(57)【要約】【課題】  高周波誘電加熱装置における一定した誘電加熱、具体的には高周波ウェルダーにおける一定した溶着状態で溶着することができる制御方法を実現する。【解決手段】  誘電体である塩化ビニール樹脂やポリプロピレン樹脂など熱可塑性合成樹脂製シート材の被加熱体５を一対の高周波電極４によって挟持し、高周波電極４(41，42)間の高周波誘電加熱によって被加熱体を溶着もしくは加熱する高周波誘電加熱装置に関する。被加熱体のインピーダンスは、加熱温度によって変化し溶融状態で一定する。そこで、高周波電極４に供給される高周波電流の変化率もしくは自動整合回路３で検出される高周波電圧と電流の位相差の変化率を検出し、変化率がゼロ又は一定値以下の安定領域に達したときに被加熱体５の加熱が完了したと判断して高周波電流を遮断する。これにより、被加熱体５は完全に溶着されるとともに過加熱されていない最適の条件で溶着される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体である被加熱体を一対の高周波電極によって挟持し、該高周波電極間の高周波誘電加熱によって被加熱体を加熱する高周波誘電加熱装置において、高周波電極に供給される高周波電流を検出し、該検出電流の変化率がゼロ又は一定値以下の安定域に達したときに被加熱体の加熱が完了したと判断することを特徴とする高周波誘電加熱装置の制御方法。
【請求項２】
誘電体である被加熱体を一対の高周波電極によって挟持し、該高周波電極間の高周波誘電加熱によって被加熱体を加熱する高周波誘電加熱装置において、高周波電極に供給される高周波電流のインピーダンス及び位相を調整するための自動整合回路における検出器で検出される電圧と電流との位相差の変化率がゼロ又は一定値以下の安定域に達したときに被加熱体の加熱が完了したと判断することを特徴とする高周波誘電加熱装置の制御方法。
【請求項３】
高周波誘電加熱装置は、被加熱体が塩化ビニール樹脂やポリプロピレン樹脂など熱可塑性合成樹脂製シート材であって、複数のシート材を重ねて高周波電極に挟持させて溶着作業を行う高周波ウェルダーである請求項１又は２記載の高周波誘電加熱装置の制御方法。
【請求項４】
高周波誘電加熱装置の高周波発振器が、半導体を用いるソリッド式の高周波発振器である請求項１ないし３のいずれかに記載の高周波誘電加熱装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主として塩化ビニール樹脂やポリプロピレン樹脂などの熱可塑性合成樹脂材、その他の誘電体である被加熱体を一対の高周波電極によって挟持し、高周波電極間の高周波誘電加熱によって加熱作業もしくは溶着作業を行う高周波誘電加熱装置に関し、特にバラツキのない一定した溶着状態を実現する高周波ウェルダーの制御方法として有効な高周波誘電加熱装置の制御方法に係る発明である。
【背景技術】
【０００２】
従来、塩化ビニール樹脂シート材を溶着するような高周波ウェルダーにおいては、一定出力の高周波電流によって特定の溶着作業が、どれだけの時間で完了するかを経験的に検証しておき、高周波電極に対する高周波電流の通電時間を設定することによって制御していた。
高周波誘電加熱装置には、被加熱体の状況を検出して高周波誘電加熱に反映させて制御を行うものとして、特許文献１や２の木材乾燥装置の発明が知られている。
【特許文献１】特開平７−１６１４６７
【特許文献２】特開２００２−０２８９０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の高周波ウェルダーは、溶着が完了する状態を加熱時間で予測し、この予測時間に基づいて時間制御していた。ところが、現実には温度などの環境変化や被加熱体の種類や形状、状態などの条件が変化し、必ずしも時間制御によって完全な溶着状態、加熱状態を実現することができないものである。したがって、高周波ウェルダーの場合、未溶着や過加熱による破れ現象が発生しているのが実情である。特許文献１に記載された発明は、被加熱体である木材の含水率の低下にともなって発生する可能性のあるスパークを検出し、高周波電極の電圧を低下させるものである。特許文献２に記載された発明は、高周波誘電加熱による加熱部及び乾燥部を通過した木材のうち、目標乾燥率に達しない木材を再度加熱部及び乾燥部に循環させるものであり、いずれも被加熱体の状況を感知して制御するものであるが、加熱状態そのものを感知して高周波誘電加熱装置側にフィードバック制御するものではないとともに、基本的には一定時間の時間制御を行うものである。そのため、常に一定した加熱状態を実現することができるものではなかった。
【０００４】
上記従来技術の欠点に鑑み、本発明は被加熱体の現実の加熱状況や溶着状態を把握して高周波電流の通電を制御し、常に所望の加熱状態や最適の溶着状態となったときに作業を終了させることができる制御方法を実現することを目的とするものである
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、誘電体の高周波誘電加熱装置において、被加熱体５の温度によって負荷インピーダンスが変化し、一定出力の高周波電力を被加熱体５に投入した場合、高周波電極に供給される電流又は電圧と電流との間に生じる位相差が変化することに着目した。すなわち、本発明の第一の方法は、溶着作業中に高周波電極４に供給される高周波電流を検出し、該検出電流の変化率がゼロ又は一定値以下の安定域に達したときに被加熱体５の加熱が完了したと判断し、高周波電流の供給を遮断することによって常に一定の加熱状態や完全な溶着状態で作業を終了させることができるものである。
【０００６】
本発明の第二の方法は、高周波電極に供給される高周波電流のインピーダンス及び位相を調整するための自動整合回路３における検出器13の信号を利用する。すなわち、検出器13で検出される電圧と電流との位相差の変化率がゼロ又は一定値以下の安定域に達したときに被加熱体の加熱が完了したと判断し、高周波電流の供給を遮断することによって常に一定の加熱状態や完全な溶着状態で作業を終了させる。
【０００７】
高周波誘電加熱装置は、被加熱体が塩化ビニール樹脂やポリプロピレン樹脂など熱可塑性合成樹脂製シート材であって、複数のシート材を重ねて高周波電極に挟持させて溶着作業を行う高周波ウェルダーとすることができる。本発明は、加熱のみを目的とする各種の高周波誘電加熱装置にも利用することができることは勿論である。
【０００８】
なお、高周波誘電加熱装置の高周波発振器として、真空管方式ではなく半導体を用いるソリッド式の高周波発振器であるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の本発明高周波誘電加熱装置の制御方法によれば、従来のように高周波電流の通電時間を制御するものではなく、被加熱体の加熱状態によって変化する高周波電流の変化を検出して制御する。すなわち、被加熱体の温度変化によって変化する電流を検出し、電流変化が一定値以下になったときに加熱完了と判断してフィードバック制御を行うため、常に被加熱体を一定の温度に加熱することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、インピーダンス整合を行う自動整合装置の検出信号に基づき、高周波電極に供給される電流、又は電圧と電流との位相差を検出して制御する。すなわち、溶着作業中に供給される高周波電流又は自動整合回路の検出器で検出される位相差の変化がゼロ又は一定値以下の安定域になったときに、加熱が完了したと判断してフィードバック制御を行う。したがって、請求項１記載の発明と同様に常被加熱体を一定の温度に加熱することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、一定の加熱温度、換言すれば常に最良の溶着状態で溶着作業を行う高周波ウェルダーを実現することができる効果がある。このことは、環境温度の変化や被加熱体の大きさ、あるいは被加熱体の材質その他物理的条件の変化に関わらず、常に安定した溶着状態を実現することができるものである。
【００１２】
請求項４記載の発明によれば、高周波電極に供給される高周波電流の特性が安定する結果、より正確で信頼性の高い加熱もしくは完全な溶着状態を実現することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る高周波誘電加熱装置の制御方法の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る制御方法のブロック図、図２は回路図、図３は高周波電極に供給される高周波電流の変化を示す略図、図４は本発明に係る制御方法の一例を示す流れ図、図５は本発明の別の実施形態を示す回路図である。
【００１４】
高周波電極４は一対の高周波電極41及び42で構成し、一方の高周波電極41は高周波電源に接続される電源電極であるとともに、他方の高周波電極42はアース電極である。一対の高周波電極41と42の間に、例えば塩化ビニール樹脂製シート材などの被加熱体５を複数枚重ね合わせて挟持させる。このように高周波電極４、すなわち一対の電極41と42によって被加熱体５を挟持させた状態で作業がスタートする。
【００１５】
スイッチ装置１を経て高周波電源装置２に供給された電源の電流は、一定出力の特定周波数の高周波電流として高周波電源装置から出力される。高周波電極装置２から出力された高周波電流は、負荷とのインピーダンスマッチング用の自動整合回路３を経て高周波電極４に能率よく供給される。高周波電極４(41)に高周波電流が印加されると、高周波電極41，42間の被加熱体５は高周波誘電加熱によって内部発熱して高温に加熱され、例えば二枚の塩化ビニール樹脂製シート材である被加熱体５が溶解し電極間で加圧されて両者は溶着される。
【００１６】
誘電加熱のために被加熱体５に供給される高周波電流は、被加熱体５の誘電率によって決定されるが、一定の高周波電力を特定の加熱体５に供給した場合、そのときの温度によってインピーダンスが変化する。すなわち、この種誘電加熱装置では、一定出力で誘電加熱を行うように制御され、加熱初期の段階では負荷インピーダンスが低いため大きな高周波電流が流れ、被加熱体５は急速に加熱される。その後加熱が進行すると、温度上昇にともなって負荷インピーダンスも次第に上昇しながら被加熱体５の溶解が進行する。被加熱体５の溶解が進行し、高周波電極４に挟まれた部分全体が溶解状態になると負荷インピーダンスが一定の値で安定する。
【００１７】
高周波電極に挟まれた負荷に流れる高周波電流は、図３の(ａ)に示すように低温である初期状態で最大となり、被加熱体５の温度が上昇するにしたがって低下する。そして、被加熱体５が溶融状態になると負荷インピーダンスは一定の値に収斂する。通電の開始とともに高周波電極４に供給される高周波電流は、起点ａのゼロから急激に上昇して短時間で最大点ｂを示し、変曲点ｃを経て一定値ｄで安定する。
【００１８】
上記、図３の(ａ)に示す高周波電流の変化を変化率であらわした値、すなわち微分値は図３の(ｂ)のように、起点ａの最大値から急激に低下し最大点ｂのゼロ値を経てマイナスとなり、変曲点ｃで最大のマイナスを示した後ゼロに収斂する。本発明は、このような現象を利用して被加熱体５が一定の溶着状態となった時点で高周波電流の供給を停止し、一定品位の溶着状態を実現するものである。
【００１９】
自動整合回路３から高周波電極４に供給される高周波電流を、センサー６を含む高周波電流検出装置７で検出する。高周波電流検出装置７で検出した電流値は、微分回路８で微分値として取り出し、これを比較回路９によって基準値(通常ゼロ)と比較し、基準値を検出することによって溶着が完了したものと認識して高周波電源装置への通電を遮断する。これによって、一回の溶着作業が完了する。
【００２０】
高周波電流の変化の微分値は、図３の(ｂ)に示すように、起動直後に現れる高周波電流の最大点ｂにおいてゼロ値を示す。そのため、図４の流れ図に示すように、起動後一定時間経過後に微分値ゼロもしくは設定値以下の値を検出したときに溶着完了と判定する。溶着が完了したと判断する時点は、必ずしも電流の変化がゼロである必要はなく、ゼロに近い一定値に設定するものであってもよい。なぜならば、溶着は溶着面が完全に溶融されることが条件であって、溶着面以外の一部分が未溶融であって保形性を維持しているのが好ましい場合や、被加熱物の条件においてインピーダンスの変化が緩やかな場合、あるいは完全にゼロとならない場合、例えば被加熱物もしくは発振器の機能によっては、電流変化が一定値以下で溶着が完了すると判断できる場合があるためである。
【００２１】
次に、具体的な回路の一例を、図２に基づいて説明する。高周波発振器11や掛け算器12を備えた高周波電源装置２から供給される高周波電流は、負荷とのインピーダンスマッチング用の自動整合回路３を経て高周波電極４に供給される。自動整合回路３では、検出器13による検出値にしたがってインピーダンス及び位相を調節する。すなわち、検出信号に基づいて制御されるモータドライバー14，15によって制御モータ16，17を駆動し、インピーダンス及び位相を調整するバリコン18，19を駆動する。このようにして高周波電流が高周波電極４に供給されると、一対の高周波電極41と42に挟持された被加熱物５が高周波の電界によって自己発熱して加熱される。
【００２２】
このとき、高周波電極４に供給される高周波電流の電流値をセンサー６によって検出する。センサー６によって検出された電流値は高周波電流検出装置７の検波回路から出力されて微分回路８に入力し、微分回路８の出力を比較回路９に入力する。比較回路９では微分回路からの値がゼロもしくは一定値以下、主としてゼロであるかの比較を行い、該比較回路によってゼロ値もしくは一定値以下を検出すると、遅延回路10を経てスイッチ回路１にスイッチoffの信号を発し、一回の溶着作業が完了する。
【００２３】
次に、誘電加熱のために、被加熱体５に供給される高周波電圧と電流電流の位相差によって制御する実施形態を、図５に基づいて説明する。
図２実施形態と図５に示す実施形態の違いは、図２に示す実施形態では、センサー６で検出される電流値の変化をもとに制御を行うものであるのに対し、図５に示す実施形態は負荷とのインピーダンスマッチング用の自動整合回路３に配置されている検出器13の信号をもとに制御する点である。
【００２４】
自動整合回路３では、検出器13によって検出されたインピーダンス情報と位相差情報に基づいて、バリコン18及び19を作動させてインピーダンス整合が行われている。誘電加熱のために被加熱体に供給される高周波電圧と電流の位相差の位相差は、被加熱体５の容量性インピーダンスによって決定される。すなわち、加熱初期の段階では低温(常温)のため誘電率は低く、容量性インピーダンスは高い状態からスタートする。その後、温度上昇に伴って誘電率が上昇するとともに、被加熱体５は溶解するとともに高周波電極の加圧によって厚みが縮小する。すなわち、容量性インピーダンスは低下することになる。したがって、加熱が進行すると容量性インピーダンスが一定の値で安定するとともに、電圧と電流との位相差も一定化する。
【００２５】
検出器13のインピーダンス情報は、自動整合回路３の入力インピーダンスが高周波電源装置の出力インピーダンスに合致するとゼロの電圧となり、出力インピーダンスに合致しないときには、正又は負の電圧が出力される。また、検出器13に加わる高周波電圧と電流の位相差が一致しているとゼロの電圧となり、一致していないときは正又は負の電圧が出力される。
【００２６】
上記、両者の電圧がゼロであることを検出することによって、溶着の完了と判断することができる。具体的には、両信号は正又は負の信号であり、大きさの信号に変換するための絶対値回路20，21を用い絶対値に変換した上で比較回路22，23で比較し、そのいずれもがゼロもしくは一定値以下に安定したときに溶着の完了と判断する。図中24はＡＮＤ回路であり、遅延回路10を経てスッチ装置１へ停止信号が発せられる。
【００２７】
なお、自動整合回路３は、被加熱体５が持っているインピーダンスを高周波電源装置２の出力インピーダンスに合わせるように自動調整している。換言すると、被加熱体５は加熱の初期段階から溶着が進行している間インピーダンスが変化しており、このインピーダンス変化に追随して自動整合回路が作動し、インピーダンスが一定化した段階で作動が停止する。したがって、整合回路の作動停止を検出することによって溶着完了として判定して制御することもできる。具体的には、モータドライバー14，15の作動信号をＡＮＤ回路に入力して実施することができる。この方法は、自動整合回路の検出器の信号を利用するものであるから、請求項２記載の発明の別の実施態様である。
【００２８】
以上述べたように、本発明は、被加熱体５の加熱状態もしくは溶融状態によって変化する高周波電流の電流値、あるいは高周波電流の電圧と電流の位相差の変化によって溶着が完了したか否かを判定して制御を行う。したがって、どのような溶着条件においても、例えば温度その他の環境条件の変化や、被加熱物５の材質や厚みなどが変化しても常に最適の溶着状態を実現することができることになる。
【００２９】
本発明では、温度変化などによって変化する被加熱体５のインピーダンス変化に起因する電流値もしくは電流と電圧との位相差の変化によって溶着の完了を検出する。したがって、供給される高周波電流の電圧や周波数ができるだけ安定しているのが好ましい。
高周波発振器としては、真空管方式と半導体すなわちソリッド方式が知られている。そして、高周波発振器として真空管方式が汎用されているが、真空管方式の高周波発振器は電圧や周波数が安定しにくい特性がある。これに対し、ソリッド方式は比較的安定した高周波電流を発振させることができるため、本発明を実施するにあたっては、半導体を使用するソリッドタイプの高周波発振器を利用するのが好ましい。
【００３０】
なお、請求項１記載の本発明の、制御の基本である電流値の変化率がゼロを示す点は、起動直後の電流値の増加から減少に変化する図３のｂ点と、電流値が安定するｄ点の二つがあり、溶着完了を判定するのは後者のｄ点である。したがって、ｂ点での誤動作を避けるには、一定時間経過後の変化率を検出する方法と、変化率の安定を検出する方法とが考えられ、本発明を実施するにあたってはいずれの方法であってもよい。また、本発明は、温度変化によって明確な電流変化の特性を示す塩化ビニール樹脂材などの溶着に適したものであるが、同様の特性を示す誘電体の溶着もしくは加熱、例えば加熱のみを目的とする予備加熱工程の高周波誘電加熱装置などにも適用することができるものである。
【００３１】
一定温度の加熱のみを目的とする場合は、必ずしも安定した溶融状態である必要はないため、電流変化が一定値以下になった時点を加熱完了と判定して制御することが考えられる。特に、温度以外の条件によって電流値が変化する場合、例えば被加熱体の含水率が変化する場合や複合材料を加熱する場合などは、一定値の電流変化を検知することによって過加熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明に係る制御方法のブロック図
【図２】図２は、本発明を実施する高周波誘電加熱装置の一例を示す回路図、
【図３】図３は、高周波電極に供給される高周波電流の変化を示す略図、
【図４】図４は本発明に係る制御方法の一例を示す流れ図、
【図５】図５は、本発明の別の実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…スイッチ装置、  ２…高周波電源装置、  ３…自動整合回路、  ４…高周波電極、  ５…被加熱体、  ６…センサー、  ７…高周波電流検出装置、  ８…微分回路、  ９…比較回路、  10…遅延回路、  11…高周波発振器係止具、  12…掛け算器、  13…検出器、  14，15…モータドライバー、  16，17…制御モータ、  18，19…バリコン、  20，21…絶対値回路、  22，23…比較回路、  24…ＡＮＤ回路。
【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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