(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に、大きさの異なる複数の金属、または酸化膜付着金属と酸化膜非付着金属とを、収容する鋳造用容器と、
この鋳造用容器に対して設けられ、低周波信号によって変調された高周波信号によって前記金属を高周波誘導加熱する加熱手段と、
この加熱手段での加熱によって融解された融解金属が鋳込まれる鋳型と、
前記鋳造用容器内の前記金属が発光する光を受光して、前記金属の温度を表す受光信号を発生する受光手段と、
前記加熱手段の作動を制御すると共に、前記鋳造用容器内の前記融解金属を前記鋳型に鋳込ませる制御装置とを、
具備し、
前記制御装置は、
前記受光信号が供給され、この受光信号に含まれる前記低周波信号に基づく振動成分を抽出する抽出手段と、
この抽出手段の出力信号を直流化する直流化手段と、
前記金属の一部が融解されたときに相当する基準信号より、前記直流化手段の出力信号が大きくなると出力信号を発生する比較手段と、
第１乃至第３のタイマとを、
備え、前記比較手段が出力信号を発生したときから第１のタイマに計時を開始させ、全ての金属が融解、混和された状態になるのに必要な予め定めた第１の所定時間を第１のタイマが計時したとき、前記加熱手段を一旦停止させると共に、第２のタイマに計時を開始させ、前記融解金属が非固化温度に低下するのに必要な予め定めた第２の時間を第２のタイマが計時したとき、前記加熱手段を再作動させ、前記比較手段が再度出力信号を発生したとき第３のタイマに計時を開始させ、前記融解金属の温度、粘度を均一にするのに必要な予め定めた第３の所定時間を第３のタイマが計時したとき、前記鋳造用容器から前記鋳型に前記融解金属を鋳込ませる
鋳造装置。
【請求項２】
請求項１記載の鋳造装置において、第１の所定時間が、第３の所定時間よりも長く設定されている鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば義歯のような歯科用の小型部品、または装身具等の小型部品を鋳造する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造は、金属を融解して、鋳型に融解金属を鋳込むことによって行われる。鋳造では、融解する金属ごとに、融解金属が鋳込みに適した温度となった後、鋳込むための適切なタイミングがある。適切なタイミングよりも速いタイミングで鋳込みを行うと、そのときの融解金属の粘度が高くなる。その結果、鋳型の隅々まで融解金属が行き渡らず、精密な鋳造品を製造できない。逆に、適切なタイミングよりも遅いタイミングで鋳込みを行うと、融解金属の温度が高くなりすぎる。その結果、金属自体の蒸発、酸化、組成の変質が生じる上に、鋳型に鋳込まれる時点で、金属が鋳型に焼き付くことがある。そのため、鋳込みタイミングの誤差が鋳造品の品質に大きな影響を与える。
【０００３】
正確な鋳込みタイミングは、金属表面温度と相関関係があるので、赤外線放射温度計を用い、金属の表面温度を測定し、鋳込みタイミングを自動的に検出することが、従来から提案されている。しかし、赤外線の放射率が金属によって異なることや、融解中にも金属の表面状態が変化することによって、赤外線放射率が変化する。更に、融解して粘度が低下し始めると、金属の酸化膜などの表面膜が部分的に浮遊、移動することがあり、金属表面の赤外線放射率が不規則に変化する。蒸発やガスの発生によって、赤外線を吸収する金属もある。これらに起因して、正確で安定した金属表面の温度の検出はかなり困難である。
【０００４】
そこで、本願出願人は、特願２０００−６０８４５号において、次のような鋳造装置を提案した。この鋳造装置では、低周波信号で変調した高周波信号によって坩堝内の金属を融解し、この坩堝内の金属が発する光を受光器で受光する。変調された高周波信号によって金属の融解を行っているので、金属が溶融状態となると、金属が低周波信号に従って振動し、受光器の受光信号に、この振動に対応する振動成分が含まれる。この振動成分が、基準値以上になると、鋳込みを行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鋳造時には新品の金属を必ずしも使用せず、新品の金属と共に鋳造品の不要部分を切り取った酸化膜が形成された金属も同時に使用することがある。また、大きさの異なる金属を同時に使用することもある。これらの場合、小さい金属は融解されているが、大きい金属はまだ融解されていない状態であるにも拘わらず、小さい金属が融解されたことによって受光信号に基準値以上の振動成分が含まれることがある。或いは酸化膜が浮遊し、これが振動することもある。このため、真の金属温度を検出することができないことがあった。また、大きい金属までも融解されるまで、加熱してから、鋳型に鋳込むと、金属自体の蒸発、酸化、組成の変化が生じる上に、鋳型に鋳込まれた時点で、金属が鋳型に焼き付くことがあった。
【０００６】
本発明は、大きさの異なる金属を融解される金属として使用した場合でも、酸化膜が付着している金属であっても、真の金属温度に基づく鋳込みが行える鋳造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様による鋳造装置は、内部に、大きさの異なる複数の金属、または酸化膜付着金属と酸化膜非付着金属とを、収容する鋳造用容器と、この鋳造用容器に対して設けられ、低周波信号によって変調された高周波信号によって前記金属を高周波誘導加熱する加熱手段と、この加熱手段での加熱によって融解された融解金属が鋳込まれる鋳型と、前記鋳造用容器内の前記金属が発光する光を受光して、前記金属の温度を表す受光信号を発生する受光手段と、前記加熱手段の作動を制御すると共に、前記鋳造用容器内の前記融解金属を前記鋳型に鋳込ませる制御装置とを、具備している。前記制御装置は、前記受光信号が供給され、この受光信号に含まれる前記低周波信号に基づく振動成分を抽出する抽出手段と、この抽出手段の出力信号を直流化する直流化手段と、前記金属の一部が融解されたときに相当する基準信号より、前記直流化手段の出力信号が大きくなると出力信号を発生する比較手段と、第１乃至第３のタイマとを、備えている。制御装置は、前記比較手段が出力信号を発生したときから第１のタイマに計時を開始させ、全ての金属が融解、混和された状態になるのに必要な予め定めた第１の所定時間を第１のタイマが計時したとき、前記加熱手段を一旦停止させると共に、第２のタイマに計時を開始させ、前記融解金属が非固化温度に低下するのに必要な予め定めた第２の時間を第２のタイマが計時したとき、前記加熱手段を再作動させ、前記比較手段が再度出力信号を発生したとき第３のタイマに計時を開始させ、前記融解金属の温度、粘度を均一にするのに必要な予め定めた第３の所定時間を第３のタイマが計時したとき、前記鋳造用容器から前記鋳型に前記融解金属を鋳込ませる。
【０００８】
このように構成した場合、金属は、低周波信号によって変調された高周波信号によって誘導加熱されているので、少なくとも一部の金属が融解されると、その一部の金属は低周波信号によって振動し、その振動によって受光手段の受光信号に振動成分が含まれる。これが検出されてから第１の所定時間にわたって加熱が継続されるので全金属が融解され、混和される。この後、第２の所定時間にわたって加熱が一時停止され、融解金属の温度が鋳込み最適温度よりも低下させられる。第２の所定時間は、これら融解金属が固化することがない時間に選択されている。その後、再び加熱が行われ、受光信号に振動成分が含まれるようになると、第３の所定時間にわたって加熱が継続され、融解金属全体が鋳込みに適したタイミングとなり、鋳型に融解金属が鋳込まれる。
【００１２】
第１の所定時間は第３の所定時間よりも長く設定することができる。即ち、第３の所定時間は、第１の所定時間よりも短く設定されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施形態の鋳造装置は、例えば義歯を鋳造するための精密鋳造装置であって、図１に示すように、チャンバー２を有している。このチャンバー２内の上部には、鋳造用容器、例えば坩堝４が配置されている。この坩堝４の下方に、鋳型６が配置されている。鋳型６は、例えば義歯鋳造用のもので、それの湯口は、坩堝４側に開口している。坩堝４は、縦方向に分割された２つの分割部材を組み合わせたもので、坩堝４内の金属８が融解されたとき、その下方が坩堝開閉操作装置９によって開かれて、融解金属が鋳型６に鋳込まれる。なお、坩堝４の下方を開く構成は、公知であるので詳細な説明は省略する。
【００１６】
坩堝４には、加熱手段、例えば高周波誘導加熱コイル１０が設けられている。即ち、坩堝４の外周囲を包囲するように、高周波誘導加熱コイル１０が配置されている。このコイル１０は、共振用コンデンサ１２と並列に接続され、タンク回路１４を構成している。
【００１７】
このタンク回路１４は、整合用変圧器１６の二次側巻線１６ｓに接続されている。整合用変圧器１６の一次側巻線１６ｐには、タンク回路１４を駆動する駆動手段、例えば高周波誘導加熱用インバータ１８の出力側が接続されている。
【００１８】
このインバータ１８は、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ、電力用ＦＥＴ、電力用バイポーラトランジスタなどの複数の半導体スイッチング素子を含み、これら半導体スイッチング素子が高周波スイッチングして、高周波電圧、電流を整合用変圧器１６に供給している。
【００１９】
インバータ１８の入力側には、このインバータ１８の電源部、例えば直流出力電圧制御型整流回路２０の出力側が接続されている。この整流回路２０は、交流電源、例えば商用交流電源２２に接続されている。この整流回路２０は、商用交流電圧、電流を整流、平滑する整流、平滑回路を含む上に、上述したのと同様な半導体スイッチング素子を含んでいる。
【００２０】
この半導体スイッチング素子を整流回路制御回路２４によって制御することによって、インバータ１８に所定の値の直流電圧を供給している。整流回路制御回路２４は、インバータ１８の出力電圧を検出し、これが予め定めた電圧となるように、半導体スイッチング素子を制御している。即ち、インバータ１８の出力電圧は、整流回路制御回路２４、整流回路２０によって定電圧制御されている。
【００２１】
インバータ１８の半導体スイッチング素子は、インバータ制御回路２６によって制御されている。即ち、インバータ制御回路２６は、インバータ１８の出力電圧と出力電流との位相を検出し、タンク回路１４の共振周波数に、インバータ１８からの出力周波数が整合するように、インバータ１８の半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を追尾制御している。
【００２２】
インバータ制御回路２６には、低周波発振回路２８からの低周波信号を可変利得増幅器３０によって増幅したものが供給されている。
【００２３】
インバータ制御回路２６は、上述したように、タンク回路１４の共振周波数にインバータ１８の出力周波数を整合させて、タンク回路１４の共振電流が最高になるように制御しているが、低周波信号によって、インバータ１８の出力電圧と出力電流とに僅かな位相差を発生させている。両者の間に位相差があると、タンク回路１４の共振周波数と、インバータ１８の出力周波数とがわずかに不整合となり、タンク回路１４の共振電流が減少する。この不整合と整合との状態が、低周波信号によって周期的に作られるので、タンク回路１４の共振電流の大きさが、低周波信号によって振幅変調されている。この振幅変調された共振電流に基づいて金属８が加熱されているので、金属が融解されて表面張力によって球状となった後、融解金属は、低周波信号の周期に従って振動して、形状が変化する。
【００２４】
低周波信号の周波数には、種々のものを使用することができる。この実施の形態では、約１０Ｈｚが使用されている。その波形は、正弦波、矩形波等の各種のものを使用することができる。低周波信号に余り周波数が高いものを使用すると、融解時の融解金属の形状変化による振動が少なく、融解の検出が困難になる。変調波形、大きさ及び周波数の選定は、金属８の種類、形状及び坩堝４の形状等の各種条件によって最適な状態が存在するが、できるだけ幅広い種類の金属に対して有効な状態に設定することが望ましい。
【００２５】
なお、振幅変調によるインバータ１８の出力電圧の変動が、整流回路制御回路２４による定電圧制御に影響を与えないように、低周波信号の周期に比べて、整流回路制御回路２４による定電圧制御の応答時間は、遅く設定されている。
【００２６】
チャンバー２の外部上方には、坩堝４内で金属８が融解された際の温度を検出するための温度検出器、例えば受光器３２が設けられている。受光器３２は、例えば赤外線フォトセンサまたは焦電型センサである。この受光器３２は、チャンバー２内の上部に設けた覗き窓３４を介して、加熱によって金属８が発生する光を受けて、受光信号を発生する。なお受光器３２は、坩堝４内の特定の箇所からの光を主に受光する。
【００２７】
金属８が加熱されるに従って、金属８の温度は上昇する。この温度上昇に比例して、金属８からの発光量が増加する。この光量の増加を受光器３２が受光信号として出力し、例えばＣＰＵのような制御手段を含む制御装置３６に供給する。上述したような融解金属の形状変化が生じると、これに伴い受光信号にも振動成分が現れる。この制御装置３６は、整流回路制御回路、インバータ制御回路２６、可変利得増幅器３０、坩堝開閉操作装置９を制御する。
【００２８】
この精密鋳造装置の動作を図２及び図３を参照して、説明する。図示していないスタート信号を制御装置３６に供給すると、インバータ１８が作動し（ステップＳ２）、坩堝４内の金属８の高周波誘導加熱が開始される。即ち、制御装置３６がインバータ制御回路２６及び整流回路制御回路２４を作動させる。さらに、制御装置３６は、可変利得増幅器３０を所定の利得として、所定の振幅を持つ低周波信号をインバータ制御回路２６に供給する。これらによって、インバータ１８が作動する。
【００２９】
図３（ａ）は、受光器３２の受光信号を示したもので、加熱開始時刻ｔ０直後には、金属８の温度上昇は少なく、受光信号は殆ど変化しない。加熱が進むと金属８の温度上昇が急速に進み、金属８は赤熱し始める。金属８が融解直前の時刻ｔ１になると、温度上昇は緩やかになって受光信号の上昇変化も緩やかになる。やがて時刻ｔ２から融解期間に入る。融解期間では金属８は融解され、それの周辺から液化が始まる。これによって、融解金属は、表面張力が大きくなり、球状になっていく。このとき、高周波信号が低周波信号によって変調されているので、融解金属が、低周波信号の周期に従って振動を開始し、攪拌される。また、融解が進むにつれて、この振動の振幅が大きくなる。なお、このとき、金属８が大きさの異なるものからなると、小さなサイズのものからこのような融解状態となる。
【００３０】
この振動が、図示していないが、受光信号に現れる。金属が液化していない時刻ｔ２までの間には、金属は振動していないので、受光信号に振動成分は含まれていない。
【００３１】
受光信号は、制御装置３６に供給されて、融解金属の振動が所定値に達したか判断される（ステップＳ４）。即ち、予め定めた状態まで融解が進んだか判断される。この判断は、所定値に達するまで継続される。
【００３２】
例えば、制御装置３６は、受光信号から振動成分を抽出する抽出手段、例えばフィルタを有している。制御装置３６では、このフィルタの出力信号が例えば整流、平滑回路のような直流化手段によって直流化される。制御装置３６では、さらに、この直流信号を予め定めた基準信号と、比較手段、例えば比較器によって比較し、基準信号よりも直流信号の値が大きくなると、比較器が出力信号を発生する。これによって、振動が所定値にまで達したと判断する。
【００３３】
例えば時刻ｔ３に振動の振幅が所定値に達すると、制御装置３６は、図３（ｃ）に示すように、内蔵する第１のタイマ、例えば第１のカウンタを起動する（ステップＳ６）。そして、第１のカウンタのカウント値が第１の所定時間に対応する値になったか判断する（ステップＳ８）。この判断は、第１の所定時間が経過するまで継続される。この間、インバータ１８は加熱を継続している。そのため、融解金属には高周波電力が印加され続け、酸化された金属や、大きさに相違のある全ての金属が融解する。さらに、融解金属の沸騰が始まり、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ３以降、急速に受光信号は上昇していく。
【００３４】
第１のカウンタが例えば時刻ｔ４にタイムアップすると、即ち、予め定めた時間にわたって融解金属の沸騰が生じると、制御装置３６は、インバータ制御回路２６、整流回路制御回路２４，可変利得増幅器３０を制御して、図３（ｂ）に示すように、インバータ１８を一時停止させ、同時に制御装置３６が内蔵する第２のタイマ、例えば第２カウンタを、図３（ｄ）に示すように起動する（ステップＳ１０）。この沸騰が生じたときには、酸化された金属や、小さな金属及び大きな金属も、完全に融解混和され、かつ融解金属全体の温度も均一となる。
【００３５】
インバータ１８が図３（ｂ）に示すように時刻ｔ４で停止すると、融解金属には高周波電力が供給されず、融解金属の温度が低下し、それに伴い図３（ａ）に示すように、受光信号が低下していく。また、融解金属は、球状から扁平状に変化する。これによって、大きな金属や小さな金属を均一に融解するために加熱したことにより、鋳込むには温度が上昇しすぎている融解金属の温度を低下させる。
【００３６】
第２のカウンタがタイムアップすると、即ちステップＳ１２の判断結果がイエスになると、融解金属の温度は、鋳込みに適した温度より低くなっている。そこで、図３（ｂ）に示すように、制御装置３６がインバータ制御回路２６、整流回路制御回路２４、可変利得増幅器３０を制御して、インバータ１８を再起動させる（ステップＳ１４）。これによって、金属は再び加熱され、さらに融解され、球状に変化していく。このとき、高周波信号が低周波信号によって変調されているので、融解金属には振動が生じる。
【００３７】
この振動が所定値に達したか上述したのと同様にして判断し（ステップＳ１６）、この判断がイエスになるまで、このステップＳ１６を繰り返す。このステップＳ１６の判断がイエスになると、一旦、温度が低下した融解金属が再び鋳込むのに適した状態になったと判断できる。この状態で、制御装置３６が内蔵する第３のタイマ、例えば第３のカウンタが図３（Ｃ）に示すように起動される（ステップＳ１８）。そして、この第３のカウンタのカウント値が、予め定めた第３の所定時間に対応する値になったか判断する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０は、この判断の結果がイエスになるまで繰り返される。この間、融解金属には、高周波電力が印加され続け、融解金属全体の温度が均一になり、かつ融解金属の粘度が同一となる。
【００３８】
第３のカウンタがタイムアップすると、即ちステップＳ２０の判断の結果がイエスになると、図３（ｂ）に示すようにインバータ１８の運転を停止するように、インバータ制御回路２６、整流回路制御回路２４、可変利得増幅器３０が制御され、さらに坩堝開閉操作装置９に開放指令が与えられる。その結果、坩堝４の下方が開かれ、球状である融解金属が鋳型６に鋳込まれる。
【００３９】
第３の所定時間は、第１の所定時間よりも短く設定されている。第１の所定時間は、大きな金属や小さな金属を均一に融解するためのものであり、第３の所定時間は、大きな金属や小さな金属も既に融解されているものを鋳込みに適した温度にまで加熱するためのものであるからである。なお、第３の所定時間の設定には、熟練を要するので、当初には歯科技工士によって設定することが望ましい。
【００４０】
例えば、時刻ｔ４においてインバータ１８を停止させて、融解金属の温度を低下させたとき、受光信号に基づいて、融解金属の温度が鋳込みに適した温度にまで低下したときに、鋳込みを行うことも考えられる。しかし、受光信号は、温度が低下して行っている融解金属のごく一部の箇所の温度しか表していないので、受光信号が鋳込みに適した温度にまで低下していることを表していたとしても、実際の融解金属全体が鋳込みに適した温度であるとは限らない。そこで、一旦、温度を鋳込みに適した温度よりも低下させた後、再び加熱して、しかも低周波信号による融解金属の攪拌を行い、受光信号から判断して最適な温度となったときから第３の時間にわたって加熱を継続して、融解金属全体の温度や粘度を均一にした後、鋳込む方が、最適な鋳込みタイミングでの鋳込みを行ったことになる。
【００４１】
上記の実施の形態では、インバータを用いた高周波誘導加熱によって金属を融解したが、これに限ったものではなく、例えば抵抗加熱によって金属を融解することもできる。上記の実施の形態では、義歯を鋳造するのに、この鋳造装置を使用したが、装身具等の小型物品を鋳造する際にも、この鋳造装置を使用することもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明による鋳造装置によれば、新品の金属と共に鋳造品の不要分を切り取った金属を再利用する場合や、大きさが異なる金属を使用する場合にも、全ての金属を融解した後に、最適な鋳込み状態として、鋳込むことができるので、失敗無く鋳造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態の鋳造装置のブロック図である。
【図２】図１の鋳造装置の動作フローチャートである。
【図３】図１の鋳造装置のタイミングチャートである。
【符号の説明】
４  坩堝（鋳造用容器）
６  鋳型
１０  高周波誘導コイル（加熱手段）
３６  制御装置
【図１】
0003883420.tif 000002
【図２】
0003883420.tif 000003
【図３】
0003883420.tif 000004