(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造を有し、
一般式、ａ（ＲＥ，ＡＥ）2 ＡｌＯ4 ・ｂ（ＲＥ，ＡＥ）2 ＧａＯ4 ・ｃＡＥ2 （Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ4 ［但し、ＲＥは希土類元素，ＡＥはアルカリ土類元素］で表され、
上記組成比ａ，ｂ，ｃが、０＜ａ＜１００，０＜ｂ＜４０，０＜ｃ＜８０，ａ＋ｂ＋ｃ＝１００モル％となるように調製されている
ことを特徴とする誘電体材料。
【請求項２】
請求項１記載の誘電体材料において、
上記組成比ａ，ｂ，ｃが、１０≦ａ≦９５，０＜ｂ≦３５，５≦ｃ≦７５，ａ＋ｂ＋ｃ＝１００モル％となるように調製されている
ことを特徴とする誘電体材料。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の誘電体材料において、
上記一般式における希土類元素ＲＥが、Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍの中から選択された１種または２種以上の元素である
ことを特徴とする誘電体材料。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の誘電体材料において、
上記一般式におけるアルカリ土類元素ＡＥが、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの中から選択された１種または２種以上の元素である
ことを特徴とする誘電体材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波領域において使用される共振器、フィルター、特に移動体通信の基地局用共振器を構成するのに好適な誘電体材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、無負荷品質係数の比較的大きい誘電体材料として、例えば、特公昭５９−２３０４８号公報、あるいは特公昭５９−４８４８４号公報などに記載されたものが知られている。また、Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造を有する誘電体材料として、特開昭６１−１９８５０５号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
これらの誘電体材料は、いずれも無負荷品質係数Ｑu が比較的大きく、且つ共振周波数ｆ0 の温度係数τf の絶対値｜τf ｜が比較的小さいため、高周波領域において使用される共振器やフィルターを構成するのに好適であった。また特に、上記誘電体材料は、いずれも誘電率εr が２５〜４０という比較的大きな値を示すため、共振器やフィルターを小さく構成することができ、通信機器の小型化を図ることができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通信基地局用の共振器の場合、一般に、出力が大きければ大きいほど、入力のパワーが大きくなって発熱量が大となるため、如何にして共振器からの放熱を促すかということが重要な問題となっている。そのため、上述の如き誘電率εr の大きい誘電体を用いて共振器の小型化を図ることよりは、むしろ、ある程度誘電率εr が小さい誘電体（例えば、誘電率εr が１５〜２５程度）を用いて、放熱面として利用できる表面積を十分に確保可能な大きな共振器やフィルターを構成したいという要望があった。
【０００５】
しかしながら、誘電率εr が２０前後の誘電体材料は、いずれも無負荷品質係数Ｑu が小さすぎたり、あるいは共振周波数ｆ0 の温度係数τf の絶対値｜τf ｜が大きすぎるといった欠点があり、通信基地局用の共振器等を構成するための材料として、十分に満足な品質を備えてはいなかった。
【０００６】
また、上記各公報に記載されているＢａ（Ｚｎ1/3 Ｔａ2/3 ）Ｏ3 （いわゆるＢＺＴ）や、Ｂａ（Ｍｇ1/3 Ｔａ2/3 ）Ｏ3 （いわゆるＢＭＴ）は、優れた品質を有する誘電体材料である反面、難焼結性であるという欠点もあり、誘電特性に優れた緻密体を得るには、高温・長時間焼成や、超高速昇温焼成など特殊で工業的には不利な焼成法が必要であった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、無負荷品質係数Ｑu が大きく、且つ、共振周波数ｆ0 の温度係数τf の絶対値が小さい誘電体材料で、特に誘電率εr が２０前後を示し、製造に当たって特殊な焼結法を用いなくてもよい誘電体材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
上述の目的を達成するために、本発明の誘電体材料は、請求項１記載の通り、
Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造を有し、
一般式、ａ（ＲＥ，ＡＥ）2 ＡｌＯ4 ・ｂ（ＲＥ，ＡＥ）2 ＧａＯ4 ・ｃＡＥ2 （Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ4 ［但し、ＲＥは希土類元素，ＡＥはアルカリ土類元素］で表され、
上記組成比ａ，ｂ，ｃが、０＜ａ＜１００，０＜ｂ＜４０，０＜ｃ＜８０，ａ＋ｂ＋ｃ＝１００モル％となるように調製されている
ことを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記一般式中、「（ＲＥ，ＡＥ）2 」なる表記は、上記各成分「（ＲＥ，ＡＥ）2 ＡｌＯ4 」、または「（ＲＥ，ＡＥ）2 ＧａＯ4 」という単位構造内に、ＲＥおよびＡＥから選ばれる２原子が存在していることを意味する。これらＲＥ，ＡＥは、イオン半径が類似した範囲にあり、単位構造中において等価な位置に配位され得る。具体的には、上記単位構造として、ＲＥ２原子のもの、ＡＥ２原子のもの、ＲＥ，ＡＥ各１原子ずつのものが考えられ、通常、これら３種のものが誘電体材料中に混在している。結晶構造の安定性を考慮した場合、単位構造中の元素のイオン価の関係から判断すると、理想的には、誘電体材料全体におけるＲＥ／ＡＥの比が１となるものが最も安定であると考えられるが、実際には、ＲＥ／ＡＥが０．８〜１．２程度の範囲であれば、大部分は十分に安定した結晶構造として存在し、誘電体材料として使用するに当たって問題となるようなことはない。
【００１０】
また、上記一般式中、「（Ｔｉ，Ｚｒ）」なる表記は、ＡＥ2 （Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ4 という単位構造内に、ＴｉまたはＺｒのいずれかが存在していることを意味する。これらＴｉ，Ｚｒは、いずれも４Ａ族元素であり、単位構造中において等価な位置に配位され得る。発明者らの知見によれば、ＴｉとＺｒを比較すると、Ｔｉの方が無負荷品質係数Ｑu を大きくする効果が高いので、通常は、Ｔｉの比率を大きくする方が望ましく、全量をＴｉとしても構わない。但し、Ｚｒを加えると、共振周波数ｆ0 の温度係数τf の絶対値がプラス側にシフトする傾向があるので、Ｔｉによって十二分に大きな無負荷品質係数Ｑu を確保できていて、その場合に、上記温度係数τf の絶対値がマイナス側にシフトしていれば、いくらかＺｒを加えることにより、無負荷品質係数Ｑu が小さくなりすぎない範囲内で、上記温度係数τf の絶対値をゼロに近づけることができる。
【００１１】
さらに、上記一般式は、本発明の誘電体材料が「（ＲＥ，ＡＥ）2 ＡｌＯ4 」、「（ＲＥ，ＡＥ）2 ＧａＯ4 」、「ＡＥ2 （Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ4 」の３成分を主要な成分とする固溶体で、誘電体材料中におけるこれら３成分の組成比が、ａ：ｂ：ｃになっていることを意味し、上記３成分の組成比ａ：ｂ：ｃは、０＜ａ＜１００，０＜ｂ＜４０，０＜ｃ＜８０（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００モル％）とされている。
【００１２】
このような条件を満足させることにより、無負荷品質係数Ｑu と共振周波数ｆ0 の積Ｑu ×ｆ0 は５００００以上の値を示すようになり、高周波領域において使用される共振器、フィルター等を構成するのに適した誘電体材料となる。ここで、誘電損失に関する特性を上記積Ｑu ×ｆ0 で示す理由は、Ｑu は測定する際の共振周波数で変化するため、Ｑu とｆ0 の積による表現の方が、より正確に誘電損失を表すからである。
【００１３】
この３成分の組成比は、さらに厳密に調節することによって上記積Ｑu ×ｆ0 を大きくすることも可能であり、具体的には、請求項２に記載のように、上記組成比ａ，ｂ，ｃが、１０≦ａ≦９５，０＜ｂ≦３５，５≦ｃ≦７５，ａ＋ｂ＋ｃ＝１００モル％となるように調製されていると、上記積Ｑu ×ｆ0 は６００００以上にまで高くなる。またさらに、２０≦ａ≦９０，０＜ｂ≦３０，１０≦ｃ≦６５とすれば上記積Ｑu ×ｆ0 は６５０００以上、３０≦ａ≦８０，０＜ｂ≦２０，２０≦ｃ≦６０とすれば上記積Ｑu ×ｆ0 は７００００以上にまで高められる。
【００１４】
これらの数値範囲は、発明者らが多くの実験を重ねる中で得た知見であり、上記３成分の組成比と無負荷品質係数Ｑu との因果関係を明確に説明することは難しい。しかし、結果としては、組成比として、上記のような数値範囲を選ぶことで、上記積Ｑu ×ｆ0 を所望の値に調節できる。
【００１５】
なお、上記条件をはずれると、所期の誘電体材料を得ることはきわめて難しくなる。具体的には、誘電率εr が１５未満と小さくなりすぎたり、無負荷品質係数Ｑu と共振周波数ｆ0 の積Ｑu ×ｆ0 が５００００未満と小さくなりすぎたり、温度係数τf の絶対値が５０以上と大きくなりすぎるなどの弊害を招く。また、焼結しても十分な緻密体が得られなかったり、仮に焼結できてもきわめて不安定で、経時変化により焼結体にクラックが発生して割れてしまうといった問題を招く場合もある。
【００１６】
さらに、本発明の誘電体材料の製法については、特に限定されず、出発材料を所定の比率で混合した後、常法にしたがって、仮焼、加圧成形、焼成等の工程を経て製造される。このような工程を経て得られた本発明の誘電体材料は、図１の模式図に示すような、Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造を有するものとなる。このＫ2 ＮｉＦ4 型結晶構造は、特定のＸ線回折パタ−ンによって確認することができるものであり、具体的なＸ線回折パターンを例示すれば、例えば、上記一般式中、ＲＥ＝Ｌａ，ＡＥ＝Ｓｒ，ＲＥ／ＡＥ＝１．０，Ｚｒ／Ｔｉ＝０，ａ＝６４，ｂ＝１６，ｃ＝２０の場合、図２に示すようなパターンが得られる。
【００１７】
以上説明した本発明の誘電体材料は、上記３成分を主要な成分とするＫ2 ＮｉＦ4 型結晶構造の複合酸化物であって、上記３成分を特定の割合で固溶させたものなので、無負荷品質係数Ｑu が大きく、且つ共振周波数ｆ0 の温度係数τf の絶対値が小さい温度安定性に優れた誘電体材料となる。また特に、誘電率εr は１５〜２５程度の値を示すものとなるので、本発明の誘電体材料を用いることにより、放熱面として利用可能な表面積を十分に確保した大きな共振器、フィルターを構成することができる。したがって、近年、急速に拡大しつつある通信システムの基地局用として信頼性に優れた共振器等を提供することができる。また、本発明の誘電体材料によれば、特殊な焼結法を用いなくても、所期の誘電体磁器を製造できるので、いわゆるＢＺＴ等に比べると工業的に有利である。
【００１８】
ところで、本発明の誘電体材料において、上記一般式における希土類元素ＲＥについては、種々の希土類元素を使い得ると考えられるが、工業的に製造するに当たって重要なものとしては、例えば請求項３に記載の通り、Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍなどを挙げることができる。これらの希土類元素ＲＥは、１種だけを単独で使用しても２種以上を混合して使用してもよく、これらの希土類元素を採用することによって、目的とする性能を備えた誘電体材料を得ることができる。
【００１９】
また、上記一般式におけるアルカリ土類元素ＡＥについても、種々のアルカリ土類元素を使い得ると考えられるが、工業的に製造するに当たって重要なものとしては、例えば請求項４に記載の通り、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどを挙げることができる。これらのアルカリ土類元素ＡＥについても、１種だけを単独で使用しても２種以上を混合して使用してもよく、これらのアルカリ土類元素を採用することによって、目的とする性能を備えた誘電体材料を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
（１）誘電体材料の製造
下記表１に示す試料１〜１５の組成になるように、市販のＳｒＣＯ3 ，Ｌａ2 Ｏ3 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｇａ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 粉末を秤量した。
【００２１】
なお、上記の通り、出発原料には酸化物および炭酸塩を使用したが、表１における混合比率はすべて酸化物換算で示してある。
【００２２】
【表１】
0003704424.tif 000002
【００２３】
その後、上記各混合粉末をボールミルに投入し、エタノールを加え湿式混合した。そして、湿式混合より得られたスラリーを乾燥させ、１１００℃〜１３００℃で２〜６時間仮焼した後、この仮焼粉末にワックス系バインダー、分散剤およびエタノールを加え、再びボールミルにより粉砕し、混合した。次いで、得られたスラリーを乾燥させ、造粒した後、１ＧＰａの圧力下、直径２０ｍｍ、厚さ１２ｍｍの円柱状に成形した。その後、この円柱状の成形体を１５ＧＰａの圧力下、等方静圧プレス（ＣＩＰ）処理し、次いで、このＣＩＰ処理後の成形体を大気雰囲気下、１５００℃〜１５５０℃で２〜４時間保持した。
【００２４】
（２）密度の測定、および誘電特性の評価
上記（１）の手順で製造された誘電体材料（試料１〜１５）について、アルキメデス法によって密度を測定した。
また、各試料１〜１５を、粒度＃２００のレジンボンド砥石を用いて平行研削した後、平行導体板形誘電体共振器法（ＴＥ［０１１］モード）を用いて、εr ，τf を、空洞開放形誘電体共振器法（ＴＥ［０１δ］モード）を用いて、Ｑu を測定した。これらの結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
表２から明らかなように、試料１〜８については、いずれも無負荷品質係数Ｑu と共振周波数ｆ0 の積Ｑu ×ｆ0 が６１０００以上の値を示し、且つ、温度係数τf の絶対値が４２以内に収まっている。この種の誘電体材料を用いて高周波領域において使用される共振器、フィルター等を構成する場合、通常、上記積Ｑu ×ｆ0 は５００００以上、温度係数τf の絶対値は５０以下になっていることが望まれるが、上記試料１〜８は、これらの条件を十分に満足する品質を備えていることがわかる。また特に、試料１〜７については、上記積Ｑu ×ｆ0 が６５０００以上の値を示し、その中でも、試料１，２，５，６は、上記積Ｑu ×ｆ0 が７００００以上の高い値を示すので、誘電体材料としてきわめて優れた品質を備えていることがわかる。また、試料１〜８は、いずれも誘電率εr が１５〜２５の範囲内となっており、放熱面として利用可能な表面積を十分に確保した大きな共振器やフィルターを構成することができると考えられる。
【００２７】
なお、試料９〜１４は、いずれも無負荷品質係数Ｑu と共振周波数ｆ0 の積Ｑu ×ｆ0 が５００００以下の値となるため、共振器やフィルターを構成するための誘電体材料としては、あまり好ましいものではない。試料１５，１６については、上記積Ｑu ×ｆ0 が５００００以上の値となったが、温度係数τf の絶対値が８０，１５６という大きな値となったため、これらも共振器やフィルターを構成するための誘電体材料としては、あまり好ましいものではない。
【００２８】
次に、上記試料１〜１６の組成比と誘電体としての性能の関係を調べるため、各試料１〜１６を図３の組成図上にプロットした。図３において、誘電体としての性能が良好であった試料１〜８は「●」、残りの試料９〜１６は「○」で表した。図３から明らかなように、試料１〜８を示す「●」は、試料９〜１６を示す「○」によって囲まれた特定の範囲内に集中して存在しており、上記３成分の組成比と誘電体としての性能には、明らかに強い相関があることがわかる。したが手、所期の物性を備えた誘電体材料を得るには、上記３つの成分を「●」の存在する範囲内に調製すればよいと推察することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態については上記のもの以外にも種々の具体的形態が考えられる。
例えば、上記実施形態では、希土類元素ＲＥとしてＬａ、アルカリ土類元素ＡＥとしてＳｒを選択したが、希土類元素ＲＥとしては、上記の他にＰｒ，Ｎｄ，Ｓｍなどを採用することができ、また、アルカリ土類元素ＡＥとしては、上記の他にＣａ，Ｂａなどを採用することができる。
【００３０】
また、上記実施形態では、上記一般式の（Ｔｉ，Ｚｒ）として、Ｔｉだけを用いたが、Ｔｉの他にＺｒを加えてもよい。Ｚｒを添加すると、その分、いくらかＱu が低下するが、τf をプラス側にシフトさせるという作用がある。したがって、例えば上記試料２のように、Ｑu ×ｆ0 が８５０００ときわめて高い値を示している試料については、多少Ｑu ×ｆ0 が小さくなってもまだ十分に満足な性能を確保できるので、Ｚｒを添加することによって、−３８とマイナス側にシフトしているτf を、ゼロに近づけて温度安定性をさらに改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造を示す模式図である。
【図２】  Ｋ2 ＮｉＦ4 型結晶構造のＸ線回折パタ−ンを示す図である。
【図３】  実施形態として示した試料の組成比を示す組成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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