(57)【要約】  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、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及び検出装置を提供する。  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し、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方法、この加熱方法を利用して検査体内に含まれる金属の発熱を検出する方法、及び検出装置。
2014136745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を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。
【請求項２】
前記コイルに１００ｋＨｚ以上の高周波を流す請求項１に記載の金属材料の加熱方法。
【請求項３】
前記金属材料の粒径は、２０μｍ〜３ｍｍである請求項１に記載の金属材料の加熱方法。
【請求項４】
前記金属材料は、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種である請求項１に記載の金属材料の加熱方法。
【請求項５】
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。
【請求項６】
前記コイルに１００ｋＨｚ以上の高周波を流す請求項５に記載の材料の検出方法。
【請求項７】
前記金属の粒径は、２０μｍ〜３ｍｍである請求項５に記載の材料の検出方法。
【請求項８】
前記金属は、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種である請求項５に記載の金属の検出方法。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
前記枠状ヨークコアの磁極の下面のギャップ間隙までが緩やかに傾斜していることを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１１】
前記枠状ヨークコアの磁極の上面には、ヨークが設けられていることを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１２】
前記金属の発熱を検出する手段は、金属から発生する赤外線を検出する赤外線センサーである請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１３】
前記赤外線センサーは、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されることを特徴とする請求項１２に記載の金属の検出装置。
【請求項１４】
前記金属の発熱を検出する手段は、前記金属から発生した熱による金属近傍の被検査体の変色及び／又は変形を検知する手段であることを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１５】
前記金属の発熱を検出する手段は、前記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であることを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１６】
前記金属の発熱を検出する手段は、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であることを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【請求項１７】
前記誘導加熱手段は、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ことを特徴とする請求項９に記載の金属の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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）。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１８１７０９公報
【特許文献２】特開２００６−１２５９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の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及び磁気回路図。
【図２】本発明の第１の実施形態に用いる誘導加熱装置を示す模式図。
【図３】本発明の第２及び第３の実施形態に用いられる誘導加熱コイルを示す図である。
【図４】本発明の第２及び第３の実施形態に用いられる誘導加熱コイルの他の例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る金属の検出装置を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る金属の検出装置を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の実施例２における被加熱試料の位置を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の実施例２において、被加熱試料の位置をｘ方向に移動して誘導加熱した結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態の実施例２において、被加熱試料の位置をｙ方向に移動して誘導加熱した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
（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
【００４０】
（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
【００４１】
（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）
【００４２】
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
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【図１】
2014136745.tif 000003
【図２】
2014136745.tif 000004
【図３】
2014136745.tif 000005
【図４】
2014136745.tif 000006
【図５】
2014136745.tif 000007
【図６】
2014136745.tif 000008
【図７】
2014136745.tif 000009
【図８】
2014136745.tif 000010
【図９】
2014136745.tif 000011
【国際調査報告】
2014136745.tif 000012
2014136745.tif 000013
2014136745.tif 000014