JP2010239113A - 電磁拡管成形用インダクタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂を含浸する際の空隙の発生を抑制すると共に、導体周囲及び軸部と中心側繊維層との界面に作用する電磁反力を低減して耐久性を向上させ、長寿命化した電磁拡管成形用インダクタを提供する。
【解決手段】ボビン２の軸部の周面に、樹脂含浸性を有するガラスクロステープ３を所定の厚さとなるように巻回し、更に、ガラスクロステープ６により被覆された導体素線４を、ボビン２の軸方向に螺旋状に巻回してコイルを形成する。更に、その外側に、ガラスクロス７を所定の厚さを有するように巻き付けた後、ガラスクロステープ３，６及びガラスクロス７に樹脂を含浸させ、一体化させる。ガラスクロステープ３に樹脂を含浸させた中心側樹脂含浸層は、軸部よりも縦弾性係数が低い。インダクタの半径をｒとすると、中心側樹脂含浸層の厚さｔは０．０２５ｒ乃至０．２５ｒである。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電体である金属管等を電磁力を利用して拡管成形する際に使用される電磁拡管成形用インダクタ及びその製造方法に関する。

電磁拡管成形は、高電圧で蓄えられた電荷を電磁成形用インダクタに瞬時に放電させて、その周囲に極めて短時間で強力な磁場を形成し、この強磁場の中に被成形体を配置することにより、被成形体と成形用コイルとの間に電磁反力を発生させて、被成形体を拡管成形する技術である（特許文献１）。

この電磁拡管成形は、電磁力を利用して導電体（Ａｌ、Ｃｕ、非磁性ステンレス鋼、Ｔｉ等）の塑性加工が可能であるため、パイプ状及び板状等の種々の多様な形状の被成形体を加工することができるので、様々な分野への適用が検討されている。

このような電磁拡管成形に使用される電磁拡管成形用インダクタとして、例えば特許文献２又は３に開示されたものがある。図３は、特許文献２及び３に開示された従来の電磁成形用インダクタを示す断面図である。なお、図３は、電磁拡管成形用コイルの中心軸（１点差線）から一方の周面までの半分の部分を示す。

図３に示すように、電磁拡管成形用インダクタ１０１は、絶縁性樹脂により軸状に構成されたボビン２を有している。このボビン２の周面には、ガラスクロステープ６により被覆された矩形断面を有する中空の導体素線４が、ボビン２を軸心としてらせん状に巻回されコイルを構成している。なお、この導体素線４の中心の中空部５は、冷媒が通流して導体素線４を冷却するようになっている。そして、この導体素線４は隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行になるように巻回されている。また、コイルの外側には、所定の厚さを有するようにガラスクロス７が巻き付けられている。絶縁性の樹脂８は、ガラスクロステープ６、ガラスクロス７及び各構成物間の空隙に含浸され、これにより絶縁層及び導体が固着されている。なお、電磁拡管成形用インダクタ１０１は、樹脂８の含浸後にガラスクロス７の外周を切削加工されることにより、所定の外径を有している。

特開２００４−３５１４５５号公報 特開２００４−４００４４号公報 特開平０６−２３８３５６号公報

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。図３に示す電磁拡管成形用インダクタ１０１において、樹脂８は含浸の際にガラスクロスの繊維に沿って含浸していき、かつボビン２の樹脂自体には浸透しない。このため、各導体を被覆するガラスクロステープ６同士の境界でボビン直上の部分（図３に示すＢ部）は、樹脂の浸透が不十分になりやすく、その結果として空隙が生じやすい。一方、電磁拡管成形用インダクタ１０１の使用時には、大電流がコイルに通電されることにより導体素線４が振動するため、電磁成形用コイル１０１の内部に空隙があるとその部分が亀裂の発生源となりやすい。発生した亀裂は、繰り返しの使用により進展し、やがて電磁拡管成形用インダクタ１０１の変形及び破損等を引き起こす可能性がある。従って、内部に空隙を有する電磁拡管成形用インダクタは、その寿命が短くなってしまう。

図４は、電磁拡管成形時に導線に作用する電磁力を示す模式図である。軸部２１の周面に、樹脂２２で被覆された導線２３が巻回されて、電磁拡管成形用インダクタが構成されており、このインダクタを外嵌するように、金属製被成形パイプ２０が配置されている。電磁力を利用した拡管成形では、被成形パイプに瞬発的な電磁力を作用させたときに、同時に、コイル導線２３には、導線２３に流れる電流と磁束密度との相互作用により、コイル中立軸に向かう半径方向に電磁反力２４を受け、更に、被成形パイプの端部近傍に中立軸（１点鎖線）方向に電磁反力を受けて、インダクタ自身又は導線が変形することにより破損してしまうという問題点がある。なお、図４において、Ｆｒは半径方向に作用する電磁力を示し、Ｆｚは軸方向に作用する電磁力を示す。

更に、瞬発的な電磁反力の繰り返しにより、ダメージが蓄積され、上述のような変形が大きく、軸部２１と含浸性樹脂によって被覆された導線２３との界面に作用する剪断力２５により、剥離が進行して隣り合う導線２３が接触した場合、導通によりスパークして破損をもたらすため、コイル導線間に絶縁性を有する含浸樹脂２２を配置しているが、瞬間的な電磁反力のために、含浸樹脂２２をも圧壊又は剥離して破損させてしまう虞がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、樹脂を含浸する際の空隙の発生を抑制すると共に、導体周囲及び軸部と中心側繊維層との界面に作用する電磁反力を低減して耐久性を向上させ、長寿命化した電磁拡管成形用インダクタを提供することを目的とする。

本発明に係る電磁拡管成形用インダクタは、軸部と、この軸部の周囲を被覆した樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させて硬化させ前記軸部とは強度特性が異なる中心側樹脂含浸層と、絶縁性樹脂が含浸して硬化した樹脂含浸性繊維層が被覆された導線を前記中心側樹脂含浸層の周面に巻回することにより構成されたコイルと、このコイルの外周を被覆した樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させて硬化させた外側樹脂含浸層と、を有することを特徴とする。この場合に、強度特性としては、主として、縦弾性係数である。但し、この縦弾性係数が異なると、材料特性値として、引張強度及びその異方性等も異なる。

この場合に、前記各樹脂含浸性繊維層は、ガラスクロステープにより構成することができる。また、前記中心側樹脂含浸層を構成する樹脂含浸性繊維層は、前記軸部に１回以上巻回されたガラスクロステープにより構成され、前記中心側樹脂含浸層の厚さｔと、インダクタ全体の半径ｒとの比ｔ／ｒが、０．０２５乃至０．２５であることが好ましい。また、前記中心側樹脂含浸層が前記軸部と強度特性が異なるということは、例えば、前記中心側樹脂含浸層が、前記軸部よりも、縦弾性係数が低いことである。

また、前記電磁拡管成形用インダクタの半径が３５ｍｍ以下であり、前記軸部及び前記中心側樹脂含浸層の縦弾性係数を夫々Ｅ１，Ｅ２としたとき、前記軸部は、前記軸部の縦弾性係数Ｅ１と前記中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２との比Ｅ１／Ｅ２が１．９以上である材料からなることが好ましい。

本発明に係る電磁拡管成形用インダクタの製造方法は、中心側樹脂含浸層用の樹脂含浸性の繊維層を軸部の周面に被覆する工程と、樹脂含浸性繊維層が被覆された導線を前記中心側樹脂含浸層用の繊維層の周面に巻回することによりコイルを形成する工程と、外側樹脂含浸層用の樹脂含浸性の繊維層を前記コイルの外周に被覆する工程と、前記樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、前記含浸樹脂を硬化させる工程と、を有し、前記中心側樹脂含浸層用の繊維層を軸部の周面に被覆する工程は、ガラスクロステープを１回以上その幅の半分以上を重ねて前記軸部に巻回する工程、被覆部位を覆う広幅のガラスクロステープを１回巻回する工程、又は筒状の伸縮性を有するガラスクロス筒を被せる工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、軸部とは強度特性（縦弾性係数等）が異なる中心側樹脂含浸層を軸部とコイルとの間に設けることにより、コイルの導線の周囲及び軸部と前記中心側樹脂含浸層との界面に作用する電磁反力を低減させ、層の界面に発生する剪断力を低減させて、耐久性を著しく向上させることができる。また、本発明においては、導線を被覆する樹脂含浸性繊維層と軸部との間に中心側樹脂含浸性繊維層が配置されているので、樹脂を含浸する際に、例えば導線の周囲のような繊維層同士の境界において十分に樹脂が含浸し、亀裂の起点となる空隙の発生が抑制される。その結果、長寿命の電磁成形用インダクタを得ることができる。

本発明の実施形態に係る電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。 本発明の実施形態において、剪断力τ_ｒｚが中心側樹脂含浸層の厚さｔの増加により低下する様子を示すグラフ図である。 従来の電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。 電磁成形時に発生する応力を示す模式図である。 従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力比と成形可能寿命比との関係を示す図である。 本実施形態における縦弾性係数比と剪断応力比との関係を示す図である。 本実施形態における電磁拡管成形用インダクタ半径と剪断応力比との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。なお、図１は、電磁拡管成形用インダクタの中心軸（１点鎖線にて示す）をとおる断面において、一方の半分の部分を示すものである。

図１に示すように、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタ１は、軸部を構成する円柱状のボビン２を有する。このボビン２は、例えば絶縁性樹脂により形成されている。なお、ボビン２は、図１に示された軸部以外に例えば外部に固定するためのフランジ部等が設けられていてもよい。また、本明細書では軸状として表示しているが、例えば筒状として構成されていてもよい。

ボビン２の軸部の周面には、中心側樹脂含浸層用の繊維層であるガラスクロステープ３が所定の厚さを有するように巻回されている。このガラスクロステープ３は、ガラス繊維がテープ状に製織されたものであり、絶縁性樹脂に対して樹脂含浸性を有している。なお、本実施形態において、ガラスクロステープ３及び後述するガラスクロス７及びガラスクロステープ６のいずれについても同様に樹脂含浸性を有する。

導体素線４は、矩形断面を有し、中心に円形の冷媒流通用の中空部５が形成された筒状をなし、外面には樹脂含浸性繊維層であるガラスクロステープ６が被覆されている。このガラスクロステープ６も絶縁性樹脂が含浸されて硬化されている。そして、ボビン２の周面に巻回されたガラスクロステープ３の上に、中空の導体素線４が、ボビン２を軸心として螺旋状に巻回されてコイルが構成されている。この場合、隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行になるように、かつガラスクロステープ６同士が接触するようにして密に巻回されている。導体素線４は、例えば銅又は銅合金により製造され、図示しない電源装置に接続されて給電されるようになっている。また、導体素線４の中空部５の内部には、冷媒装置から液体又は気体の冷媒が循環供給されて、コイルとしての使用時に発生する熱を冷却するようになっている。

コイルの外周面上には、所定の厚さを有するように外側樹脂含浸層用の繊維層であるガラスクロス７が巻き付けられている。このガラスクロス７はシート状であるが、例えばテープ状とすることもできる。ガラスクロステープ３、ガラスクロステープ６、及びガラスクロス７は、いずれも樹脂含浸性の繊維層であり、絶縁性の樹脂がインダクタの周面から含浸されて硬化している。この絶縁性樹脂は、各繊維層の間にも含浸されて硬化している。ガラスクロステープ３は絶縁性樹脂が含浸されて硬化することにより中心側樹脂含浸層を形成し、ガラスクロス７は絶縁性樹脂が含浸されて硬化することにより外側樹脂含浸層を形成する。絶縁性樹脂としては、例えば熱硬化性を有するエポキシ樹脂等を使用することができる。なお、電磁成形用インダクタ１は、絶縁性樹脂の含浸後にガラスクロス７の外周面を切削加工することにより、所定の外径を有するものとなっている。而して、本実施形態においては、中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）と軸部（ボビン２）との強度特性が異なるものである。具体的には、中心側樹脂含浸層の縦弾性係数が軸部の縦弾性係数より低く、軸部及び中心側樹脂含浸層の縦弾性係数を夫々Ｅ１，Ｅ２としたとき、軸部の縦弾性係数Ｅ１と中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２との比Ｅ１／Ｅ２は１．９以上である。

次に、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタの製造方法について説明する。図１に示す本実施形態の電磁拡管成形用インダクタ１は、例えば、以下に示す方法により製造することができる。先ず、ボビン２の周面にガラスクロステープ３をボビン２の軸方向に対し螺旋状に巻回する。この際、ボビン２の軸方向に隣接するガラスクロステープ３の幅方向の一部を相互に重ねる。本実施形態においては、例えば、ガラスクロステープ３の幅方向の半分以下又は半分以上を既に巻回されている隣接のガラスクロステープ３に重ねる（ハーフラップ）。このようにハーフラップでガラスクロステープ３を巻回することにより、テープのずれ及び絶縁層の厚さの偏り等を抑制することができる。なお、ガラスクロステープ３の重なり部の範囲を、その幅方向の半分以下とすると、ガラスクロステープ３はほぼ２重巻となるが、ガラスクロステープ３の重なり部の範囲を、その幅方向の半分以上とすれば、ガラスクロステープ３は、３重巻又はそれ以上となる。このようにして、ガラスクロステープ３の巻回数を調節することにより、ガラスクロステープ３を所定の厚さに調整することができる。

また、ガラスクロステープ３をボビン２の周面に被覆する方法としては、他に、テープ幅がボビン２の被覆部位の軸方向の全体を覆うような広幅のガラスクロステープを使用し、この広幅のガラスクロステープを１回ボビン２に巻回することとしても良い。更に、筒状の伸縮性を有するガラスクロス筒をボビン２に被せることとしても良い。

次に、ガラスクロステープ３の外周に、ガラスクロステープ６により被覆された導体素線４を螺旋状に巻回することによりコイルを構成する。この際、隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行となるように巻回する。

次に、コイルの外周に、ガラスクロス７を巻回した後、樹脂８を含浸させる。樹脂８としては、例えば絶縁性及び熱硬化性を有するエポキシ樹脂を使用する。その後、樹脂８を加熱・硬化させることにより、絶縁層が強固に固着する。その後、ボビン２を軸心としてガラスクロス７の外周面を切削加工することにより、所定の外径を有する電磁成形用コイル１が得られる。

次に、本実施形態の動作について説明する。例えば、図１に示す本実施形態の電磁拡管成形用コイル１を金属管の拡管に使用する場合、先ず、図示されている電磁拡管成形用コイル１の軸部を被加工材である金属管（図示せず）内に挿入する。次に、導体素線４により構成されたコイルに衝撃大電流を通電し、電磁拡管成形用コイル１の軸部の周囲に磁場を発生させる。これにより、金属管は磁場の反発力により外側へむけて強い拡張力を受けて拡管し、金属管の外側に配置された成形型（図示せず）に押し付けられて成形される。なお、この際導体素線４に発生する熱を冷却するために、導体素線４の中空部に冷媒が流通している。

本実施形態においては、含浸された絶縁性樹脂は、導体素線４を被覆するガラスクロステープ６よりも軸中心側のガラスクロステープ３まで浸透する。従って、図１に示すＡ部のように、隣接するガラスクロステープ６間の境界部分であってボビン２側の部分においても、十分に絶縁性樹脂を浸透させることができ、その結果、内部の空隙の発生を極めて少なくすることができる。

以上説明したように、本実施形態においては含浸樹脂内での空隙の発生が極めて少なくなるため、各導体の周囲が強固に固定される。換言すれば、絶縁層内部において空隙を起点とする亀裂が発生しにくくなる。上述のように、電磁成形用コイル１の使用時にはコイルに大電流が通電されるが、繰り返し使用によっても、本実施形態によれば上記の理由により電磁成形用コイルを破損する虞が極めて少なくなる。その結果、電磁成形用コイルを飛躍的に長寿命化することができる。

次に、図３に示す中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）を有しない従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力と成形可能寿命との関係について説明する。従来構造の電磁拡管成形用インダクタへの通電時に、軸部（ボビン２）と導線周囲の被覆含浸層（ガラスクロステープ６）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを、有限要素法による数値解析によって求めた。

図５は、従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０を横軸にとり、成形可能寿命比β／αの対数値を縦軸にとって、両者の関係を示すグラフ図である。なお、τ_０は、従来の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通電時にコイル導線間に介在している樹脂含浸被覆層同士の接触界面（図３の領域Ｂ）に生じる剪断応力、τ_ｒｚは、従来の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通電時に軸部と導線周囲の被覆含浸層との界面に生じる剪断応力である。また、α，βは、従来構造の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通常の使用条件で使用したときの成形可能寿命であり、αは電磁拡管成形用インダクタの採算を確保することができる基準値としての成形可能寿命、βは電磁拡管成形用インダクタの成形可能寿命の平均値を示す。なお、図５においては、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０の値が０．８６及び１であるときの夫々において、電磁拡管成形用インダクタの成形可能寿命βのばらつきを前記基準値αに対する比として垂直細線にて示してある。電磁拡管成形用インダクタにおいては、ガラスクロステープ同士の境界に生じる空隙から亀裂が生じ、通電時のインダクタ導線の振動によりこの亀裂が拡大して変形及び破損が生じる。一般に、繰り返し荷重による疲労破壊においては、応力振幅Ｓと応力付加回数Ｎ（インダクタでは通電回数に相当）との間に、Ｋを定数として、下記数式１の関係がある。そして、応力振幅Ｓは剪断応力τに比例し、応力付加回数Ｎは成形可能寿命βに比例する。従って、従来の電磁拡管成形用インダクタにおける剪断応力値τ_０を基準値としたときの軸部と導線周囲の被覆含浸層との間に生じる剪断応力値τ_ｒｚの比τ_ｒｚ／τ_０は、採算を確保することができる成形可能寿命αを基準としたときの成形可能寿命βの比β／αの対数に比例する。図５における実線は、成形可能寿命比β／αの平均値と剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０との関係を示す。また、破線は、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０が１のときに成形可能寿命βのばらつきの中で最小（β＝０．４５α）となる点を起点とし、実線と同じ傾きで直線を延長したものである。

図５に示すように、電磁拡管成形用インダクタは、内部に生じる空隙のために寿命のばらつきが大きく、従来の電磁拡管成形用インダクタ（τ_ｒｚ／τ_０＝１）においては、成形可能寿命が採算を確保することができる寿命の０．４５倍であるものも存在している。しかしながら、電磁拡管成形用インダクタの寿命が短いと、加工コストが増大するため、成形可能寿命を採算が確保することができる寿命まで向上させることは極めて重要である。図５に示すように、剪断応力τ_ｒｚを低減すると、成形可能寿命βを高めることができ、成形可能寿命βが最小（β＝０．４５α）である従来の電磁拡管成形用インダクタにおいても、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０を１９％低減すれば（τ_ｒｚ／τ_０＝０．８１）、成形可能寿命βを採算が確保することができる値（β／α＝１）まで高めることができる。τ_ｒｚ／τ_０を低減するためには、具体的にはインダクタ半径、通電電圧、又はコンデンサ容量を小さくすればよい。

次に、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタについて、有限要素法により剪断力を数値解析した結果について説明する。樹脂含浸されたガラスクロステープ３で構成された中心側樹脂含浸層の厚さｔと、電磁拡管成形用インダクタの半径ｒとの比ｔ／ｒをパラメータとして、有限要素法による数値解析を行い、通電時に軸部（ボビン２）と中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを求めた。この有限要素法による数値解析では、中心側樹脂含浸層が軸部と異なる強度特性を有するものであることにより、優れた特性を有するインダクタが得られることを示すため、各構成要素の縦弾性係数を、夫々軸部が３０ＧＰａ、中心側樹脂含浸層が１６ＧＰａ、導体（導体素線４）が１１８ＧＰａとした。

図２はτ_ｒｚ／τ_０を縦軸にとり、ｔ／ｒを横軸にとって、両者の関係を示すグラフ図である。なお、τ_０は、中心側樹脂含浸層が存在しない場合（ｔ＝０、図３参照）の剪断応力である。この図２に示すように、中心側樹脂含浸層の厚さｔが増加すると共に、剪断応力τ_ｒｚが低下し、ｔ／ｒが０．１のときに、剪断応力τ_ｒｚが極小値をとり、ｔ＝０の場合に比して約２０％剪断応力が低下する。本発明においては、剪断応力の低下の程度がτ_０の１５％以上である場合に、中心側樹脂含浸層を設けることによる剪断応力の低下効果があると判断する。よって、上記基準から、本発明においては、ｔ／ｒを０．０２５乃至０．２５とすることが好ましい。よって、電磁拡管成形インダクタの半径ｒが２０ｍｍのときには、中心側樹脂含浸層の好ましい厚さの範囲は、０．５乃至５ｍｍとなる。

中心側樹脂含浸層の厚さはガラスクロステープ３の種類、厚さ及び巻数に依存する。市販のガラスクロステープの厚さは、概ね、約０．０５乃至０．３０ｍｍであると考えられる。そこで、このガラスクロステープをボビンにハーフラップ（幅方向の部分を５０％重ねる）で巻回すれば、ガラスクロステープの厚さが０．３ｍｍである場合は、中心側樹脂含浸層用の繊維層の厚さｔがガラスクロステープの厚さの２倍となり、約０．６ｍｍとなるので、中心側樹脂含浸層の好ましい厚さの範囲（０．５乃至５ｍｍ）に入る。また、ガラスクロステープの厚さがより薄い場合は、このガラスクロステープをハーフラップした層の上に更にハーフラップでガラスクロステープを巻回することにより、上述の中心側樹脂含浸層の好ましい厚さの範囲にすることができる。一方、ガラスクロステープをその幅の５０％を超えて重ねて巻回すると、中心側樹脂含浸層用の繊維層の厚さｔはガラスクロステープの厚さの３倍又はそれ以上となり、ガラスクロステープの厚さが０．３０ｍｍで重ね部分が３倍の場合は、繊維層の厚さｔは約０．９ｍｍとなる。よって、ガラスクロステープをハーフラップにより重ねることにより、中心側樹脂含浸層の厚さｔが好ましい範囲、即ち、０．５乃至５ｍｍとなる。このように、ｔ／ｒが好ましくは０．０２５乃至０．２５になるように、更に好ましくは０．１０になるように、中心側樹脂含浸層の厚さｔを選定することが好ましい。

中心側樹脂含浸層が軸部と異なる強度特性を有するということは、この中心側樹脂含浸層が所謂緩衝材として作用することになる。更に、この中心側樹脂含浸層の厚さｔをｔ／ｒが０．０２５乃至０．２５になるように制御することも、緩衝材としての作用を高めることになる。このように、中心側樹脂含浸層が緩衝材的な役割を担うことにより、電磁成形用インダクタの破損を抑制して、その耐久性を向上させることができる。なお、緩衝材としての作用を担うためには、中心側樹脂含浸層は、縦弾性係数が軸部よりも低い低弾性であることが好ましい。具体的には、軸部及び中心側樹脂含浸層の縦弾性係数を夫々Ｅ１，Ｅ２としたとき、軸部の縦弾性係数Ｅ１と中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２との比Ｅ１／Ｅ２は１．９以上である。

なお、図２は、有限要素法による数値解析を行い、通電時に軸部（ボビン２）と中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを求めて、中心側樹脂含浸層の緩衝材としての効果を調べたものであるが、この中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）とコイル導体４を被覆するガラスクロス６との界面に生じる剪断応力についても、同様に、有限要素法により数値解析した結果、この界面においても剪断応力が低下するという結果が得られた。

以上のように、軸部（ボビン２）と樹脂含浸したガラスクロステープ３からなる中心側樹脂含浸層との界面に作用する剪断応力の低減と、図１のＡ部（即ち、中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）とコイル導体４を被覆するガラスクロス６との界面）に作用する剪断応力の低減との相乗効果により、電磁拡管成形用インダクタ１の寿命を著しく延長することができる。また、本発明によれば、軸部とコイルとの間に中心側樹脂含浸層用の繊維層を設けたので、含浸工程において、従来よりも、絶縁性樹脂の進入経路が大きくなり、空隙の発生を抑制することができるので、電磁反力が繰り返されたときの剥離の起点が減少し、耐久性を著しく向上させることができる。これによっても、電磁拡管成形用インダクタが長寿命化される。

次に、軸部（ボビン２）の縦弾性係数Ｅ１をパラメータとして、有限要素法による数値解析を行い、通電時に軸部（ボビン２）と中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを求めた。この有限要素法による数値解析では、各構成要素の縦弾性係数を、夫々中心側樹脂含浸層が１６ＧＰａ、導体（導体素線４）が１１８ＧＰａとした。また、中心側樹脂含浸層の厚さｔと電磁拡管成形用インダクタ半径ｒとの比ｔ／ｒは、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０が最小となるときの値である０．１０とした。

図６に、縦弾性係数比Ｅ１／Ｅ２と剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０との関係を示す。なおＥ２は、中心側樹脂含浸層の縦弾性係数である。図６に示すように、軸部の縦弾性係数Ｅ１が増加するとともに剪断応力τ_ｒｚは低下する。図５より、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０を従来より１９％以上低くすれば、剪断応力の低下によって電磁拡管成形用インダクタの寿命が長寿命化され、中心側樹脂含浸層を設ける効果があると判断できる。従って、図６より、軸部の縦弾性係数Ｅ１と中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２との比Ｅ１／Ｅ２は１．９以上であることが望ましい。例えば、中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２が１６ＧＰａであるとき、軸部の縦弾性係数Ｅ１は３０ＧＰａ以上であればよい。具体的には、軸部として例えば縦弾性係数が約６０ＧＰａのＧＦＲＰ（非特許文献１ 複合材料ハンドブック、日刊工業新聞社刊、日本複合材料学会編、１９８９年参照）を使用した場合、Ｅ１／Ｅ２の値は３．７５であるから、図６より、剪断応力を３２％低減することができ、電磁拡管成形用インダクタを大幅に高寿命化することができる。

次に、電磁拡管成形用インダクタの半径ｒをパラメータとして、有限要素法による数値解析を行い、軸部の縦弾性係数Ｅ１が１６ＧＰａ，３０ＧＰａのときの夫々について、軸部（ボビン２）と中心側樹脂含浸層（ガラスクロステープ３）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを求めた。なお、中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２はともに１６ＧＰａとした。また、中心側樹脂含浸層の厚さｔと電磁拡管成形用インダクタ半径ｒとの比ｔ／ｒを、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０が最小となるときの値である０．１０とした。

図７に剪断応力比τ_２／τ_１と電磁拡管成形用インダクタ半径ｒとの関係を示す。なお、τ_１は軸部の縦弾性係数Ｅ１が１６ＧＰａのときに軸部と中心側樹脂含浸層との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚ、τ_２は軸部の縦弾性係数Ｅ１が３０ＧＰａのときに軸部と中心側樹脂含浸層との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚであり、縦弾性係数比Ｅ１／Ｅ２は一定である。図７に示すように、電磁拡管成形用インダクタ半径ｒが小さくなるほど剪断応力比τ_２／τ_１が低下し、電磁拡管成形用インダクタ半径ｒが３５ｍｍ以下で剪断応力比τ_２／τ_１が１以下となる。即ち、軸部の縦弾性係数Ｅ１を大きくすることによる剪断応力低減効果を得るためには、電磁拡管成形用インダクタ半径ｒが３５ｍｍ以下であることが望ましい。

なお、本実施形態においては、ボビン２として絶縁性樹脂を使用している。ボビン２の材質に求められる特性としては、例えば高絶縁性、高強度、高切削加工性及び外表面含浸樹脂との親和性等がある。ここで、本実施形態によれば、樹脂が導体周囲全面に含浸され強固に固定されているので、ボビン２に使用する樹脂として多様な材料を用いることができる。例えば、本実施形態では導体素線４とその周囲の含浸層（ガラスクロステープ３、ガラスクロステープ６、ガラスクロス７及び樹脂）との一体性が高いため、ボビンは外表面含浸樹脂層（ガラスクロス７）との親和性がやや低い材料であってもよい。そのため、ボビン２に低コストの材料を用いることができる。

また、本実施形態においては、導体素線４は矩形断面を有しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、図１に示すように、隣接する２列の導体素線４とボビン２側との間に微小な空隙ができやすい矩形断面の導体素線の場合に好適であるが、例えば導体素線が円形断面の場合でも、中心側樹脂含浸層用の繊維層によりボビン側との接触部の含浸性が向上し、良好な一体性を得ることができるため有効である。

１；電磁拡管成形用インダクタ
２；ボビン
３；ガラスクロステープ
４；導体
５；中空部
６；ガラスクロステープ
７；ガラスクロス
８；樹脂
１０１；電磁拡管成形用インダクタ

Claims (6)

1. 軸部と、この軸部の周囲を被覆した樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させて硬化させ前記軸部とは強度特性が異なる中心側樹脂含浸層と、絶縁性樹脂が含浸して硬化した樹脂含浸性繊維層が被覆された導線を前記中心側樹脂含浸層の周面に巻回することにより構成されたコイルと、このコイルの外周を被覆した樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させて硬化させた外側樹脂含浸層と、を有することを特徴とする電磁拡管成形用インダクタ。
2. 前記樹脂含浸性繊維層は、ガラスクロステープにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
3. 前記中心側樹脂含浸層を構成する樹脂含浸性繊維層は、前記軸部に１回以上巻回されたガラスクロステープにより構成され、前記中心側樹脂含浸層の厚さｔと、インダクタ全体の半径ｒとの比ｔ／ｒが、０．０２５乃至０．２５であることを特徴とする請求項１に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
4. 前記中心側樹脂含浸層は、前記軸部よりも、縦弾性係数が低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
5. 前記電磁拡管成形用インダクタの半径が３５ｍｍ以下であり、前記軸部及び前記中心側樹脂含浸層の縦弾性係数を夫々Ｅ１，Ｅ２としたとき、前記軸部は、前記軸部の縦弾性係数Ｅ１と前記中心側樹脂含浸層の縦弾性係数Ｅ２との比Ｅ１／Ｅ２が１．９以上である材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
6. 中心側樹脂含浸層用の樹脂含浸性の繊維層を軸部の周面に被覆する工程と、樹脂含浸性繊維層が被覆された導線を前記中心側樹脂含浸層用の繊維層の周面に巻回することによりコイルを形成する工程と、外側樹脂含浸層用の樹脂含浸性の繊維層を前記コイルの外周に被覆する工程と、前記樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、前記含浸樹脂を硬化させる工程と、を有し、前記中心側樹脂含浸層用の繊維層を軸部の周面に被覆する工程は、ガラスクロステープを１回以上その幅の半分以上を重ねて前記軸部に巻回する工程、被覆部位を覆う広幅のガラスクロステープを１回巻回する工程、又は筒状の伸縮性を有するガラスクロス筒を被せる工程を有することを特徴とする電磁拡管成形用インダクタの製造方法。

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