JP6384211B2 - シャント抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、電極間に流れる電流値を検出するためのボンディングワイヤが接続されるシャント抵抗器に関する。

シャント抵抗器を用いた電流値の測定は、シャント抵抗器を構成する抵抗体の抵抗値と、シャント抵抗器の両端の電位差とに基づいて行われる。

特許文献１に記載の電流検出用抵抗器は、電流が流れる通電部と、通電部から突出した検出部とを備えている。検出部は通電部と一体的に形成されており、通電部の抵抗値と、２つの検出部の電位差とに基づいて電流値を検出する。

また、特許文献２に記載の半導体モジュールは、シャント抵抗器として機能する接続導体を備えており、接続導体のうち、接続対象であるスイッチング素子やリードフレームと接触する脚部にボンディングワイヤがボンディングされている。接続導体の抵抗値と、２つのボンディングワイヤ間の電位差とに基づいて電流値を検出する。

特開２００４−２２１１６０号公報 特開２０１３−１７９７４４号公報

ところで、近年、例えば車両に搭載される電子機器などで用いられるシャント抵抗器は、抵抗体を流れる電流が大電流化している。これに伴って抵抗体における発熱量も増大しつつあり、放熱の観点から、シャント抵抗器をリードフレーム等の、熱容量が大きく熱伝導率の比較的高い部材に直接接続する必要が生じている。

これに対し、特許文献１の技術では、通電部と検出部が一体的に形成されており、加工が容易ではない上、検出部の形状がひとつに決まっているため検出部の接続先に自由度がない。このため、リードフレームに接続先のランドパターンを形成するためのスペースが必要となり、要求される小型化を阻害してしまう虞がある。

一方、特許文献２に記載の技術では、脚部は接続対象との間にはんだ等の接続部材を介して接続される。この接続部材の材質や量、配置などの条件によって、２本のボンディングワイヤの接続箇所間の抵抗値が影響を受けやすい。抵抗値のばらつきは電流値の測定誤差へ直接影響してしまう。つまり、従来のような構成では接続導体を流れる電流の測定精度が十分でない場合がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、電流値の測定精度を向上させたシャント抵抗器を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一部に、予め抵抗値が設定された抵抗体（２３）を有し、２つの電極（２００ａ，２００ｂ）の間を架橋して、抵抗体による電圧降下を検出することにより電極の間に流れる電流の電流値を検出するシャント抵抗器であって、導電性接着材（３００）を介して各々の電極に固定され、電気的に接続される一対の接続部（１０ａ，１０ｂ）と、一方の接続部から、他方の接続部へ延設され、接続部の間を架橋する架橋部（２０）と、抵抗体の電圧降下を検出するための一対のボンディングワイヤ（３０）と、を備え、ボンディングワイヤは、架橋部にボンディングされ、架橋部は、上底と各接続部に接続された一対の脚部とを有し、上底は、各脚部に個別に接続されるとともに、抵抗体を挟みつつ抵抗体に接続された一対の主部とを含み、主部の長さは、脚部の長さよりも長いことを特徴としている。

これによれば、このシャント抵抗器は、抵抗体における電圧降下を検出するための配線がボンディングワイヤによって構成されているから、特許文献１のように、通電部と一体的に形成される構成に較べて、接続先の形状の自由度を確保することができる。すなわち、接続先がリードフレーム等であっても、ランドパターン形状の制約を緩和することができ、シャント抵抗器が配置される機器の体格の小型化を制限しない。

また、このシャント抵抗器は、接続部が接続対象である電極に接続される。接続部と電極との接続は、はんだ等の導電性接着材を介して行われる。ところで、このシャント抵抗器におけるボンディングワイヤは、２つの接続部を架橋する架橋部にボンディングされている。このため、はんだ等の導電性接着材の材質や量、配置などの条件によって、２本のボンディングワイヤの接続箇所間の抵抗値が影響を受けない。したがって、導電性接着材に起因する抵抗値のばらつきを抑制することができ、抵抗体を流れる電流の測定精度を向上させることができる。

第１実施形態に係るシャント抵抗器の概略構成を示す斜視図である。 従来構成に係るシャント抵抗器のボンディングワイヤの接続形態とセンス電流のループ面積の関係し示す上面図である。 第１実施形態に係るシャント抵抗器のボンディングワイヤの接続形態とセンス電流のループ面積の関係し示す上面図である。 シャント抵抗器の概略構成を示す上面図である。 第２実施形態に係るシャント抵抗器の概略構成を示す上面図である。 シャント抵抗器の概略構成を示す斜視図である。 その他の実施形態に係るシャント抵抗器の概略構成を示す斜視図である。 その他の実施形態に係るシャント抵抗器の概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。また、方向として、ｘ方向と、ｘ方向に直交するｙ方向と、ｘ方向とｙ方向により規定されるｘｙ平面に直交するｚ方向と、を定義する。つまり、ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向は互いに一次独立である。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係るシャント抵抗器の概略構成について説明する。

図１に示すように、このシャント抵抗器１００は、ｘｙ平面に沿う面を有し、ｘ方向に並ぶ２つの電極２００を互いに電気的に接続する。ここで説明するシャント抵抗器１００は、一方の第１電極２００ａと他方の第２電極２００ｂとを接続している。なお、電極２００は、例えばある基板上に形成されたランドであったり、リードフレームであったりであって、その構成は限定されない。

シャント抵抗器１００は、導電性接着材としてのはんだ３００を介して電極２００に接続される一対の接続部１０と、２つの接続部１０の間を架橋する架橋部２０と、を備えている。架橋部２０は、主部２１と仲介部２２と抵抗体２３とを有している。そして、シャント抵抗器１００は、抵抗体２３に流れる電流の電流値を検出するためのボンディングワイヤ３０を備えている。

接続部１０は、図１に示すように、第１電極２００ａに接続される第１端子１０ａと、第２電極２００ｂに接続される第２端子１０ｂとを有している。接続部１０は、ｘｙ平面の沿う面状であり、接続部１０における、電極２００に対向する面は、はんだ３００を介して電極２００に接続されている。

架橋部２０における主部２１は、第１主部２１ａと第２主部２１ｂとにより構成され、いずれもｘｙ平面に沿う板状の部材である。そして、同じくｘｙ平面に沿って形成された抵抗体２３が第１主部２１ａと第２主部２１ｂとに挟まれるように配置されている。図１に示すように、第１主部２１ａ、抵抗体２３、第２主部２１ｂがこの順でｘ方向に並んで接合され、全体として一体的な導体となっている。そして、第１主部２１ａ、抵抗体２３、第２主部２１ｂが一体となった導体はｘ方向に延設されて第１端子１０ａと第２端子１０ｂとを電気的に接続している。主部２１は、抵抗体２３とともに、ｚ方向において接続部１０よりも高い位置に形成されている。

架橋部２０における仲介部２２は、図１に示すように、接続部１０と主部２１とを繋いでいる。主部２１と接続部１０は仲介部２２を介して一体的に形成されている。具体的には、第１主部２１ａと第１端子１０ａは第１仲介部２２ａを介して接続され、第２主部２１ｂと第２端子１０ｂは第２仲介部２２ｂを介して接続されている。このシャント抵抗器１００をｙ方向から正面視した場合、架橋部２０は、上底および脚部となるような略台形を成している。具体的には、主部２１と抵抗体２３とが一体的に構成された板状の部材を上底とし、仲介部２２を脚部とする略台形を成している。

なお、架橋部２０における主部２１および仲介部２２は、例えば銅などの金属から成る導電部であり、抵抗体２３よりも抵抗率が小さくされている。なお、抵抗体２３は、例えばＣｎＭｎＳｎやＣｕＭｎＮｉを主成分として形成されている。

ボンディングワイヤ３０は、例えばアルミニウムなどの一般的に知られた材料から成る。ボンディングワイヤ３０は、ボンディングワイヤ３０の電位を検出するためのセンス電極４００に接続されている。ボンディングワイヤ３０は第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとを有している。図１に示すように、第１ワイヤ３０ａは、一端が第１主部２１ａにボンディングされ、他端がセンス電極４００のうち第１センス電極４００ａに接続されている。第２ワイヤ３０ｂは、一端が第２主部２１ｂにボンディングされて、他端がセンス電極４００のうち第２センス電極４００ｂに接続されている。すなわち、本実施形態におけるボンディングワイヤ３０は、その一端が、略台形を成す架橋部２０のうち、上底に相当する主部２１にボンディングされている。

次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るシャント抵抗器１００の作用効果について説明する。

上記した構成において、第１電極２００ａと第２電極２００ｂとの間に電位差が生じると、接続部１０、仲介部２２、主部２１を介して抵抗体２３に電流が流れる。第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差は、ボンディングワイヤ３０のボンディング位置に依存する。その原因の一つは、架橋部２０または接続部１０における、ボンディングワイヤ３０の接続位置間の距離である。この距離が長くなれば接続位置間の抵抗値が大きくなり、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差も大きくなる。

他の原因は、はんだ３００の成分や量、配置、固定時の形状などの条件である。特許文献２（特開２０１３−１７９７４４号公報）に示された接続導体では、ボンディングワイヤが接続部１０に相当する部分にボンディングされている。はんだ３００は接続部１０の直下に配置されているので、ボンディングワイヤ３０の接続位置間の抵抗値やＴＣＲ（抵抗温度係数）が、はんだ３００の成分や量、配置、固定時の形状などの条件によって変動すると、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差にも影響が現れてしまう。

これに対して、本実施形態におけるシャント抵抗器１００は、ボンディングワイヤ３０が架橋部２０、より具体的には主部２１、にボンディングされている。上記のように、はんだ３００は接続部１０と電極２００との間に介在しているので、主部２１には接触していない。よって、はんだ３００の存在は、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に影響を与えない。すなわち、はんだ３００による電位差のばらつきを抑制することができ、ひいては、抵抗体２３を流れる電流の電流値をより精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、ボンディングワイヤ３０が略台形を成す架橋部２０のうち、上底に相当する主部２１にボンディングされている。架橋部２０が台形アーチ構造をしているので、主部２１を上底側から下底側に働く力に対して、架橋部２０の撓みを抑制することができる。すなわち、ボンディングワイヤ３０を安定してボンディングすることができるので、接続信頼性を向上することができる。

さらに、本実施形態におけるシャント抵抗器１００によれば、２つの電極２００の間を流れる電流（図２、図３にて主電流と示す）に起因して発生する磁束による、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差への影響を軽減することができる。以下、具体的に説明する。

図２は、従来のように、ボンディングワイヤ３０が接続部１０に接続される場合の態様を上面図として示している。主電流に起因する磁束は、ボンディングワイヤ３０を流れるセンス電流の電流経路によって囲まれた領域（図２に斜線で示す領域）を貫く。主電流の時間変化に応じて磁束が変化すると、センス電流の電流経路に誘導起電力が発生するため、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に誘導起電力がノイズとして重畳してしまう。このセンス電流の電流経路によって囲まれた領域の面積（以下、ループ面積という）が大きいほど誘導起電力が大きくなる。

図３は、本実施形態におけるシャント抵抗器１００の態様を上面図として示している。このシャント抵抗器１００は、ボンディングワイヤ３０が架橋部２０の主部２１に接続されているので、従来の構成におけるループ面積Ｓ１に較べて、本実施形態におけるループ面積Ｓ２を小さくすることができる。このため、センス電流の電流経路に発生する誘導起電力を従来構成に較べて小さくすることができるので、磁束による、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差への影響を軽減することができる。

なお、図４に示すように、主部２１上のボンディング位置を、主部２１と抵抗体２３との境界近傍に配置し、第１ワイヤ３０ａおよび第２ワイヤ３０ｂの、互いのボンディング位置間の距離が、架橋部２０の延設方向（図４ではｘ方向）において略最小になるようにすると良い。

これによれば、架橋部２０のうち抵抗体２３を除く導電部の抵抗値およびＴＣＲの、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に与える影響を略最小にすることができる。また、センス電流のループ面積を小さくすることができるので、主電流に起因する誘導起電力を抑制し、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に重畳するノイズを軽減することができる。すなわち、抵抗体２３を流れる主電流の電流値をより精度よく検出することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、ボンディングワイヤ３０について、ボンディング位置について詳しく説明した。一方、本実施形態では、ボンディングワイヤ３０の引き回しに着目する。

図５に示すように、本実施形態のシャント抵抗器１１０における２本のボンディングワイヤ３０、すなわち、第１ワイヤ３０ａおよび第２ワイヤ３０ｂは、架橋部２０の延設方向（図５におけるｘ方向）に対して略平行であり、且つ、略同一の方向に向かって引き出されている。同一の方向とは、第１ワイヤ３０ａおよび第２ワイヤ３０ｂがともに、図５における紙面左側に向かって引き出されていることを示している。つまり、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂは、ｘ方向に延設され、ｙ方向に横並びで引き出されている。なお、ボンディングワイヤ３０の引き回しを除く構成は第１実施形態と同一である。

これによれば、図２に示す従来の構成や図３に示す第１実施形態のように、ボンディングワイヤ３０を延設方向に対して略直交する方向（ｙ方向）に引き出す態様に較べて、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂの相互間距離を小さくすることができる。よって、第１実施形態に較べて、センス電流のループ面積をさらに小さくすることができるので、主電流に起因する誘導起電力を抑制することができる。第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に重畳するノイズを軽減することができる。すなわち、抵抗体２３を流れる主電流の電流値をより精度よく検出することができる。

さらにいえば、ボンディングワイヤ３０がボンディングされるボンディング面を正面視したとき、すなわち、図６に示すｚ方向から正面視したとき、第１ワイヤ３０ａおよび第２ワイヤ３０ｂのボンディング面におけるボンディング位置が、延設方向（ｘ方向）に沿う仮想線Ｌ上に位置するように構成すると良い。この構成では、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂは、ｘ方向に延設され、ｚ方向に横並びで引き出されている。

これによれば、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂの主部２１上におけるｙ座標が互いに一致しており、ｚ方向から平面視すると、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂは互いに重なり合う。このため、図５に示したように、ｙ座標の位置が互いに異なっている態様に較べてセンス電流のループ面積をより小さくすることができる。よって、主電流に起因する誘導起電力を抑制することができ、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に重畳するノイズを軽減することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、架橋部２０がｙ方向から正面視した場合に略台形となる態様について例示したが、これに限定されるものではない。例えば、仲介部２２が接続部１０に対して直交した矩形状となっていてもよいし、仲介部２２が湾曲して接続部１０と主部２１とを繋いでいてもよい。さらには、図７に示すように、架橋部２０が仲介部を有さず、接続部１０、主部２１、抵抗体２３が全体として平板を成すような態様であっても本発明を適用することができる。ボンディングワイヤ３０は、はんだ３００が接触しない主部２１にボンディングされている。

このため、はんだ３００の存在は、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差に影響を与えない。すなわち、はんだ３００による電位差のばらつきを抑制することができ、ひいては、抵抗体２３を流れる電流の電流値をより精度よく検出することができる。

また、上記した各実施形態では、架橋部２０の一部が抵抗体２３として第１主部２１ａと第２主部２１ｂに挟まれて形成された例について説明したが、この例に限定されない。接続部１０、主部２１、仲介部２２のいずれもが抵抗体２３と同一の材料で一体的に構成された態様であっても本発明を適用することができる。ボンディングワイヤ３０が主部２１に相当する部分にボンディングされることにより、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂとの間で観測される電位差ははんだ３００から影響を受けず、はんだ３００による電位差のばらつきを抑制することができる。このような態様では、抵抗体２３に流れる電流値の計算に用いる抵抗値は、抵抗体２３の抵抗率と、架橋部２０の断面積と、ボンディングワイヤ３０のボンディング位置間の距離と、により算出される。

また、第２実施形態において、第１ワイヤ３０ａと第２ワイヤ３０ｂを、架橋部２０の延設方向に略平行かつ略同一の方向に引き出す例を示した。ここでの略平行および略同一とは、ボンディングワイヤ３０の引き出す方向が、完全に平行である必要はなく、また、完全に同一の方向である必要はないことを意味している。すなわち、第１ワイヤ３０ａおよび第２ワイヤ３０ｂは、架橋部２０の延設方向に対してほぼ平行に引き出され、その方向がほぼ同一になっていれば、上記した作用効果を奏することができる。

また、ボンディングワイヤ３０を打つ位置は、出来る限り抵抗体３０と主部２１との境界の近くに打つことが好ましく、さらに言えば、図８に示すように、境界の直上であっても、あるいは境界よりも抵抗体３０側（抵抗体３０上）であっても本発明の趣旨を逸脱しない。

１０…接続部，２０…架橋部，２１…主部，２２…仲介部，２３…抵抗体，３０…ボンディングワイヤ

Claims (7)

1. 少なくとも一部に、予め抵抗率が設定された抵抗体（２３）を有し、
   ２つの電極（２００ａ，２００ｂ）の間を架橋して、前記抵抗体による電圧降下を検出することにより前記電極の間に流れる電流の電流値を検出するシャント抵抗器であって、
   導電性接着材（３００）を介して各々の前記電極に固定され、電気的に接続される一対の接続部（１０ａ，１０ｂ）と、
   一方の前記接続部から、他方の前記接続部へ延設され、前記接続部の間を架橋する架橋部（２０）と、
   前記抵抗体の電圧降下を検出するための一対のボンディングワイヤ（３０）と、を備え、
   前記ボンディングワイヤは、前記架橋部にボンディングされ、
   前記架橋部は、上底と各接続部に接続された一対の脚部とを有し、
   前記上底は、各脚部に個別に接続されるとともに、前記抵抗体を挟みつつ前記抵抗体に接続された一対の主部とを含み、
   前記主部の長さは、前記脚部の長さよりも長いことを特徴とするシャント抵抗器。
2. 前記架橋部は、前記抵抗体よりも抵抗率の小さい導電部（２１，２２）を有し、前記架橋部の延設方向において、前記抵抗体が前記導電部に挟まれて形成され、
   ２つの前記ボンディングワイヤは、前記抵抗体を挟む前記導電部にそれぞれボンディングされることを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器。
3. 前記ボンディングワイヤがボンディングされるボンディング面に直交し、前記架橋部の延設方向に沿う断面において、
   前記架橋部が前記接続部に対して凸形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシャント抵抗器。
4. 前記ボンディングワイヤがボンディングされるボンディング面に直交し、前記架橋部の延設方向に沿う断面において、
   前記架橋部が上底および脚部となるような台形を成し、
   前記抵抗体は少なくとも前記上底に形成され、
   前記ボンディングワイヤは、前記上底にボンディングされることを特徴とする請求項３に記載のシャント抵抗器。
5. ２つの前記ボンディングワイヤにおける互いのボンディング位置は、前記延設方向における距離が、前記抵抗体を挟んで最小となることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のシャント抵抗器。
6. 前記ボンディングワイヤは、前記架橋部の延設方向に対して平行かつ同一方向に引き出されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシャント抵抗器。
7. 前記ボンディングワイヤがボンディングされるボンディング面を正面視したとき、
   ２つの前記ボンディングワイヤの、前記ボンディング面における２つのボンディング位置は、前記延設方向に沿う仮想線上に位置することを特徴とする請求項６に記載のシャント抵抗器。

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