JP2011018759A - シャント抵抗器 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流検出用のシャント抵抗器において、電極における電流端子の接続位置の自由度が高く、抵抗体に均一に電流を流すことができ、これにより検出電圧の誤差が生ぜず、且つ小型化できるシャント抵抗器を提供する。
【解決手段】抵抗合金材からなる抵抗体１１と、該抵抗体の両端に固定した一対の電極１２，１２と、該電極のそれぞれに、該電極の抵抗器軸線方向Ｄに沿った外側の端面Ａと内側の端面Ｂとの間に形成した幅狭部１２ａとを備える。幅狭部１２ａは電極１２の側面に設けた一様の深さの凹部１５であり、電極１２が抵抗器軸線方向Ｄに沿った外側の外側電極１２ｃと抵抗体側の内側電極１２ｂとに分離され、外側電極１２ｃの直方体状のいずれかの面に電流端子１６の面が固定され、電流端子の引出方向Ｋに面する電極の面Ｌに幅狭部の凹部１５が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流検出用のシャント抵抗器に係り、特に抵抗合金材からなる抵抗体の両端に金属材からなる電極を接合した金属抵抗器に関する。

従来から、前記構造のシャント抵抗器（例えば特許文献１参照）が車載用バッテリーの充放電の電流を監視する等の大電流の電流検出用途に広く用いられている。これらのシャント抵抗器は、抵抗合金材からなる抵抗体と、その両端に固着した銅材からなる一対の電極とを備えており、それぞれの電極に電流端子（バスバー）を接続し、一対の電極の適当な場所間に電圧検出回路を接続する。

従って、一方の電流端子から流入した電流は一方の電極から抵抗体に流入し、他方の電極から他方の電流端子に流出する。そして、両電極間に電圧検出回路を接続することにより抵抗体両端部間で発生した、電流に比例した電圧を検出する。

このようなシャント抵抗器では、数十ないし数百アンペアの大電流を検出する用途の場合、抵抗器抵抗値は１ｍΩ以下の低抵抗値が要求され、抵抗体および電極素材の有する内部抵抗分布の影響を無視できなくなる場合がある。

すなわち、係るシャント抵抗器では、電極の電流端子（バスバー）取付位置やボルトの締込状況に起因して、電極および抵抗体の内部抵抗分布により抵抗体に流れる電流に偏りが生じ、このため抵抗体両端の電極間に生じる電圧に検出誤差が生じる場合がある。

電流端子（バスバー）取付位置やボルトの締込状況に関わらず、抵抗体に均一に電流が流れ、検出電圧に誤差が生じないようにするには、電極を長くすればよいが、そうすると電極が長大化し、シャント抵抗器が長大化するという問題が生じる。また、シャント抵抗器の小型化に伴い、電流端子（バスバー）の電極への接続によりシャント抵抗器自体にストレス（機械的負荷）が加わり易い状況にある。

特開平６−２２４０１４号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、大電流検出用のシャント抵抗器において、電極における電流端子の接続位置の自由度が高く、抵抗体に均一に電流を流すことができ、これにより検出電圧の誤差が生ぜず、且つ小型化できる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、抵抗合金材からなる抵抗体と、該抵抗体の両端に固定した一対の電極と、該電極のそれぞれに、該電極の抵抗器軸線方向に沿った外側の端面と内側の端面との間に形成した幅狭部と、を備える。電極の幅狭部より外側は直方体状であり、該直方体状のいずれかの面に電流端子の面が固定され、電流端子の引出方向に面する電極の面に幅狭部の凹部が形成されている。これにより、幅狭部が電流の整流作用をなし、抵抗体に均一な電流を流すことができる。

また、本発明のシャント抵抗器は、抵抗器の凹部と嵌合する固定片を備えた基台に、該固定片が抵抗器の凹部と嵌合して抵抗器を基台に固定することができる。

（ａ）は本発明の一実施例のシャント抵抗器を示す斜視図であり、（ｂ）はその電流経路を示す平面図である。 電流経路例を示す図であり、（ａ）は従来例を示し、（ｂ）は本発明の例を示す。 各種の幅狭部の構成例を示す、図１（ｂ）におけるＣＣ線に沿った矢視断面図であり、図中ハッチングの部分が幅狭部断面である。 各種の電極と電流端子の接続構造例を示す斜視図である。 本発明のシャント抵抗器を筐体に収容した実装状態を示す図である。 本発明のシャント抵抗器の基台への固定構造例を示す斜視図である。 本発明のシャント抵抗器の製造工程例を示す斜視図である。 本発明のシャント抵抗器の他の製造工程例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図８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（ａ）に示すように、このシャント抵抗器は、直方体状のＣｕ−Ｍｎ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金等の抵抗合金材からなる抵抗体１１と、該抵抗体の両端部に固定された直方体状のＣｕ材からなる一対の電極１２，１２とを備える。そして、該一対の電極１２，１２のそれぞれに、該電極の抵抗器軸線方向Ｄに沿った外側の端面Ａと内側の端面Ｂとの間に形成した幅狭部１２ａを備え、電極１２が内側電極１２ｂと外側電極１２ｃとに分離されている。

ここで、幅狭部１２ａは、電極１２の側面に一様の幅および深さの凹部（溝）１５を設けたものである。例えば、電極１２の断面が５mm×５mmであるとすると、凹部１５の深さおよび幅はそれぞれ１mm程度が好適である。

抵抗体１１と電極１２，１２の固定には、電子ビーム溶接、パルス通電接合、熱圧着、冷間圧接、抵抗溶接、銅系や銀系等のろう材やハンダなどによるろう接などが適用可能であるが、接合状態や抵抗値等の特性の安定性から、パルス通電接合、熱圧着などを利用した拡散接合を用いることが好ましい。

図１（ｂ）はこのシャント抵抗器の電流経路を示す。図示しない電流端子は外側電極１２ｃのいずれかの面に固定され、その固定面から電流が流出入するが、幅狭部１２ａで電流の流れ方向が整流され、幅広の内側電極１２ｂ、抵抗体１１、反対側の内側電極１２ｂでは、電流がその断面内で均一に分布して抵抗器軸線方向Ｄに流れ、反対側の幅狭部１２ａを通過後は外側電極１２ｃの電流端子の固定面に向けて電流経路が形成される。

すなわち、抵抗値が１ｍΩ以下の低抵抗値の抵抗器では電極内部の抵抗分布によって生じる電流経路の偏りを無視できない。図２（ａ）は幅狭部１２ａを備えない従来例を示す。この例では、電流端子（バスバー）１６は電極１２の外側の端面に固定され、抵抗器の軸線方向Ｄに垂直な上方向（図中矢印Ｋで示す方向）に引き出されている。

電流端子１６と電極１２とは電極１２の外側端面の外周面に沿って溶接等により固着され、符号Ｅで示す角部近傍で内部抵抗が低くなりこの部分に電流が集中し、電流経路Ｉは角部Ｅ近傍に偏ったものとなる。このため、抵抗体１１において、電流はその断面内を均一に分布して流れず、電流密度が図中の角部Ｅ近傍で高くなり、抵抗体１１の内部で電流経路Ｉが図中の上側に偏ったものとなる。

このような状態では、抵抗体１１の両端に生じる電圧検出は電極１２，１２の抵抗体直近の幅方向中央部で行うので（図５参照）、見かけ上の抵抗値が高くなり、検出電圧およびＴＣＲに誤差が生じる。

これに対して図２（ｂ）に示す本発明の実施例では、電流端子１６の引出方向Ｋに面する電極１２の面Ｌに幅狭部の凹部１５が形成されているので、その整流作用により電流経路Ｉが図中の下方に押し下げられ、内側電極１２ｂ、抵抗体１１、反対側の内側電極１２ｂで均一な電流分布が得られる。従って、電流端子１６の引出方向Ｋの電極１２の面に凹部１５を設けることで、内側電極１２ｂ、抵抗体１１、反対側の内側電極１２ｂにおける電流経路Ｉを抵抗器内部の中央に移動でき、均一な電流分布を形成でき、検出電圧およびＴＣＲに誤差が生じることを抑制できる。

図３（ａ）−（ｅ）は幅狭部１２ａの各種断面形状例を示す。図中ハッチングの部分が幅狭部断面を示す。なお、×印は電極断面の中心位置を示す。電流経路を電極１２の中央部に通すため、抵抗器ＣＣ断面（図１（ｂ）参照）において中央部までは凹部が及ばないようにする。凹部をどの部分に形成するかは、外側電極１２ｃに接続される電流端子１６の引出方向との関連で決定する。

図３（ａ）は、図１（ａ）（ｂ）に示す電極左右両側面に凹部を設けた例であり、電流端子１６を左右２方向に引き出し可能である（もちろん向きを変えれば上下方向になる）。図３（ｂ）は、電極一側面に凹部を設けた例であり、電流端子１６を一方向（図面上は左側）に引き出し可能である。図３（ｃ）は、電極左側面と上側面に凹部を設けた例であり、電流端子１６を２方向（図面上は左と上側）に引き出し可能である。図３（ｄ）は、電極左右両側面と上側面に凹部を設けた例であり、電流端子１６を３方向（図面上は左と上と右側）に引き出し可能である。図３（ｅ）は、電極左右両側面と上下両側面に凹部を設けた例であり、電流端子１６を４方向（図面上は左と上と右と下側）に引き出し可能である。

図４（ａ）−（ｃ）は本発明の抵抗器と電流端子の各種の接続構造例を示す。すなわち、抵抗器の一対の電極１２，１２のそれぞれは直方体状であり、該電極の側面に一様の深さの凹部１５を設けて該電極に幅狭部１２ａが形成され、該電極が抵抗器軸線方向Ｄに沿った外側の外側電極１２ｃと抵抗体側の内側電極１２ｂとに分離され、外側電極１２ｃのいずれかの面に電流端子１６の面が固定され、電流端子１６の引出方向Ｋに面する電極１２の面Ｌに幅狭部の凹部１５が形成されている。

図４（ａ）では、外側電極１２ｃの端面に電流端子１６の側面が固定され、電流端子１６の引出方向Ｋに面する電極１２の面Ｌに幅狭部の凹部１５が形成されている。また、図４（ｂ）では、凹部１５は電極１２の両側面に設けられている。このため、一方の外側電極と他方の外側電極で、それぞれの側面に電流端子１６の端面が固定されるが、電流端子１６の引出方向Ｋを反対方向に配置することができる。また、図４（ｃ）に示すように、電流端子１６の引出方向Ｋを同一方向とすることも可能である。

これらの例において、いずれも幅狭部１２ａの整流作用により、抵抗体１１内部に均一に電流を流すことができ、検出電圧およびＴＣＲに誤差が生じることを抑制できるので、電極１２の全長を短く抑えつつ、外部電極１２ｃの５面のいずれかに電流端子１６の一面を固定でき、その引出方向等の自由度を広げることができる。

図５は、このシャント抵抗器を筐体に収容した実装状態を示す図である。図５（ｂ）に示すように、抵抗体１１の両端に固定した一対の電極１２，１２を備えた抵抗器には凹部１５を備え、絶縁性樹脂で形成された筐体（基台）２１には固定片２１ａを備え、抵抗器の凹部１５と筐体の固定片２１ａとが嵌合して、抵抗器を筐体に固定している。外側電極１２ｃの端面には、電流端子１６の側面がボルト１９を締め込むことで固定される。電流端子１６はバスバーであり、被測定電流が流れるケーブル１７に接続されている。

内側電極１２ｂの抵抗体１１よりの直近中央に電圧検出端子であるボンディングワイヤ１８，１８の一端が接続され、その他端は電圧検出用ＩＣ２０に接続され、抵抗体１１の両端部で検出された電圧がＩＣ２０により信号処理され、コネクタ部２３，２３から出力される。図５（ａ）に示すケース蓋２２は、抵抗器および電圧検出回路部分を被覆することで、これらを保護するとともに、抵抗器を筐体に堅固に固定することができる。

このように、抵抗器にはその電極側面に凹部１５を備え、筐体（基台）の固定片２１ａがこれに嵌合して抵抗器を固定するので、抵抗器を安定に支持することができ、且つ抵抗器にかかる負荷（機械的ストレス）を低減することができる。

図６（ａ）（ｂ）は、抵抗器の基台への固定構造の他の実施例を示す。図６（ａ）は基台２５の上面に一対の固定部材２６，２６を備え、その固定片２６ａが抵抗器電極２０の両側面に設けた凹部１５と嵌合して、抵抗器を基台２５に固定するようにしたものである。また、図６（ｂ）は上記構造に加え、固定片２６ａに爪２６ｂをさらに備え、抵抗器の上方への移動を拘束するようにしたものである。

次に、本発明のシャント抵抗器の製造方法の一実施例について、図７を参照して説明する。まず、図７（ａ）に示すように、板状の抵抗合金材３１と板状のＣｕ電極材３２とを準備する。そして、図７（ｂ）に示すように、板状のＣｕ電極材３２と、板状の抵抗合金材３１と、板状のＣｕ電極材３２とを重ね、熱圧着によりそれぞれの界面に拡散接合層を形成してブロック状の積層体３４を形成する。この時、Ｃｕ電極材３２ａの厚さは、製品段階の電極１２の抵抗器軸線方向長さとし、抵抗合金材３１ａの厚さは、製品段階の抵抗体１１の抵抗器軸線方向長さとする。

次に、線Ｘに沿ってダイシングによりスライスして、図７（ｃ）に示すように板状の積層体３５を形成する。この時、板状の積層体３５のスライス幅は、製品段階の電極１２および抵抗体１１の高さとする。次に、図７（ｄ）に示すように、板状の積層体３５のスライスした面のＣｕ電極材３２ａに、切削加工により溝１５ｍを形成する。この時、溝幅および深さは、製品段階の凹部１５の幅および深さと同一とする。そして、線Ｙに沿って切り出し（ダイシングし）て個々の製品とすることで、図７（ｅ）に示す本発明のシャント抵抗器が完成する。この時、ダイシング幅は製品段階の抵抗器の幅と同一とする。

以上の製造工程によれば、本発明のシャント抵抗器を熱圧着およびダイシング（スライシング）を含む切削加工により、大判の板材から形成できる。

次に、本発明のシャント抵抗器の製造方法の他の実施例について、図８を参照して説明する。角棒状の抵抗合金材から角片状の抵抗体１１ｍを切り出し、角棒状のＣｕ材から角片状の電極体１２ｍを切り出し、図８（ａ）に示すように、溝１５ｍを切削加工により形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、電子ビーム溶接、パルス通電接合、熱圧着、冷間圧接、抵抗溶接等の方法で、これらを接合することで、抵抗体１１の両端に電極１２，１２を固定し、該電極の側面に凹部１５を設けて幅狭部１２ａを形成した本発明のシャント抵抗器が得られる。

なお、溝１５ｍは角片状の抵抗体１１ｍと角片状の電極体１２ｍとを接合した後で形成するようにしてもよい。この際、角片状の抵抗体１１ｍと角片状の電極体１２ｍとを接合した抵抗器素体を治具に平行に並べ、多数の抵抗器素体に同時に溝１５ｍを形成してもよい。

また、この実施例は抵抗器の幅方向両側に凹部を形成した例を示しているが、凹部は片側にのみ形成してもよく、また四方に切削加工により形成することも可能である。

なお、上述の実施例において、抵抗体および電極は直方体状のものについて説明したが、本発明の電極幅狭部は円柱状の抵抗体および電極を備えた抵抗器についても適用が可能である。

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、抵抗合金材の両端にＣｕ材からなる電極を配設した、特に大電流用途のシャント抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (11)

1. 抵抗合金材からなる抵抗体と、
   該抵抗体の両端に固定した一対の電極と、
   該電極のそれぞれに、該電極の抵抗器軸線方向に沿った外側の端面と内側の端面との間に形成した幅狭部と、を備えた抵抗器。
2. 前記電極は直方体状である、請求項１に記載の抵抗器。
3. 前記幅狭部は、前記電極の側面に一様の深さの凹部を設けたものである、請求項１に記載の抵抗器。
4. 前記電極の前記幅狭部より外側は直方体状であり、該直方体状のいずれかの面に電流端子の面が固定される、請求項１に記載の抵抗器。
5. 前記電流端子の引出方向に面する前記電極の面に前記幅狭部の凹部が形成されている、請求項４に記載の抵抗器。
6. 抵抗合金材からなる抵抗体と該抵抗体の両端に固定した一対の電極とを備えた抵抗器の該電極に、電流端子を接続する構造であって、
   該電極の側面に一様の深さの凹部を設けて前記電極に幅狭部が形成され、前記電極が抵抗器軸線方向に沿った外側の外側電極と抵抗体側の内側電極とに分離され、
   前記外側電極は直方体状であり、そのいずれかの面に前記電流端子の面が固定され、
   前記電流端子の引出方向に面する前記電極の面に前記幅狭部の凹部が形成されている、抵抗器と電流端子の接続構造。
7. 前記外側電極の端面に前記電流端子の側面が固定されている、請求項６に記載の抵抗器と電流端子の接続構造。
8. 前記外側電極の側面に前記電流端子の端面が固定されている、請求項６に記載の抵抗器と電流端子の接続構造。
9. 抵抗合金材からなる抵抗体と該抵抗体の両端に固定した一対の電極とを備えた抵抗器を基台に固定する構造であって、
   前記抵抗器は前記電極の側面に一様の深さの凹部を設けて前記電極に幅狭部を形成し、前記電極が抵抗器軸線方向に沿った外側の外側電極と抵抗体側の内側電極とに該凹部により分離され、
   前記基台には前記抵抗器の前記凹部と嵌合する固定片を備え、該固定片が前記抵抗器の前記凹部と嵌合して前記抵抗器を前記基台に固定する、抵抗器の固定構造。
10. 板状の電極材と、板状の抵抗合金材と、板状の電極材とを重ねて圧着によりブロック状の積層体を形成し、該電極材の厚さは、製品段階の電極の抵抗器軸線方向長さとし、該抵抗合金材の厚さは、製品段階の抵抗体の抵抗器軸線方向長さとし、
    該ブロック状の積層体を所定幅でスライスして板状の積層体を形成し、該板状の積層体のスライス幅は、製品段階の電極および抵抗体の高さとし、
    前記板状の積層体のスライスした面の電極材に、前記抵抗合金材に平行に所定幅および深さの凹部を形成し、
    該板状の積層体を所定幅で切り出して個々の抵抗器とし、該所定幅は製品段階の抵抗器の幅と同一とする、抵抗器の製造方法。
11. 角棒状の抵抗合金材から角片状の抵抗体を切り出し、角棒状のＣｕ材から角片状の電極体を切り出し、
    これらを接合することで、抵抗体の両端に電極を固定した抵抗器を形成し、
    該電極の側面に凹部を設けて幅狭部を形成する、抵抗器の製造方法。

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