JPH08203739A

JPH08203739A - 空芯コイル装置

Info

Publication number: JPH08203739A
Application number: JP3313095A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Matsumoto; 匡彦松本; Takayoshi Nishiyama; 隆芳西山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】高周波の回路駆動が行われても、コイルパタ
ーン５の電流分布がほぼ均一で導通損失が少なく、エネ
ルギ効率の高い空芯インダクタや空芯トランス等の空芯
コイル装置１を提供することである。【構成】絶縁体の基板11上に導体を渦巻き状にパター
ン形成して作製されたコイルパターン５には、電流の流
れる方向に沿って伸びる複数のスリット７をコイルパタ
ーン５の全長に渡って連続的に設ける。スリット７は、
漏洩磁束によるコイルパターン５のほぼ全幅を経路とす
る大きな渦電流の経路を分断し、大きな渦電流の発生を
防止する。また、コイルパターン５の表面積が増加す
る。したがって、渦電流に起因する近接効果と表皮効果
との相乗的作用によるコイルパターン５の電流分布の集
中が緩和して均一化し、コイルパターン５の導通損失が
低減し、エネルギ効率の高い空芯コイル装置１となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空芯トランスや空芯イ
ンダクタ等の空芯コイル装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、スイッチング電源等には
トランスやインダクタのコイル装置が使用されている。
近年においては、スイッチング電源の小型軽量化を図る
観点から、スイッチング周波数を高くした高周波の回路
駆動が行われている。

【０００３】一般に、スイッチング電源に使用されるイ
ンダクタやトランスは、導体のコイル巻線を巻回するこ
とにより形成されており、コイル巻線の中心にコアを挿
通することにより、コア付きのインダクタやコア付きの
トランスとして使用されている。ところで、コイル巻線
に通電すると、コイル巻線から磁束が発生し、磁束は空
気より透磁率が高いコアを透過する。しかし、上記のよ
うに、スイッチング電源の小型軽量化を図り、高周波の
回路駆動が行われると、前記コイル巻線の磁束がコアを
透過してコア内部に大きな渦電流を発生させてしまい、
コア内部の渦電流損失が非常に大きくなってインダクタ
やトランスのエネルギ効率が悪化してしまう。

【０００４】前記渦電流損失を低減させるために、電気
抵抗率が高い材料を用いてコアを形成し、コアの大きな
渦電流の発生を防止することが考えられるが、電気抵抗
率を高くすると透磁率が低くなり、前記コイル巻線から
の漏洩磁束は大きくなり、コアでのヒステリシス損失が
増加し、やはり、インダクタやトランスのエネルギ効率
が悪化してしまい、高周波駆動が行われる回路では、コ
ア付きのインダクタやトランスのエネルギ効率と、コア
を省略した空芯インダクタや空芯トランスのエネルギ効
率とが同程度となってしまう。このことから、コアを省
略してその分低コストとなる空芯インダクタや空芯トラ
ンス等の空芯コイル装置を使用する場合も出てきてい
る。

【０００５】図８には、特開昭６１−１０２００９号公
報に開示されている円筒型の空芯トランス３の構成が示
されている。この空芯トランス３は、絶縁体のプラスチ
ックフィルム17，18と、アルミニウムの導体箔膜15，16
と、鉄線や銅線等の端子13ａ，13ｂ，14ａ，14ｂとを有
して構成されており、同図の（ｂ）に示すように、帯状
の導体箔膜15，16の両端側に端子13ａ，13ｂ，14ａ，14
ｂをそれぞれ設け、導体箔膜15上に、プラスチックフィ
ルム18、導体箔膜16、プラスチックフィルム17を順次積
層させて、その積層体を一方側から巻回して渦巻き状の
コイルを形成したものである。

【０００６】また、これを応用して、例えば、図９に示
すように、導体箔膜16の両端側に端子14ａ，14ｂを設
け、プラスチックフィルム17と導体箔膜16とを重ね巻き
して空芯インダクタ４が形成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示す空芯トランス３や、図９に示す空芯インダクタ４
は、上記の如く、導体箔膜の両端側に端子を設け、導体
箔膜とプラスチックフィルムを積層させて巻回するとい
うように、空芯トランス３や空芯インダクタ４の製造作
業に手間隙がかかってしまうという問題がある。

【０００８】そこで、本出願人は、簡単に製造できる図
５に示すプレーナ型の空芯インダクタや図７に示すプレ
ーナ型のトランス等の空芯コイル装置１を提案（未公
開）した。図５のプレーナ型空芯インダクタは、セラミ
ックやガラスエポキシやプラスチックフィルム等の絶縁
体の基板11上に、印刷や蒸着や金属導体板成型やメッキ
等で、銅等の導体を渦巻き状にパターン形成し、これを
コイルパターン５とし、必要に応じて、このコイルパタ
ーン５が形成された基板11を複数個積層し、複数のコイ
ルパターン５を接続して形成されるものである。また、
図７のプレーナ型空芯トランスは、前記同様に、基板11
上に、例えば、一次コイルであるコイルパターン５Ａを
形成し、さらに、コイルパターン５Ａの外周を囲むよう
に二次コイルであるコイルパターン５Ｂを、コイルパタ
ーン５Ａと同時にパターン形成し、必要に応じて、この
基板11を複数個積層させ、コイルパターン５Ａ同士、コ
イルパターン５Ｂ同士を接続したものである。

【０００９】また、プレーナ型の空芯トランスとして
は、図５に示すようなコイルパターン５を形成した基板
11を複数個積層し、一方のコイルパターン５の群を一次
コイル群として接続し、他方のコイルパターン５の群を
二次コイル群として接続することにより、あるいは、基
板11の表裏両面上に図５に示すようなコイルパターン５
を形成し、一方のコイルパターン５を一次コイルとし、
他方のコイルパターン５を二次コイルとすることにより
作製することができる。

【００１０】このように、プレーナ型の空芯コイル装置
１は、基板11上にコイルパターン５をパターン形成し、
簡単に手間隙をかけずに製造することができる。

【００１１】ところで、提案例の図５や図７の空芯コイ
ル装置１では、高周波の回路駆動が行われると、コイル
パターン５からの漏洩磁束による近接効果と、電流が導
体のコイルパターン５の表面領域に偏って集中して流れ
る表皮効果とが相乗的に作用し、導通損失等の悪影響の
問題が生じてくる。

【００１２】上記問題を、図５に示すコイルパターン５
を例にして説明する。例えば、コイルパターン５に図６
に示すような向きで電流Ｉが流れているとき、コイルパ
ターン５ｂの部分で発生した漏洩磁束Ｂは近接して隣り
合っているコイルパターン５ａ，５ｃを横切り、この漏
洩磁束Ｂによって、コイルパターン５ａには同図に示す
ような左回りの渦電流Ｉ_aが発生し、コイルパターン５
ｃには右回りの渦電流Ｉ_cが発生する。また、コイルパ
ターン５ａ，５ｃで発生した漏洩磁束Ａ，Ｃは隣り合っ
ているコイルパターン５ｂを横切るが、コイルパターン
５ｂを横切るときの漏洩磁束ＡとＣの向きが互いに逆向
きで打ち消し合うために、コイルパターン５ｂには渦電
流は殆ど発生しない。

【００１３】このように、漏洩磁束によってコイルパタ
ーン５ａ，５ｃに渦電流Ｉ_a，Ｉ_cが発生すると、例え
ば、コイルパターン５ａの外端側では、主電流Ｉと前記
渦電流Ｉ_aとが逆向きであることから、主電流Ｉが減殺
される状態となって見かけ上インピーダンスが大きくな
り、内端側では、主電流Ｉと渦電流Ｉ_aとが同じ向きで
あることから、主電流Ｉに渦電流Ｉ_aが加算される状態
となって見かけ上インピーダンスが小さくなる。する
と、コイルパターン５ａに流れる電流は見かけ上のイン
ピーダンスが小さい内端側に集中して流れ、コイルパタ
ーン５ａの電流分布は、内端側が多く、外端側が少ない
というアンバランスな状態となる。しかも、高周波電流
通電時には、電流が導体の表面領域を流れる表皮効果が
生じ、上記電流分布のアンバランスを生じさせる近接効
果と、前記表皮効果とが相乗的に作用し、コイルパター
ン５ａでは電流が内端側の表面のごく限られた領域に集
中する。

【００１４】上記のような電流の集中はコイルパターン
５ｃでも生じ、外端側の表面領域に集中して電流が流れ
る。特に、コイルパターン５の中央（中心）側（内側）
には漏洩磁束が収集し、前記局部領域への電流集中の度
合は強くなることから、コイルパターン５ａよりも５ｃ
の方が局部領域への電流集中の度合は強くなる。図６で
は、電流が偏り集中して流れる局部領域を黒く塗り表し
ている。

【００１５】また、一次コイル群としてのコイルパター
ン５の群と、二次コイル群としてのコイルパターン５の
群とが設けられている空芯トランスでは、一次コイル群
や二次コイル群の内部で隣り合っているコイルパターン
５間で上記近接効果が起こる以外に、近接している一次
コイルと二次コイルとの間にも近接効果が起こる。

【００１６】したがって、上記の如く、コイルパターン
５の限定された表面領域に電流が集中して流れるため
に、コイルパターン５の導体断面中心領域に流れる電流
が少なくてコイルパターン５の利用効率が低下し、ま
た、コイルパターン５の導通損失が非常に大きく、空芯
インダクタや空芯トランスの空芯コイル装置１における
エネルギ効率が低いという問題がある。

【００１７】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、高周波の回路駆動が行われ
ても、コイルパターンにおいて近接効果と表皮効果との
相乗的作用によって生じる電流集中を防止して、コイル
パターンの電流分布の均一化を図り、コイルパターンの
導通損失を低減させ、エネルギ効率の高い空芯インダク
タや空芯トランス等の空芯コイル装置を提供することで
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、第
１の発明の空芯コイル装置は、一個以上の導体のコイル
パターンを有して形成される空芯コイル装置において、
前記コイルパターンには電流の流れる方向に沿って伸び
るスリットがコイルパターンの幅方向にきざむ形態で形
成されていることを特徴として構成されている。

【００１９】また、第２の発明の空芯コイル装置は、一
個以上の導体のコイルパターンを有して形成される空芯
コイル装置において、前記コイルパターンには複数の穴
が形成されていることを特徴として構成されている。

【００２０】

【作用】上記構成の本発明において、コイルパターンに
スリットや複数の穴を設けたことによって、空芯コイル
装置が高周波駆動し、コイルパターンから発生した漏洩
磁束が他のコイルパターンを横切るとき、他のコイルパ
ターンでは、漏洩磁束によるコイルパターンのほぼ全幅
を経路とする大きな渦電流が発生しようとするが、この
渦電流の経路がスリットや複数の穴で分断されるため
に、前記大きな渦電流が生じない。このことから、大き
な渦電流に起因するコイルパターンの電流分布のアンバ
ランスが改善される。

【００２１】また、表皮効果が起こり電流がコイルパタ
ーンの表面領域に集中して流れるが、スリットや複数の
穴を設けたことにより、コイルパターンの表面積が増加
し、この増加した表面領域にも電流が流れるために、そ
の分だけ電流が分散され、前記電流分布のアンバランス
の改善作用とあいまって、コイルパターンの局部領域へ
の電流集中が緩和され、コイルパターンの電流分布がよ
り均一化してコイルパターンの利用効率が向上し、ま
た、コイルパターンの導通損失が低減する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、提案例と同一名
称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
図１には、第１の実施例の空芯コイル装置１であるプレ
ーナ型の空芯インダクタや空芯トランスのコイルパター
ン５が示されている。この図１のコイルパターン５が、
提案例のコイルパターン５と異なる特徴的なことは、コ
イルパターン５に、線長方向、つまり、電流の流れる方
向に沿って伸びるスリット７を全長に渡って連続的に設
けたことである。

【００２３】なお、本実施例の空芯コイル装置１は、上
記スリット７を設けたコイルパターン５の基板11が、必
要に応じて、提案例同様に複数個積層されて空芯インダ
クタや空芯トランスが構成されるものである。

【００２４】前記のように、コイルパターン５にスリッ
ト７を設けることにより、図１および図２に示すよう
に、コイルパターン５は幅方向に同幅で複数刻まれた格
好の複数の導体部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃に分割されること
になる。したがって、例えば、漏洩磁束がコイルパター
ン５ａを横切ったときに、コイルパターン５ａに渦電流
Ｉ_aが図６に示すように発生しようとしても、この渦電
流Ｉ_aの経路がスリット７によって分断されるため、コ
イルパターン５ａのほぼ全幅を経路とする大きな渦電流
Ｉ_aの発生がなくなり、各導体部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃に
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の幅を経路とする小さな渦電流が発生
する。この小さな渦電流によってコイルパターン５ａの
各Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の内端側に電流が集中し易くなる
が、渦電流が小さいことからその電流集中の度合は弱
く、また、コイルパターン５ａの全幅に渡り見たとき
に、内端側への電流集中は改善されている。

【００２５】しかし、このように、コイルパターン５の
小さい部分だけを見ると、例えば、コイルパターン５ａ
では、コイルパターン５ａの内端側への電流集中が緩和
されたとはいえ、まだなお、コイルパターン５ａの内端
側の導体部分Ｌ₃は外端側の導体部分Ｌ₁より電流が集
中し易い。言い換えれば、コイルパターン５ａでは、導
体部分Ｌ₃の見かけ上のインピーダンスはＬ₁の見かけ
上のインピーダンスより小さい。同様の理由により、コ
イルパターン５ｃでは、導体部分Ｌ₁の見かけ上のイン
ピーダンスはＬ₃の見かけ上のインピーダンスより小さ
くなっている。

【００２６】ところが、図１から明らかなように、各導
体部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃はコイルパターン５の先端から
末端まで連続して形成されているために、導体部分Ｌ₁
は、外側のコイルパターン５ａでは見かけ上電流が流れ
難い（インピーダンスが大きい）けれども、内側のコイ
ルパターン５ｃに向かうに従って電流が流れ易く（イン
ピーダンスが小さく）なり、反対に、導体部分Ｌ₃は、
外側から内側に向かうに従い、見かけ上電流が流れ難く
（インピーダンスが大きく）なり、コイルパターン５の
全長に渡って見てみると、導体部分Ｌ₁とＬ₃との全長
のインピーダンスはほぼ等しく、ほぼ同量の電流が流れ
る。

【００２７】以上のように、コイルパターン５の小さな
部分だけを見ると各導体部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の見かけ
上のインピーダンスは異なっているが、コイルパターン
５の全長に渡って見てみると、各導体部分Ｌ₁，Ｌ₂，
Ｌ₃の全長のインピーダンスはほぼ等しくなり、各導体
部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃にはほぼ同量の電流が流れること
になり、コイルパターン５の電流分布のアンバランスが
改善され、均一化する。しかも、前記表皮効果により電
流は表面領域に集中して流れるが、スリット７を設けた
ことにより、コイルパターン５の表面積が増加し、この
増加した表面領域も電流が流れ易くなるため、電流の通
電領域が広がり、コイルパターン５の導通損失が低減す
る。

【００２８】ところで、コイルパターン５の幅方向に導
体部分Ｌ₁とＬ₂とＬ₃との間に電位差がないことか
ら、スリット７の幅を広くして、Ｌ₁とＬ₂とＬ₃間の
絶縁を確実にする等のスリット７における絶縁耐圧を考
慮する必要がなく、スリット７の幅は、例えば約10μｍ
と非常に細くすることが可能である。したがって、細い
スリット７を設ければ、コイルパターン５の有効な導通
断面積が大幅な削減されることはない。このことから、
コイルパターン５に、上記細いスリット７を数多く設け
て、漏洩磁束による渦電流をより小さくし、表面積を増
加して、よりコイルパターン５の電流分布の均一化を推
し進め、また、導通損失の低減を図ることもできる。も
ちろん、スリット７の数は１本だけでもよく、本実施例
のように、スリット７を２本設けただけでも、十分に電
流分布の均一化や導通損失の低減は成されている。

【００２９】本実施例によれば、コイルパターン５に電
流の流れる方向に沿って伸びるスリット７を全長に渡っ
て連続的に設けたので、コイルパターン５はスリット７
で導体部分Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃に分割され、漏洩磁束がコ
イルパターン５を横切ったときに、スリット７によって
コイルパターン５のほぼ全幅を経路とする大きな渦電流
の発生が防止され、渦電流に起因する局部領域への電流
集中を緩和することができる。また、上記各導体部分Ｌ
₁，Ｌ₂，Ｌ₃は見かけ上インピーダンスが大きい部分
と小さい部分とを同程度有しており、Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃
の全長のインピーダンスはほぼ等しくなることから、各
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃にはほぼ同量の電流が流れ、コイルパ
ターン５の電流分布を均一化することができ、利用効率
を向上させることができる。

【００３０】しかも、コイルパターン５の表面積が増加
することから、表皮効果による電流の流れ易い表面領域
が多くなり、コイルパターン５の導通損失を低減するこ
とができる。

【００３１】以上のことから、エネルギ効率の高い空芯
インダクタや空芯トランスの空芯コイル装置１を作製す
ることができる。

【００３２】図４には、第２の実施例の空芯コイル装置
１のコイルパターン５が示されている。第２の実施例が
前記第１の実施例と異なる特徴的なことは、コイルパタ
ーン５に図１に示すようなスリット７を設けるのではな
く、複数の穴９を設けたことであり、それ以外の構成は
前記第１の実施例と同様である。本実施例では、穴９を
設け、第１の実施例と同様に、渦電流の経路を分断する
ことによって、漏洩磁束による大きな渦電流の発生を防
止し、コイルパターン５における電流分布の集中を緩和
してコイルパターン５の利用効率を向上させることがで
き、さらに、コイルパターン５の表面積が増加して、つ
まり、電流の流れ易い表面領域が増加して、導通損失を
低減させることが可能となり、エネルギ効率の高い空芯
インダクタや空芯トランスの空芯コイル装置１を作製す
ることができる。

【００３３】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
第１の実施例では、スリット７はコイルパターン５の全
長に渡り連続的に設けられていたが、不連続的に設けら
れてもよい。このように、スリット７を不連続に設けて
も、第１の実施例同様の効果を得ることができる。

【００３４】また、上記第１の実施例では、コイルパタ
ーン５をスリット７で同幅に刻んでいたが、同幅でなく
てもよく、このような場合でも第１の実施例同様の効果
を得ることできる。

【００３５】さらに、図８に示す円筒型の空芯トランス
３や図９に示す円筒型の空芯インダクタ４においても、
図３に示すように、プラスチックフィルム等のフレキシ
ブル基板12上に銅等の導体８をパターン形成し、この導
体８上にスリット７や複数の穴９を設けて、空芯トラン
ス３であれば、同図に示すように、上記フレキシブル基
板12を２個重ねて巻回し渦巻き状のコイルパターン５を
２個形成し、一方を一次コイルとし、他方を二次コイル
として作製し、また、空芯インダクタ４であれば、上記
フレキシブル基板12を単体で巻回して渦巻き状のコイル
パターン５を１個形成して、空芯インダクタと成すこと
で、上記各実施例の効果を得ることができる。

【００３６】さらに、上記各実施例では、コイルパター
ン５を基板11上に形成したが、例えば、銅等の導体金属
を成型してコイルパターン５を形成してもよく、基板11
は省略されることもある。このような場合においても、
コイルパターン５にスリット７や複数の穴９が設けられ
ることになる。

【００３７】さらに、第１の実施例でのスリット７の内
部や第２の実施例での穴９の内部は空間としたが、この
スリット７や穴９の内部（空間部）に磁性粉を充填して
もよい。そうすることによって漏洩磁束はスリット７や
穴９内の磁性粉を通って逃げるので、コイルパターン５
を横切る磁束が少くなり、渦電流の発生をほとんど無く
すことができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、コイルパターンにスリ
ットや複数の穴を設けたので、漏洩磁束がコイルパター
ンを横切り、コイルパターンに該コイルパターンのほぼ
全幅を経路とする大きな渦電流が発生しようとしても、
この渦電流の経路がスリットや複数の穴によって分断さ
れ、コイルパターンには大きな渦電流は発生しない。こ
のことから、渦電流に起因するコイルパターンの局部領
域への電流集中を緩和することができ、しかも、コイル
パターンの表面積が増加していることから、表皮効果が
生じて表面領域に電流が集中しても、従来に比べて表面
積の増加分だけ電流が分散し、上記効果とあいまって、
コイルパターンの電流分布を均一化することができる。

【００３９】したがって、コイルパターンの利用効率が
向上し、導通損失が低減して、高周波の回路駆動が行わ
れても、エネルギ効率の高い空芯コイル装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の空芯コイル装置におけるコイル
パターンの一例を示す説明図である。

【図２】図１のコイルパターンの断面形状を示す説明図
である。

【図３】本発明によるその他の実施例を示す説明図であ
る。

【図４】第２の実施例の空芯コイル装置におけるコイル
パターンの一例を示す説明図である。

【図５】提案例のコイルパターンを示す説明図である。

【図６】渦電流の発生モデルの一例を示す説明図であ
る。

【図７】プレーナ型の空芯トランスにおけるコイルパタ
ーンの一例を示す説明図である。

【図８】従来例の円筒型の空芯トランスを示す説明図で
ある。

【図９】円筒型の空芯インダクタの一例を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１空芯コイル装置３空芯トランス４空芯インダクタ５コイルパターン７スリット９穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一個以上の導体のコイルパターンを有し
て形成される空芯コイル装置において、前記コイルパタ
ーンには電流の流れる方向に沿って伸びるスリットがコ
イルパターンの幅方向にきざむ形態で形成されているこ
とを特徴とする空芯コイル装置。
【請求項２】一個以上の導体のコイルパターンを有し
て形成される空芯コイル装置において、前記コイルパタ
ーンには複数の穴が形成されていることを特徴とする空
芯コイル装置。