JP2017195101A - 誘導加熱ヘッド、誘導加熱装置及び金属体の検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小金属体を効率よく加熱することを可能とする誘導加熱ヘッド、誘導加熱装置、及び微小金属体を効率よく検出することを可能とする検査装置を提供すること。
【解決手段】一対の脚部４ａ、４ｂ及びこれら脚部を接続する接続部を有するコアと、一対の脚部のそれぞれに巻回されたコイル３ａ、３ｂとを具備し、脚部の先端部は幅方向に突出し、突出部の下面は曲面状に湾曲しており、先端部間にはギャップ６が設けられ、コイルに高周波電流を流すことによりギャップ近傍に湾曲磁界が発生し、ギャップ近傍に配置された金属体を加熱することを特徴とする誘導加熱ヘッドが提供される。また、この誘導加熱ヘッドを用いた誘導加熱装置及びこの誘導加熱装置を用いた検査装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱ヘッド、誘導加熱装置及び金属体の検出装置に係り、特に金属体を加熱するための誘導加熱ヘッド、この誘導加熱ヘッドを備える誘導加熱装置、及びこの誘導加熱装置を備える金属体の検出装置に関する。

従来、誘導加熱を用いた金属体の加熱方法としては、電磁コイル中に金属体を配置し、コイルに高周波電流を流すことにより磁力線を発生させ、この磁力線の影響により金属体に渦電流が流れることにより加熱する方法がある。しかし、この方法では、微小金属体を加熱することは困難であった。その理由は、電磁コイルと不確定な金属材料の距離が大きくなり、金属材料に働く起磁力が小さく発熱が小さい、また金属材料の熱容量が小さいため、エネルギーの吸収（蓄熱）と放熱がバランスし、温度の上昇が停止してしまうからである。

微小金属体を誘導加熱する方法として、Ｃ型コアのギャップの間に金属体を配置し、コアに巻回されたコイルに高周波電流を流すことにより金属体を加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、金属体を磁極間に挟むように配置する方式のため、金属体の形状や大きさに制限があるという問題があった。即ち、電極間に入らない形状やサイズの金属体（例えば、シート状等の広い面積の金属体）を加熱することはできなかった。

シート状の金属体を誘導加熱する方法として、パンケーキコイルからなる誘導加熱ヘッドを用い、その上に金属体を配置して加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法では、コイルから出る磁束がコイル間をまたがる金属を介して磁束が戻る方式のため、金属材料がコイルをまたがない大きさの場合、磁束密度が集束せず、効率よくシート状金属体を加熱することは困難であった。特に、微小金属片が分散して含有する樹脂シートなどにおいて、樹脂シート中の微小金属片を加熱し、微小金属片の存在を温度上昇によって検知する場合、磁束密度が微小金属片に集中しないため、投入するエネルギーが大きくなり、効率よく検知することは困難であった。

実開平６−７１９３号公報 特開２００７−３１５９２２号公報

本発明の目的は、微小金属体及びシート状体に含まれる金属体を効率よく加熱することを可能とする誘導加熱ヘッドを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記誘導加熱ヘッドを具備し、微小金属体及びシート状体に含まれる金属体を効率よく加熱することを可能とする誘導加熱装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、上記誘導加熱装置を具備し、微小金属体及びシート状体に含まれる金属体を効率よく検出することを可能とする金属体の検出装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、一対の脚部及びこれら脚部を接続する接続部を有するコアと、前記一対の脚部のそれぞれに巻回されたコイルとを具備し、前記脚部の先端部は幅方向に突出し、突出部の下面は曲面状に湾曲しており、先端部間にはギャップが設けられ、前記コイルに高周波電流を流すことにより前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された金属体を加熱することを特徴とする誘導加熱ヘッドを提供する。

以上のように構成される本発明の第１の態様に係る誘導加熱ヘッドにおいて、前記コアを、一対の脚部の後端が湾曲した接続部により接続されたＵ字状コアとすることができる。
また、前記コアを、一対の脚部の後端が他の誘導加熱ヘッドとの連結端面を有する接続部により接続された逆π字状コアとすることができる。

本発明の第２の態様は、３つの脚部及びこれら脚部を接続する接続部を有するコアと、前記３つの脚部のうち中央の脚部に巻回されたコイルとを具備し、前記中央の脚部の先端部は幅方向に突出し、突出部の下面は曲面状に湾曲しており、前記３つの脚部の先端部間にギャップが設けられ、前記コイルに高周波電流を流すことにより前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された金属体を加熱することを特徴とする誘導加熱ヘッドを提供する。

本発明の第３の態様は、上述の誘導加熱ヘッド、この誘導加熱ヘッドを複数個連結した誘導加熱ヘッド連結体、又はこの誘導加熱ヘッド連結体を複数列平行に配置した誘導加熱ヘッド配列体、及び前記コイルに高周波電流を供給する手段を具備することを特徴とする誘導加熱装置を提供する。

本発明の第４の態様は、上述の誘導加熱装置、及び前記誘導加熱装置により加熱された被検査体に含まれる金属体を検出する手段を具備することを特徴とする金属体検出装置を提供する。

本発明の第１〜第３の態様によれば、微小金属体及びシート状体に含まれる金属体を効率よく加熱することができる。
第１の態様は、単体で小さい面積の微小金属及びシート状体に含まれる金属を加熱することに有効である。また、第２の態様は、帯状体若しくはシート状体をギャップに対して直角に配列して加熱することに有効である。更に、第３の態様は、第２の態様の誘導加熱ヘッドを更にギャップに対して直角に配列したものを千鳥状に配列することで、面状に加熱することに有効である。
また、本発明の第４の態様によれば、金属体及びシート状体に含まれる金属体を効率よく検出するができる。

本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す模式図。 図１に示す誘導加熱ヘッドを２つ連結した誘導加熱装置の湾曲磁界分布を示す特性図。 本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す模式図。 図３に示す誘導加熱ヘッドを３つ連結した誘導加熱ヘッド連結体からなる誘導加熱装置を示す正面図。 図４に示す誘導加熱装置の湾曲磁界分布を示す特性図。 本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す模式図。 図６に示す誘導加熱ヘッドを３つ連結した誘導加熱ヘッド連結体からなる誘導加熱装置を示す正面図。 図７に示す誘導加熱装置の湾曲磁界分布を示す特性図。 図６に示す誘導加熱ヘッド連結体を３つ平行に配列した誘導加熱ヘッドマトリクス状配列体からなる誘導加熱装置を示す平面図。 本発明の第４の実施形態に係る金属体の加熱装置を示す模式図。

以下、本発明の種々の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す正面図である。図１に示す誘導加熱ヘッド１は、Ｕ字状コア２とコイル３ａ,３ｂとから構成される。この誘導加熱ヘッド１と、コイル３ａ,３ｂに高周波電流を供給する高周波電源（図示せず）により誘導加熱装置が構成される。Ｕ字状コア２は、一対の脚部４ａ，４ｂを有し、これらの脚部４ａ，４ｂの上部にコイル３ａ,３ｂが巻回されている。

また、これら一対の脚部４ａ，４ｂのそれぞれの先端部５ａ，５ｂの間には、ギャップ６が形成されている。先端部５ａ，５ｂは、一対の脚部４ａ，４ｂよりも広い幅を有し、即ち、幅方向に突出してラッパ状に拡張し、それによってギャップ６は狭くされている。また、突出部の下面は曲面状に湾曲している。

このような形状のＵ字状コア２では、ギャップ６とコア２の下部との距離が遠いため、コア２の下部の磁気抵抗が増加する。そのため、ギャップ６の上部に磁気の流れが集約され、ギャップ６の上部の角に磁束が集中する。その結果、図１に示すように、湾曲磁界７が発生する。
そのため、湾曲磁界７が作用するギャップ６のやや上方に微小な金属体８を配置すると、金属体８に渦電流が発生し、金属体８自体が有する抵抗により金属体８は発熱し、加熱される。この場合、磁束の集中により金属体８へのピンポイント加熱が可能である。これが本発明における誘導加熱の原理である。

図２は、図１に示す誘導加熱ヘッド１を２つ（誘導加熱ヘッド１Ａ、１Ｂ）連結した誘導加熱装置において、先端部から３ｍｍ上方における磁束密度の位置による変化を表す磁束密度分布を示す特性図である。位置は、下に記載されている２つの誘導加熱ヘッド１Ａ，１Ｂに対応している。
図２において、曲線は、電磁界解析ソフトＪＭＡＧを用いてシミュレートされた湾曲磁界分布を示し、丸い黒点は実験値を示す。図２から、誘導加熱ヘッド１Ａ，１Ｂの連結により、２つの誘導加熱ヘッド１Ａ，１Ｂの間においても漏れ磁束が増加し、湾曲磁界が拡大していることがわかる。

本実施形態に係る誘導加熱装置によると、ギャップ６の上部に発生した交番磁束は指向性を有するため、小さい金属体に対するピンポイント加熱が可能である。また、誘導加熱ヘッド１を複数個連結することにより、ギャップ６の外に発生した湾曲磁界を拡大することができるため、小さい金属体に限らず、大きな金属体の加熱にも適用可能である。
図１に示す誘導加熱ヘッド１において、Ｕ字状コア２の厚さを薄くし、銅板を挟んで複数のＵ字状コア２を積層することにより、コアの均熱及び放熱が促進され、長時間の連続加熱が可能となる。

また、図１に示すように、コイル３ａ,３ｂを一対の脚部４ａ，４ｂの上部に均等に巻回することにより、下部の中央部で一括で巻いた場合に比べ、より強力な交番磁束を発生させることができ、それによってより効率のよい誘導加熱が可能である。また、コアの発熱においても、脚に分散され優位となる。
図１に示す誘導加熱ヘッド１を２つ（誘導加熱ヘッド１Ａ，１Ｂ）連結した誘導加熱装置を用い、Ｕ字状コア２の先端部５ａ，５ｂの上方３ｍｍの位置にポリイミドフィルム(４０ｍｍ×１６５ｍｍ)を配置し、その上に直径１ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）球を１列９個ずつ、３列等間隔に配置し、５秒間加熱し、ポリイミドフィルムのサーモグラフィ画像を撮影したところ、すべてのステンレス球の発熱を検出することが出来た。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す正面図である。この誘導加熱ヘッド１０は、逆π字状コア１２及びコイル１３ａ,１３ｂから構成される。この誘導加熱ヘッド１０と、コイル１３ａ,１３ｂに高周波電流を供給する高周波電源（図示せず）により誘導加熱装置が構成される。逆π字状コア１２は、一対の脚部１４ａ，１４ｂと、これら脚部１４ａ，１４ｂを接続する接続部１１とを有し、一対の脚部１４ａ，１４ｂの上部にコイル１３ａ,１３ｂが巻回されている。また、これら一対の脚部１４ａ，１４ｂのそれぞれの先端部１５ａ，１５ｂの間には、ギャップ１６が形成されている。一対の脚部１４ａ，１４ｂのそれぞれの先端部１５ａ，１５ｂは、図１に示す先端部５ａ，５ｂと同様に、一対の脚部１４ａ，１４ｂよりも広い幅を有し、即ち、幅方向に突出してラッパ状に拡張し、それによってギャップ１６は狭くされている。また、突出部の下面は曲面状に湾曲している。

図４は、図３に示す誘導加熱ヘッド１０を３個（誘導加熱ヘッド１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）、一列に連結した誘導加熱装置を示す図である。このような誘導加熱装置において、誘導加熱ヘッド１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの隣接する接続部１１同士は、密着させる構造としている。この構造により、コアギャップ（１６）とコア間（１０Ａと１０Ｂの間）に形成されるギャップの距離も安定的に等しくでき、また、隣接のコアと下部で磁気結合が行えるため磁気抵抗も同等となり、発生する湾曲磁界１７と１８が等しくなる。
図４に示す誘導加熱装置において、コイル１３ａ,１３ｂに高周波電源から高周波電流を流すと、先端部１５ａ，１５ｂのギャップ１６に湾曲磁界１７が発生する。この場合、先端部１５ａ，１５ｂがラッパ状に拡張されているため、隣接するコア間にも漏れ磁界１８が発生する。従って、一列に配列された誘導加熱ヘッド１０の先端部１５ａ，１５ｂの上に細長い金属体を配置すると、広範囲にわたって細長い金属体に渦電流が流れ、それによって広範囲にわたって金属体が発熱し、加熱される。

図４に示す誘導加熱装置のコイル１３ａ,１３ｂに１ＭＨｚの高周波電流を流し、各コイルに１３ａ、３ｂに１００ＡＴの起磁力を生じさせた場合の、誘導加熱ヘッド１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃの上方３ｍｍにおける磁束密度の位置による変化を表す磁束密度分布を図５に示す。図５に示す磁束密度分布は、電磁界解析ソフトＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳを用いたシミュレーションの結果である。図５から、図２に示す結果と同様、誘導加熱ヘッド１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの連結により、３つの誘導加熱ヘッド１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれの間においても漏れ磁束が増加し、湾曲磁界が拡大していることがわかる。さらに、接続部１１同士を密着させたため、前述の理由により、図５のコア間（図４中１８）の磁束密度が図２より大きくなっており、広範囲にわたって金属体を効率よく加熱することが可能である。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを示す。この誘導加熱ヘッドは、山形コア２２及びコイル２３から構成される。この誘導加熱ヘッド２０と、コイル２３に高周波電流を供給する高周波電源（図示せず）により誘導加熱装置が構成される。山形コア２２は、３つの脚部２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、これら３つの脚部２４ａ，２４ｂ，２４ｃを連結する接続部２１を有している。コイル２３は、中央の脚部２４ｂにのみ巻回され、両側の脚部２４ａ，２４ｃには巻回されていない。また、これら３つの脚部２４ａ，２４ｂのそれぞれの先端部２５ａ，２５ｂ，２５ｃの間には、ギャップ２６ａ，２６ｂが形成されている。

３つの脚部２４ａ，２４ｂ，２４ｃの先端部２５ａ，２５ｂ，２５ｃのうち中央の先端部２５ｂの幅は、中央の脚部２４ｂよりも広い幅を有し、即ち、幅方向に突出してラッパ状に拡張し、それによってギャップ２６ａ，２６ｂは狭くされている。また、突出部の下面は曲面状に湾曲している。
なお、両側の脚部２４ａ，２４ｃの幅は、複数の誘導加熱ヘッドを連結した場合に、隣接する誘導加熱ヘッドの脚部の幅との合計が中央の脚部２４ｂの幅と同一となるように、中央の脚部２４ｂの幅の２分の１としている。

図７は、図６に示す誘導加熱ヘッド２０を３個（誘導加熱ヘッド２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）、一列に連結した誘導加熱ヘッド連結体からなる誘導加熱装置を示す正面図である。このような誘導加熱装置において、誘導加熱ヘッド２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの隣接する脚部２４ａ，２４ｃ及び接続部２１は、密着している。
図７に示す誘導加熱装置において、コイル２３に高周波電流を流すと、先端部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ間のギャップ２６ａ，２６ｂに湾曲磁界２７が発生する。この場合、中央の先端部２５ｂがラッパ状に拡張されているため、隣接するコア間及び前後のコア間にも漏れ磁界が発生する。また、この誘導加熱ヘッドは、山形の中央にコイルを巻くことにより、中央部の２５ａの中心部の磁束の落ち込みが他と比べて小さくなっており、より広範囲での加熱に有効である。従って、誘導加熱ヘッド２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの先端部２５ａ，２５ｂ，２５ｃの上に微小金属体を含むシート状体を配置すると、広範囲にわたって金属体に渦電流が流れ、それによって広範囲にわたって金属体が発熱し、加熱される。

図７に示す誘導加熱装置のコイル２３に１ＭＨｚの高周波電流を流し、各コイルに２００ＡＴの起磁力を生じさせた場合の、誘導加熱ヘッド２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの上方３ｍｍにおける磁束密度の位置による変化を表す磁束密度分布を図８に示す。図８に示す磁束密度分布は、電磁界解析ソフトＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳを用いたシミュレーションの結果である。図８から、図５に示す結果と同様、誘導加熱ヘッド２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの連結により、３つの誘導加熱ヘッド２０の間においても漏れ磁束が増加し、湾曲磁界が拡大していることがわかる。

図９は、図７に示す誘導加熱ヘッド連結体を３列、平行に配列した、即ち、図６に示す誘導加熱ヘッド２０をマトリクス状に配列した誘導加熱ヘッド配列体からなる誘導加熱装置を示す平面図である。このようなマトリクス状配列の誘導加熱装置は、面状の加熱が可能であり、広い面積の被加熱体に対して加熱処理を行うことができる。また、微小金属体を含む樹脂シート等において、微小金属体の加熱が可能である。さらに、図７中の２５ｃにコイルを巻かない構造とすることにより、図４に示す誘導加熱ヘッド連結体よりもマトリクス状に配置した際に各列間の距離を短くすることが可能である。そのため、各列間にも湾曲磁界が発生し、広い面積の被加熱体を効率よく加熱することが可能となる。

以上説明した第１〜第３の実施形態にかかる誘導加熱ヘッドを用いた誘導加熱装置において、コイルに流す高周波電流の周波数は、１００ｋＨｚ以上が好ましいが、更に有効な加熱を行う観点から、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚがより好ましく、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚがより更に好ましく、５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚが最も好ましい。
加熱温度は、特に限定されず、加熱の用途に応じて、室温〜１５００℃の加熱が可能である。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る金属の検査装置の概略を示す図である。図１０において、参照符号３０は、上述した第１〜第３の実施形態に係る誘導加熱ヘッドを用いた誘導加熱装置のいずれかを示す。誘導加熱装置３０の上には樹脂フィルム３１が水平に走行し、誘導加熱装置３０を作動させると、樹脂フィルム３１中に含まれる微小な金属体３２が加熱される。

樹脂フィルム３１の走行方向下流には赤外線検出器３３が配置されており、この赤外線検出器３３により金属体３２の発熱が検出される。本実施形態に係る検査装置によると、約１．０ｍｍの径の微小な金属体の検出が可能である。
また、図１０に示す検査装置によると、特に誘導加熱装置として図９に示すような誘導加熱ヘッドをマトリクス状に配列した誘導加熱装置を用いた場合に、樹脂シートのような広い面積の被検査体中の微小金属体を効率よく検出することが可能である。

以上説明した誘導加熱装置及び検査装置の対象である金属体は、球形、円筒状、ウィスカー状等、その形態は問わない。金属体の材質の種類は特に限定されず、広範な用途に使用される、鉄、鋼、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム、及びこれらの１種以上を含む合金を用いることができる。

１，１０，２０…誘導加熱ヘッド
２…Ｕ字状コア
３ａ,３ｂ，１３ａ,１３ｂ，２３ａ,２３ｂ…コイル
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…脚部
５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ
６，１６，２６ａ，２６ｂ…ギャップ
７，１７，１８，２７…湾曲磁界
８…金属体
１１，２１…接続部
１２…逆π字状コア
２２…山形コア
３０…誘導加熱装置
３１…樹脂フィルム
３２…金属体
３３…赤外線検出器

Claims (6)

1. 一対の脚部及びこれら脚部を接続する接続部を有するコアと、前記一対の脚部のそれぞれに巻回されたコイルとを具備し、前記脚部の先端部は幅方向に突出し、突出部の下面は曲面状に湾曲しており、先端部間にはギャップが設けられ、前記コイルに高周波電流を流すことにより前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された金属体を加熱することを特徴とする誘導加熱ヘッド。
2. 前記コアは、一対の脚部の後端が湾曲した接続部により接続されたＵ字状コアであることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱ヘッド。
3. 前記コアは、一対の脚部の後端が他の誘導加熱ヘッドとの連結端面を有する接続部により接続された逆π字状コアであることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱ヘッド。
4. ３つの脚部及びこれら脚部を接続する接続部を有するコアと、前記３つの脚部のうち中央の脚部に巻回されたコイルとを具備し、前記中央の脚部の先端部は幅方向に突出し、突出部の下面は曲面状に湾曲しており、前記３つの脚部の先端部間にギャップが設けられ、前記コイルに高周波電流を流すことにより前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された金属体を加熱することを特徴とする誘導加熱ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の誘導加熱ヘッド、この誘導加熱ヘッドを複数個連結した誘導加熱ヘッド連結体、又はこの誘導加熱ヘッド連結体を複数列平行に配置した誘導加熱ヘッド配列体、及び前記コイルに高周波電流を供給する手段を具備することを特徴とする誘導加熱装置。
6. 請求項５に記載の誘導加熱装置、及び前記誘導加熱装置により加熱された被検査体に含まれる金属体を検出する手段を具備することを特徴とする金属体検出装置。

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