JP4530140B2 - Soft magnetic material and antenna device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ＲＦＩＤタグ、非接触ＩＣカード等を用いた無線通信システムにおいて、金属等の良導体の影響を軽減するためにアンテナ背後に配置される軟磁性体及び該軟磁性体を用いたアンテナ装置に関する。 The present invention relates to a soft magnetic body disposed behind an antenna in order to reduce the influence of a good conductor such as metal in a wireless communication system using an RFID tag, a non-contact IC card, and the like, and an antenna device using the soft magnetic body About.
近年、ＲＦＩＤ技術を用いた無線通信システムが注目されている。この通信システムは一般に、各種データを記憶可能なデータキャリアと、このデータキャリアに対して非接触で情報の読み書き（リード／ライト）を行なうリーダライタとで構成される。データキャリアは、その形状や大きさ等に応じてＲＦＩＤタグ（無線ＩＣタグ）、非接触ＩＣカード等と呼ばれる（以下では、総称して非接触ＩＣカードと呼ぶ）。この非接触ＩＣカードに利用される無線周波数帯としては、１３５ｋＨｚ以下の帯域、１３.５６ＭＨｚ帯、及び２.４５ＧＨｚ帯等がある。この非接触ＩＣカードは、使用者にとって取り扱いが容易であること等から、最近では交通機関の自動改札機等、各種入退出管理に利用されている。またその他にも、電子マネーや物品管理等への応用も検討されている。 In recent years, wireless communication systems using RFID technology have attracted attention. This communication system is generally composed of a data carrier capable of storing various data and a reader / writer that reads and writes (reads / writes) information without contact with the data carrier. The data carrier is called an RFID tag (wireless IC tag), a non-contact IC card, or the like according to its shape, size, etc. (hereinafter collectively referred to as a non-contact IC card). Radio frequency bands used for this non-contact IC card include a band of 135 kHz or less, a 13.56 MHz band, a 2.45 GHz band, and the like. This non-contact IC card is used for various entry / exit managements such as an automatic ticket gate of a transportation facility because it is easy for a user to handle. In addition, applications to electronic money and article management are also being studied.
これら、非接触ＩＣカード、リーダライタは、一般にループ状のアンテナが内蔵されており、リーダライタのアンテナが発する電磁波を介して、電磁誘導により非接触ＩＣカードに電力が供給され、データのリード／ライトが行なわれる。 These non-contact IC cards and reader / writers generally have a built-in loop antenna, and electric power is supplied to the non-contact IC card by electromagnetic induction via electromagnetic waves generated by the reader / writer antenna, and data read / write is performed. Writing is performed.
これらアンテナの周囲が金属等良導体により構成されている場合（例えば、非接触ＩＣカードが金属製の物品に装着されている場合、リーダライタの回路基板がアンテナのすぐ近傍にある場合）、通信用電力の一部が良導体表面に発生する渦電流等の影響で損失するため、通信距離が短くなるという問題があった。 When these antennas are made of a good conductor such as metal (for example, when a non-contact IC card is attached to a metal article, the reader / writer circuit board is in the immediate vicinity of the antenna) Since a part of electric power is lost due to an eddy current generated on the surface of a good conductor, there is a problem that a communication distance is shortened.
この対策として、下記特許文献１では、数１００ｋＨｚ以下で通信が行なわれるシステムにおいて、比透磁率の高い軟磁性体を、リーダライタの背面に装着することで、リーダライタのアンテナ特性を改善することが提案されている。 As a countermeasure, in Patent Document 1 below, in a system in which communication is performed at several hundred kHz or less, a soft magnetic material having a high relative permeability is mounted on the back surface of the reader / writer to improve the antenna characteristics of the reader / writer. Has been proposed.
また、下記特許文献２では、非接触ＩＣカードにおいて、アンテナと物品との間に軟磁性部材を挿入することにより、非接触ＩＣカードのアンテナ特性を改善することが提案されている。 Patent Document 2 below proposes improving the antenna characteristics of a non-contact IC card by inserting a soft magnetic member between the antenna and the article in the non-contact IC card.
上記特許文献１の従来技術では、数１００ｋＨｚ以下の低周波帯域しか考慮しておらず、挿入する軟磁性体も実効比透磁率が１００以上のものとしている。これは、最近使用されているＭＨｚ帯の通信周波数、例えば１３.５６ＭＨｚ帯等の高周波に対応したものとはなっていない。さらに、後で詳細に述べるが、本発明者等の研究の成果により、アンテナ特性は、比透磁率の実部の上昇に伴い対数的に上昇していくこと、並びに、挿入する軟磁性体は比透磁率の実部だけでなく、虚部にも大きく依存することが分かった。これにより、挿入する軟磁性体に用いる軟磁性材料は複素比透磁率の実部、虚部両方の関係が重要であることが分かった。特に、実際の使用を考えると、挿入する軟磁性体は取り扱いの容易さから、樹脂に軟磁性材料の粉末、フレーク等を混合、分散した複合磁性体が使用される場合が多い。複合磁性体を使用した場合、特許文献１に記載の数１００ｋＨｚ以下の通信では複素比透磁率の虚部は問題を生じないが、１３.５６ＭＨｚ帯の通信で使用しようとした場合、複合磁性体はＭＨｚ帯で透磁率の虚部が大きくなるため、考慮が必要である。 In the prior art of Patent Document 1, only a low frequency band of several hundred kHz or less is considered, and the soft magnetic material to be inserted has an effective relative permeability of 100 or more. This does not correspond to a communication frequency in the MHz band currently used, for example, a high frequency such as the 13.56 MHz band. Furthermore, as will be described in detail later, due to the results of research by the present inventors, the antenna characteristics increase logarithmically as the real part of the relative permeability increases, and the soft magnetic material to be inserted is It turned out that it depends not only on the real part of the relative permeability but also on the imaginary part. As a result, it was found that the relationship between both the real part and the imaginary part of the complex relative permeability is important for the soft magnetic material used for the soft magnetic material to be inserted. In particular, considering the actual use, a soft magnetic material to be inserted is often a composite magnetic material in which a soft magnetic material powder, flakes, and the like are mixed and dispersed in a resin because of easy handling. When a composite magnetic body is used, the imaginary part of the complex relative permeability does not cause a problem in communication of several hundreds of kHz or less described in Patent Document 1, but when trying to use the communication in the 13.56 MHz band, the composite magnetic body Since the imaginary part of the permeability becomes large in the MHz band, it needs to be considered.
また、特許文献２の従来技術では、透磁率と厚さの積が大きいのが好ましいと記載されているが、特許文献１と同様に、透磁率の虚部に関する記載が無いため、非接触ＩＣカードに使用される軟磁性部材の選択法の指針を正しく表現していない。 Further, in the prior art of Patent Document 2, it is described that it is preferable that the product of the magnetic permeability and the thickness is large. However, similarly to Patent Document 1, there is no description regarding the imaginary part of the magnetic permeability. The guideline for selecting the soft magnetic member used in the card is not correctly expressed.
本発明は、上記の点に鑑み、非接触ＩＣカード、リーダライタ等を用いた無線通信システムにおいて、アンテナ背後に配置されることで金属等の良導体による影響を軽減してアンテナ特性の向上、ひいては通信距離の向上を図ることのできるアンテナ装置用軟磁性体を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention is arranged in a wireless communication system using a non-contact IC card, a reader / writer, etc., so that the influence of a good conductor such as metal is reduced by being arranged behind the antenna, thereby improving antenna characteristics. An object of the present invention is to provide a soft magnetic body for an antenna device capable of improving the communication distance.
また、本発明は、非接触ＩＣカード、リーダライタ等を用いた無線通信システムにおいて、アンテナ背後に前記軟磁性体を配置することで金属等の良導体による影響を軽減し、アンテナ特性の向上、ひいては通信距離の向上が可能なアンテナ装置を提供することをもう１つの目的とする。 Further, the present invention provides a wireless communication system using a non-contact IC card, a reader / writer, etc., which reduces the influence of a good conductor such as metal by arranging the soft magnetic material behind the antenna, thereby improving the antenna characteristics, Another object is to provide an antenna device capable of improving the communication distance.
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。 Other objects and novel features of the present invention will be clarified in embodiments described later.
上記目的を達成するために、本発明に係るアンテナ装置用軟磁性体は、通信対象側に電磁波を放射するか又は通信対象側からの電磁波を受信するアンテナの背後に配置されるものであって、
ＭＨｚ帯の通信周波数における複素比透磁率と厚さの関数ｆを下記式（１）で表したとき、
When the function f of the complex relative permeability and thickness at the communication frequency in the MHz band is expressed by the following formula (1),
また、前記アンテナ装置用軟磁性体において、前記関数ｆの値を３１６以上に設定することがいっそう好ましい。 In the soft magnetic body for an antenna device, it is more preferable to set the value of the function f to 316 or more.
また、前記アンテナ装置用軟磁性体において、前記通信周波数における複素比透磁率の実部は３００以下でもよい。 In the antenna device soft magnetic body, the real part of the complex relative permeability at the communication frequency may be 300 or less.
また、前記アンテナ装置用軟磁性体において、軟磁性体の厚さは０.５ｍｍ以下で、前記関数ｆの条件を満たすのがいっそう好ましい。 In the soft magnetic body for an antenna device, it is more preferable that the thickness of the soft magnetic body is 0.5 mm or less and the condition of the function f is satisfied.
前記アンテナがループ状である場合、前記アンテナ装置用軟磁性体は前記アンテナの内周部に対応した穴を設けて中空形状としてもよい。 When the antenna has a loop shape, the soft magnetic body for the antenna device may have a hollow shape by providing a hole corresponding to the inner peripheral portion of the antenna.
前記アンテナ装置用軟磁性体は、アモルファス合金、パーマロイ、電磁鋼、ケイ素鋼、センダスト合金、Ｆｅ−Ａｌ合金又は軟磁性フェライトのいずれかの軟磁性材料を含むことができる。 The soft magnetic body for the antenna device may include any soft magnetic material of amorphous alloy, permalloy, electromagnetic steel, silicon steel, Sendust alloy, Fe—Al alloy, or soft magnetic ferrite.
前記アンテナ装置用軟磁性体が、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークと結合材との複合材であってもよいし、あるいは、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークを含む塗料の塗膜であってもよい。さらに、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークの圧粉体であってもよい。 The soft magnetic body for the antenna device may be a composite material of a soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake and a binder, or a soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake. It may be a coating film of the paint to be included. Further, it may be a soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake green compact.
本発明に係るアンテナ装置は、通信対象側に電磁波を放射するアンテナと、該アンテナを制御する回路基板とを少なくとも有するものにおいて、
前記アンテナ装置用軟磁性体が、電磁波の放射方向の反対側における前記アンテナと回路基板との間に配置されていることを特徴としている。
The antenna device according to the present invention includes at least an antenna that radiates electromagnetic waves to a communication target side and a circuit board that controls the antenna.
The antenna device soft magnetic material is arranged between the antenna and the circuit board on the opposite side of the electromagnetic wave radiation direction.
また、本発明に係るもう１つのアンテナ装置は、固有の情報が記憶されるＩＣチップと、該ＩＣチップと電気的に接続されたアンテナとを少なくとも有するものにおいて、
前記アンテナ装置用軟磁性体が、電磁波の放射方向の反対側における前記アンテナと前記ＩＣチップが取り付けられる物品との間に配置されていることを特徴としている。
In addition, another antenna device according to the present invention includes at least an IC chip storing unique information and an antenna electrically connected to the IC chip.
The antenna device soft magnetic material is arranged between the antenna on the opposite side of the electromagnetic wave radiation direction and an article to which the IC chip is attached.
前記アンテナ装置において、前記アンテナが前記軟磁性体の表面に直接形成されていてもよいし、又は前記アンテナと前記軟磁性体が互いに接することなく間隔を空けて配置されていてもよい。 In the antenna device, the antenna may be formed directly on the surface of the soft magnetic material, or the antenna and the soft magnetic material may be arranged at intervals without contacting each other.
前記軟磁性体が装着された状態で所定の周波数特性値を得るように、前記アンテナのパターン及びコンデンサが設定されているとよい。 The antenna pattern and the capacitor may be set so as to obtain a predetermined frequency characteristic value with the soft magnetic body mounted.
また、前記アンテナ装置が回路基板を有する場合、前記軟磁性体と前記回路基板が配置された状態で所定の周波数特性値を得るように、前記アンテナのパターン及びコンデンサが設定されているとよい。 When the antenna device includes a circuit board, the antenna pattern and the capacitor may be set so as to obtain a predetermined frequency characteristic value in a state where the soft magnetic body and the circuit board are arranged.
また、前記アンテナ装置が物品に取り付けるべきＩＣチップを有する場合、前記軟磁性体及び前記ＩＣチップが物品に取り付けられた状態で所定の周波数特性値を得るように、前記アンテナのパターン及びコンデンサが設定されているとよい。 Further, when the antenna device has an IC chip to be attached to an article, the antenna pattern and the capacitor are set so as to obtain a predetermined frequency characteristic value in a state where the soft magnetic body and the IC chip are attached to the article. It is good to be.
前記軟磁性体の前記アンテナ側の反対側の面に、さらに良導体が配置され、前記軟磁性体及び前記良導体が配置された状態で所定の周波数特性値を得るように、前記アンテナのパターン及びコンデンサが設定されていてもよい。 The antenna pattern and the capacitor are arranged so that a good conductor is further disposed on the surface of the soft magnetic body opposite to the antenna side, and a predetermined frequency characteristic value is obtained in a state where the soft magnetic body and the good conductor are disposed. May be set.
前記良導体の前記軟磁性体側の反対側の面に、さらに絶縁層が配置されていてもよい。 An insulating layer may be further disposed on the surface of the good conductor opposite to the soft magnetic material.
本発明に係るアンテナ装置用軟磁性体によれば、ＭＨｚ帯（とくに数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ）での通信周波数における複素比透磁率と厚さの関数ｆを前述した式（１）で表したとき、前記関数ｆの値が２００以上であるため、通信対象側に電磁波を放射するか又は通信対象側からの電磁波を受信するアンテナの背後（通信対象側の反対側）に当該アンテナ装置用軟磁性体が配置されたときに、金属等の良導体による影響を軽減できる。つまり、良導体に発生する渦電流損失を減じ、アンテナ特性の向上、通信距離の向上が可能となる。 According to the soft magnetic body for an antenna device according to the present invention, when the complex relative permeability and the function f of the thickness at the communication frequency in the MHz band (particularly several MHz to several tens of MHz) are expressed by the above-described formula (1). Since the value of the function f is 200 or more, the soft magnetic material for the antenna device is behind the antenna that radiates electromagnetic waves to the communication target side or receives electromagnetic waves from the communication target side (opposite side of the communication target side). When the body is placed, the influence of a good conductor such as metal can be reduced. That is, it is possible to reduce eddy current loss generated in a good conductor and improve antenna characteristics and communication distance.
また、本発明に係るアンテナ装置によれば、ＭＨｚ帯（とくに数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ）での通信周波数における複素比透磁率と厚さの関数ｆを前述した式（１）で表したとき、前記関数ｆの値が２００以上である前記軟磁性体をアンテナの背後（通信対象側の反対側）に配置したので、金属等の良導体による影響を軽減でき、つまり、良導体に発生する渦電流損失を減じることが可能である。この結果、アンテナ特性の向上、通信距離の向上が可能となり、従来よりも優れた通信環境を実現できる。 Further, according to the antenna device according to the present invention, when the function f of the complex relative permeability and the thickness at the communication frequency in the MHz band (especially several MHz to several tens of MHz) is expressed by the above-described formula (1), Since the soft magnetic material having a function f value of 200 or more is arranged behind the antenna (opposite the communication target side), the influence of a good conductor such as metal can be reduced, that is, eddy current loss generated in the good conductor can be reduced. It is possible to reduce. As a result, the antenna characteristics can be improved and the communication distance can be improved, and a communication environment superior to the conventional one can be realized.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、軟磁性体及びそれを用いたアンテナ装置の実施の形態を図面に従って説明する。 Hereinafter, as the best mode for carrying out the present invention, embodiments of a soft magnetic material and an antenna device using the same will be described with reference to the drawings.
図１は本発明の実施の形態１であって、リーダライタ１を構成する場合であり、アンテナ装置は、アンテナ基板５、回路基板１０、及び軟磁性体２０を有している。 FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, which is a case where a reader / writer 1 is configured. The antenna device includes an antenna substrate 5, a circuit substrate 10, and a soft magnetic body 20.
アンテナ基板５は絶縁基板にループ状アンテナとなる良導体パターンを形成したものであり、ループ状アンテナは通信対象側（非接触ＩＣカード）に電磁波を放射し、また通信対象側からの電磁波を受信する機能を有する。 The antenna substrate 5 is formed by forming a good conductor pattern to be a loop antenna on an insulating substrate. The loop antenna radiates electromagnetic waves to the communication target side (non-contact IC card) and receives electromagnetic waves from the communication target side. It has a function.
回路基板１０はアンテナ基板５に設けられたアンテナを制御するものであり、アンテナに高周波送信信号を送出する送信機及びアンテナで受信された高周波受信信号を受ける受信機を有する。この回路基板１０は大部分が金属であると考えることができ、アンテナ基板５の背後、つまり電磁波放射方向の反対側（通信対象側の反対側）に配置されている。 The circuit board 10 controls an antenna provided on the antenna board 5, and includes a transmitter that transmits a high-frequency transmission signal to the antenna and a receiver that receives a high-frequency reception signal received by the antenna. The circuit board 10 can be considered to be mostly metal, and is arranged behind the antenna board 5, that is, on the side opposite to the electromagnetic wave radiation direction (the side opposite to the communication target side).
アンテナ装置用軟磁性体２０は一様な厚みの薄板状であり、アンテナ基板５の電磁波放射方向の反対側において、アンテナ基板５と回路基板１０の間に挿入、配置されている。ここで、通信対象との間の通信周波数がＭＨｚ帯、とくに１３.５６ＭＨｚを含む数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚである場合、軟磁性体２０の複素比透磁率の実部のみならず虚部の値にも考慮を払わなければならない。 The antenna device soft magnetic body 20 is a thin plate having a uniform thickness, and is inserted and disposed between the antenna substrate 5 and the circuit substrate 10 on the opposite side of the antenna substrate 5 in the electromagnetic wave radiation direction. Here, when the communication frequency with the communication target is in the MHz band, particularly several MHz to several tens of MHz including 13.56 MHz, not only the real part of the complex relative permeability of the soft magnetic body 20 but also the value of the imaginary part. Even consideration must be paid.
本発明者等は、アンテナ装置に挿入されるアンテナ装置用軟磁性体の効果について、シミュレーションにより検討を行なっており、その結果を以下に詳述する。 The present inventors have studied the effect of the soft magnetic body for an antenna device inserted into the antenna device by simulation, and the results will be described in detail below.
図１中に記入した寸法、形状のアンテナ装置をシミュレーションモデル（解析モデル）とした。すなわち、
解析空間：２８０ｍｍ×２６０ｍｍ×２００ｍｍ
入力電力：１Ｗ
アンテナ基板：長辺５５ｍｍ×短辺３３ｍｍ×厚さ０.５ｍｍ
軟磁性体：長辺５５ｍｍ×短辺３３ｍｍ×厚さ０.２５ｍｍ〜１ｍｍ
回路基板：長辺８０ｍｍ×短辺５５ｍｍ×厚さ１ｍｍ
このシミュレーションモデルは１３.５６ＭＨｚで通信を行なう場合のアンテナ装置を想定しており、アンテナ基板５、回路基板１０のサイズ、構成は一般的なリーダライタの形状を使用している。また、本シミュレーションモデルにおいて、アンテナ装置は、背面に軟磁性体２０及び回路基板１０が配置されている状態において最適な周波数特性となるように（１３.５６ＭＨｚで最適な通信ができるように）、ループアンテナのコイルパターン（巻き数、コイル径等）及びこれと共振回路を構成するコンデンサ（アンテナ基板又は回路基板に設けられる）を調整（設定）してある。以下のアンテナ装置の特性比較に関しては、アンテナ装置中心から電磁波の放射方向１００ｍｍ上空の磁界強度で比較を行なっている。
The antenna device having the dimensions and shape entered in FIG. 1 was used as a simulation model (analysis model). That is,
Analysis space: 280mm x 260mm x 200mm
Input power: 1W
Antenna substrate: long side 55mm x short side 33mm x thickness 0.5mm
Soft magnetic material: long side 55 mm × short side 33 mm × thickness 0.25 mm to 1 mm
Circuit board: Long side 80mm x Short side 55mm x Thickness 1mm
This simulation model assumes an antenna device for communication at 13.56 MHz, and the size and configuration of the antenna substrate 5 and the circuit substrate 10 use the shape of a general reader / writer. In this simulation model, the antenna device has an optimal frequency characteristic in a state where the soft magnetic body 20 and the circuit board 10 are arranged on the back surface (so that optimal communication can be performed at 13.56 MHz). The coil pattern (number of turns, coil diameter, etc.) of the loop antenna and the capacitor (provided on the antenna substrate or the circuit substrate) constituting the resonance circuit are adjusted (set). Regarding the comparison of the characteristics of the antenna device below, the comparison is made with the magnetic field intensity above 100 mm from the center of the antenna device in the electromagnetic wave radiation direction.
(a) 軟磁性体における複素比透磁率の実部についての解析結果
前記軟磁性体２０の厚さを０.５ｍｍ、その複素比透磁率の虚部を０とし、実部を１〜５００まで変化させた場合の、アンテナ装置から１００ｍｍ上空での磁界強度の変化を図２に示す。図２より、軟磁性体の複素比透磁率の実部が増えるに伴い、アンテナ装置の特性は上がり、その特性の上がり方は対数的であることが確認できる。これより、ある程度以上は透磁率を増加させても効果の上昇は低いことが確認された。使用する磁性体の価格等を考えた場合、複素比透磁率の実部としては、３００以下までのもので十分と言える。
(a) Analysis result of real part of complex relative permeability in soft magnetic body The thickness of the soft magnetic body 20 is 0.5 mm, the imaginary part of the complex relative permeability is 0, and the real part is 1 to 500 FIG. 2 shows a change in magnetic field intensity in the sky 100 mm above the antenna device when changed. From FIG. 2, it can be confirmed that as the real part of the complex relative permeability of the soft magnetic material increases, the characteristics of the antenna device increase, and the increase in the characteristics is logarithmic. From this, it was confirmed that even if the magnetic permeability was increased to some extent, the increase in the effect was low. In consideration of the price of the magnetic material to be used, it can be said that the real part of the complex relative permeability is up to 300 or less.
(b) 軟磁性体の厚さと複素比透磁率の虚部についての解析結果
前記軟磁性体２０の厚さｔを０.２５ｍｍ、０.５ｍｍ、１ｍｍとし、その複素比透磁率の実部（μｒ’）を２０、４０、６０とした場合における、虚部を変化させた場合の磁界強度を図３に示す。ここで、図３の横軸はtanδ（虚部／実部）で示している。図３より、虚部が０の場合、アンテナ装置は、軟磁性体の実部と厚さの積に比例して特性が上がることが確認された。しかし、軟磁性体における複素比透磁率の虚部の増加に対する特性の落ち込み具合は、軟磁性体が厚い程、実部が小さい程顕著に表れることが確認された。すなわち、軟磁性体を効率的に使用するためには、複素比透磁率の実部、虚部、厚さのバランスを考えることが必要であるといえる。
(b) Analysis results on the imaginary part of the thickness of the soft magnetic body and the complex relative permeability The thickness t of the soft magnetic body 20 is set to 0.25 mm, 0.5 mm, and 1 mm, and the real part of the complex relative permeability ( FIG. 3 shows the magnetic field strength when the imaginary part is changed when μr ′) is 20, 40, and 60. Here, the horizontal axis of FIG. 3 indicates tan δ (imaginary part / real part). From FIG. 3, it was confirmed that when the imaginary part is 0, the characteristics of the antenna device increase in proportion to the product of the real part and the thickness of the soft magnetic material. However, it was confirmed that the drop in the characteristics of the soft magnetic material with respect to the increase in the imaginary part of the complex relative permeability appears more markedly as the soft magnetic material is thicker and the real part is smaller. That is, it can be said that it is necessary to consider the balance of the real part, the imaginary part, and the thickness of the complex relative permeability in order to use the soft magnetic material efficiently.
(c) アンテナ装置の特性を分かりやすくするため、アンテナ装置上空１００ｍｍでの磁界強度を、背面に前記軟磁性体２０が無い状態での磁界強度に対する比（以下磁界強度比［％］）で表したところ、上記関係から、軟磁性体の厚さ、複素透磁率の実部と虚部に対する磁界強度比ｆの関係を近似式で表すと下記式（１）のようになることが確認された。
この式（１）を用いて、複素透磁率の実部を縦軸に、tanδを横軸にとった磁界強度比ｆの分布図を軟磁性体の厚さ毎に図４〜図６に示す。図４は軟磁性体の厚さｔ＝０.２５ｍｍ、図５は厚さｔ＝０.５ｍｍ、図６は厚さｔ＝１.０ｍｍの場合をそれぞれ示す。 Using this equation (1), distribution diagrams of the magnetic field strength ratio f with the real part of the complex permeability on the vertical axis and tan δ on the horizontal axis are shown for each thickness of the soft magnetic material in FIGS. . FIG. 4 shows the case where the thickness t of the soft magnetic material t = 0.25 mm, FIG. 5 shows the case where the thickness t = 0.5 mm, and FIG. 6 shows the case where the thickness t = 1.0 mm.
実際の使用を考えた場合、１００ｍｍ上空における磁界強度比が高ければ高い程良いが、実用上２００％以上（軟磁性体無しに比べ６ｄＢ増加）あると軟磁性体装着によるメリットがあると言える。また、３１６％以上（軟磁性体無しに比べ１０ｄＢ増加）であればさらに良好な通信が可能となるため、より実用的である。すなわち、式（１）より導かれる値ｆが２００以上になる複素透磁率の実部、虚部、厚さを有した軟磁性体を使用することが望ましく、さらに式（１）の値ｆが３１６以上になるように設定することがいっそう望ましいことが判る。 In consideration of actual use, the higher the magnetic field strength ratio in the sky above 100 mm, the better. However, if it is practically 200% or more (an increase of 6 dB compared to the case without a soft magnetic material), it can be said that there is a merit by mounting a soft magnetic material. Further, if it is 316% or more (increase by 10 dB as compared with the case without soft magnetic material), better communication is possible, so that it is more practical. That is, it is desirable to use a soft magnetic material having a real part, an imaginary part, and a thickness of a complex magnetic permeability where the value f derived from the expression (1) is 200 or more, and the value f of the expression (1) is It can be seen that it is more desirable to set the value to be 316 or higher.
また、実際の使用を考えた場合、アンテナ装置の薄型化の観点から、軟磁性体の厚さは０.５ｍｍ以下で、上記関数ｆの値が上記条件を満たすのがいっそう望ましい。 In consideration of actual use, it is more desirable that the thickness of the soft magnetic material is 0.5 mm or less and the value of the function f satisfies the above condition from the viewpoint of reducing the thickness of the antenna device.
この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。 According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
（１） 通信対象（例えば、非接触ＩＣカード）側に電磁波を放射し、また通信対象側からの電磁波を受信するアンテナを形成したアンテナ基板５と、そのアンテナを制御する回路基板１０との間に、通信周波数帯（ＭＨｚ帯、とくに１３.５６ＭＨｚを含む数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ）において上記式（１）の磁界強度比ｆの値が２００以上となる軟磁性体２０が配置されているため、金属面を含む回路基板１０に電磁波の放射に伴って渦電流等が発生する現象を軽減することが可能である。このため、通信用電力の損失を減じて、アンテナ感度及び通信距離の向上を図ることができる。 (1) Between an antenna substrate 5 on which an antenna that radiates electromagnetic waves to a communication target (for example, a non-contact IC card) side and receives electromagnetic waves from the communication target side, and a circuit board 10 that controls the antenna In addition, since the soft magnetic body 20 in which the value of the magnetic field strength ratio f of the above formula (1) is 200 or more in the communication frequency band (MHz band, particularly several MHz to several tens of MHz including 13.56 MHz) is arranged, It is possible to reduce the phenomenon that an eddy current or the like is generated in the circuit board 10 including the metal surface due to the emission of electromagnetic waves. For this reason, loss of communication power can be reduced, and antenna sensitivity and communication distance can be improved.
（２） 上記式（１）の磁界強度比ｆの値を３１６以上に設定できれば、よりいっそうのアンテナ感度及び通信距離の向上を図ることができる。 (2) If the value of the magnetic field strength ratio f in the above formula (1) can be set to 316 or more, the antenna sensitivity and communication distance can be further improved.
（３） 前記軟磁性体２０は、上記式（１）の磁界強度比ｆの値が２００以上（より好ましくは３１６以上）を満足させることができれば、使用する軟磁性材料に制約はなく、例えば、アモルファス合金、パーマロイ、電磁鋼、ケイ素鋼、センダスト合金、Ｆｅ−Ａｌ合金又は軟磁性フェライトの軟磁性材料自体で形成されているものや、それらの軟磁性材料を含んだ複合磁性体であってもよい。複合磁性体の例としては、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークと結合材（プラスチック又はゴム）との複合材や、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークを含む塗料の塗膜で構成する場合が挙げられる。さらに、軟磁性金属又は軟磁性フェライトの粉体若しくはフレークの圧粉体を前記軟磁性体２０として用いることもできる。 (3) If the value of the magnetic field strength ratio f of the above formula (1) satisfies 200 or more (more preferably 316 or more), the soft magnetic material 20 is not limited in the soft magnetic material used. , Amorphous alloy, permalloy, electromagnetic steel, silicon steel, sendust alloy, Fe-Al alloy or soft magnetic ferrite soft magnetic material itself, or a composite magnetic body containing those soft magnetic materials Also good. Examples of the composite magnetic material include a composite material of soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake and a binder (plastic or rubber), or a paint containing soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake. The case where it comprises with a coating film is mentioned. Further, a soft magnetic metal or soft magnetic ferrite powder or flake green compact may be used as the soft magnetic body 20.
図７は本発明の実施の形態２であって、非接触ＩＣカード２を構成する場合であり、アンテナ装置は、アンテナ基板５、ＩＣチップ３０、及び軟磁性体２０を有している。そして、アンテナ装置は識別すべき物品４０に装着される。 FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention, which is a case where a non-contact IC card 2 is configured. The antenna apparatus includes an antenna substrate 5, an IC chip 30, and a soft magnetic body 20. The antenna device is attached to the article 40 to be identified.
アンテナ基板５は絶縁基板にループ状アンテナとなる良導体パターンを形成したものであり、ループ状アンテナは通信対象側（リーダライタ）からの電磁波を受信し、また通信対象側に電磁波を放射する機能を有する。 The antenna substrate 5 is formed by forming a good conductor pattern to be a loop antenna on an insulating substrate, and the loop antenna has a function of receiving electromagnetic waves from the communication target side (reader / writer) and emitting electromagnetic waves to the communication target side. Have.
ＩＣチップ３０はアンテナ装置が取り付けられる物品４０毎に固有の情報が記憶されるものであり、ＩＣチップ３０と前記アンテナとは電気的に接続されている。 The IC chip 30 stores unique information for each article 40 to which the antenna device is attached, and the IC chip 30 and the antenna are electrically connected.
なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
この実施の形態２の非接触ＩＣカード２を構成した場合にも、アンテナ基板５の電磁波放射方向の反対側において、アンテナ基板５と物品４０の間に挿入、配置する軟磁性体２０として、上記式（１）の磁界強度比ｆの値が２００以上（より好ましくは３１６以上）となるものを用いることで、前述の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。つまり、物品４０が金属等の良導体である場合であっても、前記軟磁性体２０がアンテナ基板５と物品４０間に介在することになり、良導体である物品４０に電磁波の放射に伴って渦電流等が発生する現象を軽減することが可能であり、アンテナ感度及び通信距離の向上を図ることができる。 Even when the non-contact IC card 2 according to the second embodiment is configured, the soft magnetic body 20 that is inserted and arranged between the antenna substrate 5 and the article 40 on the opposite side of the antenna substrate 5 in the electromagnetic wave radiation direction is described above. The same effect as that of the first embodiment described above can be obtained by using a magnetic field intensity ratio f of formula (1) that is 200 or more (more preferably 316 or more). That is, even when the article 40 is a good conductor such as a metal, the soft magnetic body 20 is interposed between the antenna substrate 5 and the article 40, and a vortex is generated in the article 40 that is a good conductor as electromagnetic waves are emitted. It is possible to reduce a phenomenon in which current or the like is generated, and it is possible to improve antenna sensitivity and communication distance.
前記物品４０が絶縁体であれば、アンテナ基板５に設けられたループ状アンテナとコンデンサとからなる共振回路の周波数特性に物品４０の有無が影響を及ぼすことが少ないから、軟磁性体２０が装着された状態で所定の周波数特性値を得るように（具体的にはループ状アンテナとコンデンサとからなる共振回路の共振周波数がリーダライタ側の送信周波数に一致するように）、前記アンテナのコイルパターン（巻き数、コイル径等）及びコンデンサを調整（設定）すればよい。 If the article 40 is an insulator, since the presence or absence of the article 40 hardly affects the frequency characteristics of the resonance circuit composed of the loop antenna and the capacitor provided on the antenna substrate 5, the soft magnetic body 20 is attached. The coil pattern of the antenna is obtained so that a predetermined frequency characteristic value is obtained in a state in which the resonance is performed (specifically, the resonance frequency of the resonance circuit including the loop antenna and the capacitor matches the transmission frequency on the reader / writer side). (The number of turns, coil diameter, etc.) and the capacitor may be adjusted (set).
また、前記物品４０が金属等の良導体であれば、アンテナ基板５に設けられたループ状アンテナとコンデンサとからなる共振回路の周波数特性に物品４０の有無が影響を及ぼすことがあるから、非接触ＩＣカード２が物品４０に装着された状態、つまり軟磁性体２０及びＩＣチップ３０が物品４０に取り付けられた状態で所定の周波数特性値を得るように（具体的にはループ状アンテナとコンデンサとからなる共振回路の共振周波数がリーダライタ側の送信周波数に一致するように）、前記アンテナのコイルパターン及びコンデンサを設定すればよい。 Further, if the article 40 is a good conductor such as a metal, the presence or absence of the article 40 may affect the frequency characteristics of the resonance circuit composed of the loop antenna and the capacitor provided on the antenna substrate 5, so that it is non-contact. In order to obtain a predetermined frequency characteristic value in a state where the IC card 2 is mounted on the article 40, that is, in a state where the soft magnetic body 20 and the IC chip 30 are attached to the article 40 (specifically, a loop antenna and a capacitor) The coil pattern and the capacitor of the antenna may be set so that the resonance frequency of the resonance circuit consisting of (1) matches the transmission frequency on the reader / writer side.
図８は本発明の実施の形態３であって、リーダライタや非接触ＩＣカードのアンテナ装置において、ループ状アンテナ５ａのコイルパターンが設けられたアンテナ基板５の電磁波放射方向の反対側に、ループ状アンテナ５ａの内周部に対応した穴２１を設けて中空形状とした軟磁性体２０を配置している。 FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. In the antenna device of a reader / writer or a non-contact IC card, a loop is formed on the side opposite to the electromagnetic wave radiation direction of the antenna substrate 5 provided with the coil pattern of the loop antenna 5a. A soft magnetic body 20 having a hollow shape is provided by providing a hole 21 corresponding to the inner peripheral portion of the antenna 5a.
なお、その他の構成は前述した実施の形態１又は２と同様であり、回路基板又はＩＣチップの図示は省略してある。 Other configurations are the same as those of the first or second embodiment described above, and a circuit board or an IC chip is not shown.
この実施の形態３の場合、ループ状アンテナ５ａのコイルパターンの幅よりも軟磁性体２０の幅を広くすることで、前述した式（１）が適用できる。そして、前述した実施の形態１又は２の作用効果に加えて、軟磁性体２０が中空形状であるため、材料費の削減及び軽量化を図ることができる。 In the case of the third embodiment, the above-described formula (1) can be applied by making the width of the soft magnetic body 20 wider than the width of the coil pattern of the loop antenna 5a. And in addition to the effect of Embodiment 1 or 2 mentioned above, since the soft-magnetic body 20 is a hollow shape, reduction of material cost and weight reduction can be achieved.
図９は本発明の実施の形態４であって、リーダライタや非接触ＩＣカードのアンテナ装置において、アンテナが設けられたアンテナ基板５の電磁波放射方向の反対側に、軟磁性体２０を配置し、さらにその背後に金属等の良導体５０を配置した構成である。 FIG. 9 shows a fourth embodiment of the present invention. In an antenna device of a reader / writer or a non-contact IC card, a soft magnetic body 20 is arranged on the side opposite to the electromagnetic wave radiation direction of an antenna substrate 5 provided with an antenna. In addition, a good conductor 50 such as a metal is disposed behind it.
なお、その他の構成は前述した実施の形態１又は２と同様であり、回路基板又はＩＣチップの図示は省略してある。 Other configurations are the same as those of the first or second embodiment described above, and a circuit board or an IC chip is not shown.
この実施の形態４の場合、リーダライタの回路基板や、ＩＣチップを装着すべき物品が良導体であっても、軟磁性体２０のアンテナ側の反対側の面に予め良導体５０を設けておくことで、回路基板や物品の影響を殆どなくすことができる。従って、アンテナ基板５、軟磁性体２０、及び良導体５０が配置された状態で所定の周波数特性値を得るように（具体的にはループ状アンテナとコンデンサとからなる共振回路の共振周波数が通信対象側の送信周波数に一致するように）、前記アンテナのコイルパターン及びコンデンサを設定すればよい。 In the case of the fourth embodiment, even if the circuit board of the reader / writer or the article to which the IC chip is to be mounted is a good conductor, the good conductor 50 is provided in advance on the surface opposite to the antenna side of the soft magnetic body 20. Thus, the influence of the circuit board and the article can be almost eliminated. Accordingly, a predetermined frequency characteristic value is obtained in a state where the antenna substrate 5, the soft magnetic body 20, and the good conductor 50 are arranged (specifically, the resonance frequency of the resonance circuit including the loop antenna and the capacitor is the object of communication). The coil pattern and the capacitor of the antenna may be set so as to match the transmission frequency on the side.
図１０は本発明の実施の形態５であって、リーダライタや非接触ＩＣカードのアンテナ装置において、アンテナが設けられたアンテナ基板５の電磁波放射方向の反対側に、軟磁性体２０を配置し、さらにその背後に金属等の良導体５０を配置し、また、良導体５０の表面（軟磁性体側の反対側）に絶縁層５１が設けられている。 FIG. 10 shows a fifth embodiment of the present invention. In an antenna device of a reader / writer or a non-contact IC card, a soft magnetic body 20 is arranged on the opposite side of the electromagnetic wave radiation direction of the antenna substrate 5 provided with the antenna. Further, a good conductor 50 such as a metal is disposed behind it, and an insulating layer 51 is provided on the surface of the good conductor 50 (on the side opposite to the soft magnetic material side).
なお、その他の構成は前述した実施の形態１又は２と同様であり、回路基板又はＩＣチップの図示は省略してある。 Other configurations are the same as those of the first or second embodiment described above, and a circuit board or an IC chip is not shown.
この実施の形態５の場合、前述の実施の形態４の作用効果に加えて、良導体５０の表面を絶縁層５１で覆うことにより、良導体５０が直接回路基板や物品に接触して短絡状態となること等を防止することができる。 In the case of the fifth embodiment, in addition to the operational effects of the fourth embodiment, the surface of the good conductor 50 is covered with the insulating layer 51, so that the good conductor 50 directly contacts the circuit board or the article and is short-circuited. This can be prevented.
上記各実施の形態では、アンテナ基板５にループ状アンテナが設けられていて、アンテナと軟磁性体２０とが互いに接することなく、所定間隔を設けてある場合を例示したが、軟磁性体２０が複合磁性体であって表面の絶縁性が比較的高い場合には、アンテナ基板を省略して軟磁性体２０の表面に直接アンテナとなるコイルパターンを形成してもよい。 In each of the embodiments described above, the antenna substrate 5 is provided with the loop antenna, and the antenna and the soft magnetic body 20 are not in contact with each other, and the predetermined interval is provided. When the surface of the composite magnetic body is relatively high, the antenna substrate may be omitted and a coil pattern serving as an antenna may be formed directly on the surface of the soft magnetic body 20.
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it will be obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
１ リーダライタ
２ 非接触ＩＣカード
５ アンテナ基板
５ａ ループ状アンテナ
１０ 回路基板
２０ 軟磁性体
２１ 穴
３０ ＩＣチップ
４０ 物品
５０ 良導体
５１ 絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reader / writer 2 Non-contact IC card 5 Antenna board 5a Loop antenna 10 Circuit board 20 Soft magnetic material 21 Hole
30 IC chip 40 Article 50 Good conductor 51 Insulating layer
Claims (18)
ＭＨｚ帯の通信周波数における複素比透磁率と厚さの関数ｆを下記式（１）で表したとき、
When the function f of the complex relative permeability and thickness at the communication frequency in the MHz band is expressed by the following formula (1),
請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載の軟磁性体が、電磁波の放射方向の反対側における前記アンテナと回路基板との間に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。 In an antenna device having at least an antenna that radiates electromagnetic waves to a communication target side and a circuit board that controls the antenna,
10. The soft magnetic material according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or 9, wherein the soft magnetic material is disposed between the antenna and the circuit board on the opposite side of the electromagnetic wave radiation direction. An antenna device.
請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載の軟磁性体が、電磁波の放射方向の反対側における前記アンテナと前記ＩＣチップが取り付けられる物品との間に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。 In an antenna device having at least an IC chip storing unique information and an antenna electrically connected to the IC chip,
The soft magnetic material according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or 9 is disposed between the antenna and the article to which the IC chip is attached on the opposite side of the electromagnetic wave radiation direction. An antenna device characterized by comprising:
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