專利名稱：壓電陶瓷組合物和由該組合物制得的高輸出功率變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于壓電變壓器等中的壓電陶瓷組合物。具體地說，本發(fā)明涉及一種其中機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm，機(jī)電耦合因數(shù)Kp且介電常數(shù)優(yōu)異的壓電陶瓷組合物，和涉及一種由該組合物制得的高輸出功率變壓器。
壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)是從1940年代中期發(fā)現(xiàn)BaTiO3開始的，且然后開發(fā)出具有更優(yōu)異壓電性能的Pb(Zr,Ti)O3(下面將簡稱為“PZT”)。這個材料已廣泛地用在高壓發(fā)電機(jī)、超聲裝置、音響設(shè)備、通訊裝置和其它各種傳感器中。
PZT是PbZrO3和PbTiO3的固溶體形式，且具有鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，而它具有優(yōu)異的壓電陶瓷性能。為了制得比這個兩組分體系更容易的組成變體和提高改進(jìn)壓電性能，已開發(fā)出三組分體系復(fù)合鈣鈦礦化合物。在這些三組分體系化合物中，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。
最近報(bào)道了一種壓電陶瓷組合物，其中燒結(jié)密度得以改進(jìn)且通過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)機(jī)電耦合因數(shù)上升至0.57。然而，這個陶瓷組合物的介電常數(shù)(700)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(1000)是低的，且因此，它不能用在高輸出功率裝置中。
當(dāng)點(diǎn)燃時，通常的熒光燈的阻抗是低至幾百至幾歐姆，而它們的輸出功率是高的，即在10-100瓦的數(shù)量級。如果壓電陶瓷材料是用于高功率，首先必須解決發(fā)熱、非線性、壓電性能的退化和機(jī)械強(qiáng)度。為了解決這個問題，首先即使在高輸出功率下機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合因數(shù)也必須是高的，以致于能量轉(zhuǎn)化效率能夠提高以降低內(nèi)耗以致于減少熱輻射。其次，機(jī)械振蕩是高的，且因此，顆粒尺寸必須制成精細(xì)的、由此增加機(jī)械強(qiáng)度。
如果壓電材料是用在高能熒光燈的變壓器中，那么變壓器的結(jié)構(gòu)以及材料的物理性能是重要的。

圖1顯示了用在轉(zhuǎn)換器中的壓電變壓器的典型實(shí)例。這個變壓器是在其中使用橫向振蕩和縱向振蕩的Rosen型。這個變壓器的使用是限于高電壓和低電流輸出。在圖1的壓電變壓器10中，一對輸入電極14是分別在壓電塊的底面和頂部形成。輸出端由附著在壓電塊側(cè)面上并在縱向上極化的電極16組成。如果壓電變壓器被升高電壓，那么對應(yīng)于共振頻率的交流電壓是施加至輸入電極14上。然后施加的電信號是轉(zhuǎn)變成壓電塊12附近的輸入電極的橫向的強(qiáng)機(jī)械振蕩。這個振蕩導(dǎo)致輸出邊的縱向振蕩，且結(jié)果，通過輸出電極16輸出具有與輸入頻率相同的頻率的高電壓。當(dāng)輸入電壓的頻率是與輸出側(cè)的振蕩頻率相同時，電壓升高變得最大。在這個條件下，壓電變壓器的電壓升高的比率是依賴于載荷的阻抗。那就是說，如果載荷的低阻抗是連接至輸出側(cè)，電壓升高的比率變得少于幾分。根據(jù)所使用的燈的類型(其中壓電變壓器是在冷陰極射線管或熒光燈中使用)載荷阻抗的量是不同的。如果壓電變壓器是在優(yōu)化條件下制得的，那么高的升壓比可得以維持。由此在點(diǎn)燃之前連接高阻抗，和在點(diǎn)燃之后降低載荷阻抗的正常情況下，可保持足夠的升壓比，以致于可在冷陰極射線管或熒光燈中。
最近，已公知一種濾波器10，其中振蕩模式是顯示在圖2中。輸入電極14是在壓電塊12的頂面形成且輸出電極16是在輸入電極14周圍形成并與其保持一定的距離。在壓電塊12的底面，形成了第二電極18，其是以共電極。如果將電壓施加至輸入電極14，那么施加的電信號就轉(zhuǎn)換成從中心到周邊部分的機(jī)械振蕩，且然后正比于機(jī)械振蕩的輸出信號通過輸出電極16輸出。然而，如果這個結(jié)構(gòu)是用在高功率裝置中，那么有應(yīng)力施加至邊緣部分的中間，結(jié)果是設(shè)備被損壞或它的效率降低。
如上述，如果壓電陶瓷是用在高輸出功率裝置中，那么介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和機(jī)電耦合因數(shù)Kp的問題必須首先解決，且也必須提供變壓器的合適結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種壓電陶瓷組合物，其中介電常數(shù)是1320或更多，機(jī)電耦合因數(shù)是0.520或更多，且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是1440或更多，且使用該壓電陶瓷組合物制得高輸出功率壓電變壓器。
本發(fā)明的另一目的是提供一高輸出功率壓電變壓器，其中壓電陶瓷組合物是用于制造變壓器，以致于滿足高輸出功率特性，且通過設(shè)計(jì)特定的電極使操作是穩(wěn)定的。
為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明的壓電陶瓷組合物包括Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.500)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的高輸出功率的壓電變壓器是通過使用滿足下列條件的壓電陶瓷組合物而制得Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明的壓電陶瓷組合物包括由Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.500)1-x]O3+yPbO+zMnO組成的壓電塊，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少；由一內(nèi)電極和一外電極組成的第一電極，內(nèi)電極是在壓電塊的頂面的中心形成而外電極是通過一隔離區(qū)分開而在內(nèi)電極的周圍形成；和在壓電塊底面的形成的第二電極。
圖4是顯示本發(fā)明的壓電變壓器的阻抗特性的圖示；圖5是顯示壓電變壓器的升壓比相對于頻率和負(fù)載電阻的圖示；圖6是顯示壓電變壓器的效率相對于負(fù)載電阻的圖示；圖7是顯示壓電變壓器的發(fā)熱相對于共振頻率下輸出功率的圖示；圖8是顯示壓電變壓器的輸出相對于共振頻率下輸入電壓的圖示；本發(fā)明的壓電陶瓷組合物包括下列組分。即向Pb(Zr,Ti)O3的雙組分體系中添加[1]用于增長機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和機(jī)電耦合因數(shù)Kp的Pb[(Sb1/2Nb1/2)O3；和[2]用于提高介電常數(shù)以使得該組合物適合于高輸出功率的MnO。
現(xiàn)在將描述限制本發(fā)明的組合物中的組分含量的原因。
在本發(fā)明中的壓電陶瓷組合物中的組分(Sb1/2Nb1/2)，為增加機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合因數(shù)，x應(yīng)優(yōu)選是0.01摩爾％以上，但如果它超過0.05摩爾％后，過量的效果就不明顯了。因此，x應(yīng)優(yōu)選限制在0.01-0.05摩爾％。
同時，在用于補(bǔ)償PbO蒸發(fā)損失而加入的yPbO中，y應(yīng)優(yōu)選限制為0.3-0.6重量％，其理由如下。那就是說，如果PbO是少于0.3重量％，PbO就變得不足以補(bǔ)償蒸發(fā)的損失，而如果它超過0.6重量％,PbO就變得十分過量。
而且，MnO改進(jìn)了介電常數(shù)，同時沒有惡化機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。如果它的含量超過0.7重量％，介電常數(shù)明顯地下降，且因此，它應(yīng)優(yōu)選為0.7重量％或更低。
因此，通過提供上述的壓電陶瓷組合物，可得到下列性能。那就是說，介電常數(shù)是1367或更多，機(jī)電耦合因數(shù)是0.520或更多，和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是1440或更多。
而且，可通過上述的壓電陶瓷組合物得到具有高輸出功率的壓電變壓器。
同時，本發(fā)明也提供一種壓電變壓器，其中壓電陶瓷組合物是用于制造變壓器以使其滿足高輸出功率特性，且通過設(shè)計(jì)特定的電極而使操作是穩(wěn)定的。
將參照圖2的周界振蕩模式對本發(fā)明進(jìn)行描述。圖2顯示了電壓升高和此后升高電壓的輸出的原理。
那就是說，如果電信號是通過輸入電極14和第二電極18(其是共電極)輸入的，這些電信號在壓電塊12中轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩，且然后，正比于機(jī)械振蕩的信號通過輸出電極16輸出。
壓電塊12的機(jī)械振蕩在四角處(見平面圖)是最大的，且在四邊的中間部分是最小的。圖2中四角的箭頭表示振蕩的振幅。
振蕩的幅度根據(jù)化學(xué)組成和施加電壓的量可以是不同的。更詳細(xì)地說，在壓電塊12的四角處的機(jī)械振蕩是最大的，而且在四邊的中間部分(圖2中的P點(diǎn))是最小的。因此，壓電塊12的中心具有最大的應(yīng)力，和四邊的中間部分具有其次大的應(yīng)力。因此，應(yīng)力的產(chǎn)生使得在各邊的中間部分產(chǎn)發(fā)熱量，且結(jié)果，壓電塊12遭受嚴(yán)重傷害。
通常地，當(dāng)輸入電信號以轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩時，在輸入和輸出電極附近振蕩最強(qiáng)。因此，如果電極的尺寸在中間點(diǎn)P降低，那么振蕩的量就降低，結(jié)果是應(yīng)力較不嚴(yán)重地產(chǎn)生，由此使它可能降低熱量的產(chǎn)生?；谶@個原理，本發(fā)明設(shè)計(jì)出最佳電極形狀。
由此，使沒有形成電極的隔離區(qū)接近于壓電塊的最小振蕩區(qū)P，以致于在最小振蕩區(qū)的電極的體積可降低至最小。那就是說，隔離區(qū)的角部最接近于壓電塊的最小振蕩點(diǎn)。也就是說，離壓電塊的最小振蕩點(diǎn)最近的隔離區(qū)的點(diǎn)離壓電塊的中心最遠(yuǎn)(在從壓電塊的中心到隔離區(qū)所有的距離中)。如圖3中的實(shí)例所示，內(nèi)電極114的四角是延伸到壓電塊112的各邊的中心點(diǎn)P。同時，將隔離區(qū)115設(shè)計(jì)成使它的四角是最接近于壓電塊112的各邊的中心點(diǎn)P。由此，內(nèi)電極114和隔離區(qū)115應(yīng)優(yōu)選具有菱形(diamond shape)。
如果內(nèi)電極114和隔離區(qū)115被設(shè)計(jì)成具有菱形，那么橫向的機(jī)電耦合因數(shù)Kp變得比縱向的耦合因數(shù)K31更大。因此，能量效率得以改進(jìn)且輸出側(cè)的容量得以增長，導(dǎo)致輸出側(cè)的阻抗降低。相應(yīng)地，可以升高功率。而且，輸入電極被設(shè)計(jì)成具有菱形，那么升壓比相對地降低。因此，這種類型對用在在點(diǎn)燃過程中阻抗低的熒光燈中是有利的。
當(dāng)外電極和內(nèi)電極的面積比[(γ2-β2)/α2，其中α,β和γ是如圖3中所示]是1.5-3.14時，在本發(fā)明的壓電塊112的頂面形成的第一電極表現(xiàn)出最小的發(fā)熱性。而且，如果第一電極的內(nèi)電極是被制成一個輸出電極，和如果外電極被制成一個輸入電極以形成反向激勵型，那么變壓器具有最穩(wěn)定的操作特性。
在上述中，第一電極的內(nèi)電極114的一個實(shí)例是表現(xiàn)為菱形，但它不限于這個形狀。在多邊形壓電塊中，如果接近于壓電塊的各邊的中心點(diǎn)的一部分電極是制成更小的，那么所得到的應(yīng)力變得更小。結(jié)果發(fā)熱性相應(yīng)地降低，且本發(fā)明是基于這個原理。相應(yīng)地，電極的設(shè)計(jì)可以多種方式進(jìn)行。
下面將基于實(shí)際的實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
再次利用氧化鋯球體將煅燒后的測試材料壓碎，并在電子爐中再次干燥，再次將煅燒后的測試材料通過100目的篩網(wǎng)，且然后，加入PVA溶液以將它們均勻混合。然后，通過單長軸成型方法或CIP方法并施加7000-20000psi的等壓力制得測試材料。所制得的制品在1200℃的溫度下進(jìn)行焙燒。在焙燒之后，通過使用砂紙和SiC粉末將試件磨碎成1mm的厚度。然后，通過超聲洗滌器將它們在丙酮中洗滌。然后通過絲漏方法噴涂銀膏，且然后，電極是基于高溫極化方法進(jìn)行極化。在制成電極之后，將試件放入至120℃的硅油中，且然后施加30KV/cm的電場30分鐘，由此極化電極。然后測量壓電性能。
表1
表2
實(shí)施例2將具有實(shí)施例1的組合物S2的試件制成下表3的四個試樣(PT1,PT2,PT3和PT4)。然后制成電極，且隨后在25KV/cm的電場下進(jìn)行極化30分鐘，由此制得壓電變壓器。
表3
檢查圖3的壓電變壓器的輸出端的阻抗特性并將它們顯示在表4中，同時測量機(jī)電耦合因數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)以將它們顯示在表5中。表4
從上表4中可以看出，壓電變壓器的輸出端的阻抗是685-936歐姆，且因此，認(rèn)為它們中的所有均是與熒光燈的負(fù)載匹配。表5
如上表5所示，就有效的機(jī)電耦合因數(shù)和有效的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)而言，PT2變壓器顯示出優(yōu)化的綜合值。
對于表3中的PT1,PT2,PT3和PT4的壓電變壓器，觀察到共振頻率和變壓器的總尺寸相對于輸出端至輸入端的面積比發(fā)生偏移，且結(jié)果顯示在圖4中。
在圖4中，實(shí)線是菱形內(nèi)電極的阻抗曲線，而點(diǎn)線是外電極的阻抗曲線。
隨著菱形部分的面積即輸入電極增長，輸入端的Δf[kHz](fa-fr)是大大地增長。因此，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率得以提高，以致于面積振蕩將是極佳的。另外，如果Δf在輸入端和輸出端均達(dá)到最大，那么輸入和輸出端的共振頻率必須相互匹配。在壓電變壓器在共振頻率下激勵時，如果輸入和輸出端的共振頻率相互匹配，那么輸出功率和效率可被最大化。因此，PT3的壓電變壓器是最適合的。
而且，在表5中，顯示了壓電變壓器相對負(fù)載電阻和頻率的升壓比。在所有情況下輸入電壓均是200[V]，且測量是分別在300Ω、500Ω、800Ω、1KΩ、2.5KΩ和零負(fù)載的負(fù)載電阻下進(jìn)行測量。
如果壓電變壓器將用在熒光燈中，在零負(fù)載和500Ω的升壓比是重要的。在14瓦特(T5,16毫米)的熒光燈情況下，但在點(diǎn)燃后電阻降低至500Ω。在14瓦特(T5)的情況下，具有的特征是初始點(diǎn)燃電壓為230[V]或更多，點(diǎn)燃后的輸出電壓為82[V]且輸出電流為172[mA]。在輸入電壓是220[V]的情況下，壓電變壓器必須顯示在零載荷在激勵頻率下的升壓比為1.04，且在500Ω的載荷阻抗下的升壓比為0.373。因此，如果僅僅考慮升壓比，PT3的壓電變壓器在零載荷在激勵頻率(74KHz)下的升壓比為2.928，且在500Ω的載荷阻抗下的升壓比為0.344。因此，這個類型是最適合。
而且，圖6顯示了相對于負(fù)載電阻的效率的測量結(jié)果。在所有壓電變壓器中效率均是90％或更高。除PT1之外，隨著壓電變壓器的輸入電極的面積增長，發(fā)現(xiàn)最大效率處的負(fù)載增長了。而且，壓電變壓器PT3和PT4中，在800Ω和1KΩ處的效率分別是98.6％和98.2％。
圖7是顯示相對于在共振頻率處的輸出功率的壓電變壓器的發(fā)熱情況。在壓電變壓器中，隨著輸出功率的增長，發(fā)熱性易于增長。這被認(rèn)為是由于振蕩速度隨著輸出電流增長的結(jié)果。對由于PT1-PT4中的輸出電流而導(dǎo)致的溫度升高的測量顯示，隨壓電變壓器的輸入電極的面積而增長，溫升首先下降而然后再次增長。這明顯是由于阻抗相對于壓電變壓器的輸出與輸入比率的變化。而且，對于PT3在800Ω的負(fù)載電阻下顯示最小的發(fā)熱性的原因可參照表4進(jìn)行描述。這是因?yàn)镻T3的壓電變壓器的輸出阻抗是789Ω，基本上等價(jià)于800Ω的負(fù)載電阻。
圖8是顯示壓電變壓器的輸出功率相對于共振頻率下的輸入電壓的圖示。在所有壓電變壓器中輸出功率易于隨著輸入電壓的增長而增長。PT2的壓電變壓器在輸入功率為350[V]和在800Ω的負(fù)載電阻下顯示出33.5[W]的最大輸出功率，由此顯示最高的輸出特性。
表6
從表6中所示，除PT1外，溫度升高是低于10℃。且由此，在所有其它的壓電變壓器中，所得的值是相對穩(wěn)定的。PT1的壓電變壓器在發(fā)熱性最高的原因是輸入端的面積太小，且因此，小輸入端幾乎不能抵抗14瓦或更多的輸入功率。在PT2中升溫最低的原因被認(rèn)為是由于它比其它變壓器更接近于等效電阻500Ω。隨著菱形部分的面積增長，即輸入端增長，所以輸入電壓是增長了。那就是說，在初始點(diǎn)燃時和在激勵頻率點(diǎn)燃之后的升壓比是重要的。在研究本發(fā)明的過程中，已確認(rèn)輸入電壓的增長是相關(guān)于在輸出端的共振過程中的阻抗Zr。隨著Zr的值增長，輸入電壓Vin大大增長。因此，在設(shè)計(jì)壓電變壓器時，熒光燈的負(fù)載與壓電變壓器的輸出阻抗正確匹配是重要的條件。而且，為了抑制壓電變壓器的升溫，輸入與輸出匹配是重要的。
根據(jù)如上述的本發(fā)明的壓電變壓器(1)它具有優(yōu)異的特性，以致于介電常數(shù)1320-1372，機(jī)電耦合因數(shù)是0.520-0.534和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是1440-1487；(2)發(fā)現(xiàn)在300-2.5Ω的負(fù)載電阻時效率是90％或更多，在800Ω的最大效率是98.6％；和(3)升溫是7℃或更低，且因此，在220[V]處的應(yīng)用性將是優(yōu)異的。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷組合物，其包含Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
2.如權(quán)利要求1的壓電陶瓷組合物，其中確保介電常數(shù)是1320或更多，機(jī)電耦合因數(shù)是0.520或更多，且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是1440或更多。
3.一種通過使用滿足下列條件的壓電陶瓷組合物而制得的高輸出功率的壓電變壓器Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少。
4.一種高輸出功率的壓電變壓器，其包含Pb[(Sb1/2Nb1/2)x(Zr0.495Ti0.505)1-x]O3+yPbO+zMnO，其中x是0.01-0.05摩爾％,y是0.03-0.6重量％，且z是0.7重量％或更少；由一內(nèi)電極和一外電極組成的第一電極，所述內(nèi)電極是在壓電塊的頂面的中心形成而所述外電極是通過一隔離區(qū)分開而在內(nèi)電極的周圍形成；和在壓電塊底面的形成的第二電極。
5.如權(quán)利要求4的高輸出功率的壓電變壓器，其中在從壓電塊的中心到隔離區(qū)的各邊的所有距離中，最接近于所述壓電塊的最小振蕩點(diǎn)的所述隔離區(qū)的點(diǎn)離壓電塊的中心的距離是最遠(yuǎn)的。
6.如權(quán)利要求5的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述的隔離區(qū)是具有菱形。
7.如權(quán)利要求4-6任一的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述外電極和所述內(nèi)電極的面積比[(γ2-β2)/α2]是處于3.1-4.85的范圍。
8.如權(quán)利要求4-6任一的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述內(nèi)電極是輸出電極，而所述外電極是輸入電極，以形成反向激勵類型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q
文檔編號H01L41/187GK1323043SQ0013469
公開日2001年11月21日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月4日
發(fā)明者金鐘宣, 劉忠植, 柳周鉉, 李龍雨 申請人:三星電機(jī)株式會社