JP2010093014A - 薄型コイルとこれを用いた電源 - Google Patents

Abstract

【課題】従来トランスの冷却構造では巻線部分の厚み等の影響を受けてしまうという課題があり、この従来トランスを回路基板に実施した後では、回路基板の裏表間の冷却効果が得られにくかった。
【解決手段】少なくともボビン１２に巻いた巻線１７と、ボビン１２に固定したＵコア１５と、この間に設けた通風孔１４と、を有する薄型コイル１１であって、この通風孔１４は、前記磁脚２４の先端部に設けている薄型コイル１１とすることで、薄型コイル１１の通風による冷却性を向上させると共に、この薄型コイル１１を回路基板２０に実装して電源２３とした後にも、回路基板２０の裏表間での空冷効果を高められる。
【選択図】図１

Description

本願は、薄型ディスプレイ（例えば、液晶テレビやプラズマテレビ、ＥＬテレビ等の壁かけ用のもの）等やＩＨ調理器を始めとする各種電気製品の電源回路等に使う薄型コイルとこれを用いた電源に関するものである。

薄型ＴＶは、更なる薄型化や、低消費電力化が求められている。そのため、これら電気製品に使われる電源（電源モジュールや電源ユニット等も含む）において、その薄型化、低消費電力化が、急務となっている。そのため電源に用いるトランスやチョークコイル（本発明の薄型コイルにはトランスやチョークコイルも含む）においては、低背化（あるいは薄型化）、高放熱化（高放熱化することによって、コイル部の電気抵抗が低下し、機器の低消費電力化が実現できる）が求められる。こうした課題に対して、コイル部品の効率的な冷却が求められている。

図９は、従来の巻線コイルに使われる通風孔付きボビンの一例を示す斜視図である。図９において、１、２及び１’、２’は巻線ボビンのフランジ、３、３’は巻線ボビンの捲枠、ａは３の下側に開口する窓、Ａは（イ）の中に（ロ）を嵌入する方向、ａとａ’は開口と切欠の重複窓、ｂとｂ’は下部の重複窓、ｃとｃ’は重複窓、ｄとｄ’は上部の重複窓である。そして図９の（イ）、（ロ）の部品を組み合わせることで、ａ−ａ’、ｃ−ｃ’からなる一種の通風孔を形成する。

そして、このような通風孔付きのボビンを用いることで、ボビンに巻いた巻線（図示していない）を冷却するものである（特許文献１参照）。
実開昭６２−９１７１８号公報

しかしながら、図９で提案された従来のコイル部品では、巻線部分からの放熱は可能であっても、コア部分からの放熱に限界があった。またコイル部品自体の薄型化実装に対応することが難しかった。また実装後の空冷についても限界があった。

本発明は、薄型コイルを回路基板等に実装した状態においても、特にコアと巻線との両方を効果的に冷却しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも、ボビンに巻いた巻線と、ボビンに固定した磁脚を有するＵコアと、前記ボビンと前記Ｕコアとの間に設けた通風孔と、を有する薄型コイルであって、前記通風孔は、前記磁脚の先端部に設けている薄型コイルの少なくとも、ボビンに巻いた巻線と、ボビンに固定したＵコアと、前記ボビンと前記Ｕコアとの間に設けた通風孔と、を有する薄型コイルとしたものである。

以上のように、本発明によれば、ボビンに巻いた巻線と、コアとの間であって、磁脚の先端部に通風孔を設けることで、ボビンとコアの両方を同時に冷却することができ、更にコアにＵ字コアを用いることで、コイル自体の薄型化を可能とする。

なお本発明の実施の形態に示された図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を用いて具体的に説明する。

図１は、実施の形態１における薄型コイルの斜視図である。図１において、１１は薄型コイル、１２はボビン、１３は補強部、１４は通風孔、１５はＵコア、１６は端子である。

端子１６は、例えばＬ字型に折り曲げた金属ピンであり、その一端には、薄型コイル１１に設けた巻線（図示していない）を固定し、残りの一端を、薄型コイル１１を所定の回路基板（図示していない）に接続する。

図１において、ボビン１２の上面等に形成した補強部１３は、薄型コイル１１を薄型化した場合でも樹脂製のボビン１２自体の構造の高強度化するために設けたものであるが、補強部１３によって通風孔１４の煙突効果を持たせることも効果的である。

図１における通風孔１４は、Ｕコア１５の四隅（図１において磁脚は図示していない）であって、Ｕコア１５とボビン１２との間に設けている。これは、薄型コイル１１を効率的に冷却するためである。

なお実施の形態１で、コアは一般的なＥ字型のコアではなくて、Ｕ字型のコアとしたのは、Ｕコア１５とすることで、トランスやチョークコイルの更なる低背化を実現するためである。

図２は、図１に示した薄型コイル１１の上面図である。図２において、１７は巻線である。巻線１７としては、コイル用の銅線（絶縁強化銅線、３層被覆線等も含む）を用いる。なお巻線１７の端部はボビン１２に固定した端子１６に半田等で接続している。

図２に示すように、通風孔１４を、Ｕコア１５とボビン１２（あるいは巻線１７）との間に設けることで、Ｕコア１５と巻線１７の両方を効率的に冷却する。なお通風孔１４は、薄型コイル１１を、上下方向に貫通する貫通孔とすることで、通風性を高めている。

なおＵコア１５を構成する磁脚（磁脚の詳細等については、後述する図８（Ａ）（Ｂ）で説明する）の側面（特にその先端部付近）を通風孔１４に、直接、露出させることで、Ｕコア１５の冷却効果を高める。

図３は、薄型コイル１１の斜視図の一例であり、特に通風孔１４付近を説明するものである。図３において、１８は矢印であり、例えば薄型コイル１１を貫通するように流れる空気の流れを示す。図３に示すように、通風孔１４は、薄型コイル１１を厚み方向に貫通しているが、これは通風孔１４を流れる空気が流れやすくするためである。また通風孔１４の上下に、通風孔１４の壁面を構成するように補強部１３を設けることで、煙突効果（特に薄型コイル１１を水平面に固定した時）や、通風孔１４の内壁の面積増加による放熱効果を高める。

図４は、通風孔１４の中の空気の流れを矢印１８で示す部分斜視図である。図４に示すように、巻線１７を設けたボビン１２と、Ｕコア１５（図示していない）との間を、矢印１８で空気を流すことで、巻線１７に発生した熱（例えば、ジュール熱）を放熱する。また補強部１３を設けることで、ボビン１２への巻線１７の巻き付け作業性や、Ｕコア１５との沿面距離を確保する効果が得られる。

なお、通風孔１４の一部を構成するボビン１２（あるいはボビン１２の一部を構成する補強部１３）の表面に、凹凸、突起、波形（例えば、トタン板のような連続的な凹凸や波形）を設けることで、通風孔１４の内壁面積を増加でき、放熱効果を高める。

次に、図５〜図６を用いて、通風孔１４に面するボビン１２等の高放熱化の一例について説明する。

図５は、ボビン１２の一部に開口部を設けた様子を説明する斜視図である。図５において、１９は開口部である。図５に示すように、ボビン１２に開口部１９を設けることで、巻線１７の一部を、通風孔１４側に直接、露出することができ、巻線１７の放熱効果を高める。図５における矢印１８は、通風孔１４を流れる空気の流れが、開口部１９を介して巻線１７の一部に直接接触する様子を示すものである。このとき、補強部１３を設ける目的は、機械的強度以外にも、ボビン１２への巻線１７の巻き付け作業性や、Ｕコア１５との沿面距離の確保等が上げられる。

図６は、補強部１３の構造を工夫することで、開口部１９を更に広げた様子を説明する斜視図である。図６のように、積極的に巻線１７を通風孔１４側に開口部１９を介して露出させることで、巻線１７の放熱効果を高められる。これは巻線１７の内側（あるいは巻芯側）程、熱がこもりやすくなるためである。このように熱がこもりやすくなる巻線１７を、図６に示すようにその巻芯側から積極的に放熱させることで、巻線１７の温度上昇を抑える。なお補強部１３を設けることで、ボビン１２への巻線１７の巻き付け作業性や、Ｕコア１５との沿面距離を確保することができる。

以上のようにして、少なくとも、ボビン１２に巻いた巻線１７と、ボビン１２に固定したＵコア１５と、前記ボビン１２と前記Ｕコア１５との間に設けた通風孔１４と、を有する薄型コイル１１であって、前記通風孔１４は、前記Ｕコア１５の磁脚の先端部に設けた薄型コイル１１とすることで、その冷却効率を高める。

なおＵコア１５のみならず、巻線１７の一部をも、ボビン１２に設けた開口部１９を介して、積極的に通風孔１４に露出させることでその冷却効率を高める。

次に、実施の形態２として、実施の形態１で説明した薄型コイル１１を用いた電源について説明する。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１で説明した薄型コイル１１を、回路基板に実装し、電源とした場合に、電源（なお実施の形態２において、電源とは、電源モジュール、電源回路、電源ブロック等と呼ばれるもの、あるいはこれらの一部もしくは全部である）の放熱効果を高める様子を説明する。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、共に薄型コイル１１を用いた電源の製造方法の一例を説明する断面図、図７（Ｃ）は、薄型コイル１１を用いた電源の放熱メカニズムを説明する断面図である。

図７（Ａ）〜（Ｃ）において、２０は回路基板、２１は実装孔、２２は嵌め込み孔、２３は電源である。回路基板２０における実装孔２１は、薄型コイル１１に設けた端子１６を挿入、実装するためのものである。

図７（Ａ）の矢印１８ａに示すように、回路基板２０に設けた嵌め込み孔２２に、薄型コイル１１の一部（例えば、Ｕコア１５等）を挿入する。この結果、図７（Ｂ）に示すように、電源２３の低背化が可能になる。

図７（Ｃ）の矢印１８ｂは、電源２３に設けた通風孔１４を介しての上下面で空気が流れる様子を示す。矢印１８ｂに示すように空気を流すことで、発熱源となるＵコア１５や巻線１７からの放熱効果を高める。

次に図８（Ａ）（Ｂ）を用いて、薄型コイル１１の断面における放熱メカニズムについて説明する。

図８（Ａ）は、薄型コイル１１の断面図、（Ｂ）は通風による放熱効果を説明する断面図である。

図８（Ａ）（Ｂ）において、２４は磁脚であり、Ｕコア１５の両端に一対で形成した脚部分になる。なおＵコア１５に設けた二つの磁脚２４の周りに、ボビン１２やボビン１２に巻きつけた巻線１７を設けることになる。なお図８（Ａ）（Ｂ）は、説明用の模式図であり、ボビン１２や端子１６等は図示していない。また巻線１７は模式的で簡単なものしか図示していない。

図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、通風孔１４は、細長い磁脚２４の先端部であって、薄型コイル１１の外側に面した部分に設ける。これは通風孔１４の形成位置を、磁脚２４の先端部であって、薄型コイル１１のコアギャップ部分から離れている所としているが、これはコアギャップから漏れる磁束が、巻線１７と交差しにくくするためである。このようにして渦電流損による巻線１７の発熱を抑えることは有用である。なお通風孔１４は複数個（特に、一つの磁脚に２個）とすることで、通風量を増加でき、通風時に際して発生する音（例えば、風切り音）等の低減効果も得られる。

図８（Ｂ）における矢印１８は、薄型コイル１１の内部における空気の流れを示すものである。図８（Ｂ）の矢印１８に示すように、通風孔１４を元に空気が磁脚２４や巻線１７、ボビン１２（図示していない）が循環しやすくなるため、薄型コイル１１をその内部から効率的に冷却できる。また薄型コイル１１を冷却することで、薄型コイル１１や電源２３の低電力化（例えば、温度上昇による銅線抵抗の増加等を防止できる）が可能となることは、言うまでもない。

次に、従来のトランスと、実施の形態１の薄型トランス１１との比較実験を行った結果を（表１）に示す。

（表１）より、従来トランス（厚み２７ｍｍ、Ｅコア使用）の場合、電源２３の厚みは約３０ｍｍとなり、Ｅコアの厚みが律速になるため、低背化が難しい。このように従来トランスでは、図８（Ａ）（Ｂ）で説明した冷却手段を用いているにも関わらず、図８（Ａ）（Ｂ）で説明した冷却構造では、巻線の仕様次第で空冷効果が得られない場合があった。

一方、薄型トランス１１（厚み１０ｍｍ、Ｕコア１５使用）の場合、電源２３の厚みは約１１ｍｍとなり、Ｕコア１５を使い、その一部を回路基板２０に挿入したこともあり、低背化できた。また薄型コイル１１では、巻線１７の仕様に関係なく、空冷効果が得られた。このように薄型トランス１１の場合、巻線１７の仕様の変化では、その冷却効果は変らない。

なお従来トランスも、薄型トランス１１を用いた電源２３も、共に規格値を満足することができたが、特に薄型トランス１１の場合、通風条件次第で更なる冷却効果が得られたが、これは薄型トランス１１において、Ｕコア１５を用い、更に通風孔１４等を介した配線基板２０の裏表の空気循環が可能になったためと思われる。

なおＵコア１５の厚みや形状等を工夫することで、薄型トランス１１の厚みを更に薄くすることができることは言うまでもない。また薄型トランス１１の厚みを今後、数ｍｍと極めて薄くした場合であっても、Ｕコア１５の磁脚２４の側面を、通風孔１４の側面とする（あるいは通風孔１４に直接、露出させる）ことで、その放熱効果を高められる。

以上のように、従来のトランスに比べ、薄型トランス１１では体積比で３０％低減したにも関わらず、トランスでの温度上昇を改善できたのは、本発明の通風孔１４による冷却効果と言える。

なおトランス等における規格値は、例えばＪＥＭ１３３３（ＪＥＭは日本電機工業会規格を示す）、ＪＥＣ２２００（ＪＥＣは日本規格調査会標準規格を示す）、ＪＷＤＳ００１３（ＪＷＤＳは日本配線器具工業会を示す）等を参考にすることができる。また薄型コイル１１をトランスとした場合、絶縁の種類（例えばＡ、Ｅ，Ｂ、Ｆ、Ｈの絶縁種別）や温度上昇限界等は、用途に応じて対応すれば良い。

このようにして、少なくとも、ボビン１２に巻いた巻線１７と、ボビン１２に固定したＵコア１５と、前記ボビン１２と前記Ｕコア１５との間に設けた通風孔１４と、を有する薄型コイル１１と、この薄型コイル１１の一部を挿入する嵌め込み孔２２を有する回路基板２０と、を有する電源２３であって、前記通風孔１４は、前記磁脚２４の先端部に設けている電源２３とすることで、薄型コイル１１のみならず、電源２３や回路基板２０の裏表間での空冷効果も得られる。

以上のように本発明の薄型コイルとこれを用いた電源によって、薄型ＴＶや電磁調理器等の各種電気製品の薄型化が可能となる。

実施の形態１における薄型コイルの斜視図 図１に示した薄型コイルの上面図 薄型コイルの斜視図 貫通孔の中の空気の流れを矢印で示す部分斜視図 ボビンの一部に開口部を設けた様子を説明する斜視図 補強部の構造を工夫することで、開口部を更に広げた様子を説明する斜視図 （Ａ）、（Ｂ）は、共に薄型コイルを用いた電源モジュールの製造方法の一例を説明する断面図、（Ｃ）は、薄型コイルを用いた電源モジュールの放熱メカニズムを説明する断面図 （Ａ）は、薄型コイル１１の断面図、（Ｂ）は通風による放熱効果を説明する断面図 従来の巻線コイルに使われる通風孔付きボビンの一例を示す斜視図

符号の説明

１１ 薄型コイル
１２ ボビン
１３ 補強部
１４ 通風孔
１５ Ｕコア
１６ 端子
１７ 巻線
１８、１８ａ、１８ｂ 矢印
１９ 開口部
２０ 回路基板
２１ 実装孔
２２ 嵌め込み孔
２３ 電源
２４ 磁脚

Claims (3)

1. 少なくとも、ボビンに巻いた巻線と、ボビンに固定した磁脚を有するＵコアと、前記ボビンと前記Ｕコアとの間に設けた通風孔と、を有する薄型コイルであって、
   前記通風孔は、前記磁脚の先端部に設けている薄型コイル。
2. 巻線の一部を、ボビンに設けた開口部を介して通風孔に露出させた請求項１記載の薄型コイル。
3. 少なくとも、
   ボビンに巻いた巻線と、ボビンに固定した磁脚を有するＵコアと、前記ボビンと前記Ｕコアとの間に設けた通風孔と、を有する薄型コイルと、
   この薄型コイルの一部を挿入する孔を有する回路基板と、
   を有する電源であって、
   前記通風孔は、前記磁脚の先端部に設けている電源。

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