JP4875706B2

JP4875706B2 - トランス

Info

Publication number: JP4875706B2
Application number: JP2008528410A
Authority: JP
Inventors: ブランケ，ヨルグ
Original assignee: フェニックスコンタクトゲーエムベーハーウントコムパニーカーゲー
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: US20080246575A1; JP2009510717A; CN101300649B; US7667563B2; EP1922738A1; WO2007025725A1; DE102005041131B4; CN101300649A; EP1922738B1; DE102005041131A1

Description

本発明は概してインターフェース技術の分野に関する。インターフェース技術では、計測制御用および規制技術用のモジュラ・コンバータなどの電子部品、特にアイソレーション・アンプが知られている。この種のアイソレーション・アンプは、標準のノーマル信号の直流的分離、変換、増幅、フィルタリング、およびアナログ信号の整合に使用できる。これらのアイソレーション・アンプは入力回路、出力回路、および供給回路中で互いに直流的に分離される。この分離により、様々な回路の接地から生じる接地ループの干渉によって異なるセンサ回路およびアクチュエータ回路が互いに影響しあうことを防ぐ。

直流的分離は、電力変換に使用されるインダクタンス性受動部品によって実現される。トランスは電気工学における重要な受動部品である。交流電圧はトランスの助けにより昇圧または降圧ができる。ここでの例としてトランスが電力変換に使用されずアナログ情報の伝送に使用される場合は、トランスは適切に結合トランスと呼ばれる。トランスは電力変換および信号伝送の両方に使用される可能性がある。両方の電子部品は、インダクタンス性部品の同じ原理で作動する。トランスを含むアイソレーション・アンプの電子部品は、一般的に回路基板に実装される。回路基板は絶縁材筐体中に配置され、らせん状端子、プラグイン端子、またはスプリングクリップ端子を備えてよい。絶縁材筐体は、ＥＮ５００２２に従って支持レールにクリップで取り付けてよく、これにより例えば開閉装置キャビネットに取り付けられる。しかし開閉装置キャビネット中で使用可能な全体の容積は限られている。この制限のために絶縁材筐体を含めた電子部品全体のサイズを小型化しより経済的に作製するという開発要件が存在する。

１つまたは複数の受動トランスを備えるアイソレーション・アンプは従来技術でよく知られている。例えば、ｐｒｏｄｕｃｔｃａｔａｌｏｇ「Ｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ２００２」におけるＴＮＲ５１２３４７４／０４．０１．０２−００、および「ｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｃａｔａｌｏｇ２００４」におけるＴＮＲ５１５４１３９／０４．１５．０４−００（ＰｈｏｅｎｉｘＣｏｎｔａｃｔＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ．より）がある。

このようなアイソレーション・アンプは複数の電子部品からなる。これらの電子部品の１つが、情報信号の直流的分離の機能を果たすトランスである。ある回路から直近で隣接する他の回路に電荷担体が流れることができる経路がない場合は、２つの回路は直流的に分離されていると言われる。直流的に分離された回路間の情報交換は、トランスを介して可能である。トランスは例えば、絶縁導線で少なくも２つの巻回部で巻かれた軟磁性材環状コア部から構成される。問題となるのは、素早く経済的におよび場所をとらない形で、例えばアイソレーション・アンプの回路基板上にトランスを実装することである。このためトランスの回路基板への実装では、実装技術により高い要件がかかる。実装される部品が吸引ピペットにより操作されて回路基板の表面に実装されるＳＭＤ実装技術（ＳＭＤ＝表面実装デバイス）を用いてトランスを実装するために、ＥＰ１１０４９３１Ａ２は、接触面を形成する狭い外側側部で二面域を有しそれらの面域が環状コア部を支持基板に配置し実装するように働く改変された環状コア部の使用を提案する。支持基板は次いで回路基板に実装されてよい。ＤＥ３８３４５９０Ａ１も同様のものを記載する。これらの構造上の構成の不利な点は、回路基板、支持基板およびその上に配置されたトランスがもたらす全高がアイソレーション・アンプ全体の幅を縮小するのに適さないことである。

ＤＥ２０３０９８４３Ｕ１は、ＳＭＤ技術での加工が可能なトランスを使用することを提案する。これは、配置された支持脚部を備える環状コア部を有し、そのために支持板が不要となり、環状コア部が回路基板に直接実装可能である。この構成では、支持板を省いたために全高は低くなるが、トランスの環状コア部が回路基板に垂直に配置され、そのため全高が余分に高くなるという本質的な欠点は残る。

そこで、ＤＥ４２１４７８９Ｃ１は、トランスの環状コア部を回路基板上に水平に実装するという方式をとる。この構成の大きな欠点は、環状コア部が実装された後に巻線が回路基板上の調節孔のみで固定可能であり、そのためＳＭＤ実装に適さないことである。

ＤＥ３３１８５５７Ａ１は、回路基板上での使用に適した水平的な実装という構造上の構成を提案する。ここでも全高の縮小は可能でない。

ＤＥ１９６１５９２１Ａ１は、環状コア部を受け入れる切抜き部が回路基板に収容される構成を記載する。これはアイソレーション・アンプでの使用に適した低い全高をもたらす。大きな欠点は、平坦な構造形態で部品を取り付けることはＳＭＤ実装技術に適さず、そのため大規模の連続生産に適さないことである。この構造の構成は、ＥＸ標準における空間距離および沿面経路についての高い要件を満たさない。

本発明は、既知の構成の上述の欠点を回避する上述した種類のアイソレーション・アンプ用のインダクタンス性部品またはトランスを作製し、簡潔で機能的な形状を備え、低い全高を有し、ＳＭＤ実装技術で回路基板に実装可能でありながらＥＸ標準の空間距離および沿面経路についての高い要件を満たすアイソレーション・アンプ用の経済的なトランスの作製を可能にする技術的解法を示すという課題に基づいている。

ｐｒｏｄｕｃｔｃａｔａｌｏｇ「Ｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ２００２」におけるＴＮＲ５１２３４７４／０４．０１．０２−００「ｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｃａｔａｌｏｇ２００４」におけるＴＮＲ５１５４１３９／０４．１５．０４−００（ＰｈｏｅｎｉｘＣｏｎｔａｃｔＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ．より）ＥＰ１１０４９３１Ａ２ＤＥ３８３４５９０Ａ１ＤＥ２０３０９８４３Ｕ１ＤＥ４２１４７８９Ｃ１ＤＥ３３１８５５７Ａ１ＤＥ１９６１５９２１Ａ１

本発明に従って、この問題は請求項１の特徴事項によって解決される。本発明の有益な実施および改善例をその後の従属項と以下の説明に示す。
本発明のこれらの特徴を備えるトランスを、ＳＭＤ実装技術が可能な構造上の形態において狭い絶縁材筐体用の小型設計で作製するために、第１の実施形態では、別個の組み込み可能なトランス部品用の開口部を回路基板に備え、この部品がアイソレーション・アンプの構造上の機能的部分となるアイソレーション・アンプを作製することを提案する。第２の実施形態では、この別個の組み込み可能な部品は予め実装され、アイソレーション・アンプの回路基板への実装後にのみトランスを構成する。第２の実施形態のトランスは、はんだ付けの際に短絡巻線を閉じるだけで完成される。少なくとも短絡巻線の一部は、平坦な短絡巻線の可能性がある主基板または回路基板に配置される。別法として、これは別個のはんだブリッジを用いて予め行ってよい。

アナログ信号の送信は産業環境において特に雑音に影響されやすい。計測、制御、および調整技術用モジュラ・コンバータは、外部の雑音パラメータを原因とするアナログ信号の改変を回避する。これにより送信品質を確保し向上させ、さらにアナログ信号の正確な変換、分離および整合により制御ループの品質が向上する。この品質水準または対応する公的規格を満たすために、上述の要件を満たし、およびＳＭＤ実装技術の助けにより回路基板の開口部に組み込み可能であり、したがってアイソレーション・アンプの狭い絶縁筐体への組み込みが可能なトランス部品を開発する必要がある。
本問題は本発明に従って下記の技術仕様により解決される。

本技術的解決は一次巻線と１つまたは複数の二次巻線とを備えるトランスに従来の形で巻回された２つ以上の環状コア部を接続することにあり、ここでインダクタンス性部品は並列または直列に接続されてよい。最も簡単な構造レベルでは、一次巻線が第１の環状コア部に巻回され、二次巻線が第２の環状コア部に巻回される。２つの完成された磁性コア部は、内部層に１つまたは複数の印刷導線を有する一体の基板に実装される。実装は、これもＳＭＤ実装ロボットで行ってよい。巻線の導線端部は接触面の巻線部に巻回される。ドライバ回路との電気的接触は、例えば接触面を介して形成される。基板の接続アームに配置される巻線部は、アイソレーション・アンプの回路基板に切り抜かれ、それにより完成された、または予め作製されたトランス部品は回路基板に平坦に位置することができ、このためにＳＭＤはんだ付けに適している。真空吸引装置が、トランス中央の吸引面を介して部品の吸引を行い、部品を移送し、回路基板上に位置決めし定着させることができる。さらに、アイソレーション・アンプの印刷導線は、アイソレーション・アンプの回路基板上で接触面を介して、例えばすず被覆により、インダクタンス性一次部品の出力巻線およびインダクタンス性二次部品の入力巻線の両方に相当する完成された巻線に接続される。基板の素材は、その構造により巻線間絶縁部を形成する。内部印刷導線は少なくとも０．５ｍｍの絶縁材で取り囲まれている。このようにしてＥＸプロテクトされた製品の絶縁に関する高い要件が実現できる。ＥＸフィールド用に必要な間隙と一次巻線および二次巻線のしっかりとした堅固な分離のための空間ギャップおよび沿面ギャップとは、中央ウェブと、基板端部から中央層中の印刷導線の距離とで恒久的に決まる。２つまたはそれ以上の短絡巻線が基板にある印刷導線の適切な配置で実現されてよく、短絡巻線はインダクタンス性部品の両側面で均一に分散されてよく、これは同時にインダクタンス性部品の結合の改善をもたらす。

本発明のいくつかの実施形態は純粋に概略として図中に示されており、以下に詳細に説明する。図１〜図３に示される印刷導線１１は通常、基板１０中にあり視認できない。理解と説明を容易にするために、印刷導線１１は基板１０の表面に示してある。

回路基板２０の開口部２２に組み込まれたトランス１の概略が図１に示されており、トランス１は、以後組立体とも呼ぶ部品２’を備え、部品２’は、絶縁線７の１つまたは複数の巻線６、６’が貫通する中央孔５（図示せず）を有する軟磁性材の磁性コア部４、４’と、１つまたは複数の完成された磁性コア部４、４’および６、６’の支持体であり内部印刷導線１１を備える基板１０とを備える。部品２’は、１つまたは複数の内部印刷導線１１が中に配置された１つまたは複数のウェブ１２、１２’と、インダクタンス性部品３、３’を回路基板２０に配置された電子部品（図示せず）に接続するための、上側４８および下側４９がメタライズされた接触面１４および巻線（６、６’）の巻き始め１６および巻き終わり１７を固定するためのメタライズされた巻線接触部１５を有する１つまたは複数の接続アーム１３とを備え、組立体２は、面実装に適した小型化可能なＳＭＤ部品を形成し、少なくも２つのインダクタンス性部品３、３’を備える。トランス１の組立体２がＳＭＤ技術で実装可能とするために、基板１０は平面的である。平面基板１０は回路基板２０に実装するための吸引ピペット１９（図示せず）用の面１８を含む。吸引ピペット１９は、面１８でトランス１の部品２を捕捉し、実装のために部品２を回路基板開口部２２に移送し、この中で部品２は、メタライズされた接触面１４を介してはんだ付け、接着などにより回路基板２０に組み込まれ接続される。回路基板開口部２２の切抜き部２３は、２つのインダクタンス性部品３、３’が横方向外側にずれる可能性がない形で、組立体２が実装された後に基板開口部２２中に固定されるように設計されている。ウェブの境界または両端があるため、２つのインダクタンス性部品３、３’が基板中央部へ内側にずれることも同様に不可能である。平面基板１０はさらに２つのウェブ１２、１２’を備えており、これらに対して、基板１０の長手方向で同じ中央軸上での中間経路において互いに離れるように反対方向に、巻回された環状コア部が押圧される。ＳＭＤ実装ロボットによって実装が実現できる構成もある。そのため基板１０は予め作製されていてよい。ウェブ１２、１２’はインダクタンス性部品３、３’の中央孔５を貫通し、インダクタンス性部品３が一次部品を形成し、他のインダクタンス性部品３’が二次部品を形成する。このためインダクタンス性部品３は、一次巻線６を伴う磁性コア部４を備え、インダクタンス性部品３’は、二次巻線６’を伴う磁性コア部４’を備え、磁性コア部４、４’は環状コア部８、８’で形成される。代替として磁性コア部４、４’は、長方形のフェライトのコア部として形成されてもよい。２個の完成された磁性コア部４、６および４’、６’は環状コア部８、８’の中央孔５を貫通する基板１０中の印刷導線１１によって結合され、基板中の印刷導線１１は印刷回路で形成されている。基板１０中に配置される２個の他の印刷導線２４、２５は、インダクタンス性部品３、３’の外側を通る。印刷導線１１、２４、２５は、基板１０の端面３１、３１’で外に出て、そこで例えばはんだ付けにより回路基板２０に接続され、それにより巻線が生じる。図１に示すように、３本の印刷導線１１、２４、２５が互いに基板１０上で接続されている場合は、２本の巻線３２、３７が生じる。それぞれの巻線３２、３７は平坦な短絡巻線３３を形成し、これは一次巻線６を二次巻線６’に結合する。２つのインダクタンス性部品３、３’の結合をもたらす基板１０内を通る印刷導線１１、２４、２５は、少なくとも０．５ｍｍの絶縁材３５で取り囲まれ、規格ＥＮ５００２０およびＥＮ５００１４の規定に対応する縁の距離を有し、これによりトランス１の部品２は、本質安全の要件に適う。

図２に示すトランス１は、図１の構造上の構成の代替の配置であり、同様に予め作製されていてよい。吸引ピペット用の小さな平坦面（図示せず）が円形間隔スリーブ２７の上側に形成されている場合は、ＳＭＤ可能の実装ができる。基板１０中のウェブ１２は図１に示す２個のウェブ１２、１２’となる２側面からアクセスすることはできず、一側面からのみアクセスできるため、一方がより長いウェブ１２が生じる。したがってウェブ１２は２つのインダクタンス性部品３、３’の担持体である。インダクタンス性部品３、３’は、互いに続けて配置され要素２６によって隔てられる。要素２６は好ましくは、絶縁材３４からなる間隔スリーブ２７であり、組み立て時に２つのインダクタンス性部品３、３’の間でウェブ１２に対して押圧される。間隔スリーブ２７上の平坦面（平坦な状態は図示せず）により、実装に実装ロボットが使用可能である。２つのインダクタンス性部品３、３’間の距離は、ＥＸ仕様のみならず幅広い様々な規格仕様に合わせて間隔スリーブ２７の異なる長さにより調節されてよい。図１に示されるように、２つのインダクタンス性部品３、３’は２本の平坦な巻線３２、３７によって印刷導線１１、２４、２５を介して互いに結合され、それにより２本の短絡巻線３３が生じる。代替として、印刷導線１１、２４、２５は、図２に示すようにわずかに距離を置く２本の並列の印刷導線１１、２９を備えてよく、および２つのインダクタンス性部品３、３’の結合用に印刷導線２４、２９と印刷導線２５、２９とを備えてよい。組立体２の他の特性、例えば接続アーム１３の特性は図１に記載されている特性に一致する。

トランス１のさらなる構造上の構成の配置を図３に示す。トランス１の組立体２は、外側輪郭３９の想像上の線上で互いに１２０度の間隔で配置された３個の切抜き部４１を備える対称六角形４０に概ね一致する。インダクタンス性部品３、３’を収容する機能を果たす垂直に外側に向かうそれぞれのウェブ１２、１２’は、切抜き部４１の中央線上に配置されている。切抜き部４１の２つの平行する内側側面４２、４２’は接続アーム１３、１３’によって隣接し、接続アーム１３、１３’は同様にウェブ１２に並行して位置し、図１のように、接触面１４および巻線接触部１５を備えて形成されている。延伸する接続アーム１３、１３’は、本発明に従って巻線６、６’の絶縁線７、７’のための巻線接触部１５、１５’間の距離「Ｘ」が可能な限り最大となるように互いに１２０度を置いて離れるような形で配置されている。この距離「Ｘ」はトランス１の保護タイプ「本質安全」用の２個の直流的に隔てられた領域間に必要な分離を確保し、したがって規格ＥＮ５００２０の基準を満足する。本部品または組立体２は３つのインダクタンス性部品３、３’で完成され、１つのインダクタンス性部品３が一次巻線４を備え、それに並列に配置された２つのインダクタンス性部品３’が二次巻線４’を備える。基板１０中央のトランス１に対して吸引ピペット（図示せず）によって吸引を行ってよく、ＳＭＤ実装ロボット２１の助けによりＳＭＤによる実装がなされてよい。一次インダクタンス性部品３の基板１０への実装では、ウェブ１２および／また接続アーム１３が識別番号「１」またはピン番号４４の形態でラベル付けされる。識別番号「１」は、組立体２の回路基板２０の開口部２２への実装の際にＳＭＤ実装ロボット２１による部品２の確実な位置確定を可能にする。ウェブ１２での一次巻線６の入力側インダクタンス性部品３への実装後、ウェブ１２に対して２個の出力側インダクタンス性部品３’が二次巻線６とともに実装される。ウェブ１２、１２’および基板１０は、図１に示されるように連続する内部印刷導線１１を備えて形成される。印刷導線１１は、１つまたは複数の印刷導線１１であってよい。この構造上の構成では、互いに並行でわずかな距離を置いて離れる２本の印刷導線１１、２９がある。印刷導線１１、２９の特別な特徴は、印刷導線１１、２９が２個の二次出力側４７、４７’に対する接続のために一次入力側４６の出力側で２方向４５、４５’へ分枝することである。本実施においても短絡巻線は回路基板２０へのはんだ付けによってのみ完成される。組立体２の他の特性、例えば接続アーム１３の特性は図１に記載されている特性に一致する。

図４は、回路基板２０に組み込まれた図１による組立体２を備えるトランス１を側面図として示しており、ここから４．６ｍｍ以下の低い全高の「Ｙ」がよく視認できる。全高「Ｙ」は磁性コア部４とその巻線６によって決まる。基板１０の内側の印刷導線１１は基板１０の端面３１で互いに接続されている。部品２の他の特性、例えば接続アーム１３の特性は図１に記載されている特性に一致する。

回路基板に組み込まれたトランスの概略を示す平面図である。２つのインダクタンス性部品の間に間隔要素を備えるトランスの別の構成を示す図である。並列に接続された３つのインダクタンス性部品を備えるトランスのさらなる構成を示す図である。図１の側面図である。

符号の説明

１トランス
２部品または組立体
３インダクタンス性部品（一次）
３’ インダクタンス性部品（二次）
４磁性コア部（一次）
４’ 磁性コア部（二次）
５中央孔
６巻線（一次）
６’ 巻線（二次）
７絶縁線
８環状コア部
８’ 環状コア部
１０基板
１１印刷導線
１２ウェブ
１２’ ウェブ
１３接続アーム
１３’ 接続アーム
１４接触面
１４’ 接触面
１５巻線接触部
１５’ 巻線接触部
１６巻線巻き始め
１７巻線巻き終わり
１８面
１９吸引ピペット
２０回路基板
２１ＳＭＤ実装ロボット
２２回路基板開口部
２３切抜き部
２４印刷導線
２５印刷導線
２６要素
２７間隔スリーブ
２９印刷回路
３０端面
３１端面
３１’ 端面
３２巻線Ｉ
３３短絡巻線
３４素材
３５絶縁材
３６全高
３７巻線ＩＩ
３９外側輪郭
４０六角形
４１切抜き部
４２内側
４２’ 内側
４４ピン番号
４５方向
４５’ 方向
４６入力側
４７出力側
４８端部側
４９下側
５０上側

Claims

回路基板（２０）の開口部（２２）に挿入され、前記開口部（２２）へ固定されるように構成されている小型電子部品として形成された組立体（２）を有するトランス（１）であって、前記組立体（２）は、
１つまたは複数のウェブ（１２）と、接触面（１４）および巻線接触部（１５）を有する１つまたは複数の接続アーム（１３）とで形成された基板（１０）であって、前記ウェブ（１２）の内部を通じて延設され及び前記基板（１０）の内部を通じて部分的に延設された内部印刷導線（１１、２４、２５、２９）を含む基板（１０）と、
少なくとも２つのインダクタンス性部品（３、３’）とを備え、
前記ウェブ（１２）の内部印刷導線（１１、２９）と前記基板（１０）の内部印刷導線（２４、２５、２９）とは互いに連結し、
前記インダクタンス性部品（３、３’）の各々は、完成された磁性コア部（４、４’、６、６’）を形成するように、中央孔（５）を有する軟磁性材の磁性コア部（４）と、前記中央孔（５）を貫通して延設された絶縁線（７）の１つまたは複数の巻線（６）とを含み、
前記ウェブ（１２）の各々は、両側に開口部を有する前記基板（１０）の一部であり、前記完成された磁性コア部（４、４’、６、６’）を担持し、前記完成された磁性コア部（４、４’、６、６’）の前記磁性コア部（４）の前記中央孔（５）を通じて延出しており、
前記内部印刷導線（１１、２４、２５、２９）は、前記完成された磁性コア部（４、４’、６、６’）間の結合を形成し、
前記巻線接触部（１５）は、前記巻線（６）の巻き始め（１６）と巻き終わり（１７）を固定し、
前記接触面（１４）は、前記インダクタンス性部品（３、３’）を、前記回路基板（２０）上に配置された電子部品へ接続させることを特徴とするトランス。
前記組立体（２）は、前記回路基板（２０）にあらかじめ実装されており、
前記内部印刷導線（１１、２４、２５、２９）は、短絡回路巻線（３３）を形成し、
前記短絡回路巻線の一部は、前記基板（１０）の端面（３１，３１’）から出て前記回路基板（２０）上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記基板（１０）は、前記組立体（２）がＳＭＤ実装技術を可能にするための平面基板（１０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記平面基板（１０）は、吸引ピペット（１９）により接続された平面（１８）を含むことを特徴とする請求項３に記載のトランス。
前記少なくとも２つのインダクタンス性部品（３、３’）の一方は、磁性コア部（４）および一次巻線（６）を有する一次インダクタンス性部品であり、前記少なくとも２つのインダクタンス性部品（３、３’）の他方は、磁性コア部（４’）および二次巻線（６’）を有する二次インダクタンス性部品であることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記磁性コア部（４、４’）は、環状コア部（８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記磁性コア部（４、４’）は、長方形のコア部（８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記結合を形成する内部印刷導線は、前記基板（１０）中の巻線（３２）および前記回路基板（２０）上の巻線（３２）を、前記ウェブ（１２）上に配置された前記完成された磁性コア部（４、４’、６、６’）へ結合させるための少なくとも１つの内部印刷導線（１１）を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記巻線（３２）は、一次巻線（６）を二次巻線（６’）へ結合する少なくとも１つの平面短絡回路巻線（３３）を形成することを特徴とする請求項８に記載のトランス。
前記基板中の前記内部印刷導線（１１、２４、２５、２９）は、０．５ｍｍの絶縁材（３５）で取り囲まれていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記組立体（２）は、本質安全に関する規格ＥＮ５００２０を満足することを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記組立体（２）の全高（３６）は、４．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のトランス。