空芯コイル：非磁性インダクタ完全ガイド

空芯コイルインダクタは、空気や非鉄金属などの非磁性​​コアに巻線が巻かれています。この点が、鉄芯またはフェライト芯インダクタとの違いです。空芯コイルインダクタのコアには磁性材料は含まれていません。このインダクタは、巻線による自己インダクタンスのみによって動作します。空芯コイルインダクタは、高い精度と直線性が求められる用途で使用されます。

空芯コイルは、コイルと電流経路間の磁気コア相互作用がない場合、基本的な電磁現象に依存します。

図：ディーパック

自己インダクタンスは記号Lで表されます。交流電流がコイルを通過すると、コイルの周囲に変化する磁場が発生します。その結果、電流の流れに逆らう逆起電力が発生します。

インピーダンス (Z)

周波数において、コイルのインピーダンス式は次のようになる。

Z = 2πfL

ここで、LはQ係数（品質係数）です。Q係数はQ = (ωL)/Rと定義され、Rはコイルの抵抗です。

重要な属性:

コア飽和なし: コア材料がない場合、インダクタンスの値は変化しません

線形BH関係：磁束密度（B）と磁場強度（H）の間に比例関係があり、B ∝ 1/2となる。

• 温度安定性: 変動寓話 dans la tempér

周波数非依存性：周波数に依存する鉄損はありません。

3.1 コアコンポーネント:

ワイヤー：銅（裸線／エナメル線）、リッツ線、銀メッキ銅線、またはアルミニウム

巻線形状：自立型、プラスチック製ボビン、セラミック製ボビン、またはグラスファイバー製ボビン

支持構造：エポキシコーティング、ニス含浸、または機械的フレームワーク

端子：はんだ付け可能なリード線、PCBピン、または表面実装端子

3.2 一般的な形状:

ソレノイド／巻線コイル：円筒状のらせん巻き（最も一般的）

フラットスパイラル：PCB統合用の平面スパイラル

トロイダル：ドーナツ型で、磁場が均一に閉じ込められている。

バスケット/スパイダーウェブ：最小限の静電容量を実現するオープン構造

可変エアコア：可動タップまたはスライド接点で調整可能

建設技術:

機械巻き：パラメータの再現性を確保するための精密巻き

手巻き：試作品やカスタム値向け

リッツ線構造：複数の絶縁された撚り線を並列に配置することで表皮効果を低減

自立型：硬質ワイヤー（銅管）が型なしで形状を維持します

コイルタイプ: ソレノイド / トロイド / 平面 / ヘリカル インダクタンス (L): 0.1 μH – 10 mH (モデルによって異なります) 定格電流: 0.1 – 5 A 動作周波数: 10 kHz – 1 GHz ワイヤ材質: 銅 / 銀メッキ銅 コイル形状材質: プラスチック、セラミック、エポキシ DC抵抗 (Rdc): 0.01 – 10 Ω 温度範囲: -40°C ～ 125°C 実装タイプ: スルーホール / 表面実装 用途: RF回路、ワイヤレス充電、アンテナ、電子機器

形状、巻線方式、用途に基づいて、空芯コイル（非磁性インダクタとも呼ばれる）にはさまざまな種類があります。それぞれの種類は、異なるシステムや回路において独自の利点を持っています。
1. ソレノイド用エアコアコイル
形状：円筒形で、その周りにワイヤーが巻き付けられている。
一部の機能は以下のとおりです。
作り方は簡単で、それほど難しくない
軸に沿った直線状の磁場を生じさせる
RF回路、小型インダクタ、センサー、および非常に高い精度が求められる電子機器向け。

2. 空芯コイル付きトロイド
形状：ドーナツのような形をした巻き方。
機能と特徴：
電磁干渉（EMI）は非常に少ない。
磁場をコア内部に保持する。
低迷磁界と高効率
用途：高周波トランス、高周波で動作する回路、および繊細な電子機器。
3. 平面型空芯コイル
形状：平らな螺旋状のコイルで、プリント基板や基板上でよく見られる形状です。
機能と特徴：
小さくて目立たない
回路基板に使用できます
ワイヤレスで電力を伝送するのに効果的です
用途：IoT機器、RFデバイス、PCBインダクタ、ワイヤレス充電。
4. らせん状の空芯を持つコイル
形状：開いた螺旋状またはらせん状の巻き方。
特性：
コイルの直径や間隔を変えることで、インダクタンスを変更できます。
高周波でどれだけうまく機能するか
用途としては、アンテナ、RF同調回路、発振器、信号調整などが挙げられる。
5. 多層構造の空芯コイル
形状：インダクタンスを高めるために、多数のワイヤー層が互いに重ねて巻かれている。
機能と特徴：
コイルを大きくすることなくインダクタンスを増加させる。
かなりの電流を処理できる
用途：高周波回路、インピーダンス整合、および非常に高い精度が求められる電子機器。
6. 印刷または内蔵された空芯コイル
形状：プリント基板上の導電配線は、螺旋状またはトーラス状に印刷されます。
特性：
非常に小さくて軽い
自動化生産に最適
現時点では容量が足りません
用途：ワイヤレス充電パッド、センサー、小型電子機器。
空芯コイルの種類 概要
ソレノイド：使いやすく、直線的で、低周波数です。
トロイダル型：高効率、低EMI
平面型：小型で、プリント基板に統合されており、ワイヤレス充電が可能
ヘリカル：調整可能でRFチューニング可能
多層構造：より高いインダクタンスと適度な電流
印刷：プリント基板（PCB）をベースとした小型軽量アプリケーション

優位性

高い直線性：コアの飽和がないため、電流の流れに関係なくインダクタンスの値は直線的になります。

優れた高周波性能：コア損失なくGHz周波数で正常に動作します

低歪み：高調波歪みと相互変調歪みは

温度安定性：通常±50 ppm/℃（±200～500 ppm/℃と比較）

ヒステリシスサイクルなしの損失: 再配向によって引き起こされるエネルギー損失を低減します

非渦電流損失：導電性コア材なし

クロ

予測可能な挙動：物理的サイズから高精度で計算可能なパラメータ

軽量：同等の鉄心インダクタよりもはるかに軽量

不利益

インダクタンス密度が低い：磁気インダクタンスと比較して、同じインダクタンスを得るにはより多くの巻数/体積が必要となる。

大型サイズ：インダクタンス値が同程度の場合

磁場放射：封じ込められていない磁場は干渉/クロストークを起こす

低周波数域でのQ値の低下：

ワイヤー使用量の増加により抵抗が支配的になる

の理由

機械的な脆弱性

通常は追加のサポート材または鉢植え材が必要です

コスト：一定のインダクタンスに対して使用する銅線の量が多いほど

チューニング感度：RF回路において手の容量効果の影響を受けやすい

無線周波数回路：

タンク回路：送信機／受信機におけるLC発振器と共振回路

RFチョーク：増幅回路において、直流を通過させながら高周波を遮断する。

アンテナシステム：負荷コイル、インピーダンス整合回路

フィルタネットワーク：バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ

テストと測定:

標準インダクタ：校正用の高精度基準インダクタ

電流検出：交流電流測定用ロゴウスキーコイル

プローブ：磁場検知プローブおよび近接場プローブ

高忠実度オーディオ：

クロスオーバーネットワーク：線形位相応答を必要とするスピーカークロスオーバー

真空管アンプ：真空管回路における高電圧チョークの役割

科学・医学：

MRIシステム：グラジエントコイルとRFコイル

実験装置：NMRプローブ、磁場発生装置

素粒子物理学：検出器コイルと磁場センサー

電力・産業分野：

スナバ回路：高周波スイッチングの抑制

共振コンバータ：LLCおよびその他の共振電源

力率改善：高電流線周波数アプリケーション

特殊用途：

テスラコイル：高電圧共振変圧器

金属探知機：サーチコイルと識別回路

ワイヤレス給電：送信コイルと受信コイル

空芯コイル、すなわち非磁性インダクタは、他のコイルに比べていくつかの利点があるため、電子回路、高周波回路、ワイヤレス充電システムなどで人気が高まっています。

1. 磁気飽和なし

空芯コイルは、鉄芯コイルやフェライト芯コイルのように、高電流時に飽和現象を起こすことがない。

これらのコイルでは、回路内の電流が変化してもインダクタンスは一定のままである。

動作の一貫性が求められる回路に適しています。

2. 空芯コイルは高周波で優れた性能を発揮します

空芯コイルはコア損失が低いため、無線通信が必要とされる無線周波数回路やアンテナなどに適しています。

空芯コイルは、磁気コアインダクタに比べてより高い周波数で動作させることができる。

3. 空芯コイルは小型軽量です

これらのコイルはコアを必要としないため、設置に必要なスペースが少なくて済みます。

これらのコイルは芯材を使用していないため、軽量です。

サイズが小さいため、プリント基板への組み込みが容易になります。

4. 磁気干渉が少ない

空芯コイルにはコアがないため、これらのコイルからは迷走磁場が発生しず、回路内の他の部品に干渉しません。

これらのコイルは干渉を発生しないため、宇宙空間でも使用できます。

5. 発振器、フィルター、チューナーなど

発振器、フィルター、チューナーなどは、空芯コイルを利用している。

これらは予測可能で線形なインダクタンスを提供するため、非常に高い精度が求められる機器においては非常に重要です。

6. 環境に優しく長持ち

これらはフェライトや鉄芯を含まないため、重金属を含まず、環境に優しい。

また、過熱する可能性のある磁気コアを含んでいないため、簡単に壊れることもありません。

最適な空芯コイルを選ぶことは非常に重要です。最高の性能を発揮するだけでなく、最高の精度で機能し、長く使えるコイルを選ぶことが大切です。ニーズに合った最適なコイルを選ぶ方法をご紹介します。

1. 動作周波数を決定する

最適な結果を得るには、周波数が高い場合、つまりkHzやGHzの場合には、空芯コイルを使用できます。

コイルが最高の性能を発揮し、損失を最小限に抑えるためには、目的の周波数に適した最適なコイルを選択する必要があります。

例えば、MHz帯やGHz帯で動作するRF回路、アンテナ、ワイヤレス充電器などと併用することを検討できます。

2. 必要なインダクタンスを決定する

コイルが最適な性能を発揮するためには、回路が処理できる必要なインダクタンスを決定する必要があります。

インダクタンスは以下のパラメータによって決定されます。

Nは回転数です。

Dは直径です。

コイルの長さ（l）

3.適切なコイルを選ぶ

ソレノイドコイルは円筒形をしており、小型回路での使用に適しています。

トロイダルコイルはEMI（電磁干渉）に対する耐性が非常に高いため、EMIが懸念される用途での使用に適しています。

平面コイルは平らな形状をしており、プリント基板設計、ワイヤレス充電、その他の小型用途に適しています。

ヘリカルコイルは、アンテナによく用いられる、開いた螺旋状のコイルである。

4．電線の材質と太さ

銅が標準だが、銀メッキ銅を使うとより良い結果が得られる。

この場合は、大きい方が良いので、ゲージ番号が大きい方が良い。

5. 天候に関する考慮事項

使用可能な温度範囲を考慮する必要がある。

6．取り付けおよび形状に関する考慮事項

取り付け方式は、スルーホール、表面実装、または平面実装のいずれかを選択する必要があります。

コイルは、プリント基板またはデバイス設計で割り当てられたスペースに収まるものでなければならない。

7. フィードバックまたは調整要件

用途によっては、調整可能なインダクタンスが必要となる場合がある。

コイルは、温度変化による許容誤差の変化が少ないものを選ばなければならない。

8. メーカーのデータシートを検討する

どのコイルについても、以下の点を確認する必要があります。

インダクタンス

DCにおける抵抗

最大電流

周波数の範囲

取り付けおよびサイズに関する要件

空芯コイルの不具合を修正する

空芯コイルは構造がシンプルで磁石を使用しないため、通常は信頼性が高いとされています。しかし、高周波（RF）やワイヤレス充電などの用途で使用すると、問題が発生する可能性があります。よくある問題のトラブルシューティング方法を以下に示します。

1. 症状：回路の同調が悪く、信号周波数が変動し、効率が低い。

何が起こっている可能性があるか：

回転数が間違っています

コイルの長さまたは直径が変更されました

ワイヤー間の間隔が不均一です

回答：

LCRメーターを使用してインダクタンスを測定し、データシートと比較してください。

コイルを交換または巻き直す

2. 暑くなりすぎている

症状：コイルが過熱し、性能が低下し、絶縁体が損傷する可能性があります。

何が起こっている可能性があるか：

定格容量に対して過大な電流が流れている

適切な換気や放熱が不足している

回答：

デューティサイクルまたは電流を減らす

コイル周辺の空気循環が適切であることを確認してください。

症状が続く場合は、より太い電線または絶縁材を使用してください。

3. 断線またはコイルの破損

症状：回路が全く機能せず、電流が流れない。

何が起こっている可能性があるか：

はんだ付け不良または断線

ストレスや振動によるコイルの破損

回答：

はんだ付け不良や断線がないか確認してください。

コイルが破損している場合は交換または修理してください。

4. 電磁界からの干渉（EMI）

症状：回路の歪み、信号線のノイズ、RFの不安定性

考えられる原因としては、以下のようなものがあります。

材料は導電性または磁性を持つ

精密電子機器における露出したコイル

回答：

干渉を引き起こす可能性のあるものからコイルを取り外してください。

フェライトビーズと電磁シールドを使用してください。

迷走磁場を減らすために、コイルはトロイダル型または平面型にすることができる。

5. 信号を変化させるRF回路

兆候：チューニング不良、周波数ドリフト、Q値の低下。

考えられる理由：

コイルの形状が悪い

コイルの巻線間の距離と巻線数の変更

金属やその他の誘導デバイスとの近接

回答：

コイルの形状を確認し、同じ形状を維持する。

金属物から適切な距離を保っていることを確認してください。

それでも歪みが残る場合は、コイルを交換してください。

6. 身体への損傷

兆候：コイルの形状のひび割れ、電線の曲がり、電線の絶縁体の損傷。

考えられる理由：

機械によるストレス、落下、熱

回答：

コイルの形状を目で確認してください。

コイルを交換してください。

コイル成形型としてセラミックとエポキシ樹脂の使用を検討してください。

空芯コイルは理想的なインダクタに最も近いものであり、磁気コアが障害となる場合でも、線形性と高周波特性を維持します。フェライトコイルや鉄芯コイルのようなコンパクトさには欠けますが、精度と安定性に優れているため、不可欠な存在となっています。

設計および選定ガイドライン：

周波数範囲：推奨使用周波数：1MHz以上、磁気コア：100kHz以下

直線性要件：標準測定および低歪み回路に必要

サイズ制約：より優れた性能特性を実現するには、より大きな容量を受け入れる必要があります

干渉管理：高密度サブシステムにおける遮蔽または物理的障壁の使用

Q値の最適化。数MHzまでの周波数にはリッツ線を使用し、低周波数にはより太い直径の線を使用する。

今後の方向性：

3Dプリント成形品

磁場分布を最適化するためのカスタム形状

先進的な電線材料：高伝導性複合材料および超伝導体

統合技術：多層プリント基板への空芯構造の組み込み

自動最適化：特定の性能特性に対応したAIベースの巻線設計

ナノ加工：集積回路用マイクロスケール空芯コイル

インダクタンス範囲と代表的な用途：

1 nH～100 nH：500 MHzを超える超高周波回路、インピーダンス整合

100 nH – 10 µH: VHF/UHF回路 (30-500 MHz)

10 µH – 1 mH:

HF回路（1～30MHz）、フィルター、オーディオ

1mH～100mH：低周波、電力、または測定標準における用途

1. C.（代替案）

RF小型コイル（1～100 nH）：Q値 = 50～150（100Ω時）

中RFコイル（1～10µH）：Q=100～300@

リッツ線コイル：1MHzにおけるQ値＝200～500

大型パワーコイル：低周波数帯におけるQ値＝20～100

*配線選定ガイド:*

1MHz未満：ソリッド丸線（コスト効率が良い）

1～10MHz：リッツ線または大径の単線

> 10 MHz: 銀メッキ線またはチューブ – 表皮効果が支配的。

高電流：充填量を増やすための長方形/正方形のワイヤーまたはチューブ

共通基準:

軍事: MIL-

商用: IEC 60182、

試験方法：IEC 62024、ASTM

空芯コイルの自己共振周波数（SRF）とは、巻線間の静電容量とインダクタンスが共振する周波数のことです。常にSRF以下（SRFの約80%）で動作させてください。

精密な用途においては、温度や湿度などの制御された環境下での巻線、および巻線後の安定化（熱サイクル処理を含む）を考慮する必要がある。