JP4827090B2

JP4827090B2 - セラミックアンテナ用誘電体磁器組成物

Info

Publication number: JP4827090B2
Application number: JP2006117502A
Authority: JP
Inventors: 佳成大場; 亮介小林; 良夫松尾; 雅洋頴川; 一彦大河原; 満佐藤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007290879A

Description

本発明は、ＧＰＳ用セラミックアンテナに用いる誘電体磁器組成物に関し、更に詳しく述べると、ＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂系をベースとする高誘電率のセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物に関するものである。

ＧＰＳは人工衛星を利用した測位システムであり、測位に必要なデータを周波数拡散方式で変調した１５７５ＭＨｚの電波が使用されている。人工衛星から送信されている電波をアンテナで受信し、受信した信号を高周波回路へ出力する。ＧＰＳアンテナとしては、高誘電率のセラミックス部材の表面に必要なパターンの電極を形成したセラミックアンテナが用いられている。

従来、移動体通信や衛星通信などで使用する誘電体共振器やフィルタなどのマイクロ波デバイス用材料として、ＢａＯ−Ｌｎ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂系（但し、ＬｎはＬａ，Ｎｄ，Ｓｍ等の希土類元素を表す）をベースとする種々の誘電体磁器組成物が開発されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、従来のマイクロ波用誘電体磁器組成物は、比誘電率が小さく（９０未満）、アンテナ共振周波数温度特性が大きい。そのためＧＰＳアンテナ材料には不向きである。また、材料としての共振周波数温度特性とアンテナにしたときの共振周波数温度特性とが一致しない現象が多く見られ、材料としての共振周波数温度特性が良好でも、必ずしもアンテナとして優れたものとはならない問題がある。更に、この種の誘電体磁器組成物は、製造条件により比誘電率や共振周波数温度特性が敏感に反応し、安定化が困難である。
特開平７−３３５０２４号公報

本発明が解決しようとする課題は、材料特性が安定し、比誘電率が９０以上と高く、アンテナ共振周波数温度特性が小さく、ＧＰＳ用セラミックアンテナに好適な誘電体磁器組成物を提供することである。

本発明は、セラミックス成分がＢａＯ１６〜１８モル％、Ｎｄ₂Ｏ₃５〜１５モル％、ＴｉＯ₂６８〜７５モル％である組成であって、そのセラミックス成分の重量に対し、添加物としてＢｉ₂Ｏ₃１０〜２０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．２〜１．０重量％、ＭｎＯ₂０．２〜０．４重量％を加え、比誘電率９０以上、且つアンテナの共振周波数温度特性を±４ｐｐｍ／℃以内としたことを特徴とするセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物である。

また本発明は、セラミックス成分がＢａＯ１６〜１８モル％、Ｎｄ₂Ｏ₃５〜７モル％、Ｃｅ₂Ｏ₃５〜７モル％、ＴｉＯ₂６８〜７５モル％である組成であって、そのセラミックス成分の重量に対し、添加物としてＢｉ₂Ｏ₃１０〜２０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．２〜１．０重量％、ＭｎＯ₂０．２〜０．４重量％を加え、比誘電率９０以上、且つアンテナの共振周波数温度特性を±４ｐｐｍ／℃以内としたことを特徴とするセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物である。

本発明のセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物は、ＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂系をベースとすることで基本的に比誘電率９０以上の高誘電率特性を呈することを利用し、それに比較的多量のＢｉ₂Ｏ₃等を添加することで焼結性を高め、大気中焼成を可能にして材料特性を安定化させ、アンテナにしたときの共振周波数温度特性を非常に小さくすることができる。これらの効果によって、良好なＧＰＳセラミックアンテナを製造することが可能となる。

本発明は、ＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂系組成物に対して、添加物としてＢｉ₂Ｏ₃１０〜２０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．２〜１．０重量％、ＭｎＯ₂０．２〜０．４重量％を加えたものである。主要なセラミックス成分をＢａＯ１６〜１８モル％、Ｎｄ₂Ｏ₃５〜１５モル％、ＴｉＯ₂６８〜７５モル％としたのは、比誘電率εr が９０以上の高誘電率特性が得られる組成系だからである。ここで、Ｎｄ₂Ｏ₃の一部をＣｅ₂Ｏ₃５〜７モル％で置換することもできる。かなり多量のＢｉ₂Ｏ₃を添加している点が、本発明の一つの特徴である。

ＢａＯを１６〜１８モル％としたのは、１６モル％未満では比誘電率εr が９０未満となり、逆に１８モル％を超えても比誘電率εr が９０未満となるため不適だからである。また、Ｎｄ₂Ｏ₃が１５モル％を超えても比誘電率εr が９０未満となるし、ＴｉＯ₂が７５モル％を超えても比誘電率εr が９０未満となる。Ｂｉ₂Ｏ₃は、その添加量を多くすることで、焼結性を高め、大気中焼成を可能とし、またイオン半径が大きいことから比誘電率εr を高める機能も果たす。Ｂｉ₂Ｏ₃が１０重量％未満ではこの機能が乏しく比誘電率εr が低くなるし、２０重量％を超えるとアンテナの共振周波数温度特性が大きくなり、いずれも不適となる。Ａｌ₂Ｏ₃は少なすぎると（０．２重量％未満では）、やはり比誘電率εr が低くなる。適量の添加は、焼結性の向上に有効である。ＭｎＯ₂の適量の添加は、アンテナの共振周波数温度特性の低減に有効である。なお、Ｎｄ₂Ｏ₃の一部をＣｅ₂Ｏ₃５〜７モル％で置換することも有効である。Ｃｅ₂Ｏ₃はＮｄ₂Ｏ₃に類似した化学的性質を有し、一部の置換で同様の電気的特性を発現させることができるし、しかも安価であることから、コストダウンに有効だからである。

このようなセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物は、固相成長法により焼結体が形成され、大気中で焼結できるので材料特性のばらつきを小さくできる。本発明により、材料特性が安定し、比誘電率が９０以上で、アンテナ共振周波数温度特性が極めて良好なセラミックアンテナを得ることができる。

いずれも純度９８％以上のＢａＯ、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｃｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂を、原料比率を種々変えるように所定量秤量し、ボールミルにて湿式混合（水を用いて２０時間）を行った。乾燥後、自動乳鉢で解砕した。次いで、大気中１０００〜１２００℃で仮焼を行い、自動乳鉢で粒径２〜３μｍに解砕し、原料粉体を調製した。この原料粉体と有機バインダ（ＰＶＡ：５〜１０重量％）を混合し、造粒した。造粒後、３ｔ／ｃｍ²の圧力で所定形状にプレス成形し、大気中１１００〜１３００℃で焼成を行った。

アンテナの作製は、焼成品の４面にスクリーン印刷によって導体ペーストをパターニングし、約８００℃で焼き付けて電極を形成した。

２２種類の試料について、組成と材料特性（比誘電率εr と共振周波数温度特性τf ）及びアンテナの共振周波数温度特性ant-τf の測定値を表１に示す。比誘電率εr と共振周波数温度特性τf は、通常のマイクロ波用材料の特性測定方法を用いている。因みに、共振周波数温度特性τf は、円柱体の上下面に電極を形成し、温度を変えながら共振周波数を測定したものである。それに対してアンテナの共振周波数温度特性ant-τf は、作製したアンテナについて温度を変えながら共振周波数を測定したものである。これら共振周波数温度特性の単位はｐｐｍ／℃である。合否欄は、セラミックアンテナとしての適・不適を○と×で表している。なお、備考欄は、主に組成を変動させた元素名を示している。

合否欄から、本発明によって、比誘電率εr が９０以上と非常に高く、アンテナの共振周波数温度特性ant-τf を±４ｐｐｍ／℃以内というように非常に小さくでき、０にすることも可能であることが分かる。

Claims

セラミックス成分がＢａＯ１６〜１８モル％、Ｎｄ₂Ｏ₃５〜１５モル％、ＴｉＯ₂６８〜７５モル％である組成であって、そのセラミックス成分の重量に対し、添加物としてＢｉ₂Ｏ₃１０〜２０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．２〜１．０重量％、ＭｎＯ₂０．２〜０．４重量％を加え、比誘電率９０以上、且つアンテナの共振周波数温度特性を±４ｐｐｍ／℃以内としたことを特徴とするセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物。
セラミックス成分がＢａＯ１６〜１８モル％、Ｎｄ₂Ｏ₃５〜７モル％、Ｃｅ₂Ｏ₃５〜７モル％、ＴｉＯ₂６８〜７５モル％である組成であって、そのセラミックス成分の重量に対し、添加物としてＢｉ₂Ｏ₃１０〜２０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．２〜１．０重量％、ＭｎＯ₂０．２〜０．４重量％を加え、比誘電率９０以上、且つアンテナの共振周波数温度特性を±４ｐｐｍ／℃以内としたことを特徴とするセラミックアンテナ用誘電体磁器組成物。