JP5518241B2 - 回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、例えばコイルやトランス等が実装される電源装置を構成する場合などに用いられる回路基板に関するものである。

プリント基板にコイルまたはトランスが実装された電源装置などの回路基板において、プリント基板をくりぬいてコアを挿入した場合、コイル内部の発熱が問題になる。このような問題への対策として、パターンの厚みを部分的に増やすことで熱を放熱し、プリント基板の温度が過度に上昇しないようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１７８４３９号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の技術では、基板の厚みを厚くすることなく効率の良い電源装置が得られるなどの効果が得られる一方で、例えば車載用機器など特に高温の環境で使用されるものでは耐熱グレードの高い基板材料を用いることが必須となり、しかもパターンの厚みが部分的に厚い特殊なプリント基板をコイルまたはトランス部分だけではなく基板全体に使用することになり、高コストになるという課題があった。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであって、特殊な構造のプリント基板を装置全体に使用することなく、巻線やコアが高温になっても問題のない回路基板を低コストで得ることを目的としている。

本発明にかかる回路基板は、回路が形成されたプリント基板に、少なくとも１つの巻線と、この巻線に鎖交する磁束の磁路を形成するコアを備えた回路基板であって、上記プリント基板には少なくとも上記コアを通過させ得る大きさの貫通孔が設けられ、上記コアは、該貫通孔部分に設置されているとともに、上記巻線は金属の板材から形成され、その両端には接続部が設けられているものであり、上記プリント基板における上記貫通孔を除く部分に、上記巻線の巻回部分の投影部分に沿って形成されたパターンが設けられ、上記巻線の巻回部分は、上記パターンに機械的に固定されていることを特徴とするものである。

本発明による回路基板においては、コアを通過させ得る大きさに形成された貫通孔部分にコアを設置したことにより、巻線内部で発生した熱のプリント基板に対する影響が低減され、基板を耐熱性の低い材料で構成できるため、安価に提供することができるとともに、プリント基板における上記貫通孔を除く部分に、巻線の巻回部分の投影部分に沿って形成されたパターンが設けられ、巻線の巻回部分は、上記パターンに機械的に固定されているので、貫通孔部分に設置されたコアによる磁束と鎖交する巻線を位置変動を生ずることなくプリント基板に確実に保持でき、信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態２における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態３における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態４における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態５における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態６における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態７における回路基板の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態８における回路基板の要部を示す分解斜視図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、電源装置として構成された回路基板は、プリント基板１と、巻線２と、上部側に配設されたＩコア３１及び下部側に配設されたＥコア３２からなるコア３などを用いて構成されている。巻線２は、例えば薄い銅板を渦巻状にプレス成型して形成される。巻線２の両端にはプリント基板１に設けられたスルーホール１ａに挿入し、はんだ付けによりプリント基板１と電気的に接続するための接続部２ａが折曲形成されている。巻線２の中間部分である巻回部分には１つ以上の固定用突部２ｂが設けられている。固定用突部２ｂは機械的強度や騒音防止などの機能上必要な適宜の位置に形成される。

プリント基板１には、上記スルーホール１ａの他、上記固定用突部２ｂを挿入、固定するためのスルーホール１ｂが設けられている。スルーホール１ｂに挿入された巻線の固定用突部２ｂは、はんだ付けによりプリント基板１と機械的に固定される。また、プリント基板１には、少なくとも下部のＥコア３２を通過させ得る大きさに形成された貫通孔１１が設けられている。上記貫通孔１１は、Ｅコア３２の投影面内にプリント基板１の一部分が存在しない、矩形状に形成されている。このため、巻線２がＥコア３２の脚の部分を通過する箇所は、プリント基板１に対して浮いている状態となっている。なお、回路素子やその他の実装部品や配線パターンなどは図示を省略している。

上記のように構成された実施の形態１においては、プリント基板１の所定部に巻線２を装着した後、貫通孔１１の下側からＥコア３２を挿入させ、プリント基板１の上部からＩコア３１をＥコア３２の脚部に組み合わせ、図示していない固定手段によってＩコア３１とＥコア３２をプリント基板１に対して固定することによって、Ｉコア３１とＥコア３２からなるコア３は、巻線２に鎖交する磁束の磁路を形成し、例えばリアクトルなどの電源装置として構成された回路基板が得られる。

上記のように構成された実施の形態１によれば、プリント基板１にコア３を通過させ得る大きさの貫通孔１１を設け、その貫通孔１１の部分にコア３を設置するようにしたことにより、巻線２やコア３からプリント基板１に伝わる熱を抑えることができる。このため、コア３に対する巻回部分に熱が停滞することで発生するコア３内に存在するプリント基板の放熱対策を従来のように追加で実施する必要がなく回路基板のコストを低減できる。具体的には、銅張積層基板の難燃性を示す「ＦＲグレード」は、従来のものでは、プリント基板１の素材として耐熱性のガラス布基材エポキシ樹脂を用いる「ＦＲ５グレード」相当のものである場合があったが、実施の形態１ではＦＲグレードがそれよりも低い基板を用いることができる。このため、従来はコストが大きく上昇するという問題があったが、実施の形態１では安価に提供することができる。

なお、上記実施の形態１において、用いるコア３の形状として、上部にＩコア３１を、下部にＥコア３２を配置した場合について説明したが、当然のことながら、上部にＥコア３２を、下部にＩコア３１を配置した場合や、上下共にＥコアを配置した場合などにおいても同様であることは言うまでもない。また、巻線２が１つの場合について説明したが、二次巻線を設けることで、トランスとして構成した場合でも、同様の効果が得られる。また、回路基板を電源装置として構成したが、これに限定されるものではない。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、コイル形状が実施の形態１と同様の巻線２Ａは、巻線の巻回部分に実施の形態１における固定用突部２ｂ（図１に図示）が設けられていない。そして、プリント基板１の貫通孔１１を除いた部分には、巻線２Ａの巻回部分の投影形状に対応した銅張パターン１２が形成されている。巻線２Ａの巻回部分は、プリント基板１の銅張パターン１２にはんだ付けすることで、機械的に固定される。その他の構成は実施の形態１と同様である。

上記のように構成された実施の形態２においては、巻線２Ａの巻回部分におけるプリント基板１上に延在する部分はプリント基板１に設けられた銅張パターン１２に直接固定されるので、巻線２Ａを強固に保持することができる。また、実施の形態１と同様にコア３が挿入される部分にはプリント基板が設けられていないので、コア３内部の熱が停滞することで発生するコア内部に存在するプリント基板１の放熱対策として、例えば、プリント基板１の素材にＦＲ５グレード相当のものを使用するなどの対策を追加で実施する必要がなく、回路基板のコストを低減できるという効果が得られる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、巻線２Ａは、例えば薄い銅板を渦巻状にプレス成型して形成され、実施の形態２と同様に両端部に接続部２ａが折曲形成されている。プリント基板１には、実施の形態１、２と同様のスルーホール１ａ及び貫通孔１１が設けられている。スルーホール１ａには巻線２Ａの両端の接続部２ａが挿入され、はんだ付けによりプリント基板１と電気的に接続される。また、巻線２Ａは、上下に２分割された耐熱樹脂からなる巻線保持部材４（上ボビン４１、下ボビン４２）によって上下方向から押さえつけることで機械的に固定される。上ボビン４１と下ボビン４２には、Ｅコア３２の脚３２ａ、３２ｂ、３２ｃを挿通させる３つの穴４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ設けられている。また、巻線保持部材４の外寸はプリント基板１の貫通孔１１よりも大きく形成されており、下ボビン４２の中央部上面に突設された巻線保持部４２１が貫通孔１１内に進入し得るように構成されている。

なお、コア３と巻線保持部材４は適宜の手段（図示省略）でプリント基板１あるいはその他の固定部等に固定される。例えば、Ｉコア３１はバネ状の部材（図示省略）で下方向に押さえ付けられているほか、Ｅコア３２の下にはこの例では筐体が配設されるため、Ｉコア３１及びＥコア３２が上下に動くことはない。また、振動のない環境で使用される場合などにおいては必ずしも必要ではないが、下ボビン４２における巻線保持部４２１の上面の巻線２Ａと接する面には、巻線２Ａが丁度嵌るような渦巻曲線の一部で成る弧状の溝４２１ａを設けることにより、外部からの力で巻線２Ａが振動して内側の巻線と外側の巻線が接触することを防ぐことができる。同様に、振動のない環境で使用する場合などにおいては必ずしも必要ではないが、上ボビン４１に、凸状のコア係止部４１１を設けることにより、Ｉコア３１の平面方向の移動を抑制できる。

ここで、プリント基板１の耐熱性は、一般的なＦＲ４グレードの材質を使用したものにおいて、約１３０℃である。一方、耐熱樹脂製の巻線保持部材４は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂のような材質でできており、一般的に２００℃以上の耐熱性を有している。そのため、巻線２Ａの内部が、プリント基板１の耐熱温度を超えた温度となったとしても、耐熱樹脂製の巻線保持部材４が熱的に問題となることはない。その他の構成は実施の形態１と同様である。

上記のように構成された実施の形態３によれば、巻線２Ａの巻回部分を、上下に２分割された耐熱樹脂製の巻線保持部材４によって上下から挟持するように固定したので、プリント基板１の放熱対策として、例えば、プリント基板１の素材にＦＲ５グレード相当のものを使用するなどの対策を追加で実施する必要がなく、得られる回路基板のコストを低減できるという効果が得られる。また、巻線保持部材４に、巻線２Ａが丁度嵌るような溝４２１ａを設けたことで、組立が容易となり、耐振動性を強化することもできる。さらに、巻線保持部材４に、コア３を係止する凸状のコア係止部４１１を設けたことにより、コア３の保持力が向上され、信頼性もアップする。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、プリント基板１には、下部のＥコア３２が挿入でき、しかも巻線２ＢのＥコア３２に対する巻回部分の投影面を含めた、矩形と円形を組み合わせた形状の貫通孔１１Ａが設けられている。貫通孔１１Ａは、Ｅコア３２の投影面と、巻線２Ｂの巻回部分の投影面内にプリント基板１の一部分が存在しないように構成されている。また、耐熱樹脂からなる巻線保持部材４Ａ（上ボビン４１Ａ、下ボビン４２Ａ）は、貫通孔１１Ａの形状に対応させて矩形と円形を組み合わせた形状で、実施の形態３と同様に貫通孔１１Ａの大きさよりも大きく、円形状の巻線保持部４２１のみが貫通孔１１Ａ内に挿入し得るように形成されている。その他の構成は実施の形態３と同様である。

上記のように構成された実施の形態４においては、コア３内部の熱が停滞することで発生する、コア内部に存在するプリント基板１の放熱対策として、従来技術のように、例えば、プリント基板１の素材にＦＲ５グレード相当のものを使用するなどの対応を追加で行う必要がなく、得られる回路基板のコストを低減できる。また、巻線２Ｂの投影面全体にわたり、プリント基板１を切り抜くことで、巻線２Ｂ自体から発生する熱（例えば銅損）が大きく、プリント基板１の耐熱温度以上の温度になるような場合においても、追加の放熱対策を施す必要がなくなるという効果が得られる。

なお、巻線２Ｂが円形状である場合について説明したが、巻線２Ｂの形状は特に限定されるものではなく、例えば、楕円形、もしくは矩形等の、円形以外の形状でもよく、この場合はプリント基板１に空ける貫通孔１１Ａの形状を巻線２Ｂの形状に応じたものとすれば良い。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、電源装置として構成された回路基板は、プリント基板１と、耐熱性樹脂でインサート成型された巻線２Ｃと、上部のＩコア３１と、下部のＥコア３２などを用いて構成されている。巻線２Ｃを構成する図示されていない素線は、例えば薄い銅板を渦巻状ないしは螺旋状にプレス成型して形成される。プリント基板１には、巻線２Ｃの両端の接続部２ａを挿入するスルーホール１ａが設けられており、スルーホール１ａに挿入された接続部２ａは、はんだ付けによりプリント基板１と電気的に接続される。また、インサート成型された巻線２Ｃは、図の下方向に突出された１つ以上の係止突起２ｃをもち、プリント基板１に形成された穴１ｃに嵌め込み接合されることにより、プリント基板１と機械的に固定される。

プリント基板１は、Ｅコア３２が挿入できるよう、実施の形態１と同様の貫通孔１１が設けられている。貫通孔１１は、下部のＥコア３２の脚の部分だけでなく、Ｅコア３２内部の巻線２の下部分のプリント基板１を含め、Ｅコア３２の投影面内にプリント基板１の一部分が存在しないよう、矩形となっている。ここで、プリント基板１の耐熱性は、一般的なＦＲ４グレードの材質を使用したものにおいて、約１３０℃である。一方、巻線２Ｃのインサート成型に用いている耐熱性樹脂は、例えばＰＰＳ樹脂のような材質でできており、一般的に２００℃以上の耐熱性を有している。そのため、巻線２Ｃの内部が、プリント基板１の耐熱温度を超えた温度となったとしても、耐熱性樹脂でインサート成型された巻線２Ｃが熱的に問題となることはない。

上記のように構成された実施の形態５においては、コア３内部の熱が停滞することで発生する、コア内部に存在するプリント基板１の放熱対策、例えば、プリント基板１の素材にＦＲ５グレード相当のものを使用するなどの対策を追加で実施する必要がなく、回路基板のコストを低減できる。なお、巻線２Ｃがインサート成型体で成る場合について説明したが、アウトサート成形を利用して巻線を保持するようにしても良い。

実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、電源装置として構成された回路基板は、プリント基板１と、耐熱性樹脂でインサート成型された巻線２Ｃと、上部のＩコア３１と、下部のＥコア３２などを用いて構成されている。プリント基板１に設けられた貫通孔１１Ｂは、Ｅコア３２が挿入でき、しかも、巻線２Ｃの円形を成す巻回部分の投影面内にもプリント基板１の一部分が存在しないよう、貫通孔１１Ｂの形状は、矩形と円形を組み合わせたような形状となっている。その他の構成は耐熱材料の選択的な使用などを含めて実施の形態５と同様である。

上記のように構成された実施の形態６においては、コア３内部の熱が停滞することで発生する、コア内部に存在するプリント基板１の放熱対策、例えば、プリント基板１の素材にＦＲ５グレード相当のものを使用するなどの対策を追加で実施する必要がなく、回路基板のコストを低減できる。また、インサート成型された巻線２Ｃの投影面全体にわたり、プリント基板１を切り抜くことで、インサート成型された巻線２Ｃ自体から発生する例えば銅損などによる熱が大きく、プリント基板１の耐熱温度以上の温度になるような場合においても、追加の放熱対策を施す必要がなくなる。また、貫通孔１１Ｂが矩形と円形を組み合わせた形状で、巻線２Ｃの下部にプリント基板１が存在しないため、プリント基板１が受ける熱の影響は実施の形態５の場合よりも低減される。

実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、電源装置として構成された回路基板は、耐熱温度が約１３０℃の一般的なＦＲ４グレードの材質を用いた主基板であるプリント基板１と、巻線２Ｄが設けられ、少なくともプリント基板１よりも耐熱性の高い材質からなるＦＲ５グレード相当の円形状で中心部にＥコア３２の脚を挿通させる貫通孔が設けられた副プリント基板５と、上部側に配設されたＩコア３１と、下部のＥコア３２などを用いて構成されている。副プリント基板５は複数層に形成され、巻線２Ｄはその層間にも配設されてシリーズに接続されたコイル（図示省略）を成している。

副プリント基板５の外周部にはその巻線２Ｄの両端部から導出され、プリント基板１上の回路と電気的に接続するための接続部２ｄが突出されている。接続部２ｄは基板１に設けられたパターン１ｄにはんだ付けすることにより電気的に接続される。副プリント基板５は、接続部２ｄの反対側の突出部に形成された固定用パターン５ｅを、プリント基板１の固定用パターン１ｅにはんだ付けすることにより、接続部２ｄと協働して機械的に固定される。プリント基板１には、下部のＥコア３２が挿入できるよう、実施の形態１と同様の貫通孔１１が設けられている。貫通孔１１は、Ｅコア３２の脚の部分だけでなく、Ｅコア３２の投影面内にプリント基板１の一部分が存在しないよう矩形となっている。

上記のように構成された実施の形態７においては、動作中、巻線２Ｄやコア３の発熱により副プリント基板５はプリント基板１よりも温度が上昇するが、プリント基板１よりも耐熱性の優れたＦＲ５グレード相当の材料を用いていることにより、特に問題を生じることはない。また、耐熱性の高い材質を使用した基板は高コストとなるが、副プリント基板５として、巻線２Ｄ部分にのみ使用したものであるため、主基板であるプリント基板１全体を高コストな耐熱性の高い基板とする必要がなく、回路基板のコストを低減できる。

なお、副プリント基板５を、プリント基板１に直接はんだ付けによって固定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、副プリント基板５を他の部材を介して間接的にプリント基板１に固定しても良いし、プリント基板１に対して、ピンやねじなどを用いあるいは用いない適宜の固定手段を利用して固定しても差し支えない。また、巻線２Ｄの形状は例えば渦巻状や螺旋状など他の形状としても良く、さらに四角形状にするなど適宜変更できることは言うまでもない。

実施の形態８．
図８は本発明の実施の形態８における回路基板の要部を示す分解斜視図である。図において、プリント基板１には図４、図６に示す実施の形態４、６と同様形状の貫通孔１１Ｃが設けられている。貫通孔１１Ｃは、Ｅコア３２を通過させ得ると共に、副プリント基板５の円形状部分の投影面内にプリント基板１の一部が存在しないように、矩形と円形を組み合わせた形状となっている。その他の構成は、基板の耐熱グレードを含めて実施の形態７と同様である。

上記のように構成された実施の形態８においては、耐熱性の高い材質を使用したプリント基板を、コイル部分にのみ使用できるようになり、プリント基板１全体を高コストな耐熱性の高い基板とする必要がなく、回路基板のコストを低減できる。また、副プリント基板５の投影面全体にわたり、プリント基板１が切り抜かれていることで、副プリント基板５自体から発生する例えば銅損などの熱が大きく、プリント基板１の耐熱温度以上の温度になるような場合においても、追加の放熱対策を施す必要がない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、回路基板が電源装置として構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。また、用いる絶縁材料の種類、コア３や巻線２の形状や材質、固定手段なども適宜変更し得ることは言うまでもない。

１ プリント基板、 １ａ、１ｂ スルーホール、 １ｃ 穴、 １ｄ パターン、 １ｅ 固定用パターン、 １１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 貫通孔、 １２ 銅張パターン、 ２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 巻線、 ２ａ 接続部、 ２ｂ 固定用突部、 ２ｃ 係止突起、 ２ｄ 接続部、 ３ コア、 ３１ Ｉコア、 ３２ Ｅコア、 ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 脚、 ４、４Ａ 巻線保持部材、 ４ａ、４ｂ、４ｃ 穴、 ４１、４１Ａ 上ボビン、 ４１１ コア係止部、 ４２、４２Ａ 下ボビン、 ４２１ 巻線保持部、 ４２１ａ 溝、 ５ 副プリント基板、 ５ｅ 固定用パターン。

Claims (3)

1. 回路が形成されたプリント基板に、少なくとも１つの巻線と、この巻線に鎖交する磁束の磁路を形成するコアを備えた回路基板であって、上記プリント基板には少なくとも上記コアを通過させ得る大きさの貫通孔が設けられ、上記コアは、該貫通孔部分に設置されているとともに、上記巻線は金属の板材から形成され、その両端には接続部が設けられているものであり、上記プリント基板における上記貫通孔を除く部分に、上記巻線の巻回部分の投影部分に沿って形成されたパターンが設けられ、上記巻線の巻回部分は、上記パターンに機械的に固定されていることを特徴とする回路基板。
2. 上記巻線の巻回部分は、はんだ付けにより上記パターンに固定されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 上記プリント基板の上記貫通孔に設置され上記巻線に鎖交する磁束の磁路を形成する上記コアは、互いに組み合わされる第１のコア部分および第２のコア部分で構成され、上記第１のコア部分および上記第２のコア部分は固定手段によって上記プリント基板に固定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。

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