JP2007026728A

JP2007026728A - 誘導加熱方法及び焼入方法

Info

Publication number: JP2007026728A
Application number: JP2005203530A
Authority: JP
Inventors: Yaku Yo; 躍楊; Fumiaki Ikuta; 文昭生田; Kunihiro Kobayashi; 国博小林
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】１台の発振器から２つの共振回路それぞれに発振される交流電力の周波数に大差をつけて２つの被加熱対象部位を誘導加熱できる誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】ブッシュ１１０の外周壁１１０ａと内周壁１１０ｂを同時に焼入れするために、誘導加熱コイル１４としては外周壁１１０ａに近接して沿う形状の環状のものを用い、誘導加熱コイル１６としては内周壁１１０ｂに近接して沿う形状の環状のものを用いた。外周壁１１０ａには深い硬化層ｄ１を形成し、内周壁１１０ｂには浅い硬化層ｄ２を形成する。このため、誘導加熱コイル１４には、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力が供給される一方、誘導加熱コイル１６には、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力が供給される。交流電力の周波数は、ブッシュ１１０の材質や硬化層の深さ等に応じて適宜に決める。
【選択図】図４

Description

本発明は、１台の発振器から異なる周波数をもつ２種類の交流電力を交互に発振させて異なる被加熱対象部位を誘導加熱する誘導加熱方法及びこの被加熱対象部位を硬化させる焼入方法に関する。

歯車やブッシュ類のような部品では、内面（内周壁）と外面（外周壁）の２ヶ所に焼入れが要求される場合がある。この場合、その構造や耐久性などの要求の違いから、内面と外面では互いに異なる硬化深さが要求されることが多い。例えば、内面では浅い硬化深さが要求され、この逆に、外面では深い硬化深さが要求される。上記のような部品を高周波焼入れする場合、周知のように、誘導加熱コイルに供給する交流電力の周波数が高いほど電流浸透深さが浅くなるので、浅い硬化深さが要求される部分（例えば内面）を誘導加熱する誘導加熱コイルには周波数の比較的高い交流電力を供給し（発振し）、一方、深い硬化深さが要求される部分（例えば外面）を誘導加熱する誘導加熱コイルには周波数の比較的低い交流電力を供給する。このように内面と外面を誘導加熱するときの周波数が異なるので、内面の焼入れと外面の焼入れを別々に分けて実施している。すなわち、一つの部品に２回の焼入れが施されている。

また、複数の鋼材を連続して高周波焼入れする場合、鋼材の加熱効率を高めると共に鋼材を均熱するために、しばしば２段加熱方法が用いられている。この２段加熱方法では、鋼材が低温でその透磁率が大きいときと、鋼材が高温でその透磁率が１になったときとで、誘導加熱コイルに供給する交流電力の周波数を変更している。鋼材が低温でその透磁率が大きいときには１段目の誘導加熱コイルに低い周波数（例えば１０ｋＨｚ）の交流電力を供給して鋼材を約７００℃まで昇温させて予熱し、続いて、鋼材が高温で透磁率が１になったときには、２段目の誘導加熱コイルに高い周波数（例えば２００ｋＨｚ）の交流電力を供給して鋼材の表面を１０００℃まで昇温させて焼入れする。この２段加熱方法では、一般に、２つの交流電源（２台の発振器）を用いて誘導加熱コイルに周波数の異なる２種類の交流電力を供給している。

上記のように異なる２箇所（２つの被加熱対象部位）を誘導加熱する技術として、一つの可変周波数型インバータから２つの共振回路に交流電力を発振させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、インバータを安定に起動させて異なる２つの被加熱対象部位を容易に誘導加熱できる。
特公昭５８−１０８３５号公報

しかし、上記した技術では、２つの共振回路に発振される交流電力の周波数を狭い範囲でしか変更できない。この範囲は、上記の特許文献１に記載されているように、一方の共振回路に発振される交流電力の周波数を３．１５ｋＨｚとした場合、他方の共振回路に発振される交流電力の周波数は３．１５ｋＨｚ〜４．２ｋＨｚとなる。このように狭い範囲内において（大差のない）異なる周波数をもつ２種類の交流電力をそれぞれ異なる誘導加熱コイルに供給して２つの被加熱対象部位を誘導加熱した場合、２つの被加熱対象部位の加熱深さは大幅には変わらない（大差ない）。即ち、２つの被加熱対象部位に異なる深さの硬化層を形成する場合、上記のように狭い範囲内において異なる周波数をもつ２種類の交流電力を使用するときは、２つの被加熱対象部位の硬化深さに大差をつけられない（硬化深さがほぼ同じである）。

本発明は、上記事情に鑑み、１台の発振器から２つの共振回路それぞれに発振される交流電力の周波数に大差をつけて２つの被加熱対象部位を誘導加熱できる誘導加熱方法及び焼入方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の誘導加熱方法は、
（１）１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力と５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力とを所定の時間比率配分に従って切り替えて発振するように１台の発振器を制御しながら、この１台の発振器から前記第１交流電力を一方の第１誘導加熱コイルに発振すると共に、この発振のタイミングとは異なるタイミングで前記第２交流電力を他方の第２誘導加熱コイルに発振し、
（２）これら２つの誘導加熱コイルで互いに異なる被加熱対象部位を同時に誘導加熱することを特徴とするものである。

ここで、
（３）前記第１誘導加熱コイルを有する直列共振回路が前記第１交流電力の周波数で共振するように、前記第１交流電力の電流値に基づいて前記１台の発振器を制御すると共に、
（４）前記第２誘導加熱コイルを有する直列共振回路が前記第２交流電力の周波数で共振するように、前記第２交流電力の電流値に基づいて前記１台の発振器を制御してもよい。

さらに、
（５）前記第１誘導加熱コイルへの前記第１交流電力の発振を停止してから前記第２誘導加熱コイルへの前記第２交流電力の発振を開始するまでは１ｍｓ以下の時間間隔であってもよい。

さらにまた、
（６）前記第２誘導加熱コイルへの前記第２交流電力の発振を停止してから前記第１誘導加熱コイルへの前記第１交流電力の発振を開始するまでは１ｍｓ以下の時間間隔であってもよい。

また、上記目的を達成するための本発明の焼入方法は、
（７）１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力と５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力とを所定の時間比率配分に従って切り替えて発振するように１台の発振器を制御しながら、この１台の発振器から前記第１交流電力を一方の第１誘導加熱コイルに発振すると共に、この発振のタイミングとは異なるタイミングで前記第２交流電力を他方の第２誘導加熱コイルに発振し、
（８）これら２つの誘導加熱コイルそれそれで互いに異なる被加熱対象部位を同時に誘導加熱してこれら異なる被加熱対象部位を焼入温度にし、
（９）この焼入温度に加熱された前記異なる被加熱対象部位を同時に焼入れすることを特徴とするものである。

さらに、
（１０）前記互いに異なる被加熱対象部位を誘導加熱する際に、上記した誘導加熱方法を実施してもよい。

さらにまた、
（１１）前記第１誘導加熱コイルによって誘導加熱する被加熱対象部位は円筒状被加熱物の外周壁であり、前記第２誘導加熱コイルによって誘導加熱する被加熱対象部位は前記円筒状被加熱物の内周壁であり、これら外周壁と内周壁を同時に焼入れしてもよい。

なお、交流電力の周波数とは、交流電流（又は交流電圧）の周波数と同義である。

本発明によれば、１台の発振器から、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力を第１誘導加熱コイルに発振すると共に、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力を第２誘導加熱コイルに発振し、且つ、この発振の際に、第１及び第２交流電力を所定の時間比率配分に従って切り替えるので、１台の発振器から２つの共振回路それぞれに発振される交流電力の周波数に大差をつけて２つの被加熱対象部位を誘導加熱できる。

本発明は、ブッシュなどの円筒状ワークの内周面（内周壁）と外周面（外周壁）を同時に焼入れする焼入方法等に実現された。

図１を参照して、本発明の実施例１を説明する。図１は、本発明の焼入方法に用いられる電力供給装置の一例の概略構成を示す回路図である。

電力供給装置１０は、例えばブッシュなどの被加熱物１２の外周壁（被加熱対象部位１）を誘導加熱する誘導加熱コイル１４（本発明にいう第１誘導加熱コイルの一例である）と、被加熱物１２の内周壁（被加熱対象部位２）を誘導加熱する誘導加熱コイル１６（本発明にいう第２誘導加熱コイルの一例である）とに、互いに異なる２つの周波数をもつ交流電力を交互に供給するものである。誘導加熱コイル１４に供給される交流電力が、本発明にいう第１交流電力であり、誘導加熱コイル１６に供給される交流電力が、本発明にいう第２交流電力である。

これら２種類の交流電力の周波数は、１つの交流電源（商用電源）１８からの交流電力の周波数を１台の発振器２０によって適宜に変換して得られるものである。誘導加熱コイル１４を有する第１直列共振回路４２と、誘導加熱コイル１６を有する第２直列共振回路４４とは、１台の発振器２０に並列に接続されている。後述するように、この１台の発振器２０から、異なる周波数をもつ２種類の交流電力（第１、第２交流電力）が所定の時間比率配分に従って切り替えて発振される。低い周波数（１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数）をもつ第１交流電力が誘導加熱コイル１４に発振され、高い周波数（５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数）をもつ第２交流電力が誘導加熱コイル１６に発振される。第１交流電力が誘導加熱コイル１４に発振されているときは（発振のタイミングでは）、第２交流電力が誘導加熱コイル１６に発振されず、この逆に、第２交流電力が誘導加熱コイル１６に発振されているときは、第１交流電力が誘導加熱コイル１４に発振されない。また、誘導加熱コイル１４を有する第１直列共振回路４２が第１交流電力の周波数で共振するように、第１交流電力の電流値に基づいて発振器２０が制御されると共に、第２誘導加熱コイル１６を有する第２直列共振回路４４が第２交流電力の周波数で共振するように、第２交流電力の電流値に基づいて発振器２０が制御される。

電力供給装置１０は、大別して、交流電源１８から出力された交流電力の周波数を変換して所定の第１周波数及びこの第１周波数よりも高い第２周波数をもつ交流電力を交互に出力する１台の（１つの）発振器（電源主回路）２０と、この発振器２０から発振された第１周波数をもつ第１交流電力に対応した第１直列共振回路４２及び発振器２０から発振された第２周波数をもつ第２交流電力に対応した第２直列共振回路４４双方が形成された整合器４０と、整合器４０に入力される交流電力の電流と電圧に基づいて発振器２０が発振する交流電力の周波数が共振周波数になるように発振器２０を制御する電源制御回路６０とを備えている。ここでいう所定の第１周波数とは１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をいい、所定の第２周波数とは５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をいう。従って、第２周波数は第１周波数よりも高く、この逆に、第１周波数は第２周波数よりも低い。また、整合器４０に入力される交流電力の電流と電圧に基づくとは、後述する直流電流センサＣＴＯによって検出された電流の位相信号と、後述する周波電力比率制御回路６４から逆変換部２４に出力する電圧のゲート信号とに基づくことをいう。なお、誘導加熱コイル１４，１６の等価インダクタンスＬ０１及びＬ０２は数十ｎＨ〜数μＨとする。

発振器２０は電源制御回路６０に制御されることにより、低い周波数の交流電力と高い周波数の交流電力を高速（例えば１ｍｓ）で切り替えながら交互に発振できるだけでなく、この切り替えの時間比率配分を適宜に変更することにより、発振器２０から発振される交流電力が誘導加熱コイル１４と誘導加熱コイル１６に配分される比率（電力比率（デューティ））を連続的に変更できる。例えば、第１交流電力と第２交流電力の時間比率配分を１：１にした場合は、誘導加熱コイル１４と誘導加熱コイル１６に発振される電力比率は１：１となり、第１交流電力と第２交流電力の時間比率配分を２：１にした場合は、誘導加熱コイル１４と誘導加熱コイル１６に発振される電力比率は２：１となる。

発振器２０は、一台の交流電源（商用電源）１８から出力された３相交流電力を直流電力に変換する１つの順変換部（コンバータ）２２と、この順変換部２２から出力された直流電力を平滑する平滑コンデンサＣｆと、平滑コンデンサＣｆで平滑された直流電力を交流電力に変換する電圧型の１つの逆変換部（インバータ）２４とを備えている。順変換部２２には、周知のブリッジ整流回路が形成されている。また、逆変換部２４には、周知のトランジスタから構成された複数のスイッチング素子が組み込まれおり、これら複数のスイッチング素子をオン・オフ制御することにより直流電力を交流電力に変換する。なお、発振器２０は、順変換部２２から出力された直流電流を検知する直流電流センサＣＴＯも備えている。発振器２０は電源制御回路６０によって制御されて、第１周波数をもつ第１交流電力と、第１周波数よりも高い第２周波数をもつ第２交流電力を短い周期で交互に発振する。

第１直列共振回路４２は、低い第１周波数（Ｆ１）を共振させるための回路であり、数μＨ〜数十μＨの範囲内のリアクトルＬ１、容量が数十μＦ〜数百μＦの範囲内の整合コンデンサＣ１、及び数十ｎＨ〜数μＨの範囲内の等価インダクタンスＬ０１をもつ誘導加熱コイル１４から構成される。一方、第２直列共振回路４４は、第１周波数（Ｆ１）よりも高い第２周波数（Ｆ２）を共振させるための回路であり、容量が数十ｎＦ〜数μＦの範囲内の整合コンデンサＣ２、及び数十ｎＨ〜数μＨの範囲内の等価インダクタンスＬ０２をもつ誘導加熱コイル１６から構成される。

上記の範囲内で第２周波数は第１周波数の１０倍以上になるように設定されている。このため、２つの直列共振回路４２，４４のＬＣ常数は互いに影響を及ぼさない。従って、第１直列共振回路４２の共振周波数は近似的に下記のＦ１となり、一方、第２直列共振回路４４の共振周波数は近似的に下記のＦ２となる。

第１直列共振回路４２を構成するリアクトルＬ１は、第２周波数をもつ交流電流（高周波電流）が第１直列共振回路４２に分流しない（漏れない）ように設けられたリアクトルである。さらに、誘導加熱コイル１６に流れる高周波電流に起因して第１直列共振回路４２に誘導電流が発生することをリアクトルＬ１が抑制し、これにより、誘導加熱コイル１６の加熱効率の低下が防止される。

第２直列共振回路４４を構成する整合コンデンサＣ２は高周波整合共振コンデンサであり、その容量は整合コンデンサＣ１の容量よりもはるかに小さく設計されている（整合コンデンサＣ２の容量は整合コンデンサＣ１の容量の例えば１／１０から１／２０までの範囲内）。このため、第１周波数をもつ交流電流（低周波電流）が第２直列共振回路４４へ分流する（漏れる）ことを整合コンデンサＣ２が抑制し、これにより、誘導加熱コイル１４の加熱効率の低下が防止される。従って、２つの誘導加熱コイル１４，１６を互いに近付けても相互誘導による加熱効率低下の問題は生じない。

また、誘導加熱コイル１４の等価インダクタンスＬ０１が充分に大きいときは（すなわち、第１直列共振回路４２での分流が第２直列共振回路４４を流れる電流の１／１０〜１／２０以下のときは）、リアクトルＬ１を省略できる。あるいは、後述するように整合コンデンサＣ１と誘導加熱コイル１４との間に電流変成器を設けた場合、電流変成器の１次側でのインダクタンスがＮ^２Ｌ０１となり、適宜の巻数比を選択することにより、充分大きいインダクタンスが得られる。この場合も、リアクトルＬ１を省略できる。このようにリアクトルＬ１を省略することは整合器４０の簡素化にもなる。ここで、Ｎを電流変成器１次の巻数とし、２次巻数を１ターンとし、負荷のインダクタンスをＬ０１とした場合、電流変成器の１次側での負荷等価インピーダンスはＮ^２Ｌ０１となる。なお、後述する実施例２で説明するように、負荷インピーダンスを電流の出力インピーダンスに整合（一致）させるために、整合器４０に整合変圧器ＭＴＲ１，ＭＴＲ２と電流変成器ＣＴＲ１，ＣＴＲ２を設けてもよい。電流変成器ＣＴＲ１、ＣＴＲ２は共振周波数の整合（調整）の役割も兼ねる。

電源制御回路６０は、整合器４０で直列共振させる低周波（第１周波数）及び高周波（第２周波数）の同期をとって、所定の時間比率配分に従って低周波及び高周波を高速で切り替えながら発振器２０から出力させるように発振器２０を制御する。この電源制御回路６０は、加熱電力の設定や電力比率の設定などが入力される入力手段（図示せず）に接続されている。この入力手段は、操作者による加熱電力の設定や電力比率の設定などの各種設定に対応した入力操作に対応して所定の設定入力信号を出力する。この入力手段からの設定入力信号に基づいて電源制御回路６０が発振器２０を制御し、加熱電力や電力比率を制御する。電源制御回路６０は、順変換部２２を制御する順変換制御回路６２と、逆変換部２４を制御する周波電力比率制御回路６４と、整合器４０の低周波電流センサＣＴ１で検知された電流の位相信号が入力される低周波同期回路６６と、整合器４０の高周波電流センサＣＴ２で検知された電流の位相信号が入力される高周波同期回路６８とを備えている。

上記した入力手段としては、例えばグラフィックタッチパネルを採用しており、低い周波数（第１周波数）と高い周波数（第２周波数）との電力比率（周波電力比率）を０％から１００％までの間で適宜に設定できると共に、加熱電力も適宜に設定できるものが使用される。例えば、グラフィックタッチパネルで０％を選択した場合、高い周波数の交流電力だけが誘導加熱コイル１６に供給されて、誘導加熱コイル１４には交流電力が供給されない。この逆に、グラフィックタッチパネルで１００％を選択した場合、低い周波数の交流電力だけが誘導加熱コイル１４に供給されて、誘導加熱コイル１６には交流電力が供給されない。また、グラフィックタッチパネルで１０％を選択した場合、発振器２０から発振される交流電力を１００％としたときに、低い周波数の交流電力が１０％の割合で誘導加熱コイル１４に供給されるのに対して、高い周波数の交流電力が９０％の割合で誘導加熱コイル１６に供給される。

順変換制御回路６２は発振器２０の順変換部２２に接続されている。この順変換制御回路６２は、順変換部２２から出力される直流電力の電圧Ｖｄｃを認識し、上記の入力手段から出力される加熱電力を表す（担持する）設定入力信号に基づいて、所定の出力値となるように順変換部２２を制御する。この制御に当たっては、順変換部２２の出力側の電圧Ｖｄｃと、順変換部２２の出力側に設けられた直流電流センサＣＴ０で検知された電流Ｉｄｃとを順変換制御回路６２で検出し、上記の入力手段から順変換制御回路６２に入力された設定入力信号に基づいて、サイリスタなどによって直流電圧及び電流フィードバック制御などにより順変換部２２から出力される直流電力の出力値を制御する。

周波電力比率制御回路６４は発振器２０の逆変換部２４に接続されている。この周波電力比率制御回路６４は、逆変換部２４から出力される低い周波数（第１周波数）をもつ第１交流電力と高い周波数（第２周波数）をもつ第２交流電力とを設定入力信号に基づいて所定の電力比率（デューティ比）で、且つ、高速（例えば１ｍｓ）で切り替えさせるように逆変換部２４を制御する。この設定入力信号は上記の入力手段の入力操作に対応する電力比率を表すものであり、入力手段から周波電力比率制御回路６４に入力される。この制御にあたっては、入力手段からの設定入力信号に基づいて、第１周波数及び第２周波数の１周期内にそれぞれの交流電力（第１及び第２交流電力）を出力させる期間（時間）を設定し、第１周波数及び第２周波数双方を選択的に切り替えると共に設定された電力比率になるように逆変換部２４を制御する。

また、周波電力比率制御回路６４は、第１周波数及び第２周波数を切り替えるタイミングを表す信号（例えばデューティ比を表す信号）を順変換制御回路６２に出力する。このタイミングを表す信号が入力された順変換制御回路６２は、順変換部２２から出力される直流電力の出力値が第１周波数及び第２周波数の所定のタイミングでそれぞれ所定の出力値となるように順変換部２２を制御する。

低周波同期回路６６は、整合器４０に接続されると共に周波電力比率制御回路６４に接続されている。低周波同期回路６６には、低周波電流センサＣＴ１によって検出された交流電流（整合器４０の第１直列共振回路４２に入力される交流電流）の電流値が入力され、この入力された電流値に基づいて周波電力比率制御回路６４に所定の制御信号を出力する。この制御信号に基づいて周波電力比率制御回路６４が逆変換部２４を制御する。この制御信号は、発振器２０から出力される第１交流電力の第１周波数が直列共振周波数となるように逆変換部２４の発振周波数を制御させるための信号である。

また、低周波同期回路６６は、低周波電流センサＣＴ１が交流電流（周波電流）を検出できずに制御信号の出力を停止する休止期間に移行する際に、検出した交流電流に関する同期情報である周波数情報をメモリなどの記憶手段に記憶させて（保持して）おき、低周波電流センサＣＴ１が交流電流を再び検出して制御信号を出力する動作期間に移行する際に、上記の記憶手段に記憶された周波数情報を読み出して（復元させて）周波数同期のための制御信号を出力して逆変換部２４を制御する。なお、休止期間と動作期間の間隔が非常に短い周期に設定されているので、この間では、温度変化に起因する誘導負荷周波数の変動が僅かであり、同期追従の時間が短く、高速化できる。

高周波同期回路６８は、整合器４０に接続されると共に周波電力比率制御回路６４に接続されている。高周波同期回路６８には、高周波電流センサＣＴ２によって検出された交流電流（整合器４０の第２直列共振回路４４に入力される交流電流）の電流値が入力され、この入力された電流値に基づいて周波電力比率制御回路６４に所定の制御信号を出力する。この制御信号に基づいて周波電力比率制御回路６４が逆変換部２４を制御する。この制御信号は、発振器２０から出力される第２交流電力の第２周波数が直列共振周波数となるように逆変換部２４の発振周波数を制御させるための信号である。

また、高周波同期回路６８は、低周波同期回路６６と同様に、高周波電流センサＣＴ２が交流電流（周波電流）を検出できずに制御信号の出力を停止する休止期間に移行する際に、検出した交流電流に関する同期情報である周波数情報をメモリなどの記憶手段に記憶させて（保持して）おき、高周波電流センサＣＴ２が交流電流を再び検出して制御信号を出力する動作期間に移行する際に、上記の記憶手段に記憶された周波数情報を読み出して（復元させて）周波数同期のための制御信号を出力して逆変換部２４を制御する。なお、休止期間と動作期間の間隔が非常に短い周期に設定されているので、この間では、温度変化に起因する誘導負荷周波数の変動が僅かであり、同期追従の時間が短く、高速化できる。

上記した電力供給装置１０を用いて２つの誘導加熱コイル１４，１６に交流電力を供給して被加熱物１２の内周壁と外周壁を同時に（一回で、一度に）誘導加熱する例を説明する。

電力供給装置１０を含めた誘導加熱システム（図示せず）に電源を投入して上記の入力手段で加熱電力と周波電力比率を設定することにより、電源制御回路６０が作動し始めると共に交流電源１８から発振器２０に交流電力が供給され始める。発振器２０では、交流電源１８から供給された交流電力が、順変換制御回路６２に制御されている順変換部２２で直流電力に変換され、この順変換部２２から出力された直流電力が平滑コンデンサＣｆで平滑されて逆変換部２４に入力される。この入力された直流電力は、周波電力比率制御回路６４に制御されている逆変換部２４において、高い周波数（第２周波数）をもつ第２交流電力及び低い周波数（第１周波数）をもつ第１交流電力に交互に変換される。この変換された第１及び第２交流電力は整合器４０に交互に出力される。

整合器４０には、発振器２０から発振された第１周波数をもつ第１交流電力と第２周波数をもつ第２交流電力とが交互に入力される。発振器２０から第１交流電力が発振されたときは、第１交流電力は第１直列共振回路４２に入力されて共振状態となり、共振周波数をもつ交流電流が誘導加熱コイル１４を流れ、この交流電流によって被加熱対象１に渦電流が誘導されて被加熱対象１が加熱される。ここで、整合器４０の整合コンデンサＣ２の容量は整合コンデンサＣ１の容量よりもはるかに小さい（整合コンデンサＣ２の容量は整合コンデンサＣ１の容量の１／１０〜１／２０の範囲内にある）ので、第１周波数（Ｆ１）に対して第２直列共振回路４４が大きなインピーダンスが呈していることとなる。このため、第１周波数（Ｆ１）の動作モードでは、整合コンデンサＣ２は第１周波数をもつ交流電流を通しにくく、第２直列共振回路４４をオープン（開）と見なすことができる。従って、第１周波数をもつ第１交流電力のほとんどが第１直列共振回路４２（Ｌ１、Ｃ１，Ｌｏ１の共振回路）に投入されるので、第１周波数をもつ第１交流電力（低周波電力）を誘導加熱コイル１４に効率良く供給できて被加熱対象１を効率良く加熱できる。

誘導加熱コイル１４に第１周波数をもつ第１交流電力が供給されている期間に、低周波電流センサＣＴ１が検出した交流電流（Ｆ１周波電流）に基づいて、低周波同期回路６６は、発振器２０からの出力周波数が共振周波数になるように発振周波数を調整して制御している。低周波電流センサＣＴ１が交流電流を検出できずに制御信号の出力を停止する休止期間に移行する際は、検出した交流電流に関する同期情報である周波数情報をメモリなどの記憶手段に記憶させて（保持して）おき、低周波電流センサＣＴ１が交流電流を再び検出して制御信号を出力する動作期間に移行する際に、上記の記憶手段に記憶された周波数情報を読み出して（復元させて）周波数同期のための制御信号を出力して逆変換部２４を制御する。

一方、発振器２０から第２周波数をもつ第２交流電力が発振されたときは、第１直列共振回路４２のインピーダンスが第２直列共振回路４４のインピーダンスよりもはるかに大きい（１０〜２０倍に設計されている）ので、第１直列共振回路４２に流れる高周波成分は非常に小さい。従って、第１直列共振回路４２がオープンとみなすことができ、第２周波数をもつ第２交流電力のほとんどが第２直列共振回路４４に投入されるので、第２周波数をもつ第２交流電力（低周波電力）を誘導加熱コイル１６に効率良く供給できて被加熱対象２を効率良く加熱できる。

誘導加熱コイル１６に第２周波数をもつ第２交流電力が供給されている期間に、高周波電流センサＣＴ２が検出した交流電流（Ｆ２周波電流）に基づいて、高周波同期回路６８は、発振器２０からの出力周波数が共振周波数になるように発振周波数を調整して制御している。高周波電流センサＣＴ２が交流電流を検出できずに制御信号の出力を停止する休止期間に移行する際は、検出した交流電流に関する同期情報である周波数情報をメモリなどの記憶手段に記憶させて（保持して）おき、高周波電流センサＣＴ２が交流電流を再び検出して制御信号を出力する動作期間に移行する際に、上記の記憶手段に記憶された周波数情報を読み出して（復元させて）周波数同期のための制御信号を出力して逆変換部２４を制御する。なお、第１周波数をもつ第１交流電力と第２周波数をもつ第２交流電力は発振器２０から交互に発振されて整合器４０で整合されているので、第１直列共振回路４２と第２直列共振回路４４の間では相互干渉は起らない。

以上説明したように、電力供給装置１０では、互いに異なる周波数（例えば上記の第１周波数と第２周波数）をもつ複数の交流電力（例えば上記の第１交流電力と第２交流電力）を１つ（一台）の発振器２０から複数の誘導加熱コイル（例えば誘導加熱コイル１４，１６）に交互に供給できるので、複数の誘導加熱コイルの間の相互誘導に起因する加熱効率の低下や複数の交流電源間の相互干渉による制御不安定などが無く、簡易なシステムの電力供給装置が得られる。また、被加熱物１２の内面と外面を同時に（一回で、一度に）加熱できるので、被加熱物１２が加熱される時間を短くでき、加熱に起因する被加熱物１２の変形や歪みを低減できる。また、発振器２０から発振される第１周波数は１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数であり、第２周波数は５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数であるので、１台の発振器２０から２つの共振回路４２，４４それぞれに発振される交流電力の周波数に大差をつけて２つの被加熱対象部位を誘導加熱して同時に焼入れできる。ブッシュの内周壁と外周壁を同時に焼入れした例については後述する。

図２と図３を参照して本発明の焼入方法に用いられる他の電力供給装置の一例を説明する。

図２は、本発明の電力供給装置の他の例の概略構成を示す回路図である。図３は、図２の整合器におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。図２では、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。

図２に示す電力供給装置１００が電力供給装置１０（図１参照）と相違する点は、整合器８０に２つの整合変圧器ＭＴＲ１，ＭＴＲ２と、２つの電流変成器ＣＴＲ１，ＣＴＲ２を備えた点にある。第１周波数（低い周波数）用の整合変圧器ＭＴＲ１は、第１周波数をもつ第１交流電力の直列共振回路のインピーダンスを整合するためのものであり、第２周波数（高周波）用の整合変圧器ＭＴＲ２は、第２周波数をもつ第２交流電力の直列共振回路のインピーダンスを整合するためのものである。また、第１周波数（低い周波数）用の電流変成器ＣＴＲ１は、第１周波数をもつ第１交流電力の直列共振回路のインピーダンスと周波数を整合させるためのものであり、第２周波数（高周波）用の電流変成器ＣＴＲ２は、第２周波数をもつ第２交流電力の直列共振回路のインピーダンスと周波数を整合させるためのものである。

整合変圧器ＭＴＲ１は、上述したように、第１周波数の共振周波負荷のインピーダンスと、発振器２０から出力される第１交流電力の出力インピーダンスとを整合（一致）させるためのものである。この整合変圧器ＭＴＲ１の１次巻線ＭＴＲ１Ａが発振器２０に接続されており、発振器２０から発振された交流電力が１次巻線ＭＴＲ１Ａ入力される。また、整合変圧器ＭＴＲ１の２次巻線ＭＴＲ１Ｂには、リアクトルＬ１、整合コンデンサＣ１、及び電流変成器ＣＴＲ１の１次巻線ＣＴＲ１Ａが直列に接続されている。

また、整合器８０には、リアクトルＬ１、整合コンデンサＣ１、及び誘導加熱コイル１４の等価インダクタンスＮ^２ＬＯ１により構成されて、第１周波数で直列共振する第１直列共振回路８２が形成されている。この第１直列共振回路８２の共振インピーダンスと一致するように、整合変圧器ＭＴＲ１の２次巻線ＭＴＲ１Ｂの出力等価インピーダンスが設定されている。

整合変圧器ＭＴＲ２は、上述したように、第２周波数の共振周波負荷のインピーダンスと、発振器２０から出力される第２交流電力の出力インピーダンスとを整合（一致）させるためのものである。この整合変圧器ＭＴＲ２の１次巻線ＭＴＲ２Ａは、整合変成器ＭＴＲ１の１次巻線ＭＴＲ１Ａと並列に接続されて発振器２０に接続されており、１次巻線ＭＴＲ２Ａには発振器２０から発振された交流電力が入力される。また整合変圧器ＭＴＲ２の２次巻線ＭＴＲ２Ｂには、整合コンデンサＣ２及び電流変成器ＣＴＲ２の１次巻線ＣＴＲ２Ａが直列に接続されている。

また、整合器８０には、整合コンデンサＣ２及び誘導加熱コイル１６の等価インダクタンスＮ^２ＬＯ２により構成されて、第２周波数で直列共振する第２直列共振回路８４が形成されている。この第２直列共振回路８４の共振インピーダンスと一致するように、整合変圧器ＭＴＲ２の２次巻線ＭＴＲ２Ｂの出力等価インピーダンスが設定されている。

上記した電力供給装置１００を用いて２つの誘導加熱コイル１４，１６に交流電力を供給して被加熱物１２の内周壁と外周壁を同時に誘導加熱する例を説明する。

電力供給装置１００を含めた誘導加熱システム（図示せず）に電源を投入して上記の入力手段で加熱電力と周波電力比率を設定することにより、実施例１と同様に、電源制御回路６０が作動し始めると共に交流電源１８から発振器２０に交流電力が供給され始める。発振器２０では、交流電源１８から供給された交流電力が、順変換制御回路６２に制御されている順変換部２２で直流電力に変換され、この順変換部２２から出力された直流電力が平滑コンデンサＣｆで平滑されて逆変換部２４に入力される。この入力された直流電力は、周波電力比率制御回路６４に制御されている逆変換部２４において、高い周波数（第２周波数）をもつ第２交流電力及び低い周波数（第１周波数）をもつ第１交流電力に交互に変換される。この変換された２種類の交流電力は整合器８０に出力される。

整合器８０には、発振器２０から発振された第１周波数をもつ第１交流電力と第２周波数をもつ第２交流電力とが交互に入力される。発振器２０から第１交流電力が発振されたときは、第１交流電力は第１直列共振回路８２に入力されて共振状態となり、共振周波数をもつ交流電流が誘導加熱コイル１４を流れ、この交流電流によって被加熱対象１に渦電流が誘導されて被加熱対象１が加熱される。ここで、整合器８０の整合コンデンサＣ２の容量は整合コンデンサＣ１の容量よりもはるかに小さい（整合コンデンサＣ２の容量は整合コンデンサＣ１の容量の１／１０〜１／２０の範囲内にある）ので、第１周波数（Ｆ１）に対して第２直列共振回路８４が大きなインピーダンスが呈していることとなる。このため、第１周波数（Ｆ１）の動作モードでは、整合コンデンサＣ２は第１周波数の交流電流を通しにくく、第２直列共振回路８４をオープン（開）と見なすことができる。従って、第１周波数の交流電流は整合変圧器ＭＴＲ２に流れずに整合変圧器ＭＴＲ１に流れるので、第１直列共振回路８２に第１周波数の第１交流電力が供給される。この第１交流電力の供給により、第１直列共振回路８２が直列共振状態となって被加熱対象１を誘導加熱する。

一方、発振器２０から第２周波数をもつ第２交流電力が発振されたときは、第１直列共振回路８２のインピーダンスが第２直列共振回路８４のインピーダンスよりもはるかに大きい（１０〜２０倍に設計されている）ので、第１直列共振回路８２に流れる高周波成分は非常に小さい。従って、第１直列共振回路８２がオープンとみなすことができる。このため、第２周波数をもつ交流電流は整合変圧器ＭＴＲ１には流れずに、この交流電流は整合変圧器ＭＴＲ２に流れ、この結果、第２直列共振回路８４に第２周波数の交流電力が供給される。この交流電力の供給により、第２直列共振回路８４が直列共振状態となって被加熱対象２を誘導加熱する。

ここで、２つの直列共振回路８２，８４それぞれにインピーダンスの整合が必要な理由を説明する。

電気回路原理によれば、負荷インピーダンスが電源出力インピーダンスと同じとき、負荷に最大電力を供給できる。このため、図３のグラフに示す整合器８０のインピーダンスの周波数特性に基づいて、電源の出力インピーダンス（抵抗）と共振回路のインピーダンス（抵抗）とを整合（一致）させることが必要となる。誘導負荷と共振コンデンサで構成される共振回路では、共振点において回路インピーダンスが純抵抗になる。通常、この負荷抵抗が電源の出力インピーダンスよりもはるかに小さい抵抗値であり、また、負荷抵抗は周波数の平方根（ルートｆ）に比例しているので、整合器８０では２つの共振周波数に応じて互いに異なる共振インピーダンス（純抵抗）を有している。従って、それぞれにインピーダンスの整合が必要となるのである。

以上説明したように、電力供給装置１００では、互いに異なる周波数（例えば上記の第１周波数と第２周波数）をもつ複数の交流電力（例えば上記の第１交流電力と第２交流電力）を１つ（一台）の交流電源１８から複数の誘導加熱コイル（例えば誘導加熱コイル１４，１６）に交互に供給できるので、複数の誘導加熱コイルの間の相互誘導に起因する加熱効率の低下や複数の交流電源間の相互干渉による制御不安定などが無く、簡易なシステムの電力供給装置が得られる。また、被加熱物１２の内面と外面を同時に（一回で、一度に）加熱できるので、被加熱物１２が加熱される時間を短くでき、加熱に起因する被加熱物１２の変形や歪みを低減できる。

図４から図６までを参照して、上記した電力供給装置１０（又は電力供給装置１００）を使用して円筒状被加熱物の一例であるブッシュ１１０の外周壁１１０ａと内周壁１１０ｂを同時に誘導加熱して同時に焼入れする例を説明する。外周壁と内周壁は２つの被加熱対象部位の一例である。

図４は、誘導加熱されているブッシュを模式的に示す断面図である。図５は、２つの誘導加熱コイルに交流電力を発振するタイミングを示す模式図であり、（ａ）は、時間比率配分が１：１の場合を示し、（ｂ）は、時間比率配分が３：１の場合を示す。図６は、焼入れされたブッシュを示す横断面図である。

ブッシュ１１０の外周壁１１０ａと内周壁１１０ｂを同時に焼入れするために、誘導加熱コイル１４としては外周壁１１０ａに近接して沿う形状の環状のものを用い、誘導加熱コイル１６としては内周壁１１０ｂに近接して沿う形状の環状のものを用いた。ここでは、一巻きのコイル（ワンターンコイル）を用いたが、これに限定されず、被加熱対象部位に合わせた形状の誘導加熱コイルを用いてもよい。誘導加熱コイル１４，１６は、整合器４０（又は整合器８０）に図１（又は図２）に示すように接続されている。また、外周壁１１０ａには深い硬化層ｄ１を形成し、内周壁１１０ｂには浅い硬化層ｄ２を形成する。このため、誘導加熱コイル１４には、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力が供給される一方、誘導加熱コイル１６には、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力が供給される。交流電力の周波数は、ブッシュ１１０の材質や硬化層の深さ等に応じて適宜に決める。

１台の発振器２０（図１等参照）から所定の時間比率配分に従って第１交流電力と第２交流電力を切り替えて発振する。図５（ａ）には、発振器２０から誘導加熱コイル１４に発振する交流電力の時間と誘導加熱コイル１６に発振する交流電力の時間とを１：１（時間比率配分を１：１）にした例を示し、この場合は、発振器２０から誘導加熱コイル１４に例えば５０ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をｔ１時間（例えば１００ｍｓ）発振して停止し、続いて、発振器２０から誘導加熱コイル１６に例えば２００ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をｔ２時間（例えば１００ｍｓ）発振して停止し、続いて、誘導加熱コイル１４に例えば５０ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をｔ３時間（例えば１００ｍｓ）発振して停止し、続いて、発振器２０から誘導加熱コイル１６に例えば２００ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をｔ４時間（例えば１００ｍｓ）発振して停止し、このような発振を所定時間続け、外周壁１１０ａの硬化層ｄ１に相当する部分と、内周壁１１０ｂの硬化層ｄ２に相当する部分とを焼入温度にして急冷する。これにより、図６に示すように、外周壁１１０ａには深い硬化層ｄ１が形成されると共に、内周壁１１０ｂには浅い硬化層ｄ２が形成される。

上記した例では、時間比率配分を１：１にしたが、図５（ｂ）に示すように３：１にしてもよく、また、他の比率にしてもよい。時間比率配分を３：１にした場合は、発振器２０から誘導加熱コイル１４に例えば５０ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をＴ１時間（例えば１５０ｍｓ）発振して停止し、続いて、発振器２０から誘導加熱コイル１６に例えば２００ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をＴ２時間（例えば５０ｍｓ）発振して停止し、続いて、誘導加熱コイル１４に例えば５０ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をＴ３時間（例えば１５０ｍｓ）発振して停止し、続いて、発振器２０から誘導加熱コイル１６に例えば２００ｋＨｚの周波数をもつ交流電力をＴ４時間（例えば５０ｍｓ）発振して停止し、このような発振を所定時間続け、外周壁１１０ａの硬化層に相当する部分と、内周壁１１０ｂの硬化層に相当する部分とを焼入温度にして急冷する。これにより、外周壁１１０ａには深い硬化層が形成されると共に、内周壁１１０ｂには浅い硬化層が形成される。時間比率配分が３：１の例では、１：１の場合に比べて、外周壁１１０ａを加熱する時間が長くなる一方、内周壁１１０ｂを加熱する時間が短くなるので、外周壁１１０ａの硬化層は図５（ａ）のときよりも深くなる一方、内周壁１１０ｂの硬化層は図５（ａ）のときよりも浅くなる。

いずれの時間比率配分にした場合であっても、加熱層の温度降下が無いように切り替える。発振中（誘導加熱中）において加熱層に温度降下が生じるような時間配分比率にした場合は、加熱効率が低下するだけでなく、硬化層の深さが不均一になるおそれがある。

上記の例では、ブッシュ１１０の外周壁１１０ａと内周壁１１０ｂを同時に焼入れして、これらに深さの異なる硬化層を形成する例を説明したが、本発明の誘導加熱方法は、異種材質を接合する場合にも用いられる。この例について図７を参照して説明する。

図７は、異なった材質の金属板を接合する例を模式的に示す断面図である。

本発明の誘導加熱方法を用いた場合、材質の異なる金属板２１０（例えば鋼）と金属板２２０（例えばアルミニウム）を、接着剤を使用せずに接合できる。金属板２１０に近接させて誘導加熱コイル１１４を配置し、金属板２２０に近接させて誘導加熱コイル１１６を配置する。誘導加熱コイル１１４，１１６は、整合器４０（又は整合器８０）（図１、図２参照）に接続されており、これらの誘導加熱コイル１１４，１１６には発振器２０（図１等参照）から交流電力が発振される。誘導加熱コイル１１４には、金属板２１０を溶融させるために最適な周波数をもつ交流電力を発振し、誘導加熱コイル１１６には、金属板２２０を溶融させるために最適な周波数をもつ交流電力を発振する。誘導加熱コイル１１４，１１６それぞれに流れる交流電力の２つの周波数は互いに異なる。

金属板２１０と金属板２２０を図７に示すように重ねて（密着させて）、発振器２０から交流電力が発振されている誘導加熱コイル１１４，１１６の間を矢印Ａ方向に通過させることにより金属板２１０，２２０の一部が溶融して、これらの境界部分が同時に溶け合って接合される。これにより、異材金属板２００が形成される。

本発明で用いた電力供給装置の一例の概略構成を示す回路図である。本発明で用いた電力供給装置の他の例の概略構成を示す回路図である。図２の整合器におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。誘導加熱されているブッシュを模式的に示す断面図である。２つの誘導加熱コイルに交流電力を発振するタイミングを示す模式図であり、（ａ）は、時間比率配分が１：１の場合を示し、（ｂ）は、時間比率配分が３：１の場合を示す。焼入れされたブッシュを示す横断面図である。異なった材質の金属板を接合する例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０，１００電力供給装置
１４，１６誘導加熱コイル
１８交流電源
２０発振器
４０，８０整合器
６０電源制御回路
４２，８２第１直列共振回路
４４，８４第２直列共振回路
１１０ブッシュ
１１０ａ外周壁
１１０ｂ内周壁

Claims

１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力と５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力とを所定の時間比率配分に従って切り替えて発振するように１台の発振器を制御しながら、この１台の発振器から前記第１交流電力を一方の第１誘導加熱コイルに発振すると共に、この発振のタイミングとは異なるタイミングで前記第２交流電力を他方の第２誘導加熱コイルに発振し、これら２つの誘導加熱コイルで互いに異なる被加熱対象部位を同時に誘導加熱することを特徴とする誘導加熱方法。
前記第１誘導加熱コイルを有する直列共振回路が前記第１交流電力の周波数で共振するように、前記第１交流電力の電流値に基づいて前記１台の発振器を制御すると共に、
前記第２誘導加熱コイルを有する直列共振回路が前記第２交流電力の周波数で共振するように、前記第２交流電力の電流値に基づいて前記１台の発振器を制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱方法。
前記第１誘導加熱コイルへの前記第１交流電力の発振を停止してから前記第２誘導加熱コイルへの前記第２交流電力の発振を開始するまでは１ｍｓ以下の時間間隔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱方法。
前記第２誘導加熱コイルへの前記第２交流電力の発振を停止してから前記第１誘導加熱コイルへの前記第１交流電力の発振を開始するまでは１ｍｓ以下の時間間隔であることを特徴とする請求項１，２，又は３に記載の誘導加熱方法。
１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第１交流電力と５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内の周波数をもつ第２交流電力とを所定の時間比率配分に従って切り替えて発振するように１台の発振器を制御しながら、この１台の発振器から前記第１交流電力を一方の第１誘導加熱コイルに発振すると共に、この発振のタイミングとは異なるタイミングで前記第２交流電力を他方の第２誘導加熱コイルに発振し、これら２つの誘導加熱コイルそれそれで互いに異なる被加熱対象部位を同時に誘導加熱してこれら異なる被加熱対象部位を焼入温度にし、
この焼入温度に加熱された前記異なる被加熱対象部位を同時に焼入れすることを特徴とする焼入方法。
前記互いに異なる被加熱対象部位を誘導加熱する際に、請求項２から４までのうちのいずれか一項に記載の誘導加熱方法を実施することを特徴とする請求項５記載の焼入方法。
前記第１誘導加熱コイルによって誘導加熱する被加熱対象部位は円筒状被加熱物の外周壁であり、前記第２誘導加熱コイルによって誘導加熱する被加熱対象部位は前記円筒状被加熱物の内周壁であり、これら外周壁と内周壁を同時に焼入れすることを特徴とする請求項６に記載の焼入方法。