誘電体共振子および誘電体共振器
【課題】 共振周波数が大きく外れることなく、共振動作の最中に発生した熱を、表面から効率よく放熱することができる誘電体共振子を提供する。
【解決手段】 一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子を提供する。
【解決手段】 一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体共振子および誘電体共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電体共振子を導電性ケース内で支持した構成の誘電体共振器が利用されている。このような誘電体共振器は構造が簡単である上、低コストかつ高出力であり、例えば電磁波出力装置として、好適に用いられている。従来、誘電体共振器の構造としては、図４に示すように、円柱状をした誘電体セラミックスからなる誘電体共振子１０１を、アルミナやフォルステライトを主成分とする絶縁性セラミックスにより形成した支持台１０２を介して金属製ケース１０３の中央に配置したものがあった。この誘電体共振子１０１に特定の信号を入力すると、誘電体共振子１０１に対応した特定の共振周波数ｆが出力信号として出力されることから、誘電体フィルタとして使用され、各種回路や電磁波送受信装置等に搭載されていた。
【０００３】
誘電体共振子１０１は、共振に伴って発熱し、この発熱により誘電体共振器の特性（共振周波数ｆ、無負荷Ｑ値）に悪影響を与えることがある。誘電体共振子１０１に発生した熱は支持台１０２を介して放熱されるが、近年の、基地局などに用いられる誘電体共振器における電磁波の高出力化が進み、支持台１０２から充分には放熱されないといった問題があった。
【０００４】
例えば下記特許文献１では、誘電体共振子１０１からの放熱を促進するため、支持台を高熱伝導率を有する窒化アルミニウムセラミックスにより形成した誘電体共振器が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７０９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、入出力する電磁波の出力が高まるにつれ、特許文献１に記載の誘電体共振器のように、支持台からの放熱だけでは、誘電体共振器から充分に放熱できない場合があった。また例えば、誘電体共振器からの放熱を促進するために、放熱構造を設けるなど、誘導体共振器の形状を変更した場合、誘電体共振器における電磁場の分布が不規則に乱れ、共振周波数の大きさが所定の値から外れ、共振周波数の調整自体が困難となる場合もあった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子を提供する。
【０００８】
また、誘電体共振子と、前記誘電体共振子を収容する導電性ケースとを備えることを特徴とする誘電体共振器を、併せて提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の誘電体共振子は、共振周波数が大きく外れることなく、共振動作の最中に発生した熱を、表面から効率よく放熱することができる。本発明の誘電体共振器は、動作の最中、自身の温度上昇にともなう特性の変動が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の誘電体共振子の一実施形態について説明する図であり、(ａ)は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す誘電体共振子を備えて構成された、本発明の誘電体共振器の一実施形態について説明する側断面図であり、（ｂ）は誘電体共振器を図２(ａ)中のＢ−Ｂ´線で切断した概略断面図である。
【図３】（ａ）および(ｂ)は、本発明の誘電体共振子の他の実施形態の概略斜視図である。
【図４】従来の誘電体共振子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の誘電体共振子の実施形態を以下に詳細に説明する。図１に、本発明の誘電体共振子１０を示している。誘電体共振子１０は、一方主面１０Ａと、一方主面１０Ａに平行な他方主面１０Ｂと、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂに対して垂直な周面１０Ｃとを備えている。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに向かって延びた、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの間を貫通した貫通孔１２が複数設けられている。
【００１２】
一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂは、一方主面１０Ａに垂直な上面視において円形状となっている。貫通孔１２は、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの中心を結ぶ軸線α（所定軸）を中心軸とする、円柱形状の中心貫通孔１２ａと、軸線αを中心とした同心円１３上に配置された複数の貫通孔１２ｂとを有する。より詳しくは、一方主面１０Ａに垂直な方向の平面視において、軸線αを中心とした同心円１３上に、円柱形状の複数の貫通孔１２ｂの中心軸βが配置されている。複数の貫通孔１２ｂはいずれも同一の直径を有し、各貫通孔１２ｂの間隔は同一とされている。
【００１３】
このように誘電体共振子１０では、複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）が、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂに垂直な軸線αに対してｎ回対称（ｎは２以上２０以下の整数）となるように配置されている。図１に示す例では、ｎ＝８とされている。すなわち、誘電体共振子１０は、ある配置状態に対して、軸線αを中心に４５℃回転する毎に同一の配置状態となっている。
【００１４】
図２（ａ）は、図１に示す誘電体共振子１０を備えて構成された誘電体共振器２０について説明する側断面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ´線で切断した概略断面図である。誘電体共振器２０は、内部空隙を電磁シールドする金属製容器等の導電性ケーシング２４の底面に、支持台２５を介して誘電体共振子１０が保持されている。導電性ケーシング２４の、対向する２つの側面には、誘電体共振子１０と電磁界結合する入力端子２９ａおよび出力端子２９ｂが設けられている。誘電体共振器２０では、入力端子２９ａから電磁波が入力され、入力された電磁波は誘電体共振子１０と自由空間との境界の反射によって誘電体共振子１０内に閉じ込められ、特定の周波数ｆで共振を起こす。この信号が出力端子２９ｂと電磁界結合して出力される。本実施形態では、入力端子２９ａと出力端子２９ｂとを結ぶ直線上に、誘電体共振子１０の軸線αが位置するように、誘電体共振子１０が誘電体共振器２０内に配置されている。
【００１５】
誘電体共振器２０において誘電体共振子１０が共振を生じている最中、電磁界エネルギ
ーの一部が熱エネルギーへ変換されたり、共振にともなう誘電体共振子１０内の物質の振動等が生じたりすることにより誘電体共振子１０自体が発熱する。本実施形態では、誘電体共振子１０が複数の貫通孔１２を備えており、一方主面１０Ａや他方主面１０Ｂや周面１０Ｃのみでなく、各貫通孔１２の内周面を、表面に備えている。誘電体共振子１０は表面積が大きく、放熱効率が比較的高い。
【００１６】
また、これら複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）は、軸線αに対して８回対称となるように配置されており、誘電体共振子１０をケーシング２４内に配置した際の、共振周波数のずれが抑制されている。貫通孔１２には空気が存在しており、この貫通孔１２の部分における誘電率は、誘電体共振子１０自体の誘電率に比べて低くなっている。このように局所的に低い誘電率の領域が導電性ケーシング２４内に存在していると、その領域を基点に電場および磁場の強弱の分布が生じる。誘電体共振子１０に貫通孔や空洞が不規則に配置されていると、ケーシング２４内の電場や磁場が不規則形状となり、入力端子２９ａと出力端子２９ｂと誘電体共振子１０との位置関係の微妙なずれ等に応じて、共振状態が不規則に変化し易い。誘電体共振子１０は、複数の貫通孔１２が、軸線αに対して８回対称となるように配置されており、ケーシング２４における電場や磁場の分布は、軸線αを中心に対称的に分布している。すなわち、電場や磁場が強い部分、または弱い部分が、軸線αを中心とした回転方向に沿って規則的に繰り返されるように分布している。このため、入力端子２９ａと出力端子２９ｂと誘電体共振子１０との位置関係の微妙なずれ等が生じた場合でも、共振状態が不規則に変化することが抑制されている。また、本実施形態では、誘電体共振子１０が、軸線αを中心とした４５°回転毎に同一の誘電率分布となっており、共振装置２０の組み立ての最中、誘電体共振子１０の配置状態を、軸線αを中心とした小さい回転角範囲で調整することで、所望の共振状態を比較的容易に得ることができる。誘電体共振子１０を用いることで、共振周波数が高精度に制御された誘電体共振器２０を、比較的少ない手間で組立てることが可能となっている。
【００１７】
≪誘電体共振子１０の材質例≫
本実施形態の誘電体共振子１０は、金属元素として少なくともＢａ、Ｔｉを含有し、これらの金属酸化物のモル比による組成式をＢａＯ−ｘＴｉＯ2と表した時、上記ｘが３．
９≦ｘ≦４．１を満足する主成分１００重量部に対して、ＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０重量部含有し、かつＸ線回折ピーク強度がＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ9の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ
７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０となるものを用いている。
【００１８】
モル比による主成分の組成式を、ＢａＯ−ｘＴｉＯ２と表したとき、ｘが３．９≦ｘ≦４．１の範囲内とすることで、Ｑｆを比較的高くすることができる。また、上記主成分１００重量部に対してＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０重量部含有させることで、共振周波数の温度係数τfを−１５ｐｐｍ／℃以上かつ１５ｐｐｍ／℃以下の、実用的な範囲とするこ
とができる。
【００１９】
なお、共振周波数の温度係数τfをより０に近くするという観点から、ＺｎはＺｎＯ換
算で主成分１００重量部に対して２〜１４重量部の範囲で含有することが好ましい。より具体的には、誘電体共振子１０は、ＢａＴｉ４Ｏ９結晶相が主結晶相として存在し、更にＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４結晶相が存在するものであり、Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０となっており、Ｂａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度、およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（
１１４）面帰属ピーク強度の比を所定範囲としておくことによってＱｆの値を５３０００ＧＨｚ以上の高い値となすことができる。上記Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、Ａ／Ｂの値が０．０１未満又は０．２とすることで、Ｑｆの値を高くしておくことができる。
【００２０】
なお、上記Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度は、例えば、ＪＣＰＤＳ−ＩＣＤＤ（粉末回析標準委員会国際回析データセンター）のＸ線回折データを参照して求められ、ＪＣＰＤＳ−ＩＣＤＤのＸ線回折データによれば、Ｂａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピークの面間隔はｄA＝４．２６８、ＢａＴｉ4Ｏ9の（１２１）面帰属ピークの面間隔はｄB＝２．９６７６、Ｂａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピークの面間隔はｄC＝２．８１で
ある。これらの面間隔の値は測定条件、結晶の配向等によって変化する場合があり、ｄA
、ｄBおよびｄCはｄA＝４．２５〜４．３１、ｄB＝２．９６〜２．９９、ｄC＝２．８０
〜２．８４の値としている。
【００２１】
また、Ｑｆの値を高い値に維持するためには平均結晶粒径をＤとしたとき、０．３Ｄ〜２．５Ｄの結晶が３０〜９０体積％となるようにしておくことが好ましい。このような誘電体共振子の平均結晶粒径は、例えば次の方法によって測定される。即ち、焼結体の内部を無作為に４箇所以上選びサンプルを取り、これらのサンプルの断面を平面研磨によって鏡面仕上げする。次いで、鏡面仕上げしたサンプルを熱エッチング法によりＳＥＭ像で結晶の形が観察できる様にする。
【００２２】
上記熱エッチング法の熱処理温度は８００〜１２５０℃、保持時間は１分から２時間程度の範囲であれば良いが、ＳＥＭによる結晶の形が観察できること、および粒界が明瞭に観察できる様にすることが重要である。この熱エッチング処理をした後、各々のサンプルについて５０〜５００個程度の結晶粒径を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流５×１０−１０Ａ程度、倍率３００〜３０００倍程度での反射電子像の写真撮影をし、得られた写真の各々の結晶粒径を画像解析法により測定する。この方法で結晶粒径Ｈｄは、Ｈｄ＝２（Ａ／π）１／２（ここでＡは粒子内面積）により求められる。こうして得られた結晶粒径の平均値を求める。
【００２３】
また、本実施形態においては、ＢａＯ−ｘＴｉＯ２（３．９≦ｘ≦４．１）から成る主成分１００重量部に対してＣｕをＣｕＯ換算で０．０１〜７重量部含有させておくと、共振周波数の温度係数τfの曲がり、即ち、温度ドリフト△τfを０に近づけることができるので好ましい。
【００２４】
このような組成の誘電体共振子は、数百ＭＨｚ程度の比較的低い周波数（比較的な長い波長）で、良好な共振周波数を有している。長波長に対応するよう共振子１０を直径数十ｃｍと比較的大きくし、比較的多くの孔を形成した場合も、良好な共振特性を有している。本実施形態の誘電体共振子１０は、誘電体共振子１０の直径が２０〜５０ｃｍの範囲、共振周波数が１５０〜４００ＭＨｚの範囲で動作する誘電体共振器２０に最適に用いられる。
【００２５】
≪誘電体共振子１０の製造方法の例≫
次に、誘電体共振子１０の製造方法の一例について説明しておく。先ず原料粉末として、純度９９％以上のＢａＣＯ3、ＴｉＯ２及びＺｎＯ、純度９８％以上のＣｕＯ粉末を準
備し、これらを所定量秤量し、混合、粉砕し、得られた粉末を１０００〜１１５０℃の温
度で１時間以上保持して仮焼する。仮焼時の昇温速度は８００℃以上の温度において平均５０〜２００℃／時間で昇温する。仮焼した粉末を粉砕粒径がメジアン径で０．５〜２．０μｍに粉砕する。粉砕後の仮焼粉末にバインダーを添加し、プレス成形や成形後ドリル加工等の公知の方法により所定形状に成形する。この成形により、図１に示す共振子１０に応じた形状の、仮焼粉末成形体を得る。この仮焼粉末成形体は、貫通孔１２に対応する孔を有しており、単純な円柱形状に比べて表面積が大きくなっている。
【００２６】
成形後、脱バインダー後のカーボン量が０．１重量％以下となるよう脱バインダーを行う。脱バインダー条件は、仮焼粉末成形体を４００〜８００℃で２０時間以上保持することで行う。複数の孔が形成された仮焼粉末成形体は表面積が比較的大きく、比較的短時間で、仮焼粉末成形体の内部まで脱バインダー処理が確実に進行する。
【００２７】
脱バインダー後、大気中または酸素を含む雰囲気中において、昇温速度２０〜３００℃／時間で昇温し、１０５０〜１３００℃で５〜３０時間焼成することによって誘電体共振子１０が得られる。焼成においても、脱バインダー後の仮焼成体が複数の孔を有し、単純な円柱形状に比べて表面積が大きいので、比較的短時間で充分に、成形体の内部まで焼成が進行する。
【００２８】
得られる誘電体磁器において、Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０とするには、粉砕粒径、脱バインダー条件、焼成条件を上述の範囲とすることによって行うことができる。
【００２９】
≪誘電体共振子の他の実施形態の例≫
上記実施形態の誘電体共振子１０は、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに向かって延びた、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの間を貫通した貫通孔１２を複数備えている。しかし、誘電体共振子としては上記実施形態に限定されず、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの少なくともいずれか一方に開口を有する、一方主面１０Ａに垂直な方向に延びた複数の孔が設けられていればよい。図３（ａ）（ｂ）は、誘電体共振子の他の実施形態について説明する図である。誘電体共振子としては、例えば図３(ａ)に示すように、一方主面１０Ａの側のみが開口した複数の孔１４が設けられた形態でもよく、また例えば、図３（ｂ）に示すように、一方主面１０Ａの側のみが開口した複数の孔１４と、他方主面１０Ｂの側のみが開口した複数の孔１６とを備えていてもよい。また、図示しているように、中心軸を貫通する貫通孔１２ａと、一方主面１０Ａまたは他方主面１０Ｂのみが開口した孔とが混在していてもよい。また、中心軸の周囲に配置された貫通孔１２ｂと、一方主面１０Ａまたは他方主面１０Ｂのみが開口した孔とが混在していてもよい。本発明の共振子は、複数の孔が、一方主面および他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上２０以下の整数）となるように配置されていれば、孔の形状等については特に限定されない。
【００３０】
また、上記実施形態では、複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）が、所定の軸線αに対して８回対称となるように配置されているが、所定の軸線αに対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていれば、ｎの数は特に限定されない。ｎが大きいほど、誘電率の分布の不規則さが低減され、軸線αを中心とした少ない角度範囲の回転で、所望の共振状態を実現することができる。また、複数の孔の形状や大きさが同一ならば、ｎが大きいほど共振子の表面積は大きくなるので、この点でも、ｎの数は大きい方が好ましい。一方、ｎが大きく、孔の数が大きいほど機械的強度は強くなるので、比較的大きい共振体における自重による損傷を抑制するためには、ｎは２０以下であることが好ましい。
【００３１】
また、上記実施形態の誘電体共振子１０は、所定軸（軸線α）に垂直な断面の外周が円形状としたが、外周の形状としてはｎ回対称（ｎは２以上）であればよく、円形であることに限定されない。ただし、誘電率の強度分布をより均一にするには、上記断面における外周形状が円形であることが好ましい。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の誘電体共振子は、上記実施形態に限定されない。本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３３】
１０ 誘電体共振子
１０Ａ 一方主面
１０Ｂ 他方主面
１０Ｃ 周面
１２ 貫通孔
２０ 誘電体共振器
２４ ケーシング
２９ａ 入力端子
２９ｂ 出力端子
α 軸線（所定軸）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体共振子および誘電体共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電体共振子を導電性ケース内で支持した構成の誘電体共振器が利用されている。このような誘電体共振器は構造が簡単である上、低コストかつ高出力であり、例えば電磁波出力装置として、好適に用いられている。従来、誘電体共振器の構造としては、図４に示すように、円柱状をした誘電体セラミックスからなる誘電体共振子１０１を、アルミナやフォルステライトを主成分とする絶縁性セラミックスにより形成した支持台１０２を介して金属製ケース１０３の中央に配置したものがあった。この誘電体共振子１０１に特定の信号を入力すると、誘電体共振子１０１に対応した特定の共振周波数ｆが出力信号として出力されることから、誘電体フィルタとして使用され、各種回路や電磁波送受信装置等に搭載されていた。
【０００３】
誘電体共振子１０１は、共振に伴って発熱し、この発熱により誘電体共振器の特性（共振周波数ｆ、無負荷Ｑ値）に悪影響を与えることがある。誘電体共振子１０１に発生した熱は支持台１０２を介して放熱されるが、近年の、基地局などに用いられる誘電体共振器における電磁波の高出力化が進み、支持台１０２から充分には放熱されないといった問題があった。
【０００４】
例えば下記特許文献１では、誘電体共振子１０１からの放熱を促進するため、支持台を高熱伝導率を有する窒化アルミニウムセラミックスにより形成した誘電体共振器が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７０９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、入出力する電磁波の出力が高まるにつれ、特許文献１に記載の誘電体共振器のように、支持台からの放熱だけでは、誘電体共振器から充分に放熱できない場合があった。また例えば、誘電体共振器からの放熱を促進するために、放熱構造を設けるなど、誘導体共振器の形状を変更した場合、誘電体共振器における電磁場の分布が不規則に乱れ、共振周波数の大きさが所定の値から外れ、共振周波数の調整自体が困難となる場合もあった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子を提供する。
【０００８】
また、誘電体共振子と、前記誘電体共振子を収容する導電性ケースとを備えることを特徴とする誘電体共振器を、併せて提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の誘電体共振子は、共振周波数が大きく外れることなく、共振動作の最中に発生した熱を、表面から効率よく放熱することができる。本発明の誘電体共振器は、動作の最中、自身の温度上昇にともなう特性の変動が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の誘電体共振子の一実施形態について説明する図であり、(ａ)は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す誘電体共振子を備えて構成された、本発明の誘電体共振器の一実施形態について説明する側断面図であり、（ｂ）は誘電体共振器を図２(ａ)中のＢ−Ｂ´線で切断した概略断面図である。
【図３】（ａ）および(ｂ)は、本発明の誘電体共振子の他の実施形態の概略斜視図である。
【図４】従来の誘電体共振子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の誘電体共振子の実施形態を以下に詳細に説明する。図１に、本発明の誘電体共振子１０を示している。誘電体共振子１０は、一方主面１０Ａと、一方主面１０Ａに平行な他方主面１０Ｂと、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂに対して垂直な周面１０Ｃとを備えている。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに向かって延びた、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの間を貫通した貫通孔１２が複数設けられている。
【００１２】
一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂは、一方主面１０Ａに垂直な上面視において円形状となっている。貫通孔１２は、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの中心を結ぶ軸線α（所定軸）を中心軸とする、円柱形状の中心貫通孔１２ａと、軸線αを中心とした同心円１３上に配置された複数の貫通孔１２ｂとを有する。より詳しくは、一方主面１０Ａに垂直な方向の平面視において、軸線αを中心とした同心円１３上に、円柱形状の複数の貫通孔１２ｂの中心軸βが配置されている。複数の貫通孔１２ｂはいずれも同一の直径を有し、各貫通孔１２ｂの間隔は同一とされている。
【００１３】
このように誘電体共振子１０では、複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）が、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂに垂直な軸線αに対してｎ回対称（ｎは２以上２０以下の整数）となるように配置されている。図１に示す例では、ｎ＝８とされている。すなわち、誘電体共振子１０は、ある配置状態に対して、軸線αを中心に４５℃回転する毎に同一の配置状態となっている。
【００１４】
図２（ａ）は、図１に示す誘電体共振子１０を備えて構成された誘電体共振器２０について説明する側断面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ´線で切断した概略断面図である。誘電体共振器２０は、内部空隙を電磁シールドする金属製容器等の導電性ケーシング２４の底面に、支持台２５を介して誘電体共振子１０が保持されている。導電性ケーシング２４の、対向する２つの側面には、誘電体共振子１０と電磁界結合する入力端子２９ａおよび出力端子２９ｂが設けられている。誘電体共振器２０では、入力端子２９ａから電磁波が入力され、入力された電磁波は誘電体共振子１０と自由空間との境界の反射によって誘電体共振子１０内に閉じ込められ、特定の周波数ｆで共振を起こす。この信号が出力端子２９ｂと電磁界結合して出力される。本実施形態では、入力端子２９ａと出力端子２９ｂとを結ぶ直線上に、誘電体共振子１０の軸線αが位置するように、誘電体共振子１０が誘電体共振器２０内に配置されている。
【００１５】
誘電体共振器２０において誘電体共振子１０が共振を生じている最中、電磁界エネルギ
ーの一部が熱エネルギーへ変換されたり、共振にともなう誘電体共振子１０内の物質の振動等が生じたりすることにより誘電体共振子１０自体が発熱する。本実施形態では、誘電体共振子１０が複数の貫通孔１２を備えており、一方主面１０Ａや他方主面１０Ｂや周面１０Ｃのみでなく、各貫通孔１２の内周面を、表面に備えている。誘電体共振子１０は表面積が大きく、放熱効率が比較的高い。
【００１６】
また、これら複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）は、軸線αに対して８回対称となるように配置されており、誘電体共振子１０をケーシング２４内に配置した際の、共振周波数のずれが抑制されている。貫通孔１２には空気が存在しており、この貫通孔１２の部分における誘電率は、誘電体共振子１０自体の誘電率に比べて低くなっている。このように局所的に低い誘電率の領域が導電性ケーシング２４内に存在していると、その領域を基点に電場および磁場の強弱の分布が生じる。誘電体共振子１０に貫通孔や空洞が不規則に配置されていると、ケーシング２４内の電場や磁場が不規則形状となり、入力端子２９ａと出力端子２９ｂと誘電体共振子１０との位置関係の微妙なずれ等に応じて、共振状態が不規則に変化し易い。誘電体共振子１０は、複数の貫通孔１２が、軸線αに対して８回対称となるように配置されており、ケーシング２４における電場や磁場の分布は、軸線αを中心に対称的に分布している。すなわち、電場や磁場が強い部分、または弱い部分が、軸線αを中心とした回転方向に沿って規則的に繰り返されるように分布している。このため、入力端子２９ａと出力端子２９ｂと誘電体共振子１０との位置関係の微妙なずれ等が生じた場合でも、共振状態が不規則に変化することが抑制されている。また、本実施形態では、誘電体共振子１０が、軸線αを中心とした４５°回転毎に同一の誘電率分布となっており、共振装置２０の組み立ての最中、誘電体共振子１０の配置状態を、軸線αを中心とした小さい回転角範囲で調整することで、所望の共振状態を比較的容易に得ることができる。誘電体共振子１０を用いることで、共振周波数が高精度に制御された誘電体共振器２０を、比較的少ない手間で組立てることが可能となっている。
【００１７】
≪誘電体共振子１０の材質例≫
本実施形態の誘電体共振子１０は、金属元素として少なくともＢａ、Ｔｉを含有し、これらの金属酸化物のモル比による組成式をＢａＯ−ｘＴｉＯ2と表した時、上記ｘが３．
９≦ｘ≦４．１を満足する主成分１００重量部に対して、ＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０重量部含有し、かつＸ線回折ピーク強度がＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ9の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ
７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０となるものを用いている。
【００１８】
モル比による主成分の組成式を、ＢａＯ−ｘＴｉＯ２と表したとき、ｘが３．９≦ｘ≦４．１の範囲内とすることで、Ｑｆを比較的高くすることができる。また、上記主成分１００重量部に対してＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０重量部含有させることで、共振周波数の温度係数τfを−１５ｐｐｍ／℃以上かつ１５ｐｐｍ／℃以下の、実用的な範囲とするこ
とができる。
【００１９】
なお、共振周波数の温度係数τfをより０に近くするという観点から、ＺｎはＺｎＯ換
算で主成分１００重量部に対して２〜１４重量部の範囲で含有することが好ましい。より具体的には、誘電体共振子１０は、ＢａＴｉ４Ｏ９結晶相が主結晶相として存在し、更にＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４結晶相が存在するものであり、Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０となっており、Ｂａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度、およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（
１１４）面帰属ピーク強度の比を所定範囲としておくことによってＱｆの値を５３０００ＧＨｚ以上の高い値となすことができる。上記Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、Ａ／Ｂの値が０．０１未満又は０．２とすることで、Ｑｆの値を高くしておくことができる。
【００２０】
なお、上記Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度およびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度は、例えば、ＪＣＰＤＳ−ＩＣＤＤ（粉末回析標準委員会国際回析データセンター）のＸ線回折データを参照して求められ、ＪＣＰＤＳ−ＩＣＤＤのＸ線回折データによれば、Ｂａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピークの面間隔はｄA＝４．２６８、ＢａＴｉ4Ｏ9の（１２１）面帰属ピークの面間隔はｄB＝２．９６７６、Ｂａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピークの面間隔はｄC＝２．８１で
ある。これらの面間隔の値は測定条件、結晶の配向等によって変化する場合があり、ｄA
、ｄBおよびｄCはｄA＝４．２５〜４．３１、ｄB＝２．９６〜２．９９、ｄC＝２．８０
〜２．８４の値としている。
【００２１】
また、Ｑｆの値を高い値に維持するためには平均結晶粒径をＤとしたとき、０．３Ｄ〜２．５Ｄの結晶が３０〜９０体積％となるようにしておくことが好ましい。このような誘電体共振子の平均結晶粒径は、例えば次の方法によって測定される。即ち、焼結体の内部を無作為に４箇所以上選びサンプルを取り、これらのサンプルの断面を平面研磨によって鏡面仕上げする。次いで、鏡面仕上げしたサンプルを熱エッチング法によりＳＥＭ像で結晶の形が観察できる様にする。
【００２２】
上記熱エッチング法の熱処理温度は８００〜１２５０℃、保持時間は１分から２時間程度の範囲であれば良いが、ＳＥＭによる結晶の形が観察できること、および粒界が明瞭に観察できる様にすることが重要である。この熱エッチング処理をした後、各々のサンプルについて５０〜５００個程度の結晶粒径を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流５×１０−１０Ａ程度、倍率３００〜３０００倍程度での反射電子像の写真撮影をし、得られた写真の各々の結晶粒径を画像解析法により測定する。この方法で結晶粒径Ｈｄは、Ｈｄ＝２（Ａ／π）１／２（ここでＡは粒子内面積）により求められる。こうして得られた結晶粒径の平均値を求める。
【００２３】
また、本実施形態においては、ＢａＯ−ｘＴｉＯ２（３．９≦ｘ≦４．１）から成る主成分１００重量部に対してＣｕをＣｕＯ換算で０．０１〜７重量部含有させておくと、共振周波数の温度係数τfの曲がり、即ち、温度ドリフト△τfを０に近づけることができるので好ましい。
【００２４】
このような組成の誘電体共振子は、数百ＭＨｚ程度の比較的低い周波数（比較的な長い波長）で、良好な共振周波数を有している。長波長に対応するよう共振子１０を直径数十ｃｍと比較的大きくし、比較的多くの孔を形成した場合も、良好な共振特性を有している。本実施形態の誘電体共振子１０は、誘電体共振子１０の直径が２０〜５０ｃｍの範囲、共振周波数が１５０〜４００ＭＨｚの範囲で動作する誘電体共振器２０に最適に用いられる。
【００２５】
≪誘電体共振子１０の製造方法の例≫
次に、誘電体共振子１０の製造方法の一例について説明しておく。先ず原料粉末として、純度９９％以上のＢａＣＯ3、ＴｉＯ２及びＺｎＯ、純度９８％以上のＣｕＯ粉末を準
備し、これらを所定量秤量し、混合、粉砕し、得られた粉末を１０００〜１１５０℃の温
度で１時間以上保持して仮焼する。仮焼時の昇温速度は８００℃以上の温度において平均５０〜２００℃／時間で昇温する。仮焼した粉末を粉砕粒径がメジアン径で０．５〜２．０μｍに粉砕する。粉砕後の仮焼粉末にバインダーを添加し、プレス成形や成形後ドリル加工等の公知の方法により所定形状に成形する。この成形により、図１に示す共振子１０に応じた形状の、仮焼粉末成形体を得る。この仮焼粉末成形体は、貫通孔１２に対応する孔を有しており、単純な円柱形状に比べて表面積が大きくなっている。
【００２６】
成形後、脱バインダー後のカーボン量が０．１重量％以下となるよう脱バインダーを行う。脱バインダー条件は、仮焼粉末成形体を４００〜８００℃で２０時間以上保持することで行う。複数の孔が形成された仮焼粉末成形体は表面積が比較的大きく、比較的短時間で、仮焼粉末成形体の内部まで脱バインダー処理が確実に進行する。
【００２７】
脱バインダー後、大気中または酸素を含む雰囲気中において、昇温速度２０〜３００℃／時間で昇温し、１０５０〜１３００℃で５〜３０時間焼成することによって誘電体共振子１０が得られる。焼成においても、脱バインダー後の仮焼成体が複数の孔を有し、単純な円柱形状に比べて表面積が大きいので、比較的短時間で充分に、成形体の内部まで焼成が進行する。
【００２８】
得られる誘電体磁器において、Ｘ線回折ピーク強度におけるＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２０、０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５０とするには、粉砕粒径、脱バインダー条件、焼成条件を上述の範囲とすることによって行うことができる。
【００２９】
≪誘電体共振子の他の実施形態の例≫
上記実施形態の誘電体共振子１０は、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに向かって延びた、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの間を貫通した貫通孔１２を複数備えている。しかし、誘電体共振子としては上記実施形態に限定されず、一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂの少なくともいずれか一方に開口を有する、一方主面１０Ａに垂直な方向に延びた複数の孔が設けられていればよい。図３（ａ）（ｂ）は、誘電体共振子の他の実施形態について説明する図である。誘電体共振子としては、例えば図３(ａ)に示すように、一方主面１０Ａの側のみが開口した複数の孔１４が設けられた形態でもよく、また例えば、図３（ｂ）に示すように、一方主面１０Ａの側のみが開口した複数の孔１４と、他方主面１０Ｂの側のみが開口した複数の孔１６とを備えていてもよい。また、図示しているように、中心軸を貫通する貫通孔１２ａと、一方主面１０Ａまたは他方主面１０Ｂのみが開口した孔とが混在していてもよい。また、中心軸の周囲に配置された貫通孔１２ｂと、一方主面１０Ａまたは他方主面１０Ｂのみが開口した孔とが混在していてもよい。本発明の共振子は、複数の孔が、一方主面および他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上２０以下の整数）となるように配置されていれば、孔の形状等については特に限定されない。
【００３０】
また、上記実施形態では、複数の貫通孔１２（貫通孔１２ａおよび１２ｂ）が、所定の軸線αに対して８回対称となるように配置されているが、所定の軸線αに対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていれば、ｎの数は特に限定されない。ｎが大きいほど、誘電率の分布の不規則さが低減され、軸線αを中心とした少ない角度範囲の回転で、所望の共振状態を実現することができる。また、複数の孔の形状や大きさが同一ならば、ｎが大きいほど共振子の表面積は大きくなるので、この点でも、ｎの数は大きい方が好ましい。一方、ｎが大きく、孔の数が大きいほど機械的強度は強くなるので、比較的大きい共振体における自重による損傷を抑制するためには、ｎは２０以下であることが好ましい。
【００３１】
また、上記実施形態の誘電体共振子１０は、所定軸（軸線α）に垂直な断面の外周が円形状としたが、外周の形状としてはｎ回対称（ｎは２以上）であればよく、円形であることに限定されない。ただし、誘電率の強度分布をより均一にするには、上記断面における外周形状が円形であることが好ましい。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の誘電体共振子は、上記実施形態に限定されない。本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３３】
１０ 誘電体共振子
１０Ａ 一方主面
１０Ｂ 他方主面
１０Ｃ 周面
１２ 貫通孔
２０ 誘電体共振器
２４ ケーシング
２９ａ 入力端子
２９ｂ 出力端子
α 軸線（所定軸）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、
前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、
複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子。
【請求項２】
前記所定軸に垂直な断面の外周が円形状であることを特徴とする請求項１記載の誘電体共振子。
【請求項３】
前記孔の中心軸の１つが、前記所定軸に一致することを特徴とする請求項１または２記載の誘電体共振子。
【請求項４】
前記一方主面に垂直な方向からの平面視において、前記所定軸を中心とした同心円上に複数の前記孔の中心軸が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項５】
複数の前記孔の少なくとも１つは、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項６】
複数の前記孔の少なくとも１つは、前記一方主面または前記他方主面の側が閉塞していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項７】
セラミックスを主成分とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項８】
金属元素として少なくともＢａおよびＴｉを含有し、これらの金属酸化物のモル比による組成式をＢａＯ−ｘＴｉＯ２と表したとき、上記ｘが３．９≦ｘ≦４．１を満足する主成分１００質量部に対して、ＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０質量部含有し、かつＸ線回折ピーク強度がＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２かつ０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５であることを特徴する請求項７に記載の誘電体共振子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の誘電体共振子と、
前記誘電体共振子を収容する導電性ケースとを備えることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項１】
一方主面と、前記一方主面に平行な他方主面と、前記一方主面および前記他方主面に対して垂直な周面とを備え、
前記一方主面および前記他方主面の少なくともいずれか一方に開口を有する、前記一方主面に垂直な方向に延びた複数の孔が設けられているとともに、
複数の前記孔が、前記一方主面および前記他方主面に垂直な所定軸に対してｎ回対称（ｎは２以上の整数）となるように配置されていることを特徴とする誘電体共振子。
【請求項２】
前記所定軸に垂直な断面の外周が円形状であることを特徴とする請求項１記載の誘電体共振子。
【請求項３】
前記孔の中心軸の１つが、前記所定軸に一致することを特徴とする請求項１または２記載の誘電体共振子。
【請求項４】
前記一方主面に垂直な方向からの平面視において、前記所定軸を中心とした同心円上に複数の前記孔の中心軸が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項５】
複数の前記孔の少なくとも１つは、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項６】
複数の前記孔の少なくとも１つは、前記一方主面または前記他方主面の側が閉塞していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項７】
セラミックスを主成分とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の誘電体共振子。
【請求項８】
金属元素として少なくともＢａおよびＴｉを含有し、これらの金属酸化物のモル比による組成式をＢａＯ−ｘＴｉＯ２と表したとき、上記ｘが３．９≦ｘ≦４．１を満足する主成分１００質量部に対して、ＺｎをＺｎＯ換算で１〜２０質量部含有し、かつＸ線回折ピーク強度がＢａ４Ｔｉ１３Ｏ３０の（０４０）面帰属ピーク強度をＡ、ＢａＴｉ４Ｏ９の（１２１）面帰属ピーク強度をＢおよびＢａ３Ｔｉ１２Ｚｎ７Ｏ３４の（１１４）面帰属ピーク強度をＣとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦０．２かつ０．０５≦Ｃ／Ｂ≦０．５であることを特徴する請求項７に記載の誘電体共振子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の誘電体共振子と、
前記誘電体共振子を収容する導電性ケースとを備えることを特徴とする誘電体共振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−３１０３１（Ｐ２０１３−３１０３１Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６２０３（Ｐ２０１１−１６６２０３）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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