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
技術領域：
本發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，本發明涉及一種機械品質因數Qm，機電耦合因數Kp和介電常數優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。壓電陶瓷的發現是從40年代中期發現BaTiO3開始的，且然后開發出具有更優異的壓電性能的Pb(Zr,Ti)O3(下面將簡單地稱為“PZT”)。這個材料已廣泛地用在高壓發電機、超聲裝置、音響設備、通訊裝置和其它各種傳感器中。
PZT是PbZrO3和PbTiO3的固溶體形式，且具有鈣鈦礦的結構，同時它具有優異的壓電性能。為了制得比兩組分體系更容易的組成變體和提高改進壓電性能，已開發出三組分體系復合鈣鈦礦化合物。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。
最近報道了一種壓電陶瓷組合物，其中矯頑電場和機電因數是高的且粒徑通過下列組成體系而制成精細的(Pb0.94Ba0.06)(Mn1/3Nb2/3)0.075(Zr0.52Ti0.48)0.925O3+0-2摩爾％CeO2(介電常數=799,Qm=1285,Kp=0.54,Ec=10.7KV/cm,Tc=332℃，粒徑=2.57μm,J.H.Yoo；Journal of Korean Electric Academy,48C,No.9,P811,1999)。然而，這個三組分體系陶瓷組合物的介電常數和機械品質因數是低的，且因此，它們僅限用于低電流輸出裝置，例如用于照射液晶顯示器背面的冷陰極射線管的轉換器。它們的功率是約2-3瓦，且因此，它們不能用在消耗大電流的通常的熒光燈中。
當發光時，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瓦的數量級。如果壓電陶瓷材料是用于高功率，首先必須解決發熱、非線性、壓電性能的降解和機械強度。為了解決這個問題，首先即使在高輸出功率下機械品質因數和機電耦合因數也必須是高的，以致于能量轉化效率能夠提高以降低內耗從而降低熱輻射。其次，機械振蕩是高的，且因此，顆粒尺寸必須制成精細的、由此增加機械強度。
如果壓電材料是用在高功率熒光燈的變壓器中，那么變壓器的結構以及材料的物理性能是重要的。
圖1顯示了用在轉換器中的壓電變壓器的典型實例。這個變壓器是在其中使用沿厚度方向振蕩和沿長度方向振蕩(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12的底部和頂部形成。輸出端由附著在壓電塊側面上并沿縱向方向極化的電極16組成。如果壓電變壓器是要升壓，那么對應于共振頻率的交流電壓是施加至輸入電極14上。然后施加的電信號轉變成接近于壓電塊12的輸入電極的厚度方向的強機械振蕩。這個振蕩導致輸出側的縱向振蕩，且因此，具有與輸入頻率相同頻率的升高的高電壓通過輸出電極輸出。當輸入電壓的頻率是與輸出側的振蕩頻率相同時，電壓的升壓變得最大。在這個條件下，壓電變壓器的升壓比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，升壓比變得少于幾分。根據所使用的燈的類型(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。然而，如果壓電變壓器是在優化條件下制得的，那么高的升壓比可得以維持。由此在點燃之前連接高阻抗，和在點燃之后降低載荷阻抗的正常情況下，可保持足夠的升壓比，以致于可用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的頂端形成且輸出電極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的底部，形成了第二電極18，其是共電極。如果將電壓供應至輸入電極14，那么供應的電信號轉換成從中心到周邊部分的機械振蕩，且然后正比于機械振蕩的輸出信號通過輸出電極16輸出。然而，如果這個結構是用在高功率裝置中，那么有應力施加至側面部分的中間，結果是設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，那么機械品質因數Qm和機電耦合因數Kp的問題必須首先解決，且也必須提供變壓器的合適結構。
本發明是旨在解決現有技術的上述問題。
因此，本發明的目的是提供一種機械品質因數，機電耦合因數和介電常數優異的壓電陶瓷組合物，和使用該壓電陶瓷組合物制得的高功率壓電變壓器。
本發明的另一目的是提供一高輸出功率的壓電變壓器，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，且通過設計特定的電極而使操作是穩定的。
為達到上述目的，本發明的壓電陶瓷組合物包括Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO，其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％。
在本發明的另一方面，本發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Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO，其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％。
在本發明的又一方面，本發明的高輸出功率壓電變壓器包括Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO(其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％)組成的壓電塊；由一內電極和一外電極組成的第一電極，內電極是在壓電塊的頂部的中心形成而外電極是通過一隔離區分開而在內電極的周圍形成；和在壓電塊底部的形成的第二電極。
現在將描述限制本發明的組合物中的組分含量的原因。
在本發明的四組分體系的壓電陶瓷組合物中的組分Pb1-aSra,a應優選是0.06摩爾％以下。原因是如果a超過0.06摩爾％，居里溫度和矯頑電場降低。
另外，在組分(Ni1/2W1/2)b,b應優選限制為0.01-0.05摩爾％，且理由如下。即，如果b是少于0.01摩爾％，則損耗了燒結溫度降低效果，而如果超過0.05摩爾％，則失去了對機械品質因數Qmn和機電耦合因數Kp的增長效果，盡管介電常數增長了以及盡管燒結溫度明顯降低了。
而且，(Mn1/3Nb2/3)c中，c應優選限制為0.01-0.09摩爾％，且理由如下。即，如果超出上述范圍，則對機械品質因數Qm和機電耦合因數Kp沒有改進效果。
另外，(Zr1-xTix)中，x應優選限制為O.47-0.53摩爾％，且理由如下。即，在該范圍附近，有變晶相界(morphotropic phase boundary)(四角體系→鈣鈦礦體系)。而且，如果采納所述范圍，壓電性能變得優異的，且共振頻率的溫度特性變得更佳。
同時，在加入用于補償PbO蒸發損失的kPbO中，y應優選限制為0.1-0.7重量％.如果PbO是少于0.1重量％，PbO就變得不足夠，而如果它超過0.7重量％，PbO就變得過量。
在本發明的壓電陶瓷中，如果Fe2O3以0.3重量％或更低的量添加至四組分陶瓷組合物，則矯頑電場和居里溫度可進一步提高。而且，如果添加CeO2，它將沉淀成顆粒邊界以使得顆粒變細。如果這個效果沒有實現，則CeO2的添加量優選為0.25重量％或更低。另外，CeO2也可用于與Fe2O3一同補償溫度的降低。
因此，具有高輸出功率容量的壓電變壓器可通過使用上述壓電陶瓷組合物得到。
同時，本發明也提供壓電變壓器，其中壓電陶瓷組合物是用于制造變壓器以使高輸出功率成為可能，且通過設計特定的電極使操作是穩定的。
參照圖2的周界振蕩模式將對電壓升高和升高電壓的輸出就其原理進行描述。
那就是說，如果電信號是通過輸入電極14和第二電極18輸入的，這些電信號在壓電塊12中轉變成機械振蕩，且然后，正比于機械振蕩的信號通過輸出電極16輸出。
壓電塊12的機械振蕩在四角處(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。
振蕩的幅度根據化學組成和施加電壓的量可以是不同的。更詳細地說，在壓電塊12的四角處的機械振蕩是最大的，而且在四邊的中間部分(圖2中的P點)是最小的。因此，壓電塊12的中心具有最大量的應力，和四邊的中間部分具有次大量的應力。因此，應力的產生導致在各邊的中間部分產生熱量，且結果，壓電塊12遭受嚴重傷害。
通常地，當輸入電信號以轉變成機械振蕩時，在輸入和輸出電極附近振蕩最強。因此，如果在中間點P的電極的尺寸降低，那么振蕩的量就降低，結果是應力較不嚴重地產生，由此使它可能阻止熱量的產生。基于這個原理，本發明設計出最佳電極形狀。
由此，使沒有形成電極的隔離區接近于壓電塊的最小振蕩區P，以致于在最小振蕩區的電極的體積可降低至最小。那就是說，隔離區的角部最接近于壓電塊的各邊的中心點。換句話說，離壓電塊的最小振蕩點最近的隔離區的點離壓電塊的中心最遠(其中所有的距離均是從壓電塊的中間到隔離區的各邊)。如圖3中的實例所示，內電極114的四角是延伸到壓電塊112的各邊的中心點P。同時，設計隔離區115以致于它的四角是最接近于壓電塊112的各邊的中心點P。由此，內電極114和隔離區115應優選具有菱形(diamond shape)。
如果內電極114和隔離區115被設計成具有菱形，那么橫向的機電耦合因數Kp變得比縱向的耦合因數K31更大。因此，能量效率得以改進且輸出側的容量得以增長，導致輸出側的阻抗降低。相應地，功率可以升高。而且，輸入電極被設計成菱形，那么升壓比相對地降低。因此，這種類型對用在點燃過程中具有低阻抗的熒光燈中是有利的。
當外電極和內電極的面積比[(γ2-β2)/α2，其中α,β和γ是如圖3中所示]是1.5-3.14，在本發明的壓電塊112的頂面形成的第一電極表現出最小的發熱性。而且，如果第一電極的內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定的操作特性。
在上述中，第一電極的內電極114的一個實例是表現為菱形，但它不限于這個形狀。在多邊壓電塊中，如果接近于壓電塊的各邊的中心點的一部分電極是制成更小的，那么所得到的應力變得更小。結果，發熱性相應地降低，且本發明是基于這個原理。相應地，電極的設計必須以多種方式進行。
同時，壓電塊可通過單軸成型或通過CIP成型而制成。在CIP成型的情況下，通過三維等壓進行高密度成型是可能的，且因此，內部缺陷得以減少，以致于可得到均勻的壓電塊。
下面將基于實際的實例對本發明進行更詳細地描述。
再次利用氧化鋯球體將煅燒的測試材料壓碎，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，且然后，加入PVA溶液以將它們均勻混合。然后，通過單軸成型方法或通過施加20000psi的等壓力的CIP方法制得測試材料。將所制得的制品在1200℃的溫度下進行焙燒。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，進行熱處理。隨著在它們上面制成電極，且然后，基于高溫極化方法對電極進行極化。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，且測量結果顯示在下面。
表1
表2
實施例2將具有實施例1的S8組成的試件制成下表3的三個試樣(S8-1,S8-2和S8-3)。然后進行電極成型，且隨后在25KV/cm的電場下進行極化30分鐘，由此制得壓電變壓器。將它們放置24小時后，使用HP4194A測量所述頻率對應的阻抗，且然后，測量共振頻率，半共振頻率和等效環積分，測量結果顯示在下表4中。
表3
表4
對于表4中的S8-1,S8-2和S8-3的壓電變壓器，觀察到共振頻率相對于輸出端與輸入端的面積比率和總尺寸發生偏移，且結果顯示在圖4中。在圖4中，實線是菱形內電極的阻抗曲線，而點線是外電極的阻抗曲線。隨著菱形部分的面積增長，共振頻率大幅度地偏移向左邊，即向輸出端的阻抗曲線的低頻率偏移。即隨著部分的面積增長，輸出端的ΔF[kHz](fa-fr)是大大地增長。因此，機電轉換效率得以提高，以致于面積振蕩將是極佳的。另外，如果ΔF在輸出端和輸出端均達到最大，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，在S8-1中，輸入和輸出端的共振頻率是相互匹配的。
表5
如上表5中所示，各項特性是通過改變變壓器的尺寸及輸入和輸出電極的面積而進行測量的。此處，采用了反向激勵方法。
隨著Zout降低，ΔT[℃]趨于逐漸下降。在S8-2中，輸出功率是30W，Zout是1120Ω，且ΔT[℃]是6℃。由此溫度升高是不明顯的。在它們所有之中，效率是高達90％或更高。在S8-3中，電極是環-點型(ring-dot type)。且在此處，Zout不同于菱形而增長至2012[Ω]。而且，激勵電壓是高達270V，且溫度升高是19℃。由此，缺點是嚴重的。
在約220V的輸入電壓下S8-1和S8-2產生額定的輸出，且因此，認為它們在220V是可以使用的。在初始點燃時和點燃過程中，輸入電壓的量大大依賴于升壓比。而且，它也受到點形和菱形的Zr的影響。
就是說，隨著Zr的值增長，輸入電壓Vin是大大增長，且如果Vin增長，溫度上升受到極大的影響。因此，輸入電壓Vin的設定是一個重要的設計條件。而且，如溫度升高被阻止，那么熒光燈的負載與壓電變壓器的輸出阻抗正確匹配是重要的，這項技術也是重要的。而且，變壓器在高輸入電壓下驅動，且因此，為了防止去極化，下列條件必須被滿足。即必須提供足夠的矯頑電場和高居里溫度。而且，為了用小型變壓器驅動一個T5(28W)熒光燈，必須提供足夠的介電常數(超過1500)。
更加上述的本發明，四組分壓電陶瓷組合物在介電常數、機械品質因數和機電耦合因數方面是優異的，以致于能夠承受高輸出功率。而且，所述壓電變壓器生熱較低且操作穩定。
權利要求
1.一種壓電陶瓷組合物，其包含Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO，其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％。
2.如權利要求1的壓電陶瓷組合物，其進一步包含下列物質組中的一種0.3重量％Fe2O3和0.25重量％CeO2。
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Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO，其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％。
4.如權利要求1的高輸出功率的壓電變壓器，其進一步包含下列物質組中的一種0.3重量％Fe2O3和0.25重量％CeO2。
5.一種高輸出功率的壓電變壓器，其包含由Pb1-aSra[(Ni1/2W1/2)b(Mn1/2Nb2/3)c(Zr1-xTix)1-b-c]O3+kPbO(其中a是0-0.06摩爾％，b是0.01-0.05摩爾％，c是0.01-0.09重量％，x是0.47-0.53摩爾％，和k是0.1-0.7重量％)組成的壓電塊；由一內電極和一外電極組成的第一電極，內電極是在壓電塊的頂端的中心形成而外電極是通過一隔離區分開而在內電極的周圍形成；和在壓電塊底部的形成的第二電極。
6.如權利要求5的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述的壓電塊是通過CIP工藝法制造的。
7.如權利要求5的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述的壓電塊進一步包含下列物質組中的一種0.3重量％Fe2O3和0.25重量％CeO2。
8.如權利要求5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的各邊的所有距離中，最接近于所述壓電塊的最小振蕩點P的所述隔離區的點離壓電塊的中心的距離是最遠的。
9.如權利要求5的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述的隔離區是具有菱形。
10.如權利要求5的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述內電極是輸出電極，而所述外電極是輸入電極，以形成反向激勵類型。
11.如權利要求5-10任一的高輸出功率的壓電變壓器，其中外電極和內電極的面積比[(γ2-β2)/α2]是處于1.5-3.14的范圍。
12.如權利要求4-6任一的高輸出功率的壓電變壓器，其中所述壓電塊是多邊形的，所述壓電塊的邊緣的中心點是最小振蕩區。
全文摘要
本發明公開了一種機械品質因數Q
文檔編號C04B35/493GK1323042SQ00134690
公開日2001年11月21日 申請日期2000年12月5日 優先權日2000年5月4日
發明者金鐘宣, 劉忠植, 柳周鉉, 李龍雨 申請人:三星電機株式會社