JP2014062810A - シャント抵抗式電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】シャント抵抗式電流センサにおいて、熱起電力の発生を抑制し、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出する。
【解決手段】
シャント抵抗式電流センサ１において、回路基板２０は、それぞれが電圧検出ＩＣ３０と接続する一対の回路パターン２１を備えるとともに、当該回路パターン２１のそれぞれは、接続端子４０と電気的に接続する電圧検出用ランド２１ａを備えている。この場合、一対の電圧検出用ランド２１ａを互いに近接して配置するとともに、一対の電圧検出用ランド２１ａと電圧検出ＩＣ３０とを互いに離間して配置している。そして、回路基板２０には、一対の接続端子４０を内包するように形成された、熱伝導性を備える封止部材５０が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャント抵抗式電流センサに関する。

従来、パルス電流や交流大電流等を検出するため抵抗値が既知なシャント抵抗部に被測定電流を流し、このシャント抵抗部に生じる電圧降下を検出することで被測定電流の大きさを検出するシャント抵抗式電流センサが提案されている。例えば、自動車などの車両では配電にバスバと呼ばれる金属片が使用されることがあり、電流の経路に相当するバスバの一部をシャント抵抗部として利用している。このバスバ上には回路基板が配置されており、当該回路基板には、バスバに流れる被測定電流の大きさを検出するために、電圧値を検出する電圧検出手段が搭載される。バスバと回路基板とは接続端子によって電気的に接続される。

例えば特許文献１には、測定対象となる電流経路に介挿されるバスバと、電流測定用回路が組込まれたフレキシブル配線板とを備える電流センサが開示されている。この電流センサにおいて、フレキシブル配線板は、バスバと重ね合うように配設されており、フレキシブル配線板とバスバとが半田付け等による一対の接続端子を介して電気的、機械的に接続されている。

例えば特許文献２には、測定対象となる電流経路に介装されたバスバと、電流測定用の回路が組込まれた回路基板とを備える電流センサが開示されている。バスバには、一対の直線形状のピン状接続端子がそれぞれ直立するように配設されており、バスバと回路基板とは、一対のピン状接続端子を介して電気的、機械的に接続されている。

また、例えば特許文献３に開示されている手法によれば、バッテリの負極ターミナルに接続されるバスバは、バッテリの電流の大きさを検出するためのシャント抵抗部を兼ねている。ここで、バスバと、回路基板との間は、シャント抵抗部による電位差を検出する一対のポール状の接続端子によって電気的に接続されている。

特開２００５−１８８９７２号公報 特開２００５−１８８９７３号公報 特開２００９−４０３１４号公報

ところで、特許文献１から３に開示された手法によれば、バスバにおける電圧検出区間の長さ、すなわち、バスバにおける一対の接続端子間の長さと、回路基板上における一対の接続端子間の長さは概ね一対一となる関係となっている。このため、回路基板上における一対の接続端子間の長さが大きくなってしまうということが生じ得る。回路基板上には、電圧降下を検出するための素子が搭載されているが、当該素子の発熱により、回路基板上には温度分布が生じる。一対の接続端子は、電圧検出用ランドを介して回路基板上に形成された回路パターンに接続されることとなるが、前述の温度分布により、一対の電圧検出用ランドに温度差が生じる。これにより、回路基板上の配線パターンの材料である銅と、バスバの銅合金との間に熱起電力が生じる。そのため、この熱起電力により、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出することができないという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱起電力の発生を抑制し、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、略平板形状のバスバと、バスバの上方に配置された回路基板と、回路基板とバスバとを電気的に接続する一対の接続端子と、回路基板上に搭載され、バスバに流れる被測定電流の大きさを検出するために一対の接続端子を介して回路基板に印加される電圧値を検出する電圧検出手段と、を有するシャント抵抗式電流センサを提供する。この場合、回路基板は、それぞれが電圧検出手段と接続する一対の回路パターンを備えるとともに、当該回路パターンのそれぞれは、接続端子と電気的に接続する電圧検出用ランドを備えており、一対の電圧検出用ランドを互いに近接して配置するとともに、一対の電圧検出用ランドと電圧検出手段とを互いに離間して配置している。そして、回路基板には、一対の接続端子を内包するように形成された、熱伝導性を備える封止部材が配置されている。

ここで、本発明において、接続端子のそれぞれは、幅狭かつバスバの板厚よりも薄い板状部材で形成されており、回路基板の下方において立ち上げられて、電圧検出用ランドと対応する位置において回路基板を貫通することが好ましい。そして、封止部材は、回路基板の両面にそれぞれ配置されていることが望ましい。

また、本発明において、一対の電圧検出用ランドは、電圧検出手段の発熱に起因する回路基板上の温度分布において、互いに対応する温度範囲に存在するような位置関係に設定されていることが好ましい。

また、本発明において、一対の電圧検出用ランドの間の距離は、当該一対の電圧検出用ランドと電圧検出手段との間の距離よりも相対的に短くなるように設定されていることが好ましい。

また、本発明において、接続端子のそれぞれは、バスバと同一の材料で形成されることが望ましい。

本発明によれば、電圧検出手段の発熱による、一対の電圧検出用ランドに対する熱的影響を抑制することができる。また、それぞれの電圧検出用ランドに温度差が生じるといった事態を抑制することができる。さらに、封止部材により、一対の電圧検出用ランドが均熱化される。これにより、回路基板上の配線パターンと、バスバとの間に生じる熱起電力を抑制することができるので、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出することができる。

本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサを模式的に示す上面図 図１に示すシャント抵抗式電流センサを模式的に示す側面図 本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサを模式的に示す上面図 バスバを中心とするシャント抵抗式電流センサの主要部を模式的に示す上面図 バスバを中心とするシャント抵抗式電流センサの主要部を模式的に示す側面図 シャント抵抗式電流センサの使用状態を模式的に示す説明図

図１は、本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサ１を模式的に示す上面図である。本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサ１は、バッテリターミナルとして用いられるものであって、バスバ１０と、回路基板２０とを主体に構成されている。ここで、図２は、図１に示すシャント抵抗式電流センサ１を模式的に示す側面図である。図３は、本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサ１を模式的に示す上面図であり、封止部材５０を取り除いた状態を示す図である。図４は、バスバ１０を中心とするシャント抵抗式電流センサ１の主要部を模式的に示す上面図であり、回路基板２０を除いた状態のシャント抵抗式電流センサ１を示す説明図である。図５は、図３に示すシャント抵抗式電流センサ１を模式的に示す側面図である。

バスバ１０は、略平板形状の導電部材であって、例えば銅マンガン合金や銅ニッケル合金などにより形成されている。このバスバ１０は、その一部にシャント抵抗部として機能させることができ、被測定電流が流れるようになっている。バスバ１０は、平板形状の鋼材からプレス成形により所望の形状に形成される。

本実施形態において、バスバ１０は、例えば略Ｌ字状に形成され、それぞれの先端部に貫通孔１１，１２が形成されている。一方の貫通孔１１は、バッテリポスト用の孔として機能すると共に、他方の貫通孔１２は、ワイヤーハーネス固定ネジ用の孔として機能する。

また、バスバ１０には、シャント抵抗部の両端部と対応する位置に、バスバ電圧検出部１３がそれぞれ設けられている。個々のバスバ電圧検出部１３は、バスバ１０と一体形成されており、例えば、バスバ１０の周縁部から外方へと部分的に突き出すような形状に形成されている。

回路基板２０は、バスバ１０の上方に配置されており、両者は互いに向かい合うようにして所定のスペースを隔てて離間されている。この回路基板２０上には、電圧検出ＩＣ３０が搭載されており、回路基板２０上に形成された一対の回路パターン２１と接続されている。電圧検出ＩＣ３０は、バスバ１０に流れる被測定電流の大きさを検出するために、後述する一対の接続端子４０を介して回路基板２０に印加される電圧値、すなわち、バスバ１０のシャント抵抗部に印加される電圧値を検出する（電圧検出手段）。これにより、電圧検出ＩＣ３０は、バスバ１０のシャント抵抗部に生じる電圧降下を検出し、その電圧降下からバスバ１０に流れる被測定電流の大きさを検出する。

回路基板２０に形成される一対の回路パターン２１において、個々の回路パターン２１は、例えばその端部位置に電圧検出用ランド２１ａ備えており、当該電圧検出用ランド２１ａにおいて回路パターン２１と接続端子４０とが電気的に接続されている。接続端子４０と電圧検出用ランド２１ａとの接続は、例えば半田付けにより行われるが、これが以外の手法であってもよい。

ここで、一方の回路パターン２１に対応する電圧検出用ランド２１ａは、他方の回路パターン２１に対応する電圧検出用ランド２１ａの近傍に位置するように設定されている。すなわち、一対の電圧検出用ランド２１ａは互いに近接した位置に配置されている。この位置的関係により、電圧検出ＩＣ３０の発熱に起因する回路基板２０上の温度分布において、２つの電圧検出用ランド２１ａが互いに対応する温度範囲に存在するような関係が確保されている。

一方で、一対の電圧検出用ランド２１ａと、電圧検出ＩＣ３０との間の距離が大きくなるように、回路基板２０上において、一対の電圧検出用ランド２１ａと電圧検出ＩＣ３０とは互いに離間した位置に配置している。

また、シャント抵抗式電流センサ１は、バスバ１０と回路基板２０とを電気的・機械的に接続する一対の接続端子４０を備えている。個々の接続端子４０は、バスバ１０と回路基板２０との熱膨張差を吸収でき、かつ、変形し易いように、幅狭な薄板部材で構成されており、バスバ１０の板厚よりも薄い板厚に設定することが好ましい。また、個々の接続端子４０は、一般的なバネ材である銅合金より形成することができるが、バスバ１０と同様の材料、例えば銅マンガン合金や銅ニッケル合金などにより形成することが好ましい。

個々の接続端子４０は、一方の端部がバスバ１０のバスバ電圧検出部１３と接続されており、バスバ１０の周縁部に沿って延在するとともに、回路基板２０の下方において９０度で折り曲げられて、上方（回路基板側）に立ち上げられている。各接続端子４０は、立ち上げられた後、そのまま延在して、電圧検出用ランド２１ａと対応する位置で回路基板２０を下面から上面にかけて貫通している。接続端子４０とバスバ電圧検出部１３との接続方法は、例えばネジ止めを用いることができるが、これに以外にも、ハンダ付けなどであってもよい。

また、本実施形態の特徴の一つとして、回路基板２０には、一対の接続端子４０を内包するように形成された封止部材５０が配置されている。そのため、封止部材５０は、回路基板２０上の一対の電圧検出用ランド２１ａも同様に内包することとなる。また、封止部材５０は、回路基板２０の両面にそれぞれ配置されている。この封止部材５０は、熱伝導性を備える部材で形成されており、例えば、シリコーン系又はウレタン系等の材料を用いることができる。

図６は、本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサ１の使用状態を模式的に示す説明図である。本実施形態に係るシャント抵抗式電流センサ１のバスバ１０はバッテリターミナルとして用いられる。例えば、バスバ１０の貫通孔１１は、バッテリ７０の負極側のバッテリポスト７１に接続され、他方の貫通孔１２にはワイヤーハーネス固定ネジ７２を介してワイヤーハーネスＷに接続される。この場合、シャント抵抗式電流センサ１において、回路基板２０等は図示しない外装ケースによって収容されている。

このように本実施形態のシャント抵抗式電流センサ１において、回路基板２０は、それぞれが電圧検出ＩＣ３０と接続する一対の回路パターン２１を備えるとともに、当該回路パターン２１のそれぞれは、接続端子４０と電気的に接続する電圧検出用ランド２１ａを備えている。この場合、一対の電圧検出用ランド２１ａを互いに近接して配置するとともに、一対の電圧検出用ランド２１ａと電圧検出ＩＣ３０とを互いに離間して配置している。

かかる構成によれば、一対の電圧検出用ランド２１ａと電圧検出ＩＣ３０とが互いに離間することで、電圧検出ＩＣ３０の発熱による、一対の電圧検出用ランド２１ａに対する熱的影響を抑制することができる。また、一対の電圧検出用ランド２１ａを互いに近接配置することで、電圧検出ＩＣ３０の発熱に起因する回路基板２０上の温度分布において、一対の電圧検出用ランド２１ａを互いに対応する温度範囲に存在させることができる。そのため、一対の電圧検出用ランド２１ａに温度差が生じるといった事態を抑制することができる。これにより、回路基板２０上の回路パターン２１と、バスバ１０との間に生じる熱起電力を抑制することができるので、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出することができる。

また、このような構成は有用であるものの、回路基板２０内の微小な温度差や、バスバの温度勾配が接続端子４０に与える影響を排除しきれない可能性もある。そこで、本実施形態では、回路基板２０に、一対の接続端子４０を内包するように形成された、熱伝導性を備える封止部材５０を配置している。これにより、一対の電圧検出用ランド２１ａが均熱化される。これにより、熱起電力を効果的に抑制することができるので、シャント抵抗部に生じる電圧降下を精度よく検出することができる。

また、上述の形態を別側面から捉えた場合、一対の電圧検出用ランド２１ａの間の距離は、この一対の電圧検出用ランド２１ａと電圧検出ＩＣ３０との間の距離よりも相対的に短くなるように設定されている。これにより、電圧検出ＩＣ３０の発熱による、電圧検出用ランド２１ａに対する熱的影響を抑制しつつ、電圧検出用ランド２１ａ間における温度差の発生という事態を抑制することができる。

また、本実施形態において、接続端子４０のそれぞれは、幅狭かつバスバ１０の板厚よりも薄い板状部材で形成されており、回路基板２０の下方において立ち上げられて、電圧検出用ランド２１ａと対応する位置において回路基板（２０）を貫通している。そして、封止部材５０は、回路基板２０の両面にそれぞれ配置されている。

かかる構成によれば、一対の電圧検出用ランド２１ａの均熱化を効果的に行うことができる。また、バスバ１０と回路基板２０との熱膨張差を吸収できる。また、接続端子４０の変形を容易とすることで、回路基板２０との接続箇所に応力が発生するといった事態を抑制することができる。

また、本実施形態において、接続端子４０のそれぞれは、バスバ１０と同一の材料で形成されている。

かかる構成によれば、バスバ１０のバスバ電圧検出部１３間で温度差が生じた際に、熱起電力が生じにくい構成とすることができる。

以上、本実施形態にかかるシャント抵抗式電流センサについて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。例えば、バスバは、その一部をシャント抵抗部として含む形態であるが、これに限らず、その全部をシャント抵抗部として利用してもよい。

１ シャント抵抗式電流センサ
１０ バスバ
１１ 貫通孔
１２ 貫通孔
１３ バスバ電圧検出部
２０ 回路基板
２１ 回路パターン
２１ａ 電圧検出用ランド
３０ 電圧検出ＩＣ
４０ 接続端子
５０ 封止部材
７０ バッテリ
７１ バッテリポスト
７２ 固定ネジ
Ｗ ワイヤーハーネス

Claims (5)

1. 略平板形状のバスバと、
   前記バスバの上方に配置された回路基板と、
   前記回路基板と前記バスバとを電気的に接続する一対の接続端子と、
   前記回路基板上に搭載され、前記バスバに流れる被測定電流の大きさを検出するために前記一対の接続端子を介して回路基板に印加される電圧値を検出する電圧検出手段と、を有し、
   前記回路基板は、
   それぞれが前記電圧検出手段と接続する一対の回路パターンを備えるとともに、当該回路パターンのそれぞれは前記接続端子と電気的に接続する電圧検出用ランドを備えており、
   一対の電圧検出用ランドを互いに近接して配置するとともに、前記一対の電圧検出用ランドと前記電圧検出手段とを互いに離間して配置しており、
   前記回路基板には、前記一対の接続端子を内包するように形成された、熱伝導性を備える封止部材が配置されていることを特徴とするシャント抵抗式電流センサ。
2. 前記接続端子のそれぞれは、幅狭かつ前記バスバの板厚よりも薄い板状部材で形成されており、前記回路基板の下方において立ち上げられて、前記電圧検出用ランドと対応する位置において前記回路基板を貫通しており、
   前記封止部材は、前記回路基板の両面にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載されたシャント抵抗式電流センサ。
3. 前記一対の電圧検出用ランドは、前記電圧検出手段の発熱に起因する回路基板上の温度分布において、互いに対応する温度範囲に存在するような位置関係に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載されたシャント抵抗式電流センサ。
4. 前記一対の電圧検出用ランドの間の距離は、当該一対の電圧検出用ランドと前記電圧検出手段との間の距離よりも相対的に短くなるように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載されたシャント抵抗式電流センサ。
5. 前記接続端子のそれぞれは、前記バスバと同一の材料で形成されることを特徴とする請求項２に記載されたシャント抵抗式電流センサ。

Images