(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
前記ワークの加熱領域毎に対応させて配置されるコイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
前記加熱コイルと前記ワークとの位置ずれを検出させるための手段を、前記加熱コイルにより生じる磁場が及ぶ範囲に設けることにより、前記加熱コイルと前記ワークとの位置関係が正常な状態では前記加熱コイルが前記ワークを含むまわりの空間に対称な磁場を発生し、かつ前記加熱コイルと前記ワークとの位置関係が正常な状態から外れると前記加熱コイルが前記空間に発生する磁場の対称性を崩すようにしておき、
前記各コイルを前記ワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び前記加熱コイルを接続して該加熱コイルに該電源から電力を投入し、
前記電源から前記コンデンサへ流れる電流又はこの電流と前記加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、前記位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として前記位置ずれを検出する、
加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【請求項２】
各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
前記ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
前記加熱コイルと前記ワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
前記各コイルを前記ワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び前記加熱コイルを接続して該加熱コイルに該電源から電力を投入し、
前記電源から前記コンデンサへ流れる電流又はこの電流と前記加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、前記位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として前記位置ずれを検出する方法であって、
前記位置ずれを検出させるための手段として前記ワークとは異なる透磁率を有するリング体を、前記ワークのうち加熱領域に対応して区分された領域の何れかに設け、
前記コイル毎に形成される磁気回路における磁束が前記位置ずれにより変化することによって、前記電源から前記コンデンサへ流れる電流が変化する、加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【請求項３】
各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
前記ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
前記加熱コイルと前記ワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
前記各コイルを前記ワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び前記加熱コイルを接続して該加熱コイルに該電源から電力を投入し、
前記電源から前記コンデンサへ流れる電流又はこの電流と前記加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、前記位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として前記位置ずれを検出する方法であって、
前記位置ずれを検出させるための手段としてのコアを、前記各コイルの何れかに設け、
前記コイル毎に形成される磁気回路における磁束が前記位置ずれにより変化することによって、前記電源から前記コンデンサへ流れる電流が変化する、加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【請求項４】
各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
前記ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
前記加熱コイルと前記ワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
前記各コイルを前記ワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び前記加熱コイルを接続して該加熱コイルに該電源から電力を投入し、
前記電源から前記コンデンサへ流れる電流又はこの電流と前記加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、前記位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として前記位置ずれを検出する方法であって、
前記位置ずれを検出させるための手段としての補助コイルを、前記加熱コイルと前記コンデンサとを接続する配線上に設け、
前記加熱コイルを前記ワークの加熱領域に対向させて配置しつつ、前記補助コイルを前記ワークのうち前記加熱領域とは異なる部位に対向して配置することにより、前記補助コイルにより該部位に渦電流を生じさせるか否かによって、前記電源から前記コンデンサへ流れる電流が変化する、加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱を行うに際して加熱コイルとワークとの位置ずれを検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークの硬度などの物性を向上させるために、各種熱処理がなされている。熱処理の中でも、短時間で所定の温度までワークを加熱することができる手法として誘導加熱方法が知られている。本出願人は、誘導加熱が適切に行われているか否かを判定する装置を開発してきた（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図９は、特許文献１に開示されている装置（以下、単に「監視装置」と呼ぶ。）の概略を説明するブロック構成図である。監視装置２０は、図９に示すように、高周波加熱装置１０に取り付けられるものであって、この高周波加熱装置１０は、電気回路的に、電源としての高周波インバータ１１と、高周波インバータ１１の出力端子間に接続される整合用のコンデンサ１２と、ワーク１５を誘導加熱する加熱コイル１４と、整合用のコンデンサ１２と加熱コイル１４との間に介在される電流変成器１３と、で構成されている。よって、高周波加熱装置１０は、等価回路的に、整合用のコンデンサ１２と加熱コイル１４とが並列共振回路を含んで構成されている。電流変成器１３は、高周波インバータ１１に対して整合用のコンデンサ１２と並列接続される一次コイル１３ａと、加熱コイル１４と並列接続される二次コイル１３ｂと、で構成されている。
【０００４】
監視装置２０は、電源としての高周波インバータ１１の出力電流を検出する電流センサ２１と、加熱コイル１４における電圧を検出する電圧センサ２２と、電流センサ２１の検出信号と電圧センサ２２の検出信号とに基づいて焼入れ管理を行う制御部２３と、を備えている。
【０００５】
制御部２３は、電流センサ２１からの検出信号の入力を受ける電流検出部２３ａと、電圧センサ２２からの検出信号の入力を受ける電圧検出部２３ｂと、電流検出部２３ａ及び電圧検出部２３ｂからの入力を受けてそれぞれ信号処理を行う信号処理部２３ｃと、信号処理部２３ｃで信号処理された結果の入力を受け、結果が所定の範囲内か否かを判定する判定部２３ｄと、を含んでいる。判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃで信号処理された結果を出力する表示部２３ｅを備えている。
【０００６】
信号処理部２３ｃは、高周波インバータ１１からコンデンサ１２、電流変成器１３及び加熱コイル１４で構成される回路に入力される電流Ｉoと、加熱コイル１４の両端２２ａ，２２ｂ間のコイル電圧Ｖciolとに関する信号処理のほか、この電流Ｉoとコイル電圧Ｖciolとでインピーダンスを求める信号処理をも行う。
【０００７】
加熱コイル１４とワーク１５とが基準位置にある場合において、電流ＩO、加熱コイル１４に生じる電圧Ｖcoil、インピーダンスの何れか一以上を測定しておき基準データとし、監視対象たる誘導加熱処理を行う際に、電流ＩO、加熱コイル１４に生じる電圧Ｖcoil又はインピーダンスの何れか一つ以上を測定して判定部２３ｄが基準データ内か否かを判定する。警告部２４は、判定部２３ｄからの警告信号を受けると、警告表示を行ったり、警告音を外部に発生させたり、また、高周波インバータ１１の制御部（図示せず）に対して高周波電力の出力を停止するように指示したりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００９／０３５０１１Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されている装置では、ワーク１５と加熱コイル１４とのギャップが適切な状態にあるか否かを判断することには適している。しかしながら、ワーク１５と加熱コイル１４とが適切なギャップを有していても、ワーク１５と加熱コイル１４との対向面がスライドして移動しているような場合、所謂横ずれしているような場合には、特許文献１に開示されている監視装置２０では適切な監視が難しい。例えば、ワークが円筒状であってその内周面をリング状に加熱する場合を想定すると、加熱コイルはワークの円筒内に配置され、リング状の加熱領域と加熱コイルとの径方向距離が適切であっても、リング状の加熱領域と加熱コイルの上下位置関係が適切でない状況下において、特許文献１に開示されている監視装置を用いても、誘導加熱が適切になされているか否かの判定が難しい。
【００１０】
そこで、本発明においては、加熱コイルに生じる電圧とインバータから出力される電流とをモニターすることによって、加熱コイルとワークとの位置関係が適切であるか否かを判定することができる、加熱コイルとワークとの位置ずれを検出する方法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】
【００１１】
上記目的を達成するために、以下の手段を講ずる。
［１］各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
ワークの加熱領域毎に対応させて配置されるコイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
加熱コイルとワークとの位置ずれを検出させるための手段を、加熱コイルにより生じる磁場が及ぶ範囲に設けることにより、加熱コイルとワークとの位置関係が正常な状態では加熱コイルがワークを含むまわりの空間に対称な磁場を発生し、かつ加熱コイルとワークとの位置関係が正常な状態から外れると加熱コイルが空間に発生する磁場の対称性を崩すようにしておき、
各コイルをワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び加熱コイルを接続して該加熱コイルに該電源から電力を投入し、
電源からコンデンサへ流れる電流又はこの電流と加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として位置ずれを検出する、加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【００１２】
［２］各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
加熱コイルとワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
各コイルをワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び加熱コイルを接続して加熱コイルに電源から電力を投入し、
電源からコンデンサへ流れる電流又はこの電流と加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として位置ずれを検出する方法であって、
位置ずれを検出させるための手段として、ワークとは異なる透磁率を有するリング体を、ワークのうち加熱領域に対応して区分された領域の何れかに設け、コイル毎に形成される磁気回路における磁束が位置ずれにより変化することによって、電源からコンデンサへ流れる電流が変化する、
加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【００１３】
［３］各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
加熱コイルとワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
各コイルをワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び加熱コイルを接続して加熱コイルに電源から電力を投入し、
電源からコンデンサへ流れる電流又はこの電流と加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として位置ずれを検出する方法であって、
位置ずれを検出させるための手段として、コアを各コイルの何れかに設け、コイル毎に形成される磁気回路における磁束が位置ずれにより変化することによって、電源からコンデンサへ流れる電流が変化する、
加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【００１４】
［４］各加熱領域が対称に区分けされているワークを誘導加熱するに当たり、
ワークの加熱領域毎に対応させて配置される各コイルを接続することによって加熱コイルを構成し、
加熱コイルとワークとの位置ずれを検出させるための手段を設けておき、
各コイルをワークの各加熱領域に対応させて配置して、電源にコンデンサ及び加熱コイルを接続して加熱コイルに電源から電力を投入し、
電源からコンデンサへ流れる電流又はこの電流と加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングすることにより、位置ずれを検出させるための手段による電流の変化又はインピーダンスの変化として位置ずれを検出する方法であって、
位置ずれを検出させるための手段としての補助コイルを、加熱コイルとコンデンサとを接続する配線上に設け、加熱コイルをワークの加熱領域に対向させて配置しつつ、補助コイルをワークのうち加熱領域とは異なる部位に対向して配置することにより、補助コイルによりこの部位に渦電流を生じさせるか否かによって、電源からコンデンサへ流れる電流が変化する、
加熱コイルとワークとの位置ずれ検出方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、位置ずれを検出させるための手段を設けておくので、その位置ずれを検出させるための手段による電流の変化として又はインピーダンスの変化として、加熱コイルとワークの位置ずれを検出することができる。これにより、加熱パターンが非対称となったりせず、所望の加熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係り、加熱コイルとワークとの位置ずれを検出する方法を説明するための説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係り、加熱コイルとワークとの位置関係を説明するための説明図であって、（ａ）は位置関係が正常な状態を、（ｂ）は位置関係が正常な状態から外れた状態の一例を、（ｃ）は位置関係が正常な状態から外れた状態の別例を示すものである。
【図３】図１に示す方法を図２の例に適用した場合の説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係り、ワークがギアである場合の適用例を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係り、ワークがカップ部を有するものである場合の適用例を示し、（ａ）は底面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】実施例１及び比較例１の結果を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれワークに対する加熱コイルの下げ幅と電流変化率、インピーダンス変化率、電圧変化率との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２及び比較例２の結果を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ段差の高さと電流変化率、インピーダンス変化率、電圧変化率との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る検出方法を検証するために、加熱コイルによって生じる磁束の流れを、ギャップ付き磁心でモデル化した図である。
【図９】特許文献１において開示されている公知の監視装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
〔コンセプト〕
本発明の実施形態に係る加熱コイルとワークとの位置ずれを検出する方法（以下、単に「検出方法」という。）は、対称となるように加熱領域が区分けされているワークを誘導加熱する際に用いられる。いま、ワークが対称面、対称軸その他の対称の基準によって複数の加熱領域に分割され、各加熱領域に対応してコイルの形状及び寸法が設定され、加熱コイルは各コイルを接続して構成されているとする。ワークにおける加熱領域全体は、区分された加熱領域の集合である。一方、各加熱領域の形状及び寸法に対応してコイルの形状及び寸法が設定され、各コイルを直列又は並列に接続することによって、加熱コイルが構成される。ワークの加熱領域全体が対称性を有するためには、加熱コイルにより対称な磁場を発生することが必要となる。対称な磁場を発生するように加熱コイルが設計され、ワークと加熱コイルとの位置ずれが生じていないか否かが、この検出方法によって検出される。
【００１９】
本検出方法のコンセプトは、図９に示す電流センサ２１によって加熱コイルとワークとの位置ずれを検出させるための手段（以下、「位置ずれを検出させるための手段」という。）を、加熱コイルにより生じる磁場が実質的に及ぶ範囲に配置することにより、加熱コイルとワークとの位置関係が正常な状態では加熱コイルがワークを含む回りの空間に対称な磁場を発生し、かつ、加熱コイルとワークとの位置関係が正常な状態から外れると加熱コイルがその空間に発生する磁場の対称性を意図的に崩すようにする。位置ずれを検出させるための手段を設けることにより、従来困難であった加熱コイルとワークとの横ずれなどの位置ずれを検出可能にする。従来では、位置ずれが許容範囲内である状態では対称な磁場が発生して渦電流が流れたのに対して、位置ずれが生じた状態では対称でない磁場が発生することで渦電流の流れに変化が生じたが、渦電流が多く流れる部位と渦電流が少なく流れる部位とで相殺しあって全体として検出困難であった。本検出方法では、位置ずれを検出させるための手段を設けることで、渦電流の増減により相殺しないようにする。
【００２０】
具体的な検出方法としては、前述のように、位置ずれを検出させるための手段を設けておき、図９に示す監視装置２０を用いて、電源としての高周波インバータ１１にコンデンサ１２を介在して加熱コイルを接続しておく。そして、高周波インバータ１１から電力を投入して誘導加熱する際、電源とコンデンサ１２との間の配線に流れる電流をモニターし、電流が一定の範囲から外れたか否かによって行う。ここで、横ずれとは、加熱コイルの各ワークとワークとの間のギャップが所定範囲外であるということを意味するのではなく、コイルとそれにより誘導加熱されるべきワークの対向面とが許容範囲を超えてスライドしている状態やコイルとワークの対向面が略平行になっていない状態など、コイルとワークとの隙間が許容範囲内であっても誘導加熱される領域が対称性を失っている状態を意味する。
【００２１】
なお、コンデンサ１２と加熱コイルとの間には電流変成器１３を介在させることが望ましい。インピーダンス整合が取れ、電力が電源から加熱コイルに伝達されやすくなるからである。この場合、電流変成器１３の一次コイル１３ａにコンデンサ１２及び電源を並列接続し、電流変成器１３の二次コイル１３ｂに加熱コイルを接続する。もっとも、二次コイル１３ｂに対して加熱コイルとコンデンサ（図示せず）とを直列接続するようにしてもよい。本発明の実施形態において用いられる監視装置２０は、図９に示すものに限らず、実施に際して適宜変更又は改良したものであっても、図９と等価回路的に同一のものであっても構わない。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る検出方法を説明するための説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図１ではワークを円筒体としてその内周面にリング状に誘導加熱する領域がある場合を想定して示している。
【００２３】
ワーク３０が、軸周りに対称であって例えば図１に示すように円筒形状を有しており、円筒内周面が加熱領域として設定されているとする。この場合、加熱領域が軸に対称であるため、加熱コイル４０もこの加熱領域に沿って、軸に対称となる磁場を発生するように設計される。ワーク３０と加熱コイル４０との位置関係が正常な状態となっている場合には、加熱コイル４０は対称な磁場を発生するので、加熱される領域も対称となる。しかしながら、ワーク３０と加熱コイル４０との位置関係が正常な状態から外れても、加熱コイル４０を配置している空間がワーク３０の配置空間を含めて磁場的に変化しない場合には、加熱コイル４０によって生じる渦電流の総量も変化し難い。
【００２４】
そこで、本検出方法では位置ずれを検出させるための手段を設けることにより、ワーク３０と加熱コイル４０との位置関係が正常な状態から外れている場合には、加熱コイル４０によって発生する磁場に関し、その位置関係が正常な状態の場合のそれと異ならせて非対称とし、加熱コイル４０によって生じる渦電流の総量を変化させる。渦電流の総量の変化は、図９に示す高周波加熱装置１０及び監視装置２０を用い、高周波インバータ１１と整合用のコンデンサ１２との配線に流れる電流を検出することにより行う。
【００２５】
ワーク３０が図１に示す円筒形状を有している場合を想定してさらに具体的に説明する。図１に示すようなワーク３０には、加熱領域３１が対称の基準となる面として対称面３２を挟んで一方の領域３１ａ、他方の領域３１ｂのように複数の領域に区分けされているとする。一方の領域３１ａの形状に沿うように一方のコイル４１ａが形成され、他方の領域３１ｂの形状に沿うように他方のコイル４１ｂが形成され、一方のコイル４１ａと他方のコイル４１ｂとを接続して加熱コイル４０を構成する。加熱コイル４０は、コイル台４４に周状に一方のコイル４１ａと他方のコイル４１ｂとが配置されており、一方のコイル４１ａと他方のコイル４１ｂとから等距離に基準面としての対称面４２となっている。コイル４１ａとコイル４１ｂは直列接続されている。一方のコイル４１ａの上下にはコア４３ａがコイル台４２に周状に取り付けられ、他方のコイル４１ｂの上下にはコア４３ｂがコイル台４２に周状に取り付けられている。
【００２６】
加熱領域３１がリング状であり、一方の加熱領域３１ａと他方の加熱領域３１ｂとが対称面３２を挟んで対峙しているような場合、加熱領域３１の基準面３２と加熱コイル４０の対称面４２とが同一の範囲外となって、つまりワーク３０と加熱コイル４０とが軸方向にずれても、図９を参照して説明した電流Ｉoやインピーダンスの測定値は、ずれが生じないときと比べて顕著な影響は生じない。
【００２７】
そこで、ワーク３０の区分された領域の何れかに位置ずれを検出させるための手段５０を設ける。位置ずれを検出させるための手段５０は例えばワーク３０と異なる透磁率を有する。この手段５０として、図１に示すように、ワーク３０の材質と異なる材質から成るリング体５５ａを、ワーク３０としての円筒体の上端に配置する。これにより、ワーク３０の上下の対称面３２と、加熱コイル４０の各コイル４１ａ，４１ｂの対称面４２とが上下にずれている場合には、一方のコイル４１ａにより生じる渦電流と他方のコイル４１ｂにより生じる渦電流との大きさが異なる。つまり、ワーク３０と加熱コイル４０との上下方向の位置ずれにより、ワーク３０の対称面３２と加熱コイル４０の対称面４２とが同一の範囲から外れ、図９に示す監視装置２０を用いて電流Ｉ0の変化として、位置ずれを検出することができる。
【００２８】
ここで、位置ずれを検出させるための手段５０は、ワーク５０の区分された領域の何れかに設けられるもの（擾乱物）に限られず、例えば、加熱コイルを構成する各コイルの何れかに設けられるコア（鉄心）であっても、図９に示す二次コイル１３ｂと加熱コイルとを接続する配線上に設けられる補助コイルであってワークに渦電流を生じさせるもの、例えば補助コイルであってもよい。これらの詳細については後述する。
【００２９】
加熱コイルとワークとの位置関係が正常な状態からずれたか否かの判断は、図９に示す如く電源としての高周波インバータ１１にコンデンサ１２を介して加熱コイルを接続しておき、高周波インバータ１１から電力を投入して誘導加熱する際、高周波インバータ１１からコンデンサ１２及び加熱コイルに流れる電流Ｉ0をモニタリングすることにより行う。それ以外にも、コイル電圧Ｖcoil／電流Ｉ0から求まるインピーダンスをモニタリングすることによって行ってもよい。
【００３０】
〔第１実施形態〕
図２は、本発明の第１実施形態に係り、加熱コイルとワークとの位置関係を説明するための説明図であって、（ａ）は位置関係が正常な状態を、（ｂ）は位置関係が正常な状態から外れた状態の一例を、（ｃ）は位置関係が正常な状態から外れた状態の別例を示すものである。
【００３１】
図２では、図１に例示したと同様に、ワーク３０が円筒体であって、周状の溝３３が円筒体の内周面に設けられている場合を例として挙げている。周状の溝３３は上溝３３ａと下溝３３ｂの２つ形成されているが、別にそれ以上あってもよい。この場合、加熱領域は断面略円弧で周状にリング状となる。加熱コイル４０は上下２段のコイル４１ａ，４１ｂを備え、ワーク３０の中空に配置される。
【００３２】
ワーク３０と加熱コイル４０との位置関係が正常な状態では、図２（ａ）に示すように、加熱コイル４０の断面円弧が、ワーク３０の加熱領域の上溝３３ａ、下溝３３ｂにそれぞれ仮想的に平行移動して重なるように配置され、しかも、加熱コイル４０のうち上段のコイル４１ａと下段のコイル４１ｂとが対称となる対称面４２と、ワーク３０の加熱領域の上溝４１ａと下溝４１ｂとの対称面３２が、同一の範囲にある。これが正常な状態である。
【００３３】
しかしながら、図２（ｂ）に示すように、加熱領域の対称面４２と加熱コイル３０の対称面３２とが同一の範囲から外れて上下にずれると、例えば図示のように対称面４２が対称面３２より距離ｄだけ下がっていると、上溝３３ａが下溝３３ｂと比べて加熱される領域が大きくなり、ワーク３０と加熱コイル４０との位置関係が正常な状態から外れる。このような状況で加熱処理を行っても、電源としての高周波インバータから加熱コイル４０に流れる電流の大きさは、図２（ａ）に示す正常な位置関係の場合と比較して大きく変化しないため、図９に示す監視装置２０の電流センサ２１の値には有意な違いが見られない。
【００３４】
また、図２（ｃ）に示すように、ワーク３０が僅かに傾斜し、加熱コイル４０の対称面４２と加熱領域の対称面３２とが略平行でなくなると、上溝３３ａ、下溝３３ｂの加熱される領域は周方向に均一ではなくなる。よって、加熱処理を行っても、上溝３３ａ、下溝３３ｂのそれぞれにおいて、ワーク３０の軸回りである範囲、例えば中心角θの部位は加熱される領域が小さくなるのに対して、中心角１８０°＋θの部位では加熱領域が大きくなる。ところが、このような状況で誘導加熱処理を行っても、電源としての高周波インバータから流れる電流Ｉoの大きさは、図２（ａ）に示す適切な位置関係の場合と比較して大きな変化をしないため、図９に示す監視装置２０の電流センサ２１の値には有意な違いが見られない。
【００３５】
そこで、第１実施形態においては、図２（ｂ）や図２（ｃ）のように正常ではない位置関係であっても、電源としての高周波インバータから流れる電流に有意な違いが生じるように、ワーク３０における加熱領域に関する対称面３２、加熱コイル４０に関する対称面４２の何れかにおいて、ワーク３０に誘起される渦電流が対称面３２に対して一方側と他方側とで僅かに異なるように、そして誘導磁場を対称面３２，４２で僅かに非対称とするように、金属製のリング体を配置する。このリング体によって位置ずれをコイル電流又はインピーダンスの変化として検出可能とすることから、位置ずれを検出させるための手段５０が、このリング体となる。位置ずれを検出させるための手段５０は、ワーク３０の区分された各領域、つまり対称面３２により区分された二つの領域のうち何れか一方に配置すればよい。所望の加熱領域が周状である場合には、リング体は無端形状の周状であることが好ましい。軸回りに均一に加熱されているか否かが判断されるからである。対称面３２により区分された二つの領域の何れか一方に、この金属体が加熱コイル４０により生じる磁場に影響を与える位置に配置されていればよい。
【００３６】
図３は、図１に示す方法を図２の例に適用した場合の説明図である。図２の例にあっては、位置ずれを検出させるための手段５０として銅でなるリング体５０ａを用い、対称面３２，４２によって区分けされる２つの領域のうち何れか一方の領域、図３に示す例では、円筒体のワーク３０の上端に、このリング体５０ａを配置する。図示する円筒体のワーク３０を加熱コイル４０で誘導加熱する際、従来において蓋状のワーク押え部材６０をワーク３０の上端にかぶせていたことから、円筒体のワーク３０の上端にリング体５０ａを配置してそのリング体及びワーク３０共々を上からワーク押え部材６０によって押える。
【００３７】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係り、ワークがギアである場合の適用例を示す図である。ワーク７０の加熱領域がギアの谷部７０ａと山部７０ｂとを連続して形成した溝７３であり、一方の領域及び他方の領域が溝７３をなす二つの傾斜部７３ａ,７３ｂである。この場合、傾斜部７３ａと傾斜部７３ｂとは谷部７０ａを二等分する対称面７２によって対峙している。
【００３８】
このような溝７３を誘導加熱する際には、加熱コイル８０として、傾斜部７３ａと傾斜部７３ｂとにそれぞれ対向する部位を備えた一方のコイル８１ａと他方のコイル８１ｂとを直列接続したものが用いられている。そこで、本発明を適用するに当たって、位置ずれを検出させるための手段８５として、一方のコイル８１ａ、他方のコイル８１ｂの何れか一方（図示の場合には他方のコイル８１ｂ）と二次コイル１３ｂとを接続するリード部８３に、補助コイル８６を設ける。補助コイル８６は、ギアの仮想内周面に沿った配線部８６ａと、この配線部８６ａの先端から折り曲げられてワークの非加熱領域に渦電流を生じさせ得る擾乱部８６ｂとから成る。配線部８６ａを経由して擾乱部８６ｂにコイル電流が流れることにより、擾乱部８６ｂから山部７０ｂに誘導磁場が生じうる。擾乱部８６ｂにより渦電流を生じさせるか否かは、配線部８６ａの寸法を、溝７３及び加熱コイル８０の寸法によって調整することにより定めることができ、一方のコイル８１ａにより生じる誘導磁場と他方のコイル８１ｂ及び擾乱部８６により生じる誘導磁場を異ならせることができる。ワークの区分領域の対称面７２と加熱コイル８０の対称面８２との位置ずれが生じた場合には、誘導加熱処理を行う際、図９に示す監視装置２０を用いて電流Ｉ0又はコイル電圧Ｖcoil／電流Ｉ0から求まるインピーダンスの変化として、位置ずれを検出することができる。
【００３９】
このように、位置ずれを検出させるための手段８５として補助コイル８６を、加熱コイル８０とコンデンサとを接続する配線上であってワーク７０に渦電流を生じさせる部分に設ける。
【００４０】
〔第３実施形態〕
図５は、本発明の第３実施形態に係り、ワークがカップ部を有するものである場合の適用例を示し、（ａ）は底面図、（ｂ）は断面図である。ワーク９０が軸部９１とカップ部９２とを有しており、カップ部９２の内周面を加熱領域としている。カップ部９２の内周には複数の窪みを軸回りに対称に形成した側壁部９２ａ，９２ｂ，９２ｃを備えており、各窪みの側壁部９２ａ，９２ｂ，９２ｃを誘導加熱する。各窪みに各コイル１０１が配置するように各コイル１０１を接続して加熱コイル１００を形成する。位置ずれを検出させるための手段１０５として、図５に示すように加熱コイル１００を構成するコイルの何れかにコア１０５を配置する。この第３実施形態においても、加熱領域が対称面９３により左右対称となるため、一方側にコア１０５を配置することにより、第１、第２実施形態と同様、電流Ｉo又はインピーダンスの変化として加熱コイル１００の偏りを検出することができる。
【００４１】
このように、ワーク９０が加熱領域全体の対称軸又は加熱領域毎の対称面その他の対称の基準によって複数の領域に区分けされており、加熱コイル１００がワーク９０の各領域に対応して各コイル１０１を接続して構成されている場合には、位置ずれを検出させるための手段として、コア１０５をコイル１０１の何れかに設ける。
【実施例１】
【００４２】
次に実施例を示して、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。
図３に示すように、加熱コイル４０の対称面４２とワーク３０の加熱領域の対称面３２とを一致させるように、円筒形のワーク３０の中空に加熱ヘッドを配置した。その後、ワーク３０上端に銅のリング体５０ａを配置してその上からワーク押え部材６０で覆ってワーク３０を抑えた。
【００４３】
ここで、ワークの内径は５６．７５ｍｍで、外径は６４．２５ｍｍであった。周波数２５ｋで高周波熱処理を２秒間行った。そのとき、図９を参照して説明したように、電流センサ２１で高周波インバータ１１から出力されて配線上を流れる電流Ｉoと、電圧センサ２２で加熱コイル４０に生じる電圧を測定し、信号処理部２３ｃによって、測定した電圧を電流で割ってインピーダンスを求めた。
【００４４】
次に、加熱コイル４０の対称面４２をワーク３０の加熱領域の対称面３２よりも０．２ｍｍ下げた状態において、前述と同様、銅のリング体５０ａをワーク３０上端に配置してワーク押え部材６０を被せた。その状態で誘導加熱を行い、電流センサ２１、電圧センサ２２を用いて、インバータ１１から出力される電流Ｉoと、インピーダンスを求めた。
【００４５】
同様に、加熱コイル４０の対称面４２をワーク３０の加熱領域の対称面３２よりも０．４ｍｍ、０．６ｍｍ平行に下げた状態において、同様に誘導加熱を行って、インバータ１１から出力される電流Ｉoと、インピーダンスを求めた。
【実施例２】
【００４６】
次に、図３に示すように、加熱コイル４０の対称面４２とワーク３０の加熱領域の対称面３２とを一致させるように、円筒形のワーク３０の中空に加熱ヘッドを配置した後に、ワーク３０の下端の一方側に高さ０．２ｍｍの段差が生じるようにした。その後、ワーク３０上端に銅のリング体５０ａを配置してその上からワーク押え部材６０で覆ってワーク３０を抑えた。その状態で誘導加熱を行い、電流センサ２１、電圧センサ２２を用いて、インバータ１１から出力される電流Ｉoと、インピーダンスを求めた。
【００４７】
同様に、ワーク３０の下端の一端に高さ０．４ｍｍ、０．６ｍｍの各段差が生じるようにして誘導加熱を行い、インバータ１１から出力される電流Ｉoと、インピーダンスを求めた。
【００４８】
（比較例１、比較例２）
実施例１、２において、ワーク３０の上端に銅のリング体５０ａを配置せずに、ワーク押え部材６０をワーク３０上端に被せ、誘導加熱を行ってインバータ１１から出力される電流Ｉoと、インピーダンスを求めた。
【００４９】
表１は、実施例１、２及び比較例１、２における高周波インバータ１１から出力される電流Ｉo、インピーダンス、加熱コイルの電圧Ｖcoilの変化率を示すテーブルである。図６は実施例１及び比較例１の結果を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれワークに対する加熱コイルの下げ幅と電流変化率、インピーダンス変化率、電圧変化率との関係を示すグラフである。図７は実施例２及び比較例２の結果を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ段差の高さと電流変化率、インピーダンス変化率、電圧変化率との関係を示すグラフである。図６（ａ）、図７（ａ）の縦軸は電流変化率、図６（ｂ）、図７（ｂ）の縦軸はインピーダンス変化率、図６（ｃ）、図７（ｃ）の縦軸は電圧変化率であり、図６（ａ）乃至（ｃ）の横軸はワークに対する加熱コイルの下げ幅、図７（ａ）乃至（ｃ）の横軸はワークの下端の一方に生じさせた段差の高さである。
【００５０】
【表１】
0005927606.tif 000002
【００５１】
表１及び図６（ａ）〜（ｃ）から分かるように、ワーク３０の対称面３２に対して加熱コイル４０の対称面４２を下げるに従い、実施例１のようにリング体５０ａを配置した場合には、電流変化率は直線的に増加し、インピーダンス変化率は直線的に減少するが、比較例１のようにリング体５０ａを配置しなかった場合には、電流変化率、インピーダンス変化率には有意な傾向は見られなかった。また、実施例１、比較例１の何れの場合においても、コイル電圧変化率は殆ど一定であった。
【００５２】
表１及び図７（ａ）〜（ｃ）から分かるように、ワーク３０の対称面３２を加熱コイル４０の対称面４２に対して傾斜させると、実施例２のようにリング体５０ａを配置した場合には、電流変化率は直線的に増加し、インピーダンス変化率は直線的に減少するが、比較例２のようにリング体５０ａを配置しなかった場合には、電流変化率、インピーダンス変化率には有意な傾向は見られなかった。また、実施例２、比較例２の何れの場合においても、電圧変化率は殆ど一定であった。
【００５３】
よって、実施例１、２及び比較例１、２を対比することにより、リング体５０ａを配置することにより、ワーク３０の高さズレが、電流、インピーダンスの変化として検出することができることが分かった。
【００５４】
測定値に変化が生じた理由について検討する。誘導加熱を行う際、銅のリング体５０ａでも鎖交磁束に対して渦電流を生じるが抵抗率が小さいため銅のリング体５０ａの発熱量が少ない。このリング体５０ａには磁束を集める作用、つまり磁力線を引き込むような作用は生じないものの、リング体５０ａには渦電流が流れる。加熱コイル４０の位置が下がった条件での誘導加熱では、加熱コイル４０が基準位置から下がった分（移動量）に応じて銅のリング体５０ａに鎖交する磁束量が減少し、ワーク３０に近くなる分ワーク３０と鎖交する磁束が増加し電流が多く流れ、結果的に電流値に変化が生じたと推察される。
【００５５】
ここで、本検出方法について検証する。図８は、本発明の実施形態に係る検出方法を検証するために、加熱コイルによって生じる磁束の流れを、ギャップ付き磁心でモデル化した図である。図８に示すように、透過率μi、断面積Ｓ、一様の長さＬｉの磁路と、透過率μ0、長さＬｇ（＝ｄ）のギャップとからなる磁気回路を考える。μi，μ0をそれぞれ磁路中の透磁率、空気中の透磁率とすると、磁路の磁気抵抗Ｒｍ、空隙の磁気抵抗Ｒｓは、それぞれ、次式で求められる。
Ｒｍ＝Ｌｉ／μiＳ
Ｒｓ＝Ｌｇ／μ0Ｓ
磁気回路内の磁束をΦとし、磁路に導線が巻数Ｎ巻かれて電流Ｉが流れるとすると、次式が成り立つ。
ＲｍΦ＋ＲｓΦ＝ＮＩ
よって、
Φ＝ＮＩ／（Ｒｍ＋Ｒｓ）
が成り立つ。従って、ギャップＬｇが増加すれば、空隙の磁気抵抗Ｒｓが増加し、磁気回路内の磁束が減少する。例えば、これを第１実施形態に当てはめると、加熱コイル４０が規定位置よりも下がると、Ｃｕのリング体５０ａと加熱コイル４０のギャップ、つまり空隙が増加するため、Ｃｕのリング体５０ａに鎖交する磁束が減少し発生する渦電流も減少する。そのため、加熱コイル４０の磁束を打ち消そうとする影響が少なくなり、さらに、加熱コイル４０がワーク３０に近くなる分、鎖交する磁束が増え、電流が増加する。一方、Ｃｕのリング体５０ａを設けないで、加熱コイル４０が規定位置よりも下がると、一方のコイル４１ａはワークに近接し、他方のコイル４１ｂはワークから遠ざかり、結果として、空隙の距離には影響がない。そのため、磁束密度が変化しない。
【００５６】
このように、本発明の実施形態にあっては、誘導加熱の際、発生した磁束の分布を僅かに非対称とし、これにより、図９に示す監視装置２０により、ワークと加熱コイルとの位置関係、特に、ワークと加熱コイルとの結合の度合いが適切であるか否かを判断することができるようになる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲において適宜変更して実施することができる。例えば、本発明を実施するに際して、ワークの形状及びその加熱領域に応じて位置ずれを検出させるための手段が設けられる。
【００５８】
本発明は、ワークが基準面を挟んで一方の領域と他方の領域とに区分されており、この区分された領域の形状に沿った一方のコイルと他方のコイルとを接続して加熱コイルを構成し、電源にコンデンサを介在して加熱コイルを接続して加熱コイルに電源から電力を投入してワークを誘導加熱する際に用いられる。その際、加熱コイル、ワークの何れか又はそれらが配置される空間に、加熱コイルの偏りを検出させるための手段、つまり位置ずれを検出させるための手段を設けておき、電源からコンデンサへ流れる電流又はこの電流と加熱コイルに生じる電圧とから求まるインピーダンスをモニタリングする。位置ずれを検出させるための手段を設けたことにより、モニタリングの対象たる電流、インピーダンスが一定の範囲内に収まっているか否かによって、ワークの加熱領域に対する加熱コイルの偏り、つまり位置ずれを検出する。
【００５９】
例えば、ワークの加熱領域が円筒体の内外何れかの周面であって、一方の領域及び他方の領域が円筒体の中空軸と交差する基準面によって上下に区分され、上の区分及び下の区分がそれぞれリング形状を呈している場合には、位置ずれを検出させるための手段として金属体を円筒体の上端に設けるとよい。
【００６０】
例えば、ワークの加熱領域が、カップ体の内外の周面に複数の窪みを形成する側壁部である場合には、位置ずれを検出させるための手段として、コアを側壁部に対向するように配置された加熱コイルを構成するコイルの何れかに取り付けるとよい。
【００６１】
例えば、ワークの加熱領域がギアの谷部と山部とを連続して形成した溝の一部又は全部であり、一方の領域及び他方の領域が溝をなす二つの傾斜部である場合には、位置ずれを検出させるための手段として、一方のコイル、他方のコイルの何れか一方のリード部に補助コイルを直列接続しておくとよい。補助コイルは、ギアの仮想内周面に沿った配線部と配線部の先端から折り曲げられた屈曲部、つまり擾乱部とから成る。
【符号の説明】
【００６２】
３０：ワーク
３１：加熱領域
３１ａ，３１b：領域
３２：対称面
３３：溝
３３ａ：上溝
３３ｂ：下溝
４０：加熱コイル
４１ａ，４１ｂ：コイル
４２：コイルの対称面
４３ａ，４３ｂ：コア
５０：位置ずれを検出させるための手段
５０ａ：リング体
６０：ワーク押え部材
７０：ワーク
７０ａ：山部
７０ｂ：谷部
７２：対称面
７３ａ，７３ｂ：傾斜部
７３：溝
８０：加熱コイル
８１ａ，８１ｂ：コイル
８３：リード部
８５：位置ずれを検出させるための手段
８６：補助コイル
８６ａ：配線部
８６ｂ：擾乱部
９０：ワーク
９１：軸部
９２：カップ部
９２ａ，９２ｂ，９２ｃ：側壁部
９３：対称面
１００：加熱コイル
１０１：コイル
１０５：位置ずれを検出させるための手段（コア）
【図１】
0005927606.tif 000003
【図２】
0005927606.tif 000004
【図３】
0005927606.tif 000005
【図４】
0005927606.tif 000006
【図５】
0005927606.tif 000007
【図６】
0005927606.tif 000008
【図７】
0005927606.tif 000009
【図８】
0005927606.tif 000010
【図９】
0005927606.tif 000011