JP3803207B2 - 圧電磁器組成物及び圧電トランス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば超音波振動子、アクチュエータ、圧電トランス等に適する圧電磁器組成物、及び、例えば液晶ディスプレイのバックライト用インバータ等の電力変換装置に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電材料は、電気エネルギーを機械的振動エネルギ−に、もしくは機械的振動エネルギ−を電気エネルギーに変換することのできる材料として、超音波振動子、アクチュエータ、圧電トランス等さまざまなデバイスへの応用がなされている。これらの用途では、大きな電気機械結合係数及び機械的品質係数を具備した圧電材料が用いられる。その一例として、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−Ｐｂ（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3系組成物にＭｎＯ2を添加した組成物があり、優れた圧電性を示すことが明らかにされている（特公昭５６−３０７１４号公報）。
【０００３】
近年、圧電デバイスの高出力化が求められている。これに対し、圧電材料は、高電界駆動もしくは機械的振動の増大に伴い、機械的品質係数が非線形的に低下し、内部エネルギ−損失により急激に発熱する。そのため、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電材料が求められている。
【０００４】
また、昨今のＯＡ機器の小型化に伴い、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる冷陰極管用インバータ等に圧電トランスが普及し始めている。圧電トランスは、入力した電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変換し、再び電気エネルギーに変換することで、入力電圧の昇圧または降圧を行う。このような用途で用いられる圧電トランスは、変換効率が高く、小型かつ薄型であることが要求される。
【０００５】
また、圧電トランスは圧電素子の共振を利用するデバイスであり、長さ方向の振動を用いる場合、素子長さが短くなるほど共振周波数は高くなる。すなわち、小型化することは駆動周波数の高周波数化につながる。しかしながら、駆動周波数を高周波数化すると、回路周辺の浮遊容量の影響、冷陰極管の周波数特性等により、インバータ回路など圧電トランスを含む回路全体としての変換効率が低下する。そのため、小型かつ比較的低い周波数で駆動可能な圧電トランスが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の材料は、低電界駆動においては優れた圧電性を示す。しかしながら、高電界駆動による機械的品質係数の低下が大きい。
【０００７】
本発明の第一の目的は、上記従来の圧電材料の課題を考慮し、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物、および、それを圧電体として用いることによって、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することである。
【０００８】
また、積層構造の圧電デバイスを形成する場合、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、電極と圧電体との接着工程を省略できる上、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できるという効果が得られる。銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成する場合の焼成温度は、１１５０℃が上限であり、従来材料では適応することが困難であった。さらに、銀パラジウムペースト中のパラジウム含有量を少なくし、原料コストを低減するためには、１１００℃未満の焼成温度が望ましい。
【０００９】
本発明の第二の目的は、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物、および、それを圧電体として用いることによって、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することである。
【００１０】
また、圧電トランスに一定の電気エネルギーを入力する場合、圧電体を薄くすると、昇圧（降圧）比は高くなるものの、変換効率が低下する。
【００１１】
本発明の第三の目的は、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することである。
【００１２】
さらに、圧電トランスに一定の電気エネルギーを入力する場合、圧電トランスの駆動周波数を低くすると、機械的振動振幅が増大し、変換効率が低下する。
【００１３】
本発明の第四の目的は、駆動周波数が低くても変換効率が高く、小型な圧電トランスを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１に記載の本発明に対応）は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１５】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第１の本発明により、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００１６】
第２の本発明（請求項２に記載の本発明に対応）は、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式で示される範囲にあることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１７】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第２の本発明により、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００１８】
第３の本発明（請求項３に記載の本発明に対応）は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１９】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第３の本発明により、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００２０】
第４の本発明（請求項４に記載の本発明に対応）は、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭnＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００２１】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第４の本発明により、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００２２】
第５の本発明（請求項５に記載の本発明に対応）は、第１または第２の本発明の圧電磁器組成物を圧電体として用いることを特徴とする圧電デバイスである。
【００２３】
第５の本発明により、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【００２４】
第６の本発明（請求項６に記載の本発明に対応）は、第５の本発明の圧電デバイスを利用した圧電トランスである。
【００２５】
第６の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００２６】
第７の本発明（請求項７に記載の本発明に対応）は、長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする第６の本発明の圧電トランスである。
【００２７】
第７の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００２８】
第８の本発明（請求項８に記載の本発明に対応）は、２分の１波長モードで励振することを特徴とする第７の本発明の圧電トランスである。
【００２９】
第８の本発明により、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【００３０】
第９の本発明（請求項９に記載の本発明に対応）は、第３または第４の本発明の圧電磁器組成物および銀パラジウムペースト電極を有することを特徴とする圧電デバイスである。
【００３１】
第９の本発明により、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【００３２】
第１０の本発明（請求項１０に記載の本発明に対応）は、第９の本発明の圧電デバイスを利用した圧電トランスである。
【００３３】
第１０の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００３４】
第１１の本発明（請求項１１に記載の本発明に対応）は、長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする第１０の本発明の圧電トランスである。
【００３５】
第１１の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００３６】
第１２の本発明（請求項１２に記載の本発明に対応）は、２分の１波長モードで励振することを特徴とする第１１の本発明の圧電トランスである。
【００３７】
第１２の本発明により、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【００３８】
なお、第９〜１２の本発明の圧電デバイス及び圧電トランスは、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、容易に積層化できるという特徴を有する。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。図１中の矢印は、圧電体の分極軸の方向を表している。入力電極３ａ，ｂが主平面上に形成された圧電体駆動部１は、厚み方向に分極処理を施されたものであり、端部上面に出力電極４が形成された圧電体発電部２は、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施されたものである。
【００４１】
本実施の形態における圧電トランスの動作について説明する。入力電極３ａ，ｂ間に交流電気信号を印加すると、圧電体駆動部１に逆圧電効果による機械振動が励振される。この機械振動による圧電効果によって、出力電極４−入力電極（の共通電極）３間に電圧が発生し、電気信号として取り出される。以上によって、入力電圧を出力電圧に変換するものである。入力電圧／出力電圧の関係は、圧電体の寸法、印加する交流電気信号の周波数などによって決まる。なお、本タイプの圧電トランスでは、圧電体（圧電体駆動部１＋圧電体発電部２）の長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）の振動において、最も効率よく電圧の変換が行われる。入力電極３ａ，ｂおよび出力電極４は、例えば、銀焼き付けにより形成されたものである。
【００４２】
圧電体駆動部１および圧電体発電部２は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されている圧電磁器組成物である。
【００４３】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００４４】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００４５】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足する圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００４６】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施の形態は、本発明の圧電磁器組成物に関する点以外は、前述した第１の実施の形態における圧電トランスと同様である。したがって、本実施の形態において、特に説明のないものについては、第１の実施の形態と同じとし、第１の実施の形態と同じ呼称の構成部材については、特に説明のない限り、第１の実施の形態と同様の機能を持つものとする。
【００４７】
本実施の形態における圧電トランスの構成については、図１と同じである。
【００４８】
入力電極３ａ，ｂおよび出力電極４は、例えば、銀焼き付けにより形成されたもの、もしくは、銀パラジウムペーストを焼成して形成されたものである。
【００４９】
圧電体駆動部１および圧電体発電部２は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物である。
【００５０】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００５１】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００５２】
さらに、本実施の形態における圧電トランスを製造する場合、上記圧電磁器組成物が１１００℃未満の温度で焼成可能であることにより、電極となる銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能となるので、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できる。
【００５３】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００５４】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００５５】
図２は、本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。図２中の矢印は、圧電体の分極軸の方向を表している。入力電極８ａ，ｂが主平面上に形成された圧電体駆動部５は、厚み方向に分極処理を施されたものであり、圧電体発電部６，７は、圧電体駆動部５の両側部が長さ方向に分極処理を施され、端部両面にそれぞれ出力電極９ａ，ｂ、９ｃ，ｄが形成されたものである。
【００５６】
本実施の形態における圧電トランスの動作について説明する。入力電極８ａ，ｂ間に交流電気信号を印加すると、圧電体駆動部５に逆圧電効果による機械振動が励振される。この機械振動による圧電効果によって、出力電極９ａ，ｂ−入力電極８ａ，ｂ間、および出力電極９ｃ，ｄ−入力電極８ａ，ｂ間に電圧が発生し、電気信号として取り出される。以上によって、入力電圧を出力電圧に変換するものである。入力電圧／出力電圧の関係は、圧電体の寸法、印加する交流電気信号の周波数などによって決まる。なお、本タイプの圧電トランスでは、圧電体（圧電体駆動部５＋圧電体発電部６，７）の長さ方向伸び振動の１／２波長モード（λ／２モード）の振動において、最も効率よく電圧の変換が行われる。１／２波長モードの振動周波数は、１波長モードの振動周波数の１／２である。
【００５７】
入力電極８ａ，ｂおよび出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄは、例えば、銀焼き付けにより形成されたものである。
【００５８】
圧電体駆動部５および圧電体発電部６，７は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されている圧電磁器組成物である。
【００５９】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６０】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６１】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足する圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００６３】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施の形態は、本発明の圧電磁器組成物に関する点以外は、前述した第３の実施の形態における圧電トランスと同様である。したがって、本実施の形態において、特に説明のないものについては、第３の実施の形態と同じとし、第３の実施の形態と同じ呼称の構成部材については、特に説明のない限り、第３の実施の形態と同様の機能を持つものとする。本実施の形態における圧電トランスの構成については、図２と同じである。入力電極８ａ，ｂおよび出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄは、例えば、銀焼き付けにより形成されたもの、もしくは、銀パラジウムペーストを焼成して形成されたものである。
【００６４】
圧電体駆動部５および圧電体発電部６，７は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物である。
【００６５】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６６】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６７】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果が得られる。
【００６８】
さらに、本実施の形態における圧電トランスを製造する場合、上記圧電磁器組成物が１１００℃未満の温度で焼成可能であることにより、電極となる銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能となるので、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できる。
【００６９】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００７０】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
【００７１】
なお、上述した第１〜第４の実施の形態においては、本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電トランスについて説明したが、本発明の圧電磁器組成物の適用は、圧電トランスに限定されるものではなく、超音波振動子、アクチュエータをはじめとする多くの圧電デバイスに対して適用できるものである。本発明の圧電磁器組成物を適用することにより、薄型化、小型化された圧電デバイス、および、製造の容易な積層型圧電デバイスを実現することができる。
【００７２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００７３】
以下の実施例は、上述した第１〜第４の実施の形態及びそれらの変形例に対応するものであり、それぞれに対応する圧電磁器組成物及び圧電トランスと、それらの比較例の試料を作製して、上述した効果の検証を行った結果を示すものである。
（実施例１）
以下、第１〜第４の実施の形態における圧電磁器組成物の実施例及びその比較例について説明する。
【００７４】
試料を作製する際の出発原料には、化学的に高純度のＰｂＯ，Ｌａ2Ｏ3，Ｎｄ2Ｏ3，Ｐｒ2Ｏ3，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＳｎＯ2，Ｎｂ2Ｏ5，ＴｉＯ2，ＺｒＯ2，ＭｎＣＯ3，Ｙ2Ｏ3を用い、これらを所定の組成になるよう秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミルにより湿式混合した。ここで、ＭｎＣＯ3はＭｎＯ2に換算して必要量得るようにした。なお、出発原料としては前述した各成分元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、アルコキシド等いずれを用いてもよい。混合物をボールミルから取り出して乾燥した後、空気中において８５０〜１１００℃で２時間仮焼した。仮焼粉体を前述したボールミルにより湿式粉砕し、粉砕泥しょうをボールミルから取り出して乾燥した後、ポリビニールアルコール溶液を添加して造粒した。
【００７５】
得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて直径２０ｍｍ厚さ約２ｍｍの円板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を直径約１６ｍｍ厚さ約１ｍｍの円板に加工した後、その両主面に銀電極を焼き付け、１００℃の絶縁油中で１〜５ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理を施した。得られた円板試料のインピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による測定から、円板径方向振動の機械的品質係数Ｑｍを求めた。ここで、印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を求め、高電界駆動によるＱｍ低下の度合いを評価した。
（表１）に、組成と焼成温度、及び印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００７６】
【表１】
（表１）に示す結果から明らかなように、本発明の第１及び第３の実施の形態における圧電磁器組成物に対応する試料は、低電界駆動時(0.1Vrms)には１２００以上の高い機械的品質係数Ｑｍを示し、且つ高電界駆動時(5Vrms)にも１１００以上の高いＱｍ値を示している。また、本発明の第２及び第４の実施の形態における圧電磁器組成物に対応する試料（試料番号２９，３０，３１，３４の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高いＱｍ値を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成することが可能である。
【００７７】
これに対し、比較例の試料（試料番号１，５，１０，１３，１４，１７，１８，２２，３２の試料）は、高電界駆動時にＱｍ値が著しく低下している。
（実施例２）
以下、第１〜第４の実施の形態それぞれの変形例における圧電磁器組成物の実施例およびその比較例について説明する。
【００７８】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて直径２０ｍｍ厚さ約２ｍｍの円板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を直径約１６ｍｍ厚さ約１ｍｍの円板に加工した後、その両主面に銀電極を焼き付け、１００℃の絶縁油中で１〜５ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理を施した。得られた円板試料のインピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による測定から、円板径方向振動の機械的品質係数Ｑｍを求めた。ここで、印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を求め、高電界駆動によるＱｍ低下の度合いを評価した。
【００７９】
（表２）に、組成と焼成温度、及び印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８０】
【表２】
（表２）に示す結果から明らかなように、本発明の第１及び第３の実施の形態の変形例における圧電磁器組成物に対応する試料は、低電界駆動時(0.1Vrms)には１１００以上の高い機械的品質係数Ｑｍを示し、且つ高電界駆動時(5Vrms)にも１０００以上の高いＱｍ値を示している。また、本発明の第２及び第４の実施の形態の変形例における圧電磁器組成物に対応する試料（試料番号６３，６４，６５，６８の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高いＱｍ値を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成することが可能である。
【００８１】
これに対し、比較例の試料（試料番号３５，３９，４４，４７，４８，５１，５２，５６，６６の試料）は、高電界駆動時にＱｍ値が著しく低下している。
（実施例３）
以下、第１及び第２の実施の形態における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図１を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図１に示す。
【００８２】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ２ｍｍ及び１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部１は、入力電極３ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部２は、幅１ｍｍの出力電極４を形成し、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施した。図１中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部１及び圧電体発電部２の長さは、それぞれ２０ｍｍとした。出力電極４に１００ｋΩの負荷抵抗を接続し、入力電極３ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ８０ｋＨｚである。
（表３）に、組成及び圧電体素子厚さと圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８３】
【表３】
（表３）に示す結果から明らかなように、本発明の第１の実施の形態における圧電トランスに対応する試料は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときにも９０％以上の高い効率を示す。また、本発明の第２の実施の形態における圧電トランスに対応する試料（試料番号１１１，１１２，１１５，１１６の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高い効率を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能である。実際に、９層の圧電体（試料番号１１１の試料の組成）と１０層の銀パラジウム電極からなる積層型圧電トランスを作製し、トランス特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認された。
【００８４】
これに対し、比較例の試料（試料番号６９，７０，７９，８０，８５，８６，８７，８８，９３，９４の試料）は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときには特に効率が著しく低下していることがわかる。
【００８５】
なお、試料番号７０（比較例）及び試料番号１１０の試料の20分間連続駆動後の温度上昇を評価したところ、室温２５℃に対して各々３６℃及び１６℃であり、本発明の第１及び第２の実施の形態における圧電磁器組成物を用いた圧電デバイスは、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能であることが確認された。（実施例４）
以下、第１及び第２の実施の形態の変形例における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図１を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図１に示す。
【００８６】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ２ｍｍ及び１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部１は、入力電極３ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部２は、幅１ｍｍの出力電極４を形成し、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施した。図１中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部１及び圧電体発電部２の長さは、それぞれ２０ｍｍとした。出力電極４に１００ｋΩの負荷抵抗を接続し、入力電極３ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ８０ｋＨｚである。
（表４）に、組成及び圧電体素子厚さと圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８７】
【表４】
（表４）に示す結果から明らかなように、本発明の第１の実施の形態の変形例における圧電トランスに対応する試料は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときにも９０％以上の高い効率を示す。また、本発明の第２の実施の形態の変形例における圧電トランスに対応する試料（試料番号１５３，１５４，１５７，１５８の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高い効率を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能である。実際に、９層の圧電体（試料番号１５３の試料の組成）と１０層の銀パラジウム電極からなる積層型圧電トランスを作製し、トランス特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認された。
【００８８】
これに対し、比較例の試料（試料番号１２３，１２４，１２９，１３０，１３５，１３６の試料）は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときには特に効率が著しく低下していることがわかる。
【００８９】
なお、試料番号１２４（比較例）及び試料番号１５４の試料の20分間連続駆動後の温度上昇を評価したところ、室温２５℃に対して各々６２℃及び１８℃であり、本発明の第１及び第２の実施の形態の変形例における圧電磁器組成物を用いた圧電デバイスは、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能であることが確認された。
（実施例５）
以下、第３及び第４の実施の形態における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図面を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図２に示す。
【００９０】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部５は、入力電極８ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部６及び７は、幅１ｍｍの出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄを形成し、入力電極８ａ，ｂと出力電極９ａ，ｂ及び出力電極９ｃ，ｄ間で各々長さ方向に分極処理を施した。図２中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部５の長さは２４ｍｍ、圧電体発電部６及び７の長さは各々８ｍｍとした。１２０ｋΩの負荷抵抗に４本のリード線を接続し、各リード線を出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄに接続した。入力電極８ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の２分の１波長モード（λ／２モード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ４０ｋＨｚである。
【００９１】
（表５）に、組成及び２分の１波長モード圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００９２】
【表５】
長さ方向伸び振動の共振周波数は、振動モードにより異なる。共振周波数が４０ｋＨｚの場合、１波長モード（λモード）での圧電体素子長さはおよそ８０ｍｍであるのに対し、２分の１波長モード（λ／２モード）での素子長さはおよそ４０ｍｍである。つまり、小型の圧電トランスを実現するためには、振動モードを２分の１波長モードにすることが効果的である。しかし、共振周波数が低くなると振動振幅が増大し、機械的歪みが増大するために、圧電トランスの効率は低下する。
【００９３】
しかしながら、（表５）に示す結果から明らかなように、本発明の第３の実施の形態における圧電トランスに対応する試料は、駆動周波数が４０ｋＨｚと低いときにも８５％以上の高い効率を示す。また、本発明の第４の実施の形態における圧電トランスに対応する試料（試料番号１８０，１８２の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高い効率を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能である。実際に、９層の圧電体（試料番号１８０の試料の組成）と１０層の銀パラジウム電極からなる積層型圧電トランスを作製し、トランス特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認された。
【００９４】
これに対し、比較例の試料（試料番号１５９，１６４，１６７，１６８，１７１の試料）は、効率が著しく低い。
（実施例６）
以下、第３及び第４の実施の形態の変形例における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図面を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図２に示す。
【００９５】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部５は、入力電極８ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部６及び７は、幅１ｍｍの出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄを形成し、入力電極８ａ，ｂと出力電極９ａ，ｂ及び出力電極９ｃ，ｄ間で各々長さ方向に分極処理を施した。図２中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部５の長さは２４ｍｍ、圧電体発電部６及び７の長さは各々８ｍｍとした。１２０ｋΩの負荷抵抗に４本のリード線を接続し、各リード線を出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄに接続した。入力電極８ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の２分の１波長モード（λ／２モード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ４０ｋＨｚである。
【００９６】
（表６）に、組成及び２分の１波長モード圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００９７】
【表６】
（表６）に示す結果から明らかなように、本発明の第３の実施の形態の変形例における圧電トランスに対応する試料は、駆動周波数が４０ｋＨｚと低いときにも８５％以上の高い効率を示す。また、本発明の第４の実施の形態の変形例における圧電トランスに対応する試料（試料番号２０１，２０３の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高い効率を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能である。実際に、９層の圧電体（試料番号２０３の試料の組成）と１０層の銀パラジウム電極からなる積層型圧電トランスを作製し、トランス特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認された。
【００９８】
これに対し、比較例の試料（試料番号１８６，１８８，１９２の試料）は、効率が著しく低い。
【００９９】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような
中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果を期待できる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、請求項１，２の本発明は、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【０１０１】
請求項３，４の本発明は、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【０１０２】
請求項５，９の本発明は、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【０１０３】
請求項６，７，１０，１１の本発明は、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【０１０４】
請求項８，１２の本発明は、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【０１０５】
なお、請求項９〜１２の本発明の圧電デバイス及び圧電トランスは、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、容易に積層化できるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１，２の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の第３，４の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１、５ 圧電体駆動部
２、６、７ 圧電体発電部
３、８ 入力電極
４、９ 出力電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば超音波振動子、アクチュエータ、圧電トランス等に適する圧電磁器組成物、及び、例えば液晶ディスプレイのバックライト用インバータ等の電力変換装置に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電材料は、電気エネルギーを機械的振動エネルギ−に、もしくは機械的振動エネルギ−を電気エネルギーに変換することのできる材料として、超音波振動子、アクチュエータ、圧電トランス等さまざまなデバイスへの応用がなされている。これらの用途では、大きな電気機械結合係数及び機械的品質係数を具備した圧電材料が用いられる。その一例として、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−Ｐｂ（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3系組成物にＭｎＯ2を添加した組成物があり、優れた圧電性を示すことが明らかにされている（特公昭５６−３０７１４号公報）。
【０００３】
近年、圧電デバイスの高出力化が求められている。これに対し、圧電材料は、高電界駆動もしくは機械的振動の増大に伴い、機械的品質係数が非線形的に低下し、内部エネルギ−損失により急激に発熱する。そのため、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電材料が求められている。
【０００４】
また、昨今のＯＡ機器の小型化に伴い、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる冷陰極管用インバータ等に圧電トランスが普及し始めている。圧電トランスは、入力した電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変換し、再び電気エネルギーに変換することで、入力電圧の昇圧または降圧を行う。このような用途で用いられる圧電トランスは、変換効率が高く、小型かつ薄型であることが要求される。
【０００５】
また、圧電トランスは圧電素子の共振を利用するデバイスであり、長さ方向の振動を用いる場合、素子長さが短くなるほど共振周波数は高くなる。すなわち、小型化することは駆動周波数の高周波数化につながる。しかしながら、駆動周波数を高周波数化すると、回路周辺の浮遊容量の影響、冷陰極管の周波数特性等により、インバータ回路など圧電トランスを含む回路全体としての変換効率が低下する。そのため、小型かつ比較的低い周波数で駆動可能な圧電トランスが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の材料は、低電界駆動においては優れた圧電性を示す。しかしながら、高電界駆動による機械的品質係数の低下が大きい。
【０００７】
本発明の第一の目的は、上記従来の圧電材料の課題を考慮し、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物、および、それを圧電体として用いることによって、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することである。
【０００８】
また、積層構造の圧電デバイスを形成する場合、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、電極と圧電体との接着工程を省略できる上、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できるという効果が得られる。銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成する場合の焼成温度は、１１５０℃が上限であり、従来材料では適応することが困難であった。さらに、銀パラジウムペースト中のパラジウム含有量を少なくし、原料コストを低減するためには、１１００℃未満の焼成温度が望ましい。
【０００９】
本発明の第二の目的は、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物、および、それを圧電体として用いることによって、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することである。
【００１０】
また、圧電トランスに一定の電気エネルギーを入力する場合、圧電体を薄くすると、昇圧（降圧）比は高くなるものの、変換効率が低下する。
【００１１】
本発明の第三の目的は、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することである。
【００１２】
さらに、圧電トランスに一定の電気エネルギーを入力する場合、圧電トランスの駆動周波数を低くすると、機械的振動振幅が増大し、変換効率が低下する。
【００１３】
本発明の第四の目的は、駆動周波数が低くても変換効率が高く、小型な圧電トランスを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１に記載の本発明に対応）は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１５】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第１の本発明により、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００１６】
第２の本発明（請求項２に記載の本発明に対応）は、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式で示される範囲にあることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１７】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第２の本発明により、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００１８】
第３の本発明（請求項３に記載の本発明に対応）は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００１９】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第３の本発明により、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００２０】
第４の本発明（請求項４に記載の本発明に対応）は、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭnＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されていることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物である。
【００２１】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
第４の本発明により、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【００２２】
第５の本発明（請求項５に記載の本発明に対応）は、第１または第２の本発明の圧電磁器組成物を圧電体として用いることを特徴とする圧電デバイスである。
【００２３】
第５の本発明により、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【００２４】
第６の本発明（請求項６に記載の本発明に対応）は、第５の本発明の圧電デバイスを利用した圧電トランスである。
【００２５】
第６の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００２６】
第７の本発明（請求項７に記載の本発明に対応）は、長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする第６の本発明の圧電トランスである。
【００２７】
第７の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００２８】
第８の本発明（請求項８に記載の本発明に対応）は、２分の１波長モードで励振することを特徴とする第７の本発明の圧電トランスである。
【００２９】
第８の本発明により、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【００３０】
第９の本発明（請求項９に記載の本発明に対応）は、第３または第４の本発明の圧電磁器組成物および銀パラジウムペースト電極を有することを特徴とする圧電デバイスである。
【００３１】
第９の本発明により、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【００３２】
第１０の本発明（請求項１０に記載の本発明に対応）は、第９の本発明の圧電デバイスを利用した圧電トランスである。
【００３３】
第１０の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００３４】
第１１の本発明（請求項１１に記載の本発明に対応）は、長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする第１０の本発明の圧電トランスである。
【００３５】
第１１の本発明により、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【００３６】
第１２の本発明（請求項１２に記載の本発明に対応）は、２分の１波長モードで励振することを特徴とする第１１の本発明の圧電トランスである。
【００３７】
第１２の本発明により、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【００３８】
なお、第９〜１２の本発明の圧電デバイス及び圧電トランスは、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、容易に積層化できるという特徴を有する。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。図１中の矢印は、圧電体の分極軸の方向を表している。入力電極３ａ，ｂが主平面上に形成された圧電体駆動部１は、厚み方向に分極処理を施されたものであり、端部上面に出力電極４が形成された圧電体発電部２は、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施されたものである。
【００４１】
本実施の形態における圧電トランスの動作について説明する。入力電極３ａ，ｂ間に交流電気信号を印加すると、圧電体駆動部１に逆圧電効果による機械振動が励振される。この機械振動による圧電効果によって、出力電極４−入力電極（の共通電極）３間に電圧が発生し、電気信号として取り出される。以上によって、入力電圧を出力電圧に変換するものである。入力電圧／出力電圧の関係は、圧電体の寸法、印加する交流電気信号の周波数などによって決まる。なお、本タイプの圧電トランスでは、圧電体（圧電体駆動部１＋圧電体発電部２）の長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）の振動において、最も効率よく電圧の変換が行われる。入力電極３ａ，ｂおよび出力電極４は、例えば、銀焼き付けにより形成されたものである。
【００４２】
圧電体駆動部１および圧電体発電部２は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されている圧電磁器組成物である。
【００４３】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００４４】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００４５】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足する圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００４６】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施の形態は、本発明の圧電磁器組成物に関する点以外は、前述した第１の実施の形態における圧電トランスと同様である。したがって、本実施の形態において、特に説明のないものについては、第１の実施の形態と同じとし、第１の実施の形態と同じ呼称の構成部材については、特に説明のない限り、第１の実施の形態と同様の機能を持つものとする。
【００４７】
本実施の形態における圧電トランスの構成については、図１と同じである。
【００４８】
入力電極３ａ，ｂおよび出力電極４は、例えば、銀焼き付けにより形成されたもの、もしくは、銀パラジウムペーストを焼成して形成されたものである。
【００４９】
圧電体駆動部１および圧電体発電部２は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物である。
【００５０】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００５１】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００５２】
さらに、本実施の形態における圧電トランスを製造する場合、上記圧電磁器組成物が１１００℃未満の温度で焼成可能であることにより、電極となる銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能となるので、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できる。
【００５３】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００５４】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００５５】
図２は、本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。図２中の矢印は、圧電体の分極軸の方向を表している。入力電極８ａ，ｂが主平面上に形成された圧電体駆動部５は、厚み方向に分極処理を施されたものであり、圧電体発電部６，７は、圧電体駆動部５の両側部が長さ方向に分極処理を施され、端部両面にそれぞれ出力電極９ａ，ｂ、９ｃ，ｄが形成されたものである。
【００５６】
本実施の形態における圧電トランスの動作について説明する。入力電極８ａ，ｂ間に交流電気信号を印加すると、圧電体駆動部５に逆圧電効果による機械振動が励振される。この機械振動による圧電効果によって、出力電極９ａ，ｂ−入力電極８ａ，ｂ間、および出力電極９ｃ，ｄ−入力電極８ａ，ｂ間に電圧が発生し、電気信号として取り出される。以上によって、入力電圧を出力電圧に変換するものである。入力電圧／出力電圧の関係は、圧電体の寸法、印加する交流電気信号の周波数などによって決まる。なお、本タイプの圧電トランスでは、圧電体（圧電体駆動部５＋圧電体発電部６，７）の長さ方向伸び振動の１／２波長モード（λ／２モード）の振動において、最も効率よく電圧の変換が行われる。１／２波長モードの振動周波数は、１波長モードの振動周波数の１／２である。
【００５７】
入力電極８ａ，ｂおよび出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄは、例えば、銀焼き付けにより形成されたものである。
【００５８】
圧電体駆動部５および圧電体発電部６，７は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物が添加されている圧電磁器組成物である。
【００５９】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６０】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６１】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足する圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００６３】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施の形態は、本発明の圧電磁器組成物に関する点以外は、前述した第３の実施の形態における圧電トランスと同様である。したがって、本実施の形態において、特に説明のないものについては、第３の実施の形態と同じとし、第３の実施の形態と同じ呼称の構成部材については、特に説明のない限り、第３の実施の形態と同様の機能を持つものとする。本実施の形態における圧電トランスの構成については、図２と同じである。入力電極８ａ，ｂおよび出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄは、例えば、銀焼き付けにより形成されたもの、もしくは、銀パラジウムペーストを焼成して形成されたものである。
【００６４】
圧電体駆動部５および圧電体発電部６，７は、組成式が（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3で表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のu,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物である。
【００６５】
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本実施の形態における圧電磁器組成物は、上記条件を満足することにより、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さいことが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６６】
また、本実施の形態における圧電トランスは、上記圧電磁器組成物を用いることにより、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ薄型なものを実現できることが確認されており、詳細については後述する実施例で説明する。
【００６７】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果が得られる。
【００６８】
さらに、本実施の形態における圧電トランスを製造する場合、上記圧電磁器組成物が１１００℃未満の温度で焼成可能であることにより、電極となる銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能となるので、積層構造の圧電デバイスを容易に製造できる。
【００６９】
なお、本実施の形態の変形例として、本実施の形態における圧電磁器組成物の代わりに、組成式が［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tで表され、前記組成式中の記号Ａに対応する元素が｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、前記組成式中のt,u,v,w,x,y,zが次式を満足するものであり、かつ、0.5〜2モル%のＺｎＯが添加されている圧電磁器組成物を用いるとしてもよい。
【００７０】
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50
本変形例においても、前述した本実施の形態における圧電磁器組成物および圧電トランスと同様の効果が得られることが確認されており、これらの詳細についても、後述する実施例で説明する。
【００７１】
なお、上述した第１〜第４の実施の形態においては、本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電トランスについて説明したが、本発明の圧電磁器組成物の適用は、圧電トランスに限定されるものではなく、超音波振動子、アクチュエータをはじめとする多くの圧電デバイスに対して適用できるものである。本発明の圧電磁器組成物を適用することにより、薄型化、小型化された圧電デバイス、および、製造の容易な積層型圧電デバイスを実現することができる。
【００７２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００７３】
以下の実施例は、上述した第１〜第４の実施の形態及びそれらの変形例に対応するものであり、それぞれに対応する圧電磁器組成物及び圧電トランスと、それらの比較例の試料を作製して、上述した効果の検証を行った結果を示すものである。
（実施例１）
以下、第１〜第４の実施の形態における圧電磁器組成物の実施例及びその比較例について説明する。
【００７４】
試料を作製する際の出発原料には、化学的に高純度のＰｂＯ，Ｌａ2Ｏ3，Ｎｄ2Ｏ3，Ｐｒ2Ｏ3，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＳｎＯ2，Ｎｂ2Ｏ5，ＴｉＯ2，ＺｒＯ2，ＭｎＣＯ3，Ｙ2Ｏ3を用い、これらを所定の組成になるよう秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミルにより湿式混合した。ここで、ＭｎＣＯ3はＭｎＯ2に換算して必要量得るようにした。なお、出発原料としては前述した各成分元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、アルコキシド等いずれを用いてもよい。混合物をボールミルから取り出して乾燥した後、空気中において８５０〜１１００℃で２時間仮焼した。仮焼粉体を前述したボールミルにより湿式粉砕し、粉砕泥しょうをボールミルから取り出して乾燥した後、ポリビニールアルコール溶液を添加して造粒した。
【００７５】
得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて直径２０ｍｍ厚さ約２ｍｍの円板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を直径約１６ｍｍ厚さ約１ｍｍの円板に加工した後、その両主面に銀電極を焼き付け、１００℃の絶縁油中で１〜５ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理を施した。得られた円板試料のインピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による測定から、円板径方向振動の機械的品質係数Ｑｍを求めた。ここで、印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を求め、高電界駆動によるＱｍ低下の度合いを評価した。
（表１）に、組成と焼成温度、及び印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００７６】
【表１】
【００７７】
これに対し、比較例の試料（試料番号１，５，１０，１３，１４，１７，１８，２２，３２の試料）は、高電界駆動時にＱｍ値が著しく低下している。
（実施例２）
以下、第１〜第４の実施の形態それぞれの変形例における圧電磁器組成物の実施例およびその比較例について説明する。
【００７８】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて直径２０ｍｍ厚さ約２ｍｍの円板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を直径約１６ｍｍ厚さ約１ｍｍの円板に加工した後、その両主面に銀電極を焼き付け、１００℃の絶縁油中で１〜５ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理を施した。得られた円板試料のインピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による測定から、円板径方向振動の機械的品質係数Ｑｍを求めた。ここで、印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を求め、高電界駆動によるＱｍ低下の度合いを評価した。
【００７９】
（表２）に、組成と焼成温度、及び印加電圧が０．１ＶrmsのときのＱｍ値と印加電圧が５ＶrmsのときのＱｍ値を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８０】
【表２】
【００８１】
これに対し、比較例の試料（試料番号３５，３９，４４，４７，４８，５１，５２，５６，６６の試料）は、高電界駆動時にＱｍ値が著しく低下している。
（実施例３）
以下、第１及び第２の実施の形態における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図１を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図１に示す。
【００８２】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ２ｍｍ及び１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部１は、入力電極３ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部２は、幅１ｍｍの出力電極４を形成し、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施した。図１中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部１及び圧電体発電部２の長さは、それぞれ２０ｍｍとした。出力電極４に１００ｋΩの負荷抵抗を接続し、入力電極３ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ８０ｋＨｚである。
（表３）に、組成及び圧電体素子厚さと圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８３】
【表３】
【００８４】
これに対し、比較例の試料（試料番号６９，７０，７９，８０，８５，８６，８７，８８，９３，９４の試料）は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときには特に効率が著しく低下していることがわかる。
【００８５】
なお、試料番号７０（比較例）及び試料番号１１０の試料の20分間連続駆動後の温度上昇を評価したところ、室温２５℃に対して各々３６℃及び１６℃であり、本発明の第１及び第２の実施の形態における圧電磁器組成物を用いた圧電デバイスは、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能であることが確認された。（実施例４）
以下、第１及び第２の実施の形態の変形例における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図１を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図１に示す。
【００８６】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ２ｍｍ及び１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部１は、入力電極３ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部２は、幅１ｍｍの出力電極４を形成し、入力電極３ａ，ｂと出力電極４間で長さ方向に分極処理を施した。図１中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部１及び圧電体発電部２の長さは、それぞれ２０ｍｍとした。出力電極４に１００ｋΩの負荷抵抗を接続し、入力電極３ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ８０ｋＨｚである。
（表４）に、組成及び圧電体素子厚さと圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００８７】
【表４】
【００８８】
これに対し、比較例の試料（試料番号１２３，１２４，１２９，１３０，１３５，１３６の試料）は、圧電体素子厚さが１ｍｍと薄いときには特に効率が著しく低下していることがわかる。
【００８９】
なお、試料番号１２４（比較例）及び試料番号１５４の試料の20分間連続駆動後の温度上昇を評価したところ、室温２５℃に対して各々６２℃及び１８℃であり、本発明の第１及び第２の実施の形態の変形例における圧電磁器組成物を用いた圧電デバイスは、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能であることが確認された。
（実施例５）
以下、第３及び第４の実施の形態における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図面を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図２に示す。
【００９０】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部５は、入力電極８ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部６及び７は、幅１ｍｍの出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄを形成し、入力電極８ａ，ｂと出力電極９ａ，ｂ及び出力電極９ｃ，ｄ間で各々長さ方向に分極処理を施した。図２中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部５の長さは２４ｍｍ、圧電体発電部６及び７の長さは各々８ｍｍとした。１２０ｋΩの負荷抵抗に４本のリード線を接続し、各リード線を出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄに接続した。入力電極８ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の２分の１波長モード（λ／２モード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ４０ｋＨｚである。
【００９１】
（表５）に、組成及び２分の１波長モード圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００９２】
【表５】
【００９３】
しかしながら、（表５）に示す結果から明らかなように、本発明の第３の実施の形態における圧電トランスに対応する試料は、駆動周波数が４０ｋＨｚと低いときにも８５％以上の高い効率を示す。また、本発明の第４の実施の形態における圧電トランスに対応する試料（試料番号１８０，１８２の試料）は、さらに１１００℃未満の焼成温度で高い効率を示し、銀パラジウムペーストと同時に焼成して積層構造とすることが可能である。実際に、９層の圧電体（試料番号１８０の試料の組成）と１０層の銀パラジウム電極からなる積層型圧電トランスを作製し、トランス特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認された。
【００９４】
これに対し、比較例の試料（試料番号１５９，１６４，１６７，１６８，１７１の試料）は、効率が著しく低い。
（実施例６）
以下、第３及び第４の実施の形態の変形例における圧電トランスの実施例およびその比較例について、図面を参照して説明する。本発明における圧電トランスの外観図を図２に示す。
【００９５】
実施例１の場合と同様にして得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空気中において７００℃で１時間保持してバインダーアウトを行った後、空気中において１０００〜１２６０℃で２時間保持して焼成した。焼成体を長さ４０ｍｍ幅７ｍｍ厚さ１ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部５は、入力電極８ａ，ｂを主平面上に銀焼き付けにより形成し、厚み方向に分極処理を施した。圧電体発電部６及び７は、幅１ｍｍの出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄを形成し、入力電極８ａ，ｂと出力電極９ａ，ｂ及び出力電極９ｃ，ｄ間で各々長さ方向に分極処理を施した。図２中の矢印は分極軸の方向を表している。また、圧電体駆動部５の長さは２４ｍｍ、圧電体発電部６及び７の長さは各々８ｍｍとした。１２０ｋΩの負荷抵抗に４本のリード線を接続し、各リード線を出力電極９ａ，ｂ，ｃ，ｄに接続した。入力電極８ａ，ｂに交流電気信号を印加して、機械振動を励振した。効率の評価は、長さ方向伸び振動の２分の１波長モード（λ／２モード）について行った。なお、入力電力Ｗinは３Ｗ、共振周波数はおよそ４０ｋＨｚである。
【００９６】
（表６）に、組成及び２分の１波長モード圧電トランスの効率を示す。なお、試料番号の右に記された(*)は本発明の権利範囲外の試料であることを示す。
【００９７】
【表６】
【００９８】
これに対し、比較例の試料（試料番号１８６，１８８，１９２の試料）は、効率が著しく低い。
【００９９】
なお、本実施の形態におけるλ／２モード圧電トランスとして、図２に示したような
中央駆動型の構成をとったが、構造は特に限定するものではなく、図１に示した構成など、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有し、かつλ／２モードで励振し得る構成では同様の効果を期待できる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、請求項１，２の本発明は、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【０１０１】
請求項３，４の本発明は、１１００℃未満の温度で焼成可能であり、大きな機械的品質係数を有し、且つ高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さな圧電磁器組成物を提供することができる。
【０１０２】
請求項５，９の本発明は、高電界駆動時の発熱量が少なく、高出力可能な圧電デバイスを提供することができる。
【０１０３】
請求項６，７，１０，１１の本発明は、変換効率が高く、且つ薄型な圧電トランスを提供することができる。
【０１０４】
請求項８，１２の本発明は、駆動周波数が低くても変換効率が高く、且つ小型な圧電トランスを提供することができる。
【０１０５】
なお、請求項９〜１２の本発明の圧電デバイス及び圧電トランスは、銀パラジウムペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、容易に積層化できるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１，２の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の第３，４の実施の形態における圧電トランスの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１、５ 圧電体駆動部
２、６、７ 圧電体発電部
３、８ 入力電極
４、９ 出力電極
Claims (12)
- 組成式を（ＰｂuＡ1-u） v ｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3） w （Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3と表したとき、記号Ａが｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、且つu,v,w,x,y,zが次の数式で示される範囲にある圧電磁器組成物に対し、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物を添加することを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物。
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50 - 組成式を［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tと表したとき、記号Ａが｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、且つt,u,v,w,x,y,zが次の数式で示される範囲にあることを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物。
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50 - 組成式を（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3と表したとき、記号Ａが｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、且つu,v,w,x,y,zが次の数式で示される範囲にある圧電磁器組成物に対し、ＭｎＯ2に換算して0.1〜3モル%のＭｎ化合物及び0.5〜2モル%のＺｎＯを添加することを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物。
【数１】
w+x+y+z=1
0.85≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50 - 組成式を［（ＰｂuＡ1-u）v｛（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）w（Ｓｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz｝2-vＯ3］t−（ＹＭｎＯ3）1-tと表したとき、記号Ａが｛Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｂｉ｝からなる群(A)から選ばれた少なくとも一種の成分であり、且つt,u,v,w,x,y,zが次の数式で示される範囲にある圧電磁器組成物に対し、0.5〜2モル%のＺｎＯを添加することを特徴とする、高電界駆動による機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物。
【数２】
w+x+y+z=1
0.960≦t≦0.999
0.90≦u≦0.99
0.97≦v≦1.03
0.01≦w≦0.20
0.01≦x≦0.15
0.35≦y≦0.48
0.30≦z≦0.50 - 請求項１または２に記載の圧電磁器組成物を圧電体として用いることを特徴とする圧電デバイス。
- 圧電トランスとして請求項５に記載の圧電デバイスを用いることを特徴とする圧電トランス。
- 長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする請求項６に記載の圧電トランス。
- ２分の１波長モードで励振することを特徴とする請求項７に記載の圧電トランス。
- 請求項３または４に記載の圧電磁器組成物と、銀パラジウムペースト電極とを備えたことを特徴とする圧電デバイス。
- 圧電トランスとして請求項９に記載の圧電デバイスを用いることを特徴とする圧電トランス。
- 長さ方向分極部と厚み方向分極部とを備えることを特徴とする請求項１０に記載の圧電トランス。
- ２分の１波長モードで励振することを特徴とする請求項１１に記載の圧電トランス。
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