企業との共同研究、高周波誘導加熱装置用制御回路の研究開発○佐藤 節夫 A)、 安達 智宏 B)A)

高エネルギー加速器研究機構 物構研・中性子、 B) （株）第一機電 新事業推進部

1.はじめにに不感帯（デッドタイム）を持つ。①と②は同じ周高エネルギー加速器研究機構（KEK）の中性子科学期と幅で、周期ごとに少しずつ修正して目標に近づ

研究系では 30 年以上に渡り、独自に開発した様々なける。フェーズを変えることで共振周波数を少し調回路技術で中性子実験を行ってきている。これらの整できる。デッドタイムは、トランジスタに貫通電技術は、茨城県の東海村に稼働している大強度陽子流が流れないようにする安全対策である。少なくと加速器施設（J-PARC）の物質生命研究所（MLF）の主も 1kHz～250kHz で周波数を変えられる必要がある。

[1]

要な検出器読み出し回路に採用されている 。これらの技術を活用するために、高周波誘導加熱装置を製作販売している第一機電と共同研究を始めた。第一機電の制御回路をデジタル化し、物理実験にも対応できるシステムを目指す。
2. 高周波誘導加熱装置

図 2

高周波誘導加熱装置は、高周波電源による電磁誘導現象を利用し、高周波加熱を行う。被加熱物は導電体である必要があるが、絶縁体などの実験試料に対しても、導電性容器を使用して間接加熱ができる。
高周波誘導加熱装置を 1kHz～400kHz の周波数で制御できるデジタル制御回路を研究開発した。
図 1 (a)に電気溶解炉回路例を、(b)に試料加熱例を示す。(a)のように、4 個のトランジスタをコイル両端に配置し、①と②のゲート信号で 2 個ずつ交互にゲート信号①と②のタイミング

図 3(a)に開発した DIG200k 基板の外観を、(b)にブロック図を示す。第一機電の準備した親基板に、KEK の開発した DIG200k 基板をコネクタで接続した。10MHz-12bit サンプリングのアナログ・デジタル変換器（ADC）を 3 個使用し、フィールド・プログ
ラマブル・ゲートアレイ（FPGA）でゲート信号を発生する。FPGA 内に CPU を作り、制御 PC からネットワークを通して制御およびデータ取り出しができる。液晶画面で状態確認できるようにした。

導通させることを繰り返し、高周波駆動する。(b)は本開発のデジタル制御回路で加熱した例で、Vcc 電圧 25V、共振周波数 9kHz で約 1.3kW を発生させ、外径 42mm のステンレス円筒の温度を 650℃まで上げた。

図 3
図 1(a) 電気溶解炉回路例(a) 開発した DIG200k 基板の外観(b) 試料加熱例

3. デジタル制御回路
図 2 に、ゲート信号①と②のタイミングを示す。
コイル信号（コイル電流のフィードバック）の 2 値化（デジタル）信号から一定時間のずれ（位相：フェーズ）を持って、①と②を発生する。お互いの間(b) DIG200k 基板のブロック図図 4 に DIG200k 基板の処理の流れを示す。図 2 のゲート信号を作り出す。コイルのフィードバック信きで入力信号の 2 値化信号である、入力デジタル信号に位相差で収束させる。

号を ADC でデジタル化し、指定した周波数の近辺の周波数で 2 値化する。指定したフェーズとデッド4. 制御プログラム

タイムに沿ったゲート信号 ① と② を作成 する。

制御 PC からは、LabVIEW プログラムで制御する。

FPGA 内に 32 ビット CPU を作成し、シリアル信号シリアル通信で、キャラクターベースで設定と波形をネットワークに変換する XPort モジュールを使用データの読み出しを行う。図 7 に、FPGA 内に作成し、制御 PC から制御できるようにした。

した CPU のシリアル通信コードを示す。

図 4

DIG200k 基板の処理の流れ

図 5 に ADC 出力の 2 値化の求め方を示す。目標とする共振周波数は、使用するコイルとコンデンサにより求まる。FPGA プログラムは常に ADC 出力の最大値と最小値を検出し、それらから中間値を決め、立ち上がりと立下りを求める。それぞれで検出したら、設定周波数の 1/4 周期を不感とし、ジッタ等のノイズによる誤動作を防ぐ。さらに、それぞれの変化が共振周波数から求めた制限時間内に合致した場合のみ、同期信号を出す。

図 7シリアル通信コード

図 8 にプログラム例を示す。グラフの白が ADCの出力で、コイルからのフィードバック信号を表す。
赤がゲート信号①で、緑が②である。(a)に 400kHz に同期させた様子を、(b)に 1kHz に同期させた様子を図 5ADC 出力の 2 値化

図 6 にゲート信号発生の求め方を示す。cycle は16, 32, 64, または 128 信号の平均周期、phase は位相、diff は入力デジタル化信号の予想値と GATE 出力信号の差分である。hcycle は GATE 出力信号用の半周期で、周期の前後で同じ長さにする。次の半周期は
図 8 (a) 400kHz に同期させた様子

図 6

ゲート信号発生hcycle' = 1/2 hcycle + 1/4 cycle ±1/16 diff で、急な変化をしないように、半分は前の周期を引き継ぎ、残り半分は平均周期とし、差分 diff の 16 分の 1 の差し引(b) 1kHz に同期させた様子示す。(a)から、10μs の間に 4 サイクルあり、400kHz250kHz の高周波誘導加熱装置で動作試験ができてであることが確認できる。(b)から、1 サイクルの間いる。最終的には、製品化を目指している。

隔が 1000μs であり、1kHz であることが確認できる。
位相を自動で変えて、コイル出力特性を測定できる機能を付けた。画面右下の scan phase ボタンを押すと、別画面が出てきて、自動測定できる。
check_phse.vi 画面が開く。左下の phase start と phaseinc.と loop をセットし、scanning ボタンを押すとphase を phase inc.で変えながら、コイル出力の振幅電圧を phase-Vpp グラフに記録していく。このデー
タのテキストファイルは、右下の text ボタンを押すと得られる。
return ボタンを押して元の画面に戻る。
最適な共振周波数を探索できる。

図9

check_phse.vi 画面

図 10 に 250kHzの高周波誘導加熱装置の試料加熱例を示す。本開発のデジタル制御回路で加熱した
例で、Vcc 電圧 100V、共振周波数 250kHz で、ステンレス板の温度を 766℃まで上げた。

図 10250kHzの高周波誘導加熱装置の試料加熱例

5.まとめ
KEK で培ってきた技術が、第一機電の高周波誘導加熱装置の制御回路の研究開発に役立てた。高周波誘導加熱装置を 1kHz～400kHz の範囲でデジタル制御できる、DIG200ｋ基板を研究開発できた。制御 PCからネットワークを通して、各種設定と、波形データの読み出しができる。今までに、周波数が 9kHz と参考文献[1] S. SATO, T. Seya, H. Oshita, H. Kato, N. Hikida, K.
Ishizawa, A. Yamaguchi and M. Matsuura, ucans8,
https://doi.org/10.1051/epjconf/202023105004.