JP3555194B2 - 磁器組成物及びそれよりなる圧電トランス - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧電特性等の優れた諸特性を発揮するいわゆるＰＺＴ系の磁器（セラミック）組成物の改良に関する。特には、冷陰極管電源回路に用いられる圧電トランス等用の素子として好適な、高出力特性を有する磁器組成物に関する。また、そのような磁器組成物よりなる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックを例にとって従来の技術を説明する。圧電セラミックの応用の一つとして、圧電素子の共振現象を利用して昇圧を行う圧電トランスがある。圧電トランスは、巻線トランスに比べ昇圧比が大きく、小型軽量化ができ、さらに不燃性であるなどの理由から、昭和５０年代に、ＴＶ用高圧電源としての開発が、盛んに行われた。最近、上記のような特徴を持つ圧電トランスが、パソコン用ＦＬインバータ電源として見直されはじめ、小型で高出力の圧電素子が要求されている。
【０００３】
圧電トランスは、昇圧比の原理式より、圧電定数である機械的質係数Ｑ（＝Ｑｍ）、電気と機械の変換効率を示すｋ定数が大きいことが望まれ、これまでの材料開発は、Ｑｍ・ｋ定数の大きい素材の開発を目指していた。また、圧電トランスは接続する負荷によって出力電圧が変わるといった負荷変動が大きいことが知られている。
【０００４】
特公昭５２−９０００は、ＰＺＴ系の磁器組成物の改良に関し、以下の組成を提案した。
Ｐｂ（（Ｓｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_ａ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_ｂＺｒ_ｃＴｉ_ｄ）Ｏ_３
ａ＝０ 〜０．２５（０をのぞく）、ｂ＝０ 〜０．５０（０をのぞく）、 ｃ＝０．２５ 〜０．６２５、
ｄ＝０．２０〜０．６２５
また、特公昭５２−９０００は、上記磁器組成物の実施例として１４種類の組成物を開示している。これらの組成物は、電気機械結合係数Ｋｐや機械的質係数Ｑｍが大である等の優れた特性を発揮するとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでの圧電トランスの材料開発においては、実際に駆動させたい実負荷を接続した状態での評価は少なく、ｏｐｅｎ状態での出力電圧／入力電圧＝昇圧比（γ）のみの評価であり、γが大きいことが望まれていた。ゆえに、圧電材料としては、圧電トランスの昇圧比（γ）の下式より、圧電定数である機械的質係数Ｑ（＝Ｑｍ）、電気と機械の変換効率を示すｋ定数が大きいことが望まれ、これまでの材料開発は、Ｑｍ・ｋ定数が特に大きい材料についての開発が各社で行われている。
昇圧比：γ＝ Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ＝４／ π^２・Ｑｍ・ｋ３１・ｋ３３・Ｌ／Ｔ
（Ｌ：トランス長、Ｔ：トランス厚み）
ところが、圧電トランスの実用化が進むにつれて、各種用途での応用が考えられている。しかし、圧電トランスは、接続する負荷によって出力の変動が大きいといった性質をもっていることから、実際の負荷での試験が必要である。しかし、これまでの材料開発においては、このような観点からの材料開発は行われておらず、圧電定数のみの評価に留まっていた。
【０００６】
本発明は、小形で高出力が要求される圧電素子等に適した磁器組成物を提供することを目的とする。また、そのような特性を有する圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の磁器組成物は、
一般式 Pb((Sn1/3Nb2/3)a(Mn1/3Nb2/3)bZrcTid)O3 で表され、
a=0.06 〜 0.12 、 b=0.08 〜 0.11 、 c=0.372 〜 0.407 、 d=0.412 〜 0.448 、
の範囲内にある組成物を主成分とすることを特徴とする。
この範囲において、出力電力密度5.5W/cm³以上を達成した。
さらに一層の高出力電力密度を確保するためには、
a=0.07〜0.11、b=0.08〜0.10、 c=0.377 〜0.402、d=0.417〜0.443 、の範囲が好ましい。この範囲において、出力電力密度5.8W/cm³以上を達成した。
【００１１】
本発明の圧電トランスは、上述の本発明の磁器組成物よりなり、電力を必要とする負荷駆動用に適している。ここで電力を必要とする負荷としては、放電管を挙げることができる。
【００１２】
本発明の圧電トランスは、特に、冷陰極管等の放電管の駆動用に適している。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
一般式Ｐｂ（（Ｓｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_ａ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_ｂＺｒ_ｃＴｉ_ｄ）Ｏ_３の組成物について、
ａ＝０．０４〜０．１４、ｂ＝０．０３〜０．１３、 ｃ＝０．３５〜０．４５、 ｄ＝０．４０〜０．４６の範囲内で組成を変えて、以下の特性評価用ペレット（１８．５ｍｍ、 厚さ１．０ｍｍ ）及びトランス特性評価用試料を作製した。そして、作製したペレットについて各種特性を測定した。トランス特性評価用試料（以下圧電トランス素体と言う）については、実際の冷陰極管に接続して出力特性試験を行った。
【００１４】
図１は、評価試料である圧電トランス素体及び圧電トランスの昇圧比測定用の回路構成を示す図である。圧電トランス素体（試料）９は、厚 ２ｍｍ、幅 ７．５ｍｍ、長さ２８ｍｍの圧電磁器焼結体である。圧電トランス素体９の左半分上下面には、Ａｇペースト焼き付けにより、入力電極 ７、７’ が形成されている。それら入力電極７、７’には、入力端子５、５’が取付けられている。圧電トランス素体９の右端面には、出力電極１１が、同様に形成されている。出力電極には出力端子１３が取付けられている。
【００１５】
入力端子５、５’間には、入力用の発振器３が設置されている。出力端子１３の先には、入力インピーダンス１００ＭΩの電圧計１７が接続されている。この回路構成にて、発振器３から、圧電トランス素体９の機械的振動モードの共振周波数と同期する周波数（１１８ＫＨ_Ｚ）の低圧（〜３０Ｖ ）高周波電圧を入力する。すると、圧電トランス素体９の共振・圧電効果に伴って、出力電極に高圧の出力電圧が生じる。この出力電圧を電圧計１７で測定し、出力電圧を入力電圧で割って昇圧比γを求める。
【００１６】
図２は、評価用の圧電トランスを、負荷である冷陰極管と接続して出力電力密度を測定する装置の回路構成を示す図である。図１と同様の部分については、同じ符号で示してある。
【００１７】
符号２３は入力電圧測定用の電圧計である。圧電トランス素体９の出力側には、冷陰極管２５が接続されている。冷陰極管２５と、直列に、出力電流測定用の抵抗（１００ Ω）２９が接続されている。この抵抗２９の前後における電圧降下を出力電流測定用の電圧計２７で測定し、冷陰極管２５に流れる電流を測定する。冷陰極管２５に並列に接続されている調光用コンデンサ３１は、圧電トランス素体９と冷陰極管２５のインピーダンス整合の役割及び調光の役割を合わせ持つ。出力電圧と出力電流より出力電力を計算し、圧電トランス素体の体積０．４２ｃｍ^３ で割って出力電力密度を求める。発振器３、入力電流測定用電流計３２、入力電圧測定用電圧計２３、出力電流測定用電圧計２７、出力電圧測定用電圧計１７は全てパーソナルコンピュータで制御されている。したがって全てＧＰ−ＩＢを通してパーソナルコンピュータにデ−タを転送し、計算処理することにより、短時間のうちに出力電力密度等を求めることができる。
【００１８】
ここで本実施例の測定に用いた冷陰極管の仕様（定格）は以下のとおりである。
点灯電圧 ８５０Ｖｒｍｓ 放電管電流 ５．０ｍＡｒｍｓ 放電管電圧 ３４０Ｖｒｍｓ 消費電力 １．７０Ｗ
【００１９】
次に、試料の製造方法について説明する。
（１）原料：
Ｐｂ_３Ｏ_４ 又ハ ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、 ＺｒＯ_２、 ＭｎＯ 又は ＭｎＯ_２，ＭｎＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、 ＳｎＯ又はＳｎＯ_２（純度９８％以上）等の酸化物及び炭酸化物の原料粉末を用いた。
（２）秤量：
目標とする組成となるように各原料粉末を秤量した。
【００２０】
（３）混合：
樹脂性ボールミル、と水を用い、原料粉末を１２時間湿式混合した。
（４）乾燥：
混合粉末を乾燥した。
【００２１】
（５）仮焼：
混合物はルツボ中で、９００^ＯＣ、３時間仮焼した。
【００２２】
（６）粉砕：
仮焼物を、ボールミル（ＺｒＯ_２ボール）を用いて１２時間湿式粉砕した。
（７）乾燥：
粉砕した粉末を乾燥した。
【００２３】
（８）造粒：
乾燥粉末に１０％ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）水溶液を５ｗｔ％添加し、造粒した。
（９）成形：
油圧プレス（圧力１０００Ｋｇｆ／ｃｍ^２ ）を用いて、上述のペレット、圧電トランス素体形状に成形した。
【００２４】
（１０）本焼成：
成形体をルツボ中に入れ １１００ 〜１３５０^０ Ｃの温度範囲で４５分焼成し最も高い嵩密度が得られた焼成条件で本焼成した。
【００２５】
（１１）研削：
ペレットについては厚さを１ｍｍに、圧電トランス素体は長さ２８ｍｍ、幅７．５ｍｍ、厚さ２ｍｍに研削した。（１２）Ａｇペースト焼付け：
試料の電極となるべき部分にＡｇペーストを塗布した後、７００^０Ｃで電極焼付けを行った。
【００２６】
（１３）分極処理：
１００^０Ｃのシリコン油中に試料を置き、２ＫＶ／ｍｍの直流電圧を３０分間かけて、試料の分極処理（圧電トランス素体については、入出力部分）を行った。
（１４）評価：
上述の装置及び方法に基づいて評価試験を行った。
【００２７】
得られた試験結果を表１〜３に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【表３】

【００３１】
表１、表２の実験においては、ａ（Ｓｎ_１／３Ｎｂ_２／３） の値を一定とし、ｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）、Ｃ（Ｚｒ）、ｄ（Ｔｉ） の値を振って評価した。表３の実験においては、ｂをほぼある適切範囲として、ａ、ｃ、ｄを振って評価した。表において不となっているものは測定ができなかった部分である。
【００３２】
その結果、ａ＝０．０５〜０．１３、ｂ＝０．０７〜０．１３、 ｃ＝０．３６２ 〜０．４１５、 ｄ＝０．４０７〜０．４５３ の範囲内において、出力電力密度４．５Ｗ／ｃｍ^３以上の組成物が得られた。また、ａ＝０．０５〜０．１２、ｂ＝０．０７〜０．１２、 ｃ＝０．３６７ 〜０．４１２、 ｄ＝０．４１２〜０．４５３ の範囲内において、出力電力密度４．８Ｗ／ｃｍ^３以上の組成物が得られた。さらに、ａ＝０．０６〜０．１２、ｂ＝０．０８〜０．１１、 ｃ＝０．３７２ 〜０．４０７、 ｄ＝０．４１２〜０．４４８ の範囲内において、出力電力密度５．５Ｗ／ｃｍ^３ 以上の組成物が得られた。さらに、ａ＝０．０７〜０．１１、ｂ＝０．０８〜０．１０、 ｃ＝０．３７７ 〜０．４０２、 ｄ＝０．４１７〜０．４４３ の範囲内において、出力電力密度５．８Ｗ／ｃｍ^３以上の組成物が得られた。なお、比較例３は、上述の特公昭５２−９０００中に開示された実施例の内の１つであるが、出力電力密度の値は４．３Ｗ／ｃｍ^３であり、本発明の組成物よりも有意に出力電力密度が低かった。
【００３３】
評価結果より、Ｋ_ｐや Ｑ_ｍ 値が比較的低い組成物であっても、出力電力密度が高いものがあり、それらの特性地間に、相関が薄いことが明らかになった。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明の磁器組成物は、出力電力密度が高いので、小形で高出力の圧電素子用圧電磁器等を提供できる。
また、本発明の圧電トランスは、小形でありながら高出力を出せるので、冷陰極管等の駆動として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】評価試料である圧電トランス素体及び圧電トランスの出力電圧測定用の回路構成を示す図である。
【図２】評価用の圧電トランスを、負荷である冷陰極管と接続して出力電力密度を測定する装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 出力電圧測定装置 ３ 発振器
５ 入力端子 ７ 入力電極
９ 圧電トランス素体（試料） １１ 出力電極
１３ 出力端子
１７ 電圧計 ２１ 電力測定装置
２３ 入力電圧計 ２５ 冷陰極管
２７ 出力電流測定用電圧計 ２９ 出力電流測定用抵抗
３１ 調光用コンデンサ

Claims (5)

1. 一般式Pb((Sn1/3Nb2/3)a(Mn1/3Nb2/3)bZrcTid)O3で表され、
   a=0.06〜0.12、b=0.08〜0.11、 c=0.372 〜0.407、 d=0.412〜0.448 、
   の範囲内にある組成物を主成分とすることを特徴とする磁器組成物。
2. 一般式Pb((Sn1/3Nb2/3)a(Mn1/3Nb2/3)bZrcTid)O3で表され、
   a=0.07〜0.11、b=0.08〜0.10、 c=0.377 〜0.402、 d=0.417〜0.443 、
   の範囲内にある組成物を主成分とすることを特徴とする磁器組成物。
3. 請求項１又は２記載の磁器組成物よりなる、負荷駆動用圧電トランス。
4. 上記負荷が放電現象を伴って作動する放電性機器である請求項３記載の圧電トランス。
5. 上記放電性機器が冷陰極管である請求項４記載の圧電トランス。

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