JP2006500787A - Ｃｕ内部電極を備えた圧電トランス - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つのセラミックスおよびこれらのセラミック素子の間に配置された銅を含有する電極が設けられている圧電トランスに関する。本発明によれば、Pb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３ + y Pb(Mn_１／３ Nb_２／３)O_３ を含む組成から成るセラミックス素子が選ばれる。

Description

本発明は多層の圧電トランスに関する。これにはジルコン酸チタン酸鉛、Pb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３またはＰＺＴ、セラミックスボディおよび内部に配置された銅電極が含まれている。さらに本発明はこの種のトランスを製造する方法に関する。

圧電トランスは、１９５４年にRose等によって発明された（US-P 2,830, 274）。その基本的な動作は、最初に電気的な入力信号をトランスボディの機械振動に変換し、ついでその機械振動のエネルギーを電気出力信号に逆変換することにある。２回のエネルギー変換は圧電効果によって発生する。トランスの作用すなわち昇圧はセラミックス材料の特性を利用することで達成され、すなわち機械的なＱ係数Ｑｍ、電気機械的な結合係数Ｋ_ｉｊ、１次側と２次側における電極間隔などのようなトランスの構造などを利用することによって達成される。

その発明以来、数多くの技術的な刊行物が発行されており、以下の課題をかかげた多数の特許が与えられてきた：（ｉ）圧電トランスの新たな設計、（ｉｉ）トランスに適用するための新たな圧電材料、（ｉｉｉ）圧電トランスを含む電子回路。たとえば圧電セラミックスから成る多層の圧電トランスが開発されており、これは内部に配置された金属電極とともに焼結されている。多層設計の利点は、１次側と２次側における各内部電極間の間隔を調整することによって昇圧比を高めることが可能なことである。したがって所定の昇圧比のときにトランスのサイズを多層構造の利用によって低減することができる。

圧電トランスに対するこのような強い関心は、このコンポーネントが電磁的なトランスを多くの用途において置き換えることができると信じられていることから説明ができ、さしあたっては２０Ｗよりも小さい比較的低い電力および小さいトランスサイズが必要とされるところで置き換えることができると信じられていることから説明がつく。この種の適用事例として挙げられるのは、（ｉ）ラップトップ略して「ハンドヘルドオーガナイザ」、ビデオ、カメラにおける液晶ディスプレイのためのバックライトインバータ、（ｉｉ）蛍光ランプ用のバラスト、（ｉｉｉ）携帯電話、ラップトップおよび他の再充電可能な携帯型機器用の交流直流変換器である。

以下、電磁トランスに対する圧電トランスの利点を挙げる：
（ｉ）圧電材料の高い出力密度、これによっていっそう小さい寸法をもつコンパクトなトランスの構造が実現され、殊に電磁トランスよりも小さい厚さが実現される。
（ｉｉ）エネルギー損失が少なくなり、したがってトランスの効率が高まる。電磁トランスとは異なり、圧電トランスは１次側と２次側に配線がなく、それゆえ誘導電流や金属における表皮効果など配線に起因する損失が生じない。
（ｉｉｉ）信頼性の増大。これは配線が存在しないことから１次側と２次側が短絡するリスクが低減することと関係している。
（ｉｖ）圧電トランスによって電磁的なノイズが発生せず、したがって磁界の影響を受けやすい隣接回路に妨害が及ぼされない。

ここで挙げたような圧電トランスには技術的な利点があるにもかかわらず、電磁トランスにはそれなりの利点がある。すなわち、長い期間にわたり多くの個数が製造されてきたことから製造コストが低く、これは多層圧電トランスの製造コストよりも著しく低い。圧電トランスの比較的高い製造コストの大部分は高価な金属電極のコストによって決まってしまい、これは典型的には白金または銀とパラジウムの合金によって製造されている。このような高価な金属は、１１００゜Ｃ〜１２００゜Ｃの高温においてＰＺＴセラミックスといっしょに焼結するために必要とされ、このような焼結は高い圧電結合係数といった良好な特性をもつ密なＰＺＴセラミックスを製造するために必要である。

セラミックス材料を銀や銅など任意の金属から成る電極といっしょに焼結できるようにするために必要とされるのは、セラミックスの焼結温度を銅については１０８５゜Ｃ、銀については９６２゜Ｃといった金属融点よりも低く下げることである。これに加えて、銅電極を使用する場合、銅の酸化を防止するために焼結を不活性雰囲気内で行わなければならない。セラミックスと銀電極の共通の焼結は、酸化作用のある雰囲気（空気）中で行うことができる。

現時点では、圧電セラミックスを銅または銀といっしょに焼結処理することに関して、以下の４つの刊行物を挙げることができる。

９００゜Ｃで圧電セラミックスを焼結する方法、たとえば内部に銀電極が配置された多層圧電トランスの製造方法について記載された２つの刊行物が存在する。アメリカ合衆国特許 5,792, 379 によれば、ＰＺＴセラミックスと特別に準備されたガラスフリットとを混合することにより９００゜Ｃで焼結が実現され、このガラスフリットの組成はB_２O_３, Bi_２O_３, Cuおよび同種の他の金属酸化物たとえばZnO, BaOなどである。

別の特許出願WO 200121548によれば、ＰＺＴセラミックスとBi_２O_３およびCdOの組み合わせとの混合により９００゜Ｃで焼結が実現され、この組み合わせは低い溶融温度をもち、したがってこれによりＰＺＴセラミックスの濃密化が支援される。この特許によれば、ガラスフリットの代わりにBi_２O_３とCdOを使用することの利点を、ＢｉもＣｄもＰＺＴの結晶格子に組み込むことができ、それゆえセラミックスの特性にとって不都合となる可能性のある不所望な２次的なフェーズを形成しなくてよい点としている。両方の作業において、９００゜Ｃによる焼結で密なセラミックスが実現される。

しかしながら、これら両方の特許に記載されているセラミックスの特性は悪く、殊に電気機械的な結合係数の値が低くkp = 0.45〜0.47であり、機械的なＱ係数はQm = 500〜650、さらに誘電率はε_３３ = 400〜550といった具合である。これらの材料パラメータの値が低いことから、低昇圧率、低出力、低効率といったようにトランスの特性が悪くなる可能性がある。このようにセラミックスの特性が悪いのは、９００゜Ｃという低い温度でのセラミックスの焼結の結果といえる。温度が低いと殊に、結晶粒の成長が制約される可能性があり、さらに拡散速度が低いと、ＰＺＴの結晶格子におけるジルコンとチタンの均質な分布が損なわれる可能性がある。

これらのことに鑑み、銅電極といっしょに焼結を行うことは、高出力の多層圧電トランスを製造するためのいっそう良好な技術的な可能性であるとみなすことができる。なぜならば９００゜Ｃではなく１０００゜Ｃといういっそう高い焼結温度によって、いっそう良好な特性をもつＰＺＴセラミックスが得られるはずだからである。

この場合、２つの特許出願を参照することができ、それらには内部に銅電極を備えた多層圧電セラミックスについて述べられている。それらのうちの一方すなわちDE 19946834-A1には、銅電極が内部に配置された多層圧電アクチュエータならびにその製造方法について記載されている。そこには銅電極が内部に配置された多層圧電アクチュエータを製造できることが記載されているけれども、それをどのようにして実現するのかという詳細については何ら開示されていない。

それらのうちの他方すなわちDE10062672-A1には、銅電極が内部に配置された多層圧電コンポーネントならびにその製造方法について記載されている。この出願では最初に、圧電セラミックスと内部に配置された銅電極をいっしょに焼結する方法について詳しく説明されており、これによれば高い密度および高い出力のコンポーネントが得られる。さらに２番目としてこの出願は多層圧電コンポーネント全般に係わるものであり、そのようなコンポーネントには多層トランスも含めることができる。この種のコンポーネントを製造する方法は、多層圧電アクチュエータに関して説明されている。

圧電アクチュエータと圧電トランスとの大きな違いは、DE10062672-A1に記載されている最初に挙げたコンポーネント殊にアクチュエータはいわゆる「ソフト」圧電セラミックスから製造されている点にある。「ソフト」圧電セラミックスは、特許出願DE10062672-A1に記載されているようにPb^２＋の代わりにNd^３＋のような高い原子価のカチオンである数モル％のドナー添加物を伴うPb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３ という基本組成のドーピングにより得られる。「ソフト」圧電セラミックスは、圧電率ｄ_ｉｊと誘電率ε_ｉｉの値が高いという点で区別されるけれども、これは同時に誘電的および機械的な損失が大きいという点でも異なり、このような損失はｔａｎδおよび機械的Ｑ係数の逆数１／Ｑ_ｍによって表される。機械的損失が高いということは、機械的なＱ係数Ｑ_ｍが低いことを意味する。たとえばＮｄでドーピングされているＰＺＴセラミックスはｔａｎδ＞２％であり、Ｑ_ｍ=５０〜７０である。このような値は圧電トランスにおける用途には適していない。なぜならばこの種のトランスは低い効率をもつことになるからである。

圧電トランスは通常、「ハード」圧電セラミックスを利用して製造される。「ハード」セラミックスは、{Zr^４＋ またはTi^４＋の代わりとしての} Mn^２＋, Fe^２＋, Ne^２＋, Zn^２＋, Mg^２＋, Li^１＋または（Pb^２＋の代わりとしての）Ag^１＋のような低い原子価のカチオンである数モル％のアクセプタ添加物を伴うPb(Zr_ｘTi_１−ｘ) O_３という基本組成のドーピングによって得られる。「ハード」ＰＺＴセラミックスの特徴は、機械的損失が低いこと（Ｑ_ｍ＝１０００〜２０００）および誘電率が低いこと（ｔａｎδ＝０．３〜０．４％）である。

今日まで、「ハード」圧電セラミックスのすべての公知の組成は、酸化作用のある雰囲気（空気）中で焼結されるセラミックスのために開発されてきた。今日まで、この種の添加物によってドーピングされた「ハード」ＰＺＴセラミックスの特性が不活性雰囲気における焼結中にどのように変化するのかは調べられていない。特許出願DE10062672-Aは「ソフト」圧電セラミックスの製造について開示しているにすぎない。不活性雰囲気においていっしょに焼結を行うのは「ハード」ＰＺＴセラミックスにとっては不都合であり、このことは場合によっては圧電トランスに適用するにはそのようなセラミックスが不適切になってしまう。

本発明は、「ハード」圧電セラミックスを内部に配置された銅電極といっしょに焼結することによって製造される多層圧電トランスに関する。銅電極の利用によって必然的にトランスの製造コストが低減され、これによって市場で競争力が得られることになる。このことは、銀／パラジウムまたは内部に配置された白金電極といっしょに焼結される多層トランスと比較して重要な改良点とみなされるはずである。

内部に銀電極の配置された多層圧電トランスを製造する技術と対比して本発明の利点は、共通の焼結のためにいっそう高い温度すなわち９００゜Ｃではなく１０００゜Ｃという温度がセラミックの特性を向上させながら実現される点にある。このことは、温度を高くすることで結晶粒の成長が促進され、さらにジルコンおよびチタンがＰＺＴの結晶格子においていっそう均質に分布するようになることによる。

多層圧電トランスの既存の技術と比較して本発明によれば、銅電極が「ハード」圧電セラミックスといっしょに焼結されることになる。

粉体から出発してセラミックスと銅電極をいっしょに焼結させるまでの製造方法は、EPCOSのDE 10062672-A1から引き継いだ。この作業と比較して本発明の新規な点は、そこに記載されている「ソフト」セラミックスの代わりに「ハード」圧電セラミックスが利用されることである。

銅電極が内部に配置された多層圧電トランスは首尾よく製造された。トランスは種々のデザインを有しており、これには様々な造形および様々な電極形状が含まれている。今日までただ１つのデザインのトランスだけが特徴として挙げられている。このトランスの特徴は交流直流変換器における用途に関する要求と一致しており、この用途のためにトランスが設計された。

セラミック組成は一般式Pb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３+y Pb(Mn_１／３Nb_２／３)O_３を有している。この組成は従来技術において知られており、圧電トランスの用途に適した特性をもっている。電極の造形も含めたトランスのデザインは、顧客の用途に必要とされるように選定することができ、そのような用途のためにトランスが製造される。無機結合剤の除去も含めたプロセスの流れならびに焼結中の不活性雰囲気の設定は、特許出願DE 10062672-A1に記載されている。

本発明は、１０００゜Ｃにおいて不活性雰囲気中で「ハード」ＰＺＴセラミックスを焼結するステップを利用しており、これによれば同じ化学的組成をもつが１０００゜Ｃにおいて酸化作用のある雰囲気たとえば空気中で焼結されたセラミックよりも高いセラミックス密度が得られる。不活性雰囲気中での焼結により高い密度をもつ「ハード」ＰＺＴセラミックスを得られるようにしたことによって、トランスの製造プロセスが簡単になる。その理由は、従来技術のような添加物が必要とされないからである。そのような添加物は、酸化作用のある雰囲気たとえば空気中でのセラミックスの焼結温度を低減するために開発されたものである。

不活性雰囲気における焼結によって「ハード」圧電セラミックスの特性が改善され、これは圧電トランスにおける用途のために非常に重要なことである。殊に誘電損失が低減され、同じ化学的組成をもち酸化作用のある雰囲気（空気）中で焼結されたセラミックスよりも電気機械的結合係数が高められる。

なお、本発明の有利な実施懈怠によれば、セラミックスのグリーンシートによって製造されており、このグリーンシートは熱により加水分解可能な結合剤を含有する。また、結合剤はポリウレタン分散液である。さらに圧電セラミックス材料は一般組成Pb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３を有しており、ＺｒまたはＴｉの部分が酸化段階１＋または２＋の低い原子価のカチオンによって置き換えられる。また、圧電セラミックス材料はPb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３という組成を有しており、Ｐｂの部分が酸化段階１＋の低い原子価のカチオンによって置き換えられる。さらにセラミックス組成は一般式Pb[(Zr_ｘTi_１−ｘ)1 - y(Mn_１／３Nb_２／３)y]O_３ を有する。また、内部の電極はスクリーン印刷によって製造されている。

Claims (9)

1. 圧電トランスにおいて、
   ハードな圧電材料を含む少なくとも２つのセラミックス層と、該２つのセラミックス層の間に配置された電極層が設けられており、該電極層は銅を含有することを特徴とする圧電トランス。
2. 請求項１記載のトランスにおいて、
   セラミックスのグリーンシートによって製造されており、該グリーンシートは熱により加水分解可能な結合剤を含有することを特徴とするトランス。
3. 請求項２記載のトランスにおいて、
   前記結合剤はポリウレタン分散液であることを特徴とするトランス。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のトランスにおいて、
   前記圧電セラミックス材料は一般組成Pb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３を有しており、ＺｒまたはＴｉの部分が酸化段階１＋または２＋の低い原子価のカチオンによって置き換えられることを特徴とするトランス。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載のトランスにおいて、
   前記圧電セラミックス材料はPb(Zr_ｘTi_１−ｘ)O_３という組成を有しており、Ｐｂの部分が酸化段階１＋の低い原子価のカチオンによって置き換えられることを特徴とするトランス。
6. 請求項１から４のいずれか１項記載のトランスにおいて、
   前記セラミックス組成は一般式Pb[(Zr_ｘTi_１−ｘ)1 - y(Mn_１／３Nb_２／３)y]O_３ を有することを特徴とするトランス。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載のトランスにおいて、
   内部の電極はスクリーン印刷によって製造されていることを特徴とするトランス。
8. ハードな圧電セラミックスを不活性雰囲気内で焼結させることを特徴とする、トランスの製造方法。
9. 請求項８記載の方法において、
   銅の融点より低い温度でセラミックスを焼結させることを特徴とする方法。