エアコアインダクタ設計の完全ガイド：計算から自作まで

電気回路において、インダクタは小さくても不可欠な部品です。インダクタは電流が流れるとエネルギーを蓄え、電流量が変化した際に蓄えたエネルギーを回路に放出して変化を抑制する役割を果たします。本記事では、インダクタの一種である「エアコアインダクタ（空芯コイル）」の設計について深く掘り下げます。

エアコアインダクタとは

エアコアインダクタとは、巻線の間に鉄心やフェライトなどの磁性体を持たず、空気（または絶縁体）を媒質とするインダクタです。

空気の電気伝導率は極めて低いため、エアコアインダクタのインダクタンスも低く、弱い磁界しか生成しません。しかし、この弱い磁界こそが高周波領域での飽和を防ぎ、信号損失を抑制しつつ、急峻な電流立ち上がりを実現します。そのため、100MHz以上の高周波では磁性体コアインダクタ（鉄心など）が飽和して損失が大きくなるのに対し、エアコアインダクタが好まれます。

電気回路内のエアコア

エアコアインダクタの設計：インダクタンス計算

エアコアインダクタは大きく分けて2種類あります。

1. 単層巻きエアコアインダクタ
2. 多層巻きエアコアインダクタ

名前の通り、単層は1層のみ、多層は複数層に巻かれた構造です。それぞれの計算式を見ていきましょう。

単層コイルインダクタ

単層コイルのインダクタンスを求める式として、以下の2つが一般的です。

式1

各記号の意味：

• L：コイルの長さ（mm）
• n：巻数（ターン数）
• D：コイルの直径（mm）

式2（Wheelerの近似式）

各記号の意味：

• N：巻数
• r：コイル半径（インチ）
• l：巻線長（インチ）
• L：インダクタンス（µH）

多層コイルインダクタ

多層コイルインダクタ（出典：Wikipedia）

多層コイルにはWheelerの式が用いられます。

各記号の意味：

• h：コイルの高さ（mm）
• n：巻数
• d：コイル直径（mm）または半径の半分

多層コイルは単層に比べてより大きな電流を扱えるとされています。また、エアコアコイルの磁束密度を計算することも可能です。

エアコアインダクタを自作しよう

特定仕様のエアコアインダクタ（アキシアル部品）が市販されていない、あるいはRF回路用として高価な場合、自分で作るのが賢明です。以下に、高Q（品質因数）なエアコアコイルを自作する手順を示します。

必要な材料

• コイルフォーム（巻き枠）
• スペーサーブロックと電気鋼板
• 皿頭ナイロンボルト
• 接着剤またはエポキシ樹脂
• ワイヤー（スペーサー線）
• 銅またはアルミニウム線（巻線材）

手順

1. コイルフォームの作成

• PVCパイプに幅9.5mmのスロットを切る。
• コイルフォーム（PVCパイプ）の両端に小さな穴を2つ開ける。
• より大きな磁界と電荷を得るには、より大きなコイルフォームを用意して巻線する。
• コイル中央のブロックを木槌とダウェルで叩き出す。

ダウェルと木槌

2. コイルを巻く

コイルフォームが円筒形なので、円筒コイルを巻きます。

円筒コイル

• スペーサーコードまたはコイル巻線用ワイヤーを使用する。
• 密な巻きにはナイロンモノフィラメント、疎な巻きにはスピーカーワイヤーが適している。
• ワイヤー長はコイル長とほぼ同じにする。
• コイル間隔はコイル直径の1.5倍以上空け、インダクタンスと効率のバランスを取る。
• きれいに巻くには、ワイヤーをバイスに通して張力を保つと良い。

コイル巻き作業（出典：Wikipedia）

• ブロックをコイルフォームに入れ、スペーサー線とコイル線を穴に通す。
• コイルフォームを水平に回転させて巻き始める。
• 以下のいずれかまで巻き続ける：
  • 単層コイルの場合：フォームが埋まるまで
  • 多層コイルの場合：必要なサイズまたは深さまで
• 目標巻き径を設定して方向性と性能を向上させる。

3. コイルリブの構築

• コイルを別々のストリップ上に配置する。
• 内側に型枠を置き、接着剤が他の部分に垂れないようにする。
• 内側に電気テープを挿入する。
• 作業スペースが狭い場合は、クラフトスティックをテープで覆って使用する。

4. 接着剤使用時の注意点

• 通常硬化型の接着剤を使う。
• 少量ずつ塗り、コイル線の間に浸透させる。
• フォームにエポキシが付かないよう注意する。

片面ずつ接着し、両面テープは避ける。

5. コイルフォームの取り外し

• 接着剤が十分硬化するまで（最低8時間）待ち、スペーサーブロックを取り出す。
• コイルフォームを通しているワイヤーをコイルのすぐ横で切断する。
• コイルが外れ、機械的に安定した完璧な円形コイルが得られる。

6. コイルの接続

• インダクタンスコイルにリード線を半田付けする前に、コイル表面の絶縁被膜を剥く。
• エアコアインダクタの両端をリード線で半田付けし、電気回路に接続する。

リード線の半田付け

7. コイルの取り付け

• ナイロンボルトの頭を切り落とし、コイル両端の1ターン分に差し込む。
• ナイロンポストを差し込んだ位置に固定し、円筒コイルに接着剤で補強する。

これでエアコアインダクタの完成です。

エアコアインダクタの用途

エアコアインダクタは幅広い用途で使用されます：

• ラジオ送信機およびテレビ受信機の回路

アナログ回路内のエアコアコイル

• スナバ回路
• ボトムピークインダクタンスの向上
• フィルタ回路

まとめ

基板上のエアコアインダクタ

あらゆるインダクタの中でも、エアコアインダクタがフェライトや鉄心コア品より優れている理由がお分かりいただけたかと思います。ご質問等ございましたら、お気軽にお問い合わせください。