JP5744432B2

JP5744432B2 - 高周波焼入れシステム及び高周波焼入れ異常判定方法

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Publication number: JP5744432B2
Application number: JP2010163745A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　圭介; 圭介伊藤; 守彦谷野; 藤井　守; 守藤井; 徹也小野; 文昭生田
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: JP2015181114A; JP5994181B2; JP2011042871A

Description

本発明は、高周波加熱処理を適切に行えるようにする高周波焼入れシステム及び高周波焼入れ異常判定方法に関する。

ワークの硬さなどの物性を向上させるために、ワークに対して高周波焼入れ処理が施されている。本発明者らは、負荷変動の検出が高く、高周波焼入れの品質管理を行える高周波焼入れ監視装置を提供してきた（特許文献１）。

特許文献１に開示されている高周波焼入れ監視装置は、ワークを誘導加熱する加熱コイルの電圧と高周波インバータから出力される電流とをモニターするため、適切に高周波焼入れ処理が行われているか否かを判定することができる。

ＷＯ２００９／０３５０１１

しかしながら、特許文献１に開示されている高周波焼入れ監視装置では、高周波インバータに対してコンデンサを介在して接続される加熱コイル、つまり、ワークを誘導加熱する加熱コイルが、所定の磁場分布となるようにその材質や形状などが一定の仕様を備えて設計されている場合を前提としている。

一方、少なくとも加熱コイルでワークを誘導加熱する間、加熱コイル内部には冷却媒体を流して加熱コイルが融けないようにしている。そして、ワークを誘導加熱した後は、ワークに焼入液を噴射するが、この焼入液はワークのみならず加熱コイルにも晒されることがあるため、加熱コイルの材質によっては化学的に劣化が生じてしまう。このように、加熱コイルの温度は大きく変動し、加熱コイルの素材も疲労してしまうことから、長年の使用によって磁場分布に異常をきたすことが生じ得る。以上のことから、ワークを誘導加熱する加熱コイルの異常を検知することができることが好ましい。

また、ワークは焼入れ処理される前に寸法等の品質について検査されているにも拘わらず、高周波焼入れ装置に搬入されるワークの中には寸法公差から外れたワークが混入している場合もある。このことから、寸法公差から外れたワークに対して焼入れ処理をしようとする場合には、焼入れ処理を停止するなどの処置がなされることが好ましい。

本発明は、上記課題に鑑み、高周波焼入れを適切に行えるようにする高周波焼入れシステム及び高周波焼入れ異常判定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、本発明の高周波焼入れシステムは、高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路と、軸方向に外径が変化するワークを加熱コイルの中空に挿通するようにワークを搬送するワーク搬送機構と、高周波インバータからの出力電流を検出する電流センサと、加熱コイルに生じる電圧を検出する電圧センサと、電流センサと電圧センサとの検出信号に基づいて負荷インピーダンスを求める算出部と、算出部で求めた負荷インピーダンスの値から加熱コイル及びワークの少なくとも一方の異常を検知する判定部と、を備える高周波焼入れ異常判定装置と、を備え、ワーク搬送機構が加熱コイルの中空にワークを挿通してワークを搬送しながら、ワークに対し高周波焼入れ処理がなされる際に、判定部は、算出部により求められる負荷インピーダンスの変化がワークの形状データに符合しているかを判定する。
上記目的を達成するために、本発明の高周波焼入れ異常判定方法は、軸方向に外径が変化するワークを加熱コイルの中空に挿通して上記ワークを搬送しながら、高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路を用いてワークに対し高周波焼入れ処理を行う際、高周波インバータから流れる出力電流と加熱コイルに生じるコイル電圧とをそれぞれ計測し、計測した各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の変化がワークの形状データと符合しているかを判定する。

本発明によれば、高周波インバータから流れる出力電流と加熱コイルに生じる負荷インピーダンスとをモニタリングし、それらの値から算出される負荷インピーダンスの変化が、ワーク搬送機構が加熱コイルの中空に挿通して搬送するワークの形状データに符合しているかを判定することができ、焼入れ処理の品質を維持管理することができる。

本発明の実施形態に係る高周波焼入れ異常判定装置を組み込んだ高周波焼入れシステムを模式的に示す図である。出力電流Ｉ_ｏ、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌの波形を模式的に示す図である。図１における信号処理部内の電圧測定回路を示す図である。加熱コイルとワークとの相対位置関係、加熱コイル、ワークについての異常を負荷インピーダンスの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る。図１に示す実施形態の変形例を模式的に示す図である。図５に示す入出力部の一例を模式的に示す図である。加熱コイルの使用経過に伴う負荷インピーダンスの変化を模式的に示す図である。ワークを移動しながら焼入れを行うに当たり、軸方向に外径が変化するようなワークの場合負荷インピーダンスが変化することを説明するための模式図であり、（Ａ）はワークと加熱コイルとの関係を模式的に示し、（Ｂ）はワークの移動距離に伴う負荷インピーダンスの変化を模式的に示している。実施例１に関し、加熱コイルにおけるコアの有無による焼入れ深さを模式的に示し、（Ａ）はコア有りの場合、（Ｂ）はコアなしの場合を示す図である。実施例２に係るワークと加熱コイルを模式的に示す図である。実施例２の結果に関し、出力電流の時間推移を示す図である。実施例２の結果に関し、コイル電圧の時間推移を示す図である。実施例２の結果に関し、負荷インピーダンスの時間推移を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る高周波焼入れ異常判定装置を組み込んだ高周波焼入れシステムを模式的に示す図である。高周波焼入れシステム１は、高周波焼入れ装置１０と高周波焼入れ異常判定装置２０とを備える。

本発明の実施形態に係る高周波焼入れ異常判定装置２０を説明するために、高周波焼入れ装置１０について先ず説明する。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にケーブルにより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。つまり、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。高周波焼入れ装置１０は、図示したものに限らず、等価回路的に、整合用のコンデンサと加熱コイルとが直列共振回路を含んで構成されていてもよい。

高周波インバータ１１は例えば電流型インバータであって、高周波インバータ制御部１１ａにより高周波の出力電圧及び出力電力の何れかが一定となるよう駆動制御される。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に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、例えば加熱コイル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の表面近傍に渦電流を発生させてワーク１５を誘導加熱して焼入れ処理を行う。図１では加熱コイル１４及びワーク１５は模式的にしか示していないが、加熱コイル１４はワーク１５の形状や焼入れ領域などに応じた構造を有している。

次に高周波焼入れ異常判定装置２０について詳細に説明する。高周波焼入れ異常判定装置２０は、高周波インバータ１１からの出力電流を検出する電流センサ２１と、加熱コイル１４に生じる電圧を検出する電圧センサ２２と、電流センサ２１及び電圧センサ２２からの各検出信号に基づいて制御する制御部２３と、を有する。

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、例えばケーブル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はその端子２２ａ，２２ｂで加熱コイル１４に並列接続され、加熱コイル１４に生じる電圧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、即ち、電流センサ２１の検出信号及び電圧センサ２２の検出信号に基づいて出力電流Ｉ_０、電圧Ｖ_ｃｏｉｌの実効値をそれぞれ算出する信号処理部２３ｃと、信号処理部２３ｃで求めた各値に基づいて負荷インピーダンスを算出する算出部２３ｄと、負荷インピーダンスの値から焼入れ処理の異常を検知する判定部２３ｅと、を備える。この判定部２３ｅは、判定結果を表示する表示部２３ｆや、高周波インバータ制御部１１ａやワーク搬送機構（図示せず）への制御信号や焼入れ処理管理部２５への焼入れ処理データを出力する入出ポート（図示せず）などを備えていてもよい。

電流センサ２１と電流検出部２３ａとは、検出した電流Ｉ_ｏ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Ｖ_ｃｏｉｌ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を算出部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。信号処理部２３ｃの具体的な構成については後述する。

算出部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に基づき、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌを出力電流Ｉ_ｏで割ることにより、負荷インピーダンスを算出する。例えば、高周波インバータ１１を制御する高周波インバータ制御部１１ａ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。

図２は、出力電流Ｉ_ｏ、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌの波形を模式的に示す図である。波形は一周期だけ示しているが実際には繰り返しの連続波形となる。高周波インバータ１１から高周波電力が出力されると、コンデンサ１２及び加熱コイル１４の並列共振回路に対して出力電流Ｉ_ｏが流れ、加熱コイル１４にコイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌが生じる。よって、例えば図２に示すように、高周波インバータ１１から高周波が出力される毎に、出力開始から時間ｔ_ｄだけ経過したときの出力電流Ｉ_ｏ、コイル電圧Ｖ_ｃｏｉｌ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。算出部２３ｄは求めた値を判定部２３ｅに出力する。

判定部２３ｅは、算出部２３ｄから負荷インピーダンスの算出値が入力される毎に、又は、ワーク１５を所定回数だけ加熱処理する毎に、負荷インピーダンスの値が所定の範囲内にあるか否かを判定する。判定部２３ｅには予め高周波焼入れ処理に負荷インピーダンスの基準範囲が設置されており、判定部２３ｅは、負荷インピーダンスの値が基準範囲内であった場合には焼入れ処理がＯＫと判断する一方、負荷インピーダンスの値が基準範囲外であった場合には、加熱コイル１４とワーク１５との相対的な位置関係、加熱コイル１４それ自体、ワーク１５それ自体の少なくとも何れかが異常であることを含めて焼入れ処理がＮＧであると判断し、警告部２４に対して警告信号を出力する。

なお、判定部２３ｅは、高周波インバータ制御部１１ａから加熱同期信号Ｓ_ｓが入力されることで波形から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２３ｆに出力するようにしてもよい。その際、判定部２３ｅ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２３ｅは、高周波焼入れ装置１０が動作中の下で、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し、焼入れ処理管理部２５に出力してもよい。

判定部２３ｅは、警告部２４、高周波インバータ制御部１１ａ、焼入れ処理管理部２５の少なくとも何れかに対して警告信号を出力する。その際、判定部２３ｅが警告信号を出力する際、表示部２３ｆに、「ＮＧ」として警告表示を行ってもよい。

警告部２４は、判定部２３ｅ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する。判定部２３ｅは警告信号として高周波インバータ制御部１１ａに対して高周波電力の出力を停止するように出力する。

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について説明する。

図３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。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での第２のダイオード３６の他端における抵抗３７の接続点と第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。

本発明の実施形態による高周波焼入れ異常判定方法を含め、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の近傍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、高周波焼入れ異常判定装置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、電圧の各実効値を電流信号Ｓ_ｉ及び電圧信号Ｓ_ｖとして算出部２３ｄに出力する。

算出部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２３ｅは、各波形において図２で示すように、各波形の立ち上がりから時間ｔ_ｄ経過した時の電流の実効値と電圧の実効値とのデータ列を得、その後、出力電流の実効値をコイル電圧の実効値で割って負荷インピーダンスを算出して、判定部２３ｅに出力する。

判定部２３ｅは、算出部２３ｄから入力された負荷インピーダンスの値が規定の範囲内か範囲外かの判定を行う。判定部２３ｅ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。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たりする。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、高周波インバータ制御部１１ａやワーク搬送機構（図示しない）に制御信号を出力し、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及び加熱コイル１４の管理を行う。

ここで、負荷インピーダンスをモニタリングすることで、加熱コイル１４とワーク１５との相対位置関係、加熱コイル１４、ワーク１５についての異常を検知することができる理由について説明する。
図４は、加熱コイル１４とワーク１５との相対位置関係、加熱コイル１４、ワーク１５についての異常を負荷インピーダンスの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る。高周波誘導加熱装置における電気回路のうち、図１に示す高周波インバータ１１から加熱コイル１４までの電気回路については、高周波インバータ１１とコンデンサ１２とを接続するケーブルの伝送損失Ｒ_ｘを省略すると、コンデンサ１２と加熱コイル１４との部分は抵抗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ことで示され、ワーク１５が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とワーク１５との配置関係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はワークの抵抗成分、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。

以上のように、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、ωＬ１（１−ｋ^２）＋Ｒｅで示される。つまり、負荷インピーダンスは加熱コイル１４のインダクタンス成分の一次関数と近似できることになるから、加熱コイル１４のインダクタンス成分が変化すると負荷インピーダンスもそれに伴い変化することになる。また、負荷インピーダンスは結合係数の２乗の関数となることから、加熱コイルとワークとの相対的な距離を示す指標となり、加熱コイルとワークとの相対的な距離の変化により負荷インピーダンスも変化することになる。特に、ワークの外形寸法が軸方向に変化する場合には、ワークを加熱コイルに搬送しながら加熱処理すると時間的に負荷インピーダンスも変化することになり、この変化によりワークの大まかな形状をモニターすることもできる。

次に、本発明の実施形態の変形例を説明する。
図５は図１に示す実施形態の変形例を模式的に示す図である。図１と異なる点は制御部１２３の構成である。制御部１２３は、図１と同様に電流検出部２３ａ，電圧検出部２３ｂ，電流検出部２３，信号処理部２３ｃ及び算出部２３ｄを備えるほか、焼入れ監視部１２４を備えている。焼入れ監視部１２４は、タッチパネル式などの入出力部１２３ａと判定部１２３ｂと入出力制御部１２３ｃとを含んで構成されている。制御部１２３は、高周波焼入れ装置１０に設けられているセンサや計測器具からのデータの入力を受ける。
センサや計測機器は幾つかの組み合わせが考えられ、以下、具体的に説明する。

センサとして、例えば、加熱コイル１４の近傍には配置されている測位センサ１４ａが挙げられる。この測位センサ１４ａから制御部１２３の入出力制御部１２３ｃに対して、加熱コイル１４の所定の部位とワーク１５の所定部位との距離に関するデータが入力される。

計測機器としては、例えば、高周波インバータ１１に内蔵されている計測機器１１ｂが挙げられ、この計測機器１１ｂから制御部１２３の入出力制御部１２３ｃに対して、高周波インバータ１１の出力電力、出力電流、出力電圧などのパラメータに関するデータが入力される。また、高周波インバータ制御部１１ａからインバータの出力に同期した信号、所謂同期信号が、入出力制御部１２３ｃに入力される。高周波インバータ制御部１１ａから焼入れの設定条件に関するデータ、計測機器１１ｂから出力電圧、出力電流、出力電力、出力時間等の検出データが入出力制御部１２３ｃに入力される。

変形例では、高周波焼入れの正常性を判断する際の項目を任意に一又は複数指定することができるよう、入出力制御部１２３ｃがタッチパネル式の入出力部１２３aにリストの画面を表示する。作業者は、焼入れ対象となるワーク、焼入れ処理に応じて、高周波焼入れの正常性を判定するための項目を一以上リストから選択し、入出力部１２３aに入力する。入出力部１２３aに入力された項目が、高周波インバータ制御部１１ａから出力される同期信号などをトリガーとして、時系列変化の監視対象となる。

高周波焼入れの正常性を判断する項目としては、加熱コイルの両端に生じる電圧、高周波インバータから加熱コイル側に流れる電流、加熱コイルの両端の電圧と高周波インバータから流れる電流との比で求まる負荷インピーダンス、加熱コイルとワークとの相対的な位置のほか、高周波インバータから出力される高周波電力、高周波電圧、高周波電流又は高周波の周波数の何れか又はそれらの組み合わせが挙げられる。

入出力制御部１２３ｃは、入出力部１２３ａからの入力を受けてその入出力部１２３ａに対して必要なデータ等を出力する。例えば、高周波焼入れの正常性を判断する項目を入出力部１２３ａに表示して作業者に選択させる。入出力部１２３ａは、作業者からの選択に係る入力を受けると、入出力制御部１２３ｃにその入力に係る情報を入力し、判定部１２３ｃに伝達する。これにより、作業者のニーズに応じて複数の項目から焼入れ監視を行うことができる。

この変形例では、入出力制御部１２３ｃには、高周波インバータ制御部１１ａから焼入れ条件に関するデータ信号、計測機器１１ｂを含んだ各種計測機器からの検出信号その他の各種モニター信号、電流センサ２１及び電圧センサ２２の各検出信号、算出部２３ｄで求めた負荷インピーダンスのデータが取り込まれる。そのため、焼入れ監視部１２４では、この取り込んだデータ類のうち一又は複数を、作業者の焼入れ監視のニーズに応じて入出力部１２３ａにより選択し、判定部１２３ｂにより焼入れ監視することができる。入出力制御部１２３ｃには、取り込まれたデータ類をその焼入れ開始からの時間単位で一時的に確保しておくことにより、焼入れ異常が判断された場合に、異常判定項目として選択しなかったデータ類を入出力部１２３ａに表示したり、図示しない記録媒体に一旦格納して別途コンピュータ上に表示したりして、焼入れ異常の原因を追究することができる。

図６は、入出力部１２３ａの一例を模式的に示す図である。入出力部１２３ａはタッチパネル表示器などで構成されており、図６に示すように、時系列表示領域Ａ１と項目データ表示領域Ａ２と、を含んで構成されている。時系列表示領域Ａ１は、選択した項目の時系列変化を表示する領域であり、項目データ表示領域Ａ２には項目名、選択ボタン、現在値、平均値、最大値、最小値からなる項目データが表示される。時系列表示領域Ａ１には、点線で示すように焼入れ開始により取り込んだデータの波形を基準値として表示しておき、実線で示すように実際の監視対象となる焼入れの波形を同じ座標軸上に重ねて表示する。作業者は、例えば、時系列表示領域Ａ１に表示される焼入れの波形を基準値と比較し、項目データ表示領域Ａ２に示される項目データを参照して、選択した項目の時間的変化をモニタリングして焼入れ処理に異常がないか判断することができる。

次に、どのような項目を選択したら適切に焼入れ処理の異常を判定できるかについて説明する。

具体的な例を説明すると、加熱コイル中に磁性体でなるコアが含まれている場合と含まれてない場合とでは、インダクタンスが異なる。よって、加熱コイルからコアが欠落したか否かを容易に察知することができる。例えば、コアが加熱コイルから外れているような場合には、コアに集中していた磁束が広がることにより、加熱範囲が広がる。すると、ワーク表面近傍に流れる領域も広がる。その結果、負荷インピーダンスが変化すると考えられる。同様な現象は加熱コイルのコアが欠けたり、ひび割れなどが生じたりしたような場合でも生じ、加熱コイルのインダクタンス成分が変化する。その結果として、負荷インピーダンスも変化することになる。

別の例を挙げると、加熱コイルの中には、冷却媒体を流すための第１の中空と、ワーク１５に対して焼入れ液を流すための第２の中空を設けたものがある。第１の中空は冷却媒体を出し入れするものであり、冷却媒体は導通部の熱を吸収する。第２の中空は焼入液を流してワーク１５に向けて噴射するためのものである。加熱コイルは温度変化が繰り返しその変化が大きいため、加熱コイル自体に変形などが生じる。そのため、加熱コイルを使用し続けると負荷インピーダンスが変化する。

別の例を挙げる。図７は、加熱コイルの使用経過に伴う負荷インピーダンスの変化を模式的に示す図である。横軸は時間軸であり、縦軸は負荷インピーダンスである。加熱コイルの使用回数が増すと、実線で示すように負荷インピーダンスが増加し、逆に点線で示すように負荷インピーダンスが減少する。負荷インピーダンスが増加するか減少するかは加熱コイルの形状などに依存する。焼入れ条件は、高周波回路、高周波インバータの出力、ワークの材質及び形状、要求される仕様などによって決定される。そこで、理想的な負荷インピーダンスの値に基づき負荷インピーダンスの許容幅を図７に示すΔＺとして予め設定しておくことで、負荷インピーダンスの確認回数として決めた回数だけ焼入れ処理を行った後に、負荷インピーダンスが許容幅に入っていることを確認して、加熱コイルが正常であることを確認することができる。熱処理回数に対する確認処理の頻度は、焼入れ条件や加熱コイルの使用頻度に応じて決定すればよい。図７に示すように、負荷インピーダンスが許容幅ΔＺからずれると加熱コイルを交換することになり、加熱コイルの交換周期が図７に示すΔＴとなる。

別の例を挙げる。ワークと加熱コイルとの距離が変化することで負荷インピーダンスが変化することを説明する。図８は、ワークを移動しながら焼入れを行うに当たり、軸方向に外径が変化するようなワークの場合負荷インピーダンスが変化することを説明するための模式図であり、（Ａ）はワークと加熱コイルとの関係を模式的に示し、（Ｂ）はワークの移動距離に伴う負荷インピーダンスの変化を模式的に示している。ワーク５０は、図８（Ａ）に示すように、軸方向に沿って外形が異なっており、ワーク５０は中径部５１と小径部５２と大径部５３とがこの順序で接続されているとする。図示しないワーク搬送機構は、加熱コイル５５の中空に対しワーク５０の軸方向に沿ってワーク５０を搬送するとする。すると、ワーク５０は中空を有する加熱コイル５５に挿通される。ワーク５０がワーク搬送機構により加熱コイル５５の中空に挿通されると、加熱コイル５５により焼入れされるワークの所定の部位に対して焼入れ処理が施される。

ワーク搬送機構によりワーク５０を矢印の方向に移動させながら、図１に示す高周波焼入れシステム１によりワーク５０に焼入れを行う。ワーク５０を移動するので、加熱コイル５５とワーク５０表面との距離、つまりギャップｄが変化する。ワーク５０のうち、先ずは中径部５１が加熱コイル５５の内周面に対向し、次に小径部５２が加熱コイル５５の内周面に対向し、最後に大径部５３が加熱コイル５５の内周面に対向する。このように、ワーク５０の搬送に伴い、ギャップｄが変化して、ワーク５０と加熱コイル５５との相互インピーダンスが変化する。つまり、ワーク５０の搬送に伴い、負荷インピーダンスが変動する。加熱コイル５５とワーク５０との間が広くなると負荷インピーダンスが大きくなり、逆に加熱コイル５５とワーク５０との間が狭くなると負荷インピーダンスが小さくなる。加熱コイル５５とワーク５０との相互誘導結合の程度が変化するからである。
図８（Ｂ）に示すように、加熱コイル５５の内表面に対向するワーク５０の部位が中径部５１から小径部５２に変わると負荷インピーダンスがＺ１からＺ２に増加し、加熱コイル５５の内表面に対向するワーク５０の部位が小径部５２から大径部５３に変わると、負荷インピーダンスがＺ２からＺ３に減少する。なお、負荷インピーダンスＺ１、Ｚ２、Ｚ３の大小関係はＺ３＜Ｚ１＜Ｚ２を満たす。

このことから、図１に示す高周波焼入れ異常判定装置２０において、外形が軸方向に変化するワーク５０に対し高周波焼入れ処理を施す場合には、算出部２３ｄで求まる負荷インピーダンスが変化する。そこで、判定部２３ｅにワークの形状データを格納しておく。すると、判定部２３ｅは、算出部２３ｄから入力される負荷インピーダンスの値の変化がワークの形状データに符合しているかを判断し、ワークの外形が規定と異なる場合を判定することができる。このように、高周波焼入れ異常判定装置２０は、ワークの形状をある程度認識することができ、形状不良を発見することができる。

別の例を挙げる。一度焼入れ処理を行ったワークは、焼入れされた領域の組成が変形する。そのため、一度焼入れ処理されたワークにおいては、焼入れされた領域の透磁率等が変化する。よって、加熱コイルに対するワークの位置が同一の範囲であっても、加熱コイルとワークとの相互誘導の状況が異なり、負荷インピーダンス、高周波インバータから出力される電流、加熱コイルの両端に生じる電圧が変化しうる。
後述する実施例においては、一度焼入れ処理を行ったワークに対して同一の要領で誘導加熱処理を行うと、高周波誘導加熱開始から加熱終了までの所定の時間のうち、加熱開始から加熱時間の約半分までの時間帯では出力電流が増加する一方、加熱コイルの両端に生じる電圧には変化がなかった。これにより、加熱開始から所定の時間だけ、負荷インピーダンスが通常よりも低くなっている場合や、高周波インバータからの出力電流が通常よりも高くなっている場合には、そのワークは既に焼入れ処理がなされていると判断し、そのワークを生産ラインから外すなどの適切な処置をとることができる。

実施例に基づいて本発明をさらに説明する。図９は実施例１でのワークと加熱コイルとの関係を模式的に示す端面図であり、（Ａ）はコアを取り付けた場合、（Ｂ）はコアを意図的に取り外した場合を、それぞれ示している。加熱コイル６０は導線（図示しない）がループ状に巻かれ、加熱コイル６０には上下端から等距離にコア設置部６１が設けられており、コア設置部６１に磁性体でなるコア６２が配置されている。ワーク６５の焼入れ面６５ａに対してコア６２が対向するよう加熱コイル６０を設定した。

このワーク６５に対し、図１に示す高周波焼入れシステム１を用いて焼入れ処理を行った。その際、加熱コイル６０とワーク６５との相対位置は不変となるようにした。高周波焼入れ異常判定装置２０により負荷インピーダンスを測定した。図９（Ａ）に示すように、コア付きの加熱コイル６０を用いて高周波焼入れシステム１によりワーク６５に焼入れ処理を施した。加熱コイル６０でワーク６５を加熱したとき、負荷インピーダンスは約５．７１Ωであった。次に、図９（Ｂ）に示すようにコア６２を取り外して同様のワーク６５を加熱したとき、負荷インピーダンスは約５．６２Ωまで低下した。即ち、負荷インピーダンスは、（５．６２−５．７１）／５．７１×１００＝１．５４％減少した。さらに、図示を省略するが、コアの輪郭を一部切削した後に加熱コイル中に戻して、同様のワークを加熱した。すると、負荷インピーダンスは５．６６Ωであった。正常の場合と比べて、負荷インピーダンスは、０．８５％減少した。

これらの結果について考察する。図９（Ａ）に示すように、磁性体からなるコア６２が加熱コイル６０に含まれている場合には、加熱コイル６０に流れる高周波電流によりワーク６５に生じる渦電流はワーク６５の内部には伝わらず、焼入れ深さが浅くなる。これは磁性体からなるコア６２が加熱コイル６０に設置されていることで、ワーク６５の表面近傍の透磁率が見かけ上大きくなっているためと推察される。符号６６は焼入れされた領域を示している。逆に、図９（Ｂ）に示すように、加熱コイル６０にコア６２が含まれていない場合には、加熱コイル６０に流れる高周波電流によりワーク６５に生じる渦電流はワーク６５の内部に伝わり易くなり、焼入れ深さが深くなる。これは加熱コイル６０にコア６２がないため、ワーク６５の表面近傍の透磁率が素材固有の値となる。よって、コア６２が在る場合と比較すると、ワーク６５の焼入れ面から深い位置まで渦電流が伝達し、より深く焼入れされることになる。つまり、コア６２の有無により焼入れの深さを調整するわけである。よって、加熱コイル６０中のコア６２の有無により負荷インピーダンスが変化し、前述の実施例のように、コア６２がない場合にはコア６２がある場合と比べて負荷インピーダンスが低下したと推察される。

実施例１の結果から、加熱コイル中のコアが破損したり、部分的に欠けると、負荷インピーダンスが変化している。よって、加熱コイルとワークとの位置関係が変化しない場合であっても、負荷インピーダンスをモニタリングすることで、加熱コイルの異常を検知することが可能である。その際、負荷インピーダンスの変動は、加熱コイルの異常のみならず、加熱コイルとワークとの相対距離などにも依存する。よって、加熱コイルがワークに対して所定の関係になるよう配置されていることを、測位センサを用いて加熱コイルとワークとの位置をそれぞれ求めて、相対距離が変化していないことを確認する必要がある。また、加熱コイル、ワークが熱処理毎にずれないよう、加熱コイル、ワークの各位置を固定する必要がある。

実施例２として、図１０に示す円筒形のワーク７５内周面に設けられたリング状の溝７５ａに対して図１に示す高周波焼入れシステム１を用いて焼入れ処理を行った。その際、加熱コイル７０とワーク７５との相対位置は不変となるようにした。高周波焼入れ異常判定装置２０により、出力電流、コイル電圧及び負荷インピーダンスを測定した。ワーク７５に対して一回焼入れをした場合と、二回焼入れをした場合とで、それぞれ測定した。

図１１〜図１３は実施例２の結果を示しており、図１１は出力電流、図１２はコイル電圧、図１３は負荷インピーダンスについての時間推移を示す図である。図１１〜図１３において、一回焼入れを「標準」、二回焼入れを「再焼」として凡例を示している。何れの波形も加熱開始とともに立ち上がって一定や所定のカーブを描いて立ち下がる。二回焼入れを行った場合、一回の焼入れを行った場合と比較すると、加熱開始から所定の時間、具体的には１〜２．５秒経過したときの負荷インピーダンスは１．４５％低下し、出力電流は１．２７％増加した。それに対し、焼入れ回数によりコイル電圧は変化がなかった。

これにより、ワークが既に焼入れされているか否かは、負荷インピーダンスと出力電流の時間的変化をモニターすればよいことが分かった。

実施例２の結果から、ワークと加熱コイルとの位置関係が正常であっても、負荷インピーダンスが低下し、出力電流が増加し、コイル電圧が変化しないようであれば、既にそのワークに対し焼入れ処理がなされていると判断することができる。

本発明の実施形態の一つは、高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路に対して取り付けられる高周波焼入れ異常判定装置であって、上記高周波インバータからの出力電流を検出する電流センサと、上記加熱コイルに生じる電圧を検出する電圧センサと、上記電流センサと上記電圧センサとの検出信号に基づいて負荷インピーダンスを求める算出部と、上記算出部で求めた負荷インピーダンスと上記電流センサからの検出信号との時間的変化から、ワークに対し既に高周波焼入れ処理がなされているかを判定する判定部と、を備える。
好ましくは、前記判定部は、前記電圧センサからの検出信号が時間的に変化しないことを確認してから上記ワークに対し既に高周波焼入れ処理がなされているかを判定する。
本発明の他の実施形態に係る高周波焼入れ異常判定方法では、高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路を用いてワークに対し高周波焼入れ処理を行う際、上記高周波インバータから流れる出力電流と上記加熱コイルに生じるコイル電圧とをそれぞれ計測し、計測した各値から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と上記電流センサからの検出信号との時間的変化から上記ワークに対し既に高周波焼入れ処理がなされているかを判定する。
好ましくは、前記ワークに対して既に高周波焼入れ処理がなされているかを判定する際、前記加熱コイルに生じるコイル電圧が時間的に変化しないことを確認する。
これにより、高周波インバータから流れる出力電流と加熱コイルに生じる負荷インピーダンスとをモニタリングし、ワークに対して既に高周波焼入れ処理がなされているかを判定することができ、焼入れ処理の品質を維持管理することができる。
本発明の実施形態による高周波焼入れ異常判定装置及び方法は前述したものに限定されず、加熱コイルとワーク表面との相対的な距離の違いや変化、加熱コイルの磁界特性の違いや変化、ワークの外形などを判断することができるので、高周波焼入れ処理の質を維持し、また、焼入れ処理ラインでの連続的な焼入れ処理に伴い発生しうる不良品の混入を未然に防止することができる。

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
１１ａ：高周波インバータ制御部
１１ｂ：計測機器
１２：コンデンサ
１３：電流変成器
１３ａ：一次コイル
１３ｂ：二次コイル
１４：加熱コイル
１４ａ：測位センサ
１５：ワーク
２０：高周波焼入れ異常判定装置
２１：電流センサ
２２：電圧センサ
２２ａ，２２ｂ：電圧センサの端子
２３：制御部
２３ａ：電流検出部
２３ｂ：電圧検出部
２３ｃ：信号処理部
２３ｄ：算出部
２３ｅ：判定部
２３ｆ：表示部
２４：警告部
２５：焼入れ処理管理部
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
５０，６５：ワーク
５１：ワークの中径部
５２：ワークの小径部
５３：ワークの大径部
５５：加熱コイル
６０，７０：加熱コイル
６１：コア設置部
６２：コア
６５ａ：焼入れ面
７５：ワーク
７５ａ：溝
１２３：制御部
１２３ａ：入出力部
１２３ｂ：判定部
１２３ｃ：入出力制御部
１２４：焼入れ監視部

Claims

高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路と、
軸方向に外径が変化するワークを上記加熱コイルの中空に挿通するように上記ワークを搬送するワーク搬送機構と、
上記高周波インバータからの出力電流を検出する電流センサと、上記加熱コイルに生じる電圧を検出する電圧センサと、上記電流センサと上記電圧センサとの検出信号に基づいて負荷インピーダンスを求める算出部と、上記算出部で求めた負荷インピーダンスの値から上記加熱コイル及びワークの少なくとも一方の異常を検知する判定部と、を備える、高周波焼入れ異常判定装置と、
を備え、
上記ワーク搬送機構が上記加熱コイルの中空に上記ワークを挿通して上記ワークを搬送しながら、上記ワークに対し高周波焼入れ処理がなされる際に、上記判定部は、上記算出部により求められる負荷インピーダンスの変化が上記ワークの形状データに符合しているかを判定する、高周波焼入れシステム。
さらに、前記高周波インバータの出力を制御する高周波インバータ制御部、前記高周波インバータに設けられている計測機器の何れか又は双方から出力された一以上のモニター信号を受ける入出力制御部を備え、
入出力部により上記一以上のモニター信号、上記電流センサ及び上記電圧センサの各検出信号、前記算出部で求めた負荷インピーダンスのうち一又は複数を選択して、前記判定部により焼入れ処理の異常を検知可能とする、請求項１に記載の高周波焼入れシステム。
軸方向に外径が変化するワークを加熱コイルの中空に挿通して上記ワークを搬送しながら、高周波インバータに加熱コイルとコンデンサとを接続してなる高周波回路を用いて上記ワークに対し高周波焼入れ処理を行う際、
上記高周波インバータから流れる出力電流と上記加熱コイルに生じるコイル電圧とをそれぞれ計測し、計測した各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の変化がワークの形状データと符合しているかを判定する、高周波焼入れ異常判定方法。