JPWO2006120997A1

JPWO2006120997A1 - 円筒状コイル及びそれを用いた円筒型マイクロモータ

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Publication number: JPWO2006120997A1
Application number: JP2007528265A
Authority: JP
Inventors: 中村　一也; 一也中村; 善人桧山; 今泉　伸夫; 伸夫今泉
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-12-18
Also published as: WO2006120997A1

Abstract

【課題】高精度で微細なコイルパターンを形成し、且つ、真円度やフレ等、機械的精度の優れた高精度な円筒状コイル、及び、その円筒状コイルを用いた円筒型マイクロモータを提供する。【解決手段】円筒状基材表面に、インクジェットノズルアレイによって、スルーホールを備えた絶縁層と、導電性ナノ粒子ペーストによって形成されるコイルパターン層が、交互に複数層印刷され、積層されたコイルパターンは、前記スルーホールに印刷充填される導電性ナノ粒子ペーストによって電気的に層間接続され、最表層はスルーホールを形成しない絶縁層で構成されることを特徴とする円筒状コイルを形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、極小径かつ、微細なコイルパターンを有するコイル及びそれを用いた円筒型マイクロモータに関する。

近年、医療機器分野、分析機器分野、マイクロマシン分野等にて、アクチュエータ搭載による機器の高機能化を目的とした、マイクロモータの小型化が望まれている。

このマイクロモータの小型化、特に小径化に伴い、同マイクロモータに内蔵されるコイルの小型・微細化が必要不可欠となる。

通常、前記コイルは、スロットを設けたコアに、例えばポリウレタン等の絶縁被膜を施した銅線を巻回して形成するか、あるいは、前記絶縁被覆銅線の最表層にさらに融着層を設けた自己融着銅線を、カップ状あるいはベル状に形成するコアレスコイルとするのが一般的である。また、円筒型マイクロモータの小径化を考えた場合、コアのないコアレスコイルが好適である。

従来より、カップ状コアレスコイルの作製にあたり、図３に示すような、コダック方式又はファールハーバー方式と呼ばれる巻線方式が採用されている。更に、消費電流を最小限に抑え、トルク特性の向上を図るために、上記方式にて作製したコイルを並列に複数個配置し並列コイルを形成したものがある（特許文献１）。
特開２００４−００７９３８

しかしながら、自己融着銅線を用いてコアレスコイルを形成する場合、基本的に線材を配列しながら構成するため、円筒型マイクロモータ外径が１．５ｍｍ以下、特に１．０ｍｍ以下の場合、以下のような理由でコイル形成が困難となる。

第一に、概して、コイル形成時に形が崩れる傾向にあり、真円度やフレ等の機械的精度が低下する。また、自己融着銅線の製造限界から、径０．０２ｍｍ以下の配線を形成することが困難である。

第二に、例えば、図４に示すように、円筒状のマグネット１４とその中心を貫通するシャフト１５からなるインナーロータ部を、円筒状のハウジングケース１６の両端開口部に位置するフランジ１７の軸中心位置で軸受１８により回転自在に軸支し、これをハウジングケース１６内周面に固定配置した界磁コイル１９に転流通電することにより発生する回転磁界によりロータ部を回転駆動させるＤＣブラシレスモータ２０がある。

このとき、真円度やフレ等の機械的精度が低いコイルでは、コイルがマグネットに干渉してしまう恐れがあるため、マグネット１４と界磁コイル１９の間隙であるエアギャップを大きく確保しなければならない。よって、ハウジングケース１６内径から、マグネット１４外径までの磁気ギャップも大きく確保しなくてはならない。そのため、トルク発生効率が低下し、小径化に不向きであった。また、モータ外径が小さくなればなるほど、それに比例して、そのエアギャップが小さくなることはなく、その加工限界から所定のエアギャップを確保しなければならないため、小径化が進むほどその影響は大きくなってしまう。

よって、本発明は、上記課題を鑑み、高精度で微細なコイルパターンを形成し、且つ、真円度やフレ等、機械的精度の優れた高精度な円筒状コイル、及び、その円筒状コイルを用いた円筒型マイクロモータを提供するものである。

請求項１記載の発明は、円筒状コイルにおいて、円筒状基材表面に、導電性ナノ粒子ペーストをインクジェットノズルアレイによってコイルパターンを直接印刷することによって形成されることを特徴とする円筒状コイルである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の円筒状コイルにおいて、円筒状基材表面に、インクジェットノズルアレイによって、スルーホールを備えた絶縁層と、導電性ナノ粒子ペーストによって形成されるコイルパターン層が、交互に複数層印刷され、積層されたコイルパターンは、前記スルーホールに印刷充填される導電性ナノ粒子ペーストによって電気的に層間接続され、最表層はスルーホールを形成しない絶縁層で構成されることを特徴とする円筒状コイルである。

請求項３記載の発明は、請求項１〜請求項２のいずれかに記載の円筒状コイルにおいて、コイルパターンのパターン幅が２０μｍ以下で形成されることを特徴とする円筒状コイルである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の円筒状コイルを有することを特徴とする円筒型マイクロモータである。

本発明の円筒状コイルは、円筒状基材表面にインクジェットノズルアレイによって導電性ナノ粒子ペーストを直接印刷することによってコイルパターンを形成するため、微細なコイルパターンを形成することが可能となる。

上記導電性ナノ粒子は、約５〜１０ｎｍと非常に微細で、ナノ粒子は分散剤で覆われているために、液体とほとんど同じ挙動を示し、ペースト状となっている。また、一定温度まで加熱すると補足物質が活性化し、化学的に分散剤を除去するとともに周囲の樹脂が、硬化収縮することで、ナノ粒子間を接触させ、融合・融着を加速し、配線（回路）を形成する。そのため、回路の幅及び厚みを適宜設定可能となり、微細な配線を形成することができる。

また、円筒状基材表面に直接印刷することにより、シート状コイルを丸めて円筒形状にする工程（ローリング工程）を省略することができる。このため、微細、且つ、アスペクト比の高い円筒状コイルを作製する場合、そのシート状コイルの寸法効果（巾／厚みが小さくなる）により、同シート状コイルの剛性が高まり、ローリング工程時に、その断面形状が雫状（非真円状）となってしまうといった、真円度、フレ等の機械的精度の低下や、コイル内外径の差から生じるせん断応力による、配線、特に縦配線の破断等の不具合を容易に防止することが可能となる。

本発明によれば、コイルの真円度、フレ等の機械的精度を高精度に保つことが可能であるため、そのコイルを用いたマイクロモータの構成において、小型化、小径化にあたって、エアギャップの縮小化、磁気ギャップの縮小化が可能となる。よって、パーミアンス係数が上昇し、磁気効率の向上が得られ、その結果、トルク定数の向上等の効果を得ることが可能となる。

また、絶縁層とコイルパターンを交互に印刷し、スルーホールに充填される導電性ナノ粒子ペーストによって上下のコイルパターンが電気的に接続されることによって、多層化した円筒状コイルを形成することが可能となり、コイルの巻数を増加でき、トルク定数の向上等の効果を得ることが可能となる。

上記円筒状コイルのコイルパターンのパターン幅を２０μｍ以下で形成することによって、従来の巻線コイルに用いていた線材の製造限界よりも微細なコイルパターンを形成することが可能となり、より小型、小径化を実現した円筒状コイルを提供することが可能となる。

更には、円筒型マイクロモータに本発明の円筒状コイルを用いることによって、円筒型マイクロモータの小型化、小径化が可能となる。

本発明におけるインクジェットノズルアレイの概略図を図１に示す。このインクジェットノズルアレイ１には多数の微細な吐出孔２が備えられ、図１に示すように、導電性ナノ粒子ペースト３を円筒状基材４に吐出し、コイルパターン５を印刷する。

このとき、例えば図２（ｂ）に示すようなコイルパターンにおいて、円筒状基材４中心軸方向のパターンを印刷するときは、個々の吐出孔を全て開放し、また、円筒状基材４円周方向のパターンを印刷するときは、個々の吐出孔の一部を開放し、その他は閉塞することにより、コイルパターンを形成することが可能となる。

また、本発明の円筒状コイルを作製する工程を、図２（ａ）〜（ｆ）に模式的に示す。

まず、絶縁材からなる円筒状基材４を導電性ナノ粒子ペースト用インクジェットノズルアレイ６、絶縁層用インクジェットノズルアレイ７の近傍に配置する（図２（ａ））。

次に、この円筒状基材４を自転させながら、前記導電性ナノ粒子ペースト用インクジェットノズルアレイ６により、前記円筒状基材４表面に導電性ナノ粒子ペーストを吐出することにより、コイルパターン５を直接印刷する（図２（ｂ））。

次に、前記円筒状基材４表面及び前記円筒状基材４に直接印刷された前記コイルパターン５上に、絶縁層用インクジェットノズルアレイ７を用いて絶縁層８を形成する。このとき前記コイルパターン５に相当する箇所の一部に、スルーホール９を設ける（図２（ｃ））。

さらに、前記スルーホール９に導電性ナノ粒子ペースト用インクジェットノズルアレイ６を用いて導電性ナノ粒子ペーストを印刷充填し、縦配線１０を形成する（図２（ｄ））。

次に、前記縦配線１０を含む前記絶縁層８表面に前記導電性ナノ粒子ペースト用インクジェットノズルアレイ６を用いてコイルパターン１１を形成する。このコイルパターン１１は、前記縦配線１０によりコイルパターン５と電気的に接続される（図２（ｅ））。

さらに、前記絶縁層８表面及び前記絶縁層８に直接印刷された前記コイルパターン１１上に、前記絶縁層用インクジェットノズルアレイ７を用いて絶縁層１２を形成する。このとき前記コイルパターン１１に相当する箇所の一部に、スルーホール１３を設けておく（図２（ｆ））。このコイルパターンと絶縁層の印刷工程を繰り返し行うが、最表層となる絶縁層ではスルーホールを設けない。以上より、多層化した円筒状コイルを形成することが可能となる。

上記に示すように、コイルパターンと絶縁層を交互に円筒状基板表面に直接形成することにより、機械的精度の優れた円筒状コイルを作製することが可能となり、また、絶縁層のスルーホールに配置される縦配線により、積層されたコイルパターンが電気的に層間接続され、立体配線が可能となり、且つ、配線、特に縦配線の断線が生じにくい円筒状コイルを作製することが可能となる。

また、インクジェットノズルアレイを複数台用いることにより、導電性ナノ粒子ペーストと絶縁層の吐出をインクジェットノズルアレイ毎に分けられるので、インクジェットノズルアレイ洗浄等の工程を省略でき、生産性の向上を図ることが可能となる。

このとき、インクジェットの方式は、例えば、発熱体によって気泡を発生させて圧力を加え、インクを発射するサーマル方式と、電圧を加えると変形するピエゾ素子を使ってインクを押し出すピエゾ方式等が考えられるが、本発明の実施形態においては、その方式は限定せず、適宜選定可能である。

こうして得られた円筒状コイルを用いて、マイクロモータを構成することにより、より小型化、より小径化されたマイクロモータを構成することが可能となる。

本発明におけるインクジェットノズルアレイの概略図本発明における円筒型マイクロモータのコイル作製工程の模式図従来技術によるコイル作製工程を示す説明図従来のＤＣブラシレスモータの構成を示す側断面図

符号の説明

１インクジェットノズルアレイ
２吐出孔
３導電性ナノ粒子ペースト
４円筒状基材
５，１１コイルパターン
６導電性ナノ粒子ペースト用インクジェットノズルアレイ
７絶縁層用インクジェットノズルアレイ
８，１２絶縁層
９，１３スルーホール
１０縦配線
１４マグネット
１５シャフト
１６ハウジングケース
１７フランジ
１８軸受
１９界磁コイル
２０ＤＣブラシレスモータ
２１ＦＰＣ給電部
２２ＦＰＣ保持プレート

Claims

円筒状コイルにおいて、
円筒状基材表面に、導電性ナノ粒子ペーストをインクジェットノズルアレイによってコイルパターンを直接印刷することによって形成されることを特徴とする円筒状コイル。
請求項１記載の円筒状コイルにおいて、
円筒状基材表面に、インクジェットノズルアレイによって、スルーホールを備えた絶縁層と、導電性ナノ粒子ペーストによって形成されるコイルパターン層が、交互に複数層印刷され、積層されたコイルパターンは、前記スルーホールに印刷充填される導電性ナノ粒子ペーストによって電気的に層間接続され、最表層はスルーホールを形成しない絶縁層で構成されることを特徴とする円筒状コイル。
請求項１〜請求項２のいずれかに記載の円筒状コイルにおいて、
コイルパターンのパターン幅が２０μｍ以下で形成されることを特徴とする円筒状コイル。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の円筒状コイルを有することを特徴とする円筒型マイクロモータ。