JP2009174037A - 誘導加熱装置の高周波加熱コイル - Google Patents

Abstract

【課題】表面に凹凸を有するワークに生じさせた誘導電流が相殺されず、ワークを効率よく均一に焼入することができる誘導加熱装置を提供することである。
【解決手段】ワークに近接してワークに誘導電流を発生させるワーク対向部３を複数有し、前記ワーク対向部３は並列的に並べられ、特定のワーク対向部同士が連結部４で連結され、前記ワーク対向部３および連結部４が全体として一連の電気伝導路を構成する高周波加熱コイル１において、高周波加熱コイル１に直流電流を流したと仮定した場合に、隣接するワーク対向部の電流の流れ方向が、同方向となる同方向並列部１１と、電流の流れ方向が逆方向となる逆方向並列部１２があり、逆方向並列部１２におけるワーク対向部同士の間隔が、同方向並列部１１におけるワーク対向部同士の間隔よりも広く、同方向並列部１１が２以上存在する。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面に凹凸を有するワークを焼き入れする誘導加熱装置の高周波加熱コイルに関するものである。

表面に凹凸（起伏）があるワークに、誘導加熱装置に備えた高周波加熱コイルを対向配置すると、凹部から高周波加熱コイルまでの距離と、凸部から高周波加熱コイルまでの距離とが相違するため、凹部と凸部に生じる誘導電流の大きさに差が生じ、焼入深さが不均一となる。

そこで、凹部と凸部における焼入深さを均一化するための発明が特許文献１において提案されている。特許文献１には、ボールねじの焼入れ方法の発明が開示されている。特許文献１に開示されている発明を実施すると、ボールねじのねじ溝（凹部）とねじ山（凸部）における焼入深さの均一化を図ることができるとされている。

ここで、特許文献１に開示されているボールねじ（軸）の焼入れ方法の発明は、ボールねじ軸を加熱する高周波加熱コイルがＵ字形に形成され、コイルの二つの直線部分の向きをボールねじ軸のピッチ方向に一致させてボールねじ軸に対向配置させ、さらにボールねじ軸を回転させることによって、ボールねじ軸の全周囲を焼入しようとするものである。
特開２００４−２５６８５８号公報

ところで、特許文献１に開示されている高周波加熱コイルは大きさが不明であるが、二つの直線部分が近接しており、せっかくねじ溝とねじ山に均一な誘導電流を生じさせても、高周波加熱コイルの往路側の直線部分によって生じた誘導電流と、復路側の直線部分によって生じた誘導電流とが逆方向となって相殺されるため、高周波加熱コイルに供給される電力に対して期待される大きさの誘導電流が生じない恐れがある。よって、所望の焼入深さを実現するためには、余分な電力が必要となる。

また、特許文献１に開示されている高周波加熱コイルは、焼入部位に対向する直線部分が２つしかなく、高周波加熱コイルの直線部分に全周囲を対向させて加熱を完了するには時間が掛かり、加熱工程から急冷工程へ瞬時に移行させなければ、ワークの焼入品質の均一化が図りにくい。

そこで本発明は、表面に凹凸を有するワークに生じさせた誘導電流が相殺されず、ワークを効率よく均一に焼入することができる誘導加熱装置の高周波加熱コイルを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、ワークに近接してワークに誘導電流を発生させるワーク対向部を複数有し、前記ワーク対向部は並列的に並べられ、特定のワーク対向部同士が連結部で連結され、前記ワーク対向部および連結部が全体として一連の電気伝導路を構成する高周波加熱コイルにおいて、高周波加熱コイルに直流電流を流したと仮定した場合に、隣接するワーク対向部の電流の流れ方向が、同方向となる同方向並列部と、電流の流れ方向が逆方向となる逆方向並列部があり、逆方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔が、同方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔よりも広く、前記同方向並列部が２以上存在することを特徴とする誘導加熱装置の高周波加熱コイルである。

請求項１の発明では、高周波加熱コイルに直流電流を流したと仮定した場合に、隣接するワーク対向部の電流の流れ方向が、同方向となる同方向並列部と、電流の流れ方向が逆方向となる逆方向並列部があり、逆方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔が、同方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔よりも広く、前記同方向並列部が２以上存在する。よって、ワークに生じる誘導電流同士が相殺されない。
これにより、効率よくワークを加熱することができると共に、加熱コイルに流れる高周波電流を必要最小限に小さくすることができるので、加熱コイルの寿命を延ばすことができるようになる。

電流が同方向に流れる直線部分同士を近接させると、その周囲における誘導電流は大きくなり、電流が逆方向に流れる直線部分同士を遠ざけると、互いの誘導電流が相殺されず、余分な電力消費を抑制することができる。その効果を得るためには、本件出願人が創意工夫した結果、直線部分が少なくとも６つ以上必要であることが判明した。すなわち、直線部分を６つ以上設けると、電流が同方向に流れる直線部分同士を近接させることができる箇所を２箇所以上に形成することができ、極めて効率的にワークを加熱することができるようになる。

請求項２の発明は、表面に凹凸を有するワークを加熱する誘導加熱装置において、前記誘導加熱装置は高周波電流が供給される高周波加熱コイルを備えており、前記高周波加熱コイルは、ワークの表面の凹凸に渡ってワークに対向配置される複数のワーク対向部と、前記ワーク対向部同士を繋ぐ複数の連結部とを有しており、隣接するワーク対向部同士の間隔は、高周波加熱コイルに高周波電流が流れた際に、ワークに生じさせる誘導電流の向きが逆向きになる箇所が、誘導電流の向きが同じになる箇所よりも大きく、前記誘導電流の向きが同じになる箇所が２箇所以上あることを特徴とする誘導加熱装置の高周波加熱コイルである。

請求項２の発明では、誘導加熱装置に備えた高周波加熱コイルが、ワークの表面の凹凸に渡ってワークに対向配置される複数のワーク対向部を有するので、高周波加熱コイルに高周波電流が流れると、複数の誘導電流がワークの凹凸を通過して流れる。これにより、ワークの凹凸の凹部と凸部には共通の誘導電流が通過する。よって、ワーク表面の凹凸に均一な深さの焼入を行うことができるようになる。
また、隣接するワーク対向部同士の間隔は、高周波加熱コイルに高周波電流が流れた際に、ワークに生じさせる誘導電流の向きが逆向きになる箇所が、誘導電流の向きが同じになる箇所よりも大きく、前記誘導電流の向きが同じになる箇所が２箇所以上あるので、各々のワーク対向部によってワーク上に生成される誘導電流が相殺又は減衰されない上に、効率的にワークを誘導加熱することができるようになる。これにより、高周波加熱コイルに供給される電力が浪費されるのを回避することができる。

請求項３の発明は、前記凹凸は、ねじ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の高周波加熱コイルである。

請求項３の発明では、ワーク表面の凹凸がねじであり、共通の誘導電流がねじ溝とねじ山とを通過して流れる。よって、ワークのねじ溝とねじ山とが均一に焼入される。

請求項４の発明は、前記ワークは、ボールねじ軸であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイルである。

請求項４の発明では、ワークがボールねじ軸であり、高周波加熱コイルのワーク対向部が、ボールねじ軸のねじ溝とねじ山に沿って対向する。よって、ボールねじ軸のねじ溝とねじ山に沿って誘導電流が流れる。これにより、ボールねじ軸を均一に加熱することができる。すなわち、ボールねじ軸のねじ溝とねじ山を均一に焼入れすることができる。

請求項５の発明は、高周波加熱コイルのワーク対向部が、ワークの焼入部位の全部又は一部に対向配置されるように、前記連結部が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイルである。

請求項５の発明では、連結部によって各ワーク対向部が連結され、各々ワークの焼入部位の全部又は一部に対向配置されている。例えば、ワークが扁平状であっても円柱状又は円筒状であっても、連結部が各ワーク対向部をワークの表面に沿って近接配置させることができる。

請求項６の発明は、半開放鞍型コイルであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイルである。

請求項６の発明では、高周波加熱コイルを半開放鞍型コイルとした。これにより、ワークの円柱状又は円筒状の側壁を効率よく焼入できる。

本発明を実施すると、効率よくワークを加熱することができるようになる。よって、加熱コイルの寿命が延びる。
また、表面に凹凸のあるワークに、誘導電流を効率よく流すことができるようになる。 さらに、誘導電流が凹部と凸部に渡って流れるので、ワークの凹凸部分の焼入深さを均一化することができるようになる。
特に、同方向並列部を２箇所以上に形成するので、誘導電流が大きくなる箇所を２箇所以上形成することができ、効率よく誘導加熱を行うことができる。

図１は、本発明を実施した高周波加熱コイルの斜視図であり、図２は図１の高周波加熱コイルの系統図である。図１に示すように高周波加熱コイル１は、半開放鞍型コイルであり、１本の中空の導体２を適宜折り曲げ，湾曲，又は蝋付けすることによって構成されている。高周波加熱コイル１は、接続部５（５ａ，５ｂ），複数のワーク対向部３（３ａ〜３ｆ），及び連結部４（４ａ〜４ｇ）を備えている。

高周波加熱コイル１には、トランス（図示せず）を介して高周波電源（すなわち、図示しない発振器）から高周波電流が供給可能であり、図１にはトランスの二次側と接続される接続部５ａ，５ｂが途中まで描写されている。
以下、高周波加熱コイル１の構成を図１，図２を参照しながら詳述する。

高周波加熱コイル１の接続部５ａ，５ｂは、トランス（図示せず）の二次側に接続されており、トランスの一次側には高周波電源（発振器）が接続されている。電源からトランスの一次側に電流が供給されると、二次側には増幅された高周波電流が生じる。この高周波電流は、接続部５から高周波加熱コイル１の各部を一巡する。

図１及び図２に示すように高周波加熱コイル１は、複数の平行に延びるワーク対向部３ａ〜３ｆを備えている。これらのワーク対向部３ａ〜３ｆは、各々連結部４ｂ〜４ｇによって接続されて並列配置されている。また、接続部５ａとワーク対向部３ａは、連結部４ａで接続されており、ワーク対向部３ｆと接続部５ｂは、連結部４ｇで接続されている。

図１及び図２では、接続部５ａ側から接続部５ｂ側へ電流が流れた場合に、電流が通過する経路の順に、連結部４ａ，４ｂ，・・・，４ｇとし、ワーク対向部３ａ，３ｂ，・・・，３ｆとした。すなわち、接続部５ａの末端は、連結部４ａの始端と連結している。また、連結部４ａの末端は、ワーク対向部３ａの始端と接続されている。以下、順に、連結部とワーク対向部とが接続されており、最後にワーク対向部３ｆが連結部４ｇを介して接続部５ｂと接続されている。

以上のように構成された高周波加熱コイル１の各ワーク対向部は、図２に示すように、電流の向きが一致するもの同士は近接し、電流の向きが逆向きのもの同士は離間している。ここで、高周波加熱コイル１に流れる電流は交流であるが、図２では、ある一瞬の電流の流れの向きを示している。すなわち、図２では高周波加熱コイル１に直流電流を流した場合の電流の向きを示している。図２に関して、ワーク対向部には、（高周波）電流が、接続部５ａ，５ｂに近い側から遠い側へ流れる「往き側」と、遠い側から近い側へ流れる「戻り側」とがある。

すなわち、仮にワーク対向部３ａ，３ｃ，３ｅを「往き側」とし、ワーク対向部３ｂ，３ｄ，３ｆを「戻り側」とすると、「往き側」同士又は「戻り側」同士は近接しており、「往き側」と「戻り側」とは離れている。

例えば、「往き側」のワーク対向部３ａと「戻り側」のワーク対向部３ｂでは、電流の流れる向きが逆であり、両者は離間している。また、「往き側」のワーク対向部３ａと３ｃでは、電流が流れる向きが一致しており、両者は近接している。同様に、ワーク対向部３ａと３ｃ，３ｄと３ｆは、「往き側」同士又は「戻り側」同士の関係にあり、電流の流れる向きが一致しているので、近接配置してある。さらに、ワーク対向部３ａと３ｂ，３ｃと３ｄ，３ｅと３ｆは、「往き側」と「戻り側」の関係にあり、電流の流れる向きが逆向きなので、離間させて配置してある。

以上を言い換えると、例えばワーク対向部３ａと３ｃとで同方向並列部１１が形成されており、ワーク対向部３ａと３ｂとで逆方向並列部１２が形成されている。この逆方向並列部１２におけるワーク対向部同士の間隔は、同方向並列部１１におけるワーク対向部同士の間隔よりも広くなるように設定されている。

次に、高周波加熱コイル１とワーク１０の関係を説明する。
連結部４ａ〜４ｇは、各ワーク対向部３ａ〜３ｆを、例えばボールねじのようなワークの円柱状の側面に沿って配置可能に連結している。すなわち、ワーク加熱時（焼入時）に、各ワーク対向部３ａ〜３ｆからワークの各焼入部位までの距離が同じになるように各連結部４ａ〜４ｇの曲率が設定されている。

図７は、高周波電流が流れるワーク対向部が対向配置されているワークの部分断面図である。図７に示すようにワーク１０に対向配置されたワーク対向部３に高周波電流７が流れると、ワーク１０には誘導電流８が生じる。この誘導電流８は、ワーク１０（ボールねじ）の表面に沿って、ねじ山１０ａとねじ溝１０ｂ（ワークの表面の凹凸）とを順に流れる。これにより、ワーク１０は、ワーク１０の表面から一定の深さの焼入が行われる。

上記とは異なり、ワークが例えば平面状のラックの場合には、焼入部位が平面に形成された凹凸であるので、各ワーク対向部を平面に沿って一列に配置するように各連結部は各ワーク対向部を接続配置する。すなわち、焼入部位が曲面であっても平面であっても、連結部は各ワーク対向部を焼入部位に対向配置可能に各ワーク対向部を接続している。

また、ワークの大きさは様々であり、必ずしも図１及び図２に示すように、６本のワーク対向部を対向配置するのが好ましいとは限らない。そこで、ワーク対向部の数を変更した高周波加熱コイルの変形例を図３〜図６に示す。

図３は、ワーク対向部が８本の場合の高周波加熱コイルの系統図であり、図４は、ワーク対向部が１０本の場合の高周波加熱コイルの系統図であり、図５は、ワーク対向部が１２本の場合の高周波加熱コイルの系統図であり、図６は、ワーク対向部が１４本の場合の高周波加熱コイルの系統図である。

加熱（焼入）対象のワークが小さければ、図３に示すようにワーク対向部の数を減らし、逆に加熱（焼入）対象のワークが大きければ、図４〜図６に示すようにワーク対向部の数を必要に応じて増やすのが好ましい。
本実施の形態では、両側（最も外側）のワーク対向部３は、接続部５から各々プラスマイナス９０度の位置に配置されている。よって、ワークの直径が小さくなるほど本数を少なくし、逆にワークの直径が大きくなるほど本数を多くするのが好ましい。

すなわち、ワークの直径が小さい場合には、ワーク対向部３の本数を少なくすることにより、誘導電流の流れる向きが逆になるワーク対向部同士の間隔を確保でき、また、逆向きに流れる誘導電流同士が互いに相殺されることを防止できる。

また、ワークの直径が大きい場合には、誘導電流の流れる向きが逆になるワーク対向部同士の間隔は容易に確保できるので、今度はワーク対向部３の本数を増加させることにより、ワークの焼入部位に一度に対向させる面積（一度に焼入できる面積）が増加し、焼入の効率を向上させることができるようになる。

さらに説明すると、ワークの直径が小さい場合には、ワークに対向配置するワーク対向部の本数を減らすほどレイアウトし易くなり、ワークの直径が大きい場合には、ワークに対向配置するワーク対向部の本数を増やすほどワークの焼入部位に対する対向面積が増え、同時に焼入できる面積が増加する。

ワーク対向部３の数は、ワークの直径と導体の一辺の長さとを勘案して、任意に設定することができる。

本発明を実施した高周波加熱コイルの斜視図である。 図１の高周波加熱コイルの系統図である。 ワーク対向部の数を８とした高周波加熱コイルの変形例の系統図である。 ワーク対向部の数を１０とした高周波加熱コイルの変形例の系統図である。 ワーク対向部の数を１２とした高周波加熱コイルの変形例の系統図である。 ワーク対向部の数を１４とした高周波加熱コイルの変形例の系統図である。 高周波電流が流れるワーク対向部が対向配置されているワークの部分断面図である。

符号の説明

１ 高周波加熱コイル
２ 導体
３ａ〜３ｈ ワーク対向部
４ａ〜４ｈ 連結部
５ａ，５ｂ 接続部
６ａ，６ｂ 迂回部
７ 高周波電流
８ 誘導電流
１０ ワーク
１０ａ ワークのねじ山
１０ｂ ワークのねじ溝
１１ 同方向並列部
１２ 逆方向並列部

Claims (6)

1. ワークに近接してワークに誘導電流を発生させるワーク対向部を複数有し、前記ワーク対向部は並列的に並べられ、特定のワーク対向部同士が連結部で連結され、前記ワーク対向部および連結部が全体として一連の電気伝導路を構成する高周波加熱コイルにおいて、高周波加熱コイルに直流電流を流したと仮定した場合に、隣接するワーク対向部の電流の流れ方向が、同方向となる同方向並列部と、電流の流れ方向が逆方向となる逆方向並列部があり、逆方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔が、同方向並列部におけるワーク対向部同士の間隔よりも広く、前記同方向並列部が２以上存在することを特徴とする誘導加熱装置の高周波加熱コイル。
2. 表面に凹凸を有するワークを加熱する誘導加熱装置の高周波加熱コイルにおいて、
   前記高周波加熱コイルは、ワークの表面の凹凸に渡ってワークに対向配置される複数のワーク対向部と、前記ワーク対向部同士を繋ぐ複数の連結部とを有しており、
   隣接するワーク対向部同士の間隔は、高周波加熱コイルに高周波電流が流れた際に、ワークに生じさせる誘導電流の向きが逆向きになる箇所が、誘導電流の向きが同じになる箇所よりも大きく、前記誘導電流の向きが同じになる箇所が２箇所以上あることを特徴とする誘導加熱装置の高周波加熱コイル。
3. 前記凹凸は、ねじ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の高周波加熱コイル。
4. 前記ワークは、ボールねじ軸であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイル。
5. ワーク対向部が、ワークの焼入部位の全部又は一部に対向配置されるように、前記連結部が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイル。
6. 半開放鞍型コイルであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の誘導加熱装置の高周波加熱コイル。

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