JP5231090B2

JP5231090B2 - 高周波加熱装置およびコア劣化検知方法

Info

Publication number: JP5231090B2
Application number: JP2008149141A
Authority: JP
Inventors: 健晃石代; 慎太郎鈴木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP2009295473A

Description

本発明は、高周波加熱装置およびコア劣化検知方法に関する。

高周波加熱装置は、図８に示すように、高周波電流の流れている加熱コイル１中に被焼入体（ワーク）２を入れ、電磁誘導作用により、ジュール熱を発生させて、伝導性物体を加熱する原理を応用した焼入れ装置である。これによって、ワーク２の表面の硬化層３（ハッチングで示す部位）が形成される。

金属製品である自動車部品は強度を高める等の目的で加熱処理が行われる。この加熱処理方法の一つに高周波加熱装置を用いる場合がある。また、高周波加熱装置には、図９に示すように、加熱コイル２から発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコア５を備えたものがある（特許文献１）。

コア５は例えばフェライト等からなり、磁力線を集中させることにより、それに対向する部分に誘導電流を集中させるものである。このため、コア５に対向する部分には、誘導電流が他の部分より集中することになって、より加熱されるものである。すなわち、図９（ａ）に示すように、他の部位よりも焼入深さが大きい硬化部６を形成したりすることができ、焼入品質（焼入深さ及び焼入範囲）を変えることができる。

しかし、コア５は加熱された金属製品の輻射熱や度重なる使用により徐々に劣化する。このように、劣化すれば、図９（ｂ）に示すように、硬化部６が他の部位と変わらない焼入深さとなる。すなわち、所望の焼入品質（焼入深さ及び焼入範囲）と相違することになって、安定して高品質の製品を提供することができなくなる。このため、コアが劣化すれば、交換する必要があり、交換の時期を検知するのが好ましい。

ところで、コア５の劣化は金属製品の目的とする焼入品質（焼入深さ及び焼入範囲）が得られなくなるなどの変化により判断できる。このため、従来には、加熱毎に電力変化パターン等を調査し、調査された電力変化パターン等が許容範囲内に管理されているか否かを判断する焼入れ深さ管理方法が種々提案されている（特許文献２及び特許文献３）。
特開２００２−３０３３５号公報特開平１０−８１３０号公報特開２０００−２３９７３５号公報

しかしながら、特許文献１等に記載された従来のこの種の高周波加熱装置では、コアが劣化して交換時期がきているにもかかわらず、コア交換の判断に明確な指標は存在していない。すなわち、従来では、前記したように、コアの劣化は金属製品の目的とする焼入品質（焼入深さ及び焼入範囲）が得られなくなるなどの変化により判断することになるためである。

このため、従来では、交換時期の判断が困難であり、交換時期がずれることによって、所望の焼入れ状態の製品が得られないおそれがある。このため、熱処理された製品を切断等して焼き入れ状態を検査する必要が生じる。このように、製品を切断すれば、その製品を使用できなくなり、コスト高となる。

本発明は、上記課題に鑑みて、コアが劣化した場合、定量的なコアの交換時期を決定できて、コア劣化による製品の不良品の発生・流出を防止できる高周波加熱装置およびコア劣化検知方法を提供する。

本発明の第１の高周波加熱装置は、誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置であって、誘導加熱コイルに流れる電流波形を取得する波形検出手段と、波形検出手段にて取得した波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算する演算手段と、この演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数に基づいてコアの劣化状況を判断する判断手段とを備えたものである。

本発明の第２の高周波加熱装置は、誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置であって、
誘導加熱コイルに印加される電圧波形を取得する波形検出手段と、波形検出手段にて取得した波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算する演算手段と、この演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数に基づいてコアの劣化状況を判断する判断手段とを備えたものである。

高周波加熱装置によれば、波形検出手段によって、誘導加熱コイルに流れる電流波形や誘導加熱コイルに印加される電圧波形を検出することができる。演算手段にて、波形検出手段にて検出された波形からパワースペクトルが最大となる周波数を演算することができる。判断手段にて、周波数に基づいてコアの劣化状況を判断することになる。

すなわち、誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアが劣化等すれば、パワースペクトルが最大となる周波数が変化する。このため、判断手段ではこの周波数を監視することができ、コアの劣化を検知することができる。

演算手段は、波形検出手段にて取得した波形に対して周波数解析を行う処理手段を有するものが好ましい。処理手段の周波数解析には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることができる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、データ列の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を計算する上で効率的なアルゴリズムである。したがって、ＦＦＴはＤＦＴと同じ変換となる。ＦＦＴは信号処理やイメージ処理のような分野で特に有効なものであって、フィルタリング、コンボリューション、周波数解析からパワースペクトル推定に最適となる。

前記判断手段は、基準となる周波数上限値が入力され、この周波数上限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することができる。また、判断手段は、基準となる周波数下限値が入力され、この周波数下限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することができる。さらに、判断手段は、基準となる周波数上限値および周波数下限値が入力され、この周波数上限値および周波数下限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することができる。

コアの劣化状況が基準値を超えた劣化状態で警報を発生する警報発生手段を配置するのが好ましい。警報発生手段を配置することによって、コアに劣化状態が生じた際に警報発生手段から警報が発生する。このため、作業者（オペレータ）は直ちにコアが劣化していることを把握することができる。なお、警報発生手段による警報には、警報音を発生するものであっても、モニタに表示されるものであってもよい。

本発明の第１のコア劣化検知方法は、誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置のコア劣化検知方法であって、誘導加熱コイルに流れる電流波形を取得し、その後、その電流波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算し、そのパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することによって、コアの劣化状況を判断するものである。

本発明の第２のコア劣化検知方法は、誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置のコア劣化検知方法であって、誘導加熱コイルに印加される電圧波形を取得し、その後、その電圧波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算し、そのパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することによって、コアの劣化状況を判断するものである。

本発明のコア劣化検知方法では、誘導加熱コイルに流れる電流波形や誘導加熱コイルに印加される電圧波形から、電流波形や電圧波形のパワースペクトルが最大となる周波数を演算することになる。そして、パワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することになる。この周波数の変化を監視することによって、コアの劣化状況を判断することができる。

本発明では、誘導加熱コイルに流れる電流または電圧波形のパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することにより、定量的（計算的）にコアの交換時期を把握することができ、コア劣化による不良品の発生・流出を防止することができる。

周波数解析には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることができ、これによって、効率的な処理が可能となって、周波数の変化の安定した監視が可能となる。また、周波数上限値や周波数下限値を予め設定することによって、交換の目安の基準が安定し、算出した交換時期の信頼性が向上する。

また、警報発生手段を配置したものでは、作業者はコア交換時期を誤認するのを防止でき、高品質の製品を安定して提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１に高周波加熱装置を示し、この高周波加熱装置は、誘導加熱コイル１１と、この誘導加熱コイル１１から発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコア１５とを備える。誘導加熱コイル１１は、一対の平行な加熱導体部１１ａ、１１ｂと、加熱導体部１１ａ、１１ｂの一端を連結する半円弧状の連結導体部１１ｃと、加熱導体部１１ａ、１１ｂの他端をそれぞれ四半円弧状の連結導体部１１ｄ、１１ｅを介して連結される電源接続用導体部１１ｆ、１１ｇとを備える。誘導加熱コイル１１は導電性に優れた銅等の線条体または管条体にて構成される。

また、誘導加熱コイル１１は、被加熱体（ワーク）Ｗに外嵌状に配置され、コア１５が加熱導体部１１ａ、１１ｂの一部に対応して配置されている。ワークＷは高周波焼入れによる硬化処理が可能な中炭素鋼等の円柱体乃至円筒体にて構成されている。コア１５は磁性材料や珪素鋼板等からなる。

誘導加熱コイル１１の電源接続用導体部１１ｆ、１１ｇを介して図示省略の高周波電源から高周波電流が供給される。すなわち、高周波電流の流れている加熱コイル１１中にワーク１２を入れ、電磁誘導作用により、ジュール熱を発生させて、伝導性物体（ワーク１２）を加熱して、このワーク１２の表面に硬化層を形成するものである。

この際、コア１５は誘導加熱コイル１１から発生する磁束を局所的に集中させることになる。すなわち、コア１５は磁力線を集中させることにより、それに対向する部分に誘導電流を集中させるものである。このため、コア１５に対向する部分には、誘導電流が他の部分より集中することになって、より加熱されるものである。すなわち、他の部位よりも焼入深さが大の硬化部を形成することができ、焼入品質を所望のものに変更することができる。

この高周波加熱装置は、図２に示すように、誘導加熱コイル１１に流れる電流波形又は誘導加熱コイル１１に印加される電圧波形を取得する波形検出手段１６と、波形検出手段１６にて取得した波形からそのパワースペクトルが最大となる周波数を演算する演算手段１７と、この演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数に基づいてコアの劣化状況を判断する判断手段１８と、判断手段１８にてコアが劣化状態であると判断したときに警報を発生する警報発生手段１９とを備える。

波形検出手段１６は電流波形又は電圧波形を検出することができる各種の波形計測器を用いることができる。また、演算手段１７は、波形検出手段にて取得した波形に対して周波数解析を行う処理手段を備える。処理手段の周波数解析には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることができる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、データ列の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を計算する上で効率的なアルゴリズムである。したがって、ＦＦＴはＤＦＴと同じ変換となる。ＦＦＴは信号処理やイメージ処理のような分野で特に有効なものであって、フィルタリング、コンボリューション、周波数解析からパワースペクトル推定に最適となる。

すなわち、波形検出手段１６にて図４に示すような電流波形（電圧波形）を検出することができ、演算手段１７にてＦＦＴ解析（周波数解析）を行うことによって、図５に示すようなパワースペクトルを得ることができ、このパワースペクトルが最大となる周波数を算出することができる。

ところで、コア１５が劣化したり、脱落したりすれば、パワースペクトルが最大となる周波数が変化する。すなわち、図６に示すように、透磁率が相違するとパワースペクトルが最大となる周波数が変化する。透磁率とは、磁場（磁界）の強さＨと磁束密度Ｂ間の関係をＢ=μＨで表わした時の比例定数μである。

このため、判断手段１８には、予め設定された周波数上限値が入力されており、この上限値と、演算手段１７にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数とを比較する。この場合、周波数上限値は、事前に行った加工テストや過去のデータ実績から良品生産条件の範囲で設定できる。このため、演算された周波数が上限値よりも高ければ、コア１５が劣化していることになる。

警報発生手段１９は、判断手段１８にてコア１５が劣化していると判断された場合に、警報音を発生させたり、モニターにコア１５が劣化している旨の表示を行ったりすることになる。

次に、前記のように構成された高周波加熱装置の稼動を図３を使用して説明する。まず、誘導加熱コイルに高周波電流を流すことによって、高周波焼入れを開始する。そして、この焼入れ中に、ステップＳ１で示すように電流波形（電圧波形）を検出する。その後、ステップＳ２へ移行してパワースペクトルが最大となる周波数を演算する。次に、ステップＳ３へ移行して、予め設定された周波数上限値とその演算した周波数とを比較する。この場合、ステップＳ４に示すように、演算した周波数が上限値よりも高い場合には、コア１５が劣化していると判断してステップＳ５へ移行する。また、ステップＳ４で演算した周波数が上限値を超えていなければ、まだコア１５が劣化していないので、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ５では、コア１５が劣化しているので警報を発することになる。このため、コア１５を交換する必要があり、この高周波焼入れを終了する。また、ステップＳ６では、作業を終了するか否かが判断される。これは、コア１５が劣化していないので、この高周波焼入れの継続が可能であるためである。作業を終了する場合はこのまま高周波焼入れを終了することになり、作業を終了しない場合、ステップＳ１に戻ることになる。なお、作業を終了（高周波焼入れを終了）とは、ワークＷに対して高周波焼入れを行っている途中で終了するものではなく、そのワークＷに対する高周波焼入れが終了し、次のワークＷに対して高周波焼入れを行わないことである。

本発明では、誘導加熱コイル１１に流れる電流または電圧波形のパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することにより、定量的（計算的）にコアの交換時期を把握することができ、コア劣化による不良品の発生・流出を防止することができる。

また、警報発生手段１９を配置しているので、作業者はコア交換時期を誤認するのを防止でき、高品質の製品を安定して提供することができる。

前記実施形態では、判断手段１８には、予め設定された周波数上限値と、演算手段１７にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数とを比較するものであったが、判断手段１８において、予め設定された周波数下限値を入力するものであってもよい。この場合、周波数下限値と、演算手段１７にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数とを比較して、この周波数下限値よりも低い場合にコア１５が劣化していることになる。なお、周波数下限値は、事前に行った加工テストや過去のデータ実績から良品生産条件の範囲で設定できる。

図７は周波数下限値と比較する場合のフローチャートを示している。この場合、ステップＳ１１で示すように電流波形（電圧波形）を検出する。その後、ステップＳ１２へ移行してパワースペクトルが最大となる周波数を演算する。次に、ステップＳ１３へ移行して、予め設定された周波数下限値とその演算した周波数とを比較する。この場合、ステップＳ１４に示すように、演算した周波数が下限値よりも低い場合には、コア１５が劣化していると判断してステップＳ１５へ移行する。また、ステップＳ１４で演算した周波数が下限値を下回っていなければ、まだコア１５が劣化していないので、ステップＳ１６へ移行する。

ステップＳ１５では、コア１５が劣化しているので警報を発することになる。このため、コア１５を交換する必要があり、この高周波焼入れを終了する。また、ステップＳ６では、作業を終了するか否かが判断される。これは、コア１５が劣化していないので、この高周波焼入れの継続が可能であるためである。作業を終了する場合はこのまま高周波焼入れを終了することになり、作業を終了しない場合、ステップＳ１１に戻ることになる。

他の実施形態として、判断手段１８において、予め設定された周波数上限値と、予め設定された周波数下限値とが入力され、これらと、演算手段１７にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数とを比較するものであってもよい。これによって、判断の信頼性が向上する。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、誘導加熱コイル１１として、図１に示すものに限らず、螺旋状に巻設されるものであっても、また、使用する線材としては、断面が円形であっても、角形であっても、さらには、中実体であっても、中空体であってもよい。コア１５の配置位置、大きさ、及び形状等も、ワークＷに対して所望の焼入品質を得ることができる範囲で種々変更可能である。

前記実施形態では、波形検出手段１６は、誘導加熱コイル１１に流れる電流波形又は誘導加熱コイル１１に印加される電圧波形を取得するものであったが、電流波形のみ取得するものであって、電圧波形のみ取得するものであっても、さらには、電流波形及び電圧波形を取得するものであってもよい。このため、演算手段１７はこの波形検出手段１６に対応して、電流波形から周波数を演算したり、電圧波形から周波数を演算したりするものとする。

本発明の実施形態を示す高周波焼入装置の簡略図である。前記高周波焼入装置の制御部の簡略ブロック図である。前記高周波焼入装置の稼動フローチャート図である。波形検出手段にて検出された波形を示すグラフ図である。演算手段にて演算されたパワースペクトルを示すグラフ図である。パワースペクトルが最大となる周波数の変化を示すグラフ図である。前記高周波焼入装置の他の稼動フローチャート図である。コアを有さない場合の高周波焼入装置の簡略図である。コアを有せる場合の高周波焼入装置を示し、（ａ）はコアが劣化していない状態の簡略図であり、（ｂ）はコアが劣化した状態の簡略図である。

符号の説明

１１誘導加熱コイル
１５コア
１６波形検出手段
１７演算手段
１８判断手段
１９警報発生手段

Claims

誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置であって、
誘導加熱コイルに流れる電流波形を取得する波形検出手段と、波形検出手段にて取得した波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算する演算手段と、この演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数に基づいてコアの劣化状況を判断する判断手段とを備えたことを特徴とする高周波加熱装置。
誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置であって、
誘導加熱コイルに印加される電圧波形を取得する波形検出手段と、波形検出手段にて取得した波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算する演算手段と、この演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数に基づいてコアの劣化状況を判断する判断手段とを備えたことを特徴とする高周波加熱装置。
前記演算手段は、波形検出手段にて取得した波形に対して周波数解析を行う処理手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波加熱装置。
前記判断手段は、基準となる周波数上限値が入力され、この周波数上限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
前記判断手段は、基準となる周波数下限値が入力され、この周波数下限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
前記判断手段は、基準となる周波数上限値および周波数下限値が入力され、この周波数上限値および周波数下限値と演算手段にて演算されたパワースペクトルが最大となる周波数と比較してコアの劣化状況を判断することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
コアの劣化状況が基準値を超えた劣化状態で警報を発生する警報発生手段を配置したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置のコア劣化検知方法であって、誘導加熱コイルに流れる電流波形を取得し、その後、その電流波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算し、そのパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することによって、コアの劣化状況を判断することを特徴とするコア劣化検知方法。
誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルから発生する磁束を局所的に集中させるために使用するコアとを備えた高周波加熱装置のコア劣化検知方法であって、誘導加熱コイルに印加される電圧波形を取得し、その後、その電圧波形から、コアの透磁率が相違することで変化するパワースペクトルが最大となる周波数を演算し、そのパワースペクトルが最大となる周波数の変化を監視することによって、コアの劣化状況を判断することを特徴とするコア劣化検知方法。