JP2009184872A

JP2009184872A - フェライト焼成体及びその製造方法

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Publication number: JP2009184872A
Application number: JP2008026188A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nagai; 伸明永井; Hideji Fujimoto; 秀次藤本; Koji Yasumura; 浩治安村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: JP4752849B2

Abstract

【課題】リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間にフェライト焼成体を挿入した携帯端末用ＲＦＩＤシステムにおいて、良好な通信機能が発現されるフェライト焼成体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】所定の合成温度Ｔ１で製造されたＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を樹脂、可塑剤及び有機溶剤と共に混合してスラリーを作製する工程と、前記スラリーをフィルム上に塗工して生シートを作製する工程と、前記生シートを積層して積層体を作製する工程と、前記積層体を所定の寸法に切断した後所定の焼成温度Ｔ２で焼成してフェライト焼成体を作製する工程とを順次行い、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係にあることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、良好な通信機能を確保するために利用され、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナを有する携帯端末に搭載されるフェライト焼成体及びその製造方法に関するものである。

リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナよりなる１３．５６ＭＨｚ帯ＲＦＩＤシステム（ＩＣタグ、ＩＣカードによる無線通信）は、ＩＣタグを薄い樹脂製カードに組み込んだ構造体としてコンビニエンスストア仕様電子マネーカード等に適用されている。そして、次の展開として近年爆発的に普及した携帯端末に１３．５６ＭＨｚ帯ＲＦＩＤシステムを搭載する取り組みが本格化してきた。

１３．５６ＭＨｚ帯ＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタと無線タグの双方に備えられたスパイラルアンテナ間に生じる電磁誘導で電力供給と交信を行っている。

しかしながら、当該１３．５６ＭＨｚ帯ＲＦＩＤシステムを携帯端末に搭載するべく多方面において検討が成されていたが、薄い樹脂製カードに組み込む場合と異なり、携帯端末の交信用スパイラルアンテナの近傍に位置する筐体セルの金属面により、その通信機能が著しく損なわれていた。すなわち、スパイラルアンテナに発生した磁束が金属面を貫通すると、ファラデーの法則により磁束を軸とした渦電流が金属面に流れるが、その回転方向はスパイラルアンテナを流れる電流の向きと反対の向きに流れる。つまり、スパイラルアンテナに発生した磁束が金属面に発生した渦電流による反対方向の磁束により打ち消されるためＲＦＩＤシステムの通信機能が大きく減衰してしいた。そこで、このような事態を未然防止するためにフェライト等の透磁率を有する磁性材料が適用されている。すなわち、スパイラルアンテナと筐体セルの金属面との間に透磁率を有する磁性材料を挿入することにより、スパイラルアンテナに発生した磁束が金属面を貫通する前に当該磁性材料により磁束を集束させて金属面での渦電流の発生を抑制するものである。

例えば、（特許文献１）にはリーダ／ライタと金属面との間にフレキシブル状の磁性体を配した比接触型ＩＣカードリーダ／ライタが開示されている。これによると、金属面による上記不具合を抑制するためにフレキシブル状の磁性体を適用してＩＣカードリーダ／ライタの安定した読み取りと書き込みを確保している。

また、（特許文献２）には、Ｆｅ２Ｏ３、ＮｉＯ、及びＺｎＯからなるＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末においてＳｉＯ２を含有したフェライト粉末が開示されており、当該フェライト粉末を１１００〜１３００℃で焼成したフェライト焼成体をインダクタンス素子へ適用する例が記載されている。
特開２００２−２９８０９５号公報特開２００７−１４５７０３号公報

しかしながら、上記した従来の磁性体を適用したＲＦＩＤシステムは、磁性体の製造条件やその組織及び微細構造により通信機能が大きく変動していた。

例えば、（特許文献１）に開示されているフレキシブルシート状の磁性体は、軟磁性体粉末を有機結合材で練り固めたものをシート状にしたフェライトコンポジットであるが、この場合有機結合材のマトリックス中に軟磁性体粉末が分散された微細構造となるため、高い透磁率が得られず、当該フレキシブルシート状の磁性体を携帯端末用ＲＦＩＤシステムに適用した場合、スパイラルアンテナに発生した磁束の集束効果が十分ではなく、良好な通信機能が取得できない懸念があった。

また、（特許文献２）に開示されているフェライト焼成体は、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、及びＺｎＯからなるＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末にＳｉＯ₂を含有させたものをグリーンシートにした後、１１００〜１３００℃で焼成したものであり、ＳｉＯ₂添加と高い焼成温度により焼結が進行して結晶粒子が大きく成長した緻密質な微細構造を有する高透磁率の焼成体となり、当該焼成体を携帯端末用ＲＦＩＤシステムに適用した場合、過度に成長した結晶粒子による緻密質微細構造のため高い透磁率が取得されるものの、１３．５６ＭＨｚの高周波帯域において導電率が高くなり、スパイラルアンテナに発生した磁束の集束効果が発揮されず、上記同様十分な通信機能が取得できない恐れがあった。

この様に従来の技術は、フェライト焼成体及びフェライトコンポジットを携帯端末用ＲＦＩＤシステムに適用する上において、焼成体やコンポジットの微細構造や製造条件と通信機能との関連が詳細に把握されていなかった。すなわち、スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間にフェライト焼成体を挿入して構成されるＲＦＩＤシステムにおいて、最大の通信機能が発現されるフェライト焼成体の微細構造及びその製造条件が確立されていなかった。

そこで、本発明は以上のような課題を解決するものであり、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間にフェライト焼成体を挿入した携帯端末用ＲＦＩＤシステムにおいて、良好な通信機能が発現されるフェライト焼成体及びその製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明のフェライト焼成体の製造方法は、所定の合成温度Ｔ１で製造されたＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を樹脂、可塑剤及び有機溶剤と共に混合してスラリーを作製する工程と、スラリーをフィルム上に塗工して生シートを作製する工程と、生シートを積層して積層体を作製する工程と、積層体を所定の寸法に切断した後所定の焼成温度Ｔ２で焼成してフェライト焼成体を作製する工程とを順次行い、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係にあることを特徴とする。

以上の様に本発明によれば、磁束の集束効果が高いフェライト焼成体及びその製造方法を提供するものであり、当該フェライト焼成体をリーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間に挿入することにより良好な通信機能を有する携帯端末用ＲＦＩＤシステムを実現することができる。

請求項１記載の発明によれば、所定の合成温度Ｔ１で製造されたＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を樹脂、可塑剤及び有機溶剤と共に混合してスラリーを作製する工程と、スラリーをフィルム上に塗工して生シートを作製する工程と、生シートを積層して積層体を作製する工程と、積層体を所定の寸法に切断した後所定の焼成温度Ｔ２で焼成してフェライト焼成体を作製する工程とを順次行い、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係にあることにより、良好な通信機能を有する携帯端末用ＲＦＩＤシステムを実現することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載のフェライト焼成体の製造方法であって、所定の合成温度Ｔ１は８８０℃であることにより、良好な通信機能を有する携帯端末用ＲＦＩＤシステムを実現することができる。

請求項３記載の発明によれば、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナを有する携帯端末において、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間に挿入するフェライト焼成体であって、１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有することにより、良好な通信機能を有する携帯端末用ＲＦＩＤシステムを実現することができる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について具体例を上げながら図面を用いて説明する。

図１は、焼成温度に対するフェライト焼成体の微細構造図である。なお、本実施例のフェライト焼成体の製造に使用したフェライト粉末は、８８０℃の温度で合成したＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末である。図１において、本発明のフェライト焼成体の微細構造は、８９０〜９３０℃の焼成温度で焼成したものであり、１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有していた。一方、焼成温度が８９０℃に満たない８８０℃で焼成したフェライト焼成体は、フェライト結晶粒子同士にネック部の形成と粒成長が見られず、ほとんど焼結が進行していない微細構造を有していた。本微細構造を有するフェライト焼成体は、透磁率が低く、且つ機械的強度の小さいものとなる。従って、ＲＦ−ＩＤシステムにおいて十分な通信機能が得られないことや、製造の組み立て工程においてフェライト焼成体に割れやカケ等の不具合が発生する。一方、焼成温度が９４０℃以上になると、図１の微細構造より明らかなように、液相生成と同時にフェライト結晶粒子ネック部及びフェライト結晶粒子の成長が進行した微細構造を有しており、特に１０００℃で焼成した焼成体において異常粒成長が見られた。このような微細構造を有するフェライト焼成体は、高透磁率を有するものの高周波帯での導電率が増加するため十分な磁束の集束効果が得られず、ＲＦ−ＩＤシステムにおける通信機能に不具合が発生することが予測された。すなわち、ＲＦ−ＩＤシステムにおいて最良の通信機能が得られる微細構造は、図１における８９０〜９３０℃の焼成体である。

図２は、本発明のフェライト焼成体の微細構造の模式図である。図２に示すように粒子径平均粒子径が１〜５μｍのＮｉ―Ｚｎ系フェライ結晶粒子２１がそれぞれ、ネック部２２を介して連結した構造になっている。

図３は、フェライト焼成体の製造工程図であり、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＺｎＯ及びＣｕＯよりなる組成物を所定の合成温度Ｔ１で加熱して合成したＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を樹脂、可塑剤及び有機溶剤と共に混合してスラリーを作製する工程と、当該スラリーをＰＥＴフィルム上に製膜してグリーンシートを作製する工程と、当該グリーンシートを積層して積層体を作製する工程と、当該積層体を所定の寸法に切断した後所定の焼成温度Ｔ２で焼成してフェライト焼成体を作製する工程とを順次行うものである。なお、本発明のフェライト焼成体の微細構造は、Ｔ１とＴ２の関係において、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係を満足することにより得られるものである。

次に、本発明のフェライト焼成体の具体的な製造方法について述べる。

４６．０〜５０．０モル％のＦｅ₂Ｏ₃、１８．０〜２２．０モル％のＮｉＯ、１８．０〜２２．０モル％のＺｎＯ及び８．０〜１２．０モル％のＣｕＯよりなる組成物をロータリーキルンにより８８０℃の温度で加熱処理した後、乾式ロッドミル及び湿式アトラクションミルで粉砕することにより０．５〜１．５μｍの平均粒子径を有するＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を合成した。合成したＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末の粉末特性として、窒素ガス吸着法による比表面積値を測定したところ３．０００〜５．５００ｍ²／ｇの値を有していた。

次のスラリー作製工程において、当該Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト粉末の平均粒子径及び比表面積値に適合したスラリーを作製した。すなわち、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト粉末１００重量部に対して、ポリビニルブチラール系樹脂を４．０〜６．５重量部、フタル酸エステル系の可塑剤を３．５〜６．０重量部及び有機溶剤を４０〜６０重量部の割合で配合した後、専用のミルで混合してＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を含むスラリーを作製した。作製したスラリーの粘度は２０℃で１５００〜２０００Ｐａ・ｓｅｃであり、シート成形用として適切な粘度を有していた。

次のグリーンシート作製工程において、スラリーをＰＥＴフィルム上に製膜して所定の厚みを有するＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を含むグリーンシートを作製した。すなわち、粘度が調整されたスラリーを塗工機に供給しながらギャップとライン速度を調整してＰＥＴフィルム上に製膜、乾燥した後、巻き上げてグリーンシートを作製した。作製されたグリーンシートの厚みは５０〜２００μｍの範囲内で制御した。また、グリーンシートの積層密着性に影響を及ぼす乾燥温度は、７０〜９０℃に調整した。ライン速度は作製するグリーンシートの厚みにより調整する必要があり、０．５〜２．０ｍ／ｍｉｎの範囲内で制御した。

次の積層体作製工程において、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを含むグリーンシートをラミネート機を使用して所定の層数に積層した。すなわち、ＰＥＴフィルム上に製膜したグリーンシートをラミネート機の加温ローラー圧着により２〜６層に積層して所定の厚みを有する積層体を作製した。加温ローラーの表面温度は、ポリビニルブチラール系樹脂のガラス転移温度よりも高い１００〜１２０℃に制御して、良好な積層密着性を確保した。

次の切断工程において、積層したグリーンシートを所定の形状に切断した。すなわち、積層したグリーンシートを交信用スパイラルアンテナに適合した所定の形状が得られるように設計された専用の金型を使用して打ち抜き切断して所定の形状と厚みを有する成形体を作製した。グリーンシートが良好な積層密着性を有しているため、当該工程において層間剥離等の不具合は発生しなかった。

次の脱脂・焼成工程において、成形体をサヤ詰めした後、脱脂及び焼成してフェライト焼成体を作製した。すなわち、所定の厚みと形状を有する成形体をアルミナ質の薄板上にサヤ詰めした後、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト粉末の焼成前にポリビニルブチラール系樹脂及びフタル酸エステル系の可塑剤を燃焼させるための脱脂を実施した。脱脂の条件は、３５０〜５００℃であり、トンネル型焼成炉、ベルト型焼成炉及び箱型焼成炉により実施した。そして、脱脂後焼成炉により８９０〜９３０℃の範囲内で焼成してフェライト焼成体を作製した。得られたフェライト焼成体の破断面を走査型電子顕微鏡で５０００倍の倍率で観察して微細構造を撮影した。その結果、本発明のフェライト焼成体は、図１に示した８９０〜９３０℃の焼成温度域で焼成したものであり、その微細構造は模式図を図２に示した様に、平均粒子径が１〜５μｍのＮｉ―Ｚｎ系フェライ結晶粒子２１がネック部２２を介して３次元的に連結した微細構造を有するものであった。

上述したフェライト焼成体は、主として携帯端末の良好な通信機能を得るために適用されるものであり、図４は、フェライト焼成体を適用した携帯端末の断面斜視図である。これによると、携帯端末筐体セル４２と交信用スパイラルアンテナ４３との間にフェライト焼成体４４が挿入された構成となる。

また、図５は、ＲＦ−ＩＤシステムの概略図、図６は、フェライト焼成体を搭載したＲＦ−ＩＤシステムの概略図である。図５のＲＦ−ＩＤシステムは、携帯端末筐体セル５１と交信用スパイラルアンテナ５２により構成された図５のＲＦ−ＩＤシステムにおいて、交信用スパイラルアンテナ５２に侵入する磁束５３は携帯端末筐体セル５１の金属表面に発生したうず電流による反対方向の磁束５４により打ち消されて通信機能が大きく減衰する。これに対して、図６のＲＦ−ＩＤシステムは、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナ６２と携帯端末筐体セル６１の金属面との間にフェライト焼成体６４が挿入されたものである。これにより、交信用スパイラルアンテナ６２に侵入する磁束６３が当該フェライト焼成体６４により集束されて携帯端末筐体セル６１の金属表面のうず電流が抑制されるものである。本発明の携帯端末用ＲＦ−ＩＤシステムは、フェライト焼成体６４の微細構造を図１の８９０〜９３０℃の焼成体の微細構造としたものであり、１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結したものである。これにより、最良の通信機能が得られるものである。一方、フェライト焼成体６４の微細構造を図１の８８０℃の焼成体及び９４０℃以上の焼成体の微細構造としたものは、通信機能の劣化が発生する。

次に、図４と類似の構成による通信機能の測定について述べる。すなわち、フェライト焼成体を図６に示したリーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナ６２と携帯端末筐体セル６１の金属面との間に挿入した携帯端末用ＲＦ−ＩＤシステムの通信機能を測定した。ここで、通信機能としての測定項目は、タグとリーダ／ライタ間の通信距離を設定した。

実施例１に記載した方法に基づいて、８８０℃の温度で合成したＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を出発材料として、８８０〜１０００℃の焼成温度で焼成した各々のフェライト焼成体を作製した。作製した各々のフェライト焼成体の両面にテープを貼り付けて通信機能測定用のサンプルとした。サンプルの寸法は、３０ｍｍ×２５ｍｍで厚みが１２０μｍであった。測定用サンプルと同サイズの銅版とスパイラルアンテナとの間にフェライト焼成体のサンプルを挿入したものをタグとしてセットして、１３．５６ＭＨｚの共振周波数におけるリーダ／ライタとの通信距離を測定した。

図７はフェライト焼成体を搭載したＲＦ−ＩＤシステムの通信距離図である。これによると、本発明の微細構造が得られる８９０〜９３０℃で焼成した焼成体において、共振周波数１３．５６ＭＨｚでの通信距離が最良となった。一方、８８０℃で焼成した焼成体、及び９４０℃以上で焼成した焼成体において、通信距離が低下した。これは、次のように考えることができる。

すなわち、８８０℃で焼成した焼成体は、十分な焼結が進行していないため個々の結晶粒子が連結することなく孤立したような状態となっている。従って、磁性体としての十分な透磁率が得られず、リーダ／ライタ側から侵入してくる磁束の集束効果が十分でないために通信距離が劣化したものと考えることができる。また、９４０℃以上で焼成した焼成体の微細構造は液相生成と同時に結晶粒子間のネック部の成長と結晶粒子の異常成長が発生していた。従って、透磁率は高くなるものの、１３．５６ＭＨｚという高周波数帯での焼成体表面の導電率が増加して磁束の集束効果が低下したために、通信距離が劣化したものと考えられる。これに対して、８９０〜９３０℃で焼成した焼成体は、１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有しており、８８０℃で焼成した焼成体のような透磁率の低下はなく、また９４０℃以上で焼成した焼成体のような導電率増加による磁束の集束効果の低下もないために、最良の通信距離が取得されたものと考えられる。

以上、本実施例の携帯端末用ＲＦ−ＩＤシステムは１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有することを特徴とするフェライト焼成体を適用することにより、良好な通信機能が取得されるものである。

以上の様に、本発明のフェライト焼成体はＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末の合成温度Ｔ１とＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を含む成形体の焼成温度Ｔ２との関係において、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係にあることを特徴とする製造方法により作製されたものであるため、１〜５μｍのフェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有するものである。これにより、本発明のフェライト焼成体をリーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間に挿入することにより優れた通信特性を有する携帯端末用ＲＦＩＤシステムを実現できる。

本発明のフェライト焼成体及びその製造方法は、良好な通信距離を確保できるため、リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナを有する通信端末、特に携帯端末に有用である。

焼成温度に対するフェライト焼成体の微細構造図本発明のフェライト焼成体の微細構造の模式図フェライト焼成体の製造工程図フェライト焼成体を適用した携帯端末の断面斜視図ＲＦ−ＩＤシステムの概略図フェライト焼成体を搭載したＲＦ−ＩＤシステムの概略図フェライト焼成体を搭載したＲＦ−ＩＤシステムの通信距離図

符号の説明

２１Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子
２２ネック部
４１携帯端末
４２携帯端末筐体セル
４３交信用スパイラルアンテナ
４４，６４フェライト焼成体
５１，６１携帯端末筐体セル
５２交信用スパイラルアンテナ
５３，６３交信用スパイラルアンテナに侵入する磁束
５４うず電流による反対方向の磁束
６２リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナ

Claims

所定の合成温度Ｔ１で製造されたＮｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を樹脂、可塑剤及び有機溶剤と共に混合してスラリ−を作製する工程と、前記スラリ−をフィルム上に塗工して生シートを作製する工程と、前記生シ−トを積層して積層体を作製する工程と、前記積層体を所定の寸法に切断した後所定の焼成温度Ｔ２で焼成してフェライト焼成体を作製する工程とを順次行い、Ｔ１＜Ｔ２、且つ１０≦｜Ｔ２−Ｔ１｜≦５０の関係にあることを特徴とするフェライト焼成体の製造方法。
前記所定の合成温度Ｔ１は８８０℃であることを特徴とする請求項１記載のフェライト焼成体の製造方法。
リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナを有する携帯端末において、前記リーダ／ライタ交信用スパイラルアンテナと携帯端末筐体セルの金属面との間に挿入するフェライト焼成体であって、１〜５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト結晶粒子がネック部を介して３次元的に連結した微細構造を有することを特徴とするフェライト焼成体。