JP6276468B2 - 補助巻線を備える誘導性電気部品 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの巻線を有する電気部品、このような電気部品を有する電気回路、及び前記電気回路を動作させる方法に関する。より詳細には、本発明は、主巻線及び補助巻線を備える電気部品に関する。

既知の誘導性電気部品は、ボビン、即ち、心棒又は円柱のような担体部に券かれる少なくとも１つの導体の巻線を有する。このような電気部品は、例えば、巻線（即ち、複数巻きの導線）を１つしか持たないインダクタ若しくはセンサコイル、又は２つ以上の巻線を備える変圧器を有する。ここでは主巻線と呼ばれるこれらの巻線は、インダクタンス及び／又は誘導結合を供給する。それらは、多様な電気回路において用いられ得る。とりわけ、選ばれるトポロジに依存するスイッチング電源(switched mode power supply)においては、エネルギ貯蔵部として及び／又は変圧のために、インダクタ又は変圧器が用いられ得る。

DE 10 2009 058 835 A1は、少なくとも２つの巻線区画を有するコイル担体を備えるセンサコイルについて記載している。射出成形によってコイル担体が作成され、ＭＩＤ(molded interconnect device)技術によって作成されるその表面上に直に金属導体トレースが付される。導体トラックは、担体の表面上に軸方向に本質的に平行なプラグ接点から延在する。

幾つかのアプリケーションにおいて、主巻線を備える誘導性部品は、付加的な補助巻線、即ち、主巻線と誘導結合するよう構成される１巻き以上の他の導体と共に用いられている。一般に、補助巻線は、相対的に少ない巻数、一般に、電子部品の主巻線より少ない巻数を有する。付加的な補助巻線は、電気回路において、測定するため、付加的な電源を供給するためなどのような多様な目的のために用いられ得る。

このような補助巻線は、主巻線から電気的に絶縁された、１巻き以上の他の導線として、コイル及び変圧器に設けられる。しかしながら、必要な電気絶縁は、部品の複雑性を増し、非常に少ない巻数の補助巻線を設けることは、それの正確な構成の問題を引き起こし得る。

単純な構成の補助巻線を備える電気部品を供給することが目的だと考えられる。

この目的は、請求項１に記載の電気部品、請求項１２に記載の電気回路、及び請求項１４に記載の動作方法によって解決される。従属請求項は、本発明の好ましい実施例に関する。

本発明者は、補助巻線が、単純に、１つの主巻線と一緒に、又は複数の主巻線と一緒に、ボビンに巻かれる場合には、非常に少ない巻数のワイヤの配置が、正確には規定されず、誘導電圧のかなりの許容誤差をもたらすことに気づいた。

本発明によれば、前記ボビンの表面に設けられる導体トレースから成る少なくとも１つの補助巻線を供給することが提案される。これは、前記部品の製造を容易にすると共に、正確な配置を確実に達成し、それによって、許容誤差の削減を達成するのに役立ち得る。

前記電気部品の前記主巻線、即ち、コイルの場合における単一のインダクタ巻線、又は変圧器の場合における少なくとも一次及び二次巻線は、前記ボビンに巻かれる複数巻きの導線として設けられ得るのに対して、前記補助巻線は、前記ボビンの表面上の導体トレースとして設けられる。このようにして設けられる前記補助巻線は、下で好ましい実施例のために説明されるように、１巻きしか含まなくてもよいが、２巻き以上有するよう形成されてもよい。前記補助巻線は、少なくとも１つの主巻線に誘導結合されるよう構成され、即ち、この巻線を通って流れる可変電流は、前記補助巻線に電流を誘導する。好ましくは、前記主巻線及び前記補助巻線は、共通の軸のまわりに巻きつけられ、且つ／又は共通の強磁性コアのまわりに巻きつけられる。

前記ボビンは、前記主巻線のための担体としての役割を果たす。前記ボビンは、非導電材料で作成される。好ましい実施例においては、前記ボビンは、プラスチック材料で作成され、例えば、射出成形によって作成される。前記導体トレースは、ＭＩＤ(molded interconnect device)として知られている技術によって前記ボビンの表面に設けられ得る。このようなＭＩＤの例は、レーザ・ダイレクト・ストラクチャリング、ツーショット射出成形、又は熱エンボス加工である。

本発明の或る好ましい実施例によれば、前記ボビンは、少なくとも１つのフランジによって、好ましくは、巻線区画の軸方向両端にあるフランジによって軸方向に境界がつけられる巻線区画を少なくとも１つ含み得る。前記巻線区画は、巻かれた導線を収容する空間を供給する。前記主巻線は、前記巻線区画内に巻かれる。前記巻線区画のフランジに、前記フランジによって前記主巻線から分離される前記補助巻線のための前記導体トレースを設けることは好ましい。前記フランジの軸方向外面は、前記補助巻線の、良好な誘導結合を伴う配置を可能にする。更に、前記フランジの材料は、電気絶縁を供給する。

好ましくは、前記電気部品は、強磁性コアであって、少なくとも前記主巻線が前記コアのまわりに巻きつけられるように構成される強磁性コアを有する。前記コアが前記ボビンの開口部内に設けられることは好ましい。長手方向軸に沿ってまっすぐに延在する少なくとも一部を備えるボビンの場合には、前記コアは、好ましくは、軸方向に延在する。

前記ボビンに１つより多くの主巻線が巻かれる場合には、第１主巻線のまわりに巻きつけられ、絶縁体によって分離される第２主巻線を設けることが好ましい。

或る好ましい実施例においては、前記補助巻線は、少なくとも２巻きの前記導体トレースを有する。この場合には、橋絡素子を設けることによって前記補助巻線の前記２巻きの絶縁交差を達成することが好ましい。前記橋絡素子は、好ましくは、長手方向において導電性であり、好ましくは、前記補助巻線の少なくとも１巻きと電気的に直列に、好ましくは、２巻きの間に、配設される。前記橋絡素子は、交差される導体トレースとの電気接触に対する（空隙若しくは非導電材料、又は両方による）絶縁を供給することによって、導体トレースの交差を可能にする。例えば、前記橋絡素子は、ＳＭＤ部品であり得る。1Ω以下、好ましくは1mΩ以下のような十分に低い抵抗値を持つ入手可能なＳＭＤ抵抗器でも十分な導電性が得られ得る。

本発明の或る実施例においては、複数の端子が設けられる。前記端子のうちの２つは、前記主巻線に接続され得る。前記端子のうちの２つは、前記補助巻線の端部に接続され得る。前記ボビンには、電気絶縁材料で作成されたベースプレートが固定されてもよく、これは、前記ベースプレート及び前記ボビンが共通成形パーツとして設けられ得ることを含む。電気端子が、前記ベースプレートの或る側部の表面に設けられてもよい。好ましくはＭＩＤ技術によって作成される導体トレースは、第１側面とは反対側の第２側面まで前記ベースプレートのまわりに延在するよう設けられ得る。好ましい実施例に関連して明らかになるだろうように、これは、とりわけ、前記端子が、例えばＳＭＤ接触のために、前記ベースプレートの下側に設けられる場合に、電気接続を容易に達成するのに役立ち得る。

本発明の他の好ましい実施例によれば、少なくとも１つの表面実装デバイス（ＳＭＤ）部品が、前記ボビンに設けられてもよく、少なくとも１つの導体トレースに電気的に接続される。このＳＭＤ部品は、例えば、交差を供給するために橋絡素子として用いられ得る。また、他の回路素子が、電気回路を形成するよう前記ボビンの表面にＳＭＤ部品として設けられてもよい。

本発明は、更に、上記のような電気誘導性部品を有する電気回路であって、前記補助巻線が、電源としての役割を果たすよう接続される電気回路に関する。例えば、前記電気回路は、動作電力を必要とする集積回路素子を含み得る。前記集積回路素子は、前記集積回路素子のための電力供給端子を含み得る。その場合、前記補助巻線は、前記主巻線を通る変動電流を伴う前記部品の動作中に、前記補助巻線に誘導される電流が前記集積回路素子の動作のための電力の供給源としての役割を果たすように、前記電力供給端子に接続され得る。

これは、前記主巻線の少なくとも１つに電気的に接続される制御可能なスイッチング素子を有する回路であって、前記集積回路素子が、前記制御可能なスイッチング素子を制御するよう設けられる回路には、とりわけ有用であり得る。前記制御可能なスイッチング素子が、導通状態と非導通状態とを交互にするよう動作される場合には、時間変化電流が、前記主巻線を通って流れ、それによって、誘導結合されている前記補助巻線に電流を誘導する。

とりわけスイッチング電源（ＳＭＰＳ）においては、このようにして補助巻線を通して制御可能なＩＣに電力を供給することは、有用である。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。

変圧器の第１実施例の斜視図を示す。 ボビン上の巻線を含む図１の変圧器の分解図を示す。 図２における線Ｂ−Ｂに沿った断面を備える図２のボビンの長手方向断面図を示す。 第２実施例によるボビンの斜視図を示す。 線Ｃ−Ｃに沿った断面を備える図３のボビンの断面図を示す。 補助巻線を備える変圧器を含む第１回路の回路図を示す。 補助巻線を備えるインダクタを含む第２回路の回路図を示す。

図１は、誘導性電気部品の一例として変圧器１０を斜視図で示している。図１乃至３、とりわけ図２の分解図に示されているように、変圧器１０は、強磁性コア１２の２つの半体と、主巻線として一次及び二次巻線１６、１８を備えるボビン１４とを含む。巻線１６、１８は、ボビン１４の長手方向軸Ａのまわりに巻き付けられた、複数巻きの導線として設けられる。

ボビン１４は、射出成形によってプラスチック材料で作成され、第１及び第２フランジ２２、２４によって両端部において軸方向に境界がつけられる巻線区画２０を有する。ボビン１４の軸方向中心は、図２に示されているように強磁性コア１２を受けるための開口部２６を含む。

ボビン１４と一体に作成されるベースプレートに、導電体端子３０として複数のピンが設けられる。

図３の長手方向断面図に示されているように、一次巻線１６及び二次巻線１８は、それらの間に電気絶縁層３２が設けられている状態で、互いの上に巻かれている。一次及び二次巻線１６、１８は、フランジ２２、２４によって両端部において軸方向に境界がつけられている巻線区画２０内に収容される。巻線１６、１８の個々のワイヤは、ここでは単に説明のために示されており、縮尺通りには示されていないことに注意されたい。各巻線の実際の巻数は様々であり得る。

変圧器１０は、ボビン１４の外面上に、即ち、この例においては、図１乃至３において左側に示されているフランジ２２のうちの１つの外面上に、導体トレース３４として設けられる補助巻線５４を更に有する。

図２に示されているように、導体トレース３４は、２つの電気端子３０の間に延在すると共に、ボビン１４の軸方向開口部２６を囲み、この例においては直角に配設される、複数のセクションを有する。

このようにして形成される補助巻線は、１巻きだけの巻線を有する。一次及び二次巻線の導体に平行な構成、及び軸Ａのまわりに延在する導体トラック３４の構成により、補助巻線５４は、主巻線（一次及び二次巻線１６、１８）と良好な誘導結合をしている。コア１２が挿入される場合には、補助巻線５４は、コア１２の中央部のまわりに延在する。

導体トレース３４は、ボビン１４の非導電性プラスチック材料の表面に直に設けられる平坦な金属構造である。ボビン１４は、ボビン１４の表面の一部にＭＩＤ(molded interconnect device)技術によって導体トレース３４が設けられた状態で、射出成形によって作成される。従って、導体材料のトレースは、ボビン１４の表面に直に形成され、これは、熱可塑性材料の一部として設けられることができ、導体トレース３４が、更に、ボビン１４に固定される又は付される必要がない。

このようなＭＩＤ技術の例は、例えば、レーザ・ダイレクト・ストラクチャリング（ＬＤＳ）、ツーショット射出成形(two-shot injection molding)、又は熱エンボス加工である。ＬＤＳにおいては、ボビン１４のプラスチック材料に、レーザによって活性化され得る金属・プラスチック添加物がドープされる。射出成形プロセスでのボビン１４の形成後に、レーザが、ボビン１４の表面上に所望の導体トラック３４を書き込み、それによって、金属添加物を活性化させ、例えば、銅製バスにおける、その後の金属化のための基体を形成する。

ツーショット射出成形においては、２つの異なる樹脂が用いられ、前記樹脂の一方は、（例えばＡＢＳのような）金属めっき可能なものであり、他方は、金属めっきできないもの（例えばポリカーボネート）である。めっき可能な樹脂は、後にめっきプロセスによって形成される導体トラック３４の所望の形状で設けられる。

熱エンボス加工においては、ホットスタンピングダイを用いてボビン１４のプラスチック材料上に導体トレース３４がエンボス加工される。高温の下で、金属箔が、或る圧力で前記表面上にスタンプされ、それによって、導体トラック３４を形成する金属箔を付す。

図６は、誘導結合される一次巻線１６、１８及び補助巻線５４を備える変圧器１０を有する例示的な電気回路４０を示している。回路４０は、スイッチング電源（ＳＭＰＳ）の例であり、入力端子４２に加えられる入力電圧Ｖ_Ｉは、出力端子４４の間の負荷Ｌに印加される出力電圧Ｖ_Ｏに変圧される。

図６に示されている回路４０内では、変圧器１０の一次巻線１６は、入力端子４２に接続されると共に、スイッチング素子としてのトランジスタＴ１を介して接地される。集積回路４６は、スイッチング素子Ｔ１を、オン及びオフにされるよう制御し、それによって、選択的に、電流が入力端子４２から一次巻線１６を通って流れることを可能にする制御装置の役割を果たす。

変圧器１０の二次側においては、二次巻線１８が、出力部４４と直列のダイオードＤ１を介して、負荷Ｌと接続される。回路４０のトポロジは、フライバックコンバータとして知られている。

集積制御回路４６は、出力端子４４において所望の電圧及び／又は電流を得るようスイッチング素子Ｔ１を制御する機能を実施するために動作電力を必要とする。最初の起動期間においては、集積回路４６は、起動抵抗器Ｒ１を通って流れる電流であって、コンデンサＣ１を充電する電流によって、給電される。起動期間中、集積制御回路４６は、少ししか電力を消費しないだろう。その後のスイッチング動作中には、集積制御回路４６は、起動期間中よりかなり多くの電力を必要とする。

抵抗器Ｒ１においてかなりの損失をもたらすだろう起動抵抗器Ｒ１を介する動作電力の供給ではなく、電力は、変圧器１０の補助巻線５４から供給される。集積制御回路４６は、スイッチング素子Ｔ１を制御して、一次巻線１６を通る電流が、パルス状に流れることを可能にするので、誘導結合されている補助巻線５４に電流が誘導される。

この電流は、整流ダイオードＤ２によって整流され、コンデンサＣ１によって安定化される動作電力として集積制御回路４６に供給される。

従って、図６に示されている回路４０は、変圧器１０を有する回路内で、補助巻線が、どのようにして、同じ回路の別の部品、この場合には、スイッチング素子Ｔ１を制御する集積回路４６のための電源として用いられ得るかの例である。

図４は、部品５０の第２実施例の一部を示している。部品５０は、大部分において、図１乃至３に従う部品１０に対応し、部品５０のボビン１４の一部だけが図４に示されている。同様のパーツは、同様の参照符号で示されるだろう。以下においては、違いだけが更に説明されるだろう。

部品５０のボビン１４も、補助巻線５４を有する。第１実施例と同様に、補助巻線５４は、ボビン１４の表面上に、即ち、フランジ２２上に、ＭＩＤ技術によって形成される導体トレース３４で形成される。

第１実施例による部品１０とは対照的に、部品５０の補助巻線５４は、２巻きの導体トレース３４を有する。図４に示されているように、導体トレース３４の下部は、ボビン１４のベースプレート２８に設けられるが、これは、ボビン１４の一体化している構成要素である。

必要な電気的に絶縁された交差を達成するために、ＳＭＤ部品５６が、ボビン１４の表面上に、この例においてはベースプレート２８上に、設けられる。ＳＭＤ部品５６は、導体トレース３４によって形成されるＳＭＤパッド間に電気的に接続される低オームＳＭＤ抵抗器であるが、ＳＭＤ部品５６の下を通る別の導体トレースは、それと電気的に絶縁されている。

従って、電気端子５８の間には、主巻線１６、１８に誘導結合される、巻数が２の補助巻線５４が設けられる。

図５の長手方向断面図において示されているように、ベースプレート２８の表面上に同様にＭＩＤ技術によって形成される導体トレース６０は、ベースプレート２８のまわりに延在し、ベースプレート２８の下側のＳＭＤ接続パッドとして端子５８を形成する。

本発明を、図面において図示し、上記の説明において詳細に説明しているが、このような図及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。

例えば、変圧器として記載されている電気部品１０、５０は、各々、２つの主巻線１６、１８を有するが、他の例においては、部品は、ボビンに巻かれる主巻線を１つしか持たないコイル、例えば、インダクタコイルとして設けられ得る（図示せず）。例として、図７が回路７０を示している。回路７０は、図６の変圧器４０の代わりに主巻線１８を１つしか持たないコイル７２を用いるブーストコンバータのトポロジを備えるスイッチング電源である。図７に示されているように、集積回路４６が、スイッチＴ１を連続的に開閉するよう制御し、斯くして、主巻線１８を通る可変電流をもたらすと共に、並列のコンデンサＣ２及び抵抗器Ｒ２から成る負荷Ｌへの出力電圧Ｖ_Ｏの供給をもたらす。ここでも、補助巻線５４が、集積回路４６に動作電力を供給し得る。

当業者は、請求項記載の発明の実施において、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成することができる。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外しない。

単に、特定の手段が、異なる実施例だけに、又は相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (12)

1. ボビンに巻かれる複数巻きの導線から成る少なくとも１つの主巻線と、
   前記ボビンの表面に設けられる少なくとも１巻きの導体トレースから成る少なくとも１つの補助巻線とを有する電気部品であって、
   複数の電気端子が設けられ、前記電気端子のうちの２つが少なくとも１つの主巻線に接続され、前記電気端子のうちの２つが前記補助巻線に接続され、
   前記電気部品が電気絶縁材料で作成されるベースプレートを更に有し、前記ベースプレートが前記ボビンに固定され、
   前記電気端子が前記ベースプレートの第１側面に設けられ、
   前記ベースプレートの表面に設けられる導体トレースが前記電気端子に電気的に接続され、前記導体トレースが、前記第１側面とは反対側の第２側面まで前記ベースプレートのまわりに延在する電気部品。
2. 前記ボビンがプラスチック材料で作成され、
   前記導体トレースがＭＩＤ技術によって前記ボビンの前記表面に設けられる請求項１に記載の電気部品。
3. 前記導体トレースが、レーザ・ダイレクト・ストラクチャリング、ツーショット射出成形、又は熱エンボス加工によって、前記ボビンの前記表面に設けられる請求項２に記載の電気部品。
4. 前記ボビンが、少なくとも１つのフランジによって軸方向に境界がつけられる巻線区画を少なくとも１つ含み、前記主巻線が前記区画内に巻かれており、
   前記導体トレースが、前記フランジに設けられ、前記フランジによって前記主巻線から分離される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気部品。
5. 前記ボビンの開口部内に強磁性コアが設けられる請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気部品。
6. 各々が前記ボビン上の複数巻きの導線から成る少なくとも第１及び第２主巻線を更に有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気部品。
7. 前記第２主巻線の前記導線が、前記第１主巻線の前記導線の巻いてあるもののまわりに巻きつけられ、絶縁体によって前記第１主巻線から分離される請求項６に記載の電気部品。
8. 前記補助巻線が少なくとも２巻きの前記導体トレースを有し、
   橋絡素子が、絶縁交差を供給する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気部品。
9. 少なくとも１つの表面実装部品が、前記ボビンに設けられ、少なくとも１つの導体トレースに電気的に接続される請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気部品。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気部品と、
    動作電力の供給のための電力供給端子を有する少なくとも１つの集積回路素子とを有する電気回路であって、
    前記補助巻線が、前記集積回路素子に電力を供給するよう前記電力供給端子に接続される電気回路。
11. 少なくとも１つの制御可能なスイッチング素子が、少なくとも１つの主巻線に電気的に接続され、
    前記集積回路素子が、前記制御可能なスイッチング素子を制御するよう設けられる請求項１０に記載の回路。
12. 集積回路素子と、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気部品とを有する電気回路を動作させる方法であって、
    前記主巻線が時間変化電流で動作され、
    前記補助巻線に誘導される電流からの電力が前記集積回路素子に供給される方法。

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