JP3772912B2

JP3772912B2 - 誘電体磁器、誘電体基板および移相器

Info

Publication number: JP3772912B2
Application number: JP23278892A
Authority: JP
Inventors: 波誠治神; 木洋鷹
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JPH0656502A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体磁器などに関し、特にたとえば、高周波用部品などに適用される誘電体磁器などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、比誘電率εが位置の関数として変化する傾斜機能構造を有する誘電体磁器に、（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃で示される材料を用いると、Ｘの値を変えることによって、１７≦ε≦１７０の範囲の任意の比誘電率εを得ることができる。そのため、Ｘの値の異なる材料を複合化することによって、１７≦ε≦１７０の範囲で比誘電率εが変化する傾斜機能構造を有する誘電体磁器を容易に得ることができる。
【０００３】
図１４は従来の誘電体磁器を用いた誘電体基板にストリップライン電極を形成した状態を示す平面図である。この誘電体基板１は、図１４の点線で示された部分より内側の中央部分２と、点線で示された部分より外側の外側部分３とで構成される。誘電体基板１上には、ストリップ電極４が形成される。この誘電体基板１の中央部分２の比誘電率εは一定である。また、（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃のＸの値を変えることによって、外側部分３は、中央部分２から端部に向かうにしたがって、比誘電率εが１７≦ε≦１７０の範囲で小さくなる。
【０００４】
比誘電率εが大きくなると、ある特性インピーダンスを達成するのに必要なストリップライン幅は小さくなる。そのため、誘電体基板１上に特性インピーダンスがストリップライン上の全ての点で同じになるようなストリップ電極を形成する場合、図１４に示すように、その端部でストリップ電極４の寸法が大きくなる構造となる。したがって、ストリップ電極４の寸法が大きくなった導体部に、同軸ケーブルなどをボンディングすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の誘電体磁器では、Ｘの値によって変化するのは、比誘電率εだけではなく、比誘電率の温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）も、Ｘの値によって−１６２０≦τ≦７０の範囲で変化する。このように、比誘電率の温度変化率τが大きいと、比誘電率εの傾斜構造が温度によって変わってしまうので望ましくない。
【０００６】
また、（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃で示される材料では、比誘電率の温度変化率τが小さくなるのは、比誘電率ε＝２１付近だけである。すなわち、この材料を用いて、比誘電率εの傾斜構造を作った場合、温度による傾斜構造の変化は避けられない。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体磁器において、比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体磁器を提供することである。
この発明の他の目的は、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体基板において、比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体基板を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体基板において比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体基板を用いた移相器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる誘電体磁器は、比誘電率が位置の関数として連続的あるいは段階的に変化する傾斜機能構造を有する誘電体磁器において、比誘電率εが１０≦ε≦９０の範囲で変化する傾斜機能構造を有し、どの位置においても、比誘電率εの温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）が、−３０≦τ≦３０の範囲にある、誘電体磁器である。
この発明にかかる誘電体磁器は、たとえば、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｉ，ＺｎおよびＭｎの中から選ばれる少なくとも２種類以上の元素と酸素とから構成される。
この発明にかかる誘電体基板は、均一な組成からなる中央部分と、中央部分の両側に配置され、場所によって異なる組成からなる外側部分とが一体的に形成されてなる誘電体基板であって、外側部分は、中央部分から外側部分に向かうにしたがって、比誘電率εが１０≦ε≦９０の範囲で小さくなるように、組成が配分されているとともに、どの位置においても、比誘電率εの温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）が、−３０≦τ≦３０の範囲にある、誘電体基板である。
この発明にかかる誘電体基板は、たとえば、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｉ，ＺｎおよびＭｎの中から選ばれる少なくとも２種類以上の元素と酸素とから構成される。
この発明にかかる移相器は、この発明にかかる誘電体基板の一方主面に全面にアース電極を形成し、誘電体基板の中央部分と中央部分の両側に配置された外側部分とにまたがるように、誘電体基板の他方主面にストリップライン電極を形成してなる移相器であって、ストリップライン電極は、中央部分では一定の幅を有し、外側部分では、中央部分から外側部分にかけて特性インピーダンスが一定となるように次第に幅広となっている、移相器である。
【０００９】
【作用】
比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能構造を有する誘電体磁器および誘電体基板において、比誘電率の温度変化率を小さくすることによって、比誘電率の傾斜構造の変化が小さくなる。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体磁器において、比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体磁器を得ることができる。この誘電体磁器を電子部品に適用することによって、温度による特性変化が非常に小さい電子部品を得ることができる。
また、この発明によれば、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体基板において、比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体基板を得ることができる。
さらに、この発明によれば、比誘電率が位置の関数として変化する傾斜機能材料を用いた誘電体基板において比誘電率の傾斜構造の変化が小さい誘電体基板を用いた移相器を得ることができる。
また、この発明にかかる移相器では、周囲の温度変化に対して、位相変化量の誤差が小さく、伝送損失が少ない。
【００１１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例を示す図解図である。誘電体基板１０は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｓｉ，ＭｎおよびＺｎの中から選ばれる少なくとも２種類以上の元素と酸素とからなる組成物で形成される。この誘電体基板１０は、図１の点線で示された部分より内側の中央部分１２と、点線で示された部分より外側の外側部分１４とで構成される。これらの中央部分１２と外側部分１４とは、一体的に形成される。
【００１３】
中央部分１２はその組成が均一であり、外側部分１４はその組成が場所によって異なるように形成される。外側部分１４は、中央部１２側から端部に向かうにしたがって、比誘電率εが１０≦ε≦９０の範囲で小さくなるように、組成が配分される。この組成配分は、段階的に変化してもよいし、連続的に変化してもよい。したがって、矢印Ｘで示す方向において、誘電体基板１０の一端から他端までの比誘電率の分布状態は、図２に示すように、中央部分１２が一定で、外側部分１４が傾斜している。
【００１４】
比誘電率εが大きくなると、ある特性インピーダンスを達成するのに必要なストリップライン幅は小さくなる。そのため、誘電体基板１０上に特性インピーダンスがストリップライン上の全ての点で同じになるようなストリップ電極を形成する場合、図３に示すように、その端部でストリップ電極１６の寸法が大きくなる構造となる。したがって、ストリップ電極１６の寸法が大きくなった導体部に、同軸ケーブルなどをボンディングすることができる。なお、図示していないが、誘電体基板１０の裏面の全面には、アース電極が形成されている。
【００１５】
以下に、この発明の誘電体磁器と従来の（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃で示される材料からなる誘電体磁器とを用いて作製した９０°移相器の特性比較を示す。
【００１６】
まず、この発明の誘電体磁器を用いた９０°移相器の作製方法について述べる。
【００１７】
素原料として、Ｐｂ₃Ｏ₄，ＢａＣＯ₃，ＣａＣＯ₃，ＭｇＣＯ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，Ｐｒ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＳｉＯ₂，ＺｎＯ，ＭｎＣＯ₃を準備し、表１に示す割合で素原料を秤量し、湿式ボールミルで混合粉砕して、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９の９種類の粉末状の混合原料を得た。なお、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９については、表１に示す成分を１００重量部として、ＺｎＯ０．３重量部とＭｎＣＯ₃０．３重量部とを、焼結助剤として用いるために添加した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
それぞれの混合原料を空気中において１１５０℃で２時間仮焼し、乾式粉砕機を用いて粉砕し、平均粒径１．０μｍの仮焼粉末を得た。それぞれの仮焼粉末について、粉末と有機溶剤（エタノール／トルエン＝８／２，ただし体積比），バインダ（ポリビニルブチラール系），可塑剤（ジオクチルブタレート系），分散剤（ソルビタン脂肪酸エステル系）を混合して、スラリーを得た。これらのスラリーを用いて、ドクターブレード法によって９種類のグリーンシートを作製した。
【００２０】
単体特性を測定するために、得られた９種類のグリーンシートをそれぞれ積層，熱圧着したのち、切断することによってその寸法が２０×２０×１．０（ｍｍ）の成形体を得た。得られた９種類の成形体の有機成分を空気中において４５０℃で燃焼させたのち、酸素雰囲気中において１３７０℃で３時間焼成し、焼結体を得た。これらの９種類の焼結体にＩｎ−Ｇａ電極を形成し、それぞれの比誘電率εｒと、比誘電率εｒの−５５℃〜１２５℃における平均の温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）とを測定した。その結果は、表１の通りであった。
【００２１】
次に、この発明の誘電体基板を得るために、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．９の原料で形成したグリーンシートを図４（Ａ）に示すようなブロック体２０になるように、積層したのち熱圧着した。このとき、ブロック体２０の中央部分２２はＮｏ．９の原料で形成したグリーンシートで形成し、両端部分２４は図４（Ｂ）に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の原料で形成したグリーンシートを順次積層した。このブロック体２０をカットして、図５に示すように、寸法５．０×１３．２×１．５（ｍｍ）の成形体３０を得た。このブロック体２０および成形体３０では、Ｎｏ．９の原料で形成した部分２２の長さＬ₁が１０．０ｍｍであり、両端のＮｏ．１〜Ｎｏ．８の原料で形成した部分２４の長さＬ₂が１．６ｍｍであった。また、両端のＮｏ．１〜Ｎｏ．８の原料で形成した部分２４のそれぞれの長さＬ₃は０．２ｍｍであった。
【００２２】
得られた成形体３０の有機成分を空気中において４５０℃で燃焼させたのち、酸素雰囲気中において１３７０℃で３時間焼成し、焼結体４０を得た。得られた焼結体４０を、厚みが１．０ｍｍに、表面粗さが１μｍ程度になるように研磨したのち、図６（Ａ）の矢印Ｘの方向に向かって、Ｘ線マイクロアナライザを用いてＰｒとＺｒの組成分析（線分析）を行った。その結果、焼結体４０は、図６（Ｂ）に示す組成分布を有していることがわかった。この組成分布に関するデータと、単体の比誘電率に関するデータとから、焼結体には、図７に示すような比誘電率傾斜構造が形成されていることがわかった。
【００２３】
得られた焼結体を研磨して、誘電体基板１０を得た。この誘電体基板１０の一方主面の全面にＡｇのアース電極を形成した。そして、誘電体基板１０の比誘電率特性と組成傾斜を考慮し、特性インピーダンスが５０Ωとなるように、誘電体基板１０の他方主面に、図８のようなＡｇのストリップ電極１６を焼き付け法によって形成し、９０°移相器を作製した。誘電体基板の中央部分１２に形成されたストリップ電極１６の幅Ｗ₁は０．０３ｍｍであり、外側部分１４に形成されたストリップ電極１６の最端部の幅Ｗ₂は０．９５ｍｍである。
【００２４】
次に、従来の（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃で示される材料からなる誘電体磁器を用いた９０°移相器の作製方法について述べる。
【００２５】
素原料として、ＣａＣＯ₃，ＭｇＣＯ₃，ＴｉＯ₂およびＳｎＯ₂を準備し、表２に示す割合で素原料を秤量し、湿式ボールミルで混合粉砕して、Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１８の９種類の粉末状の混合原料を得た。
【００２６】
【表２】

【００２７】
それぞれの混合原料を空気中において１１５０℃で２時間仮焼し、乾式粉砕機を用いて粉砕し、平均粒径１．０μｍの仮焼粉末を得た。それぞれの仮焼粉末について、粉末と有機溶剤（エタノール／トルエン＝８／２，ただし体積比），バインダ（ポリビニルブチラール系），可塑剤（ジオクチルブタレート系），分散剤（ソルビタン脂肪酸エステル系）を混合して、スラリーを得た。これらのスラリーを用いて、ドクターブレード法によって９種類のグリーンシートを作製した。
【００２８】
単体特性を測定するために、得られた９種類のグリーンシートをそれぞれ積層，熱圧着したのち、切断することによってその寸法が２０×２０×１．０（ｍｍ）の成形体を得た。得られた９種類の成形体の有機成分を空気中において５００℃で燃焼させたのち、酸素雰囲気中において１３７０℃で３時間焼成し、焼結体を得た。これらの９種類の焼結体にＩｎ−Ｇａ電極を形成し、それぞれの比誘電率εｒと、比誘電率εｒの−５５℃〜１２５℃における平均の温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）とを測定した。その結果は、表２の通りであった。
【００２９】
次に、比較例となる誘電体基板を得るために、表２のＮｏ．１０〜Ｎｏ．１７の原料で形成したグリーンシートを図９（Ａ）に示すようなブロック体４６になるように、積層したのち熱圧着した。このとき、ブロック体４６の中央部分４８はＮｏ．１８の原料で形成したグリーンシートで形成し、両端部分５０は図９（Ｂ）に示すように、Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１７の原料で形成したグリーンシートを順次積層した。このブロック体４６をカットして、図１０に示すように、寸法５．０×１３．２×１．５（ｍｍ）の成形体５２を得た。このブロック体４６および成形体５２では、Ｎｏ．１８の原料で形成した部分４８の長さＬ₁が１０．０ｍｍであり、両端のＮｏ．１０〜Ｎｏ．１７の原料で形成した部分５０の長さＬ₂が１．６ｍｍであった。また、両端のＮｏ．１０〜Ｎｏ．１７の原料で形成した部分５０のそれぞれの長さＬ₃は０．２ｍｍであった。
【００３０】
得られた成形体５２の有機成分を空気中において４５０℃で燃焼させたのち、酸素雰囲気中において１３７０℃で３時間焼成し、焼結体５４を得た。得られた焼結体５４を、厚みが１．０ｍｍに、表面粗さが１μｍ程度になるように研磨したのち、図１１（Ａ）の矢印Ｘの方向に向かって、Ｘ線マイクロアナライザを用いてＭｇの組成分析（線分析）を行った。その結果、焼結体５４は、図１１（Ｂ）に示す組成分布を有していることがわかった。この組成分布に関するデータと、単体の比誘電率に関するデータとから、焼結体には、図１２に示すような比誘電率傾斜構造が形成されていることがわかった。
【００３１】
得られた焼結体を研磨して、誘電体基板６０を得た。この誘電体基板６０の一方主面の全面にＡｇのアース電極を形成した。そして、誘電体基板６０の比誘電率特性と組成傾斜を考慮し、特性インピーダンスが５０Ωとなるように、誘電体基板６０の他方主面に、図１３のようなＡｇのストリップ電極６２を焼き付け法によって形成し、９０°移相器を作製した。誘電体基板の中央部分６４に形成されたストリップ電極６２の幅Ｗ₁は０．０３ｍｍであり、外側部分６６に形成されたストリップ電極６２の最端部の幅Ｗ₂は０．９５ｍｍである。
【００３２】
この発明にかかる誘電体磁器を用いた移相器と、従来の誘電体磁器を用いた移相器との特性比較を行った。この発明にかかる誘電体磁器を用いた９０°移相器を試料Ａとした。また、従来の（Ｍｇ_1-XＣａ_X）ＴｉＯ₃で示される材料からなる誘電体磁器を用いた９０°移相器を試料Ｂとした。そして、試料Ａおよび試料Ｂの２５℃における位相変化量および伝送損失（Ｓ₂₁）と１２５℃における位相変化量および伝送損失（Ｓ₂₁）とを測定した。このようにして、温度変化によって移相器の特性がどの程度変化するかを調べた。その結果を表３および表４に示す。表３には、周波数１．５ＧＨｚのときの２５℃および１２５℃における位相変化量を示し、表４には、そのときの伝送損失（Ｓ₂₁）を示す。
【００３３】
【表３】

【００３４】
【表４】

【００３５】
この実施例の誘電体磁器では、比誘電率の傾斜構造の変化が小さい。そのため、この誘電体磁器を移相器などの電子部品に適用すると、温度による特性変化が非常に小さくなる。
【００３６】
なお、この発明の誘電体磁器の構造は、上記実施例に限定されるものではなく、用途や目的に応じて、特許請求の範囲内で自由に選べるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の誘電体磁器を用いた誘電体基板の一実施例を示す図解図である。
【図２】図１に示す誘電体基板の比誘電率の分布状態を示すグラフである。
【図３】図１に示す誘電体基板にストリップライン電極を形成した状態を示す平面図である。
【図４】（Ａ）はこの発明の誘電体基板を作製するためにグリーンシートを積層したブロック体を示す図解図であり、（Ｂ）はこのブロック体の端部を示す図解図である。
【図５】図４に示すブロック体を切断して形成した成形体を示す図解図である。
【図６】（Ａ）は図５に示す成形体を焼成して作製した焼結体を示す図解図であり、（Ｂ）はその組成分布を示すグラフである。
【図７】図６に示す焼結体の比誘電率の分布状態を示すグラフである。
【図８】図１に示す誘電体基板にストリップライン電極を形成した状態を示す平面図である。
【図９】（Ａ）は比較例となる誘電体基板を作製するためにグリーンシートを積層したブロック体を示す図解図であり、（Ｂ）はこのブロック体の端部を示す図解図である。
【図１０】図９に示すブロック体を切断して形成した成形体を示す図解図である。
【図１１】（Ａ）は図１０に示す成形体を焼成して作製した焼結体を示す図解図であり、（Ｂ）はその組成分布を示すグラフである。
【図１２】図１１に示す焼結体の比誘電率の分布状態を示すグラフである。
【図１３】比較例となる誘電体基板にストリップライン電極を形成した状態を示す平面図である。
【図１４】従来の誘電体磁器を用いた誘電体基板にストリップライン電極を形成した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１０誘電体基板
１２誘電体基板の中央部分
１４誘電体基板の外側部分
１６ストリップ電極

Claims

比誘電率が位置の関数として連続的あるいは段階的に変化する傾斜機能構造を有する誘電体磁器において、
比誘電率εが１０≦ε≦９０の範囲で変化する傾斜機能構造を有し、
どの位置においても、比誘電率εの温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）が、−３０≦τ≦３０の範囲にあることを特徴とする、誘電体磁器。
Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｉ，ＺｎおよびＭｎの中から選ばれる少なくとも２種類以上の元素と酸素とから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体磁器。
均一な組成からなる中央部分と、前記中央部分の両側に配置され、場所によって異なる組成からなる外側部分とが一体的に形成されてなる誘電体基板であって、
前記外側部分は、前記中央部分から前記外側部分に向かうにしたがって、比誘電率εが１０≦ε≦９０の範囲で小さくなるように、組成が配分されているとともに、
どの位置においても、比誘電率εの温度変化率τ（ｐｐｍ／℃）が、−３０≦τ≦３０の範囲にあることを特徴とする、誘電体基板。
Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｉ，ＺｎおよびＭｎの中から選ばれる少なくとも２種類以上の元素と酸素とから構成されることを特徴とする、請求項３に記載の誘電体基板。
請求項３または請求項４に記載の誘電体基板の一方主面に全面にアース電極を形成し、前記誘電体基板の中央部分と前記中央部分の両側に配置された外側部分とにまたがるように、前記誘電体基板の他方主面にストリップライン電極を形成してなる移相器であって、
前記ストリップライン電極は、前記中央部分では一定の幅を有し、前記外側部分では、前記中央部分から前記外側部分にかけて特性インピーダンスが一定となるように次第に幅広となっていることを特徴とする、移相器。