JP5626545B2 - 加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法に関する。

ワークの硬度などの物性を向上させるため、ワークに対して高周波電力による焼入れ処理が施されている。図２４は一般的な焼入れ処理の様子を模式的に示す外観図である。例えば、加熱対象のワーク５０は、図示するように、棒状基部５１に張出し部５２を同軸状に備えて構成されているため、棒状基部５１と張出し部５２とが断面略Ｌ字状になっている。加熱コイル６１は鞍型コイルであり、半円周部６１ａの両端に一対の直線部６１ｂ，６１ｂが接続されてなる。焼入れ処理を行う際には、先ず、図示しない保持手段にワーク５０を保持させ、加熱コイル６１の半円周部６１ａを張出し部５２の上面側に位置し、かつ加熱コイル６１の直線部６１ｂが直軸部５２と平行に位置するように、加熱コイル６１をワーク５０に配置する。その際、加熱コイル６１と張出し部５２との距離が所定範囲内となっていることを確認する。その後、ワーク５０を回転させながら、高周波インバータ６２から加熱コイル６１に高周波電力を投入する。これにより、焼入れ処理を施す。なお、図中の６３は加熱コイル６１と並列共振回路を構成する整合用コンデンサである。

焼入れ処理で用いられる公知の高周波焼入れ装置は、等価回路的に、高周波インバータの出力端子間に整合用のコンデンサと加熱コイルとが並列接続されて回路構成されている。焼入れの品質を保証するため、理想的には、加熱コイルに投入される有効電力（ｋＷ）を実際に計測し、この有効電力を基準に管理することが好ましいとされている。加熱コイルの等価回路は、インダクタンスと直列抵抗との直列接続で表される。さらに、加熱コイルで加熱されるワークが抵抗負荷となっている。有効電力の監視方法は、加熱コイルの両端に生じる電圧（Ｖ_ｃｏｉｌ）と加熱コイルに流れるコイル電流（Ｉ_ｃｏｉｌ）との位相差を測定し、式Ｐ_ｋｗ＝ｃｏｓφＶ_ｃｏｉｌＩ_ｃｏｉｌから求める方法である。なお、ｃｏｓφは力率（φは力率角である）である。

しかしながら、高周波焼入れの場合、力率の低い負荷が多く、計測対象となるコイル電圧とコイル電流との位相差が大きい。具体的には、コンデンサと加熱コイルとの並列回路のＱは１０程度である。力率はＱの逆数と見積もることができ、Ｑが１０の場合には力率は０．１であり、この時の力率角φは８４°となる。したがって、Ｖ_ｃｏｉｌとＩ_ｃｏｉｌとを測定し、演算回路でこれらの値を積算して求めた有効電力は小さい。また、この演算回路は温度ドリフトの影響、周波数や位相差の変動の影響を受け易いので、演算回路の算出値に基づいて高周波焼入れ処理の有効電力を高精度で監視することができないのが現状である。

特開２００２−３１７２２４号公報 特開２０００−１５０１２６号公報 特開２００３−２３１９２３号公報

そこで、従来、高周波発振器からの電圧一定制御にて出力制御を行う場合には、加熱コイルの電流を検出して、平均電流を求め電力監視することが考えられている（例えば特許文献１）。しかしながら、コイル電流は、正確には、コイルの有するインダクタンス成分と抵抗成分とを流れる合成電流である。このため、負荷が変動してもコイル電流の変動は小さく、感度が低い。したがって、有効な電力監視を行うことができない。

また、高周波インバータからの出力電圧と出力電流を検出するか又は出力電力を検出することで監視することも考えられている（例えば特許文献２及び３）。この出力電力の検出には、出力電圧及び出力電流を検出してそれらの実効値を乗算することも含まれる。しかしながら、この監視方法では監視対象が高周波インバータからの出力電力、換言すれば、高周波インバータの出力端子間からみて負荷に投入された有効電力であるので、整合回路による損失や電力の伝送損失の影響を受け、負荷変動を敏感に検出することはできず、感度が鈍い。特に、高周波インバータから加熱コイルまでの距離が長いと、電力の伝送損失により、負荷変動の検出感度が低下してしまう。

一方、焼入れ対象となるワークと加熱コイルとの位置関係が所定範囲外となると、負荷変動により適切な焼入れ処理を行うことができない、という課題もある。以下、具体的に説明する。図２４に示した焼入れ処理において、ワーク５０は、必ずしも同一寸法ではなく、或る程度の許容範囲内の寸法を有しているため、ワーク５０と加熱コイル６１との位置関係がワーク毎に異なる可能性があるにも拘らず、ワーク５０によらず同一の高周波電力を投入しても適切な焼入れ処理がなされている保証はない。つまり、ワーク５０と加熱コイル６１との位置関係、特に張出し部５２の上面５３と加熱コイル６１の半円周部６１ａとの距離が長くなると、ワーク５０と加熱コイル６１との間のギャップが増加しワーク５０に高周波が投入され難くなる。そのため、ワーク毎に焼入れ処理の品質保証が十分図れていないのが現状である。

本発明は、上記課題に鑑み、加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法は、高周波インバータにコンデンサを介在して電流変成器の一次側が接続され、電流変成器の二次側に加熱コイルが接続された装置を用いて、加熱コイルによりワークを加熱するに当たり、高周波インバータからの出力電流と加熱コイルに生じる電圧とを検出し、検出された電圧を検出された出力電流で割って負荷インピーダンスを求め、負荷インピーダンスの値が閾値の上限及び下限の範囲に収まっているか否かに応じて、ワークと加熱コイルとのギャップが許容範囲内か否かを判定する。

上記構成において、負荷インピーダンスの値が閾値の上限及び下限の範囲に収まっているか否かは、高周波インバータから出力が開始されてから停止するまでの間に亘って判断する。

上記構成において、ワークが、軸部と、該軸部から張り出した張出部とを同軸状に有しており、ワークの張出部に対して鞍型の加熱コイルを対向するように配置し、ワークの張出部と加熱コイルとの対向する部分の距離がギャップとして許容範囲内か否かを判定する。

上記構成において、負荷インピーダンスの値についての閾値の上限及び下限は、ワークを標準状態に配置して高周波インバータから電力を加熱コイルに投入して、高周波インバータからの出力電流と加熱コイルに生じる電圧とを検出して負荷インピーダンスに関する基準波形を求め、この求めた基準波形に沿って設定する。

上記構成において、高周波インバータの出力は高周波電力が一定となるよう制御する。

本発明によれば、高周波インバータからの出力電流と加熱コイルに生じる電圧とを検出し、検出された出力電流を検出された電圧で割って負荷インピーダンスを求め、負荷インピーダンスの値が閾値の上限及び下限の範囲に収まっているか否かに応じて、ワークと加熱コイルとのギャップが許容範囲内か否かを判定する。これにより、品質を確保することができる。

実施形態に係る高周波焼入れ監視装置を組み込んだ高周波焼入れシステムの構成図である。 図１における信号処理部内の電圧測定回路を示す。 （Ａ）は負荷共振回路を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す負荷共振回路に関し高周波インバータの周波数が負荷共振回路の共振周波数と一致して同期している場合の等価回路図である。 コイルギャップの変動が負荷インピーダンス変動として観測できる理由を説明するための模式的な回路図で、（Ａ）は誘導加熱をモデル化した等価回路図、（Ｂ）はワークが存在しない状態での等価回路図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す等価回路を並列回路で示したものである。 第２の実施形態の変形例を説明するための模式図である。 実施例１の結果を示し、（Ａ）は加熱コイルにおける電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は高周波インバータからの出力電流に対応する信号波形である。 実施例２の結果を示し、（Ａ）は加熱コイルにおける電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は高周波インバータからの出力電流に対応する信号波形である。 実施例３の結果を示し、（Ａ）は加熱コイルにおける電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は高周波インバータからの出力電流に対応する信号波形である。 比較例１の結果を示し、（Ａ）は加熱コイルにおける電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は図１に示す電流変成器１３の一次側の電流に対応する信号波形である。 比較例２の結果を示し、（Ａ）は加熱コイルにおける電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は図１に示す電流変成器１３の一次側の電流に対応する信号波形である。 加熱コイルとワークとの位置関係を示す図である。 実施例４の結果のうち、負荷インピーダンスのコイルギャップ依存性を示す図である。 実施例４の結果のうち、負荷インピーダンス変化率に対するコイルギャップ依存性を示す図である。 実施例４の結果のうち、高周波インバータからの出力電流のコイルギャップ依存性を示す図である。 実施例４の結果のうち、高周波インバータからの出力電流の変化率のコイルギャップ依存性を示す図である。 実施例４の結果のうち、コイルギャップｄが１．５ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）は負荷インピーダンスの波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。 実施例４の結果のうち、コイルギャップｄが２．１ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）は負荷インピーダンスの波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。 比較例３の結果のうち、コイル電圧のコイルギャップ依存性を示す図である。 比較例３の結果のうち、コイル電圧変化率に対するコイルギャップ依存性を示す図である。 比較例３の結果のうち、高周波インバータからの出力電流のコイルギャップ依存性を示す図である。 比較例３の結果のうち、高周波インバータからの出力電流の変化率のコイルギャップ依存性を示す図である。 比較例３の結果のうち、コイルギャップｄが１．５ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）はコイル電圧の波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。 比較例３の結果のうち、コイルギャップｄが２．１ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）はコイル電圧の波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。 一般的な焼入れ処理の様子を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の最良の形態を詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置は、高周波インバータからの出力電流と加熱コイルの両端に生じる電圧を監視することで高周波焼入れの品質を保証するものである。図１は、第１の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置を組み込んだ高周波焼入れシステムの構成を示す図である。高周波焼入れシステム１は、高周波焼入れ装置１０と高周波焼入れ監視装置２０とで構成される。

高周波焼入れ装置１０は、電気回路的に、高周波インバータ１１と、高周波インバータ１１の出力端子間に接続される整合用のコンデンサ１２と、ワーク１５を誘導加熱する加熱コイル１４と、整合用のコンデンサ１２と加熱コイル１４との間に介在される電流変成器１３と、で構成されている。よって、高周波焼入れ装置１０は、等価回路的に、整合用のコンデンサ１２と加熱コイル１４とが並列共振回路を含んで構成されている。

ここで、高周波インバータ１１は電流型インバータであって、出力電圧の一定制御方式で駆動制御される。電流変成器１３は、高周波インバータ１１に対して整合用のコンデンサ１２と並列接続される一次コイル１３ａと、加熱コイル１４と並列接続される二次コイル１３ｂと、で構成されている。

高周波焼入れ装置１０は、加熱コイル１４を内蔵した受け部（図示せず）にワーク１５を配置した状態で、高周波インバータ１１から加熱コイル１４に対して高周波電流を供給することで、ワーク１５の内部に渦電流を発生させてワーク１５を加熱して焼入れ処理を行う。

高周波焼入れ監視装置２０は、高周波インバータ１１の出力電流を検出する電流センサ２１と、加熱コイル１４における電圧を検出する電圧センサ２２と、電流センサ２１の検出信号と電圧センサ２２の検出信号とに基づいて焼入れ管理を行う制御部２３と、制御部２３に対して各種制御情報を入力し、制御部２３から警告信号を受ける警告部２４と、を備えている。

電流センサ２１は、高周波インバータ１１と整合用のコンデンサ１２との配線に電気的に接続され、高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏを検出する。電圧センサ２２は、両端に端子２２ａ，２２ｂを備え、加熱コイル１４に並列接続され、加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌを検出する。

制御部２３は、電流センサ２１からの検出信号の入力を受ける電流検出部２３ａと、電圧センサ２２からの検出信号の入力を受ける電圧検出部２３ｂと、電流検出部２３ａ及び電圧検出部２３ｂからの入力を受けてそれぞれ信号処理を行う信号処理部２３ｃと、信号処理部２３ｃで信号処理された結果の入力を受け、結果が所定の範囲内か否かを判定する判定部２３ｄと、を含んでいる。判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃで信号処理された結果を出力する表示部２３ｅを備えている。

電流センサ２１と電流検出部２３ａとは、検出した電流を電圧に変換するカレントトランスファー（変流器）で構成してもよい。このとき、電流センサ２１にはロゴスキーコイルを用いることができ、電流検出部２３ａはロゴスキーコイルに生じる電圧から所定の範囲の電圧に変換する。カレントトランスファーは例えば出力電流５００Ａ_ｒｍｓを０．５Ｖ_ｒｍｓに変換する。

電圧センサ２２と電圧検出部２３ｂとは、検出した電圧を所定範囲の電圧に変換するポテンシャルトランスファー（変圧器）で構成してもよい。このとき、電圧センサ２２には加熱コイル１４の端子間に接続可能なプローブを用いることができる。電圧検出部２３ｂはプローブで抽出した電圧を所定範囲の電圧に変換する。ポテンシャルトランスファーは例えばコイル電圧２００Ｖ_ｒｍｓを１０Ｖ_ｒｍｓに変換する。

信号処理部２３ｃは、電流検出部２３ａ及び電圧検出部２３ｂからの信号を、それぞれ整流して実効値を算出すると共にフィルターでノイズを除去し、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖを判定部２３ｄに出力する。これにより、カレントトランスファーからの信号、例えば０．５Ｖ_ｒｍｓの信号を５Ｖの電圧信号に変換する一方、ポテンシャルトランスファーからの信号、例えば、１０Ｖ_ｒｍｓの信号を５Ｖの電圧信号に変換する。

判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃから入力された電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖが適切であるか否かの判定を行う。即ち、判定部２３ｄは、高周波インバータ１１を制御する制御部（図示せず）から加熱同期信号Ｓ_ｓが入力されることにより、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖの波形を取り出し、表示部２３ｅに表示する。その際、判定部２３ｄは予め設定されている上限下限のしきい値も表示する。これにより、判定部２３ｄは、高周波焼入れ装置１０が動作中である状態で、電流信号Ｓ_ｉ、電圧信号Ｓ_ｖが上限のしきい値を上回ったり下限のしきい値を下回った場合には、判定ＮＧとして当該波形を異常波形として記録する。また、判定部２３ｄは、警告部２４に対して警告信号を出力する。その際、判定部２３ｄが警告信号を出力する際、表示部２３ｅに、「ＮＧ」として警告表示を行ってもよい。

警告部２４は、判定部２３ｄからの警告信号に基づいて警告表示を行ったり、警告音を外部に発生させたり、また、高周波インバータ１１の制御部（図示せず）に対して高周波電力の出力を停止するように指示する。

図１の信号処理部２３ｃ内部の回路構成について説明する。信号処理部２３ｃには、電流検出部２３ａからの信号を処理する電流測定回路と、電圧検出部２３ｂからの信号を処理する電圧測定回路とが別々に含まれている。電流測定回路も電圧測定回路も同様の回路構成であるので、以下では電圧測定回路を説明する。

図２は、図１における信号処理部２３ｃ内の電圧測定回路３０を示す図である。
電圧測定回路３０は、第１の演算増幅器３１と第２の演算増幅器３２が縦続接続され、出力側にフィルター回路３３が接続されている。第１の演算増幅器３１には、入力抵抗３４と、入力端子と出力端子に接続される第１のダイオード３５と、出力端子に一端が接続される第２のダイオード３６と、入力端子に一端が接続され他端が第２のダイオード３６の他端に接続される抵抗３７と、が接続されている。この第１の演算増幅器３１は、所謂理想ダイオードであり、入力信号電圧の半波整流を行う。第１の演算増幅器３１と第２の演算増幅器３２とは、抵抗３８で接続されている。第２の演算増幅器３２は、入力端子と出力端子との間に抵抗３９が接続された反転増幅器である。第２の演算増幅器３２の入力端子は、抵抗４０を介して、入力抵抗３４の入力信号側と接続されている。第２の演算増幅器３２の出力は、入力電圧信号の両波整流波形となる。この両波整流波形が、抵抗４１及びコンデンサ４２からなるローパス型のフィルター回路３３に入力され、両波整流波のリップルが除去されて直流電圧に変換される。フィルター回路３３の抵抗４１及びコンデンサ４２の値を設定することで、第２の演算増幅器３２から出力される両波整流波の実効値が得られる。

以下、図１に示す高周波焼入れシステム１による焼入れ監視について説明する。
高周波焼入れ装置１０において、高周波インバータ１１から整合用のコンデンサ１２及び電流変成器１３を介して加熱コイル１４に高周波電力を投入する。これにより、加熱コイル１４内に配置されたワーク１５が加熱され、高周波焼入れされる。その際、高周波焼入れ監視装置２０において、電流センサ２１が高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏを検出し、電圧センサ２２が加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌを検出する。

制御部２３の電流検出部２３ａ、電圧検出部２３ｂは、電流センサ２１、電圧センサ２２からのそれぞれの検出信号をレベル調整し、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖを信号処理部２３ｃに出力する。よって、信号処理部２３ｃが、電流検出部２３ａ、電圧検出部２３ｂからそれぞれ入力された電流信号、電圧信号を整流して実効値を求め、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖとして判定部２３ｄに出力する。

判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃからの電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖを加熱同期信号Ｓ_Ｓにより同期を取って波形の判定を行い、上限及び下限のしきい値と比較し、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖが上限のしきい値を上回ったり、下限のしきい値を下回ったか否かの判定を行う。判定部２３ｄは、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖがしきい値から外れた場合には当該波形を記録し、警告信号を警告部２４に出力する。

警告信号を受けた警告部２４は、警告を表示したり警告音を発生させる。よって、焼入れ作業者は、警告の表示や警告音を認知したとき、高周波焼入れに異常が発生したことを知ることができる。また、警告部２４は、高周波焼入れ装置１０の高周波インバータ１１の出力動作を停止させてもよい。

以上のように、電流センサ２１を用いて高周波インバータ１１からの出力電流を検出し、電圧センサ２２を用いて加熱コイル１４に生じる電圧を検出し、電流センサ２１の検出信号と電圧センサ２２の検出信号とに基づいて焼入れ管理を行う。これにより、出力電圧が一定となるよう出力制御される高周波インバータ１１からコンデンサ１２を介して加熱コイル１４に高周波電力が投入された際、高周波インバータ１１からの出力電力の変動が直に出力電流に影響する。よって、電流センサ２１を用いてこの出力電流をモニターすることで、高周波焼入れ処理において高周波インバータ１１からの出力電力を監視することができる。一方、電圧センサ２２を用いて加熱コイル１４に生じる電圧をモニターすることで、高周波インバータ１１から加熱コイル１４までの伝送損失、コンデンサ１２と加熱コイル１４との並列共振回路による整合損失により検出感度が高くなり、加熱コイル１４の電圧変動を高い精度で検出することができる。

即ち、電力の伝送損失が小さい場合、負荷変動による出力電流の変動率がコイル電圧の変動率より大きいので、高周波インバータ１１からの出力電流を電流センサ２１で監視することが有効となる。一方、電力の伝送損失が大きい場合、負荷変動によるコイル電圧の変動率が、高周波インバータ１１からの出力電流の変動より大きいので、コイル電圧を電圧センサ２２で監視することが有効となる。逆に、背景技術で説明した、高周波インバータの出力電流及び出力電圧を監視する方法において、高周波インバータの出力電圧を一定となるよう出力電力を制御する場合、負荷変動を検出することはできない。以下、この点について詳説する。

図３（Ａ）は負荷共振回路を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す負荷共振回路に関し高周波インバータの周波数が負荷共振回路の共振周波数と一致して同期している場合の等価回路を示す図である。図１に示す誘導加熱の電気回路は、図３（Ａ）に示すように、整合用コンデンサＣ_ｐと負荷抵抗Ｒ_ｐと負荷インダクタンスＬ_ｐとの並列接続に対し、高周波インバータと加熱コイルとの間の伝送損失及び整合損失を含めた抵抗Ｒ_ｘとが直列接続された回路で表される。図３（Ａ）に示す負荷共振回路において高周波インバータの周波数が負荷共振回路の周波数と一致して同期している場合には、図３（Ａ）に示す回路は、図３（Ｂ）に示す等価回路、即ち鈍抵抗化回路に書き直すことができる。なお、高周波インバータと加熱コイルとの間の伝送損失及び整合損失を含めた抵抗をＲ_ｘとし、負荷抵抗をＲ_ｐとし、高周波インバータからの出力電圧をＶ_０＝３００Ｖ、出力電流Ｉ_ｏ＝３００Ａとする。Ｒｘ、Ｒ_ｐが何れも０．５Ωであるとして説明を簡略化する。負荷変動により抵抗Ｒ_ｐが０．５Ωから０．５５Ωに＋１０％変化すると、出力電圧一定制御のため、出力電圧Ｖ_Ｏが３００Ｖで不変で、出力電流Ｉ_ｏは３００Ａから２８５．７Ａに変化するので、出力電流の変化率も−４．８％であり、出力電力も−４．８％変化する。このとき、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌは１５０Ｖ（＝３００Ａ×０．５Ω）から１５７．１Ｖ（＝２８５．７Ａ×０．５５Ω）に変化し、コイル電圧の変化率は＋４．８％となる。つまり、高周波インバータからの出力電流の低下率とコイル電圧の増加率とがほぼ等しくなる。

上記回路構成において、伝送損失と整合損失を含めた抵抗Ｒ_ｘが０．４Ωで、負荷抵抗Ｒ_ｐが０．６Ωの場合、負荷抵抗Ｒ_ｐが変化率で＋１０％、即ち０．６Ωから０．６６Ωに変化した場合を考えると、高周波インバータの出力電圧Ｖ_０は３００Ｖで不変で、出力電流Ｉ_ｏは３００Ａから２８３．０Ａに変化するので、出力電流の変化率も−５．７％であり、出力電力も−５．７％変化する。このとき、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌは１８０Ｖ（＝３００Ａ×０．６Ω）から１８６．８Ｖ（＝２８３．０Ａ×０．６６Ω）に変化し、コイル電圧の変化率は約＋３．８％となる。つまり、高周波インバータからの出力電流の減少率の絶対値は、コイル電圧の増加率の絶対値と比べてより大きい。

上記回路構成において、逆に、伝送損失と整合損失を含めた抵抗Ｒ_ｘが０．６Ωで、負荷抵抗Ｒ_ｐが０．４Ωの場合、負荷抵抗Ｒ_ｐが変化率で＋１０％、即ち０．４Ωから０．４４Ω変化した場合を考えると、高周波インバータの出力電圧Ｖ_Ｏは３００Ｖで不変で、出力電流Ｉ_ｏは３００Ａから２８８．５Ａに変化するので、出力電流の変化率も−３．８％であり、出力電力も−３．８％変化する。このとき、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌは１２０Ｖ（＝３００Ａ×０．４Ω）から１２６．９Ｖ（＝２８８．５Ａ×０．４４Ω）に変化し、コイル電圧の変化率は約＋５．７％となる。つまり、高周波インバータからの出力電流の減少率の絶対値は、コイル電圧の増加率の絶対値と比べてより小さい。

以上のことから、従来のように、高周波インバータの出力電流及び出力電圧を監視する方法では、伝送損失及び整合損失が増加するに従い、例えば伝送損失及び整合損失を含めた抵抗Ｒ_ｘと負荷抵抗Ｒ_ｐとの比率が０．４：０．６、０．５：０．５、０．６：０．４となるに従い、高周波インバータからの出力電流Ｉ_ｏの変化率は、−５．７％、−４．８％、−３．８％となり、負荷抵抗Ｒ_２の変化率に比例して変化せず、負荷抵抗Ｒ_ｐの変動に対して感度が悪いことが分かる。

これに対し、本実施形態のように、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌと高周波インバータからの出力電流Ｉ_ｏとの何れもモニターして監視することで、伝送損失の影響を排除した負荷変動を監視することができる。なぜなら、伝送損失及び整合損失の割合が小さい場合、負荷抵抗の変動は、コイル電圧の変動率の方よりも出力電流の変化率の方に大きく影響するため、高周波インバータからの出力電流の変化を監視することが好ましいからである。逆に、伝送損失及び整合損失の割合が大きい場合、負荷抵抗の変動は、出力電流の変化率の方よりコイル電圧の変動率の方に大きく影響するので、コイル電圧の変化を監視することが好ましいからである。つまり、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌと高周波インバータからの出力電流Ｉ_ｏとの両方を監視することで、回路の電力損失の影響を排除した監視方法を確立することができる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態では、高周波焼入れの際、加熱コイル電圧を高周波インバータから出力された出力電流で加熱コイル電圧を割って求めた値、即ち負荷インピーダンスを監視することで、高周波焼入れ処理の正常性を監視する。第２の実施形態に係る焼入れ監視装置を組み込んだ高周波焼入れシステムの構成は、第１の実施形態を示す図１の場合と同様である。すなわち、第２の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置具体的にはインピーダンス監視装置を組み込んだ高周波焼入れシステムは、図１に示すように、高周波焼入れ装置１０と焼入れ監視装置２０とで構成される。

高周波焼入れ装置１０は、図１に示すように、等価回路的に、整合用のコンデンサ１２と加熱コイル１４とが並列共振回路を含んで構成されている。第２の実施形態では、高周波焼入れ装置１０は整合用のコンデンサと加熱コイルとが直列共振回路であってもよい。高周波インバータ１１は、第１の実施形態と同様電流型インバータであるが、第１の実施形態と異なり、出力される高周波の電力が一定となるよう、電力一定制御方式で駆動制御される。電流変成器１３が、高周波インバータ１１に対して整合用のコンデンサ１２と並列接続される一次コイル１３ａと、加熱コイル１４と並列接続される二次コイル１３ｂとで構成されている点は、第１の実施形態の場合と同様である。

高周波焼入れ装置１０は、加熱コイル１４を内蔵した受け部（図示せず）にワーク１５を配置した状態で、高周波インバータ１１から加熱コイル１４に対して高周波電流を供給することで、ワーク１５の内部に渦電流を発生させてワーク１５を加熱して焼入れ処理を行う。

焼入れ監視装置２０は、高周波インバータ１１の出力電流を検出する電流センサ２１と、加熱コイル１４における電圧を検出する電圧センサ２２と、電流センサ２１の検出信号と電圧センサ２２の検出信号とから負荷インピーダンスを算出し、この負荷インピーダンスに基づいて焼入れ管理を行う制御部２３と、制御部２３に対して各種制御情報を入力し、制御部２３から警告信号を受ける警告部２４と、を備えている。

電流センサ２１は、高周波インバータ１１と整合用のコンデンサ１２との配線に電気的に接続され、高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏを検出する。電圧センサ２２は、両端に端子２２ａ，２２ｂを備え、加熱コイル１４に並列接続され、加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌを検出する。

制御部２３は、電流センサ２１からの検出信号の入力を受ける電流検出部２３ａと、電圧センサ２２からの検出信号の入力を受ける電圧検出部２３ｂと、電流検出部２３ａからの入力を受けて出力電流に関する実効値を求めると共に電圧検出部２３ｂからの入力を受けてコイル電圧に関する実効値を求める信号処理部２３ｃと、信号処理部２３ｃから求めた出力電流及びコイル電圧に関する各実効値から負荷インピーダンスを算出し、負荷インピーダンスが基準範囲内か否かを判定する判定部２３ｄと、を含んでいる。判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃで信号処理された結果を出力する表示部２３ｅを備えている。

電流センサ２１と電流検出部２３ａとは、検出した電流を電圧に変換するカレントトランスファー（変流器）で構成してもよい。電圧センサ２２と電圧検出部２３ｂとは、検出した電圧を所定範囲の電圧に変換するポテンシャルトランスファー（変圧器）で構成してもよい。これらの点は第１の実施の形態と同様である。

信号処理部２３ｃは、電流検出部２３ａ及び電圧検出部２３ｂからの信号を、それぞれ整流して実効値を算出すると共にフィルターでノイズを除去し、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖを判定部２３ｄに出力する。この点は第１の実施形態と同様であり、信号処理部２３ｃには、電流検出部２３ａからの信号を処理する電流測定回路と、電圧検出部２３ｂからの信号を処理する電圧測定回路と、が別々に含まれている。電流測定回路、電圧測定回路の具体的な構成は第１の実施形態と同様である。よって、カレントトランスファーからの信号、例えば０．５Ｖ_ｒｍｓの信号を５Ｖの電圧信号に変換する一方、ポテンシャルトランスファーからの信号、例えば、１０Ｖ_ｒｍｓの信号を５Ｖの電圧信号に変換する。

判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃから入力された電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖに基づいてコイル電圧を出力電流で割り、この算出した負荷インピーダンスが規定範囲内であるか否かを判定する。具体的には、先ず、高周波インバータ１１を制御する制御部（図示せず）から加熱同期信号Ｓ_ｓが入力されることにより、信号処理部２３ｃから入力された電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖの値をサンプリングする。次に、サンプリングした電圧値をサンプリングした電流値で割り、所定の比例定数を乗算することで、コイル電圧に対する出力電流、即ち負荷インピーダンスを算出する。算出した結果をグラフィックに表示部２３ｅに表示する。その際、算出した負荷インピーダンスが基準範囲内であるか否かの判定を行う。判定部２３ｄは、算出した負荷インピーダンスが基準範囲内であった場合には焼入れ処理がＯＫと判断し、算出した負荷インピーダンスが基準範囲外であった場合には焼入れ処理がＮＧと判断して警告部２４に対して警告信号を表示する。

なお、判定部２３ｄは、高周波インバータ１１の制御部（図示せず）から加熱同期信号Ｓ_ｓが入力されることで切り出した電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖの何れかの波形を表示部２３ｅに出力できるようにしてもよい。その際、判定部２３ｄは予め設定されている上限下限のしきい値も表示する。これにより、判定部２３ｄは、高周波焼入れ装置１０が動作中である状態で、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖが上限のしきい値を上回ったり下限のしきい値を下回ったりした場合には、判定がＮＧであると判定し、当該波形を異常波形として記録する。

判定部２３ｄは、警告部２４に対して警告信号を出力する。その際、判定部２３ｄが警告信号を出力する際、表示部２３ｅに、「ＮＧ」として警告表示を行ってもよい。

警告部２４は、判定部２３ｄからの警告信号に基づいて警告表示を行ったり、警告音を外部に発生したり、また、高周波インバータ１１の制御部（図示せず）に対して高周波電力の出力を停止するように指示する。

高周波焼入れシステム１を用いて焼入れ処理を行う際の焼入れ監視について説明する。
高周波焼入れ装置１０において、高周波インバータ１１から整合用のコンデンサ１２及び電流変成器１３を介して加熱コイル１４に高周波電力を投入する。これにより、加熱コイル１４内に配置されたワーク１５が加熱され、高周波焼入れされる。その際、高周波焼入れ監視装置１０において、電流センサ２１が高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏを検出し、電圧センサ２２が加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌを検出する。

制御部２３の電流検出部２３ａ、電圧検出部２３ｂは、電流センサ２１、電圧センサ２２からのそれぞれの検出信号をレベル調整し、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖを信号処理部２３ｃに出力する。よって、信号処理部２３ｃが、電流検出部２３ａ、電圧検出部２３ｂからそれぞれ入力された電流信号、電圧信号を整流して実効値を求め、電流、電圧の各実効値を電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖとして判定部２３ｄに出力する。

判定部２３ｄは、信号処理部２３ｃからの電流信号Ｓ_ｉと電圧信号Ｓ_ｖとの入力を受け、電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖについて加熱同期信号Ｓ_Ｓにより同期を取って波形を取得する。そして、判定部２３ｄは、各波形から電流の実効値と電圧の実効値とのデータ列を得、その後、電流の実効値を電圧の実効値で割ることで負荷インピーダンスを算出し、算出した負荷インピーダンスが規定の範囲内か範囲外かの判定を行う。判定部２３ｄは、負荷インピーダンスがしきい値から外れた場合には、そのデータ列を取得して記録し、警告信号を警告部２４に出力する。

その際、判定部２３ｄは、電流の実効値と上限及び下限のしきい値とを比較し、電流信号Ｓ_ｉが上限のしきい値を上回ったか、下限のしきい値を下回ったか、の判定を行うようにしてもよい。電流信号Ｓ_ｉがしきい値から外れた場合には、その波形を記録し、警告信号を警告部２４に出力する。これにより、後述するように、負荷インピーダンスの監視では判定できない高周波インバータ１１からの出力の変動を監視することができる。

警告信号を受けた警告部２４は、警告を表示しまたは警告音を発生させる。よって、焼入れ作業者は、警告の表示や警告音を認知したとき、高周波焼入れに異常が発生したことを知ることができる。また、警告部２４は、高周波焼入れ装置１０の高周波インバータ１１の出力動作を停止させてもよい。

以上のように、電流センサ２１を用いて高周波インバータ１１からの出力電流を検出し、電圧センサ２２を用いて加熱コイル１４に生じる電圧を検出し、電流センサ２１の検出信号と電圧センサ２２の検出信号とから負荷インピーダンスを算出して、算出した負荷インピーダンスに基づいて焼入れ管理を行う。これにより、出力電力が一定となるよう出力制御される高周波インバータ１１からコンデンサ１２を介して加熱コイル１４に高周波電力が投入された際、高周波インバータ１１からの出力電流の変動率が小さく、かつ加熱コイル１４に生じるコイル電圧の変動率が小さい場合であっても、焼入れ対象となるワークと加熱コイルとの位置関係が基準範囲から外れると、即ち、図１１に示すようにワーク５０と加熱コイルとの間のギャップｄ（これを以下、コイルギャップｄという）が大きくなると負荷インピーダンスの変動として検出することができる。よって、高周波焼入れ処理の品質管理を容易にかつ高い精度で行うことができる。

ここで、高周波焼入れ処理において、高周波インバータ１１からの出力電流の変動率が小さく、かつ加熱コイル１４に生じるコイル電圧の変動率が小さい場合であっても、負荷インピーダンスの変動として現れる理由について説明する。

図４は、コイルギャップｄの変動が負荷インピーダンス変動として観測できる理由を説明するための模式的な回路図であり、（Ａ）は誘導加熱をモデル化した等価回路図、（Ｂ）はワークが存在しない状態での等価回路図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す等価回路を並列回路で示した図である。

誘導加熱の電気回路のうち図１（Ａ）に示す高周波インバータ１１から加熱コイル１４までの電気回路は、伝送損失Ｒ_ｘを省略すると抵抗Ｒ１と自己インダクタンスＬ１との直列接続に対し整合用コンデンサＣｐが並列接続されている点で示され、ワーク１５は自己インダクタンスＬ２と抵抗Ｒ２との並列接続で示され、加熱コイル１４にワーク１５が配置される状況が相互インダクタンスとしてモデル化することができる。ここで、Ｒ１とはコイル導線の抵抗成分、Ｒ２は加熱対象の抵抗成分、Ｌ１は加熱コイル１４のインダクタンス成分、Ｌ２は加熱対象のインダクタンス成分、Ｍは相互インダクタンスであり、加熱コイル１４とワーク１５とのギャップにより変化する。なお、相互インダクタンスＭは、自己インダクタンスＬ１と自己インダクタンスＬ２との結合係数をｋとすると、ｋ＝Ｍ／（Ｌ１×Ｌ２）^1/2の関係を満たす。このとき整合用コンデンサＣｐの両端から見た負荷インピーダンスは、リアクタンス成分ωＬｅと抵抗成分Ｒｅとの和で示される。なお、Ｌｅ＝Ｌ１（１−ｋ^２）、Ｒｅ＝Ｒ１＋Ａ・Ｒ２である。ここで、Ａは前述の結合係数ｋ、負荷形状、加熱周波数で定まる係数である。

ワーク１５と加熱コイル１４とのギャップｄが増加すると、負荷の結合が弱くなる。極限的な状況として、ｋ＝０、Ｒｅ＝Ｒ１まで負荷の結合が弱くなり、Ｌｅ＝Ｌ１となる。即ち、図４（Ａ）の等価回路は図４（Ｂ）のように書き換えることができる。
よって、ギャップが増加すると、Ｌｅが増加し、Ｒｅが減少する。

さらに、図４（Ｂ）の直列等価回路を図４（Ｃ）の並列等価回路に変換することができる。なお、Ｚｅ＝Ｒｅ＋ｊｗＬｅであるので、アドミタンスＹｅはＹｅ＝１／Ｚｅであるから、次式で表される。
Ｙｅ＝Ｇｐ＋ｊＢｐ
但し、Ｇｐ、Ｂｐは次式の通りである。
Ｇｐ＝Ｒｅ／（Ｒｅ^２＋（ωＬｅ）^２）
Ｂｐ＝ωＬｅ／（Ｒｅ^２＋（ωＬｅ）^２）
ここで、Ｒｐ＝１／Ｇｐ、｜Ｘｐ｜＝１／｜Ｂｐ｜であり、Ｒｐ、｜Ｘｐ｜は次式で表される。
Ｒｐ＝（Ｒｅ^２＋（ωＬｅ）^２）／Ｒｅ
｜Ｘｐ｜＝（Ｒｅ^２＋（ωＬｅ）^２）／（ωＬｅ）
焼入れ応用ではωＬｅ^２＞＞Ｒｅ^２であるため、次式が成り立つ。
Ｒｐ＝（ωＬｅ）^２／Ｒｅ
｜Ｘｐ｜≒ωＬｅ
なお、ωが高周波インバータ１１から出力される高周波の角周波数である。
高周波インバータの周波数が負荷共振回路のそれと一致して同期している場合には、負荷インピーダンスＺ_ｏは、
Ｚ_ｏ＝Ｒ_ｐ＝（ωＬｅ）^２／Ｒｅ
となる。
つまり、上記の近似式から、ワーク１５と加熱コイル１４とのギャップｄが増加すると、負荷の結合が弱くなり、Ｌｅが増加し、Ｒｅが減少し、負荷インピーダンスＺ_ｏが大きくなる。しかも、負荷インピーダンスＺ_ｏの変化率は、Ｌｅ、Ｒｅそれぞれの変化率と比べて大きい。

よって、高周波インバータ１１からの出力電力を一定としてコイルギャップｄが増加すると、高周波インバータ１１からの出力電流が小さくなる一方、コイル電圧は大きくなる。従って、出力電流の減少率が小さくても、コイル電圧の増加率が小さくても、出力電流に対するコイル電圧比、すなわち、負荷インピーダンスが増加する。よって、コイルギャップｄが増加すると、負荷インピーダンスの変動に直接現れる。

以上のことから、高周波焼入れ処理において、高周波インバータ１１の出力電力が一定となるよう制御している場合、負荷インピーダンスの変動を判定部２３ｄで監視し、負荷インピーダンスの変動がしきい値の上限及び下限に収まっていることを確認することで、高周波焼入れ監視を効率的に行うことができる。また、制御部２３が電流センサ２１からの検出信号に基づいて高周波インバータ１１からの出力電流を算出し、この出力電流の変動がしきい値の上限及び下限に収まっていることを確認することが好ましい。これにより、ギャップが許容範囲であるか否かを負荷インピーダンスをモニターすることで確認することができ、かつ高周波インバータ１１からの出力電流の変動をモニターすることで、焼入れに必要なエネルギーが投入されていることを確認でき、質の高い焼入れの管理を行うことができる。

第１の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置は、図１に示した高周波焼入れ装置１０に対してのみ適用されるものではなく、等価回路的に、整合用のコンデンサと加熱コイルとでなる並列共振回路及び高周波インバータを含んで構成される高周波焼入れ装置に対して適用可能である。例えば電流変成器１３は省略されてもよい。

第２の実施形態の変形例を説明する。
図５は、本発明の変形例を説明するための模式図である。なお、図２４と同一の部材には同一の符号を付してある。図５に示すように、コイル電圧としてコイルの半円周部６１ａの両端部２２ｃ,２２ｄの電圧を検出するように配置する。これにより、コイルギャップｄの変動を効率的に負荷インピーダンスに反映させることができる。

この変形例のように、加熱コイル６１がワーク５０の焼入れ対象領域に対して所定のギャップｄを有するように配置される半円周部６１ａを備え、図５に点線で示すように、電圧センサ２２の両端部２２ｃ，２２ｄが半円周部６１ａ間の電圧を検出するように半円周部６１ａの両端部に接続されることが好ましい。これにより、実線で示すように電圧センサ２２の両端部２２ａ，２２ｂを直線部６１ｂ，６１ｂを介して接続している場合よりも、点線で示すように電圧センサ２２の端部２２ｃ，２２ｄを半円周部６１ａの両端部に接続した方がコイルギャップの変動率を高感度に検出することができ、より精度の高い焼入れ監視を行うことができる。

以上のことから、高周波電力が一定となるよう制御されている場合、コイルギャップｄが増加すると負荷インピーダンスが大きくなり、この負荷インピーダンスの変動を元に、焼入れ処理が正しくなされているかの判定を行うことができる。

第２の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置は、図１に示した高周波焼入れ装置１０に対してのみ適用されるものではなく、等価回路的に、整合用のコンデンサと加熱コイルとでなる共振回路及び高周波インバータを含んで構成される高周波焼入れ装置に対して適用可能である。例えば電流変成器１３は省略されてもよい。

以下、第１の実施形態に対応する実施例１乃至３及び比較例１乃至２と、第２の実施形態に対応する実施例４及び比較例３について説明する。

図１に示した高周波焼入れシステム１を用いて負荷の評価試験を行った。
高周波インバータ１１として、直流電圧で一定制御されることで、周波数２５ｋＨｚの高周波を出力するものを用いた。並列共振タイプの負荷回路として、１０μＦの整合用のコンデンサ１２、巻線比６：１の電流変成器１３を用いた。加熱コイル１４が内蔵されてワーク１５を受ける鞍型受け部には、内径４０ｍｍで幅４ｍｍのものを用いた。ワーク１５には外形３３ｍｍ、肉厚５．５ｍｍの丸パイプを用いた。実施例１では、ワーク１５を、鞍型受け部の端面とワークの外形とのギャップが標準値の４ｍｍとなるよう設置した。高周波インバータ１１の出力電力を設置ボリュームの５０％とし、１秒間出力するように高周波インバータ１１の出力を設定した。判定部２３ｄに対し、予めコイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌと電流Ｉ_ｏの基準範囲を設定した。具体的には、予め、ワーク１５を鞍型受け部に対して標準状態で配置後ワーク１５の焼入れを行い、電流センサ２１及び電圧センサ２２により電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖの各波形を取り込んだ。そして、品質が所定の範囲であることを確認し、取り込んだ波形をそれぞれ基準波形として、各基準波形に沿って縦軸電圧値及び横軸時間について上限と下限を設定した。本実施例では、電圧Ｖ_ｃｏｉｌにおける上下限の設定値を±４．３％（±５０ｍＶ）とし、時間軸設定値を±４．８％（±４８ｍｓ）とし、電流Ｉ_ｏにおける上下限の設定値を±３．８％（±２０ｍＶ）とし、時間軸設定値を±４．８％（±４８ｍｓ）とした。

図６は実施例１の結果を示し、（Ａ）は加熱コイル１４における電圧に対応する信号波形であり、（Ｂ）は高周波インバータ１１からの出力電流に対応する信号波形である。図中、実線は各波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。実施例１では、ギャップが基準値の４ｍｍであるので、図６から分かるように、波形はしきい値の上限と下限のほぼ中央に収まっており、判定部２３ｄの判定はＯＫであった。なお、高周波インバータ１１における出力電力、出力電圧は、それぞれ１８ｋＷ、２９０Ｖであった。加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌの信号は１．１５７Ｖ（１．１５７×２００／５ＶのＶ_ｃｏｉｌに相当）であり、高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏの信号は０．５２９Ｖ（０．５２９×５００／５ＡのＩ_ｏに相当）であった。

実施例２では、鞍型受け部の端面とワーク１５の外形とのギャップが６ｍｍとなるようワーク１５を配置した以外は、実施例１と同様にした。

図７は実施例２の結果を示し、（Ａ）は加熱コイル１４における電圧に対応する信号波形で、（Ｂ）は高周波インバータ１１からの出力電流に対応する信号波形である。図中、実線は各波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。実施例２では、ギャップが基準値の４ｍｍより広いので、図７から分かるように、電流の波形はしきい値の上限と下限のほぼ中央より下限側であるが、しきい値の範囲内であり、判定部２３ｄの判定はＯＫであった。なお、高周波インバータ１１における出力電力、出力電圧は、それぞれ１８ｋＷ、２９０Ｖであった。加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌの信号は１．１７２Ｖ（１．１７２×２００／５ＶのＶ_ｃｏｉｌに相当）であり、高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏの信号は０．５２０Ｖ（０．５２０×５００／５ＡのＩ_ｏに相当）であった。

実施例３では、鞍型受け部の端面とワーク１５の外形とのギャップが７ｍｍとなるようワーク１５を配置した以外は、実施例１と同様にした。

図８は実施例３の結果を示し、（Ａ）は加熱コイル１４における電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は高周波インバータ１１からの出力電流に対応する信号波形である。図中、実線は各波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。実施例３では、ギャップが基準値の４ｍｍよりさらに広い７ｍｍであるので、図８から分かるように、電流の信号波形はしきい値の下限から部分的にはみ出しており、焼入れ処理としてはＮＧである。なお、高周波インバータ１１における出力電力、出力電圧は、それぞれ１７ｋＷ、２９０Ｖであった。加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌの信号は１．１６２Ｖ（１．１６２×２００／５ＶのＶ_ｃｏｉｌに相当）であり、高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏの信号は０．５００Ｖ（０．５２０×５００／５ＡのＩ_ｏに相当）であった。

（比較例１）
比較例について説明する。
比較例では、高周波焼入れシステム１において高周波インバータ１１と整合用のコンデンサ１２との間の配線に結合されていた電流センサ２１を、図１に破線で示すように、電流変成器１３の一次側に接続することで、電流センサ２１で変成器の一次電流Ｉ_{ｃｔｒｌ−１}を検出するようにした。

実施例１〜３と同様、高周波インバータ１１の出力電力を設置ボリュームの５０％とし、１秒間出力するように高周波インバータ１１の出力を設定した。判定部２３ｄに対し、電圧Ｖ_ｃｏｉｌにおける上限及び下限の設定値を±４．３％（±５０ｍＶ）とし、時間軸設定値を±４．８％（±４８ｍｓ）とし、電流Ｉ_ｏにおける上限及び下限の設定値を±３．８％（±１２５ｍＶ）とし、時間軸設定値を±４．８％（±４８ｍｓ）とした。電流Ｉ_ｏにおける上限及び下限の設定は、電流の計測対象が高周波インバータ１１の出力電流Ｉ_ｏから電流変成器１３の一次電流Ｉ_{ｃｒｔｌ−１}に変更したため、上下限の設定値を同じ範囲（％）にしても、電流値が大きくなるからである。
比較例１では、鞍型受け部とワークとのギャップを、実施例１と同様、４ｍｍとした。

図９は比較例１の結果を示し、（Ａ）は加熱コイル１４における電圧に対応する信号波形で、（Ｂ）は電流変成器１３の一次側電流に対応する信号波形である。図中、実線が波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。
比較例１では、ギャップが基準値の４ｍｍであるので、図９から分かるように、電流、電圧の各信号波形は、何れもしきい値の上限と下限のほぼ中央であり、判定部２３ｄの判定はＯＫであった。なお、高周波インバータ１１における出力電力、出力電圧は、それぞれ１８ｋＷ、２９０Ｖであった。加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌの信号は１．１７０Ｖ（１．１７０×２００／５ＶのＶ_ｃｏｉｌに相当）であり、一次電流Ｉ_{ｃｒｔｌ−１}の信号は、３．２８７Ｖ（３．２８７×５００／５ＡのＩ_{ｃｒｔｌ−１}に相当）であった。

（比較例２）
比較例２では、鞍型受け部とワークとのギャップを７ｍｍとした以外は比較例２と同様に焼入れを行った。

図１０は比較例２の結果を示し、（Ａ）は加熱コイル１４における電圧に対応する信号波形、（Ｂ）は電流変成器１３の一次側電流に対応する信号波形である。図中、実線が波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。
比較例２では、ギャップが基準の４ｍｍより広いにも拘らず、図１０から分かるように、電圧の信号波形、電流変成器１３の一次側電流の信号波形は、何れもしきい値の上限と下限のほぼ中央でしきい値の範囲内であった。よって、判定部２３ｄでは、「ＯＫ」の判定となってしまう。なお、高周波インバータ１１における出力電力、出力電圧は、それぞれ１７ｋＷ、２９０Ｖであった。加熱コイル１４の電圧Ｖ_ｃｏｉｌの信号は１．１６６Ｖ（１．１６６×２００／５ＶのＶ_ｃｏｉｌに相当）であり、一次電流Ｉ_{ｃｒｔｌ−１}の信号は、３．２８１Ｖ（３．２８１×５００／５ＡのＩ_{ｃｒｔｌ−１}に相当）であった。

表１は実施例１〜３と比較例１及び２の結果を示す図表である。高周波焼入れシステム１において、実施例１〜３のように高周波インバータ１１と整合用のコンデンサ１２との間の配線に電流センサ２１を電気的に接続した場合と、比較例１及び２のように電流変成器１３の一次側に電気的に接続した場合と、を比較すると次のことが分かる。

実施例１〜３のように高周波インバータ１１からの出力電流Ｉ_ｏを検出した場合には、ギャップを基準の４ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍと順に広げると、電流センサ２１で検出した出力電流Ｉ_ｏの信号Ｓ_ｉは電圧換算で０．５２９Ｖ、０．５２０Ｖ、０．５００Ｖと変化する。ギャップが基準の４ｍｍの場合との変化率を求めると、ギャップが６ｍｍでは約−１．７％、ギャップが７ｍｍでは約−５．５％となり、判定部２３ｄは、しきい値の上限下限の±３．８％（電圧換算で±２０ｍＶ）の範囲から外れたことが判定できる。

これに対し、比較例１及び２のようにギャップを基準の４ｍｍから７ｍｍに広げると、出力電力（メータ指示値）は１８ｋＷから１７ｋＷとなり、検出される電流の信号Ｓ_ｉは約−５．５％の変化があるにも拘らず、判定部２３ｄにおける電流Ｉ_{ｃｒｔｌ−１}は、ギャップ４ｍｍの場合とほぼ同じ値になってしまう。これはしきい値の範囲内であり、判定部２３ｄにより「ＯＫ」の判定を出してしまう。よって、比較例１及び２のように、電流変成器１３の一次側の電流を検出することで、高周波焼入れの監視を精度良く行うことができない。

この理由について考察すると、比較例では監視対象が一次電流Ｉ_{ｃｔｒｌ−１}であるため、等価回路的に、並列抵抗に流れる実効電流分と並列インダクタンスに流れる無効電流分のベクトル合成（＝（Ｉ_R ² ＋Ｉ_L ² ）^１／２）により与えられる。従って、ワーク１５と加熱コイル１４のギャップの僅かな変化では、インダクタンスの変化が少なく、共振の鋭さＱが４〜５以上であれば実効電流分が変化したとしても、上記ベクトル合成全体はあまり大きく変化しないためと考えられる。

一方、本発明では実効電流分のみを検出するため、ギャップの変化に伴い並列抵抗の変化が検出電流に直接に比例して反映される。それ故、監視電流の変化を容易に検出することができる。

図１に示した高周波焼入れシステム１を用いて負荷の評価試験を行った。加熱コイルとして鞍型コイルを用い、焼入れ処理物としてワークを用いた。図１１は、加熱コイル６１とワーク５０としての棒状部材との位置関係を示す図である。なお、図２４と同一又は対応する部材には同一の符号を付してある。

加熱対象のワーク５０は、図示するように、棒状基部５１に張出し部５２を同軸状に備えて構成されているため、棒状基部５１と張出し部５２とが断面略Ｌ字状になっている。加熱コイル６１の直線部６１ｂに対向する部分の寸法をａとし、加熱コイル６１の半円周部６１ａに対向する部分の寸法をｂとした。また、加熱コイル６１の半円周部６１ａとワーク５０の上面５３との距離、即ちコイルギャップをｄとした。高周波インバータ１１として、周波数１０ｋＨｚの高周波を出力し、かつ出力電力が負荷によらず一定制御できるものを用いた。並列共振タイプの負荷回路として、４．１５μＦを４個並列接続した整合用のコンデンサ１２、巻線比８：１の電流変成器１３を用いた。

コイルギャップｄをそれぞれ、１．５、１．７、１．９、２．１、２．３、２．５ｍｍとなるようワークに対して加熱コイル６１を配置して、各コイルギャップｄにおいて、ワーク５０を軸回りに５００ｒｐｍ回転させながら、高周波電力を１５０ｋＷ、５．５秒間投入して焼入れ処理を行った。

実施例４では、判定部２３ｄに対し、予め負荷インピーダンスの基準範囲を数値入力により設定した。負荷インピーダンスの基準範囲として、上限を１．７８Ω、下限を１．７１２Ωとした。さらに、高周波インバータからの出力電流を測定した。出力電流Ｉ_ｏの基準範囲は上限を２９０Ａ、下限を２５０Ａとした。

実施例４の結果について説明する。図１２は実施例４の結果のうち、負荷インピーダンスのコイルギャップ依存性を示す図、図１３は負荷インピーダンス変化率に対するコイルギャップ依存性を示す図、図１４は高周波インバータからの出力電流のコイルギャップ依存性を示す図、図１５は高周波インバータからの出力電流の変化率のコイルギャップ依存性を示す図である。横軸は何れもコイルギャップであり、図１２の縦軸は負荷インピーダンス、図１３の縦軸は負荷インピーダンスの変化率、図１４の縦軸は高周波インバータからの出力電流、図１５の縦軸は高周波インバータからの出力電流の変化率を示す。なお、各値の変化率は、コイルギャップｄでの値をｆ（ｄ）とすると、（ｆ（ｄ）−ｆ（１．５））／ｆ（１．５）を１００倍して求めた。

負荷インピーダンスは、図１２から分かるように、コイルギャップｄが標準値の１．５ｍｍでは１．７５２Ωであるが、ｄが増加すると直線的に増加し、ｄが２．１ｍｍでは基準範囲の上限を超えることが分かる。負荷インピーダンスの変化率は、図１３から分かるように、ｄが２．１で約１．８％増加し、ｄが２．５ｍｍでは２．６％まで増加する。

高周波インバータからの出力電流は、図１４から分かるように、コイルギャップｄが標準値の１．５ｍｍでは約２６７Ａであるが、ｄが増加すると直線的に減少し、ｄが２．５ｍｍでは約２６２Ａまで減少することが分かる。出力電流の変化率は、図１５から分かるように、ｄが２．５ｍｍでは約１．９％減少する。

図１６は、コイルギャップｄが１．５ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）は負荷インピーダンスの波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。図１７は、コイルギャップｄが２．１ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）は負荷インピーダンスの波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。コイルギャップｄが１．５ｍｍ、２．１ｍｍの何れの場合においても、負荷インピーダンスは、高周波焼入れ開始により急激に増加した後に僅かに減少し、その後は増加することが分かる。これに対応し、出力電流は、高周波焼入れ開始により急激に増加した後にわずかに増加し、その後やや減少することが分かる。コイルギャップｄが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．３ｍｍ、２．５ｍｍでも同様な傾向であった。

以上の結果から、コイルギャップｄに対する負荷インピーダンスの変化率は、コイルギャップｄに対する出力電流の変化率より、絶対値比較で大きいことが分かる。よって、高周波焼入れ処理を行う場合には、負荷インピーダンス計測により監視することが好ましいことが分かる。なお、高周波インバータからの出力電流Ｉ_ｏを監視することで、高周波インバータ１１の安定度を推察することができる。

（比較例３）
次に比較例３を示す。
比較例３では、実施例４とは異なり負荷インピーダンスにより監視を行わず、コイル電圧と高周波インバータからの出力電流とを計測して監視する点で異なる。その他の条件は実施例４と同一である。

焼入れ監視に際し、判定部２３ｄに対し、予めコイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌと電流Ｉ_ｏの基準範囲を設定した。具体的には、予め、ワーク５０を既定の標準状態で配置後ワーク５０の焼入れを行い、電流センサ２１及び電圧センサ２２により電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖの各波形を取り込んだ。そして、品質が所定の範囲であることを確認し、取り込んだ波形をそれぞれ基準波形として、各基準波形に沿って縦軸電圧値及び横軸時間について上限と下限を設定した。その際、コイル電圧Ｖ_coilの上限を６１Ｖ、下限を５５Ｖとし、出力電流I_oの上限を２９０Ａ、下限を２５０Ａとした。

比較例３の結果について説明する。図１８はコイル電圧のコイルギャップ依存性を示す図、図１９はコイル電圧変化率に対するコイルギャップ依存性を示す図、図２０は高周波インバータからの出力電流のコイルギャップ依存性を示す図、図２１は高周波インバータからの出力電流の変化率のコイルギャップ依存性を示す図である。横軸は何れもコイルギャップであり、図１８の縦軸はコイル電圧、図１９の縦軸はコイル電圧の変化率、図２０の縦軸は高周波インバータからの出力電流、図２１の縦軸は高周波インバータからの出力電流の変化率を示す。変化率の算出は実施例と同様である。

コイル電圧は、図１８から分かるように、コイルギャップｄが標準値の１．５ｍｍでは５８．８Ｖであるが、ｄが増加すると直線的に増加し、ｄが２．５ｍｍでは約５９．２Ｖであることが分かる。コイル電圧の変化率は、図１９から分かるように、ｄが２．５ｍｍでは０．６８％まで増加する。

高周波インバータからの出力電流は、図２０から分かるように、コイルギャップｄが標準値の１．５ｍｍでは約２６８．４Ａであるが、ｄが増加すると直線的に減少し、ｄが２．５ｍｍでは約２６３Ａまで減少することが分かる。出力電流の変化率は、図２１から分かるように、ｄが２．５ｍｍでは約１．９％減少する。

図２２は、コイルギャップｄが１．５ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）はコイル電圧の波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。図２３は、コイルギャップｄが２．１ｍｍのときの波形を示し、（Ａ）はコイル電圧の波形、（Ｂ）は出力電流の波形を示す図である。図中、実線は各波形を示し、点線はしきい値の範囲の上限と下限を示している。コイルギャップｄが１．５ｍｍでは、図２２から分かるように、波形がしきい値の上限と下限のほぼ中央に収まっているのに対して、コイルギャップｄが２．１では、図２３から分かるように、電圧波形は概ねしきい値の上限と下限の中央近傍に収まったが、電流波形はしきい値内に収まっていなかった。よって、コイルギャップｄが１．５ｍｍでは判定部２３ｄの判定はＯＫであるが、コイルギャップｄが２．１ｍｍでは判定部２３ｄの判定はＮＧであった。なお、コイルギャップｄを変えないで誘導加熱を開始すると、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌ、出力電流Ｉ_ｏが変化するのは、ワークが加熱により誘導加熱し難くなることに起因していると考えられる。

比較例３の結果から、コイルギャップｄが１ｍｍ増加すると、出力電流Ｉ_ｏは約２％減少し、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌは約０．７％増加する。この変化率は実施例４の負荷インピーダンスの変化率と比較すると小さい。

以上説明したように、実施例４と比較例３とを比べると、出力電流Ｉ_ｏ、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌを監視するよりも、負荷インピーダンスを監視するほうが有効であることが分かった。なお、ワークとして棒状部材を例に説明したが、ワークが軸部に対して交わる方向に接続部を有するような、例えばフランジや鍔部近傍を焼入れ処理する際の監視手段として有効である。なぜなら、ワークにおける焼入れ対象領域と加熱コイルとの距離が大きくなるに従い、図１２に示すように、直線部分による焼入れ処理状況には変化が見られないが、半円周部分による焼入れ処理状況は悪くなるからである。

１：高周波焼入れシステム
１０：高周波焼入れ装置
１１：高周波インバータ
１２：整合用のコンデンサ
１３：電流変成器
１３ａ：一次電流側コイル
１３ｂ：二次電流側コイル
１４：加熱コイル
１５：ワーク（被加熱材）
２０：高周波焼入れ監視装置（インピーダンス監視装置）
２１：電流センサ
２２：電圧センサ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ：端部
２３：制御部
２３ａ：電流検出部
２３ｂ：電圧検出部
２３ｃ：信号処理部
２３ｄ：判定部
２３ｅ：表示部
２４：警告部
３０：電圧測定回路
３１：第１の演算増幅器
３２：第２の演算増幅器
３３：フィルター回路
３４：入力抵抗
３５：第１のダイオード
３６：第２のダイオード
３７，３８，３９，４０，４１：抵抗
４２：コンデンサ
５０：ワーク
５１：棒状基部
５２：張出し部
５３：上面
６１：加熱コイル
６１ａ：半円周部
６１ｂ：直線部

Claims (5)

1. 高周波インバータにコンデンサを介在して電流変成器の一次側が接続され、上記電流変成器の二次側に加熱コイルが接続された装置を用いて、上記加熱コイルによりワークを加熱するに当たり、
   上記高周波インバータからの出力電流と上記加熱コイルに生じる電圧とを検出し、検出された電圧を検出された出力電流で割って負荷インピーダンスを求め、負荷インピーダンスの値が閾値の上限及び下限の範囲に収まっているか否かに応じて、上記ワークと上記加熱コイルとのギャップが許容範囲内か否かを判定する、加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法。
2. 前記負荷インピーダンスの値が閾値の上限及び下限の範囲に収まっているか否かは、前記高周波インバータから出力が開始されてから停止するまでの間に亘って判断する、請求項１に記載の加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法。
3. 前記ワークが、軸部と、該軸部から張り出した張出部とを同軸状に有しており、
   前記ワークの張出部に対して鞍型の前記加熱コイルを対向するように配置し、
   前記ワークの張出部と前記加熱コイルとの対向する部分の距離が前記ギャップとして許容範囲内か否かを判定する、請求項１に記載の加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法。
4. 前記負荷インピーダンスの値についての閾値の上限及び下限は、ワークを標準状態に配置して前記高周波インバータから電力を前記加熱コイルに投入し前記高周波インバータからの出力電流と前記加熱コイルに生じる電圧とを検出して負荷インピーダンスに関する基準波形を求め、この求めた基準波形に沿って設定する、請求項１に記載の加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法。
5. 前記高周波インバータの出力は高周波電力が一定となるよう制御する、請求項１に記載の加熱コイルとワークとの位置関係を判定する方法。

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