JP2004083386A - Dielectric material and method of manufacturing the same - Google Patents

Dielectric material and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dielectric material capable of obtaining a high product Qf of quality factor and resonant frequency even if it has a low dielectric constant εr. <P>SOLUTION: The dielectric material is a sintered compact in which an α<SB>4</SB>β<SB>2</SB>O<SB>9</SB>-type crystal phase is a main phase. Especially, the sintered compact containing an Mg<SB>4</SB>Nb<SB>2</SB>O<SB>9</SB>crystal phase as a main phase exhibits characteristics that the dielectric constant εr is about 13, and the product Qf of the quality factor, measured by a resonance method at any frequency of 8-11 GHz, and the resonance frequency is higher than 240,000 (GHz). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体材料に関するものであり、特にマイクロ波、ミリ波等の高周波帯域に用いて好適な誘電体材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
誘電体材料は、これまで比誘電率εr(以下、単にεr)あるいは品質係数と共振周波数の積Q・f(以下、単にQ・f)の向上を目的として開発されてきた。ところが、マイクロ波、ミリ波等の高周波帯域に使用される誘電体材料としては、εrが高いよりは、ある所定の低い値を示すことが要求される。したがって、従来開発された誘電体材料は、そのεrが20〜60程度であったため、以上のように高周波帯域用途の誘電体材料としては不向きであった。
【0003】
そのため、最近では高周波帯域用途の誘電体材料の開発が活発になっている。例えば、特開2000−327412号公報には、実質的にMgOの結晶相およびMgAlの結晶相のみが析出した高周波用誘電体セラミックス組成物が開示されている。このセラミックス組成物は、9近傍のεrを示し、かつ70000を超えるQ・fを得ることができる優れた材料である。
また、特開2000−247738号公報には、(Y2−x)Ba(Cu1−yZn)O(RはYb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Eu及びSmからなる群から選ばれた少なくとも1種類の元素)で表される固溶体または、この固溶体のCuの一部または全部をZnで置換した固溶体からなる高周波誘電体磁器組成物が開示されている。この磁器組成物は、比誘電率εrがおよそ15で、210000程度のQ・fが得られている。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−327412号公報(第3〜4頁)
【特許文献2】
特開2000−247738号公報(第3頁)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、低いεrおよび高いQ・fの誘電体材料が開発されている。しかるに、より低いεrにおいて、より高いQ・fを備えた誘電体材料の開発が要求されている。
また、誘電体材料を得る際の焼結温度がより低温であることが、その製造コスト低減のために望ましい。例えば、1400℃以下の温度で焼結が可能であり、かつ低いεrおよび高いQ・fの誘電体材料の開発も望まれている。
そこで本発明は、さらに低いεrであっても高いQ・fを得ることのできる誘電体材料を提供することを課題とする。また本発明は、比較的低温度での焼結によってそのような誘電体材料を得ることを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、εrを低くするためにCaNbで示される組成物について検討を行った。その結果、上記組成物のCaを所定量のMgで置換した組成物を焼結した材料のεrが20以下となること、さらにその際のQ・fが10000(GHz)以上となることを確認した。
本発明者等は、当初、この焼結体の結晶相が(MgCa(1−x)Nbであろうと推測していた。ところが、Mgの置換量によって、この焼結体は、CaNb相、CaNb相、MgNb相、MgNb15相およびMgNb相の5つの結晶相が出現し得ることを知るに到った。さらに、この5つの結晶相のうちで、CaNb相およびMgNb相の2つの結晶相が出現した焼結体は、εrが低くかつQ・fが高いことを知見した。
【0007】
そこで、CaNb相およびMgNb相のいずれの結晶相がεrおよびQ・fに対して有効であるかを確認するために、CaNb相の単相組織を得るための焼結体およびMgNb相の単相組織を得るための焼結体を作成した。そして、この2つの焼結体についてεrおよびQ・fを測定した。その結果、MgNb相の単相組織を得るために作製した焼結体は、比誘電率εrが13程度と低い値を実現し、しかも、240000を超えるQ・fが得られることを知った。つまり、このような低いεrおよび高いQ・fが、αβという結晶構造に起因するものである。
本発明は以上の知見に基づくものであり、αβ型の結晶相が実質的に主相をなす焼結体からなることを特徴とする誘電体材料を提供する。
【0008】
本発明の誘電体材料において、αとして2価の金属元素の1種または2種以上から、βとして5価の金属元素の1種または2種以上から選択することができる。さらに、2価の金属元素としてアルカリ土類金属元素の1種または2種以上から選択すること、5価の金属元素として遷移金属元素の1種または2種以上から選択することができる。特に、2価の金属元素としては、Mgが推奨される。また、5価の金属元素としては、NbおよびTaの1種または2種が推奨される。
【0009】
以上の誘電体材料において、αとしてMgを、またβとしてNbを選択したMgNb相を主相とする焼結体は、εrが20以下、共振法により8〜11GHzのいずれかの周波数で測定したQ・fが200000(GHz)以上という特性を得ることができる。本発明による焼結体は、1400℃以下、さらには1350℃以下の温度範囲での加熱・保持により緻密化することができる。
【0010】
次に、MgNb中のMgの一部をBaで置換する組成物を焼結すると、MgNb相の他に、Ba(Mg1/3Nb2/3)O相が出現する。そして、MgNb相とBa(Mg1/3Nb2/3)O相とからなる焼結体は、温度特性に優れることが確認できた。つまり、αβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相とで主相をなす焼結体は、αβ型の結晶相を主相とする焼結体の温度特性を改善することができる。
したがって本発明は、αβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相を有してなる焼結体からなることを特徴とする誘電体材料を提供する。
【0011】
以上の誘電体材料において、αとして2価の金属元素の1種または2種以上から、βとして5価の金属元素の1種または2種以上から選択することができる。また、Aとして2価の金属元素の1種または2種以上から、B’としてAとは異なる2価の金属元素の1種または2種以上から、B”として5価の金属元素の1種または2種以上から選択することができる。
【0012】
以上の組織を有する誘電体材料は、焼結後に実質的にαβ型の結晶相、またはαβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相が主相となるように原料粉末を調整する原料粉末調整工程と、前記原料粉末を800〜1300℃の温度範囲に加熱保持する仮焼き工程と、前記仮焼き工程で得られた仮焼き体を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕工程で得られた粉砕粉末を1250〜1500℃の温度範囲に加熱保持する焼結工程と、を備えたことを特徴とする誘電体材料の製造方法によって得ることができる。 なお、α、β、A、B’およびB”として、前述した元素を適用することが望ましいことは言うまでもない。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下本発明の誘電体材料をさらに詳細に説明する。
本発明の誘電体材料(第1の誘電体材料)は、αβ型の結晶相が実質的に主相をなす焼結体から構成される。主相であることの典型例としてαβ型結晶相の単相組織を掲げることができるが、本発明はこれに限らずαβ型結晶相が実質的に主相であれば足りる。ここで、実質的に主相であるか否かは、例えばX線回折によってαβ型の回折強度が最も大きいと認められるか否かによって判断される。
【0014】
本発明の誘電体材料において、αとしては、2価の金属元素、特にアルカリ土類金属元素の1種または2種以上から選択することができる。具体的には、Mg、Ca、Sr、Ba等の1種または2種以上から選択することができる。
βは5価の金属元素の1種または2種以上から選択される。具体的には、Ta、Nb、Vの1種または2種以上である。したがって、例えば、CaNb、SrNb、BaNb、MgTa、BaTa、Ca、Sr、Ba等の結晶相を実質的に主相とする焼結体が本発明の対象となる。
ここで、αは平均して2価となる元素の組み合せを包含する。例えば、K、B3+およびMg2+ の3つの元素の組み合せが該当する。また、K およびB3+ の2つの元素の組み合せでもよい。同様に、βは平均して5価となる元素の組み合せであってもよい。例えば、Sn4+およびSe6+の2つの元素の組み合せでもよい。これらの組み合せ対象となる元素は、原子半径が異なるため、格子定数等を変化させ温度特性を整合させることができる。さらに、αまたはβに価数の異なるイオンを注入して、酸素空孔を生ぜしめ誘電損失を改善することもできる。なお、Kに代わる1価のイオンとしては、Na、Ag、In、Tl、Rb、Cs、Cuなどがある。また、B3+に代わる3価のイオンとしては、Nd3+、Pr3+、Ce3+、U3+、La3+、Bi3+、Fe3+などがある。さらに、Sn4+に代わる4価のイオンとしては、Mn4+、Ge4+、Ti4+、Ru4+、Pt4+、W4+、Hf4+、Zr4+、Tb4+などがある。さらにまた、Se6+に代わる6価のイオンとしては、S6+、Mo6+、W6+、U6+、Cr6+、Mn6+などがある。
以上の誘電体材料において、αとしてMgを選択し、かつβとしてNbを選択したMgNb相を主相とする焼結体は、後述する実施例に示すように、13程度のεrであって、かつ共振法による測定周波数10GHz近傍において240000を超えるQ・fを得ることができる。
【0015】
また本発明による他の誘電体材料(第2の誘電体材料)は、αβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相を含んで構成される焼結体からなる。ここで、αβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相が含まれる場合には、X線回折によってαβ型の結晶相の占有率とA(B’B”)O型の結晶相の占有率の合計が他の結晶相よりも大きいと認められるか否かによって判断される。本発明がαβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相の2相のみからなる場合を包含することは言うまでもない。
【0016】
第2の誘電体材料のαおよびβは、前述した第1の誘電体材料と同様の元素から選択することができる。
第2の誘電体材料を構成するA(B’B”)O型の結晶相は、ペロフスカイト型結晶構造と呼ばれており、一般にABO型と現される。このなかで、Aは2価の金属元素の1種または2種以上から選択される。したがって、具体的には、Mg、Ca、Sr、Ba等の1種または2種以上から選択することができる。
B’も2価の金属元素の1種または2種以上から選択されるが、Aとは異なる元素であることが前提となる。第2の誘電体材料は、前述したように、MgNb中のMgの一部をBaで置換する組成物を焼結することにより見出されたものであり、Mgの一部を置換したBaがAに、またMgがB’に該当する。以上より、αとB’は同一の元素が選択されることになる。
B”は、前述したβと同様に、5価の金属元素の1種または2種以上から選択される。また、αとB’の関係と同様に、B”とβは同一の元素が選択されることになる。
αおよびB’としてMgを、AとしてBaを、βおよびB”としてNbを選択した場合に、MgNb相とBa(Mg1/3Nb2/3)O相の2相組織からなる焼結体が得られる。この焼結体は、種々の製造条件において、温度特性を−80〜80ppm/K、望ましくは−40〜40ppm/K、さらに望ましくは−20〜20ppm/Kの範囲に規制することができる。そしてこの焼結体の中には、温度特性が0ppm/K近傍でありながら、100000GHz以上のQ・fを得ている。しかもこの焼結体のεrは20近傍とすることができる。
【0017】
次に本発明の誘電体材料を製造する方法について説明する。この製造方法の要旨は、図1に示されている。以下、図1を参照しつつ順次各工程について説明する。
本発明の第1の誘電体材料を得るための原料粉末として、αCO粉末およびβ粉末を用意する。ここで、αは前述のように2価の金属元素、特にアルカリ土類金属元素の1種または2種以上である。ここでは、αとしてMgを選択したものとして説明する。また、βは5価の金属元素の1種または2種以上とするのがよい。ここでは、βとしてNbを選択したものとして説明する。
MgCO粉末およびNb粉末は、焼結後にMgNb結晶相が主相、望ましくは単相組織を形成するように配合組成が定められる。本発明では、化学量論組成から若干ずれた配合組成としても構わない。化学量論組成からの若干の組成ずれは工業的生産規模では現実に生じ得るし、また、若干の組成ずれが生じていたとしても、焼結体の組織がMgNb相が実質的に主相、望ましくは単相組織となっていれば、本発明の効果を十分享受することができるからである。
【0018】
以上の原料粉末が以下示す工程を経ることによって、本発明で規定する組織をもった焼結体を得ることができる。なお、ここでは、MgCO粉末およびNb粉末を例示したが、最終的に本発明で規定する組織が得られるのであれば、他の組成を有する粉末を原料粉末として用いても良い。例えば、MgCO粉末の代わりに、MgO粉末あるいはMg(OH)粉末を用いることもできる。また、焼結助剤その他の目的で他の粉末を添加することもできる。各原料粉末の粒径は0.1〜10μmの範囲で適宜選択すればよい。
【0019】
以上の原料粉末を混合する。混合には、ボール・ミル等の公知の混合手段を用いればよい。ボール・ミルの運転条件にも左右されるが、混合運転を10〜20時間程度行なえば均一な混合状態を得ることができる。
混合された原料粉末は、プレス等の手段により所定の形状に成形された後に、仮焼きに供される。仮焼きは、800〜1300℃の温度範囲で行なうことが望ましい。800℃未満では仮焼きの効果を十分に得ることができないためである。一方、1300℃を超えると仮焼き体が硬くなり、後の粉砕工程に時間を要するからである。望ましい仮焼き温度は900〜1250℃、さらに望ましい仮焼き温度は1000〜1150℃である。仮焼きの時間は、1〜5時間の間で適宜選択すればよい。仮焼きの雰囲気は、酸素含有雰囲気、典型的には大気とする。
【0020】
仮焼きの後に、仮焼き体は粉砕される。粉砕には、例えばボール・ミルを用いることができる。粉砕された粉末(以後、完成粉末という)は、プレス等の手段により所定の形状に成形された後に焼結される。なお、完成粉末は、0.1〜20μm程度の平均粒径になるまで行なうことが望ましい。
焼結は、1250〜1500℃の温度範囲で行われる。1250℃未満では焼結が十分進行しないために密度が不十分である。一方、1500℃を超えると、材料が溶融するおそれがあるためである。望ましい焼結温度は1270〜1400℃、さらに望ましい焼結温度は1300〜1370℃である。焼結時間は、焼結温度、材料の組成、完成粉末の粒度等の条件によって適宜定めるが、上記の焼結温度であれば、2〜20時間の範囲で設定される。焼結の雰囲気は、大気中等酸素含有雰囲気であればよいが、酸素雰囲気であることが望ましい。
【0021】
本発明による実施例の説明に入る前に、本発明が完成される過程の実験データをまず示しておく。
(MgCa(1−x)Nbで示される化学式において、xが表1に示す値となるように、原料粉末を配合した。用いた原料粉末は、平均粒径0.3〜1.5μmのMgCO粉末、CaCO粉末およびNb粉末である。この原料粉末をボール・ミルに投入して16時間混合した。
混合された原料粉末を円柱状に成形した後に、仮焼きした。仮焼きの雰囲気は大気とし、1100℃で2時間加熱・保持した。仮焼き後に、仮焼き体をボール・ミルに投入して粉砕を行った。得られた完成粉末の粒径は、0.5〜5μmの範囲内にあった。
完成粉末を成形後、1350℃で4時間保持することにより、焼結体を得た。得られた焼結体について、JIS R 1627(マイクロ波用ファインセラミックスの誘電特性の試験方法)に準じて、εrおよびQ・f(測定周波数 8.5〜10GHz)を測定した。なお、Q・fは、損失を示すtanδの逆数に共振(測定)周波数を乗じた値である。測定結果を表1に併せて示す。また、xとεrの関係を図2に、xとQ・fの関係を図3に示す。
また、得られた焼結体のいくつかについて、X線回折による結晶相の同定を行った。その結果を図4および図5に示す。
【0022】
【表1】

Figure 2004083386
【0023】
図2に示すように、εrは、x、つまり(MgCa(1−x)NbにおいてCaをMgで置換する量(以下、Mg置換量)が多くなるにつれて低下する傾向にある。したがって、本発明の目的の一つである、低いεrを得るためには、Mg置換量を多くすればよいことがわかる。
一方、図3に示すように、Q・fは、Mg置換量の増加とともに向上するが、0.7(mol比、以下同様)近傍をピークにそれ以上のMg置換量では逆に低下する傾向を示す。したがって、Q・fを確保する上では、Mg置換量を0.4〜0.9、望ましくは0.65〜0.75の範囲とすべきことがわかった。図2に示すように、Mg置換量が0.4〜0.9の範囲ではεrは25以下、さらにMg置換量が0.65〜0.75の範囲ではεrは20以下となる。ここで、図3をも考慮すれば、Mg置換量は、0.4〜0.9、望ましくは0.5〜0.8、さらに望ましくは0.65〜0.75とすべきである。
【0024】
図4は、Mg置換量が
0(組成=CaNb)、
0.40(組成=(Mg0.40Ca0.60Nb)、
0.60(組成=(Mg0.60Ca0.40Nb)、
0.675(組成=(Mg0.675Ca0.325Nb
の配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
また、図5は、Mg置換量が
0.70(組成=(Mg0.70Ca0.30Nb)、
0.725(組成=(Mg0.725Ca0.275Nb)、
0.80(組成=(Mg0.80Ca0.20Nb)、
1.00(組成=MgNb
の配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【0025】
図4および図5に基づいて、各焼結体を構成する結晶相を確認した。その結果を図6に示してある。図4〜図6に示すように、Mg置換量が0(組成式=CaNb)の焼結体はCaNb相のみからなる単相組織であるが、Mg置換量が0.40および0.60の焼結体は、CaNb相のほかに、CaNb相およびMgNb相が出現する。図4より、Mg置換量が0.40および0.60の焼結体は、CaNb相の存在量は少なく、CaNb相およびMgNb相が主体をなすことがわかる。さらに、Mg置換量が0.675と多い焼結体では、CaNb相は存在しておらず、CaNb相およびMgNb相の2相組織となる。さらに、Mg置換量が0.7と多い焼結体では、CaNb相およびMgNb相の他に、MgNb15相が観察された。さらにまた、Mg置換量が0.725あるいは0.80に増えると、MgNb相が出現する。そして、置換量が1.0になると、CaNb相およびMgNb相は消失し、MgNb15相およびMgNb相の2相組織となる。
【0026】
焼結体を構成する結晶相と、図2を比較検討すると、CaNb相のみからなる単相組織よりも、さらに他の結晶相が混在することにより、焼結体のεrが低減していることがわかる。また、図3との比較においては、CaNb相およびMgNb相の2つの結晶相が存在する場合に、高いQ・fが得られていることがわかる。
【0027】
(実施例1)
以上の知見に基づいて、MgNb相単相からなる焼結体およびCaNb相単相からなる焼結体を得ることを目的とする実験を行った。その結果を実施例1として以下に示す。
平均粒径0.1μmのMgO粉末を19.4gおよび平均粒径1.5μmのNb粉末を31.1gを配合して原料粉末を得た。配合は、焼結後において化学量論的にMgNbとなるように、その比が定められた。この原料粉末をボール・ミルに投入して16時間湿式混合した。
混合された原料粉末を120℃で24時間乾燥後、200kgf/cmの圧力でプレスして円柱状(60mmφ)の成形体を得た。この成形体を、仮焼きした。仮焼きの雰囲気は大気とし、1100℃で2時間加熱・保持した。仮焼き後に、仮焼き体をボール・ミルに投入して粉砕を行った後に120℃で24時間乾燥して完成粉末を得た。得られた完成粉末の平均粒径は、0.5〜5μmの範囲内にあった。
完成粉末に有機バインダを加えて造粒、分級した後、2t/cmの圧力でプレスして円柱状(12mmφ)の成形体を得た。成形後、1300℃、1350℃および1370℃で4時間保持することにより、本発明による焼結体(実施例1)を得た。得られた焼結体について、JIS R 1627に準じて、εrおよびQ・f(測定周波数 8.5〜10GHz)を測定した。測定結果を表2に示すとともに、焼結温度とεrの関係を図7に、また焼結温度とQ・fの関係を図8に示す。
比較例として、平均粒径0.3μmのCaCO粉末を13.7gおよび平均粒径1.5μmのNb粉末を36.3gを配合した原料粉末を用いる以外は、以上と同様の工程を経て焼結体(比較例1)を得た。なお、配合は、焼結後において化学量論的にCaNbとなるように、その比が定められた。この比較例1についても、JIS R 1627に準じて、εrおよびQ・f(測定周波数8.5〜10GHz)を測定した。測定結果を表2に示すとともに、焼結温度とεrの関係を図7に、また焼結温度とQ・fの関係を図8に示す。
【0028】
【表2】
Figure 2004083386
【0029】
表2および図7に示すように、実施例1による焼結体(MgNbと表示)のεrは、焼結温度に係わらず、約13を示している。これに対して比較例1による焼結体(CaNbと表示)は、εrが約17を示している。
また、表2および図8に示すように、実施例1による焼結体は、230000GHzあるいは240000GHzを超える高いQ・fを得ることができる。これに対して比較例1による焼結体は、Q・fが60000〜80000GHz程度であり、実施例1による焼結体よりも低い値にあることがわかる。
【0030】
実施例1による焼結体(焼結温度1350℃)の相構成を確認するため、X線回折を行った。その結果を図9に示すが、MgNb相のみからなる単相組織であることがわかった。
【0031】
(実施例2)
次に、MgNbのMgの一部をBa、SrおよびCaで置換した組成系の焼結体を作成して、実施例1と同様にεrおよびQ・fを測定するとともに、温度特性(以下、TCF)を測定した。その結果を実施例2として示す。なお、測定に供した焼結体の組成は以下の組成式のy(置換量)を適宜変動させたものである。また、これら焼結体は実施例1と同様の手法(焼結温度は1325℃)で得た。
Ba置換材:(Mg1−yBaNb
Sr置換材:(Mg1−ySrNb
Ca置換材:(Mg1−yCaNb
【0032】
図10にεr、図11にQ・f(測定周波数 8〜11GHz)および図12にTCFの測定結果を示す。また、表3にこれらの測定結果をまとめて示す。なお、TCFは、共振周波数の温度による変化率を、対応する温度の変化分で除した値であり、ここでは、−40〜85℃での共振周波数を測定することにより求めた。
図10に示すように、Ba、SrおよびCaでMgを置換する量が増えるにしたがって、εrは若干であるが大きくなる傾向を示す。Ba、SrおよびCaのいずれで置換する場合であっても、20以下のεrを得るためには、置換量を0.25以下にする必要がある。
また、図11に示すように、Ba、SrおよびCaによるMgの置換によって、Q・fが低下する傾向にある、しかし、BaはSrおよびCaよりもその低下の程度が小さい。
次に、TCFは、図12に示すように、Ba、SrおよびCaによりその変動の傾向が異なっている。その中で、Ba置換材は、その置換量によってTCFが−20〜20ppm/Kの範囲で正の値および負の値を採る。つまり、図12は、Ba置換材は、特定の置換量でTCFが0(ゼロ)になることを示唆している。
【0033】
【表3】
Figure 2004083386
【0034】
以上説明したように、実施例1で示したMgNb系の材料のMgをBa、SrおよびCaの1種または2種以上で置換することにより、εr、Q・fおよびTCFを調整することが可能である。その中で、Ba置換量が0.4375の材料は、1325℃の焼結温度において、TCFが−1.35ppm/K、Q・fが120943GHz、εrが23.93の特性を得ている。
【0035】
実施例2の中で、前述したBa置換材((Mg1−yBaNb)  の相構成を確認するため、X線回折を行った。その結果を図13に示す。図13に示すように、Ba置換量が0(y=0.00)の焼結体は、その組織がMgNbのみからなる単相組織となっているのに対して、BaでMgを置換していくと、Ba(Mg1/3Nb2/3)Oの結晶相が現れる。Ba置換量が0.5(y=0.50)の焼結体では、Ba(Mg1/3Nb2/3)O相がMgNb相よりも顕著となる。これら焼結体は、MgNb相とBa(Mg1/3Nb2/3)O相の2相で焼結体の主相を構成している。
【0036】
(実施例3)
(1−x)(MgNb)+x(MgTa)の組成となるように平均粒径0.1μmのMgO粉末、平均粒径1.5μmのNb粉末および平均粒径1.5μmのTa粉末を配合した後に、実施例1と同様に成形体を得た。この成形体を1350℃、1375℃、1400℃、1450℃および1500℃で焼結して焼結体を得た。得られた焼結体について、JIS R 1627に準じて、εrおよびQ・f(測定周波数 8〜11GHz)を測定した。εrの測定結果を表4および図15に、またQ・fの測定結果を表5および図16に示す。
【0037】
はじめに、εrに対するMgNbとMgTaの配合比の影響についてみると、MgTaの比率が多くなるとεrが低下することがわかる。したがって、低いεrを得るという本発明の目的に対してNbおよびTaはともに望ましい元素であるが、その中でもTaが最も望ましいということができる。
次に、εrに対する焼結温度の影響についてみると、MgNbとMgTaの配合比によって異なる結果が得られている。MgTaの比率が0〜0.7の範囲では焼結温度が高くなるにつれてεrは低くなる。これに対してMgTaの比率が0.7を超えると焼結温度が高くなるのにつれてεrは高くなる。もっとも、MgNbとMgTaの配合比による影響に比べて焼結温度による影響は小さい。
【0038】
また、Q・fに対するMgNbとMgTaの配合比の影響についてみると、統一した傾向が現れていない。例えば、焼結温度が1350℃の場合Q・fの顕著な変動はないが、焼結温度が1400℃、1450℃と高い場合にはMgTaの比率が多いほどQ・fは高くなる傾向にある。
さらに、Q・fに対する焼結温度の影響についてみると、MgTaの比率が0〜0.4の範囲では1375℃の焼結温度でQ・fが最も高くなっている。MgTaの比率が0.4を超えると焼結温度が高くなるにつれて概ねQ・fも高くなる傾向にある。
【0039】
以上のような傾向を示すことが確認されたが、本実施例においては、1350℃程度の焼結温度において、11あるいは11以下程度のεrで230000GHzを超えるQ・f特性を得ることができる。この材料は1400℃を超える焼結温度を選択することにより、Q・fを280000GHz以上の値とすることも可能である。特に、焼結後に化学量論的にMgTaとなるように配合組成を定めた焼結体は、1350℃の焼結においてεrが10以下、230000GHzを超えるQ・f特性を得ることができる。また、この焼結体は焼結温度を1400℃程度に上げることにより、10近傍のεrで280000GHzを超えるQ・f特性を得ることができる。
【0040】
以上の焼結体の中で、焼結後に化学量論的にMgTaとなるように配合組成を定めた焼結体について、相構成を確認するためにX線回折を行った。その結果、図14に示すように、1350℃、1400℃、1450℃および1500℃のいずれの温度で焼結した焼結体も、MgTa相が主相をなすことが確認された。
【0041】
【表4】
Figure 2004083386
【0042】
【表5】
Figure 2004083386
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、αβ型の結晶相が実質的に主相をなす焼結体、代表的には、αとしてMgを、またβとしてNbを選択したMgNb相を主相とする焼結体は、13程度の低いεrでありながら240000GHzを超える高いQ・fを得ることができる。しかもこの特性は、1400℃以下の温度で焼結した材料で得ることができる。
また、βとしてNbに代えてTaを選択した焼結体は、εrを11程度に低減しつつ、280000GHz以上のQ・fを得ることが可能である。
さらに、MgNbのMgの一部をBaで置換したαβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相を含む焼結体は、温度特性の向上に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による誘電体材料を得るための製造プロセスを示す図である。
【図2】(MgCa(1−x)Nbの配合組成から得た焼結体のxの値とεrの関係を示すグラフである。
【図3】(MgCa(1−x)Nbの配合組成から得た焼結体のxの値とQ・fの関係を示すグラフである。
【図4】(MgCa(1−x)Nbの配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【図5】(MgCa(1−x)Nbの配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【図6】(MgCa(1−x)Nbの配合組成から得た焼結体のxの値と出現する結晶相の関係を示す図である。
【図7】MgNbおよびCaNbの配合組成から得た焼結体の焼結温度とεrの関係を示すグラフである。
【図8】MgNbおよびCaNbの配合組成から得た焼結体の焼結温度とQ・fの関係を示すグラフである。
【図9】MgNbの配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【図10】MgNbのMgの一部をBa、SrおよびCaで置換した配合組成から得た焼結体のεrと当該置換量との関係を示す図である。
【図11】MgNbのMgの一部をBa、SrおよびCaで置換した配合組成から得た焼結体のQ・fと当該置換量との関係を示す図である。
【図12】MgNbのMgの一部をBa、SrおよびCaで置換した配合組成から得た焼結体の温度特性TCFと当該置換量との関係を示す図である。
【図13】MgNbのMgの一部をBa、SrおよびCaで置換した配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【図14】MgTaの配合組成から得た焼結体のX線回折結果を示す図である。
【図15】(1−x)(MgNb)+x(MgTa)の配合組成から得た焼結体のεrとxとの関係を示す図である。
【図16】(1−x)(MgNb)+x(MgTa)の配合組成から得た焼結体のQ・fとxとの関係を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dielectric material, and more particularly to a dielectric material suitable for use in a high frequency band such as a microwave and a millimeter wave.
[0002]
[Prior art]
Dielectric materials have been developed for the purpose of improving the relative dielectric constant εr (hereinafter simply referred to as εr) or the product of the quality factor and the resonance frequency Q · f (hereinafter simply referred to as Q · f). However, dielectric materials used in high frequency bands such as microwaves and millimeter waves are required to exhibit a certain predetermined low value rather than a high εr. Therefore, the conventionally developed dielectric material has an εr of about 20 to 60, and thus is not suitable as a dielectric material for high frequency band applications as described above.
[0003]
For this reason, recently, development of dielectric materials for high frequency bands has been active. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-327412 describes a substantially MgO crystal phase and MgAl.2O4A dielectric ceramic composition for high frequency in which only the crystal phase is precipitated is disclosed. This ceramic composition is an excellent material that exhibits an εr in the vicinity of 9 and can obtain a Q · f exceeding 70000.
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-247738 discloses (Y2-xRx) Ba (Cu1-yZny) O5(R is at least one element selected from the group consisting of Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Eu and Sm), or a part or all of Cu of this solid solution is Zn A high frequency dielectric ceramic composition comprising a substituted solid solution is disclosed. This porcelain composition has a relative dielectric constant εr of about 15 and a Q · f of about 210,000.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-327412 (pages 3 to 4)
[Patent Document 2]
JP 2000-247738 A (page 3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, low εr and high Q · f dielectric materials have been developed. However, development of a dielectric material having a higher Q · f at a lower εr is required.
Moreover, it is desirable for the manufacturing cost reduction that the sintering temperature at the time of obtaining dielectric material is lower temperature. For example, it is desired to develop a dielectric material having a low εr and a high Q · f that can be sintered at a temperature of 1400 ° C. or lower.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a dielectric material capable of obtaining a high Q · f even with a lower εr. Another object of the present invention is to obtain such a dielectric material by sintering at a relatively low temperature.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to lower εr, the present inventor2Nb2O7The composition shown by was investigated. As a result, it was confirmed that the εr of the material obtained by sintering the composition obtained by replacing Ca in the composition with a predetermined amount of Mg was 20 or less, and that Q · f at that time was 10,000 (GHz) or more. did.
The inventors initially stated that the crystalline phase of this sintered body was (MgxCa(1-x))2Nb2O7I guessed it would be. However, depending on the amount of Mg substitution, this sintered body becomes Ca2Nb2O7Phase, CaNb2O6Phase, Mg4Nb2O9Phase, Mg5Nb4O15Phase and MgNb2O6It has been found that five crystalline phases of the phase can appear. Furthermore, among these five crystal phases, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9It was found that the sintered body in which two crystal phases of the phase appeared had a low εr and a high Q · f.
[0007]
Therefore, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9In order to confirm which crystalline phase of the phase is effective for εr and Q · f, CaNb2O6Sintered body and Mg for obtaining single phase structure of phase4Nb2O9A sintered body for obtaining a single phase structure of the phase was prepared. Then, εr and Q · f were measured for these two sintered bodies. As a result, Mg4Nb2O9It was found that the sintered body produced to obtain a single phase structure of the phase realized a low value of relative dielectric constant εr of about 13, and Q · f exceeding 240000 was obtained. That is, such a low εr and a high Q · f are α4β2O9This is due to the crystal structure.
The present invention is based on the above knowledge, and α4β2O9Provided is a dielectric material comprising a sintered body in which a crystal phase of a mold substantially forms a main phase.
[0008]
In the dielectric material of the present invention, α can be selected from one or more divalent metal elements and β can be selected from one or more pentavalent metal elements. Furthermore, the divalent metal element can be selected from one or more alkaline earth metal elements, and the pentavalent metal element can be selected from one or more transition metal elements. In particular, Mg is recommended as the divalent metal element. As the pentavalent metal element, one or two of Nb and Ta are recommended.
[0009]
In the above dielectric material, Mg is selected as α and Nb is selected as β.4Nb2O9A sintered body having a phase as a main phase can obtain characteristics such that εr is 20 or less, and Q · f measured by a resonance method at any frequency of 8 to 11 GHz is 200000 (GHz) or more. The sintered body according to the present invention can be densified by heating and holding in a temperature range of 1400 ° C. or lower, further 1350 ° C. or lower.
[0010]
Next, Mg4Nb2O9When a composition in which a part of Mg in the inside is replaced with Ba is sintered, Mg4Nb2O9In addition to the phase, Ba (Mg1/3Nb2/3) O3A phase appears. And Mg4Nb2O9Phase and Ba (Mg1/3Nb2/3) O3It was confirmed that the sintered body composed of the phase was excellent in temperature characteristics. In other words, α4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3The sintered body that forms the main phase with the crystalline phase of the mold is α4β2O9It is possible to improve the temperature characteristics of the sintered body having the crystal phase of the mold as the main phase.
Therefore, the present invention4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3A dielectric material comprising a sintered body having two phases of a crystal phase of a mold is provided.
[0011]
In the above dielectric material, α can be selected from one or more divalent metal elements and β can be selected from one or more pentavalent metal elements. Further, A is one or more divalent metal elements, B ′ is one or more divalent metal elements different from A, and B ″ is one pentavalent metal element. Or it can select from 2 or more types.
[0012]
The dielectric material having the above structure is substantially α after sintering.4β2O9Type crystal phase, or α4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3Obtained by the raw material powder adjusting step of adjusting the raw material powder so that the crystal phase of the mold becomes the main phase, the calcining step of heating and holding the raw material powder in a temperature range of 800 to 1300 ° C, and the calcining step A dielectric material manufacturing method comprising: a pulverizing step of pulverizing a calcined body; and a sintering step of heating and holding the pulverized powder obtained in the pulverizing step in a temperature range of 1250 to 1500 ° C. Can be obtained by: Needless to say, it is desirable to apply the above-described elements as α, β, A, B ′ and B ″.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the dielectric material of the present invention will be described in more detail.
The dielectric material of the present invention (first dielectric material) is α4β2O9It is comprised from the sintered compact from which the crystal phase of a type | mold forms a main phase substantially. As a typical example of being the main phase α4β2O9Although a single-phase structure of the type crystal phase can be listed, the present invention is not limited to this and α4β2O9It is sufficient if the mold crystal phase is substantially the main phase. Here, whether or not it is substantially the main phase is determined by, for example, α by X-ray diffraction.4β2O9It is judged by whether or not the diffraction intensity of the mold is recognized as the highest.
[0014]
In the dielectric material of the present invention, α can be selected from one or more divalent metal elements, particularly alkaline earth metal elements. Specifically, it can be selected from one or more of Mg, Ca, Sr, Ba and the like.
β is selected from one or more pentavalent metal elements. Specifically, it is one or more of Ta, Nb, and V. Thus, for example, Ca4Nb2O9, Sr4Nb2O9, Ba4Nb2O9, Mg4Ta2O9, Ba4Ta2O9, Ca4V2O9, Sr4V2O9, Ba4V2O9A sintered body having a crystal phase such as a main phase substantially is the subject of the present invention.
Here, α includes a combination of elements that are divalent on average. For example, K+, B3+And Mg2+ 2The combination of these three elements is applicable. K+ 2And B3+ 2A combination of these two elements may be used. Similarly, β may be a combination of elements that are pentavalent on average. For example, Sn4+And Se6+A combination of these two elements may be used. Since the elements to be combined have different atomic radii, the lattice characteristics and the like can be changed to match the temperature characteristics. Furthermore, ions having different valences can be implanted into α or β to generate oxygen vacancies and improve dielectric loss. K+As a monovalent ion instead of Na,+, Ag+, In+, Tl+, Rb+, Cs+, Cu+and so on. B3+As a trivalent ion to replace Nd, Nd3+, Pr3+, Ce3+, U3+, La3+, Bi3+, Fe3+and so on. Furthermore, Sn4+As a tetravalent ion instead of Mn,4+, Ge4+, Ti4+, Ru4+, Pt4+, W4+, Hf4+, Zr4+, Tb4+and so on. Furthermore, Se6+As an alternative to hexavalent ions, S6+, Mo6+, W6+, U6+, Cr6+, Mn6+and so on.
In the above dielectric material, Mg is selected as α and Nb is selected as β4Nb2O9As shown in the examples described later, the sintered body whose phase is the main phase has an εr of about 13 and can obtain a Q · f exceeding 240000 in the vicinity of a measurement frequency of 10 GHz by the resonance method.
[0015]
Another dielectric material (second dielectric material) according to the present invention is α4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3It consists of a sintered body comprising two phases of a mold crystal phase. Where α4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3When two phases with a crystalline phase of the mold are included, α4β2O9Occupancy of the crystalline phase of the mold and A (B′B ″) O3It is judged by whether or not the total occupancy of the crystal phase of the mold is recognized to be larger than the other crystal phases. The present invention is α4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3Needless to say, it includes a case of only two crystal phases of the type.
[0016]
Α and β of the second dielectric material can be selected from the same elements as those of the first dielectric material described above.
A (B′B ″) O constituting the second dielectric material3Type crystal phase is called perovskite type crystal structure and is generally ABO3Expressed as a mold. Among these, A is selected from one or more divalent metal elements. Therefore, specifically, it can be selected from one or more of Mg, Ca, Sr, Ba and the like.
B 'is also selected from one or more divalent metal elements, but it is assumed that B' is an element different from A. As described above, the second dielectric material is Mg4Nb2O9It was discovered by sintering a composition in which a part of Mg in the inside is replaced with Ba, and Ba in which a part of Mg is substituted corresponds to A, and Mg corresponds to B ′. From the above, the same element is selected for α and B ′.
B ″ is selected from one or more pentavalent metal elements as in β described above. Similarly, the same element is selected for B ″ and β as in the relationship between α and B ′. Will be.
Mg is selected as α and B ′, Ba is selected as A, and Nb is selected as β and B ″.4Nb2O9Phase and Ba (Mg1/3Nb2/3) O3A sintered body having a two-phase structure of phases is obtained. This sintered body can be regulated in the range of −80 to 80 ppm / K, desirably −40 to 40 ppm / K, and more desirably −20 to 20 ppm / K under various production conditions. In this sintered body, Q · f of 100,000 GHz or more is obtained while the temperature characteristic is in the vicinity of 0 ppm / K. Moreover, εr of this sintered body can be around 20.
[0017]
Next, a method for producing the dielectric material of the present invention will be described. The gist of this manufacturing method is shown in FIG. Hereafter, each process is demonstrated sequentially, referring FIG.
As a raw material powder for obtaining the first dielectric material of the present invention, αCO3Powder and β2O5Prepare powder. Here, α is one or more of divalent metal elements, particularly alkaline earth metal elements, as described above. Here, description will be made assuming that Mg is selected as α. Β is preferably one or more of pentavalent metal elements. Here, description will be made assuming that Nb is selected as β.
MgCO3Powder and Nb2O5The powder is Mg after sintering4Nb2O9The compounding composition is determined so that the crystal phase forms a main phase, preferably a single phase structure. In the present invention, the composition may be slightly deviated from the stoichiometric composition. A slight compositional deviation from the stoichiometric composition can actually occur on an industrial production scale, and even if a slight compositional deviation occurs, the structure of the sintered body is Mg.4Nb2O9This is because the effects of the present invention can be fully enjoyed if the phase is substantially a main phase, preferably a single-phase structure.
[0018]
By passing the above raw material powder through the steps shown below, a sintered body having a structure defined in the present invention can be obtained. Here, MgCO3Powder and Nb2O5Although the powder is exemplified, a powder having another composition may be used as the raw material powder as long as the structure defined in the present invention is finally obtained. For example, MgCO3Instead of the powder, MgO powder or Mg (OH) powder can also be used. Also, other powders can be added for sintering aids and other purposes. What is necessary is just to select the particle size of each raw material powder suitably in the range of 0.1-10 micrometers.
[0019]
The above raw material powder is mixed. For mixing, a known mixing means such as a ball mill may be used. Although it depends on the operating conditions of the ball mill, a uniform mixed state can be obtained if the mixing operation is performed for about 10 to 20 hours.
The mixed raw material powder is formed into a predetermined shape by a means such as a press and then subjected to calcining. The calcination is desirably performed in a temperature range of 800 to 1300 ° C. This is because if it is less than 800 ° C., the effect of calcining cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the temperature exceeds 1300 ° C., the calcined body becomes hard, and the subsequent pulverization process takes time. A desirable calcining temperature is 900 to 1250 ° C., and a more desirable calcining temperature is 1000 to 1150 ° C. The calcining time may be appropriately selected between 1 and 5 hours. The calcining atmosphere is an oxygen-containing atmosphere, typically air.
[0020]
After the calcining, the calcined body is pulverized. For the pulverization, for example, a ball mill can be used. The pulverized powder (hereinafter referred to as finished powder) is formed into a predetermined shape by means such as a press and then sintered. The finished powder is preferably carried out until the average particle size is about 0.1 to 20 μm.
Sintering is performed in a temperature range of 1250 to 1500 ° C. If it is less than 1250 ° C., the sintering does not proceed sufficiently, and the density is insufficient. On the other hand, if the temperature exceeds 1500 ° C., the material may be melted. A desirable sintering temperature is 1270 to 1400 ° C, and a more desirable sintering temperature is 1300 to 1370 ° C. The sintering time is appropriately determined depending on conditions such as the sintering temperature, the material composition, and the particle size of the finished powder, but is set in the range of 2 to 20 hours if the sintering temperature is the above. The sintering atmosphere may be an oxygen-containing atmosphere such as the air, but is preferably an oxygen atmosphere.
[0021]
Before proceeding to the description of the embodiments according to the present invention, experimental data in the process of completing the present invention will first be shown.
(MgxCa(1-x))2Nb2O7In the chemical formula shown, the raw material powder was blended so that x had the value shown in Table 1. The raw material powder used was MgCO having an average particle size of 0.3 to 1.5 μm.3Powder, CaCO3Powder and Nb2O5It is a powder. This raw material powder was put into a ball mill and mixed for 16 hours.
The mixed raw material powder was formed into a cylindrical shape and then calcined. The atmosphere of calcination was air, and it was heated and held at 1100 ° C. for 2 hours. After calcination, the calcined body was put into a ball mill and pulverized. The particle size of the finished powder obtained was in the range of 0.5-5 μm.
After forming the finished powder, it was held at 1350 ° C. for 4 hours to obtain a sintered body. About the obtained sintered compact, (epsilon) r and Q * f (measuring frequency 8.5-10GHz) were measured according to JISR1627 (the test method of the dielectric property of the fine ceramics for microwaves). Q · f is a value obtained by multiplying the reciprocal of tan δ indicating loss by the resonance (measurement) frequency. The measurement results are also shown in Table 1. FIG. 2 shows the relationship between x and εr, and FIG. 3 shows the relationship between x and Q · f.
Moreover, about some of the obtained sintered compacts, the crystal phase was identified by X-ray diffraction. The results are shown in FIG. 4 and FIG.
[0022]
[Table 1]
Figure 2004083386
[0023]
As shown in FIG. 2, εr is x, that is, (MgxCa(1-x))2Nb2O7, The amount of Ca to be replaced with Mg tends to decrease as the amount of Mg (hereinafter referred to as Mg replacement amount) increases. Therefore, it can be seen that in order to obtain a low εr, which is one of the objects of the present invention, the amount of Mg substitution should be increased.
On the other hand, as shown in FIG. 3, Q · f improves with an increase in the amount of Mg substitution, but tends to decrease in the vicinity of 0.7 (mol ratio, the same applies hereinafter) with a peak near 0.7 (molar ratio) Indicates. Therefore, in order to secure Q · f, it has been found that the Mg substitution amount should be 0.4 to 0.9, preferably 0.65 to 0.75. As shown in FIG. 2, εr is 25 or less when the Mg substitution amount is in the range of 0.4 to 0.9, and εr is 20 or less when the Mg substitution amount is within the range of 0.65 to 0.75. Here, considering FIG. 3 as well, the Mg substitution amount should be 0.4 to 0.9, preferably 0.5 to 0.8, and more preferably 0.65 to 0.75.
[0024]
FIG. 4 shows that the amount of Mg substitution is
0 (composition = Ca2Nb2O7),
0.40 (composition = (Mg0.40Ca0.60)2Nb2O7),
0.60 (composition = (Mg0.60Ca0.40)2Nb2O7),
0.675 (composition = (Mg0.675Ca0.325)2Nb2O7)
It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
FIG. 5 shows that the amount of Mg substitution is
0.70 (composition = (Mg0.70Ca0.30)2Nb2O7),
0.725 (composition = (Mg0.725Ca0.275)2Nb2O7),
0.80 (composition = (Mg0.80Ca0.20)2Nb2O7),
1.00 (composition = Mg2Nb2O7)
It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
[0025]
Based on FIG. 4 and FIG. 5, the crystal phase which comprises each sintered compact was confirmed. The result is shown in FIG. As shown in FIGS. 4 to 6, the Mg substitution amount is 0 (composition formula = Ca2Nb2O7) Sintered body is Ca2Nb2O7A sintered body having a single-phase structure composed of only a phase but with Mg substitution amounts of 0.40 and 0.60 is Ca2Nb2O7In addition to the phase, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9A phase appears. From FIG. 4, the sintered bodies having Mg substitution amounts of 0.40 and 0.60 are Ca2Nb2O7The amount of phase present is small and CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9It can be seen that the phase is the subject. Furthermore, in a sintered body having a high Mg substitution amount of 0.675, Ca2Nb2O7There is no phase, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9It becomes a two-phase structure of phases. Furthermore, in a sintered body having a high Mg substitution amount of 0.7, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9In addition to the phase, Mg5Nb4O15A phase was observed. Furthermore, when the Mg substitution amount increases to 0.725 or 0.80, MgNb2O6A phase appears. And when the amount of substitution becomes 1.0, CaNb2O6Phase and Mg4Nb2O9Phase disappears, Mg5Nb4O15Phase and MgNb2O6It becomes a two-phase structure of phases.
[0026]
When comparing the crystal phase constituting the sintered body and FIG.2Nb2O7It can be seen that the εr of the sintered body is reduced by the presence of other crystal phases in addition to the single-phase structure consisting only of the phases. In addition, in comparison with FIG.2O6Phase and Mg4Nb2O9It can be seen that a high Q · f is obtained when there are two crystalline phases.
[0027]
Example 1
Based on the above knowledge, Mg4Nb2O9Sintered body composed of single phase and CaNb2O6An experiment aimed at obtaining a sintered body composed of a single phase was conducted. The results are shown below as Example 1.
19.4 g of MgO powder with an average particle size of 0.1 μm and Nb with an average particle size of 1.5 μm2O3The raw material powder was obtained by blending 31.1 g of the powder. The formulation is stoichiometrically Mg after sintering.4Nb2O9The ratio was determined so that This raw material powder was put into a ball mill and wet mixed for 16 hours.
200 kgf / cm after drying the mixed raw material powder at 120 ° C. for 24 hours2A cylindrical (60 mmφ) shaped body was obtained by pressing at a pressure of 5 mm. This compact was calcined. The atmosphere of calcination was air, and it was heated and held at 1100 ° C. for 2 hours. After calcination, the calcined body was put into a ball mill and pulverized, and then dried at 120 ° C. for 24 hours to obtain a finished powder. The average particle size of the finished powder obtained was in the range of 0.5-5 μm.
After adding an organic binder to the finished powder and granulating and classifying it, 2 t / cm2A cylindrical (12 mmφ) shaped body was obtained by pressing at a pressure of 1 mm. After molding, the sintered body (Example 1) according to the present invention was obtained by holding at 1300 ° C., 1350 ° C. and 1370 ° C. for 4 hours. About the obtained sintered compact, (epsilon) r and Qf (measuring frequency 8.5-10GHz) were measured according to JISR1627. The measurement results are shown in Table 2, the relationship between the sintering temperature and εr is shown in FIG. 7, and the relationship between the sintering temperature and Q · f is shown in FIG.
As a comparative example, CaCO having an average particle size of 0.3 μm313.7 g of powder and Nb with an average particle size of 1.5 μm2O5A sintered body (Comparative Example 1) was obtained through the same process as described above except that raw material powder containing 36.3 g of powder was used. Note that the composition is stoichiometrically CaNb after sintering.2O6The ratio was determined so that For Comparative Example 1, εr and Q · f (measurement frequency: 8.5 to 10 GHz) were measured according to JIS R 1627. The measurement results are shown in Table 2, the relationship between the sintering temperature and εr is shown in FIG. 7, and the relationship between the sintering temperature and Q · f is shown in FIG.
[0028]
[Table 2]
Figure 2004083386
[0029]
As shown in Table 2 and FIG. 7, the sintered body according to Example 1 (Mg4Nb2O9Εr) is approximately 13 regardless of the sintering temperature. In contrast, the sintered body (CaNb) according to Comparative Example 12O6) Shows that εr is about 17.
Further, as shown in Table 2 and FIG. 8, the sintered body according to Example 1 can obtain a high Q · f exceeding 230000 GHz or 240000 GHz. In contrast, the sintered body according to Comparative Example 1 has a Q · f of about 60,000 to 80,000 GHz, which is lower than the sintered body according to Example 1.
[0030]
In order to confirm the phase structure of the sintered body (sintering temperature 1350 ° C.) according to Example 1, X-ray diffraction was performed. The result is shown in FIG.4Nb2O9It was found to be a single-phase structure consisting only of phases.
[0031]
(Example 2)
Next, Mg4Nb2O9A sintered body having a composition system in which a part of Mg in the steel was replaced with Ba, Sr and Ca was prepared, and εr and Q · f were measured in the same manner as in Example 1, and temperature characteristics (hereinafter referred to as TCF) were measured. did. The result is shown as Example 2. In addition, the composition of the sintered compact used for the measurement is obtained by appropriately changing y (substitution amount) in the following composition formula. Moreover, these sintered compacts were obtained by the same method as Example 1 (sintering temperature is 1325 degreeC).
Ba substitution material: (Mg1-yBay)4Nb2O9
Sr substitution material: (Mg1-ySry)4Nb2O9
Ca replacement material: (Mg1-yCay)4Nb2O9
[0032]
FIG. 10 shows εr, FIG. 11 shows Q · f (measurement frequency: 8 to 11 GHz), and FIG. 12 shows TCF measurement results. Table 3 summarizes the measurement results. The TCF is a value obtained by dividing the rate of change of the resonance frequency due to temperature by the corresponding change in temperature, and here it was obtained by measuring the resonance frequency at −40 to 85 ° C.
As shown in FIG. 10, εr tends to increase slightly as the amount of substitution of Mg with Ba, Sr and Ca increases. In order to obtain εr of 20 or less, it is necessary to make the substitution amount 0.25 or less in any case of substitution with Ba, Sr or Ca.
Further, as shown in FIG. 11, the substitution of Mg with Ba, Sr and Ca tends to lower Q · f, but Ba has a lower degree of decrease than Sr and Ca.
Next, as shown in FIG. 12, the tendency of fluctuation of TCF varies depending on Ba, Sr, and Ca. Among them, the Ba substitution material takes a positive value and a negative value in the range of TCF of -20 to 20 ppm / K depending on the substitution amount. That is, FIG. 12 suggests that the Ba substitution material has a TCF of 0 (zero) at a specific substitution amount.
[0033]
[Table 3]
Figure 2004083386
[0034]
As explained above, Mg shown in Example 14Nb2O9It is possible to adjust εr, Q · f and TCF by substituting Mg of the system material with one or more of Ba, Sr and Ca. Among them, a material having a Ba substitution amount of 0.4375 has characteristics such that TCF is −1.35 ppm / K, Q · f is 120943 GHz, and εr is 23.93 at a sintering temperature of 1325 ° C.
[0035]
In Example 2, the Ba replacement material ((Mg1-yBay)4Nb2O9) X-ray diffraction was performed to confirm the phase composition. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 13, the sintered body with the Ba substitution amount of 0 (y = 0.00) has a microstructure of Mg.4Nb2O9In contrast to the single-phase structure consisting only of Ba, when Mg is replaced with Ba, Ba (Mg1/3Nb2/3) O3The crystal phase appears. In a sintered body having a Ba substitution amount of 0.5 (y = 0.50), Ba (Mg1/3Nb2/3) O3Phase is Mg4Nb2O9It becomes more prominent than the phase. These sintered bodies are Mg4Nb2O9Phase and Ba (Mg1/3Nb2/3) O3The main phase of the sintered body is composed of two phases.
[0036]
Example 3
(1-x) (Mg4Nb2O9) + X (Mg4Ta2O9) MgO powder having an average particle size of 0.1 μm and Nb having an average particle size of 1.5 μm2O5Ta powder with an average particle size of 1.5 μm2O5After blending the powder, a molded body was obtained in the same manner as in Example 1. This molded body was sintered at 1350 ° C., 1375 ° C., 1400 ° C., 1450 ° C. and 1500 ° C. to obtain a sintered body. About the obtained sintered compact, (epsilon) r and Q * f (measuring frequency 8-11GHz) were measured according to JISR1627. The measurement results of εr are shown in Table 4 and FIG. 15, and the measurement results of Q · f are shown in Table 5 and FIG.
[0037]
First, Mg for εr4Nb2O9And Mg4Ta2O9The effect of the mixing ratio of Mg4Ta2O9It can be seen that as the ratio increases, εr decreases. Therefore, Nb and Ta are both desirable elements for the purpose of the present invention to obtain a low εr, but Ta can be said to be most desirable among them.
Next, regarding the influence of sintering temperature on εr, Mg4Nb2O9And Mg4Ta2O9Different results are obtained depending on the blending ratio. Mg4Ta2O9In the range of 0 to 0.7, εr decreases as the sintering temperature increases. On the other hand, Mg4Ta2O9If the ratio exceeds 0.7, εr increases as the sintering temperature increases. However, Mg4Nb2O9And Mg4Ta2O9The influence of the sintering temperature is smaller than the influence of the mixing ratio.
[0038]
Mg for Q · f4Nb2O9And Mg4Ta2O9Looking at the effects of the blending ratio, there is no uniform tendency. For example, when the sintering temperature is 1350 ° C., there is no significant change in Q · f, but when the sintering temperature is as high as 1400 ° C. or 1450 ° C., Mg4Ta2O9The larger the ratio, the higher the Q · f tends to be.
Furthermore, regarding the influence of sintering temperature on Q · f, Mg4Ta2O9In the range of 0 to 0.4, Q · f is highest at a sintering temperature of 1375 ° C. Mg4Ta2O9If the ratio exceeds 0.4, Q · f tends to increase as the sintering temperature increases.
[0039]
Although it was confirmed that the above tendency was exhibited, in this example, at a sintering temperature of about 1350 ° C., Q · f characteristics exceeding 230,000 GHz can be obtained with an εr of 11 or about 11 or less. By selecting a sintering temperature of this material exceeding 1400 ° C., Q · f can be set to a value of 280000 GHz or more. In particular, stoichiometrically Mg after sintering4Ta2O9The sintered body whose composition is determined so as to obtain a Q · f characteristic in which εr is 10 or less and exceeds 230,000 GHz in sintering at 1350 ° C. In addition, by increasing the sintering temperature to about 1400 ° C., this sintered body can obtain Q · f characteristics exceeding 280000 GHz with εr in the vicinity of 10.
[0040]
Among the above sintered bodies, stoichiometrically Mg after sintering4Ta2O9X-ray diffraction was performed to confirm the phase structure of the sintered body in which the composition was determined so that As a result, as shown in FIG. 14, the sintered body sintered at any temperature of 1350 ° C., 1400 ° C., 1450 ° C. and 1500 ° C.4Ta2O9It was confirmed that the phase was the main phase.
[0041]
[Table 4]
Figure 2004083386
[0042]
[Table 5]
Figure 2004083386
[0043]
【The invention's effect】
As explained above, according to the present invention, α4β2O9A sintered body in which the crystalline phase of the mold substantially forms the main phase, typically Mg with α as Mg and β as Nb4Nb2O9A sintered body having a phase as a main phase can obtain a high Q · f exceeding 240,000 GHz while having a low εr of about 13. Moreover, this characteristic can be obtained with a material sintered at a temperature of 1400 ° C. or lower.
Further, a sintered body in which Ta is selected as β instead of Nb can obtain Q · f of 280000 GHz or more while reducing εr to about 11.
Furthermore, Mg4Nb2O9In which a part of Mg is replaced with Ba4β2O9Type crystal phase and A (B'B ") O3A sintered body containing two phases of a mold crystal phase is effective in improving temperature characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a manufacturing process for obtaining a dielectric material according to the present invention.
FIG. 2 (MgxCa(1-x))2Nb2O7It is a graph which shows the value of x of the sintered compact obtained from the compounding composition of, and the relationship of (epsilon) r.
FIG. 3 (MgxCa(1-x))2Nb2O7It is a graph which shows the value of x of the sintered compact obtained from the compounding composition of, and the relationship of Q * f.
FIG. 4 (MgxCa(1-x))2Nb2O7It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
FIG. 5 (MgxCa(1-x))2Nb2O7It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
FIG. 6 (MgxCa(1-x))2Nb2O7It is a figure which shows the relationship between the value of x of the sintered compact obtained from the compounding composition of, and the crystal phase which appears.
FIG. 7: Mg4Nb2O9And CaNb2O6It is a graph which shows the relationship between the sintering temperature of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition, and (epsilon) r.
FIG. 8: Mg4Nb2O9And CaNb2O6It is a graph which shows the relationship between the sintering temperature and Q * f of the sintered compact obtained from the compounding composition.
FIG. 9: Mg4Nb2O9It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
FIG. 10: Mg4Nb2O9It is a figure which shows the relationship between (epsilon) r of the sintered compact obtained from the compounding composition which substituted a part of Mg of Ba, Sr, and Ca, and the said substitution amount.
FIG. 11: Mg4Nb2O9It is a figure which shows the relationship between Q * f of the sintered compact obtained from the compounding composition which substituted a part of Mg of Ba, Sr, and Ca, and the said substitution amount.
FIG. 12: Mg4Nb2O9It is a figure which shows the relationship between the temperature characteristic TCF of the sintered compact obtained from the compounding composition which substituted a part of Mg of Ba, Sr, and Ca, and the said substitution amount.
FIG. 13: Mg4Nb2O9It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the compounding composition which substituted a part of Mg with Ba, Sr, and Ca.
FIG. 14 Mg4Ta2O9It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the sintered compact obtained from the mixing | blending composition.
FIG. 15: (1-x) (Mg4Nb2O9) + X (Mg4Ta2O9It is a figure which shows the relationship between (epsilon) r and x of the sintered compact obtained from the compounding composition of ().
FIG. 16: (1-x) (Mg4Nb2O9) + X (Mg4Ta2O9It is a figure which shows the relationship between Q * f of a sintered compact obtained from the compounding composition of x), and x.

Claims (9)

αβ型の結晶相が実質的に主相をなす焼結体からなることを特徴とする誘電体材料。A dielectric material comprising a sintered body in which an α 4 β 2 O 9 type crystal phase substantially forms a main phase. αが2価の金属元素の1種または2種以上、βが5価の金属元素の1種または2種以上であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体材料。The dielectric material according to claim 1, wherein α is one or more divalent metal elements and β is one or more pentavalent metal elements. 前記2価の金属元素がアルカリ土類金属元素、前記5価の金属元素が遷移金属元素であることを特徴とする請求項2に記載の誘電体材料。The dielectric material according to claim 2, wherein the divalent metal element is an alkaline earth metal element, and the pentavalent metal element is a transition metal element. 前記2価の金属元素がMg、前記5価の金属元素がNbおよびTaの1種または2種であることを特徴とする請求項3に記載の誘電体材料。The dielectric material according to claim 3, wherein the divalent metal element is Mg and the pentavalent metal element is one or two of Nb and Ta. 比誘電率εrが20以下、共振法により8〜11GHzのいずれかの周波数で測定したQ・fが200000(GHz)以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の誘電体材料。5. The dielectric according to claim 1, wherein the dielectric constant εr is 20 or less, and Q · f measured at any frequency of 8 to 11 GHz by a resonance method is 200,000 (GHz) or more. Body material. αβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相を有してなる焼結体からなることを特徴とする誘電体材料。A dielectric material comprising a sintered body having two phases of an α 4 β 2 O 9 type crystal phase and an A (B′B ″) O 3 type crystal phase. 前記αが2価の金属元素の1種または2種以上、前記βが5価の金属元素の1種または2種以上、前記Aが2価の金属元素の1種または2種以上、前記B’がAとは異なる2価の金属元素の1種または2種以上、前記B”が5価の金属元素の1種または2種以上であることを特徴とする請求項6に記載の誘電体材料。The α is one or more divalent metal elements, the β is one or more pentavalent metal elements, the A is one or more divalent metal elements, the B 7. The dielectric according to claim 6, wherein 'is one or more of divalent metal elements different from A, and B ″ is one or more of pentavalent metal elements. material. 温度特性が−20〜20ppm/Kの範囲にあることを特徴とする請求項7に記載の誘電体材料。The dielectric material according to claim 7, wherein the temperature characteristic is in a range of -20 to 20 ppm / K. 焼結後に実質的にαβ型の結晶相、またはαβ型の結晶相とA(B’B”)O型の結晶相との2相で主相となるように原料粉末を調整する原料粉調整工程と、
前記原料粉末を800〜1300℃の温度範囲に加熱保持する仮焼き工程と、
前記仮焼き工程で得られた仮焼き体を粉砕する粉砕工程と、
前記粉砕工程で得られた粉砕粉末を1250〜1500℃の温度範囲に加熱保持する焼結工程と、
を備えたことを特徴とする誘電体材料の製造方法。
After sintering, the α 4 β 2 O 9 type crystal phase or the α 4 β 2 O 9 type crystal phase and the A (B′B ″) O 3 type crystal phase A raw material powder adjusting step of adjusting the raw material powder to be,
A calcining step of heating and holding the raw material powder in a temperature range of 800 to 1300 ° C;
A crushing step of crushing the calcined body obtained in the calcining step;
A sintering step of heating and holding the pulverized powder obtained in the pulverization step in a temperature range of 1250 to 1500 ° C .;
A method for producing a dielectric material, comprising:
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