JP2012099846A - 熱的に安定な抵抗をもつインダクター - Google Patents

Abstract

【課題】温度安定性が改善された巻き線抵抗をもつインダクターを提供する。
【解決手段】上面１４、および対向する第１端面１８および第２端面２０を有するインダクター本体１２からなるインダクター１０であり、対向する第１端面および第２端面の間においてインダクター本体に中空部分２８を設け、この中空部分に熱安定性抵抗要素３０を配置し、上面に向けて折り曲げ、表面実装端子３２、３４、３８、４０を形成する。インダクター本体をフェライトで構成する場合、インダクター本体にスロット２６を形成する。インダクターは、抵抗要素の周りに形成した分布型ギャップ磁性材料から構成することができる。また、熱安定性抵抗要素の周りにインダクター本体１２を配置し、熱安定性抵抗要素の端子をインダクター本体から延設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インダクター、具体的には熱的に安定な抵抗をもつインダクターに関する。

既に以前から、インダクターは、非分離式ＤＣ／ＤＣコンバーターのエネルギー保存装置として利用されている。また、高電流の熱安定性抵抗器も、同時に電流検出のために利用されているが、電圧降下やパワー損失が伴うため、ＤＣ／ＤＣコンバーターの全体効率が低下する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバーターメーカーが、ＰＣボードのリアルエステートから締め出されることが多くなり、より小型、より高速でより複雑なシステムへの需要がますます高くなっている。利用できるスペースが減少しているため、部品数を減らす必要があるが、パワー需要が増し、電流が高電流になるに従って、動作温度が高くなる。このため、インダクター設計においてこれに対処する必要性が望まれている。

インダクターと電流検出抵抗器を組み合わせて単独ユニットを構成すると、部品数を減らせる上に、インダクターのＤＣＲに伴うパワー損失を抑えることができ、抵抗性素子に伴うパワー損失のみが残ると考えられる。±１５％かそれ以上のＤＣ抵抗（ＤＣＲ）許容誤差でインダクターを設計できるが、その抵抗の電流検出特性は、依然として、インダクター巻き線の銅の３，９００ｐｐｍ／℃の抵抗の熱係数（ＴＣＲ）により大きくばらつく。電流検出機能にインダクターのＤＣＲを利用した場合には、通常、安定な電流検出点を維持するために、ある形態の補償回路が必要になり、部品数削減の目標を達成できなくなる。さらに、補償回路の場合、インダクターに近接配置することは可能であるが、依然としてインダクターの外部にあるもので、インダクターの内部電流負荷が変化した場合に、導体加熱の変化に素早く対処できない。従って、インダクター巻き線間の電圧降下を正確に追跡する補償回路の作用にタイムラグが発生し、電流検出作用に誤差がでることになる。この問題を解決するためには、温度安定性が改善された巻き線抵抗をもつインダクターが必要である。

ＵＳＰ５，２８７，０８３ ＵＳＰ６，９４６，９４４

即ち、本発明の第１の目的、特徴または作用効果は、従来技術を改善することである。

本発明の第２の目的、特徴または作用効果は、熱安定性が改善された巻き線抵抗をもつインダクターを提供することである。

本発明の第３の目的、特徴または作用効果は、インダクターを電流検出抵抗器と組み合わせて単独のユニットに構成し、これによってインダクターのＤＣＲに伴うパワー損失を抑制することである。

上記の第１、第２および第３の目的などの一つかそれ以上は、明細書の記載および特許請求の範囲から明らかになるはずである。

本発明の第１態様は、インダクターを提供するものである。このインダクターは、上面と、対向する第１および第２端面とを有するインダクター本体からなる。本態様のインダクターは、対向する第１端面および第２端面との間のインダクター本体に中空部分を有する。この中空部分に熱安定性の抵抗素子を配設し、上面に向けて曲げ、対向表面実装端子を形成する。これら対向表面実装端子としては、ケルヴィン式測定用のケルヴィン端子を使用することができる。従って、例えば、対向表面実装端子を分割すると、端子の一部を電流搬送のために使用することができ、また端子の他の部分を電圧降下検出のために使用することができる。

本発明の第２態様は、上面と、対向する第１および第２端面とを有し、フェライトコアを形成するインダクター本体からなるインダクターを提供するものである。対向する第１端面および第２端面との間のインダクター本体に中空部分を設ける。インダクター本体の上面にスロットを設ける。熱安定性の抵抗素子を中空部分に設け、スロットに向けて曲げて、対向表面実装端子を形成する。

本発明の第３態様は、インダクターを提供するものである。このインダクターは、上面と、対向する第１および第２端面とを有するインダクター本体からなる。インダクター本体は、限定するものではないが、ＭＰＰ、ＨＩＦＬＵＸ、センダストなどの分布型ギャップ磁性材料や、あるいは粉末鉄から構成する。対向する第１端面および第２端面との間のインダクター本体に中空部分を設ける。この中空部分に熱安定性の抵抗素子を配設し、上面に向けて曲げ、対向表面実装端子を形成する。

本発明の第４態様は、インダクターを提供するものである。このインダクターは、熱安定性抵抗素子、および上面と、対向する第１および第２端面とを有するインダクター本体からなる。インダクター本体は、熱安定性抵抗素子上にプレス加工した分布型ギャップ磁性材料からなる。

本発明の第５態様は、インダクターを提供するものである。このインダクターは、熱安定性巻き線型抵抗素子、およびこの熱安定性巻き線型抵抗素子の周囲にプレス加工した分布型ギャップ磁性材料からなるインダクター本体を有する。

本発明の第６態様は、方法を提供するものである。本態様の方法は、上面と、対向する第１および第２端面とを有し、対向する第１端面と第２端面との間に中空部分を設けたインダクター本体を用意し、熱安定性抵抗素子を用意することからなる。本態様の方法では、さらに、熱安定性抵抗素子を中空部分に配置し、熱安定性抵抗素子の端部を上面に向けて折り曲げ、対向表面実装端子を形成する。

本発明の第７態様は、インダクターの形成方法を提供するものである。本態様の方法は、インダクター本体材料を用意し、熱安定性抵抗要素を用意するとともに、熱安定性素子の周囲にインダクター本体を配置し、熱安定性抵抗素子の端子をインダクター本体材料から延設することからなる。

スロットを形成したコアに部分的巻き線部を有するインダクターの一実施態様を示す斜視図である。 一個のスロットを設けたフェライトコアの横断面図である。 一個のスロットを設けたフェライトコアの上面図である。 四個の表面実装端子を有するストリップの上面図である。 スロットを設けないインダクターの一実施態様を示す斜視図である。 複数の巻き線部をもつ抵抗要素の一実施態様を示す図である。 巻き線型抵抗要素を利用した本発明の一実施態様を示す図である。

本発明の一態様は、熱安定性抵抗をもつ薄型高電流インダクターを提供するものである。このようなインダクターは、スロットを形成したフェライトコアに低ＴＣＲを挿入した抵抗要素として、固体のニッケル−クロム、マンガン−銅金属合金などの適当な合金を利用する。

図１は、このような本発明の一実施態様を示す斜視図である。素子１０は、上面１４、底面１６、第１端部１８、これに対向する第２端部２０、および対向する第１側面２２および第２側面２４を有するインダクター本体１２からなる。なお、ここで使用する“上面”および“底面”は単に図面での向きを示す用語に過ぎず、向きが逆になる場合もある。素子１０は、表面実装素子として使用する場合、スロット側、即ち上面側１４に設ける。インダクター本体１２は、プレス加工磁性粉から形成する場合などのように、単独の磁性コアコンポーネントであればよい。例えば、インダクター本体１２には、フェライトコアを利用することができる。フェライト以外のコア材料、例えば、粉末鉄コアや合金コアなども利用することができる。図示のインダクター本体１２には、一つのスロット２６を形成する。インダクター本体１２には、中空部２８がある。コア材料組成、透磁性を選択することにより、またフェライトの場合には、スロット幅を選択することによって、インダクタンス値を選択することができる。

図示の抵抗要素３０は４端子ケルヴィン型構成である。抵抗要素３０は熱的に安定であり、ケルヴィン端子構成の熱的に安定なニッケル−クロム合金、熱的に安定なマンガン−銅合金、またはその他の熱的に安定な合金からなる。図示のように、第１端部に二つの端子３２、３４があり、そして第２端部に二つの端子３８、４０がある。抵抗要素３０の第１スロット３６が、抵抗要素３０の第１端部上の端子３２、３４を分離し、そして抵抗要素３０の第２スロット４２が、抵抗要素３０の第２端部上の端子３８、４０を分離する。一つの実施態様の場合、抵抗要素材料は、抵抗要素３０に対して４端子ケルヴィン素子を与えるようにノッチを入れた銅端子に接合する。より小さな端子３４、４０、即ち検出端子を使用して、抵抗要素間の電圧を検出して電流の検出を行う。一方、残りのより広い端子３２、３８、即ち電流端子は、回路の一次電流搬送部に使用する。抵抗要素３０の端部をインダクター本体１２の周囲に形成し、表面実装端子を形成する。

図１には、スロットを形成した多角形フェライトコア中に部分的な、あるいは断片的な巻き線部を示してあるが、本発明の範囲内で多くの変更が可能である。例えば、複数の巻き線部を利用すれば、インダクタンス値を大きくでき、また抵抗を高くすることができる。従来技術では、一つの２端子導体を通してこの種のコアを利用しているが、銅導体の抵抗は熱的に不安定であり、自己発熱、および銅の高ＴＣＲを原因とする周囲温度の変化に応じてばらつく。電流検出の精度を出すためには、安定した、外部電流検出抵抗器を使用する必要があり、この分部品数が増え、対応してパワー損失が大きくなる。熱的に安定なニッケル−クロムまたはマンガン−銅抵抗要素か、その他の熱的に安定な合金を利用するのが好ましい。熱的に安定な抵抗要素の他の材料の具体例には、非鉄系金属合金を始めとする各種の合金がある。抵抗要素は、制限するわけではないが、ＣＵＰＲＯＮなどの銅ニッケル合金から形成することができる。また、抵抗要素は、制限するわけではないが、ＫＡＮＴＨＡＬＤなどの鉄合金、クロム合金、アルミ合金から形成することも可能である。抵抗要素の場合、電流を検出するために、温度係数が銅よりもかなり低く、そして十分に高い直流抵抗（ＤＣＲ）で抵抗の温度係数（ＴＣＲ）が≦１００ｐｐｍ／℃であることが好ましい。さらに、抵抗要素は、当業者にとっては公知な各種方法の一つかそれ以上によって、代表的な±２０％のインダクター抵抗許容誤差に対して、±１％の抵抗許容誤差に較正しておく。

このように、本発明の第１態様は、一体化した２つの素子、エネルギー保存素子、および厳しい許容誤差に較正した超安定な電流検出抵抗器を与えるものである。素子の抵抗器部分の場合、以下の特性をもっているのが好ましい。即ち、低Ω値（０．２ｍΩ〜１Ω）、厳しい許容誤差±１％、−５５〜１２５℃での低いＴＣＲ≦１００ｐｐｍ／℃、および低い熱起電力（ＥＭＦ）。素子のインダクタンスは２５ｎＨ〜１０ｕＨの範囲になる。なお、好ましい範囲は、５０ｎＨ〜５００ｎＨで、３５Ａまでの電流に対処できる。

図２は、一つのスロットフェライトコアの横断面図である。図２に示すように、インダクター本体１２として、一個のスロットフェライトコアを使用する。図に示しているのは、インダクター本体１２の上面１４および底面１６、および対向する第１端部１８および第２端部２０である。この一個のスロットフェライトコアの高さは符号６２で示す。スロット６０によって、インダクター本体１２の第１上面部分７８は、第２上面部分８０から分離されている。インダクター本体１２の第１および第２上面部分７８、８０の両者は、上面１４と中空部分２８との間において高さ６４をもつ。インダクター本体１２の底面部分は、中空部分２８と底面１６との間において高さ７０をもつ。第１端部７６および第２端部８２は、それぞれの端面から中空部分２８までの厚さが６８である。中空部分２８は高さ６６をもつ。スロット２６は、幅が６０である。図２の実施態様の場合、インダクター本体１２として多角形のフェライトコアをもち、一側面にスロット２６を形成し、中心に中空部分２８を形成する。一部を巻き線加工した抵抗要素３０をこの中空部分２８に挿入し、導体として使用する。スロット２６の幅を選択することによって、インダクタンスを選択することができる。粉末鉄、磁性合金やその他の磁性材料などの他の磁性材料や構成も各種の磁性コア構成として利用することができる。なお、粉末鉄などの分布型ギャップ磁性材料を利用すると、コアにスロットを形成する必要がなくなる。フェライト材料を使用する場合、このフェライト材料が、以下の最低必要限の仕様を満足することが好ましい。

１．２０℃で測定した１２．５ＯｅでのＢ_ｓａｔがＢ_ｓａｔ＞４，８００Ｇ。
２．１００℃で測定した１２．５ＯｅでのＢ_ｓａｔＭｉｎ．がＢ_ｓａｔＭｉｎ．＝４，１００Ｇ。
３．キューリ温度ＴｃがＴｃ＞２６０℃。
４．初期透磁率が１，０００〜２，０００。

スロット側である上面１４が、素子１０を表面実装する素子１０の実装表面になる。抵抗要素３０の端部本体１２の周囲に折り曲げ、表面実装端子を形成する。

本発明の一態様では、熱安定性抵抗要素を導体として使用する。この抵抗要素としては、パンチ加工、エッチング加工やその他の機械加工によって形成したニッケル−クロムストリップまたはマンガン−銅ストリップから構成することができる。このようなストリップを使用する場合、四つの表面実装端子をもつように形成する（例えば図４を参照）。なお、端子数は２つのみでもよい。２端子または４端子は、±１％の抵抗許容誤差に較正しておく。ニッケル−クロム合金、マンガン−銅合金やその他の低ＴＣＲ合金元素を使用すると、温度係数を≦１００ｐｐｍ／℃にすることができる。リード抵抗、銅端子のＴＣＲおよび半田接合抵抗における実装抵抗許容誤差のバラツキの影響を抑制するためには、２端子よりも４端子構成を使用したほうがよい。例えば、抵抗要素間の電圧を検出するために、２つの小さいほうの端子を使用して電流を検出し、より大きな端子のほうに検出すべき回路電流を流す。

本発明の第２態様の場合、インダクター本体１２の中空部分に熱安定性抵抗要素を挿入することによって、素子１０を構成する。上面側またはスロット側のインダクター本体の周りに抵抗要素端子を折り曲げて、表面実装端子を形成する。インダクターに流れる電流を、次に、ＤＣ／ＤＣコンバーターに対応する方法で大きいほうの端子に印加する。電流検出については、小さいほうの検出端子から制御ＩＣ電流検出回路に２つの印刷回路盤（ＰＣＢ）トレースを付加し、インダクターの抵抗間の電圧降下を測定することによって行う。

図３は、インダクター本体１２の幅７４および長さ７２を示す独立スロットフェライトコアの上面図である。

図４は、抵抗要素として利用できるストリップ８４の上面図である。このストリップ８４は、４個の表面実装端子をもつ。抵抗ストリップ８４は、端子部分間に抵抗部分８６をもつ。このようなストリップの形成は、公知であり、本明細書で全体を援用するＵＳＰ５，２８７，０８３に記載されている方法で実施できる。このように、端子３２、３４、３８、４０については銅から構成することができ、抵抗部分８６をもつ別な導体については、異なる材料で構成することができる。

図５は、スロットのないインダクターの一つの実施態様を示す斜視図である。図５の素子１００は、制限するわけではないが、磁性粉末などの分布型ギャップ磁性材料からインダクター本体１０２を形成した点を除くと、図１の素子１０と同様である。この実施態様の場合、インダクター本体１０２の材料を選択したため、スロットは必要ない。粉末鉄、磁性合金やその他の磁性材料などの他の磁性材料や構成も各種の磁性コア構成として利用することができる。なお、粉末鉄などの分布型ギャップ磁性材料を利用すると、コアにスロットを形成する必要がなくなる。分布型ギャップ磁性材料の他の実例は、制限を意図するものではないが、ＭＰＰ、ＨＩＦＬＵＸ、センダストなどである。

図６は、複数の巻き線部分９４を端部９０間にもつ抵抗要素９８の一実施態様を示す図である。本発明の場合、使用する抵抗要素が複数の巻き線部分をもち、インダクタンス値を大きくし、かつ抵抗を高くすることを意図している。複数の巻き線部分を利用してこれを実現することは、制限する意図はないが、ＵＳＰ６，９４６，９４４に記載されている。

図７は別な実施態様を示す図である。図７の構成の場合、図示のインダクター１２０は、絶縁材周囲に巻き付けた熱安定性抵抗要素からなる巻き線要素１２２をもつ。プレス加工、成型加工、キャスティング加工などによって巻き線要素１２２の周りに分布型ギャップ磁性材料１２４を設ける。巻き線要素１２２は、端子１２６、１２８をもつ。

以上の実施態様における抵抗要素は、非鉄系金属合金を始めとする各種の合金から構成することができる。抵抗要素は、制限する意図はないが、ＣＵＰＲＯＮなどの銅ニッケル合金から構成することができる。また、抵抗要素は、制限する意図はないが、ＫＡＮＴＨＡＬＤなどの鉄系合金、クロム系合金やアルミ系合金から構成することができる。また、抵抗要素は、化学的または機械的加工や、エッチング加工その他の機械加工を始めとする多数の加工方法で構成することができる。

以上のように、本発明は、改良インダクターおよびその製造方法を提供するものである。本発明では、使用する材料のタイプ、使用する製造技術の点で多くの変更が可能である

１０、１００、１２０：インダクター、
１２、１０２、１２４：インダクター本体、
１４：上面、
１８、２０：端面、
２６：スロット、
３０、８４、９８、１２２：熱安定性抵抗要素、
３２、３４、３８、４０、１２６、１２８：表面実装端子、
９４：巻き線部分
１２４：分布型ギャップ磁性材料。

Claims (28)

1. 上面と、対向する第１端面および第２端面とをインダクター本体に有し、
   前記第１端面から前記第２端面に向けて引き伸ばしたスロットを設けた前記上面と、
   前記対向する第１端面および第２端面の間のインダクター本体に形成した中空部分と、
   前記中空部分内に設けられた熱安定合金で形成された熱安定性抵抗要素と
   を有し、
   第１及び第２の対向表面実装端子を形成するために前記熱安定性抵抗要素を前記上面に向けて折り曲げられたことを特徴とするインダクター。
   
2. 前記上面から前記中空部分に引き伸ばされた前記スロットである請求項１記載のインダクター。
   
3. 前記第１及び第２の対向表面実装端子の少なくとも一部が前記スロットの少なくとも一部に重ねられた請求項１に記載のインダクター。
   
4. 前記インダクター本体が分布型ギャップ材料で構成される請求項１に記載のインダクター。
   
5. 前記熱安定性抵抗要素の抵抗値が０．２ミリΩ〜１Ωである請求項１に記載のインダクター。
   
6. 前記熱安定性抵抗要素が第１の材料で形成され、前記第1及び第２の対向表面実装端子が前記第１の材料と異なる第２の材料で形成された請求項１に記載のインダクター。
   
7. 前記第1及び第２の対向表面実装端子が銅で形成された請求項６に記載のインダクター。
   
8. 前記熱安定性抵抗要素が±１％の抵抗許容誤差である請求項１に記載のインダクター。
   
9. 上面と、対向する第１端面および第２端面とをインダクター本体に有し、
   前記インダクター本体がフェライトからなり、これによってフェライトコアを形成し、
   対向する前記第１端面と前記第２端面との間の前記インダクター本体を貫通する中空部分を有し、
   前記前記第１端面から前記第２端面まで引き伸ばしたスロットを前記インダクター本体の前記上面に有し、
   第１の材料で形成され且つ前記中空部分内に貫通して設けられた熱安定性抵抗要素であり、
   前記熱安定性抵抗要素が第２の材料で形成された第１及び第２端部を有し、
   前記第１及び第２端部が前記スロットに向けて折り曲げられており、
   そして、前記第１及び第２端部が第１及び第２の対向表面実装端子を形成することを特徴とするインダクター。
   
10. 前記熱安定性抵抗要素が、複数の巻き線部分からなる請求項９に記載のインダクター。
    
11. 前記熱安定性抵抗要素の抵抗値が０．２ミリΩ〜１Ωである請求項９に記載のインダクター。
    
12. 前記熱安定性抵抗要素の抵抗の温度係数（ＴＣＲ）が低く、−５５〜１２５℃の範囲で１００ｐｐｍ／℃以下である請求項９に記載のインダクター。
    
13. インダクターのインダクタンスが５０ナノヘンリー〜１０マイクロヘンリーの範囲内にある請求項９に記載のインダクター。
    
14. 前記熱安定性抵抗要素が第１の材料で形成され、前記第1及び第２の対向表面実装端子が前記第１の材料と異なる第２の材料で形成された請求項９に記載のインダクター。
    
15. 前記第1及び第２の対向表面実装端子が銅で形成された請求項１４に記載のインダクター。
    
16. 前記熱安定性抵抗要素が±１％の抵抗許容誤差である請求項９に記載のインダクター。
    
17. 上面と、対向する第１および第２端面とを有したインダクター本体であり、前記対向する第１端面と第２端面との間で中空部分を貫通させて設けた前記インダクター本体を用意し、
    前記インダクター本体の前記上面にスロットを設け、
    熱安定性抵抗素子を用意し、
    前記熱安定性抵抗素子を前記中空部分に配置し、
    対向表面実装端子を形成するために、前記熱安定性抵抗素子の端部を前記上面に向けて折り曲げることを特徴とするインダクターの形成方法。
    
18. 前記熱安定性抵抗素子が、ニッケルおよび銅を有する非鉄系金属合金からなる請求項１７に記載の形成方法。
    
19. 前記熱安定性抵抗素子が、鉄、クロム、およびアルミからなる請求項１７に記載の形成方法。
    
20. 前記インダクター本体をフェライト材料で構成する請求項１７に記載の形成方法。
    
21. 前記インダクター本体が分布型ギャップ材料で構成される請求項１７に記載の形成方法。
    
22. 前記熱安定性抵抗素子が、複数の巻き線部分からなる請求項１７に記載の形成方法。
    
23. 前記熱安定性抵抗素子が第１の材料で形成され、前記第1及び第２の対向表面実装端子が前記第１の材料と異なる第２の材料で形成された請求項１７に記載の形成方法。
    
24. 前記第1及び第２の対向表面実装端子が銅で形成された請求項１７に記載の形成方法。
    
25. 前記熱安定性抵抗素子が±１％の抵抗許容誤差である請求項１７に記載の形成方法。
    
26. 熱安定性抵抗要素と、
    上面および対向する第１端面と第２端面とを有したインダクター本体と
    を有し、
    前記インダクター本体が前記熱安定性抵抗要素上にプレス加工した分布型ギャップ磁性材料であることを特徴とするインダクター。
    
27. 前記熱安定性抵抗要素が、複数の巻き線部分からなる請求項２６に記載のインダクター。
    
28. 前記熱安定性抵抗要素が、鉄、クロム、およびアルミからなる請求項２６に記載のインダクター。

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