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JPH0376773B2 - - Google Patents
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JPH0376773B2 - - Google Patents

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JPH0376773B2
JPH0376773B2 JP1130073A JP13007389A JPH0376773B2 JP H0376773 B2 JPH0376773 B2 JP H0376773B2 JP 1130073 A JP1130073 A JP 1130073A JP 13007389 A JP13007389 A JP 13007389A JP H0376773 B2 JPH0376773 B2 JP H0376773B2
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JP
Japan
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capacitance
less
ceramics
dielectric
titanate
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JP1130073A
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Hirotaka Yamamoto
Tomio Konno
Yasoji Sato
Hiroshi Sato
Shinobu Fujiwara
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TDK Corp
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  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 本発明は、電源装置に関するもの、さらに詳し
くいえば、高周波の発振、共振または結合の電気
回路の部材にチタン酸ストロンチウム系セラミツ
クコンデンサを用いた電源装置に関するものであ
る。 〔従来の技術〕 木材、樹脂、塗料、食品、衣類などの高周波乾
燥や衣類の高周波ミシンなどの誘電加熱、あるい
は、鉄鋼の高周波焼入れ、金属、ガラスなどの高
周波熔融、または高周波熔融などの誘導加熱の用
途に対しては、その電源の回路に一部セラミツク
コンデンサが使用されている。 セラミツクコンデンサは、熱的、化学的に安定
である、小形化し得る等の他に、コンデンサの構
造が極めて簡単なため、高周波で使い易い。 通常、セラミツクコンデンサとしてはフオルス
テライト系、ステアタイト系、チタン酸マグネシ
ウム系、酸化チタン系、チタン酸カルシウム系な
どのセラミツクスが用いられているが、これらの
セラミツクスは誘電率が小さいためにある程度の
電源出力を確保する上にあつては電源装置が大形
化せざるを得ない。 近年、前記の各種用途の電源に関し、できるだ
け大出力化もしくは小形化が要望されて来てい
る。 この要望に応えるために、高誘電率の例えばチ
タン酸バリウム系のセラミツクスを誘電体とする
セラミツクコンデンサを、前記各種用途の電源の
回路部材として使用することを検討して来た。そ
の結果は、従来の高誘電率系のセラミツクスで
は、使用中の温度上昇がはげしく、または課電時
の電源出力が計算通りにとれないなどの問題点が
あり、高周波の小電力の範囲に限定して使用せざ
るを得なかつた。本発明者らは、この原因は、こ
れら従来の高誘電率系のセラミツクスが強誘電性
であることによることを突き止め、これを常誘電
性又は程度の低い強誘電性のものに置き換えるこ
とによつてその問題点を克服しうることを見いだ
し、この知見に基づいて本発明をなすに至つた。 〔発明が解決しようとする課題〕 すなわち、本発明は、セラミツクコンデンサと
してチタン酸ストロンチウム系セラミツクスを用
いた、セラミツクコンデンサを前記回路の部材と
する高周波誘電または高周波誘導を用途とする電
源装置を提供するものである。本発明において、
チタン酸ストロンチウム系セラミツクスを用いた
ことにより上述した問題点である。使用中の温度
上昇を小さくするとともに、課電時の電源出力も
計算通りに近くとれ、さらに前記各種の電源の大
出力もしくは小形化を達成することができた。こ
れらについて、次に遂次、説明したい。 セラミツクコンデンサの使用中の温度上昇はセ
ラミツクスの高周波誘電体損失が小さいほど低く
押さえられる。これまでのフオルステライト系、
ステアタイト系、チタン酸マグネシウム系、酸化
チタン系、チタン酸カルシウム系などのセラミツ
クスの高周波誘電体損失は何れも0.1%以下のも
のが上記各種用途の電源の回路部材として実用化
されている。一方、電源の大出力もしくは小形化
のためにはセラミツクスは誘電率が高いことが必
要であるが、この高誘電率セラミツクスの中で高
周波誘電損失を0.1%以下のもので上記各種セラ
ミツクス並みのものを見い出すことはむずかし
く、現状では前述したように従来の高周波誘電体
損失が大きい高誘電率系のセラミツクスを使用す
る限定した高周波の小電力の範囲に留まざるを得
ない。一方、本発明者らは、これまでチタン酸ス
トロンチウム系セラミツクスを研究して来たが、
このセラミツクスが最近ではその高周波誘電体損
失が0.1%以下であるものが可能であり、このセ
ラミツクスを使用することによつて、はじめて上
記各種用途の使用中の温度上昇を低く押えること
に成功した。なお、このセラミツクスは、高周波
誘電体損失は、0.1%以下、また組成を適当に選
択すれば0.03%以下にまで小さくすることができ
る。また、高周波誘電体損失は、そのコンデンサ
の使用寿命に大きく関係し、できるだけ小さいこ
とがのぞましいので、この点でも有利である。 次に、課電時の電源出力について説明したい。
上記各種用途の電源の出力は使用するセラミツク
コンデンサに課電される電圧の自乗とその課電時
の静電容量の積に比例する。従つて、電源出力を
大きくするには、課電電圧を大きくすることがま
ず必要である。しかるに、従来の高誘電率系セラ
ミツクスは課電時の静電容量が著しく低下すると
いう欠点があり、この欠点からも、従来の高誘電
率系でセラミツクスを使用すると、限定した高周
波の小電力の範囲に留まらざうを得ない。近年、
前記の各種電源に関し、できるだけ電源出力の電
圧を高くすることが要望され、回路設計の都合
上、コンデンサの能力の最上限まで電圧を印加す
ることが、しばしば必要とされるようになつたた
め、上記の欠点の改善がこの分野の重要な課題と
なつてきている。本発明者らは、この欠点の原因
が、従来の高誘電率系セラミツクスが強誘電性で
あることによるとみて、この場合も常誘電性また
は程度の低い強誘電性のチタン酸ストロンチウム
系セラミツクスであれば解決できることを見い出
した。すなわち、これまでのフオルステライト
系、ステアタイト系、チタン酸マグネシウム系、
酸化チタン系、チタン酸カルシウム系などのセラ
ミツクスは、課電時の静電容量の低下は無視でき
る程度であるが、本発明のチタン酸ストロンチウ
ム系セラミツクスの課電時の静電容量の低下、す
なわち、静電容量の電圧の電圧依存率は1KV/
mm誘電体厚さ当り0.5%以下に押えられ、遥かに
大きい低下率を示すチタン酸バリウム系などの高
誘電率系セラミツクスに比べ非常に優れているこ
とが云える。 また、温度特性は、20℃における静電容量に対
する85℃における静電容量の減少率を37%以下に
することができ、さらに、誘電率(または静電容
量)の経時変化が殆どなく優れている。従来の例
えばチタン酸バリウム系などの高誘電率系のセラ
ミツクスはこの経時変化が甚だ大きく、上記各種
用途の回路部材として適していないことが良く分
る。 したがつて、本発明の電源装置においては、比
誘電率510〜820、誘電体損失0.02%以下、静電容
量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚さの電界当り
0.5%以下を有し、かつ20℃における静電容量に
対する85℃における静電容量の減少率が37%以下
であるチタン酸ストロンチウム系セラミツクコン
デンサを用いるものである。 〔課題を解決するための手段〕 この発明は、チタン酸ストロンチウム20〜35モ
ル%とチタン酸ランタン5モル%とチタン酸バリ
ウム60〜75モル%とから成り、マンガン、ニオ
ブ、クロム、ニツケル、コバルト及び鉄の中から
選ばれた金属の酸化物と粘土質物と希土類元素酸
化物の中から選ばれた少なくとも1種の添加成分
を含有し、比誘電率510〜820、誘電体損失0.02%
以下、静電容量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚
さの電界当り0.5%以下を有し、かつ20℃におけ
る静電容量に対する85℃における静電容量の減少
率が37%以下であるチタン酸ストロンチウム系セ
ラミツクコンデンサを用いた誘電または誘導加熱
用の電源装置である。 〔作 用〕 本発明は比較的比誘電率が小さくても、高周波
誘電体損失も小さいため、使用中の温度上昇を極
端に少なくすることができ、また課電時の静電容
量の低下が小さいものである。 〔実施例〕 次に実施例によつて、本発明をさらに詳細に説
明する。 第1表に示すモル比でチタン酸ストロンチウ
ム、チタン酸ランタン、チタン酸バリウム及び必
要な添加成分を混合し、適当量のバインダーを加
え、直径16.5mm、厚さ1mmの円板に加圧成形した
のち約1200℃で2時間焼成してセラミツクスを得
た。添加成分中の希土類元素酸化物は、誘電体損
失をさらに少なくするために添加されるものであ
り、例えば酸化セリウム、酸化ランタンなどが用
いられる。この添加量は、通常0.01〜10重量%の
範囲内で選ばれる。 また、マンガン、ニオブ、クロム、ニツケル、
コバルト及び鉄の酸化物と粘度質物は、ち密な組
織の焼結体を形成させるために鉱化剤として添加
されるものでありその添加量は、通常0.1〜0.5重
量%の範囲内で選ばれる。 これらのセラミツクスは、例えば第1図、第2
図に示す構造のセラミツクコンデンサとして使用
される。第1図においてセラミツクス1の両面に
はそれぞれ端子2,2′が電極3,3′を介しては
んだ付等の手段で固着され、その周囲全面にわた
つてエポキシ樹脂等の合成樹脂5で被覆されてい
る。4は連結具である。 第1図に示す形状のセラミツクコンデンサに加
工し、その特性を測定し、その結果を第1表に示
す。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a power supply device, and more specifically, to a power supply device using a strontium titanate ceramic capacitor as a member of a high-frequency oscillation, resonance, or coupling electric circuit. [Prior art] Dielectric heating for high-frequency drying of wood, resin, paint, food, clothing, etc., high-frequency sewing machines for clothing, induction hardening of steel, high-frequency melting of metals, glass, etc., or induction heating for high-frequency melting, etc. Ceramic capacitors are used in some of the power supply circuits for these applications. Ceramic capacitors are thermally and chemically stable, can be miniaturized, and have an extremely simple structure, making them easy to use at high frequencies. Normally, ceramic capacitors use ceramics such as forsterite, steatite, magnesium titanate, titanium oxide, and calcium titanate, but these ceramics have a low dielectric constant, so they can be used as a power source to some extent. In order to secure the output, the power supply device has to be larger. In recent years, there has been a demand for power supplies for the various uses mentioned above to be as large in output as possible or as compact as possible. In order to meet this demand, studies have been conducted on the use of ceramic capacitors whose dielectric material is barium titanate-based ceramics having a high dielectric constant, for example, as circuit members for power sources for the various uses mentioned above. As a result, conventional high-permittivity ceramics have problems such as rapid temperature rise during use or inability to obtain power output as calculated when applying electricity, and are limited to high-frequency, low-power ranges. I had no choice but to use it. The present inventors discovered that the cause of this is that these conventional high dielectric constant ceramics are ferroelectric, and by replacing them with paraelectric or less ferroelectric materials. The present inventors have discovered that this problem can be overcome, and based on this knowledge, the present invention has been completed. [Problems to be Solved by the Invention] That is, the present invention provides a power supply device using strontium titanate-based ceramics as a ceramic capacitor and using the ceramic capacitor as a member of the circuit for high-frequency dielectric or high-frequency induction. It is something. In the present invention,
The above problems arise due to the use of strontium titanate ceramics. In addition to reducing the temperature rise during use, the power supply output during energization could be obtained close to the calculated value, and furthermore, the various power supplies described above could be made larger in output or smaller in size. I would like to explain these in turn. The temperature rise during use of a ceramic capacitor can be suppressed as the high frequency dielectric loss of the ceramic is small. Previous forsterite series,
Ceramics such as steatite-based, magnesium titanate-based, titanium oxide-based, and calcium titanate-based ceramics with a high frequency dielectric loss of 0.1% or less have been put into practical use as circuit members for power supplies for the various uses mentioned above. On the other hand, ceramics need to have a high dielectric constant in order to achieve high output or miniaturization of power supplies, and among these high dielectric constant ceramics, those with high frequency dielectric loss of 0.1% or less are comparable to the various ceramics mentioned above. It is difficult to find such a power, and at present, as mentioned above, we have no choice but to limit ourselves to the limited range of low power at high frequencies using conventional high-permittivity ceramics with large high-frequency dielectric loss. On the other hand, the present inventors have been researching strontium titanate ceramics, but
These ceramics have recently become available with high frequency dielectric loss of 0.1% or less, and by using this ceramic, for the first time, it has been possible to suppress the temperature rise during use in the various applications mentioned above. Note that the high frequency dielectric loss of this ceramic can be reduced to 0.1% or less, and if the composition is appropriately selected, to 0.03% or less. Further, the high frequency dielectric loss is greatly related to the service life of the capacitor, and it is desirable that it be as small as possible, so it is also advantageous in this respect. Next, I would like to explain the power output when charging.
The output of the power supply for the above various uses is proportional to the product of the square of the voltage applied to the ceramic capacitor used and the capacitance at the time of application. Therefore, in order to increase the power output, it is first necessary to increase the applied voltage. However, conventional high-permittivity ceramics have the disadvantage of a significant drop in capacitance when electricity is applied, and due to this disadvantage, when using conventional high-permittivity ceramics, it is difficult to use limited high-frequency small power. I have no choice but to stay within range. recent years,
Regarding the various power supplies mentioned above, there is a desire to make the output voltage of the power supply as high as possible, and for reasons of circuit design, it is often necessary to apply voltage up to the maximum capacity of the capacitor. Improving these shortcomings has become an important issue in this field. The present inventors believe that this drawback is due to the fact that conventional high dielectric constant ceramics are ferroelectric; I found that there is a solution. In other words, the conventional forsterite-based, steatite-based, magnesium titanate-based,
Ceramics such as titanium oxide and calcium titanate have a negligible drop in capacitance when charged, but the strontium titanate ceramic of the present invention exhibits a drop in capacitance when charged, i.e. , the voltage dependence rate of the capacitance voltage is 1KV/
It can be said that the reduction rate is kept below 0.5% per mm dielectric thickness, which is extremely superior to high dielectric constant ceramics such as barium titanate, which exhibits a much larger reduction rate. In addition, the temperature characteristics are excellent, with the reduction rate of capacitance at 85℃ compared to capacitance at 20℃ being 37% or less, and there is almost no change in dielectric constant (or capacitance) over time. There is. It is clear that conventional high dielectric constant ceramics, such as barium titanate ceramics, undergo extremely large changes over time and are not suitable as circuit members for the various uses mentioned above. Therefore, in the power supply device of the present invention, the dielectric constant is 510 to 820, the dielectric loss is 0.02% or less, and the voltage dependence of capacitance is 1 KV/mm per electric field with a dielectric thickness.
A strontium titanate-based ceramic capacitor is used, which has a capacitance of 0.5% or less and a decrease rate of capacitance at 85°C relative to capacitance at 20°C of 37% or less. [Means for Solving the Problem] This invention consists of 20 to 35 mol% of strontium titanate, 5 mol% of lanthanum titanate, and 60 to 75 mol% of barium titanate, and contains manganese, niobium, chromium, nickel, and cobalt. Contains at least one additive component selected from oxides of metals selected from iron, argillaceous materials, and oxides of rare earth elements, and has a relative dielectric constant of 510 to 820 and a dielectric loss of 0.02%.
Below, titanium has a voltage dependence of capacitance of 0.5% or less per electric field of 1KV/mm dielectric thickness, and a reduction rate of capacitance at 85℃ relative to capacitance at 20℃ is 37% or less. This is a power supply device for dielectric or induction heating using a strontium oxide ceramic capacitor. [Function] Even though the present invention has a relatively small dielectric constant, the high-frequency dielectric loss is also small, so the temperature rise during use can be extremely reduced, and the capacitance decreases when electricity is applied. It's small. [Example] Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. Strontium titanate, lanthanum titanate, barium titanate, and necessary additives were mixed at the molar ratio shown in Table 1, an appropriate amount of binder was added, and the mixture was press-formed into a disk with a diameter of 16.5 mm and a thickness of 1 mm. Ceramics were then fired at approximately 1200°C for 2 hours. The rare earth element oxide in the additive component is added to further reduce dielectric loss, and for example, cerium oxide, lanthanum oxide, etc. are used. The amount added is usually selected within the range of 0.01 to 10% by weight. Also, manganese, niobium, chromium, nickel,
Cobalt and iron oxides and clay substances are added as mineralizers to form a sintered body with a dense structure, and the amount added is usually selected within the range of 0.1 to 0.5% by weight. . These ceramics are, for example, shown in Figures 1 and 2.
It is used as a ceramic capacitor with the structure shown in the figure. In FIG. 1, terminals 2 and 2' are fixed to both sides of a ceramic 1 through electrodes 3 and 3' by means such as soldering, and the entire surrounding area is covered with a synthetic resin 5 such as epoxy resin. ing. 4 is a connector. A ceramic capacitor having the shape shown in FIG. 1 was processed and its characteristics were measured. The results are shown in Table 1.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明に係る電源装置はセラミツクコンデンサ
としてチタン酸ストロンチウム、チタン酸ランタ
ン、チタン酸バリウム系セラミツクスを用い、比
誘電率510〜820、誘電体損失0.02%以下、静電容
量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚さの電界当り
0.5%以下を有し、かつ20℃における静電容量に
対する85℃における静電容量の減少率が37%以下
のセラミツクスを用いた電源装置を特徴とする為
に、高周波感応や高周波ミシン等の誘導加熱ある
いは高周波波焼入れ、高周波熔融、高周波熔接等
の誘導加熱用の電源装置として、電源の大出力化
及び小形化が可能となつたもので工業上の利益に
多大なものがある。
The power supply device according to the present invention uses strontium titanate, lanthanum titanate, and barium titanate ceramics as a ceramic capacitor, has a dielectric constant of 510 to 820, a dielectric loss of 0.02% or less, and a voltage dependence rate of capacitance of 1 KV/mm. Electric field per dielectric thickness
0.5% or less, and the reduction rate of capacitance at 85℃ relative to capacitance at 20℃ is 37% or less. BACKGROUND OF THE INVENTION As a power supply device for induction heating such as heating or induction hardening, high frequency melting, high frequency welding, etc., it has become possible to increase the power output and downsize the power source, which has great industrial benefits.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図及び第2図は従来及び本発明に使用され
る高周波誘電加熱、誘導加熱用セラミツクコンデ
ンサの断面図で示す。第3図は本発明の実施例で
印加電圧に対する電圧依存率の関係を示す図であ
る、第4図は同じく本発明の実施例で温度に対す
る静電容量変化りつ示す図である。第5図は同じ
く本発明の実施例で静電容量の経時変化を示す図
である。
FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views of ceramic capacitors for high frequency dielectric heating and induction heating used conventionally and in the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the voltage dependence ratio and the applied voltage in an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing the change in capacitance with respect to temperature in the same embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the change in capacitance over time in the same example of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 チタン酸ストロンチウム20〜35モル%とチタ
ン酸ランタン5モル%とチタン酸バリウム60〜75
モル%とから成り、マンガン、ニオブ、クロム、
ニツケル、コバルト及び鉄の中から選ばれた金属
の酸化物と粘土質物と希土類元素酸化物の中から
選ばれた少なくとも1種の添加成分を含有し、比
誘電率510〜820、誘電体損失0.02%以下、静電容
量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚さの電界当り
0.5%以下を有し、かつ20℃における静電容量に
対する85℃における静電容量の減少率が37%以下
であるチタン酸ストロンチウム系セラミツクコン
デンサを用いた誘電または誘導加熱用の電源装
置。
1 Strontium titanate 20-35 mol%, lanthanum titanate 5 mol%, barium titanate 60-75 mol%
Consisting of mol%, manganese, niobium, chromium,
Contains at least one additive component selected from oxides of metals selected from nickel, cobalt, and iron, clay materials, and oxides of rare earth elements, has a relative dielectric constant of 510 to 820, and a dielectric loss of 0.02. % or less, voltage dependence of capacitance per electric field of 1KV/mm dielectric thickness
A power supply device for dielectric or induction heating using a strontium titanate ceramic capacitor, which has a capacitance of 0.5% or less and a capacitance reduction rate of 37% or less at 85°C relative to the capacitance at 20°C.
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