電磁誘導部品および電源装置
【課題】磁性体の体積を大きくすることが可能であって電流容量を比較的大きくとることが可能な薄型かつ小型の電磁誘導部品を提供する。
【解決手段】半導体基板からなるコイル基板１０に磁性体からなる円環状のコア１１が積層される。コア１１の断面は半円状であって、コイル基板１０と対向する下側面１１ａを除く表面には、平面視での周方向に沿って配列された導電層からなる複数本の上巻線パターン１２ａが形成される。コイル基板１０には、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの一方の内側端と他方の外側端とを電気的に接続する導電層からなる下巻線パターン１２ｂが形成される。したがって、コイル基板１０にコア１１を載置して上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとを電気的に接続すると、コア１１に巻装された巻線が形成される。
【解決手段】半導体基板からなるコイル基板１０に磁性体からなる円環状のコア１１が積層される。コア１１の断面は半円状であって、コイル基板１０と対向する下側面１１ａを除く表面には、平面視での周方向に沿って配列された導電層からなる複数本の上巻線パターン１２ａが形成される。コイル基板１０には、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの一方の内側端と他方の外側端とを電気的に接続する導電層からなる下巻線パターン１２ｂが形成される。したがって、コイル基板１０にコア１１を載置して上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとを電気的に接続すると、コア１１に巻装された巻線が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型の電磁誘導部品およびその電磁誘導部品を用いた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、平面型インダクタあるいは平面型トランスと称する薄型の電磁誘導部品が種々提案されている。また、コイル基板として半導体基板を用いることにより半導体製造プロセスを利用して小型化することも考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、電源の小型軽量化のために半導体基板を用い、また磁気誘導型銅損を減少させるためにコイル導体の厚みを大きくすることが考えられており、コイル基板上にコイル導体を形成した２個の平面コイルをコイル面同士が電気的に接続されるように重ね合わせた構造を有しており、さらにコイル基板とコイル導体との間に磁性薄膜を配置した構成が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−１７６６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された電磁誘導部品では、磁性薄膜がコイル導体を挟む形で配置されているから、両磁性薄膜の間は磁気的に結合されておらず磁束漏れが生じるから磁気効率はあまり高くないと言える。また、磁性体薄膜であるから飽和しやすく、コイル導体の厚みを大きくしているにもかかわらずコイル導体に通電できる電流を大きくとることはできない。つまり、容量の小さい電源にしか用いることができないという問題を有している。
【０００５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型かつ薄型に形成することができるのはもちろんのこと、磁気効率の高い構造であり、しかも従来構成に比較して磁性体の体積を大きくすることが可能であって電流容量を比較的大きくとることが可能な電磁誘導部品を提供するとともに、その電磁誘導部品を用いた電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、平面視において環状であって断面において直線になる下側面を有した磁性体からなるコアであって、下側面を除く表面に平面視での周方向に配列された導電層からなる複数本の上巻線パターンが形成されたコアと、コアが下側面を当接させる形で載置されるコイル基板であって、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターンの一方の一端と他方の他端とを電気的に接続する導電層からなる複数本の下巻線パターンが形成されたコイル基板とを備え、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとが電気的に接続されることによりコアに巻装された巻線が形成されてなることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、コアが環状に形成されており、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとによりコアに巻装される巻線が形成されており、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構造になる。しかも、コイル基板の表面に直交する方向におけるコアを厚み寸法を小さくすることにより電磁誘導部品を薄型化することができ、小型かつ薄型の電磁誘導部品を提供することができる。また、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構成であるから、巻線に通電することにより形成される磁束はコア内を通り磁気漏れが少なく磁気効率が高くなる。しかも、上巻線パターンを形成した磁性体のコアをコイル基板に載置する構成であるから、磁性薄膜を用いる従来構成に比較してコアの体積を大きくすることができ、結果的にコアに磁気飽和が生じにくく電流容量を大きくとることができる。すなわち、小型かつ薄型でありながら、サイズ当たりの磁気効率および電流容量を従来構成よりも大きくとることができるという利点がある。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記コイル基板が半導体基板であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板を用いているから他の回路部品とともに１チップに集積回路化することが可能になる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記コイル基板に複数個の前記コアが載置され、各コアに対応する前記下巻線パターンが導電層からなる接続パターンにより互いに接続されて成ることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、１枚のコイル基板に複数個のコアを配列することにより各コアに巻線を巻装した単位構成をアレイ状に配列した構成になる。しかも、下巻線パターンを接続パターンにより接続しているから、単位構成を直列に接続すればインダクタンスを大きくすることができ、単位構成を並列に接続すれば電流容量を大きくとることができる。つまり、単位構成をアレイ状に配列し、単位構成間を接続パターンによって直列または並列または両者を適宜に組み合わせて接続することにより、所望のインダクタンスを持ちかつ所望の電流容量となる電磁誘導部品を作製することができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記上巻線パターンと前記下巻線パターンとにより１次巻線と２次巻線とが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、１個のコアに１次巻線と２次巻線とを形成するから、トランスとして用いることができる。ここに、１次巻線と２次巻線とは絶縁型と非絶縁型（つまり、オートトランス）とのどちらの構成を採用してもよい。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電磁誘導部品とスイッチング素子とを備える電源装置であって、スイッチング素子のオン時に直流電源から電磁誘導部品に蓄積される電磁エネルギをスイッチング素子のオフ時に出力として取り出すことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、チョッパ回路におけるインダクタを小型かつ薄型に形成することができ、結果的にチョッパ回路を用いた電源装置の小型化かつ薄型化が可能になる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４記載の電磁誘導部品の１次巻線とスイッチング素子との直列回路が直流電源に接続された電源装置であって、スイッチング素子のオンオフにより２次巻線から出力を取り出すことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、出力にトランスを用いるスイッチング電源の小型化かつ薄型化が可能になる。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記電磁誘導部品を除く回路部品を実装する実装基板に前記コイル基板が積層され、前記コイル基板の表裏に貫通する貫通導体からなる接続部により前記コイル基板と実装基板とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、電源装置を構成する際に電磁誘導部品以外の回路部品を実装するコイル基板を電磁誘導部品を実装したコイル基板とは別に設けた実装基板としているから、電磁誘導部品と他の回路部品とを異なる工程で製造することができ、電磁誘導部品の検査を別途に行うことができる。また、電磁誘導部品と他の回路部品とが熱的に分離され熱設計が容易になる。しかも、他の回路部品を実装した実装基板に電磁誘導部品を形成したコイル基板を積層するから、電磁誘導部品を他の回路部品とともに実装基板に実装することが可能になる。さらに、コイル基板と実装基板とを貫通導体からなる接続部により接続しているから、実装基板に設ける回路部品とコアとを互いに反対面に設けることができ、電源装置の占有面積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の構成によれば、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構成になるから、巻線に通電することにより形成される磁束はコア内を通り磁気漏れが少なく磁気効率が高いという利点を有する。また、上巻線パターンを形成した磁性体のコアをコイル基板に載置する構成であるから、磁性薄膜に比較してコアの体積を大きくすることができ、コアに磁気飽和が生じにくく電流容量を大きくとることができるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態では、電磁誘導部品として、磁性体からなるコアに巻線を巻装したインダクタを例示する。本実施形態のインダクタは、図１、図２に示すように、コイル基板１０にフェライトのような磁性体からなるコア１１を載置した構成を有する。コア１１は平面視においては円環状に形成されており、断面においては半円状に形成されている。したがって、コア１１の一面には断面において直線になる下側面１１ａが形成され、下側面１１ａがコイル基板１０に当接する。つまり、コア１１においてコイル基板１０と対向する面を下側面１１ａと呼ぶ。コア１１において下側面１１ａを除く表面には導電層からなる上巻線パターン１２ａが形成される。上巻線パターン１２ａはコア１１の周方向（円環の周方向）において複数本が離間して配列されており、それぞれ円環の内外周に跨り、両端がそれぞれ下側面１１ａと揃うように形成される。上巻線パターン１２ａは薄膜形成法により形成する。上巻線パターン１２ａの両端部をそれぞれ下側面１１ａに回り込むように形成してもよい。また、コア１１を平面視において円環状に形成するのが望ましいが、環状であれば必ずしも円環状ではなくてもよく、たとえば矩形環状であってもよい。
【００２２】
コイル基板１０はガラスエポキシのような絶縁材料を用いることが可能であるが、本実施形態では半導体基板であるシリコン基板を用いている。コイル基板１０においてコア１１が載置される面には、導電層からなる複数本の下巻線パターン１２ｂが形成される。下巻線パターン１２ｂは、図３に示すように、コア１１が載置される領域に対応して形成され、コア１１が下巻線パターン１２ｂの上に載置されたときにコア１１の周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの一方の一端部（内側端部）と他方の他端部（外側端部）とを電気的に接続する形に形成されている。したがって、コア１１に形成した上巻線パターン１２ａとコイル基板１０に形成した下巻線パターン１２ｂとが互いに電気的に接続されるように位置を合わせ、コイル基板１０にコア１１を載置し結合すると、コア１１の周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの間が下巻線パターン１２ｂを介して接続され、コア１１に巻き付けられた１回路の巻線が形成される。
【００２３】
すなわち、コイル基板１０に設けた１本の下巻線パターン１２ｂがコア１１に形成された１本の上巻線パターン１２ａに接続され、当該上巻線パターン１２ａが先の下巻線パターン１２ｂの隣りの下巻線パターン１２ｂに接続されるという接続関係によって、各上巻線パターン１２ａが順次接続され、結果的に１回路の巻線が形成される。また、巻線の末端はコイル基板１０に形成した引出パターン１２ｃに接続され、引出パターン１２ｃを通して他回路と接続される。ここにおいて、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとは、銅あるいはアルミニウムのような金属により形成されており、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとを接合することによって、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとの電気的な接続と同時にコイル基板１０に対するコア１１の固定がなされる。上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとは、通常は半田のような接合材料を用いて接合するが、上巻線パターン１２ａを下側面１１ａに回り込ませている場合には、上巻線パターン１２ａにバンプを形成して下巻線パターン１２ｂと接合してもよい。
【００２４】
上述した例では、１個のコア１１に対して１回路の巻線を形成しているが、図４に示すように、１個のコア１１について２回路以上の巻線を形成すれば、トランスとして用いることができる。２回路以上の巻線を形成するには、コア１１の周方向において下巻線パターン１２ｂを複数種類のパターンに分割すればよく、上巻線パターン１２ａについては変更せずに、下巻線パターン１２ｂの形状を変更するだけで、１回路の巻線と２回路以上の巻線とを設けることができる。図示例では１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２とを備えた２回路の巻線を形成する際の下巻線パターン１２ｂを示している。また、本実施形態ではコア１１の断面形状を図２に示すような半円状としているが、図５に示すように断面矩形状であって角部を面取りした形状に形成してもよい。
【００２５】
（実施形態２）
実施形態１はコイル基板１０に１個のコア１１を設ける例を示したが、１個のコア１１は微小であるから、インダクタンスは小さくまた上巻線パターン１２ａおよび下巻線パターン１２ｂは細いから電流容量を大きくとることはできない。インダクタンスを大きくするには複数個のコア１１を設け巻線を直列に接続すればよく、また電流容量を大きくとるには複数個のコア１１を設け巻線を並列に接続すればよい。
【００２６】
本実施形態では、図６に示すように、コイル基板１０に複数個のコア１１をアレイ状に配列してあり、各コア１１に対応して形成された下巻線パターン１２ｂを引出パターン１２ｃ（図１参照）に接続される接続パターン１２ｄにより互いに接続してある。接続パターン１２ｄによる接続関係は、適宜に選択される。すなわち、巻線を直列接続にする場合と、巻線を並列接続にする場合と、直列接続と並列接続とを併用する場合とがあり、接続パターン１２ｄに応じてこれらの３種類の場合を選択することができる。上述のようにインダクタンスを高めるには直列接続を採用し、電流容量を大きくするには並列接続を採用する。インダクタンスと電流容量とをともに高める場合には直列接続と並列接続とを併用する。他の構成は実施形態１と同様である。
【００２７】
ところで、実施形態１、実施形態２ではコイル基板１０が半導体基板であるから、コイル基板１０に他の素子を形成することが可能であり、電磁誘導部品を備える回路を集積回路化することが可能である。もっとも、実施形態１、実施形態２のような電磁誘導部品をスイッチング電源のような電源装置の部品として用いる場合には、巻線に大きな電流が流れるから、電磁誘導部品が発熱部品になり、またスイッチング素子も発熱部品になる。放熱効率を高めるには、電磁誘導部品と他の発熱部品とは分離することが望ましい。
【００２８】
そこで、電源装置のような何らかの回路を構成する部品のうち、電磁誘導部品を除く部品を実装する実装基板１３を設け、実装基板１３とコイル基板１０とを積層してもよい。実装基板１３として半導体基板を用いる場合には、スイッチング素子のような部品を実装基板１３に形成すればよく、この場合にはコイル基板１０と実装基板１３とを陽極接合などの技術を用いて接合することが可能である。また、実装基板１３としてプリント基板を用いることもできる。プリント基板を用いる場合は面実装部品を用いるのが望ましい。
【００２９】
コイル基板１０と実装基板１３とは、コイル基板１０においてコア１１が実装されていない面と、実装基板１３において部品が実装ないし形成されていない面とを貼り合わせる。したがって、コイル基板１０と実装基板１３との間の電気的接続には、図７に示すように、コイル基板１０と実装基板１３とを貫通する貫通導体である接続部１４ａ，１４ｂを用いる。ここに、コイル基板１０と実装基板１３とにそれぞれ接続部１４ａ，１４ｂを形成しておき、接続部１４ａ，１４ｂ同士を接合することによって、コイル基板１０と実装基板１３との電気的接続と同時に機械的結合を行うようにしてもよい。
【００３０】
ところで、実施形態１、実施形態２に示した電磁誘導部品を用いて構成される電源装置としては、降圧型、昇圧型、極性反転型などのチョッパ回路と、フライバック型、フォワード型などのＤＣ−ＤＣコンバータとが広く知られている。チョッパ回路ではインダクタに蓄積した電磁エネルギを利用するからインダクタを用い、ＤＣ−ＤＣコンバータではトランスを用いる。
【００３１】
図８に一例として降圧型のチョッパ回路の基本的な構成を示す。この構成では、商用電源をダイオードブリッジで整流することなどにより得られる直流電源（図示せず）の両端間にスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴなど）Ｑ１とインダクタＬと平滑コンデンサＣ１との直列回路が接続され、インダクタＬと平滑コンデンサＣ１との直列回路に環流用のダイオードＤ１が並列接続された構成を有している。また、スイッチング素子Ｑ１のオンオフは制御回路ＣＮ１により制御される。
【００３２】
この種のチョッパ回路は周知のものであるが、簡単に動作を説明すると、スイッチング素子Ｑ１のオン期間において直流電源からインダクタＬを通して平滑コンデンサＣ１が充電され、この間にインダクタＬに電磁エネルギが蓄積される。また、インダクタＬに蓄積された電磁エネルギは、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間において平滑コンデンサＣ１とダイオードＤ１とを通るループ回路を通して流れ、平滑コンデンサＣ１に充電電流を流す。この電源装置の出力は平滑コンデンサＣ１の両端から取り出される。
【００３３】
上述した電源装置を構成する際に、インダクタＬとして実施形態１、実施形態２において説明した平面型インダクタを採用すれば、小型かつ薄型の電源装置を構成することができる。ここに、平面型インダクタはごく小型であるから、蓄積できる電磁エネルギは比較的小さいものである。したがって、スイッチング素子Ｑ１のオンオフの周波数（つまり、スイッチング周波数）は１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の高周波とするのが望ましい。
【００３４】
このような電源装置を構成する場合に、半導体基板であるコイル基板１０に、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１と制御回路ＣＮ１とを形成して集積回路化しておけば、平滑コンデンサＣ１を外付するだけで電源装置を構成することが可能になる。実装基板１３が半導体基板であるときには、実装基板１３にこれらの素子を形成すればよい。また、上述したインダクタＬを電源装置に用いることにより、電源装置の構成部品のうちの大型部品であったインダクタＬを小型化することができる。しかも、スイッチング素子Ｑ１とともにインダクタＬを集積回路化することによりスイッチング素子Ｑ１の近傍にインダクタＬを設けることができ、結果的に、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを高周波で行う場合に問題となる寄生容量の影響を軽減することができる。
【００３５】
ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する場合も同様であって、代表的な構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、図９に示すように、トランスＴの１次巻線ｎ１にスイッチング素子Ｑ２を直列接続し、トランスＴの２次巻線ｎ２に整流用のダイオードＤ２と平滑コンデンサＣ２との直列回路を接続し、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを制御回路ＣＮ２により制御するから、半導体基板であるコイル基板１０に、スイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、制御回路ＣＮ２などを集積回路化することができる。トランスＴを構成する場合も半導体基板からなる実装基板１３を用いる場合には、これらの素子を実装基板１３に形成すればよい。
【００３６】
上述した小型の電源装置を用いた配線システムの例を図１０に示す。図示する配線システムでは、建物内の適所に埋込配置されたスイッチボックス３にゲート装置４と称する配線器具を収納する。ゲート装置４には壁内に先行配線された電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとが接続される。スイッチボックス３およびゲート装置４は１個ずつでもよいが、以下では複数個設ける場合について説明する。また、図示例では、ルータとハブとを内蔵したゲートウェイの機能を有している基本モジュール１と、メインブレーカＭＢおよび分岐ブレーカＢＢとを内蔵した配線盤５を用いている。
【００３７】
基本モジュール１には、複数系統（図示例では３系統）の情報線Ｌｉが接続され、ゲートウェイとして各情報線Ｌｉを外部のインターネット網ＮＴに接続する。基本モジュール１は、情報線Ｌｉを複数系統に分岐したり情報線Ｌｉをインターネット網ＮＴに接続するだけでなく、情報線Ｌｉを通して後述する各機能モジュール２の動作状態を監視する機能も備えている。また、メインブレーカＭＢは商用電源ＡＣに接続され、分岐ブレーカＢＢに電力線Ｌｐが接続される。図示例では分岐ブレーカＢＢを１系統で代表して示しているが通常は複数系統の分岐ブレーカＢＢを設ける。
【００３８】
図１０に示す例では、機能モジュール２として、コンセントあるいはスイッチのように負荷制御を主な機能とするものと、スピーカあるいは表示器のように情報の授受を主な機能とするものとを示している。本実施形態の構成では、負荷制御を主な機能とする場合であっても、コンセントに接続した負荷で使用した電力量やスイッチを操作した回数などを情報として情報線Ｌｉを介して監視することが可能になる。
【００３９】
各系統のゲート装置４の間は電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉの送り配線によって接続される。また、各系統のゲート装置４のうちの１個は配線盤５との間で電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉを介して接続される。つまり、各系統のゲート装置４は電力線Ｌｐに並列接続され、また情報線Ｌｉに並列接続されることになる。
【００４０】
ゲート装置４は、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとに接続されたコネクタからなる接続口６（図１１参照）を備える。したがって、後述する機能モジュール２のコネクタをゲート装置４の接続口６に接続するだけで、機能モジュール２に電力を供給する電力路と、機能モジュール２との間で通信するための情報路とを同時に確保することができる。しかも、ゲート装置４は電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとにそれぞれ並列接続されているだけであるから、機能モジュール２はどのゲート装置４にも接続することができる。つまり、機能モジュール２は、ゲート装置４の配置されている範囲内で自由に配置することができるから、レイアウトの自由度が高い施工性に優れた配線システムを提供することができる。
【００４１】
スイッチボックス３は、たとえばＪＩＳ規格（Ｃ ８３７５）に規定する取付枠９（図１１参照）を取り付けることができるものを用いる。図示する取付枠９は一連形と呼ばれており、ＪＩＳ規格（Ｃ ８３０４）において大角連用形スイッチの１個モジュールとして規格化されている埋込形の配線器具を３個取り付けることができる。
【００４２】
取付枠９は、図１１に示すように、中央部に表裏に貫通した器具取付用の矩形状の窓孔９ａを備える。取付枠９に取付対象である配線器具を取り付けるには、窓孔９ａの後方から配線器具の前部を挿入し、取付枠９の左右両側の枠片９ｂに設けた器具係止部に配線器具の左右両側に設けた被係止部を結合させる。図示例では、配線器具に被係止部として爪を設け取付枠９の枠片９ｂに器具係止部として間隙を設けている。ただし、配線器具に被係止部として穴を設け取付枠９の枠片９ｂに器具係止部として爪を設けた構成もある。取付枠９の上下の枠片９ｃには挿入孔９ｄが貫設されている。取付枠９をスイッチボックス３に取り付けるには、取付枠９に配線器具を装着した状態で、図示しない取付ねじを挿入孔９ｄに前方から挿入してスイッチボックス３に設けたねじ受け（図示せず）に螺入させる。
【００４３】
なお、取付枠９を壁パネルに取り付ける場合には、壁パネルに取付孔を貫設し、挿入孔９ｄに挿入される引締ねじを挟み金具（図示せず）と称する部材に螺合させ、壁パネルに貫設した取付孔の周部を取付枠９と挟み金具との間で挟持するように引締ねじを締め付けてもよい。あるいはまた、取付枠９を通して壁材に木ねじを螺合させることによって、取付枠９を壁に取り付けることも可能である。
【００４４】
本実施形態では、各スイッチボックス３の上部からは、配電ボックス１または他のスイッチボックス３に接続された電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉが導入され、各系統の末端に位置するスイッチボックス３を除いた各スイッチボックス３の下部からは他のスイッチボックス３への送り配線である電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉが導出される。また、ゲート装置４を取り付けた取付枠９を各スイッチボックス３に取り付けることによって、上述したように、各スイッチボックス３にそれぞれゲート装置４が収納される。ここにおいて、ゲート装置４には、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとが接続されるから、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとの混触を防止するために、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとのスイッチボックス３への導入口および導出口はそれぞれ個別に設けるのが望ましい。
【００４５】
ゲート装置４は、板ばねのばね力を利用して電線を結線する、いわゆる速結端子構造の端子を器体に内蔵しており、器体の背面に開口する電線挿入口に電線を挿入することにより、電線の機械的保持と電気的接続とがなされる構成を採用している。電線挿入口は、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとについて２対ずつ設けてある。各１対は送り配線を接続するために用いられる。ゲート装置４の器体の前面には、電力線Ｌｐが接続される端子に電気的に接続されている接触部を設けた電力路接続口６ａと、情報線Ｌｉが接続される端子に電気的に接続されている接触部を設けた情報路接続口６ｂとが配置される。
【００４６】
電力路接続口６ａと情報路接続口６ｂとは１個の接続口６としてモジュール化されている。配線システム内の各ゲート装置４において、各電力路接続口６ａと各情報路接続口６ｂとはそれぞれ同仕様（接触部の配列や接続口のサイズなど）であり、また電力路接続口６ａおよび情報路接続口６ｂの位置関係は統一されている。接続口６には、機能モジュール２の背面に設けた接続体７が着脱可能に結合される。すなわち、機能モジュール２の接続体７には、電力路接続口６ａに着脱可能に結合される電力路接続体７ａと、情報路接続口６ｂに着脱可能に結合される情報路接続体７ｂとをモジュール化した接続体７が設けられる。機能モジュール２の接続体７をゲート装置４の接続口６に接続した状態において、機能モジュール２はゲート装置４の前面を覆う。ここに、接続口６と接続体７とはコネクタを構成する。
【００４７】
機能モジュール２は、図１２に示すように、ゲート装置４に対して１台だけ接続することによって単独で用いることができる基本機能モジュール２ａと、基本機能モジュール２ａに対して壁面に沿う面内で配列され基本機能モジュール２ａと組み合わせて用いることにより基本機能モジュール２ａの機能を拡張する拡張機能モジュール２ｂとがある。拡張機能モジュール２ａは、基本機能モジュール２ａに対して１台接続するだけではなく、複数台を接続することも可能である。
【００４８】
以下の説明においては、基本機能モジュール２ａを単独で用いるか、基本機能モジュール２ａに拡張機能モジュール２ｂを結合して用いるかにかかわらず、どちらの場合についても機能モジュール２として説明する。
【００４９】
機能モジュール２は、図１３、図１４に示すように、合成樹脂製の扁平なハウジング８ａを備える。すなわち、ゲート装置４に取り付けたときに壁面からの突出寸法が小さく、かつハウジング８ａの前面側に露出する表示、報知、操作などの各種機能を持つ機能部に割り当てる面積を大きくとることができる薄型に形成されている。ハウジング８ａの背面には接続体７が設けられ、接続体７をゲート装置４の接続口６に結合すれば、機能モジュール２が電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉと電気的に接続される。ハウジング８ａの上部および下部には取付用孔８ｃが開口しており、ハウジング８ａをゲート装置４に結合した状態で、ハウジング８ａの前面側から取付用孔８ｃに取付ねじ（図示せず）を挿入し、取付枠９の取付ねじ孔１０ｅに取付ねじを螺入することにより、機能モジュール２が取付枠９に対して機械的に固定され、結果的に機能モジュール２のゲート装置４に対する結合強度を高めることができる。ハウジング８ａの前面部には化粧カバー８ｂが着脱可能に被着され、化粧カバー８ｂをハウジング８ａに装着した状態では、取付ねじの頭部が隠される。
【００５０】
上述の構成から明らかなように、機能モジュール２には電力線Ｌｐを通して商用電源ＡＣから電力が供給されるから、機能モジュール２の内部回路の動作用の電源を生成するために商用電源ＡＣから内部回路の動作用に用いる直流電圧を生成する電源装置が必要である。また、ハウジング８ａは扁平で小型であるから、このようなハウジング８ａに収納可能な薄型かつ小型の電源装置が必要である。したがって、実施形態１、実施形態２において説明した平面型インダクタや実施形態３において説明した平面型トランスを用いる電源装置は、この種の機能モジュール２に用いるのに適した電源装置になる。
【００５１】
機能モジュール２が、基本機能モジュール２ａだけではなく拡張機能モジュール２ｂも含んでいる場合には、電源装置は拡張機能モジュール２ｂにも電力を供給する。基本機能モジュール２ａから拡張機能モジュール２ｂへの電力の供給は交流を用いる。また、基本機能モジュール２ａと拡張機能モジュール２ｂとの内部においては、交流−直流変換を行って直流電力を内部回路に供給する。そのため、基本機能モジュール２ａと拡張機能モジュール２ｂとには、それぞれ電源装置が設けられる。拡張機能モジュール２ｂに設けた電源装置においても実施形態１、実施形態２において説明した電磁誘導部品を用いることにより、拡張機能モジュール２ｂのハウジングに収納可能な薄型かつ小型の電源装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態１を示す分解斜視図である。
【図２】同上の断面図である。
【図３】同上に用いるコイル基板を示す平面図である。
【図４】同上のトランスに用いる場合のコイル基板を示す平面図である。
【図５】同上に用いるコアの他例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態２を示す分解斜視図である。
【図７】同上の断面図である。
【図８】電磁誘導部品を用いた電源装置の構成例を示す回路図である。
【図９】電磁誘導部品を用いた電源装置の他の構成例を示す回路図である。
【図１０】電磁誘導部品を用いる配線システムの全体構成を示す構成図である。
【図１１】機能モジュールを取付枠に取り付けた状態の正面図である。
【図１２】機能モジュールの他の構成例を示す構成図である。
【図１３】ゲート装置と機能モジュールとを示す斜視図である。
【図１４】機能モジュールを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 基本モジュール
２ 機能モジュール
１０ コイル基板
１１ コア
１２ａ 上巻線パターン
１２ｂ 下巻線パターン
１３ 実装基板
１４ａ，１４ｂ 接続部
ＣＮ１，ＣＮ２ 制御回路
Ｌ インダクタ
Ｌｉ 情報線
Ｌｐ 電力線
ｎ１ １次巻線
ｎ２ ２次巻線
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｔ トランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型の電磁誘導部品およびその電磁誘導部品を用いた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、平面型インダクタあるいは平面型トランスと称する薄型の電磁誘導部品が種々提案されている。また、コイル基板として半導体基板を用いることにより半導体製造プロセスを利用して小型化することも考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、電源の小型軽量化のために半導体基板を用い、また磁気誘導型銅損を減少させるためにコイル導体の厚みを大きくすることが考えられており、コイル基板上にコイル導体を形成した２個の平面コイルをコイル面同士が電気的に接続されるように重ね合わせた構造を有しており、さらにコイル基板とコイル導体との間に磁性薄膜を配置した構成が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−１７６６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された電磁誘導部品では、磁性薄膜がコイル導体を挟む形で配置されているから、両磁性薄膜の間は磁気的に結合されておらず磁束漏れが生じるから磁気効率はあまり高くないと言える。また、磁性体薄膜であるから飽和しやすく、コイル導体の厚みを大きくしているにもかかわらずコイル導体に通電できる電流を大きくとることはできない。つまり、容量の小さい電源にしか用いることができないという問題を有している。
【０００５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型かつ薄型に形成することができるのはもちろんのこと、磁気効率の高い構造であり、しかも従来構成に比較して磁性体の体積を大きくすることが可能であって電流容量を比較的大きくとることが可能な電磁誘導部品を提供するとともに、その電磁誘導部品を用いた電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、平面視において環状であって断面において直線になる下側面を有した磁性体からなるコアであって、下側面を除く表面に平面視での周方向に配列された導電層からなる複数本の上巻線パターンが形成されたコアと、コアが下側面を当接させる形で載置されるコイル基板であって、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターンの一方の一端と他方の他端とを電気的に接続する導電層からなる複数本の下巻線パターンが形成されたコイル基板とを備え、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとが電気的に接続されることによりコアに巻装された巻線が形成されてなることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、コアが環状に形成されており、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとによりコアに巻装される巻線が形成されており、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構造になる。しかも、コイル基板の表面に直交する方向におけるコアを厚み寸法を小さくすることにより電磁誘導部品を薄型化することができ、小型かつ薄型の電磁誘導部品を提供することができる。また、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構成であるから、巻線に通電することにより形成される磁束はコア内を通り磁気漏れが少なく磁気効率が高くなる。しかも、上巻線パターンを形成した磁性体のコアをコイル基板に載置する構成であるから、磁性薄膜を用いる従来構成に比較してコアの体積を大きくすることができ、結果的にコアに磁気飽和が生じにくく電流容量を大きくとることができる。すなわち、小型かつ薄型でありながら、サイズ当たりの磁気効率および電流容量を従来構成よりも大きくとることができるという利点がある。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記コイル基板が半導体基板であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板を用いているから他の回路部品とともに１チップに集積回路化することが可能になる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記コイル基板に複数個の前記コアが載置され、各コアに対応する前記下巻線パターンが導電層からなる接続パターンにより互いに接続されて成ることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、１枚のコイル基板に複数個のコアを配列することにより各コアに巻線を巻装した単位構成をアレイ状に配列した構成になる。しかも、下巻線パターンを接続パターンにより接続しているから、単位構成を直列に接続すればインダクタンスを大きくすることができ、単位構成を並列に接続すれば電流容量を大きくとることができる。つまり、単位構成をアレイ状に配列し、単位構成間を接続パターンによって直列または並列または両者を適宜に組み合わせて接続することにより、所望のインダクタンスを持ちかつ所望の電流容量となる電磁誘導部品を作製することができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記上巻線パターンと前記下巻線パターンとにより１次巻線と２次巻線とが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、１個のコアに１次巻線と２次巻線とを形成するから、トランスとして用いることができる。ここに、１次巻線と２次巻線とは絶縁型と非絶縁型（つまり、オートトランス）とのどちらの構成を採用してもよい。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電磁誘導部品とスイッチング素子とを備える電源装置であって、スイッチング素子のオン時に直流電源から電磁誘導部品に蓄積される電磁エネルギをスイッチング素子のオフ時に出力として取り出すことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、チョッパ回路におけるインダクタを小型かつ薄型に形成することができ、結果的にチョッパ回路を用いた電源装置の小型化かつ薄型化が可能になる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４記載の電磁誘導部品の１次巻線とスイッチング素子との直列回路が直流電源に接続された電源装置であって、スイッチング素子のオンオフにより２次巻線から出力を取り出すことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、出力にトランスを用いるスイッチング電源の小型化かつ薄型化が可能になる。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記電磁誘導部品を除く回路部品を実装する実装基板に前記コイル基板が積層され、前記コイル基板の表裏に貫通する貫通導体からなる接続部により前記コイル基板と実装基板とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、電源装置を構成する際に電磁誘導部品以外の回路部品を実装するコイル基板を電磁誘導部品を実装したコイル基板とは別に設けた実装基板としているから、電磁誘導部品と他の回路部品とを異なる工程で製造することができ、電磁誘導部品の検査を別途に行うことができる。また、電磁誘導部品と他の回路部品とが熱的に分離され熱設計が容易になる。しかも、他の回路部品を実装した実装基板に電磁誘導部品を形成したコイル基板を積層するから、電磁誘導部品を他の回路部品とともに実装基板に実装することが可能になる。さらに、コイル基板と実装基板とを貫通導体からなる接続部により接続しているから、実装基板に設ける回路部品とコアとを互いに反対面に設けることができ、電源装置の占有面積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の構成によれば、トロイダルコアに導線を巻装した電磁誘導部品と同様の構成になるから、巻線に通電することにより形成される磁束はコア内を通り磁気漏れが少なく磁気効率が高いという利点を有する。また、上巻線パターンを形成した磁性体のコアをコイル基板に載置する構成であるから、磁性薄膜に比較してコアの体積を大きくすることができ、コアに磁気飽和が生じにくく電流容量を大きくとることができるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態では、電磁誘導部品として、磁性体からなるコアに巻線を巻装したインダクタを例示する。本実施形態のインダクタは、図１、図２に示すように、コイル基板１０にフェライトのような磁性体からなるコア１１を載置した構成を有する。コア１１は平面視においては円環状に形成されており、断面においては半円状に形成されている。したがって、コア１１の一面には断面において直線になる下側面１１ａが形成され、下側面１１ａがコイル基板１０に当接する。つまり、コア１１においてコイル基板１０と対向する面を下側面１１ａと呼ぶ。コア１１において下側面１１ａを除く表面には導電層からなる上巻線パターン１２ａが形成される。上巻線パターン１２ａはコア１１の周方向（円環の周方向）において複数本が離間して配列されており、それぞれ円環の内外周に跨り、両端がそれぞれ下側面１１ａと揃うように形成される。上巻線パターン１２ａは薄膜形成法により形成する。上巻線パターン１２ａの両端部をそれぞれ下側面１１ａに回り込むように形成してもよい。また、コア１１を平面視において円環状に形成するのが望ましいが、環状であれば必ずしも円環状ではなくてもよく、たとえば矩形環状であってもよい。
【００２２】
コイル基板１０はガラスエポキシのような絶縁材料を用いることが可能であるが、本実施形態では半導体基板であるシリコン基板を用いている。コイル基板１０においてコア１１が載置される面には、導電層からなる複数本の下巻線パターン１２ｂが形成される。下巻線パターン１２ｂは、図３に示すように、コア１１が載置される領域に対応して形成され、コア１１が下巻線パターン１２ｂの上に載置されたときにコア１１の周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの一方の一端部（内側端部）と他方の他端部（外側端部）とを電気的に接続する形に形成されている。したがって、コア１１に形成した上巻線パターン１２ａとコイル基板１０に形成した下巻線パターン１２ｂとが互いに電気的に接続されるように位置を合わせ、コイル基板１０にコア１１を載置し結合すると、コア１１の周方向において隣接する各一対の上巻線パターン１２ａの間が下巻線パターン１２ｂを介して接続され、コア１１に巻き付けられた１回路の巻線が形成される。
【００２３】
すなわち、コイル基板１０に設けた１本の下巻線パターン１２ｂがコア１１に形成された１本の上巻線パターン１２ａに接続され、当該上巻線パターン１２ａが先の下巻線パターン１２ｂの隣りの下巻線パターン１２ｂに接続されるという接続関係によって、各上巻線パターン１２ａが順次接続され、結果的に１回路の巻線が形成される。また、巻線の末端はコイル基板１０に形成した引出パターン１２ｃに接続され、引出パターン１２ｃを通して他回路と接続される。ここにおいて、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとは、銅あるいはアルミニウムのような金属により形成されており、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとを接合することによって、上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとの電気的な接続と同時にコイル基板１０に対するコア１１の固定がなされる。上巻線パターン１２ａと下巻線パターン１２ｂとは、通常は半田のような接合材料を用いて接合するが、上巻線パターン１２ａを下側面１１ａに回り込ませている場合には、上巻線パターン１２ａにバンプを形成して下巻線パターン１２ｂと接合してもよい。
【００２４】
上述した例では、１個のコア１１に対して１回路の巻線を形成しているが、図４に示すように、１個のコア１１について２回路以上の巻線を形成すれば、トランスとして用いることができる。２回路以上の巻線を形成するには、コア１１の周方向において下巻線パターン１２ｂを複数種類のパターンに分割すればよく、上巻線パターン１２ａについては変更せずに、下巻線パターン１２ｂの形状を変更するだけで、１回路の巻線と２回路以上の巻線とを設けることができる。図示例では１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２とを備えた２回路の巻線を形成する際の下巻線パターン１２ｂを示している。また、本実施形態ではコア１１の断面形状を図２に示すような半円状としているが、図５に示すように断面矩形状であって角部を面取りした形状に形成してもよい。
【００２５】
（実施形態２）
実施形態１はコイル基板１０に１個のコア１１を設ける例を示したが、１個のコア１１は微小であるから、インダクタンスは小さくまた上巻線パターン１２ａおよび下巻線パターン１２ｂは細いから電流容量を大きくとることはできない。インダクタンスを大きくするには複数個のコア１１を設け巻線を直列に接続すればよく、また電流容量を大きくとるには複数個のコア１１を設け巻線を並列に接続すればよい。
【００２６】
本実施形態では、図６に示すように、コイル基板１０に複数個のコア１１をアレイ状に配列してあり、各コア１１に対応して形成された下巻線パターン１２ｂを引出パターン１２ｃ（図１参照）に接続される接続パターン１２ｄにより互いに接続してある。接続パターン１２ｄによる接続関係は、適宜に選択される。すなわち、巻線を直列接続にする場合と、巻線を並列接続にする場合と、直列接続と並列接続とを併用する場合とがあり、接続パターン１２ｄに応じてこれらの３種類の場合を選択することができる。上述のようにインダクタンスを高めるには直列接続を採用し、電流容量を大きくするには並列接続を採用する。インダクタンスと電流容量とをともに高める場合には直列接続と並列接続とを併用する。他の構成は実施形態１と同様である。
【００２７】
ところで、実施形態１、実施形態２ではコイル基板１０が半導体基板であるから、コイル基板１０に他の素子を形成することが可能であり、電磁誘導部品を備える回路を集積回路化することが可能である。もっとも、実施形態１、実施形態２のような電磁誘導部品をスイッチング電源のような電源装置の部品として用いる場合には、巻線に大きな電流が流れるから、電磁誘導部品が発熱部品になり、またスイッチング素子も発熱部品になる。放熱効率を高めるには、電磁誘導部品と他の発熱部品とは分離することが望ましい。
【００２８】
そこで、電源装置のような何らかの回路を構成する部品のうち、電磁誘導部品を除く部品を実装する実装基板１３を設け、実装基板１３とコイル基板１０とを積層してもよい。実装基板１３として半導体基板を用いる場合には、スイッチング素子のような部品を実装基板１３に形成すればよく、この場合にはコイル基板１０と実装基板１３とを陽極接合などの技術を用いて接合することが可能である。また、実装基板１３としてプリント基板を用いることもできる。プリント基板を用いる場合は面実装部品を用いるのが望ましい。
【００２９】
コイル基板１０と実装基板１３とは、コイル基板１０においてコア１１が実装されていない面と、実装基板１３において部品が実装ないし形成されていない面とを貼り合わせる。したがって、コイル基板１０と実装基板１３との間の電気的接続には、図７に示すように、コイル基板１０と実装基板１３とを貫通する貫通導体である接続部１４ａ，１４ｂを用いる。ここに、コイル基板１０と実装基板１３とにそれぞれ接続部１４ａ，１４ｂを形成しておき、接続部１４ａ，１４ｂ同士を接合することによって、コイル基板１０と実装基板１３との電気的接続と同時に機械的結合を行うようにしてもよい。
【００３０】
ところで、実施形態１、実施形態２に示した電磁誘導部品を用いて構成される電源装置としては、降圧型、昇圧型、極性反転型などのチョッパ回路と、フライバック型、フォワード型などのＤＣ−ＤＣコンバータとが広く知られている。チョッパ回路ではインダクタに蓄積した電磁エネルギを利用するからインダクタを用い、ＤＣ−ＤＣコンバータではトランスを用いる。
【００３１】
図８に一例として降圧型のチョッパ回路の基本的な構成を示す。この構成では、商用電源をダイオードブリッジで整流することなどにより得られる直流電源（図示せず）の両端間にスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴなど）Ｑ１とインダクタＬと平滑コンデンサＣ１との直列回路が接続され、インダクタＬと平滑コンデンサＣ１との直列回路に環流用のダイオードＤ１が並列接続された構成を有している。また、スイッチング素子Ｑ１のオンオフは制御回路ＣＮ１により制御される。
【００３２】
この種のチョッパ回路は周知のものであるが、簡単に動作を説明すると、スイッチング素子Ｑ１のオン期間において直流電源からインダクタＬを通して平滑コンデンサＣ１が充電され、この間にインダクタＬに電磁エネルギが蓄積される。また、インダクタＬに蓄積された電磁エネルギは、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間において平滑コンデンサＣ１とダイオードＤ１とを通るループ回路を通して流れ、平滑コンデンサＣ１に充電電流を流す。この電源装置の出力は平滑コンデンサＣ１の両端から取り出される。
【００３３】
上述した電源装置を構成する際に、インダクタＬとして実施形態１、実施形態２において説明した平面型インダクタを採用すれば、小型かつ薄型の電源装置を構成することができる。ここに、平面型インダクタはごく小型であるから、蓄積できる電磁エネルギは比較的小さいものである。したがって、スイッチング素子Ｑ１のオンオフの周波数（つまり、スイッチング周波数）は１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の高周波とするのが望ましい。
【００３４】
このような電源装置を構成する場合に、半導体基板であるコイル基板１０に、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１と制御回路ＣＮ１とを形成して集積回路化しておけば、平滑コンデンサＣ１を外付するだけで電源装置を構成することが可能になる。実装基板１３が半導体基板であるときには、実装基板１３にこれらの素子を形成すればよい。また、上述したインダクタＬを電源装置に用いることにより、電源装置の構成部品のうちの大型部品であったインダクタＬを小型化することができる。しかも、スイッチング素子Ｑ１とともにインダクタＬを集積回路化することによりスイッチング素子Ｑ１の近傍にインダクタＬを設けることができ、結果的に、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを高周波で行う場合に問題となる寄生容量の影響を軽減することができる。
【００３５】
ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する場合も同様であって、代表的な構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、図９に示すように、トランスＴの１次巻線ｎ１にスイッチング素子Ｑ２を直列接続し、トランスＴの２次巻線ｎ２に整流用のダイオードＤ２と平滑コンデンサＣ２との直列回路を接続し、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを制御回路ＣＮ２により制御するから、半導体基板であるコイル基板１０に、スイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、制御回路ＣＮ２などを集積回路化することができる。トランスＴを構成する場合も半導体基板からなる実装基板１３を用いる場合には、これらの素子を実装基板１３に形成すればよい。
【００３６】
上述した小型の電源装置を用いた配線システムの例を図１０に示す。図示する配線システムでは、建物内の適所に埋込配置されたスイッチボックス３にゲート装置４と称する配線器具を収納する。ゲート装置４には壁内に先行配線された電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとが接続される。スイッチボックス３およびゲート装置４は１個ずつでもよいが、以下では複数個設ける場合について説明する。また、図示例では、ルータとハブとを内蔵したゲートウェイの機能を有している基本モジュール１と、メインブレーカＭＢおよび分岐ブレーカＢＢとを内蔵した配線盤５を用いている。
【００３７】
基本モジュール１には、複数系統（図示例では３系統）の情報線Ｌｉが接続され、ゲートウェイとして各情報線Ｌｉを外部のインターネット網ＮＴに接続する。基本モジュール１は、情報線Ｌｉを複数系統に分岐したり情報線Ｌｉをインターネット網ＮＴに接続するだけでなく、情報線Ｌｉを通して後述する各機能モジュール２の動作状態を監視する機能も備えている。また、メインブレーカＭＢは商用電源ＡＣに接続され、分岐ブレーカＢＢに電力線Ｌｐが接続される。図示例では分岐ブレーカＢＢを１系統で代表して示しているが通常は複数系統の分岐ブレーカＢＢを設ける。
【００３８】
図１０に示す例では、機能モジュール２として、コンセントあるいはスイッチのように負荷制御を主な機能とするものと、スピーカあるいは表示器のように情報の授受を主な機能とするものとを示している。本実施形態の構成では、負荷制御を主な機能とする場合であっても、コンセントに接続した負荷で使用した電力量やスイッチを操作した回数などを情報として情報線Ｌｉを介して監視することが可能になる。
【００３９】
各系統のゲート装置４の間は電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉの送り配線によって接続される。また、各系統のゲート装置４のうちの１個は配線盤５との間で電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉを介して接続される。つまり、各系統のゲート装置４は電力線Ｌｐに並列接続され、また情報線Ｌｉに並列接続されることになる。
【００４０】
ゲート装置４は、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとに接続されたコネクタからなる接続口６（図１１参照）を備える。したがって、後述する機能モジュール２のコネクタをゲート装置４の接続口６に接続するだけで、機能モジュール２に電力を供給する電力路と、機能モジュール２との間で通信するための情報路とを同時に確保することができる。しかも、ゲート装置４は電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとにそれぞれ並列接続されているだけであるから、機能モジュール２はどのゲート装置４にも接続することができる。つまり、機能モジュール２は、ゲート装置４の配置されている範囲内で自由に配置することができるから、レイアウトの自由度が高い施工性に優れた配線システムを提供することができる。
【００４１】
スイッチボックス３は、たとえばＪＩＳ規格（Ｃ ８３７５）に規定する取付枠９（図１１参照）を取り付けることができるものを用いる。図示する取付枠９は一連形と呼ばれており、ＪＩＳ規格（Ｃ ８３０４）において大角連用形スイッチの１個モジュールとして規格化されている埋込形の配線器具を３個取り付けることができる。
【００４２】
取付枠９は、図１１に示すように、中央部に表裏に貫通した器具取付用の矩形状の窓孔９ａを備える。取付枠９に取付対象である配線器具を取り付けるには、窓孔９ａの後方から配線器具の前部を挿入し、取付枠９の左右両側の枠片９ｂに設けた器具係止部に配線器具の左右両側に設けた被係止部を結合させる。図示例では、配線器具に被係止部として爪を設け取付枠９の枠片９ｂに器具係止部として間隙を設けている。ただし、配線器具に被係止部として穴を設け取付枠９の枠片９ｂに器具係止部として爪を設けた構成もある。取付枠９の上下の枠片９ｃには挿入孔９ｄが貫設されている。取付枠９をスイッチボックス３に取り付けるには、取付枠９に配線器具を装着した状態で、図示しない取付ねじを挿入孔９ｄに前方から挿入してスイッチボックス３に設けたねじ受け（図示せず）に螺入させる。
【００４３】
なお、取付枠９を壁パネルに取り付ける場合には、壁パネルに取付孔を貫設し、挿入孔９ｄに挿入される引締ねじを挟み金具（図示せず）と称する部材に螺合させ、壁パネルに貫設した取付孔の周部を取付枠９と挟み金具との間で挟持するように引締ねじを締め付けてもよい。あるいはまた、取付枠９を通して壁材に木ねじを螺合させることによって、取付枠９を壁に取り付けることも可能である。
【００４４】
本実施形態では、各スイッチボックス３の上部からは、配電ボックス１または他のスイッチボックス３に接続された電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉが導入され、各系統の末端に位置するスイッチボックス３を除いた各スイッチボックス３の下部からは他のスイッチボックス３への送り配線である電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉが導出される。また、ゲート装置４を取り付けた取付枠９を各スイッチボックス３に取り付けることによって、上述したように、各スイッチボックス３にそれぞれゲート装置４が収納される。ここにおいて、ゲート装置４には、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとが接続されるから、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとの混触を防止するために、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとのスイッチボックス３への導入口および導出口はそれぞれ個別に設けるのが望ましい。
【００４５】
ゲート装置４は、板ばねのばね力を利用して電線を結線する、いわゆる速結端子構造の端子を器体に内蔵しており、器体の背面に開口する電線挿入口に電線を挿入することにより、電線の機械的保持と電気的接続とがなされる構成を採用している。電線挿入口は、電力線Ｌｐと情報線Ｌｉとについて２対ずつ設けてある。各１対は送り配線を接続するために用いられる。ゲート装置４の器体の前面には、電力線Ｌｐが接続される端子に電気的に接続されている接触部を設けた電力路接続口６ａと、情報線Ｌｉが接続される端子に電気的に接続されている接触部を設けた情報路接続口６ｂとが配置される。
【００４６】
電力路接続口６ａと情報路接続口６ｂとは１個の接続口６としてモジュール化されている。配線システム内の各ゲート装置４において、各電力路接続口６ａと各情報路接続口６ｂとはそれぞれ同仕様（接触部の配列や接続口のサイズなど）であり、また電力路接続口６ａおよび情報路接続口６ｂの位置関係は統一されている。接続口６には、機能モジュール２の背面に設けた接続体７が着脱可能に結合される。すなわち、機能モジュール２の接続体７には、電力路接続口６ａに着脱可能に結合される電力路接続体７ａと、情報路接続口６ｂに着脱可能に結合される情報路接続体７ｂとをモジュール化した接続体７が設けられる。機能モジュール２の接続体７をゲート装置４の接続口６に接続した状態において、機能モジュール２はゲート装置４の前面を覆う。ここに、接続口６と接続体７とはコネクタを構成する。
【００４７】
機能モジュール２は、図１２に示すように、ゲート装置４に対して１台だけ接続することによって単独で用いることができる基本機能モジュール２ａと、基本機能モジュール２ａに対して壁面に沿う面内で配列され基本機能モジュール２ａと組み合わせて用いることにより基本機能モジュール２ａの機能を拡張する拡張機能モジュール２ｂとがある。拡張機能モジュール２ａは、基本機能モジュール２ａに対して１台接続するだけではなく、複数台を接続することも可能である。
【００４８】
以下の説明においては、基本機能モジュール２ａを単独で用いるか、基本機能モジュール２ａに拡張機能モジュール２ｂを結合して用いるかにかかわらず、どちらの場合についても機能モジュール２として説明する。
【００４９】
機能モジュール２は、図１３、図１４に示すように、合成樹脂製の扁平なハウジング８ａを備える。すなわち、ゲート装置４に取り付けたときに壁面からの突出寸法が小さく、かつハウジング８ａの前面側に露出する表示、報知、操作などの各種機能を持つ機能部に割り当てる面積を大きくとることができる薄型に形成されている。ハウジング８ａの背面には接続体７が設けられ、接続体７をゲート装置４の接続口６に結合すれば、機能モジュール２が電力線Ｌｐおよび情報線Ｌｉと電気的に接続される。ハウジング８ａの上部および下部には取付用孔８ｃが開口しており、ハウジング８ａをゲート装置４に結合した状態で、ハウジング８ａの前面側から取付用孔８ｃに取付ねじ（図示せず）を挿入し、取付枠９の取付ねじ孔１０ｅに取付ねじを螺入することにより、機能モジュール２が取付枠９に対して機械的に固定され、結果的に機能モジュール２のゲート装置４に対する結合強度を高めることができる。ハウジング８ａの前面部には化粧カバー８ｂが着脱可能に被着され、化粧カバー８ｂをハウジング８ａに装着した状態では、取付ねじの頭部が隠される。
【００５０】
上述の構成から明らかなように、機能モジュール２には電力線Ｌｐを通して商用電源ＡＣから電力が供給されるから、機能モジュール２の内部回路の動作用の電源を生成するために商用電源ＡＣから内部回路の動作用に用いる直流電圧を生成する電源装置が必要である。また、ハウジング８ａは扁平で小型であるから、このようなハウジング８ａに収納可能な薄型かつ小型の電源装置が必要である。したがって、実施形態１、実施形態２において説明した平面型インダクタや実施形態３において説明した平面型トランスを用いる電源装置は、この種の機能モジュール２に用いるのに適した電源装置になる。
【００５１】
機能モジュール２が、基本機能モジュール２ａだけではなく拡張機能モジュール２ｂも含んでいる場合には、電源装置は拡張機能モジュール２ｂにも電力を供給する。基本機能モジュール２ａから拡張機能モジュール２ｂへの電力の供給は交流を用いる。また、基本機能モジュール２ａと拡張機能モジュール２ｂとの内部においては、交流−直流変換を行って直流電力を内部回路に供給する。そのため、基本機能モジュール２ａと拡張機能モジュール２ｂとには、それぞれ電源装置が設けられる。拡張機能モジュール２ｂに設けた電源装置においても実施形態１、実施形態２において説明した電磁誘導部品を用いることにより、拡張機能モジュール２ｂのハウジングに収納可能な薄型かつ小型の電源装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態１を示す分解斜視図である。
【図２】同上の断面図である。
【図３】同上に用いるコイル基板を示す平面図である。
【図４】同上のトランスに用いる場合のコイル基板を示す平面図である。
【図５】同上に用いるコアの他例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態２を示す分解斜視図である。
【図７】同上の断面図である。
【図８】電磁誘導部品を用いた電源装置の構成例を示す回路図である。
【図９】電磁誘導部品を用いた電源装置の他の構成例を示す回路図である。
【図１０】電磁誘導部品を用いる配線システムの全体構成を示す構成図である。
【図１１】機能モジュールを取付枠に取り付けた状態の正面図である。
【図１２】機能モジュールの他の構成例を示す構成図である。
【図１３】ゲート装置と機能モジュールとを示す斜視図である。
【図１４】機能モジュールを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 基本モジュール
２ 機能モジュール
１０ コイル基板
１１ コア
１２ａ 上巻線パターン
１２ｂ 下巻線パターン
１３ 実装基板
１４ａ，１４ｂ 接続部
ＣＮ１，ＣＮ２ 制御回路
Ｌ インダクタ
Ｌｉ 情報線
Ｌｐ 電力線
ｎ１ １次巻線
ｎ２ ２次巻線
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｔ トランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視において環状であって断面において直線になる下側面を有した磁性体からなるコアであって、下側面を除く表面に平面視での周方向に配列された導電層からなる複数本の上巻線パターンが形成されたコアと、コアが下側面を当接させる形で載置されるコイル基板であって、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターンの一方の一端と他方の他端とを電気的に接続する導電層からなる複数本の下巻線パターンが形成されたコイル基板とを備え、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとが電気的に接続されることによりコアに巻装された巻線が形成されてなることを特徴とする電磁誘導部品。
【請求項２】
前記コイル基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の電磁誘導部品。
【請求項３】
前記コイル基板に複数個の前記コアが載置され、各コアに対応する前記下巻線パターンが導電層からなる接続パターンにより互いに接続されて成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁誘導部品。
【請求項４】
前記上巻線パターンと前記下巻線パターンとにより１次巻線と２次巻線とが形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁誘導部品。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電磁誘導部品とスイッチング素子とを備える電源装置であって、スイッチング素子のオン時に直流電源から電磁誘導部品に蓄積される電磁エネルギをスイッチング素子のオフ時に出力として取り出すことを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項４記載の電磁誘導部品の１次巻線とスイッチング素子との直列回路が直流電源に接続された電源装置であって、スイッチング素子のオンオフにより２次巻線から出力を取り出すことを特徴とする電源装置。
【請求項７】
前記電磁誘導部品を除く回路部品を実装する実装基板に前記コイル基板が積層され、前記コイル基板の表裏に貫通する貫通導体からなる接続部により前記コイル基板と実装基板とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の電源装置。
【請求項１】
平面視において環状であって断面において直線になる下側面を有した磁性体からなるコアであって、下側面を除く表面に平面視での周方向に配列された導電層からなる複数本の上巻線パターンが形成されたコアと、コアが下側面を当接させる形で載置されるコイル基板であって、平面視での周方向において隣接する各一対の上巻線パターンの一方の一端と他方の他端とを電気的に接続する導電層からなる複数本の下巻線パターンが形成されたコイル基板とを備え、コアに形成された上巻線パターンとコイル基板に形成された下巻線パターンとが電気的に接続されることによりコアに巻装された巻線が形成されてなることを特徴とする電磁誘導部品。
【請求項２】
前記コイル基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の電磁誘導部品。
【請求項３】
前記コイル基板に複数個の前記コアが載置され、各コアに対応する前記下巻線パターンが導電層からなる接続パターンにより互いに接続されて成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁誘導部品。
【請求項４】
前記上巻線パターンと前記下巻線パターンとにより１次巻線と２次巻線とが形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁誘導部品。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電磁誘導部品とスイッチング素子とを備える電源装置であって、スイッチング素子のオン時に直流電源から電磁誘導部品に蓄積される電磁エネルギをスイッチング素子のオフ時に出力として取り出すことを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項４記載の電磁誘導部品の１次巻線とスイッチング素子との直列回路が直流電源に接続された電源装置であって、スイッチング素子のオンオフにより２次巻線から出力を取り出すことを特徴とする電源装置。
【請求項７】
前記電磁誘導部品を除く回路部品を実装する実装基板に前記コイル基板が積層され、前記コイル基板の表裏に貫通する貫通導体からなる接続部により前記コイル基板と実装基板とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の電源装置。
【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１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−１８０４３５（Ｐ２００７−１８０４３５Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７９７９４（Ｐ２００５−３７９７９４）
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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