JP2004203629A - 圧電磁器組成物、圧電トランス、圧電トランスインバータ回路、及び圧電磁器組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】組成式Pba(ZrbTicMndNbeSbf)O3+δで表される主成分であって、前記組成式中のa,b,c,d,e,fがそれぞれ0.970≦a≦1.030,0.440≦b≦0.520,0.440≦c≦0.520,0.0083≦d≦0.0233,0.0067≦e≦0.0333,0.0033≦f≦0.0333,(但しb+c+d+e+f=1,δ=(2a+4b+4c+2d+5e+5f)×0.5−3)となる値を有する主成分1molに対して、副成分として、CuO,MgO,及びWO3を含有し、前記CuOをgmol、前記MgOをhmol、前記WO3をimolとしたとき,各g,h,iはそれぞれ、0.0041≦g≦0.0819,0.0081≦h≦0.0808,0.0014≦i≦0.0140の範囲で含有してなる圧電磁器組成物。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物、圧電トランス,圧電トランスインバータ回路,及び圧電磁器組成物の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、圧電フィルタ、圧電アクチュエータ、圧電トランス、圧電センサなどに使用される圧電磁器組成物として、チタン酸ジルコン酸鉛系磁器組成物がよく知られている。また、この圧電磁器組成物に種々の添加物を加えて、圧電特性の向上がなされている。
【0003】
例えば、圧電磁器組成物として、Pb(Mn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO3からなる主成分に副成分としてSb2O3を含有させたものがある(特許文献1参照)。
【0004】
また、圧電磁器組成物として、Pb1−a−bSra(ZrmTinMnxNbySbz)O1+2m+2n+2x+2.5y+1.5z−bであり、結晶構造がペロブスカイト型構造のものがある(特許文献2参照)。
【0005】
さらに、圧電磁器組成物として、PbTiO3−PbZrO3−Pb(Mn1/3Sb2/3)O3系からなる主成分に、副成分としてV2O5、La2O3、Bi2O3、ZnO、CuO、PbO、WO3のうち少なくとも1種とMoO3を含有させたものがある(特許文献3参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平02−077180号公報
【特許文献2】
特開平08−283069号公報
【特許文献3】
特開2001−058872号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に記載された圧電磁器組成物はその焼成温度が1200〜1300℃である。また、特許文献2に記載された圧電磁器組成物はその焼成温度が1200℃である。これら圧電磁器組成物の主成分の一つであるPbOは蒸発温度が1000℃付近から急激に増加することが知られている。
【0008】
したがって、焼成温度が1200〜1300℃であると、PbOが多量に蒸発するという問題点があった。また、内部電極を有する積層型圧電セラミック素子を焼成する場合、焼成温度より高い融点を有する電極材料を用いなければならない。このような高融点金属としては白金やパラジウムなど高価な金属を用いる必要があり、製造コストが非常に高くなる。
【0009】
また、特許文献3に記載の圧電磁器組成物は、焼成温度が1000℃以下であり、PbOの蒸発を回避でき、積層型圧電セラミック素子の内部電極としてパラジウム量を減らすことができるので製造コストを低減することができる。
【0010】
しかしながら、この圧電磁器組成物はキュリー温度(Tc)が約250℃程度であり、圧電セラミック素子を用いた圧電応用製品が表面実装時のハンダリフロー工程で高温にさらされると、圧電特性が大きく劣化し、耐熱性が不十分であるという問題点がある。
【0011】
したがって、高耐熱性をもたせるためには、圧電セラミック素子に用いられている圧電磁器組成物のキュリー温度を少なくとも280℃にする必要がある。
【0012】
本発明は、上記の問題点を解決するものであり、その目的は、1000℃以下の焼成温度で低温焼結可能であり、かつ高水準の電気機械結合係数(K)や機械的品質係数(Qm)等の圧電特性を有する圧電磁器組成物を提供することである。さらに、キュリー温度が高く、表面実装時のハンダリフロー等の加熱処理による圧電特性の劣化が小さい高耐熱性を有する圧電磁器組成物を提供することである。
【0013】
また、この発明の他の目的は、従来の場合よりも優れた圧電特性及び高耐熱性を高い水準で両立させた圧電磁器組成物を用いた圧電トランス、及びその圧電トランスを備えたインバータ回路を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この本発明に係る圧電磁器組成物の要旨は以下の通りである。
【0015】
すなわち、本発明の請求項1に記載の圧電磁器組成物は、下記に示す組成式(1)で表される主成分であって、前記組成式中のa,b,c,d,e,fがそれぞれ0.970≦a≦1.030,0.440≦b≦0.520,0.440≦c≦0.520,0.0083≦d≦0.0233,0.0067≦e≦0.0333,0.0033≦f≦0.0333となる値を有する主成分1molに対して、副成分として、CuO,MgO,及びWO3を含有し、前記CuOをgmol、前記MgOをhmol、前記WO3をimolとしたとき,各g,h,iはそれぞれ、0.0041≦g≦0.0819,0.0081≦h≦0.0808,0.0014≦i≦0.0140の範囲で含有してなることを特徴としている。
【0016】
Pba(ZrbTicMndNbeSbf)O3+δ…(1)
(但しb+c+d+e+f=1,δ=(2a+4b+4c+2d+5e+5f)×0.5−3)
また、本発明の請求項2及び請求項3に記載の圧電磁器組成物は、前記圧電磁器組成物の主成分におけるPbの一部がSr、Laのうち少なくとも1種類以上の元素で置換されていることを特徴としており、その置換量は前記Pbの4mol%以下(但し、0mol%を含まず)であることを特徴としている。
【0017】
すなわち、請求項1に係る圧電磁器組成物の主成分中におけるPbの含有モル量が0.970〜1.030である時、上記組成式(1)を変形した下記組成式(2)からなる主成分を用いた圧電磁器組成物であることを特徴としている。
【0018】
PbαMβ(ZrbTiCMndNbeSbf)O3+δ…(2)
(但し、MはSr,Laのうち少なくとも1種以上、β≦0.04、α+β=0.970〜1.030)
また、本発明の請求項4に記載の圧電トランスは、請求項1ないし請求項3の圧電磁器組成物を用いて構成されていることを特徴とするものである。
【0019】
また、本発明の請求項5に記載の圧電トランスインバータ回路は、請求項4に記載の圧電トランスを用いて構成されていることを特徴とするものである。
【0020】
さらに、本発明の請求項6に記載の圧電磁器組成物の製造方法は、以下に示す製造方法を用いて請求項1ないし請求項3に記載の圧電磁器組成物を製造することである。
【0021】
すなわち、前記圧電磁器組成物の主成分である化合物原料、及び前記圧電磁器組成物の副成分であるCuO,MgO,及びWO3の化合物原料のうち少なくとも1種類を所定量もしくはその所定量の一部を差し引いて秤量したものを混合した後に、前記混合物を仮焼する工程と、前記仮焼工程で得られた仮焼物に、前記副成分であるCuO,MgO,及びWO3の化合物原料うち少なくとも1種類を所定量に対して補充すべき量を秤量・添加したものを混合した後に、成形・焼成する工程と、を備える圧電磁器組成物の製造方法を用いて圧電磁器組成物を製造するものである。
【0022】
本発明に係る圧電磁器組成物によれば、前記主成分に焼結助剤として所定量の前記副成分であるCuO、MgO、及びWO3を含有させることにより、焼結初期段階で主成分のセラミック粒界に液相が形成されるので、粒子間の結合の形成速度が増加し焼結を促進させることが可能となる。
【0023】
低温焼結化に関するメカニズムは以下のようになる。すなわち、焼結初期段階でセラミック粒界に前述の液相が生成すると、その液相は固相粒子を濡らし若干溶解させて広がりを見せるが、この濡れ性液相が十分量に存在すると、粒子の再配列により緻密化させることができる。そしてさらに、溶解−析出プロセス(具体的には、拡散、粒成長及び形状緩和)を経て、固相粒子に対して気孔を消滅させ、ネック成長と粒成長を起こさせることが可能となる。したがって、本発明に係る圧電磁器組成物は1000℃以下という低い焼成温度でも十分な焼結性を有することが可能となる。
【0024】
また、本発明に係る圧電磁器組成物によれば、焼結の終了段階では上述の液相はセラミックの粒内に吸収されるか、もしくはセラミックの粒子間の三重点に集中するので、セラミックの粒界には未反応物が残留しにくくなる。したがって、高水準の電気機械結合係数(K)及び機械的品質係数(Qm)を得ることが可能となる。
【0025】
また、本発明に係る圧電磁器組成物によれば、Pbの化学量論組成をより少なくする場合では、機械的品質係数(Qm)をさらに向上することができ、またより多くする場合では、低温焼結性をさらに向上させることができるため、材料設計の自由度は高くなる。
【0026】
また、本発明に係る圧電磁器組成物によれば、含有モル量が0.970〜1.030の範囲にあるPbの4mol%以下をSr,Laの少なくとも1種以上で置換することによっても、高水準の電気機械結合係数(K)及び機械的品質係数(Qm)を得ることが可能となる。特に、比誘電率(ε)を高くすることができるので、材料設計の自由度は高くなる。
【0027】
また、本発明に係る圧電磁器組成物によれば、キュリー温度(Tc)が高いことにより、表面実装時の無鉛ハンダリフロー等の加熱処理による圧電特性の劣化が小さい高耐熱性を有する。
【0028】
したがって、上述の本発明に係る圧電磁器組成物を備えた圧電トランス、及び圧電トランスインバータ回路も、優れた圧電特性と高耐熱性を有する。特に、無鉛ハンダ等のリフロー実装を行う上で非常に好適である。
【0029】
また、本発明に係る圧電磁器組成物の製造方法によれば、あらかじめ仮焼前に所定の化合物原料をすべて秤量・混合して圧電磁器組成物を製造する方法と比べると、以下の点で優れている。すなわち、仮焼後に所定量もしくはその一部のCuO、MgO、及びWO3の化合物原料うち少なくとも1種類を、得られた仮焼粉末に添加することにより、主成分のセラミック粒界に、より選択的に液相を形成することができるため、より低温で焼結させることができ、しかも圧電磁器組成物の圧電特性を同等レベル以上にすることが可能となる。
【0030】
したがって、高水準の電気機械結合係数(K)及び機械的品質係数(Qm)を維持しつつ、焼成温度が900℃〜1000℃という低温での焼成が可能となる。また、キュリー温度(Tc)が高いことにより、表面実装時における無鉛ハンダリフロー等の加熱処理による圧電特性の劣化が小さくなるので、高耐熱性を有する。
【0031】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
【0032】
はじめに、本発明に係る圧電磁器組成物を用いた圧電トランス及び圧電トランスインバータ回路について、実施の形態を詳細に説明する。
【0033】
図1は本発明に係る圧電磁器組成物を用いた圧電トランスの一実施の形態を示す断面図である。
【0034】
図1において、圧電トランス10は、例えば、図1(a)〜図1(c)に示すように、積層構造を有するローゼン型圧電トランスであり、複数枚の圧電セラミックのグリーンシートを積層圧着し一体焼成した矩形平板状の圧電セラミック板11を備えている。ここで、前記圧電セラミックには本発明に係る圧電磁器組成物が含有されている。
【0035】
前記圧電セラミック板11の長手方向の片側半部(図における左側)の内部及び上下面の略全面に、対になる入力電極12,13が対向して形成され、他方側の長手方向の端面に出力電極14が形成されている。入力電極12,13は、前記圧電セラミックの層間に形成された内部電極12i,13i及び外部電極12e,13eからなり、外部電極12e,13eはそれぞれ幅方向の一方側面に延設して形成されており、各内部電極12iは外部電極12eに、内部電極13iは外部電極13eに、それぞれ側面で接続されている。入力電極が12,13が形成された部分は厚み方向に分極されて駆動部Aが構成され、他方の部分は長手方向に分極されて発電部Bが構成される。通常、一方の入力電極13は共通電極(アース電極)として接地される。
【0036】
前記圧電トランス10において、入力電極12,13間に、圧電トランス10の長手方向の固有共振周波数と略等しい周波数の交流電圧が印加されると、圧電トランス10は長手方向に強い機械振動が生じ、これにより発電部Bでは圧電効果により電荷が発生し、出力電極14とアース電極との間に昇圧された出力電圧が生じる。
【0037】
なお、ここでは積層構造を有するローゼン型圧電トランスの例を示したが、もちろん単板構造の圧電トランスも同様の作用効果を有している。
【0038】
図2は本発明に係る圧電磁器組成物を備えた圧電トランスを用いて構成された圧電トランスインバータ回路の一実施の形態を示すブロック図である。
【0039】
圧電トランスインバータ回路20は、図2の一例のように、圧電トランス1と冷陰極管2と電流電圧変換回路3と誤差増幅回路4と電圧周波数変換回路5と駆動回路6と制御回路7と第2の制御回路8と負荷9で構成される。
【0040】
圧電トランス1は駆動回路6から一次側電極に入力された交流電圧を電圧変換して冷陰極管2に印加する。冷陰極管2は圧電トランス1の出力電圧によって点灯する。冷陰極管2に流れる電流は電流電圧変換回路3に与えられて電圧に変換されて誤差増幅回路4に与えられ、管電流を制御するための基準電圧V1との差電圧が増幅される。
【0041】
誤差増幅回路4の出力は電圧周波数変換回路5に与えられて駆動周波数が決定される。駆動回路6はその駆動周波数によって圧電トランス1を駆動させる。制御回路7は制御用トランジスタ(図は略)を含み、内部からの間欠駆動制御信号S1によって制御用トランジスタが駆動回路6のMOSFET(図は略)をオン,オフさせる。
【0042】
また、冷陰極管2が消灯して制御回路7が間欠駆動制御信号S1によって駆動回路6の出力を停止させているときに、誤差増幅回路4の出力電流が負荷9に流れるように制御回路8によって制御される。
【0043】
図2に示す圧電トランス1は、圧電トランス固有の共振周波数で最大の周波数昇圧特性を持ち、その共振周波数より離れると昇圧が小さくなるという周波数昇圧特性を持っている。この周波数昇圧特性を利用して、誤差増幅回路4によって冷陰極管電流を電圧に変換した値と、管電流を設定する基準電圧V1とを比較し、その比較電圧を周波数に変換し、圧電トランス1を駆動することにより、圧電トランス1の昇圧を変えて管電流を一定にするように動作している。
【0044】
ここで、図2の圧電トランス1には、本発明に係る圧電磁器組成物を備えている。
【0045】
以下、本発明に係る圧電磁器組成物、及びその製造方法を詳述する。
【0046】
【第1の実施例】
まず、出発原料として、PbO、ZrO2、TiO2、MnO、Nb2O5、Sb2O3、CuO、MgO、及びWO3の化合物を、表1に示すように、所定量に秤量した。この秤量物に水及びジルコニアボール等の粉砕媒体を加え、所定の粉砕粒径になるように湿式混合・粉砕・乾燥を行い、混合粉末を得た。なお、出発原料として上記酸化物に限らず、酸化数の異なる酸化物、金属、炭酸塩、水酸化物、金属アルコキシドなどを適宜使用してもよい。
【0047】
その後、得られた混合粉末を600℃〜1000℃の温度で、0.5〜2時間保持して仮焼を行い、セラミック仮焼粉末を得た。
【0048】
次に、得られたセラミック仮焼粉末に対し、有機バインダを添加し、溶媒として水を用いてスラリーを作製し、そのスラリーを乾燥し造粒することによりセラミック造粒粉末を得た。得られたセラミック造粒粉末を板状にプレス成形してセラミック圧粉体を作製した。
【0049】
次いで、該セラミック圧粉体を匣鉢に収容し、脱脂処理を行った後、990℃の温度で焼成し、セラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体を研磨及び切り出し加工を施して、一辺が15mmで肉厚が0.5mmのセラミック焼結体の正方板を作製した。
【0050】
次に、得られたセラミック焼結体の正方板にAg系の導電性ペーストを焼き付けて外部電極を形成した。その後、60℃の絶縁オイル中、4kV/mmの電界を負荷して30分間分極処理を施し、試料番号1〜29の試験片を作製した。
【0051】
次に、上述の各試験片について、電気機械結合係数(Ks)、機械的品質係数(Qm)、比誘電率(εr)及びキュリー温度(Tc)を算出した。
【0052】
ここで、電気機械結合係数(Ks)、機械的品質係数(Qm)、及び比誘電率(εr)はRFインピーダンスアナライザを使用し、共振−反共振法により測定した。また、キュリー温度(Tc)については、比誘電率(εr)の温度特性を測定し、該比誘電率(εr)の極大温度をキュリー温度(Tc)として算出した。
【0053】
表1には試料番号1〜29の各成分組成、及びそれぞれの測定結果を示している。なお、試料番号欄の*印を付したものは、本発明の範囲外であり、それ以外はすべて本発明の範囲内である。
【0054】
【表1】
【0055】
表1からも明らかなように、本発明の範囲内の圧電磁器組成物は、Ks>45%、かつQm>750の優れた圧電特性を示している。また、Tcは280℃より大きい値を示している。
【0056】
ここで、表1を参照しながら、下記に示す本発明に係る請求項1の圧電磁器組成物の数値限定の理由を以下に説明する。
【0057】
すなわち、主成分のPba(ZrbTicMndNbeSbf)O3+δの1molに対して副成分のCuO(gmol),MgO(hmol),及びWO3(imol)を含有してなる請求項1の圧電磁器組成物において、a,b,c,d,e,f,g,h,iの値をそれぞれ0.970≦a≦1.030,0.440≦b≦0.520,0.440≦c≦0.520,0.0083≦d≦0.0233,0.0067≦e≦0.0333,0.0033≦f≦0.0333,0.0041≦g≦0.0819,0.0081≦h≦0.0808,0.0014≦i≦0.0140の範囲に限定した理由を詳説する。
【0058】
まず、aについて、0.970≦a≦1.030としたのは、a<0.970の場合では試料番号2のようにKsが45%よりも低くなり、また、a>1.030の場合では試料番号5のようにQmが750より低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0059】
次に、bとcについて、0.440≦b≦0.520,0.440≦c≦0.520としたのは、b<0.440,c>0.520の場合では試料番号6のようにKsが45%よりも低くなり、また、b>0.520,c<0.440の場合では試料番号9のようにKsが45%よりも低く、しかもQmが750より低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0060】
次に、dとeについて、0.0083≦d≦0.0233,0.0067≦e≦0.0333としたのは、d<0.0083,e<0.0067の場合には試料番号10のように、Ksが45%よりも低くなり、また、d>0.0233,e>0.0333の場合には試料番号13のように、Ksが45%よりも低く、しかもTcが280℃よりも低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0061】
次に、fについて、0.0033≦f≦0.0333としたのは、f<0.0033の場合には試料番号14のように、Ksが45%よりも低くなり、また、f>0.0333の場合には試料番号17のように、Ksが45%より低く、しかもTcが280℃よりも低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0062】
次に、gについて、0.0041≦g≦0.0819としたのは、g<0.0041の場合には試料番号18のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなり、また、g>0.0819の場合には試料番号21のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0063】
次に、hについて、0.0081≦h≦0.0808としたのは、h<0.0081の場合には試料番号22のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなり、また、g>0.0808の場合には試料番号25のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0064】
最後に、iについて、0.0014≦i≦0.0140としたのは、i<0.0014の場合には試料番号26のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなり、また、i>0.0140の場合には試料番号29のように、Ksが45%よりも低く、しかもQmが750よりも低くなるため、本発明の目的を達成することができないからである。
【0065】
【第2の実施例】
まず、出発原料として、PbO,ZrO2,TiO2,MnO,Nb2O5,Sb2O3,CuO,MgO,及びWO3の化合物を準備した。
【0066】
次に、主成分を構成するPb,Zr,Ti,Mn,Nb,及びSbの含有モル量がそれぞれ1.000mol,0.480mol,0.480mol,0.0133mol,0.0133mol,及び0.0133molとなるようにPbO,ZrO2,TiO2,MnO,Nb2O5,及びSb2O3の化合物原料を秤量し、副成分を構成するCu,Mg,及びWの含有モル量が主成分1molに対して、それぞれ0.0205mol,0.0404mol,及び0.0070molとなるようにCuO,MgO,及びWO3を秤量した。
【0067】
ここで、上記で秤量した副成分のうち、表2に示す“仮焼前に添加する副成分の量”となる各酸化物と上記で秤量した主成分を構成する各酸化物を、水及びジルコニア等の粉砕媒体に加え、所定の粉砕粒径になるように湿式混合・粉砕・乾燥を行い、混合粉末を得た。
【0068】
そしてその後、得られた混合粉末を600℃〜1000℃で、0.5〜2時間保持して仮焼を行い、セラミック仮焼粉末を得た。
【0069】
次に、このようにして生成されたセラミック仮焼粉末と、上記で秤量した副成分のうち表2に示す“仮焼後に添加する副成分の量”となる各酸化物とを合わせた物に対し、有機バインダを添加し、溶媒として水を用いてスラリーを作製し、そのスラリーを乾燥し造粒することによりセラミック造粒粉末を得た。そしてその後、得られたセラミック造粒粉末を板状にプレス成形してセラミック圧粉体を作製した。
【0070】
次いで、該セラミック圧粉体を匣鉢に収容し、脱脂処理を行った後、表2に示すように900℃〜1000℃の焼成温度で焼成処理を施し、セラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体を研磨及び切り出し加工を施して、一辺が15mmで肉厚が0.5mmのセラミック焼結体の正方板を作製した。
【0071】
次に、得られたセラミック焼結体の正方板に導電性ペーストなどのAg系導体を使用して外部電極を形成し、その後、60℃の絶縁オイル中、4kV/mmの電界を負荷して30分間分極処理を施し、試料番号31〜41の試験片を作製した。
【0072】
次に、上述の各試験片について、電気機械結合係数(Ks)、機械的品質係数(Qm)、及びキュリー温度(Tc)を算出した。算出方法は第1の実施例と同様である。
【0073】
表2には試料番号30〜41における仮焼前及び仮焼後に添加する副成分の量を示し、それぞれの焼成温度、及び上記測定結果を示している。
【0074】
【表2】
【0075】
表2によれば、試料番号31〜41のように、副成分のCuO,MgO,及びWO3の化合物原料において所定の全量もしくはその一部を仮焼後に秤量・混合して圧電磁器組成物を製造する方法では、試料番号30のように、副成分のCuO,MgO,及びWO3の化合物原料をあらかじめ仮焼前にすべて秤量・混合して圧電磁器組成物を製造する方法と比べて、最大約90℃程も低温で焼成することが可能であり、しかも圧電特性(具体的には、Ks,Qm)と耐熱特性(具体的にはTc)が同等レベル以上維持できることがわかった。これは、仮焼後に副成分の化合物原料を添加することにより、主成分のセラミック粒界により選択的に液相を形成することができるためと考えられる。
【0076】
特に、試料番号32,33,39,40からわかるように、仮焼後にCuOの化合物原料を所定全量分添加する場合、もしくは、仮焼後にCuO及びWO3の化合物原料を所定全量分添加する場合が圧電磁器組成物の低温焼結化には非常に効果的であり、より好ましい製造方法である。
【0077】
【第3の実施例】
圧電磁器組成物の主成分におけるPbの一部をSr,Laで置換した圧電磁器組成物を作製し、圧電特性及び比誘電率の評価を行った。
【0078】
ここで、第1の実施例及び第2の実施例では、主成分を組成式(1)で表し、Pb成分の含有モル量aは0.970〜1.030の範囲であるが、本実施例では、主成分は上記組成式(1)を変形した上記組成式(2)で表されるものを用いている。但し、Srの配合モル比をβ1、Laの配合モル比をβ2とすると、β1+β2=βである。
【0079】
なお、試料番号42は試料番号1と同一のセラミック組成である。
【0080】
(試料番号43〜46)
表3の試料番号42においてPbの一部をSrで置換し、Pbの配合モル比(α)を0.990〜0.940とし、Srの配合モル比(β1)が0.010〜0.0600となるように、PbO、ZrO2、TiO2、MnO、Nb2O5、Sb2O3、CuO、MgO、WO3、及びSrOの化合物原料をそれぞれ所定量秤量し、第1の実施例と同様の方法・手順で試験片を作製した。
【0081】
(試料番号47〜50)
表3の試料番号42においてPbの一部をLaで置換し、Pbの配合モル比(α)を0.990〜0.940とし、Laの配合モル比(β2)が0.010〜0.060となるように、PbO、ZrO2、TiO2、MnO、Nb2O5、Sb2O3、CuO、MgO、WO3、及びLa2O3の化合物原料をそれぞれ所定量秤量し、第1の実施例と同様の方法・手順で試験片を作製した。
【0082】
(試料番号51)
表3の試料番号51においてPbの一部をSr及びLaで置換し、Pbの配合モル比(α)を0.980とし、Srの配合モル比(β1)が0.010で、かつLaの配合モル比(β2)が0.010となるように、PbO、ZrO2、TiO2、MnO、Nb2O5、Sb2O3、CuO、MgO、WO3、SrO及びLa2O3の化合物原料をそれぞれ所定量秤量し、第1の実施例と同様の方法・手順で試験片を作製した。
【0083】
次に、上述の各試験片について、電気機械結合係数(Ks)、機械的品質係数(Qm)、キュリー温度(Tc)、及び比誘電率(εr)を算出した。算出方法は第1の実施例と同様である。
【0084】
表3には試料番号42〜51におけるPbに対するSr,Laの置換量、及びそれぞれの測定結果を示している。
【0085】
【表3】
【0086】
試料番号43〜45に示すように、Pbの一部をSrと置換した場合では、Srの配合モル比(β1)が増加するにつれて、圧電特性の劣化をほとんど引き起こさずに、かつ比誘電率(ε)が向上している。しかしながら、Srの配合モル比(β2)が0.060と多くなると、Tcの劣化を引き起こす。
【0087】
すなわち、試料番号43〜46より、Pbの含有モル量のうち、4mol%以下をSrで置換した場合には、第1の実施例において得られた圧電特性と同等レベル以上を維持しつつ、比誘電率(ε)を向上させることができることがわかった。これにより、材料設計の自由度が高くなる。
【0088】
同様に、試料番号47〜49及び試料番号51の場合も、Pbの含有モル量のうち、4mol%以下をLaで置換した場合、及びPbの含有モル量のうち、Sr,Laをともに1mol%の含有モル量で置換した場合には、第1の実施例において得られた圧電特性と同等レベル以上を維持しつつ、比誘電率(ε)を向上させることができることがわかった。これにより、材料設計の自由度が高くなる。
【0089】
なお、この発明に係る圧電磁器組成物は、圧電トランス及びそれを用いた圧電トランスインバータ回路に限定されない。
【0090】
すなわち、高調波共振子、高調波フィルタ、ブザー、アクチュエータ及び超音波モータなどの圧電素子とその圧電素子を用いた発振回路、及びフィルタ回路などのモジュール部品に用いることにより、従来の場合よりも圧電特性及び耐熱性を高水準で両立させることができ、本発明の目的を達成することが可能となる。
【0091】
【発明の効果】
以上の説明からわかるように、この本発明に係る圧電磁器組成物では、組成式Pba(ZrbTicMndNbeSbf)O3+δ(a,b,c,d,e,fがそれぞれ0.970≦a≦1.030,0.440≦b≦0.520,0.440≦c≦0.520,0.0083≦d≦0.0233,0.0067≦e≦0.0333,0.0033≦f≦0.0333,(但しb+c+d+e+f=1,またδ=(2a+4b+4c+2d+5e+5f)×0.5−3)となる値を有する)を主成分とするPZT系の圧電磁器組成物に、副成分として、CuO、MgO、及びWO3とを合わせて最適量を含有させることにより、従来の場合よりもキュリー温度(Tc)が高く、高水準の電気機械結合係数(K)及び機械的品質係数(Qm)を維持しつつ、焼成温度が1000℃以下という低温で焼成が可能となる。また、キュリー温度(Tc)が高いことにより、表面実装時において、無鉛ハンダリフロー等の加熱処理による圧電特性の劣化が小さくなるので、高耐熱性を有する。
【0092】
さらに、この発明に係る圧電磁器組成物の製造方法では、仮焼後に所定量もしくはその一部のCuO、MgO、及びWO3の化合物原料うち少なくとも1種類を、得られた仮焼粉末に添加することにより、主成分のセラミック粒界に、より選択的に液相を形成することができるため、より低温で焼結させることができ、しかも圧電磁器組成物の圧電特性を同等レベル以上にすることが可能となる。
【0093】
したがって、上述の本発明に係る圧電磁器組成物を用いた圧電トランス、及び圧電トランスインバータ回路も、表面実装時の無鉛ハンダリフロー等の加熱処理による圧電特性の劣化が小さい高耐熱性と優れた圧電特性を、高い水準で両立させることが可能となる。
【0094】
また、低温での焼成が可能となるため、圧電トランス、及びその圧電トランスを用いたインバータ回路では、電極材料として比較的高価なパラジウムや白金などの希少金属の含有比率を低く抑えた、銀を主成分とする導体を使用できるので、製造コスト面でも有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明に係る圧電磁器組成物を備えた圧電トランスの一実施の形態を示す斜視図である。
図1(b)は図1(a)のX−X線(長手方向)断面図である。
図1(c)は図1(a)のY−Y線(幅方向)断面図である。
【図2】図2は本発明に係る圧電磁器組成物を備えた圧電トランスを用いて構成された圧電トランスインバータ回路の一実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
1,10 圧電トランス
2 冷陰極管
3 電流電圧変換回路
4 誤差増幅回路
5 電圧周波数変換回路
6 駆動回路
7,8 制御回路
9 負荷
Claims (6)
- 組成式Pba(ZrbTicMndNbeSbf)O3+δで表される主成分であって、前記組成式中のa,b,c,d,e,fがそれぞれ
0.970≦a≦1.030
0.440≦b≦0.520
0.440≦c≦0.520
0.0083≦d≦0.0233
0.0067≦e≦0.0333
0.0033≦f≦0.0333
(但しb+c+d+e+f=1,δ=(2a+4b+4c+2d+5e+5f)×0.5−3)
となる値を有する主成分1molに対して、副成分として、CuO,MgO,及びWO3を含有し、前記CuOをgmol、前記MgOをhmol、前記WO3をimolとしたとき,各g,h,iはそれぞれ、
0.0041≦g≦0.0819
0.0081≦h≦0.0808
0.0014≦i≦0.0140
の範囲で含有してなることを特徴とする、圧電磁器組成物。 - 請求項1に記載の圧電磁器組成物の主成分におけるPbの一部がSr,Laのうち少なくとも1種類の元素で置換されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電磁器組成物。
- 前記Pbの一部は、4mol%以下(但し、0mol%を含まず)であることを特徴とする、請求項2に記載の圧電磁器組成物。
- 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の圧電磁器組成物を用いて構成されていることを特徴とする、圧電トランス。
- 請求項4に記載の圧電トランスを用いて構成されていることを特徴とする、圧電トランスインバータ回路。
- 請求項1ないし請求項3に記載の圧電磁器組成物の製造方法であって、
前記圧電磁器組成物の主成分である化合物原料、及び前記圧電磁器組成物の副成分であるCuO,MgO,及びWO3の化合物原料のうち少なくとも1種類を所定量もしくはその所定量の一部を差し引いて秤量したものを混合した後に、前記混合物を仮焼する工程と、
前記仮焼工程で得られた仮焼物に、前記副成分であるCuO,MgO,及びWO3の化合物原料うち少なくとも1種類を所定量に対して補充すべき量を秤量・添加したものを混合した後に、成形・焼成する工程と、
を備えることを特徴とする、圧電磁器組成物の製造方法。
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