JP2005228813A - コイル - Google Patents

Abstract

【課題】板状導電部材により形成されるコイルを薄型化する。
【解決手段】電流流路を形成する第一巻線部１５と第二巻線部１７とを含む第一板状導電部材と、電流流路を形成する第三巻線部１６を含む第二板状導電部材とを備え、第一、第二及び第三巻線部を磁束が通過するように重ねて配置してなるコイルである。第一板状導電部材を折り曲げて第一巻線部と第二巻線部とが重なり合うように配置し、第一巻線部と第二巻線部の間に第三巻線部を挿入し、かつ第三巻線部の一端部２２と、第一巻線部又は第二巻線部の一端部２１とを電気的に接続する。第一、第二及び第三巻線部にコアを設けても良い。本コイルを使用して変圧器、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電子部品を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルに係り、特にＤＣ−ＤＣコンバータや変圧器等に使用可能な、板状の導電材料により形成したコイルに関する。

内燃機関自動車、電気自動車、あるいは内燃機関と電動機とを併用したハイブリッド自動車では、複数の電源電圧を必要とする場合が少なくない。

例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車では、一般に走行用のモータを高電圧で駆動するため、高電圧バッテリを搭載する一方、各種電装品は内燃機関自動車と部品を共通化するため、これらに給電を行う低電圧バッテリ（例えば１２Ｖ系）を同時に搭載している。また、内燃機関自動車においても、今後ますます高まる電力要求に応えるため、高電圧バッテリ（例えば３６Ｖまたは４２Ｖ）と、既存電装品の定格電圧に対応した低電圧バッテリ（１２Ｖ）とを搭載した自動車が提供されている。

そして、これら高低２種類の電源系統を有する自動車では、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータにより直流電圧の昇降圧を行って車内の電力配分を行っている。

低電圧側と高電圧側との間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータは、一般に変圧器、ダイオード、コンデンサおよびスイッチング素子等の各素子を備え、変圧器のコイルとしては、銅板を折り畳んでこれをコアで挟んだ構造を有するものが広く使用されている。

図１３から図１５は、この種のコイルの一例を示すものである。図１３および図１４に示すようにコイル１は、コイル１の入出力端子である第一の端子部２と第二の端子部３との間に、ループ状の巻線（第一巻線５、第二巻線６および第三巻線７）を３つ備えており、第一巻線５の始端は第一端子部２に、第一巻線５の終端は第二巻線６の始端に、第二巻線６の終端は第三巻線７の始端に、第三巻線７の終端は第二端子部３にそれぞれ接続され、これら巻線５，６，７は同一方向に周回して電流流路を形成している。

作製にあたっては、図１５に示すように、銅板を所定の形状に打ち抜き、第一巻線５と第二巻線６とを連絡する巻線間部８、並びに第二巻線６と第三巻線７とを連絡する巻線間部９にそれぞれ治具をあててこれらの巻線間部８，９を各巻線５，６，７が重なるように折り曲げる。

また、この種のコイルを開示するものとして下記特許文献がある。

米国特許６，２２２，４３７号公報

ところで、コイル（インダクタンス素子）は、電流が周回するように導体流路を形成することで所期の特性を得るものであるから、鎖交磁束数を増やし、より大きなインダクタンスを得るためには、巻線を重ねて配置する必要がある。また、電力損失を抑えるには、電流流路となる巻線の断面積（前記銅板の板厚）を大きくし、さらに電流流路を短くすることが望ましい。また、当該コイルを使用する各種装置の小型化のため、より低背の（コイル全体が薄い）コイル形状が要求される。

ところが、巻線部を重ねた折畳みコイルを作製する場合、板厚（導体材料）が厚くなるほど曲げ加工が難しくなり、板厚を確保しつつ低背化を図ることは容易ではない。

曲げ加工では、使用する導体材料の種類や肉厚、加工装置や加工方法の如何によって決まる折り曲げの限界値（「最小曲げ半径」）が存在するからである。最小曲げ半径より急峻に材料を曲げれば、折曲げ部に亀裂や断裂が生じて当該部分で導体断面積が低下する。また、機械的な強度が弱まって製品の信頼性を低下させる原因ともなる。

一方、最小曲げ半径以上であっても、曲げ半径が小さくなるほど治具への応力負荷が大きくなるから、特に量産時に導体材料に突き当てる治具先端部の磨耗や劣化が早まり、製造コストに影響を及ぼす。

他方、加工を容易にするため曲げ半径を大きく取れば、巻線の隙間が開き、コイル全体が厚くなってしまう。また、巻線間の隙間が広がれば、特に磁心を持たない空芯コイルでインダクタンスが低下する問題が生じる。さらに、曲げ半径が大きくなると、各巻線部を連結する折曲げ部（前記巻線間部８，９）が長くなるから、コイル全体の電流経路が長くなり、電力損失の増大にも繋がる。

したがって本発明が解決しようとする課題は、従来の折畳み構造によっては、これ以上コイルを薄型化することが困難である点である。

前記課題を解決するため、本発明に係るコイルは、電流流路を形成する第一巻線部と第二巻線部とを含む第一の板状導電部材と、電流流路を形成する第三巻線部を含む第二の板状導電部材とを備え、該第一巻線部、第二巻線部および第三巻線部を磁束が通過するように重ねて配置してなるコイルであって、前記第一の板状導電部材を折り曲げることにより前記第一巻線部と前記第二巻線部とが重なり合うように配置され、該第一巻線部および第二巻線部の間に、前記第三巻線部が挿入され、かつ該第三巻線部の一端部と、前記第一巻線部または第二巻線部の一端部とが電気的に接続されている。

本発明では、従来のように１つの板状部材からコイル形成するのではなく、少なくとも２つの板状導電部材（第一および第二の板状導電部材）によりコイルを形成する。第一板状導電部材は、第一巻線部と第二巻線部とを少なくとも含み、これら巻線部が重なり合うように第一板状導電部材を折り曲げ、両巻線部間に、第二板状導電部材に含まれる第三巻線部を挿入する。

そして、該第三巻線部の一端部と、第一巻線部および第二巻線部のいずれか一方の一端部とを電気的に接続すれば、３回の周回を行う電流流路（３回巻のコイル）を形成することが出来る。尚、コイルの巻数は、３回に限られるものではなく、４回以上（巻線部の配設数が４つ以上）とすることも可能である。また、第三巻線部と第一または第二巻線部とを接続するには、例えばボルト（ネジ）、溶接、ろう付け、はんだ付け、かしめ、リベット等を使用すれば良い。

このような本発明のコイル構造によれば、第一巻線部と第二巻線部との間の接続部を急峻に折り曲げなくても、その間に第三の巻線部を収容するから、第一巻線部と第二巻線部との間の空間を有効に利用することが出来る。したがって、第一巻線部、第二巻線部、第三巻線部と、順に折り畳んで積み重ねていた従来の折畳みコイルに較べてコイル全体としての厚さを小さく抑えることが可能となる。

また、曲げ加工を行った巻線部間に別の巻線部を挿入するという、曲げ加工のみに依存することのない構造によりコイル形成（巻線部の積み重ね）を行うから、曲げ加工のみでコイルを形成していた従来のコイルに較べ、各巻線部の間隙を小さくすることが可能で、特に磁心を持たない空芯コイルでは、より大きなインダクタンスを得ることが出来る。

このような本発明のコイルは、コアを備えていても勿論構わない。また、かかる本発明のコイルは、変圧器およびＤＣ−ＤＣコンバータを構成することが可能で、該変圧器およびＤＣ−ＤＣコンバータでは、一次側巻線および二次側巻線のうちの少なくとも一方の巻線として本発明に係るコイルを使用する。さらに、本発明に係る電子部品は、例えば、大電力用のインバータやＡＣ−ＤＣコンバータが例示でき、前記本発明に係るコイルを含むものである。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態および実施例の説明により明らかにする。

本発明によれば、板状導電部材により形成するコイルを薄型化することが出来る。

以下、添付図面の図１から図１２に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１および図２に示すように本発明の実施の形態に係るコイル１１は、略同一径の３つのループ状の巻線１５，１６，１７を重ね合わせ、コイル１１に対する電流の入出力を行うコイル端子１２，１３を備えた３巻のコイルである。

最下部の巻線１５の一端部には、コイル端子１２が設けられ、該巻線１５の他端部には、該巻線１５の他端部に連続して上方に立ち上がり、巻線１５と最上部の巻線１７とを電気的に接続する巻線間部１８が形成されている。最上部の巻線１７の一端部は、前記巻線間部１８に連続し、該巻線１７の他端部には、最上部の巻線１７と最下部の巻線１５との間に配される中間の巻線１６との接続を行う接続部２１が形成されている。

また、中間の巻線１６の一端部には、最上部の巻線１７との接続を行う接続部２２が形成されており、両接続部２１，２２を重ね合わせてボルト（ネジ）で締結することにより、最上部の巻線１７と中間の巻線１６とが電気的に接続されている。また、中間の巻線１６の他端部には、コイル端子１３が設けられている。

かかるコイル１１は、金属板（例えば銅板）を打ち抜いて形成した第一の導電部材３１と第二の導電部材３２とを組み合わせて、スパイラル状の電流流路を形成したもので、コイル端子１２，１３の間に前記ループ状の３つの巻線１５，１６，１７を備えている。

図３（ｂ）に示すように第一導電部材３１は、コイル端子１２と、該コイル端子１２に連続してループ状に周回電流流路を形成する第一巻線１５と、同じくループ状の周回電流流路を形成する第二巻線１７と、第一巻線１５と第二巻線１７とを連絡する巻線間部１８と、第二巻線１７の終端に連続してコイル１１の外方に張り出すように形成した接続部２１とを有する。

一方、図３（ａ）に示すように第二導電部材３２は、ループ状の周回電流流路を形成する第三巻線１６と、第三巻線１６の始端に連続してコイル１１の外方に張り出すように形成した接続部２２と、第三巻線１６の終端に連続するコイル端子１３とを備えている。これら第一巻線１５、第二巻線１７および第三巻線１６はそれぞれ、図１および図２に基づいて説明した前記最下部の巻線１５、最上部の巻線１７、および中間の巻線１６に相当するものである。

図４は、本発明の一実施形態に係るコイルの分解斜視図である。前記第一および第二導電部材３１，３２を用いて前記図１および図２に示したコイル１１を形成するには、次のようにすれば良い。

まず、図３（ｂ）に示す第一導電部材３１を、巻線間部１８を中心として折り曲げ、第一巻線１５と第二巻線１７とが一定の間隔を開けて重なり合うようにし、この第一および第二巻線１５，１７の間隙に第三巻線１６を挿入して（矢印Ａで示す）第一から第三巻線１５，１６，１７が重なり合うようにする。そして、両導電部材の接続部２１，２２をボルト２５で接続し、第二巻線１７の終端と第三巻線１６の始端とを電気的に接続する。尚、上記説明において「始端」および「終端」の語は、本コイルの形状的な構造を説明する都合上使用したもので、コイルに流れる電流の方向を特に規定するものではない。

図５は、第二巻線１７と第三巻線１６とを接続する接続部２１，２２を拡大して示すものである。同図に示すように巻線１６，１７同士が接触することがないように、上側に位置することとなる第一導電部材３１の接続部２１を第二巻線１７の端部から斜め下方に立ち下げる一方、下側に位置することとなる第二導電部材３２の接続部２２を第三巻線１６の端部から斜め上方に立ち上げ、これにより第二巻線１７と第三巻線１６との間に隙間を形成している。

尚、このように両巻線間に隙間を形成するには、いずれか一方の接続部２１（又は２２）のみを巻線１７（又は１６）の端部から立ち下げ又は立ち上げるようにしても良いし、図６に示すように両接続部２１，２２の間に導電性を有する平板状部材２６（例えば板材やワッシャ等）を挟むようにしても構わない。尚、設計誤差や使用中の振動等により、コイル同士が接触することを防止すべく、巻線１６と巻線１７間には、図示しない紙や樹脂等からなる絶縁フィルムを配しても良く、あるいは接続部２１，２２を除いて巻線１６と巻線１７が絶縁コーティングされていても良い。巻線１５と巻線１６間についても同様に、絶縁フィルムの配設や絶縁コーティングを行うことが可能である。

接続部２１，２２の結合は、ボルト（ネジ）に限られず、例えば溶接やはんだ付け、ろう付け、かしめ、リベットその他の手段によることが可能であることは既に述べたとおりである。また、接続部２１，２２は、図示のようにコイル１１の外方に突出させることが接続作業の容易性の点からは好ましいが、コイルから接続部を張り出させることなく、巻線１６，１７の端部同士を上下で直接接続する（例えば溶接により）ことも出来る。

このように接続部２１，２２を結合することにより、コイル端子１２から、第一巻線１５、巻線間部１８、第二巻線１７、接続部２１，２２、第三巻線１６およびコイル端子１３に至る電流流路を形成することが出来る。

コイルの巻数（巻線の数）は、３巻に限られず、４巻以上とすることも出来る。また、コイル端子１２，１３の形状は、使用する装置に対応して様々に変更可能であり、図示の例に限定されるものではない。

図７は、本実施形態のコイルの厚さ寸法（同図（ｂ））を、前記図１３に示した従来の折畳みコイル（図７（ａ））と比較して例示するものである。同一厚さ（例えば板厚ｔ＝２ｍｍ）の銅板を使用して３巻のコイルを作製した場合、従来のコイルでは、加工上巻線間の間隔ｗ0が３ｍｍは必要となるため、全高ｈ0を１２ｍｍ（＝２＋３＋２＋３＋２）とするのが限度であった。

これに対し、巻線と巻線との間に別の巻線を挿入する本実施形態のコイル構造によれば、各巻線間の間隔ｗ1を０．５ｍｍにすることが出来るから、全高ｈ1を７ｍｍ（＝２＋０．５＋２＋０．５＋２）に抑えることができ、この例の場合、約４２％厚さを減らすことが可能となる。また、巻線同士の間隔を従来に較べて格段に（６分の１に）狭くすることが出来るから、特に磁心を持たない空芯コイルにおいてより大きなインダクタンスを得ることが可能となる。

図８は、本発明に係るコイルの別の例を示すものである。同図に示すコイル４１は、前記コイル１１と同様に金属板（例えば銅板）を打ち抜いて形成した２つの導電部材を組み合わせてなり、第一導電部材が第一巻線１５と第二巻線１７、巻線間部１８、接続部２１、コイル端子１２を備え、また第二導電部材が第三巻線１６、接続部２２およびコイル端子１３を備えるものであるが、第二導電部材がさらに第四巻線４８を備えており、これにより４巻の巻線を備えたものである。

すなわち、前記実施形態（図１）のコイル１１では、第二導電部材３２が、接続部２２、第三巻線１６、コイル端子１３を順に備えていたが、この例では、第三巻線１６とコイル端子１３との間に、第一導電部材と同様に巻線間部４９を設けて第四巻線４８を形成し、第四巻線４８の終端にコイル端子１３を設けてある。

コイル４１を形成するには、第一巻線１５と第二巻線１７とが重なり合うように第一導電部材を巻線間部１８を中心として折り曲げ、第三巻線１６と第四巻線４８とが重なり合うように第二導電部材を巻線間部４９を中心として折り曲げる。次に、第一巻線１５と第二巻線１７との間に第三巻線１６が挿入され、かつ第三巻線１６と第四巻線４８との間に第二巻線１７が挿入されるように、第一から第四巻線を重ね合わせる。そして、両導電部材の接続部２１，２２をボルト２５で接続し、第二巻線１７の終端と第三巻線１６の始端とを電気的に接続すれば、コイル端子１２から、第一巻線１５、巻線間部１８、第二巻線１７、接続部２１，２２、第三巻線１６、巻線間部４９、第四巻線４８およびコイル端子１３に至る電流流路を形成することが出来る。

このように本発明では４巻のコイルを形成することができ、さらに同様にして適宜接続部と巻線間部とを設けて巻線を接続していくことにより、５巻以上のコイルを形成することも可能である。この場合、折り曲げた巻線の間に挿入する巻線の数は、必ずしも１枚に限られず、２枚以上を挿入するようにしても構わない。

前記図１および図８に示した実施形態のコイル１１，４１を含め本発明に係るコイルは、空芯コイルとして使用することが出来ることは既に述べたとおりであるが、コアを装着することも可能である。図９および図１０は、前記図１に示した実施形態に係るコイル１１にコアを被せたもので、磁性材料からなるコア６１は、断面略Ｅ字状の形状を有してコイル１１を上面側から覆う上部コア片６１ａと、同じく断面略Ｅ字状の形状を有してコイル１１を下面側から覆う下部コア片６１ｂとからなる。

各コア片６１ａ，６１ｂは、コイル１１の周囲に配されてコイル外側に磁束通路を形成する外側コア部６２ａ，６２ｂと、コイル１１の中心部に互いに対向するよう配置されてコイル１１を貫通する磁束通路を形成する内側コア部６３ａ，６３ｂとをそれぞれ備える。さらに、上部コア片６１ａは、コイル１１（第二巻線１７）の上面を覆う平板状の上面コア部６４ａを備え、下部コア片６１ｂは、コイル１１（第一巻線１５）の下面を覆う平板状の下面コア部６４ｂを有する。図１０に示すようにコイル１１を上下から挟むように両コア片６１ａ，６１ｂを合わせると、外側コア部６２ａ，６２ｂ同士が当接して繋がり、同時に内側コア部６３ａ，６３ｂ同士がコイルの中心部で互いに対向してコイル中心部およびコイルを取り囲む磁束通路を形成することが出来る。

また、本実施形態では、各コア片６１ａ，６１ｂにおいて、内側コア部６３ａ，６３ｂは、インダクタンスの調整のため、外側コア部６２ａ，６２ｂより高さ寸法を小さく設定してある（図１０に示すように上部コア片６１ａと下部コア片６１ｂとを組み合わせたときに両内側コア部６３ａ，６３ｂ間に隙間Ｓが出来る）。

また、図１０に示すように両コア片の内側コア部６３ａ，６３ｂには、該内側コア部６３ａ，６３ｂに嵌合するボビン７１をそれぞれ装着する。これらのボビン７１は、絶縁性を有する樹脂からなり、内側コア部６３ａ，６３ｂとコイル１１（各巻線１５〜１７）との間、並びに上面コア部６４ａまたは下面コア部６４ｂとコイル１１（第二巻線１７または第一巻線１５）との間に介在されて、コア６１とコイル１１との間の絶縁を図る。尚、ボビン並びにコアの形状・構造は、図示の例のほかにも様々なものとすることが出来る。

前記実施形態に係るコイルは、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに使用することが可能であり、図１１および図１２はそれぞれ、本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図および概略斜視図である。

これらの図に示すようにこのＤＣ−ＤＣコンバータ５１は、例えば自動車のバッテリである直流電源（図示せず）に接続してその電流を平滑化する入力平滑回路５２と、入力平滑回路５２から入力される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路５３と、インバータ回路５３の出力電圧を変更するトランス５４と、トランス５４の出力を整流する全波整流回路モジュール５５と、全波整流回路モジュール５５の出力電圧を平滑化する出力平滑化回路５６とを有する。出力平滑化回路５６は、平滑コンデンサ５７と、チョークコイル５８とからなり、さらにインバータ回路５３を制御するコントローラ（図示せず）、および電流センサ（図示せず）等を備える。そして、トランス５４の一次側および二次側巻線５９、並びにチョークコイル５８を前記実施形態に係るコイル１１（図１）により構成する。尚、これらの図に示すＤＣ−ＤＣコンバータは一例として示したものであって、他の回路構成、並びに各部品について他の配置構成を採ることも可能である。

以上、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、巻線の平面形状は、円形に限られるものではなく、正方形や長方形その他の形状とすることも可能である。また、コアを備える有芯コイルを形成しても良い。さらに本発明のコイルは、インダクタンス素子として各種の回路を形成することが可能であり、例えばスイッチング電源装置やノイズフィルタ、変圧器、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の様々な装置を構成することが出来る。

本発明の一実施形態に係るコイルを示す斜視図（斜め上方から見た図）である。 図１に示した実施形態に係るコイルを斜め下方から見た図である。 図１に示した実施形態に係るコイルについて、折畳み加工を行う前の状態を示す平面図である。（ａ）は該コイルを構成する第二導電部材を、（ｂ）は第一導電部材をそれぞれ示す。 図１に示した実施形態に係るコイルの分解斜視図である。 図１に示したコイルの接続部を示す側面図である。 図１に示したコイルの接続部の別の構成例を示す側面図である。 実施形態に係るコイルの厚さ寸法（同図（ｂ））を、従来の折畳みコイル（同図（ａ））と比較して例示する図である。 本発明の別の実施形態に係るコイルを示す斜視図（斜め上方から見た図）である。 図１に示したコイルにコアを装着して有芯コイルを構成した例を示す斜視図である。 図９に示した有芯コイルのＸ−Ｘ線断面図である。 本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。 本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す概略斜視図である。 従来の折畳みコイルの一例を示す斜視図（斜め上方から見た図）である。 図１３に示した従来の折畳みコイルを示す斜視図（斜め下方から見た図）である。 図１３に示した従来のコイルについて、折畳み加工を行う前の状態を示す平面図である。

符号の説明

１１，４１ コイル
１２，１３ コイル端子（入出力端子）
１５，１６，１７，４８ 巻線
１８，４９ 巻線間部
２１，２２ 接続部
２６ 導電性を有する平板状部材
３１ 第一導電部材
３２ 第二導電部材
５１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２ 入力平滑回路
５３ インバータ回路
５４ トランス
５５ 全波整流回路モジュール
５６ 出力平滑化回路
５７ 平滑コンデンサ
５８ チョークコイル
５９ トランスの巻線
６１ コア
７１ ボビン

Claims (5)

1. 電流流路を形成する第一巻線部と第二巻線部とを含む第一の板状導電部材と、
   電流流路を形成する第三巻線部を含む第二の板状導電部材とを備え、
   該第一巻線部、第二巻線部および第三巻線部を磁束が通過するように重ねて配置してなるコイルであって、
   前記第一の板状導電部材を折り曲げることにより前記第一巻線部と前記第二巻線部とが重なり合うように配置され、
   該第一巻線部および第二巻線部の間に、前記第三巻線部が挿入され、かつ
   該第三巻線部の一端部と、前記第一巻線部または第二巻線部の一端部とが電気的に接続されている
   ことを特徴とするコイル。
2. コアをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のコイル。
3. 一次側巻線および二次側巻線のうちの少なくとも一方の巻線として、前記請求項１または２に記載のコイルを含む
   ことを特徴とする変圧器。
4. 前記請求項３に記載の変圧器を含むことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 前記請求項１または２に記載のコイルを含むことを特徴とする電子部品。

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