WO2019189500A1 - ３次元巻線コイル及び３次元巻線コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、製造時間が短縮された３次元巻線コイルを提供するものである。本発明に係る３次元巻線コイル（１００）は、第１の熱可塑性樹脂層（１１）と、前記第１の熱可塑性樹脂層（１１）より融点の低い第２の熱可塑性樹脂層（１２）と、繊維部材を含む繊維シート（１３）と、を有する積層シート（１０）と、２つの前記積層シート（１０）の表面と裏面とに挟まれる線材（２０）と、を少なくとも備え、前記積層シート（１０）は、前記第１の熱可塑性樹脂層（１１）が前記第２の熱可塑性樹脂層（１２）よりも上層に配置されるように形成されることを特徴とする。

Description

３次元巻線コイル及び３次元巻線コイルの製造方法

　本発明は、３次元巻線コイル及び３次元巻線コイルの製造方法に関する。

　素粒子実験装置、がん治療装置、などに利用される加速器には、荷電粒子ビームを制御するための電磁石（例えば、２極電磁石、４極電磁石）が搭載されている。近年では、加速器に３次元巻線コイルを採用し、荷電粒子ビームと電磁石とを接近させることによって、加速器の高性能化、小型軽量化が可能になっている。

　例えば、特許文献１には、積層層間シートの表面に形成される自己融着性樹脂からなる融着剤層と、超電導導体の表面に形成される自己融着性樹脂からなる融着剤層とを、融着させることで、短時間で十分な接着強さが得られる超電導マグネットが開示されている。

特開２００６－３１９１８９号公報

　しかしながら、３次元巻線コイルを積層する際、既に溶着された超電導線材が脱落しないようにするため、溶着に用いた自己融着樹脂より低い温度で硬化する接着剤（例えば、常温硬化樹脂）を用いて新たな積層シートを固定する必要がある。この接着剤の硬化には、半日から１日程度の時間を要するため、３次元巻線コイルの製造時間が長くなってしまうという問題があった。

　本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、製造時間が短縮された３次元巻線コイルを提供することを課題とする。

　前記課題を解決するために、本発明は、第１の熱可塑性樹脂層と、前記第１の熱可塑性樹脂層より融点の低い第２の熱可塑性樹脂層と、繊維部材を含む繊維シートと、を有する積層シートと、２つの前記積層シートの表面と裏面とに挟まれる線材と、を少なくとも備え、前記積層シートは、前記第１の熱可塑性樹脂層が前記第２の熱可塑性樹脂層よりも上層に配置されるように形成されることを特徴とする。

　本発明によれば、製造時間が短縮された３次元巻線コイルを提供することができる。

第１実施形態に係る３次元巻線コイルの断面図である。 第１実施形態に係る３次元巻線コイルの拡大図である。 第２実施形態に係る３次元巻線コイルの断面図である。 第２実施形態に係る３次元巻線コイルの外観図である。 第２実施形態に係る積層シートの展開図である。 第２実施形態に係る３次元巻線コイルの積層工程の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る３次元巻線コイルの断面図である。 第３実施形態に係る３次元巻線コイルの積層工程の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る３次元巻線コイルの断面図である。 第４実施形態に係る３次元巻線コイルの積層工程の手順を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る３次元巻線コイルの構成を示す断面図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。また、本明細書において、「上」、「下」などは構成要素間の相対的な位置を示すものであって、絶対的な位置を示すことを意図したものではない。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

≪第１実施形態≫
〔３次元巻線コイルの構成〕
　まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００の構成について説明する。図１Ａは、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００の構成を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａの一部領域における拡大図である。なお本説明中の「３次元巻線コイル」とは、コイル断面を取得した際に、おおむね一軸上に、すべてのコイル導体（線材）が配置されるものではなく、２次元的な分布を有するようにコイル導体が配置されているコイル、例えば一般的に多層コイルと呼ばれるものを指す。

　３次元巻線コイル１００は、積層シート１０（１０＿１、１０＿２・・・）と、線材２０と、を主に備える。なお、本実施形態においては、最下層の積層シート（積層シート１０＿１）はボビン３０と、常温硬化性樹脂（接着剤）４０によって接着されているが、ボビン３０は３次元巻線コイル１００の成型後に取り外されてもよい。

　積層シート１０は、繊維シート１３と、繊維シート１３の表面に形成される第１の熱可塑性樹脂層１１と、繊維シート１３の裏面に形成される第２の熱可塑性樹脂層１２と、を含む（図１Ｂ参照）。積層シート１０は、積層シート１０＿１、積層シート１０＿２・・・の順に、内側（ボビン３０に近い側）に第２の熱可塑性樹脂層１２が配置され、外側（ボビン３０から遠い側）に第１の熱可塑性樹脂層１１が配置されるように、ボビン３０の上に積層される。積層シート１０の層数は、例えば、３０層～６０層程度である。
　なお「積層」とは、上下方向に限らず、ある方向に層をなすように部材を重ねていくことを意味している。また、以降で「上層、下層」という表現を用いるが、これは、積層シート１０が積層される際に、積層シート１０が設置される被着面との位置関係に基づく表現であり、被着面側に設けられる層を下層、遠方に設けられる層を上層、上層と下層の間を中間層としている。

　第１の熱可塑性樹脂層１１は、繊維シート１３の表面に形成される樹脂の層であり、積層シート１０の上層を構成する。また第１の熱可塑性樹脂層１１を構成する主要樹脂は、その融点が第２の熱可塑性樹脂層１２の主要樹脂よりも高いものを採用する。従って、第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融する温度まで積層シート１０が加熱されても、第１の熱可塑性樹脂層１１は溶融しない。この特性を活かすと、積層シート１０は上層側から加熱したとしても、上層の第１の熱可塑性樹脂層１１は形状を維持したまま、下層の第２の熱可塑性樹脂層１２を溶融させることが可能となる。
　本実施形態では積層シート１０を積層する際に、第１の熱可塑性樹脂層１１を介して第２の熱可塑性樹脂層１２を加熱し、下層側を溶融させる。積層シート１０が積層される他方の積層シート（例えば図１Ｂの積層シート１０＿１）は上層が第１の熱可塑性樹脂層１１によって構成されているため、この加熱によっては溶融しない。したがって積層シート１０に対する入熱量を、第１の熱可塑性樹脂層１１の主要樹脂の融点未満かつ第２の熱可塑性樹脂層１２の融点以上に制御することで、第２の熱可塑性樹脂層１２に積層シート同士を接着する接着剤として機能を持たせ、２つの積層シートを接着することが可能になる。なお「融点」については、樹脂が溶融し、当該樹脂と接する部材に対して溶着可能な性質を示す温度条件を意味する文言として使用し、いわゆる樹脂の軟化点以上の温度と理解されたい。また以降では、第１の熱可塑性樹脂層１１の主要樹脂の融点を「第１の熱可塑性樹脂層の融点」、第１の熱可塑性樹脂層１１の主要樹脂の融点を「第２の熱可塑性樹脂層の融点」と呼ぶ。
　なお第１の熱可塑性樹脂層１１について他にも備えることが望ましい特徴としては、例えば、層の厚さが、第２の熱可塑性樹脂層１２より同等またはそれ以上であることが好ましい。また第１の熱可塑性樹脂層１１を、線材２０の絶縁材として利用するのであれば、線材２０をこの層に埋め込むことが可能な程度の厚みを第１の熱可塑性樹脂層１１に持たせてもよい。いずれにせよ第１の熱可塑性樹脂層１１が適度な厚さを有することで、積層シートを積層させる際、線材２０をより確実に、第１の熱可塑性樹脂層１１の内部に固定（保持）することが可能になる。また、積層シート同士を接着する接着剤として機能する第２の熱可塑性樹脂層１２の厚さを最小限に抑えることができる。他にも第１の熱可塑性樹脂層１１と第２の熱可塑性樹脂層１２との接着力を向上させるために、第１の熱可塑性樹脂層１１の表面濡れ性を向上させるための表面荒らし処理等を実施してもよい。

　つづいて積層シート１０の下層に相当する部分を構成する第２の熱可塑性樹脂層１２について説明する。第２の熱可塑性樹脂層１２は、積層シート１０の下層に該当し、繊維シート１３の裏面に形成される。第２の熱可塑性樹脂層１２は、融点が第１の熱可塑性樹脂層１１より低いものを採用する。第２の熱可塑性樹脂層１２の融点としては、第１の熱可塑性樹脂層１１の融点より低ければ特に制限はない。なお「特に制限はない」とは、３次元巻線コイル１００が使用される温度よりも低い温度を含むという意味ではない。例えば高温環境下で利用するコイルであれば、第２の熱可塑性樹脂層１２に含まれる樹脂の融点は当該環境の温度に対してマージンを加えた以上の温度となることは当然に求められる。

　第２の熱可塑性樹脂層１２は、図１Ｂに示すように、被着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）と接着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）とを接着する接着剤として機能する。即ち、第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、接着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）が加熱され、被着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）及び線材２０の上に設けられることで、接着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）と、被着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）及び線材２０とは、第２の熱可塑性樹脂層１２を介して接着する。
　これにより、溶融していない第１の熱可塑性樹脂層１１の内部に固定された線材２０を、下層の積層シート１０から脱落させることなく、下層の積層シート１０の上に上層の積層シート１０を固定し、次々と積層シートを積層させることが可能になる。また、硬化に時間（半日から１日程度）を要する常温硬化樹脂を用いずとも、熱可塑性樹脂を用いて積層シート同士を接着することが可能になる。なおこの接着方法に由来して、本実施形態の３次元巻線コイル１００における断面を観察すると、第１の熱可塑性樹脂層１１と第２の熱可塑性樹脂層１２とに挟まれるように線材２０が配置される構造を呈する。

　これら、上層の第１の熱可塑性樹脂層１１および下層の第２の熱可塑性樹脂層１２との間には繊維シート１３が配置される。繊維シート１３は積層シート１０の中間層にあたり、繊維シート１３は、繊維部材を含有する樹脂のシート部材であって、例えば、繊維部材としてガラス繊維を含有する。さらに、繊維シート１３は、半硬化状態の熱硬化性樹脂を含み、第１の熱可塑性樹脂層１１と第２の熱可塑性樹脂層１２とで挟まれた状態で、加圧、加熱されることで完全硬化し、第１の熱可塑性樹脂層１１及び第２の熱可塑性樹脂層１２と一体化する。第１の熱可塑性樹脂層１１及び第２の熱可塑性樹脂層１２と一体化した繊維シート１３は、その後、加熱されても変形や溶融することはなく、３次元巻線コイル１００の形状を保つための構造材として機能する。なお、加熱処理されることで、溶融した第１の熱可塑性樹脂層１１及び溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２が繊維シート１３の中に入り込むため、その後の冷却処理によって、第１の熱可塑性樹脂層１１と第２の熱可塑性樹脂層１２とは、完全に固化し、繊維シート１３を介して強固に接着される。
　また積層シート１０に含まれる繊維シート１３の硬化処理は、例えば、第２の熱可塑性樹脂層１２を下層の積層シート１０に対して接着する際に並行、またはその前後のいずれで実施されてもよい。第２の熱可塑性樹脂層１２の接着と並行して実施する場合は、硬化温度が、第１の熱可塑性樹脂層１１の樹脂の融点よりも低く、第２の熱可塑性樹脂層１２の樹脂の融点と同じかまたはやや高い樹脂を選択するとよい。この硬化工程は積層シート１０の接着処理を並行して実施するため、より細かな形状（より精密な構造体の実現）を作りつつ、積層シート１０を接着できる点で効率的である。
　また第２の熱可塑性樹脂層１２の接着後に繊維シート１３の硬化処理を実施する場合は、硬化温度が、第２の熱可塑性樹脂層１２の樹脂の融点よりも十分に高く、また第１の熱可塑性樹脂層１１の樹脂の融点よりも低い樹脂を選択するとよい。この処理を採用する場合、積層シート１０の接着と、硬化処理を分離することができるため、繊維シート１３による構造体の形成を上述の並行作業の場合よりも厳密に制御することができる。
　また第２の熱可塑性樹脂層１２の接着前に繊維シート１３の硬化処理を実施する場合、すなわち積層シート１０に予め特定の形状を持たせておく場合は、第１の熱可塑性樹脂層１１や第２の熱可塑性樹脂層１２との接着性の観点から、第１の熱可塑性樹脂層１１の樹脂よりも高い硬化温度を有することが望ましい。本手順によれば積層シート１０の形状が予め固定され、積層シート１０の接着や線材２０を接着する際に積層シート１０の形状が基本的に変化しないため、先の二つのケースと比較して、コイルの全体形状に関する精度を確保しやすい。また予め定められた形状の積層シート１０を作成しストックすることも可能となり、線材２０の巻線に着手した時点から巻線の完了までに要する時間を大幅に短縮することができる。
　また中間層として熱硬化性樹脂を含有する繊維シート１３を採用することは、後述する線材２０の溶着処理の際に、繊維シート１３が線材２０の過度な沈み込みの防止が可能となる点で有用である。すなわち、繊維シート１３によって、線材２０の溶着作業の際に過度な沈み込みによる配線位置のずれ等を抑制でき、巻線品質の向上を図ることができる。
　なお、第１の熱可塑性樹脂層１１を比較的厚く形成する場合、繊維シート１３の樹脂として融点が第１の熱可塑性樹脂よりも十分に高い熱可塑性樹脂を採用してもよい。この場合、積層シート１０の積層工程の前に、積層シート１０の形状を予め決定しておく。すなわち積層シート１０を事前に十分に加熱し所望の形状となるように変形させ冷却し特定の形状を形成させる。その後積層工程や線材２０の溶着工程では、繊維シート１３が変形しない程度に入熱を管理することで熱硬化樹脂と同様の積層工程、溶着工程を実現することができる。本手法によれば、繊維シート１３の融点を越えるような加熱処理によって、コイルそのものを軟化させ、導線の回収等が効率的に実施できる点で有用である。

　本実施形態では、以上のような構成を有する積層シート１０に対して線材２０を巻き回してコイルを成型する。線材２０の固定方法としては、積層シート１０に溶着固定される。溶着法としては、例えば、超音波をかけながら樹脂層を局所加熱する超音波溶着法を適用することができる。なお、溶着法は超音波溶着法に限らず、下方の積層シート１０と第２の熱可塑性樹脂層１２との溶着状態に与える影響が小さいものであればどのような方法であってもよい。
　また、線材２０は、２つの積層シート１０の表面と裏面とに挟まれるように配置される。具体的には、図１Ｂに示すように、被着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）の表面と接着側の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）の裏面とに挟まれるように配置される。

　線材２０は、その表面に、第３の熱可塑性樹脂層２１が形成される。第３の熱可塑性樹脂層２１は、融点が第２の熱可塑性樹脂層１２より高く、融点が第１の熱可塑性樹脂層１１と等しいことが好ましい。
　線材２０の融点が、第２の熱可塑性樹脂層１２の融点より高いことで、線材２０（詳細には、第３の熱可塑性樹脂層２１）の上に、更に加熱された積層シート１０が積層されても、第３の熱可塑性樹脂層２１が溶融することはなく、線材２０は、第１の熱可塑性樹脂層１１に固定された状態を維持することができる。

　線材２０は、その材料が特に限定されるものではなく、例えば、銅線材、銅合金線材、アルミニウム線材、アルミニウム合金線材などであってもよいが、冷却すると超電導状態となる超電導線材であることが好ましい。

　ボビン３０は、円筒形状であり、ステンレス等の金属で形成される。ボビン３０と最下層の積層シートとの間は常温硬化樹脂等の接着剤を介して接着される。ボビン３０は、積層シート１０及び線材２０を所定位置に固定できるように、据付精度を確保できる剛性や厚さを有することが好ましい。なおボビン３０は円筒形状に限らず様々な形状を採ってよい。例えば球体を分割したときに得られる傘状の曲面を模したボビンや、円筒を軸方向と平行な平面で分割した際に得られる湾曲した面を模したボビンであってもよい。傘状のボビンであれば軸方向に直径が異なるようなコイルの成型に適し、湾曲板状のボビンであれば鞍形状のコイルの成型に適している。

　本実施形態に係る３次元巻線コイル１００によれば、第１の熱可塑性樹脂層より第２の熱可塑性樹脂層の方が融点が低いため、加熱した接着側の積層シートを、線材及び被着側の積層シートの上に載置しても、溶融していない第１の熱可塑性樹脂層に固定された線材が脱落しない。即ち、融点の異なる２つの熱可塑性樹脂層が積層シートに形成されることで、巻線工程の後、線材を固定しながら、更に上層に積層シートを積層させていき、３次元巻線コイル１００を完成させることができる。換言すると、上述にて提示される手法、すなわち樹脂に線材を溶着してコイルを形成する製造方法において、軟化点が異なる樹脂を組み合わせて形成された樹脂部材を採用し、溶融させる樹脂を選択可能とすることによって、コイルの製造において従来発生していた待ち時間を短縮し、生産リードタイムを短縮することができる。これにより、接着剤に常温硬化性樹脂を用いることで生じていた、樹脂が完全硬化するのを待つ時間が不必要となるので、製造時間が短縮された３次元巻線コイルを実現できる。
　なお、積層シート１０は、コイルとして加熱溶着後は、加熱前に有していた樹脂の層構造に関する境界は不明瞭となってもよく、作用効果の面における不都合は生じない。
　また積層シート１０を積層してコイルを成型する際に、必ずしもすべての積層シート１０の間に線材２０が配置される必要はない。コイル設計において、巻線の間隔、すなわち層の幅を均一ではなく異なるものとすることもある。そのような場合、線材２０を配置することなく積層シート１０を重ねることによって、巻線の間隔（層の間隔）を広げることが可能となる。また、このような層間の厚みを調整する工程も、積層シート１０を利用することによって短時間化を図ることができる。

≪第２実施形態≫
〔３次元巻線コイルの構成〕
　次に、図２乃至図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００の構成について説明する。図２は、第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００の構成を示す断面図である。図３は、第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００の外観図である。図４は、第２実施形態に係る積層シート１０の展開図である。

　第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、繊維テープ１４を有する点である（図２参照）。
　繊維テープ１４は、図２に示すように、ボビン３０の上、或いは、上層の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）と下層の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）との間に形成される。
　繊維テープ１４は、熱可塑性樹脂を含み、融点が第１の熱可塑性樹脂層１１の融点より低く、第２の熱可塑性樹脂層１２と等しいことが好ましい。

　繊維テープ１４及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し、第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、上層の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿２）が加熱され、繊維テープ１４の上に設けられることで、溶融した繊維テープ１４と溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２とが接着する。これにより、線材２０を下層の積層シート１０（例えば、積層シート１０＿１）から脱落させることなく、繊維テープ１４の上に上層の積層シート１０を固定することが可能になる。

　また、第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、ボビン３０が湾曲する点（図３参照）、積層シート１０が分割されて隙間５０を有する点である（図２及び図４参照）。
　積層シート１０が、ボビン３０の湾曲に合わせて分割されることで積層シート同士が重なることがなく、積層方向に所望の寸法精度で、次々と積層シートを積層させることが可能になる。また、積層シート１０と積層シート１０との間に隙間５０が形成されても、繊維テープ１４が、絶縁層として機能するため、層間及びボビン３０との電気絶縁を確保することが可能になる。

　≪積層工程の手順≫
　次に、図５を参照して、第２実施形態に係る３次元巻線コイル２００における積層工程の手順について説明する。

　ステップＳ２００１において、熱可塑性樹脂を含む繊維テープ１４は、加熱され、ボビン３０の上に巻き付けられる。繊維テープ１４の融点は、例えば、第２の熱可塑性樹脂層１２の融点と等しい。

　ステップＳ２００２において、積層シート１０は、加熱溶融され、繊維テープ１４の上に設けられる。積層シート１０は、繊維テープ１４及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、加熱される。なお、積層シート１０の加熱方法は特に限定されるものではなく、少なくとも第２の熱可塑性樹脂層１２のみを選択的に溶融させる加熱方法であればよい。

　ステップＳ２００３において、線材２０は、積層シート１０に溶着固定されつつ、まず１層分、積層シート１０に巻き付けられる。巻線工程は、当該巻線工程の途中で、線材２０が積層シート１０から脱落しないように、適宜、線材２０を第１の熱可塑性樹脂層１１で固定しながら行われる。第１の熱可塑性樹脂層１１は、加熱溶融された後、冷却固化されることで線材２０を固定するための接着剤として機能する。

　ステップＳ２００４において、更に積層が必要とされる場合（ステップＳ２００４→ＹＥＳ）、ステップＳ２００５において、新たな繊維テープ１４は、加熱され、線材２０及び積層シート１０の上に巻き付けられる。
　その後、ステップＳ２００２に戻り、新たな積層シート１０は、加熱溶融され、繊維テープ１４の上に設けられる。新たな積層シート１０は、繊維テープ１４及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、加熱される。溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２は、一部が繊維テープ１４などに浸透するため、冷却固化される際に、新たな積層シート１０が繊維テープ１４に強固に固定される。

　３次元巻線コイル２００が完成するまで、上述のステップＳ２００２からステップＳ２００５までの工程が繰り返される。上述のステップＳ２００２からステップＳ２００５までの工程に要する時間は、１時間程度である。
　なお、新たな積層シート１０が、加熱溶融され、繊維テープ１４の上に設けられる際、第１の熱可塑性樹脂層１１及び線材２０の表面に形成される第３の熱可塑性樹脂層２１は、繊維テープ１４及び第２の熱可塑性樹脂層１２より高融点であるため、溶融しない。即ち、溶着固定された線材２０は、第１の熱可塑性樹脂層１１から脱落しないため、更に積層工程を繰り返すことが可能になる。

　一方、ステップＳ２００４において、更に積層が必要とされない場合（ステップＳ２００４→ＮＯ）、上述のステップＳ２００２からステップＳ２００５までの工程の繰り返しは終了する。

　上述の各工程を行うことで、本実施形態に係る３次元巻線コイル２００が完成する。本実施形態に係る３次元巻線コイル２００の製造方法によれば、下層の積層シートの上に上層の積層シートを固定する際、上層の積層シートの温度が、繊維テープ１４及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度に調整されるため、下層の積層シートから線材を脱落させることなく、上層の積層シートを更に重ねて巻線工程を行うことができる。
　従って、従来のように、接着剤（常温硬化性樹脂）の硬化に、半日から１日程度の待ち時間を要し（１層製造するのに１日を要し）、この待ち時間の間は次層の巻線工程を行うことができず、３次元巻線コイルの製造時間が長くなってしまうという問題を回避し、製造時間が短縮された３次元巻線コイル２００を実現できる。

≪第３実施形態≫
〔３次元巻線コイルの構成〕
　次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る３次元巻線コイル３００の構成について説明する。図６は、第３実施形態に係る３次元巻線コイル３００の構成を示す断面図である。

　第３実施形態に係る３次元巻線コイル３００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、積層シート１０が細長いテープ形状をしており、積層シート１０の端部と積層シート１０の端部とが重なる点である（図６参照）。
　積層シート１０の端部と積層シート１０の端部とが重なって接着することで、積層シート間に隙間が形成されないため、層間及びボビン３０との電気絶縁を確保することが可能になる。また、ボビン３０が湾曲していても、積層シート１０を分割することなく、ボビン３０の形状に合わせて、次々と積層シートを積層させることが可能になる。なお、積層シートの端部同士が重なることで形成される凹凸の厚さは、第１の熱可塑性樹脂層１１に固定される線材２０の位置精度が乱されない程度の厚さであることが好ましい。

　また、第３実施形態に係る３次元巻線コイル３００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、積層シート１０に含まれる第１の熱可塑性樹脂層１１の厚さが薄く、熱可塑性樹脂層（第４の熱可塑性樹脂層）１５が、線材２０間に塗布又は充填される点である（図６参照）。
　熱可塑性樹脂層１５は、融点が第１の熱可塑性樹脂層１１の融点より低く、第２の熱可塑性樹脂層１２と等しいことが好ましい。
　熱可塑性樹脂層１５は、図６に示すように、積層シート１０の上に形成され、線材２０間に塗布又は充填される。本実施形態に係る３次元巻線コイル３００では、第１の熱可塑性樹脂層１１の厚さが薄い分、線材２０間の隙間が大きい。
　しかしながら、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、上層の積層シートが加熱されることで、線材２０を下層の積層シート（厚さの薄い第１の熱可塑性樹脂層１１）から脱落させることなく、熱可塑性樹脂層１５の上に上層の積層シートを固定することが可能になる。また、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２は、加熱溶融された後、冷却固化されることで、強固に接着するため、線材２０は、冷却固化された後も、厚さの薄い第１の熱可塑性樹脂層１１及び線材２０間に塗布又は充填された熱可塑性樹脂層１５に、十分に固定され得る。

　≪積層工程の手順≫
　次に、図７を参照して、第３実施形態に係る３次元巻線コイル３００における積層工程の手順について説明する。

　ステップＳ３００１において、積層シート１０は、常温硬化性樹脂４０によって、ボビン３０に溶着固定されつつ、ボビン３０の上に巻き付けられる。

　ステップＳ３００２において、線材２０は、積層シート１０に溶着固定されつつ、まず１層分、積層シート１０に巻き付けられる。巻線工程は、当該巻線工程の途中で、線材２０が積層シート１０から脱落しないように、適宜、線材２０を第１の熱可塑性樹脂層１１で固定しながら行われる。第１の熱可塑性樹脂層１１は、加熱溶融された後、冷却固化されることで線材２０を固定するための接着剤として機能する。なお、本実施形態に係る３次元巻線コイル３００では、第１の熱可塑性樹脂層１１の厚さが薄いため、線材２０の一部分のみが、積層シート１０に固定される。

　ステップＳ３００３において、更に積層が必要とされる場合（ステップＳ３００３→ＹＥＳ）、ステップＳ３００４において、熱可塑性樹脂層１５は、加熱溶融され、線材２０間に塗布又は充填される。熱可塑性樹脂層１５の融点は、例えば、第２の熱可塑性樹脂層１２の融点と等しい。熱可塑性樹脂層１５は、加熱溶融された後、冷却固化されることで線材２０を固定するため、或いは、上層の積層シートを固定するための接着剤として機能する。

　ステップＳ３００５において、新たな積層シート１０は、加熱溶融され、線材２０及び熱可塑性樹脂層１５の上に設けられる。新たな積層シート１０は、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１が溶融しない温度まで、加熱される。溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２は、熱可塑性樹脂層１５などに浸透するため、冷却固化される際に、新たな積層シート１０が熱可塑性樹脂層１５に強固に固定される。
　その後、ステップＳ３００２に戻り、線材２０は、新たな積層シート１０に溶着固定されつつ、１層分、新たな積層シート１０に巻き付けられる。

　３次元巻線コイル３００が完成するまで、上述のステップＳ３００２からステップＳ３００５までの工程が繰り返される。上述のステップＳ３００２からステップＳ３００５までの工程に要する時間は、１時間程度である。
　なお、新たな積層シート１０が、加熱溶融され、線材２０及び熱可塑性樹脂層１５の上に設けられる際、第１の熱可塑性樹脂層１１及び線材２０の表面に形成される第３の熱可塑性樹脂層２１は、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２より高融点であるため、溶融しない。即ち、一部分が溶着固定された線材２０は、第１の熱可塑性樹脂層１１から脱落しないため、更に積層工程を繰り返すことが可能になる。

　一方、ステップＳ３００３において、更に積層が必要とされない場合（ステップＳ３００３→ＮＯ）、上述のステップＳ３００２からステップＳ３００５までの工程の繰り返しは終了する。

　上述の各工程を行うことで、本実施形態に係る３次元巻線コイル３００が完成する。本実施形態に係る３次元巻線コイル３００の製造方法によれば、下層の積層シートの上に上層の積層シートを固定する際、上層の積層シートの温度が、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１及び第３の熱可塑性樹脂層２１が溶融しない温度に調整されるため、下層の積層シートから線材を脱落させることなく、上層の積層シートを更に重ねて巻線工程を行うことができる。
　これにより、製造時間が短縮された３次元巻線コイル２００を実現できる。

≪第４実施形態≫
〔３次元巻線コイルの構成〕
　次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係る３次元巻線コイル４００の構成について説明する。図８は、第４実施形態に係る３次元巻線コイル４００の構成を示す断面図である。

　第４実施形態に係る３次元巻線コイル４００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、ボビン６０が、金属ではなく、繊維強化性樹脂（例えば、ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）で形成される点である（図８参照）。また、第４実施形態に係る３次元巻線コイル４００が、第１実施形態に係る３次元巻線コイル１００と異なる点は、ボビン６０の上に、樹脂層１６が直接形成される点である（図８参照）。

　樹脂層１６は、例えば、第１の熱可塑性樹脂層１１と同じ樹脂層とすることができ、融点が第１の熱可塑性樹脂層１１と等しいことが好ましい。

　ボビン６０に樹脂層１６が形成されることで、線材２０と樹脂層１６とを加熱溶融により直接接着することができるため、最下層の積層シートとボビン３０との間に接着剤を設けるという手間を省き工程を簡略化することができる。これにより、製造時間がより短縮された３次元巻線コイルを実現できる。

　≪積層工程の手順≫
　次に、図９を参照して、第４実施形態に係る３次元巻線コイル４００を積層する手順について説明する。

　ステップＳ４００１において、熱可塑性樹脂からなる樹脂層１６は、加熱され、直接、ボビン６０の上に巻き付けられる。樹脂層１６は、第１の熱可塑性樹脂層１１と同じ材料で形成されることが好ましく、樹脂層１６の融点は、例えば、第１の熱可塑性樹脂層１１の融点と等しいことが好ましい。

　ステップＳ４００２において、線材２０は、樹脂層１６に溶着固定されつつ、まず１層分、樹脂層１６に巻線される。巻線工程は、当該巻線工程の途中で、線材２０が樹脂層１６から脱落しないように、適宜、線材２０を樹脂層１６で固定しながら行われる。

　ステップＳ４００３において、更に積層が必要とされる場合（ステップＳ４００３→ＹＥＳ）、ステップＳ４００４において、積層シート１０は、加熱溶融され、線材２０及び第１の熱可塑性樹脂層１１の上に設けられる。積層シート１０は、熱可塑性樹脂層１５及び第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融し第１の熱可塑性樹脂層１１及び線材２０の表面に形成される第３の熱可塑性樹脂層２１が溶融しない温度まで、加熱される。溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２は、第１の熱可塑性樹脂層１１などに浸透するため、冷却固化される際に、積層シートが第１の熱可塑性樹脂層１１などに強固に固定される。
　その後、ステップＳ４００２に戻り、線材２０は、積層シート１０に溶着固定されつつ、まず１層分、積層シート１０に巻線される。第１の熱可塑性樹脂層１１は、加熱溶融された後、冷却固化されることで線材２０を固定するための接着剤として機能する。

　３次元巻線コイル４００が完成するまで、上述のステップＳ４００２からステップＳ４００４までの工程が繰り返される。上述のステップＳ４００２からステップＳ４００４までの工程に要する時間は、１時間程度である。
　なお、積層シート１０が、加熱溶融され、線材２０及び第１の熱可塑性樹脂層１１の上に設けられる際、第１の熱可塑性樹脂層１１及び線材２０の表面に形成される第３の熱可塑性樹脂層２１は、第２の熱可塑性樹脂層１２より高融点であるため、溶融しない。即ち、溶着固定された線材２０は、第１の熱可塑性樹脂層１１から脱落しないため、更に積層工程を繰り返すことが可能になる。

　一方、ステップＳ４００３において、更に、積層が必要でない場合（ステップＳ４００３→ＮＯ）、上述のステップＳ４００２からステップＳ４００４までの工程の繰り返しは終了する。

　上述の各工程を行うことで、本実施形態に係る３次元巻線コイル４００が完成する。本実施形態に係る３次元巻線コイル４００の製造方法によれば、ボビン６０に樹脂層１６が形成されることで、線材２０と樹脂層１６とを加熱溶融により直接接着することができるため、最下層の積層シートとボビン３０との間に接着剤を設けるという手間を省き工程を簡略化することができる。これにより、製造時間がより短縮された３次元巻線コイル４００を実現できる。

≪第５実施形態≫
　次に、図１０を参照して、本発明の第５実施形態に係る３次元巻線コイル５００の構成について説明する。図１０は、第５実施形態に係る３次元巻線コイル５００の構成を示す断面図である。

　本実施形態では、積層シート１０を形成する樹脂や繊維シートの積層順序が、第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態における積層シート１０は、第２の熱可塑性樹脂層１２が、第１の熱可塑性樹脂層１１および繊維シート１３の間に配置されるように形成されている。換言すると、本実施形態における３次元巻線コイル５００の層構造は、線材２０、繊維シート１３、第２の熱可塑性樹脂層１２、第１の熱可塑性樹脂層１１、再び線材２０となり、このような基本となる層構造が積層されることで３次元巻線コイル５００を形成する。

　本実施形態における繊維シート１３は、他の実施形態で挙げたような繊維強化樹脂、あるいは繊維部材によって作られたメッシュ状の部材である。繊維部材としては、ガラス繊維に限らず、金属を採用してもよい。金属メッシュであればその伝熱性を利用して３次元巻線コイル５００の内部の温度を均一化するはたらきを奏するため、集中的な発熱による樹脂の劣化や、線材の焼損可能性を低減する上で有用である。また、これらのメッシュ状の部材を熱可塑性樹脂に加えてシート状に成形したものを繊維シート１３としてもよい。

　本実施形態における積層工程は、概ね他の実施形態と同様の積層工程を採用することができる。すなわち積層シート１０を被着面に設置した後に、積層シート１０＿１の上層側から加熱を行う。この加熱は、第１の熱可塑性樹脂層１１がその融点を越えることが無い程度、かつ第２の熱可塑性樹脂層１２が溶融する程度の入熱量となるように制御される。加熱処理によって溶融した第２の熱可塑性樹脂層１２は、繊維シート１３を通過し、被着面側の積層シート１０＿１の表面まで達する。その後冷却されることによって、第２の熱可塑性樹脂層１２が第１の熱可塑性樹脂層１１と、他方の第１の熱可塑性樹脂層１１と接着し、結果二つの積層シートが接着される。本実施形態の積層工程も、他の実施形態と同様に常温硬化樹脂を用いることを省略でき、それによって積層工程の短縮化を図ることができる。

　また繊維シート１３が積層シート１０に含有されることによって、線材２０の溶着作業において、繊維シート１３が線材２０の過度な沈み込みを防止する効果を奏する。したがって、本実施形態の積層シート１０を採用した場合も、線材２０の溶着処理の精度向上の効果が期待できる。

　≪積層工程の手順≫
　本実施形態に関する積層工程は、おおむね図９に示す例と同様の手法が採用できる。ボビンについては金属製、樹脂製のいずれであってもよい。いずれのボビンを採用する場合であっても、Ｓ４００１の工程に代わり、ボビンに対して、第１の熱可塑性樹脂層１１からなるシート部材を常温硬化樹脂によって接着する、積層シート１０を加熱溶着する、あるいは積層シート１０を常温硬化樹脂によって接着する工程を採用してもよい。本実施形態に係る３次元巻線コイル５００の製造方法によれば、ボビン６０に樹脂層１６が形成されることで、線材２０と樹脂層１６とを加熱溶融により直接接着することができるため、最下層の積層シートとボビン３０との間に接着剤を設けるという手間を省き工程を簡略化することができる。これにより、製造時間がより短縮された３次元巻線コイル５００を実現できる。

　なお以上で説明した本発明に関する複数の実施形態は、これらにのみ発明の実施形態が特定されることを意図しない。それぞれの実施形態は発明の要旨を逸脱しない範囲において変更が可能であり、各実施形態同士を組み合わせることも可能である。また線材の固定方法は超音波溶着に限らず、レーザー溶着、摩擦溶着などを使ってもよい。また本発明と従来技術とを組み合わせて利用すること、例えば内径側は従来どおりの常温硬化樹脂を使って成型し、外径側の作業に本発明を適用すること、またはその反対の構成とすることも可能である。

　本発明は、素粒子実験装置、がん治療装置、高エネルギー粒子線加速器、重イオン加速器、などに利用することができる。

　１０　　積層シート
　１１　　第１の熱可塑性樹脂層
　１２　　第２の熱可塑性樹脂層
　１３　　繊維シート
　１４　　繊維テープ
　１５　　第４の熱可塑性樹脂層
　２０　　線材
　２１　　第３の熱可塑性樹脂層
　３０　　ボビン
　４０　　接着剤
　６０　　ボビン
　１００　３次元巻線コイル
　２００　３次元巻線コイル
　３００　３次元巻線コイル
　４００　３次元巻線コイル

Claims (8)

1. 　第１の熱可塑性樹脂層と、前記第１の熱可塑性樹脂層より融点の低い第２の熱可塑性樹脂層と、繊維部材を含む繊維シートと、を有する積層シートと、
   　２つの前記積層シートの表面と裏面とに挟まれる線材と、
   　を少なくとも備え、
   　前記積層シートは、前記第１の熱可塑性樹脂層が前記第２の熱可塑性樹脂層よりも上層に配置されるように形成されることを特徴とする３次元巻線コイル。
2. 　前記線材は、前記第２の熱可塑性樹脂層より融点の高い第３の熱可塑性樹脂層が表面に形成されている、
   　ことを特徴とする請求項１に記載の３次元巻線コイル。
3. 　前記積層シートの裏面側に、熱可塑樹脂を含む繊維テープが設けられ、
   　前記繊維テープは、融点が前記第２の熱可塑性樹脂層と等しい、
   　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元巻線コイル。
4. 　前記積層シートは、
   　テープ形状であり、端部が重なるように、ボビンに巻き付けられている、
   　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元巻線コイル。
5. 　前記積層シートの表面には、第４の熱可塑性樹脂層が設けられ、
   　前記第４の熱可塑性樹脂層は、融点が前記第２の熱可塑性樹脂層と等しい、
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の３次元巻線コイル。
6. 　前記線材は、冷却すると超電導状態となる超電導線材である、
   　ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の３次元巻線コイル。
7. 　積層シートと、２つの前記積層シートの表面と裏面とに挟まれる線材と、を備える３次元巻線コイルの製造方法であって、
   　前記積層シートが、接着剤によってボビンの上に接着される第１工程と、
   　前記線材が、前記積層シートに溶着固定される第２工程と、
   　前記積層シートが、加熱溶融され、前記線材及び前記積層シートの上に設けられる第３工程と、
   　前記３次元巻線コイルが完成するまで、前記第２工程及び前記第３工程を繰り返す第４工程と、
   　を含むことを特徴とする３次元巻線コイルの製造方法。
8. 　積層シートと、２つの前記積層シートの表面と裏面とに挟まれる線材と、を備える３次元巻線コイルの製造方法であって、
   　繊維テープが、ボビンの上に巻き付けられ固定される第１工程と、
   　前記積層シートが、加熱溶融され、前記繊維テープの上に設けられる第２工程と、
   　前記線材が、前記積層シートに溶着固定される第３工程と、
   　前記繊維テープが、加熱溶融され、前記線材及び前記積層シートの上に巻き付けられる第４工程と、
   　前記３次元巻線コイルが完成するまで、前記第２工程から前記第４工程までを繰り返す第５工程と、
   　を含むことを特徴とする３次元巻線コイルの製造方法。

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