特開 2024-143661 二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024143661

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/04 20060101AFI20241003BHJP

   H05B 6/06 20060101ALI20241003BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H05B6/04 321

H05B6/06 366

H02M7/48 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023056441

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】390029089

【氏名又は名称】高周波熱錬株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【氏名又は名称】内田 敬人

(74)【代理人】

【識別番号】100197538

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 功

(74)【代理人】

【識別番号】100176751

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 耕平

(72)【発明者】

【氏名】杉本 真人

(72)【発明者】

【氏名】小野 徹也

(72)【発明者】

【氏名】川幡 真志

【テーマコード（参考）】

3K059

5H770

【Ｆターム（参考）】

3K059AA02

3K059AA05

3K059AA09

3K059AC07

3K059AD28

5H770BA09

5H770CA02

5H770DA01

5H770DA14

5H770DA22

5H770DA30

5H770JA16Y

5H770LA01X

5H770LB08

(57)【要約】

【課題】信頼性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供する。
【解決手段】二周波電源装置１は、第１周波数の第１交流電流Ｉ_１２を出力する第１電源部１０と、第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流Ｉ_２２を出力する第２電源部２０と、第１マッチングトランス６１を有し、第１交流電流Ｉ_１２が入力されたときに第１交流電流Ｉ_１２を出力可能な第１整合器６０と、第２マッチングトランス７１を有し、第２交流電流Ｉ_２２が入力されたときに第２交流電流Ｉ_２２を出力可能な第２整合器７０と、第１電源部１０を第２電源部２０に接続する信号線５０と、を備える。第１電源部１０が停止するときに、第１電源部１０は信号線５０を介して第２電源部２０に停止信号を出力し、第２電源部２０を停止させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１周波数の第１交流電流を出力する第１電源部と、
前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流を出力する第２電源部と、
第１マッチングトランスを有し、前記第１交流電流が入力されたときに前記第１交流電流を出力可能な第１整合器と、
第２マッチングトランスを有し、前記第２交流電流が入力されたときに前記第２交流電流を出力可能な第２整合器と、
前記第１電源部を前記第２電源部に接続する信号線と、
を備え、
前記第１電源部が停止するときに、前記第１電源部は前記信号線を介して前記第２電源部に停止信号を出力し、前記第２電源部を停止させる二周波電源装置。

【請求項2】

前記第１電源部は、
交流電流を第１直流電流に変換して高電位側電位及び低電位側電位を出力する第１コンバータと、
前記第１直流電流を前記第１交流電流に変換する第１インバータと、
前記信号線に接続され、前記第１コンバータ及び前記第１インバータの異常を検出したときに前記停止信号を出力する第１異常検出部と、
を有し、
前記第２電源部は、
前記交流電流を第２直流電流に変換して高電位側電位及び低電位側電位を出力する第２コンバータと、
前記第２直流電流を前記第２交流電流に変換する第２インバータと、
前記信号線に接続され、前記第２コンバータ及び前記第２インバータの異常を検出する第２異常検出部と、
を有し、
前記第２異常検出部は、前記信号線を介して前記停止信号が入力されたときに、前記第２コンバータ及び前記第２インバータを停止させる請求項１に記載の二周波電源装置。

【請求項3】

前記第２コンバータは、
前記交流電流が入力されるサイリスタと、
前記サイリスタを制御するサイリスタ制御部と、
を有し、
前記第２インバータは、
前記高電位側電位と前記第２電源部の第１出力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、
前記低電位側電位と前記第１出力端子との間に接続された第２スイッチング素子と、
前記高電位側電位と前記第２電源部の第２出力端子との間に接続された第３スイッチング素子と、
前記低電位側電位と前記第２出力端子との間に接続された第４スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部と、
を有し、
前記停止信号が前記第２異常検出部に入力された場合は、前記サイリスタ制御部は前記サイリスタを非導通状態とし、前記スイッチング素子制御部は前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を非導通状態とする請求項２に記載の二周波電源装置。

【請求項4】

前記第１交流電流の電圧及び電流を変換する第１変換器と、
前記第２交流電流の電圧及び電流を変換する第２変換器と、
をさらに備えた請求項１に記載の二周波電源装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１つに記載の二周波電源装置と、
前記二周波電源装置から前記第１交流電流と前記第２交流電流の合成電流が入力されるコイルと、
を備えた高周波加熱装置。

【請求項6】

請求項５に記載の高周波加熱装置と、
前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、
を備えた高周波焼入装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鋼部材に対して焼入処理を施し、表面を硬化する技術が知られている。焼入処理においては、鋼部材を加熱する工程と、加熱した鋼部材を急冷する工程を続けて実施する。歯車等の複雑な形状の部材の表面を効果的に加熱する方法として、二種類の周波数の高周波を用いた高周波焼入処理が知られている（特許文献１参照）。

【0003】

このような高周波焼入処理に用いられる二周波電源装置においては、信頼性の向上が望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４４２７４１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の実施形態の目的は、信頼性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態に係る二周波電源装置は、第１周波数の第１交流電流を出力する第１電源部と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流を出力する第２電源部と、第１マッチングトランスを有し、前記第１交流電流が入力されたときに前記第１交流電流を出力可能な第１整合器と、第２マッチングトランスを有し、前記第２交流電流が入力されたときに前記第２交流電流を出力可能な第２整合器と、前記第１電源部を前記第２電源部に接続する信号線と、を備える。前記第１電源部が停止するときに、前記第１電源部は前記信号線を介して前記第２電源部に停止信号を出力し、前記第２電源部を停止させる。

【0007】

本発明の実施形態に係る高周波加熱装置は、前記二周波電源装置と、前記二周波電源装置から前記第１交流電流と前記第２交流電流の合成電流が入力されるコイルと、を備える。

【0008】

本発明の実施形態に係る高周波焼入装置は、前記高周波加熱装置と、前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、信頼性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。

【図2】図２は、第１の実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【図3】図３（ａ）は第１電源部を示すブロック図であり、図３（ｂ）は第２電源部を示すブロック図である。

【図4】図４（ａ）は第１電源部のコンバータを示す回路図であり、図４（ｂ）は第２電源部のコンバータを示す回路図である。

【図5】図５は、第１電源部のインバータを示す回路図である。

【図6】図６は、第２電源部のインバータを示す回路図である。

【図7】図７（ａ）は、第１整合器を示す回路図であり、図７（ｂ）は第２整合器を示す回路図である。

【図8】図８は、横軸に時間をとり、縦軸に第１電源部の出力電圧をとって、実施形態におけるインバータの動作を示すタイミングチャートである。

【図9】図９（ａ）は横軸に時間をとり縦軸に第１電源部の出力電流をとって低周波電流の波形を示す図であり、図９（ｂ）は横軸に時間をとり縦軸に第２電源部の出力電流をとって高周波電流の波形を示す図であり、図９（ｃ）は横軸に時間をとり縦軸に変成器の出力電流をとって合成電流の波形を示す図である。

【図10】図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第２の実施形態における信号線の接続位置を示すブロック図である。

【図11】図１１は、第３の実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態に係る高周波焼入装置１００においては、高周波加熱装置１０１と、冷却装置１０２が設けられている。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００を誘導加熱する。ワーク２００は鋼からなる部材であり、例えば、複雑な形状の部材であり、例えば、歯車である。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００の焼入予定部分、例えば、表面の一部をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱する。冷却装置１０２は例えば水冷装置であり、高周波加熱装置１０１によって加熱されたワーク２００を急冷する。

【0013】

図２は、本実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係る高周波加熱装置１０１においては、二周波電源装置１と、コイル９０が設けられている。コイル９０はワーク２００の近傍に配置され、二周波電源装置１から交流電流が供給される。これにより、コイル９０はワーク２００を誘導加熱する。高周波加熱装置１０１は、外部の制御盤３００によって制御される。

【0014】

二周波電源装置１においては、第１電源部１０と、第２電源部２０と、信号線５０と、第１整合器６０と、第２整合器７０と、第１変成器８０ａと、第２変成器８０ｂと、が設けられている。第１電源部１０は、外部から例えば交流電流Ｉ_０が入力されて、第１周波数の低周波電流（第１交流電流）を出力する。第２電源部２０は、交流電流Ｉ_０が入力されて、第１周波数よりも高い第２周波数の高周波電流（第２交流電流）を出力する。一例では、第１周波数は３ｋＨｚであり、第２周波数は８０ｋＨｚである。信号線５０は、第１電源部１０を第２電源部２０に接続する。信号線５０の役割については、後述する。

【0015】

第１整合器６０は第１電源部１０の出力端子に接続されている。第１整合器６０は低周波電流にマッチングされており、第１電源部１０から出力された低周波電流を通過させる。第２整合器７０は第２電源部２０の出力端子に接続されている。第２整合器７０は高周波電流にマッチングされており、第２電源部２０から出力された高周波電流を通過させる。第１整合器６０と第１変成器８０ａとの間には、共振用の整合コンデンサ６９が設けられており、低周波電流の周波数（第１周波数）で共振するように調整されている。第２整合器７０と第２変成器８０ｂとの間にも、共振用の整合コンデンサ７９が設けられており、高周波電流の周波数（第２周波数）で共振するように調整されている。

【0016】

第１変成器８０ａは、第１整合器６０から低周波電流が入力され、低周波電流の電圧及び電流を変換し、出力する。第２変成器８０ｂは、第２整合器７０から高周波電流が入力され、高周波電流の電圧及び電流を変換し、出力する。第１変成器８０ａには鉄芯トランスが設けられており、第２変成器８０ｂには空芯トランスが設けられている。第１変成器８０ａから出力された低周波電流と第２変成器８０ｂから出力された高周波電流は合成されて合成電流Ｉ_３となり、コイル９０に入力される。

【0017】

図３（ａ）は第１電源部を示すブロック図であり、図３（ｂ）は第２電源部を示すブロック図である。
図３（ａ）に示すように、二周波電源装置１の第１電源部１０においては、外部から入力された交流電流Ｉ_０を直流電流Ｉ_１１に変換するコンバータ３０ａと、コンバータ３０ａから出力された直流電流Ｉ_１１を低周波電流Ｉ_１２に変換するインバータ４０ａと、コンバータ３０ａ及びインバータ４０ａの異常を検出する異常検出部１５が設けられている。また、第１電源部１０には、インバータ４０ａに接続された一対の出力端子１１及び１２が設けられている。異常検出部１５には信号線５０の一端が接続されている。なお、本明細書において、「直流」には、電流値が一定である狭義の直流の他に、脈流も含まれる。

【0018】

同様に、図３（ｂ）に示すように、第２電源部２０においては、交流電流Ｉ_０を直流電流Ｉ_２１に変換するコンバータ３０ｂと、コンバータ３０ｂから出力された直流電流Ｉ_２１を高周波電流Ｉ_２２に変換するインバータ４０ｂと、コンバータ３０ｂ及びインバータ４０ｂの異常を検出する異常検出部２５が設けられている。また、第２電源部２０には、インバータ４０ｂに接続された一対の出力端子２１及び２２が設けられている。異常検出部２５には信号線５０の他端が接続されている。

【0019】

図４（ａ）は第１電源部のコンバータを示す回路図であり、図４（ｂ）は第２電源部のコンバータを示す回路図である。
図４（ａ）に示すように、第１電源部１０のコンバータ３０ａにおいては、３本の配線３１ａと、６個のサイリスタ３２ａと、これらの６個のサイリスタ３２ａを制御するサイリスタ制御部３３ａと、高電位配線３５ａと、低電位配線３６ａが設けられている。３本の配線３１ａには、交流電流Ｉ_０として、例えば、商用の交流電流、例えば、４４０Ｖの三相電流が入力される。

【0020】

６個のサイリスタ３２ａは、各配線３１ａと高電位配線３５ａとの間、及び、各配線３１ａと低電位配線３６ａとの間にそれぞれ接続されている。高電位配線３５ａには３個のサイリスタ３２ａのカソードが接続されている。低電位配線３６ａには３個のサイリスタ３２ａのアノードが接続されている。各配線３１ａには、高電位配線３５ａに接続されたサイリスタ３２ａのアノードと、低電位配線３６ａに接続されたサイリスタ３２ａのカソードが接続されている。サイリスタ制御部３３ａは、サイリスタ３２ａのゲートに制御電位を出力する。これにより、サイリスタ制御部３３ａは、各サイリスタ３２ａを導通状態と非導通状態とに切り替える。

【0021】

コンバータ３０ａからは、高電位配線３５ａを介して高電位側電位が出力され、低電位配線３６ａを介して低電位側電位が出力される。この結果、コンバータ３０ａから高電位配線３５ａ及び低電位配線３６ａを介して直流電流Ｉ_１１が出力される。

【0022】

同様に、図４（ｂ）に示すように、第２電源部２０のコンバータ３０ｂにおいては、３本の配線３１ｂと、６個のサイリスタ３２ｂと、これらの６個のサイリスタ３２ｂを制御するサイリスタ制御部３３ｂと、高電位配線３５ｂと、低電位配線３６ｂが設けられている。３本の配線３１ｂには、第１電源部１０に入力される電流と同じ交流電流Ｉ_０が入力される。

【0023】

６個のサイリスタ３２ｂは、各配線３１ｂと高電位配線３５ｂとの間、及び、各配線３１ｂと低電位配線３６ｂとの間にそれぞれ接続されている。高電位配線３５ｂには３個のサイリスタ３２ｂのカソードが接続されている。低電位配線３６ｂには３個のサイリスタ３２ｂのアノードが接続されている。各配線３１ｂには、高電位配線３５ｂに接続されたサイリスタ３２ｂのアノードと、低電位配線３６ｂに接続されたサイリスタ３２ｂのカソードが接続されている。サイリスタ制御部３３ｂは、サイリスタ３２ｂのゲートに制御電位を出力する。これにより、サイリスタ制御部３３ｂは、各サイリスタ３２ｂを導通状態と非導通状態とに切り替える。

【0024】

コンバータ３０ｂからは、高電位配線３５ｂを介して高電位側電位が出力され、低電位配線３６ｂを介して低電位側電位が出力される。この結果、コンバータ３０ｂから高電位配線３５ｂ及び低電位配線３６ｂを介して直流電流Ｉ_２１が出力される。

【0025】

図５に示すように、第１電源部１０のインバータ４０ａにおいては、スイッチング素子４１ａ～４４ａと、スイッチング素子制御部４５ａと、コンデンサ４６ａが設けられている。スイッチング素子４１ａ～４４ａは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子４１ａ～４４ａは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であってもよい。各スイッチング素子４１ａ～４４ａには、スイッチング部分とダイオード部分とが設けられており、相互に並列に接続されている。スイッチング部分はゲートを含む。

【0026】

スイッチング素子４１ａは、高電位配線３５ａ（高電位側電位）と第１電源部１０の出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子４２ａは、低電位配線３６ａ（低電位側電位）と出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子４３ａは、高電位配線３５ａと第１電源部１０の出力端子１２との間に接続されている。スイッチング素子４４ａは、低電位配線３６ａと出力端子１２との間に接続されている。コンデンサ４６ａは高電位配線３５ａと低電位配線３６ａとの間に接続されている。

【0027】

スイッチング素子４１ａ～４４ａの各ゲートはスイッチング素子制御部４５ａに接続されている。スイッチング素子制御部４５ａはスイッチング素子４１ａ～４４ａの各ゲートに制御電位を印加することにより、スイッチング素子４１ａ～４４ａのスイッチング部分の導通／非導通を相互に独立して切り替えることができる。図５においては、出力端子１１と出力端子１２との間に第１負荷Ｌ１を接続している。第１負荷Ｌ１は、上述の第１整合器６０、第１変成器８０ａ及びコイル９０を含んでいる。

【0028】

なお、高電位配線３５ａと低電位配線３６ａとの間には、スイッチング素子４１ａ～４４ａからなるブリッジ回路が複数個、並列に接続されていてもよい。これにより、コイル９０に供給する低周波電流を増加させることができる。

【0029】

図６に示すように、第２電源部２０のインバータ４０ｂの構成もインバータ４０ａと同様である。すなわち、インバータ４０ｂにおいては、スイッチング素子４１ｂ～４４ｂと、スイッチング素子制御部４５ｂと、コンデンサ４６ｂが設けられている。スイッチング素子４１ｂ～４４ｂは、例えばＩＧＢＴであり、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。各スイッチング素子４１ｂ～４４ｂには、スイッチング部分とダイオード部分とが設けられており、相互に並列に接続されている。スイッチング部分はゲートを含む。

【0030】

スイッチング素子４１ｂは、高電位配線３５ｂ（高電位側電位）と第２電源部２０の出力端子２１との間に接続されている。スイッチング素子４２ｂは、低電位配線３６ｂ（低電位側電位）と出力端子２１との間に接続されている。スイッチング素子４３ｂは、高電位配線３５ｂと第２電源部２０の出力端子２２との間に接続されている。スイッチング素子４４ｂは、低電位配線３６ｂと出力端子２２との間に接続されている。コンデンサ４６ｂは高電位配線３５ｂと低電位配線３６ｂとの間に接続されている。

【0031】

スイッチング素子４１ｂ～４４ｂの各ゲートはスイッチング素子制御部４５ｂに接続されている。スイッチング素子制御部４５ｂはスイッチング素子４１ｂ～４４ｂの各ゲートに制御電位を印加することにより、スイッチング素子４１ｂ～４４ｂのスイッチング部分の導通／非導通を相互に独立して切り替えることができる。図６においては、出力端子２１と出力端子２２との間に第２負荷Ｌ２を接続している。第２負荷Ｌ２は、上述の第２整合器７０、第２変成器８０ｂ及びコイル９０を含んでいる。

【0032】

高電位配線３５ｂと低電位配線３６ｂとの間には、スイッチング素子４１ｂ～４４ｂからなるブリッジ回路が複数個、並列に接続されていてもよい。これにより、コイル９０に供給する高周波電流を増加させることができる。

【0033】

図２並びに図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、信号線５０は第１電源部１０の異常検出部１５と第２電源部２０の異常検出部２５との間に接続されている。これにより、第１電源部１０の異常検出部１５が第１電源部１０の異常を検出すると、停止信号を出力する。この停止信号は信号線５０を介して第２電源部２０の異常検出部２５に伝達される。異常検出部２５は、信号線５０を介して停止信号が入力されると、サイリスタ制御部３３ｂにサイリスタ３３ｂを非導通状態にさせると共に、スイッチング素子制御部４５ｂにスイッチング素子４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ及び４４ｂを非導通状態にさせる。

【0034】

図７（ａ）は、第１整合器を示す回路図であり、図７（ｂ）は第２整合器を示す回路図である。
図７（ａ）に示すように、第１整合器６０においては、マッチングトランス６１が設けられている。マッチングトランス６１においては、切替スイッチ６２と、一次コイル６３と、二次コイル６４と、鉄芯６５が設けられている。一次コイル６３は第１電源部１０に接続されており、二次コイル６４は低周波用の整合コンデンサ６９に接続されている。切替スイッチ６２は一次コイル６３における電流が流れる部分の長さを選択することにより、一次コイル６３のインピーダンスを制御する。一次コイル６３と二次コイル６４は鉄芯６５に巻かれており、磁気的に相互に結合している。

【0035】

図７（ｂ）に示すように、第２整合器７０においては、マッチングトランス７１が設けられている。マッチングトランス７１においては、切替スイッチ７２と、一次コイル７３と、二次コイル７４と、鉄芯７５が設けられている。一次コイル７３は第２電源部２０に接続されており、二次コイル７４は高周波用の整合コンデンサ７９に接続されている。切替スイッチ７２は一次コイル７３における電流が流れる部分の長さを選択することにより、一次コイル７３のインピーダンスを制御する。一次コイル７３と二次コイル７４は鉄芯７５に巻かれており、磁気的に相互に結合している。

【0036】

次に、本実施形態に係る高周波焼入装置の動作について説明する。
図８は、横軸に時間をとり、縦軸に第１電源部の出力電圧をとって、本実施形態におけるインバータの動作を示すタイミングチャートである。
図９（ａ）は横軸に時間をとり縦軸に第１電源部の出力電流をとって低周波電流Ｉ_１２の波形を示す図であり、図９（ｂ）は横軸に時間をとり縦軸に第２電源部の出力電流をとって高周波電流Ｉ_２２の波形を示す図であり、図９（ｃ）は横軸に時間をとり縦軸に変成器の出力電流をとって合成電流Ｉ_３の波形を示す図である。
図８の縦軸が表す出力電圧は、出力端子１２に対する出力端子１１の電位である。図８は、第１電源部１０の動作を示しているが、第２電源部２０の動作も同様である。第１電源部１０及び第２電源部２０の出力電圧は方形波であり、出力電流は正弦波である。

【0037】

図２に示すように、高周波加熱装置１０１は、外部の制御盤３００によって制御される。制御盤３００は、第１電源部１０及び第２電源部２０に対して、オン／オフ、並びに、オンの場合のそれぞれの出力レベルを示す信号を出力することにより、第１電源部１０及び第２電源部２０を制御する。第１電源部１０のサイリスタ制御部３３ａは、制御盤３００から入力された信号に基づいて、サイリスタ３２ａを制御する。スイッチング素子制御部４５ａは、制御盤３００から入力された信号に基づいて、スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４４ａを制御する。第２電源部２０のサイリスタ制御部３３ｂは、制御盤３００から入力された信号に基づいて、サイリスタ３２ｂを制御する。スイッチング素子制御部４５ｂは、制御盤３００から入力された信号に基づいて、スイッチング素子４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ及び４４ｂを制御する。

【0038】

図３（ａ）に示すように、第１電源部１０のコンバータ３０ａには、配線３１ａを介して交流電流Ｉ_０が入力される。上述の如く、交流電流Ｉ_０は三相電流である。図４（ａ）に示すように、コンバータ３０ａにおいては、サイリスタ制御部３３ａが６個のサイリスタ３２ａを制御することにより、交流電流Ｉ_０を整流して直流電流Ｉ_１１を生成し、高電位配線３５ａ及び低電位配線３６ａを介してインバータ４０ａに対して出力する。直流電流Ｉ_１１の最大電圧は例えば５５０Ｖである。

【0039】

図５及び図９に示すように、第１電源部１０のスイッチング素子制御部４５ａは、第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４を、この順に繰り返し実現する。

【0040】

第１導通期Ｔ１においては、スイッチング素子制御部４５ａは、スイッチング素子４１ａ及びスイッチング素子４４ａを導通させ、スイッチング素子４２ａ及びスイッチング素子４３ａを導通させない。これにより、第１負荷Ｌ１には図５に実線の矢印Ａ１で示す順方向の電圧が印加される。

【0041】

第１不通期Ｔ２においては、スイッチング素子制御部４５ａは、スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４４ａを全て導通させない。このとき、スイッチング素子４２ａ及び４３ａのダイオード部分には出力電流が流れるため、第１負荷Ｌ１には破線の矢印Ａ２で示す逆方向の電圧が印加される。

【0042】

第２導通期Ｔ３においては、スイッチング素子制御部４５ａは、スイッチング素子４２ａ及びスイッチング素子４３ａを導通させ、スイッチング素子４１ａ及びスイッチング素子４４ａを導通させない。これにより、第１負荷Ｌ１には図５に破線の矢印Ａ２で示す逆方向の電圧が印加される。

【0043】

第２不通期Ｔ４においては、スイッチング素子制御部４５ａは、スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４４ａを全て導通させない。このとき、スイッチング素子４１ａ及び４４ａのダイオード部分には出力電流が流れるため、第１負荷Ｌ１には実線の矢印Ａ１で示す順方向の電圧が印加される。このようにして、図３（ａ）に示すように、インバータ４０ａは交流電流Ｉ_１２を出力する。図９（ａ）に示すように、交流電流Ｉ_１２は低周波電流である。

【0044】

第２電源部２０の動作も上述の第１電源部１０の動作と同様である。すなわち、図３（ｂ）に示すように、第２電源部２０のコンバータ３０ｂには、配線３１ｂを介して交流電流Ｉ_０が入力される。図４（ｂ）に示すように、コンバータ３０ｂにおいては、サイリスタ制御部３３ｂが６個のサイリスタ３２ｂを制御することにより、交流電流Ｉ_０を直流電流Ｉ_２１に変換し、高電位配線３５ｂ及び低電位配線３６ｂを介してインバータ４０ｂに出力する。そして、図６に示すように、インバータ４０ｂにおいて、スイッチング素子制御部４５ｂがスイッチング素子４１ｂ～４４ｂを制御することにより、第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４を、この順に繰り返し実現する。このようにして、図３（ｂ）に示すように、インバータ４０ｂは交流電流Ｉ_２２を出力する。図９（ｂ）に示すように、交流電流Ｉ_２２は高周波電流である。

【0045】

図２に示すように、低周波の整合コンデンサ６９と第１整合器６０のインダクタンスによる共振回路により第１周波数が選択されることにより、第１電源部１０から出力された低周波電流が第１整合器６０を通過する。同様に、高周波の整合コンデンサ７９と第２整合器７０のインダクタンスによる共振回路により第２周波数が選択されることにより、第２電源部２０から出力された高周波電流が第２整合器７０を通過する。第１整合器６０から出力された低周波電流（交流電流Ｉ_１２）は、第１変成器８０ａに入力される。第１変成器８０ａは、低周波電流（交流電流Ｉ_１２）の電圧及び電流を変換し、出力する。第２整合器７０から出力された高周波電流（交流電流Ｉ_２２）は、第２変成器８０ｂに入力する。第２変成器８０ｂは、高周波電流（交流電流Ｉ_２２）の電圧及び電流を変換し、出力する。変換後の低周波電流と高周波電流が合成されることにより、図９（ｃ）に示す合成電流Ｉ_３が生成される。そして、合成電流Ｉ_３がコイル９０に入力される。

【0046】

これにより、コイル９０は、ワーク２００を誘導加熱する。このとき、コイル９０には低周波成分及び高周波成分を含む合成電流Ｉ_３が供給されるため、ワーク２００が複雑な形状であっても、焼入予定部分を均一に加熱することが可能である。例えば、ワーク２００が歯車である場合、低周波成分によってワーク２００の歯底を加熱し、高周波成分によってワーク２００の歯先を加熱する。

【0047】

図１に示すように、高周波加熱装置１０１がワーク２００の焼入予定部分をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱した後、冷却装置１０２がワーク２００を急冷する。これにより、ワーク２００の焼入予定部分に焼入処理が施される。

【0048】

次に、第１電源部１０からコイル９０を介して第２電源部２０に流入する低周波電流、及び、第２電源部２０からコイル９０を介して第１電源部１０に流入する高周波電流について説明する。

【0049】

図２に示すように、第１電源部１０から出力された低周波電流Ｉ_１２は、第１整合器６０、整合コンデンサ６９、第１変成器８０ａ、コイル９０、第２変成器８０ｂ、整合コンデンサ７９、第２整合器７０を介して第２電源部２０に流入する。一方、第２電源部２０から出力された高周波電流Ｉ_２２は、第２整合器７０、整合コンデンサ７９、第２変成器８０ｂ、コイル９０、第１変成器８０ａ、整合コンデンサ６９、第１整合器６０を介して第１電源部１０に流入する。

【0050】

次に、高周波加熱装置１０１の稼働中に第１電源部１０に不具合が生じ、緊急停止した場合の動作について説明する。
第１電源部１０に例えば過熱や過電流等の不具合が発生したときは、図５に示すスイッチング素子制御部４５ａがスイッチング素子４１ａ～４４ａを非導通状態にして、低周波電流の出力を停止する。

【0051】

また、図３（ａ）に示す異常検出部１５が第１電源部１０の不具合、例えば、コンバータ３０ａ又はインバータ４０ａの異常を検出すると、異常検出部１５は信号線５０を介して第２電源部２０に対して停止信号を出力し、第２電源部２０を停止させる。より具体的には、停止信号は信号線５０を介して、第２電源部２０の異常検出部２５に入力される。これにより、異常検出部２５がコンバータ３０ｂのサイリスタ制御部３３ｂに対して制御信号を出力し、サイリスタ制御部３３ｂが全てのサイリスタ３２ｂを非導通状態として、直流電流Ｉ_２１の出力を停止する。また、異常検出部２５がインバータ４０ｂのスイッチング素子制御部４５ｂに対して制御信号を出力し、スイッチング素子制御部４５ｂがスイッチング素子４１ｂ～４４ｂを非導通状態とする。このため、直流電流Ｉ_２１の出力が停止されていない場合でも、交流電流Ｉ_２２（高周波電流）の出力が停止される。この結果、第２電源部２０からの高周波電流の出力が速やかに停止され、高周波電流が第１電源部１０に流入して第１電源部１０のスイッチング素子４１ａ～４４ａが破壊されることを回避できる。

【0052】

なお、仮に信号線５０が設けられていないと、第１電源部１０に不具合が発生して第１電源部１０が停止したときに、外部の制御盤３００が第１電源部１０の不具合を検知し、制御盤３００のシーケンサーが第２電源部２０を停止させることを判断し、第２電源部２０に対して停止信号を出力する。この場合は、第１電源部１０が停止してから第２電源部２０が停止するまでに、一定の時間を要する。

【0053】

この場合は、図５に示すように、第１電源部１０のスイッチング素子４１ａ～４４ａのスイッチング部分は全て非導通状態とされているため、第２電源部２０からコイル９０を介して流入した高周波電流は、スイッチング素子４１ａ～４４ａのスイッチング部分は流れず、ダイオード部分のみを流れる。この結果、高周波電流はスイッチング素子４１ａ～４４ａのダイオード部分によって整流されて、コンデンサ４６ａに蓄積される。スイッチング素子４１ａ～４４ａは停止状態を継続するため、コンデンサ４６ａに蓄積される電荷は時間と共に増加する。コンデンサ４６ａに過大な電荷が蓄積されると、スイッチング素子４１ａ～４４ａに過大な電圧が印加され、スイッチング素子４１ａ～４４ａが破壊される場合がある。

【0054】

これに対して、本実施形態においては、第１電源部１０から出力された停止信号が信号線５０を介して直接第２電源部２０に入力されるため、制御盤３００を介する場合と比較して短時間で第２電源部２０を停止することができる。この結果、コンデンサ４６ａに蓄積される電荷量を抑制し、スイッチング素子４１ａ～４４ａを保護することができる。この結果、信頼性が高い二周波電源装置１、高周波加熱装置１０１及び高周波焼入装置１００を実現することができる。

【0055】

一例では、制御盤３００を介して第２電源部２０を停止させた場合は、第１電源部１０が停止してから第２電源部２０が停止するまでの時間が４０ｍｓであったのに対し、信号線５０を介して第２電源部２０を停止させた場合は、０．１２ｍｓであった。

【0056】

なお、第２電源部２０に不具合が発生し、第２電源部２０が第１電源部１０よりも先に停止した場合は、第１電源部１０から出力された低周波電流の一部が第２電源部２０に流入し、第２電源部のコンデンサ４６ｂに蓄積される。しかしながら、第２電源部２０が第１電源部１０よりも先に停止した場合は、第１電源部１０が第２電源部２０よりも先に停止した場合よりも、スイッチング素子が破壊される確率が小さい。これは、低周波電流は第２整合器７０を通過しにくいからである。この理由の１つとして、第２変成器８０ｂが空芯トランスであることが挙げられる。

【0057】

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、電源部に異常検出部を設けない例である。
図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、本実施形態における信号線の接続位置を示すブロック図である。

【0058】

図１０（ａ）に示すように、本実施形態に係る二周波電源装置２においては、第２電源部２０に信号線５１が設けられている。また、第１電源部１０に異常検出部１５が設けられておらず、第２電源部２０に異常検出部２５が設けられていない。

【0059】

信号線５０の一端は第１電源部１０のインバータ４０ａのスイッチング素子制御部４５ａに接続されている。信号線５０の他端は第２電源部２０のコンバータ３０ｂのサイリスタ制御部３３ｂに接続されている。また、信号線５１の一端は第２電源部２０のサイリスタ制御部３３ｂに接続されており、信号線５１の他端は第２電源部２０のスイッチング素子制御部４５ｂに接続されている。これにより、第１電源部１０のスイッチング素子制御部４５ａから出力された停止信号が信号線５０を介して第２電源部２０のサイリスタ制御部３３ｂに入力される。サイリスタ制御部３３ｂは信号線５０を介して停止信号が入力されると、信号線５１を介して停止信号を出力する。そして、サイリスタ制御部３３ｂから出力された停止信号が信号線５１を介してスイッチング素子制御部４５ｂに入力される。

【0060】

なお、信号線５０の他端は、サイリスタ制御部３３ｂ及びスイッチング素子制御部４５ｂのうち少なくとも一方に接続されていればよい。例えば、図１０（ｂ）に示すように、信号線５０の他端はスイッチング素子制御部４５ｂに接続されており、スイッチング素子制御部４５ｂから信号線５１を介してサイリスタ制御部３３ｂに停止信号が伝達されてもよい。この場合は、第１電源部１０のスイッチング素子制御部４５ａから出力された停止信号が信号線５０を介して第２電源部２０のスイッチング素子制御部４５ｂに入力され、スイッチング素子制御部４５ｂから出力された停止信号は信号線５１を介してサイリスタ制御部３３ｂに入力される。

【0061】

または、図１０（ｃ）に示すように、信号線５０はサイリスタ制御部３３ｂ及びスイッチング素子制御部４５ｂの双方に接続されており、第１電源部１０のスイッチング素子制御部４５ａから出力された停止信号が第２電源部２０のサイリスタ制御部３３ｂ及びスイッチング素子制御部４５ｂに同時に入力されてもよい。この場合は、第１電源部１０のスイッチング素子制御部４５ａから出力された停止信号が信号線５０を介して第２電源部２０のサイリスタ制御部３３ｂ及びスイッチング素子制御部４５ｂの双方に入力される。なお、この場合は、信号線５１は不要である。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。

【0062】

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、低周波電流と高周波電流の共用の変成器を設ける例である。
図１１は、本実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【0063】

図１１に示すように、本実施形態に係る二周波電源装置３は、第１の実施形態に係る二周波電源装置１（図２参照）と比較して、第１変成器８０ａ及び第２変成器８０ｂの替わりに１つの変成器８０が設けられている点が異なっている。変成器８０には、整合コンデンサ６９から低周波電流が入力されると共に、整合コンデンサ７９から高周波電流が入力される。変成器８０は低周波電流の電流及び電圧を変換すると共に高周波電流の電流及び電圧を変換し、変換後の低周波電流と高周波電流を合成して、合成電流Ｉ_３を生成する。そして、変成器８０は合成電流Ｉ_３をコイル９０に対して出力する。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。

【0064】

前述の各実施形態は、本発明を具現化した例であり、本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、前述の各実施形態において、いくつかの構成要素を追加、削除又は変更したものも本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0065】

１、２、３：二周波電源装置
１０：第１電源部
１１、１２：出力端子
１５：異常検出部
２０：第２電源部
２１、２２：出力端子
２５：異常検出部
３０ａ、３０ｂ：コンバータ
３１ａ、３１ｂ：配線
３２ａ、３２ｂ：サイリスタ
３３ａ、３３ｂ：サイリスタ制御部
３５ａ、３５ｂ：高電位配線
３６ａ、３６ｂ：低電位配線
４０ａ、４０ｂ：インバータ
４１ａ～４４ｂ：スイッチング素子
４５ａ、４５ｂ：スイッチング素子制御部
４６ａ、４６ｂ：コンデンサ
５０：信号線
５１：信号線
６０：第１整合器
６１：マッチングトランス
６２：切替スイッチ
６３：一次コイル
６４：二次コイル
６５：鉄芯
６９：整合コンデンサ
７０：第２整合器
７１：マッチングトランス
７２：切替スイッチ
７３：一次コイル
７４：二次コイル
７５：鉄芯
７９：整合コンデンサ
８０：変成器
８０ａ：第１変成器
８０ｂ：第２変成器
９０：コイル
１００：高周波焼入装置
１０１：高周波加熱装置
１０２：冷却装置
２００：ワーク
３００：制御盤
Ｉ_０：交流電流
Ｉ_１１：直流電流
Ｉ_１２：交流電流（低周波電流）
Ｉ_２１：直流電流
Ｉ_２２：交流電流（高周波電流）
Ｉ_３：合成電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】