JP4482939B2 - 誘電体磁器組成物、誘電体磁器およびこれを用いた積層セラミック部品 - Google Patents
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Description
本発明は、比誘電率εrが10以下で、マイクロ波やミリ波などの高周波領域でのQ値が大きく、更に共振周波数f0の温度係数τfの絶対値が小さく、且つ低抵抗導体であるAgやCu等との同時焼成が可能な誘電体磁器組成物、その焼成により得られる誘電体磁器、およびそれを用いた積層誘電体共振器や積層誘電体フィルターや積層誘電体基板等の積層セラミック部品に関するものである。
背景技術:
近年、通信網の急激な発展に伴い、通信に使用する周波数の範囲が拡大すると同時にマイクロ波領域やミリ波領域など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、その焼成により得られる誘電体磁器を用いた誘電体共振器の無負荷Q値が大きく、更に共振周波数f0の温度係数τfの絶対値が小さい材料が求められている。一方、マイクロ波回路やミリ波回路の大きさは、誘電体磁器の比誘電率εrが大きくなるほど小型化が可能である。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εrが大き過ぎると、回路が小さくなりすぎ加工精度の要求が厳しくなるので、比誘電率εrの小さい材料が必要となる。
従来、Q値が大きく、更に共振周波数f0の温度係数τfの絶対値が小さい誘電体共振器の製造のための誘電体磁器組成物としては、BaO−MgO−WO3系材料(特開平6−236708号公報(第11頁段落番号[0033]、表1〜8)参照)や、MgTiO3−CaTiO3系材料(特開平6−199568号公報(第5頁段落番号[0018]、表1〜3)参照)などが提案されている。しかし、これら磁器組成物から得られる誘電体磁器の比誘電率εrは10を越えており、更に低い誘電率を有する誘電体磁器の製造が可能な誘電体磁器組成物が求められている。
一方、フォルステライト(Mg2SiO4)、アルミナ(Al2O3)は、それぞれεrが7、10と比較的小さい比誘電率を示し、高周波特性に優れる磁器の製造が可能な誘電体磁器組成物として知られている。しかし、共振周波数の温度依存性(τf)が−60ppm/℃とマイナス側に大きくなるため、誘電体共振器や誘電体フィルターなどの温度依存性が小さいことが求められる用途への適用は制限されている。
また最近、誘電体磁器を積層した積層誘電体共振器や積層誘電体フィルターや積層誘電体基板等の積層セラミック部品が開発されており、その製造に際して誘電体磁器組成物と内部電極との同時焼成による積層化が行われている。しかしながら、前記誘電体磁器組成物は焼成温度が1300℃以上と高いため内部電極との同時焼成を行うことは困難な傾向があり、積層化構造とするための電極材料は高温に耐える白金(Pt)等の高価な材料に限定されていた。このため、電極材料として低抵抗導体で、且つ安価な銀(Ag)、Ag−Pd、およびCu等を使用して、1000℃以下の低温で同時焼成が可能な誘電体磁器組成物が求められている。
誘電率が小さく低温焼成の可能な誘電体磁器としては、ZnAl2O4結晶とα−SiO2結晶およびZn2SiO4結晶並びにガラス相からなるものが知られている(特開2002−338341号公報(第10頁段落番号[0050]、表4等)参照)が、この材料は、ガラス相を含む配線基板材料であり機械的強度を重視しており、高周波用誘電体磁器としては、共振器のQ値も十分でなく、同公報には共振周波数f0の温度係数τfの記載もない。
また、誘電率が小さく低温焼成の可能な誘電体磁器としては、SiO2、Al2O3、MgO、ZnO及びB2O3を含み、ZnOとAl2O3の結晶相とZnOとSiO2の結晶相とMgOとSiO2の結晶相並びにSiO2又はSiO2とB2O3とからなる非結晶相で構成されたものが知られている(特開2002−53368号公報(第5頁段落番号[0053]、表2等)参照)が、この材料は、ガラス相を含む配線基板材料であり機械的強度を重視しており、高周波用誘電体磁器としては、Q値も十分でなく、同公報には共振周波数f0の温度係数τfの記載もない。
発明の開示:
本発明の目的は、上記の問題を解消し、AgやCu等の低抵抗導体との同時焼成による内挿化、多層化ができる800℃〜1000℃の温度により焼成でき、かつ焼成して得られる誘電体磁器の比誘電率εrが10以下で、共振器のQ×f0値が大きく、更に共振周波数f0の温度係数τfの絶対値が20ppm/℃以下でその調整も容易な誘電体磁器組成物を提供することにある。また、本発明の目的は、このような誘電体磁器組成物を焼成して得られる誘電体層とAg或いはCuを主成分とする内部電極とを有する積層誘電体共振器や積層フィルターや積層誘電体基板等の積層セラミック部品を提供することにある。
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
一般式(1):aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2−dZn2TiO4で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが5.0≦a≦80.0mol%、5.0≦b≦70.0mol%、5.0≦c≦27.5mol%、0≦d≦30.0mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)である主成分100重量部に対して、ガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、CaO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種である。
このような誘電体磁器組成物を焼成することで、ZnAl2O4、Zn2SiO4及びZn2TiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器、またはZnAl2O4、Zn2SiO4、TiO2及びZn2TiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器が得られる。
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
一般式(2):aZnO−bAl2O3−cSiO2−d(xCaO−(1−x)TiO2)で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが7.5≦a≦55.0mol%、5.0≦b≦65.0mol%、5.0≦c≦70.0mol%、7.5≦d≦27.5mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)であり、0≦x≦0.75である原料組成物を仮焼して得られる仮焼物からなる主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記主成分が、ZnAl2O4の結晶およびZn2SiO4の結晶と、CaTiO3の結晶及びTiO2の結晶のうちの少なくとも1つとを含む。本発明の一態様においては、前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種である。本発明の一態様においては、前記ガラス成分の組成が、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%である。
このような誘電体磁器組成物を焼成することで、ZnAl2O4、Zn2SiO4、並びにCaTiO3及びTiO2のうちの少なくとも1つの各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器が得られる。
このような誘電体磁器組成物は、上記一般式(2)で表され各成分のモル分率a、b、c、d及び係数xが上記の範囲内にある原料組成物を900〜1200℃で仮焼し、これにより得られた仮焼物からなる主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめることにより製造することができる。
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
一般式(3):aZnAl2O4−bZn2SiO4−cSiO2−dSrTiO3で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが2.5≦a≦77.5mol%、2.5≦b≦77.5mol%、2.5≦c≦37.5mol%、10.0≦d≦17.5mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)である主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種である。本発明の一態様においては、前記ガラス成分の組成が、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%である。
このような誘電体磁器組成物を焼成することで、ZnAl2O4、Zn2SiO4およびSrTiO3の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器が得られる。
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
一般式(4):aMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3−eZn2SiO4で表され、各成分のモル分率a、b、c、d、eが0.10≦a≦0.72、0.08≦b≦0.62、0.02≦c≦0.22、0.12≦d≦0.22、0≦e≦0.08(ただし、a+b+c+d+e=1)である主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で1重量部以上15重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種である。本発明の一態様においては、前記ガラス成分の組成が、SiO2が2〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜30wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%である。
このような誘電体磁器組成物を焼成することでMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2およびCaTiO3の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器、またはMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3およびZn2SiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器が得られる。
更に、本発明によれば、複数の誘電体層と、該誘電体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を備える積層セラミック部品において、前記誘電体層が、一般式(1)の主成分を持つ誘電体磁器組成物、一般式(2)の原料組成物の仮焼物からなる主成分を持つ誘電体磁器組成物、一般式(3)の主成分を持つ誘電体磁器組成物、または一般式(4)の主成分を持つ誘電体磁器組成物を焼成して得られる誘電体磁器にて構成され、前記内部電極がCu単体若しくはAg単体、又はCu若しくはAgを主成分とする合金材料にて形成されていることを特徴とする積層セラミック部品、が提供される。
本発明による誘電体磁器組成物は、1000℃以下の焼成温度で焼結ができるため、低抵抗導体であるAgやCu等と同時焼成が可能である。また、本発明による誘電体磁器組成物を焼成することにより共振周波数f0(GHz)とQ値の積であるQ×f0値が10000(GHz)以上、場合により20000(GHz)以上と大きい値を示し、誘電損失の小さい磁器を提供することができる。そして、本発明による誘電体磁器組成物は、共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃以下の、温度による影響の少ない磁器を提供できる。更に、本発明による誘電体磁器組成物から得られる誘電体磁器の比誘電率εrは10以下で、これを用いた高周波用素子や回路は小さくなりすぎることはなく適度な大きさに保つことが可能になり,加工精度や生産性の面で優れている。
図2は、図1の積層セラミック部品の断面図である。
図3は、実施例2で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
図4は、実施例13で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
図5は、実施例33で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
図6は、実施例44で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
図7は、実施例68で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
図8は、実施例76で得られた誘電体磁器のX線回折図である。
発明を実施するための最良の形態:
以下、本発明の実施の形態を説明する。
(1)第1の実施形態(上記一般式(1)の主成分を持つ誘電体磁器組成物に係る実施形態):
本実施形態の誘電体磁器組成物は、一般式(1)[aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2−dZn2TiO4]で表される主成分100重量部に対して、ガラス成分を5重量部以上150重量部以下含有する。
尚、ガラス成分はガラスまたは粉末ガラス(ガラス粉末ともいう)の形態をとる。ここで、ガラスとは非結晶質の固体物質を指し溶融により得られる。また、粉末ガラスまたはガラス粉末とはガラスを粉砕して粉末状にしたものを指す。なお、内部に一部結晶化したものを含む結晶化ガラスもガラスに含まれる。以下、単にガラスと称されるもののうちには、粉末ガラスや結晶化ガラスも含まれるものとする。これらは以下の全ての実施形態において同様である。
本実施形態に用いるガラス成分としては、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、その他金属酸化物等からなるガラスが挙げられる。PbO系ガラスは、PbOを含有するガラスであり、PbO−SiO2、PbO−B2O3、PbO−P2O5を含有するガラスや、R2O−PbO−SiO2、R2O−CaO−PbO−SiO2、R2O−ZnO−PbO−SiO2、R2O−Al2O3−PbO−SiO2を含有するガラス(但しR2OはNa2O、K2Oの少なくとも1つを指す[以下の全ての実施形態において同様])などが例示される。ZnO系ガラスは、ZnOを含有するガラスであり、ZnO−Al2O3−BaO−SiO2、ZnO−Al2O3−R2O−SiO2などが例示される。SiO2系ガラスは、SiO2を含有するガラスであり、SiO2−Al2O3−R2O、SiO2−Al2O3−BaOなどが例示される。B2O3系ガラスは、B2O3を含有するガラスであり、B2O3−SiO2−ZnO、B2O3−Al2O3−R2Oなどが例示される。
さらに、本実施形態のガラス成分としては、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラスの他にも、各種金属酸化物等からなるガラスも使用することができ、そのようなガラスとしてSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、CaO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスが挙げられる。ガラスは非晶質ガラスや結晶質ガラスのどちらを用いてもよい。ガラス中にPbOを含有すると焼成温度は低下する傾向にあるが、無負荷Q値が低下する傾向にあり、このためガラス中のPbO成分の含有量は、40重量%以下が好ましい。また、ガラス中にZnO、Al2O3、BaO、SiO2及びB2O3を成分として含有すると、高い無負荷Q値を得ることができることから、このような成分を持つガラスは本実施形態に用いるガラスとして特に好適である。
次に本実施形態における組成の限定理由について説明する。焼成により得られる磁器(セラミックス)の母材となる前記主成分100重量部に対して、ガラス成分量が5重量部未満の場合には1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、150重量部を超える場合には焼成時にガラスが溶出して良好な焼結体を得ることができなくなるため、いずれも好ましくない。
また、前記主成分においてモル分率aが5.0mol%より少ないとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなり、80.0mol%を超えると1000℃以下で焼結しなくなるため、いずれも好ましくない。また、モル分率bが5.0mol%より少ないと良好な焼結体が得られなくなり、70.0mol%を超えると共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため、いずれも好ましくない。また、モル分率cが5.0mol%より少ないか或いは27.5mol%を超えると共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため好ましくない。また、モル分率dが30.0mol%を超えるとQ×f0値が小さくなるため好ましくない。本実施形態の誘電体磁器組成物には、これら主要成分以外にも、本発明の目的を損なわない範囲で他成分を含めることが可能である。
前記主成分のモル分率dが0mol%であると、本実施形態の誘電体磁器組成物の主成分は、aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2(ただし、a+b+c=100mol%)と表されるが、この3成分系の主成分100重量部に対して、ガラス成分を5重量部以上150重量部以下含有する誘電体磁器組成物においても上記の本発明の効果が得られる。
本実施形態の誘電体磁器組成物の最も望ましい形態としては、aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2−dZn2TiO4の4成分の結晶からなる主成分とガラス成分とからなる誘電体磁器組成物が挙げられる。この4成分系の主成分とガラス成分とからなる誘電体磁器組成物は、前記aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2の3成分の結晶からなる主成分とガラス成分とからなる誘電体磁器組成物に比べて、Zn2TiO4が加えられている事により、焼成温度を更に下げることができ、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が生じにくくなる利点がある。
本実施形態の誘電体磁器組成物およびこれを焼成して得られる誘電体磁器の好適な製造方法の一例を次に示す。前記主成分を構成する各母材原料は、例えば、それぞれ次のようにして得られる。ZnAl2O4は、ZnOとAl2O3とを1:1のモル比で混合し、仮焼することにより得られる。Zn2SiO4は、ZnOとSiO2とを2:1のモル比で混合し、仮焼することで得られる。また、Zn2TiO4は、ZnOとTiO2とを2:1のモル比で混合し、仮焼することで得られる。このようなZnAl2O4、Zn2SiO4、TiO2、Zn2TiO4のうち必要な母材原料とガラス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、アルコール等の溶媒を除去した後、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、粉砕して、加圧成形(圧力100〜1000kg/cm2程度)する。そして得られた成形物を空気の如き酸素含有ガス雰囲気下にて825〜925℃で焼成することにより上記組成式で表わされる誘電体磁器が得られる。
また、本実施形態の誘電体磁器組成物およびこれを焼成して得られる誘電体磁器の好適な製造方法の別の一例を次に示す。酸化亜鉛(ZnO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化珪素(SiO2)、酸化チタン(TiO2)の各粉末のうち必要な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800〜1200℃の温度で2時間仮焼してZnAl2O4、Zn2SiO4、TiO2、Zn2TiO4で構成される仮焼粉末を得る。このようにして得られた仮焼粉末に所定量のガラス粉末を加え、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、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、粉砕した後、加圧成形(圧力100〜1000kg/cm2程度)する。そして得られた成形物を空気の如き酸素含有ガス雰囲気下にて825〜925℃で焼成することにより上記組成式で表わされる誘電体磁器が得られる。なお、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、チタンの原料としては、ZnO、Al2O3、SiO2、TiO2の酸化物の他に、仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を使用することができる。
図3に前者の製造方法で得られた本実施形態のaZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2の3元系主成分の結晶及びガラス相からなる誘電体磁器のX線回折図を示す。また、図4に前者の製造方法で得られた本実施形態のaZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2−dZn2TiO4の4元系主成分の結晶およびガラス相からなる誘電体磁器のX線回折図を示す。なお、出発原料を酸化物とした後者の製造方法、或いは出発原料として仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を用いた製造方法を用いた場合においても、前記のような目的とする結晶構造の誘電体磁器を得ることが可能である。
本実施形態の誘電体磁器組成物は、適当な形状およびサイズに加工し焼成し更に所要の電極を形成することにより誘電体共振器を製造するのに利用できる。また、本実施形態の誘電体磁器組成物に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を混合した後、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して、一体焼成することにより、各種積層セラミック部品を得ることができる。積層セラミック部品としては積層誘電体共振器、積層セラミックコンデンサ、LCフィルター、誘電体基板などが挙げられる。
本実施形態の積層セラミック部品は、複数の誘電体層と、該誘電体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を備えており、前記誘電体層が前記誘電体磁器組成物を焼成して得られる誘電体磁器にて構成され、前記内部電極がCu単体若しくはAg単体、又はCu若しくはAgを主成分とする合金材料にて形成されている。本発明の積層セラミック部品は、誘電体磁器組成物を含有する誘電体層と、Cu単体若しくはAg単体、又はCu若しくはAgを主成分とする合金材料とを、同時焼成することにより得ることができる。
上記積層セラミック部品の実施形態として、例えば図1に示したトリプレートタイプの共振器が挙げられる。図1は本実施形態に係るトリプレートタイプの共振器を示す斜視図であり、図2はその断面図である。図1及び図2に示すように、トリプレートタイプの共振器は、複数の誘電体層1と、該誘電体層間に形成された内部電極2と、該内部電極に電気的に接続された外部電極3とを備える積層セラミック部品である。トリプレートタイプの共振器は、内部電極2を中央部に配置して複数枚の誘電体層1を積層して得られる。内部電極2は、第1の面Aからこれに対向する第2の面Bまで貫通するように形成されており、第1の面Aのみ開放面で、第1の面Aを除く共振器の5面には外部電極3が形成されており、第2の面Bにおいて内部電極2と外部電極3とが接続されている。内部電極2の材料は、CuまたはAgあるいは、それらを主成分とする合金材料から構成されている。本実施形態の誘電体磁器組成物は低温で焼成が可能なため、これらの内部電極の材料を使用しての同時焼成が可能である。
(2)第2の実施形態(上記一般式(2)の原料組成物の仮焼物からなる主成分を持つ誘電体磁器組成物に係る実施形態):
本実施形態の誘電体磁器組成物は、一般式(2)[aZnO−bAl2O3−cSiO2−d(xCaO−(1−x)TiO2)]の原料組成物を仮焼して得た仮焼物を主成分とし、該主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなるものである。
主成分の仮焼物は、上記のような一般式(2)で表すことができるZnO、Al2O3、SiO2、およびTiO2、また必要に応じてCaOの各酸化物からなる原料を所定量900〜1200℃程度で仮焼することによって得られる。この仮焼物は、ZnAl2O4の結晶およびZn2SiO4の結晶を含んでおり、原料組成にCaOを含む場合は、さらにCaTiO3の結晶も含んでいる。原料組成によっては、CaAl2Si2O8、Zn2TiO4、ZnTiO3、Zn2Ti3O8、TiO2の結晶を含むこともある。
本実施形態の誘電体磁器組成物に配合されるガラス成分としては、上記第1の実施形態で挙げたものと同様なPbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラスが挙げられる。さらに、本実施形態のガラス成分としては、各種金属酸化物等からなるガラスも使用することができ、そのようなガラスとしてSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスが挙げられる。ガラスは非晶質ガラスや結晶質ガラスのどちらを用いてもよい。ガラス中にPbOを含有すると焼成温度は低下する傾向にあるが、無負荷Q値が低下する傾向にあり、このためガラス中のPbO成分の含有量は、40重量%以下が好ましい。また、ガラス中にZnO、Al2O3、BaO、SiO2及びB2O3を成分として含有すると、高い無負荷Q値を得ることができることから、このような成分を持つガラスは本実施形態に用いるガラスとして特に好適である。
特に好ましいガラス組成として、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%のガラス組成物が例示される。
次に本実施形態における組成の限定理由について説明する。セラミックスの母材となる前記主成分100重量部に対して、ガラス成分含有量が5重量部未満の場合には1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、150重量部を超える場合には焼成時にガラスが溶出して良好な焼結体を得ることができなくなるため、いずれも好ましくない。本実施形態において、ガラスの含有量は、さらに好ましくは、10重量部〜50重量部である。これらのガラス成分含有量によれば、焼成温度が低く、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が生じにくくなるとともに、Q×f0値が高くなる利点がある。また、副成分のLi2Oの含有量が前記主成分100重量部に対して、2重量部より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、30重量部を超えると焼成時にガラスが溶出し良好な焼結体が得られず、いずれも好ましくない。
また、前記主成分原料においてモル分率aが7.5mol%より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、55.0mol%を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため、いずれも好ましくない。また、モル分率bが5.0mol%より少ないとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなり、65.0mol%を超えると1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなるため、いずれも好ましくない。また、モル分率cが5.0mol%より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、70.0mol%を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため、いずれも好ましくない。また、モル分率dが7.5mol%より少ないか或いは27.5mol%を超えると共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため好ましくない。また、xの値が0.75を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなり、共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため好ましくない。本実施形態の誘電体磁器組成物には、これら主要成分以外にも、本発明の目的を損なわない範囲で他成分を含めることが可能である。
前記式(2)においてxが0であると、本実施形態の誘電体磁器組成物の主成分原料は、aZnO−bAl2O3−cSiO2−dTiO2(ただし、a+b+c+d=100mol%)と表されるが、この4成分系の主成分原料の仮焼物100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下含有する誘電体磁器組成物においても上記の本発明の効果が得られる。
本実施形態の誘電体磁器組成物の最も望ましい形態としては、ZnO−Al2O3−SiO2−CaO−TiO2の5成分系の主成分原料の仮焼物100重量部に対して、副成分Li2Oを2重量部以上30重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下含有する誘電体磁器組成物が挙げられる。
本実施形態で示される5成分系の主成分原料の仮焼物と副成分Li2Oとガラス成分とからなる誘電体磁器組成物は、前記4成分系の主成分原料の仮焼物と副成分Li2Oとガラス成分とからなる誘電体磁器組成物に比べて、焼成温度を更に下げることができ、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が一層生じにくくなる利点がある。
本実施形態の誘電体磁器組成物およびこれを焼成して得られる誘電体磁器の好適な製造方法の一例を次に示す。前記主成分の原料は、例えば次のようにして得られる。即ち、ZnO、Al2O3、SiO2、CaO、TiO2のうち必要な原料を所定量ずつ秤量し水、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、得られた粉末を900〜1200℃程度で仮焼することにより得られる。このようにして得られた主成分の仮焼粉と副成分のLi2O粉末とガラス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、アルコール等の溶媒を除去した後、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、粉砕して、加圧成形(圧力100〜1000kg/cm2程度)する。そして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850〜975℃で焼成することにより誘電体磁器が得られる。
図5にこのようにして得られた本発明のZnO−Al2O3−SiO2−CaO−TiO2の5成分系の主成分原料の仮焼粉に対して、副成分Li2Oとガラス成分とを混合し、焼成して得られた誘電体磁器のX線回折図を示す。図5から、本実施形態の誘電体磁器は、ZnAl2O4、Zn2SiO4およびCaTiO3、更にはCaAl2Si2O8およびZn2Ti3O8の結晶相とガラス相とからなることがわかる。
本実施形態の誘電体磁器組成物は、第1の実施形態と同様にして誘電体共振器を製造するのに利用できる。また、本実施形態の誘電体磁器組成物から、第1の実施形態と同様にして、トリプレートタイプの共振器等の各種積層セラミック部品を得ることができる。
(3)第3の実施形態(上記一般式(3)の主成分を持つ誘電体磁器組成物に係る実施形態):
本実施形態の誘電体磁器組成物は、一般式(3)[aZnAl2O4−bZn2SiO4−cSiO2−dSrTiO3]で表される主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなるものである。
本実施形態の誘電体磁器組成物に配合されるガラス成分としては、上記第2の実施形態で挙げたものと同様のものが挙げられる。ガラス中にPbOを含有すると焼成温度は低下する傾向にあるが、無負荷Q値が低下する傾向にあり、このためガラス中のPbO成分の含有量は、40重量%以下が好ましい。また、ガラス中にZnO、Al2O3、BaO、SiO2及びB2O3を成分として含有すると、高い無負荷Q値を得ることができることから、このような成分を持つガラスは本実施形態に用いるガラスとして特に好適である。
特に好ましいガラス組成として、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%のガラス組成物が例示される。
次に本実施形態における組成の限定理由について説明する。セラミックスの母材となる前記主成分100重量部に対して、ガラス成分含有量が5重量部未満の場合には1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、ガラス成分含有量が150重量部を超える場合には焼成時にガラスが溶出して良好な焼結体を得ることができなくなるため、いずれも好ましくない。さらに好ましくは、ガラス成分の含有量は、20重量部〜50重量部である。これらのガラス成分含有量によれば、焼成温度が低く、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が生じにくくなるとともに、Q×f0値が高くなる利点がある。また、副成分のLi化合物の含有量がLi2O換算で前記主成分100重量部に対して、2重量部より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、30重量部を超えるとガラスが溶出し良好な焼結体が得られず、いずれも好ましくない。
また、前記主成分においてaが2.5モル%より少ないとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくなく、77.5モル%を超えると1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなるため好ましくない。また、bが2.5モル%より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、77.5モル%を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくない。また、cが2.5モル%より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、37.5モル%を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくない。また、dが10.0モル%より少ないか17.5モル%を超えると共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため好ましくない。本実施形態の誘電体磁器組成物には、これら主要成分以外にも、本発明の目的を損なわない範囲で他成分を含めることが可能である。
本実施形態の誘電体磁器組成物およびこれを焼成して得られる誘電体磁器の好適な製造方法の一例を次に示す。本実施形態の誘電体磁器組成物の主成分を構成するZnAl2O4、Zn2SiO4、SiO2、SrTiO3の各成分は、それぞれ個別に調製することも可能であり、また、一度に混合物として調製することも可能である。各成分をそれぞれ個別に調製する場合の例としては、各元素単独の酸化物を所定の割合で配合し仮焼することにより得られる。例えば、ZnAl2O4、は、ZnOとAl2O3とをモル比で1:1で配合し、900〜1200℃で仮焼することにより得られる。同様に、Zn2SiO4は、ZnOとSiO2とをモル比で2:1で、SrTiO3は、SrOとTiO2とをモル比で1:1で、配合し仮焼することで、それぞれ得られる。
誘電体磁器組成物の主成分は、一度に混合物として調製する場合は、例えば、次のようにして得ることが出来る。即ち、酸化亜鉛(ZnO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化珪素(SiO2)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化チタン(TiO2)の各粉末のうち必要な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900〜1200℃の温度で2時間仮焼してZnAl2O4、Zn2SiO4、SiO2、SrTiO3で構成される仮焼粉末を得る。なお、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、ストロンチウム、チタンの原料としては、ZnO、Al2O3、SiO2、SrO、TiO2の酸化物の他に、仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を使用することができる。
上記のようにして得られた仮焼粉末からなる主成分に副成分のLi2O粉末とガラス粉末とを配合させることにより、本実施形態の誘電体磁器組成物を得ることができる。なお、本実施形態では、Li2Oの代わりに、焼成してLi2Oとなる化合物、例えば、Li2CO3などをLi2O換算で同等の量で使用してもよい。
前記誘電体磁器組成物を焼成して誘電体磁器を得る場合は、通常次のようにする。即ち、ZnAl2O4、Zn2SiO4、SiO2、SrTiO3の主成分と副成分のLi2O粉末とガラス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、アルコール等の溶媒を除去した後、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、粉砕して、加圧成形(圧力100〜1000kg/cm2程度)する。そして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825〜975℃で焼成することにより、ZnAl2O4、Zn2SiO4およびSrTiO3の各結晶相とガラス相とからなる誘電体磁器が得られる。
図6に、本実施形態のaZnAl2O4−bZn2SiO4−cSiO2−dSrTiO3で表される仮焼粉主成分に対して、副成分Li2Oとガラスとを混合し、焼成して得られた誘電体磁器のX線回折図を示す。図6から、本実施形態の誘電体磁器は、ZnAl2O4、Zn2SiO4およびSrTiO3の結晶相とガラス相とからなることがわかる。主成分中のSiO2結晶は、焼成に重要な役割を果たし、主成分にSiO2結晶を含まない場合、低温では十分に焼成できない。焼成前に含有されたSiO2結晶は、焼成後は、X線回折で検出されず、非晶質状態になっているものと推定される。副成分のLi2Oも同様に、焼成後は、X線回折で検出されず、非晶質状態になっているものと推定される。なお、本実施形態の誘電体磁器は、結晶相がZnAl2O4、Zn2SiO4およびSrTiO3からなるが、本発明の効果を示す範囲で、他の結晶相がわずかに存在してもよい。また、出発原料を酸化物とした製造方法、或いは出発原料として仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を用いた製造方法を用いた場合においても、前記のような結晶構造を得ることが可能である。
本実施形態の誘電体磁器組成物は、第1の実施形態と同様にして誘電体共振器を製造するのに利用できる。また、本実施形態の誘電体磁器組成物から、第1の実施形態と同様にして、トリプレートタイプの共振器等の各種積層セラミック部品を得ることができる。
(4)第4の実施形態(上記一般式(4)の主成分を持つ誘電体磁器組成物に係る実施形態):
本実施形態の誘電体磁器組成物は、一般式(4)[aMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3−eZn2SiO4]で表される主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で1重量部以上15重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなるものである。
前記主成分においてモル分率aが0.10より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなるため好ましくなく、0.72を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくない。また、モル分率bが0.08より少ないとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくなく、0.62を超えると1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなるため好ましくない。また、モル分率cが0.02より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなるため好ましくなく、0.22を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくない。また、モル分率dが0.12より少ないか或いは0.22を超えると共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃より大きくなるため好ましくない。また、モル分率eが0.08を超えるとQ×f0値が10000(GHz)より小さくなるため好ましくない。本実施形態の誘電体磁器組成物には、これら主要成分以外にも、本発明の目的を損なわない範囲で他成分を含めることが可能である。
本実施形態の誘電体磁器組成物において、副成分としてのLi化合物は、Li2Oも含み、その他に、焼成してLi酸化物となるLiの炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物なども挙げられる。通常、Li2OまたはLi2CO3が使用される。これらの副成分の添加量は、Li2O換算で上記の量になるように決められる。
本実施形態の誘電体磁器組成物に配合されるガラス成分としては、上記第1の実施形態で挙げたものと同様なPbO系ガラス、Zno系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラスが挙げられる。さらに、本実施形態のガラス成分としては、各種金属酸化物等からなるガラスも使用することができ、そのようなガラスとしてSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスが挙げられる。ガラスは非晶質ガラスや結晶質ガラスのどちらを用いてもよい。ガラス中にPbOを含有すると焼成温度は低下する傾向にあるが、無負荷Q値が低下する傾向にあり、このためガラス中のPbO成分の含有量は、40重量%以下が好ましい。また、ガラス中にZnO、Al2O3、BaO、SiO2及びB2O3を成分として含有すると、高い無負荷Q値を得ることができることから、このような成分を持つガラスは本実施形態に用いるガラスとして特に好適である。
特に好ましいガラス組成としては、SiO2が2〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜30wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%のガラス組成物が例示される。このガラス組成物を使用すれば950℃以下の焼成温度でも焼成が可能である。
セラミックスの母材となる前記主成分100重量部に対して、ガラス成分含有量が5重量部未満では1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、150重量部を超える場合には焼成時にガラスが溶出して良好な焼結体を得ることができなくなるため、いずれも好ましくない。本実施形態において、さらに好ましくは、ガラス成分の含有量は、10重量部〜50重量部である。これらのガラス成分含有量によれば、焼成温度が低く、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が生じにくくなるとともに、Q×f0値が高くなる利点がある。また、前記副成分のLi2O換算の含有量が前記主成分100重量部に対して、1重量部より少ないと1000℃以下で良好な焼結体が得られなくなり、15重量部を超えると焼成時にガラスが溶出し良好な焼結体が得られず、いずれも好ましくない。
前記主成分のモル分率eが0であると、本実施形態の誘電体磁器組成物の主成分はaMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3と表され、各成分のモル分率a、b、c、dが0.10≦a≦0.72、0.08≦b≦0.62、0.02≦c≦0.22、0.12≦d≦0.22(ただし、a+b+c+d=1)として表されるが、この4成分系の主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で1重量部以上15重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物においても、上記の本発明の効果が得られる。
実施形態の誘電体磁器組成物の望ましい形態としては、aMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3−eZn2SiO4で表される5成分系の主成分100重量部に対して、副成分として焼成してLi2OとなるLi化合物をLi2O換算で1重量部以上15重量部以下、およびガラス成分を5重量部以上150重量部以下、配合せしめてなる誘電体磁器組成物が挙げられる。この5成分系主成分の誘電体磁器組成物は、前記4成分系主成分の誘電体磁器組成物に比べて、Zn2SiO4が加えられている事により、焼成温度を更に下げることができ、特に低融点金属であるAgと同時焼成する場合においてマイグレーション等の不具合が一層生じにくくなる利点がある。
本実施形態の誘電体磁器は、前記誘電体磁器組成物を焼成することにより得られる。得られる誘電体磁器は、Mg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3の結晶相とガラス相とを含む。焼成前の誘電体磁器組成物にZn2SiO4を含む場合は、さらに結晶相にZn2SiO4を含む。結晶相およびガラス相の組成は、前記誘電体磁器組成物を構成する結晶成分とガラス成分の各組成に近いが、焼成時に、結晶粒子の表面とガラス成分とが一部反応することにより、強固な焼結体を形成すると共に、結晶成分とガラス成分とが一部反応することにより、Zn2SiO4、Li2ZnSiO4、CaTiSiO5、Ca2TiSiO6、BaAl2Si2O8、Zn2Ti3O8の結晶のうち少なくとも1種を生成することもある。
本実施形態の誘電体磁器は、共振周波数f0(GHz)とQ値の積であるQ×f0値が20000(GHz)以上と大きい値を示し、誘電損失が小さい。また、共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃以下で、温度による影響が少なく、更に、比誘電率εrが10以下であり、誘電体磁器を用いた高周波用素子や回路は小さくなりすぎることはなく適度な大きさに保つことが可能になり、加工精度や生産性の面で優れている。
本実施形態の誘電体磁器組成物およびこれを焼成して得られる誘電体磁器の好適な製造方法の一例を次に示す。本実施形態の誘電体磁器組成物の主成分を構成するMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3、Zn2SiO4の各成分は、それぞれ個別に調製することも可能であり、また、一度に混合物として調製することも可能である。各成分をそれぞれ個別に調製する場合の例としては、各元素単独の酸化物を所定の割合で仮焼することが挙げられる。例えば、Mg2SiO4は、MgOとSiO2とをモル比で2:1で配合し、900〜1300℃で仮焼することにより得られる。ZnAl2O4は、ZnOとAl2O3とをモル比で1:1で配合し、900〜1300℃で仮焼することにより得られる。同様に、CaTiO3は、CaOとTiO2とをモル比で1:1で、Zn2SiO4は、ZnOとSiO2とをモル比で2:1で、配合した後、仮焼することでそれぞれ得られる。
誘電体磁器組成物の主成分を一度に混合物として調製する場合は、例えば、次のようにして得ることが出来る。即ち、酸化マグネシウム(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化珪素(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、酸化チタン(TiO2)の各粉末のうち必要な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900〜1300℃の温度で2時間仮焼してMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3、Zn2SiO4で構成される仮焼粉末を得る。なお、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、カルシウム、チタンの原料としては、MgO、ZnO、Al2O3、SiO2、CaO、TiO2の酸化物の他に、仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を使用することができる。
上記のようにして得られた主成分の仮焼粉末に副成分として、焼成してLi2OとなるLi化合物、例えば、炭酸リチウム(Li2CO3)の粉末とガラス粉末とを配合させることにより、本実施形態の誘電体磁器組成物を得ることができる。
前記誘電体磁器組成物を焼成して誘電体磁器を得る場合は、通常次のようにする。即ち、Mg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3、Zn2SiO4のうち必要な主成分粉末と副成分である焼成してLi2OとなるLi化合物の粉末とガラス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、アルコール等の溶媒を除去した後、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、粉砕して、加圧成形(圧力100〜1000kg/cm2程度)する。そして得られた成形物を空気の如き酸素含有ガス雰囲気下にて800〜950℃で焼成することにより、Mg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3の結晶相とガラス相とを含有する誘電体磁器が得られる。また、主成分と副成分またはガラス成分との反応により、Li2ZnSiO4、CaTiSiO5、Ca2TiSiO6、BaAl2Si2O8、Zn2Ti3O8のうち少なくともいずれかの結晶相を含有する場合もある。これらの結晶相は任意成分であり、存在しても本発明の効果を得ることができる。
図7にこのようにして得られた本実施形態のaMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3で表される4成分系の主成分仮焼粉に対して、副成分としてのLi2Oとガラス成分とを混合し、焼成して得られた誘電体磁器のX線回折図を示す。また、図8に本実施形態のaMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3−eZn2SiO4で表される5成分系の主成分仮焼粉に対して、副成分としてのLi2Oとガラス成分とを混合し、焼成して得られた誘電体磁器のX線回折図を示す。
図7及び図8に示すように、本実施形態の誘電体磁器は、Mg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2及びCaTiO3、図8の場合はさらにZn2SiO4からなる主成分の結晶相とガラス相との他に、主成分と副成分およびガラス成分との反応によりLi2ZnSiO4、CaTiSiO5、Ca2TiSiO6、BaAl2Si2O8、Zn2Ti3O8のうちから選択される少なくとも1種の結晶相が生成されているが、この様な結晶相が本実施形態の誘電体磁器組成物中に存在しても本発明の効果を示す。また、これらの結晶相以外にも、本発明の効果を示す範囲で、他の結晶相がわずかに存在してもよい。また、出発原料を各元素単独の酸化物とした製造方法、或いは出発原料として仮焼時に酸化物となる炭酸塩、水酸化物、有機金属化合物等を用いた製造方法を用いた場合においても、前記のような結晶構造を得ることが可能である。
本実施形態の誘電体磁器組成物は、第1の実施形態と同様にして誘電体共振器を製造するのに利用できる。また、本実施形態の誘電体磁器組成物から、第1の実施形態と同様にして、トリプレートタイプの共振器等の各種積層セラミック部品を得ることができる。
以下、本発明の実施例を示す。
(1)第1の実施形態に係る実施例及び比較例:
同様にZnOとSiO2のモル比が2:1になるようにZnOおよびSiO2の各粉末を秤量した後、エタノール、ZrO2ボールと共にボールミルに入れ、24時間湿式混合した後に溶媒を脱媒乾燥した。続いて、乾燥後の混合粉末を大気雰囲気中にて1000℃の温度で2時間仮焼してZn2SiO4の結晶の粉末を得た。
続いて、ZnAl2O4が7.5mol%、Zn2SiO4が67.5mol%、TiO2が25mol%となるように、得られたZnAl2O4、Zn2SiO4の各粉末およびTiO2粉末を秤量、混合し、主成分とした。
さらに、この主成分100重量部に対して、SiO2が6.0wt%、Al2O3が11.0wt%、ZnOが47.0wt%、BaOが4.0wt%、SrOが0.2wt%、CaOが0.8wt%、SnO2が1.0wt%、B2O3が30.0wt%で構成されているガラス粉末が30重量部となるように、前記主成分の粉末と前記ガラス粉末とを所定量(全量として150g)秤量し、エタノール、ZrO2ボールと共にボールミルに入れ、24時間湿式混合した後、溶媒を脱媒乾燥した。
得られた混合粉(組成を表1に示す)を粉砕した後、適量のポリビニルアルコール溶液を加えて乾燥した後に直径10mm、厚さ5mmのペレットに成形し、空気雰囲気中、925℃の温度で2時間焼成して本発明の組成を有する誘電体磁器を得た。
こうして得られた誘電体磁器を、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9〜13GHzにおけるQ×f0値、比誘電率εr、および共振周波数の温度係数τfを求めた。その結果を表2に示す。
また、前記主成分とガラス粉末とを混合、脱媒して得られた乾燥混合粉100gに対して、結合剤としてポリビニルブチラール9g、可塑剤としてフタル酸ジブチル6gおよび溶剤としてトルエン60gとイソプロピルアルコール30gを添加しドクターブレード法により厚さ100μmのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを、65℃の温度で200kg/cm2の圧力を加える熱圧着により、20層積層した。その際、内部電極としてAgを印刷した層が厚み方向の中央部にくるように配置した。得られた積層体を925℃で2時間焼成した後、幅5.0mm、高さ(積層方向寸法)1.5mm、長さ(内部電極延在方向寸法)9.5mmに加工し、外部電極を形成して図1及び図2に示すようなトリプレートタイプの共振器を作製した。得られたトリプレートタイプの共振器について共振周波数2.5GHzで無負荷Q値を評価した。その結果を表2に示す。
[比較例1〜8]
実施例1と同様の方法で、ZnAl2O4、Zn2SiO4の各粉末とTiO2粉末及びガラス粉末とを表1に示した組成比になるように配合し混合した後、実施例1と同一条件で成形し、空気雰囲気下において、表2に示したように905℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例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。
また、実施例1と同様にして、ZnAl2O4、Zn2SiO4の各粉末を得た。
続いて、得られたZnAl2O4、Zn2SiO4、Zn2TiO4の各粉末とTiO2粉末およびガラス粉末とを表1に示した組成比になるように配合し、実施例1と同一条件で混合、成形し、空気雰囲気下において875℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し、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。
[比較例9〜18]
実施例11と同様の方法で、ZnAl2O4、Zn2SiO4、Zn2TiO4の各粉末とTiO2粉末およびガラス粉末とを表1に示した組成比になるように配合し、混合後、実施例1と同一条件で成形し、空気雰囲気下において、表2に示したように850℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例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。
(2)第2の実施形態に係る実施例及び比較例:
さらに、この主成分100重量部に対して、Li2O粉末5重量部と、SiO2が6.0wt%、Al2O3が12.0wt%、ZnOが47.0wt%、BaOが3.0wt%、SrOが1.0wt%、SnO2が1.0wt%、B2O3が30.0wt%で構成されているガラス粉末が20重量部となるように、前記主成分の粉末と前記ガラス粉末とを所定量(全量として150g)を秤量し、エタノール、ZrO2ボールと共にボールミルに入れ、24時間湿式混合した後、溶媒を脱媒乾燥した。
得られた混合粉を粉砕した後、適量のポリビニルアルコール溶液を加えて乾燥した後に直径10mm、厚さ5mmのペレットに成形し、空気雰囲気中、925℃の温度で2時間焼成して誘電体磁器を得た。
こうして得られた誘電体磁器を、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9〜13GHzにおけるQ×f0値、比誘電率εr、および共振周波数の温度係数τfを求めた。その結果を表4に示す。
また、前記主成分とLi2O粉末及びガラス粉末とを混合、脱媒して得られた乾燥混合粉100gに対して、結合剤としてポリビニルブチラール9g、可塑剤としてフタル酸ジブチル6gおよび溶剤としてトルエン60gとイソプロピルアルコール30gを添加しドクターブレード法により厚さ100μmのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを、65℃の温度で200kg/cm2の圧力を加える熱圧着により、20層積層した。その際、内部電極としてAgを印刷した層が厚み方向の中央部にくるように配置した。得られた積層体を975℃で2時間焼成した後、幅5.0mm、高さ1.5mm、長さ9.5mmに加工し、外部電極を形成して図1及び図2に示すようなトリプレートタイプの共振器を作製した。得られたトリプレートタイプの共振器について共振周波数2.5GHzで無負荷Q値を評価した。その結果を表4に示す。
[比較例19〜29]
実施例23と同様の方法で、主成分の仮焼粉末とLi2O粉末及びガラス粉末とを表3に示した配合量で混合後、実施例23と同一条件で成形し、空気雰囲気下において表4に示したように875℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例23と同様な方法で特性を評価した。
その結果を表4に示す。
(3)第3の実施形態に係る実施例及び比較例:
さらに、この主成分100重量部に対して、Li2O粉末5重量部と、SiO2が6.0wt%、Al2O3が12.0wt%、ZnOが47.0wt%、BaOが3.0wt%、SrOが1.0wt%、SnO2が1.0wt%、B2O3が30.0wt%で構成されているガラス粉末25重量部となるように、前記主成分の粉末と前記Li2O粉末と前記ガラス粉末とを所定量(全量として150g)を秤量し、エタノール、ZrO2ボールと共にボールミルに入れ、24時間湿式混合した後、溶媒を脱媒乾燥した。
得られた混合粉を粉砕した後、適量のポリビニルアルコール溶液を加えて乾燥した後に直径10mm、厚さ5mmのペレットに成形し、空気雰囲気中、975℃の温度で2時間焼成して誘電体磁器を得た。
こうして得られた誘電体磁器を、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9〜13GHzにおけるQ×f0値、比誘電率εr、および共振周波数の温度係数τfを求めた。その結果を表6示す。
また、前記主成分とLi2O粉末及びガラス粉末とを混合、脱媒して得られた乾燥混合粉100gに対して、結合剤としてポリビニルブチラール9g、可塑剤としてフタル酸ジブチル6gおよび溶剤としてトルエン60gとイソプロピルアルコール30gを添加しドクターブレード法により厚さ100μmのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを、65℃の温度で200kg/cm2の圧力を加える熱圧着により、20層積層した。その際、内部電極としてAgを印刷した層が厚み方向の中央部にくるように配置した。得られた積層体を975℃で2時間焼成した後、幅5.0mm、高さ1.5mm、長さ9.5mmに加工し、外部電極を形成して図1及び図2に示すようなトリプレートタイプの共振器を作製した。得られたトリプレートタイプの共振器について共振周波数2.5GHzで無負荷Q値を評価した。その結果を表6に示す。
[比較例30〜41]
実施例43と同様の方法で、主成分の仮焼粉末とLi2O粉末及びガラス粉末とを表5に示した配合量で混合後、実施例43と同一条件で成形し、空気雰囲気下において表6に示したように825℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例43と同様な方法で特性を評価した。その結果を表6に示す。
(4)第4の実施形態に係る実施例及び比較例:
次にMg2SiO4がモル分率で0.12、ZnAl2O4がモル分率で0.58、SiO2がモル分率で0.10、CaTiO3がモル分率で0.20になる様に、各粉末を秤量、混合し主成分とした。更に、この主成分100重量部と、Li2O粉末5重量部と、SiO2が6.0wt%、Al2O3が12.0wt%、ZnOが25.0wt%、BaOが25.0wt%、SrOが1.0wt%、SnO2が1.0wt%、B2O3が30.0wt%で構成されているガラス粉末25重量部とを、所定量(全量として150g)秤量し、エタノール、ZrO2ボールと共にボールミルに入れ、24時間湿式混合した後、溶媒を除去乾燥した。
得られた混合粉を粉砕した後、適量のポリビニルアルコール溶液を加えて乾燥した後に直径10mm、厚さ5mmのペレットに成形し、空気雰囲気中、925℃の温度で2時間焼成して誘電体磁器を得た。
こうして得られた誘電体磁器を、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9〜13GHzにおけるQ×f0値、比誘電率εr、および共振周波数の温度係数τfを求めた。その結果を表8に示す。
また、前記主成分とLi2O粉末及びガラス粉末とを混合、脱媒して得られた乾燥混合粉100gに対して、結合剤としてポリビニルブチラール9g、可塑剤としてフタル酸ジブチル6gおよび溶剤としてトルエン60gとイソプロピルアルコール30gを添加しドクターブレード法により厚さ100μmのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを、65℃の温度で200kg/cm2の圧力を加える熱圧着により、20層積層した。その際、内部電極としてAgを印刷した層が厚み方向の中央部にくるように配置した。得られた積層体を925℃で2時間焼成した後、幅5.0mm、高さ1.5mm、長さ9.5mmに加工し、外部電極を形成して図1及び図2に示すようなトリプレートタイプの共振器を作製した。得られたトリプレートタイプの共振器について共振周波数2、5GHzで無負荷Q値を評価した。その結果を表8に示す。
[比較例42〜49]
実施例63と同様の方法で、主成分の仮焼粉末とLi2O粉末及びガラス粉末とを表7に示した配合量で混合後、実施例63と同一条件で成形し、空気雰囲気下において表8に示したように850℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例63と同様な方法で特性を評価した。その結果を表8に示す。
[比較例50〜54]
実施例76と同様の方法で、主成分の仮焼粉末とLi2O粉末及びガラス粉末とを表7に示した配合量で混合後、実施例63と同一条件で成形し、空気雰囲気下において表8に示したように825℃〜1000℃の温度にて2時間焼成して誘電体磁器及び共振器を作製し(一部の比較例については作製しようとし)、得られた誘電体磁器及び共振器について実施例63と同様な方法で特性を評価した。その結果を表8に示す。
産業上の利用可能性:
本発明によれば、1000℃以下の焼成温度で焼結が可能であり、比誘電率εrが10以下で、高周波領域でのQ値が大きく、更に共振周波数の温度変化率(τf)の絶対値が20ppm/℃以下の誘電体磁器の得られる誘電体磁器組成物を提供することができる。1000℃以下の焼成温度で焼結ができるため、焼成に要する電力が低減されるとともに、比較的安価で低抵抗導体であるAgやCu等と同時焼成が可能であり、さらにこれを内部電極とした積層セラミック部品を提供できる。
Claims (20)
- 一般式(1):aZnAl2O4−bZn2SiO4−cTiO2−dZn2TiO4で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが5.0≦a≦80.0mol%、5.0≦b≦70.0mol%、5.0≦c≦27.5mol%、0≦d≦30.0mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)である主成分100重量部に対して、ガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、CaO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項1記載の誘電体磁器組成物。
- 請求項1記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるZnAl2O4、Zn2SiO4及びZn2TiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 請求項1記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるZnAl2O4、Zn2SiO4、TiO2及びZn2TiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 一般式(2):aZnO−bAl2O3−cSiO2−d(xCaO−(1−x)TiO2)で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが7.5≦a≦55.0mol%、5.0≦b≦65.0mol%、5.0≦c≦70.0mol%、7.5≦d≦27.5mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)であり、0≦x≦0.75である原料組成物を仮焼して得られる仮焼物からなる主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物。
- 前記主成分が、ZnAl2O4の結晶およびZn2SiO4の結晶と、CaTiO3の結晶及びTiO2の結晶のうちの少なくとも1つとを含むことを特徴とする、請求項5記載の誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項5記載の誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分の組成が、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%であることを特徴とする、請求項7記載の誘電体磁器組成物。
- 請求項5記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるZnAl2O4、Zn2SiO4、並びにCaTiO3及びTiO2のうちの少なくとも1つの各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 一般式(2):aZnO−bAl2O3−cSiO2−d(xCaO−(1−x)TiO2)で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが7.5≦a≦55.0mol%、5.0≦b≦65.0mol%、5.0≦c≦70.0mol%、7.5≦d≦27.5mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)であり、0≦x≦0.75である原料組成物を900〜1200℃で仮焼し、これにより得られた仮焼物からなる主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめることを特徴とする、誘電体磁器組成物の製造方法。
- 一般式(3):aZnAl2O4−bZn2SiO4−cSiO2−dSrTiO3で表され、各成分のモル分率a、b、c、dが2.5≦a≦77.5mol%、2.5≦b≦77.5mol%、2.5≦c≦37.5mol%、10.0≦d≦17.5mol%(ただし、a+b+c+d=100mol%)である主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で2重量部以上30重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項11記載の誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分の組成が、SiO2が2.5〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜5wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%であることを特徴とする、請求項12記載の誘電体磁器組成物。
- 請求項11記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるZnAl2O4、Zn2SiO4およびSrTiO3の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 一般式(4):aMg2SiO4−bZnAl2O4−cSiO2−dCaTiO3−eZn2SiO4で表され、各成分のモル分率a、b、c、d、eが0.10≦a≦0.72、0.08≦b≦0.62、0.02≦c≦0.22、0.12≦d≦0.22、0≦e≦0.08(ただし、a+b+c+d+e=1)である主成分100重量部に対して、副成分としてのLi化合物をLi2O換算で1重量部以上15重量部以下、及びガラス成分を5重量部以上150重量部以下配合せしめてなる誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分が、PbO系ガラス、ZnO系ガラス、SiO2系ガラス、B2O3系ガラス、およびSiO2、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、BaO、SrO、SnO2、ZrO2、B2O3の群から選択される2種以上の酸化物からなるガラスから選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項15記載の誘電体磁器組成物。
- 前記ガラス成分の組成が、SiO2が2〜70wt%、Al2O3が0〜15wt%、ZnOが10〜55wt%、PbOが0〜35wt%、Bi2O3が0〜2wt%、BaOが0〜30wt%、SrOが0〜2wt%、SnO2が0〜2wt%、ZrO2が0〜1wt%、B2O3が10〜50wt%であることを特徴とする、請求項16記載の誘電体磁器組成物。
- 請求項15記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2およびCaTiO3の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 請求項15記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られるMg2SiO4、ZnAl2O4、SiO2、CaTiO3およびZn2SiO4の各結晶相とガラス相とを含む誘電体磁器。
- 複数の誘電体層と、該誘電体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を備える積層セラミック部品において、前記誘電体層が請求項1、5、11及び15のいずれか記載の誘電体磁器組成物を焼成して得られる誘電体磁器にて構成され、前記内部電極がCu単体若しくはAg単体、又はCu若しくはAgを主成分とする合金材料にて形成されていることを特徴とする積層セラミック部品。
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