JP2009253543A

JP2009253543A - 積層アンテナ

Info

Publication number: JP2009253543A
Application number: JP2008097356A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Araki; 博和荒木; Masahiro Mita; 正裕三田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】軟磁性薄帯を積層した形態の高性能の積層アンテナを低コストで製造する。
【解決手段】この積層アンテナにおいては、磁心１０にコイル２０が巻回されている。磁心１０は、両面に絶縁層１１が形成された軟磁性薄帯１２が多数積層されて構成されている。厚さが小さくなるに従って渦電流損失が低減されるために、出力電圧は大きくなるが、厚さが４μｍ程度のところでピークとなり、これよりも薄くなると、出力電圧は低下する。これは、渦電流損失は小さくなるものの、軟磁性薄帯１２の厚さと比べて絶縁層１１の厚さが無視できなくなり、磁心１０の有効断面積が低下するためである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性薄帯を積層して構成される積層アンテナの構造に関する。

自動車のキーレスエントリーシステムや電波時計等の携帯機器には、電磁波を受信・送信するアンテナが用いられている。これらの機器は小型であることが要求される一方で、使用される電磁波の周波数はキーレスエントリーシステム（以下、キーレスシステム）では１３４ｋＨｚ、１２５ｋＨｚ等、電波時計では４０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ等であり、その波長は数ｋｍ以上と大きい。従って、この電磁波における電界を電界アンテナで効率よく検出するためには数百ｍ以上の大きさが必要になるため、電界アンテナは使用することができない。

こうした機器には、磁心にコイルが巻回された形態の磁界アンテナが使用される。電界アンテナにおいては、その幾何学的大きさを調整して電磁波を共振させることによって高い効率を得るのに対して、磁界アンテナは、磁界による電磁誘導で電流出力を取り出し、アンテナ自身と外部の共振回路（容量）を用いて電磁波を共振させる。従って、波長と比べてはるかに小さなサイズでも、充分な受信／送信効率が得られる。磁界アンテナにおいては、磁界を検出するため、磁心には高い透磁率をもつ軟磁性材料が用いられる。また、この際に磁心において渦電流が発生すると、渦電流は検出する磁界をキャンセルする方向に流れ、その感度を低下させるため、渦電流の発生を抑制することも重要である。このためには、磁心の電気抵抗率が高いことが必要である。更に、機器全体のコストを低下させるためには、磁心の材料が安価であるということも重要である。

こうした要求を満たす材料として、フェライト材料が用いられている。しかしながら、フェライト材料は機械的に脆いという問題点があるため、特に携帯機器の耐衝撃性という観点からは、好ましい材料ではない。

このため、フェライト材料に代わる材料として、Co基等のアモルファス金属やナノ結晶材料等を用いたアンテナが使用されている（例えば特許文献１、２）。こうしたアモルファス金属等はフェライトと同等以上の高い透磁率をもつ軟磁性材料であり、フェライト材料と比べると高い機械的強度を有する。ただし、これらの材料の電気抵抗率はフェライト材料と比べると低いため、渦電流損失の影響は大きい。渦電流損失は厚さの２乗に比例するため、その厚さを小さくすることが好ましいが、充分な感度を得るためには、コイルが巻回する部分の断面積を確保する必要がある。このため、このアモルファス金属等の薄帯は、絶縁層を介して多数枚積層した積層アンテナの形態で使用される。アモルファス金属等の５０μｍ以下の厚さの薄帯は、例えばロール急冷法等によって容易に製造することができる。

従って、これらの薄帯を、絶縁層を介して積層して固定した構造を磁心とし、これにコイルを巻回した構造の積層アンテナを用いて、耐衝撃性の高い携帯機器が得られた。

特開平５−２６７９２２号公報特開平７−２７８７６３号公報

しかしながら、アモルファス金属等はフェライト材料と比べると高価である。特に、アモルファス金属等の薄帯が薄い場合、同じ大きさ（厚さ）の磁心を製造する場合には、その所要枚数は多くなり、その製造コストは高くなった。また、例えば６μｍ未満の厚さの薄いアモルファス金属の薄帯をロール急冷法で製造することは困難である。従って、特にこれよりも薄い薄帯を製造する場合には、これよりも厚い薄帯を製造し、これにエッチング、研磨等の処理を施すことにより、所望の厚さとすることが必要であり、この点からも製造コストは高くなった。

従って、軟磁性薄帯を積層した形態の高性能の積層アンテナを低コストで製造することは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、両面に絶縁層が形成された軟磁性薄帯が積層された構造の磁心にコイルが巻回された構造を具備し、前記磁心において前記軟磁性薄帯が積層された方向の厚さが３４０〜５４０μｍであり、前記絶縁層の厚さが略１μｍである積層アンテナであって、前記軟磁性薄帯の厚さが６〜１４μｍの範囲であることを特徴とする積層アンテナに存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記積層アンテナにおいて、前記軟磁性薄帯はCo基アモルファス合金で構成されることを特徴とする請求項１に記載の積層アンテナに存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記軟磁性薄帯はロール急冷法で製造されることを特徴とする請求項２に記載の積層アンテナに存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記絶縁層はポリイミドで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の積層アンテナに存する。

本発明は以上のように構成されているので、軟磁性薄帯を積層した形態の高性能の積層アンテナを低コストで製造することができる。

発明者は、積層アンテナにおいて積層される軟磁性薄帯の厚さ、積層層数と積層アンテナの特性との関係を検討した結果、厚さを特に薄くせずに充分な特性が得られる条件を見出した。

図１は、本発明の実施の形態である積層アンテナの構造を示す断面図である。この積層アンテナにおいては、磁心１０にコイル２０が巻回されている。磁心１０は、両面に絶縁層１１が形成された軟磁性薄帯１２が多数積層されて構成されている。図１は、コイル２０が巻回する軸方向に沿った断面図である。なお、磁心１０は同形状の軟磁性薄帯１２が積層されて構成されているため、直方体形状となっており、コイル２０がこれを巻回する形状も、その断面に沿った矩形形状となっている。この積層アンテナにおいては、電磁波の磁界による電磁誘導によってコイル２０中に発生する電流が検出される。この際に、磁心１０における透磁率が高く、インダクタンスが大きいために、高い検出効率が得られる。

軟磁性薄帯１２は、例えば、高い機械的強度をもつ軟磁性材料であるＣｏ基（Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス金属などで構成される。これらの材料は比透磁率が１０^３〜１０^５の高い値をもち、これらの組成の溶湯を急冷させることによって製造することができる。この際、例えばロール急冷法によって所望の厚さの薄帯を製造することができる。また、アモルファス金属以外にも、同様の組成でより大きな比透磁率をもつＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ−Ｎｂ系などのナノ金属材料を使用することもできる。このナノ金属材料は、アモルファス金属材料に対して結晶化温度以上の温度の熱処理を施すことによって製造することができる。ただし、これらの材料の電気抵抗率はフェライト材料と比べて低いため、渦電流損失を低減することが必要である。軟磁性薄帯１２における渦電流損失は、その厚さの２乗に比例するため、渦電流損失を小さくするためには、これを薄くすることが好ましい。この厚さについては後述する。

Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の金属薄帯は、一般式：(Co_1-aFe_a)_100-b-c-dSi_bB_cM_d（原子％、ここで、MはCr,Mn,Ti,Zr,Mo,W,Ni,Hf,Nb,Ta,Cuから選ばれた少なくとも一種の元素を示し、a,b,c,d及びeはそれぞれ0≦a≦0.2、1≦b≦18、5≦c≦15、0≦d≦20、を満足する。）で表されるものが好ましい。また、不可避の不純物を総量（原子％）で１％以下なら含んでもよい。薄帯の合金組成のＭは、アンテナ特性Ｑ値を改善する効果や耐蝕性を改善する効果を有する。

Feの組成比aが0.1を越えると磁歪が増加し変形や樹脂による接着等によりＱ値が低下しやすくなる。Si量ｂ、B量ｃは１≦c≦１８、2≦d≦１0の範囲が好ましい。ＲＦＩＤなどに用いられるアンテナは使用環境が３０〜２００ｋＨｚであり、Ｓｉ量ｂ、Ｂ量ｃが前記の添加範囲にないと、ＲＦＩＤ用途として結うようなアンテナ特性Ｑ値が得られなくなる。

また、これらの材料をロール急冷法で製造する場合、厚さが６μｍ未満の薄い薄帯を製造することは困難である。従って、薄い薄帯を製造する場合には、６μｍ以上の厚さの薄帯をロール急冷法で製造した後に、これに対して例えばエッチングや研磨等の加工を施して所望の厚さとすることが必要である。従って、６μｍ未満の厚さの軟磁性薄帯１２の製造コストは高くなる。

絶縁層１１は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂で構成され、軟磁性薄帯１２の両面に形成される。図１の構造においては、絶縁層１１は、各軟磁性薄帯１２の間の電気的絶縁をしていると同時に、軟磁性薄帯１２同士を接着する役割も果たす。例えば樹脂含浸法によって絶縁層１１を軟磁性薄帯１２の表面に形成した後に、軟磁性薄帯１２を積層して硬化させることにより、軟磁性薄帯１２同士を接着することができる。ただし、以上の材料で構成される絶縁層１１は磁性を有さないために、これが相対的に厚いと磁心のインダクタンスが小さくなり、磁界の検出効率が低下する。従って、その厚さは軟磁性薄帯１２よりも充分に薄く、例えば１μｍ程度とすることが好ましい。

金属薄帯を磁場中で熱処理することで誘導磁気異方性を付与することができる。アンテナ特性Ｑを高めるためには、磁束発生方向に対して垂直方向(金属薄帯の幅方向または厚さ方向）に誘導磁気異方性を付与することが好ましい。誘導磁気異方性を付与する方法としては、例えば、磁場を印加しながらキュリ−温度以下で熱処理する。アンテナ用としては３００℃以下で、かつ材料のキュリ−温度以下の比較的低い温度で磁場中熱処理する方法が、脆化も少なく特性もむしろ改善されるため好ましい。

磁心１０が厚い方がこのコイル２０が検出する磁束が大きくなるため、積層アンテナを高感度とすることができるが、携帯機器にこの積層アンテナを組み込む場合には、その大きさは機器の大きさに応じて決まるため、その厚さは一般的には１ｍｍ以下となる。

この構造において、磁心１０の厚さ（図１における上下方向の長さ）を一定とした場合に、各軟磁性薄帯１２の厚さと、この積層アンテナの特性との関係について調べた。ここで、各軟磁性薄帯１２の厚さは均一であるとし、磁心１０の総厚さが一定であるため、軟磁性薄帯１２の厚さに応じて積層層数が変化する。

まず、自動車におけるキーレスシステム用の積層アンテナとして、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの磁心１０に、５０μｍφの巻線を７１０ターン巻回してコイル２０とした構造について、検討を行った。軟磁性薄帯として原子％でＣｏ_６９Ｆｅ_４Ｍｏ_４Ｓｉ_１５Ｂ_８の合金組成からなるものを用いた。ここで、磁心の厚さは３４０μｍとしたため、軟磁性薄帯の積層層数はその厚さに応じて変化した。この際、軟磁性薄帯は１５μｍとした。絶縁層１１はポリイミドとし、その厚さは片面で１μｍとした。また、この際に積層アンテナのインダクタンスが変化するが、接続する容量を調整することにより、共振周波数をキーレスシステムに用いられる周波数である１３４ｋＨｚとして測定を行った。

図２は、この積層アンテナに磁界強度４．４ｎTを入力した場合の出力電圧及び軟磁性薄帯１２の積層層数と軟磁性薄帯１２の厚さとの関係である。前記の通り、厚さが小さくなるに従って渦電流損失が低減されるために、出力電圧は大きくなるが、厚さが４μｍ程度のところでピークとなり、これよりも薄くなると、出力電圧は低下する。これは、渦電流損失は小さくなるものの、軟磁性薄帯１２の厚さと比べて絶縁層１１の厚さが無視できなくなり、磁心１０の有効断面積が低下するためである。この軟磁性薄帯の厚さと出力電圧の関係は軟磁性薄帯の面積が変わっても同様の傾向を示す。

一方、厚さと積層層数との関係はほぼ反比例の関係となる。厚さが６μｍ未満となると、積層層数が４０層以上となり、これを製造する工程が複雑になるため、製造コストが高くなる。また、軟磁性薄帯１２の１枚当たりの製造コストも前記の通り高くなる。従って、製造コストが大幅に高くなる。

同様に、この積層アンテナのＱ値及び積層層数と厚さとの関係を図３に示すが、厚さが６μｍ未満では出力電圧と同様にＱ値はほとんど増加しない。この理由も、出力電圧と同様である。また、この軟磁性薄帯の厚さとＱ値の関係は軟磁性薄帯の面積が変わっても同様の傾向を示す。

従って、軟磁性薄帯１２の厚さは６μｍ以上とすることが好ましい。これよりも薄い場合には、出力電圧及びＱ値は向上せず、製造コストが高くなる。

一方、前記の通り、軟磁性薄帯１２の厚さが厚い場合には渦電流損失が増加するために、出力電圧、Ｑ値共に劣化する。出力電圧とＱ値を共にその最大値の７０％以上の値とするためには、厚さが１４μｍ以下であることが必要である。従って、この構成の積層アンテナにおいては、軟磁性薄帯の厚さは６〜１４μｍの範囲とすることが好ましい。

次に、電波時計用の積層アンテナとして、幅１ｍｍ、長さ２１ｍｍの磁心１０に、４０μｍφの巻線を１２００ターン巻回してコイル２０とした構造について、検討を行った。軟磁性薄帯として原子％でＣｏ_６９Ｆｅ_４Ｍｏ_４Ｓｉ_１５Ｂ_８の合金組成からなるものを用いた。ここで、磁心の厚さは５４０μｍとしたため、軟磁性薄帯の積層層数はその厚さに応じて変化した。この積層アンテナは、その使用形態、あるいは受信する電磁波強度が低いことから、前記のキーレスエントリーシステム用のものと比べて大きくなっている。軟磁性薄帯１２、絶縁層１１は前記と同様とした。また、共振周波数は電波時計に用いられる周波数である４０ｋＨｚとし、磁界強度は４４ｐTで前記と同様にしてこれを一定にして測定を行った。

図４は、この場合の出力電圧及び軟磁性薄帯１２の積層層数と軟磁性薄帯１２の厚さとの関係である。図５は、軟磁性薄帯の膜圧とアンテナ特性Ｑ値との関係である。積層アンテナの大きさ、使用周波数は異なるが、傾向はキーレスエントリーシステムの場合と同様であり、出力電圧、Ｑ値のピークは厚さが６μｍ程度である。厚さが１０μｍ未満では出力電圧の上昇が飽和に至った。厚さが１４μｍを越えると、前記と同様に、渦電流損失が大きくなる。従って、この場合には、軟磁性薄帯の厚さは１０〜１４μｍの範囲とすることが好ましい。この軟磁性薄帯の厚さと出力電圧、Ｑ値の関係は軟磁性薄帯の面積が変わっても同様の傾向を示す。

従って、軟磁性薄帯１２が積層された方向の厚さが３４０〜５４０μｍであり、前記絶縁層の厚さが１μｍである積層アンテナにおいては、軟磁性薄帯の厚さを上記の範囲とすることによって、製造コストを上昇させずに、高い出力電圧、Ｑ値を得ることができる。すなわち、高性能の積層アンテナを低コストで製造することができる。

なお、上記の例では、この積層アンテナがキーレスエントリーシステム、電波時計において用いられる場合につき記載したが、これに限られるものではない。同様の磁界アンテナであって、小型で機械的強度が要求される場合に本願発明が適用されることは明らかである。

また、軟磁性薄帯はＣｏ−Ｓｉ−Ｂ系等のアモルファス金属で構成される例につき記載したが、同様の透磁率をもち、薄帯として使用できる材料を用いた場合も同様である。

同様に絶縁層についても、軟磁性薄帯を接合でき、絶縁性をもつ有機材料であれば、他の材料を用いることができる。

本発明の実施の形態となる積層アンテナの構造を示す断面図である。本発明の実施の形態となるキーレスエントリーシステム用の積層アンテナにおける、出力電圧及び積層層数と軟磁性薄帯の厚さとの関係を示す図である。本発明の実施の形態となるキーレスエントリーシステム用の積層アンテナにおける、Ｑ値及び積層層数と軟磁性薄帯の厚さとの関係を示す図である。本発明の実施の形態となる電波時計用の積層アンテナにおける、出力電圧及び積層層数と軟磁性薄帯の厚さとの関係を示す図である。本発明の実施の形態となる電波時計用の積層アンテナにおける、Ｑ値及び積層層数と軟磁性薄帯の厚さとの関係を示す図である。

符号の説明

１０磁心
１１絶縁層
１２軟磁性薄帯
２０コイル

Claims

両面に絶縁層が形成された軟磁性薄帯が積層された構造の磁心にコイルが巻回された構造を具備し、前記磁心において前記軟磁性薄帯が積層された方向の厚さが３４０〜５４０μｍであり、前記絶縁層の厚さが略１μｍである積層アンテナであって、
前記軟磁性薄帯の厚さが６〜１４μｍの範囲であることを特徴とする積層アンテナ。
前記積層アンテナにおいて、前記軟磁性薄帯はCo基のアモルファス合金で構成されることを特徴とする請求項１に記載の積層アンテナ。
前記軟磁性薄帯はロール急冷法で製造されることを特徴とする請求項２に記載の積層アンテナ。
前記絶縁層はポリイミドで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の積層アンテナ。