JP6263165B2 - Metal detection equipment - Google Patents
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Description
本発明は、微小金属材料の加熱方法、金属の検出方法及び検出装置に係り、特に誘導加熱を用いた微小金属材料の加熱方法、及び誘導加熱を用いた非導電性材料中の金属の検出方法並びに検出装置に関する。 The present invention relates to a method for heating a minute metal material, a method for detecting a metal, and a detection apparatus, and more particularly, a method for heating a minute metal material using induction heating, and a method for detecting a metal in a non-conductive material using induction heating. And a detection apparatus.
従来、誘導加熱を用いた金属材料の加熱方法は、半導体素子の溶着用金属ボール(バンプ球)の成型に採用されている。この加熱方法では、粒径700μm程度の金属片を容器内に収容若しくは管内を通過させ、容器若しくは管を誘導加熱することにより、容器または管内の金属片を加熱し、バンプ球を成型している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a method of heating a metal material using induction heating has been employed for molding a metal ball (bump ball) for welding a semiconductor element. In this heating method, a metal piece having a particle size of about 700 μm is accommodated in a container or passed through a tube, and the container or tube is induction-heated to heat the metal piece in the container or tube, thereby forming a bump ball. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、これまで、粒径3mm以下の金属材料を誘導加熱により直接加熱することは困難であった。その理由は、金属材料の熱容量が小さいため、エネルギーの吸収(蓄熱)と放熱がバランスし、温度の上昇が停止してしまうからである。また、小さい金属片に磁気エネルギーを投入するには困難である。 However, until now, it has been difficult to directly heat a metal material having a particle diameter of 3 mm or less by induction heating. The reason is that since the heat capacity of the metal material is small, energy absorption (heat storage) and heat dissipation are balanced, and the temperature rise stops. In addition, it is difficult to input magnetic energy into a small metal piece.
また、上記従来の加熱方法では、高周波電力発生電源の制約から100kHz未満の高周波が用いられており、大型の装置が必要であり、磁束密度の高密度化に限界があった。
更に、加熱装置が目標としている加熱対象物よりも大きいため、加熱に要するエネルギーが分散し、加熱対象物である金属材料にエネルギーを集約することができず、エネルギーロスが大きいという問題があった。また、加熱装置には、高耐圧、高容量の半導体素子が必要となり、電源も大容量となり、省エネルギー化の傾向に反することになる。Further, in the above conventional heating method, a high frequency of less than 100 kHz is used due to the limitation of the high frequency power generation power source, a large device is required, and there is a limit to increasing the magnetic flux density.
Furthermore, since the heating device is larger than the target heating target, the energy required for heating is dispersed, and the energy cannot be concentrated on the metal material that is the heating target, resulting in a large energy loss. . In addition, the heating device requires a semiconductor device having a high withstand voltage and a high capacity, and the power source has a large capacity, which is contrary to the trend of energy saving.
一方、磁性酸化物、セラミックス、樹脂(プラスチック)、フィルム状の電気電子材料、その他種々の工業材料及び工業製品中に、その製造過程で微小な金属異物が混入する場合がある。金属異物が混入した工業材料及び製品は、不良品であり、工業材料及び製品自体を排除するか、工業材料及び製品から金属異物を除去しなければならないため、その前に工業材料及び工業製品を検査する必要がある。 On the other hand, fine metal foreign matter may be mixed in magnetic oxides, ceramics, resins (plastics), film-like electrical and electronic materials, and other various industrial materials and products in the manufacturing process. Industrial materials and products contaminated with metallic foreign objects are defective and must be removed before the industrial materials and products themselves must be removed or removed from the industrial materials and products. Need to be inspected.
そのような工業材料及び製品金属中の金属異物の有無を検査する方法として、誘導コイルの磁極間に配置された被検査体を誘導加熱し、赤外線カメラを用いて、加熱された被検査体の温度分布を測定することにより、金属異物を検出する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。 As a method for inspecting the presence or absence of metallic foreign matter in such industrial materials and product metals, the object to be inspected arranged between the magnetic poles of the induction coil is induction-heated, and an infrared camera is used to inspect the heated object to be inspected. A method of detecting a metallic foreign object by measuring a temperature distribution is known (for example, see Patent Document 2).
しかし、特許文献2に記載の方法では、被検査体を磁極間に挟むように配置する方式のため、被検査体の形状や大きさに制限があるという問題があった。即ち、磁極間に入らない形状やサイズの被検査体は検査することができなかった。この場合、磁極間を広く設計する必要があるが、エネルギー密度が小さくなるため、被検査体内に含まれる金属異物を誘導加熱することは困難であった。
However, the method described in
また、被検査体を磁極間に存在する磁路に配置して誘導加熱するので、磁極間に被検査体を保持する必要があり、そのため保持機構を備えなければならなかった。被検査体の任意の部位を検査したい場合には、コアのサイズの範囲でしか被検査体を移動することが出来ないので、被検査体の任意の部位を磁極間に発生する磁束と鎖交する位置に容易に移動することは不可能であった。 In addition, since the object to be inspected is placed in the magnetic path existing between the magnetic poles and induction heated, it is necessary to hold the object to be inspected between the magnetic poles, and therefore a holding mechanism must be provided. When it is desired to inspect an arbitrary part of the object to be inspected, the object to be inspected can be moved only within the range of the core size, so that any part of the object to be inspected is linked to the magnetic flux generated between the magnetic poles. It was impossible to move easily to the position.
更に、特許文献2に記載の方法によっても金属異物の誘導加熱はある程度可能ではあるものの、その金属の種類を特定することまでは難しく、単にサイズの小さな被検査体中の異物の有無を検出するのみであった。
Furthermore, although induction heating of a metal foreign object is possible to some extent by the method described in
本発明の目的は、金属材料を短時間でかつ小さいエネルギーロスで加熱することを可能とする金属材料の加熱方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method for heating a metal material that makes it possible to heat the metal material in a short time and with a small energy loss.
Another object of the present invention is to provide a metal detection method capable of detecting a metal contained in an object to be inspected having an arbitrary shape and size with high accuracy in a short time.
Still another object of the present invention is to provide a metal detection device capable of detecting a metal contained in an object to be inspected of any shape and size with high accuracy in a short time.
本発明の第1の態様によると、磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなる誘導加熱手段の前記ギャップの外側に、金属材料を配置する工程、及び前記コイルに高周波を流し、前記ギャップの外側に湾曲磁界を発生させ、前記金属材料に湾曲磁界を作用させ、前記湾曲磁界により生じた電磁誘導によって前記金属材料を加熱する工程を具備する金属材料の加熱方法が提供される。 According to the first aspect of the present invention, a step of arranging a metal material outside the gap of the induction heating means formed by winding a coil around a frame-shaped yoke core having a gap between magnetic poles, and a high frequency is passed through the coil There is provided a method of heating a metal material, comprising: generating a curved magnetic field outside the gap, causing the curved magnetic field to act on the metal material, and heating the metal material by electromagnetic induction generated by the curved magnetic field. .
本発明の第2の態様によると、磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなる誘導加熱手段の前記ギャップの外側に、金属を含む被検査体を配置する工程、前記コイルに高周波を流し、前記ギャップの外側に湾曲磁界を発生させ、前記金属に湾曲磁界を作用させ、前記湾曲磁界による電磁誘導によって前記金属を加熱する工程、及び前記被検査体内に含まれる金属の発熱を検出する工程を具備する金属の検出方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the step of disposing a test object including metal outside the gap of the induction heating means formed by winding a coil around a frame-like yoke core having a gap between magnetic poles, Flowing a high frequency, generating a bending magnetic field outside the gap, causing the bending magnetic field to act on the metal, and heating the metal by electromagnetic induction by the bending magnetic field; and heat generation of the metal contained in the inspected body A method for detecting a metal comprising a detecting step is provided.
以上のように構成される本発明の第1及び第2の態様において、前記コイルに100kHz以上の高周波を流すことができる。
金属材料又は金属として、粒径20μm〜3mmのものを用いることができる。
金属材料又は金属として、鉄、鋼、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム、及びこれらの1種以上を含む合金からなる群から選ばれた1種を用いることができる。
高周波の周波数として、特に、100kHz〜100MHzを用いることができる。In the first and second aspects of the present invention configured as described above, a high frequency of 100 kHz or more can flow through the coil.
A metal material or a metal having a particle diameter of 20 μm to 3 mm can be used.
As the metal material or metal, one selected from the group consisting of iron, steel, stainless steel, brass, copper, aluminum, and an alloy containing one or more of these can be used.
In particular, 100 kHz to 100 MHz can be used as the high frequency.
本発明の第3の態様によると、磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなり、前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された金属を含む被検査体に前記湾曲磁界を作用させる誘導加熱手段、前記被検査体と前記湾曲磁界発生手段とを相対的に移動させ、前記被検査体の被検査部を前記誘導加熱手段により走査する手段、及び前記湾曲磁界による電磁誘導によって加熱された前記被検査体内に含まれる金属の発熱及び周囲への伝熱を検出する手段を具備する金属の検出装置が提供される。 According to the third aspect of the present invention, an object to be inspected is formed by winding a coil around a frame-shaped yoke core having a gap between magnetic poles, generating a curved magnetic field in the vicinity of the gap, and including a metal disposed in the vicinity of the gap. Inductive heating means for causing the bending magnetic field to act on, means for relatively moving the object to be inspected and the bending magnetic field generating means, and scanning the inspection target portion of the object to be inspected by the induction heating means, and the bending There is provided a metal detection device including means for detecting heat generation and heat transfer to the surroundings of a metal contained in the body to be inspected heated by electromagnetic induction by a magnetic field.
以上のように構成される本発明の第3の態様において、枠状ヨークコアの磁極の下面のギャップ間隙までを緩やかに傾斜させることで、磁束密度の向上を図ることができる。また、枠状ヨークコアの磁極の上面に、ヨークを設けることができる。
更には、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生する赤外線を検出する赤外線センサーとすることができる。In the third aspect of the present invention configured as described above, the magnetic flux density can be improved by gently inclining the gap gap on the lower surface of the magnetic pole of the frame-shaped yoke core. A yoke can be provided on the top surface of the magnetic pole of the frame-shaped yoke core.
Furthermore, the means for detecting the heat generation of the metal can be an infrared sensor that detects infrared rays generated from the metal.
この場合、赤外線センサーは、前記湾曲磁界発生手段に対し相対的に移動する前記被検査体の下流側に配置することができる。
あるいは、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生した熱による金属材料近傍の被検査体の変色及び/又は変形を検知する手段とすることができる。更には、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生した熱による金属近傍の被検査体に形成された空孔を検知する手段とすることができる。In this case, the infrared sensor can be arranged on the downstream side of the object to be inspected that moves relative to the bending magnetic field generating means.
Alternatively, the means for detecting the heat generation of the metal can be a means for detecting discoloration and / or deformation of the object to be inspected in the vicinity of the metal material due to heat generated from the metal. Furthermore, the means for detecting the heat generation of the metal can be a means for detecting a hole formed in the object to be inspected near the metal by heat generated from the metal.
また、金属の発熱を検出する手段を、前記金属の種類に対応する放射率の赤外線を検出する放射温度計とすることができる。
更に、誘導加熱手段は、前記金属の種類に適正な加熱周波数に応じて高周波が制御されるものとすることができる。Further, the means for detecting the heat generation of the metal can be a radiation thermometer that detects infrared rays having an emissivity corresponding to the type of the metal.
Furthermore, the induction heating means can be controlled at a high frequency according to a heating frequency appropriate for the type of metal.
本発明の第1の態様によれば、金属を短時間で急速加熱することが可能であり、また装置の小型化、省エネ化を達成することが可能な金属材料の加熱方法が提供される。
本発明の第2の態様によれば、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出方法が提供される。
本発明の第3の態様によれば、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出装置が提供される。According to the first aspect of the present invention, there is provided a method for heating a metal material that can rapidly heat a metal in a short time and can achieve downsizing and energy saving of the apparatus.
According to the second aspect of the present invention, there is provided a metal detection method capable of detecting a metal contained in an object to be inspected having an arbitrary shape and size with high accuracy in a short time.
According to the third aspect of the present invention, there is provided a metal detection apparatus capable of detecting a metal contained in an inspection object having an arbitrary shape and size with high accuracy in a short time.
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の第1の実施形態に係る金属材料の加熱方法は、磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなる誘導加熱手段の前記ギャップの外側に、金属材料を配置する工程、及び前記コイルに高周波を流し、前記ギャップの外側に湾曲磁界を発生させ、前記金属材料に湾曲磁界を作用させ、前記湾曲磁界により生じた電磁誘導によって前記金属材料を加熱する工程を具備することを特徴とする。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The method for heating a metal material according to the first embodiment of the present invention includes a step of disposing a metal material outside the gap of induction heating means formed by winding a coil around a frame-shaped yoke core having a gap between magnetic poles. And applying a high frequency to the coil, generating a bending magnetic field outside the gap, applying a bending magnetic field to the metallic material, and heating the metallic material by electromagnetic induction generated by the bending magnetic field. Features.
本実施形態に係る金属材料の加熱方法は、どのような大きさ及び形状の金属材料をも対象とすることが出来る。粒径3mm以下の微小な金属材料を加熱することが可能である。特に、粒径20μm〜100μmの極めて微小な金属材料を加熱することも可能である。また、微小金属がいびつな形状の場合は、平均粒径20μm〜100μmを考慮する。なお、この場合の平均粒径は、メジアン径d50である。 The metal material heating method according to the present embodiment can target any size and shape of metal material. It is possible to heat a minute metal material having a particle size of 3 mm or less. In particular, it is possible to heat an extremely minute metal material having a particle diameter of 20 μm to 100 μm. In addition, when the minute metal has an irregular shape, an average particle diameter of 20 μm to 100 μm is considered. In this case, the average particle diameter is a median diameter d50.
このような微小な金属材料は、これまで誘導加熱により直接加熱することが困難であったものである。
鋼管を曲げたり、溶接したりする際に、大きなサイズの金属を誘導加熱により直接加熱することは、従来知られていたが、本発明において初めて、粒径3mm以下の金属材料を誘導加熱により直接加熱することが可能となった。Such a fine metal material has been difficult to heat directly by induction heating until now.
In the past, it has been known to directly heat a large-sized metal by induction heating when bending or welding a steel pipe. However, for the first time in the present invention, a metal material having a particle size of 3 mm or less is directly heated by induction heating. It became possible to heat.
一方、誘導加熱コイルの中に加熱対象物である金属材料を配置し、コイルに高周波電流を流すと、コイル内に発生する磁界の作用により金属材料に渦電流が発生し、これにより金属材料が加熱されることは知られている。また、コアにギャップを設けてコイルを巻回した事例は今回のように稀にある。しかし、上述したように、このような方法では、ギャップに配置可能な小さいサイズの金属材料や、ギャップに配置可能な位置にある金属材料しか加熱することはできない。 On the other hand, when a metal material that is an object to be heated is placed in the induction heating coil and a high-frequency current is passed through the coil, an eddy current is generated in the metal material due to the action of the magnetic field generated in the coil. It is known to be heated. In addition, there are rare cases where a coil is wound with a gap provided in the core as in this case. However, as described above, in such a method, only a small-sized metal material that can be arranged in the gap or a metal material in a position that can be arranged in the gap can be heated.
本実施形態では、誘導加熱コイルの磁極間のギャップを狭めた場合、ギャップの外側にも、ある程度磁束密度の高い漏洩磁界が発生する現象を利用し、ギャップの外側に金属材料を配置して加熱することを可能とした。その結果、金属材料のサイズ、形状、位置を問わず、どのようなものでも加熱することが可能となり、加熱の自由度を大きくすることが可能となった。 In the present embodiment, when the gap between the magnetic poles of the induction heating coil is narrowed, the phenomenon that a leakage magnetic field having a high magnetic flux density is also generated outside the gap is used. Made it possible to do. As a result, any metal material can be heated regardless of the size, shape, and position of the metal material, and the degree of freedom in heating can be increased.
金属材料は、球形、円筒状、ウィスカー状等、その形態は問わない。金属材料の種類は特に限定されないが、通常、広範な用途に使用される、鉄、鋼、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム、及びこれらの1種以上を含む合金を用いることができる。 The metal material may have any form such as a spherical shape, a cylindrical shape, or a whisker shape. Although the kind of metal material is not particularly limited, iron, steel, stainless steel, brass, copper, aluminum, and alloys containing one or more of these, which are generally used for a wide range of applications, can be used.
図1は、本実施形態に係る加熱方法に用いる金属材料加熱装置の誘導加熱手段としての誘導加熱コイル1を示す図である。図1において、誘導加熱コイル1は、ヨークコア2と、このヨークコア2に巻回されたコイル3とからなる。ヨークコア2は、枠状体の一辺の中央部が除去されて、磁極間のギャップ4が設けられた形状を有し、その両側部に2つのコイル3が巻回されている。ヨークコア2は、軟磁性体、例えば純鉄からなる。
FIG. 1 is a diagram showing an induction heating coil 1 as induction heating means of a metal material heating apparatus used in the heating method according to the present embodiment. In FIG. 1, an induction heating coil 1 includes a
このような誘導加熱コイル1において、コイル3に高周波電流を流すと、磁極間のギャップ4に磁界が発生するが、ギャップ4だけでなく、ギャップ4の外側にも湾曲磁界5が発生する。従って、この誘導加熱コイル1のギャップ4の外側の湾曲磁界5が存在する領域に金属材料を配置した場合、湾曲磁界5の作用により金属材料に渦電流が流れ、それによって金属材料は発熱する。
In such an induction heating coil 1, when a high frequency current is passed through the
なお、ヨークコア2の形状を工夫することにより、ギャップ4の外側に発生した湾曲磁界5の磁束密度を更に高めることができる。図2は、このような例を示す。図2(a)に示す例では、ヨークコア2aは、ギャップ4を形成する両磁極の下面(コアの内側の面)が傾斜面Tとなっており、ヨークコア2aをこのような形状とすることにより、高い磁束密度の湾曲磁界5aが発生する。
In addition, by devising the shape of the
図2(b)に示す例では、傾斜面Tを有するヨークコア2aのギャップ4を形成する磁極の外側(ギャップ4の近傍の両磁極の上面)に更に、ヨーク2bが追加されている。このような構成により、図2(a)に示す例よりも更に高い磁束密度の湾曲磁界5bを得ることができる。
In the example shown in FIG. 2B, the
本実施形態に係る金属材料の加熱方法では、周波数100kHz以上の高周波による誘導加熱を用いることが望ましい。周波数100kHz以上の高周波を用いることにより、従来困難であった、粒径3mm以下の微小な金属材料を誘導加熱により直接加熱することが可能である。 In the method for heating a metal material according to the present embodiment, it is desirable to use induction heating with a high frequency of 100 kHz or more. By using a high frequency of 100 kHz or more, it is possible to directly heat a minute metal material having a particle size of 3 mm or less, which has been difficult in the past, by induction heating.
周波数100kHz未満の高周波を用いたのでは、例えば、粒径3mm以下の微小な金属材料を短時間で加熱することは困難な場合がある。例えば、粒径3mm以下の金属材料は熱容量が小さいため、100kHz未満の高周波による誘導加熱では、単位時間当たりの効率的なエネルギーの供与が出来ず、温度上昇の速度が低下し、更にはエネルギーの吸収(蓄熱)と放熱がバランスし、温度上昇が停止してしまう。 If a high frequency of less than 100 kHz is used, for example, it may be difficult to heat a minute metal material having a particle diameter of 3 mm or less in a short time. For example, since a metal material having a particle size of 3 mm or less has a small heat capacity, induction heating with a high frequency of less than 100 kHz cannot efficiently supply energy per unit time, and the rate of temperature rise decreases. Absorption (heat storage) and heat dissipation balance, and temperature rise stops.
高周波の周波数は、100kHz以上が好ましいが、更に有効な加熱を行う観点から、100kHz〜100MHzがより好ましく、100kHz〜10MHzがより更に好ましく、500kHz〜2MHzが最も好ましい。 The frequency of the high frequency is preferably 100 kHz or more, but more preferably 100 kHz to 100 MHz, still more preferably 100 kHz to 10 MHz, and most preferably 500 kHz to 2 MHz from the viewpoint of further effective heating.
加熱温度は、特に限定されず、加熱の用途に応じて、室温〜1500℃の加熱が可能である。
以上のように、本実施形態に係る金属材料の加熱方法において、100kHz以上の、従来使用されていなかった高周波による誘導加熱を用いると、粒径3mm以下の金属材料を、急速に短時間で加熱することが可能である。The heating temperature is not particularly limited, and heating from room temperature to 1500 ° C. is possible depending on the application of heating.
As described above, in the method for heating a metal material according to the present embodiment, when induction heating using a high frequency of 100 kHz or more and not conventionally used is used, a metal material having a particle size of 3 mm or less is rapidly heated in a short time. Is possible.
通常、粒径3mm以下の金属材料では、磁束の表皮効果が期待できないが、100kHz以上の超高周波の交番磁束のため、磁束の表皮効果を期待することが出来、それを活用することで急昇温が可能となる。
また、100kHz以上の高周波を用いることにより、誘導加熱装置を従来使用されてきたものよりもはるかに小型化することが可能である。そのため、磁束密度の高密度化を図ることができ、エネルギーロスのない高効率の加熱が可能である。Normally, the skin effect of magnetic flux cannot be expected with a metal material having a particle size of 3 mm or less, but the skin effect of magnetic flux can be expected due to the alternating magnetic flux of ultrahigh frequency of 100 kHz or more, and the use of this makes a rapid rise. Temperature becomes possible.
Further, by using a high frequency of 100 kHz or more, it is possible to make the induction heating device much smaller than those conventionally used. As a result, the magnetic flux density can be increased, and highly efficient heating without energy loss is possible.
即ち、誘導加熱装置を小型化できるようになると、加熱対象物である微小金属材料に対する装置の加熱部分の比率が近づき、加熱対象物に対して磁束密度の集約化も可能となり、エネルギー損失を少なくすることが出来るのである。
以下、100kHz以上の高周波を用いることにより装置の小型化が可能となる理由について説明する。In other words, when the induction heating device can be reduced in size, the ratio of the heating part of the device to the minute metal material that is the heating object approaches, and the magnetic flux density can be consolidated with respect to the heating object, thereby reducing energy loss. It can be done.
Hereinafter, the reason why the apparatus can be miniaturized by using a high frequency of 100 kHz or more will be described.
図3(a)は、本実施形態に係る金属材料の加熱方法に用いられる誘導加熱コイルの模式図を示し、図3(b)はその磁気の等価回路図を示す。図3(a)に示す誘導加熱コイル11は、コア12に巻数Nのコイル13を巻回してなり、コア12は、例えば、図示する寸法を有する枠状体の一辺にギャップ長Lgのギャップ14が設けられた形状を有する。
FIG. 3A shows a schematic diagram of an induction heating coil used in the method for heating a metal material according to this embodiment, and FIG. 3B shows an equivalent circuit diagram of the magnetism. The induction heating coil 11 shown in FIG. 3A is formed by winding a
図3(b)は誘導加熱コイル11の磁気回路図である。図3(b)の磁気回路図において、φは磁束、Rm,R’mは、磁気抵抗を示す。
このような誘導加熱装置において、コイル13にI(A)の電流を流し、1MHz及び75kHzの高周波を発生させ、ギャップ14間に配置されたステンレス(SUS304)の金属材料(図示せず)を加熱する場合を考える。FIG. 3B is a magnetic circuit diagram of the induction heating coil 11. In the magnetic circuit diagram of FIG. 3B, φ indicates magnetic flux, and Rm and R′m indicate magnetic resistance.
In such an induction heating apparatus, a current of I (A) is passed through the
(1)磁束密度の算出
粒径1mmのステンレス(SUS304)の金属材料を5秒間に200℃昇温するのに必要な磁束密度を、磁束密度の公式により計算で求めると、次のようになる。
1MHzの高周波の場合 4.6mT
75kHzの高周波の場合 60.96mT(1) Calculation of magnetic flux density When the magnetic flux density required for heating a metal material of stainless steel (SUS304) having a particle diameter of 1 mm at 200 ° C. in 5 seconds is calculated by the formula of magnetic flux density, it is as follows. .
In case of high frequency of 1MHz 4.6mT
For high frequency of 75 kHz 60.96 mT
(2)コイルの巻数Nの算出
コイルの巻数Nは、下記式により表される。
N=BLg/μ0I
ここで、Bは上で求めた磁束密度であり、ギャップ長Lgを5mm、真空の透磁率μ0を4π・10−7、電流実効値Iを8Aとすると、コイルの巻数Nは次のようになる。
1MHzの高周波の場合 N=2.4
75kHzの高周波の場合 N=30.3(2) Calculation of the number of turns N of the coil The number N of turns of the coil is expressed by the following formula.
N = BLg / μ 0 I
Here, B is the magnetic flux density obtained above, where the gap length Lg is 5 mm, the vacuum permeability μ 0 is 4π · 10 −7 , and the current effective value I is 8 A, the number of turns N of the coil is as follows: become.
For high frequency of 1MHz N = 2.4
In the case of high frequency of 75 kHz, N = 30.3
(3)コア1のサイズの算出
コア1の窓面積Q(mm2)は、下記の式により表される。
Q=IN/pq (pは電流密度、qは占積率)
コア1の体積Vは、下記式により表される。
V=a・b・c
=(Q1/2+2Ae1/2)2・Ae1/2 (Aeはコア断面積)(3) Calculation of the size of the core 1 The window area Q (mm 2 ) of the core 1 is represented by the following equation.
Q = IN / pq (p is current density, q is space factor)
The volume V of the core 1 is represented by the following formula.
V = a ・ b ・ c
= (Q 1/2 + 2Ae 1/2 ) 2 · Ae 1/2 (Ae is the core cross-sectional area)
電流密度pを3A/mm2、占積率qを0.1、コア断面積Aeを100mm2とすると、Vは次のようになる。
1MHzの高周波の場合 V=7734mm3
75kHzの高周波の場合 V=23445mm3 When the current density p is 3 A / mm 2 , the space factor q is 0.1, and the core cross-sectional area Ae is 100 mm 2 , V is as follows.
In case of high frequency of 1MHz V = 7734mm 3
In the case of high frequency of 75 kHz V = 23445 mm 3
以上のように、1MHzの高周波を用いた場合に必要なコア1の体積は、75kHzの高周波を用いた場合に必要なコア1の体積の約3分の1でよいことがわかる。
このように、100kHzを超える高周波を用いた場合には、誘導加熱装置を従来使用されてきたものよりもはるかに小型化することが可能である。そのため、エネルギーロスのない高効率の加熱が可能である。As described above, it can be seen that the volume of the core 1 required when a high frequency of 1 MHz is used may be about one third of the volume of the core 1 required when a high frequency of 75 kHz is used.
Thus, when a high frequency exceeding 100 kHz is used, the induction heating device can be made much smaller than that conventionally used. Therefore, highly efficient heating without energy loss is possible.
本実施形態における実施例について説明する。
実施例1
図4は、本実施形態において金属材料の加熱に用いた誘導加熱装置21の模式図を示す。図4に示す誘導加熱装置21は、図3(a)に示す誘導加熱コイル11と同様の構成を有し、コア22に巻数Nのコイル23を巻回してなる。コア22は、例えば、図示する寸法を有する枠状体の一辺にギャップ長Lg(5mm)のギャップ24が設けられた形状を有する。
コイル23は、電圧50V、周波数1MHzのフルブリッジ高周波電源(図示せず)に接続されている。
なお、図3(a)に示す誘導加熱コイル11ではなく、図1(a)に示す2つのコイルが巻回された誘導加熱コイル1を用いてもよい。Examples of the present embodiment will be described.
Example 1
FIG. 4 is a schematic diagram of the
The
Instead of the induction heating coil 11 shown in FIG. 3A, an induction heating coil 1 in which two coils shown in FIG. 1A are wound may be used.
ギャップ24の外側の、湾曲磁界が存在する領域には被加熱試料25が配置されており、被加熱試料25の上方には、被加熱試料25の温度分布を測定するためのサーモグラフィー26が設けられている。
コイル23に周波数1MHz、電流8Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25の誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、平均粒径約1mmの鉄粒子を用いた。
被加熱試料25の上方に配置されたサーモグラフィー26により、被加熱試料25である鉄粒子の温度を測定したところ、鉄粒子は、室温18℃から193.7℃上昇した。A
A high frequency having a frequency of 1 MHz and a current of 8 A was passed through the
When the temperature of the iron particles as the
比較例
コイル23に周波数75kHzにおいて、共振する回路定数を与え、エネルギーの投入条件を同等にして、電流8Aの高周波を5秒間流し加熱したところ、鉄粒子は、室温17.8℃から6.9℃しか上昇しなかった。また、3秒間加熱しても、16.0℃しか上昇せず、5分間加熱しても16.8℃しか上昇しなかった。Comparative example
When the
参考例
図4に示す誘導加熱装置21のコア22にコイル23を10回巻き、周波数1MHz、電流7Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25をギャップ24内の中心に配置して誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、木製の支持棒に固定した300μmの鋼球(SUS304)を用いた。コア22の正面に配置したサーモグラフィー(図示せず)により、被加熱試料25である鋼球の温度を測定したところ、鋼球は室温17.3℃から9.8℃上昇した。さらに、鋼球から指示棒に熱伝導が行われ、サーモグラフィー上では加熱された鋼球が5〜30倍の大きさに拡大されて観察された。Reference
実施例2
図4に示す誘導加熱装置21のコア22にコイル23を8回巻き、周波数1MHz、電流8Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25をギャップ24の中心から8.0mm上方に配置して誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、木製の支持棒に固定した1.0mmの鋼球(SUJ−2)を用いた。コア22の正面に配置したサーモグラフィー(図示せず)により、被加熱試料25である鋼球の温度を測定した。Example 2
A
同様の実験を、図7のようにギャップ24の中心から8.0mm上方を原点とし、被加熱試料25の位置を原点から側面方向(x方向とする)に1.0mmずつ移動して誘導加熱した結果を図8に、正面方向(y方向とする)に1.0mmずつ移動して誘導加熱した結果を図9にそれぞれ示す。なお、図8及び図9の横軸はそれぞれx(原点から側面方向の距離)、y(原点から正面方向の距離)であり、縦軸はいずれも室温21.1℃から上昇した温度を示す。
As shown in FIG. 7, the same experiment is conducted by induction heating by moving the position of the
図8及び図9から、ギャップ24の直上のみでなく、ギャップ24の直上から水平方向に、前後左右に移動した位置においても、鋼球の温度上昇が観測され、本加熱方法の有効な範囲が広範囲に渡ることが確認できた。
以上のように、周波数1MHzの高周波を用いて誘導加熱を行うことにより、平均粒径1mmという微小の鉄粒子を、5秒間という短期間に約200℃の昇温という急速加熱を行うことが可能であることがわかる。
以上説明した本発明の第1の実施形態は、金属材料の様々な加熱に適用することが出来る。例えば、金属材料の溶融、半溶融、若しくは、金属材料と他素材の接合、溶着、更には、金属材料性を加熱し、その金属の発熱を利用して、非磁性で絶縁体素材の微細加工への応用などが考えられる。From FIG. 8 and FIG. 9, the temperature rise of the steel ball is observed not only immediately above the
As described above, by performing induction heating using a high frequency of 1 MHz, it is possible to rapidly heat minute iron particles having an average particle diameter of 1 mm to a temperature of about 200 ° C. in a short period of 5 seconds. It can be seen that it is.
The first embodiment of the present invention described above can be applied to various heating of metal materials. For example, melting of metal materials, semi-melting, joining of metal materials and other materials, welding, and heating of metal material properties, and utilizing the heat generated by the metal, non-magnetic and fine processing of insulator materials Application to is considered.
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
誘導加熱コイルの中に金属を配置し、コイルに高周波電流を流すと、コイルに発生する磁界の作用により金属に渦電流が発生し、これにより金属が加熱されることはよく知られている。更にこの応用技術として、コアを入れギャップを設けることにより、この現象を利用して、ギャップに被検査体を配置し、被検査体に含まれる金属を検出することが出来る。
しかし、上述したように、このような方法では、被検査体としてギャップに配置可能な小さいサイズのものしか用いることはできない。Next, a second embodiment of the present invention will be described.
It is well known that when a metal is placed in an induction heating coil and a high-frequency current is passed through the coil, an eddy current is generated in the metal by the action of a magnetic field generated in the coil, thereby heating the metal. Furthermore, as this applied technology, by inserting a core and providing a gap, it is possible to use this phenomenon to place an object to be inspected in the gap and detect a metal contained in the object to be inspected.
However, as described above, in such a method, only a small-sized object that can be arranged in the gap can be used as an object to be inspected.
本実施形態では、磁極間のギャップだけでなくギャップの外側にも、磁束密度の高い漏洩磁界(湾曲磁界)が発生する現象に着目し、ギャップの外側に被検査体を配置して、その中に含まれる金属を検出することを可能とした。なお、このような湾曲磁界は、特に誘導加熱コイルの磁極間のギャップを狭めた場合に発生する。
その結果、長尺な被検査体と誘導加熱コイルとを相対的に被検査体の長手方向に移動させつつ、被検査体を検査し、その中に含まれる金属を連続的に検出することが可能となった。In this embodiment, attention is paid to the phenomenon that a leakage magnetic field (curved magnetic field) having a high magnetic flux density is generated not only in the gap between the magnetic poles but also outside the gap. It was possible to detect the metal contained in. Such a curved magnetic field is generated particularly when the gap between the magnetic poles of the induction heating coil is narrowed.
As a result, it is possible to inspect the inspected object while continuously moving the long inspected object and the induction heating coil in the longitudinal direction of the inspected object, and continuously detect the metal contained therein. It has become possible.
被検査体としては、特に限定されないが、例えば、異物である金属の混入を検査するための樹脂シートや樹脂ペレットに応用ができる。
本実施形態は、このような知見に基づきなされたものである。Although it does not specifically limit as a to-be-inspected object, For example, it can apply to the resin sheet and resin pellet for test | inspecting mixing of the metal which is a foreign material.
The present embodiment has been made based on such knowledge.
図5は、本実施形態に係る金属検出装置の概略を示す図である。図5に示す金属検出装置では、図1に示す誘導加熱コイル1の上に近接して、被検査体としての、例えば樹脂シート36が配置されている。樹脂シート36の右側上方には、赤外線検出器39が配置されている。
FIG. 5 is a diagram showing an outline of the metal detection device according to the present embodiment. In the metal detection device shown in FIG. 5, for example, a
まず、誘導加熱コイル31のコイルに高周波電源(図示せず)から高周波電流を流すとともに、誘導加熱コイル31を樹脂シート36の上面に対し走査する。コイル33に高周波電流が流れると、ギャップ34の近傍に湾曲磁界35が発生し、この湾曲磁界内の樹脂シート36の部分に金属37が存在すると、金属37に渦電流が生じ、加熱される。金属37が加熱されると、樹脂シート36の金属37の周辺部38も昇温する。これら金属37及び周辺部38から発する赤外線40を赤外線検出器39により検出することにより、樹脂シート36に含まれる金属37の存在を検出することが容易にできる。金属の発熱が周囲の非金属に伝熱することによる熱拡大も検出の一助となる。
First, a high frequency current is supplied from a high frequency power source (not shown) to the
この場合、誘導加熱コイル31を樹脂シート36の全面に対し走査することにより、樹脂シート36の全体に対し金属の存在の有無を検査することができる。あるいは、樹脂シート36の任意の領域を走査し、検査することも可能である。
本実施形態に係る金属検出装置において、誘導加熱コイル31に流す高周波としては、既に記述したが高い周波数であることが好ましく、100kHz〜100MHzが好ましい。このように100kHz以上の高周波を用いることにより、粒径3mm以下の微小金属を短時間で検出することが可能である。In this case, by scanning the
In the metal detector according to the present embodiment, the high frequency passed through the
被検査体である樹脂シート36に含まれる金属37及び周辺部38から発する赤外線40を赤外線検出器39により精度よく検出するためには、金属が所定の発熱量を有することが必要である。この場合、発熱量は、金属37に生ずる渦電流量に依存し、渦電流量は磁束密度に依存する。磁束密度はコイル33の巻数N及び高周波の電流Iに依存するので、コイル33の巻数N及び高周波の電流Iを制御することにより、赤外線検出器39により精度よく検出可能な金属37の発熱量とすることが可能である。
In order to accurately detect the
以上の説明では、誘導加熱コイル31を移動して樹脂シート36の全面を走査したが、誘導加熱コイル31を固定し、樹脂シート36を移動することも可能である。
なお、誘導加熱コイル31のギャップの直上に赤外線検出器39を配置し、垂直な位置から発熱部を検出した場合には、ギャップ近傍全体が発熱として検出されてしまい、金属37の発熱を正確に検出することが困難な場合がある。このような場合、図5に示すように、赤外線検出器39を樹脂シート36の移動方向下流側に配置し、斜め方向から赤外線を検出することが望ましい。
以上説明した本発明の第2の実施形態に係る金属材料検出装置によると、被検査体に含まれる金属を、高周波を用いた誘導加熱により短時間で加熱することにより、その発熱を赤外線センサーにより高精度に検出することが可能である。また、その金属と被検査体に伝導した発熱を含めて検出できるため、更に容易に、また、簡便に検出が可能である。In the above description, the
In addition, when the
According to the metal material detection apparatus according to the second embodiment of the present invention described above, the metal contained in the object to be inspected is heated in a short time by induction heating using a high frequency, and the heat generation is performed by the infrared sensor. It is possible to detect with high accuracy. Moreover, since it can detect including the heat | fever which conducted to the metal and to-be-inspected object, it can detect still more easily and simply.
図6は、本発明の第3の実施形態に係る金属検出装置を示す図である。図5に示す金属検出装置では、金属37及び周辺部38から発する赤外線40を赤外線検出器39により検出したが、図6に示す金属検出装置では、被検査体が非耐熱性樹脂シート42である場合に、それに含まれる金属43の発熱によりその周囲の非耐熱性樹脂を溶融して空孔化し、その空孔46を検出するものである。
即ち、図6において、図5に示す誘導加熱コイル31と同様の構成の誘導加熱装置41が配置され、この誘導加熱装置41に隣接して光源45が配置されており、光源45の上方にCCDカメラ48が設置されている。FIG. 6 is a diagram showing a metal detection device according to the third embodiment of the present invention. In the metal detector shown in FIG. 5, the
That is, in FIG. 6, an
右方向に走行する非耐熱性樹脂シート42に含まれる金属43が、誘導加熱装置41により加熱されると発熱し、周囲の非耐熱性樹脂44が溶融する。溶融した非耐熱性樹脂44の部分は更に微細な空孔46となり、光源45からの光47を透過して、光の拡散により拡大してCCDカメラ48に撮像される。撮像された画像は、モニター49により画像50として映し出される。
なお、図6に示す例では、非耐熱性樹脂シート42を走行させて誘導加熱装置41に対し走査したが、非耐熱性樹脂シート42を固定して、誘導加熱装置41、光源45及びCCDカメラ48を移動してもよい。When the
In the example shown in FIG. 6, the non-heat-resistant resin sheet 42 is run and scanned with respect to the
また、図6に示す例では、空孔46からの透過光が拡散され拡大した光をCCDカメラ48により撮像し、金属43の存在を検出したが、電極を設けて空孔46内の導通や電気容量の変化を測定し、それによって金属43の存在を検出することも可能である。
以上説明した本発明の第3の実施形態に係る金属検出装置によると、被検査体に含まれる金属を、短時間で加熱し、その周囲を溶融・空孔化することにより、その微細な空孔をCCDカメラにより高精度に検出することが可能である。Further, in the example shown in FIG. 6, the
According to the above-described metal detection device according to the third embodiment of the present invention, the metal contained in the object to be inspected is heated in a short time, and its surroundings are melted and evacuated, thereby forming the fine voids. The hole can be detected with high accuracy by a CCD camera.
以上の本発明の第3の実施形態では、被検査体として非耐熱性樹脂シートを用い、金属の周辺を溶融・空孔化したが、空孔化に至らない、変色、変形化し、視覚的に検出可能としてもよい。即ち、金属の周辺の表層部を焦がして褐色化または黒色化してもよく、また、金属の周辺の表層部を隆起や陥没させてもよい。このような金属の周辺の変色、変形化することにより、金属の存在を誇張し、検出し易くすることができる。 In the above third embodiment of the present invention, the non-heat-resistant resin sheet is used as the object to be inspected, and the periphery of the metal is melted and vacated, but does not lead to vacancy, discoloration, deformation, visual It may be detectable. That is, the surface layer portion around the metal may be burned to be browned or blackened, or the surface layer portion around the metal may be raised or depressed. Such discoloration and deformation around the metal can exaggerate the presence of the metal and facilitate detection.
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。第2及び第3の実施形態では、被検査体に含まれる金属の存在の有無を検査したが、本実施形態では、被検査体に含まれる金属の種類を検出する。
即ち、上述の第2の実施形態において、樹脂シート36に含まれる金属37及び周辺部38から発する赤外線40を赤外線検出器39により検出しているが、発熱した金属37からの赤外線の放射率は、金属の種類により相違する。従って、金属37からの赤外線の放射率を検出すれば、金属37の種類を特定することができる。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the second and third embodiments, the presence or absence of the metal contained in the object to be inspected is inspected, but in this embodiment, the type of metal contained in the object to be inspected is detected.
That is, in the second embodiment described above, the infrared rays emitted from the
金属の種類と赤外線の放射率は、例えば、波長1μmに対する放射率として下記の通りである。
鉄の場合:非酸化面 0.35、 酸化面 0.85
真鍮の場合:酸化面0.7
銅の場合:0.06
アルミニウムの場合:非酸化面0.13、酸化面0.4
例えば、鉄を検出したい場合、赤外線センサー39の代わりに放射温度計を設置し、放射温度計の放射率を0.85に設定しておくと、鉄以外の金属は放射率が0.85ではないため検出できないが、鉄を検出することができる。The type of metal and the emissivity of infrared are, for example, as emissivity for a wavelength of 1 μm as follows.
For iron: non-oxidized surface 0.35, oxidized surface 0.85
For brass: Oxidized surface 0.7
For copper: 0.06
In the case of aluminum: non-oxidized surface 0.13, oxidized surface 0.4
For example, if iron is to be detected, a radiation thermometer is installed instead of the
また、異なる放射率に設定した放射温度計を複数個、設置しておけば、複数種の金属の種類を特定することが可能である。
また、金属の種類の特定は、高周波の周波数の制御によっても行うことができる。即ち、高周波により金属を誘導加熱する場合、金属の種類に応じて適正加熱周波数が存在する。従って、検出の対象となる金属の適正加熱周波数により被検査体に含まれる金属を誘導加熱すれば、他の金属を加熱することなく目的の金属を加熱することができるので、目的金属を検出することが可能である。If a plurality of radiation thermometers set to different emissivities are installed, it is possible to specify a plurality of types of metals.
Further, the type of metal can be specified by controlling the frequency of the high frequency. That is, when a metal is induction-heated with a high frequency, an appropriate heating frequency exists depending on the type of metal. Therefore, if the metal contained in the inspection object is induction-heated by the appropriate heating frequency of the metal to be detected, the target metal can be heated without heating the other metal, so the target metal is detected. It is possible.
この場合、適正加熱周波数は大きな金属(数cm以上)の金属では形状、サイズ、昇温速度、電源等により異なるが、例えば、下記の通りである。
鋼(1200℃):500Hz〜1kHz
ステンレス/18−8(1200℃):1kHz
真鍮(1800℃):500Hz〜3kHz
銅(850℃):50Hz〜10kHz
アルミニウム(500℃):50Hz〜10kHz
しかし、今回のように100kHz以上の高い周波数で微小金属の加熱行う場合でも、本発明の第4の実施形態によれば100kHz以上での適正周波数と温度上昇率から、被検査体に含まれる金属の存在の有無の検出にとどまらず、金属の種類を特定することが可能である。In this case, the appropriate heating frequency of a large metal (several centimeters or more) varies depending on the shape, size, heating rate, power source, etc., but is as follows, for example.
Steel (1200 ° C.): 500 Hz to 1 kHz
Stainless steel / 18-8 (1200 ° C): 1 kHz
Brass (1800 ° C): 500 Hz to 3 kHz
Copper (850 ° C.): 50 Hz to 10 kHz
Aluminum (500 ° C.): 50 Hz to 10 kHz
However, even when the minute metal is heated at a high frequency of 100 kHz or more as in this case, according to the fourth embodiment of the present invention, the metal contained in the object to be inspected from the appropriate frequency and the temperature increase rate at 100 kHz or more. It is possible not only to detect the presence or absence of metal, but also to specify the type of metal.
このように微小金属の加熱技術は、ピンポイントで金属の一部を短時間で加熱することにより、微細金属加工であったり、微細な金属同士の溶着、金属微小ヘッドを持つ樹脂の熱加工機、さらには、がん細胞に金属片を挿入し焼損させる加熱ヘッドなどに応用分野を広げることが可能である。 In this way, the minute metal heating technology is a pin-point heating of a part of the metal in a short time, so that it can be used for fine metal processing, welding of fine metals, resin heat processing machine with metal micro head. Furthermore, the application field can be expanded to a heating head that inserts metal pieces into cancer cells and burns them.
1,11,31…誘導加熱コイル
2,2a,12,22,32…ヨークコア
2b…ヨーク
3,13,23,33…コイル
4,14,24,34…ギャップ
5,5a,5b,35…湾曲磁界
21,41…誘導加熱装置
25…被加熱試料
26…サーモグラフィー
36…樹脂シート
37,43…金属
38…金属材料周辺部
39…赤外線検出器
40…赤外線
42…非耐熱性樹脂シート
44…溶融樹脂
45…光源
46…空孔
47…光
48…CCDカメラ
49…モニター
50…画像DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記被検査体と前記誘導加熱手段とを相対的に移動させ、前記被検査体の被検査部を前記誘導加熱手段により走査する手段、及び
前記湾曲磁界による電磁誘導によって加熱された前記被検査体内に含まれる金属の発熱及び周囲への伝熱を赤外線により検出する赤外線センサーを備え、
前記赤外線センサーは、前記誘導加熱手段に対し相対的に移動する前記被検査体の下流側に配置されることを特徴とする金属の検出装置。 An induction heating means that is formed by winding a coil around a frame-shaped yoke core having a gap between magnetic poles, generates a bending magnetic field in the vicinity of the gap, and causes the bending magnetic field to act on an object to be inspected disposed in the vicinity of the gap;
Wherein by relatively moving the said induction heating means and the object to be inspected, said means for scanning by said induction heating means to be inspected portion of the object to be inspected, and the test subject that is heated by electromagnetic induction caused by the bending magnetic field Equipped with an infrared sensor that detects the heat generated by the metal contained in and the heat transfer to the surroundings using infrared rays ,
The metal detection apparatus , wherein the infrared sensor is disposed on the downstream side of the inspection object that moves relative to the induction heating unit .
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