JPH1041060A - 複式ヘッド誘導加熱システム - Google Patents

複式ヘッド誘導加熱システム

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JPH1041060A
JPH1041060A JP9095427A JP9542797A JPH1041060A JP H1041060 A JPH1041060 A JP H1041060A JP 9095427 A JP9095427 A JP 9095427A JP 9542797 A JP9542797 A JP 9542797A JP H1041060 A JPH1041060 A JP H1041060A
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power
heads
induction
controller
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JP9095427A
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H Weismann Donald
エイチ．ワイズマン ドナルド
Steven J Geissler
ジェイ．ゲイスラー スティーブン
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Illinois Tool Works Inc
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 別々に制御できる複数のヘッドを使用して、
ワークピースを誘導加熱する方法及び装置を提供する。 【解決手段】 ワークピース４０１を誘導加熱する装置
及び方法は、制御装置４０７と、この制御装置から信号
を受け又は信号を送る電力供給装置４０５を含む。誘導
ヘッド４０２が電力供給装置から電力を受ける。誘導ヘ
ッドはワークピースの隣接する部分に並べられ、ワーク
ピースの周囲から距離を置いて配置される。隣接する誘
導ヘッド間の間隔は、隣接する誘導ヘッドの大きさの半
分より小さく、好適には、誘導ヘッド同士はくっつくか
又は実質的にくっついている。各電力供給装置は、ワー
クピースの部分に伝達される電力を制御するためのフィ
ードバックを含む。変形例では、フィードバックは、誘
導ヘッドに供給される電流又は電力、又はワークピース
に供給される電力に依存する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、誘導加熱装置に
関し、特に、複式ヘッドを有する誘導加熱システムに関
する。
【０００２】
【従来の技術】誘導加熱は、磁性金属物体の特定の領域
に熱を発生させる方法として良く知られている。誘導加
熱は、加熱される金属物体の上、又は周囲の特定の位置
の近くに配置された加熱ループ即ちコイルに交流電気信
号を供給することにより行われる。ループ中で変化する
か又は交番に流れる電流は、加熱される金属中に変化す
る磁束を発生する。この磁束により金属中に誘起された
電流は金属を加熱する。誘導加熱は、多岐にわたる目的
に使用され、この目的は、接着剤の硬化、金属の焼入
れ、ロウ付け、半田付け、及び、加熱が必要とされるそ
の他の製造工程を含む。
【０００３】従来の装置は、誘導加熱システムで使用さ
れるように設計された電源供給装置を具備し、それらの
多くは、インバータ電源供給装置を具備する。そのよう
なインバータ電源供給装置は、ワークコイルに供給する
ため、通常キロヘルツ又はメガヘルツの範囲の高周波信
号を発生させる。なされる仕事に関して加熱が最も効率
的となる周波数が通常は存在するため、幾つかの従来装
置は、インバータ電源供給装置は加熱を最適化するよう
に選択された周波数で動作する。加熱強度はまた、発生
した磁束に依存するため、幾つかの従来の誘導加熱装置
は、発生する熱を制御する目的で、加熱コイルに供給さ
れる電流を制御する。従来の、インバータを有する誘導
加熱装置の代表的例は、ミッチェル (Mitchell) に対し
て、1978年5 月30日に発行された米国特許第4,092,509
号である。ミッチェル特許は、誘導加熱装置に電源を供
給するための多くのインバータを開示している。この回
路は、誘導加熱の効率を最大にするため、２０〜５０ｋ
Ｈｚの範囲で動作するように設計されている。ミッチェ
ル特許が、磁束の強度を制御し、それにより誘導加熱に
より発生する熱を制御することを開示する範囲では、２
つのインバータ回路の内の１つを選択するためにスイッ
チが使用される。例えば、図４０で、スイッチ４０４と
４０７は、高出力と低出力を選択するために、それぞ
れ、位置４０４Ａと４０７Ａ又は位置４０４Ｂと４０７
Ｂ間を移動する。
【０００４】インバータ電力供給装置をオン及びオフす
ることにより出力が制御される他のタイプの誘導加熱装
置が、ポーターフィールド（Porterfield)に対して1969
年10月28日に発行された米国特許第3,475,674 号に開示
されている。ポーターフィールド特許により説明された
誘導加熱装置の平均出力電力は、インバータがオンであ
る期間に対するインバータがオフである期間の比に従っ
て変化する。
【０００５】インバータ電力供給装置に有効な他の公知
の誘導加熱装置は、ミッテルマン(Mittelman) に1974年
6月11日に発行された米国特許第3,816,690 号で説明さ
れている。ミッテルマン特許は、可変周波数インバータ
電力供給装置を有する誘導加熱装置を説明している。イ
ンバータの動作周波数は、インバータの出力とワークピ
ースを加熱するために使用されるインダクタンス要素と
の間のエネルギー伝達で最大効率を得るために選択され
ると言われている。ワークピースに適切な熱量を供給す
るために、ミッテルマン特許では、インバータの出力に
伝達されるワット−秒をモニタする。測定されたワット
−秒に応答して、ミッテルマン特許では、選択的にイン
バータをオン及びオフに変える。これにより、誘導加熱
により伝達される平均熱量が制御される。
【０００６】上記、誘導加熱により伝達されるパワーを
制御するための各方法はいずれも、周波数が調整できな
いか、或いは加熱装置によりワークピースに伝達される
熱又は電力を適切に制御できないか、又はその両方がで
きなかった。米国特許第5,343,023 号及び第5,504,309
号（これらは本件特許出願人に付与されている）に開示
された従来技術の誘導加熱装置は、周波数制御及びワー
クピースに伝達される熱又は電力を制御する方法を提供
している。これらの誘導加熱システムは、誘導ヘッド、
電力供給装置及び制御装置を含んでいる。それらは、グ
ループで使用され、そこでは、誘導ヘッド、電力供給装
置及び制御装置の相互間は、一対一の対応関係にある。
【０００７】誘導加熱装置の１つの使用例は、自動車産
業における接着剤の硬化（又は部分的硬化）である。通
常、接着剤はドアのような自動車部品の周囲に供給され
る。ここで、周囲とは、縁の近く、ワークピースの中心
から離れたところ、又は接着剤が供給されるところを意
味する。誘導加熱装置は、接着剤に隣接するドアを加熱
することにより、接着剤を硬化（ある場合は部分的硬
化）するために使用される。硬化過程の間、周囲に置か
れた接着剤と共にドアは、ネスト（nest) に配置され、
そして、誘導ヘッドが、ワークピースの近くに配置され
る。電力がそこで誘導ヘッドに供給され、ドアのヘッド
の近くの部分が加熱され、そして、接着剤が、所望の温
度で硬化又は部分的に硬化される。同様な効果が金属を
ベースとした接着剤の使用においても生じる。これらの
接着剤は、接着剤に加えられ、誘導により直接加熱され
る金属物質を有する。
【０００８】接着剤を適切に硬化するために、ヘッドに
よりワークピースに伝達されるエネルギー量は、適切に
制御されなければならない。このエネルギーは、中で
も、ヘッドに伝達されるエネルギー、ヘッド中の損失、
及びワークピースとヘッドの相対位置（これはカップリ
ングに影響する）に依存する。しかしながら、多くの適
用、特に、例えば自動車に対する適用のように、ヘッド
からワークピースへの距離を正確に制御することが困難
なものにおいては、ヘッドからワークピースへの距離
は、ワークピースの異なる位置で変化する。したがっ
て、加熱されるワークピースのそれぞれ異なる位置に伝
達されるエネルギーを制御すること、即ち均等にエネル
ギーを供給することは困難である。
【０００９】大きなワークピースを誘導加熱するために
使用される少なくとも２つの従来装置がある。１つは、
硬化される部分の形状と通常一致した形状の誘導コイル
を備える。したがって、その部分（自動車ドアのような
もの）の全周囲が加熱され、接着剤はこの周囲に沿って
硬化される。他の装置は、多数の誘導ヘッドを有し、各
々は、周囲の１つの部位、又は選択された位置を硬化
し、そして、それらは、単一の電力源に直列に接続され
る。これら両方の装置は米国特許第4,950,348 号で説明
されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の２つの装置は、重大な欠点を有している。これらは、
（１つのヘッドの各部分、又は複数のヘッドの各々に対
して）単一の電流を供給する。もし、ドア又は他の部分
がネスト内に正確に置かれなければ、ヘッドとワークピ
ース間の距離は周囲の部分に沿って変化することとな
り、ワークピースに伝達される熱（又はエネルギー、又
は電流）はワークピースの回りで均一にならない。した
がって、所望の加熱が得られない。また、「スポット硬
化(spot curing) 」を有する装置は、それが全周囲を硬
化しても、硬化は非均一となるため、所望されないもの
である。
【００１１】したがって、所望の加熱を提供するために
別々に制御できる複数のヘッドを使用した、ワークピー
スを誘導加熱する方法及び装置を提供することが望まし
い。さらに、ワークピースの全周囲を誘導加熱すること
ができるような方法及び装置が好適である。その上、よ
り均一な加熱を得るために、別々に制御可能な周囲を加
熱する複数の誘導ヘッドが好適である。
【００１２】また、誘導加熱分野で使用される従来技術
の制御装置は、故障の適切な警告を行わない。通常、従
来装置は、加熱サイクル中に故障が検出されると、その
加熱サイクルの間点灯する故障表示灯を備えるだけであ
る。それが問題の存在を表示するのに適切であったとし
ても、問題が何であるか、その問題がどのように修正さ
れるかということを示すものではない。
【００１３】したがって、正確な調整ができるように、
故障検出及び故障の記録を提供する誘導加熱システムを
提供することが望ましい。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の１態様における
ワークピースを誘導加熱するためのシステムは、制御装
置と、この制御装置に信号を送り、制御装置から信号を
受ける複数の電力供給装置を具備する。複数の誘導ヘッ
ドは電力供給装置の１つから電力を受ける。本発明の第
２の態様においては、誘導ヘッドは、ワークピースの硬
化される部分に隣接して並べられる。１つの変形例で
は、誘導ヘッドはワークピースの周囲から距離を置いて
配置される。隣接する誘導ヘッド間の間隔は、隣接する
誘導ヘッドのサイズの半分より小さく、好適には、誘導
ヘッド同士は、接するか又は実質的に接する。
【００１５】本発明の第３の態様は、制御装置及び各電
力供給装置が、ワークピースの部分に伝達される電力を
制御するためのフィードバックを含む。その変形例で
は、フィードバックは、誘導ヘッドに供給される電流或
いは電力、即ちワークピースに供給される電力に基づ
く。本発明の第４の態様は、ワークピースを誘導加熱す
る方法である。この方法は、ワークピースの各部分に近
接して、複数の誘導ヘッドを並べ、各誘導ヘッドに電力
を供給することを含む。そこでは、隣接する誘導ヘッド
間の間隔は、隣接する誘導ヘッドのサイズの半分以下で
ある。他の実施形態では、複数の誘導ヘッドは１以上の
電力供給装置に接続され、各電力供給装置が制御され
る。
【００１６】本発明の第５の態様は、硬化されるワーク
ピースの周囲の各部分に近接して誘導ヘッドを並べ、そ
して、ワークピースの周囲から距離を置いて配置するス
テップを含む上記の方法を含む。フィードバックは、本
発明の他の態様における各誘導ヘッドを制御するために
使用される。他の実施形態では、フィードバックは、ヘ
ッドへの電流或いは電力、又はワークピースへの電力に
依存する。
【００１７】本発明の他の態様は、連続的に区分された
周囲の誘導加熱システムである。このシステムは、フィ
ードバックを含み、そしてワークピースの全周囲をカバ
ーすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の少なくとも１つの実施形
態について詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明
又は図に示された要素の構成及び配置の具体例に限定さ
れないということが理解されるべきである。本発明は、
他の実施形態を採ることが可能で、種々の方法で実施で
き、好適な実施形態とは、多くの実施形態の１つにすぎ
ないということが理解されるべきである。また、ここで
使用される表現及び用語は、説明のためのものであっ
て、限定のためと考えるべきではない。
【００１９】本発明は、１例として、金属片を他の物体
に接着するための接着剤の硬化に使用するような誘導加
熱装置及び誘導加熱システムに関する。このシステム
は、ワークピースに供給するエネルギーの制御を行う複
式ヘッド及び電力供給装置を含み、そして、好適には故
障の検出及び記録システムを含む。概して、本発明によ
る複数の電力供給装置と共にある複式誘導ヘッド及び単
一の制御装置の使用は、フィードバック機構及び制御装
置を広範囲に変形して行うことができる。しかしなが
ら、以下では、制御装置及び電力回路の１実施形態につ
いて十分に説明する。説明される特定の制御装置及びフ
ィードバックシステムは限定して考えられるべきではな
い。
【００２０】図１を参照すると、誘導加熱装置１００
は、電力インバータ１０２、出力インバータ１０４、誘
導ヘッド１０６、制御装置１０８、結合器１１０及び１
１２を含む。さらに、図１には、誘導加熱装置１００が
加熱するワークピース１１６と、直流電力源１１４が示
されている。動作については、電力インバータ１０２は
直流電力源１１４から直流電力を受ける。これに代え
て、電力源が交流電力源であって、電力インバータ１０
２が整流された交流電力の供給を受けるように整流器が
追加されても良い。電力インバータ１０２は、そこで、
直流電力供給信号を逆変換し、そして、逆変換された信
号を制御するため、逆変換された信号がパルス幅変調
（インバータ信号の位相制御と呼ぶこともできる。）さ
れ、それによりフィードバック信号に速やかに応答する
に十分に高い（しかし、好適には、インバータ要素にス
トレスを与える程には早くない）第１の周波数の交流信
号を供給する。結合器１１０は、交流信号電力インバー
タ１０２のパルス幅又は位相変調に依存する強度を有す
る第２の直流信号を供給するために、交流信号を整流す
る。
【００２１】結合器１１０の出力の第２の直流信号は、
出力インバータ１０４に供給される。出力インバータ１
０４は、直流信号を、使用される誘導ヘッドに与えられ
る加熱を最大限にするように選択された周波数に逆変換
する。この周波数は、製作所で設定され、ユーザにより
調整され、又は、出力回路のＬＣ時定数（誘導コイル及
びキャパシタを含む）に依存する。交流信号の強度は、
直流入力信号の強度に依存し、従って、電力インバータ
１０２のパルス幅変調に応答する。交流信号は、結合器
１１２により伝達され、誘導ヘッド１０６に供給され
る。
【００２２】誘導ヘッド１０６に流れる交流電流は、ワ
ークピース１１６中に電流を誘起し、従って、誘導ヘッ
ド１０６に近接した位置において、ワークピース１１６
を加熱する。ワークピース１１６に発生する熱量は、ワ
ークピース中に誘起される磁束に依存する。磁束は、出
力インバータ１０４により供給される信号の強度に対応
し、従って更に、電力インバータ１０２の位相変調に対
応する。制御装置１０８は、電力インバータ１０２のパ
ルス幅変調、及び出力インバータ１０４の出力の動作周
波数を制御するために設けられる。
【００２３】図２には、電力インバータ１０２が、３相
整流器２０２と共に示されている。電力インバータ１０
２は複数のＭＯＳＦＥＴ Ｑ１−Ｑ４、複数の容量Ｃ１
−Ｃ１０、複数のダイオードＤ１−Ｄ８、複数の抵抗Ｒ
１−Ｒ７、及び１つのインダクタＬ１を含むものとして
図示されている。結合器１１０の一部である変圧器Ｔ１
が更に図示されている。動作において、３相整流器２０
２は、好適には４６０Ｖの３相交流信号を整流して得た
１２００Ｖで、１００Ａ以上の電流を供給する。
【００２４】一般に、最初に変圧器Ｔ１の１次側をある
方向に流れ、次に変圧器Ｔ１の１次側を反対方向に流れ
る電流を供給するための、２つの相互に排他的な電流経
路がある。これらの電流経路は、第１に、３相整流器の
正の出力側から、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、容量Ｃ５、変圧
器Ｔ１の１次側、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を通して、整流器
の負出力に戻る経路、及び、第２に、容量Ｃ５から、Ｍ
ＯＳＦＥＴ Ｑ２、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３、変圧器Ｔ１の
１次側を通して、容量Ｃ５に戻る経路である。これらの
経路は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１及びＱ４をオンとし、ＭＯ
ＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ３をオフに、又はその逆にＭＯＳ
ＦＥＴ Ｑ２及びＱ３をオンに、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１及
びＱ４をオフにすることにより選択される。
【００２５】動作において、容量Ｃ５は、３２５Ｖ、即
ち６５０Ｖの半分に充電される。したがって、ＭＯＳＦ
ＥＴ Ｑ１及びＱ４がオンとなると、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ
１及びＱ４の電圧降下は無視でき、約３２５Ｖ（６５０
Ｖ電源から容量Ｃ５間の３２５Ｖがマイナスされた値）
が変圧器Ｔ１の１次側に供給され、１次側の上側端子が
下側端子に対して正となる。
【００２６】ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２，Ｑ３がオンで、ＭＯ
ＳＦＥＴ Ｑ１，Ｑ４がオフとなると、約３２５Ｖが変
圧器Ｔ１の１次側間に反対方向に印加される。容量Ｃ６
−Ｃ９は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２，Ｑ３間の電圧を３２５
Ｖ即ち整流された入力の半分に固定するために設けられ
る。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２，Ｑ３がオンのとき、ＭＯＳＦ
ＥＴ Ｑ２と容量Ｃ５間の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ
２，Ｑ３と容量Ｃ６−Ｃ９に共通のノードでの電圧、即
ち約３２５Ｖに固定される。８μＦの高電流ポリプロピ
レンキャパシタである容量Ｃ５間の電圧は、３２５Ｖで
あり、容量Ｃ５が大容量であることにより、急激には変
化しない。したがって、変圧器Ｔ１の１次側の上端に印
加される電圧は０Ｖである。また、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３
及び容量Ｃ６−Ｃ９を通して、３２５Ｖが変圧器Ｔ１の
１次側下端に印加される。したがって、ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２，Ｑ３をオンにすると変圧器Ｔ１の１次側に３２５
Ｖが印加されるが、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１，Ｑ４をオンす
ることにより反対方向の３２５Ｖが印加される。
【００２７】変圧器Ｔ１の１次側に印加される信号をパ
ルス幅変調又は位相制御するために、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ
２及びＱ３は、好適には約５０ｋＨｚの一定周波数でオ
ンオフをする。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１とＱ２は、１８０°
の位相ズレがあり、各々は、５０％のデューティーサイ
クルを有する。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３とＱ４も又、５０％
のデューティーサイクルを有し、そして１８０°の位相
ズレがある。また、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３とＱ４は、それ
ぞれＭＯＳＦＥＴ Ｑ２とＱ１に従属し、それぞれＭＯ
ＳＦＥＴ Ｑ１とＱ２がオンの時間に対応して、０から
１８０°位相がずれてオンとされる。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ
１，Ｑ４の両方がオンであるか、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２，
Ｑ３の両方がオンであるときにのみ、変圧器Ｔ１の１次
側にパルスが印加されることから、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１
に対するＭＯＳＦＥＴ Ｑ４の位相、及びＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２に対するＭＯＳＦＥＴ Ｑ３の位相が、変圧器Ｔ
１の１次側に印加される信号のパルス幅を決定する。Ｍ
ＯＳＦＥＴ Ｑ３とＱ４が互いに１８０°の位相ズレが
あることから、それぞれは、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ
１に対して、同一量だけ位相が各々ずれる。
【００２８】例えば、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３が、ＭＯＳＦ
ＥＴ Ｑ２に関して（位相で）０°のずれであれば、Ｍ
ＯＳＦＥＴ Ｑ３は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２がオンである
全半サイクルの間、オンである。そして、完全に半サイ
クル分のパルスが変圧器Ｔ１の１次側に印加される。ま
た、もし、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３がＭＯＳＦＥＴ Ｑ２と
同相であれば、そこで、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４もＭＯＳＦ
ＥＴ Ｑ１と同相とされ、そして、他の全半サイクルの
間パルスが変圧器Ｔ１の１次側に供給される。反対に、
ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３がＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に対して１８
０°位相がズレているときは、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３は、
ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２がオンである全半サイクルの間、オ
フとされ、そして、パルスは変圧器Ｔ１の１次側に印加
されない。同様に、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がＭＯＳＦＥＴ
Ｑ１に関して１８０°位相ズレがあれば、他の半サイ
クルでもパルスは供給されない。
【００２９】一般に、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３がＭＯＳＦＥ
Ｔ Ｑ２に関して位相がズレ、同量だけＭＯＳＦＥＴ
Ｑ４がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に関して位相がずれているこ
とにより、着実な動作で、反対極性のパルスが同一幅と
なる。したがって、変圧器Ｔ１の１次側に印加される３
２５Ｖのパルスの幅は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に対するＭ
ＯＳＦＥＴ Ｑ４の位相と、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に対す
るＭＯＳＦＥＴ Ｑ３の位相に依存する。
【００３０】したがって、電力インバータ１０２の全電
流出力を制御するため、制御装置１０８は、ＭＯＳＦＥ
Ｔ Ｑ１−Ｑ４のゲートに印加され、そして、ＭＯＳＦ
ＥＴＱ２及びＱ１に対してＭＯＳＦＥＴ Ｑ３及びＱ４
の位相を制御する。なお、制御装置１０８は、通常のパ
ルス幅変調器を含むことができる。これに代えて、制御
装置１０８は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１及びＱ２の制御を行
うために、ハリスセミコンダクタ社(Harris Semiconduc
tor)から入手可能なＣＭＯＳ 4098 デュアルタイマのよ
うな複数のタイマ、及びフリップフロップを含んでも良
い。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ１に従属するＭＯＳＦＥ
Ｔ Ｑ３及びＱ４の制御を行うために、そのフリップフ
ロップに接続された出力部を有し、傾斜波発生器に接続
された入力部を有する比較器と、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１／
Ｑ２及びＱ４／Ｑ３間の所望の位相差に依存する強度を
有する信号が使用されても良い。したがって、要素を保
護するため、高熱がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１−Ｑ４に発生し
ないことを保証することの補助として、全部のＭＯＳＦ
ＥＴが５０％のデューティーサイクルを有する状態の動
作であっても、パルスは狭くても広くても良い。例え
ば、Ｑ１又はＱ３がオンとなる前にＱ２又はＱ４が完全
にオフとなるように、Ｑ１又はＱ３をオンすることが、
それぞれＱ２又はＱ４のオフよりわずかに遅延する不感
帯を設けることが望ましい。
【００３１】容量Ｃ１−Ｃ４は、小型ポリプロピレン緩
衝容量であり、ダイオードＤ１−Ｄ６及び抵抗Ｒ５及び
Ｒ６は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１−Ｑ４を保護するために設
けられている。容量Ｃ６及びＣ８は、典型的には１７０
０μＦの大型電解キャパシタで、３相整流器２０２によ
り供給された電圧を、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ３の共
通ノードにおいて供給電圧の半分に分割する。容量Ｃ７
及びＣ９は、８μＦの高電流ポリプロピレンキャパシタ
で、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ３の共通ノードに表れる
電圧を滑らかにするために設けられる。ダイオードＤ７
及びＤ８並びに、容量Ｃ１０と組み合わされた抵抗Ｒ７
及びインダクタＬ１は、ＭＯＳＦＥＴＱ２及びＱ３に共
通なノードのアンバランスを防ぐために設けられる。特
に、容量Ｃ６及びＣ７が、容量Ｃ８及びＣ９のそれと異
なる電圧となったとき、インダクタＬ１は、流出インダ
クタとして動作し、そして、容量Ｃ６及びＣ７の電圧を
容量Ｃ８及びＣ９の電圧と等しくさせる。抵抗Ｒ１−Ｒ
４は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１−Ｑ４のゲートを保護する。
【００３２】図３を参照すると、結合器１１０、出力イ
ンバータ１０４、結合器１１２、及び誘導ヘッド１０６
が示されている。結合器１１０は変圧器Ｔ１、複数のダ
イオードＤ９−Ｄ１２、電圧調整器ＶＲ１、及び容量Ｃ
１１を含む。変圧器Ｔ１の１次側は電力インバータ１０
２の出力に接続される。上述のように、変圧器Ｔ１の１
次側は、ここでは例えば約５０ｋＨｚの所望の周波数
で、パルス幅変調された交流信号を受ける。パルスの幅
は、上述したような位相制御装置１０８により決定され
る。変圧器Ｔ１の２次側は、ダイオードＤ９−Ｄ１２に
より構成され、交流信号を整流するダイオードブリッジ
に接続される。整流された信号は、容量Ｃ１１に印加さ
れて、そこに電圧が表れる。電圧調整器ＶＲ１は、容量
Ｃ１１に表れる電圧が、インバータの要素を保護するた
めに選択された所定の限界より大きくならないように保
証するために設けられる。容量Ｃ１１に表れる電圧は、
変圧器Ｔ１の２次側に誘起される全電流に直接関係し、
電力インバータ１０２により発生したパルスの幅に対応
する。容量Ｃ１１の直流電圧は、出力インバータ１０４
への直流入力として供給される。
【００３３】出力インバータ１０４は、予め設定された
周波数又はユーザが調整した周波数、例えば、１０ｋＨ
ｚから１ＭＨｚの間、好ましくは、２５ｋＨｚから５０
ｋＨｚの間の周波数で動作する通常のインバータであっ
て良い。周波数範囲は、誘導加熱装置の使用形態に応じ
て高くも低くもできる。出力インバータ１０４は、トラ
ンジスタＱ１０−Ｑ１３及び容量Ｃ１２−Ｃ１７を含
む。トランジスタＱ１０及びＱ１２は一致してオン及び
オフをし、トランジスタＱ１１及びＱ１４は一致してオ
ン及びオフをする。さらに、トランジスタＱ１０及びＱ
１２がオンのときは、必ずトランジスタＱ１１及びＱ１
３はオフとなる。一対のトランジスタがオンとなる前
に、他の対のトランジスタがオフとなることを許容する
不感帯を設けることが必要となる。制御装置１０８は、
トランジスタＱ１０−Ｑ１３のゲートにオン及びオフ信
号を適切に供給する。容量Ｃ１２及びＣ１５−Ｃ１７
は、トランジスタＱ１０−Ｑ１３がスイッチオフすると
きのスイッチングロスを除去するために設けられる。容
量Ｃ１３及びＣ１４は、出力変圧器Ｔ３を通る直流電流
をブロックし、変圧器Ｔ３が飽和することを防止するた
めに設けられる。
【００３４】出力インバータ１０４の出力は、結合器１
１２に供給される。結合器１１２は、６０ターンの２次
巻線と１ターンの１次側を備えたフェライト製のトロイ
ダルコアである電流フィードバック装置３０１を含む。
１ターンの１次側は、変圧器Ｔ３の１次側に接続され
る。電流フィードバック装置３０１の出力は、通常の方
法で、電流インバータ１０２のパルス幅を調整する制御
装置１０８に供給される。電流フィードバックに加え
て、制御装置１０８に電圧フィードバックを供給するこ
とができる。制御装置１０８はそこで、誘導ヘッド１０
６に伝達される電力（電圧×電流）を決定する。
【００３５】制御装置１０８は、更に、誘導ヘッド１０
６の抵抗と電流の２乗の積である、誘導ヘッド中の抵抗
による誘導ヘッド１０６で失われる熱を決定する。伝達
された電力と誘導ヘッドで失われた電力の差がワークピ
ース１１６に伝達される電力に等しい。乗算は、バー・
ブラウン社(Burr Brown)から得られるMPY634 KP チップ
のような、良く知られた乗算チップを使用することによ
り実行することができ、引き算は、演算増幅器(op amp)
を用いて実行することができる。出力インバータ１０４
の出力は、同軸変圧器であることが好適な変圧器Ｔ３の
１次巻線を通して供給され、１例では、誘導ヘッド１０
６に印加される２ターンのループである変圧器Ｔ３の２
次巻線に電力を誘起する。したがって、出力インバータ
１０４が動作周波数で変圧器Ｔ３の１次側を通して電流
を駆動するとき、同一周波数の電流が、誘導ヘッド１０
６に誘起され、それによりワークピースを加熱する。
【００３６】本発明は、既に説明した特定のフィードバ
ック機構以外のフィードバック機構を用いても同様に良
好に動作する。例えば、ワークピース上での温度の監視
を行うことができる。これに代えて、誘導ヘッド、電力
供給装置、又は従来例で説明されたフィードバックシス
テムの他の電気的特性（電流、電圧、電力、エネルギー
の種々の組み合わせ）が使用できる。したがって、本発
明は、正確な機構が本発明にとって重要でないことによ
り、実質的にいかなるフィードバック機構と共に使用で
きると考えられる。
【００３７】図４を参照すると、本発明に従って作成さ
れた複式ヘッド誘導加熱システムが示されている。図示
の典型的なシステムが、複数の誘導ヘッド４０３Ａ−４
０３Ｈと共に自動車ドア４０１の周囲、又は周囲の部
分、を硬化するために使用される。誘導ヘッド４０３Ａ
−４０３Ｈは、ワークピース（本例ではドア４０１）の
周囲に並ぶように形成される。各誘導ヘッド４０３Ａ−
４０３Ｈは、整合変圧器４０２Ａ−４０２Ｈに接続され
る。
【００３８】各整合変圧器４０２Ａ−４０２Ｈは、電力
源４０５Ａ−４０５Ｈに接続される。各電力源４０５Ａ
−４０５Ｈは、入力電力を受け、整合変圧器及びヘッド
に適切な交流信号を供給する回路を含み、誘導ヘッドに
信号を結合する。例えば、好適な実施形態においては、
各電力源４０５Ａ−４０５Ｈは、図３に示したような、
電力インバータ、結合器、及び出力インバータを含む。
しかしながら、本発明は、上記に示された好適な実施形
態に限定されると考えるべきではなく、どのような適当
な誘導加熱電力源でも十分である。
【００３９】好適な実施形態では、各電力源４０５Ａ−
４０５Ｈは制御装置４０７に接続される。制御装置４０
７は、ミニコンピュータ又はマイクロプロセッサを含
み、そして、各電力源４０５Ａ−４０５Ｈに対する時間
及び電力のパラメータをプログラムするために使用され
る。好適な実施形態では、制御装置４０７は、各誘導ヘ
ッド４０３Ａ−４０３Ｈが適当な時間の間使用され、そ
して、適当な電力量を受けることを保証するために使用
される。加えて、回路図に示すように、信号は、フィー
ドバックを供給するため、上述のように、整合変圧器か
ら電力源に供給される。
【００４０】したがって、図１−３を参照して説明した
ように、フィードバックシステムを使用して、各電力源
は、整合変圧器及び対応する誘導ヘッドに伝達される電
力を個々に調整でき、それにより、適切な加熱量がワー
クピース４０１に伝達される。例えば、フィードバック
は、誘導ヘッド４０３Ａ及び整合変圧器４０２Ａから電
力源４０５Ａに供給される。所望の電力及びフィードバ
ック信号に従って、電力源４０５Ａは、適切なエネルギ
ー量がワークピース４０１に伝達されるように、誘導ヘ
ッド４０３Ａに伝達する電流を調整する。例えば、誘導
ヘッド４０３Ｂが正確に所望の位置に置かれなければ、
そこでは、電流源４０５Ｂは、不正確な配置を補償する
ため、より多くの電流が誘導ヘッド４０３Ａに伝達され
るように、整合変圧器４０２Ｂに伝達される電流を増加
する。所望の加熱を表示する信号は、制御装置４０７に
よって対応する電流源４０５Ａ−４０５Ｈに供給され
る。１つの変形例では、制御装置は電流源と一体化され
る。さらには、複数の電流源は、ネット状に接続され
る。
【００４１】以上説明したように、本発明は、ワークピ
ースの全周囲を硬化することができるが、ワークピース
に伝達されるエネルギーが、ワークピースの各部分に対
してより正確に制御されるように、硬化を部分的にする
こともできる。この新規な装置は、連続した部分の周囲
に対する誘導加熱システムとして適用される。この部分
は、ヘッド自身より小さい誘導ヘッド間の間隔は別とし
て、通常、ワークピースの全周囲（即ち、その連続部
分）をカバーする。好適な実施形態では、隣接するヘッ
ドは相互に接触又はほぼ接触する。他の実施形態では、
隣接したヘッドは重ね合わされる。
【００４２】当業者であれば、多くのフィードバックシ
ステムが採用され得るということを理解できるであろ
う。さらに、オープンループシステムが採用できる。い
ずれの場合においても、部分周囲硬化システムが有する
利点は、ワークピースの個々の部分の制御を許容すると
いう利点を得る。フィードバックシステムが使用される
としても、どのような形式のフィードバックが使用され
るかは重要ではない。また、電力源が誘導ヘッドに接続
される（好適には整合変圧器を通すが、これは必須のこ
とではない）限りは、電力源を特定の実施形態とするこ
とは重要でない。
【００４３】他の装置例は、ワークピースの一部のみを
カバーするヘッドを有すること、又は各ヘッド及び電力
供給装置に対する専用の制御装置を有することを含む。
この装置例では、複数のヘッドは、ワークピースの周囲
の全部又は一部をカバーする部分を形成することができ
る。他の装置は、ワークピースの周囲の一部又は全部を
カバーする複数のヘッドを使用し、そして、複数のヘッ
ドは単一の電力供給装置に接続される。
【００４４】本発明の他の新規な態様は、制御装置４０
７の使用である。１つの実施形態では、制御装置４０７
は、例えば、8051マイクロプロセッサを有するコンピユ
ータのマイクロプロセッサである。単一のヘッドの実施
形態では、806196KBのマイクロプロセッサが使用され
る。マイクロプロセッサは、出力として、電力源４０３
Ａ−４０３Ｈへ、所望の加熱時間及び誘導加熱処理に使
用される電力を表示する情報を与える。制御装置４０７
は、好適な実施形態では、誘導加熱処理中の故障状態の
記録を可能とするプログラムを含む。また、制御装置４
０７は、付加的に、補助装置をオン又はオフさせるよう
な、入力／出力制御を供給する。例えば、加熱サイクル
の最後において、ワークピースを冷却するため、冷却ポ
ンプがターンオンされ、又は、加熱が開始される前に、
クランプが動作させられる。この入力／出力制御は、特
に、非自動の適用形態に対して有効である。
【００４５】制御装置４０７はまた、リアルタイムで処
理のパラメータを表示する。例えば、ワークピースに伝
達される電圧、電流、周波数、及び電力がリアルタイム
で表示される。これは、システムの調整の手助けにな
り、特に、ユーザは、リアルタイムでパラメータを観察
することにより、容量の追加、周波数の上昇、又は電流
出力の調整をすることができる。
【００４６】制御装置４０７は、処理中にいつ故障が発
生したかを検出し、そして、（電流、周波数、電圧、電
力などのような）動作パラメータを記録する。加熱サイ
クルが完了すると、制御装置４０７は、ユーザに、故障
の原因となり、故障を修正するための根拠となる記録さ
れたデータをアクセスすることを許容する。また、故障
表示灯が、故障が発生したことをユーザに認識させるた
めに、（故障が発生した時、又は加熱サイクルの終了時
の両方に）点灯される。
【００４７】多くの異なるタイプの故障が検出でき、好
適な実施形態では、故障は、周波数、電力消費量、母線
電圧、出力電流、又はライン電圧が通常値から変化する
か、又は半導体が故障したときに発生する。例えば、周
波数が約６５ｋＨｚより大きくなったとき、オーバー周
波数故障が発生する。この状態は、ヘッドインピーダン
スと整合させるために使用される容量が十分な容量でな
い（又は、ヘッドが短絡した）ことを示唆する。マニュ
アルは、故障が発生したとき、より大きな容量を追加す
るような、適切な修正作業を示唆することができる。他
の実施形態では、故障修正は、より自動的にすることが
できる。例えば、制御装置４０７は、ルックアップテー
ブル中に要求される修正動作を有し、そして、故障と修
正動作の両方をユーザに表示する。他の実施形態は、自
動的に容量を適切な構成に再結合させる信号を送信する
制御装置４０７を有するものである。この種の自動動作
は、他の故障に対しても同様にとることができる。
【００４８】他の検出される故障は、アンダー周波数故
障である。周波数が約３ｋＨｚ以下に降下すると、過大
な容量が使用されたか、又はコイル開放（コイル回路が
オープンである）状態があるかのどちらかであると考え
られる。制御装置４０７はまた、ワークピースにより消
費された電力を監視する。電力消費が要求よりも少なけ
れば（好適な実施形態では約２％まで）、故障が記録さ
れる。
【００４９】この故障は、ワークピースがヘッドに（又
はその逆に）対して不適切な配置がされたことを示唆す
る。制御装置４０７はまた、入力母線で、過大な電圧の
アンバランスが発生したとき故障を検出する。多くの電
力供給装置は、４６０Ｖの入力を受けて、そして、それ
を２つの２３０Ｖに分割する。しかしながら、部分的故
障の場合には、母線はアンバランスとなる。したがっ
て、制御装置４０７は、母線アンバランスを監視し、そ
して、母線がアンバランスになったとき（好適な実施形
態では、１つの母線が約４２０Ｖを超えたとき）、故障
を表示する。
【００５０】さらに、好適な実施形態では、制御装置４
０７は、入力ラインの電圧を監視する。ライン電圧が通
常のライン電圧から約±２０％変化するならば、制御装
置４０７は、故障が発生したことを表示し、そして、動
作パラメータを記録する。制御装置４０７はまた、半導
体の故障を監視する。特に、制御装置４０７は、１次側
の１００Ａより大きいような高パルス電流を探索する。
このような高パルス電流は、インバータ中のＩＧＢＴ即
ち他のスイッチ故障を示唆し、そして、制御装置４０７
は故障を表示し、そのデータを記録する。
【００５１】図５は、故障データを監視及び記録する制
御装置４０７により使用されるプログラムの１実施形態
を示すフローチャートである。このフローチャートは、
ステップ５０１で開始され、そして、ステップ５０２
で、故障があるか否かが判定される。監視される故障
は、プログラマが所望するどの故障であっても良いが、
好適な実施形態では、既に説明した故障である。もし、
故障がなければ、プログラムは、故障があるまでサイク
ルを繰り返す。故障が存在すると、ステップ５０２でタ
イマがスタートする。
【００５２】タイマのスタート後、ステップ５０３で、
所定時間が経過したか否かの判定がされる。好適な実施
形態では、前記所定時間は、１／４秒である。換言する
と、故障は、データが記録され故障が表示されるまでに
故障が存在するように、少なくとも２５０ミリ秒の間存
在しなければならない。時間が経過してなければ、ステ
ップ５０４で時間がインクリメントされ、ステップ５０
５で、故障が解消したか否かが判定される。故障が解消
していれば、再びステップ５０１で、故障のチェックが
再スタートする。故障が解消してなければ、ステップ５
０３で、故障が存在する時間の長さが再判定される。し
たがって、プログラムは、故障が存在するか否かの監
視、及び故障が解消するか又は２５０ミリ秒が経過する
までの時間のチェックを通してループを描く。
【００５３】２５０ミリ秒が経過すると、ステップ５０
４で、故障が認識される。これは、制御装置の全面パネ
ルにある表示灯を点灯することを含むことができる。故
障が認識された後、ステップ５０５で、データが記録さ
れる。好適な実施形態では、電圧、電流、周波数、及び
電力が記録される。しかしながら、他の実施形態では、
他の動作パラメータが記録されても良い。記録されたデ
ータは、プリンタ又は他の出力装置により、スクリーン
上でユーザに提供される。複数（例えば５）の故障のデ
ータが記録され、ユーザに提供される。
【００５４】データが記録された後、ステップ５０７
で、故障が解消したか否かが判定される。ステップ５０
７で、故障が解消していなければ、ステップ５０８で、
時間がインクリメントされる。（ステップ５０７で判定
される間）故障が解消するまで時間をインクリメントす
ることが継続される。したがって、故障が存在する時間
長が判定される。ステップ５０９で、故障の時間が記録
され、プログラムが終了する。好適な実施形態では、プ
ログラムは、連続ループとして動作することができ、こ
の場合、故障が解消し、そしてステップ５０９で時間が
記録された後は、このプログラムが新たに開始される。
【００５５】したがって、制御装置４０７及び図５のフ
ローチャートに関連して説明したように、本発明は、故
障が発生した場合、故障情報を記録するための誘導加熱
処理の状態を監視するための方法及び装置が提供される
ことが理解できよう。特許請求の範囲に記載された本質
から離れることなしに、ここで説明した要素を変更する
ような他の変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導加熱装置のブロック図である。
【図２】図１における電力インバータの回路図である。
【図３】図１における周波数インバータの回路図であ
る。
【図４】本発明により構成される複式ヘッド誘導加熱装
置のブロック図である。
【図５】本発明における制御装置の動作を示すフローチ
ャートである。
【符号の説明】
１００…誘導加熱装置 １０２…電力インバータ １０４…周波数インバータ １０６，４０３…誘導ヘッド １０８，４０７…制御装置 １１０，１１２…結合器 １１４…直流電力源 １１６，４０１…ワークピース ４０２…整合変圧器 ４０５…電力源

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 制御装置と、 この制御装置から信号を受け、そして制御装置に信号を
    送るように構成された複数の電力供給装置と、 各々が、前記複数の電力供給装置の１つから電力を受け
    るように構成された、複数の誘導ヘッドとを具備するこ
    とを特徴とするワークピースを誘導加熱するシステム。
  2. 【請求項２】 複数の誘導ヘッドが、前記ワークピース
    の複数の隣接する部分に並べて構成される請求項１記載
    のシステム。
  3. 【請求項３】 前記複数の誘導ヘッドが、前記ワークピ
    ースの周囲の複数の隣接する部分に並べられ、前記ワー
    クピースの周囲から距離を置いて配置される請求項１記
    載のシステム。
  4. 【請求項４】 隣接する誘導ヘッド間の間隔が、隣接す
    る誘導ヘッドの大きさの半分以下である請求項１記載の
    システム。
  5. 【請求項５】 前記制御装置及び前記複数の電力供給装
    置が、前記ワークピースの複数の部分の１つに伝達され
    る電力を制御するためのフィードバック手段を含む請求
    項１記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記フィードバック手段が、前記複数の
    誘導ヘッドの１つに供給される電流の強度に応答する請
    求項５記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記フィードバック手段が、供給された
    前記電力に応答する請求項５記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記複数の誘導ヘッドの各々が、他の誘
    導ヘッドとは別に制御される請求項１記載のシステム。
JP9095427A 1996-04-22 1997-04-14 複式ヘッド誘導加熱システム Pending JPH1041060A (ja)

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