(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ＭＨｚにおけるｔａｎδ（誘電正接）が１．５％以下、１ｋＨｚにおける比誘電率が１５００以上である誘電体磁器を得ることができる誘電体磁器組成物であって、
ＳｒＴｉＯ3 を３５〜５５重量％、
ＰｂＴｉＯ3 を１０〜３５重量％、
ＣａＴｉＯ3 を５〜１２重量％、
Ｂｉ2Ｏ3 を８〜２５重量％、
ＴｉＯ2 を５〜１３重量％からなる主成分１００重量％に対し、
ＭｎＯを０．０２〜０．５重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹからなる群から選択した少なくとも１種以上の酸化物を０．０５〜２重量％、かつＣｕＯを０．０２〜０．８重量％添加してなることを特徴とする、誘電体磁器組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電体磁器組成物からなるセラミック焼結体と、
前記セラミック焼結体の外表面に形成された銅を主体とする複数の薄膜電極とを備えることを特徴とする、コンデンサ。
【請求項３】
前記複数の薄膜電極に、それぞれ接合されたリード端子をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載のコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスイッチング電源のスナバ回路やＴＶの水平共振回路などの中高圧用途に用いられるコンデンサに適した誘電体磁器組成物、並びに該誘電体磁器組成物を用いたコンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
他の電子機器と同様に、スイッチング電源等においても、高周波化及び小型化が急速に進行している。これに伴って、スイッチング電源のスナバ回路において使用されているコンデンサにおいても、上記のような小型化及び高周波化が強く求められている。
【０００３】
スイッチング電源のスナバ回路では、コンデンサに負荷される電圧波形は、繰り返しが５０〜１５０ｋＨｚの非正弦波である。このような一定の周期を持つ非正弦波は、高次の周波数成分を含んだ正弦波の級数にフーリエ展開できることが知られている。すなわち、非正弦波Ｖ（ｆ）は、
【０００４】
【数１】
0003767377.tif 000002
【０００５】
で表される。なお、ｎは１以上の自然数、Ｖ0は直流バイアス成分、Ｖｃnはｎ次の余弦波の振幅、Ｖｓnはｎ次の正弦波の振幅である。実際のフーリエ展開によれば、上記非正弦波は、１ＭＨｚ程度までの非常に高い周波数までを含んだ波形であることがわかる。
上記高調波を含んだ電圧による皮相電力（Ｐａ）は、
【０００６】
【数２】
0003767377.tif 000003
【０００７】
で表される。なお、ｔａｎδは誘電正接を示す。
また、図３は、コンデンサの等価回路を示すが、この等価回路において、コンデンサの損失による自己発熱量Ｑは、等価直列抵抗ｒで消費されるエネルギーとほぼ等しいので、
【０００８】
【数３】
0003767377.tif 000004
【０００９】
で表される。
よって、非正弦波が負荷されるスイッチング電源などのスナバ回路でコンデンサの自己発熱を低減するには、周波数１ＭＨｚ程度までの範囲でコンデンサの損失を低減する必要がある。
【００１０】
上記の理由により、特にスイッチング電源のスナバ回路などのような高調波を含んだ電圧が印加される回路では、コンデンサの損失による自己発熱が問題となる。従って、損失の小さい誘電体材料を用いたコンデンサが使用されている。
【００１１】
例えば、特公昭５９−８９２３号公報には、低損失の誘電体材料として、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｍｇ及びＴｉを含み、測定周波数１ｋＨｚでの比誘電率が１５００〜３０００、誘電正接ｔａｎδが０．０〜０．３％であるものが開示されている。
【００１２】
また、特公平８−１５００５号公報には、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｔｉ及びＭｎからなる主成分に対し、ガラス成分及びＣｕを添加してなる磁器組成物が開示されている。
【００１３】
さらに、特開平２−１３３３７１号公報には、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｔｉ及びＭｎからなる主成分に対し、ガラス成分及びＣｕを添加してなる磁器組成物が開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の低損失の誘電体材料でコンデンサを構成した場合、高調波を含んだ電圧が印加されると、コンデンサの自己発熱により使用が制限されたり、小型化が制限されるという問題があった。
【００１５】
すなわち、特公昭５９−８９２３号公報に記載の誘電体磁器組成物では、１ＭＨｚでの誘電正接ｔａｎδが５％以上に達し、前述したような高調波を含んだ電圧が印加される場合には、コンデンサの自己発熱が大きく、使用が制限されるという問題があった。
【００１６】
他方、特公平８−１５００５号公報に開示されている誘電体磁器組成物では、測定周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が５００〜１０００程度にしか過ぎず、コンデンサの小型化が制限されるという問題があった。
【００１７】
また、近年、セラミックコンデンサの電極材料としては、従来から多用されている銀に代わり、安価な銅やニッケルが用いられてきている。中でも、銅は、銀電極の欠点であるエレクトロ・マイグレーションを生じさせず、信頼性が高く、さらに比較的安価である。特に、銅からなる電極をスパッタリングにより形成する方法では、電極を薄膜とすることができ、電極を安価に形成することができる。
【００１８】
しかしながら、スパッタにより銅からなる電極を形成する場合、セラミックコンデンサのセラミック焼結体自体が、電極形成中に１０-1ｐａ程度の高真空中の雰囲気にさらされる。ところが、上述した特公昭５９−８９２３号公報や特公平８−１５００５号公報に開示されている誘電体磁器組成物では、セラミックス自体が還元され易く、所望の特性を得ることができなかった。
【００１９】
また、スイッチング電源のスナバ回路やＴＶの水平共振回路などの中高圧用途では、セラミックコンデンサは数十〜数百Ｖの高電圧の信号下で使用されるため、コンデンサの自己発熱が小さく、損失が小さいことが必要となる。
【００２０】
しかしながら、上述した特公昭５９−８９２３号公報や特公平８−１５００５号公報及び特開平２−１３３３７１号公報に開示されている誘電体磁器組成物では、数十〜数百Ｖの高電圧の信号下で使用されると自己発熱が大きく、損失が大きいという問題があった。
【００２１】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、高周波領域及び高電圧領域において低損失で使用することができ、自己発熱を２０℃以下に抑えることができ、かつ大きな比誘電率を得ることができ、従ってコンデンサの小型化を進めることが可能であり、さらにスパッタにより外部電極を形成した場合でも所望の特性を得ることができる誘電体磁器組成物を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る誘電体磁器組成物は、１ＭＨｚにおけるｔａｎδ（誘電正接）が１．５％以下、１ｋＨｚにおける比誘電率が１５００以上である誘電体磁器を得ることができる誘電体磁器組成物であって、ＳｒＴｉＯ3 を３５〜５５重量％、ＰｂＴｉＯ3 を１０〜３５重量％、ＣａＴｉＯ3 を５〜１２重量％、Ｂｉ2Ｏ3 を８〜２５重量％、及びＴｉＯ2 を５〜１３重量％からなる主成分１００重量％に対し、ＭｎＯを０．０２〜０．５重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹからなる群から選択した少なくとも１種以上の酸化物を０．０５〜２重量％、かつＣｕＯを０．０２〜０．８重量％添加してなることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係るコンデンサは、本発明に係る誘電体磁器組成物からなるセラミック焼結体と、該セラミック焼結体の外表面に形成された銅を主体とする複数の薄膜電極とを備えることを特徴とする。
本発明に係るコンデンサの特定の局面では、複数の薄膜電極にそれぞれリード端子が接合されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る誘電体磁器組成物の詳細を説明する。
本発明に係る誘電体磁器組成物では、主成分１００重量％が、ＳｒＴｉＯ3 を３５〜５５重量％と、ＰｂＴｉＯ3 を１０〜３５重量％と、ＣａＴｉＯ3 を５〜１２重量％と、Ｂｉ2Ｏ3 を８〜２５重量％と、ＴｉＯ2 を５〜１３重量％とを含む。
【００２５】
ＳｒＴｉＯ3 が３５重量％未満では、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超え、５５重量％を超えると、誘電率が１５００未満となる。好ましくは、ＳｒＴｉＯ3 は主成分中４０〜５０重量％の範囲で含まれる。
【００２６】
ＰｂＴｉＯ3 の配合割合が１０重量％未満では、誘電率が１５００未満となり、３５重量％を超えると、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超える。好ましくは、ＰｂＴｉＯ3 は主成分中１５〜２５重量％の範囲で含まれる。
【００２７】
ＣａＴｉＯ3 が５重量％未満では、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超え、１２重量％を超えると、数十〜数百Ｖの高電圧の信号下で使用されると、コンデンサの自己発熱が２０℃より大きくなり、コンデンサに劣化が生じる恐れがある。
【００２８】
Ｂｉ2Ｏ3 が８重量％未満では、誘電率が１５００未満となり、２５重量％を超えると、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超える。好ましくは、Ｂｉ2Ｏ3 は主成分中１３〜１９重量％の範囲で含まれる。
【００２９】
ＴｉＯ2 が５重量％未満では、誘電率が１５００未満となり、１３重量％を超えると、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超える。好ましくは、ＴｉＯ2 は主成分中６〜１０重量％の範囲で含まれる。
【００３０】
また、上記主成分１００重量％に対し、ＭｎＯが０．０２〜０．５重量％の割合で配合される。
ＭｎＯが０．０２重量％未満では、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超え、０．５重量％を超えると、焼結性が悪くなるとともに、絶縁抵抗が低下する。好ましくは、ＭｎＯは主成分中０．１〜０．５重量％の範囲で含まれる。
【００３１】
また、上記主成分１００重量％に対し、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹのうち少なくとも１種以上の酸化物が、０．０５〜２重量％の割合で配合される。該酸化物の配合割合が０．０５重量％未満の場合には、耐還元性が低下し、耐湿負荷に対する信頼性が低下し、２重量％を超えると、誘電率が１５００未満となる。好ましくは、上記酸化物は、０．１〜１．２重量％の割合で配合される。
【００３２】
また、主成分１００重量％に対し、ＣｕＯは、０．０２〜０．８重量％の割合で配合される。０．０２重量％未満の場合には、１ＭＨｚでのｔａｎδが１．５％を超え、０．８重量％を超えると、焼結性が悪くなるとともに、絶縁抵抗が低下する。好ましくは、ＣｕＯは、０．１〜０．５重量％の範囲で配合される。
【００３３】
本発明に係るコンデンサは、本発明に係る誘電体磁器組成物からなるセラミック焼結体の外表面に、銅を主体とする複数の薄膜電極を形成した構造を有する。この場合、セラミック焼結体の形状については特に限定されないが、例えば図１（ａ），（ｂ）に示す実施例のセラミックコンデンサ１のように、円板状のセラミック焼結体２が好適に用いられる。図１（ａ），（ｂ）に示す実施例のコンデンサ１では、セラミック焼結体２の対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂを覆うように、外部電極として、銅を主体とする薄膜電極３，４が形成されている。薄膜電極３，４は、銅をスパッタリングすることにより形成されている。もっとも薄膜電極３，４は、スパッタリング以外の蒸着等の他の薄膜形成法により形成されていてもよい。
【００３４】
好ましくは、上記のようにスパッタリングにより薄膜電極が形成され、それによってより薄く、かつ安価な外部電極を形成することができる。
また、上記コンデンサ１では、薄膜電極４，５に、それぞれ、リード端子６，７が接合されている。もっとも、本発明に係るコンデンサは、リード端子が接続されていない、チップ型のコンデンサとして構成されてもよい。また、内部電極を有する積層コンデンサであってもよい。
【００３５】
次に、具体的な実験例に基づき、本発明の作用効果をより詳細に説明する。
まず、素原料として純度９９重量％以上のＳｒＣＯ3 、Ｐｂ3Ｏ4 、ＣａＣＯ3 、Ｂｉ2Ｏ3 、ＴｉＯ2 、ＭｎＣＯ3 及びＣｕＯと、Ｌａ2Ｏ3 、ＣｅＯ2 、Ｎｄ2Ｏ3 、Ｐｒ2Ｏ3 、Ｓｍ2Ｏ3 、Ｄｙ2Ｏ3 、Ｅｒ2Ｏ3 、Ｙ2Ｏ3 のうち少なくとも１種以上を、下記の表１の組成になるように秤量し、純水とともにポリエチレンポットに投入した。ポリエチレンポットでこれらを混合し、得られた混合物を、ＺｒＯ2 からなるボールを用い、１６時間湿式混合し、粉砕した。このようにして得られた粉砕物を脱水乾燥し、ジルコニアからなる容器に入れ、９５０〜１０００℃で２時間仮焼した。
【００３６】
上記のようにして得られた仮焼物をバインダとともにポリエチレンポットに入れ、１６時間湿式混合した。この混合物を、蒸発乾燥し、整粒した後、加圧成形することにより、直径１０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの円板に成形した。
【００３７】
得られた円板状成形体を１１５０〜１２００℃の温度で２時間焼成し、円板状セラミック焼結体を得た。
上記セラミック焼結体の両主面にスパッタリングにより、銅を主成分として薄膜電極を形成し、コンデンサを得た。
【００３８】
上記のようにして得られたコンデンサについて、▲１▼比誘電率、▲２▼誘電正接（１ｋＨｚ）、▲３▼誘電正接（１ＭＨｚ）及び▲４▼温度特性を以下の条件で測定した。
▲１▼比誘電率…１ｋＨｚ、１Ｖの電流を通じ、温度２０℃で測定した。
▲２▼誘電正接（１ｋＨｚ）…１ｋＨｚ及び１Ｖの電流を通電し、２０℃の温度で測定した。
▲３▼誘電正接（１ＭＨｚ）…１ＭＨｚ及び１Ｖの電流を通電し、２０℃の温度で測定した。
▲４▼温度特性…−２５℃〜＋８５℃の温度範囲において、誘電率（１ｋＨｚ、１Ｖの電流を通電して測定）を測定し、＋２０℃の誘電率に対する変化率（誘電率変換量／℃）を求めた。
【００３９】
また、上記のようにして得られた各コンデンサのうち、本発明の代表的な組成のコンデンサ（試料番号２）及び従来品（試料番号３７）について、１００〜１０００ｋＨｚの周波数域における誘電正接の周波数特性を、測定電圧１Ｖ及び温度２０℃において測定した。
【００４０】
さらに、各コンデンサのうち本発明の代表的な組成のコンデンサ（試料番号２５）及び従来品（試料番号３７）を選定し、次に示した条件１〜４の各正弦波を印加し、自己発熱量を測定した。なお、条件１〜４は、皮相電力として１３０Ｖ・Ａに相当するものである。
【００４１】
条件１…９２ｋＨｚ、１１００Ｖp-p
条件２…１８４ｋＨｚ、７８０Ｖp-p
条件３…２７６ｋＨｚ、６３５Ｖp-p
条件４…４６０ｋＨｚ、４９２Ｖp-p
また、上記と同様に、各コンデンサのうち代表的な組成を有するコンデンサについて、耐湿負荷信頼性試験を実施した。この信頼性試験では、６０℃及び相対湿度９０〜９５％の条件で、２０個のコンデンサについて、直流２ｋＶの電圧を印加し、４０００時間経過するまでに故障したコンデンサの数を評価した。なお、故障とは、試料がショート状態となった場合に故障発生とした。
上述した各評価結果を、下記の表１〜４並びに図２及び図３に示す。
【００４２】
【表１】
0003767377.tif 000005
【００４３】
【表２】
0003767377.tif 000006
【００４４】
【表３】
0003767377.tif 000007
【００４５】
【表４】
0003767377.tif 000008
【００４６】
表１，２から明らかなように、本発明の範囲にある試料番号１〜２６のコンデンサでは、比誘電率εｒが１５００以上と高く、従って小型に構成し得ることがわかる。また、１ＭＨｚにおける誘電正接ｔａｎδも１．５％以下と優れており、従って高周波域で優れた特性を示す誘電体磁器組成物を提供し得ることがわかる。
【００４７】
よって、本発明によれば、コンデンサを小型に構成することができ、かつ高周波における誘電正接が小さいため、前述したような高調波を含んだ非正弦波を印加した場合、コンデンサの損失による自己発熱を小さくすることができる。
【００４８】
加えて、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹの少なくとも１種以上の酸化物が添加されており、それによって誘電体磁器組成物の耐還元性が高め得ることがわかる。
【００４９】
上記磁器組成物の耐還元性の向上により、前述したように、スパッタリングなどの薄膜形成法により銅を主成分とする薄膜電極を表面に容易に形成することができ、それによって表４から明らかなように、信頼性に優れたセラミックコンデンサを提供し得ることがわかる。
【００５０】
また、図４に、コンデンサの自己発熱測定結果を示したが、本発明の試料番号２５のコンデンサによれば、従来品のコンデンサに相当する試料番号３７のコンデンサに比べて、発熱量は１／２〜２／３の範囲であり、自己発熱を２０℃以下に抑えることができることがわかる。しかも、高周波（〜１ＭＨｚまで）の誘電正接ｔａｎδも小さい。従って、高周波領域及び高電圧領域における発熱が小さいので、例えばスイッチング電源のスナバ回路などの高周波ごとに適したコンデンサを提供することができる。
【００５１】
さらに、本発明品の代表的な組成である試料番号２及び試料番号２５のコンデンサと本発明の範囲外である試料番号１７及び試料番号２４のコンデンサを選定し、９２ｋＨｚ、１１００Ｖｐ−ｐの高周波・高電界の信号を負荷し、自己発熱を測定した結果及び高温負荷信頼性試験を実施した結果を表５に示す。なお、高温負荷信頼性試験では、２０個のコンデンサ試料に、周囲温度１２５℃の条件で、９２ｋＨｚ、１１００Ｖｐ−ｐの負荷を連続印加し、４０００時間が経過するまでに故障したコンデンサの数を評価した。この信頼性試験では、コンデンサの故障とは試料がショート状態となった場合を故障とした。
また、上記コンデンサを、６０Ｈｚの交流信号にて、電圧を１Ｖ〜１０００Ｖｒｍｓまで変化させ、コンデンサのｔａｎδを測定した結果を図５に示す。
【００５２】
【表５】
0003767377.tif 000009
【００５３】
表５から明らかなように、本発明の範囲にある試料番号２及び試料番号２５では自己発熱を２０℃以下に抑えることができることがわかる。そして、自己発熱が２０℃以下である試料番号２及び試料番号２５では高温負荷試験では故障が生じていないが、自己発熱が２０℃より大きい試料番号１７及び試料番号２４では、故障が生じていることは明らかである。従って、数十〜数百Ｖの高電圧の信号下で使用されても、コンデンサの劣化を防止することができる。
【００５４】
また、図５から明らかなように、本発明の範囲にある試料番号２及び試料番号２５は、本発明の範囲外である試料番号１７及び試料番号２４のコンデンサと比較して、交流電圧に対する依存性が少ないことがわかる。従って、数百Ｖの高電圧の信号下で使用されても、誘電正接ｔａｎδの変動が少なく安定したコンデンサ特性を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る誘電体磁器組成物では、上記特定の主成分１００重量部に対し、ＭｎＯを０．０２〜０．５重量％と、上記群から選択した少なくとも１種の酸化物を０．０５〜２重量％かつＣｕＯを０．０２〜０．８重量％添加してなるので、１ＭＨｚまでの高周波域における誘電正接が小さく、従って、高調波成分を含んだ非正弦波が印加された際の発熱量を低減することができる。
【００５６】
また、本発明では、上記特定の主成分１００重量％において、ＣａＴｉＯ3 を１２重量％以下にしているので、数十〜数百Ｖの高電圧の信号下で使用しても、コンデンサの自己発熱が２０℃以下であり、コンデンサに劣化が生じない。さらに、交流電圧に対する依存性が少なく、数百Ｖの高電圧の信号下で使用されても、誘電正接ｔａｎδの変動が少なく安定したコンデンサ特性を得るこうとができる。また、１ｋＨｚにおける比誘電率が１５００以上であり、従って、コンデンサの小型化を図ることができる。よって、高周波用途に適しており、かつ小型のコンデンサを提供することができる。
【００５７】
本発明に係るコンデンサでは、本発明に係る誘電体磁器組成物からなるセラミック焼結体の外表面に銅を主体とする薄膜電極が形成されている。従って、安価な銅を用い、しかも薄膜電極により外部電極を形成し得るので、高周波域で用いることができかつ小型化を図り得るだけでなく、これらの用途に適したコンデンサのコストを低減することができる。
【００５８】
上記複数の薄膜電極にそれぞれリード端子が接合されている場合には、高周波用途に適しており、小型化を図ることができ、かつ安価なリード付きのコンデンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施例に係るコンデンサの一例を示す部分切欠正面図及び側面断面図。
【図２】実施例のコンデンサ及び従来例のコンデンサの誘電正接ｔａｎδの周波数特性を示す図。
【図３】実施例のコンデンサ及び従来例のコンデンサの条件１〜４における自己発熱量を示す図。
【図４】コンデンサの等価回路を説明するための図。
【図５】実施例のコンデンサ及び本発明の範囲外のコンデンサの交流電圧依存性を示す図。
【符号の説明】
１…コンデンサ
２…セラミック焼結体
３，４…薄膜電極
５，６…リード端子
【図１】
0003767377.tif 000010
【図２】
0003767377.tif 000011
【図３】
0003767377.tif 000012
【図４】
0003767377.tif 000013
【図５】
0003767377.tif 000014