JP2002356372A - Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric transformer - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric transformer

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JP2002356372A
JP2002356372A JP2001164636A JP2001164636A JP2002356372A JP 2002356372 A JP2002356372 A JP 2002356372A JP 2001164636 A JP2001164636 A JP 2001164636A JP 2001164636 A JP2001164636 A JP 2001164636A JP 2002356372 A JP2002356372 A JP 2002356372A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric composition and a piezoelectric transformer which is excellent in temperature stability in resonance frequency while keeping high an electromechanical coupling coefficient Kp, and a mechanical quality coefficient Qm. SOLUTION: The composition is a composite oxide of perovskite type containing Pb, Zr, Ti, Nb, Mn, and Fe, as metal elements, and at least one element among Gd, Sm, and Sm, the composition formula of which is represented in molar ratio of metal elements as follows: (Pb(1-a)x Ra ) [(Nb1-c-f Mnc Fef )b Mnc (Tid Zr1-d )1-b-c ]O3 (wherein, R is at least one element among Gd, Sm, and Nd). The above described numbers a, b, c, d, and x satisfy the following conditions: 0.005<=a<=0.025, 0.07<=b<=0.14, 0<c<=0.02, 0.50<d<=0.55, and 0.98<=x<=1.02.

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、圧電磁器組成物及
び圧電トランスに関するものであり、特には、各種電子
機器に用いられるACアダプタやDC−DCコンバー
タ、及びノートパソコンや携帯端末等に用いられる液晶
ディスプレイのバックライト冷陰極管用インバータなど
に用いられる圧電トランスに好適な圧電磁器組成物及び
圧電トランスに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric transformer, and more particularly to an AC adapter and a DC-DC converter used for various electronic devices, and a notebook computer and a portable terminal. The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric transformer suitable for a piezoelectric transformer used for an inverter for a backlight cold-cathode tube of a liquid crystal display.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、Pb、Zr、Ti及びOを含む
圧電磁器組成物としては、たとえば、PbZrO3−P
bTiO3系材料などの2成分系材料や、Pb(Nb2/3
Mn1 /3)O3−PbZrO3−PbTiO3系材料などの
3成分系材料、あるいはこのような材料系に種々の微量
添加物を添加した材料などが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric ceramic compositions containing Pb, Zr, Ti and O include, for example, PbZrO 3 -P
a two-component material such as a bTiO 3 material or Pb (Nb 2/3
Mn 1/3) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 system three-component material, such as material, or the like such materials is added to the materials of various dopants on the system are known.

【0003】これらの材料は、圧電特性に優れ、また、
加工性や量産性に優れており、共振子をはじめ、アクチ
ュエータや圧電センサなど、その応用範囲が多岐にわた
っている。近年では、従来コイルで構成されていたトラ
ンスを圧電素子で構成する試みが成されている。
[0003] These materials have excellent piezoelectric properties,
It is excellent in workability and mass productivity, and its application range is wide, including resonators, actuators and piezoelectric sensors. In recent years, attempts have been made to configure a transformer, which has conventionally been configured with a coil, with a piezoelectric element.

【0004】圧電トランスは、交流信号と弾性振動の可
逆変換が可能であり、変換効率は、磁器材料の機械的品
質係数Qmと電気機械結合係数Kpに起因する。また、
共振周波数に近い周波数にて駆動させることで高い電力
を出力できることから、共振周波数が自己発熱によって
変動したり、外周温度によって変動することを抑制する
ことが必要である。
[0004] The piezoelectric transformer is capable of reversible conversion between an AC signal and elastic vibration, and the conversion efficiency depends on the mechanical quality factor Qm and the electromechanical coupling factor Kp of the porcelain material. Also,
Since high power can be output by driving at a frequency close to the resonance frequency, it is necessary to suppress the resonance frequency from fluctuating due to self-heating and from fluctuating due to the outer peripheral temperature.

【0005】また、入力電圧V1と出力電圧V2の昇降
圧比は、(V2/V1)=(C1/C2)1/2の式にて
算出されるため(V2/V1は昇降圧比、C1は電圧入
力部の静電容量、C2は電圧出力部の静電容量)、電圧
入力部及び/又は電圧出力部を積層構造とし、所定の容
量比にする必要がある。
Since the step-up / step-down ratio between the input voltage V1 and the output voltage V2 is calculated by the equation (V2 / V1) = (C1 / C2) 1/2 , (V2 / V1 is the step-up / step-down ratio and C1 is the voltage The capacitance of the input unit, C2 is the capacitance of the voltage output unit), the voltage input unit and / or the voltage output unit must have a laminated structure and have a predetermined capacitance ratio.

【0006】従来、機械的品質係数Qm、電気機械結合
係数Kpが大きい圧電磁器組成物としては、Pb(Nb
2/3Mn1/3)O3―PbZrO3―PbTiO3を主成分
とする圧電磁器組成物や、Pb(Nb1/2Sb1/2)O3
―PbZrO3―PbTiO3を主成分とする圧電磁器組
成物が知られている。
Conventionally, piezoelectric ceramic compositions having a large mechanical quality factor Qm and a large electromechanical coupling factor Kp include Pb (Nb
2/3 Mn 1/3 ) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component or a piezoelectric ceramic composition containing Pb (Nb 1/2 Sb 1/2 ) O 3
A piezoelectric ceramic composition containing -PbZrO 3 -PbTiO 3 as a main component is known.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た圧電磁器組成物では、機械的品質係数Qmを高くして
いくと電気機械結合係数Kpが低下してしまい、圧電ト
ランスを構成する場合、出力電力を大きくすることがで
きなかった。一方、電気機械結合係数Kpを高くしてい
くと機械的品質係数Qmが低下し、加えて、共振周波数
の温度安定性も劣化していくという問題があった。
However, in the piezoelectric ceramic composition described above, when the mechanical quality factor Qm is increased, the electromechanical coupling factor Kp is reduced. Couldn't be larger. On the other hand, when the electromechanical coupling coefficient Kp is increased, there is a problem that the mechanical quality coefficient Qm decreases and, in addition, the temperature stability of the resonance frequency also deteriorates.

【0008】本発明は、電気機械結合係数Kpと機械的
品質係数Qmを高く維持しつつ、共振周波数の温度安定
性に優れた圧電磁器組成物及び圧電トランスを提供する
ことを目的とする。
An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric transformer excellent in temperature stability of a resonance frequency while maintaining a high electromechanical coupling coefficient Kp and a high mechanical quality coefficient Qm.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の圧電磁器組成物
は、金属元素としてPb、Zr、Ti、Nb、Mn及び
Feと、Gd、Sm及びNdのうち少なくとも一種を含
有するペロブスカイト型複合酸化物であって、金属元素
のモル比による組成式を(Pb(1-a)xa)〔(Nb
1-e-fMneFefbMnc(TidZr1-d1-b c〕O3
(但し、RはGd、Sm及びNdのうち少なくとも一
種)と表わした時、前記a、b、c、d及びxが、0.
005≦a≦0.025、0.07≦b≦0.14、0
<c≦0.02、0.50<d≦0.55、0.98≦
x≦1.02を満足するものである。
The piezoelectric ceramic composition of the present invention comprises a perovskite-type composite oxide containing Pb, Zr, Ti, Nb, Mn and Fe as metal elements and at least one of Gd, Sm and Nd. And the composition formula based on the molar ratio of the metal elements is (Pb (1-a) x Ra ) [(Nb
1-ef Mn e Fe f) b Mn c (Ti d Zr 1-d) 1-b - c ] O 3
(Where R is at least one of Gd, Sm, and Nd), the values of a, b, c, d, and x are not more than 0.
005 ≦ a ≦ 0.025, 0.07 ≦ b ≦ 0.14, 0
<C ≦ 0.02, 0.50 <d ≦ 0.55, 0.98 ≦
It satisfies x ≦ 1.02.

【0010】このような圧電磁器組成物は、ペロブスカ
イト型複合酸化物のAサイトを、Gd、Sm、Ndで置
換することにより、共振周波数の温度安定性を向上させ
ることができる。一方、Gd、Sm、Ndの置換によ
り、キュリー温度Tcが低下し、加えて機械的品質係数
Qmが低下し易いが、通常PZT系のBサイトは4価で
あるが、2価乃至4価のMnで所定量置換することによ
り、キュリー温度Tc及び機械的品質係数Qmの低下を
抑制できる。
In such a piezoelectric ceramic composition, the temperature stability of the resonance frequency can be improved by replacing the A site of the perovskite-type composite oxide with Gd, Sm, and Nd. On the other hand, the substitution of Gd, Sm, and Nd lowers the Curie temperature Tc and easily lowers the mechanical quality factor Qm. However, the B site of PZT is usually tetravalent, but the divalent to tetravalent B site is usually used. By substituting a predetermined amount with Mn, it is possible to suppress a decrease in the Curie temperature Tc and the mechanical quality factor Qm.

【0011】従って、本発明の圧電磁器組成物では、電
気機械結合係数Kp及び機械的品質係数Qmを高く維持
しつつ、共振周波数の温度安定性を向上できる。
Therefore, the piezoelectric ceramic composition of the present invention can improve the temperature stability of the resonance frequency while maintaining the electromechanical coupling coefficient Kp and the mechanical quality coefficient Qm high.

【0012】また、本発明の圧電トランスは、両主面が
長さL、幅Wの長方形である圧電基板の長さ方向に、電
圧入力部、電圧出力部を交互に形成し、前記電圧入力
部、電圧出力部にそれぞれ入力側電極、出力側電極を設
けてなる圧電トランスにおいて、前記圧電基板の圧電体
層が、上記した圧電磁器組成物からなるものである。
Further, in the piezoelectric transformer of the present invention, voltage input portions and voltage output portions are alternately formed in the length direction of the piezoelectric substrate whose both main surfaces are rectangular and have a length L and a width W. In a piezoelectric transformer in which an input side electrode and an output side electrode are provided in a unit and a voltage output unit, respectively, the piezoelectric layer of the piezoelectric substrate is made of the piezoelectric ceramic composition described above.

【0013】本発明の圧電磁器組成物は、上記したよう
に、電気機械結合係数Kp及び機械的品質係数Qmを高
く維持しつつ、共振周波数の温度安定性を向上できるた
め、このような圧電磁器組成物で圧電体層を構成する
と、高い出力電力と、高い効率を駆動周波数を大幅に変
更することなく安定して得ることができる。
As described above, the piezoelectric ceramic composition of the present invention can improve the temperature stability of the resonance frequency while maintaining the electromechanical coupling coefficient Kp and the mechanical quality coefficient Qm high. When the piezoelectric layer is composed of the composition, high output power and high efficiency can be stably obtained without drastically changing the driving frequency.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の圧電磁器組成物は、金属
元素としてPb、Zr、Ti、Nb、Mn及びFeと、
Gd、Sm及びNdのうち少なくとも一種を含有するペ
ロブスカイト型複合酸化物であって、金属元素のモル比
による組成式を(Pb(1-a)xa)〔(Nb1-e-fMne
FefbMnc(TidZr1-d1-b c〕O3(但し、R
はGd、Sm及びNdのうち少なくとも一種)と表わし
た時、a、b、c、d及びxが、0.005≦a≦0.
025、0.07≦b≦0.14、0<c≦0.02、
0.50<d≦0.55、0.98≦x≦1.02を満
足するものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The piezoelectric ceramic composition of the present invention comprises Pb, Zr, Ti, Nb, Mn and Fe as metal elements.
Gd, a perovskite complex oxide containing at least one of Sm and Nd, the composition formula by molar ratio of the metal elements (Pb (1-a) x R a) [(Nb 1-ef Mn e
Fe f) b Mn c (Ti d Zr 1-d) 1-b - c ] O 3 (Here, R
Is at least one of Gd, Sm and Nd), a, b, c, d and x are 0.005 ≦ a ≦ 0.
025, 0.07 ≦ b ≦ 0.14, 0 <c ≦ 0.02,
0.50 <d ≦ 0.55 and 0.98 ≦ x ≦ 1.02 are satisfied.

【0015】ここで、PbのGd、Sm及びNdのうち
少なくとも一種による置換量aを、0.005≦a≦
0.025としたのは、Pbを置換するGd、Sm、N
dは、特に共振周波数の温度安定性を向上させる効果が
あるが、Gd、Sm、NdのAサイト置換量aが0.0
05未満の場合、置換効果がなく、また、0.025を
超えた場合、キュリー温度Tcの低下を招き機械的品質
係数Qmが低下するからである。
Here, the substitution amount a of Pb by at least one of Gd, Sm and Nd is 0.005 ≦ a ≦
The reason for setting 0.025 is that Gd, Sm, N
d has the effect of improving the temperature stability of the resonance frequency in particular, but the A-site substitution amount a of Gd, Sm, and Nd is 0.0%.
If it is less than 05, there is no substitution effect, and if it exceeds 0.025, the Curie temperature Tc is lowered, and the mechanical quality factor Qm is lowered.

【0016】PbのGd、Sm及びNdのうち少なくと
も一種による置換量aは、共振周波数の温度安定性を向
上できるとともに、キュリー温度Tc、機械的品質係数
Qmを高く維持するという点から、0.01≦a≦0.
02であることが望ましい。
The substitution amount a of Pb with at least one of Gd, Sm, and Nd is set at 0.1 from the viewpoint that the temperature stability of the resonance frequency can be improved, and the Curie temperature Tc and the mechanical quality factor Qm are kept high. 01 ≦ a ≦ 0.
02 is desirable.

【0017】また、本発明では、Pbを置換する希土類
元素としてGd、Sm、Ndのうち少なくとも一種とし
たが、これは、他の希土類元素でも共振周波数の温度安
定性向上効果はあるものの、圧電特性、特に電気機械結
合係数Kpの低下が大きいため、Gd、Sm、Ndから
選ばれる少なくとも一種とした。
In the present invention, at least one of Gd, Sm, and Nd is used as a rare earth element that substitutes for Pb. Since the characteristics, particularly the electromechanical coupling coefficient Kp, are greatly reduced, at least one selected from Gd, Sm, and Nd is used.

【0018】Pbを置換する希土類元素として、高い機
械結合係数Kpを維持するという点からGd、またはG
dと、Sm及び/又はNdが望ましい。
As a rare earth element that substitutes for Pb, Gd or Gd is used in view of maintaining a high mechanical coupling coefficient Kp.
d and Sm and / or Nd are desirable.

【0019】Bサイトの(Nb1-e-fMneFef)によ
る置換量bを0.07≦b≦0.14としたのは、ペロ
ブスカイトABO3のBサイトを置換する(Nb1-e-f
eFef)は、特に電気機械結合係数Kpと機械的品質
係数Qmを向上できるが、置換量bが0.07未満の場
合には充分な置換効果が得られず、0.14を超えた場
合、緻密な磁器が得られず機械的品質係数Qmが低下す
るからである。
The B-site was a (Nb 1-ef Mn e Fe f) 0.07 ≦ b ≦ 0.14 substitution amount b due replaces the B site of the perovskite ABO 3 (Nb 1-ef M
n e Fe f) is possible in particular improved electromechanical coupling factor Kp and the mechanical quality factor Qm, not sufficient displacement effect is obtained when the substitution amount b is less than 0.07, greater than 0.14 In this case, a dense porcelain cannot be obtained, and the mechanical quality factor Qm decreases.

【0020】Bサイトの(Nb1-e-fMneFef)によ
る置換量bは、電気機械結合係数Kp及び機械的品質係
数Qmを向上するとともに、緻密な磁器を得ることがで
きるという点から、0.09≦b≦0.12であること
が望ましい。
The substitution amount b by (Nb 1-ef Mn e Fe f) of B site, as well as improve the electromechanical coupling factor Kp and mechanical quality factor Qm, from the viewpoint that it is possible to obtain a dense porcelain, It is desirable that 0.09 ≦ b ≦ 0.12.

【0021】BサイトのMnによる置換量cを0<c≦
0.02としたのは、Bサイトを置換するMnは、機械
的品質係数Qmの向上に効果的であるが、Mnの置換量
cが0.02を超える場合、緻密な磁器が得られず機械
的品質係数Qmが低下するからである。BサイトのMn
による置換量cは、機械的品質係数Qmを向上し、緻密
な磁器を得るという点から、0.005≦c≦0.01
5であることが望ましい。
The substitution amount c of the B site with Mn is 0 <c ≦
The reason for setting the value to 0.02 is that Mn replacing the B site is effective for improving the mechanical quality factor Qm, but when the amount c of Mn replacement exceeds 0.02, a dense porcelain cannot be obtained. This is because the mechanical quality factor Qm decreases. Mn of B site
Is 0.005 ≦ c ≦ 0.01 from the viewpoint of improving the mechanical quality factor Qm and obtaining a dense porcelain.
5 is desirable.

【0022】また、Ti/(Ti+Zr)比dを0.5
0<d≦0.55としたのは、Ti/(Ti+Zr)比
dは機械的品質係数Qmと電気機械結合係数Kpを向上
させる効果に加え、共振周波数の温度安定性を向上させ
る効果があるが、Ti/(Ti+Zr)比dが0.5以
下であれば、共振周波数の温度安定性が悪く、0.55
を超えた場合電気機械結合係数Kpが低下するからであ
る。Ti/(Ti+Zr)比dは、機械的品質係数Q
m、電気機械結合係数Kp、共振周波数の温度安定性を
向上するという点から、0.51≦d≦0.53が望ま
しい。
The Ti / (Ti + Zr) ratio d is set to 0.5
The reason for setting 0 <d ≦ 0.55 is that the Ti / (Ti + Zr) ratio d has the effect of improving the temperature stability of the resonance frequency in addition to the effect of improving the mechanical quality coefficient Qm and the electromechanical coupling coefficient Kp. However, if the Ti / (Ti + Zr) ratio d is 0.5 or less, the temperature stability of the resonance frequency is poor, and 0.55
Is exceeded, the electromechanical coupling coefficient Kp decreases. The Ti / (Ti + Zr) ratio d is the mechanical quality factor Q
From the viewpoint of improving the temperature stability of m, the electromechanical coupling coefficient Kp, and the resonance frequency, 0.51 ≦ d ≦ 0.53 is desirable.

【0023】また、Pb補正比xを0.98≦x≦1.
02としたのは、Pb補正比xは特に機械的品質係数Q
mを向上させる効果があるが、Pb補正比xが0.98
未満であれば、緻密な磁器が得られないため十分な圧電
性を得ることができず、また、1.02を超えた場合添
加効果が小さいからである。Pb補正比xは、機械的品
質係数Qmを向上し、緻密な磁器を得るという点から
0.99≦x≦1.01であることが望ましい。
The Pb correction ratio x is set to 0.98 ≦ x ≦ 1.
02 because the Pb correction ratio x is particularly the mechanical quality factor Q
m, but the Pb correction ratio x is 0.98
If it is less than 1.0, it is not possible to obtain sufficient piezoelectricity because a dense porcelain cannot be obtained, and if it exceeds 1.02, the effect of addition is small. It is desirable that the Pb correction ratio x satisfies 0.99 ≦ x ≦ 1.01 from the viewpoint of improving the mechanical quality factor Qm and obtaining a dense porcelain.

【0024】そして、本発明の圧電磁器組成物では、B
サイトを置換する(Nb1-e-fMneFef)中のMn量
e、Fe量fは、0.11≦e≦0.20、0.20≦
f≦0.33であることが望ましい。
In the piezoelectric ceramic composition of the present invention, B
Substituting site (Nb 1-ef Mn e Fe f) Mn amount e, Fe amount f in is, 0.11 ≦ e ≦ 0.20,0.20 ≦
It is desirable that f ≦ 0.33.

【0025】これは、Mn量eを0.11≦e≦0.2
0としたのは、(Nb1-e-fMneFef)中のMn置換
量は、機械的品質係数Qmを高くするという効果を有す
るが、eが0.11よりも小さい場合には、添加効果が
得られず、一方、0.2よりも大きい場合にはキュリー
温度が低下する傾向があるからである。eは機械的品質
係数Qmを高くし、キュリー温度を高く維持するという
点から、0.15≦e≦0.18であることが望まし
い。
This is because the amount of Mn e is 0.11 ≦ e ≦ 0.2
0 and was of the, Mn substitution amount in (Nb 1-ef Mn e Fe f) has the effect of increasing the mechanical quality factor Qm, if e is less than 0.11, the addition This is because the effect cannot be obtained, while when it is larger than 0.2, the Curie temperature tends to decrease. e preferably satisfies 0.15 ≦ e ≦ 0.18 from the viewpoint of increasing the mechanical quality factor Qm and keeping the Curie temperature high.

【0026】また、Fe量fを0.20≦f≦0.33
としたのは、(Nb1-e-fMneFe f)中のFe置換量
は、機械的品質係数Qmを高くするという効果を有する
が、fが0.20よりも小さい場合には、添加効果が得
られず、一方、0.33よりも大きい場合には緻密性が
低下し、機械的品質係数Qmが低下する傾向があるから
である。fは機械的品質係数Qmを高く維持するという
点から、0.24≦e≦0.28であることが望まし
い。
Further, the Fe amount f is set to 0.20 ≦ f ≦ 0.33
The reason is that (Nb1-efMneFe fFe substitution amount in)
Has the effect of increasing the mechanical quality factor Qm
However, when f is smaller than 0.20, the effect of addition is obtained.
On the other hand, when it is larger than 0.33,
And the mechanical quality factor Qm tends to decrease.
It is. f says to keep the mechanical quality factor Qm high
From the viewpoint, it is desirable that 0.24 ≦ e ≦ 0.28.
No.

【0027】本発明の圧電磁器組成物は、モル比による
組成式を(Pb(1-a)xa)〔(Nb1-e-fMneFef
bMnc(TidZr1-d1-b c〕O3(但し、RはG
d)と表わした時、a、b、c、d及びxが、0.01
≦a≦0.02、0.09≦b≦0.12、0.005
≦c≦0.015、0.51≦d≦0.53、0.99
≦x≦1.01を満足するとともに、0.13≦e≦
0.2、0.24≦f≦0.28を満足することが最も
望ましい。
The piezoelectric ceramic composition of the present invention, the composition formula by molar ratio (Pb (1-a) x R a) [(Nb 1-ef Mn e Fe f)
b Mn c (Ti d Zr 1 -d) 1-b - c ] O 3 (where, R represents G
When expressed as d), a, b, c, d and x are 0.01
≦ a ≦ 0.02, 0.09 ≦ b ≦ 0.12, 0.005
≤c≤0.015, 0.51≤d≤0.53, 0.99
≦ x ≦ 1.01 and 0.13 ≦ e ≦
It is most desirable to satisfy 0.2, 0.24 ≦ f ≦ 0.28.

【0028】このような圧電磁器組成物は、まず、出発
原料として、PbO、TiO2、ZrO2、Nb25、F
23、MnO2さらに、Gd23、Nd23、Sm2
3の各粉末を所定の割合で湿式混合し、排出、乾燥後整
粒を行い、Al23製坩堝等に投入し、800〜100
0℃の温度で3〜5時間仮焼し、粉砕して仮焼粉を得
る。
First, such a piezoelectric ceramic composition is prepared by using PbO, TiO 2 , ZrO 2 , Nb 2 O 5 , F
e 2 O 3 , MnO 2 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O
Each powder 3 were wet-mixed in a predetermined ratio, discharge, and dried after sizing, it was placed in made of Al 2 O 3 crucible or the like, 800-100
The mixture is calcined at a temperature of 0 ° C. for 3 to 5 hours and crushed to obtain a calcined powder.

【0029】尚、使用する原料粉末としては炭酸塩や酸
化物だけでなく、酢酸塩又は有機金属などの化合物のい
ずれであっても、焼成などの熱処理プロセスによって酸
化物になるものであれば差し支えない。
The raw material powder to be used is not limited to carbonates and oxides, and may be any compound such as acetate or organic metal as long as it becomes an oxide by a heat treatment process such as firing. Absent.

【0030】この粉末に有機バインダーを混合し、金型
プレス、静水圧プレス等により所望の形状に成形した
後、大気中などの酸素含有雰囲気において、1000〜
1200℃で2〜5時間焼成することによって磁器を得
ることができる。
An organic binder is mixed with the powder, molded into a desired shape by a mold press, an isostatic press, or the like, and then, in an oxygen-containing atmosphere such as air, 1000 to 1000
Porcelain can be obtained by firing at 1200 ° C. for 2 to 5 hours.

【0031】得られた磁器は、殆ど(Pb(1-a)xa
〔(Nb1-e-fMneFefbMnc(TidZr1-d1-b
c〕O3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からな
る結晶粒子のみから構成されている。粒界部にZrO2
を主成分とした粒子が微量析出する場合があるが、特性
に影響のない範囲であれば何ら差し支えない。
The obtained porcelain is almost (Pb (1-a) x R a )
[(Nb 1-ef Mn e Fe f) b Mn c (Ti d Zr 1-d) 1-b
- it consists only of crystal grains containing the perovskite-type composite oxide represented by c] O 3. ZrO 2 at grain boundary
There is a case where a small amount of particles containing as a main component precipitate, but there is no problem as long as the characteristics are not affected.

【0032】また、磁器においては、原料粉末などに微
少量含まれるRbやHf、Si、Al、Sb、Bi、積
層体の内部電極から磁器内部に拡散するAgなどの不可
避不純物が混入する場合があるが、特性に影響のない範
囲であれば何ら差し支えない。
In the case of porcelain, unavoidable impurities such as Rb, Hf, Si, Al, Sb, Bi, and Ag diffused from the internal electrode of the laminated body into the inside of the porcelain may be mixed in a small amount in the raw material powder. There is, however, no problem as long as the characteristics are not affected.

【0033】以上のような圧電磁器組成物では、ペロブ
スカイト型複合酸化物のAサイトを、Gd、Sm、Nd
で置換することにより、共振周波数の温度安定性(温度
変化率)を―20℃〜80℃において±0.1%内と向
上させることができる。一方、Gd、Sm、Ndの置換
により、キュリー温度Tcが低下し易いが、通常PZT
系のBサイトは4価であるが、2価乃至4価のMnで所
定量置換することにより、キュリー温度Tcを280℃
以上とでき、機械的品質係数Qmを900以上とでき
る。
In the piezoelectric ceramic composition as described above, the A site of the perovskite-type composite oxide is changed to Gd, Sm, Nd
, The temperature stability (temperature change rate) of the resonance frequency can be improved to within ± 0.1% at −20 ° C. to 80 ° C. On the other hand, although the Curie temperature Tc tends to decrease due to the substitution of Gd, Sm, and Nd, the PZT
The B site of the system is tetravalent, but by substituting a predetermined amount with divalent to tetravalent Mn, the Curie temperature Tc becomes 280 ° C.
And the mechanical quality factor Qm can be 900 or more.

【0034】本発明の単板型圧電トランスを図1に示
す。単板型圧電トランスは、図1に示すように、厚さ方
向に分極され、主面が長さL、幅Wである長方形状の圧
電基板11の長さ方向に、第1電圧入力部A1、電圧出
力部B1、第2電圧入力部C1が順次形成されている。
FIG. 1 shows a single-plate type piezoelectric transformer according to the present invention. As shown in FIG. 1, the single-plate type piezoelectric transformer is polarized in a thickness direction, and has a first voltage input portion A1 in a length direction of a rectangular piezoelectric substrate 11 having a main surface having a length L and a width W. , A voltage output section B1 and a second voltage input section C1 are sequentially formed.

【0035】これらの第1電圧入力部A1、電圧出力部
B1、第2電圧入力部C1における圧電基板11の上側
の主面には、入力側電極12、出力側電極14、入力側
電極13がそれぞれ形成されており、これらの電極1
2、13、14は、圧電基板11の長さ方向に所定間隔
を置いて形成されている。また、圧電基板11の下側の
主面には、入力側電極15、出力側電極17、入力側電
極16が、圧電基板11の長さ方向に所定間隔を置いて
それぞれ形成されている。
An input electrode 12, an output electrode 14, and an input electrode 13 are provided on the upper main surface of the piezoelectric substrate 11 in the first voltage input section A1, the voltage output section B1, and the second voltage input section C1. Each of these electrodes 1
2, 13, and 14 are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 11. On the lower main surface of the piezoelectric substrate 11, an input-side electrode 15, an output-side electrode 17, and an input-side electrode 16 are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 11.

【0036】即ち、第1電圧入力部A1における圧電基
板11の両主面には、入力側電極12、15が形成さ
れ、電圧出力部B1における圧電基板11の両主面に
は、出力側電極14、17が形成され、第2電圧入力部
C1における圧電基板11の両主面には、入力側電極1
3、16が形成され、電極12〜17は、一辺が圧電基
板11の主面の幅Wと同一長さとされ、他辺は主面の長
さ方向にそれぞれ任意の長さ、例えばL1、L2、L3
とされている。
That is, input-side electrodes 12 and 15 are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the first voltage input portion A1, and output-side electrodes are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the voltage output portion B1. 14 and 17 are formed, and the input side electrodes 1 are provided on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the second voltage input portion C1.
The electrodes 12 to 17 are formed such that one side has the same length as the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11, and the other side has an arbitrary length in the length direction of the main surface, for example, L1, L2. , L3
It has been.

【0037】また、入力側電極12と入力側電極15が
同一寸法とされ、出力側電極14と出力側電極17が同
一寸法とされ、入力側電極13と入力側電極16が同一
寸法とされている。圧電基板11は、上記した圧電磁器
組成物により形成されている。
The input electrode 12 and the input electrode 15 have the same dimensions, the output electrode 14 and the output electrode 17 have the same dimensions, and the input electrode 13 and the input electrode 16 have the same dimensions. I have. The piezoelectric substrate 11 is formed of the piezoelectric ceramic composition described above.

【0038】そして、本発明の圧電トランスでは、圧電
基板11の主面の長さLと幅Wの比(L/W)が1.1
〜1.4であることが望ましい。圧電基板11の主面の
長さLと幅Wの比(L/W)を1.1〜1.4とするこ
とにより、高いエネルギー変換効率を有することができ
る。
In the piezoelectric transformer of the present invention, the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11 is 1.1.
It is desirably about 1.4. By setting the ratio (L / W) of the length L and the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11 to 1.1 to 1.4, high energy conversion efficiency can be achieved.

【0039】また、本発明の圧電トランスでは、圧電基
板11の主面の長さLと駆動周波数Fとの積(F×L)
が4700〜6000kHz・mmとされている。
In the piezoelectric transformer of the present invention, the product of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 11 and the driving frequency F (F × L)
Is set to 4700 to 6000 kHz · mm.

【0040】本発明では、圧電基板11の主面の長さL
と幅Wの比(L/W)を1.1〜1.4とし、所定の駆
動周波数を選択することにより、圧電基板11の長さ方
向に振動する基本波が主体となるが、幅方向振動も加わ
った複合モードの振動が圧電基板11に発生し、中央部
に形成された電圧出力部B1においてもっとも大きな振
動を生じさせることができ、例えば、幅方向に最も励振
する振動を用いた場合よりも、電圧出力部B1に誘発さ
れる電荷量が多くなり、高出力電力を得ることができ
る。
In the present invention, the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 11
By setting the ratio (L / W) of the width and the width W to 1.1 to 1.4 and selecting a predetermined driving frequency, the fundamental wave that oscillates in the length direction of the piezoelectric substrate 11 is mainly used. A combined mode vibration including vibration is generated in the piezoelectric substrate 11, and the largest vibration can be generated in the voltage output portion B1 formed in the center portion. For example, when the most excited vibration in the width direction is used. The amount of electric charge induced in the voltage output unit B1 is larger than that of the first embodiment, and high output power can be obtained.

【0041】圧電基板11の主面の長さLと駆動周波数
Fとの積(F×L)は、高出力電力が得られるという点
から4700〜6000kHz・mmであることが望ま
しい。従って、高出力電力かつ高効率を得るためには、
L/Wを1.1〜1.4とし、F×Lを4700〜60
00kHz・mmとすることが望ましい。
The product (F × L) of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 11 and the driving frequency F is desirably 4700 to 6000 kHz · mm from the viewpoint that high output power can be obtained. Therefore, in order to obtain high output power and high efficiency,
L / W is set to 1.1 to 1.4, and F × L is set to 4700 to 60.
It is desirable to be 00 kHz · mm.

【0042】本発明では、上記した構造で、駆動周波数
Fと主面の長さLとの積(F×L)を所定範囲に設定す
ることにより、高いエネルギー変換効率を有し、かつ高
入力電圧において用いることができる、高出力電力かつ
高効率の圧電トランスを実現できる。
According to the present invention, by setting the product (F × L) of the driving frequency F and the length L of the main surface in the above-described structure in a predetermined range, high energy conversion efficiency and high input power can be obtained. A piezoelectric transformer with high output power and high efficiency that can be used at a voltage can be realized.

【0043】図2は、本発明の積層型圧電トランスを示
すもので、この積層型圧電トランスは、主面が長さL、
幅Wの長方形状の圧電基板21に、その長さ方向に、第
1電圧入力部A2、電圧出力部B2、第2電圧入力部C
2が順次形成されている。
FIG. 2 shows a multi-layer piezoelectric transformer according to the present invention.
A first voltage input portion A2, a voltage output portion B2, and a second voltage input portion C are provided on a rectangular piezoelectric substrate 21 having a width W in the longitudinal direction.
2 are sequentially formed.

【0044】これらの第1電圧入力部A2、電圧出力部
B2、第2電圧入力部C2における圧電基板21の上側
の主面には、入力側電極22a、出力側電極24a、入
力側電極23aがそれぞれ形成されており、これらの電
極22a、23a、24aは、圧電基板21の長さ方向
に所定間隔を置いて形成されている。また、圧電基板2
1の下側の主面には、入力側電極22d、出力側電極2
4j、入力側電極23dが、圧電基板21の長さ方向に
所定間隔を置いてそれぞれ形成されている。
An input side electrode 22a, an output side electrode 24a, and an input side electrode 23a are provided on the upper main surface of the piezoelectric substrate 21 in the first voltage input section A2, the voltage output section B2, and the second voltage input section C2. The electrodes 22a, 23a, and 24a are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 21. Also, the piezoelectric substrate 2
1, the input side electrode 22d, the output side electrode 2
4j and input-side electrodes 23d are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 21.

【0045】第1電圧入力部A2における圧電基板21
の内部には、入力側電極22b、22cが形成され、電
圧出力部B2における圧電基板21の内部には、出力側
電極24b〜24iが形成され、第2電圧入力部C2に
おける圧電基板21の内部には、入力側電極23b、2
3cが形成されている。
The piezoelectric substrate 21 in the first voltage input section A2
, Input-side electrodes 22b and 22c are formed inside the piezoelectric substrate 21 in the voltage output unit B2, and output-side electrodes 24b to 24i are formed inside the piezoelectric substrate 21 in the voltage output unit B2. Have input electrodes 23b, 2
3c is formed.

【0046】入力側電極22a〜22dは同一寸法とさ
れ、出力側電極24a〜24jは同一寸法とされ、入力
側電極23a〜23dは同一寸法とされている。入力側
電極22a、23a、出力側電極24aが圧電基板21
の上側の主面において同一平面上に設けられ、入力側電
極22b、23b、出力側電極24dが圧電基板21の
内部において同一平面上に設けられ、入力側電極22
c、23c、出力側電極24gが圧電基板21の内部に
おいて同一平面上に設けられ、さらに、入力側電極22
d、23d、出力側電極24jが圧電基板21の下側の
主面において同一平面上に設けられている。尚、図2の
出力側電極については一部のみ符号を付した。
The input electrodes 22a to 22d have the same dimensions, the output electrodes 24a to 24j have the same dimensions, and the input electrodes 23a to 23d have the same dimensions. The input side electrodes 22a and 23a and the output side electrode 24a
The input side electrodes 22 b and 23 b and the output side electrode 24 d are provided on the same plane inside the piezoelectric substrate 21, and the input side electrodes 22 b
c, 23c and an output-side electrode 24g are provided on the same plane inside the piezoelectric substrate 21.
d, 23 d and an output-side electrode 24 j are provided on the same plane on the lower main surface of the piezoelectric substrate 21. Note that the output side electrodes in FIG.

【0047】入力側電極22a〜22dは、圧電基板2
1の両側面に形成された一対の外部電極25a1、25
a2により交互に接続され、出力側電極24a〜24j
は一対の外部電極25b1、25b2により交互に接続
され、入力側電極23a〜23dは一対の外部電極25
c1、25c2により交互に接続されている。
The input side electrodes 22a to 22d are
1 pair of external electrodes 25a1, 25 formed on both side surfaces
a2, the output side electrodes 24a to 24j
Are alternately connected by a pair of external electrodes 25b1 and 25b2, and the input-side electrodes 23a to 23d are
They are connected alternately by c1 and 25c2.

【0048】そして、この圧電トランスにおいても、図
1に示す圧電トランスと同様に、圧電基板21の主面の
長さLと幅Wの比(L/W)が1.1〜1.4であり、
かつ圧電基板21の主面の長さLと駆動周波数Fとの積
(F×L)が4700〜6000kHz・mmであるこ
とが望ましい。圧電基板21の主面の長さLと幅Wの比
(L/W)、圧電基板の主面の長さLと幅Wの比(L/
W)を所定範囲に設定した理由、特に望ましい範囲は、
上記と同様である。この圧電基板21についても、上記
した圧電磁器組成物から形成されている。
Also in this piezoelectric transformer, as in the piezoelectric transformer shown in FIG. 1, the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 21 is 1.1 to 1.4. Yes,
In addition, it is desirable that the product (F × L) of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 21 and the driving frequency F is 4700 to 6000 kHz · mm. The ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 21 and the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate.
The reason why W) was set to the predetermined range, particularly a preferable range is as follows.
Same as above. The piezoelectric substrate 21 is also formed from the piezoelectric ceramic composition described above.

【0049】このような積層型圧電トランスでは、図1
に示す圧電トランスと同様の効果を得ることができる
が、図2に示す積層型圧電トランスでは、さらに出力側
電極の面積を増加できるため、同じ長さと幅を持つ単板
型圧電トランスに比べて出力電流を大きく取ることがで
きる。
In such a laminated piezoelectric transformer, FIG.
Although the same effect as the piezoelectric transformer shown in FIG. 2 can be obtained, the multilayer piezoelectric transformer shown in FIG. 2 can further increase the area of the output side electrode, and thus can be compared with a single-plate piezoelectric transformer having the same length and width. A large output current can be obtained.

【0050】また、圧電トランスにおける電圧の昇降圧
比(=V2/V1)は、入力側静電容量をCd1、出力
側静電容量をCd2とすると、V2/V1∝(Cd1/
Cd2)1/2となることから、圧電トランスを積層化す
ることでCd1、Cd2を制御し、昇降圧比を任意に設
定することができる。即ち、本発明の圧電トランスは、
昇降圧比を任意に決定することで、昇降圧コンバータも
しくは昇降圧インバータに好適に用いることができる。
尚、電圧入力部に内部電極を形成しないものであっても
良い。
The voltage step-up / step-down ratio (= V2 / V1) of the piezoelectric transformer is given by V2 / V1∝ (Cd1 / Cd1 / Cd1) where Cd1 is the input-side capacitance and Cd2 is the output-side capacitance.
Since Cd2) 1/2 , Cd1 and Cd2 can be controlled by stacking piezoelectric transformers, and the step-up / step-down ratio can be set arbitrarily. That is, the piezoelectric transformer of the present invention
By arbitrarily determining the buck-boost ratio, the buck-boost converter can be suitably used for a buck-boost converter or a buck-boost inverter.
Note that the voltage input section may not have the internal electrode.

【0051】このような圧電トランスの製造方法につい
て説明する。本発明の圧電基板は、圧電材料を用いて、
ドクターブレード法やカレンダリング法等により所望の
厚みを有したセラミックグリーンシートを作製する。
A method for manufacturing such a piezoelectric transformer will be described. The piezoelectric substrate of the present invention uses a piezoelectric material,
A ceramic green sheet having a desired thickness is manufactured by a doctor blade method, a calendaring method, or the like.

【0052】次いで、このセラミックグリーンシートの
片面に、例えばAg−Pdペーストのような高耐熱性の
導電ペーストをスクリーン印刷する。この場合に、入力
側電極となるパターンと出力側電極となるパターンが形
成されたグリーンシートと、出力側電極となるパターン
のみが形成されたグリーンシートを作製し、これらを積
層し、これを熱間プレスにより圧着し、一体化させ、4
00〜500℃で加熱して脱脂を行った後、1100〜
1300℃の温度で2〜4時間焼成することによって積
層体磁器を得ることができる。
Next, a high heat-resistant conductive paste such as an Ag-Pd paste is screen-printed on one side of the ceramic green sheet. In this case, a green sheet on which a pattern serving as an input-side electrode and a pattern serving as an output-side electrode are formed, and a green sheet on which only a pattern serving as an output-side electrode is formed. Crimped by an inter-press, integrated, 4
After heating at 00 to 500 ° C to perform degreasing, 1100 to
By firing at a temperature of 1300 ° C. for 2 to 4 hours, a laminated ceramic can be obtained.

【0053】次に焼結体の両側面に外部電極として導電
ペーストを塗布する。入力側電極22a〜22dは、一
対の外部電極25a1、25a2により一層毎に交互に
接続されている。出力側電極24a〜24jは一対の外
部電極25b1、25b2により一層毎に交互に接続さ
れている。さらに、入力側電極23a〜23dは一対の
外部電極25c1、25c2により交互に接続されてい
る。即ち、入力側電極、出力側電極は、積層型コンデン
サや積層型圧電アクチュエータのような構造であり、内
部電極が外部電極により一層おきに接続されている。
Next, a conductive paste is applied to both sides of the sintered body as external electrodes. The input electrodes 22a to 22d are alternately connected to each other by a pair of external electrodes 25a1 and 25a2. The output electrodes 24a to 24j are alternately connected to each other by a pair of external electrodes 25b1 and 25b2. Further, the input-side electrodes 23a to 23d are alternately connected by a pair of external electrodes 25c1 and 25c2. That is, the input-side electrode and the output-side electrode have a structure like a multilayer capacitor or a multilayer piezoelectric actuator, and the internal electrodes are connected alternately by the external electrodes.

【0054】次に、得られた積層体の両主面に形成され
た入力側電極22a〜22d、23a〜23d及び出力
側電極24a〜24jに、それぞれ80〜200℃の絶
縁性オイル中で1.0〜5.0kV/mmの直流電界を
10〜60分印加し分極処理を行い、圧電トランスを得
る。
Next, the input side electrodes 22a to 22d, 23a to 23d and the output side electrodes 24a to 24j formed on both main surfaces of the obtained laminate are respectively applied with insulating oil at 80 to 200 ° C. A piezoelectric field is obtained by applying a DC electric field of 0.0 to 5.0 kV / mm for 10 to 60 minutes to perform polarization processing.

【0055】本発明の圧電トランスでは、出力電力20
W以上、効率85%以上の優れた特性を得ることができ
る。
In the piezoelectric transformer of the present invention, the output power 20
Excellent characteristics of W or more and efficiency of 85% or more can be obtained.

【0056】[0056]

【実施例】実施例1 出発原料として、粉末としてPbO、ZrO2、Ti
2、Nb25、MnO2、Fe23、Gd23、Sm2
3及びNd23の各原料粉末を、モル比による組成式
(Pb(1-a)xa)〔(Nb0.58Mn0.17Fe0.25b
c(TidZr1-d1-b c〕O3において、表1に示す
a〜d、x、Rとなるように所定量秤量した。
EXAMPLE 1 PbO, ZrO 2 , Ti as powder as starting materials
O 2 , Nb 2 O 5 , MnO 2 , Fe 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2
The respective raw material powders of O 3 and Nd 2 O 3 were prepared by a composition formula (Pb (1-a) x Ra ) [(Nb 0.58 Mn 0.17 Fe 0.25 ) b M
n c (Ti d Zr 1- d) 1-b - In c] O 3, to d shown in Table 1, x, were weighed in predetermined amounts so that R.

【0057】原料粉末を秤量後、3mmφのZrO2
ールを用いて20時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を
行い、Al23製坩堝に投入し、950℃の温度で3時
間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕した。
The raw material powder was weighed, wet-mixed using a 3 mmφ ZrO 2 ball for 20 hours, discharged, dried, sized, put into an Al 2 O 3 crucible, and temporarily heated at a temperature of 950 ° C. for 3 hours. After baking, the calcined product was pulverized again by a ball mill.

【0058】その後、この粉砕物に、有機バインダーを
混合し、造粒した。得られた粉末を150MPaの圧力
で長さ37mm、幅25mm、厚さ2mmの寸法からな
る角板にプレス成形した。さらに、これらの成形体をM
gO等からなる容器内に密閉し、大気中で1200℃の
温度で2時間焼成した。
Thereafter, an organic binder was mixed with the pulverized product and granulated. The obtained powder was press-formed at a pressure of 150 MPa into a square plate having a length of 37 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 2 mm. Furthermore, these compacts are
The container was sealed in a container made of gO or the like, and fired in the air at a temperature of 1200 ° C. for 2 hours.

【0059】得られた焼結体を研磨し、厚み1.0mm
の角板を得、この角板の両表面に銀とガラスを主成分と
する電極ペーストを塗布し、焼き付けた。さらに、20
0℃のシリコンオイル中で1.1kV/mmの直流電界
を30分間印加して分極処理を行った。
The obtained sintered body was polished to a thickness of 1.0 mm.
An electrode paste containing silver and glass as main components was applied to both surfaces of the square plate and baked. In addition, 20
A polarization treatment was performed by applying a DC electric field of 1.1 kV / mm in silicon oil at 0 ° C. for 30 minutes.

【0060】こののち、角板を幅3mm×長さ12mm
の形状に切り出し、電気機械結合係数k31及び機械品質
係数Qmの評価を共振反共振法により行った。上記した
試料サイズは、EMAS6001に準じたものである。
なお、測定装置は、インピーダンスアナライザ(agi
rent4294A)を用いた。
After that, the square plate is 3 mm wide × 12 mm long.
Excision of the shape, the evaluation of the electromechanical coupling factor k 31 and a mechanical quality factor Qm was performed by a resonance-antiresonance method. The sample size described above is based on EMAS6001.
The measuring device is an impedance analyzer (agi).
Rent4294A) was used.

【0061】共振周波数の温度安定性は、―20℃、2
5℃、80℃の共振周波数を測定し、温度安定性frTC
=(fr( 20 ℃、 80 )−fr(25 ))/fr(25 )×
100 (単位:%)の式から算出した。結果を表1に
示す。
The temperature stability of the resonance frequency is -20 ° C., 2
Measure the resonance frequency of 5 ° C and 80 ° C, and measure the temperature stability fr TC
= (Fr (- 20 ℃, 80 ℃) -fr (25 ℃)) / fr (25 ℃) ×
It was calculated from the formula of 100 (unit:%). Table 1 shows the results.

【0062】[0062]

【表1】 [Table 1]

【0063】本発明の試料では、電気機械結合係数k31
が25%以上、機械的品質係数Qmが900以上、共振
周波数の温度安定性が±0.1%以内と優れた特性を有
することが判る。尚。キュリー温度は試料No.6が2
40℃であり、No.10が250℃であったのに対し
て、本発明の試料では280℃以上であり、耐熱性に優
れるものであった。
In the sample of the present invention, the electromechanical coupling coefficient k 31
25% or more, the mechanical quality factor Qm is 900 or more, and the temperature stability of the resonance frequency is within ± 0.1%. still. The Curie temperature of Sample No. 6 is 2
40 ° C. 10 was 250 ° C., whereas the sample of the present invention was 280 ° C. or higher, which was excellent in heat resistance.

【0064】電気機械結合係数k31を高める効果は、T
i/(Ti+Zr)比dが顕著である。試料No.4及
びNo.16〜20から比率dが0.5に近づくに従い
電気機械結合係数k31は大きくなり、機械的品質係数Q
mは微減する。本発明範囲内であるNo.4及びNo.
17〜19は電気機械結合係数k31が25.3〜28.
4%、機械的品質係数Qmが1130〜1240、共振
周波数の温度安定性が0.038〜0.05%である
が、本発明の範囲外であるNo.16では機械的品質係
数Qmが790と低くなり、また、No.20では電気
機械結合係数k31が22.5%と小さくなった。
The effect of increasing the electromechanical coupling coefficient k 31 is due to T
The i / (Ti + Zr) ratio d is remarkable. Sample No. 4 and No. 4. As the ratio d approaches 0.5 from 16 to 20, the electromechanical coupling coefficient k 31 increases, and the mechanical quality factor Q
m decreases slightly. No. within the scope of the present invention. 4 and No. 4.
17 to 19 is the electromechanical coupling coefficient k 31 is 25.3 to 28.
No. 4%, the mechanical quality factor Qm was 1130 to 1240, and the temperature stability of the resonance frequency was 0.038 to 0.05%. In No. 16, the mechanical quality factor Qm was as low as 790. In No. 20, the electromechanical coupling coefficient k 31 was reduced to 22.5%.

【0065】機械的品質係数Qmを高める効果は、Pb
補正比x、Bサイトに置換するMn比cによる影響が顕
著である。試料No.11〜15及び試料No.21〜
25において、Pb補正比を減ずる従い、またBサイト
のMn置換は0.015に近づくに従い機械的品質係数
Qmは大きくなり、電気機械結合係数k31は小さくな
る。本発明範囲内であるNo.12〜14やNo.22
〜24は電気機械結合係数k31が26.2〜32.6
%、機械的品質係数Qmが900〜1200、共振周波
数の温度安定性が0.03〜0.056%であるが、本
発明範囲外であるNo.11、25では機械的品質係数
Qmを向上させる効果が少なく、No.15、21では
電気機械結合係数k31が24.5%、20.0%と小さ
くなる。
The effect of increasing the mechanical quality factor Qm is Pb
The influence of the correction ratio x and the Mn ratio c replacing the B site is remarkable. Sample No. 11 to 15 and sample No. 21-
In 25, follow reduce Pb correction ratio and the mechanical quality factor Qm in accordance with the Mn substitution of B site closer to 0.015 increases, the electromechanical coupling factor k 31 becomes smaller. No. within the scope of the present invention. 12-14 or No. 22
24 is the electromechanical coupling factor k 31 is 26.2 to 32.6
%, The mechanical quality factor Qm is 900 to 1200, and the temperature stability of the resonance frequency is 0.03 to 0.056%. In Nos. 11 and 25, the effect of improving the mechanical quality factor Qm was small. Electromechanical coupling factor k 31 in 15 and 21 is 24.5 percent smaller and 20.0%.

【0066】共振周波数の温度安定性を高める効果は、
PbをGd、Sm、Ndで置換することが顕著である。
試料No.1〜6において、Gd、Sm、Nd置換量を
増加させるに従い、共振周波数の温度安定性は高くな
り、電気機械結合係数k31は小さくなる。本発明範囲内
であるNo.2〜5は電気機械結合係数k31が27.3
〜31.8%、機械的品質係数Qmが950〜130
0、共振周波数の温度安定度が0.019〜0.082
%であるが、本発明範囲外であるNo.1では共振周波
数の温度安定性を向上させる効果が少なく、No.6で
は電気機械結合係数k31が19.8%と小さくなる。 実施例2 試料No.4の組成において、即ちモル比による組成式
(Pb0.9850.015) 〔(Nb1-e-fMneFef0.1Mn0.01(Ti0.506
0.4940.89〕O3において、表2に示すe、fとなる
ように所定量秤量する以外は、上記実施例1と同様にし
て圧電磁器を作成するとともに、圧電特性を評価した。
その結果を表2に記載した。
The effect of improving the temperature stability of the resonance frequency is as follows.
It is remarkable that Pb is replaced with Gd, Sm, and Nd.
Sample No. In 1 to 6, Gd, Sm, according to increase the Nd substitution amount, the temperature stability of the resonant frequency is high, the electromechanical coupling factor k 31 becomes smaller. No. within the scope of the present invention. 2 to 5 have an electromechanical coupling coefficient k 31 of 27.3.
3131.8%, mechanical quality factor Qm is 950 to 130
0, temperature stability of resonance frequency is 0.019 to 0.082
%, Which is out of the range of the present invention. In the case of No. 1, the effect of improving the temperature stability of the resonance frequency is small. Electromechanical coupling factor k 31 in 6 becomes smaller as 19.8%. Example 2 Sample no. In the composition of 4, i.e. the composition formula by molar ratio (Pb 0.985 R 0.015) [(Nb 1-ef Mn e Fe f) 0.1 Mn 0.01 (Ti 0.506 Z
r 0.494 ) 0.89 ] O 3 , a piezoelectric ceramic was prepared in the same manner as in Example 1 except that predetermined amounts were weighed so as to obtain e and f shown in Table 2, and the piezoelectric characteristics were evaluated.
The results are shown in Table 2.

【0067】[0067]

【表2】 [Table 2]

【0068】この表2から、上記組成式において、0.
11≦e≦0.20、0.20≦f≦0.33を満足す
る場合には、高い電気機械結合係数k31、機械的品質係
数Qを得ることができ、共振周波数の温度安定性が±
0.05%以内と優れた特性を有することが判る。尚。
キュリー温度は280℃以上であった。 実施例3 試料No.4、即ちモル比による組成式(Pb0.985
0.015)〔(Nb0.58Mn0.17Fe0.250.1Mn
0.01(Ti0.506Zr0.4940.89〕O3で表される原料
粉末を秤量後、5mmφのZrO2ボールを用いて20
時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Al23
坩堝に投入し、950℃の温度で3時間仮焼し、当該仮
焼物を再びボールミルで粉砕し、D50が0.7μm、
D90が1.3μmの粒度分布で、比表面積が2.0c
2/gを有する粉砕粉体を得た。
From Table 2, it can be seen that, in the above composition formula, 0.1.
When 11 ≦ e ≦ 0.20 and 0.20 ≦ f ≦ 0.33 are satisfied, a high electromechanical coupling coefficient k 31 and a high mechanical quality factor Q can be obtained, and the temperature stability of the resonance frequency can be improved. ±
It turns out that it has the outstanding characteristic within 0.05%. still.
The Curie temperature was 280 ° C or higher. Example 3 Sample no. 4, that is, the composition formula (Pb 0.985 R
0.015 ) [(Nb 0.58 Mn 0.17 Fe 0.25 ) 0.1 Mn
After weighing the raw material powder represented by 0.01 (Ti 0.506 Zr 0.494 ) 0.89 ] O 3 , the raw material powder was weighed using a 5 mmφ ZrO 2 ball.
After wet mixing, discharging, drying and sizing, the mixture is put into an Al 2 O 3 crucible and calcined at a temperature of 950 ° C. for 3 hours. ,
D90 has a particle size distribution of 1.3 μm and a specific surface area of 2.0 c
A ground powder having a m 2 / g was obtained.

【0069】得られた粉砕物にバインダー、可塑剤を添
加し、有機溶剤中に分散させスラリーを作製する。得ら
れたスラリーを用いてドクターブレード法により厚み1
80μmのセラミックグリーンシートを作製した。この
グリーンシートの片面に、Ag−Pdペーストをスクリ
ーン印刷する。印刷されたグリーンシートを積層し、こ
れを熱間プレスにより圧着し一体化させ、400〜50
0℃で加熱により脱脂を行った後、1120℃の温度で
3時間焼成することによって積層体磁器を得た。
[0069] A binder and a plasticizer are added to the obtained pulverized product and dispersed in an organic solvent to prepare a slurry. Using the obtained slurry, a thickness of 1
An 80 μm ceramic green sheet was produced. An Ag-Pd paste is screen-printed on one side of the green sheet. The printed green sheets are laminated, and the green sheets are pressed and integrated by a hot press, and
After degreasing by heating at 0 ° C., the laminate was fired at a temperature of 1120 ° C. for 3 hours to obtain a laminated ceramic.

【0070】得られた積層体磁器の両主面に銀とガラス
を主成分とする電極ペーストを塗布し、第一電圧入力
部、電圧出力部、第二電圧入力部を形成し、電極を焼き
付けた後、積層部分の側面に導電性ペーストにより磁器
内部の電極との接続を行い外部電極を形成した。
An electrode paste containing silver and glass as main components is applied to both main surfaces of the obtained laminated ceramic to form a first voltage input portion, a voltage output portion, and a second voltage input portion, and the electrodes are baked. After that, external electrodes were formed on the side surfaces of the laminated portion by connection with electrodes inside the porcelain using a conductive paste.

【0071】次に、積層体の両主面に形成された電圧入
力電極及び電圧出力電極に、それぞれ200℃のシリコ
ンオイル中で1.1kV/mmの直流電界を30分印加
し分極処理を行い、図2に示す積層型圧電トランスを得
た。
Next, a DC electric field of 1.1 kV / mm was applied to the voltage input electrode and the voltage output electrode formed on both main surfaces of the laminate in silicon oil at 200 ° C. for 30 minutes, respectively, and polarization treatment was performed. Thus, the multilayer piezoelectric transformer shown in FIG. 2 was obtained.

【0072】得られた積層体の寸法は、L×W×T=4
0.5mm×33.5mm×2.8mmであった。ま
た、電力入力部と電力出力部の間隔は1.2mmであっ
た。
The dimensions of the obtained laminate were L × W × T = 4
It was 0.5 mm × 33.5 mm × 2.8 mm. The distance between the power input unit and the power output unit was 1.2 mm.

【0073】次に、積層体の両主面に形成された電圧入
力電極及び電圧出力電極に、それぞれ200℃のシリコ
ンオイル中で1.1kV/mmの直流電界を30min
印加し分極処理を行い、積層型圧電トランスを得た。
Next, a DC electric field of 1.1 kV / mm was applied to the voltage input electrode and the voltage output electrode formed on both main surfaces of the laminate in silicon oil at 200 ° C. for 30 minutes.
Polarization was performed by applying the voltage to obtain a laminated piezoelectric transformer.

【0074】測定回路は、図3に示すように、圧電トラ
ンスの第1電圧入力部A、第2電圧入力部C、電圧出力
部Bとして、この電圧出力部Bに負荷抵抗RLとして1
0Ωを接続した。入力電圧として振幅70.7Vの正弦
波に70.7Vのオフセット電圧を加えたものを直流電
源から増幅器を介して第1電圧入力部A、第2電圧入力
部Cの入力側電極に印加した。この時、入力側電極に投
入される電流Iin、電圧Vin及び電圧出力部Bの出力側
電極から出力される電圧Vout、電流Ioutを測定した。
出力電力Pout、変換効率ηは以下の式から算出した。
As shown in FIG. 3, the measuring circuit includes a first voltage input section A, a second voltage input section C, and a voltage output section B of the piezoelectric transformer.
0Ω was connected. A voltage obtained by adding an offset voltage of 70.7 V to a sine wave having an amplitude of 70.7 V as an input voltage was applied from a DC power supply to input electrodes of the first voltage input section A and the second voltage input section C via an amplifier. At this time, the current I in and the voltage V in applied to the input-side electrode, and the voltage V out and the current I out output from the output-side electrode of the voltage output unit B were measured.
The output power P out and the conversion efficiency η were calculated from the following equations.

【0075】 Pout=Vout×Iout (単位:W) η=(Vout×Iout)÷(Vin×Iin)×100 (単位:%) その結果、駆動周波数130kHzにおいて出力電力が
30W、効率が94%であった。
P out = V out × I out (unit: W) η = (V out × I out ) ÷ (V in × I in ) × 100 (unit:%) As a result, the output power is reduced at the driving frequency of 130 kHz. 30 W, efficiency was 94%.

【0076】[0076]

【発明の効果】本発明の圧電磁器組成物では、ペロブス
カイト型複合酸化物のAサイトを、Gd、Sm、Ndで
置換することにより、共振周波数の温度安定性を向上さ
せることができ、通常PZT系のBサイトは4価である
が、2価乃至4価のMnで所定量置換することにより、
キュリー温度Tcの低下を抑制でき、機械的品質係数Q
mの低下を抑制でき、これにより、電気機械結合係数K
p及び機械的品質係数Qmを高く維持しつつ、共振周波
数の温度安定性を向上できる。
According to the piezoelectric ceramic composition of the present invention, the temperature stability of the resonance frequency can be improved by replacing the A site of the perovskite-type composite oxide with Gd, Sm, and Nd. The B site of the system is tetravalent, but by substituting a predetermined amount with divalent to tetravalent Mn,
Curie temperature Tc can be suppressed from lowering, and the mechanical quality factor Q
m can be suppressed, whereby the electromechanical coupling coefficient K
The temperature stability of the resonance frequency can be improved while maintaining p and the mechanical quality factor Qm high.

【0077】このような圧電磁器組成物を圧電トランス
の圧電基板として用いることで、出力20W以上、効率
85%以上の優れた特性の圧電トランスを得ることがで
きる。
By using such a piezoelectric ceramic composition as a piezoelectric substrate of a piezoelectric transformer, a piezoelectric transformer having an output of 20 W or more and an efficiency of 85% or more can be obtained.

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

【図1】本発明の単板型圧電トランスを示す斜視図であ
る。
FIG. 1 is a perspective view showing a single-plate type piezoelectric transformer of the present invention.

【図2】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図であ
る。
FIG. 2 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric transformer of the present invention.

【図3】本発明の圧電トランスの測定回路を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a measurement circuit of the piezoelectric transformer of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、21・・・圧電基板 12、13、15、16、22a〜d、23a〜d・・
・入力側電極 14、17、24a〜j・・・出力側電極 A1、A2・・・第1電圧入力部 B1、B2・・・電圧出力部 C1、C2・・・第2電圧入力部
11, 21,... Piezoelectric substrate 12, 13, 15, 16, 22a-d, 23a-d,.
-Input-side electrodes 14, 17, 24a to j-Output-side electrodes A1, A2-First voltage input section B1, B2-Voltage output sections C1, C2-Second voltage input section

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】金属元素としてPb、Zr、Ti、Nb、
Mn及びFeと、Gd、Sm及びNdのうち少なくとも
一種を含有するペロブスカイト型複合酸化物であって、
金属元素のモル比による組成式を (Pb(1-a)xa)〔(Nb1-e-fMneFefbMn
c(TidZr1-d1-b c〕O3(但し、RはGd、Sm
及びNdのうち少なくとも一種)と表わした時、前記
a、b、c、d及びxが 0.005≦a≦0.025 0.07 ≦b≦0.14 0 <c≦0.02 0.50 <d≦0.55 0.98 ≦x≦1.02 を満足することを特徴とする圧電磁器組成物。
1. Pb, Zr, Ti, Nb,
A perovskite-type composite oxide containing Mn and Fe and at least one of Gd, Sm, and Nd,
The composition formula by molar ratio of the metal elements (Pb (1-a) x R a) [(Nb 1-ef Mn e Fe f) b Mn
c (Ti d Zr 1-d ) 1-b - c ] O 3 (where, R represents Gd, Sm
And at least one of Nd), a, b, c, d and x are 0.005 ≦ a ≦ 0.025 0.07 ≦ b ≦ 0.140 <c ≦ 0.020. A piezoelectric ceramic composition characterized by satisfying 50 <d ≦ 0.55 0.98 ≦ x ≦ 1.02.
【請求項2】両主面が長さL、幅Wの長方形である圧電
基板の長さ方向に、電圧入力部、電圧出力部を交互に形
成し、前記電圧入力部、電圧出力部にそれぞれ入力側電
極、出力側電極を設けてなる圧電トランスにおいて、前
記圧電基板の圧電体層が、請求項1記載の圧電磁器組成
物からなることを特徴とする圧電トランス。
2. A voltage input portion and a voltage output portion are alternately formed in a longitudinal direction of a piezoelectric substrate having both main surfaces of a rectangular shape having a length L and a width W, and the voltage input portion and the voltage output portion are respectively formed. A piezoelectric transformer comprising an input electrode and an output electrode, wherein a piezoelectric layer of the piezoelectric substrate is made of the piezoelectric ceramic composition according to claim 1.
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