JP4863575B2 - 圧電磁器組成物及び圧電トランス - Google Patents
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Description
【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(Nb2/3Mn1/3)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(Nb2/3Mn1/3)O3―PbZrO3―PbTiO3を主成分とする圧電磁器組成物や、Pb(Nb1/2Sb1/2)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)xRa)〔(Nb1−e−fMneFef)bMnc(TidZr1−d)1−b―c〕O3(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)xRa)〔(Nb1−e−fMneFef)bMnc(TidZr1−d)1−b―c〕O3(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(Nb1−e−fMneFef)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ABO3のBサイトを置換する(Nb1−e−fMneFef)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(Nb1−e−fMneFef)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(Nb1-e-fMneFef)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、(Nb1-e-fMneFef)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、(Nb1-e-fMneFef)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)xRa)〔(Nb1-e-fMneFef)bMnc(TidZr1-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)xRa)〔(Nb1-e-fMneFef)bMnc(TidZr1-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)xRa)〔(Nb0.58Mn0.17Fe0.25)bMnc(TidZr1-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frTC=(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k31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k31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k31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(Pb0.985R0.015)〔(Nb1-e-fMneFef)0.1Mn0.01(Ti0.506Zr0.494)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(Pb0.985R0.015)〔(Nb0.58Mn0.17Fe0.25)0.1Mn0.01(Ti0.506Zr0.494)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Iin、電圧Vin及び電圧出力部Bの出力側電極から出力される電圧Vout、電流Ioutを測定した。出力電力Pout、変換効率ηは以下の式から算出した。
【0075】
Pout=Vout×Iout (単位:W)
η=(Vout×Iout)÷(Vin×Iin)×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 (2)
- 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)xRa)〔(Nb1−e−fMneFef)bMnc(TidZr1−d)1−b―c〕O3(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。
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