JP2020092240A - 電気回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルを含む薄型の回路を実現し、かつ、コイルに生じる磁束を有効に利用できる構造を提供する。【解決手段】電気回路装置１は、基板１１、２１と、基板の表面に設けられた複数のコイル１２、２２と、を有する。複数のコイルは、直列および並列の少なくともいずれか一方により接続される。複数のコイルは、それぞれ、基板に対して垂直な軸を中心として螺旋状に巻かれた導線からなる。複数のコイルは、基板の表面において、第１方向および第１方向に直交する第２方向にグリッド状に配列される。これにより、１つの大きなコイルと等価な薄型の回路を実現できる。また、隣り合う２つのコイルの通電時の磁束の向きは、互いに逆向きである。したがって、各コイルが、自身の導線により生じる磁束だけではなく、隣接するコイルの導線により生じる磁束を利用することができる。これにより、各コイルに生じる磁束を有効に利用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路装置に関する。

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置には、トランスが含まれている。トランスは、１次側のコイルと、２次側のコイルと、これらのコイルを相互誘導可能に磁気結合する円環状のコアとを有する。このような従来のトランスは、立体的な構造であるため、小型化が難しかった。このため、例えば自動車の内部のような限られたスペースに電力変換装置を搭載する場合にも、電力変換装置を小型化することが困難であった。

特開平６−６１０７２号公報には、上述した一般的なトランスとは異なる薄型のトランスが記載されている。当該公報のトランスは、複数の導線を渦巻き状に巻回してなるコイル体を有する。そして、複数の導線のうちの一部を１次巻線、残りを２次巻線としている（請求項１，図１等参照）。
特開平６−６１０７２号公報

しかしながら、特開平６−６１０７２号公報のように、同一の平面上において導線を渦巻き状に巻回すると、コイルの中央の空間が小さくなる。したがって、コイルの中央に大きなコアを配置することができない。このため、当該公報の構造で、大電力を扱うトランスを構成することは難しい。

本発明の目的は、上記公報とは異なる構造で、コイルを含む薄型の回路を実現し、かつ、コイルに生じる磁束を有効に利用できる構造を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、基板と、前記基板の表面に設けられた複数のコイルと、を有する電気回路装置であって、前記複数のコイルは、直列および並列の少なくともいずれか一方により接続され、前記複数のコイルは、それぞれ、前記基板に対して垂直な軸を中心として螺旋状に巻かれた導線からなり、前記基板の表面において、前記複数のコイルが、第１方向および前記第１方向に直交する第２方向にグリッド状に配列され、隣り合う２つの前記コイルの通電時の磁束の向きが逆向きである。

本発明によれば、基板上に複数のコイルをグリッド状に配列することで、１つの大きなコイルと等価な薄型の回路を実現できる。また、各コイルが、自身の導線により生じる磁束だけではなく、隣接するコイルの導線により生じる磁束を利用することができる。これにより、各コイルに生じる磁束を有効に利用できる。

図１は、一実施形態に係る電気回路装置の斜視図である。 図２は、１次回路部の上面図である。 図３は、１次回路部の下面図である。 図４は、複数の１次コイルの電気的接続を示した回路図である。 図５は、１次回路部および２次回路部の縦断面図である。 図６は、第１変形例に係る１次回路部および２次回路部の縦断面図である。 図７は、第２変形例に係る１次回路部および２次回路部の縦断面図である。 図８は、第３変形例に係る１次回路部の２つの１次コイルの付近の縦断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、コイルの中心軸と平行な方向を「軸方向」と称する。また、以下の説明においては、軸方向を上下方向とし、１次回路部に対して２次回路部側を上として、各部の形状および位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係る電気回路装置の使用時の姿勢を限定する意図はない。

＜１．電気回路装置の構成＞
図１は、一実施形態に係る電気回路装置１の斜視図である。この電気回路装置１は、例えば、電気自動車に搭載され、外部から入力された第１電圧値（例えば３００ボルト）の直流電力を、第１電圧値とは異なる第２電圧値（例えば１２ボルト）の直流電力に変換する、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる。ただし、本発明の電気回路装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ以外の電力変換装置であってもよい。また、本発明の電気回路装置は、電気自動車以外の機器に搭載されるものであってもよい。

図１に示すように、本実施形態の電気回路装置１は、１次回路部１０と２次回路部２０とを備える。

図２は、１次回路部１０の上面図である。図３は、１次回路部１０の下面図である。図１〜図３に示すように、１次回路部１０は、１次基板１１、複数の１次コイル１２、複数の１次コア１３、および１次接続板１４を有する。

１次基板１１は、一般的なプリント配線用の基板である。１次基板１１には、例えば、硬質のガラスエポキシ基板が用いられる。ただし、１次基板１１は、ガラスエポキシ以外の材料からなるものであってもよい。本実施形態の１次基板１１は、上面視において矩形の板状である。以下では、図２および図３に示すように、１次基板１１の１つの辺に沿う方向を、第１方向と称する。また、１次基板１１の当該辺に直交する辺に沿う方向を、第２方向と称する。第１方向および第２方向は、いずれも軸方向に対して直交し、かつ、互いに直交する。

１次基板１１には、複数の１次コイル１２を含む電力変換回路の１次側の回路が形成される。１次基板１１の表面には、複数の１次コイル１２の他に、電力変換回路の１次側の回路を構成する配線および種々の電子部品（図示省略）が設けられている。

複数の１次コイル１２は、１次基板１１の表面に、第１方向および第２方向にグリッド状（格子状）に配列されている。各１次コイル１２は、１次基板１１に対して垂直な軸を中心として、螺旋状に巻かれた導線からなる。１次コイル１２を構成する導線には、例えば、絶縁膜に被覆された銅線またはアルミニウム線が用いられる。各１次コイル１２の導線の端部は、１次基板１１の表面に設けられた電極部に半田付けされる。

１次回路部１０の製造時には、１次基板１１に対して、コンデンサやスイッチング素子等の電子部品を実装する工程において、複数の１次コイル１２も実装される。これにより、流れ作業で効率よく、１次回路部１０を製造することができる。

複数の１次コイル１２に通電すると、各１次コイル１２の内側に、軸方向の磁束が生じる。したがって、１次基板１１の表面に複数の１次コイル１２を配列することで、１つの大きなコイルと等価な薄型の回路を形成することができる。また、複数の１次コイル１２をグリッド状に配列すれば、１つの大きなコイルを用いる場合よりも、１次コイル１２の周囲に、デッドスペースとなる領域が生じにくい。したがって、狭小なスペースにも配置可能な、薄型の１次回路部１０を実現できる。

特に、本実施形態の複数の１次コイル１２は、それぞれ、上面視（軸方向視）において矩形状である。そして、隣り合う２つの１次コイル１２は、その直線部分同士が近接する。このような形状とすることで、複数の１次コイル１２の間の隙間を低減できる。すなわち、１次基板１１の上面のうち、磁束が形成されない領域を低減できる。したがって、１次回路部１０を、より小型で高効率な構成とすることができる。

図２には、複数の１次コイル１２への通電時に、各１次コイル１２により形成される磁束の向きが、記号で示されている。○囲みの・印は、その部分に、軸方向上向きの磁束が形成されることを示す。○囲みの×印は、その部分に、軸方向下向きの磁束が形成されることを示す。図２の例では、第１方向および第２方向のいずれの方向においても、軸方向上向きの磁束を形成する１次コイル１２と、軸方向下向きの磁束を形成する１次コイル１２とが、交互に配列される。したがって、第１方向および第２方向のいずれの方向においても、隣り合う２つの１次コイル１２の通電時の磁束の向きは、互いに逆向きである。

図２中に矢印で示したように、隣り合う２つの１次コイル１２の互いに近接する導線には、同じ方向に電流が流れる。このため、各１次コイル１２の内側には、自身の導線により生じる磁束だけではなく、第１方向または第２方向に隣接する１次コイル１２の導線により生じる磁束も形成される。これにより、各１次コイル１２の内側に、強い磁束を発生させることができる。この磁束を、後述する２次コイル２２へ入力することで、複数の１次コイル１２により生じる磁束を有効に利用できる。

図４は、複数の１次コイル１２の電気的接続を示した回路図である。図４に示すように、本実施形態の複数の１次コイル１２は、直列および並列に接続される。具体的には、直列に接続された２つ以上の１次コイル１２により構成されるコイル列１２０が、互いに並列に複数接続される。複数の１次コイル１２を直列に接続することにより、コイル列１２０のインダクタンスを増加させることができる。また、複数のコイル列１２０を並列に接続することにより、各コイル列１２０に流れる電流を低減できる。これにより、細い導線を用いて１次コイル１２を形成することができる。その結果、１次回路部１０をより薄型化できるとともに、１次回路部１０の製造が容易となる。

複数の１次コア１３は、各１次コイル１２の内側において軸方向に延びる磁性体である。上述の通り、複数の１次コイル１２に通電すると、各１次コイル１２の内側に磁束が生じるが、この磁束は、もし１次コア１３が無ければ、意図せぬ方向へ拡散しやすい。本実施形態では、各１次コイル１２の内側に、空気よりも磁気抵抗が小さい１次コア１３が配置されている。このため、１次コイル１２の内側に生じる磁束は、１次コア１３に沿って、軸方向に流れる。その結果、意図せぬ磁束の拡散を抑制し、後述する２次コイル２２へ、より効率よく磁束を入力できる。

１次接続板１４は、１次基板１１の裏面に配置される磁性体である。１次コア１３の下端部は、１次基板１１に設けられた開口部を貫通している。１次接続板１４は、複数の１次コア１３の下端部に接続される。これにより、複数の１次コア１３が、１次接続板１４を介して、磁気的に接続される。すなわち、複数の１次コア１３の間で、磁気回路が構成される。その結果、各１次コイル１２に生じる磁束を、より有効に利用することができる。本実施形態では、１次基板１１の表面ではなく、１次基板１１の裏面に、１次接続板１４が配置されている。これにより、１次基板１１の表面における電子部品の実装面積を狭めることなく、１次接続板１４を配置することができる。

図３に示すように、本実施形態の１次接続板１４は、複数の１次接続板片１４１を有する。１次コア１３の下端部と、１次接続板片１４１とは、例えば接着剤で固定される。複数の１次接続板片１４１の形状は、下面視において、同一の矩形状または六角形状である。各１次接続板片１４１は、その対角線が、複数の１次コイル１２の境界線と重なるように、配置される。したがって、複数の１次接続板片１４１は、それぞれ、第１方向または第２方向に隣り合う２つの１次コア１３を、磁気的に接続する。

このように、１次接続板１４を複数の１次接続板片１４１に分けることで、各１次接続板片１４１を容易に製造できる。また、第１方向または第２方向に隣り合う２つの１次コア１３の間は、１つの１次接続板片１４１で接続される。このため、当該２つの１次コア１３の間を流れる磁束は、１次接続板片１４１の境界線と交差することなく、１つの１次接続板片１４１中を流れる。これにより、当該２つの１次コア１３の間において、磁束を効率よく流すことができる。

２次回路部２０は、１次回路部１０と類似の構造を有する。すなわち、２次回路部２０は、２次基板２１、複数の２次コイル２２、複数の２次コア２３、および２次接続板２４を有する。ただし、１次コイル１２の導線の巻き数と、２次コイル２２の導線の巻き数とは、互いに異なる。また、複数の２次コイル２２の電気的接続の態様は、図４の複数の１次コイル１２とは異なってもよい。また、２次基板２１には、複数の２次コイル２２を含む電力変換回路の２次側の回路が形成されている。２次接続板２４は、１次接続板１４と同様に、複数の２次接続板片２４１を有する。

図５は、１次回路部１０および２次回路部２０の縦断面図である。図１に示すように、１次回路部１０と２次回路部２０とは、１次コイル１２と２次コイル２２とが対向するように配置される。そして、１次コア１３の軸方向の先端と、２次コア２３の軸方向の先端とが、互いに接触する。１次コア１３の軸方向の先端と、２次コア２３の軸方向の先端とは、例えば、接着剤により固定される。その結果、複数の１次コイル１２の各々と、複数の２次コイル２２の各々とが、相互誘導可能に磁気結合される。これにより、１次コイル１２と２次コイル２２とで、トランスが構成される。

１次コイル１２への通電により形成される磁束は、１次コア１３から２次コア２３へ入力される。すなわち、１次コイル１２に通電すると、１次コア１３に軸方向の磁束が形成されると同時に、２次コア２３にも軸方向の磁束が形成される。そうすると、２次コイル２２に誘導電流が生じる。そして、生じた誘導電流が、２次基板２１に形成された２次側の回路を介して出力される。このように、１次コア１３と２次コア２３とを磁気的に結合することにより、１次回路部１０から２次回路部２０へ、効率よく磁束が流れる。したがって、電気回路装置１において、電力が効率よく変換される。

なお、１次側の第１電圧値と２次側の第２電圧値との差が大きい場合には、１次側の回路と２次側の回路とを絶縁分離することが、特に重要となる。この点において、本実施形態では、電力変換回路のうち、複数の１次コイル１２を含む１次側の回路と、複数の２次コイル２２を含む２次側の回路とが、別々の基板１１，２１に設けられている。このようにすれば、１次側の回路と２次側の回路との絶縁分離を、容易に行うことができる。

＜２．変形例＞
以上、一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されない。以下では、種々の変形例について、上記実施形態との差異を中心に説明する。

＜２−１．第１変形例＞
図６は、第１変形例に係る電気回路装置１の１次回路部１０および２次回路部２０の縦断面図である。この第１変形例では、１次回路部１０は１次コアおよび１次接続板を有しておらず、２次回路部２０も２次コアおよび２次接続板を有していない。また、２次コイル２２の外径は、１次コイル１２の内径よりも小さい。そして、１次コイル１２の内側に、２次コイル２２が、同心状に配置される。これにより、複数の１次コイル１２の各々と、複数の２次コイル２２の各々とが、相互誘導可能に磁気結合される。その結果、１次コイル１２と２次コイル２２とで、トランスが構成される。

この図６の電気回路装置１は、コアおよび接続板を有していないものの、１次コイル１２への通電により生じる磁束は、必ず２次コイル２２の内側を通る。したがって、コアおよび接続板を省略しつつ、１次コイル１２に生じる磁束を、効率よく２次コイル２２へ入力することができる。また、１次コイル１２と２次コイル２２とが、軸方向の同じ高さ位置に配置される。したがって、電気回路装置１の全体としての軸方向の寸法を抑制できる。その結果、電気回路装置１をより薄型化できる。

なお、１次コイル１２よりも２次コイル２２を大きくして、２次コイル２２の内側に１次コイル１２を配置するようにしてもよい。すなわち、１次コイル１２および２次コイル２２のいずれか一方を、他方の内側に配置すればよい。また、１次回路部１０および２次回路部２０のいずれか一方に、コアを設けてもよい。

＜２−２．第２変形例＞
図７は、第２変形例に係る電気回路装置１の１次回路部１０および２次回路部２０の縦断面図である。この第２変形例では、第１変形例と同じく、１次回路部１０は１次コアおよび１次接続板を有しておらず、２次回路部２０も２次コアおよび２次接続板を有していない。そして、１次コイル１２の内側に、２次コイル２２が配置される。これにより、複数の１次コイル１２の各々と、複数の２次コイル２２の各々とが、相互誘導可能に磁気結合される。

また、この第２変形例の電気回路装置１は、１次コイル１２および２次コイル２２を冷却するための冷却部３０を有する。図７に示すように、冷却部３０は、冷却基部３１と複数の冷却突起３２とを有する。冷却基部３１は、１次基板１１の裏面に沿って配置される。複数の冷却突起３２は、冷却基部３１から、１次基板１１に設けられた開口を通って、軸方向上側へ突出する。そして、各冷却突起３２は、１次コイル１２および２次コイル２２の内側に挿入される。また、冷却基部３１および冷却突起３２の内部には、冷媒を流すための流路３３が形成されている。１次コイル１２および２次コイル２２に生じる熱は、冷却突起３２を介して、流路３３内の冷媒へ吸収される。これにより、１次コイル１２および２次コイル２２の発熱を抑制できる。なお、冷媒には、例えば水を用いればよい。

＜２−３．第３変形例＞
図８は、第３変形例に係る１次回路部１０の２つの１次コイル１２の付近の縦断面図である。この第３変形例では、１次基板１１が、多層構造を有する。そして、１次基板１１の複数の層の中に、導体からなる配線層１１１が含まれている。そして、１次コイル１２を構成する導線の端部が、配線層１１１に電気的に接続されている。これにより、１次コイル１２が、１次基板１１の配線層１１１を介して、他の１次コイル１２と電気的に接続される。このようにすれば、１次コイル１２同士の接続のために、１次基板１１の表面に、導線を配置する必要がない。したがって、１次基板１１の表面の突出部分を、より減らすことができる。

また、図８中に破線矢印で示したように、１次コイル１２を構成する導線は、１次基板１１の表面付近から、１次コア１３の外周面に沿って螺旋状に巻き上げられた後、螺旋状に巻き下げられて、再び１次基板１１の表面付近に達する。このようにすれば、導線の両端部を、いずれも、１次基板１１の表面付近に配置できる。したがって、導線の両端部を、それぞれ、１次基板１１の配線層１１１に容易に接続できる。

＜２−４．他の変形例＞
上記の実施形態では、図４のように、複数の１次コイル１２が、直列および並列に接続されていた。しかしながら、複数の１次コイル１２は、直列のみで接続されていてもよい。また、複数の１次コイル１２は、並列のみで接続されていてもよい。すなわち、複数の１次コイル１２は、直列および並列の少なくともいずれか一方により接続されていればよい。また、同様に、複数の２次コイル２２も、直列および並列の少なくともいずれか一方により接続されていればよい。

また、上記の実施形態では、１次接続板１４が、複数の１次接続板片１４１を有していた。しかしながら、１次接続板１４は、１枚の連続した板であってもよい。また、複数の１次コア１３と１次接続板１４とが、単一の部材により形成されていてもよい。また、上記の実施形態では、２次接続板２４が、複数の２次接続板片２４１を有していた。しかしながら、２次接続板２４は、１枚の連続した板であってもよい。また、複数の２次コア２３と２次接続板２４とが、単一の部材により形成されていてもよい。

また、上記の実施形態では、電気回路装置１は、１次回路部１０と２次回路部２０とを備えていた。しかしながら、電気回路装置１は、１枚の基板により構成されるものであってもよい。例えば、電気回路装置１は、１枚の基板と、当該基板の表面にグリッド状に配列された複数のコイルと、を有するチョッパ式の電力変換装置であってもよい。その場合、電力変換回路の１次側の回路および２次側の回路との双方を、同一基板上に実装すればよい。

また、各部品の細部の形状については、本願の各図に示された形状と、相違していてもよい。また、上記の実施形態および変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本願は、電気回路装置に利用できる。

１ 電気回路装置
１０ １次回路部
１１ １次基板
１２ １次コイル
１３ １次コア
１４ １次接続板
２０ ２次回路部
２１ ２次基板
２２ ２次コイル
２３ ２次コア
２４ ２次接続板
３０ 冷却部
３１ 冷却基部
３２ 冷却突起
３３ 流路
１１１ 配線層
１２０ コイル列
１４１ １次接続板片
２４１ ２次接続板片

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の表面に設けられた複数のコイルと、
   を有する電気回路装置であって、
   前記複数のコイルは、直列および並列の少なくともいずれか一方により接続され、
   前記複数のコイルは、それぞれ、前記基板に対して垂直な軸を中心として螺旋状に巻かれた導線からなり、
   前記基板の表面において、前記複数のコイルが、第１方向および前記第１方向に直交する第２方向にグリッド状に配列され、
   隣り合う２つの前記コイルの通電時の磁束の向きが逆向きである、電気回路装置。
2. 請求項１に記載の電気回路装置であって、
   前記複数のコイルは、それぞれ、軸方向視において矩形状であり、
   隣り合う２つの前記コイルは、その直線部分同士が近接する、電気回路装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気回路装置であって、
   直列に接続された２つ以上の前記コイルにより構成されるコイル列を、複数有し、
   前記複数のコイル列が、互いに並列に接続されている、電気回路装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電気回路装置であって、
   前記基板は、導体からなる配線層を有し、
   前記複数のコイルは、前記配線層を介して電気的に接続されている、電気回路装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電気回路装置であって、
   １次回路部と２次回路部とを備え、
   前記１次回路部は、
   前記基板である１次基板と、
   前記コイルである複数の１次コイルと、
   を有し、
   前記２次回路部は、
   前記基板である２次基板と、
   前記コイルである複数の２次コイルと、
   を有し、
   前記複数の１次コイルの各々と、前記複数の２次コイルの各々とが、相互誘導可能に磁気結合されている、電気回路装置。
6. 請求項５に記載の電気回路装置であって、
   前記１次コイルおよび前記２次コイルのいずれか一方が、他方の内側に位置する、電気回路装置。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電気回路装置であって、
   前記複数のコイルの各々の内側において軸方向に延びる磁性体のコア
   をさらに有する、電気回路装置。
8. 請求項７に記載の電気回路装置であって、
   前記複数のコアを接続する磁性体の接続板
   をさらに有する、電気回路装置。
9. 請求項８に記載の電気回路装置であって、
   前記接続板は、前記基板の裏面に配置される、電気回路装置。
10. 請求項９に記載の電気回路装置であって、
    前記接続板は、複数の接続板片を有し、
    前記複数の接続板片は、それぞれ、前記第１方向または前記第２方向に隣り合う２つの前記コアを接続する、電気回路装置。
11. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気回路装置であって、
    前記複数のコイルを冷却する冷却部
    をさらに有し、
    前記冷却部は、複数の冷却突起を有し、
    前記複数の冷却突起の各々が、前記コイルの内側に挿入される、電気回路装置。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の電気回路装置であって、
    前記複数のコイルを含む電力変換回路を有する、電気回路装置。

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