JP2007180344A

JP2007180344A - 磁界発生コイル

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Publication number: JP2007180344A
Application number: JP2005378366A
Authority: JP
Inventors: Norimitsu Hoshi; 則光星; Yoshitaka Saito; 義孝斎藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP4632363B2

Abstract

【課題】軸方向の磁界がコイル中心線に沿ってコイル端部まで均一な磁界発生コイルを提供すること。
【解決手段】導線を巻回した多層巻きの積層ソレノイドコイルからなる磁界発生コイルにおいて、コイル中心からコイル端部にかけて、前記導線の巻回数を増やした磁界発生コイルである。また、その積層ソレノイドコイルは長さ方向に分割された分割構造を持ち、個々の分割されたボビンに巻回される導線の巻回数を変え、中心に位置するボビンの分割コイル１０４での巻回数よりも端部に位置するボビンの端部コイル１０５での巻回数が大である。また、端部コイル１０５に巻回される導線の巻回数のみならず、巻回する導線の径を変えることでコイル巻回断面積の増加を抑制している。
【選択図】図７

Description

本発明は、自動車、家電、通信機器、船舶、航空機、医療機器等で使用される磁界発生コイルに関する。

磁界発生コイルは、円筒状または、それに類似した多面体状の筒に、銅線等の導体線を巻回し、その導体線に電圧を印加することで、電流が流れ、導体線に沿ってアンペールの周回法則に従って、周囲に磁界を発生するコイルである。

種々の使用において発生磁界の均一性が要求され、従来の磁界均一性を高めた磁界発生コイルには、特許文献１に分割型ＭＲＩ用磁場発生装置がある。複数の環状コイルを有するコイル集合体とこの集合体を収容するコイル収容容器とを有する磁極装置を対向し、所定の空間間隔をもって配設した分割型ＭＲＩ用磁場発生装置で、対になったコイル間の空間の磁界を均一に制御するものである。

また、特許文献２に小径コイルと大径コイルを用い、主磁界を所定領域に発生するための第１コイルアセンブリと、その主磁界から漏洩する漏洩磁界をシールドするための磁界を発生する第２コイルアセンブリを有した高い均一磁界が得られるＭＲＩシステムがある。大径コイルは所定領域の中心部に合成磁界のほぼ５％の零磁界を生成するものであり、磁石との併用で均一空間の広さを約２倍に制御することが出来るものである。

また、非特許文献１には、対向する１対または複数対の同大線輪（ヘルムホルツコイル方式）について記述されている。対向するコイルの中心領域に均一磁界領域を設ける方法である。

特開平１０−９９２９６号公報特開平８−２８８１２０号公報磁気工学、義井胤景著、海文堂出版１９６９年、ｐ９５〜。

通常のソレノイドコイルの内部発生磁界は、コイル中心部が均一磁界になっているが、コイル端部にいくにつれ、反磁界の影響により磁界の均一性がなくなり、軸方向の発生磁界は減衰する。コイル内部の発生磁界の均一性を上げるために、２つのコイルを対向し、その対向したコイルの中心部に磁界均一範囲を設ける手段がヘルムホルツコイル方式として知られている。ヘルムホルツコイル方式は、コイルとコイルの間の空間に均一磁界領域を設けるもので、１つのコイルの中心近傍は磁界が大きくなってしまい、且つ、コイル端部まで、磁界を均一にすることが出来ない問題がある。

この状況にあって、本発明の課題は、軸方向の磁界がコイル中心線に沿ってコイル端部まで均一な磁界発生コイルを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の磁界発生コイルは、導線を巻回した多層巻きの積層ソレノイドコイルからなる磁界発生コイルにおいて、コイル中心部よりもコイル端部での前記導線の巻回数を増やしたことを特徴とする

前記積層ソレノイドコイルは長さ方向に分割された分割構造を持ち、個々の分割されたボビンに巻回される導線の巻回数を変え、中心に位置するボビンでの前記巻回数よりも端部に位置するボビンでの前記巻回数を大にするとよい。

前記分割されたボビンに巻回される導線の巻回数のみならず、巻回する導線の径をボビンごとに変えることでコイル巻回断面積を変えると、コイル端部で巻回数が増加してもコイル巻回断面積の増加を抑制することができる。

以上のように本発明によれば、磁界発生コイルに於けるコイルを分割し巻回し、端部に於ける分割コイルの巻線径を細くし、コイル中心部に近いコイルより巻回数を多くしながら、巻外径を小さくする構造にすることで、コイル中心から端部に至るまでの軸方向磁界の減衰を補正した均一磁界領域の広い磁界発生コイルを提供出来る。

次に、本発明の実施の形態での磁界発生コイルについて説明する。本発明の第１の実施の形態では、導線にて巻回した並列密巻き積層ソレノイドコイルに、コイル中心からコイル端部にかけて、徐々に並列密巻き積層ソレノイドコイルの巻回数を増やすようにする。こうすることで、コイル内部の磁界が、コイル中心部に対しコイル端部で１％以下の磁界減衰に抑えられた磁界均一性を持つ磁界発生コイルが得られる。

また、本発明の第２の実施の形態では、積層ソレノイドコイルにおいて、ソレノイド全長をいくつかに分割した分割構造を持ち、個々の分割されたボビンに巻回されるコイルの巻回数が変えられ、コイル中央部ボビンの巻回数に対し、少なくとも全長の１／１０の範囲にある両端近傍のボビンでは、巻回数を増加させたボビンを有する磁界発生コイルとする。

また、本発明の第３の実施の形態では、積層ソレノイドコイルは、分割されたボビンの巻回数のみならず、巻回する線材径を変えることで、コイル巻回断面積の増加を抑制している。そのときの作用を説明するために、内部発生磁界をＨとしたときの円筒状ソレノイドコイルに対する式を、巻数Ｎ、印加電流Ｉ、コイル長ｌ、コイル内径ａ、コイル外径ｂ、コイル軸方向の座標ｘとし、数１に示す。

このように内部発生磁界Ｈは、コイル内径ａとコイル外径ｂの差を少なくすることで、高められる。すなわち、端部近傍では、巻数Ｎを増加させるにもかかわらず、物理的な外径を抑え、コイル巻回断面積を、コイル中心側のコイル外径に対し増加させないことで、軸方向の磁界均一性を高めた磁界発生コイルが得られる。

また、分割されたボビンでの各々の巻回数が一定であっても、コイル巻回断面積をコイル中心からコイル端部（開口部）に変位するにつれて、次第に小さくすることで、軸方向の磁界均一性を高めた磁界発生コイルが得られる。

以下に、本発明の実施例による磁界発生コイルについて図面に基づいて説明する。始めに、本発明に到達する前に試作した比較例について説明する。

（比較例１）一般的なソレノイドコイルを利用した比較例１の磁界発生コイルを四角柱状に銅線で並列密巻きし、積層しながら巻回して作成した。

図１は比較例１の磁界発生コイルを示す斜視図であり、外形幅３１．６ｍｍ×高さ７．６ｍｍ×長さ３３ｍｍのボビン１０１に、φ０．１２ｍｍのポリウレタン被覆銅線１０２を並列密巻きで１層につき２２９回、巻回し、３層で６８７回、巻回した積層ソレノイドコイルである。なお、網掛け部分は、磁界が印加されるマイクロストリップライン基板に関わる部分である。

この巻回した線材の巻始めと巻終わり間に、直流電流１０ｍＡを流した。このコイル内部の中心に於ける軸方向の磁界測定を、ホール素子を用いたガウスメーターとフラックスゲート型磁気センサーを併用して行った。

コイル中心で軸方向磁界Ｈｙ＝６３６．６［Ａ／ｍ］（８．０［Ｏｅ］）が発生している。図２にコイル内部の中心面付近に於ける軸方向の磁界分布を示す。ここで、１０は磁界発生コイルの全体外形を表している。コイル端部では、５７３［Ａ／ｍ］（７．２［Ｏｅ］）以下まで減衰している。数値データからコイル中心を基準磁界とし、コイル端部までの磁界分布をグラフに示したのが、図３である。コイル中心部の軸方向磁界Ｈｙに対し、端部での軸方向磁界Ｈｙは２７％も低い特性になっている。

（比較例２）図３に示したような、コイル中心からのコイル端部への急激な磁界減衰を抑えるため、ヘルムホルツコイルを利用した比較例２の磁界発生コイルを２つの角環コイル状に銅線で並列密巻きし、積層しながら巻回して作製した。

図４は本比較例２の磁界発生コイルを示す斜視図であり、比較例１と同じ大きさのボビン１０１にコイル端部から１１ｍｍの範囲だけにφ０．１２ｍｍのポリウレタン被覆銅線１０３を１層につき７６巻回し、５層で３８０巻回したもので、コイル両端で、合計７６０巻回したヘルムホルツコイルである。なお、網掛け部分は、磁界が印加されるマイクロストリップライン基板に関わる部分である。

比較例１と同じ直流電流１０ｍＡで、コイル中心で軸方向磁界Ｈｙ＝２５０．７［Ａ／ｍ］（３．１５［Ｏｅ］）が得られている。コイルが端部だけに集中して巻回されているために、コイル端部の直下では、コイル中心磁界に対して２．５倍程度もの軸方向磁界Ｈｙとなってしまっている。図５に比較例１の図２と同様の数値データのグラフを示す。すなわち、図５は比較例２のコイル内部の中心面付近での軸方向の磁界分布を示す図である。また、図６はコイル中心を基準磁界とし、コイル端部までの磁界分布を示す図である。

（実施例１）図７は本発明の実施例１での磁界発生コイルを示す斜視図である。本発明では、図７のように、コイル長を１１個に分割した。中央部のボビンには、それぞれ、φ０．１８ｍｍのポリウレタン被覆銅線を並列密巻きして１１０〜１２０回、巻回した。さらに、端部（開口部）のボビンには２２５回、巻回したものを製作した。そのボビンを直列に繋ぎあわせることで、有限長ソレノイドコイルを構成し、且つコイル幅方向のコイル軸方向均一磁界領域を広げるために、幅方向は、比較例１および比較例２の３１．６ｍｍから６１．６ｍｍまでコイル幅を広げて図７の構造とした。なお、網掛け部分は、磁界が印加されるマイクロストリップライン基板と磁界発生コイル銅線の端末処理に関わる部分である。分割コイル１０４により、全体の中央に位置するボビンの巻回数を１１０回とし、コイル端部（開口部）から２番目のボビンの巻回数を１２０回とし、コイル端部に位置する端部コイル１０５の巻回数を増やし２２５回で製作した。そのとき用いたポリウレタン被覆銅線の芯線直径は、巻回数１１０および１２０回の中央部に対してはφ０．１８ｍｍであり、巻回数２２５回の端部に対してはφ０．１２ｍｍである。減衰を補正するために巻回数だけ増加させても、コイルの内外径の差が大きくなると、コイル内部の磁界は、数１の通り顕著に大きくならないことから、巻回数を増加させ且つ、内外径の差を増やさないように巻線径を細くすることで、軸方向に均一な磁界が得られる。すなわち、端部付近でのコイル巻回断面積（コイル中心軸を含む平面内にあるコイル導線の断面積）を増加させないようにして、磁界均一性を高めた。

図８は本実施例１での磁界発生コイルの内部中心面付近の磁界分布を示し、図８（ａ）は第１試作例、図８（ｂ）は第２試作例を表している。

図９は、コイル中心を基準磁界とし、コイル端部までの軸方向磁界の分布を、本発明の実施例１と他の比較例とで対比して示す図である。符号２は並列密巻きソレノイド型（比較例１）の磁界分布、符号３はヘルムホルツ型（比較例２）の磁界分布、符号４は本発明の実施例１の磁界分布、符号５は比較例１の並列密巻きを分割巻きに替えた場合の磁界分布を表している。

図９のように、本発明では、軸方向での磁界均一性が顕著である。また、符号２と符号５の磁界分布を比べると、並列密巻きよりも分割巻きのほうが、磁界均一性がよいことも分かる。このような本実施例の磁界発生コイルは磁気センサー内部などにおいて均一なバイアス磁界を発生するのに特に適している。

比較例１の磁界発生コイルを示す斜視図。比較例１でのコイル内部の中心面付近における軸方向の磁界分布図。比較例１での、コイル中心の基準磁界に対しコイル端部までの磁界分布を示す図。比較例２の磁界発生コイルを示す斜視図。比較例２のコイル内部の中心面付近での軸方向の磁界分布図。比較例２での、コイル中心の基準磁界に対しコイル端部までの磁界分布を示す図。実施例１での磁界発生コイルを示す斜視図。実施例１での磁界発生コイルの内部中心面付近の磁界分布を示し、図８（ａ）は第１試作例の磁界分布図、図８（ｂ）は試作例の磁界分布図。コイル中心を基準磁界とし、コイル端部までの軸方向磁界の分布を、本発明の実施例１と他の比較例とで対比して示す図。

符号の説明

２，３，４，５磁界分布
１０磁界発生コイルの全体外形
１０１ボビン
１０２，１０３ポリウレタン被覆銅線
１０４分割コイル
１０５端部コイル
Ｈｙ軸方向磁界

Claims

導線を巻回した多層巻きの積層ソレノイドコイルからなる磁界発生コイルにおいて、コイル中心部よりもコイル端部での前記導線の巻回数を増やしたことを特徴とする磁界発生コイル。
前記積層ソレノイドコイルは長さ方向に分割された分割構造を持ち、個々の分割されたボビンに巻回される導線の巻回数を変え、中心に位置するボビンでの前記巻回数よりも端部に位置するボビンでの前記巻回数が大であることを特徴とする請求項１記載の磁界発生コイル。
前記分割されたボビンに巻回される導線の巻回数のみならず、巻回する導線の径を変えることでコイル巻回断面積を変えたことを特徴とする請求項２記載の磁界発生コイル。