JP2011520259A - 結合インダクタとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高度に結合された結合インダクタを提供する。
【解決手段】高度に結合された結合インダクタは、第１の強磁性体プレート、第２の強磁性体プレート、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられたフィルム状接着剤、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられた第１の導体、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられた第２の導体を有する。結合度向上および漏れ磁束低減用の導電性電磁シールドを、第１の導体に近接して配置してもよい。高度に結合された結合インダクタの製造方法は、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートを用意する工程、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に導体を配置する工程、および、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートを、フィルム状接着剤を用いて接続する工程を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インダクタに関するものであり、特に、高度に結合された結合インダクタに関する。

結合インダクタは、数十年の間存在してきたが、回路基盤用としてはほとんど使用されていない。この状況は、より高出力のコンピュータマイクロプロセッサが小型基板上で大電流を要求するのに伴って変化しつつある。結合インダクタは、従来のインダクタによって浪費されていた基板スペースを縮小するために使用可能である。結合インダクタはまた、リプル電流を大幅に低減させて、基板スペースを節約し、より小型のコンデンサの使用を可能にするものである。そのため、高効率で、高い結合係数を有する、リーズナブルで低コストのインダクタが求められている。

したがって、本発明の第１の目的、特徴、あるいは効果は、この技術分野の状況を改善することである。

本発明のより具体的な目的、特徴、あるいは効果は、高効率で、高度に結合された結合インダクタを提供することである。

本発明のこれらの、あるいは他の目的、特徴、あるいは効果は、本明細書の以下の記載および特許請求の範囲から明らかである。

本発明の一つの態様によれば、高度に結合された結合インダクタが提供される。このインダクタは、第１の強磁性体プレート、第２の強磁性体プレート、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられたフィルム状接着剤、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられた第１の導体、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に設けられた第２の導体、および、第１の導体に近接して設けられた結合度向上および漏れ磁束低減用の導電性電磁シールドを有する。

本発明の他の態様によれば、結合度を向上した多相結合インダクタは、複数のポストを持つ第１の強磁性体プレート、第２の強磁性体プレート、複数の導体を有しており、これらの複数の導体の各々は、第１の強磁性体プレートの複数のポストの２つ以上の間に配置されている。複数の導体の各々は、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に配置されている。

本発明の他の態様によれば、高度に結合された結合インダクタの製造方法は、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートを用意する工程、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートの間に導体を配置する工程、および、第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートを、フィルム状接着剤を用いて接続する工程を有する。

４相結合インダクタの従来技術を示す図である。 ２相結合インダクタの従来技術を示す図である。 本発明の１つの実施形態による２相結合インダクタを示す図である。 本発明の他の実施形態による磁束シールド付の２相結合インダクタを示す図である。 本発明の１つの実施形態による４相結合インダクタを示す平面図である。 ２相結合インダクタを示す図である。 ２相結合インダクタを示す図である。 ４相結合インダクタを示す図である。 ４相結合インダクタを詳細に示す図である。

本発明は、高効率で、高い結合係数を有する、低コストの結合インダクタを提供する。各種の実施形態により、２個の強磁性体プレートが、薄いフィルム状接着剤により間隔を空けて配置される。導体の計画的な配置により、より高い結合度や結合フェーズの変化が実現される。接着剤の使用は、この部品の有効性において二重の役割を持つ。フィルム状接着剤は、部品のインダクタンスを上昇または低下させるために選択される。接着剤の厚みを小さくした場合には、高インダクタンス値を持つインダクタを生成することができる。接着剤を厚くした場合には、部品のインダクタンスを低減して高入力電流に対する磁気飽和抵抗を増大させることができる。このようにして、接着剤の厚みを選択することによって、部品のインダクタンスを具体的な用途に合わせることができる。接着剤の第２の役割は、部品を一体的に固定して、機械的負荷に対するアセンブリのロバスト性を得ることである。

図１は、従来の４相結合インダクタを示している。インダクタ１０は、４つのコイル１２，１４，１６，１８を備えており、これらのコイル１２，１４，１６，１８は、同じ方向で巻回されており、かつ、強磁性体ポスト２０，２２，２４，２６をそれぞれ覆うように配置されている。全ての強磁性体ポスト２０，２２，２４，２６は、強磁性体トッププレート２８および強磁性体ボトムプレート３０と一体的に固定されている。高速スイッチを閉じることによって、第１のコイル１２にパルス電圧を印加する。このパルス電圧が誘導する電流によって、矢印３２によって示している方向の磁束が生成される。この場合、近接位置にある第２のコイル１４の強磁性体ポスト２２には、最大量の磁束が印加される。残り２つのコイル１６，１８の強磁性体ポスト２４，２６は、第１のコイル１２から離れているため、これらに印加される磁束は減少する。この磁束によって、各コイル１６，１８には、矢印３６，３８に示すような印加電圧と逆方向の電圧が誘導される。結合は、第１のコイル１２に印加される電圧パルスと逆位相となる。

既存の結合インダクタはリプル電圧を低減するが、その一方で、それらの有効性は、漏れ磁束によって低下する。図２は、２相結合インダクタの漏れ磁束を示す説明図である。電圧パルスを第１のコイル１２に印加することにより、磁界を誘導する。（矢印３２によって示す）磁束は、第１のコイル１２から出て行き、この磁束の大半は、（矢印３４によって示すように）第２のコイル１４の中央脚を流れる。この磁束の一部は、漏れ磁束となるが、第２のコイル１４を通過することはなく、したがって、漏れ磁束が第２のコイル１４によって「感知される」ことはない。この漏れ磁束は、矢印４０，４２，４４によって示している。漏れ磁束は、結合度を低下させ、他の導体によって感知される電圧の大きさを低下させる。したがって、現在の結合インダクタの問題は、多相結合インダクタの隣接する脚部間における結合度の低さである。このような結合度の低さは、インダクタのリプル電流低減能力を低下させる。そのため、２相以上の多相結合インダクタ用として、結合度を向上した低直流抵抗の結合インダクタを低コストで実現する手段が求められている。

強磁性体プレートは、フェライト、モリパーマロイ（ＭＰＰ）、センダスト、ハイフラックス、または圧縮鉄等の各種の軟磁性材料から作製可能であるが、これらの材料に限定されない。図３は、本発明による２相結合インダクタ５０の１つの実施形態を示す説明図である。このインダクタにおいては、並列するストリップ状の２つの導体５２，５４が使用される。正電圧「＋Ｖ」を第１の導体５２に印加することにより、電流を誘導する。磁束が生成して第２の導体５４の周囲を流れる。導体間には、矢印５３で示すように、ある程度の漏れ磁束が生じる。第２の導体５４で誘導される電圧は、第１の導体５２に印加される電圧とは逆位相である。導体５２，５４間の結合度は、既存の結合インダクタ設計に比べてはるかに高く、十分なレベルである。

結合度（他の導体で誘導される電圧）は、導体の上方または下方のいずれかに導電性プレート（磁束シールド）を配置することによって、大幅に向上できる。図４は、導体５２，５４の下に配置した磁束シールド６２を示す説明図である。この磁束シールド６２は、変形例として、導体５２，５４の上方に配置してもよく、あるいはまた、磁束シールド６２は、導体５２，５４の上方と下方の両方に配置してもよい。

電圧が高周波で印加された場合に、導電性プレートの表面には、高強度の渦電流が誘導される。これにより、導体間における漏れ磁束の移動を防止可能であり、導体の周囲の強磁性体部分に磁束を効率よく流すことができるため、導体間の磁気結合度を向上できる。

図５は、新規に設計した４相結合インダクタ７０を示す図である。このインダクタ７０は、互いに近接した複数のポスト７２，７４，７６，７８を持つ強磁性体プレート７１と、各ポストと関連付けられて複数のインダクタ部品を形成する導体８２，８４，８６，８８を備えている。この構成により、インダクタ部品間の結合度を向上することができ、ほぼ均一な磁束分布を実現することができる。図５の第１のポスト７２を用いて形成された第１のインダクタ部品は、導体８６に対する正電圧の印加によってエネルギー供給されることにより、正の入力電流を生成する。この電流によって誘導される磁束は、第２のポスト７４、第３のポスト７８、第４のポスト７６を用いて形成された各インダクタ部品を、ほぼ等しい大きさで流れる。エネルギー源に近接しているため、漏れ磁束は最小となり、結合度は、従来装置に比べて大幅に向上する。全てのインダクタ部品間に導電性シートを配置することにより、結合度をさらに向上することができる。この場合、導電性シートは、漏れ磁束が導体間のギャップを通過して漏れるのを防止する磁気シールドとして作用する。図５には、第２の強磁性体プレートは図示していないが、実際には、図示した構成の上部に接合される。この構成のインダクタンスは、薄いフィルム状接着剤の厚みを変化させることによって、増減可能である。

本発明と各種の実施形態は、２相、４相、あるいはそれ以上の多相結合インダクタに関するものであるが、従来技術とは大幅に異なる。エアギャップを設定して、各部のインダクタンス値を決定すると共に、強磁性体プレート同士を連結するために、薄いフィルム状接着剤が使用される。結合度を向上する導電性電磁シールドを結合インダクタ用として用いることは、過去に存在しなかった新規の技術である。導電性電磁シールドの使用により、特に、２相結合インダクタの場合には、磁束は、閉ループ導体を通って流れることがなくなる。磁束は、１つの導体から他の導体まで、互いの周囲を流れる形で結合される。

既存の逆位相インダクタは、インダクタ部品が直線上に配置されているため、第１のインダクタ部品と最後のインダクタ部品とは、両者の間にかなり長い距離を空けて配置されることになる。概説した新規の４相結合インダクタは、４つのインダクタ部品の全てが互いに極めて近接しているため、これによって、磁束の均一分布が可能になり、全体の結合度を向上することができる。インダクタ部品の間に導電性シートを差し込むことにより、結合度をさらに向上することができる。この導電性シートは、漏れ磁束を防止して、全体的な性能の向上に寄与する。

図６と図７は、本発明の１つの実施形態による２相結合表面実装インダクタを示す説明図である。図６において、２相結合表面実装インダクタ５０が示されている。２相結合表面実装インダクタ５０は、２つの強磁性体プレート５６，５８を備えており、これらの強磁性体プレート５６，５８は、薄いフィルム状接着剤６０の厚みによって設定された離間距離を介して一体的に連結されている。並列の導体５２，５４が長さ方向に配置されている。例えば、第１の導体５２を流れる電流が流入した場合、親指が電流方向を示す「フレミング右手の法則」により磁束が生成される。「フレミング右手の法則」から、ループ内には、第２の導体の外部を流れる磁束が発生する。各導体５２，５４は、磁束に結合され、磁界に応じた電圧が誘導される。渦電流シールドによって漏れ磁束を抑制するために、導体の上方、下方、あるいはその両方の位置に、導体を覆う薄い絶縁導電性材料シート（図示せず）が配置される。高強度の表面渦電流が存在することによって、磁束がシートを流れることを防止できる。導体５２，５４は、強磁性体プレート５６，５８の片側または両側を覆うようにカールさせてもよい。これにより、ユーザは、この部品を電気基板に容易に取り付けることができる。本発明は、複数の終端構成を有する場合にも同様に適用可能である。

導体は、図６と図７に示したような、同一平面上に配置された並列ストリップ構成には限られない。他の設計例として、複数の導体を互いの上部または下部に配置してもよい。これらの導体は、多層または多層積層体の形で配置可能である。電気的に絶縁した導体を積層することにより、直流抵抗を低下させることができると共に、導体を並べて配置した場合に存在していた漏れ磁束の発生を防止することができる。

この設計に導入する導電性材料の有効性について分析を行ったところ、導体間のシールドがない場合には、大きな漏れ磁束が発生することが判明した。シールドを導入した場合には、ほぼ１００ｋＨｚの周波数における漏れ磁束は大幅に低下し、導体間の結合度は著しく向上した。

図８と図９は、組み立て可能な４相結合表面実装インダクタを示す説明図である。４つのＬ字形導体８２，８４，８６，８８は、強磁性体プレート７１の強磁性体ポスト７２，７４，７６，７８の周囲に配置されている。強磁性体ポスト７２，７４，７６，７８は互いに極めて近接している。なお、図示している強磁性体ポストの配置は２×２配列の構成であるが、他の構成も同様に使用可能である。すなわち、結合インダクタに関して、従来のほぼ直線的な配置以外の配置であればよい。導体は、強磁性体プレートの周囲に折り曲げられ、電気基板にはんだ付けされる。漏れ磁束を低下させるために、ポスト間にシールドを配置可能である。導電性シールドの有無による磁束密度への影響を検査したところ、シールドが存在しない場合に、導体間に発生する漏れ磁束がより大きくなることが判明した。このことから、シールドの使用によって、漏れ磁束を低下できることが分かる。

以上の説明では、有効で高度に結合された結合インダクタについて述べた。本発明は、結合するインダクタ部品の数、強磁性体プレートの周囲における導体の折り曲げの有無、強磁性体ポストの数、等における各種の変形例、および他の属性に関する各種の変形例を包含する。本発明は、記載した具体的な実施形態に限定されない。

５０…２相結合インダクタ
５２，５４…導体
５３…漏れ磁束
５６，５８…強磁性体プレート
６０…フィルム状接着剤
６２…磁束シールド
７０…４相結合インダクタ
７１…強磁性体プレート
７２，７４，７６，７８…ポスト
８２，８４，８６，８８…導体

Claims (20)

1. 第１の強磁性体プレートと、
   第２の強磁性体プレートと、
   前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に設けられたフィルム状接着剤と、
   前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に設けられた第１の導体と、
   前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に設けられた第２の導体と、
   前記第１の導体に近接して設けられた、結合度向上および漏れ磁束低減用の導電性電磁シールド
   を有することを特徴とする、高度に結合された結合インダクタ。
2. 前記第２の導体に近接して配置された、漏れ磁束低減用の第２のシールド
   を有することを特徴とする請求項１に記載の結合インダクタ。
3. 前記第１のシールドは、前記第１の導体および前記第２の導体の上方に配置され、
   前記第２のシールドは、前記第１の導体および前記第２の導体の下方に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の結合インダクタ。
4. 前記第１の導体は、前記第２の導体と並列に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の結合インダクタ。
5. 前記第１の強磁性体プレートは、４つの強磁性体ポストを備え、
   前記第１の導体は、前記強磁性体ポスト中の第１の強磁性体ポストと、第２、第３、第４の強磁性体ポストとの間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の結合インダクタ。
6. 前記第２の導体は、前記第２の強磁性体ポストと、前記第１、第３、第４の強磁性体ポストとの間に配置されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の結合インダクタ。
7. 前記第３の強磁性体ポストと、前記第１、第２、第４の強磁性体ポストとの間に配置された第３の導体
   を有することを特徴とする請求項６に記載の結合インダクタ。
8. 前記第４の強磁性体ポストと、前記第１、第２、第３の強磁性体ポストとの間に配置された第４の導体
   を有することを特徴とする請求項７に記載の結合インダクタ。
9. 前記強磁性体ポスト中の少なくとも２つの強磁性体ポストの間に配置されて、漏れ磁束の防止を促進する導電性シート
   を有することを特徴とする請求項８に記載の結合インダクタ。
10. 各導体はＬ字形である
    ことを特徴とする請求項８に記載の結合インダクタ。
11. 各導体の端部は、前記第２の強磁性体プレートの周囲に折り曲げられて、接続用の端子を形成している
    ことを特徴とする請求項１０に記載の結合インダクタ。
12. 複数のポストを持つ第１の強磁性体プレートと、
    第２の強磁性体プレートと、
    複数の導体を有し、
    前記複数の導体の各々は、前記第１の強磁性体プレートの前記複数のポストの２つ以上の間に配置され、
    前記複数の導体の各々は、前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に配置されている
    ことを特徴とする、結合度を向上した多相結合インダクタ。
13. 前記複数のポスト中の少なくとも２つのポストの間に配置されて、漏れ磁束の防止を促進する導電性シート
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の多相結合インダクタ。
14. 前記複数のポストは、２×２配列で構成されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の多相結合インダクタ。
15. 各導体は、ほぼＬ字形である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の多相結合インダクタ。
16. 各導体の端部は、前記第１と第２の強磁性体プレートの一方の周囲に折り曲げられて、接続用の端子を形成している
    ことを特徴とする請求項１５に記載の多相結合インダクタ。
17. 前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に配置されたフィルム状接着剤
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の多相結合インダクタ。
18. 第１の強磁性体プレートと第２の強磁性体プレートを用意する工程と、
    前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートの間に複数の導体を配置する工程と、
    前記第１の強磁性体プレートと前記第２の強磁性体プレートを、フィルム状接着剤を用いて接続する工程
    を有することを特徴とする、高度に結合された結合インダクタの製造方法。
19. 前記第１の強磁性体プレートまたは前記第２の強磁性体プレートと、前記複数の導体との間に少なくとも１つの導電性プレートを配置してシールドを形成する工程
    を有することを特徴とする請求項１８に記載の結合インダクタの製造方法。
20. 前記第１の強磁性体プレートは、複数のポストを備え、
    前記複数の導体の各々が、前記複数のポストの少なくとも２つのポストの間に配置される
    ことを特徴とする請求項１８に記載の結合インダクタの製造方法。

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