TWI768289B - 線圈及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種線圈(1)，其包含具有由導電材料製成的管壁(6)之管件(2)，其中，該管件(2)包含感應部分(7)，其中，管壁(6)設置有間隙(4)，在該感應部分(7)中該間隙將管壁(6)形成為螺旋，以及該管件(2)包含兩個接觸部分(8)，其中該管壁(6)經成形為電連接。本發明進一步關於包含多個線圈模組的態樣、用於製造線圈的方法以及用於製造模組的方法。

Description

線圈及其製造方法
本發明係關於一種線圈，該線圈包括由導電材料製成的管件，以及製造該線圈的方法。
在電路的小型化過程中，提供包含低功率損耗、高載流能力和可靠壽命的小型電感構件是非常令人感興趣的。
特別是在金屬線線圈的情況下，金屬線與用於外部接觸的接觸元件的連接可為其弱點。所述連接通常藉由焊接點(Schweißstellen)或針焊點(Lötstellen)實現，由於所用合金含有銅，錫或鎳，或者由於氧的雜質，其電阻至少會略有增加。如果接觸不正確，電阻亦會大大增加。此可導致高接觸電阻，從而導致高功率損耗。此亦可導致此時的熱負荷增加，在無害的情況下可能導致線圈故障，或在更嚴重的情況下可導致起火。
本發明的目的是提供一種性質改善的線圈。此外，本發明的目的是提供一種線圈的製造方法。
本發明的目的藉由如請求項1的線圈來實現。在其他請求項中可找到線圈另外的實施例和用於製造該線圈的方法。
本發明提出一種線圈，其包含管件，該管件包含由導電材料製成的管壁，該管件包含感應部分，其中在管壁中設置有間隙，該間隙使該管壁在感應部分中形成螺旋(Wendel)，以及其中所述管件包含兩個接觸部分，在各接觸部分中，所述管壁形成電連接(elektrischen Anschluss)。
管件可為細長的中空主體，其包含開口，該開口從主體的第一端穿過整個主體延伸到與第一端相對的第二端。該管件可相對於其中心軸對稱，其中該中心軸從第一端底面的中心延伸到第二端底面的中心。在一實施例中，管件可包含圓形、橢圓形或矩形的橫截面，而其他的橫截面亦可。
螺旋形結構可被指稱為螺旋。特別地，該螺旋可形成線圈的匝數。
特別地，該管件可在管壁中包含螺旋形間隙，由此自該管件形成線圈的匝數。該管件由導電材料製成。對於包含電導率超過104S/m，特別是電導率超過105S/m或106S/m的材料則視為導電材料。包含很高電導率的材料，例如銅、鋁、銀或金的金屬，可適用於此。同樣地，諸如碳鋼、不銹鋼、合金鋼或模具鋼之類的工業鋼亦可用作管件的原料。
管件具有感應部分和至少一個接觸部分。基於由間隙形成的螺旋，感應部分可形成電感部。感應部分和接觸部分由管壁的材料一體形成。因此，不需要將感應部分連接到接觸部分的連接配套件，例如焊料。 而是感應部分和接觸部分可藉由管壁相應的結構形成，並藉由管件材料保持彼此連接。
線圈的優點在於，無需內部連接點即可將電感部連結至連接(Anschluss)。而且，感應區域和接觸區域可整體成形。與需要內部連接點而將電感部連接到連結的線圈相較，該線圈具有較低的總電阻。再者，內部接觸的去除還消除可能另外在內部接觸上發生的熱應力和機械應力，從而降低線圈對誤差的敏感性。
該管件的橫截面不必一定是圓形的，而可為例如橢圓形、正方形、矩形、多邊形、具有圓角的正方形、具有圓角的矩形或具有圓角的多邊形。正方形橫截面的優點是可針對給定的高度或寬度而最佳利用可用的安裝空間。
根據線圈的應用，管件底面可為平坦的，意即與高度的擴展相比，橫向於管件底面的尺寸較大而高度較小。或者，管件可具有較小的底面，且具有相當高的高度。如果例如將線圈安裝在置於狹窄殼體中的印刷電路板上，則扁平的形狀是有利的。另一方面，如果可在印刷電路板本身上提供很小的空間，則管狀形狀可能是有利的，即該管狀形狀具有較小的底面但具有很大的高度。
此外，線圈可具有磁芯。例如鐵磁芯的應用可在線圈中提供更高的磁通密度，並增加線圈的電感。用於芯的合適材料可為金屬鎳鋅、錳鋅和鈷以及其他合金。此處，芯不僅限於設置在線圈內部的芯，還包括作為模組化線圈-殼體一部分之整體成形的芯。具有模組化線圈殼體的線圈 的實施例可改善線圈的電磁兼容性。例如，藉由將EP芯用作殼體，可改善殼體的電磁屏蔽，特別是在高頻應用中，因此可提高電磁兼容性。
此外，管件可嵌入塑料中，以保護管件不受機械影響，亦不受溫度和化學影響。環氧樹脂、苯基樹脂以及矽氧樹脂都適合用作塑料。藉由將管件嵌入塑料中，線圈組件更適合例如在取放(Pick-and-Place)過程中，使用自動取放機進行取放。
可將具有磁性的粉末(例如鐵粉)或磁性奈米顆粒混入塑料中。藉由在塑料中添加磁性顆粒，可增加線圈的電感，並可改善電性能。可藉由塑料中磁性顆粒的比例來調節電感。當線圈嵌入塑料中時，無論是否包含磁粉，線圈都可具有磁芯，以增加線圈的電感。藉由將線圈嵌入塑料中，特別是嵌入具有一定比例磁性粉末的塑料中，可改善組件的電磁屏蔽性，特別是在高頻應用中，並且可提高電磁兼容性。
此外，線圈可具有0.2至50mm的外徑。線圈的外徑可較佳地在0.5至20mm之間。該尺寸特別適合於提供適用於印刷電路板上的線圈。外徑應不小於0.2mm，較佳地不小於0.5mm，否則產生如此小的線圈，將使得自動零件處理具有相當大的技術難度。外徑不應該大於50mm，較佳地不大於20mm，否則自管件生產線圈似乎是不經濟的。
接觸部分可具有形成可焊接連接的平坦表面。因此，線圈可特別地設計成被焊接到例如印刷電路板之導體電路上。
本發明的另一態樣係關於一種具有至少兩個線圈的模組，而線圈特別是可為上述的線圈。
該至少兩個線圈設置在共同的殼體中。殼體可由兩個線圈都嵌入其中的塑料形成。該兩個線圈可在空間上彼此平行地設置。
該線圈較佳地設置成使線圈可單獨地電接觸並且在模組中不互連。在一替代實施例中，線圈可彼此並聯或串聯電連接，以向整個模組施加期望的電感。以此方式，可由多個線圈組裝模組，使得整個模組具有比單個線圈更高或更低的電感。
使用模組可縮短印刷電路板上的線圈數量，從而減少製造過程中的週期。藉由安裝模組而非安裝大量的單個線圈，在組裝線圈時，例如使用自動取放機(Pick-and-Place-Automat)，只需將一個模組而非幾個單獨的線圈放置在電路板上即可。因此，該模組可簡化隨後安裝模組的過程。
另外，與多個相鄰的單個線圈的設置相比，模組內的多個線圈的設置節省空間。對於可用空間小的應用上，例如用於像是智慧手機之類的行動設備之印刷電路板情況下，節省空間可為一大優勢。此外，使用模組代替單獨嵌入的線圈時，可節省殼體材料。
本發明的另一態樣係關於一種用於生產線圈的方法，而線圈特別是可為上述的線圈。
所述方法包括以下步驟：
a.提供具有由導電材料製成管壁的管件，以及
b.在管件的感應部分中形成間隙，其中，該感應部分中的間隙將管壁形成為螺旋，並將管件的至少兩個部分形成為接觸部分。
藉由形成間隙來產生感應部分的電感。該間隙可為由雷射產生的切割間隙。接觸部分的形狀亦可用雷射產生，特別是在產生間隙的雷射技術中。
雷射技術既適合在感應部分中產生間隙，亦適合於在管件的接觸部分中產生凹部。雷射技術具有靈活、快速的優勢。此外，雷射技術的優點是不會產生任何機械應力，因為它無需接觸即可工作，並且幾乎沒有殘留物。產生間隙的其他替代方案可為例如銑削技術、鋸切技術或水射流切割。
上述步驟b可進一步包括一個子步驟，藉由去除管壁的區域在管件的接觸部分中形成凹部。可在單一方法步驟中一起生產出管件接觸部分中的凹部和感應區域中的間隙。因此，整個步驟b可例如藉由雷射切割在單一處理步驟中產生。
在步驟b的另一個子步驟中。可將在第一子步驟中未移除的管壁區域平坦化。該區域可形成為平坦的電連接，該平坦的電連接可焊接到例如電路板之傳導路徑上。平坦化可藉由在期望的位置施加壓力來進行，例如使用壓模。
另外在步驟b中，首先藉由沿著管件產生多個感應部分來產生線圈股，在每個感應部分中產生間隙，該間隙在相應的感應部分中將管壁形成為螺旋，並且在兩個感應部分之間形成接觸部分，其在線圈股分離後形成電連接。利用此等線圈股，可優化生產中的線圈處理。如此，可同時處理多個線圈，從而可縮短生產週期。此外，可藉由在一件管件上形成多個感應部分來節省材料。
在另一個子步驟中，線圈具有EP芯，因此可增加線圈的電感和線圈的電磁兼容性。
多個線圈或線圈股可嵌入塑料中，從而形成一個封裝。線圈或線圈股此時已可具有磁芯。在此有利的是，在嵌入之前將線圈股彼此平行地設置。透過多個線圈股同時而非單獨嵌入的方式可加速製造過程。塑料可保護線圈不受機械、溫度和化學影響。具有磁性的粉末或磁性奈米顆粒亦可混入塑料中。藉由在塑料中添加磁性顆粒，可增加線圈的電感，並可藉由塑料中磁性顆粒的比例進行調整。
將磁芯設置在線圈股或線圈中可能是有利的。此可增加線圈或線圈股的電感。另外，在嵌入到塑料中之前，在線圈股中芯的設置允許製造具有磁芯的線圈，該線圈被嵌入在塑料中，該塑料亦可具有磁性成分。此可增加線圈的電感和電磁兼容性。
在將多個平行的線圈股嵌入封裝中之後，可將線圈相對橫向且平行於線圈股中心軸分離。使分隔線穿過線圈的接觸部分是有利的。因此，封裝被分離成單獨的線圈。可首先橫向然後平行地分離封裝，亦可首先平行然後橫向地分離封裝。
另一態樣係關於一種用於生產模組的方法。具有多個平行設置線圈股的封裝可橫向於該股中心軸地分離。平行於軸的獨立線圈則沒有分離。
該模組在共同的殼體中具有至少兩個線圈，每個線圈包含具有由導電材料製成管壁之管件，該管件具有感應部分，其中在該管壁中設置間隙，該間隙使管壁在感應部分中形成為螺旋，以及其中管件具有接觸 部分，管壁在接觸部分中形成電連接。用於製造模組的方法具有以下步驟：-藉由沿著每個管件產生多個感應部分來產生至少兩個線圈股，在每個感應部分中產生間隙，該間隙在相應的感應部分中將管壁形成為線圈，以及其中在兩個感應部分之間形成接觸部分，在線圈股經分離之後，該接觸部分形成兩個相鄰感應部分的電連接，
- 平行設置線圈股，
- 將線圈股埋入形成殼體的塑料中，以及
- 沿著分隔線分離由塑料連接的該些線圈股，該分隔線橫向於該些線圈股中心軸延伸至模組。
以下藉由具體實施例的示意圖更詳細地描述本發明。
1:線圈
2:管件
3:中心軸
4:間隙
5:護套表面
6:管壁
7:感應部分
8:接觸部分
9:塑料
10:連接部分
11:芯/EP芯
12:分隔線
圖1a示出一管件可能的實施例的空間示意圖。
圖1b示出一管件可能的第二實施例的空間示意圖。
圖2示出一線圈股的空間示意圖。
圖3示出由該線圈股製造一線圈之中間產品的空間示意圖。
圖4示出一線圈的空間示意圖，該線圈的接觸部分是敞開且經平坦化。
圖5顯示如圖4所示的線圈空間示意圖，但線圈具有磁芯-圓柱芯並嵌入塑料中。
圖6示出一線圈的空間示意圖，該線圈被設置在具有集成芯-EP芯的可移除殼體中。
圖7示出多個線圈股的空間示意圖，該多個線圈股埋入塑料中以形成封裝。
圖8示出幾個線圈的空間示意圖，該些線圈被嵌入塑料中且相對橫向於線圈股中心軸分離。
圖9示出一線圈的空間示意圖，該線圈被嵌入塑料中且是準備啟用(einsatzbereit)的單個部件。
在圖中，相同的元件、相似或明顯相同的元件具有相同的元件符號。數字和圖中的比例未按比例繪製。
在圖1a和1b中示出具有圓形和圓形正方形橫截面的管件2。管件2是細長的中空主體，其具有開口，該開口從主體的第一端穿過整個主體延伸到與第一端相對的第二端。管件2可相對於其中心軸3對稱，該中心軸3從第一端的底面的中心延伸到第二端的底面的中心。在一實施例中，管件2可具有圓形、橢圓形、矩形或多邊形的橫截面。其他橫截面亦是可能的。
管件2的外徑可為0.2至50mm。管件2的外徑較佳可在0.5至20mm之間的範圍內。該尺寸特別適合於生產適用於印刷電路板上的線圈。管壁6的厚度由管件2的內半徑與外半徑之間的距離確定，其可根據所使用的管件2而變化很大，其中，小於1mm的厚度對於加工是有利的。管件2的護套表面5在中心軸3的方向上沿著外半徑延伸。管件2由主要導電材料組成。
管件2為用於製造線圈的原材料。參照圖1至圖3說明線圈的製造方法，圖1至圖3示出線圈的製造中的中間產品。圖4和圖5、6、8和9示出線圈1的可能實施例。
在製造過程中，首先可將圖1a所示的管件2構造成線圈股。圖2示出線圈股。特別是可藉由雷射技術來構造管件2，其中在管件2中形成感應部分7和接觸部分8。該感應部分7和接觸部分8沿管件2交替。
在感應部分7中形成間隙4，該間隙穿過管壁6並且將管壁6形成螺旋形。由此形成感應部分7的電感部。在分離線圈股之後，接觸部分8形成電連接。在管件2的結構化過程中，在接觸部分8中形成凹部，去除部分的管壁6。
線圈股優化生產中線圈的處理。此意味著可同時處理多個線軸，從而縮短生產週期。另外，可藉由在一管件2中產生多個感應部分7來節省材料。
感應部分7藉由接觸部分8彼此一體地連接，且彼此之間沒有非必要的接觸電阻。
線圈股的不同的感應部分7可具有不同或相同的電感部。因此，可從一管件2生產不同的線圈，而每個線圈的電感部可變化，因此適用於多種應用。電感部可例如藉由間隙4形成的匝數而變化，或藉由圍繞管件2旋轉一圈之後在中心軸3方向上的間隙4的距離而變化，該距離對應於匝的寬度。在圖2的示例性實施例中，所示的間隙4是相同的，因此各感應部分7的電感是相同的。
圖3示出在由線圈股製造線圈之中間產品的空間示意圖。線圈股沿橫向於線圈股中心軸3延伸的分隔線分離。
線圈具有由導電材料製成的管件2，沿著護套表面5並且圍繞管件2的縱軸3延伸的間隙4，並由此形成感應部分7。在一替代實施例中，整個管件2可被構造為使得僅產生單個感應部分7和與之鄰接的兩個接觸部分8。因此，管件2可構造成圖3所示的中間產品，必須將管件2切割成合適的長度。
接觸部分8和感應部分7藉由連接部分10彼此連接。接觸部分8，連接部分10和感應部分7由結構化的管壁6一體成形。連接部分10足夠寬，以至於線圈1的電阻無關緊要。
圖4示出在將接觸部分平面化之後的線圈1。位於感應部分7之間的管件2的接觸部分8已經平坦化。接觸部分8的平面化產生作為平坦表面的電連接，該電連接適合實現電接觸。圖4所示的實施例例如適合於藉由焊接技術例如接觸在印刷電路板的導體電路上。
但是，接觸部8的結構不限於圖示的實施例。特別是接觸部分8的形狀可適合於殼體形狀。
圖5示出圖4所示的線圈1，其另外配備有磁芯11。另外，線圈1嵌入於塑料9中，其中塑料9可包含磁性顆粒。例如，鐵磁芯11的使用可確保線圈1中的較高的磁通密度和線圈1的電感的增加。
圖6示出替代實施例，其中，圖4中所示的線圈連接至EP芯11，EP芯11亦一體地形成殼體。EP芯11由兩半組成，然後可將其膠 合。EP芯11允許線圈1被電磁屏蔽，特別是在高頻應用的情況下，因此可提高部件的電磁兼容性。
在圖7中，四根線圈股埋入塑料9中，線圈1的中心軸3彼此平行設置。此等設置亦稱為封裝。四個線圈股分別具有四個感應部分7和五個接觸部分8。圖7中所示的封裝僅是示例，並且可使用更多的線圈股，特別是多於20個的線圈股，以及任何其他數量的感應部分7和接觸部分8。在該示例性實施例中，接觸部分8藉由凹部打開然後被平坦化。虛線包含用於分離的三個可能的分隔線12，該分隔線12橫向於線圈1的中心軸3且穿過接觸部分8。亦可設想一替代實施例，其中沿著任何其他數量的分隔線12產生分離。分離亦可平行於線圈1的中心軸3。如果線圈1係平行於管件2的中心軸3而分離，則感應部分7為彼此串聯連接。藉由同時而非單獨地嵌入多個線圈股1，可加速製造過程。
線圈1主要由塑料9保護，以免受機械影響，亦不受溫度和化學影響。但是，塑料9亦可與具有磁性的顆粒例如鐵粉或磁性奈米顆粒混合。藉由在塑料9中添加磁性顆粒，可增加線圈1的電感，且可進一步藉由在塑料中的比例來調節線圈1的電感。
圖8示出由四個感應部分7組成的模組，該四個感應部分同樣被嵌入在塑料9中，且以類似於圖7中的虛線的方式自封裝分離。圖中所示的模組僅是示例，並且可在模組中設置更多的線圈1，特別是多於20個線圈1。接觸表面本身可從下方接觸，視需要亦可從側面接觸，並且可例如藉由焊接或粘合過程經由焊盤或導體電路進行接觸。使用模組可減少組裝線圈1的週期。藉由安裝模組而非單一線圈1，例如，自動組裝機僅需 將組件放置在電路板上即可，無需多次。另外，與多個相鄰的單個線圈的設置相比，模組內的多個線圈的設置可節省空間。
如圖8中設置感應部分7的優點是各個感應部分7的連接可變性。模組中的線圈1可設置為彼此並聯、串聯或完全不連接。在圖8所示的實施例中，每個線圈1可單獨接觸。然而，如果模組與橫向於縱軸3延伸的兩個導體電路接觸，則感應部分7彼此並聯電連接。如果導體電路在模組下方彎曲，則感應部分7串聯連接。
圖9示出一單一線圈1，其已嵌入塑料9中。在所示的示例中，線圈1具有10匝和平坦的接觸部分8。然而，在其他實施例中，線圈可具有更多匝，特別是亦可具有多於20匝。它既可藉由將圖8中的線圈1平行於管件2的縱軸3分離出來，亦可如圖3中將單個線圈1嵌入塑料9中來生產。亦可從封裝中分離出線圈1，第一分離可為平行且隨後橫向於線圈的縱向軸線方向，反之亦然。
如圖9所示線圈1的優點在於，它可經由與線圈1一體成形的平坦接觸部分8接觸。線圈1與管件2的整體設計可省去額外的連接技術。為此，線圈1具有較低的總電阻，此又導致較低的功率損耗。此外，特別是在可能的接觸上，熱負荷亦減小，而降低線圈1的故障敏感性。
1:線圈
7:感應部分
8:接觸部分
9:塑料

Claims (19)

  1. 一種線圈(1)，其包含具有由導電材料製成的管壁(6)的管件(2)，其中，該管件(2)包含感應部分(7)，在該管壁(6)中設置有間隙(4)，在該感應部分(7)中該間隙將該管壁(6)形成為螺旋，以及其中，該管件(2)包含兩個接觸部分(8)，在各該接觸部分中，該管壁(6)形成電連接，其中，各該接觸部分(8)包含平坦表面，各該平坦表面形成可焊接的連接。
  2. 如請求項1所述的線圈，其中，該線圈(1)包含芯(11)。
  3. 如請求項1至2中任一項所述的線圈，其中，該管件(2)係嵌於塑料(9)中。
  4. 如請求項3所述的線圈，其中，該塑料(9)係與磁性粉末、磁性顆粒或另一種磁性材料混合。
  5. 如請求項1或2所述的線圈，其中，該線圈(1)包含EP芯(11)。
  6. 如請求項1或2所述的線圈，其中，該管件(2)具有介於0.2毫米到50毫米之間的外徑。
  7. 一種具有線圈之模組，其係包括至少兩個如請求項1至6中任一項所述的線圈，該些線圈係設置於共同的殼體中。
  8. 一種製造線圈的方法，包括以下步驟：a.為管件(2)提供由導電材料製成的管壁(6)， b.在該管件(2)的感應部分(7)中製造間隙(4)，其中，在該感應部分(7)中該間隙(4)將該管壁(6)形成為螺旋，並將該管件的至少兩個部分形成為接觸部分(8)，其中，形成該接觸部分(8)包含形成每個具有平坦表面之該接觸部分(8)，使各該平坦表面形成可焊接的連接。
  9. 如請求項8所述的方法，其中，使用雷射技術產生該間隙(4)並形成該接觸部分(8)。
  10. 如請求項8或9所述的方法，其中，在步驟b的子步驟中，藉由去除該管壁(6)的區域，在該管件的該接觸部分(8)中形成凹部。
  11. 如請求項10所述的方法，其中，該管件(2)之該接觸部分(8)中的該凹部和該感應部分(7)中的間隙(4)係在單一方法步驟中一起產生。
  12. 如請求項8或9所述的方法，其中，在步驟b另一個的子步驟中，將在第一子步驟中未去除的該管壁(6)的該接觸部分(8)中的區域平坦化。
  13. 如請求項8或9所述的方法，其中，在步驟b中，首先藉由沿著該管件(2)產生多個感應部分(7)以製造線圈股，在各感應部分中產生間隙(4)，該間隙在各感應部分中將管壁(6)形成為螺旋，以及其中，該接觸部分(8)形成在每兩個感應部分(7)之間，且在分離線圈股之後形成兩個相鄰感應部分(7)的電連接。
  14. 如請求項13所述的方法，其中，該線圈(1)係包含EP芯(11)。
  15. 如請求項13所述的方法，進一步包含以下步驟：- 製造多個線圈股並於塑料(9)中嵌入多個線圈股，其中，該多個線圈股係設置為彼此平行。
  16. 如請求項15所述的方法，其中，芯(11)設置在線圈股中。
  17. 如請求項15所述的方法，其中，該塑料(9)與磁性粉末、磁性顆粒或另一種磁性材料混合。
  18. 如請求項15所述的方法，進一步包括以下步驟：- 將該些線圈股橫向和/或平行於線圈股中心軸(3)分離。
  19. 一種用於製造具有線圈之模組的方法，各模組在共同的殼體中包含至少兩個線圈(1)，其中，各該線圈(1)包含具有由導電材料製成的管壁(6)之管件(2)，其中，該管件(2)包含感應部分(7)，在該感應部分中，於該管壁(6)中設置間隙(4)，在該感應部分(7)中該間隙將該管壁(6)形成為螺旋，以及其中，該管件包含接觸部分(8)，該管壁(6)在其中經成形為電連接，該方法係包含以下步驟：- 藉由沿各管件(2)產生多個感應部分(7)，以產生至少兩個線圈股，在各該感應部分中產生間隙(4)，在相應感應部分中該間隙將該管壁形成為螺旋，以及其中，在每兩個感應部分之間形成接觸部分，其中，形成該接觸部分包含形成每個具有平坦表面之該接觸部分，使各該平坦表面形成可焊接的連接，且在該些線圈股分離之後，該接觸部分與兩個相鄰感應部分(7)形成電連接， - 將該些線圈股平行設置，- 將該些線圈股嵌入形成殼體的塑料中，- 沿著分隔線(12)分離由塑料連接的該些線圈股，該分隔線橫向於該些線圈股中心軸延伸至模組。
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