JP4973716B2 - アンテナ素子用フェライト組成物、アンテナ素子用磁性部材およびアンテナ素子 - Google Patents

Description

本発明は、トランス、チョークコイル、インダクタおよびアンテナ素子用部材などの製造に好適なフェライト組成物と、該組成物から構成されるアンテナ素子用部材、該部材を有するアンテナ素子と、に関する。

ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、ＩＣカードやＩＣタグと、リーダ／ライタとの間で、非接触での通信を行う技術である。このようなＩＣカードやＩＣタグは、ＩＣチップおよびアンテナコイルを備えており、リーダ／ライタにもアンテナコイルが備えられている。

ＩＣカード等をリーダ／ライタに近づけることで、これらのアンテナコイルの間で生じる電磁誘導により磁束が発生する。この磁束をＩＣカード等とリーダ／ライタとの間でやりとりすることにより、電力の供給およびＩＣチップに書き込まれた情報のやりとりが可能となる。

このとき、アンテナコイルの背面等に金属が配置されていると、発生した磁束により金属に渦電流が生じ、この渦電流が、発生した磁束とは逆向きの磁界を発生させてしまう。その結果、発生した磁束が弱まり、通信距離が短くなる、あるいは通信ができなくなるという問題がある。また、渦電流が生じることにより、熱的な損失も発生する。

このような問題を解決するために、アンテナコイルと金属との間に透磁率の高い材料から構成される磁性体を配置することが提案されている。使用周波数帯が高周波（たとえば１３．５６ＭＨｚ）であるＲＦ−ＩＤ技術においては、透磁率μは、複素透磁率μ＝μ’−ｊμ”として表現される（ｊは虚数単位）。複素透磁率の実部μ’は通常の透磁率成分を示しており、ＲＦ−ＩＤ技術においては、通信距離に関係する。また、複素透磁率の虚部μ”は損失を示しており、μ’とμ”との比をＱ（＝μ’／μ”）とすると、Ｑは損失係数の逆数となる。このＱは、ＲＦ−ＩＤ技術において通信感度に関係する指標となる。

一般的に、μ’を高くしようとすると、μ”も高くなることが知られている。そのため、通信距離を長くしつつ、良好な通信感度を得るには、μ’を高く維持し、かつμ”を小さくする（Ｑを大きくする）ことが求められていた。特に、μ’が大きいほど、波長短縮効果により共振周波数の変化や伝送電力の低下、波形の歪みを抑制できるという観点から、通信距離の向上が求められていた。

たとえば、特許文献１では、高透磁率材料として、酸化アンチモンおよび酸化コバルトを含有するＮｉＣｕＺｎ系フェライト材料を用いることが提案されている。

しかしながら、上記の高透磁率材料は、複素透磁率の実部μ’が十分ではなく、通信距離が短くなってしまうという問題があった。さらに、Ｑが小さいため、損失により通信感度が低くなるという問題もあった。

特開２００８−１１７９４４号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、高周波数帯（たとえば１３．５６ＭＨｚ）において複素透磁率の実部μ’が高く、かつ虚部μ”が低いフェライト組成物と、該フェライト組成物で構成してあるアンテナ素子用磁性部材と、該部材を有するアンテナ素子とを、提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るアンテナ素子用フェライト組成物は、
主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４６．０〜４９．８９モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で２．３〜１９．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２５．０モル％を含有し、残部が酸化ニッケルで構成されており、
前記主成分に対して、副成分として、リンをＰ換算で２〜６３ｐｐｍ、酸化ジルコニウムをＺｒＯ_２換算で４３〜５９８０ｐｐｍ、酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．３〜２重量％含有することを特徴とする。

あるいは、本発明に係るアンテナ素子用フェライト組成物は、
主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４６．０〜４９．８９モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で２．３〜１９．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２５．０モル％、酸化マンガンをＭｎ_２Ｏ_３換算で０．０１〜２．１モル％を含有し、残部が酸化ニッケルで構成されており、
前記主成分に対して、副成分として、リンをＰ換算で２〜６３ｐｐｍ、酸化ジルコニウムをＺｒＯ_２換算で４３〜５９８０ｐｐｍ、酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．３〜２重量％含有することを特徴とする。

本発明によれば、主成分を構成する酸化物の含有量を上記の範囲とし、さらに副成分としてリン、酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトを上記の範囲で含有させることにより、複素透磁率μの実部μ’を高く維持しつつ、虚部μ”を低減できるフェライト組成物が得られる。

したがって、本発明に係るフェライト組成物をアンテナ素子用磁性部材に適用することで、高周波数帯において長い通信距離を確保しつつ、その感度を向上させることができる。特に、μ’が大きいほど、波長短縮効果により共振周波数の変化や伝送電力の低下、波形の歪みを抑制できるという観点から、通信距離の向上が望まれているが、本発明によれば大幅な向上が可能である。

このような効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、リン、酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトを共存させることで得られる複合的な効果において、さらに酸化コバルトの含有量を特定の範囲とすることで、複合的な効果がさらに顕著なものになると考えられる。

主成分中に酸化マンガンが含有される場合には、好ましくは、前記酸化鉄および前記酸化マンガンの合計含有量が、Ｆｅ_２Ｏ_３換算およびＭｎ_２Ｏ_３換算で、４９．９モル％以下である。

前記酸化鉄および前記酸化マンガンの合計含有量を上記の範囲とすることで、上述した効果をさらに高めることができる。

本発明に係るアンテナ素子用磁性部材は、上記のいずれかに記載のフェライト組成物から構成されている。

本発明に係るアンテナ素子は、上記のアンテナ素子用磁性部材を有する。

なお、本発明に係るアンテナ素子用フェライト組成物は、上記のように、アンテナ素子用磁性部材として好適である。

本発明によると、複素透磁率の実部（μ’）を高くしつつ、虚部（μ”）を低減できるフェライト組成物が得られる。このフェライト組成物は、アンテナ素子用磁性部材およびこれを有するアンテナ素子に好適に使用され、長い通信距離および良好な通信感度を実現することができる。特に通信距離の向上を図ることができる。

図１は本発明の一実施形態に係るアンテナ素子の概略分解斜視図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るアンテナ素子１は、ケース、シールド基板等の金属１０と、ループ形状のアンテナコイル１４との間に、本発明の一実施形態に係るアンテナ素子用磁性部材１２が挟まれた構成を有している。なお、図１では、外部との接続端子、通信処理回路、保護部材等の図示を省略している。

本実施形態に係るアンテナ素子用磁性部材１２は、本実施形態に係るフェライト組成物から構成されている。本実施形態に係るフェライト組成物は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトであり、主成分として、酸化鉄、酸化銅、酸化亜鉛および酸化ニッケルを含有している。また、必要に応じて酸化マンガンを含有してもよい。

主成分１００モル％中、酸化鉄の含有量は、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で、４６．０〜４９．８９モル％、好ましくは４６．５〜４９．５モル％、より好ましくは４７．０〜４９．０モル％である。酸化鉄の含有量が少なすぎると、複素透磁率の実部μ’が低下し、その結果、Ｑ（＝μ’／μ”）が小さくなる傾向にある。多すぎると、複素透磁率の虚部μ”が大きくなり、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。

主成分１００モル％中、酸化銅の含有量は、ＣｕＯ換算で、２．３〜１９．０モル％、好ましくは２．６〜１８．７モル％、より好ましくは３．０〜１８．０モル％である。酸化銅の含有量が少なすぎると、複素透磁率の虚部μ”が大きくなり、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。多すぎると、複素透磁率の実部μ’は大きくなるものの、虚部μ”が急激に悪化するため、結果として、Ｑが小さくなる傾向にある。

主成分１００モル％中、酸化亜鉛の含有量は、ＺｎＯ換算で、１８．０〜２５．０モル％、好ましくは１８．５〜２４．５モル％、より好ましくは１９．０〜２４．０モル％である。酸化亜鉛の含有量が少なすぎると、複素透磁率の実部μ’が小さくなる傾向にある。多すぎると、複素透磁率の虚部μ”が大きくなり、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。

主成分の残部は、酸化ニッケルのみから構成されていてもよいし、酸化ニッケルと酸化マンガンとから構成されていてもよい。

主成分の残部に、酸化マンガンが含有される場合には、主成分１００モル％中、酸化マンガンの含有量は、Ｍｎ_２Ｏ_３換算で、好ましくは０．０１〜２．１モル％、より好ましくは０．０３〜２．０モル％、さらに好ましくは０．０５〜１．９０モル％である。酸化マンガンの含有量が多すぎると、複素透磁率の実部μ’が低下し、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。

通常、マンガンは、酸化鉄中に酸化マンガンの形態で不可避的不純物として含有されているが、上記の範囲内であれば、酸化マンガンを含有させてもよい。

また、主成分中に酸化マンガンが含有されている場合には、酸化鉄および酸化マンガンの合計含有量（Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｍｎ_２Ｏ_３）が、Ｆｅ_２Ｏ_３換算およびＭｎ_２Ｏ_３換算で、４９．９モル％以下であることが好ましく、４９．６モル％以下であることがより好ましい。酸化鉄および酸化マンガンの合計含有量の上限を上記の範囲とすることで、良好な特性を得ることができる。

本実施形態に係るフェライト組成物は、上記の主成分に加え、副成分として、リン、酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトを含有している。

リンの含有量は、主成分に対して、Ｐ換算で、２〜６３ｐｐｍ、好ましくは３〜６０ｐｐｍ、より好ましくは５〜５５ｐｐｍである。リンの含有量が少なすぎても多すぎても、透磁率の虚部μ”が大きくなり、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。

酸化ジルコニウムの含有量は、主成分に対して、ＺｒＯ_２換算で、４３〜５９８０ｐｐｍ、好ましくは５０〜５８００ｐｐｍ、より好ましくは６０〜５０００ｐｐｍである。酸化ジルコニウムの含有量が少なすぎても多すぎても、複素透磁率の虚部μ”が大きくなり、その結果、Ｑが小さくなる傾向にある。

酸化コバルトの含有量は、主成分に対して、ＣｏＯ換算で、０．３〜２重量％、好ましくは０．５〜１．５重量％、より好ましくは０．５２〜０．７０重量％、特に好ましくは０．５２〜０．６８重量％である。酸化コバルトの含有量が少なすぎると、複素透磁率の実部μ’は大きくなるものの、虚部μ”が急激に悪化するため、結果として、Ｑが小さくなる傾向にある。多すぎると、実部μ’が小さくなり、しかも虚部μ”が大きくなるため、結果として、Ｑが小さくなる傾向にある。

本実施形態に係るフェライト組成物においては、主成分の組成範囲を上記の範囲に制御されていることに加え、副成分として、上記のリン、酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトが特定量含有されている。特に酸化コバルトの含有量を制御することで、複素透磁率の実部μ’を大きくし、虚部をμ”を小さくする効果が顕著に得られる。その結果、μ’が大きく、しかもＱが小さいフェライト組成物を得ることができる。このようなフェライト組成物をアンテナ素子用磁性部材に適用することで、通信距離を長くしつつ、通信感度を良好にすることができる。

なお、リン、酸化ジルコニウムまたは酸化コバルトが単独で含有されている場合には上記の効果は十分に得られない。また、リン、酸化ジルコニウムまたは酸化コバルトのうち、２種しか含有されていない場合も同様である。すなわち、上記の効果は、リン、酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトの３種が含有され、さらに酸化コバルトの含有量が本発明の範囲内に制御された場合に初めて得られる複合的な効果である。

また、本実施形態に係るフェライト組成物には、マンガン以外の不可避的不純物元素の酸化物が含まれ得る。

具体的には、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉや、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｐｂ、Ｂｉ等の典型金属元素や、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ等の遷移金属元素が挙げられる。

次に、本実施形態に係るフェライト組成物から構成されるアンテナ素子用磁性部材の製造方法の一例を説明する。

まず、出発原料（主成分の原料および副成分の原料）を、所定の組成比となるように秤量して混合し、原料混合物を得る。混合する方法としては、たとえば、ボールミルを用いて行う湿式混合や、乾式ミキサーを用いて行う乾式混合が挙げられる。なお、平均粒径が０．１〜３μｍの出発原料を用いることが好ましい。

主成分の原料としては、酸化鉄（α−Ｆｅ_２Ｏ_３ ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、必要に応じて酸化マンガン（Ｍｎ_２Ｏ_３）、あるいは複合酸化物などを用いることができる。さらに、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物等を用いることができる。焼成により上記した酸化物になるものとしては、たとえば、金属単体、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、ハロゲン化物、有機金属化合物等が挙げられる。

副成分の原料としては、リン（Ｐ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）および酸化コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）を用いることができる。リンについては、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）の形態で用いることが好ましい。酸化ジルコニウムおよび酸化コバルトについては、主成分の原料の場合と同様とすればよい。

なお、酸化コバルトの一形態であるＣｏ_３Ｏ_４は、保管や取り扱いが容易であることや、空気中でも価数が安定していることから、酸化コバルトの原料として好ましい。

次に、原料混合物の仮焼きを行い、仮焼き材料を得る。仮焼きは、原料の熱分解、成分の均質化、フェライトの生成、焼結による超微粉の消失と適度の粒子サイズへの粒成長を起こさせ、原料混合物を後工程に適した形態に変換するために行われる。こうした仮焼きは、好ましくは８００〜１１００℃の温度で、通常１〜３時間程度行う。仮焼きは、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気や純酸素雰囲気で行っても良い。なお、主成分の原料と副成分の原料との混合は、仮焼きの前に行なってもよく、仮焼き後に行なってもよい。

次に、仮焼き材料の粉砕を行い、粉砕材料を得る。粉砕は、仮焼き材料の凝集をくずして適度の焼結性を有する粉体とするために行われる。仮焼き材料が大きい塊を形成しているときには、粗粉砕を行ってからボールミルやアトライターなどを用いて湿式粉砕を行う。湿式粉砕は、粉砕材料の平均粒径が、好ましくは１〜２μｍ程度となるまで行う。

得られた粉砕材料を用いて、本実施形態に係るアンテナ素子用磁性部材を製造する。該部材を製造する方法については制限されないが、以下では、シート法を用いる。

まず、得られた粉砕材料を、溶媒やバインダ等の添加剤とともにスラリー化し、ペーストを作製する。そして、このペーストを用いてグリーンシートを形成する。次いで、形成されたグリーンシートを所定の形状に加工し、脱バインダ工程、焼成工程を経て、本実施形態に係るアンテナ素子用磁性部材が得られる。焼成は、好ましくは９００〜１３００℃の温度で、通常２〜５時間程度行う。また、焼成は、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気で行っても良い。このようにして得られるアンテナ素子用磁性部材は本実施形態に係るフェライト組成物から構成されている。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等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において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

たとえば、上述した実施形態では、アンテナ素子用磁性部材をシート法により製造したが、たとえば乾式成形や押出成形等の公知の方法により製造してもよい。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

まず、主成分の原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｍｎ_２Ｏ_３を準備した。副成分の原料として、Ｈ_３ＰＯ_４、ＺｒＯ_２およびＣｏ_３Ｏ_４を準備した。

次に、準備した主成分および副成分の原料の粉末を秤量した後、ボールミルで５時間湿式混合して原料混合物を得た。

次に、得られた原料混合物を、空気中において８００℃で２時間仮焼して仮焼き材料とした後、ボールミルで２０時間湿式粉砕して粉砕材料を得た。

次に、この粉砕材料を乾燥した後、該粉砕材料１００重量％に、バインダとしてのポリビニルアルコールを１．０重量％添加して造粒し、２０メッシュの篩で整粒して顆粒とした。この顆粒を、１００ｋＰａの圧力で加圧成形して、トロイダル形状（寸法＝外径１８ｍｍ×内径１０ｍｍ×高さ５ｍｍ）の成形体を得た。

次に、これら各成形体を、空気中において、８５０〜１２５０℃で２時間焼成して、焼結体としてのトロイダルコアサンプルを得た。得られたサンプルについて、蛍光Ｘ線分析を行い、フェライト組成物の組成を測定した。なお、Ｃｏについては、Ｃｏ_３Ｏ_４の含有量としてではなく、ＣｏＯの含有量として測定した。結果を表１〜３に示す。また、リン（Ｐ）の含有量は吸光光度法により測定した。さらにサンプルに対し以下の特性評価を行った。

複素透磁率
得られたトロイダル形状のコアを、インピーダンスアナライザ（アジレント ４２９４Ａ）を使用して、複素透磁率の実部μ’および虚部μ”を算出し、さらにμ’およびμ”からＱを算出した。測定条件としては、測定周波数１３．５６ＭＨｚ、測定温度２５℃、測定レベル５００ｍＶとした。

本実施例では、μ’は７０以上であることが好ましく、１５０以上であることがさらに好ましい。また、Ｑは６０以上であることが好ましく、９０以上であることがさらに好ましい。結果を表１に示す。

表１より、副成分であるＰ、ＺｒＯ_２およびＣｏＯの３種が含有され、かつ含有量が本発明の範囲内である場合（実施例１〜１８）、μ’を高く維持したままで、良好なＱが得られる傾向にあることが確認された。これに対し、Ｐ、ＺｒＯ_２およびＣｏＯのうち、いずれか２種しか含有されていない場合（比較例１、３、４、６、７、９および１０）、あるいはＰ、ＺｒＯ_２およびＣｏＯの３種が含有されているが、そのうち１種の含有量が本発明の範囲外となっている場合（比較例２、５、８および１１）には、μ”が悪化するのに伴いＱが悪化する傾向が確認された。

また、表２より、ＣｕＯおよびＺｎＯの含有量が本発明の範囲外となる場合（比較例１２〜１５）には、μ”が悪化するのに伴いＱが悪化する傾向が確認された。

さらに、表３より、Ｆｅ_２Ｏ_３およびＭｎ_２Ｏ_３の含有量が本発明の範囲外である場合（比較例１６〜２０）には、μ”が悪化するのに伴いＱが悪化していることが確認された。

また、Ｐ、ＺｒＯ_２またはＣｏＯのうち、１種しか含有されていない場合（比較例２１〜２３）には、μ”が悪化するのに伴いＱが悪化していることが確認された。Ｐ、ＺｒＯ_２およびＣｏＯのいずれもが含有されていない場合（比較例２４および２５）にもμ”が悪化するのに伴いＱが悪化していることが確認された。

以上より、本発明に係るフェライト組成物を、アンテナ素子用磁性部材に適用することで、通信距離を向上させつつ、良好な通信感度を実現できるアンテナ素子が得られることが確認できた。このようなアンテナ素子は、たとえばＲＦ−ＩＤ技術におけるＩＣカードやＩＣタグ等に好適に用いられる。

１… アンテナ素子
１０… 金属
１２… アンテナ素子用磁性部材
１４… アンテナコイル

Claims (5)

1. 主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４６．０〜４９．８９モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で２．３〜１９．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２５．０モル％を含有し、残部が酸化ニッケルで構成されており、
   前記主成分に対して、副成分として、リンをＰ換算で２〜６３ｐｐｍ、酸化ジルコニウムをＺｒＯ_２換算で４３〜５９８０ｐｐｍ、酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．３〜２重量％含有することを特徴とするアンテナ素子用フェライト組成物。
2. 主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４６．０〜４９．８９モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で２．３〜１９．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２５．０モル％、酸化マンガンをＭｎ_２Ｏ_３換算で０．０１〜２．１モル％を含有し、残部が酸化ニッケルで構成されており、
   前記主成分に対して、副成分として、リンをＰ換算で２〜６３ｐｐｍ、酸化ジルコニウムをＺｒＯ_２換算で４３〜５９８０ｐｐｍ、酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．３〜２重量％含有することを特徴とするアンテナ素子用フェライト組成物。
3. 前記酸化鉄および前記酸化マンガンの合計含有量が、Ｆｅ_２Ｏ_３換算およびＭｎ_２Ｏ_３換算で、４９．９モル％以下である請求項２に記載のアンテナ素子用フェライト組成物。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ素子用フェライト組成物から構成されるアンテナ素子用磁性部材。
5. 請求項４に記載のアンテナ素子用磁性部材を有するアンテナ素子。

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