JP4863575B2

JP4863575B2 - 圧電磁器組成物及び圧電トランス

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Publication number: JP4863575B2
Application number: JP2001164636A
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Inventors: 知宣江口
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Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2012-01-25
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物及び圧電トランスに関するものであり、特には、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、及びノートパソコンや携帯端末等に用いられる液晶ディスプレイのバックライト冷陰極管用インバータなどに用いられる圧電トランスに好適な圧電磁器組成物及び圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＯを含む圧電磁器組成物としては、たとえば、ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃系材料などの２成分系材料や、Ｐｂ（Ｎｂ_2/3Ｍｎ_1/3）Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃系材料などの３成分系材料、あるいはこのような材料系に種々の微量添加物を添加した材料などが知られている。
【０００３】
これらの材料は、圧電特性に優れ、また、加工性や量産性に優れており、共振子をはじめ、アクチュエータや圧電センサなど、その応用範囲が多岐にわたっている。近年では、従来コイルで構成されていたトランスを圧電素子で構成する試みが成されている。
【０００４】
圧電トランスは、交流信号と弾性振動の可逆変換が可能であり、変換効率は、磁器材料の機械的品質係数Ｑｍと電気機械結合係数Ｋｐに起因する。また、共振周波数に近い周波数にて駆動させることで高い電力を出力できることから、共振周波数が自己発熱によって変動したり、外周温度によって変動することを抑制することが必要である。
【０００５】
また、入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の昇降圧比は、（Ｖ２／Ｖ１）＝（Ｃ１／Ｃ２）^1/2の式にて算出されるため（Ｖ２／Ｖ１は昇降圧比、Ｃ１は電圧入力部の静電容量、Ｃ２は電圧出力部の静電容量）、電圧入力部及び／又は電圧出力部を積層構造とし、所定の容量比にする必要がある。
【０００６】
従来、機械的品質係数Ｑｍ、電気機械結合係数Ｋｐが大きい圧電磁器組成物としては、Ｐｂ（Ｎｂ_2/3Ｍｎ_1/3）Ｏ₃―ＰｂＺｒＯ₃―ＰｂＴｉＯ₃を主成分とする圧電磁器組成物や、Ｐｂ（Ｎｂ_1/2Ｓｂ_1/2）Ｏ₃―ＰｂＺｒＯ₃―ＰｂＴｉＯ₃を主成分とする圧電磁器組成物が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した圧電磁器組成物では、機械的品質係数Ｑｍを高くしていくと電気機械結合係数Ｋ_３１が低下してしまい、圧電トランスを構成する場合、出力電力を大きくすることができなかった。一方、電気機械結合係数Ｋ_３１を高くしていくと機械的品質係数Ｑｍが低下し、加えて、共振周波数の温度安定性も劣化していくという問題があった。
【０００８】
本発明は、電気機械結合係数Ｋ_３１と機械的品質係数Ｑｍを高く維持しつつ、共振周波数の温度安定性に優れた圧電磁器組成物及び圧電トランスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電磁器組成物は、金属元素としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ及びＦｅと、Ｇｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種を含有するペロブスカイト型複合酸化物であって、金属元素のモル比による組成式を（Ｐｂ_{（１−ａ）ｘ}Ｒ_ａ）〔（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）_ｂＭｎ_ｃ（Ｔｉ_ｄＺｒ_１−ｄ）_{１−ｂ―ｃ}〕Ｏ_３（但し、ＲはＧｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種）と表わした時、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｘが、０．００５≦ａ≦０．０２５、０．０７≦ｂ≦０．１４、０＜ｃ≦０．０２、０．５０＜ｄ≦０．５５、０．１１≦ｅ≦０．２０、０．２０≦ｆ≦０．３３、０．９８≦ｘ≦１．０２を満足するものである。
【００１０】
このような圧電磁器組成物は、ペロブスカイト型複合酸化物のＡサイトを、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄで置換することにより、共振周波数の温度安定性を向上させることができる。一方、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄの置換により、キュリー温度Ｔｃが低下し、加えて機械的品質係数Ｑｍが低下し易いが、通常ＰＺＴ系のＢサイトは４価であるが、２価乃至４価のＭｎで所定量置換することにより、キュリー温度Ｔｃ及び機械的品質係数Ｑｍの低下を抑制できる。
【００１１】
従って、本発明の圧電磁器組成物では、電気機械結合係数Ｋ_３１及び機械的品質係数Ｑｍを高く維持しつつ、共振周波数の温度安定性を向上できる。
【００１２】
また、本発明の圧電トランスは、両主面が長さＬ、幅Ｗの長方形である圧電基板の長さ方向に、電圧入力部、電圧出力部を交互に形成し、前記電圧入力部および前記電圧出力部にそれぞれ入力側電極、出力側電極を設けてなり、前記電圧入力部と前記電圧出力部とが伸び振動モードで結合されている圧電トランスにおいて、前記圧電基板の圧電体層が、上記した圧電磁器組成物からなるものである。
【００１３】
本発明の圧電磁器組成物は、上記したように、電気機械結合係数Ｋ_３１及び機械的品質係数Ｑｍを高く維持しつつ、共振周波数の温度安定性を向上できるため、このような圧電磁器組成物で圧電体層を構成すると、高い出力電力と、高い効率を駆動周波数を大幅に変更することなく安定して得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電磁器組成物は、金属元素としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ及びＦｅと、Ｇｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種を含有するペロブスカイト型複合酸化物であって、金属元素のモル比による組成式を（Ｐｂ_{（１−ａ）ｘ}Ｒ_ａ）〔（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）_ｂＭｎ_ｃ（Ｔｉ_ｄＺｒ_１−ｄ）_{１−ｂ―ｃ}〕Ｏ_３（但し、ＲはＧｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種）と表わした時、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｘが、０．００５≦ａ≦０．０２５、０．０７≦ｂ≦０．１４、０＜ｃ≦０．０２、０．５０＜ｄ≦０．５５、０．１１≦ｅ≦０．２０、０．２０≦ｆ≦０．３３、０．９８≦ｘ≦１．０２を満足するものである。
【００１５】
ここで、ＰｂのＧｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種による置換量ａを、０．００５≦ａ≦０．０２５としたのは、Ｐｂを置換するＧｄ、Ｓｍ、Ｎｄは、特に共振周波数の温度安定性を向上させる効果があるが、Ｇｄ、Ｓｍ、ＮｄのＡサイト置換量ａが０．００５未満の場合、置換効果がなく、また、０．０２５を超えた場合、キュリー温度Ｔｃの低下を招き機械的品質係数Ｑｍが低下するからである。
【００１６】
ＰｂのＧｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種による置換量ａは、共振周波数の温度安定性を向上できるとともに、キュリー温度Ｔｃ、機械的品質係数Ｑｍを高く維持するという点から、０．０１≦ａ≦０．０２であることが望ましい。
【００１７】
また、本発明では、Ｐｂを置換する希土類元素としてＧｄ、Ｓｍ、Ｎｄのうち少なくとも一種としたが、これは、他の希土類元素でも共振周波数の温度安定性向上効果はあるものの、圧電特性、特に電気機械結合係数Ｋ_３１の低下が大きいため、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄから選ばれる少なくとも一種とした。
【００１８】
Ｐｂを置換する希土類元素として、高い機械結合係数Ｋ_３１を維持するという点からＧｄ、またはＧｄと、Ｓｍ及び／又はＮｄが望ましい。
【００１９】
Ｂサイトの（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）による置換量ｂを０．０７≦ｂ≦０．１４としたのは、ペロブスカイトＡＢＯ_３のＢサイトを置換する（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）は、特に電気機械結合係数Ｋ_３１と機械的品質係数Ｑｍを向上できるが、置換量ｂが０．０７未満の場合には充分な置換効果が得られず、０．１４を超えた場合、緻密な磁器が得られず機械的品質係数Ｑｍが低下するからである。
【００２０】
Ｂサイトの（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）による置換量ｂは、電気機械結合係数Ｋ_３１及び機械的品質係数Ｑｍを向上するとともに、緻密な磁器を得ることができるという点から、０．０９≦ｂ≦０．１２であることが望ましい。
【００２１】
ＢサイトのＭｎによる置換量ｃを０＜ｃ≦０．０２としたのは、Ｂサイトを置換するＭｎは、機械的品質係数Ｑｍの向上に効果的であるが、Ｍｎの置換量ｃが０．０２を超える場合、緻密な磁器が得られず機械的品質係数Ｑｍが低下するからである。ＢサイトのＭｎによる置換量ｃは、機械的品質係数Ｑｍを向上し、緻密な磁器を得るという点から、０．００５≦ｃ≦０．０１５であることが望ましい。
【００２２】
また、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比ｄを０．５２＜ｄ≦０．５５としたのは、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比ｄは機械的品質係数Ｑｍと電気機械結合係数Ｋ_３１を向上させる効果に加え、共振周波数の温度安定性を向上させる効果があるが、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比ｄが０．５以下であれば、共振周波数の温度安定性が悪く、０．５５を超えた場合電気機械結合係数Ｋ_３１が低下するからである。Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比ｄは、機械的品質係数Ｑｍ、電気機械結合係数Ｋ_３１、共振周波数の温度安定性を向上するという点から、０．５２≦ｄ≦０．５３が望ましい。
【００２３】
また、Ｐｂ補正比ｘを０．９８≦ｘ≦１．０２としたのは、Ｐｂ補正比ｘは特に機械的品質係数Ｑｍを向上させる効果があるが、Ｐｂ補正比ｘが０．９８未満であれば、緻密な磁器が得られないため十分な圧電性を得ることができず、また、１．０２を超えた場合添加効果が小さいからである。Ｐｂ補正比ｘは、機械的品質係数Ｑｍを向上し、緻密な磁器を得るという点から０．９９≦ｘ≦１．０１であることが望ましい。
【００２４】
そして、本発明の圧電磁器組成物では、Ｂサイトを置換する（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）中のＭｎ量ｅ、Ｆｅ量ｆは、０．１１≦ｅ≦０．２０、０．２０≦ｆ≦０．３３であることが望ましい。
【００２５】
これは、Ｍｎ量ｅを０．１１≦ｅ≦０．２０としたのは、（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）中のＭｎ置換量は、機械的品質係数Ｑｍを高くするという効果を有するが、ｅが０．１１よりも小さい場合には、添加効果が得られず、一方、０．２よりも大きい場合にはキュリー温度が低下する傾向があるからである。ｅは機械的品質係数Ｑｍを高くし、キュリー温度を高く維持するという点から、０．１５≦ｅ≦０．１８であることが望ましい。
【００２６】
また、Ｆｅ量ｆを０．２０≦ｆ≦０．３３としたのは、（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）中のＦｅ置換量は、機械的品質係数Ｑｍを高くするという効果を有するが、ｆが０．２０よりも小さい場合には、添加効果が得られず、一方、０．３３よりも大きい場合には緻密性が低下し、機械的品質係数Ｑｍが低下する傾向があるからである。ｆは機械的品質係数Ｑｍを高く維持するという点から、０．２４≦ｅ≦０．２８であることが望ましい。
【００２７】
本発明の圧電磁器組成物は、モル比による組成式を（Ｐｂ_(1-a)xＲ_a）〔（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）_bＭｎ_c（Ｔｉ_dＺｒ_1-d）_1-b _― _c〕Ｏ₃（但し、ＲはＧｄ）と表わした時、ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｘが、０．０１≦ａ≦０．０２、０．０９≦ｂ≦０．１２、０．００５≦ｃ≦０．０１５、０．５１≦ｄ≦０．５３、０．９９≦ｘ≦１．０１を満足するとともに、０．１３≦ｅ≦０．２、０．２４≦ｆ≦０．２８を満足することが最も望ましい。
【００２８】
このような圧電磁器組成物は、まず、出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂さらに、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃の各粉末を所定の割合で湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ₂Ｏ₃製坩堝等に投入し、８００〜１０００℃の温度で３〜５時間仮焼し、粉砕して仮焼粉を得る。
【００２９】
尚、使用する原料粉末としては炭酸塩や酸化物だけでなく、酢酸塩又は有機金属などの化合物のいずれであっても、焼成などの熱処理プロセスによって酸化物になるものであれば差し支えない。
【００３０】
この粉末に有機バインダーを混合し、金型プレス、静水圧プレス等により所望の形状に成形した後、大気中などの酸素含有雰囲気において、１０００〜１２００℃で２〜５時間焼成することによって磁器を得ることができる。
【００３１】
得られた磁器は、殆ど（Ｐｂ_(1-a)xＲ_a）〔（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）_bＭｎ_c（Ｔｉ_dＺｒ_1-d）_1-b _― _c〕Ｏ₃で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなる結晶粒子のみから構成されている。粒界部にＺｒＯ₂を主成分とした粒子が微量析出する場合があるが、特性に影響のない範囲であれば何ら差し支えない。
【００３２】
また、磁器においては、原料粉末などに微少量含まれるＲｂやＨｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｂｉ、積層体の内部電極から磁器内部に拡散するＡｇなどの不可避不純物が混入する場合があるが、特性に影響のない範囲であれば何ら差し支えない。
【００３３】
以上のような圧電磁器組成物では、ペロブスカイト型複合酸化物のＡサイトを、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄで置換することにより、共振周波数の温度安定性（温度変化率）を―２０℃〜８０℃において±０．１％内と向上させることができる。一方、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄの置換により、キュリー温度Ｔｃが低下し易いが、通常ＰＺＴ系のＢサイトは４価であるが、２価乃至４価のＭｎで所定量置換することにより、キュリー温度Ｔｃを２８０℃以上とでき、機械的品質係数Ｑｍを９００以上とできる。
【００３４】
本発明の単板型圧電トランスを図１に示す。単板型圧電トランスは、図１に示すように、厚さ方向に分極され、主面が長さＬ、幅Ｗである長方形状の圧電基板１１の長さ方向に、第１電圧入力部Ａ１、電圧出力部Ｂ１、第２電圧入力部Ｃ１が順次形成されている。
【００３５】
これらの第１電圧入力部Ａ１、電圧出力部Ｂ１、第２電圧入力部Ｃ１における圧電基板１１の上側の主面には、入力側電極１２、出力側電極１４、入力側電極１３がそれぞれ形成されており、これらの電極１２、１３、１４は、圧電基板１１の長さ方向に所定間隔を置いて形成されている。また、圧電基板１１の下側の主面には、入力側電極１５、出力側電極１７、入力側電極１６が、圧電基板１１の長さ方向に所定間隔を置いてそれぞれ形成されている。
【００３６】
即ち、第１電圧入力部Ａ１における圧電基板１１の両主面には、入力側電極１２、１５が形成され、電圧出力部Ｂ１における圧電基板１１の両主面には、出力側電極１４、１７が形成され、第２電圧入力部Ｃ１における圧電基板１１の両主面には、入力側電極１３、１６が形成され、電極１２〜１７は、一辺が圧電基板１１の主面の幅Ｗと同一長さとされ、他辺は主面の長さ方向にそれぞれ任意の長さ、例えばＬ１、Ｌ２、Ｌ３とされている。
【００３７】
また、入力側電極１２と入力側電極１５が同一寸法とされ、出力側電極１４と出力側電極１７が同一寸法とされ、入力側電極１３と入力側電極１６が同一寸法とされている。圧電基板１１は、上記した圧電磁器組成物により形成されている。
【００３８】
そして、本発明の圧電トランスでは、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であることが望ましい。圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を１．１〜１．４とすることにより、高いエネルギー変換効率を有することができる。
【００３９】
また、本発明の圧電トランスでは、圧電基板１１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍとされている。
【００４０】
本発明では、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を１．１〜１．４とし、所定の駆動周波数を選択することにより、圧電基板１１の長さ方向に振動する基本波が主体となるが、幅方向振動も加わった複合モードの振動が圧電基板１１に発生し、中央部に形成された電圧出力部Ｂ１においてもっとも大きな振動を生じさせることができ、例えば、幅方向に最も励振する振動を用いた場合よりも、電圧出力部Ｂ１に誘発される電荷量が多くなり、高出力電力を得ることができる。
【００４１】
圧電基板１１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）は、高出力電力が得られるという点から４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍであることが望ましい。従って、高出力電力かつ高効率を得るためには、Ｌ／Ｗを１．１〜１．４とし、Ｆ×Ｌを４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍとすることが望ましい。
【００４２】
本発明では、上記した構造で、駆動周波数Ｆと主面の長さＬとの積（Ｆ×Ｌ）を所定範囲に設定することにより、高いエネルギー変換効率を有し、かつ高入力電圧において用いることができる、高出力電力かつ高効率の圧電トランスを実現できる。
【００４３】
図２は、本発明の積層型圧電トランスを示すもので、この積層型圧電トランスは、主面が長さＬ、幅Ｗの長方形状の圧電基板２１に、その長さ方向に、第１電圧入力部Ａ２、電圧出力部Ｂ２、第２電圧入力部Ｃ２が順次形成されている。
【００４４】
これらの第１電圧入力部Ａ２、電圧出力部Ｂ２、第２電圧入力部Ｃ２における圧電基板２１の上側の主面には、入力側電極２２ａ、出力側電極２４ａ、入力側電極２３ａがそれぞれ形成されており、これらの電極２２ａ、２３ａ、２４ａは、圧電基板２１の長さ方向に所定間隔を置いて形成されている。また、圧電基板２１の下側の主面には、入力側電極２２ｄ、出力側電極２４ｊ、入力側電極２３ｄが、圧電基板２１の長さ方向に所定間隔を置いてそれぞれ形成されている。
【００４５】
第１電圧入力部Ａ２における圧電基板２１の内部には、入力側電極２２ｂ、２２ｃが形成され、電圧出力部Ｂ２における圧電基板２１の内部には、出力側電極２４ｂ〜２４ｉが形成され、第２電圧入力部Ｃ２における圧電基板２１の内部には、入力側電極２３ｂ、２３ｃが形成されている。
【００４６】
入力側電極２２ａ〜２２ｄは同一寸法とされ、出力側電極２４ａ〜２４ｊは同一寸法とされ、入力側電極２３ａ〜２３ｄは同一寸法とされている。入力側電極２２ａ、２３ａ、出力側電極２４ａが圧電基板２１の上側の主面において同一平面上に設けられ、入力側電極２２ｂ、２３ｂ、出力側電極２４ｄが圧電基板２１の内部において同一平面上に設けられ、入力側電極２２ｃ、２３ｃ、出力側電極２４ｇが圧電基板２１の内部において同一平面上に設けられ、さらに、入力側電極２２ｄ、２３ｄ、出力側電極２４ｊが圧電基板２１の下側の主面において同一平面上に設けられている。尚、図２の出力側電極については一部のみ符号を付した。
【００４７】
入力側電極２２ａ〜２２ｄは、圧電基板２１の両側面に形成された一対の外部電極２５ａ１、２５ａ２により交互に接続され、出力側電極２４ａ〜２４ｊは一対の外部電極２５ｂ１、２５ｂ２により交互に接続され、入力側電極２３ａ〜２３ｄは一対の外部電極２５ｃ１、２５ｃ２により交互に接続されている。
【００４８】
そして、この圧電トランスにおいても、図１に示す圧電トランスと同様に、圧電基板２１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であり、かつ圧電基板２１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍであることが望ましい。圧電基板２１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）、圧電基板の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を所定範囲に設定した理由、特に望ましい範囲は、上記と同様である。この圧電基板２１についても、上記した圧電磁器組成物から形成されている。
【００４９】
このような積層型圧電トランスでは、図１に示す圧電トランスと同様の効果を得ることができるが、図２に示す積層型圧電トランスでは、さらに出力側電極の面積を増加できるため、同じ長さと幅を持つ単板型圧電トランスに比べて出力電流を大きく取ることができる。
【００５０】
また、圧電トランスにおける電圧の昇降圧比（＝Ｖ２／Ｖ１）は、入力側静電容量をＣｄ１、出力側静電容量をＣｄ２とすると、Ｖ２／Ｖ１∝（Ｃｄ１／Ｃｄ２）^1/2となることから、圧電トランスを積層化することでＣｄ１、Ｃｄ２を制御し、昇降圧比を任意に設定することができる。即ち、本発明の圧電トランスは、昇降圧比を任意に決定することで、昇降圧コンバータもしくは昇降圧インバータに好適に用いることができる。尚、電圧入力部に内部電極を形成しないものであっても良い。
【００５１】
このような圧電トランスの製造方法について説明する。本発明の圧電基板は、圧電材料を用いて、ドクターブレード法やカレンダリング法等により所望の厚みを有したセラミックグリーンシートを作製する。
【００５２】
次いで、このセラミックグリーンシートの片面に、例えばＡｇ−Ｐｄペーストのような高耐熱性の導電ペーストをスクリーン印刷する。この場合に、入力側電極となるパターンと出力側電極となるパターンが形成されたグリーンシートと、出力側電極となるパターンのみが形成されたグリーンシートを作製し、これらを積層し、これを熱間プレスにより圧着し、一体化させ、４００〜５００℃で加熱して脱脂を行った後、１１００〜１３００℃の温度で２〜４時間焼成することによって積層体磁器を得ることができる。
【００５３】
次に焼結体の両側面に外部電極として導電ペーストを塗布する。入力側電極２２ａ〜２２ｄは、一対の外部電極２５ａ１、２５ａ２により一層毎に交互に接続されている。出力側電極２４ａ〜２４ｊは一対の外部電極２５ｂ１、２５ｂ２により一層毎に交互に接続されている。さらに、入力側電極２３ａ〜２３ｄは一対の外部電極２５ｃ１、２５ｃ２により交互に接続されている。即ち、入力側電極、出力側電極は、積層型コンデンサや積層型圧電アクチュエータのような構造であり、内部電極が外部電極により一層おきに接続されている。
【００５４】
次に、得られた積層体の両主面に形成された入力側電極２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ及び出力側電極２４ａ〜２４ｊに、それぞれ８０〜２００℃の絶縁性オイル中で１．０〜５．０ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０〜６０分印加し分極処理を行い、圧電トランスを得る。
【００５５】
本発明の圧電トランスでは、出力電力２０Ｗ以上、効率８５％以上の優れた特性を得ることができる。
【００５６】
【実施例】
実施例１
出発原料として、粉末としてＰｂＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＭｎＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃及びＮｄ₂Ｏ₃の各原料粉末を、モル比による組成式（Ｐｂ_(1-a)xＲ_a）〔（Ｎｂ_0.58Ｍｎ_0.17Ｆｅ_0.25）_bＭｎ_c（Ｔｉ_dＺｒ_1-d）_1-b _― _c〕Ｏ₃において、表１に示すａ〜ｄ、ｘ、Ｒとなるように所定量秤量した。
【００５７】
原料粉末を秤量後、３ｍｍφのＺｒＯ₂ボールを用いて２０時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ₂Ｏ₃製坩堝に投入し、９５０℃の温度で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕した。
【００５８】
その後、この粉砕物に、有機バインダーを混合し、造粒した。得られた粉末を１５０ＭＰａの圧力で長さ３７ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ２ｍｍの寸法からなる角板にプレス成形した。さらに、これらの成形体をＭｇＯ等からなる容器内に密閉し、大気中で１２００℃の温度で２時間焼成した。
【００５９】
得られた焼結体を研磨し、厚み１．０ｍｍの角板を得、この角板の両表面に銀とガラスを主成分とする電極ペーストを塗布し、焼き付けた。さらに、２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分間印加して分極処理を行った。
【００６０】
こののち、角板を幅３ｍｍ×長さ１２ｍｍの形状に切り出し、電気機械結合係数ｋ₃₁及び機械品質係数Ｑｍの評価を共振反共振法により行った。上記した試料サイズは、ＥＭＡＳ６００１に準じたものである。なお、測定装置は、インピーダンスアナライザ（ａｇｉｒｅｎｔ４２９４Ａ）を用いた。
【００６１】
共振周波数の温度安定性は、―２０℃、２５℃、８０℃の共振周波数を測定し、温度安定性ｆｒ_TC＝（ｆｒ₍ _― ₂₀ _℃ _、80 _℃ ₎−ｆｒ₍₂₅ _℃ ₎）／ｆｒ₍₂₅ _℃ ₎×１００（単位：％）の式から算出した。結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】

【００６３】
本発明の試料では、電気機械結合係数ｋ₃₁が２５％以上、機械的品質係数Ｑｍが９００以上、共振周波数の温度安定性が±０．１％以内と優れた特性を有することが判る。尚。キュリー温度は試料Ｎｏ．６が２４０℃であり、Ｎｏ．１０が２５０℃であったのに対して、本発明の試料では２８０℃以上であり、耐熱性に優れるものであった。
【００６４】
電気機械結合係数ｋ₃₁を高める効果は、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比ｄが顕著である。試料Ｎｏ．４及びＮｏ．１６〜２０から比率ｄが０．５に近づくに従い電気機械結合係数ｋ₃₁は大きくなり、機械的品質係数Ｑｍは微減する。本発明範囲内であるＮｏ．４及びＮｏ．１７〜１９は電気機械結合係数ｋ₃₁が２５．３〜２８．４％、機械的品質係数Ｑｍが１１３０〜１２４０、共振周波数の温度安定性が０．０３８〜０．０５％であるが、本発明の範囲外であるＮｏ．１６では機械的品質係数Ｑｍが７９０と低くなり、また、Ｎｏ．２０では電気機械結合係数ｋ₃₁が２２．５％と小さくなった。
【００６５】
機械的品質係数Ｑｍを高める効果は、Ｐｂ補正比ｘ、Ｂサイトに置換するＭｎ比ｃによる影響が顕著である。試料Ｎｏ．１１〜１５及び試料Ｎｏ．２１〜２５において、Ｐｂ補正比を減ずるに従い、またＢサイトのＭｎ置換は０．０１５に近づくに従い機械的品質係数Ｑｍは大きくなり、電気機械結合係数ｋ_３１は小さくなる。本発明範囲内であるＮｏ．１２〜１４やＮｏ．２２〜２４は電気機械結合係数ｋ_３１が２６．２〜３２．６％、機械的品質係数Ｑｍが９００〜１２００、共振周波数の温度安定性が０．０３〜０．０５６％であるが、本発明範囲外であるＮｏ．１１、２５では機械的品質係数Ｑｍを向上させる効果が少なく、Ｎｏ．１５、２１では電気機械結合係数ｋ_３１が２４．５％、２０．０％と小さくなる。
【００６６】
共振周波数の温度安定性を高める効果は、ＰｂをＧｄ、Ｓｍ、Ｎｄで置換することが顕著である。試料Ｎｏ．１〜６において、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ置換量を増加させるに従い、共振周波数の温度安定性は高くなり、電気機械結合係数ｋ₃₁は小さくなる。本発明範囲内であるＮｏ．２〜５は電気機械結合係数ｋ₃₁が２７．３〜３１．８％、機械的品質係数Ｑｍが９５０〜１３００、共振周波数の温度安定度が０．０１９〜０．０８２％であるが、本発明範囲外であるＮｏ．１では共振周波数の温度安定性を向上させる効果が少なく、Ｎｏ．６では電気機械結合係数ｋ₃₁が１９．８％と小さくなる。
実施例２
試料Ｎｏ．４の組成において、即ちモル比による組成式（Ｐｂ_0.985Ｒ_0.015）〔（Ｎｂ_1-e-fＭｎ_eＦｅ_f）_0.1Ｍｎ_0.01（Ｔｉ_0.506Ｚｒ_0.494）_0.89〕Ｏ₃において、表２に示すｅ、ｆとなるように所定量秤量する以外は、上記実施例１と同様にして圧電磁器を作成するとともに、圧電特性を評価した。その結果を表２に記載した。
【００６７】
【表２】

【００６８】
この表２から、上記組成式において、０．１１≦ｅ≦０．２０、０．２０≦ｆ≦０．３３を満足する場合には、高い電気機械結合係数ｋ₃₁、機械的品質係数Ｑを得ることができ、共振周波数の温度安定性が±０．０５％以内と優れた特性を有することが判る。尚。キュリー温度は２８０℃以上であった。
実施例３
試料Ｎｏ．４、即ちモル比による組成式（Ｐｂ_0.985Ｒ_0.015）〔（Ｎｂ_0.58Ｍｎ_0.17Ｆｅ_0.25）_0.1Ｍｎ_0.01（Ｔｉ_0.506Ｚｒ_0.494）_0.89〕Ｏ₃で表される原料粉末を秤量後、５ｍｍφのＺｒＯ₂ボールを用いて２０時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ₂Ｏ₃製坩堝に投入し、９５０℃の温度で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕し、Ｄ５０が０．７μｍ、Ｄ９０が１．３μｍの粒度分布で、比表面積が２．０ｃｍ²／ｇを有する粉砕粉体を得た。
【００６９】
得られた粉砕物にバインダー、可塑剤を添加し、有機溶剤中に分散させスラリーを作製する。得られたスラリーを用いてドクターブレード法により厚み１８０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。このグリーンシートの片面に、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印刷する。印刷されたグリーンシートを積層し、これを熱間プレスにより圧着し一体化させ、４００〜５００℃で加熱により脱脂を行った後、１１２０℃の温度で３時間焼成することによって積層体磁器を得た。
【００７０】
得られた積層体磁器の両主面に銀とガラスを主成分とする電極ペーストを塗布し、第一電圧入力部、電圧出力部、第二電圧入力部を形成し、電極を焼き付けた後、積層部分の側面に導電性ペーストにより磁器内部の電極との接続を行い外部電極を形成した。
【００７１】
次に、積層体の両主面に形成された電圧入力電極及び電圧出力電極に、それぞれ２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分印加し分極処理を行い、図２に示す積層型圧電トランスを得た。
【００７２】
得られた積層体の寸法は、Ｌ×Ｗ×Ｔ＝４０．５ｍｍ×３３．５ｍｍ×２．８ｍｍであった。また、電力入力部と電力出力部の間隔は１．２ｍｍであった。
【００７３】
次に、積層体の両主面に形成された電圧入力電極及び電圧出力電極に、それぞれ２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０ｍｉｎ印加し分極処理を行い、積層型圧電トランスを得た。
【００７４】
測定回路は、図３に示すように、圧電トランスの第１電圧入力部Ａ、第２電圧入力部Ｃ、電圧出力部Ｂとして、この電圧出力部Ｂに負荷抵抗ＲＬとして１０Ωを接続した。入力電圧として振幅７０．７Ｖの正弦波に７０．７Ｖのオフセット電圧を加えたものを直流電源から増幅器を介して第１電圧入力部Ａ、第２電圧入力部Ｃの入力側電極に印加した。この時、入力側電極に投入される電流Ｉ_in、電圧Ｖ_in及び電圧出力部Ｂの出力側電極から出力される電圧Ｖ_out、電流Ｉ_outを測定した。出力電力Ｐ_out、変換効率ηは以下の式から算出した。
【００７５】
Ｐ_out＝Ｖ_out×Ｉ_out （単位：Ｗ）
η＝（Ｖ_out×Ｉ_out）÷（Ｖ_in×Ｉ_in）×１００（単位：％）
その結果、駆動周波数１３０ｋＨｚにおいて出力電力が３０Ｗ、効率が９４％であった。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の圧電磁器組成物では、ペロブスカイト型複合酸化物のＡサイトを、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄで置換することにより、共振周波数の温度安定性を向上させることができ、通常ＰＺＴ系のＢサイトは４価であるが、２価乃至４価のＭｎで所定量置換することにより、キュリー温度Ｔｃの低下を抑制でき、機械的品質係数Ｑｍの低下を抑制でき、これにより、電気機械結合係数Ｋ_３１及び機械的品質係数Ｑｍを高く維持しつつ、共振周波数の温度安定性を向上できる。
【００７７】
このような圧電磁器組成物を圧電トランスの圧電基板として用いることで、出力２０Ｗ以上、効率８５％以上の優れた特性の圧電トランスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単板型圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図３】本発明の圧電トランスの測定回路を示す図である。
【符号の説明】
１１、２１・・・圧電基板
１２、１３、１５、１６、２２ａ〜ｄ、２３ａ〜ｄ・・・入力側電極
１４、１７、２４ａ〜ｊ・・・出力側電極
Ａ１、Ａ２・・・第１電圧入力部
Ｂ１、Ｂ２・・・電圧出力部
Ｃ１、Ｃ２・・・第２電圧入力部

Claims

金属元素としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ及びＦｅと、Ｇｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種を含有するペロブスカイト型複合酸化物であって、金属元素のモル比による組成式を
（Ｐｂ_{（１−ａ）ｘ}Ｒ_ａ）〔（Ｎｂ_{１−ｅ−ｆ}Ｍｎ_ｅＦｅ_ｆ）_ｂＭｎ_ｃ（Ｔｉ_ｄＺｒ_１−ｄ）_{１−ｂ―ｃ}〕Ｏ_３（但し、ＲはＧｄ、Ｓｍ及びＮｄのうち少なくとも一種）と表わした時、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｘが
０．００５≦ａ≦０．０２５
０．０７ ≦ｂ≦０．１４
０＜ｃ≦０．０２
０．５０＜ｄ≦０．５５
０．１１ ≦ｅ≦０．２０
０．２０ ≦ｆ≦０．３３
０．９８ ≦ｘ≦１．０２
を満足することを特徴とする圧電磁器組成物。
両主面が長さＬ、幅Ｗの長方形である圧電基板の長さ方向に、電圧入力部、電圧出力部を交互に形成し、前記電圧入力部および前記電圧出力部にそれぞれ入力側電極、出力側電極を設けてなり、前記電圧入力部と前記電圧出力部とが伸び振動モードで結合されている圧電トランスにおいて、前記圧電基板の圧電体層が、請求項１記載の圧電磁器組成物からなることを特徴とする圧電トランス。