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JP5867490B2 - 電子機器 - Google Patents
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JP5867490B2 - 電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、導体パターンを磁性コアの内部に通すことでコイルを構成した電子機器に関する。
絶縁基板に形成された導体パターンを利用してコイルを構成した電子機器としては、例えば、特許文献1に記載の変圧器が知られている。
特許文献1に記載の変圧器は、多層変圧器基板と、磁気コアとを備えている。多層変圧器基板は、導電性の層と絶縁性の層が交互に積層されている。導電性の層は、コイルの巻線を形成するように、パターン化されている。そして、磁気コアは、導電性の層を覆うように設けられている。
特表2008−502293号公報
ところで、導電性の層(導体パターン)に電流が流れると、ジュール熱が生じる。例えば、導電性の層の熱を絶縁材を介して金属製の筐体に放熱する場合、磁気コアによって導電性の層が覆われている部分では導電性の層の熱を絶縁層を介して筐体に放熱する構造が採れないため、導電性の層の温度が、過剰に上昇するおそれがある。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁性コアの内部を通る導体パターンの過剰な温度上昇を抑制することができる電子機器を提供することにある。
上記課題を解決する電子機器は、磁性コアと、絶縁基板に導体パターンを形成した配線板と、を備え、前記導体パターンを前記磁性コアの内部に通すことでコイルを構成した電子機器であって、前記導体パターンは、複数に分岐して前記磁性コアの内部に配置される挿通部を備え、前記挿通部は、前記絶縁基板の表面に設けられる第1の挿通部、及び前記絶縁基板の裏面に設けられる第2の挿通部を含み、前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とは層間接続部で接続されており、前記層間接続部は、前記絶縁基板を厚み方向に貫通する基板貫通孔と、前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか一方において前記基板貫通孔と対向する位置に形成された貫通孔と、前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか一方において前記基板貫通孔に向けて屈曲された前記貫通孔の周縁と、前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか他方において前記基板貫通孔に向けて突出するように形成された凸部と、前記基板貫通孔に充填されて前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とを接続する導電材とを含んで構成されていることを要旨とする。
これによれば、電流は、複数に分岐した挿通部を分流する。このため、各挿通部を流れる電流は、単数の挿通部を用いてコイルを構成した場合に挿通部を流れる電流に比べて小さくなる。挿通部を流れる電流が小さくなることで、挿通部で発生するジュール熱が小さくなり、磁性コアの内部を通る挿通部の発熱量が少なくなる。このため、挿通部の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。
また、挿通部は、絶縁基板の両面に設けられる。このため、同一面上に複数の挿通部を設ける場合に比べて、挿通部を設けるのに要する絶縁基板の面に沿う方向の領域を小さくすることができる。
上記電子機器について、前記層間接続部は、電流の流れる方向における前記磁性コアの入口側に設けられる入口側層間接続部を有することが好ましい。
上記電子機器について、前記層間接続部は、前記入口側層間接続部と、電流の流れる方向における前記磁性コアの出口側に設けられる出口側層間接続部とを有し、前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とは前記入口側層間接続部と前記出口側層間接続部とで並列接続されていることが好ましい。
これによれば、第1の挿通部と第2の挿通部が層間接続部によって並列接続されることで、導体パターンで生じた熱の放熱を行いにくい部分である磁性コアの内部でのみ電流を分流させることができる。
上記電子機器について、前記コイルとフィルタコンデンサによって構成されたLCフィルタ回路と、平滑コイルと平滑コンデンサによって構成された平滑回路と、を備え、前記平滑コンデンサは、前記コイルよりも電流の流れる方向における上流側に設けられ、前記入口側層間接続部は、前記導体パターンでの電流の流れにおける前記コイルと前記平滑コンデンサとの分流点と、前記磁性コアとの間に設けられていることが好ましい。
これによれば、平滑コンデンサよりも先に、入口側層間接続部に電流が流れることが抑制される。平滑コンデンサよりも先に、入口側層間接続部に電流が流れると、平滑コンデンサに電流が流れにくく、平滑回路が機能しなくなるおそれがある。分流点と磁性コアとの間に入口側層間接続部を設けることで、平滑コンデンサよりも先に入口側層間接続部に電流が流れることが抑制され、平滑回路が機能しなくなることを抑制することができる。
上記電子機器について、前記入口側層間接続部及び前記出口側層間接続部は、前記磁性コアよりも外側に設けられていることが好ましい。
これによれば、磁性コアの内部で分流前の電流が流れることを無くして、磁性コアの内部での挿通部の発熱量を抑えることができる。
上記電子機器について、前記配線板及び前記磁性コアが収容される筐体を備え、前記磁性コアは、前記筐体に接触していることが好ましい。
これによれば、磁性コアと筐体との間にスペースを確保することができないため、磁性コアと筐体との間に放熱部材を設けることができず、筐体に放熱を行うことができない。このような場合でも、挿通部の発熱量を抑えることで、挿通部の熱が過剰に上昇することを抑制することができる。
本発明によれば、磁性コアの内部を通る導体パターンの過剰な温度上昇を抑制することができる。
実施形態のDC−DCコンバータの電気的構成を示す回路図。 実施形態の膨出部を示す図4の2−2線断面図。 実施形態のDC−DCコンバータを示す斜視図。 実施形態の配線板の表面を示す平面図。 実施形態の配線板の裏面を示す平面図。 実施形態の層間接続部を示す図5の6−6線断面図。
以下、電子機器の一実施形態について説明する。
図1に示すように、電子機器としてのDC−DCコンバータ10は、一次コイル11と二次コイル12からなるトランス13を有している。一次コイル11は、電源14に接続されている。また、一次コイル11には、スイッチング素子15が接続されている。スイッチング素子15には、スイッチングを制御する制御回路16が接続されている。
二次コイル12には、整流回路21、平滑回路31及びLCフィルタ回路41を介して負荷51が接続される。整流回路21は、二つのダイオード22,23から構成されている。平滑回路31は、平滑コイル32と平滑コンデンサ33から構成されている。LCフィルタ回路41は、二つのフィルタコイル42,43とフィルタコンデンサ44から構成されている。複数のフィルタコイル42,43は、並列接続されている。
上記のように構成されたDC−DCコンバータ10は、制御回路16のドライバを用いてスイッチング素子15をスイッチングすることにより、電源14から入力される直流電力を変圧して負荷51に出力する。
図3に示すように、DC−DCコンバータ10は、筐体60の内部に収容された配線板61を備える。配線板61は、ネジ65によって筐体60に固定されている。DC−DCコンバータ10は、筐体60の内部に第1〜第3の磁性コア62〜64を備える。第2の磁性コア63及び第3の磁性コア64は、筐体60の底部に固定されたU字状の第1分割部66と、第1分割部66と一体化されることで環状のコアを構成する逆U字状の第2分割部67とからなる。第1分割部66は、筐体60に接触している。
図4及び図5に示すように、配線板61は、絶縁基板69と、絶縁基板69の表面69aに接合された第1〜第4の表側導体71〜74とを備えている。また、配線板61は絶縁基板69の裏面69bに接合された第1〜第3の裏側導体81〜83を備えている。第1〜第4の表側導体71〜74及び第1〜第3の裏側導体81〜83は、所定の形状にパターニングされた金属板(本実施形態では厚銅基板)から構成されている。
第1の表側導体71と第3の表側導体73は、第2の表側導体72を挟むように設けられている。第4の表側導体74は、第2の表側導体72及び第3の表側導体73と隣り合うように設けられている。
第1の裏側導体81は、絶縁基板69の裏面69bにおける第2の表側導体72と対向する位置に設けられている。第2の裏側導体82及び第3の裏側導体83は、絶縁基板69の裏面69bにおける第4の表側導体74と対向する位置に設けられている。
絶縁基板69の裏面69bには、第1〜第3の裏側導体81〜83に加え、第1の表側導体71と対向する図示しない第4の裏側導体が設けられ、この第4の裏側導体は、層間接続部C1,C2によって第1の表側導体71と接続されている。本実施形態では、第1〜第4の表側導体71〜74及び第1〜第4の裏側導体81〜83によって導体パターンが形成されている。
第2の表側導体72は、トランス13の二次コイル12を構成する平面コイル72aを有している。第1の裏側導体81は、絶縁基板69の裏面69bにおける平面コイル72aが設けられた部分と対向する位置に、トランス13の一次コイル11を構成する平面コイル81aを有している。第1の磁性コア62は、平面コイル72a,81aの中心と周囲に位置するように設けられている。
図2及び図3に示すように、絶縁基板69には、平面コイル72a,81aが設けられた部分と隣り合って、矩形状の貫通孔69cが形成されている。第1の裏側導体81は、貫通孔69cから絶縁基板69の表面69aに向けて膨出する膨出部81bを有している。即ち、膨出部81bは絶縁基板69に接合されていないので、大電流を流すことが可能である。膨出部81bには、ダイオード22,23及び平滑コンデンサ33が設けられている。第2の表側導体72は、平面コイル72aの一端から貫通孔69cの一辺に沿って延びる第1の延設部72bと、平面コイル72aの他端から第1の延設部72bが沿う貫通孔69cの一辺と対向する一辺に沿って延びる第2の延設部72cとを有している。第1の延設部72bには、絶縁基板69を貫通して、第2の表側導体72と第2の裏側導体82を接続する層間接続部C3が設けられている。
図4及び図5に示すように、第2の裏側導体82には、第2の裏側導体82と第4の表側導体74を電気的に接続する層間接続部C4が設けられている。第4の表側導体74は、平滑コイル32を構成する平面コイル74aを有している。平面コイル74aは、その一部が第2の磁性コア63の内部を通っている。また、第4の表側導体74は、平面コイル74aから第2の表側導体72に沿って延びる延設部74bと、延設部74bから第3の磁性コア64に向けて延びる第1の挿通部75を有している。延設部74bには、平滑コンデンサ33が接続されている。平滑コンデンサ33は、延設部74bにおける電流の流れる方向において、第1の挿通部75よりも平面コイル74a寄りに設けられており、延設部74bに流れた電流は、平滑コンデンサ33と第1の挿通部75の分流点P1で分流するように構成されている。第1の挿通部75は、その一部が第3の磁性コア64の内部を通ってフィルタコンデンサ44に接続されている。
図6に示すように、第1の挿通部75の両端には、第3の磁性コア64を挟むように、層間接続部C5,C6が設けられている。層間接続部C5,C6は、第1の挿通部75における電流の流れる方向において、第3の磁性コア64よりも外側に設けられている。層間接続部C5は、電流の経路において、分流点P1と、第3の磁性コア64(フィルタコイル42,43)との間に設けられている。第3の裏側導体83は、第3の磁性コア64の内部を通る第2の挿通部85を有している。第1の挿通部75と第2の挿通部85とは、層間接続部C5,C6によって並列接続されている。すなわち、導体パターンは、層間接続部C5によって複数に分岐する第1の挿通部75と第2の挿通部85を有している。第1の挿通部75と第2の挿通部85の抵抗値は、同一である。そして、第3の磁性コア64、第1の挿通部75及び第2の挿通部85で、コイルが構成され、このコイルがフィルタコイル42,43として機能している。なお、層間接続部C1〜C4は、表側導体71,72,74と裏側導体81,82を直列接続している。
次に、層間接続部C5,C6について詳細に説明する。
絶縁基板69は、厚み方向に貫通する基板貫通孔91を有している。第4の表側導体74は、基板貫通孔91と対向する位置に、第1の貫通孔92を有するとともに、第1の貫通孔92の周縁は、基板貫通孔91に向けて屈曲している。第3の裏側導体83には、基板貫通孔91に向けて突出する凸部93が形成されるとともに、凸部93の周縁には、複数の検査用貫通孔94が設けられている。そして、基板貫通孔91に充填された導電材95(例えば、半田)によって第4の表側導体74と第3の裏側導体83が接続されることで、層間接続部C5,C6が構成されている。なお、層間接続部C5,C6と層間接続部C1〜C4は、同一の構成である。
次に、本実施形態のDC−DCコンバータ10の作用について説明する。
電源14から電流が流れると、一次コイル11(平面コイル81a)に電流が流れる。そして、電磁誘導によって、二次コイル12(平面コイル72a)に電流が流れる。平面コイル72aに流れた電流は、層間接続部C3から第2の裏側導体82に流れ、層間接続部C4から平面コイル74aに流れる。平面コイル74aに流れた電流は、平滑コンデンサ33とフィルタコイル42,43(第1の挿通部75及び第2の挿通部85)に流れる。電流は、平面コイル74aから、挿通部75,85に向けて流れるため、電流の流れる方向における第3の磁性コア64の入口側は、平面コイル74a側となり、出口側は、フィルタコンデンサ44側となる。したがって、層間接続部C5が、第3の磁性コア64の入口側に設けられた入口側層間接続部となり、層間接続部C6が、第3の磁性コア64の出口側に設けられた出口側層間接続部となる。また、平滑コンデンサ33は、電流の流れる方向におけるフィルタコイル42,43よりも上流側に設けられていることになる。
フィルタコイル42,43は挿通部75,85で構成されるため、電流は、第1の挿通部75と第2の挿通部85に分流する。フィルタコイルを構成する挿通部が、第1の挿通部75のみだった場合(挿通部が単数だった場合)、発熱量Qは、以下の式(1)で与えられる。
ただし、I は第1の挿通部75を流れる電流の電流値、Rは第1の挿通部75の抵抗、tは時間である。
フィルタコイルを構成する挿通部が、第1の挿通部75と第2の挿通部85の場合、第1の挿通部75と第2の挿通部85の抵抗値は同一であるため、第1の挿通部75と第2の挿通部85の抵抗値をともにRと表すことができる。また、第1の挿通部75と第2の挿通部85には、均等に電流が流れることから、第1の挿通部75のみからフィルタコイルが構成される場合に比べて、各挿通部75,85を流れる電流は半分、すなわち、(1/2)Iとなる。したがって、フィルタコイルを構成する挿通部が第1の挿通部75と第2の挿通部85の場合、発熱量Qは、以下の式で与えられる。
(1)式及び(2)式からわかるように、第3の磁性コア64の内部を通る挿通部を1つから2つにすることで、発熱量は、1/2になる。
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)第3の磁性コア64の内部を通る第1の挿通部75と第2の挿通部85を設けて、第1の挿通部75と第2の挿通部85を層間接続部C5,C6で並列接続している。第1の挿通部75と第2の挿通部85を流れる電流は、分流するため、単一の挿通部に電流を流す場合に比べて、各挿通部75,85に流れる電流を小さくすることができる。このため、各挿通部75,85での発熱量は、単一の挿通部に電流を流した場合に比べて少なくなり、挿通部75,85の温度が過剰に上昇することが抑制される。
(2)第1の挿通部75と第2の挿通部85は、層間接続部C5,C6によって接続されている。第1の挿通部75と第2の挿通部85を絶縁基板69の同一面上で接続する場合、第1の挿通部75と第2の挿通部85が面に沿う方向に並んで配置されることから、絶縁基板69の面に沿う方向にスペースを確保する必要がある。また、第1の挿通部75と第2の挿通部85を、絶縁基板69の面に沿う方向に並んで設けると、第1の挿通部75と第2の挿通部85を跨ぐことによる第3の磁性コア64の大型化をまねく。絶縁基板69の両面に第1の挿通部75と第2の挿通部85を設けることで、第1の挿通部75及び第2の挿通部85を設けるために要する絶縁基板69の面に沿う方向の領域を小さくすることができる。また、絶縁基板69の両面に、第1の挿通部75と第2の挿通部85を設けることで、絶縁基板69の厚み方向に配線板61の大型化を招くが、一般に導体パターンは数mm程度の薄い金属板であるため、絶縁基板69の面に沿う方向に設ける場合に比べて、大型化しにくい。
(3)第1の挿通部75と平滑コンデンサ33の分流点P1と、第3の磁性コア64との間に層間接続部C5を設けている。層間接続部C5が、電流の流れる方向における分流点P1よりも上流側に設けられる場合、平滑コンデンサ33よりも先に第2の挿通部85に電流が流れ、平滑回路31が機能しなくなるおそれがある。分流点P1と第3の磁性コア64(フィルタコイル42,43)との間に層間接続部C5を設けることで、平滑コンデンサ33よりも先に第2の挿通部85に電流が流れることを抑止することができ、平滑回路31が機能しなくなることを抑制することができる。
(4)層間接続部C5,C6は、第3の磁性コア64よりも外側に設けられている。第3の磁性コア64の内部に層間接続部C5が設けられる場合には、第3の磁性コア64の内部で分流前の電流が流れることになり、第3の磁性コア64の内部での発熱量が多くなる。第3の磁性コア64よりも外側に層間接続部C5,C6を設けることで、第3の磁性コア64内での発熱量を抑えて、第3の磁性コア64内に熱がこもることを抑制することができる。
(5)挿通部75,85の発熱量を少なくすることで、筐体60と第3の磁性コア64が接触していても、挿通部75,85の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。
(6)第4の表側導体74に設けられた第1の貫通孔92の周縁を第3の裏側導体83に向けて屈曲させるとともに、第3の裏側導体83に、基板貫通孔91に向けて突出する凸部93を設けて層間接続部C5,C6を構成している。このため、第4の表側導体74と第3の裏側導体83の間の距離が短い。導電材95は、導体パターンよりも抵抗値が高いため、第4の表側導体74と第3の裏側導体83同士の離間距離を短くして、電流が導電材95を流れる距離を短くすることで、発熱量を抑えることができる。
(7)第1の挿通部75と第2の挿通部85を層間接続部C5,C6によって並列接続しているため、磁性コア64の内部を通る部分のみ電流を分流させることができる。
なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○電子機器は、DC−DCコンバータ10以外であってもよい。例えば、トランス13(変圧器)などであってもよい。すなわち、導体パターンを磁性コアに通すことでコイルを構成している電子機器であれば、どのような電子機器であってもよい。
○挿通部は、3個以上にしてもよい。抵抗値の同一の挿通部を増やしていくことで、発熱量は、1/nになっていく。なお、n=挿通部の数である。
○第1の挿通部75と、第2の挿通部85は、ともに絶縁基板69の同一面に接合されていてもよい。
○層間接続部C1〜C6は、スルーホールなどでもよい。
○平滑コイル32を構成する導体パターン(第4の表側導体74)を並列接続してもよい。すなわち、磁性コアの内部に導体パターンを通すことでコイルを構成しているものであれば、磁性コアの内部を通る導体パターン(挿通部)を複数設けるとともに導体パターンを並列接続することで、発熱量を抑えることができる。
○層間接続部C5,C6は、第3の磁性コア64の内部に設けられていてもよい。この場合、第3の磁性コア64の内部における挿通部75,85の発熱量を抑えるために、層間接続部C5は、できるだけ第3の磁性コア64の入口側に寄って設けられることが好ましい。同様に、層間接続部C6は、できるだけ第3の磁性コア64の出口側に寄って設けられることが好ましい。また、層間接続部C5,C6のうち、いずれか一方が第3の磁性コア64の内部に設けられ、他方が第3の磁性コア64の外部に設けられてもよい。
○配線板61は、筐体60に収容されていなくてもよい。
○第3の磁性コア64は、筐体60に接触していなくてもよい。
○第1の挿通部75と第2の挿通部85は、異なる抵抗値であってもよい。
○第1〜第4の表側導体71〜74及び第1〜第3の裏側導体81〜83を構成する金属板は、アルミ板などの金属でもよい。
○第1〜第4の表側導体71〜74及び第1〜第3の裏側導体81〜83の数は、変更してもよい。
○配線板61は、多層基板であってもよい。
○層間接続部C6を設けず、層間接続部C5のみを設けてもよい。この場合、第1の挿通部75と第2の挿通部85には、それぞれ負荷が接続され、第1の挿通部75と第2の挿通部85は並列接続されない。
次に、上記実施形態及び変形例から把握することのできる技術的思想について以下に追記する。
(イ)絶縁基板と、前記絶縁基板に形成された導体パターンと、を備え、前記導体パターンを磁性コアの内部に通すことでコイルを構成する配線板であって、前記導体パターンは、複数に分岐して前記磁性コアの内部に配置される挿通部を備えることを特徴とする配線板。
C5,C6…層間接続部、P1…分流点、10…DC−DCコンバータ、31…平滑回路、32…平滑コイル、33…平滑コンデンサ、41…LCフィルタ回路、42,43…フィルタコイル、44…フィルタコンデンサ、60…筐体、61…配線板、64…第3の磁性コア(磁性コア)、69…絶縁基板、71〜74…表側導体、75…第1の挿通部、81〜83…裏側導体、85…第2の挿通部。

Claims (6)

  1. 磁性コアと、
    絶縁基板に導体パターンを形成した配線板と、を備え、
    前記導体パターンを前記磁性コアの内部に通すことでコイルを構成した電子機器であって、
    前記導体パターンは、複数に分岐して前記磁性コアの内部に配置される挿通部を備え
    前記挿通部は、前記絶縁基板の表面に設けられる第1の挿通部、及び前記絶縁基板の裏面に設けられる第2の挿通部を含み、
    前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とは層間接続部で接続されており、
    前記層間接続部は、
    前記絶縁基板を厚み方向に貫通する基板貫通孔と、
    前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか一方において前記基板貫通孔と対向する位置に形成された貫通孔と、
    前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか一方において前記基板貫通孔に向けて屈曲された前記貫通孔の周縁と、
    前記第1の挿通部及び前記第2の挿通部のいずれか他方において前記基板貫通孔に向けて突出するように形成された凸部と、
    前記基板貫通孔に充填されて前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とを接続する導電材とを含んで構成されていることを特徴とする電子機器。
  2. 前記層間接続部は、電流の流れる方向における前記磁性コアの入口側に設けられる入口側層間接続部を有することを特徴とする請求項1に記載の電子機器。
  3. 前記層間接続部は、前記入口側層間接続部と、電流の流れる方向における前記磁性コアの出口側に設けられる出口側層間接続部とを有し、前記第1の挿通部と前記第2の挿通部とは前記入口側層間接続部と前記出口側層間接続部とで並列接続されていることを特徴とする請求項2に記載の電子機器。
  4. 前記コイルとフィルタコンデンサによって構成されたLCフィルタ回路と、平滑コイルと平滑コンデンサによって構成された平滑回路と、を備え、
    前記平滑コンデンサは、前記コイルよりも電流の流れる方向における上流側に設けられ、
    前記入口側層間接続部は、前記導体パターンでの電流の流れにおける前記コイルと前記平滑コンデンサとの分流点と、前記磁性コアとの間に設けられていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電子機器。
  5. 前記入口側層間接続部及び前記出口側層間接続部は、前記磁性コアよりも外側に設けられていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の電子機器。
  6. 前記配線板及び前記磁性コアが収容される筐体を備え、
    前記磁性コアは、前記筐体に接触していることを特徴とする請求項1〜請求項5のうちいずれか一項に記載の電子機器。
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