JP5160884B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、焼き入れ等の熱処理に利用される誘導加熱装置に関するものである。

従来より、誘導加熱を利用して焼き入れを行う焼入装置として、下記特許文献１に開示されているように、複数箇所の焼き入れを一度に実施可能なものがある。この種の焼入装置では、誘導加熱用のコイル（以下、誘導加熱コイルとも称す）が、焼き入れを行う箇所に対応するように複数、配置されている。従来技術の焼入装置は、下記特許文献１に開示されている焼入装置のように、複数の誘導加熱コイルが単一の高周波電源に対して接続されている。
特開２００３−３１７９１３号公報

ここで、上記した従来技術の誘導加熱焼入装置では、誘導加熱コイルに対する通電不良による焼入処理の不具合を防止すべく、電力供給用に設けられた高周波電源側において流れる電流値や電圧値を検知することにより誘導加熱コイルに対する通電不良を検知していた。しかし、上記したように複数の誘導加熱コイルを備えた構成とした場合、仮にそのうちの一つにおいて通電不良があったとしても、高周波電源側において検知される電流値や電圧値には大きな変動がない。そのため、従来技術の誘導加熱焼入装置では、一部の誘導加熱コイルにおいてのみ通電不良があった場合にこれを検知することが困難であった。

また、上記したように高周波電源側において電流値や電圧値を監視する構成とした場合は、仮に複数の誘導加熱コイルのうち一部において通電不良があることが検知できたとしても、この通電不良がどの誘導加熱コイルで起こっているのかを的確に把握することができないという問題があった。

かかる知見に基づき、本発明者らは各誘導加熱コイルに流れる電流値を検知すべく、誘導加熱コイルに電流計を設置することを検討した。しかし、誘導加熱コイルは焼入処理時に極めて高温に達するため、当該部位に電流計を設置するのは困難であった。また、処理対象物が、例えば従来公知のカムシャフトのように複雑であったり歪な形状のものである場合は、誘導加熱コイルが密集して配置されることとなるため、電流計を設置するには十分なスペースをとることができないという問題もあった。さらに、各誘導加熱コイルを冷却液を通液可能な構成とした場合は、誘導加熱コイルの中途を分断して電流計を設置することができないという問題があった。

そこで、かかる問題点を解消すべく、本発明は、誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握可能な構成を備えた誘導加熱装置の提供を目的とした。

上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、高周波電源と、高周波電源から高周波電力の供給を受ける誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルに流れる電流を検知する電流検知手段を備え、誘導加熱コイルに流れる電流及び／又は電力を監視しつつ加熱処理をおこなうことができ、複数の誘導加熱コイルを有し、前記誘導加熱コイルが高周波電源に対して並列的に接続されており、誘導加熱コイルに流れる電流値及び／又は電力が想定される範囲を外れた場合に所定の異常処置が実行されるものであり、誘導加熱コイルは、焼入処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、前記導通部に電流検知手段が一体的に設けられ、電流検知手段は、コア部と絶縁体と電流検知用コイルを有し、前記コア部は磁性体からなり、前記コア部が絶縁体を介して前記導通部に取り付けられ、当該コア部に前記電流検知用コイルが設けられてなることを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明の誘導加熱装置では、誘導加熱コイルに流れる電流を監視しつつ熱処理を行うので、誘導加熱コイルに供給されている電力を把握することができ、最適条件で焼き入れ等の熱処理を行うことができる。

本発明の誘導加熱装置では、誘導加熱コイルが高周波電源に対して並列的に接続されているので、一度に複数の箇所に対して熱処理を施すことができる。また本発明は、各誘導加熱コイルに流れる電流を監視しつつ熱処理を行うので、一部の誘導加熱コイルにおいてのみ通電不良があっても通電不良の事実を検知することができる。

「所定の異常処置」には例えば音や光で警報を発したり、加熱処理を強制的に停止する構成が考えられる。本発明では、誘導加熱コイルに流れる電流値等が想定される範囲を外れた場合に所定の異常処置が実行されるので、作業者は適切な処理を迅速に行うことができ、不良品が出荷されたり、不良品を大量に作ってしまうという事故を未然に防止することができる。

本発明で採用する誘導加熱コイルは、導通部に隣接する位置に磁性体からなるコア部が配されており、これに電流検知用コイルが装着されている。そのため、本発明の誘導加熱コイルは、焼入処理を行うために通電を行うと、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が流れる。
すなわち誘導加熱コイルには高周波電流が流されるので、導通部の周辺に変動する磁界が生じ、コアは変動する磁界に晒される。その結果、変動する磁束によってコアが貫通され、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が生じる。
従って、本発明の誘導加熱コイルは、電流検知用コイルに流れる誘導電流を検知することにより、誘導加熱コイルへの通電状態を検知することができる。
また、本発明の誘導加熱コイルにおいて、電流検知用コイルには、加熱処理部に流れる電流の大きさを反映した大きさの誘導電流が流れるものと想定される。そのため、本発明の誘導加熱コイルを用いて誘導加熱焼入処理を行う場合は、誘導電流値を監視することにより、加熱処理部に流れる電流値の推移を監視することができる。
さらに本発明は、誘導加熱コイルから漏れた磁束を拾って電流を検知するものであるから、誘導加熱コイル自体のインダクタンスは変化しない。そのため誘導加熱コイルに流れる電流にロスは無い。
さらに本発明では、コア部は絶縁体を介して誘導加熱コイルに取り付けられているから、コア部は誘導加熱コイルから絶縁されている。そのため例え電流検知用コイルに絶縁不良があっても測定機器側に過大な電流が流れることはない。

本発明の誘導加熱装置は、誘導コイルにおける通電状態を的確に把握可能な構成を備え、誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握しつつ焼入処理を実施することができる。

続いて、本発明の一実施形態にかかる誘導加熱焼入装置（誘導加熱装置）１、並びに、誘導加熱コイル１０について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。図２は、本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。図３は、図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図及び分解斜視図である。図４は、他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。
図１に示すように、誘導加熱焼入装置１（以下、焼入装置１とも称す）は、高周波電源２と、カレントトランス１１と、６個の誘導加熱コイル１０と、制御装置５とを有する。なお図１に示す焼入装置１は、エンジンのカムシャフトを焼き入れするものである。

高周波電源２は、一次側に電気的に接続された交流電源ＡＣ（図示せず）から電力の供給を受けて二次側に高周波電力を発生させることができるものである。高周波電源２の二次側には、カレントトランス１１が接続され、さらにカレントトランス１１の二次側には電圧検知センサー３４が設けられている。電圧検知センサー３４は、誘導加熱コイル１０に供給される電圧を測定するものであり、その信号は制御装置５に入力される。

またカレントトランス１１の二次側には、６個の誘導加熱コイル１０が並列に接続されており、各誘導加熱コイル１０に対して高周波電源２で発生した高周波電力を供給可能とされている。

６個の誘導加熱コイル１０は、焼入処理の処理対象物を誘導加熱するために設けられたコイルである。誘導加熱コイル１０はエンジンのカムシャフトを焼き入れするものであり、図２に示すように円形コイルである。
誘導加熱コイル１０は、焼入処理に際して処理対象物の外周側に配される加熱処理部３１と、カレントトランス１１の二次側に接続される導通部３２とを有する。

図２や図３に示すように、誘導加熱コイル１０の導通部３２には、コア部材３５（コア部）が絶縁体３９を介して取り付けられている。絶縁体３９は、樹脂や雲母等で作られた薄い板である。
コア部材３５は、磁性体によって構成されており、外観が略「ロ」字型の部材である。すなわちコア部材３５は、長方形の閉ループを構成した枠体であり、コア部材３５は、図２に示すように、導通部３２に対して片持ち状に取り付けられている。

さらに具体的には、コア部材３５は、誘導加熱コイル１０の導通部３２に固定される固定部３７と、これに対して略平行な位置関係にある芯部３６とを有する。固定部３７と芯部３６との間には空間４１がある。
固定部３７と導通部３２との間には前記した絶縁体３９が介在されており、固定部３７と導通部３２とは電気的に絶縁されている。本実施形態においては、コア部材３５の取付け姿勢は、図２、図３の様に固定部３７及び芯部３６が導通部３２の電流の流れ方向と平行となる姿勢であるが、図４に示すように固定部３７及び芯部３６を電流の流れ方向に対して直行する姿勢に取り付けてもよい。

芯部３６には、電流検知用コイル３８が巻き付けられている。電流検知用コイル３８は、導電性を有する線状の導体、又は被覆電線により構成されており、二次側電気系統３３や誘導加熱コイル１０には直接的に接触していない。すなわち、電流検知用コイル３８は、誘導加熱コイル１０の導通部３２に対して隣接する位置に存在している。

電流検知用コイル３８には、電流計４０が接続されている。また電流検知用コイル３８の信号は、制御装置５に入力される。そのため、カレントトランス１１の二次側に電力が供給されると、誘導加熱コイル１０に電流Ｉｃが流れると共に、芯部３６に巻き付けられた電流検知用コイル３８に誘導加熱コイル１０に流れる電流値に応じた大きさの誘導電流Ｉｙが流れ、これが電流計４０及び制御装置５によって検知される。

制御装置５は、加熱ユニット３に設けられた電圧検知センサー３４によって検知される電圧値および電流検知用コイル３８によって検知される電流値に基づき、誘導加熱コイル１０に供給されている電力の大きさを監視している。また、制御装置５は、電圧検知センサー３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に対する電力の印加状態が焼入処理を施す処理対象物に対する焼き入れ具合を所定の状態とするのに最適な状態になるように調整する。すなわち、制御装置５は、電圧検知センサー３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に印加される電力を調整する。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０を構成する導通部３２の中途にコア部材３５が取り付けられており、誘導加熱コイル１０への通電に伴い、コア部材３５の芯部３６に装着された電流検知用コイル３８に、誘導加熱コイル１０への通電量に応じた誘導電流Ｉｙが流れる。そして、この誘導電流Ｉｙを電流計４０で検知できる構成とされている。そのため、焼入装置１により焼入処理を行えば、加熱回路部３０が備える電流計４０により検知される誘導電流Ｉｙの電流値を監視することにより、誘導加熱コイル１０に流れる電流の大きさを的確に把握することができる。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０毎に通電により流れる電流値の大きさを把握できると共に、電圧検知センサー３４により誘導加熱コイル１０に作用する電圧値を把握することができる。そのため、焼入装置１では、誘導加熱コイル１０に印加される電力の大きさを監視し、電力の供給状態を焼入処理に適した状態とすることができる。

また前記した様に制御装置５は、加熱ユニット３に設けられた電圧検知センサー３４によって検知される電圧値および電流検知用コイル３８によって検知される電流値に基づき、誘導加熱コイル１０に供給されている電力の大きさを監視しており、これらの値が異状値を示した場合には警報を発する。
具体的には、制御装置５は、電圧に対しては上限値と下限値を記憶しており、熱処理中における電圧値がこの上限値と下限値の間に電圧がある否かを監視している。
また電流値に対しても同様であり、上限値と下限値を記憶しており、熱処理中における電流値がこの上限値と下限値の間に電圧がある否かを監視している。

さらに本実施形態では、想定される電力の変化状態を記憶している。すなわち熱処理開始から熱処理終了に至るまでの想定される電力の変化状態は、図５の実線の様であるが、制御装置５は、この変化状態を記憶している。また想定される変動幅（一点鎖線）についても同様に記憶している。
そして制御装置５は、加熱ユニット３に設けられた電圧検知センサー３４によって検知される電圧値および電流検知用コイル３８によって検知される電流値に基づき、誘導加熱コイル１０に供給されている電力の大きさを刻々演算し、この値が図５に示す一点鎖線の間に納まっているか否かを監視している。そしてこれらの値が前記した一点鎖線の間から外れると警報を発する。

焼入装置１において採用されている誘導加熱コイル１０は、通電時に極めて高温になる加熱処理部３１を外れた位置、具体的には導通部３２にコア部材３５が設けられている。すなわち、コア部材３５は、通電時に過度に高温になる部分を避けて設けられている。そのため、上記した構成によれば、電流検知用コイル３８が溶断するといったようなコア部材３５が高温になることによる弊害が起こりにくい。

誘導加熱コイル１０は、加熱処理部３１を外れた位置にコア部材３５が設けられており、焼入処理時に処理対象物が配される位置から離れた位置に電流検知用コイル３８が存在している。そのため、誘導加熱コイル１０を用いて焼入処理を行う場合は、コア部材３５や誘導加熱コイル１０が焼入処理に際して邪魔にならない。また、焼入装置１は、コア部材３５や誘導加熱コイル１０が焼入処理の邪魔にならない位置に設けられているため、誘導加熱コイル１０を処理対象物にあわせて高密度に配置することができる。
上記した実施形態では、エンジンのカムシャフトを焼き入れするものであり、丸形の誘導加熱コイル１０を備えるが、本発明はカムシャフトを焼き入れする装置に限定されるものではなく、たとえばエンジンのクランクシャフトを熱処理する装置に応用することもできる。なおエンジンのクランクシャフトを熱処理する装置では、鞍形コイルと称される形状のコイルが使用されることもある。

上記したように、本実施例の焼入装置１では、各誘導加熱コイル１０に取り付けられたコア部材３５において電流検知用コイル３８に流れる誘導電流Ｉｙや、各誘導加熱コイル１０に作用する電圧を検知することにより各誘導加熱コイル１０毎に通電不良が起こっていないかを確認できる。そのため、本実施例の焼入装置１によれば、各誘導加熱コイル１０への通電不良に伴う焼き入れ不良が起こるのを防止することができる。

本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。 本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。 図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図（ａ）及び分解斜視図（ｂ）である。 他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。 焼入れ時において誘導加熱コイルに供給される電力の変化を示すグラフである。

１ 誘導加熱焼入装置（誘導加熱装置）
２ 高周波電源
３ 加熱ユニット
１０ 誘導加熱コイル
１１ カレントトランス
３１ 加熱処理部
３２ 導通部
３３ 二次側電気系統
３５ コア部材（コア部）
３９ 絶縁体
３８ 電流検知用コイル
４０ 電流計

Claims (1)

1. 高周波電源と、高周波電源から高周波電力の供給を受ける誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルに流れる電流を検知する電流検知手段を備え、誘導加熱コイルに流れる電流及び／又は電力を監視しつつ加熱処理をおこなうことができ、複数の誘導加熱コイルを有し、前記誘導加熱コイルが高周波電源に対して並列的に接続されており、誘導加熱コイルに流れる電流値及び／又は電力が想定される範囲を外れた場合に所定の異常処置が実行されるものであり、誘導加熱コイルは、焼入処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、前記導通部に電流検知手段が一体的に設けられ、電流検知手段は、コア部と絶縁体と電流検知用コイルを有し、前記コア部は磁性体からなり、前記コア部が絶縁体を介して前記導通部に取り付けられ、当該コア部に前記電流検知用コイルが設けられてなることを特徴とする誘導加熱装置。

Images