JP4968985B2

JP4968985B2 - Piezoelectric transformer

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Publication number: JP4968985B2
Application number: JP2001131687A
Authority: JP
Inventors: 知宣江口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: JP2002329900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換することのできる圧電材料はアクチュエータやトランスなどへの応用がなされている。特に、圧電トランスは、従来から用いられている電磁トランスと比較した場合、次のような特徴があり、近年における電源の小型化や集積化において注目され、一部商品化されている。圧電トランスは、（１）巻線を一切用いないので発煙や発火の可能性が少ない。（２）発生する磁界の受渡しにより電力の伝達を行う電磁トランスに対し、機械振動を媒介として正逆の圧電効果により電力の伝達を行うため電磁ノイズの発生がない。（３）弾性的損失が少ない材料を選定することで変換効率の向上が可能である。（４）エネルギー密度の点で弾性エネルギーは磁気エネルギーに比べ１桁以上高い。このような特徴を活かして、液晶ディスプレイのバックライト用のインバータ回路には欠かせない電子部品として普及しつつある。
【０００３】
図１０に圧電トランスの出力電力−駆動周波数依存性を示す。圧電トランスは共振駆動であるため、圧電基板の形状及び弾性定数に起因した振動点付近にて電力の発生が高いといった周波数依存性を有する。
【０００４】
この出力電力の制御には、外部抵抗によって制御する方法と駆動周波数によって制御する方法がある。図１１は外部抵抗を変化させた場合の出力電力特性を示すもので、この図１１から理解されるように、外部抵抗による出力制御は、出力電力の周波数依存性曲線が大きく変動して制御し難いため、駆動周波数により出力電力を制御する方法が一般的である。例えば、外部抵抗ＲＬを５００Ωに固定し、駆動周波数を変化させて、出力電力を制御していた。
【０００５】
図６にＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図を示す。圧電トランスを用いたコンバータでは、ある周波数範囲の駆動周波数を持った入力電圧を圧電トランスに印加し、整流回路でＤＣに変換された電圧、電流を検出し、所望の電力が得られる駆動周波数を検知し、帰還回路にて駆動周波数を決定するということを随時行うことで安定した電力供給を行うものである。この帰還回路では、例えば、駆動周波数１２０ｋＨｚで出力２０Ｗ、１２１ｋＨｚで２３Ｗ、１２２ｋＨｚで２０Ｗの場合、２３Ｗの出力を得たい際は１２１ｋＨｚの駆動周波数を選択するが、２０Ｗの出力を得たい場合１２０ｋＨｚと１２２ｋＨｚのどちらを選択して良いか判断できず無限ループに陥ってしまう。
【０００６】
従って、駆動周波数を検出するための周波数範囲内に、同じ出力電力値を示す周波数が複数点あってはならず、使用可能な周波数範囲は、出力電力が最大値を示す周波数から低周波側若しくは高周波側のいずれかの周波数範囲ということになる。
【０００７】
圧電トランス用の材料としては、高い振動速度下や大振幅下においても駆動可能な点から、第２８３６５７２号特許公報に開示されたＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ（Ｍｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃系材料や特開平１１−３１０４５７号公報に開示されたＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ（Ｍｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料や、特開２０００−２９４８４９号公報に開示されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃にＦｅとＡｇを含有した組成等が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランスの外周温度は、圧電トランスの自己発熱や周辺機器の発熱により刻々と変化していく。当初、出力電力が最大値を示す周波数から低周波側若しくは高周波側のいずれかの周波数範囲を駆動周波数としていたが、出力電力の周波数依存性曲線が外周温度の変化によりドリフトすることにより、駆動周波数の範囲内に出力電力の最大値が存在するようになり、同じ出力電力値を示す駆動周波数が複数点存在するようになり、帰還回路を用いた出力電力制御を行うことが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、温度変化が生じても高い電力を安定して出力でき、磁器強度の高い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】
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、第１電圧入力部、電圧出力部、第２電圧入力部が順次形成され、前記第１電圧入力部及び前記第２電圧入力部にそれぞれ入力側電極、前記電圧出力部に出力側電極を設けてなる圧電トランスにおいて、前記圧電基板の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であり、前記圧電基板がその厚さ方向に分極されており、前記圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ、Ｃｏ及びＭｎを含有し、前記圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であり、前記圧電基板の長さ方向の振動及び幅方向の振動からなる複合モードの振動を利用する。
【００１１】
また、圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４９９５．２〜５３３６．１ｋＨｚ・ｍｍを満足するように、駆動周波数Ｆを変化させることにより、圧電トランスの電圧出力部からの出力電力を変化させることが可能となる。
【００１２】
また、圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍを満足するように、駆動周波数Ｆを変化させることにより、圧電トランスの電圧出力部からの出力電力を変化させることが可能となる。
【００１３】
さらに、圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ及びＭｎを含有するとともに、前記圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であるため、圧電トランスの外周温度が変化しても、最大出力電力を得る駆動周波数の変化が小さく、帰還回路を用いた出力電力制御を容易に行うことができる。
【００１４】
従って、本発明の圧電トランスでは、電圧出力部に最も大きな振動を生じさせる振動モードを励起させることができ、高出力電力を発生させ、高効率を得ることができるとともに、圧電トランスの外周温度が変化しても、高い出力電力を得る駆動周波数のドリフト量が小さく、帰還回路を用いた出力電力制御を容易に行うことができる。
【００１５】
また、本発明では、圧電基板が、モル比による組成式を、Ｐｂ_1-xＡ_x［（Ｎｂ_eＹｂ_fＣｏ_gＭｎ_h）_a（Ｔｉ_bＺｒ_1-b）_1-a］Ｏ₃と表したとき、
前記ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが、
０．０５≦ａ≦０．２０
０．５≦ｂ≦０．６
０．６０≦ｅ≦０．６５
０．１０≦ｆ≦０．１５
０．０６≦ｇ≦０．１０
０．１３≦ｈ≦０．２０
０．０２≦ｘ≦０．１０
Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を満足することが望ましい。
【００１６】
このような組成を有することにより、より高い出力電力が得られるとともに、圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値をさらに小さくでき、圧電トランスの外周温度上昇による高い出力電力を得る駆動周波数の変化をさらに小さくすることができる。
【００１７】
また、本発明では、圧電基板が、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃型複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物粒子を主結晶粒子とし、該主結晶粒子の粒界にＺｒＯ₂粒子が存在することが望ましい。これにより、工程を複雑化させずに圧電基板の強度を向上することができるとともに、幅方向の弾性定数の変動をさらに小さくできる。
【００１８】
また、本発明は、特に、圧電基板の長さ方向に、第１電圧入力部、電圧出力部、第２電圧入力部を順次形成してなることが望ましい。さらに、本発明の圧電トランスは、第１電圧入力部、第２電圧入力部への入力電圧を、同振幅かつ同位相の交流信号で励振することで、大電力かつ高効率を得ることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、電圧入力部および電圧出力部における圧電基板の内部に、厚み方向に所定間隔をおいて入力側電極、出力側電極がそれぞれ複数形成されており、該入力側電極、出力側電極がそれぞれ交互に電気的に接続されていることが望ましい。このように、電圧入力部及び電圧出力部における圧電基板の内部に内部電極を形成することにより、静電容量を任意に変更することができ、昇降圧比を制御することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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であることが重要である。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。一方、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１よりも小さい場合もしくは１．４よりも大きい場合には、出力電力が低下したり、効率が低下する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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であることが必要である。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とすることが必要である。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明の圧電トランスは、例えば、セラミックスからなる圧電基板１１に、電極１２〜１７を形成した後、２００℃のシリコーンオイル中にて、圧電基板１１の上面の３電極１２、１３、１４と、圧電基板１１の下面の３電極１５、１６、１７の間に直流電圧を印加して、約３０分間分極処理することにより得られる。
【００３０】
圧電基板１１は、圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ及びＭｎを含有するとともに、圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であることが重要である。
【００３１】
弾性定数の温度係数の絶対値を６０ｐｐｍ／℃以下としたのは、６０ｐｐｍ／℃よりも大きくなると、外周温度の変化によって、高い電力を出力させる駆動周波数が大きく変化するからである。特に、高い電力を出力させるという点から、０〜３０ｐｐｍ／℃であることが望ましい。
【００３２】
圧電基板は、具体的には、モル比による組成式を、Ｐｂ_1-xＡ_x［（Ｎｂ_eＹｂ_fＣｏ_gＭｎ_h）_a（Ｔｉ_bＺｒ_1-b）_1-a］Ｏ₃と表したとき、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが、０．０５≦ａ≦０．２０、０．５≦ｂ≦０．６、０．６０≦ｅ≦０．６５、０．１０≦ｆ≦０．１５、０．０６≦ｇ≦０．１０、０．１３≦ｈ≦０．２０、０．０２≦ｘ≦０．１０、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を満足することが望ましい。
【００３３】
ここで、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘを上記の範囲に限定した理由について説明する。まず、Ｔｉ、Ｚｒのサイトを置換する（Ｎｂ_eＹｂ_fＣｏ_gＭｎ_h）は、出力電力の向上に効果がある。特に、Ｍｎの含有は圧電基板の弾性損失を低減するため出力電力を大きくできる。第三成分量ａが０．０５未満であると出力電力向上効果が小さくなる傾向があり、０．２０より大きい場合には焼結性が不足し弾性損失が増加するため、出力電力は低下する傾向にある。
【００３４】
Ｎｂ、Ｙｂ、Ｃｏ、Ｍｎのそれぞれの原子比は、（Ｎｂ_eＹｂ_fＣｏ_gＭｎ_h）と表した時、高出力電力、高効率という点から、０．６０≦ｅ≦０．６５、０．１０≦ｆ≦０．１５、０．０６≦ｇ≦０．１０、０．１３≦ｈ≦０．２０を満足することが望ましい。
【００３５】
次に、Ｔｉ比ｂは弾性定数の温度係数の絶対値を小さくする効果がある。比率ｂが上記範囲外であると−２０℃〜８０℃における弾性定数の温度係数の絶対値が大きくなり易く、出力電力の変動が大きくなる傾向にある。
【００３６】
また、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒのいずれか一種によるＰｂの置換は、弾性定数の温度係数の絶対値を小さくする効果があるが、ｘが０．１０よりも多い置換は圧電性を劣化させる傾向があり、また、０．０２未満の置換はその効果が小さい。
【００３７】
圧電基板は、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃型複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物粒子を主結晶粒子とし、該主結晶粒子の粒界にＺｒＯ₂粒子が存在することが望ましい。これにより、工程を複雑化させずに圧電基板の強度を向上することができるとともに、幅方向の弾性定数の変動をさらに小さくできる。
【００３８】
本発明者は、本発明の圧電トランスの振動解析を、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションにて行なった。解析条件としては、上記した圧電材料を用い、図１の圧電トランス形状において、圧電基板１１の長さＬ＝３２．８０ｍｍ、幅Ｗ＝２５．５ｍｍ、厚みｔ＝３．０ｍｍとした。電圧入力部と電圧出力部の間隔は１．２ｍｍとした。第１及び第２電圧入力部に同振幅、同位相の電圧を与え、圧電基板の変位量の分布を求めた。
【００３９】
図２は、駆動周波数Ｆとして６９ｋＨｚ（Ｆ×Ｌ＝２２６３．２ｋＨｚ・ｍｍ）の幅方向に最も励振する振動を用いた場合であり、図３に駆動周波数Ｆを１５９ｋＨｚ（Ｆ×Ｌ＝５２１５．２ｋＨｚ・ｍｍ）とした場合の圧電トランスの変位分布を示した。
【００４０】
駆動周波数Ｆとして６９ｋＨｚを用いた場合の圧電トランスでは、図２から理解されるように幅方向の振動が生じており、電圧出力部が形成される圧電基板の中央部では殆ど変位が生じていないことが判る。一方、駆動周波数Ｆとして１５９ｋＨｚを用いた場合の圧電トランスでは、変位分布を示す図３からわかるように、電圧出力部に大きな変位が得られ、高い出力電力と高い効率が得られることが判る。
【００４１】
即ち、圧電トランスのエネルギー伝達は、圧電基板１１の振動によって行なわれるものであるから、同形状の圧電基板１１では、同振幅の入力電圧にて変位量が大きいものほど、電圧出力部Ｂ１に誘発される電荷量が多くなるため、図２よりも圧電基板１１の中央部の変位量が大きい図３の場合には、大出力電力が得られ、高い効率が得られることが判る。これにより、Ｌ／Ｗを１．１〜１．４とし、駆動周波数を制御することにより、図３に示す振動を生じさせることができることが判る。
【００４２】
また、本発明の圧電トランスは、分極方向が単一方向であるため、ローゼン型圧電トランスと比較して、基板の長さ方向について分極処理の必要がないため、製造工程を簡略化でき、厚さ方向に分極するため分極電圧を低くすることが可能であり、製造工程における安全性を向上できる。
【００４３】
図４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４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であることが重要である。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。圧電基板２１材料についても上記と同様である。
【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４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、図９に示すように、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、例えば、次のようにして製造することができる。まず、出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｏ₃Ｏ₄、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂さらに、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＣａＣＯ₃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、８５０〜１０５０℃の温度で３〜５時間仮焼し、仮焼粉を得る。
【００５２】
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、１０５０〜１３５０℃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。得られた磁器の両主面に第一電圧入力部、第二電圧入力部、電圧出力部を焼き付けや蒸着等の手法により電極を形成し単板を得る。
【００５３】
また、電圧入力部及び電圧出力部を内部電極に設けた積層体とする場合は、まず、得られた仮焼粉を用いて、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。
【００５４】
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、図５に示すように、入力側電極となるパターン３６と出力側電極となるパターン３７が形成されたグリーンシート３１と、出力側電極となるパターン３７のみが形成されたグリーンシート３２を作製し、これらを図５に示すように積層し、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。尚、図５には、一部のグリーンシートのみ記載した。
【００５５】
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。
【００５６】
次に、得られた単板及び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。
【００５７】
また、粒界部にＺｒＯ₂を主成分とした粒子が析出した圧電基板は、出発原料中のＺｒＯ₂の一部をＹ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃等希土類金属やＭｇＯやＣａＯで安定化もしくは部分安定化されたＺｒＯ₂で置換したり、Ｐｂ量を微量減少させた組成としたり、仮焼粉末に上記安定化もしくは部分安定化ＺｒＯ₂をすることにより作製できる。
【００５８】
なお、使用する原料粉末としては炭酸塩や酸化物だけでなく、酢酸塩また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。
【００５９】
また、本発明の圧電磁器においては、原料粉末などに微少量含まれるＲｂやＨｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｆｅ、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。
【００６０】
また、積層型圧電トランスの上下面を、外部との絶縁を取るために、同一組成からなる圧電セラミックスで覆ってもよい。また、圧電基板２１の主面に入力側電極、出力側電極を形成せず、内部のみ形成しても良い。
【００６１】
【実施例】
実施例１
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｏ₃Ｏ₄、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂の各粉末を用い、秤量混合し、この混合粉末を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た。
【００６２】
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４ｍｍ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、Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.04［（Ｎｂ_0.625Ｙｂ_0.125Ｃｏ_0.083Ｍｎ_0.167）_0.1（Ｔｉ_0.506Ｚｒ_0.494）_0.9］Ｏ₃からなる焼結体を得た。
【００６３】
得られた焼結体を研磨して圧電基板を作製し、銀とガラスを主成分とする電極ペーストを圧電基板の両表面に塗布し、焼き付け、さらに、２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０分間印加して分極処理を行い、図１に示す入力側電極及び出力側電極を有する単板型圧電トランスを作製した。
【００６４】
圧電トランス形状は、長さＬ２５．４７ｍｍ、幅Ｗ１９．８ｍｍ、厚み３．３ｍｍとし、振動モードと、出力電力、出力電圧、効率の関係について調査した。測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。入力電圧は１４１Ｖｐｐの正弦波とし、▲１▼幅方向に最も励振する振動の周波数８４ｋＨｚ〜９４ｋＨｚのうち８８．２ｋＨｚ、▲２▼本発明における圧電トランスの周波数１９８ｋＨｚ〜２１０ｋＨｚのうち２０３．５ｋＨｚを入力電源から入力側電極に印加し、入力電流（Ａｐｐ）、電圧と電流の位相差を測定することで電力を求めた。出力側電極からの出力電圧（Ｖｐｐ）、出力電流（Ａｐｐ）及び位相差を測定することで出力電力（Ｗ）を求めた。効率（％）は最大出力電力及び最大入力電力より求めた。結果を表１に記載した。
【００６５】
また、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ₁₁ ^Eを、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−６１００に準じて求めた弾性定数を基に、
δｓ₁₁ ^E＝［ｓ₁₁ ^E _(temp.)―ｓ₁₁ ^E ₍₊₂₅ _℃ ₎］÷ｓ₁₁ ^E ₍₊₂₅ _℃ ₎／（ｔｅｍｐ．−２５）×１０⁶ ［単位：ｐｐｍ／℃］
の式から算出したところ、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ₁₁ ^Eは、５０ｐｐｍ／℃であった。
【００６６】
【表１】

【００６７】
この表１から、２０３．５ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスでは、８８．２ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスと比較して高い出力電力と高い効率が得られることが判る。図８は、２０３．５ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスの出力電力及び効率の周波数特性を示す図である。図８から、この圧電トランスでは、周波数の変動に対して効率が９６％程度とほぼ一定であるため、出力電力の制御を周波数で容易に行なえることが判る。
【００６８】
実施例２
本発明者は、圧電トランスの形状と駆動周波数の関係について調査した。実施例１と同一材料、製法を用い、幅Ｗが１９．８ｍｍ、厚みはすべて３．３ｍｍとし、長さＬを２０．７９〜２８．７１ｍｍまで変更した圧電トランスを用意した。次に、圧電トランスを２００℃のシリコーンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、１０分間分極を行い、圧電基板の厚み方向に分極した。
【００６９】
測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。入力電圧として１４１Ｖｐｐ、表２に示す周波数の正弦波を入力電源から入力側電極に印加し、入力電流（Ａｐｐ）及び位相を測定することで電力を求めた。
【００７０】
一方、出力側電極からの出力電圧（Ｖｐｐ）、出力電流（Ａｐｐ）及び位相を測定することで出力電力（Ｗ）を求めた。効率（％）は最大出力電力及び最大入力電力より求め、結果を表２に記載した。
【００７１】
【表２】

【００７２】
この表２から、本発明の圧電トランスでは、本発明の圧電トランスでは、長さＬと幅Ｗの関係が、１．１≦Ｌ／Ｗ≦１．４であり、かつ長さＬと圧電トランスの駆動周波数Ｆが４７００ｋＨｚ・ｍｍ≦Ｆ×Ｌ≦６０００ｋＨｚ・ｍｍである場合に、出力電力１６Ｗ以上かつ効率９２．６％以上となり、高い出力電力と高い効率が得られることが判る。
【００７３】
実施例３
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｏ₃Ｏ₄、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂の各粉末を用い、Ｐｂ_1-xＡ_x［（Ｎｂ_eＹｂ_fＣｏ_gＭｎ_h）_a（Ｔｉ_bＺｒ_1-b）_1-a］Ｏ₃と表したとき、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが表３に示す値となるように秤量し、この混合粉末を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た。
【００７４】
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。
【００７５】
得られた焼結体を研磨して圧電基板を作製し、銀とガラスを主成分とする電極ペーストを圧電基板の両表面に塗布し、焼き付け、さらに、２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０分間印加して分極処理を行い、図１に示す入力側電極及び出力側電極を有する単板型圧電トランスを作製した。
【００７６】
圧電トランス形状は、長さＬ２５．４７ｍｍ、幅Ｗ１９．８ｍｍ、厚み３．３ｍｍとし、測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。
【００７７】
出力電力の温度特性は、駆動周波数を固定し、−２０℃と＋２５℃、＋８０℃における出力電力を評価し、出力電力の変動率δＰ_outを、
δＰ_out＝［Ｐ_out(max.)―Ｐ_out(min.)］÷Ｐ_out(+25 _℃ ₎×１００［単位：％］
の式により算出した。
【００７８】
ここで、Ｐ_out(max.)は３点の測定温度での最大出力電力を、Ｐ_out(min.)は最小出力電力を、Ｐ_out(+25 _℃ ₎は２５℃における出力電力を表す。
【００７９】
また、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ₁₁ ^Eを上記と同様にして求めた。結果を表３に示す。
【００８０】
【表３】

【００８１】
本発明の試料では、出力電力Ｐ．_outが２０Ｗ以上、出力電力の変動率が１５％以下であり、高い出力電力を有し、かつ出力電力特性の温度に対する変動が小さいことが判る。
【００８２】
また、幅方向における弾性定数の温度係数が４８ｐｐｍ／℃である試料Ｎｏ．４では駆動周波数２７０ｋＨｚにおける出力電力が２６Ｗ、出力電力の変動率が１３．３％であり、幅方向における弾性定数の温度係数が２３ｐｐｍ／℃である試料Ｎｏ．１５では駆動周波数２７２ｋＨｚにおける出力電力が２３．８Ｗ、出力電力の変動率が７．９％であった。
【００８３】
一方、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｍｎを含まない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１では、幅方向における弾性定数の温度係数が１０ｐｐｍ／℃で、駆動周波数２６５ｋＨｚにおける出力電力が１０Ｗ、出力電力の変動率が３．０％であり、出力電力が低かった。また、温度係数が７０ｐｐｍ／℃の試料Ｎｏ．２では、駆動周波数２７８ｋＨｚにおける出力電力が２０Ｗ、出力電力の変動率が３０．０％であり、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａを含まない試料Ｎｏ．１６では温度係数が８０ｐｐｍ／℃で、駆動周波数２８２ｋＨｚにおける出力電力が１８．８Ｗ、出力電力の変動率が５０．０％であった。なお、表３中の本発明の試料における効率は、９０％以上であった。
【００８４】
実施例４
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｏ₃Ｏ₄、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂の各粉末を用い、組成がＰｂ_0.96Ｓｒ_0.04［（Ｎｂ_0.625Ｙｂ_0.125Ｃｏ_0.083Ｍｎ_0.167）_0.1（Ｔｉ_0.506Ｚｒ_0.494）_0.9］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する。
【００８５】
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ペーストを図５に示す形状となるよう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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、積層型圧電トランスを得た。
【００８８】
磁器の評価については実施例１に準じて行った。その結果、駆動周波数２７２ｋＨｚにおける出力電力が２８．４Ｗ、出力電力の変動率が１１．３％の特性が得られた。積層体としても、その有効性が確認された。
【００８９】
実施例５
以下に示す組成になるよう原料を秤量した。
Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.04［（Ｎｂ_0.625Ｙｂ_0.125Ｃｏ_0.083Ｍｎ_0.167）_0.1（Ｔｉ_0.507Ｚｒ_0.493）_0.9］Ｏ₃
この際、Ｚｒ比０．４９３のうち、通常のＺｒＯ₂を０．４２０ｍｏｌ％、Ｙ₂Ｏ₃で安定化されたＺｒＯ₂を０．０７３ｍｏｌ％の比率で秤量した。この後、上記と同様にして、単板型圧電トランスを作製した。
【００９０】
この圧電トランスの駆動周波数２７５ｋＨｚにおける出力電力が２０．３Ｗ、出力電力の変動率が５．４％の特性が得られた。圧電基板の弾性定数の温度係数は、１８ｐｐｍ／℃であった。磁器内部を鏡面研磨し、ＳＥＭにて磁器を観察した結果、磁器粒界部分に１〜２μｍのＺｒＯ₂を主成分とする粒子の析出が確認された。また、ＪＩＳＲ１６０１に従って抗折強度を評価した。その結果、１４０ＭＰａの抗折強度が得られた。
【００９１】
同様に表３における試料Ｎｏ．４の抗折強度を評価したところ、１２０ＭＰａであったことから、磁器粒界部分に適量のＺｒＯ₂を析出させることにより、磁器の抗折強度を向上できることが判る。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスでは、幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が０〜６０ｐｐｍ／℃であり、共振駆動により電力を出力する圧電トランスの出力電力−周波数特性曲線の変動を抑制することにより、出力電力の変動を小さくすることができる。同時に、圧電基板中にＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｍｎと、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種を含有することで圧電基板の弾性損失を低下させ、出力電力を大きくすることができる。また、圧電基板を所定の組成とすることで、出力電力１６Ｗ以上、出力電力の変動率１５％以下の優れた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】圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）を２２６３．２ｋＨｚ・ｍｍとした場合の圧電トランスの変位分布を示す図である。
【図３】圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）を５２１５．２ｋＨｚ・ｍｍとした場合の圧電トランスの変位分布を示す図である。
【図４】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図５】図４の積層型圧電トランスの製造方法を説明するための説明図である。
【図６】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを示す説明図である。
【図７】本発明の圧電トランスの測定回路を示す斜視図である。
【図８】実施例１の圧電トランスの出力電力と効率の周波数特性を示す図である。
【図９】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図１０】駆動周波数と出力電力の関係を示した図である。
【図１１】単板タイプの圧電トランスで、負荷抵抗を変化させた場合の駆動周波数と出力電力の関係を示した図である。
【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
Ｌ・・・主面の長さ
Ｗ・・・主面の幅
Ｆ・・・圧電トランスの駆動周波数
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an AC adapter and a DC-DC converter used in various electronic devices, and a piezoelectric transformer used in a backlight cold cathode tube inverter of a liquid crystal display used in a notebook personal computer, a portable terminal, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, piezoelectric materials capable of converting electrical energy into mechanical energy have been applied to actuators and transformers. In particular, a piezoelectric transformer has the following characteristics when compared with a conventionally used electromagnetic transformer. In recent years, the piezoelectric transformer has attracted attention in miniaturization and integration of a power source and is partially commercialized. Piezoelectric transformers (1) have no possibility of smoke or fire because they do not use any windings. (2) Electromagnetic noise is not generated because electric power is transmitted by forward and reverse piezoelectric effects through mechanical vibrations to an electromagnetic transformer that transmits electric power by delivering a generated magnetic field. (3) Conversion efficiency can be improved by selecting a material with less elastic loss. (4) In terms of energy density, elastic energy is one digit or more higher than magnetic energy. Taking advantage of such features, the electronic parts are becoming popular as an indispensable electronic component for inverter circuits for backlights of liquid crystal displays.
[0003]
FIG. 10 shows the output power-drive frequency dependency of the piezoelectric transformer. Since the piezoelectric transformer is driven by resonance, the piezoelectric transformer has frequency dependency such that generation of electric power is high near a vibration point due to the shape and elastic constant of the piezoelectric substrate.
[0004]
There are two methods for controlling the output power: a method using an external resistor and a method using a drive frequency. FIG. 11 shows the output power characteristics when the external resistance is changed. As can be understood from FIG. 11, the output control by the external resistance is controlled by the frequency dependence curve of the output power greatly fluctuating. Since it is difficult, the method of controlling output power with a drive frequency is common. For example, the output resistance is controlled by fixing the external resistance RL to 500Ω and changing the drive frequency.
[0005]
FIG. 6 shows a block diagram of the DC-DC converter. In a converter using a piezoelectric transformer, an input voltage having a driving frequency in a certain frequency range is applied to the piezoelectric transformer, and a voltage and current converted to DC by a rectifier circuit are detected, and a driving frequency at which desired power is obtained is obtained. By detecting and determining the drive frequency by a feedback circuit as needed, stable power supply is performed. In this feedback circuit, for example, when the drive frequency is 120 kHz, the output is 20 W, 121 kHz is 23 W, and 122 kHz is 20 W, the drive frequency of 121 kHz is selected to obtain the output of 23 W, but the output of 20 W is 120 kHz. It cannot be determined which of 122 kHz should be selected, and an infinite loop occurs.
[0006]
Therefore, the frequency range for detecting the drive frequency must not have a plurality of frequencies showing the same output power value, and the usable frequency range is from the frequency at which the output power shows the maximum value to the low frequency side or This is one of the frequency ranges on the high frequency side.
[0007]
As a material for a piezoelectric transformer, PbTiO disclosed in Japanese Patent No. 2836572 is disclosed because it can be driven even under a high vibration speed or a large amplitude._Three-PbZrO_Three-Pb (Mn_1/3Sb_2/3) O_ThreeSystem material and PbTiO disclosed in JP-A-11-310457_Three-PbZrO_Three-Pb (Mn_1/3Nb_2/3) O_ThreeSystem materials and Pb (Zr, Ti) O disclosed in JP 2000-294849 A_ThreeA composition containing Fe and Ag has been proposed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The outer peripheral temperature of the piezoelectric transformer changes every moment due to self-heating of the piezoelectric transformer and heat generation of peripheral devices. Initially, the frequency range of either the low frequency side or the high frequency side from the frequency at which the output power shows the maximum value was used as the drive frequency. However, the frequency dependence curve of the output power drifts due to changes in the ambient temperature, so that the drive frequency The maximum value of the output power exists in the range of, and there are a plurality of driving frequencies showing the same output power value, and it is difficult to control the output power using the feedback circuit. was there.
[0009]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer that can stably output high power even when a temperature change occurs and has high ceramic strength.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In the piezoelectric transformer of the present invention, both principal surfaces are rectangular in length L and width W in the length direction of the piezoelectric substrate.FirstVoltage input section, voltage output section, The second voltage input section sequentiallyFormationIsThe aboveFirstVoltage input sectionAnd the second voltage input unit respectively input side electrode,For voltage outputOutIn the piezoelectric transformer provided with the force side electrode, the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate is 1.1 to 1.4,The piezoelectric substrate is polarized in its thickness direction,The piezoelectric substrate is Pb (ZrTi) O_ThreeType complex oxide, containing at least one selected from Ba, Sr and Ca at the A site, and Nb, Yb at the B site, CoAnd contains MnShiThe absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate is 60 ppm / ° C. or less.In other words, a composite mode vibration consisting of a vibration in the length direction and a vibration in the width direction of the piezoelectric substrate is used..
[0011]
  Further, the product (F × L) of the length L of the principal surface of the piezoelectric substrate and the driving frequency F (F × L) is 4.995.2~5336.1By changing the drive frequency F so as to satisfy kHz · mm, the output power from the voltage output unit of the piezoelectric transformer can be changed.
[0012]
Further, by changing the driving frequency F so that the product (F × L) of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate and the driving frequency F satisfies 4700 to 6000 kHz · mm, the voltage output unit of the piezoelectric transformer The output power from can be changed.
[0013]
Furthermore, the piezoelectric substrate is made of Pb (ZrTi) O_ThreeA composite oxide containing at least one selected from Ba, Sr and Ca at the A site, Nb, Yb and Mn at the B site, and a temperature coefficient of an elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate. Since the absolute value is 60 ppm / ° C. or less, even when the outer peripheral temperature of the piezoelectric transformer changes, the change of the driving frequency for obtaining the maximum output power is small, and the output power control using the feedback circuit can be easily performed.
[0014]
Therefore, in the piezoelectric transformer of the present invention, it is possible to excite the vibration mode that causes the largest vibration in the voltage output unit, to generate high output power, to obtain high efficiency, and to increase the outer peripheral temperature of the piezoelectric transformer. Even if it changes, the drift amount of the driving frequency for obtaining high output power is small, and output power control using a feedback circuit can be easily performed.
[0015]
  In the present invention, the piezoelectric substrate has a composition formula based on molar ratio expressed by Pb._1-xA_x[(Nb_eYb_fCo_gMn_h)_a(Ti_bZr_1-b)_1-a] O_ThreeWhen
  A, b,e, f, g, h,x is
  0.05 ≦ a ≦ 0.20
  0.5 ≦ b ≦ 0.6
  0.60 ≦ e ≦ 0.65
  0.10 ≦ f ≦ 0.15
  0.06 ≦ g ≦ 0.10
  0.13 ≦ h ≦ 0.20
  0.02 ≦ x ≦ 0.10
  A preferably satisfies at least one selected from Ba, Sr and Ca.
[0016]
By having such a composition, higher output power can be obtained, the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate can be further reduced, and driving to obtain high output power due to increase in the outer peripheral temperature of the piezoelectric transformer. The change in frequency can be further reduced.
[0017]
In the present invention, the piezoelectric substrate is Pb (ZrTi) O_ThreePerovskite type oxide particles made of type complex oxide are used as main crystal particles, and ZrO is formed at the grain boundaries of the main crystal particles.₂Desirably, particles are present. Thereby, the strength of the piezoelectric substrate can be improved without complicating the process, and the variation of the elastic constant in the width direction can be further reduced.
[0018]
Further, in the present invention, it is particularly preferable that the first voltage input unit, the voltage output unit, and the second voltage input unit are sequentially formed in the length direction of the piezoelectric substrate. Furthermore, the piezoelectric transformer of the present invention can obtain high power and high efficiency by exciting the input voltage to the first voltage input unit and the second voltage input unit with AC signals having the same amplitude and phase. .
[0019]
Further, according to the present invention, a plurality of input side electrodes and a plurality of output side electrodes are formed at predetermined intervals in the thickness direction inside the piezoelectric substrate in the voltage input portion and the voltage output portion. It is desirable that the electrodes are electrically connected alternately. In this way, by forming the internal electrodes inside the piezoelectric substrate in the voltage input unit and the voltage output unit, the capacitance can be arbitrarily changed, and the step-up / step-down ratio can be controlled.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the single-plate type piezoelectric transformer of the present invention is polarized in the thickness direction and has a first voltage in the length direction of a rectangular piezoelectric substrate 11 having a main surface having a length L and a width W. An input part A1, a voltage output part B1, and a second voltage input part C1 are sequentially formed.
[0021]
An input side electrode 12, an output side electrode 14, and an input side electrode 13 are formed on the upper main surface of the piezoelectric substrate 11 in the first voltage input portion A1, the voltage output portion B1, and the second voltage input portion C1, respectively. These electrodes 12, 13, 14 are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 11. An input side electrode 15, an output side electrode 17, and an input side electrode 16 are formed on the lower main surface of the piezoelectric substrate 11 at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 11.
[0022]
That is, the

input side electrodes

12 and 15 are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the first voltage input unit A1, and the output side electrodes 14 and 17 are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the voltage output unit B1. Are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 11 in the second voltage input section C1, and the electrodes 12 to 17 have one side equal to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11. The other side is an arbitrary length in the length direction of the main surface, for example, L1, L2, and L3.
[0023]
Further, the input side electrode 12 and the input side electrode 15 have the same dimensions, the output side electrode 14 and the output side electrode 17 have the same dimensions, and the input side electrode 13 and the input side electrode 16 have the same dimensions.
[0024]
In the piezoelectric transformer of the present invention, it is important that the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11 is 1.1 to 1.4. By setting the ratio (L / W) between the length L and the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11 to 1.1 to 1.4, high energy conversion efficiency can be achieved. On the other hand, when the ratio (L / W) between the length L and the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 11 is smaller than 1.1 or larger than 1.4, the output power is reduced or the efficiency is reduced. descend.
[0025]
In the piezoelectric transformer of the present invention, the product (F × L) of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 11 and the drive frequency F (F × L) is 4700 to 6000 kHz · mm.
[0026]
In the present invention, the ratio of the length L to the width W (L / W) of the main surface of the piezoelectric substrate 11 is 1.1 to 1.4, and the length of the piezoelectric substrate 11 is selected by selecting a predetermined drive frequency. Although the fundamental wave that vibrates in the direction is the main component, the vibration of the composite mode including the vibration in the width direction is generated in the piezoelectric substrate 11, and the largest vibration can be generated in the voltage output portion formed in the central portion. For example, the amount of charge induced in the voltage output unit is larger than when using the vibration most excited in the width direction, and high output power can be obtained.
[0027]
The product (F × L) of the length L of the principal surface of the piezoelectric substrate 11 and the drive frequency F (F × L) needs to be 4700 to 6000 kHz · mm from the viewpoint of obtaining high output power. Therefore, in order to obtain high output power and high efficiency, it is necessary to set L / W to 1.1 to 1.4 and F × L to 4700 to 6000 kHz · mm.
[0028]
In the present invention, with the structure described above, the product (F × L) of the drive frequency F and the length L of the main surface is set to a predetermined range, so that it has high energy conversion efficiency and is used at a high input voltage. Thus, a piezoelectric transformer with high output power and high efficiency can be realized.
[0029]
In the piezoelectric transformer of the present invention, for example, after electrodes 12 to 17 are formed on a piezoelectric substrate 11 made of ceramics, three electrodes 12, 13, 14 on the upper surface of the piezoelectric substrate 11 in 200 ° C. silicone oil, It is obtained by applying a DC voltage between the three

electrodes

15, 16, 17 on the lower surface of the piezoelectric substrate 11 and performing a polarization treatment for about 30 minutes.
[0030]
The piezoelectric substrate 11 is made of Pb (ZrTi) O._ThreeAn absolute constant of the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate, comprising at least one selected from Ba, Sr and Ca at the A site, Nb, Yb and Mn at the B site. It is important that the value is 60 ppm / ° C. or less.
[0031]
The reason why the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant is set to 60 ppm / ° C. or less is that when it exceeds 60 ppm / ° C., the driving frequency for outputting high power greatly changes due to the change in the outer peripheral temperature. In particular, 0 to 30 ppm / ° C. is desirable from the viewpoint of outputting high power.
[0032]
Specifically, the piezoelectric substrate has a composition formula based on molar ratio expressed by Pb._1-xA_x[(Nb_eYb_fCo_gMn_h)_a(Ti_bZr_1-b)_1-a] O_ThreeWhere a, b, e, f, g, h, x are 0.05 ≦ a ≦ 0.20, 0.5 ≦ b ≦ 0.6, 0.60 ≦ e ≦ 0.65, 0.10 ≦ f ≦ 0.15, 0.06 ≦ g ≦ 0.10, 0.13 ≦ h ≦ 0.20, 0.02 ≦ x ≦ 0.10, A is selected from Ba, Sr and Ca It is desirable to satisfy at least one kind.
[0033]
Here, the reason why a, b, e, f, g, h, and x are limited to the above ranges will be described. First, Ti and Zr sites are replaced (Nb_eYb_fCo_gMn_h) Is effective in improving the output power. In particular, the inclusion of Mn can increase the output power because it reduces the elastic loss of the piezoelectric substrate. If the third component amount a is less than 0.05, the output power improvement effect tends to be small, and if it is greater than 0.20, the sinterability is insufficient and the elastic loss increases, so the output power decreases. There is a tendency.
[0034]
The atomic ratio of Nb, Yb, Co, and Mn is (Nb_eYb_fCo_gMn_h) In terms of high output power and high efficiency, 0.60 ≦ e ≦ 0.65, 0.10 ≦ f ≦ 0.15, 0.06 ≦ g ≦ 0.10, 0.13 ≦ It is desirable to satisfy h ≦ 0.20.
[0035]
Next, the Ti ratio b has the effect of reducing the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant. When the ratio b is out of the above range, the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant at −20 ° C. to 80 ° C. tends to increase, and the variation in output power tends to increase.
[0036]
Substitution of Pb with any one of Ba, Ca, and Sr has the effect of reducing the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant, but substitution with x greater than 0.10 tends to degrade the piezoelectricity. Yes, substitution less than 0.02 is less effective.
[0037]
The piezoelectric substrate is Pb (ZrTi) O_ThreePerovskite type oxide particles made of type complex oxide are used as main crystal particles, and ZrO is formed at the grain boundaries of the main crystal particles.₂Desirably, particles are present. Thereby, the strength of the piezoelectric substrate can be improved without complicating the process, and the variation of the elastic constant in the width direction can be further reduced.
[0038]
The inventor conducted vibration analysis of the piezoelectric transformer of the present invention by computer simulation using a finite element method. As analysis conditions, the piezoelectric material described above was used, and in the shape of the piezoelectric transformer of FIG. 1, the length L of the piezoelectric substrate 11 was 32.80 mm, the width W = 25.5 mm, and the thickness t = 3.0 mm. The distance between the voltage input unit and the voltage output unit was 1.2 mm. A voltage having the same amplitude and phase was applied to the first and second voltage input sections, and the distribution of displacement of the piezoelectric substrate was obtained.
[0039]
FIG. 2 shows a case where the vibration that is most excited in the width direction of 69 kHz (F × L = 2263.2 kHz · mm) is used as the drive frequency F. FIG. The displacement distribution of the piezoelectric transformer in the case of 2 kHz · mm) is shown.
[0040]
In the piezoelectric transformer when 69 kHz is used as the driving frequency F, vibration in the width direction is generated as understood from FIG. 2, and almost no displacement is generated in the central portion of the piezoelectric substrate on which the voltage output portion is formed. I understand that. On the other hand, in the piezoelectric transformer using 159 kHz as the driving frequency F, as can be seen from FIG. 3 showing the displacement distribution, it can be seen that a large displacement is obtained in the voltage output section, and that high output power and high efficiency are obtained.
[0041]
That is, energy transmission of the piezoelectric transformer is performed by vibration of the piezoelectric substrate 11, and in the piezoelectric substrate 11 having the same shape, the larger the displacement amount with the input voltage having the same amplitude, the more the voltage output unit B1 is induced. Since the amount of electric charge is increased, it can be seen that in the case of FIG. 3 in which the displacement amount of the central portion of the piezoelectric substrate 11 is larger than that in FIG. 2, a large output power can be obtained and high efficiency can be obtained. Thus, it can be seen that the vibration shown in FIG. 3 can be generated by setting L / W to 1.1 to 1.4 and controlling the driving frequency.
[0042]
In addition, since the piezoelectric transformer of the present invention has a single polarization direction, there is no need for a polarization treatment in the length direction of the substrate as compared with a Rosen piezoelectric transformer. Since polarization is performed in the vertical direction, the polarization voltage can be lowered, and safety in the manufacturing process can be improved.
[0043]
FIG. 4 shows a multilayer piezoelectric transformer of the present invention. This multilayer piezoelectric transformer has a first voltage in a longitudinal direction on a rectangular piezoelectric substrate 21 having a main surface having a length L and a width W. An input part A2, a voltage output part B2, and a second voltage input part C2 are sequentially formed.
[0044]
An input side electrode 22a, an output side electrode 24a, and an input side electrode 23a are formed on the upper main surface of the piezoelectric substrate 21 in the first voltage input portion A2, the voltage output portion B2, and the second voltage input portion C2, respectively. These

electrodes

22a, 23a, 24a are formed at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 21. An input side electrode 22d, an output side electrode 24j, and an input side electrode 23d are formed on the lower main surface of the piezoelectric substrate 21 at predetermined intervals in the length direction of the piezoelectric substrate 21, respectively.
[0045]
Input-side electrodes 22b and 22c are formed inside the piezoelectric substrate 21 in the first voltage input unit A2, and output-side electrodes 24b to 24i are formed inside the piezoelectric substrate 21 in the voltage output unit B2.

Input side electrodes

23b and 23c are formed inside the piezoelectric substrate 21 in the voltage input portion C2.
[0046]
The input side electrodes 22a to 22d have the same dimensions, the output side electrodes 24a to 24j have the same dimensions, and the input side electrodes 23a to 23d have the same dimensions. The input-side electrodes 22a and 23a and the output-side electrode 24a are provided on the same plane on the upper main surface of the piezoelectric substrate 21, and the input-

side electrodes

22b and 23b and the output-side electrode 24d are on the same plane inside the piezoelectric substrate 21. The input-side electrodes 22c and 23c and the output-side electrode 24g are provided on the same plane inside the piezoelectric substrate 21. Further, the input-

side electrodes

22d and 23d and the output-side electrode 24j are provided on the lower side of the piezoelectric substrate 21. The surfaces are provided on the same plane. Incidentally, only a part of the output side electrode in FIG.
[0047]
The input side electrodes 22a to 22d are alternately connected by a pair of external electrodes 25a1 and 25a2 formed on both side surfaces of the piezoelectric substrate 21, and the output side electrodes 24a to 24j are alternately connected by a pair of external electrodes 25b1 and 25b2. The input side electrodes 23a to 23d are alternately connected by a pair of external electrodes 25c1 and 25c2.
[0048]
Also in this piezoelectric transformer, as in the piezoelectric transformer shown in FIG. 1, the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 21 is 1.1 to 1.4, and It is important that the product (F × L) of the length L of the main surface of the piezoelectric substrate 21 and the driving frequency F is 4700 to 6000 kHz · mm. The reason why the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 21 and the ratio (L / W) of the length L to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate are set within a predetermined range is particularly desirable. The range is the same as above. The same applies to the material of the piezoelectric substrate 21.
[0049]
Such a laminated piezoelectric transformer can achieve the same effect as that of the piezoelectric transformer shown in FIG. 1. However, the laminated piezoelectric transformer shown in FIG. The output current can be increased compared to a single plate type piezoelectric transformer having a width.
[0050]
The voltage step-up / down ratio (= V2 / V1) in the piezoelectric transformer is V2 / V1Ｖ (Cd1 / Cd2), where Cd1 is the input side capacitance and Cd2 is the output side capacitance.^1/2Therefore, by stacking piezoelectric transformers, Cd1 and Cd2 can be controlled and the step-up / step-down ratio can be arbitrarily set. That is, the piezoelectric transformer of the present invention can be suitably used for a buck-boost converter or a buck-boost inverter by arbitrarily determining the buck-boost ratio. In addition, as shown in FIG. 9, you may not form an internal electrode in a voltage input part.
[0051]
A method for manufacturing such a piezoelectric transformer will be described. The piezoelectric substrate of the present invention can be manufactured, for example, as follows. First, as starting materials, PbO, TiO₂, ZrO₂, Nb₂O_Five, Co_ThreeO_Four, Yb₂O_Three, MnO₂In addition, BaCO_Three, SrCO_Three, CaCO_ThreeEach powder is wet-mixed at a predetermined ratio, discharged, dried and then sized, and Al₂O_ThreeIt puts into a crucible or the like and calcined at a temperature of 850 to 1050 ° C. for 3 to 5 hours to obtain calcined powder.
[0052]
This powder is mixed with an organic binder, formed into a desired shape by a die press, an isostatic press, or the like, and then fired at 1050 to 1350 ° C. for 2 to 5 hours in an oxygen-containing atmosphere such as in the air. Obtainable. The first voltage input part, the second voltage input part, and the voltage output part are formed on both main surfaces of the obtained porcelain by a method such as baking or vapor deposition to obtain a single plate.
[0053]
When a voltage input unit and a voltage output unit are provided on an internal electrode, a ceramic body having a desired thickness is first obtained by using the obtained calcined powder by a doctor blade method or a calendering method. Make a green sheet.
[0054]
Next, a highly heat-resistant conductive paste such as an Ag—Pd paste is screen-printed on one side of the ceramic green sheet. In this case, as shown in FIG. 5, a green sheet 31 on which a pattern 36 serving as an input side electrode and a pattern 37 serving as an output side electrode are formed, and a green sheet 32 formed only with a pattern 37 serving as an output side electrode. These are laminated as shown in FIG. 5, and are pressed and integrated by hot pressing, integrated, heated at 400 to 500 ° C. and degreased, and then heated at a temperature of 1100 to 1300 ° C. 2. Laminate porcelain can be obtained by baking for 4 hours. In FIG. 5, only some green sheets are shown.
[0055]
Next, a conductive paste is applied as external electrodes to both sides of the sintered body. The input side electrodes 22a to 22d are alternately connected to each other by a pair of external electrodes 25a1 and 25a2. The output side electrodes 24a to 24j are alternately connected to each other by a pair of external electrodes 25b1 and 25b2. Furthermore, the input side electrodes 23a to 23d are alternately connected by a pair of external electrodes 25c1 and 25c2. That is, the input side electrode and the output side electrode have a structure like a multilayer capacitor or a multilayer piezoelectric actuator, and the internal electrodes are connected to the external electrodes every other layer.
[0056]
Next, the input side electrodes 22a to 22d, 23a to 23d and the output side electrodes 24a to 24j formed on both main surfaces of the obtained single plate and laminate are each 1 in 80 to 200 ° C. insulating oil. A direct current electric field of 0.0 to 5.0 kV / mm is applied for 10 to 60 minutes to perform polarization treatment to obtain a piezoelectric transformer.
[0057]
In addition, ZrO₂The piezoelectric substrate on which the particles having the main component precipitated is ZrO in the starting material.₂A part of Y₂O_Three, Nd₂O_ThreeZrO stabilized or partially stabilized by rare earth metals such as MgO and CaO₂Or a composition in which the amount of Pb is slightly reduced, or the above-mentioned stabilized or partially stabilized ZrO₂It can be made by doing.
[0058]
The raw material powder to be used is not limited to carbonates and oxides, and any compound such as acetates or organic metals can be used as long as they become oxides by a heat treatment process such as firing.
[0059]
In the piezoelectric ceramic according to the present invention, inevitable impurities such as Rb, Hf, Si, Al, Sb, Fe contained in the raw material powder and the like, and Ag diffused from the internal electrode of the laminate into the ceramic are mixed. However, there is no problem as long as it does not affect the characteristics.
[0060]
Further, the upper and lower surfaces of the multilayer piezoelectric transformer may be covered with piezoelectric ceramics having the same composition in order to insulate the outside. Further, the input side electrode and the output side electrode may not be formed on the main surface of the piezoelectric substrate 21 but may be formed only inside.
[0061]
【Example】
Example 1
PbO, TiO as starting materials₂, ZrO₂, Nb₂O_Five, Co_ThreeO_Four, Yb₂O_Three, MnO₂Each powder was weighed and mixed, and this mixed powder was mixed with 5 mmφ ZrO.₂Wet-mix for 20 hours using a ball, discharge, dry, and sizing.₂O_ThreeThe product was put into a crucible and calcined at a temperature of 950 ° C. for 3 hours, and the calcined product was pulverized again with a ball mill.
[0062]
Thereafter, an organic binder was mixed with the pulverized product and granulated. The obtained powder was press-molded into a square plate having dimensions of 37 mm in length, 25 mm in width, and 4 mm in thickness at a pressure of 150 MPa. Further, these compacts are sealed in a container made of MgO or the like and fired in the atmosphere at a temperature of 1200 ° C. for 2 hours._0.96Sr_0.04[(Nb_0.625Yb_0.125Co_0.083Mn_0.167)_0.1(Ti_0.506Zr_0.494)_0.9] O_ThreeA sintered body consisting of
[0063]
The obtained sintered body is polished to prepare a piezoelectric substrate. An electrode paste mainly composed of silver and glass is applied to both surfaces of the piezoelectric substrate, baked, and further 1.1 kV in 200 ° C. silicon oil. A single-plate piezoelectric transformer having an input side electrode and an output side electrode shown in FIG. 1 was manufactured by applying a DC electric field of / mm for 10 minutes to perform polarization treatment.
[0064]
The shape of the piezoelectric transformer was L25.47 mm, width W19.8 mm, and thickness 3.3 mm, and the relationship between the vibration mode, output power, output voltage, and efficiency was investigated. As shown in FIG. 7, the measurement circuit has an input side electrode (primary side electrode) of the piezoelectric transformer as an input, an output side electrode (secondary side electrode) as an output, and a load resistor RL is connected to the output side electrode. did. Here, RL = 500Ω. The input voltage is a sine wave of 141 Vpp, and (1) 88.2 kHz of the vibration frequency of 84 kHz to 94 kHz most excited in the width direction, and (2) 203.5 kHz of the piezoelectric transformer frequency of 198 kHz to 210 kHz in the present invention are input. The power was obtained by applying the voltage from the power source to the input electrode and measuring the phase difference between the input current (App) and the voltage and current. The output power (W) was obtained by measuring the output voltage (Vpp), output current (App), and phase difference from the output side electrode. Efficiency (%) was obtained from the maximum output power and the maximum input power. The results are shown in Table 1.
[0065]
Also, the temperature coefficient δs of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate₁₁ ^EIs based on the elastic constant determined according to the Japan Electronic Materials Association Standard EMA-6100,
δs₁₁ ^E= [S₁₁ ^E _(temp.)―S₁₁ ^E ₍₊₂₅ _℃ ₎] ÷ s₁₁ ^E ₍₊₂₅ _℃ ₎/(Temp.-25)×10⁶ [Unit: ppm / ° C]
The temperature coefficient δs of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate is calculated from₁₁ ^EWas 50 ppm / ° C.
[0066]
[Table 1]

[0067]
From Table 1, it can be seen that the piezoelectric transformer using the driving frequency of 203.5 kHz can obtain higher output power and higher efficiency than the piezoelectric transformer using the driving frequency of 88.2 kHz. FIG. 8 is a diagram illustrating frequency characteristics of output power and efficiency of a piezoelectric transformer using a drive frequency of 203.5 kHz. It can be seen from FIG. 8 that this piezoelectric transformer has a substantially constant efficiency of about 96% with respect to frequency fluctuations, so that output power can be easily controlled by frequency.
[0068]
Example 2
The inventor investigated the relationship between the shape of the piezoelectric transformer and the driving frequency. A piezoelectric transformer was prepared using the same material and manufacturing method as in Example 1, having a width W of 19.8 mm, a thickness of 3.3 mm, and a length L changed from 20.79 to 28.71 mm. Next, the piezoelectric transformer was polarized in the thickness direction of the piezoelectric substrate by applying a direct voltage of 1.1 kV / mm in silicone oil at 200 ° C. for 10 minutes.
[0069]
As shown in FIG. 7, the measurement circuit has an input side electrode (primary side electrode) of the piezoelectric transformer as an input, an output side electrode (secondary side electrode) as an output, and a load resistor RL is connected to the output side electrode. did. Here, RL = 500Ω. The power was obtained by applying 141 Vpp as the input voltage and a sine wave having the frequency shown in Table 2 from the input power source to the input side electrode and measuring the input current (App) and phase.
[0070]
On the other hand, the output power (W) was obtained by measuring the output voltage (Vpp), output current (App), and phase from the output side electrode. The efficiency (%) was obtained from the maximum output power and the maximum input power, and the results are shown in Table 2.
[0071]
[Table 2]

[0072]
From Table 2, in the piezoelectric transformer of the present invention, in the piezoelectric transformer of the present invention, the relationship between the length L and the width W is 1.1 ≦ L / W ≦ 1.4, and the length L and the piezoelectric transformer When the drive frequency F is 4700 kHz · mm ≦ F × L ≦ 6000 kHz · mm, the output power is 16 W or more and the efficiency is 92.6% or more, and it can be seen that high output power and high efficiency can be obtained.
[0073]
Example 3
PbO, TiO as starting materials₂, ZrO₂, Nb₂O_Five, Co_ThreeO_Four, Yb₂O_Three, MnO₂Pb_1-xA_x[(Nb_eYb_fCo_gMn_h)_a(Ti_bZr_1-b)_1-a] O_ThreeAnd a, b, e, f, g, h, x are weighed so that the values shown in Table 3 are obtained, and this mixed powder is 5 mmφ ZrO.₂Wet-mix for 20 hours using a ball, discharge, dry, and sizing.₂O_ThreeThe product was put into a crucible and calcined at a temperature of 950 ° C. for 3 hours, and the calcined product was pulverized again with a ball mill.
[0074]
Thereafter, an organic binder was mixed with the pulverized product and granulated. The obtained powder was press-molded into a square plate at a pressure of 150 MPa. Further, these molded bodies were sealed in a container made of MgO or the like and fired in the atmosphere at a temperature of 1200 ° C. for 2 hours.
[0075]
The obtained sintered body is polished to prepare a piezoelectric substrate. An electrode paste mainly composed of silver and glass is applied to both surfaces of the piezoelectric substrate, baked, and further 1.1 kV in 200 ° C. silicon oil. A single-plate piezoelectric transformer having an input side electrode and an output side electrode shown in FIG. 1 was manufactured by applying a DC electric field of / mm for 10 minutes to perform polarization treatment.
[0076]
The piezoelectric transformer has a length L25.47 mm, a width W19.8 mm, and a thickness 3.3 mm. The measurement circuit receives an input side electrode (primary side electrode) of the piezoelectric transformer as shown in FIG. The load resistance RL was connected to this output side electrode with the side electrode (secondary side electrode) as an output. Here, RL = 500Ω.
[0077]
The temperature characteristic of the output power is that the drive frequency is fixed, the output power at −20 ° C., + 25 ° C., and + 80 ° C. is evaluated, and the output power fluctuation rate δP_outThe
δP_out= [P_{out (max.)}-P_{out (min.)}] ÷ P_{out (+25} _℃ ₎× 100 [Unit:%]
It was calculated by the following formula.
[0078]
Where P_{out (max.)}Is the maximum output power at three measured temperatures, P_{out (min.)}Is the minimum output power, P_{out (+25} _℃ ₎Represents the output power at 25 ° C.
[0079]
Also, the temperature coefficient δs of the elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate₁₁ ^EWas determined in the same manner as described above. The results are shown in Table 3.
[0080]
[Table 3]

[0081]
In the sample of the present invention, the output power P.I._outIs 20 W or more, the fluctuation rate of the output power is 15% or less, it has a high output power, and the fluctuation of the output power characteristic with respect to the temperature is small.
[0082]
In addition, Sample No. whose elastic constant temperature coefficient in the width direction is 48 ppm / ° C In Sample No. 4, the output power at a drive frequency of 270 kHz is 26 W, the fluctuation rate of the output power is 13.3%, and the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction is 23 ppm / ° C. 15, the output power at the drive frequency of 272 kHz was 23.8 W, and the fluctuation rate of the output power was 7.9%.
[0083]
On the other hand, Sample No. which does not contain Nb, Yb and Mn and is outside the scope of the present invention. 1, the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction was 10 ppm / ° C., the output power at a driving frequency of 265 kHz was 10 W, the variation rate of the output power was 3.0%, and the output power was low. Sample No. with a temperature coefficient of 70 ppm / ° C. 2, the output power at a drive frequency of 278 kHz is 20 W, the variation rate of the output power is 30.0%, and the sample No. 2 does not contain Ba, Sr, and Ca. 16 had a temperature coefficient of 80 ppm / ° C., an output power of 18.8 W at a drive frequency of 282 kHz, and a fluctuation rate of the output power of 50.0%. In addition, the efficiency in the sample of this invention in Table 3 was 90% or more.
[0084]
Example 4
PbO, TiO as starting materials₂, ZrO₂, Nb₂O_Five, Co_ThreeO_Four, Yb₂O_Three, MnO₂Each of which has a composition of Pb_0.96Sr_0.04[(Nb_0.625Yb_0.125Co_0.083Mn_0.167)_0.1(Ti_0.506Zr_0.494)_0.9] O_ThreeAfter weighing the raw material powder represented by₂Wet-mix for 20 hours using a ball, discharge, dry, and sizing.₂O_ThreeThe product is put into a crucible and calcined at a temperature of 950 ° C. for 3 hours, and the calcined product is pulverized again with a ball mill.
[0085]
A binder and a plasticizer are added to the obtained pulverized product and dispersed in an organic solvent to prepare a slurry. Using the obtained slurry, a ceramic green sheet having a thickness of 180 μm was prepared by a doctor blade method. On one side of the green sheet, an Ag—Pd paste is screen-printed so as to have the shape shown in FIG. Laminated ceramics are obtained by laminating printed green sheets, pressing and integrating them with a hot press, degreasing them by heating at 400 to 500 ° C., and firing at a temperature of 1120 ° C. for 3 hours. It was.
[0086]
After applying an electrode paste mainly composed of silver and glass on both main surfaces of the obtained laminate porcelain, forming a first voltage input portion, a voltage output portion, a second voltage input portion, after baking the electrode, An external electrode was formed on the side surface of the laminated portion by connecting with an electrode inside the porcelain using a conductive paste.
[0087]
Next, the voltage input electrode and the voltage output electrode formed on both main surfaces of the laminate are each subjected to a polarization treatment by applying a 1.1 kV / mm direct current electric field in silicon oil at 200 ° C. for 30 minutes. A piezoelectric transformer was obtained.
[0088]
The evaluation of the porcelain was performed according to Example 1. As a result, characteristics with an output power of 28.4 W at a driving frequency of 272 kHz and an output power fluctuation rate of 11.3% were obtained. The effectiveness of the laminate was also confirmed.
[0089]
Example 5
The raw materials were weighed so as to have the following composition.
Pb_0.96Sr_0.04[(Nb_0.625Yb_0.125Co_0.083Mn_0.167)_0.1(Ti_0.507Zr_0.493)_0.9] O_Three
At this time, out of the Zr ratio of 0.493, normal ZrO₂0.420 mol%, Y₂O_ThreeStabilized with ZrO₂Was weighed at a ratio of 0.073 mol%. Thereafter, a single plate type piezoelectric transformer was produced in the same manner as described above.
[0090]
The piezoelectric transformer has a characteristic in which the output power at a drive frequency of 275 kHz is 20.3 W, and the fluctuation rate of the output power is 5.4%. The temperature coefficient of the elastic constant of the piezoelectric substrate was 18 ppm / ° C. As a result of mirror-polishing the interior of the porcelain and observing the porcelain with an SEM, 1 to 2 μm of ZrO in the grain boundary part₂Precipitation of particles mainly composed of was confirmed. Moreover, bending strength was evaluated according to JISR1601. As a result, a bending strength of 140 MPa was obtained.
[0091]
Similarly, the sample Nos. When the bending strength of No. 4 was evaluated to be 120 MPa, an appropriate amount of ZrO was applied to the porcelain grain boundary portion.₂It can be seen that the bending strength of the porcelain can be improved by precipitating.
[0092]
【The invention's effect】
In the piezoelectric transformer of the present invention, the absolute value of the temperature coefficient of the elastic constant in the width direction is 0 to 60 ppm / ° C., and the fluctuation of the output power-frequency characteristic curve of the piezoelectric transformer that outputs power by resonance driving is suppressed. Thus, fluctuations in output power can be reduced. At the same time, by containing at least one selected from Pb, Zr, Ti, Nb, Yb, Mn and Ba, Sr, Ca in the piezoelectric substrate, the elastic loss of the piezoelectric substrate can be reduced and the output power can be increased. it can. Further, by setting the piezoelectric substrate to a predetermined composition, an excellent piezoelectric transformer having an output power of 16 W or more and an output power fluctuation rate of 15% or less can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a single plate type piezoelectric transformer of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a displacement distribution of a piezoelectric transformer when a product (F × L) of a length L of a principal surface of a piezoelectric substrate and a driving frequency F is 2263.2 kHz · mm.
FIG. 3 is a diagram showing a displacement distribution of a piezoelectric transformer when a product (F × L) of a length L of a principal surface of a piezoelectric substrate and a driving frequency F is 5215.2 kHz · mm.
FIG. 4 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric transformer of the present invention.
5 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing method of the multilayer piezoelectric transformer of FIG. 4; FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a DC-DC converter of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a measurement circuit of the piezoelectric transformer of the present invention.
8 is a graph showing frequency characteristics of output power and efficiency of the piezoelectric transformer of Example 1. FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric transformer of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between drive frequency and output power.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between drive frequency and output power when a load resistance is changed in a single plate type piezoelectric transformer.
[Explanation of symbols]
11, 21 ... Piezoelectric substrate
12, 13, 15, 16, 22a-d, 23a-d ... input side electrodes
14, 17, 24a to j: Output side electrodes
L: Length of main surface
W ・・・ Width of main surface
F: Drive frequency of piezoelectric transformer
A1, A2 ... 1st voltage input part
B1, B2 ... Voltage output section
C1, C2 ... second voltage input section

Claims

A first voltage input unit, a voltage output unit , and a second voltage input unit are sequentially formed in the length direction of the piezoelectric substrate whose both main surfaces are rectangular with a length L and a width W, and the first voltage input unit and the first voltage input unit each input electrode to the second voltage input, in the piezoelectric transformer formed by providing the output side electrode to the voltage output unit,
The ratio (L / W) between the length L and the width W of the main surface of the piezoelectric substrate is 1.1 to 1.4,
The piezoelectric substrate is polarized in its thickness direction;
Before SL piezoelectric substrate is made of Pb (ZrTi) O ₃ type composite oxide contains at least one member selected in the A site Ba, Sr and Ca, and contains Nb, Yb, Co and Mn at the B site,
Ri absolute value 60 ppm / ° C. der less temperature coefficient of elastic constant in the width direction of the piezoelectric substrate,
A piezoelectric transformer that utilizes composite mode vibration comprising vibration in the length direction and vibration in the width direction of the piezoelectric substrate .

When the piezoelectric substrate, the composition formula by molar ratio, expressed as _{_{Pb 1-x A x [(}} Nb e Yb f Co g Mn h) a (Ti b Zr 1-b) 1-a] O 3,
A, b, e, f, g, h, x are
0.05 ≦ a ≦ 0.20
0.5 ≦ b ≦ 0.6
0.60 ≦ e ≦ 0.65
0.10 ≦ f ≦ 0.15
0.06 ≦ g ≦ 0.10
0.13 ≦ h ≦ 0.20
0.02 ≦ x ≦ 0.10
A is, Ba, satisfies at least one selected from Sr and Ca, a piezoelectric transformer according to claim 1.

Piezoelectric substrate, Pb a (ZrTi) O ₃ type composite comprising an oxide perovskite oxide particles as the main crystal grains, ZrO ₂ particles are present in the grain boundary of the main crystal grains, serial to claim 1 or 2 < The piezoelectric transformer.

The product of the length L and the driving frequency F of the main surface of the piezoelectric substrate (F × L) is 4 995.2 ~ 5336.1 kHz · mm, according to any one of claims 1 to 3 Piezoelectric transformer.