JPH0376771B2 - - Google Patents

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JPH0376771B2
JPH0376771B2 JP1130071A JP13007189A JPH0376771B2 JP H0376771 B2 JPH0376771 B2 JP H0376771B2 JP 1130071 A JP1130071 A JP 1130071A JP 13007189 A JP13007189 A JP 13007189A JP H0376771 B2 JPH0376771 B2 JP H0376771B2
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JP
Japan
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capacitance
ceramics
titanate
less
dielectric
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JP1130071A
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Japanese (ja)
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Hirotaka Yamamoto
Tomio Konno
Yasoji Sato
Hiroshi Sato
Shinobu Fujiwara
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
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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
セラミツクスコンデンサを、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、電源の大出力化もしくは小形
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、この高誘電率系セラミツクスの中
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るを得ない。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9%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25%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1060〜1880、誘電体損失0.1%以下、静電
容量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚さの電界当
り9%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25%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61.6〜
69.6重量%とチタン酸ビスマス17.5〜25.9重量%
とチタン酸鉛4.7〜15.2重量%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1060〜1880、誘電
体損失0.1%以下、静電容量の電圧依存率1KV/
mm誘電体厚さの電界当り9%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25%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大きくても、高周波
誘電体損失が小さいため、使用中の温度上昇を少
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表に示す重量比でチタン酸ストロンチウ
ム、チタン酸ビスマス、チタン酸鉛及び必要な添
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 such as high-frequency drying of wood, resin, paint, food, clothing, etc., high-frequency sewing machine of clothing, induction hardening of steel, high-frequency melting of metal, glass, etc., or induction heating such as high-frequency melting. 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 the calculated power output when energized, 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 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,
By using strontium titanate-based ceramics, the temperature rise during use, which is the problem mentioned above, can be reduced, and the power output when applying electricity can be obtained close to the calculated value. was able to achieve this goal. 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 increase the output power or downsize the power supply. It is difficult to find one, and at present, as mentioned above, we have no choice but to limit ourselves to the limited range of high frequency and low power using conventional high dielectric constant ceramics with large high frequency dielectric loss. On the other hand, the present inventors have been researching strontium titanate-based ceramics, and recently it has become possible to use this ceramic with a high-frequency dielectric loss of 0.1% or less. As a result, for the first time, we succeeded in suppressing 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 for each of the above-mentioned applications 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 decrease in capacitance when a voltage is applied, and due to this disadvantage, conventional high-permittivity ceramics are difficult to use in a limited high-frequency, low-power range. I have no choice but to stay. In recent years, there has been a demand for the power supply output voltage to be as high as possible for the various power supplies mentioned above, and for reasons of circuit design, it is difficult to apply voltage up to the maximum capacity of the capacitor.
The improvement of the above-mentioned shortcomings has become an important task in this field as it is often required. 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, conventional ceramics such as forsterite-based, steatite-based, magnesium titanate-based, titanium oxide-based, and calcium titanate-based ceramics have a negligible decrease in capacitance when electricity is applied, but the present invention The decrease in capacitance of strontium titanate ceramics when energized, i.e.,
The voltage dependence ratio of capacitance voltage is kept to less than 9% per 1KV/mm dielectric thickness, which is extremely superior to high dielectric constant ceramics such as barium titanate ceramics, which have a much larger reduction rate. I can say that. In addition, the temperature characteristics are excellent, with the reduction rate of capacitance at 85°C being less than 25% of the capacitance at 20°C, and with 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, the power supply device of the present invention has a relative dielectric constant of 1060 to 1880, a dielectric loss of 0.1% or less, and a voltage dependence of capacitance of 9% or less per electric field of 1 KV/mm dielectric thickness, In addition, a strontium titanate ceramic capacitor is used in which the capacitance at 85°C decreases by 25% or less relative to the capacitance at 20°C. [Means for Solving the Problems] This invention provides strontium titanate 61.6~
69.6% by weight and bismuth titanate 17.5-25.9% by weight
and 4.7 to 15.2% by weight of lead titanate, and at least one selected from oxides of metals selected from manganese, niobium, chromium, nickel, cobalt, and iron, argillaceous materials, and oxides of rare earth elements. Contains seed additives, dielectric constant 1060-1880, dielectric loss 0.1% or less, voltage dependence of capacitance 1KV/
has an electric field of 9% or less per mm dielectric thickness, and 20
This power supply device for dielectric or induction heating uses a strontium titanate ceramic capacitor whose capacitance at 85°C decreases by 25% or less compared to the capacitance at 85°C. [Function] Even though the present invention has a relatively large dielectric constant, the high-frequency dielectric loss is small, so the temperature rise during use can be reduced, and the capacitance decreases when electricity is applied. It is. [Example] Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. Strontium titanate, bismuth titanate, lead titanate, and necessary additives were mixed in the weight ratio shown in Table 1, an appropriate amount of binder was added, and the mixture was press-formed into a disc with a diameter of 16.5 mm and a thickness of 1 mm. later about
Ceramics were obtained by firing at 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、チタン酸ビスマ
ス、チタン酸鉛系セラミツクスを用い、比誘電率
1060〜1880、誘電体損失0.1%以下、静電容量の
電圧依存率1KV/mm誘電体厚さの電界当り9%
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25%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, bismuth titanate, and lead titanate ceramics as ceramic capacitors, and has a relative permittivity of
1060~1880, dielectric loss 0.1% or less, voltage dependence of capacitance 9% per electric field of 1KV/mm dielectric thickness
with the following and for capacitance at 20℃
Since the power supply device uses ceramics with a capacitance reduction rate of 25% or less at 85°C, it can be used for induction heating such as high-frequency sensitivity or high-frequency sewing machines, or induction heating such as high-frequency hardening, high-frequency melting, and high-frequency welding. As a power supply device for use in the field of business, it has become possible to increase the output power and reduce the size of the power supply, 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61.6〜69.6重量%と
チタン酸ビスマス17.5〜25.9重量%とチタン酸鉛
4.7〜15.2重量%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1060〜1880、誘電体損失0.1%以
下、静電容量の電圧依存率1KV/mm誘電体厚さ
の電界当り9%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
25%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 61.6-69.6% by weight, bismuth titanate 17.5-25.9% by weight, and lead titanate
4.7~15.2% by weight, consisting of manganese, niobium,
Contains at least one additive component selected from oxides of metals selected from chromium, nickel, cobalt, and iron, clay materials, and oxides of rare earth elements, and has a dielectric constant of 1060 to 1880. It has a loss of 0.1% or less, a voltage dependence of capacitance of 9% or less per electric field of 1KV/mm dielectric thickness, and a reduction rate of capacitance at 85℃ relative to capacitance at 20℃.
A power supply device for dielectric or induction heating using a strontium titanate ceramic capacitor with a content of 25% or less.
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