JP5204403B2 - フェライト高分子コアを有する端数巻き変圧器 - Google Patents

Description

平面変圧器及び当該変圧器の製造方法。

本発明は、変圧器及び当該変圧器の製造方法に関する。特に、本発明は、一つの変圧器の製造方法及び一つの変圧器に関する。

例えば携帯電話等の多くの新しい製品は、供給電圧が低い高度な集積回路を使用する。供給電圧が低いそのような回路を供給するためには、巻数比が高い変圧器を必要とする場合がある。従来の変圧器を用いると、整数巻きしか実現することができない。従って、一次巻線の巻き数を多くする必要がある。また、多くの場合、一つだけではなく、複数の供給電圧が必要である。また、巻線間の所要巻数比は、整数と一致し得ない。従って、端数巻き（端数巻回部）を有することが望まれる。

各巻線の端数巻回部が対応するプリント回路基板（ＰＣＢ）中にあるスプリット（ｓｐｌｉｔ）インダクタは、例えば米国特許第ＵＳ６，３０７，４５８ Ｂ１号（特許文献１）から公知である。米国特許第ＵＳ６，３０７，４５８ Ｂ１号に係るインダクタ構造はインダクタコアを有しており、このインダクタコアは、ベース部材から一体に延在する第１、第２、第３の脚部を有している。第１の脚部及び第２の脚部は、予め配置されて離間され、ベース部材の第１の面から略垂直に延在しており、第１のチャンネル領域を形成している。同様に、第２の脚部及び第３の脚部は、予め配置されて離間され、第２の面から略垂直に延在しており、第２の脚部により第１のチャンネル領域から離間される第２のチャンネル領域を形成している。

Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋａｒａｎら著：「Ａ Ｎｅｗ Ｍａｔｒｉｘ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（ＭＩＮ） Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ， Ｈｉｇｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＤＣ−ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」 第３３回電力専門家会議（ＴＩＳＣ）２００２の議事録、ケアンズ（Ｃａｍｉｓ），オーストラリア、IIII、出版番号１０８７５、研究論文−７−５−２，１２３０−１２３５頁（非特許文献１）は、端数巻回部を有する平面状の構成要素を提案している。

しかしながら、先に提案されたこれらの構成要素は、それぞれの構成要素に特別に適合される特定の形状を有する予め製造されるコアを使用する。そのような特定の形状は、多量に製造される市場において利用することができる標準的な形状とは異なる。これらのコアを特別に製造することは高価であり、従って、高容量エレクトロニクスにおいて魅力あるものではない。
米国特許第ＵＳ６，３０７，４５８ Ｂ１号公報 Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋａｒａｎら著：「Ａ Ｎｅｗ Ｍａｔｒｉｘ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（ＭＩＮ） Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ， Ｈｉｇｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＤＣ−ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」 第３３回電力専門家会議（ＴＩＳＣ）２００２の議事録、ケアンズ（Ｃａｍｉｓ），オーストラリア、IIII、出版番号１０８７５、研究論文−７−５−２，１２３０−１２３５頁

本発明の目的は、簡単な配置構成を有するコア材料から製造することができる変圧器を提供することである。

請求項１に記載された本発明の典型的な実施の形態によれば、この目的は、少なくとも一つの導電層を有するプリント回路基板が設けられる変圧器製造方法によって解決される。プリント回路基板の少なくとも一つの導電層を構造化することにより、プリント回路基板上に一つの一次巻線と複数の二次巻線とが形成される。その後、平面変圧器のコアを形成するために、プリント回路基板の上側及び下側にフェライト高分子化合物（ＦＰＣ）が積層される。

本発明のこの典型的な実施の形態においては、コアを予め製造する必要がなく、有益である。このため、平面変圧器を安価に製造することができる。また、ＦＰＣがプリント回路基板に付着するようにフェライト高分子化合物がプリント回路基板に対して積層されるため、堅固で信頼性の高いデバイスを製造することができる。

請求項２に記載された本発明の他の典型的な実施の形態においては、フェライト高分子化合物が構造化されていない。従って、換言すれば、フェライト高分子化合物は、特別に扱われ又は構造化される必要がないバッチ材料の形態で使用することができる。そのような構造化されたフェライト高分子化合物は、複数の用途で使用することができるため、多量に製造することができ、これにより、安価に製造することができる。そのため、平面変圧器を安価に製造することができ、それにより、そのような変圧器を、例えば携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ又はビデオカメラ等の高容量エレクトロニクスにおいて魅力あるものとすることができる。

請求項３に記載された本発明の他の典型的な実施の形態においては、プリント回路基板に第１の凹部が形成され、フェライト高分子化合物は、上記積層後にフェライト高分子化合物がこれらの凹部を満たし且つプリント回路基板の上側及び下側の少なくとも一部を被覆するように、プリント回路基板に対して積層される。

本発明のこの典型的な実施の形態においては、例えば積層プロセスの温度又は積層中に加えられる圧力を制御することにより、積層プロセスが制御され、それにより、フェライト高分子化合物が凹部を満たす。例えばプリント回路基板の上側及び下側に形成されたフェライト高分子化合物が互いに接続される。本発明のこの典型的な実施の形態の一態様において、フェライト高分子化合物は、積層プロセスに従って、即ち、積層中に生じる温度及び／又は圧力に従って選択されてもよい。

請求項４に記載された本発明の他の典型的な実施の形態において、一次巻線は、端数（分数）の巻線巻回部が形成されるように一次巻線の一領域に設けられた複数の二次巻線を取り囲む。

本発明のこの典型的な実施の形態に従って製造された平面変圧器によれば、巻数比を高くすることができ、有益である。従って、所定の副巻線入力電圧−出力電圧比を有する平面変圧器を安価に設けて製造することができる。

請求項５に記載された本発明の他の典型的な実施の形態においては、平面変圧器の動作中に一次巻線を貫通する磁束が複数の経路に分割されるように一次及び二次巻線及びコアが配置される変圧器が製造される。各経路の流れは、二次巻線を介して供給される。この場合、各流れは、一次電圧の半分しか誘導しない。高い出力電流を得るとともに、一次巻線と二次巻線との間の良好な結合を得るために、二次巻線が並列に接続されてもよい。

本発明のこの典型的な実施の形態によれば、堅固で信頼性が高い端数巻きをなす（端数巻回部を有する）平面変圧器を安価に製造することができる簡単な方法が提供され、有益である。

請求項６に記載された本発明の他の典型的な実施の形態においては、プリント回路基板を備える変圧器が提供される。この場合、プリント回路基板上には、一つの一次巻線と複数の二次巻線とが形成される。平面変圧器のコアを形成するため、プリント回路基板の上側及び下側にはフェライト高分子化合物（ＦＰＣ）が積層される。

フェライト高分子化合物をプリント回路基板に対して積層するため、堅固で信頼性の高い平面変圧器を提供することができ、有益である。また、コアを予め製造して構造化する必要がないため、平面変圧器を安価に製造することができる。

請求項７乃至１１は、変圧器の典型的な実施の形態を提供する。

構造化されていないフェライト高分子合物を使用してコアを形成することにより端数巻回部を有する変圧器が製造される点は、本発明の典型的な実施の形態の要旨としてとらえることができる。フェライト高分子化合物は、プリント回路基板の両側に積層される。プリント回路基板は、一次巻線及び二次巻線を形成し且つフェライト高分子化合物がプリント回路基板に対して積層される際にプリント回路基板を貫通する複数の磁束経路を形成するための凹部及び巻線トラックを有している。構造化されたコアを予め製造する必要がなく、有益である。また、フェライト高分子化合物がプリント回路基板に対して付着するため、堅固で信頼性の高い平面変圧器が提供される。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、後述する実施の形態から明らかとなり、これらの実施の形態を参照して上記態様について説明する。

以下、図面を参照しながら、本発明の典型的な実施の形態について説明する。

図１は、１／２巻回部に関する端数巻回部の原理を示している。端数巻回部は、１／４巻回部、１／８巻回部、１／１６巻回部等であってもよい。図１から分かるように、一次巻線からの磁束φは二つの経路に分けられ、各経路の磁束はφ／２である。各磁束φ／２は二次巻線を介して供給される。この場合、各磁束は、一次電圧の半分だけを誘導する。一次巻線と二次巻線との間で良好な結合を得るとともに高い出力電流を得るため、二次巻線は並列に接続されている。望ましくない損失を引き起こす場合がある磁束及び電流の不均衡を回避するため、磁束経路及び二次側の巻線は均一であることが好ましい。この原理は、以下で説明する変圧器の典型的な実施の形態において適用される。

図２は、１：１／３の変圧比を有する本発明の典型的な実施の形態に係る線形変圧器（リニアトランス）の平断面図を示している。図２の平断面図は、一つの一次巻線２と、二次巻線３の複数の巻回部とを示している。参照符号１は、フェライト高分子化合物（ＦＰＣ）からなる軟磁性コア（鉄心）を示している。

本発明の一態様において、高分子化合物は、ポリマーマトリクスと、フェライトパウダー粒子又は鉄粉等の軟磁性粒子からなる軟磁性パウダーとを含んでいてもよい。また、ニッケル−鉄、μ−金属、アモルファス鉄、ナノ結晶鉄、又は、鉄ナノ粒子が使用されてもよい。更に、電力用途の場合、適度な透過性を有するパワーフェライトが使用されてもよい。これにより、損失を低減することができる。

また、電磁妨害（ＥＭＩ）用途の場合、高い透過性を有するＥＭＩ−フェライトが使用されてもよい。これにより、大きな周波数範囲で損失を制御することができ、有益である。また、ＨＦ−用途の場合、損失を僅かに伴うが極めて大きい周波数範囲を有するＨＦ−フェライトが使用されてもよい。低周波範囲では、ＭｎＺｎフェライトが使用されてもよい。高い周波数の場合（透過性が低い場合）、ＮｉＺｎ−フェライトが使用されてもよい。高周波範囲（ＧＨｚ）では、ヘキサフェライトが使用されてもよい。

本発明の好ましい実施の形態においては、約３０重量パーセント（ｗｔ−％）のマグネシウム−亜鉛−フェライト及び約７０ｗｔ−％のニッケル−亜鉛−フェライトの組み合わせがフェライトパウダー粒子として使用されてもよい。この場合、そのような複合材料は、約７５ｗｔ−％乃至９８ｗｔ−％のフェライトパウダーを含んでいてもよい。また、そのような複合材料は、約８５ｗｔ−％乃至９２ｗｔ−％のフェライトパウダーを含んでいてもよい。特に、約８８ｗｔ−％フェライトパウダーと１２ｗｔ−％エポキシ樹脂とを有していることが有利であり得る。軟磁性パウダー粒子の粒径は、１０μｍ乃至３５μｍの範囲、最大で８０μｍ乃至１１０μｍの範囲であってもよい。粒子の形状は、球状又は不規則形状であってもよい。ポリマーマトリクス（例えば、熱硬化性樹脂）のＴＧ値は、１２０℃を上回っていてもよい。これらのパラメータは、製造中に粘度を制御するために選択されてもよく、又は、医学上問題とならない製造を確保するために医学的見地から選択されてもよい。

ポリマーマトリクスは、例えばＦＲ４プリント回路基板に適合するエポキシ樹脂であってもよい。しかしながら、高温熱可塑性物質等の他の材料、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用し又は適用することもできる。そのような高温熱可塑性物質は、例えば、フレックスホイルと称される場合がある柔軟なポリアミド箔に適合する。

図２から分かるように、一次巻線２は、一次巻線の領域内に配置された二次巻線３を取り囲むようになっている。一次巻線２の両側には軟磁性コア１が設けられている。また、コア１は、二次巻線３の内側領域の凹部を貫通して延在している。好ましくは、図２に示されるように、この変圧器の動作中に誘導される磁束は、二次巻線３の内側領域を貫通して延びるコア１の部分では、図が描かれている描写面から抜け出す方向を有している。一方、一次巻線２の両側に配置されたコア１の部分における磁束方向は、図２の描写面の中へ向かっている。流れ方向は、図示の方向と反対であってもよい。交流磁場を用いると、流れ方向が周期的に変わる。

前述したように、図２に示される線形変圧器は、１：１／３の変圧比を有している。しかしながら、図２に示される構成は、任意の更なる変圧比にまで及んでもよい。

図３は、図２に示される本発明の典型的な実施の形態に係る線形変圧器の他の平断面図を示している。図３の平断面図は、一次巻線及び二次巻線を形成するための巻線トラックを有するプリント回路基板４を示している。図３から分かるように、プリント回路基板４には五つの凹部がある。プリント回路基板４の中央部には三つの小さな凹部が設けられており、また、プリント回路基板４の上側部分及び下側部分には二つの細長い凹部が設けられている。図２と図３とを比較すると、中央部の三つの凹部は、二次巻線を貫通して延在するコア部のために設けられ、一方、細長い凹部は、一次巻線２を取り囲むコア部のために設けられているのが分かる。一次巻線２は、細長い凹部同士の間で延在しているとともに、中央部の三つの凹部を取り囲んでいる。二次巻線３はそれぞれ、三つの中央凹部のうちの一つを取り囲んでいる。

図４は、図２に示される本発明の典型的な実施の形態に係る線形変圧器の他の平断面図を示している。図４の平断面図は、軟磁性コア１を有するプリント回路基板４を示している。前述したように、軟磁性コアは、フェライト高分子化合物によって形成される。図４から分かるように、変圧器の動作中に磁性コア内に誘導される磁束の方向は、細長い凹部内では図４の描写面内に向かって延び、一方、プリント回路基板の中央部の三つの凹部内では図４の描写面から抜け出す方向を向くようになっている。

以下では、図５乃至図７を参照しながら、図２乃至図４に示されるような変圧器の製造方法の典型的な実施の形態について説明する。図５は、本発明の典型的な実施の形態に係る変圧器の製造方法の第１の工程を示している。特に、図５は、変圧器を製造するために使用される材料層の断面図を示している。

図５から分かるように、プリント回路基板６が設けられ、このプリント回路基板６の上側及び／又は下側には、銅層等の導電層１０が設けられている。また、絶縁層７が設けられており、この絶縁層７は、プリント回路基板６の導電層１０とフェライト化合物層１１との間に挟まれている。

図５から分かるように、前述した従来の技術とは異なり、特別に形成されたコアが必要ない。その代わり、簡単な構造化されていないフェライト高分子化合物（ＦＰＣ）からなる二つの層が使用される。これらの構造化されていないフェライト高分子化合物層は、多量に製造することができ、また、安価に且つ容易に製造することができる。

図６は、本発明に係る変圧器の製造方法の典型的な実施の形態の第２の工程を示している。図６は変圧器の層の断面図を示している。図６から分かるように、プリント回路基板の導電層１０は、例えば、フォトリソグラフィプロセス及びその後にエッチングを使用して一次巻線及び二次巻線１２を形成することにより構造化されている。その後、巻線１２を絶縁するためにプリント回路基板６の上側及び下側に絶縁層７が設けられる。また、上側コア層と下側コア層とを相互に接続しなければならない場合には、プリント回路基板中に穴又は凹部１３が形成される。凹部１３は、コアの一部を収容するために設けられる。

図７は、本発明に係る変圧器の製造方法の典型的な実施の形態の第３の製造工程に対応する変圧器の断面図を示している。

図７から分かるように、プリント回路基板６上にはフェライト高分子化合物層１１が積層されている。本発明の一態様において、フェライト高分子化合物は、積層中にフェライト高分子化合物が穴１３を満たし、それにより、高分子フェライトコアの上側層と下側層との間に相互接続部が形成されるように選択されている。また、本発明の一態様に係る積層プロセス中の状態は、積層後に高分子化合物層１１が穴又は凹部１３を満たすように適合される。このため、それに応じて積層プロセス中に生じる温度又は圧力が制御されてもよい。

プリント回路基板に対するフェライト高分子化合物の積層にあっては、フェライト高分子化合物をプリント回路基板に付着するのが有益である。これにより、堅固で且つ信頼性の高いデバイスを形成することができる。

また、本発明に従って変圧器を製造する方法の典型的な実施の形態においては、構造化されたコア又は予め成形されたコアが不要である。その代わり、構造化されていないフェライト高分子化合物層が使用されてもよい。

本発明に係る方法は、バッチプロセスとして適用することができ、有益である。

図８は、本発明に係る変圧器の他の典型的な実施の形態を示している。図８に示される変圧器は、変圧比が１：１／６の円筒状の変圧器である。図８は、円筒状の変圧器の平面図を示している。図８から分かるように、一次巻線２の内側領域には６個の二次巻線３が設けられている。各二次巻線３の内側領域内には、変圧器の動作中に誘導される磁束の方向が図８の描写面から抜け出して延びるコア部が設けられている。一次巻線２の周囲には、変圧器の動作中に生じる磁束の磁束方向が図８の描写面内に向かって延びる他のコア部が設けられている。二次巻線３は、円の中心で互いに接続されている。このため、二次巻線３及びそれに対する相互接続部の各巻回部のトラックが同じ長さを有していることが有益であり、それにより、望ましくない損失を引き起こす虞がある不均衡が回避される。図８に示される変圧器は、図５乃至図７に関して説明した方法によって製造され得る。

本発明に係る変圧器においては、特に、端数巻回部を有する平面変圧器を安価に形成することができ、有益である。特に、本発明においては、構造化されたフェライト高分子化合物からなる単純な層を使用して変圧器のコアを形成することができるため、コアを予め製造する必要がない。従って、安価に製造することができ、それにより、端数巻回部を有するそのような変圧器を高容量エレクトロニクスにおいて魅力あるものとすることができる方法及びデバイスが提供される。

本発明に係る変圧器に適用される、幾つかの経路への磁束の分割を説明するための簡略化された概略図を示している。 巻線トラック及び鉄心を示す、本発明に係る線形変圧器の典型的な実施の形態の平断面図を示している。 巻線トラック及びプリント回路基板を示す、図２に描かれた線形変圧器の他の平断面図を示している。 鉄心を有するプリント回路基板を示す、図２に描かれた線形変圧器の典型的な実施の形態の他の平断面図を示している。 本発明に係る変圧器の製造方法の典型的な実施の形態の第１の工程を示している。 本発明に係る変圧器の製造方法の典型的な実施の形態の第２の工程を示している。 本発明に係る変圧器の製造方法の典型的な実施の形態の第３の工程を示している。 本発明に係る方法によって製造される本発明に係る円筒変圧器の典型的な実施の形態を示している。

Claims (11)

1. 少なくとも第1及び第2の導電層を有するプリント回路基板を設ける工程であって、
   前記プリント回路基板は、前記第1導電層を有する上面及び前記第2導電層を有する底面を有し、前記上面は前記底面と対向し、かつ
   前記第1の導電層は前記プリント回路基板によって前記第2の導電層から絶縁されている、
   工程；
   前記第1及び第2の導電層の各々を構造化することにより前記プリント回路基板の上面及び底面の各々の上に一つの一次巻線と複数の二次巻線とを形成する工程；
   前記プリント回路基板の上側及び下側にフェライト高分子化合物を積層して変圧器のコアを形成する工程；
   を含むことを特徴とする変圧器の製造方法。
2. 前記フェライト高分子化合物が構造化されていないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プリント回路基板に第１の凹部が形成され、前記フェライト高分子化合物は、前記積層後に前記フェライト高分子化合物が前記第１の凹部を満たし且つ前記プリント回路基板の上側及び下側の少なくとも一部を被覆するように、前記プリント回路基板に対して積層されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記一次巻線は、端数の巻線巻回部が形成されるように前記一次巻線の内側領域に設けられた複数の前記二次巻線を取り囲み、前記第１の凹部のそれぞれが、複数の前記二次巻線のうちの少なくとも一つによって取り囲まれていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記一次巻線が第１の数の二次巻線を取り囲み、前記プリント回路基板には第２の数の前記第１の凹部が設けられ、前記第１の凹部のそれぞれが前記二次巻線のうちの少なくとも一つによって取り囲まれ、前記第１の数が前記第２の数と一致し、前記内側領域の外側には、前記一次巻線の両側に第２の凹部が形成され、前記プリント回路基板にはフェライト高分子化合物が積層され、これにより、フェライト高分子化合物が第２の数の前記第１の凹部及び前記第２の凹部並びに前記プリント回路基板の上側及び下側の少なくとも一部を満たしてコアが形成され、一次及び二次巻線及びコアの配置は、平面変圧器の動作中に一次巻線を貫通する磁束が第３の数の経路に分割されるようになっており、前記第３の数が前記第１の数及び前記第２の数に一致していることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 上面及び底面を有し、且つ該上面及び底面の各々の上に形成された一つの一次巻線と複数の二次巻線を含むプリント回路基板であって、
   前記上面は前記底面と対向し、かつ
   前記の上面上に設けられた一つの一次巻線と複数の二次巻線は、前記プリント回路基板によって、前記の底面上に設けられた一つの一次巻線と複数の二次巻線から絶縁されている、
   プリント回路基板；
   変圧器のコアを形成するために前記プリント回路基板の上面及び底面に積層されるフェライト高分子化合物；
   とを備えることを特徴とする変圧器。
7. 前記プリント回路基板に第１の凹部が形成され、前記フェライト高分子化合物は、前記積層後に前記フェライト高分子化合物が前記第１の凹部を満たし且つ前記プリント回路基板の上側及び下側の少なくとも一部を被覆するように、前記プリント回路基板に対して積層されることを特徴とする請求項６に記載の変圧器。
8. 前記一次巻線は、端数の巻線巻回部が形成されるように前記一次巻線の内側領域に設けられた複数の前記二次巻線を取り囲み、前記第１の凹部のそれぞれが、複数の前記二次巻線のうちの少なくとも一つによって取り囲まれていることを特徴とする請求項７に記載の変圧器。
9. 前記一次巻線が第１の数の二次巻線を取り囲み、前記プリント回路基板には第２の数の前記第１の凹部が設けられ、前記第１の凹部のそれぞれが前記二次巻線のうちの少なくとも一つによって取り囲まれ、前記第１の数が前記第２の数と一致し、前記内側領域の外側には、前記一次巻線の両側に第２の凹部が形成され、前記プリント回路基板にはフェライト高分子化合物が積層され、これにより、フェライト高分子化合物が第２の数の前記第１の凹部及び前記第２の凹部並びに前記プリント回路基板の上側及び下側の少なくとも一部を満たしてコアが形成され、一次及び二次巻線及びコアの配置は、平面変圧器の動作中に一次巻線を貫通する磁束が第３の数の経路に分割されるようになっており、前記第３の数が前記第１の数及び前記第２の数に一致していることを特徴とする請求項８に記載の変圧器。
10. 端数巻きを有していることを特徴とする請求項６に記載の変圧器。
11. 複数の前記二次巻線が並列に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の変圧器。

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