JP2006032860A

JP2006032860A - 変圧器

Info

Publication number: JP2006032860A
Application number: JP2004213537A
Authority: JP
Inventors: Ken Mita; 憲三田; Shigehiro Makino; 重弘牧野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた新規な構成の変圧器を提供する。
【解決手段】磁心２に巻き付けられた一次巻線４と、この外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第１の複合層６と、この外周に巻き付けられているとともに、一次巻線４に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する二次巻線８と、この外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第２の複合層１０とを有する。ここで、複合層６，１０は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器に関する。

電気・電子機器に必要不可欠である変圧器は、一次巻線と二次巻線との巻線比に応じた電圧変換を行う回路部品として広く用いられている。また、ノイズ除去を目的とした変圧器として、絶縁トランスと呼ばれる変圧器も知られている。電圧変換を目的としないこの類の変圧器は、電源ラインを電気的に分離して、ノイズ成分をグランドに流すことにより、ノイズ成分を除去する。このノイズ除去変圧器には、一次巻線と二次巻線との間および最も外側に位置する巻線の外周に、グランド接続された銅板がシールドとしてそれぞれ実装されている。一般に、この変圧器の磁心としては珪素鋼板が用いられることが多く、１対１の巻線比（それ故に変圧されない）で構成される。従来、ノイズ対策を施した変圧系を構成する場合には、本来の変圧を目的とした変圧器およびノイズ除去変圧器といった２種類の変圧器を結線しなければならなかった。

本発明の目的は、ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた新規な構成の変圧器を提供することである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器を提供する。この変圧器は、磁心と、磁心に巻き付けられた第１の巻線と、第１の巻線と電気的に分離された状態で、第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第１の複合層と、第１の複合層と電気的に分離された状態で、第１の複合層の外周に巻き付けられているとともに、第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線と、第２の巻線と電気的に分離された状態で、第２の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第２の複合層とを有する。ここで、第１の複合層および第２の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有する。

第２の発明は、ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器を提供する。この変圧器は、磁心と、磁心に巻き付けられた第１の巻線と、第１の巻線と電気的に分離された状態で、第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第１の複合層と、第１の複合層と電気的に分離された状態で、第１の複合層の外周に巻き付けられているとともに、第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線とを有する。ここで、第１の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有する。

第３の発明は、ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器を提供する。この変圧器は、磁心と、磁心に巻き付けられた第１の巻線と、第１の巻線と電気的に分離された状態で、第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線と、第２の巻線と電気的に分離された状態で、第２の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第２の複合層とを有する。ここで、第２の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有する。

上述した第１から第３の発明のいずれかにおいて、磁性層および誘電層に関する巻回数は、１ターン未満であることが好ましい。また、第１の複合層および第２の複合層を構成する層のそれぞれがグランドにアースされていることが好ましい。

上述した構成によれば、単体の変圧器でノイズ除去と電圧変換とを行うことができる。第１または第２の複合層として、磁性層および誘電層の少なくとも一方を、シールドとしての導電層と複合させる。これにより、電磁結合または電波結合が生じて、高周波成分が強制的かつ効率的に導電層に引き込まれる。また、周囲の浮遊容量より大きな容量を存在させることで、ノイズ成分が有効に導電層に取り込まれる。これにより、本来の電圧変換に加えて、広帯域において良好なノイズ減衰効果が発揮される。

図１は、本実施形態に係るノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器の全体図であり、図２はその断面図である。この変圧器１は、磁心２と、この磁心２に取り付けられた円柱状のボビン３とを有する。磁心２は、周辺回路にノイズが電波結合しないように、飽和磁束密度の高いもの、例えば、ＪＦＥスチール株式会社のＪＦＥスーパーコア「ＪＮＨＦコア」（高周波超低鉄損鋼板）を採用することが好ましい。これにより、変圧器１自体を小型化できるので、周辺回路との距離を稼ぐことができる。ボビン３の内部には、後述する部材４〜１０が収納されており、これらは磁心２を中心として略同心円状に巻き付けられている。

最も内側に存在する一次巻線４は、所定のターン数（巻回数）だけ磁心２に巻き付けられている。一次巻線４には、外部回路との接続端となる一次引出し線１１が接続されている。一次巻線４の外周には、絶縁体よりなる絶縁層５が巻き付けられている。第１の複合層６は、絶縁層５によって一次巻線４と電気的に分離された状態で、一次巻線４の外周に巻き付けられている。第１の複合層６には、アース線１３が接続されており、このアース線１３を介して第１の複合層６がグランドにアースされる。第１の複合層６の外周には、絶縁体よりなる絶縁層７が巻き付けられている。二次巻線８は、絶縁層７によって第１の複合層６と電気的に分離された状態で、所定のターン数だけ第１の複合層６の外周に巻き付けられている。二次巻線８には、外部回路との接続端となる二次引出し線１２が接続されている。一次巻線４に対する二次巻線８の巻線比は、電圧変換機能を果たすべく、目標電圧への電圧変換を行うのに必要な値に設定されている。二次巻線８の外周には、絶縁体よりなる絶縁層９が巻き付けられている。第２の複合層１０は、絶縁層９によって二次巻線８と電気的に分離された状態で、二次巻線８の外周に巻き付けられている。第２の複合層１０には、アース線１３が接続されており、このアース線１３を介して第２の複合層１０がグランドにアースされる。なお、本実施形態では、一次巻線４の外側に二次巻線８を配置しているが、これらの巻線４，８の配置は逆であってもよい。

図３は、第１の例である第１の複合層６の断面図である。なお、第１の複合層６および第２の複合層１０は同様の断面構造を有しているので、以下、第１の複合層６を例に説明する（後述する図５および図６についても同様）。この複合層６は、導電層６ａ、磁性層６ｂ，６ｃおよび誘電層６ｄ，６ｅを主体とした５層のサンドイッチ構造を有する。また、複合層６を構成する層６ａ〜６ｅのそれぞれに対して、アース線１３が接続されており、このアース線１３を介して各層６ａ〜６ｅがグランドにアースされる。なお、磁性層６ｂ，６ｃと誘電層６ｄ，６ｅの配置は逆であってもよい。

中間の導電層６ａは、例えばＣｕ等の導電体によって構成されており、その巻回数は１ターンである。つまり、導電層６ａは、シールドとしての機能を果たすべく、一次巻線４の外周全体を覆うように配置されている。また、導電層６ａの直上および直下には、磁性体よりなる磁性層６ｂ，６ｃがそれぞれ配置されている。これらの磁性層６ｂ，６ｃは、例えば、アモルファス、ファインメット（ナノクリスタル）、Ｎｉ−Ｚｎフェライト等のように、広い周波数帯域において大きな透磁率を有する単一材料で構成してもよい。また、パーマロイ、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、珪素鋼板等のように、狭い周波数帯域において極めて大きな透磁率を有する材料を複数組み合わせて構成してもよい（この場合でも、最終的には、広い周波数帯域において大きな透磁率が確保される）。さらに、磁性層６ｂの直上および磁性層６ｃの直下には、誘電体よりなる誘電層６ｄ，６ｅがそれぞれ配置されている。なお、磁性層６ｂ，６ｃおよび誘電層６ｄ，６ｅは、その巻回数が１ターン未満、すなわち、一次巻線４の外周に覆わない部分が残るように配置されている。巻回数を１ターン未満にする理由は、これを１ターンにすると、Ｎ対１（Ｎは一次巻線４の巻回数）の電圧がグランドに発生し、変圧器１の変換効率の低下を招くので、これを抑制するためである。

本実施形態によれば、本来の電圧変換機能のみならず、ノイズ除去機能をも備えた変圧器１を実現できる。ここで、比較例として、磁性層や誘電層を積層しない導電層の単層（シールドのみ）を用いる場合について考える。この場合には、高周波ノイズが導電層の表面を流れて、周囲の構造部品との間に生じる浮遊容量によって結合してしまい、ノイズ成分がグランドに流れ込んでいかないので、十分なノイズ減衰効果が得られない。これに対して、本実施形態のように、シールドとしての導電層と磁性層と誘電層とを積層した複合層６，１０を用いる場合には、電磁結合または電波結合が生じて、高周波成分が強制的に導電層に引き込まれる。また、周囲の浮遊容量より大きな容量を存在させることで、ノイズ成分が有効に導電層に引き込まれる。これにより、不要な交流成分（非対称なノイズ、すなわちコモンモード）が強制的にグランドに引き込まれるので、広帯域において良好なノイズ減衰効果が発揮される。また、第２の複合層１０によって、変圧器１から発せられる高周波交流成分が外部に放射されるのを有効に規制することができる。その結果、ノイズの影響による、外部の電気・電子機器の誤動作や破壊を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、変圧器１の変換効率を通常の変圧器と同等以上に確保することが期待できる。なぜなら、高周波変換の変圧器１においては、磁性体や誘電体が備える遅延効果が従来高周波ノイズとしてロスしていた成分を変換に有効な交流に作り変え、二次側に出力することが可能になるからである。

なお、上述した実施形態では、磁性層６ｂ，６ｃおよび誘電層６ｄ，６ｅの双方を含む第１の複合層６（第２の複合層１０についても同様）について例示した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図４または図５に示すように、第１の複合層６はこれらの内の少なくとも一方を含んでいれば足りる。図４に示す一例において、第１の複合層６は、導電層６ａおよび磁性層６ｂ，６ｃを主体とした３層のサンドイッチ構造を有する。上述した理由から、導電層６ａの巻回数は１ターンであるが、磁性層６ｂ，６ｃの巻回数は１ターン未満になっている。一方、図５に示す一例において、第１の複合層６は、導電層６ａおよび誘電層６ｄ，６ｅを主体とした３層のサンドイッチ構造を有する。導電層６ａの巻回数は１ターンであるが、誘電層６ｄ，６ｅの巻回数は１ターン未満になっている。

図６は、本実施形態に係る変圧器１のノイズ減衰特性図である。同図に示した実線は、導電層６ａおよび磁性層６ｂ，６ｃよりなる複合層６（図５参照）を有する変圧器１に関するノイズの減衰特性を示し、同図に示した点線は、シールドとしての導電層のみからなる比較例としての変圧器（それ以外は同様の諸元）に関するそれを示している。同図から分かるように、本実施形態に係る変圧器１の方が比較例よりもが約２０％ほど減衰量が低下しており、広帯域に亘って優れたノイズ除去機能を有することが分かる。

また、上述した実施形態では、第１の複合層６および第２の複合層１０の双方を設けた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の複合層６および第２の複合層１０の一方だけであってもよい。さらに、第１の複合層６および第２の複合層１０は、同一の構成を有している必要はなく、第１の複合層６が異なる構成を有していてもよい。

本実施形態に係る変圧器の全体図本実施形態に係る変圧器の断面図第１の例である第１の複合層の断面図第２の例である第１の複合層の断面図第３の例である第１の複合層の断面図本実施形態に係る変圧器の減衰特性図

符号の説明

１変圧器
２磁心
３ボビン
４一次巻線
５，７，９絶縁層
６第１の複合層
８二次巻線
１０第２の複合層
１１一次引出し線
１２二次引出し線
１３アース線
６ａ導電層
６ｂ，６ｃ磁性層
６ｄ，６ｅ誘電層

Claims

ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器において、
磁心と、
前記磁心に巻き付けられた第１の巻線と、
前記第１の巻線と電気的に分離された状態で、前記第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第１の複合層と、
前記第１の複合層と電気的に分離された状態で、前記第１の複合層の外周に巻き付けられているとともに、前記第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線と、
前記第２の巻線と電気的に分離された状態で、前記第２の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第２の複合層とを有し、
前記第１の複合層および前記第２の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有することを特徴とする変圧器。
ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器において、
磁心と、
前記磁心に巻き付けられた第１の巻線と、
前記第１の巻線と電気的に分離された状態で、前記第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第１の複合層と、
前記第１の複合層と電気的に分離された状態で、前記第１の複合層の外周に巻き付けられているとともに、前記第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線とを有し、
前記第１の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有することを特徴とする変圧器。
ノイズ除去機能と電圧変換機能とを兼ね備えた変圧器において、
磁心と、
前記磁心に巻き付けられた第１の巻線と、
前記第１の巻線と電気的に分離された状態で、前記第１の巻線の外周に巻き付けられているとともに、前記第１の巻線に対する巻線比として、所定電圧への電圧変換を行うのに必要な巻線比を有する第２の巻線と、
前記第２の巻線と電気的に分離された状態で、前記第２の巻線の外周に巻き付けられているとともに、グランドにアースされた第２の複合層とを有し、
前記第２の複合層は、磁性体よりなる磁性層および誘電体よりなる誘電層の少なくとも一方と、導電体よりなる導電層とを有することを特徴とする変圧器。
前記磁性層および前記誘電層に関する巻回数は、１ターン未満であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された変圧器。
前記第１の複合層および前記第２の複合層を構成する層のそれぞれがグランドにアースされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された変圧器。