(57)【要約】【課題】誘導コイルに流す電流を調節することなく段差を有する軸部材を誘導加熱する。【解決手段】側面に段差が設けられた軸部材４を環状の誘導コイル２に挿通させて誘導加熱する誘導加熱装置であって、軸部材４を、軸部材４の中心軸Ａを回転軸として回転させる回転機構７と、誘導コイル２及び軸部材４の少なくとも一方を、中心軸Ａ方向に平行移動させる軸方向移動機構８と、誘導コイル２及び軸部材４の少なくとも一方を、軸部材４の径方向に移動させる径方向移動機構９と、誘導コイル２に取り付けられて軸部材４と誘導コイル２との間隙を一定に保つガイド部材３と、を備え、軸部材４を誘導加熱する際には、径方向移動機構９を用いてガイド部材３に軸部材４を接触させてガイド部材３側における軸部材４と誘導コイル２との間隙を一定に保ちつつ、回転機構７及び軸方向移動機構８を動作させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面に段差が設けられた軸部材を環状の誘導コイルに挿通させて誘導加熱する誘導加熱装置であって、
前記軸部材を、前記軸部材の中心軸を回転軸として回転させる回転機構と、
前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を、前記中心軸方向に平行移動させる軸方向移動機構と、
前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を、前記軸部材の径方向に移動させる径方向移動機構と、
前記誘導コイルに取り付けられて前記軸部材と前記誘導コイルとの間隙を一定に保つガイド部材と、を備え、
前記軸部材を誘導加熱する際には、前記径方向移動機構を用いて前記ガイド部材に前記軸部材を接触させて前記ガイド部材側における前記軸部材と前記誘導コイルとの間隙を一定に保ちつつ、前記回転機構を用いて前記回転軸を中心として前記軸部材を回転させると共に、前記軸方向移動機構を用いて前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を前記中心軸方向に平行移動させる、
誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導コイルを用いて金属製のワークを誘導加熱する装置が知られている。
例えば、特許文献１には、環状の誘導コイルを用いて段差を有する軸部材を誘導加熱する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１０６０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、誘導加熱装置に関し、以下の課題を見出した。
環状の誘導コイルを用いて軸部材を誘導加熱する際には、軸部材を誘導コイルに挿通させ、誘導コイル及び軸部材の少なくとも一方を軸部材の中心軸方向に平行移動させつつ、誘導コイルに電流を流す。
【０００５】
段差を有する軸部材は、直径が大きい部分と直径が小さい部分とを備える。直径が小さい部分を誘導加熱する際には、直径が大きい部分を誘導加熱する際に比較して、軸部材と誘導コイルとの間隙が大きくなる。誘導加熱の効率は、軸部材と誘導コイルとの間隙が大きくなると、低下する。したがって、直径が小さい部分を誘導加熱する際には、直径が大きい部分を誘導加熱する際に比較して、誘導コイルに流す電流を増やす必要がある。そのため、誘導コイルに流す電流を軸部材の直径に応じて調節する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、誘導コイルに流す電流を調節することなく、段差を有する軸部材を誘導加熱することができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための一態様は、側面に段差が設けられた軸部材を環状の誘導コイルに挿通させて誘導加熱する誘導加熱装置であって、前記軸部材を、前記軸部材の中心軸を回転軸として回転させる回転機構と、前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を、前記中心軸方向に平行移動させる軸方向移動機構と、前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を、前記軸部材の径方向に移動させる径方向移動機構と、前記誘導コイルに取り付けられて前記軸部材と前記誘導コイルとの間隙を一定に保つガイド部材と、を備え、前記軸部材を誘導加熱する際には、前記径方向移動機構を用いて前記ガイド部材に前記軸部材を接触させて前記ガイド部材側における前記軸部材と前記誘導コイルとの間隙を一定に保ちつつ、前記回転機構を用いて前記回転軸を中心として前記軸部材を回転させると共に、前記軸方向移動機構を用いて前記誘導コイル及び前記軸部材の少なくとも一方を前記中心軸方向に平行移動させる。
【０００８】
本発明に係る誘導加熱装置は、軸部材を誘導加熱する際に、径方向移動機構を用いてガイド部材に軸部材を接触させてガイド部材側における軸部材と誘導コイルとの間隙を一定に保ちつつ、回転機構を用いて回転軸を中心として軸部材を回転させると共に、軸方向移動機構を用いて誘導コイル及び軸部材の少なくとも一方を中心軸方向に平行移動させる。したがって、軸部材の直径に応じて誘導コイル２に流す電流を調節する必要がない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、誘導コイルに流す電流を調節することなく、段差を有する軸部材を誘導加熱することができる誘導加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る誘導加熱装置の全体図である。
【図２】誘導コイルの平面図である。
【図３】誘導コイルの正面図である。
【図４】軸部材の斜視図である。
【図５】誘導加熱時の誘導コイル及び軸部材の断面図である。
【図６】加熱効率の計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１２】
まず、図１〜４を参照して、本実施の形態に係る誘導加熱装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る誘導加熱装置の全体図である。図２は、誘導コイルの平面図である。図３は、誘導コイルの正面図である。図４は、軸部材の斜視図である。
【００１３】
誘導加熱装置１は、図１に示すように、誘導コイル２、ガイド部材３、発振器５、制御部６、回転機構７、軸方向移動機構８、及び径方向移動機構９を備える。なお、図１では、軸部材４も図示している。ガイド部材３は、図２に示すように、チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを有する。軸部材４は、図４に示すように、端部４１、途中部４２、及び端部４３を有する。なお、図４に示す中心軸Ａは、軸部材４の中心軸である。
【００１４】
なお、当然のことながら、図２及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１５】
誘導加熱装置１は、誘導コイル２を用いて軸部材４を誘導加熱する装置である。誘導コイル２は、図１に示すように、環状の金属部材である。誘導コイル２は、例えば、銅や銅合金から構成される。誘導コイル２には、ガイド部材３が取り付けられている。ガイド部材３は、誘導コイル２の一部に取り付けられている。ガイド部材３は、例えば、図３に示すように、ガイド部材３のｚ軸正方向側すなわち上側に取り付けられる。
【００１６】
ガイド部材３は、図２に示すように、チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃを有する。チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃは、図３に示すように、それぞれ略台形状の部材である。チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃは、先端が根元側の端に比較して、細い。チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃは、誘導加熱の影響を受けない材料から構成される。チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃは、例えば、セラミックから構成される。
【００１７】
チップ３１ａ〜３１ｃは、図２に示すように、誘導コイル２のｘ軸正方向側の面に取り付けられている。チップ３２ａ〜３２ｃは、誘導コイル２のｘ軸負方向側の面に取り付けられる。チップ３１ｂは、図３に示すように、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、誘導コイル２の上側の頂点に取り付けられる。チップ３１ｂは、誘導コイル２の内周面よりも誘導コイル２の中心側に、先端が突出するように取り付けられている。
【００１８】
チップ３１ａは、図３に示すように、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、チップ３１ｂよりもｙ軸負方向側に取り付けられている。また、チップ３１ｃは、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、チップ３１ｂよりもｙ軸正方向側に取り付けられている。チップ３１ｂ及びチップ３１ｃは、誘導コイル２の内周面よりも誘導コイル２の中心側に、先端が突出するように取り付けられている。
【００１９】
チップ３２ｂは、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、誘導コイル２の上側の頂点に取り付けられている。チップ３２ａは、図２に示すように、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、チップ３２ｂよりもｙ軸負方向側に取り付けられている。チップ３２ｃは、先端が誘導コイル２の中心に向かうように、チップ３２ｂよりもｙ軸正方向側に取り付けられている。チップ３２ａ〜３２ｃは、誘導コイル２の内周面よりも誘導コイル２の中心側に先端が突出するように取り付けられている。
【００２０】
チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃは、それぞれの先端から誘導コイル２の中心までの距離が等しくなるように取り付けられている。また、チップ３１ａとチップ３１ｂとの間隙、チップ３１ｂとチップ３１ｃとの間隙、チップ３２ａとチップ３２ｂとの間隙、及びチップ３２ｂとチップ３２ｃとの間隙は、軸部材４が入り込めない大きさである。
【００２１】
詳細は後述するが、軸部材４を誘導加熱する際には、チップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端に軸部材４を接触させる。チップ３１ｂ及びチップ３２ｂの先端から誘導コイル２の中心までの距離が等しいため、チップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端に軸部材４を接触させることによって、誘導コイル２を軸部材４の中心軸Ａに垂直な方向に配置することができる。
【００２２】
また、チップ３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃの先端よりも誘導コイル２の内周面側に軸部材４が入り込めないため、軸部材４と誘導コイル２との間隙は所定以上に保たれる。つまり、誘導コイル２にガイド部材３を取り付けることによって、軸部材４と誘導コイル２との間隙を所定以上に保つことができる。
【００２３】
誘導コイル２は、図１に示すように、軸部材４を挿通可能である。誘導コイル２は、挿通された軸部材４を誘導加熱することができる。軸部材４は、金属製の円柱状部材である。軸部材４は、図４に示すように、端部４１、途中部４２、及び端部４３を備える。軸部材４の直径は、端部４１、途中部４２、端部４３の順に大きい。したがって、軸部材４は、端部４１と途中部４２との境界及び途中部４２と端部４３との境界に、段差を有する。
【００２４】
誘導コイル２を用いて軸部材４を誘導加熱する際には、誘導コイル２に交流電流が流される。誘導コイル２は、図１に示すように、発振器５に接続されている。発振器５は、誘導コイル２に交流電流を流すことができる。発振器５は、図１に示すように、制御部６に接続されている。制御部６は、発振器５の出力を制御している。
【００２５】
制御部６は、回転機構７、軸方向移動機構８、及び径方向移動機構９に接続されている。回転機構７は、軸部材４に接続されている。径方向移動機構９及び軸方向移動機構８は、誘導コイル２及び軸部材４の少なくとも一方にそれぞれ接続されている。制御部６は、回転機構７、軸方向移動機構８、及び径方向移動機構９を操作することによって、誘導コイル２と軸部材４との相対位置を制御する。
【００２６】
回転機構７は、中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させることができる。発振器５の出力に応じた交流電流が流されている誘導コイル２の周囲には、磁束が生じている。誘導コイル２の周囲に生じている磁束は、誘導コイル２に流されている交流電流の周波数に応じて、方向が常に切り替わっている。したがって、周囲に磁束が生じている誘導コイル２に軸部材４を挿通すると、軸部材４の誘導コイル２に挿通されている部分近傍が誘導加熱される。
【００２７】
誘導加熱の効率は、軸部材４と誘導コイル２との間隙が小さいほど向上する。詳細は後述するが、本実施の形態に係る誘導加熱装置１では、軸部材４が常にチップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端に接触する状態で、軸部材４の誘導加熱を行う。
【００２８】
したがって、例えば、端部４１のように誘導コイル２の内周面の直径に対して軸部材４の直径が小さい場合、軸部材４の下側における軸部材４と誘導コイル２との間隙が、軸部材４の上側に比較して、大きくなる。したがって、軸部材４の下側は、軸部材４の上側に比較して、誘導加熱の効率が低い。つまり、端部４１のように誘導コイル２の内周面の直径に対して軸部材４の直径が小さい場合、加熱ムラが発生する虞がある。
【００２９】
そこで、軸部材４を誘導加熱する際には、回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させる。回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させつつ誘導加熱を行うと、軸部材４と誘導コイル２との間隙の大きさに起因する加熱ムラを抑制することができる。
【００３０】
軸方向移動機構８は、誘導コイル２及び軸部材４の少なくとも一方を、軸部材４の中心軸Ａ方向に平行移動させることができる。軸方向移動機構８は、図１に示す例では、軸部材４に接続されている。図１に示す軸方向移動機構８は、軸部材４を中心軸Ａ方向に平行移動させることができる。交流電流が流されている誘導コイル２に挿通された軸部材４を中心軸Ａ方向に平行移動させると、軸部材４の側面全体を誘導加熱することができる。
【００３１】
図１に示す例では、軸方向移動機構８が軸部材４に接続されている場合について示している。しかしながら、軸方向移動機構８は、誘導コイル２に接続されていてもよい。誘導コイル２に接続された軸方向移動機構８は、誘導コイル２を中心軸Ａ方向に平行移動することができる。
【００３２】
径方向移動機構９は、誘導コイル２及び軸部材４の少なくとも一方を、中心軸Ａに垂直な方向すなわち軸部材４の径方向に移動させることができる。径方向移動機構９は、図１に示す例では、誘導コイル２に接続されている。図１に示す径方向移動機構９は、誘導コイル２を軸部材４の径方向に移動させることができる。具体的には、図１に示す径方向移動機構９は、誘導コイル２に荷重をかけて下に移動させることができる。
【００３３】
軸部材４が挿通された状態で誘導コイル２が下に移動すると、チップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端が軸部材４に接触する。径方向移動機構９を用いてチップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端に軸部材４が接触した状態を保つことによって、ガイド部材３側における軸部材４と誘導コイル２との間隙を一定に保つことができる。
【００３４】
図１に示す例では、径方向移動機構９が誘導コイル２に接続されている場合について示している。しかしながら、径方向移動機構９は、軸部材４に接続されていてもよい。径方向移動機構９を軸部材４に接続する場合、例えば、ガイド部材３を誘導コイル２の下側に取り付ける。
【００３５】
径方向移動機構９を用いて軸部材４を下に移動させると、誘導コイル２の下側に取り付けられたガイド部材３の先端に軸部材４が接触する。ガイド部材３の先端に軸部材４が接触した状態を保つことによって、ガイド部材３側における軸部材４と誘導コイル２との間隙を一定に保つことができる。
【００３６】
次に、図５を参照して、本実施の形態に係る誘導加熱装置を用いて軸部材を加熱する際の動作について説明する。図５は、誘導加熱時の誘導コイル及び軸部材の断面図である。
【００３７】
図５に示す例では、軸部材４の平行移動をｘ軸正方向すなわち端部４１から端部４３に向かう方向に行う。したがって、軸部材４は、端部４３、途中部４２、端部４１の順に誘導加熱される。端部４１の直径を、直径φＤ１とする。途中部４２の直径を、直径φＤ２とする。端部４３の直径を、直径φＤ３とする。
【００３８】
また、図５に示すように、ガイド部材３側における端部４１と誘導コイル２との間隙を、間隙Ｌ１とする。ガイド部材３側における途中部４２と誘導コイル２との間隙を、間隙Ｌ２とする。ガイド部材３側における端部４３と誘導コイル２との間隙を、間隙Ｌ３とする。
【００３９】
軸部材４を誘導加熱する際には、まず、軸方向移動機構８を用いて端部４３を誘導コイル２に挿通し、端部４３を誘導加熱する。端部４３を誘導加熱する際には、誘導コイル２を、図５に示すように、径方向移動機構９を用いてチップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端が端部４３に常に接触するように配置する。つまり、端部４３を誘導加熱する際には、誘導コイル２の内周面からチップ３１ｂの先端までの距離と間隙Ｌ３の大きさとが等しい状態が保たれている。
【００４０】
さらに、端部４３を誘導加熱する際には、回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させると共に、軸方向移動機構８を用いて軸部材４をｘ軸正方向に平行移動させる。このような構成によって、端部４３の側面全体が誘導加熱される。
【００４１】
次に、途中部４２を誘導加熱する。端部４３の側面全体が誘導加熱された後に、軸方向移動機構８を用いて途中部４２を誘導コイル２に挿通し、途中部４２を誘導加熱する。途中部４２を誘導加熱する際には、誘導コイル２を、図５に示すように、径方向移動機構９を用いてチップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端が途中部４２に常に接触するように配置する。つまり、途中部４２を誘導加熱する際には、誘導コイル２の内周面からチップ３１ｂの先端までの距離と間隙Ｌ２の大きさとが等しい状態が保たれている。
【００４２】
さらに、途中部４２を誘導加熱する際には、回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させると共に、軸方向移動機構８を用いて軸部材４をｘ軸正方向に平行移動させる。このような構成によって、途中部４２の側面全体が誘導加熱される。
【００４３】
次に、端部４１を誘導加熱する。途中部４２の側面全体が誘導加熱された後に、軸方向移動機構８を用いて端部４１を誘導コイル２に挿通し、端部４１を誘導加熱する。端部４１を誘導加熱する際には、誘導コイル２を、図５に示すように、径方向移動機構９を用いてチップ３１ｂの先端及びチップ３２ｂの先端が端部４１に常に接触するように配置する。つまり、端部４１を誘導加熱する際には、誘導コイル２の内周面からチップ３１ｂの先端までの距離と間隙Ｌ１の大きさとが等しい状態が保たれている。
【００４４】
さらに、端部４１を誘導加熱する際には、回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させると共に、軸方向移動機構８を用いて軸部材４をｘ軸正方向に平行移動させる。このような構成によって、端部４１の側面全体が誘導加熱される。
【００４５】
以上で説明したように、本実施の形態に係る誘導加熱装置１は、軸部材４を誘導加熱することができる。誘導加熱装置１を用いて軸部材４を誘導加熱する際には、上記で説明したように、ガイド部材３側における誘導コイル２と軸部材４との間隙の大きさが常に一定に保ちつつ、回転機構７を用いて中心軸Ａを回転軸として軸部材４を回転させる。したがって、軸部材４の直径に合わせて発振器５の出力を調節する必要がない。そのため、誘導加熱装置１は、誘導コイル２に流す電流を調節することなく、段差を有する軸部材４を誘導加熱することができる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。なお、これらの記載は、本発明を限定するものではない。
【００４７】
［実施例１］
実施例１では、図１に示した構成の誘導加熱装置１を用いて軸部材４を誘導加熱した。実施例１において使用された軸部材４は、φＤ１：φＤ２：φＤ３＝１：２：３であった。また、誘導加熱する際には、ガイド部材３側における誘導コイル２と軸部材４との距離が一定（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３）であった。
【００４８】
［比較例１］
比較例１では、軸部材４の中心軸Ａが常に誘導コイル２の中心に配置されている状態で軸部材４を誘導加熱した点以外は、実施例１と同様に軸部材４の誘導加熱を行った。比較例１では、Ｌ１：Ｌ２：Ｌ３＝３：２：１であった。なお、実施例１におけるガイド部材３側における誘導コイル２と軸部材４との距離は、比較例１における間隙Ｌ３と等しかった。
【００４９】
（加熱効率の算出）
実施例１及び比較例１における加熱効率を、誘導加熱後の軸部材４の温度を投入熱量で割ることによって算出した。投入熱量は、誘導加熱装置１に投入された電力量から算出された。加熱効率の算出結果を図６に示す。
【００５０】
図６における菱形（◇）は、端部４１における加熱効率を示す。正方形（□）は、途中部４２における加熱効率を示す。三角形（△）は、端部４３における加熱効率を示す。図６に示すように、実施例１は、比較例１に比較して、加熱効率が向上していた。特に、端部４１における加熱効率は、３０％程度向上していた。
【００５１】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、誘導コイルに流す電流を調節することなく、段差を有する軸部材を誘導加熱することができる誘導加熱装置を提供することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  誘導加熱装置
２  誘導コイル
３  ガイド部材
３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ  チップ
４  軸部材
４１  端部
４２  途中部
４３  端部
５  発振器
６  制御部
７  回転機構
８  軸方向移動機構
９  径方向移動機構
【図１】
2020035649.tif 000003
【図２】
2020035649.tif 000004
【図３】
2020035649.tif 000005
【図４】
2020035649.tif 000006
【図５】
2020035649.tif 000007
【図６】
2020035649.tif 000008