(57)【要約】【課題】  製造工程が簡素化され、かつ、コストが抑制された空芯トロイダルコイル、その製造方法および平面コイルを提供する。【解決手段】  空芯トロイダルコイル１０は、平面コイル３がコイル１とコイル２との略境界線において順次折り曲げられ、蛇腹状に形成されたものである。そして、平面コイル３の両端に配置されるコイル１またはコイル２において、他のコイルと接続されていない側の端は、それぞれ端子７および端子８として外部と接続される。蛇腹状に形成されたコイル１およびコイル２を貫通する方向に磁界が生じると、コイル１およびコイル２と鎖交する磁界の方向は、互いに逆方向となるので、コイル１およびコイル２は、同方向の起電力を生じる。すなわち、コイル１およびコイル２を貫通する磁界が生じると、コイル１およびコイル２が発生する電流は、互いに強め合う向きに流れる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルからなり、
前記第１および第２のコイルは、前記平面コイルに対して垂直方向の磁界を受けて、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続され、
前記平面コイルは、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの略境界線において折り曲げられ、蛇腹状に形成される、空芯トロイダルコイル。
【請求項２】
前記第１のコイルまたは／および前記第２のコイルは、前記平面コイルの面内方向においてらせん状に配置された導線からなる、請求項１に記載の空芯トロイダルコイル。
【請求項３】
前記平面コイルは、さらに、曲げられて環状に形成される、請求項１または２に記載の空芯トロイダルコイル。
【請求項４】
複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルであって、前記第１および第２のコイルは、前記平面コイルに対して垂直方向の磁界を受けて、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続された前記平面コイルを製造するステップと、
前記平面コイルを前記第１のコイルと前記第２のコイルとの略境界線において折り曲げ、蛇腹状に形成するステップとからなる、空芯トロイダルコイルの製造方法。
【請求項５】
前記平面コイルの面内方向において導線をらせん状に配置し、前記第１のコイルまたは／および前記第２のコイルを形成するステップをさらに含む、請求項４に記載の空芯トロイダルコイルの製造方法。
【請求項６】
前記平面コイルを曲げて環状に形成するステップをさらに含む、請求項４または５に記載の空芯トロイダルコイルの製造方法。
【請求項７】
複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルであって、
前記第１および第２のコイルは、前記平面コイルに対して垂直方向の磁界を受けて、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続され、
前記平面コイルは、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの略境界線において折り曲げられて蛇腹状に形成され得る、平面コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は空芯トロイダルコイル、その製造方法および平面コイルに関し、特にコイル巻付け作業が不要な空芯トロイダルコイル、その製造方法および平面コイルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器や計測機器に用いられるインダクタの１つにトロイダルコイルがある。トロイダルコイルは、輪形ソレノイドとも称され、ドーナツ状の巻芯の周囲に導線などを巻付けたコイルである。
【０００３】
トロイダルコイルは、フェライトなどの強磁性体からなる巻芯を有するものと、磁性体以外の材質からなる巻芯を有するものとに大別される。前者は、コイル内の磁気抵抗が小さいので、インダクタンスを大きくできる。一方、後者は、コイル内の磁気抵抗が大きいので、インダクタンスは小さくなる。一般に、前者を狭義のトロイダルコイルと称し、後者を「空芯トロイダルコイル」と称する。なお、「空芯トロイダルコイル」とは、巻芯を有さないトロイダルコイルをも含む概念である。
【０００４】
ところで、トロイダルコイルは、ドーナツ状の巻芯の周囲に導線などを巻付けて製造する必要があり、その製造工程は、非常に複雑である。そのため、複雑な製造工程を機械化する取組みがなされている。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、コモンモードトロイダルコイルを均一な品質で製造するトロイダルコアの巻線機が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、略台形の断面形状を有する複数のボビンからなる巻芯を用いて、製造工程を簡略化したトロイダルコイルおよびその製造方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−０１４８３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、電子機器などには、小型化を図るため強磁性体からなる巻芯を有するトロイダルコイルが用いられている。強磁性体からなる巻芯は、外部の磁界により磁化される特性をもつが、磁界強度がある所定の値を超えると、それ以上磁化されなくなり、磁気飽和が生じる。また、強磁性体に交流磁界を与えると、その周期毎に磁化される方向が変化し、その磁化方向の変化に伴う鉄損が生じる。
【０００８】
したがって、トロイダルコイルを用いて交流電流を計測する場合において、計測対象の交流電流は、磁気飽和が生じない電流値の範囲で、かつ、鉄損が無視できる周波数の範囲に制限される。
【０００９】
そこで、近年、磁気飽和および鉄損が生じない空芯トロイダルコイルが注目されている。空芯トロイダルコイルを用いると、磁気飽和が生じないため、計測可能な電流値のダイナミックレンジを大きくでき、かつ、計測できる周波数の上限についても大きくできる。そのため、適用範囲が広い交流電流の計測装置を実現できる。
【００１０】
しかしながら、上述したように、巻芯を有する空芯トロイダルコイルは、その製造工程が非常に複雑であり、コストが高くなるという問題があった。また、巻芯を抜いた空芯トロイダルコイルでは、巻芯が無い状態で導線を立体的に形成する必要があり、その製造工程はより複雑になるという問題もあった。
【００１１】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造工程が簡素化され、かつ、コストが抑制された空芯トロイダルコイル、その製造方法および平面コイルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明によれば、複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルからなり、第１および第２のコイルは、平面コイルに対して垂直方向の磁界に対して、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続され、平面コイルは、第１のコイルと第２のコイルとの略境界線において折り曲げられ、蛇腹状に形成される、空芯トロイダルコイルである。
【００１３】
好ましくは、第１のコイルまたは／および第２のコイルは、平面コイルの面内方向においてらせん状に配置された導線からなる。
【００１４】
好ましくは、平面コイルは、さらに、曲げられて環状に形成される。
また、この発明によれば、複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルであって、第１および第２のコイルは、平面コイルに対して垂直方向の磁界に対して、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続された平面コイルを製造するステップと、平面コイルを第１のコイルと第２のコイルとの略境界線において折り曲げ、蛇腹状に形成するステップとからなる、空芯トロイダルコイルの製造方法である。
【００１５】
好ましくは、平面コイルの面内方向において導線をらせん状に配置し、第１のコイルまたは／および第２のコイルを形成するステップをさらに含む。
【００１６】
好ましくは、平面コイルを曲げて環状に形成するステップをさらに含む。
また、この発明によれば、複数の第１および第２のコイルが交互に接続された平面コイルであって、第１および第２のコイルは、平面コイルに対して垂直方向の磁界に対して、互いに逆方向の起電力を生じるように直列接続され、平面コイルは、第１のコイルと第２のコイルとの略境界線において折り曲げられて蛇腹状に形成され得る、平面コイルである。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとが交互に接続された平面コイルを折り曲げ、蛇腹状に形成することで空芯トロイダルコイルを構成する。よって、コイルを形成するためのコイル巻付け作業が不要となるため、製造工程が簡素化され、コストを抑制した空芯トロイダルコイルを実現できる。
【００１８】
また、この発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとが交互に接続された平面コイルを製造し、さらに、その平面コイルを折り曲げて蛇腹状に形成するので、コイルを形成するためのコイル巻付け工程が不要となる。よって、製造工程を簡素化し、コストを抑制した空芯トロイダルコイルの製造方法を実現できる。
【００１９】
また、この発明によれば、折り曲げて蛇腹状に形成することで、空芯トロイダルコイルを構成できる。よって、空芯トロイダルコイルの製造工程を簡素化し、コストを抑制するための平面コイルを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２１】
図１は、この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイル１０を構成する平面コイル３の構造図である。
【００２２】
図１を参照して、平面コイル３は、連続的に交互に接続された複数のコイル１とコイル２とからなる。
【００２３】
コイル１およびコイル２は、それぞれ、樹脂６内にらせん状の導体４を配置して構成される。そして、樹脂６および導体４は、可とう性を有しており、コイル１およびコイル２は、容易に折り曲げることができる。
【００２４】
そして、コイル１およびコイル２は、平面コイル３に対して垂直方向の同一磁界を受けて、互いに逆方向の起電力を生じるように、直列接続される。すなわち、平面コイル３に対して垂直方向の同一磁界が生じると、コイル１およびコイル２が発生する電流は、互いに打消し合う向きに流れる。
【００２５】
なお、平面コイル３は、プリンタの可動ヘッドや携帯電話のカール部（折り曲げ部）などに用いられるフラットケーブルと同様に製作することもできる。すなわち、リソグラフィ技術により、フィルム上に銅などの導体からなる配線パターンを作成することで、平面コイル３を実現できる。
【００２６】
図２は、この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイル１０の外観図である。
図２を参照して、空芯トロイダルコイル１０は、平面コイル３がコイル１とコイル２との略境界線において順次折り曲げられ、蛇腹状に形成されたものである。そして、平面コイル３の両端に接続されるコイル１またはコイル２において、他のコイルと接続されていない側の端は、それぞれ端子７および端子８として外部と接続される。
【００２７】
そして、蛇腹状に形成されたコイル１およびコイル２を貫通する方向（紙面横方向）に磁界が生じると、コイル１およびコイル２と鎖交する磁界の方向は、互いに逆方向となるので、コイル１およびコイル２は、同方向の起電力を生じる。すなわち、コイル１およびコイル２を貫通する磁界が生じると、コイル１およびコイル２が発生する電流は、互いに強め合う向きに流れる。
【００２８】
コイル１およびコイル２が発生する起電力は、それぞれのコイルと鎖交する磁束の時間微分に比例する。また、空芯トロイダルコイル１０が出力する起電力は、コイル１およびコイル２が発生する起電力の総和である。
【００２９】
よって、空芯トロイダルコイル１０のインダクタンスは、平面コイル３を構成するコイル１およびコイル２の数、磁束が通過するコイル１およびコイル２の面積、および、コイル１およびコイル２のターン数に比例する。
【００３０】
図３は、この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイル１０をロゴウスキーコイルとして用いる場合の外観図である。
【００３１】
図３を参照して、空芯トロイダルコイル１０を曲げて環状に形成することで、ロゴウスキーコイルを構成する。そして、形成された環状の空芯トロイダルコイル１０の中心軸に対して周方向に発生する磁界は、コイル１およびコイル２を貫通する。そのため、端子７および端子８間には、コイル１およびコイル２を貫通する磁界の時間微分に比例した起電力が生じる。
【００３２】
図４は、空芯トロイダルコイル１０から構成される電流計測装置２０の概略構成図である。
【００３３】
図４を参照して、電流計測装置２０は、空芯トロイダルコイル１０と、積分回路１８と、電圧計１２とからなる。
【００３４】
空芯トロイダルコイル１０は、ケーブル１４の外周を覆うように環状に形成される。そして、空芯トロイダルコイル１０の端子７と端子８との間には、積分回路１８および電圧計１２が介挿される。
【００３５】
ケーブル１４は、電流が流れる導体１６を含む。そして、導体１６を流れる電流は、「右ネジの法則」に従い、その流れる方向に対して、時計回りの向きに磁界を生じる。また、生じる磁界の強度は、その電流値に比例する。
【００３６】
積分回路１８は、空芯トロイダルコイル１０が発生する電圧を積分する。
電圧計１２は、積分回路１８により積分された電圧値を表示する。よって、電圧計１２は、磁界の時間微分に比例して生じる起電力をさらに積分した電圧値、すなわち磁界の強度に比例した電圧値を示す。したがって、電圧計１２が示す電圧値から導体１６を流れる電流値を算出できる。
【００３７】
なお、電流計測装置２０における空芯トロイダルコイル１０は、真円である必要はなく、計測対象のケーブル１４の外周を覆うように配置されればよい。
【００３８】
図５は、この発明の実施の形態に従う平面コイル３の構造図である。
図５（ａ）は、平面図である。
【００３９】
図５（ｂ）は、Ｖｂ−Ｖｂ線断面図である。
図５（ａ）を参照して、コイル１は、面内方向においてらせん状に配置された導線で構成される。そして、コイル２は、コイル１の巻き方向と逆の巻き方向となるようならせん状に配置された導線で構成される。
【００４０】
図５（ｂ）を参照して、コイル１は、外周方向から内周方向へらせん状に配置された導線で構成され、内周方向へ配置された導線は、異なる層で立体的に交差し、隣接するコイル２と接続される。
【００４１】
なお、コイル１およびコイル２において、配線間の短絡が生じないように、絶縁性のあるエナメル配線の使用や所定の配線間隔を有するような配線パターンを形成することが望ましい。
【００４２】
次に、平面コイル３を蛇腹状に維持するための方法について説明する。
図６は、空芯トロイダルコイルの組立図である。
【００４３】
図６を参照して、平面コイル３は、その両側が２つの支持枠２２で挟み込まれ、蛇腹状に形成される。支持枠２２は、ドーナツ形状を有しており、その外径は、蛇腹状に形成された平面コイル３の外径より大きく、かつ、その内径は、蛇腹状に形成された平面コイル３の内径より小さい。さらに、支持枠２２は、その一面において、平面コイル３が嵌入できるように、折り曲げ形状（蛇腹形状）に沿った溝２４が形成される。
【００４４】
このように、支持枠２２を用いて平面コイル３を蛇腹状に維持することで、正確な空芯トロイダルコイルを実現でき、計測誤差の発生を抑制できる。
【００４５】
さらに、敷設済のケーブルなどを計測する場合には、分割型の支持枠を用いることが有効である。
【００４６】
図７は、分割型の支持枠を用いた場合の空芯トロイダルコイルの組立図である。
図７を参照して、図６に示す支持枠２２をそれぞれ２つの支持枠片２６に分割して構成することもできる。すなわち、２つの支持枠片２６をその接合部３０でそれぞれ接合し、１つの支持枠を構成する。なお、支持枠片２６は、上述の支持枠２２と同様に、その一面において溝２８が形成される。
【００４７】
分割型の支持枠を用いることで、計測対象のケーブルの外周に支持枠を配置することが容易となるため、計測対象のケーブルの敷設状態に関わらず、計測を行なうことができる。
【００４８】
また、熱硬化樹脂またはＵＶ硬化樹脂などからなる平面コイルを用いて、蛇腹状に形成した後、熱またはＵＶ光を与えて硬化させてもよい。
【００４９】
図８は、この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイル１０の製造工程を示すフローチャートである。
【００５０】
図８を参照して、製造者は、空芯トロイダルコイルの用途に応じて、平面コイル３を構成するコイルの数、およびそれぞれのコイルの大きさを決定する（ステップＳ２）。さらに、製造者は、所望するインダクタンスに応じて、らせん状の配線パターンを決定する（ステップＳ４）。すなわち、製造者は、らせんの巻数およびその幅などを決定する。そして、製造者は、決定した配線パターンに基づいて、平面コイル３を製造する（ステップＳ６）。さらに、製造者は、製造した平面コイル３の両端から端子７および端子８を取出す（ステップＳ８）。
【００５１】
その後、製造者は、製造された平面コイル３を、それぞれのコイルの略境界線において折り曲げ、蛇腹状に形成する（ステップＳ１０）。さらに、製造者は、蛇腹状に形成した平面コイル３を曲げ、計測対象などに応じた径をもつような環状に形成する（ステップＳ１２）。
【００５２】
以上のような工程で、製造者は、空芯トロイダルコイル１０を製造する。
［変形例］
上述したこの発明の実施の形態においては、１つの層にコイルが形成された平面コイルについて説明したが、複数の層にコイルを形成してもよい。すなわち、空芯ソレノイドコイルのインダクタンスを大きくするためには、複数の層にコイルを形成し、磁束と鎖交するターン数を増加させてもよい。
【００５３】
図９は、この発明の実施の形態の変形例に従う平面コイル５の構造図である。
図９（ａ）は、上側層における平面図である。
【００５４】
図９（ｂ）は、下側層における平面図である。
図９（ｃ）は、ＶＩＩｃ−ＶＩＩｃ線断面図である。
【００５５】
図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して、この発明の実施の形態の変形例に従う平面コイル５は、上側層および下側層の２層にコイルが形成される。そして、上側層に形成されるコイルと下側層に形成されるコイル同士は、平面コイル５に対して垂直方向の同一磁界に対して、同方向の起電力を生じるように、直列接続される。さらに、隣接するコイルとの間では、平面コイル５に対して垂直方向の同一磁界に対して、互いに逆方向の起電力を生じるように、直列接続される。なお、上側層のコイルと下側層のコイルとは、スルーホールを介して接続される。
【００５６】
図９（ｃ）を参照して、この発明の実施の形態の変形例に従う平面コイル５は、上側層および下側層に配線を配置し、それぞれコイルが形成される。
【００５７】
このように、複数の層にコイルを形成することで、同一の面積をもつ平面コイルであっても、大幅にインダクタンスを増加させることができる。よって、たとえば、計測感度の高い電流計測装置を実現できる。
【００５８】
なお、コイルを形成するのは２層に限られず、平面コイルの厚さなどに応じて、複数の層にコイルを形成することができる。
【００５９】
この発明の実施の形態によれば、垂直方向の磁界に対して、互いに逆方向の起電力を生じるように２種類のコイルを交互に接続した平面コイルを作成し、さらに、その平面コイルを折り曲げ、蛇腹状に形成することで空芯トロイダルコイルを構成する。よって、コイルを形成するためのコイル巻付け作業が不要となるため、製造工程が簡素化され、コストを抑制した空芯トロイダルコイルを実現できる。
【００６０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイルを構成する平面コイルの構造図である。
【図２】この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイルの外観図である。
【図３】この発明の実施の形態に従う空芯トロイダルコイルをロゴウスキーコイルとして用いる場合の外観図である。
【図４】空芯トロイダルコイルから構成される電流計測装置の概略構成図である。
【図５】この発明の実施の形態に従う平面コイルの構造図である。
【図６】空芯トロイダルコイルの組立図である。
【図７】分割型の支持枠を用いた場合の空芯トロイダルコイルの組立図である。
【図８】この発明の実施の形態に従う平面コイルの製造工程を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態の変形例に従う平面コイルの構造図である。
【符号の説明】
【００６２】
１，２  コイル、３，５  平面コイル、４  導体、６  樹脂、７，８  端子、１０  空芯トロイダルコイル、１２  電圧計、１４  ケーブル、１６  導体、１８  積分回路、２０  電流計測装置  ２２  支持枠、２４，２８  溝、２６  支持枠片、３０  接合部。
【図１】
2006319049.tif 000003
【図２】
2006319049.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006319049.tif 000006
【図５】
2006319049.tif 000007
【図６】
2006319049.tif 000008
【図７】
2006319049.tif 000009
【図８】
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【図９】
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