JP2004353035A - 誘導加熱装置および薄肉部加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一括方式での誘導加熱でも入熱分布の調整が容易に行える誘導加熱装置および薄肉部加熱方法を実現する。
【解決手段】細長い良導体の誘導子３４と、高周波電源３２と、制御装置３１とを備えた誘導加熱装置において、繰り返し反転曲折した形状のジグザグ電路部３５を誘導子３４に含ませる。これにより、多様な形状の被加熱部に対して入熱分布の均等化や微調整を容易に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属製部材の薄肉部を焼入れなどのために加熱するのに適した誘導加熱装置、ならびに、薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱する薄肉部加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車ボディーに用いる鋼板のプレス成形品に対して、その一部領域に焼入れを施してその領域の強度を高めるという強化処理が適用され始めている。そして、上記焼入れのための薄肉の金属製部材の加熱にも、急速加熱の行える直接通電加熱と誘導加熱とがよく用いられる。
前者の直接通電により金属製部材の薄肉部を加熱する手法として、導電部材を二点で接触させて電極とし、高周波通電を行うものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、後者の誘導加熱方式により薄肉部材を加熱する手法としては、焼入れを施すべき領域が一端部から他端部にかけて連続的に延びているプレス成形品を対象にして中央領域から端部領域に向かうにつれて硬度が次第に低下するよう加熱するものや（例えば特許文献３参照）、自動車のフロントボデーを対象にしてロボットアーム装着の高周波焼入れコイルにより局部的に焼入れ処理を行うものが（例えば特許文献４参照）、知られている。
【０００４】
さらに、後者の誘導加熱方式は、焼入領域（被加熱部）の一部の小領域を加熱できる大きさの誘導作用部を有する誘導子を焼入れ領域に対してその全範囲に亘り相対移動させる走査方式（移動加熱方式）と、被加熱部の全域を全域同時に加熱できる大きさの誘導作用部を有する誘導子を用いて被加熱部全域を一気に加熱する一括方式（一発加熱方式）とに分けられる。上述した二例（特許文献３，４参照）は走査方式に該当する。
一括方式では、被加熱部が例えば帯状に延びた形であれば、この被加熱部の形に合わせた、被加熱部とほぼ同じ幅，長さの帯状の誘導作用部を有する誘導子を臨ませる（対峙・対向させる）形態で誘導加熱が行われている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３３６４２５号公報 （第１頁）
【特許文献２】
特開平１１−１４０５３７号公報 （第１頁）
【特許文献３】
特開平１０−０１７９３３号公報 （第１頁）
【特許文献４】
特開平０６−１１６６３０号公報 （第１頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような手法には、それぞれ、一長一短がある。先ず、直接通電加熱方式の場合、電力の使用効率が良く、高周波電源やその通電制御を行う制御装置が比較的簡便なもので足りる、といった長所がある一方、通電電極の接触状態の確保や通電範囲（即ち加熱範囲）の規制に工夫を要するといった問題点がある。
【０００７】
次に、走査方式の誘導加熱の場合、非接触で通電できるという長所に加えて、走査しながら通電条件や対峙距離を変化させるなどして走査方向の入熱分布を調整でき、しかも、誘導子や電源設備が小さくて済むという長所がある。一方、被加熱部の全域を加熱するのに時間を要するという問題点がある。
【０００８】
また、一括方式の誘導加熱の場合、非接触で通電できる長所と、短時間で加熱を済ませることができるという長所がある一方、被加熱部の形によっては入熱密度（即ち昇温）の均一化が難しいという問題点がある。例えば、帯状の被加熱部の幅が長手方向で異なる場合、誘導加熱の入熱量を幅に合わせて加減するというわけにはいかず、このため、被加熱部の幅編成に制約が伴うといった問題点である。これは、被加熱部材が薄肉であるが故に、誘導電流（渦電流）が、板厚方向にではなく板面内に閉ループを描いて循環せざるを得ないことに起因している。すなわち、板面内に流れる誘導電流の板面面積当りの電流密度Ｉは、誘導電流の流路幅に反比例して小となり更にはその電流流路に沿った電位傾度ｄＥ／ｄｌも小となるからＩ×ｄＥ／ｄｌで決まる入熱密度は電流流路の幅の２乗に比例して小となる。すなわち、被加熱部の幅の大小に合わせて誘導電流の電流量を大にするという指向はかなえられないのである。一括方式では、この他、誘導加熱中に起る被加熱部材の一過的な熱歪変形に伴う誘導子−被加熱部間の対峙距離（クリアランス）の分布の変化（この変化によって誘導加熱の入熱分布に微妙な偏倚が生じる）に対して、これを補償するための部位別入熱量調整が前記走査方式とは違って不可能であるという問題点もある。
【０００９】
しかしながら、上記問題点さえ解消できれば、非接触で通電できて而も短時間で加熱のできる一括方式誘導加熱の魅力は絶大である。
そこで、薄肉部を対象とした一括方式の誘導加熱を、所望の形状に画定された被加熱部を対象として、その形状に拘わりなく被加熱部内各部への入熱密度を調整でき、更には誘導加熱中の被加熱部材の熱歪変形にも影響されずに行うことのできる技術の提供が課題となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく提供された本発明の請求項１記載の誘導加熱装置は、被加熱部の全域を全域同時に誘導加熱できる大きさの誘導作用部を有する誘導子と、これに通電を行う高周波電源と、その通電制御を行う制御装置とを備えた誘導加熱装置において、前記誘導子が、繰り返し反転曲折した経路を以て細長い良導体を前記誘導作用部に行き亘るように配したジグザグ電路部を有するものであることを特徴とする。
【００１１】
上記本発明装置にあっては、細長い良導体を繰返し曲折反転させて構成したジグザグ電路部が次のように作用する。
先ず、ジグザグ電路部の構成要素である１つのＵ字状電路は、これと向き合う被加熱部にＵ字の開口端を閉じたＯ（オー）字形の経路を以て局部渦電流（局部誘導電流）を誘起させる。また、このＵ字の両隣に連なる開口部が逆向きのＵ字状電路は、正向きＵ字とは逆極性の局部渦電流を誘起する。すなわち、右巻きと左巻きの局部渦電流が、その１辺を両隣の渦と共有する形で代わる代わる生じ、これらによって被加熱部全体が誘導加熱されることになる。
【００１２】
そして、この状況における被加熱部内の各部（ｉ番目）のＵ字状電路Ｕ_ｉ に関して、入熱密度η_ｉ ＝Ｐ／Ｓ（Ｐは電力、Ｓは面積），Ｉ∝Ｉｃ（Ｉｃはコイル（誘導子）電流），Ｅ∝Ｌａ（Ｌａは前記Ｏ字の高さ≒Ｕ字の高さ≒被加熱部の幅），Ｓ＝Ｌａ×Ｌｂ（Ｌｂは被加熱部Ｕ字幅投影寸法）であるから、Ｐ∝Ｉｃ×Ｌａとなって、
η_ｉ ＝ Ｐ／Ｓ ∝ Ｉｃ／Ｌｂ
すなわち、各部に共通するコイル電流Ｉｃの下で、被加熱部の各部位の入熱密度η_ｉ は、被加熱部の幅Ｌａには影響されず、ジグザグ電路部のジグザグのピッチ（前記Ｕ字の幅をピッチと定義）に反比例することとなる。
【００１３】
よって、被加熱部の幅編成が如何様になされていようとも、一定のジグザグピッチ（即ち、Ｌａ_ｉ ＝Ｌａ_０ ）とすることで各部入熱密度の均等化が大枠において確保され、更に、ジグザグピッチを自在な編成を以て不等にする（たとえば、加熱されにくい部位や他部よりも高温に加熱した部位のピッチを他部より小さくして入熱密度を高める）ことで、昇温分布の目的に合わせた微調整が行えるのである。
【００１４】
更には、細長い良導体を、しかもジグザグに配したことでジグザグ電路部は可撓性を具えたものとなっている。そして、この可撓性は、下記のように前記誘導加熱中の被加熱部の熱歪変形に対し、入熱分布の偏倚を防ぐ対策にも有用なものとなる。
【００１５】
すなわち、この発明の請求項６記載の薄肉部加熱方法は、薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その際、前記誘導加熱の最中に生じる前記被加熱部の熱歪変形に追随して変形（撓み変形）しうるように構成した電気絶縁性のスペーサを前記誘導子のジグザグ電路部と前記被加熱部との間に介在させておくことを特徴とする。
【００１６】
この場合、誘導加熱によって被加熱部が変形すると、その熱歪変形に追随してスペーサが変形するとともに、これに追随して誘導子のジグザグ電路部も変形して被加熱部との対峙間隔が一定に維持される。
これにより、誘導加熱中に被加熱部の熱歪変形が生じても、これに伴う入熱条件の変化が防止されて、前記入熱量の偏倚が避けられるのである。
【００１７】
また、この発明の請求項７記載の薄肉部加熱方法は、薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その間、前記誘導子の位置を、前記被加熱部に対して相対的に、前記ジグザグ電路部における前記細長い良導体の反転曲折の繰り返し方向に変動（たとえば相対的な微小移動や微小位置替え或いは振動や揺動や往復寸動）させて前記誘導加熱による入熱位置を分散させることを特徴とする。
【００１８】
この場合、ジグザグ電路部の存在によって入熱が縞状になっても、前記位置変動によって誘導子と被加熱部との相対位置がずれることで、入熱位置が分散して、被加熱部の加熱状態や温度分布が十分に平坦化される。なお、誘導子の相対移動距離は反転曲折の１ピッチ以下でも足りるので、誘導子および金属製部材の何れか一方または双方を動かすようにしても、入熱処理が短時間で済むといった一括方式の魅力が損なわれることは無い。
【００１９】
また、この発明の請求項８記載の薄肉部加熱方法は、薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その間、前記誘導子の前記被加熱部に対する相対的な位置関係を実質的に固定しておくことで、前記誘導加熱による入熱位置を縞状に分布させることを特徴とする。
【００２０】
なお、ここで云う「実質的に固定」とは、上記相対的な位置関係を全く変えないか、又は、上記位置関係の変動を、ジグザグ電路部由来の縞状入熱の位置が各縞相互間で干渉しない程度（即ち、入熱縞の太さが増す程度）に留める処置を指すものとする。
上記構成によれば、最高温部が縞状に分布した加熱状態（縞状加熱）が実現される。この手法は、たとえば、プレス成形品に縞状の焼入を施して縞状の強度分布（圧潰エネルギー吸収能向上目的など）を得たいときに有用となる。上記縞状入熱の縞の方位を、目的に応じて縦／横いずれとしてもよいことは、云うまでもない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
このような本発明の具体的な実施形態を、図面を参照しながら、幾つか説明する。なお、それらの図示に際しては、簡明化等のため、筐体パネルや，ベース，フレーム，ボルト等の締結具，ヒンジ等の連結具などは図示を割愛し、発明の説明に必要なものや関連するものを中心に図示した。
【００２２】
図１〜図３に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の一実施形態について、先ず誘導加熱装置の構造を説明する。図１は、（ａ）が誘導加熱装置の模式図、（ｂ）が焼き入れ対象の金属製部材の斜視図、（ｃ）〜（ｅ）が細長い良導体の断面斜視図、（ｆ）が誘導子の斜視図である。また、図２は、誘導加熱装置の概要回路図である。なお、図１（ａ）において、誘導加熱装置の構成部材は実線で示し、それ以外の関連部材は二点鎖線や一点鎖線で示した。
【００２３】
誘導加熱装置３０は（図１（ａ），図２参照）、金属製部材１０に対する誘導加熱を行うために、通電制御装置３１と高周波電源３２と給電ケーブル３３と誘導子３４とを具えている。ここでは（図１（ａ）参照）、誘導子３４が給電ケーブル３３を介して高周波電源３２から給電を受け、その給電条件はＬＡＮ等を介してメインコントローラ２０から指令を受けた通電制御装置３１によって制御されるようになっている。
【００２４】
金属製部材１０は（図１（ｂ）参照）、焼き入れ対象となる薄肉部を有し、その薄肉部に被加熱部１１が帯状に画定されている。金属製部材１０は、実際には成形品であることが多く、また被加熱部１１以外の部位まで薄肉であるとは限らないが、ここでは、分かり易いよう、金属製部材１０として矩形の薄板を例示し、被加熱部１１として帯状（長方形状）の領域を図示した。薄肉部の厚さは、自動車ボディー部材への焼入れを例にとれば、０．６〜３．２ｍｍである。金属製部材１０の材質としては、炭素鋼や，低合金鋼，ステンレス鋼などが挙げられる。また、上記部材に、亜鉛めっき等の金属被覆あるいは母材との合金化処理が施されていてもよい。被加熱部１１の寸法（ｍｍ）は、例えば、２０×２００ 〜１００×１０００程度であるが、上記部材の用途、諸仕様ともに限定されない。
【００２５】
誘導子３４は、細長い良導体（細径導体）からなり、断面形状は丸形でも（図１（ｃ）参照）角形（図１（ｄ），（ｅ）参照）でも良く、その何れについても等方状でも（図１（ｃ），（ｄ）参照）扁平状（図１（ｅ）参照）でも良く、大抵、冷却水を通すため中空になっている。また、良導体としては、外径寸法（ｍｍ）が、等方状の場合で２×２ 〜 １５×１５、扁平状の場合で２×１０ 〜８×３０程度（可撓性を特に重視するときは２×２ 〜 ６×６、又は２×１０ 〜 ６×３０程度）の銅製や真ちゅう製のものが適している。ジグザグ形状への加工は、管材の曲げ加工や管材・板材切り出し片のろう接組立などによって行える。
誘導子３４は（図１（ｆ）参照）、繰り返し反転曲折した形状のジグザグ電路部３５を主体とするものであり、それに給電端として一対の引出線部３６も付いている。
【００２６】
ジグザグ電路部３５は（図１（ｆ）参照）、ピッチＬｂで何回か反転曲折することで形成される。この例では、短手方向Ｃでの反転曲折を約１５ｍｍのピッチＬｂを以て長手方向Ｄに数十回（図示したのは数回の例）ほど繰り返して形成されている。ジグザグ電路部３５の形状は、被加熱部１１の形状に概ね対応しており、この例では、被加熱部１１が細長い長方形なので、ジグザグ電路部３５は、それに概ね対応した長方形状になっている。ピッチＬｂは、良導体の太さや材質さらには被加熱部１１のサイズ等にもよるので一概には言えないが、例えば、６〜３０ｍｍ程度に選定される。因に、前記ろう接組立方式によるならば、上記ピッチに占める良導体幅の比率を大にしたジグザグ電路部形態（即ち、前記Ｕ字の内寸を小とした形態）も実現しうる。
【００２７】
こうして形成されたジグザグ電路部３５は、上述のような形態で細長い良導体をジグザグ配置したことにより、被加熱部１１のほぼ全域と対峙可能な形状になっている。そのため、このジグザグ電路部３５は総てが誘導作用部として機能するものとなっている。
【００２８】
誘導加熱装置３０における他の部材は（図２，図１（ａ）参照）、基本的に公知のもので足りるので、ここでは概要を述べる。
通電制御装置３１は、高周波電源３２から誘導子３４へ供給される高周波の通電制御をどのような状況にも柔軟に適応して適切に行うためにプログラマブルなコンピュータやシーケンサ等からなり、高周波電源３２の出力段回路等を制御して、通電のパワーや時間スケジュールを調整する。
【００２９】
高周波電源３２からは、所期の通電周波数たとえば５ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の高周波交流が通常はトランスを介して誘導子３４に供給されるが、本発明装置のように細長い良導体をジグザグに配したことでインダクタンスが特に大きい誘導子を用いるケースでは、高周波トランス３２ｃが不要となることもある。
給電ケーブル３３は、一端が高周波トランス３２ｃの二次側に接続され他端が誘導子３４の引出線部３６に接続された高周波用ケーブルであり、冷却のため図示しない給水ユニットから給水を受けるようになっていて、誘導子３４への高周波通電に加えて給水も仲介するようになっている。
【００３０】
このような誘導加熱装置３０を使用して行う薄肉部加熱方法および誘導加熱装置３０の動作等を説明する。図３は、誘導加熱装置３０の使用状況を示し、（ａ）がジグザグ電路部３５のコイル電流例、（ｂ）が被加熱部１１の拡大平面図である。
【００３１】
誘導子３４のジグザグ電路部３５と金属製部材１０の被加熱部１１とを電磁誘導可能な距離（たとえば２〜１０ｍｍ）を保って対峙・対向させ、その状態で誘導加熱装置３０を作動させると、通電制御装置３１の制御に従って所定時間だけ所定の高周波交流が高周波電源３２から給電ケーブル３３を介して誘導子３４へ給電される。そして、この誘導子３４のジグザグ電路部３５への高周波通電に応じて（図３（ａ）参照）、金属製部材１０に誘導電流が生じる。その誘導電流経路１２は以下のようになる（図３（ｂ）参照）。
【００３２】
すなわち、ジグザグ電路部３５の構成要素である１つのＵ字状電路は、これと向き合う被加熱部にＵ字の開口端を閉じたＯ（オー）字形の経路を以て局部渦電流（局部誘導電流）を誘起させる。また、このＵ字の両隣に連なる開口部が逆向きのＵ字状電路は、正向きＵ字とは逆極性の局部渦電流を誘起する。すなわち、右巻きと左巻きの局部渦電流が、その１辺を両隣の渦と共有する形で代わる代わる生じ、これらによって被加熱部１１全体が誘導加熱されることになる。そして、この状況における被加熱部１１内の各部位の入熱密度η_ｉ は、上述したように、被加熱部の幅すなわちジグザグ電路部３５の幅Ｌａには影響されず、ジグザグ電路部３５のジグザグのピッチＬｂに反比例することとなる。
【００３３】
このように誘導子３４を被加熱部１１に臨ませてこれに高周波通電することで誘導加熱が行なわれると、前記局部渦電流に対応した誘導加熱入熱がなされて、被加熱部１１には、誘導電流経路１２に対応して複数条の昇温帯が縞条に並んだ発熱部が発現し、昇温帯間などの残部が非発熱部となる。そして、通電停止後、金属製部材１０は、温度平坦化期間の経過を経て、被加熱部１１における温度分布が十分に平坦化される。すなわち、非発熱部も発熱部からの伝熱によって焼入れ条件に適う目標加熱温度に達するので、被加熱部１１の全域が焼入れ温度に達した状態となる。
【００３４】
ここで、上記の温度平坦化期間は、前述したピッチＬｂ（すなわち昇温帯間距離）の半分と被加熱部１１（金属製部材１０における薄肉部）の伝熱特性とに基づいて定まるものであり、発熱部と非発熱部とがそれぞれ温度の下降と上昇とを起こして焼入れ可能な目標加熱温度たとえば９００±３０℃に達する。そして、この温度差緩和の所要時間は、大抵１秒〜１分ほどの、さほど長くない時間で済む。特に、前記Ｕ字の内寸を小さく（例えば２〜４ｍｍに）したジグザグ電路部の場合は、上記温度差緩和の所要時間は
１秒〜数秒程度で事足りる。
【００３５】
また、そのような高周波通電を行う際の通電周波数は、２〜２００ｋＨｚ程度とすることが望ましい。これより低いと無駄な電力消費が多くなり、これより高いと設備コストが嵩んでくる他、入熱の集中度が大となり過ぎて前記縞状に並んだ発熱部が極く際立って現れる傾向となり、前記温度差の緩和が容易でなくなる。因に、ジグザグ電路部を構成する前記Ｕ字のピッチ（即ち、相互逆極性誘導電流間の芯−芯間隔）が大き目（たとえば２０〜３０ｍｍ）のときには２〜２０ｋＨｚといった低目の周波数が適し、小さ目（たとえば１０ｍｍ前後）のときには２０〜２００ｋＨｚといった高目の周波数が適する。但し、これらは目安であり、最適周波数は実験的に或いは経済性を総合して選定されることが望ましい。なお、特に高目の周波数を選定した際の、効率面等における要請として、誘導作用部−被加熱部間の間隔（クリアランス）をなるべく小さくするという要請がある。本発明においても、この要請は然りであり、本発明におけるジグザグ電路部３５と被加熱部１１の間隔は少なくとも前記ジグザグのピッチを超えない値に選定されることが望ましい。
【００３６】
図４に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の他の実施形態について、誘導加熱装置の構造を説明する。図４は、誘導子の構造を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が斜視図、（ｄ）は、この誘導子による誘導電流の経路を示す図である。
この図４の誘導子３４が上述した図１のものと相違するのは、ジグザグ電路部３５が長手方向Ｄでの反転曲折を短手方向Ｃに繰り返して形成されていることである。反転曲折の回数が減っているが、ピッチＬｂはほぼ同じに保たれている。縞模様をなす並走方向の縦横は異なっているが、ジグザグ電路部３５の全体形状が、被加熱部１１の形状に概ね対応していることや、ジグザグ電路部３５がそのまま誘導作用部となっている点は同じである。
そのため、誘導電流経路１２の縞模様や局部渦電流の向きや長さがジグザグ電路部３５のジグザグ形状に対応して変わるものの、前記入熱密度の均等化が大枠確保される点は図１の形態と同じである。
【００３７】
図５に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の他の実施形態について、先ず誘導加熱装置の構造を説明する。図５は、誘導子等の構造を示し、（ａ）が誘導子３４の斜視図、（ｂ）が誘導子３４にスペーサ４０及び移動機構５０を加えたところの正面図である。
【００３８】
この図５の誘導加熱装置が上述した図１のものと相違するのは、誘導子３４にスペーサ４０と移動機構５０とが追加されていることである。
誘導子３４は（図５（ａ）参照）、上述した図１のものと同様のものであり、長手方向Ｄの曲げ剛性が小さいため、ジグザグ電路部３５が正面視で山なりに変形しやすくなっている。
スペーサ４０は（図５参照（ｂ））、例えばアルミナ繊維などの耐熱性に優れ而も変形容易な電気絶縁性素材からなり、厚さ一定のシート状あるいは網状あるいは暖簾状に形成されて、ジグザグ電路部３５の下に装着される。その厚さはジグザグ電路部３５と金属製部材１０との対峙距離と同じにされて、ジグザグ電路部３５と金属製部材１０とに挟まれると、両者の間隙を埋め、さらにその状態で金属製部材１０が変形すると、それに追随してスペーサ４０が変形するとともにジグザグ電路部３５も追随変形させるようになっている。その結果、ジグザグ電路部３５による誘導作用が上記対峙間隔の狂いによって部位別に偏倚するという事態が避けられる。
【００３９】
移動機構５０は（図５参照（ｂ））、加熱ユニットの天板等に固定された固定部材５１と、これに装着され図示しない電動モータ等での駆動により長手方向ＤにピッチＬｂの半分以上水平移動しうる可動部材５２と、可動部材５２の両端に一組ずつ設けられた吊持部材基部５３及び吊持部材進退部５４とを具えている。吊持部材進退部５４は、前進方向（図では下方へ突き出る方向）へバネ力等にて軽く付勢されており、反力を受けると吊持部材基部５３側へ後退する。さらに図示しない電動モータ等での駆動によっても後退するようになっている。このような吊持部材進退部５４の先端・下端がジグザグ電路部３５の長手方向Ｄ両端に取り付けられて、移動機構５０は、金属製部材１０の間欠移動および挟持を可能にすべくジグザグ電路部３５及びスペーサ４０を昇降させるとともに、ジグザグ電路部３５及びスペーサ４０を金属製部材１０に軽く押しつけながら長手方向Ｄに微小移動あるいは微小揺動させるものとなっている。
【００４０】
なお、上例では、被加熱部に対する誘導子３４の進退、あるいは、被加熱部に対するジグザグ電路部３５の、長手方向Ｄに係る位置関係の相対的変動（移動，揺動等）を、誘導子３４の方を動かして行っているが、逆に、金属製部材１０（或いは、これを支持している支持手段２３）の方を動かして行うようにしてもよい。
【００４１】
このような誘導加熱装置を使用して行う薄肉部加熱方法および誘導加熱装置の動作等を説明する。図５（ｃ）〜（ｅ）は、誘導加熱装置の使用状況を示し、（ｃ）が被加熱部１１の平面図、（ｄ）が加熱開始時における金属製部材１０と誘導子３４との正面図、（ｅ）が加熱終了時における金属製部材１０と誘導子３４との正面図である。
【００４２】
高周波通電の継続期間内にジグザグ電路部３５を、被加熱部に対して、長手方向ＤにピッチＬｂ相当距離程度の変位を以て相対移動あるいは相対揺動させると、被加熱部１１のほぼ全域が誘導電流経路（図示１２の何れか）上に在ったという履歴に当る（図５（ｃ）参照）。このように誘導子３４が動くことにより、入熱位置が分散して、被加熱部１１の加熱状態や温度分布が十分に平坦化されるので、この場合は、温度平坦化期間の経過を待つ必要が無く、その算出を行う必要も無い。そのため、速やかに冷却することが可能となるうえ、目標加熱温度を超えて加熱する必要も無くなる。
【００４３】
また、上記とは逆に、ジグザグ電路部３５の被加熱部に対する位置関係を実質的に固定した状態で高周波通電して入熱位置を集中させた誘導加熱を行うとジグザグ電路部３５の形態に対応した縞状加熱が実現される。この縞状加熱は、前述のように、圧潰エネルギー吸収能を向上させるための縞状の焼入れなどに有用なものとなる。
【００４４】
図６に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図６は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図、（ｃ）が金属製部材１０の平面図である。
【００４５】
この金属製部材１０には帯状の被加熱部１１が一本だけでなく二本も画定されている（図６（ａ）参照）。それに対応して、ジグザグ電路部３５も、往路部分と復路部分との二本に分かれて形成され、それぞれの部分において細長い良導体が繰り返し反転曲折した形状になっている（図６（ｂ）参照）。この例では、被加熱部１１がほぼ等距離で並走する領域に完全分離されているのに対し、ジグザグ電路部３５の往路部分と復路部分は直列に接続された状態となる。高周波通電なので何れが往路で何れが復路かは本質的でないが、誘導子３４において一方を往路としたとき他方が復路になるよう往復路が接続されている。
【００４６】
この場合（図６（ｃ）参照）、並走する二本の誘導電流経路１２が金属製部材１０に発現し、いずれも開路となるが、一方の終端と他方の始端との間、及び他方の終端と一方の始端との間に、すなわち渡り区間に当る領域に、紡錘状に広がって明確な経路を持たない分散流１２ａが流れるので、全体としては閉路となって、この閉路に由来する誘導加熱作用も存在はする。しかしながら、何れの被加熱部１１も前記局部渦電流の作用によって的確に誘導加熱されて目標加熱温度まで昇温する一方、上記全体的な閉路に由来する誘導加熱作用は、その受持ち領域が広大であるのに比して、上記誘導作用をもたらす電流量は各局部の渦電流の２倍の電流量に過ぎないため、金属製部材１０における被加熱部１１以外のところ（即ち加熱不所望部）は、分散流１２ａの通過部位（上記渡り区間）も含めて、低い温度にとどまる。
こうして、この場合も、被加熱部１１だけが適切に加熱されて、焼入れ処理が適切に進行する。
【００４７】
図７に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図７は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図、（ｃ）が被加熱部１１の拡大平面図である。
【００４８】
この金属製部材１０には細長い被加熱部１１が一本しか画定されていないが（図７（ａ）参照）、ジグザグ電路部３５は（図７（ｂ）参照）、寄り添って並走する二本の往路部分と復路部分とからなる。何れの部分も、細長い良導体が繰り返し反転曲折した形状になっている。
この場合は（図７（ｃ）参照）、往路部分と復路部分とが近接しているので、ジグザグ電路部３５のうちＵ字の開口端が対向しているところでは、誘導電流経路１２に関して、往路側と復路側の局部渦電流が繋がって長い局部渦電流になることもあるが、この場合も、上述したのと同様にして、やはり被加熱部１１の全域が誘導加熱される。
【００４９】
図８に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図８は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図である。
【００５０】
この金属製部材１０が上述した図７のものと相違するのは、被加熱部１１がテーパ状に画定されている点である。具体的には（図８（ａ）参照）、長手方向に見て、一方の幅（図では右端の幅）が他方の幅（図では左端の幅）より広くなっている。
このような被加熱部１１に対応して、往復路からなるジグザグ電路部３５も、平面で見た包絡線形状がほぼ同じテーパ状になるよう、幅を変えながら反転曲折を繰り返して形成される（図８（ｂ）参照）。ピッチＬｂは同じままである。
この場合、被加熱部１１がテーパ状であっても、被加熱部１１のほぼ全域がカバーされる。それでいて、ピッチＬｂが一定に保たれているので、幅広のところも幅狭のところも含めて被加熱部１１の全域が概ね均一に加熱される。
【００５１】
図９に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図９は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図である。
【００５２】
この金属製部材１０が上述した図８のものと相違するのは、テーパ状に画定されている被加熱部１１において（図９（ａ）参照）幅狭のところ（図では左方）よりも幅広のところ（図では右方）を高温にしなければならないという点である。
このような被加熱部１１に対応して、ジグザグ電路部３５は（図９（ｂ）参照）、幅狭のところ（図では左方）でピッチＬｂが広げられる（Ｌｂ＝Ｌｂ１）一方、幅広のところ（図では右方）でピッチＬｂが狭められる（Ｌｂ＝Ｌｂ２。但し、Ｌｂ１＞Ｌｂ２）。
【００５３】
このようにジグザグ電路部３５における反転曲折のピッチを不等にしたことにより、テーパ状の被加熱部１１に対して、幅狭のところよりも幅広のところに高い密度で入熱が行われる。
こうして、ピッチの広狭に基づいて入熱分布が調整されるので、被加熱部１１がテーパ状であっても矩形のときと同じく容易に、入熱分布を調整することができる。
【００５４】
図１０に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図１０は、加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との縦断端面図である。
【００５５】
このジグザグ電路部３５は、後背側（すなわち金属製部材１０と向き合わない側）に強磁性部材６０が添えられている。強磁性部材６０としては、例えば、フェライト（鉄系酸化物）あるいは珪素鋼板を用いる。この例では、ジグザグ電路部３５のうち反転曲折ピッチの小さいところの後背側には強磁性部材６０が添えられ反転曲折ピッチの大きいところの後背側には強磁性部材６０が添えられていない。しかも、強磁性部材６０は、ジグザグ電路部３５のうち反転曲折ピッチの大きいところに近い方で（図では中間位置で）薄く、反転曲折ピッチの小さいところの端で（図では右端で）厚くなっている。
【００５６】
この場合、ジグザグ電路部３５のピッチが例え同じままであっても強磁性部材６０の磁性に応じて誘導電流が増加するので、強磁性部材６０の添付されているところは入熱が増強される。特に強磁性部材６０が厚いところほど、入熱密度が高くなる。
これにより、ジグザグ電路部３５を加工可能な最小ピッチで反転曲折して達しうる限界を超えて、被加熱部１１への入熱分布を調整することができる。もちろん、ピッチの広狭に基づく入熱分布の調整と併用するのも可能である。
【００５７】
図１１に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図１１は、加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との縦断端面図である。
【００５８】
このジグザグ電路部３５にも入熱分布調整のため強磁性部材６０が添付されているが、上述のものとは添付の具体的態様が異なる。すなわち、強磁性部材６０は、多数の小片に分かれており、それぞれの小片は、ジグザグ電路部３５において多数並走する良導体の間隙に入り込んでいる。
この場合、ピッチの広いところには断面積の比較的小さな強磁性部材６０片がセットされ、ピッチの狭いところには断面積の比較的大きな強磁性部材６０片がセットされる。
これにより、ピッチの広狭に基づく入熱分布の調整と強磁性部材添付に基づく入熱分布の調整とが併用されて、入熱分布の調整機能が向上する。なお、図示のようにスペーサ４０を併用すると、強磁性部材６０の保持や位置合わせも、容易かつ正確に行える。
【００５９】
図１２に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図１２は、（ａ）が誘導子３４の簡略斜視図、（ｂ）が金属製部材１０の平面図、（ｃ）が被加熱部１１の拡大平面図である。
この誘導子３４が上述した図１や図５のものと相違するのは、引出線部３６だけでなくジグザグ電路部３５における折返し部分３５ｃも誘導作用喪失側（すなわち金属製部材１０から遠ざかる方）に迂回するよう曲がっている点である（図１２（ａ）参照）。
【００６０】
この場合、金属製部材１０の被加熱部１１と対峙するジグザグ電路部３５のうち誘導作用部として有効に電磁誘導の役割を果たすのは（図１２（ｂ）参照）、短手方向に走る短い直線部分であり、これがピッチＬｂで離れた状態で長手方向に多数並ぶこととなる。そのため（図１２（ｃ）参照）、主たる誘導電流経路１２が短手方向に多数並走する短線状の開路群になるが、それらの開路で電流の向きが交互に反転するので、隣り合う開路の間では局部渦電流相当の局所循環流１２ｂが分散して流れる。この局所循環流１２ｂは、誘導電流経路１２の電流のほぼ半分であり、両側の電流を合わせると帰還分に相当する。これにより、被加熱部１１が薄肉部材に画定された細長い一塊りの領域であっても、明確な電流閉路は形成されないが、被加熱部１１のほぼ全域に分散して誘導電流か帰還電流が流れるので、やはり適切な誘導加熱が行われる。
【００６１】
図１３に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図１３は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図である。
この金属製部材１０が上述した図１２のものと相違するのは（図１３（ａ）参照）、被加熱部１１がテーパ状に画定されている点と、テーパ状に画定されている被加熱部１１において幅狭のところよりも幅広のところを高温にすることが求められている点である。
【００６２】
このような被加熱部１１に対応して、ジグザグ電路部３５は（図１３（ｂ）参照）、並走する多数の短直線部分が、幅狭のところ（図では左方）でピッチＬｂが広げられる（Ｌｂ＝Ｌｂ１）一方、幅広のところ（図では右方）でピッチＬｂが狭められる（Ｌｂ＝Ｌｂ２）。
この場合、折返し部分３５ｃが誘導作用喪失側に曲がって迂回しているので、被加熱部１１にはジグザグ電路部３５の反転曲折の不等ピッチに対応した分布で入熱が行われ、図９の場合と同様に被加熱部１１がテーパ状であっても適切な誘導加熱がなされる。しかも、被加熱部１１が図９のときより細くても、容易に適合させることが出来、被加熱部１１の全域を的確にカバーする。
【００６３】
図１４に示した本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態を説明する。図１４は、（ａ）が金属製部材１０の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材１０と誘導子３４との平面図である。
【００６４】
この金属製部材１０が上述した図１や図５のものと相違するのは（図１４（ａ）参照）、被加熱部１１がテーパ状に画定されている点と、テーパ状に画定されている被加熱部１１において幅狭のところよりも幅広のところを高温にすることが求められている点である。
【００６５】
このような被加熱部１１に対応して、ジグザグ電路部３５は（図１４（ｂ）参照）、幅狭のところ（図では左方）でピッチＬｂが広げられる一方、幅広のところ（図では右方）でピッチＬｂが狭められる。
【００６６】
【その他】
なお、上記の各実施形態では、ジグザグ電路部３５が平面状になっていたが、ジグザグ電路部３５の形状は、これに限られる訳では無い。ジグザグ電路部３５は被加熱部１１に適合して形成されるので、図示等は割愛したが、被加熱部１１が曲折面や湾曲面の場合、ジグザグ電路部３５も曲折面や湾曲面に形成される。平面の場合でも、上述した矩形状かテーパ状に限られるものでなく、例えば中太り形状やＳ字状など他の形状もあるうる。
また、本発明の適用は焼入れのための加熱に限らず、焼戻しや整粒調質など他の熱処理のための加熱、あるいは、歪取りなどのための加熱にも、本発明を適用することができる。
【００６７】
さらに、上記の各実施形態では、通電時間を一定の固定期間にしたが、これは説明の簡明化のためであり、通電時間は可変であっても良い。例えば、目標加熱温度と気温等との温度差に基づいて通電時間を算定するようにしても良く、発熱部１３の温度等を計測して通電を停止するようにしても良い。
また、移動機構５０も、上述した一例に限られる訳でなく、誘導加熱による入熱位置を分散させるのに足りるだけジグザグ電路部３５を相対移動させうるものであれば良く、例えば、往復動しても良く、振動しても良い。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の誘導加熱装置にあっては、細長い良導体を繰り返し反転曲折させて誘導子を形成することにより、能率重視の一括方式の誘導加熱であるにも拘わらず被加熱部内各部への入熱密度を被加熱部の形状に関係なく概ね均等化した誘導加熱が可能となる。たとえば、短手方向での反転曲折を長手方向に繰り返すようにもしたことにより、帯状被加熱部の幅不同への対応が容易かつ適切に行えるようになる。さらには、ピッチを加減することで被加熱部の各部に対する入熱密度の微調整（即ち、入熱分布の微調整）が容易かつ適切に行える。この他、複数の被加熱部の渡り区間などの加熱不所望部が不本意に加熱されてしまうといった事態も容易かつ確実に避けられる。そして、これらの効果は、被加熱部が薄肉の場合に特に有用となるものである。
【００６９】
また、これらの誘導加熱装置を使用して行う本発明の薄肉部加熱方法にあっては、誘導加熱を行う際に、被加熱部の熱歪変形に追随してスペーサが変形し更に誘導子も追随して変形するようにもしたことにより、被加熱部の誘導加熱中の歪み変形に対しても的確に適合して部位別に入熱の狂いを生じない安定した誘導加熱が行えるようになる。さらには、誘導加熱を行う際に、誘導子等を反転曲折の繰り返し方向へ限定的に動かして、入熱位置を分散させるようにもしたことにより、入熱が縞状であっても、被加熱部の加熱状態や温度分布が十分に平坦化される。更に又、上記とは逆に誘導子を実質的に固定した状態で用いる手法を積極的に採用して縞状焼入れなどに有用な縞状加熱を行うこともできる。
したがって、本発明によれば、一括方式での誘導加熱でも多様に適合しうる誘導加熱装置および薄肉部加熱方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の一実施形態について、（ａ）が誘導加熱装置の模式図、（ｂ）が焼き入れ対象の金属製部材の斜視図、（ｃ）〜（ｅ）が細長い良導体の断面斜視図、（ｆ）が誘導子の斜視図である。
【図２】誘導加熱装置の概要回路図である。
【図３】その使用状況を示し、（ａ）がジグザグ電路部の電流例、（ｂ）が被加熱部の拡大平面図である。
【図４】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の他の実施形態について、誘導子の構造を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が斜視図、（ｄ）が誘導電流の経路を示す図である。
【図５】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の他の実施形態について、誘導子等の構造を示し、（ａ）が誘導子３４の斜視図、（ｂ）が誘導子３４にスペーサ４０及び移動機構５０を加えたところの正面図、（ｃ）が被加熱部の平面図、（ｄ）が加熱開始時における金属製部材と誘導子との正面図、（ｅ）が加熱終了時における金属製部材と誘導子との正面図である。
【図６】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図、（ｃ）が金属製部材の平面図である。
【図７】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図、（ｃ）が被加熱部の拡大平面図である。
【図８】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図である。
【図９】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図である。
【図１０】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、加熱位置における金属製部材と誘導子との縦断端面図である。
【図１１】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、加熱位置における金属製部材と誘導子との縦断端面図である。
【図１２】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が誘導子の簡略斜視図、（ｂ）が金属製部材の平面図、（ｃ）が被加熱部の平面図である。
【図１３】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図である。
【図１４】本発明の誘導加熱装置および薄肉部加熱方法の更に他の実施形態について、（ａ）が金属製部材の平面図、（ｂ）が加熱位置における金属製部材と誘導子との平面図である。
【符号の説明】
１０…金属製部材、
１１…被加熱部、１２…誘導電流経路、
１２ａ…分散流、１２ｂ…局所循環流、
１３…発熱部、１４…非発熱部、
２０…メインコントローラ、２３…支持手段、
３０…誘導加熱装置、３１…通電制御装置、
３２…高周波電源、３３…給電ケーブル、
３４…誘導子、３５…ジグザグ電路部、
３５ａ…往路部分、３５ｂ…復路部分、
３５ｃ…折返し部分、３６…引出線部、
４０…スペーサ、
５０…移動機構、５１…固定部材、５２…可動部材、
５３…吊持部材基部、５４…吊持部材進退部、
５５…帰還ケーブル、５６…電極金具、
６０…強磁性部材、
Ｌｂ…ピッチ、Ｃ…短手方向、Ｄ…長手方向

Claims (8)

1. 被加熱部の全域を全域同時に誘導加熱できる大きさの誘導作用部を有する誘導子と、これに通電を行う高周波電源と、その通電制御を行う制御装置とを備えた誘導加熱装置において、前記誘導子が、繰り返し反転曲折した経路を以て細長い良導体を前記誘導作用部に行き亘るように配したジグザグ電路部を有するものであることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記細長い良導体が、前記誘導作用部短手方向での反転曲折を長手方向に繰り返していることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記細長い良導体の反転曲折のピッチが不等であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記ジグザグ電路部が、往路部分と復路部分とに分かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の誘導加熱装置。
5. 前記ジグザグ電路部における前記細長い良導体の折返し部分が誘導作用喪失側に迂回していることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の誘導加熱装置。
6. 薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その際、前記誘導加熱の最中に生じる前記被加熱部の熱歪変形に追随して変形しうるように構成した電気絶縁性のスペーサを前記誘導子のジグザグ電路部と前記被加熱部との間に介在させておくことを特徴とする薄肉部加熱方法。
7. 薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その間、前記誘導子の位置を、前記被加熱部に対して相対的に、前記ジグザグ電路部における前記細長い良導体の反転曲折の繰り返し方向に変動させて前記誘導加熱による入熱位置を分散させることを特徴とする薄肉部加熱方法。
8. 薄肉部を有する金属製部材の前記薄肉部に細長く画定された被加熱部を誘導加熱により入熱して加熱する薄肉部加熱方法において、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の誘導加熱装置の前記誘導子を前記被加熱部に臨ませてこれに高周波通電することで前記誘導加熱を行い、その間、前記誘導子の前記被加熱部に対する相対的な位置関係を実質的に固定しておくことで、前記誘導加熱による入熱位置を縞状に分布させることを特徴とする薄肉部加熱方法。

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