JP4946171B2 - インダクタンス装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のインダクタンス素子が複合されて成型されるインダクタンス装置に関するものである。

特許文献１に開示されているインダクタおよびトランスでは、図９に示すように、コア部材１００は、２つの対称的な磁束ループＭ１００、Ｍ２００を形成するように、Ｉ型のコア部材およびＥ型のコア部材を組み合わせて構成される。コア部材１００に形成される磁束ループＭ１００、Ｍ２００の共通路の部分には第１の巻線ＬＭが巻回されている。２つの磁束ループＭ１００、Ｍ２００の各分岐路の部分にはそれぞれ第２の巻線Ｌ１００および第３の巻線Ｌ２００が直列に接続されて巻回されている。

第２および第３の巻線Ｌ１００、Ｌ２００は第１の巻線ＬＭで生成される磁束に感応しないようにすることができ、第１の巻線ＬＭは第２および第３の巻線Ｌ１００、Ｌ２００で生成される磁束に感応しないようにすることができる。磁束ループの一部を共用しながら、第１の巻線ＬＭと第２および第３の巻線Ｌ１００、Ｌ２００とを独立した構成にするものである。

特開平８−２９８２１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されているインダクタおよびトランスでは、直列接続された第２の巻線と第３の巻線との接続点に分岐経路を結線することに関しては何ら開示されておらず、接続点を電気的に取り出すことについては何ら示唆されていない。このため、特許文献１に記載されているインダクタおよびトランスを用いて回路を構成する際、第２の巻線と第３の巻線とは、１つのインダクタンス素子として利用することはできるものの、各々の巻線を別個独立のインダクタンス素子として利用することはできない。回路構成上の制約となり問題である。

本発明は前記背景技術に鑑みなされたものであり、複数のインダクタンス素子が複合されて成型されるインダクタンス装置において、直列接続された２つの巻線の接続点を電気的に取り出せる構成とすることにより、複数のインダクタンス素子を一体に成型することに伴う実装面積の縮小や電気特性の向上といった効果を確保しながら、多様な回路構成に適用可能なインダクタンス装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に係るインダクタンス装置は、平面視矩形形状の天板部と、平面視矩形形状の底板部と、天板部と底板部とを接続する第１側柱部乃至第３側柱部とを有するコア部と、コア部の一部の底板部および天板部の外周辺のうち隣り合う角部に第１側柱部および第２側柱部が形成され、第１磁束ループが、天板部、底板部、第１側柱部、および第２側柱部とを含んで周回する第１コアと、コア部の一部の底板部および天板部の外周辺のうち第１側柱部および第２側柱部に挟まれた外周辺に対向し、かつ、第１側柱部および第２側柱部に挟まれていない外周辺に沿って形成され、第２磁束ループが、天板部、底板部、第３側柱部、および第１側柱部とを含む第１の分岐路と、天板部、底板部、第３側柱部、および第２側柱部とを含む第２の分岐路との一対の分岐路に周回する第２コアと、第１コアに巻回される巻線であって、互いに直列接続され、通電された場合に第１磁束ループを重畳する方向に、第１側柱部と第２側柱部とのそれぞれに巻回される第１および第２巻線と、第２コアに巻回される巻線であって、第３側柱部に巻回されると共に、第１乃至第３側柱部に囲まれる空間で、第１および第２巻線の接続点に結線される第３巻線とを備え、第１および第２磁束ループは、第１側柱部において磁束方向が同方向であり、第２側柱部において磁束方向が逆方向である。

これにより、請求項１のインダクタンス装置では、第１乃至第３巻線が、一部を共有する第１および第２コアに各々巻回され複合されて形成されるので、省面積の複合されたインダクタンス装置を構成することができる。

また、第１コアと第２コアとは、少なくとも一部が共有部分を有して構成されており、共有部分に含まれている第２コアの一対の分岐路おいては、第１コアを周回する第１磁束ループの磁束方向に対して、第２コアを周回する第２磁束ループの磁束方向が、分岐路ごとに逆方向である。ここで、第１コアでは、第２コアの２つの分岐路の各々にあたる部分に、通電によって第１磁束ループが重畳するように第１および第２巻線が巻回されている。このため、第１巻線と第２巻線とで、巻線方向に対して互いに反対方向に第２磁束ループが周回する。第２磁束ループの磁束により第１巻線と第２巻線とに誘起される起電力は、互いに逆方向となり相殺される。
また、第２コアには、第１コアとの非共有部分に、第２磁束ループを形成する第３巻線が巻回されている。このため、各々の分岐路を周回する第１磁束ループは、分岐路ごとに第３巻線の巻線方向に対して磁束の周回する方向が逆転する。第３巻線に対して分岐路ごとに反対方向の起電力を発生させる。第３巻線に誘起される起電力は相殺される。第１および第２巻線が巻回されている第１コアを周回する第１磁束ループと、第３巻線が巻回されている第２コアを周回する第２磁束ループとは、互いに干渉することはない。

また、直列接続されてなる第１および第２巻線の接続点には、第１分岐線路が結線されている。第１分岐線路を第１または／および第２巻線の端子とすることができるので、第１巻線と第２巻線とを個別の巻線として回路構成することができる。第１および第２巻線を１つの巻線とする場合も加えて多様な回路構成を実現することができる。

また、請求項２に係るインダクタンス装置は、請求項１に記載のインダクタンス装置において、第１コアに巻回され、第１コアを磁心として、第１および第２巻線と共にフォワード型トランスを構成する第４巻線を備えることを特徴とする。

請求項２のインダクタンス装置では、第１コアに、第１および第２巻線と共に、第１コアを磁心としてフォワード型トランスを構成して第４巻線が巻回されている。これにより、第１および第２巻線と第４巻線とにより、フォワード型のトランスが構成される。この場合、第４巻線を１次側巻線とし、第１および第２巻線を２次側巻線とし、第１分岐線路を２次側巻線の中間タップとして回路を構成してやれば、フォワード型トランスを使用する電源装置を構成することができる。

また、請求項３に係るインダクタンス装置は、請求項２に記載のインダクタンス装置において、第４巻線は、巻線の中間位置に第２分岐線路を備えることを特徴とする。

請求項３のインダクタンス装置では、第１および第２巻線と同じ巻回方向で巻回された第４巻線に第２分岐線路が備えられている。これにより、第４巻線を１次側巻線とし、第１および第２巻線を２次側巻線とし、第１分岐線路を２次側巻線の中間タップ、第２分岐線路を１次側巻線の中間タップとして回路を構成してやれば、プッシュプル型のフォワードコンバータを構成することができる。

また、請求項４に係るインダクタンス装置は、請求項１から３の何れか１項に記載のインダクタンス装置において、第２コアは、第１コアとの非共有部分においてコアギャップを備えることを特徴とする。

請求項４のインダクタンス装置では、第２コアにコアギャップを有するので、第２コアに巻回されている第３巻線による磁束飽和密度を低減することができ、第２コアにおける磁束の飽和現象を防止することができる。

本発明によれば、複数のインダクタンス素子が複合されて成型されるインダクタンス装置において、直列接続された第１および第２巻線の接続点に第１分岐線路が結線されているので、第１および第２巻線の接続点を電気的に取り出すことができる。第１および第２巻線を１つのインダクタンス素子とする回路構成が可能なことに加えて、第１巻線、第２巻線の各々を個別のインダクタンス素子とする回路構成が可能となり、複数のインダクタンス素子を一体に成型したことに伴う実装面積の縮小や電気特性の向上といった効果を確保しながら、多様な回路構成を実現することが可能なインダクタンス装置を提供することができる。

以下、本発明のインダクタンス装置、および電源装置について具体化した実施形態を図１乃至図８に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、第１実施形態のインダクタンス装置１１を示す斜視図である。インダクタンス装置１１のコア部材２は、平面視で矩形形状の底板部および天板部が、３本の柱状部２１乃至２３で連結された構造を有している。図２は、インダクタンス装置１１を、底板部の底面または天板部の上面と平行に柱状部２１乃至２３で切断し、天板部の方向から底板部に向かって見た場合の断面図である。柱状部２１、２２は、底板部および天板部の外周辺のうち、隣り合う角部に形成されている。また、柱状部２３は、底板部および天板部の外周辺のうち、柱状部２１および２２に挟まれた外周辺に対向する外周辺に沿って形成されている。

各々の柱状部２１乃至２３には、第１乃至第３巻線Ｌ１乃至Ｌ３が巻回されている。第１巻線Ｌ１は、端子Ｔ１と端子ＴＭ１との間で柱状部２１に反時計回りに巻回されている。また、第２巻線Ｌ２は、端子Ｔ２と端子ＴＭ１との間で柱状部２１に時計回りに巻回されている。第１巻線Ｌ１と第２巻線Ｌ２とは端子ＴＭ１で連結されている。端子ＴＭ１が第１分岐線路を形成している。柱状部２１に巻回される第１巻線Ｌ１と柱状部２２に巻回される第２巻線Ｌ２とは、互いに逆方向に巻回されているので、柱状部２１、２２は、底板部および天板部で連結されて第１コアを構成する。図３に示すように、第１コアを周回する磁束が第１磁束ループＢ１である。

第３巻線Ｌ３は、端子Ｔ３１およびＴ３２の間で、柱状部２３に反時計回りに巻回されている。第３巻線Ｌ３が巻回されている柱状部２３は、底板部と天板部とを介して柱状部２１および２２で２つの分岐路を経て柱状部２３に戻る第２コアを構成する。図３に示すように、第２コアを周回する磁束は２つの分岐路に分岐して第２磁束ループＢ２を形成する。

ここで、図３に第１および第２磁束ループＢ１、Ｂ２の磁束経路を示す。第１磁束ループＢ１は、第１または／および第２巻線Ｌ１、Ｌ２が、端子Ｔ１から端子ＴＭ１、端子ＴＭ１から端子Ｔ２、または端子Ｔ１から端子Ｔ２の何れかに通電されて形成される。柱状部２１から天板部を通って柱状部２２に至り、底板部を通って柱状部２１に戻る第１磁束ループＢ１が形成される。また、第２磁束ループＢ２は、第３巻線Ｌ３が端子Ｔ３１から端子Ｔ３２に向かって通電されて形成される。柱状部２３から天板部を介して柱状部２１、２２に分岐し、底板部を通って柱状部２３に戻る第２磁束ループＢ２が形成される。

柱状部２１、２２は、第１コアと第２コアとで共有されているので、柱状部２１、２２では、第１磁束ループＢ１と第２磁束ループＢ２とが混在する（領域Ｘ１および領域Ｘ２）。柱状部２１の領域Ｘ１では、第１磁束ループＢ１と第２磁束ループＢ２とは逆方向の磁束方向となり、柱状部２２の領域Ｘ２では、第１磁束ループＢ１と第２磁束ループＢ２とは同方向の磁束方向となる。第１磁束ループＢ１と第２磁束ループＢ２との磁束方向の関係が領域Ｘ１と領域Ｘ２とで逆転しているので、起電力等の外部からの磁束による影響は相殺される。互いに他の磁束ループの存在により磁束密度が影響を受けることはない。

第１実施形態のインダクタンス装置１１によれば、第１乃至第３巻線Ｌ１乃至Ｌ３が柱状部２１乃至２３に巻回されて構成されている。第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２により形成される第１磁束ループＢ１が周回する第１コアと、第３巻線により形成される第２磁束ループＢ２が周回する第２コアとは、天板部と底板部の一部と共に、柱状部２１、２２を共有して構成されている。第１または／および第２巻線Ｌ１、Ｌ２によるインダクタンス素子と第３巻線Ｌ３によるインダクタンス素子とが複合されて成型されるので、省面積のインダクタンス装置１１を構成することができる。

また、第３巻線Ｌ３により形成され２つの分岐路を有する第２コアを周回する第２磁束ループＢ２の磁束方向と、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２により形成され第１コアを周回する第１磁束ループＢ１の磁束方向とは、第１および第２コアの共有部分に含まれる柱状部２１においては逆方向（領域Ｘ１）、柱状部２２においては同方向（領域Ｘ２）となる。このため、第１コアでは、外部からの第２磁束ループＢ２による起電力が相殺され、第２コアでは、外部からの第１磁束ループＢ１による起電力が相殺される。柱状部２１、２２に共有部分の一部を有して複数のインダクタンス素子が複合されて構成されるインダクタンス装置１１において、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２が巻回されている第１コアを周回する第１磁束ループＢ１と、第３巻線Ｌ３が巻回されている第２コアを周回する第２磁束ループＢ２とは、互いに干渉することはない。

また、直列接続されてなる第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２の接続点には端子ＴＭ１が備えられ第１分岐線路が結線されている。したがって、端子Ｔ１および端子Ｔ２により、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２を一つのインダクタンス素子であるコイル素子として構成することができる。加えて、端子Ｔ１および端子ＴＭ１、端子Ｔ２および端子ＴＭ１により、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ独立のインダクタンス素子として取り出すことができる。これにより、例えば、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２を、１次側／２次側巻線としてトランス素子を構成することができる。第１分岐線路を端子ＴＭ１に取り出すことができるので、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２を個別のインダクタンス素子として回路構成することができる。第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２を一つのインダクタンス素子とする場合も加えて多様な回路構成を実現することができる。

図４は、第２実施形態のインダクタンス装置１２の断面図である。第１実施形態のインダクタンス装置１１に加えて、第４巻線Ｌ４が備えられている。第４巻線Ｌ４は、端子Ｔ４１から時計回りに柱状部２２に巻回され、更に柱状部２１に反時計回りに巻回されて、端子Ｔ４２に接続されている。各々の柱状部２１、２２における巻回方向は、第１巻線Ｌ１、第２巻線Ｌ２と同方向である。

また、第１実施形態のインダクタンス装置１１における端子ＴＭ１、および端子Ｔ３１は備えられていない。第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２の接続点である第１分岐線路は、インダクタンス装置１２の内部で第３巻線Ｌ３に直結されている。

これにより、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２と第１巻線Ｌ４とにより、フォワード型トランスを構成することができる。この場合、第４巻線Ｌ４をトランスの１次側巻線、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２をトランスの２次側巻線とすれば、２次側巻線の中間タップが第３巻線Ｌ３で構成されるコイル素子に直結される構成とすることができる。トランスの２次側巻線である第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２の中間タップと第３巻線Ｌ３との結線を、最短の配線長で構成することができる。配線スペースの省スペース化を図ることができると共に、配線抵抗の低減を図ることができる。

図５は、インダクタンス装置１１、１２の応用例を示す回路図である。フルブリッジ構成でスイッチング制御されるフォワード型のトランスを使用する電源装置である。インダクタンス装置１１にインダクタンス装置１２と同様の第４巻線Ｌ４を追加する。これにより、インダクタンス装置１１は、第４巻線Ｌ４を１次側巻線とし、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２を２次側巻線として、フォワード型トランスが構成される。また第３巻線Ｌ３を平滑用コイルとする。第４巻線Ｌ４の端子Ｔ４１、Ｔ４２をフルブリッジ構成のトランジスタに接続する。第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２の両端部である端子Ｔ１、Ｔ２には、ダイオード素子Ｄ１、Ｄ２のカソード端子を接続する。ダイオード素子Ｄ１、Ｄ２のアノード端子は出力端子の負極に接続される。端子ＴＭ１は第３巻線Ｌ３の端子Ｔ３１に接続する。端子Ｔ３２は、出力端子の正極に接続される。出力端子間には平滑用コンデンサが接続される。これにより、フォワード型のトランスを使用する電源装置を構成することができる。

インダクタンス装置１２を使用すれば、端子ＴＭ１と端子Ｔ３１とを直結することができる。これにより、２次側回路において、２次側巻線である第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２から平滑用コイルである第３巻線Ｌ３に至る配線長を最短距離とすることができる。電源装置における配線長を短縮することができ、配線スペースの省スペース化を図ることができると共に、配線経路における熱損失を低減することができる。

図６は、第３実施形態のインダクタンス装置１３の断面図である。第２実施形態のインダクタンス装置１２に加えて、第４巻線Ｌ４の中間位置から第２分岐線路を取り出す端子ＴＭ２が備えられている。ここで、中間位置とは、柱状部２１の巻線と柱状部２２の巻線との中間にある位置である。

これにより、フォワード型トランスを構成する第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２と第４巻線Ｌ４において、１次側および第２次側の各々から中間タップを取り出すことができる。インダクタンス装置１３を利用した電源装置を図７に示す。フォワードトランスの１次側回路構成をプッシュプル構成とすることができる。すなわち、第４巻線Ｌ４の中間タップの端子ＴＭ２を１次側電源に接続すると共に、第４巻線Ｌ４の両端部の端子Ｔ４１、Ｔ４２をそれぞれのスイッチング素子に接続する。

図８に示したコア部材２Ａは、第１乃至第３実施形態のインダクタンス装置１１乃至１３に適用されるコア部材の変形例である。第３巻線Ｌ３が巻回される第２コアの柱状部２３にコアギャップＧを備える構成である。第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２と第４巻線Ｌ４とにより、フォワード型トランスを、図５、図７に示す電源装置に示した回路構成で制御する場合、フォワード型トランスでは通電方向が周期的に反転されて、第１コアを周回する第１磁束ループＢ１の方向が周期的に変化する制御が行なわれる。このため、第１コアに磁束が残留することはなく、コアギャップがなくとも第１コアの磁束密度が飽和してしまうことはない。これに対して、常に同方向からの通電を受ける平滑用コイルとして利用される第３巻線Ｌ３では、第２磁束ループＢ２の方向は常に同じ方向となる。第２コアの磁束密度の飽和を避けるためにコアギャップＧを設けることが有効である。ここで、コアギャップＧは、第３巻線Ｌ３に対してのみ備えることが必要である。コアギャップＧは、第１磁束ループＢ１と第２磁束ループＢ２と非共有部分である柱状部２３に設けられることが好ましい。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、本実施形態においては、コア部材２、２Ａとして、第１および第２巻線Ｌ１、Ｌ２が巻回される柱状部２１、２２と、第３巻線Ｌ３が巻回される柱状部２３との断面形状が異なる場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１乃至第３巻線Ｌ１乃至Ｌ３がそれぞれ巻回される柱状部を備えていればよく、個々の柱状部の断面形状は限定されるものではない。
また、第１実施形態で示したコア部材２では、底板部および天板部が、平面視で矩形形状を有する場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。底板部および天板部が、３角形形状やその他の多角形形状であってもよいことは言うまでもない。底板部および天板部を介して第１磁束ループが形成可能な柱状部２１、２２と、底板部および天板部を介し、柱状部２１、２２とを通って２つの分岐路を備える第２磁束ループが形成可能な柱状部２３とを備えていればよい。
また、電源装置の例として、図５にフルブリッジ構成の電源装置を示し、図７にプッシュプル構成の電源装置を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ハーフブリッジ構成の電源装置についても同様に構成することができる。
また、例示された電源装置は、フォワード型トランスの１次側巻線への給電が周期的に反転する回路動作を行なうものである。この回路動作によれば、第１コアを周回する第１磁束ループの周回方向は周期的に反転することとなり、第１コアに磁化されてしまうことを防止することができる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。１次側巻線に対して断続して同じ方向に給電する回路構成に対しても同様に適用することができる。この場合、第１コアにコアギャップを備えることにより、第１コアに残留する磁化に応じて、第１コアを周回する第１磁束ループが磁気飽和してしまうことを防止することができる。

第１実施形態のインダクタンス装置の斜視図である。 第１実施形態のインダクタンス装置の断面図である。 第１実施形態のインダクタンス装置における磁束ループを示す図である。 第２実施形態のインダクタンス装置の断面図である。 第１および第２実施形態のインダクタンス装置を使用する電源装置の回路図である。 第３実施形態のインダクタンス装置の断面図である。 第３実施形態のインダクタンス装置を使用する電源装置の回路図である。 実施形態のインダクタンス装置に使用されるコア部材の変形例を示す斜視図である。 特許文献１のインダクタンスおよびトランスを示す図である。

２、２Ａ コア部材
１１、１２、１３ インダクタンス装置
２１、２２、２３ 柱状部
Ｂ１ 第１磁束ループ
Ｂ２ 第２磁束ループ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード素子
Ｇ コアギャップ
Ｌ１ 第１第３巻線
Ｌ２ 第２巻線
Ｌ３ 第３巻線
Ｌ４ 第４巻線
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４１、Ｔ４２、ＴＭ１、ＴＭ２ 端子

Claims (4)

1. 平面視矩形形状の天板部と、平面視矩形形状の底板部と、前記天板部と前記底板部とを接続する第１側柱部乃至第３側柱部とを有するコア部と、
   前記コア部の一部の前記底板部および前記天板部の外周辺のうち隣り合う角部に第１側柱部および第２側柱部が形成され、第１磁束ループが、前記天板部、前記底板部、前記第１側柱部、および前記第２側柱部とを含んで周回する第１コアと、
   前記コア部の一部の前記底板部および前記天板部の外周辺のうち前記第１側柱部および前記第２側柱部に挟まれた外周辺に対向し、かつ、前記第１側柱部および前記第２側柱部に挟まれていない外周辺に沿って形成され、第２磁束ループが、前記天板部、前記底板部、前記第３側柱部、および前記第１側柱部とを含む第１の分岐路と、前記天板部、前記底板部、前記第３側柱部、および前記第２側柱部とを含む第２の分岐路との一対の分岐路に周回する第２コアと、
   前記第１コアに巻回される巻線であって、互いに直列接続され、通電された場合に前記第１磁束ループを重畳する方向に、前記第１側柱部と前記第２側柱部とのそれぞれに巻回される第１および第２巻線と、
   前記第２コアに巻回される巻線であって、前記第３側柱部に巻回されると共に、前記第１乃至第３側柱部に囲まれる空間で、前記第１および第２巻線の接続点に結線される第３巻線とを備え、
   前記第１および第２磁束ループは、前記第１側柱部において磁束方向が同方向であり、前記第２側柱部において磁束方向が逆方向であることを特徴とするインダクタンス装置。
2. 前記第１コアに巻回され、前記第１コアを磁心として、前記第１および第２巻線と共にフォワード型トランスを構成する第４巻線を備えることを特徴とする請求項１に記載のインダクタンス装置。
3. 前記第４巻線は、巻線の中間位置に第２分岐線路を備えることを特徴とする請求項２に記載のインダクタンス装置。
4. 前記第２コアは、前記第１コアとの非共有部分においてコアギャップを備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のインダクタンス装置。

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