JP4987506B2 - インダクタンス素子及びそれを用いたノイズフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、主としてスイッチング電源回路を使用している電源回路における交流（ＡＣ）アダプタに適用される電気部品に関し、詳しくは商用電源入力に必要とされる交流線（ＡＣライン）に対してノイズ減衰のために接続されるノイズフィルタを構成するために用いられるインダクタンス素子及びそれを用いたノイズフィルタに関する。

従来、この種のスイッチング電源回路としては、例えば図６に示すような回路構成のもの（文献公知に係る発明でないが、一般的に周知であるもの）が挙げられる。

このスイッチング電源回路は、入力側（１次側）フィルタ部１、１次側整流回路部２、スイッチング素子部３、トランス部４、出力側（２次側）整流回路部５、２次側平滑コンデンサ６、電圧変化検出回路部７、及び制御回路部８を備えて成る。尚、ここでは細部を略図するが、各部には抵抗，コンデンサ，ダイオード等のチップ部品が含まれて回路構成される。

このうち、入力側フィルタ部１は、商用電源入力に必要とされる交流線に対してノイズ減衰のために接続されるノイズフィルタであり、電源入力側からのノイズ進入を防ぐ働きがある他、スイッチング電源から発生して入力電源側に帰還するノイズを抑制する働きがある。１次側整流回路部２は、商用電源による交流電源を全波又は半波で整流する。スイッチング回路部３は、制御回路部８から与えられた制御信号に基づいて整流された電圧をオン，オフ制御し、所定の周波数で制御信号に対応したパルス幅の交流電圧を出力する。トランス部４は、１次側から入力されたスイッチング回路部３からの交流電圧を所定の値を持った交流電圧に変圧して２次側から出力する。２次側整流回路部５は、トランス部４から出力された交流電圧を整流して脈動電圧を出力する。２次側平滑コンデンサ６は、２次側整流回路部５からの脈動電圧を平滑化して直流電圧として出力する。電圧変化検出回路部７は、２次側平滑コンデンサ６から出力される直流電圧の変化を検出して検出信号を出力する。制御回路部８は、電圧変化検出回路部７からの検出信号に基づいてパルス幅の検出信号を所定の周波数の制御信号となるように出力してスイッチング回路部３へ与える。

図７は、このスイッチング電源回路における商用電源入力側の細部構成を示した回路ブロック図である。ここでは、主に入力側フィルタ部１における回路構成の細部を示しているが、入力側フィルタ部１自体はコモンモードのノイズを除去する電気部品としてのインダクタンス素子１３、コンデンサ素子１２、及びディファレンシャルモードのノイズを除去する電気部品としてのインダクタンス素子１１から成っている。因みに、ここでのディファレンシャルモードのノイズとは、入力側フィルタ回路部１における入力線間に発生するノイズを示し、コモンモードのノイズとは、入力側フィルタ回路郵１における二つの入力線間と別な基準電位との間に発生するノイズを示すものである。特にインダクタンス素子１３については、トロイダル形状の磁性体コアに巻線が巻回された基本構造のものであり、電流も流れるために巻線は或る程度の太さが必要となっている。

図８は、上述した入力側フィルタ部１に備えられるインダクタンス素子１３の基本構成を示した平面図である。このインダクタンス素子１３は、一般的に周知な構造のもの（例えば特許文献１，２参照）で、トロイダル形状の磁性体コア１４の外周面を絶縁性ケース１５で覆った上、その表面全体に円周方向に沿って巻線１６，１７を巻回し、巻線１６，１７のリード部分が平行して外方へ引き出された構造となっている。

因みに、こうした構造のインダクタンス素子（フィルタ素子，通信用トランス）は、コモンモードのノイズを除去するために２本の巻線が必要であり、そのためには巻線の巻回数も或る程度多くする必要がある。商用電源から電力を得るタイプの電気製品には必ず上述したようなスイッチング電源回路が使用されており、そこには必ずノイズフィルタ（入力側フィルタ部）が必要になる。

特開２００４−２３５７０９号公報（段落［００１３］， ［００１４］，［００１８］，［００２８］、図１、図５、図１５） 特開２００５−１５０１９８号公報（要約、段落［０００４］，［００４０］，［００４１］，［００５６］，［００６５］〜［００６９］、図１、図２、図５、図７、図９、図１４）

近年の電気製品の小型化・薄型化の要望によりスイッチング電源回路の入力側フィルタ部回路にも小型にして安価で高性能な品質が求められており、これに伴ってそこに用いられるインダクタンス素子にも同様に小型化や高特性化が求められている。

ところが、上述した図８に示したような基本構造（特許文献１，２のフィルタ素子，通信用トランスを含むものとする）のままで入力側フィルタ回路部のコモンモードのノイズを除去するためのインダクタンス素子として適用しようとすると、電流が流れるために巻線を或る程度太くした上でその巻回数も或る程度大きくする必要があることに加え、減衰量を向上させるために磁性体コアを大きくする必要があることにより、全体として体積が大きくなって小型化が困難となってしまうため、結果として安価に小型化及び高性能の双方を実現することができないという問題がある。

このことは、インダクタンス素子自体について、そもそも基本構造（全体構造）や巻線の磁性体コアに対する沿面距離等を考慮した改善も数十年に及ぶ期間進んでおらず、比較的大きい体積を有するものとなっており、しかもフィルタとしての特性改善についても長年停滞したままであるという事情がある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、安価に小型化及び高性能が可能なコモンモード用インダクタンス素子及びそれを用いたノイズフィルタを提供することにある。

本発明によれば、トロイダル形状の磁性体コアの外周面を絶縁性ケースで覆った上に、前記絶縁性ケースの表面全体に円周方向に沿って巻線を巻回して成るインダクタンス素子において、前記巻線の外表面の少なくとも一部分に対して前記巻線を容量結合させるための箔状導体としての銅箔を絶縁物を介在させて覆うように設け、前記銅箔に接続された接地接続用端子が、前記巻線の複数のリード部分の外側の位置で、前記巻線のリード部分と平行し且つ隔てられて外方へ引き出されて成ることを特徴とするインダクタンス素子が得られる。

又、本発明によれば、上記何れか一つのインダクタンス素子において、磁性体コアの透磁率は１００００以上であるインダクタンス素子が得られる。

これらの何れか一つのインダクタンス素子において、巻線は複数本から成ると共に、磁性体コアにより互いに磁気的に結合されたことは好ましい。

一方、本発明によれば、上記何れか一つのインダクタンス素子を有するノイズフィルタであって、該インダクタンス素子を商用電源入力の交流線に対して接続したノイズフィルタが得られる。

他方、本発明によれば、上記何れか一つのインダクタンス素子と少なくとも１個の容量性素子とから成るフィルタユニットが得られる。このフィルタユニットにおいて、少なくとも１個の別なインダクタンス素子を備えて成ることは好ましい。

更に、上記何れか一つのインダクタンス素子を商用電源入力部に備えた電気機器を構成すること、上記何れかのフィルタユニットを商用電源入力部に備えると共に、交流ラインフィルタとして機能する電気機器を構成すること、上記何れか一つのインダクタンス素子を商用電源入力部に備えてスイッチング電源装置を構成すること、上記何れかのフィルタユニットを商用電源入力部に備えると共に、交流ラインフィルタとして機能するスイッチング電源装置を構成すること、上記何れか一つのインダクタンス素子を電圧出力部に配置してスイッチング電源装置を構成すること、上記何れかのフィルタユニットを電圧出力部に配置してスイッチング電源装置を構成することは、それぞれ好ましい。

本発明のインダクタンス素子の場合、磁性体コアヘ巻回された巻線を容量結合するための箔状導体を素子の少なくとも一部分に対して絶縁物を介在させて覆うように設け、箔状導体に接続された接地接続用端子を外方へ引き出される構造とした上、磁性体コアを従来のものと比べてその体積を約１／２として高い透磁率が得られるように材料選定しているため、小型化しても高周波帯域で優れた減衰特性が得られてノイズ除去効果が増大し、結果として安価に全体の小型化及び高性能が図られ、これをコモンモード用として適用したノイズフィルタにおいても同様な効果が得られるようになる。

本発明の実施形態に係るインダクタンス素子は、磁性体コアヘ巻線を巻回して成る基本構造において、巻線を容量結合するための箔状導体を素子の少なくとも一部分に対して絶縁物を介在させて覆うように設けたものである。

但し、このインダクタンス素子において、箔状導体は、外方へ引き出されるように接続された接地接続用端子を有することが好ましい。何れの場合も、インダクタンス素子は、磁性体コアの外表面を覆った絶縁性ケース、磁性体コアを装着可能で巻線を巻回するための絶縁性ボビン、及び磁性体コアを固定可能で箔状導体が設けられた絶縁性端子台の少なくとも一つを有する場合に適用でき、こうした構造とすることも好ましい。又、箔状導体は銅箔であることが好ましい他、磁性体コアの透磁率は１００００以上であることが好ましい。更に、巻線は複数本から成ると共に、磁性体コアにより互いに磁気的に結合された構造であることが好ましい。

何れのインダクタンス素子についても、これらを有するノイズフィルタであって、インダクタンス素子を商用電源入力の交流線（ＡＣライン）に対して接続したノイズフィルタとして適用させることができる。因みに、ここで言うノイズフィルタとは、図６に示したスイッチング電源回路における入力側フィルタ部１であり、何れのインダクタンス素子についても、それに使用される図７に示されるコモンモード用インダクタンス素子１３に代用されるものである。

そこで、以下は、幾つかの実施例を挙げ、本発明のスイッチング電源回路用入力側フィルタ部向けコモンモード用インダクタンス素子について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るコモンモード用インダクタンス素子１３ａの基本構成を示した平面図である。

このインダクタンス素子１３ａは、トロイダル形状の磁性体コア１４ａの外周面を絶縁性ケース１５ａで覆った上、その表面全体に円周方向に沿って巻線１６，１７を巻回した基本構造を有する他、巻線１６，１７の外表面の局所に対して巻線１６，１７を容量結合するための箔状導体として銅箔２２を設け、この銅箔２２に接続された接地接続用端子２１が巻線１６，１７のリード部分と平行し、且つ隔てられて外方へ引き出された構造となっている。

即ち、このインダクタンス素子１３ａでは、素子外周の巻線１６，１７外表面の一部に接地接続用端子２１を有する銅箔２２を設けてその部分で巻線１６，１７を覆っているが、実際に使用する場合には巻線１６，１７と銅箔２２との間に絶縁物を介在させて銅箔２２の巻線１６，１７に対する容量結合を得る構造とする必要がある。

この実施例１に係るインダクタンス素子１３ａの場合、使用した磁性体コア１４ａの大きさは、外径が１０．８５ｍｍ、内径が６．６１ｍｍ、高さが１．６７ｍｍ、体積が９５ｍｍ^３である。因みに、比較として図８で説明したインダクタンス素子１３に使用されている磁性体コア１４の大きさは、外径が１０．９１ｍｍ、内径が５．８７ｍｍ、高さが３．００ｍｍ、体積が１９９ｍｍ^３である場合を例示できるので、磁性体コア１４ａの体積は、磁性体コア１４の体積の約１／２となっている。又、磁性体コア１４ａの透磁率は磁性体コア１４の透磁率の２倍程度となっている。

そこで、実施例１に係るインダクタンス素子１３ａと周知のインダクタンス素子１３とにおける周波数に対する減衰特性を比較した。

図２は、ここでのインダクタンス素子１３ａにおける周波数（ＭＨｚ）に対する減衰Ｍａｇ（ｄＢ）特性を比較としての図８に示した従来のインダクタンス素子１３のものと対比して示したものである。

減衰特性の比較結果からは、実施例１に係るインダクタンス素子１３ａは、周波数３０ｋＨｚ〜約６０ＭＨｚまでの帯域でインダクタンス素子１３のものよりも上回っていることが判る。

特に低周波数帯域側で実施例１に係るインダクタンス素子１３ａの減衰特性が従来のインダクタンス素子１３の減衰特性を上回っているのは、使用した磁性体コア１４ａの透磁率が磁性体コア１４の透磁率よりも２倍大きく、その材料特性の相違に大きく起因している。又、インダクタンス素子１３ａの減衰特性が１ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数帯域までインダクタンス素子１３の減衰特性を大きく上回っているのは、インダクタンス素子１３ａの場合には巻線１６，１７の一部を銅箔２２で覆い、銅箔２２から接地接続用端子２１により接地接続することより、巻線１６，１７の自己線間容量がキャンセルされて高周波特性が改善される基本構造の相違に起因していると考えられる。

因みに、実施例１に係るインダクタンス素子１３ａにおいて、銅箔２２で巻線１６，１７を覆う箇所や面積等は、巻回されている巻線１６，１７の巻回数（ターン数），太さ，長さや、磁性体コア１４ａの大きさ，材料特性等により適宜変更可能である。

図３は、本発明の実施例２に係るコモンモード用インダクタンス素子１３ｂの基本構成を一部透視して示した平面図である。

このインダクタンス素子１３ｂは、トロイダル形状の磁性体コア１４ｂの外周面を絶縁性ケース１５ｂで覆った上、その表面全体に円周方向に沿って巻線１６，１７を巻回した基本構造を有する他、絶縁性ケース１５ｂ内の局所に対して巻線１６，１７を容量結合するための箔状導体として銅箔２３を設け、この銅箔２３に接続された接地接続用端子２１が巻線１６，１７のリード部分と平行し、且つ隔てられて外方へ引き出された構造となっている。

即ち、このインダクタンス素子１３ｂでは、素子外周側内部の局部となる絶縁性ケース１５ｂ内の一部に接地接続用端子２１を有する銅箔２３を設けてその部分で巻線１６，１７を覆う構造としているが、この場合には銅箔２３を絶縁性ケース１５ｂの内側に貼り付けして配置させるか、或いは銅箔２３を磁性体コア１４ｂの外局面に貼り付けて配置させることが可能である。何れにせよ、ここでは銅箔２３を絶縁物である絶縁性ケース１５ｂを介在させて設け、その部分で巻線１６，１７を覆うことができるため、巻線１６，１７との沿面距離も確保できるという点で便利な構造となっている。

この実施例２に係るインダクタンス素子１３ｂについても、減衰特性は図２に示した実施例１の場合と同様に従来のインダクタンス素子１３の減衰特性を上回る高性能なものとなり、且つ全体の小型化も図り得るものとなる。因みに、この実施例２に係るインダクタンス素子１３ｂの場合においても、銅箔２３で巻線１６，１７を覆う箇所や面積等は、巻回されている巻線１６，１７の巻回数（ターン数），太さ，長さや、磁性体コア１４ｂの大きさ，材料特性等により適宜変更可能である。

図４は、本発明の実施例３に係るコモンモード用インダクタンス素子１３ｃの基本構成を示した平面図である。

このインダクタンス素子１３ｃは、トロイダル形状の磁性体コア１４ｃの外周面を絶縁性ケース１５ｃで覆った上、その表面全体に円周方向に沿って巻線１６，１７を巻回した基本構造を有する他、素子内周側に巻線１６，１７を覆うように容量結合するための箔状導体として銅箔２４を設け、この銅箔２４に接続された接地接続用端子２１が巻線１６，１７のリード部分と平行し、且つやや隔てられて外方へ引き出された構造となっている。

即ち、このインダクタンス素子１３ｃでは、素子内周側表面の一部に接地接続用端子２１を有する銅箔２４を設けてその部分で巻線１６，１７を覆っているが、ここでも実際に使用する場合には巻線１６，１７と銅箔２４との間に絶縁物を介在させて銅箔２４の巻線１６，１７に対する容量結合を得る構造とする必要がある他、接地接続用端子２１の引き出し方（リード線の引き出しパターン）を例えば図４に示されるように例えば巻線１７のリード部分に接近させる等、工夫を施す必要がある。

この実施例３に係るインダクタンス素子１３ｃについても、減衰特性は図２に示した実施例１の場合と同様に従来のインダクタンス素子１３の減衰特性を上回る高性能なものとなり、且つ全体の小型化も図り得るものとなる。因みに、この実施例３に係るインダクタンス素子１３ｃの場合においても、銅箔２４で巻線１６，１７を覆う箇所や面積等は、巻回されている巻線１６，１７の巻回数（ターン数），太さ，長さや、磁性体コア１４ｃの大きさ，材料特性等により適宜変更可能である。又、実施例２の場合と同様に、素子内周側であって、コアケース内に銅箔を配置した構造とすることも可能である。

図５は、本発明の実施例４に係るコモンモード用インダクタンス素子１３ｄの基本構成を一部透視して示した平面図である。

このインダクタンス素子１３ｄは、トロイダル形状の磁性体コア１４ｄの外周面を絶縁性ケース１５ｄで覆った上、その表面全体を円周方向に沿って巻線１６，１７を巻回した基本構造を有する他、素子の外周面の局所に対して巻線１６，１７を容量結合するための箔状導体として銅箔２５を埋め込んだ絶縁性端子台２６を付設して磁性体コア１４ｄを固定し、絶縁性端子台２６内の銅箔２５に接続された接地接続用端子２１が巻線１６，１７のリード部分の間へ平行して外方へ引き出される構造となっている。

即ち、このインダクタンス素子１３ｄでは、別途部品として素子に付設される絶縁性端子台２６に接地接続用端子２１を有する銅箔２５を埋め込んでその部分で巻線１６，１７を覆っているが、この場合には銅箔２５を絶縁性ケース１５ｄ及び絶縁性端子台２６を介在させて設けることができるため、実施例３の場合と同様に巻線１６，１７との沿面距離も一層精度良く確保できるという点で有利な構造となっている。

この実施例４に係るインダクタンス素子１３ｄについても、幾分部品点数は増えるものの、減衰特性は図２に示した実施例１の場合と同様に従来のインダクタンス素子１３の減衰特性を上回る高性能なものとなり、且つ全体の小型化も図り得るものとなる。因みに、この実施例４に係るインダクタンス素子１３ｄの場合においても、絶縁性端子台２６に埋設される銅箔２５で巻線１６，１７を覆う箇所や面積等は、巻回されている巻線１６，１７の巻回数（ターン数），太さ，長さや、磁性体コア１４ｄの大きさ，材料特性等により適宜変更可能である。

尚、上述した各実施例に係るインダクタンス素子１３ａ〜１３ｄでは、磁性体コア１４ａ〜１４ｄの外表面（外周面）を絶縁性ケース１５ａ〜１５ｄで覆った構造を説明したが、これ以外にも磁性体コア１４ａ〜１４ｄを装着可能な絶縁性ボピンを用い、その絶縁性ボビンヘ巻線１６，１７を巻回する構造へ変更することが可能であり、こうした構造にしても同等に全体の小型化及び減衰特性の優れた高性能化を図ることができるので、本願発明のインダクタンス素子は各実施例で開示したものに限定されない。何れにしても、本願発明のインダクタンス素子をノイズフィルタに適用した場合、同等に小型化及び高性能に寄与できる。

ところで、上述したインダクタンス素子の場合、巻線１７，１８を複数本から成るものであって、磁性体コア１５ａ〜１５ｄにより互いに磁気的に結合された構造とすることもできるが、こうした場合も含めて上述したインダクタンス素子は様々な分野への適用が可能である。例えば、係るインダクタンス素子に対して少なくとも１個の容量性素子を組み合わせたり、更に少なくとも１個の別なインダクタンス素子を備えた構成とすれば、フィルタユニットとして適用できる。又、係るインダクタンス素子を商用電源入力部に備えれば、電気機器として適用できる。この場合、特に上述した構成のフィルタユニットを商用電源入力部に備えるようにすれば、交流（ＡＣ）ラインフィルタとして機能する電気機器を作製できる。更に、係るインダクタンス素子を商用電源入力部に備えれば、スイッチング電源装置として適用できる。この場合も、特に上述した構成のフィルタユニットを商用電源入力部に備えるようにすれば、交流（ＡＣ）ラインフィルタとして機能するスイッチング電源装置を作製できる。加えて、係るインダクタンス素子を電圧出力部に配置すれば、スイッチング電源装置として適用できる。この場合、特に上述した構成のフィルタユニットを電圧出力部に配置してスイッチング電源装置を構築すれば好適となる。

本発明の実施例１に係るインダクタンス素子の基本構成を示した平面図である。 図１に示すインダクタンス素子における周波数に対する減衰特性を従来のインダクタンス素子のものと対比して示したものである。 本発明の実施例２に係るインダクタンス素子の基本構成を一郎透視して示した平面図である。 本発明の実施例３に係るインダクタンス素子の基本構成を示した平面図である。 本発明の実施例４に係るインダクタンス素子の基本構成を一部透視して示した平面図である。 従来のスイッチング電源回路の基本構成を示した回路ブロック図である。 図６に示すスイッチング電源回路における商用電源入力側の細部構成を示した回路ブロック図である。 図７に示される入力側フィルタ部に備えられるインダクタンス素子の基本構成を示した平面図である。

符号の説明

１ 入力側フィルタ部
２ １次側整流回路部
３ スイッチング回路部
４ トランス部
５ ２次側整流回路部
６ ２次側コンデンサ
７ 電圧変化検出部
８ 制御回路郎
１１，１３，１３ａ〜１３ｄ インダクタンス素子
１２ コンデンサ素子
１４，１４ａ〜１４ｄ 磁性体コア
１５，１５ａ〜１５ｄ 絶縁性ケース
１６，１７ 巻線
２１ 接地接続用端子
２２〜２５ 銅箔
２６ 絶縁性端子台

Claims (12)

1. トロイダル形状の磁性体コアの外周面を絶縁性ケースで覆った上に、前記絶縁性ケースの表面全体に円周方向に沿って巻線を巻回して成るインダクタンス素子において、前記巻線の外表面の少なくとも一部分に対して前記巻線を容量結合させるための箔状導体としての銅箔を絶縁物を介在させて覆うように設け、前記銅箔に接続された接地接続用端子が、前記巻線の複数のリード部分の外側の位置で、前記巻線のリード部分と平行し且つ隔てられて外方へ引き出されて成ることを特徴とするインダクタンス素子。
2. 請求項１に記載のインダクタンス素子において、前記磁性体コアの透磁率は１００００以上であることを特徴とするインダクタンス素子。
3. 請求項１又は２に記載のインダクタンス素子において、前記巻線は複数本から成ると共に、前記磁性体コアにより互いに磁気的に結合されたことを特徴とするインダクタンス素子。
4. 請求項１〜３の何れか一つに記載のインダクタンス素子を有するノイズフィルタであって、該インダクタンス素子を商用電源入力の交流線に対して接続したことを特徴とするノイズフィルタ。
5. 請求項１〜３の何れか一つに記載のインダクタンス素子と少なくとも１個の容量性素子とから成ることを特徴とするフィルタユニット。
6. 請求項５記載のフィルタユニットにおいて、少なくとも１個の別なインダクタンス素子を備えて成ることを特徴とするフィルタユニット。
7. 請求項１〜３の何れか一つに記載のインダクタンス素子を商用電源入力部に備えたことを特徴とする電気機器。
8. 請求項５又は６記載のフィルタユニットを商用電源入力部に備えると共に、交流ラインフィルタとして機能することを特徴とする電気機器。
9. 請求項１〜３の何れか一つに記載のインダクタンス素子を商用電源入力部に備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
10. 請求項５又は６記載のフィルタユニットを商用電源入力部に備えると共に、交流ラインフィルタとして機能することを特徴とするスイッチング電源装置。
11. 請求項１〜３の何れか一つに記載のインダクタンス素子を電圧出力部に配置したことを特徴とするスイッチング電源装置。
12. 請求項５又は６記載のフィルタユニットを電圧出力部に配置したことを特徴とするスイッチング電源装置。

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