(57)【要約】      （修正有）【課題】局所的な電流の集中を緩和出来る低損失な薄型コイル及び、これを用いたトランスを提供する。【解決手段】一部が開口した平板の環状導体２，２ａ，２ｂを重ねて形成されるコイルであり、前記環状導体は、外周と平行に複数個に分割された分割導体３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂで構成され、それらの分割導体は、上下に隣接する環状導体の分割導体のうち、コイル周方向に対称の位置にある分割導体同士が電気的に接続されている。【選択図】図２
2015188033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部が開口した平板の環状導体を重ねて形成されるコイルであり、
前記環状導体は、外周と平行に複数個に分割された分割導体で構成され、それらの分割導体は、上下に隣接する環状導体の分割導体のうち、コイル周方向に対称の位置にある分割導体同士が電気的に接続されていることを特徴とする薄型コイル。
【請求項２】
前記環状導体は、１８０（°）以下の開口角度で開口している環状導体で形成される、請求項１に記載の薄型コイル。
【請求項３】
一部が開口した複数の環状導体が連続して接続された連続体を、蛇腹折りすることで形成される、請求項１又は２に記載の薄型コイル。
【請求項４】
複数のコイルを備えるトランスであって、
前記複数のコイルのうちの少なくとも一つのコイルは、請求項１〜３のいずれか１つに記載の薄型コイルで構成されている、トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型コイルとそれを用いたトランスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧の変換回路である絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの主要部品にトランスがある。
【０００３】
トランスは、磁性材料からなるコアと、そのコアに導線を巻き回してなる一次コイルと二次コイルとで構成されおり、一次、二次コイルの巻数比に従って、一次コイルに入力された電圧が、二次コイル側で別値の電圧に変換される。
【０００４】
近年、民生エネルギー品や、車載電装品用途において、設置スペースの制限から、トランスの薄型化が要求されている。
【０００５】
これに対し、コイルを平板導体で構成することで、トランスの薄型化を実現しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、特許文献１のトランス構造を示す図である。図１２Ａおいて、一次コイル１０１と二次コイル１０２とは、それぞれ、一部が開口した平板の環状導体１０３を、所望の巻数分重ね、螺旋状になるよう接合することで構成される。一次コイル１０１と二次コイル１０２とは、絶縁体１０４を介して重ねられ、それらを上下からコア１０５で挟み込むことで、トランス１０６が構成される。
【０００７】
このようにして構成された一次コイル１０１と二次コイル１０２とは、環状導体１０３と同じ導体断面積を有する丸導線を巻き回して構成するコイルよりも、厚みを薄くすることが出来る。これにより、トランス１０６の薄型化が実現出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２８３５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、平板導体で構成されたコイルに流れるコイル電流が、数十（ｋＨｚ）以上の高周波である場合、コイル電流は、表皮効果と近接効果とによって、図１２Ｂに示す環状導体１０３の内側面１０７側と外側面１０８側に片寄ろうとし、電流経路が狭まるので、コイルの電気抵抗は増加する。
【００１０】
さらに、前記従来の構造では、内側面１０７側の電流経路の方が、外側面１０８側の電流経路よりも、経路長が短いために、内側面１０７側の電流経路に殆どのコイル電流が集中してしまい、両側面の電流経路に同量のコイル電流が流れる場合に比べて、コイル損失が増加してしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、局所的な電流の集中を緩和出来る低損失な薄型コイル及びこれを用いたトランスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、一部が開口した平板の環状導体を重ねて形成されるコイルであり、
前記環状導体は、外周と平行に複数個に分割された分割導体で構成され、それらの分割導体は、上下に隣接する環状導体の分割導体のうち、コイル周方向に対称の位置にある分割導体同士が電気的に接続されていることを特徴とする薄型コイルを提供する。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の別の態様によれば、複数のコイルを備えるトランスであって、
前記複数のコイルのうちの少なくとも一つのコイルは、前記態様に記載の薄型コイルで構成されている、トランスを提供する。
【００１５】
なお、本発明において、環状導体の「環状」とは、円形だけではなく、楕円形又は多角形も含む。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の前記態様によれば、分割導体が形成する電流経路のうち、周方向に対して対称に位置する電流経路の長さが同等となり、流れる電流量も同等になる。その結果、局所的な電流の集中を緩和出来る低損失な薄型コイル及び、これを用いたトランスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態における薄型コイルの斜視図
【図２】本発明の第１実施形態における薄型コイルの構成を示す分解斜視図
【図３】本発明の第１実施形態における薄型コイルの作用を示す説明図
【図４】本発明の第１実施形態の変形例における薄型コイル（分割数ｍ=４の場合）の斜視図
【図５】本発明の第１実施形態の変形例における薄型コイルの構成を示す斜視図（分割数ｍ=４の場合）
【図６Ａ】本発明の第１実施形態におけるコイルを形成する連続体の説明図
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態におけるコイルを形成する連続体の基準形の説明図
【図７】本発明の第１実施形態の変形例における薄型コイルの折り曲げ線部の説明図
【図８】本発明の第２実施形態におけるコイルを形成する連続体（正多角形）の説明図
【図９】本発明の第２実施形態の変形例におけるコイルを形成する連続体（長方形）の説明図
【図１０】本発明の第２実施形態の変形例におけるコイルを形成する連続体（楕円形）の説明図
【図１１】本発明の第１又は第２実施形態におけるコイルを使用するトランスの模式図
【図１２Ａ】特許文献１に記載された従来の薄型トランスの模式図
【図１２Ｂ】特許文献１に記載された従来の薄型トランスの模式図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１に、本発明の実施の形態における、薄型コイル１を示す。
【００２０】
薄型コイル１は、多数の環状導体２を積層して構成される。ここでは、奇数ターンの環状導体を２аとし、偶数ターンの環状導体を２ｂとする。
【００２１】
環状導体２（２ａ，２ｂ）は、任意角度の開口部２ｐを有する環状の導体平板であり、外周と平行に分割されて、分割導体３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂを構成している。分割導体３ａと分割導体４ａとは、互いに相似形状であり、分割導体３ｂと分割導体４ｂとは、互いに相似形状である。
【００２２】
薄型コイル１は、図２に示すように、薄型コイル１の奇数ターンの環状導体２аの外側分割導体３ａが、薄型コイル１の偶数ターンの環状導体２ｂの内側分割導体４ｂと電気的に接続されるとともに、薄型コイル１の奇数ターンの環状導体２аの内側分割導体４ａが、薄型コイル１の偶数ターンの環状導体２ｂの外側分割導体３ｂと電気的に接続される構成となっている。
【００２３】
かかる構成によれば、図３に示すように、薄型コイル１の一方の入出力端部５に入力されたコイル電流ｃは、電流経路６のように、奇数ターンの環状導体２ａでは外側分割導体３ａを通るが、偶数ターンの環状導体２ｂでは、内側分割導体４ｂを通るようになる。
【００２４】
同様に、薄型コイル１の他方の入出力端部７に入力されたコイル電流ｄは、電流経路８のように、奇数ターンの環状導体２ａでは、内側分割導体４ａを通るが、偶数ターンの環状導体２ｂでは、外側分割導体３ｂを通るようになる。
【００２５】
よって、電流経路６と電流経路８とは、ターンを経るごとに、コイル１の周方向に対して対称に入れ替わるので、経路長が同等になる。
【００２６】
これにより、どちらか一方の電流経路６又は８に電流が集中することなく、両電流経路６，８に同等の電流が流れるようになり、局所的な電流の集中が緩和されるので、コイル損失を低減することが可能になる。
【００２７】
なお、図１〜図３に記載の環状導体２は、外周と平行に分割されたときの分割数ｍ＝２であるが、本発明の薄型コイルは、これに限られない。
【００２８】
第１実施形態の変形例として、図４に、分割数ｍ＝４の環状導体９で構成される薄型コイル１０を示す。
【００２９】
環状導体９は、外周と平行に４分割され、分割導体１１〜１４で構成されている。
【００３０】
薄型コイル１０は、図５に示すように、以下のように接続されて構成されている。まず、薄型コイル１０の奇数ターンの環状導体９аの分割導体１１ａが、薄型コイル１０の偶数ターンの環状導体９ｂの分割導１４ｂと電気的に接続されている。薄型コイル１０の奇数ターンの環状導体９аの分割導体１２ａが、薄型コイル１０の偶数ターンの環状導体９ｂの分割導１３ｂと電気的に接続されている。薄型コイル１０の奇数ターンの環状導体９аの分割導体１３ａが、薄型コイル１０の偶数ターンの環状導体９ｂの分割導１２ｂと電気的に接続されている。薄型コイル１０の奇数ターンの環状導体９аの分割導体１４ａが、薄型コイル１０の偶数ターンの環状導体９ｂの分割導１１ｂと電気的に接続されている。
【００３１】
よって、薄型コイル１０においては、分割導体１１ａと分割導体１４ｂとで形成する電流経路と、分割導体１４ａと分割導体１１ｂとで形成する電流経路が、ターンを経るごとに、コイル周方向に対称に入れ替わり、分割導体１２ａと分割導体１３ｂとで形成する電流経路と、分割導体１３ａと分割導体１２ｂとで形成する電流経路が、ターンを経るごとに、コイル周方向に対称に入れ替わる。
【００３２】
すなわち、複数の分割導体で構成される環状導体を積層してなる本発明の各実施形態又は変形例にかかる薄型コイルにおいては、上下に隣接する環状導体間において、コイル周方向に対称の位置にある分割導体同士が、各々電気的に接続されていることになる。
【００３３】
本構成によって、分割導体が形成する電流経路のうち、周方向に対称に位置する電流経路の長さが同等となり、電流量も同等となるので、コイル損失を低減することが出来る。
【００３４】
もし分割数ｍが奇数の場合、環状導体内側から、（（ｍ＋１）／２）番目の分割導体が形成する電流経路のみ、ターンを経ても、入れ替わる別の電流経路が存在しないが、その他の分割導体が形成する電流経路は、ターンを経るごとに、コイル周方向に対称に入れ替わるので、分割数ｍが偶数の場合と同様に、損失低減効果を得ることが出来る。
【００３５】
さらに、環状導体には、周辺からの漏れ磁束が交鎖することで渦電流が発生するが、それら渦電流は、導体の幅の二乗に比例する。よって、分割されていない環状導体と比べて、分割数ｍの環状導体に発生する渦電流は、分割数ｍ／（分割数ｍ２）に減少し、渦電流による損失を低減することが出来る。
【００３６】
その一方で、分割数ｍが多すぎると、分割導体間の隙間も、分割数ｍ−１だけ必要になる。これにより、環状導体外側の分割導体ほど、その電流経路長が増えてしまい、電気抵抗が増加するので、損失低減効果が小さくなっていく。
【００３７】
さらに、分割数ｍが多いほど、環状導体加工の累積公差が大きくなり、形状品質の確保が困難になる。
【００３８】
以上の観点より、環状導体の分割数ｍは、２以上１０以下とするのが好ましい。
【００３９】
本発明の第１実施形態にかかる薄型コイル１は、次のように製造される。
【００４０】
図６Ａ及び図６Ｂは、薄型コイル１を構成する連続体１５と、連続体１５の基準形である、環状導体２Ｇを示している。
【００４１】
環状導体２Ｇは、任意角度の開口部２ｐを有する環状の導体平板であり、開口角度αに沿った開口端１６を有している。
【００４２】
また、環状導体２Ｇは、外周と平行に複数に分割されており、それら分割導体１７が、所定の間隔で、同一平面状に並列に配置されている。
【００４３】
連続体１５は、第一の環状導体２Ｇ−１の開口端１６の中点ｅを中心として、第二の環状導体２Ｇ−２を点対称に配置し、それら環状導体２Ｇ−１，２Ｇ−２が、継ぎ目無く連なった形状となっている。第三、第四の環状導体２Ｇ−３，２Ｇ−４を同様に配置していくことで、薄型コイル１として必要な巻き数を得ることが出来る。
【００４４】
この連続体１５を、隣接する環状導体（例えば、２Ｇ−１，２Ｇ−２）の中心点を結んだ線分ｆ−ｆ´と垂直に交わり、かつ開口端１６の中点ｅを通る線分ｇ−ｇ´を折り曲げ線として、蛇腹折りすることで、薄型コイル１となる。
【００４５】
なお、薄型コイル１は、一枚の連続体１５で構成される必要はない。複数の連続体１５又は複数の環状導体２Ｇを、何らかの手段で電気的に接続して、薄型コイル１を構成するようにしても良い。
【００４６】
環状導体２Ｇ及び連続体１５は、導体の平板をエッチング又はプレス加工することで得られる。また、平角線を、直接、環状導体２Ｇ及び連続体１５の形状に曲げ加工しても得られる。
【００４７】
また、環状導体２Ｇ及び連続体１５の材料は、銅、アルミニウム、又は、それらの合金が良いが、導電率が高く、損失の小さい無酸素銅がより好ましい。
【００４８】
環状導体２Ｇの開口角度αは、環状導体２Ｇの導体幅ｈと、半径ｒにおいて、
２×ｓｉｎ−１（（ｈ／２）／ｒ）（°）
より大きく、かつ、１８０（°）以下とするのが好ましい。
【００４９】
開口角度が、２×ｓｉｎ−１（（ｈ／２）／ｒ）（°）以下であると、環状導体２Ｇ内で、開口端１６が重なってしまい、薄型コイル１を形成することが出来ない。また、開口角度が１８０（°）より大きいと、薄型コイル１に必要な巻き数ｎを得るために、２ｎ枚より多くの環状導体２Ｇが必要になり、厚みが増大するために、薄型コイルとしてのメリットが活かせなくなる。
【００５０】
薄型コイル１の絶縁は、環状導体２Ｇ間に絶縁体を挟む、又は、事前に環状導体２Ｇ及び連続体１５の表面に絶縁被膜処理を行うことで確保される。
【００５１】
前記絶縁体の材料としては、ノーメック紙、ウレタン、エポキシ、ポリアミド、又は、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【００５２】
環状導体２Ｇ及び連続体１５の導体厚みは、コイル電流の基準周波数における表皮深さの２倍以下とするのが好ましい。
【００５３】
前記導体厚みが、表皮深さの２倍よりも大きいと、表皮効果によって、環状導体断面の中心部に電流が流れず、コイル損失が増加してしまう。
【００５４】
一方で、コイル電流の基準周波数における表皮深さの２倍の値が、０．０５（ｍｍ）より小さい場合は、前記導体厚みを０．０５（ｍｍ）とするのが良い。
【００５５】
前記導体厚みが、０．０５（ｍｍ）よりも小さいと、環状導体２及び連続体１５の剛性が下がり、加工性が悪くなる。
【００５６】
環状導体２Ｇ及び連続体１５の導体断面積は、薄型コイル１に流れる電流値を、分割導体１７の導体断面積の合計値で割った電流密度の値が、３〜２０（Ａ／ｍｍ２）の範囲内になるようにするのが好ましい。
【００５７】
電流密度が３（Ａ／ｍｍ２）よりも小さいと、コイル電流値と前述の導体厚みによっては、環状導体２Ｇ及び連続体１５の導体幅が非常に大きくなり、加工が困難になる。
【００５８】
また、電流密度が、２０（Ａ／ｍｍ２）よりも大きいと、薄型コイル１が発熱により高温になり、発火又は発煙の恐れがある。
【００５９】
折り曲げ線である線分ｇ−ｇ´部分に、溝が加工されていても良い。図７は、本発明の第１実施形態の変形例における薄型コイル折り曲げ線部の拡大断面図を示している。溝１８は、折り曲げ時に、山、もしくは谷になる側に加工される。溝１８が加工されることで、連続体１５の折り曲げ精度が向上し、形状品質を向上させることが出来る。
【００６０】
溝１８の加工寸法は、深さｉが深く、幅ｊが広いほど、折り曲げやすくなるが、深さｉが深いほど、溝加工部分の導体断面積が小さくなり、損失が増えてしまう。よって、深さｉは、連続体２の導体厚みｋの６０％以下とするのが望ましい。
【００６１】
更に、幅ｊが広いほど、連続体１５の折り曲げ精度が低下し、薄型コイル１の形状品質が悪化する。よって、幅ｊは、深さｉの１〜５倍程度にするのが良い。
【００６２】
溝１８の加工形状は、図７に示す四角形に限らず、三角形でも円形でも良い。
【００６３】
なお、第１実施形態では、環状導体２，２Ｇの形状を円形で説明したが、正方形、長方形、又は、楕円形としても良い。
【００６４】
本発明の第２実施形態として、図８〜図１０に、正方形、長方形、又は、楕円形コイルを構成する連続体１５を、それぞれ示す。
【００６５】
以下、本発明の第２実施形態及びその変形例として、正方形、長方形、又は、楕円形の薄型コイルを形成する連続体１５Ｈ、環状導体２Ｈについて、円形の薄型コイルを形成する場合と異なる点を説明する。これらのコイルにおいても、外周と平行に複数に分割された分割導体をそれぞれ有している。
【００６６】
（正方形コイル）
第２実施形態として、図８に示す、正方形コイルの連続体１５Ｈは、正方形の頂点位置から、９０（°）若しくは１８０（°）の開口角度βで開口している環状導体２Ｈを連ねることで形成される。
【００６７】
（長方形コイル）
第２実施形態の変形例として、図９に示す、長方形コイルの連続体１５Ｊは、長方形の長辺を開口した環状導体２ｃと、長方形の短辺を開口した環状導体２ｄとを交互に連ねることで形成される。
【００６８】
（楕円形コイル）
第２実施形態の変形例として、図１０に示す、楕円形コイルの連続体１５Ｋは、γの開口角度で開口している楕円形の環状導体２ｅと、前記環状導体２ｅの開口端１６ａから（１８０−γ）（°）ずれた位置に、開口端１６ｂを有している楕円形の環状導体２ｆを交互に連ねることで形成される。
【００６９】
図１１に、第１又は第２実施形態の薄型コイルを用いたトランス１９を示す。本発明の第１又は第２実施形態の薄型コイルでそれぞれ構成された一次コイル２０と二次コイル２１とが、ボビン２２を介して重ねられ、さらに磁性材料からなるコア２３で、上下から挟まれた構造となっている。すなわち、一次コイル２０と二次コイル２１とが、両方とも第１又は第２実施形態の薄型コイルでそれぞれ構成されている。
【００７０】
ボビン２２の材料は、ＡＢＳ、ＰＧＴ、ＰＢＴ、若しくは、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂、又は、フェノール、若しくは、エポキシなどの熱硬化性樹脂が好ましい。
【００７１】
トランス１９は、一次コイル２０と二次コイル２１とのうち、少なくともどちらか一方を第１又は第２実施形態の薄型コイルで構成しても良い。
【００７２】
一次コイル２０と二次コイル２１とは、損失を抑えるために、電流経路長が最短となるよう、コア２３の主軸断面形状ｌと同形の形状とするのが好ましい。
【００７３】
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の薄型コイルは、トランスの他、インダクタ、リアクトルのコイルとして適用することが可能であり、自動車、環境、住宅、インフラなど、広範囲の分野における電源システムのＤＣ／ＤＣインバータ、ＡＣ／ＤＣインバータの磁気部品として利用することが出来る。
【符号の説明】
【００７５】
１、１０  薄型コイル
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２Ｇ、２Ｇ−１〜２Ｇ−４、２Ｈ、、９、９ａ、９ｂ  環状導体
２ｐ  開口部
３ａ、３ｂ  外側分割導体
４ａ、４ｂ  内側分割導体
５、７  入出力端部
６、８  電流経路
１１、１１ａ、１１ｂ、１２、１２ａ、１２ｂ、
１３、１３ａ、１３ｂ、１４、１４ａ、１４ｂ、１７  分割導体
１５、１５Ｈ、１５Ｊ、１５Ｋ  連続体
１６、１６а、１６ｂ  開口端
１８  溝
１９  トランス
２０  一次コイル
２１  二次コイル
２２  ボビン
２３  コア
１０１  一次コイル
１０２  二次コイル
１０３  環状導体
１０４  絶縁体
１０５  コア
１０６  トランス
１０７  内側面
１０８  外側面
【図１】
2015188033.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2015188033.tif 000009
【図７】
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【図８】
2015188033.tif 000011
【図９】
2015188033.tif 000012
【図１０】
2015188033.tif 000013
【図１１】
2015188033.tif 000014
【図１２Ａ】
2015188033.tif 000015
【図１２Ｂ】
2015188033.tif 000016