JP2018195692A - コイルとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
導電パターンが形成されたフィルムを巻き回して形成されるコイルにおいて、高充填率の巻線を備え、その製造や特性を容易に調整することができるコイルを低コストで提供する。
【解決手段】
複数の導電パターン（１０４）が形成された絶縁性シート（１０２）を複数回巻き回して積層したコイル（１００）であって、絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される導電パターンは、積層方向において互い重畳しないように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルに関するものであり、特に導電パターンが形成されたフィルムを巻き回して構成されるコイルに関する。

一般に、モータやインダクタなどにおいて使用されるコイルとして、複数の導電パターンが形成された可撓性フィルムを円筒状または角柱形状に巻き回して加工したコイルが知られている（特許文献１）。可撓性フィルム上の該複数の導電パターンは、各々の端部が電気的に接続されて螺旋状に連なる一つの巻線コイルとして機能する。

このような巻線コイルの製造工程では、巻き回された可撓性フィルムの両端に位置する導電パターンの端部同士が重畳するように位置合わせを行って、当該重畳する箇所をはんだ付けや溶接などを用いて接合することにより該巻線コイルが形成される。このため、導電パターンの当該接合部は、螺旋状の導体線路上に一周おきに配置されてコイルの一部として機能することとなるため、その接合状態の良不良がコイルの特性に多大な影響を及ぼす。

また、巻線コイルの該接合部は、可撓性フィルムの両端を固着して円筒形状または角柱形状を保持する固定部としても機能することから、可撓性フィルムの復元力により当該接合部に応力が生じ易く、また、接合強度などによってはコイルの特性が不安定となるような事態も生じ得る。

さらに、このようなコイルに使用される従来の可撓性フィルムは、その両端が接続されるように巻き回して使用されることから、巻回し回数を複数回としたコイルを得ることが構造的に困難であり、巻回し回数が１回に限られる。このため、従来の可撓性フィルムの構成のみでは、コイル巻線の充填率を向上させることが困難であり、例えばモータなどの強力な磁場が必要となる用途には、その使用が制限される場合がある。

また、インダクタンスの異なる複数のコイルを製造するような場合において、従来の可撓性フィルムは、巻回し回数でインダクタンスを調整することができないため、所望のインダクタンスごとに導線の巻き数が異なる複数の可撓性フィルムを準備する必要があり、コイルの特性を容易に調整できないといった問題があった。

このように、従来の可撓性フィルムを用いたコイルでは、その特性が導電パターンの接続部の良不良に影響されやすく、該接続部の良品率を高めるために、多大な追加コストが必要となっていた。また、巻線の充填率の上限が制限されると共に、コイルの特性を容易に調整することが困難であった。

特開２００２−０９３６４９号公報

このような背景から、導電パターンが形成されたフィルムを巻き回して形成されたコイルにおいて、巻線の充填率が高く、その製造や特性の調整が容易で且つ安定した特性のコイルを低コストで実現することが望まれている。

本発明の一の態様は、複数の導電パターンが形成された絶縁性シートを複数回巻き回して積層したコイルである。前記コイルは、絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される導電パターンは、積層方向において互い重畳しないように配置されている。
本発明の他の態様によると、前記絶縁性シートは複数の配線引出部を更に備え、前記複数の導電パターンは、各々の端部が前記配線引出部において電気的に接続されて１本のコイル巻線を構成する。
本発明の他の態様によると、前記絶縁性シートは、前記導電パターン及び電源に接続される第１外部引出線及び第２外部引出線を更に備える。
本発明の他の態様は、絶縁性シート上に複数の導電パターンを形成する第１のステップと、前記絶縁性シートを複数回巻き回して積層し筒形状とする第２のステップと、前記複数の導電パターンの各々を接続して１本のコイル巻線を構成するように各導電パターンの各々の端部を接続する第３のステップと、を備えるコイルの製造方法である。前記第１のステップは、前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンと、前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に連続する他の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンとが、前記積層の方向において重畳しないように各巻回数位置の導電パターンの位置を各々ずらして形成するステップを含む。
本発明の他の態様によると、前記複数の導電パターンは、各々が所定のピッチで平行に配列された直線状の導電パターンで構成され、前記第１のステップは、前記絶縁性シートの奇数回目の巻回数位置に配置された前記複数の導電パターンと前記絶縁性シートの偶数回目の巻回数位置に配置された前記複数の導電パターンとが前記ピッチの半分の距離だけ前記配列の方向にずれて形成されるステップを含む。
本発明の他の態様によると、前記複数の導電パターンは、前記絶縁性シートの奇数回目の巻回数位置に配置される導電パターンと前記絶縁性シートの偶数回目の巻回数位置に配置される導電パターンとを接続する接続配線を含む。

本発明の実施形態に係るコイルの全体構成及び部分断面を示す図である。 本実施形態に係るコイルを構成する絶縁性シート上に形成された導電パターンの構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施形態では、本発明に従うコイルの一例として、モータの固定子などに使用されるコイルを例示するが、本発明に係るコイルの構成は、このような例に限らず、インダクタンス素子やトランスなど広くの一般の電気部品などで使用されるコイルにも適用することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るコイル１００の全体構成を示すものであり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ部分断面矢視図である。本発明の実施形態に係るコイル１００は、例えばモータのステータコアに配置されるコイルであって、図１（ａ）では、当該コイルの中空部１０７に配されるステータコアを除いて示している。

本実施形態のコイル１００は、後述する矩形状の絶縁性シート１０２を４回巻きまわして角柱状に加工したものであって、当該絶縁性シート１０２上に設けられた複数の導電パターンが引き出し部１０５において電気的に接続されて構成される一連のコイル巻線と、当該コイル巻線の両端に設けられる外部引出配線１０６、１０８とを備えている。また、外部引出配線１０６、１０８の各々は、図示しない電源に接続されて、コイル１００に電力が供給し、コイル１００が励磁される。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すコイル１００におけるＡ−Ａ断面矢視図であって、中空部１０７よりコイルの図示上部までの部分断面を示している。本実施形態のコイル１００は、その断面がコイル１００の中空部１０７に接する１層目（１巻き目）の絶縁性シート１０２Ａから４層目（４巻き目）の絶縁性シート１０２Ｄの４層の絶縁性シート１０２が積層されるように構成されている。

また、接着剤や樹脂などで構成された固定部材１１０Ａ、１１０Ｂは、コイル１００の外周部に相当する絶縁性シートの端部（図１（ｂ）に示す絶縁性シート１０２の図示右端部及び左端部）に設けられて、巻き回された絶縁性シート１０２の端部が緩んで各層１０２Ａ〜１０２Ｄが離間しないように各層を固定する。

ここで、特に、中空部１０７に隣接する１層目の絶縁性シート１０２Ａ上に配される１６本の導電パターン１０４と、３層目の絶縁性シート１０２Ｃ上に配される１６本の導電パターン１０４とは、該絶縁性シートの積層方向で各々同一の位置となるように配置されている。

また、２層目の絶縁性シート１０２Ｂの導電パターン１０４上の１６本の導電パターン１０４と、４層目の絶縁性シート１０２Ｄ上に配される１６本の導電パターン１０４とは、該絶縁性シートの積層方向で各々同一の位置となるように配置されている。

そして、１層目及び３層目の絶縁性シート１０２Ａ、１０２Ｃ上に配される各導電パターン１０４と、２層目及び４層目の絶縁性シート１０２Ｂ、１０２Ｄ上に配される各導電パターン１０４とは、絶縁性シート１０２の積層方向において、互い重畳しないように各導電パターンが各々配されている。

すなわち、本発明の実施形態に係るコイル１００では、巻き回数が奇数回目の該絶縁性シート１０２Ａ、１０２Ｃ上に配される導電パターン１０４の各々は積層方向において同一位置に配されると共に、巻き回数が偶数回目の該絶縁性シート１０２Ｂ、１０２Ｄ上に配される導電パターン１０４の各々は積層方向において同一位置に配され、さらに、巻き回数が奇数回目の絶縁性シート１０２Ａ、１０２Ｃ上の導電パターン１０４の各々と、巻き回数が偶数回目の絶縁性シート１０２Ｂ、１０２Ｄ上の導電パターンの各々とは、該絶縁性シート１０２の積層方向において互い重畳しないように絶縁性シート１０２上に該導電パターン１０４が配されることとなる。

この結果、本発明の実施形態に係るコイル１００では、導電パターン１０４は、積層方向に隣接する絶縁性シート間において重畳することなく交互に配置されることから、絶縁性シート１０２Ａ〜１０２Ｄの各層間において生じる導電パターンの存在しない無効空間の割合を低減することができ、コイルの単位体積当たりの導電パターンの密度、すなわち、コイル巻線の充填率を大幅に向上させることができる。

なお、本発明の実施形態に係るコイル１００では、巻き回数が奇数回目と偶数回目の絶縁性シート上の導電パターンが互いに重畳しないように配置する例を示したが、このような実施例に限らず、絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される導電パターンが、積層方向において互い重畳しないように配置されている限りにおいて、上述した本発明の実施形態と同一の効果を得ることができる。

次に、図２を用いて、本発明の実施形態に係るコイル１００を構成する絶縁性シート１０２及び当該絶縁性シート１０２上に形成される導電パターン１０４について説明する。絶縁性シート１０２は、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド等の絶縁性及び耐熱性に優れ且つ可撓性を有するプラスチック材料などで構成することができる。

また、絶縁性シート１０２は、角柱状のコイルに巻き回される矩形形状の巻き回し部２１５（点線矢印２１５で示される区間）と、当該巻き回し部２１５の両端に形成され、導電パターン１０４の両端部が引き出される４つの引き出し部２１０、２１２、２１４、２１６とを有している。

そして、絶縁性シート１０２の巻き回し部２１５には、当該絶縁性シート１０２の図示左右方向に延在し、各々が間隔Ｄで平行に配列された１６本の導電パターン１０４が形成される。巻き回し部２１５のうち、区間２２０は、巻き回してコイル状に加工する際に１巻き目を構成する部分に相当する領域である。同様に、区間２３０、区間２４０、区間２５０は各々、２巻き目、３巻き目、４巻き目を構成する部分に相当する領域である。

なお、導電パターン１０４は、例えばアルミニウム、銅などの導電体が使用することができるが、これに限らず、他の金属または合金を使用することができる。また、各導電パターン１０４は、例えば印刷法により、絶縁性シート１０２に直接パターンを印刷することができる。なお、印刷法に限らず、例えば薄膜状の導電体を絶縁性シート１０２に形成した後に、フォトリソグラフィー及びエッチングなどを用い導電パターンとしてパターニング加工することもできる。

ここで、各区間に形成される１６本の導電パターンの各々は、区間ごとに交互に図示上下方向に蛇行しつつ区間２２０から区間２５０へと延在するように設けられている。具体的には、区間２３０に形成される導電パターン１０４は、一つ前の区間である区間２２０に配列される導電パターン１０４の配置に対して、導電パターンの配列ピッチＤの半分（Ｄ／２）だけ全体的に図示下方にシフトして当該絶縁性シート１０２上に設けられている。同様に、区間２４０に形成される導電パターンは、一つ前の区間である区間２３０の導電パターン１０４に対して、全体的にＤ／２だけ図示上方向にずらして形成されると共に、区間２５０に形成される導電パターンは、一つ前の区間である区間２４０に形成の導電パターンに対して、全体的にＤ／２だけ図示下方向にシフトして形成される。そして、各区間で隣接する導電パターン１０４は、各区間の移行部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の各々において、接続配線２０３、２０５、２０７によって互いに接続される。

このように、絶縁性シート１０２に形成する導電パターン１０４の位置を、巻き回数に応じて所定の間隔だけシフトさせることにより、当該絶縁性シート１０２を図１（ａ）、（ｂ）のように巻き回してコイル１００に加工した際に、一つの絶縁性シートに形成される複数の導電パターン１０４の全てが、該一つの絶縁性シートと積層方向に隣接する他の絶縁性シート上に形成された複数の導電パターン１０４の間隙の間に位置するように配置することができるため、コイル１００の巻線の充填率を大幅に向上させることができる。

次に、引き出し部２１０、２１２、２１４、２１６について説明する。引き出し部２１０、２１２、２１４、２１６は、絶縁性シート１０２を構成する巻き回し部２１５の両端部に形成される。そして、巻き回し部２１５に形成される１６本の導電パターンのうち、図示上側の８本分の導電パターンは、引き出し部２１０、２１２において、直角に図示上側方向に直角に曲げられると共に当該引き出し部２１０、２１２から図示上方向に突出するように引き出されている。同様に、図示下側の８本分の導電パターンは、引き出し部２１４、２１６において、直角に図示下側方向に直角に曲げられると共に当該引き出し部２１４、２１６から図示下方向に突出するように引き出されている。

このように、本発明の実施形態に係るコイル１００を形成するための第１ステップとして、絶縁性シート１０２の巻き回し部２１５及び引き出し部２１０、２１２、２１４、２１６に導電パターン１０４が設けられることとなる。そして、当該第１ステップにより、絶縁性シート１０２の所定の巻回数位置に配置される複数の導電パターン１０４と、絶縁性シート１０２の所定の巻回数位置に連続する他の巻回数位置に配置される複数の導電パターン１０４とが、絶縁性シート１０２が巻き回されて積層された際の積層の方向において重畳しないように各巻回数位置の導電パターンの位置が各々ずらして形成されることとなる。

次に、絶縁性シート１０２を、図１（ａ）に示すような角柱状のコイルに巻き回す第２ステップについて説明する。図２に示す巻き回し部２１５の図示左端部を巻き始めとして、絶縁性シート１０２を巻き始める。ここで、区間２２０は、コイル１００の１巻目として、引き出し部２１２の上部から見て時計回り巻き回すように、例えばコア部材などに巻き付けられる。

続いて、区間２３０、２４０、２５０についても区間２２０と同様に、各々２、３、４巻目として、当該コア部材に巻き付けられて、巻き回し部２１５の図示右端部に到達した時点で、第２ステップの巻回し工程が終了する。これにより、絶縁性シート１０２が積層された筒形状となった角柱状コイルがコイル１００として形成される。

絶縁性シート１０２を角柱状コイル１００に加工する第２ステップの後、引き出し部２１２〜２１６から引き出された配線の各々を電気的に接続して、１本のコイル巻線を構成する第３ステップが行われる。第３ステップでは、引き出し部２１２〜２１６から引き出された配線の端部のうち、図２に示す同一のアルファベットが付された導電パターン１０４の端部の各々を半田づけや溶接などの手法により、各導電パターンが直列に電気的に接続される。これにより、図２に示す１６本の導電パターン１０４の各々は電気的に接続されて、一本のコイル巻線として機能することなる。そして、一本化された当該コイル巻線の両端には、外部引出配線１０６、１０８が配置するように構成される。

上述のような構成により、本発明の実施形態に係るコイル１００は、巻き回し回数を複数回としたコイルを得ることができるため、当該コイルの特性を絶縁性シート１０２の巻き回し回数に応じて微調整することができる。これにより、従来技術のコイルのように、所望のインダクタンスごとに導電パターンの形成態様が異なる複数の絶縁フィルムを準備しなくともよく、また、絶縁性シートの仕様を例えば一つに統一して巻き回し回数によってコイルの特性を調整することが可能となるため、大幅なコストダウンを実現することができる。

また、本発明の実施形態に係るコイル１００では、隣接する層の絶縁性シート上の形成される導電パターンの各々は、該絶縁性シートの積層方向において互い重畳しないように各絶縁性シート上に配されるため、巻回し工程において、一巻前に巻き回された各導電パターンの間隙に、次の巻回し工程で上層に配置される導電パターンが配置される構成となるため、当該間隙をガイドとして絶縁性シートを簡便に巻き回すことができるため、コイルを容易に製造することができる。

また、本発明の実施形態に係るコイル１００は、巻き回数ごとに互い違いに導電パターンが配置されることから、コイル巻線の充填率を容易に向上させることができ、当該コイルで生じる磁束密度を大幅に高めることができ、さらに、絶縁性シートの積層方向において隣接する導電パターンの各々が、導電パターンの横方向へのずれを抑止するため、使用時におけるコイル特性の変動を未然に防止できる。

また、本発明の実施形態に係るコイル１００では、巻き回されてコイルとして機能する巻き回し部２１５と、複数の導電パターンを電気的に接続して１本のコイル巻線として機能させる引き出し部２１０〜２１６とが分離するように形成されているため、巻き回されてコイルとして機能する部位には、従来技術のコイルのように接続部が存在しない。これにより、本発明の実施形態に係るコイル１００では、接続部の特性に依存しない特性が安定したコイルを得ることができる。

なお、本発明の実施形態に係るコイル１００では、区間２２０〜２５０における導電パターンのシフト量をＤ／２としたが、このような形態に限らず、絶縁性シートの積層方向において導電パターン１０４が重畳しない限りにおいて、任意のシフト量で導電パターン１０４を配置することができる。

また、本発明の実施形態では、複数の導電パターンが形成された絶縁性シートを複数回巻き回して積層したコイルであって、巻回数が奇数回目となる各絶縁性シート１０２Ａ、１０２Ｃ上に形成された導電パターンは該積層方向において各々重畳し、巻回数が偶数回目となる各絶縁性シート１０２Ｂ、１０２Ｄ上に形成された導電パターンは該積層方向において各々重畳し、巻回数が奇数回目となる各絶縁性シート上に形成された導電パターンと巻回数が偶数回目の各絶縁性シート上に形成された導電パターンとは該積層方向において重畳しないように構成したが、絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される導電パターンが積層方向において互い重畳しない構成を有する限りにおいて、本発明の実施形態のコイル１００と同等の効果を奏することができる。

また、本発明の実施形態では、絶縁性フィルム上に複数の導電パターンを形成する第１ステップと、前記絶縁性フィルムを複数回巻き回して積層させて筒形状第２ステップと、前記複数の導電パターンの各々を直列接続して１本のコイル巻線を構成するように各導電パターンの各々の端部を接続する第３ステップと、を備えるコイルの製造方法において、当該第１のステップを、前記絶縁性フィルムの奇数回目の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンと、前記絶縁性フィルムの偶数回目の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンとが、前記積層方向において各導電パターンが重畳しないように各巻回数位置における導電パターンの位置を各々ずらして形成するステップとしたが、このような実施形態に限らず、例えば、当該第１のステップを、前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンと、前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に連続する他の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンとが、前記積層の方向において重畳しないように各巻回数位置の導電パターンの位置を各々ずらして形成するステップとするのみでも、本発明の実施形態に係る製造方法と同等の効果を奏することができる。

なお、本発明の実施形態に係るコイル１００では、図１（ｂ）のように、絶縁性シート１０２上に導電パターン１０４の一部が配置可能な溝を設けて当該導電パターン１０４を配置すれば、各導電パターン１０４を所定の位置に容易に配置することができ、また、コイルの使用時においても、導電パターン１０４にずれを未然に防止することができる。また、図１（ｂ）のように、導電パターン１０４を覆うように配置される上層側の絶縁性シートの下部にも凹状の溝を設けて、導電パターン１０４が当該凹状の溝に挟持するように固定すれば、当該導電パターンのずれや変形を一層抑止することができる。なお、このような実施形態に限らず、上記のような溝を設けない平坦な絶縁性シート上に導電パターン１０４を設けてコイルを構成した場合においても、本発明の実施形態に係るコイル１００と同一の効果を得ることができる。

以上、説明したように、本発明のコイル１００は、複数の導電パターン１０４が形成された絶縁性シート１０２を複数回巻き回して積層したコイルであって、絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される導電パターンは、積層方向において互い重畳しないように配置されている。本発明のコイルによれば、その製造や特性の調整が容易なコイルを提供でき、さらに、コイル巻線の充填率を高めて、コイルをして機能する部位に各配線の該接続部が存在しないコイルが実現できるため、磁束密度を向上させつつ、特性の安定なコイルを実現することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

１００・・・コイル、１０２・・・絶縁性シート、１０４・・・導電パターン、１０６、１０８・・・外部引出配線、１０７・・・中空部、１１０Ａ、１１０Ｂ・・・固定部材、２０３、２０５、２０７・・・接続配線、１０５、２１０、２１２、２１４、２１６・・・引き出し部、２２０、２３０、２４０、２５０・・・区間。

Claims (6)

1. 複数の導電パターンが形成された絶縁性シートを複数回巻き回して積層したコイルであって、
   前記絶縁性シートの互いに隣接する層に形成される前記導電パターンは、積層方向において互い重畳しないように配置されている、
   コイル。
2. 前記絶縁性シートは複数の配線引出部を更に備え、
   前記複数の導電パターンは、各々の端部が前記配線引出部において電気的に接続されて１本のコイル巻線を構成する、
   請求項１に記載のコイル。
3. 前記絶縁性シートは、前記導電パターン及び電源に接続される第１外部引出線及び第２外部引出線を更に備える、
   請求項１または２に記載のコイル。
4. 絶縁性シート上に複数の導電パターンを形成する第１のステップと、
   前記絶縁性シートを複数回巻き回して積層し筒形状とする第２のステップと、
   前記複数の導電パターンの各々を接続して１本のコイル巻線を構成するように各導電パターンの各々の端部を接続する第３のステップと、
   を備えるコイルの製造方法であって、
   前記第１のステップは、
   前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンと、前記絶縁性シートの所定の巻回数位置に連続する他の巻回数位置に配置される前記複数の導電パターンとが、前記積層の方向において重畳しないように各巻回数位置の導電パターンの位置を各々ずらして形成するステップを含む、
   コイルの製造方法。
5. 前記複数の導電パターンは、各々が所定のピッチで平行に配列された直線状の導電パターンで構成され、
   前記第１のステップは、前記絶縁性シートの奇数回目の巻回数位置に配置された前記複数の導電パターンと前記絶縁性シートの偶数回目の巻回数位置に配置された前記複数の導電パターンとが前記ピッチの半分の距離だけ前記配列の方向にずれて形成されるステップを含む、
   請求項４に記載のコイルの製造方法。
6. 前記複数の導電パターンは、前記絶縁性シートの奇数回目の巻回数位置に配置される導電パターンと前記絶縁性シートの偶数回目の巻回数位置に配置される導電パターンとを接続する接続配線を含む、
   請求項４または５に記載のコイルの製造方法。