JP5612238B2 - 軸対称垂直磁界センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、コイルによる磁界を用いたＲＦＩＤタグやセンサを、金属体や金属面の上や窪みの中に埋めて用いる技術に係る軸対称垂直磁界センサシステムに関する。

非接触式ＩＣカード並びにコイルを用いたＲＦＩＤタグや、これと共に用いるリーダライタ用センサは高周波等の振動磁界や電界を用いており、金属体や金属面に近づくと、ミラー効果により磁界や電界が打ち消され、感度が著しく劣化する。

これは、金属面によるミラー効果で、逆相電流により電界や磁界が打ち消されることにより、金属面が存在しなかった時の特性が損なわれるものである。

オンメタルタグと称し、ＲＦＩＤのコイルと金属面の間に磁路を作るために磁性体シートを挿入し、感度の低下を抑えようとする方式もあるが、多少は改善されても、金属面の影響を受ける上、金属面に沿った、金属面に近い強い磁流（磁界）が中心部に近い所で大半は衝突し打ち消し合って、金属面と垂直な方向に一部の磁界しか出てこない。

円盤状に巻かれた一部の中心に近いコイルで発生する磁界のみが垂直磁界を発生させるので、強い垂直磁界は得ることができず、言わばこの方法は、消極的な方法である。

一方、特願２００５−２６５２７３で提案された方法は、ミラー効果を利用し、磁束が２倍、即ち６ｄＢの電圧の上昇を伴う方式があるが、この方法は金属面に沿う磁界を強くし、これにより垂直磁界も強くする方法で、両極の強さが同じであるため、片方の磁極に寄らないと垂直磁界が得られないと云う問題もあった。

また、角形棒状の磁性体を組み合わせて、中心部に強い垂直磁界を作る方式も特願２００５−２６５２７２で提案されているが、製造し易い場合と製造し難い場合があり、特に金属面に窪みをつけタグを埋める場合には、窪みを作り難い面もあった。
特開２００３−３１７０５２号公報

金属面を利用することにより、金属面と平行な磁界も利用し、かつ金属面に垂直な磁界を発生させることができ、垂直磁界を囲む円形の電流を有効に捉えることができるタグやセンサシステムを提供できれば良い。

本発明は、以上の点に着目して成されたもので、垂直磁界を強くするプロメタルタグおよびプロメタルセンサシステムを構築する軸対称垂直磁界センサシステムを提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するために、以下に示す構成を備える。

（１）金属の表面や金属面の窪みに載置され信号を発生する巻かれたコイルとＩＣによる応答システムに用いられ、円や楕円や多角形の磁性体板と該磁性体板の中心部に突起を有した軸対称の磁性体と、前記磁性体板の前記磁性体が設置された上面側で周方向に偏平状に巻かれたコイルとからなることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（２）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記突起が円筒形や楕円筒形や多角柱形や円錐形や楕円錘形や多角錐形である磁性体であることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（３）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板が金属面に貼りつけられるように構成されていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（４）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記突起が軸に沿って中空となっていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（５）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記突起の中心部に軸方向に金属棒（柱）が埋められていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（６）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記突起の外周面にも軸方向に沿って前記コイルが巻かれていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（７）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板の突起のある側と反対側の前記磁性体板の底面に、金属薄板や箔や蒸着や金属印刷面の金属面を設けたことを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（８）前記（１）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記磁性体板の外縁部に盛り上がった外輪山のような連続する磁性体の縁を設けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（９）前記（８）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板の突起のある側と反対側の前記磁性体板の底面と、前記縁の周辺面に金属板や金属箔や蒸着や金属印刷面により金属面を設けたことを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（１０）前記（１）または（８）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の空間部にＩＣを取り付けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（１１）前記（１）または（８）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の空間部にＩＣやセンサやスーパーキャパシタや電池を搭載することを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（１２）前記（１）または（８）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体が埋め込みが可能なように前記磁性体とほぼ同大円で同大形状で同深さの窪みを前記金属の表面に設けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
（１３）前記（１）または（８）記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の軸方向の長さを長くし、深い金属にも対応できるようにすることを特徴とする軸対象垂直磁界センサシステム。
（１４）前記（１）ないし（１３）のいずれか１項に記載のタグやセンサを用いて検出システムを作ることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。

本発明により、一般的に利用されるコイル状センサやタグに対応して発生する磁界をとらえる相手のタグやセンサが金属面に存在するとき、感度が低下する問題もなく、金属面や金属面内でも問題なく動作し、金属面に垂直な磁界を発生させたりとらえたりできる軸対称のプロメタルタグやプロメタルセンサを得ることに成功した。これにより、金属面に垂直な強い磁界（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｊｅｔ Ｆｉｅｌｄ）を得ることができ、金属面の問題を克服した。

一般にループ等により発生する電流や磁界は、軸対称の極座標形でψ方向の円形の電流と半径ρ方向の磁界（磁流）が金属表面に発生する。

上述の、特願２００５−２６５２７２，金属埋込センサシステム、特願２００５−２６５２７３，垂直磁界センサシステムは、角形磁性体にコイルを巻き、これを組み合わせたものであった。

本発明のものは、多角形や円形の軸対称の構造で最も垂直磁界と円形電流（渦巻電流）に合うように、極座標あるいは円筒座標等に合うような構造とし、さらに円盤の中心になると密になる半径方向の磁界Ｈρを透磁率の高い、円筒状や円錐状の突起の磁路を中心部に設け、磁界を導き、垂直磁界Ｈｚを作るようにした。中心部に近いコイルにより、一部Ｈｚは作られるが、半径方向に並んだコイルによりＨρが多く励振されるので、このＨρを効率よくＨｚに変換しなければならない。一般の金属タグ方式では、金属面に近いＨρやコイルで励振されたＨρの殆どが、中心部で反対側で励振された対称的な磁界で打ち消されて消失され効率が悪くなり、垂直磁界が殆んど出てこない。

本発明の軸対称垂直磁界センサシステムにより、垂直磁界は垂直の磁路により有効に導かれるとともに、垂直方向の磁界を励振するコイルも加わり、かつ中心部に金属棒を配置することにより、等角写像からも分る通り、等価的なミラー効果が金属の中心軸によっても発生し、軸対称による磁界Ｈρは軸方向の垂直磁界Ｈｚに曲げられるので、中心部に強い垂直磁界を発生させることに成功した。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例により詳しく説明する。

図１は、従来のタグの説明図である。

図１（ａ）は、扁平に巻いたコイルＣにＩＣ３を載せた基板に軸付けした構造の通常のタグを示す。一般には、透明なプラスチックフィルムでシールされている。図１（ｂ）は、このようなタグをプラスチックパッケージＰの中に収納してある場合を示す。

図２は、穴の開いたプラスチックパッケージＰによるタグの例を示す。図１（ａ）のタグをこのように加工することもできる。後に説明するように、このような加工を施したタグは、中心部に磁性体を通したり、磁性体で挟み込んだりする場合に用いることができる。図２（ａ）は薄いタグの場合を、図２（ｂ）は厚めの小型のタグの例を示す。このような円盤形をしたプラスチックパッケージの中にタグが収容されているものもある。図２（ａ）（ｂ）ともに、中心に穴が開いているものを示しているが、穴が開いていない場合の方が多い。

図３は、従来のタグＴと金属面Ｍの間に磁性体シートＳを挟み、磁界を逃がし、金属面のミラー効果により磁界が打ち消されることを軽減しようとする方式である。この方式は一般に用いられている。

然し乍ら、一般のタグは半径方向に渦巻状にコイルを巻き、タグをできるだけ薄くなるように構成しているので、磁界Ｈρが半径方向に向き、この磁界が次々に強くなるように励振される。

図４には、一般のオンメタルタグの形状と磁界の分布を示す。

図４（ａ）は、オンメタルタグを横から見た場合で、コイルの厚みがなく平らになるように構成するため、半径ｒを増し乍ら半径方向にコイルＣが巻かれている。磁性体シートＳが金属面Ｍとの間に敷かれているが、コイルＣと金属面Ｍに挟まれた磁性体シートＳの中を半径方向（ρ方向）に磁界ＨｅとＨｃがコイル電流Ｉψにより励振される。金属面Ｍに近い磁界Ｈｃは強い中心磁界となるが、半径方向に向って励振されているため殆どが円の中心部で衝突を起こし、この磁界は失われる。内側に巻かれているコイルの一部の電流のみの起磁力により垂直磁界Ｈｚが励振されるので、このように巻かれているコイルでは垂直磁界Ｈｚは励振され難く、また磁性体シートＳによる垂直磁路も構成されていないので、垂直磁界Ｈｚの発生も難しい。

金属面Ｍにより下方にイメージ（Ｉｍａｇｅ）が発生し、逆の影像が得られる。

図４（ｂ）には、このように巻かれているコイルを上部から見た場合を示す。これによりコイルは平面状に渦巻形に巻かれていることが分る。

図５は、本発明の一形態を示す説明図である。

図５（ａ）は、磁性体で中央部に円筒状突起の磁路が構成されている場合を示す。

従来の図４の場合と異なり、中央部に中央部軸対称円筒状突起による垂直磁路６′を構成しているため、半径方向に金属面Ｍに沿って流れる磁界は、磁路に沿って垂直に曲がって大半が垂直磁界Ｈｚとなる。図５（ａ）の場合、金属面Ｍに近い磁界は中心部で衝突して打ち消しあってしまうので、この分の磁界は無効となる。

図５（ｂ）の場合は、中央部の垂直磁路の中心部が中空ｈｔとなっている場合を示す。この場合には、磁界の一部は外に漏れて衝突磁界となるが、大部分は垂直磁路に沿って上部に向って強い垂直磁界を作る。もし、この中空の中心部に金属棒や金属面を構成するときは、この金属棒の円周に沿って電流が流れるため、Ｚ軸方向の磁界Ｈｚが発生するので大部分の磁界が垂直磁界に変換される。

金属棒の円周は小さいが、円周座標系の円周方向の面であるため、等角写像から無限大の面と等価であり、充分な大きさの面と等価的な効果を発揮させることができるので、円筒座標系の構造を用いた場合の特徴である。

図６は、本発明の別の形態を示す説明図である。

図６（ａ）は、タグとして組まれている場合で、中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′のある円形磁性体６の上面にコイル２が載せられ、ＩＣ３が基板とともにコイルに取り付けられている。円形磁性体の下面には金属板ＭＢあるいは金属箔あるいは金属が蒸着されている。

図６（ｂ）は、ＩＣ３が取り付けられたコイル２を、図６（ｃ）は、磁性体６，６′を、図６（ｄ）は金属板ＭＢを示す。

図７は、中心部に金属棒ＭＰが挿入されている本発明の別の形態の実施例を示す。金属棒ＭＰは、金属面Ｍと接触しており、金属面にも金属棒ＭＰにも円形の電流が励振される。

コイル２，２′は、半径方向のみならず、垂直のＺ軸方向にも垂直磁路を形成している磁性体中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′の円筒に沿っても巻かれており、特に垂直方向の中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′に巻かれているコイル２′により垂直方向の磁界が励振され、金属面に沿って励振された磁界と連続して強い垂直磁界を得ることができる。図には、ＩＣは省略してある。

図８は、図７の本発明の垂直磁界センサシステムの実施例を分解して示したものである。

図８（ａ）は、組み上がったタグやセンサの構造例である。図８（ｂ）は、コイル２，２′の部分、図８（ｃ）は、磁性体６，６′の部分、図８（ｄ）は、金属板ＭＢと金属棒ＭＰの部分に分かれている。動作原理については、図７で説明したとおりである。ＩＣは省略してある。

図９は、本発明の別の実施例を分解して示したものである。

図９（ａ）は、組み上がったタグやセンサの構造例である。図９（ｂ）は、中心に挿入される金属棒ＭＰを金属ネジで構成し、全体を留める目的も兼ねている。

励振用コイル２を図９（ｃ）に示す。図９（ｄ）には、磁性体６，６′を示す。図９（ｅ）には、金属板を示す。同図もＩＣを省略している。

図１０は、本発明の軸対称垂直磁界センサシステムの原理を示す説明図である。図１０は、分かり易くするために円筒座標系で示してある。

Ｘ軸をψ＝０として考え、半径方向をρとし、軸方向をＺ軸で示しているＺ＝０の所がＸ，Ｙ面内で示される金属面であるとする。ここに厚みＺ_２で半径ｒ_２の円盤形磁性体があるとする。さらに中央部には、高さがＺ_１で半径ｒ_１の円筒磁性体が、下の磁性体と連続して形成されている。中心部には、軸方向に半径ｒ_０の中空が存在し、これに金属棒が挿入されている。磁性体円盤状に載せられたコイル２には、電流Ｉψが流れていると、これにより半径方向の磁界Ｈρが励振される。また、一部は垂直磁界Ｈｚも励振する。コイルが何巻かされることにより、隣同士のコイルにより垂直成分は打ち消され、水平成分の磁界Ｈρのみが増強される。

然し乍ら、中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′を設けることにより、水平磁界Ｈρは垂直磁路６′に沿って曲がり、垂直磁界Ｈｚとなる。また、中心金属棒ＭＰが存在するので、この金属棒の周囲に沿って流れる電流Ｉ′ψによっても垂直磁界は励振される。図７や図８に示すように円筒磁路に沿っても筒形のコイル２′が巻かれているときは、さらに垂直磁界は強くなり加算される。垂直磁界Ｈｚにより、上部にあるコイル２′には、Ｉｃの電流が励振される。これは相対的に考えることもできる。上部のコイルＣｏに流れる電流Ｉｃにより垂直磁界が発生し、この垂直磁界が中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′を通り、下部の円盤部の磁性体６を通り、外部に出て、この磁路の上に置かれたコイル２に電流Ｉψを励振するとともに、金属面にも電流ｉを誘起させる、と説明することもできる。

図１０（ａ）は、直角座標系Ｘ，Ｙ，Ｚの場合、Ｚ，Ｘ面をＺ軸を中心として丸めて円筒とするとき、図１０（ｂ）に示すように、Ｚ，Ｘ面はψの面となり、Ｘ，Ｙ軸は、

となることを分り易く示したもので、Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１面が、ρ_１，ρψ_１，Ｚ_１面に等角写像されたことが理解できる。

図１１には、図１０の斜視図を上から見た場合を示すものである。

上から見ると、半径ｒ_１の円筒部に、下方から上方に向う、即ち手前に向う磁界が８本示されているが、これがＨｚとなっている。下方の円盤部のコイル電流Ｉψとこれに直交する半径方向の磁界Ｈρが電流Ｉψにより励振され、円筒部の磁路に沿って垂直磁界Ｈｚに折り曲げられ上方に向うことが理解される。

金属面の面電流ｉも円周方向、即ちψ方向の電流であり、磁界は電流に直交する径方向の磁界、即ちＨρを発生しており、これが磁性体の磁路を通り、コイル２や２′に誘起電圧を発生させることになる。

図１２は、本発明の垂直磁界センサシステムにより、外部コイルＣｏと磁界Ｈｚにより結合する状態の説明図である。

図１２（ａ）は、下方の平盤部のみにコイルが置かれている場合の状態で、図１２（ｂ）は、コイルが平盤部のみでなく、円筒の突起部に沿っても巻かれており、より垂直磁界Ｈｚが励振され易く、従って上方のコイルに電流Ｉｃを誘起し易くなっている場合である。図１２（ｃ）は、中央の円筒部のみにコイル２′が巻かれており、垂直磁界を励振している場合で、この方法でも垂直磁界は充分得られ、かつ平盤部の磁性体が金属面に沿う水平磁界の磁路を構成してくれるのでこのような構造によってもよいが、先に説明したように、図１２（ｂ）の方が強い垂直磁界が得られ、従って上方の外部コイルＣ_０と結合し易い。コイルの巻数等はコイルの大きさや磁性体により異なるが、インダクタンスの値は１３．５６μＨｚでは数マイクロヘンリーが普通で、それ程の巻き数とはならない。コイル２とコイル２′は直列に巻いてもよいし、並列に巻いてもよい。

ＩＣのキャパシタと共振を取らなければならないので、使用するＩＣにより調整が必要である。

図１３，１４，１５，１６，１７には、各種の垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示している。

図１３（ａ）は、平盤部に平坦に巻かれたコイル２の部分と、円筒形に垂直方向に巻かれたコイル２′の部分が直列に巻かれている場合を示す。巻き方の具合やインダクタンスの大きさの具合によっては、コイル２と２′は、並列としても構わない。巻線の端末がＰＰ′で、ここで基板やＩＣに接続される。図１３（ｂ）は、磁性体６，６′とともに組み上がった状態を示す。

図１４は、コイル２，２′が一緒になって円筒形に半径方向ρにも垂直軸方向にも高さｈをもって構成されている場合を示す。図１４（ａ）は、コイルの部分で、図１４（ｂ）は、磁性体の上に組み上がった場合を示す。平盤部の磁性体の上には空間ができるので、ここにＩＣや基板を載せることができる。

図１５は、もう一つのコイルの構成の仕方を示す。図１４の場合と異なり、主に水平の平盤部のψ方向にコイル２を巻き、円筒部に沿って高さｈを押えて巻いている場合である。図１５（ａ）は、コイルのみを示し、図１５（ｂ）は、磁性体とともに組み上がった場合を示す。

図１６は、図１に示す一般のタグを本発明の円筒形突起を持つ磁性体に組み込んだ場合を示す。

図１６（ａ）に示す一般のタグも、図１６（ｂ）に示すように、本発明の円筒形突起を備える垂直磁界センサシステムとして用いることができる場合を示している。図１６（ｂ）は、組み上がった場合を示し、強い垂直磁界を発生するタグやセンサに生まれ変わることができる。

図１７には、コイルを磁性体に固定する方法を例示してある。図１７（ａ）は、プラスチックやセラミックのキャップで、図１７（ｂ）は、コイル，ＩＣ基板等である。図１７（ｃ）は、磁性体の上にコイル等が載せられ、これに図（ａ）のキャップが覆っている場合を示す。プラスチックやセラミックは保護としても用いられるが、誘電率をタグのコイルに加え共振周波数を制御することもできる。

図１８は、一般のフィルム状の角形タグを用いる場合の例を示す。図１８（ａ）は、市販あるいは製造途上の角形タグを示し、図１８（ｂ）は、キャップを示し、図１８（ｃ）は、中央部を磁性体の突起部が抜けるように孔を開けている角形タグを、図１８（ｄ）は、角形の磁性体を示す。磁性体の形状は、角形でなくとも円や楕円形状でも使用することができる。

図１９には、磁性体の形状と磁束密度を一定にする条件を示す。

円盤部の周囲ｒ_１とこの断面２πｒ_１ｔ_１より入る磁界が半径方向に進むにつれ１／２πｒで小さくなるので、磁束密度を一定にするためには、高さｔを大きくしなければならない。また、この後円筒の上面πｒ_２ ^２から垂直磁界が同じ密度で出るためには、つぎのような２式が成立しなければならない。

上式が成り立つようにすると、図１９（ｂ）のように、中央部の突起を富士山のようななだらかな曲線としなければならない。図１９（ｃ）は、半径ｒと高さｔとの関係を示したもので、また円筒の上面との関係も示すことができる。図１９（ｄ）は、中心部の金属棒と下部の金属面を共通にし、これも曲線で構成した場合を示している。図１９（ｅ）は、前述のように曲線とせず、段階的に磁性体や金属芯の大きさを変えた場合を示す。

図２０には、巻線を巻く場合の例を示している。磁性体磁路６の水平部分の巻線と中央部軸対称円筒状突起による垂直磁路６′の巻線を連続して巻く方法を、図２０（ａ）（ｂ）に示す。図２０（ａ）は、先ず該垂直磁路６′に巻線を巻き、次に図２０（ｂ）に示すように磁性体磁路６に沿って半径方向ρの方向に巻く場合、蓋（カバー）Ｋを右側に動かし、図２０（ｂ）のように蓋（カバー）Ｋとの間の隙間にコイルを巻くことにより、コイルがくずれることなく、整然と巻くことができる。回転させる場合のシャフトは、磁性体の中心部にある軸穴を利用し、これにシャフトを通し、さらにネジ等によって締め付け固定する。

図２１は、円筒部が短い場合の例を示す。

図２２は、突起部がテーパになっている場合を示す。

この場合でも、図２２（ａ）に示すように、突起の頂点にコイルがズレないように引っ掛かり部を設けているので、徐々に曲線に沿って磁性体６の上にコイル２を巻くことができ、この後、蓋（カバー）Ｋを被せてコイルをくずれないようにすることができる。蓋Ｋが覆った状態を図２２（ｂ）に示す。

図２３には、本発明の垂直磁界センサシステムの応用例を示す。図２３（ａ）には、蓋Ｋが被せられる前の状態で、蓋Ｋはセラミックやプラスチック等の磁界の邪魔をしない材料のものを使う。センサの狭間には、スーパーキャパシタ（ＳＣ）や電池Ｂ等の電源を備え、アクティブなセンサやタグにすることができる。またセンサを用いたり、タイマを入れたりして使用する目的に応じて必要なデータをＩＣ３に記録したりすることができる。このデータを、垂直磁界を介して外部のコイルを結合させデータを回収できる。図２３（ｂ）は、蓋Ｋを被せ、一体形となした場合を示す。

図２４は、同様に応用例を示している。

図２４（ａ）は、スーパーキャパシタと二次電池ＳＢを組み合わせ、短時間の充電と長時間の使用を行えるように構成した場合である。またＩＣをパッケージＩＣＰにした場合を示している。図２４（ｂ）は、蓋を被せ一体形とした場合を示す。

図２５は、本発明の軸対称垂直磁界センサシステムのもう一つの実施例を示す。この方式により、磁性体垂直磁界センサシステムを金属表面に埋め込むことができる。

図２４迄の説明では、中央部のみに突起のある富士山形の磁性体を用いた例の説明であった。図２５は、これに加え外輪山形で周囲に中央部の軸対称円筒状突起による垂直磁路６′を囲むように、磁性体による周辺部の垂直磁路６″が構成されている。

これらの磁性体による中央部の円筒状突起と周辺部の円筒状突起による垂直磁路６′，６″が底部の磁性体６と連続して構成され、磁路を提供している。

周辺部の円筒状突起による垂直磁路６″と中央部の円筒状突起による垂直磁路６′と底部の磁性体磁路６によって、磁界の通路を構成している。図２４迄の説明のものは、金属表面に載せる形式のものであるが、本方式によるものは、周辺部の円筒状突起による垂直磁路６″による周辺から磁界を侵入させ、中央部の円筒状突起による垂直磁路６′から磁界を放出させるようにしたものである。また、言い換えると、中心部より垂直に侵入する磁界を、周辺部より放出させるようにしている。

中央部の円筒状突起による垂直磁路６′の半径はｒ_１、高さＺ_１、この中心部に中空の穴或は金属棒ＭＰが埋め込まれている。この穴や金属棒がなくても、該垂直磁路６′はあるので、垂直磁界を発生させることができることは、先にも述べた通りである。底部の磁路６の厚みはＺ_２である。外輪山に当たる外側の周辺部の円筒状突起による垂直磁路６″の内側の半径はｒ_２で、外側の半径はｒ_３で、壁の厚みはｒ_３−ｒ_２＝Δｒとなっており、この高さは内側の円筒の高さとほぼ同じＺ_１である。ｒ_２とｒ_１の間の空間（ｒ_２−ｒ_１）にコイル２（Ｃ）とＩＣ３を組み込んで、タグやセンサを構成する。コイル２の内側の半径はρ_１、外側の半径はρ_２で、

としてあり、

としているので、ぴったり、磁性体の円筒部に滑り込ませることができる。コイル２の高さｈは、ＩＣ３やポッティングやパッケージの厚みが入るので、ｈ＜Ｚ_１でなければならない。コイル２の両端にＩＣをパッケージし、このリード線に半田付けをするか基板にＩＣを載せるか、コイルの両端のリード部にボンディング等で接続しポッティング等の処理を行ってもよい。ＩＣチップの容量によっても変わるが、コイルのインダクタンスは、ＩＣチップのキャパシタと共振を取る関係上、数マイクロヘンリーであるので、数ターンとなり、それ程巻数を上げることはできない。然し乍らコイルを並列にすればインダクタンスは約半分となるので、２倍のターン数となる。外輪山の外側の金属面ＭＳと内側の円筒の中心部の中心金属棒ＭＰを強調して描いているもので、この２つの金属面による連続したイメージが、Ｎ_１，Ｎ_２………とＭ_１，Ｍ_２………と見える説明を行う目的の図である。底面金属面ＭＢは一つのイメージＬ１を作るが、Ｎ_１………とＭ_１………についても、イメージを作る。これを説明するには、Ｘ，Ｙ，Ｚの直角座標系の方が分かり易い。従って、電圧は２ＮＭ倍となるが、少なくとも８倍（１８ｄＢ）の数を巻くことができ、かつこれを並列にできる。また、コイルの線の感度上昇が得られる。太さを変えても、インダクタンスの値を調整できる。比較的平らな構造においては、コイルは磁性体粉末やこれに隣接するスピネル構造のシートとともにコイルを印刷し、焼結させることもできる。図２５（ｂ）は、円筒座標の角度Δψの断面をとり、これにより図２６は、図２５の外周と下部に、金属面（金属板）ＭＳ，ＭＢを取り付け、金属面Ｍに埋め込んだ場合を示す。

水平磁界Ｈρが周辺部の円筒状突起による垂直磁路６″に沿って垂直にもぐりこみ、再度水平磁界となって磁路６を通って中心部に向かい、円筒状突起による垂直磁路６′を通って再度垂直磁界Ｈｚとなって、中心部より垂直な磁界を発生させる。この間にコイルＣに誘起電圧を発生させて、コイルの端部に取り付けられたＩＣやＩＣパッケージに電圧を供給する。

図２７は、上方の外部コイルＣ_０と金属面に埋め込まれた本発明の垂直磁界センサやタグが結合する様子を示す。

上方の外部コイルＣ_０の外側を通る磁界の一部は、直接周辺部の円筒状突起による垂直磁路６″に入っていくものもあるが、外側を通る磁界は、金属面を励振して円形電流ｉを発生させる。

この電流は渦電流のようなもので、金属面の円形面電流でもある。電流が円であるため、磁界は輻のように放射状になる。当然金属面のそばでは、電界の変化が変位電流であるので、両コイルの房や金属面のそばでは、円形の変位電流が流れている。この様子を示したのが図２７である。

図２８は、窪みの空間にスーパーキャパシタＳＣや電池Ｂやセンサを取り付けアクティブタグとした場合を示す。

図２９は、垂直磁界センサやタグを部品レベルに分解し、説明する図である。

図２９（ａ）は蓋Ｋ′で、セラミックやプラスチックでコイル２やＩＣや内部の部品を保護したり、表面が平坦となるためのものである。

図２９（ａ′）は全体を覆うための蓋Ｋ″で、これも内部の保護と表面を均一にし、埋め込んだ後の見かけが分らないようにする目的も達することができる。

図２９（ｂ）は、コイル２やＩＣやＩＣパッケージＩＣＰを示す。

図２９（ｃ）は、磁性体の磁路の部分を示す。

図２９（ｄ）は、外側と内側の金属面あるいは金属板、金属焼付や蒸着等の面で、外側の縦の部分ＭＳ、底の部分ＭＢ、中心の棒の部分（表面のみでよい）ＭＰで成り立っている。

図３０は、前出の金属表面に置くタイプ（ａ）と、金属表面に埋め込むタイプ（ｂ）の両者を、一体で焼結成形する場合の例を示している。

図１〜図２９は、原理を説明するために、磁性体やコイルを別々に構成する仕組みで説明してきた。

図３０の場合は、粉末磁性体を型に入れて固め、これにスピネル構造の円形シートを載せてさらに印刷された渦巻コイル２を載せ、さらにこれを絶縁シートＩＮＳで絶縁し、スルーホールＳｈによりコイルと上部の金属パッド、あるいはリード線Ｗと接続し、その上にＩＣをボーディングあるいはフリップチップのようにフェースダウンで接続できるようなパッドで構成したものを塗装し、焼結することにより一体成形ができるようにしてある。

金属面ＭＢやＭＳは、銀ペーストを焼くことにより同時に構成することもできるし、蒸着等により構成することもできる。さらに外部にスピネル層を設けることもできる。

図３１は、細長い円筒構造にした場合で、肉厚のものや細長いものに埋め込む必要がある場合の例で、構造的には図２５〜図２９のもの、あるいは図３０（ｂ）のものとほぼ同じである。軸方向Ｚの垂直磁路６′，６″が長く、底部の磁路６は帰路を提供する役割をすることになる。コイル２は入口でもよいし、底部に固定してもよい。無限に長い金属円筒等に埋め込む場合には、底部の磁路６は有っても無くてもよくなる。また入口の磁性体の構造は、磁界をとらえ易くするため、内側の突起や外側の幅を大きくすることもできる。

図３２は、本発明の垂直磁界センサシステムの例であって、垂直磁界センサ（Ｓｅｎｓｏｒ）が金属面Ｍの上に置かれており、リード線ＬによってリーダライタＲ／Ｗに接続されている。これらのセンサ装置がプラスチックボックスＢｏｘに納められている。非接触カードＩＣ_０のコイルＣ_０と磁界が結合し、通信を行う。

Ｒ／Ｗで受送信された信号は、ローカルコントローラやホストコンピュータに受送信される。

図３３は、本発明の垂直磁界センサシステムのタグの応用例である。ハンディターミナルＨＴと金属面に置かれたタグＴとの通信を磁気結合で行い、得られた信号をワイヤレス通信の信号ＳＧで通信する方式を示している。

図３４は、金属面Ｍに埋め込まれた埋込タグＴ′のＩＣによる信号を磁界を介してハンディターミナルＨＴで送受信し、ケーブルＬ_１，Ｌ_２，Ｒ／Ｗを介してＰＣと通信を行うシステムを示す。

これらのシステムは、一部の例を示したもので、タグおよびセンサとしてあらゆる応用を期待することができる。

［結論］
以上のように、本発明の軸対称垂直磁界センサシステムは、金属体や板の表面あるいは金属体の窪みに埋められた状態でも、外部の垂直磁界と結合することができる金属面に垂直な磁界を発生させることができるため、従来金属面によって垂直磁界が打ち消されていた障害を取り除き、垂直磁界を作ることが可能となった。

この原理を利用し、さらに従来の市販の円形タグや角形のタグに応用することにより、これらのタグも使用することが可能になり、幅広い応用が可能になった。

従って、本発明の軸対称垂直磁界センサシステムの応用効果は、広い分野に期待できる。

従来のタグの説明図 穴の開いたプラスチックパッケージによるタグの例を示す図 従来のタグＴと金属面Ｍの間に磁性体シートＳを挟み、磁界を逃がし、金属面のミラー効果により磁界が打ち消されることを軽減しようとする方式の説明図 一般のオンメタルタグの形状と磁界の分布を示す図 本発明の一形態を示す説明図 本発明の別の形態を示す説明図 中心部に金属棒ＭＰが挿入されている本発明の別の形態の実施例を示す図 図７の本発明の垂直磁界センサシステムの実施例を分解して示す図 本発明の別の実施例を分解して示す図 本発明の軸対称垂直磁界センサシステムの原理を示す説明図 図１０の斜視図を上から見た場合を示す図 本発明の垂直磁界センサシステムにより、外部コイルと磁界により結合する状態の説明図 垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示す図 垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示す図 垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示す図 垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示す図 垂直磁界センサシステムの構成例と、コイルの形状例を示す図 一般のフィルム状の角形タグを用いる場合の例を示す図 磁性体の形状と磁束密度を一定にする条件を示す図 巻線を巻く場合の例を示す図 円筒部が短い場合の例を示す図 突起部がテーパになっている場合を示す図 本発明の垂直磁界センサシステムの応用例を示す図 本発明の垂直磁界センサシステムの応用例を示す図 本発明の軸対称垂直磁界センサシステムの他の実施例を示す図 図２５の外周と下部に金属板（金属面）ＭＳ，ＭＢを取り付け、金属面Ｍに埋め込んだ場合を示す図 上方の外部コイルＣ_０と金属面に埋め込まれた本発明の垂直磁界センサやタグが結合する様子を示す図 窪みの空間にスーパーキャパシタＳＣや電池Ｂやセンサを取り付けアクティブタグとした場合を示す図 垂直磁界センサやタグを部品レベルに分解し、説明する図 一体で焼結成形する場合の例を示す図であって、（ａ）は金属表面に置くタイプ、（ｂ）は金属表面に埋め込むタイプを示す 肉厚のものや細長いものに埋め込む必要がある場合の例を示す図 本発明の垂直磁界センサシステムの例を示す図 本発明の垂直磁界センサシステムのタグの応用例を示す図 金属体Ｍに埋め込まれた埋込タグＴ′のＩＣによる信号を磁界を介してハンディターミナルＨＴで送受信し、ケーブルＬ_１，Ｌ_２，Ｒ／Ｗを介してＰＣと通信を行うシステムを示す図

符号の説明

２ （水平）コイル
２′ （垂直）コイル
３ ＩＣ
６ 磁性体
６′ 中央部の円筒状突起による垂直磁路
６″ 周辺部の円筒状突起による垂直磁路
Ｃ コイル
Ｃ_０ 外部コイル
Ｈ 磁界
Ｈｅ 周辺部磁界
Ｈｚ 中央部垂直磁界
Ｈρ 半径方向の磁界、水平磁界
ＨＴ ハンディ端末、ハンディターミナル
Ｉ 円筒座標のψ方向の電流
Ｉｃ 外部コイルに流れる電流
ＩＣｏ 非接触式ＩＣカード
Ｋ，Ｋ′ 蓋（カバー）
Ｌ リード線
Ｍ 金属面
ＭＢ 下部金属面、金属板
ＭＰ 中心金属棒
ＭＳ 側面の金属面
Ｐ パッケージ
Ｓ 磁性体
Ｓｅｎｓｏｒ 垂直磁界センサ
Ｓｈ スルーホール
ｈ 高さ
ｉ 垂直磁界により水平磁界Ｈρにより励振される円形電流
ｒ 磁性体の半径
ρ コイルの半径

Claims (14)

1. 金属の表面や金属面の窪みに載置され信号を発生する巻かれたコイルとＩＣによる応答システムに用いられ、円や楕円や多角形の磁性体板と該磁性体板の中心部に突起を有した軸対称の磁性体と、前記磁性体板の前記磁性体が設置された上面側で周方向に偏平状に巻かれたコイルとからなることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
2. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記突起が円筒形や楕円筒形や多角柱形や円錐形や楕円錘形や多角錐形である磁性体であることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
3. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板が金属面に貼りつけられるように構成されていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
4. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記突起が軸に沿って中空となっていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
5. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記突起の中心部に軸方向に金属棒（柱）が埋められていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
6. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記突起の外周面にも軸方向に沿って前記コイルが巻かれていることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
7. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板の突起のある側と反対側の前記磁性体板の底面に、金属薄板や箔や蒸着や金属印刷面の金属面を設けたことを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
8. 請求項１記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の前記磁性体板の外縁部に盛り上がった外輪山のような連続する磁性体の縁を設けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
9. 請求項８記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体板の突起のある側と反対側の前記磁性体板の底面と、前記縁の周辺面に金属板や金属箔や蒸着や金属印刷面により金属面を設けたことを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
10. 請求項１または８記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の空間部にＩＣを取り付けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
11. 請求項１または８記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の空間部にＩＣやセンサやスーパーキャパシタや電池を搭載することを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
12. 請求項１または８記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体が埋め込みが可能なように前記磁性体とほぼ同大円で同大形状で同深さの窪みを前記金属の表面に設けることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。
13. 請求項１または８記載の軸対称垂直磁界センサシステムにおいて、前記磁性体の軸方向の長さを長くし、深い金属にも対応できるようにすることを特徴とする軸対象垂直磁界センサシステム。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のタグやセンサを用いて検出システムを作ることを特徴とする軸対称垂直磁界センサシステム。

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