[发明专利]压电陶瓷组合物和由该组合物制得的高输出功率变压器

说明书

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，本发明涉及一种机械品质因数Qm，机电耦合因数Kp和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40年代中期发现BaTiO₃开始的，且然后开发出具有更优异的压电性能的Pb(Zr,Ti)O₃(下面将简单地称为“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，同时它具有优异的压电性能。为了制得比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，其中矫顽电场和机电因数是高的且粒径通过下列组成体系而制成精细的：(Pb_0.94Ba_0.06)(Mn_1/3Nb_2/3)_0.075(Zr_0.52Ti_0.48)_0.925O₃+0-2摩尔％CeO₂(介电常数=799,Qm=1285,Kp=0.54,Ec=10.7KV/cm,Tc=332℃，粒径=2.57μm,J.H.Yoo；Journal of Korean Electric Academy,48C,No.9,P811,1999)。然而，这个三组分体系陶瓷组合物的介电常数和机械品质因数是低的，且因此，它们仅限用于低电流输出装置，例如用于照射液晶显示器背面的冷阴极射线管的转换器。它们的功率是约2-3瓦，且因此，它们不能用在消耗大电流的通常的荧光灯中。

当发光时，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、压电性能的降解和机械强度。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从而降低热辐射。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功率荧光灯的变压器中，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沿厚度方向振荡和沿长度方向振荡(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12的底部和顶部形成。输出端由附着在压电块侧面上并沿纵向方向极化的电极16组成。如果压电变压器是要升压，那么对应于共振频率的交流电压是施加至输入电极14上。然后施加的电信号转变成接近于压电块12的输入电极的厚度方向的强机械振荡。这个振荡导致输出侧的纵向振荡，且因此，具有与输入频率相同频率的升高的高电压通过输出电极输出。当输入电压的频率是与输出侧的振荡频率相同时，电压的升压变得最大。在这个条件下，压电变压器的升压比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，升压比变得少于几分。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。然而，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，以致于可用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的顶端形成且输出电极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的底部，形成了第二电极18，其是共电极。如果将电压供应至输入电极14，那么供应的电信号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，那么有应力施加至侧面部分的中间，结果是设备被损坏或它的效率降低。