JP2016162526A - 高周波加熱用コイルアセンブリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再現性又は均質性に優れており、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる高周波加熱用コイルアセンブリを提供する。【解決手段】誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリＡ。内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体１と、コイル本体を保持するとともに、コイル本体に通電するための台座２とを備えている。コイル本体及び台座が、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は高周波加熱用コイルアセンブリ及びその製造方法に関する。

比較的複雑な形状を有する機械部品等を製造する技術として粉末冶金法がある。この方法では、鉄系材料を含む種々の組成の粉末材料を所望の形状に加圧成形し、得られた成形体（圧粉体）を加熱して焼結させる。このような成形及び焼結工程を経て焼結体が製造される。

通常、前記各工程を経て得られる焼結体に対してさらに焼入れ処理等を施すことで当該焼結体の機械的強度や耐摩耗性等を向上させることが行われている。かかる焼入れ処理の手法として、誘導加熱により焼結体の所定部位を加熱する高周波加熱法がある（例えば、特許文献１参照）。

高周波加熱では、図５に示されるように、銅等の非磁性良導体で作製されたパイプＰを曲げてコイル状にしたコイル本体２１を台座２２で保持したコイルアセンブリ２３が使用される。図５に示される例では、コイル本体２１の両端に同じく非磁性良導体で作製されたテーパ部２４ａ、２４ｂが接続されており、当該テーパ部２４ａ、２４ｂの径大側端部に、コイル本体２１を構成するパイプＰ内に冷却用の水（冷媒）を流す冷却機構（図示せず）の配管２５が接続されるアダプター２６が設けられている。

台座２２は、一対の断面Ｌ字状の部材２７、２８からなっている。各部材２７、２８は、矩形状のベース部２７ａ，２８ａと、当該ベース部２７ａ，２８ａの一辺から立設された壁部２７ｂ、２８ｂとで構成されている。また、壁部２７ｂ、２８ｂの壁面が対向するように配置された前記一対のＬ字状部材２７、２８の前記壁面間に絶縁板２９が配設されている。両部材２７、２８及び絶縁板２９は、ボルト３０とナット（図示せず）により連結されている。
各部材２７、２８には、高周波電源の電極が接続される。通常、部材２７、２８は、例えば銅等の非磁性良導体で作製され、絶縁板２９及びボルト３０とナットは、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の絶縁材料で作製される。

特開２００２−３２２５０３号公報

しかし、従来のコイルアセンブリ２３は、コイル本体２１と当該コイル本体２１を保持する台座２２とを銀ロウで接着して一体化している。また、断面Ｌ字状の部材２７、２８が一体成形されたものではなく、別体のベース部と壁部とからなる場合、当該ベース部と壁部とを同じく銀ロウで接着して一体化している。図５において、符号Ｂで示される箇所が銀ロウによる接着部である。

銀ロウの融点は、６００〜９００℃とそれほど高くないため、コイルアセンブリ２３を連続して使用すると、当該コイルアセンブリ２３の温度が上昇し、銀ロウにより接着した部分が破断したり、変形したりする恐れがある。銀ロウによる接着部分が破断又は変形すると、コイル本体２１の位置がずれるため、規格通りの焼入れ処理を行うことができない。

また、コイル本体２１を構成するパイプＰは、外径が１．０〜５．０ｍｍ程度と小さく、コイル本体の外径も５．０〜２０．０ｍｍ程度と小さいため、機械により曲げ加工を施すことが難しい。このため、作業者が手作業で曲げ加工を施しているが、手作業により得られるコイル本体２１は再現性又は均質性に劣り、寸法誤差が発生する。その結果、設定された焼入れパターンを得ることができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、再現性又は均質性に優れており、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる高周波加熱用コイルアセンブリ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る高周波加熱用コイルアセンブリ（以下、単に「コイルアセンブリ」ともいう）は、誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置におけるコイルアセンブリであって、
内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、
前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
を備えており、
前記コイル本体及び台座が、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されている。

本発明の他の態様に係るコイルアセンブリの製造方法は、内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
を備えており、誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法であって、
前記コイル本体及び台座を、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成する。

上記発明によれば、再現性又は均質性に優れており、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる。

本発明のコイルアセンブリの一実施形態の斜視説明図である。 図１に示されるコイルアセンブリにおける台座の側面説明図である。 コイル本体の他の例の説明図である。 コイル本体の更に他の例の説明図である。 従来のコイルアセンブリの斜視説明図である。

〔本発明の実施形態の説明〕
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の一態様に係るコイルアセンブリは、
（１）誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリであって、
内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、
前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
を備えており、
前記コイル本体及び台座が、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されている。

本態様に係るコイルアセンブリは、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されており、従来のコイルアセンブリのような銀ロウの接着部分がない。このため、連続使用により当該コイルアセンブリのコイル本体の温度が上昇したとしても、コイル本体の位置がずれることがない。コイル本体の位置が所定位置に維持されることで、規格通りの焼入れ処理を行うことができる。
また、本態様に係るコイルアセンブリは３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されるので、再現性良く、均質性に優れた同じコイルアセンブリを作製することができる。このため、コイルアセンブリを新しいものと交換した場合でも、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる。

（２）上記（１）のコイルアセンブリにおいて、前記積層造形が、３Ｄプリンターを用いた、非磁性良導体の粉末の積層工程及び焼結工程を含むものとすることができる。この場合、３Ｄプリンターにより、一体成形されたコイルアセンブリを容易に得ることができる。

（３）上記（１）又は（２）のコイルアセンブリにおいて、前記台座が一対のＬ字状部材からなり、
前記Ｌ字状部材は、矩形状のベース部と、このベース部の一辺から立設された壁部とを有しており、
壁部の壁面が対向するように配置された前記一対のＬ字状部材の前記壁面間に絶縁板が配設されており、且つ、
前記一対のＬ字状部材及び前記絶縁板が、絶縁材料で作製されたボルト及びナットで固定されているものとすることができる。この場合、Ｌ字状部材の壁部の上端にコイル本体を配置した状態のコイルアセンブリを一体に形成し、その後、一対のＬ字状部材の壁面間に絶縁板を配設し、ついで当該一対のＬ字状部材及び絶縁板を、絶縁材料で作製されたボルト及びナットで固定することで、当該コイルアセンブリを簡単に使用状態にすることができる。

本発明の他の態様に係るコイルアセンブリの製造方法は、
（４）内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
を備えており、誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法であって、
前記コイル本体及び台座を、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成する。

本態様に係るコイルアセンブリの製造方法では、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により当該コイルアセンブリを一体に形成しており、従来のコイルアセンブリのような銀ロウの接着部分がない。このため、連続使用により当該コイルアセンブリのコイル本体の温度が上昇したとしても、コイル本体の位置がずれることがない。コイル本体の位置が所定位置に維持されることで、規格通りの焼入れ処理を行うことができる。
また、コイルアセンブリを、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成しているので、再現性良く、均質性に優れた同じコイルアセンブリを作製することができる。このため、コイルアセンブリを新しいものと交換した場合でも、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる。

（５）上記（４）のコイルアセンブリの製造方法において、前記積層造形が、３Ｄプリンターを用いた、非磁性良導体の粉末の積層工程及び焼結工程を含むものとすることができる。この場合、３Ｄプリンターにより、一体成形されたコイルアセンブリを容易に得ることができる。
（６）上記（５）のコイルアセンブリの製造方法において、前記非磁性良導体が銅であり、
前記焼結工程において、波長が７００ｎｍ以下であり、レーザ出力が５００ｗ〜２０００ｗである半導体レーザを用いることが好ましい。この場合、導電率及びコストの点で優れた銅からなるコイルアセンブリを容易に一体形成することができる。

（７）上記（６）のコイルアセンブリの製造方法において、１回の積層工程により積層された非磁性良導体の粉末に対し、複数回半導体レーザ光をスキャンさせることが好ましい。この場合、導電率及びコストの点で優れた銅からなるコイルアセンブリを容易に一体形成することができる。
（８）上記（６）又は（７）のコイルアセンブリの製造方法において、積層工程により積層された非磁性良導体の粉末に対し吸収剤を塗布する工程を更に含むことが好ましい。この場合、導電率及びコストの点で優れた銅からなるコイルアセンブリを容易に一体形成することができる。

〔本発明の実施形態の詳細〕
以下、添付図面を参照しつつ、本発明のコイルアセンブリ及びその製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の一実施形態に係るコイルアセンブリＡの斜視説明図であり、図２は、図１に示されるコイルアセンブリＡにおける台座の側面説明図である。
本実施形態に係るコイルアセンブリＡは、図示しない焼結体に形成された穴の内周面を誘導加熱により加熱するのに用いられる。コイルアセンブリＡは、コイル本体１と、台座２とを備えている。

コイル本体１は、冷却用の水（冷媒）を流すための冷媒流路を内部に有するパイプ形状を呈している。コイル本体１は、少なくとも一部に曲線部１ａを有している。本実施形態におけるコイル本体１では、当該コイル本体１を構成するパイプＰの両端にテーパ部３ａ、３ｂがそれぞれ接続されている。テーパ部３ａ、３ｂの径大側の端部には、前記パイプＰ内に水を流す冷却機構（図示せず）の配管４が接続されるアダプター５が設けられている。

本実施形態におけるパイプＰは断面円形のパイプであり、その直径は、本発明において特に限定されるものではないが、通常、１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度である。また、パイプＰの厚さも、本発明において特に限定されるものではないが、通常、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。

台座２は、前記コイル本体１を保持するとともに、当該コイル本体１に通電するための部材である。本実施形態における台座２は、一対のＬ字状部材６，７からなっている。Ｌ字状部材６は矩形状のベース部６ａと、このベース部６ａの一辺である長辺から立設された壁部６ｂとを有している。同様に、Ｌ字状部材７は矩形状のベース部７ａと、このベース部７ａの一辺である長辺から立設された壁部７ｂとを有している。

Ｌ字状部材６，７は、それぞれの壁部６ｂ、７ｂの壁面６ｂ１、７ｂ１が対向するように配置されている。そして、対向する壁面６ｂ１と壁面７ｂ１との間に矩形状の絶縁板８が配設されている。一対のＬ字状部材６，７及び絶縁板８は、ボルト９及びナット１０により固定されている。絶縁板８及びボルト９とナット１０は、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の絶縁材料で作製することができる。

本実施形態では、テーパ部３ａ、３ｂを含むコイル本体１、及び台座２が、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射によって一体に形成されている。より詳細には、３Ｄプリンターを用いて、非磁性良導体の粉末を所定のパターンに積層する工程、及び、積層したパターンをレーザ又は電子ビームで焼き固める工程を繰り返すことでコイル本体１及び台座２を一体形成することができる。また、非磁性良導体の粉末を吹き付けつつ当該吹き付けられる粉末にレーザを照射する溶射によっても、コイル本体１及び台座２を一体形成することができる。いずれの方法においても、粉末の供給量及び供給場所が、３Ｄデータに基づいて制御される。

本実施形態に係るコイルアセンブリＡは、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されており、従来のコイルアセンブリのような銀ロウの接着部分がない。このため、連続使用により当該コイルアセンブリＡのコイル本体１の温度が上昇したとしても、コイル本体１の位置がずれることがない。コイル本体１の位置が所定位置に維持されることで、規格通りの焼入れ処理を行うことができる。
また、本実施形態上に係るコイルアセンブリＡは３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されるので、再現性良く、均質性に優れた同じコイルアセンブリを作製することができる。このため、コイルアセンブリを新しいものと交換した場合でも、設定された焼入れパターンを確実に得ることができる。

レーザとしては、例えば半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。なお、電子ビームを用いる場合は、真空中で処理を行う必要があり、そのための設備が必要となる。

本明細書において「非磁性良導体」とは、実質的に磁性を有しておらず、且つ、良好な導電性を有する物質のことであり、例えば銅、銀、黄銅等を例示することができる。これらの物質のうち、材料費等のコスト及び導電率の点より、銅を用いることが好ましい。

非磁性良導体として銅を採用する場合、波長が１０００ｎｍ程度であり、レーザ出力が４００ｗ程度の一般的な半導体レーザでは、レーザ光に対する銅の吸光率が低いため、所望の形状に造形することが難しい。したがって、非磁性良導体として銅を採用する場合は、半導体レーザの波長を７００ｎｍ程度以下、さらには５００ｎｍ程度以下に設定することが好ましい。また、半導体レーザの出力についても、５００ｗ〜２０００ｗ程度に増やすことが好ましい。さらに、積層された粉末のパターンを焼き固める工程において、レーザを１度だけスキャンさせるのではなく、複数回スキャンさせることが好ましい。また、積層工程において積層された粉末のパターンに、例えば黒鉛―無機酸化物混合粉末等の吸収剤を塗布して当該粉末のパターンの吸光率を向上させることが好ましい。半導体レーザの波長や出力を変更したり、レーザ光のスキャン回数を増やしたり、吸収材を塗布したりすることで、導電率及びコストの点で優れた銅からなるコイルアセンブリを容易に一体形成することができる。

〔その他の変形例〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、焼結体に形成された穴の内周面を加熱処理するコイルアセンブリを例示しているが、これ以外にも、例えば図３に示されるように、焼結体１１の外周面を加熱処理するコイル本体１２を備えたコイルアセンブリとすることもできる。また、図４に示されるように、焼結体１３の平坦な表面を加熱処理するコイル本体１４を備えたコイルアセンブリとすることもできる。

また、前述した実施形態では、コイル本体を構成するパイプとして断面円形のものを例示しているが、断面が矩形のパイプとすることもできる。
また、前述した実施形態では、加熱の対象物として焼結体を例示しているが、本発明の高周波加熱用コイルアセンブリの加熱対象物はこれに限定されるものではなく、例えば鋼材等を加熱対象物とすることもできる。

１ ：コイル本体
１ａ ：曲線部
２ ：台座
３ａ ：テーパ部
３ｂ ：テーパ部
４ ：配管
５ ：アダプター
６ ：Ｌ字状部材
６ａ ：ベース部
６ｂ ：壁部
６ｂ１：壁面
７ ：Ｌ字状部材
７ａ ：ベース部
７ｂ ：壁部
７ｂ１：壁面
８ ：絶縁板
９ ：ボルト
１０ ：ナット
１１ ：焼結体
１２ ：コイル本体
１３ ：焼結体
１４ ：コイル本体
２１ ：コイル本体
２２ ：台座
２３ ：コイルアセンブリ
２４ａ ：テーパ部
２４ｂ ：テーパ部
２５ ：配管
２６ ：アダプター
２７ ：Ｌ字状部材
２７ａ ：ベース部
２７ｂ ：壁部
２８ ：Ｌ字状部材
２８ａ ：ベース部
２８ｂ ：壁部
２９ ：絶縁板
３０ ：ボルト
Ａ ：コイルアセンブリ
Ｂ ：接着部
Ｐ ：パイプ

Claims (8)

1. 誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリであって、
   内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、
   前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
   を備えており、
   前記コイル本体及び台座が、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成されている、高周波加熱用コイルアセンブリ。
2. 前記積層造形が、３Ｄプリンターを用いた、非磁性良導体の粉末の積層工程及び焼結工程を含んでいる、請求項１に記載の高周波加熱用コイルアセンブリ。
3. 前記台座が一対のＬ字状部材からなり、
   前記Ｌ字状部材は、矩形状のベース部と、このベース部の一辺から立設された壁部とを有しており、
   壁部の壁面が対向するように配置された前記一対のＬ字状部材の前記壁面間に絶縁板が配設されており、且つ、
   前記一対のＬ字状部材及び前記絶縁板が、絶縁材料で作製されたボルト及びナットで固定されている、請求項１又は請求項２に記載の高周波加熱用コイルアセンブリ。
4. 内部に冷媒流路を有するパイプ形状を呈しており、少なくとも一部に曲線部を有するコイル本体と、前記コイル本体を保持するとともに当該コイル本体に通電するための台座と
   を備えており、誘導加熱により対象物を加熱する高周波加熱装置における高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法であって、
   前記コイル本体及び台座を、非磁性良導体の粉末の、３Ｄデータに基づく積層造形又は溶射により一体に形成する、高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法。
5. 前記積層造形が、３Ｄプリンターを用いた、非磁性良導体の粉末の積層工程及び焼結工程を含んでいる、請求項４に記載の高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法。
6. 前記非磁性良導体が銅であり、
   前記焼結工程において、波長が７００ｎｍ以下であり、レーザ出力が５００ｗ〜２０００ｗである半導体レーザを用いる、請求項５に記載の高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法。
7. １回の積層工程により積層された非磁性良導体の粉末に対し、複数回半導体レーザ光をスキャンさせる、請求項６に記載の高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法。
8. 積層工程により積層された非磁性良導体の粉末に対し吸収剤を塗布する工程を更に含む、請求項６又は請求項７に記載の高周波加熱用コイルアセンブリの製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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