JP7305370B2 - 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に関する。

例えば、電気自動車に搭載されている半導体パワーモジュール等における電流を検出するため、シャント抵抗器が用いられる。取付け作業が簡便で、過大な取付けスペースも必要とせず、高精度の電流検出が可能なシャント抵抗器として、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載のシャント抵抗器は、導電性の金属材からなり、第１平面および第２平面と、その周囲の外周面を、それぞれ備える第１端子および第２端子と、前記第１端子と前記第２端子とのそれぞれの第１平面が対向しており、それぞれの第１平面に接続されて、前記第１端子と前記第２端子とを接続した抵抗体と、前記抵抗体と、それぞれの前記第１平面との接合面積は、前記第１平面の面積よりも小さく、かつ、前記第１端子と前記第２端子とには、前記第１平面から前記第２平面へ貫通する孔部が形成されている。以下において、このような構造のシャント抵抗器を、「シャント（抵抗器）」とも称する。

特開２０１７－２１２２９７号公報

上記特許文献１に記載のシャント抵抗器においては、第１端子と第２端子とのそれぞれの側面から出力信号電圧の引き出し端子を引出す構造を用いている。ところで、特許文献１に記載のシャントにおいては、支柱となる抵抗体の径、長さを調整することで、抵抗値を調整することができる。

電気自動車、電動ボート、最近では空飛ぶ自動車(大型ドローン)など様々な乗り物にインバータが使用されている。これらの移動体などにおいては、小型化が重要な要素となっている。電流センサにおいても、小型化が望まれており、特に機電一体化による高温な環境にも使用できるブッシングシャント（特許文献１参照）が有用である。

本発明は、シャント抵抗器を電流センサとして用いた実装構造の小型化（低背化）を目的とする。

本発明の一観点によれば、電圧信号引出しパターンを内蔵したパターン内蔵基板にシャント抵抗器が実装されたシャント抵抗器の実装構造であって、前記パターン内蔵基板の厚さ方向に形成された貫通孔により画定され、前記シャント抵抗器の実装側とは反対側から順に設けられた第１の端子と第２の端子との間に設けられた抵抗体の少なくとも一部を収容する収容部が設けられている、シャント抵抗器の実装構造が提供される。

前記収容部を画定する前記貫通孔は、前記抵抗体の挿入を許す大きさを有し、前記パターン内蔵基板の下方に前記シャント抵抗器の前記第２の端子（下部端子）を兼ねる配線用電流バーが配置されていることが好ましい。

前記抵抗体の前記第２の端子側に、前記抵抗体よりも抵抗率の低い金属材が接続され、前記金属材と前記配線用電流バーとが接続されていることが好ましい。

前記収容部を画定する前記貫通孔は、前記第２の端子の挿入を許す大きさを有することが好ましい。

前記第２の端子が前記配線用電流バーと接続されていることが好ましい。

前記シャント抵抗器の前記第１の端子側にバスバーが配置されており、前記バスバーと前記第１の端子を固定する固定手段を備える、ことが好ましい。

前記固定手段は、さらに、前記パターン内蔵基板と前記配線用電流バーとを固定するようにしても良い。

本発明によれば、大電流基板と一体化された電流検出器の実装構造の小型化が可能である。

本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図である。 実装構造（固定構造）の側断面図である。 基板（図３（ａ））と電圧信号引き出しパターン（図３（ｂ））の構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図である。 実装構造（固定構造）の側断面図である。 本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図である。 実装構造（固定構造）の側断面図である。 本実施の形態による基板（図８（ａ））および基板に内蔵される電圧信号引き出しパターン（図８（ｂ））の一構成例を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図である。 図１０（ａ）は、本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図（下方から見た図）であり、図１０（ｂ）は、下方から見た底面図である。 本発明の第４の実施の形態による実装構造の下面側から見た斜視図である。 本実施の形態による電流引き出し部の一構成例を示す斜視図である。 本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造（固定構造）を示す断面図である。図１３（ａ）が、抵抗体の先端まで抵抗材料により形成されている構造を示す図である。図１３（ｂ）が、抵抗体の先端に導電材料を接続した構造を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図であり、図２は、実装構造（固定構造）の側断面図である。図３は、基板（図３（ａ））と電圧信号引き出しパターン（図３（ｂ））の構成例を斜視図である。

図１および図２に示すように、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造Ｘは、シャント抵抗器Ａと、その実装面側（図の下方）に配置される電圧信号引き出しパターンを内蔵した電圧信号引き出しパターン内蔵基板（以下、「基板」と称する。）５１と、を有している。

シャント抵抗器Ａは、例えば、第１端子（電極）１および第２端子（電極）３と、その間に介在するように設けられる例えば円柱状の複数本の抵抗体５とからなる。抵抗体５と、第１端子（電極）１および第２端子（電極）３との接合面積は、端子自体の面積よりも小さくなっている。この構造は、ブッシングシャント構造とも称する。第１端子１および第２端子３は、例えばＣｕなどの導電性の金属材からなる。抵抗体５は、端子よりも抵抗率が高い、例えば、Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属材料（合金）からなる。

図１に示すシャント抵抗器Ａでは、第１端子（電極）１の面積（例えば、一辺の長さがＬ１１の正方形）の方が第２端子（電極）３の面積（例えば、正方形とした場合には一辺の長さがＬ１２（Ｌ１１＞Ｌ１２））よりも広い。

基板５１には、第２端子（電極）３を通すことができる、一辺の長さがＬ１３（Ｌ１１＞Ｌ１３＞Ｌ１２）の、上面から下面まで貫通する貫通孔５１ａが形成されている。この貫通孔５１ａがシャント抵抗器Ａの収容部５２を画定する。すなわち、基板５１の貫通孔５１ａ内に第２端子（電極）３側からシャント抵抗器Ａを挿入していくと、第２端子（電極）３と抵抗体５とが貫通孔５１ａを通って収容部５２内に収容されていく。シャント抵抗器Ａは、第１端子（電極）１の一辺Ｌ１１が貫通孔５１ａの一辺Ｌ１３よりも長いため、第１端子（電極）１の下面が基板５１の上面に当接することで、挿入動作が止まる。図２に示すように、抵抗体５はその長さ方向において、ほぼ基板５１内に収容されるようにすると、シャント抵抗器Ａをほぼ基板５１の収容部５２内に収めることができる。

図３に示すように、基板５１には、電圧信号引き出しパターン６１が内蔵されている。電圧信号引き出しパターン６１は、例えばＣｕなどの導電性材料により形成され、樹脂などにより形成される基板５１と一体成型される。図３に示す例では、電圧信号引き出しパターン６１は、以下の構成を有する。
１）電圧検出信号取り出し端子６７（第１の電圧検出端子６７ａ，第２の電圧検出端子６７ｂ）。
２）第１の電圧検出端子６７ａと接続され、基板５１の上面において貫通孔５１ａの外周部に形成される第１の電極面６３。
３）第２の電圧検出端子６７ｂと接続され、基板５１の下面において貫通孔５１ａを除いた領域に形成される第２の電極面６５。

第１の電極面６３は、貫通孔５１ａと略同じ形状の電極が形成されていない開口部６３ａを有する。第２の電極面６５は貫通孔５１ａと略同じ形状の電極が形成されていない開口部６５ａを有する。いずれの電極面６３，６５も、基板５１面から露出している。

以上の構成により、シャント抵抗器Ａを基板５１内の収容部５２に収容した際には、第１端子１の下面は電極面６３に接触する。

シャント抵抗器Ａの上部には、第１のバスバー８１が設けられ、第１端子１の上面は第１のバスバー８１の下面に接触する。第１のバスバー８１には、取付ネジ７１の軸部７１ａを貫通する貫通孔８１ａが形成されている。第１端子１には、取付ネジ７１の軸部７１ａが螺合する１ａが形成されている。例えば、取付ネジ７１の長さＬ１は、第１のバスバー８１と第１端子１の厚み分となっている。

基板５１の下部には、第２のバスバー９１が設けられ、第２端子３の下面は第２のバスバー９１の上面に接触する。さらに、電極面６５も第２のバスバー９１の上面に接触する。

取付ネジ７１により、第１のバスバー８１とシャント抵抗器Ａとを固定することができる（固定手段）。図１，２においては、軸部７１ａの長さはＬ１であり、第１のバスバー８１とシャント抵抗器Ａの第１端子１のみを固定することができる。

第１端子１の下面と電極面６３および第２端子３と第２のバスバー９１の上面とを、それぞれ、はんだ又は導電性の接着剤などにより接着することで、第１のバスバー８１から第２のバスバー９１までを固定した実装構造とすることができる。

以上のように、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造においては、基板５１内に貫通孔５１ａにより画定される収容部５２にシャント抵抗器Ａを収容することによって、シャント抵抗器Ａの抵抗体５の厚さ部分の実装構造における高さ（厚さ）を低くすることができる。

従って、シャント抵抗器の実装構造の小型化が可能である。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図であり、図５は、実装構造（固定構造）の側断面図である。

本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造は、第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造と以下の点で相違している。
１）本実施の形態によるシャント抵抗器Ｂの第２端子３に、第１端子１よりも大きな径の貫通孔３ａを設けている。これにより、取付ネジ７１の軸部７１ｂの長さＬ２を長くしても、軸部７１ｂが第２端子３に接触することを防止することができる。
２）第２のバスバー９１に、貫通孔９１ａを設けている。
３）取付ネジ７１の軸部７１ｂを、第２のバスバー９１の貫通孔９１ａに挿入可能な長さＬ２とする。

以上のように、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、第１のバスバー８１から第２のバスバー９１までを取付ネジ７１を用いた固定手段により固定した実装構造とすることができる。

尚、第１のバスバー８１に形成される貫通孔８１ａの径を取付ネジ７１の軸部７１ａの外径よりも大きくしておくことで、取り付けネジ７１が第１のバスバー８１に接触しないようにすることで、取り付けネジ７１として長目のネジを使用することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図であり、図７は、実装構造（固定構造）の側断面図である。図８は、本実施の形態による基板および基板に内蔵される電圧信号引き出しパターンの一構成例を示す斜視図である。

本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造は、第１の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造と以下の点で相違している。
１）シャント抵抗器Ｃには、第１端子１が設けられているが、第１の実施の形態と異なり、固定前において、第２の端子は設けられていない。すなわち、抵抗体５の実装側の端部には、電極が設けられていない。
２）基板５１には、シャント抵抗器Ｃの抵抗体５の実装側のそれぞれの端部が貫通する複数の貫通孔５１ｂが設けられている。例えば、図６では、シャント抵抗器Ｃが４本の柱状の抵抗体５を有するため、それぞれが貫通する４つの貫通孔５１ｂが設けられている。
３）さらに、電圧信号引き出しパターンが、図８に示すように、図３に示す第１の実施の形態の電圧信号引き出しパターンとは異なる。

図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、本実施の形態でも、基板５１には、電圧信号引き出しパターンが内蔵されている。電圧信号引き出しパターン６１は、例えばＣｕなどの導電性材料により形成され、樹脂などにより形成される基板５１と一体成型される。図８に示す例では、電圧信号引き出しパターン６１は、電圧検出信号取り出し端子６７（第１の電圧検出端子６７ａ，第２の電圧検出端子６７ｂ）を有している。

図３とは異なり、図８においては、第１の電圧検出端子６７ａは、基板５１の上面において貫通孔５１ａの外周部に形成される第１の電極面６３と接続されるのではなく、図８（ａ）に示すように、例えば、２つの貫通孔５１ｂの間の位置において基板５１の上面に露出する位置に設けられた接点６３ｂから引き出される。

２本の抵抗体５の間の位置から第１の電圧信号を取り出すことにより、安定した電圧信号を取り出すことができる。

尚、基板５１の上面において４つの貫通孔５１ｂの外側に形成される第１の電極面６３は、シャント抵抗器Ｃを実装した場合に、第１端子１は、第１の電極面６３と接点６３ｂとの両方と電気的に接続されている。

一方、第２の電圧検出端子６７ｂと接続され、基板５１の下面において複数の貫通孔５１ａｂ除いた領域（孔部６５ｂを除いた領域）に形成される第２の電極面６５を有する。

第１の電極面６３は、抵抗体５の外周と略同じ形状を有し電極６５が形成されていない開口部６３ａを有する。第２の電極面６５は複数の抵抗体５と略同じ形状の電極が形成されていない複数の開口部６５ｂを有する。いずれの電極面６３，６５も、接点６３ｂとともに、基板５１面から露出している。

以上の構成により、シャント抵抗器Ｃを基板５１内の収容部５２に収容した際には、第１端子１の下面は電極面６３に接触する。

シャント抵抗器Ｃの上部には、第１のバスバー８１が設けられ、第１端子１の上面は第１のバスバー８１の下面に接触する。第１のバスバー８１とシャント抵抗器Ｃの第１端子１には、取付ネジ７１の軸部７１ａが螺合するネジ孔１ａが形成されている。

基板５１の下部には、第２のバスバー９１が設けられ、抵抗体５の下端面は第２のバスバー９１の上面に接触する。

取付ネジ７１により、第１のバスバー８１とシャント抵抗器Ｃとを固定することができる（固定手段）。図６，７においては、軸部７１ａの長さは、第１のバスバー８１とシャント抵抗器Ａの第１端子１のみを固定することができる長さで良い。

第１端子１の下面と電極面６３および抵抗体５の下面と第２のバスバー９１の上面とを、それぞれ、はんだ又は導電性の接着剤などにより接着することで、第１のバスバー８１から第２のバスバー９１までを固定した実装構造とすることができる。また、本実施の形態では、第２のバスバー９１が第２の端子を兼ねるため、第２の端子を設ける必要がなく、その分だけ、より一層の低背化が可能である。

以上のように、本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造においては、基板５１内の収容部５２にシャント抵抗器Ｃを収容することによって、シャント抵抗器Ｃの抵抗体５の厚さ部分の実装構造における高さ（厚さ）を低くすることができる。
従って、シャント抵抗器の実装構造の小型化が可能である。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９，図１０は、本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造を示す分解斜視図であり、図１１は、実装構造を下方から見た斜視図、図１２は、実装構造を斜め上方から見た斜視図である。

本実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造は、第３の実施の形態によるシャント抵抗器の実装構造と以下の点で相違している。
１）シャント抵抗器Ｄにおいて、柱状の抵抗体５は、第１端子１側において抵抗材料により構成される抵抗体５ａと、抵抗体５ａの先端部（底面部）において接続される、抵抗材料よりも低い抵抗率を有する下部導電体５ｂとを有している。下部導電体５ｂは、例えば、Ｃｕなどの金属材により形成され、抵抗体５ａの先端部（底面部）にロウ付けなどにより接続されている。

図１１に示すように、実装構造においては、下部導電体５ｂは、基板５１および第２のバスバー９１のそれぞれ形成された抵抗体を貫通する貫通孔（図示しない）に挿入されている。第２のバスバー９１の下面（裏面）において、はんだ付け部１０１ａなどにより、第２のバスバー９１に固定されている。

尚、取付ネジ７１は、第１のバスバー８１と第１端子１とをネジ止めにより固定する点は、第３の実施の形態と同様である。

図１２は、本実施の形態による電流引き出し部の構成例を示す図である。図１２に示す構成は、図８に示す構成と比較して、取付ネジ７１の軸部７１ａが貫通する貫通孔９１ｃが形成されている。

図１３は、本実施の形態によるシャント抵抗器Ｄの実装構造（固定構造）を示す断面図である。図１３（ａ）が、抵抗体５の先端まで抵抗材料により形成されている構造を示す図である。図１３（ｂ）が、抵抗体５の先端に導電材料を接続した構造を示す図である。

図１３（ａ）に示す構造では、抵抗体５内に電流が流れにくく、抵抗体５中を流れる電流Ｉ１は、はんだ付け部１０１ａに接触した部分に電流が集中する（Ｉ２）。従って、局部的に発熱し、また、シャント抵抗器Ｄの抵抗値が不安定になりやすい。

一方、図１３（ｂ）に示す構造では、抵抗体５の底面において低抵抗率のＣｕなどの金属材からなる下部導電体５ｂが形成されているため、電流Ｉ３に示すように電流が均等に流れやすい。従って、局部的な発熱が抑制される。また、シャント抵抗器Ｄの抵抗値が不安定化することを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、抵抗体下部（底面部）において電流が均一に流れる。従って、電流の集中箇所を減らすことができ、局部発熱や抵抗値の不安定になる問題を防ぐことができる。

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。

Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ シャント抵抗器
１ 第１端子（電極）
３ 第２端子（電極）
５１ 基板
５１ａ 貫通孔
５２ 収容部
６３ 第１の電極面
６３ａ 開口部
６５ 第２の電極面
６５ａ 第２の開口部
６１ 電圧信号引き出しパターン
６７ 電圧検出信号取り出し端子
６７ａ 第１の電圧検出端子
６７ｂ 第２の電圧検出端子
７１ 取付ネジ
８１ 第１のバスバー
９１ 第２のバスバー

Claims (7)

1. 一対の電圧検出端子を有する電圧信号引出しパターンを内蔵したパターン内蔵基板にシャント抵抗器が実装されたシャント抵抗器の実装構造であって、
   前記パターン内蔵基板の厚さ方向に形成された貫通孔により画定され、前記シャント抵抗器の実装側とは反対側から順に設けられた第１の端子と第２の端子との間に設けられた抵抗体の少なくとも一部を収容する収容部が設けられ、
   前記第２の端子と対向する前記第１の端子の下面は、前記パターン内蔵基板の上面と当接し、
   前記一対の電圧検出端子の一方は、その端部が前記第１の端子の下面内に配置されて前記第１の端子と接続する、
   シャント抵抗器の実装構造。
2. 前記収容部を画定する前記貫通孔は、前記抵抗体の挿入を許す大きさを有し、
   前記パターン内蔵基板の下方に前記シャント抵抗器の前記第２の端子を兼ねる配線用電流バーが配置されている、
   請求項１に記載のシャント抵抗器の実装構造。
3. 前記抵抗体の前記第２の端子側に、前記抵抗体よりも抵抗率の低い金属材が接続され、前記金属材と前記配線用電流バーとが接続されている、
   請求項２に記載のシャント抵抗器の実装構造。
4. 前記収容部を画定する前記貫通孔は、前記第２の端子の挿入を許す大きさを有する、
   請求項１に記載のシャント抵抗器の実装構造。
5. 前記第２の端子が前記配線用電流バーと接続されている、
   請求項３に記載のシャント抵抗器の実装構造。
6. 前記シャント抵抗器の前記第１の端子側にバスバーが配置されており、
   前記バスバーと前記第１の端子を固定する固定手段を備える、
   請求項２に記載のシャント抵抗器の実装構造。
7. 前記固定手段は、
   さらに、前記パターン内蔵基板と前記配線用電流バーとを固定する、
   請求項６に記載のシャント抵抗器の実装構造。

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