JP2012116684A - Dielectric ceramic and dielectric filter including the same - Google Patents

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誠一郎 平原
Hajime Toda
甫 戸田
Toshiyuki Sue
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide dielectric ceramic which indicates high specific dielectric constant εr and Qf value and an excellent temperature coefficient of a resonance frequency, and a dielectric filter capable of stably maintaining excellent performance over a long period of time even in a location where the temperature difference is significant.SOLUTION: For the dielectric ceramic, when the composition formula is expressed as aBaO/bNdO/c[{1-(x/2)-(y/2)}TiO+1/2xNbO+1/2yAlO], a, b, c, x and y satisfy 13.5≤a≤16.1, 17.6≤b≤19.4, 64.5≤c≤68.8, 0.01≤x≤0.15, 0.01≤y≤0.15, and a+b+c=100. The dielectric ceramic indicates the high specific dielectric constant εr and Qf value and the excellent temperature coefficient of a resonance frequency, and the dielectric filter 1 including an input terminal 3 and an output terminal 4 electromagnetically coupled with the dielectric ceramic 5 is capable of stably maintaining the excellent performance over a long period of time even in a location where the temperature difference is significant.

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波等を含む高周波領域において、高い比誘電率εr(真空の誘電率εoとの比)および高い品質係数Qf値を有する誘電体セラミックスおよびこれを備えるフィルタに関する。   The present invention relates to a dielectric ceramic having a high relative dielectric constant εr (ratio to a vacuum dielectric constant εo) and a high quality factor Qf value in a high-frequency region including microwaves, millimeter waves, and the like, and a filter including the dielectric ceramic.

近年の携帯電話、パソコン等のモバイル通信市場の急速な技術の進展に伴い、コンデンサなどに使用される誘電セラミックスには、高い誘電率が要求されることはもちろんであるが、誘電損失が小さく、なおかつ温度係数が良好であるなど諸条件を同時に満足することが要求される。最近では、使用機能の多様化により使用周波数もより高周波帯へシフトし、特に高周波領域(800MHz〜2GHz)での誘電特性が要求されるようになってい
る。
In recent years, with the rapid development of mobile communication market such as mobile phones and personal computers, dielectric ceramics used for capacitors and so on are required to have high dielectric constant, but dielectric loss is small, In addition, it is required to satisfy various conditions such as a good temperature coefficient. Recently, the frequency of use has shifted to a higher frequency band due to diversification of functions used, and in particular, dielectric characteristics in a high frequency region (800 MHz to 2 GHz) have been required.

そこで、例えば、特許文献1では、組成式xBaO-y((1−a)Nd・aS
)−zTiO(ここで、14<x<18、11<y<15、67<z<75、0.07<a<0.6、x+y+z=100(モル比))で表される主成分に対して、副成分としてBiを10〜20%、Alを0.1〜1.5%、MnOを0.01〜1.5%の割合で含有する誘電体磁器
組成物が提案されている。
Therefore, for example, in Patent Document 1, the composition formula xBaO-y ((1-a) Nd 2 O 3 · aS
m 2 O 3 ) -zTiO 2 (where 14 <x <18, 11 <y <15, 67 <z <75, 0.07 <a <0.6, x + y + z = 100 (molar ratio)) On the other hand, a dielectric ceramic composition containing Bi 2 O 3 as subcomponents in a proportion of 10 to 20%, Al 2 O 3 in a proportion of 0.1 to 1.5% and MnO in a proportion of 0.01 to 1.5% has been proposed.

特開平2003−292373号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-292373

しかしながら、特許文献1に記載のBaO−Nd−Sm−TiO系の誘電体磁器組成物では、BiおよびAlを添加することによって共振周波数の温度特性τfを0ppm/℃近傍に近づけることができるものの、Qf値を向上すること
ができなかった。
However, in the BaO—Nd 2 O 3 —Sm 2 O 3 —TiO 2 based dielectric ceramic composition described in Patent Document 1, the temperature characteristics of the resonance frequency are obtained by adding Bi 2 O 3 and Al 2 O 3. Although τf could be brought close to 0 ppm / ° C., the Qf value could not be improved.

本発明は、高い比誘電率εr、高いQf値と、0ppm/℃に近い安定した共振周波数の温度係数τfとを有する誘電体セラミックスおよびこれを備える誘電体フィルタを提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide a dielectric ceramic having a high dielectric constant εr, a high Qf value, and a temperature coefficient τf of a stable resonance frequency close to 0 ppm / ° C., and a dielectric filter including the dielectric ceramic. It is.

本発明の誘電体セラミックスは、組成式をaBaO・bNd・c[{1-(x/2)-(y/2)}TiO+1/2xNb+1/2yAl]と表したとき、
a,b,c,x,yが、13.5≦a≦16.1、17.6≦b≦19.4、64.5≦c≦68.8、0.01≦x≦0.15、0.01≦y≦0.15、a+b+c=100を満足することを特徴とするものである。
The dielectric ceramic of the present invention has a composition formula of aBaO · bNd 2 O 3 · c [{1- (x / 2)-(y / 2)} TiO 2 + 1 / 2xNb 2 O 5 + 1 / 2yAl 2 O 3 ]. When
a, b, c, x, y satisfy 13.5 ≦ a ≦ 16.1, 17.6 ≦ b ≦ 19.4, 64.5 ≦ c ≦ 68.8, 0.01 ≦ x ≦ 0.15, 0.01 ≦ y ≦ 0.15, a + b + c = 100 It is what.

また、本発明の誘電体フィルタは、上記誘電体セラミックスと、該誘電体セラミックスと電磁界結合され、外部から電気信号が入力される入力端子と、前記誘電体セラミックスと電磁界結合されて前記誘電体セラミックスの共振周波数と対応した電気信号を選択的に出力する出力端子とを備えることを特徴とするものである。   The dielectric filter according to the present invention includes the dielectric ceramic, an input terminal that is electromagnetically coupled to the dielectric ceramic and receives an electric signal from the outside, and is electromagnetically coupled to the dielectric ceramic and the dielectric ceramic. And an output terminal that selectively outputs an electrical signal corresponding to the resonance frequency of the body ceramic.

本発明の誘電体セラミックスによれば、組成式をaBaO・bNd・c[{1-(
x/2)-(y/2)}TiO+1/2xNb+1/2yAl]と表した
とき、a,b,c,x,yが、13.5≦a≦16.1、17.6≦b≦19.4、64.5≦c≦68.8、0.01≦x≦0.15、0.01≦y≦0.15、a+b+c=100を満足するならば、高い比誘電率,高い
Qf値が得られ、また共振周波数の温度依存性を安定化させることができる。
According to the dielectric ceramic of the present invention, the composition formula is aBaO · bNd 2 O 3 · c [{1- (
x / 2)-(y / 2)} TiO 2 + 1 / 2xNb 2 O 5 + 1 / 2yAl 2 O 3 ], a, b, c, x, y are 13.5 ≦ a ≦ 16.1, 17.6 ≦ If b ≦ 19.4, 64.5 ≦ c ≦ 68.8, 0.01 ≦ x ≦ 0.15, 0.01 ≦ y ≦ 0.15, a + b + c = 100, a high dielectric constant and a high Qf value can be obtained, and the temperature dependence of the resonance frequency Can be stabilized.

また、本発明の誘電体フィルタによれば、高い比誘電率,高いQf値が得られ、共振周波数の温度依存性を安定化することができる誘電体セラミックスと、誘電体セラミックスと電磁界結合され、外部から電気信号が入力される入力端子と、誘電体セラミックスと電磁界結合されて誘電体セラミックスの共振周波数と対応した電気信号を選択的に出力する出力端子とを備えることから、気温差の激しい場所においても長期間にわたって安定して良好な性能を維持できる。   In addition, according to the dielectric filter of the present invention, a high dielectric constant and a high Qf value can be obtained, and the dielectric ceramic that can stabilize the temperature dependence of the resonance frequency is coupled to the dielectric ceramic. Since it has an input terminal for inputting an electric signal from the outside and an output terminal for selectively outputting an electric signal corresponding to the resonance frequency of the dielectric ceramic by being electromagnetically coupled to the dielectric ceramic, Good performance can be maintained stably over a long period of time even in a severe place.

本実施形態の誘電体フィルタの断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the dielectric material filter of this embodiment.

以下に、本実施形態の誘電体セラミックスおよびこれを備える誘電体フィルタの実施の形態の例について説明する。   Below, the example of embodiment of the dielectric ceramic of this embodiment and a dielectric filter provided with the same is demonstrated.

本実施形態の誘電体セラミックスは、組成式をaBaO・bNd・c[{1-(x/2)-(y/2)}TiO+1/2xNb+1/2yAl]と表したと
き、a,b,c,x,yが、13.5≦a≦16.1、17.6≦b≦19.4、64.5≦c≦68.8、0.01≦x≦0.15、0.01≦y≦0.15、a+b+c=100を満足することを特徴とする。
The dielectric ceramic of the present embodiment has a composition formula of aBaO · bNd 2 O 3 · c [{1- (x / 2) − (y / 2)} TiO 2 + 1 / 2xNb 2 O 5 + 1 / 2yAl 2 O 3. ], A, b, c, x, y are 13.5 ≦ a ≦ 16.1, 17.6 ≦ b ≦ 19.4, 64.5 ≦ c ≦ 68.8, 0.01 ≦ x ≦ 0.15, 0.01 ≦ y ≦ 0.15, a + b + c = 100 It is characterized by satisfying.

ここで、a,b,c,xおよびyが上記数値範囲を満足することにより、NbおよびAlが固溶した主結晶が形成されると考えられ、この主結晶相によって、比誘電率εrおよび品質係数Qf値(Q値と共振周波数fの積)が高く、共振周波数の温度係数τfの絶対値が小さくなる傾向がある。例えば、比誘電率εrを70以上、Qf値を12000GHz以上
、共振周波数の温度係数τfの値を−10〜+20ppm/℃とすることができる。
Here, when a, b, c, x and y satisfy the above numerical range, it is considered that a main crystal in which Nb and Al are dissolved is formed, and by this main crystal phase, the relative dielectric constant εr and The quality factor Qf value (product of the Q value and the resonance frequency f) is high, and the absolute value of the temperature coefficient τf of the resonance frequency tends to be small. For example, the relative dielectric constant εr can be set to 70 or more, the Qf value can be set to 12000 GHz or more, and the temperature coefficient τf of the resonance frequency can be set to −10 to +20 ppm / ° C.

また、本実施形態の誘電体セラミックスは、組成式の成分100質量%に対して、マンガ
ンを酸化物換算で3質量%以下(0質量%を除く)含むことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the dielectric ceramic of this embodiment contains 3 mass% or less (except 0 mass%) of manganese in conversion of an oxide with respect to 100 mass% of components of a composition formula.

誘電体セラミックスに、組成式の成分100質量%に対して、マンガンを酸化物換算で3
質量%以下(0質量%を除く)含むときには、焼成時のマンガン酸化物の価数変化によって生じる酸素が、誘電体セラミックス内の酸素欠陥に入ることによって、誘電体セラミックス内に生じる酸素欠陥を抑制することで、Qf値を高めることができる。また、マンガンを酸化物換算で0.1〜2質量%質量%の範囲で含むことにより、Qf値をより高めるこ
とができる。
For dielectric ceramics, manganese is converted to oxide with respect to 100% by mass of the component in the composition formula.
When containing less than mass% (excluding 0 mass%), oxygen generated by change in valence of manganese oxide during firing enters oxygen defects in dielectric ceramics, thereby suppressing oxygen defects generated in dielectric ceramics Thus, the Qf value can be increased. Moreover, Qf value can be raised more by including manganese in 0.1-2 mass% mass% in conversion of an oxide.

なお、誘電体セラミックス中に含まれる各成分の含有量については、誘電体セラミックスの一部を粉砕し、得られた粉体を塩酸などの溶液に溶解した後、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析装置(島津製作所製:ICPS−8100)を用いて測定し、得られた各成分の金属量を酸化物換算することにより得られる。   Regarding the content of each component contained in the dielectric ceramic, a part of the dielectric ceramic is pulverized, the obtained powder is dissolved in a solution such as hydrochloric acid, and then ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy. It can be obtained by measuring using an analyzer (manufactured by Shimadzu Corporation: ICPS-8100) and converting the metal content of each component obtained into an oxide.

また、本実施形態の誘電体セラミックスはその表面および内部の平均ボイド率が5%以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the dielectric ceramic of this embodiment has a surface and internal average void ratio of 5% or less.

本実施形態の誘電体セラミックスは、平均ボイド率を5%以下とすることで、比誘電率εr,品質係数Qf値を高く維持することができ、また誘電特性が安定しやすい。さらに
、誘電体セラミックスの平均ボイド率を5%以下とすると、誘電体セラミックスの密度が高いので、機械的特性を高く維持することができる。また、平均ボイド率を3%以下にすると、比誘電率εr,品質係数Qf値をより高く維持することができ、また誘電特性がより安定しやすくなるので好ましい。
In the dielectric ceramic according to the present embodiment, by setting the average void ratio to 5% or less, the relative dielectric constant εr and the quality factor Qf can be maintained high, and the dielectric characteristics are easily stabilized. Furthermore, when the average void ratio of the dielectric ceramic is 5% or less, the density of the dielectric ceramic is high, so that the mechanical characteristics can be kept high. Further, it is preferable to set the average void ratio to 3% or less because the relative dielectric constant εr and the quality factor Qf can be maintained higher and the dielectric characteristics are more easily stabilized.

なお、平均ボイド率は、例えば以下のように求めればよい。   In addition, what is necessary is just to obtain | require an average void ratio as follows, for example.

まず、100μm×100μmの範囲が観察できるように、任意の倍率に調節した金属顕微鏡またはSEM(Scanning Electron Microscope)等により、誘電体セラミックスの磁器表面および内部断面の数カ所を写真または画像として撮影し、この写真または画像を画像解析装置により解析することで、単位面積あたりのボイドの面積が占める割合をボイド率として求めている。そして、数箇所のボイド率を平均すれば平均ボイド率が求められる。また、画像解析装置としては例えばニレコ社製のLUZEX−FS等を用いればよい。   First, several places on the ceramic surface and internal cross section of dielectric ceramics were photographed or photographed with a metal microscope or SEM (Scanning Electron Microscope) adjusted to an arbitrary magnification so that the range of 100 μm × 100 μm could be observed, By analyzing this photograph or image with an image analyzer, the ratio of the void area per unit area is obtained as the void ratio. An average void ratio can be obtained by averaging the void ratios at several locations. Further, as an image analysis apparatus, for example, LUZEX-FS manufactured by Nireco Corporation may be used.

次に、本実施形態の誘電体セラミックスの製造方法について説明する。例えば以下の工程(1)〜(7)により製造することが可能である。   Next, the manufacturing method of the dielectric ceramic of this embodiment is demonstrated. For example, it can be produced by the following steps (1) to (7).

(1)原料として、99.5%以上の高純度の炭酸バリウム(BaCO),酸化ネオジウム(Nd),酸化チタン(TiO),酸化ニオブ(Nb)および酸化アルミニウム(Al)の各粉末を準備する。そして、BaCO,Nd,TiO,NbおよびAlを所望の割合となるように秤量する。次に秤量された粉末に純水を加え、混合原料の平均粒径が2.0μm以下となるまで1〜50時間、ジルコニア
ボール等を使用したボールミルにより粉砕を行ない、混合物を得る。
(1) As raw materials, high-purity barium carbonate (BaCO 3 ) of 99.5% or more, neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and aluminum oxide (Al 2 Prepare each powder of O 3 ). Then, BaCO 3 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 and Al 2 O 3 are weighed so as to have a desired ratio. Next, pure water is added to the weighed powder and pulverized by a ball mill using zirconia balls or the like for 1 to 50 hours until the average particle size of the mixed raw material becomes 2.0 μm or less to obtain a mixture.

(2)この混合物を乾燥後、1000〜1300℃で1〜10時間仮焼して仮焼原料を得る。仮焼温度が1000℃未満では、合成が進まず好ましい特性が得られない。   (2) After drying this mixture, it is calcined at 1000-1300 ° C. for 1-10 hours to obtain a calcined raw material. If the calcining temperature is less than 1000 ° C., the synthesis does not proceed and favorable characteristics cannot be obtained.

(3)得られた仮焼原料を平均粒径0.5〜3μmとなるまで、ボールミル等により粉砕
し、得られた混合物を容器に移し、この仮焼原料をASTM E 11−61に記載されている粒度番号が80のメッシュの篩いに通すことによって、分級された仮焼粉末を得る。なお、仮焼原料の粉砕には、ボールミルの代わりに増幸産業社製のマスコロイダを用いてもよい。
(3) The obtained calcined raw material is pulverized with a ball mill or the like until the average particle diameter becomes 0.5 to 3 μm, and the resulting mixture is transferred to a container. This calcined raw material is described in ASTM E 11-61. The classified calcined powder is obtained by passing through a mesh sieve having a particle size number of 80. Note that for the pulverization of the calcined raw material, a mass collider manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd. may be used instead of the ball mill.

(4)(3)で得られた仮焼粉末に純水を加えた後、平均粒径が2.0μm以下となるま
で1〜30時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより混合を行なう。
(4) After adding pure water to the calcined powder obtained in (3), mixing is performed by a ball mill using zirconia balls or the like for 1 to 30 hours until the average particle size becomes 2.0 μm or less.

(5)仮焼粉末100重量部に対して、3〜10質量%のバインダ、例えば、パラフィンワ
ックスやアクリル系ポリマー,ウレタン系ポリマー,ポリビニルアルコール(PVA),またはポリエチレングリコール(PEG)等の有機バインダを加えて、その後、例えばスプレードライ法等により造粒し、得られた造粒体を、例えば金型プレス法、冷間静水圧プレス法により任意の形状に成形する。また、得られた造粒体を用いて杯土を作製し、一般的な押出成形法を用いて任意の形状に成形してもよい。
(5) A binder of 3 to 10% by mass, for example, paraffin wax, acrylic polymer, urethane polymer, polyvinyl alcohol (PVA), or polyethylene glycol (PEG), based on 100 parts by weight of the calcined powder. After that, granulation is performed by, for example, a spray drying method, and the obtained granulated body is formed into an arbitrary shape by, for example, a die pressing method or a cold isostatic pressing method. Moreover, a clay may be produced using the obtained granulated body and formed into an arbitrary shape using a general extrusion molding method.

(6)得られた成形体を大気雰囲気中1350℃〜1550℃で1〜10時間保持して焼成し焼成体を得る。より好ましくは1400〜1500℃で焼成するのがよい。なお、このような焼成条件では、主結晶相にNbおよびAlの固溶が促進されやすく、主結晶相以外の異相の量を少なくできる傾向があるので、比誘電率,Qf値が高くなり、また誘電体セラミックスの共振周波数の温度依存性が安定しやすい。   (6) The obtained molded body is held in an air atmosphere at 1350 ° C. to 1550 ° C. for 1 to 10 hours and fired to obtain a fired body. More preferably, firing is performed at 1400 to 1500 ° C. In such a firing condition, since the solid solution of Nb and Al is easily promoted in the main crystal phase and the amount of foreign phases other than the main crystal phase tends to be reduced, the relative permittivity and the Qf value are increased. Also, the temperature dependence of the resonance frequency of the dielectric ceramic is likely to be stable.

(7)必要に応じて、得られた焼成体を酸素5〜30体積%以上を含むガス中において、
温度900〜1500℃,圧力0.1〜300MPaで、30分〜100時間熱処理する。より好ましくは、温度1000〜1300℃,圧力0.1〜100MPaで1〜60時間熱処理するのがよい。
(7) If necessary, the obtained fired body in a gas containing 5 to 30% by volume of oxygen,
Heat treatment is performed at a temperature of 900 to 1500 ° C. and a pressure of 0.1 to 300 MPa for 30 minutes to 100 hours. More preferably, heat treatment is performed at a temperature of 1000 to 1300 ° C. and a pressure of 0.1 to 100 MPa for 1 to 60 hours.

次に、本実施形態の誘電体セラミックスを備える誘電体フィルタの一例について以下に説明する。   Next, an example of a dielectric filter including the dielectric ceramic according to the present embodiment will be described below.

本実施形態の誘電体フィルタは、上述した誘電体セラミックスと、誘電体セラミックスと電磁界結合され、外部から電気信号が入力される入力端子と、誘電体セラミックスと電磁界結合されて誘電体セラミックスの共振周波数と対応した電気信号を選択的に出力する出力端子とを備える。   The dielectric filter of the present embodiment includes the above-described dielectric ceramics, an input terminal that is electromagnetically coupled to the dielectric ceramics and receives an electric signal from the outside, and an electromagnetic field coupled to the dielectric ceramics. And an output terminal for selectively outputting an electrical signal corresponding to the resonance frequency.

図1は、本実施形態の誘電体フィルタの断面を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of the dielectric filter of the present embodiment.

図1に示すように、本実施形態のTEモ−ド型の誘電体フィルタ1は、金属ケース2,入力端子3,出力端子4,セラミック体5および載置台6を有する。金属ケース2は、軽量なアルミニウム等の金属からなり、入力端子3および出力端子4は、金属ケース2の内壁の相対向する両側に設けられている。また、セラミック体5は、本実施形態の誘電体セラミックスからなる。そして、セラミック体5は、入力端子3と出力端子4の間に配置され、入力端子3および出力端子4とそれぞれ電磁界結合されている。このような、誘電体フィルタ1において、外部から電気信号を入力端子3に入力することによって、金属ケース2内の入力端子3で磁界が発生する。その磁気エネルギーによって、セラミック体5は特定の周波数で共振を起こして、磁界が発生する。この磁気エネルギーによって出力端子4で磁界が発生して電流が流れ、出力端子4から電気信号が出力される。このように、誘電体フィルタ1は、誘電体セラミックスの共振周波数に対応した電気信号を選択的に出力することができる。   As shown in FIG. 1, the TE mode type dielectric filter 1 of this embodiment includes a metal case 2, an input terminal 3, an output terminal 4, a ceramic body 5, and a mounting table 6. The metal case 2 is made of lightweight metal such as aluminum, and the input terminal 3 and the output terminal 4 are provided on opposite sides of the inner wall of the metal case 2. The ceramic body 5 is made of the dielectric ceramic of the present embodiment. The ceramic body 5 is disposed between the input terminal 3 and the output terminal 4, and is electromagnetically coupled to the input terminal 3 and the output terminal 4, respectively. In such a dielectric filter 1, a magnetic field is generated at the input terminal 3 in the metal case 2 by inputting an electric signal from the outside to the input terminal 3. Due to the magnetic energy, the ceramic body 5 resonates at a specific frequency to generate a magnetic field. This magnetic energy generates a magnetic field at the output terminal 4 to cause a current to flow, and an electric signal is output from the output terminal 4. Thus, the dielectric filter 1 can selectively output an electrical signal corresponding to the resonance frequency of the dielectric ceramic.

なお、TEモードに限らず、TMモード,TEMモードもしくは多重モードとしてもよい。また、誘電体フィルタ1の構成は上述した構成に限定されず、入力端子3および出力端子4をセラミック体5に直接設けてもよい。また、セラミック体5は、本実施形態の誘電体セラミックスからなる所定形状の共振媒体であるが、その形状は筒状体,直方体,立方体,板状体,円板,円柱,多角柱またはその他共振が可能な立体形状であればよい。また、入力される高周波信号の周波数は500MHz〜500GHz程度であり、共振周波数としては2GHz〜80GHz程度が実用上好ましい。   The mode is not limited to the TE mode, and may be a TM mode, a TEM mode, or a multiple mode. The configuration of the dielectric filter 1 is not limited to the configuration described above, and the input terminal 3 and the output terminal 4 may be directly provided on the ceramic body 5. The ceramic body 5 is a resonance medium having a predetermined shape made of the dielectric ceramic according to the present embodiment. The shape of the ceramic body 5 is a cylindrical body, a rectangular parallelepiped, a cube, a plate-like body, a disc, a cylinder, a polygonal column, or other resonance. Any solid shape that can be used. The frequency of the input high-frequency signal is about 500 MHz to 500 GHz, and the resonance frequency is preferably about 2 GHz to 80 GHz in practice.

そして、本実施形態の誘電体フィルタは、フィルタとして、比誘電率εrおよびQf値が高く、共振周波数の温度依存性が安定した、本実施形態の誘電体セラミックスを備えることにより、気温差の激しい場所においても長期間にわたって安定して良好な性能を維持することができる。   The dielectric filter according to the present embodiment includes the dielectric ceramic according to the present embodiment having a high relative dielectric constant εr and a Qf value and a stable temperature dependence of the resonance frequency as a filter. Even in a place, good performance can be maintained stably over a long period of time.

また、本実施形態の誘電体セラミックスは、各種誘電体フィルタ用材料以外に、MIC(Monolithic IC)用誘電体基板、誘電体導波路、誘電体アンテナまたは積層型セラミックコンデンサの誘電体等に使用してもよい。   Moreover, the dielectric ceramic of the present embodiment is used for a dielectric substrate for MIC (Monolithic IC), a dielectric waveguide, a dielectric antenna, or a dielectric of a multilayer ceramic capacitor, in addition to various dielectric filter materials. May be.

本実施形態によるBaO−Nd−TiO−Nb−Al系材料のモル比a,b,c,xおよびyを種々変更して試料を作製し、比誘電率εr,品質係数Qf値および25〜85℃の共振周波数の温度係数τfの測定をした。製造方法および特性測定方法の詳細を以下に説明する。 Samples were prepared by variously changing the molar ratios a, b, c, x and y of the BaO—Nd 2 O 3 —TiO 2 —Nb 2 O 5 —Al 2 O 3 based material according to the present embodiment, and the relative dielectric constant εr, quality factor Qf value, and temperature coefficient τf of resonance frequency of 25 to 85 ° C. were measured. Details of the manufacturing method and the characteristic measuring method will be described below.

出発原料として、純度99.5質量%以上のBaCO,Nd,TiO,Nb
およびAlを準備した。
As a starting material, BaCO 3 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O having a purity of 99.5% by mass or more
5 and Al 2 O 3 were prepared.

次に、それぞれの材料を表1の割合となるように秤量する。そして、BaCO,Nd,TiO,NbおよびAlを混合したものを、ボールミル内に投入し、ボールミル内に純水を加える。その後、混合原料の平均粒径が0.5〜2.0μmの範囲内となるまで、ジルコニアボールを使用したボールミルにより粉砕して混合物を得た。 Next, each material is weighed so as to have the ratio shown in Table 1. Then, a mixture of BaCO 3, Nd 2 O 3, TiO 2, Nb 2 O 5 and Al 2 O 3, were charged into a ball mill, addition of pure water in a ball mill. Then, it grind | pulverized with the ball mill using a zirconia ball until the average particle diameter of the mixed raw material became in the range of 0.5-2.0 micrometers, and obtained the mixture.

そして、得られた混合物を乾燥後、1100℃で仮焼し仮焼原料を得て、その仮焼原料をASTM E 11−61に記載されている粒度番号が80のメッシュの篩いに通し、分級された仮焼粉末を得た後、その仮焼粉末に純水を加えて1〜30時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより粉砕を行なうことによって0.5〜2μmの平均粒径となるようにして
、表1に示す試料No.1〜31それぞれのスラリーを得た。
Then, after drying the obtained mixture, calcined at 1100 ° C. to obtain a calcined raw material, and the calcined raw material was passed through a mesh sieve having a particle size number of 80 described in ASTM E 11-61, and classified. After the obtained calcined powder is obtained, pure water is added to the calcined powder and pulverized with a ball mill using zirconia balls or the like for 1 to 30 hours so that the average particle size becomes 0.5 to 2 μm. , Sample No. 1 shown in Table 1. 1 to 31 slurries were obtained.

次に、上記スラリーに、それぞれ3〜10質量%のポリビニルアルコールを加えてから所定時間混合した後、このスラリーをスプレードライヤで噴霧造粒して2次原料を得た。この2次原料を金型プレス成形法によりφ20mm,高さ15mmの円柱体に成形し成形体を得た。   Next, 3 to 10% by weight of polyvinyl alcohol was added to the slurry, and the mixture was mixed for a predetermined time. The slurry was sprayed and granulated with a spray dryer to obtain a secondary material. This secondary material was molded into a cylindrical body having a diameter of 20 mm and a height of 15 mm by a die press molding method to obtain a molded body.

得られた成形体を大気雰囲気中1400℃〜1500℃で2時間保持して焼成し、試料No.1〜31を得た。なお、これら試料は、焼成後に上下面と側面の一部に研磨加工を施し、アセトン中で超音波洗浄を行なったものである。   The obtained molded body was fired by holding at 1400 ° C. to 1500 ° C. for 2 hours in an air atmosphere. 1-31 were obtained. These samples are those obtained by polishing the upper and lower surfaces and part of the side surfaces after firing and ultrasonically cleaning in acetone.

次に、これら試料No.1〜31について、誘電特性を評価した。誘電特性の評価は、試料No.1〜31を用いて誘電体円柱共振器法(国際規格IEC61338-1-3(1999))により測定周波数4〜5GHzにおける比誘電率εrとQ値を測定した。なお、Q値については測定周波数fとの積で表される品質係数Qf値に換算している。また、25〜85℃の温度範囲における共振周波数を測定し、25℃での共振周波数を基準にして25〜85℃の共振周波数の温度係数τfを算出した。なお、試料は入力端子および出力端子が接続された金属キャビティ内にセットされ、その金属キャビティを恒温槽内にセットした後、所望の温度で観測される共振周波数を測定して、25〜85℃の共振周波数の温度係数τfは次の式で算出することができる。   Next, these sample Nos. 1 to 31 were evaluated for dielectric properties. Evaluation of the dielectric characteristics was conducted using sample No. 1 to 31 were used to measure the relative dielectric constant εr and Q value at a measurement frequency of 4 to 5 GHz by the dielectric cylindrical resonator method (international standard IEC61338-1-3 (1999)). The Q value is converted to a quality factor Qf value represented by the product of the measurement frequency f. Further, the resonance frequency in the temperature range of 25 to 85 ° C. was measured, and the temperature coefficient τf of the resonance frequency of 25 to 85 ° C. was calculated based on the resonance frequency at 25 ° C. The sample is set in a metal cavity to which an input terminal and an output terminal are connected. After setting the metal cavity in a thermostatic chamber, the resonance frequency observed at a desired temperature is measured, and 25 to 85 ° C. The temperature coefficient τf of the resonance frequency can be calculated by the following equation.

τf=(f85−f25)/f25/(85−25)
ここで、f85は85℃のときに測定された共振周波数、f25は25℃のときに測定された共振周波数である。
τf = (f 85 −f 25 ) / f 25 / (85−25)
Here, f 85 is a resonance frequency measured at 85 ° C., and f 25 is a resonance frequency measured at 25 ° C.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

Figure 2012116684
Figure 2012116684

表1から、比誘電率εr,品質係数Qf値および25〜85℃の共振周波数の温度係数τfの値において、a,b,c,x,yが、13.5≦a≦16.1、17.6≦b≦19.4、64.5≦c≦68.8、0.01≦x≦0.15、0.01≦y≦0.15、a+b+c=100(小数点以下を四捨五入)を満
足するNo.2〜5,8〜11,14〜17,20〜24および27〜30は、比誘電率εrが70以上、品質係数Qf値が12000GHz以上、温度係数τfが−10ppm/℃以上20ppm/℃以
下と高い誘電特性を示す傾向がある。
From Table 1, a, b, c, x, and y are 13.5 ≦ a ≦ 16.1 and 17.6 ≦ b ≦ in the values of the relative dielectric constant εr, the quality factor Qf, and the temperature coefficient τf of the resonance frequency of 25 to 85 ° C. No. 19.4, 64.5 ≦ c ≦ 68.8, 0.01 ≦ x ≦ 0.15, 0.01 ≦ y ≦ 0.15, a + b + c = 100 (rounded to the nearest decimal place) 2 to 5, 8 to 11, 14 to 17, 20 to 24, and 27 to 30 have a relative dielectric constant εr of 70 or more, a quality factor Qf value of 12000 GHz or more, and a temperature coefficient τf of −10 ppm / ° C. or more and 20 ppm / ° C. or less. Tend to show high dielectric properties.

また、a,b,c,x,yが、14.3≦a≦15.2、18.2≦b≦18.8、66.0≦c≦67.5、0.04≦x≦0.11、0.04≦y≦0.11、a+b+c=100(小数点以下を四捨五入)を満足する、
試料No.3,4,9,10,15,16,21〜23,28および29は、特に、高い比誘電率εr,高いQf値が得られ、また温度係数τfの絶対値が小さくなる傾向がある。
In addition, a, b, c, x, y are 14.3 ≦ a ≦ 15.2, 18.2 ≦ b ≦ 18.8, 66.0 ≦ c ≦ 67.5, 0.04 ≦ x ≦ 0.11, 0.04 ≦ y ≦ 0.11, a + b + c = 100 Satisfy rounding)
Sample No. In particular, 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21 to 23, 28, and 29 have a high relative dielectric constant εr and a high Qf value, and the absolute value of the temperature coefficient τf tends to be small.

次に、本実施の形態によるBaO−Nd−TiO−Nb−Al系材料中のマンガン含有量が、誘電特性に与える影響について確認する試験を実施した。 Next, the manganese content of the BaO-Nd 2 O 3 -TiO 2 -Nb 2 O 5 -Al 2 O 3 based material according to the present embodiment, tests were conducted to confirm the effects of the dielectric properties.

試験に用いる試料の作製は、焼成温度を1450℃、焼成時間を2時間、2種類の仮焼原料を混合する際に予め準備した純度99.5以上の炭酸マンガン(MnCO)を表2に示す量添加する方法以外は、実施例1と同様の製造方法により実施した。また、試験組成については、マンガンを添加する以外は実施例1の試料No.3と同様の組成とした。製造した
試料No.32〜42については、比誘電率εr、Q値、共振周波数の温度係数τfを実施例1と同様の測定方法により測定した。
Preparation of the sample used for the test is the amount shown in Table 2 of manganese carbonate (MnCO 3 ) having a purity of 99.5 or more prepared in advance when mixing the two calcining raw materials at a firing temperature of 1450 ° C. and a firing time of 2 hours. Except for the addition method, the production method was the same as in Example 1. Moreover, about test composition, sample No. of Example 1 was added except adding manganese. 3 was used. Sample No. manufactured For 32 to 42, the relative dielectric constant εr, the Q value, and the temperature coefficient τf of the resonance frequency were measured by the same measurement method as in Example 1.

結果を表2に示す。   The results are shown in Table 2.

Figure 2012116684
Figure 2012116684

表2に示すように、BaO−Nd−TiO−Nb−Al系材料中のマンガン含有量の合計が3.0質量%以下では、実施例1の試料No.3と比較して、Q
f値がより高くなる傾向を示した。
As shown in Table 2, when the total manganese content in the BaO—Nd 2 O 3 —TiO 2 —Nb 2 O 5 —Al 2 O 3 material is 3.0 mass% or less, the sample No. Q compared to 3
The f value tended to be higher.

また、表2の試料No.32〜37によれば、BaO−Nd−TiO−Nb−Al系材料中のマンガン含有量が、酸化物換算で0.05質量%以上1.0質量%以下
であると、品質係数Qf値が13800以上と高い値となる傾向を示した。
In addition, sample No. According to 32-37, the manganese content in the BaO—Nd 2 O 3 —TiO 2 —Nb 2 O 5 —Al 2 O 3 material is 0.05% by mass or more and 1.0% by mass or less in terms of oxide. The quality factor Qf value tended to be a high value of 13800 or more.

次に、BaO−Nd−TiO−Nb−Al系材料の平均ボイド率が誘電特性に与える影響について確認する試験を実施した。 Next, a test for confirming the influence of the average void ratio of the BaO—Nd 2 O 3 —TiO 2 —Nb 2 O 5 —Al 2 O 3 material on the dielectric properties was performed.

試験に用いる試料の作製は、焼成時間を1450℃、焼成保持時間をそれぞれ10,8,6,4,3,2時間と変更した以外は実施例1と同様の製造方法により実施した。なお、焼成保持時間が長くなるほど、平均ボイド率は大きくなる。製造した試料No.43〜48については、比誘電率εr、品質係数Qf値、25〜85℃の共振周波数の温度係数τfを実施例1と同様の測定方法により測定した。また、平均ボイド率については、誘電体セラミックス表面の100μm×100μmの範囲が観察可能なSEM写真をとり、この写真を画像解析装置(ニレコ社製LUZEX−FS)により解析することにより、単位面積あたりのボイドの面積が占める割合をボイド率として、任意の5カ所のボイド率を算出し、この平均値を求めることで算出した。   The sample used for the test was manufactured by the same manufacturing method as in Example 1 except that the firing time was changed to 1450 ° C. and the firing holding time was changed to 10, 8, 6, 4, 3, and 2 hours, respectively. In addition, the average void ratio increases as the firing holding time increases. Sample No. manufactured For 43 to 48, the relative dielectric constant εr, the quality factor Qf value, and the temperature coefficient τf of the resonance frequency of 25 to 85 ° C. were measured by the same measurement method as in Example 1. For the average void ratio, an SEM photograph in which a 100 μm × 100 μm range of the surface of the dielectric ceramics can be observed, and this photograph is analyzed by an image analyzer (LUZEX-FS manufactured by Nireco). The void ratio was calculated by calculating the average value of void ratios at arbitrary five locations, with the ratio of the area occupied by the voids as the void ratio.

結果を表3に示す。   The results are shown in Table 3.

Figure 2012116684
Figure 2012116684

表3に示すように、試料No.43〜47は、平均ボイド率が5%以下であるので、比誘電率εr,品質係数Qf値,25〜85℃の共振周波数の温度係数τfが高く、特に品質係数Qf値が12800以上と高い値を示した。   As shown in Table 3, Sample No. Since 43 to 47 have an average void ratio of 5% or less, the relative dielectric constant εr, the quality factor Qf value, the temperature coefficient τf of the resonance frequency of 25 to 85 ° C. is high, and the quality factor Qf value is particularly high as 12800 or more. The value is shown.

1:誘電体フィルタ
2:金属ケース
3:入力端子
4:出力端子
5:セラミック体
6:載置台
1: Dielectric filter 2: Metal case 3: Input terminal 4: Output terminal 5: Ceramic body 6: Mounting table

Claims (3)

組成式をaBaO・bNd・c[{1-(x/2)-(y/2)}TiO+1/
2xNb+1/2yAl]と表したとき、前記a,b,c,x,yが、13.5≦a≦16.1、17.6≦b≦19.4、64.5≦c≦68.8、0.01≦x≦0.15、0.01≦y≦0.15、a+b+c=100を満足することを特徴とする誘電体セラミックス。
The composition formula is aBaO · bNd 2 O 3 · c [{1- (x / 2) − (y / 2)} TiO 2 + 1 /
2xNb 2 O 5 + 1 / 2yAl 2 O 3 ], a, b, c, x, y are 13.5 ≦ a ≦ 16.1, 17.6 ≦ b ≦ 19.4, 64.5 ≦ c ≦ 68.8, 0.01 ≦ x ≦ A dielectric ceramic characterized by satisfying 0.15, 0.01 ≦ y ≦ 0.15, and a + b + c = 100.
前記組成式の成分100質量%に対して、マンガンを酸化物換算で3質量%以下(0質量
%を除く)含むことを特徴とする請求項1に記載の誘電体セラミックス。
2. The dielectric ceramic according to claim 1, comprising 3 mass% or less (excluding 0 mass%) of manganese in terms of oxide with respect to 100 mass% of the component of the composition formula.
請求項1または請求項2に記載の誘電体セラミックスと、該誘電体セラミックスと電磁界結合され、外部から電気信号が入力される入力端子と、前記誘電体セラミックスと電磁界結合されて前記誘電体セラミックスの共振周波数と対応した電気信号を選択的に出力する出力端子とを備えることを特徴とする誘電体フィルタ。   3. The dielectric ceramic according to claim 1, wherein the dielectric ceramic is electromagnetically coupled to the dielectric ceramic and an electric signal is input from the outside, and the dielectric ceramic is electromagnetically coupled to the dielectric ceramic. A dielectric filter comprising an output terminal for selectively outputting an electrical signal corresponding to a resonance frequency of ceramics.
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