JP2024530475A

JP2024530475A - 印刷回路基板に実装する為の表面実装誘導性コイル要素

Info

Publication number: JP2024530475A
Application number: JP2024506865A
Authority: JP
Inventors: ペレス，フランシスコエツェクイエルナバッロ; クエバス，アントニオロハス; カベツァ，クラウディオカネテ; カメロパウラペレス; レイェス，セルジオコボス
Original assignee: Premo SA
Current assignee: Premo SA
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2024-08-21
Also published as: CN117795630A; KR20240034870A; WO2023012060A1; EP4381531A1

Abstract

【課題】落下試験に合格する壊れづらい表面実装誘導性コイル要素を提供する。【解決手段】発明のコイル要素は、モノリシック・コア１を含み、コア１は、互いに直交する３つの巻線ガイド構成と、コア１に取り付けられた複数の接続導体２とを有する。ガイド構成の各々は、直交する３本の導電性コイルをコア１の周り配置するために、３本の直交軸Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の１つの軸の周囲に形成される。接続ＩＦ２は、コイルの各々をＰＣＢの導電路に接続し、コア１内に埋設されており、コア１は、射出成形可能なポリマー体からなり、ポリマー体は、粉末状磁性電荷を７０ｗ％－８５ｗ％を含み、これにより、磁気インダクタンスを提供し、接続導体２の間の電気絶縁を確保し、４Ｗ／ｍＫ以上の伝熱性を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導性コイル要素に関し、特に印刷回路基板（ＰＣＢ）に実装するよう設計された誘導性コイル要素（「誘導性要素」とも称する）に関する。多くの場合、これらの部品は、ＰＣＢに接続する為に、機械的インターフェース（「導体」とも称する）を組み込んでいる。この機械的インターフェースは、通常、微少電流（例えば、電子業界で使用されている電流）用に、ＰＴＨ（Pin Through Hole）即ちピン貫通孔の手段又はＳＭＴ（Surface Mount Technology）即ち表面実装技術ピン／パッドで、行われている。

一般的に、これらの誘導性コイル要素は３つの要素から構成されている。即ち、磁気コアと、この磁気コアを保持するベース又はボビンと、この磁気コアの周囲に巻回されるコイル即ち巻線である。

これら３つの要素の材料は、多様な電気的（導電）特性と磁気的（透磁）特性を有する。ベース又はボビンは、プラスチック技術に基づくポリマー材料（例：フェノール類、ポリアミド類）製で、絶縁性が高く、ピン／パッド（ＰＴＨ，ＳＭＴ）をその上に実装でき、巻線を半田付けし固定できる。ベース又はボビンは、そのため、構造的機能（磁気コアと巻線を支持収納する機能）と機能的機能（必要な電気絶縁機能）を持っている。他方で、磁気コアは、通常、金属系材料、この金属系材料のアモルファス合金又は結晶合金、金属酸化物又は合金の焼結（成形）粉末又は圧密粉末で出来ている。これらの材料は、通常所定の導電性（率）を有するが、これが渦電流（Eddy current）を増加させ、損失を発生させる。この為、磁気コアを巻線と印刷回路基板に対し絶縁する必要がある。これは、プラスチック製のベース又はボビンの手段で行われている。

ＵＳ２０１５／０１５５６２９ＣＮ２０１７／８９０６１ＵＥＳ２４５９８９２ＥＰ２９１１２４４ＵＳ２０１３／０３３４０８Ａ１ＥＰ１６２０９２０Ｂ１ＷＯ２０１４／０７２０７５Ａ１ＥＰ２９２８０３９Ｂ１

誘導性コイル要素の１つは、例えば、ＲＦＩＤ用の低周波用巻線アンテナである。これは、キーレス・エントリー・システムに用いられ、キーを紛失したりして又は衝撃でキーが使えなくなるリスクに備えてのことである。即ち、キーに実装された誘導性コイルは、落下の際の衝撃に耐える必要がある。

本発明の目的は、以下の要件を満たす誘導性コイル要素（以下「誘導要素」とも称する）を提供することである。
１．業界標準の落下試験に合格すること。
２．ＳＭＴ又はＰＴＨに実装できる磁気コアを保持するベース又はボビンを必要としないこと。
３．誘導性コイルの製造コストが安いこと。
４．所定の要件（インダクタンス、Ｑ係数、ＤＣ抵抗、感受性）を損なわないこと。

誘導性コイル要素の標準構造は、非導電性のベース又はボビン（通常、プラチック材料製）を含む。ベース又はボビンは、磁気コアを収納し、この磁気コアにコイル／巻線が巻かれる。このことは、例えば、特許文献１～４に開示されている。

更に特許文献５は３軸アンテナ用のコア組立体を開示する。このコア組立体は、Ｘ軸コイルとＹ軸コイルが巻かれる本体を有する第１コア部材と、Ｘ軸コイルとＹ軸コイルが巻かれる本体を有する第２コア部材と、環状部分を有するボビンとを有する。この環状部分は第１コア部材を一方の側から配置し、第２コア部材の本体の一部を他方の側から収納する。その結果、第１コア部材の本体と第２コア部材の本体は、互いに少なくとも部分的に隣接している。

特許文献６は、誘導性ミニアチュア要素と、第１と第２のガイド要素と、コイル板を開示する。誘導性小型要素はフェライト材料製の巻線を有する。この巻線は平坦で多面の部品として実現している。３本の巻線が巻線要素の上に配置されている。その結果、巻線の軸は、互いに直交する３つの空間方向に延びる。第１と第２のガイド要素とコイル板は、非導電性（ポリマー材料製）で、非強磁性体材料（non-ferromagnetic material）製である。巻線要素とコイル板は、一緒に配置され、相互に接続され、接着され、接続手段を固定している。

事故時の衝撃（ワイヤが裂けたり破損することがある）に際し、コアがベース又はボビンから分離するのを防止する為に、この分野では、２つの成分系の構造接着剤（エポキシ系）を単独で使用するか、或いはエポキシ転送射出成形と組み合わせて使用されている。しかし、この誘導性コイル要素の製造プロセスは、高価で時間のかかるものである。使用する機械が高価だからである。例えば、この機械の一例は、加熱オーブンを有する組立機械、或いは精密かつ複雑な型を有するエポキシ射出成形機械である。

更に、多くの場合、衝撃吸収発泡材製シートを用いて、落下試験に際しての衝撃を和らげ、構成部品の破損や分解を阻止している。

本出願人の特許文献７は、印刷回路基板（ＰＣＢ）へ接続する構成のモノリシック・コアを開示する。この接続はピン貫通孔又は表面実装ピン／パッドで行われ、更にコアに金属化処理も行っている。モノリシック・コアは、コイルの巻線用パスを提供する構成を有し極めて高価であるが、コアの破損とフェライトの脆弱性のリスクがある。更に、コアの導電性は、金属化フェライト、Ｆｅ酸化物、Ｎｉ酸化物（低い透磁率であるが高い電気抵抗を有する）の小型化の解決には限界がある。

言い換えると、これらの解決方法／手段は、部品／要素を衝撃から保護し、製造コストの上昇を回避しなければならない。

特許文献８は、無線パワー送信装置の軟磁性基板（soft magnetic substrate）を開示する。この軟磁性基板は、送信コイルを収納するよう構成された側面を有する。この送信コイルの形状に合わせた溝が前記の側面に形成されている。この側面は、第１と第２と第３の送信コイルを収納する。第２の送信コイルは第１の送信コイルに並列に配置され、第３送信コイルは第１と第２の送信コイル上に配置されている。前記溝は壁を有する。この壁は、第１と第２と第３の送信コイルのそれぞれの外周の少なくとも一部を包囲している。この軟磁性基板は、下記の合成成分を射出成形することにより一体に形成されている。
その合金成分は、
＊Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌの合金粉末又は小片とＦｅ－Ｓｉ－Ｃｒの合金粉末又は小片の内の少なくとも一つを８３－８７ｗ％と、
＊ポリビニル（PolyVinyl）系樹脂、ポリエチレン（PolyEthylene）系樹脂、ポリプロピレン（PolyproPylene）系樹脂の内の少なくとも一つを１３－１７ｗ％含む。
特許文献８は、本発明とは異なり、基板の絶縁特性を利用し表面実装用に特別に設計された誘導素子を開示も示唆もしていない。これは同文献の図６とそれに関連する記載から明らかである。

それ故、安価で壊れづらい誘導性コイル要素を提供する必要がある。更に、発泡材、衝撃吸収材、チップ接着剤等がなくても、落下試験に合格し、特にキー又は携帯装置に実装する場合は、落とした際にコアを破損する衝撃の発生を防止できる誘導性コイル要素を提供する必要がある。

上記に鑑み、本発明の目的は、落下試験に合格し、しなやかで、壊れづらく、製造工程が単純で、部品点数を３個から２個に減らせる新たな誘導要素を提供することである。これ以外に、様々な技術を組み合わせた解決方法／手段も執りうる。

この為、本発明は、コア要素と、ベース要素又はボビンを、１つのモノリシック・コアに、射出成形で合体することからなる。これにより、接続導体を収納する要素を提供する。この要素は、強磁性体（ferromagnetic）であり、安定した構造で、絶縁性があり、十分な柔軟性があり、衝撃エネルギーを吸収でき、壊れづらくなる。

本発明の誘導性コイルは、印刷回路基板搭載用要素であるが、従来公知のように、少なくとも１つの巻線用溝と複数の接続導体を有する。溝は、誘導性コイルをモノリシック・コアの周囲に配置する。接続導体は、モノリシック・コアに取り付けられ、導電性コイルを回路基板の導電路に接続する。

特徴的なことは、モノリシック磁気コア（「モノリシック・コア」とも称する）は、射出成形ポリマー体（injection moudable polymer body）製である。このポリマー体は、磁性電荷（magnetic charge）を７０ｗ％－８５ｗ％含有し、適切な磁気インダクタンス（magnetic inductance）を提供し、接続導体間の絶縁を確保する。この接続導体は、モノリシック・コアに含まれ、４Ｗ／ｍＫ以上の伝熱性を有する。磁性電荷は粉末状の磁性電荷を含む。

一実施例においては、本発明の誘導性コイル要素（inductive coiled element）は、射出成形ポリマー体に含まれる（埋設される）モノリシック・コアを含む。このモノリシック・コアは、適切な磁性インダクタンスを与え、射出成形ポリマー体製である。このポリマー体は、磁性電荷を７０ｗ％～８５ｗ％（最大値）含む。この最大値（上限）は、モノリシック・コアの接続導体間の絶縁を確保できるよう選択される。磁性電荷は、全部又は一部が粉末状（ミクロ粒子又はナノ粒子）の磁性電荷を含む。

一実施例においては、このポリマー体は、ＰＢＭ材料、特に適宜の大きさの適宜の初期透磁率を持つミクロ粒子又はナノ粒子の形態（即ち、粉末状）のＰＢＭ材料から形成される。ＰＢＭ材料とは、ＰＢＴのポリマー、ＰＡ６６，ＬＣＰ，Ｐｅｅｋ、ポリイミドであり、プラス分散材（plus dispersant）、難燃性添加材を含む。このポリマー体は、フェライト又は鉄の粉末、粉末状の強磁性体合金のミクロ粒子又はナノ粒子を７０ｗ％以上含む。従来技術ではコアが占有していた容積全体にボビン又はベースを有する新規なコアが得られる。

ＰＢＭ製のコアの有効透磁率は、誘導性コイル要素の標準構造に埋設されている同一材料の焼結コアのそれよりも低い。本発明は、従来技術の問題点を、磁性電荷を含む射出成形ポリマー体内に、標準のコア容積に加えてベース又はボビンの容積を組み込んで、磁気コアの全容積を増加させることにより解決する。かくして、誘導性コイル要素用に十分な透磁率と最終製品の感受性を達成できる。

即ち、ベース又はボビンによって占有されている全容積を追加の容積と考えると、プラスチック材料から単一の合成材料（複数の機能を有する）への劇的変化となる。これは、更なる機能を、従来の機能（透磁性（permeability）、伝熱性、衝撃吸収性）に追加することにより行われる。

現在まで、従来技術では、ＢＰＭ材料は、コアとしては、従来の焼結材料には技術的に太刀打ちできないと思われてきた。それの理由は、マトリックス内の密度の喪失、断片サイズ、粒子サイズは、目標とされている主要な変数（即ち透磁率）を大幅に制限するか減らすことになるからである。

磁性電荷の８０ｗ％以上はＰＢＭ材料でも得られること、ＰＢＭ材料は浸透現象（percolation phenomina）を発生しないことは、明らかではない。

本発明は、ポリマー材料、引き抜き技術、ナノ技術の進歩を利用して、コアと、ベース又はボビンの製造プロセスにおける垂直方向の統合を可能とし、コストも改善した。

これらの技術の一例は、遊星ジルコニウム製ボール・ミリング（planetary zirconium ball milling）の利用可能性、従来のプラスチック射出成形機械での新たな混合物（高温高圧で射出成形可能な可変レオロジィー性能の材料を含む）の利用可能性の増大である。

これ以外にも、ＰＢＭ一体成分（PBM integral components）は、モノシリック・コアに基づく上記の解決方法とは異なり、上記の欠点を解決することに加えて、コアとベースが射出成形製造された時は、フェライト・コア又は焼結コアの従来の製造工程では得られなかった新たな形状が得られる。従来の製造工程は１０００℃以上の温度の炉で圧縮し焼結する工程である。

一実施例においては、磁気コアを構成するポリマー体に含まれる磁性電荷の全ては、粉末状の磁性電荷である。

別の構成として、磁性電荷は、ポリマー体に埋設された粉末状の磁性電荷と磁性材料製の固体状焼結コアを含む。固体状焼結コアは非粉末のコアである。

固体状焼結コアは、突起はなく、平坦な要素と多面体要素との間にある。

焼結コアは、モノリシック・コア全体の１５ｗ％（重量％）又は１５ｖ％（容積％）以下を占める。いずれの場合も、磁性電荷は、ミクロ又はナノサイズ（の少なくとも一方）の強磁性粒子である。この場合、ミクロ又はナノサイズの強磁性粒子は、フェライト粒子、鉄粉末又は強磁性合金いずれかである。

一実施例においては、ポリマー体内の磁性電荷の最大比率は、７５ｗ％である。ポリマー体は、分散した添加材又は難燃性材料を含むＰＢＭ材料製である。

特定の実施例よれば、本発明のモノリシックな誘導性要素は、少なくとも３本の巻線用溝を含む。これらは巻線ガイド構造の一部である。各巻線用溝は、３本の直交軸であるＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の１つの軸を包囲するモノリシック・コアの周囲に配置される。これにより、３本の直交する導電性コイルをモノリシックの誘導性要素の周りに配置できるようになる。

一実施例においては、３本の直交する巻線ガイド構造の内の２本は、モノリシック・コアをそれぞれ包囲する２つの直交する溝である。

一実施例においては、モノリシックの誘導性要素の形状は、２つの部品で構成される鋳型で生成可能である。即ち、このモノリシック・コアの形状により、２部品製の鋳型が開かれると、そこから生成されたコアが取り出され、モノリシック・コアが形成される。こうするためには、モノリシック・コアの形状は、その周囲表面に溝や凹部がないのが好ましい。

他の実施例においては、誘導性要素の透磁性（率）は、更に混成方法で改良できる。混成方法においては、単純な形状（例：立方体、球状体、四面体、円板、シリンダ体）の安いコアを、鋳型の中に入れる。そして、ＰＢＭでオーバーモールドされた又はオーバー射出成形された形状ができあがり、上記の機能を提供できる。混成方法により、感受性と透磁性を上げコストを下げ、落下試験に合格できる耐性が得られる。

本発明により、コアを循環型社会に組み込むことができるが、これは、射出成形用のＰＢＭペレットを廃棄フェライトと他の再生コアから作り出すことにより行う。

それ故に、本発明は、フェライトの焼結プロセスを実施する必要がない。これにより、廃棄物を使用し、汚くエネルギー集約的でＣＯ^２を生成する旧プロセスから、クリーンな射出成形する新プロセルへ変わることができる。

本発明の誘導性要素の第１実施例の斜視図。この誘導性要素は、中に埋設された接続導体を有する磁性電荷を含む射出成形可能なポリマー体製のモノリシック・コアを有する。この実施例では接続導体は接続ピンである。本発明の誘導性要素の第２実施例の斜視図。フェライト製円板３が、ポリマー体製のモノリシック・コア１内に埋設されている。本発明の誘導性要素の第３実施例の斜視図。立体構造のフェライト体がポリマー体製のモノリシック・コア１内に埋設されている。上の図は誘導性要素の外観を、下の図は立体構造のフェライト体の内部配置を示す。

図１に示す誘導性要素は伝熱性のモノリシック磁性体を含む。この磁性体は、磁性電荷を含む射出成形可能なポリマー体製である。ポリマー体内の磁性電荷の含有量は、７０ｗ％から８５ｗ％（最大値）の間である。これにより、適正な磁気インダクタンスを提供し、モノリシック・コア１内に一部埋設された接続導体２の間の電気絶縁を確保する。磁性電荷は粉末状の磁性電荷を含む。

磁気コア１の形状は、プラスチック製ボビンの標準形状である。即ち、直交するチャネルを提供する。このチャネルは、通常の方法で、誘導性のコイル要素の巻線の周りに配置される。

図２の実施例は図１のそれと全体的に類似する。図２は、磁性材料製の固体焼結コア３が、磁性電荷の一部として、ポリマー体内に埋設されている。この実施例では、固体焼結コア３は、型内に埋設された低価格の薄いフェライト板である。その結果、このフェライト板は、完全に射出可能なポリマー体内に磁性電荷と共に一体化される。

図３において、固体焼結コア３は、フェライトの立方体である。この立方体は、混成磁気コアを構成する磁性電荷と共にポリマー体内に入れられた。この実施例においては、磁性コアは、３つの直交軸の間に規定された８つの空間に分散配置されるコーナー突起体である。固体焼結コア３の厚さは、０．５ｍｍと１．５ｍｍの間である。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない（特許法施行規則２４条の４及び様式２９の２の「備考」１４のロ）。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。「少なくとも１つ或いは複数」、「と／又は」は、それらの内の１つに限定されない。例えば「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」単独のみならず「Ａ，Ｂ或いはＢ，Ｃ更には又Ａ，Ｂ，Ｃ」のように複数のものを含んでもよい。「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならずＡ，Ｂの組合せＡ，Ｂ，Ｃの組合せでもよい。「Ａ，Ｂと／又はＣ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならず、Ａ，Ｂの２つ、或いはＡ，Ｂ，Ｃの全部を含んでもよい。本明細書において「Ａを含む」「Ａを有する」は、Ａ以外のものを含んでもよい。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１：モノリシック・コア
２：接続導体（接続インターフェース）
３：固体焼結コア

Claims

印刷回路基板用の表面実装誘導性コイル要素において、
前記表面実装誘導性コイル要素は、モノリシック・コア（１）を含み、
前記モノリシック・コア（１）は、
互いに直交する３つの巻線ガイド構成と、前記モノリシック・コア（１）に取り付けられた複数の接続導体（２）とを有し、
前記巻線ガイド構成の各々は、３本の直交軸即ちＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の１つの軸の周囲に形成され、直交する３本の導電性コイルを、前記モノリシック・コア（１）の周り配置し、
前記接続導体（２）は、前記３本の導電性コイルの各々を前記印刷回路基板の導電路に接続し、前記モノリシック・コア（１）内に少なくとも一部埋設されており、
前記モノリシック・コア（１）は、射出成形可能なポリマー体からなり、前記ポリマー体は、粉末状磁性電荷を７０ｗ％－８５ｗ％を含み、これにより、磁気インダクタンスを提供し、前記接続導体（２）の間の電気絶縁を確保し、４Ｗ／ｍＫ以上の伝熱性を提供する
ことを特徴とする印刷回路基板用の表面実装誘導性コイル要素。
前記ポリマー体内の磁性電荷は、粉末状の磁性電荷である
ことを特徴とする請求項１記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記磁性電荷は、前記ポリマー体内に、粉末状磁性電荷と磁性材料製の固体焼結コア（３）を含み、混成磁気コアが形成される
ことを特徴とする請求項１記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記固体焼結コア（３）は、突起を有さず、平坦要素と多面体要素の間にある
ことを特徴とする請求項３記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記固体焼結コア（３）は、前記モノリシック・コア（１）全体の１５ｗ％以下又は１５ｖ％以下である
ことを特徴とする請求項３記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記固体焼結コア（３）の厚さは、０．５ｍｍと１．５ｍｍの間である
ことを特徴とする請求項４記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記ポリマー体内の磁性電荷の含有比率は、７５ｗ％と８５ｗ％の間である
ことを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記ポリマー体は、ＰＢＭ材料製であり、
前記ＰＢＭ材料は、分散剤添加材又は難燃性材料を含む
ことを特徴とする請求項１－６のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記磁性電荷は、ミクロ強磁性粒子、ナノ強磁性粒子又はその両方である
ことを特徴とする請求項１－６のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記ミクロ強磁性粒子又はナノ強磁性粒子は、フェライト粒子、鉄粉末、又は強磁性合金のいずれか又は全てを含む
ことを特徴とする請求項９記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記モノリシック・コア（１）は、２部品鋳造で製造可能な形状を有する
ことを特徴とする請求項１－６のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記接続導体（２）は、前記ポリマー体内に少なくとも一部埋設された金属製導電要素である
ことを特徴とする請求項１－６のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記金属製導電要素は、搭載用のピン又はパッドである
ことを特徴とする請求項１２記載の表面実装誘導性コイル要素。
前記３つの巻線ガイド構成の内の２つは、それぞれが前記モノリシック・コア（１）を包囲する２つの直交する溝である
ことを特徴とする請求項１－６のいずれか１項に記載の表面実装誘導性コイル要素。