JP5954662B2 - 電力供給装置及び電力供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給装置及び電力供給方法に関し、特に誘導加熱方式の焼入れ電源として用いる電力供給装置及び電力供給方法に関する。

従来、被加熱物の焼入れを行う誘導加熱装置及びその電力供給装置は、単一周波数である高周波の交流電力を誘導加熱コイルに供給している（例えば、非特許文献１参照）。また、一般に、高い周波数の交流電力は透過深度が浅く、低い周波数の交流電力は透過深度が深いことから、加熱対象、被加熱物の形状又はそのサイズによっては、単一周波数ではなく、二周波等の多周波の交流電力を用いて、それらを重畳したり時分割したりして加熱することが望ましい場合もある。例えば、特許文献１に記載の電力供給装置は、低周波および高周波の二周波の交流電力を切替制御し、異なる周波数の交流電力を誘導加熱コイルに供給している。この電力供給装置の構成を図９に示す。

図９に示すように、誘導加熱装置９０１は、誘導加熱コイル９０２と、電力供給装置９０３と、を備えている。電力供給装置９０３は、発振回路部９１０と、整合回路部９２０と、制御回路部９３０と、を備えている。発振回路部９１０は、例えば電圧形で、商用交流電源ｅを直流電力に変換するコンバータ９１１と、直流電力を平滑する平滑コンデンサＣfと、高周波および低周波の交流電力に変換するインバータ９１２と、を備えている。

整合回路部９２０は、低周波および高周波に対応した異なる２つの直列共振周波数を有し、発振回路部９１０から出力される高周波あるいは低周波の電力により、誘導加熱コイル９０２とにより直列共振し、ワーク（被加熱物）Ｗを誘導加熱する。この整合回路部９２０は、低周波整合変圧器９２１と、高周波整合変圧器９２２と、電流変成器９２３と、第１のコンデンサＣ１と、第２のコンデンサＣ２と、リアクトルＬとを備えている。

低周波整合変圧器９２１は、低周波の共振周波負荷のインピーダンスと、発振回路部９１０から出力される直流電力の出力インピーダンスとを整合（一致）させるものである。
低周波整合変圧器９２１の１次巻線９２１Ａには、発振回路部９１０が接続されている。低周波整合変圧器９２１の２次巻線９２１Ｂには、リアクトルＬおよび第１のコンデンサＣ１が接続され、さらに電流変成器９２３の１次巻線９２３Ａが直列に接続されている。電流変成器９２３の２次巻線９２３Ｂには、誘導加熱コイル９０２が接続されている。２次巻線９２３Ｂの巻数比をＮとし、誘導加熱コイル９０２の等価インダクタンスをＬ０とすると、電流変成器９２３の１次側に、Ｎ²Ｌ０の負荷コイル等価インダクタンスが生じる。なお、リアクトルＬは負荷コイル等価インダクタンスＮ²Ｌ０より例えば４〜５倍大きい。低周波直列共振回路９２５は、リアクトルＬ、第１のコンデンサＣ１および負荷コイル等価インダクタンスＮ²Ｌ０により構成され、低周波で直列共振する。この低周波直列共振回路９２５の共振インピーダンスと一致するように、低周波整合変圧器９２１の２次巻線９２１Ｂの出力等価インピーダンスが設定されている。

高周波整合変圧器９２２は、高周波の共振周波負荷のインピーダンスと、発振回路部９１０から出力される直流電力出力インピーダンスとを整合（一致）させるものである。この高周波整合変圧器９２２の１次巻線９２２Ａと、低周波整合変圧器９２１の１次巻線９２１Ａとは、並列に発振回路部９１０に接続されている。また、高周波整合変圧器９２２の２次巻線９２２Ｂには、第２のコンデンサＣ２および電流変成器９２３の１次巻線９２３Ａが直列に接続されている。高周波直列共振回路９２６は、第２のコンデンサＣ２および負荷コイル等価インダクタンスＮ²Ｌ０により構成され、高周波で直列共振する。この高周波直列共振回路９２６の共振インピーダンスと一致するように、高周波整合変圧器９２２の２次巻線９２２Ｂの出力等価インピーダンスが設定されている。

制御回路部９３０は、順変換制御回路９３１と、周波電力比率制御回路９３２と、低周波同期回路９３３と、高周波同期回路９３４と、を備えている。順変換制御回路９３１は、コンバータ９１１の出力側の電圧値を検出するとともに、電流検出手段９３１Ａにて電流値を検出し、図示しない入力手段からの加熱電力に関する設定入力信号に基づいて、出力される直流電力の出力値を制御する。周波電力比率制御回路９３２は、インバータ９１２から出力する低周波または高周波の交流電力を、図示しない入力手段からの電力比率に関する設定信号に基づいて所定の電力比率（デューティ比）で切り替えさせる制御をする。また、周波電力比率制御回路９３２は、低周波および高周波を切り替えるタイミングに関する信号を順変換制御回路９３１に出力する。

低周波同期回路９３３は、整合回路部９２０の低周波電流を低周波電流検出手段９３３Ａにて検出し、発振回路部９１０から出力する低周波の出力周波数が、低い共振周波数（例えば１０ｋＨｚ）となるように、インバータ９１２の発振周波数を制御させるための信号を周波電力比率制御回路９３２に出力する。高周波同期回路９３４は、整合回路部９２０の高周波電流を高周波電流検出手段９３４Ａにて検出し、発振回路部９１０から出力する高周波の出力周波数が、高い共振周波数（例えば２００ｋＨｚ）となるように、インバータ９１２の発振周波数を制御させるための信号を周波電力比率制御回路９３２に出力する。

上記構成により、誘導加熱装置９０１において、インバータ９１２から出力される低周波の交流電力が整合回路部９２０に供給されると、第２のコンデンサＣ２のインピーダンスが第１のコンデンサＣ１のインピーダンスよりも遙かに大きいことから、低周波に対して高周波直列共振回路９２６を構成する第２のコンデンサＣ２が開状態となる。このため、高周波整合変圧器９２２には低周波電流が流れず、低周波整合変圧器９２１に低周波電流が流れ、低周波直列共振回路９２５に低周波の交流電力が供給される。この低周波の交流電力の供給により、低周波直列共振回路９２５が直列共振状態となってワーク（被加熱物）Ｗを誘導加熱する。

また、インバータ９１２から高周波の交流電力が整合回路部９２０に供給されると、高周波整合変圧器９２２の出力等価インピーダンスよりも低周波整合変圧器９２１の出力等価インピーダンスの方が大きく、リアクトルＬが負荷コイル等価インダクタンスＮ²Ｌ０より例えば４〜５倍大きいので、高周波に対して低周波直列共振回路９２５を構成するリアクトルＬおよび第１のコンデンサＣ１の直列回路が開状態となる。このため、低周波整合変圧器９２１には高周波電流が流れず、高周波整合変圧器９２２に高周波電流が流れ、高周波直列共振回路９２６に高周波の交流電力が供給される。この高周波の交流電力の供給により、高周波直列共振回路９２６が直列共振状態となってワーク（被加熱物）Ｗを誘導加熱する。

これに対して、非特許文献１に記載の電力供給装置は、単一の高周波の交流電力を出力するものであって、出力負荷回路として、単一の直列共振回路を備えている。非特許文献１に記載の電力供給装置は、交直変換する整流部にダイオードスタックを使用し、直交変換するインバータ部の高周波電圧と電流位相とを制御する位相制御方式を用いている。この位相制御方式は、インバータ部のスイッチング周波数を出力負荷の共振周波数よりも高い領域で可変することで共振回路における高周波電流の位相を走査し、出力電力を可変するものである。これにより、整流部にダイオードスタックを使用しないサイリスタ制御方式よりも出力立ち上がり時間を低減させている。

特許第４４２７４１７号公報

村松護、外２名、「焼入れ用高周波高速インバータ」、島田理化技報、島田理化工業株式会社、2006年3月15日、No.17、p.42−47

しかしながら、非特許文献１に記載の位相制御方式は、加熱開始の操作をした後、共振周波数よりも高い領域で可変する走査中の周波数の中から共振周波数を探す時間を要する。このとき、例えば、加熱開始を示す電源オン信号に応答してスイープ指令を出すことで、位相制御回路（周波数可変回路）が、インバータ部のゲートドライバのスイッチング周波数を例えば一様に変化させ、これに伴って検出された高周波電流と位相制御回路の出力信号との位相差が０になった時点の駆動周波数が共振周波数とされる。

また、従来の方法で焼入れを行う場合、出力電圧が０Ｖの時点から、焼入れ用パワー（焼入れ用出力）に対応して予め設定された電圧値へ上昇するまでの時間が長く、設定出力電圧値に達する前に被加熱物が低温で加熱される期間が比較的長く存在し、この期間と、設定出力電圧値での加熱期間とを合わせた合計の加熱時間で、焼入れが行われることになる。被加熱物の加熱時間が長くなると、熱処理した被加熱物の変形が多くなったり、被加熱物の中の応力が多くなったりするという不都合があった。そのため、出力電圧が、焼入れに実質的に寄与する電圧値になった時点から、焼入れ用出力に対応した設定出力電圧値に達するまでの実質的な焼入れ立ち上がり時間を低減して焼入れの品質を良好にすることが望まれていた。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、実質的な焼入れ立ち上がり時間を低減することができる電力供給装置及び電力供給方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明者らは、低周波および高周波の二周波の交流電力を時分割で切り替えて出力する電力供給装置を用いた測定を行いながら、単一の高周波の交流電力を出力する電力供給装置における高周波電力の立ち上がり時間について種々検討を行った。その結果、焼入れ用出力に対応した設定出力電圧を印加しながら、負荷のインピーダンスの大きな状態から小さな状態にスイッチングすることで、実質的な焼入れ立ち上がり時間を低減できることを見出した。

そこで、本発明に係る電力供給装置は、順変換部と、逆変換部と、前記順変換部および前記逆変換部を制御する制御回路部とを備え、被加熱物の焼入れ用の予め定められた周波数範囲の値を有する動作周波数にて所定の焼入れ用出力の電力を誘導加熱コイルに供給する電力供給装置であって、前記制御回路部が、焼入れ前において、被加熱物の焼入れ用出力よりも低い出力であって焼入れに寄与しない予め定められた低出力にて電力を供給して負荷インピーダンスの最小となる共振周波数を検出すると共に、検出した共振周波数を前記動作周波数として記憶し、前記被加熱物の焼入れには寄与しない電流しか流れない負荷インピーダンスに対応した周波数であって前記動作周波数よりも高く予め設定された非動作周波数にて前記順変換部からの出力電圧を、前記低出力に対応した電圧値から前記焼入れ用出力に対応した目標値まで引き上げ、焼入れのための所定のタイミングで前記共振周波数に切り替えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力供給方法は、被加熱物の焼入れ用の予め定められた周波数範囲の値を有する動作周波数にて所定の焼入れ用出力の電力を誘導加熱コイルに供給する電力供給装置による電力供給方法であって、前記電力供給装置は、順変換部と、逆変換部と、前記順変換部および前記逆変換部を制御する制御回路部とを備えており、前記制御回路部により、焼入れ前において、被加熱物の焼入れ用出力よりも低い出力であって焼入れに寄与しない予め定められた低出力にて電力を供給して負荷インピーダンスの最小となる共振周波数を検出する第１ステップと、検出した共振周波数を動作周波数として記憶する第２ステップと、前記被加熱物の焼入れには寄与しない電流しか流れない負荷インピーダンスに対応した周波数であって前記動作周波数よりも高く予め設定された非動作周波数にて前記順変換部からの出力電圧を、前記低出力に対応した電圧値から前記焼入れ用出力に対応した目標値まで引き上げる第３ステップと、焼入れのための所定のタイミングで前記共振周波数に切り替える第４ステップと、を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、本発明に係る電力供給装置は、制御回路部が、動作周波数よりも高い非動作周波数から共振周波数に切り替えると、共振が起こり、主回路である順変換部および逆変換部を有する電源装置側から見た負荷のインピーダンスが低く、そのため、大きな電流が急激に立ち上がって誘導加熱コイルに流れる。このように高周波電流が急速に立ち上ることによって、被加熱物を短時間で急速に加熱することができる。その結果、超短時間加熱で熱処理した被加熱物の変形は少なく（低変形）、被加熱物の中の応力が少ない（残留応力の低減）という、品質の良い焼入れを行うことができる。

また、本発明に係る電力供給装置は、前記制御回路部は、前記逆変換部における周波数の位相を制御すると共に前記共振周波数を検出する位相制御手段と、前記検出された共振周波数を前記焼入れ用出力の動作周波数として記憶する共振周波数記憶手段と、前記共振周波数を含む動作周波数で発振する第１発振手段と、前記非動作周波数で発振する第２発振手段と、前記第１発振手段と前記第２発振手段とのうちの一方を前記逆変換部に電気的に接続するスイッチ手段と、前記位相制御手段および前記スイッチ手段を制御することで、前記逆変換部における周波数を、前記動作周波数および前記非動作周波数の一方に切り替える周波数切替制御手段と、を備え、前記周波数切替制御手段は、焼入れ前において、前記スイッチ手段の接続を前記第１発振手段の側に切り替えさせ、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記低出力に対応した電圧値で出力させた状態で前記位相制御手段により前記共振周波数を検出させ、前記共振周波数を検出後かつ焼入れ前において、前記スイッチ手段の接続を前記第２発振手段の側に切り替えさせ、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記焼入れ用出力に対応した目標値にまで引き上げさせ、前記出力電圧が前記目標値に達した後において、前記所定のタイミングで、前記スイッチ手段の接続を前記第１発振手段の側へ切り替えさせることが好ましい。

また、本発明に係る電力供給方法は、前記制御回路部は、前記動作周波数の発振信号と前記非動作周波数の発信信号とのうちの一方を前記逆変換部に出力するスイッチ手段を備えており、前記制御回路部により、前記第１ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記動作周波数の発振信号の側に切り替え、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記低出力に対応した電圧値で出力させた状態で前記共振周波数を検出し、前記第３ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記非動作周波数の発振信号の側に切り替え、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記焼入れ用出力に対応した目標値にまで引き上げ、前記第４ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記動作周波数の発振信号の側に切り替えることが好ましい。

かかる構成によれば、本発明の電力供給装置は、焼入れ前において、位相制御手段が、焼入れに寄与しない低出力にて共振周波数を検出するので、焼入れ対象とする被加熱物を用いたときの実際の共振周波数を求めることができる。また、周波数切替制御手段は、共振周波数を検出後かつ焼入れ前において、焼入れをしない非動作周波数にて、順変換部からの出力電圧を前記焼入れ用出力に対応した目標値にまで引き上げさせる。これにより、順変換部からの出力電圧は目標値にまで上昇するが、共振していないので負荷のインピーダンスが高く、そのため、高電圧にも関わらず、高周波電流がほとんど流れない。その後、周波数切替制御手段は、実質的な焼入れを開始するにあたって、所定のタイミングで非動作周波数から共振周波数へと切り替えるので、高電圧を保持しつつ共振が起こり負荷のインピーダンスが低く、そのため、高周波電流が急速に立ち上がる。また、本発明に係る電力供給装置は、所定のタイミングである焼入れの開始時には、出力電圧が既に焼入れ用出力に対応した目標電圧値（設定出力電圧値）に達しているので、低出力電圧値の加熱期間がごく僅かであり、殆どが設定出力電圧値の加熱期間である、といった時間幅で焼入れが行われる。そのため、被加熱物の実質的な加熱時間を短縮することができる。また、加熱時間の殆どが設定出力電圧値の期間なので、品質の良い焼入れを行うことができる。

また、本発明に係る電力供給装置は、前記周波数切替制御手段は、前記スイッチ手段を前記第１発振手段の側へ切り替えるための第１制御信号を出力した後に、前記スイッチ手段を前記第２発振手段の側に切り替えるための第２制御信号を出力し、前記第１制御信号と前記第２制御信号とを交互に繰り返し出力することが好ましい。
また、本発明に係る電力供給方法は、前記第４ステップの後に、前記スイッチ手段の出力を前記非動作周波数の発振信号の側に切り替える第５ステップを有し、前記第４ステップと前記第５ステップとを交互に繰り返すことが好ましい。

かかる構成によれば、本発明の電力供給装置は、焼入れ用出力の供給と、その供給の実質的な停止とを交互に行うことができる。そのため、例えば歯車形状の被加熱物の回転中にその回転に同期させて歯先にだけ焼入れを行うといった使用法が可能となる。

本発明によれば、実質的な焼入れ立ち上がり時間を低減することができる。また、本発明によれば、高周波電流が急速に立ち上ることによって、被加熱物を短時間で急速に加熱することができる。その結果、超短時間加熱で熱処理した被加熱物の変形は少なく（低変形）、被加熱物の中の応力が少ない（残留応力の低減）という、品質の良い焼入れを行うことができる。

本発明に係る電力供給装置の構成を模式的に示す回路図である。 本発明に係る電力供給装置の制御回路部の内部構成を模式的に示す回路図である。 本発明に係る電力供給装置の負荷の説明図であって、（ａ）は負荷インピーダンスの周波数特性、（ｂ）は負荷の抵抗分を用いた等価回路を示している。 本発明に係る電力供給装置の第１使用例における周波数切替信号のタイミングチャートの一例を示す図である。 本発明に係る電力供給装置の第１使用例における焼入れの流れを示すフローチャートである。 本発明に係る電力供給装置の第２使用例における焼入れの様子を模式的に示す説明図である。 本発明に係る電力供給装置の第２使用例における周波数切替信号のタイミングチャートの一例を示す図である。 本発明に係る電力供給装置の第２使用例における焼入れの流れを示すフローチャートである。 従来の電力供給装置の構成を模式的に示す回路図である。

本発明に係る電力供給装置及び電力供給方法を実施するための形態を、いくつかの具体例を示した図面と共に詳細に説明する。

図１に示す誘導加熱装置１は、誘導加熱コイル２と、電力供給装置３と、を備えている。電力供給装置３は、被加熱物の焼入れ用の予め定められた周波数範囲の値を有する動作周波数にて焼入れ用出力を誘導加熱コイル２に供給するものである。
電力供給装置３は、電源装置４と、整合盤５と、変成盤６と、を備えている。
電源装置４は整合盤５に接続されており、整合盤５は変成盤６に接続されており、変成盤６は誘導加熱コイル２に接続されている。これらの間の接続には、不図示の送電用のブスバーなどが含まれている。

誘導加熱コイル２で加熱する対象の被加熱物は、特に限定されないが、例えば、土木・建築・自動車等の部品として用いる鋼棒やフープ筋などの線材、ばね材、歯車、ねじ、ボルト、ナットなどを含む。本実施形態では被加熱物をワークＷと呼ぶ。
図１には、誘導加熱コイル２の中にワークＷを挿入して加熱する状態を例示したが、これに限定されるものではない。また、ワークＷの外周面に限らず、例えば円環状のワークの内周面を加熱するようにしてもよい。

電源装置４は、発振回路部１０と、制御回路部３０と、を備えている。
整合盤５は、主として整合変圧器２１を有し、変成盤６は、主として電流変成器２３を有している。整合変圧器２１の１次巻線２１Ａには、発振回路部１０が接続されている。これにより、整合変圧器２１には、後記するインバータ１２にて変換された交流電力が入力される。整合変圧器２１の２次巻線２１Ｂには、整合コンデンサＣと、電流変成器２３の１次巻線２３Ａとが直列に接続されている。

本実施形態では、整合盤５は、コンデンサやトランス巻線を自動変更可能に構成されている。整合盤５は、公知のマッチングボックスのように、整合変圧器２１の１次巻線２１Ａ側に、図示しない複数の１次側電圧タップが設けられており、整合変圧器２１の１次側電圧タップを切り替えることで、整合変圧器２１の１次巻線と２次巻線との巻線比を変更し、２次側電圧を変化させることができるように構成されている。また、整合盤５の整合コンデンサＣは、静電容量を変更できるように構成されている。

電流変成器２３の２次巻線２３Ｂには、誘導加熱コイル２が接続されている。電流変成器２３の２次巻線２３Ｂの巻数比をＮとし、誘導加熱コイル２の等価インダクタンスをＬ０とすると、電流変成器２３の１次側に、Ｎ²Ｌ０の負荷コイル等価インダクタンスが生じる。よって、直列共振回路２５は、整合コンデンサＣおよび負荷コイル等価インダクタンスＮ²Ｌ０により構成される。

なお、電流変成器２３の１次巻線２３Ａ側に、図示しない複数の１次側電圧タップを設けて、電流変成器２３の１次側電圧タップを切り替えることで、電流変成器２３の１次巻線と２次巻線との巻数比を変更し、２次側電圧を変化させるように構成することもできる。

発振回路部１０は、例えば電圧形で、コンバータ１１と、インバータ１２と、平滑コンデンサＣfと、を備えている。
コンバータ（順変換部）１１は、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅを直流電力に変換するものである。この変換された直流電力は、平滑コンデンサＣfを介して適宜平滑されてインバータ１２へ出力される。インバータ（逆変換部）１２は、コンバータ１１から出力される直流電力を、所定の周波数（動作周波数または非動作周波数）の電圧方形波の単相の交流電力に変換するものである。このインバータ１２は、スイッチング素子である図示しないトランジスタなどを有し、スイッチング素子のオンオフ制御により交流電力を整合盤５に出力する。

発振回路部１０の使用素子は、サイリスタでもよいし、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子、またはＭＯＳ-ＦＥＴを用いてもよい。なお、コンバータ１１とインバータ１２との間には、高調波電流を阻止して力率を改善するために、図示しない直流リアクトルが接続されている。

＜制御回路部＞
制御回路部３０は、例えばシーケンサ（プログラマブルコントローラ）やＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備えている。
制御回路部３０は、焼入れ前に負荷インピーダンスの最小となる共振周波数を検出すると共に、検出した共振周波数を動作周波数として記憶し、動作周波数よりも高い非動作周波数にてコンバータ１１からの出力電圧を、焼入れ用出力に対応した目標値に高めてから、焼入れのための所定のタイミングで共振周波数に切り替えるものである。
ここで、非動作周波数は、ワークＷの焼入れには寄与しない電流しか流れない負荷インピーダンスに対応した周波数であって予め設定されている。また、制御回路部３０が焼入れ前に共振周波数を検出する際には、ワークＷの焼入れ用出力よりも低い出力であって焼入れに寄与しない予め定められた低出力にて電力を供給して共振周波数を検出する。なお、焼入れ用出力が例えば数百ｋＷ程度の場合、低出力とは例えば数ｋＷ程度のことを表す。

制御回路部３０は、順変換制御回路３１と、周波電力比率制御回路３２と、同期回路３３と、を備えている。
順変換制御回路３１は、コンバータ１１の出力側の直流電圧を検出し、設定電圧になるように制御するものである。順変換制御回路３１は、周波電力比率制御回路３２からの制御信号に応じて、コンバータ１１の出力電圧を、ワークの焼入れに寄与しない予め定められた低電圧にて出力させたり、焼入れ用出力に対応した目標値にて出力させたりする。

周波電力比率制御回路３２は、動作周波数および非動作周波数を切り替えるタイミングに関する制御信号を順変換制御回路３１に出力するものである。この出力する制御信号によって変化するコンバータ１１の出力側の電圧値等の時間変化の説明については後記する。周波電力比率制御回路３２は、同期回路３３からの制御信号に応じて、インバータ１２の発振周波数を制御する。周波電力比率制御回路３２の詳細については後記する。なお、後記する第２使用例では、周波電力比率制御回路３２は、インバータ１２から出力する動作周波数または非動作周波数の交流電力を、図示しない入力手段からの焼入れ電力の有無の期間の比率（以下、単に電力比率という）に関する設定信号に基づいて所定の電力比率（デューティ比）で切り替えさせるように制御している。

同期回路３３は、インバータ１２の出力電流（負荷に流れる電流に相当）を例えば電流センサなどの電流検出手段３３Ａにて検出し、周波電力比率制御回路３２に所定の制御信号を出力する。この出力する制御信号は、焼入れを行うときには、周波電力比率制御回路３２にて発振回路部１０から出力する動作周波数ｆ１が、図３（ａ）に示す負荷曲線の最小インピーダンスに対応した共振周波数ｆ０となるように、インバータ１２の発振周波数を制御させるための信号である。
また、この出力する制御信号は、焼入れ前において共振周波数を検出するときには、周波電力比率制御回路３２にて発振回路部１０から出力する非動作周波数が、図３（ａ）に示す負荷曲線の共振周波数よりも遅れ位相となる周波数ｆ２となるように、インバータ１２の発振周波数を制御させるための信号である。

＜周波電力比率制御回路部の詳細＞
周波電力比率制御回路３２は、図２に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、インバータＧと、位相制御部３２１と、共振周波数記憶部３２２と、共振周波数発振器３２３と、非動作周波数発振器３２４と、周波数切替制御部３２５と、を備える。

スイッチ（スイッチ手段）ＳＷ１〜ＳＷ４は、共振周波数発振器３２３と非動作周波数発振器３２４とのうちの一方をインバータ１２に電気的に接続するものである。
共振周波数発振器３２３は、その上流のスイッチＳＷ１と下流のＳＷ２とが閉状態のときに、インバータ１２の出力ドライバ１２１に電気的に接続している。非動作周波数発振器３２４は、その上流のスイッチＳＷ３と下流のＳＷ４とが閉状態のときに、インバータ１２の出力ドライバ１２１に電気的に接続している。ここで、出力ドライバ１２１は、共振周波数または非動作周波数に応じて、インバータ１２を構成するトランジスタ等の図示しない複数のスイッチング素子のゲートに制御信号を順次供給するものである。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えばトランスミッションゲート、所謂アナログスイッチで構成される。アナログスイッチは、例えばＰチャネルＭＯＳ-ＦＥＴとＮチャネルＭＯＳ-ＦＥＴとから構成される。
スイッチＳＷ１，ＳＷ２を動作させる制御信号Ｆ１がＯＮ状態のとき、すなわちＨレベルのとき、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はスイッチとしての閉状態となり、スイッチＳＷ１，ＳＷ２への入力信号を通過させてそのまま出力する。
スイッチＳＷ１，ＳＷ２を動作させる制御信号Ｆ１がＯＦＦ状態のとき、すなわちＬレベルのとき、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はスイッチとしての開状態となり、スイッチＳＷ１，ＳＷ２への入力信号を遮断する。
スイッチＳＷ３，ＳＷ４を動作させる制御信号Ｆ２がＯＮ状態のとき、すなわちＨレベルのとき、スイッチＳＷ３，ＳＷ４はスイッチとしての閉状態となり、スイッチＳＷ３，ＳＷ４への入力信号を通過させてそのまま出力する。
スイッチＳＷ３，ＳＷ４を動作させる制御信号Ｆ２がＯＦＦ状態のとき、すなわちＬレベルのとき、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はスイッチとしての開状態となり、スイッチＳＷ３，ＳＷ４への入力信号を遮断する。

制御信号Ｆ１は、インバータＧによりレベル反転されて、制御信号Ｆ２となる。つまり、制御信号Ｆ１がＯＮ状態のときに制御信号Ｆ２がＯＦＦ状態となり、制御信号Ｆ１がＯＦＦ状態のときに制御信号Ｆ２がＯＮ状態となる。

位相制御部（位相制御手段）３２１は、インバータ１２における周波数の位相を制御すると共に共振周波数を検出するものである。共振周波数の検出は公知の方法で行うことができる。このために、例えば位相制御部３２１は、図示しない位相比較回路およびアナログ加減算器を備える。
位相比較回路は、位相制御部３２１から出力する位相制御の出力信号と、インバータ１２の出力電流の検出信号との位相差を比較するものである。
アナログ加減算器は、予め設定された周波数設定値に位相差を加減算し、電圧信号を共振周波数発振器３２３に出力するものである。
ここで、共振周波数発振器３２３は、図示しないアナログ加減算器が出力する電圧に応じた周波数の信号を出力ドライバ１２１に出力する。また、出力ドライバ１２１は、インバータ１２を構成するスイッチング素子に制御信号を供給する。これにより、位相制御部３２１は、スイッチング周波数を走査して例えば一様に変化させ、出力ドライバ１２１への出力信号（位相制御の出力信号）と、インバータ１２の出力電流の検出信号と、の位相差が０になった時点のスイッチング周波数を共振周波数として検出し、検出した共振周波数を共振周波数記憶部３２２に記憶する。なお、インバータ１２の出力電流の検出信号は、電流検出手段３３Ａにて検出されるものであり、位相制御部３２１は、この信号を、同期回路３３を介して取得している。

共振周波数記憶部（共振周波数記憶手段）３２２は、位相制御部３２１による周波数の位相制御によって得られる共振周波数ｆ０を焼入れ用出力の動作周波数ｆ１として記憶するものである。
共振周波数発振器（第１発振手段）３２３は、共振周波数を含む動作周波数で発振するものであり、動作周波数ｆ１の発振信号を出力ドライバ１２１に出力する。共振周波数発振器３２３は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）基板で構成される。
非動作周波数発振器（第２発振手段）３２４は、非動作周波数ｆ２の発信信号を出力ドライバ１２１に出力するものである。非動作周波数発振器３２４は、ＶＣＯ基板で構成される。

周波数切替制御部（周波数切替制御手段）３２５は、位相制御部３２１およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御することで、インバータ１２における周波数を、動作周波数および非動作周波数の一方に切り替えるものである。
周波数切替制御部３２５は、焼入れ前において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉状態、かつ、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が開状態となるように制御すると共に、コンバータ１１からの出力電圧を低出力に対応した電圧値で出力させた状態で、位相制御部３２１に共振周波数を検出させる。
周波数切替制御部３２５は、共振周波数を検出後かつ焼入れ前において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が開状態、かつ、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が閉状態となるように制御すると共に、コンバータ１１からの出力電圧を焼入れ用出力に対応した目標値に高める。
周波数切替制御部３２５は、出力電圧が目標値に達した後において、焼入れを実際に行うタイミングで、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉状態、かつ、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が開状態となるように切り替える。
この周波数切替制御部３２５によるスイッチの切り替えは、いずれも例えば１ｍｓ以下で行うことができる。

＜負荷曲線＞
図３は負荷曲線を示す図である。ここで、負荷とは、電源装置４から負荷側を見たすべてを含む。すなわち、整合盤５、変成盤６、誘導加熱コイル２、ワークＷ、送電するためのブスバーなどすべてを含む。図３（ａ）のグラフの横軸は、周波数ｆ（ｋＨｚ）を示し、縦軸は、負荷のインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜（Ω）を示している。負荷曲線の最小値となる周波数ｆ０が共振周波数（共振点）を示している。周波数が共振点のとき、負荷インピーダンスが小さく、電流が最も流れ易くなる。本実施形態では、位相制御部３２１によって、焼入れ用出力の動作周波数ｆ１が、負荷のインピーダンスの共振点となるように制御している。

周波数ｆが共振点よりも小さい場合や大きい場合、負荷インピーダンスが大きく、電流が流れにくくなる。このうち、周波数ｆが共振点よりも小さいときには、キャパシタンス成分が出てきて負荷はＣ負荷となり、位相は進み位相となる。また、周波数ｆが共振点よりも大きいときには、インダクタンス成分が出てきて負荷はＬ負荷となり、位相は遅れ位相となる。本実施形態では、焼入れ用の動作周波数ｆ１に切り替える前の非動作周波数ｆ２が、遅れ位相となるように設定されている。

動作周波数ｆ１の値は負荷インピーダンスが最小になるように対応して設定されており、非動作周波数ｆ２の値は焼入れに寄与しない電流しか発生しないような負荷インピーダンスに対応して設定されている。このように設定されていれば、動作周波数ｆ１および非動作周波数ｆ２の値は、特に限定されない。本実施形態では、電源装置４は、電圧形インバータ（直列共振）であるものとしており、直流電圧が一定となるように制御している。このような電圧形インバータは出力電圧に対する出力電流の位相が遅れ位相でなければならない。つまり、非動作周波数ｆ２は動作周波数ｆ１よりも高くなければならない。例えば、動作周波数ｆ１＝１０ｋＨｚ、非動作周波数ｆ２＝２００ｋＨｚとしたり、動作周波数ｆ１＝２００ｋＨｚ、非動作周波数ｆ２＝４００ｋＨｚとしたりすることができる。このように周波数の高低は決まっているので、動作周波数ｆ１のことを低周波、非動作周波数ｆ２のことを高周波とも呼ぶ。

以下では、一例として、動作周波数ｆ１＝１０ｋＨｚ、非動作周波数ｆ２＝２００ｋＨｚのように設定していることとして説明する。この場合、２００ｋＨｚ（高周波）から１０ｋＨｚ（低周波）へ切り替えて、すなわち、高インピーダンス（遅れ位相）から低インピーダンスへ切り替えて、１０ｋＨｚの共振周波数（動作周波数）にて焼入れを行う。

＜電力供給装置の主回路電流の応答速度＞
電力供給装置３の主回路電流の応答速度について図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ｂ）は、電源装置４と負荷との関係を簡単な等価回路で表した回路図である。直列共振回路２５が共振しているとき、負荷インピーダンスにおいて、Ｌ負荷の成分とＣ負荷の成分が無くなってＲの分だけ残るため、電力供給装置３の主回路は、等価的には図３（ｂ）に示すＲＬ回路になる。
等価回路に示すＥは、電源装置４のコンバータ（順変換部）１１に対応している。
等価回路に示すＬは、電源装置４のコンバータ１１とインバータ１２との間にある図示しない直流リアクトルのインダクタンスに対応している。
等価回路に示すＲは、電源装置４から負荷側を見た抵抗分に対応しており、整合盤５、変成盤６、誘導加熱コイル２、ワークＷ、送電するためのブスバーなどのすべての抵抗分を含む。

図３（ｂ）に示すＲＬ回路の時定数τは、τ＝Ｌ／Ｒとなる。例えば、出力が６００［ｋＷ］、直流リアクトルが０．５［ｍＨ］、定格負荷インピーダンスＲ＝０．３４［Ω］、焼入れ用の設定出力電圧値（目標値）が４８０［Ｖ］である電源装置を、電力供給装置３の電源装置４として用いた場合、時定数はτ＝Ｌ／Ｒ＝１．４７［ｍｓｅｃ］となる。つまり、この場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が開状態、かつ、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が閉状態のときに、コンバータ（順変換部）１１から４８０［Ｖ］の電圧が印加された状態において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉状態、かつ、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が開状態となるように切り替えると、負荷に印加される電圧が、０Ｖから、理論的には１．４７［ｍｓｅｃ］で設定出力電圧値の約６３％まで立ち上がることとなり、実質的な焼入れ立ち上がり時間を大幅に低減できる。なお、本発明の制御を行わない場合、負荷に印加される電圧が、０Ｖから設定出力電圧値に立ち上がるまでに約２００［ｍｓｅｃ］もの時間が必要である。

［電力供給装置の第１使用例における焼入れのタイミングチャート］
本発明の実施形態に係る電力供給装置の第１使用例における焼入れのタイミングチャートについて図４を参照（適宜図１および図２参照）して説明する。図４の時間軸において、時刻ｔ₀は、電力供給装置３の図示しない加熱開始ボタンが押下された時刻を示すと共に、共振周波数を探し始める時刻を示している。
時刻ｔ₁は、共振周波数の検出後にコンバータ１１からの出力電圧を上昇させ始める時刻を示している。
時刻ｔ₂は、焼入れを開始する時刻を示している。
時刻ｔ₀から時刻ｔ₁の区間Δ１では、位相制御部３２１が、共振点（共振周波数）を探して、検出した共振周波数を共振周波数記憶部３２２に記憶する。
時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の区間Δ２では、周波数切替制御部３２５が、非共振状態にてコンバータ１１の出力電圧を設定値（目標値）まで上げる制御を行う。
時刻ｔ₂以降では、周波数切替制御部３２５が、共振周波数に切り替える制御を行う。これにより、急速に大電流が立ち上がる。区間Δ１の値と区間Δ２の値とは所望の値に適宜設定することができる。一例としては、区間Δ１の値は約１０〜１００ｍｓ、区間Δ２の値は約２００ｍｓのように設定することができる。

図４（ａ）は周波数切替信号を示している。この周波数切替信号は、周波数切替制御部３２５が出力する制御信号である。この例では、周波数切替信号は、区間Δ１においてＨレベルであり、区間Δ２においてＬレベルであり、時刻ｔ₂以降において加熱時間が終わるまでＨレベルである。

周波数切替信号がＨレベルである区間では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２への制御信号Ｆ１はＯＮ状態となり、スイッチＳＷ３，ＳＷ４への制御信号Ｆ２はＯＦＦ状態となる。
周波数切替信号がＬレベルである区間では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２への制御信号Ｆ１はＯＦＦ状態となり、スイッチＳＷ３，ＳＷ４への制御信号Ｆ２はＯＮ状態となる。
よって、図４（ａ）に示す周波数切替信号は、制御信号Ｆ１と同じ波形となる。図４（ａ）に示す周波数切替信号をレベル反転した信号を図４（ｂ）に示す。このレベル反転信号は制御信号Ｆ２と同じ波形となる。

図４（ａ）および図４（ｂ）を参照すると、区間Δ１においては、制御信号Ｆ１がＯＮ状態となり、区間Δ２においては、制御信号Ｆ２がＯＮ状態となり、その後は、制御信号Ｆ１がＯＮ状態となる。つまり、区間Δ１においては、共振周波数（低周波）で発振し、区間Δ２においては、非動作周波数（高周波）に切り替えて発振し、時刻ｔ₂以降においては、共振周波数（低周波）に切り替えて発振する。

このように、周波数切替信号はＨレベルのときに制御信号Ｆ１をＯＮ、制御信号Ｆ２をＯＦＦとすることで、共振周波数（低周波）で発振させる制御を行うことができる。そのため、Ｈレベルの周波数切替信号のことを第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）と呼ぶ場合もある。

また、周波数切替信号はＬレベルのときに制御信号Ｆ１をＯＦＦ、制御信号Ｆ２をＯＮとすることで、非動作周波数（高周波）で発振させる制御を行うことができる。そのため、Ｌレベルの周波数切替信号のことを第２制御信号（Ｆ１：ＯＦＦ、Ｆ２：ＯＮ）と呼ぶ場合もある。

図４（ｃ）は直流電圧Ｖdcを示している。この直流電圧Ｖdcは、コンバータ１１からの出力電圧を表している。
区間Δ１においては、直流電圧Ｖdcは、ワークの焼入れに寄与しない予め定められた低電力、例えば、順変換制御回路３１で制御できる最小出力（≠０Ｖ）となっている。
時刻ｔ₁になると、周波数切替制御部３２５は、順変換制御回路３１を介して、コンバータ１１からの出力電圧（直流電圧Ｖdc）を上昇させ始める。直流電圧Ｖdcは、区間Δ２において、焼入れ用出力に対応した目標値に達し、その後は、一定値となっている。さらに、直流電圧Ｖdcは、時刻ｔ₂以降も加熱時間が終わるまで一定値となっている。

図４（ｄ）は直流電流Idcを示している。この直流電流Idcは、所定時刻の直流電圧Ｖdcを、そのときの負荷インピーダンスＺの抵抗分Ｒで除したものを示している。
区間Δ１では、図４（ａ）に示すように共振周波数（低周波）で発振しているので負荷インピーダンスＺが小さく、また、図４（ｃ）に示すように直流電圧Ｖdcが最小出力（≠０Ｖ）となっている。そのため、図４（ｄ）に示すように直流電流Idcの電流値（≠０Ａ）も小さくなっている。

区間Δ２では、図４（ｃ）に示すように直流電圧Ｖdcが上昇し、焼入れ用出力に対応した目標値に達するが、図４（ａ）に示すように非動作周波数（高周波）に切り替えて発振していることから負荷インピーダンスＺが大きい。そのため、図４（ｄ）に示すように直流電流Idcの電流値（≠０Ａ）が小さくなっている。したがって、電圧と電流との積である電力は、焼入れに寄与しない低い電力（例えば数ｋＷ）で出力される。

時刻ｔ₂以降においては、図４（ｃ）に示すように直流電圧Ｖdcが設定出力電圧（目標値）であり、また、図４（ａ）に示すように共振周波数（低周波）に切り替えて発振しているので負荷インピーダンスＺが小さい。そのため、図４（ｄ）に示すように直流電流Idcの電流値が大きくなっている。特に、時刻ｔ₂の直後に電流が急速に立ち上がっている。また、電圧と電流との積である電力は、焼入れを行うことができる大電力（例えば数百ｋＷまたは千ｋＷ以上）で出力されることになる。

図４（ｅ）は出力電流Ihfを示している。この出力電流Ihfは、誘導加熱コイル２に流れる高周波（high frequency）の交流電流を示している。
区間Δ１では、出力電流Ihfは、周波数切替信号のＨレベルに応じて共振周波数（低周波）の周期となっており、直流電流Idcの値が小さいために振幅が小さくなっている。
区間Δ２では、出力電流Ihfは、周波数切替信号のＬレベルに応じて非動作周波数（高周波）の周期となっており、直流電流Idcの値が小さいために振幅が小さくなっている。
時刻ｔ₂以降、出力電流Ihfは、周波数切替信号のＨレベルに応じて共振周波数（低周波）の周期となっており、直流電流Idcの値が大きいために振幅が大きくなっている。

なお、図４に示す例では、直流電圧Ｖdcが、区間Δ２内において、既に焼入れ用出力に対応した出力電圧値に達して一定値（出力電圧値）になっているものとしたが、周波数切替制御部３２５は、直流電圧Ｖdcが焼入れ用出力に対応した電圧に到達したタイミングに、第２制御信号（Ｆ１：ＯＦＦ、Ｆ２：ＯＮ）から第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）に切り替えるようにしてもよい。

［電力供給装置の第１使用例における焼入れの流れ］
本発明の実施形態に係る電力供給装置の第１使用例における焼入れの流れについて図５を参照（適宜図１、図２および図４参照）して説明する。この電力供給方法は、以下のステップＳ１０１〜Ｓ１０８，Ｓ１１１，Ｓ１１２を含む。ここで、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４は、図４における区間Δ１の動作に対応している。ステップＳ１０５，Ｓ１０６は、図４における区間Δ２の動作に対応している。ステップＳ１０７は、図４における、時刻ｔ₂の動作に対応している。

操作者によって、図示しない加熱開始ボタンが押されると、ステップＳ１０１にて、電力供給装置３の制御回路部３０は、処理を開始する。

ステップＳ１０２にて、周波電力比率制御回路３２は、直流電圧Ｖdcの最小出力で共振周波数ｆ０を探す。具体的には、周波数切替制御部３２５は、Ｈレベルの周波数切替信号、すなわち第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）を出力する。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２への制御信号Ｆ１はＯＮ状態となり、スイッチＳＷ３，ＳＷ４への制御信号Ｆ２はＯＦＦ状態となる。位相制御部３２１は、インバータ１２における出力ドライバ１２１のスイッチング周波数を走査して例えば一様に変化させ、これに伴って検出されたインバータ出力電流検出信号と当該位相制御部３２１の出力信号との位相差が０になった時点のスイッチング周波数を共振周波数として検出する。

ステップＳ１０３にて、位相制御部３２１は、共振点が動作範囲内か否かを判別する。位相制御部３２１は、焼入れ用の周波数範囲において共振周波数が見つかったと判定した場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４にて、検出した共振周波数を動作周波数として共振周波数記憶部３２２に記憶する。以下、動作周波数として記憶された共振周波数のことを共振周波数ｆ１と表記する。

ステップＳ１０５にて、周波数切替制御部３２５は、Ｌレベルの周波数切替信号、すなわち第２制御信号（Ｆ１：ＯＦＦ、Ｆ２：ＯＮ）を出力し、非動作周波数ｆ２に切り替える。

ステップＳ１０６にて、周波数切替制御部３２５は、直流電圧Ｖdcを目標値まで上げる。

ステップＳ１０７にて、周波数切替制御部３２５は、Ｈレベルの周波数切替信号、すなわち第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）を出力し、共振周波数ｆ１に切り替える。これにより、インバータ１２から出力される共振周波数ｆ１の交流電力が整合盤５に供給されると、整合盤５、変成盤６、誘導加熱コイル２および図示しないブスバーは、動作周波数にて直列共振状態となり、ワークＷが誘導加熱される。

ステップＳ１０８にて、周波数切替制御部３２５は、加熱時間が終わったか否かを判別する。加熱に必要な時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、判別を繰り返し、一方、加熱に必要な時間が経過したと判定した場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、焼入れを終了する。

前記ステップＳ１０３において、焼入れ用の周波数範囲内で共振周波数ｆ０が見つからなかったと判定した場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、つまり、検出した共振点が焼入れ用の周波数範囲の上限を超えた場合や下限を下回った場合、ステップＳ１１１にて、周波数切替制御部３２５は、加熱不可と判定し、その旨を整合盤５に通知する。

ステップＳ１１２にて、整合盤５において、整合コンデンサＣの容量を変更したり、トランス（整合変圧器２１）の図示しない１次側電圧タップを切り替えて巻数比を変更したりする。変更が完了した場合、整合盤５は、その旨を周波電力比率制御回路３２に通知する。そして、周波電力比率制御回路３２は、ステップＳ２に戻って、処理を繰り返す。

使用例１によれば、電力供給装置３は、超短時間加熱で熱処理したワークＷの変形が少なく（低変形）、ワークＷの中の応力が少ない（残留応力の低減）という、品質の良い焼入れを行うことができる。

［電力供給装置の第２使用例］
使用例２において、被加熱物は、図６（ａ）に示すように例えば１周３６０度に８つの歯先を有した歯車形状のワークＷ２であるものとする。誘導加熱装置１は、回転中のワークＷ２の表面の焼入れを行う。また、表面の焼入れに関しては、ワークＷ２の一部分（例えば歯先の部分）だけを加熱し、それ以外（例えば歯底）は加熱しないことを想定している。

このために、第２使用例では、周波数切替制御部３２５は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を共振周波数発振器３２３の側へ切り替えるための第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）を出力した後に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を非動作周波数発振器３２４の側に切り替えるための第２制御信号（Ｆ１：ＯＦＦ、Ｆ２：ＯＮ）を出力し、第１制御信号と第２制御信号とを交互に繰り返し出力することとした。

周波数切替制御部３２５は、図示しないワークの回転機構の回転周期に関する信号を取得し、このワークＷ２の回転動作に同期させて、第２制御信号と第１制御信号とを交互に出力する制御を行っている。図示する具体例においては、周波数切替制御部３２５は、歯先の個数に合わせて、図６（ａ）に示すように誘導加熱コイル２に対してワークＷ２の歯先が対面する場合と、図６（ｂ）に示すように誘導加熱コイル２に対してワークＷ２の歯底が対面する場合とを１セットとした第１制御信号および第２制御信号の交互出力を８セット行う。つまり、図６（ａ）に示す状態→図６（ｂ）に示す状態→図６（ｃ）に示す状態→図６（ｄ）に示す状態、の順番で表すサイクルを４サイクル分だけ行う。

［電力供給装置の第２使用例における焼入れのタイミングチャート］
本発明の実施形態に係る電力供給装置の第２使用例における焼入れのタイミングチャートについて図７を参照（適宜図１、図２および図４参照）して説明する。図７のタイミングチャートは時刻ｔ₂以前については図４と同様なので、同様の符号を付して説明を省略し、時刻ｔ₂以降の相違点について説明する。

図７の時間軸において、時刻ｔ₃，ｔ₅，…は、焼入れを一旦終了する時刻を示している。時刻ｔ₄，ｔ₆，…は、焼入れを再び開始する時刻を示している。
時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の区間Δ３の動作状態は、図６（ａ）に示す状態に対応している。
時刻ｔ₃から時刻ｔ₄の区間Δ４の動作状態は、図６（ｂ）に示す状態に対応している。
時刻ｔ₄から時刻ｔ₅の区間Δ５の動作状態は、図６（ｃ）に示す状態に対応している。
時刻ｔ₅から時刻ｔ₆の区間Δ６の動作状態は、図６（ｄ）に示す状態に対応している。
区間Δ３の値と区間Δ５の値とは等しく、区間Δ４の値と区間Δ６の値とは等しい。区間Δ３の値と区間Δ４の値とは所望の値に適宜設定することができ、必ずしも等しくする必要はない。一例としては、区間Δ３の値は約５０ｍｓ、区間Δ４の値は約５０ｍｓのように設定することができる。

図７（ａ）に示す周波数切替信号は、区間Δ１，Δ３，Δ５，…においてＨレベルであり、区間Δ２，Δ４，Δ６，…においてＬレベルである。
図７（ｂ）に示すレベル反転信号は、区間Δ２，Δ４，Δ６，…においてＨレベルであり、区間Δ１，Δ３，Δ５，…においてＬレベルである。
図７（ｃ）に示す直流電圧Ｖdcは、時刻ｔ₂以降、周波数切替信号の変化に関わらず、加熱時間が終わるまで一定値となっている。

時刻ｔ₂以降、周波数切替制御部３２５は、区間Δ４，Δ６，…において非動作周波数（高周波）に切り替え、非動作周波数発振器３２４が発振している。よって、これらの区間では負荷インピーダンスＺが大きいため、図７（ｄ）に示す直流電流Idcは、電流値（≠０Ａ）が小さくなっている。直流電流Idcは、時刻ｔ₃，ｔ₅，…の直後に急速に下がり、このとき、電圧と電流との積である電力は、焼入れに寄与しない低い電力で出力される。つまり、時刻ｔ₃，ｔ₅，…では焼入れを一旦終了している。

また、時刻ｔ₂以降、周波数切替制御部３２５は、区間Δ３，Δ５，…において共振周波数（低周波）に切り替え、共振周波数発振器３２３が発振している。よって、これらの区間では負荷インピーダンスＺが小さいため、図７（ｄ）に示す直流電流Idcは、電流値が大きくなっている。直流電流Idcは、時刻ｔ₄，ｔ₆，…の直後に急速に立ち上がり、このとき、電圧と電流との積である電力は、焼入れを行うことができる大電力で出力される。つまり、時刻ｔ₄，ｔ₆，…では焼入れを再び開始している。

図７（ｅ）に示す出力電流Ihfは、時刻ｔ₂以降、区間Δ４，Δ６，…において、周波数切替信号のＬレベルに応じて非動作周波数（高周波）の周期となっており、直流電流Idcの値が小さいため、振幅が小さくなっている。
また、出力電流Ihfは、区間Δ３，Δ５，…において、周波数切替信号のＨレベルに応じて共振周波数（低周波）の周期となっており、直流電流Idcの値が大きいため、振幅が大きくなっている。

［電力供給装置の第２使用例における焼入れの流れ］
本発明の実施形態に係る電力供給装置の第２使用例における焼入れの流れについて図８を参照（適宜図１および図５参照）して説明する。この電力供給方法において、図５と同様の処理には同様の符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。

図８に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０７，Ｓ１１１，Ｓ１１２は、図５に示す電力供給方法と同じである。ステップＳ１０７に続いて、ステップＳ１２１にて、周波数切替制御部３２５は、Ｌレベルの周波数切替信号、すなわち第２制御信号（Ｆ１：ＯＦＦ、Ｆ２：ＯＮ）を出力し、共振周波数ｆ１から非動作周波数ｆ２に切り替える。ここで、ステップＳ１２１は、図７における区間Δ４，Δ６，…の動作に対応している。

ステップＳ１０８Ｂにて、周波数切替制御部３２５は、加熱時間が終わったか否かを判別する。加熱に必要な時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ１０８Ｂ：Ｎｏ）、前記ステップＳ１０７に戻って、第１制御信号（Ｆ１：ＯＮ、Ｆ２：ＯＦＦ）を出力し、非動作周波数ｆ２から共振周波数ｆ１に切り替える。一方、加熱に必要な時間が経過したと判定した場合（ステップＳ１０８Ｂ：Ｙｅｓ）、焼入れを終了する。ここで、ステップＳ１０８Ｂ：Ｎｏのときに行うＳ１０７は、図７における区間Δ５，…の動作に対応している。

使用例２によれば、使用例１と同様の効果を奏すると共に、加えて、ワークが回転している状態でも焼入れを行うことができ、さらに、歯車形状のワークの一部分だけを加熱し、それ以外には低電力で熱影響を与えないような熱処理を行うことができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る電力供給装置および電力供給方法は、焼入れを行うときに、負荷のインピーダンスの大きな状態から小さな状態にスイッチングするので、実質的な焼入れ立ち上がり時間を低減し、品質の良い焼入れを行うことができる。

以上、本発明の電力供給装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、一例として、非動作周波数ｆ２を共振周波数ｆ１の２０倍であるものとして説明したが、これに限定されるものではない。共振の持続のし易さの目安となるＱ値（Quality Factor）が高く負荷曲線のカーブが急峻になるようなワークであれば、例えば、共振周波数ｆ１＝１０ｋＨｚに対して、非動作周波数ｆ２＝２０ｋＨｚ程度にしても構わない。なお、直列共振の場合、Ｑ値はωＬ／Ｒで表すことができる。

前記実施形態では、ステップＳ１１２の処理を整合盤５が自動で行うこととして説明したが、手動で行ってもよい。その場合には、直前のステップＳ１１１にて、周波数切替制御部３２５が加熱不可と判定した際に、その旨を図示しない表示手段や音声アナウンス手段によって、操作者に報知する。これにより、操作者が、整合盤５において、整合コンデンサＣの容量を変更したり、トランス（整合変圧器２１）の図示しない１次側電圧タップを切り替えて巻数比を変更したりする操作を行うことができる。

１ 誘導加熱装置
２ 誘導加熱コイル
３ 電力供給装置
４ 電源装置
５ 整合盤
６ 変成盤
１０ 発振回路部
１１ コンバータ（順変換部）
１２ インバータ（逆変換）
１２１ 出力ドライバ
２１ 整合変圧器
２３ 電流変成器
２５ 直列共振回路
３０ 制御回路部
３１ 順変換制御回路
３３Ａ 電流検出手段
３２ 周波電力比率制御回路
３２１ 位相制御部（位相制御手段）
３２２ 共振周波数記憶部（共振周波数記憶手段）
３２３ 共振周波数発振器（第１発振手段）
３２４ 非動作周波数発振器（第２発振手段）
３２５ 周波数切替制御部（周波数切替制御手段）
３３ 同期回路
Ｃ 整合コンデンサ
Ｃｆ 平滑コンデンサ
ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ（スイッチ手段）
Ｗ，Ｗ２ ワーク（被加熱物）

Claims (6)

1. 順変換部と、逆変換部と、前記順変換部および前記逆変換部を制御する制御回路部とを備え、被加熱物の焼入れ用の予め定められた周波数範囲の値を有する動作周波数にて所定の焼入れ用出力の電力を誘導加熱コイルに供給する電力供給装置であって、
   前記制御回路部は、
   焼入れ前において、被加熱物の焼入れ用出力よりも低い出力であって焼入れに寄与しない予め定められた低出力にて電力を供給して負荷インピーダンスの最小となる共振周波数を検出すると共に、検出した共振周波数を前記動作周波数として記憶し、前記被加熱物の焼入れには寄与しない電流しか流れない負荷インピーダンスに対応した周波数であって前記動作周波数よりも高く予め設定された非動作周波数にて前記順変換部からの出力電圧を、前記低出力に対応した電圧値から前記焼入れ用出力に対応した目標値まで引き上げ、焼入れのための所定のタイミングで前記共振周波数に切り替える
   ことを特徴とする電力供給装置。
2. 前記制御回路部は、
   前記逆変換部における周波数の位相を制御すると共に前記共振周波数を検出する位相制御手段と、
   前記検出された共振周波数を前記焼入れ用出力の動作周波数として記憶する共振周波数記憶手段と、
   前記共振周波数を含む動作周波数で発振する第１発振手段と、
   前記非動作周波数で発振する第２発振手段と、
   前記第１発振手段と前記第２発振手段とのうちの一方を前記逆変換部に電気的に接続するスイッチ手段と、
   前記位相制御手段および前記スイッチ手段を制御することで、前記逆変換部における周波数を、前記動作周波数および前記非動作周波数の一方に切り替える周波数切替制御手段と、を備え、
   前記周波数切替制御手段は、
   焼入れ前において、前記スイッチ手段の接続を前記第１発振手段の側に切り替えさせ、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記低出力に対応した電圧値で出力させた状態で前記位相制御手段により前記共振周波数を検出させ、
   前記共振周波数を検出後かつ焼入れ前において、前記スイッチ手段の接続を前記第２発振手段の側に切り替えさせ、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記焼入れ用出力に対応した目標値にまで引き上げさせ、
   前記出力電圧が前記目標値に達した後において、前記所定のタイミングで、前記スイッチ手段の接続を前記第１発振手段の側へ切り替えさせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記周波数切替制御手段は、
   前記スイッチ手段を前記第１発振手段の側へ切り替えるための第１制御信号を出力した後に、前記スイッチ手段を前記第２発振手段の側に切り替えるための第２制御信号を出力し、前記第１制御信号と前記第２制御信号とを交互に繰り返し出力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力供給装置。
4. 被加熱物の焼入れ用の予め定められた周波数範囲の値を有する動作周波数にて所定の焼入れ用出力の電力を誘導加熱コイルに供給する電力供給装置による電力供給方法であって、
   前記電力供給装置は、順変換部と、逆変換部と、前記順変換部および前記逆変換部を制御する制御回路部とを備えており、
   前記制御回路部により、
   焼入れ前において、被加熱物の焼入れ用出力よりも低い出力であって焼入れに寄与しない予め定められた低出力にて電力を供給して負荷インピーダンスの最小となる共振周波数を検出する第１ステップと、
   検出した共振周波数を動作周波数として記憶する第２ステップと、
   前記被加熱物の焼入れには寄与しない電流しか流れない負荷インピーダンスに対応した周波数であって前記動作周波数よりも高く予め設定された非動作周波数にて前記順変換部からの出力電圧を、前記低出力に対応した電圧値から前記焼入れ用出力に対応した目標値まで引き上げる第３ステップと、
   焼入れのための所定のタイミングで前記共振周波数に切り替える第４ステップと、
   を有することを特徴とする電力供給方法。
5. 前記制御回路部は、前記動作周波数の発振信号と前記非動作周波数の発信信号とのうちの一方を前記逆変換部に出力するスイッチ手段を備えており、
   前記制御回路部により、
   前記第１ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記動作周波数の発振信号の側に切り替え、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記低出力に対応した電圧値で出力させた状態で前記共振周波数を検出し、
   前記第３ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記非動作周波数の発振信号の側に切り替え、かつ前記順変換部からの出力電圧を前記焼入れ用出力に対応した目標値にまで引き上げ、
   前記第４ステップにて、前記スイッチ手段の出力を前記動作周波数の発振信号の側に切り替える
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力供給方法。
6. 前記第４ステップの後に、前記スイッチ手段の出力を前記非動作周波数の発振信号の側に切り替える第５ステップを有し、前記第４ステップと前記第５ステップとを交互に繰り返す
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力供給方法。

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