JP2005082445A - Multilayer piezoelectric transformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶ディスプレイのバックライト用インバータ、蛍光管点灯用インバータ等に用いられる積層型圧電トランスに関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric transformer used for an inverter for backlight of a liquid crystal display, an inverter for lighting a fluorescent tube, and the like.
従来、トランジスタテレビや蛍光管点灯用インバータ等の高電圧を必要としている小型電子機器において、高電圧を発生するための小型電源として、積層型圧電トランスが提供されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a small electronic device that requires a high voltage, such as a transistor TV or a fluorescent tube lighting inverter, a laminated piezoelectric transformer has been provided as a small power source for generating a high voltage.
上記圧電トランスは、通常、矩形状の本体を有している。上記本体は、駆動部と、上記駆動部に対して長手方向に隣接して設置された発電部とを備えている。 The piezoelectric transformer usually has a rectangular main body. The said main body is provided with the drive part and the electric power generation part installed adjacent to the said drive part in the longitudinal direction.
上記発電部には、長手方向に分極された圧電体部と長手方向端面に形成された出力電極とが形成されている。上記駆動部では、内部電極と圧電体セラミック層
とが交互に本体の厚さ方向に積層されていると共に、互いに対面する各内部電極にそれぞれ接続された、1対の外部入力電極がそれぞれ形成されている。
The power generation section is formed with a piezoelectric body polarized in the longitudinal direction and an output electrode formed on the end face in the longitudinal direction. In the drive unit, the internal electrodes and the piezoelectric ceramic layers are alternately stacked in the thickness direction of the main body, and a pair of external input electrodes connected to the internal electrodes facing each other are formed. ing.
このような駆動部は、内部電極の形状に塗布された内部電極用ペースト層が形成された圧電セラミックグリーンシートを互いにそれらの厚さ方向に積層圧着して一体化した矩形状の積層圧電体を、焼成して得られている。 Such a drive unit has a rectangular laminated piezoelectric body in which piezoelectric ceramic green sheets formed with an internal electrode paste layer applied in the shape of the internal electrode are laminated and bonded together in the thickness direction thereof. It is obtained by firing.
そのような圧電セラミックとして、たとえば、温度上昇に伴う絶縁抵抗の劣化を防止するためにMnを添加した、(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3)x(PbTiO3)(y-r)(PbZrO3)z(MnZrO3)rで表される4成分固溶体組成物を特徴とした圧電セラミック(特許文献1参照)や、Pb((Ni1/3Nb1/3)aTibZrc)O3で示されるジルコン酸チタン酸鉛系組成物において、Mnが0.01〜0.5[mol%]の添加量範囲で含有されるようにMnCO3を添加することで絶縁抵抗の低下を抑制したことを特徴とする圧電セラミック(特許文献2参照)等が提案されている。
上記のような組成を有する圧電セラミックにおいては、Mnの添加によってキュリー温度が低下し、圧電トランス特性が劣化するという問題があった。 The piezoelectric ceramic having the above composition has a problem that the Curie temperature is lowered by the addition of Mn and the piezoelectric transformer characteristics are deteriorated.
そこで、本発明の目的は、上記のようなキュリー温度の低下に伴う圧電トランス特性の劣化を防止する、積層型圧電トランスを提供しようとすることである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric transformer that prevents the deterioration of the piezoelectric transformer characteristics accompanying the decrease in Curie temperature as described above.
上記目的を達成するため、本発明の積層型圧電トランスは、圧電体セラミック層が複数層積層され、一体焼結されてなる積層型圧電トランスであって、前記積層型圧電トランスは、厚み方向に分極された圧電体セラミック層と内部電極とが複数層交互に積層され、かつ前記内部電極につながる一対の入力外部電極を備えた駆動部と、長手方向に分極された圧電体セラミックと出力電極を備えた発電部とを有しており、前記圧電体セラミック層は、一般式:PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)zO3で表され、a、x、y、m、n、zが、0.93≦a≦1.02、0.32≦x≦0.50、0.41≦y≦0.54、0.03≦z≦0.21、0.24≦m+n≦0.66(但し、mまたはnが0の場合を除く)、x+y+z=1.00を満足することを特徴とする。さらに、前記圧電体セラミック層において、m、nが0.46≦m+n≦0.66、を満足することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the multilayer piezoelectric transformer of the present invention is a multilayer piezoelectric transformer in which a plurality of piezoelectric ceramic layers are laminated and integrally sintered, and the multilayer piezoelectric transformer is arranged in the thickness direction. A drive unit having a pair of input external electrodes, in which a plurality of polarized piezoelectric ceramic layers and internal electrodes are alternately stacked and connected to the internal electrodes, and a longitudinally polarized piezoelectric ceramic and output electrodes are provided. has a power generating portion provided with the piezoelectric ceramic layers of the general formula: Pb a Zr x Ti y is represented by (Ni m Mn n Nb 2/3) z O 3, a, x, y, m, n and z are 0.93 ≦ a ≦ 1.02, 0.32 ≦ x ≦ 0.50, 0.41 ≦ y ≦ 0.54, 0.03 ≦ z ≦ 0.21, 0.24. ≦ m + n ≦ 0.66 (except when m or n is 0), x + y + z = 1. 00 is satisfied. Furthermore, in the piezoelectric ceramic layer, m and n satisfy 0.46 ≦ m + n ≦ 0.66.
本発明の積層型圧電トランスを用いることで、最大昇圧比および最大効率等の圧電トランス特性が良好な圧電トランスを得ることができる。 By using the multilayer piezoelectric transformer of the present invention, a piezoelectric transformer having good piezoelectric transformer characteristics such as maximum boost ratio and maximum efficiency can be obtained.
以下、本発明の積層型圧電トランスの製造方法を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the multilayer piezoelectric transformer of the present invention will be described based on examples.
まず、出発原料として、Pb3O4、TiO2、ZrO2、NiO、Nb2O5、MnCO3の各粉末を準備した。 First, powders of Pb 3 O 4 , TiO 2 , ZrO 2 , NiO, Nb 2 O 5 , and MnCO 3 were prepared as starting materials.
次に、組成式:PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)zO3において、表1に示す各組成となるように上記の各粉末を秤量し、ボールミルにて湿式混合を行い、混合粉末を得た。 Next, the composition formula: in Pb a Zr x Ti y (Ni m Mn n Nb 2/3) z O 3, were weighed powders of the so that the respective compositions shown in Table 1, wet mixed by a ball mill To obtain a mixed powder.
次いで、この混合粉末を脱水、乾燥した後、820℃の温度で2時間仮焼し、粉砕して仮焼粉末を得た。得られた仮焼粉末にバインダー、可塑剤等の添加物および溶剤を加えて、ボールミルにて湿式混合して、スラリーを得た。このスラリーをドクターブレード法にて成形し、約100μmの厚さのセラミックグリーンシートを作製した。 Next, this mixed powder was dehydrated and dried, then calcined at a temperature of 820 ° C. for 2 hours and pulverized to obtain a calcined powder. Additives such as a binder and a plasticizer and a solvent were added to the obtained calcined powder and wet-mixed with a ball mill to obtain a slurry. This slurry was molded by a doctor blade method to produce a ceramic green sheet having a thickness of about 100 μm.
得られたセラミックグリーンシート上に、銀粉末を主成分とした銀/パラジウム導体を有する導電性ペーストを、スクリーン印刷法により、焼成後の内部電極厚みが1.0〜3.0μmとなるように塗布し、乾燥させて、内部電極ペースト層が形成されたセラミックグリーンシートを得た。その後、このセラミックグリーンシートを積み重ね、熱プレスにより圧着させて一体化させた積層体を得た。 On the obtained ceramic green sheet, a conductive paste having a silver / palladium conductor mainly composed of silver powder is screen-printed so that the internal electrode thickness after firing becomes 1.0 to 3.0 μm. The ceramic green sheet in which the internal electrode paste layer was formed was obtained by applying and drying. Thereafter, the ceramic green sheets were stacked and bonded by hot pressing to obtain a laminated body.
次いで、この積層体を所定の寸法となるようにカットし、あらかじめ、約500℃の温度でバインダー成分を除去し、さらに、1000〜1100℃で2時間、焼成を行った。 Next, this laminate was cut to a predetermined size, the binder component was removed in advance at a temperature of about 500 ° C., and further fired at 1000 to 1100 ° C. for 2 hours.
この積層焼成体に、外部電極をスクリーン印刷法にて塗布し、焼成して入力外部電極および出力電極を形成し、積層型圧電トランスを得た。 An external electrode was applied to the laminated fired body by a screen printing method and fired to form an input external electrode and an output electrode, thereby obtaining a laminated piezoelectric transformer.
次に、60℃の絶縁オイル中で、入力側については厚み方向に分極処理を施し、出力側については長さ方向に分極処理を施した。このときの分極条件は、直流電界が4.0kV/mm、印加時間が60分であった。その後、120〜200℃の空気中で、30〜60分間、エージングして、図1〜3に示すような目的とする積層型圧電トランスを得た。ここで図1は、本発明に係る一実施例の積層型圧電トランスを示す斜視図である。図2は、図1に示す積層型圧電トランスのa−b線の断面図である。図3は、図1に示す積層型圧電トランスのc−d線の断面図である。また、図1〜3において、11は圧電セラミック、12は内部電極、13は入力外部電極、14は出力電極をそれぞれ示している。 Next, in 60 ° C. insulating oil, the input side was polarized in the thickness direction, and the output side was polarized in the length direction. The polarization conditions at this time were a DC electric field of 4.0 kV / mm and an application time of 60 minutes. Thereafter, the film was aged in air at 120 to 200 ° C. for 30 to 60 minutes to obtain a target multilayer piezoelectric transformer as shown in FIGS. Here, FIG. 1 is a perspective view showing a laminated piezoelectric transformer of one embodiment according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line ab of the multilayer piezoelectric transformer shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line cd of the multilayer piezoelectric transformer shown in FIG. 1-3, 11 is a piezoelectric ceramic, 12 is an internal electrode, 13 is an input external electrode, 14 is an output electrode.
なお、作製した積層型圧電トランスの構造は、長さが30mm、幅が6mm、厚みが1.72mm、電極間距離が240μmであった。 The structure of the produced laminated piezoelectric transformer had a length of 30 mm, a width of 6 mm, a thickness of 1.72 mm, and a distance between electrodes of 240 μm.
これらの積層型圧電トランスの圧電トランス特性、具体的には、最大昇圧比と最大効率を以下に示す方法で求めた。その結果を表1に示す。 The piezoelectric transformer characteristics of these laminated piezoelectric transformers, specifically, the maximum step-up ratio and the maximum efficiency were obtained by the following methods. The results are shown in Table 1.
また、表1において、*印を付したものは本発明の範囲外のものであり、それ以外は本発明の範囲内である。 In Table 1, those marked with * are outside the scope of the present invention, and others are within the scope of the present invention.
最大昇圧比と最大効率については、図4に示すような圧電トランス特性の測定系を用いて、測定を行った。入力電圧Vinと入力電流Iin、および出力電圧Voutは、パワーアナライザにて測定した。電源は、周波数が可変できる交流電源を使用した。なお、図4において、21は交流電源、22は積層型圧電トランスを示す。また、抵抗R1およびR2は、それぞれ1kΩ、100kΩである。
The maximum step-up ratio and the maximum efficiency were measured using a piezoelectric transformer characteristic measurement system as shown in FIG. Input voltage V in and the input current I in, and the output voltage V out was measured by the power analyzer. The power source used was an AC power source with variable frequency. In FIG. 4,
昇圧比は、入力電圧Vinと出力電圧Voutの比で示され、最大昇圧比は式1を用いて求めた値のことである。なお、Voutは、交流電源にて一定電圧Vinを印加した時の最大となる値を用いた。最大昇圧比の単位はdBである。
The step-up ratio is indicated by the ratio between the input voltage V in and the output voltage V out , and the maximum step-up ratio is a value obtained using
効率は、入力電力と出力電力の比で示され、最大効率は式2を用いて求めた値のことである。なお、Voutは、交流電源にて一定電圧Vinを印加した時の最大となる値を用いた。最大効率の単位は%である。cosφは力率を指す。
最大昇圧比=20×log(Vout÷Vin×101)‥‥‥式1
最大効率=101×(Vout)2×0.001÷(Vin×Iincosφ)‥‥‥式2
昇圧比は、トランスの基本性能を示し、昇圧比が高いほど、高性能であることを意味する。また、効率は、電気→機械→電気へのエネルギー伝送の変換効率を示し、高いほど、入力電力に対する変換ロスが少ないため、低消費電力化が図れることを意味する。
The efficiency is indicated by the ratio of the input power and the output power, and the maximum efficiency is a value obtained using Equation 2. Incidentally, V out was used becomes maximum value upon application of a constant voltage V in at AC power source. The unit of maximum efficiency is%. cosφ indicates the power factor.
Maximum step-up ratio = 20 × log (V out ÷ V in × 101)
Maximum efficiency = 101 × (V out ) 2 × 0.001 ÷ (V in × I in cos φ) Equation 2
The step-up ratio indicates the basic performance of the transformer, and the higher the step-up ratio, the higher the performance. The efficiency indicates the conversion efficiency of energy transmission from electricity → machine → electricity. The higher the efficiency, the lower the conversion loss with respect to the input power, which means that the power consumption can be reduced.
表1の結果から、aが0.93未満(試料番号1と7)、あるいは1.02を超える(試料番号6と12)と、最大昇圧比および最大効率が低下した。これは、上記の範囲では焼結性が悪くなるためである。
From the results in Table 1, when a was less than 0.93 (
上記と同様に、xが0.32未満か0.50を超える場合(試料番号25と29)、yが0.41未満か0.54を超える場合(試料番号30と33)、あるいはzが0.03未満か0.21を超える場合(試料番号34と37)にも、焼結性が悪くなるため、最大昇圧比および最大効率が低下した。 As above, when x is less than 0.32 or more than 0.50 (sample numbers 25 and 29), y is less than 0.41 or more than 0.54 (sample numbers 30 and 33), or z is Also in the case of less than 0.03 or exceeding 0.21 (sample numbers 34 and 37), the sinterability deteriorated, so that the maximum boost ratio and the maximum efficiency were lowered.
また、m+nが0.24未満か0.66を超える場合(試料番号13、14、18〜20、および24)にも、最大昇圧比および最大効率が低下することを確認した。
In addition, it was confirmed that the maximum step-up ratio and the maximum efficiency were also reduced when m + n was less than 0.24 or more than 0.66 (
一方、m+nが0.24≦m+n≦0.66の場合には、最大効率が94%以上であり最大昇圧比が31dB以上となり、さらには0.46≦m+n≦0.66を満たす場合(試料番号2〜5、17、23、26〜28、31、32、35、36)には、最大効率が95%であり最大昇圧比が32dB以上とさらに良好になる。 On the other hand, when m + n is 0.24 ≦ m + n ≦ 0.66, the maximum efficiency is 94% or more, the maximum step-up ratio is 31 dB or more, and further, 0.46 ≦ m + n ≦ 0.66 is satisfied (sample) Nos. 2-5, 17, 23, 26-28, 31, 32, 35, 36) have a maximum efficiency of 95% and a maximum boost ratio of 32 dB or more.
以上のように、本発明の積層型圧電トランスを用いることで、圧電トランス特性、具体的には、最大昇圧比と最大効率の高い圧電トランスを供することができる。 As described above, by using the laminated piezoelectric transformer of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric transformer having high piezoelectric characteristics, specifically, a maximum step-up ratio and maximum efficiency.
10、22 積層型圧電トランス
11 圧電セラミック
12 内部電極
13 入力外部電極
14 出力電極
10, 22 Multilayer
Claims (2)
前記積層型圧電トランスは、厚み方向に分極された圧電体セラミック層と内部電極とが複数層交互に積層され、かつ前記内部電極につながる一対の入力外部電極を備えた駆動部と、長手方向に分極された圧電体セラミックと出力電極を備えた発電部とを有しており、
前記圧電体セラミック層は、一般式:PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)zO3で表され、a、x、y、m、n、zが、
0.93≦a≦1.02、
0.32≦x≦0.50、
0.41≦y≦0.54、
0.03≦z≦0.21、
0.24≦m+n≦0.66(但し、mまたはnが0の場合を除く。)、
x+y+z=1.00
を満足することを特徴とする、積層型圧電トランス。 A multilayer piezoelectric transformer in which a plurality of piezoelectric ceramic layers are laminated and integrally sintered,
The laminated piezoelectric transformer includes a driving unit including a plurality of piezoelectric ceramic layers and internal electrodes polarized in the thickness direction, and a pair of input external electrodes connected to the internal electrodes, and a longitudinal direction. A power generation unit including a polarized piezoelectric ceramic and an output electrode;
The piezoelectric ceramic layer have the general formula: represented by Pb a Zr x Ti y (Ni m Mn n Nb 2/3) z O 3, a, x, y, m, n, z is
0.93 ≦ a ≦ 1.02,
0.32 ≦ x ≦ 0.50,
0.41 ≦ y ≦ 0.54,
0.03 ≦ z ≦ 0.21,
0.24 ≦ m + n ≦ 0.66 (except when m or n is 0),
x + y + z = 1.00
A laminated piezoelectric transformer characterized by satisfying
0.46≦m+n≦0.66、
を満足することを特徴とする、請求項1に記載の積層型圧電トランス。 In the piezoelectric ceramic layer, m and n are
0.46 ≦ m + n ≦ 0.66,
The multilayer piezoelectric transformer according to claim 1, wherein:
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JP2009078964A (en) * | 2007-09-06 | 2009-04-16 | Tdk Corp | Method for producing piezoelectric ceramic |
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2003
- 2003-09-09 JP JP2003316258A patent/JP2005082445A/en active Pending
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