JP5092750B2 - 多結晶セラミック磁性材料、マイクロ波磁性部品、及びこれを用いた非可逆回路素子 - Google Patents

Description

本発明は、高周波回路部品に使用するマイクロ波用磁性材料に関し、特に銀や銅等の電極材との同時焼成が可能な多結晶セラミック磁性材料に関する。

近年、携帯電話、衛星放送機器等、マイクロ波領域の電磁波を利用する通信機器は益々小型化しており、それに応じて個々の部品に対する小型化の要求も増大している。通信機器に用いられる代表的な高周波回路部品は、サーキュレータ、アイソレータ等のマイクロ波非可逆回路素子である。アイソレータは、信号の伝送方向にほとんど減衰はないが逆方向には減衰が大きく、例えばマイクロ波帯及びUHF帯で使用される携帯電話等の移動体通信器の送受信回路に用いられている。

サーキュレータ、アイソレータ等の非可逆回路素子は、互いに絶縁された複数の電極ラインを有する中心導体と、中心導体に密接して配置されたマイクロ波用磁性体とからなる中心導体組立体と、それに直流磁界を印可する永久磁石とを備えている。中心導体とマイクロ波用磁性体とは別部品であり、中心導体は、マイクロ波用磁性体に巻きつけた銅箔、又はマイクロ波用磁性体に銀ペーストで印刷し、焼成した電極パターンからなる。

小型化の要求に応えるため、特開平6-61708号は、マイクロ波用磁性材料を、その上にパラジウム、白金等の導電性粉末及び有機溶剤からなる導電ペーストにより形成した中心導体と1300〜1600℃の温度で一体的に焼成することを提案した。しかしながら、パラジウム及び白金は融点が1300℃以上と高く、ほとんどのマイクロ波用磁性材料との一体的な焼成が容易であるという長所を有する反面、比抵抗が高く、例えばアイソレータに使用した場合、挿入損失が大きいという欠点を有する。

中心導体に低抵抗の銀や銅を用いる場合、十分に同時焼成するために、多結晶セラミック磁性材料にBiや低融点ガラスを添加することが考えられる。しかし単相領域が狭いマイクロ波用磁性材料にBiや低融点ガラスを添加すると、異相や空孔等が発生しやすく、低損失のマイクロ波用磁性体とすることができない。

その上、永久磁石と組み合わせて使用されるマイクロ波用非可逆回路素子は、永久磁石の飽和磁化4πMsの温度特性を補償するような温度特性を有するように、優れた磁気特性を有するのが望ましい。

従って本発明の目的は、銀又は銅と850〜1050℃の低温で同時焼成できるととにも、優れた磁気特性を有する多結晶セラミック磁性材料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、銀又は銅と850〜1050℃の低温で同時焼成できるととにも、Biを含有しても異相の生成が抑制され、強磁性共鳴半値幅ΔH及び誘電損失tanδが小さく、永久磁石の飽和磁化4πMsの温度特性を補償するような温度係数αmを有する多結晶セラミック磁性材料を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、かかる多結晶セラミック磁性材料からなる磁性体の内部及び／又は表面に電極パターンを一体的に有するマイクロ波磁性部品を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、かかるマイクロ波磁性部品を有する非可逆回路素子を提供することである。

本発明の多結晶セラミック磁性材料は、一般式：(Y_3-x-y-zBi_xCa_yGd_z)(Fe_{5-α-β-γ-ε}In_αAl_βV_γZr_ε)O₁₂（ただし、それぞれ原子比で、0.4＜x≦1.5、0.5≦y≦1、0≦z≦0.4、y＋z＜1.3、0≦α≦0.6、0≦β≦0.45、0.25≦γ≦0.5、0≦ε≦0.25、及び0.15≦α＋β≦0.75）により表される基本組成を有し、主にガーネット構造を有する相からなり、850〜1050℃の温度で焼成可能であって、飽和磁化4πMsが60〜130 mTであり、その温度係数αmが−0.38%/℃〜−0.2%/℃であり、強磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/m未満であることを特徴とする。

本発明の多結晶セラミック磁性材料は、0.5≦x≦0.9、0＜α≦0.4であって、強磁性共鳴半値幅ΔHが13000 A/m未満であっても良い。

本発明のマイクロ波磁性部品は、マイクロ波磁性体と、前記マイクロ波磁性体の内部及び／又は表面に形成された電極パターンとを有し、上記多結晶セラミック磁性材料からなる成形体の内部及び／又は表面に、Ag、Cu、Ag合金、及びCu合金からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む導電ペーストを前記電極パターンを形成するように印刷し、一体的に焼成してなることを特徴とする。

本発明の非可逆回路素子は、前記マイクロ波磁性体と、前記マイクロ波磁性体の内部に形成された前記電極パターンからなる中心導体と、前記中心導体に接続したコンデンサと、前記マイクロ波磁性体に直流磁界を与えるフェライト磁石とを備えたことを特徴とする。

前記フェライト磁石の残留磁束密度Brは420 mT以上であり、その温度係数が−0.15%/℃〜−0.25%/℃であるのが好ましい。

本発明の多結晶セラミック磁性材料は、850〜1050℃の低温で銀や銅のような低抵抗の金属と同時焼成できるとともに、Biを含有しても異相がなく、強磁性共鳴半値幅ΔH及び誘電損失tanδが小さい。このような多結晶セラミック磁性材料は、サーキュレータ、アイソレータ等のマイクロ波非可逆回路素子に用いるマイクロ波磁性部品に好適であり、優れたマイクロ波特性及び低損失を実現することができる。

本発明の一実施例による非可逆回路素子に用いる中心導体組立体の上面を示す斜視図である。 図1(a)の中心導体組立体の裏面を示す斜視図である。 図1の中心導体組立体の内部構造を示す分解図である。 本発明の一実施例による非可逆回路素子を示す分解斜視図である。 本発明の別の実施例による非可逆回路素子に用いる中心導体組立体の上面を示す斜視図である。 図4の中心導体組立体の内部構造を示す分解図である。 本発明の別の実施例による非可逆回路素子に用いるコンデンサ積層体の内部構造を示す分解図である。 本発明の別の実施例による非可逆回路素子を示す分解斜視図である。 本発明の別の実施例による非可逆回路素子の等価回路である。

[1] 多結晶セラミック磁性材料
(1) 組成
本発明の多結晶セラミック磁性材料は、一般式：(Y_3-x-y-zBi_xCa_yGd_z)(Fe_{5-α-β-γ-ε}In_αAl_βV_γZr_ε)O₁₂（ただし、それぞれ原子比で、0.4＜x≦1.5、0.5≦y≦1、0≦z≦0.4、y＋z＜1.3、0≦α≦0.6、0≦β≦0.45、0.25≦γ≦0.5、0≦ε≦0.25、及び0.15≦α＋β≦0.75）により表される基本組成を有し、主にガーネット構造を有する相からなり、850〜1050℃と低い温度で焼成可能である。

多結晶セラミック磁性材料の焼成温度、強磁性共鳴半値幅ΔH、誘電損失tanδ、飽和磁化4πMs、飽和磁化4πMsの温度特性等は、多結晶セラミック磁性材料の基本組成に大きく影響される。

焼成温度の低下に寄与するBiの含有量xが0.4以下であると、1050℃以下での焼成が困難である。またx＞1.5であると、850〜1050℃での焼成は可能であるが、焼結体に異相が生じ易く、誘電損失tanδが15×10^-4超となり、また強磁性共鳴半値幅ΔHも20000 A/m超と著しく大きくなる。このため、Biの含有量xは0.4＜x≦1.5であり、好ましくは0.5≦x≦0.9である。

Vとともに添加するCaは、焼成時に低融点のVの蒸散を防ぐ。この効果を十分に発揮するため、Caの含有量yは0.5≦y≦1である。

Gdは飽和磁化4πMsの温度係数αmの調整に寄与する。Gdの含有量zが0.5を超えると、−20℃から＋60℃までの飽和磁化4πMsの温度係数αmが−0.20%/℃未満となることがあり、永久磁石の温度特性を補償できない。このため、Gdの含有量zは0≦z≦0.4である。

Ca及びGdはy＋z＜1.3の条件を満たす必要がある。y＋zが1.3以上であると、−20℃から＋60℃までの飽和磁化4πMsの温度係数αmが−0.20%/℃未満となり、永久磁石の温度特性を補償できないことがある。

In，Al，V及びZrは飽和磁化4πMsの温度係数αmの調整、及び低温焼成化に寄与する。In，Al，V及びZrの含有量α、β、γ及びεはそれぞれ、0≦α≦0.6、0≦β≦0.45、0.25≦γ≦0.5、0≦ε≦0.25、及び0.15≦α＋β≦0.75の条件を満たす必要がある。In，Al，V及びZrが上記範囲未満であると、1050℃以下での焼成が困難であり、飽和磁化4πMsが130 mT超となり、永久磁石の磁力が不足してしまう。またIn，Al，V及びZrが上記範囲より多いと、飽和磁化4πMsが60 mT未満であり、永久磁石の温度特性を補償できない。

In及びAlの合計量は0.15≦α＋β≦0.75である。α＋β＜0.15であると、誘電損失tanδが15×10^-4以上であり、強磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/m超と著しく大きい。また0.75＜α＋βであると、飽和磁化4πMsの温度係数αmが−0.38%/℃未満で、絶対値が大きく、永久磁石の温度特性を補償できない。

(2) 特性
上記基本組成を有する多結晶セラミック磁性材料は、850〜1050℃の低温焼成性を有するので、銀及び銅のような高い導電率を有する金属からなる電極と一体的に焼成することができる。また60〜130 mTの飽和磁化4πMs（温度係数αm＝−0.38%/℃〜−0.2%/℃）、及び20000 A/m以下の強磁性共鳴半値幅ΔHを有するので、磁性材料の高いＱ値と電極の電気抵抗による損失を抑えた極めて低損失のマイクロ波磁性体が得られ、アイソレータ、サーキュレータ等のマイクロ波非可逆回路素子に使用すると、優れたマイクロ波特性及び低損失を実現できる。

[2] 多結晶セラミック磁性体の製造方法
酸化イットリウム（Y₂O₃）、酸化ビスマス（Bi₂O₃）、炭酸カルシウム（CaCO₃）、酸化ガドリニウム（Gd₂O₃）、酸化鉄（Fe₂O₃）、酸化インジウム（In₂O₃）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）、酸化バナジウム（V₂O₅）及び酸化ジルコニウム（ZrO₂）のような出発原料を水等の溶剤と混合し、ボールミル等で20〜50時間湿式混合し、乾燥する。得られた混合粉末を800〜900℃の温度で1.5〜2時間仮焼する。仮焼温度は、後の焼成温度より50℃以上低い温度に設定するのが好ましい。仮焼粉末に水等の溶剤を加え、ボールミル等で20〜30時間湿式粉砕し、乾燥する。得られた磁性セラミック組成物粉末の平均粒径は0.5〜2μmが好ましい。磁性セラミック組成物粉末をバインダー及び水、有機溶剤等の溶剤と混錬し、1〜2 ton/cm²の圧力で成形する。得られた成形体を850〜1050℃の温度で焼成する。

[3] 電極材との同時焼成
上記磁性セラミック組成物粉末にバインダー及び水、有機溶剤等の溶剤を混錬してなる坏土から、複数のグリーンシートを作製する。各グリーンシートに、必要に応じてビアホールを形成した後導電ペーストを印刷し、重ねて熱圧着し、得られた積層体を850〜1050℃の温度で焼成する。これにより、磁性セラミック組成物の焼成と、導電ペーストの焼成とが同時に起こり、一体的に電極を有する磁性セラミック積層体（マイクロ波磁性部品）が得られる。

[4] 中心導体組立体及び非可逆回路素子
図1は、本発明の一実施例による非可逆回路素子に用いるマイクロ波磁性部品（中心導体組立体）の外観を示し、図2はその内部構造を示す。図3は本発明の一実施例による非可逆回路素子の内部構造を示す。この非可逆回路素子は、中心導体組立体4と、中央開口部に中心導体組立体4を組み込むコンデンサ積層体5と、コンデンサ積層体5に搭載されたチップ又は抵抗膜からなる抵抗体90と、中心導体組立体4に直流磁界を印加する永久磁石3と、及び磁性ヨークとして機能する磁性金属製の上下ケース1，2と、コンデンサ積層体5と下ケース2の間に設けられた樹脂基板6とを具備する。樹脂基板6は、実装基板との接続端子と、中心導体組立体4とコンデンサ積層体5を接続する電極とを有する。

図4は、本発明の別の実施例による非可逆回路素子に用いるマイクロ波磁性部品（中心導体組立体）の外観を示し、図5はその内部構造を示す。図6は本発明の別の実施例による非可逆回路素子に用いるコンデンサ積層体の内部構造を示す。図7は本発明の別の実施例による非可逆回路素子の内部構造を示し、図8はその等価回路を示す。この非可逆回路素子は、中心導体組立体40と、中心導体組立体40とチップ又は抵抗膜からなる抵抗体90を搭載するコンデンサ積層体60と、中心導体組立体40に直流磁界を印加する永久磁石3と、及び磁性ヨークとして機能する磁性金属製の上下ケース1，2とを具備する。

本発明を以下の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例1
出発原料として、それぞれ純度99.0％以上のGd₂O₃、Y₂O₃、CaCO₃、Bi₂O₃、Fe₂O₃、In₂O₃、V₂O₅、Al₂O₃及びZrO₂を表1に示す組成比に秤量し、スラリー濃度が40質量％となるようにイオン交換水を加え、ボールミルで40時間湿式混合し、乾燥した。得られた粉末を825℃の温度で２時間仮焼した。得られた仮焼粉末に、スラリー濃度が40質量％となるようにイオン交換水を加え、ボールミルで24時間湿式粉砕し、乾燥した。得られた磁性セラミック組成物粉末の平均粒径は0.7μmであった。この磁性セラミック組成物粉末にバインダー（PVA）の水溶液を添加し、混錬することにより得た造粒粉末を2 ton/cm²の圧力で、直径14 mm及び厚さ7 mmの円板に成形した。この成形体を空気中で表1に示す温度で8時間焼成した。

得られた焼結体から直径11 mm及び厚さ5.5 mmの誘電体円柱共振器を作製し、ハッキ・コールマン法により、誘電損失tanδを測定した。また焼結体の飽和磁化Msを振動型磁力計を用いて測定した。さらに焼結体を直径5 mm及び厚さ0.2 mmの円板に加工し、短絡同軸線路法により強磁性共鳴半値幅ΔHを測定した。結果を表2に示す。

表1及び2から明らかなように、0.4＜x≦1.5の範囲から外れた試料No. 1では、1050℃以下の焼成温度で緻密な焼結体が得られなかった。y＋z＜1.3の範囲から外れた試料No. 3、4及び27では、−20℃〜＋60℃での飽和磁化4πMsの温度係数αmが−0.20%/℃以下であった。y及びγが本発明の範囲外である試料No. 5では、誘電損失tanδが15×10^-4を超え、磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/mを超えた。α＋β＜0.2である試料No. 10〜13では、誘電損失tanδが15×10^-4以上であり、強磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/m以上と著しく大きかった。特にε＞0.25である試料No. 12及び13では、tanδが19×10^-4以上と著しく大きかった。β＞0.45である試料No. 28では、飽和磁化4πMsが60 mT未満であった。

これに対して本発明の範囲内の試料では、850〜1050℃の温度で緻密な焼結体が得られ、誘電損失tanδが15×10^-4以下、及び強磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/m未満であった。また−20℃〜＋60℃での飽和磁化4πMsの温度係数αmが−0.38%/℃〜−0.2%/℃であり、永久磁石の温度特性を補償できた。

実施例2
対向する第一及び第二の主面と両主面を連結する側面とを備えた矩形状のマイクロ波磁性体に中心導体を積層した構造を有する図4及び図5に示す中心導体組立体4を、以下の手順で作製した。まず表1に示す試料No. 20の組成を有するY₂O₃、Bi₂O₃、CaCO₃、Fe₂O₃、In₂O₃、Al₂O₃、及びV₂O₅からなる出発原料をボールミルで湿式混合し、得られたスラリーを乾燥した後、850℃の温度で仮焼し、ボールミルで湿式粉砕し、式：(Y_1.45Bi_0.85Ca_0.7)(Fe_3.95In_0.3Al_0.4V_0.35)O₁₂（原子比）により表される多結晶セラミック磁性材料粉末を作製した。この磁性材料粉末に有機バインダー（ポリビニルブチラールPVB）、可塑剤（ブチルフタリル・ブチルグリコレートBPBG）、及び有機溶剤（エタノール、ブタノール）をボールミルで混合し、粘度を調整した後、ドクターブレード法により厚さ40μmと80μｍの磁性セラミックグリーンシートを作製した。

各セラミックグリーンシート430a〜430cに、直径0.1 mmのビアホール（図中黒丸で表示）をレーザ加工で形成し、下記の通りAg系導電ペーストの印刷により中心導体を形成した。まずセラミックグリーンシート430aの第一の主面に３本の電極指からなる中心導体440b (等価回路のL1)を形成し、その上に帯状のガラスペースト50を介して中心導体440a (等価回路のL2)を形成した。セラミックグリーンシート430bには中心導体440bに接続する電極450a，450bを形成した。またセラミックグリーンシート430cの第二の主面にはグランド電極GND及び入出力電極IN，OUTを形成した。セラミックグリーンシート430bと430cの間にビアホールが形成された複数のセラミックグリーンシートを配置したが、図面では省略している。電極パターンを有する複数のグリーンシート430a〜430cを重ね、80℃及び12 MPaで熱圧着して積層体とした。

得られた積層体を所定のサイズに切断し、920℃で8時間焼成した。Ag導体が充填されたビアホールにより、中心導体440a，440bとグランド電極GND及び入出力電極IN，OUTとを接続した。このようにして、中心導体440a、440bが絶縁状態で交差し、第2の主面にグランド電極GNDと入出力電極IN、OUTをLGA（Land Grid Array）として備えた中心導体組立体40（外寸：1.4 mm×1.2 mm×0.2 mm）を得た。

コンデンサ積層体60（外寸：2.0 mm×2.0 mm×0.2 mm）の上面に、中心導体組立体40や終端抵抗90を配置する電極60a〜60dを形成し、コンデンサ積層体60の内部の整合コンデンサを形成するための電極とビアホールで接続して、コンデンサCin，コンデンサCi及びコンデンサCfを形成した。コンデンサ積層体60の裏面に、下ケース２に接続する入出力電極IN，OUT及びグランド電極GNDを設けた。

下ケース2は、厚さ0.1 mmの磁性金属薄板（SPCC）を液晶ポリマー（図中斜線で表示）と一体的にインサート成形することにより製造した。下ケース2の内側は平坦であり、その平坦な面（コンデンサ積層体60との接続面）に接続電極（図示せず）を設けた。下ケース2の側面に、前記接続電極と同じ磁性金属薄板（SPCC）からなる実装端子IN，OUT，GNDを設けた。

（La-Co含有フェライト磁石YBM-9BE（日立金属株式会社製）からなる方形の永久磁石3（2.1mm×1.8mm×0.4mm）は、430〜450 mTの残留磁束（温度係数：−0.20％〜−0.18％）を有した。なお永久磁石3の形状は方形に限定されず、円板状、六角形等でも良い。これはマイクロ波磁性部品の形状についても同様である。

中心導体組立体40をコンデンサ積層体60に配置した後、中心導体組立体40の上に永久磁石3を配置し、これらを上ケース1と下ケース2で覆って、外径寸法が2.5 mm×2.5 mm×1.2 mmの非可逆回路素子とした。この非可逆回路素子の挿入損失及びアイソレーションの温度特性を評価した。結果を表3に示す。この非可逆回路素子は、温度変化にともなう挿入損失の変動が周波数に関係なく小さく、優れた温度特性を有することが分かる。

Claims (5)

1. 一般式：(Y_3-x-y-zBi_xCa_yGd_z)(Fe_{5-α-β-γ-ε}In_αAl_βV_γZr_ε)O₁₂（ただし、それぞれ原子比で、0.4＜x≦1.5、0.5≦y≦1、0≦z≦0.4、y＋z＜1.3、0≦α≦0.6、0≦β≦0.45、0.25≦γ≦0.5、0≦ε≦0.25、及び0.15≦α＋β≦0.75）により表される基本組成を有し、主にガーネット構造を有する相からなり、850〜1050℃の温度で焼成可能であって、飽和磁化4πMsが60〜130 mTであり、その温度係数αmが−0.38%/℃〜−0.2%/℃であり、強磁性共鳴半値幅ΔHが20000 A/m未満であることを特徴とする多結晶セラミック磁性材料。
2. 請求項1に記載の多結晶セラミック磁性材料において、
   0.5≦x≦0.9、0＜α≦0.4であって、強磁性共鳴半値幅ΔHが13000 A/m未満であることを特徴とする多結晶セラミック磁性材料。
3. マイクロ波磁性体と、前記マイクロ波磁性体の内部及び／又は表面に形成された電極パターンとを有するマイクロ波磁性部品であって、請求項1又は2に記載の多結晶セラミック磁性材料からなる成形体の内部及び／又は表面に、Ag、Cu、Ag合金、及びCu合金からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む導電ペーストを前記電極パターンを形成するように印刷し、一体的に焼成してなることを特徴とするマイクロ波磁性部品。
4. 請求項3に記載のマイクロ波磁性部品を具備する非可逆回路素子であって、前記電極パターンは中心導体を構成し、さらに前記中心導体に接続したコンデンサと、前記マイクロ波磁性部品に直流磁界を与えるフェライト磁石とを具備することを特徴とする非可逆回路素子。
5. 請求項4に記載の非可逆回路素子において、前記フェライト磁石の残留磁束密度Brは420 mT以上であり、その温度係数が−0.15%/℃〜−0.25%/℃であることを特徴とする非可逆回路素子。

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