(57)【要約】ＳＭＤインダクタ及びＳＭＤインダクタを製造するための方法が提供される。インダクタは低損失と高ピーク電流耐性とを同時に備える。インダクタは、内部コアピースと、外部コアピースと、ケーブルを有するコイルとを備える。内部コアピースは合金を含む。外部コアピースはフェライトを含む。ケーブルは内部コアピースに巻き付けられ、ケーブルを有する内部コアピースは外部コアピース内に配置されている。
2018538689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ピーク電流耐性及び低損失を有するＳＭＤインダクタであって、
‐  内部コアピースと、外部コアピースと、ケーブルを有するコイルと、を備え、
‐  前記内部コアピースは合金を含み、
‐  前記外部コアピースはフェライトを含み、
‐  前記ケーブルは前記内部コアピースに巻き付けられており、
‐  前記ケーブルを有する前記内部コアピースは前記外部コアピース内に配置されている、
ＳＭＤインダクタ。
【請求項２】
‐  前記内部コアピースは、円形、楕円形又は多角形の断面を有する中間セクションを含み、
‐  前記ケーブルは前記中間セクションに巻き付けられている、
請求項１記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項３】
前記合金は鉄を含む、
請求項１又は２記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項４】
前記内部コアピースの前記合金は焼結されている、
請求項１乃至３いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項５】
前記内部コアピースは個別の隔離された複数の粒子を含む、
請求項４記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項６】
前記コイルの前記ケーブルは１．５≧Ｚ≦１００の巻数を有する、
請求項１乃至５いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項７】
前記ＳＭＤインダクタは１以上のケーブルをさらに備え、前記ケーブルは並列又は直列に接続されている、
請求項１乃至６いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項８】
前記内部コアピースは中間セクションを含み、全てのケーブルが前記中間セクションに巻き付けられている、
請求項１乃至７いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項９】
‐  前記外部コアピースは凹部を有する外壁を含み、
‐  前記凹部は第１面及び前記第１面に平行でない第２面を含み、
‐  前記第１面から前記第２面への遷移部は、応力亀裂を防止するために、両面に対する角度２等分線に関して非対称に形成されている、
請求項１乃至８いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項１０】
前記遷移部は異なる遷移寸法ａ≠ｂを有する、
請求項９記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項１１】
前記ピーク電流耐性はエネルギ量Ｌ×Ｉ２によって特定され、
Ｌ＝０．９×Ｌ０であり、
Ｌ０は電流なしのインダクタンスであり、
Ｉは電流であり、ここで、Ｌ＝０．９×Ｌ０であり、
１２ｍｍ×１２ｍｍの底面を有するサイズにおいて、Ｌ×Ｉ２は１．２ｍＷｓ以上であり、
１０ｍｍ×１０ｍｍの底面を有するサイズにおいて、Ｌ×Ｉ２は０．４５ｍＷｓ以上であり、
７ｍｍ×７ｍｍの底面を有するサイズにおいて、Ｌ×Ｉ２は０．３６ｍＷｓ以上であり、
６ｍｍ×６ｍｍの底面を有するサイズにおいて、Ｌ×Ｉ２は０．２５ｍＷｓ以上である、
請求項１乃至１０いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項１２】
コア材料内における前記損失は、３００ｋＨｚの周波数、３０ｍＴ、２０℃において、６００ｋＷ／ｍ３以下である
請求項１乃至１１いずれか１項記載のＳＭＤインダクタ。
【請求項１３】
ＳＭＤインダクタを製造するための方法であって、
‐  合金製の内部コアピースと、フェライト製の外部コアピースと、ケーブルと、を準備するステップと
‐  前記内部コアピースに前記ケーブルをコイルとして巻き付けるステップと、
‐  前記コイルを有する前記内部コアピースを前記外部コアピース内に配置するステップと、
‐  前記コイルを外部コンタクトに接続するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＳＭＤインダクタ（SMD-Induktivitaeten）に関し、表面実装に適した、所望のインダクタンスＬを有する電気素子、及びかかる素子を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＭＤインダクタ（ＳＭＤ＝Surface Mounted Device＝表面実装素子）は、回路において他の回路部品と容易に組み合わせられることができる。なぜなら、ＳＭＤインダクタは簡単な方法で配線基板上に取り付けられることができ、配線基板上の電気配線と接続されることができるからである。構造化された配線路セクションとして配線基板内に又は配線基板上に実現されるインダクタと比較して、ＳＭＤインダクタは特に高い品質Ｑを有する。
【０００３】
ＳＭＤインダクタは低い損失と高いピーク電流耐性を有するべきである。これまでの鉄合金製のインダクタは、巻線が材料で被覆され、その後これがプレスされて製造される。このプロセスによって巻線ケーブルは予め損傷を受ける。
【０００４】
いずれにせよ、ＳＭＤインダクタは高い機械的安定性を有すべきである。従来のＳＭＤインダクタは、特定の要件、例えば、素子が試験的に落下させられる落下テストに対して十分に安定して持ちこたえることができるための、高い材料強度を必要とする。
【０００５】
従来のＳＭＤインダクタは、低損失又は高ピーク電流耐性しか有さないという問題をさらに有する。
【発明の概要】
【０００６】
そこで、本発明の課題は、高ピーク電流耐性及び低損失を有するＳＭＤインダクタを提供することである。さらに、インダクタは、費用効果的に製造されるべきであり、ＳＭＤインダクタを有する回路全体の信頼性を危険にさらさないように、機械的に安定しているべきである。
【０００７】
さらに、かかるインダクタを製造するための方法が提供されるべきである。
【０００８】
これらの課題は、独立請求項によるＳＭＤインダクタ又はＳＭＤインダクタを製造するための方法によって解決される。従属請求項は有利な形態を提供する。
【０００９】
ＳＭＤインダクタは、内部コアピースと、外部コアピースと、ケーブルを有するコイルとを備える。内部コアピースは合金を含む。外部コアピースはフェライトを含む。ケーブルは内部コアピースに巻き付けられ、内部コアピースとともにコイルを形成する。ケーブルを有する内部コアピースは外部コアピース内に配置される。
【００１０】
さらに、ＳＭＤインダクタは外部コンタクトを有し、コイルは外部コンタクトを介して外部回路環境に接続可能である。
【００１１】
内部コアピースはＤＲコアであってもよいし、又はＤＲコアと同様の構造を有していてもよい（ＤＲ＝ドラムコア（DRum-core））。内部コアピースはその際、鉄合金を含むか、又は鉄合金からなることもできる。
【００１２】
外部コアピースはＲＩコアであってもよいし、又はＲＩコアと同様の構造を有していてもよい（ＲＩ＝リングコア（RIng-core））。
【００１３】
内部コアピースが、円形、楕円形、又は多角形の断面を有する中間セクションを備えることもできる。ケーブルは内部コアピースの中間セクションに巻き付けられる。
【００１４】
さらに、内部コアピースの合金が鉄を含むこともできる。
【００１５】
さらに、内部コアピースの合金が焼結材料を含むこともできる。
【００１６】
さらに、焼結材料が結合剤を含まない（frei von einem Binder）こともできる。
【００１７】
焼結材料は、その際、数マイクロメートルの平均粒子サイズ（Korngroesse）を有する複数の粒子（Koerner）を含むことができる。
【００１８】
特に、本発明のインダクタの鉄合金の粒子サイズは、従来のＳＭＤインダクタの粒子サイズより小さい。
【００１９】
鉄合金の粒子は、互いに隔離される（isoliert）ことができ、従って低減された損失を備える鉄合金が得られ、それにより改善された品質係数Ｑを備えるＳＭＤインダクタが得られる。
【００２０】
より小さい個別に隔離された粒子の適用は、材料の高められた密度を可能にし、それにより、インダクタの作動の際に、高められた磁気飽和及び低減された電気損失を達成することができる。
【００２１】
コイルのケーブルは、１．５≦Ｚ≦１００の巻数を有することができる。内部コアピースと外部コアピースの材料及びコイルの巻数の選択により、ＳＭＤインダクタのインダクタンスＬを簡単な方法で調節することができる。
【００２２】
内部コアピースの材料はケイ素と鉄を含むことができる。ここで、ケイ素と鉄を有する内部コアピースが好ましく、有利には、内部コアピースのケイ素含有量よりも鉄含有量が顕著に大きい。ケイ素を含まないコアピースも可能である。
【００２３】
ＳＭＤインダクタは、０．３と１００μＨの間のインダクタンス値Ｌを有することができる。
【００２４】
インダクタは、上述のコイルのケーブルに加えてもう１つの又は複数の追加のケーブルを有することができる。その際、１つの追加のケーブル又は複数の追加のケーブルは、上述のケーブルと直列に又は並列に接続されることができる。特別な実施形態において、インダクタのすべてのケーブルは並列に接続される。直列接続と並列接続の組み合わせももちろん可能である。
【００２５】
ケーブルの総数は１００又はそれ以上にすることができる。
【００２６】
全ての個別のケーブルは、例えば並列接続において撚り線に（zu einer Litze）まとめられることができる。個別のケーブルを有する撚り線は内部コアピースに巻き付けられることができる。
【００２７】
ここで、ケーブル、ケーブルと追加のケーブル、及び／又は、撚り線は、内部コアピースが中間セクションを有する場合は、特に内部コアピースの中間セクションに巻き付けられることができる。
【００２８】
外部コアピースは、凹部を有する外壁を備えることもできる。凹部は第１面及び第１面に平行でない第２面を有する。第１面から第２面への遷移部は、応力亀裂の防止のために両面に対する角度２等分線に関して非対称に形成されている。
【００２９】
外部コアピースは、コイルを有する内部コアピースを収容する。コイルを外部回路環境（Schaltungsumgebung）と接続可能にするために、電気接点はＳＭＤインダクタの外部表面へ導かれなければならない。これらの接点は、外部コアピースの外壁の凹部を介して導かれることができる。従来のＳＭＤインダクタの問題は、外部コアピースの外壁における凹部である。なぜなら、ＳＭＤインダクタが、例えば落下テストにおける加速又は減速の外力にさらされた場合に、凹部のエッジのところで機械的に誘導される応力亀裂が生じ得るからである。
【００３０】
２つの平行でない面が１つの直線において交差する。これらの両面に対して、この直線に沿ってはじめの両面に交差し、はじめの両面のそれぞれと同じ角度をなす（die denselben Winkel mit jeder der beiden ersten Flaechen einschliesst）、さらなる面がある。交差直線（Die Schnittgerade）は、その際、特に機械的影響によって危険にさらされる凹部のエッジを表す。
【００３１】
上記の遷移部は、かかる応力亀裂を予防するために、鋭いエッジの代わりに設けられ、特に角度２等分線に関して非対称に成形されている。
【００３２】
ここで、遷移部は互いに異なる遷移寸法（Uebergangsmasse）ａ及びｂを有することができる（ａ≠ｂ）。
【００３３】
特に、２つの互いに垂直な表面の合流（ein Aufeinandertreffen）による凹部のエッジは、遷移部の形成によって緩やかにされる（entschaerft werden）。
【００３４】
ピーク電流耐性ＷはインダクタンスＬ及び電流の二乗の積である。Ｗ＝Ｌ×Ｉ２
【００３５】
高ピーク電流耐性は、Ｌ＝０．９×Ｌ０のエネルギ量Ｌ×Ｉ２によって定義される。ここで、Ｌ０は無電流のインダクタンスであり、Ｉは電流であり、そこでＬ＝０．９×Ｌ０である。
【００３６】
１２ｍｍ×１２ｍｍの底面（Grundflache）を有する素子の場合、ピーク電流耐性は１．２ｍＷｓ以上であり得る。
【００３７】
１０ｍｍ×１０ｍｍの底面を有する素子の場合、ピーク電流耐性は０．４５ｍＷｓ以上であり得る。
【００３８】
７ｍｍ×７ｍｍの底面を有する素子の場合、ピーク電流耐性は０．３６ｍＷｓ以上であり得る。
【００３９】
６ｍｍ×６ｍｍの底面を有する素子の場合、ピーク電流耐性は０．２５ｍＷｓ以上であり得る。
【００４０】
相応の素子は、その際、矩形の底面を備えることができる。
【００４１】
例えば３００ｋＨｚの周波数、３０ｍＴ、２０℃の場合に、コア材料において損失が６００ｋＷ／ｍ＾３以下であることもできる。
【００４２】
ＳＭＤインダクタを製造するための方法は、
‐  合金製の内部コアピースと、フェライト製の外部コアピースと、ケーブルとを準備するステップと、
‐  内部コアピースにケーブルをコイルとして巻き付けるステップと、
‐  コイルを有する内部コアピースを外部コアピース内に配置するステップと、
‐  コイルを外部コンタクトに接続するステップと、
を含む。
【００４３】
ケーブルが材料で被覆され、プレス後にその中に埋め込まれる従来のＳＭＤインダクタの製造とは対照的に、コアピースへの巻き付けの際のケーブルの破損のリスクは、ほぼ排除される。従って、類似の素子のためにコイルを巻くための装置を少ない改変で本インダクタの製造のために適用できることは、結果として、インダクタンスの改良された故障安全性（Ausfallsicherheit）を有するＳＭＤインダクタを製造するための方法であって、容易に費用効果的に実現される方法をもたらす。
【００４４】
コイルのケーブルは、溶接又ははんだ付け方法を用いて外部コンタクトと接続されることができ、外部コンタクトによってインダクタは外部回路環境と接続されることができる。
【００４５】
内部コアピースは、プレスによって、又は、プレス及びラウンディング（Abrunden）によって、又は、プレス及び研磨によって製造されることができる。
【００４６】
ＳＭＤインダクタ及びＳＭＤインダクタ製造するための方法は、本発明の対象を限定しない、模式的図面及び図示された実施形態によって、以下に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ＳＭＤインダクタＳＭＤＩの矢状面による断面を模式的に示す図である。
【図２】圧迫された巻線を有する従来の素子との比較を示す図である。
【図３】可能な内部コアピースの矢状面による断面を示す図である。
【図４】革新的な内部コアピースの矢状面による断面を示す図である。
【図５】さらなる可能な内部コアピースの矢状面による断面を示す図である。
【図６】可能な内部コアピースの横断面による断面を示す図である。
【図７】代替的な内部コアピースの横断面による断面を示す図である。
【図８】可能な内部コアピースの斜視図を示す図である。
【図９】カバーを有する外部コアピースの可能なシンプルな実施形態を示す図である。
【図１０】凹部を有する外部コアピースの斜視図を示す図である。
【図１１】応力亀裂の危険を防止するために凹部のエッジが丸められた遷移部で置き換えられた可能な外部コアピースの斜視図を示す図である。
【図１２】２つの平面及びそこに向かう遷移部の配置の斜視図を示す図である。
【図１３】可能な外部コアピースの斜視図を示す図である。
【図１４】可能なＳＭＤインダクタの矢状面による断面を有する斜視図を示す図である。
【図１５】電流に対するインダクタンス値Ｌの依存性を従来のＳＭＤインダクタのインダクタンスＬｋｎｏｖと比較して示す図である。
【図１６】品質係数Ｑの周波数依存プロファイルを従来のＳＭＤインダクタの品質係数Ｑｋｎｏｖと比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１はＳＭＤインダクタＳＭＤＩの基本的構造を図示する。インダクタは内部コアピースＩＫとケーブルＤと外部コアピースＡＫとを備える。ケーブルＤは内部コアピースＩＫに巻き付けられ、ＳＭＤインダクタＳＭＤＩのコイルＳＰを形成する。ケーブルＤは円形又は矩形の断面を有する。ケーブルの断面の形状は内部コアＩＫへの巻き付けの際に実質的に変化しないまま保たれる。コイルＳＰの内部での短絡のリスクは顕著に低減される。
【００４９】
これに対し、図２は、従来のＳＭＤインダクタにおいてコイルＳＰとして巻かれたケーブルＤの配置を示す。ここで、ケーブルはマトリクス材料とともに所望の形状に押しつぶされ（gequetscht）ており、ケーブルの断面形状は変化している。特に圧縮（Quetschen）によってコイルＳＰの内部における短絡のリスクが生じ、それによりインダクタの信頼性は顕著に低減される。
【００５０】
図３は内部コアＩＫの可能な形状を示す。内部コアＩＫは中間セクションＭＡを備え、中間セクションＭＡは円筒形状を有してもよく、又は円筒に近い形状であってもよい。内部コアピースはさらに下部セクションＵＡと上部セクションＯＡとを備え、それらの間に中間セクションＭＡが配置されている。従って内部コアピースＩＫは、その上にコイルのためのケーブルを容易に巻き付けることができる形状を備える。
【００５１】
図４は、下部セクションと上部セクションが丸められたエッジを有する代替的実施形態を示す。
【００５２】
図５は、内部コアピースのさらなる可能な実施形態を示し、内部コアピースは、下部及び上部セクションに加えて中間セクションも外部セクションへの遷移部において丸められたエッジを有する。
【００５３】
図６は、横断面による可能な断面を円の形で示す。円の直径は中間セクションＭＡの全体長にわたって一定であると、中間セクションＭＡは円筒である。
【００５４】
図７は、代替的実施形態を示し、横断面による断面は実質的に部分的に直線の側縁を有する楕円形を描く。
【００５５】
図８は、可能な内側コアピースの斜視図を示し、ここでは上部セクションＯＡと（斜視図では見えない）下部セクションＵＡ内に回転対称の凹部が設けられている。
【００５６】
図９は、外部コアピースのシンプルな実施形態を、上端部ＯＲを有する円筒として示す。
【００５７】
図１０は、円筒の周面に凹部ＡＵが設けられた、外部コアピースの可能な形状を示し、凹部を介してインダクタのコイルは外部回路環境と接続可能である。凹部ＡＵは上端部ＯＲに２つのエッジと、２つのさらなるエッジとを有し、それぞれが、２つの互いに垂直な平面の交差線によって画定される。図１０に示されたエッジＫは、インダクタが外力にさらされる場合に応力亀裂の最も大きい可能性をはらんでいる（bergen）。
【００５８】
図１１は、応力亀裂を回避するための外部コアの実施形態を示し、両方の下部エッジのうちの少なくとも１つが遷移部ＵＧによって緩やかにされている。遷移部ＵＧは両垂直平面のエッジのない接続を表す。かかる遷移部は、２つの遷移パラメータａ，ｂによって表される。遷移パラメータａは、遷移部が垂直方向に橋渡しする距離を示す。パラメータｂは遷移部が水平方向に橋渡しする距離を示す。ａ及びｂの値は同じではなく、遷移部は非対称になり、このことはインダクタの機械的信頼性のさらなる改良へと導く。
【００５９】
エッジＫの遷移部ＵＧによる置き換えと同様に、残りのエッジＫのうちの１つ以上も、かかる連続的な遷移部によって置き換えられることができる。
【００６０】
図１２は遷移部によって接続されるべき両平面と、遷移部ＵＧとの空間的関係を示す。遷移部なしの既存のエッジＫは、面ＹＺ及びＸＺが合致すべき位置において、連続的な遷移部ＵＧによって置き換えられる。
【００６１】
図１３は、可能な外部コアピースの斜視図であり、外部コアピースは２の凹部を備え、各凹部は複数の遷移部を有する。
【００６２】
図１４は、コイルＳＰとしてケーブルＤが巻き付けられた内部コアピースＩＫを有するインダクタの斜視図であり、矢状面による又は中心線を通る（durch eine Sagittalebene）断面を示す。コイルを有する内部コアピースＩＫは、外部コアピースＡＫ内に埋め込まれている。外部コアピースＡＫの凹部を通って導かれることができる外部コンタクトＥＡを介して、コイルは外部回路環境と接続可能である。
【００６３】
図１５は、インダクタンスＬの電流依存性プロファイルを、既存のインダクタのインダクタンスＬｋｎｏｖと比較して示す。
【００６４】
図１６は、品質Ｑの周波数依存性プロファイルを、既存のＳＭＤインダクタの品質Ｑｋｎｏｖと比較して示す。
【００６５】
ＳＭＤインダクタ又はＳＭＤインダクタを製造するための方法は、記載され又は図示された実施形態によって限定されない。例えば、ホルダ又は巻き上げられたケーブルを包囲するマトリクス材料などの追加の要素を有するインダクタもまた実施形態を表す。
【符号の説明】
【００６６】
ａ，ｂ：遷移パラメータ
ＡＫ：外側コアピース
ＡＵ：凹部
Ｄ：ケーブル
ＥＡ：外部コンタクト
ｆ：周波数
ＩＤＣ：直流電流強度
ＩＫ：内部コアピース
Ｋ：エッジ
Ｌ，Ｌｋｎｏｖ：インダクタンス値
Ｍ：マトリクス材料
ＭＡ：中間セクション
ＯＡ：上部セクション
ＯＲ：上端部
Ｑ，Ｑｋｎｏｖ：品質係数
ＳＭＤＩ：ＳＭＤインダクタ
ＳＰ：コイル
ＵＡ：下部セクション
ＵＧ：遷移部
ＹＺ，ＸＺ：遷移部を介して接続された面
【図１】
2018538689.tif 000003
【図２】
2018538689.tif 000004
【図３】
2018538689.tif 000005
【図４】
2018538689.tif 000006
【図５】
2018538689.tif 000007
【図６】
2018538689.tif 000008
【図７】
2018538689.tif 000009
【図８】
2018538689.tif 000010
【図９】
2018538689.tif 000011
【図１０】
2018538689.tif 000012
【図１１】
2018538689.tif 000013
【図１２】
2018538689.tif 000014
【図１３】
2018538689.tif 000015
【図１４】
2018538689.tif 000016
【図１５】
2018538689.tif 000017
【図１６】
2018538689.tif 000018
【国際調査報告】
2018538689.tif 000019
2018538689.tif 000020
2018538689.tif 000021
2018538689.tif 000022