JP3575336B2

JP3575336B2 - 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

Info

Publication number: JP3575336B2
Application number: JP17571599A
Authority: JP
Inventors: 勉立川; 斉高木
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001010859A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用誘電体磁器組成物、並びにそれを用いた誘電体共振器、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。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、携帯電話、パーソナル無線機、衛星放送受信機などのように、マイクロ波やミリ波などの高周波領域において利用される電子機器に搭載される誘電体共振器や誘電体フィルタや回路基板材料として、誘電体磁器が広く用いられている。
【０００３】
このような高周波用誘電体磁器に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／（ε_ｒ）^１／２に短縮されるので、小型化要求への対応として比誘電率（ε_ｒ）が大きいこと、（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０（ｐｐｍ／℃）付近であること、などが挙げられる。
【０００４】
従来、この種の誘電体磁器組成物としては、たとえば、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ_３系（特公昭５８−２５０６８号公報）、Ｂａ（Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ_３系（特公平３−３４１６４号公報）、（Ｚｒ，Ｓｎ）ＴｉＯ_４系（特公平４−５９２６７号公報）、Ｂａ_２Ｔｉ_９Ｏ_２０（特開昭６１−１０８０６号公報）などの誘電体磁器組成物が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ_３系やＢａ（Ｓｎ，Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ_３系の材料は、Ｑ値は１５００００〜３０００００（１ＧＨｚにおいて）と非常に大きいが、比誘電率（ε_ｒ）が２４〜３０と比較的小さい。
【０００６】
一方、（Ｚｒ，Ｓｎ）ＴｉＯ_４系やＢａ_２Ｔｉ_９Ｏ_２０系の材料は、比誘電率（ε_ｒ）が３７〜４０と比較的大きく、Ｑ値も５００００〜６００００（１ＧＨｚにおいて）と高い値を示すが、たとえば４０を越えるといったより大きな比誘電率（ε_ｒ）を実現するのは困難である。
【０００７】
近年、電子機器の低損失化や小型化の要求が強まり、これに伴って、誘電体材料に関しても、さらに優れた誘電特性、特に、高い比誘電率（ε_ｒ）と高いＱ値を併せ持つ材料の開発に対する要求が強くなってきているが、このような要求に対して十分に応えることができていないのが現状である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、比誘電率（ε_ｒ）が３７〜５４と比較的大きく、Ｑ値も２００００（１ＧＨｚにおいて）以上と大きく、しかも、共振周波数の温度係数（τｆ）を０（ｐｐｍ／℃）を中心に任意に制御できる、高周波用誘電体磁器組成物を提供することにある。また、それを用いた誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサおよび通信機装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）、Ｍｇ、Ｔａ、Ｓｂ、ＴｉおよびＭ（Ｍ：ＣａおよびＳｒのうちの少なくとも１種）を含み、
組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、ｘ、ｙ、ｚはモル％）で表わされる組成を有し、
ａ、ｂ、ｃが、０．９５０≦ａ≦１．０５０、０．９００≦ｂ≦１．０５０、０．９００≦ｃ≦１．０５０の範囲内にあり、
ｘ、ｙ、ｚが添付図１に示す三元組成図において、点Ａ（ｘ＝７５、ｙ＝０、ｚ＝２５）、点Ｂ（ｘ＝５５、ｙ＝０、ｚ＝４５）、点Ｃ（ｘ＝５５、ｙ＝４５、ｚ＝０）、点Ｄ（ｘ＝７５、ｙ＝２５、ｚ＝０）を結ぶ多角形の線上または内部（但し、線ＣＤ上は除く）にあり、
ペロブスカイト型結晶相を主結晶とすることを特徴とする。
【００１０】
そして、前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）は、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＳｍのうちの少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記ＭはＣａであることを特徴とする。
【００１２】
また、前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）はＬａ、ＮｄおよびＳｍのうちの少なくとも１種であることが好ましい。
さらに、前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）はＬａであることがより好ましい。
【００１３】
また、本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、誘電体共振器において、前記誘電体磁器は、上述の高周波用誘電体磁器組成物からなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の誘電体フィルタは、上述の誘電体共振器に外部結合手段を含んでなることを特徴とする。
【００１５】
また、本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、該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含んでな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つが上述の誘電体フィルタであることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の通信機装置は、上述の誘電体デュプレクサと、該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、該送信用回路に接続される前記入出力接続手段と異なる少なくとも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含んでなることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の一実施形態による誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。
【００１８】
図２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。また、入力端子５および出力端子６が、金属ケース２に対して絶縁された状態で、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５および出力端子６に電磁界結合して作動するもので、入力端子５から入力された所定の周波数の信号だけが出力端子６から出力される。このような誘電体共振器１中の誘電体磁器４が、本発明に係る高周波用誘電体磁器組成物で構成される。
【００１９】
なお、図２にはＴＥ０１δモードの誘電体共振器を示したが、本発明の高周波用誘電体磁器組成物は他のＴＥモードやＴＭモード、ＴＥＭモードなどの誘電体共振器にも同様に用いることができる。
【００２０】
図３は、本発明の通信機装置の一例を示すブロック図である。この通信機装置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、本発明の誘電体共振器に外部結合手段を接続してなるものである。この実施例では、たとえば、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を接続して形成される。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。
【００２１】
本発明に係る高周波用誘電体磁器組成物は、前述したように、希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）、Ｍｇ、Ｔａ、Ｓｂ、ＴｉおよびＭ（Ｍ：ＣａおよびＳｒのうちの少なくとも１種）を含み、組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、ｘ、ｙ、ｚはモル％）で表わされる組成を有し、ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙおよびｚの各々については、次のような範囲内にある。
【００２２】
まず、ａについては、０．９５０≦ａ≦１．０５０の範囲内にある。ａ＜０．９５０の場合や、ａ＞１．０５０の場合は、Ｑ値が低くなり、本発明の目的を達成することができないからである。
【００２３】
ｂについては、０．９００≦ｂ≦１．０５０の範囲内にある。ｂ＜０．９００や、ｂ＞１．０５０の場合は、Ｑ値が低くなるためである。
【００２４】
ｃについては、０．９００≦ｃ≦１．０５０の範囲内にある。ｃ＜０．９００や、ｃ＞１．０５０の場合は、Ｑ値が低くなるためである。
【００２５】
ｘ、ｙ、ｚについては、添付図１に示す三元組成図において、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを結ぶ多角形の線上または内部（但し、線ＣＤ上は除く）にある。線ＡＤの外側の場合には、共振周波数の温度係数（τｆ）が＋５０ｐｐｍ／℃よりも大きくなってしまうためであり、線ＢＣの外側の場合には、共振周波数の温度係数（τｆ）が−５０ｐｐｍ／℃よりもマイナス側にずれてしまうからである。また、線ＣＤ上を除いたのは、ｚ＝０では、１３５０〜１４００℃の焼成温度では十分に焼結せず、１４００℃を超える高温での焼成が必要となり、工業的に大量生産するうえで不都合が多いためである。
【００２６】
また、本発明に係る高周波用誘電体磁器組成物において、希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）としては、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍなどを用いることが好ましいが、これらの中で、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍを用いることがより好ましく、さらには、Ｌａを用いることがもっとも好ましい。Ｎｄ、Ｓｍを用いることにより、Ｑ値が向上し、さらにＬａを用いることにより、比誘電率（ε_ｒ）およびＱ値をより高くすることができる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明をより具体的な実施例に基づき説明する。
【００２８】
（実施例１）
出発原料として、高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、希土類酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３など）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）を準備した。
【００２９】
次に、表１に示す組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬａ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬａ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、ｘ、ｙ、ｚはモル％）で表わされる組成物が得られるように、これら原料を調合した。また、表２に示す組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、ｘ、ｙ、ｚはモル％）で表わされる組成で表わされる組成物が得られるように、これら原料を調合した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

なお、表２に示した試料４１〜５６は、表１の組成式中のＬａの代わりに、表２の「希土類元素」の欄に示した種々の希土類元素としたもので、試料４１〜５２については、表１中の試料１６に対応する組成を有しており、試料５３〜５６については、表１中の試料３５に対応する組成を有している。
【００３２】
次に、これら調合済み原料の粉末を、ボールミルを用いて１６時間湿式混合した後、脱水、乾燥し、その後、１１００〜１３００℃で３時間仮焼し、この仮焼粉末に適量のバインダを加えて、再度、ボールミルを用いて１６時間湿式粉砕することにより、調製粉末を得た。
【００３３】
次に、この調製粉末を１０００〜２０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で円板状にプレス成形した後、１３５０〜１４００℃の温度で４時間大気中で焼成し、直径１０ｍｍ、厚み５ｍｍのペロブスカイト型結晶相を主結晶とする磁器を得た。
【００３４】
得られた磁器について、測定周波数６〜８ＧＨｚにおける比誘電率（ε_ｒ）およびＱ値を両端短絡型誘電体共振器法で測定し、Ｑ×ｆ＝一定則に従って、１ＧＨｚのＱ値に換算した。また、ＴＥ０１δモード共振器周波数から、共振周波数の２５℃〜５５℃間の温度係数（τｆ）を測定した。これらの結果を、表１および表２に示す。なお、表１において、試料番号に＊を付したものは、本発明の範囲外のものである。
【００３５】
表１および表２から明らかなように、本発明の範囲内にある試料によれば、マイクロ波帯において比誘電率（ε_ｒ）を大きな値に保ちながら高いＱ値を得ることができる。
【００３６】
ここで、表１を主として参照しながら、本発明の組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、Ｌｎ、Ｌｍは希土類元素、ＭはＣａおよびＳｒのうちの少なくとも１種）で表わされる組成物の限定理由を以下に説明する。
【００３７】
まず、ａについて、０．９５０≦ａ≦１．０５０と限定したのは、ａ＜０．９５０の場合には、試料１１および３０のように、また、ａ＞１．０５０の場合には、試料２１および４０のように、ともにＱ値が低くなり本発明の目的を達成することができないからである。
【００３８】
ｂについて、０．９００≦ｂ≦１．０５０と限定したのは、ｂ＜０．９００の場合には、試料１３および３２のように、また、ｂ＞１．０５０の場合には、試料１９および３８のように、ともにＱ値が低くなるためである。
【００３９】
ｃについて、０．９００≦ｃ≦１．０５０と限定したのは、ｃ＜０．９００の場合には、試料１５および３４のように、また、ｃ＞１．０５０の場合には、試料１７および３６のように、ともにＱ値が低くなるためである。
【００４０】
ｘ、ｙ、ｚについて、添付図１に示す三元組成図において、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを結ぶ多角形の線上または内部（但し、線ＣＤ上は除く）としたのは、以下の理由による。
【００４１】
すなわち、線ＡＤの外側の場合には、試料１および２のように、共振周波数の温度係数（τｆ）が＋５０ｐｐｍ／℃よりも大きくなってしまうためであり、線ＢＣの外側の場合には、試料２８および２９のように、共振周波数の温度係数（τｆ）が−５０ｐｐｍ／℃よりもマイナス側にずれてしまうからである。また、線ＣＤ上を除いたのは、試料５、２２および２７から明らかなように、ｚ＝０では、１３５０〜１４００℃の焼成温度では十分に焼結せず、１４００℃を超える高温での焼成が必要となり、工業的に大量生産するうえで不都合が多いためである。
【００４２】
表１の試料１６と表２の試料４１〜５２の比較、および、表１の試料３５と表２の試料５３〜５６の比較から明らかなように、希土類元素としてはＬａを用いるのが最も好ましく、Ｌａを用いることにより、高い比誘電率（ε_ｒ）と高いＱ値を得ることができる。また、試料４１、４４、４７、５０間の比較で明らかなように、希土類元素としてＮｄまたはＳｍを用いることにより、ＹまたはＰｒの場合と比較して、より高いＱ値を得ることができる。
【００４３】
なお、本発明の高周波用誘電体磁器組成物には、本発明の目的を損なわない範囲内で微量の添加物を加えることができる。たとえば、ＳｉＯ_２、ＭｎＣＯ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｌｉ_２ＣＯ_３などを０．０１〜１．０ｗｔ％添加することにより、特性の劣化を抑えながら、焼成温度を１０〜２０℃低下させることができる。その他にも、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５、ＷＯ_３などを１〜３ｗｔ％添加することで、比誘電率（ε_ｒ）と温度特性の微調整が可能となり、優れた誘電体磁器を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、比誘電率（ε_ｒ）が３７〜５４と大きく、Ｑ値が２００００（１ＧＨｚにおいて）以上と大きく、しかも、共振周波数の温度係数（τｆ）を０（ｐｐｍ／℃）を中心に任意に制御できる、高周波用誘電体磁器組成物を得ることができる。
【００４５】
したがって、このような組成を有する誘電体磁器を用いて、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を作製することにより、それぞれ良好な特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＴｉＯ_３―Ｌｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）Ｏ_３−Ｌｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）Ｏ_３系組成物の三元組成図である。
【図２】本発明の一実施形態による誘電体共振器を図解的に示す断面図である。
【図３】本発明の通信機装置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
４誘電体磁器
５入力端子
６出力端子
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

Claims

希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）、Ｍｇ、Ｔａ、Ｓｂ、ＴｉおよびＭ（Ｍ：ＣａおよびＳｒのうちの少なくとも１種）を含み、
組成式：ｘＭＴｉ_ａＯ_１＋２ａ―ｙＬｎ（Ｍｇ_２／３Ｔａ_１／３）_ｂＯ_{（３＋３ｂ）／２}−ｚＬｍ（Ｍｇ_２／３Ｓｂ_１／３）_ｃＯ_{（３＋３ｃ）／２}（ただし、ｘ、ｙ、ｚはモル％）で表わされる組成を有し、
ａ、ｂ、ｃが、
０．９５０≦ａ≦１．０５０
０．９００≦ｂ≦１．０５０
０．９００≦ｃ≦１．０５０
の範囲内にあり、
ｘ、ｙ、ｚが添付図１に示す三元組成図において、
点Ａ（ｘ＝７５、ｙ＝０、ｚ＝２５）
点Ｂ（ｘ＝５５、ｙ＝０、ｚ＝４５）
点Ｃ（ｘ＝５５、ｙ＝４５、ｚ＝０）
点Ｄ（ｘ＝７５、ｙ＝２５、ｚ＝０）
を結ぶ多角形の線上または内部（但し、線ＣＤ上は除く）にあり、
ペロブスカイト型結晶相を主結晶とすることを特徴とする、高周波用誘電体磁器組成物。
前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）は、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＳｍのうちの少なくとも１種であ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。
前記ＭはＣａであることを特徴とする、請求項２に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）はＬａ、ＮｄおよびＳｍのうちの少なくとも１種であることを特徴とする、請求項３に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
前記希土類元素（Ｌｎ、Ｌｍ）はＬａであることを特徴とする、請求項３に記載の高周波用誘電体磁器組成物。
誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動する、誘電体共振器において、前記誘電体磁器は、請求項１から５のいずれかに記載の高周波用誘電体磁器組成物からなることを特徴とする、誘電体共振器。
請求項６に記載の誘電体共振器に外部結合手段を含んでなることを特徴とする、誘電体フィルタ。
少なくとも２つの誘電体フィルタと、該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含んでな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７に記載の誘電体フィルタであることを特徴とする、誘電体デュプレクサ。
請求項８に記載の誘電体デュプレクサと、該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、該送信用回路に接続される前記入出力接続手段と異なる少なくとも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含んでなることを特徴とする、通信機装置。