JPH11144850A

JPH11144850A - 誘導加熱方法および装置

Info

Publication number: JPH11144850A
Application number: JP30432197A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Kaneko; 知昭金子
Original assignee: Nihon Denshi Kogyo KK
Current assignee: NDK Inc
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】多様な加熱コイルに適応する誘導加熱方法お
よび装置を実現する。【解決手段】加熱コイル３０に直列にキャパシタ３２
を接続して直列共振回路を形成し、発振機１８〜２４の
交流出力を直列共振回路に供給し、制御手段２６で、キ
ャパシタ３２の両端電圧に基づき発振機の交流出力の周
波数を直列共振回路の共振周波数に一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱方法およ
び装置に関し、特に、例えば鋼の焼入れ等を行うのため
の誘導加熱方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘導加熱装置では、発振機により所定の
周波数の交流出力をワークコイルに供給して、ワークコ
イルに誘導加熱用の交流磁界を発生させるようにしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ワークコイルは被加熱
物に応じて様々なものが付け替えて使用されるが、中に
は発振機との整合性が必ずしも十分でないものがあり、
発振が不安定になったり、あるいは、発振が停止する等
の問題があった。

【０００４】また、発振機は固有の発振周波数を持って
おり、その周波数でしか誘導加熱ができないという不便
さがあった。本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、多様な加熱コイルに適応す
る誘導加熱方法および装置を実現することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する請求項１の発明は、加熱コイルに直列にキャパシタ
を接続して直列共振回路を形成し、発振機の交流出力を
前記直列共振回路に供給し、前記キャパシタの両端電圧
に基づき前記発振機の交流出力の周波数を前記直列共振
回路の共振周波数に一致させる、ことを特徴とする。

【０００６】請求項１の発明では、キャパシタの両端電
圧に基づいて、発振機の交流出力の周波数を直列共振回
路の共振周波数に追従させる。（２）上記の課題を解決する請求項２の発明は、交流出
力を生じる発振手段と、加熱コイルとキャパシタの直列
接続を有し前記交流出力が供給される直列共振回路と、
前記キャパシタの両端電圧に基づき前記発振手段の交流
出力の周波数を前記直列共振回路の共振周波数に一致さ
せる制御手段と、を具備することを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明では、制御手段により、キ
ャパシタの両端電圧に基づいて、発振手段の交流出力の
周波数を直列共振回路の共振周波数に追従させる。（３）上記の課題を解決する請求項３の発明は、請求項
２の発明において、前記制御手段は、ＰＬＬ回路を有す
ることを特徴とする。

【０００８】請求項３の発明では、ＰＬＬ回路により、
発振手段の交流出力の周波数を直列共振回路の共振周波
数と一致させる。（４）上記の課題を解決する請求項４の発明は、請求項
２の発明または請求項３の発明において、前記直列共振
回路は、共振周波数が異なる複数のものから選択的に使
用されるものである、ことを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明では、発振手段が、選択的
された直列共振回路の共振周波数に一致した周波数で発
振する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。

【００１１】図１に、誘導加熱装置のブロック(block)
図を示す。本装置は本発明の誘導加熱装置の実施の形態
の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に
関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によ
って、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示され
る。

【００１２】（構成）本装置の構成を説明する。図１に
示すように、本装置は、商用周波数の交流電源２から供
給される交流電圧を整流回路４で整流し、キャパシタ３
で平滑するようになっている。

【００１３】キャパシタ３の両端電圧をスイッチング素
子６でスイッチングし、スイッチング出力をインダクタ
８およびキャパシタ１０からなるＬ型回路で平滑するよ
うになっている。スイッチング素子６としては、例えば
ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。

【００１４】インダクタ８としては、例えば空芯コイル
等が用いられる。インダクタ８には、キャパシタ１０と
は対称的な位置関係でダイオード１２が接続され、スイ
ッチングにともなってインダクタ８に生じる逆電圧を吸
収するようになっている。

【００１５】キャパシタ１０の両端電圧は、次段の負荷
に供給される。出力検出器１３は、負荷に供給される出
力電流を検出して制御回路１４にフィードバックするよ
うになっている。出力検出器１３としては例えば電流検
出抵抗等が用いられる。あるいは、出力検出器１３は、
キャパシタ１０の両端電圧を検出してフィードバックす
るようにしたものでも良い。その場合は、例えば分圧抵
抗等が用いられる。

【００１６】制御回路１４には、設定器１６から設定信
号を与えるようになっている。設定信号には、スイッチ
ングの基本周波数を設定する周波数設定信号が含まれ
る。また、出力設定信号が含まれる。

【００１７】制御回路１４は、周波数設定信号に対応し
た基本周波数でスイッチング素子６をスイッチングさせ
るようになっている。基本周波数設定値は、例えば２０
ＫＨｚ〜２００ＫＨｚの範囲で可変となっている。

【００１８】制御回路１４は、また、出力設定信号とフ
ィードバック信号との差に基づいてスイッチングのデュ
ーティレシオを制御し、出力電流を出力設定信号に一致
させるようになっている。なお、フィードバック信号が
出力電圧をフィードバックしたものである場合は、出力
電圧を出力設定信号に一致させるように制御する。

【００１９】図２に、出力制御の例を示す。同図の
（ａ）は５０％出力状態を示すものであり、キャパシタ
３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチング素子６によりデュ
ーティレシオ５０％でスイッチングすることにより、ダ
イオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を得る。これをインダ
クタ８とキャパシタ１０で平滑することにより５０％出
力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２０】同図の（ｂ）は２５％出力状態を示すもの
であり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチン
グ素子６によりデューティレシオ２５％でスイッチング
することにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を
得る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑する
ことにより２５％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２１】同図の（ｃ）は１％出力状態を示すもので
あり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチング
素子６によりデューティレシオ１％でスイッチングする
ことにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を得
る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑するこ
とにより１％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２２】同図の（ｄ）は７５％出力状態を示すもの
であり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチン
グ素子６によりデューティレシオ７５％でスイッチング
することにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を
得る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑する
ことにより７５％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２３】以上の、整流回路４乃至設定器１６からな
る部分は、スイッチングギュレーション型の直流電源を
構成する。この直流電源の出力は、設定器１６で出力設
定信号を変えることにより、任意に変更することができ
る。すなわち、可変出力の直流電源となる。

【００２４】このような直流電源の出力を、スイッチン
グ素子１８，２０，２２，２４からなるブリッジ回路に
供給するようになっている。スイッチング素子１８〜２
４としては、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等が用いら
れる。

【００２５】スイッチング素子１８，２０，２２，２４
は、それぞれブリッジの１辺を構成する。スイッチング
素子１８と２０の共通接続点がブリッジの一方の給電端
となり、スイッチング素子２２と２４の共通接続点がブ
リッジの他方の給電端となる。スイッチング素子１８と
２２の直列接続点がブリッジの一方の出力端となり、ス
イッチング素子２０と２４の直列接続点がブリッジの他
方の出力端となる。

【００２６】ブリッジ回路の出力端間にトランス２８の
１次側を接続し、トランス２８の２次側にワークコイル
２８とキャパシタ３０の直列回路を接続するようになっ
ている。ワークコイル２８とキャパシタ３０の直列回路
は、本発明における直列共振回路の実施の形態の一例で
ある。

【００２７】スイッチング素子１８〜２４は、駆動回路
２６で駆動され、スイッチング素子１８，２４の対とス
イッチング素子２０，２２の対が、一方の対がオンにな
るとき他方がオフになる関係、すなわち、互いに逆な位
相でオン・オフするようになっている。これによって、
トランス２８を通じてワークコイル３０とキャパシタ３
０の直列回路に交流電流が流れる。スイッチング素子１
８〜２４および駆動回路２６は、本発明における発振手
段の実施の形態の一例である。

【００２８】キャパシタ３０の両端電圧は、トランス３
４を介して駆動回路２６にフィードバックするようにな
っている。駆動回路２６は、ＰＬＬ回路を内蔵し、その
働きにより、フィードバック信号の周波数すなわち共振
周波数に一致した周波数の駆動信号を発生するようにな
っている。ＰＬＬ回路は、本発明における制御手段の実
施の形態の一例である。

【００２９】図３に、駆動回路２６が内蔵するＰＬＬ回
路の一例を示す。このＰＬＬ回路は、本発明におけるＰ
ＬＬ回路の実施の形態の一例である。同図に示すよう
に、ＰＬＬ回路は、トランス３４からのフィードバック
電圧を、抵抗４２，４４を通じてダイオード４６，４８
の逆極性の並列回路に印加し、それらの順方向の電圧降
下を利用して矩形波に波形成形し、この矩形波信号をキ
ャパシタ５０，５２を通じてＯＰアンプ５４に入力し、
増幅するようになっている。

【００３０】ＯＰアンプ５４の出力信号は、キャパシタ
５６を通じてナンド回路５８の一方の入力とするように
なっている。ナンド回路５８の出力信号はナンド回路６
０の一方の入力とするようになっている。ナンド回路６
０の出力信号はナンド回路５８の他方の入力とするよう
になっている。

【００３１】ナンド回路６０の出力信号は、また、抵抗
６２を通じてＯＰアンプ６４の負入力端子に入力するよ
うになっている。ＯＰアンプ６４の負入力端子には、ま
た、抵抗６６を通じて抵抗分圧器６８の出力電圧を入力
するようになっている。ＯＰアンプ６４の正入力端子は
コモンに接続し、負入力端子と出力端子をキャパシタ７
０で接続し、積分器を構成するようになっている。

【００３２】この積分器の出力信号は、抵抗７２を通じ
てＶ／Ｆコンバータ７４に入力するようになっている。
Ｖ／Ｆコンバータ７４は、入力信号（電圧）に対応した
周波数を持つ矩形波信号を発生するものである。この矩
形波信号に基づいてスイッチング素子１８〜２４の駆動
信号を形成する。Ｖ／Ｆコンバータ７４の出力信号は、
キャパシタ７６を通じてナンド回路６０の他方の入力信
号とし、閉ループを形成している。

【００３３】このような構成において、ナンド回路５
８，６０は、ＯＰアンプ５４から入力されたフィードバ
ック信号とＶ／Ｆコンバータ７４の出力信号について位
相差検出を行い、位相差検出信号をナンド回路６０から
出力する。ＯＰアンプ６４は位相差検出信号の積分値で
Ｖ／Ｆコンバータ７４を制御してフェーズロックを行
い、Ｖ／Ｆコンバータ７４の出力信号の周波数をフィー
ドバック信号の周波数に一致させる。

【００３４】駆動回路２６がこのようなＰＬＬ回路を内
蔵することにより、駆動回路２６、スイッチング素子１
８〜２４、トランス２８、ワークコイル３０、キャパシ
タ３２およびトランス３４からなる閉ループの発振周波
数は、ワークコイル３０とキャパシタ３２の直列共振周
波数に一致する。したがって、ワークコイル３０の交換
や被加熱物の変化等により共振周波数が変化しても、常
にそれに追従して発振する。

【００３５】このため、トランス２８、ワークコイル３
０およびキャパシタ３２からなる部分を、例えば図４に
示すように、共振周波数が５００Ｈｚから４００ＫＨｚ
までの広い範囲でそれぞれ異なる、複数種類のワークコ
イルユニット８０〜１０６として構成することができ、
しかも、切換器１０８によってそれらのいずれを発振機
本体１１０に切り換え接続しても、発振機本体１１０は
各ワークコイルユニットの共振周波数に一致した周波数
で発振することができる。

【００３６】なお、駆動回路２６には、図示しない保護
回路を設けてスイッチングの出力波形を監視し、波高値
等が異常になった場合にスイッチングを停止するように
している。

【００３７】（動作）本装置の動作を説明する。作業者
は、予め、焼入れ等をおこなう被加熱物に適応したワー
クコイルユニットを切換器１０８によって選択する。ま
た、設定器１６で基本周波数、出力値および出力時間等
を設定する。

【００３８】基本周波数は、例えば２０ＫＨｚ〜２００
ＫＨｚの中から適切なものを設定する。出力値および出
力時間は、必要な加熱量に合わせて適切な値を設定す
る。次に、図示しない起動ボタン等を押して本装置を起
動する。それによって、制御回路１４による制御の下で
本装置が動作する。すなわち、スイッチング素子６が制
御回路１４による制御の下で出力設定値に対応したデュ
ーティレシオでスイッチング動作を行う。これによっ
て、設定どおりの出力電流あるいは出力電圧をスイッチ
ング素子１８〜２４からなるブリッジ回路に供給する。

【００３９】スイッチング素子１８〜２４は駆動回路２
６で駆動され、ワークコイル３０とキャパシタ３２の直
列回路の共振周波数に一致する周波数でスイッチング動
作を行い、ワークコイル３０に交流電流を流す。ワーク
コイル３０は交流電流に応じた交流磁界を生じ、被加熱
物を誘導加熱する。

【００４０】加熱の過程でワークコイル３０と被加熱物
との距離や位置関係が変化し、ワークコイル３０のイン
ダクタンスが変化し、共振周波数が変化しても発振周波
数はそれに追従して変化するので、発振が停止するよう
なことはなく効果的な加熱を行うことができる。

【００４１】被加熱物を変更したときは、それに適合し
たコイルユニットを切換器１０８によって選択し、同様
にして加熱を行う。その場合も、新たなコイルユニット
の共振周波数に一致する周波数で発振機が発振し、効果
的な誘導加熱が行われる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明または請求項２の発明では、加熱コイルに直列にキ
ャパシタを接続して直列共振回路を形成し、発振機の交
流出力を直列共振回路に供給し、キャパシタの両端電圧
に基づき発振機の交流出力の周波数を直列共振回路の共
振周波数に一致させるようにしたので、多様な加熱コイ
ルに適応する誘導加熱制御方法および装置を実現するこ
とができる。

【００４３】また、請求項３の発明では、ＰＬＬ回路に
より、発振手段の交流出力の周波数を直列共振回路の共
振周波数と一致させるようにしたので、共振周波数の変
化に常に追従し安定な発振を行うことができる。

【００４４】また、請求項４の発明では、発振手段が、
選択的された直列共振回路の共振周波数に一致した周波
数で発振するので、周波数の異なる多様な加熱コイルを
使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における出力
制御を示すグラフである。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置におけるＰＬ
Ｌ回路の一例のブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるワー
クコイルユニットの切り換え接続を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

２交流電源４整流回路３キャパシタ６スイッチング素子８インダクタ１０キャパシタ１２ダイオード１３出力検出器１４制御回路１６設定器１８〜２４スイッチング素子２６駆動回路２８トランス３０ワークコイル３２キャパシタ３４トランス４２，４４抵抗４６，４８ダイオード５０，５２キャパシタ５４ＯＰアンプ５６キャパシタ５８，６０ナンド回路６２抵抗６４ＯＰアンプ６６抵抗６８分圧抵抗７０キャパシタ７２抵抗７４Ｖ／Ｆコンパータ７６キャパシタ８０〜１０６ワークコイルユニット１０８切換器１１０発振器本体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱コイルに直列にキャパシタを接続し
て直列共振回路を形成し、発振機の交流出力を前記直列共振回路に供給し、前記キャパシタの両端電圧に基づき前記発振機の交流出
力の周波数を前記直列共振回路の共振周波数に一致させ
る、ことを特徴とする誘導加熱方法。
【請求項２】交流出力を生じる発振手段と、加熱コイルとキャパシタの直列接続を有し前記交流出力
が供給される直列共振回路と、前記キャパシタの両端電圧に基づき前記発振手段の交流
出力の周波数を前記直列共振回路の共振周波数に一致さ
せる制御手段と、を具備することを特徴とする誘導加熱
装置。
【請求項３】前記制御手段は、ＰＬＬ回路を有するこ
とを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】前記直列共振回路は、共振周波数が異な
る複数のものから選択的に使用されるものである、こと
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の誘導加熱
装置。