(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶構造が、化学式（ＲＭ）（ＱＯ4）3（ただし、ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素、で定義される物質）で示される複合酸化物を含むことを特徴とする零熱膨張材料。
【請求項２】
ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらを含む４価の金属元素、ＭはＭｇから選択される６価の金属元素、であることを特徴とする請求項１記載の零熱膨張材料。
【請求項３】
ＲはＨｆ、ＭはＭｇ、ＱはＷ、であることを特徴とする請求項１記載の零熱膨張材料。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか記載の零熱膨張材料を用いたことを特徴とする高周波回路基板。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか記載の零熱膨張材料を用いたことを特徴とする高周波回路部品。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか記載の零熱膨張材料を用いたことを特徴とする精密機械部品。
【請求項７】
請求項１から３のいずれか記載の零熱膨張材料を用いたことを特徴とする構造材料。
【請求項８】
負の熱膨張材料と正の熱膨張材料とを混合した後に焼成してなり、結晶構造が化学式（ＲＭ）（ＱＯ4）3（ただし、ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素、で定義される物質）で示される複合酸化物を含む零熱膨張材料の製造方法であって、
前記負の熱膨張材料は、化学式ＲＱ2Ｏ8（ただし、ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素）で示される化合物を含む複合酸化物であり、
前記正の熱膨張材料は、化学式ＭＱＸ4（ただし、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素、ＸはＯから選択される元素）である、
零熱膨張材料の製造方法。
【請求項９】
ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらを含む４価の金属元素、ＭはＭｇから選択される６価の金属元素、であることを特徴とする請求項８記載の零熱膨張材料の製造方法。
【請求項１０】
ＲはＨｆ、ＭはＭｇ、ＱはＷ、であることを特徴とする請求項８記載の零熱膨張材料の製造方法。
【請求項１１】
前記負の熱膨張材料と前記正の熱膨張材料との混合比が約１：１である、請求項８記載の零熱膨張材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波応用製品などの電子材料、精密機械部品、構造材料等に用いられる、零熱膨張材料及びそれを用いた応用部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子材料や構造材料は、酸化物や樹脂、あるいは、ガラスや金属を用いて作製されてきた。たとえば高周波回路用基板は、誘電体あるいは樹脂を板化したものを用いていた。このような従来の電子材料や構造材料では、通常、正の熱膨張係数を有している。このためこれらの材料は、周囲温度の上昇や下降に対応して、膨張や収縮を生じるという特性を有している。
【０００３】
一方で、近年、いくつかの結晶系において熱膨張係数が負である材料が報告されている。例えば、Ｋ．Ｋｏｒｔｈｕｉｓ等のＣｈｅｍｉ．Ｍａｔｅｒ．７（１９９５）４１２では、ＺｒＶ２Ｏ７が報告されている。また、Ｊ．Ｓ．Ｏ．Ｅｖａｎｓ等のＣｈｅｍｉ．Ｍａｔｅｒ．８（１９９６）２８０９では、ＺｒＷ２Ｏ８およびＨｆＷ２Ｏ８が報告されている。同じくＪ．Ｓ．Ｏ．Ｅｖａｎｓ等のＰｈｙｓｉｃａ  Ｂ  ２４１−２４３（１９９８）３１１−３１６では、Ａ２（ＭＯ４）３の一般形を持つ物質（ＡはＡｌ，Ｙ，あるいはランタン系の元素）でＡがＳｃである物質が報告されている。また、Ｄ．Ａ．Ｗｏｏｄｃｏｃｋ等のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ    １４９（２０００）９２−９８では、Ａ２（ＭＯ４）３の一般形を持つ物質（ＡはＡｌ，Ｙ，あるいはランタン系の元素）でＡがＹまたはＡｌである物質が報告されている。
【０００４】
このうちＥｖａｎｓ等は、負の熱膨張係数をもつ物質では、Ｍ−Ｏ−Ｍ（Ｍは金属元素）結合において、温度上昇とともに回転運動が大きくなることにより、全体の結合距離が収縮するという、負の熱膨張理論を主張している。
【０００５】
これらの報告がなされるとともに、正の熱膨張係数の材料と上記のような負の熱膨張係数の材料との混合物により、熱膨張係数の絶対値の低い材料（低熱膨張材料）を実現させることも検討されてきた。例えば、Ｓｌｅｉｇｈｔ等のＵＳＰ５３２２５５９、ＵＳＰ５４３３７７８には、上記負の熱膨張材料とエポキシ樹脂との複合材料による低熱膨張材料が示されている。
【０００６】
しかしながら、このような材料作製方法を、例えば高周波部品等によく用いられるセラミック材料に適用し、負の熱膨張材料とセラミック材料とを同時焼成することで新たな低熱膨張材料を作製するという報告はなされていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の電子材料・部品や構造材料では、熱膨張係数が正であることにより、周囲の温度の変化に応じて膨張、収縮が生じてしまい、近年の高周波部品等に用いる電子材料や精密機械部品等においては、わずかな寸法の誤差でも大きな性能低下を生じてしまうため、このような材料では、高い加工精度が得られないだけでなく、電気電子特性の劣化も生じやすいという課題があった。
【０００８】
すなわち、このような電子材料・部品や精密機械部品、構造材料においては、より高い加工精度が要求されるだけでなく、作製段階において、使用環境に応じた熱膨張係数の制御を行う必要がある。
【０００９】
また、高温状態において膨張、収縮の無い材料が要求されている場合、Ｓｌｅｉｇｈｔらによる、エポキシ樹脂と負の熱膨張材料との複合材料では、実質的にこのような材料を実現することができないという課題があった。
【００１０】
すなわち、ミクロン単位等の加工精度を要求される精密機械分野においては、高温状態での使用に対して上記の複合材料では対応できないため、広い温度範囲においても膨張、収縮がほとんど無い材料を用いた構造材料や精密機械部品が要求されている。
【００１１】
本発明は、広い温度範囲においても熱膨張係数がほとんど零である材料（零熱膨張材料）を提供するとともに、この材料を用いた特性の良い各種材料及び部品を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、結晶構造が、化学式（RM）（QO4）3（ただし、RはZr,Hfまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、MはMg,Ca,Sr,Ba,Raまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、QはWから選択される６価の金属元素、で定義される物質）で示される複合酸化物を含むことを特徴とする零熱膨張材料である。
このような零熱膨張材料は、化学式ＲＱ2Ｏ8（ただし、ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素）で示される化合物を含む複合酸化物である負の熱膨張材料と、化学式ＭＱＸ4が（ただし、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素、ＸはＯから選択される元素）である正の熱膨張材料とを混合した後に焼成することにより得られる。
【００１４】
これら本発明により、熱膨張係数がほぼ零に近い零熱膨張材料を作製することが可能となり、セラミック材料を正の熱膨張材料として用いたことで１０００℃以上の高温まで熱膨張係数がほとんど変化せず、これにより加工精度も高い耐熱材料である零熱膨張材料を供給することが可能となる。
【００１５】
また、本発明は、これらのいずれかの零熱膨張材料を用いたことを特徴とする応用部品、すなわち高周波回路基板や高周波回路部品、精密機械部品、構造材料等である。
【００１６】
これにより、例えば部品の長さが波長程度であるミリ波領域の高周波用途等においては、高い加工精度で且つ熱膨張係数がほとんど零である電子材料や、温度による特性変動の少ない高性能な電子部品を現実に供給することが可能となり、また、ミクロン単位等の加工精度を要求される精密機械分野においても、広い温度範囲で熱膨張・収縮がほとんど無い優れた構造材料や精密機械部品を供給することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態において、結晶構造が化学式（ＲＭ）（ＱＯ４）３（ただし、ＲはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＱはＷから選択される６価の金属元素、で定義される物質）である複合酸化物を含む材料を用いて零熱膨張材料を作製する場合を示す。用いる材料は、材料Α（ＡはＲＱ２Ｏ８の結晶系をもつ材料で熱膨張係数が負（熱膨張係数−α（α＞０）、密度ａ））と、材料Β（ΒはＭＱＯ４の結晶系をもつ材料で熱膨張係数が正（熱膨張係数β、密度ｂ））であり、主な材料の熱膨張係数を次の（表１）に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
材料Αと材料Βを、体積比Ａ：Ｂがβ：αになるように混合焼成すれば、結晶構造が（ＲＭ）（ＱＯ４）３である複合酸化物を含む材料を作製することができ、熱膨張係数がほぼ零となる。
【００２８】
材料の熱膨張係数と密度が明らかな場合は、材料Αと材料Βの重量ｘ、ｙを重量比率でｘ：ｙ＝ａβ：ｂα（式１）となるように秤量して混合焼成すれば、結晶構造が（ＲＭ）（ＱＯ４）３である複合酸化物を含む材料が生成され、熱膨張係数がほぼ零になる。
【００２９】
ここで、本発明の結晶構造（Ｒ２＋Ｍ４＋）（ＱＯ４）３の複合酸化物は、Ｅｖａｎｓの報告にあるＡ３＋２（ＱＯ４）３の負の熱膨張材料と同様の構造をもち、Ｘ線回折の測定から（Ａ３＋２）のサイトを（Ｒ２＋Ｍ４＋）で置換した結晶構造をもつ複合酸化物と考えられる。すなわち、（Ａ３＋２）を（Ｒ２＋Ｍ４＋）で置換されていることが、低い熱膨張材料の実現に欠かせないと考えられる。なお、これらの材料は、（ＲＯ２）（ＭＯ）（ＱＯ３）３と表示される場合もある。
【００３０】
なお、混合比は、正の材料と負の材料の特性値（熱膨張係数、密度など）が原料の混合粉砕などの前処理、あるいは仮焼温度、本焼成温度、圧力、雰囲気などの燒結条件により変動することもあるので、混合させる直前の材料の特性値を用いておこなう配慮が必要である。
【００３１】
次に、具体的な例として、複合酸化物（ＲＭ）（ＱＯ４）３の一つである（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３を含む零熱膨張材料について、詳しく説明する。この零熱膨張材料は、材料Ａ及び材料Ｂとして、それぞれＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４とを用いて作製することができる。
【００３２】
ＨｆＷ２Ｏ８は、出発原料として、ＨｆＯ２（関東科学、純度９９．５％）とＷＯ３（高純度化学、純度４Ｎ）を使用し、ＨｆＯ２とＷＯ３をモル比１：２になるように、秤量、ボールミルによる混合粉砕を行った。こうして得られた原料紛を１１５０℃で仮焼し、ＨｆＷ２Ｏ８を作製した。
【００３３】
同様にＭｇＷＯ４についても、ＭｇＯとＷＯ３を１：１で秤量し、ボールミルによる混合粉砕を行い、この後、原料紛を１０００℃で仮焼し、ＭｇＷＯ４を作製した。
【００３４】
それぞれの仮焼成粉は、Ｘ線回折測定により、十分に反応が進んでいることを確認した。
【００３５】
次に、ＨｆＷ２Ｏ８の熱膨張係数は−８ｐｐｍ／℃、理論密度は５．８８４ｇ／ｃｍ３、ＭｇＷＯ４の熱膨張係数は＋８ｐｐｍ／℃、理論密度は５．７７ｇ／ｃｍ３であり、熱膨張係数の大きさ、密度はほぼ等しいので、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４の仮焼成粉を重量比が１：１になるように秤量し、ボールミルで十分に混合粉砕した後、ペレット状に成形した。この混合粉を１１５０℃で本焼成し、得られた成型体の熱膨張係数を測定した。その結果を図１に示す。図１に示すように、熱膨張係数は、室温から１０００℃までのどの温度領域でも±１×１０−６／℃以下の零熱膨張材料を得ることができた。
【００３６】
また、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４を３：１で混合すると熱膨張係数−４ｐｐｍ／℃の材料が合成され、また、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４を１：３で混合すると熱膨張係数＋４ｐｐｍ／℃の材料を合成できた。この結果も、図１に示す。
【００３７】
図１に示した低熱膨張係数を示す材料のＸ線回折パターンの測定結果を、図２及び図３に示す。
【００３８】
図２は、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４、及びこれらを１：１で混合した材料の３つのＸ線回折パターンを示し、１：１で混合した材料は、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４以外に（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３が合成できていることがわかる。
【００３９】
図３は、ＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４を１：１で混合した材料、１：３で混合した材料、及び３：１で混合した材料の３つのＸ線回折パターンを示し、１：１で混合した材料と同様に、１：３、３：１でそれぞれ混合した材料にも（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３が合成されていることがわかる。
【００４０】
したがって、図２及び図３から、（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３のような結晶構造を持つ材料、すなわち（ＲＭ）（ＱＯ４）３で示される複合酸化物を含むことが、零熱膨張材料の合成および熱膨張係数の制御に欠かせないことは明らかである。
【００４１】
異なる例として、ＺｒＷ２Ｏ８または、ＨｆＷ２Ｏ８とＺｒＷ２Ｏ８との混合物を用い、これにＭｇＷＯ４を用いて零熱膨張材料を作製した場合にも、同様に室温から１０００℃まで温度領域で±２×１０−６／℃以下の零熱膨張材料を得ることが可能であった。
【００４２】
この場合の材料においては、（ＺｒＭｇ）（ＷＯ４）３または（ＺｒｘＨｆ１−ｘＭｇ）（ＷＯ４）３の材料の合成が確認できており、（ＲＭ）（ＱＯ４）３で示される複合酸化物を含むことが本発明の低熱膨張材料に欠かせないことが、この例においても明らかである。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本実施の形態による、零熱膨張材料を用いたバンドパスフィルターの一例を示す斜視図である。
【００４４】
まず始めに、（実施の形態１）で使用したＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４の重量比１：１の仮焼成粉を用いて、バインダー樹脂とともにボールミルにより混合し、ドクターブレード法によりグリーンシートを作製した。そして、得られたグリーンシートを所望の大きさにカットし、焼成後の板厚が１ｍｍになるよう２０枚重ねた上で加圧成型し、これを１１５０℃で焼成して、高周波回路基板用の焼成体を得た。この板の熱膨張係数を測定したところ、＋０．８ｐｐｍ／℃であった。また、このとき作製した板に（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３の材料が含まれることはいうまでもない。
【００４５】
次に、図４に示すように、この焼成体を高周波回路基板の誘電体基板１とし、その上に金属導体２を用いてストリップ線路を形成することにより、６０ＧＨｚのバンドパスフィルターを作製した。
【００４６】
室温から１００℃までのフィルター特性を測定したところ、基板の熱膨張係数が小さいため、周波数特性の安定したフィルターを得ることできた。
【００４７】
以上のように、熱膨張係数が小さい零熱膨張材料を用いた高周波回路用基板、あるいは高周波回路用部品を作製することで、良好な特性の基板や部品を得ることができる。
【００４８】
なお、このようにＨｆＷ２Ｏ８とＭｇＷＯ４を用いた場合には、これらの重量比を変えて（ＨｆＭｇ）（ＷＯ４）３の含有量を制御することで、室温から１０００℃までの広い温度領域で、−８ｐｐｍ／℃から＋８ｐｐｍ／℃の間で任意に熱膨張係数を制御することも容易であり、また、異なる材料を用いれば、熱膨張係数の制御範囲を所望の範囲に変えることが可能である。
【００４９】
このため、精密機械部品や、構造材料のように、周辺の部材との関係でミクロン単位の精度を要求される場合には、熱膨張係数が零の場合はもちろん、熱膨張係数を制御したい場合にも、本発明は有効である。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱膨張係数がほぼ零に近い優れた零熱膨張材料を提供でき、更に、この材料を用いることで、高精度、高性能な高周波回路基板や高周波回路部品、精密機械部品、構造材料等の応用部品を提供することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による、各材料の熱膨張係数を示す特性図
【図２】本発明の一実施の形態による、各材料のＸ線回折パターンを示す特性図
【図３】本発明の一実施の形態による、各材料のＸ線回折パターンを示す特性図
【図４】本発明の一実施の形態によるバンドパスフィルターを示す斜視図
【符号の説明】
１  誘電体基板
２  金属導体
【図１】
0003601525.tif 000003
【図２】
0003601525.tif 000004
【図３】
0003601525.tif 000005
【図４】
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