JP3979433B2 - 高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 - Google Patents

高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 Download PDF

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Description

この発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において利用される高周波用誘電体磁器組成物、ならびにそれを用いて構成される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置に関する。
マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器や回路基板等を構成する材料として、誘電体磁器が広く利用されている。
このような高周波用誘電体磁器が、特に誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる場合、要求される誘電特性としては、（１）誘電体中では電磁波の波長が１／（εr）1/2に短縮されるので、小型化の要求への対応として比誘電率（εr）が高いこと、（２）誘電損失が小さい、すなわちＱ値が高いこと、（３）共振周波数の温度安定性が優れている、すなわち共振周波数の温度係数（τf）が０ｐｐｍ／℃付近であること等が挙げられる。
ここでτfは、２５℃における共振周波数（ｆ25）と、５５℃における共振周波数（ｆ55）の値とを用いて、共振周波数温度曲線を直線近似したときの傾き（１次微係数）を表わすものであり、その値はτf＝（ｆ55−ｆ25）／（ｆ25・（５５℃−２５℃））の式によって求められる。
従来、上述したような要求を満たし得る高周波用誘電体磁器組成物として、例えばＣａＯ−ＴｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−（Ｎｂ、Ｔａ）2Ｏ5系（特許文献１〜７参照）、Ｃａ（Ｍｇ1/2Ｗ1/2）Ｏ3系等の磁器組成物が、既に多数提案されている。
特開平１０−９５６６３号公報 特開２００１−３０２３３１号公報 特開２００１−３０２３３２号公報 特開２００１−３０２３３３号公報 特開２００１−３０２３３４号公報 特開２００２−２５５６４０号公報 特開２００２−３０８６７０号公報 特開平９−２４１０７３号公報
近年、電子機器の低損失化、かつ小型化の要求が高まり、誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる高周波用誘電体磁器に要求される誘電特性に関して、より優れたものが必要とされるようになっている。特に、高周波領域で使用しても、高いεr、高いＱ値、および高い温度安定性（τfが０ｐｐｍ／℃付近）を併せ持つ材料に対する要求が高まってきている。
しかしながら、前記特許文献１に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物は、εrが４１〜６６と高いものの、Ｑ値（１ＧＨｚ）が１２０００〜２７３００であり充分高いとは言えなかった。
また、前記特許文献２〜７に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物は、εrが３５以上と高く、τfが０ｐｐｍ／℃付近で制御できるものの、εrを高くするとτfとＱ値（１ＧＨｚ）が悪化するという問題があった。
また、前記特許文献８に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物は、Ｑ値（１ＧＨｚ）が４５０００以上と高いものの、εrが１７〜１９と低く、またτfの絶対値が７０以上と大きかった。
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、すなわちマイクロ波やミリ波等の高周波領域で使用しても、高いεrと高いＱ値を有し、またτfの絶対値が小さい、高周波用誘電体磁器組成物を提供しようとすることである。
上述した技術的課題を解決するため、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式：ｘＣａＴｉＯ 3 −ｙＣａ（Ａｌ 1/2 Ｎｂ 1/2 ）Ｏ 3 −ｚＣａ（Ｍｇ 1/2 Ｗ 1/2 ）Ｏ 3 で表わされる組成を有し、上記組成式におけるｘ、ｙ、ｚ（ただしｘ、ｙ、ｚはモル比である）は、０．５≦ｘ≦０．５８、０．２１≦ｙ≦０．４８２、０．０１８≦ｚ≦０．２１３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０００の範囲内にあり、かつ、ε r が４５以上、Ｑ値（１ＧＨｚ）が４００００以上、τ f の絶対値が±１５ｐｐｍ/℃であることを特徴としている。
そして、前記組成式中のＮｂの一部または全部が、Ｔａで置換されている。
さらに、前記組成式中のＭｇの一部または全部が、Ｚｎで置換されている。
また、この発明の誘電体共振器は、誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、上述したこの発明の高周波用誘電体磁器組成物からなる。
また、この発明の誘電体フィルタは、上述した誘電体共振器と、この誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える。
また、この発明の誘電体デュプレクサは、少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが、上述したこの発明に係る誘電体フィルタである。
さらに、この発明の通信機装置は、上述の誘電体デュプレクサと、この誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、この送信用回路に接続される上述の入出力手段とは異なる、少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える。
この発明によれば、組成式：ｘＣａＴｉＯ 3 −ｙＣａ（Ａｌ 1/2 Ｎｂ 1/2 ）Ｏ 3 −ｚＣａ（Ｍｇ 1/2 Ｗ 1/2 ）Ｏ 3 で表わされる組成を有し、上記組成式におけるｘ、ｙ、ｚ（ただしｘ、ｙ、ｚはモル比である）は、０．５≦ｘ≦０．５８、０．２１≦ｙ≦０．４８２、０．０１８≦ｚ≦０．２１３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０００の範囲内にあるようにしており、かつ、εrが４５以上であって、Ｑ値（１ＧＨｚ）で４００００以上の高いＱ値を示し、またτfの絶対値が１５ｐｐｍ／℃以内と小さいことを要件としているので、従来の技術では得ることができなかったような特性の良好な高周波用誘電体磁器組成物を得ることができる。
そして、この発明の高周波用誘電体磁器組成物において、前記組成式中のＮｂの一部または全部を、Ｔａで置換することにより、Ｔａで置換しない場合に比べて、τfの絶対値をより小さくすることができる。
さらに、この発明の高周波用誘電体磁器組成物において、前記組成式中のＭｇの一部または全部を、Ｚｎで置換することにより、Ｚｎで置換しない場合に比べて、εrをより高くすることができる。
したがって、例えば基地局、携帯電話、パーソナル無線機、衛星放送受信機等に搭載される誘電体共振器を小型化し、誘電損失を小さいものとし、また共振周波数の温度安定性を優れたものとすることができる。その結果、このような誘電体共振器を用いれば、小型化され、かつ優れた特性を有する誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を有利に構成することができる。
この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。 図２に示した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。
符号の説明
１ 誘電体共振器
２ 金属ケース
３ 支持台
４ 誘電体磁器
５、６ 結合ループ
７、８ 同軸ケーブル
１０ 通信機装置
１２ 誘電体デュプレクサ
１４ 送信用回路
１６ 受信用回路
１８ アンテナ
２０ 入力接続手段
２２ 出力接続手段
２４ アンテナ接続手段
２６、２８ 誘電体フィルタ
３０ 外部結合手段
まず、この発明の高周波用誘電体磁器組成物が適用される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置について説明する。
図１は、この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。
図１を参照して、誘電体共振器１は、金属ケース２を備え、金属ケース２内の空間には、支持台３によって支持された柱状の誘電体磁器４が配置されている。そして、同軸ケーブル７の中心導体と外導体との間に結合ループ５を形成して入力端子とする。また、同軸ケーブル８の中心導体と外導体との間に結合ループ６を形成して出力端子とする。それぞれの端子は、外導体と金属ケース２とが電気的に接合された状態で、金属ケース２によって保持されている。
誘電体磁器４は、入力端子および出力端子に電磁界結合して作動するもので、入力端子から入力された所定の周波数の信号だけが出力端子から出力される。
このような誘電体共振器１に備える誘電体磁器４が、この発明の高周波用誘電体磁器組成物から構成される。
なお、図１に示した誘電体共振器１は、基地局等で用いられるＴＥ０１δモード共振器であるが、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、他のＴＥモード、ＴＭモード、およびＴＥＭモードなどを利用する誘電体共振器にも同様に適用することができる。
図２は、上述した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。
図２に示した通信機装置１０は、誘電体デュプレクサ１２、送信用回路１４、受信用回路１６およびアンテナ１８を含む。
送信用回路１４は、誘電体デュプレクサ１２の入力接続手段２０に接続され、受信用回路１６は、誘電体デュプレクサ１２の出力接続手段２２に接続される。
また、アンテナ１８は、誘電体デュプレクサ１２のアンテナ接続手段２４に接続される。
この誘電体デュプレクサ１２は、２つの誘電体フィルタ２６、２８を含む。誘電体フィルタ２６、２８は、この発明の誘電体共振器に外部結合手段を接続して構成されるものである。図示の実施形態では、例えば図１に示した誘電体共振器１の入出力端子にそれぞれ外部結合手段３０を接続して、誘電体フィルタ２６および２８のそれぞれが構成される。そして、一方の誘電体フィルタ２６は、入力接続手段２０と他方の誘電体フィルタ２８との間に接続され、他方の誘電体フィルタ２８は、一方の誘電体フィルタ２６と出力接続手段２２との間に接続される。
次に、図１に示した誘電体共振器１に備える誘電体磁器４のように、高周波領域において有利に用いられる、この発明の高周波用誘電体磁器組成物について説明する。
この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式：ｘＣａＴｉＯ 3 −ｙＣａ（Ａｌ 1/2 Ｎｂ 1/2 ）Ｏ 3 −ｚＣａ（Ｍｇ 1/2 Ｗ 1/2 ）Ｏ 3 で表わされる組成を有している。ここで上記組成式におけるｘ、ｙ、ｚ（ただしｘ、ｙ、ｚはモル比である）は、０．５≦ｘ≦０．５８、０．２１≦ｙ≦０．４８２、０．０１８≦ｚ≦０．２１３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０００の範囲内にあるように選ばれる。そして、εrが４５以上、Ｑ値（１ＧＨｚ）が４００００以上、τ f の絶対値が±１５ｐｐｍ/℃の特性を備えたものがこの発明の範囲内の高周波用誘電体磁器組成物となる。
そして、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、τfの絶対値をより小さくするため、前記組成式中のＮｂの一部または全部が、Ｔａで置換されるように選ばれる。
さらに、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、εrをより高くするため、前記組成式中のＭｇの一部または全部が、Ｚｎで置換されている。
この発明において、上述のような特定的な組成を選んだ根拠となる実施例について、以下に説明する。
出発原料として、高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および酸化タングステン（ＷＯ3）の各粉末を準備した。
次に、表１および２に示すｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅにそれぞれ選ばれた、組成式：ｘＣａＴｉaＯ1+2a−ｙＣａ（Ａｌb/2Ｎｂc/2）Ｏ1+(3b+5c)/4−ｚＣａ（Ｍｇd/2Ｗe/2）Ｏ1+(d+3e)/2で表わされる組成が得られるように、前記の各出発原料粉末を調合した。
次に、この調合粉末を、ボールミルを用いて１６時間湿式混合し、均一に分散させた後、脱水および乾燥処理を施して調整粉末を得た。
次に、この調整粉末を、１０００〜１３００℃の温度で３時間仮焼し、得られた仮焼粉末に適量のバインダを加えて、再びボールミルを用いて１６時間湿式粉砕することにより、焼成用粉末を得た。
そして、この焼成用粉末を、０．９８×１０2〜１．９６×１０2ＭＰａの圧力で円板状にプレス成形した後、１４００〜１６５０℃の温度で４時間、大気中において焼成し、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状の焼結体を得た。
得られた各試料に係る焼結体について、測定周波数ｆが６〜８ＧＨｚにおけるεrとＱ値を、ＴＥ０１１モードによる両端短絡型誘電体共振器法にて測定し、Ｑ×ｆ（周波数）＝一定の式に基づき、Ｑ値（１ＧＨｚ）に換算した。また、ＴＥ０１δモードによるキャビティ法にて共振周波数を測定し、２５〜５５℃の温度範囲でのτfを測定した。
上述のようにして測定した、試料組成に対応したεr、Ｑ値（１ＧＨｚ）、およびτfを、表１および２に示す。
Figure 0003979433
Figure 0003979433
表１および２において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
表１および２に示すように、この発明の範囲内にある試料１８，２４〜２６，３１〜３３，および３８に係る誘電体磁器組成物によれば、εrを４５以上と大きく、Ｑ値（１ＧＨｚ）を４００００以上と高く、τfの絶対値を１５ｐｐｍ／℃以内に小さくすることができ、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
これらに対して、この発明の範囲外にある試料について考察する。
まず、ｘ＜０．５の場合は、試料４３〜５０に示すように、τ f の絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。他方、ｘ＞０．５８の場合も、試料１〜３に示すように、τ f の絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。
次に、ｙ＜０．２１の場合は、試料２８、３５、４２に示すように、τ f の絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。他方、ｙ＞０．４８２の場合は、試料４４，４５，５３に示すように、τ f の絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。
次に、ｚ＜０．０１８の場合は、試料１，２，７に示すように、τ f の絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。他方、ｚ＞０．２１３の場合は、試料２７，３４，４１に示すように、τfの絶対値が１５ｐｐｍ／℃を超える。
実施例２は、Ｎｂの一部または全部を、ＴａまたはＳｂで置換することにより及ぼされる影響について調査するために実施したものである。
出発原料として、高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化アンチモン（Ｓｂ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および酸化タングステン（ＷＯ3）の各粉末を準備した。
次に、表３に示すｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｋ、およびｌにそれぞれ選ばれた、組成式：ｘＣａＴｉaＯ1+2a−ｙＣａ｛Ａｌb/2（Ｎｂ1-k-lＴａkＳｂl）c/2｝Ｏ1+(3b+5c)/4−ｚＣａ（Ｍｇd/2Ｗe/2）Ｏ1+(d+3e)/2で表わされる組成が得られるように、前記の各出発原料粉末を調合した。
その後、実施例１の場合と同様の方法によって、試料となる円板状の焼結体を得、得られた各試料に係る焼結体について、εr、Ｑ値（１ＧＨｚ）、およびτfをそれぞれ測定した。
試料組成に対応したεr、Ｑ値（１ＧＨｚ）、およびτfの測定結果を表３に示す。
Figure 0003979433
表３において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
表３に示すように、この発明の範囲内にある試料７９に係る誘電体磁器組成物によれば、Ｎｂを、Ｔａで置換していない場合に比べて、εrおよびＱ値（１ＧＨｚ）を悪化させることなく、τfの絶対値を小さくすることができ、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
実施例３は、Ｍｇの一部または全部を、Ｚｎで置換することにより及ぼされる影響について調査するために実施したものである。
出発原料として、高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化アンチモン（Ｓｂ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および酸化タングステン（ＷＯ3）の各粉末を準備した。
次に、表４に示すｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｋ、ｌ、およびｍにそれぞれ選ばれた、組成式：ｘＣａＴｉaＯ1+2a−ｙＣａ｛Ａｌb/2（Ｎｂ1-k-lＴａkＳｂl）c/2｝Ｏ1+(3b+5c)/4−ｚＣａ｛（Ｍｇ1-mＺｎm）d/2Ｗe/2）Ｏ1+(d+3e)/2で表わされる組成が得られるように、前記の各出発原料粉末を調合した。
その後、実施例１の場合と同様の方法によって、試料となる円板状の焼結体を得、得られた各試料に係る焼結体について、εr、Ｑ値（１ＧＨｚ）、およびτfをそれぞれ測定した。
試料組成に対応したεr、Ｑ値（１ＧＨｚ）、およびτfの測定結果を表４に示す。
Figure 0003979433
表４において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
表４に示すように、この発明の範囲内にある試料９６〜１０５に係る誘電体磁器組成物によれば、Ｍｇの一部または全部を、Ｚｎで置換していない場合に比べて、Ｑ値（１ＧＨｚ）およびτfの絶対値を悪化させることなく、εrを向上させることができ、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
なお、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、この発明の目的を損なわない範囲内で、わずかな添加物を加えてもよい。例えば、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ｌｉ2Ｏ、Ｂ2Ｏ3、ＰｂＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5等を０．０１〜１．００重量％添加することで、誘電体磁器の特性を劣化させることなく、焼成温度を２０〜３０℃低下させることができる。
また、ＢａＣＯ3、ＳｒＣＯ3等を１．００〜３．００重量％添加することで、εrとτfの微調整が可能となり、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
上述のように、この発明によれば、εrが４５以上、Ｑ値（１ＧＨｚ）が４００００以上、τfの絶対値が１５ｐｐｍ／℃以内の高周波用誘電体磁器組成物を得ることが可能で、この高周波用誘電体磁器組成物を用いることにより、小型化され、かつ優れた特性を有する誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を有利に構成することができる。
したがって、本願発明は、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置などの分野に広く利用することが可能である。

Claims (7)

  1. 組成式：ｘＣａＴｉＯ3−ｙＣａ（Ａｌ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−ｚＣａ（Ｍｇ1/2Ｗ1/2）Ｏ3で表わされる組成を有し、上記組成式におけるｘ、ｙ、ｚ（ただしｘ、ｙ、ｚはモル比である）は、
    ０．５≦ｘ≦０．５８、
    ０．２１≦ｙ≦０．４８２、
    ０．０１８≦ｚ≦０．２１３、
    ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０００
    の範囲内にあり、かつ、εrが４５以上、Ｑ値（１ＧＨｚ）が４０１００以上、τ f が±１３．３ｐｐｍ / ℃の範囲内にあることを特徴とする高周波用誘電体磁器組成物。
  2. 前記組成式中のＮｂの一部または全部が、Ｔａで置換されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
  3. 前記組成式中のＭｇの一部または全部が、Ｚｎで置換されている、請求項１または２に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
  4. 誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、請求項１から３のうちのいずれか１つに記載の高周波用誘電体磁器組成物からなる、誘電体共振器。
  5. 請求項４に記載の誘電体共振器と、前記誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える、誘電体フィルタ。
  6. 少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが請求項５に記載の誘電体フィルタである、誘電体デュプレクサ。
  7. 請求項６に記載の誘電体デュプレクサと、前記誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、前記送信用回路に接続される前記入出力手段とは異なる少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える、通信機装置。
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