JP2007028114A

JP2007028114A - 磁性体アンテナ

Info

Publication number: JP2007028114A
Application number: JP2005206254A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kimura; 木村哲也; Yoshio Sato; 佐藤由郎
Original assignee: Toda Kogyo Corp
Current assignee: Toda Kogyo Corp
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】本発明の磁性体アンテナは、一つの極で送受信出き、金属物に近づいても特性が変化して共振周波数が変化するのを防ぎ、かつ量産性の優れた製法による磁性体アンテナを提供すること。
【解決手段】磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが、コイルの軸方向にほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの一端が磁性層で接続され、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されていることを特徴とし、かつ、平面に配置したコイルの上下面の一方あるいは両方に絶縁層を設け、さらに一方の絶縁層の外側面に導電層を設けたことを特徴とする磁性体アンテナ。磁性層を芯とする複数のコイルを軸方向に平面に放射状に並べ、コイルの一端を磁性層で接続した多極コイルに絶縁層を介して導電層を設け、好ましくはさらに磁性層を設ける。
【選択図】
なし

Description

本発明は、通信を目的に磁界成分を利用した磁性体アンテナに関するもので、特にＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタに適した磁性体アンテナに関するものであり、アンテナを添付する対象物が金属であっても、感度良く信号を送受信することができる磁性体アンテナである。

磁性体を使用し電磁波を送受信するアンテナ（以下磁性体アンテナと称する）は、磁性体に導線を巻き線してコイルを作り、外部から飛来する磁界成分を磁性体に貫通させコイルに誘導させて電圧（または電流）に変換するアンテナで、小型ラジオやＴＶには広く利用されてきた。また、近年普及してきたＲＦＩＤタグと呼ばれる非接触型の物体識別装置に利用されている。

周波数がより高くなると、磁性体を使用せず、ＲＦＩＤタグにおいては、識別対象物と平面が平行になるループコイルがアンテナとして使用され、さらに周波数（ＵＨＦ帯やマイクロ波帯）が高くなると、ＲＦＩＤタグを含めて磁界成分を検出するよりも、電界成分を検出する電界アンテナ（ダイポールアンテナや誘電体アンテナ）が広く使用されている。

この様なループアンテナや電界アンテナは、金属物が接近すると、金属物にイメージ（ミラー効果）ができて、アンテナと逆位相になるために、アンテナの感度が失われると言う問題が生じる。

この欠点を回避するため、角型あるいは長方形状のコイルを、コイル断面が垂直になるように直接金属対象物に貼付するアンテナが開発されている（特許文献１）。

また、磁性体アンテナを貼付する金属面を積極的に生かして、コイルを対にして磁界を打ち消す方向に対向させ、金属面に垂直な方向に磁界を発生させる非接触式センサコイルが知られている（特許文献２）。

特開２００３−３１７０５２号公報特開２００３−３１８６３４号公報

一般にＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタにおいては一つの極で送受信できる磁性体アンテナが望まれているが、この種のアンテナは両端が開放のためコイル両端に磁界が発生し分離された２つの極で送受信するという欠点がある。また、この欠点を改善した磁性体アンテナも開発されているが、エナメル線等で巻線したコイルが金属物に接触するため、巻線と金属板の接触面が不安定になり、その結果バラツキが発生する欠点がある。また、巻線するアンテナは量産性に欠けるという問題があった。さらに、磁性体アンテナは金属物に近づくと、磁性体アンテナの特性が変化し、共振周波数が変化するという問題があり、目的の周波数に共振を得るために一々金属プレートに貼り付けて周波数調整する必要があるという問題があった。

そこで、本発明の磁性体アンテナは、一つの極で送受信出来ることを課題とする。また、磁性体アンテナの巻線したコイルが金属物に接触した場合に、巻線と金属板の接触が不安定になることによって、アンテナとしての特性がばらつくのを防止することを課題とする。同時に、磁性体アンテナが金属物に近づくと、特性が変化して共振周波数が変化するのを防ぐことを課題とする。また、量産性の優れた製法による磁性体アンテナを提供することを課題とする。

前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。

本発明の磁性体アンテナは、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが、コイルの軸方向にほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの内側の一端が放射状に配置された中心において磁性層で接続され、外側に向かう他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されたことを特徴とする磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、平面に配置したコイルの上下面の一方あるいは両方に絶縁層を設け、かつ一方の絶縁層の外側面に導電層を設けたことを特徴とするものである。

本発明の磁性体アンテナは、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが、コイルの軸方向に放射状にほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの一端が放射状に配置された周囲において磁性層で接続され、内側に向かい合った他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されたことを特徴とする磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、平面に配置したコイルの上下面の一方あるいは両方に絶縁層を設け、かつ一方の絶縁層の外側面に導電層を設けたことを特徴とするものである。

本発明の磁性体アンテナは、仮焼成した磁性粉末をバインダーと混合してシート状にした単層あるいは複数層の磁性層にスルーホールを開け、そのスルーホールに電極材料を流し込み、且つスルーホールと直角になる両面に電極材料で電極層を形成し、スルーホールの中心を通る延長線上を含みコイル部分を残すようシートを打ち抜いて形成されたコイルで、該コイルの電極層を印刷した上面を電極層を覆う形状に打ち抜いた絶縁層、下面を絶縁層で挟み込み、下面の絶縁層の下面に電極材料と同じ導電層を設け、個片に切断し一体焼成するＬＴＣＣ技術を用いた事を特徴とするものであって、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが中心から放射状に複数個配置され、かつ全てのコイルの一端が磁性層で接続され他端は開放となり、各々のコイルの極性が同一となるよう直列または並列に接続されたことを特徴とするものである。

また、本発明の磁性体アンテナは、電極層を印刷したコイルの上下面の絶縁層にスルーホールを設け、このスルーホールに電極材料を流し込みコイル両端と接続し、その表面に電極材料でコイルリード端子を印刷したことを特徴とするものである。

また、本発明の磁性体アンテナは、導電層の外側面に磁性層を設けたことを特徴とするものである。本発明者らは、導電層の外側面に磁性層を設けると、磁性体アンテナの金属面貼付前後の共振周波数の変化が、導電層のみの場合よりもさらに小さくなることを見出し、本発明に至った。

また、本発明の磁性体アンテナは、導電層の外側面の磁性層のさらにその外側面に絶縁層を設けたことを特徴とするものである。これによって、磁性体アンテナの積層構造の層間に生ずる応力をバランスさせ、反りを低減することができる。

また、本発明の磁性体アンテナは、コイルの上下面を挟み込んだ絶縁層の上面に、挟み込むように角型、円形電極を印刷してコンデンサーを形成した絶縁層を設け、該コンデンサーの電極をコイルリード端子電極と並列もしくは直列に接続したことを特徴とするものである。

また、本発明の磁性体アンテナは、コイルを挟み込んだ絶縁層の上面に平行電極、もしくはくし型電極を印刷してコンデンサーを形成し、コイルリード端子と並列もしくは直列に接続したことを特徴とするものである。コンデンサーは絶縁層を挟みこむ平行平板構造でも、櫛形もしくは平行電極の平面構造でも良い。また、平行平板構造では一方のコンデンサー電極がＩＣチップ接続端子を兼ねても良い。

また、本発明の磁性体アンテナは、磁性層にＮｉ−Ｚｎ系フェライト磁性体を用い一体焼成したことを特徴とするものである。使用するフェライト粉末は、Ｆｅ２Ｏ３４５〜４９．５モル％、ＮｉＯ９．０〜４５．０モル％、ＺｎＯ０．５〜３５．０モル％、ＣｕＯ４．５〜１５．０モル％であるような組成が好ましく、使用する周波数帯で透磁率が高く、磁性損失が低くなるようなフェライト組成を選択すると良い。透磁率が低すぎると、ＬＴＣＣ技術で形成するのに必要なコイルの巻き数が大きくなりすぎ、製造が困難になる。透磁率が高すぎると損失が増えるのでアンテナに適さなくなる。例えばＲＦＩＤタグ用途では１３．５６ＭＨｚでの透磁率が７０〜１２０となるようなフェライト組成を選択すると良い。フェライトの焼結温度は８００〜１０００℃であり、好ましくは８５０〜９２０℃である。

また、本発明の磁性体アンテナは、絶縁層にＺｎ系フェライトを用い一体焼成したことを特徴とするものである。使用するフェライト粉末には、粉体の体積固有抵抗が１０^８ Ωｃｍ以上になるようなＺｎ系フェライト組成を選択するとよい。Ｆｅ_２Ｏ_３４５〜４９．５モル％、ＺｎＯ１７．０〜２２．０モル％、ＣｕＯ４．５〜１５．０モル％である組成が好ましい。

また、本発明の磁性体アンテナは、絶縁層にガラス系セラミックを用い一体焼成したことを特徴とするものである。ガラス系セラミックには、ホウケイ酸系ガラス、亜鉛系ガラス、鉛系ガラス等を用いることができる。

また、本発明の磁性体アンテナは、絶縁層上面にＩＣチップが接続できる端子構造を有し、コイルリード端子と並列もしくは直列に接続したことを特徴とするものである。

また、本発明の磁性体アンテナの電極材料にはＡｇペーストが適しており、その他のＡｇ系合金ペースト等、金属系導電性ペーストを使用することができる。

本発明の磁性体アンテナは、導電層を内蔵するために素子単独で周波数調整ができるので使用環境下で調整する必要がない。また磁性体アンテナに金属物が接近しても導電層が付加されているため、特性が変動すると言う欠点が解消できる。導電層の外側面に磁性層を設けた場合には、金属物に貼り付けるような場合に特性の変動がさらに抑制された磁性体アンテナを得ることができる。また、本発明はＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタだけでなく、ＲＦＩＤタグにも使用でき、コイルの芯となる磁性層の選択により、１２５ｋＨｚから２．４５ＧＨｚまでの広い周波数範囲で適用可能である。

本発明の磁性体アンテナはＬＴＣＣ（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ、低温共焼成セラミックス）技術によって形成されるため、積層された各層の密着性が良く、巻線と付加された導電層が安定して結合できる。また一つのシートから複数個の素子が安定して製作できるために各素子のバラツキが押さえられ、量産性が高く、コスト低減にも役立つ。

以下に添付図面を参照し、現在一般に広く使用されている１３．５６ＭＨｚのＩＣカード型タグシステムの例で、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

[実施例１]
磁性層用として、９００℃焼結後に１３．５６ＭＨｚでの透磁率が１００になるＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライト仮焼粉（Ｆｅ２Ｏ３４８．５モル％、ＮｉＯ２５モル％、ＺｎＯ１６モル％、ＣｕＯ１０．５モル％）１００重量部、ブチラール樹脂８重量部、可塑剤５重量部、溶剤８０重量部をボールミルで混合しスラリーを製造した。出来たスラリーをドクターブレードでＰＥＴフィルム上に１５０ｍｍ角で、焼結時の厚みが０．１ｍｍになるようにシート成型した。また絶縁層３用として同様に、Ｚｎ−Ｃｕフェライト仮焼粉（Ｆｅ２Ｏ３４８．５モル％、ＺｎＯ４１モル％、ＣｕＯ１０．５モル％）１００重量部、ブチラール樹脂８重量部、可塑剤５重量部、溶剤８０重量部をボールミルで混合しスラリーを製造した。出来たスラリーをドクターブレードでＰＥＴフィルム上にシート成型した。次に、磁性層１用グリーンシートを５枚にスルーホールを開けその中にＡｇペーストを充填した。次に該グリーンシート２枚のスルーホールと直角になる片面にコイル電極となるようにＡｇペーストを印刷した。次に該グリーンシート５枚のスルーホールの中心を通る線の延長線上を含み、コイル軸３方向に放射状となり中心方向が磁性層で接続される形状にコイル部分を残すよう打ち抜いた。次に該グリーンシートの、コイル電極を表面に印刷した２枚で残り３枚を挟み込んで積層し、３極のコイルを形成した。次にＡｇペーストで導電層４を印刷し磁性層と同じ形状に打ち抜いた絶縁層３用グリーンシートを、導電層を外側面にしてコイルの下面に積層した。以上のグリーンシートをまとめて加圧接着させて、さらに個片に切断し、９００℃で２時間、一体焼成して、コイル軸の長さ２０ｍｍの各々のコイル巻き数１０ターンの磁性体アンテナサンプル１を作成した。以上がＬＴＣＣ技術を用いた磁性アンテナのプロセスである。図１に得られた磁性体アンテナの概略図を示す。コイルの巻き数等、簡略化して表示している。

磁性体アンテナサンプル１のコイル両端にＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタを接続してさらにリーダ／ライタと並列にコンデンサーを接続して共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整し、金属板に貼り付けてＲＦＩＤタグと通信する距離を測定した。各測定方法を以下にまとめる。

[共振周波数の測定と調整方法]
共振周波数は、ヒューレットパッカード社製インピーダンスアナライザー４２９１Ａに１ターンコイルを接続し、これとＲＦＩＤ用リーダ／ライタを結合させ、測定されるインピーダンスのピーク周波数をもって共振周波数とした。またその調整は、並列または直列に接続するコンデンサの容量を変更することで行った。

[通信距離の測定方法]
通信距離は、出力１００ｍＷのリーダ／ライタ(タカヤ株式会社製、製品名Ｄ００２Ａ）の標準のアンテナを取り外し、本発明の磁性体アンテナを接続して水平に固定し、その上方にＲＦＩＤタグを水平に位置させて、１３．５６ＭＨｚで通信が可能な限り高い位置の時のアンテナとＲＦＩＤタグ（ＩＣカード型タグで、テキストインスツルメント社製、製品名Ｔａｇ−ｉｔ（ＴＭ）ＨＦ）の垂直方向の距離を通信距離とした。

磁性体アンテナサンプル１を用いた該リーダ／ライタは金属板貼り付け前後の共振周波数変動が＋１ＭＨｚと小さく、かつ金属面に貼り付けた状態で３ｃｍの通信距離が得られた。

[実施例２]
実施例１で説明した磁性層用グリーンシートとＺｎ−Ｃｕフェライトに替えてガラスセラミックを用いた絶縁層３用グリーンシートを用いる。図１に示すように、磁性層用グリーンシート５枚にスルーホールを開けその中にＡｇペーストを充填した。次に該グリーンシート２枚のスルーホールと直角になる片面にコイル電極となるＡｇペーストを印刷した。次に該グリーンシート５枚のスルーホールの中心を通る線の延長線上を含み、コイル軸３方向に放射状となり外周が磁性層で接続される形状にコイル部分を残すよう打ち抜いた。次に該グリーンシートの、コイル電極を表面に印刷した２枚で残り３枚を挟み込んで積層し、３極コイルを形成した。次にＡｇペーストで導電層４を印刷した絶縁層３用グリーンシートを導電層が外側面になるようにコイルの下面全体に円盤状に積層し、更にその下面に磁性層５用グリーンシートを同様に積層した。以上のグリーンシートをまとめて加圧接着させ、個片に切断し、９００℃で２時間、一体焼成して直径１０ｍｍのサイズの各々のコイル巻き数７ターンの磁性体アンテナサンプル２を作成した。図２に得られた磁性体アンテナの概略図を示す。コイルの巻き数等、簡略化して表示している。

磁性体アンテナサンプル２のコイル両端にＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタを接続してさらにリーダ／ライタと並列または直列にコンデンサーを接続して共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整し、金属板に貼り付けてＲＦＩＤタグと通信する距離を測定した。

その結果該アンテナは３．４ｃｍの通信距離を示した。金属板に貼り付けた時の共振周波数の変化は＋０．５ＭＨｚと小さかった。

[比較例１]
実施例１で説明した磁性アンテナサンプル１と同じプロセスに対して、図１の導電層４を省いた磁性アンテナサンプル３を作成し、該磁性体アンテナのコイル両端にＲＦＩＤタグ用リーダ／ライタを接続してさらにリーダ／ライタと並列または直列にコンデンサーを接続して共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整し、金属板に貼り付けてＲＦＩＤタグと通信する距離を測定した。その結果該アンテナとは１．６ｃｍの通信距離を示した。金属板に貼り付けた時の共振周波数の変化は＋２．３ＭＨｚだった。

[比較例２]
比較対照として板状の樹脂表面に渦巻き状に配線した、３０ｍｍ×５５ｍｍ、３ターンの市販のリーダ／ライタ用アンテナを金属板に貼り付けてＲＦＩＤタグと通信する距離を測定した。その結果該アンテナとは０．５ｃｍの通信距離を示した。

本発明の磁性体アンテナの実施例１である。本発明の磁性体アンテナの実施例２である。図１あるいは図２の磁性体アンテナの三つのコイルを直列に接続し、その両端間に並列にコンデンサを接続した例を模式的に示している。図１あるいは図２の磁性体アンテナの三つのコイルを直列に接続し、その両端間に直列にコンデンサを接続した例を模式的に示している。図１あるいは図２の磁性体アンテナの三つのコイルを並列に接続し、それぞれの両端間に並列にコンデンサを接続した例を模式的に示している。

符号の説明

１コイル部磁性層
２コイル電極
３絶縁層
４導電層
５磁性層
６スルーホール断面で形成されたコイル電極
７磁力線の方向
８コンデンサー
９コイルリード端子

Claims

磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが、コイルの軸方向にほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの内側の一端が放射状に配置された中心において磁性層で接続され、外側に向かう他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されていることを特徴とし、かつ、平面に配置したコイルの上下面の一方あるいは両方に絶縁層を設け、さらに一方の絶縁層の外側面に導電層を設けたことを特徴とする磁性体アンテナ。
磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルが、コイルの軸方向に放射状にほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの一端が放射状に配置された周囲において磁性層で接続され、内側に向かい合った他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されていることを特徴とし、かつ、平面に配置したコイルの上下面の一方あるいは両方に絶縁層を設け、さらに一方の絶縁層の外側面に導電層を設けたことを特徴とする磁性体アンテナ。
磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、磁性粉末をバインダーで混合してシート状にした単層あるいは複数層の磁性層にスルーホールを開け、そのスルーホールに電極材料を流し込み、且つスルーホールと直角になる両面に電極材料で電極層を形成し、スルーホールの中心を通る線の延長線上を含みコイル部分を残すようにシートを打ち抜いて形成されたコイルで、該コイルの電極層を印刷した上面を覆う形状に打ち抜いた絶縁層で、下面を絶縁層で挟み込み、下面の絶縁層の下面に電極材料と同じ導電層を設け、個片に切断して焼成するか、または一体焼成後に個片に切断するＬＴＣＣ技術を用いたことを特徴とし、かつ、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルがほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの内側の一端が放射状に配置された中心において磁性層で接続され、外側に向かう他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されたことを特徴とする磁性体アンテナ。
磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、磁性粉末をバインダーで混合してシート状にした単層あるいは複数層の磁性層にスルーホールを開け、そのスルーホールに電極材料を流し込み、且つスルーホールと直角になる両面に電極材料で電極層を形成し、スルーホールの中心を通る線の延長線上を含みコイル部分を残すようシートを打ち抜いて形成されたコイルで、該コイルの電極層を印刷した上面を覆う形状に打ち抜いた絶縁層で、下面を絶縁層で挟み込み、下面の絶縁層の下面に電極材料と同じ導電層を設け、個片に切断し一体焼成するＬＴＣＣ技術を用いたことを特徴とし、かつ、磁性層の形状が角型あるいは長方形のコイルがほぼ均等な間隔でほぼ平面に放射状に複数個配置され、かつ向かい合った全てのコイルの外側の一端が放射状に配置された周囲において磁性層で接続され、内側で向かい合った他端は開放となり、各々の向かい合ったコイルの一端の極性が同一となるよう直列または並列に接続されたことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の磁性体アンテナにおいて、導電層を設けたのと異なる面の絶縁層にスルーホールを設け、このスルーホールに電極材料を流し込みコイルの巻始めと巻終わりの両端と接続し、その表面に電極材料でコイルリード端子を印刷したことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁性体アンテナにおいて、導電層の外側面に磁性層を設けたことを特徴とする磁性アンテナ。
請求項６に記載の磁性体アンテナにおいて、磁性層の外側面に絶縁層を設けたことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から７のいずれか１項に記載の磁性体アンテナにおいて、コイルの上下面に挟み込んだ絶縁層の上面に、挟み込むように角型、円形電極を印刷してコンデンサーを形成した絶縁層を設け、該コンデンサーの電極をコイルリード端子電極と並列もしくは直列に接続したことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から８のいずれか１項記載の磁性体アンテナにおいて、コイルを挟み込んだ絶縁層の上面に平行電極、もしくはくし型電極を印刷してコンデンサーを形成し、コイルリード端子と並列もしくは直列に接続したことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から９のいずれか１項記載の磁性体アンテナにおいて、磁性層にＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いたことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から１０のいずれか１項記載の磁性体アンテナにおいて、絶縁層にＺｎ系フェライトを用いたことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から１０のいずれか１項記載の磁性体アンテナにおいて、絶縁層にガラス系セラミックを用いたことを特徴とする磁性体アンテナ。
請求項１から１２のいずれか１項記載の磁性体アンテナにおいて、絶縁層上面にＩＣチップが接続できる端子構造を有し、コイルリード端子と並列もしくは直列に接続したことを特徴とする磁性体アンテナ。