JP4238554B2

JP4238554B2 - 高周波用誘電体磁器組成物

Info

Publication number: JP4238554B2
Application number: JP2002295903A
Authority: JP
Inventors: 和樹岩下; 晃一福田; 信一石飛
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004131320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比誘電率ε_rが８〜２０で調整可能であり、高周波領域でのＱ値が大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの調整が容易に実現できる高周波用誘電体磁器組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信網の急激な発展に伴い、通信に使用する周波数が拡大すると同時に、マイクロ波領域やミリ波領域の高周波領域に及んでいる。高周波用の誘電体磁器組成物としては、Ｑ値が大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの絶対値が小さいことあるいは、所望の値に調整できる材料が求められている。さらに、材料の比誘電率については、比誘電率ε_rが大きくなるほどマイクロ波回路やミリ波回路の大きさを小さくできる。しかし、マイクロ波領域以上の高周波領域に関しては、比誘電率ε_rが大き過ぎると、回路が小さくなりすぎ加工精度が厳しくなり、生産性が低下する。このため、比誘電率ε_rが適度に小さい材料が必要となる。また、使用する周波数によりサイズが変化するために、加工性と小型化の両特性を備えたマイクロ波またはミリ波回路とするためには比誘電率ε_ｒを調整可能な材料であることが望まれる。
【０００３】
従来、Ｑ値が大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの絶対値が小さい誘電体磁器組成物としては、ＢａＯ−ＭｇＯ−ＷＯ₃系材料（特許文献１参照）や、ＭｇＴｉＯ_３−ＣａＴｉＯ_３系材料（特許文献２参照）などが提案されている。しかし、比誘電率ε_rが１５以上であり、さらに低い誘電率を有する誘電体磁器組成物が求められるとともに、共振周波数の温度係数τ_fの絶対値が０ｐｐｍ／℃付近の特性を示す組成領域においては、比誘電率ε_ｒは比較的狭い範囲でしか調整することができない。
【０００４】
一方、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、コージェライト（Ｍｇ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８）などは、優れたＱ値を有し回路基板等に用いられている。しかし、共振周波数の温度係数τ_fが−２０〜−５５ｐｐｍ／℃であるため、用途が制限されている。
【０００５】
さらに、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）とチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）を構成成分とする誘電体磁器組成物として、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）およびスピネルからなる磁器組成物（特許文献３参照）が提案されている。しかしながら、この組成では誘電率の温度依存性が制御されることが開示されているものの、誘電率の値や、その制御の可能性については、全く開示されていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２３６７０８号公報（第１１頁段落番号（００３３）、表１〜８参照）。
【特許文献２】
特開平６−１９９５６８号公報（第５頁段落番号（００１８）、表１〜３参照）
【特許文献３】
特開２０００−３４４５７１号公報（第２頁段落番号（０００６）参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の問題を解消し、比誘電率ε_rが８〜２０で調整可能であり、Ｑ×ｆ₀値も大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの絶対値が３０ｐｐｍ／℃以下で調整が容易な高周波用誘電体磁器組成物を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、チタン酸亜鉛（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）およびチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）からなる誘電体磁器組成物であって、組成式ｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表したときに各成分が、２１＜ｘ＜８８、４＜ｙ＜７１、４≦ｚ≦１４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ｍｏｌ％）である高周波用誘電体磁器組成物とすることにより、比誘電率ε_rが８〜２０で調整可能であり、Ｑ×ｆ₀値も大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの絶対値が３０ｐｐｍ／℃以下で調整が容易な高周波用誘電体磁器組成物を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、チタン酸亜鉛（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）およびチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）からなる誘電体磁器組成物であって、組成式ｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表したときに各成分が、２１＜ｘ＜８８、４＜ｙ＜７１、４≦ｚ≦１４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ｍｏｌ％）である高周波用誘電体磁器組成物である。
【００１０】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、図１のＸ線回折図が示すようにフォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、チタン酸亜鉛（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）からなる磁器組成物であることが特徴である。また、これら主要成分は、個別に作製したフォルステライト粉末、チタン酸亜鉛粉末とチタン酸カルシウム粉末を配合、焼成するという複雑な工程を用いる必要は無く、各主要成分が目的の組成となるように、原料となるＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＣＯ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯを秤量、混合、仮焼、粉砕、成形、焼成する工程によって作製した場合にも、目的としない結晶相は析出せず、優れた特性を有する磁器組成物が得られる特徴を有している。
【００１１】
本発明における誘電体磁器組成物は、共振周波数ｆ₀（ＧＨｚ）とＱ値の積であるＱ×ｆ₀値が例えば３００００（ＧＨｚ）以上と高い値を示し、誘電損失の小さい磁器を提供することができる。また、本発明における誘電体磁器組成物は共振周波数の温度変化率（τ_f）の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以下であり、温度による影響の少ない磁器を提供することができる。
【００１２】
本発明における誘電体磁器組成物は、主成分として、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）と、チタン酸亜鉛（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）と、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）からなる磁器組成物であって、組成式ｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３において、２１＜ｘ＜８８、４＜ｙ＜７１、４≦ｚ≦１４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ｍｏｌ％）で表わすことにより特徴付けられる。
【００１３】
本発明における組成の限定理由を説明する。組成式ｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表わされる誘電体磁器組成物において、ｘが２１以下ではＱ値が小さくなり好ましくない。ｘが８８以上では共振周波数の温度係数（τ_ｆ）が−３０ｐｐｍ／℃より小さくなり好ましくない。ｙが４以下ではＱ値が小さくなり好ましくない。ｙが７１以上では共振周波数の温度係数（τ_ｆ）が−３０ｐｐｍ／℃より小さくなり好ましくない。ｚが４より小さいと共振周波数の温度係数（τ_ｆ）が−３０ｐｐｍ／℃より小さくなり好ましくない。ｚが１４を越えると共振周波数の温度係数（τ_ｆ）が＋３０ｐｐｍ／℃より大きくなると共にＱ値が小さくなり好ましくない。
【００１４】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物の好適な製造方法の一例を次に示す。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）から構成される出発原料を所定量ずつ、水、アルコール等の溶媒と共に湿式混合する。続いて、水、アルコール等の溶媒を除去した後、大気雰囲気中にて１１００℃の温度で２時間仮焼する。続いて、水、アルコール等の溶媒と共に湿式粉砕する。続いて、水、アルコールを除去した後、このようにして得られた粉末にポリビニルアルコールの如き有機バインダーおよび水を混合して均質にし、乾燥、粉砕、加圧成形（圧力１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ²程度）する。得られた成型物を空気の如き酸素含有ガス雰囲気下にて１３００〜１５００℃で焼成することによりｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＭｇ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表わされる誘電体磁器組成物が得られる。
【００１５】
本発明においては、製造方法は上記製造方法に限定されるものでは無い。例えば、下記のような製造方法でも目的とする磁器組成物が得られる。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化珪素（ＳｉＯ_２）とを２ＭｇＯ−ＳｉＯ_２となるように秤量し、混合、仮焼して得られるフォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）粉末と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と酸化チタン（ＴｉＯ_２）とを２ＺｎＯ−ＴｉＯ_２となるように秤量し、混合、仮焼して得られるチタン酸マグネシウム（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）粉末と、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）と酸化チタン（ＴｉＯ_２）とをＣａＯ−ＴｉＯ_２となるように秤量し、混合、仮焼して得られるチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）粉末とを、所定量ずつ、水、アルコール等の溶媒と共に湿式混合する。続いて、水、アルコールを除去した後、粉砕する。続いて、水、アルコールを除去した後、このようにして得られた粉末にポリビニルアルコールの如き有機バインダーおよび水を混合して均質にし、乾燥、粉砕、加圧成形（圧力１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ²程度）する。得られた成型物を空気の如き酸素含有ガス雰囲気下にて１３００〜１５００℃で焼成することによりｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表わされる誘電体磁器組成物が得られる。
【００１６】
このようにして得られた誘電体磁器組成物は、適当な形状、およびサイズに加工することにより誘電体共振器として利用できる。また、外部に銀や銅などの導体を形成することにより、いわゆる同軸型共振器やこれを利用した同軸型誘電体フィルターなどの高周波部品として利用することも可能である。さらには、板状に加工し、銀や銅などの導体配線を形成することにより、誘電体基板としても利用することができる。
【００１７】
本発明の誘電体磁器組成物は、混合、仮焼、粉砕等の工程を経て得られる誘電体粉末をポリビニルブチラール等の樹脂、フタル酸ジブチル等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤とを混合し、ドクターブレード法等によるシート成形を行い、得られたシートと導体とを積層化、一体焼成することにより、積層誘電体フィルターなどの積層部品や積層誘電体基板としても利用することができる。
【００１８】
なお、マグネシウム、珪素、カルシウム、チタン、亜鉛の原料としては、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３、ＴｉＯ₂、ＺｎＯの他に、焼成時に酸化物となる硝酸塩、炭酸塩、水酸化物、塩化物、有機金属化合物等を使用することができる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
Ｍｇ_２ＳｉＯ_４を６４．５ｍｏｌ％、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４を２１．５ｍｏｌ％、ＣａＴｉＯ_３を１４．０ｍｏｌ％となるように、表１に記載の原料粉を所定量（全量として５０．００ｇ）を秤量し、原料粉をエタノール、ＺｒＯ_２ボールと共にボールミルに入れ、２４時間湿式混合した。溶媒を脱媒後、得られた混合粉を１１００℃の温度で２時間仮焼した。得られた仮焼粉をエタノール、ＺｒＯ_２ボールと共にボールミルに入れ、２４時間湿式粉砕した。続いて、水、アルコールを除去した後、このようにして得られた粉末にポリビニルアルコールおよび水を混合して均質にし、乾燥後、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのペレットに成形し、空気雰囲気中、１３２０℃の温度で２時間焼成した。
【００２０】
こうして得られた実施例１の磁器組成物を直径８ｍｍ、厚み４ｍｍの大きさに加工した後、誘電共振法によって測定し、共振周波数１０〜１８ＧＨｚにおけるＱ×ｆ_０値、比誘電率ε_r、および共振周波数の温度係数τ_fを求めた。その結果を表２に示す。
【００２１】
得られた誘電体磁器組成物についてＸ線回折を行ったところ、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４（チタン酸亜鉛）、ＣａＴｉＯ_３（チタン酸カルシウム）結晶相から構成されていることが確認された。図１にそのＸ線回折図を示す。
【００２２】
実施例２〜２０
Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４、ＣａＴｉＯ_３を表１に示した配合量となるように、表１に記載の原料粉を所定量（全量として５０．００ｇ）秤量し、実施例１と同一条件で混合、仮焼、粉砕、成形し、空気雰囲気下において、１２００℃〜１４００℃の温度にて２時間焼成して誘電体セラミックスを作製し、実施例１と同様な方法で特性を評価した。その結果を表２に示す。
【００２３】
比較例１〜１１
Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４、ＣａＴｉＯ_３を表１に示した配合量となるように、表１に記載の原料粉を所定量（全量として５０．００ｇ）秤量し、実施例１と同一条件で混合、仮焼、粉砕、成形し、空気雰囲気下において、１２００℃〜１４００℃の温度にて２時間焼成して誘電体セラミックスを作製し、実施例１と同様な方法で特性を評価した。その結果を表２に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、比誘電率ε_rが８〜２０で調整可能であり、Ｑ×ｆ₀値も大きく、さらに共振周波数ｆ₀の温度係数τ_fの絶対値が３０ｐｐｍ／℃以下で調整が容易な高周波用誘電体磁器組成物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体磁器組成物のＸ線回折図である。

Claims

フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、チタン酸亜鉛（Ｚｎ_２ＴｉＯ_４）およびチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）からなる誘電体磁器組成物であって、組成式ｘＭｇ_２ＳｉＯ_４−ｙＺｎ_２ＴｉＯ_４−ｚＣａＴｉＯ_３で表したときに各成分が、２１＜ｘ＜８８、４＜ｙ＜７１、４≦ｚ≦１４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ｍｏｌ％）である高周波用誘電体磁器組成物。