JP2010165857A - トランス、スイッチング電源装置及びｄｃ−ｄｃコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コア割れの懸念を小さくしつつ、外側磁脚の固有振動に起因したトランスの唸り音を軽減する。
【解決手段】トランスは、第１コア、第２コア、第１接着部、第２接着部、ボビン及び弾性部材を備える。第１コアおよび第２コアは、中央磁脚と、中央磁脚よりも外側に位置する外側磁脚とを有する。第１接着部は、第１コアの中央磁脚と第２コアの中央磁脚とを接着する。第２接着部は、第１コアの外側磁脚と第２コアの外側磁脚とを接着する。ボビンは、第１コアの中央磁脚と第２コアの中央磁脚とに通され、一次巻線及び二次巻線を巻回される。とりわけ、弾性部材は、第２接着部の付近における第１コアの外側磁脚と第２コアの外側磁脚とをトランスの内部に向かう方向へ押圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にトランスに係り、とりわけ、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置に用いられるトランスに関する。

トランスは、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置に用いられる主要な電子部品である。トランスは、変圧器や変成器とも呼ばれ、一次巻線により磁場を発生させ、一次巻線と相互インダクタンスにより結合された二次巻線へと磁場を伝えることで、二次巻線に電流を生じさせる。これにより、入力電圧が昇圧したり降圧したりする。

図６は、一般的なＥＥ型のトランス１００を示した斜視図である。水平断面がＥ字型をした第１のフェライトコア１０１と、第２のフェライトコア１０２とは、それぞれ中央に中央磁脚を有している。コイルボビン１０３は、一次巻線および二次巻線が巻回されている。コイルボビン１０３の軸は空洞となっており、この空洞に中央磁脚が挿通される。第１のフェライトコア１０１と、第２のフェライトコア１０２との水平方向の外周にはテープ１０７が巻かれる。水平方向は、図１に示されたＸ軸とＹ軸とを含む水平面と平行な方向である。

図７は、一般的なＥＥ型のトランスの水平方向における断面図である。第１のフェライトコア１０１の中央磁脚と、第２のフェライトコア１０２の中央磁脚との間にはギャップ１１５が設けられている。コイルボビン１０３には、一次巻線１０４と二次巻線１０５とが層間紙１０６を挟むようにして巻回されている。

トランス１００の一般的な組み立て手順を説明する。まず、コイルボビン１０３に一次巻線１０４、１枚目の層間紙１０６、二次巻線１０５及び２枚目の層間紙１０６が順番に巻かれる。次に、端子処理が行われる。第１のフェライトコア１０１にコイルボビン１０３を通し、第２のフェライトコア１０２にも反対側からコイルボビン１０３を通す。最後に、第１のフェライトコア１０１と第２のフェライトコア１０２とを固定するために、これらのコアの水平方向における外周にテープ１０７が巻かれる。その後、ワニス含浸が実行される。ワニスとしては不飽和ポリエステル樹脂、変性ポリエステル樹脂またはアルキド樹脂等が用いられる。このようなワニスを入れた槽に規定時間にわたり端子を上にしてトランス１００をディップ（浸漬）する。ワニスを固化するため、トランス１００は数時間にわたり高温度に維持される。このようなワニス含浸処理を行うことで、コアとコア、コアとコイルボビン、巻線及び層間紙にワニスが染み込み、ワニスが固化してこれらが一体となる。このようにして作成されたトランス１００はヒートサイクルを繰り返してもコアが割れ難い。コアの全体にワニスが取り巻かれているため、トランス１００の唸りが低減される。

なお、対向する中央磁脚同士、外側磁脚同士を接着剤により接着することで、トランス１００の唸りが軽減される。とりわけ、特許文献１によれば、コアの突合せ面を接着することが提案されている。特許文献２によれば、コアの突合せ面を接着した上でワニスに含浸することが提案されている。特許文献３によれば、コアの突合せ面にスペーサを挟むとともに、ボビンの上面とこれに対抗する上部コアの内面と、ボビンの下面とこれに対抗する下部コアの内面との間にそれぞれ弾性シートを挟むことが提案されている。
特開平１０−２７０２６１号公報 特開２００５−０５７０１６号公報 特開２００１−１３５５２９号公報

しかし、含浸を行ったトランスでは、トランスごとに発生する唸り音の大きさにばらつきが生じる。図８は、唸り音の静かなトランスにおける唸り音の音響スペクトルを示した図である。図９は、唸り音の大きなトランスにおける唸り音の音響スペクトルを示した図である。横軸は周波数を示し、縦軸は唸り音の大きさを示している。中央磁脚まで含浸剤が到達していれば、対向する中央磁脚同士が強く接着される。このようなトランスでは、唸り音は小さくなる。一方、中央磁脚まで含浸剤が到達していないトランスでは唸り音が大きくなる。

図１０は、外側磁脚同士が接着されていないトランスに発生する唸り音の発生メカニズムを説明するための図である。第１のフェライトコア１０１が備える第１の外側磁脚１１６ａと、第２のフェライトコア１０２が備える第１の外側磁脚１１６ｂとが擦り合うため、大きな唸り音が発生する。同様に、第１のフェライトコア１０１が備える第２の外側磁脚１１７ａと、第２のフェライトコア１０２が備える第１の外側磁脚１１７ｂとが擦り合うため、大きな唸り音が発生する。なお、第１のフェライトコア１０１が備える中央磁脚１１８ａと、第２のフェライトコア１０２が備える中央磁脚１１８ｂとの間にはギャップがあるため、擦り合いは発生しない。

よって、対向する第１の外側磁脚１１６ａと第１の外側磁脚１１６ｂとを接着するとともに、対向する第２の外側磁脚１１７ａと第２の外側磁脚１１７ｂとを接着すれば、擦りを抑制できるため、唸り音が軽減される。図１１、図１２は、外側磁脚の固有振動を示した図である。対向する２つの外側磁脚を接着すれば唸り音が軽減され、外側磁脚の固有振動１１９が残るようになる。

以上述べたように唸り音を抑えるためには以下の特徴が必要となる。
特徴（１）・・・対向する中央磁脚同士を接着して振動の発生を抑える。
特徴（２）・・・外側磁脚同士を接着等により一体化して磁脚同士の擦り合いによる音の発生を抑える。
特徴（３）・・・外側磁脚の固有振動を抑える。
また、以下のようなトランスの品質を達成する必要もある。
特徴（４）・・・フェライトコアとコイルボビンとの熱膨張係数の差によるコア割れの懸念が小さい。

しかし、特許文献１に記載の接着技術では、特徴（３）及び（４）に関して課題が残る。特許文献２に記載の接着及び含浸技術では、特徴（３）に関して課題が残る。さらに、特許文献３に記載の弾性シートでは、コア同士の振動を抑制することはできないため、特徴（１）、（２）、（３）に関して課題が残る。

ところで、昨今の各種電気機器では、消費電力の低い省エネルギー型の機器が望まれている。例えば、電源装置内のＩＣ等も省エネルギーに対応するため、軽負荷運転時に電装置源のスイッチング回数を減らして効率向上を図る機器が増えてきた。この結果、電源装置が備えるトランスの駆動周波数が可聴周波数域となる場合がある。また、電子機器が軽負荷運転しているときは動作音が静かになる。そのため、かえってトランスの唸り音がより顕著に聞こえるようになる。このような理由から、外側磁脚の固有振動に起因したトランスの唸り音を低減することが必須となりつつある。

そこで、本発明は、このような課題および他の課題のうち、少なくとも１つを解決することを目的とする。本発明は、例えば、コア割れの懸念を小さくしつつ、外側磁脚の固有振動に起因したトランスの唸り音を軽減することを目的とする。なお、他の課題については明細書の全体を通して理解できよう。

本発明のトランスは、例えば、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置に採用できる。トランスは、第１コア、第２コア、第１接着部、第２接着部、ボビン及び弾性部材を備える。第１コアおよび第２コアは、中央磁脚と、中央磁脚よりも外側に位置する外側磁脚とを有する。第１接着部は、第１コアの中央磁脚と第２コアの中央磁脚とを接着する。第２接着部は、第１コアの外側磁脚と第２コアの外側磁脚とを接着する。ボビンは、第１コアの中央磁脚と第２コアの中央磁脚とに通され、一次巻線及び二次巻線を巻回される。とりわけ、弾性部材は、第２接着部の付近における第１コアの外側磁脚と第２コアの外側磁脚とをトランスの内部に向かう方向へ押圧する。

本発明によれば、コア割れの懸念を小さくしつつ、外側磁脚の固有振動に起因したトランスの唸り音を軽減することができる。また、本発明のトランスをスイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置に採用することで、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置を低周波で運転することが可能となり、電源効率が改善する。

以下に本発明の一実施形態を示す。以下で説明される個別の実施形態は、本発明の上位概念、中位概念および下位概念など種々の概念を理解するために役立つであろう。また、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。

［実施例１］
図１は、実施例１に係るＥＥ型のトランス１３０を示した斜視図である。トランス１３０は、例えば、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置などで利用される。水平断面がＥ字型をした第１のフェライトコア１０１は、第１の外側磁脚１１６ａ、第２の外側磁脚１１７ａ、中央磁脚１１８ａを有している。同様に、第２のフェライトコア１０２は、第１の外側磁脚１１６ｂ、第２の外側磁脚１１７ｂ、中央磁脚１１８ｂを有している。第１のフェライトコア１０１は第１コアの一例であり、第２のフェライトコア１０２は第２コアの一例である。

コイルボビン１０３は、一次巻線および二次巻線が巻回されている。コイルボビン１０３の軸は空洞となっており、この空洞に中央磁脚１１８ａ、１１８ｂが挿通される。水平方向は、図１に示されたＸ軸とＹ軸とを含む水平面と平行な方向である。なお、コイルボビン１０３の形状は、図１で示されるように空洞を設けた円柱形状である。なお、コイルボビン１０３としては円柱形状に限らず角柱形状のものにも適用可能である。

とりわけ、実施例１では、中央磁脚１１８ａの突合せ面と中央磁脚１１８ｂの突合せ面とが接着剤１０８により接着されている。すなわち、接着剤１０８により、第１接着部が形成されている。接着剤１０８としては、一液や二液式のエポキシ系接着剤のような接着後の硬度がショアＤ硬度で７０程度と高いものが良い。ショアＤ硬度で４０程度と硬度が低いものでは唸り音に対しての効果が少ない。

第１のフェライトコア１０１が備える第１の外側磁脚１１６ａと第２のフェライトコア１０２が備える第１の外側磁脚１１６ｂとが接着剤１０９によって接着されている。同様に、第２の外側磁脚１１７ａと第２の外側磁脚１１７ｂとも接着剤１０９によって接着されている。すなわち、接着剤１０９により、第２接着部が形成されている。なお、外側磁脚の突合せ面同士を接着するための接着剤１０９としては、硬化前の粘度が低いものが良い。硬化前の粘度が高い接着剤であると外側磁脚間のギャップが、例えば、１０μｍ以上になり、リーケージインダクタンス（漏れインダクタンス）が増加してしまう。さらに、ギャップが１０μｍ以上であると、トランスのインダクタンス値（Ｌ値）が低下してしまう。従って、本実施例では、硬化前の粘度が低く、かつ硬化後の高度硬度が高い接着剤を用いた。なお、選択するトランスの構成や仕様によっては、接着剤として硬化前の粘度が高いものを用いることも可能である。

熱収縮チューブ１１０は、第２接着部の付近における第１コアの外側磁脚と第２コアの外側磁脚とをトランスの内部に向かう方向へ押圧する弾性部材の一例である。この熱収縮チューブ１１０としては難燃性のものを使用するのが良い。熱収縮チューブ１１０としては、例えば、電子線架橋ポリオレフィンやシリコンゴムを素材とした熱収縮チューブを採用できる。

図１が示すように、熱収縮チューブ１１０の巻架位置は、第１のフェライトコア１０１と第２のフェライトコア１０２との突合せ面を覆うような位置である。また、熱収縮チューブ１１０は、中央磁脚の軸方向に対して直交する方向に巻架されている。

熱収縮チューブ１１０は、環状の弾性部材であり、熱を加えることで内周（内径）が収縮する。熱収縮前における熱収縮チューブ１１０の内周（内径）は中央磁脚と直交する方向におけるトランスの外径（外径）よりも大きく、熱収縮後の内周（内径）は中央磁脚と直交する方向におけるトランスの外径（外径）よりも小さくなければならない。これは、熱収縮チューブ１１０の引っ張り応力によって、外側磁脚の突合せ面に界面圧力を残存させるためである。

＜トランスの唸り音の発生メカニズム＞
トランス１３０の巻線に電流を流してトランス１３０を励磁すると、巻線により磁界が発生する。この磁界により各コアには対向するコアを吸い付ける方向の電磁力が発生する。電磁力により各コアは微小ながら弾性変形する。さらに磁界によるコア材料の磁歪によっても弾性変形する。電磁力及び磁歪力は磁束密度が高いところで大きく発生する。そのため、コアの中でも中央磁脚がもっとも大きな力を受ける。そしてコアの変位量は中央磁脚がもっとも大きくなる。磁界が発生しなくなると復元力が働き、コアはもとの形に戻ろうとする。

このように発生した振動がコア自身を弾性変形させながら外側磁脚に伝達される。外足磁脚が接着されていないと外側磁脚同士が擦れ合うことにより、音が発生する。外側磁脚を接着すると外側磁脚は固有振動数を有するようになる。この固有振動数は外側磁脚の接着状態によって異なってくると同時に、固有振動数での振動は外側磁脚同士の接着だけでは抑制できない。

そこで、本実施例では、熱収縮チューブ１１０をトランス１３０に被せることにより外側磁脚の固有振動を抑えている。熱収縮チューブ１１０がもたらす引っ張り応力が、外側磁脚の突合せ面に界面圧力を残存させる。図２は、実施例１に係るトランス１３０で発生する唸り音の周波数スペクトルを示した図である。図２が示すように、実施例１によれば、唸り音を６ｄＢｍ程度へと低減することが可能となる。

さらに、熱収縮チューブ１１０を用いれば、コイルボビン１０３、第１のフェライトコア１０１及び第２のフェライトコア１０２を弾性材で固定したことになる。そのため、仮に中央磁脚での接着剤１０８があふれてコイルボビン１０３に付着したとしてもコアとコイルボビンを強固に接着した箇所は１箇所だけとなる。よって、コアが割れる懸念が極めて小さくなる。従って、中央磁脚の接着剤１０８の量も厳密に規定する必要がなくなり、作業性も向上する。

図３は、実施例１に係るＥＥ型のトランスの水平方向における断面図である。第１のフェライトコア１０１の中央磁脚１１８ａと、第２のフェライトコア１０２の中央磁脚１１８ｂとの間にはギャップ１１５が設けられている。上述したようにギャップ１１５には接着剤１０８が充填される。コイルボビン１０３には、一次巻線１０４と二次巻線１０５とが層間紙１０６を挟むようにして巻回されている。

図３によれば、コイルボビン１０３、一次巻線１０４及び二次巻線１０５により形成されたコイルと、外側磁脚との間に弾性材３０１が嵌挿されている。すなわち、外側磁脚の接着部とコイルとの間に弾性材３０１が挟まれている。熱収縮チューブ１１０がトランス１３０の外側方向への外側磁脚の固有振動を抑制し、弾性材３０１がトランス１３０の内側方向への外側磁脚の固有振動を抑制する。熱収縮チューブ１１０と弾性材３０１とによって、さらに唸り音を軽減する効果が高くなる。

実施例１によれば、第２接着部の付近における第１のフェライトコア１０１の外側磁脚と第２のフェライトコア１０２の外側磁脚とをトランス１３０の内部に向かう方向へ押圧する熱収縮チューブ１１０を採用する。これにより、外側磁脚の固有振動が抑制され、唸り音が軽減される。

スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータは、軽負荷で運転されているときにスイッチング回数を低減する。外側磁脚の固有振動に起因したトランスの唸り音は、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータが軽負荷で運転しているときに顕著となりやすい。しかし、本実施例のトランス１３０をスイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置に採用することで唸り音が軽減されるため、スイッチング電源装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置を低周波で運転することが可能となる。低周波運転により、電源効率が改善する。

なお、本例では、伸縮性のチューブを適用したが、例えば、伸縮性のテープなどを使用しても同様の効果を得ることができる。

［実施例２］
第１のフェライトコア１０１の外側磁脚と第２のフェライトコア１０２の外側磁脚とを押圧する弾性部材として、実施例１では熱収縮チューブ１１０を用いた。実施例２では、弾性部材として、伸縮性チューブを用いる。熱収縮チューブ１１０は加熱することで収縮するが、伸縮性チューブでは加熱工程が不要となる。そのため、製造工程のが簡素化される。

図４は、実施例２に係るＥＥ型のトランス４００を示した斜視図である。熱収縮チューブ１１０に代えて、伸縮性チューブ４１０が採用されている。伸縮性チューブ４１０としては、シリコンゴムなど、耐高温度、耐ヒートサイクル、引き裂き、難燃性に関して優れた素材からなるチューブが採用されるべきであろう。

実施例２によれば、実施例１と同様の効果に加え、製造工程の簡素化といった効果も奏される。なお、実施例１と同様に、コイルボビン１０３、一次巻線１０４及び二次巻線１０５により形成されたコイルと、外側磁脚との間に弾性材３０１が嵌挿されてもよい。伸縮性チューブ４１０と弾性材３０１とによって、さらに唸り音が軽減されよう。

［実施例３］
第１のフェライトコア１０１の外側磁脚と第２のフェライトコア１０２の外側磁脚とを押圧する弾性部材として、実施例１では熱収縮チューブ１１０を、実施例２では伸縮性チューブ４１０を採用した。実施例３では、バネ性部材を採用する。

図５は、実施例３に係るＥＥ型のトランス５００を示した斜視図である。本実施例では、熱収縮チューブ１１０や伸縮性チューブ４１０に代えて、バネ性部材５１０が採用されている。バネ性部材５１０も、第１のフェライトコア１０１の外側磁脚と第２のフェライトコア１０２の外側磁脚とを、外側磁脚から中央磁脚へと向かう方向へ押圧する。よって、外側磁脚の突合せ面に界面圧力が作用する。

実施例３によれば、実施例１と同様の効果が奏される。なお、実施例１や２と同様に、コイルボビン１０３、一次巻線１０４及び二次巻線１０５により形成されたコイルと、外側磁脚との間に弾性材３０１が嵌挿されてもよい。バネ性部材５１０と弾性材３０１とによって、さらに唸り音が軽減されよう。

なお、上述の実施例１乃至３では、横置き型のトランスを一例として説明したが、縦置き型のトランスにおいても適用可能である。

実施例１に係るＥＥ型のトランス１３０を示した斜視図である。 実施例１に係るトランス１３０で発生する唸り音の周波数スペクトルを示した図である。 実施例１に係るＥＥ型のトランスの水平方向における断面図である。 実施例２に係るＥＥ型のトランス４００を示した斜視図である。 実施例３に係るＥＥ型のトランス５００を示した斜視図である。 一般的なＥＥ型のトランス１００を示した斜視図である。 一般的なＥＥ型のトランスの水平方向における断面図である。 唸り音の静かなトランスにおける唸り音の音響スペクトルを示した図である。 唸り音の大きなトランスにおける唸り音の音響スペクトルを示した図である。 外側磁脚同士が接着されていないトランスに発生する唸り音の発生メカニズムを説明するための図である。 外側磁脚の固有振動を示した図である。 外側磁脚の固有振動を示した図である。

１０１‥‥第１のフェライトコア
１０２‥‥第２のフェライトコア
１０３‥‥コイルボビン
１０４‥‥一次巻線
１０５‥‥二次巻線
１０６‥‥層間紙
１１０‥‥熱収縮チューブ
１０８‥‥中央磁脚を接着する接着剤
１０９‥‥外側磁脚を接着する接着剤

Claims (7)

1. トランスであって、
   中央磁脚と、該中央磁脚よりも外側に位置する外側磁脚とをそれぞれ有する第１コアおよび第２コアと、
   前記第１コアの中央磁脚と前記第２コアの中央磁脚とを接着する第１接着部と、
   前記第１コアの外側磁脚と前記第２コアの外側磁脚とを接着する第２接着部と、
   前記第１コアの中央磁脚と前記第２コアの中央磁脚とに通され、一次巻線及び二次巻線を巻回されたボビンと、
   前記第２接着部の付近における前記第１コアの外側磁脚と前記第２コアの外側磁脚とを前記トランスの内部に向かう方向へ押圧する弾性部材と
   を備えることを特徴とするトランス。
2. 前記弾性部材は、
   熱収縮前の内径が、前記中央磁脚と直交する方向における前記トランスの外径よりも大きく、
   熱収縮後の内径が、前記トランスの外径よりも小さい熱収縮チューブである
   ことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. 前記弾性部材は、伸縮性チューブであることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
4. 前記弾性部材は、バネ性部材であることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
5. 前記ボビン、前記一次巻線及び前記二次巻線により形成されたコイルと、前記外側磁脚との間に弾性材が嵌挿されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のトランス。
6. スイッチング電源装置であって、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のトランスを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
7. ＤＣ−ＤＣコンバータ装置であって、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のトランスを備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。

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