JP4849047B2

JP4849047B2 - 携帯型電子機器

Info

Publication number: JP4849047B2
Application number: JP2007253438A
Authority: JP
Inventors: 啓秋保
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: TW200926499A; US20090085820A1; US7876281B2; CN101447270A; TWI368353B; JP2009088087A

Description

本発明は、例えばＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムにおけるアンテナの性能向上を図るために用いられるＦｅ系合金の磁性材、磁性シート及びそのアンテナを搭載した携帯型電子機器に関する。

ＲＦＩＤシステムでは、情報を記録したＩＣチップ及び共振用のコンデンサをアンテナコイルに電気的に接続した非接触式ＩＣタグが知られている。この非接触式ＩＣタグは、カードタイプや携帯電話機等に組み込まれたタイプもある。

非接触式ＩＣタグに用いられる従来のアンテナモジュールとして、平面内に渦巻き状に巻回された平面アンテナコイルに、この平面アンテナコイルの平面とほぼ平行となるように磁性部材（磁性シート）が配置されたものがある。このアンテナモジュールで用いられる磁性シートとしては高透磁率の材料が用いられる。このような磁性シートにより、平面アンテナコイルのインダクタンスが大きくなり、通信距離の向上が図れられている。

上記磁性シートに用いられる磁性材として、例えばFe-Si-Al系（センダスト系）、あるいはFe-Si-Cr系等、Feを主成分としたFe系合金の磁性材がある。以下、Feを主成分としたFe系合金の磁性材を、以下、単に「Fe系合金磁性材」という場合もある。これらのFe系合金磁性材は、Siの添加量が多くなると（例えば４．５wt％（重量パーセント）以上）、その硬度が増し、展性に乏しくなることが知られている。

一方、上記のような磁性シートは、扁平化処理された磁性粒子を原料として製造される場合もある（例えば、特許文献１）。扁平化処理では、磁性粒子にスチールボールを衝突させることで、ほぼ球状あるいはそれに近い３次元形状の磁性粒子が扁平になる。しかし、上記したようにSiの添加量が多くなると硬度が高くなるため、扁平化処理の時間が長くなり、あるいは扁平化処理の過程で磁性粒子が壊れ、小さくなるといった問題がある。磁性粒子が小さくなると、なおさら扁平化処理は難しくなる。

ここで、センダスト系の磁性材に所定量のP（リン）が混ぜられることにより、圧延加工が可能になることが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−２８４１１８号公報（段落[０００２]）特開昭５５−６５３４９号公報（明細書のページ（１１））

しかしながら、上記特許文献１の技術において、Fe系合金磁性材に混ぜられるPの量が適切でないと、保磁力Hcが上がってしまう。そうなると、現在ＲＦＩＤシステムで一般的に用いられる通信周波数である１３．５６MHzではその磁性材は使えなくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、容易に扁平化処理が可能であり、１３．５６MHzの通信周波数で使用可能な磁性材、この磁性材でなる磁性シート及びこれを用いた携帯型電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る磁性材は、１３．５６MHzの通信周波数を用いるＲＦＩＤシステムのアンテナモジュールに用いられる磁性材であって、Feを主成分としてSi及びAlが添加されたFe系合金磁性材と、前記Fe系合金磁性材に添加された０．２〜０．５wt％のリンとを具備する。あるいは、Fe系合金磁性材は、Feを主成分として、Si及びCrが添加された磁性材であってもよい。

例えば磁性材を０．２５mmの厚さの磁性シートに加工され、その磁性シートがアンテナコイルのコアとして利用される場合、本発明に係る磁性材を用いたＲＦＩＤシステムでは、その通信距離は少なくとも１００mmが期待される。

ここで、本発明者は、磁性材の損失係数に着目し、この損失係数の逆数と複素透磁率の実部との積が所定以上となる磁性材を構成することで、小型で通信距離の大きいアンテナモジュールを実現できることを見出した。すなわち、１３．５６MHzの使用周波数における０．２５mmの磁性シートの複素透磁率の実部μ'および虚部μ"で表される損失係数（ｔａｎδ＝μ"／μ'）の逆数をＱとしたときに、μ'×Ｑで表される性能指数が６００以上であることが望まれる。性能指数（μ'×Ｑ）が６００以上の磁性シートは、渦電流損失に起因するアンテナモジュールのパワーロスを低減することが可能となり、磁性シートの厚さを大きくすることなく、通信距離の向上を図ることができる。

性能指数（μ'×Ｑ）が６００以上である場合、予め実験により求められた、保磁力と性能指数（μ'×Ｑ）と関係より、磁性シートの保磁力は３００AT/m以上となることがわかった。Fe系合金（上述のように、Feを主成分として、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ等を添加したもの）磁性材において保磁力が３００AT/m以上が維持されるためには、リンの添加量が０．２wt％以上必要であることが実験により確かめられた。

一方、１３．５６MHzの使用周波数におけるμ'は２５以上必要であることがわかっているので、その場合、保磁力とμ'との関係より、保磁力が６５０AT/m以下であることが望まれる。保磁力とμ'との関係は、上記保磁力と性能指数（μ'×Ｑ）と関係から計算により、あるいは実験により求められる。保磁力が６５０AT/m以下を保つためには、リンの添加量が０．５wt％以下とする必要があることを実験により確かめられた。

以上より、保磁力というパラメータを基軸として、通信距離及び性能指数等に基き、リンの添加量が求められる。具体的には、上記Fe系合金磁性材に０．２〜０．５wt％のPが添加されることにより、扁平化処理を可能としながら、所定の通信距離の確保、磁性シートの薄型化、渦電流損失によるパワーロスの低減等を実現することができる。また、本発明によれば扁平化処理の処理速度を向上させることができる。

本発明に係る磁性シートは、１３．５６MHzの通信周波数を用いるＲＦＩＤシステムのアンテナモジュールに用いられる磁性シートであって、Feを主成分としてSi及びAlが添加されたFe系合金磁性材と、前記Fe系合金磁性材に添加された０．２〜０．５wt％のリンとを具備する。あるいは、Fe系合金磁性材は、Feを主成分として、Si及びCrが添加された磁性材であってもよい。

本発明に係る携帯型電子機器は、１３．５６MHzの通信周波数を用いるＲＦＩＤシステムに用いられる携帯型電子機器であって、アンテナコイルと、Feを主成分としてSi、Al、及び０．２〜０．５wt％のリンが添加されたFe系合金磁性材で構成され、前記アンテナコイルに沿って配置された磁性シートとを具備する。あるいは、Fe系合金磁性材は、Feを主成分として、Si、Cr、及び０．２〜０．５wt％のリンが添加された磁性材であってもよい。

以上のように、本発明によれば、扁平化処理が容易となり、扁平化処理を可能としながら、所定の通信距離の確保、磁性シートの薄型化、渦電流損失によるパワーロスの低減等を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る携帯型電子機器として、携帯電話機１０の一部を示す模式図である。

携帯電話機１０は、メインの回路基板２を内蔵する本体５と、図示しないディスプレイ部とを備えている。典型的には、本体５には、図示しない操作ボタン等が設けられている。携帯電話機１０は、本体５とディスプレイ部とを折りたたみ可能なタイプ、本体５とディスプレイ部とがスライドするタイプ等、多種のタイプがある。本体５とディスプレイ部とが一体となったストレートタイプであってもよい。

携帯型電子機器として、携帯電話機１０を例に挙げているが、他にもＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、小型ＰＣ（Personal Computer）、またはその他の電子機器等が挙げられる。あるいは、ＲＦＩＤシステムに専用の非接触ＩＣカードであってもよい。

本体５は、回路基板２に電気的に接続されたバッテリーパック３を備え、バッテリーパック３の周囲には、アンテナコイル４及び磁性シート６が配置されている。アンテナコイル４は、回路基板２に搭載されたＩＣチップに電気的に接続されている。これらアンテナコイル４及び磁性シート６は、ＲＦＩＤシステムで用いられるアンテナモジュール１５が備える各要素である。

図２は、図１に示すＡ−Ａ線断面図であり、アンテナコイル４及び磁性シート６の断面を示す図である。

アンテナコイル４は、携帯電話機１０の本体５の厚さ方向（図１及び図２に示すＺ方向）を軸として所定巻き数で巻回されている。アンテナコイル４は、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）、またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等のフレキシブルな素材７によって一体化されている。以下、このフレキシブルな素材７とアンテナコイル４が一体化された部材をアンテナケーブル１１という。アンテナコイル４は、図２のような巻き方に限られず、本体５の主面（Ｘ−Ｙ平面）に平行な平面コイルであってもよい。

磁性シート６は、アンテナケーブル１１とバッテリーパック３との間に配置され、アンテナケーブル１１に接着剤またはその他の方法により接着されている。磁性シート６とバッテリーパック３との間には、アンテナコイル４の共振周波数の粗調整のための非磁性材でなる金属シート（図示せず）が配置される場合もある。金属シートが配置される場合、磁性シート６は、アンテナコイル４と金属シートとの間の電磁干渉を回避する機能をも有する。

上記携帯電話機１０における磁性シート６の形状、配置等は、アンテナコイル４の形状、配置等に応じて適宜変更可能である。また、このことは携帯電話機１０に限られず、他の携帯型電子機器についてもいえることである。

次に、磁性シート６の原料となる磁性材について説明する。

本発明の一実施の形態に係る磁性材は、Fe-Si-Al系、またはFe-Si-Cr系等のFe系合金磁性材に、P（リン）が添加されて構成される。Pの添加量は、０．２〜０．５wt％である。

Fe-Si-Al-P磁性材に含まれる材料のうち、Si-Alの構成比率としては、以下の１）〜３）ような形態が挙げられる（数字の単位はwt％）。
１）１０Si−４Al
２）１０Si−５Al
３）９Si−６Al
しかし、このような構成比率に限られず適宜変更可能である。Fe-Si-Cr系の磁性材のSi-Crの構成比率も上記１）〜３）と同様な構成比（１０Si−４Cr、１０Si−５Crなど）であってもよいが、これらに限られない。

次に、上記Pの添加量として定められた０．２〜０．５wt％の数値範囲の根拠について説明する。

図３は、ＲＦＩＤシステムにおいて、厚さ（図１及び図２におけるＸ方向の厚さ）０．２５mmでなる磁性シート６をコアとしたアンテナコイル４の通信可能範囲（通信距離）と、磁性シート６の性能指数（μ'×Ｑ）との関係を示すグラフである。

本発明者は、磁性材の損失係数に着目し、この損失係数の逆数と複素透磁率の実部との積が所定以上となる磁性材を構成することで、小型で通信距離の大きいアンテナモジュール１５を実現できることを見出した。使用周波数における磁性シート６の複素透磁率の実部μ'および虚部μ"で表される損失係数（ｔａｎδ＝μ"／μ'）の逆数をＱとしたときに、μ'×Ｑで表される性能指数と、通信距離との関係がわかれば、要求される通信距離から、要求される性能指数が把握される。この図３のグラフは、実測及び計算により求められたものである。性能指数（μ'×Ｑ）は、通信距離に対して材料ごとに異なる。

ＲＦＩＤシステムでは、現実的に要求される通信距離は少なくとも１００mmであり、この場合、図３のグラフより厚さ０．２５mmでなる磁性シート６の性能指数（μ'×Ｑ）は６００以上が要求される。性能指数（μ'×Ｑ）が６００以上の磁性シート６は、渦電流損失に起因するアンテナモジュール１５のパワーロスを低減することが可能となり、磁性シート６の厚さを大きくすることなく、通信距離の向上を図ることができる。
なお、図３において、例えば通信距離が１０７mm、１１１mm、１１５mmにおいては、μ'×Ｑはそれぞれ１５００、３５００、８０００である。

図４は、実測（磁性シートで確認されたデータ）により求められた、保磁力Hcと性能指数（μ'×Ｑ）との関係を示すグラフである。このグラフから、性能指数（μ'×Ｑ）が６００以上の場合、磁性シート６の保磁力は３００AT/m以上であることが必要となる。一方、図５は、保磁力とμ'との関係を示すグラフであり、この関係は図４の関係から計算により、あるいは実測により求められる（Ｑ＝μ'／μ"）。

図６は、Pの添加量と保磁力との関係を示すグラフであり、これは実測（磁性シートで確認されたデータ）により求められる。上記のように、この磁性シート６を構成するFe系合金磁性材において、保磁力が３００AT/m以上が維持されるためには、Pの添加量が０．２wt％以上必要であることが確かめられた。

一方、１３．５６MHzの使用周波数におけるμ'は２５以上必要であることがわかっているので、その場合、図５のグラフより、保磁力が６５０AT/m以下であることが望まれる。保磁力が６５０AT/m以下を保つためには、Pの添加量が０．５wt％以下とする必要があることがわかる。

以上より、保磁力というパラメータを基軸として、通信距離及び性能指数（μ'×Ｑ）等に基き、Pの添加量が求められる。具体的には、Fe系合金磁性材に０．２〜０．５wt％のPが添加されることにより、扁平化処理を可能としながら、所定の通信距離の確保、磁性シート６の薄型化、渦電流損失によるパワーロスの低減等を実現することができる。また、本実施の形態によれば扁平化処理の処理速度を向上させることができる。

図７は、所定の磁性粒子の厚さ（縦軸）に達するまでに扁平化処理にかかる時間（横軸）を示した実測のグラフである。上側の線が９Si−６Alであり、下側の線が９Si−６Al(＋P)（リンが添加された磁性材）である。このグラフでは、最終的に磁性粒子の厚さｔ＝２．３μmに達するまでの時間が示されている。このグラフより１２０分程度処理時間が短縮できることがわかる。

本発明の一実施の形態に係る携帯型電子機器として、携帯電話機の一部を示す模式図である。図１に示すＡ−Ａ線断面図であり、アンテナコイル及び磁性シートの断面を示す図である。ＲＦＩＤシステムにおいて、厚さ０．２５mmでなる磁性シートをコアとしたアンテナコイルの通信可能範囲（通信距離）と、磁性シートの性能指数（μ'×Ｑ）との関係を示すグラフである。保磁力と性能指数（μ'×Ｑ）との関係を示すグラフである。保磁力とμ'との関係を示すグラフである。 Pの添加量と保磁力との関係を示すグラフである。所定の磁性粒子の厚さ（縦軸）に達するまでに扁平化処理にかかる時間（横軸）を示したグラフである。

符号の説明

Hc…保磁力
３…バッテリーパック
４…アンテナコイル
５…本体
６…磁性シート
１０…携帯電話機
１５…アンテナモジュール

Claims

１３．５６MHzの通信周波数を用いるＲＦＩＤシステムに用いられる携帯型電子機器であって、
バッテリーパックと、
アンテナコイルとフレキシブルな素材とで一体化され、前記バッテリーパックの周囲に配置されたアンテナケーブルと、
前記アンテナコイルに沿って前記アンテナケーブルと前記バッテリーパックとの間に配置され、Feを主成分としてSi、Al、及び０．２〜０．５wt％のリンが添加されたFe系合金磁性材で構成された厚さ０．２５ｍｍの磁性シートと
を具備し、
前記Fe系合金磁性材の保磁力は、３００〜６５０AT/mである携帯型電子機器。
請求項１に記載の携帯型電子機器であって、
前記バッテリーパックと前記磁性シートとの間に配置され、前記アンテナコイルの共振周波数の粗調整のための非磁性材からなる金属シートをさらに具備する携帯型電子機器。