JP5017627B2 - 円筒状コイル及びそれを用いた円筒型マイクロモータ - Google Patents

Description

本発明は、極小径かつ、微細なコイルパターンを有する円筒状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２１とその中心を貫通するシャフト２２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２３の両端開口部に位置するフランジ２４の軸中心位置で軸受２５により回転自在に軸支し、これをハウジングケース２３内周面に固定配置した界磁コイル２６に転流通電することにより発生する回転磁界によりインナーロータ部を回転駆動させるＤＣブラシレスモータ２７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２１と界磁コイル２６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２３内径から、マグネット２１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。

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、円筒状基材の外周表面に、パターン幅が２０μｍ以下である渦状のコイルパターン溝を作製し、その溝に導電体を充填することにより、コイルパターンを直接形成することによって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、円筒状基材に、ナノインプリント法を用いて、コイルパターン溝を作製し、その溝に導電体を充填することにより、コイルパターンを直接形成することによって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、前記円筒状基材に作製されるコイルパターン溝に充填される導電体で形成されるコイルパターンと、前記円筒状基材を被覆する絶縁体が、複数層形成され、積層された前記コイルパターンは、穴加工によって得られるスルーホールに導電体を充填することによって、電気的に層間接続され、最表層は絶縁体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。

このとき、ナノインプリント法とは、微細な凹凸を有するモールド（型）を樹脂などの被加工材料に押し付けてその凹凸形状を転写する微細成形加工技術である。熱式と光硬化式とに分類される。熱式は、モールドをセットし、そのモールドと熱可塑性樹脂からなる被加工材料を、被加工材料のガラス転移温度以上に加熱し、モールドを被加工材料に押し付け、一定時間保持し、モールドと被加工材料を同ガラス転移温度未満に冷却し、モールドを被加工材料から剥離させ、モールドの微細な凹凸が転写された被加工材料を形成する方式である。また，光硬化式は、モールドに光硬化性樹脂からなる被加工材料を充填し、例えば、モールドを介して被加工材料に紫外線を照射し、光硬化性樹脂を硬化させ、モールドから剥離させることで、モールドの微細な凹凸が転写された被加工材料を形成する方式である。

熱式では、ガラス転移温度を有する被加工材料における材料自由度が高く、モールド形状の自由度が高く、高アスペクト比をもつ形状を形成することが可能となる。しかしながら、加熱冷却工程にかかる時間によるスループットの低下、温度差による寸法変化、転写パターン精度の低下、熱膨張によるアライメント精度の低下等の問題点も有する。

これに対し、光硬化式では、熱式とくらべ、スループットが高く、温度による寸法変化等を防ぐことができる。また、紫外線を透過するモールドを用いるため、モールドを透過しての位置合わせが行える。しかしながら、紫外線を透過しなければならないため、モールドの材質に制限がある。

よって、ナノインプリント法を用いる場合、熱式・光硬化式の長所・短所をよく考慮し、方式を選択する必要がある。

本発明の円筒状コイルは、円筒状基材表面に直接コイルパターンを形成することにより、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、円筒状コイルの真円度、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、その円筒状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増加し、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、ナノインプリント法を用いることにより、微細なコイルパターン溝を作製できるため、その溝に導電体を直接充填することによってコイルパターンを形成し、微細なコイルパターンを形成することが可能となる。

また、コイルパターンと絶縁体が複数層形成され、積層された前記コイルパターンは、レーザー等を用いた穴加工によって得られるスルーホールに導電体を充填することによって、電気的に層間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。

本発明における最良の形態として、ナノインプリント法によるコイルパターン溝作製の概略図を図１に示す。また、ここに示す本発明の実施の形態は上述したナノインプリント法の中でも、熱式と呼ばれる方式である。

これは、内周にコイルパターン状の凸部３が微細加工された断面円弧型のモールド２をセットし、絶縁体の熱可塑性樹脂からなる円筒状基材１とともに、円筒状基材１のガラス転移温度以上まで加熱し、モールド２を前記円筒状基材１に押し付け、一定時間保持し、前記円筒状基材１と前記モールド２を同ガラス転移温度以下に冷却し、前記モールド２を前記円筒状基材１から剥離させる方式である。

次に、図２に本発明における円筒状コイルを作製する工程を、図２（ａ）〜（ｌ）に模式的に示す。

まず、図示しない心棒を挿入した、絶縁体の熱可塑性樹脂からなる円筒状基材１をセットし（図２（ａ））、上記の方法で、外周面にコイルパターン溝５が作製された円筒状基材４を作製する（図２（ｂ））。

次に、前記円筒状基材４外周表面に銅等の無電解めっき６を施す（図２（ｃ））。さらにその表面を前記円筒状基材４表層部まで研磨することにより、ナノインプリント法で形成された前記コイルパターン溝５に、無電解めっき、すなわち導電体を充填し、コイルパターン７の形成された円筒状基材８を作製する（図２（ｄ））。

さらに、前記円筒状基材８外周表面を絶縁体の熱可塑性樹脂にてコーティングを行い、円筒状基材９を作製する（図２（ｅ））。次に、ナノインプリント法を用いて、前記円筒状基材９表面に、コイルパターン溝１０が作製された円筒状基材１１を作製する（図２（ｆ））。同様に無電解めっき１２を前記円筒状基材１１外周表面に施し（図２（ｇ））、さらにその表面を前記円筒状基材１１表層部まで研磨することにより、導電体からなるコイルパターン１３の形成された円筒状基材１４を作製する（図２（ｈ））。

次に、レーザー等を用いた穴加工で、前記コイルパターン１３の一部に円筒状基材径方向に穴あけ加工を行い、スルーホール１５が作製された円筒状基材１６を作製する（図２（ｉ））。このとき、スルーホール１５は、前記コイルパターン７に到達するまで貫通させる。さらに同様に無電解めっき１７を前記円筒状基材１６外周表面に施す（図２（ｊ））。

前記円筒状基材１６表層部まで表面を研磨することにより、前記スルーホール１５に導電体が充填され、縦配線１８が形成される円筒状基材１９を作製する（図２（ｋ））。さらに絶縁体の熱可塑性樹脂で前記円筒状基材１９外周表面にコーティングを行い、円筒状基材２０を作製する（図２（ｌ））。以上の工程を繰り返し行う。

このとき、コイルパターン７、１３は、図示されない電力供給配線等により、用途に合わせ、適宜結線され、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体の熱可塑性樹脂を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、スルーホールに充填される導電体により、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。

本実施例において、ナノインプリントで形成したコイルパターン溝に導電体を充填する方法として、無電解めっきを適用した方法を示したが、その方法はその限りでない。

また、本実施例において、コイルパターン溝を作製する手法として、ナノインプリント法を適用した例を示したが、その方法はその限りでなく、切削加工等も可能である。しかしながら、ナノインプリント法によるコイルパターン溝作製がより好ましいと考えられる。

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。

本発明におけるナノインプリント法によるコイルパターン溝作製手法の説明図 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

１，４，８，９，１１，１４，１６，１９，２０ 円筒状基材
２ モールド
３ 凸部
５，１０ コイルパターン溝
６，１２，１７ 無電解めっき
７，１３ コイルパターン
１５ スルーホール
１８ 縦配線
２１ マグネット
２２ シャフト
２３ ハウジングケース
２４ フランジ
２５ 軸受
２６ 界磁コイル
２７ ＤＣブラシレスモータ

Claims (4)

1. 円筒状コイルにおいて、
   円筒状基材の外周表面に、パターン幅が２０μｍ以下である渦状のコイルパターン溝を作製し、その溝に導電体を充填することにより、コイルパターンを直接形成することによって構成されることを特徴とする円筒状コイル。
2. 請求項１記載の円筒状コイルにおいて、
   円筒状基材に、ナノインプリント法を用いて、コイルパターン溝を作製し、その溝に導電体を充填することにより、コイルパターンを直接形成することによって構成されることを特徴とする円筒状コイル。
3. 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、
   前記円筒状基材に作製されるコイルパターン溝に充填される導電体で形成されるコイルパターンと、前記円筒状基材を被覆する絶縁体が、複数層形成され、積層された前記コイルパターンは、穴加工によって得られるスルーホールに導電体を充填することによって、電気的に層間接続され、最表層は絶縁体で構成されることを特徴とする円筒状コイル。
4. 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。

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