WO2013005824A1 - シャント抵抗器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

　高周波電流による表皮効果の影響を抑制したシャント抵抗器を提供する。　棒状の抵抗体（１１）と、該抵抗体とは別部材の一対の棒状の主電極（１２）と、前記抵抗体と前記主電極との端面を接合したシャント抵抗器であって、前記抵抗体（１１）は、主電極の配置方向に貫通した孔（１１ａ）、または、軸心方向に貫通した高抵抗部（１１ｂ）と、該高抵抗部の側面の低抵抗部（１１ｃ）とからなる。抵抗体は外周が円状であることが好ましい。　もともと電流が貫通孔または高抵抗部を流れないので、電流経路の変動幅を小さくすることができ、従って、高周波電流の表皮効果による抵抗値の変動を小さくすることができる。

Description

シャント抵抗器およびその製造方法

　本発明は電流検出用抵抗器に係り、特に抵抗体として抵抗合金材を用いた金属材からなるシャント抵抗器に関する。

　電池の充放電の電流を監視し、電池のトラブルを事前に防ぐためにシャント抵抗器が使用される。上記シャント抵抗器は、電流検出精度に優れ、温度ドリフトが小さく、大電流が印加されても過剰な発熱をせず、低抵抗値が要求される分野において利用されており、例えば板状の形状のシャント抵抗器が提案されている（特開平６－２２４０１４号公報参照）。

　高周波電流を検出する場合、上記特許文献に示された板状の抵抗体では、比較的低い周波数の段階から、表皮効果が現れるため、正確な電流の検出には不向きである。つまり、図１の左図に示すように、図中ハッチングで示す抵抗体１１の角の部分に高周波電流Ｃが表皮効果により流れ、抵抗体の中央部は電流が流れにくくなる。従って、高周波電流が流れる実効面積が減少するので、抵抗値が高くなる。このため、高周波を含む電流については正確な電流検出が困難となる。

　抵抗体１１の断面を図１の右図に示すように円にした場合でも、図中ハッチングで示す外周部に、高周波電流Ｃが表皮効果によって集中し、抵抗値が変動する。なお、抵抗体断面が円のほうが、断面が矩形状の構造よりは、抵抗値変動が少ない。

　本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、高周波電流による表皮効果の影響を抑制したシャント抵抗器を提供することを目的とする。

　本発明のシャント抵抗器は、棒状の抵抗体と、該抵抗体とは別部材の一対の棒状の主電極と、前記抵抗体と前記主電極との端面を接合したシャント抵抗器であって、前記抵抗体は、前記主電極の配置方向に貫通した孔、または、軸心部分を外周部分よりも高抵抗とした高抵抗部および該高抵抗部の外周に形成した低抵抗部を有することを特徴とする。棒状の抵抗体は外周が円状であることが好ましい。

　本発明によれば、棒状の抵抗体の内部に軸心方向に貫通した貫通孔または高抵抗部を設けることで、もともと電流が貫通孔または高抵抗部を流れないので、電流経路の変動幅を小さくすることができる。従って、高周波電流の表皮効果による抵抗値の変動を小さくすることができる。

左図は板状抵抗体の矩形断面における表皮効果による電流分布をハッチングで示し、右図は丸棒状抵抗体の円形断面における表皮効果による電流分布をハッチングで示した図である。 内部に貫通孔または高抵抗部を有する丸棒状抵抗体の斜視図である。 図２Ａの断面おける電流分布を示す図である。 内部に貫通孔を有する抵抗体の軸心に沿った斜視断面図である。 内部に高抵抗部を有する抵抗体の軸心に沿った斜視断面図である。 本発明の第１実施例のシャント抵抗器の斜視図である。 上記抵抗器の軸心に沿った断面図である。 他の構造例を示すための抵抗器の軸心に沿った断面図である。 他の構造例を示すための抵抗器の軸心に沿った断面図である。 本発明の第２実施例のシャント抵抗器の斜視図である。 上記抵抗器の軸心に沿った断面図である。 上記抵抗器のインダクタンスについての周波数特性のチャートである。 上記抵抗器の抵抗値についての周波数特性のチャートである。 本発明の第３実施例の抵抗器の斜視図である。 左図は本発明の第４実施例の抵抗器の斜視図であり、右図は左図のＢＢ断面における矢視方向の拡大図である。 本発明の第５実施例の抵抗器の斜視図である。

　以下、本発明の実施形態について、図２Ａ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２Ａ－２Ｄは本発明の抵抗体の構造例を示す。抵抗体１１はその両端の主電極（図示しない）の配置方向に貫通した孔１１ａを有するパイプ状の形状（図２Ｂおよび図２Ｃ）、または、軸心方向に貫通した高抵抗部１１ｂと該高抵抗部の側面の低抵抗部１１ｃとからなる２層構造の抵抗体（図２Ｂおよび図２Ｄ）であることを特徴としている。２層構造の抵抗体の製法例としては、パイプ状の抵抗体１１に比抵抗の高い抵抗棒１１ｂを挿入し、スウェージング加工により一体化する等により製作可能である。

　低抵抗部である抵抗体１１（１１ｃ）には非磁性の例えばＣｕＭｎ系やＣｕＮｉ系の抵抗合金材料が用いられ、これら材料は低比抵抗で且つ良好な抵抗温度係数を有する。高抵抗部である抵抗棒１１ｂには非磁性で、低抵抗部よりも比抵抗が高い例えばＮｉＣｒ系などの抵抗材料が一例として用いられる。

　なお、表皮効果により電流が分布する表皮深さδは、
δ＝１／（√πfμσ） ・・・・(式１)
但し、f：周波数、μ：導体の透磁率、σ：導体の導電率
で表され、磁性材は磁束が通り易い材料になる為、透磁率μが大きく、表皮深さが浅くなるので、透磁率が小さい非磁性材料を使用することが望ましい。

　この結果、図２Ｂに示すように、電流経路Ｃは低抵抗部である抵抗体１１に集中し、低周波電流が貫通孔１１ａまたは高抵抗棒１１ｂを流れなくなり、電流経路の変動幅を小さくすることができる。従って、高周波電流の表皮効果による抵抗値の変動を抑制することができる。

　図３は本発明の第１実施例の抵抗器の外観を示し、図４Ａ－４Ｃはそれぞれ、抵抗体と電極との構造の特徴を、抵抗器の軸心に沿った断面において示した図である。図４Ａ－４Ｃはいずれも抵抗器の外観においては図３の構造である。この抵抗器は、棒状の抵抗体１１と、該抵抗体とは別部材の角柱状の主電極１２ａ、１２ａを該抵抗体の両端面に接合したシャント抵抗器である。そして、抵抗体１１は、図４Ａ－４Ｃに示すように、主電極１２ａ、１２ａの配置方向に貫通した孔１１ａを有するパイプ状の形状からなる。

　この実施例の抵抗器では、主電極１２ａが角柱状であるので、面実装等で実装し易く、製造時も扱い易いという特徴がある。図４Ａは抵抗体１１と主電極１２ａの固定構造１として、パイプ状の抵抗体１１と角柱状の主電極１２ａの端面同士を突合せて固定した構造を示す。図４Ｂは抵抗体１１と主電極１２ａの固定構造２として、主電極１２ａの端面に設けた凹部分Ｏに抵抗体１１を嵌め合わせて固定した構造を示す。図４Ｃは抵抗体１１と主電極１２ａの固定構造３として、主電極の凸部分Ｔを抵抗体１１の孔１１ａに嵌め合わせて固定した構造を示す。

　主電極と抵抗体の固定は、圧接、ロウ付け、溶接などを用いる。圧接としては、冷間圧接、熱間圧接、摩擦圧接、超音波接合、などの圧接技術を利用できる。ロウ付けは、はんだ付けや、銀ロウを用いる方法等が利用できる。溶接は、レーザー溶接、抵抗溶接、スポット溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接などを利用できる。（なお、この固定方法は実施例１に限らず、本出願の全ての実施例１－５に共通に適用可能である）。

　固定構造２としては、主電極の抵抗体を固定する端面部分に、抵抗体の外径に合った形状の凹み（凹部分）Ｏを予め形成する。この凹部分Ｏに抵抗体１１の端部を嵌め合わせて、上述した固定方法により固定する。

　固定構造３としては、主電極の抵抗体を固定する端面部分に、パイプ状の抵抗体１１の内径に合った形状の凸部Ｔが予め形成されている。この凸部Ｔを抵抗体の孔１１ａに嵌め合わせて、上述した固定方法により固定する。これらの固定構造２，３では、抵抗体１１の主電極１２ａに対する固定位置が安定し、組み立てし易いという利点が生じる。

　図５は本発明の第２実施例の抵抗器を示し、図６はその断面構成例を示す。この抵抗器は、棒状（パイプ状）の抵抗体１１と、該抵抗体とは別部材の円筒状（パイプ状）の主電極１２ｂ、１２ｂを該抵抗体の両端部に嵌め合わせて接合したシャント抵抗器である。そして、抵抗体１１は、図６に示すように、主電極１２ｂ、１２ｂの配置方向に貫通した孔１１ａを有するパイプ状の形状からなる。

　この実施例では、主電極１２ｂを抵抗体１１と同様にパイプ状のものを用いる。主電極１２ｂの孔の内径は、抵抗体１１の外径と略同じとする。主電極の孔に抵抗体の端部を嵌め合わせ、上述した固定方法により固定する。また、抵抗体の孔の内径を、主電極の外径と略同じとして、抵抗体の孔に主電極を嵌め合わせる構造にしてもよい。また、主電極の両端に孔があるので、ケーブルを挿入して主電極の一部を潰し、ケーブルを主電極に固定することが可能である。

　上記実施例では、抵抗体は円筒状のものを説明したが、断面形状が四角など多角形の筒状にしてもよい。なお、上記実施例では抵抗器に検出用電極を備えない。この場合、主電極部分にワイヤーを溶接すること等により、抵抗体の両端の電流検出を行う。

　図７Ａおよび図７Ｂは、上記実施例におけるパイプ状(hollow)の抵抗体と、比較例としての孔無し(solid)の抵抗体を対比した周波数特性図である。図７Ａは測定電流周波数の変化に伴う、孔無し(solid)の抵抗体とパイプ状(hollow)の抵抗体の厚みを変えた場合のインダクタンスの変化を示す。図７Ｂも同様に、測定電流周波数の変化に伴う、孔無し(solid)の抵抗体とパイプ状(hollow)の抵抗体の厚みを変えた場合の抵抗値の変化を示す。

　図７Ａおよび図７Ｂにおいて、破線は比較例としての孔無し(solid)の抵抗体の周波数特性を示し、×印は外径６ｍｍ内径４ｍｍのパイプ状(hollow)の抵抗体、△印は外形８ｍｍ内径５ｍｍのパイプ状(hollow)の抵抗体、◇印は外形８ｍｍ内径６ｍｍのパイプ状(hollow)の抵抗体の周波数特性を示す。孔無し(solid)の抵抗体の場合、１０ｋＨｚ以上の周波数で、インダクタンスおよび抵抗値が増大し、シャント抵抗器の使用に障害が生じる。

　これに対して、パイプ状(hollow)の抵抗体では、１００ｋＨｚ程度の周波数まで、インダクタンスおよび抵抗値の増大が抑制されることが分かる。すなわち、丸棒状抵抗体に貫通孔を備える(hollowの構造にする)ことで、高周波数領域におけるインダクタンスおよび抵抗値の変化が改善され、１桁程度高周波数領域迄のシャント抵抗器の使用が可能となることが分かる。

　パイプ状抵抗体では、×印と◇印が肉厚１ｍｍであるのに対し、△印は肉厚が１．５ｍｍと少し厚い。図７Ａおよび図７Ｂから肉厚が薄い方がより高周波数領域迄のインダクタンスおよび抵抗値の渦電流効果による上昇が生じないことが分かる。

　図８は本発明の第３実施例のシャント抵抗器を示す。このシャント抵抗器１０は、マンガニン等の抵抗合金材料からなる円筒状の抵抗体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円柱状の主電極１２，１２と、該主電極とは別部材の一対の銅等の高導電率金属材料からなる板状の電圧検出電極１３，１３とを備える。電圧検出電極１３には、電圧検出電極１３から突出するように検出端子１３ａを備え、電圧検出回路の端子が溶接等により接続される。

　図示するように、抵抗体１１と主電極１２との間に電圧検出電極１３を介在させている。そして、円柱状の抵抗体１１の長さ方向の両端面に板状の電圧検出電極１３の端面と円柱状の主電極１２の端面とがそれぞれ対向するように固定されている。ここで、抵抗体１１と電圧検出電極１３、および主電極１２と電圧検出電極１３とは、それぞれの接合面を当接させて上述した固定方法により接合したものであり、機械的にも強固で電気的にも安定している。従って、検出端子１３ａにおいて、主電極の銅材の抵抗分の影響を受けることなく、直接抵抗体１１自体の抵抗値および抵抗温度係数に基づく電圧を検出することが可能となる。

　上記シャント抵抗器１０によれば、電圧検出電極と検出端子が一体の接合パーツであるため、組み付け工程が簡易となる。また、検出端子１３ａの固定位置のバラツキを抑制することができ、抵抗体１１の直近位置での電圧検出が可能となる。

　また、電圧検出電極１３が電極の一部になる為、接合部分から外れることがなく、耐久性にも優れ、抵抗値の経時変化も小さくなる。そして、電極と抵抗体との重なり部分がなく、全体として柱状であり、電極と抵抗体とがその接合面全体にわたって接合している為、スムーズな電流経路と放熱経路が得られ、接合強度も強い。

　また、シャント抵抗器１０は、円柱状に構成した電極１２，１２の両端に扁平部１２ｆ，１２ｆを形成した構造である。扁平部１２ｆには開口１４を備え、バッテリ等と接続したバスバーを、開口１４を介してボルトおよびナットを用いて接続固定ができる構造になっている。なお、開口１４をネジ穴として、バスバーをネジ止めにより扁平部１２に固定するようにしてもよい。扁平部１２ｆを形成したので、バスバーや平板状の接続端子金具との接続固定が容易となる。

　次に、このシャント抵抗器１０の製造方法について説明する。まず、棒状であって、軸心方向に貫通した孔、または、軸心方向に貫通した高抵抗部を備えた抵抗体１１と、該抵抗体とは別部材の一対の主電極１２，１２と、該主電極とは別部材の一対の電圧検出電極１３，１３とを準備する。抵抗体１１は、マンガニン等の長尺の丸棒材を所定寸法に切断することで、両端に切断面である端面を有する柱状の抵抗体１１を形成する。そして、軸心方向に貫通した孔、または、軸心方向に貫通した高抵抗部を形成する。主電極１２も同様に銅等の長尺の丸棒材を所定寸法に切断することで、両端に切断面である端面を有する柱状の主電極１２を形成する。電圧検出電極１３は、板状部分と、該板状部分から突出した検出端子１３ａを備えた形状であり、シート状の銅板を当該形状に打抜く等により形成する。銅板の加工にはプレス加工やワイヤー放電加工、エッチング加工などを用いることができる。

　次に、抵抗体１１の長さ方向の両端面のそれぞれに、抵抗体１１と主電極１２との間に電圧検出電極１３の板状部分を介在させ、抵抗体１１の端面と前記主電極１２の端面とが対向するように、即ち、突き合わせるように当接させ、上述した固定方法により固定する。

　そして、主電極１２，１２の端面に孔を形成する。孔の深さは形成する扁平部の広さに応じて調整する。必ずしも孔を形成しなくてもよいが、孔を形成しておくことでプレスによる扁平部の形成が容易と成る。そして、孔を形成した部分をプレスによって押しつぶすことによって扁平部１２ｆが形成される。扁平部１２ｆに、開口１４を形成する。扁平部１２ｆの形成位置は抵抗器の下側となるようにすると、シャント抵抗器の下面が略平坦となり、実装のときに都合がよい。

　上記工程によれば、一度にシャント抵抗器の電極および電圧検出端子を形成できるので、取り扱いが容易で、使い勝手がよく、また簡素な製造方法で高精度のシャント抵抗器を提供することができる。

　なお、前記抵抗体１１の長さ方向の両端面に、検出電極を介在させず、主電極の端面がそれぞれ対向するように、主電極１２，１２を直接当接させて固定するようにしてもよい。この場合には電圧検出配線を主電極に直接固定する必要がある。

　図９は、本発明の第４実施例のシャント抵抗器を示す。複数の棒状の抵抗体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，・・・と、該抵抗体とは別部材の一対の棒状の主電極１２，１２と、抵抗体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，・・・と主電極１２との端面を接合したシャント抵抗器であって、複数の抵抗体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，・・・は主電極１２，１２間に並列に接続固定されていることを特徴とする。なお、図９では検出電極１３を主電極と抵抗体の間に介在させているが、上述のように直接固定するようにしてもよい。

　円断面をもつ複数の抵抗体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，・・・を、お互いに接触しない範囲で密集させ、同心円状に配置した構造である。表皮深さは、式１（００１２欄）によれば、線径に関係ないことが分かる。太い線と細い線を比較すると、線径に関係せず周波数に対応して表皮深さが一定になるので、太い線の場合、電流の流れる部分に大きな分布ができる。これに対して、細い線の場合は、断面のほぼ全体を電流が流れることになる。従って、線径が細いほうが表皮効果による抵抗値変動が減少するので、細い径の抵抗体を複数で構成することで、中心部分に貫通孔や高抵抗部を有しない抵抗体でも、表皮効果の影響を低減することができる。

　なお、表皮深さ程度の細い線を用いなくても、高抵抗部の周囲に表皮深さ程度の低抵抗部を配置した二層構造の抵抗体を用いることで、同様の効果が得られることは上述したとおりである。

　図１０は、本発明の第５実施例のシャント抵抗器を示す。複数の棒状の抵抗体３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと、該抵抗体とは別部材の一対の矩形状の主電極１２，１２と、抵抗体３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと主電極１２との端面を接合したシャント抵抗器であって、複数の抵抗体３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは主電極１２，１２間に並列に接続固定されていることを特徴とする。なお、図１０では検出電極１３を主電極と抵抗体の間に介在させているが、上述のように直接固定するようにしてもよい。この例でも、第２実施例と同様に、径の細い抵抗体を用いることで、表皮効果の影響を低減することができる。

　この実施例においても、棒状の抵抗体３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを、内部に貫通孔を有する抵抗体、または高抵抗部の周囲に低抵抗部を配置した二層構造の抵抗体を用いることで、さらなる表皮効果による検出電圧の変動の減少が達成される。

　本発明は、抵抗体として抵抗合金材を用いた金属材からなる電流検出用抵抗器、特に高周波電流を検出する用途の上記抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (7)

1. 　棒状の抵抗体と、
   　該抵抗体とは別部材の一対の棒状の主電極と、
   　前記抵抗体と前記主電極との端面を接合したシャント抵抗器であって、
   　前記抵抗体は、前記主電極の配置方向に貫通した孔、または、軸心部分を外周部分よりも高抵抗とした高抵抗部および該高抵抗部の外周に形成した低抵抗部を有することを特徴とするシャント抵抗器。
2. 　前記抵抗体と前記主電極との間に電圧検出電極を介在させて接合した、請求項１に記載のシャント抵抗器。
3. 　前記電圧検出電極は突出部を備える、請求項２に記載のシャント抵抗器。
4. 　前記抵抗体は、外周が円状である、請求項１に記載のシャント抵抗器。
5. 　前記主電極に扁平部を備える、請求項１に記載のシャント抵抗器。
6. 　前記主電極の端面は、前記抵抗体の端面を嵌め合わせることができる形状としたことを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器。
7. 　棒状であって、軸心方向に貫通した孔、または、軸心部分を外周部分よりも高抵抗とした高抵抗部を備えた抵抗体と、該抵抗体とは別部材の一対の主電極とを準備し、
   　前記抵抗体の両端部に前記主電極を当接させ、溶接、圧接またはろう接により固定する、シャント抵抗器の製造方法。
    

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