JP6312945B1

JP6312945B1 - 平面トランス、レーザダイオード駆動用電源装置及びレーザ加工装置

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Publication number: JP6312945B1
Application number: JP2017552517A
Authority: JP
Inventors: 五十嵐　弘; 弘五十嵐; 角田　義一; 義一角田; 岩田　明彦; 明彦岩田; 森本　猛; 猛森本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2018-04-18
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Abstract

平面トランス（４）は、複数のＥＩコア（４ａ１），（４ａ２）と、複数のＥＩコア（４ａ１），（４ａ２）のそれぞれを取り囲む１次巻線が設けられる１次巻線基板（４１０）と、複数のＥＩコア（４ａ１），（４ａ２）のそれぞれを取り囲む２次巻線が設けられる第１の２次巻線基板（４２１）と、複数のＥＩコア（４ａ１），（４ａ２）のそれぞれを取り囲む２次巻線が設けられる第２の２次巻線基板（４２２）とを備え、１次巻線基板（４１０）、第１の２次巻線基板（４２１）及び第２の２次巻線基板（４２２）は、互いに離間して積層される。

Description

本発明は、コアを備えた平面トランス、レーザダイオード駆動用電源装置及びレーザ加工装置に関する。

特許文献１に開示されるフラット構造の変圧器は、凹部が形成されるプリント回路基板と、当該凹部に配置される磁性体コアとを備える。プリント回路基板に形成された凹部の回りには、１次巻線及び２次巻線が設けられる。特許文献１に開示されるフラット構造の変圧器では、１つのプリント回路基板上に１次巻線と２次巻線とが互いに電気的に絶縁された状態で設けられ、プリント回路基板の凹部には磁性体コアの凸部が挿入される。そして特許文献１に開示されるフラット構造の変圧器では、１次巻線と２次巻線との巻数比を変えることにより、任意の変圧比が設定される。

特開２００７−８８１３１号公報

ここで、巻線の高周波成分に対する交流抵抗は、導体に交流電流が流れることにより生じる表皮効果の影響と、隣接する導体間で生じる近接効果の影響とによって、周波数が高くなるほど増加する。そのため巻線に流れる電流は高周波になるほど流れ難くなり、またこの現象は大電力及び大電流になるほど顕著になる。一方、大電力用途のトランスでは、巻線の発熱対策のため、巻線を構成する配線パターンの幅を広くした場合、相対的に巻線数が減少するため、コアが磁気飽和しない範囲で一定の値の励磁インダクタンスを得ることが困難となる。特許文献１に開示されるフラット構造の変圧器では、１つの基板の一方の板面に１次巻線が設けられ、他方の板面に２次巻線が設けられるため、巻線長を長くでき、一定の値の励磁インダクタンスが得られる。しかしながら、１つの基板上に１次巻線及び２次巻線が設けられているため、隣接する導体間の距離が近くなり、大電力及び大電流の用途においては表皮効果及び近接効果の影響を受けてしまい、損失が増加するという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大電力及び大電流の用途に適用できる平面トランスを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の平面トランスは、複数のＥＩコアと、複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む１次巻線が設けられる１次巻線基板と、複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む２次巻線が設けられる２次巻線基板とを備え、１次巻線基板及び２次巻線基板は、離間して積層され、１次巻線基板と２次巻線基板との間には空気層が形成され、複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む１次巻線は、直列に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る平面トランスは、大電力及び大電流の用途に適用できるという効果を奏する。

本実施の形態に係るレーザ加工装置の構成図本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の構成例を示す図本実施の形態に係る平面トランスの第１の斜視図本実施の形態に係る平面トランスの第２の斜視図図３に示す平面トランスの断面図図３及び図４に示す平面トランスの部分拡大図本実施の形態に係る平面トランスの第１の変形例を示す図図７に示す平面トランスの部分拡大図本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の第１の変形例を示す図本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の第２の変形例を示す図図５に示す巻線の変形例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る平面トランス、レーザダイオード駆動用電源装置及びレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本実施の形態に係るレーザ加工装置の構成図である。図１に示されるレーザ加工装置１００は、三相又は単相の交流電源２００から供給される交流電圧を直流電圧に変換するレーザダイオード駆動用電源装置１１０と、レーザダイオード駆動用電源装置１１０から供給される直流電流によりレーザを出射するレーザダイオード１２０と、ファイバ１３０と、ワーク３００を加工するための加工ヘッド１４０と、レンズ１５０とを備える。

ファイバ１３０には、レーザダイオード１２０から出射されたレーザを加工ヘッド１４０で伝送する光学結合系と光増幅器とが含まれる。レーザダイオード１２０から出力されたレーザは、ファイバ１３０によって加工ヘッド１４０まで伝送され、加工ヘッド１４０内のレンズ１５０によりワーク３００上に集光される。これによりワーク３００の切断加工が行われる。ワーク３００の加工時には、レーザの集光位置をワーク３００上で移動させる必要があるため、ワーク３００を移動させる不図示のワーク移動機構上にワーク３００が設置され、又はレーザ加工装置１００には加工ヘッド１４０を移動させる不図示のヘッド移動機構が設けられるものとする。

図２は本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の構成例を示す図である。レーザダイオード駆動用電源装置１１０は、定電流制御部１０により制御される定電流方式の絶縁型電力変換器である。定電流制御部１０は、レーザダイオード１２０に流れる電流を検出する電流検出器８で検出された電流に基づき、インバータ回路３が備える複数のスイッチング素子を制御する。

レーザダイオード駆動用電源装置１１０は、交流電源２００から供給される交流電圧を整流する整流回路１と、整流回路１に並列に接続されたコンデンサ２と、インバータ回路３と、平面トランス４と、２つの整流ダイオード５，６と、平滑リアクトル７とを備える。

平面トランス４は、４つのトランス４ａで構成されており、４つのトランス４ａのそれぞれは、ＥＩコア群４０と、インバータ回路３の出力端と電気的に接続される１次巻線４１０ｃと、整流ダイオード５と電気的に接続される第１の２次巻線である複数の２次巻線４２１ｃと、整流ダイオード６と電気的に接続される第２の２次巻線である複数の２次巻線４２２ｃとを備える。

４つのトランス４ａのそれぞれが備えるＥＩコア群４０は、「Ｅ」字状のＥコアと「Ｉ」字状のＩコアとを組み合わされて構成される。複数の１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃのそれぞれは、基板の配線パターンにより形成されており、Ｅコアの周囲を取り囲むように設けられている。１次巻線４１０ｃと２次巻線４２１ｃとは、Ｅコア及びＩコアにより電磁誘導結合され、１次巻線４１０ｃと２次巻線４２２ｃとは、Ｅコア及びＩコアにより電磁誘導結合される。

４つのトランス４ａのそれぞれが備える１次巻線４１０ｃは、直列に接続される。４つのトランス４ａのそれぞれが備える２次巻線４２１ｃは、並列に接続される。４つのトランス４ａのそれぞれが備える２次巻線４２２ｃは、並列に接続される。

平面トランス４には、２つの２次側出力が設けられている。一方の２次側出力は、並列に接続された複数の２次巻線４２１ｃの両端であり、整流ダイオード５に接続される。他方の２次側出力は、並列に接続された複数の２次巻線４２２ｃの両端であり、整流ダイオード６に接続されている。

整流回路１で整流された直流電圧は、インバータ回路３により、数十［ｋＨｚ］から数百［ｋＨｚ］の高周波電圧に変換される。インバータ回路３で変換された高周波電圧は、平面トランス４の１次側に入力され、平面トランス４で昇圧又は降圧される。

平面トランス４の２次側から出力される電流は、整流ダイオード５，６と平滑リアクトル７とを介して、レーザダイオード１２０に流れる。整流ダイオード５，６及び平滑リアクトル７により、レーザダイオード１２０に入力される電流のリップル電流が低減される。

このように構成されたレーザダイオード駆動用電源装置１１０の出力電圧は、平面トランス４の巻数比により調整され、レーザダイオード駆動用電源装置１１０の出力電流は、インバータ回路３内の複数のスイッチング素子のスイッチング周期に対するオン時間の割合で調整される。

なおレーザダイオード駆動用電源装置１１０では、整流回路１で整流された直流電圧がインバータ回路３に印加されているが、整流回路１とインバータ回路３との間に、力率を改善するためのＰＦＣ（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路を設けて、整流回路１で整流された直流電圧をＰＦＣ回路で一定電圧に昇圧し、昇圧した電圧をインバータ回路３に印加する回路構成としてもよい。

図３は本実施の形態に係る平面トランスの第１の斜視図である。図４は本実施の形態に係る平面トランスの第２の斜視図である。図３及び図４では、右手系のＸＹＺ座標において、複数のトランス４ａの配列方向がＸ軸方向とされ、Ｘ軸方向と直交する方向がＹ軸方向とされ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に直交する方向がＺ軸方向とされる。

平面トランス４は、Ｚ軸方向に配列される金属板４００と、１次巻線基板４１０と、第１の２次巻線基板４２１と、第２の２次巻線基板４２２と、４つのトランス４ａとを備える。

また平面トランス４は、金属板４００に１次巻線基板４１０を固定する固定部材であるスペーサ４１０ａと、金属板４００に第１の２次巻線基板４２１を固定する固定部材であるスペーサ４２１ａと、金属板４００に第２の２次巻線基板４２２を固定する固定部材であるスペーサ４２２ａと、１次巻線基板４１０と金属板４００との間に設けられる補助プレート４３０と、押えバネ４４０と、金属板４００に押えバネ４４０を固定するバネ固定部材であるスペーサ４４０ａとを備える。

金属板４００及び補助プレート４３０のそれぞれの材料としては、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼又は鉄合金を例示できる。

１つのコアであるＥＩコア４ａ１と１つのコアであるＥＩコア４ａ２との組で１つのトランス４ａが構成される。ＥＩコア４ａ１とＥＩコア４ａ２との組は、図２に示す１つのＥＩコア群４０に相当する。

スペーサ４１０ａのＺ軸方向の一端は、金属板４００にネジ止めされ、スペーサ４１０ａのＺ軸方向の他端は、１次巻線基板４１０にネジ止めされる。スペーサ４２１ａのＺ軸方向の一端は、金属板４００にネジ止めされ、スペーサ４２１ａのＺ軸方向の他端は、第１の２次巻線基板４２１にネジ止めされる。スペーサ４２２ａのＺ軸方向の一端は、金属板４００にネジ止めされ、スペーサ４２２ａのＺ軸方向の他端は、第２の２次巻線基板４２２にネジ止めされる。スペーサ４１０ａ、スペーサ４２１ａ及びスペーサ４２２ａは、Ｚ軸方向の長さがスペーサ４１０ａ＜スペーサ４２１ａ＜スペーサ４２２ａの関係性を有する。

第１の２次巻線基板４２１には、第１の出力端子である一対の出力端子４２１ｄが設けられている。一対の出力端子４２１ｄは、第１の２次巻線基板４２１に設けられた不図示の配線パターンにより、２次巻線４２１ｃの両端に接続される。

第２の２次巻線基板４２２には、第２の出力端子である一対の出力端子４２２ｄが設けられている。一対の出力端子４２２ｄは、第２の２次巻線基板４２２に設けられた不図示の配線パターンにより、２次巻線４２２ｃの両端に接続される。

一対の出力端子４２１ｄは、不図示の電線又はバスバーを介して、図２に示す整流ダイオード５に接続される。一対の出力端子４２２ｄは、不図示の電線又はバスバーを介して、図２に示す整流ダイオード６に接続される。ここで、Ｚ軸方向に第２の２次巻線基板４２２から第１の２次巻線基板４２１を見たとき、一対の出力端子４２１ｄのＸＹ平面上における位置は、一対の出力端子４２２ｄのＸＹ平面上における位置と異なる。一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄの位置をずらすことにより、各出力端子への電線又はバスバーの接続が容易化される。

図５は図３に示す平面トランスの断面図である。図５では、説明の便宜状、金属板４００、１次巻線基板４１０、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２のそれぞれの離間幅が、図３に示されるこれらの離間幅よりも広くなるように表記されている。またＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２の間の離間幅も同様である。図５の上側には、平面トランス４をＹＺ平面で見た断面図が示される。図５の下側には、１次巻線基板４１０、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２のそれぞれをＺ軸方向に見た巻線状態が示される。

具体的には、図５の下側には、Ｅコア４ａ１１に設けられた中脚部４ａ１１１と、中脚部４ａ１１１に巻かれた１次巻線４１０ｃと、中脚部４ａ１１１に巻かれた２次巻線４２１ｃと、中脚部４ａ１１１に巻かれた２次巻線４２２ｃとが示される。また図５の下側には、Ｅコア４ａ２１に設けられた中脚部４ａ２１１と、中脚部４ａ２１１に巻かれた１次巻線４１０ｃと、中脚部４ａ２１１に巻かれた２次巻線４２１ｃと、中脚部４ａ２１１に巻かれた２次巻線４２２ｃとが示される。

金属板４００、１次巻線基板４１０、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２は、Ｚ軸方向に互いに離間して配列されている。１次巻線基板４１０と金属板４００との間には、隙間４５０が形成されている。１次巻線基板４１０と第１の２次巻線基板４２１との間には、隙間４５１が形成されている。第１の２次巻線基板４２１と第２の２次巻線基板４２２との間には、隙間４５２が形成されている。これらの隙間の幅は、図３及び図４に示すスペーサ４１０ａ、スペーサ４２１ａ及びスペーサ４２２ａのそれぞれの長さを変えることで調整される。

１次巻線基板４１０には、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通孔４１０ｂが形成されると共に、１次巻線４１０ｃが設けられている。１次巻線４１０ｃは、貫通孔４１０ｂを取り囲むように１次巻線基板４１０上に設けられている。

第１の２次巻線基板４２１には、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通孔４２１ｂが形成されると共に、２次巻線４２１ｃが設けられている。２次巻線４２１ｃは、貫通孔４２１ｂを取り囲むように、第１の２次巻線基板４２１上に設けられている。

第２の２次巻線基板４２２には、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通孔４２２ｂが形成されると共に、２次巻線４２２ｃが設けられている。２次巻線４２２ｃは、貫通孔４２２ｂを取り囲むように、第２の２次巻線基板４２２上に設けられている。

１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃのそれぞれは、導電膜をパターニングすることにより、平面コイルパターンとして形成されたものである。

貫通孔４１０ｂ、貫通孔４２１ｂ及び貫通孔４２２ｂは、Ｚ軸方向に配列されており、これらの貫通孔には、ＥＩコア４ａ１のＥコア４ａ１１と、ＥＩコア４ａ２のＥコア４ａ２１とが挿入される。

Ｅコア４ａ１１のＺ軸方向の先端部には、ＥＩコア４ａ１のＩコア４ａ１２が接続されている。Ｅコア４ａ２１のＺ軸方向の先端部には、ＥＩコア４ａ２のＩコア４ａ２２が接続されている。

Ｉコア４ａ１２及びＩコア４ａ２２は隙間４５０に設けられている。金属板４００には、Ｘ軸方向の端面に凹部４００ａが形成されている。凹部４００ａは、Ｉコア４ａ１２及びＩコア４ａ２２のＸＹ平面上の位置決め用の嵌合部である。

図５に示される１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃは、図３及び図４に示す４組のＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２のそれぞれに対応付けて設けられている。

各組のＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２のそれぞれに対応付けられた１次巻線４１０ｃは、直列に接続される。直列に接続された１次巻線群の両端は、図２に示す平面トランス４の入力端として、インバータ回路３に接続される。

各組のＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２に対応付けられた２次巻線４２１ｃは並列に接続される。並列に接続された複数の２次巻線４２１ｃのそれぞれの両端は、図２に示す平面トランス４の出力端として、整流ダイオード５に接続される。

各組のＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２に対応付けられた２次巻線４２２ｃは並列に接続される。並列に接続された複数の２次巻線４２２ｃのそれぞれの両端は、図２に示す平面トランス４の出力端として、整流ダイオード６に接続される。

図６は図３及び図４に示す平面トランスの部分拡大図である。図６に示すように、Ｙ軸方向に配列される２つの補助プレート４３０の間には、ＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２が設けられている。なお、図５に示す１組のＩコア４ａ１２及びＩコア４ａ２２は、図６に示す２つの補助プレート４３０の間に設けられている。

１次巻線基板４１０と金属板４００との間には、補助プレート４３０と絶縁シート４６０とが設けられている。補助プレート４３０と絶縁シート４６０は、Ｚ軸方向に配列されており、互いにネジ止めされている。絶縁シート４６０は、補助プレート４３０と１次巻線基板４１０との間に設けられている。

絶縁シート４６０は、絶縁性及び高熱伝導性を有するシートである。具体的には、絶縁シート４６０は、絶縁性のシートに、熱伝導性の高い粒子又は熱伝導性の高い粉体を混合させることにより製造された部材である。絶縁性のシートの材料には、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム又はアクリルゴムを例示できる。熱伝導性の高い粒子又は熱伝導性の高い粉体の材料には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカ又はマイカを例示できる。

ＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２のそれぞれは、押えバネ４４０で固定されている。押えバネ４４０を固定するスペーサ４４０ａは、１次巻線基板４１０、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２に形成された貫通孔に挿入されて、金属板４００にネジ止めされている。これにより、押えバネ４４０は、ＥＩコア４ａ１及びＥＩコア４ａ２のそれぞれを金属板４００に向かって付勢する。

このように本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置１１０では、１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃのそれぞれが、異なる基板に形成されている。そのため１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃのそれぞれを構成する配線パターンのパターン幅を、一定の絶縁距離を確保しながらＥＩコア群４０に形成された開口部の幅近くまで広くすることができるため、配線パターンが狭くなることによる抵抗値の増加を抑制できる。

また、１次巻線基板４１０及び第１の２次巻線基板４２１は隙間４５１を介して保持されるため、平面トランス４では大きな漏れインダクタンスが得られる。この漏れインダクタンスがインバータ回路３のＺＶＳ（Ｚｅｒｏ−ＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）制御の共振インダクタンスとして利用されることにより、外付けの共振インダクタンスが不要となり、又は外付けの共振インダクタンスを低いインダクタンス値にすることができる。

また本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置１１０では、複数のトランス４ａのそれぞれに設けられた１次巻線４１０ｃが直列に接続されているため、１つのトランス４ａ当たりの１次巻線４１０ｃの巻数が少ない場合でも、トランス４ａの直列数を増やすことで一定の励磁インダクタンスを得ることができる。

また複数のトランス４ａを用いて１つの平面トランス４が構成されるため、複数のトランス４ａのそれぞれで発生する熱が分散され、各巻線の面積が広くなり、コアの放熱面積が広くなる。従って平面トランス４の全体の温度上昇を抑制できる。

なお、コアに形成された複数の凸部に巻線を巻く従来技術のトランス構造ではコアが大型になる。大型のコアでは、コア焼結時に割れが発生しやすく、歩留りが低下する。また大型のコアを機械的に保持して固定するためには、保持機構が複雑化し、さらに保持機構を堅牢な構造にする必要があるため、トランスの製造コストが上昇するという問題があった。

本実施の形態に係る平面トランス４では、汎用の小型ＥＩコアを使用できるため、コア焼結時の割れが発生し難く、歩留りの低下が抑制されるため、平面トランス４の製造コストを低減できる。

また本実施の形態に係る平面トランス４では、１つのトランス４ａのサイズが小さいため、前述した押えバネ４４０のように簡易的な保持構造でコアを機械的に保持できる。

また本実施の形態に係る平面トランス４では、２つの２次側出力が設けられ、それぞれの２次側出力から出力された電圧が整流ダイオード５，６で整流された後、足し合わされるため、トランスの巻数比を大きく変えることなく高電圧が得られる。

また本実施の形態に係る平面トランス４では、各２次側出力から出力された電圧が整流ダイオード５，６で整流された後に足し合わされることにより、整流ダイオード５，６のそれぞれの耐電圧を、「１／平面トランス出力数」で算出される値にまで低減できる。耐電圧が高いダイオードは、順方向電圧が大きく、また逆回復時間が長いといったように、電気的特性が悪いだけでなく、電力損失が大きい。本実施の形態に係る平面トランス４では、耐電圧の低い整流ダイオード５，６が使用できるため、整流ダイオード５，６の耐電圧を確保することができないという問題が解消され、またスイッチング特性が悪く損失が大きいという問題も解消される。

また本実施の形態に係る平面トランス４では、１次巻線基板４１０が絶縁シート４６０及び補助プレート４３０を介して金属板４００と熱的に接続されるため、１次巻線基板４１０に設けられた１次巻線４１０ｃの放熱性が向上し、１次巻線４１０ｃに大電流を流すことができる。一般的に基板の配線パターンに流せる電流値は、基板材料のガラス転移温度［Ｔｇ］によって律速される。配線パターンの温度上昇を抑え、基板の温度をガラス転移温度［Ｔｇ］未満に低減できれば、配線パターンに大電流を流すことができる。

なお本実施の形態では、１次巻線基板４１０が絶縁シート４６０及び補助プレート４３０を介して金属板４００と熱的に接続されているが、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２の少なくとも一方が、絶縁シート４６０及び補助プレート４３０を介して金属板４００と熱的に接続されていてもよい。

また本実施の形態に係る平面トランス４では、図４に示すように各基板のそれぞれが２個以上のネジ４７０によって、金属板４００と機械的に接続されている。図４では、１次巻線基板４１０を固定するネジ４７０がＸ軸方向に３つ以上配列されている。第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２を固定するネジ４７０も同様に、Ｘ軸方向に３つ以上配列されているものとする。また平面トランス４では、図３，４に示すように、Ｘ軸方向に配列される複数のトランス４ａの内、隣り合う２つのトランス４ａの間にネジ４７０ａが設けられている。ネジ４７０ａは、ネジ４７０と同様に、各基板のそれぞれと金属板４００とを機械的に接続するための締結部材である。図３，４では隣り合う２つのトランス４ａ同士の隙間の近くにネジ４７０ａが設けられている。なお図３，４ではネジ４７０ａが３つ設けられているが、ネジ４７０ａの数は１つ以上であればよく３つに限定されない。このようにネジ４７０ａを設けることにより、各基板の機械的反りが抑制されるため、基板に機械的な反りが生じた際に１次巻線基板４１０と金属板４００との空気層で生じるコロナ放電が抑制されると共に、接触熱抵抗の増加が抑制される。接触熱抵抗が抑制される点について具体的に説明すると、図６に示すように、複数のトランス４ａのそれぞれの１次巻線４１０で発生した熱は、絶縁シート４６０、補助プレート４３０の順に伝達される。そして前述した接触熱抵抗は、１次巻線４１０から絶縁シート４６０までの熱抵抗、又は絶縁シート４６０から補助プレート４３０までの熱抵抗である。基板に機械的な反りが生じると、１次巻線４１０で発生した熱の伝導経路中に空気層が生じるため、この空気層により上記の接触熱抵抗が増加し、１次巻線４１０の冷却効果が低下する。本実施の形態に係る平面トランス４では、基板の機械的反りが抑制されるため、上記の接触熱抵抗の増加が抑制され、１次巻線４１０の冷却効果が向上する。

また特許文献１に代表される従来のフラット構造の変圧器では、数［ｋＷ］以上の大電力用途で所望の励磁インダクタンスを得るためにはプリント基板に多層基板を使う必要がある。すなわち大電力用途のフラット構造の変圧器では、巻線の抵抗値を下げるために基板の層数が多くなり、多層基板は、単層基板に比べて製造コストが高くなるだけでなく、内層パターンの放熱性が悪いという問題があった。本実施の形態に係る平面トランス４では、複数のトランス４ａのそれぞれに設けられた１次巻線４１０ｃが直列に接続されているため、トランス４ａの直列数を増やすことにより、トランス４ａの巻数比が「１／直列数」に抑えられる。従って複数のトランス４ａへの巻線の巻数が減ると共に基板の層数も減り、内層パターンの放熱性が向上する。

図７は本実施の形態に係る平面トランスの第１の変形例を示す図である。図８は図７に示す平面トランスの部分拡大図である。図７に示す平面トランス４Ａでは、第１の２次巻線基板４２１に一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄが設けられている。そのため、一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄのそれぞれのＺ軸方向の位置が等しい。

なお、一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄのそれぞれは、第１の２次巻線基板４２１のＹ軸方向の一端寄りに設けられる。一対の出力端子４２１ｄは、第１の２次巻線基板４２１のＸ軸方向の一端寄りに設けられる。一対の出力端子４２２ｄは、第１の２次巻線基板４２１のＸ軸方向の他端寄りに設けられる。

図８に示すように、平面トランス４Ａは、第２の２次巻線基板４２２と第１の２次巻線基板４２１との間に配置される導電性部材である金属スペーサ４７１と、金属スペーサ４７１を固定するネジ４７２とを備える。金属スペーサ４７１の材料としては、銅合金、鋳鉄、鋼又は鉄合金を例示できる。

金属スペーサ４７１のＺ軸方向の一端は、第２の２次巻線基板４２２に設けられた不図示の配線パターンに接続されている。これにより、金属スペーサ４７１は、第２の２次巻線基板４２２に設けられた２次巻線の両端と電気的に接続される。

金属スペーサ４７１のＺ軸方向の他端は、第１の２次巻線基板４２１に設けられた不図示の配線パターンに接続されている。これにより、金属スペーサ４７１は、図７に示す一対の出力端子４２１ｄと電気的に接続される。

図３に示す平面トランス４では、一対の出力端子４２１ｄと一対の出力端子４２２ｄとのＺ軸方向の位置が異なる。そのため、整流ダイオード５及び整流ダイオード６のそれぞれへの電線又はバスバーの接続作業では、長さ及び形状が異なる電線又はバスバーが必要となる。従って、長さ及び形状が同一の電線又はバスバーを用いる場合に比べて、バスバーの製造コストが高くなり、接続作業に要する時間が長くなる。

図７に示す平面トランス４Ａによれば、一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄのそれぞれのＺ軸方向の位置が等しいため、長さ及び形状が同一の電線又はバスバーを用いることができる。なお整流ダイオード５，６が半導体モジュールの場合、電線又はバスバーを使わずに、一対の出力端子４２１ｄに整流ダイオード５をネジ止めでき、一対の出力端子４２２ｄに整流ダイオード６をネジ止めできる。

図９は本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の第１の変形例を示す図である。図２に示すレーザダイオード駆動用電源装置１１０では、４つの２次巻線４２１ｃが並列に接続され、４つの２次巻線４２２ｃが並列に接続される。これに対して、図９に示すレーザダイオード駆動用電源装置１１０Ａでは、４つの２次巻線４２１ｃが直列に接続され、４つの２次巻線４２２ｃが直列に接続される。

直列に接続された複数の２次巻線４２１ｃの両端が一方の２次側出力を構成し、直列に接続された複数の２次巻線４２２ｃの両端が他方の２次側出力を構成する。

レーザダイオード駆動用電源装置１１０Ａは、平面トランス４に入力される交流電圧が低い値の場合でも、平面トランス４で高電圧を得る場合に適している。レーザダイオード駆動用電源装置１１０Ａでは、１つのトランス４ａ当たりの２次巻線の巻数を、「１／（出力数×トランス４ａ数）」に抑制できる。２次巻線の巻数が少なくなることにより、２次巻線のパターン幅が広がり、巻線抵抗が小さくなるため、銅損による損失が低減される。

なお図９のレーザダイオード駆動用電源装置１１０Ａでは、４つのトランス４ａのそれぞれが備える１次巻線４１０ｃが直列に接続されているが、各１次巻線４１０ｃを並列に接続しても一定の励磁インダクタンスが得られる場合、各１次巻線４１０ｃを並列に接続することにより、１つのトランス４ａ当たりの巻数比を大きくでき、平面トランス４に入力される交流電圧が低い値の場合でも高電圧が得られる。

図１０は本実施の形態に係るレーザダイオード駆動用電源装置の第２の変形例を示す図である。図２に示すレーザダイオード駆動用電源装置１１０では、４つの２次巻線４２２ｃが並列に接続される。これに対して、図１０に示すレーザダイオード駆動用電源装置１１０Ｂでは、４つの２次巻線４２２ｃが直列に接続される。レーザダイオード駆動用電源装置１１０Ｂでは、図９に示すレーザダイオード駆動用電源装置１１０Ａと同様の効果が得られる。

なお本実施の形態に係る平面トランス４は、２つの２次側出力を有するが、平面トランス４の２次側出力の数は２つに限定されず、２以上であれば前述した効果と同様の効果が得られる。

なお本実施の形態では、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２が用いられているが、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２の代わりに、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃが設けられた１つの２次巻線基板を用いても同様の効果が得られる。ただし、第１の２次巻線基板４２１及び第２の２次巻線基板４２２が用いられている場合、第１の２次巻線基板４２１と第２の２次巻線基板４２２とを離間して配置できるため、２次巻線で発生した熱が空気中に放射され、２次巻線の放熱性が向上する。

なお本実施の形態では、図７に示すように第１の２次巻線基板４２１に一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄが設けられているが、一対の出力端子４２１ｄ及び一対の出力端子４２２ｄは第２の２次巻線基板４２２に設けられていてもよい。

なお本実施の形態では、図６に示すように、１次巻線基板４１０と金属板４００との間に、絶縁シート４６０及び補助プレート４３０が設けられているが、絶縁シート４６０及び補助プレート４３０が設けられる位置は、これに限定されず、第１の２次巻線基板４２１又は第２の２次巻線基板４２２と金属板４００との間でもよい。この場合、２次巻線４２１ｃは、絶縁シート４６０を介して金属板４００と熱的に接続され、又は２次巻線４２２ｃは、絶縁シート４６０を介して金属板４００と熱的に接続される。

図１１は図５に示す巻線の変形例を示す図である。図５では、中脚部４ａ１１１及び中脚部４ａ２１１のそれぞれを取り囲むように、１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃが巻かれている。１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃの巻き方は図５の例に限定されず、図１１に示すように、中脚部４ａ１１１及び中脚部４ａ２１１を１組のコアとして、１組のコアを取り囲むように、１次巻線４１０ｃ、２次巻線４２１ｃ及び２次巻線４２２ｃが巻かれていてもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１整流回路、２コンデンサ、３インバータ回路、４，４Ａ平面トランス、４ａトランス、４ａ１，４ａ２ＥＩコア、４ａ１１，４ａ２１Ｅコア、４ａ１１１，４ａ２１１中脚部、４ａ１２，４ａ２２Ｉコア、５，６整流ダイオード、７平滑リアクトル、８電流検出器、１０定電流制御部、４０ＥＩコア群、１００レーザ加工装置、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂレーザダイオード駆動用電源装置、１２０レーザダイオード、１３０ファイバ、１４０加工ヘッド、１５０レンズ、２００交流電源、３００ワーク、４００金属板、４００ａ凹部、４１０１次巻線基板、４１０ａ，４２１ａ，４２２ａ，４４０ａスペーサ、４１０ｂ，４２１ｂ，４２２ｂ貫通孔、４１０ｃ１次巻線、４２１第１の２次巻線基板、４２１ｃ，４２２ｃ２次巻線、４２１ｄ，４２２ｄ出力端子、４２２第２の２次巻線基板、４３０補助プレート、４４０押えバネ、４５０，４５１，４５２隙間、４６０絶縁シート、４７０，４７０ａ，４７２ネジ、４７１金属スペーサ。

Claims

複数のＥＩコアと、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む１次巻線が設けられる１次巻線基板と、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む２次巻線が設けられる２次巻線基板と
を備え、
前記１次巻線基板及び前記２次巻線基板は、離間して積層され、
前記１次巻線基板と前記２次巻線基板との間には空気層が形成され、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む前記１次巻線は、直列に接続されていることを特徴とする平面トランス。
複数のＥＩコアと、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む１次巻線が設けられる１次巻線基板と、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む２次巻線が設けられる２次巻線基板と
を備え、
前記１次巻線基板及び前記２次巻線基板は、離間して積層され、
前記１次巻線基板と前記２次巻線基板との間には空気層が形成され、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む前記２次巻線は、直列に接続されていることを特徴とする平面トランス。
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む前記２次巻線は、並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の平面トランス。
複数のＥＩコアと、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む１次巻線が設けられる１次巻線基板と、
前記複数のＥＩコアのそれぞれの中脚部を取り囲む２次巻線が設けられる２次巻線基板と
を備え、
前記１次巻線基板及び前記２次巻線基板は、離間して積層され、
前記１次巻線基板と前記２次巻線基板との間には空気層が形成され、
前記２次巻線基板は、第１の２次巻線基板と、第２の２次巻線基板とにより構成され、
前記２次巻線は、前記第１の２次巻線基板に設けられる第１の２次巻線と、前記第２の２次巻線基板に設けられる第２の２次巻線とにより構成され、
前記第１の２次巻線基板及び前記第２の２次巻線基板は、互いに離間して積層され、
前記第１の２次巻線基板には、前記第１の２次巻線と電気的に接続される第１の出力端子と、第２の出力端子とが設けられ、
前記第２の２次巻線基板に設けられる前記第２の２次巻線は、
前記第１の２次巻線基板と前記第２の２次巻線基板との間に設けられる導電性部材を介して、前記第２の出力端子と電気的に接続されることを特徴とする平面トランス。
金属板と、
前記１次巻線と前記金属板との間に設けられる絶縁シートと、
前記金属板に前記１次巻線基板を固定すると共に、前記１次巻線と前記金属板とを前記絶縁シートを介して熱的に接続させる固定部材と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の平面トランス。
金属板と、
前記２次巻線と前記金属板との間に設けられる絶縁シートと、
前記金属板に前記２次巻線基板を固定すると共に、前記２次巻線と前記金属板とを前記絶縁シートを介して熱的に接続させる固定部材と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の平面トランス。
金属板と、
前記複数のＥＩコアのそれぞれを前記金属板に付勢する押えバネと、
前記押えバネを前記金属板に固定するバネ固定部材と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の平面トランス。
前記１次巻線基板と前記２次巻線基板と前記金属板とを機械的に接続する締結部材を備え、
前記締結部材は、前記複数のＥＩコアの内、隣り合う２つのＥＩコアの間に設けられていることを特徴とする請求項５から請求項７の何れか一項に記載の平面トランス。
請求項４に記載の平面トランスと、
前記第１の出力端子から出力された電圧を整流する第１の整流ダイオードと、
前記第２の出力端子から出力された電圧を整流する第２の整流ダイオードと、
前記第１の整流ダイオードで整流された電圧と、前記第２の整流ダイオードで整流された電圧とを足し合わせた電圧が印加されるレーザダイオードと
を備えることを特徴とするレーザダイオード駆動用電源装置。
請求項１から請求項８の何れか一項に記載の平面トランスを備えたことを特徴とするレーザダイオード駆動用電源装置。
請求項９又は請求項１０に記載のレーザダイオード駆動用電源装置を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。