(57)【要約】【課題】  高い比誘電率εr、高Qf値を有し、共振周波数の温度係数τfが小さくかつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfをコントロールできる電子デバイス用誘電体磁器組成物の提供。【解決手段】  LnAlO3-CaTiO3系誘電体磁器組成物において、LnAlO3とCaTiO3とのモル比を最適化するとともに、Alを少量のGaで置換することによって、LnAlGaO3-CaTiO3固溶体を主相とし、Al-Ga系酸化物の固溶体を第2相として含むこと、また組織内にα-Al2O3が実質的に存在しない組織が得られ、共振周波数の温度係数τfが小さくかつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfをコントロールできる。【選択図】        図7
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式をxLn(Al1-yGay)O3-(1-x)CaTiO3(但し、Lnは希土類元素のうち少なくとも一種)と表し、前記組成式のx、yが下記値を満足する電子デバイス用誘電体磁器組成物。
0.22≦x≦0.37、0<y≦0.1
【請求項２】
LnAlGaO3-CaTiO3固溶体を主相とし、Al-Ga系酸化物の固溶体を第2相として含む請求項1に記載の電子デバイス用誘電体磁器組成物。
【請求項３】
α-Al2O3が実質的に存在しない請求項2に記載の電子デバイス用誘電体磁器組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロ波・ミリ波領域において、共振器、発振器、回路基板などの通信用デバイスに用いられる誘電体磁器組成物に関し、LnAlGaO3-CaTiO3固溶体を主相とし、Al-Ga系酸化物の固溶体を第2相として含む焼結体となし、共振周波数の温度係数τfが小さく、かつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfをコントロール可能となした電子デバイス用誘電体磁器組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体磁器組成物は、マイクロ波及びミリ波等の高周波領域において広く利用される。これら種々用途に要求される特性としては、(1)誘電体中では波長が1/εr1/2に短縮されるので、小型化の要求に対して比誘電率εrが大きいこと、(2)高周波での誘電損失が小さいこと、すなわち高Qf値であること、(3)共振周波数の温度係数τfが小さく安定していることである。また、温度係数τfについては、所定の範囲で制御可能であることも重要である。
【０００３】
従来から、このような高周波用誘電体磁器組成物として、多くの材料が提案されている。例えば、LnAlO3-CaTiO3系誘電体磁器(特許文献1)は、組成により様々な誘電特性を示し、比誘電率εrが30〜47において、Qf値が10,000〜58,000(1GHzにおける値)の特性が得られている。しかし、Qf値は比較的高いが、比誘電率εrが低く、また、温度係数τfも小さいとは言えず、実用素子として応用するには問題がある。
【特許文献１】特許2625074号公報
【０００４】
上記材料の問題を改良するため、(1-x)Nd(Ga1-yAly)O3-xCaTiO3系誘電体磁器(特許文献2)が提案されている。この材料は、NdGaO3-CaTiO3を基本組成とし、Gaをの一部をAlで置換することにより、比誘電率εrが45以上、Qf値が43,000以上の特性が得られており、Alの置換量によって温度係数τfを制御することができる。
【特許文献２】特開2002-274939号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記(1-x)Nd(Ga1-yAly)O3-xCaTiO3系誘電体磁器材料は、Alの増加に伴い、Qf値が低下するため、高いQf値を維持しながら、温度係数τfを制御することはできないという問題がある。また、高価なGaを多く使用するため、材料のコストアップを招くという経済的な問題もある。
【０００６】
この発明は、上述した従来の高周波用誘電体磁器組成物が有する問題を解決し、高い比誘電率εr、高Qf値を有すること、また共振周波数の温度係数τfが小さくかつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfをコントロールできる電子デバイス用誘電体磁器組成物を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、温度係数τfが小さくかつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfを制御することに着目し、鋭意研究の結果、LnAlO3-CaTiO3系誘電体磁器組成物において、LnAlO3とCaTiO3とのモル比を最適化するとともに、Alを少量のGaで置換することによって、上記目的を達成できることを知見した。
【０００８】
さらに、発明者らは、LnAlO3とCaTiO3とのモル比を最適化した誘電体磁器組成物は、LnAlGaO3-CaTiO3固溶体を主相とし、Al-Ga系酸化物の固溶体を第2相として含むこと、また組織内にα-Al2O3が実質的に存在しないことを知見し、この発明を完成した。
【０００９】
すなわち、この発明は、組成式をxLn(Al1-yGay)O3-(1-x)CaTiO3(但し、Lnは希土類元素のうち少なくとも一種)と表し、前記組成式のx、yが下記値を満足することを特徴とする電子デバイス用誘電体磁器組成物である。
0.22≦x≦0.37、0<y≦0.1
【００１０】
また、この発明は、上記構成の誘電体磁器組成物において、
LnAlGaO3-CaTiO3固溶体を主相とし、Al-Ga系酸化物の固溶体を第2相として含む構成、
α-Al2O3が実質的に存在しない構成、をそれぞれ特徴とする電子デバイス用誘電体磁器組成物である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、電子デバイス用誘電体磁器組成物の比誘電率εrが44〜45、Qf値が48,000以上であり、共振周波数の温度係数τfを-2ppm/℃〜+2ppm/℃の範囲でコントロールすることができる。
【００１２】
また、この発明によれば、LnAlO3-CaTiO3系電子デバイス用誘電体磁器組成物において、Alの一部を少量のGaで置換することにより、Qf値を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明による電子デバイス用誘電体磁器組成物は、LnAlO3とCaTiO3とのモル比を最適化し、また、Alを少量のGaで置換することによって、共振周波数の温度係数τfが小さくかつ高いQf値を維持したまま、温度係数τfをコントロールできるが、Ln並びに各成分範囲を示すx、yの限定理由は以下のとおりである。
【００１４】
この発明において、Lnとしては、希土類元素の少なくとも一種を用いることができ、Ndが最も好ましい。原料となる希土類酸化物粉末の粒度は0.5μm〜5μm、好ましくは1μm〜3μmである。特に、粒度の細かい希土類酸化物粉末を原料として用いることにより、本発明の効果、すなわち高い比誘電率εr、高いQf値及び温度係数τfのコントロールをより一層向上させることができる。
【００１５】
xは、Ln(Al1-yGay)O3及びCaTiO3の成分範囲を示し、0.22≦x≦0.37が好ましい範囲である。0.22未満では温度係数τfが正側に大きくなり、0.37を超えるとτfが負側に大きくなるため好ましくない。
【００１６】
yは、AlとGaの成分範囲を示し、0<y≦0.1が好ましい範囲である。0.1を超えるとQf値が低下するため好ましくない。さらに好ましい範囲は0.02≦y≦0.08である。
【００１７】
上記組成のこの発明による誘電体磁器組成物は、xLn(Al1-yGay)O3-(1-x)CaTiO3固溶体相と、Al-Ga系酸化物の固溶体相とを含んでいる。この特有な構成相が起因して、この発明による特有の効果が得られるものと考えられる。
【００１８】
すなわち、この発明による誘電体磁器組成物において、Gaを含有しない場合は、LnAlO3-CaTiO3相のみか、あるいはLnAlO3-CaTiO3相とα-Al2O3相とからなっており、Al-Ga系酸化物の固溶体相は存在しない。この場合、後述する実施例に示すとおり、Alの一部をGaで置換し、Al-Ga系酸化物の固溶体相が存在する場合よりも、比誘電率εr、Qf値ともに低い値を示すことからも明らかである。
【００１９】
Al-Ga系酸化物の固溶体相の存在は、誘電体磁器組成物の焼結体のEPMA分析によって確認することができる。EPMA分析の結果、この発明の磁器組成物においては、実質的にα-Al2O3は存在しない。
【００２０】
この発明の誘電体磁器組成物において、平均結晶粒径は12μm〜17μmが好ましい。特に好ましくは14μm〜17μmである。平均結晶粒径を好ましい範囲に制御することによって、Qf値を向上させることができる。
【００２１】
この発明の誘電体磁器組成物の製造方法は、原料粉の配合、湿式又は乾式混合、乾燥、仮焼、湿式又は乾式粉砕、乾燥、造粒、成形、焼結の各工程並びに各装置を適宜選定する公知の方法による焼結体を得ることで容易に製造できる。
【実施例】
【００２２】
実施例1
出発原料として、Nd2O3、Al2O3、Ga2O3、CaCO3、TiO2の高純度粉末を準備した。なお、Nd2O3粉末は平均粒度1μm、Al2O3粉末は平均粒度1.5μm、TiO2粉末は平均粒度1.7μmのものをそれぞれ使用した。
【００２３】
各粉末を0.3Nd(Al1-yGay)O3-0.7CaTiO3(y=0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10)となるように配合し、純水中で混合した後乾燥した。次いで、該混合粉を組成に応じて1100℃〜1300℃で4時間仮焼した。得られた仮焼粉を平均粒度0.8μm〜2.0μmに粉砕した後、粉砕粉を乾燥させた。
【００２４】
次に、乾燥粉にPVAを添加し、混合した後、造粒装置によって造粒した。得られた造粒粉を一軸プレス装置により、成形密度2.5〜3.5g/cm3に成形した。得られた成形体を300℃〜700℃で脱バインダー後、大気中において、1400℃〜1600℃で2〜10時間焼結し、焼結体を得た。
【００２５】
得られた焼結体を、φ10mm×5mmに加工し、試験片を得た。得られた試験片をネットワークアナライザを用いてH&C法によって比誘電率εr、Qf値、温度係数τfを測定した。
【００２６】
図1に、比誘電率εrの測定結果を示す。Alの一部をGaで置換することにより、比誘電率εrが向上していることが分かる。また、この発明による誘電体磁器組成物は、比誘電率εr44〜45の高い値を示すことが分かる。
【００２７】
図2に、Qf値の測定結果を示す。Alの一部をGaで置換することにより、Qf値が向上しており、特に6%の置換で最も向上していることが分かる。また、この発明による誘電体磁器組成物は、Qf値48,500GHz〜49,500GHzの高い値を示すことが分かる。
【００２８】
図3に、温度係数τfの測定結果を示す。Alの一部をGaで置換することにより、温度係数τfが0を中心として-2ppm/℃〜+約2ppm/℃の範囲で変化していることが分かる。
【００２９】
図1〜図3に明らかなように、この発明による誘電体磁器組成物は、Alの一部をGaで置換することにより、Qf値を低下させることなく、温度係数τfをコントロールできることが分かる。また、Gaで置換量をコントロールすることにより、Qf値を向上させることができる。
【００３０】
図4に、平均結晶粒径の測定結果を示す。平均結晶粒径はリニアインターセプト法により測定した。平均結晶粒径は12μm〜16μmの範囲にあることが分かる。平均結晶粒径を12μm〜16μmに制御することにより、図1〜図3に示すような、優れた誘電特性を得ることができる。
【００３１】
図5に、Ga置換量による平均結晶粒径とQf値との関係を示す。図2の結果と同様に、6%の置換で最も高いQf値が得られることが分かる。また、この結果から、平均粒度を所定範囲内に制御することにより、安定したQf値を得ることができることが分かる。
【００３２】
実施例2
実施例1における0.3Nd(Al1-yGay)O3-0.7CaTiO3(y=0.06)の試験片のEPMA分析の結果を図6に示す。上段左はBEI(組成像、図7に模式図を示す)、上段中央はAlの特性X線像(図8に模式図を示す)、上段右はGaの特性X線像(図9に模式図を示す)、下段左はTiの特性X線像(図10に模式図を示す)、下段中央はCaの特性X線像(図11に模式図を示す)、下段右はNdの特性X線像である。
【００３３】
上段左の組成像において、白く見える部分(図7の模式図の地部分全体、細黒線で囲まれる部分)が主相であるxLn(Al1-yGay)O3-(1-x)CaTiO3固溶体相であり、グレーの部分(同模式図の太黒線及び太黒線で囲まれる部分)がAl-Ga系酸化物の固溶体相である(一部脱粒している部分もある)。Al及びGaの特性X線像では、組成像におけるグレーの部分と同じ部分(図8,図9の模式図の線枠内)が白くなっており、Ti、Ca、Ndの特性X線像では、組成像におけるグレーの部分と同じ部分(図10,図11の模式図の線枠内)が黒くなっている。すなわち、組成像におけるグレーの部分には、Ti、Ca、Ndは存在せず、Al、Ga系酸化物のみが存在し、Al-Ga系酸化物の固溶体相を形成していることが分かる。
【００３４】
また、Alの特性X線像における白い部分とGaの特性X線像における白い部分はほぼ重複していることから、Alのみで存在することはほとんどないと考えられる。従って、この発明の磁器組成物には、α-Al2O3は実質的に存在しない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この発明によると、誘電体磁器組成物の比誘電率εrが44〜45、Qf値が48,000以上であり、共振周波数の温度係数τfを-2ppm/℃〜+2ppm/℃の範囲でコントロールすることができる、というすぐれた誘電特性を有する電子デバイス用誘電体磁器組成物が得られ、近年、携帯端末電子機器などに要求される、小型化、高性能化に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明による誘電体磁器組成物の比誘電率εrを示す、AlとGaの置換量と誘電率との関係のグラフである。
【図２】この発明による誘電体磁器組成物のQf値を示す、AlとGaの置換量とQf値との関係のグラフである。
【図３】この発明による誘電体磁器組成物の共振周波数の温度係数τfを示す、AlとGaの置換量とτf値との関係のグラフである。
【図４】この発明による誘電体磁器組成物の平均結晶粒径を示す、AlとGaの置換量と平均結晶粒径との関係のグラフである。
【図５】この発明による誘電体磁器組成物の平均結晶粒径とQf値との関係を示すグラフである。
【図６】この発明による誘電体磁器組成物のEPMA分析結果を示す組成像と特性X線像の図である。
【図７】図6のBEI(組成像)を示す模式図である。
【図８】図6のAlの特性X線像を示す模式図である。
【図９】図6のGaの特性X線像を示す模式図である。
【図１０】図6のTiの特性X線像を示す模式図である。
【図１１】図6のCaの特性X線像を示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月14日(2005.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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