JP2000045028A - 高周波焼入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多気筒エンジンに使用されるクランクシャフ
ト１０のピン部１１，１２，１３，１４の各外面を全周
均一に同時焼入する。 【構成】 ピン部１１，１２，１３，１４に跨座する加
熱コイル２１，２２，２３，２４をカレントトランス４
１，４２，４３，４４の二次側に接続する。カレントト
ランス４１，４２，４３，４４の一次側を、スライダッ
ク式高周波電圧調整器８１，８２，８３，８４を介して
高周波電源５０に接続する。クランクシャフト１０の回
転に伴うピン部１１，１２，１３，１４の旋回角度位相
変化に基づいて、スライダック式高周波電圧調整器８
１，８２，８３，８４を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多気筒エンジンに
使用されるクランクシャフトの焼入に用いられる高周波
焼入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多気筒エンジンに使用されるクランクシ
ャフトの各ピン部には、高周波誘導加熱を用いた表面焼
入が施される。この高周波焼入の一般的な方法を、図３
に基づき４気筒エンジン用クランクシャフトの場合につ
いて説明する。

【０００３】クランクシャフト１０は、その中心軸方向
に間隔をあけて設けられた４つのピン部１１，１２，１
３，１４を有している。４つのピン部１１，１２，１
３，１４は中心軸に対して偏心した位置にあり、両端の
２つのピン部１１，１４の位相は中央の２つのピン部１
２，１３の位相に対して１８０°ずれている。

【０００４】高周波焼入装置は、クランクシャフト１０
を水平に支持して回転させる手段と、クランクシャフト
１０の４つのピン部１１，１２，１３，１４にそれぞれ
跨座する４つの加熱コイル２１，２２，２３，２４とを
備えている。各加熱コイルは、下方に開放する半開放鞍
型コイルであって、クランクシャフト１０の回転に伴う
各ピン部の旋回動作にそれぞれ追従するように構成され
ている。そして、４つの加熱コイル２１，２２，２３，
２４はカレントトランス４１，４２，４３，４４の二次
側にそれぞれ接続され、カレントトランス４１，４２，
４３，４４の一次側は、スイッチ３１，３２，３３，３
４を介して高周波電源５０に並列に接続されている。

【０００５】ところで、このような高周波焼入装置を用
いたピン部１１，１２，１３，１４の表面焼入では、各
ピン部のヒートマスがその旋回角度位相により変化す
る。即ち、ピン部はクランクシャフト１０の回転に伴っ
てその中心軸回りを自転しながら公転するが、加熱コイ
ルは常にピン部に上方から跨座し、自転を伴わずに公転
するため、ピン部のその時点におけるほぼ上半部周面を
加熱する。このため、ピン部が下死点近傍に位置すると
きは、加熱部が両側のジャーナル部に挟まれ、加熱部か
ら両側のジャーナル部への熱逸散が顕著な状態になる
が、ピン部が上死点近傍に位置するときは、加熱部がほ
ぼ単独で上方に突出するため、この熱逸散が抑制される
状態になる。従って、ピン部の旋回角度位相によるヒー
トマス変化は避けられないものとなる。

【０００６】このピン部のヒートマス変化のため、焼入
では加熱コイルの出力をピン部の旋回角度位相に応じて
調整し、焼入範囲及び焼入深さをピン部の全周にわたっ
て均一化する必要がある。また、その出力調整の方法と
しては、高周波電源５０の出力調整によるものが一般的
である。

【０００７】ところが、両端の２つのピン部１１，１４
と中央の２つのピン部１２，１３とでは位相が１８０°
ずれているため、高周波電源５０の出力を調整すること
はできない。なぜなら、高周波電源５０の出力を調整す
ると、４つの加熱コイル２１，２２，２３，２４は同期
して出力調整されるからである。このため、４つのピン
部を位相によって２グループに分け、高周波電源５０の
出力を調整しながら一方のグループを焼入した後、同様
に他方のグループを焼入する手順が踏まれる。この２回
焼入のために、スイッチ３１，３２，３３，３４が切り
替え操作される。

【０００８】しかしながら、このような２回焼入では、
能率の低下が大きな問題になる。この問題を解決するた
めに、全てのピン部を同時に焼入する技術が特公昭６１
−８８７号公報により提示されている。この技術は本出
願人が先に開発したもので、カレントトランス４１，４
２，４３，４４の各一次側又は各二次側に誘導方式の疑
似負荷をそれぞれ設けたものである。

【０００９】全ピン同時焼入では、高周波電源５０の出
力は一定に固定され、代わりに誘導方式の疑似負荷が各
カレントトランスに設けられる。各疑似負荷はテーパ形
状の導体からなり、トランスリードの一部に設けたイン
ダクタ（コイル）がこの導体に非接触で外嵌し、このイ
ンダクタがクランクシャフト１０の回転角度位相に対応
して導体の軸方向に往復移動することにより、インダク
タの内側に位置する疑似負荷の有効体積が変化し、二次
側の出力が調整される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような誘導疑似負
荷を用いた全ピン同時焼入技術によると、高周波電源５
０の出力を一定にしたまで、加熱コイル２１，２２，２
３，２４の各出力がピン部１１，１２，１３，１４の旋
回角度位相に対応して調節されるので、理論上はピン部
１１，１２，１３，１４の各外面が全周にわたって均一
に加熱され、焼入される。しかし、実際は出力の調整範
囲が狭く、全ピン同時の全周均一焼入は困難であった。

【００１１】加熱コイル２１，２２，２３，２４の各出
力を比較的広範囲に調整できる技術としては、カレント
トランス４１，４２，４３，４４の各二次側に出力バラ
ンサを設けるものが、実開昭６３−６８７７号公報によ
り提示されている。この技術も本出願人が先に開発した
ものであり、基本的には前述した技術と同様に、誘導方
式の疑似負荷を用いるものである。

【００１２】即ち、各出力バランサは、トランスリード
の途中に設けられたインダクタ（コイル）と、これに進
退可能に挿入される棒状の導体部とにより構成されてい
る。疑似負荷である導体部は、ここではフェライト、空
間、銅を軸方向に重ねあわせた構造になっており、イン
ダクタの内側にこれらを選択的に位置させることによ
り、出力の調整を行う。

【００１３】この技術では、疑似負荷の材質が変更され
るので、有効体積が変更されるものよりも、出力の調整
範囲は広くなる。しかし、この技術を適用しても、全ピ
ン同時の全周均一焼入は依然として困難であった。

【００１４】即ち、出力バランサを用いても出力の調整
比はせいぜい２０％である。一方、全ピン同時の全周均
一焼入を行うためには、少なくても３０％以上の調整比
が必要である。

【００１５】本発明はかかる事情に鑑みて創案されたも
のであり、クランクシャフトの全ピン部を同時に且つ均
一に焼入できる高周波焼入装置を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る高周波焼入装置は、多気筒エンジンに
使用されるクランクシャフトをほぼ水平に支持して回転
させる手段と、ほぼ水平に支持されたクランクシャフト
の各ピン部にそれぞれ跨座し、且つ、クランクシャフト
の回転に伴う各ピン部の旋回動作にそれぞれ追従する複
数の加熱コイルと、高周波電源と、高周波電源に一次側
が並列に接続され、二次側が複数の加熱コイルにそれぞ
れ接続された複数のカレントトランスと、複数のカレン
トトランスの各一次側にそれぞれ設けられて一次電圧を
調整する複数のスライダック式高周波電圧調整器と、ク
ランクシャフトの回転に伴う各ピン部の旋回角度位相を
それぞれ検出し、検出された各ピン部の旋回角度位相に
基づいて、各ピンに対応するスライダック式高周波電圧
調整器をそれぞれ制御する手段とを備えている。

【００１７】ここにおける高周波電源の電源周波数は１
０〜５０ｋＨｚ、電源電圧は６００〜１０００Ｖが好ま
しい。

【００１８】本発明に係る高周波焼入装置では、クラン
クシャフトの各ピン部を加熱する加熱コイルの出力調節
を行うために、複数の加熱コイルに対応して設けられた
複数のカレントトランスの各一次側にスライダック式高
周波電圧調整器が設けられる。スライダック式高周波電
圧調整器は、コンデンサと組み合わされたコイルに直接
接触する可動端子を移動させることにより、インピーダ
ンスを広範囲にしかも連続的に変化させることができる
電圧調整器であり、これを用いれば誘導疑似負荷方式よ
りも加熱コイルの出力を広範囲に調整することが期待で
きる。しかし、その入力電圧は比較的低く制限され、電
流量も制限される。

【００１９】本発明が対象とする多気筒用クランクシャ
フトの高周波焼入では、かつては、電源周波数として１
００ｋＨｚというような極めて周波数の高い高周波が用
いられ、これに伴って電源電圧も１４〜１５ｋＶ程度と
非常に高かった。このため、仮にカレントトランスの一
次電圧をスライダックで調整することを試みたとして
も、これは不可能であった。しかし、最近になり省エネ
ルギー等の点からサイリスターインバータ、トランジス
タ式発振器等が開発され、電源周波数が１０〜２０ｋＨ
ｚに下がり、これに伴って電源電圧も１０００Ｖ以下に
下がった。本発明者らはこの点に着目し、一次側へのス
ライダックの適用を試みたところ、従来は不可能であっ
た全ピン同時の全周均一焼入が可能になることを知見
し、本発明を完成させるに至った。なお、二次側は電流
量が多く、現状でもスライダックの適用は困難である。

【００２０】高周波電源の電源周波数が高い場合には、
真空管式の電源が用いられるが、この真空管式の電源は
電圧が高いため、スライダックの適用は困難である。

【００２１】クランクシャフトの回転に伴う各ピン部の
旋回角度位相を検出する方法としては、例えばクランク
シャフトの回転角度からこの位相を検出する方法と、各
ピン部の上下方向位置からこの位相を検出する方法があ
り、いずれを採用してもよい。

【００２２】検出された各ピン部の旋回角度位相に基づ
いて、各ピンに対応するスライダック式高周波電圧調整
器をそれぞれ制御する方法としては、電気的な方法に限
らず、クランクシャフトの回転運動や各ピン部の上下運
動をスライダック式高周波電圧調整器に機械的に伝達す
る方法であってもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る高周
波焼入装置の概略構成図、図２は同高周波焼入装置に使
用されたスライダック式高周波電圧調整器の回路図であ
る。

【００２４】本発明の実施形態に係る高周波焼入装置
は、図１に示すように、４気筒エンジン用クランクシャ
フト１０に設けられた４つのピン部１１，１２，１３，
１４の表面焼入に使用されるものであって、そのクラン
クシャフト１０を水平に支持する一対のセンターピン６
０，６０と、一方のセンターピン６０を回転させること
によりクランクシャフト１０を回転させる回転駆動部７
０と、水平に支持されたクランクシャフト１０の４つの
ピン部１１，１２，１３，１４にそれぞれ跨座する４つ
の加熱コイル２１，２２，２３，２４とを備えている。

【００２５】各加熱コイルは、下方に開放する半開放鞍
型コイルであり、ピン部へのセットのために昇降し、且
つクランクシャフト１０の回転に伴うピン部の旋回動作
に追従するように構成されている。

【００２６】４つの加熱コイル２１，２２，２３，２４
はカレントトランス４１，４２，４３，４４の二次側に
それぞれ接続されている。カレントトランス４１，４
２，４３，４４の一次側はスライダック式高周波電圧調
整器８１，８２，８３，８４を介して高周波電源５０に
接続され、スライダック式高周波電圧調整器８１，８
２，８３，８４は制御部９０により操作される。

【００２７】各スライダック式高周波電圧調整器は、図
２に示すように、高周波電源５０の出力ラインに並列に
接続されたコイル８ａと、コイル８ａに接触する可動端
子８ｂとを備えている。可動端子８ｂは、並列に挿入さ
れたコンデンサ８ｃを介してカレントトランスの一次側
に接続されている。可動端子８ｂは機械的に操作され、
その操作により一次側のインピーダンスンスを変化さ
せ、電圧を変えることにより、カレントトランスの出力
を広範囲に調整する。なお、高周波電源５０は高周波発
振器で、その周波数は例えば２０ｋＨｚに、電圧は例え
ば７００Ｖに設定される。

【００２８】制御部９０は、クランクシャフト１０を回
転させる回転駆動部７０から、クランクシャフト１０の
回転角度位相についての信号を受け取り、その信号から
４つのピン部１１，１２，１３，１４の旋回角度位相を
求める。ここで、両端のピン部１１，１４の位相と中央
のピン部１２，１３の位相は１８０°ずれているので、
制御部９０はピン部１１，１４の旋回角度位相θ１とピ
ン部１２，１３の旋回角度位相θ２を求めることにな
る。そして旋回角度位相θ１に基づいてスライダック式
高周波電圧調整器８１，８４を制御し、旋回角度位相θ
２に基づいてスライダック式高周波電圧調整器８２，８
３を制御する。

【００２９】具体的には、ピン部１１，１４が下死点に
位置する状態を起点として、ピン部１１，１４が上死点
に向かうに連れてカレントトランス４１，４４の一次電
圧が低下し、上死点で最低電圧に到達した後、下死点に
向かうに連れてこの一次電圧が上昇し、下死点で最高電
圧となるようにスライダック式高周波電圧調整器８１，
８４を制御する。スライダック式高周波電圧調整器８
２，８３に対しては、位相が１８０°異なる制御を行
い、これによりピン部１２，１３が上死点に向かうに連
れてカレントトランス４２，４３の一次電圧が低下し、
上死点で最低電圧に到達した後、下死点に向かうに連れ
て一次電圧が上昇し、下死点で最高電圧となる。

【００３０】次に、本発明の実施形態に係る高周波焼入
装置の機能について説明する。

【００３１】加熱コイル２１，２２，２３，２４を上昇
させた状態でセンターピン６０，６０間にクランクシャ
フト１０をセットする。加熱コイル２１，２２，２３，
２４を下降させてピン部１１，１２，１３，１４にそれ
ぞれ跨座させる。この状態で高周波電源５０を一定出力
で作動させながら、回転駆動部７０を作動させてクラン
クシャフト１０を回転させる。

【００３２】高周波電源５０の作動により、加熱コイル
２２，２２，２３，２４に電流が流れ、ピン部１１，１
２，１３，１４の上半部外面が高周波加熱される。ま
た、クランクシャフト１０の回転により、ピン部１１，
１４とピン部１２，１３が１８０°の位相差をもって旋
回することにより、各ピン部の全周が加熱される。更
に、各ピン部の旋回角度位相に基づいて、スライダック
式高周波電圧調整器８１，８２，８３，８４が制御され
ることにより、各ピン部の全周加熱は周方向に均一なも
のとなる。。

【００３３】即ち、ピン部１１，１４が上死点に位置す
るとき、各上半部のヒートマスは最小となるが、スライ
ダック式高周波電圧調整器８１，８４の制御により、カ
レントトランス４１，４４の一次電圧は最低電圧とな
る。ピン部１１，１４が上死点から下死点へ向かうと
き、各上半部のヒートマスは増大し、下死点で最大とな
るが、スライダック式高周波電圧調整器８１，８４の制
御により、カレントトランス４１，４４の一次電圧も上
昇し、下死点で最高となる。そして、スライダック式高
周波電圧調整器８１，８４の制御によれば、一次電圧の
調整比として３０％以上が確保されるので、ピン部１
１，１４は全周にわたって均一に同時加熱される。

【００３４】位相が１８０°ずれて旋回するピン部１
２，１３については、これらが下死点に位置するとき、
各上半部のヒートマスは最大となるが、スライダック式
高周波電圧調整器８２，８３の制御により、カレントト
ランス４２，４３の一次電圧は最高電圧となる。ピン部
１２，１３が下死点から上死点へ向かうとき、各上半部
のヒートマスは減少し、上死点で最小となるが、スライ
ダック式高周波電圧調整器８２，８３の制御により、カ
レントトランス４２，４３の一次電圧も低下し、上死点
で最低となる。そして、スライダック式高周波電圧調整
器８２，８３の制御によれば、一次電圧の調整比として
３０％以上が確保されるので、ピン部１２，１３も、ピ
ン部１１，１４と共に全周にわたって均一に同時加熱さ
れる。

【００３５】かくして、４つのピン部１１，１２，１
３，１４は、同時に全周が均一に加熱される。

【００３６】加熱が終わると、ピン部１１，１２，１
３，１４の各外面に焼入液を散布して焼入層を形成す
る。

【００３７】上記実施形態では、クランクシャフトの回
転角度から各ピン部の旋回角度位相を検出しているが、
各ピン部の上下方向位置からこの位相を検出してもよい
ことは前述した通りである。また、スライダック式高周
波電圧調整器の制御を電気的に行っているが、クランク
シャフトの回転運動や各ピン部の上下運動をスライダッ
ク式高周波電圧調整器に機械的に伝達してもよいことも
前述の通りである。更に、本発明は４気筒エンジン用ク
ランクシャフトだけでなく、これ以外の多気筒エンジン
用クランクシャフトに適用可能なことも言うまでもな
い。

【００３８】

【発明の効果】以上に述べた通り、本発明に係る高周波
焼入装置は、多気筒エンジン用クランクシャフトの各ピ
ン部の焼入を行うに当たり、カレントトランスの一次側
にスライダック式高周波電圧調整器を設けることによ
り、これまで不可能であった全ピン同時の均一焼入を可
能にし、これにより焼入能率を飛躍的に高め、焼入コス
トを大幅に低減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る高周波焼入装置の概略
構成図である。

【図２】同高周波焼入装置に使用されたスライダック式
高周波電圧調整器の回路図である。

【図３】従来の高周波焼入装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１０ クランクシャフト １１，１２，１３，１４ ピン部 ２１，２２，２３，２４ 加熱コイル ３１，３２，３３，３４ スイッチ ４１，４２，４３，４４ カレントトランス ５０ 高周波電源 ６０ センターピン ７０ 回転駆動部 ８１，８２，８３，８４ スライダック式高周波電圧調
整器 ９０ 制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多気筒エンジンに使用されるクランクシ
   ャフトをほぼ水平に支持して回転させる手段と、ほぼ水
   平に支持されたクランクシャフトの各ピン部にそれぞれ
   跨座し、且つ、クランクシャフトの回転に伴う各ピン部
   の旋回動作にそれぞれ追従する複数の加熱コイルと、高
   周波電源と、高周波電源に一次側が並列に接続され、二
   次側が複数の加熱コイルにそれぞれ接続された複数のカ
   レントトランスと、複数のカレントトランスの各一次側
   にそれぞれ設けられて一次電圧を調整する複数のスライ
   ダック式高周波電圧調整器と、クランクシャフトの回転
   に伴う各ピン部の旋回角度位相をそれぞれ検出し、検出
   された各ピン部の旋回角度位相に基づいて、各ピンに対
   応するスライダック式高周波電圧調整器をそれぞれ制御
   する手段とを具備することを特徴とする高周波焼入装
   置。
2. 【請求項２】 高周波電源の電源周波数が１０〜５０ｋ
   Ｈｚ、電源電圧が６００〜１０００Ｖであることを特徴
   とする請求項１に記載の高周波焼入装置。