JP2005075708A - 高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 - Google Patents
高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 高い比誘電率εrと高いQ値を有し、共振周波数の温度係数τfが0ppm/℃を中心に任意に制御でき、また工業的に安価である高周波用誘電体磁器組成物を提供する。
【解決手段】 組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただしx+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされ、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、(x、y、z)がA(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)を結ぶ多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、0.5≦a≦1.0、0.2≦b≦1.0、0.3≦c<1.0、0.98≦v≦1.03の範囲内にある。
【選択図】 図1
【解決手段】 組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただしx+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされ、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、(x、y、z)がA(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)を結ぶ多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、0.5≦a≦1.0、0.2≦b≦1.0、0.3≦c<1.0、0.98≦v≦1.03の範囲内にある。
【選択図】 図1
Description
この発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において利用される高周波用誘電体磁器組成物、ならびにそれを用いて構成される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置に関する。
マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器や回路基板等を構成する材料として、誘電体磁器が広く利用されている。
このような高周波用誘電体磁器が、特に誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる場合、要求される誘電特性としては、(1)誘電体中では電磁波の波長が1/(εr)1/2に短縮されるので、小型化の要求への対応として比誘電率εrが高いこと、(2)誘電損失が小さい、すなわちQ値が高いこと、(3)共振周波数の温度安定性が優れている、すなわち共振周波数の温度係数τfが0ppm/℃付近であること等が挙げられる。
ここで、共振周波数の温度係数τf[ppm/℃]は、25℃における共振周波数f25と、55℃における共振周波数f55の値とを用いて、共振周波数温度曲線を直線近似したときの傾き(1次微係数)を表わすものであり、τf=(f55−f25)/(f25・(55−25))×106の式によって求められる。
従来、上述したような要求を満たし得る高周波用誘電体磁器組成物として、例えば(Zr、Sn)TiO4系(特許文献1参照)、Ba2Ti9O20系(特許文献2参照)、Ba(Sn、Zr、Mg、Ta)O3系(特許文献3参照)、Ba(Zn、Mg、Ni、Zr、Ta)O3系(特許文献4参照)、Ba(Zr、Mg、Ta)O3系(特許文献5参照)等の磁器組成物が、既に多数提案されている。
特公平4−59267号公報
特開昭61−10806号公報
特公平6−74162号公報
特公平7−21970号公報
特許第2965417号公報
近年、電子機器の低損失化、かつ小型化の要求が高まり、誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる高周波用誘電体磁器に要求される誘電特性に関して、より優れたものが必要とされるようになっている。特に、高周波領域で使用しても、高い比誘電率εrと高いQ値を併せ持つ、安価な材料に対する要求が高まってきている。
しかしながら、前記特許文献1および2に記載された組成系を有する誘電体磁器にあっては、比誘電率εrは36〜40と高いものの、Q×f値が50、000〜70、000GHzと比較的小さく、10GHzを超えるような高周波領域で使用するにはQ値が不足する。他方、前記特許文献3から5に記載された組成系を有する誘電体磁器にあっては、比誘電率εrは20〜30と比較的高く、Q×f値も100、000〜250、000GHzと高いが、高価なTaを主成分とする組成物であるために、工業的に安価に製品を供給するには問題があった。
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、すなわち10GHzを超えるような高周波領域で使用しても、高い比誘電率εrと高いQ値を有し、また共振周波数の温度係数τfが0ppm/℃を中心に任意に制御できるばかりでなく、工業的に安価であるといった要求を同時に満たし得る、高周波用誘電体磁器組成物を提供しようとすることである。
上述した技術的課題を解決するため、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただし、x+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされ、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、(x、y、z)がA(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)の各組成点を頂点とする多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、0.5≦a≦1.0、0.2≦b≦1.0、0.3≦c<1.0、0.98≦v≦1.03の範囲内にある。
また、前記(x、y、z)がA’(0.200、0.253、0.547)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D’(0.200、0.279、0.521)の各組成点を頂点とする多角形A'、B、C、D’で囲まれた範囲内(ただし、線分A’D’上を除く)にあることが好ましい。
さらに、前記vが1.00<v≦1.02の範囲内にあることが好ましい。
また、この発明の誘電体共振器は、誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、上述したこの発明の高周波用誘電体磁器組成物からなる。
また、この発明の誘電体フィルタは、上述した誘電体共振器と、この誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える。
また、この発明の誘電体デュプレクサは、少なくとも2つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも1つが、上述したこの発明に係る誘電体フィルタである。
さらに、この発明の通信機装置は、上述の誘電体デュプレクサと、この誘電体デュプレクサの少なくとも1つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、この送信用回路に接続される上述の入出力手段とは異なる、少なくとも1つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える。
この発明によれば、組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただし、x+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされ、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、(x、y、z)がA(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)の各組成点を頂点とする多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、0.5≦a≦1.0、0.2≦b≦1.0、0.3≦c<1.0、0.98≦v≦1.03の範囲内にあるようにしているので、比誘電率εrが26以上であって、Q×f値で100、000GHz以上の高いQ値を示し、また共振周波数の温度係数τfが0ppm/℃を中心に任意に制御できるばかりでなく、Sn、Zr、Mg、およびNbの含有量を増やすことで、高価なTaの含有量を低減することができ、工業的に安価な高周波用誘電体磁器組成物を得ることができる。
そして、この発明の誘電体磁器組成物において、前記(x、y、z)がA’(0.200、0.253、0.547)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D’(0.200、0.279、0.521)の各組成点を頂点とする多角形A'、B、C、D’で囲まれた範囲内(ただし、線分A’D’上を除く)にあるようにすることにより、Q値をさらに高くすることができる。
また、この発明の誘電体磁器組成物において、前記vが1.00<v≦1.02の範囲内にあるようにすることにより、Q値をさらに高くすることができる。
したがって、例えば基地局、携帯電話、パーソナル無線機、衛星放送受信機等に搭載される誘電体共振器を小型化し、誘電損失を小さいものとし、また共振周波数の温度安定性を優れたものとすることができる。その結果、このような誘電体共振器を用いれば、小型化され、かつ優れた特性を有する誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を有利に構成することができる。
まず、この発明の高周波用誘電体磁器組成物が適用される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置について説明する。
図2は、この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器1の基本的構造を図解的に示す断面図である。
図2を参照して、誘電体共振器1は、金属ケース2を備え、金属ケース2内の空間には、支持台3によって支持された柱状の誘電体磁器4が配置されている。そして、同軸ケーブル7の中心導体と外導体との間に結合ループ5を形成して入力端子とする。また、同軸ケーブル8の中心導体と外導体との間に結合ループ6を形成して出力端子とする。それぞれの端子は、外導体と金属ケース2とが電気的に接合された状態で、金属ケース2によって保持されている。
誘電体磁器4は、入力端子および出力端子に電磁界結合して作動するもので、入力端子から入力された所定の周波数の信号だけが出力端子から出力される。
このような誘電体共振器1に備える誘電体磁器4が、この発明の高周波用誘電体磁器組成物から構成される。
なお、図2に示した誘電体共振器1は、基地局等で用いられるTE01δモード共振器であるが、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、他のTEモード、TMモード、およびTEMモードなどを利用する誘電体共振器にも同様に適用することができる。
図3は、上述した誘電体共振器1を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。
図3に示した通信機装置10は、誘電体デュプレクサ12、送信用回路14、受信用回路16およびアンテナ18を含む。
送信用回路14は、誘電体デュプレクサ12の入力接続手段20に接続され、受信用回路16は、誘電体デュプレクサ12の出力接続手段22に接続される。
また、アンテナ18は、誘電体デュプレクサ12のアンテナ接続手段24に接続される。
この誘電体デュプレクサ12は、2つの誘電体フィルタ26、28を含む。誘電体フィルタ26、28は、この発明の誘電体共振器に外部結合手段を接続して構成されるものである。図示の実施形態では、例えば図2に示した誘電体共振器1の入出力端子にそれぞれ外部結合手段30を接続して、誘電体フィルタ26および28のそれぞれが構成される。そして、一方の誘電体フィルタ26は、入力接続手段20と他方の誘電体フィルタ28との間に接続され、他方の誘電体フィルタ28は、一方の誘電体フィルタ26と出力接続手段22との間に接続される。
次に、図2に示した誘電体共振器1に備える誘電体磁器4のように、高周波領域において有利に用いられる、この発明の高周波用誘電体磁器組成物について説明する。
この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただし、x+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされる組成を有している。ここで上記組成式における(x、y、z)は、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、A(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)の各組成点を頂点とする多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、0.5≦a≦1.0、0.2≦b≦1.0、0.3≦c<1.0、0.98≦v≦1.03の範囲内にあるように選ばれる。
そして、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、Q値をさらに高くするため、前記(x、y、z)がA’(0.200、0.253、0.547)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D’(0.200、0.279、0.521)の各組成点を頂点とする多角形A'、B、C、D’で囲まれた範囲内(ただし、線分A’D’上を除く)にあるように選ばれる。
さらに、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、Q値をさらに高くするため、前記vが1.00<v≦1.02の範囲内にあるように選ばれる。
この発明において、上述のような特定的な組成を選んだ根拠となる実験例について、以下に説明する。
出発原料として、高純度の炭酸バリウム(BaCO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化亜鉛(ZnO)、炭酸マグネシウム(MgCO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、および酸化タンタル(Ta2O5)の各粉末を準備した。
次に、表1に示すx、y、z、a、b、c、およびvにそれぞれ選ばれた、組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOwで表わされる組成が得られるように、前記の各出発原料粉末を調合した。
次に、この調合粉末を、ボールミルを用いて16時間湿式混合し、均一に分散させた後、脱水および乾燥処理を施して調整粉末を得た。
次に、この調整粉末を、1100〜1300℃の温度で3時間仮焼し、得られた仮焼粉末に適量のバインダを加えて、再びボールミルを用いて16時間湿式粉砕することにより、焼成用粉末を得た。
そして、この焼成用粉末を、1.47×102〜2.45×102MPaの圧力で円板状にプレス成形した後、1500〜1550℃の温度で4〜10時間、大気中において焼成し、直径8.5mm、厚さ4.2mmの円板状の焼結体を得た。
得られた各試料に係る焼結体について、測定周波数fが10〜11GHzにおける比誘電率εrとQ値を、TE011モードによる両端短絡型誘電体共振器法にて測定し、Q×f値に換算した。また、TE01δモードによるキャビティ法にて共振周波数を測定し、25〜55℃の温度範囲での共振周波数の温度係数τfを測定した。
以上の比誘電率εr、Q×f値、およびτfが、表1、および表2に示されている。
表1、および表2において、試料番号に*を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
表1、および表2に示すように、この発明の範囲内にある試料2〜7、10〜14、16〜20、24、29、31〜36、38〜44、46、47、49、51〜56、および58〜60に係る誘電体磁器組成物によれば、εrを26〜32と大きく、Q値をQ×f値で100、000(GHz)以上と高く、τfを0ppm/℃を中心に任意に変化させることができ、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができるばかりでなく、Sn、Zr、Mg、およびNbの含有量を増やすことで、高価なTaの含有量を低減することができ、工業的に安価に製品を供給することができる。
特に、a、b、およびcが同一組成比である試料6、12、14、18、38、52および59の比較から分かるように、前記(x、y、z)はA’(0.200、0.253、0.547)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D’(0.200、0.279、0.521)の各組成点を頂点とする多角形A'、B、C、D’で囲まれた範囲内(ただし、線分A’D’上を除く)にあるようにすることにより、Q×f値をさらに高くすることができる。
また、x、y、z、a、b、およびcが同一組成比である試料31〜36の比較から分かるように、前記vが1.00<v≦1.02の範囲内にあるようにすることにより、Q×f値をさらに高くすることができる。
これらに対して、この発明の範囲外にある試料について考察する。
まず、図1に示した3成分組成図において、多角形A、B、C、Dの頂点A、およびDを結ぶ線分ADの外側、すなわちx<0.050の場合は、試料1に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。他方、頂点B、およびCを結ぶ線分BCの外側、すなわちx>0.400の場合は、試料61に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。
次に、頂点A、およびBを結ぶ線分ABの外側では、試料9、および48に示すように、焼結が不安定となる。
次に、頂点C、およびDを結ぶ線分CDの外側では、試料15、および57に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。
次に、a<0.5の場合は、試料8、および21〜23に示すように、τfの絶対値が20ppm/℃を超える。
次に、b<0.2の場合は、試料26、および50に示すように、εrが26未満となる。
次に、c<0.3の場合は、試料27、および28に示すように、焼結が不安定になったり、Q×f値が100、000GHz未満となる。他方、c=1の場合は、試料22、23、25、および45に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。
次に、v<0.98の場合は、試料30に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。他方、v>1.03の場合は、試料37に示すように、Q×f値が100、000GHz未満となる。
なお、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、この発明の目的を損なわない範囲で、わずかな不純物を含有していてもよい。例えば、NiO,Fe2O3、Cr2O3、B2O3、Al2O3、SiO2、MnO2、Sb2O5、WO3等を0.01〜0.50重量%程度含有していても、誘電体磁器の特性が大きく影響されることはない。
1 誘電体共振器
2 金属ケース
3 支持台
4 誘電体磁器
5、6 結合ループ
7、8 同軸ケーブル
10 通信機装置
12 誘電体デュプレクサ
14 送信用回路
16 受信用回路
18 アンテナ
20 入力接続手段
22 出力接続手段
24 アンテナ接続手段
26、28 誘電体フィルタ
30 外部結合手段
2 金属ケース
3 支持台
4 誘電体磁器
5、6 結合ループ
7、8 同軸ケーブル
10 通信機装置
12 誘電体デュプレクサ
14 送信用回路
16 受信用回路
18 アンテナ
20 入力接続手段
22 出力接続手段
24 アンテナ接続手段
26、28 誘電体フィルタ
30 外部結合手段
Claims (7)
- 組成式:Ba{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}vOw(ただし、x+y+z=1、wは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数)で表わされ、{(SnaZr1-a)x(ZnbMg1-b)y(NbcTa1-c)z}の組成比を表わす3成分組成図において、(x、y、z)がA(0.050、0.300、0.650)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D(0.050、0.330、0.620)の各組成点を頂点とする多角形A、B、C、Dで囲まれた範囲内にあり、かつa、b、c、およびvが、
0.5≦a≦1.0、
0.2≦b≦1.0、
0.3≦c<1.0、
0.98≦v≦1.03
の範囲内にある、高周波用誘電体磁器組成物。 - 前記(x、y、z)がA’(0.200、0.253、0.547)、B(0.400、0.190、0.410)、C(0.400、0.210、0.390)、D’(0.200、0.279、0.521)の各組成点を頂点とする多角形A'、B、C、D’で囲まれた範囲内(ただし、線分A’D’上を除く)にある、請求項1に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
- 前記vが1.00<v≦1.02の範囲内にある、請求項1または2に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
- 誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、請求項1から3のうちのいずれか1つに記載の高周波用誘電体磁器組成物からなる、誘電体共振器。
- 請求項4に記載の誘電体共振器と、前記誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える、誘電体フィルタ。
- 少なくとも2つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも1つが請求項5に記載の誘電体フィルタである、誘電体デュプレクサ。
- 請求項6に記載の誘電体デュプレクサと、前記誘電体デュプレクサの少なくとも1つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、前記送信用回路に接続される前記入出力手段とは異なる少なくとも1つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える、通信機装置。
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---|---|---|---|---|
WO2005097707A1 (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 透光性セラミックおよびその製造方法、ならびに光学部品および光学装置 |
CN1301230C (zh) * | 2005-08-26 | 2007-02-21 | 天津大学 | 一种毫米波介质陶瓷及其制备方法 |
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2003
- 2003-09-03 JP JP2003311608A patent/JP2005075708A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2005097707A1 (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 透光性セラミックおよびその製造方法、ならびに光学部品および光学装置 |
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