JP2014085245A - 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、電圧検出ＩＣ３０と電気的に接続する一対の回路パターン２１と、一対の回路パターン２１と電気的に接続する一対のランド部２２と、を備えており、一対のランド部２２を近接して配置する一方、一対のランド部２２と電圧検出ＩＣ３０とを離間して配置している。また、接続端子４０のそれぞれは、ランド部２２と当接して配置されており、このランド部２２を介在させた状態で回路基板２０にねじ止めされている。
【選択図】図３

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、回路基板における一対の接続端子間の長さと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。一方で、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。この温度分布により、回路基板における各接続端子の間に温度差が生じると、回路基板上の配線パターンと、接続端子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、シャント抵抗式電流センサにおいて、熱起電力を抑制して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、バスバと一体形成されており、バスバと回路基板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。ここで、回路基板は、電圧検出手段と電気的に接続する一対の回路パターンと、一対の回路パターンと電気的に接続する一対のランド部と、を備えるとともに、一対のランド部を近接して配置する一方、一対のランド部と電圧検出手段とを離間して配置して構成されている。また、接続端子のそれぞれは、ランド部に当接して配置されており、当該ランド部を介在させた状態で回路基板にねじ止めされる。

ここで、本発明において、回路基板は、電圧検出手段を実装する基板上面と、バスバと向き合う基板下面とを備えている。この場合、一対のランド部は、回路基板の基板下面側に配置されていることが好ましい。また、回路パターンのそれぞれは、スルーホールを介して基板上面側から基板下面側へと至る一連のパターンとして形成されていることが望ましい。

また、本発明において、一対のランド部は、ねじ止め位置に対応して、回路基板の基板上面側にさらに配置されていることが望ましい。

さらに、本発明において、接続端子のそれぞれは、基板下面側のランド部と当接する端部領域が回路基板と平行するように折り曲げ加工されていることが好ましい。

本発明によれば、温度分布に起因する回路基板上の配線パターンと接続端子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、ねじを用いて接続端子を回路基板に固定するものの、回路基板と接続端子との間にランド部を介在させることで、接続端子が回路パターンに直接接続するといった状態を抑制することができる。これにより、ねじ止めしたねじ部で熱起電力が生じてしまうといった不都合を抑制することができる。その結果、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。

第１の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下面図 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 回路基板の構成を模式的に示す説明図 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 第２の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６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 回路基板の構成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り、図２は、図１に示すシャント抵抗式電流センサ１を模式的に示す下面図である。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。

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、被測定電流が流れるようになっており、その一部をシャント抵抗部として機能させることができる。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。

このバスバ１０において、シャント抵抗部の両端部と対応する位置は、バスバ電圧検出部１３として機能しており、個々のバスバ電圧検出部１３には、バスバ１０と回路基板２０とを電気的・機械的に接続する接続端子４０が接続されている。本実施形態において、一対の接続端子４０は、バスバ１０と一体形成されており、その自由端側が回路基板２０の所定箇所に対して当接配置されている。

個々の接続端子４０は、バスバ電圧検出部１３から延出すると、バスバ１０の周縁部に沿って延在し、回路基板２０の下方において斜め上方（回路基板側）に向かって立ち上げられている。そして、個々の接続端子４０は、斜め上方に向かってそのまま延在すると、その後、回路基板と平行するように、再度折り曲げられて、その自由端側が回路基板２０に固定されている。後述するように、接続端子４０と回路基板２０との固定方法は、ねじ２５によるねじ止めにより行われる。

回路基板２０は、バスバ１０の上方に配置されており、基板下面側がバスバ１０と向かい合うように所定のスペースを隔てて配置されている。回路基板２０の基板上面側には、電圧検出ＩＣ３０が搭載されており、この電圧検出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、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。

図３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り、図４は、回路基板２０の構成を模式的に示す説明図である。なお、図３，４では、回路基板２０の基板下面側を上向きとして各要素が描かれている。回路基板２０には、一対の回路パターン２１が形成されている。個々の回路パターン２１は、その一方の端部が電圧検出ＩＣ３０と電気的に接続されている。

回路基板２０には、接続端子４０の端部が当接されるランド部２２が、一対の回路パターン２１に対応して一つずつ形成されている。個々のランド部２２は、回路パターン２１の他方の端部と接続されており、これにより、接続端子４０と回路パターン２１とを電気的に接続する。個々のランド部２２には、金メッキやハンダメッキ等の表面処理が施されており、これにより、接続端子４０の接続の信頼性を向上させることができる。

本実施形態において、接続端子４０は、基板下面側から回路基板２０に固定する構造となっているため、これらのランド部２２も基板下面側に配置されている。このため、回路パターン２１は、電圧検出ＩＣ３０から基板下面側のランド部２２までの間を電気的に接続するために、スルーホール２０ａを介して基板上面側から基板下面側へと至る一連のパターンとして形成されている。

また、本実施形態の特徴の一つとして、一方の回路パターン２１に対応するランド部２２は、他方の回路パターン２１に対応するランド部２２の近傍に位置するように設定されている。すなわち、一対のランド部２２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つのランド部２２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、一対のランド部２２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、一対のランド部２２と電圧検出ＩＣ３０とは互いに離間した位置に配置している。これにより、一対のランド部２２の間の距離は、この一対のランド部２２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。

また、回路基板２０の基板上面側にも、基板下面側に配置された一対のランド部２２と対応する位置に、ランド部２３がそれぞれ設けられている。このため、回路パターン２１は、電圧検出ＩＣ３０から基板上面側のランド部２３までの間を電気的に接続するために、基板上面側に形成されるパターンが、前述のスルーホール２０ａから基板上面側のランド部２３まで延長して形成されている。

前述の接続端子４０は、基板下面側のランド部２２と当接して配置されており、ねじ２５によりランド部２２を介在させた状態で回路基板２０にねじ止めされている。ここで、回路基板２０の対応する位置には、貫通孔２０ｂが形成されており、基板下面側のランド部２２及び基板上面側のランド部２３の対応する位置にも同様に貫通孔（図示せず）が形成されている。そして、ねじ２５は、回路基板２０の基板上面側から基板下面側へと挿入されており、回路基板２０と接続端子４０とが締結固定される。ねじ止めされた状態では、基板上面側のランド部２３にねじ２５のねじ頭が当接し、基板下面側のランド部２２に接続端子４０の端部が当接した状態で保持される。

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、電圧検出ＩＣ３０と電気的に接続する一対の回路パターン２１と、一対の回路パターン２１と電気的に接続する一対のランド部２２と、を備えており、一対のランド部２２を近接して配置する一方、一対のランド部２２と電圧検出ＩＣ３０とを離間して配置している。

かかる構成によれば、一対のランド部２２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、一対のランド部２２に対する熱的影響を抑制することができる。また、一対のランド部２２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、一対のランド部２２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、一対のランド部２２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、接続端子４０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。

換言すれば、一対のランド部２２の間の距離は、この一対のランド部２２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、ランド部２２に対する熱的影響を抑制しつつ、ランド部２２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、本実施形態では、接続端子４０のそれぞれは、ランド部２２と当接して配置されており、このランド部２２を介在させた状態で回路基板２０にねじ止めされている。

接続端子４０を回路基板２０に直接当接させた状態でねじ止め固定し、当該接続端子４０と回路パターン２１とが直接接続された場合には、ねじが挿入されたねじ部で熱起電力が生じてしまう。接続端子４０と回路基板２０との機械的な接続に、鉄やステンレスといった材料よりなる一般的なねじを使用することを考慮した場合、回路パターン２１の材料である銅との間に大きな熱起電力が生じ易いからである。しかしながら、本実施形態によれば、ねじ２５を用いて接続端子４０を回路基板２０に固定するものの、ランド部２２を間に挟むことで、当該接続端子４０が回路パターン２１に直接接続するといった状態を抑制することができる。これにより、ねじ部に熱起電力が生じてしまうといった不都合を抑制することができる。その結果、一般的なねじ２５を利用して接続端子４０を回路基板２０に固定しつつも、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、本実施形態において、一対のランド部２２は、回路基板２０の基板下面側に配置されており、回路パターン２１のそれぞれは、スルーホール２０ａを介して基板下面と基板上面に形成されて、基板下面側のランド部２２と電圧検出ＩＣ３０との間を接続する。かかる構成によれば、基板下面側のランド部２２と、基板上面側の電圧検出ＩＣとの電気的な接続を容易に実現することができる。

また、一対のランド部２３は、ねじ止め位置に対応して、回路基板２０の基板上面側にさらに配置されている。かかる構成によれば、回路基板２０に螺合されたねじ２５（ねじ頭）が回路パターン２１に接触することなく、一対のランド部２３を間に挟むこととなる。これにより、ねじ２５は、回路パターン２１の材料である銅と大きな熱起電力が生じ易いということがあるが、本実施形態によれば、このような熱起電力の発生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と一体形成されている。このため、接続端子４０をバスバ１０に接続するための特別な部品を不要とすることができる。また、この接続端子４０は、基板下面側のランド部２２と当接する端部領域が回路基板２０と平行するように折り曲げ加工されている。これにより、接続端子４０が回路基板２０に接触するといった事態を抑制することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかるシャント抵抗式電流センサ１が、第１の実施形態のそれと相違する点はランド部の構成である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行うこととし、重複する内容については説明を省略する。ここで、図６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。また、図７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り、図８は、回路基板２０の構成を模式的に示す説明図である。なお、図７，８では、回路基板２０の基板下面側を上向きとして各要素が描かれている。

本実施形態では、回路基板２０には、基板下面側、すなわち、接続端子４０との当接側にのみ、回路パターン２１に対応するランド部２２が配置されている。回路パターン２１は、電圧検出ＩＣ３０から基板下面側のランド部２２までの間を電気的に接続するために、スルーホール２０ａを介して基板上面側から基板下面側へと至る一連のパターンとして形成されている。一方、基板上面側の回路パターン２１は、スルーホール２０ａの位置からねじ２５までの間には形成されておらず、そのため、基板上面側のランド部の配置が不要とされている。

このように本実施形態によれば、ねじ２５を用いて接続端子４０を回路基板２０に固定するものの、ランド部２２を間に挟むことで、当該接続端子４０が回路パターン２１に直接接続するといった状態を抑制することができる。これにより、ねじ部に熱起電力が生じてしまうといった不都合を抑制することができる。その結果、一般的なねじ２５を利用して接続端子４０を回路基板２０に固定しつつも、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。

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。また、一対のランド部と電圧検出手段との位置関係は、上述した形態に限定されず、前述した機能、構成を備える限り、自由なレイアウトを採用することができる。

１ シャント抵抗式電流センサ
１０ バスバ
１３ バスバ電圧検出部
２０ 回路基板
２０ａ スルーホール
２０ｂ 貫通孔
２１ 回路パターン
２２，２３ ランド部
２５ ねじ
３０ 電圧検出ＩＣ
４０ 接続端子
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 (4)

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、
   前記バスバと一体形成されており、前記バスバと前記回路基板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、前記電圧検出手段と電気的に接続する一対の回路パターンと、前記一対の回路パターンと電気的に接続する一対のランド部と、を備えるとともに、前記一対のランド部を近接して配置する一方、前記一対のランド部と前記電圧検出手段とを離間して配置して構成されており、
   前記接続端子のそれぞれは、前記ランド部に当接して配置されており、当該ランド部を介在させた状態で前記回路基板にねじ止めされることを特徴とするシャント抵抗式電流センサ。
2. 前記回路基板は、前記電圧検出手段を実装する基板上面と、前記バスバと向き合う基板下面とを備えており、
   前記一対のランド部は、前記回路基板の基板下面側に配置されており、
   前記回路パターンのそれぞれは、スルーホールを介して基板上面側から基板下面側へと至る一連のパターンとして形成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. 前記一対のランド部は、前記ねじ止め位置に対応して、前記回路基板の基板上面側にさらに配置されてい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。
4. 前記接続端子のそれぞれは、前記基板下面側のランド部と当接する端部領域が前記回路基板と平行するように折り曲げ加工されていることを特徴とする請求項２又は３に記載されたシャント抵抗式電流センサ。

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