JP4446324B2 - 誘電体磁器組成物及びそれを用いたコンデンサ - Google Patents

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Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、高誘電率であって、静電容量温度特性が平坦で、かつ、交流破壊電圧が高い誘電体磁器組成物、及びそれを用いたコンデンサに関する。
【従来の技術】
単板セラミックコンデンサ、積層セラミックコンデンサ、高周波用セラミックコンデンサ、高圧セラミックコンデンサ等として広く利用されている高誘電率磁器材料には、ＢａＯ−ＣａＯ−ＴｉＯ2−ＺｒＯ2系の誘電体磁器組成物を主成分としたものが一般的に実用化されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＢａＯ−ＣａＯ−ＴｉＯ2−ＺｒＯ2系の誘電体磁器組成物は、比誘電率が大きくなると静電容量温度特性が悪くなり、さらに交流破壊電圧が低くなるという問題があった。これらの問題を解決した誘電体磁器組成物として、特開平７−２６７７３２号公報が提案されているが、その実施例における交流破壊電圧は、最も高いものでも４．５ｋＶ／ｍｍのものしか示されていない。そこで、本発明の目的は、最大比誘電率が高く、静電容量温度特性に優れ、かつ交流破壊電圧が高い誘電体磁器組成物、及びそれを用いたコンデンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１において、誘電体磁器組成物は、組成式が（Ｂａ1-xＣａx） a （Ｔｉ1-yＺｒy） b Ｏ3（但し、０＜ｘ≦０．２５、０＜ｙ≦０．２５、０．９６５≦ａ／ｂ≦１．０３）で表される、チタン酸バリウムを主成分とする多結晶固溶体からなり、前記主成分１００重量部に対し、Ｙ成分をＹ2Ｏ3に換算して５重量部以下（但し、０重量部を除く）含有し、かつ、Ｍｇ成分をＭｇＯに換算して２重量部以下（但し、０重量部を除く）と、Ａｌ成分をＡｌ2Ｏ3に換算して２．５重量部以下（但し、０重量部を除く）含有し、かつ、Ｍｎ成分のＭｎＯに換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が２重量部以下（０重量部を含む）であり、かつ、Ｓｉ成分のＳｉＯ 2 に換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が２重量部以下（０重量部を含む）であり、かつ、Ｎｂ成分のＮｂ 2 Ｏ 5 に換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が１重量部以下（０重量部を含む）であることを特徴とする。また、請求項２において、コンデンサは、前記誘電体磁器組成物からなる誘電体磁器板と、該誘電体磁器板の両面に形成した電極とを有することを特徴とする。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例にもとづき説明する。
（実施例）出発原料として、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ2、五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を準備し、これらの原料を、表１、表２に示す最終組成物が得られるように配合し、ボールミルて湿式混合した後、蒸発乾燥した。
【表１】
【表２】
続いて、得られた粉末混合物を１１５０℃で２時間仮焼し、所定の化合物粉体を得た。得られた化合物粉体１００重量部に対して、結合剤である酢酸ビニル系バインダーを５重量部加え、ボールミルによって湿式混合した。次に、この混合物を蒸発乾燥、整粒して粉末状にし、さらに、この粉末原料を、２．５トン／ｃｍ3の圧力で、直径１５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの円板状に成形した。続いて、この円板状成形体を、電気炉により、表１、表２に示す温度で空気中で焼成して磁器素体を得た。そして、これらの磁器素体の両面にＡｇペーストを塗布後、空気中で８００℃で焼き付けて電極を形成し、これにリード線をはんだ付けして、試料としての磁器コンデンサを得た。次に、このようにして得られた各試料について、２５０Ｖの電圧を２分間印加して、絶縁抵抗を測定した。また、１ｋＨｚ、１Ｖｒｍｓの条件において、静電容量温度特性を測定し、静電容量が最大を示す温度を基準（０％）とし、そこから±５０℃離れた各温度における静電容量温度変化率を算出した。なお、このような算出方法を用いたのは、次の理由による。例えば、−２５℃と＋８５℃における静電容量温度特性を示した場合、転移点が常温近傍にないものもある。転移点の静電容量温度変化率を基準として、転移点から±５０℃における静電容量温度変化率を示せば、各試料の特性比較が行い易くなる。また、最大比誘電率（εmax）は、下記の式１に従い算出した。
εmax＝（Ｃmax×Ｔ）／〔ε0×（Ｄ／２）2×π〕 ………（式１）
但し、Ｃmax： 静電容量最大値（Ｆ）
Ｔ ： 磁器の厚み（ｍ）
ε0 ： 真空の誘電率（Ｆ／ｍ）=８．８５４×１０-12
Ｄ ： 磁器の直径（ｍ）
π ： 円周率
また、破壊電圧は、厚み１ｍｍ当たりの交流破壊電圧として算出した。以上の結果を表１、表２に示す。なお、表中、試料番号に＊印を付したものは、本発明の範囲外である。ここで、本発明の誘電体磁器組成物の組成範囲を限定した理由について説明する。試料番号１０、１１に示すように、Ｃａ量ｘが０．２５を超える場合、焼結性が低下して、１４００℃で焼成しても焼結不足になり、焼結させるにはそれ以上の温度で焼成する必要があり、生産コストアップになるため好ましくない。よって、Ｃａ量ｘは、０＜ｘ≦０．２５であることが好ましい。試料番号８、９に示すように、Ｚｒ量が０．２５を超える場合、焼結性が低下して、１４００℃で焼成しても焼結不足になり、焼結させるにはそれ以上の温度で焼成する必要があり、生産コストアップになるため好ましくない。よって、Ｚｒ量ｙは、０＜ｙ≦０．２５であることが好ましい。Ｙ成分の添加は、静電容量温度特性を平坦化する効果があるが、試料番号１２に示すように、Ｙ2Ｏ3量が０重量部の場合、転移点の静電容量温度変化率を基準として、転移点から±５０℃における静電容量温度変化率が−６０％を超えるので好ましくない。また、試料番号１６に示すように、Ｙ2Ｏ3量が５重量部を超える場合、εmaxの低下が大きく、６０００より小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＹ2Ｏ3量は、５重量部以下（但し、０重量部を除く。）であることが好ましい。Ｍｇ成分の添加は、静電容量温度特性を平坦化する効果があるが、試料番号１７に示すように、ＭｇＯ量が０重量部の場合、転移点の静電容量温度変化率を基準として、転移点から±５０℃における静電容量温度変化率が−６０％を超えるので好ましくない。また、試料番号２０に示すように、ＭｇＯ量が２重量部を超える場合、εmaxの低下が大きく、６０００より小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＭｇＯ量は、２重量部以下（但し、０重量部を除く。）であることが好ましい。Ａｌ成分の添加は、交流破壊電圧を大きくする効果があるが、試料番号２１に示すように、Ａｌ2Ｏ3量が０重量部の場合、交流破壊電圧が５．０ｋＶ／ｍｍよりも小さくなるので好ましくない。また、試料番号２５に示すように、Ａｌ2Ｏ3量が２．５重量部を超えると、絶縁抵抗が１．０×１０10よりも小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＡｌ2Ｏ3量は、２．５重量部以下（但し、０重量部を除く。）であることが好ましい。このように、添加成分のＹ2Ｏ3、ＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3は必須である。そのため、この条件を満足できないと、試料番号２６〜２９に示すように、転移点の静電容量温度変化率を基準として、転移点から±５０℃における静電容量温度変化率が−６０％を超えたり、交流破壊電圧が５．０ｋＶ／ｍｍより小さくなるので好ましくない。試料番号３１に示すように、ａ／ｂが０．９６５未満であると、絶縁抵抗が１．０×１０10より小さくなるので好ましくない。また、試料番号３６に示すように、ａ／ｂが１．０３を超えると、絶縁抵抗が１．０×１０10より小さくなるので好ましくない。よって、ａ／ｂは、０．９６５≦ａ／ｂ≦１．０３であることが好ましい。Ｍｎ成分の添加は、焼成温度を下げ、さらに、静電容量温度特性を平坦化する効果がある。しかしながら、Ｍｎ成分を添加する場合、試料番号４１に示すように、ＭｎＯ量が２重量部を超えると、絶縁抵抗が１．０×１０10よりも小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＭｎＯ量は、２重量部以下であることが好ましい。Ｓｉ成分の添加は、焼成温度を下げる効果がある。しかしながら、Ｓｉ成分を添加する場合、試料番号４６に示すように、ＳｉＯ2量が２重量部を超えると、絶縁抵抗が１．０×１０10より小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＳｉＯ2量は、２重量部以下であることが好ましい。Ｎｂ成分の添加は、絶縁抵抗を大きくする効果がある。しかしながら、Ｎｂ成分を添加する場合、試料番号５１に示すように、Ｎｂ2Ｏ5量が１重量部を超えると、絶縁抵抗が１．０×１０10より小さくなるので好ましくない。よって、主成分に対するＮｂ2Ｏ5量は、１重量部以下であることが好ましい。なお、本実施例では、出発原料として、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ2）及び五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を、目的の組成に応じて混合した後に仮焼した。しかしながら、あらかじめ、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）を混合して仮焼したものに、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ2）及び五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を添加しても、本実施例と同様の効果が得られる。また、本実施例では、出発原料として、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、及び五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を使用したが、本発明はこれらの化合物形態に限定されるものではない。例えば、炭酸塩、蓚酸塩、水酸化物、アルコキシドなどを使用してもよい。さらには、ＢａＴｉＯ3、ＢａＺｒＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＣａＺｒＯ3などの化合物を原料として用いても、同様の効果が得られる。また、本実施例では、磁器素体の両面に電極を形成した磁器コンデンサを作製したが、本発明はこれに限らず、例えば、複数の積層された誘電体磁器層と、該誘電体磁器層間に形成された内部電極と、該内部電極に電気的に接続された外部電極とで構成される、積層コンデンサに用いても、同様の効果が得られる。
【発明の効果】
本発明によれば、最大比誘電率が６０００以上と高く、静電容量温度特性が転移点の静電容量温度変化率を基準として、転移点から±５０℃における静電容量温度変化率が−６０％以内と平坦で、交流破壊電圧が５．０ｋＶ／ｍｍ以上と高い誘電体磁器組成物を得ることが可能である。また、本発明の誘電体磁器組成物を用いて誘電体磁器とし、その両面に電極を設けてコンデンサとすれば、上記の誘電体磁器組成物の優れた特性を備えたセラミックコンデンサを実現することができる。

Claims (2)

  1. 組成式が（Ｂａ1-xＣａx） a （Ｔｉ1-yＺｒy） b Ｏ3（但し、０＜ｘ≦０．２５、０＜ｙ≦０．２５、０．９６５≦ａ／ｂ≦１．０３）で表される、チタン酸バリウムを主成分とする多結晶固溶体からなり、前記主成分１００重量部に対し、Ｙ成分をＹ2Ｏ3に換算して５重量部以下（但し、０重量部を除く）含有し、かつ、Ｍｇ成分をＭｇＯに換算して２重量部以下（但し、０重量部を除く）と、Ａｌ成分をＡｌ2Ｏ3に換算して２．５重量部以下（但し、０重量部を除く）含有し、かつ、Ｍｎ成分のＭｎＯに換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が２重量部以下（０重量部を含む）であり、かつ、Ｓｉ成分のＳｉＯ 2 に換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が２重量部以下（０重量部を含む）であり、かつ、Ｎｂ成分のＮｂ 2 Ｏ 5 に換算したときの前記主成分１００重量部に対する含有量が１重量部以下（０重量部を含む）であることを特徴とする、誘電体磁器組成物。
  2. 請求項１に記載の誘電体磁器組成物からなる誘電体磁器板と、該誘電体磁器板の両面に形成した電極とを有することを特徴とする、コンデンサ。
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