CN102361721B - 烙铁的高频感应加热系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

烙铁的高频感应加热系统包括能够以各种电压和各种频率向发热部提供电力的电力组件。控制组件以包含使发热部达到居里温度的区域的电压和频率将电力供应给线圈，根据来自连接于发热部的检流器的信号来调整发热部的温度。

Description

烙铁的高频感应加热系统以及控制方法

技术领域

本发明一般而言涉及一种烙铁，更具体而言涉及一种烙铁的高频感应加热系统以及控制方法。 

背景技术

如专利文献1所示，电磁感应已被用于加热烙铁。相对于必须将来自作为别的部件的线圈加热器的热量传导给烙铁头的间接方法，使用感应加热的优点在于减少热损耗。电涡流被烙铁的烙铁头感应。涡电流通常集中在发热部的表面附近。基于电阻，涡电流成为发热部的焦耳加热的因素。在发热部由铁或铁合金等强磁体制成的情况下，由于材料中的磁畴迅速地反转，因此会产生磁滞加热或由磁损耗引起的进一步的加热。 

随着烙铁头的温度上升，磁特性发生变化。于是，强磁体在居里点亦即居里温度(Tc)时，强磁特性消失，在温度为Tc以上时，不产生磁滞加热。另一方面，烙铁头达到居里温度Tc，磁性消失的瞬间会因磁场急剧变化而产生过渡性的涡电流。 

专利文献1：美国专利第4795886号 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在利用居里温度的情况下使烙铁头温度位可变，而且着眼于居里温度附近的电磁特性，通过积极地利用在以往的控制中故意没利用的涡电流的急剧上升来实现温度恢复性能高的烙铁的高频感应加热系统以及控制方法。 

以简单的一般的术语而言，本发明涉及烙铁的高频感应加热系统及控制方法。作为本发明的一个侧面，该系统包括电力组件，该电力组件适合于输送包含使感应加热组件达到居里温度以上的区域的电压、频率的高频交流电力。感应加热组件基于电力组件的输出电压和输出频率感应涡电流，产生焦耳热。该系统还包括适合于检测感应加热组件的电流的检流器。该系统还包括与检流器通讯的控制组件，控制组件根据感应加热组件的电流，改变输出至感应加热组件的输出电压以及输出频率中的至少一者。 

作为其他侧面，本发明包括：将包含使发热部达到居里温度以上的区域的电压和频率的电力供应给线圈，电压和频率足以产生烙铁头的电磁感应加热的方法。该方法还包括决定线圈中的电流变化、以及根据所决定的电流变化调整电压和频率中的至少任一者之内容。

本发明的烙铁的高频感应加热系统包括：感应加热组件，具有基于被供应的高频电力的输出电压和输出频率的温度依赖性；电力组件，适合于以包含使所述感应加热组件达到居里温度以上的区域的输出电压和输出频率输送电力；检流器，适合于判断所述感应加热组件的电流；控制组件，是与所述检流器联系的控制组件，适合于根据由所述检流器检测出的电流变化而使所述输出电压和所述输出频率中的至少一者变化。 

其中，较为理想的是，当连续地使用烙铁，烙铁头温度下降时，根据流入感应加热线圈的电流的变化判断烙铁头温度下降的程度和下降的期间，使供应的高频电力的电压和频率中的至少一者变化，利用在居里温度附近的涡电流的波峰状脉冲，以最短的时间使烙铁头温度恢复。 

较为理想的是还包括：温度选择器，选定烙铁头的所望温度；其中，所述控制组件与所述温度选择器联系，并且适合于根据所望温度和由所述检流器检测出的电流变化而使输出电压和输出频率中的至少一者变化。 

较为理想的是，所述感应加热组件包括导热铜芯、磁性合金制的发热部、以及适合于在线圈接受电力时使所述发热部感应电流的感应加热线圈。 

较为理想的是，所述控制组件自动地选择根据在所述感应加热组件中流动的感应电流而决定的多个电流区域中的至少一个电流区域，并且根据所选择的电流区域改变输出电压和输出频率中的至少一者。 

较为理想的是，所述多个电流区域包括仅增加输出电压的第一电流区域、以及增加输出电压和输出频率的第二电流区域。 

较为理想的是，所述控制组件对应于所述所选择的电流区域中的电流变化的持续时间来增大从所述电力组件的输出。 

较为理想的是，所述控制组件具有第一运作控制模式和第二运作控制模式，并根据由所述检流器检测出的电流变化的持续时间，以所述第一运作控制模式或第二运作控制模式中的任一个运作控制模式运作，其中，在增大从所述电力组件的输出之际，当以所述第一运作控制模式运作时，以增加输出电压且使输出频率维持不变的方式控制所述电力组件；当以第二运作控制模式运作时，以使输出电压和输出频率的双方增加并追加供应电力而加快温度恢复的方式控制所述电力组件。 

较为理想的是，所述电力组件适合于提供大约在200kHz至600kHz的范围内的输出频率。 

较为理想的是还包括：状态显示器，与所述检流器连接，适合于提供所述感应加热组件的电流的可视显示。 

较为理想的是包括：输出端口，与所述检流器连接，适合于提供显示所述感应加热组件的电流的数据。该输出端口可以是串行端口，也可以是并行端口。 

较为理想的是，所述控制组件适合于以负载持续率输送电力，并且适合于根据通电到所述感应加热组件的交流电力和所望的烙铁头温度的任一者或两者而使负载持续率变化。 

本发明的另一方面是烙铁的控制方法，用于运作在烙铁头中具有感应加热用的发热部的烙铁，其包括以下步骤：供应步骤，以包含使所述发热部达到居里温度的区域的电压和频率供应电力给线圈，让该电压和该频率在烙铁的烙铁头中引起磁感应加热；决定步骤，决定在所述线圈中流动的电流的变化；调整步骤，基于所述电流的变化的判断，调整电压和频率中的至少一者。 

较为理想的是，调整步骤包括基于电流的变化的判断而使电压和频率变化的步骤。 

较为理想的是，所述决定步骤从多个电流区域中决定电流区域，根据所决定的电流区域调整所述电压和所述频率中的至少一者。 

较为理想的是，频率在大约200kHz至大约600kHz的范围内。 

较为理想的是包括以下步骤：记录以线圈电流的流动变化来表现的数据的步骤。该步骤中，使用记录或监控用的输出端口。 

较为理想的是还包括以下步骤：选定步骤，从多个运作级中择一地选定基础频率和基础高频电压的组合。 

较为理想的是，所述供应步骤包括以负载持续率进行供应的步骤，并且适合于根据电流和由所述选定步骤选定的运作级的任一者或两者而使负载持续率变化。 

附图说明

本发明的特征以及优点应结合附图进行理解，通过后续的详细说明，可以更容易地理解本发明的特征以及优点。 

图1是本发明一个侧面所涉及的烙铁的高频感应加热系统的方框图，烙铁头连接于电力组件和控制组件。 

图2是表示图1的电力组件中的不同情形下的典型的电压波形的图形。 

图3是表示由图1的电力组件中的DC-DC转换器提供的不同负载持续率下的例示性输出电压的图形。 

图4是本发明一个侧面所涉及的烙铁的烙铁头的剖视图，感应加热线圈被多个材料的层包围。所述层包括内侧的铁合金层、中间的导热芯和外侧的抗侵蚀层。 

图5是表示测量烙铁的烙铁头中的感应加热线圈的电流的装置的其中一例的电路图。 

图6是表示测量烙铁的烙铁头中的感应加热线圈的电流的装置的其中一例的电路图。 

图7是用以说明本发明的原理的强磁体的相对磁导率/电流-温度特性图。 

图8是表示本发明的使用频域的电流-供应电源频率特性图。 

图9是表示本发明的一例的(有效)电力/电流(有效值)/电压(有效值)-时间特性图。 

图10是将本发明与以往技术作比较的发热部的温度-时间特性图。

 具体实施方式

以下说明本申请发明。此处，为了更充分地理解本申请发明的特征，首先进行原理性说明。 

高频感应加热的基本构成要素为：从交流电源输出的电力的频率、线圈的匝数、感应涡电流的感应加热用的发热部(加热器)的固有电阻以及磁导率。 

发热部中所感应的电流，其大部分集中在表面(表皮效应：skin effect)，若附近存在反方向的电流，则所述感应的电流会被牵引向该反方向的电流的方向(邻近效应：proximity effect)，因此，所述感应的电流按指数律地随着远离表面而减少。由感应电流所产生的焦耳热的大部分产生于靠近感应加热线圈的外侧的表皮。该感应电流的大部分所流过的厚度也被称为电流透入深度(skin depth)，该电流透入深度由(1)式表示。 

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω\μ}}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_{r}f}}\≈503\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_{r}f}}---\left(1\right)$

其中， 

δ：电流透入深度[单位：m] 

ρ：导体的电阻率[单位：Ωm] 

ω：电流的角频率[单位：radian/sec] 

f：频率[单位：Hz] 

μ：导体的固有磁导率[单位：H/m] 

μ_r：导体的相对磁导率[单位：无因次] 

μ₀：真空的磁导率(＝4π×10-7)[单位：H/m] 

使用了ω＝2πf、μ＝μrμ0及μ0＝4π×10^-7的关系。 

另一方面，焦耳热由焦耳定律的以下公式表示： 

Q＝RI²t         (2) 

在(2)式中，使用求取导体电阻的公式R＝ρ(L/A)和P＝RI²，得出： 

Q＝Pt＝RI²＝ρ(L/A)I²t  (3) 

其中， 

Q：热量[单位：J] 

P：电力[单位：W] 

R：电阻[单位：Ω] 

I：电流[单位：A] 

t：时间[单位：sec] 

ρ：电阻率[单位：Ωm] 

L：导体的长度[单位：m] 

A：导体的剖面积[单位：m²] 

从(1)式明显看出：发热部的电阻率越低，或发热部的磁导率越高，或频率越高，则电流透入深度越小。另外，从(3)式明显看出：电流透入深度越小，则焦耳热越大。 

在电流透入深度小的情况下，因为涡电流所流过的导体的剖面积小，所以发热部会在更短的时间内升温。另一方面，在电流透入深度大的情况下，因为涡电流所流过的导体的剖面积变大，所以发热部会比较缓慢而耗时地对整体加热。因此，从温度恢复性能这一观点考虑，较为理想的是减小电流透入深度，所述温度恢复性能是指在烙铁头的使用过程中 热量被工件夺走的情况下立即使烙铁头升温的性能。例如，在专利文献1中，使用频率比较高的高频(例如13,560kHz)来减小电流透入深度，从而使升温时间缩短。 

另一方面，根据法拉第定律，发热部中产生的感应电动势ε为： 

ε＝-dΦ/dt        (4) 

其中， 

Φ：总磁通量[单位：Wb] 

t：时间[单位：sec] 

因此，从(4)式明显看出：磁场的相对于单位时间的变化率越大，则感应电动势ε越大。 

如图7所示，若发热部的温度达到居里温度Tc，则发热部发生相变而从强磁体变成顺磁性体，相对磁导率μ_r急剧减小。例如，铁(杂质为0.2％)在强磁性时，μ_r＝5000，但在超过居里温度Tc＝770℃而呈顺磁性之后，μ_r＝1。另外，42合金(Fe-42％Ni)按照代表值，具有居里温度Tc＝330℃，按照允许范围内的组成的偏差，具有约320℃～340℃位的居里温度。 

若相对磁导率因居里温度而下降，则感应系数会下降，由此，感应电动势下降，但由于在此之前刚产生的急剧的磁场变化，与所供电力的频率无关地使感应电动势ε过渡性地快速上升，从而产生峰值电流。峰值电流的强度取决于相对磁导率的变化速度。即，温度变化比例(ΔT/Δt)越大，则越呈尖锐的波峰的共振，从而感应出大的电流。所述峰值电流在像专利文献1那样的使用频率高的高频交流电的环境下会成为阻抗失配的原因，有时会使电源电路发生故障。 

因此，在专利文献1的结构中进行反馈控制，以使在发热部的温度充分低于居里温度Tc的范围内使发热部达到热饱和，在温度处于居里温度Tc附近时阻断所供电力。 

为了说明本发明的实施例，更详细地参考作为较佳例的附图，附图中的相同的参照序号是指对应的要素或各图中的相同的要素，图1中示出了利用烙铁头的感应加热的烙铁的高频感应加热系统10。根据下面的说明可明确知道，烙铁头的温度在各种各样的焊接工作中能够以简单且成本效率良好的方法来精密地调整。 

烙铁头包括感应加热用的发热部14，该发热部14可由磁合金制成，另外，烙铁头包括线圈16，当电力传输至线圈16时，该线圈16产生使发热部14感应涡电流的磁场。发热部14也可为包围线圈16的薄层的强磁性材料的形态。居里温度、电阻率、以及相对磁导率基于发热部14的材料而变化。在若干实施方式中较佳地被采用的强磁性材料是铁-镍 合金(例如42合金、45合金、48合金、以及45坡莫合金等)。有必要在导热铜芯的内侧形成发热部14，该发热部14的厚度以基于各合金的固有电阻值和磁导率的电流透入深度δ为基础。适合于感应加热的任何烙铁头形状均可以与本发明一起使用。例如，如美国专利第5,408,072号所示的烙铁头形状也可适用于本发明的其他实施例。 

参照图4，若干实施例的烙铁头12包括形成在烙铁头的后部64中的中心孔62。感应加热线圈16设置在孔62中。感应加热线圈16的两根电导线从孔62向外伸出。一条导线66连接于高频电源，另一条导线67连接于检流器24。感应加热线圈16位于烙铁头12的内部，在高频能供应至导线66之后，对包围该感应加热线圈16的作为加热层的发热部14进行加热。感应加热线圈16与包围该感应加热线圈16的发热部14隔开，并无电性接点。在其他实施例中，感应加热线圈16由介电体的绝缘材料覆盖，且被配置成与周围的发热部14邻接。 

发热部14的层由导热铜芯70覆盖。这适合于使热量从发热部14的层传导至用于与工件发生接触的烙铁头12的前部72。导热铜芯70的组成可以根据有效地传导热能的能力来选择。适合于导热铜芯70的材料虽包含铜，但并不限于此。可以由抗腐蚀材料74覆盖导热铜芯70的整个面。抗腐蚀材料74也可被镀敷于导热铜芯70上。适合于抗腐蚀材料74的材料包含铁，但并不限于此。烙铁头12的后部64可以由焊锡阻障层所覆盖，该焊锡阻障层阻止焊锡从烙铁头前部即烙铁头12的焊接部分逸出。最佳的焊锡阻障层包括镀铬层76，但不限于此。 

发热部14、感应加热线圈16以及导热铜芯70构成感应加热组件，该感应加热组件具有基于被供应的高频电力的输出电压和输出频率的温度依赖性。 

高频电流输出至感应加热线圈16，在发热部14产生焦耳热之后，该热传递至导热铜芯70，接着扩散至整个烙铁头。烙铁头温度在从发热部14传递来的热量和从烙铁头散发的热量达到平衡之后饱和。 

参照图1，电力组件18通过导线66以特定的输出电压和输出频率供应电力给感应加热线圈16。电力组件能够以各种电压和频率提供电力，以使烙铁头12维持在所望的运作温度。 

控制组件20适合于使烙铁头12的温度维持在所望的运作温度或该所望的运作温度附近。控制组件20从温度选择器22和检流器24接收控制输入。温度选择器22连接于控制组件20，可以手动地进行控制，以便供烙铁的高频感应加热系统10的使用者可选择所望的运作级(operating level)，该选择对应于从电力组件18提供给发热部14的功率级 (power level)，其对应于所望的运作温度。在图1所示的实施例中，温度选择器22可以选择低、中或高的运作级。基于该选择，指定的基础频率和基础高频电压的组合被选定。由此，可以改变烙铁头12的温度位(temperature level)。 

在若干实施例中，运作级可以相对于标称温度(normal temperature)阶段性地调整。标称温度预先决定为固定值。例如，标称温度可以是发热部14的居里点(Tc)。作为更进一步的例子，低、中、高的设定可以分别对应于Tc-50℃、Tc、Tc+50℃这样的所望的运作温度。应理解为本发明在其他的标称温度和其他的运作级下也能够予以实施。 

发热部14能够超过居里温度Tc的原因在于：与图7所示的峰值电流的效果相结合，在居里温度Tc附近产生由感应电流引起的焦耳热，从而烙铁头温度(发热部14)可以保持在比居里温度Tc稍高且达到热饱和状态的温度。此外还可以列举以下理由：即使导热铜芯70的电阻率小，仍会持续地发出微弱的热量，而且还存在由感应加热线圈16产生的发热，因此，基于达到居里温度Tc至停止焦耳加热为止所发出的热量、以及因发热部14在超过居里温度之后仍继续微弱地发热所产生的热量的合计热量，烙铁头温度以比居里温度Tc稍高的温度达到热饱和。而且，在无负载状态下，若发热部14的温度低于居里温度Tc，则会立即在发热部14中产生由感应电流引起的焦耳热，温度可以相对地继续保持在居里温度Tc附近。因此，温度达到居里温度为止，蓄留于烙铁头的热量、或超过居里温度之后进行维持的热量能够充分地变大，从而能够将烙铁头温度维持在高于居里温度Tc的范围。 

通过如此地追加供应高频电力而在居里温度Tc附近利用发热部14，可以积极地利用在居里温度Tc附近的涡电流急剧上升的现象来提高烙铁头温度的温度恢复性能。 

在其他实施例中，运作级的设定还可以为通过改变电力组件18的输出电压的百分比的阶段性调整。例如，低、中、高的设定可以对应于使输出电压分别下降5％、增加0％、增加5％。应理解为本发明在其他的百分比和其他的运作级也能够予以实施。 

在其他实施例中，为了能够进行更细致的设定，也可以通过更多的各个设定来增加选项。在其他实施例中，为了可供使用者在预定的范围内直接输入所望的运作温度，温度选择器22还可包括数字键盘。在此外的其他实施例中，温度选择器22还可包括与阶段性的调整相比，能够在预定范围内连续地调整所望的运作温度的可变电阻或其他装置。 

再次参照图1，检流器24适合于测量烙铁头12的线圈16的电流电平(current level)。检流器24可以包括串联的电阻、和测量电阻之间的电压的装置。为了使烙铁头12维持在所望温度或所望温度的附近，控制组件20使用所望的运作温度和由测定出的电流决定的 温度变化量，以将更多或更少的电力选择性地从电力组件18提供给线圈16。由控制组件20从温度选择器22获得所望的运作温度。基于使用者以温度选择器22进行的选择，决定所望温度。 

由检测器24测量的电流基于线圈16的阻抗而发生变化。此取决于烙铁头12的发热部14的磁特性。发热部14在温度为居里温度Tc以下时呈强磁性，在温度为居里温度Tc以上时呈顺磁性。因此，磁性因发热部14的温度而发生变化。换句话说，发热部14的温度对发热部14的磁特性产生影响，由此，对线圈16的阻抗产生影响，即，对由线圈16测量的电流产生影响。 

当然，若供应给感应加热线圈的高频电流的频率高，则因表皮效应而被感应的涡电流仅被限定于强磁体的发热部14的极薄的表面。而且，因为透入深度浅，涡电流所流经的剖面积小，所以发热部的温度会在更短的时间内达到居里温度。因此，仅相当于烙铁头的一部分的烙铁头内侧表面的发热部14本身的温度在短时间内急速上升，但整体的发热量小，整个烙铁头的温度以低温度达到饱和。相对于此，若供应的高频电流的频率低，则涡电流透入到比表面更深处流动，比较缓慢而耗时地对整体加热，因此，发热部14达到相同的居里温度为止的发热量大，烙铁头温度以高温度达到饱和。另外，通过提高供应给感应加热线圈的高频电压，流入到线圈的高频电流会变大，被感应的涡电流必然也会变大，因此，即使改变供应的高频电压，烙铁头温度也会改变。 

另外，参照图1，控制组件20包括多个比较器25a、25b、25c，以对定义电流区域或值域的多个参照电平(reference level)与测量出的电流作比较。 

在若干实施例中，参照电平或电流区域也可由取决于与比较器连接的电阻26a、26b、26c的电阻值的固定值预先决定。比较器将输出信号提供给第一电路28，由此，使用从比较器接收的信号决定与测定出的电流相对应的区域。第一电路28根据与测定出的电流相对应的区域提供特定的脉冲输出。即，第一电路依据测定出的电流的电平(level)调整脉冲输出。第一电路28可以是集成电路，也可以是另别的电子零件。 

脉冲输出的调整可以利用各种方法来实现。例如，在测定出的电流显示温度变化量比较小的情况下，脉冲输出可以包括脉冲宽度比较短的连续脉冲。即，在温度变化比较小的情况下，脉冲输出具有比较低的负载持续率，即，处于活动状态的时间的比例比较低。当温度变化量比较大时，脉冲输出可以包括具有比较长的脉冲宽度的连续脉冲。即，在温度变化比较大的情况下，脉冲输出具有比较高的负载持续率。 

控制组件20包括适合于改变从电力组件18输送给烙铁头12的输出频率的第二电路 30。为了提供用以改变由电力组件18输送的输出频率的控制信号，第二电路30使用第一电路28的脉冲输出。第二电路30可以是集成电路，也可以是另别的电子零件。 

控制组件20还包括适合于改变从电力组件18输送至烙铁头12的输出电压的第三电路32。为了提供用以改变由电力组件18输送的输出电压的控制信号，第三电路32使用来自第一电路28的脉冲信号。第三电路32可以是集成电路，也可以是另别的电子零件。 

在若干实施例中，当测定出的电流处于由第一比较器25a决定的第一电流区域内时，第一电路28提供第一类型的脉冲输出。若测定出的电流处于由第二比较器25b定义的第二电流区域内，则第一电路28提供第二类型的脉冲输出。同样地，当测定出的电流处于由第三比较器25c定义的第三电流区域内时，第一电路28提供第三类型的脉冲输出。 

在若干实施例中，第一电流区域可以与第二电流区域以及第三电流区域不重复，也可以第二电流区域仅与第一电流区域重复，也可以第三电流区域与第一电流区域以及第二电流区域重复。这样，当测定出的电流处于第一电流区域内时，仅第一类型的脉冲输出由第一电路28提供给第二电路30和第三电路32。若测定出的电流处于第二电流区域内，则第一类型和第二类型的脉冲输出均由第一电路28提供给第二电路30以及第三电路32。同样地，若测定出的电流处于第三电流区域内，则第一类型、第二类型、以及第三类型的脉冲输出由第一电路28提供给第二电路30以及第三电路32。第二电路30、第三电路32使用由第一电路28提供的脉冲输出的组合，以对输出电压和输出频率的一者或两者进行调整。 

在其他实施例中，第一电流区域、第二电流区域、以及第三电流区域互不重复。这样，每次由第一电路28提供的脉冲输出仅为一个类型的脉冲输出。例如，各电流区域可以与由温度选择器22选择的温度相关联地对应于发热部14的温度变化量。例如，第一电流区域可以对应于比由使用者利用温度选择器22选择出的所望温度(Td)低25℃至低50℃的温度变化量，第二电流区域可以对应于比Td低约25℃至比Td高约25℃的温度(T)，第三电流区域可以对应于比Td高25℃至高50℃的温度(T)。应理解为本发明在此外的其他的温度范围也能够实施。 

在图1所示的实施例中，温度选择器22仅与第三电路32连接以使该第三电路32运作。在此情况下，由温度选择器22选择的所望的运作温度通过仅调整输出电压电平(voltage level)来实现。在其他实施例中，温度选择器22也可与第二电路30、第三电路32两者连接以使该两者运作。在此情况下，可以通过对输出电压和输出频率这两者进行调整达到所望的运作温度。 

继续参照图1，电力组件18连接于AC电源34。保险丝和主开关36使电源34连接于电力组件18中的整流器或AC-DC转换器38。主开关可以由使用者操作，以启动/关闭整个系统10。来自AC-DC转换器38的DC电力被传输至适合于提供一定的DC输出电压的DC-DC转换器40。 

一定的DC输出电压的电平(level)取决于来自控制组件20的第三电路32的控制信号。图2的(A)表示由DC-DC转换器40提供的一定的DC输出电压的例子。在图2的(A)中，DC输出电压由100％的负载持续率表示。如下述的说明所述，在若干实施例中，在执行基于时间的比例控制的情况下，负载持续率有时会下降。 

接下来，一定的DC输出电压被传输至RF开关电路42。RF开关电路42适合于提供根据来自控制组件20的第二电路30的控制信号来决定DC电压的输出频率。图2的(B)表示由RF开关电路42提供的输出波形的例子。在若干实施例中，RF开关电路42适合于提供约100kHz至200kHz的输出频率。若输出频率的范围为100kHz至200kHz，则线圈16的电阻和电力损耗比较小，从而防止线圈16本身的电阻加热或使电阻加热为最低限度，由此改善效率。 

较为理想的是，RF开关电路42适合于提供大约在200kHz至600kHz的输出频率。另外，如图8所示，在积极地利用居里温度Tc附近的共振以使大的涡电流流动、以提高焦耳热的情况下，若输出频率处于如上所述的范围(600kHz以下)，则由阻抗失配产生的影响小。 

在若干实施例中，较为理想的是，线圈16具有比较高的阻抗。其原因在于：若线圈16具有更高的阻抗，则可以检测出更小的由温度引起的发热部14的磁特性的变化。增加线圈16的阻抗的一个方法是增加线圈的匝数，这会增大线圈16的物理尺寸。但是，手持式烙铁的尺寸限制使线圈16的匝数受限。而且，仅通过增加匝数来增加阻抗的做法不太理想。原因在于：这样会增加线圈的电阻，即会增加以热的形式的电力损耗。 

增加线圈16的阻抗的另一个方法是，以更大的输出频率将电力提供给线圈，由此，可以避免随着线圈匝数增加而产生的问题。 

此外，参照图1，电力组件18可以包括电源电路44。电源电路用以将电力供应至控制组件20中的任一个集成电路(IC)。集成电路通常需要比为了加热烙铁头12而由DC-DC转换器提供的电压低的一定电压。 

电力组件18还可以包括电压电平转换器46。电压电平转换器使图2的(B)的电压波形变成如图2的(C)所示的电压波形。在图2的(B)中，电压电平的中心处于0的 上方，峰值电压与图2的(A)所示的由DC-DC转换器40提供的DC电压大致相同。在图2的(C)中，电压电平的中心处于零伏电平或其附近。即，图2的(C)的电压电平交替地到达零伏电平的上方和下方，引起烙铁头12的发热部14的磁畴的迅速反转，亦即会引起磁损耗或磁滞加热。 

电力组件18还可以在线圈16与电压电平转换器46之间包括阻抗匹配电路48。阻抗匹配电路48可以选择使用了变换器的电路、LCR电路等适当的电路，对线圈16提供阻抗匹配。这样，电力被高效地输送至线圈16。实际上，由于存在内部电阻或内部电容，在多数情况下，成为LCR串并联共振电路，因此较为理想的是，如图8所示，将反共振点以及共振点的频率设定为在使用范围之外的高频率。特别是在使用LCR并联电路的情况下，若预先将反共振点频率设定为比实际使用的频率更高的频率，则在使用频率范围内，能够大范围地获得适宜的特性。 

阻抗匹配电路48的负载侧(烙铁部侧)基于其构造而具有某种固有阻抗，但较为理想的是，电源侧(高频电源供应电路侧)设为以下的匹配电路：Q值并不小，即，并非仅在特定频率下尖锐地共振，而是具有大的Q值，能够对应于大范围的频率，从而即使对应于比较大的频率范围地被使用，效率也不会下降。 

在若干实施例中，采用如图9的特性。 

在本实施例中，烙铁的高频感应加热系统10包括助力(boost)机构33，该助力机构33在焊接作业中，当烙铁头12的温度大幅或迅速地变化时用以进行修正。助力机构33例如在烙铁头12处于与温度低且比较大的工件接触的位置的情况下，恰当地促进温度恢复性能。助力机构33可以是以物理方式布线的电路，可以是编程在第一电路中的逻辑电路，可以是控制组件20中的一个或一个以上的另别的模块或者电路中所具有的硬件，也可以是软件。 

在图1所涉及的实施例中，如表1所示，助力机构33按照由温度选择器22设定的每个选项，以三个运作控制模式组合入控制系统。 

表1 

各个运作控制模式对应于在烙铁头12检测出的温度下降的范围。各范围由预定的上限值和下限值定义。助力机构33通过检流器24感知温度下降。 

参照图7，具体而言，助力机构33每隔一定时刻检测流入线圈16的线圈电流I1的时间变化，由比较器25a～比较器25c反馈所述线圈电流I1的大小的等级和该等级的电流值的持续流动时间这两个信息。助力机构33对温度下降进行分类，以适合于三个运作控制模式中的一个运作控制模式。接下来，助力机构33以指定的条件改变从第一电路28向第二电路30、第三电路32提供的高频电力的频率和电压，以能够供应焊接所需的热量。此时，从温度选择器22将初始设定的值(level)读入第1电路28内的微电脑，根据基准电流的设定值(level)求出差分以进行控制。 

参照图9，根据流入线圈16的线圈电流I1(进而供应电力P)的波形对所感知的温度下降作评价。例如，因为升温时的波形是从比较低的温度快速上升至高的温度的过程，所以反映出磁场变化变大，波峰尖锐。相对于此，由于使用时的波形稳定在比较高的温度(在图示的例子中处于居里温度Tc附近)，因此，磁场变化的时间比例也小，至升温为止的时间变长。因此，助力机构33可以根据时间和电流的变化的比例，将所感知的温度下降适合于三个运作控制模式中的一个运作控制模式。 

根据脉冲宽度或输出值(output level)，第二电路30、第三电路32使来自DC-DC转换器(图2的(A))的输出电压发生变化，使频率(图2的(B))发生变化。其目的在于尽快使烙铁头12恢复至所望的温度。 

表1提供温度选择器22可以显示为“中”且由使用者设定在正中或大致中的位置时的助力机构的例子。如上所述，在该例子中，发热部14升温至居里温度Tc。来自第一电路28的输出取决于与由电流的测定所决定的(a)运作控制模式和(b)所测电流的变化持续时间相对应的温度的下降。头一个要素即表1的(a)由从比较器25向第一电路28传输的信号变化的大小决定。第二要素即表1的(b)对应于从比较器25向第一电路28传输的信号变化的持续时间。第一电路28适合于决定信号变化的大小和变化的持续时间。 

继续看表1，所测出的电流的比较小的变化对应于“运作控制模式1”。即，电力组件 18和控制组件20在由第一电路28检测出比较小的变化时，以“运作控制模式1”发挥功能。在该比较小的电流的变化持续不足3秒的情况下，控制组件20不使来自电力组件18的输出电压电平和频率发生变化。在比较小的电流的变化持续3秒以上的情况下，助力机构33使电力组件18增加向烙铁头12输出的输出电压。这是为了使线圈能更快速地恢复至所望温度而改变输出因素，控制组件20增加对线圈16供给的电力。 

由检流器24测定出的比较中等程度的电流变化对应于表1的“运作控制模式2”。即，电力组件18和控制组件20在由第一电路28检测出比较中等程度的变化时，以“运作控制模式2”发挥功能。在该比较中等程度的电流的变化持续不足2秒的情况下，控制组件20不使从电力组件18向线圈16输出的输出电压电平和频率发生变化。在比较中等程度的电流变化持续2秒以上的情况下，控制组件20使电力组件18增加向烙铁头12输出的输出电压，由此增加对线圈16供给的电力。 

由检流24测定出的比较大的电流变化对应于表1的“运作控制模式3”。即，电力组件18和控制组件20在由第一电路28检测出比较大的变化时，以“运作控制模式3”发挥功能。在该比较大的电流变化持续不足1秒的情况下，控制组件20不使从电力组件18向线圈16输出的输出电压电平和频率发生变化。在比较大的电流变化持续1秒以上的情况下，控制组件20使电力组件18增加向烙铁头12输出的输出电压和频率，由此增加对线圈16供给的电力。 

在表1所示的例子中，使线圈16按照功率级助力而所需的时间与由检流器24测量出的电流变化的值(level)逆向地发生变化。即，随着测定出的电流变化增加，所需的时间减少。 

应理解为用以决定所测出的电流变化为比较小、中等程度、比较大的实际阈值的程度可以依赖于烙铁头12的类型和使用烙铁进行的焊接作业的类型。在若干实施例中，使用温度选择器22可以调整对小、中、大的温度下降进行定义的测定电流的阈值。 

应理解为基于烙铁头12的类型和使用烙铁进行的焊接作业的类型，开始助力而所需的时间可以与表1所示的时间不同。例如，可以在大幅度的温度下降为0.5秒以上时，中等程度的温度下降为1秒以上时，小幅度的温度下降为1.5秒以上时，开始更强力的电力助力。在若干实施例中，还可以使用温度选择器22调整用以使助力开始的时间。例如，在若干实施例中，向高侧(即，从“低”向“中”，或从“中”向“高”)改变温度选择器可以缩短开始助力的时间，由此可以更快速地对温度下降作出对应。 

另外，基于烙铁头12的类型和使用烙铁进行的焊接作业的类型，电力组件的效果也 可能与表1所示的效果不同。例如，中等程度的温度下降用的电力助力，在若干实施例中，可以使电力组件18增加输出电压和频率。在若干实施例中，可以使用温度选择器22调整电力助力时的对电力组件的效果。例如，若温度选择器22从“中”变成“高”，则在若干实施例中，当电力组件18的电力因中等程度的温度下降而增加时，可以增加输出电压和频率两者。因此，应理解为温度选择器22提供调整烙铁的特性的变化的方法，以作为对烙铁头温度变化的响应。 

参照图10，在电源被接通，高频电流从电力组件18供应至烙铁头12的线圈16之后，基于发热部14上流动的涡电流而产生焦耳加热，发热部14的温度上升。在该初始的温度上升时，由于伴随有从低温起的急剧的温度变化，磁场变化也会变大，焦耳热也会急速上升。因此，发热部14会持续升温至烙铁头12的热量达到饱和为止。在图示的例子中，烙铁头温度在稍许超过居里温度Tc的范围内达到饱和。 

若已升温的烙铁被使用时，热量从烙铁头12传导至工件，烙铁头12的温度下降。该温度下降被检流器24检测出，由第1电路28判定温度下降。若烙铁头温度下降，发热部14低于居里温度Tc时，助力机构33便根据表1的方式进行助力。结果，温度已下降的发热部14会比不使用助力机构33时的升温更快地升温，温度上升至居里温度Tc。此时，更多的电力施加至发热部14，流动有增大的过渡性的峰值电流(参照图7)，发热部14的升温进一步加快。结果，如图10的T_WE所示，该实施方式中，即使在使用烙铁时产生温度下降，因为以反复进行小幅的加热的方式使之上升至所望温度，所以整体的温度下降DT_E变小。相对于此，在以往技术的特性中，如图10的T_WP所示，因为无助力功能，所以即使在该温度区域内进行升温辅助，整体的温度下降DT_P仍会变大，升温也会耗费时间。 

为了能够认识第二电路30、第三电路32何时应调整电压和频率，来自第一电路28的输出还可以使用脉冲宽度以外的方法。例如，如图9所示，电压E的电平(level)也可以用于表示烙铁头温度的下降是比较小、中等程度、亦或比较大。此外，在图9中，电流I、电压E均为有效值。 

在若干实施例中，与由检流器24检测出的电流的变化成比例地调整电压。例如，电流的大幅变化对应于烙铁头温度的大幅下降，成比例地引起大的电压电平被提供给感应加热线圈16。即，图2的(C)的波峰与波峰之间的电压成比例地增加。对应于烙铁头温度的小幅下降的电流的小幅变化，成比例地引起小的电压电平被提供给线圈16。即，图2的(C)的波峰-波峰之间的电压成比例地减小。 

在若干实施例中，可以执行基于时间的比例输出。如上所述，DC-DC转换器40以一 定电压电平提供DC输出电压。在基于时间的比例输出的情况下，一定DC输出电压的负载持续率基于测定出的电流的变化而成比例地变化。例如，负载持续率在未检测出温度下降时可以为70％，在检测出小幅度的温度下降时，如图3的(A)所示，负载持续率可以为80％，在检测出中等程度的温度下降时，如图3的(B)所示，负载持续率可以为100％。在该例子中，当检测出小幅度的温度下降时，线圈16在80％的时间内被提供电力，这与温度未下降的情况相比增加了10％，当检测出中等程度的温度下降时，线圈16在100％的时间内被提供电力。 

在若干实施例中，可以使用温度选择器22调整负载持续率。例如，当温度选择器22从“高”移动至“低”时，负载持续率可以从所述负载持续率变成小幅度的温度下降时的70％的负载持续率、中等程度的温度下降时的90％的负载持续率。应理解为在其他实施例中，可以执行其他的负载持续率。 

再次参照图1，状态显示器50可以连接于比较器25a、25b、25c。状态显示器50也可以为各个LED52连接于各个比较器的情形。LED对应于各个电流电平范围。LED的光向使用者提供烙铁头12的运作状态的可视显示。在若干实施例中，一次只有一个LED发光。例如，仅对应于测定出的电流电平范围的LED可以发光。在其他实施例中，无论LED为何种组合，均能够以较理想的方法发光。 

输出端口52可以连接于状态显示器50。原因在于：可以由与输出端口52联系的外部设备(未图示)对烙铁头12的运作状态进行监控，并随着时间记录烙铁头12的运作状态。输出端口52也可以是与外部连接的连接器相匹配的电连接器。输出端口52可以包括通过无线信号或光信号等无线方式将数据传输至外部设备的机构。与烙铁头12的使用状态相关的数据被记录，其可以用于评价用以改善效率和作业生产品质的生产工作流程。 

在其他实施例中，沿着连接状态显示器50与比较器24a、24b、24c的电线，配置有平滑处理器(平滑化处理机构)。平滑处理器适合于消除可能由感应加热线圈16的被检测出的电流的小幅波动所引起的状态显示器的闪烁。 

包围感应加热线圈16的发热部14的组成可以根据相对于所望的运作温度的该组成的居里点附近的温度来选择。为了实现焊接用途，包围感应加热线圈16的发热部14包含铁镍合金。本申请人发现了特定的铁镍合金具有最适合于焊接用途的居里点。 

接下来参照图5，磁感应烙铁头12包括感应加热线圈16，一根导线连接于高频电源18，另一根导线连接于适合于测定线圈16的电流电平的检流电路24。电流的电平由施加在串联的电阻R0上的电压表示，经放大器88放大之后，通过输出导线89作为V传感器 而输送至控制组件。在若干实施例中，控制组件采用如图1所示的结构。 

接下来参照图6，磁感应烙铁头12包括内部的感应加热线圈16，一个端子连接于高频电源18，另一个端子连接于作为检流器24的一部分的外部线圈L1。检流器24测量通过感应加热线圈16的电流的电平。电流的电平由因外部线圈L1而被感知线圈L2感应的电压表示。被感应的电压经放大器88放大之后，作为V传感器而从输出端口子89输送至控制组件。在若干实施例中，控制组件采用如图1所示的结构。 

以上描述并说明了本发明的各种具体的形态，但它们显然可以不脱离本发明范围地进行各种变更。例如，本领域技术人员会认识到烙铁头、其他的发热部14的层的形状、以及其他的检流电路可以在本发明的烙铁的高频感应加热系统和方法中使用。作为更进一步的例子，其他的焊接、去除焊锡的烙铁头形状属于本发明的范围，其包括凿型(D型)烙铁头的形状、刀型烙铁头的形状、镊型烙铁头的形状、以及包含用以从工件上除去焊锡的抽吸管的形状，但本发明不限于这些形状。另外，本发明公开的实施例的特定的特征和侧面的各种组合或次级组合为了形成本发明的各种模式而可以进行组合或互换。因此，本发明并不受权利要求以外的限制。 

Claims (17)

1.一种烙铁的高频感应加热系统，具有感应加热组件，所述感应加热组件包括导热铜芯、磁性合金制的发热部、以及适合于在线圈接受电力时使所述发热部感应电流的感应加热线圈，具有基于被供应的高频电力的输出电压和输出频率的温度依赖性，

所述高频感应加热系统的特征在于，具有：

电力组件，适合于以包含使所述感应加热组件达到居里温度以上的区域的输出电压和输出频率输送电力；

检流器，适合于判断所述感应加热组件的电流；

控制组件，是与所述检流器联系的控制组件，适合于根据由所述检流器检测出的电流变化而使所述输出电压和所述输出频率中的至少一者变化，

所述高频感应加热系统具有所述检流器，所述检流器对基于所述线圈的阻抗而变化了的电流进行检测，所述线圈的阻抗受到了因所述发热部的温度而变化了的磁特性影响，

且通过追加供应高频电力而在居里温度附近利用所述发热部，从而利用在居里温度附近的涡电流急剧上升的现象来提高烙铁头温度的温度恢复性能。

2.根据权利要求1所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于还包括：

温度选择器，选定烙铁头的所望温度；其中，

所述控制组件与所述温度选择器联系，并且适合于根据所望温度和由所述检流器检测出的电流变化而使输出电压和输出频率中的至少一者变化。

3.根据权利要求1所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述控制组件自动地选择根据在所述感应加热组件中流动的感应电流而决定的多个电流区域中的至少一个电流区域，并且根据所选择的电流区域改变输出电压和输出频率中的至少一者。

4.根据权利要求3所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述多个电流区域包括仅增加输出电压的第一电流区域、以及增加输出电压和输出频率的第二电流区域。

5.根据权利要求3所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述控制组件对应于所述所选择的电流区域中的电流变化的持续时间来增大从所述电力组件的输出。

6.根据权利要求5所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述控制组件具有第一运作控制模式和第二运作控制模式，并根据由所述检流器检测出的电流变化的持续时间，以所述第一运作控制模式或第二运作控制模式中的任一个运作控制模式运作，其中，

在增大从所述电力组件的输出之际，当以所述第一运作控制模式运作时，以增加输出电压且使输出频率维持不变的方式控制所述电力组件；

当以第二运作控制模式运作时，以使输出电压和输出频率的双方增加并追加供应电力而加快温度恢复的方式控制所述电力组件。

7.根据权利要求1所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述电力组件适合于提供在200kHz至600kHz的范围内的输出频率。

8.根据权利要求1所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于还包括：

状态显示器，与所述检流器连接，适合于提供所述感应加热组件的电流的可视显示。

9.根据权利要求1所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于包括：

输出端口，与所述检流器连接，适合于提供显示所述感应加热组件的电流的数据。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的烙铁的高频感应加热系统，其特征在于：

所述控制组件适合于以负载持续率输送电力，并且适合于根据通电到所述感应加热组件的交流电力和所望的烙铁头温度的任一者或两者而使负载持续率变化。

11.一种烙铁的控制方法，其特征在于：

所述烙铁的控制方法用于运作在烙铁头中具有导热铜芯、磁性合金制的发热部、以及适合于在线圈接受电力时使所述发热部感应电流的感应加热线圈的烙铁，其包括以下步骤：

供应步骤，以包含使所述发热部达到居里温度的区域的电压和频率供应电力给线圈，让该电压和该频率在烙铁的烙铁头中引起磁感应加热；

决定步骤，使用检流器决定在所述线圈中流动的电流的变化，所述检流器对基于所述线圈的阻抗而变化了的电流进行检测，所述线圈的阻抗受到了因所述发热部的温度而变化了的磁特性影响；

调整步骤，基于所述电流的变化的判断，调整电压和频率中的至少一者，使得能够通过追加供应高频电力而在居里温度附近利用所述发热部，从而利用在居里温度附近的涡电流急剧上升的现象来提高烙铁头温度的温度恢复性能。

12.根据权利要求11所述的烙铁的控制方法，其特征在于：

调整步骤包括基于电流的变化的判断而使电压和频率变化的步骤。

13.根据权利要求11所述的烙铁的控制方法，其特征在于：

所述决定步骤从多个电流区域中决定电流区域，根据所决定的电流区域调整所述电压和所述频率中的至少一者。

14.根据权利要求11所述的烙铁的控制方法，其特征在于：

频率在200kHz至600kHz的范围内。

15.根据权利要求11所述的烙铁的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

记录以线圈电流的流动变化来表现的数据的步骤。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的烙铁的控制方法，其特征在于还包括以下步骤：

选定步骤，从多个运作级中择一地选定基础频率和基础高频电压的组合。

17.根据权利要求16所述的烙铁的控制方法，其特征在于：

所述供应步骤包括以负载持续率进行供应的步骤，并且适合于根据电流和由所述选定步骤选定的运作级的任一者或两者而使负载持续率变化。