JPS61102009A - 空芯トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来技術とその問題点〕 トランス（変圧器ともいう）は、１つの回路から交流電
力を受けてこれと磁気的に結合している１以上の他の巻
線に電磁誘導作用によって変圧した出力を得る電気部品
ないし静止機器であり、その用途は電圧の変換、回路間
の絶縁、インピーダンス交換等の広範囲に及ぶ。

近年エレクトロニクスは産業用から玩具に至る家庭用品
まで広く使用されている。このエレクトロニクス回路は
半導体集積回路（ＩＣ，ＬＳＩ。

ｖＬ−８工等）技術の進歩に伴ない著しく小型化してお
り、その動作のだめの電源も小型軽量であることを必要
とする。そのために、電源として一般にスイッチングレ
ギュレーターが普及している。

スイッチングレギュレーターの小型軽量化及び高効率化
のためには、スイッチング周波数を高くすることが考え
られ、現在主流の５０　ｋＨｚ級から、よシ高周波であ
る５　００　ｋＨｚからＭＨｚ　　級のスイッチングレ
ギュレータへの開発、努力がなされている高周波スイッ
チングレギュレータを実現するための技術的問題は、高
速スイッチング素子（トランジスタ等）及び特に高周波
小型トランス等の開発にある、スイッチングレギュレー
タ用トランスにおいては十分な一次、二次巻線間の絶縁
耐圧を得るために、それぞれ−次コイルと二次コイルを
物理的に離して、または両コイル間に十分な絶縁層を設
けて重ねて巻回することを普通としている。

しかし、両コイル間のリーケージインダクタンスを最小
にしてエネルギーの伝達損失を最小にするため、両コイ
ル間をフェライト等の高透磁率の磁路で磁気的に結合し
ている。ａ芯を使用すると、トランスの小型軽量化、さ
らに価格に限界があると共にＭＨｚ　　級の高周波にお
いても十分に使用できる高い透磁率や磁気飽和の少ない
磁気材料などを得ることが困難であった。

〔発明の目的〕

本発明は、高周波スイッチングレギーレータ等に好適な
安価にして小型軽量のトランスを提供することを目的と
する。

本発明の他の目的は、絶縁フ・イルムを介して相互に絶
縁した導電箔膜を一体に重合させ、磁芯を使用すること
なく、即ち空芯状態で巻回することにより、安価にして
小型軽量、かつ、高効率の高周波で作動可能なトランス
を提供することである。

本発明の更に他の目的は、広い周波数範囲にわたり効率
が極めて高いトランスを提供することである。

〔発明の概要〕

種々の形状のトランスについてエネルギー伝達特性の実
験を行なった結果、Ｍ　ＨＺ　　級の高周波帯域におい
ては、巻線形状を工夫することにより磁芯を使用するこ
となく、即ち空芯で損失を実質的に排除して高効率のト
ランスが得られることが判明した。即ち２枚の導電箔膜
を絶縁体を間挿して重合させ、空芯状態に巻回すること
により高周波におけるエネルギー伝達特性は極めて高く
なることが判明した。従来、トランスの巻線として断面
　　　１がほぼ円形の銅線等に代わって帯状または箔状
導体を使用すること、または箔状導体を絶縁フィルムを
介して同時に磁芯の回りに巻回するトランスは、既に提
案されている（例えば米国特許第２５２１５１３号明細
誉）が、本発明者は、ＭＨ２級の高周波帯では空芯状態
に巻線形状を工夫することにより十分に高いエネルギー
伝達特性が得られることを実験により初めて認識した。

従来、ＭＨｚ　　級の高周波で作動可能なトランスを実
現するために、あくまでも磁芯の改良にとられれ、その
高透磁率化や高い飽和磁束密度化など磁芯の緒特性の改
良に腐心していた。しかし、本発明では高周波化への問
題を、空芯状態で巻線形状を工夫することにより解決し
たもので、高周波帯域においては、磁芯を使用する必要
がないというまった〈従来のトランスとしての概念を基
本的に変革したものである。この本発明の空芯トランス
を用いてＭＨｚ　　級の高周波スイッチングレギュレー
タを超小型になし得ることを実証した。

〔実施例囚〕

第１図は、本発明の一実施例による空芯トランスの構造
を示す概略図である。導電箔膜１０゜１２は厚さ５０μ
ｍ１幅約１０咽、長さ１６５０酬のアルミニウム箔であ
って、両端に適当な大きさ及び長さの錫めっき等を施し
た鉄線や銅線等の端子またはリード線１８．２０及び２
２．２４を、例えば、電気溶接等の周知技法で固定する
。この溶接に先立ちリード線の溶接部はプレス等により
平担加工を施すことが好ましい。この導電箔膜１０．１
２はポリエチレン、マイラー等の高誘電率、かつ、高絶
縁耐圧を有するプラスチックフィルム１４．１６を介し
て重ね合わせ、巻線機械を用いて空芯状態に密に巻回す
る。この場合、絶縁体として１４．１６のマイラーフィ
ルムは、厚さ１２μｍ１幅１５．、長さ約１６５０ｍｍ
であって、その幅を導電箔膜１０，１２より広くし両導
電箔膜間の絶縁耐圧を高めるのが好ましい。

フィルム１４．１６の厚さは、必要とするトランスの巻
線間絶縁耐圧により決め、導電箔膜１０゜１２の巻回数
は必要とするインダクタンスと巻数比により決めること
ができる。

以上の製法に基づいて作られた本発明の空芯トランスの
実施例（Ａ）は、巻回数が５２回で約１６μＨのインダ
クタンスと約６４　ｎＦの静電容量とＱの値０．７９が
得られた。

第２図は、第１図の空芯トランスの等価回路図であり、
端子１８−２２間に一次巻線Ｗ１が導電箔膜１０により
形成され、端子２０−２４間に二次巻線Ｗ２が導電箔膜
１２により形成される。なお、両巻線Ｗ、　、　Ｗ、間
にはその対向する全長にわたりほぼ一定の分布静電容量
Ｃ６が不可避的に形成される。

第３図は、本発明の空芯トランスの完成斜視図の一例で
あって、導電箔膜１０，１２と絶縁フィルムまたはテー
プ１４．１６とを巻回した後、そのまま使用するか、も
しくは適当な圧力を加えてングして吸湿等による特性劣
化を防止する。なお、磁芯が無いので押圧変形しやすく
両巻線Ｗ、、Ｗ２間の結合を一層密にして漏洩磁束によ
る効率低下を防止するのに大変有効である。

〔特性測定回路〕

第４図は、本発明による空芯トランスの特性測定回路図
を示す。

本発明による空芯トランスの一次巻線Ｗ、に５０Ωの出
力抵抗Ｒ１を有する定振幅正弦波信号発生器（ソニー・
チク）ｏニクス■製１９１型）２８を接続し、二次巻線
Ｗ２に５０Ωの負荷抵抗Ｒ８を接続して両端電圧降下を
１０：１のプローブを介し、広帯域オシロスコープ（ソ
ニー・テクトロニクス株製２４４５型）３０で測定する
。

〔周波数特性〕

第７図は、第４図の測定回路により、正弦波信号発生器
２８の出力振幅を一定に維持して周波数を５０　ｋＨｚ
から１００　ＭＨｚまで変化して出力電圧ｅ’ｏと入力
端子ｅ１　　の比ｅｏ、／ｅｉをオンロスコープで測定
し、プロットしたものである。

上述の実施例囚によるサンプル（−次、二次巻線の巻数
比は１対ｌである）では、第４図（４）に示す特性を示
し、約２ＭＨ２までは１以下であるが、２ＭＨ２より５
ＭＨｚ　　までは約１であり、それ以上では約１００　
ＭＨｚ　　まで１以上の高いエネルギー伝達率を有する
ことは注目に値する。この高周波特性は、−次、二次巻
線の結合度が全体にわたり極めて密であること、及び誘
導結合のみならず両巻線間に存在する大きな静電容量に
よる静電結合によるものと考えられる。また高周波にお
いて１以上のエネルギー伝達が行なわれるのは、この空
芯トランスの比較的低いがなだらかなＱによるものと推
定される。

〔対比例（Ｂ）〕

次に、本発明と対比するために、実施例（蜀と同じ材料
を用い、各巻線を別にして、巻回した試料を作った。す
なわち、第５図に示すように導電箔膜１０′と１２′に
厚さ５０μｍ、幅１０ｍｍ、長さ１６５　ｏｗｎのアル
ミニウム箔と、実施例（４）と同じマイラーフィルム１
４’　、　１６’を用い、まず導電箔膜１０′を先に６
６回巻回してインダクタンス１７μＨ，Ｑｏ、８７を得
て入力側とし、さらにその上から導電箔膜１２′を３３
回巻回し、インダクタンス１５．６μＨ，Ｑｏ、８３を
得たものを出力側としたサンプルにつき、第４図の測定
回路によって実施例（Ｎと同様の実貌を行なった結果、
第７図（Ｂ）に示す特性を示し、ｅｏ／ｅ＋が１以上の
周波数は存在せず、ＩＭＨ２付近と６０　ＭＨ２付近で
ｅｏ／ｅｉｆＪ″−０，６から０．７程度示したが、実
施例（４）に比べ全体的に比較にならないほどエネルギ
ー伝達特性の低いことが判明した。以上のように高周波
帯域においても実施例囚のように重合させ、一体として
巻回しなければ、高周波で良好に作動することができな
いことが判る。

〔実施例（Ｃ）〕

次に、本発明による空芯トランスの巻数の相違による特
性の比較を行なってみた。

第１図に示す導電箔膜１０，１２を厚さ８μｍ、幅６瓢
のアルミニウム箔と、絶縁体１４．１６として厚さ６μ
ｍ、幅７咽のマイラーフィルムを用いて第１表に示した
サンプルを作成した。

第　　１　　表 第４図に示す特性測定回路によシ実施例（４）と同様の
実、験を行なった結果、巻数が増すと第１表から明らか
なように、インダクタンス及び静電容量が増大し、第８
図（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）に示すように低周波帯域側に
ｅｏ／ｅｉのエネルギー伝達特性が拡がることが判明し
、使用周波数帯域を任意に選べることが判明した。

〔直線性〕

次に第９図は、第４図の測定回路により実施例（４）の
発振器２８の発振周波数を一定（５ＭＨｚとＩＭＨ２）
にして、入力端子ｅｉ　　を０．１乃至５ボルトに変化
した場合の出力電圧ｅｏ　をオシロスコープで測定プロ
ットした直゛線性、即ちダイナミックレンジ特性曲線図
である。第９図より明らかなように、実施例囚の本発明
の空、芯トランスによると、広い入力端子レンジにわた
り極めて良好な直線性を有する。なお、使用した試験器
具の関係上、これ以上の電圧につき実験できなかったが
、空芯であり磁気飽和要因は全く存在しないので、一層
大入力についても線形出力が得られることが容易に推定
できる。

〔変更、変形〕

以上、本発明の好適実施例につき説明したが、本発明は
、何らこの実施例のみに限定すべきでなく種々の変更、
変形が可能である。例えば相互にに、２つの箔の一方は
２つの箔１２’ａ、１２”ｂ　　に分割し、端部に夫々
の端子２０”　ａ　、　２０”　ｂを接続してもよい。

各導電箔膜の厚さはそれを流れる電流の大きさに応じて
適宜選定でさ、それによる特性の顕著な違いのないこと
は第７図（Ｎと第８図（Ｃ）の比較によっても確められ
た。さらに導体箔膜は、絶縁ノートの両面または片面に
無電解メッキや蒸着またはスパッタリング技□法等によ
り形成することも可能である。　　−（ 〔発明の効果〕 本発明の空芯トランスは、空芯、即ち、磁芯ないし鉄芯
を一切使用しないので極めて小型軽量化でき磁気飽和に
伴なう問題が生ずることなく、一定周波数以上では極め
て良好なエネルギー伝達特性を呈する。また、導電箔膜
を使用するので、密結合が可能であり、そのため漏洩磁
束も少、／なく同一円形ＩｆＴ而槓面銅線に比して十分
大きい断面積の箔が使用できるので、電流容量が増加で
き、しかも高周波においても表皮効果の影響を最少にす
ることができる。また、各巻線間は、任意厚さの絶縁フ
ィルムを用いて絶縁できるので、巻線間のアイソレーシ
ョン、即ち、絶縁耐圧が優れている。

従って、本発明の空芯トランスはＭＨｚ級の高周波で動
作するスイッチングレギュレータのトランスとして使用
し、その高効率化、小型軽量化する目的等において特に
有効であり、むろんスイッチングレギュレータ以外にア
イソレータその他高い絶縁耐圧を必要とする多くの目的
に使用可能であることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による空芯トランスの一実施例の分解図
、第２図は本発明による空芯トランスの等価電気回路図
、第３図は、本発明の空芯トランスの一実施例の完成斜
視図、第４図は、本発明の空芯トランスの特性を測定す
る回路図、第５図は、本発明の空芯トランスと対比すべ
き他の形態の空芯トランスの要部を示す分解図、第６図
は、本発明による空芯トランスの他の実施例の要部を示
す分解図、第７図及び第８図は、本発明の空芯トランス
の一実施例の周波数特性曲線図、第９図は、本発明の空
芯トランスの直線性及びダイナミックレンジの特性曲線
図である。 １０．１０’　、　１０″、　１２．Ｌ’　、　１２”
　ａ　、１２”　ｂ　　−・−−−−導電箔膜１４．１
４’　、　１４”、１６　、１６’　、　１６１・・・
・・絶縁体１８、１８’、　１８”、２０．２０’　、
　２０”ａ、２０”ｂ、　２２　、２２’　、　２４．
２４’・・・・・・端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２枚の導電箔膜を絶縁体を介して重合
   させ一体として空芯状態に巻回し、上記巻回した各導電
   箔膜に１対の端子を接続し、各導電箔膜をそれぞれ一次
   巻線及び二次巻線としたことを特徴とする空芯トランス
   。
2. （２）上記導電箔膜として帯状のアルミニウム箔または
   銅箔を使用し、上記絶縁体として高誘電率の帯状のプラ
   スチックフィルムを使用する特許請求の範囲第１項記載
   の空芯トランス。
3. （３）上記巻回した導電箔膜を巻回後押圧扁平にした特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の空芯トランス。
4. （４）上記巻回した導電箔膜全体をエポキシ等の樹脂で
   モールドした特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項
   記載の空芯トランス。