JP3351600B2 - マイクロ波誘電体磁器組成物及びその製造方法 - Google Patents

マイクロ波誘電体磁器組成物及びその製造方法

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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、共振周波数の温度係
数(以下、単にτf という。)を実用的な特性範囲で維
持しつつ、高い無負荷Q(以下、単にQuという。)及
び比誘電率(以下、単にεr という。)を備えるマイク
ロ波誘電体磁器組成物、並びにそれを比較的低温で焼成
して製造する方法に関する。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、LCフィルタ等
に利用される。
【0002】
【従来の技術】一般にマイクロ波やミリ波等の高周波領
域に使用される誘電体共振器や誘電体基板には、高いQ
u及び高いεr を有し、しかも共振周波数の温度係数の
絶対値が小さいものが望まれている。つまり、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、マイクロ波領域でQuの
大きな誘電体磁器組成物が望まれている。近年、このよ
うな誘電体磁器組成物として、Ba(Zn1/3
2/3 )O3 やBa(Mg1/3 Ta2/3 )O3 等の複合
ペロブスカイト型構造に属する組成物或いはBaO−T
iO2 系組成物等が使用されているが、いずれも焼成温
度が1300℃以上と高いものである。
【0003】このように焼成温度が高いと焼成時の電力
消費量が多くなり、生産コストや生産効率の面で不利益
を生じる等の欠点があった。また、ストリップ線路フィ
ルタ、LCフィルタ等のように導体と同時焼結する場合
には焼成温度ができるだけ低い方が有利である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記欠点を
克服するものであり、Bi2 3 −Nb2 5 系組成物
に所定量のB2 3 を添加含有することにより、τf
実用的な特性範囲に維持しつつ、高いQu及びεrを備
えることができるマイクロ波誘電体磁器組成物及びそれ
を比較的低温で焼成して製造する方法を提供することを
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Bi2 3
−Nb2 5 系組成物において、τf を実用的な特性範
囲に維持しつつ高いQu及びεrを備え、且つ低温で焼
成して製造できる組成について種々検討した結果、B2
3 を添加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。即ち、
本第1発明の誘電体磁器組成物は、xBi2 3 −(1
−x)Nb2 5 〔但し、0.45≦x≦0.55〕で
示される組成を主成分とし、これに上記xBi2 3
(1−x)Nb2 5 100重量部に対して5重量部以
下(0重量部を含まない。)のB2 3 が添加含有され
たことを特徴とする。
【0006】本第2発明の誘電体磁器組成物の製造方法
は、xBi2 3 −(1−x)Nb2 5 〔但し、0.
45≦x≦0.55〕で示される組成を主成分とし、こ
れに上記xBi2 3 −(1−x)Nb2 5 100重
量部に対して5重量部以下(0重量部を含まない。以
下、この場合を重量%という。)のB2 3 が添加含有
された組成になるように酸化ビスマス(III )粉末、酸
化ニオブ(V)粉末及び酸化ほう素(III )粉末を混合
し、その後、仮焼し仮焼粉末を製造し、該仮焼粉末を粉
砕し、所定形状に成形し、次いで、860〜950℃に
て焼成することを特徴とする。
【0007】上記xを0.45〜0.55とした理由は
以下の通りである。即ち、xが0.45未満又は0.5
5を越えた場合、Quが小さくなり(例えばQuが10
0未満)、しかも0.55を越える場合はτf が負の方
向に小さくなりすぎる(例えば表1において−50pp
m/℃未満)ため、好ましくないからである。尚、xが
0.49でQu値がピークを示し、この場合は大変バラ
ンスの良い優れた性能を示す。
【0008】上記発明において、B2 3 の添加割合を
上記5重量%以下(0重量%は含まない。)とする理由
は以下の通りである。即ち、これが無添加の場合には、
Quが160と100よりも大きく、εrも34.4と
大きく、τfも−2.0ppm/℃と0に近いので、バ
ランスのとれた優れた物性を示すものの、焼成温度を1
025℃という高い温度にしないと優れた焼結体が得ら
れにくい。更に、B23 を添加することにより焼成温
度を一層低くできるものの、5重量%を越える場合では
Quが小さくなり(例えば表1において5重量%にて1
10、6重量%にて50未満)、εrも小さくなり(例
えば表1において5重量%にて15.5、6重量%にて
14.0)、τf も著しく小さくなる(例えば表1にお
いて5重量%にて−155ppm/℃、6重量%にて−
173ppm/℃)。特に、2重量%以下では、Quが
261〜1210、εrが20.5〜35.2及びτf
が−94.0ppm/℃以上且つ−2.0ppm/℃未
満となり、優れたバランス性能を示す。尚、この添加割
合が0.6重量%でQu値がピークを示し、この場合は
大変バランスの良い優れた性能を示す。
【0009】焼成温度を860〜950℃の範囲とした
理由は以下の通りである。即ち、この範囲を外れると、
Quが小さく(例えば表1において780未満若しくは
873未満である。尚この値でも十分に実用的な値であ
る。)、τfも負の方向に大きくなりすぎる(例えば−
54ppm/℃未満若しくは−60ppm/℃未満)。
特に、850℃以下ではεrが著しく小さくなる(例え
ば表1において18.3以下)。一方、xを0.5とし
且つB2 3 添加量を0.6重量%とする場合におい
て、焼成温度を860〜950℃とした場合、Quが、
925℃の場合をピークとして、約780〜1120と
大きな値を示す。
【0010】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。Bi2 3 粉末(純度;98.9%)、Nb2 5
粉末(純度;99.9%)及びB2 3 粉末(純度;9
9.9%)を出発原料として、表1に示すように、xB
2 3 −(1−x)Nb2 5 のx及びB2 3 添加
量(y重量%)が各々変化した組成になるように、所定
量(いずれも全量として約600g)を秤量、混合し
た。
【0011】
【表1】
【0012】その後、振動ミルによる一次粉砕(3時
間)を施した後、大気雰囲気中にて600〜800℃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(300g)を加え、2
0mmφ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0.4Torr、凍
結温度;−40℃、乾燥温度;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1トン
/cm2 のプレス圧で19mmφ×10mmt(高さ)
の円柱状に成形した。
【0013】次に、この成形体を大気中、500℃、3
時間にて脱脂し、その後、表1に示す各温度で、2時間
焼成して焼結体を得た。最後にこの焼結体の両端面を約
16mmφ×8mmt(高さ)の円柱状に研磨し、更に
水系洗浄剤(「エリーズK−2000」、旭化成社製)
5部と水100部とを混合した希釈液にて60分洗浄
し、20時間乾燥させた後、誘電体試料(表1のNo.
1〜27)とした。尚、上記仮焼工程における昇温速度
は200℃/h及び降温速度は−200℃/h、この脱
脂工程における昇温速度は50℃/h、焼成工程におけ
る昇温速度は100℃/h及び降温速度は−100℃/
hであった。
【0014】そして、上記各試料につき、平行導体板型
誘電体円柱共振器法(TE011 MODE)等により、Q
u、εr 及びτfを測定した。尚、共振周波数は4.4
〜5.6GHzである。また、τf は23〜80℃の温
度領域で測定し、τf =(f80−f23)/(f23×Δ
T)、ΔT=80−23=57℃にて算出した。これら
の結果を表1及び図1〜9に示す。図1〜3はxと各物
性との関係を示すグラフ、図4〜6はB2 3 添加割合
(y重量%)と各物性との関係を示すグラフ、図7〜9
は焼成温度と各物性との関係を示すグラフである。
【0015】これらの結果によれば、xが0.43(表
1のNo.12及び図1)では、Quが63と著しく小
さく、xが0.57(No.21)でもQuが50未満
と著しく小さい。また、xが0.57ではεrが28.
0と小さいとともにτfも−53.2ppm/℃と小さ
い。一方、xが0.45〜0.55の場合(No.13
〜20)、Quが130〜998(x=0.49の時に
ピークを示す。)、εrが30.5〜35.4及びτf
が−50.0〜−26.0ppm/℃となり、バランス
のとれた性能を示す。特に、xが0.48〜0.52の
場合(No.15〜18)、Quが570〜998、ε
rが31.8〜33.8及びτf が−43.5〜−3
7.2ppm/℃となり、特に優れた性能を示す。
【0016】また、B2 3 が無添加では、焼成温度を
1025℃とした場合(No.1)、略十分な焼結体を
示し、τfは−2.0ppm/℃と0に近い優れた値を
示し、Quは160と100を越え、εrも34.4と
大きいものの、900℃にて焼成したものは十分に焼結
せず、誘電特性を示さなかった。一方、B2 3 添加量
が5重量%では(No.10及び図4)、Quが110
(100を越えているものの比較的小さい。)及びεr
が15.5と小さい傾向にあり、特にτf が−155p
pm/℃と著しく小さい。特に、6重量%の添加では
(No.11)、Quが50未満、τf が−173pp
m/℃と著しく小さい。
【0017】一方、B2 3 添加量が5重量%以下の場
合(No.2〜10及び図4〜6)、Quが110〜1
210、εrが15.5〜35.2及びτf が−155
〜約−2.0ppm/℃となり、バランスのとれた性能
を示す。特に、これが0.6重量%の時(No.6)に
Quがピーク(1210)を示し、極めて優れたバラン
ス性能を示し、0.3〜0.8重量%の場合(表1及び
図4〜6)は、Quが約690〜1210、εrが約2
9.6〜35.2及びτf が−60.1〜約−34.8
ppm/℃となり、特に優れた性能を示す。尚、各図か
ら読み取ると、これが0.1重量%の場合は、Quが約
263、εrが約34.6及びτf が−18.9ppm
/℃となり、0.05重量%の場合は、Quが約21
1、εrが約34.5及びτf が−10.5ppm/℃
となり、いずれも十分に実用的な性能を示す。
【0018】更に、焼成温度が850℃の場合(No.
22)は、Quが572及びεrが18.3と小さく、
τf も−60.0ppm/℃と小さい。一方、この温度
が975℃(No.26)、1000℃の場合(No.
27)は、各々、Quが625、580と小さく、τf
も−60.3ppm/℃、−76.8ppm/℃と著し
く小さい。一方、これが860〜950℃の場合(N
o.23〜25及び図7〜9)は、Quが約785〜1
120、εrが約23.7〜34.3及びτf が約−5
4.1〜−44.0ppm/℃となり、特に優れた性能
を示す。尚、これが925℃の場合(No.24)、Q
uがピークを示し(1120)、焼成温度が900〜9
25℃の場合は、Quが1120〜1210、εrが3
4.3〜35.0及びτf が−44.0〜−38.2p
pm/℃となり、特に優れた性能を示す。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。
【0019】
【発明の効果】本発明の誘電体磁器組成物は、Bi2
3 −Nb2 5 系において、所定の組成比で且つ所定量
のB2 3 を添加することによって、τf を実用的な特
性範囲に維持しつつ、高いQu及びεr を備えることが
できる。また,本発明の製造方法によれば、有用な誘電
体磁器組成物を、860〜950℃という比較的低温で
焼成することにより製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】〔xBi2 3 −(1−x)Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式においてxとQuとの関係
を示すグラフである。
【図2】〔xBi2 3 −(1−x)Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式においてxとεrとの関係
を示すグラフである。
【図3】〔xBi2 3 −(1−x)Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式においてxとτfとの関係
を示すグラフである。
【図4】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +y重
量%B2 3 〕の組成式においてyとQuとの関係を示
すグラフである。
【図5】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +y重
量%B2 3 〕の組成式においてyとεrとの関係を示
すグラフである。
【図6】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +y重
量%B2 3 〕の組成式においてyとτfとの関係を示
すグラフである。
【図7】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式において焼成温度とQuと
の関係を示すグラフである。
【図8】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式において焼成温度とεrと
の関係を示すグラフである。
【図9】〔0.5Bi2 3 −0.5Nb2 5 +0.
6重量%B2 3 〕の組成式において焼成温度とτfと
の関係を示すグラフである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−165466(JP,A) 特開 平5−243828(JP,A) 特開 平5−74225(JP,A) 特開 平5−74224(JP,A) 特開 昭62−12002(JP,A) 特開 平5−85804(JP,A) 特開 平4−83751(JP,A) 特開 平3−141155(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/495 H01B 3/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 xBi2 3 −(1−x)Nb2
    5 〔但し、0.45≦x≦0.55〕で示される組成を
    主成分とし、これに上記xBi2 3 −(1−x)Nb
    2 5 100重量部に対して5重量部以下(0重量部を
    含まない。)のB2 3 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。
  2. 【請求項2】 xBi2 3 −(1−x)Nb2
    5 〔但し、0.45≦x≦0.55〕で示される組成を
    主成分とし、これに上記xBi2 3 −(1−x)Nb
    2 5 100重量部に対して5重量部以下(0重量部を
    含まない。)のB2 3 が添加含有された組成になるよ
    うに酸化ビスマス(III )粉末、酸化ニオブ(V)粉末
    及び酸化ほう素(III )粉末を混合し、その後、仮焼し
    仮焼粉末を製造し、該仮焼粉末を粉砕し、所定形状に成
    形し、次いで、860〜950℃にて焼成することを特
    徴とするマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法。
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