(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の多重巻き螺旋状導体区間の組み(1,2,3,…)を持ち、連続する複数の層からなる円筒形状コイルを形成するように、１つの中心軸の回りに螺旋状に巻かれた１枚の可撓性の基板(200)から形成され、
前記複数の多重巻き螺旋状導体区間の組みは、２つの対向するコイルの組を形成するように前記基板の外側の円周長さの４分の１に等しい距離だけ離して配置され、
これによって、前記複数の層の各々は、４つの前記多重巻き螺旋状導体区間の組からなり、
前記多重巻き螺旋状導体区間の各組みは、前記基板の１つの面(A)上に形成された第１の(1A,2A,3A,…)多重巻き螺旋状導体区間(230)と、該第１の多重巻き螺旋状導体区間に一致した前記基板の反対側の面(B)上に形成された第２の(1B,2B,3B,…)多重巻き螺旋状導体区間(235)とからなり、
前記多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う複数の巻きは、離して配置され、
前記多重巻き螺旋状導体区間の各々は、中心と該中心に隣接する中心電気接続端子(232,237)を持ち、
１つの組みとなる前記中心電気接続端子は、相互に接続され、
前記基板の連続する前記複数の層の各々は、１つの層上の４つの組の前記第１及び第２の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの方向が全て同一とされると共に、前記複数の層の第n(n:１以上の整数)番目の層上の４つの組みの前記第１及び第２の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの方向が前記第n番目の層に隣接して配置される第n＋１番目の層上の４つの組みの前記第１及び第２の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの方向と逆にされ、
これによって、前記第n番目の層上の４つの前記第１の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの各々は、前記第n＋１番目の層上の４つの前記第２の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの対応する巻きの間に入り込み、前記第n番目の層上の４つの前記第１の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの各々は、組み合わされる４つの前記第２の多重巻き螺旋状導体区間の隣り合う前記複数の巻きの対応する巻きと位置合わせた状態で配置されることを特徴とする多層円筒形状電磁コイル組立体。
【請求項２】
当該多層円筒形状電磁コイル組立体の連続する前記複数の層上の前記多重巻き螺旋状導体区間は、当該多層円筒形状電磁コイル組立体の前記中心から周方向に延びる直線に沿って積み重ねられることを特徴とする請求の範囲１に記載の多層円筒形状電磁コイル組立体。
【請求項３】
同一の組の前記第１及び第２の多重巻き螺旋状導体区間(230,235,260,270)は、前記基板(200)を通して電気的に相互接続されることを特徴とする請求の範囲１に記載の多層円筒形状電磁コイル組立体。
【請求項４】
前記多重巻き螺旋状導体区間の各巻きは、前記基板の長さ方向に延びる長方形状をなしていることを特徴とする請求の範囲１に記載の多層円筒形状電磁コイル組立体。
【請求項５】
半径方向に厚みの増加する１つの壁(282)が１つのコア(280)の外周面に配置され、前記基板の連続する前記複数の層の第１の層は、不連続性による歪みのない磁路を形成するべく螺旋状に巻かれた１つの基板を提供するように、前記壁(282)の大きい終点に隣接する点を始点として前記壁(282)に重ねられる形で前記コア(280)に巻かれることを特徴とする請求の範囲１に記載の多層円筒形状電磁コイル組立体。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は電界を発生させる装置に関するもので、特に物理的寸法が小さく比較的高い強さの電界を生じる上記のような装置に関するものである。
従来技術
或る用途においては、比較的強い電界を生じるのに物理的に小さい電気装置が必要とされる。このような用途の１つは、ナビゲーション・ジャイロスコープ、特にドライ・チューンド・ロータ・ジャイロスコープ（ＤＴＧ）と呼ばれている小型ナビゲーション・ジャイロスコープにある。特定タイプのＤＴＧについて“ツーアクシス・ドライ・チューンド＝ロータ・ジャイロスコープス：デザイン・アンド・テクノロジー”（ウィリアム・エム・マンサワー及びコラード・ラッチニ著、ジ・アメリカン・インスチチュート・オブ・エアロノーティックス・アンド・アストロノーティックス・インコーポレイテッド刊、第１６巻第３号、1993年5-6月）という書類に記載されている。ＤＴＧは、互いに直交する軸の周りの角速度の２自由度をもつセンサである。このクラスの機器は多くの制御分野、最も著しいのは船舶、航空機及びその他の車両の航行における制御に採用されている。従来技術のＤＴＧの基本構造を第１図に示してある。第１図に示すユニット１００は基部１０１とカバー１０２をもつハウジング組立体から成る。基部１０１は一対のボールベアリング１０６上に回転軸１０４を支持する。基部１０１上に取り付けられたステータ１０７はヒステリシスモータを形成する。ヒステリシスリング１０８が回転軸１０４上に支持される。回転軸１０４上に可撓式に支持されているのはロータ１１０である。一対の永久磁石１１２，１１４がスペーサ１１５で垂直方向に隔てられてロータ１１０に取り付けられる。ロータ１１０は回転軸１０４上に可撓式に取り付けられ、回転軸１０４に対し第１図の断面の平面に垂直に延びる水平面内にある軸線周囲に可動である。基部１０１上に支持されるベリリウムリング１２２上にトルカー(torquer)コイル１２０，１２１が取り付けられ、永久磁石１１２，１１４を取り囲む。一対のピックオフ１２６が基部１０１上に設けられる。
このピックオフは周知のセンサコイルで、ピックオフとロータ１１０の間の間隔の変動と共に変化する電気出力信号を生じる。第１図から、切断面に垂直な軸線周囲におけるロータ１１０の角度変位が２個のピックオフ１２６の１個とロータ１１０の間隔を増加し、他方のピックオフ１２６とロータ１１０間の距離を減少させることが明らかであろう。
ピックオフにより発生される電気信号は角度変位の大きさを表示し、トルカーコイル１２０，１２１に電流を発生させるのに使用される。トルカーコイルはロータ１１０に磁界を生成し、２個のピックオフ１２６とロータ１１０との間隔が再び等しくなるような位置へロータ１１０を戻そうとするトルクをロータ１１０に与える。
永久磁石１１２，１１４はロータ１１０内を円形に取り巻く環状磁石である。ユニット１００は４つの別々のピックオフと４つの別々のトルカーコイルとから成る。１組のピックオフと１組のトルカーコイルが水平に延びるｘ軸に沿って垂直軸線から等距離に配置され、それぞれｘピックオフ及びｘトルカーコイルと呼ばれる。同様に、ｙピックオフと称される１組のピックオフとｙトルカーコイルといわれる１組のトルカーコイルがｘ軸に垂直に水平に延びるｙ軸に沿って垂直軸から等距離に配置される。第１図には、１組のピックオフと、１組のトルカーコイルだけが示されていることは理解されよう。他のピックオフとトルカーコイルは図示のものから９０°の所にある。作用において、ｘ及びｙピックオフからの信号は回転軸１０４に対するロータ１１０の角度変位がない時は０（ゼロ）である。このような変位がｙ軸の周りに生じた時は１組のｘピックオフとロータ間のギャップが増加し、他方のｘピックオフとロータ間のギャップが減少することになる。
ギャップ間の差異を消去するためトルクがｘ軸の周りに加えられてロータをｙ軸周囲に才差運動させるよう加圧する。従ってｘピックオフから導かれる信号は、ロータと２個のｘピックオフ間の距離が再び等しくなるまでｙトルカーコイルに電流を印加するのに使用される。
従来技術のトルカーコイルは、絶縁コーティングで被覆された細いワイヤの数巻きから成る。ワイヤのコイルは特殊な形に整形又は“ブロック化”され、その形を維持するようにボンドで固められる。２本のリードワイヤを各コイルに取り付けなければならない。
ついで４つのコイルの各々は、ブロック化作業につきものの精度のなさによりユニットごとに変わる或る精密な位置でベリリウムリングに接着剤で接着しなければならない。ついで８本のリードワイヤを回路板にハンダづけする。ロータが角度変位を経験してからレベル位置に戻る速さはトルカーコイルにより生じる磁力に直接比例することは理解されるであろう。
トルカーコイルにより加えられる力又はモーメントは、トルカーコイルの巻数、コイルの円弧長さ（すなわちベリリウムリングの円周に沿うコイルの長さ）、並びにコイル内の電流の関数である。従来の構成の不具合は、コイルの円弧長さがベリリウムリングの円周により制限されるということ、その円周はリングの径が装置の全体寸法に影響するのでなるべく小さく保つのが好ましいということである。さらに、巻いたコイルの直線部分は、コイルの全体寸法の相当部分が円弧部分にくわれるから必然的に比較的短くなる。その上、隣接するコイル間に電気的接続のために間隔が必要である。こうして、各コイルが理論上リングの円周の９０°を占めたとしても、コイルの直線部分（これが円弧長さを決定する）はわずか約６０°を占めるだけである。高速ミサイルなどに使用できるためには、ジャイロは小型でなければならず、また航行体の姿勢の変化を十分早い速さで検出可能とするためには非常な高速において正確でなければならない。高速の修正を得るためには、急速に変化する高強度の磁界が要求される。しかし、小サイズのコイルに加えることができる電流の量は、ワイヤに発生する過度の熱のために制限される。
発明の概要
従来技術のこれら及びその他の問題は本発明により可撓性リード回路材料により構成されるトルカーコイルにより解決される。すなわち、電界発生コイルを形成する導体が光化学的方法でエポキシ樹脂基板上にエッチングされ、蒸着絶縁体により被覆される。本発明の一態様によれば、多数の螺旋コイル入れ込み式(nested)導体回路区間が細長い可撓性材料の条片上に形成され、可撓性材料は巻かれて円筒を形成し、そこでは入れ込み式導体の組の中心が１つおきごとに１８０°隔てられている。こうして、このような４個の入れ込み式導体の連続が、適切に位置付けられた時、２組の対向するコイルの組を形成する。本発明の一態様によれば、可撓性材料上に配置される入れ込み式導体の数は４の倍数である整数であって、可撓性導体は他の３個の入れ込み式導体により隔てられた入れ込み式導体がコイルの隣接する層の１組を形成するように巻かれる。隣接する層の各組は円周上の隣接する層の組から９０°隔てられる。各組の隣接する層は電気的に互いに接続されて多数のコイルを垂直に延びる軸に沿って形成する。このようにして、細長い基板上にエッチングされた入れ込み式導体の多数組が配列されて、装置の円周を取り巻く４つの区間の各々に単体の多数層コイルを形成する。
１つの好適な態様において、コイルの多数層を形成する入れ込み式ワイヤ回路は単一の可撓性材料片の両側に設けられ、材料を通じて互いに接続されてコイルの隣接複数層を形成する。
本発明の一態様によれば、可撓性材料は熱伝導性金属、例えば銅など、の薄層から成り、これが導体から熱を捨てるヒート・シンクとして働くから、回路にはより大きな電流をかけることを可能にし、増加したトルクをもたらす。
本発明の他の態様によれば、入れ込み式回路には各々直角コーナーが形成され、コイルの増加した円周長さを得るようにする。有利なことに、直角コーナーは伝統的な巻き方をしたワイヤのコイルで曲率のために失われるコイル円弧長さの損失を避けることができる。本発明の構成のさらに利点は、コイル間に接続のための追加スペースが必要でないから、円周の周りに実質的に直近してコイルを位置付けられることである。有利なのは、本発明によるコイル構成が少ないスペースを使用することと、ワイヤ導体を用いる巻きコイルより著しくコスト効率が良いことである。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例は以下の図面を参照して説明される。
第１図は従来技術のジャイロスコープ装置の断面図である。
第２図はコイルの単一の層を形成する入れ込み式(nested)導体の略示平面図である。
第３図は可撓性基板の両面に２つのコイル層を形成する２つの入れ込み式導体の構成図である。
第４図から第７図は、互いに接続されて円筒形状に形成され、４個の隔てられた複層コイルを形成する、単一可撓性材料の両面の複数入れ込み式回路の構成図である。
第８図は円筒形の周りに多数回巻かれた基板上の複数層の部分を示す拡大断面図である。
第９図は円筒形に巻かれる基板の一層の上に配置される１つの入れ込み式回路と基板の次の層に配置される別の入れ込み式回路との入れ込み式構成を示す略示である。
第１０図は円筒形に巻かれ絶縁層で被覆された金属製基板とその両側に付された導体を略示する一部断面図である。
詳細な説明
第２図は単一の入れ込み式(nested)回路素子２００の平面図であって、この素子はエッチングにより形成された銅導体などをもつ可撓性リード回路材料であり得る基板２０３上に螺旋コイル状導体回路区間２６０を付着させた形の導電性材料細条２０１から成る。導体の一端２０５は“バイア”（via）として知られる基板中の開口によって隣接する入れ込み式回路に接続され得る。隣接回路は基板の反対側に付着されるものか、又は基板の他の部分上に付着されるものでよく、基板が円筒形状に形成された時この基板は区間２６０と一致して次の層を形成する。
本発明の好適実施例において入れ込み式回路は可撓性基板の両側に付着される。
第３図は基板の一側（ここでは上側という）上の入れ込み式回路形状２３０の平面図である。第２の入れ込み式回路形状２３５が基板の反対側に付着される。回路２３０のバイア２３１と回路２３５のバイア２３６はそれぞれ電流源と電流シンクに接続される。バイア２３２と２３７は基板を通じて互いに接続され、連続回路を形成する。導体は好適に、基板両側の導体部分が互いに一致するような方法で基板の両側に配置される。これは以下に説明する第４図にさらに詳しく示されている。互いに嵌まり合う入れ込み式導体、すなわち基板の両面に一致して配置された導体は必ずしも同じ電気的長さをつものではないが、全体的電気長さは互いに嵌まり合う組につい同じである。
第４図から第７図は入れ込み式導体の互いに嵌まり合う１６組の配置を略示的に示している。各々の場合において、図面は基板の一側上の入れ込み式導体の平面図と、基板の反対側の入れ込み式導体の平面図（基板の一側から見たものとして）を示している。入れ込み式導体の組は１Ａ，１Ｂから１６Ａ，１６Ｂまでの番号をつけてある。１Ａ，１Ｂの組から８Ａ，８Ｂまでの入れ込み式導体の各々について特定のパターンが図示されている。入れ込み式導体の各対はコイルの２層を形成し、そして第１図のジャイロスコープに４つのトルカーコイルがあるから、８つの嵌まり合う入れ込み式導体の組の各々は４つのコイルの各々について４つの層を表わす。第３図について述べたように、各対の嵌まり合う入れ込み式回路Ａ及びＢは基板の両側に互いに一致して配置されている。入れ込み式導体の組を備えた基板は、基板の完全な各ひと巻きごと嵌まり合う入れ込み式回路の一対が１個のトルカーコイルの位置と揃うように多層円筒形ユニットに形成される。こうして基板の完全なひと巻きに２個の層が４つのコイルの各々に加えられる。ここでの記述の目的のため、ジャイロスコープ構成の中心から外方へ面している基板の側を上側と称し、内方に面している側を底側と称する。この約束のもとに、入れ込み式回路１Ａ，２Ａ等々は基板の上側に形成される。このような形状において、入れ込み式回路５Ｂは入れ込み式回路１Ａと一致して配置される。入れ込み式回路５Ｂは好適に、入れ込み式回路１Ａに近接して配置された時、入れ込み式回路５Ｂの導体部分が入れ込み式回路１Ａの導体部分間に落ちこむ。有利なことに、このような入れ込み式構成は、多層円筒形ユニットを形成する際に基板の多数の巻きの全体的厚みを減少することによって体積効率をよくする。同様に、入れ込み式回路６Ｂは回路２Ａの中に入れ込みされ、回路７Ｂは回路３Ａに入れ込みされ、そして回路８Ｂは回路４Ａに入れ込みされる。同じく、続く基板の完全なひと巻きの後、回路９Ｂから回路１２Ｂは回路５Ａから８Ａにそれぞれ入れ込みされる。入れ込み式回路１Ａから８Ａの特定パターンは入れ込み式回路９Ａから１６Ａで繰り返される。同様に、入れ込み式回路１Ｂから８Ｂのパターンは９Ｂから１６Ｂで繰り返される。前述のように入れ込み式回路パターン１Ａ，１Ｂから８Ａ，８Ｂは４つの別個のコイルの各々の４つの層を表わす。同様に、入れ込み式回路９Ａ，９Ｂから１６Ａ，１６Ｂは各コイルの４つの追加層を表わす。回路１Ａ，１Ｂから８Ａ，８Ｂのパターンは各コイルに所望数の層を得るために必要なだけ多数回繰り返すことができる。
第８図は円筒形の周りに多数回巻かれた基板２００の複数層の部分を示す断面図である。第８図は、基板２００の両側に互いに一致して付着させた導体、例えば導体２４０，２４１を示している。第８図はさら、入れ込み式構成を示しており、すなわち１つの基板上の導体、例えば導体２４１が隣接する導体、例えば２４３，２４４間の間隔に配置されている構成を示し、これにより１つの入れ込み式回路の導体を基板の近接部分上の入れ込み式回路の導体間のすき間に入れ込みすることが可能になる。第８図はさら基板の各部の各側上の絶縁層２５０を示しており、これは導体部分例えば２４１，２４３，２４４を被覆して近接導体間に適切な絶縁を保証する。導体により占められていない基板の近接層間のスペース、例えば２５１で示すスペースは、樹脂で満たされる。
第９図は、円筒形に巻かれた基板の一層の外表面上に配置された入れ込み式回路２６０と、基板の次の層の内表面上に配置された別個の回路２７０との入れ込み式構成を略示するものである。入れ込み式回路２６０は、入れ込み式回路のパターンの１つ、例えば第４〜７図に示した回路の１Ａを表わし、導体２７０は第４〜７図の構成の回路の１つの特定パターンの別の回路、例えば入れ込み式回路５Ｂのパターンを表わしている。
第１０図は、ジャイロスコープ等に使用するための多層マルチコイル形状の製作に使用される円筒形２８０の周りに基板２００を巻くことにより形成された円筒の平面図である。第１０図には３巻きだけの基板が示されている。しかし本発明によれば、このような巻きを１５か又は２０以上行なってマルチコイル形状を作ることができる。径方向に厚みの増加する壁２８２がコアの外側に配置されている。この壁の厚みは、基板とその両側に配置される導体の厚みに少なくとも等しい。これにより基板をコアの周りに本質的に螺旋状に巻くための始点が用意される。基板の最初の９０°区間２８４は２つの入れ込み式回路、すなわち第４図に示した回路１Ａ，１Ｂを含んでいる。基板２００の第２の９０°区間２８５は入れ込み式回路の別の対、すなわち第４図の回路２Ａ，２Ｂを含んでいる。同様に、第３及び第４の区間２８６，２８７は、第４図のそれぞれ入れ込み式回路３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂの部分に相当し得る。簡単のため、第１０図の図面は近接層の回路間の入れ込みを示していないが、円筒の形成を例示するものである。第１０図の形状において、対向区間２８４と２８６は第１図の形状におけるｘ軸に沿う対向トルカーコイルに相当するものと見ることができる。同様に、第１０図の区間２８５，２８７は、ｘ軸に垂直に延びるｙ軸に沿う対向トルカーコイルに相当するものとみることができる。第８図及び第１０図に関する説明から、その両側に入れ込み式回路を設けた基板２００の追加的な巻きの各々がｘ及びｙトルカーコイルの各々に回路層を追加するものであることが明らかであろう。基板をコア２８０の周りに巻くことによりコイルが完全に形成された後、全体ユニットは樹脂で包まれて基板は所望の形と位置に維持される。このユニットはついでコア２８０から取り外されて、第１図に示したトルカーコイル１２０，１２１と同様な形状でジャイロスコープ内に設置される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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