JP6474640B2 - 電流検出用抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗体に流れる電流を検出する電流検出用抵抗器に関する。

各種電気機器、例えば、電気自動車やその充電施設等において、電流検出が行われている。電流検出においては、シャント式の電流測定法が用いられ、一例として、金属板の抵抗体および電極端子を備えた電流検出用抵抗器が用いられている。

そして、上記電気機器においては、故障時などに過電流が流れることによる安全性確保の対応が必要であり、過電流に対する対策、すなわち、過電流が流れることによる機器損傷の被害拡大の防止の対策を施すことが必要となっている。

過電流による機器損傷防止の対策として、例えば電流ヒューズを搭載し、過電流を遮断して機器を保護するのが一般的である。しかしながら、一方で機器の小型化の要求もあり、電流遮断機能を備えた電流ヒューズ等を搭載するスペースの確保が困難な場合もある。

ところで、下記特許文献１が知られている。この文献には、電流検出用抵抗器３１の金属抵抗体からなる脚部３５と梁部３４の境界付近に開口３２を形成した構造が記載されている（図１参照）。そして、開口３２を設けることで、全体の形状を大きくすることなく、且つ強度を低下させることなく所望の抵抗値が得られ、しかも、金属抵抗体で発生したジュール熱がスムーズにプリント基板に流れ、且つ通風を良好にして、温度があまり上昇しないことが記載されている。従って、「電流遮断機能を備える」ことについては一切記載がない。

特開２００２−２０３７０１号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、電流遮断機能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、抵抗体と、該抵抗体に接続された一対の端子と、少なくとも一方の端子の一部に、狭い電流路とした溶断部を備えた抵抗器であって、前記溶断部は、前記電流路を狭くする狭小部を備え、所定の溶断電流が印加されたときに、前記溶断部が溶断するようにした、ことを特徴とする。

本発明によれば、抵抗器の端子に電流遮断機能を具備したので、過電流の遮断が可能な電流検出用抵抗器を、通常の電流検出用抵抗器と略同サイズで形成できる。Ｃｕ等の端子材は高導電性で、高熱伝導性で且つ正の高いＴＣＲを有する。抵抗体に隣接した端子部分に狭い電流路である溶断部を形成したことで、大電流によりまず抵抗体のジュール熱で溶断部が加熱され、高い正のＴＣＲにより溶断部自体の抵抗が増加して発熱が加速することで、溶断に至ると考えられる。これにより、コンパクトな構造で電流遮断機能を形成できる。

実施例１の抵抗器の斜視図である。 実施例１の抵抗器を実装した状態の斜視図である。 実施例１の抵抗器の製造工程の平面図である。 実施例１の抵抗器の製造工程の平面図である。 実施例１の抵抗器の製造工程の平面図である。 実施例１の抵抗器の製造工程の、左図は側面図であり、右図は平面図である。 実施例１の抵抗器の変形例の斜視図である。 実施例２の抵抗器の斜視図である。 実施例２の抵抗器の変形例の斜視図である。 実施例３の抵抗器の斜視図である。 実施例４の抵抗器の斜視図である。 上記抵抗器を裏面側から見た斜視図である。 実施例５の抵抗器の斜視図である。 実施例１の抵抗器の他の変形例の斜視図であり、抵抗器を端子１２Ａ側から見た図である。 上記抵抗器を端子１２Ｂ側から見た図である。 抵抗器を基板に実装した状態（図２）の変形例の斜視図である。

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は本発明の実施例１の電流検出用抵抗器を示す。この抵抗器は、抵抗体１１と、抵抗体に接続された一対の端子１２Ａ、１２Ｂと、を備えた抵抗器である。抵抗体１１には、Ｃｕ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｃｒ系などの低抵抗率で且つ低ＴＣＲ（抵抗温度係数）の抵抗合金材が用いられる。端子１２Ａ，１２Ｂには、Ｃｕ等の高導電性で、高熱伝導性で、且つ正の高いＴＣＲを有する金属材が用いられる。抵抗体１１は一部を削る等により抵抗値調整をしてもよい。

この抵抗器においては、一方の端子１２Ａの一部に、狭い電流路とした溶断部１３Ａ，１３Ｂを形成し、所定の溶断電流が印加されたときに、該溶断部が溶断するようにしている。すなわち、電流検出用抵抗器の端子部分に所定の溶断電流で溶断し、電流を遮断するヒューズ機能を持たせている。

この実施例１では、端子１２Ａに開口部１４が形成されている。この開口部１４によって、溶断部１３Ａ，１３Ｂが開口部１４の両側に２ヶ所形成されている。溶断部１３Ａ，１３Ｂの幅、厚み、長さは略同一として、電気抵抗が略同じになるようにする。これにより、溶断部１３Ａ，１３Ｂへの電流負荷がなるべく偏らず、均等になる。そして、溶断部の幅、厚み、長さ等により溶断電流が決まってくる。

図２は実施例１の抵抗器が実装された状態を示す。一対の端子１２Ａ，１２Ｂは、抵抗器が実装される実装基板２０上の実装ランド２１Ａ，２１Ｂに接する実装部１５Ａ，１５Ｂを備え、該実装部がハンダ等により実装ランド２１Ａ，２１Ｂに接合される。そして、抵抗体１１および溶断部１３Ａ，１３Ｂが実装基板２０から離隔した構造となるように、端子１２Ａ，１２Ｂは離隔部１６Ａ，１６Ｂを備える。溶断部１３Ａ、１３Ｂは、実装部１５Ａから抵抗体１１に及んで構成されている。

これにより、抵抗体１１および溶断部１３Ａ，１３Ｂは浮いた状態となり、その下に、電圧検出配線パターン２２Ａ，２２Ｂが配置され、該電圧検出配線パターンは実装ランド２１Ａ，２１Ｂに接続されている。従って、抵抗体１１を流れる電流によって生じた電圧は離隔部１６Ａ，１６Ｂ、実装部１５Ａ，１５Ｂおよび電圧検出パターン２２Ａ，２２Ｂを介して図示しない電圧検出装置により取り出される。

溶断部１３Ａ，１３Ｂにより形成される電流路は、端子１２Ａの実装部１５Ａや端子１２Ｂの実装部１５Ｂよりも幅が狭く、また抵抗体１１よりも幅が狭く、電流が集中する構造である。ただし、当然のことながら、溶断部の電気抵抗値は抵抗体の電気抵抗値よりも低い。

抵抗体１１は、ＴＣＲが、端子（Ｃｕ）１２Ａ，１２ＢのＴＣＲよりもはるかに低く、端子（Ｃｕ）部分は高い正のＴＣＲを有する。そして、電流検出用抵抗器は、抵抗体１１と端子１２Ａ，１２Ｂとが直列に接続されている。すなわち、同じ電流に対して、二乗に比例して温度上昇する部分（抵抗体部分）と、二乗以上に比例して温度上昇する部分（端子部分）を直列に接続した構成である。

また、抵抗体１１と溶断部１３Ａ，１３Ｂは隣接しており、該抵抗体と該溶断部は熱的に良好に接続された構造である。このため、抵抗器が通常使用される電流領域、即ち抵抗体それ自体の発熱が支配的な電流領域では、温度上昇はほぼ電流の二乗に比例するが、電流がある閾値を超えると、ＴＣＲが高い端子部分（溶断部１３Ａ，１３Ｂ）の温度が上昇して支配的となり、これに抵抗体１１の発熱が加わることで、端子（溶断部１３Ａ，１３Ｂ）部分の温度上昇が更に加速する。これにより、該溶断部の発熱が促進され、溶断に至る。したがって、コンパクトな構造で電流遮断機能を形成でき、例えばＣｕ線のみからなる通常の電流ヒューズとは異なる電流遮断特性が得られる。

また、突入電流（溶断電流）の立ち上がりが大きく、大電流である場合は、表皮効果によって端子（溶断部１３Ａ，１３Ｂ）の外周部への電流密度の集中が期待出来る。このため、溶断部１３Ａ，１３Ｂのように、端子１２Ａの外側に抵抗の大きな溶断部を配する構造にすれば、該溶断部が溶断し易くなる。一方の溶断部が溶断すれば、他方の溶断部へ負荷が集中して溶断するので、電流が遮断される。

溶断電流（異常電流）印加時に、溶断部１３Ａ，１３Ｂが溶断温度に速やかに達する為に、該溶断部（及び抵抗体１１）からの外因性の放熱を極力抑える方が良い。このため、該溶断部と、発熱体である該抵抗体が実装基板等への外因性の放熱体に接触する事を避けることが望ましい。このため、本実施例においては、端子１２Ａ，１２Ｂをフォーミングして離隔部１６Ａ，１６Ｂを形成することによって、該溶断部と該抵抗体を実装基板２０から浮かせる構造としている。

図３Ａ−３Ｄは実施例１の抵抗器の製造工程例を示す。まず、図３Ａに示すように、抵抗体に用いるＣｕ−Ｍｎ系或いはＮｉ−Ｃｒ系等の抵抗合金板材３１と、端子に用いるＣｕ等の金属板材３２を準備する。そして、抵抗合金板材３１の両側に端子用の金属板材３２を接合する。接合はレーザー溶接や電子ビーム溶接等により形成される。

これにより、図３Ｂに示すように、抵抗体１１の両側に端子１２Ａ，１２Ｂを備えた本件発明の抵抗器の原型となる構造が得られる。そして、図３Ｃに示すように、端子１２Ａの一部をパンチング等により打ち抜いて、貫通した開口部１４を形成する。これにより、開口部１４の両側に溶断部１３Ａ，１３Ｂが形成される。

次に、端子１２Ａ，１２Ｂを折り曲げ加工し、抵抗体１１および溶断部１３Ａ，１３Ｂを実装面から離隔した構造にする離隔部１６Ａ、１６Ｂを形成する。これにより、図３Ｄに示すように、実装ランド２１Ａ，２１Ｂに接合する実装部１５Ａ，１５Ｂを底面に備え、端子１２Ａ，１２Ｂを折り曲げ加工して、抵抗体１１および溶断部１３Ａ，１３Ｂが実装面から浮き上がり離隔した構造の抵抗器が完成する。

図４は実施例１の抵抗器の変形例を示す。この変形例においては、溶断部１３Ａ，１３Ｂに、さらに電流路を狭くした狭小部Ｓを形成するための切り込み１７Ａ，１７Ｂを備えている。これにより、局所的に電流路の抵抗値を上げることができるので、溶断するポイントを予め特定することができる。

すなわち、切り込み１７Ａ，１７Ｂを設けることで、その部分で電流路の抵抗値が上昇し、その部分で発熱量が多くなることから、その部分で溶断する。切り込み１７Ａ，１７Ｂは、抵抗体１１の発熱を良好に伝導させるため、抵抗体１１に近い位置にすることが望ましい。そして、切り込み１７Ａ，１７Ｂの大小および設置位置で溶断電流の大きさを調整可能である。

図５Ａは実施例２の抵抗器を示す。この実施例２は、溶断部１３Ｃを一ヶ所に構成した例である。この例でも、溶断部１３Ｃは、実装部１５Ａから抵抗体１１に及んで構成されている。そして、一方の端子１２Ａの一部に、他方の端子１２Ｂおよび抵抗体１１よりも狭い電流路とした溶断部１３Ｃを形成し、所定の溶断電流が印加されたときに、溶断部１３Ｃが溶断する。

図５Ｂは実施例２の変形例を示す。この変形例においても、溶断部１３Ｃに、さらに電流路を狭くした狭小部Ｓを形成するための切り込み１７Ａ，１７Ｂを備えている。これにより、その部分で電流路の抵抗値が上昇し、その部分で発熱量が多くなることから、その部分で溶断する。なお、切り込み１７Ａ，１７Ｂはどちらか一ヶ所でもよい。

図６は実施例３の抵抗器を示す。低抵抗値の電流検出用抵抗器においては、端子の抵抗成分が抵抗体の抵抗値に対して無視できない場合、二端子構造では端子の抵抗成分による誤差電圧が検出電圧に影響を及ぼすという問題がある。この問題は下記実施例３−５で述べる電流端子と電圧端子を分離した四端子構造で解消可能である。

実施例３の抵抗器は、実施例１の抵抗器を四端子構造としたものであり、電流端子１２Ｃ，１２Ｄに併設して電圧端子１２ｃ，１２ｄを構成した例である。実施例１の抵抗器においては、図２に示すように、端子１２Ａに溶断部１３Ａ，１３Ｂを形成したことにより、端子１２Ａの抵抗成分により電圧検出パターン２２Ａ，２２Ｂにより検出される電圧が、抵抗体１１の両端に形成される電圧よりも高くなり、検出誤差が生じる。

実施例３の抵抗器によれば、電流端子１２Ｃと電圧端子１２ｃ，電流端子１２Ｄと電圧端子１２ｄに、端子を分離しているので、電圧端子１２ｃ，１２ｄは抵抗体１１の直近での電圧検出が可能となり、電流端子１２Ｃの溶断部１３Ａ，１３Ｂにおける抵抗分増大の影響を受けることなく、高精度の電圧検出が可能となる。

図７Ａと図７Ｂは実施例４の抵抗器を示す。この抵抗器も実施例３の抵抗器と同様に四端子構造の電流検出用抵抗器である。しかしながら、実施例３の抵抗器が電流端子と電圧端子を併設しているのに対し、実施例４では電圧端子を開口部の抵抗体側中央に配置し、その両側に電流端子を配置した構成である点で相違する。

電流端子として機能する端子１２Ｅから開口部１４Ａを打ち抜き形成する際に、端子材の一部を残しておき、曲げ加工して電圧端子１２ｅを構成した例である。電流端子として機能する端子１２Ｆ側も、端子１２Ｅと同様に、開口部１４Ｂを形成して、打ち抜いた端子材を曲げ加工して電圧端子１２ｆを形成する。

このとき、開口部１４Ｂは開口部１４Ａよりも細く形成して、開口部１４Ｂにおける溶断部に相当する部位（連通部）を、溶断部１３Ａ，１３Ｂよりも低い抵抗値となるようにしている。従って、溶断は電流路が狭い溶断部１３Ａ，１３Ｂにて生じる。なお、開口部１４Ｂを形成したことにより、抵抗体１１の発熱が端子１２Ｆ側に放熱されることが抑制されるため、溶断部１３Ａ，１３Ｂに対して抵抗体１１の熱をより伝え易くすることができる。

図８は実施例５の抵抗器を示す。この抵抗器も実施例３と４の抵抗器と同様に四端子構造の電流検出用抵抗器である。しかしながら、実施例５では電圧端子１２ｇ，１２ｈを抵抗器の側部に引き出す構成を採用している点で、実施例３と４の抵抗器と相違する。

係る構成を採用することで、電圧端子１２ｇ，１２ｈが抵抗体１１の接合面で、抵抗体１１の両端に生じる電圧を直接検出できるという利点が生じる。そして、電流端子１２Ｈに開口や電圧端子のスペースを設ける必要が無く、電流端子としてその全幅を利用できるという利点が生じる。

図９Ａと図９Ｂは実施例１の他の変形例を示す。この抵抗器は両方の端子１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ開口部１４Ａ，１４Ｂを形成し、それぞれの両側を溶断部１３Ａ，１３Ｂとしたものである。開口部１４Ａ，１４Ｂを両方の端子に対称に形成することで、実装時の方向性がなくなり、また、抵抗体１１の基板２０への放熱が抑制されるため、溶断部１３Ａ，１３Ｂを高温にするのに好適である。この構造に加えて、図６〜図８に示すように、電圧検出端子を設けた構造にしてもよい。

図１０は抵抗器を実装した状態（図２）の変形例を示す。本発明の抵抗器を基板に実装した場合、溶断時に溶けた金属が飛散し、基板の実装ランド２１Ａ，２１Ｂ間を導通させることが考えられる。それを防ぐために、絶縁材２３で実装ランド２１Ａ，２１Ｂ間を絶縁した構造である。これにより、溶断部は溶断したがなお過電流が流れ続ける事態を防止できる。

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、電流遮断機能が要求される回路で使用される電流検出用抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (4)

1. 抵抗体と、該抵抗体に接続された一対の端子と、少なくとも一方の端子の一部に、狭い電流路とした溶断部を備えた抵抗器であって、
   前記溶断部は、前記電流路を狭くする狭小部を備え、
   所定の溶断電流が印加されたときに、前記溶断部が溶断するようにした、電流検出用抵抗器。
2. 前記一対の端子は、前記抵抗器が実装される実装基板上の実装ランドに接する実装部を備え、前記抵抗体および前記溶断部が実装基板から離隔した構造となるように、前記端子は離隔部を備える、請求項１に記載の電流検出用抵抗器。
3. 前記溶断部は複数形成されている、請求項１または２に記載の電流検出用抵抗器。
4. 前記溶断部は、前記実装部から前記抵抗体に及んで構成されている、請求項２に記載の電流検出用抵抗器。

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