(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素としてＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物を含み、前記Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ2Ｏ3・ｚＳｉＯ2と表わしたとき、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５、２１≦ｚ≦４９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１００の条件を満たすようなモル％をもって含み、副成分として、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5のうちの少なくとも１種をさらに含み、前記副成分は、前記Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉの、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2にそれぞれ換算しての含有量と当該副成分の含有量との合計に対して、０．１〜１２重量％の含有量を有する、高周波用誘電体磁器。
【請求項２】
元素としてＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物を含む高周波用誘電体磁器となるべき磁器原料であって、前記Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料を、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ2Ｏ3・ｚＳｉＯ2と表わしたとき、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５、２１≦ｚ≦４９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１００の条件を満たすようなモル％をもって含むとともに、前記Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料の５０重量％を超える部分がＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含むガラス相で構成されている、そのような磁器原料を用意する工程と、
前記磁器原料を用いて成形体を作製する工程と、
前記成形体を１２００℃以下の温度で焼成する工程と
を備え、
前記磁器原料を用意する工程は、添加成分として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｐ、ＮｂおよびＴａの化合物のうちの少なくとも１種を添加する工程を備え、前記添加成分の、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5にそれぞれ換算しての添加量は、前記Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉの、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2にそれぞれ換算しての含有量と当該添加成分の前記添加量との合計に対して、０．１〜１２重量％となるように選ばれる、
高周波用誘電体磁器の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高周波用誘電体磁器を備える、誘電体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波用誘電体磁器、特に、たとえばミリ波帯で使用される誘電体線路デバイス、誘電体部分を備える回路基板素子等の誘電体デバイスにおいて有利に用いられる高周波用誘電体磁器、およびその製造方法、ならびに高周波用誘電体磁器を用いた誘電体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、周波数３０ＧＨｚ以上のミリ波帯で使用される誘電体線路デバイスにおいて、誘電体材料として、２〜３の比誘電率を有する、弗化炭素系などの有機系の樹脂材料が用いられている。
【０００３】
他方、低損失の酸化物系材料として、アルミナ、スピネル、フォルステライト、コージェライト、石英などが知られており、これらは、適宜、回路基板素子材料として用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の有機系の樹脂材料では、熱膨張率が大きく、それを補償するための構造が必要である。また、一般に誘電損失が小さいと言われている直鎖系の高分子材料の場合には、量産に適した射出成形などの成形方法を適用すると、不所望にも、伝搬損失が大きくなることがある。
【０００５】
他方、ミリ波帯で使用される誘電体線路デバイスのような誘電体デバイスにあっては、その寸法精度あるいは表面粗度または気孔の存在などによって、伝搬損失が著しく増大することが知られている。そのため、このような伝搬損失の増大を招かないようにしながら、従来の酸化物系材料をもって誘電体線路デバイスを作製しようとすると、切削研磨などの後加工が必要であり、そのため、製作コストの増大を招いている。
【０００６】
また、アルミナ、スピネル、フォルステライトまたはコージェライトのような従来の酸化物系磁器材料では、これを焼結させるための焼成温度が比較的高く、そのため、低抵抗でありながら低融点の金属を含む導体をたとえばストリップ線路または内部電極として内蔵させることができない。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、高周波用誘電体磁器およびその製造方法ならびに高周波用誘電体磁器を用いた誘電体デバイスを提供しようとすることである。
【０００８】
この発明のより特定的な目的は、ミリ波帯で使用される低損失の誘電体デバイスを低コストで作製可能とする高周波用誘電体磁器およびその製造方法を提供しようとすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る高周波用誘電体磁器は、上述した技術的課題を解決するため、元素としてＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物を含み、これらＭｇ、ＡｌおよびＳｉを、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ2Ｏ3・ｚＳｉＯ2と表わしたとき、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５、２１≦ｚ≦４９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１００の条件を満たすようなモル％をもって含んでいることを第１の特徴としている。
【００１０】
この発明に係る高周波用誘電体磁器は、副成分として、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5のうちの少なくとも１種をさらに含み、この副成分は、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉの、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2にそれぞれ換算しての含有量と副成分の含有量との合計に対して、０．１〜１２重量％の含有量を有していることを第２の特徴としている。
【００１１】
この発明は、また、上述したような高周波用誘電体磁器の製造方法にも向けられる。この高周波用誘電体磁器の製造方法は、元素としてＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物を含む高周波用誘電体磁器となるべき磁器原料であって、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料を、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ2Ｏ3・ｚＳｉＯ2と表わしたとき、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５、２１≦ｚ≦４９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１００の条件を満たすようなモル％をもって含むとともに、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料の５０重量％を超える部分がＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含むガラス相で構成されている、そのような磁器原料を用意する工程と、この磁器原料を用いて成形体を作製する工程と、この成形体を１２００℃以下の温度で焼成する工程とを備えることを第１の特徴としている。
【００１２】
この発明に係る高周波用誘電体磁器の製造方法は、磁器原料を用意する工程は、添加成分として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｐ、ＮｂおよびＴａの化合物のうちの少なくとも１種を添加する工程を備え、この添加成分の、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5にそれぞれ換算しての添加量は、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉの、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2にそれぞれ換算しての含有量とこの添加成分の添加量との合計に対して、０．１〜１２重量％となるように選ばれることを第２の特徴としている。
【００１３】
この発明は、また、上述したような高周波用誘電体磁器を備える、誘電体デバイスにも向けられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明に係る高周波用誘電体磁器は、前述したように、元素としてＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物を含み、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ2 Ｏ3 ・ｚＳｉＯ2 と表わしたとき、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５、２１≦ｚ≦４９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１００の条件を満たすようなモル％をもって含んでいる。
【００１５】
また、このような高周波用誘電体磁器を製造するため、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料を、上述したような条件を満たすモル％をもって含むとともに、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料の５０重量％を超える部分がＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含むガラス相で構成されている、磁器原料が用意され、この磁器原料を用いて成形体が作製され、この成形体を１２００℃以下の温度で焼成することが行なわれる。
【００１６】
上述したｘＭｇＯ・ｙＡｌ2 Ｏ3 ・ｚＳｉＯ2 において、４１≦ｘ≦５４、１０≦ｙ≦２５および２１≦ｚ≦４９となるように規定したのは、ｘが４１未満では、得られた高周波用誘電体磁器の誘電共振のＱ値および抗折強度が低下し、また、ｘが５４を超え、ｙが１０未満または２５を超え、あるいは、ｚが２１未満または４９を超える場合には、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料において５０重量％を超えるガラス相を含有させることが困難になったり、１２００℃以下の温度で焼結させることが不可能になったりするからである。
【００１７】
また、磁器原料に、前述したようなＭｇ、ＡｌおよびＳｉを含むガラス相を５０重量％を超えるように含ませておくと、このガラス相中に、インディアライトおよびフォルステライト、場合によっては、これらに加えてスピネルの結晶相が析出し、これによって、１２００℃以下の低温での焼結を可能にするとともに、たとえば誘電体線路デバイスに適用されたときには、ミリ波帯において低い誘電損失を実現でき、また、高い抗折強度を実現することができる。なお、このようなガラス相の比率が５０重量％以下となると、１２００℃以下の低温では磁器原料を用いて作製された成形体の焼結が不可能になる。
【００１８】
Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料のすべてを、上述したガラス相によって構成するようにしてもよい。ガラス相が、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉを含む原料のすべてを構成しない場合には、ガラス相以外の残部は、結晶質で構成され、これら結晶質で構成される部分とガラス相で構成される部分との全体としての組成範囲が、前述したような条件を満たすようにされる。
【００１９】
より低温での焼成を可能にするとともに、前述したインディアライトおよびフォルステライトさらにはスピネルのような結晶相を適度に析出させるため、磁器原料において、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｐ、ＮｂおよびＴａの化合物のうちの少なくとも１種を添加することが有効である。
【００２０】
この添加成分の、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｐ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 およびＴａ2 Ｏ5 にそれぞれ換算しての添加量は、これとＭｇ、ＡｌおよびＳｉの含有量との合計に対して、０．１〜１２重量％となるように選ばれるが、この添加量が０．１重量％未満では、添加の効果が実質的になく、１２重量％を超える場合には、高損失相が増加するため、得られた高周波用誘電体磁器の誘電損失の増大を招く。
【００２１】
このように、この発明に係る高周波用誘電体磁器によれば、低損失の酸化物系材料でありながら、１２００℃以下の低温で焼成可能であり、また、後加工なしで、高い寸法精度および良好な表面粗度を得ることが可能であり、したがって、低損失のたとえば誘電体線路デバイスのような誘電体デバイスを低コストで提供することができる。また、このような誘電体デバイスには、低抵抗であって低融点の金属からなる導体を、たとえばストリップ線路あるいは内部電極等として内蔵することも可能になる。
【００２２】
図１および図２には、上述したような高周波用誘電体磁器をもって有利に構成され得る誘電体デバイスの一例としての誘電体線路デバイス１が示されている。この誘電体線路デバイス１は、特開平１０−２２４１２０号公報に記載されるもので、図１は、このデバイス１を構成する複数の誘電体磁器層２および３を互いに分離して示した斜視図であり、図２は、このデバイス１の外観を示す斜視図である。
【００２３】
誘電体磁器層２は最外層を構成するもので、これら最外層の誘電体磁器層２の間に、複数の誘電体磁器層３が位置している。誘電体磁器層２および３が、この発明に係る高周波用誘電体磁器によって構成される。
【００２４】
最外層となる誘電体磁器層２は、全体に均一な誘電率を有する層であるが、中間の誘電体磁器層３は、高誘電率部４と低誘電率部５とからそれぞれ構成されている。
【００２５】
低誘電率部５は、誘電体磁器層３となるべき誘電体磁器シートにパンチングによって多数の微小な孔を設けることによって構成されるもので、高誘電率部４の実効的誘電率は誘電体磁器層３本来の誘電率であり、低誘電率部５の実効的誘電率は、誘電体磁器層３本来の誘電率より低くされている。
【００２６】
これら誘電体磁器層２および３は、グリーンシートの状態で積層され、次いで焼成されることによって一体化され、最外層の誘電体磁器層２の外方に向く面には、電極膜６がそれぞれ形成される。これら電極膜６は、銀を含むペーストを付与し焼き付けることによって形成されたり、銅をめっきすることによって形成されたりすることができる。なお、誘電体磁器層２および３の微小な孔の形成は、シート積層後または電極膜６の形成後でもよい。
【００２７】
図２に示した誘電体線路デバイス１において、上下の電極膜６間の間隔を、低誘電率部５の実効的誘電率で定まる管内波長の半分以下とし、かつ高誘電率部４の実効的誘電率で定まる管内波長の半分より大きくなるように設定することが行なわれる。
【００２８】
このような構成によって、上下の電極膜６が平行な２つの導電体平面を与え、その間で高誘電率部４が誘電体ストリップとして作用し、この部分が電極膜６に平行な偏波をもつ電磁波を伝搬する伝搬域となり、その両側の低誘電率部５が、電極膜６に平行な偏波をもつ電磁波を遮断する非伝搬域となる。
【００２９】
以下に、この発明に係る高周波用誘電体磁器の特性を評価するために実施した実験例について説明する。
【００３０】
【実験例１】
表１に示すような各モル％をもってＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 が混合された磁器原料を、白金るつぼ中において、１８００℃で融解し、次いでステンレス鋼からなる板上で急冷した後、粒径１μｍ以下となるように粉砕し、これにバインダを添加し、グリーンシートを作製した。このグリーンシート中に含まれる磁器原料は、急冷して得られたものであるので、そのすべてがガラス相で構成されていることになる。
【００３１】
次いで、各試料に係るグリーンシートを、８５０℃以上１２００℃以下のいくつかの温度にて焼成し、得られた誘電体磁器の誘電率（εr ）およびＱを７７ＧＨｚ帯で測定するとともに、相対密度および抗折強度を測定した。これらの結果が表１に示されている。
【００３２】
【表１】
0004292631.tif 000002
【００３３】
表１において、「焼成温度」は、最大のＱ値を示した焼成温度であり、「εr 」、「Ｑ」、「密度」および「抗折強度」は、この最大のＱ値を示した焼成温度にて焼成されて得られた誘電体磁器について求めたものである。
【００３４】
また、試料１０および１１において「測定不能」としたのは、結晶化が速やかに進行するため、良好な焼結が不可能であったことを意味している。
【００３５】
表１に示した試料はすべてこの発明の範囲内のものではないが、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2の各々の含有量に関しては、試料１〜８は、この発明の範囲内にあり、試料９〜１１は、この発明の範囲外にある。
【００３６】
表１からわかるように、試料１〜８によれば、１２００℃以下の焼成温度にて、１０９０以上のＱ値、２．６３ｇ／ｃｍ3 以上の相対密度、および２００ＭＰａ以上の抗折強度が得られている。
【００３７】
これらに対して、試料９では、ＭｇＯが４１モル％未満の３５．０モル％であり、ＳｉＯ2 が４９モル％を超える５０．０モル％であることから、１２００℃以下の１０５０℃の焼成温度にて、最大のＱ値を示すが、このＱ値は８７０と低く、また、２．４７ｇ／ｃｍ3 の密度および１７０ＭＰａの抗折強度しか得られなかった。
【００３８】
また、試料１０では、Ａｌ2 Ｏ3 が２５モル％を超える３０．０モル％であることから、１２００℃以下の焼成温度では良好な焼結が不可能であり、２．１ｇ／ｃｍ3 の密度、２０ＭＰａの抗折強度しか得られなかった。
【００３９】
また、試料１１では、ＭｇＯが５４モル％を超える６０．０モル％であるので、１２００℃以下の焼成温度で良好な焼結が不可能であり、２．２ｇ／ｃｍ3 の密度および２５ＭＰａの抗折強度しか得られなかった。
【００４０】
【実験例２】
表２に示すような各モル％をもって主成分としてのＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 を混合するとともに、副成分となる添加成分を、これと主成分との合計に対して、表２に示した重量％の添加量となるように添加して得られた混合物を、白金るつぼ中において１７５０℃で融解し、次いで、これをステンレス鋼からなる板上で急冷した後、粒径１μｍ以下となるように粉砕することによって、磁器原料を得た。この磁器原料は、実験例１の場合と同様、すべてがガラス相で構成されていることになる。次いで、磁器原料にバインダを添加し、グリーンシートを作製した。
【００４１】
次に、グリーンシートを８５０℃以上１２００℃以下のいくつかの温度にて焼成し、各試料に係る誘電体磁器を得た。得られた誘電体磁器について、Ｑ値を７７ＧＨｚ帯で測定した。この結果が表２に示されている。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
表２において、「焼成温度」は、１０００以上のＱ値が得られた最低の焼成温度を示しており、「Ｑ」は、この最低の焼成温度にて焼成されて得られた誘電体磁器について求めたものである。
【００４４】
また、試料１３、１５、２１、２３および２５のように、「焼成温度」および「Ｑ」の欄が空欄とされているのは、８５０℃以上１２００℃以下の焼成温度では、１０００以上のＱ値が得られなかったことを意味している。
【００４５】
表２において、試料１２、１４、１６〜２０、２２および２４は、この発明の範囲内であって、しかも、添加成分の添加量に関して、前述した好ましい範囲内にある実施例に相当するもので、試料１３、１５、２１、２３および２５は、添加成分の添加量に関して、前述した好ましい範囲から外れた比較例に相当している。
【００４６】
試料１２、１４、１６〜２０、２２および２４によれば、１０００〜１０５０℃といった低い焼成温度によっても、最低１０８０というように１０００以上のＱ値が得られている。
【００４７】
これらに対して、試料１３、１５、２１、２３および２５では、いずれも、１２００℃以下の焼成温度では、１０００以上のＱ値が得られていない。これは、添加成分の添加量すなわち副成分の含有量が、０．１〜１２重量％の範囲外にあるからである。
【００４８】
【実験例３】
表３に示すような各モル％をもってＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 を混合したものを、白金るつぼ中において１８００℃で融解し、次いで、これをステンレス鋼からなる板上で急冷した後、粒径１μｍ以下となるように粉砕した。この粉砕によって得られた粉末は、実験例１および２の場合と同様、すべて非晶質のガラス相によって構成されている。
【００４９】
次いで、この非晶質のガラス粉末に、表３に示すように、所定の結晶質フィラーを、全体に対する含有量が表３に示す重量％となるように添加することによって、磁器原料を得た。次いで、この磁器原料にバインダを添加し、グリーンシートを作製した。
【００５０】
次に、グリーンシートを８５０℃以上１２００℃以下のいくつかの温度にて焼成し、各試料に係る誘電体磁器を得た。得られた誘電体磁器について、７７ＧＨｚ帯でＱ値を測定した。その結果が表３に示されている。
【００５１】
【表３】
0004292631.tif 000004
【００５２】
表３において、「焼成温度」は、１０００以上のＱ値が得られた最低の焼成温度を示し、「Ｑ」は、この最低の焼成温度によって焼成された誘電体磁器のＱ値を示している。
【００５３】
また、試料３０および３４のように、「焼成温度」および「Ｑ」の欄が空欄とされているのは、１２００℃以下の焼成温度では、１０００以上のＱ値が得られなかったということを意味している。
【００５４】
表３に示した試料はすべてこの発明の範囲内のものではないが、ガラス相の含有量に関しては、試料２６〜２９および３１〜３３は、この発明の範囲内にあり、試料３０および３４は、この発明の範囲外にある。
【００５５】
試料２６〜２９および３１〜３３では、いずれも、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 を含む原料における結晶質フィラーの割合が５０重量％未満、すなわち非晶質のガラス相の割合が５０重量％を超えているので、１２００℃以下の焼成温度にて１０６０以上といった１０００以上のＱ値が得られている。
【００５６】
これらに対して、試料３０および３４では、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 を含む原料における結晶質フィラーの割合が５０．０重量％であり、したがって非晶質のガラス相の割合が５０重量％となり、５０重量％を超えないと同時に、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＳｉＯ2 の含有量がこの発明の範囲外にあるので、１２００℃以下の焼成温度では１０００以上のＱ値が得られなかった。
【００５７】
なお、上述した実験例では、主成分としてのＭｇ、ＡｌおよびＳｉ、ならびに添加成分としてのＴｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｐ、ＮｂおよびＴａの各々について、酸化物の状態で用意されたものを磁器原料において用いたが、たとえば、水酸化物、炭酸塩あるいは有機塩のような他の化合物の状態で用意されたものを磁器原料において用いてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、１２００℃以下の焼成温度にて良好な焼結状態となる高周波用誘電体磁器が得られ、これを誘電体線路デバイスまたは誘電体部分を備える回路基板素子のような誘電体デバイスに用いれば、後加工なしで高い寸法精度および良好な表面粗度を得ることができるとともに、たとえばミリ波帯で使用される低損失の誘電体デバイスを低コストで提供することが可能になり、また、低抵抗でありながら低融点の金属を含む導体を内蔵させた誘電体デバイスを作製することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態による誘電体デバイスの一例としての誘電体線路デバイス１を構成する複数の誘電体磁器層２および３を互いに分離して示した斜視図である。
【図２】図１に示した誘電体線路デバイス１の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  誘電体線路デバイス
２，３  誘電体磁器層
４  高誘電率部
５  低誘電率部
６  電極膜
【図１】
0004292631.tif 000005
【図２】
0004292631.tif 000006