(57)【要約】  二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、第一コイル及び第二コイルと、前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、前記磁性コアは、前記第一コイルが配置される第一磁脚と、前記第二コイルが配置される第二磁脚と、前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、前記中央脚部に介在される主ギャップと、前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が０．７以上であるコイル部品である。
2019082489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が０．７以上であるコイル部品。
【請求項２】
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長よりも短い請求項１に記載のコイル部品。
【請求項３】
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長の１０％以下である請求項２に記載のコイル部品。
【請求項４】
前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイル部品を備える回路基板。
【請求項５】
請求項４に記載の回路基板を備える電源装置。
【請求項６】
磁性コアに第一コイル及び第二コイルが配置され、二相のトランス結合を成すコイル部品であって、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置されるコア脚部であって、途中に第一ギャップを有する第一磁脚と、
前記第二コイルが配置されるコア脚部であって、途中に第二ギャップを有する第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に存在し、途中に主ギャップを有する中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態でそれぞれの両方の脚端部を連結する一対の連結部と、を備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が０．７以上であるコイル部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイル部品、回路基板、及び電源装置に関する。
本出願は、２０１７年１０月２５日出願の日本出願第２０１７−２０６１５９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
昇圧動作を行うＤＣ−ＤＣコンバータに備えられる回路として、特許文献１の図５に示す二相方式のトランス結合型昇圧チョッパ回路がある。特許文献１は、この回路に用いられるコイル部品として、二つのＥ字状のコアを組み合わせたような磁性コアを備えるものを開示する。この磁性コア３００は、図７に示すように第一コイル１０１が配置される第一磁脚３１０と、第二コイル１０２が配置される第二磁脚３２０と、両磁脚３１０，３２０に挟まれる中央脚部３３０と、これらを並列状態で挟む一対の連結部３４０，３４０とを備える。中央脚部３３０は、ギャップ３３０ｇを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９８２１１号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示のコイル部品は、
二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が０．７以上である。
【０００５】
本開示の回路基板は、前記本開示のコイル部品を備える。
また、本開示の電源装置は、前記本開示の回路基板を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、実施形態１のコイル部品を示す概略構成図である。
【図２】図２は、実施形態１のコイル部品に備える磁性コアの一例を示す概略構成図である。
【図３】図３は、実施形態１の回路基板の一例を等価回路で示す概略構成図である。
【図４】図４は、結合係数とリップル電流との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、試験例２の試料Ｎｏ．１のコイル部品について、各コイルに流れる電流の波形を示すグラフである。
【図６】図６は、試験例２の試料Ｎｏ．１００のコイル部品について、各コイルに流れる電流の波形を示すグラフである。
【図７】図７は、第一磁脚及び第二磁脚にギャップを有さないコイル部品について、各磁脚に配置されるコイルを励磁したときの磁束の状態を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［本開示が解決しようとする課題］
上述の二相のトランス結合に利用されるコイル部品に対して、磁気飽和し難いことが望まれている。
【０００８】
上述の第一コイル１０１，第二コイル１０２にはそれぞれ、配線パターンなどを介してスイッチなどの回路部品が接続される。これら配線パターンや回路部品の製造誤差や接続状態のばらつきなどに起因して、各コイル１０１，１０２に流れる電流に大きな差が生じることがある。上述の磁性コア３００では、上述の電流差によって磁気飽和する可能性がある。この理由を以下に説明する。図７の破線矢印は、各コイル１０１，１０２を励磁したときの漏れ磁束の状態を示し、実線矢印は、鎖交磁束の状態を示す。
【０００９】
図７に示すコイル部品４００では、磁性コア３００の第一磁脚３１０に配置される第一コイル１０１がつくる磁束を中央脚部３３０の近くで打ち消すように、第二コイル１０２が第二磁脚３２０に配置される。各コイル１０１，１０２に流れる直流電流がつくる磁束は、破線矢印で示すように各磁脚３１０，３２０から中央脚部３３０を経る磁路を通る。即ち、中央脚部３３０は、主として、漏れ磁束（鎖交していない磁束）の磁路をなす。一方、両コイル１０１，１０２に加わる変化する電圧に起因する磁束の鎖交成分は、実線矢印で示すように、主として、一方の磁脚３１０から、中央脚部３３０を通らずに他方の磁脚３２０を経る磁路を通る。この磁路は、両コイル１０１，１０２のトランス結合の磁路である。各コイル１０１，１０２の巻き数をＮ、各コイル１０１，１０２に流れる直流電流をＩ１，Ｉ２とすると、上記トランス結合の磁路に、上述の鎖交磁束に加えてＮ×（Ｉ１−Ｉ２）の磁束も通過しようとする。上記の式から明らかなように、各コイル１０１，１０２の電流差（Ｉ１−Ｉ２）が大きいほど、上記トランス結合の磁路を通過しようとする磁束量が多くなり、磁性コア３００が磁気飽和する。磁気飽和することで、所定の昇圧動作や降圧動作といった変圧動作を行えなくなる。
【００１０】
例えば、磁性コアの磁路断面積を大きくすれば、磁気飽和を緩和できる。しかし、この場合、コイル部品の大型化を招く。又は、例えば、電流差を検出し、電流差を低減する制御回路を別途備えることで、上述の電流差による磁気飽和を生じ難くできる。しかし、この場合、回路構成が複雑になる。そのため、小型で、より簡単な構成でありながら、磁気飽和し難いコイル部品が好ましい。
【００１１】
そこで、磁気飽和し難いコイル部品を提供することを目的の一つとする。また、磁気飽和し難い回路基板、及び電源装置を提供することを別の目的の一つとする。
【００１２】
［本開示の効果］
上記のコイル部品は、磁気飽和し難い。上記の回路基板、及び上記の電源装置は、所定の変圧動作を良好に行える。
【００１３】
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１４】
（１）本発明の一態様に係るコイル部品は、
二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が０．７以上である。
【００１５】
上記のコイル部品は、主ギャップに加えて、各コイルが配置される磁脚にもギャップを備える。そのため、各コイルに流れる直流電流に差が実質的に無い場合には、上述の直流電流の励磁による磁気飽和を主ギャップによって生じ難くすることができる。更に、各コイルに流れる電流に差が生じても、この電流差による磁気飽和を各磁脚に備えるギャップによって生じ難くすることができる。従って、上記のコイル部品は、磁気飽和し難い。特に、上記のコイル部品は、各磁脚にギャップを備えるという簡単な構成でありながら、磁気飽和し難い。
【００１６】
また、上記のコイル部品は、両コイルの結合係数が０．７以上を満たす範囲で各磁脚にギャップを備える。そのため、結合係数の低下に起因するリップル電流の増加量が小さく（後述の試験例１参照）、リップル電流が回路全体に与える影響を小さくすることができる。このような上記のコイル部品を二相のトランス結合型昇降圧回路といった変圧回路に用いれば、上述の電流差によって磁気飽和し難い上に、リップル電流の増加が小さいため、所定の変圧動作を良好に行える。
【００１７】
更に、各磁脚に備えるギャップは小さくてよく（後述（２）、（３）の形態参照）、ギャップを含めた磁性コアを過度に大きくする必要がない点で、上記のコイル部品は小型である。
【００１８】
（２）上記のコイル部品の一例として、
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長よりも短い形態が挙げられる。
【００１９】
上記形態は、各磁脚におけるギャップ長が主ギャップよりも短いため、結合係数を大きく確保し易く、リップル電流の増加量をより小さくし易い。また、ギャップを含めた磁性コアの大型化も低減し易い。従って、上記形態は、磁気飽和し難い上に、リップル電流による影響をより小さくし易く、更には小型である。
【００２０】
（３）上記（２）コイル部品の一例として、
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長の１０％以下である形態が挙げられる。
【００２１】
上記形態は、各磁脚におけるギャップ長が主ギャップに対して更に短い。従って、上記形態は、磁気飽和し難い上に、リップル電流による影響を更に小さくし易く、更にはより小型である。
【００２２】
（４）本発明の一態様に係る回路基板は、
上記（１）から（３）のいずれか一つに記載のコイル部品を備える。
【００２３】
上記の回路基板は、上述の電流差によって磁気飽和し難い上に、リップル電流の増加量も小さい上記のコイル部品を備えるため、二相のトランス結合型昇降圧回路といった変圧回路に用いれば、所定の変圧動作を良好に行える。
【００２４】
（５）本発明の一態様に係る電源装置は、
上記（４）に記載の回路基板を備える。
【００２５】
上記の電源装置は、上述の電流差によって磁気飽和し難い上に、リップル電流の増加量も小さい上記のコイル部品が設けられた上記の回路基板を備えるため、二相のトランス結合型昇降圧コンバータといったコンバータに用いれば、所定の変圧動作を良好に行える。
【００２６】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面を適宜参照して、実施形態に係るコイル部品、回路基板、電源装置を具体的に説明する。図中、同一名称物は、同一物を意味する。
【００２７】
［実施形態１］
図１〜図３を参照して、実施形態１のコイル部品４、回路基板５、電源装置６を説明する。図３では、回路基板５の概略を等価回路で示し、コイル部品４を除く主要な回路部品を回路記号で示す。また、図３では、分かり易いようにコイル部品４を基板本体５０に対して大きく強調して示す。
【００２８】
（全体構成）
実施形態１のコイル部品４は、二相のトランス結合に利用されるものであり、図１に示すように、第一コイル１と、第二コイル２と、第一コイル１及び第二コイル２が配置される磁性コア３とを備える。つまり、コイル部品４は、独立した二つのコイル１，２が一つの磁性コア３に配置される。磁性コア３は、第一コイル１が配置される第一磁脚３１と、第二コイル２が配置される第二磁脚３２と、第一磁脚３１と第二磁脚３２との間に介在される中央脚部３３と、第一磁脚３１、中央脚部３３、第二磁脚３２を並列状態で連結する一対の連結部３４，３４とを備える。中央脚部３３には、主ギャップ３３ｇが介在される。第二コイル２は、第一コイル１がつくる磁束を打ち消すように第二磁脚３２に配置される。
【００２９】
更に、実施形態１のコイル部品４では、磁性コア３は、主ギャップ３３ｇに加えて、各磁脚３１，３２にもギャップ（第一ギャップ３１ｇ、第二ギャップ３２ｇ）を備える。また、コイル部品４は、第一コイル１と第二コイル２との結合係数が０．７以上である。以下、構成部材ごとに説明する。
【００３０】
（コイル）
第一コイル１、第二コイル２はいずれも、巻線を螺旋状に巻回してなる筒状の巻回部を備える。巻回部から延びる巻線の各端部には、配線パターンなどを介して、電源５１（図３）などが接続される。
【００３１】
各コイル１，２をなす巻線は、導体線の外周に絶縁被覆を備える被覆線を好適に利用できる。導体線の構成材料は、例えば銅やアルミニウム、その合金が挙げられる。絶縁被覆の構成材料は、例えばエナメルと呼ばれるポリアミドイミドなどの樹脂が挙げられる。この例では、各コイル１，２をなす巻線は、同じ仕様（構成材料、幅や厚さ、断面積など）の被覆平角線である。また、この例の各コイル１，２は、同じ仕様（巻径、巻き数、自然長など）の円筒状のエッジワイズコイルである。
【００３２】
巻線の仕様、巻回部の仕様は適宜選択できる。また、その他の巻線として、コイルに利用される公知の線材、例えば平角線、丸線、被覆丸線、リッツ線などを利用できる。本例のように、導体線が平角線であれば、占積率を高め易く、小型なコイルとし易い。また、導体線が平角線からなるコイルは、リッツ線よりも保形性に優れ、磁性コア３と独立して作製しても中空形状を保持できる。更に、本例のように円筒状のエッジワイズコイルであれば、巻径が比較的小さい場合でも製造し易く、製造性にも優れる。
【００３３】
（磁性コア）
磁性コア３は、軟磁性材料を含み、閉磁路を形成する磁性部材である。この磁性コア３は、第一コイル１の巻回部が配置される柱状の第一磁脚３１と、第二コイル２の巻回部が配置される柱状の第二磁脚３２と、離間して横並びされる両磁脚３１，３２間に介在される柱状の中央脚部３３と、第一磁脚３１、中央脚部３３、第二磁脚３２という順に並べられた状態でこれらを挟み、これらを連結する一対の板状の連結部３４，３４とを備える。実施形態１のコイル部品４に備えられる磁性コア３は、中央脚部３３に介在される主ギャップ３３ｇと、第一磁脚３１に介在される第一ギャップ３１ｇと、第二磁脚３２に介在される第二ギャップ３２ｇとを備える。この例では、図２に示すように、第一ギャップ３１ｇのギャップ長Ｌ３１及び第二ギャップ３２ｇのギャップ長Ｌ３２はそれぞれ、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３よりも短い。
【００３４】
この例の磁性コア３は、図２に示すように、一対のＥ字状の分割コア片３ａ，３ｂを、その開口部が向かい合うように組み付けられる。特に、実施形態１のコイル部品４では、磁脚３１，３２及び中央脚部３３のそれぞれにギャップ３１ｇ，３２ｇ，３３ｇを含むため、分割コア片３ａ，３ｂは、ギャップ長に応じた隙間をあけて組み付けられる。磁性コア３を複数の分割コア片３ａ，３ｂの組物とすることで、上記隙間を容易に設けられて、ギャップ３１ｇ，３２ｇ，３３ｇを備えることができる。また、上述のように各コイル１，２をエッジワイズコイルといった磁性コア３とは独立して作製可能なものとする場合に、コイル１，２と分割コア片３ａ，３ｂとを容易に組み付けられる。本例のように分割コア片の個数を二つとすると、組み付け部品数を少なくできる。ひいては、コイル部品４の製造性に優れる。
【００３５】
この例では、各分割コア片３ａ，３ｂは同一形状、同一の大きさである。そのため、以下の説明では、一方の分割コア片３ａを代表して説明する。他方の分割コア片３ｂについては、以下の説明にある符号の「ａ」を「ｂ」に置き換えるとよい。両分割コア片３ａ，３ｂが同一形状、同一の大きさであれば、例えば分割コア片３ａ，３ｂを金型成形する場合に同一の金型で成形できて量産性に優れる、組み付け易く組立作業性に優れる、といった効果を奏する。
【００３６】
分割コア片３ａは、各磁脚３１，３２の一部を形成する二つの磁脚片３１ａ，３２ａと、二つの磁脚片３１ａ，３２ａ間に介在され、中央脚部３３の一部を形成する中央脚片３３ａと、二つの磁脚片３１ａ，３２ａ及び中央脚片３３ａを支持する一方の連結部３４ａとを備える。二つの磁脚片３１ａ，３２ａ及び中央脚片３３ａは、連結部３４ａの内面から突出する。この例では、両磁脚片３１ａ，３２ａの突出高さは実質的に等しく、かつ中央脚片３３ａの突出高さよりも若干大きい。そのため、磁脚片３１ａ，３１ｂ間及び磁脚片３２ａ，３２ｂ間に所定の隙間が設けられるように両分割コア片３ａ，３ｂを組み付けると、両分割コア片３ａ，３ｂの中央脚片３３ａ，３３ｂ間に上述の各磁脚片間の隙間よりも大きな隙間を設けることができる。この大きめの隙間を主ギャップ３３ｇとする。第一磁脚３１をなす二つの磁脚片３１ａ，３１ｂ間の隙間を第一ギャップ３１ｇとする。第二磁脚３２をなす二つの磁脚片３２ａ，３２ｂ間の隙間を第二ギャップ３２ｇとする。
【００３７】
各磁脚３１，３２（磁脚片３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂ）、中央脚部３３（中央脚片３３ａ，３３ｂ）は、円柱状、直方体状などといった適宜な柱状体であることが挙げられる。各磁脚３１，３２は、各コイル１，２の内周形状とは非相似な形状であってもよいが、相似な形状であると（この例では円柱状であると）、各コイル１，２と各磁脚３１，３２とを組み付け易く、コイル部品４の製造性に優れる。連結部３４（３４ａ，３４ｂ）は、長方形の板状などであることが挙げられる。磁性コア３の形状（各磁脚３１，３２、中央脚部３３、連結部３４の形状）は、所定の磁路断面積を有する範囲で適宜選択できる。
【００３８】
《ギャップ》
コイル部品４は、磁性コア３において両コイル１，２が配置されない中央脚部３３に主ギャップ３３ｇを備える。このような磁性コア３は、コイル部品４が二相のトランス結合に用いられた場合に、各コイル１，２に基づく漏れ磁束によって磁気飽和し難い。更に、コイル部品４は、磁性コア３において各コイル１，２が配置される各磁脚３１，３２にもギャップ３１ｇ，３２ｇを備える。このような磁性コア３は、コイル部品４が二相のトランス結合に用いられて、両コイル１，２に流れる電流に差が生じた場合に、この電流差に基づく磁束によって磁気飽和し難い。
【００３９】
主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３は、上述の漏れ磁束による磁気飽和を低減できるように適宜設定するとよい。第一ギャップ３１ｇのギャップ長Ｌ３１及び第二ギャップ３２ｇのギャップ長Ｌ３２は、上述の電流差に起因する磁気飽和を低減しつつ、ギャップ３１ｇ，３２ｇによって、両コイル１，２の結合係数を過度に低下させない範囲で設ける。結合係数の低下は、リップル電流の増大を招くからである。リップル電流の増大は、二相のトランス結合型変圧回路などにおいて、スイッチ５２〜５５（図３）に利用される半導体素子の損失増大、コンデンサ５６（図３）の発熱量の増大や熱損傷を招き得る。そこで、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、リップル電流の増加量が少ない範囲となる大きさ、具体的には結合係数が０．７以上を満たす大きさとする。このようなギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３よりも短くてよい。例えば、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２はそれぞれ、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の１０％以下であることが挙げられる。ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は短いほど、結合係数を大きくし易く、リップル電流の増加量も少なくし易い。結合係数を大きくする観点からは、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の９．５％以下、更に９％以下、８．５％以下、８％以下であることが好ましい。一方、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は長いほど、上述の電流差に起因する磁気飽和を低減し易いため、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の１％以上、更に２％以上、３％以上とすることが挙げられる。
【００４０】
ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、異ならせることができるが、本例のように実質的に等しいと、各磁脚３１，３２に均一的に磁束を流し易い。
【００４１】
その他、ギャップ３１ｇ，３２ｇは、図１に示すように、各コイル１，２内に位置するように磁性コア３に設けることが挙げられる。
【００４２】
《コイルの配置状態》
実施形態１のコイル部品４は二相のトランス結合に用いられることから、磁性コア３に対して、第一コイル１及び第二コイル２は、通電時に各コイル１，２自身がつくる磁束を互いに打ち消し合うように組み付けられる。また、このような磁束の流れとなるように各コイル１，２に電流が供給される。
【００４３】
《結合係数》
実施形態１のコイル部品４は、上述のように磁性コア３が主ギャップ３３ｇに加えて、ギャップ３１ｇ，３２ｇを備えるものの、両コイル１，２の結合係数が０．７以上である。そのため、コイル部品４を備える二相のトランス結合型変圧回路などを構築した場合に、リップル電流の増加量が小さく、昇圧や降圧などの変圧動作を長期に亘り安定して行える。結合係数が大きいほど、リップル電流の増加量を小さくし易く、この観点からは、結合係数は０．７５以上、更に０．７８以上、０．８以上であることが好ましい。結合係数が０．７以上を満たすように、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２を調整するとよい。
【００４４】
なお、結合係数は、以下の関係式から求められる。結合係数をｋ、第一コイル１の自己インダクタンスをＬ１、第二コイル２の自己インダクタンスをＬ２、両コイル１，２の相互インダクタンスをＭとすると、結合係数ｋは、ｋ２＝Ｍ２／（Ｌ１×Ｌ２）を満たす。
【００４５】
市販のシミュレーションソフトなどを用いて、結合係数とリップル電流との相関データや、結合係数ごとのギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２と通電電流値との相関データなどを予め求めておくことができる。上記相関データを利用すれば、所望の要求に応じて、より好ましい結合係数やギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２、使用電流値などを容易に選択できる。
【００４６】
《材料》
磁性コア３（ここでは分割コア片３ａ，３ｂ）には、公知の構成材料で形成された種々の形態のものが利用できる。例えば、フェライトコアなどの焼結体、軟磁性材料の粉末を用いた圧粉成形体、軟磁性材料の粉末と樹脂とを含む複合材料からなる成形体、電磁鋼板などの軟磁性材料の板材を積層した積層体などが挙げられる。
【００４７】
主ギャップ３３ｇ及びギャップ３１ｇ，３２ｇの少なくとも一つは、エアギャップであることが挙げられる。例えば、コイル部品４は、主ギャップ３３ｇがエアギャップであり、ギャップ３１ｇ，３２ｇの一部にエアギャップを含むように分割コア片３ａ，３ｂの組付け状態を維持可能な形状保持部材（図示せず）を備えることが挙げられる。又は、主ギャップ３３ｇ及びギャップ３１ｇ，３２ｇの少なくとも一つは、固体の非磁性材料からなるギャップ材を備えることが挙げられる。非磁性材料は、アルミナなどの非金属無機材料、樹脂などの非金属有機材料などが挙げられる。ギャップ材は、平板や、所定の形状の樹脂成形体など種々のものが挙げられる。ギャップ材を接着剤などで分割コア片３ａ，３ｂに固定してもよい。又は、主ギャップ３３ｇ及びギャップ３１ｇ，３２ｇのうち、一つ又は二つがエアギャップであり、残りがギャップ材を備えることが挙げられる。例えば、主ギャップ３３ｇをエアギャップとし、ギャップ３１ｇ，３２ｇはギャップ材を備えることが挙げられる。この場合、ギャップ材が両面接着テープや接着剤といった接着力を有するものであると、ギャップ材を磁気ギャップとして機能させられる上に、分割コア片３ａ，３ｂを一体化する接合部材としても機能させられる。分割コア片３ａ，３ｂの磁脚片３１ａ，３１ｂ間、及び磁脚片３２ａ，３２ｂ間が上述の接合部材を兼ねるギャップ材で接合されることで、磁性コア３の組物としての強度を高められる上に、保形性に優れる。両面接着テープや接着剤層はその厚さを薄くし易く、比較的小さい磁気ギャップでよいギャップ３１ｇ，３２ｇに好適に利用できる。
【００４８】
（用途）
実施形態１のコイル部品４は、二相のトランス結合を行う回路基板５の構成部品の一つに利用される。回路基板５は、二相のトランス結合を行う電源装置６の構成部品の一つに利用される。図３では、回路基板５の一部が電源装置６のケースに収納された状態を部分的に、かつ仮想的に示す。回路基板５の一例として、ＤＣ−ＤＣコンバータであって、二相のトランス結合型昇降圧チョッパ回路を構成するものが挙げられる。このような回路基板５を備える電源装置６は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載されるコンバータなどに利用することが挙げられる。
【００４９】
（回路基板）
実施形態１の回路基板５は、図３に示すように実施形態１のコイル部品４を備える。代表的には、回路基板５は、コイル部品４を含む各種の回路部品と、これら回路部品を搭載する基板本体５０と、基板本体５０に設けられ、回路部品が接続される配線パターン（図示せず）とを備える。各回路部品は、回路基板５の用途に応じて備えられ、代表的には配線パターンを介して接続される。コイル部品４では各コイル１，２の巻線の端部が配線パターンに接続される。上記の接続には、半田付けやねじ結合など、公知の接続方法が利用できる。
【００５０】
図３は、回路基板５として、ＤＣ−ＤＣコンバータであって、二相のトランス結合型昇降圧チョッパ回路を構成するものを例示する。この回路基板５は、回路部品として、コイル部品４の他、直流の電源５１と、スイッチ５２〜５５、コンデンサ５６、負荷５７などを備える。スイッチ５２〜５５には、図３に例示するＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子が利用される。回路基板５は、これらのスイッチ５２〜５５の開閉を制御する制御回路（図示せず）などを備える。制御回路によってスイッチ５２〜５５の開閉を制御することで、この回路基板５は、電源５１の電圧を下げて、負荷５７に出力できる（降圧動作）。一方、入出力を逆転する場合、いわば図３に示す負荷５７を電源に、電源５１を負荷に入れ替える場合、スイッチ５２〜５５の制御内容を変更することで、電源電圧を昇圧して、負荷に出力できる（昇圧動作）。回路基板５の基本的な構成や材料などは、公知の技術を利用でき、詳細な説明を省略する。
【００５１】
（電源装置）
実施形態１の電源装置６は、実施形態１の回路基板５を備える。図３では、電源装置６が、上述のようにＤＣ−ＤＣコンバータであって、二相のトランス結合型昇降圧チョッパ回路を構成する回路基板５を備えるものを例示する。電源装置６におけるその他の構成については公知の構成を利用でき、詳細な説明を省略する。
【００５２】
（主な効果）
実施形態１のコイル部品４は、主ギャップ３３ｇとは別に、各コイル１，２が配置される各磁脚３１，３２にもギャップ３１ｇ，３２ｇを備えるという簡単な構成でありながら、各コイル１，２に流れる電流に大きな差が有っても、この電流差によって磁気飽和し難い。また、実施形態１のコイル部品４は、両コイル１，２の結合係数が０．７以上を満たす範囲でギャップ３１ｇ，３２ｇを備えるため、リップル電流の増加量を小さくできる。この効果を以下の試験例で具体的に説明する。
【００５３】
実施形態１のコイル部品４を備える実施形態１の回路基板５、及びこの回路基板５を備える実施形態１の電源装置６は、二相のトランス結合型昇降圧回路やこの回路を備えるコンバータなどに用いた場合に、リップル電流の増加量を小さく抑えつつ、上述の電流差に基づく磁気飽和が生じ難いため、所定の変圧動作を長期に亘り良好に行える。
【００５４】
その他、上述のようにギャップ３１ｇ，３２ｇを比較的小さくできるため、ギャップ３１ｇ，３２ｇを含めた磁性コア３を小型にし易く、この点から実施形態１のコイル部品４は小型である。
【００５５】
［試験例１］
二相のトランス結合に用いられるコイル部品を作製して、結合係数を変化させたときのリップル電流を調べた。その結果を図４に示す。
【００５６】
ここでは、図７に示すコイル部品４００を基本構成とする。即ち、第一コイル及び第二コイルと、第一磁脚・第二磁脚・主ギャップを含む中央脚部・連結部を備える磁性コアとを備えるコイル部品を基本として、更に、第一磁脚及び第二磁脚にそれぞれギャップを設ける。以下、第一磁脚及び第二磁脚に介在させるギャップを追加ギャップと呼ぶ。ここでは、追加ギャップのギャップ長を変化させることで、結合係数を変化させる。結合係数が異なる各コイル部品に、所定の電流を流したときのリップル電流を市販の電流プローブによって測定した。
【００５７】
図４は、結合係数とリップル電流（Ａｐ−ｐ）との関係を示すグラフであり、横軸が結合係数、縦軸がリップル電流（Ａｐ−ｐ、ピーク・ツー・ピーク値）を示す。図４に示すように、結合係数が１に近づくほど、リップル電流が小さいことが分かる。結合係数が０．７であるときのリップル電流は、結合係数が１であるときのリップル電流の１．４４倍であり、結合係数が１であるときに比較してリップル電流の増加量が１．５倍未満である。結合係数が０．７以上であれば、上記リップル電流の増加量は更に小さく、１．４倍以下、更に１．３倍以下、１．２倍以下である。このことから、結合係数が０．７以上を満たす範囲で追加ギャップを備えれば、リップル電流の増加量が小さいことが示された。
【００５８】
［試験例２］
二相のトランス結合に用いられるコイル部品であって、主ギャップのみを備えるものと、主ギャップと追加ギャップとの双方を備えるものとを作製して、通電電流値を変化させたときの磁気飽和状態を調べた。
【００５９】
試料Ｎｏ．１は、磁性コアに主ギャップと追加ギャップとの双方を備えるコイル部品であり、図１に示す実施形態１のコイル部品４に相当する。
試料Ｎｏ．１００は、主ギャップのみを備え、追加ギャップを備えていないコイル部品であり、図７に示すコイル部品４００に相当する。
【００６０】
両試料のコイル部品の仕様は、追加ギャップの有無を除いて、実質的に同じである。
両試料における主ギャップのギャップ長は２ｍｍである。
試料Ｎｏ．１において、追加ギャップである第一ギャップのギャップ長及び第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、０．１３ｍｍ（主ギャップの６．５％）である。追加ギャップの合計ギャップ長は０．２６ｍｍであり、主ギャップのギャップ長よりも短い。
試料Ｎｏ．１の結合係数は約０．８４である。試料Ｎｏ．１において、結合係数が１の場合に比較したリップル電流の増加量は、１．２倍程度以下である。
試料Ｎｏ．１００の結合係数は、約０．９８である。
【００６１】
この試験では、第一コイル及び第二コイルに直流電流を変動させて供給し、このときの電流波形を市販の電流プローブで測定すると共に、磁気飽和の有無を調べた。各コイルに供給する直流電流の平均値は、１５Ａ〜１００Ａの範囲から選択した。また、ここでは、第一コイルと第二コイルとの間の電流差を約５Ａ程度設ける。例えば、直流電流の平均値を８０Ａとする条件では、第一コイルに流れる実際の直流電流は約７７．５Ａであり、第二コイルでは約８２．５Ａである。このような電流差に対してロバスト性を比較する。試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．１００との各々について、選択した直流電流の平均値（Ａ）と磁気飽和の状態とを表１，表２に示す。
【００６２】
また、試料Ｎｏ．１について、直流電流が１００Ａのときの第一コイルの電流波形、及び第二コイルの電流波形を図５に示す。試料Ｎｏ．１００について、直流電流が７０Ａのときの第一コイルの電流波形、及び第二コイルの電流波形を図６に示す。図５，図６に示す上述の電流波形のグラフにおいて、横軸は時間（目盛間隔は５マイクロ秒＝５μｓ）、縦軸は直流電流値（Ａ）を示す。
【００６３】
この試験では、試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．１００とで測定温度を異ならせた。主ギャップと追加ギャップとの双方を備える試料Ｎｏ．１の測定温度は１３０℃とする。主ギャップのみを備える試料Ｎｏ．１００の測定温度は６０℃とする。測定温度が高いほど、より磁気飽和し易い条件といえる。
【００６４】
【表１】
2019082489.tif 000003
【００６５】
【表２】
2019082489.tif 000004
【００６６】
表１に示すように、主ギャップと追加ギャップとの双方を備える試料Ｎｏ．１のコイル部品は、１００Ａといった大電流が供給される場合でも磁気飽和し難いことが分かる。特に、１３０℃といった磁気飽和し易い条件であっても、試料Ｎｏ．１のコイル部品は磁気飽和し難いことが分かる。図５に示すように、第一コイルの電流波形と、第二コイルの電流波形とは、若干分離しているものの、両コイルの電流波形は規則的な形状であり、局所的なピークなどが存在していない。なお、上述の電流の分離は、結合係数がある程度低いことで生じる。
【００６７】
表２に示すように、主ギャップのみを備える試料Ｎｏ．１００のコイル部品は、測定温度が６０℃と低く、磁気飽和し難い条件であるにも拘らず、電流値が７０Ａのときに磁気飽和が発生している。図６に示すように、第一コイルの電流波形と第二コイルの電流波形とは概ね重複しており分離箇所が少ないものの、非常に大きく分離した箇所が所定の時間ごとに繰り返し発生している。上記大きく分離した箇所とは、破線で示す第二コイルの電流波形において、実線で示す第一コイルの電流波形から離れて、最大電流値が９０Ａ近くである地点の近傍である。この大きく分離した箇所の発生は、磁気飽和していることを意味する。このことから、追加ギャップを備えておらず、主ギャップのみを備えるコイル部品では、第一コイルと第二コイルとに流れる電流の差を吸収し難く、磁気飽和し易いといえる。
【００６８】
この試験から、二相のトランス結合に用いられるコイル部品として、主ギャップに加えて、各コイルが配置される各磁脚にギャップ（追加ギャップ）を備えることで、磁気飽和を低減できることが示された。
【００６９】
上述の試験例１と試験例２とから、結合係数が０．７以上を満たす範囲で上述のように各磁脚に追加ギャップを備えることで、リップル電流の増加量を小さく抑えつつ、磁気飽和し難くできることが示された。このようなコイル部品を例えば、二相のトランス結合型昇降圧回路といった変圧回路を備える回路基板、この回路基板を備える電源装置に利用することで、リップル電流の増加量を小さく抑えつつ、磁気飽和し難いため、長期に亘り、昇圧動作や降圧動作といった所定の変圧動作を良好に行えると期待される。
【００７０】
本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
（１）分割コア片の形状や分割数を変更する。例えば、一方の分割コア片をＩ字状（直方体状）とし、他方の分割コア片をＥ字状とする。また、ギャップ長に応じて、Ｅ字状のコア片の第一磁脚及び第二磁脚を中央脚部よりも長くして、Ｉ字状のコア片と組み付けることで、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２が主ギャップのギャップ長Ｌ３３よりも短いコイル部品を構築できる。
（２）第一磁脚３１に備える第一ギャップ３１ｇの大きさと、第二磁脚３２に備える第二ギャップ３２ｇの大きさとを異ならせる。
（３）第１コイル及び第２コイルと磁性コアとの間に絶縁材料からなる介在部材を備える、又は各コイルを覆う絶縁被覆材を備える、又は磁性コアを覆う絶縁被覆材を備える。これらの場合、各コイルと磁性コア間の絶縁性を高められる。
（４）回路基板や電源装置を、昇圧動作のみを行うものとする、又は降圧動作のみを行うものとする。
【００７１】
なお、二相のトランス結合に用いられるコイル部品とは、名称を言い換えれば、例えば、結合インダクタであり、以下のように表現することもできる。
磁性コア（３）に第一コイル（１）及び第二コイル（２）が配置され、二相のトランス結合を成す結合インダクタであって、
前記磁性コア（３）は、
前記第一コイル（１）が配置されるコア脚部であって、途中に第一ギャップ（３１ｇ）を有する第一磁脚（３１）と、
前記第二コイル（２）が配置されるコア脚部であって、途中に第二ギャップ（３２ｇ）を有する第二磁脚（３２）と、
前記第一磁脚（３１）と前記第二磁脚（３２）との間に存在し、途中に主ギャップ（３３ｇ）を有する中央脚部（３３）と、
前記第一磁脚（３１）、前記中央脚部（３３）、前記第二磁脚（３２）を並列状態でそれぞれの両方の脚端部を連結する一対の連結部（３４（３４ａ，３４ｂ））と、を備え、
前記第一コイル（１）と前記第二コイル（２）との結合係数が０．７以上である結合インダクタである。
【符号の説明】
【００７２】
１，１０１  第一コイル
２，１０２  第二コイル
３，３００  磁性コア
３ａ，３ｂ  分割コア片
３１，３１０  第一磁脚
３２，３２０  第二磁脚
３３，３３０  中央脚部
３４，３４ａ，３４ｂ，３４０  連結部
３１ｇ  第一ギャップ
３２ｇ  第二ギャップ
３３ｇ  主ギャップ
３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂ  磁脚片
３３ａ，３３ｂ  中央脚片
３３０ｇ  ギャップ
４，４００  コイル部品
５  回路基板
５０  基板本体
５１  電源
５２，５３，５４，５５  スイッチ
５６  コンデンサ
５７  負荷
６  電源装置
【図１】
2019082489.tif 000005
【図２】
2019082489.tif 000006
【図３】
2019082489.tif 000007
【図４】
2019082489.tif 000008
【図５】
2019082489.tif 000009
【図６】
2019082489.tif 000010
【図７】
2019082489.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月12日(2020.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイル部品を備える回路基板。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図７に示すコイル部品４００では、磁性コア３００の第一磁脚３１０に配置される第一コイル１０１がつくる磁束を中央脚部３３０の近くで打ち消すように、第二コイル１０２が第二磁脚３２０に配置される。各コイル１０１，１０２に流れる直流電流がつくる磁束は、破線矢印で示すように各磁脚３１０，３２０から中央脚部３３０を経る磁路を通る。即ち、中央脚部３３０は、主として、漏れ磁束（鎖交していない磁束）の磁路をなす。一方、両コイル１０１，１０２に加わる変化する電圧に起因する磁束の鎖交成分は、実線矢印で示すように、主として、一方の磁脚３１０から、中央脚部３３０を通らずに他方の磁脚３２０を経る磁路を通る。この磁路は、両コイル１０１，１０２のトランス結合の磁路である。各コイル１０１，１０２の巻き数をＮ、各コイル１０１，１０２に流れる直流電流をＩ１，Ｉ２とすると、上記トランス結合の磁路に、上述の鎖交磁束に加えてＮ×（Ｉ１−Ｉ２）の磁束も通過しようとする。上記の式から明らかなように、各コイル１０１，１０２の電流差（Ｉ１−Ｉ２）が大きいほど、上記トランス結合の磁路を通過しようとする磁束量が多くなり、磁性コア３００が磁気飽和する。磁気飽和することで、所定の昇圧動作や降圧動作といった変圧動作を行えなくなる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
（磁性コア）
磁性コア３は、軟磁性材料を含み、閉磁路を形成する磁性部材である。この磁性コア３は、第一コイル１の巻回部が配置される柱状の第一磁脚３１と、第二コイル２の巻回部が配置される柱状の第二磁脚３２と、離間して横並びされる両磁脚３１，３２間に介在される柱状の中央脚部３３と、第一磁脚３１、中央脚部３３、第二磁脚３２という順に並べられた状態でこれらを挟み、これらを連結する一対の板状の連結部３４，３４とを備える。実施形態１のコイル部品４に備えられる磁性コア３は、中央脚部３３に介在される主ギャップ３３ｇと、第一磁脚３１に介在される第一ギャップ３１ｇと、第二磁脚３２に介在される第二ギャップ３２ｇとを備える。この例では、図２に示すように、第一ギャップ３１ｇのギャップ長Ｌ３１及び第二ギャップ３２ｇのギャップ長Ｌ３２はそれぞれ、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３よりも短い。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３は、上述の漏れ磁束による磁気飽和を低減できるように適宜設定するとよい。第一ギャップ３１ｇのギャップ長Ｌ３１及び第二ギャップ３２ｇのギャップ長Ｌ３２は、上述の電流差に起因する磁気飽和を低減しつつ、ギャップ３１ｇ，３２ｇによって、両コイル１，２の結合係数を過度に低下させない範囲で設ける。結合係数の低下は、リップル電流の増大を招くからである。リップル電流の増大は、二相のトランス結合型変圧回路などにおいて、スイッチ５２〜５５（図３）に利用される半導体素子の損失増大、コンデンサ５６（図３）の発熱量の増大や熱損傷を招き得る。そこで、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、リップル電流の増加量が少ない範囲となる大きさ、具体的には結合係数が０．７以上を満たす大きさとする。このようなギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３よりも短くてよい。例えば、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２はそれぞれ、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の１０％以下であることが挙げられる。ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は短いほど、結合係数を大きくし易く、リップル電流の増加量も少なくし易い。結合係数を大きくする観点からは、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の９．５％以下、更に９％以下、８．５％以下、８％以下であることが好ましい。一方、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は長いほど、上述の電流差に起因する磁気飽和を低減し易いため、主ギャップ３３ｇのギャップ長Ｌ３３の１％以上、更に２％以上、３％以上とすることが挙げられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２は、異ならせることができるが、本例のように実質的に等しいと、各磁脚３１，３２に均一的に磁束を流し易い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
《結合係数》
実施形態１のコイル部品４は、上述のように磁性コア３が主ギャップ３３ｇに加えて、ギャップ３１ｇ，３２ｇを備えるものの、両コイル１，２の結合係数が０．７以上である。そのため、コイル部品４を備える二相のトランス結合型変圧回路などを構築した場合に、リップル電流の増加量が小さく、昇圧や降圧などの変圧動作を長期に亘り安定して行える。結合係数が大きいほど、リップル電流の増加量を小さくし易く、この観点からは、結合係数は０．７５以上、更に０．７８以上、０．８以上であることが好ましい。結合係数が０．７以上を満たすように、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２を調整するとよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
なお、結合係数は、以下の関係式から求められる。結合係数をｋ、第一コイル１の自己インダクタンスをＬ１、第二コイル２の自己インダクタンスをＬ２、両コイル１，２の相互インダクタンスをＭとすると、結合係数ｋは、ｋ２＝Ｍ２／（Ｌ１×Ｌ２）を満たす。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
市販のシミュレーションソフトなどを用いて、結合係数とリップル電流との相関データや、結合係数ごとのギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２と通電電流値との相関データなどを予め求めておくことができる。上記相関データを利用すれば、所望の要求に応じて、より好ましい結合係数やギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２、使用電流値などを容易に選択できる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
（１）分割コア片の形状や分割数を変更する。例えば、一方の分割コア片をＩ字状（直方体状）とし、他方の分割コア片をＥ字状とする。また、ギャップ長に応じて、Ｅ字状のコア片の第一磁脚及び第二磁脚を中央脚部よりも長くして、Ｉ字状のコア片と組み付けることで、ギャップ長Ｌ３１，Ｌ３２が主ギャップのギャップ長Ｌ３３よりも短いコイル部品を構築できる。
（２）第一磁脚３１に備える第一ギャップ３１ｇの大きさと、第二磁脚３２に備える第二ギャップ３２ｇの大きさとを異ならせる。
（３）第１コイル及び第２コイルと磁性コアとの間に絶縁材料からなる介在部材を備える、又は各コイルを覆う絶縁被覆材を備える、又は磁性コアを覆う絶縁被覆材を備える。これらの場合、各コイルと磁性コア間の絶縁性を高められる。
（４）回路基板や電源装置を、昇圧動作のみを行うものとする、又は降圧動作のみを行うものとする。
【国際調査報告】
2019082489.tif 000012
2019082489.tif 000013
2019082489.tif 000014
2019082489.tif 000015