特開 2024-75066 シャント抵抗器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024075066

(43)【公開日】2024-06-03

(54)【発明の名称】シャント抵抗器

(51)【国際特許分類】

   H01C 13/02 20060101AFI20240527BHJP

   H01C 7/00 20060101ALI20240527BHJP

   H01C 13/00 20060101ALI20240527BHJP

【ＦＩ】

H01C13/02 B

H01C7/00 300

H01C13/00 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022186217

(22)【出願日】2022-11-22

(71)【出願人】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(72)【発明者】

【氏名】松原 周平

(72)【発明者】

【氏名】豊田 進

(72)【発明者】

【氏名】平沢 浩一

(72)【発明者】

【氏名】仲村 圭史

【テーマコード（参考）】

5E033

【Ｆターム（参考）】

5E033AA02

5E033AA03

5E033BC03

5E033BD11

5E033BD13

5E033BG01

5E033BH01

(57)【要約】

【課題】測定レンジを広くすることができるシャント抵抗器が提供される。
【解決手段】シャント抵抗器１は、電極部材１０に取り付けられた少なくとも２つの素子１５０を備える。少なくとも２つの素子１５０は、異なる比抵抗を有する抵抗体５を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性材料から構成された電極部材と、
前記電極部材に取り付けられた少なくとも２つの素子と、を備え、
前記少なくとも２つの素子は、異なる比抵抗を有する抵抗体を備えている、シャント抵抗器。

【請求項2】

前記少なくとも２つの素子のそれぞれは、前記シャント抵抗器の厚さ方向に積層された積層素子である、請求項１に記載のシャント抵抗器。

【請求項3】

前記積層素子としての前記少なくとも２つの素子は、同一の形状を有している、請求項２に記載のシャント抵抗器。

【請求項4】

前記少なくとも２つの素子のそれぞれは、前記シャント抵抗器の長さ方向に配列された直列素子である、請求項１に記載のシャント抵抗器。

【請求項5】

前記抵抗体は、一方に配置された焼結体と、他方に配置された合金と、を備えている、請求項１に記載のシャント抵抗器。

【請求項6】

前記焼結体は、４５０μΩ・ｃｍ以上の比抵抗値を有している、請求項５に記載のシャント抵抗器。

【請求項7】

前記合金は、ＣｕＭｎ系合金から構成されており、
前記焼結体は、ＮｉＣｒ、ＣｕＭｎまたはＣｕＮｉの金属粒子とアルミナなどの絶縁粒子を混ぜた焼結体から構成されている、請求項５に記載のシャント抵抗器。

【請求項8】

前記電極部材は、その中央部分に形成された凸部を有している、請求項１に記載のシャント抵抗器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シャント抵抗器に関する。

【背景技術】

【0002】

電流を抵抗体に流し、その両端の電圧（電位差）から電流の大きさを測定するシャント抵抗器が存在する。このようなシャント抵抗器は、抵抗体と、抵抗体の両端に接続された２つの電極と、を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１８－５３６１６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

シャント抵抗器では、抵抗による電力ロスを小さくするために、低い抵抗値に設定されている。例えば、４０Ａの電流を検出するためには、０．５ｍΩの抵抗値が用いられ、抵抗器の両端の電位差は２０ｍＶ程度である。同じ電位差を検出したい場合、４００Ａの電流を流すと、５０μΩの抵抗値が必要とされる。このように、検出したい電流値が異なる場合に必要とされる抵抗値の差分は、１０倍ほど異なる。

【0005】

４００Ａの電流を測定する場合、例えば５０μΩのシャント抵抗器を用いることが考えられるが、同じシャント抵抗器により１０Ａ近辺の電流も検出したいというように、回路設計によっては計測（測定）範囲の要求が広くなる場合がある。この場合、５０μΩの抵抗値のシャント抵抗器で１０Ａの電流を測定すると、０．５ｍＶの電位差になるため、電流検出の精度を確保するのが難しいという問題がある。

【0006】

このように、シャント抵抗器では、測定する電流の大きさの範囲（すなわち、測定レンジ）を広くすることが望ましい。しかしながら、上述したシャント抵抗器では、測定レンジは、２つの電極の間に配置された単一の抵抗体の比抵抗（抵抗値）に大きく依存しているため、測定レンジを広くすることは困難である。複数の抵抗体を直列に接続するシャント抵抗器が知られているが（例えば、特許文献１参照）、特許文献１は、測定レンジを広くする構成を開示していない。

【0007】

そこで、本発明は、測定レンジを広くすることができるシャント抵抗器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一態様では、導電性材料から構成された電極部材と、前記電極部材に取り付けられた少なくとも２つの素子と、を備えるシャント抵抗器が提供される。前記少なくとも２つの素子は、異なる比抵抗を有する抵抗体を備えている。

【0009】

一態様では、前記少なくとも２つの素子のそれぞれは、前記シャント抵抗器の厚さ方向に積層された積層素子である。
一態様では、前記積層素子としての前記少なくとも２つの素子は、同一の形状を有している。
一態様では、前記少なくとも２つの素子のそれぞれは、前記シャント抵抗器の長さ方向に配列された直列素子である。

【0010】

一態様では、前記抵抗体は、一方に配置された焼結体と、他方に配置された合金と、を備えている。
一態様では、前記焼結体は、４５０μΩ・ｃｍ以上の比抵抗値を有している。
一態様では、前記合金は、ＣｕＭｎ系合金から構成されており、前記焼結体は、ＮｉＣｒ、ＣｕＭｎまたはＣｕＮｉの金属粒子とアルミナなどの絶縁粒子を混ぜた焼結体から構成されている。
一態様では、前記電極部材は、その中央部分に形成された凸部を有している。

【発明の効果】

【0011】

シャント抵抗器は、異なる比抵抗（抵抗値）を有する抵抗体を備えている。大小の電流を２種類の抵抗体に流すことにより、大小の電流の大きさを測定することができる。したがって、シャント抵抗器は、測定レンジを広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】電流検出用のシャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図１に示すシャント抵抗器の縦断面図である。

【図3】シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。

【図4】シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。

【図5】シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。

【図6】シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する図面において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0014】

図１は、電流検出用のシャント抵抗器の一実施形態を示す斜視図である。図２は、図１に示すシャント抵抗器の縦断面図である。図１および図２に示すように、シャント抵抗器１は、導電性材料から構成された電極部材１０と、電極部材１０に取り付けられた少なくとも２つの素子１５０と、を備えている。

【0015】

図１および図２に示す実施形態では、シャント抵抗器１は、２つの素子１５０を備えているが、３つ以上の素子１５０を備えてもよい。複数の素子１５０は、同一の形状（構造）を有している。このような構造により、素子１５０は、高い耐久性（ヒートサイクル、パワーサイクル）を有することができ、その信頼性を向上させることができる。さらに、同一の形状を有する複数の素子１５０を備えるシャント抵抗器１は、高い応力バランスを有することができる。同一の形状を有する複数の素子１５０は、容易に設計することができ、生産効率を高めることができる。

【0016】

複数の素子１５０は同一の形状（構造）を有しているため、以下、単一の素子１５０の構造について説明する。素子１５０は、所定の厚みと幅を有する板状（薄板状）の抵抗体５Ａ（または抵抗体５Ｂ）と、導電性材料から構成された板状（薄板状）の電極（第１電極）６Ａと、を備えている。電極６Ａは、抵抗体５Ａ（または抵抗体５Ｂ）を挟んで、電極部材１０の反対側に配置されている。

【0017】

図１および図２に示す実施形態では、複数の素子１５０のそれぞれは、シャント抵抗器１の厚さ方向に積層された積層素子である。シャント抵抗器１の厚さ方向は、鉛直方向と平行な方向である。第１方向は、シャント抵抗器１の長さ方向である。第２方向は、シャント抵抗器１の幅方向であり、第１方向に垂直な方向である。

【0018】

シャント抵抗器１に設けられた２つの抵抗体５Ａ，５Ｂは、異なる比抵抗（抵抗値）を有している。より具体的には、２つの抵抗体５Ａ，５Ｂのうちの一方は、抵抗値の大きな材質（例えば、焼結体）から構成されており、他方は、抵抗値の小さな材質（例えば、合金）から構成されている。以下、本明細書において、抵抗体５Ａ，５Ｂを特に区別することなく、抵抗体５と呼ぶことがある。

【0019】

一実施形態では、抵抗体５としての焼結体は、４５０～５００μΩ・ｃｍの比抵抗値を有している。例えば、焼結体は、ＮｉＣｒ、ＣｕＭｎまたはＣｕＮｉの金属粒子とアルミナなどの絶縁粒子を混ぜた焼結体であるＮｉＣｒ－Ａｌ_２Ｏ_３やＣｕＭｎ－Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｕＮｉ－Ａｌ_２Ｏ_３などから構成されている。一実施形態では、抵抗体５としての合金は、４４μΩ・ｃｍの比抵抗値を有している。例えば、合金は、ＣｕＭｎ系合金、ＣｕＭｎＮｉ系合金から構成されている。この実施形態における２つの抵抗体５Ａ，５Ｂの比抵抗値の差は、約１０倍である。

【0020】

図１および図２に示す実施形態では、２つの抵抗体５Ａ，５Ｂは、同一の形状を有しているため、以下、単一の抵抗体５について説明する。抵抗体５は、第１抵抗体表面５ａと、第１抵抗体表面５ａの反対側の面である第２抵抗体表面５ｂと、を有している。電極部材１０は、第１抵抗体表面５ａに接続されており、電極６Ａは、第２抵抗体表面５ｂに接続されている。すなわち、電極６Ａ、抵抗体５、および電極部材１０は、この順にシャント抵抗器１の厚さ方向に積層されている。

【0021】

電極部材１０は、素子１５０に接触する接触部位１０ａを備えている。接触部位１０ａの数は、素子１５０の数に対応している。本実施形態では、シャント抵抗器１は、２つの素子１５０を備えているため、電極部材１０は、２つの接触部位１０ａを有している。

【0022】

２つの素子１５０は、電極部材１０の中心線ＣＬに関して、対称的に配置されており、シャント抵抗器１の第１方向において、電極部材１０に対して直列に、かつ離間して配置されている。中心線ＣＬは、シャント抵抗器１の第２方向と平行に延び、かつ電極部材１０を二等分する仮想の線分である。電極部材１０は、第１方向における両端部２３を有している。

【0023】

電極部材１０は、金属ナノ粒子（銀ナノ粒子を用いた銀ペーストや、銅ナノ粒子を用いた銅ペースト）などの導電性接着剤、加圧溶接などの溶接、はんだによる接続手段により、抵抗体５の第１抵抗体表面５ａに接続されてもよい。電極６Ａも同様の接続手段により抵抗体５の第２抵抗体表面５ｂに接続されてもよい。電極６Ａには、はんだ実装を可能とするために、ＳｎめっきやＮｉめっき等の表面処理が施されている。電極６Ａの表面めっきはなくてもよい。

【0024】

電極部材１０は、その厚さによって、温度による抵抗値の変化の割合を示す指標である抵抗温度係数（ＴＣＲ）を調整可能な構造を有している。より具体的には、電極部材１０の厚さを調整することにより、ＴＣＲの精度を向上させることができる。例えば、電極部材１０の厚さを薄くすることにより、ＴＣＲを下げることができる。一実施形態では、電極部材１０は、抵抗体５の厚さと同一の厚さを有してもよく、または抵抗体５の厚さよりも薄い厚さを有してもよい。

【0025】

図１および図２に示すように、シャント抵抗器１は、実装ランドパターンに実装されている。電極部材１０の上面の中央部分には、電圧検出配線２５の一端が接続されており、他端はコネクタ（図示しない）に接続されている。一実施形態では、電圧検出配線２５は、ボンディングワイヤであってもよい。電極部材１０の上面には、ボンディングワイヤが接続可能な表面処理（例えば、ＮｉＰめっきやＮｉめっき等）が施されている。シャント抵抗器１と、電極部材１０の上面に接続された電圧検出配線２５と、により、シャント抵抗装置が構成されている。

【0026】

シャント抵抗器１は、互いに隣接する通電パターン３０上に配置されている。通電パターン３０は、図示しないプリント基板などの回路基板に形成されている。素子１５０（より具体的には、電極６Ａ）は、はんだなどの手段により通電パターン３０に接続（接合）されている。

【0027】

通電パターン３０の間には、電圧検出配線（引き出し線）３３が配置されている。電圧検出配線３３は、電極部材１０との間に生じる電位差を検出するための電圧検出端子である。電圧検出配線２５は、電極部材１０と電圧検出配線３３との間の電位差を検出するための配線（端子）である。

【0028】

シャント抵抗器１の電極部材１０に電圧検出配線２５を接続し、かつ通電パターン３０に電圧検出配線３３が接続され、通電パターン３０からシャント抵抗器１の厚さ方向に流れる電流経路が形成されている。電圧測定装置（図示しない）を用いて、電圧検出配線２５と電圧検出配線３３との間の電位差（すなわち、抵抗体５における電位差）を測定する。この電位差の測定により、電流値が算出される。

【0029】

小さな比抵抗値を有する抵抗体５に大きな電流を流すことにより、抵抗体５からの発熱を抑制することができる一方で、小さな比抵抗値を有する抵抗体５に小さな電流を流すことにより、電位差は小さくなる。小さな電位差は測定しにくい。

【0030】

本実施形態によれば、１つの構造体に大きな抵抗値の差を有するシャント抵抗器１を実現することができる。より具体的には、シャント抵抗器１は、異なる比抵抗を有する抵抗体５を備えているため、大きな比抵抗値を有する抵抗体５に小さな電流を流すことにより、電位差を大きくすることができ、結果として、電位差を容易に測定することができる。

【0031】

例えば、図１のように、一方の抵抗体５の抵抗値を５０μΩとし、他方の抵抗体５の抵抗値を５００μΩとし、シャント抵抗器１の電極部材１０から電圧検出配線２５を引き出し、通電パターン３０間の各電圧検出配線３３を引き出す構造とした場合、一方の抵抗体５の抵抗値が５０μΩであるときの、一方の電圧検出配線３３と電圧検出配線２５からは５０μΩ相当の電位差が得られる。他方の抵抗体５の抵抗値が５００μΩであるときの、電圧検出配線２５と他方の電圧検出配線３３からは５００μΩ相当の電位差が得られる。

【0032】

４００Ａレベルの電流を検出する場合には、低い抵抗値間の検出配線を使用し、１０Ａレベルの電流を検出する場合には、高い抵抗値側の検出配線を使用する。このような構成により、広い電流範囲で検出を行うことができる。この場合の２つの抵抗体５Ａ，５Ｂの間の抵抗値の差は、１０倍である。

【0033】

また、このような抵抗値を有する抵抗体５を備えるシャント抵抗器１を使用して、４００Ａの電流を負荷した場合、５０μΩの抵抗値を有する抵抗体５は８Ｗの発熱を生じ、５００μΩの抵抗値を有する抵抗体５は８０Ｗの発熱を生じる。

【0034】

８０Ｗの発熱を生じる抵抗体５は、高温になるため、熱を効率よく放出する必要がある。本実施形態では、板状の積層素子としての素子１５０の表面の全体は、電極６Ａを介して通電パターン３０に接続されているため、電極６Ａの、通電パターン３０との接触面積を大きくすることができる。したがって、シャント抵抗器１は、通電パターン３０を介して抵抗体５を放熱することができる。

【0035】

上述した実施形態では、複数の素子１５０は、同一の形状を有しているが、一実施形態では、複数の素子１５０は、異なる形状を有してもよい。一実施形態では、素子１５０の抵抗体５のサイズを大きくすることにより、抵抗体５の放熱性を高めることができる。

【0036】

図３は、シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。図３に示す実施形態では、素子１５０は、シャント抵抗器１の長さ方向に配列された直列素子である。図３に示すように、電極６Ａ、抵抗体５、および電極部材１０は、この順にシャント抵抗器１の長さ方向に配列されている。図３に示す実施形態では、電極部材１０の両端部２３は、２つの接触部位１０ａに相当する。

【0037】

図４は、シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。図４に示す実施形態では、電極部材１０は、その中央部分に形成された凸部１０ｂを有している。凸部１０ｂは、積層素子としての素子１５０，１５０の間に配置されている。凸部１０ｂを形成することにより、抵抗体５からの熱をより効率よく放出することができる。

【0038】

図４に示すように、電圧検出配線２５の数は、素子１５０の数に対応している。したがって、シャント抵抗装置は、少なくとも２つの接触部位１０ａに接続された少なくとも２つの電圧検出配線２５を備えている。２つの電圧検出配線２５は、電極部材１０の両端部２３側に配置されている。

【0039】

２つの電圧検出配線２５の位置（ボンディング位置）を調整することにより、ＴＣＲを調整することができる。より具体的には、２つの電圧検出配線２５を両端部２３側に配置することにより、ＴＣＲは減少し、２つの電圧検出配線２５を電極部材１０の中央部分側に配置することにより、ＴＣＲは上昇する。

【0040】

図５は、シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。図５に示す実施形態では、シャント抵抗装置は、電圧検出配線２５の代わりに、電極部材１０の中央部分から延びるジャンパー端子１０ｃを備えている。ジャンパー端子１０ｃは、電極部材１０と一体成形部材であり、通電パターン３１に接続されている。本実施形態では、ジャンパー端子１０ｃは、電極部材１０の下面から延びている。

【0041】

図６は、シャント抵抗器の他の実施形態を示す図である。図６に示す実施形態では、積層素子としての素子１５０は、抵抗体５と電極部材１０との間に配置された電極（第２電極）６Ｂを備えてもよい。

【0042】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0043】

１ シャント抵抗器
５（５Ａ，５Ｂ） 抵抗体
５ａ 第１抵抗体表面
５ｂ 第２抵抗体表面
６Ａ 第１電極
６Ｂ 第２電極
１０ 電極部材
１０ａ 接触部位
１０ｂ 凸部
１０ｃ ジャンパー端子
２３ 両端部
２５ 電圧検出配線
３０ 通電パターン
３１ 通電パターン
３３ 電圧検出配線
１５０ 素子
ＣＬ 中心線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】