JPH05345662A - フォルステライト磁器の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波領域での誘電損失の小さいフォル
ステライト磁器を、従来と同等の１３００〜１３５０℃
の焼結温度で作製する方法を提供すること。 【構成】 ＭｇＯとＳｉＯ₂ を２対１のモル比で混合し
た原料粉末を、仮焼きし、粉砕してフォルステライトの
粉末とし、該粉末にバインダ及びＴｉＯ₂ 粉末を混合し
加圧成形して成形品となし、該成形品を脱脂及び焼結し
てフォルステライト磁器を作製する方法である。前記原
料粉末、及び該原料粉末から前記フォルステライト磁器
を得る各工程において、フォルステライト磁器の磁器焼
結体に含まれる不純物をＡｌ₂ Ｏ₃ ０．１０％以下、
ＣａＯ ０．０５％以下、Ｆｅ₂ Ｏ₃ ０．０５％以
下、ＺｒＯ₂ ０．４０％以下、その他０．０１％以下
に制御すること、及び、前記フォルステライトの粉末の
粒度分布を平均粒径３μｍ以下にすること、及び、前記
ＴｉＯ₂ を１０％以下量において混合すること、を特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はフォルステライト磁器
の作製方法に関し、詳しくはマイクロ波に対して低誘電
損失のフォルステライト磁器を得る改良方法に係わるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、マイクロ波領域で使用される誘
電体セラミックスに要求される特性のひとつに、当該領
域での誘電損失が小さいことがあげられる。誘電損失は
誘電体に交流電場を加えたときに熱として失われるエネ
ルギーの量を表し、高周波においてはその値が小さいこ
とが特に重要となる。フォルステライトは、ＭｇＯとＳ
ｉＯ₂ の反応生成物よりなり、元来比較的優れた高周波
特性を持っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フォル
ステライトの磁器を作製する場合は原料のＭｇＯやＳｉ
Ｏ₂ に混入している不純物や種々の目的で添加される元
素によって、最終的な生成物の磁器焼結体中にフォルス
テライト以外の相が形成され、電気特性に影響を与える
問題がある。また、フォルステライト磁器を得る従来の
焼結温度は１３００℃程度であるが、従来より抵誘電損
失のフォルステライト磁器を得る場合にあっても、焼結
温度が高くないことが望まれる。

【０００４】そこで、本発明者はフォルステライトに関
する研究において、原料（粉末）及びフォルステライト
磁器を得る各工程において混入する不純物を制御し、か
つフォルステライト粉末の粒度を制御することにより、
フォルステライト磁器の電気特性、とくにマイクロ波領
域での誘電損失を小さくし得る知見を得た。また、本発
明者はフォルステライトの研究において、フォルステラ
イトの原料にＴｉＯ₂ を添加することにより低い誘電損
失を損なうことなく焼結温度を下げ得ること及び誘電率
を調整し得ることの知見を得た。本発明はこの知見に基
づいてなされたものである。

【０００５】すなわち、本発明の課題は、マイクロ波領
域での誘電損失が１０^-4以下の小さな値でかつ、誘電率
が８前後になし得るフォルステライト磁器の作製方法を
提供することにある。そして、本発明の他の課題は、焼
結温度がたとえば１３００℃の従来と同等であり、誘電
損失が、たとえば７．０×１０^-5程度の小さい値のフォ
ルステライト磁器の作製方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した課題を達成する
ために、請求項１の発明は、ＭｇＯとＳｉＯ₂ を２対１
のモル比で混合した原料粉末を、仮焼きし、粉砕してフ
ォルステライトの粉末とし、該粉末にバインダ及びＴｉ
Ｏ₂ の粉末を混合し加圧成形して成形品となし、該成形
品を脱脂及び焼結してフォルステライト磁器を作製する
方法であって、前記原料粉末、及び該原料粉末から前記
フォルステライト磁器を得る各工程において、フォルス
テライト磁器の磁器焼結体に含まれる不純物をＡｌ₂ Ｏ
₃ ０．１０％（ｗｔ％の意味、以下の各％もこの意味
で使用する。）以下、ＣａＯ０．０５％以下、Ｆｅ₂ Ｏ
₃ ０．０５％以下、ＺｒＯ₂ ０．４０％以下、その
他 ０．０１％以下、に制御すること、及び、前記フォ
ルステライトの粉末の粒度分布を平均粒径３μｍ以下に
すること、及び、前記ＴｉＯ₂ を１０％以下量において
混合すること、を特徴とする。

【０００７】そして、請求項２の発明は、請求項１にお
いてＴｉＯ₂ を５％以下量混合することを特徴とする。

【０００８】前記仮焼きは、たとえば１０００〜１２０
０℃で２〜４時間行なわれる。仮焼きによってほぼフォ
ルステライトの良好な単一相が合成される。１０００℃
より低温及び１２００℃より高温はフォルステライトを
良好に合成しない。仮焼きしたフォルステライトの粉砕
は、たとえばウレタンボールを用いたボールミルにて行
なうことができる。粉砕の工程においてＴｉＯ₂ 粉末と
バインダが加えられ、各粉末の粉砕と混合が同時に行な
われる。バインダはポリビニルアルコール，メチルセル
ロースなどの有機質の糊料が用いられ、成形に必要な量
が添加される。ＴｉＯ₂ 粉末の添加量はフォルステライ
ト粉末に対し０．５〜１０％の範囲とされる。この範囲
において誘電損失を、たとえば７．０×１０^-5前後の値
に保ったまま焼結温度を１３００℃となすことができ
る。また、ＴｉＯ₂ の添加量が０．５〜約５％において
は誘電損失を１０^-4以下に抑えたまま、誘電率を８前後
まで調整することができる。粉砕はフォルステライト粉
末及びＴｉＯ₂ 粉末の粒度分布を平均粒径３μｍ以下に
することを主体とする。フォルステライト粉末及びＴｉ
Ｏ₂ 粉末の粒度が大きいと、フォルステライト粉末によ
る成形品の焼結性が悪くなり高密度の焼結体が得られな
い。粉砕工程において各粉末は混合状態にされる。

【０００９】前記成形品は適宜な加圧成形手段により、
用途に応じた所定形状にされる。成形品は脱脂処理にお
いてバインダ等の有機質の配合物が焼結除去される。脱
脂温度は有機質の配合物を除去に焼失させる程度とさ
れ、たとえば、３００〜５００℃で４〜７時間である。
脱脂後は続いて焼結される。焼結は１３００〜１４００
℃で１〜３時間程度、望ましくは１３００℃，２時間，
であり、この焼結条件を外れると磁器の良好な電気特
性、とくにマイクロ波に対しての低誘電損失、が得られ
ない。なお、ここでいうマイクロ波は周波数数百ＭＨ_Z
〜数百ＧＨ_Z 、およそ３００ＭＨ_Z 〜３００ＧＨ_Z の範
囲を指す。

【００１０】本発明においては、原料粉末及びＴｉＯ₂
粉末、及びこれらからフォルステライト磁器を得るため
の各諸工程において、フォルステライト磁器の磁器焼結
体に極力、不純物が入らないように配慮される。原料粉
末の調整はもちろん、ＴｉＯ₂ 粉末及びバインダとの混
合，粉砕，成形等の各処理工程は、不純物の混入しない
材質及び手段が用いられる。

【００１１】

【作用】原料粉末は仮焼きによりフォルステライトに合
成され、合成されたフォルステライトは粉砕することに
より粉末とされる。フォルステライト磁器を作製する
際、原料粉末及びＴｉＯ₂ 粉末等からの不純物の混入を
制御することより、高純度のフォルステライトが合成さ
れ、さらにフォルステライト磁器を得る各工程におい
て、不純物の混入量を制御することより、高純度の磁器
焼結体を得る。

【００１２】原料粉末に配合したＴｉＯ₂ は成形品の焼
結温度を下げる作用をなす。また、フォルステライト粉
末を平均粒径３μｍ以下の粒度分布を持つ粉末にするこ
とより、ガラス相の排除による焼結性の低下を防ぎ、従
来と同等の焼結温度で緻密化させ高密度の磁器焼結体と
なし得る。このため本発明にて得られるフォルステライ
ト磁器の結晶は、フォルステライト相以外の相が排除さ
れ、かつ粒界におけるガラス相が排除された高純度のも
のとなる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の第１の実施例を、図１〜図５
を参照して説明する。まず、原料粉末とするための高純
度のＭｇＯ粉末とＳｉＯ₂ 粉末、及び添加剤とするＴｉ
Ｏ₂ 粉末を用意する。ＭｇＯ粉末及びＳｉＯ₂ 粉末の粒
度は細かい方が望ましいが、本例では平均粒径０．０９
μｍ、（比表面積２６．０３ｍ² ／ｇ）のＭｇＯ粉末、
及び平均粒径０．８２、（比表面積１．７８ｍ² ／ｇ）
のＳｉＯ₂ 粉末を用いた。なお、ＭｇＯ粉末及びＳｉＯ
₂ 粉末の粒度は仮焼きにおいて充分反応する程度のもの
でよい。本例に用いたＭｇＯ粉末及びＳｉＯ₂ 粉末のＩ
ＣＰ発光分光分析による含有不純物の分析結果は表１に
示す通りである。ＴｉＯ₂ 粉末においても細かい粒度の
ものが望ましいが、本例では平均粒径０．６８μｍのル
チル型結晶の粉末を用いた。本例ＴｉＯ₂ 粉末１ＣＰ分
析による含有不純物の分析結果は表２に示す通りであ
る。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】なお、表１及び表２において、成分量の数
値単位は％であり、−印は０．００１％以下量含有する
ことを表わす。

【００１７】次いで、図１に示す各工程にしたがって本
例のフォルステライト磁器を作製する。ＭｇＯとＳｉＯ
₂ がモル比２：１となる様にＭｇＯ粉末とＳｉＯ₂ 粉末
を秤量し、蒸留水を加え、ウレタンボールを用いてボー
ルミルで２０時間混合し混合物とした。混合物は約１０
０℃で２４時間乾燥し原料粉末とする。次いで原料粉末
は１２００℃で３時間仮焼きしてフォルステライトが合
成された仮焼き品を得た。この仮焼き品はＴｉＯ₂ 粉末
及びバインダと共にボールミールに入れ、粉砕・混合の
処理をした。

【００１８】すなわち、仮焼き品に対し、ポリビニルア
ルコール（バインダ）の添加量は１．０％とし、ＴｉＯ
₂ 粉末の添加量は無添加及び０．５〜３０．０％の添加
量として各区の試料を用意した。そして、ＴｉＯ₂ 粉末
の無添加の区をＣ，ＴｉＯ₂粉末０．５％添加区をＳ
ｌ，ＴｉＯ₂ 粉末１．０％添加区をＳ２，ＴｉＯ₂ 粉末
２．０％添加区をＳ３，ＴｉＯ₂ 粉末５．０％添加区を
Ｓ４，ＴｉＯ₂ 粉末１０．０％添加区をＳ５，ＴｉＯ₂
粉末３０．０％添加区をＳ６として無添加区と添加区６
区の計７区の試料を用意した。なお、この７区の各試料
は図１の「粉砕・混合」以下の工程にしたがって同様に
処理した。粉砕・混合はＺｒＯ₂ ボールを用いて２４時
間処理し、しかる後、１００℃で２４時間乾燥して、Ｔ
ｉＯ₂ 及びバインダが混合された各フォルステライト粉
末（仮焼き粉末）とした。

【００１９】ＴｉＯ₂ 粉末２．０％添加区Ｓ３の粒度分
布は図２に示す通りである。なお、図２において、右の
たて目盛は棒グラフの尺度を示し、左の縦目盛（％）は
線グラフの尺度を示す。図２のグラフに示されるよう
に、添加区Ｓ３は粉末の５０％が粒径１μｍ以下のもの
であった。

【００２０】混合処理後の各添加区Ｃ及びＳ１〜Ｓ６の
粉末は各区ごとに円柱形に成形した。成形は、まず３０
０ｋｇ／ｃｍ² の一軸成形（仮成形）し、次いで３００
０ｋｇ／ｃｍ² でＣＩＰ成形（本成形）して成形品とし
た。次いで、各成形品は加熱炉に入れ、４００℃で６時
間加熱して脱脂した後、昇温し、１４００℃で２時間焼
成して、各添加区Ｃ及びＳ１〜Ｓ６に対応する円柱形の
各フォルステライト磁器Ｃ及びＳ１〜Ｓ６を得た。各フ
ォルステライト磁器Ｃ及びＳ１〜Ｓ６の焼結性はいずれ
も良好であった。

【００２１】この各フォルステライト磁器Ｃ及びＳ１〜
Ｓ６のかさ密度及び誘電特性（誘電率ε及び誘電損失ｔ
ａｎδ）は表３に示す通りである。

【００２２】

【表３】

【００２３】従来フォルステライト磁器イ，ロ，ハは、
その作製工程においてフォルステライト粉末の粒度分布
が考慮されず、かつ磁器焼結体中の不純物含有量が、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ ０．１０％，ＣａＯ ０．０５％，Ｆｅ₂ Ｏ
₃ ０．０５％，ＺｒＯ₂０．０４％，の少くとも１つ
を超えるものである。そして、表３における誘電率ε及
び誘電損失ｔａｎδは、両端短絡型誘電体円柱共振器法
にて測定した値であり、本例フォルステライト磁器Ｃ_,
Ｓ１〜Ｓ６は１５．８〜１８．７ＧＨ_Z で測定し、従来
フォルステライト磁器イ，ロ，ハは９．３〜１０．０Ｇ
Ｈ_Z で測定した場合のものである。表３より本例のフォ
ルステライト磁器Ｓ１〜６は従来のイ，ロ，ハより、誘
電損失が１オーダー小さいことが認められた。また、本
例のフォルステライト磁器Ｓ１〜Ｓ６はフォルステライ
ト磁器Ｃよりもかさ密度が大きいことが認められた。

【００２４】本例フォルステライト磁器Ｓ１〜Ｓ６の抵
抗率（３端子法による測定）と、熱膨張率及び膨張係数
（昇温１０℃／ｍｉｎ，最高温度８００℃，標準試料ア
ルミナを使用）は、いずれも従来市販のフォルステライ
ト磁器とほぼ同等であった。したがって、本例の各フォ
ルステライト磁器Ｓ１〜Ｓ６はマイクロ波用の絶縁材と
して好ましいものである。

【００２５】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
前記した第１の実施例において添加区Ｃ，Ｓ１〜Ｓ６の
各試料を多数用意し、図１の工程要領に準じて各成形品
を１２００，１２５０，１３００，１３５０，１４０
０，１４５０，１５００℃の各温度にて２時間焼成し
て、各添加区Ｃ及びＳ１〜Ｓ６に対応する円柱形の各フ
ォルステライト磁器Ｃ及びＳ１〜Ｓ６を製造した。次い
で製造した各フォルステライト磁器Ｃ及びＳ１〜Ｓ６の
かさ密度を測定し、各焼結温度とかさ密度の関係を調べ
た。この結果は図３に示す通りであった。なお、図３中
のグラフＴは市販のフォルステライトよりフォルステラ
イト磁器を得た場合のものである。図３において、Ｓ
１，Ｓ２，Ｓ３のグラフのかさ密度は焼結温度が１３０
０℃と１４００℃においてほぼ同じであることより、Ｔ
ｉＯ₂ の添加量が０．５〜２．０％において焼結温度を
約１００℃低温となし得ることが認められる。また、Ｔ
ｉＯ₂ の添加量が５％（Ｓ４のグラフ参照）あたりか
ら、フォルステライトより密度の高いＴｉＯ₂ （ルチル
型の密度ρ＝４．２４ｇ／ｃｍ³ ）の添加による緻密体
の密度の増加がみられる。しかし、ＴｉＯ₂ が５％以上
の添加区（Ｓ５，Ｓ６のグラフ参照）においては１３０
０℃で緻密化せず、焼結温度は約５０℃高くなった。

【００２６】次に、本例にて製造した各フォルステライ
ト磁器Ｃ及びＳ１〜Ｓ６の誘電率及び誘電損失を測定
し、ＴｉＯ₂ の添加量と誘電率及び誘電損失の関係を調
べた。この結果、ＴｉＯ₂ の添加量と誘電率の関係は図
４にグラフＧに示す通りであり、ＴｉＯ₂ の添加量と誘
電損失の関係は図５の▲印に示す通りであった。なお、
図４，図５においてＴは市販のフォルステライト磁器の
値を示し、ＣはＴｉＯ₂無添加のフォルステライト磁器
の値を示す。図４において、フォルステライトより高誘
電率のＴｉＯ₂ の添加によりフォルステライト磁器の誘
電率はＴｉＯ₂ の添加量に比例して増加することが認め
られた。図５において、誘電損失は添加量１０％までは
ゆるやかに増加するが、１０％と３０％の間で急激な増
加がみられた。

【００２７】すなわち、本実施例によれば、 （ａ）ＴｉＯ₂ を１０％以下量の範囲で添加することよ
り、誘電損失を１０^-4以下に抑えたまま誘電率を８前後
まで調整することができること。 （ｂ）ＴｉＯ₂ ５．０％以下量の添加により誘電損失を
７．０×１０^-5前後の値のまま焼結温度を約１００℃下
げることができること、が認められた。

【００２８】

【発明の効果】請求項１の発明は、原料粉末，及び該原
料粉末から前記フォルステライト磁器を得る各工程にお
いて、フォルステライト磁器の磁器焼結体に含まれる不
純物をＡｌ₂ Ｏ₃ ０．１０％以下、ＣａＯ ０．０５
％以下、Ｆｅ₂ Ｏ₃ ０．０５％以下、ＺｒＯ₂ ０．
４０％以下、その他 ０．０１％以下、に制御するこ
と、及び、フォルステライトの粉末の粒度分布を平均粒
径３μｍ以下にすること、及び、ＴｉＯ₂ を１０％以下
量において混合すること、としたので、マイクロ波領域
での誘電損失が小さく、マイクロ波用の絶縁材として好
ましいフォルステライト磁器を得ることができる。すな
わち、請求項１の発明によれば高純度のフォルステライ
ト粉末を得る一方、磁器を製作する各工程から不純物の
混入を制御するので不純物の少い磁器を得ることがで
き、また、フォルステライト粉末の粒度分布を平均粒径
３μｍ以下とするので、緻密化した高密度の物性をする
ことができ、かつ、ＴｉＯ₂ を１０％以下量において混
合すること、としたので、これらによって、誘電損失を
１０^-4以下に抑えたまま誘電率を８程度にすることがで
きる。請求項２の発明は、ＴｉＯ₂ の添加量を５％以下
量とするので、誘電損失を、たとえば７．０×１０^-5の
値のままで、焼結温度を従来と同様に約１３００℃程度
で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施例のフォルステライト磁器を得
る工程図。

【図２】フォルステライト粉末の粒度分布を示すグラ
フ。

【図３】ＴｉＯ₂ を添加したフォルステライト磁器の焼
結性を示すグラフ。

【図４】ＴｉＯ₂ を添加したフォルステライト磁器の誘
電率を示すグラフ。

【図５】ＴｉＯ₂ を添加したフォルステライト磁器の誘
電損失を示すグラフ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭｇＯとＳｉＯ₂ を２対１のモル比で混
   合した原料粉末を、仮焼きし、粉砕してフォルステライ
   トの粉末とし、該粉末にバインダ及びＴｉＯ₂ の粉末を
   混合し加圧成形して成形品となし、該成形品を脱脂及び
   焼結してフォルステライト磁器を作製する方法であっ
   て、 前記原料粉末、及び該原料粉末から前記フォルステライ
   ト磁器を得る各工程において、フォルステライト磁器の
   磁器焼結体に含まれる不純物をＡｌ₂ Ｏ₃ ０．１０％
   以下、ＣａＯ ０．０５％以下、Ｆｅ₂ Ｏ₃ ０．０５
   ％以下、ＺｒＯ₂ ０．４０％以下、その他 ０．０１
   ％以下、に制御すること、及び、 前記フォルステライトの粉末の粒度分布を平均粒径３μ
   ｍ以下にすること、及び、前記ＴｉＯ₂ を１０％以下量
   において混合すること、 を特徴としたフォルステライト磁器の作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１においてＴｉＯ₂ を５％以下量
   混合することを特徴としたフォルステライト磁器の作製
   方法。