JP2016167397A - 回転部品の誘導加熱装置及び誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸付き樹脂製ギヤ等の回転部品の加熱時に樹脂部内部の応力も除去できて、均一かつ高精度な回転状態を得ることが可能な回転部品の誘導加熱装置及び誘導加熱方法を提供する。【解決手段】回転部品の外周側に配置された加熱コイル３と、加熱コイルに高周波電流を供給するトランジスタインバータ４と、これらを制御する制御装置５と、を備え、制御装置は、加熱コイルに所定の高周波電流を供給して金属体を誘導加熱することで、樹脂部を所定温度まで加熱して樹脂部に所定の処理を行うと共に樹脂部の内部応力を除去処理する。回転部品は軸付き樹脂製ギヤ２や回転子であり、内部応力の除去時の高周波電流は、樹脂部の溶融固着時もしくは固化時の条件と異なるように設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば軸付きの樹脂製ギヤや回転部分が樹脂層で被覆されたモータ回転子等の回転部品の誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関する。

従来、モータやポンプ等の回転部品に使用される部材（部品）は、計量化や小型化のために樹脂を使用する部分が多くなりつつあり、例えば軸付きギヤの場合、ギヤ部分を樹脂製として、この樹脂製ギヤを金属軸の所定位置に固着している。この固着は、ヒータ等のの適宜の加熱装置を利用して金属軸を加熱し、その加熱温度で金属軸に密着している樹脂製ギヤの嵌合孔部分を溶融させて金属軸に固着することで行っている。なお、樹脂製ギヤに関する先行技術文献としては、例えば特許文献１が公開されている。

特開平６−２９４４５９号公報

しかしながら、このような誘導加熱方法にあっては、金属軸の加熱温度で金属軸周囲に密着している樹脂製ギヤの特に嵌合孔部分を溶融させるだけであるため、樹脂製ギヤと金属軸との間には所定の固着状態（固着強度）が得られるものの、成形時等に樹脂製ギヤの内部に残留する応力を除去することは困難である。その結果、この残留内部応力により、樹脂製ギアに回転ムラが発生する等、その回転性能が低下して軸付きの樹脂製ギヤに均一な回転状態が得られ難く、特に小型計量で高精度な回転性能が要求される軸付き樹脂製ギヤにおいてその改善が望まれているのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、軸付き樹脂製ギヤ等の回転部品の加熱時に樹脂部内部の応力も除去できて、均一かつ高精度な回転状態等を得ることが可能な回転部品の誘導加熱装置及び誘導加熱方法を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の誘導加熱装置は、所定位置に樹脂部と金属体が設けられた回転部品を誘導加熱して所定の処理を行う誘導加熱装置であって、前記回転部品の外周側に配置された加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電流を供給するトランジスタインバータと、これらを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記加熱コイルに所定の高周波電流を供給して前記金属体を誘導加熱することで、前記樹脂部を所定温度まで加熱して当該樹脂部に前記所定の処理を行うと共に前記樹脂部の内部応力を除去することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記回転部品が軸付き樹脂製ギヤで、前記誘導加熱により金属体としての回転軸に樹脂部としてのギヤ部を溶融固着することを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、前記回転部品が回転子で、前記誘導加熱により前記金属体としての回転子の外周面に塗着される樹脂部としての樹脂層を固化することを特徴とする。さらに、請求項４に記載の発明は、前記内部応力の除去時の高周波電流が、前記樹脂部の溶融固着時もしくは固化時の条件と異なることを特徴とする。

また、請求項５に記載の誘導加熱方法は、所定位置に樹脂部と金属体とが設けられた回転部品を誘導加熱して所定の処理を行う誘導加熱方法であって、前記回転部品の外周側に配置された加熱コイルに、トランジスタインバータから高周波電流を供給することで、前記金属体を誘導加熱して前記樹脂部を所定温度まで加熱することで当該樹脂部に所定の処理を行うと共に樹脂部の内部応力を除去することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、前記高周波電流で前記所定の処理を行った後に、当該処理時の前記高周波電流とは異なる条件の高周波電流で前記内部応力を除去することを特徴とする。

本発明のうち請求項１に記載の誘導加熱装置によれば、制御装置により、加熱コイルに所定の高周波電流を供給して金属体を誘導加熱することで、樹脂部を所定温度まで加熱して当該樹脂部に所定の処理を行うと共に樹脂部の内部応力を除去するため、回転部品の樹脂部の処理と略同時に樹脂部の内部応力を除去できて、回転部品に均一かつ高精度な回転状態を得ることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、回転部品が軸付き樹脂製ギヤで、金属体としての回転軸に誘導加熱を利用して樹脂部としての樹脂製ギヤを溶融固着するため、樹脂製ギヤ内部の応力を除去できて、小型軽量化された軸付き樹脂製ギヤであっても、均一かつ高精度な回転状態を容易に得ることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、回転部品が回転子で、金属体としての回転子の外周面に塗着される樹脂部としての樹脂層を誘導加熱により固化するため、モータの回転子の外周面を被覆する樹脂層内部の応力を除去できて、小型軽量化された回転子であっても、均一かつ高精度な回転状態を容易に得ることができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、内部応力除去時の高周波電流が、樹脂部の溶融固着時もしくは固化時の条件と異なるため、樹脂部の形態に応じた高周波電流の供給が可能となり、当該樹脂部の内部応力を確実に除去することができる。

また、請求項５に記載の誘導加熱方法によれば、回転部品の外周側に配置された加熱コイルに、トランジスタインバータから所定の高周波電流を供給して、金属体を誘導加熱して樹脂部を所定温度まで加熱することで当該樹脂部に所定の処理を行うと共に樹脂部の内部応力を除去するため、回転部品の樹脂部の処理と略同時に樹脂部内部の応力を除去できて、小型軽量な樹脂製部材であっても、均一かつ高精度な回転状態を得ることができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の効果に加え、高周波電流で所定の処理を行った後に、当該処理時の高周波電流とは異なる条件の高周波電流で内部応力を除去するため、樹脂部の形態に応じた高周波電流の供給が可能となり、樹脂部の内部応力を確実に除去することができる。

本発明に係わる誘導加熱装置を軸付き樹脂製ギヤに適用した場合の概略構成図 同軸付き樹脂製ギヤの断面図 同その誘導加熱方法を示す概略工程図 同その高周波電流の供給状態の一例を示す図 同金属体の変形例を示す説明図 同本発明に係わる回転部品の他の実施形態を示す断面図

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる誘導加熱装置の一実施形態を示している。図１に示すように、誘導加熱装置１は、回転部品としての軸付き樹脂製ギヤ２の外周側に所定間隔を有して配置される加熱コイル３と、この加熱コイル３に所定周波数で所定出力の高周波電流を供給可能なトランジスタインバータ４と、このトランジスタインバータ４等を制御する制御装置５を備えている。

前記加熱コイル３は、例えば銅パイプや銅線を所定回数巻回することにより、平面視で円環状もしくは馬蹄形に形成されており、銅パイプを使用した場合には、該銅パイプ内に前記制御装置５の制御信号により冷却水が循環供給されて、通電時の加熱コイル３自体の発熱が抑えられるようになっている。

また、前記トランジスタインバータ４は、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を、例えばフルブリッジ接続したインバータ回路を有し、その入力側に前記制御装置５が接続され、その出力側に前記加熱コイル３が接続されている。このトランジスタインバータ４は、その出力端子から出力される高周波電流の周波数や電流値が、少なくとも二種類設定可能に構成されている。さらに、前記制御装置５は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマー等を有して、後述する如く各種制御が可能となっている。

前記軸付き樹脂製ギヤ２は、鉄、真鍮、ステンレス等の金属で形成され金属軸としての回転軸２ａと、この回転軸２ａの軸方向の所定位置（図では中間位置）のギヤ固着部２ａ１に固着されたギヤ部２ｂとで構成されている。このとき、図２に示すように、回転軸２ａのギヤ固着部２ａ１の外周面には、その長手方向に沿って凹凸形状の溝６（凸条）が多数列形成され、この溝６にギヤ部２ｂの軸孔が溶融固着（溶着）されている。

この溶融固着は、後述する如く誘導加熱を利用して行うが、この誘導加熱は、例えば予め所定位置に溝６が設けられた回転軸２ａと外周面が断面円形のギヤ部材２ｂ１とを射出成形等により一体成形して嵌挿状態とした後に行っても良いし、回転軸２ａとこの回転軸２ａの溝６に対応した溝と軸孔を有するギヤ部２をそれぞれ別体で形成して、これらを嵌挿した後に行うことも可能である。なお、ギヤ部２ｂの外周面には、円周方向に一定間隔でギヤとしての凸部２ｂ１と凹２ｂ２が形成されている。

次に、前記誘導加熱装置１による軸付き樹脂製ギヤ２の加熱方法の一例を、図３及び図４等に基づいて説明する。先ず、軸付き樹脂製ギヤ２（ワークという）を図示しない治具上に例えば水平状態でセット（Ｋ０１）し、このワークの特にギヤ部２ｂの外周側に所定の隙間を有して加熱コイル３を配置する。そして、制御装置５の制御信号によりトランジスタインバータ４を作動させて加熱コイル３に所定の高周波電流を供給してワークを誘導加熱（Ｋ０２）する。

このとき、加熱コイル３から発生する磁束により磁性体金属からなる回転軸２ａに渦電流が誘起され、この渦電流で回転軸２ａが誘導加熱され、その熱でギヤ部２ｂの軸孔部分が溶融して回転軸２ａの外周面の溝６に密着状態となる。これにより、回転軸２ａにギヤ部２ｂが溶融固着され、軸回り方向の互いの回転が溝６によって確実に規制される。

また、この誘導加熱により回転軸２ａとギヤ部２ｂの固着の際に、ギヤ部２ｂの軸孔より所定範囲の外周側は、溶融しないものの所定の温度まで加熱され、この加熱によりギヤ部２ｂの射出成形時等に残留しているギヤ部２ｂ内部の応力（内部応力）や誘導加熱による溶着時に発生するギヤ部の内部応力（これらを応力という）が除去される。つまり、回転軸２ａを予め実験により求めた所定周波数で所定出力の高周波電流で誘導加熱することで、回転軸２ａとギヤ部２ｂの溶融固着と、ギヤ部２ｂの内部応力除去が略同時に行われることになる。

なお、図３の工程Ｋ０２における誘導加熱は、予め実験等により求めた一定の周波数及び電流値（出力）の高周波電流で所定温度まで誘導加熱することにより、溶融固着と内部応力除去を略同時に行うようにしても良いが、例えば図３に二点鎖線に示すように、誘導加熱を二段階で行うこともできる。

すなわち、ギヤ部２ｂの樹脂の材質やギヤ部２ｂの形状等に応じて、溶融固着に適した誘導加熱温度と、内部応力除去に適した誘導加熱温度を、予め実験等で求めその条件等を制御装置５に記憶する。そして、図３に示すように、溶融固着に適した温度となる第１誘導加熱（Ｋ０２１）を行った後に、内部応力除去に適した温度となる第２誘導加熱（Ｋ０２２）を行う。

この場合、第１誘導加熱と第２誘導加熱の条件は、例えば図４に示すように設定される。すなわち、第１誘導加熱として周波数ｆｈ及び電流値ｉｈの高周波電流を所定時間Ｔ１供給し、この第１誘導加熱の後に、周波数ｆ１及び電流値ｉ１の高周波電流を所定時間Ｔ２供給して第２誘導加熱を行う。この図においては、Ｔ１＞Ｔ２、ｆｈ＞ｆ１、ｉｈ＞ｉ１となっているが、この逆でも良いし、例えば第２誘導加熱の加熱条件を二点鎖線で示すように、段階的に下げるようにしても良い。

また、第２誘導加熱時に、少なくともギヤ部２ｂに振動を付与して、その内部応力の除去効果を促進させることもでき、この場合、ギヤ部２ｂに付与される振動のレベルは、時間と共に低下させ、また、振動方向は、ギヤ部２ｂの軸孔７から直径方向に放射状となるように付与する等、ギヤ部２ｂの形態に応じて適宜の振動形態を採用することができる。

そして、工程Ｋ０２の誘導加熱で回転軸２ａ及びギヤ部２ｂの溶融固着とギヤ部２ｂの内部応力除去が終了したら、ワークを治具上から取り出す（Ｋ０３）ことで、一連の誘導加熱作業が完了し、軸付き樹脂製ギヤ２が製造される。この軸付き樹脂製ギヤ２は、回転軸２ａの溝６内にギヤ部２ｂの樹脂が溶融固着されることから、互いの軸回り方向の回転が規制された強固な固着状態が得られて回転時の空回りが防止されると共に、ギヤ部２ｂの内部応力も除去されギヤ部２ｂの回転ムラ等も防止される等、軸付き樹脂製ギヤ２に安定した回転状態が長期に亘り得られることになる。

ところで、前記誘導加熱装置１において、図１の二点鎖線で示すように、ワークの回転軸２ａを回転させるワーク回転部９を設け、このワーク回転部９を制御装置５で制御することにより、ワークの誘導加熱時にワークを軸回り方向に回転させつつ行うようにしても良い。また、図１の二点鎖線で示すように、ワークを真空チェンバー１０内にセット可能とし、この真空チェンバー１０に接続した真空ポンプ１１を制御装置５の制御信号で作動させて、真空チェンバー９内を真空（もしくは無酸化）状態として、ワークを誘導加熱するようにしても良い。

また、図５に示すように、ギヤ部２ｂの内部応力を除去するために、ギヤ部２ｂ内に予め磁性金属体を内蔵させることもできる。すなわち、図５（ａ）に示すように、ギヤ部２ｂを射出成形等する場合に、樹脂の所定位置に鉄粉等の金属粉体１２を混入させる。このとき、金属粉体１２は、ギヤ部２ｂの内部応力が発生し易い部位に列状態で混入させるかあるいは内部応力が発生し易い部位にランダムに混入させれば良い。

また、図５（ｂ）に示すように、円環形状や半円弧形状等の適宜形状の金属板１３を、ギヤ部２ｂの所定位置（内部応力が発生し易い位置）にインサート成形する。これらの樹脂中に内蔵された金属粉体１２や金属板１３が、前記誘導加熱装置１で誘導加熱されることにより、ギヤ部２ｂの内部応力が効果的に除去されることになる。

このように、前記誘導加熱装置１によれば、制御装置５により、加熱コイル３に所定の高周波電流を供給して軸付き樹脂製ギヤ２の回転軸２ａを誘導加熱することで、ギヤ部２ｂを所定温度まで加熱して当該ギヤ部２ｂに回転軸２ａとの溶融固着と、ギヤ部２ｂの内部応力除去を行うため、ギヤ部２ｂの固着と略同時にギヤ部２ｂの内部応力も除去できる。その結果、回転軸２ａとギヤ部２ｂ間に強固な固着状態を得つつ、ギヤ部２ｂ内部の内部応力による樹脂密度の不均一化が防止される等、ギヤ部２ｂ全域において均一状態が得られて、軸付き樹脂製ギヤ２に均一かつ高精度な回転が得られることになる。

特に、内部応力除去時の高周波電流を、溶融固着時と同一にすれば、溶融固着と内部応力除去を略同時に行うことができて、トランジスタインバータ４の構成や制御装置５の構成を簡略化できて、安価な誘導加熱装置１の提供が可能になる。また、内部応力除去時の高周波電流を、ギヤ部２ｂの固着時の条件と異なるようにすれば、ギヤ部２ｂの形態に応じた高周波電流の供給が可能となり、当該ギヤ部２ｂの内部応力を確実に除去することができる。

さらに、樹脂製のギヤ部２ｂ内に予め金属粉体１２や金属板１３を内蔵させるようにすれば、ギヤ部２ｂ内部を効果的に誘導加熱できて、その内部応力を確実に除去することができる。これらにより、ギヤ部２ｂの回転軸２ａに対する空回りを確実に防止しつつ、ギヤ部２ｂの内部応力による回転ムラも確実に防止できて、小型及び計量化と高精度な回転性能な要求される軸付き樹脂製ギヤ２を容易かつ安価に提供することができる。

図６は、本発明に係わる誘導加熱装置１で誘導加熱される他の回転部品を示す断面図である。この例の回転部品はモータの回転子１５であり、金属や樹脂等の回転軸１６の周囲に積層された珪素鋼板等からなるコア１７が配設されている。また、コア１７の外周面には、永久磁石１８が配設されると共に、永久磁石１８の外周面、すなわち回転子１５の外周面が所定厚さの樹脂層１９で被覆されている。

このとき樹脂層１９に使用される樹脂は、熱硬化性樹脂が使用され、永久磁石１８の周囲に樹脂を塗布させつつ、回転子１５の外周側に配置した加熱コイル３（図示せず）に高周波電流を供給することにより、コア１７や永久磁石１８が誘導加熱されてその熱で熱硬化性樹脂が硬化（固化）されて前記樹脂層１９が形成されることになる。

この硬化された樹脂層１９により、金属製のカバー等を必要とすることなく、回転子１５の各部材を被覆することができると共に、誘導加熱により樹脂層１９の内部応力も除去されることになり、小型化や軽量化された回転子１５であっても、長期に亘り安定した回転が得られる等の、前記軸付き樹脂製ギヤ２と同様の作用効果を得ることが可能になる。この回転子１５の場合は、前記永久磁石１８に代えてコイルを配置した構成にも適用できることは言うまでもない。

なお、前記実施形態における、回転部品としての軸付き樹脂製ギヤ２や回転子１５の形態、その加熱条件等の誘導加熱方法は、一例であって、誘導加熱により樹脂内部の応力除去が可能な適宜の構成を採用することができる。

本発明は、軸付きギヤや回転子等の樹脂部を有する回転部品に限定されず、回転する部材が樹脂で形成されると共に、その近傍もしくは内部に磁性金属体を有する全ての回転部品（回転部材）に利用できる。

１・・・誘導加熱装置、２・・・軸付き樹脂製ギヤ、２ａ・・・回転軸、２ｂ・・・ギヤ部、３・・・加熱コイル、４・・・トランジスタインバータ、５・・・制御装置、６・・・溝、１２・・・金属粉体、１３・・・金属板、１５・・・回転子、１６・・・回転軸、１７・・・コア、１８・・・永久磁石、１９・・・樹脂層。

Claims (6)

1. 所定位置に樹脂部と金属体が設けられた回転部品を誘導加熱して所定の処理を行う誘導加熱装置であって、
   前記回転部品の外周側に配置された加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電流を供給するトランジスタインバータと、これらを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記加熱コイルに所定の高周波電流を供給して前記金属体を誘導加熱することで、前記樹脂部を所定温度まで加熱して当該樹脂部に前記所定の処理を行うと共に前記樹脂部の内部応力を除去することを特徴とする回転部品の誘導加熱装置。
2. 前記回転部品が軸付き樹脂製ギヤで、前記誘導加熱により金属体としての回転軸に樹脂部としてのギヤ部を溶融固着することを特徴とする請求項１に記載の回転部品の誘導加熱装置。
3. 前記回転部品が回転子で、前記誘導加熱により前記金属体としての回転子の外周面に塗着される樹脂部としての樹脂層を固化することを特徴とする請求項１に記載の回転部品の誘導加熱装置。
4. 前記内部応力の除去時の高周波電流が、前記樹脂部の溶融固着時もしくは固化時の条件と異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の回転部品の誘導加熱装置。
5. 所定位置に樹脂部と金属体とが設けられた回転部品を誘導加熱して所定の処理を行う誘導加熱方法であって、
   前記回転部品の外周側に配置された加熱コイルに、トランジスタインバータから高周波電流を供給することにより、前記金属体を誘導加熱して前記樹脂部を所定温度まで加熱することで当該樹脂部に所定の処理を行うと共に樹脂部の内部応力を除去することを特徴とする回転部品の誘導加熱方法。
6. 前記高周波電流で前記所定の処理を行った後に、当該処理時の前記高周波電流とは異なる条件の高周波電流で前記内部応力を除去することを特徴とする請求項５に記載の回転部品の誘導加熱方法。

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