(57)【要約】【課題】異常状態が発生した場合にトランジスタを保護する機能を備えた高周波発振装置を開発することを課題とする。【解決手段】高周波発振装置２０は、異常電圧からトランジスタＶ１，Ｖ２等を保護するためのトランジスタ保護回路２３を有している。トランジスタ保護回路２３は、共振回路１２内の異常電圧を検知するための電圧検出器（電圧検出手段）２１と、電圧検出器２１からの指令に基づいてトランジスタＶ１，Ｖ２を強制作動させるための強制作動装置２２によって構成されている。その結果、高周波焼入装置において、高周波焼き入れ動作中に、整合トランス６から誘導加熱コイル７が外れる等の異常電圧発生時に、バイアス電圧を復活させてトランジスタＶ１，Ｖ２を強制作動させ続けることで、トランジスタＶ１，Ｖ２を破壊から保護することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子、出力端子及び制御端子を有するトランジスタが内蔵され、前記トランジスタの出力に起因する信号を当該トランジスタの制御端子に帰還して発振させる発振装置であって、発振の起動時に前記制御端子にバイアス電圧を印加し、発振が安定状態となった場合には前記バイアス電圧を低下または停止する発振装置において、
前記トランジスタの入力端子又は出力端子の少なくとも一方に印加される電圧又は当該電圧と連動して昇降する電圧を検知する電圧検知手段を有し、
前記バイアス電圧が低下または停止した状態であって、電圧検知手段によって検知された電圧が一定以上となった場合に、前記バイアス電圧を復活又は増加させることを特徴とする発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波焼入等に使用される発振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼製ワークの表面処理の一つとして高周波焼入がある。高周波焼入は、鋼製ワークに誘導コイルを近づけ、当該誘導コイルに高周波電流を流して鋼製ワークに誘導電流を励起させることによって行われる。
高周波焼入は、鋼製ワークの表面近傍を効果的に赤熱させることができ、表面近傍を硬化させることができる。
【０００３】
高周波焼入は、概ね次の様な高周波焼き入れ装置を利用して行われる。
図４は、高周波焼き入れ装置１００の概念図である。高周波焼き入れ装置１００は、高周波電源５と、カレントトランス６及び誘導加熱コイル７によって構成されている。
高周波電源５は、高周波発振装置１０を備え、所望の周波数の高周波交流を出力することができる。誘導加熱コイル７は、例えば公知の鞍型又はサークル型のコイルであり、鋼製ワーク１の近傍に配される。
【０００４】
ここで高周波発振装置１０は、公知の発振回路を内蔵するものであり、トランジスタの出力の一部をベース（又はゲート  以下これらを総称して制御端子）に帰還して発振させるものである。例えば、特許文献１には、共振回路を有する高周波焼入装置の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５６７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５は、本発明者らが、秘密状態にある工場内で使用する高周波発振装置１０の回路図である。
高周波発振装置１０は、２個のトランジスタを使用するものである。トランジスタとしては絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用している。即ち高周波発振装置１０は、トランジスタＶ１，Ｖ２とコンデンサＣ５乃至Ｃ６を中心とする発振回路１１（非安定マルチバイブレータ）と、コンデンサＣ１乃至Ｃ２及びコイルＬらによって構成される共振回路１２を有している。発振回路１１の信号を抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してトランジスタＶ１，Ｖ２の制御端子Ｇに帰還させて自励発振させるものである。
【０００７】
高周波発振装置１０は、その他にバイアス発生装置１５を有している。バイアス発生装置１５は、発振の起動時にトランジスタＶ１，Ｖ２の制御端子Ｇにバイアス電圧を印加するものである。
即ち発振回路１１は、回路内のノイズの中から共振回路１２で特定の周波数を取り出し、増幅させて特定周波数の振幅を発生させるものであるが、通電の初期においては共振回路１２で取り出される特定周波数の信号が弱いため立ち上りが遅く、トランジスタＶ１，Ｖ２を動作させるための入力閾値Ｖｔｈに達せず、安定した発振が起きない。そのため、図６の様に閾値Ｖｔｈ近傍のバイアス電圧をバイアス発生装置１５で発生させ、共振回路１２で取り出された特定周波数の電圧（発振電圧）にバイアス電圧を重畳してトランジスタＶ１，Ｖ２を動作させる。
【０００８】
発振が安定してくれば発振電圧が高くなり、バイアス電圧は不用となる。逆に発振が安定して発振電圧が高い状態でさらにバイアス電圧を重畳すると、制御端子Ｇへの入力電圧が過多となり、制御端子Ｇの耐圧を越えるおそれが生じる。そこで、高周波発振装置１０では、図６の様に共振が安定すると、それに対応してバイアス電圧を漸減させて行く。
より具体的には、図５の様にチョークコイルＲＦＣ２で発振電圧の強度を電流Ｉ１に置換して検知し、この検知信号がバイアス発生装置１５の電流入力端子Ｉｉｎに入力（フィードバック）されている。図７に示すように、バイアス発生装置１５にはトランジスタＴｒや可変抵抗ＶＲ等で構成される減圧回路１６が内蔵されている。バイアス発生装置１５において、発振電圧が上昇したことを電流Ｉ１でもって検知すると、減圧回路１６が作動して３端子レギュレータＲＥＧの出力電圧を抑制し、出力端子Ｇ１，Ｇ２へ供給するバイアス電圧を低下させる。
【０００９】
また高周波発振装置１０には、図示しない安全装置があり、何らかの異常が発生すると直流電源が停止し、回路や他の機器を保護する。
【００１０】
しかしながら、本発明者らが使用する高周波発振装置１０は、鋼製ワーク１が誘導加熱コイル７から外れること等によって生じる負荷側からの急激な磁界の変化の影響を受け易く、コイルＬに大電圧が誘導される場合がある。その際には、共振回路内に異常電圧が発生し、コンデンサＣ１乃至Ｃ２の端子間電圧が急激に上昇してトランジスタＶ１，Ｖ２を傷めてしまう懸念があった。
即ち異常が発生すると安全装置が作動して直流電源が停止する。この時、バイアス発生装置１５からのバイアス出力は停止または低下しており、制御端子Ｇに入力される発振電圧は、発振回路１１で生成された成りゆきの電圧だけである（バイアス出力が停止している場合）つまり、トランジスタＶ１，Ｖ２の動作は、発振回路１１に依存した自励発振の状態であり、トランジスタＶ１，Ｖ２は交互にオンとオフを繰り返している。つまり、瞬間の状態を見れば、一方のトランジスタがオンの時、他方のトランジスタのコレクタＣとエミッタＥ間は非通電状態（オフ状態）となる。この状態において、トランジスタＶ１，Ｖ２のコレクタＣとエミッタＥ間に異常電圧が印加され続けると、状況によってはトランジスタＶ１，Ｖ２の入力端子の耐圧を越えてしまう場合があり、トランジスタＶ１，Ｖ２が焼損する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、高周波発振装置の上記した問題点に注目し、異常状態が発生した場合にトランジスタを保護する機能を備えた高周波発振装置を開発することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、入力端子、出力端子及び制御端子を有するトランジスタが内蔵され、前記トランジスタの出力に起因する信号を当該トランジスタの制御端子に帰還して発振させる発振装置であって、発振の起動時に前記制御端子にバイアス電圧を印加し、発振が安定状態となった場合には前記バイアス電圧を低下または停止する発振装置において、前記トランジスタの入力端子又は出力端子の少なくとも一方に印加される電圧又は当該電圧と連動して昇降する電圧を検知する電圧検知手段を有し、
前記バイアス電圧が低下または停止した状態であって、電圧検知手段によって検知された電圧が一定以上となった場合に、前記バイアス電圧を復活又は増加させることを特徴とする発振装置である。
【００１３】
トランジスタは、ＪＦＥＴやＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタ（ユニポーラトランジスタ）であってもよく、一般的なトランジスタであるバイポーラトランジスタであってもよい。また絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）も、本発明の構成要素たる「トランジスタ」に含まれる。
電界効果トランジスタを採用する場合には、入力端子は、ドレイン（Ｄ）であり、出力端子は、ソース（Ｓ）であり、制御端子はゲート（Ｇ）である。
バイポーラトランジスタを採用する場合には、入力端子は、コレクタ（Ｃ）であり、出力端子は、エミッタ（Ｅ）であり、制御端子はゲート（Ｇ）である。
本発明の発振装置では、前記トランジスタの入力端子又は出力端子の少なくとも一方に印加される電圧又は当該電圧と連動して昇降する電圧を検知する電圧検知手段を有している。
【００１４】
本発明の発振装置においては、異常が発生してトランジスタの端子間電圧等が急激に上昇すると、前記した電圧検知手段がその事実を検知する。そして本発明の発振装置では、バイアス電圧を復活させる（または増加させる）。その結果、トランジスタをオン状態で保持することで端子間の通電が維持され、出力端子から外側へと電流を流し続けることができる。そのためトランジスタの端子間電圧は急速に低下し、トランジスタが保護される。つまり、共振回路内に生じた異常電圧を、排出できるため、異常電圧が共振回路内で不用意に増幅されることがない。
ここで、復活させるバイアス電圧は、発振起動時にかけるバイアス電圧と同一であってもよく、異なっていてもよい。例えば、復活後のバイアス電圧は、閾値を越えるものであってもよい。また発振装置を起動し、発振が安定状態となった場合にも制御端子にバイアス電圧が残る様な回路構成を採用する場合には、異常が発生してトランジスタの端子間電圧等が急激に上昇した際にバイアス電圧を増加させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発振装置は、異常状態が発生した場合にもトランジスタの入出力端子間の通電が維持される。そのため回路内に局部的な高電圧が発生することが阻止され、トランジスタが保護される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の高周波発振装置の回路図である。
【図２】従来技術の高周波発振装置における異常動作が発生してから収束するまでの各部の電圧及び電流波形のグラフである。
【図３】本実施形態の高周波発振装置における異常動作が発生してから収束するまでの各部の電圧及び電流波形のグラフである。
【図４】従来の高周波焼き入れ装置の概念図である。
【図５】本発明者らが、秘密状態にある工場内で使用する高周波発振装置の回路図である。
【図６】図５に記載の電界効果トランジスタの制御端子に入力される電圧の変化を示すグラフである。
【図７】図５に記載のバイアス発生装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の高周波発振装置２０は、図１に示すように、従来技術と同様に、トランジスタＶ１，Ｖ２とコンデンサＣ５乃至Ｃ６を中心とする発振回路１１（無安定マルチバイブレータ）と、コンデンサＣ１乃至Ｃ２及びコイルＬらで構成される共振回路１２と、発振回路１１の立ち上り速度に寄与するバイアス発生装置１５と、発振回路１１等へＤＣ６００Ｖ程度の動力系の直流電源を供給するための電源装置１３と、バイアス発生装置１５にＤＣ１０Ｖ程度の制御系の直流電源を供給するための電源装置１４等によって構成されている。そして、図４に示した整合トランス６（カレントトランス）や誘導加熱コイル７等と組み合わせることで、鋼製ワーク１を高周波誘導加熱可能な高周波焼き入れ装置１００を構成するものである。また、高周波焼き入れ装置１００は、図示しない冷却液噴射装置を備えている。冷却液噴射装置は、誘導加熱後のワーク１に冷却液を噴射供給するものである。
【００１８】
本実施形態の高周波発振装置２０が従来技術と異なる点は、異常電圧からトランジスタＶ１，Ｖ２等を保護するためのトランジスタ保護回路２３を有していることである。
すなわち、図１に示すように、本実施形態で採用するトランジスタ保護回路２３は、共振回路１２内の異常電圧を検知するための電圧検出器（電圧検出手段）２１と、電圧検出器２１からの指令に基づいてトランジスタＶ１，Ｖ２を強制作動させるための強制作動装置２２によって構成されている。
【００１９】
詳細に説明すると、電圧検出器２１は、所定以上の電圧が印加されたことを検出するための装置である。本実施形態で採用する電圧検出器２１は、コンパレータ等を用いた基準電圧値との比較回路等で構成されている。電圧検出器２１は、発振回路１１及び共振回路１２に並列に接続されている。具体的には、電圧検出器２１の入力端子２１ａ，２１ｂは、それぞれトランジスタＶ１，Ｖ２の入力端子コレクタＣに接続されている。そのため、電圧検出器２１は、トランジスタＶ１，Ｖ２の入力端子コレクタＣに印加される電圧を常時監視可能である。電圧検出器２１の出力端子２１ｃは、強制作動装置２２に接続されており、異常電圧を検知した際に強制作動装置２２に指令信号を送信する。
なお、電圧検出器２１における基準電圧値は、初期値として９００Ｖに設定されている。これは、トランジスタＶ１，Ｖ２の入力端子コレクタＣと出力端子エミッタＥ間の耐圧約１２００Ｖから逆算して設定された値である。また、異常と検知する基準電圧値は、任意に設定できることが好ましい。
【００２０】
強制作動装置２２は、バイアス電圧を復活させてトランジスタＶ１，Ｖ２を強制作動させ続けるための装置である。本実施形態で採用する強制作動装置２２は、指令信号（トリガー信号）を受ける受信回路と、バイアス電圧を復活（増加）させてトランジスタＶ１，Ｖ２を作動させるためのバイアス電圧発生回路、復活後のバイアス電圧を保持し続けるための保持回路等で構成されている。強制作動装置２２は、電圧検出器２１及びトランジスタＶ１，Ｖ２に接続されている。具体的には、強制作動装置２２の入力端子２２ａは、電圧検出器２１の出力端子２１ｃに接続されており、電圧検出器２１からの指令信号を受信可能である。強制作動装置２２の出力端子２２ｂ，２２ｃは、図示していないが、バイアス発生装置１５の出力端子Ｇ１，Ｇ２に接続されている。すなわち、強制作動装置２２の出力端子２２ｂ，２２ｃは、抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して、トランジスタＶ１，Ｖ２の制御端子Ｇに接続されている。なお、強制作動装置２２の出力電圧発生回路としては、トランジスタＶ１，Ｖ２を確実に駆動させる復活後のバイアス電圧は、発振起動時にかける閾値Ｖｔｈである１０Ｖを上回る１５Ｖ程度が好ましい。
【実施例】
【００２１】
従来技術の高周波発振装置１０と、本実施形態の高周波発振装置２０とを用いた高周波焼き入れ装置１００（図４参照）において、通常動作中に異常動作が行われた際の状態変化について、電圧及び電流波形を測定して比較した。なお、異常動作として、高周波焼き入れ動作中に、整合トランス６から誘導加熱コイル７を取り外す動作を行った。
なお従来技術の高周波発振装置１０においても本実施形態の高周波発振装置２０においても、起動した初期には、トランジスタＶ１，Ｖ２を動作させるための入力閾値Ｖｔｈ近傍のバイアス電圧がトランジスタＶ１，Ｖ２の制御端子Ｇに印加される。
そして時間の経過と共にバイアス電圧が低下して行くが、発振が安定した後も、図２，３の様に、２Ｖ程度のバイアス電圧が残る。即ち発振が安定した後もバイアス電圧は残るが、その値はトランジスタＶ１，Ｖ２を動作させるための入力閾値Ｖｔｈに比べてはるかに低く、それ単独ではトランジスタＶ１，Ｖ２を機能させることはできない。
【００２２】
図２は、従来技術の高周波発振装置１０における異常動作が発生してから収束するまでの電圧及び電流波形のグラフである。各図の横軸は、時間であり、各図の時間軸はそろっている。
詳細には、図２（ａ）は、トランジスタＶ１の入力端子コレクタＣと出力端子エミッタＥ間に印加されている電圧波形である。縦軸が電圧であり、正常時には６００Ｖ程度の電圧がトランジスタＶ１の入力端子コレクタＣと出力端子エミッタＥ間に掛かっている。なお、電圧は高周波であるから、実際には短い周期で脈動しているが、作図の関係上、脈動の状態は、一定間隔の縦線をもって省略している。図２（ａ）は一定周期で波うっているが、この波うちは、リップルであり、低周波である。
【００２３】
図２（ｂ）は、チョークコイルＲＦＣ２で検出している電流波形である。縦軸が電流であり２０Ａ程度の電流が検知されている。ＲＦＣ２で検出している電流についても高周波であるから、実際には短い周期で脈動しているが、作図の関係上、脈動の状態は、一定間隔の縦線をもって省略している。
【００２４】
図２（ｃ）は、トランジスタＶ１の制御端子Ｇ（ゲート）に印加されている電圧波形である。
図２（ｅ）は、トランジスタＶ１の制御端子Ｇ（ゲート）に印加されているバアアス電圧である。
図２（ｅ）は、動力系の電源装置１３の出力電圧波形である。
なお、トランジスタＶ２の波形は図２（ａ），（ｃ）とほぼ同一であるため、描写を省略する。
【００２５】
図２（ａ）〜（ｅ）において、各波形が寸断されて空白部分となった箇所が、整合トランス６から誘導加熱コイル７を取り外した箇所である。この空白箇所の始まりを異常動作の０地点とする。従来技術の高周波発振装置１０では、図２（ａ）に示す通り、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧が、０地点以降の約２．０ｍｓｅｃ．後に１０００Ｖに達している。この時、図２（ｄ）に示す通り、図示しない安全装置が働き、電源装置１３の出力電圧が遮断されている。しかし、図２（ａ）〜（ｃ）に示す各波形は、引き続き発振しており、発振回路１１及び共振回路１２が残留している異常電圧を増幅し続けているものと考えられる。そして、図２（ａ）に示す通り、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧は、０地点以降の約２．５ｍｓｅｃ．後に１５６０Ｖまで一旦急上昇して下降したあと、２．８ｍｓｅｃ．〜３．７ｍｓｅｃ程度の間は、トランジスタＶ１の耐圧を越える電圧が印加され続ける。従来技術においては、０地点から収束までに掛かった時間は、約８．６ｍｓｅｃ．である。トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の耐圧は約１２００Ｖであり、トランジスタＶ１，Ｖ２は破壊された。
【００２６】
図３は、本実施形態の高周波発振装置２０における異常動作が発生してから収束するまでの電圧及び電流波形のグラフである。図３（ａ）〜（ｄ）についても、前述の図２（ａ）〜（ｄ）と同一の測定箇所及び測定レンジを用いているため説明を省略する。
本実施形態の高周波発振装置２０では、図３（ａ）に示す通り、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧が、０地点以降の約１．５ｍｓｅｃ．後に９００Ｖを超える（１１４０Ｖまで上昇）。
ここで本実施形態の高周波発振装置２０では、バイアス電圧が低下または停止した状態であって、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧が、一定以上となった場合に、バイアス電圧を復活又は増加させる機能を備えており、図２（ｄ）の様に、２Ｖであったバイアス電圧が、１５Ｖに増加する。
そのため図２（ｃ）に示す通り、トランジスタＶ１の制御端子Ｇ（ゲート）には、約１５Ｖの復活後のバイアス電圧が印加され続ける。これは、本実施形態の高周波発振装置２０が有するトランジスタ保護回路２３が、基準値の９００Ｖを超えたと判断して保護動作を行ったものである。この動作と同時に、図３（ｅ）に示す通り、図示しない安全装置も働き、電源装置１３の出力電圧が遮断されている。そして、図３（ａ）に示す通り、その直後にコレクタＣとエミッタＥ間の電圧は約０Ｖまで急下降している。つまり、０地点から収束までに掛かった時間は、約１．５ｍｓｅｃ．であり、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間には、１１４０Ｖを超える電圧は印加されなかった。その結果、トランジスタＶ１は破壊されなかった。
【００２７】
上記の実施結果より、従来技術の高周波発振装置１０では、異常動作が発生した後、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧が最大で１５６０Ｖもの大電圧が約０．０１秒間に亘って印加され続けたため、トランジスタＶ１が破壊へと至った。
一方、本実施形態の高周波発振装置２０では、トランジスタＶ１のコレクタＣとエミッタＥ間の電圧が約０．５ｍｓｅｃ．後に１１４０Ｖまで上昇したが、すぐに約０Ｖまで収束した。これは、本実施形態の高周波発振装置２０が有するトランジスタ保護回路２３の働きによるものである。詳述すると、本実施形態の高周波発振装置２０では、異常電圧が発生した後、電圧検出器２１が異常を検知し、バイアス電圧を復活させるための強制作動装置２２が作動されたためである。即ち図３（ｃ）に示した通り、１５Ｖ程度の復活後のバイアス電圧が強制作動装置２２からトランジスタＶ１の制御端子Ｇに印加され続けた。つまり、トランジスタＶ１をオン動作で保持し続けたことで、コレクタＣとエミッタＥ間に印加された異常電圧を、すぐにエミッタＥ外側へ逃がすことができた。その結果、トランジスタＶ１は破壊されず、保護することができた。
【００２８】
上記した実施形態では、トランジスタＶ１とトランジスタＶ２において、入力端子と出力端子とが、コレクタＣとエミッタＥとで逆転していたが、これはトランジスタの使用方法によるものに過ぎない。
【符号の説明】
【００２９】
１０，２０  高周波発振装置
２１  電圧検出器（電圧検出手段）
Ｖ１，Ｖ２  トランジスタ
Ｃ  コレクタ（入力端子）
Ｅ  エミッタ（出力端子）
Ｇ  ゲート（制御端子）
【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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【図７】
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