(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子に接続される充電回路と、
該充電回路によって充電される溶接用コンデンサと、
該溶接用コンデンサに充電されたエネルギーを放電する放電用スイッチと、
該放電用スイッチに直列に接続される１次巻線及び２次巻線とを有する溶接トランスと、
前記放電用スイッチを少なくともオンさせる制御回路と、
前記２次巻線の一方の端子に接続される第１の溶接電極と前記２次巻線の他方の端子に接続される第２の溶接電極と、を備え、
前記充電回路によって前記溶接用コンデンサが所定の極性の設定電圧まで充電された後に前記放電用スイッチを導通させ、前記溶接用コンデンサに充電されたエネルギーを前記溶接トランスの前記１次巻線と前記２次巻線とを介して放電させることによって、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間に溶接電流を流して被溶接物を抵抗溶接する溶接機であって、
エネルギー回収用インダクタンス成分と、前記溶接用コンデンサと前記エネルギー回収用インダクタンス成分とを有する経路を形成するエネルギー回収用半導体素子とを備え、
前記放電用スイッチを導通させ、前記所定の極性で充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーによって前記溶接トランスを介する経路に電流を流して前記所定の極性に対して逆極性に充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーを、前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記エネルギー回収用インダクタンス成分に移動させ、前記エネルギー回収用インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーを前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記所定の極性で前記溶接用コンデンサに回収させることを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接機。
【請求項２】
前記放電用スイッチを導通させて、前記所定の極性で充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーによって前記溶接トランスと前記放電スイッチとを介する経路に電流が流れる期間に前記経路に存在するインダクタンス成分にエネルギーが蓄積され、該インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーによって前記溶接用コンデンサが前記所定の極性とは逆極性に充電される方向に電流を流して前記インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーを前記溶接用コンデンサに移動させることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ式抵抗溶接機。
【請求項３】
前記エネルギー回収用インダクタンス成分又は前記インダクタンス成分は、前記溶接トランスに含まれる励磁インダクタンス、漏れインダクタンス又は前記溶接トランスとは別個のインダクタ手段のインダクタンスを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンデンサ式抵抗溶接機。
【請求項４】
前記放電用スイッチが双方向に導通する半導体スイッチのときには前記放電用スイッチの内部ダイオートを含めた前記エネルギー回収用ダイオード又は前記エネルギー回収用スイッチが前記エネルギー回収用半導体素子として前記放電用スイッチに逆並列に接続される場合に、
前記制御回路は、前記第１の溶接電極又は前記第２の溶接電極と前記被溶接物との電気的接触が開放された後に、前記エネルギー回収用半導体素子を導通させて、前記所定の極性とは逆極性に充電された前記溶接用コンデンサの電圧が前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記溶接トランスの前記１次巻線に印加されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のコンデンサ式抵抗溶接機。
【請求項５】
前記溶接用コンデンサは電解コンデンサの耐圧よりも高い耐圧を有する複数の両極性のコンデンサを並列接続してなり、
前記両極性のコンデンサは前記電解コンデンサの最高充電電圧よりも高い充電電圧値に充電されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のコンデンサ式抵抗溶接機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、充電回路により溶接用コンデンサに蓄えたエネルギーを溶接トランスを介して短時間で溶接電極間に放電することによって被溶接物を抵抗溶接するコンデンサ式抵抗溶接機に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサ式抵抗溶接機は、長い時間をかけて溶接用コンデンサに溶接電力を蓄え、それを短時間で一気に放電するので、一般的な交流溶接機に比べて、受電設備が大容量化しないという設備面での利点がある。また、被溶接物が加熱される度合いが小さいので、溶接箇所の溶接痕（焼け）がほとんど無く、また歪なども小さいという利点を有することから小型から大型までの産業設備で採用されている。
【０００３】
コンデンサ式抵抗溶接機は、一般的に多数の電解コンデンサを並列接続してなるコンデンサバンクを溶接用コンデンサとして用いている（例えば、特許文献１参照）。コンデンサ式抵抗溶接機による抵抗溶接方法は広く知られているので詳しく説明しないが、充電回路によって溶接用コンデンサを充電し、溶接用コンデンサの充電電圧が４５０Ｖ程度まで上昇すると、充電回路をオフにし、放電用スイッチをオンさせることにより、溶接トランスの１次巻線に急峻に増大するパルス状の電流を流す。溶接トランスの２次巻線は１ターン程度であって、１次巻線の巻数よりも大幅に少ないので、２次巻線には１次側電流よりも大幅に大きなパルス状の溶接電流が流れ、この溶接電流が溶接電極を通して被溶接物に流れることによって、被溶接物が抵抗溶接される。
【０００４】
放電用スイッチがオンして溶接用コンデンサのエネルギーが放電されるとき、そのエネルギーの一部分は放電回路内のインダクタンスとの共振（振動）作用により溶接用コンデンサに逆極性に充電される。このとき、溶接トランスの１次巻線と２次巻線、配線、一対の溶接電極間の抵抗などによって、溶接用コンデンサから放電されたエネルギーは消費されるが、一部分のエネルギーは溶接用コンデンサに逆極性に充電される。したがって、溶接用コンデンサを構成する電解コンデンサは有極性、つまり単極性であるが、短い時間ではある程度の逆極性の充電電圧には耐える構造になっている。
【０００５】
前掲の特許文献１の場合には、溶接用コンデンサに並列に、抵抗とダイオードとを直列に接続した逆極性電力消費回路を備えている。放電スイッチのオンによって、溶接用コンデンサに蓄えられたエネルギーが放電され、溶接用コンデンサが逆極性に充電される。これに伴い、前記逆極性電力消費回路のダイオードが順バイアスされて導通し、溶接用コンデンサに充電された逆極性エネルギーは抵抗とダイオードとを通して放電され、主にその抵抗によって消費される。したがって、溶接用コンデンサである電解コンデンサに逆極性の電圧が印加されている時間は短い時間であるが、電解コンデンサに悪影響を与えるため、従来のコンデンサ式抵抗溶接機はわざわざ無駄に電力を消費して逆電圧を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４―１６７５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、溶接用コンデンサに充電された溶接用エネルギーの一部分のエネルギーは溶接に使用されずに無駄に消費され、また、前記逆極性電力消費回路の発熱も大きいので、環境上、経済上から好ましくないということである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、入力端子に接続される充電回路と、その充電回路によって充電される溶接用コンデンサと、その溶接用コンデンサに充電されたエネルギーを放電する放電用スイッチと、その放電用スイッチに直列に接続される１次巻線及び２次巻線とを有する溶接トランスと、前記放電用スイッチを少なくともオンさせる制御回路と、前記２次巻線の一方の端子に接続される第１の溶接電極と前記２次巻線の他方の端子に接続される第２の溶接電極とを備え、前記充電回路によって前記溶接用コンデンサが所定の極性の設定電圧まで充電された後に前記放電用スイッチを導通させ、前記溶接用コンデンサに充電されたエネルギーを前記溶接トランスの前記１次巻線と前記２次巻線とを介して放電させることによって、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間に溶接電流を流して被溶接物を抵抗溶接する溶接機であって、エネルギー回収用インダクタンス成分と、前記溶接用コンデンサと前記エネルギー回収用インダクタンス成分とを有する経路を形成するエネルギー回収用半導体素子とを備え、前記放電用スイッチを導通させ、前記所定の極性で充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーによって前記溶接トランスを介する経路に電流を流して前記所定の極性に対して逆極性に充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーを、前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記エネルギー回収用インダクタンス成分に移動させ、前記エネルギー回収用インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーを前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記所定の極性で前記溶接用コンデンサに回収させる。
【０００９】
このような構成を採ることで、抵抗溶接が行われる際に溶接用コンデンサに逆極性に充電されるエネルギーを、再び溶接用コンデンサに所定極性に戻すことによって、電力損失を低減し、発熱を小さくすることができる。また、溶接用コンデンサに前記エネルギーを戻す分だけ溶接用コンデンサの充電時間を短縮することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、前記第１の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機において、放電用スイッチを導通させて、前記所定の極性で充電された前記溶接用コンデンサのエネルギーによって前記溶接トランスと前記放電スイッチとを介する経路に電流が流れる期間に前記経路に存在するインダクタンス成分にエネルギーが蓄積され、該インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーによって前記溶接用コンデンサが前記所定の極性とは逆極性に充電される方向に電流を流して前記インダクタンス成分に蓄積されたエネルギーを前記溶接用コンデンサに移動させる。
【００１１】
このことによって、放電用スイッチの導通時に、溶接用コンデンサと溶接トランスと放電スイッチとを介する経路に存在するインダクタンス成分に蓄積されたエネルギーによって溶接用コンデンサを所定の極性と逆の極性に充電させ、インダクタンス成分に蓄積されたエネルギー分を溶接用コンデンサに回収させることができる。
【００１２】
本発明の第３の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、前記第１の態様又は前記第２の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機において、前記エネルギー回収用インダクタンス成分又は前記インダクタンス成分は、前記溶接トランスに含まれる励磁インダクタンス、漏れインダクタンス又は前記溶接トランスとは別個のインダクタ手段のインダクタンスを有する。
【００１３】
このような構成を採ることで、エネルギー回収用インダクタンス成分又はインダクタンス成分として、溶接トランスに含まれる励磁インダクタンス、漏れインダクタンスを利用することもできるし、溶接トランスとは別個のインダクタ手段を用いることもできる。
【００１４】
本発明の第４の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、前記第１の態様から前記第３の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機において、前記放電用スイッチが双方向に導通する半導体スイッチのときには前記放電用スイッチの内部ダイオートを含めた前記エネルギー回収用ダイオード又は前記エネルギー回収用スイッチが前記エネルギー回収用半導体素子として前記放電用スイッチに逆並列に接続される場合に、前記制御回路は、前記第１の溶接電極又は前記第２の溶接電極と前記被溶接物との電気的接触が開放された後に、前記エネルギー回収用半導体素子を導通させて、前記所定の極性とは逆極性に充電された前記溶接用コンデンサの電圧が前記エネルギー回収用半導体素子を介して前記溶接トランスの前記１次巻線に印加される。
【００１５】
このことによって、溶接トランスの１次巻線に逆極性に充電された溶接用コンデンサの電圧を有効に印加することで、溶接トランスの磁気リセットを行うことができる。
【００１６】
本発明の第５の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、前記第１の態様から前記第４の態様に係るコンデンサ式抵抗溶接機において、前記溶接用コンデンサは電解コンデンサの耐圧よりも高い耐圧を有する複数の両極性のコンデンサを並列接続してなり、前記両極性のコンデンサは前記電解コンデンサの最高充電電圧よりも高い充電電圧値に充電される。
【００１７】
このような構成を採ることで、溶接用コンデンサの充電電圧を一般的な電解コンデンサの充電電圧よりも大きくできるので、従来よりも溶接電流を増大化させることができ、より大型の被溶接物や高導電性の金属材料からなる被溶接物の抵抗溶接を可能とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、抵抗溶接が行われる際に溶接用コンデンサに逆極性に充電されるエネルギーを、再び溶接用コンデンサに所定極性に戻すことによって、電力損失を低減し、発熱を小さくすることができる。また、溶接用コンデンサに前記エネルギーを戻す分だけ溶接用コンデンサの充電時間を短縮することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための図面である。
【図２】本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機に用いられる充電回路の例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための電圧波形図と電流波形図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための図面である。
【図５】本発明の実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための電圧波形図と電流波形図である。
【図６】本発明の実施形態３に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、抵抗溶接の際に溶接用コンデンサの放電に伴ってその溶接用コンデンサに充電される逆極性エネルギーを、溶接用コンデンサのキャパシタンスとインダクタンスとによる共振（振動）作用によって、溶接用コンデンサに所定の極性で回収して、次回の抵抗溶接でその回収したエネルギーを再使用することを特徴としている。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一の名称の部材を示すものとし、重複した説明は省略する。
【００２１】
［実施形態１］
図１〜図３によって本発明に係る実施形態１のコンデンサ式抵抗溶接機について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための図面である。図２は、本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機に用いられる充電回路の例を示す図である。また、図３は、本発明の実施形態１に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための電圧波形図と電流波形図である。なお、本実施形態１の説明においては、図１〜図３を適宜参照することとする。
【００２２】
実施形態１のコンデンサ式抵抗溶接機は、入力端子１、２間に接続される充電回路３と、充電回路３によって充電される溶接用コンデンサ４と、溶接用コンデンサ４に充電されたエネルギーを放電する放電用スイッチ６と、放電用スイッチ６に直列に接続される１次巻線５Ａ及び２次巻線５Ｂとを有する溶接トランス５と、放電用スイッチ６を少なくともオンさせる制御回路９と、溶接トランス５の２次巻線５Ｂの一方の端子に接続される第１の溶接電極７と溶接トランス５の２次巻線５Ｂの他方の端子に接続される第２の溶接電極８とを備えている。
【００２３】
このコンデンサ式抵抗溶接機は、充電回路３によって溶接用コンデンサ４が、図１に示す充電回路３の直流出力端３ａ側の極性がプラスとなる所定の極性に設定電圧まで充電された後に放電用スイッチ６をオンさせ、溶接用コンデンサ４に充電された所定の極性のエネルギーを溶接トランス５の１次巻線５Ａと２次巻線５Ｂとを介して放電させることによって、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間に挿入される被溶接物Ｗ１とＷ２とに溶接電流を流して抵抗溶接する。さらに、コンデンサ式抵抗溶接機は、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂと、溶接用コンデンサ４とエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂとを有する経路（閉回路）を形成するエネルギー回収用半導体素子としてエネルギー回収用ダイオード１０Ａｄと、からなるエネルギー回収用手段１０を備える。
【００２４】
そして、放電用スイッチ６を導通させ、図１に示す充電回路３の直流出力端３ａ側の極性がプラスとなる極性で充電された溶接用コンデンサ４のエネルギーによって溶接トランス５を介する経路に電流を流して、図１に示す充電回路３の直流出力端３ａ側の極性がプラスとなる極性に対して逆極性、すなわち直流出力端３ｂ側の極性がプラスとなる極性に充電された溶接用コンデンサ４のエネルギーを、エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄを介してエネルギー回収用インダクタンス成分に移動させ、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂに蓄積されたエネルギーをエネルギー回収用ダイオード１０Ａｄを介して充電回路３の直流出力端３ａ側の極性がプラスとなる極性で溶接用コンデンサ４に回収させる。
【００２５】
入力端子１、２間の先には直流電源又は交流電源が接続され、充電器３に電力を供給する。なお、この直流電源又は交流電源は本発明の必須の構成要素ではない。充電回路３は、特に回路構成に制限されることなく、入力端子１、２から入力される電力を溶接用コンデンサ４に直流出力端３ａ側がプラスとなる極性で充電するものであるとともに、充電終了後には溶接用コンデンサ４の逆電圧を阻止するスイッチ機能があればよい。具体的な構成及び動作については後述する。
【００２６】
溶接用コンデンサ４は、図１では複数のコンデンサを並列に用いて、溶接用コンデンサ４は充電回路３の直流出力端３ａ、３ｂとの間に接続され、充電回路３から電力が供給されると、直流出力端３ａ側がプラスとなる極性で充電される。溶接用コンデンサ４は、例えば有極性の電解コンデンサを複数個並列接続してなるブロックを更に必要個数並列接続してなるコンデンサバンクでも勿論よいが、好ましくは有極性の電解コンデンサの耐圧よりも高い耐圧を有する無極性（両極性）のコンデンサを複数個並列接続してなるブロックを更に必要個数並列接続してなるコンデンサバンクからなる。基本的に、電流は電圧を抵抗で除算した値であるから、溶接用コンデンサ４の充電電圧の増大化は溶接電流の増大化を可能にする。
【００２７】
溶接トランス５は、１次巻線５Ａに対して２次巻線５Ｂの巻数を少なくして、２次巻線５Ｂ側に１次巻線５Ａ側よりも大きな値の溶接電流を流す。溶接トランス５の１次巻線５Ａの一端はエネルギー回収用手段１０に、他端は放電用スイッチ６が接続される。溶接トランス５の２次巻線５Ｂの一端は第１の溶接電極７に、他端は第２の溶接電極８が接続される。
【００２８】
放電用スイッチ６には、逆方向阻止特性を有するＳＣＲと称されるサイリスタを用いており、アノードが溶接トランス５の１次巻線５Ａと直列に接続され、カソードが充電回路３の直流出力端３ｂに接続される。放電用スイッチ６は、充電回路３の直流出力端３ａ側をプラスとする極性で充電された溶接用コンデンサ４のエネルギーを溶接トランス５の１次巻線５Ａと２次巻線５Ｂとを介して放電させる経路を形成するように挿入される。なお、放電用スイッチ６は溶接用コンデンサ４の最大充電電圧値を越える所定の順方向阻止電圧を阻止し得る特性も有する。
【００２９】
エネルギー回収用手段１０は、溶接用コンデンサ４に並列接続され、溶接トランス５の１次巻線５Ａと放電用スイッチ６との直列回路に対しても並列に接続される。エネルギー回収用手段１０は、エネルギー回収用素子１０Ａとエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂとが直列に接続される。エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂは、溶接用コンデンサ４の大容量のキャパシタンスと共振（振動）を行う。エネルギー回収用手段１０はエネルギー回収効率を高めるために抵抗分はできるだけ小さい方がよい。実施形態１では、エネルギー回収用素子１０Ａとしてダイオードを用いているので、以下では、エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄと言う。エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄは溶接用コンデンサ４の所定の充電極性とは逆極性になるように、カソード側が充電回路３の直流出力端３ａ側に、アノード側が充電回路３の直流出力端３ｂ側に接続される。エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄは、溶接用コンデンサ４が所定の充電極性（正極性）に充電されるときには導通せず、溶接用コンデンサ４が所定の充電極性とは逆極性（負極性）に充電されるときに導通する。
【００３０】
合成インダクタンス１１は、溶接トランス５の１次巻線５Ａと２次巻線５Ｂとの磁気結合の悪さに起因する漏れインダクタンスを主とし、その漏れインダクタンスに配線のインダクタンスを加えて等価的に１次巻線５Ａと直列の合成インダクタンスとして示している。等価抵抗１２は、１次巻線５Ａと２次巻線５Ｂとの抵抗、溶接トランス５の１次側配線の抵抗、２次側配線、及び第１の溶接電極７と第１の溶接電極８と間の抵抗のすべてを１次側に換算した等価抵抗を示す。図１では、合成インダクタンス１１と等価抵抗１２とを充電回路３の直流出力端３ａ側に示したが、充電回路３の直流出力端３ｂ側であっても変わらない。
【００３１】
制御回路９は放電用スイッチ６にオン信号を与える他に、充電器３に駆動信号を与える。記号Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ第１の被溶接物、第２の被溶接物を示す。なお、第１の溶接電極７と第１の溶接電極８との間に溶接電流を流すために加圧力を与える加圧機構や第１の溶接電極７又は第１の溶接電極８を駆動する駆動機構、又は各種の検出回路など、本発明の動作を説明する上で特に必要とならない機構についての図示は省略する。また、本発明で用いる抵抗溶接という用語は、溶接箇所の発熱により双方の金属が溶融してナゲットが形成される溶接だけではなく、溶接箇所の発熱により双方の金属が塑性流動化して接合する拡散接合も含む。
【００３２】
充電回路３の具体的な例として、図２に２種類の回路構成を挙げて説明する。図２（Ａ）に示す充電回路３は、広く知られた回路構成であり、単相の商用交流電力を受電する入力端子１、２に接続された１次巻線３Ａ１と、１次巻線３Ａ１の電圧を昇圧する２次巻線３Ａ２とを有する電源トランス３Ａと、ブリッジ構成に接続された半導体スイッチ３Ｂと３Ｃ、整流ダイオード３Ｄと３Ｅからなる制御型の整流回路とにより構成される。半導体スイッチ３Ｂと３Ｃは、逆方向阻止特性を有するＳＣＲと称されるサイリスタ、又はＦＥＴやＩＧＢＴなど他のスイッチ素子とダイオードとを直列接続してなる順、逆方向阻止機能を有する半導体スイッチである。
【００３３】
電源トランス３Ａの２次巻線３Ａ２の極性を示す黒点側が正極性である電圧が誘起されるときは、図１に示す制御回路９からの駆動信号により、半導体スイッチ３Ｂが位相制御されてオンし、充電電流は半導体スイッチ３Ｂ、溶接用コンデンサ４及び整流ダイオード３Ｅを介して流れ、先ず溶接用コンデンサ４を図２（Ａ）に示す極性に充電し始める。次に、２次巻線３Ａ２の極性を示す黒点側が負極性である電圧が誘起されるときは、半導体スイッチ３Ｃが位相制御されてオンし、充電電流は半導体スイッチ３Ｃ、溶接用コンデンサ４及び整流ダイオード３Ｄを介して流れ、溶接用コンデンサ４を図２（Ａ）に示す極性に充電する。このような充電を所要のサイクル行うことによって、溶接用コンデンサ４の充電電圧は段階的に上昇し、設定電圧まで充電される。例えば、充電制御方法は、溶接用コンデンサ４が設定電圧よりもある程度低い所定の電圧まで溶接用コンデンサ４にほぼ一定の充電電流を流す定電流制御が行われ、それ以降は溶接用コンデンサ４に一定の電圧を印加した状態で充電を行う定電圧制御が行われ、溶接用コンデンサ４は設定電圧に充電される。
【００３４】
図２（Ｂ）に示す充電回路は、倍電圧充電回路であり、互いに直列接続された半導体スイッチ３Ｂと３Ｃとを接続する配線に２次巻線３Ａ２の一端を接続すると共に、互いに直列接続された倍電圧用コンデンサ３Ｆと３Ｇとを接続する配線に２次巻線３Ａ２の他端を接続している。この倍電圧充電回路にあっては、２次巻線３Ａ２の極性を示す黒点側が正極性である電圧が誘起されるときは、図１に示す制御回路９からの駆動信号によって、半導体スイッチ３Ｂがオンし、電流は半導体スイッチ３Ｂ、倍電圧用コンデンサ３Ｆを介して流れ、倍電圧用コンデンサ３Ｆを充電する。次に、２次巻線３Ａ２の極性を示す黒点側が負極性である電圧が誘起されるときは、半導体スイッチ３Ｃがオンし、電流は倍電圧用コンデンサ３Ｇ及び半導体スイッチ３Ｃを介して流れ、倍電圧用コンデンサ３Ｇを充電する。
【００３５】
倍電圧用コンデンサ３Ｆ、３Ｇは図示の極性で、２次巻線３Ａ２の電圧にほぼ等しい電圧にそれぞれ充電されるので、溶接用コンデンサ４の両端には２次巻線３Ａ２の電圧の２倍の電圧に等しい電圧が印加され、溶接用コンデンサ４は２次巻線３Ａ２の電圧の２倍の電圧に等しい電圧に充電される。この倍電圧充電回路は、現在用いられている電解コンデンサの最大の充電電圧に比べて高い電圧値に充電可能な両極性のコンデンサ、例えば溶接用コンデンサ４がポリプロピレンフィルムなどを誘電体に用いてなるフィルムコンデンサからなる場合により有効である。
【００３６】
フィルムコンデンサは無極性、つまり両極性であって、電解コンデンサよりも高い耐圧を有するものがあり、特にポリプロピレンフィルム又は油浸された電気絶縁紙などを誘電体に用いてなるフィルムコンデンサの場合、電解コンデンサの耐圧よりも高いものがあるのは勿論のこと、２倍以上である９００Ｖ以上の耐圧のものもある。このような耐圧の高い両極性のコンデンサを複数個並列接続してなるコンデンサバンクを溶接用コンデンサ４とする場合でも、容易に溶接用コンデンサ４を電解コンデンサの耐圧よりも高い所望の電圧まで充電することができる。また、溶接用コンデンサ４を電解コンデンサの耐圧よりも高い所望の電圧まで充電する場合にも、電源トランス３の１次巻線と２次巻線との巻数を考慮することによって、図２（Ａ）に示した充電回路を用いることができる。なお、倍電圧用コンデンサ３Ｆ、３Ｇも溶接用コンデンサ４と同時に放電し、また逆極性に充電されるので、ポリプロピレンフィルム又は油浸された電気絶縁紙などを誘電体に用いてなるフィルムコンデンサが望ましい。
【００３７】
前記充電回路例において、半導体スイッチ３Ｂと３Ｃを整流ダイオード３Ｄと３Ｅと同様な整流ダイオードに代え、それら整流ダイオードと溶接用コンデンサ４との間に半導体スイッチ３Ｂ又は３Ｃと同様な半導体スイッチを備えてもよい。この場合には、半導体スイッチを１個にすることができる。その半導体スイッチを位相制御することにより充電電流を制御する。そして、後述する放電用スイッチ６がオンして溶接用コンデンサ４に充電されたエネルギーを放電する前に、前記半導体スイッチがオフしていれば、その放電時に溶接用コンデンサを逆電圧に充電するインダクタンスのエネルギーによる過電流が充電回路３に流れることはない。溶接用コンデンサ４を逆電圧に充電する電流を充電回路３にバイパスすることは、後述するような溶接電流の波尾を長くして溶接性には好ましくない。なお、図１、図２では入力電力が単相交流の場合について説明したが、三相交流であっても勿論よい。入力電力が三相交流電力の場合には広く知られている三相整流回路を用い、三相整流回路によって三相交流入力電力を直流電力に変換すればよい。また、以降に説明する実施形態２、３の場合についても同様である。
【００３８】
シミュレーション波形を示す図３を用いて、実施形態１のコンデンサ式抵抗溶接機の動作説明を行う前に、シミュレーション定数について説明する。溶接用コンデンサ４は、ポリプロピレンフィルムを誘電体として用いるフィルムコンデンサで構成するものとして、溶接用コンデンサ４の容量を０．１４Ｆ（１４００００μＦ）、溶接用コンデンサ４の充電電圧Ｖ１を９００Ｖ、溶接トランス５の漏れインダクタンスが４０μＨ、前述した合成抵抗１２が１０ｍΩ、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂが１００μＨ、及び溶接トランス５の巻数比（１次巻線の巻数／２次巻線の巻数）を２０とした。
【００３９】
図３（Ａ）は溶接用コンデンサ４の充電電圧波形Ｖｃを示す。図３（Ａ）では、図１の直流出力端３ａ側の極性がプラスであり、溶接用コンデンサ４の充電電圧波形Ｖｃがプラス方向の極性を所定の極性と言い、その所定の極性とは逆の極性、すなわち、図１の直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性であり、充電電圧波形Ｖｃがマイナス方向の極性を逆極性と言う。図３（Ｂ）は溶接用コンデンサ４の充放電電流の波形を示し、波形Ｉｃは放電電流波形であり、波形Ｉｄは溶接用コンデンサ４のマイナスの極性、すなわち図１の直流出力端３ｂ側からエネルギー回収用手段１０を通して溶接用コンデンサ４のプラスの極性、すなわち図１の直流出力端３ａ側に流れる回収電流を示す。
【００４０】
時刻ｔ０前に制御回路９からの駆動信号により充電回路３がオンして、前述したように溶接用コンデンサ４の充電を開始する。少なくとも時刻ｔ０では、溶接用コンデンサ４が図示のプラス極性、つまり所定の極性で電圧Ｖ１に充電されているものとする。この状態では回路に電流が流れずに静止状態であり、放電用スイッチ６にはほぼＶ１の電圧が順方向に印加されている。また、この状態では充電回路３の半導体スイッチはすべてオフしており、これら半導体スイッチは前述したように順、逆方向電圧阻止特性を有するので、充電回路３によって入力端子１、２は溶接用コンデンサ４から遮断されている。
【００４１】
次に時刻ｔ１で放電用スイッチ６がオンすると、溶接用コンデンサ４に充電されていたエネルギーは急激に放電され、パルス状の放電電流Ｉｃが溶接トランス５の１次巻線５Ａ及び放電用スイッチ６を通して流れる。時刻ｔ１では、図示しない加圧機構が第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間に所定の加圧力をかけている。なお、時刻ｔ１では前記加圧力は増大の過程又は所定の大きさの一定値であってもよい。溶接用コンデンサ４から溶接トランス５と放電スイッチ６とを介してパルス状の放電電流Ｉｃが流れる経路には、合成インダクタンス１１と等価抵抗１２とが存在する。このため、溶接用コンデンサ４の電圧がほぼゼロとなる時刻ｔ２後も、合成インダクタンス１１に蓄積されたエネルギーによって今まで流れていた方向と同方向に放電電流Ｉｃが流れ続ける。合成インダクタンス１１と溶接用コンデンサ４のキャパシタンスとの振動（共振）動作によって、溶接用コンデンサ４は、所定の極性とは逆の極性、すなわち、充電回路３の直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性の電圧に反転され、インダクタンス成分１１に蓄積されていたエネルギーは、溶接用コンデンサ４に移される。
【００４２】
このように、放電用スイッチ６を導通させて、所定の極性、すなわち充電回路３の直流出力端３ａ側がプラスとなる極性の電圧で充電された溶接用コンデンサ４のエネルギーによって溶接トランス５と放電スイッチ６とを介する経路に電流が流れる期間ｔ１からｔ２の間にこの経路に存在するインダクタンス成分である合成インダクタンス１１にエネルギーが蓄積され、合成インダクタンス１１に蓄積されたエネルギーによって溶接用コンデンサ４が、所定の極性とは逆極性である直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性の電圧に充電される方向に電流を流して、合成インダクタンス１１に蓄積されたエネルギーを溶接用コンデンサ４に移動させる。このように、放電用スイッチ６の導通時に、溶接用コンデンサ４と溶接トランス５と放電スイッチ６とを介する経路に存在する合成インダクタンス１１に蓄積されたエネルギーによって溶接用コンデンサ４の極性を直流出力端３ｂ側がプラスとなる逆極性に充電させ、合成インダクタンス１１に蓄積されたエネルギー分を溶接用コンデンサ４に回収させることができる。
【００４３】
時刻ｔ２で、溶接用コンデンサ４が逆極性に充電され始めると、エネルギー回収用手段１０のエネルギー回収用ダイオード１０Ａｄが順バイアスされて導通し、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂを通して電流が流れ始める。これに伴い、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂは溶接用コンデンサ４のキャパシタンスと共振し、ほぼ正弦波形の回収電流Ｉｄが流れる。溶接用コンデンサ４に逆極性に充電されたエネルギーを所定の極性側、ここでは、充電回路３の直流出力端３ａ側がプラスとなる極性に戻す。時刻ｔ３で、パルス状の放電電流Ｉｃがほぼゼロになり、溶接用コンデンサ４の電圧は逆極性の電圧−Ｖ２となる。この電圧Ｖ２の値は、溶接用コンデンサ４からの放電エネルギーが等価抵抗１２などによって電力消費されるので電圧Ｖ１の値よりも小さくなる。
【００４４】
時刻ｔ４で、溶接用コンデンサ４の電圧は再び反転して、回収電流Ｉｄがほぼゼロになり、溶接用コンデンサ４は所定の極性、つまり充電電圧Ｖ１と同一極性の電圧Ｖ３になる。上述のように、抵抗溶接が行われる際に溶接用コンデンサに逆極性に充電されるエネルギーを、再び溶接用コンデンサに所定極性に戻すことによって、電力損失を低減し、発熱を小さくすることができる。
【００４５】
時刻ｔ４以降は、放電用スイッチ６がオフ状態にあり、エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄは逆バイアスされてオフであるから、所定の極性の電圧３は充電回路３が次に充電動作を開始する時刻ｔ５まで、ほぼ一定に保持される。なお、電圧Ｖ３の値は、回収電流Ｉｄが流れる経路で消費される電力分だけは電圧Ｖ２の値よりも小さくなる。溶接用コンデンサ４に回収された電圧Ｖ３のエネルギーは、溶接時の放電動作で前述の等価抵抗１２による電力損失や前述のエネルギー回収動作での電力損失によって小さくなる。溶接用コンデンサ４の最初の充電電圧Ｖ１までは当然に戻らないが、従来では発熱させていた溶接用コンデンサ４の逆極性エネルギーを溶接用コンデンサ４に回収して所定の極性のエネルギーとして再使用することができる。つまり、図３（Ａ）において、時刻ｔ５で充電回路３が充電動作するとき、溶接用コンデンサ４は電圧Ｖ３まで充電されていることになり、（Ｖ１−Ｖ３）の電圧を上昇させる電力を溶接用コンデンサ４に供給すればよいことになる。したがって、このコンデンサ式抵抗溶接機によれば電力効率が向上し、発熱も小さく、また、電圧Ｖ３から充電を行うので溶接用コンデンサ４を充電するのに要する充電時間を短くできる。
【００４６】
次に、エネルギー回収用手段１０のエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂについて説明する。エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂのインダクタンス値が小さ過ぎると、溶接用コンデンサ４が逆極性方向に充電開始される時刻ｔ２以降に直ぐに合成インダクタンス１１のエネルギーが溶接用コンデンサ４の逆極性充電エネルギーとして移行しない。エネルギーが放電電流としてエネルギー回収用ダイオード１０Ａとエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂとを通して長い間循環し、放電用スイッチ６が逆バイアスされずにオンを続けるので、溶接電流の波尾が長くなり、溶接電流のパルス幅が必要以上に長くなる。コンデンサ式抵抗溶接機では、溶接電流の波高値やパルス幅も溶接性能に影響するので、溶接電流のパルス幅が必要以上に長いのは好ましくない。シミュレーションの結果では、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂの値は溶接トランス５の漏れインダクタンス値よりも大きいことが望ましく、この場合には溶接電流の波尾を不必要に長くしない。
【００４７】
なお、被溶接物Ｗ１とＷ２との抵抗溶接については従来と同じであるので、詳しく説明をしないが、図示しない駆動機構及び加圧機構が動作して第１の溶接電極７を下方向、又は第２の溶接電極８を上方向、あるいはこれら溶接電極を接近する方向に動かす。被溶接物Ｗ１とＷ２との間に所定の加圧力をかけた状態、又は加圧力が増大している過程で、放電用スイッチ６をオンさせる。溶接用コンデンサ４の放電電流が溶接トランス５の１次巻線５Ａを流れるのに伴い、２次巻線５Ｂに大きなパルス状の溶接電流が流れ、その溶接電流が被溶接物Ｗ１とＷ２との間を流れることによって、不図示の溶接箇所で発熱し、抵抗溶接される。
【００４８】
図１では、エネルギー回収用手段１０のエネルギー回収用素子１０Ａとしてダイオードを用いる例を説明したが、エネルギー回収用素子１０Ａとして、順、逆方向電圧を阻止し得る特性を有するサイリスタなどの半導体スイッチを用いても良い。この実施形態１の以下の説明では、この半導体スイッチをエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓと言う。エネルギー回収用ダイオードを用いた場合と異なる部分について説明する。図３（Ａ）で、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓがオンするまで、溶接用コンデンサ４の電圧は所定の極性とは逆の極性の電圧−Ｖ２に維持されるところが前述とは異なる。
【００４９】
制御回路９は、充電回路３が充電動作を開始する時刻ｔ５よりも前に、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせ、前述したようにエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂと溶接用コンデンサ４のキャパシタンスとが共振し、溶接用コンデンサ４の逆の極性の電圧−Ｖ２のエネルギーを所定の極性の電圧Ｖ３のエネルギーに反転させる。溶接用コンデンサ４の逆極性の電圧が−Ｖ２まで大きくなって行く過程で放電用スイッチ６が逆バイアスされるので、放電用スイッチ６をオフさせることができる。したがって、溶接トランス５の１次巻線５Ａを流れる電流、言い換えれば溶接電流の波尾が長くなるのを防ぐことができるだけでなく、溶接用コンデンサ４に残留する所定極性のエネルギーも大きくなるので好都合である。この場合には、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓがオンするまで、溶接用コンデンサ４には逆極性の電圧Ｖ２がかかるので、溶接用コンデンサ４は有極性の電解コンデンサよりも無極性（両極性）のコンデンサからなるのが望ましい。
【００５０】
特に、被溶接物Ｗ１とＷ２が銅又はアルミニウムなどのように抵抗率の小さい高導電性の金属材料からなるときは、前述の等価抵抗１２が小さくなる。また、実質的に溶接に役立つ電流部分のパルス幅が狭くて（例えば、７ｍｓ以下）、急峻に増大するパルス状の溶接電流を用いると共に、被溶接物Ｗ１とＷ２に対する加圧力の応答性を高速とする溶接方法を用いるので、等価抵抗１２で消費される電力が小さくなり、溶接用コンデンサ４の逆極性の電圧−Ｖ２のエネルギーは大きくなる傾向がある。この場合には、溶接用コンデンサ４として有極性の電解コンデンサを用いる場合よりも、ポリプロピレンフィルムなどを誘電体として用いる無極性のフィルムコンデンサを用いた方が好ましい。このようにすることによって、溶接用コンデンサ４に何らのダメージを与えることなく、大きなエネルギーをより安全に回収することができる。
【００５１】
溶接機全体の配線による等価インダクタンスや等価抵抗などからなる等価インピーダンスを低減する努力を行っても、溶接電流は溶接用コンデンサの充電電圧と前記等価インピーダンスなどの関係でピーク値や電流量が制限されるので、従来では更に大きな電流値を要する抵抗溶接に応ずることができなかった。しかし、本発明によれば、溶接用コンデンサ４として、ポリプロピレンフィルム又は油浸した電気絶縁紙などを誘電体として用いた無極性のフィルムコンデンサなどを用いた場合には、溶接用コンデンサの充電電圧を電解コンデンサの充電電圧よりも大きく、例えば２倍以上にすることができるので、従来よりも大容量の溶接電流でもって被溶接物を抵抗溶接することができる。したがって、より大型の被溶接物や高導電性の金属材料からなる被溶接物を抵抗溶接できる可能性を有する。また、溶接用コンデンサ４には所定の極性のエネルギーが回収されるので、その電圧分だけ再充電開始時の突入電流が流れ難く、充電時間の短縮化を図ることができる。
【００５２】
［実施形態２］
コンデンサ式抵抗溶接機において、各溶接サイクルで溶接トランスの１次巻線に同方向だけに放電電流を流すと、溶接トランス５が偏励磁することが知られている。溶接トランス５が偏励磁すると、２次巻線５Ｂに流れる溶接電流が１次巻線５Ａを流れる電流に比例しないで減少し、電力効率が低下する可能性がある。この偏励磁を軽減又は防止する対策として、溶接用コンデンサから溶接トランスの１次巻線に交互の向きに放電電流を流して、溶接トランスの残留磁束を磁気リセットする方法が知られている。この実施形態２のコンデンサ式抵抗溶接機では、溶接用コンデンサに充電される前述した逆極性のエネルギーを溶接トランスの１次巻線を流れる放電電流とは逆方向に流して、溶接トランスの偏励磁を軽減又は防止を図っている。
【００５３】
図４及び図５により、本発明に係る実施形態２のコンデンサ式抵抗溶接機について、前記実施形態１と異なる部分を主として説明する。図４は、本発明の実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための図面であり、図５は、本発明の実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機を説明するための電圧波形図と電流波形図である。図４において、エネルギー回収用素子１０Ａが放電用スイッチ６と極性を逆にして並列に接続される。エネルギー回収用素子１０Ａはサイリスタなどの前述した半導体スイッチからなり、溶接用コンデンサ４の所定の極性の充電電圧Ｖ１よりも大きな所定の逆方向の電圧を阻止し得る特性を有する。ここでは、エネルギー回収用素子１０Ａとして半導体スイッチからなるエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓとする。なお、エネルギー回収用素子１０Ａが半導体スイッチである場合には、放電用スイッチ６とエネルギー回収用素子１０Ａとがトライアックのような双方向にスイッチングを行う双方向性スイッチ素子であってもよい。
【００５４】
この実施形態２では、エネルギー回収用インダクタンス成分として、溶接トランス５の漏れインダクタンスや励磁インダクタンスを利用する。漏れインダクタンス１１Ａは、溶接トランス５の漏れインダクタンス分であり、図４では、溶接トランス５の１次巻線５Ａと直列のインダクタンスとして等価的に示す。なお、溶接トランス５の漏れインダクタンス１１Ａに比べて配線インダクタンスは小さいので無視するものとする。励磁インダクタンス１３は、溶接トランス５の２次側開放インダクタンス、つまり、２次巻線５Ｂの両端を開放したときの１次巻線５Ａのインダクタンスである。図４では励磁インダクタンス１３を１次巻線５Ａと並列のインダクタンスとして等価的に示す。
【００５５】
この実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機と実施形態１のものとの主な動作の違いは、溶接用コンデンサ４に充電された逆極性のエネルギーが、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓ及び溶接トランス５の１次巻線５Ａを介して溶接用コンデンサ４に回収されるところにある。詳しくは後述するが、一例として図示しない駆動機構及び加圧機構が加圧力を解放して第１の溶接電極７又は第２の溶接電極８と被溶接物Ｗ１又はＷ２との間の電気的接続が遮断されてからエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせて、溶接用コンデンサ４に充電された逆極性のエネルギーを１次巻線５Ａを介して放電することにより、１次巻線５Ａに放電電流の方向（実線の矢印方向Ｘ）とは逆向きの方向（破線の矢印方向Ｙ）に回収用電流を流す。
【００５６】
実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機の特徴的な構成及び動作は、エネルギー回収用半導体素子１０Ａであるエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓが放電用スイッチ６に逆並列に接続される。そして、制御回路９は、第１の溶接電極７又は第２の溶接電極８と被溶接物Ｗ１とＷ２との電気的接触が開放された後に、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓを導通させて、所定の極性とは逆極性である直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性の電圧に充電された溶接用コンデンサ４の電圧がエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓを介して溶接トランスの１次巻線に印加される。溶接トランス５の１次巻線５Ａに逆極性に充電された溶接用コンデンサ４の電圧を有効に印加することで、溶接トランス５の磁気リセットを行うことができる。
【００５７】
基本的に、トランスの鉄心の磁気飽和、磁気リセットは、その１次巻線の励磁インダクタンスにかかる電圧の電圧・時間積だけで決まる。溶接トランス５の２次側を開放するとき、励磁インダクタンス１３も等価的に両端が開放されて有効となり、後述するように溶接用コンデンサ４の逆電圧が漏れインダクタンス１１Ａと励磁インダクタンス１３との直列回路に直接加わる。前述したように、溶接トランス５の鉄心は励磁インダクタンス１３にかかる逆電圧分の電圧・時間積で励磁されるので、溶接トランス５の２次側を開放しない場合に比べて、励磁インダクタンス１３は早く磁気飽和し、溶接トランス５のインダクタンス分としては漏れインダクタンス１１Ａだけとなる。この逆電圧による励磁インダクタンス１３の磁気飽和で、溶接トランス５の鉄心は、放電時の励磁方向と逆方向に強く励磁され、磁気リセットする。磁気リセットすることで、次の放電時に溶接トランス５の鉄心が磁気飽和しにくくなる。つまり、溶接トランス５は偏励磁しにくくなる。
【００５８】
また、溶接トランス５の１次巻線５Ａの２次側を被溶接物で短絡した状態では、この励磁インダクタンス１３も等価的に両端が短絡され、溶接用コンデンサ４の逆電圧は漏れインダクタンス１１Ａがほとんど負担し、励磁インダクタンス１３には逆電圧がほとんど加わらない。この結果、溶接トランス５の鉄心は、放電時と逆方向にほとんど励磁されることがなく、磁気リセットしにくくなり、次の放電時に大きな放電電流によって溶接トランス５の鉄心が磁気飽和しやすくなる。分かり易く説明すると、溶接用コンデンサ４の充電電荷の放電時には励磁インダクタンス１３の両端が等価的に短絡されるが、放電電流は大きいので被溶接物Ｗ１，Ｗ２による電圧降下が大きく、２次巻線の電圧は高くなる。この２次巻線の高い電圧が１次巻線に反映され、１次巻線５Ａにはエネルギー回収時に流れる電流による電圧に比べて大きな電圧が印加される。このことから分かるように、エネルギー回収時には放電時の電圧に比べて小さい逆電圧が１次巻線５Ａに印加されるだけであるが、励磁インダクタンス１３にもその逆電圧が印加されるので、その分だけ、溶接トランス５の鉄心は放電時と逆方向に強く励磁され、磁気リセットする。したがって、この磁気リセットを考えると、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせるときには溶接トランス５の２次側を開放することが望ましい。
【００５９】
次に、実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機の動作についてより詳細に説明する。図５は動作説明を理解し易くするための波形図であり、シミュレーションした波形を示す。溶接用コンデンサ４としてポリプロピレンフィルムなどを誘電体として用いている無極性のフィルムコンデンサなどを用いるものとして、溶接用コンデンサ４の容量を０．１４Ｆ（１４００００μＦ）、溶接用コンデンサ４の充電電圧Ｖ１を９００Ｖ、溶接トランス５の漏れインダクタンス１１Ａが４０μＨ、前述した合成抵抗１２が１０ｍΩ、漏れインダクタンス１１Ａと励磁インダクタンス１３とからなるエネルギー回収用インダクタンスを１００μＨ、及び溶接トランス５の巻数比（１次巻線の巻数／２次巻線の巻数）を２０とした。
【００６０】
図５（Ａ）は溶接用コンデンサ４の充電電圧波形Ｖｃを示し、図４の直流出力端３ａ側がプラスとなる極性であり、充電電圧波形Ｖｃがプラス方向の極性を所定の極性と言う。また、その所定の極性とは逆の極性、すなわち、図４の直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性であり、充電電圧波形Ｖｃがマイナス方向の極性を逆極性と言う。図５（Ｂ）は溶接用コンデンサ４の充放電電流の波形を示し、波形Ｉｃが放電用スイッチ６を通して流れる放電電流の波形、波形Ｉｄがエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓ及び溶接トランス５の１次巻線５Ａを通して溶接用コンデンサ４に流れる回収電流を示す。
【００６１】
時刻ｔ０前に制御回路９からの駆動信号により充電回路３がオンして、溶接用コンデンサ４を充電し始め、少なくとも時刻ｔ０では、溶接用コンデンサ４が図４の直流出力端３ａ側がプラスとなる極性、つまり所定の極性で電圧Ｖ１に充電されているものとする。この状態では回路に電流が流れず、静止状態にあり、放電用スイッチ６には電圧Ｖ１が印加されている。また、この状態では充電回路３の半導体スイッチはオフしており、これら半導体スイッチは前述したように逆電圧を阻止する特性を有するので、充電回路３によって入力端子１、２は溶接用コンデンサ４から遮断されている。この状態で不図示の駆動機構及び加圧機構が動作を開始し、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８とに所定の加圧力を与える。
【００６２】
次に、時刻ｔ１で制御回路９が放電用スイッチ６をオンさせると、溶接用コンデンサ４の所定の極性の充電エネルギーは急激に放電され、パルス状の放電電流Ｉｃが溶接トランス５の１次巻線５Ａ及び放電用スイッチ６を通して実線で示す矢印方向Ｘに流れる。パルス状の放電電流Ｉｃが流れる電流路には溶接トランス５の漏れインダクタンス１１Ａが存在するので、溶接用コンデンサ４のキャパシタンスと漏れインダクタンス１１Ａとで振動（共振）し、溶接用コンデンサ４の電圧は時刻ｔ２でほぼゼロとなった後、所定の極性とは逆の極性の電圧に反転され、電圧−Ｖ２となる。この電圧Ｖ２の値は、放電エネルギーが等価抵抗１２によって電力消費されるので電圧Ｖ１の値よりも小さくなる。
【００６３】
時刻ｔ２以降で、溶接用コンデンサ４の逆極性の電圧値がＶ２まで大きくなって行く過程で放電用スイッチ６が逆バイアスされ、放電用スイッチ６をオフさせることができる。したがって、溶接トランス５の１次巻線５Ａを流れる電流、言い換えれば溶接電流の波尾が長くなるのを防ぐことができる。この場合には、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓがオンするまで、溶接用コンデンサ４には逆極性の電圧Ｖ２がかかるので、溶接用コンデンサ４は有極性の電解コンデンサよりも無極性（両極性）のコンデンサからなるのが望ましい。
【００６４】
時刻ｔ３でエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせる前に、不図示の加圧機構などを動作させて、第１の溶接電極７と第２の溶接電極との間にかけられていた加圧力を開放し、例えば第１の溶接電極７から被溶接物Ｗ１、Ｗ２を電気的に遮断する。この状態において、時刻ｔ３で、制御回路９がエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせる。もし、２次巻線５Ｂの両端が第１の溶接電極７と第２の溶接電極と被溶接物Ｗ１、Ｗ２とにより実質的に短絡されている状態で、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせると、波形Ｉｃで示される放電電流と逆方向の回収用電流が１次巻線５Ａを介して２次巻線５Ｂを通して被溶接物Ｗ１、Ｗ２に流れる。被溶接物の種類によってはこの回収用電流が流れるのは好ましくない。なお、図５では、時刻ｔ２とｔ３との時間間隔が放電電流Ｉｃのパルス時間に近い短時間で示されているが、実際には、不図示の加圧機構などを動作させて、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間にかけられていた加圧力を開放するための機構動作時間として数秒かかる場合がある。
【００６５】
図５は、図４のコンデンサ式抵抗溶接機で２次巻線５Ｂ間を開放した状態での時刻ｔ３で、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせる。エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓのオンに伴って、溶接トランス５の励磁インダクタンス１３と漏れインダクタンス１１Ａとからなるエネルギー回収用インダクタンスと溶接用コンデンサ４のキャパシタンスと直列共振（振動）し、回収電流Ｉｄが破線で示す矢印方向Ｙに流れ、溶接用コンデンサ４に逆極性に充電されたエネルギーを所定の極性側に戻す。この動作によって、溶接用コンデンサ４の電圧は再び反転し、回収電流Ｉｄがほぼゼロになる時刻ｔ４で、溶接用コンデンサ４は所定の極性、つまり充電電圧Ｖ１と同一極性の電圧Ｖ３になる。この電圧３は、放電用スイッチ６がオフ状態にあるから、充電回路３が充電動作を開始する時刻ｔ５まで、ほぼ一定に保持される。
【００６６】
この実施形態２でも、充電回路３が次に充電動作するとき、溶接用コンデンサ４は電圧Ｖ３まで充電されているので、（Ｖ１−Ｖ３）の電圧を上昇させる電力を溶接用コンデンサ４に供給すればよいことになる。したがって、このコンデンサ式抵抗溶接機によれば電力効率が向上し、発熱も小さく、また、電圧Ｖ３から充電を行うので溶接用コンデンサ４を充電するのに要する充電時間を短くできる。また、回収電流Ｉｄによる影響を溶接物に与えることなく、回収電流Ｉｄを放電電流とは逆の方向に流して、前述したように少なくとも溶接トランス５の偏励磁を軽減することができる。
【００６７】
以上では、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓを用いる例を述べたが、被溶接物の種類によっては、図５の波形Ｉｃで示される溶接電流に引き続いて逆極性の電流が流れても構わないものもある。この場合には、半導体スイッチ１０Ａｓに代えてダイオードをエネルギー回収用素子１０Ａとして用いてもよい。この場合には、エネルギー回収用ダイオード１０Ａｄによって、自動的にエネルギー回収動作が行われる。また、不図示の加圧機構が第１の溶接電極７と第２の溶接電極とに加圧力を加えた状態、つまり２次巻線５Ｂの両端が実質的に短絡されている状態でエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓをオンさせてもよい。この場合には、溶接用コンデンサ４に回収されるエネルギーは前述の場合よりも小さくなるが、溶接用コンデンサ４に充電された逆極性のエネルギーの一部分を回収することができる。なお、放電用スイッチが双方向に導通する半導体スイッチの場合は、放電用スイッチの内部ダイオートをエネルギー回収用半導体素子とすることができる。
【００６８】
［実施形態３］
この実施形態３に係るコンデンサ式抵抗溶接機は、図６に示すように、溶接用コンデンサ４の放電電流と逆向きの充電電流が溶接トランス５の１次巻線５Ａに流れるように構成される。前述したものと同様なエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓとエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂとからなるエネルギー回収用手段１０を溶接用コンデンサ４に並列に配置したことを特徴としている。この実施形態３においては、溶接トランスに偏励磁が生じないコンデンサ式抵抗溶接機にあっても、前述と同様にして電力効率を向上させることができる。
【００６９】
図６により、本発明に係る実施形態３のコンデンサ式抵抗溶接機について、前記実施形態１と異なる部分を主として説明する。図６に示すように、充電回路３の一対の直流出力端３ａと３ｂとの間に放電用スイッチ６が接続されている。放電用スイッチ６のアノードは溶接トランス５の１次巻線５Ａの黒点でない極性側に接続されている。充電回路３の直流出力端３ａは、１次巻線５Ａの黒点でない極性側と放電用スイッチ６のアノードとの間に接続され、充電回路３の直流出力端３ｂは放電用スイッチ６のカソード側及び溶接用コンデンサ４の一端に接続される。溶接用コンデンサ４の他端は溶接トランス５の１次巻線５Ａの黒点側に接続される。
【００７０】
この実施形態３に係る発明のコンデンサ式抵抗溶接機の動作を説明する。制御回路９からの駆動信号によって充電回路３が充電動作を開始すると、充電回路３の直流出力端３ａから充電電流は溶接トランス５の１次巻線５Ａを通して破線で示す矢印方向Ｙに流れ、溶接用コンデンサ４を図示極性の所定の極性に充電する。溶接用コンデンサ４の充電電圧が設定電圧に達すると、制御回路９は充電回路３への駆動信号の供給を止め、その後、放電用スイッチ６にオン信号を与える。放電用スイッチ６がオンすると、溶接用コンデンサ４に充電されていたエネルギーは実線で示す矢印方向Ｘの放電電流となって、溶接トランス５の１次巻線５Ａを通して流れる。
【００７１】
この実施形態３においても、放電用スイッチ６がオンして溶接用コンデンサ４の充電エネルギーが放電されるとき、溶接トランス５の漏れインダクタンスなどと溶接用コンデンサ４のキャパシタンスが直列共振（振動）し、溶接用コンデンサ４には図示極性と逆の極性、すなわち直流出力端３ｂ側がプラスとなる極性にエネルギーが充電される。溶接用コンデンサ４が逆極性に充電されることにより、放電用スイッチ６は逆バイアスされ、オフする。また、充電回路３もオフであるので、前述したように溶接用コンデンサ４の逆極性の電圧はエネルギー回収用手段１０のエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓがオンするまでほぼ一定に保持される。
【００７２】
前述したように、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓがオンすると、エネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂと溶接用コンデンサ４のキャパシタンスとが直列共振（振動）し、溶接用コンデンサ４に充電された逆極性のエネルギーはエネルギー回収用手段１０を通して溶接用コンデンサ４に回収される。つまり、溶接用コンデンサ４に充電された逆極性のエネルギーは反転されて溶接用コンデンサ４に所定の極性に戻される。したがって、このコンデンサ式抵抗溶接機によれば電力効率が向上し、発熱も小さく、また、前回の逆極性のエネルギーによるある充電電圧から充電を行うので溶接用コンデンサ４を充電するのに要する充電時間を短くできる。なお、実施形態３では、溶接用コンデンサ４の充電は、溶接用コンデンサ４が前述したエネルギーの回収による電圧に充電されていることなどから、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放させた状態で行うことが好ましい。
【００７３】
なお、図１に示したように、エネルギー回収用素子１０Ａは半導体スイッチではなく、ダイオードであってもよい。エネルギー回収動作は図１により説明したコンデンサ式抵抗溶接機と同様であるので、説明を省略する。また、図４により説明した実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機と同様に、エネルギー回収用スイッチ１０Ａｓを放電用スイッチ６と逆極性に並列接続し、図６のエネルギー回収用インダクタンス成分１０Ｂを図４の励磁インダクタンス１３としてもよい。この回路は、図４により説明した実施形態２に係るコンデンサ式抵抗溶接機の溶接用コンデンサ４の充電経路を図６のように変更した場合と同じ構成になる。図４及び図６により説明した動作と同様の説明は省略するが、この回路の動作を簡単に説明すると、溶接用コンデンサ４の充電電流は溶接トランス５の１次巻線５Ａを通して破線で示す矢印方向Ｙに流れ、次に充電電流とは反対方向の矢印方向Ｘに放電スイッチを介して放電電流が流れ、さらに、放電電流とは反対方向の矢印方向Ｙにエネルギー回収用スイッチ１０Ａｓを介して電流が流れて溶接用コンデンサ４にエネルギーが回収される。このように、充電電流、放電電流、エネルギー回収用の電流が流れることによって磁気リセットを行うことができるため、より十分に磁気リセットを行うことが可能になる。
【００７４】
なお、図１、図４及び図６では第１の溶接電極７と第２の溶接電極８とを上下に向い合わせて配置したが、これに限られることは無く、例えば、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８とをほぼ平行（図面で横方向）に配置し、二つ以上の被溶接物の厚み方向とその厚み方向と垂直な方向（水平方向）に溶接電流を流してシリーズ抵抗溶接を行っても勿論よい。また、必要に応じて、抵抗溶接前に予熱を行ったり、あるいは溶接後に後熱を行ったりすることがある。これらの場合にも溶接用コンデンサを適した所定の電圧まで充電し、その充電したエネルギーを溶接トランスを介して放電し、被溶接物に予熱用電流、あるいは後熱用電流を流したときに、溶接用コンデンサに充電される逆極性のエネルギーを、エネルギー回収用手段１０により前述と同様に回収して節電を図ることができる。
【００７５】
なお、前記の実施形態１から３においては、エネルギー回収用インダクタンス成分又は前記インダクタンス成分は、前記溶接トランスに含まれる励磁インダクタンス、漏れインダクタンスを利用したが、前記溶接トランスとは別個のインダクタ手段のインダクタンスとしてもよい。特に大容量の場合に、用いる溶接トランス上に存在する励磁インダクタンス、漏れインダクタンス利用することは有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
種々の金属材料からなる被溶接物を抵抗溶接することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１、２・・・入力端子
３・・・充電回路
３ａ、３ｂ・・・充電回路３の直流出力端
３Ａ・・・充電回路３の電源トランス
３Ａ１・・・電源トランス３Ａの１次巻線
３Ａ２・・・電源トランス３Ａの２次巻線
３Ｂ、３Ｃ・・・半導体スイッチ
３Ｄ、３Ｅ・・・整流ダイオード
４・・・溶接用コンデンサ
５・・・溶接トランス
５Ａ・・・１次巻線
５Ｂ・・・２次巻線
６・・・放電用スイッチ
７・・・第１の溶接電極
８・・・第２の溶接電極
９・・・制御回路
１０・・・エネルギー回収用手段
１０Ａ・・・エネルギー回収用素子（スイッチ又はダイオード）
１０Ａｄ・・・エネルギー回収用ダイオード
１０Ａｓ・・・エネルギー回収用スイッチ
１０Ｂ・・・エネルギー回収用インダクタンス成分
１１・・・合成インダクタンス１１
１１Ａ・・・溶接トランス５の漏れインダクタンス
１２・・・等価抵抗
Ｗ１、Ｗ２・・・被溶接物
Ｖｃ・・・溶接用コンデンサ４の電圧波形
Ｉｃ・・・溶接用コンデンサ４の放電電流の波形
Ｉｄ・・・溶接用コンデンサ４の回収電流の波形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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