JP2009099809A - 複合磁性シート - Google Patents

Abstract

【課題】高い透磁率実数部及び低い透磁率虚数部を有する複合磁性シートを提供すること。
【解決手段】軟磁性フェライトからなるフェライト小片４１２と、軟磁性金属からなり、かつ、その平均粒径がフェライト小片１２の最大長さより小さい金属粉１４と、フェライト小片１２及び金属粉１４を結合させるための有機結合材１６とを備えた複合磁性シート１０。フェライト小片１６は、長辺が０．２〜５ｍｍの四角形であり、厚さが０．０２〜０．２ｍｍであるものが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合磁性シートに関し、さらに詳しくは、非接触でデータの通信を行うＲＦＩＤシステムのアンテナの通信感度を高めるために用いられる磁性シートなどに好適な複合磁性シートに関する。

ＲＦＩＤ（Rapid Frequency Identification）とは、識別コードなどのＩＤ情報を埋め込んだタグ（ＲＦタグ）とタグリーダとの間で、磁界や電界を用いて近距離の無線通信を行い、ＩＤ情報を送受信するシステムをいう。ＲＦタグには、タグリーダからの電波をエネルギー源として動作するパッシブタグと、電池を内蔵したアクティブタグとがある。いずれの場合において、タグリーダとの間で無線通信をする必要があるので、ＲＦタグ内にはタグリーダとの間で送受信するためのアンテナが設けられている。

ＲＦタグを物や人に貼り付けると、ＲＦタグ内の情報をリーダで読み取ることによって、物や人の動きをリアルタイムで把握することができる。ＲＦタグの通信距離は、数ｍｍ〜数ｍであり、用途に応じて使い分けられている。
しかしながら、ＲＦタグは、用途によっては狭隙間に付設する必要が生ずる場合がある。ＲＦタグを狭隙間に付設した場合において、ＲＦタグ内のアンテナ周辺に金属のような導電率が高い材料が存在すると、そこで発生した渦電流により通信に必要な電磁波が干渉を受け、通信感度が低下するという問題がある。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、厚さ０．２５ｍｍ、縦横２ｍｍ角の正方形からなるフェライト固片をシート基材上に敷き置きし、その上にさらにシート基材を重ね、その上にアンテナパターンを形成したアンテナ一体型磁性シートが開示されている。
同文献には、磁性シートに含まれる磁性体としてフェライト固片を用いると、磁性シート内のフェライト固片の体積を最大限に大きくすることができる点、及び、磁性体の大きさ、形状を任意に設計することにより、ＲＦＩＤシステムの通信特性を向上させることが可能となる点が記載されている。

また、特許文献２には、センダスト（扁平軟磁性粉末）及び超微粒子鉄粉（磁性微粒子）に水素添加ニトリルゴムを添加した、電界型アンテナ素子用のシート体が開示されている。
同文献には、電界型アンテナ素子の近傍にこのようなシート体を設けることによって、アンテナ素子の入力インピーダンスの低下を抑制することができる点が記載されている。

特開２００６−１７４２２３号公報 特開２００７−１２４６３８号公報

電磁誘導方式のＲＦタグにおいて、アンテナ周辺に金属等の導電体が存在することに起因する通信感度の低下は、アンテナと周辺の導電体との間に磁性シートを挟むことで対処するのが一般的である。この場合、周辺の導電体へ磁界が漏れないようにするために、磁性材料には、高い透磁率（実数部）が必要となる。一方で、磁性体そのものでの電磁波の損失が高いと、通信感度の劣化をもたらす。従って、磁性体は、透磁率の虚数部が低いものが好ましい。

このような高い透磁率実数部と低い透磁率虚数部を持つアンテナ用磁性シートとして、ゴムに磁性粉を混合したゴム磁性シートやフェライト焼結体などが既に実用化されている。これらの中でも、フェライト焼結体は、特性が良好である。しかしながら、フェライト焼結体は、割れやすく、特性がばらつくという問題がある。
一方、特許文献１に開示されているように、フェライト固片とゴムとを混合してシート状にすると、シートに柔軟性を付与することができる。しかしながら、フェライトを固片にすると、固片間の隙間で磁路が遮断されるため、フェライトが本来持つ性能を十分に発揮できないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、高い透磁率実数部及び低い透磁率虚数部を有する複合磁性シートを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る複合磁性シートは、
軟磁性フェライトからなるフェライト小片と、
軟磁性金属からなり、かつ、その平均粒径が前記フェライト小片の最大長さより小さい金属粉と、
前記フェライト小片及び前記金属粉を結合させるための有機結合材と
を備えていることを要旨とする。

フェライト小片と金属粉とを混合し、これに有機結合材を加えてシート化すると、フェライト小片の隙間に金属粉が埋め込まれた形態の複合磁性シートが得られる。その結果、磁路の遮断が抑制され、透磁率の実数部を高くすることができる。また、フェライト小片と金属粉の比率を最適化すると、透磁率の実数部を高く維持したまま、透磁率の虚数部を低くすることができる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 複合磁性シート］
本発明に係る複合磁性シートは、フェライト小片と、金属粉と、有機結合材とを備えている。

［１．１ フェライト小片］
本発明において、「フェライト」とは、一般式：ＭＯＦｅ₂Ｏ₃（Ｍは２価の金属）で表される軟磁性フェライトをいう。フェライトは、１種類のＭを含む単元フェライトであっても良く、あるいは、２種以上のＭを含む複合フェライトであっても良い。これらの中でも、フェライトは、Ｎｉ−Ｚｎ系複合フェライト、Ｍｎ−Ｚｎ系複合フェライトなどが好ましい。フェライト小片は、いずれか１種のフェライトからなるものでも良く、あるいは、２種以上のフェライトからなる混合物であっても良い。

本発明において、「フェライト小片」とは、フェライト微粉を焼結してシート状とし、このシートを適当な大きさに切断したものをいう。フェライト小片の形状は、特に限定されるものではなく、三角形、四角形、五角形等の多角形、あるいは、円形、楕円形でも良い。通常、シートは縦横に切断されるので、フェライト小片は正方形又は長方形となる場合が多い。

フェライト小片の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な大きさを選択すれば良い。
一般に、フェライト小片が大きくなるほど、透磁率実数部が大きくなる。例えば、フェライト小片が四角形である場合において、実用上十分な高透磁率実数部を得るためには、長辺は、０．２ｍｍ以上が好ましい。
一方、フェライト小片が大きくなりすぎると、シートの柔軟性が低下したり、あるいは製造過程でフェライト小片が割れやすくなる。例えば、フェライト小片が四角形である場合において、柔軟性を維持し、かつ、フェライト小片の割れを抑制するためには、長辺は、５ｍｍ以下が好ましい。
この点は、フェライト小片が四角形以外の形状を有する場合も同様であり、フェライト小片を全体として見たときの大きさが上述した四角形の場合とほぼ同等の範囲にあれば良い。

フェライト小片の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択すれば良い。
一般に、フェライト小片の厚さが薄くなるほど、透磁率実数部は大きくなる。しかしながら、フェライト小片の厚さが薄くなりすぎると、割れやすくなる。従って、フェライト小片の厚さは、０．０２ｍｍ以上が好ましい。
一方、フェライト小片の厚さが厚くなりすぎると、透磁率実数部が小さくなる。従って、フェライト小片の厚さは、０．２ｍｍ以下が好ましい。

フェライト小片と金属粉の比率は、目的に応じて最適な比率を選択すれば良い。一般に、フェライト小片の比率が高くなるほど、透磁率の実数部が高くなり、アンテナの通信感度が向上する。従って、フェライト小片及び金属粉に対するフェライト小片の体積割合は、２０体積以上％が好ましい。フェライト小片の体積割合は、さらに好ましくは、４０体積％である。
一方、フェライト小片の比率が高くなりすぎると、透磁率の虚数部が高くなり、損失が増大する。従って、フェライト小片の体積割合は、８０体積％以下が好ましい。フェライト小片の体積割合は、さらに好ましくは、６０体積％以下である。

［１．２ 金属粉］
金属粉は、軟磁性金属からなる。通信感度を高めるためには、金属粉は、高透磁率材料が好ましい。このような高透磁率材料としては、具体的には、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、アモルファス合金などがある。金属粉は、これらのいずれか１種のみからなるものでも良く、あるいは、２種以上の混合物であっても良い。

金属粉は、その平均粒径がフェライト小片の最大長さより小さいものが好ましい。ここで、「平均粒径」とは、レーザー回折式粒度分布計により測定された体積平均径（Ｄ₅₀）をいう。また、「フェライト小片の最大長さ」とは、フェライト小片に外接する最小の外接円の直径をいう。
金属粉は、フェライト小片間を磁気的に結合させるためのものであるので、フェライト小片の大きさに応じて、最適な平均粒径を持つものを用いるのが好ましい。高い磁気特性を得るためには、金属粉の平均粒径は、フェライト小片の最大長さの１０〜６０％が好ましい。

金属粉の形状は、特に限定されるものではなく、扁平形状、球状、擬球状、角状などのいずれであっても良い。特に、扁平形状を有する金属粉は、反磁界係数が小さくなるので、金属粉として好適である。

［１．３ 有機結合材］
有機結合材は、フェライト小片及び金属粉を磁気的に結合させ、シート化するためのものである。有機結合材の材質は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択すれば良い。有機結合材としては、具体的には、ゴム、樹脂などがある。
有機結合材の割合は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な割合を選択すればよい。一般に、有機結合材の割合が少な過ぎると、シート化そのものが困難となる。一方、有機結合材の割合が多すぎると、複合磁性シートの磁気特性が低下する。製造性及び磁気特性を両立させるためには、複合磁性シート全体に占める有機結合材の割合は、４０〜６０体積％が好ましい。

［２． 複合磁性シートの製造方法］
本発明に係る複合磁性シートは、以下のようにして製造することができる。すなわち、フェライト小片、金属粉、及び、有機結合材又は反応より有機結合材となる２種以上の原料（例えば、有機結合材がゴムであるときには、バインダー、架橋剤、架橋助剤など）を所定の比率で配合する。次いで、配合物を混練し、ドクターブレード法等を用いてシート化する。さらに、得られたシートをプレスする。プレスは、隙間をなくすため、及び、反応により有機結合材となる２種以上の原料を配合したときにはこれらを反応させるために行われる。シートのプレスは、必要に応じて、加熱下で行っても良い。

［３． 複合磁性シートの作用］
図１に、本発明に係る複合磁性シートの断面模式図を示す。図１に示すように、複合磁性シート１０は、フェライト小片１２と、フェライト小片１２間を磁気的に連結する金属粉１４と、フェライト小片１２及び金属粉１４を結合させるための有機結合材１６とを備えている。
所定の大きさを有するフェライト小片１２は、軟磁性フェライトからなる微粉と比べて透磁率の実数部が大きい。また、フェライト小片１２と金属粉１４とを混合し、これに有機結合材１６（又は、反応により有機結合材１６となる２種以上の原料）を加えてシート化すると、フェライト小片１２の隙間に金属粉１４が埋め込まれた状態となる。その結果、磁路の遮断が抑制され、透磁率の実数部がさらに高くなる。
さらに、金属粉１４は、一般に、フェライト小片１２に比べて、透磁率の虚数部が大きい。しかしながら、フェライト小片１２と金属粉１４の比率を最適化すると、透磁率の実数部を高く維持したまま、透磁率の虚数部を低くすることができる。その結果、アンテナの通信感度を高め、かつ、損失を小さくすることが可能となる。

（実施例１〜９、比較例１〜４）
［１． 試料の作製］
［１．１ フェライト小片の作製］
Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト粉末とバインダーを混練し、塗工法によりグリーンシートを作製した。最終寸法を見越してグリーンシートに溝を切り、焼結した。焼結後、シートを溝に沿って割り、フェライト小片を得た。
フェライト小片の寸法は、２ｍｍ×２ｍｍの正方形で、厚さ０．１ｍｍとした。

［１．２ 複合磁性シートの作製］
金属粉には、Ｆｅ−９Ｓｉ−５Ａｌ、Ｆｅ−７８Ｎｉ−４Ｍｏ、Ｆｅ−６．５Ｓｉ、Ｆｅ−８Ｓｉ−２Ｃｒ、又は、アモルファス合金を用いた。金属粉は、いずれも、平均粒径Ｄ₅₀が３０〜５０μｍ、厚みが１〜５μｍである扁平粉末を用いた。
塩素化ポリエチレン（バインダー）１００重量部、ジクミルパーオキサイド５重量部、トリアニルイソシアネート（架橋助剤）３重量部を配合し、ゴム成分とした。このゴム成分に対し、フェライト小片及び金属粉を配合した。ゴム成分の割合は、５０体積％とした。また、金属粉に対するフェライト小片の割合は、０、２０、４０、６０、又は、１００体積％とした。
得られた配合物を塗工方法により厚さ２００μｍにシート化し、熱加硫プレスにより厚さ１００μｍとした(実施例１〜９、比較例１〜３)。
また、比較として、塗工法を用いて、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト焼結体からなる磁性シートを作製した（比較例４）。

［２． 試験方法］
［２．１ 透磁率］
インピーダンスアナライザーにて、インダクタンスＬと抵抗Ｒから、透磁率の実数部と虚数部を計算で求めた。周波数は、１３．５６ＭＨｚを用いた。
［２．２ 通信距離］
図２に示すように、ＩＣカードと鉄板の間に複合磁性シートを配置し、ＳＯＮＹ製リーダーライターを用いて、通信距離を測定した。

［３． 結果］
表１に、その結果を示す。なお、表１には、各磁性シートの組成も併せて示した。Ｆｅ−８Ｓｉ−２Ｃｒ金属粉のみからなる複合磁性シート(比較例１）は、透磁率の実数部μ'が低い。Ｆｅ−９Ｓｉ−５Ａｌ金属粉のみからなる複合磁性シート(比較例２)は、透磁率の実数部μ’は若干高いが、透磁率の虚数部μ”も高くなる。フェライト小片のみからなる複合磁性シート（比較例３）は、透磁率の実数部μ’が金属粉を用いた複合磁性シートに比べて若干高くなるが、通信距離は１３０ｍｍに留まっている。フェライト焼結体からなる磁性シート（比較例４）は、通信距離が１４０ｍｍに達するが、柔軟性に乏しい。
これに対し、実施例１〜９の複合磁性シートは、いずれも透磁率の実数部μ’が高く、通信距離は、１４０ｍｍを超えている。表１より、フェライト小片の割合を４０〜６０体積％にすると、通信距離が長くなることがわかる。

（実施例２）
［１． 複合磁性シートの製造］
Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトから成り、種々の大きさを有するフェライト小片を作製した。フェライト小片の寸法は、
（１） ０．２ｍｍ×０．２ｍｍの正方形で、厚さ０．１ｍｍ、
（２） ２ｍｍ×２ｍｍの正方形で、厚さ０．０２ｍｍ，０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、
（３） ５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、厚さ０．１ｍｍ、
とした。
また、金属粉には、Ｆｅ−８Ｓｉ−２Ｃｒからなり、Ｄ₅₀が３０〜５０μｍ、厚みが１〜５μｍである扁平状粉末を用いた。
以下、実施例１と同様の手順に従い、複合磁性シートを作製した。なお、金属粉に対するフェライト小片の割合は４０体積％、複合磁性シートに占めるゴムの割合は５０体積％とした。

［２． 試験方法］
実施例１と同様の手順に従い、透磁率の実数部及び虚数部、並びに、通信距離を測定した。
［３． 結果］
表２に、その結果を示す。なお、表２には、各磁性シートの組成も併せて示した。表２より、フェライト小片の大きさが大きくなるほど、及び、フェライト小片の厚さが薄くなるほど、透磁率の実数部μ’が高くなり、通信距離が長くなることがわかる。また、フェライト小片と金属粉を組み合わせることにより、透磁率の虚数部μ”を低く維持したまま、透磁率の実数部μ’を大きくすることができることがわかる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る複合磁性シートは、ＲＦタグ用の磁性シートのみならず、電磁波を遮蔽、抑制するような対策品などに用いることができる。

本発明に係る複合磁性シートの概略構成図である。 通信距離の測定方法を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 複合磁性シート
１２ フェライト小片
１４ 金属粉
１６ 有機結合材

Claims (6)

1. 軟磁性フェライトからなるフェライト小片と、
   軟磁性金属からなり、かつ、その平均粒径が前記フェライト小片の最大長さより小さい金属粉と、
   前記フェライト小片及び前記金属粉を結合させるための有機結合材と
   を備えた複合磁性シート。
2. 前記フェライト小片は、長辺が０．２〜５ｍｍの四角形であり、厚さが０．０２〜０．２ｍｍである請求項１に記載の複合磁性シート。
3. 前記フェライト小片は、Ｎｉ−Ｚｎ系複合フェライト又はＭｎ−Ｚｎ系複合フェライトである請求項１又は２に記載の複合磁性シート。
4. 前記フェライト小片及び前記金属粉に対する前記フェライト小片の体積割合は、２０〜８０体積％である請求項１から３までのいずれかに記載の複合磁性シート。
5. 前記金属粉は、扁平形状を有する請求項１から４までのいずれかに記載の複合磁性シート。
6. 前記金属粉は、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、及び、アモルファス合金から選ばれるいずれか１以上を含む請求項１から５までのいずれかに記載の複合磁性シート。

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