JP7468386B2 - 誘導加熱コイル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は誘導加熱コイル及びその製造方法に関し、特に、層状に敷き詰めた金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成することを繰り返して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法に関する。

近年、層状に敷き詰めた金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させることを繰り返し、多数の金属層を積層一体化して三次元形状の物品を造形する積層造形技術（いわゆる「３Ｄプリンタ技術」）が、脚光を浴びている。
特許文献１には、このような積層造形技術を用いて誘導加熱コイルを製造する手法が開示されている。

特開２０１８－０１０８７６号公報

発明者らは、特許文献１に開示された誘導加熱コイルに関し、以下の問題点を見出した。円柱状の加熱対象物の誘導加熱に用いる誘導加熱コイルを傾斜角度９０°で積層造形する場合、コイルの内部にサポートを形成する必要がある。具体的には、図１２～図１４を参照して説明する。

図１２～図１４は、従来の誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイル３００を示す模式的斜視図である。ｚ軸プラス向きが鉛直上向きであり、ｘｙ平面が水平面である。平面視で誘導加熱コイル３００の面積が最大面積となる場合、すなわち誘導加熱コイル３００の配管部１００をｘ軸正側に、コイル部２００をｘ軸負側に載置する場合を、誘導加熱コイル３００の傾斜角度が０°であると定義する。また、図１２に示すように、平面視で誘導加熱コイル３００の面積が最小面積となる場合、すなわち誘導加熱コイル３００の配管部１００をｚ軸正側に、コイル部２００をｚ軸負側に配置する場合を、誘導加熱コイル３００の傾斜角度が９０°であると定義する。

図１３は、図１２のＸＩＩＩで示す領域の拡大図である。図１２に示すように、誘導加熱コイル３００の造形時の傾斜角度を９０°とすると、図１３に示すように直線状パイプ２０３の中空状の経路２０７の内部にもサポートＳを形成する必要がある。造形後、経路２０７の内部に形成したサポートＳは除去できないため、直線状パイプ２０３の経路２０７の内部における冷却水等の冷媒の流れを阻害してしまうという問題がある。

ここで、従来の製造方法によって製造された誘導加熱コイルの直線状パイプ２０３の経路２０７の内部にサポートＳを形成しないようにするためには、図１４に示すように、誘導加熱コイル３００の造形時の傾斜角度を４５°とする必要があった。しかし、図１４に示すように誘導加熱コイル３００を傾斜角度４５°で製造すると、図１２に示すように傾斜角度９０°で製造する場合に比べて、造形時に広いｘｙ平面方向の面積を要する。例えば、図１４に示すように、一度に造形できる誘導加熱コイル３００の数が少なく、一例として２個であり、生産効率が悪いという問題がある。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、内部にサポートを形成することなく積層造形可能であり、直線状パイプの内部の複数経路内の水温の偏りを抑制可能な誘導加熱コイル、及び生産効率を向上可能な誘導加熱コイルの製造方法を提供するものである。

本発明の一形態に係る誘導加熱コイルは、
円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状パイプと、
前記円弧状パイプの一端同士をつなぐ直線状パイプと、を備える誘導加熱コイルであって、
前記直線状パイプの内部には、前記直線状パイプの長手方向に沿って延設され、前記直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁が少なくとも１つ以上形成されており、
前記壁には少なくとも１個以上の菱形の貫通孔が形成されている。

本発明に係る誘導加熱コイルでは、直線状パイプの内部には、直線状パイプの長手方向に沿って延設され、直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁が少なくとも１つ以上形成されている。したがって、壁がサポートとしての機能を有するため、直線状パイプの内部にサポートを形成する必要がない。さらに、壁には少なくとも１個以上の菱形の貫通孔が形成されている。そのため、直線状パイプの内部の複数経路内で生じ得る水温の偏りを抑制可能である。

隣り合う前記壁同士の間隔が５ｍｍ以下であってもよい。このような構成によって、直線状パイプの内部にサポートを形成する必要がない。

本発明の一形態に係る誘導加熱コイルの製造方法は、
金属粉末を層状に敷き詰めるステップと、
層状に敷き詰めた前記金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
前記金属層を鉛直上側に順次積層して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法であって、
前記誘導加熱コイルは、円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状パイプと、前記円弧状パイプの一端同士をつなぐ直線状パイプと、を備え、
前記直線状パイプの内部に、前記直線状パイプの長手方向に沿って延設され、前記直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁を少なくとも１つ以上形成し、
前記壁に少なくとも１個以上の菱形の貫通孔を形成する。

本発明に係る誘導加熱コイルの製造方法では、直線状パイプの内部に、直線状パイプの長手方向に沿って延設され、直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁を少なくとも１つ以上形成する。したがって、壁がサポートとしての機能を有するため、造形時に直線状パイプの内部にサポートを形成する必要がない。さらに、壁に少なくとも１個以上の菱形の貫通孔を形成する。そのため、直線状パイプの内部の複数経路内で生じ得る水温の偏りを抑制可能である。

隣り合う前記壁同士の間隔が５ｍｍ以下であってもよい。このような構成によって、中空状の直線状パイプにダレが生じることなく製造できる。よって、直線状パイプの内部にサポートを形成する必要がない。

前記直線状パイプが造形された後に、前記円弧状パイプが造形されてもよい。このような構成によって、生産効率を向上できる。

本発明により、内部にサポートを形成することなく積層造形可能であり、直線状パイプの内部の複数経路内の水温の偏りを抑制可能な誘導加熱コイル、及び生産効率を向上可能な誘導加熱コイルの製造方法を提供できる。

実施形態に係る誘導加熱コイルを示す模式的斜視図である。 実施形態に係る誘導加熱コイルの直線状パイプの内部構造を示す斜視図である。 実施形態に係る誘導加熱コイルの直線状パイプの内部構造を示す正面断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面斜視図である。 実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置の一例を示す模式的断面図である。 実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイルを示す斜視図である。 図６のＶＩＩの領域を示す拡大斜視図である。 実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイルを示す斜視図である。 実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルが、クランクシャフトＣＳのクランクピンＣＰを焼き入れする様子を示す模式的斜視図である。 実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルによって焼き入れされたクランクピンＣＰの焼き入れ結果を示す断面写真である。 実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルによって焼き入れされたクランクピンの焼き入れ深さの結果を示すグラフである。 従来の誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイルを示す模式的斜視図である。 図１２のＸＩＩＩで示す領域の拡大図である。 従来の誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイルを示す模式的斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及のない限り、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、ｘｙ平面が水平面である。

（実施形態）
＜誘導加熱コイルの構成＞
まず、図１を参照して、実施形態に係る誘導加熱コイルの構成について説明する。
図１は、実施形態に係る誘導加熱コイル１を示す模式的斜視図である。誘導加熱コイル１は、例えば純銅又はクロム銅等の銅基合金からなる。図１に示すように、誘導加熱コイル１は、配管部１０及びコイル部２０を備えている。

図１に示すように、配管部１０は、一対のリード配管１１ａ、１１ｂ、接続配管１２、及び排水用配管１３を備えている。配管部１０は、いずれも幅広面がｙ軸方向に垂直な（ｙ軸方向の幅が小さい）平角管から構成されている。

また、コイル部２０は、中心軸がｙ軸に平行な円柱状の加熱対象物を外側から誘導加熱する。図１に二点鎖線で示した加熱対象物の一例は、クランクシャフトのクランクピンＣＰである。他の加熱対象物の一例は、クランクシャフトのクランクジャーナルである。図１に示すように、コイル部２０は、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状コイル２０ａ、２０ｂを備えている。

さらに、図１に示すように、円弧状コイル２０ａは、第１の円弧状パイプ２１ａ、第２の円弧状パイプ２２ａ、及び直線状パイプ２３ａを備えている。直線状パイプ２３ａは、第１の円弧状パイプ２１ａと第２の円弧状パイプ２２ａの一端同士をつなぐパイプである。同様に、円弧状コイル２０ｂは、第１の円弧状パイプ２１ｂ、第２の円弧状パイプ２２ｂ、及び直線状パイプ２３ｂを備えている。直線状パイプ２３ｂは、第１の円弧状パイプ２１ｂと第２の円弧状パイプ２２ｂの一端同士をつなぐパイプである。

図１に示すように、リード配管１１ａ、１１ｂは、上方（ｚ軸正方向）に延設されると共に、ｙ軸方向に並設されている。そして、リード配管１１ａ、１１ｂの端部（ｘ軸負側）は、それぞれ高周波電源（不図示）に接続されている。一方、リード配管１１ａの下端は、円弧状コイル２０ａの第２の円弧状パイプ２２ａの根元部（上端部）に接続され、リード配管１１ｂの下端は、円弧状コイル２０ｂの第２の円弧状パイプ２２ｂの根元部（上端部）に接続されている。

図１に示すように、接続配管１２は、一対の円弧状コイル２０ａ、２０ｂを互いに接続している。図１の例では、接続配管１２はｘｚ平面視においてＵ字形状を有している。具体的には、接続配管１２は、円弧状コイル２０ａの第１の円弧状パイプ２１ａの根元部（上端部）から上方に延設されると共に、リード配管１１ａとｙ軸方向に並設された部位を有している。また、接続配管１２は、円弧状コイル２０ｂの第１の円弧状パイプ２１ｂの根元部（上端部）から上方に延設された部位を有している。そして、ｘ軸方向に並設された両部位の上端部がｘ軸方向に延設された部位によって互いに接続されている。

排水用配管１３は、一端が接続配管１２の端部に接続されており、他端から冷却水が排出される。この排水用配管１３の他端は絶縁されているため、排水用配管１３には電流は流れない。

円弧状コイル２０ａの第１の円弧状パイプ２１ａ及び第２の円弧状パイプ２２ａは、いずれもクランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って略１／４円弧状に湾曲した角パイプであって、ｙ軸方向に並設されている。そして、第１の円弧状パイプ２１ａ及び第２の円弧状パイプ２２ａの先端部（下端部）は、クランクピンＣＰの軸方向（ｙ軸方向）に延設された直線状パイプ２３ａによって互いに接続されている。

同様に、円弧状コイル２０ｂの第１の円弧状パイプ２１ｂ及び第２の円弧状パイプ２２ｂは、いずれもクランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って略１／４円弧状に湾曲した角パイプであって、ｙ軸方向に並設されている。そして、第１の円弧状パイプ２１ｂ及び第２の円弧状パイプ２２ｂの先端部（下端部）は、クランクピンＣＰの軸方向（ｙ軸方向）に延設された直線状パイプ２３ｂによって互いに接続されている。

誘導加熱コイル１における電流及び冷却水の流れＦＬについて説明する。
図１において、高周波電源から供給される電流は、リード配管１１ａ、円弧状コイル２０ａ、接続配管１２、円弧状コイル２０ｂ、及びリード配管１１ｂをこの順又は逆順に流れる。

また、図１において、円弧状コイル２０ａを冷却するための冷却水は、リード配管１１ａの端部から導入され、円弧状コイル２０ａ及び接続配管１２を介して排水用配管１３から排出される。図１において、冷却水の流れＦＬを、破線部で示す。
一方、円弧状コイル２０ｂを冷却するための冷却水は、リード配管１１ｂの端部から導入され、円弧状コイル２０ｂ及び接続配管１２を介して排水用配管１３から排出される。
なお、誘導加熱コイルの内部を流れる冷媒は冷却水に限定されない。

次に、図２～図４を用いて、直線状パイプ２３ａの内部構造について説明する。
図２は、実施形態に係る誘導加熱コイル１の直線状パイプ２３ａの内部構造を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩの破線領域を示している。以下に説明する直線状パイプ２３ａの内部構造は、直線状パイプ２３ａと対である直線状パイプ２３ｂも同様に備える。

図２に示すように、直線状パイプ２３ａの内部経路２７には、壁２４、２５が形成されている。壁２４、２５は直線状パイプ２３ａの長手方向（ｙ軸方向）に沿って延設されており、略角柱状である。壁２４、２５は、直線状パイプ２３ａの内部経路２７を、複数の経路２６ａ、２６ｂ、２６ｃに分割する。ここで、内部経路２７は上述の冷却水が流れる経路を指す。壁２４、２５によって内部経路２７が分割されて形成された経路２６ａ、２６ｂ、２６ｃは略円筒状である。壁２４、２５は、本実施形態に係る誘導加熱コイルを積層造形する際に、サポートとしての機能を有する。したがって、内部経路２７にサポートを形成することなく積層造形できる。

壁２４には、経路２６ａと経路２６ｂとをつなぐ貫通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃが形成されている。同様に、壁２５には、経路２６ｂと経路２６ｃとをつなぐ貫通孔２５ａ、２５ｂ、２５ｃが形成されている。各貫通孔の形状は断面視菱形であり、詳細は図４を用いて後述する。図２では一例として、壁に貫通孔が３個ずつ形成された例を説明したが、貫通孔は少なくとも１個以上形成されていればよい。各壁に１個以上の貫通孔を設けることによって、隣り合う経路同士の間を冷却水が流れることができる。誘導加熱の際に、より加熱対象物に近い経路２６ｃが、より加熱対象物から遠い経路２６ａに比べて高温になるが、経路間に貫通孔を設けることにより、経路間での冷却水の水温の偏りを抑制することができる。

図３は、実施形態に係る誘導加熱コイルの直線状パイプ２３ａの内部構造を示す正面断面図である。隣り合う壁２４と壁２５との間隔は、５ｍｍ以下である。換言すると、壁２４と壁２５との間に形成された経路２６ｂのｚ軸正側のｘｙ平面におけるｘ軸に沿う幅が５ｍｍ以下となるように、壁２４と壁２５とを形成する。つまり、内部経路２７において、複数の経路のｚ軸正側のｘｙ平面におけるｘ軸に沿う幅が５ｍｍ以下となるように、壁を形成する。このような構成によって、中空状の直線状パイプ２３ａにダレが生じることなく製造できる。よって、直線状パイプの内部にサポートを形成する必要がない。

図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面斜視図である。図４に示すように、貫通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃの断面形状は、菱形である。つまり、貫通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃの形状は、断面視菱形の角筒状である。ここで、本明細書における「菱形」とは、四辺の長さがすべて等しく、四つの内角がすべて直角である正方形である。図４に示すように、貫通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、当該正方形がｙｚ平面において傾斜角度４５°で配置されている。各貫通孔の断面形状を菱形とすることによって、積層造形の際にダレの形成を抑制しつつ、角筒状の貫通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃを形成することができる。

さらに、本実施形態に係る誘導加熱コイル１は、配管部１０とコイル部２０とが一体造形されているため、各部品をロウ付けにより接合して製造された誘導加熱コイルに比べ、高寿命である。ここで「寿命」とは、誘導加熱コイルに水漏れなどが生じて使用できなくなることを指す。具体的には、ロウ付けにより製造された誘導加熱コイルは平均２万ショット、最大３万ショット用いることができるが、本実施形態に係る誘導加熱コイル１は、９万ショット用いることができる。また、本実施形態に係る誘導加熱コイル１は、ロウ付けによって製造された誘導加熱コイルに比べて製造単価が安価であるため、製造コストを低減することができる。

一方で、本実施形態に係る誘導加熱コイル１が誘導加熱する加熱対象物の焼き入れ深さは、ロウ付けにより製造された誘導加熱コイルが誘導加熱する加熱対象物の焼き入れ深さと同等である。焼き入れ深さの従来技術との比較結果については、実施例を用いて後述する。また、基礎物性についても、ロウ付けにより製造された誘導加熱コイルは純銅から製造するため導電率１００％であるが、本実施形態に係る誘導加熱コイル１は銅基合金からなるため、導電率は９０％程度と高く、誘導加熱コイルとして十分に使用可能である。

＜積層造形装置の構成及び動作＞
続いて、図５を参照して、実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置について説明する。図５は、実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置の一例を示す模式的断面図である。図５に示すように、積層造形装置は、ベース３１、定盤３２、造形槽３３、造形槽支持部３４、造形槽駆動部３５、支柱３６、支持部３７、レーザスキャナ３８、光ファイバ３９、レーザ発振器４０、スキージ４１、樋４２、粉末分配器４３、粉末供給部４４、及び制御装置５００を備えている。

ベース３１は、定盤３２及び支柱３６を固定するための台である。ベース３１は、定盤３２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。定盤３２は、ベース３１の水平な上面に載置、固定されている。定盤３２の上面も水平であって、この定盤３２の上面に金属粉末５１が敷き詰められ、三次元形状の造形物５０が形成されていく。
なお、実際の造形物５０は図１～図４に示した誘導加熱コイル１だが、図５に示した造形物５０は積層造形装置を説明するために模式的に描かれている。

図５の例では、定盤３２は、四角柱状の部材である。図５に示すように、定盤３２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部３２ａが形成されている。この凸部３２ａの外周面が全体に亘り造形槽３３の内側面と接触しているため、定盤３２の上面及び造形槽３３の内側面に囲われた空間に金属粉末５１を保持することができる。ここで、造形槽３３の内側面と接触している凸部３２ａの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材（不図示）を設けることにより、金属粉末５１の保持力を高めることができる。

造形槽３３は、この定盤３２の上面に敷き詰められた金属粉末５１を側面から保持する筒状の部材である。図５の例では、定盤３２が四角柱状であるため、造形槽３３は、上端にフランジ部３３ａを備えた角パイプである。造形槽３３は、例えば厚さ１～６ｍｍ程度（好適には３～５ｍｍ程度）のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽３３の上部開口端３３ｂに金属粉末層を形成し、この金属粉末層にレーザビームＬＢを照射することにより金属層を形成する。上部開口端３３ｂの形状は、例えば６００ｍｍ×６００ｍｍである。

また、造形槽３３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。詳細には後述するように、金属層を形成する度に造形槽３３を定盤３２に対して一定量ずつ上昇させ、造形物５０を形成していく。ここで、実施形態に係る積層造形装置では、一定重量かつ軽量な造形槽３３のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く金属粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物５０を形成することができる。

造形槽支持部３４は、造形槽３３のフランジ部３３ａの上面が水平となるように、フランジ部３３ａの下面を３点で支持している支持部材である。造形槽支持部３４は、造形槽３３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部３５の連結部３５ｃに連結されている。

造形槽駆動部３５は、造形槽３３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部３５は、モータ３５ａ、ボールねじ３５ｂ、連結部３５ｃを備えている。モータ３５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ３５ｂが回転する。そして、ボールねじ３５ｂが回転すると、ボールねじ３５ｂに沿って、連結部３５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に移動する。上述の通り、造形槽３３を支持する造形槽支持部３４が連結部３５ｃに連結されているため、造形槽駆動部３５により造形槽３３が上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となる。なお、造形槽駆動部３５の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。

ここで、造形槽駆動部３５は、ベース３１から略垂直に（すなわち鉛直方向に）立設された支柱３６の上部に固定されている。このように、本実施形態に係る積層造形装置では、造形槽駆動部３５が、造形槽３３の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。

レーザスキャナ３８は、造形槽３３の上部開口端３３ｂに形成された金属粉末層に対して、レーザビームＬＢを照射する。レーザスキャナ３８は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図５に示すように、レーザスキャナ３８は、金属粉末層における水平面（ｘｙ平面）上の位置に関わらず、金属粉末層にレーザビームＬＢの焦点を合わせることができる。

ここで、レーザビームＬＢは、レーザ発振器４０において生成され、光ファイバ３９を介して、レーザスキャナ３８に導入される。なお、レーザ発振器４０の代わりに電子ビーム発生装置（不図示）を使い、金属粉末層に対し電子ビームを照射することにより金属層を形成することもできる。

また、レーザスキャナ３８は、支持部３７を介して、造形槽３３のフランジ部３３ａに固定されている。そのため、レーザスキャナ３８とレーザビームＬＢの照射対象である金属粉末層との距離を一定に保つことができる。したがって、実施形態に係る積層造形装置は、精度良く造形物５０を製造することができる。

スキージ４１は、第１のスキージ４１ａ及び第２のスキージ４１ｂから構成されている。第１のスキージ４１ａ及び第２のスキージ４１ｂは、いずれもｙ軸方向に延設されている。また、スキージ４１は、造形槽３３の上部開口端３３ｂを介して、一方のフランジ部３３ａから対向するフランジ部３３ａまでｘ軸方向にスライドすることができる。

図５に示すように、第１のスキージ４１ａ及び第２のスキージ４１ｂが、ｘ軸負側のフランジ部３３ａ上に設置された状態で、両者の間に金属粉末が供給される。ここで、２回分の金属粉末層を形成するための金属粉末が供給される。すなわち、スキージ４１がｘ軸負側のフランジ部３３ａからｘ軸正側のフランジ部３３ａまでスライドすることにより、１回分の金属粉末層が造形槽３３の上部開口端３３ｂに形成される。

図５に破線で示したように、この金属粉末層に対してレーザビームＬＢを照射し、金属層を形成している間、スキージ４１はｘ軸正側のフランジ部３３ａ上で待機している。そして、スキージ４１がｘ軸正側のフランジ部３３ａからｘ軸負側のフランジ部３３ａまでスライドすることにより、もう１回分の金属粉末層が造形槽３３の上部開口端３３ｂに形成される。

なお、例えば金属層の形成領域が狭い場合には、スキージ４１をｘ軸負側のフランジ部３３ａからｘ軸正側のフランジ部３３ａまで最大限スライドさせずに、金属層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。金属粉末層を形成するための金属粉末量を節約できると共に時間を短縮することができる。

樋４２及び粉末分配器４３は、粉末供給部４４から投下された金属粉末をスキージ４１の長手方向に均一に分配するためのものである。樋４２の下面には、第１のスキージ４１ａ及び第２のスキージ４１ｂの間隔（ｘ軸方向）より狭く、スキージ４１の粉末投入領域と同程度の長さ（ｙ軸方向）を有する開口部が形成されている。

粉末分配器４３は、樋４２の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器４３は、図示しない駆動機構によりｙ軸方向にスライドすることができる。ここで、図５では、分かり易くするため、粉末分配器４３を樋４２から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器４３は樋４２の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器４３が、樋４２において金属粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、金属粉末が樋４２の開口部を介して、スキージ４１の長手方向（ｙ軸方向）に均一に分配される。
粉末供給部４４は、金属粉末が蓄えられた小型タンクである。なお、金属粉末は、例えば平均粒径２０μｍ程度の銅基合金粉末である。

制御装置５００は、積層造形装置の動作を制御する。例えば、制御装置５００は、造形槽駆動部３５、レーザスキャナ３８、レーザ発振器４０、スキージ４１等と、有線又は無線で接続されている。制御装置５００は、造形物５０を製造するための三次元データを記憶しており、この三次元データを用いてこれらの構成要素を制御する。これにより、積層造形装置は、造形物５０を造形する。

図示していないが、制御装置５００は、コンピュータとしての機能を有し、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部と、各種制御プログラムやデータ等が格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部と、を備えている。
なお、制御装置５００は、複数に分割して設けられていてもよい。

以上のように、積層造形装置において、層状に敷き詰めた金属粉末５１の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成することを繰り返すことによって、三次元形状の造形物５０を製造する。

本実施携帯における造形物５０は、図１に示した誘導加熱コイル１である。上述の積層造形装置を用いて、直線状パイプの内部に、直線状パイプの長手方向に沿って延設され、直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁を少なくとも１つ以上形成する。壁には、少なくとも１個以上の菱形の貫通孔を形成する。また、隣り合う前記壁同士の間隔を５ｍｍ以下となるように形成する。積層造形が行われる順としては、直線状パイプ２３ａ、２３ｂが造形された後に、円弧状パイプ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが造形される。

図６～図８は、実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造された誘導加熱コイル１を示す斜視図である。図７は、図６のＶＩＩの領域を示す拡大斜視図である。誘導加熱コイル１は、コイル部２０の直線状パイプの内部に壁が設けられている。したがって、図６に示すように傾斜角度を９０°で製造した場合であっても、図７に示すように直線状パイプ２３ａの内部にはサポートＳが形成されない。

実施形態に係る誘導加熱コイル１は、上述の通り傾斜角度を９０°で製造することができるため、傾斜角度４５°で製造するときに比べ（図１４参照）て、製造時に要するｘｙ平面方向の面積が狭い。図８に示すように、一度に製造できる誘導加熱コイル１の数は例えば８個であり、４５°で製造した場合の２個と比べて多く、４倍量の誘導加熱コイルを一度に製造できる。したがって、実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法は、生産効率を向上させ、製造コストを低減できる。

以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルを用いて加熱対象物であるクランクシャフトのクランクピンを焼き入れし、焼き入れ深さの結果について評価を行った。

クランクピンの焼き入れに用いた誘導加熱コイルは、それぞれ以下の通りである。
・比較例１：各部品をロウ付けにより接合して製造された誘導加熱コイルを用いた。
・比較例２：直線状パイプの内部に壁を有しておらず、傾斜角度４５°で積層造形して製造された誘導加熱コイルを用いた。
・実施例：実施形態で上述した製造方法で製造された誘導加熱コイルを用いた。すなわち、直線状パイプの内部に壁を有しており、傾斜角度９０°で積層造形して製造された誘導加熱コイルを用いた。

以下、図９～図１１を参照して説明する。
図９は、実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルが、クランクシャフトＣＳのクランクピンＣＰを焼き入れする様子を示す模式的斜視図である。

図１０は、実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルによって焼き入れされたクランクピンＣＰの焼き入れ結果を示す断面写真である。図１０は、図９のＸで示す領域のクランクピンＣＰの焼き入れ結果である。図１０において、誘導加熱コイルによって焼き入れされた上部側焼き入れ部ＨＴ及び下部側焼き入れ部ＨＢは、それぞれ白く示されている。

本実施例及び比較例では、下部側焼き入れ部ＨＢについて焼き入れ結果を評価した。具体的には、図１０に示すように、実施例、比較例１及び比較例２について、それぞれ位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ及び位置Ｄにおける、焼き入れ深さを測定した。位置Ａ～位置Ｄは、具体的にはそれぞれ以下の通りである。
・位置Ａ：クランクピンＣＰの下面側の左端部の点Ｐを中心として、焼き入れ部の最深部を通るような円を描いたときに（破線で示す）、当該円が最小となるときの半径を焼き入れ深さとして測定した。
・位置Ｂ：クランクピンＣＰの下面側の中央付近の、焼き入れ深さが最も浅い部分の焼き入れ深さを測定した。
・位置Ｃ：クランクピンＣＰの下面側の位置Ｂと位置Ｄとの間の、焼き入れ深さが最も深い部分の焼き入れ深さを測定した。
・位置Ｄ：クランクピンＣＰの下面側の右端部の点Ｐ′を中心として、焼き入れ部の最深部を取るような円を描いたときに（破線で示す）、当該円が最小となるときの半径を焼き入れ深さとして測定した。

図１１は、実施例及び比較例に係る誘導加熱コイルによって焼き入れされたクランクピンの焼き入れ深さの結果を示すグラフである。図１１のグラフは、横軸が位置Ａ～Ｄ、縦軸が測定した焼き入れ深さを示している。横軸の「Ｃ－Ｂ」は、焼き入れ深さが最も深い位置Ｃの焼き入れ深さから、焼き入れ深さが最も浅い位置Ｂの焼き入れ深さを減算して求めた、位置Ｂと位置Ｃとの焼き入れ深さの差を示している。

図１１のグラフ中に示す破線は、焼き入れが十分であることを意味する焼き入れ規格を示す基準線である。すなわち、焼き入れ深さがグラフの上下の基準線の範囲内であれば、焼き入れ規格を満たす。図１１のグラフに示すように、実施例、比較例１及び比較例２に係る誘導加熱コイルによって焼き入れされたクランクピンは、位置Ａ～Ｄすべてにおいて焼き入れ規格を満たすという結果を得ることができた。また、位置Ｂと位置Ｃとの焼き入れ深さの差の値も、焼き入れ規格を満たしていた。

このように、実施例、比較例１及び比較例２に係る誘導加熱コイルは、いずれも焼き入れ規格を満たしていた。一方で、実施例に係る誘導加熱コイルは、比較例１及び比較例２に係る誘導加熱コイルと比較して、以下の利点を有する。

まず、実施例に係る誘導加熱コイルと、比較例１に係る誘導加熱コイル、すなわち各部品をロウ付けにより接合して製造された誘導加熱コイルとを比較する。実施例に係る誘導加熱コイルは、積層造形によって製造されるため、各部品が一体造形されている。したがって、各部品をロウ付けにより接合して製造された誘導加熱コイルに比べ、高寿命である。具体的には、ロウ付けにより製造された誘導加熱コイルは平均２万ショット、最大３万ショット用いることができるが、本実施形態に係る誘導加熱コイルは、９万ショット用いることができる。また、実施例に係る誘導加熱コイルは、比較例１に係る誘導加熱コイルに比べて製造単価が安価であるため、製造コストを低減することができる。さらに、基礎物性についても、比較例１に係る誘導加熱コイルは純銅から製造されているため導電率１００％であるが、実施例に係る誘導加熱コイルは銅基合金からなるため導電率は９０％と高く、誘導加熱コイルとして十分に使用可能である。

続いて、実施例に係る誘導加熱コイルと、比較例２に係る誘導加熱コイル、すなわち直線状パイプの内部に壁を有しておらず、傾斜角度４５°で積層造形して製造された誘導加熱コイルとを比較する。実施例の誘導加熱コイルは、上述の通り傾斜角度を９０°で製造することができるため、比較例２に係る誘導加熱コイルのように傾斜角度４５°で製造するときに比べて、製造時に要するｘｙ平面方向の面積が狭い。一度に製造できる誘導加熱コイルの数は例えば８個であり、４５°で製造した場合の２個と比べて多く、４倍量の誘導加熱コイルを一度に製造できる。したがって、実施例に係る誘導加熱コイルの製造方法は、生産効率を向上させ、製造コストを低減できる。

以上の通り、本実施例に係る誘導加熱コイルは、比較例１及び比較例２に係る誘導加熱コイルと比較して上記の利点を有しており、内部にサポートを形成することなく積層造形可能であり、生産効率を向上可能であるという結果を得ることができた。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 誘導加熱コイル
１０ 配管部
１１ａ、１１ｂ リード配管
１２ 接続配管
１３ 排水用配管
２０ コイル部
２０ａ、２０ｂ 円弧状コイル
２１ａ、２１ｂ 第１の円弧状パイプ
２２ａ、２２ｂ 第２の円弧状パイプ
２３ａ、２３ｂ 直線状パイプ
２４、２５ 壁
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 貫通孔
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 経路
２７ 内部経路
３１ ベース
３２ 定盤
３２ａ 凸部
３３ 造形槽
３３ａ フランジ部
３３ｂ 上部開口端
３４ 造形槽支持部
３５ 造形槽駆動部
３５ａ モータ
３５ｃ 連結部
３６ 支柱
３７ 支持部
３８ レーザスキャナ
３９ 光ファイバ
４０ レーザ発振器
４１ スキージ
４１ａ 第１のスキージ
４１ｂ 第２のスキージ
４２ 樋
４３ 粉末分配器
４４ 粉末供給部
４５ 傾斜角度
５０ 造形物
５１ 金属粉末
９０ 傾斜角度
１００ 配管部
２００ コイル部
２０３ 直線状パイプ
２０７ 経路
３００ 誘導加熱コイル
５００ 制御装置
ＣＰ クランクピン
ＣＳ クランクシャフト
Ｄ 位置
ＨＢ 下部側焼き入れ部
ＨＴ 上部側焼き入れ部
ＬＢ レーザビーム
Ｐ、Ｐ′ 点
Ｓ サポート

Claims (5)

1. 円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状パイプと、
   前記円弧状パイプの一端同士をつなぐ直線状パイプと、を備える誘導加熱コイルであって、
   前記直線状パイプの内部には、前記直線状パイプの長手方向に沿って延設され、前記直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁が少なくとも１つ以上形成されており、
   前記壁には少なくとも１個以上の菱形の貫通孔が形成されている、
   誘導加熱コイル。
2. 隣り合う前記壁同士の間隔が５ｍｍ以下である、請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 金属粉末を層状に敷き詰めるステップと、
   層状に敷き詰めた前記金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
   前記金属層を鉛直上側に順次積層して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法であって、
   前記誘導加熱コイルは、円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状パイプと、前記円弧状パイプの一端同士をつなぐ直線状パイプと、を備え、
   前記直線状パイプの内部に、前記直線状パイプの長手方向に沿って延設され、前記直線状パイプの内部を複数経路に分割する壁を少なくとも１つ以上形成し、
   前記壁に少なくとも１個以上の菱形の貫通孔を形成する、
   誘導加熱コイルの製造方法。
4. 隣り合う前記壁同士の間隔を５ｍｍ以下とする、
   請求項３に記載の誘導加熱コイルの製造方法。
5. 前記直線状パイプが造形された後に、前記円弧状パイプが造形される、
   請求項３又は４に記載の誘導加熱コイルの製造方法。

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