JP7173755B2 - シャント抵抗器の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、シャント抵抗器の実装構造（シャント抵抗器を用いた電流検出回路）に関する。

抵抗体とその両端に設けられる低抵抗な電極とにより構成されるシャント抵抗器が知られている。

例えば、特許文献１においては、電流をモニタする半導体素子が抵抗体に設けられている。半導体素子は抵抗素子および／または電力接続部の平坦な表面上に熱的に結合して配置されている。これにより、複数の負荷を有する電力供給システムにおいて短時間で正確に電流をモニタすることができる電流測定装置を低コストで実現することができるとされる。

特開２００３－２７０２７４号公報

例えば図６に斜視図で示すように、シャント抵抗器１０１は、通常、抵抗体１０３を形成する抵抗材と電極１０５ａ，１０５ｂを形成する電極材との２種類の材料から構成されている。シャント抵抗器１０１の抵抗値温度特性の変動は、それら２種類の材料の特性に基づいて生じる。１つは抵抗材、もう１つはシャント電圧検出信号端子と抵抗材と電極端子接合間の導電材(通常は銅)である。図６において、シャント抵抗器１０１の通電時の温度が高い領域、すなわち、発熱体である抵抗体１０３の領域がハッチで示されている。図６からわかるように、電極１０５ａ，１０５ｂと抵抗体１０３とで、通電時に温度差が生じ、特に境界領域の温度が高くなっていることがわかる。

これらの２種類の材料は異なる導電率－温度特性を有しており、また、シャント抵抗器の構造から決まるシャント抵抗値に影響する配分量からシャント抵抗値温度特性が決定される。

図７は、上記のシャント抵抗器１０１を用いて求めた抵抗値の温度変化の一例を示す図である。

シャント抵抗器１０１の構造から決まるシャント抵抗値に影響する配分量からシャント抵抗値温度特性が決定される。横軸は温度、縦軸は抵抗率の変化率を％で表している。

図７において、条件１は、マンガニン温度が銅温度と等しいもの、条件２は、マンガニン温度が銅温度＋１５℃と等しいもの、条件３は、マンガニン温度が銅温度＋２５℃と等しいもの、条件３は、マンガニン温度が銅温度＋３５℃と等しいもの、である。図７の実線（条件１）は、無通電のシャント抵抗器１０１を恒温槽に入れ、温度を可変しながら抵抗値測定を行った例を示す図であり、図７から、条件１のデータが得られる。

しかしながら、これでは図６において説明したような実際の通電状態で生じるマンガニン部と銅部の温度差の影響は考慮されておらず、一方の部材の温度を用いたのみでは、高精度の電流検出のための温度補償処理としては完全ではないという問題があった。

本発明は、シャント抵抗器を使用した電流検出回路において、シャント抵抗のＴＣＲ補償による高精度の電流検出器において、従来の方式より高精度な温度補償方式を実現することを目的とする。

また、オーバーヒート保護動作温度に到達する前にシャント取付けネジ締め不良などによる異常検出を可能とし、通電電流を大きくしなくても異常を検出可能とすることを目的とする。

本発明の一観点によれば、一対の電極と抵抗体とを備えたシャント抵抗器と、制御回路を搭載した電流検出用の基板であって、前記シャント抵抗器の一対の電圧検出端子が、前記基板の電圧検出部に接続されている基板と、前記電極の温度を測定する温度センサとを備えた、シャント抵抗器の実装構造が提供される。

前記温度センサは、前記基板に搭載されていることが好ましい。基板に搭載することで、温度補正等を行いやすい。

前記温度センサは、前記抵抗体の温度を測定する第１の温度センサを備えることが好ましい。

第１の温度センサにより、発熱体である抵抗体の温度を精度良く測定することができる。

前記温度センサは、前記一対の電極の温度を測定する第２の温度センサ及び第３の温度センサを備えるようにすると良い。

第２及び第３の温度センサによりセンシングした電極の温度と、第１の温度センサによりセンシングした抵抗体の温度とにより、シャント抵抗値の温度補償が向上する。

前記第２及び第３の温度センサは、前記電圧検出端子より前記抵抗体から離間した位置に備えられていることが好ましい。

発熱体である抵抗体の接合部分から少し離すことで、抵抗体の発熱の影響を抑制することができる。

本発明によれば、シャント抵抗値の温度補償において、高精度の電流検出を可能にすることができる。

また、本発明によれば、安全性に優れた高精度・高信頼性のシャント電流検出器の実装構造を提供することができる。

本発明の一実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す斜視図である。 図１に示したシャント抵抗器を用いた電流検出装置に、制御用ＩＣを搭載した電流検出器の基板を搭載したシャント抵抗器の実装構造の一構成例を示す斜視図である。 図２における第１の温度センサ近傍を拡大表示した図である。 図２に示す実装構造において、基板を覆うケースを取り付けた構成を示す斜視図である。 シャント抵抗器の温度補償回路の一構成例を示す機能ブロック図である。 従来のシャント抵抗器の構成例を示す斜視図である。 図６に示すシャント抵抗器を用いて求めた抵抗値の温度変化の一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造（シャント抵抗器を用いた電流検出回路）について図面を参照しながら詳細に説明する。

尚、本明細書において、抵抗器の電極－抵抗体－電極が配置される方向を長さ方向と称し、それと交差する方向を幅方向と称する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置１について説明する。図１は、本実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置１の一構成例を示す斜視図である。図１に示すシャント抵抗器を用いた電流検出装置１は、２つの電極５ａ（第１の電極）、５ｂ（第２の電極）と、電極５ａ、５ｂ間に配置された抵抗体３と、電圧検出端子１７と、を備えている。なお、抵抗体３、電極５ａ、５ｂからなる部分を導電体ともいう。また電極５ａ、５ｂを電極端子ともいう。電極５ａ、５ｂは、それぞれ、端部側の主電極部（５ａ、５ｂのうち、５ｃ、５ｄを除く部分を主電極部と定義している。）と、主電極部よりも幅が２Ｗ_２だけ狭い抵抗体３側の狭小電極部５ｃ、５ｄとを備えている。狭小電極部５ｃ、５ｄの間に、抵抗体３が配置される。狭小電極部５ｃ、５ｄの長さ方向の寸法をＷ_１とする。この寸法Ｗ_１は、例えば、１～３ｍｍ程度である。図１において、符号１５は、ボルト孔である。

尚、電極材、抵抗材ともに、例えば長尺の材料（板）を切り出して用いることができる。

また、電圧検出端子１７を、この例では狭小電極部５ｃ、５ｄの近傍の主電極部にそれぞれ１本ずつ設けている。

尚、電圧検出端子１７を、狭小電極部５ｃ、５ｄに設けても良い。電圧検出端子１７を狭小電極部５ｃ、５ｄ又はその近傍の主電極に設けることで、電圧検出端子１７間の距離を短くすることができ、４端子測定における電流測定精度を向上させることができる。

図１に示す構造は、抵抗体３と電極部５ａ、５ｂとの溶接などにより形成された接合部分１３ａ、１３ｂを含む一部領域に、幅方向の内側に入り込む凹部７を設けることで幅を狭くした狭小部または幅狭部を形成することができる。この場合には、狭小電極部５ｃ、５ｄの幅と抵抗体３の幅とは略等しくなる。凹部７により形成された幅の狭い部分を、狭小部または幅狭部と称する。

尚、抵抗体３を形成する抵抗材用の材料としては、Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属の板材を用いることができる。銅８６％、マンガン１２％、ニッケル２％からなるマンガニン（登録商標）を用いることもできる。以下では、マンガニンを用いた例について説明するが、マンガニンに限定されるものではない。

図２は、図１に示したシャント抵抗器を用いた電流検出装置１に、制御用ＩＣを搭載した電流検出器の基板２１を搭載したシャント抵抗器の実装構造の一構成例を示す斜視図である。

図２に示すように、シャント抵抗器を用いた電流検出装置１の一面２ａ上に、基板２１が立設されている。図２の例では、基板２１の一面２１ａ上に制御用ＩＣ５１が搭載され、基板２１の一面２１ａと交差する側面２１ｂと一面２ａとが接している。この状態において、基板２１の一面２１ａには、例えば２本の電圧検出端子１７、１７をそれぞれ収容する端子収容部３１，３１が形成されている。端子収容部３１，３１には、２本の電圧検出端子１７、１７が挿入される端子挿入孔３１ａ，３１ａが形成されている。２本の電圧検出端子１７、１７は、端子挿入孔３１ａ，３１ａ内で基板２１に形成された図示しない配線などと電気的に接続されることにより、２本の電圧検出端子１７、１７からの電圧信号が、基板２１内の制御用ＩＣ５１に伝達される。制御用ＩＣ５１は、２本の電圧検出端子１７、１７からの電圧信号に基づいて、シャント抵抗器に流れる電流を求めることができる。

尚、基板２１上には、外部の装置等と接続するための端子接続部４３を有するコネクタ４１が形成されている。これにより、コネクタを介して、例えば、制御用ＩＣ５１により求めた電流値を外部の装置において表示させる等の処理を行うことができる。

加えて、上記一面２ａ上の基板２１の一面２１ａには、第１の温度センサ１８ａ、第２の温度センサ１８ｂ、第３の温度センサ１８ｃが設けられている。これらの温度センサのセンシング信号は、例えば、制御用ＩＣ５１により読み取ることができる。

第１の温度センサ１８ａは、電極５ｂの上方に設けられて、電極５ｂの温度をセンシングする。第１の温度センサ１８ａは、好ましくは、抵抗体３の近傍又は凹部７の近傍の電極５ｂ上に設けられる。

第２の温度センサ１８ｂは、抵抗体３の上方に設けられて、抵抗体３の温度をセンシングする。

第３の温度センサ１８ｃは、電極５ａの上方に設けられて、電極５ａの温度をセンシングする。第３の温度センサ１８ｃは、好ましくは、抵抗体３の近傍又は凹部７の近傍の電極５ａ上に設けられる。

図３は、図２における第１の温度センサ１８ａ近傍を拡大表示した図である。図２及び図３に示すように、第１の温度センサ１８ａが配置される位置は、電圧検出端子１７より抵抗体３から長さ方向に離間した位置であることが好ましい。例えば、図３に示すように、第１の温度センサ１８の位置（長さ方向の中心位置）から上記接合部分１３ｂまでの長さ方向の距離をＬ１とし、電圧検出端子１７の位置（中心位置）から上記接合部分１３ｂまでの長さ方向の距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２であることが好ましい。Ｌ１をＬ２よりも長目にとるのは、発熱体である抵抗体３の接合部分１３ｂに近すぎると、抵抗体３の発熱の影響を受ける可能性が高いからである。

第３の温度センサ１８ｃに関しても、第１の温度センサ１８ａと同様の位置関係を有することが好ましい。

第２の温度センサ１８ｂについては、抵抗体３の好ましくは長さ方向の中心の位置に設けることが好ましい。このようにすると、抵抗体３の温度を精度良くセンシングすることができるからである。

図４は、図２に示す実装構造において、基板２１を覆うケース８０を取り付けた構成を示す斜視図である。例えば、基板２１を囲むように第１のケース部材８１と第２のケース部材８３とを設ける。第１のケース部材８１と第２のケース部材８３とは、公知の嵌合構造を用いて１つのケース８０となるようにすれば良い。ケース８０は基板２１のうちの端子接続部４３がケース８０の外側に出るようにする。これにより、端子接続部４３からの信号ケーブル等の接続を容易に行うことができる。また、ケース８０の外側に、電極部５ａ、５ｂも突出した構成にする。これにより、シャント抵抗器の電極５ａ，５ｂ間に所望の電圧を印加することができる。

上記のように、ケース部材８１，８３で抵抗体３の周囲を覆う構造をすることで、基板２１を保護することができる。基板２１、すなわち、抵抗体３もケース内に収容されるため、抵抗体３及びその近傍の電極５ａ，５ｂに第１から第３までの温度センサ１８ａから１８ｃまでを設けて温度補償を行うことで、ケースの影響を考慮したより正確な温度補償が可能となる。

（温度補償回路の説明）
次に、第１から第３までの温度センサ１８ａから１８ｃまでを用いた温度補償回路について説明する。温度補償回路は、制御用Ｉｃ５１に搭載することができる。

図５は、シャント抵抗器１の温度補償回路６１の一構成例を示す機能ブロック図である。図５に示すように、温度補償回路６１は、第１の温度センサ１８ａにおける測定温度θ１と、第２の温度センサ１８ｂにおける測定温度θ２と、第３の温度センサ１８ｃにおける測定温度θ３との平均値を演算する平均値演算回路６１－１と、測定温度θ２と平均値演算回路６１－１の出力であるθｐｉｎとに基づいて、マンガニンなどの抵抗体３の温度変化（温度上昇）Δθを演算する温度変化演算部６１－２と、Δθとθｐｉｎとに基づいて、抵抗値を求める抵抗値演算部（抵抗値テーブルを有する）６１－３と、シャント抵抗器１のゲインとバイアスとを求める処理部６１－５の出力と抵抗値とから検出される電流を求める電流演算部６１－４と、求められた電流Ｉに基づいて、電流信号出力を求める電流信号出力演算部６１－６とを備える。

上記のように、第１から第３までの温度センサ１８ａから１８ｃまでを用いた温度補償回路を用いることで、高精度な温度補償を実現することが可能となる。

以上のように構成することで、シャント抵抗器を用いた高精度電流検出装置において、抵抗値温度特性を補償するために温度検出ポイントをマンガニンなど抵抗エレメント部とシャント電圧出力信号付近の銅部にも付加することにより、より精度良く抵抗体と電極との温度を測定することができるため、より高精度な温度補償を実現することが可能となる。

以上に説明したように、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造によれば、シャント抵抗値の温度補償において、通電時に生じるマンガニン等の抵抗体と銅などの電極との温度差を考慮することで、高精度の電流検出を可能にする。

また、シャント取付ネジ締め付け不良の場合の異常温度上昇に関しても、シャント絶対値温度でのオーバーヒート保護レベル以下でも異常を検出することができ、安全性の優れた高精度・高信頼性のシャント電流検出器を提供できる。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、シャント抵抗器の実装構造に利用できる。

１ シャント抵抗器を用いた電流検出装置
３ 抵抗体
５ａ，５ｂ 電極
１３ａ、１３ｂ 接合部分
１７ 電圧検出端子
１８ａ 第１の温度センサ
１８ｂ 第２の温度センサ
１８ｃ 第３の温度センサ
２１ 基板
３１ａ，３１ａ 端子挿入孔
４３ 端子接続部
５１ 制御用Ｉｃ
８１第１のケース部材
８３ 第２のケース部材

Claims (4)

1. 一対の電極と、長さ方向において前記一対の電極の間に配置される抵抗体と、前記一対の電極に設けられた一対の電圧検出端子とを備えたシャント抵抗器と、
   制御回路を搭載した電流検出用の基板であって、前記一対の電圧検出端子が、前記基板の電圧検出部に接続されている基板と、
   前記シャント抵抗器の、一方の前記電極の温度を測定する、前記一方の電極に隣接して設けられた第１の温度センサと
   前記抵抗体の温度を測定する、前記抵抗体に隣接して設けられた第２の温度センサと、
   を備え、
   前記第１の温度センサは、長さ方向において前記電圧検出端子より前記抵抗体から離間した位置に備えられている、
   シャント抵抗器の実装構造。
2. 前記第１および第２の温度センサは、前記基板に搭載されている
   請求項１に記載のシャント抵抗器の実装構造。
3. 前記シャント抵抗器の他方の電極の温度を測定する第３の温度センサをさらに備える
   請求項１または２に記載のシャント抵抗器の実装構造。
4. 前記第３の温度センサは、長さ方向において前記電圧検出端子より前記抵抗体から離間した位置に備えられている
   請求項３に記載のシャント抵抗器の実装構造。

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