JP3598596B2

JP3598596B2 - マイクロ波用磁性体の製造方法、およびこれにより得られる磁性体を用いた高周波回路部品

Info

Publication number: JP3598596B2
Application number: JP19167895A
Authority: JP
Inventors: 利文佐藤; 修井上; 裕高古川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2015-07-27
Also published as: JPH0945518A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波回路部品用に使用される、マイクロ波用磁性体の製造方法、およびこれにより得られる磁性体を用いて作製した高周波用回路部品である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、衛星通信や移動体通信の市場拡大に見られるように、情報・通信分野の高速・高密度化が進展し、使用周波数の高周波数化が進んでいる。このような高周波で使用される磁性体として、電気抵抗率が高く、高周波における損失が小さい、ガーネット系磁性体が注目されている。また、高周波信号処理用として、磁性体のジャイロ磁気効果を利用した、サーキュレータ、アイソレータ、ジャイレータ等の非可逆回路素子があり、この場合にも主にガーネット系磁性体が利用されている。
【０００３】
非可逆回路素子の代表として、サーキュレータを取り上げると、一般的な分布定数型Ｙストリップラインタイプのものでは、ストリップラインの上下にガーネット円盤を配し、これを上下より永久磁石ではさむ構造となっている。この時の最小挿入損失を与える磁性体円盤の直径ｄは、次式で与えられる。
ｄ＝ａ／（ｆ・（μ’・ε’）^０．５）
ここでａは定数、ｆは周波数、μ’ は比透磁率の実数成分、ε’ は比誘電率の実数成分である。従って、磁性体のμ’ が高いほど磁性体円盤の直径が小さくなり、サーキュレータを小型化できる。この場合のμ’ は、強磁性共鳴による順方向透磁率μ＋’であり、外部直流磁場の強さに依存する。強磁性共鳴直下となる外部磁場下でμ＋’は最大となるが、損失成分μ” も大きくなり、挿入損失が大きくなるため、通常は共鳴点よりもやや大きい外部磁場をかけ、μ” があまり大きくない状態で用いるのが一般的である。同じμ” となる外部直流磁場下で用いる場合、材料の磁気共鳴半値幅ΔＨが小さいほど、μ＋’が大きくなり、小型化が可能となる。こうした事情は、より小型の集中定数型でも、またアイソレーターでも同様である。
【０００４】
一方、ガーネット系磁性体材料は、通常単結晶薄膜か、あるいは多結晶焼結体として利用されている。単結晶の作製は、引き上げ法で作製されるＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）単結晶を基板として、ＬＰＥ（ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法で９００℃程度の温度で薄膜として作製されるのが一般的である。この方法で作製された試料は、磁気共鳴半値幅ΔＨが小さいが、アイソレータ等で使用されるような厚みのある試料の作製には時間がかかりすぎ、また高価な点が欠点である。一方、多結晶は、通常のセラミックス焼結体として作製されるため、ΔＨは単結晶より一桁以上大きいものの、任意のサイズの試料が容易に作製でき、かつ単結晶に比べてはるかに安価であり、サーキュレータやアイソレータ用としては、この多結晶焼結体が用いられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的なＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）や、その飽和磁束密度や温度特性を調整するために、ＹをＧｄ等で、またＦｅをＡｌやＧａ等で置換したものでは、焼成温度が１４００℃以上の高温になり、特殊な炉が必要となり、また、省エネルギーの面からも問題があった。
【０００６】
また前述したサーキュレータの構造において容易に推測されるように、ストリップラインに電流を流す事によって生じる磁束が、磁性体とその隙間を交互に通り、開磁路構成となる。このためみかけの透磁率は、空隙部分（μ’ ＝１）の影響を受け、磁性体本来の透磁率より低下してしまうという欠点があった。この欠点を防ぐためには閉磁路構成とする必要があり、導体を磁性体に埋め込んで、同時に焼成する方法も考案されている（信学技報、ＭＷ９４−１４、Ｐ１７（１９９４））。しかしながらこの方法では、ガーネットの焼成温度が１４００℃と高いため、内部電極として融点の高いパラジウム等を用いる必要があり、パラジウムが高価でかつ比較的電気抵抗率が高いため、高コスト・低Ｑとなるといった問題点があった。
【０００７】
また高周波インダクタとして使用する場合にも、小型で高いインダクタンス値を得るためには、電極材料を内蔵して閉磁路構成とする必要があるが（工業調査会刊、「マイクロ磁気デバイスのすべて」Ｐ１７６−１７７）、サーキュレーターと同様の理由から、高コスト・低Ｑとなるといった問題点があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、低温で焼成可能な多結晶セラミックス磁性体材料及びこれを用いた高周波回路部品を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決する本発明に係る多結晶セラミックス磁性体材料の製造方法は、主成分として、Ａ _3-x Ｂｉ _x Ｂ ₅ Ｏ ₁₂ （Ａは、少なくともイットリウム（Ｙ）または希土類金属元素の１種類以上を含み、Ｂは、少なくとも鉄（Ｆｅ）を含み、ｘは、０．５≦ｘ≦１．５）で表されるガーネット型構造を有する相を含み、副成分として、前記主成分を１００重量部として、バナジウム（Ｖ）をＶ₂Ｏ₅の重量部に換算して０．０２≦Ｖ₂Ｏ₅≦１、銅（Ｃｕ）をＣｕＯの重量部に換算して０．０２≦ＣｕＯ≦１、モリブデン（Ｍｏ）をＭｏＯ₃の重量部に換算して０．０２≦ＭｏＯ₃≦１、タングステン（Ｗ）をＷＯ₃の重量部に換算して０．０２≦ＷＯ₃≦１の１種類以上を含む粉末を成形した後、９０％以上の相対密度が得られる最低焼成温度以上、１１００℃以下の温度で焼結することを特徴とする。また、本発明のマイクロ波用磁性体は上記製造方法により得られる。また、本発明の高周波回路部品は、前記磁性体と、前記磁性体中に埋め込まれた導体とで閉磁路を形成したことを特徴とする高周波回路部品である。また本発明の高周波回路部品は高周波用非可逆回路素子である。この素子においては、磁性体中の導体としては、銀（Ａｇ）を主成分とする事が望ましい。
【００１０】
【作用】
本発明では、Ｆｅを含むガーネットに、少なくともＶ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｂの１種類以上を添加する事により、従来よりもはるかに低い温度で焼成可能なセラミックス磁性体材料が得られる。また、Ｆｅを含むガーネットの成分の一部をＢｉと置換し、さらに少なくともＶ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｂの１種類以上を添加する事により、ＡｇあるいはＣｕの融点以下の温度で焼成可能な、セラミックス磁性体材料が得られる。この材料を用いて、閉磁路構成となるように、磁性体中に導体を埋め込むと、小型のインダクタ素子あるいは非可逆回路素子が得られる。
【００１１】
本発明の材料を用いた素子では、磁性体が低温焼成可能であるため、導体としてＡｇを主成分とする事ができ、小型で高Ｑのインダクタ、あるいは挿入損失が小さいサーキュレーターやアイソレーター素子とする事ができる。
【００１２】
【実施例】
以下、ガーネットの代表として主にＹＩＧを例として説明するが、本発明はこれに拘束される物ではなく、ガーネット材料でよく行われるように、その飽和磁束密度や温度特性を調整するために、ＦｅをＡｌやＧａで置換したものや、ＹをＧｄで置換したものでも、全く同様の効果が認められた。また高周波部品の代表として、非可逆回路素子のＹストリップライン型アイソレーターを例として説明するが、本発明はこれに拘束される物ではなく、他のタイプの高周波回路部品においても、全く同様の効果が得られる物である。
【００１３】
（実施例１）
出発原料として、純度９９．９％のＹ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、α―Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＣｕＯ粉末を用いた。これらの粉末を、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃のｍｏｌ比が（Ｙ₂Ｏ₃＋Ｂｉ₂Ｏ₃）：Ｆｅ₂Ｏ₃＝３：５となり、Ｂｉ置換量が（表１、２）の値となり、合計重量が３００ｇとなるように配合し、この３００ｇを１００重量部として、添加物としてＶ₂Ｏ₅を（表１）の割合で、ＣｕＯを（表２）の割合で添加し、ボールミルにて混合し、９００℃で各２時間仮焼した後、再度ボールミルで粉砕した。この仮焼粉末を成形後、５０℃きざみの所定の各温度で３時間焼成した。得られた試料の相対密度を測定し、９０％以上の相対密度が得られる最低焼成温度をもとめた結果を（表１）および（表２）に示した。また、焼結体を粉砕し、Ｘ線回折により生成相を同定した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
（表１、２）より明らかなように、本発明の磁性体では、Ｖ₂Ｏ₅、ＣｕＯを添加することにより、Ｘの値に関係なく、はるかに低温で緻密化した。特にＸ＝０．７以上では、Ｖ₂Ｏ₅またはＣｕＯ添加０．０２重量部以上で、９００℃以下の焼成で９０％以上の密度の試料が得られた。しかしながら、Ｂｉ置換量が２．０以上か、あるいは添加物量が２．０重量部ではガーネット単相とはならず、第２相が出現した。なお、添加物は仮焼後に添加しても同様の効果が得られた。
【００１７】
（実施例２）
出発原料として、純度９９．９％のＹ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、α―Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＣｕＯ、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃、ＰｂＯ粉末を用いた。これらの粉末を、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃のｍｏｌ比が（Ｙ₂Ｏ₃＋Ｂｉ₂Ｏ₃）：Ｆｅ₂Ｏ₃＝３：５となり、Ｙ₂Ｏ₃とＢｉ₂Ｏ₃のｍｏｌ比がＹ：Ｂｉ＝３：０（表３）、Ｙ：Ｂｉ＝２．５：０．５（表４）、Ｙ：Ｂｉ＝２．３：０．７（表５）、Ｙ：Ｂｉ＝２：１（表６）の値となり、合計重量が３００ｇとなるように配合し、この３００ｇを１００重量部として、添加物としてＶ₂Ｏ₅、ＣｕＯ、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃、ＰｂＯを（表３〜６）の割合で添加し、ボールミルにて混合し、（表３〜６）に示した温度で各２時間仮焼した後、再度ボールミルで粉砕した。この仮焼粉末を成形後、５０℃きざみの所定の各温度で３時間焼成した。得られた試料の相対密度を測定し、９０％以上の相対密度が得られる最低焼成温度をもとめた結果を（表３〜６）に示した。また、焼結体を粉砕し、Ｘ線回折により生成相を同定した。
【００１８】
【表３】

【００１９】
【表４】

【００２０】
【表５】

【００２１】
【表６】

【００２２】
（表３〜６）より明らかなように、本発明の磁性体では、Ｖ₂Ｏ₅、ＣｕＯ、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃、ＰｂＯのいずれかを添加することにより、Ｂｉ置換していないものでも、低温で緻密化した。また、Ｂｉ置換量が増加するにしたがい、より低温で緻密化した。特にＹ／Ｂｉ≦２．３／０．７では、Ｖ₂Ｏ₅添加で０．０２重量部以上、ＣｕＯ添加で０．０２重量部以上、ＭｏＯ₃添加で０．１重量部以上、ＷＯ₃添加で０．２重量部以上で、９００℃以下の焼成で９０％以上の密度の試料が得られた。さらに、Ｙ／Ｂｉ≦２／１では、Ｖ₂Ｏ₅添加で０．０２重量部以上、ＣｕＯ添加で０．０２重量部以上、ＭｏＯ₃添加で０．０５重量部以上、ＷＯ₃添加で０．０５重量部以上、ＰｂＯ添加で０．１重量部以上で、９００℃以下の焼成で９０％以上の密度の試料が得られた。しかしながら、添加物量が２．０重量部以上ではガーネット単相とはならず、第２相が出現した。また、添加物としてＶ₂Ｏ₅、ＣｕＯ、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃、ＰｂＯ、それぞれ低温焼成での緻密化に効果があるが、特にＶ₂Ｏ₅、ＣｕＯ添加が効果的であった。なお、添加物は仮焼後に添加しても同様の効果が得られた。
【００２３】
（実施例３）
出発原料として、純度９９．９％のＹ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、α―Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅粉末を用いた。これらの粉末を、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃のｍｏｌ比が（Ｙ₂Ｏ₃＋Ｂｉ₂Ｏ₃）：Ｆｅ₂Ｏ₃＝３：５となり、Ｙ₂Ｏ₃とＢｉ₂Ｏ₃のｍｏｌ比がＹ／Ｂｉ＝２／１の値となり、合計重量が３００ｇとなるように配合し、この３００ｇを１００重量部として、添加物としてＶ₂Ｏ₅を０．１重量部の割合で添加し、ボールミルにて混合し、９００℃で２時間仮焼した後、再度ボールミルで粉砕した。この仮焼粉末を成形後、９００℃で３時間焼成し、外形２５ｍｍφ、厚さ１．５ｍｍのガーネット円板状試料を得た。この円板状試料をＹ形状のストリップラインの上下に置き、さらに上下からＳｒフェライト円板ではさみ、磁性金属ケースに納め、ストリップラインの一つの端部にターミネータ用抵抗を接続して、分布定数型Ｙストリップラインアイソレータを構成した。得られたアイソレータの１ＧＨｚでの正方向挿入損失を測定した結果、０．３５ｄＢであった。
【００２４】
本発明の磁性体では、Ｖ_２Ｏ_５を添加することにより、従来よりもはるかに低温で緻密化し、特に、９００℃以下でも焼結可能であり、挿入損失０．５ｄＢ以下で、アイソレーターとして使用可能であった。
【００２５】
（実施例４）
実施例１と同様の方法で、Ｙ₂Ｏ₃：Ｂｉ₂Ｏ₃：Ｆｅ₂Ｏ₃＝２：１：５のｍｏｌ比となり、合計重量が３００ｇとなるように配合し、この３００ｇを１００重量部として、添加物としてＣｕＯを０．１重量部添加し、ボールミルにて混合し、８５０℃にて５時間仮焼した後、再度ボールミルで粉砕した。この仮焼粉末に有機バインダを混合し、リバース・ロールコータ方式により均一なグリーンシートを形成した後、上記グリーンシートを円形に切断した。他方、Ａｇにエチルセルロース系ビビクルを混合してなる導伝ペーストを用意し、先のグリーンシート上にストリップラインとして印刷した。同じ物を３枚用意し、ストリップラインがお互いに１２０度の角度で交わるように重ね、その上にさらに１枚のグリーンシートを重ねて、厚み方向に圧力を加えて圧着し、磁性体４層に導体が３層サンドイッチされたグリーンシート積層体を作製した。これを９００℃で３ｈｒ焼成して閉磁路構成をとるようにし、その焼結体の側面の内部導体の位置６ヶ所にＡｇペーストを塗布し、７００℃で１０分間焼き付ける事により外部電極を形成した。この積層体の６ヶ所の電極のうち、互いに１２０度離れた３ヶ所を接地し、他の３ヶ所の内、１ヶ所は、整合抵抗を介して接地してターミネートし、他の２ヶ所に端子と適当な負荷容量を設け、さらに上下より磁石円盤ではさみ、磁性金属ケースにおさめて、１．９ＧＨｚ用集中定数型アイソレータを作製した。
【００２６】
また、同様の方法で、（表７）に示すガーネット組成と電極材料を用いた集中定数型アイソレーターを作製した。さらに比較のため、従来どうりの、磁性体と電極を別々に配した、開磁路構成集中定数型アイソレーターも作製した。なお、磁性体サイズは、どちらも同じとした。得られたアイソレーターのアイソレーション比帯域（２０ｄＢ以上のアイソレーションが得られる周波数帯域幅／最大アイソレーション周波数）と挿入損失を測定した。結果を（表７）に示した。
【００２７】
【表７】

【００２８】
（表７）より明らかなように、閉磁路構成では、比帯域が広くなった。本発明のＶ_２Ｏ_５あるいはＣｕＯ、とＢｉを含む磁性体では、９００℃で焼成可能であるため、Ａｇを内部電極として同時焼成／閉磁路構成とする事が可能であり、その結果、広い比帯域、低い挿入損失が得られた。Ｂｉを含んでいても、Ｖ_２Ｏ_５あるいはＣｕＯを含まなかったり、あるいは電極材料として、Ａｇ以外の、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ、ＲｕＯ_２等を利用した場合は、挿入損失が若干大きくなった。これは、Ｖ_２Ｏ_５あるいはＣｕＯを含まない場合には、９００℃焼成では、焼結体の緻密化が充分ではないために損失が大きく、また、Ａｇ以外の電極は、抵抗率が大きいためと考えられる。
【００２９】
一方、Ｖ_２Ｏ_５あるいはＣｕＯ、とＢｉを含まない通常のＹＩＧの場合、Ａｇ内部電極同時焼成／閉磁路構成では、アイソレーターとならなかった。これは、温度が低いとＹＩＧがほとんど緻密化せず、一方温度が高くなると、ＹＩＧは緻密化するが、Ａｇの融点を大幅に越えるために、電極が切れてしまったためと考えられる。この場合、Ｐｄを内部電極として１４００℃で焼成すれば、かなり良好な特性のものが得られるが、Ｐｄが高価、高温焼成が必要、若干挿入損失が大といった欠点があった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明は、低温で焼成可能なマイクロ波用ガーネットフェライト焼結体である。また、これを用いた高周波回路部品である。本発明により、高周波用ガーネットが容易に製造可能となり、また、９００℃以下で焼成可能である場合には、電極材料や、例えば誘電体材料等とも同時焼成が可能で、より高性能・小型の高周波回路部品が得られる。

Claims

主成分として、Ａ _3-x Ｂｉ _x Ｂ ₅ Ｏ ₁₂ （Ａは、少なくともイットリウム（Ｙ）または希土類金属元素の１種類以上を含み、Ｂは、少なくとも鉄（Ｆｅ）を含み、ｘは、０．５≦ｘ≦１．５）で表されるガーネット型構造を有する相を含み、副成分として、前記主成分を１００重量部として、バナジウム（Ｖ）をＶ₂Ｏ₅の重量部に換算して０．０２≦Ｖ₂Ｏ₅≦１、銅（Ｃｕ）をＣｕＯの重量部に換算して０．０２≦ＣｕＯ≦１、モリブデン（Ｍｏ）をＭｏＯ₃の重量部に換算して０．０２≦ＭｏＯ₃≦１、タングステン（Ｗ）をＷＯ₃の重量部に換算して０．０２≦ＷＯ₃≦１の１種類以上を含む粉末を成形した後、９０％以上の相対密度が得られる最低焼成温度以上、１１００℃以下の温度で焼結することを特徴とするマイクロ波用磁性体の製造方法。
請求項１に記載のマイクロ波用磁性体の製造方法により得られるマイクロ波用磁性体。
請求項２に記載の磁性体と、前記磁性体中に埋め込まれた導体とで閉磁路を形成したことを特徴とする高周波回路部品。
高周波回路部品が高周波用非可逆回路素子である請求項３記載の高周波回路部品。
磁性体中の導体が、銀（Ａｇ）を主成分とする事を特徴とする請求項３記載の高周波回路部品。