(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を全波整流することにより得られる脈流をスイッチングし、スイッチングすることによって得られた高周波電力を直列共振回路に供給するスイッチング回路と、
指定された周波数の信号を基準信号として生成する基準信号源と、
前記直列共振回路に流れる電流値と予め定められた設定値との比較を行い、前記電流値が前記設定値を超えない場合にはアンロック信号を出力し、前記電流値が前記設定値を超える場合にはロック信号を出力する電流判定部と、
位相同期出力がスイッチングのタイミングを示す信号として前記スイッチング回路に送出され、前記アンロック信号が出力されるときには前記基準信号に位相同期を行い、前記ロック信号が出力されるときには前記直列共振回路に流れる信号に位相同期を行うＰＬＬ回路と、
前記直列共振回路に流れる前記高周波電力の電流値を検出し、前記電流値が前記設定値を超える場合に前記ロック信号が出力されるタイミングをロックタイミングとして、このロックタイミングより遅れたタイミングにおいて、前記ロック信号が出力されているかどうかを判定し、出力されているときには周波数近似信号を送出する共振判定部と、
前記基準信号源が生成する前記基準信号の周波数の指定を行う毎に前記共振判定部から前記周波数近似信号が送出されるかどうかを判定し、この周波数近似信号が送出されたときには、そのときの基準信号の周波数を前記直列共振回路に対応する周波数と判定する周波数判定部と、
前記交流電源の電圧が０Ｖとなるタイミングの検出を行い、検出したタイミングを示すゼロクロスパルスを生成し、生成したゼロクロスパルスを前記共振判定部及び周波数判定部に送出するゼロクロス検出回路とを備え、
前記共振判定部は前記ゼロクロスパルスから遅延させた検出タイミングにおいて前記ロック信号が出力されているかどうかを判定し、また、前記周波数判定部は前記ゼロクロスパルスが導かれる毎に基準信号源に周波数の指示を与え、基準信号源は指定された周波数の信号を生成することを特徴とする高周波誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、交流電源を全波整流することにより得られた脈流のスイッチングを行うことにより、加熱コイルに高周波電力を供給する高周波誘導加熱装置に係り、より詳細には、直列共振回路の共振周波数を自動探査する高周波誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電源の小型化を可能とする高周波誘導加熱装置として、特開平３−２１６９８９号に示される技術が提案されている。この従来技術は、交流電源を全波整流することにより得られる脈流を所定周波数でスイッチングする構成としている。すなわち、平滑用のリアクトルおよびコンデンサを省略して、電源の体積の減少を図った構成となっている。そしてスイッチングにより得られた高周波電力を、パルストランスを介して加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路に供給している。このため直列共振回路に流れる電流は、脈流の各サイクル毎に、脈流の波形形状に対応して増減を繰り返し、その最小値は０である。
【０００３】
このため脈流の各サイクルにおいて、直列共振回路に流れる電流が少なくなるときには、直列共振回路に流れる電流に基づいた位相同期は不安定となる。このため直列共振回路の電流値が最大時の数分の１以下となる期間では、直列共振回路の共振周波数に近似した周波数である基準信号に位相同期した信号を用いてスイッチングを行っている。そして電流値が十分な値となる期間では、直列共振回路に流れる電流波形に位相同期する信号でもってスイッチングを行っている。そのため電流が充分な期間では、直列共振回路に供給される高周波電力の周波数は、直列共振回路の共振周波数に正確に一致しており、その結果として高い加熱効率を得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記構成を高周波遠心鋳造器に適用した場合には、以下に示す問題が生じる。すなわち、高周波遠心鋳造器に使用される鋳型の形状は、鋳造しようとする製品の形状に対応した形状となり、大型形状の鋳型が使用される場合もあれば、小型形状の鋳型が使用される場合もある。このため鋳型の形状の大小に対応して、加熱コイルにも種々の大きさが必要となる。
【０００５】
一方、加熱コイルは、大きさが異なるとインピーダンスも異なる。このため加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路の周波数は、加熱コイル毎に異なった周波数となる。このことは、直列共振回路に供給される高周波電力の周波数を、加熱コイルのそれぞれに対応した周波数とする必要があることを意味する。つまり、形状の異なる加熱コイルの取り換えを可能にするには、高周波電力の周波数を、加熱コイルに応じて変更可能とする必要がある。このような構成とする場合、各加熱コイルに応じた周波数設定が必要となり、加熱操作時の手間が増加する。また設定を間違ったときには、効率の悪い加熱が行われると共に、スイッチング回路の負担が増大し、素子破壊の可能性が高まるという問題を生じる。
【０００６】
また加熱コイルに、共振周波数の識別を示す突起や透過孔等を設け、本体側に突起や透過孔の位置を識別する識別手段を設けることは、構造的な複雑さを招くという問題を生じる。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため創案されたものであって、請求項１記載の発明の目的は、直列共振回路の周波数と高周波電力の周波数とが接近すると直列共振回路に流れる電流が増加することに着目し、基準信号の周波数を変更する毎に直列共振回路に流れる電流を判定することにより、共振周波数が異なる直列共振回路が接続されたときにも、最適周波数の高周波電力を自動で供給することのできる高周波誘導加熱装置を提供することにある。
【０００８】
また、直列共振回路に流れる電流値の判定を、ロック信号が所定タイミングにおいて送出されるかどうかの判定とすることにより、共振判定部の構成を簡単なものとすることのできる高周波誘導加熱装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明の高周波誘導加熱装置は、交流電源を全波整流することにより得られる脈流をスイッチングし、スイッチングすることによって得られた高周波電力を直列共振回路に供給するスイッチング回路と、指定された周波数の信号を基準信号として生成する基準信号源と、直列共振回路に流れる電流値と予め定められた設定値との比較を行い、前記電流値が前記設定値を超えない場合にはアンロック信号を出力し、前記電流値が前記設定値を超える場合にはロック信号を出力する電流判定部と、位相同期出力がスイッチングのタイミングを示す信号としてスイッチング回路に送出され、アンロック信号が出力されるときには基準信号に位相同期を行い、ロック信号が出力されるときには直列共振回路に流れる信号に位相同期を行うＰＬＬ回路と、直列共振回路に流れる高周波電力の電流値を検出し、検出した電流値が予め定められた基準値を超えるときには周波数近似信号を送出する共振判定部と、基準信号源が生成する基準信号の周波数の指定を行う毎に前記共振判定部から周波数近似信号が送出されるかどうかを判定し、その周波数近似信号が送出されたときには、このときの基準信号の周波数を直列共振回路に対応する周波数と判定する周波数判定部とを備えた構成としている。
【００１０】
また上記高周波誘導加熱装置は、共振判定部を、前記電流値が前記設定値を超える場合に前記ロック信号が出力されるタイミングをロックタイミングとして、このロックタイミングより遅れたタイミングにおいて、ロック信号が出力されているかどうかを判定し、出力されているときには周波数近似信号を送出する構成としている。
【００１１】
【作用】
請求項１記載の発明の作用を以下に示す。
【００１２】
スイッチング回路から送出される高周波電力の周波数が、直列共振回路の共振周波数から隔たっている場合では、直列共振回路のインピーダンスは高く、流れる高周波電力の電流値は小さい。そのため電流判定部からはアンロック信号が送出されるのみである。この結果、ＰＬＬ回路は基準信号に位相同期した出力を送出することから、スイッチング回路は基準信号の周波数でもってスイッチングを行う。
【００１３】
すなわち、周波数判定部が指定した周波数が、直列共振回路の共振周波数と隔たる場合では、スイッチング回路は基準信号に従ってスイッチングを行う。また共振判定部は、このとき直列共振回路に流れる高周波電力の電流値が小さいことから周波数近似信号を生成しない。このため周波数判定部は、指定した周波数が、スイッチング回路に接続された直列共振回路の共振周波数ではないと判定し、基準信号源に新たなる周波数の指定を行う。
【００１４】
一方、周波数判定部が指定した周波数と直列共振回路の共振周波数との差異が所定範囲内の場合では、直列共振回路のインピーダンスは低く、高周波電力の電流値が大きくなる。このため電流判定部からはロック信号が送出され、ＰＬＬ回路からは、直列共振回路に流れる信号に位相同期した出力が送出される。その結果、直列共振回路に流れる高周波電力の電流値は、さらに増大し、共振判定部からは周波数近似信号が送出される。このため周波数判定部は、指定した周波数が直列共振回路の共振周波数に対応する周波数であると判定する。
【００１６】
ロック信号が送出されるのは、脈流の波高値に対応して変化する直列共振回路の電流値が設定値を超える場合である。またロックタイミングは、基準信号の周波数と直列共振回路の共振周波数との差異と脈流の波高値との関係によって定まるタイミングである。このことは、直列共振回路の周波数と基準信号の周波数とが所定範囲内の差異であるときには、ロックタイミングは既知の範囲内のタイミングとなることを意味する。
【００１７】
そのため、この既知の範囲より遅れたタイミングにおいては、直列共振回路の周波数と基準信号の周波数とが所定範囲内の関係にあるときには、既にロック信号が出力されていることになる。つまりロックタイミングより遅れたタイミングにおいてロック信号が出力されていると判定されることは、周波数判定部が指定した周波数が、直列共振回路の共振周波数に対応する周波数であることを示す。
【００１８】
また、このことは、直列共振回路の電流値と設定値との比較を行う比較回路が、共振判定部においては不要となることを意味する。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の一実施例について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１は、本発明の高周波誘導加熱装置の一実施例の電気的構成を示すブロック図である。
【００２１】
図において、整流回路１１は、ダイオードブリッジによって構成され、単相２００Ｖの交流電源３１の全波整流を行うことにより得られた脈流３２をスイッチング回路１６に供給するブロックとなっている。
【００２２】
スイッチング回路１６は、４つのスイッチング素子を用いた構成となっており、スイッチング素子にはパワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。そして整流回路１１より与えられた脈流３２に対して、極性の非反転と反転とを交互に繰り返すスイッチングを行い、スイッチングすることにより得られた高周波電力を、パルストランスＰＴを介して直列共振回路２１に供給する。
【００２３】
加熱コイルＬは、高周波遠心鋳造機に用いられる加熱コイルである。そのためパルストランスＰＴには、鋳型の形状に対応して作成された種々の大きさの加熱コイルＬが交換接続される。このため加熱コイルＬとコンデンサＣとからなる直列共振回路２１の共振周波数は、接続される加熱コイルＬの形状に応じて変化し、最も低い共振周波数は３００ＫHz、最も高い共振周波数は７５０ＫHzである。そして、その他の加熱コイルＬを接続したときの共振周波数は、この範囲内にある。
【００２４】
電流判定部２３は、直列共振回路２１に流れ、カレントトランス２２によって検出される電流値を、予め定められた設定値と比較するブロックである。より詳細には、カレントトランス２２によって検出される電流波形は、脈流３２が、３００〜８００ＫHzの範囲内の周波数でスイッチングされた波形であるため、カレントトランス２２の出力から包絡線を検出する直流結合の包絡線検出回路を備えている。この包絡線検出回路により検出される波形は、脈流３２の波形に近似した波形（図２の符号３６参照）である。そして包絡線検出回路から出力された波形が設定値を超えない期間では、その出力３７にアンロック信号（Ｌレベル）を出力する。また出力された波形が設定値を超える期間では出力３７にロック信号（Ｈレベル）を出力する。
【００２５】
なお、上記した包絡線検出回路には種々の構成を用いることが可能であるが、本実施例では、回路構成を簡単なものとするため、半波整流回路と、３００ＫHz以上の周波数成分を除去する直流結合の積分回路とからなる包絡線検波回路を用いている。
【００２６】
移相回路２４は、カレントトランス２２によって検出された検出波形に対し、その内部に設けられた可変抵抗器の設定値に対応した角度の移相を行い、移相した検出波形をＰＬＬ回路１９に送出するブロックであり、交流電源３１の力率の改善を行うものである。
【００２７】
基準信号源２０は、直列共振回路２１の共振周波数の範囲に対応して、３００〜８００ＫHzの範囲内において、１０ＫHz間隔でもって、指定された周波数の信号を生成するブロックとなっている。そして生成した信号を、基準信号としてＰＬＬ回路１９に送出する。より詳細には、１０ＭHz等の基準信号の生成回路、ＰＬＬ回路、および分周の比率を外部から設定可能な分周回路等によって構成され、外部から周波数指定が可能な周波数合成回路（従来技術として公知）である。
【００２８】
ＰＬＬ回路１９は、位相比較器、ループフィルタ、チャージポンプ、ＶＣＯからなる従来技術として公知の位相同期部１７と、基準信号源２０から出力される基準信号と移相回路２４の出力とを切り換えるスイッチ１８とによって構成されている。そして電流判定部２３からアンロック信号が出力されるときには、基準信号を位相同期部１７に導き、基準信号に位相同期する。またロック信号が出力されるときには、移相回路２４の出力を位相同期部１７に導き、直列共振回路２１の信号に位相同期する。そして位相同期した出力を、スイッチングのタイミングを示す信号としてスイッチング回路１６に送出する。
【００２９】
ゼロクロス検出回路１２は、交流電源３１の電圧が０Ｖとなるタイミングの検出を行い、図２の符号３３により示すように、検出したタイミングを立ち上がりエッジで示すゼロクロスパルスの列を生成する。そして生成したパルスをスタート回路１３、共振判定部１４、および周波数判定部１５に送出する。
【００３０】
スタート回路１３は、ＣＰＵ等を主要部として構成された制御部から、加熱開始を指示するスタート信号３８が与えられると、交流電源３１がゼロクロスする時刻までスタート信号３８を遅延させることにより、スイッチング回路１６の動作をソフトスタートさせるためのブロックである。そして、遅延したスタート信号３５を、スイッチング回路１６と周波数判定部１５とに送出する。
【００３１】
共振判定部１４は、直列共振回路に流れる高周波電力の電流値を検出し、検出した電流値が予め定められた設定値を超えるときには周波数近似信号を送出するブロックとなっている。
【００３２】
詳細には、直列共振回路２１の共振周波数と基準信号の周波数とが所定範囲内にあるとき、ロック信号が出力されるタイミングをロックタイミング（図２の時刻Ｔ７）として、このロックタイミングＴ７より期間ｔ２だけ遅れたタイミングを検出タイミングと呼ぶとすると、ゼロクロスパルスに期間ｔ１の遅延を与えることによって、検出タイミングを示すパルス列（符号３９参照）を生成する。そして、このパルス列３９のエッジにより示される検出タイミングＴ２，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８，・・・において、直列共振回路２１の電流値が設定値を超えているかどうかを判定する。
【００３３】
より具体的には、判定の基準となる基準値を、電流判定部２３における設定値（Ｖ１により示す）と等しい値に設定する。そして、検出タイミングＴ２，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８，・・・において、出力３７のレベルが、ロック信号が送出されていることを示すＨレベルである場合、直列共振回路２１の電流値は設定値以上であると判定する。また検出タイミングＴ２，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８，・・・において、出力３７のレベルが、アンロック信号が出力されていることを示すＬレベルである場合、直列共振回路２１の電流値は設定値以下であると判定する。
【００３４】
周波数判定部１５は、基準信号源２０が生成する基準信号の周波数の指定を行った後、共振判定部１４から周波数近似信号が送出されるかどうかを判定するブロックとなっている。そして周波数近似信号が送出されたときには、このときの基準信号の周波数を直列共振回路２１に対応する周波数と判定する。
【００３５】
以下に、本発明の一実施例の動作について説明する。
【００３６】
直列共振回路２１に高周波電力を供給するとき、高周波電力の周波数が直列共振回路２１の共振周波数より低い場合では、交流電源３１の力率を悪化させる。この力率の悪化を防止するため、スタート信号３５による動作開始の指示が時刻Ｔ１において与えられたとすると、周波数判定部１５は、基準信号の周波数を、最高周波数の８００ＫHzとするための指示を基準信号源２０に与える。またスイッチング回路１６は時刻Ｔ１となったとき、スタート信号３５に従ってスイッチング動作を開始する。このため直列共振回路２１には８００ＫHzの高周波電力が供給される。この状態において周波数判定部１５は、時刻Ｔ３を示すパルスが与えられる以前において、共振判定部１４から周波数近似信号が送出されるのを待つ。
【００３７】
直列共振回路２１の共振周波数は４００ＫHzであり、８００ＫHzから大きく隔たっているので、直列共振回路２１に流れる電流値は小さい。このため時刻Ｔ２となったときにも、直列共振回路２１の電流値は設定値Ｖ１以下に留まることとなり、電流判定部２３は、出力３７のレベルを、アンロック信号を示すＬレベルに維持する。その結果、共振判定部１４からは周波数近似信号が送出されない。
【００３８】
この状態が継続して時刻Ｔ３となると、周波数判定部１５は、基準信号の周波数を７９０ＫHzにするための指示を基準信号源２０に与え、上記と同様に、共振判定部１４から周波数近似信号が送出されるのを待つ。このときも周波数近似信号が送出されないことから、以後、周波数判定部１５は、ゼロクロスパルスが導かれる毎に、基準信号源２０に与える周波数の指示値を１０ＫHzずつ低くしていく。そして指示を与える毎に、共振判定部１４から周波数近似信号が送出されるのを待つ動作を繰り返す。
【００３９】
周波数判定部１５が時刻Ｔ９に基準信号源２０に与えた基準信号の周波数の指示値は４５０ＫHzである。この４５０ＫHzの周波数は直列共振回路２１の共振周波数の４００ＫHzに近いことから、直列共振回路２１の電流値は増加を示している。そして時刻Ｔ６では、電流値が設定値Ｖ１を超え、電流判定部２３は、出力３７に、ロック信号を示すＨレベルを送出する。しかし時刻Ｔ６は検出タイミングＴ５より遅れた時刻であり、時刻Ｔ５では出力３７はＬレベルであるので、共振判定部１４は周波数近似信号を送出しない。このため周波数判定部１５は、時刻Ｔ１０において、基準信号の周波数を４４０ＫHzとする旨の指示を基準信号源２０に与える。
【００４０】
時刻Ｔ１０以後では４４０ＫHzの高周波電力が直列共振回路２１に与えられる。このため直列共振回路２１の電流値は増大しており、ロックタイミングＴ７において電流値が設定値Ｖ１を超える。すなわち、検出タイミングＴ８では、出力３７は、ロック信号が送出されていることを示すＨレベルとなる。そのため共振判定部１４の出力３４には、周波数近似信号であるＨレベルが送出される。
【００４１】
この結果、周波数判定部１５は、４４０ＫHzが、接続された加熱コイルＬに対応する周波数であると判定し、以後、基準信号源２０に指示する周波数を４４０ＫHzに固定する。そのためＰＬＬ回路１９は、電流判定部２３がアンロック信号を出力する期間では４４０ＫHzの出力をスイッチング回路１６に送出する。またロック信号が出力される期間では、直列共振回路２１に流れる信号に位相同期した出力をスイッチング回路１６に送出する。
【００４２】
上記した動作による加熱では、高周波電力の周波数が直列共振回路２１の共振周波数に一致する期間（直列共振回路２１の電流値が最大となる期間であり、ロック信号の送出期間）と、脈流のサイクルの単位期間との比率は、略最大値となる。そのため加熱効率は最大となる。
【００４３】
このことから、ロックタイミングＴ７と検出タイミングＴ８との隔たり期間ｔ２については、ノイズ等の影響によって、ゼロクロスパルスの送出タイミングがばらつくと共にロックタイミングＴ７がばらついた場合にも、時刻Ｔ８が時刻Ｔ７より後の時刻となることが保証される範囲で、小さい値に設定する程、加熱効率が良くなる。そのため本実施例においても、期間ｔ２は小さな値を採用している。
【００４４】
なお、共振判定部１４の構成を、ロック信号が出力されると周波数近似信号を送出する構成とした場合では、時刻Ｔ９において基準信号源２０に与えた周波数の指示値が、以後の加熱における基準信号の周波数となる。このことは、時刻Ｔ９から時刻Ｔ１０に到る期間に示した電流波形による加熱となり、直列共振回路２１の共振周波数に一致した高周波電力が供給される期間が短く、効率の悪い加熱となる。
【００４５】
以下に補足的な説明を行うと、周波数判定部１５は、８００ＫHzを開始周波数として、順次１０ＫHzづつ低下した周波数値を指示する構成としているので、所定周波数に達するまでの所要時間については、最悪の場合では、脈流３２の５０サイクル分の時間となる。この所要時間は、６０Hz地域では約０．４秒、５０Hz地域では０．５秒に過ぎず、種々の加熱コイルＬの平均値では、０．２〜０．３秒である。そのため、加熱の開始の指示が与えられる毎に周波数探査を行う構成としているにも関わらず、実用的には、加熱開始の遅れは支障のない値となっている。
【００４６】
また基準信号の指示値を、周波数の高い側から低くなる方向に変化させているので、加熱時の基準信号の周波数は、直列共振回路２１の共振周波数より高い周波数となることから、加熱時の力率の悪化を防止することが可能になるという効果を得ている。
【００４７】
請求項１記載の発明に係る高周波誘導加熱装置は、脈流をスイッチングして得られた高周波電力を直列共振回路に供給するスイッチング回路と、指定された周波数の信号を基準信号として生成する基準信号源と、直列共振回路に流れる電流値と設定値との比較を行い、前記電流値が前記設定値を超えない場合にはアンロック信号、超える場合にはロック信号を出力する電流判定部と、その出力がスイッチングのタイミングを示し、アンロック信号の出力時には基準信号に、ロック信号の出力時には直列共振回路に流れる信号に位相同期するＰＬＬ回路と、直列共振回路の電流値を検出し、検出した電流値が予め定められた設定値を超えるとき周波数近似信号を送出する共振判定部と、基準信号の周波数を指定する毎に、周波数近似信号が送出されるかどうかを判定し、周波数近似信号が送出されたときには、このときの指定値を直列共振回路に対応する周波数と判定する周波数判定部とを備えている。そのため接続された直列共振回路の共振周波数に最適となる基準信号の周波数が自動探査されることとなり、共振周波数が異なる直列共振回路が接続されたときにも、最適周波数の高周波電力を自動で供給することが可能となっている。
【００４８】
また上記高周波誘導加熱装置は、共振判定部を、前記電流値が前記設定値を超える場合にロック信号が出力されるタイミングをロックタイミングとして、このロックタイミングより遅れたタイミングにおいて、ロック信号が出力されているかどうかを判定し、出力されているときには周波数近似信号を送出する構成としている。そのため直列共振回路の電流値と設定値との比較回路が不要となり、共振判定部の構成を簡単なものとすることが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波誘導加熱装置の一実施例の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例の主要信号を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１４  共振判定部
１５  周波数判定部
１６  スイッチング回路
１９  ＰＬＬ回路
２０  基準信号源
２１  直列共振回路
２３  電流判定部
３１  交流電源
３２  脈流
Ｌ  加熱コイル
【図１】
0003713058.tif 000002
【図２】
0003713058.tif 000003