JP3040286B2 - 誘電体磁器組成物 - Google Patents

誘電体磁器組成物

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JP3040286B2 JP5234514A JP23451493A JP3040286B2 JP 3040286 B2 JP3040286 B2 JP 3040286B2 JP 5234514 A JP5234514 A JP 5234514A JP 23451493 A JP23451493 A JP 23451493A JP 3040286 B2 JP3040286 B2 JP 3040286B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波領域で使用さ
れる誘電体磁器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車電話や可搬型電話、あるい
は衛星放送など、マイクロ波領域の電磁波を利用する通
信の進展にともない、機器の小型化が要求されている。
このためには、機器を構成する個々の部品が小型化され
る必要がある。誘電体はこれらの機器において、フィル
タ素子や発振素子に誘電体共振器として組み込まれてい
る。誘電体共振器の大きさは同じ共振モードを利用する
場合、誘電体材料の持つ比誘電率(εr)の平方根に逆
比例するため、小型の誘電体共振器を作製するには、高
い比誘電率を有する材料が必要である。加えて、誘電体
共振器として実用するためには、マイクロ波領域で低損
失であること、すなわちQ値が高いこと、さらに共振周
波数の温度係数(τf)が小さいことが必要である。
【0003】誘電体共振器用の磁器は今までに数多くの
ものが開発されているが、特に誘電率の高い磁器とし
て、BaO−TiO2−Sm23系が特開昭57−1530
9号公報に開示されている。この系は80程度の比誘電
率と、2〜4GHzで3000程度の高いQ値、および
小さい共振周波数の温度係数を有している。一方、さら
に高い比誘電率を持つ誘電体磁器も報告されている。な
かでも、(Pb1-xCax)1+a(Fe1/2Nb1/2)O3+a系の誘電体磁
器は特開平5−20925号に開示されており、この磁
器は90以上の高い比誘電率を持つときも、実用的なQ
値と温度特性を有する。さらに、その焼結温度は115
0℃程度と比較的低い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、(Pb1-xCax)
1+a(Fe1/2Nb1/2)O3+a系の誘電体磁器の場合、xを決め
ると、比誘電率と共振周波数の温度係数が決定されてし
まい、τ f がほとんど0になる時の比誘電率は変化させ
ることができず、実用的でなかった。図4に、(Pb1-xCa
x)1+a(Fe1/2Nb1/2)O3+a系のxを変化させた際の、共振
周波数の温度係数に対する比誘電率の変化を示す。上記
組成系の場合、τ f がほとんど0になる時の比誘電率は
90で、この値を低くしたり、あるいは高くしたりする
ことはできない。この組成系を実用化するには、比誘電
率とτfを独立に制御する技術、すなわち図4の曲線を
高誘電率側、あるいは低誘電率側へシフトさせる技術が
必要となってくる。加えて、焼結温度はさらに低い方
が、製造コストや特性のばらつきを考慮すると望まし
い。
【0005】本発明は、従来の材料の比誘電率とτf
独立に制御すること、すなわちτ f がほとんど0になる
の比誘電率を高くしたり、あるいは低くしたりするこ
と、また焼結温度を低下させることを目的としている。
【0006】この目的を達成するために、一般式を (Pb1-xCax1+a{(Fe1/2Nb1/21-yTiy
3+a、 あるいは、 (Pb1-xCax1+a{(Fe1/2Nb1/21-z(Fe
2/31/3z}O3+a で表されるマイクロ波領域で使用される誘電体磁器組成
物とする。また、PbおよびCaの一部をSr、Nbの
一部あるいはすべてをTaで置換したマイクロ波領域で
使用される誘電体磁器組成物とする。
【0007】
【作用】図1に、BサイトのTiおよび(Fe
2/31/3)の置換効果を示す。Ti置換はτ f がほとん
ど0になる時の比誘電率を低くし、(Fe2/31/3)置
換はτ f がほとんど0になる時の比誘電率を高める効果
があることがわかる。よって、本発明の誘電体磁器組成
物によれば、比誘電率とτfを独立に制御できることに
なる。また、SrおよびTaは焼結温度の低下に効果が
ある。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0009】(実施例1)実施例1は請求項2記載の本
発明の一実施例に対応するものである。
【0010】出発原料には化学的に高純度であるPb
O、CaCO3、Fe23、Nb25、およびTiO2
用いた。原料の純度補正を行なったのち、組成を(Pb
1-xCax1+a{(Fe1/2Nb1/21-yTiy}O3+a
表したときのx、y、およびaが(表1)の組成の欄に
示した種々の値になるように秤量した。図2にxおよび
yの請求の範囲を斜線(境界部も含む)で示す。図2の
1〜29は(表1)の試料番号に対応している。
【0011】これらの粉体を、ポリエチレン製のボール
ミルに入れ、直径5mmの安定化ジルコニアの玉石と純
水を加え、17時間混合した。混合後、スラリーを乾燥
し、アルミナ製の坩堝にいれ、800から950℃で2
時間仮焼した。仮焼体を、ライカイ機で解砕した後、前
述したボールミルで17時間粉砕し、乾燥させ、原料粉
体とした。この粉体にバインダとしてポリビニルアルコ
ールの5%水溶液を6重量%加えて混合後、32メッシ
ュのふるいを通して造粒し、100MPaで直径13m
m、厚み約5mmの円柱状にプレス成形した。成形体を
600℃で2時間加熱してバインダを焼却後、PbOの
蒸発を防止するために、同一組成の仮焼粉とともにマグ
ネシア製の磁器容器に入れ、蓋をし、1000から12
00℃の種々の温度で2時間保持して焼成した。密度が
最高となる温度で焼成した焼結体についてマイクロ波で
の誘電特性を測定した。共振周波数とQ値は誘電体共振
器法により求めた。焼結体の寸法と共振周波数より誘電
率を算出した。共振周波数は、2〜5GHzであった。
また、−25℃、20℃及び85℃における共振周波数
を測定し、最小二乗法により、その温度係数(τf)を
算出した。結果を(表1)に示す。
【0012】
【表1】
【0013】(表1)に示したように、y=0では、τ
f がほとんど0になる時の比誘電率はほぼ90(試料番
号3#付近の組成)であったのに対し、y=0.2で
は、τ f がほとんど0になる時の比誘電率はほぼ75
(試料番号25付近の組成)であった。このように、T
iを導入することにより、τ f がほとんど0になる時
比誘電率を低下させることができるのがわかる。また、
y=0では、比誘電率90のときQ値は1510(試料
番号3#)であったが、y=0.1では、試料番号13
に示したように、比誘電率が97と高くなっているにも
かかわらず、Q値は1830と高くなった。Tiの導入
は、Q値を高める効果もあるのがわかる。請求の範囲に
含まれる組成では、誘電率が70以上、Q値が500以
上、かつ共振周波数の温度係数の絶対値が100ppm
/℃以下の特性を示した。
【0014】請求の範囲外の組成では、図2の直線BC
よりxが大きくなると、比誘電率が70より低くなり、
直線CDよりyが大きくなると、y=0のときと同じ比
誘電率のときのQ値が低くなり、直線ADよりxが小さ
くなると、共振周波数の温度係数が+100ppm/℃以上
になった。また、aの値が0より小さくなったり、0.
8より大きくなったりすると、Q値が急激に低下した。
ゆえに、マイクロ波用の誘電体として実用的でないと判
断し請求の範囲より除外した。
【0015】(実施例2)実施例2は請求項3および4
記載の本発明の一実施例に対応するものである。
【0016】焼結体の作製法および特性の評価は実施例
1記載の方法と同様であるので省略する。検討した組成
は{(Pb0.43Ca0.571ーzSrz1.0{(Fe
1/2(Nb 1ーbTab1/20.9Ti0.1}O3である。S
rおよびTa成分の出発原料としては、SrCO3およ
びTa25をそれぞれ用いた。結果を(表2)に示す。
(表2)の焼結温度は密度が最高になる温度である。
【0017】
【表2】
【0018】(表2)より、請求の範囲内のSrの導入
により、焼結温度が低くなったのがわかる。また、比誘
電率およびQ値もわずかに改善された。zの値が0.4
より大きくなると、Q値が低下し、共振周波数の温度係
数も正に大きくなったので、請求の範囲外とした。
【0019】また、NbをTaで置換することにより、
焼結温度が低くなった。製造コストの低減および特性の
ばらつきの抑制につながるものと思われる。
【0020】(実施例3)実施例3は請求項5、6、お
よび7記載の本発明の一実施例に対応するものである。
【0021】焼結体の作製法および特性の評価は実施例
1記載の方法と同様であるので省略する。検討した組成
は(Pb1-x-yCaxSry)1+a{(Fe1/2(Ta1-mNbm)Nb1/2)1-z(Fe
2/3W1 /3)z}O3+aである。番号1から22は、Srを含ん
でいない(y=0)組成であり、請求項5および7に対
応する。番号23から45は、Srを含んでおり、請求
項6および7に対応する。Sr、Ta、およびW成分の
出発原料としては、SrCO3、Ta25、およびWO3
をそれぞれ用いた。結果を(表3)、(表4)に示す。
図3にxおよびyの請求の範囲を斜線(境界部も含む)
で示す。図3の23〜45は(表4)の試料番号に対応
している。
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】(表3)、(表4)から、(Fe2/3W1/3)を
導入することで、試料番号6のようにτ f がほとんど0
になる時の比誘電率を100程度まで高くすることがで
きるのがわかる。請求の範囲に含まれる組成では、比誘
電率が50以上、Q値が500以上、かつ共振周波数の
温度係数の絶対値が100ppm/℃以下の特性を示した。
請求の範囲以上のWを加えると、Q値の低下が著しかっ
たので、請求の範囲から除外した。また、請求の範囲の
組成物は、すべて1100℃以下の低温で焼結した。
【0025】
【発明の効果】以上のように、本発明の誘電体磁器組成
物によると、Tiおよび(Fe2/3W1/3)の導入により、従
来の材料では困難であった比誘電率とτfを独立に制御
することが可能となった。さらに、SrやTaの導入に
より焼結温度を低下させることができ、量産性を向上さ
せることができた。ゆえに、小型の同軸誘電体共振器用
の材料として利用できる。また、本発明の誘電体磁器
は、誘電体共振器のみならず、マイクロ波用の回路基
板、磁器積層コンデンサなどにも利用でき、工業的価値
が大きいものである。
【0026】なお、請求の範囲以外の元素、特にBa、
Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Si、Al、M
g、Bi、GeおよびSb等、からなる酸化物の含有も
誘電特性に悪い影響を与えない範囲であればかまわな
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】(Pb1-xCax)1+a(Fe1/2Nb1/2)O3+a系の(Fe1/2Nb
1/2)をTiあるいは(Fe2/3W1/3)で置換した際の、共振周
波数の温度係数と比誘電率の関係の変化を示した図
【図2】請求項2および3記載のxおよびyの請求の範
囲を斜線部分(ただし、直線ABの境界部は含まない)
で示した図
【図3】請求項6記載のxおよびyの請求の範囲を斜線
部分(ただし、直線ADの境界部は含まない)で示した
【図4】(Pb1ーxCax)(Fe1/2Nb1/2)O3系のxを変化させた
ときの、共振周波数の温度係数と比誘電率の関係を示し
た図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 純一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 西本 恵司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 亀山 一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−87700(JP,A) 特開 平4−115408(JP,A) 特開 昭61−128404(JP,A) 日本セラミックス協会「セラミックス 27(1992)No8」(1992.8.1)P 728−733

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化鉛、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化
    ニオブおよび酸化チタンよりなる組成物を、組成式、 (Pb1-xCax1+a{(Fe1/2Nb1/21-yTiy
    3+a と表したとき、xおよびyが下記の四角形A、B、C、
    およびDに囲まれた領域内(ただし、y=0は含まな
    い)にあり、 A:(x,y)=(0.43,0.0) B:(x,y)=(0.63,0.0) C:(x,y)=(0.74,0.25) D:(x,y)=(0.57,0.25) かつaが、 0.0 ≦a≦0.08 の範囲にあることを特徴とするマイクロ波領域で使用さ
    れる誘電体磁器組成物。
  2. 【請求項2】 酸化鉛、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化
    ニオブ、酸化チタン、および酸化ストロンチウムよりな
    る組成物を、組成式、 {(Pb1-xCax1 zSrz1+a{(Fe1/2
    1/21-yTiy}O3+a と表したとき、xおよびyが下記の四角形A、B、C、
    およびDに囲まれた領域内(ただし、y=0は含まな
    い)にあり、 A:(x,y)=(0.43,0.0) B:(x,y)=(0.63,0.0) C:(x,y)=(0.74,0.25) D:(x,y)=(0.57,0.25) かつ、aおよびzが、 0.0 ≦a≦0.08 0.0 <z≦0.4 の範囲にあることを特徴とするマイクロ波領域で使用さ
    れる誘電体磁器組成物。
  3. 【請求項3】 Nbの一部あるいはすべてをTaで置換
    したことを特徴とする請求項1あるいは2記載のマイク
    ロ波領域で使用される誘電体磁器組成物。
  4. 【請求項4】 酸化鉛、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化
    ニオブ、および酸化タングステンよりなる組成物を、組
    成式、 (Pb1-xCax1+a{(Fe1/2Nb1/21-z(Fe
    2/31/3z}O3+a と表したとき、x、z、およびaが、 0.43 <x≦0.63 0.0 <z≦0.5 0.0 ≦a≦0.08 の範囲にあることを特徴とするマイクロ波領域で使用さ
    れる誘電体磁器組成物。
  5. 【請求項5】 酸化鉛、酸化カルシウム、酸化ストロン
    チウム、酸化鉄、酸化ニオブ、および酸化タングステン
    よりなる組成物を、組成式、 (Pb1-x-yCaxSry)1+a{(Fe1/2Nb1/2)1-z(Fe2/3W1/3)z}O
    3+a と表したとき、zおよびaが、 0.0 <z≦0.7 0.0 ≦a≦0.08 の範囲にあり、xおよびyが下記の四角形A、B、C、
    およびDに囲まれた領域内(ただし、y=0は含まな
    い)にあることを特徴とするマイクロ波領域で使用され
    誘電体磁器組成物。 A:(x,y)=(0.43,0.0 ) B:(x,y)=(0.3 ,0.13) C:(x,y)=(0.3 ,0.4 ) D:(x,y)=(0.7 ,0.0 )
  6. 【請求項6】 Nbの一部あるいはすべてをTaで置換
    したことを特徴とする請求項4あるいは5記載のマイク
    ロ波領域で使用される誘電体磁器組成物。
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