JP3179901B2 - マイクロ波誘電体磁器組成物 - Google Patents

マイクロ波誘電体磁器組成物

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宗臣 加藤
博文 尾関
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日本特殊陶業株式会社
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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、マイクロ波誘電体磁器
組成物に関し、更に詳しく言えば、無負荷Q(以下、単
にQuという。)を高い値で維持しつつ、共振周波数の
温度係数(以下、単にτfという。)をゼロに近づける
ことができ、更にCaTiO3 及びMnO2 の混合割合
を加減することによって、τfをゼロを中心としてプラ
ス側とマイナス側に任意に制御し得ることができるマイ
クロ波誘電体磁器組成物に関するものである。本発明
は、マイクロ波領域において誘電体共振器、マイクロ波
集積回路基板、各種マイクロ波回路のインピーダンス整
合等に利用される。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波誘電体磁器組成物(以下、単
に誘電体磁器組成物という。)は、使用周波数が高周波
となるに従って誘電損失が大きくなる傾向にあるので、
マイクロ周波数領域でQuの大きな誘電体磁器組成物が
望まれている。従来の誘電体磁器材料としては、結晶構
造がペロブスカイト相とイルメナイト相との2相を含む
誘電体磁器組成物(特開平2−129065号公報)、
MgTiO3 とTiO2 に所定量のCaTiO3 を含有
した誘電体磁器組成物(特開昭52−118599号公
報)等が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の誘電体
磁器組成物ではNd2 3 、La2 3 、PbO、Zn
O等の他成分が多く含まれる上、Quも必ずしも大きな
値とは言えない。後者の誘電体磁器組成物では、TiO
2 を必須成分として含み、CaTiO3 の混合量が3〜
10重量%の範囲においてはτfが+87〜−100p
pm/℃と大きく変化し、0付近の小さな値には調整が
困難等の問題があった。
【0004】本発明は、上記問題点を解決するものであ
り、CaTiO3 及びMnO2 の配合割合を加減するこ
とによって、εr 及びQuを実用的な特性範囲に維持し
つつ、τfをゼロに近づける又はゼロを中心としてプラ
ス側とマイナス側の所望の値に任意に且つ安定して制御
し得ることができる誘電体磁器組成物を提供することを
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、誘電体磁
器組成物において、高いQuを維持しつつ、τfをゼロ
に近づけることができ、且つ焼成温度を変えても安定し
た品質を備える組成について種々検討した結果、CaT
iO3 及びMnO2 の混合(構成)割合を加減すること
によりこの欠点が解消されることを見出して、本発明を
完成するに至ったのである。
【0006】即ち、本発明の誘電体磁器組成物は、xM
gTiO3 ・(1−x)CaTiO3 〔但し、0.93
≦x≦0.95〕で示される組成を主成分とし、これに
上記xMgTiO3 ・(1−x)CaTiO3 100重
量部に対して0.1〜6重量部のMnO2 を添加含有さ
せたことを特徴とする。上記xが0.93より小さい
と、τfが大きな正の値をとるとともに、Quが小さく
なり、逆に0.95を越えるとτfが大きな負の値をと
り、好ましくないからである。また、特に、上記xが
0.94、MnO2 の添加量が3〜6重量%である場合
は、表2に示すように、1350〜1425℃にて焼成
したとき、Quが3080〜3890、τfが−2.6
0〜+1.78ppm/℃、εr が19.04〜20.
95であり、広い温度範囲にて焼成しても高品質なもの
を安定して確保できる。
【0007】尚、CaTiO3 の混合割合が多くなるほ
ど、τfは負の値から正の方向へ向かい(表1、図3、
7、11)、εr は大きくなり(表1、図2、6、1
0)、一方Quは小さくなる傾向にある(表1、図1、
5、9)。また、MnO2 を添加する場合、Quは小さ
くなる傾向にあり(図1)、εr (1375〜1425
℃の範囲内で)はあまり変わらず(図2)、τfは下が
る傾向にあり(図3、11)、焼結密度は上がる傾向に
ある(図4、12)。特に、CaTiO3 の混合割合
(1−x)が0.06の場合では、図3に示すようにM
nO2 添加量が3重量%前後で、焼成温度を1325〜
1425℃まで大きく変動させても、τfが0ppm/
℃前後となり、大変好ましい。更に、図1〜12及び表
2〜4に示すように、MnO2 の添加により、広い温度
範囲(特に、1375〜1425℃)にて焼成しても性
能が安定し且つ焼結密度の高い焼結体を製造できる。ま
た、CaTiO3 の混合割合(1−x)が0.05の場
合では、MnO2 添加量が0.1〜0.6の範囲でも、
τfは−10ppm/℃くらいと小さい。一方、CaT
iO3 の混合割合が0.07の場合では、MnO2 添加
量が3〜6重量%の範囲で、τfは+10ppm/℃く
らいと大きい。従って、CaTiO3の混合割合が0.
06前後で且つMnO2 の添加量が特に1〜6重量%
(そのうち特に3重量%前後)の場合は、更に一層、優
れた性能のバランス及び安定した焼結性の点で優れる。
以上より、CaTiO3 及びMnO2 の上記適正な混合
範囲において、これらの性能に優れ且つそのバランスの
とれたものとなるとともに、安定した品質のものとな
る。
【0008】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。MgO粉末(純度;99.4%)、CaOとしてC
aCO3 粉末(純度;99%)、TiO2 粉末(純度;
99.98%)、MnO2 粉末(純度;96%)を出発
原料として、表1〜4及び図1、図5に示すように、組
成式xMgTiO3・(1−x)CaTiO3 +y重量
%MnO2 〔xMgTiO3 ・(1−x)CaTiO3
100重量部に対してMnO2 y重量部を意味する。〕
の各xとyが変化した組成になるように、所定量(全量
として約500g)を秤量、混合した。尚、表1はCa
TiO3 の添加量(構成量)を変化させたもの、表2〜
4はMnO2 の添加量を変化させたものである。その
後、ミキサーで乾式による混合(20〜30分)及び一
次粉砕を施した後、大気雰囲気中にて1100℃の温度
で2時間仮焼した。次いで、この仮焼粉末に適量の有機
バインダー(29g)と水(300〜400g)を加
え、20mmφのアルミナボールで、90rpm、23
時間粉砕した。その後、真空凍結乾燥(約0.4Tor
r、40〜50℃、約20時間)により造粒し、この造
粒された原料を用いて1000kg/cm2 のプレス圧
で19mmφ×11mmt(厚さ)の円柱状に成形し
た。
【0009】
【表1】
【0010】
【表2】
【0011】
【表3】
【0012】
【表4】
【0013】次に、この成形体を大気中、500℃、3
時間にて脱脂し、その後、各図に示す1300〜142
5℃の範囲の各温度で、4時間焼成し、最後に両端面を
約16mmφ×8mmt(厚さ)の円柱状に研磨して、
誘電体試料(表2のNo.1〜18、表3のNo.1〜
20並びに表4のNo.1〜17)とした。そして、各
試料につき、平行導体板型誘電体円柱共振器法(TE
011 MODE)等により、比誘電率(以下、単にεr
いう。)、Qu及びτf(基準;20℃における共振周
波数、測定温度範囲;20℃〜80℃)、更に、焼結密
度をアルキメデス法により測定した。尚、共振周波数は
6GHzである。これらの結果を表2〜4及び図1〜1
2に示す。また、一例として、0.94MgTiO3
0.06CaTiO3 の場合のX線回折の結果を図13
(0.94MgTiO3・0.06CaTiO3 に対し
て0、3又は6重量%のMnO2 を含有、1350℃で
4時間焼成)に示す。
【0014】これらの結果によれば、xMgTiO3
(1−x)CaTiO3 の(1−x)が大きいとQu値
は小さくなる傾向にあるが、逆にτfとεr はプラス側
に大きくなる傾向がある。尚、焼結密度は、焼成温度が
高いほど大きくなる傾向にあるが、MnO2 の添加量が
増すと焼成温度を変えてもあまり変わらなくなる。ま
た、MnO2 の添加により、εr はあまり変わらないも
のの、Qu及びτfは小さくなる傾向にある。従って、
MnO2 の添加は、εr の性能を低下させずにτfの調
整に適する。また、表2に示すように、MnO2 を添加
しない場合は、焼成温度が低いとき(1325〜135
0℃)では焼結密度が小さく、十分な焼結性を確保する
ためには1375℃以上が必要である。一方、MnO2
を添加する(3〜6重量%)場合は、1350℃の焼成
温度ても十分な焼結性を示した。
【0015】また、焼成温度が1350〜1425℃及
びMnO2 の添加量が3重量%の場合において、(1−
x)が0.06〜0.07の範囲では、τfは+15.
0〜−2.60ppm/℃、εr は19.04〜21.
64、Quは3310〜3890と実用的な特性範囲を
示すため好ましい。特に(1−x)が0.06、MnO
2 の添加量が3重量%の場合は、例えば焼成温度が13
75℃の場合をとると、τfが−0.09ppm/℃、
εr が20.7、Quが3700であり、特に優れた性
能バランスを示すとともに、性能のバラツキが極めて少
ない。更に、τfに関して言えば、焼成温度に対する変
化率が低いため0ppm/℃付近の小さな値を調節し易
い。一方、CaTiO3 を含まない場合は、Qu値が大
きいものの、εr が小さく、しかもτfが−25〜−4
4ppm/℃とマイナス側に著しく小さなものとなり、
好ましくない。
【0016】また、図13に示すX線回折ピークの有無
による分析方法によれば、本発明品の構造は、MgTi
3 (○)とCaTiO3 (●)を含み、他のピークと
してはMg6 MnO8 (△)とMn3 4 (▽)があ
り、MgO、CaO、TiO2を含んでいないことを示
している。即ち、MnO2 添加量の増加に伴いMgTi
3 の相対ピーク強度が減少し、Mg6 MnO8 、Mn
3 4 等が増加する。Quの低下はMgTiO3 量の減
少が原因と考えられる。
【0017】更に、図示しないが、電子顕微鏡写真の結
果によれば、焼成温度の上昇とともに粒子径が大きくな
った(1300℃;2.7μm、1350℃;8.7μ
m、1400℃;9.2μm、いずれもIntercept 法に
より測定)。破断面はいずれも粒内破壊を示した。ED
S分析ではMg、Ti、Ca、Mnのみが検出された。
【0018】尚、本発明においては、前記具体的実施例
に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範
囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、
前記仮焼温度等の仮焼条件、焼成温度等の焼成条件等は
種々選択できる。また、CaOとなる原料も上記CaC
3 以外にも、過酸化物、水酸化物、硝酸塩等を用いる
こともできる。他の酸化物についても同様に、加熱によ
り酸化物となる他種化合物を用いることができる。
【0019】
【発明の効果】以上のように、本発明の誘電体磁器組成
物は、Qu及びεr を実用的な(高い)特性範囲に維持
しつつ、CaTiO3 及びMnO2 の配合割合を加減す
ることによって、τfをゼロに近づける又はゼロを中心
としてプラス側とマイナス側の所望の値に任意に制御し
得ることができるとともに、τfを0ppm/℃付近に
安定して調節できる。更に、MnO2 の添加により、広
い温度範囲内において焼成温度を種々変動させても、密
度が高く且つ高品質な焼結体を安定して製造できる。従
って、目的に応じて、CaTiO3 及びMnO2 の混合
割合を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】各焼成温度により焼成された〔0.94MgT
iO3 ・0.06CaTiO3+(0〜6)重量%Mn
2 〕磁器組成物において、MnO2 量とQuとの関係
を示すグラフである。
【図2】図1にて示す磁器組成物において、(0〜6重
量%)MnO2 量とεr との関係を示すグラフである。
【図3】図1にて示す磁器組成物において、(0〜6重
量%)MnO2 量とτfとの関係を示すグラフである。
【図4】図1にて示す磁器組成物において、(0〜6重
量%)MnO2 量と焼結密度との関係を示すグラフであ
る。
【図5】〔0.95MgTiO3 ・0.05CaTiO
3 +(0〜0.6)重量%MnO2 〕磁器組成物におい
て、焼成温度とQuとの関係を示すグラフである。
【図6】図5にて示す磁器組成物において、焼成温度と
εr との関係を示すグラフである。
【図7】図5にて示す磁器組成物において、焼成温度と
τfとの関係を示すグラフである。
【図8】図5にて示す磁器組成物において、焼成温度と
焼結密度との関係を示すグラフである。
【図9】〔0.93MgTiO3 ・0.07CaTiO
3 +(0〜6)重量%MnO2 〕磁器組成物において、
焼成温度とQuとの関係を示すグラフである。
【図10】図9にて示す磁器組成物において、焼成温度
とεr との関係を示すグラフである。
【図11】図9にて示す磁器組成物において、焼成温度
とτfとの関係を示すグラフである。
【図12】図9にて示す磁器組成物において、焼成温度
と焼結密度との関係を示すグラフである。
【図13】〔0.94MgTiO3 ・0.06CaTi
3 +0、3又は6重量%MnO2 〕磁器組成物のX線
回折結果を示すグラフである。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/42 - 35/49 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 xMgTiO3 ・(1−x)CaTiO
    3 〔但し、0.93≦x≦0.95〕で示される組成を
    主成分とし、これに上記xMgTiO3 ・(1−x)C
    aTiO3 100重量部に対して0.1〜6重量部のM
    nO2 が添加含有されたことを特徴とするマイクロ波誘
    電体磁器組成物。
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