JP2001181037A - Piezoelectric porcelain composition and piezoelectric transformer - Google Patents

Piezoelectric porcelain composition and piezoelectric transformer

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JP2001181037A
JP2001181037A JP37489699A JP37489699A JP2001181037A JP 2001181037 A JP2001181037 A JP 2001181037A JP 37489699 A JP37489699 A JP 37489699A JP 37489699 A JP37489699 A JP 37489699A JP 2001181037 A JP2001181037 A JP 2001181037A
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Japan
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piezoelectric
composition
mol
piezoelectric transformer
driving
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JP37489699A
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Japanese (ja)
Inventor
Kojiro Okuyama
浩二郎 奥山
Hiroshi Nakatsuka
宏 中塚
Masamitsu Nishida
正光 西田
Junichi Kato
純一 加藤
Hiroyuki Hase
裕之 長谷
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a piezoelectric porcelain composition capable of being fired at a temperature of <1,150 deg.C, having a large mechanical quality factor and having small deterioration of the mechanical quality factor in high electric field driving and a piezoelectric transformer using the piezoelectric porcelain composition. SOLUTION: This piezoelectric porcelain composition is obtained by including a composition represented by the composition formula: (PbuA1-u)u[(Zn1/3 Nb2/3)xTiyZrz]2-vO3 (wherein, A is at least one kind of element selected from the group composed of La, Nd, Pr and Bi; and (u), (v), (x), (y) and (z) satisfy reflectively 0.92<=u<=0.99, 0.97<=v<=1.03, 0.06<=x<=0.18, 0.43<=y<=0.53, 0.29<=z<=0.51 and x+y+z=1) and adding Mn in an amount of 0.7-3 mol% expressed in terms of MnO2 based on the composition, Al in an amount of 0.7-2.4 mol% expressed in terms of Al2O3 based on the composition and Si in an amount of 0.1-1.5 mol% expressed in terms of SiO2 based on the composition to the composition.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、超音波振
動子、アクチュエータおよび圧電トランスなどに適する
圧電磁器組成物と、前記圧電磁器組成物を用いた圧電ト
ランスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition suitable for, for example, an ultrasonic vibrator, an actuator, a piezoelectric transformer, and the like, and a piezoelectric transformer using the piezoelectric ceramic composition.

【0002】[0002]

【従来の技術】超音波振動子、アクチュエータおよび圧
電トランスなど、圧電材料を利用したデバイスが種々開
発されている。例えば、圧電トランスは、駆動部におい
て入力した電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変
換し、発電部において再び電気エネルギーに変換するこ
とによって、入力電圧の昇圧または降圧を行うデバイス
であり、昨今のOA機器の小型化に伴って、液晶ディス
プレイのバックライトとして用いられる冷陰極管用イン
バータなどに応用され始めている。
2. Description of the Related Art Various devices using piezoelectric materials, such as ultrasonic vibrators, actuators and piezoelectric transformers, have been developed. For example, a piezoelectric transformer is a device that converts input electric energy into mechanical vibration energy in a driving unit and converts it into electric energy again in a power generation unit to increase or decrease the input voltage. With the miniaturization of, they have begun to be applied to inverters for cold cathode tubes used as backlights of liquid crystal displays.

【0003】このような圧電デバイスに応用される圧電
材料は、電気エネルギーを機械的振動エネルギーに、ま
たは、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換す
る材料であり、大きな電気機械結合係数および機械的品
質係数を具備することが要求されている。圧電材料の一
例としては、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−Pb(Sn
1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO3系組成物
にMnO2を添加した圧電磁器組成物があり、優れた圧
電性を示すことが明らかにされている(特公昭56−3
0714号公報)。
A piezoelectric material applied to such a piezoelectric device is a material that converts electric energy into mechanical vibration energy or mechanical vibration energy into electric energy, and has a large electromechanical coupling coefficient and mechanical quality. It is required to have a coefficient. As an example of the piezoelectric material, Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -Pb (Sn
There is a piezoelectric ceramic composition in which MnO 2 is added to a 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —PbTiO 3 —PbZrO 3 composition, and it has been revealed that the composition exhibits excellent piezoelectricity (Japanese Patent Publication No. 56-56). 3
0714).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】近年、圧電デバイスに
おいては、高出力化の要求に伴い、高電界駆動が要求さ
れている。しかしながら、従来の圧電磁器組成物は、低
電界駆動においては比較的優れた圧電性を示すものの、
高電界駆動においては機械的品質係数が著しく低下す
る。従って、高電界駆動した場合に、内部エネルギー損
失によって急激に発熱するおそれがあるという問題があ
った。
In recent years, a piezoelectric device has been required to be driven at a high electric field in response to a demand for higher output. However, although the conventional piezoelectric ceramic composition shows relatively excellent piezoelectricity in low electric field driving,
In high electric field driving, the mechanical quality factor is significantly reduced. Therefore, there is a problem in that when driving in a high electric field, there is a possibility that heat is rapidly generated due to internal energy loss.

【0005】また、従来の圧電磁器組成物は焼成温度が
高く、積層構造の圧電デバイスを作製する場合に銀パラ
ジウムペーストなどの電極材料と同時に焼成することが
困難であった。
In addition, the conventional piezoelectric ceramic composition has a high firing temperature, and it is difficult to fire simultaneously with an electrode material such as a silver-palladium paste when manufacturing a piezoelectric device having a laminated structure.

【0006】また、圧電磁器組成物を用いた圧電トラン
スには、電子機器の小型化に伴い、小型且つ薄型である
ことが要求されている。更に、駆動周波数が高周波数で
あると、圧電トランスを含む回路周辺の浮遊容量などの
影響によって回路全体としての変換効率が低下するおそ
れがあるため、低い周波数の交流電気信号で駆動できる
ことが要求されている。しかしながら、従来の圧電磁器
組成物を用いた圧電トランスにおいては、圧電体の小型
および薄型化や、駆動周波数の低周波数化によって、圧
電トランス自体の変換効率が著しく低下するという問題
があった。
[0006] In addition, a piezoelectric transformer using a piezoelectric ceramic composition is required to be small and thin with the downsizing of electronic devices. Furthermore, if the driving frequency is high, the conversion efficiency of the entire circuit may be reduced due to the influence of stray capacitance around the circuit including the piezoelectric transformer, and therefore it is required that the circuit can be driven by a low-frequency AC electric signal. ing. However, the conventional piezoelectric transformer using the piezoelectric ceramic composition has a problem that the conversion efficiency of the piezoelectric transformer itself is significantly reduced due to the reduction in size and thickness of the piezoelectric body and the reduction in the driving frequency.

【0007】本発明は、比較的低温での焼成が可能であ
り、大きな機械的品質係数を有し、且つ、高電界駆動に
おける機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物で
あり、圧電トランスに適用した場合に十分に高い変換効
率を確保することが可能な圧電磁器組成物、および、前
記圧電磁器組成物を用いた圧電トランスを提供すること
を目的とする。
The present invention is a piezoelectric ceramic composition which can be fired at a relatively low temperature, has a large mechanical quality factor, and has a small decrease in the mechanical quality factor under high electric field driving. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric ceramic composition capable of ensuring a sufficiently high conversion efficiency when applied to a piezoelectric ceramic, and a piezoelectric transformer using the piezoelectric ceramic composition.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第1の圧電磁器成物は、下記の組成式
(I)で表される組成物と、MnをMnO2に換算して
前記組成物に対して0.7〜3モル%と、AlをAl2
3に換算して前記組成物に対して0.7〜2.4モル
%と、SiをSiO2に換算して前記組成物に対して
0.1〜1.5モル%とを含有することを特徴とする。
Means for Solving the Problems To achieve the above object, a first piezoelectric ceramic composition of the present invention comprises a composition represented by the following composition formula (I) and Mn converted to MnO 2. and 0.7 to 3 mol% with respect to the composition Te, the Al Al 2
And 0.7 to 2.4 mol% relative to the composition in terms of O 3, relative to the composition in terms of Si to SiO 2 containing 0.1 to 1.5 mol% It is characterized by the following.

【0009】 (Pbu1-uv{(Zn1/3Nb2/3xTiyZrz2-v3 (I) 但し、前記組成式(I)において、AはLa、Nd、P
rおよびBiからなる群より選ばれる少なくとも1種の
元素であり、uおよびvは、各々、0.92≦u≦0.
99、0.97≦v≦1.03であり、x、yおよびz
は、各々、0.06≦x≦0.18、0.43≦y≦
0.53、0.29≦z≦0.51であり、且つ、x+
y+z=1なる関係を満足する。
[0009] (Pb u A 1-u) v {(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z} 2-v O 3 (I) where, in the above composition formula (I), A La , Nd, P
r and Bi are at least one element selected from the group consisting of r and Bi, and u and v are each 0.92 ≦ u ≦ 0.
99, 0.97 ≦ v ≦ 1.03, and x, y and z
Are respectively 0.06 ≦ x ≦ 0.18 and 0.43 ≦ y ≦
0.53, 0.29 ≦ z ≦ 0.51, and x +
The relationship of y + z = 1 is satisfied.

【0010】このような構成にしたことにより、比較的
低温での焼成が可能であり、大きな機械的品質係数を有
し、且つ、高電界駆動における機械的品質係数の低下が
小さい圧電磁器組成物とすることができる。また、圧電
トランスに適用した場合に十分に高い変換効率を確保す
ることが可能な圧電磁器組成物とすることができる。
By adopting such a constitution, a piezoelectric ceramic composition which can be fired at a relatively low temperature, has a large mechanical quality factor, and has a small decrease in the mechanical quality factor under high electric field driving. It can be. Further, a piezoelectric ceramic composition capable of securing a sufficiently high conversion efficiency when applied to a piezoelectric transformer can be obtained.

【0011】前記目的を達成するため、本発明の第2の
圧電磁器組成物は、下記の組成式(II)で表される組成
物と、AlをAl23に換算して前記組成物に対して
0.7〜2.4モル%と、SiをSiO2に換算して前
記組成物に対して0.1〜1.5モル%とを含有するこ
とを特徴とする。
In order to achieve the above object, a second piezoelectric ceramic composition according to the present invention comprises a composition represented by the following composition formula (II) and the above composition obtained by converting Al to Al 2 O 3 . And 0.7 to 2.4 mol% with respect to the composition, and 0.1 to 1.5 mol% with respect to the composition when Si is converted to SiO 2 .

【0012】 t(Pbu1-u)v[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]2-v3−(1-t)YMnO3 (II) 但し、前記組成式(II)において、AはLa、Nd、P
rおよびBiからなる群より選ばれる少なくとも1種の
元素であり、t、uおよびvは、各々、0.970≦t
≦0.994、0.92≦u≦0.99、0.97≦v
≦1.03であり、x、yおよびzは、各々、0.06
≦x≦0.18、0.43≦y≦0.53、0.29≦
z≦0.51であり、且つ、x+y+z=1なる関係を
満足する。
[0012] t (Pb u A 1-u ) v [(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z] 2-v O 3 - (1-t) YMnO 3 (II) where the composition In the formula (II), A is La, Nd, P
at least one element selected from the group consisting of r and Bi, wherein t, u and v are each 0.970 ≦ t
≤ 0.994, 0.92 ≤ u ≤ 0.99, 0.97 ≤ v
≦ 1.03, and x, y and z are each 0.06
≦ x ≦ 0.18, 0.43 ≦ y ≦ 0.53, 0.29 ≦
z ≦ 0.51 and the relationship x + y + z = 1 is satisfied.

【0013】このような構成にしたことにより、比較的
低温での焼成が可能であり、大きな機械的品質係数を有
し、且つ、高電界駆動における機械的品質係数の低下が
小さい圧電磁器組成物とすることができる。また、圧電
トランスに適用した場合に十分に高い変換効率を確保す
ることが可能な圧電磁器組成物とすることができる。
With such a configuration, a piezoelectric ceramic composition which can be fired at a relatively low temperature, has a large mechanical quality factor, and has a small decrease in the mechanical quality factor when driven by a high electric field. It can be. Further, a piezoelectric ceramic composition capable of securing a sufficiently high conversion efficiency when applied to a piezoelectric transformer can be obtained.

【0014】前記目的を達成するため、本発明の圧電ト
ランスは、前記第1の圧電磁器組成物または前記第2の
圧電磁器組成物を含むことを特徴とする。このような構
成にしたことにより、小型および薄型化や、駆動周波数
の低周波数化を図る場合においても、十分に高い変換効
率を確保することができる。また、通常、小型化に伴っ
て出力電圧制御が困難となる傾向があるが、本発明の圧
電トランスによれば、発電部の静電容量を比較的小さく
することが可能であるため、小型化した場合であっても
比較的容易に出力電圧を制御することができる。
In order to achieve the above object, a piezoelectric transformer according to the present invention is characterized in that the piezoelectric transformer contains the first piezoelectric ceramic composition or the second piezoelectric ceramic composition. With such a configuration, a sufficiently high conversion efficiency can be ensured even when the size and thickness are reduced and the driving frequency is reduced. In general, output voltage control tends to be difficult with miniaturization. However, according to the piezoelectric transformer of the present invention, the capacitance of the power generation unit can be made relatively small. Even in this case, the output voltage can be controlled relatively easily.

【0015】前記圧電トランスにおいては、圧電磁器組
成物で構成された圧電体を含み、前記圧電体が、長さ方
向分極部と、厚み方向分極部とを備えていることが好ま
しい。ここで、「厚み方向」とは板状圧電体の厚みの方
向であり、「長さ方向」とは、前記厚み方向に直交する
方向である。
In the piezoelectric transformer, it is preferable that the piezoelectric transformer includes a piezoelectric body composed of a piezoelectric ceramic composition, and the piezoelectric body has a lengthwise polarization part and a thickness direction polarization part. Here, the “thickness direction” is a direction of the thickness of the plate-shaped piezoelectric body, and the “length direction” is a direction orthogonal to the thickness direction.

【0016】また、前記圧電トランスにおいては、圧電
体が、互いに離間した第1の長さ方向分極部と第2の長
さ方向分極部とを備え、厚み方向分極部が、前記第1の
長さ方向分極部と前記第2の長さ方向分極部との間に存
在することが好ましい。この好ましい例によれば、十分
に高い変換効率を確保しながら、駆動周波数を低くする
ことが可能である。
In the piezoelectric transformer, the piezoelectric body includes a first longitudinally polarized portion and a second longitudinally polarized portion which are separated from each other, and the thickness directionally polarized portion includes the first longitudinally polarized portion. Preferably, it exists between the vertical polarization part and the second longitudinal polarization part. According to this preferred example, it is possible to lower the drive frequency while ensuring a sufficiently high conversion efficiency.

【0017】また、前記圧電トランスにおいては、圧電
体が基本振動モードを励振することが好ましい。この好
ましい例によれば、十分に高い変換効率を確保しなが
ら、駆動周波数を低くすることが可能である。
In the piezoelectric transformer, the piezoelectric body preferably excites a fundamental vibration mode. According to this preferred example, it is possible to lower the drive frequency while ensuring a sufficiently high conversion efficiency.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明の第1の圧電磁器組成物
は、前述したように、組成式(I)で表される組成物に
Mn、AlおよびSiが添加されてなる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As described above, the first piezoelectric ceramic composition of the present invention is obtained by adding Mn, Al and Si to the composition represented by the composition formula (I).

【0019】 (Pbu1-uv{(Zn1/3Nb2/3xTiyZrz2-v3 (I) 組成式(I)において、AはLa、Nd、PrおよびB
iからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であ
る。
[0019] In (Pb u A 1-u) v {(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z} 2-v O 3 (I) a composition formula (I), A is La, Nd, Pr and B
i is at least one element selected from the group consisting of i.

【0020】uは、0.92〜0.99の範囲とする。
前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得られない
からである。更には、0.92≦u≦0.96とするこ
とが好ましい。また、vは、0.97〜1.03の範囲
とする。前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得
られないからである。
U is in the range of 0.92 to 0.99.
If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. Further, it is preferable that 0.92 ≦ u ≦ 0.96. Also, v is in the range of 0.97 to 1.03. If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained.

【0021】xは、0.06〜0.18の範囲とする。
前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得られない
からである。更には、0.125≦x≦0.18とする
ことが好ましい。yは、0.43〜0.53の範囲とす
る。前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得られ
ないからである。zは、0.29〜0.51の範囲とす
る。前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得られ
ないからである。更に、x、yおよびzは、x+y+z
=1なる関係を満足するものである。
X is in the range of 0.06 to 0.18.
If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. Further, it is preferable that 0.125 ≦ x ≦ 0.18. y is in the range of 0.43 to 0.53. If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. z is in the range of 0.29 to 0.51. If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. Further, x, y and z are x + y + z
= 1 is satisfied.

【0022】Mnは、MnO2に換算して、組成式
(I)で表される組成物に対して0.7〜3モル%の割
合で添加される。前記範囲外であると十分な機械的品質
係数が得られないからである。特に、Mnは、MnO2
に換算して、前記組成物に対して1.9〜3モル%の割
合で添加されることが好ましい。また、Mnは、Mn2
3、MnCO3として前記組成物に添加されることが好
ましい。
Mn is added at a ratio of 0.7 to 3 mol% with respect to the composition represented by the composition formula (I) in terms of MnO 2 . If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. In particular, Mn is MnO 2
It is preferable to add 1.9 to 3 mol% with respect to the composition in terms of the composition. Mn is Mn 2
O 3 and MnCO 3 are preferably added to the composition.

【0023】Alは、Al23に換算して、組成式
(I)で表される組成物に対して0.7〜2.4モル%
の割合で添加される。前記範囲外であると十分な機械的
品質係数が得られないからである。また、Alは、Al
23として前記組成物に添加されることが好ましい。
Al is converted to Al 2 O 3, and is 0.7 to 2.4 mol% based on the composition represented by the composition formula (I).
At a rate of If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. Al is Al
Preferably, it is added to the composition as 2 O 3 .

【0024】Siは、SiO2に換算して、組成式
(I)で表される組成物に対して0.1〜1.5モル%
の割合で添加される。前記範囲外であると十分な機械的
品質係数が得られないからである。また、Siは、Si
2として前記組成物に添加されることが好ましい。
Si is 0.1 to 1.5 mol% in terms of SiO 2 with respect to the composition represented by the composition formula (I).
At a rate of If the ratio is outside the above range, a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained. Si is Si
Preferably, it is added to the composition as O 2 .

【0025】本発明の第2の圧電磁器組成物は、前述し
たように、組成式(II)で表される組成物にAlおよびS
iが添加されてなる。
As described above, the second piezoelectric ceramic composition of the present invention contains Al and S in the composition represented by the composition formula (II).
i is added.

【0026】 t(Pbu1-u)v[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]2-v3−(1-t)YMnO3 (II) 但し、前記組成式(II)において、AはLa、Nd、P
rおよびBiからなる群より選ばれる少なくとも1種の
元素であり、t、uおよびvは、各々、0.970≦t
≦0.994、0.92≦u≦0.99、0.97≦v
≦1.03であり、x、yおよびzは、各々、0.06
≦x≦0.18、0.43≦y≦0.53、0.29≦
z≦0.51であり、且つ、x+y+z=1なる関係を
満足する。
[0026] t (Pb u A 1-u ) v [(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z] 2-v O 3 - (1-t) YMnO 3 (II) where the composition In the formula (II), A is La, Nd, P
at least one element selected from the group consisting of r and Bi, wherein t, u and v are each 0.970 ≦ t
≤ 0.994, 0.92 ≤ u ≤ 0.99, 0.97 ≤ v
≦ 1.03, and x, y and z are each 0.06
≦ x ≦ 0.18, 0.43 ≦ y ≦ 0.53, 0.29 ≦
z ≦ 0.51 and the relationship x + y + z = 1 is satisfied.

【0027】ここで、0.970≦t≦0.994とし
たのは、前記範囲外であると十分な機械的品質係数が得
られないからである。更には、0.98≦t≦0.99
4であることが特に好ましい。
Here, the reason for setting 0.970 ≦ t ≦ 0.994 is that a sufficient mechanical quality factor cannot be obtained if the value is outside the above range. Furthermore, 0.98 ≦ t ≦ 0.99
4 is particularly preferred.

【0028】なお、組成式(II)で表される組成物は、
組成式(I)で表される組成物に、MnをYMnO3
して添加したものである。従って、u、y、v、x、y
およびzの範囲は、前述したと同様の理由から、第1の
圧電磁器組成物と同様となるよう設定される。また、A
lおよびSiの添加割合についても、前述した第1の圧
電磁器組成物と同様とすることができる。
The composition represented by the composition formula (II) is as follows:
It is obtained by adding Mn as YMnO 3 to the composition represented by the composition formula (I). Therefore, u, y, v, x, y
The ranges of z and z are set to be the same as in the first piezoelectric ceramic composition for the same reason as described above. Also, A
The addition ratios of 1 and Si can be the same as in the first piezoelectric ceramic composition described above.

【0029】本発明に係る圧電磁器組成物は、圧電トラ
ンス、超音波振動子、アクチュエータなどのあらゆる圧
電デバイスに適用することができる。
The piezoelectric ceramic composition according to the present invention can be applied to all piezoelectric devices such as a piezoelectric transformer, an ultrasonic transducer, and an actuator.

【0030】本発明の圧電磁器組成物は、上記組成を有
することにより、比較的低温、具体的には1150℃未
満での焼成が可能となる。更に、大きな機械的品質係数
を実現でき、且つ、高電界駆動における機械的品質係数
の低下を抑制できる。
The piezoelectric ceramic composition of the present invention can be fired at a relatively low temperature, specifically, at less than 1150 ° C. by having the above composition. Furthermore, a large mechanical quality factor can be realized, and a decrease in the mechanical quality factor during high electric field driving can be suppressed.

【0031】また、本発明の圧電磁器組成物を適用する
ことにより、圧電デバイスの特性を十分に確保しなが
ら、薄型化および小型化することが可能となる。また、
圧電磁器組成物が比較的低温で焼成可能であるため、そ
の製造時に電極材料と同時に焼成することが可能であ
り、積層構造の圧電デバイスへの応用に好適である。
Further, by applying the piezoelectric ceramic composition of the present invention, it is possible to reduce the thickness and the size of the piezoelectric device while ensuring sufficient characteristics of the piezoelectric device. Also,
Since the piezoelectric ceramic composition can be fired at a relatively low temperature, it can be fired at the same time as the electrode material during its production, and is suitable for application to a piezoelectric device having a laminated structure.

【0032】次に、本発明の圧電トランスについて説明
する。
Next, the piezoelectric transformer of the present invention will be described.

【0033】本発明の圧電トランスは、前述したような
本発明の圧電磁器組成物を用いて構成される。図1は、
本発明に係る圧電トランスの一例を示す斜視図である。
なお、図1において、矢印は圧電体の分極方向を表して
いる。
The piezoelectric transformer of the present invention is constituted by using the piezoelectric ceramic composition of the present invention as described above. FIG.
It is a perspective view showing an example of a piezoelectric transformer concerning the present invention.
Note that, in FIG. 1, arrows indicate the polarization direction of the piezoelectric body.

【0034】この圧電トランスは、圧電体駆動部1aお
よび圧電体発電部1bを内包する圧電体1と、入力電極
2aおよび2bと、出力電極3とを備えている。
This piezoelectric transformer includes a piezoelectric body 1 including a piezoelectric body driving section 1a and a piezoelectric body power generation section 1b, input electrodes 2a and 2b, and an output electrode 3.

【0035】圧電体1は、本発明の第1または第2の圧
電磁器組成物で構成される。圧電体は、特に限定するも
のではないが、通常は板状とされる。
The piezoelectric body 1 is composed of the first or second piezoelectric ceramic composition of the present invention. The piezoelectric body is not particularly limited, but usually has a plate shape.

【0036】圧電体駆動部1aは、圧電体1の互いに対
向する二つの主面(以下、「上面」および「下面」とす
る。)に、各々、入力電極2aおよび2bが形成され、
圧電体1が入力電極2aおよび2bによって厚み方向に
挟持された部分である。圧電体駆動部1aは、入力電極
2aと2bとの間において、厚み方向に分極するように
処理されている。
In the piezoelectric body driving section 1a, input electrodes 2a and 2b are formed on two main surfaces (hereinafter, referred to as "upper surface" and "lower surface") of the piezoelectric body 1, respectively.
This is a portion where the piezoelectric body 1 is sandwiched in the thickness direction by the input electrodes 2a and 2b. The piezoelectric body driving section 1a is processed so as to be polarized in the thickness direction between the input electrodes 2a and 2b.

【0037】圧電体発電部1bは、圧電体1の圧電体駆
動部1aに隣接した部分であって、圧電体駆動部1aと
は反対側の端部の上面(または下面)に出力電極3が形
成されている。圧電体発電部1bは、入力電極2aおよ
び2bと出力電極3との間において、長さ方向に分極す
るように処理されている。
The piezoelectric power generating section 1b is a portion of the piezoelectric body 1 adjacent to the piezoelectric driving section 1a, and the output electrode 3 is provided on the upper surface (or lower surface) of the end opposite to the piezoelectric driving section 1a. Is formed. The piezoelectric power generation unit 1b is processed so as to be polarized in the length direction between the input electrodes 2a and 2b and the output electrode 3.

【0038】次に、図1に示す圧電トランスの動作につ
いて説明する。入力電極2aと2bとの間に交流電気信
号が印加されると、圧電体駆動部1aにおいて逆圧電効
果による機械振動が励振される。この機械振動によっ
て、圧電体発電部1bにおいて圧電効果による電界が生
じ、入力電極2aおよび2bと出力電極3との間に電圧
が発生する。この電圧が電気信号として取り出されるこ
とによって、入力電圧が出力電圧に変換される。入力電
圧と出力電圧との関係は、圧電体1の寸法、印加する交
流電気信号の周波数などに依存する。
Next, the operation of the piezoelectric transformer shown in FIG. 1 will be described. When an AC electric signal is applied between the input electrodes 2a and 2b, mechanical vibration due to the inverse piezoelectric effect is excited in the piezoelectric body driving section 1a. Due to this mechanical vibration, an electric field is generated by the piezoelectric effect in the piezoelectric power generation unit 1b, and a voltage is generated between the input electrodes 2a and 2b and the output electrode 3. By extracting this voltage as an electric signal, the input voltage is converted to an output voltage. The relationship between the input voltage and the output voltage depends on the dimensions of the piezoelectric body 1, the frequency of the applied AC electric signal, and the like.

【0039】この圧電トランスにおいては、圧電体1の
長さ方向伸縮振動の2次振動モードを励振する場合に、
最も効率よく電圧の変換が行われる。従って、圧電トラ
ンスは、長さ方向伸縮振動の2次振動モードの共振を生
じさせるような周波数の交流電気信号で駆動させること
が好ましい。
In this piezoelectric transformer, when the secondary vibration mode of the longitudinal stretching vibration of the piezoelectric body 1 is excited,
Voltage conversion is performed most efficiently. Therefore, it is preferable to drive the piezoelectric transformer with an AC electric signal having a frequency that causes resonance in the secondary vibration mode of the longitudinal stretching vibration.

【0040】また、この圧電トランスは、長さ方向伸縮
振動の基本振動モードの共振を生じさせるような周波数
の交流電気信号で駆動させることもできる。この場合、
前述した2次振動モードを共振させる場合に比べて、駆
動周波数を1/2に低下させることが可能である。
Further, the piezoelectric transformer can be driven by an AC electric signal having a frequency that causes resonance in a fundamental vibration mode of longitudinal stretching vibration. in this case,
The driving frequency can be reduced to 比 べ compared with the case where the secondary vibration mode is resonated.

【0041】図2は、本発明に係る圧電トランスの別の
一例を示す斜視図である。なお、図2において、矢印は
圧電体の分極方向を表している。
FIG. 2 is a perspective view showing another example of the piezoelectric transformer according to the present invention. Note that, in FIG. 2, arrows indicate the polarization direction of the piezoelectric body.

【0042】この圧電トランスは、圧電体駆動部4a並
びに圧電体発電部4bおよび4cを内包する圧電体4
と、入力電極5aおよび5bと、出力電極6a、6b、
6cおよび6dとを備えている。
The piezoelectric transformer includes a piezoelectric body 4 including a piezoelectric body driving section 4a and piezoelectric body power generation sections 4b and 4c.
, Input electrodes 5a and 5b, output electrodes 6a and 6b,
6c and 6d.

【0043】圧電体4は、本発明の第1または第2の圧
電磁器組成物で構成される。圧電体は、特に限定するも
のではないが、通常は板状とされる。
The piezoelectric body 4 is composed of the first or second piezoelectric ceramic composition of the present invention. The piezoelectric body is not particularly limited, but usually has a plate shape.

【0044】圧電体駆動部4aは、圧電体4の上面およ
び下面に、各々、入力電極5aおよび5bが形成され、
圧電体4が入力電極5aおよび5bによって厚み方向に
挟持された部分である。圧電体駆動部4aは、入力電極
5aと5bとの間において、厚み方向に分極するように
処理されている。
The piezoelectric body driving section 4a has input electrodes 5a and 5b formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 4, respectively.
This is a portion where the piezoelectric body 4 is sandwiched in the thickness direction by the input electrodes 5a and 5b. The piezoelectric body driving section 4a is processed so as to be polarized in the thickness direction between the input electrodes 5a and 5b.

【0045】圧電体発電部4bおよび4cは、各々、圧
電体4の圧電体駆動部4aに隣接した部分であって、圧
電体駆動部4aとは反対側の端部の上面および下面に、
出力電極6aおよび6b、6cおよび6dが各々形成さ
れている。圧電体発電部4bは、入力電極5aおよび5
bと出力電極6aおよび6bとの間において、長さ方向
に分極するように処理されている。同様に、圧電体発電
部4cは、入力電極5aおよび5bと出力電極6cおよ
び6dとの間において、長さ方向に分極するように処理
されている。
The piezoelectric power generating sections 4b and 4c are portions of the piezoelectric body 4 adjacent to the piezoelectric driving section 4a, respectively, on the upper and lower surfaces of the end opposite to the piezoelectric driving section 4a.
Output electrodes 6a and 6b, 6c and 6d are formed respectively. The piezoelectric power generation unit 4b includes input electrodes 5a and 5
b and the output electrodes 6a and 6b are processed so as to be polarized in the length direction. Similarly, the piezoelectric power generation unit 4c is processed so as to be polarized in the length direction between the input electrodes 5a and 5b and the output electrodes 6c and 6d.

【0046】圧電体駆動部4aは圧電体4の中央部付近
に配置され、圧電体発電部4bは圧電体4の一方の端部
付近に配置され、圧電体発電部4cは圧電体4の他方の
端部付近に配置される。すなわち、圧電体発電部4bお
よび4cは、圧電体駆動部4aの両側に各々配置され
る。
The piezoelectric driving section 4a is disposed near the center of the piezoelectric element 4, the piezoelectric power generating section 4b is disposed near one end of the piezoelectric substance 4, and the piezoelectric power generating section 4c is connected to the other side of the piezoelectric substance 4. It is arranged near the end of. That is, the piezoelectric power generating units 4b and 4c are respectively disposed on both sides of the piezoelectric driving unit 4a.

【0047】次に、この圧電トランスの動作について説
明する。入力電極5aと5bとの間に交流電気信号が印
加されると、圧電体駆動部4aにおいて逆圧電効果によ
る機械振動が励振される。この機械振動によって、圧電
体発電部4bにおいて圧電効果による電界が生じ、入力
電極5aおよび5bと出力電極6aおよび6bとの間に
電圧が発生する。同様に、圧電体発電部4cにおいても
圧電効果による電界が生じ、入力電極5aおよび5bと
出力電極6cおよび6dとの間に電圧が発生する。これ
らの電圧が電気信号として取り出されることによって、
入力電圧が出力電圧に変換される。なお、入力電圧/出
力電圧の関係は、圧電体4の寸法、印加する交流電気信
号の周波数などに依存する。
Next, the operation of the piezoelectric transformer will be described. When an AC electric signal is applied between the input electrodes 5a and 5b, mechanical vibration due to the inverse piezoelectric effect is excited in the piezoelectric body driving unit 4a. Due to this mechanical vibration, an electric field is generated by the piezoelectric effect in the piezoelectric power generation unit 4b, and a voltage is generated between the input electrodes 5a and 5b and the output electrodes 6a and 6b. Similarly, an electric field is generated by the piezoelectric effect in the piezoelectric power generation unit 4c, and a voltage is generated between the input electrodes 5a and 5b and the output electrodes 6c and 6d. By extracting these voltages as electrical signals,
The input voltage is converted to an output voltage. The relationship between the input voltage and the output voltage depends on the size of the piezoelectric body 4, the frequency of the applied AC electric signal, and the like.

【0048】この圧電トランスにおいては、圧電体4の
長さ方向伸縮振動の基本振動モードを励振する場合に、
最も効率よく電圧の変換が行われる。従って、圧電トラ
ンスは、長さ方向伸縮振動の基本振動モードの共振を生
じさせるような周波数の交流電気信号で駆動させること
が好ましい。
In this piezoelectric transformer, when the fundamental vibration mode of the longitudinal expansion and contraction vibration of the piezoelectric body 4 is excited,
Voltage conversion is performed most efficiently. Therefore, it is preferable that the piezoelectric transformer be driven by an AC electric signal having a frequency that causes resonance in the fundamental vibration mode of the longitudinal stretching vibration.

【0049】本発明の圧電トランスは、本発明の圧電磁
器組成物を用いることにより、小型および薄型化や、駆
動周波数の低周波数化を図る場合においても、十分に高
い変換効率を確保できる。また、発電部の静電容量を比
較的小さくすることが可能であるため、小型化した場合
であっても比較的容易に出力電圧を制御できる。
By using the piezoelectric ceramic composition of the present invention, a sufficiently high conversion efficiency can be ensured in the piezoelectric transformer of the present invention even when the size and thickness of the piezoelectric transformer are reduced and the driving frequency is reduced. Further, since the capacitance of the power generation unit can be made relatively small, the output voltage can be controlled relatively easily even when the size is reduced.

【0050】[0050]

【実施例】(実施例1)原料として化学的に高純度のP
bO、La23、Nd23、Pr23、Bi23、Zn
O、Nb25、TiO2、ZrO2、MnCO3、Al2
3、SiO2およびY23を用い、これを所定の組成とな
るように秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミル
によって湿式混合した。混合物をボールミルから取り出
して乾燥した後、空気中において850〜1000℃で
2時間仮焼した。仮焼粉体を、ジルコニアボールを用い
たボールミルにより湿式粉砕し、粉砕泥しょうをボール
ミルから取り出して乾燥した後、ポリビニルアルコール
溶液を添加して造粒した。得られた造粒粉体を、金型と
プレスを用いて、直径20mm、厚さ約2mmの円板に
成形した。成形体を、空気中において700℃で1時間
保持して脱バインダ処理した後、空気中において100
0〜1260℃で2時間保持して焼成した。焼成体を直
径約16mm、厚さ約1mmの円板に加工した後、その
上下面に銀電極を焼き付けた。この素子に100℃の絶
縁油中で1〜5kV/mmの直流電界を印加し、分極処
理を施した。
(Example 1) Chemically high-purity P as a raw material
bO, La 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Bi 2 O 3 , Zn
O, Nb 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 , MnCO 3 , Al 2 O
3 , SiO 2 and Y 2 O 3 were weighed so as to have a predetermined composition, and were wet-mixed by a ball mill using zirconia balls. The mixture was taken out of the ball mill and dried, and then calcined in the air at 850 to 1000 ° C. for 2 hours. The calcined powder was wet-pulverized by a ball mill using zirconia balls, the pulverized slurry was taken out from the ball mill, dried, and granulated by adding a polyvinyl alcohol solution. The obtained granulated powder was formed into a disk having a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 mm using a mold and a press. After the molded body was held in air at 700 ° C. for 1 hour to remove the binder, it was heated in air at 100 ° C.
It baked by holding at 0-1260 degreeC for 2 hours. After processing the fired body into a disk having a diameter of about 16 mm and a thickness of about 1 mm, silver electrodes were baked on the upper and lower surfaces thereof. A DC electric field of 1 to 5 kV / mm was applied to the device in an insulating oil at 100 ° C. to perform a polarization treatment.

【0051】上記操作により、組成の異なる52種の試
料(試料番号1〜52)を作製した。各試料について、
インピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による
測定から円板径方向振動の機械的品質係数(Qm値)を
算出した。なお、Qm値は、印加電圧を0.1Vrmsお
よび5Vrmsとした場合について各々求めた。
By the above operation, 52 types of samples (sample numbers 1 to 52) having different compositions were prepared. For each sample,
The mechanical quality factor (Qm value) of the disk radial vibration was calculated from the measurement by the resonance anti-resonance method using the impedance analyzer. The Qm value was determined for each of the cases where the applied voltage was 0.1 Vrms and 5 Vrms.

【0052】結果を、各試料の組成および焼成温度とと
もに、表1および表2に示す。なお、表1中の係数
(u、v、x、y、z)および元素(A)は前記組成式
(I)に従い、表2中の係数(t、u、v、x、y、
z)および元素(A)は前記組成式(II)に従うもので
ある。また、Mn、AlおよびSiのモル%の表示は、
各々、MnO2、Al23およびSiO2に換算した、前
記組成式(I)または(II)で表される組成物に対する
割合(モル%)を示す。また、試料番号の右側に記され
た(*)は、本発明の範囲外である比較例として作製さ
れた試料であることを示す。
The results are shown in Tables 1 and 2 together with the composition and firing temperature of each sample. The coefficients (u, v, x, y, z) and element (A) in Table 1 are in accordance with the composition formula (I), and the coefficients (t, u, v, x, y,
z) and the element (A) are in accordance with the composition formula (II). In addition, the display of mol% of Mn, Al and Si is as follows.
The ratios (mol%) with respect to the composition represented by the composition formula (I) or (II) in terms of MnO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 are shown. In addition, (*) written on the right side of the sample number indicates that the sample was prepared as a comparative example outside the scope of the present invention.

【0053】[0053]

【表1】 [Table 1]

【0054】[0054]

【表2】 [Table 2]

【0055】表1および表2に示すように、本発明の実
施例である試料は、低電界駆動時(駆動電圧0.1Vrm
s)において1800以上の高いQm値を示し、且つ、
高電界駆動時(駆動電圧5Vrms)においても1500
以上という高いQm値を示すことが確認できた。
As shown in Tables 1 and 2, the sample according to the embodiment of the present invention was driven at a low electric field (driving voltage 0.1 Vrm).
s) shows a high Qm value of 1800 or more, and
1500 even at high electric field driving (driving voltage 5Vrms)
It was confirmed that a high Qm value as described above was exhibited.

【0056】特に、表2に示すように、前記組成式(I
I)で表される組成物にAlおよびSiを添加した実施
例は、Qm値が、低電界駆動時において1900以上、
且つ、高電界駆動時において1700以上という高い値
を示した。
In particular, as shown in Table 2, the composition formula (I
In the example in which Al and Si were added to the composition represented by I), the Qm value was 1900 or more at the time of low electric field driving,
In addition, it exhibited a high value of 1700 or more during high electric field driving.

【0057】更に、実施例の試料は、この高いQm値
を、1150℃未満という比較的低温の焼成温度で実現
することができた。
Furthermore, in the sample of the example, this high Qm value could be realized at a relatively low firing temperature of less than 1150 ° C.

【0058】これに対し、比較例の試料はQm値が低
く、特に高電界駆動時において著しく低いことが確認で
きた。
On the other hand, it was confirmed that the sample of the comparative example had a low Qm value, and was extremely low particularly when driven by a high electric field.

【0059】(実施例2)実施例1と同様にして得られ
た造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ50mm幅1
0mm厚さ約3mmの矩形板に成形した。成形体を、空
気中において700℃で1時間保持して脱バインダ処理
した後、空気中において1000〜1260℃で2時間
保持して焼成し、焼成体を得た。
(Example 2) A granulated powder obtained in the same manner as in Example 1 was weighed to a length of 50 mm and a width of 1 using a mold and a press.
It was formed into a rectangular plate having a thickness of 0 mm and a thickness of about 3 mm. After the molded body was held in air at 700 ° C. for 1 hour to remove the binder, it was held in air at 1000 to 1260 ° C. for 2 hours and fired to obtain a fired body.

【0060】前記焼成体を用いて、図1と同様の構造を
有する圧電トランスを作製した。まず、焼成体を長さ3
9mm、幅8mm、厚さ1.8mmまたは0.9mmの
矩形板に加工した。圧電体駆動部に相当する部分におい
ては、焼成体の上下面に銀パラジウムペーストを焼き付
けて入力電極を形成した後、入力電極同士間で厚み方向
に分極処理を施した。また、圧電体発電部に相当する部
分においては、焼成体の上面に銀パラジウムペーストを
焼き付けて幅1mmの出力電極を形成した後、入力電極
と出力電極との間で長さ方向に分極処理を施した。な
お、圧電体駆動部および圧電体発電部の長さは、各々、
19.5mmとした。
A piezoelectric transformer having a structure similar to that of FIG. 1 was manufactured using the fired body. First, make the fired body 3
It was processed into a rectangular plate of 9 mm, width 8 mm, thickness 1.8 mm or 0.9 mm. In a portion corresponding to the piezoelectric body driving unit, after silver and palladium pastes were baked on the upper and lower surfaces of the fired body to form input electrodes, polarization processing was performed between the input electrodes in the thickness direction. In addition, in a portion corresponding to the piezoelectric power generation unit, after baking silver-palladium paste on the upper surface of the fired body to form an output electrode having a width of 1 mm, polarization processing is performed in the length direction between the input electrode and the output electrode. gave. In addition, the length of the piezoelectric body drive unit and the piezoelectric body power generation unit are respectively
It was 19.5 mm.

【0061】上記操作により28種の圧電トランス(試
料番号53〜80)を作製し、出力電極に120kΩの
負荷抵抗を接続した。各試料について、入力電極間に交
流電気信号を印加し、変換効率を求めた。なお、変換効
率[%]は、入力電力をPinとし、出力電力をPout
したときPout/Pin×100で表される値である。
By the above operation, 28 kinds of piezoelectric transformers (sample numbers 53 to 80) were produced, and a load resistance of 120 kΩ was connected to the output electrode. For each sample, an AC electric signal was applied between the input electrodes to determine the conversion efficiency. The conversion efficiency [%] is a value represented by P out / P in × 100 when the input power is P in and the output power is P out .

【0062】変換効率は、長さ方向伸縮振動の2次振動
モードを共振させるような周波数(80kHz)の交流
電気信号で駆動させる場合と、基本振動モードを共振さ
せるような周波数(40kHz)の交流電気信号で駆動
させる場合について、各々評価した。なお、入力電力P
inは3Wとした。
The conversion efficiency depends on whether the driving is performed with an AC electric signal having a frequency (80 kHz) that resonates the secondary vibration mode of the longitudinal stretching vibration, or the frequency (40 kHz) that resonates the fundamental vibration mode. Each case of driving by an electric signal was evaluated. Note that the input power P
in was 3 W.

【0063】結果を、各試料の圧電体の組成および厚さ
とともに、表3および表4に示す。なお、表3中の係数
(u、v、x、y、z)および元素(A)は前記組成式
(I)に従い、表4中の係数(t、u、v、x、y、
z)および元素(A)は前記組成式(II)に従うもので
ある。また、Mn、AlおよびSiのモル%の表示は、
各々、MnO2、Al23およびSiO2に換算した、前
記組成式(I)または(II)で表される組成物に対する
割合(モル%)を示す。また、試料番号の右側に記され
た(*)は、本発明の範囲外である比較例として作製さ
れた試料であることを示す。
The results are shown in Tables 3 and 4 together with the composition and thickness of the piezoelectric material of each sample. The coefficients (u, v, x, y, z) and element (A) in Table 3 are in accordance with the composition formula (I), and the coefficients (t, u, v, x, y,
z) and the element (A) are in accordance with the composition formula (II). In addition, the display of mol% of Mn, Al and Si is as follows.
The ratios (mol%) with respect to the composition represented by the composition formula (I) or (II) in terms of MnO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 are shown. In addition, (*) written on the right side of the sample number indicates that the sample was prepared as a comparative example outside the scope of the present invention.

【0064】[0064]

【表3】 [Table 3]

【0065】[0065]

【表4】 [Table 4]

【0066】表3および表4に示すように、本発明の実
施例である試料は、2次振動モードを励振させる駆動、
すなわち高周波数駆動において、圧電体が0.9mmと
薄い場合であっても87%以上の高い変換効率を示し
た。また、基本振動モードを励振させる駆動、すなわち
低周波数駆動においても、83%以上の高い変換効率を
示した。
As shown in Tables 3 and 4, the sample according to the embodiment of the present invention has a drive for exciting the secondary vibration mode,
That is, in high-frequency driving, a high conversion efficiency of 87% or more was exhibited even when the piezoelectric body was as thin as 0.9 mm. In addition, a high conversion efficiency of 83% or more was exhibited even in driving for exciting the fundamental vibration mode, that is, in low-frequency driving.

【0067】特に、表4に示すように、前記組成式(I
I)で表される組成物にAlおよびSiを添加した実施
例は、変換効率が、高周波数駆動において90%、且
つ、低周波数駆動において86%以上という高い値を示
した。
In particular, as shown in Table 4, the composition formula (I
Examples in which Al and Si were added to the composition represented by I) exhibited high conversion efficiencies of 90% in high-frequency driving and 86% or more in low-frequency driving.

【0068】更に、実施例の試料は、この高い変換効率
を、1150℃未満という比較的低温の焼成温度で実現
することができた。このことから、実施例の試料と同様
の組成の圧電磁器組成物を用いることにより、銀パラジ
ウムペーストと同時に焼成して積層型の圧電トランスを
製造すること可能であることが分かった。実際に、試料
番号58および70と同様の組成を有する圧電磁器組成
物を用いて、9層の圧電磁器組成物層と10層の銀パラ
ジウム電極層とが交互に積層してなる積層型圧電トラン
スを作製し、その特性を評価したところ、高い変換効率
と高い昇圧比を示すことが確認できた。
Furthermore, the sample of the example was able to realize this high conversion efficiency at a relatively low firing temperature of less than 1150 ° C. From this, it was found that by using the piezoelectric ceramic composition having the same composition as that of the sample of the example, it is possible to manufacture a laminated piezoelectric transformer by firing simultaneously with the silver palladium paste. Actually, using a piezoelectric ceramic composition having the same composition as that of Sample Nos. 58 and 70, a laminated piezoelectric transformer in which nine piezoelectric ceramic composition layers and ten silver palladium electrode layers are alternately laminated. Was manufactured and its characteristics were evaluated. As a result, it was confirmed that the device exhibited high conversion efficiency and a high step-up ratio.

【0069】これに対し、比較例の試料は変換効率が低
く、特に圧電体が0.9mmと薄い場合において著しく
低いことが確認できた。また、低周波数駆動した場合に
も、変換効率が著しく低下していることが確認できた。
On the other hand, it was confirmed that the conversion efficiency of the sample of the comparative example was low, especially when the piezoelectric body was as thin as 0.9 mm. Also, it was confirmed that the conversion efficiency was significantly reduced even when driving at a low frequency.

【0070】(実施例3)実施例1と同様にして得られ
た造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ50mm幅1
0mm厚さ約3mmの矩形板に成形した。成形体を、空
気中において700℃で1時間保持して脱バインダ処理
した後、空気中において1000〜1260℃で2時間
保持して焼成し、焼成体を得た。
(Embodiment 3) The granulated powder obtained in the same manner as in Embodiment 1 was weighed to a length of 50 mm and a width of 1 using a mold and a press.
It was formed into a rectangular plate having a thickness of 0 mm and a thickness of about 3 mm. After the molded body was held in air at 700 ° C. for 1 hour to remove the binder, it was held in air at 1000 to 1260 ° C. for 2 hours and fired to obtain a fired body.

【0071】前記焼成体を用いて、図2と同様の構造を
有する圧電トランスを作製した。まず、焼成体を長さ3
9mm幅8mm厚さ0.9mmの矩形板に加工した。圧
電体駆動部に相当する部分においては、焼成体の上下面
に入力電極を銀焼き付けにより形成した後、入力電極同
士間で厚み方向に分極処理を施した。また、圧電体発電
部に相当する部分においては、焼成体の上下面に銀パラ
ジウムペーストを焼き付けて幅1mmの出力電極を形成
した後、入力電極と出力電極との間で長さ方向に分極処
理を施した。なお、圧電体駆動部の長さは23mm、圧
電体発電部の長さは各々8mmとした。
Using the fired body, a piezoelectric transformer having the same structure as that of FIG. 2 was manufactured. First, make the fired body 3
It was processed into a rectangular plate having a width of 9 mm, a thickness of 8 mm, and a thickness of 0.9 mm. In the portion corresponding to the piezoelectric body driving section, after the input electrodes were formed on the upper and lower surfaces of the fired body by silver baking, polarization processing was performed between the input electrodes in the thickness direction. In addition, in a portion corresponding to the piezoelectric power generation unit, a silver-palladium paste is baked on the upper and lower surfaces of the fired body to form an output electrode having a width of 1 mm. Was given. The length of the piezoelectric body driving section was 23 mm, and the length of the piezoelectric body power generation section was 8 mm.

【0072】上記操作により14種の圧電トランス(試
料番号81〜94)を作製し、120kΩの負荷抵抗に
4本のリード線を接続し、各リード線を各出力電極に接
続した。各試料について、入力電極間に交流電気信号を
印加して変換効率を評価した。変換効率は、入力電力を
inとし、出力電力をPoutとしたときPout/Pin×1
00で表される値である。
With the above operation, 14 kinds of piezoelectric transformers (sample numbers 81 to 94) were produced, four leads were connected to a load resistance of 120 kΩ, and each lead was connected to each output electrode. For each sample, an AC electric signal was applied between the input electrodes to evaluate the conversion efficiency. The conversion efficiency is P out / P in × 1 when the input power is P in and the output power is P out.
It is a value represented by 00.

【0073】変換効率は、長さ方向伸縮振動の基本振動
モードを共振させるような周波数(40kHz)の交流
電気信号で駆動させて評価した。なお、入力電力は3W
とした。
The conversion efficiency was evaluated by driving with an AC electric signal having a frequency (40 kHz) that resonates the fundamental vibration mode of longitudinal stretching vibration. The input power is 3W
And

【0074】結果を、各試料の圧電体の組成および焼成
温度とともに、表5および表6に示す。なお、表5中の
係数(u、v、x、y、z)および元素(A)は前記組
成式(I)に従い、表6中の係数(t、u、v、x、
y、z)および元素(A)は前記組成式(II)に従うも
のである。また、Mn、AlおよびSiのモル%の表示
は、各々、MnO2、Al23およびSiO2に換算し
た、前記組成式(I)または(II)で表される組成物に
対する割合(モル%)を示す。また、試料番号の右側に
記された(*)は、本発明の範囲外である比較例として
作製された試料であることを示す。
The results are shown in Tables 5 and 6, together with the composition and firing temperature of the piezoelectric material of each sample. The coefficients (u, v, x, y, z) and element (A) in Table 5 are in accordance with the composition formula (I), and the coefficients (t, u, v, x,
y, z) and the element (A) are in accordance with the composition formula (II). In addition, the expression of mol% of Mn, Al and Si means the ratio (mol) of the composition represented by the composition formula (I) or (II) in terms of MnO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 respectively. %). In addition, (*) written on the right side of the sample number indicates that the sample was prepared as a comparative example outside the scope of the present invention.

【0075】[0075]

【表5】 [Table 5]

【0076】[0076]

【表6】 [Table 6]

【0077】圧電体の長さ方向伸縮振動の共振周波数は
振動モードによって異なり、圧電体長さに依存する。共
振周波数を40kHzとする場合、2次振動モードで励
振させるならば圧電体長さは約80mmに設定し、基本
振動モードで励振させるならば圧電体長さは約40mm
に設定する必要がある。すなわち、小型の圧電トランス
を実現するためには、圧電体を基本振動モードで励振さ
せることが有効である。しかし、前述したように、基本
振動モードで励振させる場合、駆動周波数が低くなるた
め圧電トランスの変換効率が低下する傾向にある。
The resonance frequency of the longitudinal stretching vibration of the piezoelectric body differs depending on the vibration mode and depends on the length of the piezoelectric body. When the resonance frequency is 40 kHz, the length of the piezoelectric body is set to about 80 mm when excited in the secondary vibration mode, and the length of the piezoelectric body is about 40 mm when excited in the fundamental vibration mode.
Must be set to That is, in order to realize a small-sized piezoelectric transformer, it is effective to excite the piezoelectric body in the fundamental vibration mode. However, as described above, when excitation is performed in the basic vibration mode, the driving frequency is reduced, and the conversion efficiency of the piezoelectric transformer tends to decrease.

【0078】しかしながら、表5および表6に示すよう
に、本実施例に係る試料によれば、駆動周波数が40k
Hzという低周波数で駆動させる場合であっても、86
%以上の高い変換効率を示した。このことから、本実施
例にかかる試料によれば、高い変換効率を確保しなが
ら、低周波数で駆動すること、すなわち基本振動モード
で励振させることが可能であることが確認できた。
However, as shown in Tables 5 and 6, according to the sample of this embodiment, the driving frequency was 40 k
Even when driving at a low frequency of Hz, 86
%. From this, it was confirmed that the sample according to the present example can be driven at a low frequency, that is, excited in the fundamental vibration mode, while ensuring high conversion efficiency.

【0079】これに対し、比較例の試料は、低周波数駆
動における変換効率が著しく低かった。
On the other hand, the sample of the comparative example had a remarkably low conversion efficiency in low frequency driving.

【0080】更に、表3と表5との比較から、図1に示
した構成の圧電トランスと比較して、図2に示した構造
の圧電トランスはより高い変換効率を示すことが確認で
きた。
Further, from the comparison between Table 3 and Table 5, it was confirmed that the piezoelectric transformer having the structure shown in FIG. 2 exhibited higher conversion efficiency than the piezoelectric transformer having the structure shown in FIG. .

【0081】しかし、外形形状が同じ場合、図1の構成
と比較して、図2の構成では圧電トランスの発電部の静
電容量が約4倍になるため、出力電圧が不安定になりや
すくなると考えられる。実際に、比較例の試料(試料番
号81、87、88および94)を3W冷陰極管用イン
バータに実装して点灯試験を行ったところ、点灯と消灯
を繰り返すという不安定な動作を示した。
However, when the external shape is the same, the capacitance of the power generation unit of the piezoelectric transformer is about four times larger in the configuration of FIG. 2 than in the configuration of FIG. It is considered to be. Actually, when the samples of the comparative examples (sample numbers 81, 87, 88, and 94) were mounted on a 3 W cold-cathode tube inverter and subjected to a lighting test, an unstable operation of repeating lighting and extinguishing was shown.

【0082】これに対して、本実施例に係る試料におい
ては、発電部の静電容量が比較的小さく、比較例の試料
の1/3〜2/3程度であることが確認された。実際
に、本実施例にかかる試料(試料番号82〜86、89
〜93)について、同様に冷陰極管の点灯試験を実施し
たところ、安定な動作を示した。
On the other hand, in the sample according to the present example, it was confirmed that the capacitance of the power generation unit was relatively small, and was about 3 to / of the sample of the comparative example. Actually, the samples according to the present example (sample numbers 82 to 86, 89
To 93), a lighting test of the cold cathode tube was similarly performed, and stable operation was shown.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電磁器
組成物によれば、比較的低温での焼成が可能であり、大
きな機械的品質係数を有し、且つ、高電界駆動における
機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物とするこ
とができる。更に、本発明の圧電磁器組成物によれば、
圧電トランスに適用した場合に、十分に高い変換効率を
確保することが可能である。
As described above, the piezoelectric ceramic composition of the present invention can be fired at a relatively low temperature, has a large mechanical quality factor, and has a high mechanical strength under high electric field driving. A piezoelectric ceramic composition with a small decrease in quality factor can be obtained. Furthermore, according to the piezoelectric ceramic composition of the present invention,
When applied to a piezoelectric transformer, it is possible to ensure a sufficiently high conversion efficiency.

【0084】本発明の圧電トランスによれば、小型およ
び薄型化や、駆動周波数の低周波数化を図る場合におい
ても、十分に高い変換効率を確保することができる。
According to the piezoelectric transformer of the present invention, a sufficiently high conversion efficiency can be ensured even when the size and thickness are reduced and the driving frequency is reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る圧電トランスの一例を示す斜視
図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a piezoelectric transformer according to the present invention.

【図2】 本発明に係る圧電トランスの別の一例を示す
斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing another example of the piezoelectric transformer according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、4 圧電体 1a、4a 圧電体駆動部 1b、4b、4c 圧電体発電部 2a、2b、5a、5b 入力電極 3、6a、6b、6c、6d 出力電極 1, 4 Piezoelectric body 1a, 4a Piezoelectric body driving section 1b, 4b, 4c Piezoelectric power generation section 2a, 2b, 5a, 5b Input electrode 3, 6a, 6b, 6c, 6d Output electrode

フロントページの続き (72)発明者 西田 正光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 加藤 純一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 長谷 裕之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4G031 AA07 AA09 AA11 AA12 AA14 AA19 AA26 AA29 AA30 AA32 AA35 BA10 Continuing from the front page (72) Inventor Masamitsu Nishida 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Person Hiroyuki Hase 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture F-term in Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (reference) 4G031 AA07 AA09 AA11 AA12 AA14 AA19 AA26 AA29 AA30 AA32 AA35 BA10

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記の組成式(I)で表される組成物
と、MnをMnO2に換算して前記組成物に対して0.
7〜3モル%と、AlをAl23に換算して前記組成物
に対して0.7〜2.4モル%と、SiをSiO2に換
算して前記組成物に対して0.1〜1.5モル%とを含
有することを特徴とする圧電磁器組成物。 (Pbu1-uv{(Zn1/3Nb2/3xTiyZrz2-v3 (I) 但し、前記組成式(I)において、AはLa、Nd、P
rおよびBiからなる群より選ばれる少なくとも1種の
元素であり、uおよびvは、各々、0.92≦u≦0.
99、0.97≦v≦1.03であり、x、yおよびz
は、各々、0.06≦x≦0.18、0.43≦y≦
0.53、0.29≦z≦0.51であり、且つ、x+
y+z=1なる関係を満足する。
1. A composition represented by the following composition formula (I), wherein Mn is converted to MnO 2 and the composition is added to the composition in an amount of 0.1 to 0.1%.
0 and 7-3 mol%, and 0.7 to 2.4 mol% relative to the composition in terms of Al to Al 2 O 3, relative to the composition in terms of Si to SiO 2. A piezoelectric ceramic composition comprising 1 to 1.5 mol%. (Pb u A 1-u) v {(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z} 2-v O 3 (I) where, in the above composition formula (I), A is La, Nd, P
r and Bi are at least one element selected from the group consisting of r and Bi, and u and v are each 0.92 ≦ u ≦ 0.
99, 0.97 ≦ v ≦ 1.03, and x, y and z
Are respectively 0.06 ≦ x ≦ 0.18 and 0.43 ≦ y ≦
0.53, 0.29 ≦ z ≦ 0.51, and x +
The relationship of y + z = 1 is satisfied.
【請求項2】 下記の組成式(II)で表される組成物
と、AlをAl23に換算して前記組成物に対して0.
7〜2.4モル%と、SiをSiO2に換算して前記組
成物に対して0.1〜1.5モル%とを含有することを
特徴とする圧電磁器組成物。 t(Pbu1-u)v[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]2-v3−(1-t)YMnO3 (II) 但し、前記組成式(II)において、AはLa、Nd、P
rおよびBiからなる群より選ばれる少なくとも1種の
元素であり、t、uおよびvは、各々、0.970≦t
≦0.994、0.92≦u≦0.99、0.97≦v
≦1.03であり、x、yおよびzは、各々、0.06
≦x≦0.18、0.43≦y≦0.53、0.29≦
z≦0.51であり、且つ、x+y+z=1なる関係を
満足する。
2. A composition represented by the following composition formula (II), wherein Al is converted to Al 2 O 3 , and the composition is added to the composition in an amount of 0.
A piezoelectric ceramic composition comprising 7 to 2.4 mol% and 0.1 to 1.5 mol% of Si in terms of SiO 2 with respect to the composition. t (Pb u A 1-u ) v [(Zn 1/3 Nb 2/3) x Ti y Zr z] 2-v O 3 - (1-t) YMnO 3 (II) where the composition formula (II ), A is La, Nd, P
r and Bi are at least one element selected from the group consisting of
≤ 0.994, 0.92 ≤ u ≤ 0.99, 0.97 ≤ v
≦ 1.03, and x, y and z are each 0.06
≦ x ≦ 0.18, 0.43 ≦ y ≦ 0.53, 0.29 ≦
z ≦ 0.51 and the relationship x + y + z = 1 is satisfied.
【請求項3】 請求項1または2に記載の圧電磁器組成
物を含むことを特徴とする圧電トランス。
3. A piezoelectric transformer comprising the piezoelectric ceramic composition according to claim 1.
【請求項4】 圧電磁器組成物で構成された圧電体を含
み、前記圧電体が、長さ方向分極部と、厚み方向分極部
とを備えている請求項3に記載の圧電トランス。
4. The piezoelectric transformer according to claim 3, further comprising a piezoelectric body composed of a piezoelectric ceramic composition, wherein the piezoelectric body includes a lengthwise polarization part and a thickness direction polarization part.
【請求項5】 圧電体が、互いに離間した第1の長さ方
向分極部と第2の長さ方向分極部とを備え、厚み方向分
極部が、前記第1の長さ方向分極部と前記第2の長さ方
向分極部との間に存在する請求項4に記載の圧電トラン
ス。
5. The piezoelectric body includes a first longitudinally polarized portion and a second longitudinally polarized portion that are separated from each other, and the thickness directionally polarized portion includes the first longitudinally polarized portion and the second longitudinally polarized portion. The piezoelectric transformer according to claim 4, wherein the piezoelectric transformer exists between the second longitudinally polarized portion and the second longitudinally polarized portion.
【請求項6】 圧電体が、基本振動モードを励振する請
求項5に記載の圧電トランス。
6. The piezoelectric transformer according to claim 5, wherein the piezoelectric body excites a fundamental vibration mode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7965020B2 (en) 2007-02-07 2011-06-21 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric ceramic and piezoelectric element

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