JPH10279354A

JPH10279354A - 圧電セラミックスおよび圧電トランス

Info

Publication number: JPH10279354A
Application number: JP9644797A
Authority: JP
Inventors: Junichi Watanabe; 渡辺　　純一; Hiromi Kikuchi; 広実菊池; Shigeru Sadamura; 茂定村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】機械的強度が高く、高い効率および昇圧比が
得られる圧電セラミックスおよび圧電トランスを提供す
る。【構成】（Ｐｂ_1-aＳｒ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃にＦ
ｅを含有する圧電セラミックス焼結体で、その平均結晶
粒径が１μｍ以下、かつ８０％以上が１μｍ以下の結晶
粒で構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
に関するものであり、また冷陰極管点灯回路用、特には
小型液晶ディスプレーのバックライト点灯用のインバー
タ回路部品である圧電トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶デイスプレイにあっては液
晶自体は発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。この放電管を駆動するためには、使用す
る放電管の長さや直径にもよるが、通常、数百ボルト以
上の交流の高電圧が要求される。この交流高電圧を発生
させる方法として圧電トランスを用いたインバータが特
開平５−１１４４９２号公報に開示されている。

【０００３】圧電トランスは、巻線が不要なことから構
造が非常に簡単となり、小型化、薄型化、低コスト化が
可能である。この圧電トランスの構造と特徴は、例えば
学献社発行の専門誌「エレクトロセラミックス」１９７
１年７月号の「圧電トランスの特性とその応用」に示さ
れている。

【０００４】最も一般的な圧電トランスの構成と動作を
図３を用いて以下に説明する。図３に示すものは１９５
６年に米国のＣ．Ａ．Ｒｏｓｅｎが発表したローゼン型
圧電トランスの説明用模式図である。斜線を施した部分
は特に電極部であることを示す。

【０００５】図は単板状の圧電トランスであり、図中の
２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電セラ
ミックスである。この圧電セラミックス２の図中左半分
の上下面には例えば銀焼き付けにより設けられた入力電
圧４、６の対を形成し、右側端面にも同様の方法で出力
電極８を形成する。そして圧電セラミックス２の左半分
の駆動部は厚み方向に、右半分の発電部は長さ方向にそ
れぞれ矢印に示すように分極処理を施す。

【０００６】このように形成された圧電トランスにおい
て、入力電極４、６間に交流電圧を印加するとこの圧電
セラミックス２は長さ方向に強い機械振動を生じ、これ
により右半分の発電部では圧電効果により電荷を生じ、
出力電極８と入力電極の一方、例えば入力電極６との間
に出力電圧Ｖｏが生じる。

【０００７】上記の構成の圧電トランスで得られる昇圧
比（Ｖｏ／Ｖｉ）（ここでＶｉは、入力電圧）は、
（１）式のように表される。（Ｖｏ／Ｖｉ）＝Ａ・ｋ₃₁・ｋ₃₃・Ｑ_M・Ｌ／Ｔ（１）式ここで、ｋ₃₁：横効果の電気機械結合係数、ｋ₃₃：縦効
果の電気機械結合係数、Ｑ_M：機械的品質係数、Ｌ：圧
電セラミックスの長さ、Ｔ：圧電セラミックスの厚さ、
Ａ：定数である。ｋ₃₁、ｋ₃₃、Ｑ_Mは圧電材料により決
定される材料定数であり、Ｌ、Ｔは素子の寸法形状によ
り決定される。

【０００８】前述のバックライト用に使用される圧電ト
ランスは数１００ボルト以上の高い交流高電圧が要求さ
れるため、高い昇圧比が必要とされる。そのためには、
（１）式からわかるように圧電トランス形状の厚さＴを
薄くするか、長さＬを大きくすることが有効であるが、
実装、素子強度の面から、とりうる値には自ずと限界が
ある。

【０００９】このような問題点を解決する一方法として
薄手の圧電セラミックスを積層し、駆動部側を並列接続
するような圧電トランスが例えば特公昭５２−４５４７
６号公報に開示されている。このような駆動部側が積層
された圧電トランスの例を図４に示す。なお、斜線を施
した部分は特に電極部であることを示す。ここで駆動部
は、圧電セラミックス２と内部電極３が交互に積層され
た構造になっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】圧電セラミックスは多
結晶体であるため空孔、クラックなどの内部欠陥を含ん
でいる。そのため圧電セラミックスの機械的強度は、こ
れら内部欠陥の大小および数に相関があり、内部欠陥が
小さくかつ少ない程強度が強くなる。圧電セラミックス
を圧電トランスとして使用する場合、入力電圧を高くし
ていくに従い、大振幅で振動するため振動に伴う応力に
より破壊したり、素子の内部損失の増加による発熱や昇
圧比の低下を生じたりする。このため長時間圧電トラン
スを使用していると圧電トランスとしての性能が低下
し、さらに破壊し易く信頼性が低いという問題があっ
た。

【００１１】さらに、（１）式に示すように、圧電トラ
ンス用の材質としては、電気機械結合係数ｋ₃₁、ｋ₃₃お
よび機械的品質係数Ｑ_Mの大きい材料が要求される。し
かるに従来、抗折強度が高く、かつｋ₃₁、ｋ₃₃およびＱ
_Mの大きい材料がなく、圧電トランス用材料として最適
な材料がないという問題があった。

【００１２】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、電気機械結合係数、機械的品質係数が高
く、かつ機械的強度が大で、信頼性の高い圧電トランス
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め鋭意研究の結果、発明者らは著しく構成を改善した圧
電セラミックスおよびこれを適用した圧電トランスに想
到したものである。すなわち第１の発明は、（Ｐｂ_1-a
Ｍ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃（ただしＭは、Ｓｒ、Ｂａ、
Ｃａの少なくとも１種、かつ０．０１≦ａ≦０．１０、
０．５１≦ｘ≦０．５５）にＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して
０．０５〜１．０重量％含有する組成物の焼結体であっ
て、かつ当該焼結体の断面観察像における見かけの結晶
組織は、その平均結晶粒径が１μｍ以下であるととも
に、その８０面積％以上が１μｍ以下の結晶粒径の結晶
粒で構成される圧電セラミックスである。

【００１４】また第２の発明は第１の発明におけるＭの
ところを、Ｓｒとした圧電セラミックスである。

【００１５】また第３の発明は第１、２の発明のいずれ
かに記載の圧電セラミックスを積層型圧電トランスに適
用したものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（作用）圧電セラミックスの組成中、（Ｐｂ_1-aＭ_a）
（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃のｘのところを０．５１≦ｘ≦
０．５５の範囲とすることによって、当該組成物の焼結
体はｋ₃₁およびｋ₃₃が高く、ｔａｎδ（損失）が小さく
なり、ひいては昇圧比が高く、発熱量を少なくできる。

【００１７】また上記組成物中のＰｂ原子の１〜１０原
子％をＳｒ、ＢａおよびＣａの少なくとも１種で置換す
ること、とりわけＳｒで置換することによってｋ₃₁およ
びＱ_Mをさらに高くできる。

【００１８】また上記組成物に、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して
０．０５〜１．０重量％相当のＦｅを含有させることで
Ｑ_Mをさらに高くすることができる。

【００１９】従って、上記圧電セラミックスは、高い昇
圧比の圧電トランスを得ることができるとともに、低発
熱量のため高温度下における性能劣化の心配がなく高い
効率を有する圧電トランスを得ることができる。

【００２０】さらに、上記圧電セラミックスは、焼結体
の平均結晶粒径を１μｍ以下とし、かつ１μｍ以下の結
晶粒子を８０面積％以上とすれば、結晶粒子間に空孔や
亀裂が発生し難く、因って抗折強度が強くなる。しかも
長時間連続使用しても破壊し難い、繰り返し応力下での
信頼性の高い圧電トランスを得ることができる。

【００２１】

【実施例】次に本発明の実施例につき、図と表を参照し
ながら詳細に説明する。表１は本発明の一実施例を説明
するための組成、結晶組織および特性値を纏めた表であ
る。（実施例１）初めに試料の作成方法について説明する。
まず、各出発原料の粉末を所定量秤量し、湿式ボールミ
ルで混合した後、これを乾燥し、解砕した後８００℃で
２時間仮焼して仮焼粉を作成した。この仮焼粉をライカ
イ機で解砕後湿式ボールミルで粉砕し、これを乾燥させ
て原料粉を作成した。

【００２２】さらにこの原料粉に適量の結着剤（バイン
ダ）を加えて顆粒とし、乾式プレスにより、成形圧力１
０００ｋｇ／ｃｍ²で成形し、この成形体を１１００℃
で例えば５時間焼結して焼結体を得た。

【００２３】焼結体の評価は、以下のようにして行っ
た。まず、水中置換法によりこの焼結体の密度を求め
た。さらに、圧電特性を調べるために、この焼結体から
直径１６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円板状試料を切り出
し、上下面に銀電極を焼き付け、１４０℃の絶縁油の中
で、３ｋＶ／ｍｍの分極電界を５分間印加して分極処理
を行い、評価測定用試料を作成した。

【００２４】なお、この円板状試料からは、径方向の電
気機械結合係数ｋｐおよびポアソン比σが求まるので、
次に示す（２）式から、ｋ₃₁を算出した。ｋ₃₁＝ｋｐ・｛（１−σ）／２｝^1/2（σ：ポアソン比）（２）式

【００２５】以上によって得た結果を表１に示す。表１
中のＮｏ．１、２、４の試料は（Ｐｂ_1-aＭ_a）（Ｚｒ_x
Ｔｉ_1-x）Ｏ₃のｘの値を変えたものである。これによる
と、０．５１≦ｘ≦０．５５では、ｋ₃₁の値が０．２７
〜０．３１という高い値となり、特にｘ＝０．５２で最
大となり良好な圧電特性が得られる。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１中のＮｏ．６、７の試料は、Ｐｂの一
部をＳｒに置換した試料の評価結果である。Ｓｒ置換量
が１．０および９．０原子％、すなわちａ＝０．０１お
よび０．０９の場合、ｋ₃₁はそれぞれ０．３、０．２５
となり、良好な圧電特性を得た。

【００２８】さらにＦｅ₂Ｏ₃添加量を変えた試料の評価
結果をＮｏ．１０、１１、１２に示す。この結果からＦ
ｅ₂Ｏ₃添加量が０．１、０．３、０．９重量％の各場合
にＱ_Mがそれぞれ８８０、９６０、９２０と高く、良好
な圧電特性を示した。

【００２９】（Ｐｂ_1-aＭ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃のＭ
をＳｒとし、ａ＝０．０５、ｘ＝０．５２、Ｆｅ₂Ｏ₃添
加量を０．７重量％とし、仮焼粉のボールミル粉砕時間
を１２時間、９６時間とし、その他の工程条件は前記方
法と同様として、粒度がそれぞれ１．１２μｍと０．３
０μｍである原料粉を得、これを使用して結晶粒径の大
きさが異なる焼結体を作成した。

【００３０】表１のＮｏ．１５は、上記原料粉の粒度が
０．３μｍであるものを焼結して得られた圧電セラミッ
クスである。結晶粒径の大きさおよび分布と強度につい
て示す。図１は表１のＮｏ．１５の組織を示すＳＥＭ写
真である。図に示す様に圧電セラミックスは、結晶の集
合体である結晶粒からできている。なお、図に示す組織
は、圧電セラミックスの破面を鏡面研磨し、塩酸でエッ
チングを施して結晶粒子を見易くしたものである。さら
にこのＳＥＭ写真から画像処理装置を用いて結晶粒径を
測定し、統計処理することで平均結晶粒径と粒径の分布
を求めた。

【００３１】その結果、本実施例では、平均結晶粒径は
０．５６μｍで、結晶粒径１μｍ以下の結晶粒子は９５
面積％であった。さらに、三点曲げ強度試験により抗折
強度を求めると２１００ｋｇ／ｃｍ²であり、高い抗折
強度が得られた。

【００３２】（比較例１）表１中Ｎｏ．３および５は、
比較例としてｘの値が０．５１≦ｘ≦０．５５の範囲外
にある時の圧電特性を示す。Ｎｏ．３に示すｘ＝０．５
では、ｋ₃₁が０．２３と低く、ｘ＝０．５６ではｋ₃₁が
０．２３でかつｔａｎδが０．４５％と高い値を示し圧
電特性が不良となっている。

【００３３】次にＰｂをＳｒで置換した時の比較例をＮ
ｏ．８に示す。Ｓｒ置換量ａがａ＝０．１１では、ｋ₃₁
が０．２３、Ｑ_Mが８８０と低く、一方、ｔａｎδは
０．４２％と高く圧電特性が不良となっている。

【００３４】Ｆｅ₂Ｏ₃含有量を変えた時の比較例をＮ
ｏ．９、１３に示す。Ｎｏ．９で含有量０重量％の時、
Ｑ_Mが５２０と低く、Ｎｏ．１３では密度が７．６５ｇ
／ｃｃと低く、抗折強度も低下しているので好ましくな
い。

【００３５】表１のＮｏ．１４に原料粉の粒度が１．１
２μｍのものを使用して得た焼結体の平均結晶粒径、１
μｍ以下の結晶粒子の分布および抗折強度を示す。この
結果から、平均結晶粒径が１μｍ以上であると密度が低
くかつ抗折強度も低い。

【００３６】また、Ｎｏ．１６に示すように、原料粉の
粒度が０．３μｍと１．１２μｍのものを等量混合した
原料粉を用い、これを焼結して得られた圧電セラミック
スは、平均結晶粒径が１μｍ以下である一方、１μｍ以
下の結晶粒は８０面積％以下である。図２にＮｏ．１６
の焼結体の組織のＳＥＭ写真を示す。評価の結果は、実
施例に比べ抗折強度が低かった。

【００３７】（実施例２）本発明で得られた圧電セラミ
ックスからなる圧電トランスの特性について説明する。
本実施例では、図４に示した積層体からなる圧電トラン
スを作成し、特性を評価した。この圧電トランスは、圧
電セラミックス２と内部電極３が交互に２０層程積層さ
れた駆動部の構造となっている。

【００３８】圧電トランス作成の詳細について以下に説
明する。（Ｐｂ_1-aＭ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃のＭをＳ
ｒとし、ａ＝０．０５、ｘ＝０．５２、Ｆｅ₂Ｏ₃添加量
を０．７重量％とし、仮焼粉を３６時間ボールミル粉砕
して得られた粒度が０．５３μｍの原料粉に有機溶媒を
添加してスラリー状とし、さらにこれをシート成形機
（ドクターブレード法）でシート化して、厚さ約１００
μｍのシートを作成した。

【００３９】次に、このシートに内部電極３を印刷形成
し積層後所定形状に切断したのち焼結して２５ｘ８ｘ
（厚さ）１．６ｍｍの焼結体を得た。焼結体には、図４
に示すように駆動部に入力電極６と発電部に出力電極８
を、銀を８００℃で焼き付けて形成し、さらに実施例１
と同様にして、駆動部および発電部を分極した。

【００４０】以上のようにして得られた圧電トランスの
特性を表２に示す。本発明の圧電トランスは、抗折強
度、効率および昇圧比が高く、発熱量が少ない。

【００４１】

【表２】

【００４２】（比較例２）実施例２に示したのと同様の
組成で、仮焼粉の粉砕時間を１２時間と短くすること
で、粒度が１．１２μｍの原料粉を得、これを用いて、
以下実施例２と同様の方法で作成した、焼結体の平均結
晶粒径が１．８μｍ、１μｍ以下の結晶粒子が２１面積
％である圧電トランスの特性を比較例２として表２に示
す。

【００４３】この圧電トランスは、実施例２に較べて抗
折強度、効率、昇圧比が低く、発熱量は多いことが解
る。

【００４４】（実施例３）実施例１、実施例２における
Ｓｒのところを、Ｓｒの全量を１００原子％としたとき
の比率で、全量Ｂａに置換した試料、全量Ｃａに置換し
た試料、Ｓｒ４０原子％Ｂａ６０原子％に置換した試
料、Ｓｒ４０原子％Ｃａ６０原子％に置換した試料、Ｂ
ａ５０原子％Ｃａ５０原子％に置換した試料、およびＳ
ｒ５０原子％Ｂａ３０原子％Ｃａ２０原子％に置換した
試料をそれぞれ作成した。

【００４５】実施例１、実施例２の場合と同様の方法と
手順で評価および確認したところ、いずれの試料におい
ても、実施例１、実施例２の場合とほぼ同様の結果と効
果を得た。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、抗
折強度、効率および昇圧比が高く、発熱量が少なく信頼
性の高い圧電トランスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る結晶組織の顕微鏡写真
である。

【図２】第１の比較例に係る結晶組織の顕微鏡写真であ
る。

【図３】ローゼン型圧電トランスの構造を説明するため
の斜視図である。

【図４】積層型圧電トランスの構造を説明するための斜
視図である。

【符号の説明】

２圧電セラミックス、３内部電極、４、６入力電
極、８出力電極、１０入力電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ｐｂ_1-aＭ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ
₃（ただしＭは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａの少なくとも１種、
かつ０．０１≦ａ≦０．１０、０．５１≦ｘ≦０．５
５）にＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０５〜１．０重量
％含有する組成物の焼結体であって、かつ当該焼結体の
断面観察像における見かけの結晶組織は、その平均結晶
粒径が１μｍ以下であるとともに、その８０面積％以上
が１μｍ以下の結晶粒径の結晶粒で構成されていること
を特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】（Ｐｂ_1-aＳｒ_a）（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃
（ただし、０．０１≦ａ≦０．１０、０．５１≦ｘ≦
０．５５）にＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０５〜１．
０重量％含有する組成物の焼結体であって、かつ当該焼
結体の断面観察像における見かけの結晶組織は、その平
均結晶粒径が１μｍ以下であるとともに、その８０面積
％以上が１μｍ以下の結晶粒径の結晶粒で構成されてい
ることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項３】請求項１、２の何れかに記載の圧電セラ
ミックスを積層型圧電トランスに適用したことを特徴と
する圧電トランス。