特許 7193941 シャント抵抗器およびそれを用いた電流検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-13

(45)【発行日】2022-12-21

(54)【発明の名称】シャント抵抗器およびそれを用いた電流検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01C 13/00 20060101AFI20221214BHJP

   H01C 3/00 20060101ALI20221214BHJP

【ＦＩ】

H01C13/00 J

H01C3/00 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018140647

(22)【出願日】2018-07-26

(65)【公開番号】P2020017678

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-06-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大澤 亮

(72)【発明者】

【氏名】仲村 圭史

(72)【発明者】

【氏名】藤堂 成浩

【審査官】木下 直哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０２２３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３４９９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５３０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１２３１５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１４１０４７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｃ １３／００

Ｈ０１Ｃ ３／００

Ｇ０１Ｒ １５／００

Ｇ０１Ｒ １５／１４

Ｃ２２Ｃ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

銅を主成分とし、さらに、ニッケルと亜鉛とを含むＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を、単体の抵抗体からなるシャント抵抗の抵抗体材料とし、
前記Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金は、その含有量が、Ｎｉが１．５～１０ｗｔ％であり、Ｚｎが０．１～１２ｗｔ％であり、残部がＣｕである
ことを特徴とするシャント抵抗器。

【請求項2】

さらに、Ｓｉを０．３～０．９ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１に記載のシャント抵抗器。

【請求項3】

さらに、
Ｓｎ，Ｍｇの少なくとも１の金属を０．１～１ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のシャント抵抗器。

【請求項4】

前記Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金に、
さらに、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔｉのうちの少なくとも１の金属を０．１～１ｗｔ％含む請求項１に記載のシャント抵抗器。

【請求項5】

請求項１から４までのいずれか１項に記載のシャント抵抗器であって、
前記単体の抵抗体からなる板体の一部を表面側に立ち上げて一対の電圧検出端子が形成されているシャント抵抗器。

【請求項6】

請求項５に記載のシャント抵抗器と、
前記一対の電圧検出端子とそれぞれ接続される、一対の第１及び第２の電圧信号ラインによる信号によって電流を測定する電流測定回路と、を備えた電流測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シャント抵抗器等に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電子機器に使用される電流が例えば１ｋＡ程度と大電流化が進んでいる。この場合、回路がショートした際の安全を確保するため、短絡電流を制御する必要がある。このような制御をシャント抵抗器で実現しようとした場合、回路がショートした際の大電流に耐えるような構成が重要となり、また、短絡電流は瞬時に発生するために電流を瞬時に検出することも重要である。

【0003】

従って、このような用途で用いられるシャント抵抗器は、例えば、１００μΩ以下の低い抵抗値であることが求められる。そのような場合には、シャント抵抗器の電極と抵抗体との接続を可能な限り無くすことや、抵抗体の長さを可能な限り短くすることが考えられる。なお、電極と抵抗体との接続部を無くす構造として、電極と抵抗体とを同じ材料、例えばマンガニンで形成する構造も考えられる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－１１６７７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、シャント抵抗器の電極と抵抗体とを同じ材料、例えば抵抗率の小さい銅で形成すると、抵抗は小さくなるが、ＴＣＲが大きくなってしまうという問題がある。
一方、シャント抵抗器の電極と抵抗体とを同じ材料、例えばＴＣＲの小さいマンガニンやゼラニンで形成すると、ＴＣＲは小さくすることはできるが、余剰の抵抗（電圧測定端子より外側の部分の抵抗値）が大きくなり、電力消費が大きくなるという問題がある。

【0006】

また、電極と抵抗体とを異なる材料で形成すると、電極と抵抗体との間の接合部（例えば溶接部）において機械的強度が低下するという問題もある。
本発明は、抵抗体と電極とを同じ材料で形成したシャント抵抗器において、低抵抗かつ低ＴＣＲ化を図ることを目的とする。

【0007】

また、本発明は、上記のようなシャント抵抗器を用いて、大電流の短絡電流の検出に適した電流検出装置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】

本発明の一観点によれば、銅を主成分とし、さらに、ニッケルと亜鉛とを含むＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を、単体の抵抗体からなるシャント抵抗の抵抗体材料としたシャント抵抗器が提供される。

【0009】

前記Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金は、その含有量が、Ｎｉが１．５～１０ｗｔ％であり、Ｚｎが０．１～１２ｗｔ％であり、残部がＣｕであることが好ましい。
さらに、Ｓｉを０．３～０．９ｗｔ％含むことが好ましい。さらに、Ｓｎ，Ｍｇの少なくとも１の金属を０．１～１ｗｔ％含むようにすると良い。

【0010】

前記Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金に、さらに、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔｉのうちの少なくとも１の金属を０．１～１ｗｔ％含むようにしても良い。

【0011】

本発明は、上記のいずれか１に記載のシャント抵抗器であって、前記単体の抵抗体からなる板体の一部を表面側に立ち上げて一対の電圧検出端子が形成されてもよい。

【0012】

本発明は、上記に記載のシャント抵抗器と、前記一対の電圧検出端子とそれぞれ接続される、一対の第１及び第２の電圧信号ラインによる信号によって電流を測定する電流測定回路と、を備えた電流測定装置であっても良い。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、抵抗体と電極とを同じ材料で形成したシャント抵抗器において、低抵抗かつ低ＴＣＲ化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１の実施の形態によるシャント抵抗器の一構成例を示す斜視図である。

【図2】本発明の第２の実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す斜視図であり、回路基板にシャント抵抗器を実装する前の構成例を示す斜視図である。

【図3】本実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す斜視図であり、回路基板にシャント抵抗器を実装した後の構成例を示す斜視図である。

【図4】図３のＩＩＩａ－ＩＩＩｂ線に沿う断面図であり、回路基板にシャント抵抗器を実装した後の構成例を示す図である。

【図5】本実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す回路図（ブロック図）である。

【図6】本発明の第３の実施の形態によるシャント抵抗器であって、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を板体（抵抗体）の材料として用いたシャント抵抗器の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本発明の実施の形態によるシャント抵抗器およびそれを用いた電流検出装置について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0016】

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態によるシャント抵抗器の一構成例を示す斜視図である。

【0017】

図１に示すように、本実施の形態によるシャント抵抗器Ａは、例えば後述するような組成を有し平板状の長尺な板体１からなるシャント抵抗器である。シャント抵抗器Ａは、単体の抵抗体である平板状の板体１には、板体１の長さ方向に離れた一対の電圧検出端子１１ａ，１１ｂが形成されている。板体１を対向する２箇所の第１の辺を残して、他の３辺を切り抜き、２箇所の第１の辺を基準として表面側に立ち上げることで、一対の電圧検出端子１１ａ，１１ｂを簡単に形成することができる。

【0018】

上記のようにすることで、板体１のうち第１の辺の内側の領域（符号Ｌ１，Ｌ２）の内側の領域が電流検出における実効的な抵抗体３となり、その外側から両端までの領域が実効的な電極５ａ，５ｂとなる。

【0019】

図１に示すように、板体１を切り出して、そのまま曲げて立てることによって、電圧検出端子とすることで、間隔を短くすることが容易であり、かつ、長さも短い電圧検出端子を得ることができる。さらに、シャント抵抗器の持つインダクタンス値を小さくできる。

【0020】

なお、電圧検出端子は、図１に示す例の他に、別部材のピン状の端子を板体１に立設してもよい。板体１へのピン状の端子の固定は、板体１の表面にピン状の端子を溶接する方法や、板体１に孔を形成してこの孔にピン状の端子を挿入する等の方法がある。

【0021】

尚、図１に示すシャント抵抗器では、板体１の長さ方向に離れた位置に一対の孔部７ａ，７ｂが形成され、図示しないバスバーや配線基板などにボルトなどを用いて固定できるように構成されている。
次に、単体の抵抗体からなる板体１を形成する材料の組成について説明する。
板体１の材料を一般的な組成を有する例えば銅（１００％）とすると、固有抵抗値（μΩ／ｃｍ）は、１．７２程度と低いが、ＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）は、３９７０程度と高い。

【0022】

一方、板体１の材料をマンガニン（登録商標）とすると、ＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）は、±５０程度と低いが、固有抵抗値（μΩ／ｃｍ）は、４４程度と高い。また、ゼラニン３０（登録商標）とすると、ＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）は、２９程度と低いが、固有抵抗値（μΩ／ｃｍ）は、２９程度と高い。

【0023】

そこで、本実施の形態においては、以下の表に示すような、板体１の材料を用いた。本実施の形態による板体の固有抵抗値は４～５，ＴＣＲは１０００～２０００であった。すなわち、マンガニンに比べると、固有抵抗値が１／１０程度となり、ＴＣＲは１０００～２０００とマンガニンよりは高いが、銅よりは低い値を得ることができる。

【0024】

【表1】

【0025】

表１は、本実施の形態による板体１の材料の一例を示す表である。表１に示すように、単体の抵抗体からなる板体１を形成する材料（合金材料）の主成分は、符号Ｄ１で示される銅であり、例えば、７７～９８．４ｗｔ％である。主成分である銅に加えて、本実施の形態では、符号Ｂ１で示される亜鉛（Ｚｎ）と、符号Ａ１で示されるＮｉが含まれる。さらに、符号Ｃ１で示されるように、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔｉのうちの少なくともいずれかを０～１ｗｔ％含む。亜鉛（Ｚｎ）の量は、０．１から１２ｗｔ％であり、Ｎｉの量は、１．５～１０ｗｔ％である（総計で１００ｗｔ％）。なお、本発明に係る合金材料には不可避不純物が含まれることがある。

【0026】

尚、マンガニンもＮｉを例えば２ｗｔ％程度含むことを考慮すると、固有抵抗値を低くすることが出来た理由は、Ｚｎを混合した合金としたことに起因すると推測できる。発明者の推測によれば、Ｚｎは酸化しやすく酸化膜ＺｎＯを形成する。Ｃｕを主成分とする合金において、少量のＺｎを混ぜることで、板体１を形成する合金の表面にＺｎＯ酸化膜が、バルクの低抵抗金属である銅の表面保護膜の役割を果たすことに加え、マンガニン等と同様にＮｉを含むことによるＴＣＲ低減の効果も得ることができる。以下、所定量のＺｎを加えた本実施の形態による板体用の合金を、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金と称する。

【0027】

また、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金に、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔｉのうちの少なくとも１の金属を０～１ｗｔ％加えても良い。このような合金も、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金と称する。

【0028】

本実施の形態によるＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を用いると、高温での耐久性も良く、特性が安定している。例えば、１７５℃の高温下において、１０００時間の高温放置試験を実施したところ、抵抗値変化量は±０．５％以内の小さな変動値を示した。

【0029】

通常、本実施の形態とは異なる銅及び銅合金は、高温での安定性は低く、酸化により、その抵抗値変化は±１％よりも大きい値を示すことから、本実施の形態によるＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金は、特性が安定しており、耐久性にも優れているといえる。

【0030】

（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２，図３は、本実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す斜視図であり、図２は、回路基板にシャント抵抗器を実装する前の構成例を示す斜視図である。図３は、回路基板にシャント抵抗器を実装した後の構成例を示す斜視図である。図４は、図３のＩＩＩａ－ＩＩＩｂ線に沿う断面図であり、回路基板にシャント抵抗器を実装した後の構成例を示す図である。図５は、本実施の形態によるシャント抵抗器を用いた電流検出装置の一構成例を示す回路図（ブロック図）である。

【0031】

図２，図３に示すように、第１の実施の形態によるＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を板体（抵抗体）１の材料として用いたシャント抵抗器Ａを、電流測定回路、例えば増幅回路Ｂを含む回路に接続して電流測定装置Ｘを形成する。増幅回路Ｂは、シャント抵抗器Ａからの出力信号を増幅するための回路である。

【0032】

シャント抵抗器Ａと増幅回路Ｂとの接続は、シャント抵抗器Ａに立設した電圧検出端子１１ａ，１１ａを、増幅回路Ｂの回路基板２１に形成されたスルーホール（貫通孔）２３ａ，２３ｂに挿入する。増幅回路Ｂが形成されるプリント基板などの回路基板２１には、シャント抵抗器Ａからの出力信号を増幅するための増幅回路（基板）が設けられている。尚、符号３５は増幅回路Ｂから他の制御機器等に信号を出力するための端子部である。

【0033】

回路基板２１のスルーホール２３ａ，２３ｂを用いて、電圧検出端子１１ａ，１１ｂとはんだ接続して繋ぐことで、回路基板２１上の増幅器などの回路部品とシャント抵抗器Ａとの距離を近接させて接続することができる。

【0034】

また、図４に示す電流検出回路の断面図によれば、シャント抵抗器Ａの板体１を切りだして、そのまま曲げて立てることによって電圧検出端子１１ａ，１１ｂとすることで、一対の電圧検出端子１１ａ、１１ｂの間隔が短く、長さも短い端子を形成することができる。さらに、シャントの持つインダクタンス値を小さくでき、耐久性も確保できる。

【0035】

図５に示すように、増幅回路Ｂは、例えば、フォトカップラや静電カップリングコンデンサーＣなどによるΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５を備える。ΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５の出力側には、配線Ｌ１３を介してＡ／Ｄ変換器２７が設けられる。シャント抵抗器Ａの第１の信号出力端子１１ａと第２の信号出力端子１１ｂとは、増幅回路の２つの入力端子にそれぞれ配線Ｌ１１，Ｌ１２により接続されている。

【0036】

増幅回路Ｂは、入力端子を有し、それぞれ、抵抗などを介してΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５に接続されている。また、入力端子からの配線Ｌ１１，Ｌ１２間には、コンデンサＣが設けられる。これにより、ノーマルモードノイズなどのΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５への入り込みを抑制することができる。ΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５の正電源端子はＶｃｃに接続され、負電源端子はＧＮＤ３１に接続されている。

【0037】

フォトカップラや静電カップリングコンデンサーなどによるΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２５を用いることで、入力側と出力側とを、電気的に絶縁することができる。従って、ノイズが、信号を増幅するために電流測定装置Ｘに設けた増幅回路に接続される一対の電圧信号ライン（配線Ｌ１１，Ｌ１２）に与える影響を低減することができる。

【0038】

尚、本実施の形態によれば、出力信号はデジタル出力とすることができる。シャント抵抗器ＡのＴＣＲ特性から、高精度の電流検出が必要な用途へは適していないため、出力信号もデジタル信号とすることで制御機器側の処理負担を軽減することが好ましい。

【0039】

電流値が規定値を超えた場合に、Ｈｉｇｈレベルを出力し、電流値が規定値以内ではＬｏｗレベルを出力するようにする。用いられるデジタル回路は、コンパレータ等を使用した簡易的な回路とすることができる。そして、回路の絶縁機能は、上記のようなフォトカップラなどの簡易な部品で実現することが可能である。

【0040】

加えて、本実施の形態による電流検出回路を、他の検出回路に付加することも可能である。例えば、電圧検出回路などを設けて電圧検出などにも利用することができる。

【0041】

（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。本実施の形態は、シャント抵抗器の別の形態を含む。図６は、本実施の形態によるシャント抵抗器であって、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を板体（抵抗体）１の材料として用いたシャント抵抗器の斜視図である。

【0042】

本実施の形態によるシャント抵抗器Ｄは、第１の実施の形態と同様に、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金を長尺の板体１として用い、例えばその中央付近をプレスすることにより、中央の抵抗体３領域を上方に持ち上げた持ち上げ構造を有している。その他の構造は図１と同様である。このような折り曲げ構造を備えたシャント抵抗器Ｄを、回路上に面実装して用いることができる。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べて、シャント抵抗器のより一層の小型化が可能である。

【0043】

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態によるシャント抵抗器について説明する。シャント抵抗器の基本的な構造は第１から第３までのいずれかの実施の形態の場合と同様で良い。
表２は、表１に示した各金属材料の組成比のより具体的な一例を示す図である。

【0044】

【表2】

【0045】

表２に示すＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金のうち実施例１－１で示される例では、例えば、Ｎｉが１．５～４．０ｗｔ％、Ｚｎが０．１～０．５ｗｔ％，Ｓｉが０．３～０．９ｗｔ％、Ｓｎ，Ｍｇの少なくとも１の金属が０．１～１ｗｔ％、残部がＣｕ（９３．６～９８ｗｔ％）である（総計で１００ｗｔ％）。
この例では、固有抵抗値は４～５μΩ・ｃｍ，ＴＣＲが１０００～２０００程度である。

【0046】

一方、実施例１－２で示される例では、例えば、Ｎｉが１．６ｗｔ％、Ｚｎが０．４ｗｔ％，Ｓｉが０．４ｗｔ％、Ｓｎが０．５ｗｔ％、残部がＣｕ（約９７．１ｗｔ％）である。
この例では、固有抵抗値は４．３μΩ・ｃｍ，ＴＣＲが１５００程度である。

【0047】

すなわち、表１におけるＣｕの割合が高いケースに相当するため、固有抵抗値はマンガニンやゼラニン３０よりも低く、一方、ＴＣＲはマンガニンやゼラニン３０よりも高い値を示す。従って、固有抵抗値を低くする必要性が高い場合に有効である。

【0048】

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態によるシャント抵抗器について説明する。シャント抵抗器の基本的な構造は第１の実施の形態と同様で良い。
表３は、表１に示した各金属材料の組成比のより具体的な一例を示す図である。

【0049】

【表3】

【0050】

表３に示すＣｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金のうち実施例２－１で示される例では、例えば、Ｎｉが５～１０ｗｔ％、Ｚｎが５～１２ｗｔ％，Ｓｉおよび／またはＴｉが０～１ｗｔ％、残部がＣｕ（約７７～９０ｗｔ％）である。
この例では、固有抵抗値は１０～１５μΩ・ｃｍ，ＴＣＲが２００～１０００程度である。

【0051】

一方、実施例２－２で示される例では、例えば、Ｎｉが６ｗｔ％、Ｚｎが１１ｗｔ％、残部がＣｕ（約８３ｗｔ％）である。
この例では、固有抵抗値は１１．５μΩ・ｃｍ，ＴＣＲが６００程度である。

【0052】

すなわち、表１におけるＣｕの割合が低いケースに相当するため、固有抵抗値はマンガニンやゼラニン３０よりも低いが表２のケースよりは高く、一方、ＴＣＲはマンガニンやゼラニン３０よりも高いが表２のケースよりは低い値を示す。従って、抵抗値を低くするがＴＣＲをあまり高くしたくない場合に有効である。

【0053】

以上のように、マンガニンやゼラニン３０には含めないＺｎを合金中に含めることで、低抵抗化および低ＴＣＲ化が可能である。

【0054】

第４及び第５の実施の形態によれば、銅よりも低ＴＣＲかつマンガニンよりも低抵抗のシャント抵抗器を実現することができる。
従って、本実施の形態によれば、抵抗体と電極とを同じ材料で形成したシャント抵抗器において、低抵抗を実現し、且つ、ＴＣＲも良好な特性を得ることができる。

【0055】

また、添加する元素の割合を調整することで、表２と表３を比較すればわかるように、ある程度所望の特性値を有するシャント抵抗器を製造することができる。

【0056】

また、本実施の形態によれば、その様な材料組成を決定して、短絡電流を検出するために最適なシャントの構造を提供することができる。
加えて、電流検出部も接続することによって、短絡電流検出可能なシステム実現することができる。

【0057】

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。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は、シャント抵抗器に利用可能である。

【符号の説明】

【0059】

Ａ シャント抵抗器
Ｂ 増幅回路
Ｘ 電流測定装置
１ 板体
３ 抵抗体
５ａ，５ｂ 電極
１１ａ，１１ｂ 電圧検出端子
２１ 回路基板
２３ａ，２３ｂ スルーホール（貫通孔）
２５ ΔΣ変換アナログ絶縁アンプ
２７ Ａ／Ｄ変換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】