特許 6874284 高周波トランス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6874284

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】高周波トランス

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20210510BHJP

   H01F 27/32 20060101ALI20210510BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01F30/10 E

   H01F27/32 150

   H01F30/10 M

   H01F30/10 C

   H01F30/10 S

   H01F30/10 T

   H01F27/28 147

   H01F27/28 166

   H01F27/28 176

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-120232(P2016-120232)

(22)【出願日】2016年6月16日

(65)【公開番号】特開2017-224767(P2017-224767A)

(43)【公開日】2017年12月21日

【審査請求日】2019年5月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(72)【発明者】

【氏名】王 啓臣

(72)【発明者】

【氏名】藤田 悟

(72)【発明者】

【氏名】桑原 隆

(72)【発明者】

【氏名】多和田 信幸

【審査官】 井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０２３８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００２６４３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７４９８９２１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１６−０９２３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１３０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００５７７５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１１５５９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１２７６５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ３０／１０

Ｈ０１Ｆ ２７／３２

Ｈ０１Ｆ ２７／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プリント基板上に実装される高周波トランスであって、
磁路を構成する脚部を有する一対のコアであって、前記脚部は中脚部と外脚部とを有する、一対のコアと、
前記一対のコアの間に交互に積層配置され、且つ、前記中脚部に巻装される一次巻線および二次巻線と、
前記一次巻線もしくは前記二次巻線の少なくとも一方が巻き回されたボビンと、
を備え、
前記ボビンは、中を前記中脚部が挿通する筒部と、該筒部の両端にそれぞれ設けられ且つ前記筒部の直径よりも大きな直径を有する円形平板状の鍔部と、前記鍔部と同一の厚さを有し且つ前記鍔部の下端から下方へ延設された方形平板状の支持部とを有し、
前記プリント基板上に前記高周波トランスが実装された状態において、前記支持部の下端が前記プリント基板上に当接し、且つ、前記コアの前記外脚部の底面が前記支持部の上端に載置される、
ことを特徴とする高周波トランス。

【請求項2】

請求項１に記載の高周波トランスであって、
前記一次巻線が前記ボビンに巻き回されており、
前記二次巻線が金属板をリング形状に打ち抜いて形成されている、
ことを特徴とする高周波トランス。

【請求項3】

請求項２に記載の高周波トランスであって、
前記二次巻線は、前記リング形状の上側に放熱部を有するとともに、下側に二次巻線引出線を有するように形成されている、
ことを特徴とする高周波トランス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に適用する高周波トランスに関し、特に小型で大電流出力が可能な高周波トランスの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

図６は、下記特許文献１に開示されているトランス５の構造を示す図である。このトランス５は、電線で構成された一次巻線１０と金属の板状部材で構成された二次巻線１１とを備えている。

【0003】

そして、一次／二次巻線の磁気結合を良くさせるために、一次巻線１０と二次巻線１１とが、交互にコア中脚部６ａに装着される。これにより、ボビンが不要となる。
また、大電流対策として二次巻線１１が銅板で構成されており、更に二次巻線１１には、コア６の外側に張り出す放熱部２２、２３が一体に設けられている。これにより、二次巻線の放熱向上が図られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−０１３０９４号公報（図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記図６に示されたトランス５において、金属板により構成された二次巻線１１の引出線２４が直接にプリント基板(不図示)に半田付けされる。すなわち、トランスの荷重は、二次巻線１１の引出線２４で支えられる。

【0006】

上記したトランス５が高周波で駆動される場合、表皮効果の影響を考慮して、二次巻線となる金属板の有効な厚みは、周波数に対する表皮深さの２倍程度になる。これにより、二次巻線の薄型化が可能となる。このようにして二次巻線を薄型化すれば、トランスの小型化が可能になる。

【0007】

図７は、金属板（銅板）における動作周波数と表皮深さの関係を示す図である。図７に示される銅の表皮効果特性から、５００kHzの電流が流れる場合には、表皮深さが０．１mmなる。

【0008】

仮にこの条件で上記構造のトランスを作製し動作させる場合には、二次巻線を銅板で構成し、その厚みを０．２mmにすることで、トランスを小型化することができる。
しかし銅板で形成した二次巻線の厚みを薄くすると、強度低下により、プリント基板に半田付けされた二次巻線でトランスを支えることができなくなるという課題が生じる。

【0009】

そこで本発明の目的は、高周波数化に伴い金属板で形成された巻線が薄型化しても、トランスの荷重を支持可能な高周波トランスを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために本発明の一の局面による高周波トランスは、プリント基板上に実装される高周波トランスであって、磁路を構成する脚部を有する一対のコアであって、前記脚部は中脚部と外脚部とを有する、一対のコアと、前記一対のコアの間に交互に積層配置され、且つ、前記中脚部に巻装される一次巻線および二次巻線と、前記一次巻線もしくは前記二次巻線の少なくとも一方が巻き回されたボビンと、を備え、前記ボビンは、中を前記中脚部が挿通する筒部と、該筒部の両端にそれぞれ設けられ且つ前記筒部の直径よりも大きな直径を有する円形平板状の鍔部と、前記鍔部と同一の厚さを有し且つ前記鍔部の下端から下方へ延設された方形平板状の支持部とを有し、前記プリント基板上に前記高周波トランスが実装された状態において、前記支持部の下端が前記プリント基板上に当接し、且つ、前記コアの前記外脚部の底面が前記支持部の上端に載置される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ボビンがプリント基板に当接する支持部を有し、この支持部が、プリント基板上に実装されたトランスを支えて固定するので、二次巻線を構成する銅板の厚みを薄くでき、小型で高い動作周波数(数１００kHz程度)且つ大電流出力に対応できる高周波トランスを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係る高周波トランスの構造を示す分解斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る高周波トランスが組み立てられた状態を示す斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係る二次巻線の構成例(その１)を示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係る二次巻線の構成例(その２)を示す図である。

【図5】図２に示した高周波トランスの正面図(ａ)および側面図(ｂ)である。

【図6】特許文献１に示されたトランスの構造を示す図である。

【図7】金属板（銅板）における動作周波数と表皮深さの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高周波トランスの構成を示す分解斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る高周波トランスが組み立てられた状態を示す斜視図である。図１および図２を用いて本発明の実施形態に係る高周波トランスの構成を詳細に説明する。なお、以下では、高周波トランスを、単に、トランスともいう。

【0014】

図１に示すトランス（図２に示すトランス１）は、一対のコア１ａ，１ｂと、３組の一次巻線３と、４組の二次巻線４とからなる。
このトランス１は、一次巻線３に印加された高電圧高周波数の交流電圧を電気的に絶縁して、低電圧高周波数の交流電圧を二次巻線４に出力する。したがって、一次巻線３には小電流が流れ、二次巻線４には大電流が流れる。

【0015】

このトランス１は、図５に示すように、プリント基板１００上に実装される。なお、以下では、一次巻線は、ボビン２と一体に形成された一次巻線を含む場合もある。
図１において、一対のコア１ａ，１ｂは、ＰＱ型フェライトコアである。コア１ａは、円柱状の中脚部1abと一対の外脚部1acと、中脚部1abと一対の外脚部1acとを連結する連結部1aaとを有している。

【0016】

一対の外脚部1acと中脚部1abとの間に形成される空間は、一次巻線３および二次巻線４を収納する巻線収納部1adである。
同様に、コア１ｂは、円柱状の中脚部1bbと一対の外脚部1bcと、中脚部1bbと一対の外脚部1bcとを連結する連結部1baとを有している。一対の外脚部1bcと中脚部1bbとの間に形成される空間は、一次巻線３および二次巻線４を収納する巻線収納部1bdである。

【0017】

一次巻線３は、ボビン２に電線を所定数巻き回すことにより、ボビン２と一体に構成されている。
ボビン２は、樹脂材料を用いて形成されており、中空部２２を有する筒部２１とこの筒部２１の両端部から延設された円形平板状の鍔部２３とを有する。ボビン２の鍔部２３の高さは筒部２１の幅よりも高くなるように形成されている。

【0018】

すなわち、ボビン２は薄い円形平板状であって、筒部２１の幅よりも高い鍔部２３を有する糸巻き状に形成されている。
また、ボビン２は、両鍔部２３のそれぞれの対向する位置に、プリント基板１００の表面に当接する方形状の支持部２８を備える。支持部２８の厚さは鍔部２３の厚さと同じであり、支持部２８の幅は鍔部２３の直径よりも広い。また、支持部２８の下端（プリント基板１００に当接する部分）は、鍔部２３の円周の下端よりも下方に位置する。このような形状のボビン２は、樹脂材料を型に流し込むことにより容易に成型することができる。また、ボビン２は、樹脂材料から削り出すことにより形成することもできる。

【0019】

一次巻線には高電圧が印加されるため、ボビン２は、低誘電率かつ高絶縁性を有する樹脂材料で形成される。
一次巻線３は、ボビン２の筒部２１に巻き回される。所定回数巻き回された一次巻線３の巻高さは、鍔部２３の高さ内に収まる。筒部２１と鍔部２３で形成された空間内で、一次巻線３は、その上部を覆うように絶縁性の樹脂材料で気密封止される。

【0020】

これにより、一次巻線３とボビン２とが、一体として、容易に形成される。なお、一次巻線３を気密封止する樹脂材料は、ボビン２を形成する樹脂材料と同じ材料であるのが好ましい。

【0021】

図１において、ボビン２に巻き回された一次巻線は、ボビン２の鍔部２３と気密封止された樹脂とによって覆われており、ボビン２の外部には現れない。なお、一次巻線の巻き始めと巻き終わり部から、一次巻線引出線３１が引き出されている。

【0022】

図３に、二次巻線４の構成例（その１）を示す。
二次巻線４は、厚みが数１００μmであって、中空部４７を備える二枚のリング状導体板からなる。この二枚の導体板は、それぞれ空隙部４３ａ、４３ｂを有するリング部４２ａ、４２ｂと、リング部４２ａ、４２ｂの一方端に引出線４１ａ、４１ｂを有する。

【0023】

そして、それぞれの引出線４１ａ、４１ｂの位置が互いに重ならないようにリング部４２ａ、４２ｂが重ね合わされたうえで、それぞれのリング部４２ａ、４２ｂの他方端同士が半田付けされる。

【0024】

これにより、２ターンを有する螺旋状の二次巻線４が構成される。なお、二枚の導体板の間には絶縁紙５が介挿される。
上記のようなリング形状の導体板は、例えば導電率が高い銅などの金属平板をプレス機などで打ち抜くことで、容易に加工することができる。

【0025】

なお、上記では二次巻線４を構成する導体板の枚数を二枚とする例について説明したが、これは単なる例に過ぎず、一枚でも良いし、二枚より多くても良い。
次に、図１に示したトランス１の構成を、以下に説明する。

【0026】

一次巻線３と二次巻線４とは、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４の順に、中空部２２，４７とを重ね合わせながら、交互に積層配置されている。

【0027】

コア１ａ，１ｂは、積層配置された一次巻線３および二次巻線４を挟んで、それぞれの一対の外脚部1ac,1bcと中脚部1ab,1bbとが相対するように配置されている。
コア１ａ，１ｂの中脚部1ab,1bbは、二次巻線４の中空部４７及び一次巻線３と一体に形成されたボビン２の中空部２２に挿通されているとともに、それぞれの端面が突き合わされている。コア１ａ，１ｂの一対の外脚部1ac,1bcは、その底面がボビン２の支持部２８の上端に載置されるとともに、それぞれの端面が突き合わされている。

【0028】

このように構成されたトランス１において、図２に示すように、コア１ａ，１ｂの中脚部1ab,1bbと一対の外脚部1ac,1bcとで磁路が形成される。そして、中脚部1ab,1bbが挿通された一次巻線３および二次巻線４は、巻線収容部1ad,1bd内に収容固定される。

【0029】

一次巻線３はボビン２内で絶縁性樹脂により気密封止されている。したがって、図２では、一次巻線３そのものは見えず、見えているのは一次巻線３を気密封止している樹脂部分である。

【0030】

この一次巻線３には引出線３１が備えられており、この引出線３１は、一次巻線３の気密封止部からボビン２の外側に引き出されている。すなわち、一次巻線引出線３１は、コア１ａ，１ｂの上側の開口部１１から上方に引き出されている。

【0031】

したがって、一次巻線３で発生した熱は一次巻線引出線３１に伝わり、一次巻線引出線３１を介して外気に放熱される。ただし、一次巻線３に流れる電流値は小さいため、一次巻線３で発生する熱量は小さい。そのため、一次巻線の発熱による温度上昇はわずかである。

【0032】

二次巻線の引出線４１は、一対のコア１ａ，１ｂの下側の開口部１１から下方に引き出される。この引出線４１はプリント基板１００に半田付けされる。
引出線４１がプリント基板１００に半田付けされることにより、二次巻線４の位置が一対のコア１ａ，１ｂ内で固定される。

【0033】

大電流が流れる二次巻線４の発熱量は大である。二次巻線４で発生した熱は、コア１ａ，１ｂの下方に引き出された引出線４１を介して外気に放熱される。
二次巻線４は４組に分割して構成されているため、発熱が分散されるとともに、それぞれの引出線４１において放熱が効果的に行われる。これにより、二次巻線４の局部的な過熱が抑制されている。

【0034】

図４に、二次巻線４の構成例（その２）を示す。
この二次巻線４は、リング部４２ａ、４２ｂの上部に、方形状の放熱部４４ａ、４４ｂを備えている。その他の形状については、図３に示した二次巻線４と同じである。

【0035】

リング部４２ａ、４２ｂの上部に放熱部４４ａ、４４が備えられることにより、二次巻線４の放熱は、より効果的に行われる。
また、一次巻線引出線３１はトランス１の上方に引き出され、二次巻線引出線４１はトランスの下方に引き出されている。

【0036】

したがって、一次巻線引出線３１と二次巻線引出線４１との間の空間および沿面の距離は、十分に確保されている。そのため、一次巻線引出線３１と二次巻線引出線４１との間の絶縁は十分に確保されている。

【0037】

以上により、本発明は、小型で高い動作周波数(数１００kHz程度)且つ大電流出力に対応できる高周波トランスを実現することができる。
図５は、プリント基板１００に実装された高周波トランス１を正面から見た正面図(ａ)および側面から見た側面図(ｂ)である。

【0038】

二次巻線引出線４１はプリント基板１００に半田付けされて固定される。
またボビン２の支持部２８の下端がプリント基板１００の表面に当接し、トランスの重さ(荷重)を支える。支持部２８の幅は、コア１ａ、１ｂの幅（両外脚間の幅）と同じである。支持部２８がコア１ａ、１ｂの幅と同じ幅を備えれば、プリント基板１００上でトランス１が安定に支持される。ただし、支持部２８の幅は必ずしもコア１ａ、１ｂの幅と同じである必要はなく、トランス１を安定に支えることができれば、コア１ａ、１ｂの幅よりも長くても短くても良い。

【0039】

また、コア１ａ、１ｂの一対の外脚部1ac,1bcの底面が支持部２８の上端に載置されている。そして、ボビン２の支持部２８は、その下端（プリント基板１００に当接する部分）が一次巻線３の気密封止部よりも下方に位置するように構成されている。したがって、プリント基板１００の表面と一次巻線３の気密封止部との間に間隙が存在している。このようにすれば、支持部２８でトランス１を安定に支えることができる。

【0040】

トランス１の荷重がプリント基板１００に当接するボビン支持部２８によって支えられるため、二次巻線４の薄型化が可能となる。すなわち、トランス１の高周波数化が可能になるとともに、小型化が可能となる。

【0041】

上記実施形態では、一次巻線３に高電圧が印加され、二次巻線から低電圧が出力される高周波トランスを例にとって、トランス１の支持構造を説明した。
しかし、本発明は、このような高周波トランスに限定されるものではない。すなわち、本発明は、一次巻線３に低電圧が印加され、二次巻線から高電圧が出力される高周波トランスに適用することができる。

【0042】

この場合は、二次巻線４をボビン２に巻き回し、このボビン２に支持部２８を備えることができる。
また、本発明は、一次巻線３に高電圧が印加され、二次巻線から高電圧が出力される高周波トランスに適用することができる。この場合は、一次巻線３と二次巻線４をそれぞれ異なるボビン２に巻き回し、このボビン２に支持部２８を備えることができる。

【0043】

また、本実施形態では、ＰＱコアの中脚部に一次巻線と二次巻線とを巻装する高周波トランスを例にとって、トランス１の支持構造を説明した。
しかし、本発明は、ＰＱコアを用いて構成される高周波トランスに限定されるものではない。すなわち、本発明は、ＥＥコア、ＥＩコアなど、他の形状のコアを用いて構成される高周波トランスに適用することができる。

【0044】

また、本発明は、コアの中脚部に一次巻線と二次巻線を巻装する高周波トランスに限定されるものではない。すなわち、本発明は、コアの外脚部など磁路を形成する脚に一次巻線と二次巻線を巻装する高周波トランスに適用することができる。

【0045】

また、本発明は、高周波トランスを例にとってトランス１の支持構造を説明した。しかし、本発明はトランスの支持構造に限定されるものではない。
すなわち、本発明は、巻線が巻き回されたボビンをコアに巻装して構成されるインダクタに適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明の高周波トランスは、小形から大形に至る種々の高周波トランス又は各種変成器に利用することが可能である。

【符号の説明】

【0047】

１ トランス
１ａ，１ｂ コア
２ ボビン
３ 一次巻線
４ 二次巻線
１１ コアの開口部
２８ ボビン支持部
３１ 一次巻線引出線
４１ 二次巻線引出線
４７ 二次巻線の中空部
１００ プリント基板
1aa,1ba コアの連結部
1ab,1bb コアの中脚部
1ac,1bc コアの外脚部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】