JP2011077255A - 電源用薄形トランス - Google Patents

Abstract

【課題】リーケージ・インダクタンスと縦方向電流をともに減らすという相反する現象を共に満足し、かつ、高さを可能な限り低くして、組み立て作業も簡単な電源用薄形トランスを提供すること。
【解決手段】絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも１次コイルと２次コイルを具備し、これら２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの１次コイルと２次コイルと絶縁板の中心部にＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記２次コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回し、かつ、前記絶縁板の厚さを個別に調整してコイル間のインピーダンスを増やして１次コイルと２次コイルの間を流れる交流電流を減少せしめる。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力が５０Ｗ以下などの比較的低出力のスイッチング電源に使用する電源用薄形トランスに関するものである。

従来から何層かのスパイラル状のコイルを積層して構成した薄型のトランスが提案されている（特許文献１）。
この特許文献１に示された薄型トランスの構造を図１３（ａ）（ｂ）に基づき説明する。これらの図において、１次コイル１０は、端子等で接続せずに連続２層巻きにし、また、２次コイル１１も２層に分割している。この１次コイル１０の１層目と２層目の間に分割された一方の２次コイル１１を挟み、他方の２次コイル１１を１次コイル１０の下層にして４層をできるだけ薄い絶縁紙を介在して交互に積層し、ベース板１７の上に載せ、１次コイル１０の両端を１次コイル接続部１４に接続し、２次コイル１１の両端を２次コイル接続部１５に接続したものである。１６は、端子である。

特開２００２−９３６３４号公報

一般に、図１２に示すようなスイッチング回路４０と整流回路４１の間を結合するトランス４２においては、１次コイル１０と２次コイル１１との間にリーケージ・インダクタンスが発生し、これがスイッチング電源の電力損失を増やし、ノイズを大きくしている。
これを解決するため、特許文献１記載の発明では、端子等で接続せずに連続２層巻きにした１次コイル１０と、２層に分割した２次コイル１１との４層をできるだけ薄い絶縁紙を介在して交互に積層してリーケージ・インダクタンスを少なくし、かつ、トランスの高さを低くしている。

ところが、図１２に示す一般的なスイッチング電源回路では、１次コイル１０と２次コイル１１との間に生じた分布容量４３を介して入力側から出力側に、スイッチング周波数とその高調波の交流電流４４が流れ、このスイッチング電源回路の負荷側にノイズとしてあらわれる。この交流電流４４は、縦方向電流といい、極力小さくする必要がある。
この縦方向電流を小さくするためには、１次コイル１０と２次コイル１１との間の絶縁紙を厚くし、分布容量４３をできるだけ少なくしなければならない。この分布容量４３を少なくするということは、１次コイル１０と２次コイル１１の間隔を増やすことになり、前述のリーケージ・インダクタンスを大きくすることになるので、縦方向電流に対するノイズ源が増え、その低減にはならない。

このように、特許文献１に記載の発明では、リーケージ・インダクタンスを減らすことを目的にしているため、１次コイル１０を連続２層巻きにし、２次コイル１１を２層に分割し、これらを交互に積層し、かつ、絶縁紙を薄くしている。このことは、縦方向電流については、考慮されておらず、むしろ増加している。
また、１次コイル１０と２次コイル１１をそれぞれ２層ずつ４層にしているため、高さが高くなるばかりか組み立て作業も面倒になるという問題があった。

本発明は、リーケージ・インダクタンスと縦方向電流をともに減らすという相反する現象を共に満足し、かつ、高さを可能な限り低くして、組み立て作業も簡単な電源用薄形トランスを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１記載の電源用薄形トランスは、絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの２つのコイルと、絶縁板の中心部にフェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記少なくとも２つのコイルは、一方の内径より他方の内径を大きくなるように巻回したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の電源用薄形トランスは、絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも１次コイルと２次コイルを具備し、これら２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの１次コイルと２次コイルと絶縁板の中心部にＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記２次コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回したことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の電源用薄形トランスは、絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも１次コイルと２次コイルと補助コイルを具備し、これら３つのコイルを、間にそれぞれ絶縁板を介在して積層し、これらの１次コイルと２次コイルと補助コイルと絶縁板の中心部にＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記２次コイルと補助コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回したことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の電源用薄形トランスは、それぞれのコイルは、ヘリカル状に１層巻きとしたことを特徴とする。

本発明の請求項５記載の電源用薄形トランスは、それぞれのコイル間に介在した絶縁板の厚さを個別に調整して１次コイルと２次コイルの間を流れる交流電流を減少せしめたことを特徴とする。

本発明の請求項６記載の電源用薄形トランスは、１次コイルの内径より内径の大きな２次コイルの内径部分に絶縁リングを介在したことを特徴とする。

本発明の請求項７記載の電源用薄形トランスは、２次コイルの外径を１次コイルの外径以下としたことを特徴とする。

本発明の請求項８記載の電源用薄形トランスは、ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を円柱状としたことを特徴とする。

本発明の請求項１記載の電源用薄形トランスは、ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を角柱状としたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、電源用薄形トランスにおいて、少なくとも２つのコイルは、一方の内径より他方の内径を大きくなるように巻回したので、従来のトランスに比べて、実装高さの低い扁平なトランスが実現でき、これをスイッチング電源に適用すれば、薄型の電源モジュールが実現できる。また、コイルの製作が容易で、その電気的特性のバラツキがなく安定し、トランスの漏れ磁束を減らし、発生ノイズを低減させたものを安価に提供可能である。さらに、コイルを機械で、先に作成しておき、ボビンに組み付けるだけで、トランスができるので、製造が容易になり、コストが下がる。

請求項２記載の発明によれば、電源用薄形トランスにおいて、２次コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回したので、１次コイルと２次コイルを有するスイッチング電源回路に好適である。

請求項３記載の発明によれば、少なくとも１次コイルと２次コイルと補助コイルを具備し電源用薄形トランスに好適である。

請求項４記載の発明によれば、それぞれのコイルは、ヘリカル状に１層巻きとしたので、極めて薄型の電源用薄形トランスを容易に構成できる。

請求項５記載の発明によれば、それぞれのコイル間に介在した絶縁板の厚さを個別に調整してコイル間のインピーダンスを増やして１次コイルと２次コイルの間を流れる交流電流を減少せしめたので、ラジオ、テレビ受信機、電話機等の電源として、縦方向電流の規制されている電源に適用すれば、容易に規格を満足させられる。

請求項６記載の発明によれば、１次コイルの内径より内径の大きな２次コイルの内径部分に絶縁リングを介在したので、２次コイルの位置を正確に保持して特性の優れた電源用薄形トランスを提供できる。

請求項７記載の発明によれば、２次コイルの外径を１次コイルの外径以下としたので、１次コイルと２次コイルの外径を一致させることがなくなり、製造及び組み立てが容易になる。

請求項８記載の発明によれば、ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を円柱状としたので、コイルの巻回が容易になる。

請求項９記載の発明によれば、ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を角柱状としたので、磁束を有効に発生させることができる。

本発明による実施例１の電源用薄形トランスを示す縦断面図である。 本発明による実施例１の電源用薄形トランスを示す斜視図である。 電源用薄形トランスの電気回路図である。 本発明による実施例１の電源用薄形トランスを示す分解斜視図である。 本発明による電源用薄形トランスの原理の説明図である。 本発明による電源用薄形トランスを４端子回路網として表した電気回路図である。 本発明による電源用薄形トランスのリーケージ・インダクタンスの特性図である。 本発明による電源用薄形トランスの１次コイル２０と２次コイル２１の径の違いによるリーケージ・インダクタンスの特性の変化を示す説明図である。 １次コイル２０と２次コイル２１に補助コイル３４を付加した電源用薄形トランスの電気回路図である。 本発明による電源用薄形トランスの実施例２を示す縦断面図である。 ＥＩ形フェライトコア２２の脚柱部２３を角柱とした斜視図である。 一般的なスイッチング電源回路図である。 従来の薄型トランスを示すもので、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、断面図である。

本発明は、絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの２つのコイルと、絶縁板の中心部にフェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記少なくとも２つのコイルは、一方の内径より他方の内径を大きくなるように巻回する。
前記２つのコイルは、１次コイルと２次コイルとし、２次コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回し、フェライト・コアは、ＥＩ型を用いる。

ヘリカル状に巻いたコイルは、１次コイルと２次コイルの他に、補助コイルを具備し、２次コイルと補助コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回する。
それぞれのコイルは、ヘリカル状に１層巻きとして可能な限り薄形とする

それぞれのコイル間に介在した絶縁板の厚さを個別に調整してコイル間のインピーダンスを増やして１次コイルと２次コイルの間を流れる交流電流を減少せしめる。
１次コイルの内径より内径の大きな２次コイルの内径部分に絶縁リングを介在して積層する。

本発明による電源用薄形トランスの実施例１を図１ないし図４に基づき説明する。
電源用薄形トランスは、図３に示すように、１次コイル接続部（入力端子）２４に接続された１次コイル２０と２次コイル接続部（出力端子）２５に接続された２次コイル２１とがＥＩ形フェライトコア２２の脚柱部２３に巻回されて構成される。
図４に示すように、ＥＩ形フェライトコア２２は、ＥＩ形の上部フェライトコア２２ａと下部フェライトコア２２ｂとからなる。ここで、ＥＩ形とは、図示の例のように、中央から全く同一の２個のＥ形を組み合わせたものと、Ｅ形に棒状のＩ形を組み合わせたものの両方を指すものとする。

前記１次コイル２０は、絶縁被覆の電線を１重にヘリカル巻きしたもので、プラスチックからなる中心のボビン嵌合孔３２が後述のボビン２６に嵌合する内径ｄ１とし、外径ｄ２が収納部３１に嵌合する大きさとする。
前記２次コイル２１は、絶縁被覆の電線を１重にヘリカル巻きしたもので、中心の絶縁リング嵌合孔３３が前記ｄ１より大きな内径ｄ３とする。この内径ｄ３の設定方法は、後述する。

前記１次コイル２０と２次コイル２１の間には、絶縁板２８が介在される。この絶縁板２８は、ボビン嵌合孔３２の内径がｄ１で、外径がｄ２で、ボビン嵌合孔３２が外周まで１次コイル２０のリード線を通す切り溝２９が形成されており、かつ、所定の厚さを有する。この厚さは、縦方向電流を減少させるためのもので、詳細は、後述する。
前記２次コイル２１の絶縁リング嵌合孔３３には、絶縁リング３０が嵌め込まれる。この絶縁リング３０は、外径が前記絶縁リング嵌合孔３３の内径ｄ３で、内径がｄ１で、かつ、２次コイル２１と略同じ厚さを有する。

前記ボビン２６の周りには、収納部３１が形成され、この収納部３１の外側に２個のベース板２７が形成され、それぞれ１次コイル接続部（入力端子）２４と２次コイル接続部（出力端子）２５が設けられている。また、前記ボビン２６の中心には、前記脚柱部２３が嵌合する嵌合孔３７が上下貫通して形成されている。

以上のように構成された各部品は、下部フェライトコア２２ｂの脚柱部２３に、ボビン２６の嵌合孔３７を嵌合し、このボビン２６の周りの収納部３１に、１次コイル２０と、絶縁板２８と、絶縁リング３０を順次積層し、絶縁リング３０の外周に２次コイル２１を嵌合し、最後に上部フェライトコア２２ａを嵌合固着する。
１次コイル２０のリード線は、１次コイル接続部（入力端子）２４に接続され、２次コイル２１のリード線は、２次コイル接続部（出力端子）２５に接続される。図２は、組み立て後の電源用薄形トランスの斜視図であり、図１は、縦断面図である。

以上のように構成した電源用薄形トランスが１次コイル２０と２次コイル２１間の静電容量を少なくし、かつ、リーケージ・インダクタンスを小さくする理由を説明する。
図１及び図４に示すようにスパイラル状に巻かれた１次コイル２０と２次コイル２１を脚柱部２３の中心軸方向に絶縁板２８を介在して適当な距離ｄをとり、同心円となるように積層している。また１次コイル２０の最小内径ｄ１と２次コイル２１の最小内径ｄ３が異なるように作成されている。
１次コイル２０と２次コイル２１の間の静電容量Ｃは、一般に知られている次式（１）で示される。この（１）式のｄは、１次コイル２０と２次コイル２１の間隔であり、絶縁板２８の厚みになる。また、Ｓは、１次コイル２０と２次コイル２１の対向する面積である。式（１）より、この静電容量Ｃは、間隔ｄに反比例することがわかる。このｄを厚くするように調整することにより、課題の縦方向電流の低減ができる。なお、εは、絶縁板２８の誘電率である。

また、１次コイル２０と２次コイル２１の間のリーケージ・インダクタンスσは、よく知られている次式（２）、（３）、（４）、（５）、（６）を基本原理として式（７）のように算出できる。

これらの式において、M₁₂は、図５（ａ）における１次コイル２０と２次コイル２１の相互インダクタンス、μ₀は、透磁率、K(k)は、第１種楕円関数、E(k)は、第２種楕円関数、kは、パラメータ、Kは、結合係数、Lpは、１次コイル２０の自己インダクタンス、Lsは、２次コイル２１の自己インダクタンス、σは、１次コイル２０と２次コイル２１の間のリーケージ・インダクタンスをそれぞれ表している。

前記（２）式は、図５（ａ）のような２個の円環の１次コイル２０と２次コイル２１の間の相互インダクタンスを算出するものである。図５（ｂ）のように、半径ａ１，ａ２，…ａｎのｎターンの１次コイル２０と半径ｂの２次コイル２１の円環が中心軸３８に垂直で、距離ｄを隔てて配置されているものとする。このような２個のスパイラルコイルの場合の計算をするには、図５（ｂ）を、図５（ｃ）のように、直径の異なる円環２０ａ，２０ｂ，…２０ｎの総和として計算する。この例では、円環が３個の場合を示しているが、実際は、巻数の数だけ分解する必要がある。このようにして得られた相互インダクタンスＭは、１次コイル２０の自己インダクタンスをＬｐ、２次コイル２１の自己インダクタンスをＬｓとすると、これらの１次コイル２０と２次コイル２１からなるトランスの等価回路は、図６に示すようになり、このリーケージ・インダクタンス５２とリーケージ・インダクタンス５３がリーケージ・インダクタンスσとなり、これらのリーケージ・インダクタンス５２とリーケージ・インダクタンス５３は、等しい値である。このリーケージ・インダクタンスσは、式（７）で示されるが、式（６）のＫをパラメータとして、結局、図５（ａ）に示す１次コイル２０の半径ａ,２次コイル２１の半径ｂ、絶縁板２８の距離（厚さ）ｄの関数である。

リーケージ・インダクタンスσを実測した例を図７に示す。内径と外径を異ならせて実測に使用した１次コイル２０と２次コイル２１の例を図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。図７において、横軸は、左端を１次コイル２０の内径ｄ１とし、右端を１次コイル２０の外径ｄ２としたときの２次コイル２１の内径ｄ３の大きさを表し、縦軸はリーケージ・インダクタンスσの大きさを示す。ここで、１次コイル２０の外径ｄ２と２次コイル２１の外径ｄ４は、ｄ４≦ｄ３の関係に構成するものとする。
図８（ｄ）は、ｄ３≒ｄ１であるから図７の特性図における左端に近い特性を有し、図８（ｃ）は、ｄ３≒ｄ２であるから図７の右端に近い特性を有し、いずれもリーケージ・インダクタンスσが大きいことを示している。これに対し、図８（ａ）と（ｂ）は、ｄ３＞ｄ１であるから図７の中央に近い特性を有する。このことは、２個のスパイラルの１次コイル２０と２次コイル２１でトランスを作る場合、ｄ３＞ｄ１の関係にあるコイルを組み合わせると結合がよく、リーケージ・インダクタンスの小さいものができることがわかる。なお、２次コイル２１の内径ｄ３を１次コイル２０の内径ｄ１よりもどれだけ大きくするか、即ち、図８の（ａ）と（ｂ）のいずれを選択するかは、構成部品によって異なる図７の特性図に応じて決定する。
以上のように、本発明による電源用薄形トランスのリーケージ・インダクタンスの調整は、２次コイル２１の内径に嵌合する絶縁リング３０の直径の調整で行い、また、縦方向電流の調整は、絶縁板２８を厚くするような調整で行う。

図９及び図１０は、実施例２を示すもので、この例では、１次コイル２０と２次コイル２１の他に補助コイル３４を有する。この場合において、図１０に示すように、ボビン２６の下層に中央に絶縁リング３５を嵌合した補助コイル３４を組み込み、この補助コイル３４の上に絶縁板３６を介して１次コイル２０を組み込み、この１次コイル２０の上に絶縁板２８を介して中央に絶縁リング３０を嵌合した２次コイル２１を組み込む。そして、上下からＥＩ形フェライトコア上部フェライトコア２２ａとＥＩ形フェライトコア下部フェライトコア２２ｂからなるＥＩ形フェライトコア２２を組み込んで電源用薄形トランスを構成する。

このような構成における１次コイル２０に対する補助コイル３４の絶縁リング３５と絶縁板３６の距離（厚さ）は、前述の図７及び図８で説明したと同様にして決定する。また、１次コイル２０と２次コイル２１の関係は、前述のとおりである。
この実施例２において、コイルの積層順序を補助コイル３４と、１次コイル２０と、２次コイル２１としたが、これに限られるものではなく、どの順序であってもよい。

前記実施例では、ＥＩ形フェライトコア２２の脚柱部２３の形状を円柱形としたが、これに限られるものではなく、図１１に示すように角柱状とすることができる。その他楕円柱状、多角形柱状などであってもよい。

１０…１次コイル、１１…２次コイル、１２…ＥＩ形フェライトコア、１３…脚柱部、１４…１次コイル接続部、１５…２次コイル接続部、１６…端子、１７…ベース板、２０…１次コイル、２１…２次コイル、２２…ＥＩ形フェライトコア、２３…脚柱部、２４…１次コイル接続部（入力端子）、２５…２次コイル接続部（出力端子）、２６…ボビン、２７…ベース板、２８…絶縁板、２９…切り溝、３０…絶縁リング、３１…収納部、３２…ボビン嵌合孔、３３…絶縁リング嵌合孔、３４…補助コイル、３５…絶縁リング、３６…絶縁板、３７…嵌合孔、３８…中心軸、４０…スイッチング回路、４１…整流回路、４２…トランス、４３…分布容量、４４…交流電流、５２…リーケージ・インダクタンス、５３…リーケージ・インダクタンス。

Claims (9)

1. 絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの２つのコイルと、絶縁板の中心部にフェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記少なくとも２つのコイルは、一方の内径より他方の内径を大きくなるように巻回したことを特徴とする電源用薄形トランス。
2. 絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも１次コイルと２次コイルを具備し、これら２つのコイルを、間に絶縁板を介在して積層し、これらの１次コイルと２次コイルと絶縁板の中心部にＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記２次コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回したことを特徴とする電源用薄形トランス。
3. 絶縁被膜の銅線をヘリカル状に巻いた少なくとも１次コイルと２次コイルと補助コイルを具備し、これら３つのコイルを、間にそれぞれ絶縁板を介在して積層し、これらの１次コイルと２次コイルと補助コイルと絶縁板の中心部にＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を貫通するように配置した電源用薄形トランスにおいて、前記２次コイルと補助コイルの内径を１次コイルの内径よりも大きくなるように巻回したことを特徴とする電源用薄形トランス。
4. それぞれのコイルは、ヘリカル状に１層巻きとしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の電源用薄形トランス。
5. それぞれのコイル間に介在した絶縁板の厚さを個別に調整して１次コイルと２次コイルの間を流れる交流電流を減少せしめたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電源用薄形トランス。
6. １次コイルの内径より内径の大きな２次コイルの内径部分に絶縁リングを介在したことを特徴とする請求項２、３、４又は５記載の電源用薄形トランス。
7. ２次コイルの外径を１次コイルの外径以下としたことを特徴とする請求項２又は３記載の電源用薄形トランス。
8. ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を円柱状としたことを特徴とする請求項２又は３記載の電源用薄形トランス。
9. ＥＩ型フェライト・コアの脚柱部を角柱状としたことを特徴とする請求項２又は３記載の電源用薄形トランス。

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