(57)【要約】【課題】  加熱コイルの短絡等の異常を素早く検知できて、インバータ回路の破損等を確実に防止し得るトランジスタインバータ装置を提供する。【解決手段】  半導体式のインバータ回路と、一次側がインバータ回路の出力側に接続された出力トランスと、該出力トランスの二次側に接続された加熱コイルとを備え、出力トランスの二次側に検出トランスを形成し得ると共に加熱コイルよりインダクタンスが小さい安全コイルを加熱コイルと並列的に接続し、該安全コイルにより加熱コイルの異常発生時にインバータ回路への過負荷を防止するように構成したことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体式のインバータ回路と、一次側が前記インバータ回路の出力側に接続された出力トランスと、該出力トランスの二次側に接続された加熱コイルとを備え、
前記出力トランスの二次側に安全コイルを加熱コイルと並列的に接続し、該安全コイルにより加熱コイルの異常発生時に前記インバータ回路への過負荷が防止されるように構成したことを特徴とするトランジスタインバータ装置。
【請求項２】
前記安全コイルは、出力トランスの二次側に流れる電流値を検出する検出トランスを形成し、該検出トランスで検出した電流値に基づいて前記インバータ回路の作動が制御されることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタインバータ装置。
【請求項３】
前記安全コイルは、そのインダクタンスが加熱コイルのインダクタンスに対して、１／２〜１／１０に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のトランジスタインバータ装置。
【請求項４】
前記加熱コイルは、前記出力トランスの二次側にホルダーを介して接続されると共に、該ホルダーの所定位置にもしくは該ホルダーが接続された出力トランスの二次側端子に前記安全コイルが接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のトランジスタインバータ装置。
【請求項５】
前記加熱コイルは、前記ホルダーに着脱可能に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のトランジスタインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば焼き入れや焼き鈍しあるいはロウ付け等の誘導加熱に使用されるトランジスタインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波加熱装置としてのトランジスタインバータ装置においては、その出力端子に接続された加熱コイルの短絡等の異常を検出する異常検出装置して、例えば特許文献１に開示のものが知られている。この異常検出装置は、加熱コイルと、この加熱コイルとワークとの間隔を一定に保つためのスペーサとを備え、スペーサに一端開口がワークと接触し他端開口から圧縮空気が供給される貫通孔を設けると共に、検出手段で圧縮空気の圧力を検出することにより、加熱コイルの異常を検出するようにしたものである。
【０００３】
また、他の異常検出装置としては、高周波発振機を構成するトランジスタ式（半導体式）のインバータ回路の出力端子に接続された出力トランス（変流器）の一次側の電流を検出し、これを予め設定した電流値と比較することにより、異常電流を検出するようにしたものも知られている。
【特許文献１】特開平６−１２８６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示の異常検出装置にあっては、圧縮空気によりワークの表面に付着しているゴミ等を除去した後に、加熱コイルがスペーサを介して所定位置に配置されるものの、加熱コイル自体の短絡等の異常を高精度に検出することは難しく、加熱コイルの短絡等によるインバータ回路の破壊を確実に防止することが困難である。
【０００５】
また、出力トランスの一次側の検出電流により異常を検出する異常検出装置においては、加熱コイルの短絡による異常電流を検出してインバータ回路の作動を停止できるものの、例えばワークの形態に応じて交換式の加熱コイルを使用する加熱装置の場合、短絡状態の加熱コイルを接続してインバータ回路を作動させた際に、瞬時に異常電流を検出してインバータ回路を瞬時に停止させることが難しい。
【０００６】
その結果、加熱コイルの異常発生的にインバータ回路に大電流が流れて半導体スイッチング素子が破壊され易いという問題点を有し、特に、大電流型のインバータ回路の場合に、複数個（例えばフルブリッジ回路の場合、最低４個）の半導体スイッチング素子が使用され、これらの全てが瞬時に破壊されることが多いことから、装置のメンテナンスコストがアップし易く、その改善が望まれているのが実情である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、加熱コイルの短絡等の異常を素早く検知できて、インバータ回路の破損等を確実に防止し得るトランジスタインバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、半導体式のインバータ回路と、一次側が前記インバータ回路の出力側に接続された出力トランスと、該出力トランスの二次側に接続された加熱コイルとを備え、前記出力トランスの二次側に安全コイルを加熱コイルと並列的に接続し、該安全コイルにより加熱コイルの異常発生時に前記インバータ回路への過負荷が防止されるように構成したことを特徴とする。
【０００９】
そして、前記安全コイルは、請求項２に記載の発明のように、出力トランスの二次側に流れる電流値を検出する検出トランスを形成し、該検出トランスで検出した電流値に基づいて前記インバータ回路の作動が制御されることが好ましく、また、請求項３に記載の発明のように、そのインダクタンスが加熱コイルのインダクタンスに対して、１／２〜１／１０に設定されていることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記加熱コイルは、請求項４に記載の発明のように、前記出力トランスの二次側にホルダーを介して接続されると共に、該ホルダーの所定位置にもしくは該ホルダーが接続された出力トランスの二次側端子に前記安全コイルが接続されていることが好ましく、この場合、請求項４に記載の発明のように、加熱コイルが前記ホルダーに着脱可能に接続されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、出力トランスの二次側に加熱コイルと並列的に安全コイルが接続されているため、加熱コイルが短絡等した異常の場合に、安全コイルによりインバータ回路への過負荷が抑制されて、インバータ回路の半導体スイッチング素子が瞬時に破壊されること等がなくなり、インバータ回路のメンテナンス頻度の低減や部品代の削減が図れて、装置のメンテナンスコストの低減化を図ることが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、安全コイルで形成される検出トランスにより出力トランスの二次側の電流が検出されて、加熱コイルの異常発生時にインバータ回路の作動が停止されるため、例えば加熱コイルが短絡した状態でトランジスタインバータ装置が作動した際に、加熱コイル直前の検出トランスで異常電流を素早く検出してインバータ回路への異常電流の印加時間を短くすることができ、半導体スイッチング素子の破損等を一層確実に防止することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、安全コイルのインダクタンスが加熱コイルのインダクタンスに対して所定値小さい１／２〜１／１０に設定されているため、加熱コイルの異常発生時に安全コイルによりインバータ回路への過負荷を一層確実に抑制することができると共に、正常な加熱コイルに対する悪影響を最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、安全コイルが出力トランスの二次側に直接もしくはホルダーを介して接続されているため、出力トランスの二次側に安全コイルを簡単に接続配置することができて、各種の加熱コイルに適用できる等、その汎用性を向上させることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加え、加熱コイルがホルダーに着脱可能に接続されているため、例えばワークの形態に応じた加熱コイルを簡単に使用することができると共に、加熱コイルの交換等が簡単に行える等、汎用性とメンテナンス性をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明に係わるトランジスタインバータ装置の一実施形態を示し、図１がその概略構成を示す回路図、図２がその要部の斜視図、図３がホルダーと加熱コイルの接続部の断面図、図４が安全コイルの説明図である。
【００１７】
図１において、本発明の異常検出機能を備えたトランジスタインバータ装置１は、トランジスタ式のインバータ回路２を有し、このインバータ回路２は、４つのアーム２ａ〜２ｄにそれぞれ接続された半導体スイッチング素子としての４個のＦＥＴ３ａ〜３ｄ等を有している。
【００１８】
そして、このインバータ回路２の各アーム２ａ〜２ｄは、アーム２ａとアーム２ｂが直列接続され、アーム２ｃとアーム２ｄが直列接続されると共に、アーム２ａとアーム２ｃの接続点が直流電源の＋端子４ａに接続され、アーム２ｂとアーム２ｄの接続点が直流電源の−端子４ｂに接続されることにより、フルブリッジ回路を形成している。なお、前記端子４ａ、４ｂ間には、電解コンデンサ５と、抵抗６及びダイオード７の直列回路が接続されている。
【００１９】
また、アーム２ａとアーム２ｂの接続点には、トランス８の一次側コイルの一方側が接続され、アーム２ｃとアーム２ｄの接続点には、前記トランス８の一次側コイルの他方側が接続されている。さらに、トランス８の二次側には、出力トランス９（変流器）の一次側が接続され、この出力トランス９の二次側にホルダー１０を介して加熱コイル１１が着脱可能に接続されている。
【００２０】
なお、アーム２ａとアーム２ｃの接続点と、アーム２ａのＦＥＴ３ａのドレイン間及びアーム２ｃのＦＥＴ３ｃのドレイン間、アーム２ｂとアーム２ｄの接続点と、アーム２ｂのＦＥＴ３ｂのソース間及びアーム２ｄのＦＥＴ３ｄのソース間には、各アーム２ａ〜２ｄの電流をバランスさせる差動トランス１２がそれぞれ設けられている。
【００２１】
そして、ホルダー１０に、検出トランス１３の一次コイルとしての安全コイル１３ａが接続され、この安全コイル１３と誘導結合された検出トランス１３の二次コイル１３ｂが制御装置１４が接続されている。この時、検出トランス１３は、例えば銅の円形パイプ、銅板、銅線等で形成された安全コイル１３ａを円柱状コアの周囲に巻回し、このコアの所定位置に二次コイル１３ｂとしての電線等を所定回数巻回することにより形成されている。
【００２２】
また、安全コイル１３のインダクタンス（例えば巻数）は、後述する加熱コイル１１のインダクタンス（例えば巻数）に対して１／２〜１／１０程度となる小さい値に設定されている。この安全コイル１３ａのインダクタンス値は、１／２未満の場合は安全コイル１３ａのインダクタンスが大きくなりすぎて加熱コイル１１のインダクタンスに悪影響を与え、１／１０を超える場合は加熱コイル１１の状態を的確に検出することができないという、実験結果に基づいて求めた値である。
【００２３】
これにより、図４（ａ）に示すように、検出トランス１３の安全コイル１３ａが加熱コイル１１と並列接続状態となり、この安全コイル１３ａによって加熱コイル１１の短絡、開放等の異常状態が検出されてその信号が二次コイル１３ｂから制御装置１４に出力されるようなっている。なお、検出トランス１３の安全コイル１３ａの出力トランス９に対する接続位置は、前記ホルダー１０への接続に限らず、例えば、出力トランス９の二次コイルとなる後述する銅板９ａの端子部１７等に直接接続しても良い。
【００２４】
前記制御装置１４は、図１に示すように、マイコンあるいはリレーや電磁開閉器、シーケンサー等で形成され、その入力側に検出トランス１３の二次コイル１３ｂが接続され、出力側にＦＥＴ３ａ〜３ｄをオン・オフさせるための発振器や電源回路（図示せず）が接続されている。また、インバータ回路２のアーム２ｂ、２ｄには、必要に応じて電流検出器２３がそれぞれ接続されている。
【００２５】
前記ホルダー１０は、図２及び図３に示すように、長方形状の一対の銅板１５、１６の長手方向両端部に９０度屈曲形成された接続部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂを有し、一方の接続部１５ａ、１６ａが、前記出力トランス９の二次側コイルを形成する１ターンの円筒形状の前記銅板９ａ端部に屈曲形成された端子部１７に、ボルト１８の締め付けによって接続固定されている。
【００２６】
また、ホルダー１０の他方の接続部１５ｂ、１６ｂは、平面視でコ字形状の一対の固定具１９によって、加熱コイル１１の支持板１１ｂの端部に９０度屈曲形成された接続部１１ｃにボルト２０の締め付けによって接続されている。この時、固定具１９と加熱コイル１１の接続部１１ｃ間（もしくはホルダー１０の接続部１５ｂ、１６ｂ間）に、図３に示すように、スペーサ２１を介装させることで、固定具１９によってホルダー１０の接続部１５ｂ、１６ｂと加熱コイル１１の接続部１１ｃとが確実に面接触で密着するようにしても良い。
【００２７】
なお、前記加熱コイル１１は、銅パイプを所定回数巻回することにより形成されたコイル部１１ａと、このコイル部１１ａの端部を支持する銅板からなり端部に接続部１１ｃを有する一対の前記支持板１１ｂ等で形成され、この加熱コイル１１の一対の支持板１１ｂ間や前記ホルダー１０の一対の銅板１５、１６間には絶縁板２２（図３参照）が介装されている。そして、この加熱コイル１１は、支持板１１ｂの接続部１１ｃが固定具１９でホルダー１０の接続部１５ｂ、１６ｂに着脱されるようになっており、ワークＷの形態（形状や材質等）に応じて適宜に交換される。
【００２８】
このように構成されたホルダー１０の一対の銅板１５、１６の例えば外面（もしくは上面）にネジ孔を穿設し、このネジ孔に例えば検出トランス１３の安全コイル１３ａがネジでねじ込む接続されることにより、もしくは安全コイル１３ａを銅板１５、１６に直接半田付け等することによって、ホルダー１０に検出トランス１３が接続されている。
【００２９】
このトランジスタインバータ装置１は、次のように動作する。すなわち、先ず、ワークＷの形態に応じた所定形状の加熱コイル１１をホルダー１０に接続し、図示しない制御ボックスの電源スイッチをオンさせて例えば加熱スイッチをオンさせると、前記発振器が作動してインバータ回路２のＦＥＴ３ａ〜３ｄがオン・オフして、トランス８の一次側に発振器の周期数に応じた所定周波数の高周波電流が印加される。この高周波電流は、トランス８の二次側に接続された出力トランス９で大電流に変換されてホルダー１０を介して加熱コイル１１に所定周波数の大電流の高周波電流として供給される。
【００３０】
加熱コイル１１に高周波電流が供給されると、ワークＷに誘起される渦電流でワークＷが誘導加熱され、また、加熱コイル１１に高周波電流が供給されると当時に、ホルダー１０の銅板１５、１６間を流れる電流が検出トランス１３の安全コイル１３ａにも流れ、検出トランス１３で加熱コイル１１に流れる電流値に対応した所定の電流値が検出されて制御装置１４に入力される。
【００３１】
制御装置１４は、検出トランス１３から検出電流値が入力されると、これを制御装置１４の図示しない記憶部に予め記憶されている基準値と比較し、例えば加熱コイル１１自体が短絡していたり切断によるオープンとなっていたり、あるいは加熱コイル１１がホルダー１０に対して接触不良となって検出電流値が異常時となり例えば基準値を超えた（あるいは基準値未満となった）場合は、加熱コイル１１が異常であると判定して、発振器に直ちに停止信号を出力して、その発振を停止させる。
【００３２】
発振器が停止すると、ＦＥＴ３ａ〜３ｄがオフして該ＦＥＴ３ａ〜３ｄに流れている電流が直ちに遮断される。この検出トランス１３による異常電流の検知からＦＥＴ３ａ〜３ｄのオフまでの時間が、検出トランス１３が加熱コイル１１に近いホルダー１０に設けられていることから、従来のフルブリッジ回路の出力側で検出する場合に比較して、瞬時に行われて各ＦＥＴ３ａ〜３ｄに異常な大電流がＦＥＴ３ａ〜３ｄの耐圧を超えて流れることがなくなり、異常電流によるＦＥＴ３ａ〜３ｄの破壊が防止されることになる。
【００３３】
これにより、前述したように、例えばコイル部１１ａの絶縁処理が劣化すると共に変形して該コイル部１１ａが短絡状態となっている加熱コイル１１、あるいはコイル部１１ａに導電性の異物等が付着して短絡状態となっている加熱コイル１１を、その短絡状態を知らずにホルダー１０に接続してインバータ回路２をオンさせた場合、あるいは正常な加熱コイル１１がホルダー１０に対して接触不良状態で接続されている場合等であっても、異常電流によるＦＥＴ３ａ〜３ｄの破壊を確実に防止することができる。
【００３４】
すなわち、例えば加熱コイル１１自体の不具合や接続不良により、加熱コイル１１がオープン状態の場合は、図４（ｂ）に示すように、出力トランス９の端子部１７に安全コイル１３ａが接続されている状態となり、端子部１７が完全開放の場合にインバータ回路２に加わる異常負荷（過負荷）が安全コイル１３ａの略インダクタンス分だけ軽減されることになって、インバータ回路２の破壊が防止されることになる。
【００３５】
特に、加熱コイル１１と並列接続される検出トランス１３の安全コイル１３ａのインダクタンスが、加熱コイル１１の性能に悪影響を与えない所定範囲の小さい値に設定されていることから、加熱コイル１１の異常のみを高精度に検出することができる。その結果、特に加熱コイル１１がホルダー１０に着脱可能に構成された場合において生じ易い、短絡や開放による高価なＦＥＴ３ａ〜３ｄの破損を確実に防止できると共に、検出トランス１３をメンテナンスし易い位置や形態で配置することができて、メンテナンスコストの低減化を図ること等が可能となる。
【００３６】
また、加熱コイル１１の接続状態が正常時には、安全コイル１３ａのインダクタンスが加熱コイル１１の加熱性能に悪影響を与えない範囲に設定されているため、十分な加熱効率が得られると共に、インバータ回路２に作動トランス１２を設けることにより、インバータ回路２の各アーム２ａ〜２ｄを流れる電流値を平均化することができたり、アーム２ｂ、２ｄに設けた電流検出器２３でも異常電流を検出してインバータ回路２の作動を停止させることができ、異常電流に強く安全性に優れたトランジスタインバータ装置１を得ることが可能となる。
【００３７】
なお、上記実施形態においては、検出トランス１３の安全コイル１３ａを、出力トラス９と加熱コイル１１との間のホルダー１０に接続する構成としたが、例えば加熱コイル１１の支持板１１ｂがホルダー１０を兼用する場合は、支持板１１ｂに検出トランス１３を接続する構成とし、できるだけ加熱コイル１１の短絡し易いコイル部１１ａの近傍に接続しても良いし、前述したように、出力トランス９の銅板９ａの端子部１７に接続しても良い。
【００３８】
また、上記実施形態においては、インバータ回路２の半導体スイッチング素子として、ＦＥＴ３ａ〜３ｄを使用したが、本発明のインバータ回路２はこれに限定されず、例えば一般的なトランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ等の各種の半導体スイッチング素子を使用することができるし、上記実施形態において、安全コイル１３ａのみを出力トランス９の二次側に加熱コイル１１と並列的に接続した構成とすることもできる。
【００３９】
さらに、上記実施形態において、加熱コイル１１の異常を検出した場合に、警告灯で表示したりブザーを鳴らす等の警報を発したり警告表示するようにしても良いし、インバータ回路２の出力側に出力トランス９のみを設ける回路構成とする等、本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、加熱コイルをホルダーを介して出力トランスの二次側に接続する構成に限らず、加熱コイルをインバータ回路の出力側に適宜のトランスを介して直接接続する構成にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係わるトランジスタインバータ装置の一実施形態の概略構成を示す回路図
【図２】同その要部の斜視図
【図３】同ホルダーと加熱コイルの接続部の断面図
【図４】同安全コイルの説明図
【符号の説明】
【００４２】
１・・・トランジスタインバータ装置、２・・・インバータ回路、２ａ〜２ｄ・・・アーム、３ａ〜３ｄ・・・ＦＥＴ、８・・・トランス、９・・・出力トランス、１０・・・ホルダー、１１・・・加熱コイル、１１ａ・・・コイル部、１１ｂ・・・支持板、１１ｃ・・・接続部、１２・・・差動トランス、１３・・・検出トランス、１３ａ・・・安全コイル、１３ｂ・・・二次コイル、１４・・・制御装置、１５、１６・・・銅板、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ・・・接続部、１７・・・端子部、１９・・・固定具、２１・・・スペーサ、２３・・・電流検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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