JP2005184424A - アンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】磁束の漏れを抑制し、交信距離を長くすることができるアンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナの提供。
【解決手段】フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状や角柱状に巻いた磁芯３ａ、又は円柱状や角柱状の軸芯１０の周囲にフレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円筒状や角筒状に巻いた磁芯３ａを用いる。この磁芯３ａは軸方向及び軟磁性部材の面方向の透磁率は高いが、軸に直交する方向の透磁率は低いため、その磁気的軸が磁芯３ａの軸に一致するように、磁芯３ａの周りに導線３ｂを螺旋状に巻回すれば、側面からの磁束９の漏れを抑制することができ、これにより磁芯３ａの有効長を長くしてアンテナとしての特性を向上させることができると共に、鋭角の稜１１が形成されないために稜１１の部分での断線などを有効に防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナに関し、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）におけるタグ又はリーダ／ライタに用いて好適なアンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナに関する。

近年、ＩＣチップを備えたタグとリーダ、ライタ又はリーダ／ライタ（以下、総称してリーダ／ライタと呼ぶ。）との間でデータの交信を行うＲＦＩＤシステムが普及している。このＲＦＩＤシステムは、タグ及びリーダ／ライタの各々に備えたアンテナを用いてデータの交信を行うため、タグをリーダ／ライタから数ｃｍ乃至数十ｃｍ離しても通信可能であり、また、汚れや静電気等に強いという長所から、工場の生産管理、物流の管理、入退室管理等の様々な用途に利用されるようになってきている。

ＲＦＩＤシステムでは、その用途に応じてタグやリーダ／ライタに求められる性能が異なり、その性能に応じてタグやリーダ／ライタに形成されるアンテナの構造が決定される。例えば、入退室管理などの用途に用いられるカード型タグの場合にはタグ自体を薄く形成する必要があることから、アンテナとしては、絶縁層で被覆された導線を渦巻き状に巻回してベース板に貼り付けて形成したコイルや、ベース板に堆積したアルミニウム箔や銅箔等の金属箔をエッチングにより除去して形成したコイルなどが用いられる。

タグを機械装置等の管理、工程管理、物流管理等に用いる場合は、タグを鉄鋼、アルミ等の金属に取り付ける場合がある。しかしながら上記タグを金属に取り付けると、金属の影響によりタグのアンテナの共振周波数が変わったり、電波の方向が金属の影響により変化してタグは作動しなくなる。そこで、タグを金属に取り付ける場合は磁芯に導電を巻回して形成したコイルが使用される（例えば、下記特許文献１）。

特開平１１−３５２２４３号公報（第４−８頁、第１図）

上記磁芯の材料として、従来は、一般に丸棒状のフェライトや射出成形した複合材等が用いられていた。このような形状の磁芯を用いてアンテナを形成するには、図１０に示すように、棒の軸が磁化方向となるように丸棒状の磁芯３ａの外周に導線３ｂを螺旋状に巻回することになるが、図のような一体的な構造の磁芯３ａでは、棒の軸方向と径方向の透磁率が同じであるために、図１３（ｂ）に示すように磁束９は径方向に漏れてしまい、その結果、アンテナ３の作動距離が短くなるという問題がある。

また、別の構造として、複合材の板や金属の薄板や箔の積層材を磁芯３ａとして用いる構造もある。この構造では図１１に示すように、金属の薄板や箔またはアモルファス箔を短冊状に切断して積層し、断面が矩形の角柱状に加工した後、その外周に磁気的軸が角柱の長手方向を向くように導線３ｂを螺旋状に巻回する。しかしながら、この構造の場合、磁芯３ａの稜１１の部分が鋭利な形状であるために、稜１１に接する部分の導線３ｂの絶縁被覆が破れてしまったり、導線３ｂが小さい曲率で曲げられるために切れ易くなるという問題が生じる。

このような不具合を防止するため、図１２に示すように、磁芯３ａに、稜１１の部分に丸みを持たせたプラスチックなどのケース１２を被せ、ケース１２の外側に導線３ｂを巻回する構造も考えられる。しかしながら、このような構造では専用のケース１２を設ける必要があるために原価が上昇してしまい、またケース１２の厚み分、アンテナ３が大型化してしまうという欠点がある。

また、金属の薄板や箔またはアモルファス箔を積層して磁芯３ａを形成する構造では、磁芯３ａの長手方向と薄板や箔の面に平行な方向の透磁率は高く、薄板や箔の面に直交する方向の透磁率は低い。このため、図１３（ａ）に示すように薄板や箔の面に直交する方向の磁束９の漏洩は少ないが、図１３（ｂ）に示すように薄板や箔の面に平行な方向の磁束９の漏洩は多くなってしまい、これによりアンテナの交信距離が短くなるという問題が生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、磁束の漏れを抑制し、交信距離を長くすることができるアンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のアンテナ用磁芯は、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状又は角柱状に巻いて形成したものである。

また、本発明のアンテナ用磁芯は、円柱状又は角柱状の軸芯の周囲に、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を巻いて形成したものである。

本発明においては、前記軸芯が軟磁性材料からなる構成とすることができる。

また、本発明においては、前記軟磁性部材が、粉体状、フレーク状又は針状の軟磁性粉末とプラスチックとの複合材であることが好ましく、前記軟磁性材料が、圧延、押出しまたは塗布により製造されたものとすることもできる。

また、本発明においては、前記軟磁性部材を、金属板、金属箔、アモルファス箔又は表面に絶縁処理したものとすることができる。また、本発明においては、巻回された前記軟磁性部材の層間に、板状又は箔状のスペーサーが配設されている構成としてもよい。

更に、本発明においては、前記角柱状の前記アンテナ用磁芯の角部が丸みを持って形成されている構成としてもよい。

また、本発明のアンテナは、上記記載のアンテナ用磁芯の周囲に、磁気的軸が前記アンテナ用磁芯の軸と略一致するように導線が巻回されてなるものである。

また、ＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤリーダ／ライタは、上記記載のアンテナを備えるものである。

このように、本発明では、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状や角柱状に巻いて磁芯を形成したり、また、軟磁性材料などからなる軸芯の周りにフレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円筒状や角筒状に巻いて磁芯を形成し、その磁芯に磁気的軸が磁芯の軸と一致するように導線を螺旋状の巻回してアンテナを形成しているため、磁芯の軸から側方に向かって漏れる磁束を抑制して磁芯の有効長を長くし、アンテナとしての特性を向上させることができる。また、このような構造では磁芯に鋭角の稜が形成されないため、導線の絶縁被覆が破れたり導線が切れやすくなるという不具合も防止することができる。

以上説明したように、本発明のアンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナによれば下記記載の効果を奏する。

本発明の第１の効果は、磁芯の有効長を長くし、アンテナとしての性能を向上させることができるということである。

その理由は、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状、角柱状、円筒状、角筒状に巻いて磁芯を形成しており、このような構造では板や箔の面に平行な方向の透磁率は高いが、板や箔の面に直交する方向の透磁率は低いため、その磁気的軸が磁芯の軸に一致するように導線を巻回することによって磁芯の側面からの磁束の漏れを抑制することができるからである。

また、本発明の第２の効果は、導線の絶縁被覆が破れたり、導線が切れやすくなる等の不具合の発生を防止することができるということである。

その理由は、フレキシブルな磁芯を板状又は箔状の軟磁性部材を巻いて磁芯を形成しているため、磁芯の角部に鋭角な稜が形成されることがないからである。

従来技術で示したように、ＲＦＩＤタグやリーダ／ライタのアンテナとして、交信距離を長くするために丸棒状のフェライトや射出成形した複合材等の磁芯の周囲に導線を巻回する構造があるが、この構造では棒の軸方向と棒の径方向の透磁率が等しいために磁束が径方向に漏れ出てしまうという問題がある。また、金属の板や箔またはアモルファス箔を短冊状に切断し、該短冊を積層して形成した磁芯の周囲に導線を巻回する構造もあるが、この構造でも板又は箔の面に平行な方向からの磁束の漏れが大きく、また、磁芯の稜の部分が鋭利であるために稜に接する部分の導線の絶縁被覆が破れてしまったり、導線が切れ易くなるという問題が生じる。

そこで、本発明では、これらの問題を解決するために、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状や角柱状に巻いた磁芯、又は円柱状や角柱状の軸芯の周囲にフレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円筒状や角筒状に巻いた磁芯を用いる。この磁芯は軸方向及び軟磁性部材の面方向の透磁率は高いが、軸に直交する方向の透磁率は低いため、その磁気的軸が磁芯の軸に一致するように、磁芯の周りに導線を巻回してアンテナを形成すれば側面からの磁束の漏れを少なくすることができ、これにより磁芯の有効長を長くしてアンテナとしての特性を向上させることができると共に、鋭角の稜が形成されないために稜の部分での断線等の不具合を有効に防止することができる。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係るアンテナ用磁芯及び該磁芯を備えるアンテナについて、図１乃至図９を参照して説明する。図１は、本実施例の構造のアンテナを用いたＲＦＩＤシステムの構成を模式的に示す図であり、図２は本実施例のアンテナの構成を示す斜視図及び軸方向から見た図である。また、図３は、本実施例のアンテナの磁束の分布を示す図であり、図４乃至図９は、本実施例のアンテナのバリエーションを示す図である。なお、以下では、本発明のアンテナ構造をタグ用アンテナに適用した場合について示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の構造をリーダ／ライタ用アンテナに適用してもよいし、双方のアンテナに適用してもよい。

図１に示すように、本実施例のＲＦＩＤシステム１は、共振回路を構成するアンテナ３及びコンデンサ４（ＩＣチップ５に容量が内蔵されている場合は必ずしも必要ではない。）と情報を記憶するＩＣチップ５とを備えるタグ２と、タグ２のアンテナ３と交信するリーダ／ライタ用アンテナ７と送受信信号を変換するための通信回路８ａや送受信信号をデコードするための演算処理回路８ｂ等の制御部８とからなるリーダ／ライタ（又はリーダ）６とからなり、タグ２は内蔵する電源又はリーダ／ライタ６から供給される電源を用いて駆動される。そして、タグ２及びリーダ／ライタ用アンテナ７の共振周波数をキャリア周波数に合わせることにより、データの交信が行われる。

このＲＦＩＤシステム１のアンテナ（ここではタグ２用のアンテナ３）は、図２に示すように、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状に複数回巻いて形成した磁芯３ａと、その磁気的軸が円柱の軸と一致するように、磁芯３ａの周りに螺旋状に巻回した導線３ｂとから構成される。なお、図２の構成は例示であり、磁芯３ａはフレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を巻いて形成されたものであればよく、軟磁性部材の厚さや巻き方、巻き数、軟磁性部材の層間の間隔、円柱の径や長さなどは任意に設定することができ、また、導線３ｂもその磁気的軸が円柱の軸と一致するように巻回されていればよく、導線３ｂの材料や径、巻き方、巻き数、導線３ｂの間隔などは任意に設定することができる。

この板状又は箔状の軟磁性部材は巻くことができる程度の柔軟性を備えていればよく、その製造方法は限定されないが、例えば、金属薄板、金属箔、アモルファス箔やアモルファス箔の積層材、金属粉、カーボニル鉄粉、還元鉄粉、アトマイズ粉（純鉄、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ等を含む鉄、パーマロイ、Ｃｏ−Ｆｅ等の粉末）、アモルファス（Ｂ、Ｐ、Ｓｉ等を含む鉄、コバルト、ニッケル合金を水アトマイズまたはガスアトマイズした粉末）等の粉末、フレーク又は針状の軟磁性粉末とプラスチック、ゴム等の有機物との複合材により形成すれば、適度な柔軟性を有する軟磁性部材を形成することができる。

また、上記複合材を製造する方法としては、圧延、押し出し又は塗布等を用いることができる。塗布の場合は、例えば、粒状粉体をアトラター、ボールミル、スタンプミル等で扁平化してフレークとした後、フレーク又は粒状粉体を含む塗料をフィルム上に塗布／乾燥を繰り返して形成することができ、その際、塗布中に磁場を印加することによりフレークを一定の方向に配向させることができ、特性を向上させることができる。

また、複合材におけるプラスチックとしては加工性の良い熱可塑性のプラスチックを用いたり、或いは耐熱性の良い熱硬化性のプラスチックを用いたりすることができ、また、絶縁性を有するアクリル、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、エポキシ等の樹脂を用いることもできる。

このような構造のアンテナ３では、軟磁性部材が軟磁性フレークを含むプラスチックの圧延材の場合は、板状又は箔状の面に平行な方向の透磁率が高く、板状又は箔状の面に直交する方向の透磁率が低くなる。また、軟磁性部材が等方性の材料で形成されている場合も、軸方向には軟磁性部材が連続しているため、その方向の透磁率は軟磁性材料自体の透磁率に等しいが、軸に直交する方向は軟磁性部材が連続していないため、その方向の透磁率は軟磁性材料自体の透磁率よりも低くなる。これにより、図３に示すように側面からの磁束９の漏れが抑制されるため、磁芯３ａの有効長が長くなり、アンテナとしての性能を向上させることができる。

また、図４に示すように、軟磁性部材の層間にプラスチック箔等のスペーサー３ｃを介在させて軟磁性部材の層の間隔を広げることにより、軸に直交する方向（すなわち、円柱の径方向）の透磁率をより低下させることができる。また、軟磁性部材が金属の薄板又は箔、アモルファス箔等である場合は、渦電流を防止するために、軟磁性部材の表面に絶縁処理を施してもよいし、絶縁処理に代えてプラスチックの箔等のスペーサー３ｃを介在させる構成としても良い。

なお、図２では、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状に巻いて磁芯３ａを形成したが、磁芯３ａの断面形状は円型である必要はなく、例えば、タグ２を薄くする必要がある場合には、図５に示すように楕円形状としてもよいし、図６に示すように、矩形形状にしてもよく、このような形状であっても同様の効果を得ることができる。また、図２、図５及び図６では、磁芯３ａを円柱状、楕円柱状又は角柱状としたが、図７に示すように、軸方向で断面形状が徐々に変化する円錐状、角錐状などとして、軸方向の両側で磁束９の分布を変化させる構造としてもよい。

図２及び図５乃至図７では、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材のみで磁芯３ａを形成したが、図８に示すように、円柱状や角柱状等の軸芯１０の周囲にフレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を巻回して磁芯３ａを形成してもよい。この構造では軟磁性部材及び導線３ｂを巻きやすくして製造を容易にすることができ、また、磁芯３ａの強度を高めて容易に変形しないようにすることができる。更に、この軸芯１０として、例えば射出成形した軟磁性部材を用いればアンテナとしての特性を若干、向上させることができる。

このような軸芯１０を用いる構造においても、磁芯３ａの形状は任意であり、断面が楕円状の軸芯１０を用いて楕円柱状の磁芯３ａを形成してもよいし、図９に示すように、断面が矩形状の軸芯１０を用いて角柱状の磁芯３ａを形成することもできる。断面が矩形状の軸芯１０を用いる場合において、図９に示すように軸芯１０の稜１１に丸みを持たせてもよいが、鋭利な稜１１を有する軸芯１０を用いても軟磁性部材を巻回することによって角部に適度な丸みが形成されるため、従来例のように導線３ｂの絶縁被膜が破れたり導線３ｂが切れやすくなる等の問題が生じることがない。

次に、本発明の効果を確認するために、以下に示す構造のタグ２用のアンテナ３を作製してその性能（交信距離）を測定した。

まず、磁芯３ａが４．５ｍｍφ×２７ｍｍとなるように軟磁性部材を巻き、その周りに０．４ｍｍφの導線を１ｍｍ間隔で２１．５回巻いて第１のアンテナ３を製作した。この第１のアンテナ３のインダクタンスは６．１μＨ、ＩＣチップ５の接続後の共振周波数は１３．８ＭＨｚである。また、磁芯３ａが７ｍｍφ×２７ｍｍとなるように軟磁性部材を巻き、その周りに０．４ｍｍφの導線を１ｍｍ間隔で１７回巻いて第２のアンテナ３を製作した。この第２のアンテナ３のインダクタンスは６．０μＨ、ＩＣチップ５の接続後の共振周波数は１３．９ＭＨｚである。そして、上記構成のアンテナ３を備えるタグ２をＡ３サイズのリーダ／ライタ用アンテナ７と交信させたところ、第１のアンテナ３の交信距離は２５ｃｍ、第２のアンテナ３の交信距離は２７ｃｍであり、共にタグ２として十分な性能を有することを確認した。

以上説明したように、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材をそのまま、又は軸芯１０の周りに巻いて円柱状、角柱状などの磁芯３ａを形成し、その磁芯３ａの周りに、その磁気的軸が磁芯３ａの軸方向に一致するように導線を螺旋状に巻回してアンテナ３を形成することにより、軸方向の透磁率を高く、軸の径方向の透磁率を小さくすることができ、これにより軸の径方向に漏れ出る磁束９を抑制して磁芯３ａの有効長を長くしてアンテナの特性を向上させることができる。

なお、上記実施例では、本発明のアンテナ構造をＲＦＩＤシステムのアンテナに適用する場合について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、任意の装置に利用されるアンテナに同様に適用することができる。

本発明の一実施例に係るアンテナを備えるＲＦＩＤシステムの構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は軸方向から見た図である。 本発明の一実施例に係るアンテナにおける磁束を分布を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造のバリエーションを示す図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造のバリエーションを示す図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造のバリエーションを示す図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造のバリエーションを示す図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの他の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は軸方向から見た図である。 本発明の一実施例に係るアンテナの構造のバリエーションを示す図である。 従来のアンテナの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は軸方向から見た図である。 従来のアンテナの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は軸方向から見た図である。 従来のアンテナの構造を示す図である。 従来のアンテナにおける磁束を分布を模式的に示す図であり、（ａ）は層面方向から見た断面図、（ｂ）は積層方向から見た断面図である。

符号の説明

１ ＲＦＩＤシステム
２ タグ
３ アンテナ
３ａ 磁芯
３ｂ 導線
３ｃ スペーサー
４ コンデンサ
５ ＩＣチップ
６ リーダ／ライタ
７ リーダ／ライタ用アンテナ
８ 制御部
８ａ 通信回路
８ｂ 演算処理回路
９ 磁束
１０ 軸芯
１１ 稜
１２ ケース

Claims (11)

1. フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を円柱状又は角柱状に巻いて形成したことを特徴とするアンテナ用磁芯。
2. 円柱状又は角柱状の軸芯の周囲に、フレキシブルな板状又は箔状の軟磁性部材を巻いて形成したことを特徴とするアンテナ用磁芯。
3. 前記軸芯が軟磁性材料からなることを特徴とする請求項２記載のアンテナ用磁芯。
4. 前記軟磁性部材が、粉体状、フレーク状又は針状の軟磁性粉末とプラスチックとの複合材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のアンテナ用磁芯。
5. 前記軟磁性部材が、圧延、押出しまたは塗布により製造されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のアンテナ用磁芯。
6. 前記軟磁性部材が、金属板、金属箔、アモルファス箔又は表面に絶縁処理したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のアンテナ用磁芯。
7. 巻回された前記軟磁性部材の層間に、板状又は箔状のスペーサーが配設されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載のアンテナ用磁芯。
8. 前記角柱状の前記アンテナ用磁芯の角部が丸みを持って形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載のアンテナ用磁心。
9. 請求項１乃至８のいずれか一に記載のアンテナ用磁芯の周囲に、磁気的軸が前記アンテナ用磁芯の中心軸と略一致するように導線が巻回されてなることを特徴とするアンテナ。
10. 請求項９記載のアンテナを備えることを特徴とするＲＦＩＤタグ。
11. 請求項９記載のアンテナを備えることを特徴とするＲＦＩＤリーダ／ライタ。

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