電圧検出装置及び誘導加熱装置
【解決課題】加熱コイルの形状や寸法によらずに、加熱コイルに高周波電力を投入することができる、電圧検出装置及びそれを備えた誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】二次側に加熱コイル１を接続し得る変成器１３と、変成器１３の一次側に整合器１２を介在して接続されるインバータ１１とを備えた誘導加熱装置１０において、検出用変成器２１を変成器１３の二次側に加熱コイル１と並列に接続し、検出信号生成部２２を検出用変成器２１の二次側に接続する。検出信号生成部２２により、変成器１３の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器２１からの信号を処理して検出信号として検出器１４に出力する。検出器１４は、検出信号生成部２２から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、インバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力制御部１５に対して出力する。
【解決手段】二次側に加熱コイル１を接続し得る変成器１３と、変成器１３の一次側に整合器１２を介在して接続されるインバータ１１とを備えた誘導加熱装置１０において、検出用変成器２１を変成器１３の二次側に加熱コイル１と並列に接続し、検出信号生成部２２を検出用変成器２１の二次側に接続する。検出信号生成部２２により、変成器１３の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器２１からの信号を処理して検出信号として検出器１４に出力する。検出器１４は、検出信号生成部２２から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、インバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力制御部１５に対して出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源側から変成器に印加される電圧を検出する電圧検出装置と、それを備えた誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱を行うに際し、交番電力を効率良く加熱コイルに供給するために、インバータと加熱コイルとの間に整合器及び変成器を介在してインピーダンス整合をとり、変成器により加熱コイルに流れる電流を大きくしている。すなわち、誘導加熱装置では、回路的に、インバータに整合器と変成器とが順に接続され、変成器の二次側である出力側に加熱コイルが接続される。誘導加熱により加熱コイルに必要な電力を投入する場合、加熱コイルに必要な電圧を印加して、必要な電流を流す必要がある。
【０００３】
また、誘導加熱を行う際、被加熱材であるワークが加熱コイルと接触すると、ワークや加熱コイルが変形したり破損したり、誘導加熱装置における機械駆動系が通常の動作を行えないおそれがあるため、コイルタッチ検出装置が設けられている（例えば特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１３６８２号公報
【特許文献２】特開平９−１１８９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、誘導加熱すべき被加熱材の形状や寸法が定まっている場合には、それに応じて加熱コイルを設計し、加熱コイル及び被加熱材との負荷に応じて整合器や変成器を選定すればよい。しかしながら、色々な形状、寸法の被加熱材を誘導加熱しようとする場合には、想定範囲を超えたインピーダンスを有する加熱コイルを選定してしまい、変成器の一次側が過電圧になり、変成器が本来の機能を十分発揮することができない。
【０００６】
この点について詳細に説明する。加熱コイルの径が大きい場合やコイル幅が狭い場合には、加熱コイルの入力インピーダンスが大きくなり、インバータから大きい電圧を出力しても、加熱コイルに電流が流れ難くなる。変成器は、通常、一次コイルに大きな電圧を印加して二次コイルに電流を多く流すように、二次コイルに対する一次コイルの巻き数比が高い。加熱コイルに印加する電圧が大きくなると、二次側の巻き線には加熱コイルの電圧と同じ電圧が生じるため、一次側の巻き線に生じる電圧が極めて大きくなる。例えば、一次コイルと二次コイルの比率が１：７とすると、加熱コイルに生じる電圧が５００Ｖの場合には一次コイルには約7倍の３５００Ｖというきわめて高い電圧がインバータから整合器を経由して入力されることになる。これでは、変成器の一次側が過電圧になり、絶縁破壊やコアの磁気飽和を生じてしまい、変成器が本来の機能を果たさなくなる。
【０００７】
そこで、本発明は、被加熱材の形状や寸法によらずに、換言すれば、加熱コイルの形状や寸法によらずに、加熱コイルに交番電力を投入することができる、電圧検出装置及びそれを備えた誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の電圧検出装置は、変成器の二次側に加熱コイルが接続されており、変成器の一次側に印加される電圧を検出する電圧検出装置であって、変成器の二次側に対して加熱コイルと並列に接続される検出用変成器と、変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、を備える。
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、二次側に加熱コイルを接続し得る変成器と、変成器の一次側に整合器を介在して接続されるインバータと、インバータの出力を制御する出力制御部と、を備える誘導加熱装置において、変成器の二次側に加熱コイルと並列接続される検出用変成器と、変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、を備え、検出信号生成部から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、インバータからの出力を抑制する制御信号を出力制御部に対して出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変成器のうち加熱コイルが接続される二次側に検出用変成器の一次側を並列接続しており、検出用変成器の二次側に検出信号生成部を接続している。よって、変成器の一次側に加わる電圧を、その電圧の大きさよりも小さい信号として変成器の二次側から取り出すことができる。つまり、検出用変成器の耐圧を高く設定する必要がなくなる。さらに、検出信号生成部から出力された検出信号をモニターし、変成器が許容する電圧よりも大きい電圧が検出されると、インバータの出力を抑制することで、変成器に過電圧が加わる状態を回避することができ、結果として変成器を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す電圧検出装置の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲及びそれと均等な範囲において適宜変更して実施することができることは説明するまでもない。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。誘導加熱装置１０は、図１に示すように、インバータ１１と、インバータ１１の出力端に接続される整合器１２と、一次側に整合器１２を接続した変成器１３と、変成器１３の二次側に接続される電圧検出装置２０と、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出する検出器１４と、インバータ１１の出力を制御する出力制御部１５と、を備えている。
【００１４】
変成器１３の二次側には、電圧検出装置２０と並列接続となるよう、加熱コイル１が交換可能に接続されることができ、加熱コイル１に交番電流が流れることで、被加熱材であるワーク２に渦電流が生じ、その結果として、ワーク２が誘導加熱される。
【００１５】
以下、誘導加熱装置１０の各部の構成について、それに含まれる電圧検出装置２０と共に詳細に説明する。
【００１６】
インバータ１１は、例えば交流電源１７から入力された電力を一旦直流に変換し、その直流をパルス変換することで、交番電力を出力するものである。
【００１７】
整合器１２は例えば整合用のコンデンサを含んでおり、整合用のコンデンサと変成器１３及び加熱コイル１に含まれるインダクタンスとで共振回路を構成している。
【００１８】
変成器１３は、インバータ１１に対して整合器１２を介して接続される一次コイル１３ａと、加熱コイル１と並列接続される二次コイル１３ｂと、を含んでおり、一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの間に相互結合するための鉄心などを含んで構成されている。
【００１９】
電圧検出装置２０は検出用変成器２１と検出信号生成部２２とを少なくとも有する。検出用変成器２１は、変成器１３における二次コイル１３ｂに対して加熱コイル１と並列に接続される。検出信号生成部２２は、変成器１３の一次コイル１３ａに印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器２１からの信号を処理して検出信号として出力する手段である。図１に示されている例では、電圧検出装置２０と検出器１４とは別体であるが、電圧検出装置２０内に検出信号をモニターする機能を備えていても良い。
【００２０】
電圧検出装置２０について詳細に説明する。図２は図１に示す電圧検出装置２０の一例を示す回路図である。検出用変成器２１は一次コイル２１ａと二次コイル２１ｂとが相互誘導で結合して構成されている。一次コイル２１ａに生じる電圧に対して二次コイル２１ｂに生じる電圧が相対的に低くなるよう、一次コイル２１ａ、二次コイル２１ｂの形状、寸法及び巻き数が設定されることが好ましい。
【００２１】
検出信号生成部２２は二次コイル２１ｂに接続され二次コイル２１ｂに生じる電圧の信号を処理する手段であって、例えば図２に示す回路により整流作用を有する。具体的には、検出信号生成部２２は、検出用変成器２１の二次側に生じる電圧の信号波形を整形して、変成器１３の一次コイル１３ａに生じる電圧の大きさに対応した信号、例えば比例した信号に変換する。
【００２２】
検出信号生成部２２は、図２に示すように、二次コイル２１ｂに並列接続される第１のコンデンサ２２ａと、第１のコンデンサ２２ａに並列接続される第１の抵抗２２ｂと、二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ及び第１の抵抗２２ｂが並列接続されたものに対して直列接続される整流素子としてのダイオード２２ｃ、第２の抵抗２２ｄ及び第２のコンデンサ２２ｅと、で構成される。すなわち、ダイオード２２ｃ、第２の抵抗２２ｄ及び第２のコンデンサ２２ｅの直列接続に対し、二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ及び第１の抵抗２２ｂがそれぞれ並列接続されている。
【００２３】
二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ、第１の抵抗２２ｂの各一端が接続された側に、ダイオード２２ｃのアノードが接続される。ダイオード２２ｃのカソード側に第２の抵抗２２ｄの一端が接続される。第２の抵抗２２ｄの他端に第２のコンデンサ２２ｅの一端が接続される。第２のコンデンサ２２ｅの他端が二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ、第１の抵抗２２ｂの各他端に接続される。
【００２４】
第２の抵抗２２ｄと第２のコンデンサ２２ｅとが直列接続された両端と二次コイル２１ｂの両端との間に介在する回路は整流回路を含む。
【００２５】
図２に示す電圧検出装置２０では、ダイオード２２ｃにおけるカソード側の一端とダイオード２２ｃが接続されていない他端との間には、第２の抵抗２２ｄと第２のコンデンサ２２ｅとが直列接続されており、第２のコンデンサ２２ｅの両端を、検出信号生成部２２の出力端子としている。換言すれば、第２のコンデンサ２２ｅの両端、即ち、二次コイル２１ｂと第１のコンデンサ２２ａと第１の抵抗２２ｂと第２のコンデンサ２２ｅとの接続点と、第２のコンデンサ２２ｅと第２の抵抗２２ｄとの接続点と、を検出信号生成部２２の出力端子としている。
【００２６】
このように、第２のコンデンサ２２ｅの両端は、電圧検出装置２０の出力端として検出器１４に接続されている。第２のコンデンサ２２ｅは電圧検出装置２０からの出力波形を成形するものである。第２の抵抗２２ｄは、電圧検出装置２０における出力端子間が短絡しても電圧検出装置２０内の回路に大電流が流れないように防ぐためのものである。
【００２７】
検出信号生成部２２の回路構成としては、図２に示す場合のみならず、例えば二次コイル２１ｂに生じる電圧のピーク値を検出信号とするピーク保持回路を含んでいても良い。
【００２８】
検出器１４は、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出する。検出器１４には、この検出信号と変成器１３における一次コイル１３ａに生じる電圧との大きさとの関係を考慮して変成器１３が許容する電圧の範囲が設定されており、検出した値が許容範囲を超えるとインバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力制御部１５に対して出力する。一例を挙げると、検出器１４には、変成器１３に加わる電圧が過電圧となる上限が設定されており、検出信号がこの上限を超えたと判断すると、出力制御部１５に対し、インバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力する。
【００２９】
出力制御部１５は、検出器１４から上述の制御信号が入力されると、インバータ１１に対して出力を抑制するよう指令する。
【００３０】
次に、図１に示す誘導加熱装置１０において、電圧検出装置２０により変成器１３の一次側の電圧をモニターする方法について説明する。
【００３１】
被加熱材となるワーク２の形状や大きさ、加熱処理される部位の形状、大きさに応じて、加熱コイル１の設計又は選定がなされる。この加熱コイル１を変成器１３の二次コイル１３ｂに並列接続する。
【００３２】
この加熱コイル１を含めて変成器１３及び整合器１２がインバータ１１の出力インピーダンスと整合している場合、インバータ１１からの出力電圧を大きくすると、それに比例して加熱コイル１に電流が流れ、ワーク２に対して誘導加熱処理を施すことができる。
【００３３】
一方、設計、選定した加熱コイル１のインピーダンスが高い場合、インバータ１１からの出力電圧を大きくすると、変成器１３の一次コイル１３ａに過電圧が印加される。電圧検出装置２０がこの過電圧印加状態を検出信号として検出器１４に入力して検知器１４が検出すると、検出器１４は出力制御部１５に対して制御信号を出力する。出力制御部１５はこの制御信号を受けると、インバータ１１からの出力を抑制する。これにより、変成器１３の過電圧状態を解消することができる。
【００３４】
本発明の第１の実施形態によれば、一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの巻き数比に応じて一次コイル１３ａに印加される電圧に基いて二次コイル１３ｂに電圧が生じる。例えば、変成器１３における一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの巻き数比に基いて変成器１３の一次側に印加される電圧の値を二次コイル１３ｂに生じる電圧から検出することができる。特に、誘導加熱においては大きな電圧を変成器１３の一次コイル１３ａに入力して変成器１３により大きな電流に変換し、ワーク２に渦電流を生じさせるため、一次コイル１３ａの電圧を検出するよりも二次コイル１３ｂの電圧を検出する方が良い。例えば、一次コイル１３ａに数千ボルトの電圧が生じている場合には二次コイル１３ｂに数百ボルトの電圧が生じる。本発明の第１の実施形態では、一次コイル１３ａの電圧を直接検出しておらず、二次コイル１３ｂの電圧を検出するので、検出用変成器２１の耐圧を抑制することができる。
【００３５】
また、誘導加熱装置１０において設計、選定した加熱コイル１のインピーダンスが高い場合、インバータ１１からの出力を大きくすると、検出用変成器２１の一次コイル２１ａに大きな電圧が加わり、その値が二次コイル２１ｂの出力電圧、すなわち検出信号生成部２２から検出信号として出力される。
【００３６】
例えば、図２に示す検出信号生成部２２の回路構成の場合にあっては、整流回路が二次コイル２１ｂに生じる電圧をダイオード２２ｃで整流し、第２のコンデンサ２２ｅで波形整形する。第２の抵抗２２ｄが第２のコンデンサ２２ｅのダイオード２２ｃ側に直列に接続されていることにより、電圧検出装置２０の出力が短絡した場合に回路に大きな短絡電流が流れないように防止することができる。もちろん検出信号生成部２２は単に二次コイル２１ｂに生じる電圧の信号に含まれるノイズをカットするフィルタのみで構成してもよいし、ピーク検出回路のみで構成しても良い。このように、検出信号生成部２２から出力された検出信号を検出器１４でモニタリングし、検出器１４により検出信号の波形についての属性を検出して検出信号の振幅やピーク値などが許容範囲を超えない限り、インバータ１１の出力を続け、そうでない場合には出力制御部１５を経由してインバータ１１の出力を低下し、場合によっては、インバータ１１の出力を停止する。これより、変成器１３に過電圧が印加されている状態を解消することができる。
【００３７】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧が許容範囲内か否かについて次のように判断される。すなわち、変成器１３の二次コイル１３ｂに生じる電圧を検出用変成器２１で取り出し、検出信号生成部２２により必要に応じて所定の波形整形を行って検出信号として出力し、検出器１４において検出信号が許容範囲内に収まっているか否かとして判断される。変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧と検出器１４で検出する検出信号との関係は一対一に対応するので、検出器１４から出力制御部１５へ制御信号を出力する判断基準として、変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧の許容範囲を設定しておけば、変成器１３における一次コイル１３ａの過電圧状態を解消することができる。
【００３８】
ここで、図１に示すように、加熱コイル１とワーク２との接触を検知するコイルタッチ検出器１６を設けておいても良い。コイルタッチ検出器１６の内部構成としては、特許文献１及び２などで既に知られているので、説明を省略する。図１に示すように、コイルタッチ検出器１６の一端を加熱コイル１の何処に接続しても、電圧検出装置２０は、内部に変成器２１を有しているため、加熱コイル１の両端の電圧をモニターすることができる。
【００３９】
つまり、図１に点線で示すように、コイルタッチ検出器１６の一端を加熱コイル１の両端から同じ距離となる点に取り付け、加熱コイル１と二次コイル１３ｂとの並列接続に対して検出用変成器２１を介在させずに検出信号生成部２２や検出器１４を並列接続した場合には、検出器１４は加熱コイル１に生じる電圧の半分の大きさしかモニターされない。これに対し、本発明の第１の実施形態では、検出用変成器２１を介在しているので、コイルタッチ検出器１６の取付位置に左右されないで、加熱コイル１に生じる電圧をモニターすることができる。
【００４０】
ところで、ワークを誘導加熱する際、第１の実施形態のように一つの周波数を有する電力で誘導加熱を生じさせる場合よりも、複数の周波数を有する交番電力で誘導加熱を生じさせることにより高精度な熱処理を実現することができる。本発明は、複数の周波数を用いた交番電力によりワークを誘導加熱する場合にも適用することができる。高い周波数と低い周波数の二つの電力を用いてワークを同一の処理で加熱することで、ワークの表面からの焼入れの深さを調整したり、焼入れパターンの最適化を行うことができる。
【００４１】
複数の周波数を用いるタイプには各種考えられており、例えば、時間軸に対して低周波と高周波とを同時に重畳する重畳合成方式と、時間軸に交互に低周波数と高周波数とを切り替える時分割方式とがある。本発明の実施形態は何れのタイプでも適用することができる。これらの各方式の回路構成については、以下の各実施形態において説明することにする。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示している。図３に示す誘導加熱装置３０では時分割方式を採用しており、例えば一つの商用電源３７を用いて低周波と高周波を短時間で交互に切り替え、低周波の電力による加熱と高周波の電力による加熱とを交互に行ってワーク２を熱処理する。回路構成としては、例えば、インバータ３１の入力側が商用電源３７に接続され、整合器３２がインバータ３１の出力側に接続され、変成器３３が整合器３２の出力側に接続され、変成器３３には加熱コイル１が交換可能に接続されている。ここで、インバータ３１には、交流を直流に切り替える順変換回路３１ａとこの順変換回路３１ａから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路３１ｂと、出力制御部３５からの指令に基いて順変換回路３１ａと逆変換回路３１ｂとを制御する制御部３１ｃと、が設けられている。
【００４３】
第２の実施形態に係る誘導加熱装置３０は、図１に示す誘導加熱装置１０と比べて、インバータ３１の構成以外に次の点で相違している。
【００４４】
図３に示すように、整合器３２は、第１のトランス３２Ａと第２のトランス３２Ｂとが並列接続されて、変成器３３に対して第１の周波数を有する電力と第２の周波数を有する電力とを交互に投入することができるように構成されている。例えば、第１のトランス３２Ａ及び第２のトランス３２Ｂは何れも一次コイル３２ａ，３２ｅと二次コイル３２ｂ，３２ｆとが結合して構成されている。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂの一次側には一つのインバータ３１が接続される。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂの一次側でインバータ３１との間には、一次コイル３２ａ，３２ｅの巻き数を変えるために、切り替え部３２ｃ，３２ｈがそれぞれ設けられている。整合器３２の出力端子は第１の周波数用と第２の周波数用にそれぞれ対応して設けられており、各出力端子と二次コイル３２ｂ，３２ｆとの間には、第２の周波数、第１の周波数の電力が変成器３３を経由して反射しないよう、第１のフィルタ３２ｄ、第２のフィルタ３２ｇがそれぞれ介在している。第１のフィルタ３２ｄ、第２のフィルタ３２ｇとは、変成器３３及び加熱コイル１のインダクタンスとで共振回路を構成しても良い。
【００４５】
変成器３３は、一次コイル３３ａと二次コイル３３ｂとが結合して構成されており、一次コイル３３ａには整合器３２の各出力端子と並列接続されている。変成器３３の一次側には一次コイル３３ａの巻き数を変更できるよう切り替え部３３ｃが設けられていても良い。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂ、変成器３３は、それぞれ入力側で、二次側との巻き数比率を変更することができる。
【００４６】
加熱コイル１が、第１の実施形態と同様、変成器３３の出力側である二次コイル３３ｂに接続され、電圧検出装置２０が加熱コイル１と二次コイル３３ｂとに並列に接続され、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出器３４で検出し、第１の実施形態と同様、検出信号が許容範囲を超えると出力制御部３５に対して制御信号を出力する。
【００４７】
よって、一つの交番電力によりワーク２を誘導加熱する場合と同様、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器３３の一次コイル３３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、変成器３３を保護することができる。第２の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器３６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置を示す。第３の実施形態に係る誘導加熱装置４０のうち図３に示す構成とは電圧検出装置５０の点で異なり、その他については第２の実施形態と同様である。以下では相違点を説明する。
【００４９】
電圧検出装置５０は、検出用変成器５１と検出信号生成部５２を備える点で図２に示す構成と同様であるが、検出用変成器５１の二次側端子と検出信号生成部５２との間にローパスフィルタ５３が挿入されている点で異なる。ローパスフィルタ５３は例えばＲＣ積分回路で構成されている。ＲＣ積分回路は、コンデンサ５３ａと抵抗５３ｂとを直列接続したものを検出用変成器５１の出力側に接続し、かつ、コンデンサ５３ａの両端が検出信号生成部５２の入力端に接続されて、構成される。
【００５０】
第３の実施形態について第２の実施形態と比較しながらさらに説明する。第３の実施形態においても、変成器３３から異なる周波数、例えば高周波と低周波とが交互に加熱コイル１に出力される。よって、ワーク２が誘導加熱されると同時に、電圧検出装置５０には異なる周波数の電圧信号が入力される。通常の焼入れ処理では、高周波の方が低周波と比べて電圧が高い。そのため、インバータ３１からの出力を抑制する基準値として低周波の電圧レベルＶｆ１を検出器３４で設定すると、図２に示す電圧検出装置２０が誘導加熱装置３０に組み込まれている場合（図３参照）には、高周波の電圧信号に対応した検出信号が基準値より通常高くなるため、インバータ３１からの出力が抑制される。つまり、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑制したい場合であっても、第２の実施形態では実現することができない。
【００５１】
そこで、第３の実施形態では、ローパスフィルタ５３が検出用変成器５１と検出信号生成部５２との間に設けられている。検出用変成器５１からローパスフィルタ５３には高周波と低周波の何れの電圧信号も入力されるが、ローパスフィルタ５３において高周波が減衰し、この減衰した高周波の検出電圧より高い低周波の検出電圧が検出信号生成部５２に入力される。よって、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑えたり、停止したりすることができる。
【００５２】
つまり、第３の実施形態では、加熱コイル１が変成器３３の出力側、すなわち二次コイル３３ｂに接続され、電圧検出装置５０が加熱コイル１と二次コイル３３ｂと並列に接続され、電圧検出装置５０から出力される検出信号を検出器３４で検出する。電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３で高周波が減衰するので、電圧検出装置５０から検出器３４に対して、減衰した高周波の検出電圧よりも高い低周波の検出電圧が入力される。そこで、予め低周波の電圧を基準とした許容範囲が検出器３４に予め設定されていることで、検出器３４は、許容範囲から検出信号が外れていると判断した場合、出力制御部３５に対して制御信号を出力する。よって、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑制することで、変成器３３の絶縁破壊やコアの磁気飽和を回避することができる。
【００５３】
よって、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器３３の一次コイル３３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、整合器３２や変成器３３を保護することができる。第３の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器３６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００５４】
図３及び図４に示す構成は、時分割方式の二周波による誘導加熱装置であるが、本発明は、重畳合成方式による二周波等の多周波による誘導加熱装置においても適用することができる。
【００５５】
図５は第４の実施形態に係る誘導加熱装置６０を示すものである。第４の実施形態に係る誘導加熱装置６０では重畳合成方式を採用しており、例えば二つの商用電源６７ａ，６７ｂを用いて低周波と高周波との双方の電力により同時にワーク２を熱処理する。回路構成としては、例えば、高周波用インバータ６１Ａが一方の商用電源６７ａに接続され、低周波用インバータ６１Ｂが他方の商用電源６７ｂに接続され、高周波用整合器６２Ａが高周波用インバータ６１Ａの出力側に接続され、低周波用整合器６２Ｂが低周波用インバータ６１Ｂに接続され、変成器６３の入力側に高周波用整合器６２Ａと低周波用整合器６２Ｂが並列接続され、変成器６３の出力側に加熱コイル１と電圧検出装置５０が並列に接続されている。この回路構成によれば、時間軸上で低周波と高周波とが重ね合わされ、ワーク２を同時に熱処理する。
【００５６】
高周波用インバータ６１Ａは、交流を直流に切り替える順変換回路６１ａと、順変換回路６１ａから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路６１ｂと、出力制御部６５からの指令に基いて順変換回路６１ａ及び逆変換回路６１ｂをそれぞれ制御する制御部６１ｃと、を備えている。同様に、低周波用インバータ６１Ｂは、交流を直流に切り替える順変換回路６１ｄと、順変換回路６１ｄから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路６１ｅと、出力制御部６５からの指令に基いて順変換回路６１ｄと逆変換回路６１ｅとを制御する制御部６１ｄと、を備えている。高周波用インバータ６１Ａと低周波用インバータ６１Ｂとを合わせてインバータが構成されている。
【００５７】
変成器６３は、高周波用整合器６２Ａと低周波用整合器６２Ｂとに並列接続される一次コイル６３ａと、加熱コイル１と並列接続される二次コイル６３ｂと、を含んでおり、一次コイル６３ａと二次コイル６３ｂとの間に相互結合するための鉄心などを含んで構成されている。変成器６３の一次側には一次コイル６３ａの巻き数を変更できるよう切り替え部６３ｃが設けられていても良い。
【００５８】
電圧検出装置５０の構成は第４の実施形態で説明したものと同じ構成であり、検出用変成器５１と検出信号生成部５２とローパスフィルタ５３とを備えている。検出用変成器５１が変成器６３の二次側と加熱コイル１との間に並列接続されて取り付けられ、検出信号生成部５２が検出器６４に接続される。検出器６４は検出信号生成部５２から検出信号が入力され、その検出信号が予め設定されている範囲を超えた場合には、出力制御部６５に対して制御信号を出力する。
【００５９】
第４の実施形態では、電源系統が二周波を出力して、変成器６３で低周波と高周波とが重畳して合成され、加熱コイル１に出力される。よって、第３の実施形態と同様、ワーク２が誘導加熱されると同時に、電圧検出装置５０には異なる周波数の電圧信号が入力される。この場合でも、電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３により高周波が減衰し、この減衰した高周波の検出電圧より高い低周波の検出電圧が検出信号生成部５２を経由して検出器６４に入力される。従って、検出器６４は電圧検出装置５０から出力される検出信号を検出する。その際、電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３で高周波が減衰するので、電圧検出装置５０から検出器６４に入力される検出信号は、減衰した高周波の検出電圧よりも高い低周波の検出電圧となる。そこで、検出器６４は、低周波の電圧を基準として検出信号が許容範囲を超えていると判断した場合、出力制御部６５に対して制御信号を出力する。
【００６０】
よって、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器６３の一次コイル６３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、高周波用整合器６２Ａ，低周波用整合器６２Ｂ及び変成器６３を保護することができる。第４の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器６６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００６１】
以上の説明においては、電圧検出装置５０では検出用変成器５１と検出信号生成部５２との間にローパスフィルタ５３を介在させたが、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ等の他のフィルタを介在させることで、任意の周波数の電圧についてインバータの出力を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１：加熱コイル
２：ワーク
１０，３０，４０，６０：誘導加熱装置
１１，３１：インバータ １２，３２：整合器
１３，３３，６３：変成器
１３ａ，２１ａ，３２ａ，３２ｅ，３３ａ，６３ａ：一次コイル
１３ｂ，２１ｂ,３２ｂ，３２ｆ，３３ｂ，６３ｂ：二次コイル
１４，３４：検出器 １５，３５，６５：出力制御部
１６，３６，６６：コイルタッチ検出器
１７，３７，６７ａ，６７ｂ：商用電源
２０，５０：電圧検出装置
２１，５１：検出用変成器
２２，５２：検出信号生成部
２２ａ：第１のコンデンサ
２２ｂ：第１の抵抗
２２ｃ：ダイオード
２２ｄ：第２の抵抗
２２ｅ：第２のコンデンサ
３１ａ，６１ａ，６１ｄ：順変換回路
３１ｂ，６１ｂ，６１ｅ：逆変換回路
３１ｃ，６１ｃ，６１ｆ：制御部
３２Ａ：第１のトランス
３２Ｂ：第２のトランス
３２ｃ，３２ｈ，３３ｃ，６３ｃ：切り替え部
３２ｄ：第１のフィルタ
３２ｇ：第２のフィルタ
５３：ローパスフィルタ
５３ａ：コンデンサ
５３ｂ：抵抗
６１Ａ：高周波用インバータ
６１Ｂ：低周波用インバータ
６２Ａ：高周波用整合器
６２Ｂ：低周波用整合器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源側から変成器に印加される電圧を検出する電圧検出装置と、それを備えた誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱を行うに際し、交番電力を効率良く加熱コイルに供給するために、インバータと加熱コイルとの間に整合器及び変成器を介在してインピーダンス整合をとり、変成器により加熱コイルに流れる電流を大きくしている。すなわち、誘導加熱装置では、回路的に、インバータに整合器と変成器とが順に接続され、変成器の二次側である出力側に加熱コイルが接続される。誘導加熱により加熱コイルに必要な電力を投入する場合、加熱コイルに必要な電圧を印加して、必要な電流を流す必要がある。
【０００３】
また、誘導加熱を行う際、被加熱材であるワークが加熱コイルと接触すると、ワークや加熱コイルが変形したり破損したり、誘導加熱装置における機械駆動系が通常の動作を行えないおそれがあるため、コイルタッチ検出装置が設けられている（例えば特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１３６８２号公報
【特許文献２】特開平９−１１８９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、誘導加熱すべき被加熱材の形状や寸法が定まっている場合には、それに応じて加熱コイルを設計し、加熱コイル及び被加熱材との負荷に応じて整合器や変成器を選定すればよい。しかしながら、色々な形状、寸法の被加熱材を誘導加熱しようとする場合には、想定範囲を超えたインピーダンスを有する加熱コイルを選定してしまい、変成器の一次側が過電圧になり、変成器が本来の機能を十分発揮することができない。
【０００６】
この点について詳細に説明する。加熱コイルの径が大きい場合やコイル幅が狭い場合には、加熱コイルの入力インピーダンスが大きくなり、インバータから大きい電圧を出力しても、加熱コイルに電流が流れ難くなる。変成器は、通常、一次コイルに大きな電圧を印加して二次コイルに電流を多く流すように、二次コイルに対する一次コイルの巻き数比が高い。加熱コイルに印加する電圧が大きくなると、二次側の巻き線には加熱コイルの電圧と同じ電圧が生じるため、一次側の巻き線に生じる電圧が極めて大きくなる。例えば、一次コイルと二次コイルの比率が１：７とすると、加熱コイルに生じる電圧が５００Ｖの場合には一次コイルには約7倍の３５００Ｖというきわめて高い電圧がインバータから整合器を経由して入力されることになる。これでは、変成器の一次側が過電圧になり、絶縁破壊やコアの磁気飽和を生じてしまい、変成器が本来の機能を果たさなくなる。
【０００７】
そこで、本発明は、被加熱材の形状や寸法によらずに、換言すれば、加熱コイルの形状や寸法によらずに、加熱コイルに交番電力を投入することができる、電圧検出装置及びそれを備えた誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の電圧検出装置は、変成器の二次側に加熱コイルが接続されており、変成器の一次側に印加される電圧を検出する電圧検出装置であって、変成器の二次側に対して加熱コイルと並列に接続される検出用変成器と、変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、を備える。
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、二次側に加熱コイルを接続し得る変成器と、変成器の一次側に整合器を介在して接続されるインバータと、インバータの出力を制御する出力制御部と、を備える誘導加熱装置において、変成器の二次側に加熱コイルと並列接続される検出用変成器と、変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、を備え、検出信号生成部から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、インバータからの出力を抑制する制御信号を出力制御部に対して出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変成器のうち加熱コイルが接続される二次側に検出用変成器の一次側を並列接続しており、検出用変成器の二次側に検出信号生成部を接続している。よって、変成器の一次側に加わる電圧を、その電圧の大きさよりも小さい信号として変成器の二次側から取り出すことができる。つまり、検出用変成器の耐圧を高く設定する必要がなくなる。さらに、検出信号生成部から出力された検出信号をモニターし、変成器が許容する電圧よりも大きい電圧が検出されると、インバータの出力を抑制することで、変成器に過電圧が加わる状態を回避することができ、結果として変成器を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す電圧検出装置の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲及びそれと均等な範囲において適宜変更して実施することができることは説明するまでもない。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示す図である。誘導加熱装置１０は、図１に示すように、インバータ１１と、インバータ１１の出力端に接続される整合器１２と、一次側に整合器１２を接続した変成器１３と、変成器１３の二次側に接続される電圧検出装置２０と、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出する検出器１４と、インバータ１１の出力を制御する出力制御部１５と、を備えている。
【００１４】
変成器１３の二次側には、電圧検出装置２０と並列接続となるよう、加熱コイル１が交換可能に接続されることができ、加熱コイル１に交番電流が流れることで、被加熱材であるワーク２に渦電流が生じ、その結果として、ワーク２が誘導加熱される。
【００１５】
以下、誘導加熱装置１０の各部の構成について、それに含まれる電圧検出装置２０と共に詳細に説明する。
【００１６】
インバータ１１は、例えば交流電源１７から入力された電力を一旦直流に変換し、その直流をパルス変換することで、交番電力を出力するものである。
【００１７】
整合器１２は例えば整合用のコンデンサを含んでおり、整合用のコンデンサと変成器１３及び加熱コイル１に含まれるインダクタンスとで共振回路を構成している。
【００１８】
変成器１３は、インバータ１１に対して整合器１２を介して接続される一次コイル１３ａと、加熱コイル１と並列接続される二次コイル１３ｂと、を含んでおり、一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの間に相互結合するための鉄心などを含んで構成されている。
【００１９】
電圧検出装置２０は検出用変成器２１と検出信号生成部２２とを少なくとも有する。検出用変成器２１は、変成器１３における二次コイル１３ｂに対して加熱コイル１と並列に接続される。検出信号生成部２２は、変成器１３の一次コイル１３ａに印加される電圧の大きさに対応するよう検出用変成器２１からの信号を処理して検出信号として出力する手段である。図１に示されている例では、電圧検出装置２０と検出器１４とは別体であるが、電圧検出装置２０内に検出信号をモニターする機能を備えていても良い。
【００２０】
電圧検出装置２０について詳細に説明する。図２は図１に示す電圧検出装置２０の一例を示す回路図である。検出用変成器２１は一次コイル２１ａと二次コイル２１ｂとが相互誘導で結合して構成されている。一次コイル２１ａに生じる電圧に対して二次コイル２１ｂに生じる電圧が相対的に低くなるよう、一次コイル２１ａ、二次コイル２１ｂの形状、寸法及び巻き数が設定されることが好ましい。
【００２１】
検出信号生成部２２は二次コイル２１ｂに接続され二次コイル２１ｂに生じる電圧の信号を処理する手段であって、例えば図２に示す回路により整流作用を有する。具体的には、検出信号生成部２２は、検出用変成器２１の二次側に生じる電圧の信号波形を整形して、変成器１３の一次コイル１３ａに生じる電圧の大きさに対応した信号、例えば比例した信号に変換する。
【００２２】
検出信号生成部２２は、図２に示すように、二次コイル２１ｂに並列接続される第１のコンデンサ２２ａと、第１のコンデンサ２２ａに並列接続される第１の抵抗２２ｂと、二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ及び第１の抵抗２２ｂが並列接続されたものに対して直列接続される整流素子としてのダイオード２２ｃ、第２の抵抗２２ｄ及び第２のコンデンサ２２ｅと、で構成される。すなわち、ダイオード２２ｃ、第２の抵抗２２ｄ及び第２のコンデンサ２２ｅの直列接続に対し、二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ及び第１の抵抗２２ｂがそれぞれ並列接続されている。
【００２３】
二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ、第１の抵抗２２ｂの各一端が接続された側に、ダイオード２２ｃのアノードが接続される。ダイオード２２ｃのカソード側に第２の抵抗２２ｄの一端が接続される。第２の抵抗２２ｄの他端に第２のコンデンサ２２ｅの一端が接続される。第２のコンデンサ２２ｅの他端が二次コイル２１ｂ、第１のコンデンサ２２ａ、第１の抵抗２２ｂの各他端に接続される。
【００２４】
第２の抵抗２２ｄと第２のコンデンサ２２ｅとが直列接続された両端と二次コイル２１ｂの両端との間に介在する回路は整流回路を含む。
【００２５】
図２に示す電圧検出装置２０では、ダイオード２２ｃにおけるカソード側の一端とダイオード２２ｃが接続されていない他端との間には、第２の抵抗２２ｄと第２のコンデンサ２２ｅとが直列接続されており、第２のコンデンサ２２ｅの両端を、検出信号生成部２２の出力端子としている。換言すれば、第２のコンデンサ２２ｅの両端、即ち、二次コイル２１ｂと第１のコンデンサ２２ａと第１の抵抗２２ｂと第２のコンデンサ２２ｅとの接続点と、第２のコンデンサ２２ｅと第２の抵抗２２ｄとの接続点と、を検出信号生成部２２の出力端子としている。
【００２６】
このように、第２のコンデンサ２２ｅの両端は、電圧検出装置２０の出力端として検出器１４に接続されている。第２のコンデンサ２２ｅは電圧検出装置２０からの出力波形を成形するものである。第２の抵抗２２ｄは、電圧検出装置２０における出力端子間が短絡しても電圧検出装置２０内の回路に大電流が流れないように防ぐためのものである。
【００２７】
検出信号生成部２２の回路構成としては、図２に示す場合のみならず、例えば二次コイル２１ｂに生じる電圧のピーク値を検出信号とするピーク保持回路を含んでいても良い。
【００２８】
検出器１４は、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出する。検出器１４には、この検出信号と変成器１３における一次コイル１３ａに生じる電圧との大きさとの関係を考慮して変成器１３が許容する電圧の範囲が設定されており、検出した値が許容範囲を超えるとインバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力制御部１５に対して出力する。一例を挙げると、検出器１４には、変成器１３に加わる電圧が過電圧となる上限が設定されており、検出信号がこの上限を超えたと判断すると、出力制御部１５に対し、インバータ１１からの出力を抑制する制御信号を出力する。
【００２９】
出力制御部１５は、検出器１４から上述の制御信号が入力されると、インバータ１１に対して出力を抑制するよう指令する。
【００３０】
次に、図１に示す誘導加熱装置１０において、電圧検出装置２０により変成器１３の一次側の電圧をモニターする方法について説明する。
【００３１】
被加熱材となるワーク２の形状や大きさ、加熱処理される部位の形状、大きさに応じて、加熱コイル１の設計又は選定がなされる。この加熱コイル１を変成器１３の二次コイル１３ｂに並列接続する。
【００３２】
この加熱コイル１を含めて変成器１３及び整合器１２がインバータ１１の出力インピーダンスと整合している場合、インバータ１１からの出力電圧を大きくすると、それに比例して加熱コイル１に電流が流れ、ワーク２に対して誘導加熱処理を施すことができる。
【００３３】
一方、設計、選定した加熱コイル１のインピーダンスが高い場合、インバータ１１からの出力電圧を大きくすると、変成器１３の一次コイル１３ａに過電圧が印加される。電圧検出装置２０がこの過電圧印加状態を検出信号として検出器１４に入力して検知器１４が検出すると、検出器１４は出力制御部１５に対して制御信号を出力する。出力制御部１５はこの制御信号を受けると、インバータ１１からの出力を抑制する。これにより、変成器１３の過電圧状態を解消することができる。
【００３４】
本発明の第１の実施形態によれば、一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの巻き数比に応じて一次コイル１３ａに印加される電圧に基いて二次コイル１３ｂに電圧が生じる。例えば、変成器１３における一次コイル１３ａと二次コイル１３ｂとの巻き数比に基いて変成器１３の一次側に印加される電圧の値を二次コイル１３ｂに生じる電圧から検出することができる。特に、誘導加熱においては大きな電圧を変成器１３の一次コイル１３ａに入力して変成器１３により大きな電流に変換し、ワーク２に渦電流を生じさせるため、一次コイル１３ａの電圧を検出するよりも二次コイル１３ｂの電圧を検出する方が良い。例えば、一次コイル１３ａに数千ボルトの電圧が生じている場合には二次コイル１３ｂに数百ボルトの電圧が生じる。本発明の第１の実施形態では、一次コイル１３ａの電圧を直接検出しておらず、二次コイル１３ｂの電圧を検出するので、検出用変成器２１の耐圧を抑制することができる。
【００３５】
また、誘導加熱装置１０において設計、選定した加熱コイル１のインピーダンスが高い場合、インバータ１１からの出力を大きくすると、検出用変成器２１の一次コイル２１ａに大きな電圧が加わり、その値が二次コイル２１ｂの出力電圧、すなわち検出信号生成部２２から検出信号として出力される。
【００３６】
例えば、図２に示す検出信号生成部２２の回路構成の場合にあっては、整流回路が二次コイル２１ｂに生じる電圧をダイオード２２ｃで整流し、第２のコンデンサ２２ｅで波形整形する。第２の抵抗２２ｄが第２のコンデンサ２２ｅのダイオード２２ｃ側に直列に接続されていることにより、電圧検出装置２０の出力が短絡した場合に回路に大きな短絡電流が流れないように防止することができる。もちろん検出信号生成部２２は単に二次コイル２１ｂに生じる電圧の信号に含まれるノイズをカットするフィルタのみで構成してもよいし、ピーク検出回路のみで構成しても良い。このように、検出信号生成部２２から出力された検出信号を検出器１４でモニタリングし、検出器１４により検出信号の波形についての属性を検出して検出信号の振幅やピーク値などが許容範囲を超えない限り、インバータ１１の出力を続け、そうでない場合には出力制御部１５を経由してインバータ１１の出力を低下し、場合によっては、インバータ１１の出力を停止する。これより、変成器１３に過電圧が印加されている状態を解消することができる。
【００３７】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧が許容範囲内か否かについて次のように判断される。すなわち、変成器１３の二次コイル１３ｂに生じる電圧を検出用変成器２１で取り出し、検出信号生成部２２により必要に応じて所定の波形整形を行って検出信号として出力し、検出器１４において検出信号が許容範囲内に収まっているか否かとして判断される。変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧と検出器１４で検出する検出信号との関係は一対一に対応するので、検出器１４から出力制御部１５へ制御信号を出力する判断基準として、変成器１３の一次コイル１３ａに加わる電圧の許容範囲を設定しておけば、変成器１３における一次コイル１３ａの過電圧状態を解消することができる。
【００３８】
ここで、図１に示すように、加熱コイル１とワーク２との接触を検知するコイルタッチ検出器１６を設けておいても良い。コイルタッチ検出器１６の内部構成としては、特許文献１及び２などで既に知られているので、説明を省略する。図１に示すように、コイルタッチ検出器１６の一端を加熱コイル１の何処に接続しても、電圧検出装置２０は、内部に変成器２１を有しているため、加熱コイル１の両端の電圧をモニターすることができる。
【００３９】
つまり、図１に点線で示すように、コイルタッチ検出器１６の一端を加熱コイル１の両端から同じ距離となる点に取り付け、加熱コイル１と二次コイル１３ｂとの並列接続に対して検出用変成器２１を介在させずに検出信号生成部２２や検出器１４を並列接続した場合には、検出器１４は加熱コイル１に生じる電圧の半分の大きさしかモニターされない。これに対し、本発明の第１の実施形態では、検出用変成器２１を介在しているので、コイルタッチ検出器１６の取付位置に左右されないで、加熱コイル１に生じる電圧をモニターすることができる。
【００４０】
ところで、ワークを誘導加熱する際、第１の実施形態のように一つの周波数を有する電力で誘導加熱を生じさせる場合よりも、複数の周波数を有する交番電力で誘導加熱を生じさせることにより高精度な熱処理を実現することができる。本発明は、複数の周波数を用いた交番電力によりワークを誘導加熱する場合にも適用することができる。高い周波数と低い周波数の二つの電力を用いてワークを同一の処理で加熱することで、ワークの表面からの焼入れの深さを調整したり、焼入れパターンの最適化を行うことができる。
【００４１】
複数の周波数を用いるタイプには各種考えられており、例えば、時間軸に対して低周波と高周波とを同時に重畳する重畳合成方式と、時間軸に交互に低周波数と高周波数とを切り替える時分割方式とがある。本発明の実施形態は何れのタイプでも適用することができる。これらの各方式の回路構成については、以下の各実施形態において説明することにする。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱装置を模式的に示している。図３に示す誘導加熱装置３０では時分割方式を採用しており、例えば一つの商用電源３７を用いて低周波と高周波を短時間で交互に切り替え、低周波の電力による加熱と高周波の電力による加熱とを交互に行ってワーク２を熱処理する。回路構成としては、例えば、インバータ３１の入力側が商用電源３７に接続され、整合器３２がインバータ３１の出力側に接続され、変成器３３が整合器３２の出力側に接続され、変成器３３には加熱コイル１が交換可能に接続されている。ここで、インバータ３１には、交流を直流に切り替える順変換回路３１ａとこの順変換回路３１ａから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路３１ｂと、出力制御部３５からの指令に基いて順変換回路３１ａと逆変換回路３１ｂとを制御する制御部３１ｃと、が設けられている。
【００４３】
第２の実施形態に係る誘導加熱装置３０は、図１に示す誘導加熱装置１０と比べて、インバータ３１の構成以外に次の点で相違している。
【００４４】
図３に示すように、整合器３２は、第１のトランス３２Ａと第２のトランス３２Ｂとが並列接続されて、変成器３３に対して第１の周波数を有する電力と第２の周波数を有する電力とを交互に投入することができるように構成されている。例えば、第１のトランス３２Ａ及び第２のトランス３２Ｂは何れも一次コイル３２ａ，３２ｅと二次コイル３２ｂ，３２ｆとが結合して構成されている。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂの一次側には一つのインバータ３１が接続される。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂの一次側でインバータ３１との間には、一次コイル３２ａ，３２ｅの巻き数を変えるために、切り替え部３２ｃ，３２ｈがそれぞれ設けられている。整合器３２の出力端子は第１の周波数用と第２の周波数用にそれぞれ対応して設けられており、各出力端子と二次コイル３２ｂ，３２ｆとの間には、第２の周波数、第１の周波数の電力が変成器３３を経由して反射しないよう、第１のフィルタ３２ｄ、第２のフィルタ３２ｇがそれぞれ介在している。第１のフィルタ３２ｄ、第２のフィルタ３２ｇとは、変成器３３及び加熱コイル１のインダクタンスとで共振回路を構成しても良い。
【００４５】
変成器３３は、一次コイル３３ａと二次コイル３３ｂとが結合して構成されており、一次コイル３３ａには整合器３２の各出力端子と並列接続されている。変成器３３の一次側には一次コイル３３ａの巻き数を変更できるよう切り替え部３３ｃが設けられていても良い。第１のトランス３２Ａ、第２のトランス３２Ｂ、変成器３３は、それぞれ入力側で、二次側との巻き数比率を変更することができる。
【００４６】
加熱コイル１が、第１の実施形態と同様、変成器３３の出力側である二次コイル３３ｂに接続され、電圧検出装置２０が加熱コイル１と二次コイル３３ｂとに並列に接続され、電圧検出装置２０から出力される検出信号を検出器３４で検出し、第１の実施形態と同様、検出信号が許容範囲を超えると出力制御部３５に対して制御信号を出力する。
【００４７】
よって、一つの交番電力によりワーク２を誘導加熱する場合と同様、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器３３の一次コイル３３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、変成器３３を保護することができる。第２の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器３６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置を示す。第３の実施形態に係る誘導加熱装置４０のうち図３に示す構成とは電圧検出装置５０の点で異なり、その他については第２の実施形態と同様である。以下では相違点を説明する。
【００４９】
電圧検出装置５０は、検出用変成器５１と検出信号生成部５２を備える点で図２に示す構成と同様であるが、検出用変成器５１の二次側端子と検出信号生成部５２との間にローパスフィルタ５３が挿入されている点で異なる。ローパスフィルタ５３は例えばＲＣ積分回路で構成されている。ＲＣ積分回路は、コンデンサ５３ａと抵抗５３ｂとを直列接続したものを検出用変成器５１の出力側に接続し、かつ、コンデンサ５３ａの両端が検出信号生成部５２の入力端に接続されて、構成される。
【００５０】
第３の実施形態について第２の実施形態と比較しながらさらに説明する。第３の実施形態においても、変成器３３から異なる周波数、例えば高周波と低周波とが交互に加熱コイル１に出力される。よって、ワーク２が誘導加熱されると同時に、電圧検出装置５０には異なる周波数の電圧信号が入力される。通常の焼入れ処理では、高周波の方が低周波と比べて電圧が高い。そのため、インバータ３１からの出力を抑制する基準値として低周波の電圧レベルＶｆ１を検出器３４で設定すると、図２に示す電圧検出装置２０が誘導加熱装置３０に組み込まれている場合（図３参照）には、高周波の電圧信号に対応した検出信号が基準値より通常高くなるため、インバータ３１からの出力が抑制される。つまり、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑制したい場合であっても、第２の実施形態では実現することができない。
【００５１】
そこで、第３の実施形態では、ローパスフィルタ５３が検出用変成器５１と検出信号生成部５２との間に設けられている。検出用変成器５１からローパスフィルタ５３には高周波と低周波の何れの電圧信号も入力されるが、ローパスフィルタ５３において高周波が減衰し、この減衰した高周波の検出電圧より高い低周波の検出電圧が検出信号生成部５２に入力される。よって、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑えたり、停止したりすることができる。
【００５２】
つまり、第３の実施形態では、加熱コイル１が変成器３３の出力側、すなわち二次コイル３３ｂに接続され、電圧検出装置５０が加熱コイル１と二次コイル３３ｂと並列に接続され、電圧検出装置５０から出力される検出信号を検出器３４で検出する。電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３で高周波が減衰するので、電圧検出装置５０から検出器３４に対して、減衰した高周波の検出電圧よりも高い低周波の検出電圧が入力される。そこで、予め低周波の電圧を基準とした許容範囲が検出器３４に予め設定されていることで、検出器３４は、許容範囲から検出信号が外れていると判断した場合、出力制御部３５に対して制御信号を出力する。よって、低周波の電圧を基準としてインバータ３１からの出力を抑制することで、変成器３３の絶縁破壊やコアの磁気飽和を回避することができる。
【００５３】
よって、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器３３の一次コイル３３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、整合器３２や変成器３３を保護することができる。第３の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器３６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００５４】
図３及び図４に示す構成は、時分割方式の二周波による誘導加熱装置であるが、本発明は、重畳合成方式による二周波等の多周波による誘導加熱装置においても適用することができる。
【００５５】
図５は第４の実施形態に係る誘導加熱装置６０を示すものである。第４の実施形態に係る誘導加熱装置６０では重畳合成方式を採用しており、例えば二つの商用電源６７ａ，６７ｂを用いて低周波と高周波との双方の電力により同時にワーク２を熱処理する。回路構成としては、例えば、高周波用インバータ６１Ａが一方の商用電源６７ａに接続され、低周波用インバータ６１Ｂが他方の商用電源６７ｂに接続され、高周波用整合器６２Ａが高周波用インバータ６１Ａの出力側に接続され、低周波用整合器６２Ｂが低周波用インバータ６１Ｂに接続され、変成器６３の入力側に高周波用整合器６２Ａと低周波用整合器６２Ｂが並列接続され、変成器６３の出力側に加熱コイル１と電圧検出装置５０が並列に接続されている。この回路構成によれば、時間軸上で低周波と高周波とが重ね合わされ、ワーク２を同時に熱処理する。
【００５６】
高周波用インバータ６１Ａは、交流を直流に切り替える順変換回路６１ａと、順変換回路６１ａから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路６１ｂと、出力制御部６５からの指令に基いて順変換回路６１ａ及び逆変換回路６１ｂをそれぞれ制御する制御部６１ｃと、を備えている。同様に、低周波用インバータ６１Ｂは、交流を直流に切り替える順変換回路６１ｄと、順変換回路６１ｄから出力される直流をパルスの電力に変換する逆変換回路６１ｅと、出力制御部６５からの指令に基いて順変換回路６１ｄと逆変換回路６１ｅとを制御する制御部６１ｄと、を備えている。高周波用インバータ６１Ａと低周波用インバータ６１Ｂとを合わせてインバータが構成されている。
【００５７】
変成器６３は、高周波用整合器６２Ａと低周波用整合器６２Ｂとに並列接続される一次コイル６３ａと、加熱コイル１と並列接続される二次コイル６３ｂと、を含んでおり、一次コイル６３ａと二次コイル６３ｂとの間に相互結合するための鉄心などを含んで構成されている。変成器６３の一次側には一次コイル６３ａの巻き数を変更できるよう切り替え部６３ｃが設けられていても良い。
【００５８】
電圧検出装置５０の構成は第４の実施形態で説明したものと同じ構成であり、検出用変成器５１と検出信号生成部５２とローパスフィルタ５３とを備えている。検出用変成器５１が変成器６３の二次側と加熱コイル１との間に並列接続されて取り付けられ、検出信号生成部５２が検出器６４に接続される。検出器６４は検出信号生成部５２から検出信号が入力され、その検出信号が予め設定されている範囲を超えた場合には、出力制御部６５に対して制御信号を出力する。
【００５９】
第４の実施形態では、電源系統が二周波を出力して、変成器６３で低周波と高周波とが重畳して合成され、加熱コイル１に出力される。よって、第３の実施形態と同様、ワーク２が誘導加熱されると同時に、電圧検出装置５０には異なる周波数の電圧信号が入力される。この場合でも、電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３により高周波が減衰し、この減衰した高周波の検出電圧より高い低周波の検出電圧が検出信号生成部５２を経由して検出器６４に入力される。従って、検出器６４は電圧検出装置５０から出力される検出信号を検出する。その際、電圧検出装置５０内のローパスフィルタ５３で高周波が減衰するので、電圧検出装置５０から検出器６４に入力される検出信号は、減衰した高周波の検出電圧よりも高い低周波の検出電圧となる。そこで、検出器６４は、低周波の電圧を基準として検出信号が許容範囲を超えていると判断した場合、出力制御部６５に対して制御信号を出力する。
【００６０】
よって、二周波でワーク２を誘導加熱する場合にも、変成器６３の一次コイル６３ａに加わる電圧の状態をモニターして、過電圧が印加されている状態を解消することができ、高周波用整合器６２Ａ，低周波用整合器６２Ｂ及び変成器６３を保護することができる。第４の実施形態の場合でもコイルタッチ検出器６６の加熱コイル１への取付位置によらず、加熱コイル１の電圧を検出することができる。
【００６１】
以上の説明においては、電圧検出装置５０では検出用変成器５１と検出信号生成部５２との間にローパスフィルタ５３を介在させたが、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ等の他のフィルタを介在させることで、任意の周波数の電圧についてインバータの出力を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１：加熱コイル
２：ワーク
１０，３０，４０，６０：誘導加熱装置
１１，３１：インバータ １２，３２：整合器
１３，３３，６３：変成器
１３ａ，２１ａ，３２ａ，３２ｅ，３３ａ，６３ａ：一次コイル
１３ｂ，２１ｂ,３２ｂ，３２ｆ，３３ｂ，６３ｂ：二次コイル
１４，３４：検出器 １５，３５，６５：出力制御部
１６，３６，６６：コイルタッチ検出器
１７，３７，６７ａ，６７ｂ：商用電源
２０，５０：電圧検出装置
２１，５１：検出用変成器
２２，５２：検出信号生成部
２２ａ：第１のコンデンサ
２２ｂ：第１の抵抗
２２ｃ：ダイオード
２２ｄ：第２の抵抗
２２ｅ：第２のコンデンサ
３１ａ，６１ａ，６１ｄ：順変換回路
３１ｂ，６１ｂ，６１ｅ：逆変換回路
３１ｃ，６１ｃ，６１ｆ：制御部
３２Ａ：第１のトランス
３２Ｂ：第２のトランス
３２ｃ，３２ｈ，３３ｃ，６３ｃ：切り替え部
３２ｄ：第１のフィルタ
３２ｇ：第２のフィルタ
５３：ローパスフィルタ
５３ａ：コンデンサ
５３ｂ：抵抗
６１Ａ：高周波用インバータ
６１Ｂ：低周波用インバータ
６２Ａ：高周波用整合器
６２Ｂ：低周波用整合器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変成器の二次側に加熱コイルが接続されており、該変成器の一次側に印加される電圧を検出する電圧検出装置であって、
上記変成器の二次側に対して上記加熱コイルと並列に接続される検出用変成器と、
上記変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう上記検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、
を備える、電圧検出装置。
【請求項２】
前記検出信号生成部は、前記検出用変成器の二次側に接続され、かつ前記検出用変成器の二次側に生じる電圧の信号を整流する、請求項１に記載の電圧検出装置。
【請求項３】
前記検出用変成器と前記検出信号生成部との間にはローパスパスフィルタが介在されている、請求項１に記載の電圧検出装置。
【請求項４】
二次側に加熱コイルを接続し得る変成器と、該変成器の一次側に整合器を介在して接続されるインバータと、該インバータの出力を制御する出力制御部と、を備える誘導加熱装置において、
上記変成器の二次側に上記加熱コイルと並列接続される検出用変成器と、
上記変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう上記検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、
を備え、
上記検出信号生成部から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、上記インバータからの出力を抑制する制御信号を上記出力制御部に対して出力することを特徴とする、誘導加熱装置。
【請求項５】
さらに、ワークに前記加熱コイルが接触しているか否かを検出するコイルタッチ検出器を備え、
上記コイルタッチ検出器における配線の前記加熱コイルへの取付箇所によらず、前記加熱コイルに生じる電圧を検出することを特徴とする、請求項４に記載の誘導加熱装置。
【請求項１】
変成器の二次側に加熱コイルが接続されており、該変成器の一次側に印加される電圧を検出する電圧検出装置であって、
上記変成器の二次側に対して上記加熱コイルと並列に接続される検出用変成器と、
上記変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう上記検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、
を備える、電圧検出装置。
【請求項２】
前記検出信号生成部は、前記検出用変成器の二次側に接続され、かつ前記検出用変成器の二次側に生じる電圧の信号を整流する、請求項１に記載の電圧検出装置。
【請求項３】
前記検出用変成器と前記検出信号生成部との間にはローパスパスフィルタが介在されている、請求項１に記載の電圧検出装置。
【請求項４】
二次側に加熱コイルを接続し得る変成器と、該変成器の一次側に整合器を介在して接続されるインバータと、該インバータの出力を制御する出力制御部と、を備える誘導加熱装置において、
上記変成器の二次側に上記加熱コイルと並列接続される検出用変成器と、
上記変成器の一次側に印加される電圧の大きさに対応するよう上記検出用変成器からの信号を処理して検出信号として出力する検出信号生成部と、
を備え、
上記検出信号生成部から出力された検出信号が所定の範囲を超えると、上記インバータからの出力を抑制する制御信号を上記出力制御部に対して出力することを特徴とする、誘導加熱装置。
【請求項５】
さらに、ワークに前記加熱コイルが接触しているか否かを検出するコイルタッチ検出器を備え、
上記コイルタッチ検出器における配線の前記加熱コイルへの取付箇所によらず、前記加熱コイルに生じる電圧を検出することを特徴とする、請求項４に記載の誘導加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１３４６１４（Ｐ２０１１−１３４６１４Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９３４５４（Ｐ２００９−２９３４５４）
【出願日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【Ｆターム（参考）】
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