JP6233648B2 - トロイダルコイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、トロイダルコイル装置に関する。

従来から、磁気回路を有していない空芯のトロイダルコイルを備えるトロイダルコイル装置は、その中心穴を通る電線を流れる交流電流を計測する電流センサとして用いられている。トロイダルコイルは、直線状の空芯ソレノイドコイルをその中心軸が円形となるように丸く曲げてコイル外形をトロイド状としたものである。電流センサとしての空芯トロイダルコイルは、ロゴスキーコイルとも呼ばれる。電流センサ用のトロイダルコイルは、例えば、可撓性のシート状樹脂基材の両面に形成した導電体パターンとこれらを両面間で接続するスルーホールとによってシート状の空芯ソレノイドコイルを形成し、これを丸めて簡便に形成される（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この特許文献１のトロイダルコイルは、スルーホールによる接続を確保するためのランドパターンの存在が、導電体パターンの密度増加に対する制約条件になってしまい、ある限度以上にコイルのターン数を増やすことができない。また、各１ターンコイルの囲む面積はシート状基材の断面積そのものであり、その面積を増やすには限界がある。

ところで、柔軟性を有する支持体に一体的に複数の導体パターンを形成し、その支持体を折り曲げて形成される各導体パターン毎の１ターンコイルを互いに直列接続してトランス等で用いるインダクタを形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２４１４７９号公報 特開２００２−０４３１３８号公報

しかしながら、上述した特許文献２に示されるような形成方法においては、スルーホールを用いずに半田によって接続することができるものの、各半田接続部においてスリットとツメとの嵌合を用いるので、依然としてコイルのターン数増が制限される。特許文献２のインダクタは、四角形に形成された磁気回路にコイルを巻回するものである。空芯のトロイダルコイルは、例えば、電流センサとして用いる場合にノイズ耐性を高めるためコイルの回転対称性や形状寸法精度を高めて外乱磁場の影響を相殺する構成とすることが有効である。ところが、四角形の一辺にコイルを形成する特許文献２におけるコイルの形成方法によっては、そのような回転対称性を有する構成とすることができない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、コイルのターン数を従来よりも増加させることができ、かつ、対称性のよい立体形状と寸法精度を備えたトロイダルコイル装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明のトロイダルコイル装置は、立体形成用の切り込みが設けられた四角形のシート状の可撓性基材と、可撓性基材に支持された互いに並列する複数の導電体パターンと、を有するフレキシブル基板を平面状からトロイド状に立体的に屈曲して構成したトロイダルコイルを備え、トロイダルコイルは、屈曲によって導電体パターンの各々から形成される１ターンコイルを互いに直列接続した複数ターンのコイルで構成され、フレキシブル基板は、トロイダルコイルの形状をトロイド状に保持するための保持層を有し、保持層は、トロイダルコイルのポロイダル方向における屈曲されない部分の厚さが、屈曲される部分の厚さよりも厚いことを特徴とする。

このトロイダルコイル装置において、保持層は、導電体パターンを保護する導体保護層であってもよい。

このトロイダルコイル装置において、トロイダルコイルは、その中心軸に平行な直線部を有し、保持層は、直線部における厚さが他の部分より厚くてもよい。

このトロイダルコイル装置において、保持層は、トロイダルコイルがポロイダル方向に屈曲される部位に、トロイダルコイルのトロイダル方向に沿った切れ目を有してもよい。

このトロイダルコイル装置において、保持層は、トロイダルコイルのトロイダル方向に沿って厚さが一様であってもよい。

このトロイダルコイル装置において、保持層は、ポロイダル方向に沿った切れ目を有してもよい。

このトロイダルコイル装置において、可撓性基材は、ポロイダル方向における屈曲されない部分の厚さが、屈曲される部分の厚さよりも厚くてもよい。

このトロイダルコイル装置において、トロイダルコイルをその内側から支持する支持体を備えてもよい。

本発明のトロイダルコイル装置によれば、フレキシブル基板をトロイド状に立体的に形成して１ターンコイルを直列接続するので、コイルのターン数を増加でき、保持層によって形状をトロイド状に保持するので、対称性のよい形状と寸法精度を実現できる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るトロイダルコイル装置の一部破断斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ部詳細断面図、（ｃ）は（ａ）のＡ部詳細断面図。 （ａ）は同トロイダルコイル装置から保持層を除いた斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 同トロイダルコイル装置の展開平面図。 同トロイダルコイル装置の製造途中段階の平面図。 同トロイダルコイル装置の製造途中段階の斜視図。 同トロイダルコイル装置のフレキシブル基板の展開平面図。 （ａ）は同トロイダルコイル装置における表裏の導電体パターンを接続する接続部の断面図、（ｂ）は１ターンコイル間を接続する接続部の断面図。 （ａ）は他の実施形態に係るトロイダルコイル装置の透視斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は同トロイダルコイル装置の製造途中段階の斜視図。 さらに他の実施形態に係るトロイダルコイル装置の展開平面図。 同トロイダルコイル装置の斜視図。 さらに他の実施形態に係るトロイダルコイル装置の展開平面図。

以下、本発明の実施形態に係るトロイダルコイル装置について、図面を参照して説明する。図１乃至図７は、一実施形態に係るトロイダルコイル装置１Ａを示す。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２（ａ）（ｂ）に示すように、トロイダルコイル装置１Ａは、シート状のフレキシブル基板１０をトロイド状に屈曲して形成されたトロイダルコイル１を備えている。フレキシブル基板１０は、シート状の可撓性基材２と可撓性基材２に支持された互いに並列する複数の導電体パターン３を有している。これらの図や以下に示す図において導電体パターン３の図示が適宜省略されている。フレキシブル基板１０は、トロイダルコイル１の形状をトロイド状に保持するための保持層４を有している。

トロイダルコイル１の形状を示すトロイドとは、一つ穴ドーナツの表面形状のことであり、その中心穴に中心軸ＡＸを有し、中心軸ＡＸ回りに回転対称であり、中心軸ＡＸ方向に延伸して、中心軸ＡＸに平行な面を有している。また、トロイダル方向ＴＤが、中心軸ＡＸに中心を有する円周方向によって定義され、ポロイダル方向ＰＤが、中心軸ＡＸを含む平面によるトロイドの断面に現れる閉曲線によって定義される。トロイドとされたフレキシブル基板１０は、閉空間を形成する。

このようなトロイド形状のフレキシブル基板１０は、中心軸ＡＸに平行に延伸して中心軸ＡＸに対して遠い外周側の直線部Ａ１，Ａ３と近い内周側の直線部Ａ２、および、中心軸ＡＸに対して非平行で中心軸ＡＸ方向の両端に位置する曲面部Ｂ１，Ｂ２に区分される。曲面部Ｂ１，Ｂ２の名称は、この領域の導電体パターン３の配列間隔が広狭間で遷移することに因む。また、曲面部Ｂ１，Ｂ２は、内周側から外周側に向けて面積が広くなる遷移領域でもある。この面積の変化に対応するため、立体形成用の切り込み２１が、トロイド状のフレキシブル基板１０の内周側と上下端に設けられている。

導電体パターン３の各々は、屈曲によってそれぞれ１ターンコイルと成っている。各１ターンコイルは、導電体パターン３が両端に有する接続端子を電気的に接続した接続部３０を介して互いに連結されて複数ターンのコイルと成っている。接続部３０は、外周側の直線部Ａ１，Ａ３の端部を互いに接続する態様でこれらの直線部Ａ１，Ａ３の間に形成されている。トロイダルコイル１は、複数の１ターンコイルを連結して複数ターンのコイルから成るソレノイドコイルを構成し、そのソレノイドコイルをトロイド状に曲げて構成したものに相当する。トロイダルコイル１は、そのソレノイドコイルの両端子に対応する２つの端子１ａ，１ｂを有している。トロイダルコイル１は、トロイド状に立体化したフレキシブル基板１０に接続部３０を形成したものである。

保持層４は、トロイダルコイル１のポロイダル方向ＰＤにおける屈曲されない部分の保持層４ａの厚さが、屈曲される部分の保持層４ｂの厚さよりも厚い層厚を有する。すなわち、直線部Ａ１，Ａ２，Ａ３は、ポロイダル方向ＰＤにおける屈曲されない部分であって保持層４ａを有し、曲面部Ｂ１，Ｂ２は、屈曲される部分であって保持層４ｂを有し、保持層４ａの厚さが保持層４ｂの厚さよりも厚くされている。これを言い換えると、トロイダルコイル装置１Ａにおいて、トロイダルコイル１は、その中心軸ＡＸに平行な直線部を有し、保持層４は、その直線部における厚さが他の部分より厚くされている。また、保持層４は、このトロイダルコイル装置１Ａにおいて、トロイダル方向ＴＤに沿って厚さが一様とされている。

保持層４ａ，４ｂ、総称して保持層４は、可撓性基材２の表裏両面に形成されている。しかしながら、保持層４は、片面だけに形成したり、一方の面に保持層４ａを形成し、他方の面に保持層４ｂを形成したりしてもよい。保持層４は、領域毎に厚さを選択した樹脂フィルムを積層したり、ソルダーレジストなどの塗膜を形成したりして、フレキシブル基板１０に備えることができる。また、保持層４は、導電体パターン３を保護する導体保護層として兼用したり、逆に、導体保護層に保持層４の機能を持たせたりしてもよい。トロイダルコイル装置１Ａは、トロイダルコイル１がこのような保持層４を備えて成るので、厚い保持層４ａによってトロイド形状を堅固に保持でき、薄い保持層４ｂによって滑らかに屈曲されたトロイド曲面のトロイダルコイル１を有するものとなる。

次に、トロイダルコイル装置１Ａの細部を、その製造方法と合わせて説明する。図３に示すように、フレキシブル基板１０は、平面状に展開した状態で略四角形の外形を有する。フレキシブル基板１０は、導電体パターン３を形成する導体層を可撓性基材２の表裏両面に有している。裏面の導電体パターン３は、図中に、点線によって透視図として示されている。可撓性基材２には伸縮性が望めないので、平面状のフレキシブル基板１０を立体曲面であるトロイドに屈曲するために切り込み２１が用いられる。切り込み２１は、平面状態のフレキシブル基板１０に可撓性基材２を含む基板材料を除去した開口を形成している。切り込み２１による開口が形成されることにより、直線部Ａ２の面積が直線部Ａ１，Ａ３の面積よりも狭くなる。

切り込み２１は、トロイダル方向ＴＤに沿って等間隔に並列形成され、その並列繰り返しパターンによって、一群の導電体パターン３の繰り返し要素が構成される。すなわち、導電体パターン３の各々は複数本（本例では５本）で一組の繰り返し要素を構成する。言い換えれば、切り込み２１は、並列する導電体パターン３間に設けられている。導電体パターン３の各々は、外周側となる直線部Ａ１，Ａ３では、一部のファン状やクランク状の変化部分を除いて互いに平行等間隔に配列され、内周側となる直線部Ａ２では、一群（５本）毎にまとめて外周側よりも狭い間隔で平行等間隔に配列されている。直線部Ａ１における導電体パターン３は、隣りの導電体パターン３の延長線上に乗り移るように、クランク状に変化したパターンとされ、その先端は、可撓性基材２が存在しないフライングリード構造の接続端子３ａとなっている。

直線部Ａ３における導電体パターン３は直線状であり、その先端は可撓性基材２上に支持された接続端子３ｂとなっている。フレキシブル基板１０の裏面にも、表面と同様に導電体パターン３と接続端子３ａ，３ｂとが形成されている。フレキシブル基板１０のトロイダル方向ＴＤの一方の辺（図の下方）には、表面の導電体パターン３に接続された終端用の端子１ａと、裏面の導電体パターン３に接続された終端用の端子１ｂが引き出されている。導電体パターン３は、接続端子３ａ，３ｂ、端子１ａ，１ｂの部分を除いて、保持層４によって覆われている。この保持層４は、導体保護層としても用いられている。保持層４の厚い保持層４ａが直線部Ａ１，Ａ２，Ａ３に、また、薄い保持層４ｂが曲面部Ｂ１，Ｂ２に、それぞれトロイダル方向ＴＤに沿って一様な厚さで形成されている。

フレキシブル基板１０は、例えば、樹脂シート上に銅箔層を有する一般的なフレキシブル基板を用いて、一般的な製造工程によって製造される。その製造工程は、例えば、銅箔のパターニングによる導電体パターン３の形成、塗布やラミネートやパターニング等によるｄ応対保護層の形成、切り込み２１や外形の形成、端子１ａ，１ｂおよび各接続端子３ａ，３ｂのメッキ等を行う工程である。フレキシブル基板１０の製造は、このような、不要の銅箔をパターニングによって除去するサブトラクト工法に限らず、可撓性基材２上に導電材料を付加して導電体パターン３を形成するアディティブ工法や、これらの組み合わせによって行うことができる。可撓性基材２は、例えば、ポリイミド樹脂が用いられる。

フレキシブル基板１０は、図４に示すように、トロイダル方向ＴＤに沿った直線部Ａ１，Ａ３の各辺が互いに近接するように扁平な円筒状に丸められ、導電体パターン３の各々が互いに対応する接続端子３ａ，３ｂ間で電気的に接続される。フレキシブル基板１０は、この電気的接続によって、ソレノイドコイル１０ａとなる。このとき、端子１ａ，１ｂは互いに重ねられている。端子１ａ，１ｂの電極が重ねられるのは、これらの電極に至る配線が意図しない寄生コイルを形成しないようにするためである。

ソレノイドコイル１０ａは、図５に示すように、内周側の直線部Ａ２を包み込む方向、すなわち、トロイダル方向ＴＤに屈曲させて丸められる。フレキシブル基板１０をトロイド状とするためトロイダル方向ＴＤに屈曲させる変形は、切り込み２１の存在によって実現される。このような工程を経て、トロイド状に立体化したフレキシブル基板１０に接続部３０を形成したトロイダルコイル１が完成し、トロイダルコイル装置１Ａが完成する。接続端子３ａ，３ｂ、従ってこれらを接続した接続部３０は、トロイダルコイル１における外周側に配置されている。

次に、図６を参照して、トロイダルコイル１の端子１ａから各導電体パターン３を介して端子１ｂに至るまでの電気配線を説明する。フレキシブル基板１０によるトロイダルコイル１の各コイルは、表面の端子１ａから左上がりの実線矢印で示すように巻き進み、左下がりの点線矢印で示すように裏面を巻き戻って端子１ｂに至る。表面のコイルは進みコイルであり、裏面のコイルは戻りコイルである。コイルの進みと戻りとは、導電体パターン３におけるクランク状の導電体パターン部分によって実現されている。

具体的に説明すると、表面の端子１ａからの配線は、端子１ａにつながる導電体パターン３を通って、その接続端子ｘ２に至り、接続端子ｘ２は隣の導電体パターン３の接続端子ｘ３に電気的に接続される。ここで、フレキシブル基板１０は扁平な円筒状に丸められていることに注意。以下同様にして、接続端子ｘ４から、接続端子ｘ５を経て、接続端子ｘ６に至る。接続端子ｘ６の先端部分は、接続端子ｘ７に接続され、接続端子ｘ６の途中部分の導体１ｃは、切り欠き２２の存在により、裏面の導電体パターン３から延伸された接続端子ｙ２に対面して重ねられ、接続端子ｙ２の導体１ｄに直接接続される。この導体１ｃ，１ｄ間の接続により、表裏接続が成される。接続端子ｘ７は、固定補強や形状整列のために用いられるダミーの端子である。

続いて、裏面において、接続端子ｙ２の導電体パターン３を通って、その接続端子ｙ３に至り、接続端子ｙ３から、隣の導電体パターン３を順次経由して、接続端子ｙ４に至り、以下同様にして、接続端子ｙ４から、接続端子ｙ５を経て、接続端子ｙ６に至る。接続端子ｙ６は、接続端子ｙ６につながる導電体パターン３を通って、その終端である端子１ｂに至る。なお、図中の接続端子ｘｅ，ｘｏはそれぞれ表面の導電体パターン３のフライングリードである接続端子３ａ、および可撓性基材２上に支持された接続端子３ｂであり、接続端子ｙｅ，ｙｏはそれぞれ裏面のそれらである。

次に、図７（ａ）（ｂ）を参照して、電気接続の接続部３０について説明する。表裏間の電気接続の場合、図７（ａ）に示すように、フレキシブル基板１０の端部を突き合わせて接続端子ｘ６，ｙ２を重ねると、切り欠き２２の存在により、接続端子ｘ６，ｙ２の導体１ｃ，１ｄが互いに直に対面する状態となる。従って、表面側から裏面側に電気接続を行う接続部３０が、付加的配線を用いることなく、フレキシブル基板１０だけを用いて容易に形成される。電気接続は、例えば、半田３１によって行うことができる。接続部３０は、保護樹脂３２によって保護される。

また、表表間、裏裏間の電気接続の場合、図７（ｂ）に示すように、両方の接続を一括して行うことができる。さらに、これらの表裏間、表表間、裏裏間の電気接続は、全体を一括して行うことができる。これらの電気接続は、各接続端子３ａ，３ｂ（総称）に半田ペーストを塗布した状態で、各接続端子３ａ，３ｂが互いに重なるようにフレキシブル基板１０を円筒形状に丸めて、一括半田付けによって行うことができる。また、半田ペーストによらずに、互いに重なった各接続端子３ａ，３ｂ部分を、半田液に接触させながら半田液槽を通過させて半田付けを行ってもよい。また、各接続端子３ａ，３ｂ間を、導電性接着剤や、異方性導電樹脂を用いて電気接続してもよい。なお、フレキシブル基板１０は、２層の導電体層を有するものに限らず、１層または３層以上の導電体層を備えたものを用いて各導電体層に複数ターンコイルを形成するようにすることができる。

本実施形態のトロイダルコイル装置１Ａによれば、フレキシブル基板１０をトロイド状に立体的に形成して１ターンコイルを直列接続するので、コイルのターン数を増加できる。また、保持層４によって形状をトロイド状に保持するので、対称性のよい形状と寸法精度を実現できる。また、トロイダルコイル装置１Ａは、トロイダルコイル１の立体的な構造により、各１ターンコイルが囲繞する面積を大きくすることができ、より多くの磁束を積分して磁気誘導の効果を高めることができ、コイルのターン数増加と同様に磁気的性能を向上できる。

図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、他の実施形態に係るトロイダルコイル装置１Ａを示す。このトロイダルコイル装置１Ａは、上述の図１に示した実施形態のトロイダルコイル装置１Ａにおいて、トロイダルコイル１をその内側から支持する複数の支持体５を備えるものである。支持体５は、図８（ａ）（ｂ）に示すように、切り込み２１の数に応じて１２個備えられ、トロイドとされたフレキシブル基板１０の内部空間ＳＰにトロイダル方向ＴＤに沿って配置されている。各支持体５は、フレキシブル基板１０の内周側の直線部Ａ２に固定されてフレキシブル基板１０を支持している。トロイダルコイル装置１Ａは、図８（ｃ）に示すように、各支持体５をソレノイドコイル１０ａの内部に固定した状態で、ソレノイドコイル１０ａをトロイダル方向ＴＤに丸めて製造される。本実施形態によれば、形状の対称性良く、形状が堅固で安定したトロイダルコイル１、従ってトロイダルコイル装置１Ａが実現される。

図９、図１０は、さらに他の実施形態に係るトロイダルコイル装置１Ａを示す。このトロイダルコイル装置１Ａは、上述の図１に示した実施形態のトロイダルコイル装置１Ａにおいて、薄い保持層４ｂの形成方法を替えたものである。すなわち、フレキシブル基板１０の全面に一様厚さの保持層４が形成され、その保持層４における、トロイダルコイル１がポロイダル方向ＰＤに屈曲される部位に、トロイダル方向ＴＤに沿った円周上の複数の切れ目４ｃが形成されている。切れ目４ｃは、展開状態のフレキシブル基板１０において、その曲面部Ｂ１，Ｂ２に直線状に形成されている。

切れ目４ｃの幅、本数、配置などは、トロイダルコイル１をポロイダル方向ＰＤに屈曲させる位置や曲率などに応じて決めることができる。なお、切れ目４ｃは適宜深さを調整することができ、保持層４の全厚みに渡って保持層４を除去したり、一部残したりすることができる。本実施形態によれば、切れ目４が線状であり、構造が単純であるので、フレキシブル基板１０における屈曲位置を容易かつ精度良く確実に設定でき、対称性良く、形状寸法精度に優れたトロイダルコイル１、従ってトロイダルコイル装置１Ａが実現される。

図１１は、さらに他の実施形態に係るトロイダルコイル装置１Ａを示す。このトロイダルコイル装置１Ａは、上述の図９，図１０に示した実施形態のトロイダルコイル装置１Ａにおいて、保持層４がポロイダル方向ＰＤに沿った切れ目４ｄを有するものである。このような切れ目４ｄは、トロイダルコイル１におけるトロイダル方向ＴＤの屈曲を滑らかにすることができる。

上述の各実施形態において、可撓性基材２が一様な厚みを有することを前提として説明している。しかしながら、可撓性基材２の厚みを部分的に変えて、フレキシブル基板１０からの立体的な形状への屈曲が容易となるようにしてもよい。例えば、可撓性基材２に、ポロイダル方向ＰＤにおける屈曲されない部分の厚さが、屈曲される部分の厚さよりも厚くなる構造を持たせてもよい。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。

１ トロイダルコイル
１Ａ トロイダルコイル装置
１０ フレキシブル基板
２ 可撓性基材
２１ 切り込み
３ 導電体パターン
４，４ａ，４ｂ 保持層
４ｃ，４ｄ 切れ目
５ 支持体
ＡＸ 中心軸
ＴＤ トロイダル方向
ＰＤ ポロイダル方向

Claims (8)

1. トロイダルコイル装置であって、
   立体形成用の切り込みが設けられた四角形のシート状の可撓性基材と、前記可撓性基材に支持された互いに並列する複数の導電体パターンと、を有するフレキシブル基板を平面状からトロイド状に立体的に屈曲して構成したトロイダルコイルを備え、
   前記トロイダルコイルは、前記屈曲によって前記導電体パターンの各々から形成される１ターンコイルを互いに直列接続した複数ターンのコイルで構成され、
   前記フレキシブル基板は、前記トロイダルコイルの形状をトロイド状に保持するための保持層を有し、
   前記保持層は、前記トロイダルコイルのポロイダル方向における屈曲されない部分の厚さが、屈曲される部分の厚さよりも厚いことを特徴とするトロイダルコイル装置。
2. 前記保持層は、前記導電体パターンを保護する導体保護層であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダルコイル装置。
3. 前記トロイダルコイルは、その中心軸に平行な直線部を有し、
   前記保持層は、前記直線部における厚さが他の部分より厚いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトロイダルコイル装置。
4. 前記保持層は、前記トロイダルコイルが前記ポロイダル方向に屈曲される部位に、前記トロイダルコイルのトロイダル方向に沿った切れ目を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。
5. 前記保持層は、前記トロイダルコイルのトロイダル方向に沿って厚さが一様であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。
6. 前記保持層は、前記ポロイダル方向に沿った切れ目を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトロイダルコイル装置。
7. 前記可撓性基材は、前記ポロイダル方向における屈曲されない部分の厚さが、屈曲される部分の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。
8. 前記トロイダルコイルをその内側から支持する支持体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。

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