JPH09213530A

JPH09213530A - 平面トランス

Info

Publication number: JPH09213530A
Application number: JP8014653A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamaguchi; 崇山口; Ichiro Sasada; 一郎笹田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-15
Also published as: US6060976A; TW318248B

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、小型化薄型化が容易であって１次
コイルの巻線数と２次コイルの巻線数を変えることで出
力電圧の変成も容易にでき、発熱も少なくでき、かつ電
磁波ノイズ放射がほとんどない平面トランスの提供を目
的とする。【解決手段】本発明は、磁性体からなる基体１に収納
溝５が形成され、この収納溝５に１次平面コイル１０と
２次平面コイル８が収納された平面トランスであって、
１次平面コイル１０と２次平面コイル８の少なくとも一
方が複数に分割されて出力電圧変成自在に構成されてな
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は小型薄型化を実現で
きる特殊な形状の平面トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯用情報機器の普及等に見られ
るように電子機器の小型化薄型化が求められ、これらの
機器に組み込まれる電源回路の小型化薄型化の要求も高
まってきているが、特にトランスやインダクタ等の磁気
素子の小型化薄型化が重要な課題となっている。従来、
この種の電子機器に搭載されるトランスにおいては、急
冷法で製造したアモルファス合金などの薄帯を巻回して
構成した円環状の磁性体からなる磁気コアに１次巻線と
２次巻線を施した構成のトロイダルコアを備えたトラン
ス、あるいは、Ｅ型の磁性体とＩ型の磁性体を組み合わ
せた形状の磁気コア（ＥＩコア型の磁気コア）に対して
Ｅ型の磁性体の中央部分に巻線を施した構成のトランス
などが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、電子機器の
小型化薄型化に伴い、高さ数ｍｍのトランスが必要とさ
れてきているが、従来のトロイダルコアを備えたトラン
スにおいては、円環状の磁性体を薄く形成すると磁性体
自身の強度が不足し、強度的に問題を生じるおそれがあ
り、また、薄帯を巻回して円環状の磁性体を構成する場
合に、製造可能な薄帯の幅にも限度があり、この薄帯の
幅によって円環状の磁性体の厚さが制限されるので、円
環状の磁性体を薄くするにも限度があるとともに、その
ような薄い磁性体に施し得る巻線数も制限されるという
問題がある。次に、Ｅ型の磁性体とＩ型の磁性体を組み
合わせたＥＩコア型の磁気コアにおいては、Ｅ型の磁性
体とＩ型の磁性体を重ね合わせるので全体の厚みがある
程度必要になり、これに加えて巻線部分の厚さが加わる
ので、全体の厚さを数ｍｍの大きさにすることは困難な
状況にある。更に、コイル巻線を露出形とした従来のト
ランスやインダクタは、不要な高周波電磁界を放出し、
電磁ノイズを引き起こすとともに、これらのトランスや
インダクタンスを取り付けた同じマザーボード上のＩＣ
や他の機器の誤動作の原因ともなっていた。

【０００４】また、前記トロイダルコアを備えたトラン
スにしてもＥＩコアを用いたトランスにしても、いずれ
も樹脂製のボビンに収納することが必要になるが、樹脂
被覆を施して樹脂ボビンに磁気コアを収納すると、トラ
ンス内部で発生した熱を樹脂被覆と樹脂ボビンが蓄積
し、この熱を外部に効率よく発散させることができない
ために、磁気コア全体が過熱し易い問題がある。更に、
ＥＩコア形状では、磁束の集中による鉄損の増加、およ
び、銅線と磁束の交鎖による銅損の増加の問題があり、
ＥＩコアの構造に起因して熱の集中点が発生するという
欠点もあった。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、従来のトロイダル型のトランスなどとは全く構成
が異なる新規な構成であって、導体を埋め込み構造にす
ることによって、電流分布の均一化による銅損の低減
と、平面形構造による磁束集中を無くすることによって
銅損を低減し、発熱を抑え、かつ放熱がし易い構成であ
って、小型化薄型化が容易であり、１次コイルの巻線数
と２次コイルの巻線数を変えることで出力電圧の変成も
容易にできるとともに、各コイルが磁性体で囲まれてい
る構造とすることで動作磁束が外部へ漏れないように
し、電磁ノイズの放射がほとんど生じないようにした平
面トランスの提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、磁性体からなる基体に収納溝
を形成し、この収納溝に１次平面コイルと２次平面コイ
ルを収納した平面トランスであって、１次平面コイルと
２次平面コイルの少なくとも一方を複数個の導体からな
り出力電圧変成自在に構成してなるものである。前記構
成において、磁性体からなる複数の基体と、それらの間
に介在されるギャップ絶縁層と、それらに収納される１
次平面コイルと主絶縁層と２次平面コイルを具備してな
り、前記複数の基体の少なくとも一つの少なくとも一面
に、各平面コイルのほぼ全長形状に沿った形状の収納溝
を形成し、この収納溝に１次平面コイルと主絶縁層と２
次平面コイルを積層収納し、基体どうしをギャップ絶縁
層を介して一体化してなる構成とすることができる。前
記構成において、基体を板状とし、この基体の一面に平
面コイルのほぼ全長形状に沿った形状の収納溝を形成
し、基体の一面にギャップ絶縁層を介して磁性体からな
る別の基体を前記収納溝を閉じた状態で取り付けること
ができる。前記構成において、平面コイルを葛折状ある
いは渦巻状に形成することもできる。次に、収納溝に積
層された平面コイルにおける上部の平面コイルと下部の
平面コイルの各々の横断面の幅が、中央部の平面コイル
の横断面の幅よりも短く形成されてなることが好まし
い。更に、前記構成において、ギャップ絶縁層の厚さを
１〜５０μｍの範囲にすることが好ましく、前記複数の
基体にそれぞれ収納溝を形成することもできる。前記構
成において、１次平面コイルと２次平面コイルの少なく
とも一方を、それらの全長にわたる中心線で２分割し、
分割された１次平面コイルどうしまたは２次平面コイル
どうしを相互に接続して連続平面コイルとすることもで
きる。

【０００７】次に、前記収納溝の溝幅を０.２〜２ｍｍ
の範囲とすることが好ましく、前記基体は１ＭＨｚでの
透磁率２００以上の磁性体からなることが好ましい。更
に、１次平面コイルと２次平面コイルの間に配置された
主絶縁層あるいはギャップ絶縁層をポリ塩化ビニル、ポ
リスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカー
ボネート、ポリエステル、フッ素樹脂（ポリ四フッ化エ
チレン）、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン
テレフタレート、ナイロン、エポキシ樹脂の内から選択
される１種からなるものとすることが好ましく、コイル
を導電材料からなる箔体と樹脂フィルムの２層構造にす
ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例について説明する。図１〜図３は本発明に係る平面
トランスの第１の例を示すもので、この例の平面トラン
スＡは、後述する平面コイルが収納された板状の磁性体
からなる基体１と、この基体１の上面に被着されたギャ
ップ絶縁層２と、このギャップ絶縁層２上に被着された
磁性体からなる平面上の基体３を主体として構成されて
いる。前記基体１と基体３を構成する磁性体は、Ｎｉ-
Ｚｎフェライト、Ｍｎ-Ｚｎフェライトなどのような高
電気抵抗、高透磁率の磁性体からなり、ギャップ絶縁層
２は絶縁性の樹脂フィルムから構成されている。

【０００９】前記基体１、３を構成する磁性体は、１Ｍ
Ｈｚで２００以上の透磁率を有するものを使用すること
が好ましく、１ＭＨｚで１０００以上の透磁率のものを
用いることがより好ましい。これは、後述する如く平面
コイルの近傍に高透磁率の磁性体を配置することにより
平面コイルの外周縁部のインダクタンスを大きくし、平
面コイル中の電流密度を均一化して平面コイルでの局部
発熱を避けるためであり、基体１と基体３の透磁率が低
いと平面コイルが発熱する割合が大きくなるので好まし
くない。また、基体１あるいは基体３をＮｉ-Ｚｎフェ
ライト、Ｍｎ-Ｚｎフェライトなどのような高電気抵
抗、高透磁率の磁性体から構成すると、これらが熱伝導
性にも優れているので、平面コイル部分あるいは基体１
あるいは基体３で生じた熱を効率よくそれらの外部に逃
がすことができる。

【００１０】前記基体１の上面１ａには平面略葛折状あ
るいは略櫛刃状に形成された収納溝５が基体１の上面１
ａと側面１ｂに開口して形成されている。この例の収納
溝５にあっては、入口部６と出口部７から短尺の直線状
部分があってこの直線状部分を介してその他の部分が葛
折状あるいは櫛刃状に形成されている。更に詳述する
と、この収納溝５は、入口部６と出口部７を基体１の上
面１ａと側面１ｂに開口させるとともに、入口部６から
出口部７に至る略葛折状部分を基体１の上面１ａに開口
させ、入口部６から出口部７までの間の略葛折状部分で
基体１の上面１ａのできるだけ多くの部分を交差しない
状態で通過するように形成されたものである。なお、図
１と図２の例では収納溝５を平面葛折状あるいは櫛刃状
に形成しているが、後述する如く渦巻状あるいは鋸刃状
などの他の平面形状であって、入口部６から出口部７ま
での間の部分が途中で交差しない形状であれば、任意の
形状であって差し支えない。また、収納溝５の溝幅は、
０.２〜２ｍｍの範囲が好ましく、０.４〜２ｍｍの範囲
がより好ましい。これらの関係は、後述する結合係数と
導体幅との関係から求められ、収納溝５の溝幅が０.４
ｍｍを下回ると結合係数の低下割合が大きくなり始め、
溝幅が０.２ｍｍを下回ると結合係数の低下割合が大き
いのでこのような範囲が好ましい。

【００１１】次に前記収納溝５には、その上側から順に
収納溝５と同じ平面形状の２次平面コイル８、８、主絶
縁層９、１次平面コイル１０が積層状態で収納されてい
る。前記２次平面コイル８は銅などの導電材料のフィル
ム導体１２の外周部に樹脂絶縁膜１３が形成されたもの
で、１次平面コイル１０も同様に銅などの導電材料のフ
ィルム導体１４の外周部に樹脂絶縁膜１５が形成された
ものである。また、各コイル８、１０は、収納溝５の入
口部６と出口部７に収納される短尺の直線状部８ａ、１
０ａと、これら直線状部８ａ、１０ａに連続する平面葛
折状あるいは櫛刃状の折曲部８ｂ、１０ｂから構成され
ている。

【００１２】前記フィルム導体１２、１４の厚さは５〜
１００μｍ、横断面の横幅は０.３〜２ｍｍの範囲が好
ましく、厚さは３５〜１００μｍの範囲がより好まし
い。この理由は、１ＭＨｚの電流のスキンデプスは約６
６μｍであり、フィルム導体１２、１４の厚さを必要以
上に厚くしても、直流の抵抗は小さくできるが、交流抵
抗は小さくならず、また結合係数が小さくなり、一方、
フィルム導体１２、１４の厚さを薄くしてゆくと、直流
の抵抗が大きくなる。従って、直流抵抗が小さく、か
つ、結合が良い導体の厚さは３５μｍとなる。よってフ
ィルム導体１２、１４の厚さを５〜１００μｍ、より好
ましくは３５〜１００μｍ、横断面の横幅を０.３〜２
ｍｍの範囲とすることが好ましい。なお、フィルム導体
１２、１４の厚さが５μｍ未満であると、製造技術上、
均一な厚さの銅箔を製造することが困難であり、好まし
くない。また、フィルム導体の厚さが１００μｍよりも
大きくなると直流抵抗は小さくできるが、前述したよう
に、結合係数が悪化する。ここで例えば、厚さ２００μ
ｍのフィルム導体を１枚使用するよりも、１００μｍの
フィルム導体を２枚重ねて並列に配線することにより、
フィルム導体のトータルとしての厚さを２００μｍとし
て同じにしても、同じ値の電流を１〜１０ＭＨｚで流し
た場合の発熱をより低く抑えることができる。これは複
数のフィルム導体を重ね合わせて並列に配線する構造の
方が、１枚ものの構造よりもスキンデプスの効果を考え
ると発熱を抑制でき、有効であるためである。

【００１３】また、実際の使用において、１次側と２次
側の出力電圧比によって、導体の重ね枚数が異なり、更
に収納溝５の深さは用いる基体１の厚さにより決まって
くるので、それらに合わせてフィルム導体に必要な厚さ
も適宜選択して用いる必要がある。従って例えば、１次
側：２次側＝１：２ターンの場合には、１次平面コイル
１０のフィルム導体１４の厚さを７０μｍ、２次平面コ
イル８のフィルム導体１２の厚さを３５μｍに設定する
ことができる。

【００１４】次に、前記ギャップ絶縁層２と主絶縁層９
は樹脂フィルムなどの絶縁フィルムから構成されるが、
主絶縁層９は、この種の薄型の平面コイルで１次コイル
と２次コイルの間に要求される安全規格（ＩＥＣ９５０
などの規格）から、厚さ０.４ｍｍ以上であるのが好ま
しい。また、ギャップ絶縁層２の厚さは、１〜５０μｍ
の範囲、特に１〜１０μｍの範囲が好ましく、これらの
範囲内でも５μｍが最も好ましい。上記の構成におい
て、ギャップは磁束密度を均一化することによる鉄損の
低減（I.Sasada 他:IEEE Trans. Magn. Vol.29, No.6,
P3231/P3233 を参照）を行う効果を有している。ギャッ
プ絶縁層２の厚さが１μｍ未満であると、製造技術的に
ギャップ絶縁層２を形成することが困難になるために好
ましくない。また、この厚さが５０μｍよりも大きくな
ると結合係数が劣化するために好ましくない。更に、ギ
ャップ絶縁層２の厚さを５μｍとすることが最も好まし
いのは、後述するように、結合係数が高く、かつ、フィ
ルム導体１２、１４近傍の磁束密度が均一化しているた
めである。

【００１５】ここで用いる樹脂としては誘電率のできる
だけ小さなものが好ましく、具体的にはポリイミド、ポ
リ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエ
チレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ四フッ
化エチレン、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレ
ンテレフタレート、テトラフルオロエチレン、ナイロ
ン、エポキシ樹脂の内から適宜選択して用いることがで
きる。これらの樹脂は、いずれも比誘電率が２〜４の範
囲で十分に低く、本発明の構造に適用することができる
ものである。

【００１６】なお、より具体的には、１０³〜１０⁹Ｈｚ
において、ポリ塩化ビニルの比誘電率は２.８〜３.３、
ポリスチレンの比誘電率は２.４〜２.７、ポリプロピレ
ンの比誘電率は２.０〜２.１、ポリエチレンの比誘電率
は２.３、ポリカーボネートの比誘電率は２.９４〜２.
９９、ポリエステルの比誘電率は２.８〜３.２、ポリ四
フッ化エチレンの比誘電率は２.０〜２.１、テトラフル
オロエチレンの比誘電率は２.０〜２.１、ポリイミド樹
脂の比誘電率は１０³Ｈｚで３.６２、ポリエチレンテレ
フタレートの比誘電率は１０³Ｈｚの場合に２.６である
ので、いずれも比誘電率が２〜４の範囲にあり十分に低
く、本発明の構造に適用することができるものである。

【００１７】また、前記収納溝５の入口部６と出口部７
に位置する２次平面コイル８、８と１次平面コイル１０
の端末部分は、樹脂絶縁膜１３、１５が除去されて導電
材料のフィルム導体部分が露出されている。そして、入
口部６の下側の２次平面コイル８のフィルム導体１２
と、出口部７の上側の２次平面コイル８のフィルム導体
１２とが、接続線１８により電気的に接続され、入口部
６の上側の２次平面コイル８のフィルム導体１２に引出
線２０が接続され、出口部７の下側の２次平面コイル８
のフィルム導体１２に引出線２１が接続されるととも
に、入口部６の１次平面コイル１０のフィルム導体１４
に引出線２２が接続され、出口部７の１次平面コイル１
０のフィルム導体１４に引出線２３が接続されていて、
前記引出線２０、２１により２次巻線側の第２ターミナ
ルが、引出線２２、２３により１次巻線側の第１ターミ
ナルがそれぞれ形成されている。

【００１８】前記構成の平面トランスＡは、引出線２
２、２３を１次側の巻線用の引出線とし、引出線２０、
２１を２次側の巻線用の引出線として、使用すること
で、１：２の出力比のトランスとして使用することがで
きる。この例の構成において、１次平面コイル１０と２
次平面コイル８は対向する形で上下に配置されているの
で、出力の最大値はコイルパターンの長さを長くするこ
とで比例して大きくできる。ここで各コイルはそれらの
折曲部８ｂ、１０ｂにおいて葛折状あるいは櫛刃状に形
成されていて、コイルパターンができるだけ長くなるよ
うに構成されているので、出力の最大値を十分大きくで
きるようになっている。

【００１９】また、一般に扁平矩形導体に通電した場
合、導体横断面における導体中心から最も離れた外周縁
部側の電流密度が高くなり、それ以外の部分の電流密度
が低くなるので、導体の交流抵抗が大きくなり、発熱が
生じる。更に、扁平矩形導体における高周波電流の偏り
を平坦化するために、電流密度の高い端面近傍に、高透
磁率磁性材を充填することが好ましい。（山口、笹田、
原田：日本応用磁気学会誌１６，４４５〜４４８（１９
９２））本発明においては、１次平面コイル１０の周囲
と２次平面コイル８の周囲とに、１ＭＨｚで２００以
上、より好ましくは１ＭＨｚで１０００以上の高透磁率
を有する磁性体を配置しているので、平面コイルの部分
的な発熱を抑制できる。更に、この例の基体１は、Ｎｉ
-Ｚｎフェライト、Ｍｎ-Ｚｎフェライトなどのような高
電気抵抗の高透磁率の磁性体からなり、熱伝導性に優れ
ており、平面コイルと磁性体を広い面積でごく近傍に配
置できるために、平面コイル側で発生した熱を基体１を
介して速やかに外部に排出できるので、従来構造の樹脂
ボビン収納型のトランスとは異なり、平面コイルに熱を
蓄積してしまうおそれは少ない。

【００２０】次に、２次平面コイル８と１次平面コイル
１０を共にシート状にすることで薄型化できるので、全
体として数ｍｍの厚さの平面トランスＡを構成し、収納
溝５の部分の深さを数ｍｍ程度とした構成であっても、
これらシート状の平面コイル８、１０を複数枚容易に積
層することができるようになり、この積層数の組み合わ
せによって１次平面コイルと２次平面コイルの出力比を
この例の如く１：２ではなく、１：ｎの所望の割合にす
ることができる。即ち、例えば、シート状の２次平面コ
イルを３枚積層して接続線により直列接続することで
１：３の出力比を得ることができ、シート状の２次平面
コイルを４枚積層して接続線で直列接続することで１：
４の出力比を得ることができる。

【００２１】なお、本発明構成においてギャップを設け
る場合と設けない場合において、ギャップ絶縁層２を設
けない場合の方がわずかながら結合や効率の点では有利
になると思われるが、ギャップ絶縁層２を無くした構成
とすると、閉磁路構成となるので、励磁電流が存在する
コイル付近への磁束の集中が起こり、局所的な磁気飽和
や鉄損の集中による発熱が問題になるので、ギャップを
設ける方が好ましいと考えられる。即ち、ギャップ絶縁
層２の部分では磁気的な抵抗が高いので、磁性体からな
る基体１と基体３での磁束密度分布が均一化することに
なる。ギャップを設けることによって結合係数が減少す
るが、本発明者らの研究によればギャップを５μｍとし
たときに結合係数は０.９８５、２０μｍで０.９５とわ
ずかしか減少しない。これに対し、ギャップを設けるこ
とによる磁性体中の磁束密度の均一化の効果が大きい。
例えば、ギャップなしでの磁性体の端部と中央部では磁
束密度に３倍以上の開きがあるが、５μｍのギャップを
設けることによって、磁束密度の分布はほとんど平坦に
なる。従ってトランスのサイズを小さくしていくときに
は、磁束密度を均一化して飽和する部分を無くすること
が重要となる。

【００２２】次に、前記構成の平面トランスＡの製造方
法の一例について図４〜図６を基に以下に説明する。こ
の例の平面トランスＡを製造するには、Ｎｉ-Ｚｎフェ
ライトなどの高透磁率磁性材料からなる図４に示すよう
な基体３０と基体３１を用意し、板状体３０の上面に超
音波加工などの手段で図５に示すような葛折状で深さ数
分の一ｍｍ程度の収納溝３３を形成する。次に、厚さ数
十μｍ程度の銅箔をそれぞれ一体化した複数種類の銅箔
付き樹脂フィルムを用意し、それぞれをプレス打ち抜き
加工して図６に示すように前記収納溝と相似形状で収納
溝に挿入可能な銅箔付きコイル３５を用意し、これらの
銅箔付きコイル３５の側面を樹脂ディッピィングにより
樹脂コートして乾燥させて銅箔付きコイル３５を樹脂膜
で覆う。

【００２３】次いで絶縁シートを用意し、これを前記収
納溝と相似形状にプレス打ち抜き加工して主絶縁層を形
成する。この際に、主絶縁層を形成するために、樹脂粉
末を圧密加工してシート状に加工する方法を採用しても
良い。これらを形成したならば、板状体３０の収納溝３
３に前記の工程で得られたコイル３５と主絶縁層とコイ
ル３５を積層し、その上から厚さ数μｍ〜数十μｍの樹
脂シートを介して基体３１を重ねて樹脂接着することで
図１に示す構成の平面コイルＡと同等構成の平面コイル
を得ることができる。なお、銅箔付きコイルが基体側面
の収納溝の開口部から露出する部分においては、複数に
分割した平面コイルの端部どうしを接続する接続線をつ
なぐために、銅箔付きコイルの端部を適切な手段で樹脂
フィルムを剥離して銅箔付きコイルの銅部分が露出する
ようにしておくことにする。また、必要に応じて剥離加
工後に結線を行い更に全体を樹脂で薄くコートして仕上
げることもできる。

【００２４】図７と図８は本発明に係る平面トランスの
第２の例を示すもので、この例の平面トランスＢにおい
て先の第１の例の平面トランスＡと異なっているのは、
２次平面コイルの形状である。この例の平面トランスＢ
にあっては、２次平面コイル８’が先の例の１次平面コ
イル８と同様に直線状部８ａ’と折曲部８ｂ’を有し、
全体として略葛折状あるいは略櫛刃状に形成されている
が、各２次平面コイル８’の横断面が先の第１の例の２
次平面コイル８の横断面の半分程度の幅に形成され、２
本の２次平面コイル８’を合わせて先の第１の例の２次
平面コイル８になるように形成され、収納溝５に２次平
面コイル８’が合計４本収納されるとともに、各２次コ
イル８’が３本の接続線１８’で直列接続されてなる点
が異なっている。即ち、この例の構成では第１の例の構
成の２次平面コイル８をその全長に及ぶ中心線で２分割
した形状の２次平面コイル８’、８’が組み合わされて
収納溝５に収納され、２次平面コイル８’、８’が直列
接続されて連続平面コイルとされている。なお、その他
の構成は第１の例と同等であるので、同一符号を付して
それらの同等部分の詳細な説明は省略する。

【００２５】この例の平面トランスＢにあっては、２次
平面コイル８’が４本設けられているので、１：４の出
力比を得ることができる。その他の作用と効果は先の第
１の例の場合と同等である。

【００２６】図９は本発明に係る平面トランスの第３の
例を示すもので、この例の平面トランスＣにおいて先の
第１の例の平面トランスＢと異なっているのは、１次平
面コイルと２次平面コイルの形状と設置状態である。こ
の例の２次平面コイル８”は、導電材料製のフィルム導
体１２''からなり、１次平面コイル１０”は導電材料製
のフィルム導体１４’からなり、各コイルには樹脂被覆
が施されておらず、２次平面コイル８”どうしは適切な
間隙をあけて収納溝５に収納され、２次平面コイル８”
に対して適切な間隔をあけて収納溝５の底部に１次平面
コイル１０”が収納されている。この例の各コイル
８”、１４’は、接着により図９の収納溝５の内面に固
定されている。その他の構成は先の第２の例の平面コイ
ルＢと同等である。この例の構成では、各コイルに樹脂
被覆が施されていないが、その間に存在する空気層が絶
縁機能を奏し、絶縁層として作用するので、この例の構
造においても先に記載した平面コイルＢと同等の作用と
効果を得ることができる。

【００２７】図１０と図１１は本発明に係る平面トラン
スの第４の例を示すもので、この例の平面トランスＤに
おいて先の第１の例の平面トランスＡと異なっているの
は、１次平面コイルと２次平面コイルの形状である。収
納溝５において最上層の２次平面コイル８Ａは導電材料
製のフィルム導体１２Ａとそれを覆う被覆層１３Ａから
なり、中央部の２次平面コイル８Ｂは導電材料製のフィ
ルム導体１２Ａ’とそれを覆う被覆層１３Ａ’からなる
が、最上層の２次平面コイル８Ａのフィルム導体１２Ａ
の横断面における横幅は、中央部の２次平面コイル８Ｂ
のフィルム導体１２Ａ’よりも狭く形成されている。ま
た、最下層の１次平面コイル１０Ａは導電材料製のフィ
ルム導体１４Ａとそれを覆う被覆層１５Ａからなるが、
この１次平面コイル１０Ａのフィルム導体１４Ａも先の
最上層の２次平面コイル８Ａの場合と同様に、中央部の
２次平面コイル８Ｂのフィルム導体１２Ａ’よりも狭く
形成されている。

【００２８】前記の如く最上層と最下層のフィルム導体
１２Ａ、１４Ａの横断面の幅を中央のフィルム導体１２
Ａ’の横断面の幅よりも狭くしたのは、この構成の平面
コイルにおいては、通電した場合、図１１の矢印ｆに示
すように磁束が１次平面コイル１０Ａと２次平面コイル
８Ａ、８Ｂを囲むように環状に生成するが、このときフ
ィルム導体１２Ａ、１４Ａの両端部に磁束ｆが貫通し易
くなる。従って特にフィルム導体１２Ａ、１４Ａをフィ
ルム導体１２Ａ’よりも狭く形成して磁束ｆがフィルム
導体１２Ａ、１４Ａを貫通し難くし、この磁束ｆがフィ
ルム導体１２Ａ、１２Ａ’、１４Ａを貫通する鎖行を極
力少なくして導体に生じる渦電流損失の発生を抑制する
ためである。また、トランスの構造設計には、磁束ｆが
磁性体中を効率良く鎖行させること、および磁束ｆがフ
ィルム導体１２Ａ、１２Ａ’、１４Ａを貫通させないよ
うにする事が必要である。前者においては、先に述べた
ように磁性体にギャップを設けることによって効率化を
図ることができる。後者においては、フィルム導体１２
Ａ、１２Ａ’、１４Ａを貫通する磁束を少なくするため
に、積層された１次、２次平面コイル８Ａ、１０Ａのフ
ィルム導体１２、１４Ａの幅を狭くすることによって実
現することができる。後者をより詳細に述べると、図１
１に示す１次平面コイル１０Ａのフィルム導体１４Ａと
２次平面コイル８Ａのフィルム導体１２Ａの幅をフィル
ム導体１２Ａ’の幅より狭くすることによって導体を貫
通する磁束を少なくでき、フィルム導体１２Ａと１４Ａ
における渦電流損失の発生を抑えて銅損を少なくするこ
とができる。その他の作用と効果は先の第１の例の場合
と同等である。

【００２９】図１２は本発明に係る平面トランスの第５
の例を示すもので、この例の平面トランスＥにおいて先
の第１の例の平面トランスＡと異なっているのは、基体
１’と基体３’の形状である。この例の基体１’と基体
３’には、先の第１の例の平面トランスＡの収納溝５と
平面相似形状で深さが半分程度の収納溝５’がそれぞれ
形成され、基体３’の収納溝５’に２次平面コイル８、
８と主絶縁層９の上側半分とが収納され、基体１’の収
納溝５’に主絶縁層９の下側半分と１次平面コイル１０
とが収納されている。この場合、基体３’、収納溝５’
に１次平面コイル１０と２次平面コイル８、８と主絶縁
層９の上側半分が収納され、基体１’の収納溝５’に主
絶縁層９の下側半分と２次平面コイル８、８とが収納さ
れていても構わない。その他の構成は第１の例の平面コ
イルＡと同等である。

【００３０】この例に示す如く基体１’と基体３’にそ
れぞれ収納溝５’を設けて２次平面コイル８、８と主絶
縁層９および１次平面コイル１０を収納する構成として
も、先に説明した第１の例の平面コイルＡと同様の作用
効果を得ることができる。なお、基体１’と基体３’に
形成する収納溝５’の深さは同じである必要はなく、ど
ちらか一方を深く、他方を浅く形成しても良いのは勿論
である。また、前述した平面トランスＡ〜Ｅは、基体
１、３を２層の構造としたが、３層以上の多層構造とし
ても良い。この構造の場合も２層構造とした時と同等の
効果を得ることができる。さらに、１次側を多層に、２
次側を単層としても良い。

【００３１】図１３は本発明で用いられる２次平面コイ
ルの他の例を示すもので、この例の２次平面コイル８Ｃ
は平面略矩形２重渦巻状に形成されている。この例のよ
うな２次平面コイル８Ｃの形状を用いた場合であって
も、先の例と同様の効果を得ることができる。また、２
次平面コイル８Ｃを図１３に示す形状とした場合は、１
次平面コイルも同様の形状にしておくことは勿論であ
る。この例で示したように本発明の平面コイルは先に説
明した葛折状に限らず、平面丸型２重渦巻き状、平面鋸
歯状あるいはその他の形状であって、コイルパターンの
長さができるだけ長くなるような形状であれば、任意の
形状を採用することができる。

【００３２】

【実施例】幅１５×奥行１５ｍｍ、厚さ１.６ｍｍのＭ
ｎ-Ｚｎフェライト製の基板と、幅１５×奥行１５ｍ
ｍ、厚さ１.０ｍｍのＭｎ-Ｚｎフェライト製の基体を用
意し、基板上面に超音波加工で深さ０.６ｍｍ、他の部
分の細部の寸法を図１４に示す寸法とした収納溝を形成
して基体を得た。次に、複数の銅張りフィルム（厚さ約
６０〜１００μｍ、銅箔の厚さ３５μｍと７０μｍ、樹
脂フィルムの厚さ２５μｍ、）を用意し、この銅張りフ
ィルムをプレス打抜加工して図６に示すような形状の１
次平面コイルと２次平面コイルを作製した。次に、この
１次平面コイルと２次平面コイルを樹脂液に浸漬する樹
脂ディッピング処理を施し、それらの側面に厚さ約１０
μｍの樹脂コートを行った。また、別工程において厚さ
０.４ｍｍの樹脂シート（ポリイミド樹脂：デュポン社
製ベスペル（登録商標）ＳＰ-１）を前記１次平面コイ
ルあるいは２次平面コイルと同じ平面形状にプレス打ち
抜き加工で打ち抜き、主絶縁層形成用の樹脂フィルムを
得た。

【００３３】次に、前記１次平面コイルと樹脂フィルム
と２次平面コイルを基体の収納溝に順次積層して収納
し、厚さ２〜５０μｍの樹脂シートを介して基体上に平
面状の基体を樹脂接着して平面コイルを作製した。続い
て、収納溝を有する基体側面に露出した２次平面コイル
の端末部分どうしを２次平面コイルどうしが直列接続に
なるように接続線で結線し、２次平面コイルの残った端
末部分と１次平面コイルの端末部分に引出線をそれぞれ
接続し、最後に全体を樹脂被覆して平面コイルを作製し
た。

【００３４】前記構成により作製したトランスを平面コ
イルパターンを任意の形状としてシュミレーションによ
って解析した結果を以下に示す。収納溝の幅Ｗ_cを以下
の表１に示すような各値に設定した場合であって、動作
周波数を１ＭＨｚ、基体を構成する磁性体（Ｎｉ-Ｚｎ
フェライト）のμ＝１０００（tanδ＝１）とした場合
の結合係数を求めた結果を表１と図１５に示す。

【００３５】

【００３６】表１と図１５に示す結果から、収納溝を有
する基体と平面状の基体のギャップ（＝絶縁層の厚さ）
が５μｍの場合において、収納溝の溝幅Ｗ_cが０.４００
ｍｍを下回ると結合係数が低下し始め、０.２００ｍｍ
を下回ると結合係数の値が急激に低下する（結合係数が
０.９７未満）ことが明らかであるので、収納溝の溝幅
は最低でも０.２ｍｍ以上、より好ましくは０.４ｍｍ以
上とすることが好ましいことが明らかになった。

【００３７】次に、前記の平面トランスに対して図７と
図８に示す構成で１次平面コイルを２分割して巻線比を
１：４とした構成の平面トランスにおいて、Ｗ_cを０.４
００ｍｍとしたものを用いて基体と基体との間の間隔ｔ
_g（＝ギャップ絶縁層の厚さ）をパラメータとして結合
係数を求めた結果を図１６に示す。図１６に示す結果か
らギャップ絶縁層が無い場合には結合係数として０.９
９６が得られるが、ギャップ絶縁層の厚さの増加ととも
に結合係数が低下し、ｔ_g＝５μｍでは結合係数０.９８
５となることが明らかである。しかし、結合係数の値と
してはこの値でも充分に許容範囲内である。

【００３８】また、前記と同じ寸法の収納溝に対して図
１〜図３に示した構成の１次平面コイルを収納して１：
２の巻線比の平面コイルを作製し、前記と同等の試験を
行った結果を図１７に示す。図１７に示す結果も図１６
に示す結果とほぼ同様の傾向を示し、ギャップ絶縁層が
無い場合（基体上にギャップ絶縁層を介さずに直接平面
状の基体を取り付けた構成）には、結合係数として０.
９９６が得られるが、ギャップ絶縁層の厚さの増加とと
もに結合係数が低下し、ｔ_g＝５μｍでは結合係数０.９
８５となることが明らかである。しかし、結合係数の値
としてはこの値でも充分に許容範囲内である。以上の結
果から、本発明構成を採用することで、いずれの出力比
であっても高い結合係数を得ることができることが判明
した。

【００３９】次に、２次平面コイル側の導体１ｍあたり
の出力電圧Ｖ₂＝５０Ｖ（実効値）を一定とし、図１４
のａ-ｂ間における平均磁束密度振幅（最大値）を測定
したところ、無負荷時で約０.０２８Ｔとなった。ま
た、２次平面コイル側に純抵抗負荷を接続し、２次平面
コイル側出力電流Ｉ₂を変化させた場合の電力伝達効率
を求めた結果を図１８と図１９に示す。図１８はギャッ
プ絶縁層を設けない場合の電力伝達効率を示すが、巻線
比１：４ではＩ₂＝０.７７Ａで最大効率９３.３％、巻
線比１：２ではＩ₂＝０.６６Ａで最大効率９２.５％と
なる。図１９にギャップを５μｍとした場合の電力伝達
効率を示すが、巻線比１：４ではＩ₂＝０.７８Ａで最大
効率９３.１％、巻線比１：２ではＩ₂＝０.６７Ａで最
大効率９２.２％となった。出力電流が大きい場合には
鉄損よりも銅損の方が支配的となり、また、銅損は電流
の２乗に比例するために、１次電流が巻線比１：２の場
合に比べて１／２となる巻線比１：４の方が効率の点で
は有利であると思われる。

【００４０】なお、前記の比較から、本発明構成におい
てギャップ絶縁層を設ける場合と設けない場合におい
て、ギャップ絶縁層を設けない場合の方がわずかながら
結合や効率の点では有利と思われるが、ギャップ絶縁層
を無くした構成とすると、閉磁路構成となるので、励磁
電流が存在するコイル付近への磁束の集中が起こり、局
所的な磁気飽和や鉄損の集中による発熱が問題になるの
で、ギャップを設ける方が好ましいと考えられる。

【００４１】次に、巻線比１：４の平面トランスを図１
８および図１９に示す最大効率点で作動させた場合に、
図１４に示すａ-ｂ間における磁束密度の垂直方向成分
の振幅（最大値）の分布を図２０と図２１に示す。図２
０と図２１において、横軸はａ-ｂ間の位置をａ点の位
置からの距離で示しておりａ-ｂ間では距離が０.８ｍｍ
であって、ａ点から０.４ｍｍの部分が中心点となり、
その中心点の左右では左右対称となるので、図２０と図
２１ではａ点から０.４ｍｍの距離までの部分のみ示し
た。図２０に示すようにギャップが無い場合は、磁束が
ａ点部分に接近するにつれて大きく上昇しており、ａ点
とａ-ｂ間の中間点を比較すると磁束密度に３倍以上の
差があるが、５μｍ厚のギャップ絶縁層を設けた場合は
図２１に示すようにほとんど平坦になっている。

【００４２】従って、ギャップを無くすることで閉磁路
構造にすることになるが、この場合は磁束密度が大きい
ａ点のような部分で飽和しないように磁路断面積を大き
く形成して磁束密度を全体的に小さくする必要があるた
め、磁性体の利用効率が悪くなり、基体が大型化して全
体が大型化してしまう傾向になる。また、磁束の偏りは
鉄損による発熱の偏りを生じさせるために、熱設計にも
充分に配慮する必要が生じる。従って本発明の構成にお
いてギャップ絶縁層を設ける方がより好ましいことが明
らになった。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、磁性体か
らなる基体の収納溝に１次平面コイルと２次平面コイル
を収納し、１次平面コイルと２次平面コイルの少なくと
も一方を複数に分割したので、１次側のコイル巻数と２
次側のコイル巻数を変えることができ、これにより、出
力電圧を所望の比率に設定できる平面トランスを提供す
ることができる。また、１次平面コイルと２次平面コイ
ルを磁性体からなる基体に収納することで、電磁ノイズ
放射がほとんどないトランスとすることができ、かつ、
１次平面コイルと２次平面コイルの近傍に透磁率の高い
磁性体を配することができ、各平面コイル外周縁部での
インダクタンスを大きくでき、通電時に平面コイル導体
部分での電流密度を均一にすることができるので、平面
コイル部分でのジュール発熱の少ない平面トランスを提
供できる。更に、基体の収納溝に１次と２次の平面コイ
ルと主絶縁層を収納した構成なので、全体を薄型化小型
化できる特徴を有する。

【００４４】また、本発明は、平面コイルと主絶縁層を
収納する収納溝を複数の基体の少なくとも一つに形成
し、それらの間にギャップ絶縁層を介在させることで、
ギャップ絶縁層部分での磁気抵抗を大きくして一方の基
体と他方の基体側での磁束分布を均一化することがで
き、１次平面コイルと２次平面コイルが発生させる磁束
を平面コイルの周囲で均質化し、平面コイルの一部分に
磁束が集中することを抑制できるので、平面コイルで部
分的に過剰に発熱することを防止できる。よって平面コ
イルが発熱により溶けるおそれのない熱効率の良い平面
トランスを提供できる。また、全体として複数の基体で
生じようとする鉄損を小さくできる。更に、基体を磁性
体から構成してそれらに１次平面コイルと２次平面コイ
ルを収納した構成であり、従来構造の如く樹脂製のボビ
ンに収納した構成のコイルと比較すると、コイルを覆っ
ている基体の熱伝導率が樹脂製のボビンよりも高いの
で、平面コイル部分で発熱を生じても熱を速やかに基体
を介して外部に逃がすことができる。よって、熱のこも
り難い平面トランスを提供できる。

【００４５】次に、本発明構造においては、平面コイル
の長さによって出力の最大値が左右されるので、平面コ
イルを葛折状あるいは渦巻状などの形状にすることで小
型薄型の基体であっても可能な限り高い出力を得ること
ができる。また、収納溝に積層された最上層および最下
層の平面コイルの横断面の幅を、中央の平面コイルの横
断面の幅よりも小さくすることで、平面コイルが発生さ
せる磁束を上部および下部の平面コイルの端部で鎖交磁
束として受けにくくなり、この部分での発熱を少なくす
ることができる。

【００４６】本発明構造において、１次平面コイルと２
次平面コイルの少なくとも一方をそれらの全長にわたる
中心線に沿って２分割し、分割された平面コイルどうし
を直列接続することで１次平面コイルと２次平面コイル
のコイル巻数を変えることができ、これにより出力電圧
比の異なる平面トランスを提供できる。また、これに加
えて１次平面コイルと２次平面コイルの少なくとも一方
を複数積層するならば、更に異なった出力電圧比の平面
トランスを提供できる。

【００４７】次に、ギャップ絶縁層の厚さを１〜５０μ
ｍとすることで、励磁電流の流れているコイル付近への
磁束の集中を抑制し、鉄損による局所的な発熱を防ぐこ
とができる効果がある。また、収納溝の溝幅を０.２〜
２ｍｍとすることで、結合係数の低下を抑制しつつ変換
効率の良好な平面トランスを提供することができる。更
に、基体を構成する磁性体の透磁率を１ＭＨｚで２００
以上とすることで平面コイル外周縁部でのインダクタン
スを確実に大きくすることができ、平面コイルでの電流
密度を平均化できるので、平面コイルでのジュール熱発
生を確実に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る平面トランスの第１の例を示す分
解斜視図である。

【図２】本発明に係る平面トランスの第１の例を示す側
面図である。

【図３】図２に示す平面トランスの部分拡大図である。

【図４】本発明に係る平面トランスを製造する方法にお
いて用いる一方の基体と他方の基体を示す斜視図であ
る。

【図５】図４に示す２つの基体の両方に収納溝を形成し
た状態を示す斜視図である。

【図６】図５に示す収納溝に収納するコイルの一例を示
す斜視図である。

【図７】本発明に係る平面トランスの第２の例を示す分
解斜視図である。

【図８】本発明に係る平面トランスの第２の例を示す側
面図である。

【図９】本発明に係る平面トランスの第３の例を示す分
解斜視図である。

【図１０】本発明に係る平面トランスの第４の例を示す
分解斜視図である。

【図１１】第４の例の平面トランスの磁束の位置を示す
図である。

【図１２】本発明に係る平面トランスの第５の例を示す
分解斜視図である。

【図１３】本発明に係る平面コイルの他の例を示す平面
図である。

【図１４】実施例で製造した平面トランスの各部分の寸
法を示す側面図である。

【図１５】実施例の平面トランスの導体幅と結合係数の
関係を示す図である。

【図１６】実施例において巻線比を１：４とした平面ト
ランスのギャップ幅ｔ_gと結合係数の関係を示す図であ
る。

【図１７】実施例において巻線比を１：２とした平面ト
ランスのギャップ幅ｔ_gと結合係数の関係を示す図であ
る。

【図１８】実施例においてギャップを無くした構成の平
面トランスの電流と電力伝達効率の関係を示す図であ
る。

【図１９】実施例においてギャップを５μｍとした構成
の平面トランスの電流と電力伝達効率の関係を示す図で
ある。

【図２０】実施例においてギャップを無くした構成の平
面トランスの位置と磁束密度の振幅幅の関係を示す図で
ある。

【図２１】実施例においてギャップを５μｍとした構成
の平面トランスの位置と磁束密度の振幅の関係を示す図
である。

【符号の説明】

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ平面トランス１基体１ａ上面１ｂ側面２ギャップ絶縁層３基体５収納溝８、８’、８”、２次平面コイル８Ａ、８Ｂ、８Ｃ２次平面コイル９主絶縁層１０、１０”、１０Ａ１次平面コイル１２、１４フィルム導体１３、１５被覆層１８接続線２０、２１引出線２２、２３引出線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口崇福岡県福岡市博多区吉塚本町９番11ー409 号 (72)発明者笹田一郎福岡県福岡市西区愛宕浜１丁目11番13号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体からなる基体に収納溝が形成さ
れ、この収納溝に１次平面コイルと２次平面コイルが収
納された平面トランスであって、１次平面コイルと２次
平面コイルの少なくとも一方が複数個の導体からなり出
力電圧変成自在に構成されてなることを特徴とする平面
トランス。
【請求項２】前記１次平面コイルと２次平面コイルが
磁性体の収納溝に積層配置され、この積層された１次平
面コイルと２次平面コイルの間に主絶縁層が配置されて
なることを特徴とする請求項１記載の平面トランス。
【請求項３】磁性体からなる複数の基体と、それらの
間に介在されるギャップ絶縁層と、それらに収納される
１次平面コイルと主絶縁層と２次平面コイルを具備して
なり、前記複数の基体の少なくとも１つの少なくとも一
面に、各平面コイルのほぼ全長形状に沿った形状の収納
溝が形成され、この収納溝に１次平面コイルと主絶縁層
と２次平面コイルが積層収納され、基体どうしがギャッ
プ絶縁層を介して一体化されてなることを特徴とする平
面トランス。
【請求項４】前記平面コイルが葛折状あるいは渦巻状
に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の平面トランス。
【請求項５】前記ギャップ絶縁層の厚さが１〜５０μ
ｍの範囲にされてなることを特徴とする請求項１〜４の
いずれかに記載の平面トランス。
【請求項６】収納溝に積層された平面コイルにおける
上部の平面コイルと下部の平面コイルの各々の横断面の
幅が、中央側の平面コイルの横断面の幅よりも短く形成
されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
記載の平面トランス。
【請求項７】前記一方の基体に他の基体の収納溝と相
似形状の溝が形成されてなることを特徴とする請求項１
〜６のいずれかに記載の平面トランス。
【請求項８】１次平面コイルと２次平面コイルの少な
くとも一方が、それらの全長に及ぶ中心線に沿って２分
割され、分割された１次平面コイルどうしまたは２次平
面コイルどうしが相互に接続されて連続平面コイルとさ
れたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の
平面トランス。
【請求項９】収納溝の溝幅が０.２〜２ｍｍの範囲と
されてなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに
記載の平面トランス。
【請求項１０】前記一方の基体あるいは両方の基体が
１ＭＨｚでの透磁率２００以上の磁性体からなることを
特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の平面トラン
ス。
【請求項１１】１次平面コイルと２次平面コイルの間
に配置された主絶縁層、あるいはギャップ絶縁層が、ポ
リ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエ
チレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ四フッ
化エチレン等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチ
レンテレフタレート、ナイロン、エポキシ樹脂の内から
選択される１種からなることを特徴とする請求項２〜１
０のいずれかに記載の平面トランス。
【請求項１２】平面コイルが、導電材料からなる箔体
と樹脂フィルムの２層構造に、あるいは、導電材料から
なる箔体を樹脂フィルムの両面に配置した３層構造にさ
れてなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに
記載の平面トランス。