JP5681380B2 - 偏平コイル及びそれを用いた電気磁気エネルギ−変換器 - Google Patents

Description

本発明は、コ−ドレス電話器や携帯用機器（例えば携帯電話器，デシタルカメラ，携帯用ゲ−ム機器）等に利用される非接触式充電システムに好適な軸方向厚さの薄い偏平コイルに関するものである。

近年、コイルに流れる電流により生じる磁束を利用して別体のコイルに誘導起電力を発生させるという“電磁誘導作用”を利用した機器類が広く一般に活用されるようになってきた。
コ−ドレス電話器，携帯電話器，デシタルカメラ，携帯用ゲ−ム機器等に用いられる非接触式の充電システムもその１つである。

例えば特許文献１には、電磁誘導作用により充電部から被充電部へ金属接点を介さずに非接触で電力を伝送するための図３に示すような電磁誘導コイルを使用した充電器の構造が紹介されている。
この図３に示される非接触式充電器の充電部は、コイルボビン11に電力伝送用コイル12を巻線し、これにコア13を挿入した後、それらを筐体14に入れて構成されている。被充電部は、コイルボビン15に受電コイル16を巻線し筐体17に入れることによって構成されている。
このように構成された充電部と被充電部を近接させることにより充電回路が形成され、電力伝送が行われる。

しかし、最近では、これら充電システム等のコンパクト化要求が一段と高まっており、そのためコイルに使用する絶縁電線（導体）を細くしてコイル体積を減少することも考えられたが、電気機器では細い導体ほど発熱が大きくなるのでこの手立ては採用できないものであった。
また、非接触式充電器では磁束を授受する電力伝送用コイルと受電コイルとの距離が小さいほど効率が良いため、設計に際してはこの点で有利と考えられる軸方向厚さの薄い偏平なコイルが望まれていた。
このようなことから、できるだけ太い導体を巻回したコイルの偏平化が緊急の課題となっている。

ところで、軸方向の厚さが最も薄い偏平多層コイルは絶縁電線を一列に多層に巻いたコイルであることは言うまでもないが、図４に示すように、多層巻きコイル18では絶縁電線の巻始め線部19がコイルの最内周に位置し巻終り線部20がコイルの最外周に位置することになるので、リ−ド線として巻始め線部19をコイルの外部（外周の外側）に導出させるには、コイル端面を横切らせる形で巻始め線部をコイルの外部に導く必要がある。
そのため、コイルの厚さはこの“コイル端面を横切る巻始め線部”の線径分（即ち絶縁電線の直径分）だけ無為に厚くなってしまい、導体密度が不十分なコイルになってしまうという問題があった。

そこで、特許文献２には、図５に示したような、巻枠軸方向に摺動が可能な“スリット21が設けられたフレ−ム（フランジ）”22を有したコイルの巻枠23を用い、前記摺動可能フレ−ム22に設けられたスリット21を通して外側に絶縁電線の巻始め線部24が十分な長さで残るように図った上で絶縁電線を整列巻きで多層に巻回して巻終り線部25をコイルの最外周であってかつ前記摺動可能フレ−ム22が位置する側に残した後、摺動可能フレ−ム22を外側方向に絶縁電線１本分だけ摺動させてコイル端面とフレ−ム面との間にスペ−ス26を開け、このスペ−ス26にて残しておいた絶縁電線の巻始め線部24を更に多層巻きすることによりコイルの端面を無為に横切らせることなく巻始め端をコイル最外周に至らしめる（図中の符号27は多層巻きが終わった巻始め線部の先端を示す）という手法によって得られるところの、巻始め線部と巻終り線部が共にコイルの最外周から導出した導体密度の高い整列多層巻きコイルが提案されている。

しかしながら、特許文献２に示された上記整列多層巻きコイルでもその軸方向厚さを使用する絶縁電線の外径の２倍（絶縁電線２本分）より薄くすることはできず、偏平化には限界があった。

特開平９−１２１４８１号公報 特開昭５８−５１５０２号公報

前述した事情を考慮して本発明が課題としたのは、コイルに必要とされる電流（許容電流）を流すことができる導体径を有した絶縁電線以上の導体断面積を有し、かつ軸方向厚さが当該絶縁電線の外径の２倍（絶縁電線２本分）よりも薄い薄型多層巻偏平コイルを提供することである。

本発明者は上記課題を解決すべく種々検討を重ね、次の知見を得ることができた。
即ち、巻枠に絶縁電線を一列多層巻きして渦巻バネ状の単コイルを作製すると、得られる単コイルは前記特許文献２にも示されているようにその内径部（巻枠の軸が存在した部分）に“絶縁電線が存在しない円盤状空隙部”が形成される。
そこで、図１に示す如く、このような渦巻バネ状の１列多層巻きコイル（単コイル）１を２枚重ね合わせ、コイル内径部の“絶縁電線が存在しない円盤状空隙部”２内で両コイルの巻始め線部同士を直列に接続して（符号３は接続部を示す）電流が２枚のコイルを順方向に流れるように図ると、コイルを構成する絶縁電線の両端末（リ−ド線部）４，４がコイルの最外周に位置すると共に、コイル端面に無為な突出部がなくて軸方向厚さが薄い薄型偏平コイルを極めて簡易に得ることができる。

ただ、この場合には偏平コイルの軸方向厚さを絶縁電線２本分の寸法（絶縁電線の外径の２倍の寸法）よりも小さくすることができない。
しかし、コイルを構成する絶縁電線として“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径を有した絶縁電線”よりも外径の小さい絶縁電線（絶縁電線素線）を準備してから、図２に示すようにこの絶縁電線素線の複数本を多層に重ねて一列状態を保つように巻回して渦巻バネ状の多条一列多層巻コイル（単コイル）となし、このようにして得た渦巻バネ状の多条一列多層巻コイル（単コイル）の２枚を前記図１の如く重ね合わせて、単コイル内の複数の絶縁電線素線の両端部は単コイル内で並列接続し、２枚の単コイル間はコイル最内周部で直列に接続すると、コイルを構成する絶縁電線の両端末（リ−ド線部）がコイルの最外周に位置すると共に、コイル軸方向厚さが“細い絶縁電線素線の２本分”に納まる非常に薄い薄型偏平コイルを得ることができる。即ち、細い導体の絶縁電線をもって導体断面積の大きい薄型偏平コイルを得ることができる。

この場合、前記多条一列多層巻コイル（単コイル）を作製するために重ね合わせて巻回する絶縁電線素線の本数は、「“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径”を“絶縁電線素線の導体径”で除した値を二乗した数」以上とすべきであり、これによって“複数の絶縁電線素線で構成されるコイルの導体断面積”は設定された許容電流値に十分対応できるものとなる。

ところで、絶縁電線を一列多層に巻回するためには巻枠の鍔（フランジ）の間隔が絶縁電線の外径よりも多少大きくなければならず、鍔の間隔が絶縁電線の外径と同じであると巻回時の鍔面と絶縁電線との摩擦抵抗のために巻き込みができない。このように、巻枠の鍔の間隔を絶縁電線の外径よりも大きめとしなければならないので、巻回が終わった一列多層巻コイルは実際には一層毎に巻枠の軸方向へ位置がぶれることとなり、コイル端面が絶縁電線一層おきに凹凸のある面になる。
しかるに、上述したような凹凸のある端面を有した一列多層巻きコイルであっても、従来にない手法ではあるが、その両側から押圧する手立てを講じることによって凹凸面は容易に整形されて均一平面となることが分かった。しかも、押圧の程度を増して絶縁電線を多少押し潰すように変形させたとしても、変形後の絶縁電線の厚みとして絶縁電線の元の外径のπ／４倍以上（0.7854倍以上）が確保されておればコイル端面の平坦性に悪影響を来たすことはなく（因みに押圧の程度が前記の値を超えて大きいと逆にコイル面にゆがみ変形が生じてしまう）、また電気・磁気特性の劣化を伴うこともないので、このようなコイルを２枚重ね合わせて得られる薄型偏平コイルの軸方向厚さを更に薄くすることができる。

本発明は上記知見事項等を基に完成されたものであり、軸方向厚さの薄い偏平コイルを次の構成とした点に特徴を有するものである。
1）“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径”を“絶縁電線素線の導体径” で除した値を二乗した数以上の複数の絶縁電線素線が一列に重ねられて巻回されてなる 渦巻バネ状の多条一列多層巻コイルの２枚が重ね合わせられると共に、これら各コイル を構成する複数の絶縁電線素線が、コイル内は並列に、そしてコイル間はコイルの最内 周部で直列につながっており、かつ前記多条一列多層巻コイルのそれぞれが、コイルを 構成する絶縁電線素線の外径の“π／４”倍を下回らない範囲でコイル軸方向に押圧変 形された断面を有してなることを特徴とする、コイル線の両端末が共にコイル最外周に 位置する偏平コイル。
2）前記 1）項に記載の偏平コイルを用いた電気磁気エネルギ−変換器。

本発明によれば、コイルを構成する絶縁電線の両端末（リ−ド線部）がコイルの最外周に位置し、かつ軸方向厚さが“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径を有した絶縁電線”の外径の２倍（コイルに必要とされる電流を流すことができる絶縁電線の２本分）よりも薄い多層巻偏平コイルをを提供することができ、コ−ドレス電話器や携帯用機器類のコンパクト化，高性能化に大きく寄与することができる。

図１は本発明に係る偏平コイルを説明するための概要図であり、図１（ａ）はその断面概要を、図１（ｂ）は平面方向からの観察概要図を示している。 図２は複数本の絶縁電線素線をコイル状に巻回する手法の説明図である。 図３は先行文献に記載された非接触式充電器の説明図である。 図４は多層巻きコイルの巻始め線部をコイルの外部（外周の外側）に導出させた状態を示す説明図である。 図５は先行文献に記載された整列多層巻きコイルの説明図である。

図１は本発明に係る偏平コイルの１例を説明するための概要図であって、図１（ａ）はその断面を、そして図１（ｂ）は平面方向から見た概要を示しているが、偏平コイルは、巻枠に絶縁電線を１列多層巻きして作製した渦巻バネ状の単コイル１を２枚重ね合わせ、コイル内径部に生じている“絶縁電線が存在しない円盤状空隙部”２内で両コイルの巻始め線部同士を直列に接続３して構成されている。
ここで、本発明に係る偏平コイルでは、絶縁電線として“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径を有した絶縁電線”よりも外径の小さい絶縁電線（絶縁電線素線）が用いられ、その複数本を同時に巻回して多条一列多層巻コイルとした後、その多条一列多層巻コイル（単コイル）を２枚重ねた構成とされる。ここで、絶縁電線素線としてはコイルの製作容易性の点から自己融着絶縁電線を用いるのが良い。

なお、用いる絶縁電線素線の本数は“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径”を“絶縁電線素線の導体径”で除した値を二乗した数以上とされ、コイルに巻回後はそれらの巻始め線部と巻終り線部がそれぞれ並列に接続されるので、コイルの導体断面積は設定された許容電流値に十分対応できるものとなる。

ところで、前記多条一列多層巻コイル（単コイル）は、多数本の絶縁電線素線を一列の多層巻き状態に巻回したものであるので巻回された各絶縁電線素線は内側に位置するものと外側に位置するものとで長さが異なる結果となり、そのため理論上はコイルを構成する各絶縁電線素線はそれぞれ電気抵抗にも違いが生じてしまって電気的・磁気的特性が部位によらず均一性を保った偏平コイルとはならないとの懸念がなくもないが、実際上はこのような弊害は認められない。しかも、上述のような多条一列多層巻コイル（単コイル）の２枚を巻き方向が逆になるように重ね合わせると共に、この２枚の単コイルをコイル最内周部で直列に接続して電流が２枚のコイルを順方向に流れるように図ると、絶縁電線素線の位置の違いによる電気抵抗の差が平準化された偏平コイルが実現されるので何ら問題はない。

因みに、本発明に係る偏平コイルは、作製した２枚の単コイルを重ね合わせてからそれらの各巻始め線を接続する手法によって製作するのが良いが、コイル作製作業が煩雑ではあるものの、特許文献２に示された工法（図５を参照）によって、多条一列多層巻コイルが２枚重なると共に当該２枚のコイルがその巻始め線部同士がコイルの最内周（巻枠の軸面部）で連続的につながっていて、かつコイルの２つのリ−ド線部（巻終り部）が何れもコイルの最外周に位置する偏平コイルとなしても良い。

前述したように、本発明に係る偏平コイルは、絶縁電線のリ−ド線部がコイルの最外周に位置し、かつ軸方向厚さが“設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径を有した絶縁電線”の外径の２倍（コイルに必要とされる電流を流すことができる絶縁電線の２本分）よりも薄いものであるが、この偏平コイルの製作にあたっては例えば次の手順を採ることができる。
a．例えば“計器の設計上要求される許容電流値の達成に必要な導体径”を“絶縁電 線素線の導体径”で除した値を二乗した数以上の複数の自己融着絶縁電線素線を準 備する，
b．前記複数の自己融着絶縁電線素線を多層に重ね、これをコイルの巻枠を用いて一 列状態を保つように巻回して渦巻バネ状の多条一列多層巻コイル（単コイル）を作 製する，
c．作製された単コイルの２枚を、巻方向が逆となるように重ね合わせると共に、単 コイルの複数の絶縁電線素線の両端部を並列に接続し、また２枚の単コイルの巻始 め線部同士をコイル最内周で直列に接続することにより、コイル線の両端末がコイ ルの最外周に位置するところの、多条一列多層巻コイルが２枚重なった偏平コイル とする。

因みに、許容電流値の点から 0.3mmφの絶縁電線が望まれるコイルの場合には、例えば0.15mmφの絶縁電線を素線とし、これの４本を図２に示すように多層に重ねた状態で巻回して偏平な多条一列多層巻コイル（単コイル）を作製し、それら絶縁電線の両端を並列に接続すると、“ 0.3mmφの絶縁電線の断面積”と“0.15mmφの絶縁電線を４本組み合わせたものの総断面積”は等価となるので、“0.15mmφの絶縁電線を４本組み合わせて用いたコイル”であっても“ 0.3mmφの絶縁電線を用いたコイル”と許容電流値は変わらないものとなる。
そのため、“0.15mmφの絶縁電線を４本組み合わせて用いた単コイル”を２枚重ね合わせて作製した偏平コイルは、 0.3mmφの絶縁電線を用いて同様に作製した偏平コイルに比べて軸方向厚さが 1／2 に低減する。

ただ、先にも説明した通り、絶縁電線を一列多層に巻回して一列多層巻コイルを作製すると、実際には絶縁電線の一層おきに凹凸のある端面になってしまう。また、巻枠からコイルを取り出すと巻圧のためコイル面の凹凸が大きくなる。この凹凸はコイル面の厚みを絶縁電線の外径よりも大きくすることになる。
この問題を解決するためには次の工法が有効である。

即ち、外径ｄの絶縁電線の円形断面の面積は“π×（ｄ／２）² ”であって、この面積は“π×ｄ×ｄ／４”と表すことができ、長辺がｄで短辺がπ／４×ｄの長方形の面積と等価である。従って、凹凸のある一列多層巻コイルの端面をその両側から押圧すると、まず凹凸面は容易に整形されて均一平面となるが、押圧の度合いを更に増すと絶縁電線は或る程度押し潰されて変形するものの、絶縁電線の押圧方向の厚みが元の絶縁電線の外径ｄの“π／４”倍以上（即ち“0.7854×ｄ”以上）を保つ程度であれば断面が長方形状に変形するだけであるので隣り合う絶縁電線が占める寸法ｄの領域を干渉することはなく、そのためコイルは偏平形状を保って整形が進むこととなり、端面が非常に平らな多層巻き状態に固定されることとなる。
しかも、このような一列多層巻コイルは電気・磁気特性の劣化を伴うこともないので、薄型偏平コイルの軸方向厚さを更に薄くする上で有利である。

例えば、巻軸径が10mmで鍔間隔が0.18mmの巻枠を用い、導体径が0.15mmで外径が0.17mmの自己融着絶縁電線を４本同時に15タ−ン巻回して多条一列多層巻コイルを作製したが、このコイルのデ−タは次の通りであった。
コイル内径：10mm，
コイル外径：31mm，
コイルの軸方向厚さ（面厚）：0.19mm，
直流抵抗：0.24Ω。
そして、このコイルの端面を両側から押圧して端面の整形を行ったもののデ−タは次の通りであった。
コイル内径：10mm，
コイル外径：31mm，
コイルの軸方向厚さ（面厚）：0.15mm，
直流抵抗：0.24Ω。
このように端面を整形した多条一列多層巻コイルの２枚を巻方向を逆に重ね合わせ、各コイル内の絶縁電線を巻始め端部及び巻終り端部でそれぞれ並列接続すると共に、各コイルの巻始め線部をコイル内周部で直列接続してコイルの両端が共に最外周に位置する偏平コイルを作製したが、この偏平コイルのデ−タは次の通りであった。
コイル内径：10mm，
コイル外径：31mm，
コイルの軸方向厚さ：0.30mm，
直流抵抗：0.48Ω。

上述のような本発明に係る偏平コイルをコ−ドレス電話器や携帯用機器（携帯電話器，デシタルカメラ，携帯用ゲ−ム機器）等の電気磁気エネルギ−変換器に適用すれば、そのコンパクト化，高性能化に非常に有利である。

以上に説明した通り、本発明によると、高性能の薄型偏平コイルを容易かつ安価に提供することができ、例えば携帯用電子機器類に適用される非接触式充電システム等のコンパクト化，高性能化，低価格化に大きく寄与することが可能であるなど、産業上の利用性は図り知れない。

１ １列多層巻きコイル
２ 絶縁電線が存在しない円盤状空隙部
３ 接続部
４ 絶縁電線の端末（リ−ド線部）
11，15 コイルボビン
12 電力伝送用コイル
13 コア
14，17 筐体
16 受電コイル
18 多層巻きコイル
19，24 巻始め線部
20，25 巻終り線部
21 スリット
22 摺動可能フレ−ム
23 巻枠
26 スペ−ス
27 多層巻きが終わった巻始め線部の先端

Claims (2)

1. “設定された許容電流値を達成するのに必要な導体径”を“絶縁電線素線の導体径”で除した値を二乗した数以上の複数の絶縁電線素線が一列に重ねられて巻回されてなる渦巻バネ状の多条一列多層巻コイルの２枚が重ね合わせられると共に、これら各コイルを構成する複数の絶縁電線素線が、コイル内は並列に、そしてコイル間はコイルの最内周部で直列につながっており、かつ前記多条一列多層巻コイルのそれぞれが、コイルを構成する絶縁電線素線の外径の“π／４”倍を下回らない範囲でコイル軸方向に押圧変形された断面を有してなることを特徴とする、コイル線の両端末が共にコイル最外周に位置する偏平コイル。
2. 請求項１に記載の偏平コイルを用いた電気磁気エネルギ−変換器。

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