JP2013023740A - 高周波誘導加熱コイル及び高周波誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱設備の費用を増大させる高周波誘導加熱コイルの偏芯機構や追従機構及びこれらの制御回路が無くとも、カムトップとカムベースを均一に加熱して焼入硬化層深さを一定にし、過熱組織のない優れた焼入品質を得ることが可能な高周波誘導加熱コイル及び高周波誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品たるカムシャフト５０の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイル１において、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリット５を有する１つの円環状の第１加熱導体２と、第１加熱導体２の外周領域に配置され、かつスリット５を挟んで第１加熱導体２の外周部の、スリット５によって形成された一対の端部６以外の位置に一端が接続される第２加熱導体３ａ，３ｂと、一端が第２加熱導体３ａ，３ｂに接続され、かつ他端が高周波電源２０に接続される一対の給電導体４ａ，４ｂと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸状部品の外周面、特に回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品、例えば、カムシャフトのカム外周面を熱処理するための高周波誘導加熱コイルと、当該高周波誘導加熱コイルを用いた高周波誘導加熱方法に関する。

図６（ａ）〜（ｄ）は、内燃機関のカムシャフトの概観図であって、１シリンダ当たり３つのカム５２，５３，５４を有するカムシャフト５０の例を示すものであり、３つのカム５２，５３，５４は、図６（ａ）に示すように、左右両側のジャーナル５１，５１の間に位置し、回転軸Ｌの方向に沿ってそれぞれ所要の間隔を空けて配置されている。そして、カムトップ５２ａ及びカムベース５２ｂが図６（ｂ）に示す位置にある第１カム５２に対して、第２カム５３のカムトップ５３ａ及びカムベース５３ｂと第３カム５４のカムトップ５４ａ及びカムベース５４ｂは、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、円周方向の位相がそれぞれα°、β°ずれて設定されている。

現状のカムシャフト５０の第１カム５２、第２カム５３或いは第３カム５４を熱処理する場合は、図５に示すように、円環状高周波誘導加熱コイル１０の中心Ｏ１とカムシャフト５０の中心Ｏ２とを一致させ、この状態でカムシャフト５０の中心Ｏ２の周りに回転力を付与することによって第１カム５２（或いは、第２カム５３または第３カム５４）を焼入温度まで加熱し、その後、図外の冷却手段により第１カム５２（或いは、第２カム５３または第３カム５４）を急速冷却して焼入処理を行うことが通例である（特許文献１の図４、特許文献２の図３、特許文献３の図７、特許文献４の図１０）。なお、図５において、符号２０は高周波電源、符号４ａ，４ｂは給電導体、符号５は円環状導体２のスリット、符号６はスリット５により形成される円環状導体２の一対の端部である。

ところが、上述した従来の第１カム５２（或いは、第２カム５３または第３カム５４）の焼入方法では、図５に示すように、カムトップ５２ａの焼入硬化層１００の深さｄ１とカムベース５２ｂの焼入硬化層１００の深さｄ２とが極端に異なるという問題を有している。そこで、この問題を解決するために、以下のような焼入技術が提案されている。

例えば、特許文献４の中で従来技術の一つとして図１２及び図１４に示すようなカムプロファイルに合わせた内面形状の高周波誘導加熱を用いて、カムシャフトは回転させずにカムを加熱する焼入方法が述べられている。
また、特許文献４は、円環状高周波誘導加熱コイルを用いて、そのコイル中心とカムシャフトの回転中心軸とを一致させずに偏芯させて、円環状高周波誘導加熱コイルの内周面とカムのカムトップ及びカムベースとの各距離が略同じとなるように設定することにより、加熱時の温度差を小さくする技術である。この技術は、上述のカムプロファイルに沿った内面形状の高周波誘導加熱コイルによる加熱と同様、カムシャフトを回転させていない。

さらに、特許文献１及び３の焼入装置のように、前記偏芯状態でカムシャフトを回転させて加熱するために、円環状高周波誘導加熱コイルとカムトップとの距離が一定となるように、カムに対して円環状高周波誘導加熱コイルを追従運動させる機構を備える技術もある。
また、特許文献２のように、円環状高周波誘導加熱コイルを用いることなく半開放鞍型（Ｕ字型）コイルを用いて、カムシャフトを回転させながらカムトップ近傍が加熱導体に接近したときは加熱出力を低く、カムベース近傍が加熱導体に接近したときは加熱出力を高くする技術について述べている。

特開２００１−１３１６３７号公報 特開２００１−１３１６３８号公報 特開２００２−１６７６２０号公報 特開２００２−３５６７１９号公報

しかしながら、上述した従来の焼入方法等のうち、円環状高周波誘導加熱コイル１０の中心Ｏ１とカムシャフト５０の中心Ｏ２とを一致させる方法では、図５に示すように、第１カム５２のカムトップ５２ａと高周波誘導加熱コイル１０の円環状導体２の内径との距離ｇ１と、第１カム５２のカムベース５２ｂと高周波誘導加熱コイル１０の円環状導体２の内径との距離ｇ２の関係は、常にｇ１＜ｇ２であり、焼入硬化層１００は、図示の如く、カムトップ５２ａの深さｄ１の方がカムベース５２ｂの深さｄ２よりも深く焼入されることになる。
このように、カムトップ５２ａの方がカムベース５２ｂよりも深く焼入されるということは、カムトップ５２ａとカムベース５２ｂとで加熱中に温度差が生じていた結果であり、カムトップ５２ａが適正焼入温度のときに、カムベース５２ｂは適正焼入温度に到達していないことがある。また、カムベース５２ｂが適正焼入温度になったときに、カムトップ５２ａは過熱状態になることもある。

このため、特許文献４の図１２及び図１４で示すように、カムプロファイルに合わせた内面形状の高周波誘導加熱コイルを用いて、カムベースとカムトップの温度差を小さくしてカムトップの過熱状態を解消する焼入方法が提案されている理由であるが、このような加熱コイルは、従来の円環状高周波誘導加熱コイルよりも製作が煩雑であり、カムシャフトの製作コストが高価になってしまうという問題点を有していた。

また、上述した特許文献１、３、４の技術は、いずれも安価な円環状高周波誘導加熱コイルを用いて、カムトップの過熱を回避しつつカムの回転軸に直交する平面で切った断面での焼入硬化層深さを揃えるために提案されたものであるが、これら３つの技術を実施するに当りカムの回転中心から円環状高周波誘導加熱コイルの中心を移動させるために、直交する２方向の偏芯機構とその制御回路などが必要になる。さらに特許文献１と３の技術を実施する場合は、上述の偏芯機構とその制御回路に加えて、加熱中にカムトップの運動に対応して高周波誘導加熱コイルを追従させるための追従機構とそれを制御する制御回路が必要になる。
特許文献２の技術は特許文献１、３、４の技術のような偏芯機構と制御回路や追従機構とその制御回路こそ必要としないが、回転中のカム部の位相に応じて加熱出力を増減する加熱制御回路が必要となる。また、特許文献２に採用される半開放鞍型（Ｕ字型）高周波誘導加熱コイルは、カム部全周に加熱導体が対向配置されないので、カム部全周を囲む円環状加熱コイルと比べて加熱効率が低くなり、その加熱効率の低さを補うために加熱出力を増加させなければならず、ランニングコストが他の３つの技術に比べ高価になる。そして、いずれの従来技術についても、高周波誘導加熱コイルとカムの位相を決めるための位相決め機構は必要不可欠となるので、焼入設備は段落［０００３］に述べた焼入方法を採るものよりも高価になる。

一般に、図５及び図６に示すようなカムシャフト５０は、シリンダ１つ当たり複数のカムを備えており、複数のカム５２，５３，５４は、それぞれ位相が異なっていることが多い。重機などの大型エンジン用のカムシャフトのカムを熱処理する場合、カムそれ自体が大きく、１つのカム毎に熱処理するために上述した従来技術の焼入方法を適用することは可能である。
しかし、自動車などの小型エンジン用のカムシャフトのカムを熱処理する場合は、生産量が多く、複数のカムを同時に焼入処理することが求められるため、１つのシリンダに対応する位相の異なる複数のカムのそれぞれに対して、対応する高周波誘導加熱コイルをそれぞれ位相決めする必要がある。
さらに、各カムに対して対応する高周波誘導加熱コイルをそれぞれ追従運動させるようにすると、追従機構が複数個（１回に熱処理するカムと等しい数）必要になる。そのため、焼入設備が１つのカムを熱処理する焼入設備よりも高価になり、カムのサイズが小さくなると、上述した従来技術を適用することが困難になる場合も起こる。

また、既述の特許文献１〜４に記載の技術は、上述したとおり、機械構成が複雑であり、設備費も高価になる傾向があることから、図５に示すように、円環状高周波誘導加熱コイル１０を用いてそのコイル中心Ｏ１とカムシャフト５０の回転中心Ｏ２とを一致させる焼入方法において、カムトップ５２ａ，５３ａ，５４ａとカムベース５２ｂ，５３ｂ，５４ｂとの温度差発生の問題を高周波電源２０の周波数選定や焼入加熱条件選定で回避しているのが実情である。しかし、このような選定による回避手法では、温度差を完全には解消することができず、カム形状（カムプロファイル）によってはカムトップ５２ａ，５３ａ，５４ａが若干の過熱状態を呈していることもある。

以下に、図５に示す円環状高周波誘導加熱コイル１０を用いての現状のカムシャフト５０の１箇所のカムを高周波焼入処理する場合の具体例を記載する。
（１） 焼入対象部品 ：カムシャフトのカム部
（ａ）カムベース円外径 ：φ３０ ｍｍ
（ｂ）カムベース外径とカムトップ外径との差 ： ５ ｍｍ
（２） 高周波焼入条件
（ａ）周波数 ：３０ ｋＨｚ
（ｂ）加熱出力 ：２８ ｋＷ
（ｃ）加熱時間 ：５．０ ｓｅｃ
（ｄ）空冷時間 ：０．５ ｓｅｃ
（ｅ）冷却時間 ：１０．０ ｓｅｃ
（ｆ）カムシャフト回転数 ：１８０ ｒ．ｐ．ｍ．
上記条件の下で高周波焼入処理を実施した場合のカムトップの焼入硬化層深さは５．９ｍｍとなり、カムベースの焼入硬化層深さは３．９ｍｍとなり、カムトップとカムベースの焼入硬化層深さの差は２．０ｍｍとなっている。

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、加熱設備の費用を増大させる高周波誘導加熱コイルの偏芯機構や追従機構及びこれらの制御回路が無くとも、カムトップとカムベースを均一に加熱してカムの回転軸に直交する平面で切った断面での焼入硬化層深さを一定にし、過熱組織のない優れた焼入品質を得ることが可能な高周波誘導加熱コイル及び高周波誘導加熱方法を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイルにおいて、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている。

また、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイルにおいて、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている。

さらに、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱するようにしている。

そして、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱するようにしている。

また、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱するようにしている。

さらに、本発明は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱するようにしている。

上述の如く、本発明に係る高周波誘導加熱コイルは、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するものであって、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えているので、円環状の第１加熱導体の中心からの円周方向の磁場を第２加熱導体の近傍で第１加熱導体の近傍よりも弱くすることができる。したがって、本発明に係る高周波誘導加熱コイルを用いれば、第２加熱導体の近傍に、過熱し易く、回転中心軸から外周面までの距離が最大となる金属部品の外周面領域を対向配置することにより、局部的な過熱を回避して金属部品の外周面を均一に加熱することができ、品質の優れた硬化層を有する金属部品、例えばカムシャフトを製造することができる。

また、本発明に係る高周波誘導加熱コイルは、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイルにおいて、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えているので、上記発明と同様の効果を得ることができる。

さらに、本発明に係る高周波誘導加熱方法は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱するようにしているので、回転中心軸からの距離が最大となる外周面領域の局部的な過熱を回避し、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を均一に加熱することができ、その結果、過熱組織のない優れた焼入品質の金属部品、例えばカムシャフトを製造することができる。

そして、本発明に係る高周波誘導加熱方法は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱するようにしているので、回転中心軸からの距離が最大となる外周面領域の局部的な過熱を回避し、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を均一に加熱することができるとともに、加熱時に金属部品を回転させる工程を加えることで回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面の加熱温度分布を調整することができる。したがって、本発明に係る高周波誘導加熱方法によれば、外周面に均一な深さの焼入硬化層を有する優れた焼入品質の金属部品、例えばカムシャフトを製造することができる。

また、本発明に係る高周波誘導加熱方法は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱するようにしているので、回転中心軸からの距離が最大となる外周面領域の局部的な過熱を回避し、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を均一に加熱することができ、その結果、過熱組織のない優れた焼入品質の金属部品、例えばカムシャフトを製造することができる。

さらに、本発明に係る高周波誘導加熱方法は、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱するようにしているので、回転中心軸からの距離が最大となる外周面領域の局部的な過熱を回避し、回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を均一に加熱することができるとともに、加熱時に金属部品を回転させる工程を加えることで回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面の加熱温度分布を調整することができる。したがって、本発明に係る高周波誘導加熱方法によれば、外周面に均一な深さの焼入硬化層を有する優れた焼入品質の金属部品、例えばカムシャフトを製造することができる。

本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱コイルを示す概観図である。 本発明の別の実施形態に係る高周波誘導加熱コイルを示す概観図である。 本発明の上記２つの実施形態に係る高周波誘導加熱コイルを３巻き直列にした場合の変形例を示す概念図である。 本発明の実施形態の他の変形例に係る高周波誘導加熱コイルを示す概観図である。 従来の円環状高周波誘導加熱コイルを示す概観図である。 円周方向の位相が異なる３つのカムを備えた被処理物であるカムシャフトを示すものであり、（ａ）はカムシャフトの概観図、（ｂ）は第１カムの概観断面図、（ｃ）は第２カムの概観断面図、（ｄ）は第３カムの概観断面図である。

以下、本発明の高周波誘導加熱コイル及び高周波誘導加熱方法を図１及び図２で示す実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、図１及び図２において、同様の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付すとともに、図５及び図６の例と同様の部分及び同一の機能を有する部分にも同一の符号を付し、重複した説明を省略するものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱コイルの概観を示すものである。この高周波誘導加熱コイル１は、金属部品（軸状部品）であるカムシャフト５０のカム５２（若しくは、カム５３またはカム５４）の外周に配置され、カム５２（若しくは、カム５３またはカム５４）の外周面を加熱して焼入処理するための加熱コイルである。そのため、高周波誘導加熱コイル１は、円周上の１箇所に円環状体を切るように径方向へ延びて配されるスリット５を有する円環状の第１加熱導体２と、当該円環状の第１加熱導体２の外周領域に離間して配置され、かつスリット５を挟んで当該円環状の第１加熱導体２の外周部の、スリット５によって形成された一対の端部６以外の位置に一端が接続される第２加熱導体３ａ，３ｂと、一端が第２加熱導体３ａ，３ｂの第１加熱導体２に接続されていない端部に接続され、かつ他端が高周波電源２０に接続される一対の給電導体４ａ，４ｂとにより、構成されている。第２加熱導体３ａ，３ｂは、合わせた態様で中心角がθの略扇型形状に形成されている。
また、図１中の矢印は、ある瞬間における高周波電流の流れを示している。さらに、図１において、符号Ｏ１は円環状の第１加熱導体２の中心を示し、符号Ｏ２はカムシャフト５０の回転中心を示している。

図２は、本発明の別の実施形態に係る高周波誘導加熱コイルの概観を示すものである。この高周波誘導加熱コイル７は、カムシャフト５０のカム５２（若しくは、カム５３またはカム５４）の外周に配置され、カム５２（若しくは、カム５３またはカム５４）の外周面を加熱して焼入処理するための加熱コイルである。そのため、高周波誘導加熱コイル７は、円周上の２箇所にそれぞれ円環状体を切るように径方向へ延び、円周方向に間隔を空けて配されるスリット５ａ，５ｂを有する円環状の第１加熱導体２と、当該円環状の第１加熱導体２の外周領域に離間して配置され、かつ当該円環状の第１加熱導体２の一方のスリット５ｂを挟んで両端が当該円環状の第１加熱導体２の外周部の、一方のスリット５ｂによって形成された一対の端部６ｂ以外の位置に一端が接続される第２加熱導体３と、他方のスリット５ａによって形成された一対の端部６ａにそれぞれ一端が接続され、かつ他端が高周波電源２０に接続される一対の給電導体４ａ，４ｂとにより、構成されている。第２加熱導体３は、中心角がθの略扇型形状に形成されている。
また、図２中の矢印は、ある瞬間における高周波電流の流れを示している。さらに、図２において、符号Ｏ１は円環状の第１加熱導体２の中心を示し、符号Ｏ２はカムシャフト５０の回転中心を示している。

なお、図１に示す実施形態の第２加熱導体３ａ，３ｂの中心角θ、並びに、図２に示す別の実施形態の第２加熱導体３の中心角θは、焼入処理されるカムシャフト５０のカム５２（若しくは、カム５３またはカム５４）の形状、大きさなどに対応させて、適宜選定される角度である。

次に、図１に示した本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いて、被処理物のカムシャフト５０を高周波誘導加熱して焼入する第１の方法、手順を説明する。なお、図２に示した本発明の別の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル７を用いて、カムシャフト５０を高周波誘導加熱して焼入する方法は、高周波誘導加熱コイル１を用いる場合と同様であるので、異なる手順を除いてその焼入方法の説明を省略する。
先ず、高周波誘導加熱コイル１の円環状の第１加熱導体２の中心Ｏ１とカムシャフト５０の回転中心Ｏ２との位置を一致させるとともに、図外の位相決め機構により、第１加熱導体２に設けられた１箇所のスリット５と、カムシャフト５０のカム５２，５３，５４のうち、例えばカム５２のカムトップ５２ａとが対向するように配置する。
一方、図２に示した高周波誘導加熱コイル７を用いる場合は、第２加熱導体３が跨ぐスリット５ｂとカム５２のカムトップ５２ａとが対向するように配置することになる。
次いで、カムシャフト５０を回転させずに、高周波電源２０から高周波変成器（図示せず）及び給電導体４ａ，４ｂを順次に介して、矢印で示すように、高周波誘導加熱コイル１に高周波電流を供給する。

このとき、カム５２の表面には、高周波誘導加熱コイル１に流れる高周波電流とは反対方向に高周波誘導電流が流れて高周波誘導加熱されることになる。このようにして、カム５２の表面を所要の焼入温度まで高周波誘導加熱した後に、図示しない冷却噴射手段から冷却液を当該カム５２に噴射して急速冷却する。すると、カム５２の外周面には、焼入硬化層１００が形成され、カムシャフト５０のカム５２の表面に対する一連の高周波焼入処理作業が完了することになる。
したがって、本実施形態の高周波誘導加熱コイル１を用いてカムシャフト５０のカム５２を焼入処理すると、体積が小さく過熱し易いカムトップ５２ａは、距離ｇ３（≧距離ｇ２）を空けて離れた第２加熱導体３ａ，３ｂによって高周波誘導加熱されるため、過熱されることなく、カムベース５２ｂと略同じ焼入温度に加熱されることになる。その結果、カム５２の表面に形成される焼入硬化層１００のカムトップ５２ａ側の焼入硬化層深さｄ１と、カムベース５２ｂ側の焼入硬化層深さｄ２は、ｄ１≒ｄ２となる。

また、図１に示した本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いて、カムシャフト５０を高周波誘導加熱して焼入する第２の方法、手順を説明する。
先ず、高周波誘導加熱コイル１の円環状の第１加熱導体２の中心Ｏ１とカムシャフト５０の回転中心Ｏ２との位置を一致させるとともに、図外の位相決め機構により、第１加熱導体２に設けられた１箇所のスリット５とカムシャフト５０のカム５２，５３，５４のうち、例えばカム５２のカムトップ５２ａとが対向するように配置する。
一方、図２に示した高周波誘導加熱コイル７を用いる場合は、第２加熱導体３が跨ぐスリット５ｂとカム５２のカムトップ５２ａとが対向するように配置すればよい。
次いで、カムシャフト５０を回転させずに、高周波電源２０から高周波変成器（図示せず）及び給電導体４ａ，４ｂを順次に介して、矢印で示すように、高周波誘導加熱コイル１に所要時間にわたり高周波電流を供給する。そして、所要時間経過後、高周波誘導加熱コイル１に高周波電流を供給しながらカムシャフト５０に対して回転軸Ｌの周りに回転力を与え、所要時間にわたりカムシャフト５０を回転させながら高周波誘導加熱を続ける。このようにして、カム５２の表面を所要の焼入温度まで高周波誘導加熱した後に、図示しない冷却噴射手段から冷却液を当該カム５２に噴射して急速冷却する。すると、カム５２の外周面には、焼入硬化層１００が形成され、カムシャフト５０のカム５２の表面に対する一連の高周波焼入処理作業が完了することになる。
したがって、上述した焼入方法で本実施形態の高周波誘導加熱コイル１を用いてカムシャフト５０のカム５２を焼入処理すると、カムシャフト５０を回転させずに高周波誘導加熱する段階では、体積が小さく過熱し易いカムトップ５２ａは距離ｇ３（≧距離ｇ２）を空けて離れた第２加熱導体３ａ，３ｂによって高周波誘導加熱され、カムシャフト５０を回転させながら高周波誘導加熱する段階では、体積が小さいカムトップ５２ａが第１加熱導体２によって高周波誘導加熱される時間帯が生ずるため、既述の焼入方法よりも若干カムトップ５２ａの温度を高くすることが可能となる。その結果、カム５２の表面に形成される焼入硬化層１００のカムトップ５２ａ側の焼入硬化層深さｄ１と、カムベース５２ｂ側の焼入硬化層深さｄ２は、ｄ１≧ｄ２となる。

以下に、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いてカムシャフトの１箇所のカムを高周波焼入処理する場合の具体的な実施例を示す。
（１） 焼入対象部品 ：カムシャフトのカム部
（ａ）カムベース円外径 ：φ３０ ｍｍ
（ｂ）カムベース外径とカムトップ外径との差 ： ５ ｍｍ
（２） 高周波焼入条件
（ａ）周波数 ：３０ ｋＨｚ
（ｂ）加熱出力 ：３１ ｋＷ
（ｃ）加熱時間 ：５．０ ｓｅｃ
（ｄ）空冷時間 ：０．５ ｓｅｃ
（ｅ）冷却時間 ：１０．０ ｓｅｃ
（ｆ）カムシャフト回転数 ：加熱中回転無し

上記高周波焼入条件の下で高周波焼入処理を実施したところ、カムトップの焼入硬化層深さは４．５ｍｍ、カムベースの焼入硬化層深さは４．０ｍｍであり、カムトップとカムベースの焼入硬化層深さの差は０．５ｍｍとなった。
したがって、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いてカムシャフトの１箇所のカムを高周波焼入処理する場合は、従来の円環状高周波誘導加熱コイル１０を用いて現状のカムシャフトの１箇所のカムを高周波焼入処理する場合に、カムトップとカムベースの焼入硬化層深さの差が２．０ｍｍであるのと比べて、大幅に減少していることが確認できた。また、本実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いてカムシャフトの１箇所のカムを高周波焼入処理する場合は、カムトップにおいて過熱組織も観察されることはなくなり、カム部全体で良好な焼入組織を得ることができた。

また、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱コイル１を用いて、カムシャフトを高周波誘導加熱する第２の焼入方法は、第１の焼入方法による熱処理でカムトップの焼入深さがカムベースの焼入深さよりも浅くなる場合に有効である。例えば、あるカムプロファイルに合わせて製作した本発明の実施形態による高周波誘導加熱コイル１を類似寸法でカムプロファイルの異なる別のカム部を高周波誘導加熱する場合に適用することができる。カムシャフトを回転させずに高周波誘導加熱を行った場合に、カムトップの温度がカムベースに比べて低いから、カムシャフトを回転させずに高周波誘導加熱を行った後、引き続きカムシャフトを回転させて高周波誘導加熱を行うことにより、カムトップが第２加熱導体３ａ，３ｂよりも近い距離に位置する第１加熱導体２にて高周波誘導加熱される時間が生ずることになる。これにより、カムシャフトの回転無しの時には不足していた熱量を補うことが可能となり、その結果、カムにおけるカムトップとカムベースをほぼ均一な温度に加熱することができる。

以上、本発明の２つの実施形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、既述の実施形態においては、単独のカム部を高周波誘導加熱する高周波誘導加熱コイル１，７について述べたが、図３に示すように、図１及び図２の高周波誘導加熱コイルを３巻き直列にそれぞれ接続することにより構成される高周波誘導加熱コイル８を用いることも可能である。このような高周波誘導加熱コイル８によれば、図６に示す各位相の異なる３つのカム５２，５３，５４部に対応して３巻き直列のコイルを配置し、位相の異なる３つのカム５２，５３，５４を１工程で高周波焼入処理することができる。

また、特殊な形状のカムに適用する場合は、図４に示すように、第２加熱導体を複数個所に設けた高周波誘導加熱コイル９を用いることも可能である。この高周波誘導加熱コイル９は、円周上の３箇所にそれぞれ円環状体を切るように径方向へ延び、円周方向に間隔を空けて配されるスリット５ａ，５ｂ，５ｃを有する円環状の第１加熱導体２ａ，２ｂ，２ｃと、当該円環状の第１加熱導体２ａ，２ｂ，２ｃの外周領域に離間して配置され、かつ当該円環状の第１加熱導体２ａ，２ｂ，２ｃのスリット５ｂ，５ｃを挟んで両端が当該円環状の第１加熱導体２ａ，２ｂ，２ｃの外周部の、スリット５ｂ，５ｃによって形成された一対の端部６ｂ，６ｃ以外の位置に一端が接続される中心角がθ１，θ２の略扇型形状の第２加熱導体３ａ，３ｂと、スリット５ａによって形成された一対の端部６ａにそれぞれ一端が接続され、かつ他端が高周波電源２０に接続される一対の給電導体４ａ，４ｂとにより、構成されている。このような高周波誘導加熱コイル９によれば、特殊な形状のカムに適用する場合であっても、カム外周面に形成される焼入硬化層深さがほぼ均等となり、カム部全体が良好な焼入組織を有する品質の優れたカムシャフトを得ることができる。
さらに、既述の実施形態では、高周波誘導加熱コイル１，７を用いて高周波焼入処理する方法について述べたが、本発明は、高周波誘導加熱コイル１，７を用いて高周波焼戻処理する方法にも適用するが可能である。

１，７，８，９ 高周波誘導加熱コイル
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 第１加熱導体
３，３ａ，３ｂ 第２加熱導体
４ａ，４ｂ 給電導体
５，５ａ，５ｂ，５ｃ スリット
６，６ａ，６ｂ，６ｃ 第１加熱導体の一対の端部
２０ 高周波電源
５０ カムシャフト
５２ 第１カム
５２ａ 第１カムのカムトップ
５２ｂ 第１カムのカムベース
５３ 第２カム
５３ａ 第２カムのカムトップ
５３ｂ 第２カムのカムベース
５４ 第３カム
５４ａ 第３カムのカムトップ
５４ｂ 第３カムのカムベース
１００ カムの焼入硬化層
Ｏ１ 第１加熱導体の中心
Ｏ２ カムシャフトの回転中心
ｄ１ カムトップの焼入硬化層深さ
ｄ２ カムベースの焼入硬化層深さ
ｇ１ 第１加熱導体とカムトップとの距離
ｇ２ 第１加熱導体とカムベースとの距離
ｇ３ 第２加熱導体とカムトップとの距離

Claims (6)

1. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイルにおいて、
   円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、
   前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、
   一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、
   を備えていることを特徴とする高周波誘導加熱コイル。
2. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱する高周波誘導加熱コイルにおいて、
   円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、
   前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、
   残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、
   を備えていることを特徴とする高周波誘導加熱コイル。
3. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、
   前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、
   前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、
   加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱することを特徴とする高周波誘導加熱方法。
4. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の１箇所に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、前記スリットによって形成された一対の端部以外の位置に一端が接続される第２加熱導体と、一端が前記第２加熱導体に接続され、かつ他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、
   前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、
   前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、
   加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱することを特徴とする高周波誘導加熱方法。
5. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、
   前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、
   前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、
   加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を回転させずに高周波誘導加熱することを特徴とする高周波誘導加熱方法。
6. 回転中心軸から外周面までの距離が一定でない金属部品の外周面を加熱するに際し、円環状体を切るように円周上の２箇所以上に配されるスリットを有する１つの円環状の第１加熱導体と、前記第１加熱導体の外周領域に配置され、かつ１箇所以上に配された前記スリットを挟んで前記第１加熱導体の外周部の、１箇所以上に配された前記スリットによって形成された一対以上の端部以外の位置に両端が接続される１つ以上の第２加熱導体と、残りの１箇所の前記スリットにより形成される一対の端部にそれぞれ一端が接続され、かつそれぞれの他端が高周波電源に接続される一対の給電導体と、を備えている高周波誘導加熱コイルを用い、
   前記第１加熱導体の中心と、前記金属部品の回転中心とを一致させ、
   前記回転中心軸からの距離が最大となる前記金属部品の外周面領域を前記第２加熱導体に対向するように配置し、
   加熱時には、前記高周波電源から前記給電導体を介して前記高周波誘導加熱コイルに高周波電流を供給し、前記金属部品を高周波誘導加熱開始から一定時間は回転させずに高周波誘導加熱し、一定時間経過後、前記金属部品を前記回転中心軸の周りに回転させながら高周波誘導加熱することを特徴とする高周波誘導加熱方法。
   

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