JP5288109B2 - コイル、変圧素子、スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、平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。

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。

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）。

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。
特開平９−３２６３１６号公報 特開２０００−２３２０１９号公報 特開平８−１０７０１８号公報

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。

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１０（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１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＸＩＢ−ＸＩＢ線に沿った断面の概略図である。さらに、図１０（Ｃ）は、図１０（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１０（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１０（Ｂ），１０（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。

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。

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およびそれを備えたスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明のコイルは、複数の導体パターンをそれぞれ有すると共に絶縁層を挟んで対向する一組の導体形成層を含むものである。ここで、一方の導体形成層における複数の導体パターンと、他方の導体形成層における複数の導体パターンとが絶縁層を貫く複数の接続部によって交互に連結されて一体となり、全体として一組の導体形成層に沿って巻回している。また、一組の導体形成層の各々において、複数の導体パターンが互いに隣り合うように同方向に巻回しており、複数の導体パターンにおける巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士がそれぞれ連結されている。複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の前記導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の前記導体形成層における一の導体パターンとで１周以上巻回しており、巻回中心側から巻回外周側へ向けて線幅が徐々に拡大する部分を含むものである。

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。さらに、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。

本発明のコイルでは、一方の導体形成層の各々に設けられた複数の導体パターンと、他方の導体形成層の各々に設けられた複数の導体パターンとが複数の接続部によって交互に連結され、一体化して巻回しているので、加熱された場合であっても、一の導体形成層のみにおいて巻回する一本の連続したコイルと比べ、全体における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、複数に分割された導体パターンの各々の歪みが他の導体パターンへ伝達しにくいためである。

本発明のコイルでは、一組の導体形成層の各々において、複数の導体パターンが互いに隣り合うように同方向に巻回し、複数の導体パターンにおける巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士がそれぞれ連結されるようにするとよい。こうすることで、コイルが比較的短い区間で区切られ、巻回方向に沿って膨張しようとする応力成分が巻回方向へ蓄積しにくいうえ、所定の領域内において導体が占める面積の割合、すなわち線積率と、全体としての巻き数（あるいは巻回量）とを向上させるのに有利となる。さらに、複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の導体形成層における一の導体パターンとで一周以上巻回していると、全体としての反りや歪みを効果的に抑制しつつ、線積率および全体としての巻き数（あるいは巻回量）の向上を図るのにいっそう有利となる。

また、本発明のコイルでは、一方の導体形成層における導体パターンの巻回量と、他方の導体形成層における導体パターンの巻回量とが互いに異なるようにしてもよい。また、複数の接続部が、一組の導体形成層に沿って均等配置されるようにするとよい。全体としての反りや歪みが、より均質に低減されるからである。

本発明のコイルによれば、一組の導体形成層にそれぞれ設けられた巻回中心側から巻回外周側へ向けて線幅が徐々に拡大する部分を含む複数の導体パターンが複数の接続部によって交互に連結されて一体となり、全体として一組の導体形成層に沿って巻回するようにしたので、加熱された際、全体として巻回方向に沿って膨張しようとする応力を軽減することができる。したがって、一の導体形成層のみにおいて巻回する場合と比べ、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。さらに、各導体形成層において、複数の導体パターンを互いに隣り合うように同方向に巻回させ、各々の巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士をそれぞれ連結するようにしたので、熱膨張に伴う絶縁層と導体パターンとの間に発生する応力を短い区間で分断することができ、その応力が巻回方向へ蓄積するのをより効果的に防ぐことができる。さらに、線積率、および全体としての巻き数（あるいは巻回量）の双方を向上させることができる。さらに、複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の導体形成層における一の導体パターンとで１周以上巻回したものであるので、全体としての反りや歪みをより効果的に抑制しつつ、線積率および全体としてのターン数を向上させることができる。

本発明の変圧素子および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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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３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３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。

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。

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。

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り、図５（Ａ），５（Ｂ）は、１次側コイル３１を構成する導体パターン群３４，３５（後出）の、図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。

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。

１次側コイル３１は、例えばエポキシなどの樹脂からなり開口３３Ｋが設けられた絶縁性の基板３３と、基板３３を挟んで対向する一組の導体形成層３４，３５とを有している。導体形成層３４，３５は、それぞれ、複数の導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４が所定の隙間を隔てて互いに隣り合うように開口３３Ｋの周囲を同方向に巻回したものである。導体形成層３４においては、導体パターン３４１〜３４４同士の隙間を充填すると共に、導体パターン３４１〜３４４を覆うように絶縁性のレジスト（図示せず）が設けられている。導体形成層３５についても同様である。この１次側コイル３１は、基板３３の開口３３Ｋ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、導体形成層３４，３５における導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４が突起部３０１の周囲を巻回するようになっている。

なお、上方（図４に示した矢印Ｖの方向）から眺めた場合、導体形成層３４における各導体パターン３４１〜３４４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いる。一方、導体形成層３５における各導体パターン３５１〜３５４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。導体パターン３４１〜３４４および導体パターン３５１〜３５４は、基板３３を貫く接続部３６１〜３６７によって、巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士が交互に連結されて一体となり、一本の導線として機能するように構成されている。具体的には、導体パターン３４１の巻回中心側の端部３４１Ｅが導体パターン３５１の巻回中心側の端部３５１Ｓと接続部３６１によって接続され、導体パターン３５１の巻回外周側の端部３５１Ｅが導体パターン３４２の巻回外周側の端部３４２Ｓと接続部３６２によって接続され、導体パターン３４２の巻回中心側の端部３４２Ｅが導体パターン３５２の巻回中心側の端部３５２Ｓと接続部３６３によって接続され、導体パターン３５２の巻回外周側の端部３５２Ｅが導体パターン３４３の巻回外周側の端部３４３Ｓと接続部３６４によって接続され、導体パターン３４３の巻回中心側の端部３４３Ｅが導体パターン３５３の巻回中心側の端部３５３Ｓと接続部３６５によって接続され、導体パターン３５３の巻回外周側の端部３５３Ｅが導体パターン３４４の巻回外周側の端部３４４Ｓと接続部３６６によって接続され、導体パターン３４４の巻回中心側の端部３４４Ｅが導体パターン３５４の巻回中心側の端部３５４Ｓと接続部３６７によって接続されている（図４）。また、導体パターン３４１の巻回外周側の端部３４１Ｓは引出線Ｌ１Ｐと接続され、導体パターン３５４の巻回外周側の端部３５４Ｅは引出線Ｌ２Ｐと接続されている。

導体パターン３４１〜３４４および導体パターン３５１〜３５４は、それぞれの巻回量が１周未満であるとよい（図３〜図５では０．７５周である場合を例示している）。さらに、導体形成層３４における一の導体パターンと、これと連結された導体形成層３５における一の導体パターンとで１周以上巻回していることが望ましい。例えば、導体パターン３４１と導体パターン３５１とで１周以上（１．５周）している。なお、図３〜図５では、接続部３６１〜３６７を導体形成層３４，３５に沿って均等配置し、導体パターン３４１〜３４４および導体パターン３５１〜３５４の各々の巻回量を全て０．７５周としたが、互いに異なった巻回量であってもよい。

２次側コイル３２Ａ，３２Ｂは、例えばエポキシなどの樹脂からなり開口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。

上記した導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４、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。

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３３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、導体パターン３４１〜３４４と導体パターン３５１〜３５４とを繋ぐ接続部３６１〜３６７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３３の両面に導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４を形成する。最後に、必要部分をレジストで覆うなどして導体形成層３４，３５を形成することで１次側コイル３１が完成する。

次に、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。

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。

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。

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。

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。以下、このスイッチング電源装置の動作を、図６および図７を参照してより詳細に説明する。

まず、図６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。

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。

一方、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。

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。

続いて、１次側コイル３１の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（導体形成層３４，３５）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、導体形成層３４，３５そのものの温度が上昇する場合がある。その場合、基板３３と導体形成層３４，３５との熱膨張率の相違により、基板３３と導体形成層３４，３５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、このスイッチング電源装置では、導体形成層３４における導体パターン３４１〜３４４と、導体形成層３５における導体パターン３５１〜３５４とが接続部３６１〜３６７によって交互に連結され、一体化して巻回している。こうした構成により、導体形成層３４，３５の温度上昇が生じた際には、複数に分割された導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４の個々の歪みが他の導体パターンへ伝達しにくいうえ、導体形成層３４と導体形成層３５との間で、各々において発生する応力の一部が相殺されるので、全体における巻回方向に沿って膨張しようとする応力が軽減される。したがって、１次側コイル３１が基板３３の一方の側において巻回する導体パターンのみからなる場合と比べ、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。

特に、導体形成層３４において導体パターン３４１〜３４４を互いに隣り合うように同方向に巻回させると共に、導体形成層３５において導体パターン３５１〜３５４を互いに隣り合うように同方向に巻回させ、導体パターン３４１〜３４４と導体パターン３５１〜３５４とを交互に連結するようにしたので、熱膨張に伴う基板３３と導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４との間に発生する応力が、比較的短い区間で区切られて巻回方向に蓄積しにくくなる。そのうえ、線積率、および全体としての巻回数の双方を向上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。

また、本実施の形態では、導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４の巻回量がいずれも１周未満（０．７５周）であり、かつ、導体パターン３４１〜３４４のうちの１つと、これと連結された導体パターン３５１〜３５４のうちの１つとで（すなわち、連続する２つの導体パターンが合わせて）１周以上巻回しているので、全体としての反りや歪みをより効果的に抑制しつつ、線積率および全体としてのターン数を向上させることができる。ここで、導体パターン３４１〜３４４，３５１〜３５４のいずれか１つでも巻回量が１周以上となると、１次側コイル３１全体としての反りや歪みが生じやすくなる。また、連続する２つの導体パターンが合わせて１周未満の巻回量であると、線積率が低下し、コンパクト化が困難となってしまう。

また、本実施の形態では、接続部３６１〜３６７を、導体形成層３４，３５に沿って均等に配置するようにしたので、１次側コイル３１全体としての反りや歪みを、より均質に低減することができる。

＜変形例１＞
次に、図８を参照して、本実施の形態における第１の変形例（変形例１）について説明する。図８は、１次側コイル３１の変形例としての１次側コイル７０を表す分解斜視図である。

図８に示したように、１次側コイル７０は、互いに異なる４つの導体形成層７１〜７４を有しており、導体形成層７１〜７４には、導体パターン７１１〜７１４，７２１〜７２４，７３１〜７３４，７４１〜７４４が設けられている。なお、導体パターン７１１〜７１４の各々は、導体形成層７１においては互いに絶縁されている。導体パターン７２１〜７２４，７３１〜７３４，７４１〜７４４についても同様である。また、４つの導体形成層７１〜７４の相互間には、図示しない絶縁層がそれぞれ設けられている。ここで、導体形成層７１および導体形成層７２が対をなしており、導体形成層７３および導体形成層７４もまた対をなしている。すなわち、導体形成層７１，７２において、導体パターン７１１〜７１４および導体パターン７２１〜７２４は図示しない絶縁層を貫く接続部７５１〜７５７によって交互に連結されて一体となっている。同様に、導体形成層７３，７４において、導体パターン７３１〜７３４および導体パターン７４１〜７４４は図示しない絶縁層を貫く接続部７７１〜７７７によって交互に連結されて一体となっている。さらに、導体形成層７２における導体パターン７２４の一端と、導体形成層７３における導体パターン７３１の一端とが接続部７６によって連結されることで、導体パターン７１１〜７１４，７２１〜７２４，７３１〜７３４，７４１〜７４４が一本の導線として機能するように構成されている。

この場合においても、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。

＜変形例２＞
次に、図９を参照して、本実施の形態における第２の変形例（変形例２）について説明する。図９は、１次側コイル３１の変形例としての１次側コイル８０を表す分解斜視図である。

図９に示したように、１次側コイル８０は、互いに異なる４つの導体形成層８１〜８４を有しており、導体形成層８１〜８４には、導体パターン８１１〜８１４，８２１〜８２４，８３１〜８３４，８４１〜８４４が設けられている。なお、導体パターン８１１〜８１４の各々は、導体形成層８１においては互いに絶縁されている。導体パターン８２１〜８２４，８３１〜８３４，８４１〜８４４についても同様である。また、４つの導体形成層８１〜８４の相互間には、図示しない絶縁層がそれぞれ設けられている。ここで、導体形成層８１および導体形成層８２が対をなしており、それらに挟まれた導体形成層８３および導体形成層８４もまた対をなしている。すなわち、導体形成層８１，８２において、導体パターン８１１〜８１４および導体パターン８２１〜８２４は図示しない絶縁層を貫く接続部８５１〜８５７によって交互に連結されて一体となっている。同様に、導体形成層８３，８４において、導体パターン８３１〜８３４および導体パターン８４１〜８４４は図示しない絶縁層を貫く接続部８７１〜８７７によって交互に連結されて一体となっている。さらに、導体形成層８２における導体パターン８２４の一端と、導体形成層８３における導体パターン８３１の一端とが接続部８６によって連結されることで、導体パターン８１１〜８１４，８２１〜８２４，８３１〜８３４，８４１〜８４４が一本の導線として機能するように構成されている。

この場合においても、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。

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。

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、トランス３の２次側コイル３２Ａ，３２Ｂや、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および隙間の輪郭の形状は、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。上記実施の形態等では、それらの輪郭を、連続する曲線としたが、屈曲した不連続な線としてもよい。すなわち、それらの輪郭は、導体の巻回方向以外のベクトル成分を有するものであればよい。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、いずれか一方の面にのみに設けるようにしてもよい。

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１に示したトランスの外観構成を表す斜視図である。 図１に示したトランスの分解斜視図である。 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４に示した１次側コイルの平面構成を表す平面図である。 図１に示したスイッチング電源装置の基本動作を説明するための回路図である。 図１に示したスイッチング電源装置の基本動作を説明するための回路図である。 図１に示したトランスにおける第１の変形例としての１次側コイルの平面構成を表す平面図である。 図１に示したトランスにおける第２の変形例としての１次側コイルの平面構成を表す平面図である。 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

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、３１，７０，８０…１次側コイル、３３…基板、３４，３５，８１〜８４…導体形成層、３４１〜３４４，３５１〜３５４…導体パターン、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，３６１〜３６７，７５１〜７５７，７６，７７１〜７７７，８５１〜８５７，８７１〜８７７…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。

Claims (5)

1. 複数の導体パターンをそれぞれ有すると共に絶縁層を挟んで対向する一組の導体形成層を含み、
   一方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンと、他方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンとが前記絶縁層を貫く複数の接続部によって交互に連結されて一体となり、全体として前記一組の導体形成層に沿って巻回し、
   前記一組の導体形成層の各々において、前記複数の導体パターンが互いに隣り合うように同方向に巻回しており、
   前記複数の導体パターンにおける巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士がそれぞれ連結されており、
   前記複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の前記導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の前記導体形成層における一の導体パターンとで１周以上巻回しており、巻回内周側から巻回外周側へ向けて線幅が徐々に拡大する部分を含む
   ことを特徴とするコイル。
2. 前記複数の導体パターンは、互いに形状および大きさが揃ったものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のコイル。
3. 前記複数の接続部は、前記一組の導体形成層に沿って均等配置されている
   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。
4. 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、
   複数の導体パターンをそれぞれ有すると共に絶縁層を挟んで対向する一組の導体形成層を含み、
   一方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンと、他方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンとが前記絶縁層を貫く複数の接続部によって交互に連結されて一体となり、全体として前記一組の導体形成層に沿って巻回し、
   前記一組の導体形成層の各々において、前記複数の導体パターンが互いに隣り合うように同方向に巻回しており、
   前記複数の導体パターンにおける巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士がそれぞれ連結されており、
   前記複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の前記導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の前記導体形成層における一の導体パターンとで１周以上巻回しており、巻回内周側から巻回外周側へ向けて線幅が徐々に拡大する部分を含む
   ことを特徴とする変圧素子。
5. 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、
   複数の導体パターンをそれぞれ有すると共に絶縁層を挟んで対向する一組の導体形成層を含み、
   一方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンと、他方の前記導体形成層における前記複数の導体パターンとが前記絶縁層を貫く複数の接続部によって交互に連結されて一体となり、全体として前記一組の導体形成層に沿って巻回し、
   前記一組の導体形成層の各々において、前記複数の導体パターンが互いに隣り合うように同方向に巻回しており、
   前記複数の導体パターンにおける巻回中心側の端部同士および巻回外周側の端部同士がそれぞれ連結されており、
   前記複数の導体パターンは、それぞれの巻回量が１周未満であり、かつ、一方の前記導体形成層における一の導体パターンと、これと連結された他方の前記導体形成層における一の導体パターンとで１周以上巻回しており、巻回内周側から巻回外周側へ向けて線幅が徐々に拡大する部分を含む
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。

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