JP3995319B2 - 誘電体材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波領域での誘電率（以下、εrと表す。）が比較的大きく、共振周波数（以下、ｆ0と表す。）の温度係数（以下、τfと表す。）の絶対値が小さく、且つ無負荷品質係数（以下、Ｑuと表す。）が大きい、優れた品質の誘電体材料及びその製造方法に関する。本発明の誘電体材料は、多層回路基板、特に高周波領域において使用される共振器、フィルタなどとして使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
高周波領域で使用することができる誘電体材料として、ＢａＯ−ＺｎＯ−Ｔａ2Ｏ5系やＢａＯ−ＭｇＯ−Ｔａ2Ｏ5系の材料が知られている。このような高周波領域で使用される誘電体材料には、
▲１▼εrが大きいこと、
▲２▼τfの絶対値が小さいこと、及び
▲３▼高周波領域でのＱuが大きいこと、
を同時に満たすことが要求されている。
【０００３】
上記のＢａＯ−ＺｎＯ−Ｔａ2Ｏ5系及びＢａＯ−ＭｇＯ−Ｔａ2Ｏ5系の誘電体材料は、Ｂａ（Ｚｎ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3及びＢａ（Ｍｇ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3の化学組成式で示され、複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物で、一般にＢＺＴ及びＢＭＴとの略称によって表されている。このＢＺＴ系及びＢＭＴ系材料は、高いＱuを有する優れた誘電体材料であるが、近年、これら材料が使用される周波数領域がマイクロ波帯から準ミリ波帯へと更に高くなってきており、より高いＱuを持つ誘電体材料が求められている。これらの誘電体材料は、一般に、１６００℃を越える高温での焼成、長時間焼成或いは超高速昇温焼成等、特殊、且つ工業的には好ましくない方法によって製造されている（例えば、特公平６−２５０２３号公報、特開平４−２２４１６１号公報、特公平３−５１２４２号公報）。また、これらの誘電体材料に添加物を加え、焼結性を改善する試みもなされている（例えば、特公平１−１８５２３号公報、特公平３−３４１６４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、εrが２０以上と比較的大きく、τfの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下と小さく、且つ空洞開放型誘電体共振器法によって測定したＱuとｆ0との積Ｑu×ｆ0が２００００ＧＨｚ以上、特に４００００ＧＨｚ以上と大きい誘電体材料を提供することを目的とする。また、焼成後、大気雰囲気等において、焼成温度を少し下回る特定の温度範囲において熱処理することにより、上記の優れた誘電特性を有する誘電体材料を容易に得ることができる誘電体材料の製造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】
第１発明の誘電体材料は、金属元素として、Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ及びＫを含み、複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合金属酸化物からなる誘電体材料であって、上記Ｚｎ及び上記Ｔａのうちの少なくとも一方の一部又は全部が、Ｚｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素によって置換されており、且つ、測定周波数３〜６ＧＨｚにおいて、誘電率（εｒ）が２０以上であり、共振周波数（ｆ０）の温度係数（τｆ）の絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下であり、空洞開放型誘電体共振器法によって測定した無負荷品質係数（Ｑｕ）と共振周波数（ｆ０）との積（Ｑｕ×ｆ０）が２００００ＧＨｚ以上であることを特徴とする。
【０００７】
第１発明の誘電体材料は複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物である。第１発明において、Ｂａの一部は上記「Ｋ」によって置換されているが、この誘電体材料のＸ線回折の結果では、ペロブスカイト型の結晶構造以外のものは認められず、本発明の誘電体材料においては、Ｂａ（Ｚｎ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３と同様の複合ペロブスカイト型の結晶構造が保たれているものと推定される。
【０００８】
また、第１発明において、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方と置換される各種の上記「元素」は、Ｚｒ及びＮｂである。これらの元素はＺｎ又はＴａとの置換が容易であって、ペロブスカイト型の結晶構造が保たれ、優れた誘電特性を有する材料を容易に得ることができる。
【００１３】
また、第２発明の誘電体材料の製造方法は、第１発明の誘電体材料の製造方法であって、Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの酸化物又はＺｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素の酸化物若しくは加熱によって酸化物となるＢａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの化合物又は少なくとも１種の上記元素の化合物を混合し、成形した後、１３００〜１６５０℃で焼成し、その後、この焼成温度を５０〜２５０℃下回る温度範囲において、酸化雰囲気下、１２時間以上熱処理することを特徴とする。
【００１４】
第２発明において、その焼成温度が１３００℃未満では、十分に緻密化された焼結体を得ることができず、Ｑｕが十分に向上しない。一方、焼成温度が１６５０℃を越えると、カリウムイオンの揮散が激しくなり、焼結体の表面の多孔質な表面層が生成し易く、Ｑｕも十分に向上しない。この焼成温度は１３５０〜１６００℃、特に、第３発明のように、「１４００〜１６００℃」であることが好ましい。
【００１５】
また、緻密化のためには、この焼成温度を１５００℃以上、特に１５５０℃以上とすることが好ましい。一方、焼成温度を１６００℃以下とすれば、カリウムイオンの揮散を抑えることはできるが、１６００℃を５℃以上或いは１０℃以上下回る温度とすれば、より効率的にカリウムイオンの揮散を抑制することができる。このように焼成温度の範囲を特定することにより、緻密化は十分に進み、且つカリウムイオンの揮散も僅かとなり、優れた性能の誘電体材料を得ることができる。尚、焼成時間は特に限定されないが、１〜４時間、特に２時間程度とすることが好ましい。更に、焼成の雰囲気は酸化雰囲気、例えば大気雰囲気とすることができ、水素を加えた還元雰囲気としてもよい。
【００１６】
また、第２発明において、その熱処理温度が焼成温度を５０℃以上下回らず、高温である場合は、粒成長により粗大粒が生成し易くなり、不均質な材料となり易い。一方、この熱処理温度が焼成温度を２５０℃を越えて下回る低温である場合は、得られる誘電体材料の結晶構造が長周期の超格子構造とならず、Ｑｕを十分に向上させることができない。この熱処理温度は焼成温度を７０〜２００℃、特に７０〜１５０℃下回る温度範囲、更には第４発明のように、「８０〜１５０℃下回る温度」とすることが好ましい。例えば熱処理温度を焼成温度より１００℃程度低い温度とすることにより、上記の超格子構造を有する誘電体材料を容易に得ることができる。
【００１７】
更に、熱処理の雰囲気は「酸化雰囲気」であり、例えば第５発明のように、「大気雰囲気」とすることができる。大気雰囲気は特別な操作、装置等を要することなく好ましい。しかし、この酸化雰囲気中の酸素の分圧を大気よりも高くすることによって、より優れたＱｕを有する誘電体材料が得られ、誘電特性の観点からはより酸素分圧の高い酸化雰囲気とすることが好ましい。また、熱処理の時間が１２時間未満の場合は、結晶構造の多くの部分を超格子構造とすることができず、Ｑｕの向上が不十分となる。熱処理時間は特に１５時間以上、更には１８時間以上とすれば、所期の目的が十分に達せられる。この熱処理時間は２４時間で十分であり、更に長時間、例えば４８時間程度とすることもできるが、性能向上の点からはそれほどの意味はない。
【００１８】
ＢＺＴ系誘電体材料に代表される複合ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物において、ＫがＢａと置換されることにより、何故そのＱuが向上するのか、現時点では理由は明確になってはいない。一つの考えとしては、ＢＺＴ系誘電体材料の複合ペロブスカイト型の結晶構造中に、同じくペロブスカイト型の結晶構造を有するＫpＴａＯqが固溶し、ＢＺＴ系誘電体材料の結晶構造がより長周期の超格子構造となることで、Ｑuが高くなるものと推測される。また、不定比組成のＫpＴａＯqが結晶構造中に共存した場合は、空孔も規則的に配列し、超格子構造が形成されることに加えて、空孔が存在することにより、焼成工程においてイオン、元素等の移動が速められ、緻密化が促進されていくものと考えられる。この緻密化促進の効果によって、難焼結物質であって、従来、長時間焼成或いは超高速昇温焼成により緻密化させていたＢＺＴ系材料及びその置換材料を容易に緻密化させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
実験例１〜４８
(1) 誘電体材料の製造
表１、表２、表３及び表４に示す実験例１〜４８の組成となるように市販のＢａＣＯ3、ＺｎＯ（又は下記の各酸化物）、Ｔａ2Ｏ5及びＫ2ＣＯ3粉末を秤量した。その後、混合粉末をボールミルに投入し、エタノールを加えて湿式混合した。尚、表１、表２、表３及び表４において、混合比率はすべて酸化物換算で示してある。また、ＺｎＯ及びＴａ2Ｏ5に代えて、▲１▼実験例１３、２７及び３６〜３９ではＭｇＯ、▲２▼実験例１４及び３２、３３ではＺｒＯ2、▲３▼実験例１５ではＳｎＯ2、▲４▼実験例２８、２９ではＮｉＯ、▲５▼実験例３０、３１ではＧａ2Ｏ3、▲６▼実験例３４、３５ではＮｂ2Ｏ5、▲７▼実験例４０〜４８ではＭｇＯ及びＳｎＯ2を配合した。更に、実験例１１及び１２では、Ｋ2ＣＯ3に代えて、それぞれＮａ2ＣＯ3又はＬｉ2ＣＯ3を用いた。
【００２０】
湿式混合により得られたスラリーを乾燥させ、１１００℃で２時間仮焼した後、この仮焼粉末にワックス系バインダ、ポリカルボン酸系とアミン系の混合分散剤及びエタノールを加え、再びボールミルにより粉砕し、混合した。次いで、得られたスラリーを乾燥させ、造粒した後、１ＧＰａの圧力下、直径２３ｍｍ、厚さ１２ｍｍの円柱状に成形した。その後、この円柱状の成形体を１５ＧＰａの圧力下、等方静水圧プレス（ＣＩＰ）処理した。次いで、このＣＩＰ処理後の成形体を大気雰囲気下、実験例２４、２７〜４８では１６００℃、実験例２５では１６５０℃、実験例２６では１７００℃、その他の実験例では１５５０℃でそれぞれ２時間保持して、焼成し、引き続いて温度を１４５０℃に下げ、２４時間熱処理した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
(2) 誘電体特性の評価
上記のようにして得られた誘電体材料を、粒度＃２００のレジンボンド砥石を用いて平面研削或いは鏡面研磨した後、平行導体板型誘電体共振器法（ＴＥ011モード）及び空洞開放型誘電体共振器法（ＴＥ01δモード）により、測定周波数３〜６ＧＨｚにおいて、εr、Ｑu及びτf（温度範囲：２５〜８０℃）を測定した。その結果を表５、表６、表７及び表８に示す。尚、これらの各表において誘電損失に関する特性の結果はＱu×ｆ0で表した。ｆ0はＱuを測定する際の共振周波数であるが、Ｑuの測定毎に多少の変動がある。そのため、このＱuとｆ0との積による表現がより正確に誘電損失を表すものである。また、表１〜８において、ＡpＴａＯqのＡはアルカリ金属、即ちＫ、Ｎａ又はＬｉを表す。また、表５、表６、表７及び表８において、平研は平面研削を、鏡研は鏡面研磨を意味する。
【００２６】
【表５】
【００２７】
【表６】
【００２８】
【表７】
【００２９】
【表８】
【００３０】
これらの各表の結果によれば、ｐは１．００であるものの、ＫpＴａＯqの量比が０．２５モル％と低い実験例２では、τfの絶対値は非常に小さいものの、Ｑu×ｆ0は３００００ＧＨｚ程度とやや低い。しかし、Ｋを含まない実験例１に比べれば、τfとともにＱu×ｆ0も大きく向上している。また、ｐが１．００〜１．７０であって、ＫpＴａＯqの量比が０．５モル％以上である実験例３〜４、８〜１０、１３〜１６、２１〜３５、３７〜３９及び４１〜４８では、１７００℃で焼成した実験例２６を除いて、Ｑu×ｆ0は３７７００〜１４３７００ＧＨｚの範囲となっており、優れた誘電特性を有する誘電体材料が得られていることが分かる。特に、母材組成としてＢＺＴを選択した場合、ｐが１．２５〜１．７０の実験例９〜１０、１４〜１６、２４〜２６及び２８〜３５では、Ｑu×ｆ0は７１１００〜１１２６００ＧＨｚとなっており、より優れた誘電特性を有するものであることが分かる。
【００３１】
一方、Ｋを含まない実験例１、３６及び４０では、同じ母材組成で且つＫを含む系に比べてＱu×ｆ0は非常に劣っていることが分かる。即ち、実験例１と２４、実験例３６と２７及び実験例４０と４７を比較すれば明らかなように、Ｋを添加した系では母材組成にかかわりなくＱu×ｆ0が向上していることが分かる。尚、母材組成により、ＫpＴａＯqの最適添加量及びｐ値は多少異なる。
【００３２】
また、ｐが１．００未満である実験例５〜７では、τfの絶対値は小さいが、ＴＥ01δモードによるＱu×ｆ0（以下、Ｑu×ｆ0はＴＥ01δモードによる値とする。）は１５０００〜２００００ＧＨｚ程度であり、十分な性能ではないことが分かる。更に、ｐが２．００である実験例１７では、τfの絶対値は非常に小さいが、Ｑu×ｆ0は５０００ＧＨｚ未満と非常に低く、εrも比較的小さくなっている。尚、ｐが３．００である実験例１８では、共振微弱のため誘電特性の測定ができず、ｐが４．００である実験例１９とｐが５．００である実験例２０では、焼成中にクラックが発生し、いずれも評価に値しない結果となっている。
【００３３】
更に、同様の組成で焼成温度の異なる実験例９及び２４〜２６においては、１６００℃で焼成した実験例２４のＱu×ｆ0が最も高く、１０００００ＧＨｚ以上と極めて高い値となっており、１５５０℃で焼成した実験例９のＱu×ｆ0も９００００ＧＨｚを越えている。一方、焼成温度が１７００℃と高い実験例２６では、焼結体の表面が溶融する現象がみられ、１６５０℃で焼成した実験例２５では、Ｑu×ｆ0は高いものの、焼結体の焼き肌面にＫが揮発したことによるものと考えられる微細なクラックが生じた。これらの結果から、焼成温度は１５５０〜１６００℃の範囲が好ましいことが分かる。
【００３４】
また、実験例１４、２７〜３５及び４１〜４５のように、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方の一部又は全部を前記の他の元素によって置換することにより、高いＱu×ｆ0を維持しつつ、τfをある程度任意の値に調整することができる。即ち、Ｚｎ及びＴａの一部をＺｒで置換し（実験例１４及び３２〜３３）、若しくはＴａの一部をＮｂで置換する（実験例３４〜３５）ことによって、τfを置換量に応じて正の側へシフトすることができる。尚、Ｚｎの一部をＮｉで置換し（実験例２８〜２９）、若しくはＺｎ及びＴａの一部をＧａで置換する（実験例３０〜３１）ことによって、τfを置換量に応じて負の側へシフトすることができる。更には、実験例２７及び４１〜４５のように、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔａの比率を調整することにより、τfを制御することもできる。
【００３５】
更に、実験例１３、２７、３７〜３９及び４１〜４８のように、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方の全部を前記の他の元素によって置換することにより、高いＱu×ｆ0を維持しつつ、εrをある程度任意の値に調整することもできる。即ち、実験例１３、２７及び３７〜３９では、Ｚｎの全部をＭｇで置換することによって、εrをシフトさせることができることが分かる。また、実験例４１〜４８のように、Ｚｎの全部及びＴａの一部をＭｇ及びＳｎで置換した場合にもεrをシフトさせることができる。更に、本発明では、Ｚｎ及びＴａの一部をＺｒ、Ｇａ等、価数の異なる元素で置換することもでき、その場合もまったく同様に優れた性能の誘電体材料を得ることができる。
【００３６】
また、Ｂａと置換する元素をＫから同じアルカリ金属であるＮａ又はＬｉに代えた実験例１１及び１２では、ｐはいずれも１．４４であり、ＡpＴａＯqの量比も２．５０モル％と好ましい範囲であるにもかかわらず、Ｑu×ｆ0は非常に低い。このように同じアルカリ金属とはいえ、Ｋのみが所期の効果を奏するものであり、Ｎａ及びＬｉは用いても効果を奏さないことが分かる。尚、平面研削と鏡面研磨とでは、多くの場合、鏡面研磨した試片のＱu×ｆ0が若干高いようである。しかし、必ずしもそうではない場合もある。
【００３７】
(3) ｐとＱu×ｆ0及びτfとの相関
上記の表５及び表６において、母材組成がＢａ（Ｚｎ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3であって、ｐが０．５０〜２．００の範囲にあり、ＫpＴａＯqが２．５０である実験例５〜１０及び１６〜１７について、ｐとＱu×ｆ0との相関を図１に示す。また、同様にｐとτfとの相関を図２に示す。図１によれば、ｐが１．２０〜１．４０近傍でＱu×ｆ0は極大となり、ｐが１．００未満及び１．７０を越える領域では急激に低下していることが分かる。更に、図２によれば、τfはｐが１．２０〜１．７０の範囲で、その絶対値が１．０未満程度と非常に良好であることが分かる。尚、このτfの場合は、ｐが小さくなるに連れてその絶対値が大きくなるが、ｐが２．００の場合も非常に小さな値となっている。また、実験例１３、２７、３７及び３８のように、ＢＺＴ以外の他の母材組成に対しＫpＴａＯqを添加した場合においても、最適値はＢＺＴ母材と異なるが、Ｑu×ｆ0はｐの値により変化し、１≦ｐ≦２の間で最高値をとる。
【００３８】
(4) ＢａをＫによって置換した場合としない場合のＸ線回折図形の比較
Ｋを含有しない実験例１と、ｐが１．４４であり、ＫpＴａＯqの量比が２．５０モル％である実験例１０の誘電体材料について、そのＸ線回折の結果を図３に比較して示す。その結果、ＫpＴａＯqの固溶により回折ピークは若干シフトしているものの、ＢａがＫによって置換された部分を有する実験例１０の誘電体材料においても、複合ペロブスカイト型以外の結晶相は生成していないことが裏付けられた。
【００３９】
(5) 密度及び収縮率の測定
上記のようにして得られた誘電体材料について、下記の方法によって密度及び収縮率を測定した。
▲１▼密度；アルキメデス法
▲２▼収縮率；｛（ＣＩＰ処理前の成形体の外径−焼結体の外径）／ＣＩＰ処理前の成形体の外径｝×１００（％）
結果を表９、表１０及び表１１に示す。
【００４０】
【表９】
【００４１】
【表１０】
【００４２】
【表１１】
【００４３】
表９、表１０及び表１１の結果によれば、密度は、共振微弱により誘電特性の測定ができなかった実験例１８及びＫが添加されていない実験例４０が特に低い。収縮率は、Ｋを含有しない実験例１では、かなり小さな値であり、これはＢＺＴ系材料が難焼結物質であり、焼結助剤を用いない普通の焼成では十分に緻密化することが難しいからである。また、Ｍｇを置換導入した実験例１３、２７及び３６〜４８では収縮率が大きい。これは出発原料のＭｇＯが微細で嵩高い粉末であったことによる。これら実験例１、１３、２７及び３６〜４８以外の各実験例では収縮率にそれほど大きな差はなく、Ｑu×ｆ0の結果との相関も特にないようである。
【００４４】
更に、組成が同じで焼成温度が異なる実験例９及び２４〜２６においては、焼成温度が高いほど密度が低下する。これは、焼成温度が高くなるにつれてＫが揮発し易くなり、焼結体の外周部に多孔質な層が形成され易くなるためである。また、結晶の粒成長によって緻密化が阻害されるためであるとも考えられる。この密度の結果からも、上記の(2) 誘電体特性の評価、の項におけると同様に、焼成温度としては１５５０〜１６００℃の範囲が好ましいことが分かる。
【００４５】
(6) Ｋの分析
実験例８及び２３において得られた誘電体材料について、元素の構成をＩＣＰ分析によって分析した。結果を表１２に示す。尚、表１２において、理論値は混合比と同じである。また、Ｋの欄の括弧内は揮散したＫの割合である。
【００４６】
【表１２】
【００４７】
表１２の結果によれば、Ｋの分析値及び誘電特性の結果から考え、化学量論的に過剰（ｐ＞１．００）に添加されたＫが、焼成工程において揮散し、ほぼ化学量論のＫＴａＯ3となった場合（ｐ＝１．００）に、特にＱu×ｆ0の高い誘電体材料が得られるものと推察される。
【００４８】
(7) 本発明の誘電体材料を用いて製作した誘電体共振器の一例
図４は、本発明の誘電体材料からなる共振器本体１を備える誘電体共振器の一例を示す説明図である。共振器本体１は、アルミナ基焼結体などからなる支持台２の一端にエポキシ樹脂系接着剤等によって接合されている。また、一体となった共振器本体１と支持台２とは、両端面が密閉された円筒状の金属容器４の内部に収納され、支持台２の他端は金属容器４の底面４ａの中央部にＰＴＴＦによって接合され、固定されている。
【００４９】
【発明の効果】
第１発明の特定の結晶構造を有する誘電体材料は、εｒが比較的大きく、τｆの絶対値が小さく、且つＱｕ×ｆ０が大きい。また、第２〜５発明の誘電体材料の製造方法によれば、上記の優れた誘電特性を有する誘電体材料を、特に、長時間焼成、超高速昇温焼成などの特殊な、且つ工業的に不利な焼成方法を用いずとも容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＫpＴａＯqのｐと空洞開放型誘電体共振器法によって測定したＱu×ｆ0との相関を表すグラフである。
【図２】ＫpＴａＯqのｐとτfとの相関を表すグラフである。
【図３】実験例１と実験例１０の誘電体材料のＸ線回折の結果を比較して示したチャートである。
【図４】本発明の誘電体材料を用いて製作した誘電体共振器の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１；共振器本体、２；支持台、３；接着剤層、４；円筒状の金属容器、４ａ；金属容器４の底面、５；固定部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波領域での誘電率（以下、εrと表す。）が比較的大きく、共振周波数（以下、ｆ0と表す。）の温度係数（以下、τfと表す。）の絶対値が小さく、且つ無負荷品質係数（以下、Ｑuと表す。）が大きい、優れた品質の誘電体材料及びその製造方法に関する。本発明の誘電体材料は、多層回路基板、特に高周波領域において使用される共振器、フィルタなどとして使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
高周波領域で使用することができる誘電体材料として、ＢａＯ−ＺｎＯ−Ｔａ2Ｏ5系やＢａＯ−ＭｇＯ−Ｔａ2Ｏ5系の材料が知られている。このような高周波領域で使用される誘電体材料には、
▲１▼εrが大きいこと、
▲２▼τfの絶対値が小さいこと、及び
▲３▼高周波領域でのＱuが大きいこと、
を同時に満たすことが要求されている。
【０００３】
上記のＢａＯ−ＺｎＯ−Ｔａ2Ｏ5系及びＢａＯ−ＭｇＯ−Ｔａ2Ｏ5系の誘電体材料は、Ｂａ（Ｚｎ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3及びＢａ（Ｍｇ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3の化学組成式で示され、複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物で、一般にＢＺＴ及びＢＭＴとの略称によって表されている。このＢＺＴ系及びＢＭＴ系材料は、高いＱuを有する優れた誘電体材料であるが、近年、これら材料が使用される周波数領域がマイクロ波帯から準ミリ波帯へと更に高くなってきており、より高いＱuを持つ誘電体材料が求められている。これらの誘電体材料は、一般に、１６００℃を越える高温での焼成、長時間焼成或いは超高速昇温焼成等、特殊、且つ工業的には好ましくない方法によって製造されている（例えば、特公平６−２５０２３号公報、特開平４−２２４１６１号公報、特公平３−５１２４２号公報）。また、これらの誘電体材料に添加物を加え、焼結性を改善する試みもなされている（例えば、特公平１−１８５２３号公報、特公平３−３４１６４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、εrが２０以上と比較的大きく、τfの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下と小さく、且つ空洞開放型誘電体共振器法によって測定したＱuとｆ0との積Ｑu×ｆ0が２００００ＧＨｚ以上、特に４００００ＧＨｚ以上と大きい誘電体材料を提供することを目的とする。また、焼成後、大気雰囲気等において、焼成温度を少し下回る特定の温度範囲において熱処理することにより、上記の優れた誘電特性を有する誘電体材料を容易に得ることができる誘電体材料の製造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】
第１発明の誘電体材料は、金属元素として、Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ及びＫを含み、複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合金属酸化物からなる誘電体材料であって、上記Ｚｎ及び上記Ｔａのうちの少なくとも一方の一部又は全部が、Ｚｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素によって置換されており、且つ、測定周波数３〜６ＧＨｚにおいて、誘電率（εｒ）が２０以上であり、共振周波数（ｆ０）の温度係数（τｆ）の絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下であり、空洞開放型誘電体共振器法によって測定した無負荷品質係数（Ｑｕ）と共振周波数（ｆ０）との積（Ｑｕ×ｆ０）が２００００ＧＨｚ以上であることを特徴とする。
【０００７】
第１発明の誘電体材料は複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物である。第１発明において、Ｂａの一部は上記「Ｋ」によって置換されているが、この誘電体材料のＸ線回折の結果では、ペロブスカイト型の結晶構造以外のものは認められず、本発明の誘電体材料においては、Ｂａ（Ｚｎ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３と同様の複合ペロブスカイト型の結晶構造が保たれているものと推定される。
【０００８】
また、第１発明において、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方と置換される各種の上記「元素」は、Ｚｒ及びＮｂである。これらの元素はＺｎ又はＴａとの置換が容易であって、ペロブスカイト型の結晶構造が保たれ、優れた誘電特性を有する材料を容易に得ることができる。
【００１３】
また、第２発明の誘電体材料の製造方法は、第１発明の誘電体材料の製造方法であって、Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの酸化物又はＺｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素の酸化物若しくは加熱によって酸化物となるＢａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの化合物又は少なくとも１種の上記元素の化合物を混合し、成形した後、１３００〜１６５０℃で焼成し、その後、この焼成温度を５０〜２５０℃下回る温度範囲において、酸化雰囲気下、１２時間以上熱処理することを特徴とする。
【００１４】
第２発明において、その焼成温度が１３００℃未満では、十分に緻密化された焼結体を得ることができず、Ｑｕが十分に向上しない。一方、焼成温度が１６５０℃を越えると、カリウムイオンの揮散が激しくなり、焼結体の表面の多孔質な表面層が生成し易く、Ｑｕも十分に向上しない。この焼成温度は１３５０〜１６００℃、特に、第３発明のように、「１４００〜１６００℃」であることが好ましい。
【００１５】
また、緻密化のためには、この焼成温度を１５００℃以上、特に１５５０℃以上とすることが好ましい。一方、焼成温度を１６００℃以下とすれば、カリウムイオンの揮散を抑えることはできるが、１６００℃を５℃以上或いは１０℃以上下回る温度とすれば、より効率的にカリウムイオンの揮散を抑制することができる。このように焼成温度の範囲を特定することにより、緻密化は十分に進み、且つカリウムイオンの揮散も僅かとなり、優れた性能の誘電体材料を得ることができる。尚、焼成時間は特に限定されないが、１〜４時間、特に２時間程度とすることが好ましい。更に、焼成の雰囲気は酸化雰囲気、例えば大気雰囲気とすることができ、水素を加えた還元雰囲気としてもよい。
【００１６】
また、第２発明において、その熱処理温度が焼成温度を５０℃以上下回らず、高温である場合は、粒成長により粗大粒が生成し易くなり、不均質な材料となり易い。一方、この熱処理温度が焼成温度を２５０℃を越えて下回る低温である場合は、得られる誘電体材料の結晶構造が長周期の超格子構造とならず、Ｑｕを十分に向上させることができない。この熱処理温度は焼成温度を７０〜２００℃、特に７０〜１５０℃下回る温度範囲、更には第４発明のように、「８０〜１５０℃下回る温度」とすることが好ましい。例えば熱処理温度を焼成温度より１００℃程度低い温度とすることにより、上記の超格子構造を有する誘電体材料を容易に得ることができる。
【００１７】
更に、熱処理の雰囲気は「酸化雰囲気」であり、例えば第５発明のように、「大気雰囲気」とすることができる。大気雰囲気は特別な操作、装置等を要することなく好ましい。しかし、この酸化雰囲気中の酸素の分圧を大気よりも高くすることによって、より優れたＱｕを有する誘電体材料が得られ、誘電特性の観点からはより酸素分圧の高い酸化雰囲気とすることが好ましい。また、熱処理の時間が１２時間未満の場合は、結晶構造の多くの部分を超格子構造とすることができず、Ｑｕの向上が不十分となる。熱処理時間は特に１５時間以上、更には１８時間以上とすれば、所期の目的が十分に達せられる。この熱処理時間は２４時間で十分であり、更に長時間、例えば４８時間程度とすることもできるが、性能向上の点からはそれほどの意味はない。
【００１８】
ＢＺＴ系誘電体材料に代表される複合ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物において、ＫがＢａと置換されることにより、何故そのＱuが向上するのか、現時点では理由は明確になってはいない。一つの考えとしては、ＢＺＴ系誘電体材料の複合ペロブスカイト型の結晶構造中に、同じくペロブスカイト型の結晶構造を有するＫpＴａＯqが固溶し、ＢＺＴ系誘電体材料の結晶構造がより長周期の超格子構造となることで、Ｑuが高くなるものと推測される。また、不定比組成のＫpＴａＯqが結晶構造中に共存した場合は、空孔も規則的に配列し、超格子構造が形成されることに加えて、空孔が存在することにより、焼成工程においてイオン、元素等の移動が速められ、緻密化が促進されていくものと考えられる。この緻密化促進の効果によって、難焼結物質であって、従来、長時間焼成或いは超高速昇温焼成により緻密化させていたＢＺＴ系材料及びその置換材料を容易に緻密化させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
実験例１〜４８
(1) 誘電体材料の製造
表１、表２、表３及び表４に示す実験例１〜４８の組成となるように市販のＢａＣＯ3、ＺｎＯ（又は下記の各酸化物）、Ｔａ2Ｏ5及びＫ2ＣＯ3粉末を秤量した。その後、混合粉末をボールミルに投入し、エタノールを加えて湿式混合した。尚、表１、表２、表３及び表４において、混合比率はすべて酸化物換算で示してある。また、ＺｎＯ及びＴａ2Ｏ5に代えて、▲１▼実験例１３、２７及び３６〜３９ではＭｇＯ、▲２▼実験例１４及び３２、３３ではＺｒＯ2、▲３▼実験例１５ではＳｎＯ2、▲４▼実験例２８、２９ではＮｉＯ、▲５▼実験例３０、３１ではＧａ2Ｏ3、▲６▼実験例３４、３５ではＮｂ2Ｏ5、▲７▼実験例４０〜４８ではＭｇＯ及びＳｎＯ2を配合した。更に、実験例１１及び１２では、Ｋ2ＣＯ3に代えて、それぞれＮａ2ＣＯ3又はＬｉ2ＣＯ3を用いた。
【００２０】
湿式混合により得られたスラリーを乾燥させ、１１００℃で２時間仮焼した後、この仮焼粉末にワックス系バインダ、ポリカルボン酸系とアミン系の混合分散剤及びエタノールを加え、再びボールミルにより粉砕し、混合した。次いで、得られたスラリーを乾燥させ、造粒した後、１ＧＰａの圧力下、直径２３ｍｍ、厚さ１２ｍｍの円柱状に成形した。その後、この円柱状の成形体を１５ＧＰａの圧力下、等方静水圧プレス（ＣＩＰ）処理した。次いで、このＣＩＰ処理後の成形体を大気雰囲気下、実験例２４、２７〜４８では１６００℃、実験例２５では１６５０℃、実験例２６では１７００℃、その他の実験例では１５５０℃でそれぞれ２時間保持して、焼成し、引き続いて温度を１４５０℃に下げ、２４時間熱処理した。
【００２１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
(2) 誘電体特性の評価
上記のようにして得られた誘電体材料を、粒度＃２００のレジンボンド砥石を用いて平面研削或いは鏡面研磨した後、平行導体板型誘電体共振器法（ＴＥ011モード）及び空洞開放型誘電体共振器法（ＴＥ01δモード）により、測定周波数３〜６ＧＨｚにおいて、εr、Ｑu及びτf（温度範囲：２５〜８０℃）を測定した。その結果を表５、表６、表７及び表８に示す。尚、これらの各表において誘電損失に関する特性の結果はＱu×ｆ0で表した。ｆ0はＱuを測定する際の共振周波数であるが、Ｑuの測定毎に多少の変動がある。そのため、このＱuとｆ0との積による表現がより正確に誘電損失を表すものである。また、表１〜８において、ＡpＴａＯqのＡはアルカリ金属、即ちＫ、Ｎａ又はＬｉを表す。また、表５、表６、表７及び表８において、平研は平面研削を、鏡研は鏡面研磨を意味する。
【００２６】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
これらの各表の結果によれば、ｐは１．００であるものの、ＫpＴａＯqの量比が０．２５モル％と低い実験例２では、τfの絶対値は非常に小さいものの、Ｑu×ｆ0は３００００ＧＨｚ程度とやや低い。しかし、Ｋを含まない実験例１に比べれば、τfとともにＱu×ｆ0も大きく向上している。また、ｐが１．００〜１．７０であって、ＫpＴａＯqの量比が０．５モル％以上である実験例３〜４、８〜１０、１３〜１６、２１〜３５、３７〜３９及び４１〜４８では、１７００℃で焼成した実験例２６を除いて、Ｑu×ｆ0は３７７００〜１４３７００ＧＨｚの範囲となっており、優れた誘電特性を有する誘電体材料が得られていることが分かる。特に、母材組成としてＢＺＴを選択した場合、ｐが１．２５〜１．７０の実験例９〜１０、１４〜１６、２４〜２６及び２８〜３５では、Ｑu×ｆ0は７１１００〜１１２６００ＧＨｚとなっており、より優れた誘電特性を有するものであることが分かる。
【００３１】
一方、Ｋを含まない実験例１、３６及び４０では、同じ母材組成で且つＫを含む系に比べてＱu×ｆ0は非常に劣っていることが分かる。即ち、実験例１と２４、実験例３６と２７及び実験例４０と４７を比較すれば明らかなように、Ｋを添加した系では母材組成にかかわりなくＱu×ｆ0が向上していることが分かる。尚、母材組成により、ＫpＴａＯqの最適添加量及びｐ値は多少異なる。
【００３２】
また、ｐが１．００未満である実験例５〜７では、τfの絶対値は小さいが、ＴＥ01δモードによるＱu×ｆ0（以下、Ｑu×ｆ0はＴＥ01δモードによる値とする。）は１５０００〜２００００ＧＨｚ程度であり、十分な性能ではないことが分かる。更に、ｐが２．００である実験例１７では、τfの絶対値は非常に小さいが、Ｑu×ｆ0は５０００ＧＨｚ未満と非常に低く、εrも比較的小さくなっている。尚、ｐが３．００である実験例１８では、共振微弱のため誘電特性の測定ができず、ｐが４．００である実験例１９とｐが５．００である実験例２０では、焼成中にクラックが発生し、いずれも評価に値しない結果となっている。
【００３３】
更に、同様の組成で焼成温度の異なる実験例９及び２４〜２６においては、１６００℃で焼成した実験例２４のＱu×ｆ0が最も高く、１０００００ＧＨｚ以上と極めて高い値となっており、１５５０℃で焼成した実験例９のＱu×ｆ0も９００００ＧＨｚを越えている。一方、焼成温度が１７００℃と高い実験例２６では、焼結体の表面が溶融する現象がみられ、１６５０℃で焼成した実験例２５では、Ｑu×ｆ0は高いものの、焼結体の焼き肌面にＫが揮発したことによるものと考えられる微細なクラックが生じた。これらの結果から、焼成温度は１５５０〜１６００℃の範囲が好ましいことが分かる。
【００３４】
また、実験例１４、２７〜３５及び４１〜４５のように、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方の一部又は全部を前記の他の元素によって置換することにより、高いＱu×ｆ0を維持しつつ、τfをある程度任意の値に調整することができる。即ち、Ｚｎ及びＴａの一部をＺｒで置換し（実験例１４及び３２〜３３）、若しくはＴａの一部をＮｂで置換する（実験例３４〜３５）ことによって、τfを置換量に応じて正の側へシフトすることができる。尚、Ｚｎの一部をＮｉで置換し（実験例２８〜２９）、若しくはＺｎ及びＴａの一部をＧａで置換する（実験例３０〜３１）ことによって、τfを置換量に応じて負の側へシフトすることができる。更には、実験例２７及び４１〜４５のように、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔａの比率を調整することにより、τfを制御することもできる。
【００３５】
更に、実験例１３、２７、３７〜３９及び４１〜４８のように、Ｚｎ及びＴａのうちの少なくとも一方の全部を前記の他の元素によって置換することにより、高いＱu×ｆ0を維持しつつ、εrをある程度任意の値に調整することもできる。即ち、実験例１３、２７及び３７〜３９では、Ｚｎの全部をＭｇで置換することによって、εrをシフトさせることができることが分かる。また、実験例４１〜４８のように、Ｚｎの全部及びＴａの一部をＭｇ及びＳｎで置換した場合にもεrをシフトさせることができる。更に、本発明では、Ｚｎ及びＴａの一部をＺｒ、Ｇａ等、価数の異なる元素で置換することもでき、その場合もまったく同様に優れた性能の誘電体材料を得ることができる。
【００３６】
また、Ｂａと置換する元素をＫから同じアルカリ金属であるＮａ又はＬｉに代えた実験例１１及び１２では、ｐはいずれも１．４４であり、ＡpＴａＯqの量比も２．５０モル％と好ましい範囲であるにもかかわらず、Ｑu×ｆ0は非常に低い。このように同じアルカリ金属とはいえ、Ｋのみが所期の効果を奏するものであり、Ｎａ及びＬｉは用いても効果を奏さないことが分かる。尚、平面研削と鏡面研磨とでは、多くの場合、鏡面研磨した試片のＱu×ｆ0が若干高いようである。しかし、必ずしもそうではない場合もある。
【００３７】
(3) ｐとＱu×ｆ0及びτfとの相関
上記の表５及び表６において、母材組成がＢａ（Ｚｎ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3であって、ｐが０．５０〜２．００の範囲にあり、ＫpＴａＯqが２．５０である実験例５〜１０及び１６〜１７について、ｐとＱu×ｆ0との相関を図１に示す。また、同様にｐとτfとの相関を図２に示す。図１によれば、ｐが１．２０〜１．４０近傍でＱu×ｆ0は極大となり、ｐが１．００未満及び１．７０を越える領域では急激に低下していることが分かる。更に、図２によれば、τfはｐが１．２０〜１．７０の範囲で、その絶対値が１．０未満程度と非常に良好であることが分かる。尚、このτfの場合は、ｐが小さくなるに連れてその絶対値が大きくなるが、ｐが２．００の場合も非常に小さな値となっている。また、実験例１３、２７、３７及び３８のように、ＢＺＴ以外の他の母材組成に対しＫpＴａＯqを添加した場合においても、最適値はＢＺＴ母材と異なるが、Ｑu×ｆ0はｐの値により変化し、１≦ｐ≦２の間で最高値をとる。
【００３８】
(4) ＢａをＫによって置換した場合としない場合のＸ線回折図形の比較
Ｋを含有しない実験例１と、ｐが１．４４であり、ＫpＴａＯqの量比が２．５０モル％である実験例１０の誘電体材料について、そのＸ線回折の結果を図３に比較して示す。その結果、ＫpＴａＯqの固溶により回折ピークは若干シフトしているものの、ＢａがＫによって置換された部分を有する実験例１０の誘電体材料においても、複合ペロブスカイト型以外の結晶相は生成していないことが裏付けられた。
【００３９】
(5) 密度及び収縮率の測定
上記のようにして得られた誘電体材料について、下記の方法によって密度及び収縮率を測定した。
▲１▼密度；アルキメデス法
▲２▼収縮率；｛（ＣＩＰ処理前の成形体の外径−焼結体の外径）／ＣＩＰ処理前の成形体の外径｝×１００（％）
結果を表９、表１０及び表１１に示す。
【００４０】
【表９】
【表１０】
【表１１】
表９、表１０及び表１１の結果によれば、密度は、共振微弱により誘電特性の測定ができなかった実験例１８及びＫが添加されていない実験例４０が特に低い。収縮率は、Ｋを含有しない実験例１では、かなり小さな値であり、これはＢＺＴ系材料が難焼結物質であり、焼結助剤を用いない普通の焼成では十分に緻密化することが難しいからである。また、Ｍｇを置換導入した実験例１３、２７及び３６〜４８では収縮率が大きい。これは出発原料のＭｇＯが微細で嵩高い粉末であったことによる。これら実験例１、１３、２７及び３６〜４８以外の各実験例では収縮率にそれほど大きな差はなく、Ｑu×ｆ0の結果との相関も特にないようである。
【００４４】
更に、組成が同じで焼成温度が異なる実験例９及び２４〜２６においては、焼成温度が高いほど密度が低下する。これは、焼成温度が高くなるにつれてＫが揮発し易くなり、焼結体の外周部に多孔質な層が形成され易くなるためである。また、結晶の粒成長によって緻密化が阻害されるためであるとも考えられる。この密度の結果からも、上記の(2) 誘電体特性の評価、の項におけると同様に、焼成温度としては１５５０〜１６００℃の範囲が好ましいことが分かる。
【００４５】
(6) Ｋの分析
実験例８及び２３において得られた誘電体材料について、元素の構成をＩＣＰ分析によって分析した。結果を表１２に示す。尚、表１２において、理論値は混合比と同じである。また、Ｋの欄の括弧内は揮散したＫの割合である。
【００４６】
【表１２】
表１２の結果によれば、Ｋの分析値及び誘電特性の結果から考え、化学量論的に過剰（ｐ＞１．００）に添加されたＫが、焼成工程において揮散し、ほぼ化学量論のＫＴａＯ3となった場合（ｐ＝１．００）に、特にＱu×ｆ0の高い誘電体材料が得られるものと推察される。
【００４８】
(7) 本発明の誘電体材料を用いて製作した誘電体共振器の一例
図４は、本発明の誘電体材料からなる共振器本体１を備える誘電体共振器の一例を示す説明図である。共振器本体１は、アルミナ基焼結体などからなる支持台２の一端にエポキシ樹脂系接着剤等によって接合されている。また、一体となった共振器本体１と支持台２とは、両端面が密閉された円筒状の金属容器４の内部に収納され、支持台２の他端は金属容器４の底面４ａの中央部にＰＴＴＦによって接合され、固定されている。
【００４９】
【発明の効果】
第１発明の特定の結晶構造を有する誘電体材料は、εｒが比較的大きく、τｆの絶対値が小さく、且つＱｕ×ｆ０が大きい。また、第２〜５発明の誘電体材料の製造方法によれば、上記の優れた誘電特性を有する誘電体材料を、特に、長時間焼成、超高速昇温焼成などの特殊な、且つ工業的に不利な焼成方法を用いずとも容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＫpＴａＯqのｐと空洞開放型誘電体共振器法によって測定したＱu×ｆ0との相関を表すグラフである。
【図２】ＫpＴａＯqのｐとτfとの相関を表すグラフである。
【図３】実験例１と実験例１０の誘電体材料のＸ線回折の結果を比較して示したチャートである。
【図４】本発明の誘電体材料を用いて製作した誘電体共振器の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１；共振器本体、２；支持台、３；接着剤層、４；円筒状の金属容器、４ａ；金属容器４の底面、５；固定部。
Claims (5)
- 金属元素として、Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ及びＫを含み、複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合金属酸化物からなる誘電体材料であって、
上記Ｚｎ及び上記Ｔａのうちの少なくとも一方の一部又は全部が、Ｚｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素によって置換されており、
且つ、測定周波数３〜６ＧＨｚにおいて、誘電率（εｒ）が２０以上であり、共振周波数（ｆ０）の温度係数（τｆ）の絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下であり、空洞開放型誘電体共振器法によって測定した無負荷品質係数（Ｑｕ）と共振周波数（ｆ０）との積（Ｑｕ×ｆ０）が２００００ＧＨｚ以上であることを特徴とする誘電体材料。 - 請求項１に記載の誘電体材料の製造方法であって、
Ｂａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの酸化物又はＺｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種の元素の酸化物若しくは加熱によって酸化物となるＢａ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｋの化合物又は少なくとも１種の上記元素の化合物を混合し、成形した後、１３００〜１６５０℃で焼成し、その後、この焼成温度を５０〜２５０℃下回る温度範囲において、酸化雰囲気下、１２時間以上熱処理することを特徴とする誘電体材料の製造方法。 - 上記焼成温度が１４００〜１６００℃である請求項２記載の誘電体材料の製造方法。
- 上記熱処理の温度が上記焼成温度を８０〜１５０℃下回る請求項２又は３に記載の誘電体材料の製造方法。
- 上記酸化雰囲気が大気雰囲気である請求項２乃至４のいずれか１項に記載の誘電体材料の製造方法。
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