JP6044214B2

JP6044214B2 - リッツ線および高周波給電用コイル

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Publication number: JP6044214B2
Application number: JP2012201673A
Authority: JP
Inventors: 菊地　修一; 修一菊地; 守宏黒田
Original assignee: Sumida Corp
Current assignee: Sumida Corp
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: JP2014056764A

Description

本発明は、複数の導電素線を撚り合わせて形成され、例えば、100kHzの高周波帯域を用いて非接触給電を行うリッツ線および高周波給電用コイルを提供することを目的とする。

現在実用化が進んでいる非接触給電方式は、主として100kHz帯の高周波信号を用いている。導電率が均一の導電線に上述したような高周波信号を通電すると、高周波電流はコイル線の表面近くを集中して流れる表皮効果が著しくなる。このような表皮効果の程度は、表皮深さをδとすると、δ＝（２／ωσμ）^1/2で表される。ただし、ωは周波数、σは導電率であり、μはコイル線の透磁率を表わす。

上式から明らかなように、導電線を流れる電流の周波数ωが高くなると、表皮深さδが小さくなる。この結果、断面形状が円形状の導電線では、周波数ωが高くなるにしたがって表層以外の領域（特に中心軸付近）で電気抵抗が増加して電流が流れにくくなり、導電線全体の電気抵抗が増大することとなる。

したがって、上記表皮深さδよりも小さい径のコイル線を用いれば、表皮効果により電気抵抗が増加したことに伴う電流損失を大幅に低減させることができることとなる。このため、従来より、細分化されたエナメル線を複数本撚り合わせたリッツ線を用いて表皮効果の低減を図る手法が知られている。図５に示すように、リッツ線１００は、銅線等の導電線の周囲にエナメル等の絶縁被膜を形成した素線１３０を複数本撚り合わせることにより構成されている（例えば、下記特許文献１〜３を参照のこと）。

特開２０１０−０２０９６３号公報特許第４８２４５０８号公報特開２００５−１０８６５４号公報

しかしながら、リッツ線を用いることにより高周波の電流損失を抑制することができるものの、各素線を細くし過ぎて本数が増加すると導電線の占有割合が低下し（絶縁被膜部分の割合が増加し）てしまうため、素線の小径化には限度があることから、どうしても素線間にスペースができてしまい、直流抵抗分（ＤＣＲ）が増大するとともに、リッツ線の小径化が阻害される。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、高周波の電流損失を抑制しつつ、素線間の空間スペースを低減させ、直流抵抗分（ＤＣＲ）の低下およびリッツ線の小径化を図り得るリッツ線および高周波給電用コイルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るリッツ線および高周波給電用コイルは、以下の特徴を備えている。

すなわち、本発明に係るリッツ線は、
複数の大径の素線と、複数の小径の素線とをスパイラル状に撚り合わせてなり、５０ｋHz〜５００ｋHzの高周波電力の給電に供され、
前記リッツ線において、前記大径の素線の本数に対する前記小径の素線の本数の比率が、０．４以上で１．０以下の範囲の値とされていることを特徴とするものである。

また、前記リッツ線において、前記大径の素線の断面積に対する前記小径の素線の断面積の比率が、０．０１以上で０．２５以下の範囲の値とされていることが好ましい。

また、いずれかの前記リッツ線において、全ての前記大径の素線の合計断面積に対する、全ての前記小径の素線の合計断面積の比率が、０．００４以上で０．２５以下の範囲の値とされていることが好ましい。

さらに、いずれかの前記リッツ線において、全ての前記大径の素線の周囲に絶縁被膜が設けられているとともに、少なくとも一部の前記小径の素線の周囲には絶縁被膜が設けられておらず、前記大径の素線および前記小径の素線を撚り合わせた際に、前記少なくとも一部の小径の素線の各々が前記大径の素線に包囲され、前記少なくとも一部の小径の素線同士が非接触状態となる構成とすることができる。

また、本発明の高周波給電用コイルは、上述したいずれかのリッツ線を扁平に巻回してなることを特徴とするものである。

本発明に係るリッツ線および高周波給電用コイルは、リッツ線を複数の大径の素線と複数の小径の素線をスパイラル状に撚り合わせて構成することにより、大径の素線同士の間のスペース部分に小径の素線が入り込むように構成される。リッツ線をこのように構成したことにより、５０ｋHz〜５００ｋHzの高周波電力を給電する際に、各素線を細くし過ぎることなしに（素線の本数を大幅に増加させることなく）素線間のスペース部分の割合を減少させることができ、これにより電流損失の抑制を図った上で、導電線の占有割合を低下させることなく、直流抵抗分（ＤＣＲ）の低減およびリッツ線の小径化を促進することができる。

本実施形態に係るリッツ線の構成を示す概略図である。本実施形態に係るリッツ線の全体的な外観を示す概略図である。図１に示すリッツ線の延伸状態を示す拡大斜視図である。図３とは異なる態様のリッツ線の一端面を示す図である。従来例によるリッツ線の一端面を示す拡大斜視図である。

以下、本発明に係るリッツ線および高周波給電用コイルの実施形態について、上記図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係るリッツ線の構成を示す概略図であり、図３は、この図１に係るリッツ線１を直線状に延伸させたものである。このリッツ線１は、複数本の大径の素線（以下大径素線と称する）１０と、この大径素線よりも直径が小さい複数本の小径の素線（以下小径素線と称する）２０をスパイラル状に撚り合わせてなり、図２に示すように、このリッツ線１を扁平状に巻回するとともに一端部５１と他端部５２を引き出す構成とすることで、例えば、５０〜５００ｋＨｚの高周波電力を非接触状態で給電する、電子機器（例えば、携帯電話）用の高周波給電用コイル５０として使用することができる。

また、大径素線１０および小径素線２０はいずれも銅材からなる導電線に絶縁被覆を施した絶縁電線である。この大径素線１０は、例えば0.10〜0.40ｍｍ程度の直径とされ、一方、この小径素線２０は、例えば0.04〜0.10ｍｍ程度の直径とされている。

なお、本明細書において、これら各素線１０、２０の直径と指称するときは、絶縁電線全体の断面直径を表わすものであり、導線のみならず絶縁被覆の厚みも含めた値を示すものである。絶縁被覆の厚みは、例えば、数μｍのオーダーとされており、各素線１０、２０の直径に比例するものではないが、素線１０、２０の直径の増加に応じて若干増加するようになっている。

また、図１に示す例においては、５本の大径素線１０と、４本の小径素線２０とがなるべく稠密となるように配列された状態で撚り合わされている。すなわち、大径素線１０同士の間のスペースを小径素線２０が埋めるようにして、リッツ線の横断面において、なるべく素線配置の効率化が図られるように構成されている。ただし、実際にはこれら素線１０、２０は図３に示す状態からある程度乱れた状態で撚り合わせられるものであるから、以下の説明においては、そのような状態も含めたものとして説明をする。

なお、上述したように、リッツ線１が、各素線１０、２０をスパイラル状に撚り合わせるように構成されているのは、このリッツ線１を巻回して高周波給電用コイル５０に形成した際に、各素線１０、２０を磁束と均一に交差させるためである。

また、図４は、図１のリッツ線１よりも素線の本数を増加させたタイプのリッツ線１Ａの端面を示す概念図である。すなわち、このリッツ線１Ａは、上記リッツ線１と基本的な構成は略同様とされ、大径素線１０Ａと小径素線２０Ａとをスパイラル状に撚り合わせて形成されるものであるが、大径素線１０Ａが１３本、小径素線２０Ａが１２本と、リッツ線１よりも多数の素線１０Ａ、２０Ａが用いられている点において異なっている。

このように本実施形態のリッツ線１、１Ａでは、大径素線１０、１０Ａと、小径素線２０、２０Ａとの比率において、後述するような望ましい範囲が存在するものの、その範囲内で用途や要求特性に応じた適切な各素線本数に設定することが可能である。

ところで、これらのリッツ線１において、全素線１０、２０の合計断面積が同等となる場合、各素線１０、１０Ａ、２０、２０Ａ（以下、１０等と称する）を流れる電流の周波数が１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚと上昇するにしたがって、素線本数が少ない程、表皮効果により、電流が各素線１０、２０の表層付近を流れ内部では流れにくくなり、全体として高い抵抗値を示すことになる。その一方、素線本数が多くなり過ぎると、素線外周部の絶縁被膜の断面積が占める割合が増加するため、給電用コイルの外形が大きくなってしまい、スペースの効率化が図れない。

このような実情を考慮し、本実施形態のリッツ線１においては、下述する、両素線１０等の好ましい本数比率Ｐの範囲、両素線１０等の好ましい断面積比率Ｑの範囲、両素線１０等の好ましい合計断面積比率Ｒの範囲のうち少なくとも１つを満足するように設定され、その範囲の値でリッツ線１を構成するようにしている。

＜両素線の本数比率の範囲＞
すなわち、両素線１０等の好ましい本数比率の範囲を大径素線１０の本数に対する小径素線２０の本数の比率Ｐの範囲を規定する下式（１）により表わす。
０．４≦ Ｐ ≦１．２（１）

上式（１）の下限値を下回ると、小径素線２０、２０Ａの本数の割合、ひいては素線本数が小さくなりすぎ、前述した表皮効果の影響を小さくして抵抗値が上昇するのを抑制するという本発明の効果をほとんど奏することができなくなる。一方、上式（１）の上限値を上回ると、前述したように素線外周部の絶縁被膜の断面積が占める割合が増加するため、給電用コイル５０の外形が大きくなってしまい、スペースの効率化が図れず、直流抵抗分（ＤＣＲ）も増加する。これらのことから、上記比率Ｐが上式（１）を満足することにより、５０〜５００ｋＨｚの高周波給電を行うリッツ線１、１Ａにおいて、電流損失の抑制を図りつつ、導電線の占有割合を低下させることなく、直流抵抗分（ＤＣＲ）の低減およびリッツ線の小径化を促進することができる。

なお、このような観点から上式（１）に替えて、下式（１´）を用いれば、上記効果をより高めることができる。
０．５≦ Ｐ ≦１．０（１´）

実際に、上記図３に示す態様においては、大径素線１０が５本で、小径素線２０が４本であるから、上記Ｐは４/５で０．８となり、一方、上記図４に示す態様においては、大径素線１０Ａが１３本で、小径素線２０Ａが１２本であるから、上記Ｐは１２/１３で約０．９２となり、いずれも上式（１）および上式（１´）を満足する。

＜両素線の断面積比率の範囲＞
また、両素線１０等の好ましい断面積比率の範囲を、各大径素線１０、１０Ａの断面積に対する各小径素線２０、２０Ａの断面積の比率Ｑの範囲を規定する下式（２）により表わす。
０．０１≦ Ｑ ≦０．３０（２）

上式（２）の下限値を下回った場合、前述したように小径素線１０、１０Ａの断面積の割合が小さくなり過ぎ、前述した表皮効果の影響を少なくして抵抗値が上昇するのを抑制するという本発明の効果を奏し難くなる。一方、上式（２）の上限値を上回った場合、その要因が、小径素線２０、２０Ａの本数が多くなったことによるときは、素線外周部の絶縁被膜の断面積が占める割合が増加するため、スペースの効率化が図れず、直流抵抗分（ＤＣＲ）も増加し、他方、その要因が、小径素線２０、２０Ａの１本あたりの断面積が大きくなった（小径素線１０、１０Ａの断面直径Ｄ２が大径素線２０、２０Ａの断面直径Ｄ１の１/２を大幅に超えた）ことによるときは、表皮効果の影響を小さくして抵抗値が上昇するのを抑制するという本発明の効果を奏し難くなる。これらのことから、上記比率Ｑが上式（２）を満足することにより、５０〜５００ｋＨｚの高周波給電を行うリッツ線１、１Ａにおいて、電流損失の抑制を図りつつ、導電線の占有割合を低下させることなく、直流抵抗分（ＤＣＲ）の低減およびリッツ線の小径化を促進することができる。

なお、このような観点から上式（２）に替えて、下式（２´）を用いれば、上記効果をより高めることができる。
０．０２≦ Ｑ ≦０．２５（２´）

具体例を挙げると、上記図４に示す態様において、大径素線１０Ａの直径Ｄ１が0.20ｍｍで、小径素線２０Ａの直径Ｄ２が0.06ｍｍであるとすれば、Ｄ２/Ｄ１は0.06/0.20で０．３となり、この場合、各大径素線１０、１０Ａの断面積に対する各小径素線２０、２０Ａの断面積の比率Ｑは０．０９となり、上式（２）および上式（２´）を満足する。

＜両素線の合計断面積比率の範囲＞
また、素線１０等の好ましい合計断面積比率の範囲を、全大径素線１０、１０Ａの合計断面積に対する全小径素線２０、２０Ａの合計断面積の比率Ｒの範囲を規定する下式（３）により表わす。
０．００４≦ Ｒ ≦０．３６０（３）

上式（３）は、いわば上式（１）および上式（２）を掛け合わせて規定される範囲に近いものとなっており、上式（３）の下限値を下回った場合、小径素線１０、１０Ａの合計断面積の割合が小さくなり過ぎ、前述した表皮効果の影響を小さくして抵抗値が上昇するのを抑制するという本発明の効果をほとんど奏することができなくなる。一方、上式（３）の上限値を上回った場合、その要因が、小径素線２０、２０Ａの本数が多くなったことによるときは、素線外周部の絶縁被膜の断面積が占める割合が増加するため、スペースの効率化が図れず、直流抵抗分（ＤＣＲ）も増加するという不都合が生じ、その要因が、小径素線２０、２０Ａの１本あたりの断面積が大きくなった（小径素線１０、１０Ａの断面直径Ｄ２が大径素線２０、２０Ａの断面直径Ｄ１の１/２を大幅に超えた）ことによるときは、表皮効果の影響を小さくして抵抗値が上昇するのを抑制するという本発明の効果を奏し難くなる。

これらのことから、上記比率Ｑが上式（３）を満足することにより、５０〜５００ｋＨｚの高周波給電を行うリッツ線１、１Ａにおいて、電流損失の抑制を図りつつ、導電線の占有割合を低下させることなく、直流抵抗分（ＤＣＲ）の低減およびリッツ線の小径化を促進することができる。

なお、このような観点から上式（３）に替えて、下式（３´）を用いれば、上記効果をより高めることができる。
０．０１０≦ Ｒ ≦０．２５０（３´）

具体例を挙げると、上記図４に示す態様において、大径素線１０Ａの本数が１３本、直径Ｄ１が0.20ｍｍであり、小径素線２０Ａの本数が１２本、直径Ｄ２が0.06ｍｍであるとすれば、（Ｄ２/Ｄ１）^２は（0.06/0.20）^２で０．０９となり、この場合、全大径素線１０Ａの合計断面積に対する全小径素線２０Ａの合計断面積の比率Ｒは０．０９×（１２/１３）＝０．０８３となり、上式（３）および上式（３´）を満足する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、大径素線１０、１０Ａおよび小径素線２０、２０Ａはいずれも絶縁被覆が施された絶縁電線とされているが、小径素線については、絶縁被覆が施されていない非絶縁電線とし、大径素線および小径素線が撚り合わされたときに各小径素線を複数の大径素線によって包囲することで、小径素線同士は接触しないようなリッツ線構成とすることも可能である。

また、上記両素線１０等の本数比率Ｐ、上記両素線１０等の断面積比率Ｑ、および上記両素線１０等の合計断面積比率Ｒの各値としては、上式（１）、（２）、（３）の範囲外の値であってもよく、適宜好ましい値を設定することが可能である。ただし、前述したように、上式（１）、（２）、（３）のうち少なくとも１つの式を満足することが好ましい。

１、１Ａ、１００リッツ線
１０、１０Ａ大径素線
２０、２０Ａ小径素線
５０給電用コイル
５１一端部
５２他端部
１３０素線

Claims

複数の大径の素線と、複数の小径の素線とをスパイラル状に撚り合わせてなり、５０ｋHz〜５００ｋHzの高周波電力の給電に供されるリッツ線において、
前記大径の素線の本数に対する前記小径の素線の本数の比率が、０．４以上で１．０以下の範囲の値とされていることを特徴とするリッツ線。
請求項１記載のリッツ線において、前記大径の素線の断面積に対する前記小径の素線の断面積の比率が、０．０１以上で０．２５以下の範囲の値とされていることを特徴とするリッツ線。
請求項１または２に記載のリッツ線において、全ての前記大径の素線の合計断面積に対する、全ての前記小径の素線の合計断面積の比率が、０．００４以上で０．２５以下の範囲の値とされていることを特徴とするリッツ線。
全ての前記大径の素線の周囲に絶縁被膜が設けられているとともに、少なくとも一部の前記小径の素線の周囲には絶縁被膜が設けられておらず、前記大径の素線および前記小径の素線を撚り合わせた際に、前記少なくとも一部の小径の素線の各々が前記大径の素線に包囲され、前記少なくとも一部の小径の素線同士が非接触状態となる構成とされていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のリッツ線。
請求項１〜４のうちいずれか１項記載のリッツ線を扁平に巻回してなることを特徴とする高周波給電用コイル。