コイル、変圧素子、スイッチング電源装置
【課題】より巻き数が大きく、かつ、薄型でありながら、反りや歪みが発生しにくいコイルを提供する。
【解決手段】１次側コイルは、基板３１Ｃの表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体３１Ａ，３１Ｂを有する。ここで、巻線体３１Ｔ１〜３１Ｔ３は、各々の巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭に、複数の切り欠き部が一定の間隔で間欠的に設けられたものである。巻回内周側の輪郭と、巻回外周側の輪郭とは、巻回方向Ｒに沿って交互に配置されている。これにより、高温環境下であっても熱膨張に伴う基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの間に発生する応力の一部が、複数のスリットにおいて吸収される。よって、１次側コイル全体の反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。
【解決手段】１次側コイルは、基板３１Ｃの表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体３１Ａ，３１Ｂを有する。ここで、巻線体３１Ｔ１〜３１Ｔ３は、各々の巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭に、複数の切り欠き部が一定の間隔で間欠的に設けられたものである。巻回内周側の輪郭と、巻回外周側の輪郭とは、巻回方向Ｒに沿って交互に配置されている。これにより、高温環境下であっても熱膨張に伴う基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの間に発生する応力の一部が、複数のスリットにおいて吸収される。よって、１次側コイル全体の反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に沿って巻回するコイル、ならびにそのようなコイルを備えた変圧素子およびスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スイッチング電源装置として種々のＤＣ−ＤＣコンバータが提案され、実用に供されている。その多くは、電力変換トランス（変圧素子）の１次側コイルに接続されたスイッチング回路のスイッチング動作により直流入力電圧をスイッチングし、スイッチング出力を電力変換トランスの２次側コイルに取り出す方式を採用したものである。スイッチング回路のスイッチング動作に伴い、２次側コイルに現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって直流に変換されて出力される。
【０００３】
最近、このようなスイッチング電源装置のコンパクト化が求められており、それに伴って変圧素子の小型化および薄型化が進んでいる。このため、１次側コイルや２次側コイルとして、樹脂製の基板上に設けられた薄膜状（あるいは薄板状）のコイルが採用されている（特許文献１参照）。
【０００４】
なお、上記のようなコイルに関連するものとして、特許文献２，３には、絶縁基板上に導電パターンが設けられたインダクタが開示されている。
【特許文献１】特開平９−３２６３１６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３２０１９号公報
【特許文献３】特開平８−１０７０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、より大きな変圧比が要求される場合には、１次側コイルの巻き数と２次側コイルの巻き数との比（巻数比）を大きくする必要があるので、いずれか一方のコイルの巻き数を増大させなければならない。しかしながら、限られた形成面積においてコイルの断面積を高めつつ、コイルの巻き数を増やすとなると、必然的にコイルの各ターンの幅が狭くなる。そうした場合、上記のような樹脂基板に設けられた薄膜状（あるいは薄板状）のコイルでは、製造時や使用時における温度変化に伴う応力に起因する反りや歪みが発生しやすくなる。
【０００６】
具体的には、高温環境下に置かれると、金属からなるコイルは、主に巻回方向へ伸びることとなる。図１２（Ａ）は、図示しない樹脂基板上に設けられたコイル１３０を上面から眺めた概略図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のXIIＢ−XIIＢ線に沿った断面の概略図である。さらに、図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示したコイル１３０を構成する巻線体１３１Ｔ１〜１３１Ｔ３における位置Ｐ１０１から位置Ｐ１０２までの区間を直線状に伸ばした様子を表し、特に、実線が駆動前の常温時に対応し、破線が駆動中（後）の高温時に対応している。図１２（Ｃ）では、巻回方向Ｒに沿った紙面横方向が樹脂基板の表面における、位置Ｐ１０１から位置Ｐ１０２までのコイル１３０に沿った距離に相当し、紙面上下方向が樹脂基板の表面と直交する方向（厚み方向）におけるコイル１３０の変位に相当する。このようなコイル１３０が自らの巻回方向に熱膨張しようとした場合、コイル１３０は樹脂基板と密着しているので単独では変位することができない。そのため、コイル１３０の熱膨張率と樹脂基板の熱膨張率との間に大きな差がある場合、基板とコイル１３０との接合界面近傍において応力が生じる。特に、コイル１３０の巻き数を増やすことで、コイル１３０の各巻線体１３１Ｔ１〜１３１Ｔ３の幅を狭くすると共に全長を長くすると、高温環境下での巻回方向Ｒに沿った応力は顕著に大きくなる。そのような応力を緩和するため、コイル１３０は、図１２（Ｂ），１２（Ｃ）に示したように実線で示した基板表面に平行な所定位置から、破線で示した位置へ樹脂基板と共に変位することとなる。この結果、樹脂基板およびコイルが一体となったコイル基板全体として、反りを発生させる。
【０００７】
このようなコイル基板の反りは、それを搭載する変圧素子などのコンパクト化を妨げる要因となる。また、この種のコイル基板では、コイルが設けられた樹脂基板の裏面に、アルミニウムなどの熱伝導率の高い冷却基板を接触させ、コイルの冷却を行うことがあるが、その場合、あらかじめ樹脂基板に反りが生じていると、樹脂基板と冷却基板との間に隙間が生じてしまい冷却効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、より巻き数が大きく、かつ、薄型でありながら、反りや歪みが発生しにくいコイルを提供することにある。本発明の第２の目的は、コンパクトな構成でありながら、より大きな変圧比を得るのに適した変圧素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のコイルは、基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、間欠的に設けられた複数の切り欠き部を含むようにしたものである。
【００１０】
本発明の変圧素子は、磁芯と、その磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルとを備え、１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方として、上記本発明のコイルを用いるようにしたものである。
【００１１】
本発明のスイッチング電源装置は、直流入力電圧をスイッチングして入力交流電圧を生成するスイッチング回路と、磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルを有し、入力交流電圧を変圧して出力交流電圧を出力する変圧素子と、この変圧素子の２次側に並列接続され、出力交流電圧の整流動作を行うことで直流出力電圧を生成する整流回路とを備え、変圧素子における１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方として、上記本発明のコイルを用いるようにしたものである。
【００１２】
本発明のコイルでは、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、間欠的に設けられた複数の切り欠き部を含むことから、加熱された場合であっても、切り欠き部を含まない場合と比べて巻回方向に沿って膨張しようとする応力が軽減される。これは、巻回方向に沿って膨張しようとする応力の一部が、複数の切り欠き部において吸収されるためと考えられる。
【００１３】
本発明のコイル、変圧素子およびスイッチング電源装置では、複数の切り欠き部が一定の間隔で設けられているとよい。面内方向における応力分布の偏りが生じにくくなるからである。ここでいう一定の間隔とは、導体の巻回方向に沿って隣り合う切り欠き部同士の距離が等しいことを意味する。あるいは、導体の巻回方向に沿って隣り合う２つの切り欠き部が巻回中心を頂点としてなす角度（中心角）がコイル全体に亘って一定であることを意味する。
【００１４】
本発明のコイル、変圧素子およびスイッチング電源装置では、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭の双方が複数の切り欠き部を含んでいることが望ましい。加熱された際に巻回方向に沿って膨張しようとする応力が、より効果的に軽減されるからである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のコイルによれば、導体の巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方に、複数の切り欠き部を間欠的に設けるようにしたので、熱膨張に伴う基板と導体との間に発生する応力を、巻回方向以外の方向にも分散させることができる。したがって、隙間の輪郭が平坦な曲線状であるような従来の導体を有するコイルと比べ、反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。
【００１６】
本発明の変圧素子またはスイッチング電源装置によれば、上記本発明のコイルを備えるようにしたので、変圧比の向上を図りつつ、さらなるコンパクト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態としてのスイッチング電源装置の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリ１０から供給される高圧の直流入力電圧Ｖinをより低い直流出力電圧Ｖoutに変換し、図示しない低圧バッテリに供給して負荷６を駆動するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものである。なお、本実施の形態に係る変圧素子も、以下併せて説明する。
【００１９】
このスイッチング電源装置は、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられたスイッチング回路１および入力平滑コンデンサ２と、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂを有する変圧素子としてのトランス３とを備えている。１次側高圧ラインＬ１Ｈの入力端子Ｔ１と１次側低圧ラインＬ１Ｌの入力端子Ｔ２との間には、高圧バッテリ１０から出力される直流入力電圧Ｖinが印加されるようになっている。このスイッチング電源装置は、トランス３の２次側に設けられた整流回路４と、この整流回路４に接続された平滑回路５とをさらに備えている。
【００２０】
スイッチング回路１は、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４から構成されたフルブリッジ型の回路構成となっている。具体的には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士が互いに接続されると共に、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士が互いに接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の他端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４の他端同士が互いに接続され、これらの他端同士は、それぞれ入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。スイッチング回路１はこのような構成により、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じて、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に印加される直流入力電圧Ｖinを入力交流電圧に変換するようになっている。なお、これらスイッチング素子としては、例えば電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などのスイッチ素子が用いられる。
【００２１】
入力平滑コンデンサ２は、入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力された直流入力電圧Ｖinを平滑化するためのものである
【００２２】
トランス３の一対の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは接続部Ｃで互いに接続され、この接続部Ｃが出力ラインＬＯを介して出力端子Ｔ３に導かれている。つまり、このスイッチング電源装置はセンタタップ型のものである。このトランス３は、スイッチング回路１によって生成された入力交流電圧を変圧し、一対の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂの各端部Ａ，Ｂから、互いに１８０度位相が異なる出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の変圧比は、１次側コイル３１と２次側コイル３２Ａ，３２Ｂとの巻数比によって定まる。
【００２３】
整流回路４は、一対の整流ダイオード４Ａ，４Ｂからなる単相全波整流型のものである。整流ダイオード４Ａのカソードはトランス３１の２次側コイル３２Ａの端部Ａに接続され、整流ダイオード４Ｂのカソードはトランス３１の２次側コイル３２Ｂの端部Ｂに接続されている。また、これら整流ダイオード４Ａ，４Ｂのアノード同士は互いに接続され、接地ラインＬＧに接続されている。つまり、この整流回路４はセンタタップ型のアノードコモン接続の構成となっており、トランス３からの出力交流電圧の各半波期間を、それぞれ整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。
【００２４】
平滑回路５は、チョークコイル５１と出力平滑コンデンサ５２とを含んで構成されている。チョークコイル５１は出力ラインＬＯに挿入配置されており、その一端は接続部Ｃに接続され、その他端は出力ラインＬＯの出力端子Ｔ３に接続されている。チョークコイル５１は、例えばフェライトなどの磁性材料からなる磁芯の周囲に、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの高導電性材料からなる配線が巻回した構造を有している。出力平滑コンデンサ５２は、出力ラインＬＯ（具体的には、チョークコイル５１の他端）と接地ラインＬＧとの間に接続されている。接地ラインＬＧの端部には、出力端子Ｔ４が設けられている。このような構成により平滑回路５では、整流回路４で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖoutを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から低圧バッテリ（図示せず）に給電するようになっている。
【００２５】
次に、図２〜図５を参照し、トランス３について、より詳細に説明する。
【００２６】
図２は、トランス３の要部構成を表す斜視図であり、図３は、その分解斜視図である。さらに、図４は、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂのみの構成を表す分解斜視図である。
【００２７】
図２および図３に示したように、トランス３は、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂのほか上部コア３０Ａおよび下部コア３０Ｂを有している。上部コア３０Ａは、いわゆるＥ型コアと呼ばれ、例えばフェライトなどの磁性材料からなる平板状部材の両端および中心部に突起部３０１〜３０３が設けられたものである。一方、下部コア３０Ｂは、同じくフェライトなどの磁性材料からなる平板状部材である。下部コア３０Ｂは、突起部３０１〜３０３と接し、中心部の突起部３０１と両端の突起部３０２，３０３との間に空間を確保するように上部コア３０Ａと対向して配置されている。
【００２８】
１次側コイル３１は、例えばエポキシなどの樹脂からなると共に開口３１Ｋが設けられた基板３１Ｃと、基板３１Ｃの一方の面上において開口３１Ｋの周囲を巻回する導体３１Ａと、基板３１Ｃの他方の面上において開口３１Ｋの周囲を巻回する導体３１Ｂとを有している。この１次側コイル３１は、基板３１Ｃの開口３１Ｋが上部コア３０Ａの突起部３０１によって貫かれるように配置されている。このため、導体３１Ａ，３１Ｂが突起部３０１の周囲を巻回するようになっている。ここで、導体３１Ａ，３１Ｂは、互いに逆方向に巻回している。すなわち、上方（図３，４に示した矢印Ｖの方向）から眺めた場合、導体３１Ａは、図５（Ａ）に示したように巻回外周側から巻回中心側へ向けて右回りに巻回しており、導体３１Ｂは、図５（Ｂ）に示したように巻回外周側から巻回中心側へ向けて左回りに巻回している。さらに、導体３１Ａおよび導体３１Ｂは、巻回中心側（最内周側）の各々の端部３１Ａ１，３１Ｂ１が、基板３１Ｃを貫通する接続部（図示せず）によって互いに導通しており、１本のコイルとして機能するように構成されている。また、巻回外周側（最外周側）の端部３１Ａ２，３１Ｂ２は、それぞれ、引出線Ｌ１Ｐ，Ｌ２Ｐと接続されている、なお、図５（Ａ），５（Ｂ）は、１次側コイル３１を構成する導体３１Ａ，３１Ｂの、図３，４に示した矢印Ｖの方向から眺めた平面構成をそれぞれ表すものである。
【００２９】
２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、例えばエポキシなどの樹脂からなると共に開口３２Ｋが設けられた基板３２Ｃの、互いに異なる面にそれぞれ設けられている。なお、図３では、２次側コイル３２Ｂを、基板３２Ｃの下側の面（１次側コイル３１と対向する側）に設けるようにしたが、２次側コイル３２Ａを基板３２Ｃの下側の面に設けるようにしてもよい。ここで、基板３２Ｃの開口３２Ｋは、上部コア３０Ａの突起部３０１によって貫かれている。したがって、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、いずれも突起部３０１の周囲を巻回するようになっている。なお、本実施の形態では、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂの巻き数を１としている。さらに、２次側コイル３２Ａおよび２次側コイル３２Ｂは、各々の一方の端部３２Ａ１，３２Ｂ１が、基板３２Ｃを貫通する接続部Ｃ（図４）によって互いに導通すると共に引出線ＬＯとそれぞれ接続されるように構成されている。また、各々の他方の端部３２Ａ２，３２Ｂ２は、それぞれ、引出線Ｌ１Ｓ，Ｌ２Ｓと接続されている。
【００３０】
上記した導体３１Ａ，３１Ｂおよび２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、例えば銅やアルミニウムなどの高導電性材料によって構成されたプリントコイルである。
【００３１】
さらに、図６を参照して、導体３１Ａ，３１Ｂの構成についてより詳細に説明する。図６は、導体３１Ａの平面構成の要部を拡大して表すものである。なお、導体３１Ｂにおいても同様の構成であるので、ここでは省略する。図６に示したように、導体３１Ａは、その一部をなす巻線体３１Ｔ１，３１Ｔ２，３１Ｔ３（以下、まとめて巻線体３１Ｔという。）が所定の隙間３１Ｓ１，３１Ｓ２（以下、まとめて隙間３１Ｓという。）を隔てて並ぶように巻回している。なお、本実施の形態では、導体３１Ａ，３１Ｂの巻き数をそれぞれ３ターンとしたが、その数は任意に設定可能である。ここで、巻線体３１Ｔは、巻回中心側の輪郭ＯＬ１〜ＯＬ３および巻回外周側の輪郭ＯＬ４〜ＯＬ６の双方に、導体３１Ａの巻回中心点ＣＰを中心として放射状に配置された複数のスリットを有している。具体的には、例えば輪郭ＯＬ４におけるスリットＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１とそれぞれ対応して、輪郭ＯＬ５にはスリットＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２が設けられ、輪郭ＯＬ６にはスリットＳ１３，Ｓ２３，Ｓ３３が設けられている。すなわち、中心点ＣＰとスリットＳ１１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ１２，Ｓ１３が配置され、中心点ＣＰとスリットＳ２１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ２２，Ｓ２３が配置され、中心点ＣＰとスリットＳ３１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ３２，Ｓ３３が配置されている。なお、図６から明らかなように、巻回内周側の輪郭ＯＬ１〜ＯＬ３にそれぞれ設けられたスリットにおいても同様の位置関係となっている。
【００３２】
また、互いに隣り合うスリット同士は、一定の間隔で配置されていることが望ましい。すなわち、例えばスリットＳ１１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とスリットＳ２１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とがなす角度（中心角）θ１は、スリットＳ２１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とスリットＳ３１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とがなす角度（中心角）θ２に等しいことが望ましい。
【００３３】
また、巻線体３１Ｔ１において、巻回内周側の輪郭ＯＬ１におけるスリットと巻回外周側の輪郭ＯＬ４におけるスリットとが巻回方向Ｒに沿って交互に配置されている。巻線体３１Ｔ２，３１Ｔ３においても同様である。
【００３４】
このような構成の１次側コイル３１を形成する場合には、例えば以下のようにすればよい。まず、エポキシなどからなる絶縁性の基板３１Ｃの両面に銅箔を設けた基体を用意し、ドリル加工などによりその基体の所定位置に貫通孔を形成する。次いで、電解めっきや無電解めっきなどにより、その貫通孔の壁面に銅めっきを施し、導体３１Ａと導体３１Ｂとを繋ぐための接続部を形成する。さらに、基体の両面を感光材料で覆い、選択的な露光および現像ののち、ウェットエッチングなどにより銅箔の選択的な除去を行うことで、基板３１Ｃの両面に導体３１Ａ，３１Ｂをそれぞれ形成する。最後に、必要部分をレジストで覆うなど所定の工程を経ることで１次側コイル３１が完成する。
【００３５】
次に、図７および図８を参照して、以上のような構成のスイッチング電源装置の動作について説明する。
【００３６】
スイッチング回路１では、入力端子Ｔ１，Ｔ２から供給される直流入力電圧Ｖinをスイッチングして入力交流電圧が生成され、この入力交流電圧はトランス３の１次側コイル３１へ供給される。そしてトランス３では入力交流電圧が変圧され、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂから、変圧された出力交流電圧が出力される。
【００３７】
整流回路４では、この出力交流電圧が整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって整流される。これにより、センタタップＣ（出力ラインＬＯ）と整流ダイオード４Ａ，４Ｂの接続点Ｄ１との間に、整流出力が発生する。
【００３８】
平滑回路５では、このセンタタップＣ（出力ラインＬＯ）と整流ダイオード４Ａ，４Ｂの接続点Ｄ１との間に生じる整流出力が平滑化され、出力端子Ｔ３，Ｔ４から直流出力電圧Ｖoutとして出力される。そしてこの直流出力電圧Ｖoutは、図示しない低圧バッテリに給電されてその充電に供されると共に、負荷６が駆動される。
【００３９】
ここで、このスイッチング電源装置では、スイッチング回路１において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオン状態になる期間と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオン状態になる期間とが、交互に繰り返されるようになっている。よって、このスイッチング電源装置の動作をより詳細に説明すると、以下のようになる。
【００４０】
まず、図７に示したように、スイッチング回路１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオン状態になると、スイッチング素子Ｓ１からスイッチング素子Ｓ４の方向に１次側ループ電流Ｉａ１が流れる。すると、トランス３の２次側巻線３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ現れる電圧ＶＯＡ，ＶＯＢは、整流ダイオード４Ｂに対して逆方向となる一方、整流ダイオード４Ａに対して順方向となる。このため、整流ダイオード４Ａから２次側コイル３２Ａ、そして出力ラインＬＯへ、出力電流Ｉｘが流れる。これにより、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷６が駆動される。
【００４１】
また、このとき、整流ダイオード４Ａ、トランス３の２次側コイル３２Ａ、チョークコイル５１および出力平滑コンデンサ５２を順に通る２次側ループ電流Ｉａ２も流れており、出力平滑コンデンサ５２への充電（エネルギーの蓄積）が行われるようになっている。
【００４２】
一方、図８に示したように、スイッチング回路１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフ状態になると共にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオン状態になると、スイッチング素子Ｓ３からスイッチング素子Ｓ２の方向に１次側ループ電流Ｉｂ１が流れる。すると、トランス３の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ現れる電圧ＶＯＡ，ＶＯＢは、整流ダイオード４Ａに対して逆方向となる一方、整流ダイオード４Ｂに対して順方向となる。このため、整流ダイオード４Ｂから２次側コイル３２Ｂ、そして出力ラインＬＯへ、出力電流Ｉｘが流れる。これにより、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷６が駆動される。
【００４３】
また、このとき、整流ダイオード４Ｂ、トランス３の２次側コイル３２Ｂ、チョークコイル５１および出力平滑コンデンサ５２を順に通る２次側ループ電流Ｉｂ２も流れており、出力平滑コンデンサ５２への充電（エネルギーの蓄積）が行われるようになっている。
【００４４】
次に、１次側コイル３１における作用について説明する。このスイッチング電源装置では、その動作の際、上記のように１次側コイル３１（導体３１Ａ，３２Ｂ）に１次側ループ電流Ｉａ１，Ｉｂ１が流れるようになっている。そのため、導体３１Ａ，３２Ｂそのものの温度が上昇する場合がある。その場合、基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの熱膨張率の相違により、基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの接合界面において応力が発生することとなる。ところが、１次側コイル３１では、導体３１Ａ，３１Ｂにおける輪郭ＯＬ１〜ＯＬ６が、間欠的に設けられた複数のスリット（切り欠き部）を含むように構成されている。よって、導体３１Ａ，３２Ｂの温度上昇が生じた際には、スリットを含まない場合と比べて巻回方向Ｒに沿って膨張しようとする応力が軽減される。これは、巻回方向Ｒに沿って膨張しようとする応力の一部が、複数のスリットにおいて吸収されるためと考えられる。特に、互いに隣り合うスリット同士を、導体３１Ａ，３２Ｂの全体に亘って一定の間隔で配置すれば、面内方向における応力分布の偏りが生じにくくなる。
【００４５】
図９は、この温度変化による導体３１Ａの変位の様子を模式的に表したものである。図９は、図５（Ａ）に示した巻回体３１Ｔ３における位置Ｐ１から位置Ｐ２までの区間を直線状に伸ばした様子を表し、特に、実線が駆動前の常温時に対応し、破線が駆動中（後）の高温時に対応している。図９では、巻回方向Ｒに沿った紙面横方向が基板３１Ｃの表面における位置Ｐ１から位置Ｐ２までの導体３１Ａに沿った距離に相当し、紙面上下方向が基板３１Ｃの表面と直交する方向（厚み方向）における導体３１Ａの変位に相当する。図９に示したように、常温時に比べて高温時には巻回体３１Ｔ３自体の長さは増加するものの、位置Ｐ１から位置Ｐ２に至るまで細かい振幅を繰り返すように伸びる方向が変化するので、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの距離はほとんど変化しない。よって、結果的に基板３１Ｃを含めた１次側コイル３１全体の反りや歪みが生じにくくなる。特に、本実施の形態では、巻回体３１Ｔにおいて巻回内周側の輪郭と巻回外周側の輪郭とが巻回方向Ｒを基準としてほぼ左右対称な形状を有しているので、巻回内周側へ向かう応力成分と巻回外周側へ向かう応力成分とが互いに打ち消しあうこととなり、１次側コイル３１全体の歪みや反りの発生がより抑制される。また、特に、巻線体３１Ｔの幅方向に対応したスリットの長さを、巻線体３１Ｔの幅の半分以上の長さとすることで、より効果的に１次側コイル３１全体の反りや歪みを低減することができる。
【００４６】
このように、本実施の形態の１次側コイル３１では、導体３１Ａ，３２Ｂにおける輪郭ＯＬ１〜ＯＬ６に複数のスリットを設けるようにしたので、高温環境下に置かれた場合であっても熱膨張に伴う基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの間に発生する応力を、巻回方向Ｒ以外の方向にも分散させることができる。したがって、１次側コイル３１全体の反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。よって、この１次側コイル３１を備えたトランス３においては、変圧比の向上を図りつつ、さらなるコンパクト化を実現することができる。特に、隙間３１Ｓが（その輪郭ＯＬと直交する方向において）一定幅を有するようにしたので、導体３１Ａ，３１Ｂの線積率が向上し、よりコンパクト化を図ることができる。その一方で、巻回方向Ｒに沿った応力成分を全体に亘って偏りなく低減することができ、１次側コイル３１における局所的な歪みや反りの発生を抑制することができる。
【００４７】
＜変形例＞
次に、図１０（Ａ），１０（Ｂ），１０（Ｃ）を参照して、本実施の形態における変形例について説明する。図１０（Ａ），１０（Ｂ），１０（Ｃ）は、それぞれ、１次側コイル３１を構成する導体３１Ａの第１〜第３の変形例としての導体３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆの一部構成を表す平面図であり、図６に対応している。
【００４８】
図１０（Ａ）に示した導体３１Ｄは、巻回中心側の輪郭に形成されたスリットと、巻回外周側の輪郭に形成されたスリットとが互いに対向するように構成されたものである。
また、図１０（Ｂ）に示した導体３１Ｅは、巻回中心側の輪郭にのみスリットを形成するように構成したものである。一方、図１０（Ｃ）に示した導体３１Ｆは、巻回外周側の輪郭にのみスリットを形成するように構成したものである。
【００４９】
これら第１〜第３の変形例の場合においても、上記実施の形態と同様、１次側コイル３１全体の歪みや反りの発生を抑制することができる。
【００５０】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５１】
例えば、上記実施の形態等では、本発明のコイルを、トランス３の１次側コイル３１に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、平滑回路５のチョークコイル５１に適用することも可能である。また、本発明のコイルにおける導体の輪郭の形状（切り欠き部の形状）は、上記実施の形態等で説明したものに限定されるものではない。例えば上記実施の形態等では、切り欠き部の形状を矩形としたが、半円状など他の形状であってもよい。さらに、上記実施の形態等では、切り欠き部としてのスリットが延在する方向を、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒと直交する方向（巻線体３１Ｔの幅方向）としたが、その方向に限定されるものではない。
【００５２】
また、上記実施の形態等では、巻回する導体を基板の両面に設けるようにしたが、例えば図１１に示したように、いずれか一方の面にのみに設けるようにしてもよい。図１１（Ａ）は、上記実施の形態における１次側コイル３１を構成する導体３１Ａの第４の変形例としての導体３１Ｇの外観構成を表すものであり、図１１（Ｂ）は、その分解斜視図である。なお、その場合、導体３１Ｇにおける巻回中心側の端部３１Ｇ１を、所定の接続部材３１Ｇ２を介して引出線Ｌ２Ｐと接続するようにすればよい。さらに、巻回する導体を基板の少なくとも一方の面に設けたものを複数組み合わせることで１つのコイルを構成するようにしてもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態等では、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒに沿って隣り合う２つのスリットが中心点ＣＰを頂点としてなす角度（中心角）をコイル全体に亘って一定とした場合について説明したが、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒに沿って隣り合うスリット同士の距離をコイル全体に亘って一定としてもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態等では、導体３１Ａ，３１Ｂがほぼ円形状をなすように巻回しているが、楕円形状に巻回したものや、直線部と曲線部とを組み合わせた形状に巻回したものを導体３１Ａ，３１Ｂとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２】図１に示したトランスの外観構成を表す斜視図である。
【図３】図１に示したトランスの分解斜視図である。
【図４】図１に示したトランスのうち、１次側コイルおよび２次側コイルの詳細な構成を表す分解斜視図である。
【図５】図４に示した１次側コイルおよび２次側コイルの平面構成を表す平面図である。
【図６】図５に示した１次側コイルの要部を拡大した平面図である。
【図７】図１に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。
【図８】図１に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。
【図９】図５に示した１次側コイルを構成する導体の、温度変化による変位の様子を模式的に表した概念図である。
【図１０】図４に示した１次側コイルの第１〜第３の変形例における要部構成を表す平面図である。
【図１１】図４に示した１次側コイルの第４の変形例における外観構成を表す斜視図である。
【図１２】従来のコイルにおける平面図、断面図、および温度変化による変位の様子を模式的に表した概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…高圧バッテリ、１…スイッチング回路、２…入力平滑コンデンサ、３…トランス、３０Ａ…上部コア、３０Ｂ…下部コア、３０１〜３０３…突起部、３１…１次側コイル、３１Ａ…導体、３１Ｂ…導体、３１Ｃ…基板、３１Ｄ…導体、３１Ｅ…導体、３１Ｔ１〜３１Ｔ３…巻線体、３１Ｓ１，３１Ｓ２…隙間、３１１，３１２…区間、３２Ａ，３２Ｂ…２次側コイル、３２Ｃ…基板、４…整流回路、４Ａ，４Ｂ…整流ダイオード、５…平滑回路、５１…チョークコイル、５２…出力平滑コンデンサ、６…負荷、Ｌ１Ｐ，Ｌ２Ｐ，Ｌ１Ｓ，Ｌ２Ｓ…引出線、ＯＬ１〜ＯＬ６…輪郭、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６…スイッチング素子、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ａ，Ｂ…端部（引出端）、Ｃ…接続部（引出端）、Ｖin…直流入力電圧、Ｖout…直流出力電圧、Ｉａ１，Ｉｂ１…１次側ループ電流、Ｉａ２，Ｉｂ２…２次側ループ電流、Ｉｘ…出力電流。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に沿って巻回するコイル、ならびにそのようなコイルを備えた変圧素子およびスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スイッチング電源装置として種々のＤＣ−ＤＣコンバータが提案され、実用に供されている。その多くは、電力変換トランス（変圧素子）の１次側コイルに接続されたスイッチング回路のスイッチング動作により直流入力電圧をスイッチングし、スイッチング出力を電力変換トランスの２次側コイルに取り出す方式を採用したものである。スイッチング回路のスイッチング動作に伴い、２次側コイルに現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって直流に変換されて出力される。
【０００３】
最近、このようなスイッチング電源装置のコンパクト化が求められており、それに伴って変圧素子の小型化および薄型化が進んでいる。このため、１次側コイルや２次側コイルとして、樹脂製の基板上に設けられた薄膜状（あるいは薄板状）のコイルが採用されている（特許文献１参照）。
【０００４】
なお、上記のようなコイルに関連するものとして、特許文献２，３には、絶縁基板上に導電パターンが設けられたインダクタが開示されている。
【特許文献１】特開平９−３２６３１６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３２０１９号公報
【特許文献３】特開平８−１０７０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、より大きな変圧比が要求される場合には、１次側コイルの巻き数と２次側コイルの巻き数との比（巻数比）を大きくする必要があるので、いずれか一方のコイルの巻き数を増大させなければならない。しかしながら、限られた形成面積においてコイルの断面積を高めつつ、コイルの巻き数を増やすとなると、必然的にコイルの各ターンの幅が狭くなる。そうした場合、上記のような樹脂基板に設けられた薄膜状（あるいは薄板状）のコイルでは、製造時や使用時における温度変化に伴う応力に起因する反りや歪みが発生しやすくなる。
【０００６】
具体的には、高温環境下に置かれると、金属からなるコイルは、主に巻回方向へ伸びることとなる。図１２（Ａ）は、図示しない樹脂基板上に設けられたコイル１３０を上面から眺めた概略図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のXIIＢ−XIIＢ線に沿った断面の概略図である。さらに、図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示したコイル１３０を構成する巻線体１３１Ｔ１〜１３１Ｔ３における位置Ｐ１０１から位置Ｐ１０２までの区間を直線状に伸ばした様子を表し、特に、実線が駆動前の常温時に対応し、破線が駆動中（後）の高温時に対応している。図１２（Ｃ）では、巻回方向Ｒに沿った紙面横方向が樹脂基板の表面における、位置Ｐ１０１から位置Ｐ１０２までのコイル１３０に沿った距離に相当し、紙面上下方向が樹脂基板の表面と直交する方向（厚み方向）におけるコイル１３０の変位に相当する。このようなコイル１３０が自らの巻回方向に熱膨張しようとした場合、コイル１３０は樹脂基板と密着しているので単独では変位することができない。そのため、コイル１３０の熱膨張率と樹脂基板の熱膨張率との間に大きな差がある場合、基板とコイル１３０との接合界面近傍において応力が生じる。特に、コイル１３０の巻き数を増やすことで、コイル１３０の各巻線体１３１Ｔ１〜１３１Ｔ３の幅を狭くすると共に全長を長くすると、高温環境下での巻回方向Ｒに沿った応力は顕著に大きくなる。そのような応力を緩和するため、コイル１３０は、図１２（Ｂ），１２（Ｃ）に示したように実線で示した基板表面に平行な所定位置から、破線で示した位置へ樹脂基板と共に変位することとなる。この結果、樹脂基板およびコイルが一体となったコイル基板全体として、反りを発生させる。
【０００７】
このようなコイル基板の反りは、それを搭載する変圧素子などのコンパクト化を妨げる要因となる。また、この種のコイル基板では、コイルが設けられた樹脂基板の裏面に、アルミニウムなどの熱伝導率の高い冷却基板を接触させ、コイルの冷却を行うことがあるが、その場合、あらかじめ樹脂基板に反りが生じていると、樹脂基板と冷却基板との間に隙間が生じてしまい冷却効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、より巻き数が大きく、かつ、薄型でありながら、反りや歪みが発生しにくいコイルを提供することにある。本発明の第２の目的は、コンパクトな構成でありながら、より大きな変圧比を得るのに適した変圧素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のコイルは、基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、間欠的に設けられた複数の切り欠き部を含むようにしたものである。
【００１０】
本発明の変圧素子は、磁芯と、その磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルとを備え、１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方として、上記本発明のコイルを用いるようにしたものである。
【００１１】
本発明のスイッチング電源装置は、直流入力電圧をスイッチングして入力交流電圧を生成するスイッチング回路と、磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルを有し、入力交流電圧を変圧して出力交流電圧を出力する変圧素子と、この変圧素子の２次側に並列接続され、出力交流電圧の整流動作を行うことで直流出力電圧を生成する整流回路とを備え、変圧素子における１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方として、上記本発明のコイルを用いるようにしたものである。
【００１２】
本発明のコイルでは、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、間欠的に設けられた複数の切り欠き部を含むことから、加熱された場合であっても、切り欠き部を含まない場合と比べて巻回方向に沿って膨張しようとする応力が軽減される。これは、巻回方向に沿って膨張しようとする応力の一部が、複数の切り欠き部において吸収されるためと考えられる。
【００１３】
本発明のコイル、変圧素子およびスイッチング電源装置では、複数の切り欠き部が一定の間隔で設けられているとよい。面内方向における応力分布の偏りが生じにくくなるからである。ここでいう一定の間隔とは、導体の巻回方向に沿って隣り合う切り欠き部同士の距離が等しいことを意味する。あるいは、導体の巻回方向に沿って隣り合う２つの切り欠き部が巻回中心を頂点としてなす角度（中心角）がコイル全体に亘って一定であることを意味する。
【００１４】
本発明のコイル、変圧素子およびスイッチング電源装置では、導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭の双方が複数の切り欠き部を含んでいることが望ましい。加熱された際に巻回方向に沿って膨張しようとする応力が、より効果的に軽減されるからである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のコイルによれば、導体の巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方に、複数の切り欠き部を間欠的に設けるようにしたので、熱膨張に伴う基板と導体との間に発生する応力を、巻回方向以外の方向にも分散させることができる。したがって、隙間の輪郭が平坦な曲線状であるような従来の導体を有するコイルと比べ、反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。
【００１６】
本発明の変圧素子またはスイッチング電源装置によれば、上記本発明のコイルを備えるようにしたので、変圧比の向上を図りつつ、さらなるコンパクト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態としてのスイッチング電源装置の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリ１０から供給される高圧の直流入力電圧Ｖinをより低い直流出力電圧Ｖoutに変換し、図示しない低圧バッテリに供給して負荷６を駆動するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものである。なお、本実施の形態に係る変圧素子も、以下併せて説明する。
【００１９】
このスイッチング電源装置は、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられたスイッチング回路１および入力平滑コンデンサ２と、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂを有する変圧素子としてのトランス３とを備えている。１次側高圧ラインＬ１Ｈの入力端子Ｔ１と１次側低圧ラインＬ１Ｌの入力端子Ｔ２との間には、高圧バッテリ１０から出力される直流入力電圧Ｖinが印加されるようになっている。このスイッチング電源装置は、トランス３の２次側に設けられた整流回路４と、この整流回路４に接続された平滑回路５とをさらに備えている。
【００２０】
スイッチング回路１は、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４から構成されたフルブリッジ型の回路構成となっている。具体的には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士が互いに接続されると共に、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士が互いに接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の他端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４の他端同士が互いに接続され、これらの他端同士は、それぞれ入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。スイッチング回路１はこのような構成により、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じて、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に印加される直流入力電圧Ｖinを入力交流電圧に変換するようになっている。なお、これらスイッチング素子としては、例えば電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などのスイッチ素子が用いられる。
【００２１】
入力平滑コンデンサ２は、入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力された直流入力電圧Ｖinを平滑化するためのものである
【００２２】
トランス３の一対の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは接続部Ｃで互いに接続され、この接続部Ｃが出力ラインＬＯを介して出力端子Ｔ３に導かれている。つまり、このスイッチング電源装置はセンタタップ型のものである。このトランス３は、スイッチング回路１によって生成された入力交流電圧を変圧し、一対の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂの各端部Ａ，Ｂから、互いに１８０度位相が異なる出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の変圧比は、１次側コイル３１と２次側コイル３２Ａ，３２Ｂとの巻数比によって定まる。
【００２３】
整流回路４は、一対の整流ダイオード４Ａ，４Ｂからなる単相全波整流型のものである。整流ダイオード４Ａのカソードはトランス３１の２次側コイル３２Ａの端部Ａに接続され、整流ダイオード４Ｂのカソードはトランス３１の２次側コイル３２Ｂの端部Ｂに接続されている。また、これら整流ダイオード４Ａ，４Ｂのアノード同士は互いに接続され、接地ラインＬＧに接続されている。つまり、この整流回路４はセンタタップ型のアノードコモン接続の構成となっており、トランス３からの出力交流電圧の各半波期間を、それぞれ整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。
【００２４】
平滑回路５は、チョークコイル５１と出力平滑コンデンサ５２とを含んで構成されている。チョークコイル５１は出力ラインＬＯに挿入配置されており、その一端は接続部Ｃに接続され、その他端は出力ラインＬＯの出力端子Ｔ３に接続されている。チョークコイル５１は、例えばフェライトなどの磁性材料からなる磁芯の周囲に、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの高導電性材料からなる配線が巻回した構造を有している。出力平滑コンデンサ５２は、出力ラインＬＯ（具体的には、チョークコイル５１の他端）と接地ラインＬＧとの間に接続されている。接地ラインＬＧの端部には、出力端子Ｔ４が設けられている。このような構成により平滑回路５では、整流回路４で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖoutを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から低圧バッテリ（図示せず）に給電するようになっている。
【００２５】
次に、図２〜図５を参照し、トランス３について、より詳細に説明する。
【００２６】
図２は、トランス３の要部構成を表す斜視図であり、図３は、その分解斜視図である。さらに、図４は、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂのみの構成を表す分解斜視図である。
【００２７】
図２および図３に示したように、トランス３は、１次側コイル３１および２次側コイル３２Ａ，３２Ｂのほか上部コア３０Ａおよび下部コア３０Ｂを有している。上部コア３０Ａは、いわゆるＥ型コアと呼ばれ、例えばフェライトなどの磁性材料からなる平板状部材の両端および中心部に突起部３０１〜３０３が設けられたものである。一方、下部コア３０Ｂは、同じくフェライトなどの磁性材料からなる平板状部材である。下部コア３０Ｂは、突起部３０１〜３０３と接し、中心部の突起部３０１と両端の突起部３０２，３０３との間に空間を確保するように上部コア３０Ａと対向して配置されている。
【００２８】
１次側コイル３１は、例えばエポキシなどの樹脂からなると共に開口３１Ｋが設けられた基板３１Ｃと、基板３１Ｃの一方の面上において開口３１Ｋの周囲を巻回する導体３１Ａと、基板３１Ｃの他方の面上において開口３１Ｋの周囲を巻回する導体３１Ｂとを有している。この１次側コイル３１は、基板３１Ｃの開口３１Ｋが上部コア３０Ａの突起部３０１によって貫かれるように配置されている。このため、導体３１Ａ，３１Ｂが突起部３０１の周囲を巻回するようになっている。ここで、導体３１Ａ，３１Ｂは、互いに逆方向に巻回している。すなわち、上方（図３，４に示した矢印Ｖの方向）から眺めた場合、導体３１Ａは、図５（Ａ）に示したように巻回外周側から巻回中心側へ向けて右回りに巻回しており、導体３１Ｂは、図５（Ｂ）に示したように巻回外周側から巻回中心側へ向けて左回りに巻回している。さらに、導体３１Ａおよび導体３１Ｂは、巻回中心側（最内周側）の各々の端部３１Ａ１，３１Ｂ１が、基板３１Ｃを貫通する接続部（図示せず）によって互いに導通しており、１本のコイルとして機能するように構成されている。また、巻回外周側（最外周側）の端部３１Ａ２，３１Ｂ２は、それぞれ、引出線Ｌ１Ｐ，Ｌ２Ｐと接続されている、なお、図５（Ａ），５（Ｂ）は、１次側コイル３１を構成する導体３１Ａ，３１Ｂの、図３，４に示した矢印Ｖの方向から眺めた平面構成をそれぞれ表すものである。
【００２９】
２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、例えばエポキシなどの樹脂からなると共に開口３２Ｋが設けられた基板３２Ｃの、互いに異なる面にそれぞれ設けられている。なお、図３では、２次側コイル３２Ｂを、基板３２Ｃの下側の面（１次側コイル３１と対向する側）に設けるようにしたが、２次側コイル３２Ａを基板３２Ｃの下側の面に設けるようにしてもよい。ここで、基板３２Ｃの開口３２Ｋは、上部コア３０Ａの突起部３０１によって貫かれている。したがって、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、いずれも突起部３０１の周囲を巻回するようになっている。なお、本実施の形態では、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂの巻き数を１としている。さらに、２次側コイル３２Ａおよび２次側コイル３２Ｂは、各々の一方の端部３２Ａ１，３２Ｂ１が、基板３２Ｃを貫通する接続部Ｃ（図４）によって互いに導通すると共に引出線ＬＯとそれぞれ接続されるように構成されている。また、各々の他方の端部３２Ａ２，３２Ｂ２は、それぞれ、引出線Ｌ１Ｓ，Ｌ２Ｓと接続されている。
【００３０】
上記した導体３１Ａ，３１Ｂおよび２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、例えば銅やアルミニウムなどの高導電性材料によって構成されたプリントコイルである。
【００３１】
さらに、図６を参照して、導体３１Ａ，３１Ｂの構成についてより詳細に説明する。図６は、導体３１Ａの平面構成の要部を拡大して表すものである。なお、導体３１Ｂにおいても同様の構成であるので、ここでは省略する。図６に示したように、導体３１Ａは、その一部をなす巻線体３１Ｔ１，３１Ｔ２，３１Ｔ３（以下、まとめて巻線体３１Ｔという。）が所定の隙間３１Ｓ１，３１Ｓ２（以下、まとめて隙間３１Ｓという。）を隔てて並ぶように巻回している。なお、本実施の形態では、導体３１Ａ，３１Ｂの巻き数をそれぞれ３ターンとしたが、その数は任意に設定可能である。ここで、巻線体３１Ｔは、巻回中心側の輪郭ＯＬ１〜ＯＬ３および巻回外周側の輪郭ＯＬ４〜ＯＬ６の双方に、導体３１Ａの巻回中心点ＣＰを中心として放射状に配置された複数のスリットを有している。具体的には、例えば輪郭ＯＬ４におけるスリットＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１とそれぞれ対応して、輪郭ＯＬ５にはスリットＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２が設けられ、輪郭ＯＬ６にはスリットＳ１３，Ｓ２３，Ｓ３３が設けられている。すなわち、中心点ＣＰとスリットＳ１１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ１２，Ｓ１３が配置され、中心点ＣＰとスリットＳ２１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ２２，Ｓ２３が配置され、中心点ＣＰとスリットＳ３１とを繋ぐ直線の延長上にスリットＳ３２，Ｓ３３が配置されている。なお、図６から明らかなように、巻回内周側の輪郭ＯＬ１〜ＯＬ３にそれぞれ設けられたスリットにおいても同様の位置関係となっている。
【００３２】
また、互いに隣り合うスリット同士は、一定の間隔で配置されていることが望ましい。すなわち、例えばスリットＳ１１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とスリットＳ２１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とがなす角度（中心角）θ１は、スリットＳ２１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とスリットＳ３１と中心点ＣＰとを結ぶ直線とがなす角度（中心角）θ２に等しいことが望ましい。
【００３３】
また、巻線体３１Ｔ１において、巻回内周側の輪郭ＯＬ１におけるスリットと巻回外周側の輪郭ＯＬ４におけるスリットとが巻回方向Ｒに沿って交互に配置されている。巻線体３１Ｔ２，３１Ｔ３においても同様である。
【００３４】
このような構成の１次側コイル３１を形成する場合には、例えば以下のようにすればよい。まず、エポキシなどからなる絶縁性の基板３１Ｃの両面に銅箔を設けた基体を用意し、ドリル加工などによりその基体の所定位置に貫通孔を形成する。次いで、電解めっきや無電解めっきなどにより、その貫通孔の壁面に銅めっきを施し、導体３１Ａと導体３１Ｂとを繋ぐための接続部を形成する。さらに、基体の両面を感光材料で覆い、選択的な露光および現像ののち、ウェットエッチングなどにより銅箔の選択的な除去を行うことで、基板３１Ｃの両面に導体３１Ａ，３１Ｂをそれぞれ形成する。最後に、必要部分をレジストで覆うなど所定の工程を経ることで１次側コイル３１が完成する。
【００３５】
次に、図７および図８を参照して、以上のような構成のスイッチング電源装置の動作について説明する。
【００３６】
スイッチング回路１では、入力端子Ｔ１，Ｔ２から供給される直流入力電圧Ｖinをスイッチングして入力交流電圧が生成され、この入力交流電圧はトランス３の１次側コイル３１へ供給される。そしてトランス３では入力交流電圧が変圧され、２次側コイル３２Ａ，３２Ｂから、変圧された出力交流電圧が出力される。
【００３７】
整流回路４では、この出力交流電圧が整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって整流される。これにより、センタタップＣ（出力ラインＬＯ）と整流ダイオード４Ａ，４Ｂの接続点Ｄ１との間に、整流出力が発生する。
【００３８】
平滑回路５では、このセンタタップＣ（出力ラインＬＯ）と整流ダイオード４Ａ，４Ｂの接続点Ｄ１との間に生じる整流出力が平滑化され、出力端子Ｔ３，Ｔ４から直流出力電圧Ｖoutとして出力される。そしてこの直流出力電圧Ｖoutは、図示しない低圧バッテリに給電されてその充電に供されると共に、負荷６が駆動される。
【００３９】
ここで、このスイッチング電源装置では、スイッチング回路１において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオン状態になる期間と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオン状態になる期間とが、交互に繰り返されるようになっている。よって、このスイッチング電源装置の動作をより詳細に説明すると、以下のようになる。
【００４０】
まず、図７に示したように、スイッチング回路１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオン状態になると、スイッチング素子Ｓ１からスイッチング素子Ｓ４の方向に１次側ループ電流Ｉａ１が流れる。すると、トランス３の２次側巻線３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ現れる電圧ＶＯＡ，ＶＯＢは、整流ダイオード４Ｂに対して逆方向となる一方、整流ダイオード４Ａに対して順方向となる。このため、整流ダイオード４Ａから２次側コイル３２Ａ、そして出力ラインＬＯへ、出力電流Ｉｘが流れる。これにより、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷６が駆動される。
【００４１】
また、このとき、整流ダイオード４Ａ、トランス３の２次側コイル３２Ａ、チョークコイル５１および出力平滑コンデンサ５２を順に通る２次側ループ電流Ｉａ２も流れており、出力平滑コンデンサ５２への充電（エネルギーの蓄積）が行われるようになっている。
【００４２】
一方、図８に示したように、スイッチング回路１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフ状態になると共にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオン状態になると、スイッチング素子Ｓ３からスイッチング素子Ｓ２の方向に１次側ループ電流Ｉｂ１が流れる。すると、トランス３の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ現れる電圧ＶＯＡ，ＶＯＢは、整流ダイオード４Ａに対して逆方向となる一方、整流ダイオード４Ｂに対して順方向となる。このため、整流ダイオード４Ｂから２次側コイル３２Ｂ、そして出力ラインＬＯへ、出力電流Ｉｘが流れる。これにより、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷６が駆動される。
【００４３】
また、このとき、整流ダイオード４Ｂ、トランス３の２次側コイル３２Ｂ、チョークコイル５１および出力平滑コンデンサ５２を順に通る２次側ループ電流Ｉｂ２も流れており、出力平滑コンデンサ５２への充電（エネルギーの蓄積）が行われるようになっている。
【００４４】
次に、１次側コイル３１における作用について説明する。このスイッチング電源装置では、その動作の際、上記のように１次側コイル３１（導体３１Ａ，３２Ｂ）に１次側ループ電流Ｉａ１，Ｉｂ１が流れるようになっている。そのため、導体３１Ａ，３２Ｂそのものの温度が上昇する場合がある。その場合、基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの熱膨張率の相違により、基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの接合界面において応力が発生することとなる。ところが、１次側コイル３１では、導体３１Ａ，３１Ｂにおける輪郭ＯＬ１〜ＯＬ６が、間欠的に設けられた複数のスリット（切り欠き部）を含むように構成されている。よって、導体３１Ａ，３２Ｂの温度上昇が生じた際には、スリットを含まない場合と比べて巻回方向Ｒに沿って膨張しようとする応力が軽減される。これは、巻回方向Ｒに沿って膨張しようとする応力の一部が、複数のスリットにおいて吸収されるためと考えられる。特に、互いに隣り合うスリット同士を、導体３１Ａ，３２Ｂの全体に亘って一定の間隔で配置すれば、面内方向における応力分布の偏りが生じにくくなる。
【００４５】
図９は、この温度変化による導体３１Ａの変位の様子を模式的に表したものである。図９は、図５（Ａ）に示した巻回体３１Ｔ３における位置Ｐ１から位置Ｐ２までの区間を直線状に伸ばした様子を表し、特に、実線が駆動前の常温時に対応し、破線が駆動中（後）の高温時に対応している。図９では、巻回方向Ｒに沿った紙面横方向が基板３１Ｃの表面における位置Ｐ１から位置Ｐ２までの導体３１Ａに沿った距離に相当し、紙面上下方向が基板３１Ｃの表面と直交する方向（厚み方向）における導体３１Ａの変位に相当する。図９に示したように、常温時に比べて高温時には巻回体３１Ｔ３自体の長さは増加するものの、位置Ｐ１から位置Ｐ２に至るまで細かい振幅を繰り返すように伸びる方向が変化するので、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの距離はほとんど変化しない。よって、結果的に基板３１Ｃを含めた１次側コイル３１全体の反りや歪みが生じにくくなる。特に、本実施の形態では、巻回体３１Ｔにおいて巻回内周側の輪郭と巻回外周側の輪郭とが巻回方向Ｒを基準としてほぼ左右対称な形状を有しているので、巻回内周側へ向かう応力成分と巻回外周側へ向かう応力成分とが互いに打ち消しあうこととなり、１次側コイル３１全体の歪みや反りの発生がより抑制される。また、特に、巻線体３１Ｔの幅方向に対応したスリットの長さを、巻線体３１Ｔの幅の半分以上の長さとすることで、より効果的に１次側コイル３１全体の反りや歪みを低減することができる。
【００４６】
このように、本実施の形態の１次側コイル３１では、導体３１Ａ，３２Ｂにおける輪郭ＯＬ１〜ＯＬ６に複数のスリットを設けるようにしたので、高温環境下に置かれた場合であっても熱膨張に伴う基板３１Ｃと導体３１Ａ，３２Ｂとの間に発生する応力を、巻回方向Ｒ以外の方向にも分散させることができる。したがって、１次側コイル３１全体の反りや歪みの発生を抑制しつつ、さらなる巻き数の増加や薄型化を図ることができる。よって、この１次側コイル３１を備えたトランス３においては、変圧比の向上を図りつつ、さらなるコンパクト化を実現することができる。特に、隙間３１Ｓが（その輪郭ＯＬと直交する方向において）一定幅を有するようにしたので、導体３１Ａ，３１Ｂの線積率が向上し、よりコンパクト化を図ることができる。その一方で、巻回方向Ｒに沿った応力成分を全体に亘って偏りなく低減することができ、１次側コイル３１における局所的な歪みや反りの発生を抑制することができる。
【００４７】
＜変形例＞
次に、図１０（Ａ），１０（Ｂ），１０（Ｃ）を参照して、本実施の形態における変形例について説明する。図１０（Ａ），１０（Ｂ），１０（Ｃ）は、それぞれ、１次側コイル３１を構成する導体３１Ａの第１〜第３の変形例としての導体３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆの一部構成を表す平面図であり、図６に対応している。
【００４８】
図１０（Ａ）に示した導体３１Ｄは、巻回中心側の輪郭に形成されたスリットと、巻回外周側の輪郭に形成されたスリットとが互いに対向するように構成されたものである。
また、図１０（Ｂ）に示した導体３１Ｅは、巻回中心側の輪郭にのみスリットを形成するように構成したものである。一方、図１０（Ｃ）に示した導体３１Ｆは、巻回外周側の輪郭にのみスリットを形成するように構成したものである。
【００４９】
これら第１〜第３の変形例の場合においても、上記実施の形態と同様、１次側コイル３１全体の歪みや反りの発生を抑制することができる。
【００５０】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５１】
例えば、上記実施の形態等では、本発明のコイルを、トランス３の１次側コイル３１に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、平滑回路５のチョークコイル５１に適用することも可能である。また、本発明のコイルにおける導体の輪郭の形状（切り欠き部の形状）は、上記実施の形態等で説明したものに限定されるものではない。例えば上記実施の形態等では、切り欠き部の形状を矩形としたが、半円状など他の形状であってもよい。さらに、上記実施の形態等では、切り欠き部としてのスリットが延在する方向を、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒと直交する方向（巻線体３１Ｔの幅方向）としたが、その方向に限定されるものではない。
【００５２】
また、上記実施の形態等では、巻回する導体を基板の両面に設けるようにしたが、例えば図１１に示したように、いずれか一方の面にのみに設けるようにしてもよい。図１１（Ａ）は、上記実施の形態における１次側コイル３１を構成する導体３１Ａの第４の変形例としての導体３１Ｇの外観構成を表すものであり、図１１（Ｂ）は、その分解斜視図である。なお、その場合、導体３１Ｇにおける巻回中心側の端部３１Ｇ１を、所定の接続部材３１Ｇ２を介して引出線Ｌ２Ｐと接続するようにすればよい。さらに、巻回する導体を基板の少なくとも一方の面に設けたものを複数組み合わせることで１つのコイルを構成するようにしてもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態等では、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒに沿って隣り合う２つのスリットが中心点ＣＰを頂点としてなす角度（中心角）をコイル全体に亘って一定とした場合について説明したが、導体３１Ａ，３１Ｂの巻回方向Ｒに沿って隣り合うスリット同士の距離をコイル全体に亘って一定としてもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態等では、導体３１Ａ，３１Ｂがほぼ円形状をなすように巻回しているが、楕円形状に巻回したものや、直線部と曲線部とを組み合わせた形状に巻回したものを導体３１Ａ，３１Ｂとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２】図１に示したトランスの外観構成を表す斜視図である。
【図３】図１に示したトランスの分解斜視図である。
【図４】図１に示したトランスのうち、１次側コイルおよび２次側コイルの詳細な構成を表す分解斜視図である。
【図５】図４に示した１次側コイルおよび２次側コイルの平面構成を表す平面図である。
【図６】図５に示した１次側コイルの要部を拡大した平面図である。
【図７】図１に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。
【図８】図１に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。
【図９】図５に示した１次側コイルを構成する導体の、温度変化による変位の様子を模式的に表した概念図である。
【図１０】図４に示した１次側コイルの第１〜第３の変形例における要部構成を表す平面図である。
【図１１】図４に示した１次側コイルの第４の変形例における外観構成を表す斜視図である。
【図１２】従来のコイルにおける平面図、断面図、および温度変化による変位の様子を模式的に表した概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…高圧バッテリ、１…スイッチング回路、２…入力平滑コンデンサ、３…トランス、３０Ａ…上部コア、３０Ｂ…下部コア、３０１〜３０３…突起部、３１…１次側コイル、３１Ａ…導体、３１Ｂ…導体、３１Ｃ…基板、３１Ｄ…導体、３１Ｅ…導体、３１Ｔ１〜３１Ｔ３…巻線体、３１Ｓ１，３１Ｓ２…隙間、３１１，３１２…区間、３２Ａ，３２Ｂ…２次側コイル、３２Ｃ…基板、４…整流回路、４Ａ，４Ｂ…整流ダイオード、５…平滑回路、５１…チョークコイル、５２…出力平滑コンデンサ、６…負荷、Ｌ１Ｐ，Ｌ２Ｐ，Ｌ１Ｓ，Ｌ２Ｓ…引出線、ＯＬ１〜ＯＬ６…輪郭、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６…スイッチング素子、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ａ，Ｂ…端部（引出端）、Ｃ…接続部（引出端）、Ｖin…直流入力電圧、Ｖout…直流出力電圧、Ｉａ１，Ｉｂ１…１次側ループ電流、Ｉａ２，Ｉｂ２…２次側ループ電流、Ｉｘ…出力電流。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とするコイル。
【請求項２】
前記複数の切り欠き部が一定の間隔で設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭の双方が前記複数の切り欠き部を含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル。
【請求項４】
前記導体において、前記巻回内周側の輪郭における切り欠き部と前記巻回外周側の輪郭における切り欠き部とが、前記導体の巻回方向に沿って交互に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載のコイル。
【請求項５】
磁芯と、
前記磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルと
を備え、
前記１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方は、
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とする変圧素子。
【請求項６】
直流入力電圧をスイッチングして入力交流電圧を生成するスイッチング回路と、
磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルを有し、前記入力交流電圧を変圧して出力交流電圧を出力する変圧素子と、
前記変圧素子の２次側に並列接続され、前記出力交流電圧の整流動作を行うことで直流出力電圧を生成する整流回路と
を備え、
前記変圧素子における１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方は、
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項１】
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とするコイル。
【請求項２】
前記複数の切り欠き部が一定の間隔で設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭の双方が前記複数の切り欠き部を含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル。
【請求項４】
前記導体において、前記巻回内周側の輪郭における切り欠き部と前記巻回外周側の輪郭における切り欠き部とが、前記導体の巻回方向に沿って交互に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載のコイル。
【請求項５】
磁芯と、
前記磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルと
を備え、
前記１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方は、
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とする変圧素子。
【請求項６】
直流入力電圧をスイッチングして入力交流電圧を生成するスイッチング回路と、
磁芯の周囲を巻回する１次側コイルおよび２次側コイルを有し、前記入力交流電圧を変圧して出力交流電圧を出力する変圧素子と、
前記変圧素子の２次側に並列接続され、前記出力交流電圧の整流動作を行うことで直流出力電圧を生成する整流回路と
を備え、
前記変圧素子における１次側コイルおよび２次側コイルのうちの少なくとも一方は、
基板の表面に沿って所定の隙間を隔てて巻回する導体を有し、
前記導体における巻回内周側の輪郭および巻回外周側の輪郭のうち少なくとも一方が、複数の切り欠き部を含んでいる
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−６２２９６（Ｐ２０１０−６２２９６Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２５９２８（Ｐ２００８−２２５９２８）
【出願日】平成２０年９月３日（２００８．９．３）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３日（２００８．９．３）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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