部材を一体化したものを抵抗器に装着する状態を示す。絶縁部材４を間挿した一対の電圧端子部材３を図示するように抵抗体１１の外周と凹部Ｏを合わせ、電極１２，１２の対向する端面１２ｓの間に嵌め込み固定する。従って、電圧端子部材３の接続部３ｂは電極１２の抵抗体側の端面１２ｓに当接するため、電極の抵抗分の影響が極めて少なく、実抵抗値に基づく高精度の電圧検出が可能となる。

そして、電圧端子部材３は、電極１２の抵抗体側端面１２ｓに当接する接続部１３ｂと、該接続部１３ｂより他方の電極側に延出する第１延出部３ｃ１と、該第１延出部３ｃ１の終端より電極配置方向と直角方向に延出する第２延出部３ｃ２と、該第２延出部の終端で垂直に起立する電圧端子部３ａとからなる。

図４は電圧端子部材の形成方法を示す。まず、銅板等を打ち抜き、左図の展開図に示す形状の金属板材を形成する。次に、折り曲げ線Ｙ１に沿って９０度折り曲げ、折り曲げ線Ｙ２に沿って逆向きに９０度折り曲げる。さらに、折り曲げ線Ｙ３、Ｙ４に沿って同じ向きに９０度折り曲げる。これにより、コネクタの接続端子２１に装着可能な電圧端子部３ａを備えた電圧端子部材３が形成される。

図５Ａはこの抵抗器の実装状態における正面略図（部分断面図）を示し、図５Ｂはその側面略図（部分断面図）を示し、図５Ｃは要部を示す。アルミ基板１の配線パターン２に抵抗器の一対の電極１２が固定されている。断面角形の電極１２の端面中央に断面円形の抵抗体１１が突き合わせ溶接により固定されている。

電極１２の抵抗体側の端面１２ｓには電圧端子部材の接続部３ｂが固定され、第１延出部３ｃ１が他方の電極１２との略中間地点まで延出している。そして、第１延出部より電極配置方向と直角方向に第２延出部３ｃ２が延出し、その終端で電圧端子部３ａが垂直に起立している。従って、両電圧端子部３ａは両電極１２の配置方向の中間で、電流経路に垂直となる同一平面Ｘ上に配置されている（図５Ｃ参照）。

すなわち、図５Ｃにおいて、符号Ｘは電極１２間の電流経路に垂直な平面である。電圧端子部材３の延出部、即ち第１延出部３ｃ１のそれぞれの終端および／または第２延出部３ｃ２は、電極１２間の電流経路に垂直な同一平面Ｘに及んでいる。また、電圧端子部３ａのそれぞれは同一平面Ｘ内に起立している。ここで、電流経路とは、抵抗器の抵抗体における主たる電流経路を意味し、中心軸方向の抵抗体そのものを意味する。なお、抵抗体の中心軸方向は、図５Ｃ〜図５Ｅにおいて示すｘ軸方向と一致する。また、平面Ｘは、ｘ軸に垂直なｙ軸、ｚ軸により形成される。

なお、電圧端子部３ａは、電流経路に垂直な同一平面Ｘ内に起立していなくてもよい。例えば、図５Ｄは同一平面Ｘに対して、略同一角度で一対の電圧検出端子３ａを折り曲げた例を示す。また、図５Ｅは同一平面Ｘに対して、略直角に略同一角度で電圧検出端子３ａの上部を折り曲げた例を示す。電圧検出端子３ａの上部を折り曲げる必要がある場合は、抵抗体から離間した位置で曲げることが望ましい。

図５Ｄの例では、電流経路に垂直な面Ｘに対してｚ軸と平行な直線を回転中心とする同じ傾きを有する同一面に、一対の電圧検出端子３ａが位置している。言い換えると、一対の電圧検出端子３ａはそれぞれ、電流経路に垂直な平面Ｘ上であって且つ電流経路と直交するねじれの位置にある線を基準として、左右対称のループを形成するように角度がつけられている。図５Ｅの例では、電流経路に垂直な面Ｘに対してｚ軸を回転中心として直交する同一面に、一対の電圧検出端子３ａの上部が位置している。後述するように、これらの面には抵抗体に流れる電流により発生する磁束Φが鎖交しないので、一対の電圧検出端子３ａには起電力が生じない。

図５Ｂにおいて、両電極１２の中間位置の幅方向両側に起立した電圧端子部３ａには、それぞれコネクタ２０の接続部２１が挿入されている。コネクタの接続部２１からはより線２２を介し電極１２の両端面で検出した電圧信号が図示しない電圧検出回路に送られ、電流値が検出される。

ここで、一対の電圧端子部材（接続部３ｂおよび第１延出部３ｃ１）と抵抗体１１の中心軸Ｃにより形成される面Ｓ１（図５Ａ参照）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。図５Ａから分かるように、正面視において、それぞれの第１延出部３ｃ１の終端が重なっていて、電圧端子部３ａが重なっている。このため面Ｓ１は接続部３ｂおよび第１延出部３ｃ１により確定され、電圧端子部３ａとは無関係になる。

図６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電圧端子部材（接続部３ｂおよび第１延出部３ｃ１）の相互インダクタンスＭに基づく電圧とが重畳する。ここで、コネクタ２０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Ｉ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。

他方で、図５Ｂに示すように、コネクタ２０の出力端Ａ’Ｂ’から抵抗体１１側を見た等価回路には、より線２２の一部とコネクタの接続部２１と電圧端子部３ａと第２延出部３ｃ２からなる面積Ｓ２のループが存在する。しかしながら、抵抗体１１を流れる電流Ｉによって生じる磁束Φは抵抗体の周方向に形成され、両電圧端子部３ａは電極間における電流経路に垂直な面に対してｚ軸を回転中心とする同じ傾きを有する同一平面内に配置されているので、この面積Ｓ２のループには鎖交しない。従って、コネクタ２０の出力端Ａ’Ｂ’から抵抗体１１側を見た等価回路には、このループについてインピーダンス成分が生じない。すなわち、コネクタ２０の信号端子部３ａへの挿入状況が変動し、面積Ｓ２が変動しても、コネクタ２０の出力端Ａ’Ｂ’で検出される電圧には影響しない。

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７に示すように、より線２２の出力を電圧検出回路のローパスフィルタ２４に接続する。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を合わせることで、以下に述べるように、誤差電圧の影響を除去することができる。

図７は電圧検出回路に設けた抵抗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２０のより線２２の後段に接続する。そして、コネクタ２０の出力端から見た電圧検出回路の入力インピーダンスＺinが抵抗器インピーダンスよりも十分大きいと仮定し、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、実効的インダクタンスＬｅによる誤差電圧がキャンセルされる（図７参照）。

すなわち、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第１延出部３ｃ１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、正規の鋸歯状波電流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。本発明の電流検出用抵抗器では、コネクタ２０の差し込み状況によらず、前述のとおり面Ｓ１が一定であるため、実効的インダクタンスＬｅが固定され、これに対応した回路定数のローパスフィルタを組み合わせることで、高周波数成分を含む電流の高精度の検出が可能となる。

図８は電圧端子部材の他の実施例を示す。図４に示す電圧端子部材は構造が複雑であったが、この構造を単純化したものである。この電圧端子部材５は、電極１２に接続する接続部５ｂと、該接続部から他方の電極側に延出する延出部５ｃ１と、該第１延出部より直角方向に延出する第２延出部５ｃ２と、該第２延出部の終端で垂直に起立する電圧端子部５ａとからなる。

そして、延出部５ｃ１，５ｃ２は、接続部５ｂから他方の電極側に、電極１２間の電極配置方向と直交する電極１２間の略中間位置の線Ｌ上まで延出している。すなわち、延出部のそれぞれの終端は、電極１２間における電流経路に垂直な同一平面まで及んでいる。この電圧端子部材５は、図４と同様に金属パターンを打ち抜き等により形成し、折り曲げることで容易に形成可能である。

次に、この電流検出用抵抗器に好適な抵抗器の構造例について説明する。この抵抗器は、電極間において抵抗体は、径が４ｍｍ以下の柱状に構成されたことを特徴としている。抵抗体を細い径にすることによって、高周波電流を検出する場合の表皮効果による抵抗値変動が抑制され、高周波を含む電流に対して高精度の電流検出が可能となる。すなわち、抵抗器自体が良好な高周波特性を有するものを組み合わせることで、より高周波数まで、インダクタンス成分に基づく誤差電圧の影響を排除した電流検出が可能となる。

図９は抵抗器の第１実施例の構造を示す。この抵抗器は、Ｃｕ等からなる電極１２間においてＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金などの抵抗体１１は、径が４ｍｍ以下の柱状に構成されている。抵抗体１１を細い径にすることによって、直流電流の検出を基本とする電流検出用抵抗器において、ある程度迄の高周波電流に対して表皮効果による実効的な電流流路の減少を起こさず、直流電流と同様に高精度の電流検出が可能となる。

図示するように、抵抗体１１と電極１２との接合部分に段差を有する。これにより、抵抗体１１が配置された側の電極１２の端面１２ｓに電圧検出端子を固定できるため、実効的な抵抗値に基づいてより高精度な電流検出が可能となる。電極１２のそれぞれは角柱状であり、電極１２の断面における略中心に抵抗体１１が固定されている。角柱状の電極を採用することで、面実装し易く、また、実装時に上下の方向性がないので取り扱いに便利である。

電極１２のそれぞれは、電極配置方向に長く、抵抗体１１を挟んだ電極１２間の距離の２倍よりも長い。これにより、回路パターンとの実装面積を確保でき、放熱を高めることができる。抵抗体１１の径が小さいので、耐久性を確保する上で、抵抗体１１からの放熱が重要となる。そして、電極１２は抵抗体１１の断面積よりも大きな断面積を有している。これにより、配線パターン、電極１２、抵抗体１１へと、電流経路が徐々に狭まる構成になるため、大電流を測定する場合でも抵抗体への過度な負荷集中を抑制することができる。

また、抵抗体１１の長さは抵抗体の径の１．５倍よりも小さい。すなわち、抵抗体の径を４ｍｍ以下と細くし、且つその長さを短くしている。これにより、高周波の大電流検出に適し、低い抵抗値であり、且つ小型化を実現できる。また、抵抗体１１の径が小さいので、あまり長くすると強度不足になる。

次に、抵抗器の抵抗値およびサイズの具体例について説明する。製品設計上、抵抗値は０．１ｍΩまたは０．２ｍΩに設定している。断面円形のＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系合金線を用い０．２ｍΩの抵抗値とする場合、直径φが１ｍｍに対して長さＮが０．３６ｍｍ、直径φが２ｍｍに対して長さＮが１．４２ｍｍ、直径φが３ｍｍに対して長さＮが３．２ｍｍとなる。つまり抵抗体の長さＮは直径φの１．５倍よりも短い長さにしている。

抵抗体の直径φが２ｍｍに対して長さＮが１．４２ｍｍの場合（抵抗値０．２ｍΩの場合）、電極１２の電極配置方向長さＭは５ｍｍとし、電極幅Ｐは３ｍｍとしている。これらのサイズを採用することで、良好な抵抗値の周波数特性、放熱性等をバランスよく実現できる。

図１０は抵抗器の第２実施例を示す。第１実施例との相違点は、電極１２ａの抵抗体との当接面に凹部Ｑを備え、該凹部Ｑに抵抗体１１の端部を嵌め込んで固定したものである。これにより、抵抗体の位置決め作業が容易となり、且つ、抵抗体と電極との接合をより容易に形成することができる。

図１１は抵抗器の第３実施例を示す。この実施例では、電極１２ｂがパイプ状になっていて、細長い抵抗体１１の両端部が電極１２ｂを貫通した構造になっている。この実施例でも、抵抗体１１の径を細くすることで、高周波電流が流れた時の表皮効果による抵抗値変動を抑制することができる。そして、抵抗体が電極１２ｂの内部を貫通した構造となっていることから、スェージング加工（パイプ状の電極に抵抗体を挿入し、電極を外側から加圧して絞ることで固定する方法）や、焼き嵌め（パイプ状の電極を加熱膨張させて穴を広げ、抵抗体を挿入してから冷却して固定する方法）の適用が可能である。

図１２は抵抗器の第４実施例を示す。この実施例では、抵抗体が中央の円柱状抵抗体１１とその両端の扁平状抵抗体１１ａから構成されている。そして、扁平状抵抗体１１ａの上下両面に板状の電極１２ｃを備えている。従って、中央に細い径の円柱状の抵抗体とその両端に角柱状の電極を備えた構造は上記の各実施例と共通である。この例でも、角柱状の電極１２ｃを備えることから、面実装が容易、放熱性が向上する、等のメリットも上記の各実施例と同様である。

なお、上記の電圧端子部材３，５において、電圧端子部３ａ，５ａは垂直に起立した構造について例示している。しかしながら、電圧端子部３ａ，５ａが起立せず平坦な構造であっても、コネクタの接続部分２１が平面状の電圧端子部３ａ，５ａに接続させることで同様の作用効果が得られる。同様に、延出部は、接続部より他方の電極側に延出する第１延出部３ｃ１，５ｃ１と、該第１延出部より電極配置方向と直角方向に延出する第２延出部３ｃ２，５ｃ２からなると例示している。しかしながら、接続部より他方の電極側に延出する延出部は、両電極１２間において電極配置方向と直交する例えば両電極間の中間位置の直線Ｌまで及んでいて（図８参照）、その終端に電圧端子部３ａ、５ａが形成されていれば、同様の作用効果が得られる。

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、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流検出用抵抗器に利用可能である。

Claims (3)

1. 抵抗合金材料からなる柱状の抵抗体と、該抵抗体の両端にそれぞれ固定された一対の電極と、該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電圧端子部材と、を備え、
   前記電圧端子部材は、前記電極との接続部と、該接続部より他方の電極側に延出する延出部を備え、
   前記接続部は前記電極における前記抵抗体側の端面と接続しており、
   前記延出部のそれぞれの終端は、前記電極間における電流経路に垂直な同一平面まで及んでおり、
   前記延出部の終端部分に起立した電圧端子部と、
   前記一対の電極の間であって前記一対の電圧端子部材の間に絶縁部材を配置したことを特徴とする電流検出用抵抗器。
2. 前記電圧端子部材は、前記電極との接続部と、該接続部より他方の電極側に延出する第１延出部と、該第１延出部より前記電極配置方向と直角方向に延出する第２延出部と、該第２延出部の終端で垂直に起立する電圧端子部とからなることを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
3. 前記電極間において、前記抵抗体は、径が４ｍｍ以下の柱状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器。

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