JP2001512626A - 可撓性鉛電磁コイル組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多数のセンサコイルが、中心軸線の周りに円筒形に形成された可撓性基質上に配置された螺旋コイル状電気導体区間により形成される。各導体区間は円筒形の円周長さのの４分の１に相等する距離だけ離されて、９０°間隔の４個の別個のコイルを形成する。コイル区間は基質の反対側と一致して付着され、基質を通じて互いに接続される。コイルパターンは基質の近接する層間で繰り返されて、基質を中心軸線の周りに多数回巻いた時、多層コイルが形成されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 可撓性鉛電磁コイル組立体 発明の背景 発明の分野 本発明は電界を発生させる装置に関するもので、特に物理的寸法が小さく比較 的高い強さの電界を生じる上記のような装置に関するものである。従来技術 或る用途においては、比較的強い電界を生じるのに物理的に小さい電気装置が 必要とされる。このような用途の１つは、ナビゲーション・ジャイロスコープ、 特にドライ・チューンド・ロータ・ジャイロスコープ（ＤＴＧ）と呼ばれている 小型ナビゲーション・ジャイロスコープにある。特定タイプのＤＴＧについて“ ツーアクシス・ドライ・チューンド＝ロータ・ジャイロスコープス：デザイン・ アンド・テクノロジー”（ウィリアム・エム・マンサワー及びコラード・ラッチ ニ著、ジ・アメリカン・インスチチュート・オブ・エアロノーティックス・アン ド・アストロノーティックス・インコーポレイテッド刊、第１６巻第３号、1993 年5-6月）という書類に記載されている。ＤＴＧは、互いに直交する軸の周りの 角速度の２自由度をもつセンサである。このクラスの機器は多くの制御分野、最 も著しいのは船舶、航空機及びその他の車両の航行における制御に採用されてい る。従来技術のＤＴＧの基 本構造を第１図に示してある。第１図に示すユニット１００は基部１０１とカバ ー１０２をもつハウジング組立体から成る。基部１０１は一対のボールベアリン グ１０６上に回転軸１０４を支持する。基部１０１上に取り付けられたステータ １０７はヒステリシスモータを形成する。ヒステリシスリング１０８が回転軸１ ０４上に支持される。回転軸１０４上に可撓式に支持されているのはロータ１１ ０である。一対の永久磁石１１２，１１４がスペーサ１１５で垂直方向に隔てら れてロータ１１０に取り付けられる。ロータ１１０は回転軸１０４上に可撓式に 取り付けられ、回転軸１０４に対し第１図の断面の平面に垂直に延びる水平面内 にある軸線周囲に可動である。基部１０１上に支持されるベリリウムリング１２ ２上にトルカー(torquer)コイル１２０，１２１が取り付けられ、永久磁石１１ ２，１１４を取り囲む。一対のピックオフ１２６が基部１０１上に設けられる。 このピックオフは周知のセンサコイルで、ピックオフとロータ１１０の間の間隔 の変動と共に変化する電気出力信号を生じる。第１図から、切断面に垂直な軸線 周囲におけるロータ１１０の角度変位が２個のピックオフ１２６の１個とロータ １１０の間隔を増加し、他方のピックオフ１２６とロータ１１０間の距離を減少 させることが明らかであろう。ピックオフにより発生される電気信号は角度変位 の大きさを表示し、トルカーコイル１２０，１２１に電流を発生させるのに使用 される。トルカーコイルはロータ１１０に磁界を生成し、２個のピックオフ１２ ６とロータ１１０との間隔が再び等しくなるような位置へロータ１１０を戻そう とするトルクをロータ１１０に与える。 永久磁石１１２，１１４はロータ１１０内を円形に取り巻く環状磁石である。 ユニット１００は４つの別々のピックオフと４つの別々のトルカーコイルとから 成る。１組のピックオフと１組のトルカーコイルが水平に延びるｘ軸に沿って垂 直軸線から等距離に配置され、それぞれｘピックオフ及びｘトルカーコイルと呼 ばれる。同様に、ｙピックオフと称される１組のピックオフとｙトルカーコイル といわれる１組のトルカーコイルがｘ軸に垂直に水平に延びるｙ軸に沿って垂直 軸から等距離に配置される。第１図には、１組のピックオフと、１組のトルカー コイルだけが示されていることは理解されよう。他のピックオフとトルカーコイ ルは図示のものから９０°の所にある。作用において、ｘ及びｙピックオフから の信号は回転軸１０４に対するロータ１１０の角度変位がない時は０（ゼロ）で ある。このような変位がｙ軸の周りに生じた時は１組のｘピックオフとロータ間 のギャップが増加し、他方のｘピックオフとロータ間のギャップが減少すること になる。ギャップ間の差異を消去するためトルクがｘ軸の周りに加えられてロー タをｙ軸周囲に才差運動させるよう加圧する。従ってｘピックオフから導かれる 信号は、ロータと２個のｘピックオフ間の距離が再び等しくなるまでｙトルカー コイルに電流を印加するのに使用される。 従来技術のトルカーコイルは、絶縁コーティングで被覆さ れた細いワイヤの数巻きから成る。ワイヤのコイルは特殊な形に整形又は“ブロ ック化”され、その形を維持するようにボンドで固められる。２本の鉛ワイヤを 各コイルに取り付けなければならない。ついで４つのコイルの各々は、ブロック 化作業につきものの精度のなさによりユニットごとに変わる或る精密な位置でベ リリウムリングに接着剤で接着しなければならない。ついで８本の鉛ワイヤを回 路板にハンダづけする。ロータが角度変位を経験してからレベル位置に戻る速さ はトルカーコイルにより生じる磁力に直接比例することは理解されるであろう。 トルカーコイルにより加えられる力又はモーメントは、トルカーコイルの巻数、 コイルの円弧長さ（すなわちベリリウムリングの円周に沿うコイルの長さ）、並 びにコイル内の電流の関数である。従来の構成の不具合は、コイルの円弧長さが ベリリウムリングの円周により制限されるということ、その円周はリングの径が 装置の全体寸法に影響するのでなるべく小さく保つのが好ましいということであ る。さらに、巻いたコイルの直線部分はは、コイルの全体寸法の相当部分が円弧 部分にくわれるから必然的に比較的短くなる。その上、隣接するコイル間に電気 的接続のために間隔が必要である。こうして、各コイルが理論上リングの円周の ９０°を占めたとしても、コイルの直線部分（これが円弧長さを決定する）はわ ずか約６０°を占めるだけである。高速ミサイルなどに使用できるためには、ジ ャイロは小型でなければならず、また航行体の姿勢の変化を十分早い速さで検出 可能とするためには非常な高速において正確でなければならない。高速の修正を 得るためには、急速に変化する高強度の磁界が要求される。しかし、小サイズの コイルに加えることができる電流の量は、ワイヤに発生する過度の熱のために制 限される。 発明の概要 従来技術のこれら及びその他の問題は本発明により可撓性鉛回路材料により構 成されるトルカーコイルにより解決される。すなわち、電界発生コイルを形成す る導体が光化学的方法でエポキシ樹脂基質上にエッチングされ、蒸着絶縁体によ り被覆される。本発明の一態様によれば、多数の螺旋コイル入れ込み式(nested) 導体回路区間が細長い可撓性材料の条片上に形成され、可撓性材料は巻かれて円 筒を形成し、そこでは入れ込み式導体の組の中心が１つおきごとに１８０°隔て られている。こうして、このような４個の入れ込み式導体の連続が、適切に位置 付けられた時、２組の対向するコイルの組を形成する。本発明の一態様によれば 、可撓性材料上に配置される入れ込み式導体の数は４の倍数である整数であって 、可撓性導体は他の３個の入れ込み式導体により隔てられた入れ込み式導体がコ イルの隣接する層の１組を形成するように巻かれる。隣接する層の各組は円周上 の隣接する層の組から９０°隔てられる。各組の隣接する層は電気的に互いに接 続されて多数のコイルを垂直に延びる軸に沿って形成する。こ のようにして、細長い基質上にエッチングされた入れ込み式導体の多数組が配列 されて、装置の円周を取り巻く４つの区間の各々に単体の多数層コイルを形成す る。 １つの好適な態様において、コイルの多数層を形成する入れ込み式ワイヤ回路 は単一の可撓性材料片の両側に設けられ、材料を通じて互いに接続されてコイル の隣接複数層を形成する。 本発明の一態様によれば、可撓性材料は熱伝導性金属、例えば銅など、の薄層 から成り、これが導体から熱を捨てるヒート・シンクとして働くから、回路には より大きな電流をかけることを可能にし、増加したトルクをもたらす。 本発明の他の態様によれば、入れ込み式回路には各々直角コーナーが形成され 、コイルの増加した円周長さを得るようにする。有利なことに、直角コーナーは 伝統的な巻き方をしたワイヤのコイルで曲率のために失われるコイル円弧長さの 損失を避けることができる。本発明の構成のさらに利点は、コイル間に接続のた めの追加スペースが必要でないから、円周の周りに実質的に直近してコイルを位 置付けられることである。有利なのは、本発明によるコイル構成が少ないスペー スを使用することと、ワイヤ導体を用いる巻きコイルより著しくコスト効率が良 いことである。 図面の簡単な説明 本発明の実施例は以下の図面を参照して説明される。 第１図は従来技術のジャイロスコープ装置の断面図である。 第２図はコイルの単一の層を形成する入れ込み式(nested)導体の略示平面図で ある。 第３図は可撓性基質の両面に２つのコイル層を形成する２つの入れ込み式導体 の構成図である。 第４図から第７図は、互いにに接続されて円筒形状に形成され、４個の隔てら れた複層コイルを形成する、単一可撓性材料の両面の複数入れ込み式回路の構成 図である。 第８図は円筒形の周りに多数回巻かれた基質上の複数層の部分を示す拡大断面 図である。 第９図は円筒形に巻かれる基質の一層の上に配置される１つの入れ込み式回路 と．基質の次の層に配置される別の入れ込み式回路との入れ込み式構成を示す略 示である。 第１０図は円筒形に巻かれ絶縁層で被覆された金属製基質とその両側に付され た導体を略示する一部断面図である。 詳細な説明 第２図は単一の入れ込み式(nested)回路素子２００の平面図であって、この素 子はエッチングにより形成された銅導体などをもつ可撓性鉛回路材料であり得る 基質２０３上に螺旋コイル状導体回路区間２６０を付着させた形の導電性材料細 条２０１から成る。導体の一端２０５は“バイア”（via）として知られる基質 中の開口によって隣接する入れ込み式回路に接続され得る。隣接回路は基質の反 対側に付着されるもの か、又は基質の他の部分上に付着されるものでよく、基質が円筒形状に形成され た時この基質は区間２６０と一致して次の層を形成する。 本発明の好適実施例において入れ込み式回路は可撓性基質の両側に付着される 。第３図は基質の一側（ここでは上側という）上の入れ込み式回路形状２３０の 平面図である。第２の入れ込み式回路形状２３５が基質の反対側に付着される。 回路２３０のバイア２３１と回路２３５のバイア２３６はそれぞれそ電流源と電 流シンクに接続される。バイア２３２と２３７は基質を通じて互いに接続され、 連続回路を形成する。導体は好適に、基質両側の導体部分が互いに一致するよう な方法で基質の両側に配置される。これは以下に説明する第４図にさらに詳しく 示されている。互いに嵌まり合う入れ込み式導体、すなわち基質の両面に一致し て配置された導体は必ずしも同じ電気的長さをつものではないが、全体的電気長 さは互いに嵌まり合う組につい同じである。 第４図から第７図は入れ込み式導体の互いにに嵌まり合う１６組の配置を略示 的に示している。各々の場合において、図面は基質の一側上の入れ込み式導体の 平面図と、基質の反対側の入れ込み式導体の平面図（基質の一側から見たものと して）を示している。入れ込み式導体の組は１Ａ，１Ｂから１６Ａ，１６Ｂまで の番号をつけてある。１Ａ，１Ｂの組から８Ａ，８Ｂまでの入れ込み式導体の各 々について特定のパターンが図示されている。入れ込み式導体の各対はコイルの ２層を形成し、そして第１図のジャイロスコープに４つのトルカーコイルがある から、８つの嵌まり合う入れ込み式導体の組の各々は４つのコイルの各々につい て４つの層を表わす。第３図について述べたように、各対の嵌まり合う入れ込み 式回路Ａ及びＢは基質の両側に互いに一致して配置されている。入れ込み式導体 の組を備えた基質は、基質の完全な各ひと巻きごと嵌まり合う入れ込み式回路の 一対が１個のトルカーコイルの位置と揃うように多層円筒形ユニットに形成され る。こうして基質の完全なひと巻きに２個の層が４つのコイルの各々に加えられ る。ここでの記述の目的のため、ジャイロスコープ構成の中心から外方へ面して いる基質の側を上側と称し、内方に面している側を底側と称する。この約束のも とに、入れ込み式回路１Ａ，２Ａ等々は基質の上側に形成される。このような形 状において、入れ込み式回路５Ｂは入れ込み式回路１Ａと一致して配置される。 入れ込み式回路５Ｂは好適に、入れ込み式回路１Ａに近接して配置された時、入 れ込み式回路５Ｂの導体部分が入れ込み式回路１Ａの導体部分間に落ちこむ。有 利なことに、このような入れ込み式構成は、多層円筒形ユニットを形成する際に 基質の多数の巻きの全体的厚みを減少することによって体積効率をよくする。同 様に、入れ込み式回路６Ｂは回路２Ａの中に入れ込みされ、回路７Ｂは回路３Ａ に入れ込みされ、そして回路８Ｂは回路４Ａに入れ込みされる。同じく、続く基 質の完全なひと巻きの後、回路９Ｂから回路１２Ｂは回路５Ａから８Ａにそれぞ れ入れ 込みされる。入れ込み式回路１Ａから８Ａの特定パターンは入れ込み式回路９Ａ から１６Ａで繰り返される。同様に、入れ込み式回路１Ｂから８Ｂのパターンは ９Ｂから１６Ｂで繰り返される。前述のように入れ込み式回路パターン１Ａ，１ Ｂから８Ａ，８Ｂは４つの別個のコイルの各々の４つの層を表わす。同様に、入 れ込み式回路９Ａ，９Ｂから１６Ａ，１６Ｂは各コイルの４つの追加層を表わす 。回路１Ａ，１Ｂから８Ａ，８Ｂのパターンは各コイルに所望数の層を得るため に必要なだけ多数回繰り返すことができる。 第８図は円筒形の周りに多数回巻かれた基質２００の複数層の部分を示す断面 図まである。第８図は、基質２００の両側に互いに一致して付着させた導体、例 えば導体２４０，２４１を示している。第８図はさら、入れ込み式構成を示して おり、すなわち１つの基質上の導体、例えば導体２４１が隣接する導体、例えば ２４３，２４４間の間隔に配置されている構成を示し、これにより１つの入れ込 み式回路の導体を基質の近接部分上の入れ込み式回路の導体間のすき間に入れ込 みすることが可能になる。第８図はさら基質の各部の各側上の絶縁層２５０を示 しており、これは導体部分例えば２４１，２４３，２４４を被覆して近接導体間 に適切な絶縁を保証する。導体により占められていない基質の近接層間のスペー ス、例えば２５１で示すスペースは、樹脂で満たされる。 第９図は、円筒形に巻かれた基質の一層の外表面上に配置された入れ込み式回 路２６０と、基質の次の層の内表面上に 配置された別個の回路２７０との入れ込み式構成を略示するものである。入れ込 み式回路２６０は、入れ込み式回路のパターンの１つ、例えば第４〜７図に示し た回路の１Ａを表わし、導体２７０は第４〜７図の構成の回路の１つの特定パタ ーンの別の回路、例えば入れ込み式回路５Ｂのパターンを表わしている。 第１０図は、ジャイロスコープ等に使用するための多層マルチコイル形状の製 作に使用される円筒形２８０の周りに基質２００を巻くことにより形成された円 筒の平面図である。第１０図には３巻きだけの基質が示されている。しかし本発 明によれば、このような巻きを１５か又は２０以上行なってマルチコイル形状を 作ることができる。径方向に厚みの増加する壁２８２がコアの外側に配置されて いる。この壁の厚みは、基質とその両側に配置される導体の厚みに少なくとも等 しい。これにより基質をコアの周りに本質的に螺旋状に巻くための始点が用意さ れる。基質の最初の９０°区間２８４は２つの入れ込み式回路、すなわち第４図 に示した回路１Ａ，１Ｂを含んでいる。基質２００の第２の９０°区間２８５は 入れ込み式回路の別の対、すなわち第４図の回路２Ａ，２Ｂを含んでいる。同様 に、第３及び第４の区間２８６，２８７は、第４図のそれぞれ入れ込み式回路３ Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂの部分に相当し得る。簡単のため、第１０図の図面は近 接層の回路間の入れ込みを示していないが、円筒の形成を例示するものである。 第１０図の形状において、対向区間２８ ４と２８６は第１図の形状におけるｘ軸に沿う対向トルカーコイルに相当するも のと見ることができる。同様に、第１０図の区間２８５，２８７は、ｘ軸に垂直 に延びるｙ軸に沿う対向トルカーコイルに相当するものとみることができる。第 ８図及び第１０図に関する説明から、その両側に入れ込み式回路を設けた基質２ ００の追加的な巻きの各々がｘ及びｙトルカーコイルの各々に回路層を追加する ものであることが明らかであろう。基質をコア２８０の周りに巻くことによりコ イルが完全に形成された後、全体ユニットは樹脂で包まれて基質は所望の形と位 置に維持される。このユニットはついでコア２８０から取り外されて、第１図に 示したトルカーコイル１２０，１２１と同様な形状でジャイロスコープ内に設置 される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年７月３日（１９９７．７．３） 【補正内容】 請求の範囲 ８． 基質の第１の層の片面上の第１の螺旋コイル状導体区間が基質の第２の近 接する層の他面上の第２の螺旋導体区間に一致して配置され、第１の区間の近接 する巻きは離されており、第２の導体区間の近接する巻きは離されていて、第１ の螺旋コイル状導体区間の近接する巻きの間に嵌め込まれるように形成されてい る請求の範囲５に記載のコイル組立体。 ９． 螺旋コイル状電気導体区間は各々多数の巻きから成り、各巻きは、実質的 に直角に接合された長さ方向に延びる実質的に直線状導体区間から成る請求の範 囲１に記載のコイル組立体。 10． 基質が螺旋状に巻かれて基質の多数の層を含む円筒形が 形成されている請求の範囲４に記載のコイル組立体。 【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年２月２６日（１９９８．２．２６） 【補正内容】 請求の範囲 １． 多数の層と外側の円周長さと中心軸線をもつ円筒形状に形成された細長い 可撓性基質と、 前記外側円周長さの４分の１に等しい距離だけ離して２対の対向コイルを形 成するように前記基質上に配置された多数の螺旋コイル状電気導体区間とから成 り、各螺旋コイル状導体区間は、多数の間隔をおいた巻きと、中心と、中心近く の中心電気接続端子と、外端と、外端近くの外側電気接続端子とを有し、 第１の層の片面上の第１の螺旋コイル状電気導体区間は、第１の層の片面に 近接して配置された第２の層の片面上の第２の螺旋コイル状電気導体区間と一致 して配置され、第２の螺旋コイル状電気導体区間の間隔をおいた巻きは第１の螺 旋コイル状電気導体区間の間隔をおいた巻きの間に入れ込みされ、 さらに、前記中心電気接続端子と外側電気接続端子とを電源に接続するため 基質上に配置された導電通路を有する、電磁コイル組立体。 ２． 前記基質が両面を有し、コイル組立体がさらに、基質両面の一方上の第１ の螺旋コイル状電気導体区間の組と、基質両面の他方上の第２の螺旋コイル状電 気導体区間の組とを有し、前記第２の組の電気導体区間の各々は第１の組の電気 導体区間と一致して配置され、一致して配置された電気導体の各対はコイルの近 接する２つの層を形成する、請求の範囲１ に記載のコイル組立体。 ３． 一致して配置された電気導体区間の対の中心電気接続端子は基質を通じて 電気的に接続される、請求の範囲２に記載のコイル組立体。 ４． 前記細長い基質は、多数の基質の層を含む円筒形に形成され、螺旋コイル 状電気導休区間を４つ含む請求の範囲１に記載のコイル組立体。 ５． 基質が両面を有し、基質の１つの層がさらに基質の両面の一方上の螺旋コ イル状電気導体の第１の組と、基質の両面の他方上の螺旋コイル状電気導体の第 ２の組とから成り、第２の組の螺旋コイル状電気導体の区間の各々は第１の組の 螺旋コイル状電気導体区間と一致して配置され、一致した電気導体の各対はコイ ルの２つの近接層を形成する請求の範囲４に記載のコイル組立体。 ６． 基質の両面に一致して配置された電気導体の対の中心電気接続端子が基質 を通じて電気的に互いに接続されている請求の範囲５に記載のコイル組立体。 ７． 基質の１つの層の片面上の或る螺旋コイル状電気導体区間の外側電気接続 端子が、基質の近接層上に上記或る螺旋コイル状電気導体区間と一致して配置さ れた螺旋コイル状電気導体区間の外側電気接続端子と電気的に接続される、請求 の範囲６に記載のコイル組立体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０２Ｋ 3/04 Ｈ０２Ｋ 3/04 Ｚ 3/34 3/34 Ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 外側の円周長さと中心軸線をもつ円筒形状に形成された細長い可撓性基質 と、 前記外側円周長さの４分の１に等しい距離だけ離して２対の対向コイルを形 成するように前記基質上に配置された多数の螺旋コイル状電気導体区間とから成 り、各螺旋コイル状導体区間は中心と、中心近くの中心電気接続端子と、外端と 、外端近くの外側電気接続端子とを有し、 さらに、前記中心電気接続端子と外側電気接続端子とを電源に接続するため 基質上に配置された導電通路から成る、電磁コイル組立体。 ２． 前記基質が両面を有し、コイル組立体がさらに、基質両面の一方上の第１ の螺旋コイル状電気導体区間の組と、基質両面の他方上の第２の螺旋コイル状電 気導体区間の組とを有し、前記第２の組の電気導体区間の各々は第１の組の電気 導体区間と一致して配置され、一致して配置された電気導体の各対はコイルの近 接する２つの層を形成する、請求の範囲１に記載のコイル組立体。 ３． 一致して配置された電気導体区間の対の中心電気接続端子は基質を通じて 電気的に接続される、請求の範囲２に記載のコイル組立体。 ４． 前記細長い基質は、多数の基質の層を含む円筒形に形 成され、各層は前記外側円周長さの４分の１の距離だけ離された螺旋コイル状電 気導体区間を４つ含み、１つの層の上の螺旋導体区間は近接層上の螺旋コイル状 電気導体区間と一致して配置されている、請求の範囲１に記載のコイル組立体。 ５． 基質が両面を有し、基質の１つの層がさらに基質の両面の一方上の螺旋コ イル状電気導体の第１の組と、基質の両面の他方上の螺旋コイル状電気導体の第 ２の組とから成り、第２の組の螺旋コイル状電気導体の区間の各々は第１の組の 螺旋コイル状電気導体区間と一致して配置され、一致した電気導体の各対はコイ ルの２つの近接層を形成する請求の範囲４に記載のコイル組立体。 ６． 基質の両面に一致して配置された電気導体の対の中心電気接続端子が基質 を通じて電気的に互いに接続されている請求の範囲５に記載のコイル組立体。 ７． 基質の１つの層の片面上の或る螺旋コイル状電気導体区間の外側電気接続 端子が、基質の近接層上に上記或る螺旋コイル状電気導体区間と一致して配置さ れた螺旋コイル状電気導体区間の外側電気接続端子と電気的に接続される、請求 の範囲６に記載のコイル組立体。 ８． 基質の第１の層の片面上の第１の螺旋コイル状導体区間が基質の第２の近 接する層の他面上の第２の螺旋導体区 間に一致して配置され、第１の区間の近接する巻きは離されており、第２の導体 区間の近接する巻きは離されていて、第１の螺旋コイル状導体区間の近接する巻 きの間に嵌め込まれるように形成されている請求の範囲５に記載のコイル組立体 。 ９． 螺旋コイル状電気導体区間は各々多数の巻きから成り、各巻きは、実質的 に直角に接合された長さ方向に延びる実質的に直線状導体区間から成る請求の範 囲１に記載のコイル組立体。