JP2005228908A - 高周波磁芯材及びその製造方法並びに該磁芯材を備えたアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】特定の方向の透磁率が高く、また、寸法精度が良好で、破損しにくい磁芯材、特に、ＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯で作動する高周波磁芯材及びその製造方法並びに該磁芯材を備えたＲＦＩＤのタグ又はリーダ／ライタ用アンテナの提供。
【解決手段】所定の粒径（略１μｍ）以下の軟磁性金属粉末を、体積比率が略１０％〜５０％、好ましくは略１０％〜４０％の含有量でプラスチック又はゴムと混練し、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き加工、又は、射出後圧延などの複合材を一方向に延ばす加工を施すことにより、透磁率を高く、方向依存性を持たせることができると共に、寸法精度を高め、破損しにくくできる。また、この磁芯材の一方の面にアンテナパターン、他方の面に導電材を配置してＲＦＩＤタグやリーダ／ライタのアンテナを形成することにより、磁束の漏れの少ない高性能のアンテナを製作できる。
【選択図】図３

Description

本発明は磁芯材に関し、特に、ＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯で作動するＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤリーダ／ライタのアンテナに用いて好適な高周波磁芯材及びその製造方法並びに該磁芯材を備えたアンテナに関する。

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／ライタから離しても通信可能であり、また、汚れなど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（例えば、特開２００３−２４９８２０号公報など）。

ＲＦＩＤシステムでは、使用する周波数帯に応じて通信可能な距離が異なる。例えば、１３．５６ＭＨｚ程度の短波帯では通信距離は数ｃｍから数十ｃｍであり、このシステムを入退室管理などの用途に用いる場合、タグはリーダ／ライタに近接して使用されるため、この程度の通信距離で実用上問題はないが、物流管理などの用途では通信距離が長い方が有利である。そこでこのような用途ではＶＨＦ帯やＵＨＦ帯などのより周波数の高い帯域が用いられる。

特開２００３−２４９８２０号公報（第４−８頁、第１図）

通常、ＲＦＩＤタグ用のアンテナとしては、磁芯材に巻線をしたアンテナが用いられており、高周波で使用できる磁芯材としてフェライトが知られているが、従来のフェライトには以下に示す問題がある。

第１の問題は、軟磁性フェライトは等方性、即ち磁芯の磁化方向と磁化方向に直交する方向の透磁率が等しいため、磁芯材の側面から磁束が漏れてしまうということである。この漏れ磁束によりアンテナの性能が低下し、インダクター等では周辺に不要な電波騒音を撒き散らすなどの問題が生じる。

また、第２の問題は、高周波、特にＵＦＨ帯で使用可能なＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎファライト等は透磁率が低く、高周波帯で性能のよいアンテナが得られないということである。

また、第３の問題は、上記フェライトは通常、焼結法で製造されるが、焼結法では焼結時に収縮／変形するために寸法精度が悪く、表面が平滑で寸法精度の良い材料を得るためには高価な研削加工が必要になり、その結果、アンテナのコストが上昇してしまうということである。

また、第４の問題は、ＲＦＩＤのタグまたはリーダ／ライタ用アンテナは、物品または電子回路の筐体の表面に取り付けるため、他の物品との衝突を避けるためには磁芯材も薄くする必要があるが、フェライトは脆いために、薄くするとアンテナの製造工程や装置の取りつけ後の他の物品等との接触などにより破損する恐れがあるということである。

このような問題はＲＦＩＤタグやリーダ／ライタ用のアンテナに用いられる磁芯材に限らず、他の高周波用アンテナに用いられる磁芯材などに関しても同様に生じ、磁束の漏れが少なく、透磁率が高く、寸法精度が良好で、破損しにくい高周波磁芯材が求められている。

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、特定の方向の透磁率が高く、また、寸法精度が良好で、破損しにくい磁芯材、特に、ＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯で作動するＲＦＩＤのタグ又はリーダ／ライタのアンテナに用いて好適な高周波磁芯材及びその製造方法並びに該磁芯材を備えた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、本発明の磁芯材は、軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとの複合材料からなる磁芯材であって、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって複数の集合体が形成され、各々の前記集合体は、その長手が略一定の方向を向いているものである。

また、本発明の磁芯材は、直径が略１μｍ以下の軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとの複合材料からなる磁芯材であって、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって複数の集合体が形成され、各々の前記集合体は、その長手が略一定の方向を向いているものである。

本発明においては、前記軟磁性金属粉末の体積比率が略１０％乃至５０％の範囲、又は、略１０％乃至４０％の範囲であることが好ましい。

また、本発明においては、前記軟磁性金属粉末が、酸化物を還元して得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉のいずれかを含む構成、又は、気相法で得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉のいずれかを含む構成、又は、金属イオンを含む溶液を還元して得られたニッケル粉又はコバルト粉を含む構成、又は、カーボニルニッケル粉又はカーボニル鉄粉を含む構成とすることができる。

また、本発明のアンテナは、板状に加工された前記磁芯材の一方の面に渦巻き状の導体パターンが形成されているものである。

また、本発明のアンテナは、板状に加工された前記磁芯材の一方の面に渦巻き状の導体パターンが形成され、他方の面に導電材が配置されているものである。

本発明においては、前記磁芯材が、前記軟磁性金属粉末の集合体の長手の方向が相異なる複数の磁芯材片から構成されているものとすることができる。

また、本発明においては、前記導体パターンが矩形状に形成され、前記板状の磁芯材が、該板状の磁芯材の面に直交する方向から見て、前記矩形状の導体パターンの１辺又は対向する２辺のみと重なるように配置されている構成とすることもできる。

また、本発明のアンテナは、板状に加工された前記磁芯材の周囲に、その磁気的軸が前記軟磁性金属粉末の集合体の長手と略一致するように導線が巻回されているものである。

本発明においては、前記アンテナは、少なくともＶＨＦ帯乃至ＵＨＦ帯を通信周波数とするＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤリーダ／ライタに用いられるものとすることができる。

また、本発明の磁芯材の製造方法は、軟磁性金属粉末とプラスチックとの複合材料を用いた磁芯材の製造方法であって、前記軟磁性金属粉末と前記プラスチックとを加熱混練した後、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き加工、又は、射出後圧延のいずれか一の方法により、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって形成された複数の集合体の長手が略一定の方向を向くように加工するものである。

また、本発明の磁芯材の製造方法は、軟磁性金属粉末とプラスチックとの複合材料を用いた磁芯材の製造方法であって、前記プラスチックを溶解した溶媒に前記軟磁性金属粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加して、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって形成された複数の集合体の長手を略一定の方向に配向させるものである。

このように、本発明では、所定の粒径以下の軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとを所定の比率で混合した複合材を用いて磁芯材を製作しているため、透磁率を高くすることができると共に、寸法精度を向上させ、薄くしても破損しにくくすることができる。また、軟磁性金属粉末が所定の方向に連なるように複合材を一方向に延ばす加工をしているため、透磁率に方向依存性を持たせることができ、また、プラスチックを溶解した溶媒に軟磁性金属粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布し、乾燥前に直流磁場を印加すれば軟磁性金属粉末の集合体を磁束の方向に確実に整列させることができる。そして、このような磁芯材をＲＦＩＤのタグやリーダ／ライタのアンテナに用いることにより、磁束の漏れの少ない高性能のアンテナを製作することができる。

以上説明したように、本発明の磁芯材及びその製造方法並びに該磁芯材を備えた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、磁芯材の透磁率を高くすることができると共に、寸法精度を高め、かつ、薄くしても破損しにくくすることができるということである。

その理由は、所定の粒径以下の軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとを所定の比率で混合した複合材を用いて磁芯材を形成しているからである。

また、本発明の第２の効果は、磁芯材の透磁率に方向依存性を持たせることができるということである。

その理由は、上記複合材を加工する際に、軟磁性金属粉末が所定の方向に連なるように複合材を一方向に延ばしたり、軟磁性金属粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に直流磁場を印加しているからである。

また、本発明の第３の効果は、ＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯で作動する高性能のＲＦＩＤタグやリーダ／ライタのアンテナを製作することができるということである。

その理由は、上記複合材をＲＦＩＤシステムのタグやリーダ、リーダ／ライタ用アンテナの磁芯として用いることにより、磁束の漏れを抑制することができるからである。

従来技術で示したように、磁芯材料としてフェライトが一般的に用いられているが、軟磁性フェライトは等方性であるために磁芯材の側面から磁束が漏れてしまい、この漏れ磁束によりアンテナの性能が低下し、また、高周波、特にＵＦＨ帯で使用可能なＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎファライト等は透磁率が低いという問題がある。また、上記フェライトは焼結法で製造されるが、焼結時に収縮／変形するため寸法精度が低く、更に、フェライトは脆いため、アンテナの製造や取り扱い時に破損しやすいという問題もある。

このような問題に対して、本願発明者は特開２００２−２１５３２１号公報において、軟磁性合金の粉末またはフレークとプラスチックとの複合材を用いる技術を開示しており、該公報記載の複合材を用いることにより、柔軟で割れ難く、寸法精度の良好な磁芯材を形成することができる。しかしながら、この材料は１３．５６ＭＨｚ用では特性が良好であるが、４０ＭＨｚを超える周波数では損失が増加するために使用することができない。また、上記磁芯材の製造に際し、アトライターで長時間粉砕してもフレークが再結合してしまうため、粉末の微細化には限界があり、４０ＭＨｚより高周波で使用できる複合材を製作することができない。

また、粉末を用いた複合材は等方性であるため、フェライトと同様に磁化方向に直交する方向で磁束の漏れが生じる。例えば、図１０に示すように、磁芯材１０の側面（図１０（ａ）の上下方向）や表裏面（図１０（ｂ）の上下方向）から磁束１１が漏れ出る。また、フレークを用いて圧延した複合材では、厚さ方向の透磁率を圧延方向に比べて低くすることができるが、圧延に直交する側面の透磁率は圧延方向の透磁率とほぼ等しいため、やはり側面（図１０（ａ）の上下方向）からの磁束１１の漏れを抑制することができない。そして、上下面や側面より磁束１１が漏れ出ると磁芯の有効な長さが減少しアンテナとして使用したときの性能が低下する。

そこで本発明では、上記従来の磁芯材の欠点を解消すべく、下記に示す極めて微細な軟磁性金属の粉末を使用し、この軟磁性金属の粉末をプラスチックまたはゴムと複合化し、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き、又は、射出後圧延等、材料を一方向に延ばす加工を施して製作する。また、プラスチックを溶解した溶媒に軟磁性金属粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加して製作する。

この極めて微細な軟磁性粉末は自発磁化のため鎖状に繋がっている。この軟磁性粉末をプラスチックまたはゴムと複合化し一方向に延ばしたり、軟磁性金属粉末を懸濁させたインクを塗布したフィルムに直流磁場を印加すると、図３（ｂ）に示すように鎖状の繋がった粉末の集合体は延ばした方向に揃う。そして、材料を延ばした方向に磁場を印加すると、磁束が鎖状の粉末の集合体を通じることにより、延ばした方向の透磁率を高くすることができる。一方、延ばした方向に直交する方向では、粉末は繋がっていないために透磁率は低く、また、粉末が微細であるため粉末の内部を流れる渦電流の影響はない。従って、粉末が磁化方向に直交する方向で相互に繋がらないよう粉末の含有量を調整すれば４０ＭＨｚを超える高周波でも使用することが可能となる。このような粉末としては以下の粉末が適当である。

１．金属の酸化物を還元した粉末
例えば、ニッケル、コバルト又は鉄などの金属の蓚酸等の有機酸塩を熱分解して得た微細な酸化物等を水素で低温還元して得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉や、硫酸第一鉄溶液を中和酸化して得た微細な鉄粉などがある。

２．気相法で得た粉末
ニッケル、コバルト又は鉄などの金属を減圧化で加熱蒸発させ、気相で凝固させて得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉などがある。

３．溶液中で還元した粉末
ニッケル又はコバルトのアンモニア錯イオンを含む溶液を高温、高圧で水素還元して得られたニッケル粉、コバルト粉などがある。

４．カーボニルニッケル粉、カーボニル鉄粉
ニッケルカーボニル（Ｎｉ(ＣＯ)_４）、鉄カーボニル（Ｆｅ(ＣＯ)_５）を熱分解して得られたカーボニルニッケル粉、カーボニル鉄粉などがある。

これらの粉末は極めて微細であるため、表面に酸化層、有機化合物等の保護層を設け、大気中で発火することを防止している。しかしながら、これらの保護層は、粉末が相互に接し粉末間に渦電流が流れることを防止できない。そのため、粉末が相互に直接接触することを防止するため、粉末の含有量は体積比率で４０％（以下、４０ｖ％と記す。）以下にすることが望ましい。なお、これらの材料の固有抵抗は小さいが粉末の粒径も小さいため、粉末相互の接触がなければ渦電流は流れない。また、粉末の含有量が少ないほうが圧延等の加工が容易であり得られた複合材も柔軟であることから、アンテナを曲面に取付けたり、アンテナを巻いて搬送する等のためにアンテナを曲げる必要がある場合は適宜含有量を減じればよい。一方、粉末の含有量が少なくなると透磁率が低下するため、粉末の含有量が１０ｖ％以下は適当ではない。

また、上記保護層を持つ粉末は大気中で取扱っても発火しないが長期の酸化を防止できない。しかしながら、粉末をプラスチックとの複合材とすることにより、プラスチックが粉末と大気の接触を絶つため、本発明の複合材では酸化による劣化を防止することができるという効果もある。

そして、上記含有量の粉末をポリエチレン、ポリプロビレン、ナイロン、塩化ビニール、弗素樹脂等に加熱混練した後、押出し、圧延、押出材を圧延する等、一方向に延ばす加工をして形成する。また、プラスチックを溶解した溶媒に上記粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加して製作する。上記微細な粉末は球状であるが粉末の自発磁化で相互に吸引し鎖状に繋がっているが、これを含むプラスチックを一方向に延ばしたり、直流磁場を印加することにより粉末の集合体を延ばした方向に整列させることができる。

このようにして製造された磁芯材は、延ばした方向の透磁率は高くそれに直交する方向の透磁率は低い。このため透磁率の高い方法が磁気成分の方向になるように巻線をすれば磁束は上下面や側面から漏れ出ることはなく全て端面より出るため、この磁芯材を用いれば、ＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯で作動し、かつ、金属製の物品に密着して使用可能な薄いＲＦＩＤタグ又はリーダ／ライタ用のアンテナを製作することができる。

なお、上記した材料、製造方法は例示であり、透磁率が高く、寸法精度が良好で、破損しにくい磁芯材を製造できる限りにおいて、他の材料や製造方法を用いることもできる。

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、本発明の磁芯材をＲＦＩＤタグ又はリーダ／ライタ用アンテナに適用した例について、図１乃至図９を参照して説明する。図１は、ＲＦＩＤシステムの一般的な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模式的に示す図である。又、図３は、本実施例の磁芯材の製造方法及び断面構造を模式的に示す図であり、図４は、従来のアンテナの構成を示す図である。また、図５乃至図９は、本実施例のアンテナの構成のバリエーションを示す図である。なお、以下では、本発明の磁芯材をタグ用アンテナに適用する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、本発明の磁芯材をリーダ／ライタ用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、ＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯等の周波数帯を用いてデータの交信を行うタグ２とリーダ／ライタ（又はリーダ）６とからなり、タグ２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、リーダ／ライタ（又はリーダ）６は、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とを備え、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、本発明の特徴である複合材からなる磁芯材１０の周囲に巻線９が巻回されて構成され、このアンテナが物品や筐体の表面、特に、金属材料を含む物品や筐体（金属物品１２）上に設置される。

上記磁芯材１０は、上述したように、極めて微細な軟磁性金属の粉末をプラスチックまたはゴムと複合化し、押出し、圧延等の材料を一方向に延ばす加工を施して製作するため、自発磁化で鎖状に繋がった粉末の集合体は延ばした方向に揃い、延ばした方向の透磁率を高く、延ばした方向に直交する方向の透磁率を低くすることができる（図３（ｂ）参照）。従って、複合材を延ばした方向とコイルの磁気的軸の方向とが一致するように磁芯材１０を配置することにより、図２に示すように、磁束１１は磁芯材１０の側面（図２（ａ）の上下方向）や表裏面（図２（ｂ）の上下方向）から漏れ出ることなく端面（図２の左右方向）のみから出るようにすることができる。これにより磁芯の有効長の減少を抑え、アンテナとして使用したときの性能を向上させることができると共に、表裏面（図２（ｂ）の上下方向）から漏れ出る磁束１１を抑えることにより、金属物品１２上に直接載置しても動作させることができる。

上述した透磁率の方向依存性は、押出し、圧延でも見られるが、押出し材を圧延したり、押出し材を引抜き加工すれば透磁率の差はより顕著になる。また、上記方向依存性を得る方法として極微細な粉末を一定の方向に鎖状に延ばす方法の他、微細な針状の磁性体を形成し、この針状の磁性体が一定の方向に配列するように押出し、圧延等の加工を施す方法を用いることもできる（図３（ｃ）参照）。また、プラスチックを溶解した溶媒に上記粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加する方法を用いることもできる。なお、極微細な粉末を均等に分散させただけでは透磁率の方向依存性を得ることはできないが、少なくともＶＨＦ帯〜ＵＨＦ帯等の高周波で動作するアンテナを形成することは可能である。

また、金属物品１２がアルミニウム、マグネシウム、銅合金等の非磁性材料からなる場合は金属物品１２上に直接アンテナを配置することができるが、金属物品１２が鉄板の場合は損失が大きくなる。その場合は、アンテナと金属物品１２との間にアルミ、純銅、黄銅等の導電材を介在させることもできる。このような構成にすることにより、金属物品１２を構成する金属材料の種類にかかわらず、アンテナを安定して作動させることができる。この導電材の厚さは略１μｍ〜１ｍｍ、好ましくは略１０μｍから２０μｍとすることができるが、構造材としての機能も持たせる場合は略０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとしてもよい。

また、この材料をスリットしテープ状とし、コイル状に巻いたものはインダクターの磁芯としても使用できるが、この場合、長手方向（圧延方向）の透磁率が高くそれに直交する方向（テープの側面及び厚さ方向）の透磁率が低ければコイルの濡れ磁束が少なくなる。

次に、軟磁性金属粉末の好ましい径、含有量、複合材の加工方法を特定するために、下記に示す粉末Ａ〜Ｅを用いて磁芯材１０を製作して、実施例１〜２５、比較例１〜１２に示す実験を行った。その実験方法及び結果について説明する。

粉末Ａ：平均径０．８〜１μｍの酸化物を還元して得られたコバルト粉末、
粉末Ｂ：平均径０．２〜０．５μｍのカーボニルニッケル粉末、
粉末Ｃ：平均径０．８〜１μｍのカーボニル鉄粉、
粉末Ｄ：シリコン１０％を含む水アトマイズ合金鉄粉、重量の９０％以上が２０μｍ以下、
粉末Ｅ：粉末Ｄをアトライターで扁平化した重量の９０％以上が厚さ１０μｍ以下であるフレーク。

１．圧延材の粉末の種類を変えた時の１５ＭＨｚにおける方向依存性
粉末Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを約３８ｖ％（８５．５重量％、以下ｗ％と記す。）の含有量でナイロンと混練、圧延して、厚さ０．５ｍｍの板とし、図３（ａ）に示す圧延方向、圧延方向に直交する方向、面方向の３つの方向に関して１５ＭＨｚにおける透磁率（μ）とＱ値とを測定した（実施例１〜３、比較例１〜２）。その結果を表１に示す。

表１より、実施例１〜３では圧延方向のみ透磁率は高く、直角方向と面方向の透磁率は低い。一方、比較例１では圧延方向、直角方向、面方向で透磁率の差はなく、また、比較例２では圧延方向及び直角方向の透磁率は高いが、その差はない。従って、粒径が２０μｍの粉末Ｄやフレークの厚さが１０μｍの粉末Ｅで形成した磁芯材では透磁率の方向依存性が得られないが、粒径が０．２μｍ〜１μｍの粉末Ａ〜Ｃでは十分な方向依存性が得られることから、透磁率の方向依存性を得るためには、粉末の粒径を１μｍ以下にすればよいことが分かる。なお、実施例１〜３、比較例１〜２ともに圧延方向のＱ値は使用可能な範囲にある。

２．圧延材の粉末の種類を変えた時の周波数特性
実施例１〜３、比較例１〜２の磁芯材を、周波数を１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲で変えて圧延方向のμとＱ値とを測定した（実施例４〜６、比較例３〜４）。その結果を表２に示す。なお、Ｖ％は同じでもＷ％が変わるのは、粉末は組成により密度が異なることによる。

表２より、実施例４では周波数が１００ＭＨｚを超えると透磁率が低下し始め、１０００ＭＨｚでは１５まで低下するが、それでもこの周波数で使用可能なＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトの透磁率（７）と比較すると約２倍以上の値を維持している。また、実施例５も実施例４とほぼ同様であり、実施例４、５ともにＱ値は試験した範囲で使用可能な範囲（１０以上）に留まっている。また、実施例６では１００ＭＨｚ以下では実施例４、５より透磁率が高くＱ値も使用可能な範囲にある。一方、比較例３では周波数が６０ＭＨｚを超えるとＱ値は１０以下、比較例４では２０ＭＨｚを超えるとＱ値は１０以下になり使用できなくなる。以上の結果から、１μｍ以下の粒径の粉末を用いれば、高周波帯においても十分な透磁率及びＱ値を有する磁芯材を製作することができる。

３．磁性粉末の含有量を変えた試験
粉末Ａの含有量を変えてナイロンと混連、圧延した磁芯材の１５ＭＨｚにおけるμとＱ値とを測定した（実施例７〜１６、比較例５〜１０）。その結果を表３に示す。

表３より、比較例５、６、７は透磁率が低いのに対して、実施例７〜１６は粉末の含有量が増すほど透磁率は増している。また、Ｑ値は粉末の含有量が４０Ｖ％までは増し、それを超えると急激に減少するが、５０Ｖ％までは使用可能な範囲である１０以上に留まっている。一方、比較例９、１０では、粉末の含有量が５０Ｖ％を超えるとＱ値は更に下がり使用出来なくなる。このことから、粉末の含有量は５０％以下が適当であり、更に、上述した粉末の相互接触による問題を抑制するためには４０％以下が適当であると言える。

４．加工法を変えた試験
押出し、圧延、引抜き、射出などの方法を用いて磁芯材を作成し、１５ＭＨｚにおけるμ、Ｑ値を測定した（実施例１７〜２１、比較例１１）。その結果を表４に示す。

表４より、比較例１１の射出では方向による透磁率の差は少ない。一方、実施例１７では透磁率は押出し方向（圧延方向）は高く、押出し方向に直交する方向（直交方向又は面方向）は低く、実施例１８では透磁率は圧延方向に高く、それに直交する面方向はやや高く面方向は極めて低い。また、実施例１９では押出し後、圧延すると圧延のみの場合よりも圧延方向の透磁率はやや増し、直交方向の透磁率はやや下がる。また、実施例２０では押出し後、引抜くと引抜く方向の透磁率は上がりそれに直交する方向の透磁率は低下する。また、実施例２１では射出後、圧延した材料の特性は圧延のみの場合とほぼ同等であった。以上の結果から、透磁率の方向依存性を持たせるための加工方法として、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き加工、又は、射出後圧延が使用でき、特に押出し後圧延、押出し後引抜きが好ましい。なお、実施例１９〜２１は特性向上以外に製造が容易になることも期待できる。

４．アンテナ試作例
比較例１２として、図４に示すようなベース１４に回路１３が形成されただけの磁芯のないアンテナを作成した。一方、実施例２２として、図５に示すように回路の下に磁芯材１０、アルミ板１２ａを配置したアンテナを作成した。また、実施例２３として、図７に示すように一枚の磁芯材で特性の良い方向のみを使用するため、角形の回路の一辺のみを跨ぐように磁芯材１０を配置した。また、実施例２４として、図８に示すように磁芯材１０を対向する一対の辺のみを跨ぐように磁芯材１０を配置した。また、実施例２５として、図９に示すように磁芯材１０に磁化軸が金属の面に平行になるように被覆銅線を巻いた。

その結果、比較例１２では単体では正常に作動したが金属上では作動しないのに対して、実施例２２乃至２５では単体でも金属上でも作動した。従って、磁芯材１０を用いないアンテナでは金属上で作動しないが、本実施例の磁芯材１０を用いれば金属物品（アルミ板１２ａ）上でも作動させることができ、更に磁芯材１０の物品貼付面に導電材（アルミ板１２ａ）を配置すれば金属物品の種類によらず作動させることができることが確認できた。ただし、実施例２２、２３は対向するアンテナが図の上面にある場合に感度が良く、実施例２４、２５ではアンテナが図の側面にある場合に感度が良い。

また、図５の構成では、所定の方向のみアンテナの感度が高いが、図６に示すように磁芯材１０を分割して、各々の部分を垂直方向（図の上下方向）に特性のよい磁芯材１０と水平方向（図の左右方向）に特性のよい磁芯材１０とで構成することにより、回路のどの部分でも特性の良いアンテナを形成することができる。

このように、所定の粒径（略１μｍ）以下の軟磁性金属粉末を、体積比率が略１０％〜５０％、好ましくは略１０％〜４０％の含有量でプラスチック又はゴムと混練し、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き加工、又は、射出後圧延などの複合材を一方向に延ばす加工を施したり、プラスチックを溶解した溶媒に上記粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加することにより、透磁率を高く、かつ方向依存性を持たせることができると共に、寸法精度を向上させ、薄くしても破損しにくくすることができる。また、この磁芯材の一方の面にアンテナパターンを形成し、更に他方の面に導電材を配置してＲＦＩＤのタグやリーダ／ライタのアンテナを形成することにより、磁束の漏れの少ない高性能のアンテナを製作することができる。

本発明の誘電体はＲＦＩＤシステムのアンテナ用途のみならず、高周波用アンテナ等、誘電率の高い誘電体を利用可能な任意の用途に用いることができる。

ＲＦＩＤシステムの一般的な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成を模式的に示す上面図及び側面図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材の製造方法及び断面構造を模式的に示す斜視図である。 磁芯材のない従来のアンテナの構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材を備えたアンテナの構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材の他の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材を備えたアンテナの他の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材を備えたアンテナの他の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁芯材を備えたアンテナの他の構成を示す図である。 従来のアンテナの構成を模式的に示す上面図及び側面図である。

符号の説明

１ ＲＦＩＤシステム
２ タグ
３ アンテナ
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 巻線
１０ 磁芯材
１１ 磁束
１２ 金属物品
１２ａ アルミ板
１３ 回路
１４ ベース
１５ スペーサ

Claims (16)

1. 軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとの複合材料からなる磁芯材であって、
   自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって複数の集合体が形成され、
   各々の前記集合体は、その長手が略一定の方向を向いていることを特徴とする磁芯材。
2. 直径が略１μｍ以下の軟磁性金属粉末とプラスチック又はゴムとの複合材料からなる磁芯材であって、
   自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって複数の集合体が形成され、
   各々の前記集合体は、その長手が略一定の方向を向いていることを特徴とする磁芯材。
3. 前記軟磁性金属粉末の含有量の体積比率が略１０％乃至５０％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁芯材。
4. 前記軟磁性金属粉末の含有量の体積比率が略１０％乃至４０％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁芯材。
5. 前記軟磁性金属粉末が、酸化物を還元して得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の磁芯材。
6. 前記軟磁性金属粉末が、気相法で得られたニッケル粉、コバルト粉又は鉄粉のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の磁芯材。
7. 前記軟磁性金属粉末が、金属イオンを含む溶液を還元して得られたニッケル粉又はコバルト粉を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の磁芯材。
8. 前記軟磁性金属粉末が、カーボニルニッケル粉又はカーボニル鉄粉を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の磁芯材。
9. 板状に加工された請求項１乃至８のいずれか一に記載の前記磁芯材の一方の面に渦巻き状の導体パターンが形成されていることを特徴とするアンテナ。
10. 板状に加工された請求項１乃至８のいずれか一に記載の前記磁芯材の一方の面に渦巻き状の導体パターンが形成され、他方の面に導電材が配置されていることを特徴とするアンテナ。
11. 前記板状の磁芯材は、前記軟磁性金属粉末の集合体の長手の方向が相異なる複数の磁芯材片から構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のアンテナ。
12. 前記導体パターンが矩形状に形成され、
    前記板状の磁芯材が、該板状の磁芯材の面に直交する方向から見て、前記矩形状の導体パターンの１辺又は対向する２辺のみと重なるように配置されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一に記載のアンテナ。
13. 板状に加工された請求項１乃至８のいずれか一に記載の前記磁芯材の周囲に、その磁気的軸が前記軟磁性金属粉末の集合体の長手と略一致するように導線が巻回されていることを特徴とするアンテナ。
14. 前記アンテナは、少なくともＶＨＦ帯乃至ＵＨＦ帯を通信周波数とするＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤリーダ／ライタに用いられるものであることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一に記載のアンテナ。
15. 軟磁性金属粉末とプラスチックとの複合材料を用いた磁芯材の製造方法であって、
    前記軟磁性金属粉末と前記プラスチックとを加熱混練した後、押出し、圧延、押出し後圧延、押出し後引抜き加工、又は、射出後圧延のいずれか一の方法により、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって形成された複数の集合体の長手が略一定の方向を向くように加工することを特徴とする磁芯材の製造方法。
16. 軟磁性金属粉末とプラスチックとの複合材料を用いた磁芯材の製造方法であって、
    前記プラスチックを溶解した溶媒に前記軟磁性金属粉末を懸濁させたインクをフィルムに塗布後、乾燥前に、直流磁場を印加して、自発磁化により前記軟磁性金属粉末が鎖状に繋がって形成された複数の集合体の長手を略一定の方向に配向させることを特徴とする磁芯材の製造方法。

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