JPWO2008133026A1 - アンテナ用磁心、アンテナ用磁心の製造方法、およびアンテナ - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1では、アモルファス金属薄帯を板状のボビンに巻きまわし、これにコイルを巻いてアンテナ用磁心とすることが開示されている。これにより、磁心の端部に任意の曲面や厚みが得られ、アンテナ用磁心の送受信性能のバラツキを防止できることが開示されている。
金属薄帯の表面には樹脂等の接着剤を塗布しており、その後、ホットプレスなどを用いて圧着される。これらの技術は例えば特許文献3などにも開示されている。
また、従来では、薄帯をアンテナ寸法に切断した後に積層してアンテナとしているが、この方法では小さな軟磁性薄帯を積層しなければならず、作業効率が非常に悪い。作業効率を上げるには、ある程度の大きさの軟磁性薄帯を積層した後に、所望のアンテナ形状に加工することが望ましい。
従って、本発明は、安易な工程で製造が可能であり、かつ、高いQ値(すなわちアンテナ特性)を持つアンテナ用磁心、及びそのアンテナ用磁心を用いた高性能なアンテナを提供することを課題とする。
このアンテナ用磁心は、金属薄帯、細帯状の薄帯、積層体のいずれかの状態で幅方向に磁気異方性が付与され、その後、この幅方向に沿って切断することが好ましい。
ここで幅方向とはアンテナ用磁心の短辺となる面に沿った方向であるが、必ずしも長手方向に垂直方向でなくともよいが、20度以内に留めた方が加工性および製品の機械的強度などの点から好ましい。
また、連続した金属薄帯もしくは積層体に誘導磁気異方性を付与した後、その金属薄帯もしくは積層体の短辺側の最端部は切除することが好ましい。短辺側の最端部は反磁界の影響を受けて磁気異方性が十分に付与されておらず、この部分をアンテナ用磁心とするとアンテナ特性が下げってしまう。切除する最短部からの範囲は1mm以上、さらには2mm以上が好ましい。
積層体をアンテナ用磁心の寸法に幅寸法、長手寸法とも加工した後に磁場中熱処理をすると、この反磁界の影響を受けた端部をそのままアンテナ用磁心として使用しなければならない。そうならないよう、少なくとも長手寸法よりも長い積層体に磁場中熱処理を施し、その後、長手寸法になるように幅方向に沿って加工する必要がある。好ましくは、長軸の積層体に磁場中熱処理を施し、その後、所望の長手寸法になるように幅方向に沿って切断していけば無駄な切除部分を出さずにアンテナ用磁心が作製できる。
さらに、幅が5mmを超えてしまうと、熱硬化性樹脂などを接着剤として用いた場合、積層間で剥離が生じやすくなる。これは、乾燥工程や磁場中熱処理などで樹脂に熱がかかると樹脂中からガスが発生し、積層の接着面がガスによって小さくなるためである。幅が5mm以下であれば、発生したガスは積層体の側面から逃げるため、この剥離の問題が少なくなる。
なお、FeSiCuB系などに代表されるナノ結晶金属薄帯があるが、ナノ結晶金属薄帯を製造するには金属薄帯を共晶温度以上で熱処理する為、合金の薄帯が脆化するので取扱いに注意する必要がある。
金属薄帯は、融点以上(通常のFe系、Co系材料では1000℃〜1500℃程度)に加熱した合金溶湯を、スリットを有するノズルから回転する金属製の冷却ロール上に噴出し製造する(単ロール法)。
出湯に使用するノズルスリットの幅は、製造する薄帯の厚さ×0.3〜0.8mm程度の形状が好ましい。ノズル材質は、石英、シリコンナイトライド、BN等のセラミックスが用いられる。多重スリットを使用して製造する場合もある。単ロール法において、合金溶湯出湯中の冷却ロールとノズル先端との間隔(ギャップ)は20μm以上500μm以下であり、通常250μm以下である。
特に、金属薄帯の冷却ロールからの剥離を、ノズルスリット直下のロール外周の位置からロール外周に沿って測定した距離で100〜1000mmとすることにより、より破断が起こり難くなり、長手方向に200m以上の連続した金属薄帯の製造できる。更に、冷却ロール表面温度を100〜250℃以下に保つことにより、脆化し難く薄帯幅方向の反りが小さい長尺の金属薄帯が製造できる。
特に、薄い薄帯を製造する場合の好ましい水量は、0.1〜1m3/分以下である。冷却ロールの直径は、通常300〜1200mm程度であるが、好ましくは400〜1000mm程度である。特に望ましくは、500〜800mmである。
また、ロール周速が20〜40m/sで、出湯圧力が270gf/cm2以上である場合、表面性状が良好な金属薄帯が製造できる。必要に応じて、金属薄帯の製造は、He、Ar等の不活性ガス中で行っても良い。
更に、製造中にノズル付近にHeガス、COガスやCO2ガスを流すと、より一層、金属薄帯の表面性状が改善される。また、製造中にノズル付近に加熱した不活性ガスや窒素ガスを流しても金属薄帯の表面性状が改善される。
こうして得られた金属薄帯を図2Aに示すようにスリット加工する。アンコイラーにセットされた金属薄帯1を引き出し、上下1対でかつ上下各々に複数の回転刃が設けられたスリッターに通して、アンテナ用磁心寸法に切断して細帯状の薄帯1’にする。切断された細帯状の薄帯はリコイラーで巻き取られる。
細帯状の薄帯に塗布する樹脂溶液は、熱硬化性のものが好ましく、市販の樹脂が使用できる。通常は、溶剤で5〜20重量%に希釈して使用する。溶剤乾燥後の厚さを薄くすれば占積率が向上するが、ピンホール等の欠陥発生率も増え、積層体の中で隣接する薄帯間の絶縁が不十分となる恐れがある。従って、乾燥後の厚さとして0.5〜3μmが好ましい。
また、樹脂は金属薄帯の両面に塗布することにより、乾燥後以降の工程において樹脂と金属間で十分な密着強度が得られる。塗布方法としては、ディップ法、ドクターブレード法、グラビアロール法などが使えるが、塗布厚さの均一性と時間当たりの生産性(塗布速度)を考慮するとグラビアロール法が優れている。なお、グラビアロール法を用いて両面に塗布するには、片面ずつ行う必要がある。
スリットした複数の細帯状の薄帯をロールから引き出し、熱ロールにより連続積層させる。細帯状の薄帯をある程度の長さに切断し、積層させて金型内に設置し、熱プレスしてもよい。この場合は、積層体の上下には、圧力をかける為の可動型が接するため、後工程の圧着工程後に積層体と稼動型が剥離できるよう、積層体と可動型との間に市販の樹脂フィルムを挟むと良い。
積層体に熱を付与する場合は、窒素雰囲気で行うことが好ましい。炉内を、塗布した樹脂のガラス転移点以上の温度に昇温し、この温度で保持した状態で、金属薄帯同士を加圧して圧着する。保持温度の上限は、樹脂の熱分解開始温度未満とする。
加圧力は、樹脂溶液が隣接する樹脂膜もしくは金属薄帯の表面へ十分馴染む為に1MPa以上が好ましい。70MPaを超えると、隣接する金属薄帯同士が接触する恐れが有る。但し、乾燥雰囲気など条件が合えば、加圧力は必ずしも必要でなく、単に積層したままで積層体にできる。
また、この積層体の幅方向に磁場を印加しながらキュリ−温度以下の温度で熱処理することで異方性を付与できる。この異方性を付与する処理は、金属薄帯の状態で行ってもよいし、細帯状の薄帯の状態で行うことも出来る。磁場は200A/m以上の磁界を印加すればよい。好ましくは400A/m以上で印加する。印加する磁界は、直流、交流、繰り返しのパルス磁界のいずれを用いても良い。熱処理パターンの一部のみ磁場印加しても構わない。
アモルファス金属薄帯に焼鈍熱処理すると、より良好な磁性特性を得ることができる。前記組成のFe系アモルファス金属薄帯では300〜400℃、Co系アモルファス金属薄帯では、300〜600℃が好ましい。この際、材料は脆化するので、焼鈍熱処理中にアモルファス金属薄帯積層体へ加圧すると、欠けやクラック等の欠陥を発生する恐れが有る。
従って、無負荷状態で焼鈍熱処理することが好ましい。金属薄帯表面の酸化防止の為、圧着工程と同様の雰囲気とすることが好ましい。熱処理時間は0.1〜20時間が好ましい。
また、2段熱処理、250℃以下の低温で長時間熱処理する等でも同様の効果が得られる。低温熱処理の場合でも、熱処理パターンの一部で320〜350℃の範囲を0.2〜1時間程度設けるのが好ましい。
磁心の寸法が大きく熱容量が大きい場合、或いは一度の多数の磁心を熱処理する場合、磁心の温度分布を10℃以下に制御することが重要である。その手段として、一旦目標とする保持温度よりも低い温度で保持後昇温してから、目標温度で保持し、冷却速度0.3〜5℃/分で冷却する熱処理パターンが好ましい。
熱処理は、通常露点がマイナス30℃以下の不活性ガス雰囲気中で行うのが望ましく、露点がマイナス60℃以下の不活性ガス雰囲気中で熱処理すると、バラツキが更に小さい。
図1は、磁場中で帯状の金属薄帯1に熱処理し、金属薄帯1同士を、絶縁層2を介して積層体3としたものを示す。図1の長手(横)方向は、超急冷ロールによって製造される金属薄帯をスリット加工した細帯状の薄帯の長手方向となる。磁場は、それと直交方向に印加され、符号4は誘導磁気異方性の方向を示す。積層は、例えば、金属薄帯1にポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸溶液を塗布し、ロールプレスで圧着する。これにより積層工程がロール・ツー・ロール(Roll−to−Roll)で行えるので、製造の連続化が可能である。この積層体は長手方向が長辺となるように切断線5で幅方向(短片方向)に沿ってのみ切断される。積層工程と焼鈍熱処理工程の順番は、各工程の温度によって適宜変更でき連続処理が可能で汎用性があることから、本工法には製造コストを抑える利点もある。
図3Aにおいて、金属薄帯1は長手方向に印加された誘導磁気異方性の方向14と直交方向に切断線15に沿って切断され、複数の金属細片6とされる。複数の金属細片6は、次いで樹脂層を介して積層され、アンテナ用磁心7とされる。
図3Bにおいて、金属薄帯1は、樹脂層を介して積層され、長手方向に誘導磁気異方性が付与された積層体3’とされる。この積層体3’は、誘導磁気異方性の方向14と直交方向に切断線15に沿って切断され、アンテナ用磁心7とされる。
金属薄帯1と金属薄帯1との間に介在する絶縁層2の間に、切断による金属薄帯1の切屑が付着する。切屑は、導電性であるから間に介在する絶縁層2を越えて、金属薄帯1と金属薄帯1とを電気的に短絡させる。金属薄帯1の厚みは通常15〜25μm程度であるのに対して、絶縁層2の厚みは1μm程度しかないからである。
その結果、金属薄帯1と金属薄帯1は、極部的とはいえ見掛け上一体のものとなり、板厚が増大する。板厚の増大は、アンテナ用磁心として交流電圧を印加された場合の渦電流損の増大に繋がる。渦電流損の増大は、抵抗成分Rの増大に繋がりQ値(=ωL/R)を著しく低下させてしまう。
また、切断することで薄帯に歪が付与され、磁気特性が低下してしまう。
積層体3を切断した後、エッチング液に浸漬して切屑を除去する、もしくは歪が入った切削面を除去する工程を用いればアンテナ特性Q値は改善するが、エッチング工程は、コスト上昇を招くのみならず、エッチング残液による信頼性の低下が懸念される。
よって本発明では、これらの影響を抑えるため、金属薄帯を積層後はアンテナ用磁心の短片となる幅方向に沿ってのみ切断することとし、上記の影響を極力抑えている。
(実施例1)
Cobal.Fe1.3Mn3.7Mo2.5Si14.6B9.5(原子%)で表される幅20mm×厚さ15μmのアモルファス磁性合金薄帯を連続作製し、図2Aに示すように、薄帯長手方向にスリット加工し、2mm幅の細帯状の薄帯を得た。
この細帯状の薄帯をロール状に巻いて薄帯ロールとし、図2Bに示すように、複数の薄帯ロールから同時に細帯状の薄帯を引き出しながら積層体を作製した。細帯状の薄帯を引き出しながら、熱硬化性のポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸溶液を10−3kg/m2になるように塗布し(図示せず)、計23枚の樹脂を塗布した細帯状の薄帯を送り速度300mm/分のロールプレス10で、細帯状の薄帯を360℃に加温して、2mm幅で23層の長尺積層体を作製した。
ロールプレス後の長尺積層体は、ポリイミド樹脂の硬化と、ロールプレス時の薄帯中の歪みを取るために、加熱焼鈍した。また、薄帯に磁気異方性を付与させるために、磁場発生装置8を通し、薄帯の幅方向に320kA/mの磁場を印加させた。その後切断装置9で長さ1m毎に仮切断を行った。
その後、この長尺積層体の幅方向を回転式のダイヤカッターで薄帯の幅方向に沿って切断し、幅2mm、長さ18mm、積層数23層のアンテナ用磁心を製造した。このアンテナ用磁心の幅方向となる積層面には、ダイヤカッターによる切削痕が観察された。また、長手方向の積層面での薄帯同士のずれが0.5μm以上であったのに対し、幅方向(短片方向)の積層面での薄帯同士のずれは0.5μm以上であった。
このように作製したアンテナ用磁心に、0.06mm径の導線を巻き、L=2.7mH (測定周波数:34.2kHz)のアンテナを作製し同周波数におけるQ値を測定した。得られた結果を表1に示す。
また、比較例として、比較例1は磁場印加をせずに実施例1と同様に行った場合、比較例2は金属薄帯をアンテナ用磁心の長手方向の寸法(18mm)にスリット加工した後に積層し、その積層体を幅2mmになるよう長手方向に沿って切断した場合、比較例3は、金属薄帯を積層して積層体とした後、長手方向と幅方向(短片方向)の両方を切断してアンテナ用磁心とした場合、比較例4は長手方向に沿って切断した後、エッチングした場合のものである。
表1から、本発明によると、エッチング無しで比較例4(エッチングが必須)と遜色の無いQ値の得られることが分かる。
Cobal.Fe1.3Mn3.7Mo2.5Si14.6B9.5(原子%)で表される幅20mm×厚さ15μmのアモルファス磁性合金薄帯を連続作製し、薄帯長手方向にスリット加工し、2mm幅の細帯状の薄帯を得た。この細帯状の薄帯を熱処理炉中に連続的に通過させると共に、細帯状の薄帯の幅方向に320kA/mの磁場を印加させた。
こうして得た磁気異方性が付与された細帯状の薄帯に、熱硬化性のポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸溶液を10−3kg/m2になるように塗布し、23枚の樹脂塗布済の細帯状の薄帯を準備した後、送り速度300mm/分のロールプレスで、細帯状の薄帯を360℃に加温して、2mm幅で23層の長尺積層体を作製した。
その後、この長尺積層体の幅方向に沿って回転式のダイヤカッターで切断し、幅2mm、長さ18mm、積層数23層のアンテナ用磁心を製造した。このように作製したアンテナ用磁心に、0.06mm径の導線を巻き、L=2.7mH (測定周波数:34.2kHz)のアンテナを作製し同周波数におけるQ値を測定したところ、実施例1と同等の高いQ値が得られていることが確認できた。
Cobal.Fe1.3Mn3.7Mo2.5Si14.6B9.5 (原子%)で表される幅20mm×厚さ15μmのアモルファス磁性合金薄帯を連続作製した。このアモルファス磁性合金薄帯を熱処理炉中に連続的に通過させると共に、厚さ方向に320kA/mの磁場を印加させた。
こうして得た磁気異方性が付与されたアモルファス磁性合金薄を薄帯長手方向にスリット加工し、2mm幅の細帯状の薄帯を得た。
この帯細帯状の薄帯に、熱硬化性のポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミド酸溶液を10−3kg/m2になるように塗布し、23枚の樹脂塗布済の細帯状の薄帯を準備した後、送り速度300mm/分のロールプレスで、細帯状の薄帯を360℃に加温して、2mm幅で23層の長尺積層体を作製した。
その後、この長尺積層体の幅方向に沿って回転式のダイヤカッターで切断し、幅2mm、長さ18mm、積層数23層のアンテナ用磁心を製造した。このように作製したアンテナ用磁心に、0.06mm径の導線を巻き、L=2.7mH (測定周波数:34.2kHz)のアンテナを作製し同周波数におけるQ値を測定したところ、実施例1と同等の高いQ値が得られていることが確認できた。
アモルファス磁性合金薄帯の幅を、3mm、4.5mm、6mm、10mmとし、それ以外は実施例1と同様の条件でアンテナ用磁心を各々250ケ製造した。この中でアンテナ用磁心の薄帯の積層間に剥離が生じて不良品となったものを検品して歩留まりを調べた。表3にその結果を示す。薄帯の幅が5mmを越すと、歩留まりが突然悪化する。剥離の原因は、接着層として用いた熱硬化性のポリイミド樹脂が、乾燥される際もしくは磁場中熱処理の際の加温によりガスを発生し、そのガスが積層体の側面から逃げないために起こったと推察される。
スリットした複数の細帯状の薄帯をロールから引き出し、熱ロールにより連続積層させる。細帯状の薄帯をある程度の長さに切断し、積層させて金型内に設置し、熱プレスしてもよい。この場合は、積層体の上下には、圧力をかける為の可動型が接するため、後工程の圧着工程後に積層体と可動型が剥離できるよう、積層体と可動型との間に市販の樹脂フィルムを挟むと良い。
積層体に熱を付与する場合は、窒素雰囲気で行うことが好ましい。炉内を、塗布した樹脂のガラス転移点以上の温度に昇温し、この温度で保持した状態で、金属薄帯同士を加圧して圧着する。保持温度の上限は、樹脂の熱分解開始温度未満とする。
加圧力は、樹脂溶液が隣接する樹脂膜もしくは金属薄帯の表面へ十分馴染む為に1MPa以上が好ましい。70MPaを超えると、隣接する金属薄帯同士が接触する恐れが有る。但し、乾燥雰囲気など条件が合えば、加圧力は必ずしも必要でなく、単に積層したままで積層体にできる。
また、この積層体の幅方向に磁場を印加しながらキュリ−温度以下の温度で熱処理することで異方性を付与できる。この異方性を付与する処理は、金属薄帯の状態で行ってもよいし、細帯状の薄帯の状態で行うことも出来る。磁場は200A/m以上の磁界を印加すればよい。好ましくは400A/m以上で印加する。印加する磁界は、直流、交流、繰り返しのパルス磁界のいずれを用いても良い。熱処理パターンの一部のみ磁場印加しても構わない。
(実施例1)
Cobal.Fe1.3Mn3.7Mo2.5Si14.6B9.5(原子%)で表される幅20mm×厚さ15μmのアモルファス磁性合金薄帯を連続作製し、図2Aに示すように、薄帯長手方向にスリット加工し、2mm幅の細帯状の薄帯を得た。
この細帯状の薄帯をロール状に巻いて薄帯ロールとし、図2Bに示すように、複数の薄帯ロールから同時に細帯状の薄帯を引き出しながら積層体を作製した。細帯状の薄帯を引き出しながら、熱硬化性のポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸溶液を10−3kg/m2になるように塗布し(図示せず)、計23枚の樹脂を塗布した細帯状の薄帯を送り速度300mm/分のロールプレス10で、細帯状の薄帯を360℃に加温して、2mm幅で23層の長尺積層体を作製した。
ロールプレス後の長尺積層体は、ポリイミド樹脂の硬化と、ロールプレス時の薄帯中の歪みを取るために、加熱焼鈍した。また、薄帯に磁気異方性を付与させるために、磁場発生装置8を通し、薄帯の幅方向に320kA/mの磁場を印加させた。その後切断装置9で長さ1m毎に仮切断を行った。
その後、この長尺積層体の幅方向を回転式のダイヤカッターで薄帯の幅方向に沿って切断し、幅2mm、長さ18mm、積層数23層のアンテナ用磁心を製造した。このアンテナ用磁心の幅方向となる積層面には、ダイヤカッターによる切削痕が観察された。また、長手方向の積層面での薄帯同士のずれが0.5μm以上であったのに対し、幅方向(短辺方向)の積層面での薄帯同士のずれは0.5μm以上であった。
このように作製したアンテナ用磁心に、0.06mm径の導線を巻き、L=2.7mH (測定周波数:34.2kHz)のアンテナを作製し同周波数におけるQ値を測定した。得られた結果を表1に示す。
また、比較例として、比較例1は磁場印加をせずに実施例1と同様に行った場合、比較例2は金属薄帯をアンテナ用磁心の長手方向の寸法(18mm)にスリット加工した後に積層し、その積層体を幅2mmになるよう長手方向に沿って切断した場合、比較例3は、金属薄帯を積層して積層体とした後、長手方向と幅方向(短辺方向)の両方を切断してアンテナ用磁心とした場合、比較例4は長手方向に沿って切断した後、エッチングした場合のものである。
表1から、本発明によると、エッチング無しで比較例4(エッチングが必須)と遜色の無いQ値の得られることが分かる。
Claims (9)
- 金属薄帯を積層したアンテナ用磁心の製造方法であって、
金属薄帯をアンテナ用磁心の幅寸法を持つ細帯状の薄帯に加工する段階と、
この細帯状の薄帯を樹脂層を介して積層して積層体とする段階と、
その後、前記積層体をアンテナ用磁心の長手寸法に切断する段階を有することを特徴とする、アンテナ用磁心の製造方法。 - 前記アンテナ用磁心は、金属薄帯、細帯状の薄帯、積層体のいずれかの状態で幅方向に磁気異方性が付与され、その後、この幅方向に沿って切断することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ用磁心の製造方法。
- 前記金属薄帯を細帯状の薄帯に加工する段階が、スリット加工を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンテナ用磁心の製造方法。
- 前記細帯状の薄帯を幅が5mm以下になるように加工す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項に記載のアンテナ用磁心の製造方法。
- 前記樹脂層に熱硬化性ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸溶液を用いることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のアンテナ用磁心の製造方法。
- 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載されたアンテナ用磁心であって、直方体形状を有し、短辺側の積層面で観察される金属薄帯同士の凹凸よりも、長辺側の積層面の凹凸の方が大きいことを特徴とするアンテナ用磁心。
- 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載されたアンテナ用磁心であって、直方体形状を有し、短辺側の積層面にのみ平行な加工痕が観察されることを特徴とするアンテナ用磁心。
- 前記アンテナ用磁心は幅が5mm以下であることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のアンテナ用磁心。
- 請求項6から請求項8までのいずれか1項に記載のアンテナ用磁心を用いたアンテナ。
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