JP2011238750A - 薄型トランス - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化、小型化、軽量化が可能なトランスを提供する。
【解決手段】Ｆｅを主成分とし、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｕ、ならびにＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素を添加したＦｅ基軟磁性合金の薄板を多層に巻回して、その巻回体の外周全体に絶縁体からなるコアケース１３を一体にモールドした平面形状がＵ字状の磁心半体１４ａ，１４ｂを互いに接合して閉ループの磁路を有する磁心2を構成し、磁心半体１４ａ，１４ｂどうしの一方の接合部１５ａに、コアケース１３を介して断面形状が四角形の１次コイル３を１層整列状態に巻回し、磁心半体１４ａ，１４ｂどうしの他方の接合部１５ｂに、コアケース１３を介して断面形状が四角形の２次コイル４を１層整列状態に巻回して、１次コイル３と２次コイル４を離間配置したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばＴＶ用ＡＣ−ＤＣコンバータ電源用薄型スイッチングトランスなどの薄型トランスに係り、特に磁心とその周辺の部品に関するものである。

背景技術として、例えば下記特許文献１や２に記載の提案がある。特許文献１には、磁歪の大きさが−１．２×１０^-6≦λs≦＋１．２×１０^-6の範囲にあり、硬さがＨｖ３２０以上のアモルファス磁性材料を巻回またはラミネートし、磁路を構成したのち、硬化時収縮率が０．０５%以上の有機系絶縁樹脂を用いてモールドした磁心が記載されている。

また、特許文献２には、エポキシ系樹脂で含浸し、一部をカットしてギャップを設けたアモルファス巻磁心が記載されている。

特公昭５９−１7２２２１号公報 特公昭５９−１８９６１０号公報

従来のＴＶ用ＡＣ−ＤＣコンバータ電源用薄型スイッチングトランスに使用する磁心は、酸化第二鉄を主成分とした粉末をプレスして焼成した、形状が比較的自由に加工できるフェライトを使用している。このフェライトの比透磁率は、約２４００〜５３００の範囲にある。

トランスのインダクタンスはコイルの巻数のおよそ２乗に比例し、巻数が多くなると増加し、少なくなると減少するという関係がある。
漏れインダクタンス（リーケージインダクタンス）も同様に巻数が多くなると増加し、少なくなると減少する関係にあり、また、１次-2次巻線の配置によるコイル間の結合度合によっても変化する。

現状のフェライト製の磁心を使用した薄型ＴＶ用電源においてスイッチング回路は、大電力でスイッチング損失の少なく効率の高い電流共振回路方式を使用しており、スイッチングトランスに直列に配置された容量Ｃｓと、スイッチングトランスの漏れインダクタンス（リーゲージインダクタンス）Ｌ₂で共振して動作していて、理想的にはトランス内部に１０５μHのリーゲージインダクタンスが必要となっている。

ところが従来のこの種トランスのリーゲージインダクタンスは３５μHと小さいため、トランスを３個直列に接続して、全体として（３５×３＝）１０５μHのリーゲージインダクタンスを確保していた。

また、従来のフェライト製磁心のコア損失は０．７５Ｗ／ｃｍ³で、このコア損失が大きいと使用時のトランスの温度上昇が高く、コア損失が小さいと使用時のトランスの温度上昇は低くなる。

トランスの温度衝撃試験時あるいは基板リフロー時の温度差でフェライト製磁心が割れ易くなるため、トランスの総高を余り薄くすることができず、現状ではトランスの総高は約９．３ｍｍが限界であり、それ以上の総高になっている。

現状のトランスの特性を確保しつつ、トランスの総高を薄く、例えば６ｍｍにするためには、コイル（電線）部の厚さを考慮すると、磁心の厚さは２ｍｍ以下に抑える必要がある。

ところがフェライト製の磁心では、その厚さを２ｍｍ以下にすると、温度衝撃試験時あるいは基板リフロー時の温度差で磁心が割れるという問題がある。

また、リーゲージインダクタンス１０５μHを確保するために、前述のように３個のトランスを使用した場合、電源基板の面積に対するトランスの占有面積が大きくなるという問題がある。

さらに、トランスを３個使用するため、コスト高になるという欠点もある。

さらに、コア損失が大きいとトランスの鉄損が大きくなるため、コア温度が上昇し、トランス全体の温度上昇が高くなる。この温度上昇を低減するには、磁束数を少なくする必要があり、そのためには１次コイルの巻数を多くする必要がある。ところが、１次コイルの巻数を多くすると、トランスの巻線部が高く、大きくなり、そのためにトランス全体が高く、大きくなり、トランスの薄型化、小型化の障害となるなどの欠点を有している。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、薄型化、小型化、軽量化が可能なトランスを提供することにある。

前記目的を達成するため、
本発明の第１の手段は、Ｆｅを主成分とし、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｕ、ならびにＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素を添加したＦｅ基軟磁性合金の薄板を、帯状に切断、巻き回した後、熱処理をすることにより、組成物の大半を微細結晶粒としたＦｅ基軟磁性合金薄帯の巻回体の外周全体に絶縁体からなるコアケースを一体にモールドした平面形状がＵ字状の磁心半体を互いに接合して閉ループの磁路を有する磁心を構成し、
その磁心半体どうしの一方の接合部に、前記コアケースを介して電線断面形状が四角形の１次コイルを１層整列状態に巻回し、
当該磁心半体どうしの他方の接合部に、前記コアケースを介して電線断面形状が四角形の２次コイルを１層整列状態に巻回して、前記１次コイルと２次コイルを離間して配置したことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記薄板巻回体の各薄板間に絶縁体の結着層が設けられて各薄板が互いに結着されているとともに、各結着層の端部が前記コアケースと一体になっていることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記磁心と１次コイルならびに２次コイルの集合体を面実装するプリント配線基板の前記１次コイルならびに２次コイルの下部コイル部と対向する位置にコイル収容用切欠部をそれぞれ形成し、
前記１次コイルならびに２次コイルを前記プリント配線基板に搭載して、前記１次コイルならびに２次コイルの下部コイル部を前記コイル収容用切欠部にそれぞれ落とし込んだことを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記プリント配線基板のコイル収容用切欠部の外周に架橋部を形成したことを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第１または第２の手段において、前記コアケースの下面と前記プリント配線基板のコアケースと対向する部分に、位置決め穴と、その位置決め穴に挿入する位置決め突部を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段のいずれか1つの手段において、前記1次コイルまたは2次コイルが自己融着線またはワニス等の樹脂含浸により成形されていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、薄型化、小型化、軽量化ができるトランスを提供することができる。

本発明の実施形態に係る薄型ＴＶ用トランスの平面図である。 図１Ｘ−Ｘ線上の断面図である。 本発明の実施形態に用いるプリント配線基板の平面図である。 本発明の実施形態に用いる磁心の平面図である。 図４Ｙ−Ｙ線上の断面図である。 その磁心の一部拡大断面図である。 一方のコアケースの底面図である。 プリント配線基板とコアケースの係合関係を示す拡大断面図である。 プリント配線基板の変形例を示す平面図である。

本発明では、Ｆｅを主成分とし、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｕ、ならびにＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素を添加したＦｅ基軟磁性合金が磁心材料として用いられている。

このＦｅ基軟磁性合金は、下記の一般式で表せられる。
一般式
（Ｆｅ_１−ａＭ_ａ）_{１００−ｘ−ｙ−ｚ−α}Ｃｕ_ｘＳｉ_ｙＢ_ｚＭ´_α
式中、
ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、
Ｍ´はＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素、
ａ，ｘ，ｙ，ｚおよびαは、それぞれ０原子％≦ａ≦０．５原子％，０．１原子％≦ｘ≦３原子％，０原子％≦ｙ≦３０原子％，０原子％≦ｚ≦２５原子％，５原子％≦ｙ_＋ｚ≦３０原子％，０．１原子％≦α≦３０原子％を満たす数値である。

前述のように、Ｆｅは０〜０．５原子％の範囲でＣｏおよび／またはＮｉで置換してもよく、特に０〜０．１原子％の範囲が好ましい。
Ｃｕの含有率は、０．１〜３原子％で、特に０．５〜２原子％の範囲が好ましい。

Ｓｉの含有率は、０〜３０原子％で、特に６〜２５原子％の範囲が好ましい。
Ｂの含有率は、０〜２５原子％で、特に２〜２５原子％の範囲が好ましい。

Ｓｉ＋Ｂの含有率は、５〜３０原子％で、特に１４〜３０原子％の範囲が好ましい。
Ｍ´（Ｎｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ）の含有率は、０．１〜３０原子％で、特に１〜１０原子％の範囲が好ましい。

本発明に用いるＦｅ基軟磁性合金として、Ｆｅを主成分とし、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｕ、ならびにＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素を添加し、これを一旦、非晶質にした後に、熱処理をすることにより、組成物の大半を微細結晶粒としたＦｅ基軟磁性合金が特に好適である。この軟磁性合金は、組織のうちの少なくとも５０％が１０００Å以下の平均粒径を有する微細結晶粒からなり、残部が実質的にアモルファス（非晶質）で構成されている。

所定の組成比を有する溶融物から液体急冷法によりリボン状の非晶質合金が得られ、その板厚は５〜１００μｍである。高周波トランス用として特に板厚が２５μｍ以下のものが好適であり、本実施形態では板厚が２０μｍのものを使用する。

非晶質合金薄板は熱処理前に、例えば打ち抜きやエッチングなどによって所定の形状に加工される。
その加工後の非晶質合金薄板の熱処理は、真空中または水素、窒素などの不活性ガス中で行なわれる。加熱温度と加熱時間は非晶質合金薄板の組成、形状、サイズなどにより異なるが、５００〜６５０℃で、５分から６時間程度である。熱処理は、磁場中で行なうのが好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金の組成としては、例えば次のようなものを挙げることができる。
Ｆｅ_71.5Ｃｕ₁Ｎｂ₅Ｓｉ_13.5Ｂ₉
Ｆｅ_73.5Ｃｕ₁Ｎｂ₃Ｓｉ_13.5Ｂ₉
Ｆｅ₇₁Ｃｕ_1.5Ｎｂ₅Ｓｉ_13.5Ｂ₉
Ｆｅ_71.5Ｃｕ₁Ｍｏ₅Ｓｉ_13.5Ｂ₉
これらＦｅ基軟磁性合金のコア損失は、０．２２〜０．２５Ｗ／ｃｍ³である。

本実施形態においては、前記Ｆｅ基軟磁性合金組成を有する２０μｍ厚の薄帯状体を積層状に巻いてコアを構成する。前記薄帯状体の幅は２ｍｍ以下まで狭く加工でき、薄帯状体の間に例えばエポキシ系樹脂などの合成樹脂を注形することにより、コア高さ２ｍｍが実現可能である。また、このような構成にすることにより、温度サイクル試験時のコア強度も十分に確保できる。

前記Ｆｅ基軟磁性合金の比透磁率は約１６０００と高く、従来使用していたフェライトの約５倍である。

さらに、１次コイル及び２次コイルを離間して配置することにより、同一巻数の場合は、１個のトランスでリーゲージインダクタンスは１７５μＨとなる。

また、前記Ｆｅ基軟磁性合金のコア損失は０．２５Ｗ／ｃｍ³で、従来使用していたフェライトの約１／３であり、鉄損も約１／３となり、使用中におけるコアの温度上昇を低く抑えることができる。

前述の比透磁率が高いこと、ならびにコア損失（鉄損）が低いことから、従来、３個のトランスが必要であったところが１個のトランスで済み、部品点数の削減が図れる。

また、トランスの数の削減で電源基板に対するトランスの占有面積を小さくすることができ、それに加えてリーゲージインダクタンスを仕様の１０５μＨとすることで、巻数を約２０％少なくすることができる。このようなことから、トランスの薄型化、小型化、軽量化ができる。

次に本発明の実施形態に係る薄型ＴＶ用トランスの構造について図とともに説明する。

図１は実施形態に係る薄型ＴＶ用トランスの平面図、図２は図１Ｘ−Ｘ線上の断面図である。

本発明の実施形態に係る薄型ＴＶ用トランスは、図１に示すようにプリント配線基板１と、そのプリント配線基板１上に実装される磁心２と、その磁心２に装着される１次コイル３、２次コイル４ならびにモニタコイル５とから主に構成されている。

図３は、本実施形態に用いるプリント配線基板１の平面図である。同図に示すように、プリント配線基板１の前後両端部には、１次コイル用接続端子６、２次コイル用接続端子７ならびにモニタコイル用接続端子８が設けられ、各接続端子６、７、８はプリント配線基板１上に形成された導電性パターン９に接続されている。

また、プリント配線基板１のほぼ中間位置には、側端部から内側に向って切り込まれた平面形状がほぼ四角形のコイル部収容用切欠部１０ａ，１０ｂが形成されている。

図４は本実施形態に用いる磁心２の平面図、図５は図４Ｙ−Ｙ線上の断面図、図６はその磁心２の一部拡大断面図である。
磁心２は前記鉄基軟磁性合金組成を有する薄帯を幅２ｍｍの細帯に切断、内径１０ｍｍ、外径４０ｍｍ、長さ８０ｍｍの長円状に巻回し、窒素雰囲気中で例えば５００〜６５０℃で約１時間熱処理を行なう。この熱処理により、組織中の殆どが平均粒径約１００Åの微細結晶粒となる。

熱処理後、この巻回しを例えばエポキシ系樹脂などの合成樹脂液中に所定時間浸漬して、図６に示すように多重巻きされた薄帯１１と薄帯１１の間に前記合成樹脂液を浸透させ、所定時間経過後に取り出して、エポキシ系樹脂などの合成樹脂を硬化させて結着層１２を形成する（図６参照）。

積層された各薄帯１１は結着層１２で結着されているから、後の機械加工などで巻回体が解けることはなく、取り扱いが容易である。

この巻回体を再びエポキシ系樹脂などの合成樹脂液中に所定時間浸漬して、その後取り出して合成樹脂を硬化処理して巻回体の外周全体に比較的肉厚の被服層を形成し、この被服層をコアケース１３とする。図６に示すように、各結着層１２とコアケース１３の接合部は一体化される。

しかる後、この巻回体の長手方向の中間部をその長手方向と直交する方向に切断して、図４に示すように平面形状がＵ字状をした磁心半体１４ａ，１４ｂを得る。前述のように薄帯１１と薄帯１１は結着層１２で結着されており、しかも巻回体の外周全体がコアケース１３で覆われているから、積層された薄帯１１を切断するときに、薄帯１１が剥がれたり、ひびが生じるようなことが無く、カッティングがスムーズに行なわれる。

本実施形態では結着層１２とコアケース１３の構成材料としてエポキシ系樹脂を使用したが、他の種類の硬化型合成樹脂も使用できる。

少なくとも前記１次コイル3ならびに２次コイル４の断面形状は図２に示すように四角形をしており、しかも多重層に巻回するのではなく、１層巻きとなっている。断面形状が円形のコイルに比較して、断面形状が四角形のコイルは所定のスペース内での面積効率が高いため、１次コイル３ならびに２次コイル４を１層巻きにしてもその機能を十分に発揮することができる。

さらに、使用する電線を自己融着線またはポリエステルフィルム等の薄膜物を巻き芯として巻き回しワニス等により含浸成形した空心状コイルを使用することにより組み立て性が良く、結果としてトランスの薄型化に寄与できる。

本実施形態では、前記モニタコイル５も断面形状が四角形のコイルを使用し2次コイルと熱融着により一体形状となりボビンレスの中空コイルとなっている。

図４に示すように、平面形状がＵ字状をした磁心半体１４ａと磁心半体１４ｂを接合して閉ループの磁路を有する磁心２を構成するが、一方の接合部１５ａ側に中空コイル状の１次コイル3を嵌合し、他方の接合部１５ｂ側に中空コイル状の２次コイル４とモニタコイル５を並べて嵌合することにより、１次コイル3と２次コイル４を所定の距離Ｌをもって離間・絶縁することができる（図１参照）。

２つのコアケース１３の下面には、所定の間隔をおいて複数個（本実施形態では２個）の位置決め突部１７が形成され（図７参照）、一方、プリント配線基板１の前記コアケース１３と対向する位置には貫通した位置決め穴１８が形成されている（図３参照）。２つの磁心半体１４ａ，１４ｂをプリント配線基板１上に載置して、前記コアケース１３の位置決め突部１７をプリント配線基板１の位置決め穴１８に嵌入することにより（図８参照）、プリント配線基板１上での磁心２（磁心半体１４ａ，１４ｂ）の位置決めができる。

またこの磁心２（磁心半体１４ａ，１４ｂ）の位置決めにより、図２に示すように１次コイル３の下部コイル部３ａがプリント配線基板１に形成されたコイル部収容用切欠部１０ａに入り込み（落ち込み）、図示していないが２次コイル４ならびにモニタコイル５の下部コイル部がプリント配線基板１に形成されたコイル部収容用切欠部１０ｂに入り込み（落ち込み）、トランスの薄型化に寄与している。

このように磁心２がプリント配線基板１上で位置決めされた後、１次コイル３の両端部は半田層１６ならびに導電性パターン９を介して１次コイル用接続端子６に接続され、２次コイル４の両端部は半田層１６ならびに導電性パターン９を介して２次コイル用接続端子７に接続され、モニタコイル５の両端部は半田層１６ならびに導電性パターン９を介してモニタコイル用接続端子８に接続されることにより、磁心２がプリント配線基板１上に面実装される。
本実施形態によって得られた薄型ＴＶ用トランスの総高Ｈ（図２参照）は６ｍｍである。

図９は、プリント配線基板１の変形例を示すプリント配線基板１の平面図である。
本本実施形態において前記図３に示すプリント配線基板１と相違する点は、切り込み状のコイル部収容用切欠部１０ａ，１０ｂではなく、コイル部収容用切欠部１０ａ，１０ｂの外周に架橋部１９を一体に設けて、プリント配線基板１の周辺部の補強を図った点である。

前記実施形態では、コアケース１３側に位置決め突部１７を設け、プリント配線基板１側に位置決め穴１８を設けたが、反対に、コアケース１３側に凹状の位置決め穴を設け、プリント配線基板１側に位置決め突部を設けることも可能である。

前記実施形態では、ＴＶ用ＡＣ−ＤＣコンバータ電源用薄型スイッチングトランスの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の用途に用いる薄型トランスにも適用可能である。

１・・・プリント配線基板、２・・・磁心、３・・・１次コイル、３ａ・・・１次コイルの下部コイル部、４・・・２次コイル、５・・・モニタコイル、６・・・１次コイル用接続端子、７・・・２次コイル用接続端子、８・・・モニタコイル用接続端子、９・・・導電性パターン、１０ａ，１０ｂ・・・コイル部収容用切欠部、１１・・・薄帯、１２・・・結着層、１３・・・コアケース、１４ａ，１４ｂ・・・磁心半体、１５ａ，１５ｂ・・・接合部、１６・・・半田層、１７・・・位置決め突部、１８・・・位置決め穴、１９・・・架橋部。

Claims (6)

1. Ｆｅを主成分とし、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｕ、ならびにＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｉおよびＭｏからなるグループから選択された少なくとも１種の元素を添加したＦｅ基軟磁性合金の薄板を多層に巻回して、その巻回体の外周全体に絶縁体からなるコアケースを一体にモールドした平面形状がＵ字状の磁心半体を互いに接合して閉ループの磁路を有する磁心を構成し、
   その磁心半体どうしの一方の接合部に、前記コアケースを介して断面形状が四角形の１次コイルを１層整列状態に巻回し、
   当該磁心半体どうしの他方の接合部に、前記コアケースを介して断面形状が四角形の２次コイルを１層整列状態に巻回して、前記１次コイルと２次コイルを離間して配置したことを特徴とする薄型トランス。
2. 請求項１に記載の薄型トランスにおいて、前記薄板巻回体の各薄板間に絶縁体の結着層が設けられて各薄板が互いに結着されているとともに、各結着層の端部が前記コアケースと一体になっていることを特徴とする薄型トランス。
3. 請求項１または２に記載の薄型トランスにおいて、前記磁心と１次コイルならびに２次コイルの集合体を面実装するプリント配線基板の前記１次コイルならびに２次コイルの下部コイル部と対向する位置にコイル収容用切欠部をそれぞれ形成し、
   前記１次コイルならびに２次コイルを前記プリント配線基板に搭載して、前記１次コイルならびに２次コイルの下部コイル部を前記コイル収容用切欠部にそれぞれ落とし込んだことを特徴とする薄型トランス。
4. 請求項３に記載の薄型トランスにおいて、前記プリント配線基板のコイル収容用切欠部の外周に架橋部を形成したことを特徴とする薄型トランス。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の薄型トランスにおいて、前記コアケースの下面と前記プリント配線基板のコアケースと対向する部分に、位置決め穴と、その位置決め穴に挿入する位置決め突部を設けたことを特徴とする薄型トランス。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の薄型トランスにおいて、前記1次コイルまたは2次コイルが自己融着線またはワニス等の樹脂含浸により成形されていることを特徴とする薄型トランス。

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