JP2015103564A - コイル素子およびそれを組み込んだモーターまたはトランス - Google Patents

Abstract

【課題】モーター実機内磁心の動作特性が直接測定できる、安価で、信頼性の高いコイル素子を提供する。
【解決手段】可撓性の基板２上に連続な繰り返し配線パターン１を有し、前記基板２の長手方向と垂直な方向の前記配線パターン１の配線部分が、前記基板を該基板の長手方向に折り曲げることにより形成される山部４または谷部３に配置するように、前記基板を折り曲げることでコイル素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻上げることなく形成できる簡易な折畳みコイル素子の作製法およびこれを
組み込んだ高効率モーターまたはトランスに関するものである。

モーター効率の向上は、省資源およびエネルギーの効率的な使用に関し、必須の課題で
ある。モーター効率向上には、材料の効率的な使用のため、磁気回路を最適に設計する必要がある。設計には２次元および３次元有限要素法などを用い、磁束のモーター各部での飽和、磁界値を効率が最大となるよう寸法、コイル巻き数、電流値などのパラメータを調整する。

しかし、特に固定子、回転子などの、磁性材料を用いる機器類では、所定形状にする加工プロセスでのプロセス応力などの残留応力等の履歴により、用いる材料特性と形成後の磁心内磁気特性が異なることから、設計値通りの特性とならず、特にモーターでの損失値に違いがあることが知られている。モーター実機での損失値を測定する試みは多くなされているが、磁心反磁界のため絶対値を正確には測定できていない。また、モーターに微小な穴をあけ、磁束Ｂを測定するなどの試みもあるが、この部位で磁界Ｈが乱れるなど確実な特性把握に至っていない。

この改善策として、平成２５年電気学会基礎・材料・共通部門大会13-A-p-3「扇形状実機磁心Ｈコイル法の検討」（非特許文献1）に示すように、モーターから取り出し独立させた磁心については、Ｈコイル法を用い磁心の実印加磁界を測定して損失値を算出できる。しかし、これにはセンササイズなど実施上の制約から、そのままモーター実機へ搭載はできない難点があった。そこで、実機モーターに、ＪＩＳ規格Ｃ２５５６の磁気測定用のコイルであるＨコイルを搭載し、動作状態で磁心内磁界をモニターする手法が必要となった。
ここで、薄型コイル２つを組み合わせてモーターに設置すればＨコイルとして使用できる可能性がある。薄型コイルは、本用途にはコイル高さ１ｍｍ以下、コイル幅10ｍｍ以下、コイル長さ5ｍｍ以下程度のサイズが必要であり、巻線型コイルを適用できる。しかし、巻線型コイルは、厚みがあるため、設置後モーター励磁コイルの巻き線によって、圧縮されて変形したり、引出線部分が断線を起こし、使用できなかった。また、巻線型コイルは人件費が発生し、モーター単体と同等の価格となってしまう欠点があった。

また、特許第４６１２９８８号公報（特許文献１）には、多層配線基板を用いたコイルチップが記載されている。しかしこの場合、各層パターンに対応するエッチングマスクと、半導体プロセスによる加工を要するため、モーター１台に一つ搭載しても製造原価がモーター価格の半分以下とならず、経済的に合わず実現できなかった。

一方、半導体プロセスを使わずコイル形成する方法として、特開平３−２５９６０８号公報（特許文献２）や、特開平６−２５１９４５号公報（特許文献３）に、絶縁シートを折り畳むことで、絶縁シート状に設けたパターンでコイルを形成することが記載されている。

平成２５年電気学会基礎・材料・共通部門大会13-Ａ-ｐ-3「扇形状実機磁心Ｈコイル法の検討」

特許第４６１２９８８号公報 特開平３−２５９６０８号公報 特開平６−２５１９４５号公報

前記特許文献２や特許文献３は、単純にパターンを折り曲げるので、折り曲げ部分は１８０°折り曲げることになる。そのため、配線パターンが断線する可能性が高い。特に、谷折り部分は、基板である絶縁シートから配線パターンが浮く方向に応力が掛かる為、配線パターンに圧縮力が印加され配線が断線しやすいという欠点があった。よって、安定的にコイルを作成するには適していなかった。

そこで、本発明は、モーター実機内磁心の動作特性が直接測定できる、安価で、信頼性の高いコイル素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、可撓性の基板上に連続な繰り返し配線パターンを有し、前記基板の長手方向と垂直な方向の前記配線パターンの配線部分が、前記基板を該基板の長手方向に折り曲げることにより形成される山部または谷部に配置するように、前記基板を折り曲げることでコイル素子を構成する。

また、このコイル素子を２つ１組に組み合わせて１セットとした磁心内磁界測定用Ｈコイルにより実現できる。

モーター実機内磁心の動作特性が直接測定できる、安価で、信頼性の高いコイル素子を
提供することができる。

実施例１に係る折畳みコイル素子の作製手順を示す図である。 実施例２に係る折畳みＨコイルの作製手順を示す図である。 実施例３に係るアキシャルギャップモーター磁心のＨコイル定数測定の手順を示す図である。 実施例４に係るＨコイルを用いてラジアルギャップモーターに適用した構成例である。 実施例４に係るラジアルギャップモーターの磁界計算結果を示す図である。 実施例５に係る折畳みコイル素子を用いた他の素子の作製手順を示す図である。

本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、実施例１の、折畳みコイル素子の作製手順を示す図である。
図１（ａ）は、折畳みコイル素子のベースとなる基板と配線パターンを示した図である。図１（ａ）において、２は可撓性の基板である基板フィルムであり、厚さ100μｍのポリイミドを用い、これにCu（配線）/Cr(下地)を50μｍ/５μｍ形成し、矩形波状に配線パターン１を形成した。なお、本パターンはエッチングでもマスク蒸着でもいずれも可能である。

次に、図１（ｂ）に示すように、実線と点線で示した部分を、実線は山折り４、点線は谷折り３で折り曲げる。

図１（c)は、折り曲げ後を示した図であり、山折り谷折りそれぞれ９０°づつ折り曲げることで、計１８０°の曲げを構成している。なお、図１（c)に示すように、可撓性基板の長手方向と垂直な方向の配線パターンは、折り曲げ部の谷部か山部に存在している。

図１（d)は、（ｃ)図の矢印方向から見た図であり、点線はコイルであり、折長とコイル高さ（開口高さ）が一致している。Ｈコイルではコイル開口面積とターン数の多い方が感度が高いため、開口部（開口高さ）が大きい方が有利である。一方、先行文献２，３、は、単純に１８０°折り曲げるので、基板の長手方向と垂直な方向の配線パターンは曲げ後の平面内にある。そのため、折長とコイル高さ（開口高さ）は不一致で、コイル高さ（開口高さ）は折長からその平面内の配線パターンの配線幅を差し引いた値となり、開口部は狭くなる。よって、本実施例では、よりコイル素子の開口面積を大きくとることが出来、感度を高めることができる。

本実施例では折長は0.７ｍｍ、コイル幅は７ｍｍとした。図１は４ターンであるが、折り曲げを山部、谷部それぞれ0.1/0.1ｍｍとし、１ターンを0.2ｍｍピッチとした。よって、コイル長5ｍｍとするため、ターン数は25Ｔとした。
本実施例では、配線パターンが最大９０°までの曲げとなるので、先行文献２，３、のような、１８０°まで曲げる必要がなく、よって剥離の可能性が少なく、従って配線パターン断裂がないため、作製したコイル素子がほぼ100％使用でき、信頼性の高いコイル素子を提供できる。また、プリント配線を保護して製造を容易とすることができる。

なお、本実施例では、谷部または山部を構成するのに、９０°づつ２回谷折りまたは山折りで折り曲げることでトータルで１８０°折り曲げることとしたが、90°以下で複数回折り曲げることでトータルで１８０°折り曲げれば良いので、例えば、６０°づつ３回折り曲げるようにしても、４５°づつ４回折り曲げるようにしても良い。

また、言い換えれば、山折り複数回（本実施例では２回）と、谷折り複数回（本実施例では２回）を繰り返して行うことで折畳みコイル素子を作成する。
以上のように、本実施例によれば、可撓性の基板上に連続な繰り返し配線パターンを有し、前記基板の長手方向と垂直な方向の前記配線パターンの配線部分が、前記基板を該基板の長手方向に折り曲げることにより形成される山部または谷部に配置するように、前記基板を折り曲げることで構成されたコイル素子を提供できるので、安価で、信頼性の高いコイル素子を提供できる。

本実施例は、実施例１で記載したコイル素子を２つ用い、組み合わせて２Ｈコイルを形
成する例を示す。

図２は、本実施例の、折畳みＨコイルの作製手順を示す図である。

まず、図２（ａ）に示すように、２つのコイル素子は、かみ合わせで一体化し、互いにずらして形成される。コイル高さは0.95ｍｍである。これを、図２（ｂ）に示すように、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）配線に、半田ボールで接着し、その後、図２（ｃ）に示すように、全体をワニス含浸させて固定化した。このように、本実施例では、折り返すことで、コイルの厚みが増し、接着によりコイル強度が高まり、モーター内に設置し、励磁コイルを形成しても変形しないため、コイル定数が変わらずセンサとして利用できる。

以上のように、本実施例によれば、実施例１で記載したコイル素子を互いにかみ合わせるか、並べて構成した１組のコイル素子からなる磁心内磁界測定用Ｈコイル素子を提供できる。

本実施例は、実施例２で記載した２Ｈコイルを用いて、アキシャルギャップモーター磁心のＨコイル定数測定を行う方法を示す。

図３は、本実施例の、アキシャルギャップモーター磁心のＨコイル定数測定の手順を示す図である。

図３（ａ）は、アキシャルギャップモーター磁心とＨコイルの配置関係を示した図である。図３（ａ）において、５はアキシャルギャップモーター磁心であり、６はＨコイルで、アキシャルギャップモーター磁心５の中心部にＨコイル６を貼り付ける。そして、その上から、磁束密度測定用コイルであるＢコイル７を３Ｔ巻いた。固定子は、11ｋＷ用アモルファス積層コアで、断面積1100mm2、コア高さ95ｍｍである。

図３（ｂ）は、励磁コイル巻線と、測定図を示した図である。図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）で示したアキシャルギャップモーター磁心５とＨコイル６とＢコイル７の上から励磁コイル８を９Ｔ巻き、磁気測定器に接続した。９は補償ヨークである。出力はＢ信号とＨ信号２つを用い、図３（ｃ）に示すような、ＢＨループを得ることでパラメータを得ることが出来る。

磁界計算は以下による（非特許文献１参照）。ＦＰＣを磁心にはりつけることから、ＦＰＣ面を磁心面とし、これに近いＨコイルをＨ２、遠いものをＨ１コイルとし、それぞれのコイル中心と磁心面からの距離をa、bとしたとき、励磁コイルから磁心面までは磁界は直線であるので、磁心端面付近の空間磁界Ｈは、式（１）となる。
Ｈ＝（１＋Ｈ_Ｒ）Ｈ２−Ｈ_ＲＨ１ ・・・・（１）
ここで、Ｈ_Ｒ＝ａ／（ｂ−ａ） ・・・（２）
ここで、a、bは素子ごとに異なるので、Ｈ_Ｒも素子ごとに異なる。

非特許文献１にも示しているが、Ｈ_Ｒを変えるとＢＨループの形が変わるため、原点付近のＢＨループが立ち上がる値をこの素子のＨ_Ｒとする。この実施例の場合、Ｈ_Ｒは0.95となった。

この時の損失値は、図３（ｃ）に示すように、400Ｈｚ1Ｔ励磁で4.8Ｗ/ｋｇであり素材特性の３倍に劣化した。損失主要因は渦電流損失であり、加工での損失劣化は小さいことがわかった。これと別に磁心の1Ｔ励磁磁界は80Ａ/ｍであり、単板測定値の４倍程度大きい。この磁心を組み込んだモーターではこのままの飽和特性と考えられるので、モーター内磁界計算にはこのＢＨ特性を用いた。

センサを張り付けたまま、Ｂコイルと励磁コイルをはずし、アキシャルギャップモーター固定子に組み込んだ。

定格値ドライブ中、励磁電流ピークとなるときのＨコイル出力を、事前に決めたＨ_Ｒで計算した磁心内磁界は、磁心測定で得られたＢＨ曲線を用いた解析値と2％以内で一致しており、アキシャルギャップでは固定子内磁気特性はほぼ磁心特性がそのままモーターの損失特性となっていることが確認された。

なお、Ｈコイルは、かみ合わせる必要はなく、それぞれＦＰＣに設置した折り曲げコイルを２枚張り合わせても使用できる。

以上のように、本実施例によれば、Ｈコイル素子を、固定子を励磁する励磁磁界を検知する方向として固定子軸方向に取り付けることで、アキシャルギャップモーター磁心のＨコイル定数測定を行うことが出来る。

本実施例は、Ｈコイルを用いて、ラジアルギャップモーターに適用した例である。

図４は、図３のＨコイル定数測定の手順を用い、Ｈ_Ｒ＝1.02と決めたＨコイルを用いて４極ラジアルギャップモーターに適用した構成例である。図４において、センサであるＨコイル６は、固定子ティース１１のほぼ中央にはりつけ、Ｖ相コイルの励磁磁界を測定した。１０は回転子、１２はリード線である。この方法では、Ｂコイルが巻けないため、測定磁界が計算値と合うかを確認する方法とした。計算には、電磁鋼板単板磁気特性を用いた。

結果は、図５のように、６０Ｈｚで１回転の場合の予測の磁界パターンを得ているが、ピーク値が設計値より20％大きくなった。トルク値は設計通りであることから、励磁に過大な磁界を要していることになり、磁心の損失が磁界増大分大きくなっていると考えられる。この20％は、詳細な解析での損失分離による磁心損失劣化量とほぼ同じであり、実機にＨコイル法を搭載する本方法により磁心損失劣化が判定可能である。これを組み込んだモーターでは、磁心への過大な応力印加による磁心損失増加を巻き線工程、ケーシング工程および最終チェック時に検知でき、手戻り品をなくすことができる。

以上のように、本実施例によれば、Ｈコイル素子を、固定子を励磁する励磁磁界を検知する方向として固定子軸方向と垂直な方向に取り付けることで、ラジアルギャップモーター磁心のＨコイル定数測定を行うことが出来る。

本実施例は、折畳みコイルを用いた他の素子の作製例である。

図６は、本実施例の折畳みコイルを用いた素子の作製手順を示す図である。

図６（ａ）は、素子のベースとなる基板と配線パターンを示した図である。図６（ａ）において、可撓性の基板２である基板フィルムとしてのポリイミドは簡単に打ち抜けることから、配線パターン１に沿って点線で囲まれた打ち抜き部１３に示すように基板２をカットした。これを、図６（ｂ）に示すように、実施例１と同様に折り曲げた後、同矢印の方向から見ると、図６（ｃ）に示すように、中心部に長方形の穴である開口部１４が形成される。よって、この開口部に直方体フェライトを通し、同じくＦＰＣに貼り付けてインダクタを構成した。25Ｔ、開口0.7ｘ7ｍｍ、コイルの長さ5ｍｍで、端子を含んだ仕上がり寸法を10ｍｍとしたとき、1ＭＨｚのインダクタンス0.5μＨ、Ｑ値10と、薄膜インダクタとほぼ同様の性能が得られた。

すなわち、本実施例では、基板を矩形波状パターンにそって打ち抜き、該基板を折り曲げることで形成する中心部に開口部を有するコイル素子を提供できる。

なお、これをＨコイルと同様の２重構成とし、双方のコイルの開口部を共通部としてアモルファス箔のような磁性体コアをはさむと高効率トランスも構成できる。すなわち、コイル素子を２つ組み合わせて、それぞれを挟み込み、開口部を共通部として磁性体コアをはさんだことでトランスを構成できる。

このように、本実施例では、コイルへの磁性体コアの挿入も容易で、アンテナあるいはインダクタ、マイクロトランスなどにも応用可能である。

また、コイルを構成する配線パターンは、周期性があればよく、矩形波のほか、折り返し部を丸くしてもよく、サイン波で構成することも可能である。

また、配線パターンとの距離が許容できれば、事前の打ち抜きなしでコイルを形成し、完成後穴あけしてコイルあるいはトランスを形成することも可能である。

１…配線パターン、２…基板フィルム、３…谷折り、４…山折り、
５…磁心、６…Ｈコイル、７…Ｂコイル、８…励磁コイル、
９…補償ヨーク、１０…回転子、１１…固定子ティース、１２…リード線、
１３…打ち抜き部、１４…開口部

Claims (10)

1. 可撓性の基板上に連続な繰り返し配線パターンを有し、前記基板の長手方向と垂直な方向の前記配線パターンの配線部分が、前記基板を該基板の長手方向に折り曲げることにより形成される山部または谷部に配置するように、前記基板を折り曲げることで構成されたことを特徴とするコイル素子。
2. 請求項１記載のコイル素子であって、
   前記山部および谷部は、９０°以下で複数回折り曲げ、合計１８０°となるように折り曲げることで構成されたことを特徴とするコイル素子。
3. 請求項１記載のコイル素子であって、
   前記山部は９０°づつ２回山折りして折り曲げ、前記谷部は９０°づつ２回谷折りして折り曲げることで構成されたことを特徴とするコイル素子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のコイル素子であって、
   前記配線パターンは、矩形波状であることを特徴とするコイル素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のコイル素子を互いにかみ合わせるか、並べて構成した１組のコイルからなることを特徴とする磁心内磁界測定用Ｈコイル素子。
6. 請求項５記載のＨコイル素子を、固定子を励磁する励磁磁界を検知する方向に取り付けたことを特徴とするモーター。
7. 請求項６記載のモーターであって、
   前記検知する方向は固定子軸方向であり、前記モーターはアキシャルギャップモーターであることを特徴とするモーター。
8. 請求項６記載のモーターであって、
   前記検知する方向は固定子軸方向と垂直な方向であり、前記モーターはラジアルギャップモーターであることを特徴とするモーター。
9. 請求項４に記載のコイル素子であって、
   前記基板を前記矩形波状パターンにそって打ち抜き、該基板を折り曲げることで形成する中心部に開口部を有することを特徴とするコイル素子。
10. 請求項９に記載のコイル素子を２つ組み合わせて、それぞれを挟み込み、前記開口部を共通部として磁性体コアをはさんだことを特徴とするトランス。

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