JP2015118987A - コイル基板、巻線部品及び電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導体間の寄生容量を抑制することを可能とする。
【解決手段】スイッチング電源装置に含まれるインダクタ１を構成するコイル基板２０では、コイルパターン部の両側の端部の間に空隙部２９が設けられる。この空隙部２９が設けられることで、コイル基板２０を構成する絶縁材料と比較して誘電率が低い領域が両者の間に設けられることとなる。したがって、絶縁材料を介してコイルパターン部の両側の端部が接続されている場合と比べて、両者の間に発生する寄生容量を低減することができ、コイルパターン部より前段のスイッチング回路を構成しているＭＯＳ−ＦＥＴや整流ダイオード７９、８０等の素子が発生する高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイル基板、巻線部品、及びこの巻線部品を用いた電源装置に関する。

車載用ＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源装置において、基板に対してトランス等のコイルを含む電子部品を一体化する方法として、例えば、特許文献１に示すように、トランス等のコイルを含む部品を形成する領域の基板を切り抜いて電子部品を接続する方法が知られている。しかし、この方法では、切り抜いた箇所の基板を破棄し、ビス等を用いて電子部品を基板と接続する必要があるため、高コスト化するという課題があった。また、接続する電子部品がコイルである場合には、絶縁性の放熱シート等を用いて放熱する必要があり、コストが増大する可能性がある。

そこで、特許文献２に示すように、基板内にコイルパターンを形成し、当該コイルパターンと板金コイルとを接続してコイル部を製造する方法が検討されている。

特許第３３３４６２０号公報 特許第４６３５９６９号公報

しかしながら、特許文献２記載のコイル部では、コイルパターン部を形成する導体同士が近接配置しているため、両者の間に寄生容量が生じる可能性がある。この場合、平滑回路の前段のスイッチング素子で発生する高周波成分が寄生容量発生部分を通過しやすくなり、高周波ノイズが生じる可能性がある。また、高周波ノイズに対してはノイズフィルタを設けて対処する方法も考えられるが、その場合電源装置の大型化やコスト増大という新たな課題が生じる可能性がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、導体間の寄生容量を抑制することが可能なコイル基板、このコイル基板を備える巻線部品、及びこの巻線部品を備える電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るコイル基板は、軸線の周りを巻回する１ターン以上のコイルパターン部が内部に形成され、前記コイルパターン部の一方側の端部と前記一方側とは異なる他方側の端部とが配置され、前記一方側の端部と前記他方側の端部との間に空隙部を有することを特徴とする。

上記のコイル基板では、コイルパターン部の一方側の端部と他方側の端部との間に空隙部が設けられることで、誘電率が低い領域が両者の間に設けられることとなる。したがって、空隙部が形成されずにコイル基板の構成材料である絶縁材料を介してコイルパターン部の両側の端部が接続されている場合と比べて、両者の間に発生する寄生容量を低減することができ、コイルパターン部より前段のスイッチング回路を構成しているＭＯＳ−ＦＥＴや整流ダイオード等の素子が発生する高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができる。

ここで、コイルパターン部の前記一方側の端部と前記他方側の端部とが近接して配置されている場合に、上記のようにコイルパターン部の一方側の端部と他方側の端部との間に空隙部が設けられることで、両者の間に発生する寄生容量を低減することができると共に高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができるという作用を効果的に奏される。

また、前記一方側の端部に接続された入力側導体部と、前記他方側に接続された出力側導体部とが内部に形成され、前記入力側導体部の延在方向と前記出力側導体部の延在方向とのなす角が１８０度よりも小さいことを態様とすることができる。

このように、入力側導体部の延在方向と出力側導体部の延在方向とのなす角が１８０度よりも小さい場合にはコイルパターン部の両側の端部が近接配置され、両者の間に発生する寄生容量が問題となる可能性が考えられる。そのため、両者の間に空隙部を設けることによる寄生容量の低減効果が好適に得られる。

また、本発明に係る巻線部品は、上記のコイル基板と、前記コイル基板の前記軸線に対応する位置に設けられた開口を貫通する中脚と、前記コイルパターン部の外側に設けられて前記軸線方向に延びる外脚と、を有する磁性体コアと、を備えることを特徴とする。

このように、中脚と外脚とを備える磁性体コアによってコイル基板が挟まれている場合に、本発明による作用が効果的に奏される。

具体的には、前記コイル基板における前記コイルパターン部は平面視において略リング状であると共に、前記開口は円形であり、前記磁性体コアにおける前記中脚は円筒状であって、前記外脚は前記コイルパターン部の外形に沿った形状とされている態様とすることができる。

この場合、中脚と外脚との間の領域が限られているため、大電流を流そうとするとコイルパターン部をより近接して配置させる必要が出てくる。そのため、両者の間に空隙部を設けることで、両者の間に発生する寄生容量を効果的に低減することができる。

また、本発明に係る電源装置は、上記の巻線部品と、前記巻線部品を収容する筺体と、を備え、前記筐体には、前記磁性体コアまたは前記コイル基板上の電子部品を支持する支持部材を備えることを特徴とする。

上記の電源装置がコイルパターン部の一方側の端部と他方側の端部との間に空隙部が設けられたコイル基板を備えることで、コイルパターン部の両端部の間に発生する寄生容量を抑制することができ、巻線部品より前段のＭＯＳ−ＦＥＴや整流ダイオードで発生する高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができる。

本発明によれば、導体間の寄生容量を抑制することが可能なコイル基板、このコイル基板を備える巻線部品、及びこの巻線部品を備える電源装置が提供される。

第１実施形態に係る巻線部品を含んで構成されるインダクタに係る分解斜視図である。 巻線部品の分解斜視図である。 コイル基板の斜視図である。 図３のIV−IV断面図である。 巻線部品を適用した電源装置の回路構成図である。

図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態に係るコイル基板、巻線部品及び電源装置について説明する。図１は、電源装置におけるコイル基板を含む巻線部品付近の斜視図であり、図２は、巻線部品の分解斜視図である。図３は、コイル基板の斜視図であり、図４は、コイル基板内の導体パターンを説明する図である、図３のIV−IV断面図である。また、図５は、巻線部品を適用した電源装置の回路構成図である。なお、各図においては、構成の説明のため、必要に応じてＸＹＺ軸を記載している。

図１には、本発明の電源装置であるスイッチング電源装置７０の一部が拡大して示されている。スイッチング電源装置７０は、筺体７０１の底面７０２上に設置されたコイル基板２０と、コイル基板２０に対して接続される整流ダイオード等を含んで構成される。図１では、スイッチング電源装置７０の一部のみを拡大して示している。すなわち、本発明の特徴をなす巻線部品であるインダクタ１の近傍のみを拡大して表示している。

図２に示すように、インダクタ１は、コイル基板２０と、コイル基板２０を挟む一対の磁性体コア５Ａ、５Ｂと、を備える。インダクタ１は、例えば、電子機器におけるトランス、チョークコイル等に適用することができる。また、コイル基板２０には、コンデンサ８２、及び整流ダイオード７９、８０が接続されている。

筺体７０１に収容される電子部品は、放熱性を高めるため、及び、振動等による位置ズレに由来する短絡等を防止するため、支持部材等によって押圧支持される。図１に示すスイッチング電源装置７０では、筺体７０１の底面７０２から上方に突出する突出部７０３の上端に、磁性体コア５Ａ、５Ｂを押圧支持するための支持部材７１１がネジ７２１によって取り付けられている。支持部材７１１により、磁性体コア５Ａの一端側は上方から下方に押圧され底面７０２に対して押圧支持される。同様に、筺体７０１の底面７０２から上方に突出する突出部７０４の上端には、磁性体コア５Ａの他端側を上方から下方に押圧し底面７０２に対して押圧支持される支持部材７１３が設けられる。さらに、突出部７０４の上端には、２つの整流ダイオード７９、８０を押圧支持するための支持部材７１２がネジ７２２によって取り付けられている。支持部材７１２により、整流ダイオード７９、８０は上方から下方に押圧され底面７０２に対して押圧支持される。

コイル基板２０は、ＸＹ平面に沿って広がる基板であって、絶縁材料からなる絶縁層と導体からなる導体パターンが形成された導体層とが交互に積層され、表面がレジスト層で覆われた多層プリント基板である。本実施形態に係るコイル基板２０は、図４に示すように２層の導体層２０１が絶縁層２０２を挟んで形成されている２層プリント基板である。２層の導体層２０１の形状は層毎に変更して互いに異なる機能を持たせることができるが、本実施形態に係るコイル基板２０では同一の機能を有しているため、以下の説明では図２に示すように導体パターン２１として説明する。

導体パターン２１には１ターン分のコイルパターンが含まれる。コイル基板２０は、ＸＹ平面に沿って広がるコイルパターンによって、Ｚ軸方向に延びる軸線Ａの周りを巻回するコイルが形成されている。一対の磁性体コア５Ａ、５Ｂは所謂ＥＥ型と称される中心脚部と２本の外脚を備える磁性体コアである。詳しくは、磁性体コア５Ａ、５Ｂは、中心脚部を円筒形とし、軸線Ａ方向に沿って延びる外脚の内側をこの中心脚部の円筒形に沿ったＲが設けられている所謂ＥＥＲ型の磁性体コアである。

図３を参照しながら、コイル基板２０についてさらに説明する。図３に示すように、コイル基板２０には円形状の開口２２が形成されている。また、コイル基板２０の内部に形成される導体パターン２１は、軸線Ａの周囲を巻回するコイルを形成するコイルパターン部２５と、コイルパターン部２５の一方側の端部２５Ａと接続された出力側導体部２７と、コイルパターン部２５の一方側の端部２５Ａとは異なる他方側の端部２５Ｂと接続された入力側導体部２８と、を含んで構成される。

コイルパターン部２５は、円形の開口２２の中心を通る軸線Ａの周囲を巻回するように形成され、平面視において有端の略リング状のコイルを形成する。コイルパターン部２５によって巻数が１ターンのコイルが形成されていて、一方側の端部２５Ａと他方側の端部２５Ｂとが近接して配置している。後述の出力側導体部２７と入力側導体部２８とが形成されている領域とは異なる側で、コイル基板２０は、コイルパターン部２５の外形に沿った略円形状とされている。

出力側導体部２７は、コイルパターン部２５の巻き始め側端部からＸ軸方向に沿って延びる。また、入力側導体部２８は、コイルパターン部２５の巻き終わり側端部からＹ軸方向に沿って延びる。すなわち、出力側導体部２７の端部２５Ａからの延在方向と入力側導体部２８の端部２５Ｂからの延在方向とのなす角は９０度とされている。なお、図示していないが、２層の導体層２０１を接続するための貫通孔（ビアホール）がコイルパターン部２５の両端部に設けられていてもよい。

上記のコイル基板２０では、出力側導体部２７、コイルパターン部２５、入力側導体部２８がこの順に並んで配置している。ここで、本実施形態に係るコイル基板２０では、コイルパターン部２５の一方側の端部２５Ａと他方側の端部２５Ｂとの間に空隙部２９が形成されている。本実施形態のコイル基板２０では、空隙部２９は開口２２に接続するスリットとして形成されているが、コイル基板２０の強度が著しく低下しない範囲で適宜変更することができ、例えば、コイル基板２０の厚さ方向に貫通する貫通孔として形成されていてもよい。

空隙部２９は、コイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂが最接近する領域の全てにおいて、両者の間に形成されることが好ましいが、少なくとも一部に空隙部が形成されていればよい。また、コイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂが最接近している領域の両者の間の形状に応じて空隙部２９の形状は適宜変更することができ、例えば直線状ではなく途中で折れ曲がっているカギ型形状であってもよい。

図１に戻り、コイル基板２０に対して、一対の磁性体コア５Ａ、５Ｂを取り付けることで、インダクタ１（巻線部品）を構成することができる。インダクタ１は、板状の平板部から伸びる３つの脚部を有する２つのＥ型コアである磁性体コア５Ａ、５Ｂが対向した構成とされている。具体的には、巻線部品１０が形成するコイルの軸線Ａに沿って、磁性体コア５Ａの３つの脚部５１Ａ〜５３Ａのうちの中心の脚部５２Ａ（中脚）と、磁性体コア５Ｂの３つの脚部５１Ｂ〜５３Ｂのうちの中心の脚部５２Ｂ（中脚）と、対向した状態でコイル基板２０の開口２２を挿通する共に、残りの脚部５１Ａ、５３Ａ、５１Ｂ、５３Ｂ（外脚）がコイル基板２０の外側に沿って対向するように、磁性体コア５Ａ、５Ｂとが配置される。図２に示すように、磁性体コア５Ａの中心の脚部５２Ａは円筒状とされている。また、両外側の脚部５１Ａ，５３Ａは、それぞれコイルパターン部２５の外形すなわち略円形状に対応して湾曲した形状とされている。同様に、磁性体コア５Ｂの中心の脚部５２Ｂは円筒状とされている。また、両外側の脚部５１Ｂ，５３Ｂは、それぞれコイルパターン部２５の外形すなわち略円形状に対応して湾曲した形状とされている。

次に、上記の巻線部品１０を含んで構成される電源装置の一例について説明する。図５は、図１に示すインダクタ１を、出力平滑回路内の平滑用チョークコイル８１として使用した場合のスイッチング電源装置７０の回路構成図の一例を示す図である。

スイッチング電源装置７０は、４つのスイッチング素子７１〜７４を備えて構成され、直流入力電圧に基づいて入力交流電圧を生成するフルブリッジ型のブリッジ回路と、１次側巻線７６および２次側巻線７７、７８を有し、上記入力交流電圧を変圧して出力交流電圧を生成するトランス７５と、このトランスの２次側に設けられると共に複数の整流素子であるダイオード７９、８０を備えて構成され、これら複数の整流素子によって上記出力交流電圧を整流する全波整流回路と、全波整流されたパルス波形を直流化する平滑用チョークコイル８１および容量素子であるコンデンサ８２を有する平滑回路と、上記ブリッジ回路を駆動する駆動回路８９とを備え、出力端子８４間に接続されているものである。

図５に示す回路についての動作の概略を以下に説明する。まず、高電圧バッテリ８６の電圧が入力端子８３に印加され、その直流電圧をスイッチング素子７１〜７４を用いてＰＷＭ制御や位相シフトＰＷＭ制御等により動作させ、トランス７５の１次側巻線７６に交流として印加される。１次側巻線７６に印加された交流電圧は２次側巻線７７、７８との比率に応じた電圧で伝達され、ダイオード７９、８０により全波整流され、平滑用チョークコイル８１および容量素子であるコンデンサ８２を有する平滑回路により、直流として出力端子８４に導かれる。この出力端子８４に接続される負荷としては、低圧バッテリ８７や補機類８５が接続される。制御回路８８は、出力端子８４間の電圧を制御するもので、上記の説明にあるような制御を行い、駆動回路８９を通して駆動信号をスイッチング素子７１〜７４に送り上記動作を行わせるものである。

図１に示すインダクタ１は、図５の平滑用チョークコイル８１とみなされ、その一端は前段の回路である図５のダイオード７９、８０のカソード部と、導体パターンや端子等により接続される。平滑用チョークコイル８１の他端は、後段の回路であるコンデンサ８２の一方の端子、及び制御回路８８の一方の入力端と、導体パターンや端子等により接続される。

ここで、上記のスイッチング電源装置７０に含まれるインダクタ１を構成するコイル基板２０では、コイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂの間に空隙部２９が設けられる。この空隙は、コイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂの間に発生する寄生容量を抑制する効果を奏する。コイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂの間に空隙部が設けられるということは、すなわち、コイル基板２０を構成する絶縁材料と比較して誘電率が低い領域が両者の間に設けられることとなる。したがって、このような構成を有することにより、絶縁材料を介してコイルパターン部２５の両側の端部２５Ａ，２５Ｂが接続されている場合と比べて、両者の間に発生する寄生容量を低減することができ、コイルパターン部２５より前段のスイッチング回路を構成しているＭＯＳ−ＦＥＴや整流ダイオード等の素子が発生する高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができる。

したがって、上記のインダクタ１を含んで構成される電源装置においても、同様に、巻線部品１０が構成する領域における寄生容量の発生を低減することができるため、前段のＭＯＳ−ＦＥＴや整流ダイオードで発生する高周波ノイズ成分が当該領域を通過することを抑制することができる。

この構成は、本実施形態に係るスイッチング電源装置７０のインダクタ１のようにＥＥＲ型の磁性体コア５Ａ，５Ｂによって構成される場合に有用である。ＥＥＲ型の磁性体コア５Ａ，５Ｂによってインダクタ１が構成される場合、磁性体コア５Ａ，５Ｂの脚部５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂの間にコイルパターン部２５を配置する必要がある。このとき、コイルパターン部２５に大電流を流すためには、できるだけコイルパターン部２５を幅広となるように設計する。その結果、コイルパターン部２５の巻き始め側の端部と巻き終わり側の端部とは近接して配置される場合が多い。ここで、両端部の間に空隙部２９を形成することで、寄生容量が増加することが防止される。近接して配置されているとは、磁性体コア５Ａ，５Ｂの脚部５２Ａが挿入される挿入孔の直径よりも、コイルパターン部２５の巻き始め側の端部と巻き終わり側の端部間の距離が短い場合をいう。

また、近年では、スイッチング電源装置７０の小型化という要求が高まっていて、スイッチング電源装置７０を構成する各電子部品をより近接して配置することが増えている。したがって、基板寸法内に整流ダイオード、平滑チョークコイル、出力コンデンサ等の部品を配置しなければならず、本実施形態に係るスイッチング電源装置７０のように、コイルパターン部２５の巻き始め側に接続する導体部と巻き終わり側に接続されている導体部とを左右に分かれて、すなわち、コイルパターン部２５から見たときに、両者の延在方向が１８０度となるように配線できない場合が多い。本実施形態に係るコイル基板２０のようにコイルパターン部２５の両端部の間に空隙部２９を形成する構成はこのように出力側導体部２７と入力側導体部２８とを離間して配置させることが困難な場合に特に有効である。なお、上記の実施形態のように、突出部７０３、７０４が導体パターン２１に影響を与えている場合の他、例えば、他の部品や、コイル基板２０中の他の導体パターンがインダクタ１近隣の導体パターン２１に制約を与えている場合もある。いずれの場合であっても、コイルパターン部２５の両端部２５Ａ，２５Ｂとの間に空隙部２９を形成することで、両者の間に発生する寄生容量を低減することができる。

なお、コイルパターン部２５において互いに異なる位置に相当する導体が同一の基板上に形成されていたとしても、両者が相応に離間していれば、その間に発生する寄生容量は大きく低減される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係る巻線部品及び電源装置は上記に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、インダクタ１を構成するコイルはコイル基板２０のコイルパターン部２５のみによって構成されていたが、例えば、コイルパターン部２５の一方側の端部に板金コイルをはんだ付け等によって接続する等の方法によって複数ターンのコイルを構成してもよい。この場合も、コイルパターン部２５の一方側の端部２５Ａと他方側の端部２５Ｂとの間に空隙部２９を設けることで、両者の間に発生する寄生容量を低減することができる。

また、上記実施形態では、コイルパターン部２５の両端部にそれぞれ接続される導体部を出力側導体部２７と入力側導体部２８とすることにより、入力側と出力側とを区別したが、当然ながら入力側と出力側とは変更することができる。

また、上記実施形態では、チョークコイルについて説明したが、これをトランスに適用する場合は、例えばコイル基板に設けられたコイルパターン部を一次側とし、このコイルパターン部の上方又は下方に、板金やコイル基板で二次側コイルパターン部を設け、この一次側と二次側を電気的に絶縁する構成とすれば良い。

また、上記実施形態においては、磁性体コアの形状として、ＥＥ型やＥＥＲ型を用いて説明したが、磁性体コアの形状は特に限定されない。例えば磁性体コアの一方がＩ型であるＥＩＲ型やそれに類する形状、又はＵ型等の磁性体コアも本発明に係る巻線部品に適用できる。

１…インダクタ（巻線部品）、２０…コイル基板、２５…コイルパターン部、２７…出力側導体部、２８…入力側導体部、７０…スイッチング電源装置（電源装置）。

Claims (6)

1. 軸線の周りを巻回する１ターン以上のコイルパターン部が内部に形成され、
   前記コイルパターン部の一方側の端部と前記一方側とは異なる他方側の端部とが配置され、前記一方側の端部と前記他方側の端部との間に空隙部を有するコイル基板。
2. 前記コイルパターン部の前記一方側の端部と前記他方側の端部とが近接して配置されている請求項１記載のコイル基板。
3. 前記一方側の端部に接続された入力側導体部と、前記他方側の端部に接続された出力側導体部とが内部に形成され、
   前記入力側導体部の前記一方側の端部からの延在方向と前記出力側導体部の前記他方側の端部からの延在方向とのなす角が１８０度よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載のコイル基板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル基板と、
   前記コイル基板の前記軸線に対応する位置に設けられた開口を貫通する中脚と、前記コイルパターン部の外側に設けられて前記軸線方向に延びる外脚と、を有する磁性体コアと、
   を備える巻線部品。
5. 前記コイル基板における前記コイルパターン部は平面視において略リング状であると共に、前記開口は円形であり、
   前記磁性体コアにおける前記中脚は円筒状であって、前記外脚は前記コイルパターン部の外形に沿った形状とされている請求項４に記載の巻線部品。
6. 請求項４又は５に記載の巻線部品と、
   前記巻線部品を収容する筺体と、を備え、
   前記筐体には、前記磁性体コアまたは前記コイル基板に接続する電子部品を押圧支持する支持部材を備えることを特徴とする電源装置。