JP2933616B2 - アルミナ基焼結体及びその製造方法 - Google Patents

アルミナ基焼結体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナ基焼結体
及びその製造方法に関する。本発明のアルミナ基焼結体
は比較的低温において焼成することにより得られ、無負
荷Q値(以下、単にQuという。)が高く、熱伝導性に
優れ、磁器誘電体共振器の支持台等として有用である。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波領域における高周波特性に優
れた誘電体が開発され、この誘電体を用いた共振器が利
用されている。しかし、誘電特性に優れた材料を使用し
た共振器であっても、この共振器本体を用いた磁器誘電
体共振器の作製方法或いはその構造等によっては、誘電
体材料本来の優れた性能が十分に生かされず、却って誘
電特性が低下することもある。例えば、現在、広く用い
られている共振器本体を支持台を介して金属製の容器内
に固定した磁器誘電体共振器にあっては、支持台の誘電
特性、共振器本体を支持台に接合するためのグレージン
グ材、接着剤等の種類及びその厚さ等によっては、支持
台、金属容器などを含めた磁器誘電体共振器全体のQu
が低下するとの問題がある。
【0003】そのため、支持台そのもののQuができる
だけ高いことが望ましく、また、支持台には共振器本体
が発生する熱を金属容器へ逃がす役目もあることから、
優れた熱伝導性をも併せ有することが好ましい。この熱
伝導性はアルミナ基焼結体においては、Al23の含有
量が多いほど高くなる傾向にあり、支持台は99重量%
以上のAl23を含有する素材によって構成することが
望ましい。
【0004】尚、一般的なアルミナ基焼結体の製造にお
いて、焼結助剤としてLi成分を使用する方法は特開昭
60−21854号公報、特開昭60−151275号
公報及び特開昭、61−44757号公報等に記載され
ている。しかし、それらの公報に開示された方法では、
Li成分と組み合わせて用いられる他の焼結助剤が本発
明とは異なる。また、特開昭60−151275号公報
及び特開昭61−44757号公報に記載のアルミナ磁
器では、Al23の量比が高々96重量%であり、特開
昭60−21854号公報では、Al23の量比は高い
が、焼結体の熱伝導性の向上については特に言及されて
はいない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決するものであり、Quが高く、熱伝導性に優れ、特
に、磁器誘電体共振器の支持台として有用なアルミナ基
焼結体を提供することを目的とする。また、本発明は、
Na成分の含有量が少ないAl23粉末と、特定量のL
i化合物等を含む焼結助剤を用い、比較的低温において
焼成することにより、このアルミナ基焼結体を製造する
方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】アルミナ基焼結体の製造
においては、Mg、Ca及びSiの化合物を含む焼結助
剤を使用することができる。これらの焼結助剤によって
焼結が促進され、焼成温度を低下させることができる。
しかし、焼結体のQuを高めるためには、これらの焼結
助剤の配合量を抑える必要がある。そこで、焼結性を向
上させ、且つQuを高めるために、焼結助剤として他の
成分を併用することを検討した。その結果、少量のLi
化合物を配合することによって、これらの目的が達成さ
れることが分かった。
【0007】第1発明のアルミナ基焼結体は、Mg成
分、Ca成分、Si成分及びLi成分を有するアルミナ
基焼結体であって、該アルミナ基焼結体を100重量%
とした場合に、上記Li成分が酸化物換算で0.002
〜0.04重量%含有されていることを特徴とする。
【0008】焼成しても揮散せずに焼結体に残留する、
即ち、焼結体に含有される上記「Li成分」の含有量が
酸化物換算で0.002重量%未満である場合は、Li
化合物を焼結助剤として併用し、Li成分を焼結体に含
有させる効果が得られず、焼結性、Qu、いずれも十分
に向上しない。一方、この含有量が0.04重量%を越
えると、Li成分を含有しない場合に比べて、焼結性、
Qu、いずれも却って低下する。このLi成分の含有量
は酸化物換算で0.003〜0.04重量%、特に0.
004〜0.01重量%程度が好ましい。Li成分の含
有量がこの範囲であれば、よりQuの高いアルミナ基焼
結体を得ることができる。
【0009】このLi成分は、第2発明のように、酸化
物換算で、焼結助剤として配合されたLi化合物の「3
0〜40重量%」であることが好ましい。言い換えれ
ば、焼結助剤として配合されたLi化合物の60〜70
重量%は焼成工程において雰囲気中に揮散していくこと
が好ましい。即ち、本発明においては、焼結助剤として
少量配合されたLi化合物は、焼結の促進に寄与しつつ
揮散していき、焼結体には多くが残留しない。そのた
め、焼結体の緻密性は向上し、且つそのQuが高くな
る。
【0010】焼結体に含有されるLi成分の、焼結助剤
として配合されたLi化合物に対する量比は、焼成温度
によっても異なる。焼成温度が低ければ雰囲気中への揮
散が抑えられ、焼成温度が高ければ揮散が促進される傾
向にある。例えば、焼成温度が1520℃である場合、
焼結体に残留する量比が35〜40重量%となる。一
方、焼成温度が1620℃である場合、この量比は30
〜40重量%となり、焼成温度が高ければより多くのL
i化合物が揮散することが示唆されている。
【0011】また、本発明のアルミナ基焼結体では、第
3発明のように、アルミナ基焼結体を100重量%とし
た場合に、Al23が「99.5〜99.8重量%」で
あり、Mg成分、Ca成分、Si成分及びLi成分の合
計量が酸化物換算で「0.2〜0.5重量%」であるこ
とが好ましい。Al23と、その他の4種類の成分の量
比がこの範囲であれば、より高いQuを有するアルミナ
基焼結体を得ることができる。この4種類の成分の合計
量は0.2〜0.4重量%、特に0.25〜0.35重
量%であることが好ましい。これら成分の量比がこの範
囲であれば、比較的低温において何ら問題なく焼成する
ことができ、Quの高いアルミナ基焼結体を安定して得
ることができる。
【0012】尚、焼結体中のAl23、Mg成分、Ca
成分及びSi成分の含有量は、Li成分の場合と異なっ
て、焼成前のそれぞれの粉末の酸化物換算での配合量と
ほぼ同量である。即ち、本発明では、焼成温度が比較的
低いこともあって、焼成工程におけるLi成分以外の雰
囲気中への揮散はほとんどみられず、これらの焼結助剤
のうち比較的揮散し易いMg成分であっても実質的に全
量が焼結体に残留し、含有される。
【0013】更に、この焼結体のNa成分の含有量は、
第4発明のように、アルミナ基焼結体を100重量%と
した場合に、酸化物換算で「0.05重量%以下」であ
ることが好ましい。Na成分が焼結体中に0.05重量
%を越えて含有される場合はQuが低下し好ましくな
い。また、このNa成分は、0.01重量%以下である
ことが好ましく、第5発明のようにNa成分を含有しな
いことがより好ましい。
【0014】第6発明のアルミナ基焼結体の製造方法
は、Mg、Ca、Si及びLiの化合物の粉末を焼結助
剤としてアルミナ基焼結体を製造する方法であって、A
23粉末と上記焼結助剤との合計量を酸化物換算で1
00重量%とした場合に、上記Li化合物の粉末は酸化
物換算で0.005〜0.1重量%であることを特徴と
する。
【0015】この製造方法において、Al23粉末は9
9.5〜99.8重量%とすることが好ましい。このよ
うにAl23粉末の量比を高くしても、焼結助剤として
Li化合物を併用することにより、低温での焼結が促進
され、緻密な焼結体を得ることができる。また、このA
23粉末は焼成工程において揮散等することなく、実
質的にその全量が焼結体を構成することとなる。そのた
め、Al23の量比が非常に高く、Qu及び熱伝導性と
もに優れたアルミナ基焼結体を得ることができる。
【0016】焼結助剤として配合されるMg、Ca及び
Siの化合物としては、それぞれの元素の酸化物である
MgO、CaO、SiO2、炭酸塩であるMgCO3、C
aCO3、及び水酸化物であるMg(OH)2、Ca(O
H)2等を使用することができる。この他にも、上記の
各元素を含む化合物として、珪化物であるMg2Si、
Ca2Si、珪酸塩である珪酸カルシウム、珪酸マグネ
シウム、珪酸マグネシウムカルシウム、並びにこれらの
化合物を高純度で含有する鉱物である灰苦土カンラン石
(CaMgSiO4)等を用いることもできる。更に、
上記Mg、Ca及びSi以外にAlを同時に含む鉱物で
ある、カオリナイト、メタカオリン、ムライト(2Al
23・SiO2等)、或いはスピネル(MgAl24
等を使用することもできる。
【0017】また、焼結助剤として配合されるLi化合
物が酸化物換算で0.005重量%未満では、Li化合
物を焼結助剤として併用する効果が得られず、焼結性、
Qu、いずれも十分に向上しない。一方、この配合量が
酸化物換算で0.1重量%を越えると、Li化合物を配
合しない場合に比べて、焼結性、Qu、いずれも却って
低下する。この焼結助剤として配合されるLi化合物の
配合量は酸化物換算で0.01〜0.1重量%であると
より好ましく、0.01〜0.03重量%であると特に
好ましい。Li化合物の配合量が上記の範囲であれば、
比較的低温で焼成することができ、且つよりQuの高い
アルミナ基焼結体を得ることができる。
【0018】更に、Al23粉末に含有されるNa成分
は、第7発明のように、酸化物換算で0.07重量%以
下であることが好ましい。このようなAl23粉末を原
料とすることにより、焼成後の焼結体中のNa成分の含
有量を前記のように低く抑えることができる。Al23
粉末に含有されるNa成分は0.05重量%以下である
と特に好ましく、第8発明のようにNa成分を含有しな
いことがより好ましい。
【0019】また、焼結助剤として配合されるLi化合
物は、第9発明のように、Liの酸化物、水酸化物、炭
酸塩、及び水溶性有機酸塩のうちの少なくとも1種であ
ることが好ましい。これらのLi化合物うち、水溶性の
Li有機酸塩としては、例えばギ酸塩、シュウ酸塩、酢
酸塩、安息香酸塩、アクリル酸塩、乳酸塩、酒石酸塩、
クエン酸塩、サリチル酸塩、アルギン酸塩、ピルビン酸
塩、グリオキシル酸塩、ニコチン酸塩、及びピコリン酸
塩等が挙げられる。Li化合物としては、リチウムシリ
ケート、アルミン酸リチウム、リチウムメチラート、リ
チウムエチラート等を用いることもできる。また、Li
と同時にMg、Ca、Si及びAlを含む鉱物であるス
ポジューメン(LiAlSi26)、ペタライト(Li
〔AlSi410〕)等を使用することもできる。
【0020】本発明においては、所定量のLi化合物を
含む焼結助剤として配合することにより焼結性を向上さ
せることができる。そのため、通常の焼成温度に比べて
100℃程度低い、例えば、1520℃で焼成した場合
であっても、相対密度が96%以上、特に97%以上の
緻密なアルミナ基焼結体を得ることができる。また、焼
結体に含有されるLi成分は少量であり、Al23の量
比が高いこともあって、Quが6000以上、特に66
00以上、更には7000以上、また7500以上と高
いアルミナ基焼結体を得ることができる。更に、焼成温
度が1520℃と低い場合でも、Quが6000以上、
特に6600以上と高い焼結体を得ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明を具体
的に説明する。 (1)Li成分に関する検討 円柱状の試料の作製 Al23粉末(純度:99.9%以上)と、焼結助剤で
あるMgCO3、CaCO3及びSiO2、並びにLi2
3 TiO2、H3BO3のうちのいずれか1種の粉末
(以上の焼結助剤粉末の純度:いずれも99.9%以
上)を表1及び表2に示す量比となるように秤量し、配
合した。
【0022】ここで、上記の純度99.9%以上のAl
23粉末は、CaO;200ppm、SiO2;500
ppmを含めて合計800ppm程度の不純物を含有す
るものを用いた。尚、MgCO3、CaCO3、Li2
3及びH3BO3の配合量は酸化物に換算した場合に表
1及び表2に示す量とした。また、Al23粉末中に含
まれるCaO、SiO2等の不純物については、これら
を含めた量が表1及び表2に示す量となるように調整し
た。
【0023】上記の各粉末の混合物に適量の有機バイン
ダと水とを加え、ボールミル中、20mmφのアルミナ
ボールを使用し、90rpmで、16時間粉砕した。そ
の後、スプレードライヤにより造粒した。この造粒され
た原料を用い、静水圧プレス法によって19mmφ(直
径)×11mmt(厚さ)の円柱状の成形体を得た。
尚、プレス圧は1000kg/cm2とした。次いで、
この成形体を大気雰囲気下、1520℃又は1620℃
の温度で、2時間保持して焼成した。その後、得られた
焼結体の周面及び両端面を研磨し、約16mmφ×8m
mtの寸法の円柱状の試料を得た。
【0024】焼結体の特性の評価 上記において得られた、円柱状の試料を用いて、平行
導体板型誘電体円柱共振器法(TE011MODE)によ
りQuを測定した。尚、Quの測定時の共振周波数は
7.5GHzとした。また、同じ焼結体の密度をアルキ
メデス法によって測定し、下記の式より相対密度を算出
した。更に、焼結体の元素分析を行い、Li成分の含有
量(酸化物換算)を求めた。実施例の結果を表1に、比
較例の結果を表2に併記する。 相対密度(%)=(焼結体の密度/理論密度)×100
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】表1の結果によれば、第1及び6発明の範
囲内である実施例1〜7では、通常の焼成温度に対して
100℃低い1520℃で焼成した場合であっても、相
対密度が97%程度以上と焼結性が向上しており、且つ
Quも6000を越えて高い優れた特性を有するアルミ
ナ基焼結体が得られている。共振器用支持台として必要
なQuは6000以上であり、上記のように所定量のL
i成分を含有させることによって、焼成温度を少なくと
も100℃程度低くすることができることが分かる。ま
た、Mg成分等の量比が第3発明の下限値である実施例
3では、よりQuの高い焼結体が得られている。更に、
このMg成分等の量比が第3発明の上限値に近い実施例
5では、他の実施例に比べればQuがやや低下するもの
の十分実用に供し得るものである。
【0028】一方、表2の結果によれば、焼結助剤とし
て配合されるLi化合物及び焼結体中のLi成分の含有
量が、それぞれ第6及び第1発明の下限値を大きく下回
っている比較例1では、Li成分を含まない比較例5に
比べて焼結性及びQuの向上がみられない。また、これ
ら含有量が第6及び第1発明の下限値をやや下回ってい
る比較例2においてもQuの向上はわずかである。更
に、各含有量が上限値をやや上回っている比較例3、上
限値を大きく上回っている比較例4においては、Li成
分を含まない比較例5に比べて焼結性及びQuともに却
って低下している。尚、Li成分に代えてTi成分を焼
結助剤として用いた比較例6では、比較例5に比べてQ
uが大きく低下しており、B成分を用いた比較例7で
は、Quの向上がみられない。
【0029】(2)Na成分に関する検討 Al23粉末として、Na成分を酸化物換算で0.01
5〜0.120重量%含有するものを使用した。このア
ルミナ粉末99.68重量%の他、焼結助剤としてMg
O粉末を0.048重量%、CaO粉末を0.066重
量%、SiO2粉末を0.186重量%及びLiO2粉末
を0.02重量%用い、温度1600℃にて2時間焼成
を行った。その他は(1)、と同様して円柱状の試料
を得た。その後、得られた試料中のNa成分を元素分析
にて測定し、また、(1)、と同様にしてこれらの試
料のQuを測定した。結果を表3に示す。
【0030】
【表3】
【0031】表3の結果によれば、焼結体中のNa成分
の含有量を0.047重量%以下に抑えることにより、
Quが6000以上である焼結体を得られることが分か
る。また、Na成分の含有量をこのように低く抑えるた
めには、原料であるAl23粉末に含まれるNa成分が
0.065重量%以下であればよいことが分かる。更
に、実施例及び比較例のAl23粉末中及び焼結体中の
Na成分が低くなるほど(比較例9、8、実施例10、
9、8、11の順)、Quは高くなることが分かる。特
に、Na成分の含有量が極めて少ない実施例11ではQ
uが8130であり、第5発明及び第8発明のように、
Al23粉末及び焼結体中にNa成分が含まれないこと
により、Quが極めて高い値を持つことが裏付けられて
いる。
【0032】尚、本発明においては、上記の具体的な実
施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明
の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。例
えば、焼成温度等の焼成条件などは種々選択することが
できる。また、焼結助剤としてMg、Ca、Si、Li
の化合物以外に他の化合物を含んでもよく、また焼結体
中にはMg、Ca、Si、Liの各成分以外に、他の成
分を含んでもよい。
【0033】
【発明の効果】第1発明によれば、Al23にMg、C
a及びSi成分の他に特定量のLi成分を含有させるこ
とにより、特に、共振器本体を支持台を介して金属容器
に固定してなる磁器誘電体共振器において用いられる支
持台として有用なアルミナ基焼結体とすることができ
る。また、特に、Al23の含有量を第3発明に特定さ
れる範囲、Na成分の含有量を第4発明に特定される範
囲とすることによって、よりQuの高い、且つ熱伝導性
にも優れたアルミナ基焼結体とすることができる。更
に、第6発明では、特定量のLi化合物を焼結助剤とし
てMg化合物等と併用することにより、上記の特定のア
ルミナ基焼結体を容易に得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板倉 一久 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特 殊陶業株式会社内 (72)発明者 水野 賢一 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特 殊陶業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/10

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Mg成分、Ca成分、Si成分及びLi
    成分を有するアルミナ基焼結体であって、該アルミナ基
    焼結体を100重量%とした場合に、上記Li成分が酸
    化物換算で0.002〜0.04重量%含有されている
    ことを特徴とするアルミナ基焼結体。
  2. 【請求項2】 上記Li成分は、酸化物換算で、焼結助
    剤として配合されたLi化合物の30〜40重量%であ
    る請求項1記載のアルミナ基焼結体。
  3. 【請求項3】 上記アルミナ基焼結体を100重量%と
    した場合に、Al23が99.5〜99.8重量%であ
    り、上記Mg成分、上記Ca成分及び上記Si成分及び
    上記Li成分の合計量が酸化物換算で0.2〜0.5重
    量%である請求項1又2記載のアルミナ基焼結体。
  4. 【請求項4】 上記アルミナ基焼結体を100重量%と
    した場合に、酸化物換算で0.05重量%以下のNa成
    分を含有する請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記
    載のアルミナ基焼結体。
  5. 【請求項5】 Na成分を含有しない請求項1乃至3の
    うちのいずれか1項に記載のアルミナ基焼結体。
  6. 【請求項6】 Mg、Ca、Si及びLiの化合物の粉
    末を焼結助剤としてアルミナ基焼結体を製造する方法で
    あって、Al23粉末と上記焼結助剤との合計量を酸化
    物換算で100重量%とした場合に、上記Li化合物の
    粉末は酸化物換算で0.005〜0.1重量%であるこ
    とを特徴とするアルミナ基焼結体の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記Al23粉末が酸化物換算で0.0
    7重量%以下のNa成分を含む請求項6記載のアルミナ
    基焼結体の製造方法。
  8. 【請求項8】 上記Al23粉末がNa成分を含まない
    請求項6記載のアルミナ基焼結体の製造方法。
  9. 【請求項9】 上記Li化合物が、Liの酸化物、水酸
    化物、炭酸塩、及び水溶性有機酸塩のうちの少なくとも
    1種である請求項6乃至8のうちのいずれか1項に記載
    のアルミナ基焼結体の製造方法。
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