JP2005340759A - アンテナモジュール用磁芯部材、アンテナモジュールおよびこれを備えた携帯情報端末 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール厚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アンテナモジュール用磁芯部材、アンテナモジュールおよびこれを備えた携帯情報端末を提供する。
【解決手段】ループ状のアンテナコイルが形成されたベース基板１４に対し、シート状に形成した磁芯部材１８が積層されてなるアンテナモジュール１０において、磁芯部材１８として、使用周波数における複素透磁率の実部μ’及び虚部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を３００以上のものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（無線周波数識別：Radio Frequency Identification）技術を用いた非接触ＩＣタグ等に用いて好適なアンテナモジュール用磁芯部材、アンテナモジュールおよびこれを備えた携帯情報端末に関する。

従来、ＲＦＩＤ技術を用いた非接触ＩＣカード及び識別タグ（以下、これらを総称して「非接触ＩＣタグ」ともいう。）として、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ものが知られている。これらは、リーダーライタの送受信アンテナからアンテナコイルへ所定周波数の電波を発信することにより、非接触ＩＣタグを活性化し、電波のデータ通信による読出しコマンドに応じてＩＣチップに記録された情報を読み取ることにより、又は特定周波数の電波に対して共振するか否かにより識別又は監視するように構成されている。これに加えて、非接触ＩＣタグの多くは、読み取った情報を更新したり履歴情報などを書込み可能に構成されている。

主に、識別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アンテナコイルに、このアンテナコイルの平面と略平行となるように磁芯部材を挿入したものがある（下記特許文献１参照）。このアンテナモジュールにおける磁芯部材は、アモルファスシート又は電磁鋼板といった高透磁率材料でなり、アンテナコイルの平面と略平行となるように磁芯部材を挿入することによって、アンテナコイルのインダクタンスを大きくし、通信距離の向上を図っている。

また、下記特許文献２には、平面内で渦巻き状に巻回されたアンテナコイルに対して、このアンテナコイルの平面と平行になるように平板状の磁芯部材を積層した構成のアンテナモジュールが開示されている。下記特許文献３には、磁芯部材として焼結フェライトを用いる構成が開示されている。

ところで、近年広く普及しているＰＤＡ（Personal Digital Assistants）や携帯型電話機等の携帯情報端末は、外出時等にも持ち歩かれ常にユーザーによって携帯されるものである。従って、非接触ＩＣタグの機能を携帯情報端末に設けることで、ユーザーは、常に携帯している携帯情報端末の他に、例えば非接触ＩＣカードを持つ必要がなくなり、非常に便利である。なお、このように非接触ＩＣタグの機能を携帯情報端末に組み込んだ技術が例えば下記特許文献４に開示されているほか、本出願人により既に提案されている（特願２００４−０４２１４９）。

携帯情報端末は、小型である一方、多機能を有する機器であるため、小型の筐体内に高密度に金属部品が実装されている。例えば、使用するプリント配線基板は、導体層が多層のものもあり、多層プリント配線基板には、電子部品が高密度に実装されている。また、携帯情報端末には、電源となるバッテリパックが収納され、このバッテリパックには、フレーム等に金属部品が用いられている。

したがって、携帯情報端末の筐体内に配設されている非接触ＩＣタグ用のアンテナモジュールは、筐体内に実装されている金属部品の影響で、筐体内に配設される前のアンテナモジュール単体の状態に比べて通信性能が劣化し、例えば、通信距離が短くなる傾向にある。

アンテナモジュールの通信距離が短くなると、実使用時にはリーダーライタにできるだけ近接させる必要性が生じ、簡易かつ迅速に情報を授受できる非接触カードシステムの利便性を損なわせる結果となりかねない。アンテナモジュールを携帯情報端末の筐体内に収容して使用する場合でも、少なくとも１００ｍｍの通信距離が必要とされている。これは現在一部で実施されている鉄道自動改札用非接触ＩＣカードシステムの仕様に準拠している。

特開２０００−４８１５２号公報 特開２０００−１１３１４２号公報 特開２００４−３０４３７０号公報 特開２００３−３７８６１号公報

アンテナモジュールの通信距離を向上させるために、従来より、磁芯部材として高透磁率磁性粉末が使用されている。バインダー中に当該磁性粉末を混入させてシート状、又は、プレート状に形成したものを磁芯部材として使用する場合には、磁性粉末の粒子サイズを大きくすることによって磁芯部材全体の透磁率を高めることができる。

ところが、磁性粉末の粒子サイズを大きくすると、磁芯部材の渦電流損失に起因するパワーロスが顕著となり、ＩＣ読出し電圧の低下および通信距離の減少を招く。具体的に説明すると、高周波磁界中で磁性体を磁化させると、その周波数に対応する磁束の変化が生じる。このとき、電磁誘導の法則により、その磁束の変化を打ち消す方向の起電力が発生する。発生した起電力による誘導電流は磁性体内部におけるジュール熱に変換される。これが渦電流損失である。

そこで、磁芯部材の透磁率を高くしながら渦電流損失を低減するために、従来では、磁性粉末の粒子サイズの大型化に制限を加えるとともに、混入する磁性粉末の絶対量（配合比）を少なくする措置をとる例がほとんどである。

しかしながら、磁性粉末の絶対量を少なくすることは、即ち、必要な磁気特性を確保するために磁芯部材が厚大化し、これがアンテナモジュールのモジュール厚を大きくする原因となる。例えば、上述の従来の磁芯部材の構成で通信距離１００ｍｍを得るのに必要なシート厚は、磁芯部材単体で少なくとも１ｍｍ超の厚さが必要であり、これに、アンテナコイルを支持する基板や、筐体内部の金属部分の影響を避けるためのシールド板を積層すると、モジュール厚は更に大きくなる。

近年における携帯情報端末に対する小型化、薄型化の要求は益々高くなっており、大モジュールサイズあるいは高モジュール厚のアンテナモジュールを収納するスペースは、もはや筐体内に残されていない。このように、携帯情報端末等の小型電子機器に内蔵されるアンテナモジュールには、通信距離の更なる向上とモジュール厚の更なる削減という相矛盾する２つの要求を同時に応えることが必要とされている。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、モジュール厚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アンテナモジュール用磁芯部材、アンテナモジュールおよびこれを備えた携帯情報端末を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、使用周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）における磁芯部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芯部材を構成することにより、モジュール厚を大きくすることなく通信距離の向上を図れることを見出した。

すなわち本発明は、バインダー中に磁性粉末を混入させてシート状、又は、プレート状に形成されてなり、ループ状のアンテナコイルに積層されるアンテナモジュール用磁芯部材であって、使用周波数における磁芯部材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３００以上であることを特徴とする。

上記性能指数が３００以上の磁芯部材は、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、磁芯部材の層厚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ようになる。

本発明の原理について以下に説明する。一般に、高透磁率材料である軟磁性体（以下、単に磁性体という。）に高周波磁界を印加すると、磁壁の移動あるいは回転磁化といった磁化機構により、磁性体が磁化される。このとき、磁化されやすさを示す透磁率は複素透磁率で示され、次式（１）で表される。
μ＝μ’−ｉ・μ” ……（１）

ここで、μ’は透磁率の実部であり、外部磁界に追従できる成分を表す。一方、μ”は透磁率の虚部であり、外部磁界に追従できず、位相が９０度遅れた成分を表し、透磁率の損失項と呼ばれている。なお、ｉは虚数単位である。

透磁率の実部と虚部との間には密接な関係があり、透磁率の実部が大きい材料ほど虚部も大きくなる。磁性体に高周波磁界を印加して磁化させる場合、高周波数になるほど透磁率が低下することが知られている。磁性体の使用周波数における損失係数は、次式（２）で示されるように、（１）式で示した複素透磁率μの実部μ’と虚部μ”とで表すことができる。
ｔａｎδ＝μ”／μ’ ……（２）

一方、磁性体の動的磁化における高周波損失は上記損失係数と等価であり、次式（３）で示されるように、３つのタイプのエネルギー損失の和として表現される。
ｔａｎδ＝ｔａｎδｈ＋ｔａｎδｅ＋ｔａｎδｒ ……（３）

ここで、ｔａｎδｈはヒステリシス損失で、ヒステリシス曲線で示される磁化変化における仕事量で、周波数に比例して増加する。ｔａｎδｅは渦電流損失で、導電性磁性体に交流磁界を印加したときに、磁束の変化に対応して材料の中に渦電流が誘起されジュール熱として消費されるエネルギー損失である。なお、ｔａｎδｒは残留損失であり、上記いずれにも該当しない残りの損失とされている。

１３．５６ＭＨｚの高周波磁界において、渦電流損失（ｔａｎδｅ）は、次式（４）で示されるように導電率の影響を受け、使用周波数に比例して大きくなる。
ｔａｎδｅ＝ｅ２・μ・ｆ・σ ……（４）
ここで、ｅ２は係数、μは透磁率、ｆは使用周波数、σは磁性粉末の導電率である。

以上のように、磁性体である磁芯部材の渦電流損失（ｔａｎδｅ）は、導電率が小さい磁性粉末、換言すれば、抵抗率が大きい磁性粉末を使用することにより小さく抑えることが可能であり、渦電流損失が小さい磁性粉末を使用することにより、磁芯部材の複素透磁率の損失項μ”成分の減少をもたらし、損失係数の低減に貢献することがわかる。

磁芯部材の好適な導電率は、使用される磁性粉末の種類や粒子サイズ、配合比等によって異なり、特に限定できない。そこで本発明では、この導電率に代わって、使用周波数における磁芯部材の複素透磁率の実部μ’と虚部μ”とで表される損失係数（μ”／μ’）の逆数をＱとした場合、このＱとμ’との積で定義される性能指数を用いている。

性能指数が３００以上の磁芯部材を具体的に挙げると、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）の磁性粉末の使用例では、配合比４５［ｖｏｌ％］で、μ’＝６０［Ｈ／ｍ］、μ”＝１２［Ｈ／ｍ］、性能指数３００の磁芯部材が得られ、配合比５０［ｖｏｌ％］でμ’＝７７［Ｈ／ｍ］、μ”＝１７［Ｈ／ｍ］、性能指数３４９の磁芯部材が得られる。
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ（１０ｗｔ％Ｓｉ）系の磁性粉末の使用例では、配合比５０［ｖｏｌ％］でμ’＝４５［Ｈ／ｍ］、μ”＝１．０［Ｈ／ｍ］、性能指数２０２５の磁芯部材が得られる。また、これ以外の磁性粉末として、Ｆｅ−Ｓｉ系アモルファス、フェライト等が挙げられる。

磁芯部材は、磁性粉末をバインダーに混入してシート状、又は、プレート状に形成することにより製造することができる。シート状、又は、プレート状の形成には、例えば射出成形が好適である。バインダーとしては、ナイロン１２、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ポリエチレン等の合成樹脂材料が適用できる。

また、磁芯部材としてフェライト粉末の焼結体を用いることができる。用いられるフェライト材料は、その回転磁気共鳴の共鳴周波数が使用周波数よりも高周波数側にある材料組成で形成されているのが好ましい。これにより、使用周波数帯域におけるフェライト材料の自然共鳴による影響を排除して安定した通信特性を維持することができる。

上記構成の磁芯部材を用いてアンテナモジュールを構成することにより、例えば携帯情報端末の筐体内に収容した状態で１００ｍｍ以上の通信距離を得るのに磁芯部材の厚さを１ｍｍ以内に抑えることができ、アンテナモジュールの薄型化が容易に図れる。

以上述べたように、本発明の磁芯部材によれば、磁芯部材の層厚を大きくすることなく通信距離の向上を図ることが可能となるので、アンテナモジュールの薄型化および軽量化を図ることができる。これにより、携帯情報端末等の筐体内部に対して僅かな設置スペースでアンテナモジュールを内装することが可能となるとともに、筐体内に設置されたアンテナモジュールの通信性能の劣化を抑制し、所期の通信距離を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１および図２は、本発明の実施の形態による非接触データ通信用のアンテナモジュール１０の構成を示す分解斜視図および側断面図である。

アンテナモジュール１０は、支持体としてのベース基板１４と、磁芯部材１８と、金属シールド板１９との積層構造を有している。ベース基板１４と磁芯部材１８とは両面接着シート１３Ａを介して積層され、磁芯部材１８と金属シールド板１９との間は両面接着シート１３Ｂを介して積層されている。なお、図２において両面接着シート１３Ａ，１３Ｂの図示は省略している。

ベース基板１４は、例えばポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のプラスチックフィルムでなる絶縁性フレキシブル基板で構成されているが、ガラスエポキシ等のリジッド性基板で構成されていてもよい。

このベース基板１４には、平面内でループ状に巻回されたアンテナコイル１５が搭載されている。アンテナコイル１５は、非接触ＩＣタグ機能のためのアンテナコイルで、外部のリーダーライタ（図示略）のアンテナ部と誘導結合され通信を行う。このアンテナコイル１５は、ベース基板１４の上にパターニングされた銅、アルミニウム等の金属パターンで形成されている。

本実施の形態において、アンテナコイル１５は、平面内で巻回されたループ部分と、後述する信号処理回路部１６との電気的接続用の配線部分とからなるが、図では、ループ部分のみを示している。

なお、このアンテナモジュール１０にリーダーライタ機能のための第２のアンテナコイルを設けることも可能であり、この場合は、ベース基板１４上に、例えばアンテナコイル１５の内周側に設けることができる。

ベース基板１４の磁芯部材１８側表面には、信号処理回路部１６が搭載されている。この信号処理回路部１６は、アンテナコイル１５の内方側に配置されているとともに、アンテナコイル１５と電気的に接続されている。

信号処理回路部１６は、非接触データ通信に必要な信号処理回路および情報を格納したＩＣチップ１６ａや同調用コンデンサ等の電気・電子部品で構成されている。信号処理回路部１６は、図１及び図２に示したように複数の部品群で構成されていてもよいし、図４に示すように、単一の部品１６ｂで構成されていてもよい。なお、信号処理回路部１６は、ベース基板１４に取り付けられる外部接続部１７を介して、後述する携帯情報端末１のプリント配線板１２（図３）に接続されている。

次に、磁芯部材１８は、例えば、合成樹脂材料やゴム等の絶縁性バインダー中に、軟磁性粉末が混入あるいは充填されてシート状またはプレート状に形成された射出成形体で構成することができる。軟磁性粉末としては、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系）、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系）、アモルファス（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系等）、フェライト（Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｚｎフェライト等）などが適用可能であり、目的とする通信性能や用途に応じて使い分けられる。

また、磁芯部材１８は、後に詳述するように、フェライト材料の微粉末を有機溶剤中に分散させて形成した金属ペーストをシート状に塗工した後、有機溶媒の加熱分解を行い、本焼成した焼結フェライト板で構成することができる。

磁芯部材１８は、アンテナコイル１５の磁芯（コア）として機能するとともに、ベース基板１４と下層の金属シールド板１９との間に介装されることによって、アンテナコイル１５と金属シールド板１９との間の電磁干渉を回避する。この磁芯部材１８の中央部には、ベース基板１４に実装された信号処理回路部１６を収容するための開口１８ａが穿設されている。また、磁芯部材１８の一側方には、ベース基板１４との積層時に外部接続部１７のニゲ部１８ｂが形成されている。
なお、磁芯部材１８の詳細については、後述する。

金属シールド板１９は、ステンレス板や銅板、アルミニウム板等で形成されている。本実施の形態のアンテナモジュール１０は、後述するように、携帯情報端末１の端末本体２の内部所定位置に収納されるので、金属シールド板１９は、端末本体２内部のプリント配線板１２上の金属部分（部品、配線）との電磁干渉からアンテナコイル１５を保護するために設けられている。

また、この金属シールド板１９は、アンテナモジュール１０の共振周波数（本例では、１３．５６ＭＨｚ）の粗調整に用いられ、アンテナモジュール１０単体のときと、端末本体２の内部に組み込んだ状態のときとで、アンテナモジュール１０の共振周波数に大きな変化を生じさせないようにするために設けられている。

図３および図４は、上述した構成のアンテナモジュール１０が携帯情報端末１に組み込まれている様子を示す模式図で、図３は端末本体２の内部を側方から見た模式図、図４は端末本体２の内部を背面側から見た部分破断図である。

図示する携帯情報端末１は、端末本体２と、この端末本体２に対して回動可能に取り付けられたパネル部３とを備えた携帯型電話機として構成されている。図３において、端末本体２は合成樹脂材料製の筐体部を構成しており、そのパネル部３側の表面は、図示せずともテンキー入力ボタン等が配置された操作面とされている。

端末本体２の内部には、携帯情報端末１の機能あるいは動作を制御する制御盤としてのプリント配線板１２と、電源を供給するバッテリパック４が内蔵されている。ここで、バッテリパック４は、例えばリチウムイオン電池であり、全体が直方形状をなし、外筐がアルミニウム等の金属材料で形成されている。バッテリパック４は、端末本体２の内部に設けられたプラスチック製の仕切部材５の内部に配置されている。

アンテナモジュール１０は、端末本体２の内部に収納されている。特に本実施の形態では、バッテリパック４を収容する仕切部材５の直上位置であって、アンテナコイル１５が端末本体２の背面２ａ側に対向するように、アンテナモジュール１０が収納されている。なお、アンテナモジュール１０の収納位置は、上述の例に限らない。

したがって、このアンテナモジュール１０を用いて外部のリーダーライタ（図示略）とデータ通信を行う際には、携帯情報端末１の端末本体２の背面２ａをリーダーライタのアンテナ部に近接させる。そして、リーダーライタのアンテナ部から発信された電磁波あるいは高周波磁界が、アンテナモジュール１０のアンテナコイル１５内を通過することで、アンテナコイル１５に電磁波あるいは高周波磁界の強さに応じた誘導電流が発生する。この誘導電流は信号処理回路部１６において整流され、ＩＣチップ１６ａに記録された情報の読出し電圧に変換される。読み出された情報は信号処理回路部１６において変調され、アンテナコイル１５を介してリーダーライタのアンテナ部へ送信される。

次に、アンテナモジュール１０を構成する磁芯部材１８の詳細について説明する。

磁芯部材１８は、合成樹脂等の絶縁材料（バインダー）に高透磁率材料である軟磁性粉末（以下、磁性粉末という）を混入あるいは充填した複合材料のシート状、又は、プレート状の射出成形体として構成することができる。

用いる磁性粉末は、例えば、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系）、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系）等の結晶質合金、アモルファス合金（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系等）、フェライト（Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｚｎフェライト等）などいずれでもよく、また、粒子形状も扁平状、針状、フレーク状など特に限定されない。

本発明では、バインダー中に磁性粉末を混入してなる磁芯部材１８をひとつの磁性体とみなし、この磁性体の使用周波数（本例では１３．５６ＭＨｚ）における複素比透磁率（上記（１）式参照）の実部μ’及び虚部μ”で表される損失係数（ｔａｎδ＝μ”／μ’）の逆数をＱ（μ’／μ”）としたときに、μ’×Ｑで定義される性能指数が３００以上となるように、当該磁芯部材１８が構成されている。

アンテナモジュール１０の通信距離を向上させるには、磁芯部材１８で発生する渦電流損失成分を抑制する必要があり、そのために導電率の小さい磁性粉末を選択したり、バインダーに対する配合比を調整したり、更には粒子サイズを小さくする等、選択操作が多元的となるが、本発明によれば、完成品としての磁芯部材１８の上記性能指数を評価することにより、目標とする通信距離を確保できるかどうかの基準を確立させることができる。

性能指数が３００以上の磁芯部材によれば、後述の実施例に示すように、アンテナモジュールの通信距離（携帯情報端末に組み込まれた状態における通信距離）１００ｍｍを確保することができる。また、シート厚を大きくすることなく磁芯部材１８の透磁率を高めることが可能となるので、薄型・軽量のアンテナモジュールを構成でき、筐体内部への設置スペースの低減が図れるようになる。例えば、通信距離１００ｍｍを確保するのに従来の磁芯部材では１ｍｍ超のシート厚を必要としていたのに対し、本発明によれば０．５ｍｍ前後のシート厚で十分とされる。

磁芯部材を構成する磁性粉末は、例えば、同じＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金でも、組成比や使用周波数によってμ’およびμ”が変動する。図５は、Ｆｅ−５％Ｓｉの磁性粉末およびＦｅ−１０％Ｓｉの磁性粉末に対してそれぞれ高周波磁界を印加したときの周波数（横軸）とμ’，μ”（縦軸）の関係を示している。両者を比較すると、１３．５６ＭＨｚの周波数帯域においては、Ｆｅ−１０％Ｓｉの磁性粉末の方が損失（μ”）が少ないが、周波数が高くなると、Ｆｅ−１０％Ｓｉの磁性粉末の方が損失が高くなる傾向がわかる。

また、磁芯部材の渦電流損失を低減するために、その構成磁性粉末としては、抵抗率が高い（導電率が小さい）ものが好適である。この抵抗率を基準とする場合、磁性粉末の種類で決めることも勿論可能であるが、磁性粉末の組成比で抵抗率を調整する手法も適用できる。図６は、Ｆｅに対するＳｉの添加量（横軸）と抵抗率（縦軸）との関係を示している。この図から明らかなように、Ｓｉの添加量が１０〜１３ｗｔ％で高い抵抗率を示すことがわかる。

更に、磁性粉末の導電率を基準とする場合には、その粒子サイズを小さくするのが渦電流損失低減に効果的である。即ち、導電率の高い磁性粉末ほど粒子サイズを小さくする必要があり、導電率が小さい磁性粉末であれば粒子サイズを大きくすることができる。

一例を挙げると、導電率が１．１１Ｅ＋６（１．１１×１０⁶ ）以下の磁性粉末は５０μｍ以下の粒度分布、導電率が０．９０９Ｅ＋６以下の磁性粉末は１００μｍ以下の粒度分布、導電率が０．１Ｅ＋６以下の磁性粉末は２００μｍ以下の粒度分布とする。また、磁性粉末は、粒子形状を扁平形状にする。更に、配合比は４０〜６０ｖｏｌ％が好ましい。

一方、磁芯部材１８は、フェライト材料の微粉末を有機溶剤中に分散させて形成した金属ペーストをシート状に成形した後、有機溶媒の加熱分解を行い、本焼成した焼結フェライトシートで構成することができる。また、この焼結フェライトシートを絶縁層を介して複数ラミネートした積層構造体とすることもできる。

この場合も同様に、この磁芯部材の使用周波数における複素比透磁率の実部μ’及び虚部μ”で表される損失係数（ｔａｎδ＝μ”／μ’）の逆数をＱ（μ’／μ”）としたときに、μ’×Ｑで定義される性能指数が３００以上となるように、当該磁芯部材１８が構成される。

一般に、高周波磁性材料は、初透磁率及びその限界周波数が高いことが要求されるが、高周波帯で安定した初透磁率の周波数特性をもつことも重要である。しかし、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトのようなスピネル型フェライトの初透磁率の周波数特性は、図７に模式的に示すように、初透磁率（μ’）が高ければ限界周波数（ｆｒ）が低く、初透磁率が低ければ限界周波数が高くなるという関係があり、それらの限界周波数は、スネークの限界線と呼ばれる直線で近似される。フェライトの高周波域での限界周波数は、その回転磁気共鳴（自然共鳴）の共鳴周波数によって決まる。

従って、１３．５６ＭＨｚの使用周波数でアンテナモジュール１０を使用する場合、磁芯部材１８の自然共鳴（回転磁気共鳴）は、当該１３．５６ＭＨｚの周波数帯域よりも高周波数側でないと、この自然共鳴現象がμ”成分の支配的因子となり、アンテナモジュール１０の安定した通信特性が得られなくなる。このため、磁芯部材１８をフェライト材料で形成する場合には、その複素透磁率でいうμ’の大きさに制限があり、これを超える材料を用いることは、μ”の増大により性能指数が低下するので、好ましくない。

フェライト材料は、その構成元素の材料組成によって透磁率（μ’，μ”）が大きく異なる。図８は、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライト材料（バルク状態）に関して、ＣｕＯが９ｍｏｌ％のときのＮｉＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ₂Ｏ₃の三元系組成図である。図８から、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライト材料は、ＮｉＯの組成比が高いほど、μ’及びμ”が小さくなり、自然共鳴周波数をアンテナモジュール１０の使用周波数（本例では１３．５６ＭＨｚ）よりも高周波数側へ位置させることができる。この場合、磁性材料のμ”成分は、渦電流損失が支配的となる。

磁芯部材１８を焼結フェライトで形成する場合、バルク状態のフェライト材料よりも、粉末焼結させたシート体の方が、μ’及びμ”が小さくなる。図９及び図１０に、図８中の３つの組成点におけるサンプルＡ，Ｂ，Ｃのバルク体及び粉末焼結体（後述する４層ラミネート体）のμ’及びμ”の周波数特性を示す。

アンテナモジュール１０の使用周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、磁芯部材１８として好適なＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライト材料は、Ｆｅ₂Ｏ₃を４７．０〜４９．８ｍｏｌ％、ＮｉＯを１６．０〜３３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１１．０〜２５．０ｍｏｌ％、ＣｕＯを７．０〜１２．０ｍｏｌ％含むバルク状フェライトの粉末焼結体とする（図８において二点鎖線で示す四角形の範囲）。この組成範囲で、性能指数３００以上の磁芯部材１８を得ることができる。

ここで、Ｆｅ₂Ｏ₃が４９．８ｍｏｌ％を超えるとμ’が低下し、４７．０ｍｏｌ％を下回るとキュリー点（Ｔｃ：磁気変態点）が低下し、使用環境に制限が生じる。ＮｉＯが３３．０ｍｏｌ％を超えるとμ’が低下し、１６．０ｍｏｌ％を下回るとμ”（自然共鳴による影響）が増大し安定した通信特性が得られなくなる。

また、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトに、ＣｏＯを０．１〜１．０ｗｔ％含有させることにより温度特性を安定化でき、アンテナモジュール１０の使用環境の温度変化に対する通信特性の変動を抑えることができる。

（実施例１）
磁性粉末の種類またはその配合比が異なる複合材料製の磁芯部材のサンプルを複数用意して図１に示した構成のアンテナモジュール１０を作製し、それらに高周波磁界（１３．５６ＭＨｚ）を印加したときのμ’，μ”を基に、損失係数の逆数Ｑおよび性能指数（Ｑ×μ’）を算出し、通信距離（携帯情報端末に組み込まれた状態における通信距離）を評価した。バインダーは、「ナイロン１２」（商品名）を用いた。実験の結果を図１１および表１に示す。

なお、図１１において、各サンプルの棒グラフの高さは通信距離を示し、折れ線は性能指数を示している。また、表１において「Ｑcoil」はアンテナコイルのＱ値であり、損失係数の逆数としてのＱとは区別されるものである。

ここで、各サンプルに用いられる磁性粉末について以下簡単に説明する。

サンプル１，サンプル３およびサンプル４は、それぞれ同一組成のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系磁性粉末（８５Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ（ｗｔ％））が用いられているが、その配合比のみが異なり、サンプル１は４０ｖｏｌ％、サンプル２は４５ｖｏｌ％、サンプル３は５０ｖｏｌ％である。

サンプル２およびサンプル５はともにＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系磁性粉末であるが、Ｓｉの含有量が異なり、サンプル２は５ｗｔ％、サンプル５は１０ｗｔ％である。

サンプル６のアモルファス磁性粉は、７０Ｃｏ−５Ｆｅ−１０Ｓｉ−１５Ｂ（組成比はｗｔ％）合金でなるアモルファス磁性粉である。

サンプル７のフェライト磁性粉は、Ｆｅ₂Ｏ₃ ４９．３（ｍｏｌ％）、ＮｉＯ ２８．９（ｍｏｌ％）、ＺｎＯ １２．６（ｍｏｌ％）、ＣｕＯ ９．２（ｍｏｌ％）である。

表１および図７から明らかなように、通信距離と性能指数はほぼ比例関係にあり、性能指数が高いほど通信距離が大きくなる。特に、性能指数３００以上で通信距離１００ｍｍ以上を確保することができる。また、サンプル１，３，４の結果から、磁性粉末の配合比を大きくするほど高い性能指数が得られ、配合比４５％以上で性能指数３００以上が得られることがわかる。

（実施例２）
Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトの材料組成の異なる焼結フェライト製の磁芯部材のサンプルを複数用意して図１に示したアンテナモジュール１０を作製し、それらに高周波磁界（１３．５６ＭＨｚ）を印加したときのμ’，μ”を基に損失係数の逆数Ｑ及び性能指数（Ｑ×μ’）を算出し、通信距離（携帯情報端末に組み込まれた状態における通信距離）を評価した。実験の結果を表２に示す。

サンプルＡ〜Ｃは、図８に示したＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライト材料の組成図の中の３点（４８Ｆｅ₂Ｏ₃−１５ＮｉＯ−２８ＺｎＯ−９ＣｕＯ（サンプルＡ）、４８Ｆｅ₂Ｏ₃−２２ＮｉＯ−２１ＺｎＯ−９ＣｕＯ（サンプルＢ）、４８Ｆｅ₂Ｏ₃−３１ＮｉＯ−１２ＺｎＯ−９ＣｕＯ（サンプルＣ））とした。

サンプルＡ〜Ｃは、図１２に示す工程を経て作製した。即ち、各サンプル毎に構成材料の秤量を行い、これらを混合・微粉砕、有機溶剤中に分散させてペースト状にし、脱泡処理の後、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム上への塗布によりシート状に成形した。その後、加熱乾燥処理によりペースト中の溶剤成分を分解除去し、ＰＥＴフィルムの定寸切断、磁芯部材の外形形状に成形後、焼成した。次に、作製したフェライト焼結シートからＰＥＴフィルムを剥離除去し、ホットメルト樹脂を介して厚さ０．１５ｍｍの焼結シートを３層又は４層ラミネートし表面をＰＥＴ又はＰＰＳで被覆した後、図１２に示す大きさに成形して完成させた。

表２に示したように、サンプルＡに関しては、μ’は大きいもののμ”も大きく、性能指数は２５０と小さい。これは使用周波数（１３．５６ＭＨｚ）が当該フェライト磁性粉の限界周波数に接近し、自然共鳴の影響により損失係数（μ’／μ”）が増大したものと推察される。実験結果では、通信距離１００ｍｍを超えてはいるものの、安定した通信特性は得られなかった。

一方、サンプルＢ，Ｃに関しては、性能指数が非常に大きく通信距離も大きい。表２で比較して示す上記実施例１のサンプル５と比較して、μ’は小さいが、μ”もそれ以上に小さい。このことから、複合材料製の磁芯部材よりも、焼結フェライト製の磁芯部材の方が渦電流損失を小さくできることがわかる。これは、アンテナ特性のコイル抵抗を見ても明らかである。図１３に、サンプルＢと上記サンプル５との通信距離を比較するアンテナ共振周波数特性を示す。全周波数領域にわたってサンプル５（複合材料）よりもサンプルＢ（焼結フェライト）の方が通信距離が大きいことがわかる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、ベース基板１４上にアンテナコイル１５とともに信号処理回路部１６を搭載したアンテナモジュール１０の構成例について説明したが、信号処理回路部１６は別基板（例えば携帯情報端末１のプリント配線基板１２）に搭載し、ベース基板１４上にはアンテナコイル１５のみ搭載する場合にも、本発明は適用可能である。

また、磁芯部材に焼結フェライトを用いる場合、アンテナモジュールを図１４に示すように構成してもよい。図示するアンテナモジュール２０では、アンテナコイル（及び信号処理回路部）を搭載したベース基板１４に焼結フェライト製の磁芯部材１８を積層後、全体を合成樹脂材料でモールドし、その封止層２１の非通信面（図１４において下面側）に金属シールド板１９を貼着している。この構成により、割れ易く取り扱い性の悪い焼結フェライトを容易に磁芯部材として適用することができる。

本発明の実施の形態によるアンテナモジュール１０の構成を示す分解斜視図である。 アンテナモジュール１０の要部側断面図である。 アンテナモジュール１０を内蔵した携帯情報端末１の内部の構成を側方側から見た模式図である。 携帯情報端末１の部分破断背面図である。 Ｆｅ−５％Ｓｉの磁性粉末およびＦｅ−１０％Ｓｉの磁性粉末に対してそれぞれ高周波磁界を印加したときの周波数（横軸）とμ’，μ”（縦軸）の関係を示す図である。 Ｆｅに対するＳｉの添加量（横軸）と抵抗率（縦軸）との関係を示す図である。 フェライト材料の透磁率と臨界周波数との関係を概略的に示す図である。 Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライト材料に関するＮｉ−Ｚｎ−Ｆｅ₂Ｏ₃の三元組成図である。 組成比の異なる三サンプルのＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトバルクにおける透磁率μ’、μ”の周波数特性を示す図である。 組成比の異なる三サンプルのＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトを積層したときの透磁率μ’、μ”の周波数特性を示す図である。 本発明の第１実施例による複合材料製磁芯部材の各サンプルの通信距離および性能指数を示す図である。 本発明の第２実施例による焼結フェライト製磁芯部材の製造方法を説明する工程図である。 複合材料性磁芯部材の一サンプルと積層したフェライト製磁芯部材の一サンプルとの通信距離を比較する周波数特性図である。 積層したフェライト製磁芯部材が適用されるアンテナモジュール２０の一構成例を示す断面図である。

符号の説明

１…携帯情報端末、２…端末本体、２ａ…端末本体の背面、３…パネル部、４…バッテリパック、１０，２０…アンテナモジュール、１２…プリント配線板、１４…ベース基板、１５…アンテナコイル、１６…信号処理回路部、１８…磁芯部材、１９…金属シールド板、２１…封止層。

Claims (14)

1. アンテナコイルに積層されるアンテナモジュール用磁芯部材であって、
   使用周波数における複素透磁率の実部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３００以上である
   ことを特徴とするアンテナモジュール用磁芯部材。
2. 当該磁芯部材は、バインダー中に軟磁性粉末を混入させた複合磁性材料でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
3. 前記軟磁性粉末は、Ｆｅ系の結晶質又は非晶質合金材料である
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
4. 当該磁芯部材は、フェライト材料でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
5. 前記フェライト材料は、その回転磁気共鳴の共鳴周波数が使用周波数よりも高周波数側にある材料組成で形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
6. 前記フェライト材料は、Ｆｅ₂Ｏ₃を４７．０〜４９．８ｍｏｌ％、ＮｉＯを１６．０〜３３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１１．０〜２５．０ｍｏｌ％、ＣｕＯを７．０〜１２．０ｍｏｌ％含むバルク状フェライトの粉末焼結体である
   ことを特徴とする請求項５に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
7. 前記バルク状フェライトは、ＣｏＯを０．１〜１．０ｗｔ％含んでいる
   ことを特徴とする請求項６に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
8. 前記使用周波数は、１３．５６ＭＨｚである
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール用磁芯部材。
9. アンテナコイルが形成された支持体に対して磁芯部材が積層されてなるアンテナモジュールにおいて、
   前記磁芯部材は、
   使用周波数における複素透磁率の実部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３００以上である
   ことを特徴とするアンテナモジュール。
10. 前記磁芯部材の、前記支持体に面する側とは反対側の面に、金属製のシールド板が積層されている
    ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナモジュール。
11. 前記支持体上には、前記アンテナコイルの内周側領域に、前記アンテナコイルに電気的に接続された信号処理回路部が搭載されている
    ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナモジュール。
12. 前記信号処理回路部は、前記支持体の磁芯部材側の面に搭載されており、前記磁芯部材には、前記信号処理回路部を収容するための開口が設けられている
    ことを特徴とする請求項１１に記載のアンテナモジュール。
13. 前記磁芯部材は、焼結フェライトでなり、合成樹脂材料でモールドさている
    ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナモジュール。
14. アンテナコイルを支持する支持体と、前記アンテナコイルに電気的に接続され前記アンテナコイルの内周側に配置された信号処理回路部と、前記支持体に積層された磁芯部材と、前記磁芯部材に積層された金属製のシールド板とが、筐体内部に組み込まれている携帯情報端末であって、
    前記磁芯部材は、
    使用周波数における複素透磁率の実部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３００以上である
    ことを特徴とする携帯情報端末。
    
    

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