电感器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种电感器(choke)，特别是涉及一种可增进饱和特性(saturation characteristic)的电感器。

背景技术：

电感器的功用在于稳定电路中的电流并达到滤除噪声信号的效果，作用与电容器类似，同样是以存储、释放电路中的电能来调节电流的稳定性，而且相较于电容是以电场(电荷)的形式来存储电能，电感器则是以磁场的形式来达成。

电感器早期通常都使用在直流变压器(DC/DC converter)或电池充电器(battery charger)等电子装置内，并应用于调制解调器(modem)、异步数字用户专线(asymmetric digital subscriber lines,ADSL)或局部局域网络(local area networks,LAN)等传输装置中。然而，近几年来，电感器被更广泛地应用于诸如笔记型计算机、手机、液晶屏幕以及数字相机等信息科技产品中。由于信息科技产品逐渐朝向薄型化与轻量化的趋势发展，电感器的高度与尺寸便会成为一个重要的设计课题。

如图1所示，美国专利公告第7,209,022号所揭露的电感器1包括鼓型磁芯10、导线12、外装树脂14以及一对外部电极16。

此外，如图2所示，鼓型磁芯10的中柱100的截面是圆形。一般而言，中柱100的截面面积越大，电感器1的特性就越好。然而，由于中柱100的截面形状是圆形且必须保留用来缠绕导线12的绕线空间S，中柱100的截面面积便因此而被限制住了，使得饱和电流无法被有效提升。

美国专利公告第7,495,538号(以下以‘538号专利称之)另揭露一种具有方形中柱的鼓型磁芯。于‘538号专利中，由于中柱的截面形状是方形，导线有可能被中柱的尖锐角落损坏，且此电感器的特性(例如，饱和电流、直流阻抗、磁通密度等)较差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了弥补现有技术的不足，提供一种可增进饱和特性的电感器。

本发明的电感器采用以下技术方案：

所述电感器包括单件式芯体，由同一材料制造而成，所述单件式芯体具有第一板片、第二板片以及中柱，所述中柱位于所述第一板片与所述第二板片之间，绕线空间位于所述第一板片、所述第二板片与所述中柱之间；其中，所述中柱具有非圆形且非方形的截面，所述截面垂直于所述中柱的轴向，所述中柱的所述截面具有第一轴以及第二轴，所述第一轴与所述第二轴相交于所述中柱的所述截面的中心并且相互垂直；以及其中，所述中柱的所述截面的周围包括二弧形侧边、四第一平直侧边以及二第二平直侧边，所述四第一平直侧边实质上平行所述第一轴，所述二第二平直侧边实质上平行所述第二轴，每一所述第一平直侧边对应连接所述二弧形侧边的其中之一与所述二第二平直侧边的其中之一。

所述截面沿所述第一轴的长度长于或实质上等于所述截面沿所述第二轴的长度。

所述第二平直侧边短于所述截面沿所述第二轴的长度，且满足下列不等式：

其中，Y表示所述截面沿所述第二轴的长度，且d表示与所述第二平直侧边的长度的一半的差值。

所述第二平直侧边的长度与所述截面沿所述第一轴的长度的比值介于0.5与0.7之间。

于所述中柱、所述第一板片与所述第二板片的连接处之间不存在间隙或中介结构。

所述电感器还包括导线，缠绕于所述中柱上且位于所述绕线空间中；以及磁性材料，填充于所述绕线空间中且包覆所述导线，其中所述磁性材料包括树脂以及磁性粉末，且所述磁性粉末的平均粒径小于20微米。

所述磁性粉末包括铁粉或金属粉末，且所述磁性粉末于所述磁性材料中的含量范围介于50wt％与90wt％之间。

所述磁性材料的导磁率介于4与21之间。

所述磁性材料经由转注成型工艺、射出成型工艺或涂布工艺填充于所述绕线空间中；当所述磁性材料经由所述转注成型工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于8与21之间；当所述磁性材料经由所述射出成型工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于6与18之间；当所述磁性材料经由所述涂布工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于4与12之间。

所述单件式芯体由金属粉末以及结合剂的混合物制成，所述金属粉末于所述单件式芯体中的含量大于90wt％，且所述金属粉末的平均粒径介于10微米与12微米之间。

所述单件式芯体的导磁率介于25与60之间。

所述第一板片的顶表面与所述第二板片的底表面的比值大于94％。

所述第二板片的至少一角落在从所述第一板片朝所述第二板片的视角方向上自所述第一板片外露。

位于所述第一轴的第一侧的二第一平直侧边在平行所述第一轴的方向实质上相互对齐，且位于所述第一轴的第二侧的另二第一平直侧边在平行所述第一轴的方向实质上相互对齐，所述第一侧与所述第二侧相对。

本发明的电感器还采用以下技术方案：

所述电感器包括单件式芯体，由同一材料制造而成，所述单件式芯体具有第一板片、第二板片以及中柱，所述中柱位于所述第一板片与所述第二板片之间，绕线空间位于所述第一板片、所述第二板片与所述中柱之间，所述单件式芯体的导磁率介于25与60之间；导线，缠绕于所述中柱上且位于所述绕线空间中；以及磁性材料，填充于所述绕线空间中且包覆所述导线，所述磁性材料的导磁率介于4与21之间。

所述中柱具有非圆形且非方形的截面，所述截面垂直于所述中柱的轴向，所述中柱的所述截面具有第一轴以及第二轴，所述第一轴与所述第二轴相交于所述中柱的所述截面的中心并且相互垂直。

所述截面沿所述第一轴的长度长于或实质上等于所述截面沿所述第二轴的长度。

所述中柱的所述截面的周围包括二弧形侧边、四第一平直侧边以及二第二平直侧边，所述四第一平直侧边实质上平行所述第一轴，所述二第二平直侧边实质上平行所述第二轴，每一所述第一平直侧边对应连接所述二弧形侧边的其中之一与所述二第二平直侧边的其中之一。

所述第二平直侧边短于所述截面沿所述第二轴的长度，且满足下列不等式：

其中，Y表示所述截面沿所述第二轴的长度，且d表示与所述第二平直侧边的长度的一半的差值。

位于所述第一轴的第一侧的二第一平直侧边在平行所述第一轴的方向实质上相互对齐，且位于所述第一轴的第二侧的另二第一平直侧边在平行所述第一轴的方向实质上相互对齐，所述第一侧与所述第二侧相对。

所述第二平直侧边的长度与所述截面沿所述第一轴的长度的比值介于0.5与0.7之间。

于所述中柱、所述第一板片与所述第二板片的连接处之间不存在间隙或中介结构。

所述磁性材料包括树脂以及磁性粉末，且所述磁性粉末的平均粒径小于20微米。

所述磁性粉末包括铁粉或金属粉末，且所述磁性粉末于所述磁性材料中的含量范围介于50wt％与90wt％之间。

所述磁性材料经由转注成型工艺、射出成型工艺或涂布工艺填充于所述绕线空间中；当所述磁性材料经由所述转注成型工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于8与21之间；当所述磁性材料经由所述射出成型工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于6与18之间；当所述磁性材料经由所述涂布工艺填充于所述绕线空间中时，所述磁性材料的所述导磁率介于4与12之间。

所述单件式芯体由金属粉末以及结合剂的混合物制成，所述金属粉末于所述单件式芯体中的含量大于90wt％，且所述金属粉末的平均粒径介于10微米与12微米之间。

所述第一板片的顶表面与所述第二板片的底表面的比值大于94％。

所述第二板片的至少一角落在从所述第一板片朝所述第二板片的视角方向上自所述第一板片外露。

因此，根据上述技术方案，本发明的电感器至少具有下列优点及有益效果：芯体的中柱的截面于制造误差范围中实质上相对其长轴(例如，第一轴)与短轴(例如，第二轴)是对称的。此外，相较于现有电感器，由于芯体的中柱的截面呈非圆形且非方形，例如类椭圆形等，中柱的截面面积可有效增加。因此，电感器的饱和电流可有效提升。此外，由于中柱的截面具有二相对的弧形侧边，导线可平顺地缠绕于中柱上，且电感器的特性(例如，饱和电流、直流阻抗、磁通密度等)比现有电感器好。

附图说明

图1是现有电感器的剖面图。

图2是图1中的电感器的俯视图。

图3是本发明一实施例的电感器的剖面图。

图4是适用于图3中的电感器的芯体的立体图。

图5是图4中的芯体的俯视图。

图6是本发明另一实施例的二个不同形式的芯体的俯视图。

图7是本发明另一实施例的三个不同形式的芯体的俯视图。

其中，附图标记说明如下：

1、3 电感器 10 鼓型磁芯

12、32 导线 14 外装树脂

16 外部电极 30 芯体

34 磁性材料 100、300 中柱

302 第一板片 304 第二板片

306 接合处 3040、3042 角落

A1 第一轴 A2 第二轴

C 中心 E1 弧形侧边

E2 第一平直侧边 E3 第二平直侧边

d、L1、L2、 长度 H1、H2 厚度

t、X、Y

S、S' 绕线空间

具体实施方式

以下将以所附图式详细说明本发明的技术特点，其中图式中相同标号用以标示相同或相似组件。需说明的是，图式应以参考标号的方向来看。

请参考图3至图5，图3是本发明一实施例的电感器3的剖面图，图4是适用于图3中的电感器3的芯体30的立体图，图5是图4中的芯体30的俯视图。如图3至图5所示，电感器3包括芯体30、至少一导线32(图3中只绘示一个)以及磁性材料34。电感器3适用于小尺寸应用。举例来说，电感器3的长*宽可小于4毫米*4毫米，且其高度可小于2.5毫米。

于一实施例中，芯体30包括中柱300、第一板片302以及第二板片304。中柱300位于第一板片302与第二板片304之间，且中柱300、第一板片302与第二板片304是一体成型。于本发明的一实施例中，芯体30是由同一材料制成的单件式结构。换句话说，中柱300、第一板片302与第二板片304的组合是单一的整体结构，中柱300、第一板片302与第二板片304的连接处之间不存在间隙或中介材料/结构。此外，中柱300、第一板片302与第二板片304是由同一材料制成。于一实施例中，中柱300、第一板片302与第二板片304可由同一磁性材料制成，例如金属粉末(metallic powder)以及结合剂(binder)的混合物，金属粉末于芯体30中的含量大于90wt％，且金属粉末的平均粒径介于10微米与12微米之间。举例来说，金属粉末可以是铁铬硅合金(Fe-Cr-Si alloy)、铁铝铬合金(Fe-Al-Cr alloy)、铁硅铝合金(Fe-Si-Al alloy)、铁镍合金(Fe-Ni alloy)、非结晶物质(amorphous)、奈米晶粒(nano-crystal)等。结合剂可以是可耐受约400℃至700℃的高温的无机结合剂(例如，玻璃结合剂)。

如图5所示，第一轴A1以及第二轴A2相交于中柱300的截面的中心C。中柱300的截面垂直于中柱300的轴向。第一轴A1与第二轴A2于制造误差范围内实质上相互垂直。第一轴A1的长度长于或于制造误差范围内实质上等于第二轴A2的长度。中柱300的截面的周围包括二弧形侧边E1、四第一平直侧边E2以及二第二平直侧边E3。需说明的是，第一平直侧边E2与第二平直侧边E3于制造误差范围内实质上呈平直状。四第一平直侧边E2于制造误差范围内实质上平行第一轴A1，且二第二平直侧边E3于制造误差范围内实质上平行第二轴A2。如绘示于图5中的实施例所示，位于上方的二第一平直侧边E2在平行第一轴A1的方向于制造误差范围内实质上相互对齐，且位于下方的另二第一平直侧边E2在平行第一轴A1的方向于制造误差范围内实质上相互对齐。每一个第一平直侧边E2对应连接二弧形侧边E1的其中之一与二第二平直侧边E2的其中之一。每一个弧形侧边E1与对应的第一平直侧边E2接合于接合处306。第二平直侧边E3短于中柱300的截面沿第二轴A2的长度。中柱300的截面于制造误差范围内实质上对称于第一轴A1与第二轴A2。如绘示于图5中的实施例所示，位于上方的二第一平直侧边E2与位于下方的另二第一平直侧边E2实质上相对第一轴A1而相互对称，位于左方的二第一平直侧边E2与位于右方的另二第一平直侧边E2实质上相对第二轴A2而相互对称，且二第二平直侧边E3实质上相对第二轴A2而相互对称。每一个第二平直侧边E3实质上相对第一轴A1呈对称，二弧形侧边E1实质上相对第一轴A1而相互对称，且每一个弧形侧边E1实质上相对第二轴A2呈对称。于此实施例中，弧形侧边E1可以是椭圆弧形(oval-arc shape)，使得中柱300的截面的周围呈非圆形且非方形，例如类椭圆形(oval-like shape)。此外，在接合处306处介于弧形侧边E1与对应的第一平直侧边E2间的角度大于90度。于一实施例中，弧形侧边E1直接连接于对应的第一平直侧边E2的端部可具有凸面形状。于另一实施例中，弧形侧边E1直接连接于对应的第一平直侧边E2的端部可具有凹面形状(与具有凸面形状的弧形侧边E1的主要部位相较)，使得弧形侧边E1具有凹面形状的端部与对应的第一平直侧边E2可于接合处306有较为平顺的转折。于上述实施例中，可直接以加压成型工艺形成芯体30的中柱300。因此，芯体30的中柱300的工艺较现有技术简单且可用来制造适用于电感器3的小尺寸的芯体30。

于此实施例中，定义于下的不等式1可被满足：

不等式1：

其中，Y表示截面沿第二轴A2的长度，d表示与第二平直侧边E3的长度的一半(也就是，)的差值，且Y大于t。于此实施例中，d是介于位于上方的二第一平直侧边E2的其中之一的延长线与平行第一轴A1且通过上方的弧形侧边E1的顶点的直线之间的距离。

优选地，定义于下的不等式2可被满足：

不等式2：

此外，第二平直侧边E3的长度t与截面沿第一轴A1的长度X的比值介于0.5与0.7之间。

再者，第一板片302的厚度H1与第一板片302的长度L1的比值介于0.05与0.2之间，和/或第二板片304的厚度H2与第二板片304的长度L2的比值介于0.05与0.2之间。

请再参考图3与图5，电感器3的导线32缠绕于中柱300上且位于绕线空间S'中。导线32由铜线外包覆漆包层所组成，且漆包层是绝缘层。导线32可以是线状或螺旋状。由于中柱300呈类椭圆形，当导线32缠绕于中柱300上时，除了可使导线32紧密地平贴于中柱300的外壁，以有效地缠绕导线32外，也可以在等导磁效果(equivalent permeability effect)下获得较低的直流阻抗(direct current resistance,DCR)。

绕线空间S'形成于第一板片302、第二板片304与中柱300之间。于此实施例中，磁性材料34填充于绕线空间S'中且包覆导线32。磁性材料34可经由转注成型工艺(transfer molding process)、射出成型工艺(injection molding process)或涂布工艺(coating process)填充于绕线空间S'中。磁性材料34包括热固性树脂(thermosetting resin)以及磁性粉末(magnetic powder)。热固性树脂是有机材料且不含可挥发溶剂，且热固性树脂的黏度在加热前介于12000厘泊(c.p.s.)与30000c.p.s.之间。磁性粉末的平均粒径小于20微米。优选地，磁性粉末的平均粒径介于4微米与10微米之间。于此实施例中，磁性粉末可包括铁粉(iron powder,Fe)或金属粉末(metallic powder)，例如Fe-Ni、Fe-Cr-Si、Fe-Cr、Fe-Co-V、Fe-Ni-Mo、Fe-Si-Al、Fe-B、Fe-Co-B、Fe-Zr-B、克镍铁磁性合金(Deltamax)、特殊金属(Mu-metal)、高导磁合金(4-79Permalloy)、镍铁钼导磁合金(Mo-Permalloy)、超导磁合金(Supermalloy)、铁硅铝合金(Sendust)、Power Flux等，其中铁粉或金属粉末于磁性材料34中的含量范围介于50wt％与90wt％之间，优选地，介于60wt％与80wt％之间，且热固性树脂的含量低于40wt％。于此实施例中，热固性树脂的黏度在加热前介于12000c.p.s.与18000c.p.s.之间。优选地，铁粉的表面涂布有绝缘物质。

于一实施例中，当热固性树脂与铁粉被用来形成磁性材料34时，热固性树脂可耐受高于350℃的高温。当加热温度超过玻璃转移温度(glass transition temperature)时，除了可满足解焊温度的需求外，使用铁粉还可以使磁性材料34的导磁特性较易控制。此外，由于热固性树脂的黏度介于12000c.p.s.与30000c.p.s.之间，因此铁粉容易与热固性树脂混合成磁性材料34，且混合比例范围容许度较大，而且热固性树脂较易涂布于绕线空间S'中。由于热固性树脂于磁性材料34中的含量低于40wt％且不含可挥发溶剂，故于加热硬化的过程中，热固性树脂的膨胀收缩产生的热应力可以降低且气孔形成的机率较低，可以避免或大大地降低芯体30产生龟裂。此外，于此实施例中，热固性树脂是高分子聚合物(polymer)，例如聚甲基丙烯合成树脂(polymethylallyl(PMA)synthesize resin)，其线膨胀系数介于1*10^-5/℃与20*10^-5/℃之间，且玻璃转移温度介于130℃与170℃之间。因此，当磁性材料34通过上述涂布工艺填充于绕线空间S'中时，磁性材料34的导磁率介于4与12之间。

特别地，于此实施例中，磁性材料34的玻璃转移温度与热固性树脂的玻璃转移温度实质上相同，线膨胀系数约13.8*10^-5/℃，且玻璃转移温度是150℃。

此外，磁性材料34可通过转注成型工艺填充于绕线空间S'中。于转注成型工艺中，热固性树脂可以是环氧树脂(epoxy resin)、酚醛树脂(phenolic resin)等，且磁性粉末材料可以是铁、铁铝硅合金、铁铬硅合金等。当磁性材料34通过转注成型工艺填充于绕线空间S'中时，磁性材料34的导磁率介于8与21之间。

再者，磁性材料34可通过射出成型工艺填充于绕线空间S'中。于射出成型工艺中，热固性树脂可以是聚酰胺6(Polyamide 6,PA6)、聚酰胺12(Polyamide 12,PA12)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,PPS)、聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate,PBT)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(ethylene-ethyl acrylate copolymer,EEA)及/或其它适合的树脂材料，且磁性粉末材料可以是金属软磁材料(metal soft magnetic material)。金属软磁材料可包括铁、铁铝硅合金、铁铬硅合金、不锈钢和/或其它适合的材料。当磁性材料34通过射出成型工艺填充于绕线空间S'中时，磁性材料34的导磁率介于6与18之间。

于此实施例中，芯体30的导磁率介于25与60之间，且磁性材料34的导磁率介于4与21之间。因此，可增进电感器3的饱和特性。如上所述，磁性材料34的导磁率系取决于转注成型工艺、射出成型工艺及/或涂布工艺。下表1显示本发明的实施例与现有技术，以对应的芯体30的导磁率与磁性材料34的导磁率在不同电流值下量测得到的电感器3的饱和特性。表1中的饱和特性是以尺寸是2mm*1.6mm*1.0mm的电感器3在特定电感值是2.2μH的情况下量测得到。明显地，本发明的实施例的饱和特性大于且优于现有技术的饱和特性。

表1

需说明的是，由于本实施例的磁性材料34无采用可挥发溶剂，所以涂布后不需静置于室温中即可直接加热硬化，且加热硬化后也不会有龟裂或变形的情况产生。因此，相较于现有技术，除了可以缩短电感器3的制造工艺时间外，磁性材料34的使用期限也不受配方的比例影响，适于大量生产。

如绘示于图5中的实施例所示，第二板片304的至少一角落在从第一板片302朝第二板片304的视角方向上自第一板片302外露(也就是，第二板片304的至少一角落位于第一板片302所涵盖的区域外)。于此实施例中，第二板片304的四个角落3040、3042在从第一板片302朝第二板片304的视角方向上自第一板片302外露，但不以此为限。换句话说，第一板片302的顶表面/底表面小于第二板片304的底表面/顶表面。于此实施例中，第一板片302的顶表面/底表面与第二板片304的底表面/顶表面的比值大于94％且小于100％，优选地，可介于95％与98％之间，以保持良好的饱和特性。需说明的是，于另一实施例中，第一板片302的顶表面/底表面可大于第二板片304的底表面/顶表面，且第二板片304的底表面/顶表面与第一板片302的顶表面/底表面的比值仍然大于94％且小于100％，优选地，可介于95％与98％之间，以保持良好的饱和特性。换句话说，第一板片302与第二板片304的其中之一的顶表面/底表面小于第一板片302与第二板片304的其中另一的底表面/顶表面(比值小于100％且大于94％，优选地，可介于95％与98％之间)。

请参考图6，图6是本发明另一实施例的二个不同形式的芯体30的俯视图。如图6所示，第二板片304只有一个角落3040在从第一板片302朝第二板片304的视角方向上自第一板片302外露。

请参考图7，图7是本发明另一实施例的三个不同形式的芯体30的俯视图。如图7所示，第一板片302与第二板片304的形状可被改变，不过第一板片302的顶表面/底表面与第二板片304的顶表面/底表面的比值仍须大于94％且小于100％，优选地，可介于95％与98％之间，以保持良好的饱和特性。

因此，可将多个芯体30置入一模具的多个凹洞中，且每一个芯体30的第二板片304可通过外露的角落3040、3042的作用而朝向上方，使得一对电极可被印刷于芯体30的第二板片上。因此，具有外露的角落3040、3042的芯体30适于大量生产。

如本发明的实施例所述，芯体的中柱的截面于制造误差范围中实质上相对其长轴(例如，第一轴A1)与短轴(例如，第二轴A2)是对称的。此外，相较于现有电感器，由于芯体的中柱的截面呈非圆形且非方形，例如类椭圆形等，中柱的截面面积可有效增加。因此，电感器的饱和电流可有效提升。此外，由于中柱的截面具有二相对的弧形侧边，导线可平顺地缠绕于中柱上，且电感器的特性(例如，饱和电流、直流阻抗、磁通密度等)比现有电感器好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。