(57)【要約】【課題】低インダクタンスで、発熱による抵抗値の変化を小さくする。【解決手段】複数の導電性ストリップを積み重ね、絶縁し、折り曲げて低抵抗で低インダクタンスなシャント４００となる幾何学的形状へと変形させる。この形状は、自己発熱の影響で抵抗値が変化するのを低減すべく、冷却しやすいものとする。この幾何学的形状の１つは、導電性ストリップをスパイラル形状に巻くことによって得られる。別の形状としては、波に似た形状である。どちらの形状も、ファンからの気流をそれらの表面部分を横切る向きとすることで冷却を可能にする。シャント４００の測定温度か又はシャントを流れる電流の測定値に応じて、速度可変冷却ファン７０２を制御する。シャントの種々の部分の測定温度に応じて、異なる部分を通る気流量を異なるものとする非一様冷却を用いても良い。【選択図】図７Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路において使用する低インダクタンス電気シャントであって、
積み重ねられて、重なり合う複数の導電性レイヤーからなる積み重ね構造を形成する長く伸びた複数の導電性ストリップと、
複数の上記導電性ストリップの少なくとも１つの上に配置され、積み重ねた上記導電性ストリップを互いに電気的に絶縁する絶縁層と、
長く伸びた複数の上記導電性ストリップの露出した両端部と
を具え、
積み重ねた上記導電性ストリップを長手のほぼ中央において二つ折りにして重ね、
二つ折りで重ねた上記導電性ストリップを冷却用の気流が横切って通過できるように、二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形を長手方向に沿って変形させることを特徴とする低インダクタンス電気シャント。
【請求項２】
二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形がスパイラルに変形されることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項３】
二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形が波型に変形されることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項４】
長く伸びた複数の上記導電性ストリップがほぼ同じ長さであることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項５】
長く伸びた複数の上記導電性ストリップは、これらの端部に長さ方向の段階的なオフセットがあるようにして長手方向に配置されることを特徴とする請求項４記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項６】
長く伸びた複数の上記導電性ストリップの一端部の露出した端部が互いに結合されることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項７】
長く伸びた複数の上記導電性ストリップの上記両端部のそれぞれが回路に結合され、電流が上記両端部の第１セットへと流入し、上記両端部の第２セットから流出し、二つ折りされているために上記電流が反対方向に流れることで上記シャント全体としてのインダクタンスが相殺されることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項８】
複数の上記導電性レイヤーからなる上記積み重ね構造には、第１、第２及び第３導電性ストリップが含まれることを特徴とする請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項９】
外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップを横切る方向に気流を方向付ける冷却ファンを更に具える請求項１記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項１０】
外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの温度を検出するための隣接する温度センサと、
上記シャントの測定温度に応じて上記気流を変化させるための上記冷却ファンに結合されたコントローラと
を更に具える請求項９記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項１１】
上記シャントの異なる部分に近接する２つの温度センサと、
異なる測定温度に応じて上記シャントの上記異なる部分を横切る気流の量を制御する手段と
を具える請求項９記載の低インダクタンス電気シャント。
【請求項１２】
外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップに結合され、上記シャントを流れる電流量を検出する電流センサと、
上記冷却ファンに結合され、上記シャントの測定電流量に応じて上記気流を変化させるコントローラと
を更に具える請求項９記載の低インダクタンス電気シャント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大まかに言えば、電流を測定するためのシャントに関し、特に、高周波数での使用に適した低抵抗シャントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているシャント（分流器）の一例は、同軸シャントである（特許文献１参照）。その名前が示唆するように、同軸シャントは、２つの同心円シリンダを有し、このとき、電流が内部シンリダに沿って流れ、外部シリンダを介して戻ってくる。この構成によれば、両方の電流が空間的にほぼ同じ位置を反対に流れるので、インダクタンスを低くできる。しかし、同軸シャントにも、欠点がある。例えば、製造コストが比較的高いことがあげられる。また、サイズが大きくなりがちで、冷却するのが難しい。
【０００３】
従来のシャントの第２の例は、「フラット・シャント」である。フラット・シャントには、半分に折り畳まれた長い金属ストリップがあり、その折り畳まれた間に薄い絶縁層が配置される。この配置によればインダクタンスは低くなるが、とてもかさばり、同軸シャントよりも冷却が困難にさえなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−０４３３８７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ（英語版と日本語版）、”Manganin”、［オンライン］、［２０１４年１月２４日検索］、インターネット<URL：http://en.wikipedia.org/wiki/Manganin>
【非特許文献２】東レ・デュポン株式会社、”カプトン（登録商標）”、［オンライン］、［２０１４年１月２４日検索］、インターネット<URL：http://www.td-net.co.jp/kapton/>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のごとく、同軸シャントは、製造コストが比較的高く、サイズが大きくなりがちで、冷却するのが難しい。また、フラット・シャントの配置によれば、インダクタンスは低くなるが、とてもかさばり、同軸シャントよりも冷却が困難にさえなる。
【０００７】
そこで、電流の流れによる自身の発熱が原因で生じる抵抗の変化が小さく（例えば、温度上昇が最小）で、広い周波数範囲に渡ってフラットな応答を維持するような低インダクタンスを実現する電流測定に適したシャントの配置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、導電性ストリップは、絶縁され、折り曲げられ、低抵抗、低インダクタンスなシャントとなる幾何学的形状へと形成されるが、このとき、この幾何学的形状は、自己発熱による抵抗値の変化を冷却手段が容易に低減できる外形（輪郭）に形成にされる。こうした幾何学的形状の１つは、導電性ストリップをスパイラルに曲げることによって得られる。その他のこうした幾何学的形状は、波に似た形状へと導電性ストリップを大まかに折り曲げることによって得られる。これら幾何学的形状のどちらも、例えばファンからの気流を、各形状の表面部分を横切る方向へと向けることで冷却が可能となる。本発明の他の実施形態には、シャントの測定された温度に応答する速度可変ファンを利用することが含まれる。本発明の更に他の実施形態には、シャントの測定温度に応じてシャントの種々の部分を横切る気流の量を変化させる手段を用いる非一様な（部分ごとの異なる温度に応じた）冷却がある。本発明の更に別の実施形態では、シャントを流れる電流の測定値に応じて、速度可変ファン又は可変気流を制御する。
【０００９】
本発明の概念１は、電気回路において使用する低インダクタンス電気シャントであって、
積み重ねられて、重なり合う複数の導電性レイヤーからなる積み重ね構造を形成する長く伸びた複数の導電性ストリップと、
複数の上記導電性ストリップの少なくとも１つの上に配置され、積み重ねた上記導電性ストリップを互いに電気的に絶縁する絶縁層と、
長く伸びた複数の上記導電性ストリップの露出した両端部と
を具え、
積み重ねた上記導電性ストリップを長手のほぼ中央において二つ折りにして重ね、
二つ折りで重ねた上記導電性ストリップを冷却用の気流が横切って通過できるように、二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形を長手方向に沿って変形させることを特徴としている。
【００１０】
本発明の概念２は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形がスパイラル（螺旋形状）に変形されることを特徴としている。
【００１１】
本発明の概念３は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの外形が波型に変形されることを特徴としている。
【００１２】
本発明の概念４は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、長く伸びた複数の上記導電性ストリップがほぼ同じ長さであることを特徴としている。
【００１３】
本発明の概念５は、上記概念４による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、長く伸びた複数の上記導電性ストリップは、これらの端部に長さ方向の段階的なオフセットがあるようにして長手方向に配置されることを特徴としている。
【００１４】
本発明の概念６は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、長く伸びた複数の上記導電性ストリップの一端部の露出した端部が互いに結合されることを特徴としている。
【００１５】
本発明の概念７は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、長く伸びた複数の上記導電性ストリップの上記両端部のそれぞれが回路に結合され、電流が上記両端部の第１セット（複数の導電性ストリップの一方の端部）へと流入し、上記両端部の第２セット（複数の導電性ストリップの他方の端部）から流出し、二つ折りされているために上記電流が反対方向に流れることで上記シャント全体としてのインダクタンスが相殺されることを特徴としている。
【００１６】
本発明の概念８は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、このとき、複数の上記導電性レイヤーからなる上記積み重ね構造には、第１、第２及び第３導電性ストリップが含まれることを特徴としている。
【００１７】
本発明の概念９は、上記概念１による低インダクタンス電気シャントであって、外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップを横切る方向に気流を方向付ける冷却ファンを含んでいる。
【００１８】
本発明の概念１０は、上記概念９による低インダクタンス電気シャントであって、外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップの温度を検出するための隣接する温度センサと、上記シャントの測定温度に応じて上記気流を変化させるための上記冷却ファンに結合されたコントローラとを含んでいる。
【００１９】
本発明の概念１１は、上記概念９による低インダクタンス電気シャントであって、上記シャントの異なる部分に近接する２つの温度センサと、異なる測定温度に応じて上記シャントの上記異なる部分を横切る気流の量を制御する手段とを含んでいる。
【００２０】
本発明の概念１２は、上記概念９による低インダクタンス電気シャントであって、外形を変形させて二つ折りで重ねた上記導電性ストリップに結合され、上記シャントを流れる電流量を検出する電流センサと、上記冷却ファンに結合され、上記シャントの測定電流量に応じて上記気流を変化させるコントローラとを含んでいる。
【００２１】
本発明の目的、特徴及び効果は、図を参照して詳細な説明を読むことによって、より明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態による３つの導電性ストリップの平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態によるシャントの製造工程の１段階における側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態によるシャントの製造工程の次の段階における側面図である。
【図４】図４は、図３のシャント構体をスパイラル幾何学形状に折り曲げたものの側面図である。
【図５】図５は、スパイラル幾何学形状に折り曲げた図４の実施形態の斜視図である。
【図６】図６は、図３のシャント構体を波型幾何学形状に折り曲げたものの側面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明によるシャントのための冷却システムの第１の例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明によるシャントのための冷却システムの第２の例を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明によるシャントのための冷却システムの第３の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１〜３は、図４〜６に示す本発明の実施形態によるシャントの製造工程の初期の数段階の状態を示す図である。
【００２４】
図１は、Ｍａｎｇａｎｉｎ（登録商標：マンガニン）製導電性材料の３つのストリップ１００、１１０及び１２０を示す。マンガニンは、長期にわたって特性が安定し、また、電気抵抗値の温度依存性が極めて小さいことで知られている。この例における導電性材料は、銅約８６％、マンガン約１２％、ニッケル約２％から構成される。各ストリップの寸法は、幅が約３０ミリ・メータ、長さ約１８５ミリ・メータ、厚さ約０．１ミリ・メータである。ストリップ１００及び１２０は、各端部に露出する約５ミリ・メータの地金を残して、１．２５インチ（約３１．７５ミリ・メータ）幅のカプトン（登録商標）製テープ１０５及び１２５で両側面が絶縁される。このテープは、ストリップの中央部分に適用される。カプトンは、米国デュポン社のポリイミドフィルムの商品名であり、高強度で、耐熱性、絶縁性に優れ、線膨張係数が低く、熱膨張による歪みが生じにくいことで知られる。
【００２５】
図２を参照すると、導電性ストリップ１００、１１０、１２０が重ねられるが、長手方向にお互いに順次約１．５ｍｍのオフセットが設けられる。この重ねた物は、一番上のストリップの一端から約９０ｍｍの位置で、カプトン（登録商標）テープ２３０を一巻きして一緒にテープで固定される。
【００２６】
図３は、カプトン・テープ２３０が適用されている中点においてロッド３３５で折り曲げられた導電性ストリップ１００、１１０、１２０の組み立て構体を示す。わかりやすくするため、図３ではカプトン・テープ２３０を示していないが、破線のボックス３３０ａで示される領域内に配置されている。
【００２７】
１つの実施形態では、この点において、ストリップを手で大雑把に屈曲させても良いが、好ましくは、ジグで大雑把に屈曲させ、図４に示すように、スパイラル形状４００へと変形させる。得られるスパイラル形状には、約２１.５ｍｍの主軸（つまり、水平軸）４０２と、約２１ｍｍの副軸（つまり、垂直軸）４０４とを有する円筒状部分がある。スパイラル部分４０８及び「脚部」４１０及び４１２を含む構成は、端から端まで約３１ｍｍの高さ４０６がある。図４のスパイラル構成には、２つの端部４４０及び４４０ａがある。端部４４０及び４４０ａのそれぞれには、導電体１００、１１０、１２０それぞれの両端の一端部がある。３つの導電体１００、１１０、１２０の全ては、端部４４０及び４４０ａのそれぞれで、互いに半田付けされる。上述のようにして形成されるシャントは、９.３７５ｍΩ（ミリ・オーム）の抵抗値を示す。好ましくは、スパイラルは、巻きの間を空気が流れることができるように、大雑把に屈曲される。
【００２８】
図５は、図４のスパイラル実施形態の斜視図である。上述のように、この構成の端から端までの高さ４０６は、約３１ｍｍである。この構成の円筒状部分の長手軸の長さ（つまり、導電性ストリップ１００、１１０、１２０の幅）４１４は、約３０ｍｍである。上述のように、導電性ストリップ１００、１１０、１２０の裸の端部は、４５０、４５０ａのポイントに現れるが、互いに半田付けされ、回路の入力／出力リード線にそれぞれ結合しても良い。空気の流れは、円筒の長手４１４に沿って流れることが理解できよう。
【００２９】
図６を参照すると、図示した波型形態６００のような別の幾何的形状を用いて、均一な温度傾斜を維持するようにしても良いことが理解できよう。これを組み立てるには、基本的には、上述のような行程で行うので、ここでは、これら行程について再度の説明は省略する。図５の実施形態と同様に、導電性ストリップ１００、１１０、１２０の裸の端部がポイント６４０及び６４０ａに現れるが、各端部で互いに半田付けされる。続いて、二つ折りで重ねたものを、図示のように、波状の外形に形成する。
【００３０】
これらユニークな実施形態のそれぞれは、電流が空間的にほぼ同じ位置を流れて戻ってくる（往復が反対方向）ので、低インダクタンスになるという利点がある。低インダクタンスになることによって、高周波数（つまり、数ＭＨｚ）での動作が可能となる。どちらも小型な構成となっている。どちらも、スパイラル又は波型形状の間における対流の流れ又は小さなファンで空気を送ることで、冷却が容易である。どちらの実施形態も、高い性能を示す一方で、安価である。回路中のシャントは、ピークで１００Ａの電流、実効値で３０Ａの連続する電流を経験する可能があるので、冷却が容易なことは重要である。好ましくは、シャントは、６０度Ｃ（１４０度Ｆ）よりも低く維持されるのが良い。
【００３１】
自身の発熱による抵抗値の変化を低減するためのシャントの冷却に関しては、電流が低レベルの場合には対流だけで十分であるとしても、冷却ファンの使用が好ましい。上述のように、これら幾何学的形状のどちらも、図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに示すように、ファンからの気流を各形状の表面部分を横切るように方向付けることで冷却が可能である。本発明の別の実施形態では、速度可変冷却ファン７０２を含んでいる。本発明の１つの実施形態では、図７Ａに示すように、シャントの温度センサ７０６での測定温度に応じて、ファンの速度をマイクロプロセッサなどのようなコントローラ７０４で制御する。更に別の本発明による実施形態では、図７Ｂに示すように、シャントの差分温度センサ７０８で測定された温度差に応じて、シャントの種々の部分に対して流れる気流の量を変化させる差分冷却（differential cooling：各部分の温度の差を考慮した冷却）を用いている。こうしたファン７１２からの気流の変化は、例えば、可動ファン・ルーバ７１０で実現しても良く、このとき、ファン・ルーバの位置は、マイクロプロセッサ７１４によって制御される。更に別の本発明による実施形態では、図７Ｃに示すように、速度可変ファン７０２又は可変気流（７１０参照）を、シャントを流れる電流の測定値に応じて制御しても良い。つまり、シャントを流れる電流量をセンサ７１６で感知することで、実際の温度を測定する代わりとして十分に機能するということである。これは、生成される熱は、「Ｉ−Ｒ2」（電流−抵抗）で発熱するからである（加えて、周囲の温度の影響）。このように、生成される熱は、シャントを流れる電流量に関係している。
【００３２】
９.３７５ｍΩ（ミリ・オーム）のシャントで説明したが、０.６Ωのような他の抵抗値を用いても良く、こうした他の抵抗値も本発明に含むことを意図している。上述の例では、３つの導電性レイヤーを重ねたものを用いているが、２レイヤーや４レイヤーなど、他の個数のレイヤーを用いても良い。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態において本発明の原理を説明及び図示してきたが、こうした原理を離れることなく、構成や詳細を変更できることは当然である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  導電性ストリップ
１０５  カプトン製テープ（絶縁テープ）
１１０  導電性ストリップ
１２０  導電性ストリップ
１２５  カプトン製テープ（絶縁テープ）
２３０  カプトン製テープ（絶縁テープ）
３３５  ロッド
４００  スパイラル型シャント
４０２  主軸（水平軸）
４０４  副軸（垂直軸）
４０８  スパイラル部分
４１０  脚部
４１２  脚部
４１４  円筒状部分の長手軸の長さ
４４０  端部
４４０ａ  端部
４５０  導電性ストリップの露出した端部
４５０ａ  導電性ストリップの露出した端部
６４０  導電性ストリップの露出した端部
６４０ａ  導電性ストリップの露出した端部
７０２  冷却ファン
７０４  コントローラ
７０６  温度センサ
７０８  差分温度センサ
７１０  可動ファン・ルーバ
７１２  冷却ファン
７１４  ルーバ位置コントローラ
７１６  電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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