JP2006100389A - 薄型コイル - Google Patents

Abstract

【課題】多くの巻き数を有し且つ小径で薄型のコイルを安価に実現すること
【解決手段】絶縁基板１１の両面に、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状のプリントコイル１２，１３がそれぞれ形成され、プリントコイルの内側の２つの端部がスルーホール３１によって互いに接続され、これによってプリントコイルの外側の各端部を接続端子２２Ａ，２２Ｂとする１つの単位コイル６が形成されており、複数の単位コイル６が互いに同心となるように重ねて配置され、且つ１つの単位コイルの１つの接続端子２２Ａと他の１つの単位コイルの１つの接続端子２２Ｂとが互いに電気的に接続され、これによって複数の単位コイル６が直列に接続されてなる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、磁束の検出などに用いるための薄型コイル、およびそのための積層用の単位コイルに関する。

従来より、電流の検出や微少磁場の測定または弱磁束検出などのために、ホール素子、磁気抵抗素子、およびコイルなどの種々の磁気センサが用いられている。ホール素子および磁気抵抗素子は、直流および交流の両方に対して使用可能であるという利点があるが、温度依存性が高いという欠点がある。

これに対してコイルは、直流の検出には加振するなどの工夫が要るものの、温度依存性が低いという大きな利点がある。コイルでは、検出の感度を高くするためにはコイルの巻き数を多くし、これによって検出長を長くする必要がある。その場合に、コイルの形状寸法が大きくならないように、細い電線を使用する必要がある。高精度の磁界測定のためには、小径で且つ薄型のコイルが必要であるが、十分に小型のものは製作の困難さから実現が容易でない。また、巻き線で製作したコイルでは、寸法誤差があるために個体差が大きくなり、標準化することが困難である。つまり、手巻きまたは機械巻きのいずれにおいても、巻き線時に掛かる張力のバラツキや１巻ごとに１ピッチずらせるための送りのバラツキなどのために、数パーセント程度の誤差が避けられなかった。

そこで、プリント配線を用いた検出用のコイルが提案されている（特許文献１）。それは、絶縁性部材からなる基板を挟んで互いに斜めに向き合う複数の薄膜導体を形成し、それら薄膜導体の端部をスルーホールによって表裏で交互になるよう接続したものである。これによって、基板をコア部分としたコイルが構成される。

また、絶縁基材の両面にプリントコイルを形成して互いに接続したコイルも開示されている（特許文献２）。
特開２００２−４００５７ 特開平１１−３０７３６６

検出用のコイルを規格化するためには、多くの巻き数を有し且つ小径で薄型のコイルを実現することが欠かせない。

しかし、上に述べた特許文献１および２のいずれのコイルも、小型化および薄型化が未だ十分に達せられない。例えば、現在の製造技術では、直径が数ｍｍで且つ巻き数が数百回以上のコイルを実現することができない。

因みに、特許文献２のコイルにおいて、超薄型のプリント基板を用い、薄い銅箔を極めて微少な間隔で渦巻状に形成することができれば、それに応じて小型化を図ることができるが、現在のエッチング技術では１０μｍ程度の絶縁スペースと２０μｍ程度の導体幅が限界であり、十分な小型化が図れない。また、半導体技術でファインパターンを製作した場合は、巻き数は確保できるが厚みが厚くなってしまったり固有抵抗が大きくなるという欠点があり、しかも高価なものとならざるを得ない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、多くの巻き数を有し且つ小径で薄型のコイルを安価に実現することを目的とする。

本発明に係る薄型コイルは、絶縁基板の両面に、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状のプリントコイルがそれぞれ形成され、前記プリントコイルの内側の２つの端部がスルーホールによって互いに接続され、これによって前記プリントコイルの外側の各端部を接続端子とする１つの単位コイルが形成されており、複数の前記単位コイルが互いに同心となるように重ねて配置され、且つ１つの単位コイルの１つの接続端子と他の１つの単位コイルの１つの接続端子とが互いに電気的に接続され、これによって複数の前記単位コイルが直列に接続されてなる。

好ましくは、前記単位コイルにおける２つの前記接続端子は、前記プリントコイルの中心から互いに同じ半径位置であって且つ中心角αだけ互いに異なる角度位置に配置されており、複数の前記単位コイルが、１つの単位コイルの１つの接続端子と他の１つの単位コイルの１つの接続端子とが同じ角度位置となるよう、中心角αだけ互いに角度位置をずらせて配置されてなる。

また、前記プリントコイルの外側の各端部にスルーホールが形成されてこれが接続端子とされており、同じ位置にある２つの前記接続端子が半田付けまたは溶接によって接続されている。

また、前記プリントコイルの内側の各端部に形成されたスルーホールが、複数の前記単位コイルを重ねて配置するときの位置決め用ガイド穴を兼ねている。

また、隣合う単位コイルの間に絶縁性フィルムが配置されることによって、前記単位コイル間の絶縁がなされている。

本発明に係る単位コイルは、絶縁基板の両面に、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状のプリントコイルがそれぞれ形成され、前記プリントコイルの内側の２つの端部がスルーホールによって互いに接続され、前記プリントコイルの外側の２つの端部は、前記プリントコイルの中心から互いに同じ半径位置であって且つ互いに異なる角度位置に配置されてなる。

本発明に係る単位コイル基板は、フレキシブルな１枚の樹脂フィルムに、当該樹脂フィルムを前記絶縁基板とする請求項１記載の単位コイルが複数作成されてなる。

本発明によると、多くの巻き数を有し且つ小径で薄型のコイルを安価に実現することができる。

図１は本発明に係る単位コイル６の正面図、図２は単位コイル６の背面図、図３は単位コイル６を拡大して示す側面断面図、図４は複数の単位コイル６が形成された単位コイル基板６Ｔの正面図である。

図１〜３に示すように、単位コイル６は、絶縁基板１１、絶縁基板１１の両面に形成されたプリントコイル１２，１３からなる。

絶縁基板１１は、円板状のプラスチック製の薄いフィルムからなる。材料として、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ナイロン、テフロン（登録商標）、ポリエステル、マイラーなど、絶縁性の良好なもの、またできるだけ耐熱性の良好なものが用いられる。絶縁基板１１の寸法は、小型化の点から薄く且つ外径の小さなものが好ましいが、強度および巻き数を考慮して、厚さが１０〜５０μｍ程度、具体的には例えば２０μｍ程度、外径が５〜１０ｍｍ、具体的には例えば７ｍｍ程度のものが用いられる。

プリントコイル１２，１３は、それぞれ絶縁基板１１の表面に接着した高純度の銅薄膜をエッチングなどによって所定の形状に形成したものである。プリントコイル１２，１３は、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状である。つまり、正面のプリントコイル１２は正面から見て、背面（裏面）のプリントコイル１３は背面から見て、いずれも外端から内端に向かって右巻きである。しかし、これらを左巻きのものとしてもよい。

プリントコイル１２，１３は、厚さが５〜２０μｍ程度、線幅が１０〜４０μｍ程度、間隔が１０〜４０μｍ程度である。具体的には、例えば、厚さが１０μｍであり、線幅が２５μｍで間隔が２５μｍ、または線幅が３０μｍで間隔が２０μｍ、または線幅が１０μｍで間隔が１０μｍなどである。特に、線幅および間隔については、技術的に可能な範囲で必要に応じて小さくすればよい。なお、絶縁基板１１とプリントコイル１２，１３との接着のための接着剤の厚さが例えば１０μｍ程度必要である。

プリントコイル１２，１３の中心位置にある内側の２つの端部２１ａ、２１ｂは、スルーホール３１によって互いに電気的に接続されている。スルーホール３１の内径は、例えば１０分の１ｍｍ程度である。スルーホール３１は、後述するように複数の単位コイル６を積層する際の位置決め用ガイド穴を兼ねている。

プリントコイル１２，１３の外側の２つの端部２２ａ，２２ｂには、それぞれスルーホール３２，３３が形成され、それぞれ接続端子２２Ａ，２２Ｂとなっている。接続端子２２Ａ，２２Ｂは、プリントコイル１２，１３の中心位置から互いに同じ半径位置にあり、且つ、中心角α（図７参照）だけ互いに異なる角度位置に配置されている。本実施形態では、中心角αは１２０度である。

単位コイル６は、上のように形成されているので、表面と背面の２つのプリントコイル１２，１３は、内側の端部２１ａ、２１ｂで互いに接続されて１つのコイルとなり、しかも互いに巻き数が加算されるように直列に接続されるので、片面のプリントコイルの場合と比べて２倍の巻き数が得られる。

例えば、プリントコイル１２，１３の外径を５ｍｍとし、線幅を２５μｍ、間隔を２５μｍとして線ピッチを５０μｍとした場合は、表面と裏面でそれぞれ約５０巻となり、１つの単位コイル６で１００巻（ターン）となる。同じ外径で線幅および間隔を１０μｍとした場合は、表面と裏面でそれぞれ約１２５巻となり、１つの単位コイル６で２５０巻となる。また、絶縁基板１１の厚さを２０μｍ、プリントコイル１２，１３の厚さをそれぞれ１０μｍ、接着剤の厚さをそれぞれ１０μｍとした場合に、単位コイル６の厚さは５０μｍとなり、外径は７ｍｍ程度となる。

次に、単位コイル６の製作プロセスを図４を参照して簡単に説明する。

図４において、絶縁基板１１の材料として、可撓性を有する薄いプラスチックフィルム５１を準備する。プラスチックフィルム５１の両面に銅薄膜を設ける。その際に、銅薄膜を接着してもよいし、電気化学的に形成してもよい。このような基板に対して、プリントコイル１２，１３となるべき所定の形状、線間隔、および線幅のパターンを銅薄膜の上に多数描き、その部分をマスキングする。そして、基板をエッチング液中に浸漬し、攪拌しながら所定の時間エッチングする。その後、スルーホールの穴をあけ、メッキなどによってスルーホールに導体を充填する。必要に応じて、表面に保護層を形成しておく。このようにして、多数の単位コイル６が形成された単位コイル基板６Ｔが製作される。後は、単位コイル基板６Ｔから、単位コイル６を所定の外形で抜き取ればよい。

図５は本発明の実施形態に係る薄型コイル３の外観を示す斜視図、図６は薄型コイル３の側面断面図、図７は薄型コイル３の製作方法を説明する図である。

図５および図６に示すように、薄型コイル３は、複数枚の単位コイル６（６ａ〜６ｄ）、および複数枚の絶縁フィルム７（７ａ〜７ｅ）からなる。

すなわち、図７によく示されるように、薄型コイル３は、複数（本実施形態では４つ）の単位コイル６（６ａ〜６ｄ）が互いに同心となるように重ねて配置され、且つ、１つの単位コイル６の１つの接続端子２２Ａと他の１つの単位コイル６の１つの接続端子２２Ｂとが同じ角度位置となるよう、中心角αだけ互いに角度位置を順にずらせて配置されている。そして、同じ位置にある隣合う単位コイル６の２つの接続端子２２Ａ，２２Ｂは、半田付けまたは溶接によって互いに接続されている。その場合に、半田の厚みで寸法に誤差がでないようにするため、クリーム半田を適量使用することが好ましい。

最上位の単位コイル６ａの接続端子２２Ａおよび最下位の単位コイル６ｄの接続端子２２Ｂは、外部に引き出すための接続端子２３ａ，２３ｂとして用いられる。つまり、薄型コイル３は、２つの接続端子２３ａ，２３ｂからみて、複数の単位コイル６ａ〜６ｄが互いに直列に接続されたものとなる。本実施形態では、巻き数は、単位コイル６の４倍となる。

隣合う単位コイル６の間に、プリントコイル１２，１３を絶縁するための絶縁フィルム７ｂ，７ｃ，７ｄが配置されている。また、最上位置にある単位コイル６ａの表面、および最下位にある単位コイル６ｄの裏面にも、絶縁フィルム７ａ，７ｅが配置されている。これら絶縁フィルム７（７ａ〜７ｅ）は、プラスチック製の極薄フィルムからなる。その材料として、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ナイロン、テフロン、ポリエステル、マイラーなどが用いられる。それらの接着に適当な接着剤を用いてもよい。また、絶縁フィルム７をサンドイッチにして絶縁を図ることに代えて、プリントコイル１２，１３の表面にエポキシ樹脂などをコーティングしてもよい。

絶縁フィルム７は、プリントコイル１２，１３を覆い、且つ接続端子２２Ａ，２２Ｂを覆わない形状および大きさとなっている。したがって、プリントコイル１２，１３の外径より若干大きい外径の円板状とすればよいが、それよりも大きくして接続端子２２Ａ，２２Ｂの部分を切り欠いてもよい。また、絶縁フィルム７の中心部には、スルーホール３１と同じ位置に小穴４１が設けられている。絶縁フィルム７の寸法は、例えば厚さが５〜２０μｍ程度、具体的には例えば１０μｍ、外径が３〜６ｍｍ程度、具体的には例えば５ｍｍである。小穴４１の寸法は、スルーホール３１と同じか、それよりも若干小さい寸法である。

単位コイル６および絶縁フィルム７を積層する際に、中心にあるスルーホール３１に針などの適当な治具を差し込み、複数の単位コイル６の互いの位置決めを行えばよい。これによって、単位コイル６が互いに同心となり、中心ずれを防止して正確な寸法形状の薄型コイル３を容易に製作することができる。

このようにして作成された薄型コイル３は、外径が７ｍｍ程度、厚さが２００〜２５０μｍ程度になる。この寸法で、４層を積層した上の例では４００巻程度の薄型コイル３が得られる。したがって例えば１０層を積層した場合には、外径が７ｍｍ程度、厚さが５００〜６００μｍ程度で、１０００巻程度の薄型コイル３が得られる。

このように、本実施形態の薄型コイル３は、小径で薄型であるにもかかわらず、多くの巻き数のコイルとすることができる。しかも、単位コイル６はプリント基板と同じ構造であり、プリント基板と同じプロセスで製作することができるから、大量生産することができ、低コストで製作することができる。さらに、同じ単位コイル６を積層することによって多層の薄型コイル３を製作することができるから、一層低コストとなる。積層の枚数によって任意の巻き数の薄型コイル３を容易に製作することができる。

したがって、薄型コイル３は、例えば小型の磁気検出センサとして用いることができ、例えば狭い隙間などに差し込んで微弱磁束などを高精度で測定しまたは検出することができる。また、薄型コイル３は、ホール素子などと比べて温度依存性が低いので、電流の検出、微少磁場の測定、または弱磁束検出などを高精度に安定的に行うことができる。プリントコイル１２，１３が互いに密着しないのでストレー容量が小さい。

また、単位コイル６をプリント基板と同じプロセスで製作することができるので、単位コイル６の固体差が小さく、それを積層して製作する薄型コイル３も固体差が小さい。したがって、薄型コイル３を標準化することが容易である。

したがって、本実施形態の薄型コイル３は、例えば、磁気探傷用のセンサ、基準用のセンサ、隙間用の近接センサなどとして好適に用いることができる。

因みに、巻き線によって作成された従来のコイルでは、真円度、平坦度が悪く、コイルの部位による感度のバラツキが避けられなかったが、本実施形態の薄型コイル３を用いることにより、正確且つ安定な検出感度の実現が可能となった。

また、本実施形態の薄型コイル３は非常に薄く製作することができるので、コイルの厚みによる検出誤差を最小に抑えることが可能である。また、同一の仕上がり寸法とした場合に積層が可能となり、検出感度を数倍に向上させることが実現される。

上の実施形態において、単位コイル６の２つの接続端子２２Ａ，２２Ｂの中心角αを１２０度としたが、これ以外の角度であってもよい。例えば、４５度、６０度、９０度などでもよい。その場合には、それぞれの角度に応じて隣合う単位コイル６の角度位置をずらせて積層すればよい。単位コイル６の外径を円形としたが、これ以外の形状でもよい。例えば、４角形、５角形、６角形、８角形などとしてもよい。例えば正６角形としておくと、隣合う単位コイル６の角度位置を１２０度ずらせるのが容易である。また、例えば中心角αを９０度とし、単位コイル６の外形を正方形にしておくと、同様に隣合う単位コイル６の角度位置を９０度ずらせるのが容易である。このように、中心角αと外形とが所定の関係になるようにしておくと、薄型コイル３の製作時における単位コイル６の位置決めが容易である。

また、薄型コイル３または単位コイル６に配線用のリード線を一体に設けることも可能である。すなわち、例えば、絶縁基板１１に、各接続端子２３ａ，２３ｂから延びる線をプリントコイル１２，１３と同じようにして形成しておけばよい。その際に、接続端子２３ａ，２３ｂからの２本のリード線をツイストペアー線として構成するには、１つの絶縁基板１１または別途設けた絶縁基板の表裏に対向して交差するようにパターンを交互に形成しておき、スルーホールによって表裏のパターンを接続することによってツイストペアー線とすることができる。このようにして配線用のリード線を引き出すことにより、外部から加わる力が薄型コイル３に大きく作用することなく、強度的に丈夫な薄型コイル３とすることができる。

その他、単位コイル６または薄型コイル３の全体または各部の構成、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、磁気探傷用のセンサ、基準用のセンサ、隙間用の近接センサなどの検出用コイル、その他の狭い場所で用いるセンサ用のコイルまたはインダクタンスなどとして利用可能である。

本発明に係る単位コイルの正面図である。 単位コイルの背面図である。 単位コイルの拡大側面断面図である。 複数の単位コイルが形成された単位コイル基板の正面図である。 本発明の実施形態に係る薄型コイルの外観を示す斜視図である。 薄型コイルの側面断面図である。 薄型コイルの製作方法を説明する図である。

符号の説明

３ 薄型コイル
６ 単位コイル
６Ｔ 単位コイル基板
７ 絶縁フィルム
１１ 絶縁基板
１２，１３ プリントコイル
２１ａ、２１ｂ 端部（内側の端部）
２２ａ，２２ｂ 端部（外側の端部）
２２Ａ，２２Ｂ 接続端子
２３ａ，２３ｂ 接続端子
３１ スルーホール
３２，３３ スルーホール

Claims (7)

1. 絶縁基板の両面に、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状のプリントコイルがそれぞれ形成され、前記プリントコイルの内側の２つの端部がスルーホールによって互いに接続され、これによって前記プリントコイルの外側の各端部を接続端子とする１つの単位コイルが形成されており、
   複数の前記単位コイルが互いに同心となるように重ねて配置され、且つ１つの単位コイルの１つの接続端子と他の１つの単位コイルの１つの接続端子とが互いに電気的に接続され、これによって複数の前記単位コイルが直列に接続されてなる、
   ことを特徴とする薄型コイル。
2. 前記単位コイルにおける２つの前記接続端子は、前記プリントコイルの中心から互いに同じ半径位置であって且つ中心角αだけ互いに異なる角度位置に配置されており、
   複数の前記単位コイルが、１つの単位コイルの１つの接続端子と他の１つの単位コイルの１つの接続端子とが同じ角度位置となるよう、中心角αだけ互いに角度位置をずらせて配置されてなる、
   請求項１記載の薄型コイル。
3. 前記プリントコイルの外側の各端部にスルーホールが形成されてこれが接続端子とされており、
   同じ位置にある２つの前記接続端子が半田付けまたは溶接によって接続されている、
   請求項２記載の薄型コイル。
4. 前記プリントコイルの内側の各端部に形成されたスルーホールが、複数の前記単位コイルを重ねて配置するときの位置決め用ガイド穴を兼ねている、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の薄型コイル。
5. 隣合う単位コイルの間に絶縁性フィルムが配置されることによって、前記単位コイル間の絶縁がなされている、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の薄型コイル。
6. 絶縁基板の両面に、それぞれの表面から見て互いに同じ巻き方向となる渦巻き状のプリントコイルがそれぞれ形成され、前記プリントコイルの内側の２つの端部がスルーホールによって互いに接続され、前記プリントコイルの外側の２つの端部は、前記プリントコイルの中心から互いに同じ半径位置であって且つ互いに異なる角度位置に配置されてなる、
   ことを特徴とする積層用の単位コイル。
7. フレキシブルな１枚の樹脂フィルムに、当該樹脂フィルムを前記絶縁基板とする請求項１記載の単位コイルが複数作成されてなる、
   ことを特徴とする単位コイル基板。
   

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