JP6245869B2 - 電流検出装置の抵抗器の寄生インダクタンスの調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャント抵抗器（数ｍΩ以下の低抵抗値を有する抵抗器）に監視対象の電流を流し、該抵抗器両端の電極間に生じる電圧を計測し、既知の抵抗値から電流を検出する電流検出装置に関する。

上記電流検出装置を用いて、抵抗器に流れる高周波成分を含む電流を検出する場合、抵抗器が有する僅かな寄生インダクタンスが検出値に大きな誤差をもたらす。これを防止するため、面実装型の抵抗器に存在する寄生インダクタンスをゼロに調整することができる配線構造が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特に大電流用途の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。

そこで、抵抗器の寄生インダクタンスに基づく誤差電圧を、ローパスフィルタを設けて消去することができる電流検出装置が提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、抵抗器の寄生インダクタンスは理論的に算定が難しく、配線構造に依存し、フィルタで消去しきれず誤差電圧をもたらすことになる。また、ローパスフィルタの回路定数は抵抗とコンデンサの値で定まるため、高精度の固定抵抗器と固定コンデンサを用いれば高精度に設定できるが、可変抵抗器や可変容量を使って、抵抗器の寄生インダクタンスに合わせてフレキシブルに調整することは困難である。

特開２００３−１２１４８１号公報 国際公開ＷＯ２０１３／１５２１９号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、ローパスフィルタの回路定数に合わせて、抵抗器の寄生インダクタンスを調整することが可能な、電流検出装置を提供することを目的とする。

本発明の電流検出装置の抵抗器の寄生インダクタンスの調整方法は、抵抗体と電極とを備えた抵抗器と、抵抗器より電圧を取り出すための一対の検出配線パターンが形成された基材と、からなり、前記一対の検出配線パターンによって囲まれた面積について、前記一対の検出配線パターンの内側の一部を除去することによって、前記面積を増加させ、前記抵抗器の寄生インダクタンスを調整することを特徴とする。

本発明によれば、抵抗器より電圧を取り出すための一対の検出配線パターンが形成された基材を備え、トリミングにより検出配線パターンの一部を除去することによって、ローパスフィルタの回路定数に合わせて、抵抗器および電圧検出配線により形成される寄生インダクタンスを調整できる。これにより、寄生インダクタンスの大きさをローパスフィルタの回路定数に合わせることができ、ローパスフィルタにより誤差電圧をゼロに調整でき、検出対象電流が高周波成分を含んでも誤差電圧を排除して正確な電流検出が可能となる。

本発明の第１実施例の電流検出装置の回路図である。 第１実施例の検出配線パターンのパターン例を示す図である。 トリミング方法１についての電流および電圧の波形図である。 トリミング方法２についての電流および電圧の波形図である。 トリミング方法３についての電圧の波形図である。 抵抗器と検出配線パターンを備えた基材を外装部材に封入した斜視図である。 第２実施例の検出配線パターンのパターン例を示す図である。 第２実施例の検出配線パターンを備えた基材部分の斜視図である。 第２実施例のトリミング方法についての波形図である。 本発明の第３実施例の電流検出装置の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図１０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は本発明の第１実施例の電流検出装置を示す。この電流検出装置は、抵抗体１１と電極１２を備えた抵抗器１３と、抵抗器より電圧を取り出すための一対の検出配線パターン１５が形成された基材１６と、抵抗器１３からの検出電圧が処理されるマイコンなどが搭載された信号処理部２０を備える。信号処理部２０への入力部分にはローパスフィルタ２１が配置され、一対の検出配線パターン１５の出力が接続線１８を介してチョークコイル２２に接続され、さらにローパスフィルタ２１の入力に接続されている。

抵抗器１３に高周波成分を含む電流を流すと、抵抗体１１の両端には、抵抗値に比例した電圧に、抵抗体の自己インダクタンスに比例した誤差電圧が重畳し、特に抵抗値が低い場合に無視できなくなる。面積Ｓを取り囲む検出配線パターン１５には相互インダクタンスに比例した誤差電圧が発生し、自己インダクタンスに比例した誤差電圧とは方向が反対であることから、その差分が接続線１８を介してローパスフィルタ２１に入力される。ローパスフィルタ２１では、Ｃとｒからなる回路定数が後述する一定要件を満たすと、誤差電圧を排除し、抵抗値に比例した電圧のみが信号処理部２０に出力される。

この電流検出装置において、一対の検出配線パターン１５と抵抗体１１で囲まれた面積Ｓのループが、抵抗器１３の寄生インダクタンスＬｅを発生させる。ここで、抵抗器の寄生インダクタンスとは、電流検出波形を歪ませる実効的インダクタンスのことを言い、“検出電圧＝抵抗器抵抗値Ｒ×電流Ｉ＋実効的インダクタンスＬ×ｄＩ／ｄｔ”となり、実効的インダクタンスＬ×ｄＩ／ｄｔが検出電圧波形を歪ませる。従って、寄生インダクタンスＬｅとは、この波形を歪ませる実効的インダクタンスＬのことを示す。

抵抗器の抵抗値をＲとした場合、寄生インダクタンスＬｅは等価回路上このＲに直列に接続される。このような系において、フィルタ２１の出力であるコンデンサＣの両端間に寄生インダクタンスＬｅに基づく電圧を相殺した、抵抗値Ｒのみに基づくＩ×Ｒの電位差を得るには、Ｌｅ／Ｒ＝Ｃ・ｒとなるフィルタ２１を設ければよい。ただし、フィルタ側から検出配線パターン側をみたインピーダンスは、検出配線パターン側からフィルタ側をみたインピーダンスよりも十分に小さくなければならない。なお、フィルタ２１の前段のコモンモードチョークコイル２２は、本件では重要ではないため、短絡されているものとする。

電流Ｉに比例した検出電圧波形を得るにあたって、寄生インダクタンスＬｅによる誤差電圧を排除する目的で、フィルタ２１のＣとｒを固定容量と固定抵抗で構成する場合、予めＣとｒが定まっていることから、寄生インダクタンスＬｅは正確にＬｅ＝Ｃ・ｒ・Ｒなる値でなければ、寄生インダクタンスＬｅに基づく誤差電圧を排除できない。

しかしながら、寄生インダクタンスＬｅは理論的に正確に算出することが困難である。そこで本発明では、図２に示す検出配線パターンの構造により抵抗器の寄生インダクタンスＬｅを調整（トリミング）する。すなわち、検出配線パターンの一部を除去することによって、検出配線パターンで囲まれた面積Ｓを変化させ、寄生インダクタンスＬｅを微調整することにより、誤差電圧を排除できる、Ｌｅ＝Ｃ・ｒ・Ｒなる関係の寄生インダクタンスＬｅを作りこむことが可能となる。

この電流検出装置は、抵抗器１３と、検出配線パターン１５が形成された基板１６を備える。抵抗器１３は、Ｃｕ−Ｎｉ系材料などからなる低抵抗値の抵抗体１１と、抵抗体の両端に接続固定したＣｕなどからなる電極１２により構成される。また抵抗体の両側には電圧端子１５ａが設けられている。基板１６はガラエポ基板などを用いる。基板の一面には銅箔などからなる検出配線パターン１５が形成されている。検出配線パターンの一端部分には電圧端子１５ａが溶接され、他端には接続線１８が溶接される。接続線１８には撚り線やシールド線を用いる。

検出配線パターン１５により囲まれた面積Ｓが寄生インダクタンスＬｅを発生させるので、検出配線パターンの内側の一部を除去し、面積Ｓを増加することにより寄生インダクタンスＬｅを増加（微調整）することができる。除去方法としては、レーザー、リューター、サンドブラストなどを用いることができる。除去の仕方としては、図２に示すように、検出配線パターン１５に予め窓部Ｗを形成しておき、窓部の外周部分を除去する方法（カット部Ａ）、面積Ｓの外周に沿って面積Ｓを拡大していく方法（カット部Ｂ）、検出用パターンの幅方向にカット溝を入れる方法（カット部Ｃ）などを採用することができる。

具体的なトリミングの方法としては、抵抗器１３に電流Ｉとして図３（ａ）に示すような鋸歯状波電流を流す。すると、図３（ｂ）に示すようなピークに段差ΔＶを備えた鋸歯状波電圧がフィルタ２１の出力であるコンデンサＣの両端に生じる。この段差ΔＶは、寄生インダクタンスにより生じた電圧ΔＶ＝Ｌｅ×ｄＩ／ｄｔがフィルタ２１で補償しきれずに生じた残余の電圧である。

そこで、図３（ｃ）に示すように、段差ΔＶがゼロとなるように、すなわち、フィルタ出力電圧波形が印加電流Ｉの波形と相似となるように、窓部のパターンカットＡや切れ込みのトリミングＢ，Ｃを行い、検出配線パターン１５の内側の面積Ｓを拡大し、寄生インダクタンスＬｅを増加する。この場合、寄生インダクタンスＬｅは増加方向にしか調整できないため、トリミング前の電圧波形が補正不足の状態となるように検出配線パターンを形成しておく、もしくは、補正不足の状態となるようにフィルタ２１の回路定数Ｃとｒを選定しておくことが必要である。

図４（ａ）−（ｃ）は他のトリミング方法を示す。寄生インダクタンスＬｅのトリミングにあたり、フィルタ２１が用意できない場合、鋸歯状波電流Ｉを通電した際に、出力端子間に現れる電圧波形の段差ΔＶを一定の目標値ΔＶ’に合わせこむことで、所望の寄生インダクタンスＬｅを得ることができる。

すなわち、図４（ａ）に示す傾斜の鋸歯状波電流Ｉを抵抗器１３に印加した場合、接続線１８の出力端子間に生じる図４（ｂ）に示す電圧波形の段差ΔＶは次式で表される。
ΔＶ＝Ｌｅ・（Ｉｒ／Ｔｒ＋Ｉｆ／Ｔｆ）
従って、“Ｉｒ／Ｔｒ”と“Ｉｆ／Ｔｆ”が既知の鋸歯状波を入力し、出力端子間出現電圧Ｖの段差ΔＶが、図４（ｃ）に示すローパスフィルタ２１で想定した所望の寄生インダクタンスＬｅで得られる目標段差ΔＶ’となるようにトリミングを行えばよい。

なお、上述のフィルタ２１を使用した寄生インダクタンスＬｅのトリミング（トリミング方法１）と、フィルタ２１を使用しないでフィルタ２１で想定した段差ΔＶ’が得られるように寄生インダクタンスＬｅをトリミングする方法（トリミング方法２）は併用してもよい。

つまり、トリミング方法２における“Ｉｒ／Ｔｒ”と“Ｉｆ／Ｔｆ”が既知の鋸歯状波電流Ｉを抵抗器１３に通電した場合に、フィルタ２１のコンデンサＣの両端に出現する図５に示す電圧波形の段差ΔＶを合わせこめばよい。この場合、調整後の抵抗器の寄生インダクタンスＬｅは、フィルタで補正される寄生インダクタンスＬｅ（＝Ｃ・ｒ・Ｒ）と、段差ΔＶを出現させる寄生インダクタンスＬｅ（＝ΔＶ／（Ｉｒ／Ｔｒ＋Ｉｆ／Ｔｆ））の和となる。このトリミング方法３は、比較的大きな寄生インダクタンスＬｅを正確にトリミングしたい場合に有効である。

図６は抵抗器と検出配線パターンを備えた基材を外装部材に封入した例を示す。抵抗器１３と検出配線パターン１５を搭載した基板１６とを、セラミックや樹脂等のケースや、樹脂による成形などによる外装部材２５に封入してもよい。電極１２は露出しており、バスバー等に接続できるように扁平部を設けてもよく、また面実装できるように円柱状電極を角柱状電極としてもよい。

図７（ａ）（ｂ）は第２実施例の検出配線パターンのパターン例を示し、図８はこの検出配線パターンに抵抗器を接続した電流検出装置の要部の構成例を示す。図７（ａ）は基板表側の配線パターン１５を示し、図７（ｂ）は基板裏側の配線パターン１５を示し、基板表側の配線パターン１５と基板裏側の配線パターン１５はそれぞれビアＤとビアＥにより接続され、基板の表裏面に亘る８の字状に検出配線パターン１５が形成されている。従って、基板表側には面積Ｓ２のループが形成され、基板裏側には抵抗器と接続されて面積Ｓ１のループが形成され、それぞれトリミング用の窓部Ｗを備えている。フィルタ２１等を備えるその他の構成は図１および図２に示す第１実施例と同様である。

検出配線パターン１５のトリミングにより抵抗器１３の寄生インダクタンスＬｅを調整し、ローパスフィルタ２１により誤差電圧をゼロにする点も上記実施例と同様である。すなわち、面積Ｓ１および／または面積Ｓ２を大きくするために、基板表側の検出配線パターンの内側部分および／または基板裏側の検出配線パターンの内側部分の、それぞれの一部をトリミングにより除去する。

第１のループを構成する面積Ｓ１と、第２のループを構成する面積Ｓ２との両方またはどちらか一方を拡大（調整）することによって寄生インダクタンスＬｅを増加（調整）し、フィルタ２１の回路定数に合わせることで、出力端において第１実施例と同様に、寄生インダクタンスＬｅに基づく誤差電圧を略ゼロにすることが可能となる。

なお、上記実施例では、検出配線パターンの面積を大きくし、寄生インダクタンスＬｅを増加させて、ローパスフィルタ２１の回路定数に合わせることで誤差電圧を除去する例について説明した。しかしながら、実際のトリミングに際して、フィルタ２１の回路定数によっては、図９（ｃ）に示すように、トリミング前で寄生インダクタンスＬｅが大きすぎ、過補償となる場合が存在する。

このような場合には、導電材料を付加することにより検出配線パターンＳ１、Ｓ２の面積を小さくし、寄生インダクタンスＬｅを減少させて、ローパスフィルタ２１の回路定数に合わせることで誤差電圧を除去することができる。導電材料を付加することは、例えばインクジェットやディスペンサを使用して導電性樹脂等によりパターンを付加することで可能である。

図１０（ａ）（ｂ）は本発明の第３実施例の電流検出装置の構成例を示す。配線基板３０の表面の主電流経路３１ａに抵抗器１３を実装して電流検出をする場合、主電流経路を略直角に曲げ、かつ基板３０の裏面へ引き回している。すなわち、基板３０の裏面において、少なくとも抵抗器１３の実装部分の周辺で、主電流経路３１ｂは基板表面の主電流経路３１ａに平行に配置されている。これにより、抵抗器１３の実装部分は、主電流経路に対して略直角に折り曲げられるとともに、主電流経路を折り返すパターンが形成される。主電流経路を折り返す構造は、ビア３１ｃにより上下の主電流経路を導通させてもよく、また、配線基板３０の端面の接続部３１ｄを利用して上下の主電流経路を導通させてもよい。

抵抗器１３には、抵抗器より電圧を取り出すための一対の検出配線パターンが形成された基材１６が固定され、検出配線パターンの出力が接続線１８を介してローパスフィルタ２１および信号処理部２０に接続されていることは上記実施例と同様である。

このような主電流経路を折り返すパターン構造にすることによって、実装された抵抗器を含む基板表面の主電流経路に生じる磁束と、帰還経路である基板裏面の主電流経路に生じる磁束が相殺される。このため、高周波成分を含む電流の計測においても、抵抗器１３の検出電圧をより安定的に取り出すことが可能となる。

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、低抵抗値の抵抗器を用いた高周波成分を含む電流の計測に好適に利用可能である。

Claims (2)

1. 抵抗体と電極とを備えた抵抗器と、
   前記抵抗器より電圧を取り出すための一対の検出配線パターンが形成された基材と、からなり、
   前記一対の検出配線パターンによって囲まれた面積について、前記一対の検出配線パターンの内側の一部を除去することによって、前記面積を増加させ、前記抵抗器の寄生インダクタンスを調整することを特徴とする電流検出装置の抵抗器の寄生インダクタンスの調整方法。
2. 前記一対の検出配線パターンは、前記基材の表面および裏面に亘って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置の抵抗器の寄生インダクタンスの調整方法。

Images