(57)【要約】【課題】移動方向に垂直な温度分布プロファイルの中央部分を平坦化して被加熱面全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる誘導加熱装置及び誘導加熱方法を提供すること。【解決手段】被加熱面１ｕを有する加熱対象物１と被加熱面１ｕに比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴２ａが形成された誘導加熱コイル２とを非接触で相対的に移動させて加熱対象物１を加熱する誘導加熱装置であって、誘導加熱コイル２の第１の移動経路である移動経路ＲＴ１と、移動経路ＲＴ１に垂直な方向に所定距離Δｄシフトした誘導加熱コイル２の第２の移動経路である移動経路ＲＴ２とを１つの合成移動経路として加熱対象物１を加熱制御する。所定距離Δｄは、誘導加熱コイル２の穴径ｄの１／２に許容距離を増減した値である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱面を有する加熱対象物と前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記加熱対象物を加熱する誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱コイルの第１の移動経路と、前記第１の移動経路に垂直な方向に所定距離シフトした前記誘導加熱コイルの第２の移動経路とを１つの合成移動経路として前記加熱対象物を加熱制御することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記所定距離は、前記誘導加熱コイルの穴の直径の１／２に許容距離を増減した値であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記許容距離は、前記第１の移動経路に垂直な方向の第１の温度分布プロファイルと前記所定距離シフトした前記第２の移動経路に垂直な方向の第２の温度分布プロファイルとを合成した合成温度分布プロファイルの中央部分における温度差が所定範囲内となる距離であることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記加熱対象物は、樹脂に炭素繊維が編み込まれたＣＦＲＰ板材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
被加熱面を有する加熱対象物と前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記加熱対象物を加熱する誘導加熱方法であって、
前記誘導加熱コイルの第１の移動経路と、前記第１の移動経路に垂直な方向に所定距離シフトした前記誘導加熱コイルの第２の移動経路とを１つの合成移動経路として前記加熱対象物を加熱制御することを特徴とする誘導加熱方法。
【請求項６】
前記所定距離は、前記誘導加熱コイルの穴の直径の１／２に許容距離を増減した値であることを特徴とする請求項５に記載の誘導加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱対象物の被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルを移動して加熱対象物を加熱によって昇温させる場合、移動方向に垂直な温度分布プロファイルの中央部分を平坦化して被加熱面全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、加熱対象物の被加熱面を非接触で加熱する方法として、高温の気体を吹き付けて被加熱面の熱伝達を使って加熱する方法、電熱線ヒータ等の高温の発熱体を加熱対象物の被加熱面に接近させ、発熱体からの輻射熱で加熱する方法、ランプヒータ等の赤外線を被加熱面に当て、赤外線による輻射熱で加熱する方法、電磁誘導コイルを用いて被加熱面に誘導電流を誘起させ、加熱対象物の材質による抵抗熱で被加熱面を加熱する方法などがある。
【０００３】
ここで、誘導加熱コイルを用いて被加熱面を加熱する場合、誘導加熱コイルを移動して被加熱面を満遍なく撫でるように加熱している。この誘導加熱コイルを移動させる方法としては、ロボットアーム先端の手首部に誘導加熱コイルを装着し、ロボットのプログラムに従って誘導加熱コイルを被加熱面の形状に合わせて移動している。
【０００４】
なお、特許文献１には、誘導加熱コイルを用いて薄板状の被加熱対象物を加熱する際、被加熱対象物の幅に応じて、２つの略Ｖ字形状コイルを合成して形成される合成コイル形状を可変にし、被加熱対象物のエッジ部での過剰加熱を小さくするものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２４５０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、誘導加熱コイルが加熱対象物の被加熱面に比して小さい加熱面を有し、この誘導加熱コイルを用いて加熱対象物を加熱する場合、上述したように、誘導加熱コイルは加熱対象物の被加熱面を満遍なく撫でるように移動する。
【０００７】
誘導加熱コイルの移動によって生じる温度分布は、移動方向に垂直な方向に対して釣鐘状のプロファイルとなる。この温度分布プロファイルは、左右対称であるが、中央部分が凹状となり、温度が下がった形状となる。この温度分布プロファイルの中央部分に凹状の温度低下部分が形成されるのは、誘導加熱コイルの加熱は、コイル形状に対応した直下の部分のみであり、誘導加熱コイルがコイル中央部分に穴が形成される渦巻き状コイルであり、穴の直下部分は加熱されないからである。
【０００８】
この結果、誘導加熱コイルの移動によって形成される温度分布プロファイルは、中央部分で温度差のある形状が形成され、均一な温度分布が形成されず、被加熱面全体の温度分布を均一化する加熱制御が難しくなる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加熱対象物の被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルを移動して加熱対象物を加熱によって昇温させる場合、移動方向に垂直な温度分布プロファイルの中央部分を平坦化して被加熱面全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる誘導加熱装置及び誘導加熱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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる誘導加熱装置は、被加熱面を有する加熱対象物と前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記加熱対象物を加熱する誘導加熱装置であって、前記誘導加熱コイルの第１の移動経路と、前記第１の移動経路に垂直な方向に所定距離シフトした前記誘導加熱コイルの第２の移動経路とを１つの合成移動経路として前記加熱対象物を加熱制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記所定距離は、前記誘導加熱コイルの穴の直径の１／２に許容距離を増減した値であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記許容距離は、前記第１の移動経路に垂直な方向の第１の温度分布プロファイルと前記所定距離シフトした前記第２の移動経路に垂直な方向の第２の温度分布プロファイルとを合成した合成温度分布プロファイルの中央部分における温度差が所定範囲内となる距離であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記加熱対象物は、樹脂に炭素繊維が編み込まれたＣＦＲＰ板材であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる誘導加熱方法は、被加熱面を有する加熱対象物と前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、中央部分に穴が形成された誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記加熱対象物を加熱する誘導加熱方法であって、前記誘導加熱コイルの第１の移動経路と、前記第１の移動経路に垂直な方向に所定距離シフトした前記誘導加熱コイルの第２の移動経路とを１つの合成移動経路として前記加熱対象物を加熱制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる誘導加熱方法は、上記の発明において、前記所定距離は、前記誘導加熱コイルの穴の直径の１／２に許容距離を増減した値であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、誘導加熱コイルの第１の移動経路と、前記第１の移動経路に垂直な方向に所定距離シフトした前記誘導加熱コイルの第２の移動経路とを１つの合成移動経路として加熱対象物を加熱制御するようにしているので、移動方向に垂直な温度分布プロファイルの中央部分を平坦化して被加熱面全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である誘導加熱装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図２は、第１の移動経路と第２の移動経路との位置関係を示す図である。
【図３】図３は、第１の移動経路で加熱した場合の第１の温度分布プロファイルと第２の移動経路で加熱した場合の第２の温度分布プロファイルと合成温度分布プロファイルとを示す図である。
【図４】図４は、具体的な第１の温度分布プロファイルと第２の温度分布プロファイルとを示す図である。
【図５】図５は、所定距離シフトしない場合の合成温度分布プロファイルを示す図である。
【図６】図６は、具体的な合成温度分布プロファイルを示す図である。
【図７】図７は、穴径を変数とし、所定距離を変化させた場合における中央部分の温度分布の凹凸比の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００１９】
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である誘導加熱装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、誘導加熱装置は、先端の手首部に誘導加熱コイル２が取り付けられたロボットアーム３、制御部５、表示部６、操作部７、及び、記憶部８を有する。
【００２０】
誘導加熱コイル２は、例えば、円状に巻かれた渦巻状円板コイルである。誘導加熱コイル２は、ロボットアーム３によって位置及び姿勢を変えることができる。この誘導加熱コイル２の位置及び姿勢を含む移動経路、移動速度、及び出力は、制御部５のもとに制御される。誘導加熱コイル２は、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状のＣＦＲＰ板材である加熱対象物１を誘導加熱する。誘導加熱コイル２は、加熱対象物１の被加熱面である上面１ｕに接近させて移動しつつ、加熱対象物１を加熱する。
【００２１】
誘導加熱コイル２は、図示しない電源から供給される高周波電流によって磁界を発生し、加熱対象物１に渦電流を発生させ、その抵抗熱によって加熱対象物１を加熱する。上面１ｕは、誘導加熱コイル２の寸法よりも大きいため、誘導加熱コイル２を移動させ、上面１ｕを満遍なく撫でるように加熱する。なお、本実施の形態では、誘導加熱コイル２を上面１ｕに対して移動させるようにしているが、加熱対象物１とともに上面１ｕを誘導加熱コイル２に対して移動させるようにしてもよい。さらに、誘導加熱コイル２及び加熱対象物１の双方を移動させてもよい。すなわち、上面１ｕと誘導加熱コイル２との位置関係が相対的に移動できる機構であればよい。
【００２２】
表示部６は、上面１ｕ、誘導加熱コイル２の移動経路及び移動状態、図示しない赤外線サーモグラフィーなどによって温度検出された加熱対象物１の温度分布状態などの各種情報を表示出力する。
【００２３】
操作部７は、制御部５に対する制御指示を行う。操作部７は、キーボードやポインティングデバイスによって実現される。
【００２４】
（誘導加熱コイルの移動経路）
上述したように、誘導加熱コイル２は、加熱対象物１の上面１ｕを満遍なく撫でるように移動しつつ、加熱対象物１を加熱する。例えば、図２（ａ）に示すように、誘導加熱コイル２は、中心Ｃ１がＸ方向の位置ｄ１でＹ方向に移動する移動経路ＲＴ１を含む第１の移動経路で上面１ｕ全体を移動しつつ加熱する。第１の移動経路による加熱後、図２（ｂ）に示すように、誘導加熱コイル２は、中心Ｃ１がＸ方向の位置ｄ２でＹ方向に移動する移動経路ＲＴ２を含む第２の移動経路で上面１ｕ全体を移動しつつ加熱する。
【００２５】
第２の移動経路は、第１の移動経路に垂直な方向に所定距離Δｄシフトした移動経路である。例えば図２に示すように、移動経路ＲＴ２は移動経路ＲＴ１からＸ方向に所定距離Δｄシフトしている。
【００２６】
（合成温度分布プロファイル）
誘導加熱コイル２の移動方向に垂直な温度分布プロファイルは釣鐘状を形成し、中央部分が温度低下した凹形状となる。これは、図２に示すように、誘導加熱コイル２の中央部分はコイルが巻かれず、穴径がｄである穴２ａが形成され、この穴２ａに対応する直下部分の上面１ｕには誘導電流が流れず、加熱されないからである。例えば、図３（ａ）に示すように、移動経路ＲＴ１を通った後の移動経路ＲＴ１に垂直な方向の第１の温度分布プロファイルＰＦ１は位置ｄ１の周囲が凹状となる。
【００２７】
一方、移動経路ＲＴ２を通った後の移動経路ＲＴ２に垂直な方向の第２の温度分布プロファイルＰＦ２も位置ｄ２の周囲が凹状となる。ここで、移動経路ＲＴ２は移動経路ＲＴ１に対して所定距離Δｄシフトしているため、第２の温度分布プロファイルＰＦ２も第１の温度分布プロファイルＰＦ１に対して所定距離Δｄシフトしている。したがって、誘導加熱コイル２が、１回目に移動経路ＲＴ１を通り、２回目に移動経路ＲＴ２を通ると、図３（ｂ）に示すように、第１の温度分布プロファイルＰＦ１と第２の温度プロファイルＰＦ２とを合成した合成温度分布プロファイルＰＦ３を形成することができる。なお、誘導加熱コイル２の移動速度、周波数、電流量は同一であることを前提としている。また、合成温度分布プロファイルＰＦ３が示す最大温度は、第１の温度分布プロファイルＰＦ１及び第２の温度分布プロファイルＰＦ２の最大温度の約２倍となる。
【００２８】
この合成温度分布プロファイルＰＦ３の中央部分では、温度差が相殺されて均一な温度分布が形成される。したがって、合成温度分布プロファイルＰＦ３の中央部分が平坦化しているので被加熱面１ｕ全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる。すなわち、制御部５は、第１の移動経路と、第１の移動経路に垂直な方向に所定距離Δｄシフトし、時間的にもずれた第２の移動経路とを１つの合成移動経路として加熱制御することによって被加熱面１ｕ全体の温度分布の均一化を容易に行うことができる。１つの合成移動経路は、制御上、第１の移動経路と第２の移動経路とを一対に移動経路として取り扱われることになる。
【００２９】
（所定距離Δｄ）
ここで、図４は、具体的な誘導加熱コイル２を用いた場合における第１の温度分布プロファイルＰＦ１１と第２の温度分布プロファイルＰＦ１２を示している。この誘導加熱コイル２は、コイル外径Ｄが２００ｍｍ、穴径ｄが７０ｍｍであり、シフト量である所定距離Δｄを穴径ｄの１／２の３５ｍｍとしている。所定距離Δｄを穴径ｄの１／２としたのは、第１の温度分布プロファイルＰＦ１１及び第２の温度分布プロファイルＰＦ１２のそれぞれの１つの極大値Ｐ１，Ｐ２間の距離が穴径ｄにほぼ等しく、極大値Ｐ１部分が中央部分の凹部を相殺すると考えられるからである。
【００３０】
図５では、所定距離Δｄを０とした場合における合成温度分布プロファイルＰＦ２１を示している。この合成温度分布プロファイルＰＦ２１は、全体の温度が２倍、すなわち合成前に対する合成後の温度比が２倍になるのみで、形状は変わっておらず、中央部分の温度差が大きい。
【００３１】
これに対し、図６は、所定距離Δｄを穴径ｄの１／２とした場合における合成温度分布プロファイルＰＦ１３を示している。図６に示すように合成温度分布プロファイルＰＦ１３は、中央部分Ｅにおける温度差が小さくなり、ほぼ平坦な形状となっている。
【００３２】
図７は、コイル外径Ｄを２００ｍｍ一定とし、５０ｍｍ、７０ｍｍ、９０ｍｍの穴径ｄに対して所定距離Δｄが変化したときの温度分布の凹凸比（中央部分Ｅの温度差）の変化を示している。なお、凹凸比は、中央部分Ｅの最大値に対する中央の凹量を示し、凹凸比が負の値ときは中央に凸形状が生じ、凹凸比が正の値のときは中央に凹形状が生じていることを示す。図７に示した結果から、５０ｍｍ、７０ｍｍ、９０ｍｍの穴径ｄに対して所定距離Δｄがそれぞれ、２３ｍｍ、３２ｍｍ、４９ｍｍで凹凸比が０となっている。すなわち、所定距離Δｄは、ほぼ穴径ｄの１／２で凹凸比が０近傍になっている。したがって、穴径ｄの１／２を所定距離Δｄとすることによって中央部分Ｅの凹凸比が小さい合成温度分布プロファイルを得ることができる。
【００３３】
なお、所定距離Δｄは、穴径ｄの１／２に限らず、許容距離Δαを増減した値、すなわち、（ｄ／２）±Δαの範囲であれば凹凸比を小さくすることができる。
【００３４】
また、上述した実施の形態では、加熱対象物１をＣＦＲＰ板材として説明したが、加熱対象物１は金属平板などであっても同様に適用できる。
【００３５】
なお、加熱対象物１がＣＦＲＰ板材である場合、複数のＣＦＲＰ板材を重ね合わせた状態で加熱すると効率的である。誘導加熱コイル２から発した磁力線は、ＣＦＲＰ板材の主材質が樹脂であるため、透過しやすいからである。磁力線は、ＣＦＲＰ板材の樹脂内にある編み込まれた炭素繊維に誘導電流を流し、渦電流を生成することによって炭素繊維を発熱させる。この炭素繊維の発熱によって周囲の樹脂温度も昇温する。ＣＦＲＰ板材の昇温は、樹脂軟化温度に達するまで行う。樹脂軟化温度まで昇温するのは、ＣＦＲＰ板材に対してその後、プレス加工などの成形加工を行うためである。
【００３６】
また、上述した実施の形態では、加熱対象物が矩形であったが、これに限らず、円形や楕円形などの各種形状であってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  加熱対象物
１ｕ  上面
２  誘導加熱コイル
２ａ  穴
３  ロボットアーム
５  制御部
６  表示部
７  操作部
８  記憶部
Ｄ  コイル外径
ｄ  穴径
Ｅ  中央部分
ＰＦ１，ＰＦ１１  第１の温度分布プロファイル
ＰＦ２，ＰＦ１２  第２の温度分布プロファイル
ＰＦ３，ＰＦ１３  合成温度分布プロファイル
ＲＴ１，ＲＴ２  移動経路
Δｄ  所定距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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