JP3595095B2

JP3595095B2 - アンテナ材料とその製造方法

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Publication number: JP3595095B2
Application number: JP2168497A
Authority: JP
Inventors: 正光水木; 成夫西田; 潤松田
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JPH10219404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話などの無線機器に好適に使用されるアンテナ材料とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線機器、特に携帯電話は、高性能化、小型軽量化、低価格化などによって急速に普及している。
【０００３】
これらの機器の使用周波数はギガヘルツ若しくはそれ以上の高い周波数域であって、電波の送受信用のアンテナは感度を高めるために本体から突出した状態で装着され、又このアンテナに用いるアンテナ材料は電気特性（導電率）、機械的特性が無線機器の製品品質に大きな影響を及ぼす。
【０００４】
このようなアンテナ材料として、例えば特開平６−２９７１２号は、従来のピアノ線に変えてＮｉ−Ｔｉ系の超弾性線材の撚線を使用すること、特開平６−２０６０号は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｆｅの三元系の超弾性合金の線材を使用することを提案しているが、これらの提案はいずれも変形に対する機械的特性、即ち弾性回復性を高めることを意図し、超弾性合金の有する低弾性率性と、変形に対する高い回復性との両特性を利用しようとしている。
【０００５】
なお超弾性とは、材料の応力誘起マルテンサイト変態に起因して起こる現象であって、荷重を付加して例えば５％以上のような大きい変形を与えても、これを除荷すると元の形状に戻る現象をいう。
【０００６】
しかしながら、Ｎｉ−Ｔｉ合金線は製造工程における線引き加工性を高めるため熱処理時において生じる酸化スケールが利用されるが、酸洗によるスケールの除去は水素脆性の危険があり、又研磨は生産性に劣るなどこれを完全に除去するには相当の手間を伴うことから、通常用途では、スケールを残したまま使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＮｉ−Ｔｉ合金線にあっては、以下の解決されるべき課題がある。
（１）Ｎｉ−Ｔｉ合金線であることから、温度に対する機械特性への影響が大きく、さらに変態現象を利用するものでもある為に寒暖の温度差によって特性が一定しないこと。
（２）応力誘起マルテンサイト相は電気抵抗が大きく受発信機能が低下すること。
（３）酸化スケールが付着した材料は、その表面に施す樹脂皮膜との間に樹脂の膨れ現象を起こし、また酸化スケールの電気抵抗は母材より大きいことから受発信感度を低下させること。
（４）Ｎｉ−Ｔｉ合金線は、自体の変形加工が困難であり、又例えばロウ付け、ハンダ接合などによる接合が難しいことから、他部材との接合が困難であること。
【０００８】
このようにＮｉ−Ｔｉ合金線はアンテナ材料としてやや不満足な点がある。
なおＴｉ−Ｎｉ合金線以外の、例えば通常のステンレス鋼線、チタン合金線材を用いることも考えられるが、これらの金属線材では仮に加工硬化によって弾性を高めたものにあっても、形状回復性は低く、取扱い時に誤って曲げたときには永久変形を生じ、また一旦生じた変形を元の形状に回復させる矯正によって折損することもある。
【０００９】
本発明は、機械的特性、接合容易性、電気的特性に優れるアンテナ材料及びその製造方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の発明は、複数本のステンレス鋼素線を撚り合わせた撚線からなるとともに、前記ステンレス鋼素線は、０．０１〜０．１５％のＣと、３〜１０％のＮｉと、１１〜１８％のＣｒと、Ｆｅとを含む基本組成に、０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％の（Ｎｂ＋Ｔａ）のいずれか１つ又は複数の添加元素を添加するとともに、残部が前記Ｆｅと若干の不可避不純物である析出硬化型ステンレス鋼により形成され、かつ撚線の標点間距離４０ｍｍでの３点曲げ試験における残留たわみ量を３ｍｍ以下にしたことを特徴とするアンテナ材料である。
【００１１】
本願請求項６の発明は、０．０１〜０．１５％のＣと、３〜１０％のＮｉと、１１〜１８％のＣｒと、Ｆｅとを含む基本組成に、０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％の（Ｎｂ＋Ｔａ）のいずれか１つ又は複数である添加元素を添加しかつ残部を前記Ｆｅ、不可避不純物とした析出硬化型ステンレス鋼により形成したステンレス鋼素線の複数本を撚り合わせして撚線を形成するとともに、該撚線に１０〜１００ｋｇ／ｍｍ^２の逆張力を付与しつつ、３５０〜７００℃での析出硬化熱処理を施すことによって、該撚線の標点間距離を４０ｍｍとした３点曲げ試験における残留たわみ量を３ｍｍ以下とすることを特徴とするアンテナ材料の製造方法である。
【００１２】
本発明は、析出硬化型ステンレス鋼線の撚線を用いるとともに、その組成と、撚線構成とについて開発した結果、良好なアンテナ材料を得たのであり、３点曲げ試験における残留たわみ量を３ｍｍ以下に設定している。これは本体から突出するアンテナにおいて、引掛け、落下などのトラブル時のアンテナの残留曲げ等のトラブルを減じるには、その残留たわみ量を３ｍｍ以下とするのがよいことを見出した。
【００１３】
本明細書において「３点曲げ試験」とは、図２に示すように、標点間距離（Ｌ）を４０ｍｍとした２つの支持軸ａ、ａ間に掛け渡した被測定材料ｂの中間を下方向に１０ｍｍ引下げたのち除荷するものであり、その時に残留したたわみ量を残留たわみ量（Ｈ）という。
【００１４】
さらに残留たわみ量（Ｈ）を３ｍｍ以下とするべく、ステンレス鋼線の撚線を使用すること、ステンレス鋼線の中でも特に析出硬化可能な析出硬化型ステンレス鋼を使用するのが良いことを見出した。
【００１５】
析出硬化とは、過飽和に固溶された元素がその後の時効（常温時効）によってその一部を、炭化物、窒化物、金属間化合物等の化合物として材料の結晶粒内や粒界に析出させることによって強度を高めることをいう。
【００１６】
そのための、ステンレス鋼素線としては、０．０１〜０．１５％のＣと、３〜１０％のＮｉと、１１〜１８％のＣｒと、Ｆｅとを含ませた基本組成に、０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％の（Ｎｂ＋Ｔａ）のいずれか１つ又は複数である添加元素を添加した析出硬化型ステンレス鋼を用いる。なお「％」は全て重量％を意味する。
【００１７】
さらに好ましくは、前記基本組成としては、０．０１〜０．１５％のＣと、４〜９％Ｎｉと、１５〜１８％のＣｒとを含ませるとともに、添加元素として、０．５〜１．５％のＡｌ、又は１．５〜３．５％のＭｏ，０．０５〜０．２％のＮのいずれかを用いたセミオーステナイト系の析出硬化型ステンレス鋼である。
【００１８】
このように、本発明のステンレス鋼線に用いる析出化型ステンレス鋼は、前記基本組成に少量の添加元素を含ませるものであって、基本組成として、前記のように、０．０１〜０．１５％のＣを含むことによって、加工誘起マルテンサイト相又は熱処理によって生じたマルテンサイト相の強度を増す。０．０１％よりも小のとき、マルテンサイトが生じず、強度が小さくなり、０．１５％よりも大のとき、マルテンサイト量が大きくなり過ぎて脆化する。好ましくは０．０６〜０．０９％程度である。
【００１９】
又３〜１０％のＮｉを含ませることにより、オーステナイト相の安定性が高まる。なお３％よりも小のとき、室温でマルテンサイト相となり冷間加工性（伸線）が悪く、１０％より大のとき、Ｍｓ点が低すぎるため、冷間伸線時の加工誘起マルテンサイト変態による強度の増加がなくなる。好ましくは４〜９％、さらには６．５〜８．５％程度である。
【００２０】
又１１〜１８％のＣｒを有することにより、耐食性を与える。なお１１％よりも小のとき、耐食性が不十分であり、１８％よりも大のとき、耐食性は良いがコストアップであって、好ましくは１５〜１８％である。
又このようなＣ、Ｎｉ、Ｃｒは協働して、強度と耐食性を高める。
【００２１】
基本組成には、１又は複数の添加元素を添加する。これによって前記化合物を析出させ、析出硬化性を高める。
【００２２】
Ａｌのとき０．５〜２．０％とするのは、０．５％よりも小さいと、十分な析出硬化を得るに足る金属間化合物の析出量が得られず、２．０％よりも大きいと、Ａｌ_３Ｏ_３の様な有害な非金属介在物が増加し、伸線加工性、耐食性を劣させるためである。又Ｍｏのとき０．１〜５％とするのは、０．１％よりも小さいと、十分な耐食性の改善効果が得られず、５％よりも大きいと、高価となるためである。Ｔｉのとき０．６〜２％とするのは、０．６％よりも小さいと、十分な析出硬化を得るに足る金属間化合物の析出量が得られず、２％よりも大きいと、ＴｉＯ_２の様な有害な非金属介在物が増加し、伸線加工性、耐食性を劣させるためである。Ｎのとき０．０５〜０．２０％とするのは、０．０５％よりも小さいと、十分な析出硬化を得るに足る窒化物の析出量が得られず、０．２０％よりも大きいと、オーステナイト相が安定となり過ぎて、加工誘起マルテンサイトによる強度アップが困難であるからである。さらに（Ｎｂ＋Ｔａ）のとき０．１〜０．８％とするのは、０．１％よりも小さいと、十分な析出硬化を得るに足る金属間化合物の析出量が得られず、０．８％よりも大きいと、変形抵抗が増大し熱間加工性が著しく低下するからである。
【００２３】
なお基本組成が０．０１〜０．１５％のＣと、４〜９％Ｎｉと、１５〜１８％のＣｒと、Ｆｅとからなり、かつ添加元素は、０．５〜１．５％のＡｌ、又は１．５〜３．５％のＭｏ，０．０５〜０．２％のＮのいずれかとするとともに残部が前記Ｆｅと若干の不可避不純物であるセミオーテスナイト系の析出硬化型ステンレス鋼は、マルテンサイト系の析出硬化型ステンレス鋼に比べて成形が容易であり、しかも熱処理での硬化現象によってより優れた特性の材料を得ることができる。
【００２４】
又０．０３〜０．１０％のＣと、８〜９％のＮｉと、１６〜１８％のＣｒとを含み、かつ０．７〜１．５％のＡｌを含有させたものがアンテナ材料としてさらに優れているのが判明した。
【００２５】
撚線の撚り構成についても種々実験を行った結果、撚りピッチを小、例えば該撚線の外径寸法Ｄの２〜１０倍、好ましくは３〜８倍の撚りピッチで撚回したものが、弾性回復性に優れ、残留たわみ量を小さくしうることを見出した。
【００２６】
さらにステンレス鋼素線の径は０．１２〜０．６ｍｍ程度、好ましくは０．１２〜０．４５ｍｍ程度であって、この３〜２０本、好ましくは５〜１０本を撚り合わせる。又撚線の撚りはストランド撚り、ロープ撚りなどを用いうる。
【００２７】
又ステンレス鋼素線には撚り線加工前に４０％以上、好ましくは６０％以上の冷間加工を行う。上限は実用上９５％程度である。
【００２８】
またアンテナ材料とするためには、撚線には１０〜１００ｋｇ／ｍｍ^２の逆張力、即ち巻取りによる巻付の向きとは反対の向きの張力を付加しつつ、３５０〜７００℃、好ましくは３５０〜５５０℃の温度で析出硬化熱処理を行う。これにより真直性を高めつつ変形に対する残留たわみ量を小さくする。
【００２９】
逆張力の範囲を１０ｋｇ／ｍｍ^２未満とすると、アンテナに必要な直線性と変形に対する抵抗性が十分とはならず、逆に１００ｋｇ／ｍｍ^２を超える大きな張力では、材料自体の破断応力に近付き製造時の断線等のトラブル原因となる。撚線に対する適度の逆張力付加は、撚線の材料内部に、組織的に適度の変形歪を発生させるものであり、これを熱処理とともに安定させることが直線性を高め、かつ残留たわみ量を低く抑えることになるものと考えられる。なお逆張力のより好ましい範囲は３０〜８０ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００３０】
また、熱処理温度は、図３に例えばＡｌを１％添加した場合の時効熱処理温度に伴う引張り強さの変化を示している。この図から見られるように約４５０℃付近を中心として３５０〜５５０℃の間で最も高い値を示していることが分かる。又好ましくは４００〜５５０℃である。ただし、図示していないが、熱処理時間が１分以下の場合は５５０〜７００℃が好ましい。なお他の添加元素、例えばＣｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂなどの場合は約４７０〜６３０℃とするのがよい。
【００３１】
熱処理時間は、例えば５〜５００ｓｅｃ程度で所定の特性が得られ、さらに撚線加工前に４０％以上、好ましくは６０％以上の冷間加工を施した前記ステンレス鋼線にあっては、材料の全体強度を向上しつつ直線性や変形に対する抵抗性を高めたアンテナ材料とすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のアンテナ材料を用いたアンテナの一例を示し、アンテナ１はステンレス鋼素線２の複数本を撚り合わせた撚線３の表面に樹脂材料の被覆層４を設けている。
【００３３】
長さは、使用される機器の周波数に同調する長さであって、通常５〜２０ｃｍ程度とし、又保形しうる程度の太さ（例えば０．５〜２ｍｍ程度）に形成される。
【００３４】
ステンレス鋼素線２は、本実施例では、Ｆｅと、０．０２〜０．０９％Ｃと、１％以下のＳｉ、２％以下のＭｎ、６〜１０％のＮｉ、１６〜２０％のＣｒを基本組成として含み、さらに前記析出硬化のための添加元素として０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％のＮｂの少なくとも１種以上を添加されたものであって、若干の不可避不純物を含む。％の和の残部が前記Ｆｅである。
【００３５】
添加元素は、通常、前記化合物として結晶粒界、又は結晶粒内に析出することによって材料の機械的特性の改良を図る。これは前記化合物が基地の中に微細な第２相として析出することにより強化促進されるものと思われる。
【００３６】
このようなステンレス鋼素線２の特性は、析出硬化熱処理前の冷間加工の加工程度によっても大きく影響する。加工率を前記のように４０％以上とするのがよく、より好ましくは６０％以上、さらには８０％以上とする。なお上限は実用上９５％程度である。又ステンレス鋼素線の線径は前記のように、０．１２〜０．６ｍｍ程度とする。好ましくは０．２５〜０．４５ｍｍ程度である。
【００３７】
撚線３はこのようなステンレス鋼素線の複数本（例えば３〜２０本）を例えば図４に示す撚線機１２で撚り加工が施されるものである。アンテナの弾性回復特性を良好にするには、撚線３の撚りピッチは、その外径Ｄの２〜１０倍、好ましくは３〜８倍、より好ましくは３〜５倍とするのがよく、撚線ピッチが１０倍をこえて大きくなると繰り返し変形などに対する形状回復性が劣る。
【００３８】
さらに逆張力付与装置１４により逆張力を付与しつつ熱処理炉１５で熱処理して巻取りドラム１６で巻取る。
【００３９】
また、アンテナ１は前記撚線３を、そのまま使用することができるが、表面保護と美観付与の為に、さらにその表面に例えば厚さ１０〜８０μｍ程度の樹脂材料を色付け被覆とする前記被覆層４を設けるとともに、その先端には保護キャップ１０が嵌着される。
【００４０】
被覆層４としては、例えばナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂などの合成樹脂が用いられ、また被覆方法としては、例えばコーティングなどの従来の電線被覆法、熱収縮チューブを用いることができる。後者は密着性を高めることができ、撚線の表面の比較的大きな凹凸を効率よく密着させて被覆できる。
【００４１】
アンテナ１は、携帯電話、携帯無線用などの無線機器用として使用でき、Ｎｉ−Ｔｉ合金などのように材料自体の変態現象を用いないことからして、使用の制約がなく、特性的にも安定したものとなる。
【００４２】
【実験例】
表１に示す４種類（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の組成のステンレス鋼線１．０ｍｍを、ダイヤモンドダイスによる湿式タイプの冷間連続伸線機により０．３５ｍｍφにまで細線加工し、その７本を高速撚線機にセットして１＋６／０．３５のロープの撚り構成の撚線を得た。又比較例として表１のＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈのものも併せて試作した。
【００４３】
【表１】

【００４４】
撚線は、各々外径１．０５ｍｍのＳ撚りとした、撚りピッチは以下のイ）、ロ）の２種とした。
【００４５】
イ）撚りピッチ４．５ｍｍ（外径比４倍）
ロ）撚りピッチ１０ｍｍ（外径比９倍）
【００４６】
こうして製造した撚線について、一旦その表面をアルコールにより洗浄して付着不純物を除去した後、約４７０℃に調整した熱処理炉に掛けて約１５ｓｅｃの析出硬化熱処理を行った。なお、被熱処理に際して約５０ｋｇ／ｍｍ^２の逆張力を付加し、析出硬化熱処理炉はその内部を無酸化性雰囲気とした管状炉（炉長３ｍ）内を走行させる方式のものを用いた。得られた製品の特性を表２に示す。
【００４７】
【表２】

【００４８】
繰り返し曲げ試験は、試料をバイスに挟みその挟持端部から約８０ｍｍ隔たる位置で左右に２０回繰り返し曲げしたときの残留たわみ量を定性的に比較したものである。結果的には３点曲げ試験の結果に相関している。
【００４９】
なお、表中の◎を付したものは従来使用されているＮｉ−Ｔｉ合金の特性に比べ遜色ないと思われるものであり、以下○△の順序で付記し×は不適を意味する。
【００５０】
さらに、試料ＡとＢについては表２には記載していないが、析出硬化熱処理を行っていないものと、熱処理時に逆張力を付加せずに処理したものについても試験したが、いずれも直線性が悪く、また手で曲げた時の残留たわみ量も比較的大きかったことから製品として好ましいものとは言えないものであった。
【００５１】
またＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈは強度、又は残留たわみ量において劣っているのがわかる。さらに他の比較例として細線ロープ用として使用されているＳＵＳ３０４硬質ステンレス鋼線０．３５ｍｍを前記実施例と同様にして、外径１．０５ｍｍの撚線に撚合わせ、さらに前記実施例とほぼ同様の温度で低温熱処理したが、この処理では単に材料の組織的な歪取り効果しか得られず、直線性は向上したものの、残留曲げにおいて満足できるものではなかった。
【００５２】
【発明の効果】
析出硬化型ステンレス鋼線の撚線を用いることによって、従来のＮｉＴｉ合金と遜色ない機械的特性を備えることができ、しなやかで変形回復性に優れ、また他の部材との接合も比較的容易となる。
【００５３】
しかも撚線には酸化スケールなどの付着もないことから、導電性もよく、その表面に施す樹脂材料との密着も確実となるなどの利点がある。
【００５４】
製造方法において、所定の逆張力を付加しつつ析出硬化熱処理を行うことによって、通常のステンレス鋼線では得られない機械的特性と直線度を有するアンテナ材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナ材料の平面断面図である。
【図２】３点曲げ試験方法を例示する概略図である。
【図３】析出硬化型ステンレス鋼の熱処理温度と特性との関連図の一例である。
【図４】装置の概略を示す線図である。
【符号の説明】
２ステンレス鋼線
３撚り線
４被覆層

Claims

複数本のステンレス鋼素線を撚り合わせた撚線からなるとともに、前記ステンレス鋼素線は、０．０１〜０．１５％のＣと、３〜１０％のＮｉと、１１〜１８％のＣｒと、Ｆｅとを含む基本組成に、０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％の（Ｎｂ＋Ｔａ）のいずれか１つ又は複数の添加元素を添加するとともに、残部が前記Ｆｅと若干の不可避不純物である析出硬化型ステンレス鋼により形成され、かつ撚線の標点間距離４０ｍｍでの３点曲げ試験における残留たわみ量を３ｍｍ以下にしたことを特徴とするアンテナ材料。
前記基本組成は０．０１〜０．１５％のＣと、４〜９％Ｎｉと、１５〜１８％のＣｒと、Ｆｅとからなり、かつ添加元素は、０．５〜１．５％のＡｌ、又は１．５〜３．５％のＭｏ，０．０５〜０．２％のＮのいずれかとするとともに残部が前記Ｆｅと若干の不可避不純物であるセミオーステナイト系の析出硬化型ステンレス鋼により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ材料。
前記ステンレス鋼素線は、析出硬化熱処理が施されるとともにこの析出硬化熱処理によって前記基本組成及び添加元素の内の１種以上の析出物が該素線の結晶粒界及び／又は結晶粒内に析出形成させることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ材料。
前記撚線は、該撚線外径Ｄの３〜８倍の撚りピッチで撚回加工してなる請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ材料。
前記撚線は、外面に、厚さ１０〜８０μｍの合成樹脂の被覆層が設けられてなる請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ材料。
０．０１〜０．１５％のＣと、３〜１０％のＮｉと、１１〜１８％のＣｒと、Ｆｅとを含む基本組成に、０．５〜２．０％のＡｌ、１〜５％のＣｕ、０．１〜５％のＭｏ、０．６〜２％のＴｉ、０．０５〜０．２％のＮ、０．１〜０．８％の（Ｎｂ＋Ｔａ）のいずれか１つ又は複数である添加元素を添加しかつ残部を前記Ｆｅ、不可避不純物とした析出硬化型ステンレス鋼により形成したステンレス鋼素線の複数本を撚り合わせして撚線を形成するとともに、該撚線に１０〜１００ｋｇ／ｍｍ^２の逆張力を付与しつつ、３５０〜７００℃での析出硬化熱処理を施すことによって、該撚線の標点間距離を４０ｍｍとした３点曲げ試験における残留たわみ量を３ｍｍ以下とすることを特徴とするアンテナ材料の製造方法。
前記ステンレス鋼素線は、撚線加工前に加工率４０％以上の冷間加工が施されることを特徴とする請求項６記載のアンテナ材料の製造方法。