专利名称：压电陶瓷组合物和由该组合物制得的高输出功率变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于压电变压器等中的压电陶瓷组合物。具体地说，本发明涉及一种其中机械品质因数Qm，机电耦合因数Kp且介电常数优异的压电陶瓷组合物，和涉及一种由该组合物制得的高输出功率变压器。
压电陶瓷的发现是从1940年代中期发现BaTiO3开始的，且然后开发出具有更优异压电性能的Pb(Zr,Ti)O3(下面将简称为“PZT”)。这个材料已广泛地用在高压发电机、超声装置、音响设备、通讯装置和其它各种传感器中。
PZT是PbZrO3和PbTiO3的固溶体形式，且具有钙钛矿的结构，而它具有优异的压电陶瓷性能。为了制得比这个两组分体系更容易的组成变体和提高改进压电性能，已开发出三组分体系复合钙钛矿化合物。在这些三组分体系化合物中，注意力聚集于Pb(Mg,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3,Pb(Mg,Ta)O3-Pb(Zr,Ti)O3和Pb(Mg,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3。
最近报道了一种压电陶瓷组合物，其中烧结密度得以改进且通过PSN-PZT系列，即{Pb[Sb1/2Nb1/2]O3-PZT系列+MnO2}(Hiromu Ohuchi；J.Appl.Phys.Vol.34(1995)99 5298-5302)机电耦合因数上升至0.57。然而，这个陶瓷组合物的介电常数(700)和机械品质因数(1000)是低的，且因此，它不能用在高输出功率装置中。
当点燃时，通常的荧光灯的阻抗是低至几百至几欧姆，而它们的输出功率是高的，即在10-100瓦的数量级。如果压电陶瓷材料是用于高功率，首先必须解决发热、非线性、压电性能的退化和机械强度。为了解决这个问题，首先即使在高输出功率下机械品质因数和机电耦合因数也必须是高的，以致于能量转化效率能够提高以降低内耗以致于减少热辐射。其次，机械振荡是高的，且因此，颗粒尺寸必须制成精细的、由此增加机械强度。
如果压电材料是用在高能荧光灯的变压器中，那么变压器的结构以及材料的物理性能是重要的。
图1显示了用在转换器中的压电变压器的典型实例。这个变压器是在其中使用横向振荡和纵向振荡的Rosen型。这个变压器的使用是限于高电压和低电流输出。在图1的压电变压器10中，一对输入电极14是分别在压电块的底面和顶部形成。输出端由附着在压电块侧面上并在纵向上极化的电极16组成。如果压电变压器被升高电压，那么对应于共振频率的交流电压是施加至输入电极14上。然后施加的电信号是转变成压电块12附近的输入电极的横向的强机械振荡。这个振荡导致输出边的纵向振荡，且结果，通过输出电极16输出具有与输入频率相同的频率的高电压。当输入电压的频率是与输出侧的振荡频率相同时，电压升高变得最大。在这个条件下，压电变压器的电压升高的比率是依赖于载荷的阻抗。那就是说，如果载荷的低阻抗是连接至输出侧，电压升高的比率变得少于几分。根据所使用的灯的类型(其中压电变压器是在冷阴极射线管或荧光灯中使用)载荷阻抗的量是不同的。如果压电变压器是在优化条件下制得的，那么高的升压比可得以维持。由此在点燃之前连接高阻抗，和在点燃之后降低载荷阻抗的正常情况下，可保持足够的升压比，以致于可在冷阴极射线管或荧光灯中。
最近，已公知一种滤波器10，其中振荡模式是显示在图2中。输入电极14是在压电块12的顶面形成且输出电极16是在输入电极14周围形成并与其保持一定的距离。在压电块12的底面，形成了第二电极18，其是以共电极。如果将电压施加至输入电极14，那么施加的电信号就转换成从中心到周边部分的机械振荡，且然后正比于机械振荡的输出信号通过输出电极16输出。然而，如果这个结构是用在高功率装置中，那么有应力施加至边缘部分的中间，结果是设备被损坏或它的效率降低。
如上述，如果压电陶瓷是用在高输出功率装置中，那么介电常数、机械品质因数Qm和机电耦合因数Kp的问题必须首先解决，且也必须提供变压器的合适结构。
本发明是旨在解决现有技术的上述问题。
因此，本发明的目的是提供一种压电陶瓷组合物，其中介电常数是1320或更多，机电耦合因数是0.520或更多，且机械品质因数是1440或更多，且使用该压电陶瓷组合物制得高输出功率压电变压器。
本发明的另一目的是提供一高输出功率压电变压器，其中压电陶瓷组合物是用于制造变压器，以致于满足高输出功率特性，且通过设计特定的电极使操作是稳定的。
为达到上述的目的，本发明的压电陶瓷组合物包括Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.500)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
在本发明的另一方面，本发明的高输出功率的压电变压器是通过使用满足下列条件的压电陶瓷组合物而制得Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
在本发明的又一方面，本发明的压电陶瓷组合物包括由Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.500)1-x]O3+yPbO+zMnO组成的压电块，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少；由一内电极和一外电极组成的第一电极，内电极是在压电块的顶面的中心形成而外电极是通过一隔离区分开而在内电极的周围形成；和在压电块底面的形成的第二电极。
图4是显示本发明的压电变压器的阻抗特性的图示；图5是显示压电变压器的升压比相对于频率和负载电阻的图示；图6是显示压电变压器的效率相对于负载电阻的图示；图7是显示压电变压器的发热相对于共振频率下输出功率的图示；图8是显示压电变压器的输出相对于共振频率下输入电压的图示；本发明的压电陶瓷组合物包括下列组分。即向Pb(Zr,Ti)O3的双组分体系中添加[1]用于增长机械品质因数Qm和机电耦合因数Kp的Pb[(Sb1/2Nb1/2)O3；和[2]用于提高介电常数以使得该组合物适合于高输出功率的MnO。
现在将描述限制本发明的组合物中的组分含量的原因。
在本发明中的压电陶瓷组合物中的组分(Sb1/2Nb1/2)，为增加机械品质因数和机电耦合因数，x应优选是0.01摩尔％以上，但如果它超过0.05摩尔％后，过量的效果就不明显了。因此，x应优选限制在0.01-0.05摩尔％。
同时，在用于补偿PbO蒸发损失而加入的yPbO中，y应优选限制为0.3-0.6重量％，其理由如下。那就是说，如果PbO是少于0.3重量％，PbO就变得不足以补偿蒸发的损失，而如果它超过0.6重量％,PbO就变得十分过量。
而且，MnO改进了介电常数，同时没有恶化机械品质因数。如果它的含量超过0.7重量％，介电常数明显地下降，且因此，它应优选为0.7重量％或更低。
因此，通过提供上述的压电陶瓷组合物，可得到下列性能。那就是说，介电常数是1367或更多，机电耦合因数是0.520或更多，和机械品质因数是1440或更多。
而且，可通过上述的压电陶瓷组合物得到具有高输出功率的压电变压器。
同时，本发明也提供一种压电变压器，其中压电陶瓷组合物是用于制造变压器以使其满足高输出功率特性，且通过设计特定的电极而使操作是稳定的。
将参照图2的周界振荡模式对本发明进行描述。图2显示了电压升高和此后升高电压的输出的原理。
那就是说，如果电信号是通过输入电极14和第二电极18(其是共电极)输入的，这些电信号在压电块12中转变成机械振荡，且然后，正比于机械振荡的信号通过输出电极16输出。
压电块12的机械振荡在四角处(见平面图)是最大的，且在四边的中间部分是最小的。图2中四角的箭头表示振荡的振幅。
振荡的幅度根据化学组成和施加电压的量可以是不同的。更详细地说，在压电块12的四角处的机械振荡是最大的，而且在四边的中间部分(图2中的P点)是最小的。因此，压电块12的中心具有最大的应力，和四边的中间部分具有其次大的应力。因此，应力的产生使得在各边的中间部分产发热量，且结果，压电块12遭受严重伤害。
通常地，当输入电信号以转变成机械振荡时，在输入和输出电极附近振荡最强。因此，如果电极的尺寸在中间点P降低，那么振荡的量就降低，结果是应力较不严重地产生，由此使它可能降低热量的产生。基于这个原理，本发明设计出最佳电极形状。
由此，使没有形成电极的隔离区接近于压电块的最小振荡区P，以致于在最小振荡区的电极的体积可降低至最小。那就是说，隔离区的角部最接近于压电块的最小振荡点。也就是说，离压电块的最小振荡点最近的隔离区的点离压电块的中心最远(在从压电块的中心到隔离区所有的距离中)。如图3中的实例所示，内电极114的四角是延伸到压电块112的各边的中心点P。同时，将隔离区115设计成使它的四角是最接近于压电块112的各边的中心点P。由此，内电极114和隔离区115应优选具有菱形(diamond shape)。
如果内电极114和隔离区115被设计成具有菱形，那么横向的机电耦合因数Kp变得比纵向的耦合因数K31更大。因此，能量效率得以改进且输出侧的容量得以增长，导致输出侧的阻抗降低。相应地，可以升高功率。而且，输入电极被设计成具有菱形，那么升压比相对地降低。因此，这种类型对用在在点燃过程中阻抗低的荧光灯中是有利的。
当外电极和内电极的面积比[(γ2-β2)/α2，其中α,β和γ是如图3中所示]是1.5-3.14时，在本发明的压电块112的顶面形成的第一电极表现出最小的发热性。而且，如果第一电极的内电极是被制成一个输出电极，和如果外电极被制成一个输入电极以形成反向激励型，那么变压器具有最稳定的操作特性。
在上述中，第一电极的内电极114的一个实例是表现为菱形，但它不限于这个形状。在多边形压电块中，如果接近于压电块的各边的中心点的一部分电极是制成更小的，那么所得到的应力变得更小。结果发热性相应地降低，且本发明是基于这个原理。相应地，电极的设计可以多种方式进行。
下面将基于实际的实例对本发明进行更详细地描述。
再次利用氧化锆球体将煅烧后的测试材料压碎，并在电子炉中再次干燥，再次将煅烧后的测试材料通过100目的筛网，且然后，加入PVA溶液以将它们均匀混合。然后，通过单长轴成型方法或CIP方法并施加7000-20000psi的等压力制得测试材料。所制得的制品在1200℃的温度下进行焙烧。在焙烧之后，通过使用砂纸和SiC粉末将试件磨碎成1mm的厚度。然后，通过超声洗涤器将它们在丙酮中洗涤。然后通过丝漏方法喷涂银膏，且然后，电极是基于高温极化方法进行极化。在制成电极之后，将试件放入至120℃的硅油中，且然后施加30KV/cm的电场30分钟，由此极化电极。然后测量压电性能。
表1
表2
实施例2将具有实施例1的组合物S2的试件制成下表3的四个试样(PT1,PT2,PT3和PT4)。然后制成电极，且随后在25KV/cm的电场下进行极化30分钟，由此制得压电变压器。
表3
检查图3的压电变压器的输出端的阻抗特性并将它们显示在表4中，同时测量机电耦合因数和机械品质因数以将它们显示在表5中。表4
从上表4中可以看出，压电变压器的输出端的阻抗是685-936欧姆，且因此，认为它们中的所有均是与荧光灯的负载匹配。表5
如上表5所示，就有效的机电耦合因数和有效的机械品质因数而言，PT2变压器显示出优化的综合值。
对于表3中的PT1,PT2,PT3和PT4的压电变压器，观察到共振频率和变压器的总尺寸相对于输出端至输入端的面积比发生偏移，且结果显示在图4中。
在图4中，实线是菱形内电极的阻抗曲线，而点线是外电极的阻抗曲线。
随着菱形部分的面积即输入电极增长，输入端的Δf[kHz](fa-fr)是大大地增长。因此，机电转换效率得以提高，以致于面积振荡将是极佳的。另外，如果Δf在输入端和输出端均达到最大，那么输入和输出端的共振频率必须相互匹配。在压电变压器在共振频率下激励时，如果输入和输出端的共振频率相互匹配，那么输出功率和效率可被最大化。因此，PT3的压电变压器是最适合的。
而且，在表5中，显示了压电变压器相对负载电阻和频率的升压比。在所有情况下输入电压均是200[V]，且测量是分别在300Ω、500Ω、800Ω、1KΩ、2.5KΩ和零负载的负载电阻下进行测量。
如果压电变压器将用在荧光灯中，在零负载和500Ω的升压比是重要的。在14瓦特(T5,16毫米)的荧光灯情况下，但在点燃后电阻降低至500Ω。在14瓦特(T5)的情况下，具有的特征是初始点燃电压为230[V]或更多，点燃后的输出电压为82[V]且输出电流为172[mA]。在输入电压是220[V]的情况下，压电变压器必须显示在零载荷在激励频率下的升压比为1.04，且在500Ω的载荷阻抗下的升压比为0.373。因此，如果仅仅考虑升压比，PT3的压电变压器在零载荷在激励频率(74KHz)下的升压比为2.928，且在500Ω的载荷阻抗下的升压比为0.344。因此，这个类型是最适合。
而且，图6显示了相对于负载电阻的效率的测量结果。在所有压电变压器中效率均是90％或更高。除PT1之外，随着压电变压器的输入电极的面积增长，发现最大效率处的负载增长了。而且，压电变压器PT3和PT4中，在800Ω和1KΩ处的效率分别是98.6％和98.2％。
图7是显示相对于在共振频率处的输出功率的压电变压器的发热情况。在压电变压器中，随着输出功率的增长，发热性易于增长。这被认为是由于振荡速度随着输出电流增长的结果。对由于PT1-PT4中的输出电流而导致的温度升高的测量显示，随压电变压器的输入电极的面积而增长，温升首先下降而然后再次增长。这明显是由于阻抗相对于压电变压器的输出与输入比率的变化。而且，对于PT3在800Ω的负载电阻下显示最小的发热性的原因可参照表4进行描述。这是因为PT3的压电变压器的输出阻抗是789Ω，基本上等价于800Ω的负载电阻。
图8是显示压电变压器的输出功率相对于共振频率下的输入电压的图示。在所有压电变压器中输出功率易于随着输入电压的增长而增长。PT2的压电变压器在输入功率为350[V]和在800Ω的负载电阻下显示出33.5[W]的最大输出功率，由此显示最高的输出特性。
表6
从表6中所示，除PT1外，温度升高是低于10℃。且由此，在所有其它的压电变压器中，所得的值是相对稳定的。PT1的压电变压器在发热性最高的原因是输入端的面积太小，且因此，小输入端几乎不能抵抗14瓦或更多的输入功率。在PT2中升温最低的原因被认为是由于它比其它变压器更接近于等效电阻500Ω。随着菱形部分的面积增长，即输入端增长，所以输入电压是增长了。那就是说，在初始点燃时和在激励频率点燃之后的升压比是重要的。在研究本发明的过程中，已确认输入电压的增长是相关于在输出端的共振过程中的阻抗Zr。随着Zr的值增长，输入电压Vin大大增长。因此，在设计压电变压器时，荧光灯的负载与压电变压器的输出阻抗正确匹配是重要的条件。而且，为了抑制压电变压器的升温，输入与输出匹配是重要的。
根据如上述的本发明的压电变压器(1)它具有优异的特性，以致于介电常数1320-1372，机电耦合因数是0.520-0.534和机械品质因数是1440-1487；(2)发现在300-2.5Ω的负载电阻时效率是90％或更多，在800Ω的最大效率是98.6％；和(3)升温是7℃或更低，且因此，在220[V]处的应用性将是优异的。
权利要求
1.一种压电陶瓷组合物，其包含Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
2.如权利要求1的压电陶瓷组合物，其中确保介电常数是1320或更多，机电耦合因数是0.520或更多，且机械品质因数是1440或更多。
3.一种通过使用满足下列条件的压电陶瓷组合物而制得的高输出功率的压电变压器Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
4.一种高输出功率的压电变压器，其包含Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩尔％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少；由一内电极和一外电极组成的第一电极，所述内电极是在压电块的顶面的中心形成而所述外电极是通过一隔离区分开而在内电极的周围形成；和在压电块底面的形成的第二电极。
5.如权利要求4的高输出功率的压电变压器，其中在从压电块的中心到隔离区的各边的所有距离中，最接近于所述压电块的最小振荡点的所述隔离区的点离压电块的中心的距离是最远的。
6.如权利要求5的高输出功率的压电变压器，其中所述的隔离区是具有菱形。
7.如权利要求4-6任一的高输出功率的压电变压器，其中所述外电极和所述内电极的面积比[(γ2-β2)/α2]是处于3.1-4.85的范围。
8.如权利要求4-6任一的高输出功率的压电变压器，其中所述内电极是输出电极，而所述外电极是输入电极，以形成反向激励类型。
全文摘要
本发明公开了一种介电常数、机械品质因数Q
文档编号H01L41/187GK1323043SQ0013469
公开日2001年11月21日 申请日期2000年12月5日 优先权日2000年5月4日
发明者金钟宣, 刘忠植, 柳周铉, 李龙雨 申请人:三星电机株式会社