JP2017503657A

JP2017503657A - 金属素材を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド

Info

Publication number: JP2017503657A
Application number: JP2016528223A
Authority: JP
Inventors: ソンスンパク; ヘリョンイ; ヨンドキム
Original assignee: ダウォンシスシーオー．，エルティーディー．
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2015068936A1; CN105873710A; CN105873710B; EP3067143A4; US20160286611A1; KR20150053496A; KR101576137B1; EP3067143A1

Abstract

【課題】本発明は、誘導加熱ヘッドに関するもので、より詳細には、金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッドに関するものである。特に、供給される金属素材を局部的に加熱して溶融された状態で供給するための誘導加熱ヘッドに関するものである。本発明に係る誘導加熱ヘッドは、ソルダリング、溶接金属、金属素材の３Ｄプリンティングなど、様々な技術分野に応用が可能である。【解決手段】本発明に係る金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッドは、高周波電源に電気的に接続されるための誘導加熱コイルと、磁気コアを含む。前記磁気コアは前記誘導加熱コイルによって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、中空の内部に金属素材が供給されるための入口部と、供給された金属材料が排出されるための出口部を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、誘導加熱ヘッドに関するもので、より詳細には、金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッドに関するものである。特に、供給される金属素材を局部的に加熱して溶融された状態で供給するための誘導加熱ヘッドに関するものである。本発明に係る誘導加熱ヘッドは、ソルダリング（はんだ付け、solderling）、溶接金属、金属素材の３Ｄプリンティングなど、様々な技術分野に応用が可能である。

今日の電子製品は大部分は、プリント回路基板（Printed Circuit Board、以下ＰＣＢ）に電子部品を電気的に接続して、機械的に固定するために、ソルダリングをしている。電子部品をＰＣＢにソルダリングする方法で、ソルダワイヤ（solder wire）をソルダリング位置に供給しながら熱を加えて溶融させてソルダリングする（糸はんだ、線ソルダ）方法（以下、ソルダワイヤ、ソルダリングという）と、電子部品の端子とＰＣＢのパッドの間にソルダペースト(クリームはんだ、solder paste）を塗布し、熱を加えて溶融させてソルダリングする方法（以下、ソルダペーストソルダリングという）がある。

一方、電子製品を製造する際に使用されるソルダ合金の（solder alloys）は、溶融温度が約１９０℃−３００℃の範囲である。ソルダリングをするとき、ソルダ合金は溶融温度以上に加熱されるので、ソルダリングされている電子部品とＰＣＢは通常の使用定格温度以上の高温に加熱される。特に、はんだペーストソルダリングの方法の一種であるリフローソルダリングプロセス（reflow soldering process）やウェーブソルダリング工程（wave soldering process）にソルダリングを行う場合に部品とＰＣＢはすべてソルダ合金の溶融温度以上に加熱される。ソルダワイヤ、ソルダリング方法でも、はんだごてと接触する電子部品とＰＣＢの部分は局部的にソルダ合金の溶融温度以上に加熱される。

したがって、電子部品はソルダリング工程中の高温にさらされても、安全に動作するように、必要以上に高い温度定格を持つように製造され、これは電子部品の製造コストを上昇させる。また、ソルダリング工程で高温に加熱された電子部品は、熱衝撃（thermal shock）によって破損されたりする。特に、リフローソルダリング工程は電解コンデンサや半導体パッケージにクラックを発生させ、多層ＰＣＢの強度低下やビアホール（via hole）周辺にクラックを発生させる。

前記のような従来のソルダリング方法の問題点、特にウェーブソルダリング工程やリフローソルダリングプロセスの問題点を解決するための誘導加熱ソルダリング装置は、米国特許US 6,188,052 B1（発明の名称、MATRIX-INDUCTION SOLDERING APPARATUS AND DEVICE）に公開されている。前記特許に開示された装置は、マトリックス形態に配置された複数の誘導セル（induction cells）とスイッチング装置を備える。スイッチング装置は、それぞれの誘導セルに電源を供給してＰＣＢに装着された電子部品の端子とＰＣＢパッドの間に塗布されたソルダ合金を局部的に溶融してソルダリングを行うように構成されている。しかし、前記特許文献に開示された誘導加熱ソルダリング装置は、ＰＣＢに表面実装された電子部品をソルダリングするための装置として（surface mounting device）、ソルダワイヤソルダリング方式のソルダリングには適用することが困難である。特に、誘導コイルによって形成された磁場にソルダワイヤを供給するための具体的な方法や装置を提示できずにいる。

一方、誘導加熱方式で局部的に電子部品の端子とＰＣＢのパッドを局部的に加熱して非接触方式でソルダワイヤソルダリングができる誘導加熱ソルダリング装置が知られている。ドイツのFRISCH社はソルダワイヤソルダリング方式の誘導加熱ソルダリング装置を製造して販売しており、ホームページ（http://www.frisch-gmbh.de/）にソルダリング装置の実施例が開示されている。図１は、前記のホームページに開示されものと同様の誘導加熱ソルダリング装置の一実施例である。図１に示された、誘導加熱ソルダリング装置は、誘導加熱コイル（10）と誘導加熱コイル（10）の両端に接続された高周波電源（20）を備える。誘導加熱コイル（10）の端部（10a）は、一側が開放されたループの形態で巻かれてL字型に折り曲げられている。図１に示すように、ＰＣＢ（40）の部品を挿入ホールに挿入された部品（41）の端子（41a）付近に誘導加熱コイル（10）の端部を近接させて、誘導加熱コイル（10）の端部（10a）付近にソルダワイヤを近接させてソルダワイヤ（30）を溶融させてソルダリングを行う。誘導加熱コイル（10）に高周波電流が流れると、電磁誘導現象によって変化する磁場が形成され、変化する磁場に導体が置かれれば誘導電流が発生して加熱され、加熱されたＰＣＢパッドと電子部品の端子を融点が低ソルダワイヤが溶融されてソルダリングされる。

しかし、図１に示された従来の誘導加熱ソルダリング装置は、次のような問題点がある。まず、誘導コイルによって形成される磁場を加熱しようとする局部領域に集中させられない構成で、加熱された部分が広くて周りの部品に損傷を与えることができる。図２は、図１に図示された誘導加熱ソルダリング装置によって加熱される範囲のエネルギー分布を等値線（isoline）に示したものである。図２に示すように、誘導加熱コイル（10）の端部（10a）の周辺に加熱領域（a - g）が広く分布してソルダワイヤ（30）以外にもコイル（10）の端部（10a）の周辺に置かれた電子部品を加熱して損傷を引き起こすことになる。また、誘導コイルによって加熱しようとするソルダワイヤの端部から遠く離れた部分が先に溶融されてソルダワイヤ端部が溶融されてないまま落ちてソルダリングの不良が発生することもある。図３は、図１に図示された誘導加熱ソルダリング装置によって加熱されたソルダワイヤの温度分布を示す。図３に示すように、従来の誘導加熱ソルダリング装置でソルダリングに必要な量のソルダワイヤ（30）を溶融させようと加熱する場合、ソルダワイヤ（30）の端部（30a）から一定距離離隔された部分（30b）が端部より高い温度に加熱される。したがって、ソルダリングに必要なだけのソルダワイヤ（30）の端部（30a）を溶融させようとする場合、端部から遠く離れた位置（30c）で先に溶融がされて過剰な量のソルダワイヤが供給されたり、ソルダワイヤの端部（30a）が溶融される前に一定距離離隔された部分（30b）の最高温度部分が先に溶融されて端部（30a）が溶融されていない状態で脱落して、溶接不良をもたらす。また、ソルダリングのために供給されるソルダワイヤが誘導コイル付近に配置されると、誘導コイルによって加熱され、熱変形が発生することになり、ソルダリング部位に正確に位置させるのが難しい。また、誘導コイルによるソルダワイヤの不要な部分の加熱を避けるためにソルダワイヤをコイルに対して多く傾けて供給する場合ソルダワイヤやソルダワイヤ供給機構が部品等と干渉されて誘導加熱ソルダリング装置の柔軟性が低下する問題点がある。

最近の電子部品の小型化が進むに応じて、電子部品のリードがますます細くなり、同時にリード間の間隔もだんだん狭くなっている。このように小型化されている電子部品を加熱による損傷がなくて安定してソルダリングするためには、ソルダリングされている電子部品の端子とＰＣＢのパッドとソルダ合金だけを非接触方式で局部的に加熱できる新しいソルダリング装置の開発が求められている。

特に、超小型電子部品をソルダワイヤソルダリング方法でソルダリングをしなければならない場合、従来のごてを利用する直接接触方式のソルダリング装置は、ソルダリング不良や高温にさらされた部品の損傷による製品が不良を発生し、適用するのが困難である。最近、レーザーを利用して非接触方式でソルダリングする装置が提案されている。レーザーソルダリング装置は、ソルダワイヤと電子部品のリードとＰＣＢのパッドにレーザー光を照射してソルダリングする装置である。しかし、レーザーを利用したソルダリング装置は、ソルダリング時に外部からの妨害によってレーザ光ソルダリング部位から離れて電子部品やＰＣＢを照射すると、電子部品やＰＣＢを損傷させる短所がある。また、図1に図示されたような従来の誘導加熱ソルダリング装置は、前述したように、ＰＣＢのソルダリング位置とソルダワイヤの端部のみを局部的に加熱することが困難で、ソルダワイヤを正確なソルダリング位置に供給できないなどの短所がある。

一方、金属材料を溶融して、所望の位置に供給するための装置に対する要求がある。例えば、長時間の使用によって、特定の部分が摩耗した金型を修理する場合、磨耗した部分に溶融金属材料を供給することができる装置が開発されれば、高価な金型を安価に元の形状に復元して使用することができる。また、橋のような大型の鉄構造物にクラックが発生した場合、または負荷の変化に対処するために補強が必要な場合、現場で金属素材を溶融して溶接を行うことができる装置が開発されると、低コストで容易に大型の鉄構造物を修理したり補強することができる。また、プラスチック素材を用いた３Ｄプリンタの代わりに金属素材を利用して、部品や製品を容易かつ安価に製造することができる金属３Ｄプリンターに対する要求がある。特に最近では、大量生産し難しい複雑な形状の金属部品を安価で容易に製造することができる装置の必要性が高まっている。

本発明は、前記のような誘導加熱ソルダリング装置の問題点だけでなく、金属素材を溶融して供給するための装置に対する要求を解決することができる新しい構造の誘導加熱ヘッドを提供することを目的とする。特に本発明は、誘導コイルによって形成される磁場を加熱しようとする材料の局部領域に集中させることができるように構成された誘導加熱ヘッドを提供することを目的とする。また、本発明は金属材料がワイヤの形態で供給される場合、供給されるワイヤの端部のみを加熱するように構成された誘導加熱ヘッドを提供することを目的とする。また、本発明は溶融された金属材料を所定の位置に必要な量だけ正確かつ容易に供給できる誘導加熱ヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係る金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッドは、高周波電源に電気的に接続されるための誘導加熱コイルと、磁気コアを含む。前記磁気コアは前記誘導加熱コイルによって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、中空の内部に金属素材が供給されるための入口部と、供給された金属材料が排出されるための出口部を備える。

前記誘導加熱コイルは、導電性線材をらせん状に巻いて（ソレノイド形）を形成したり、導電性板材を円形に巻いて形成することができる。導電性材料をらせん状や円形に巻いて形成された誘導加熱コイルは中心部に中空の磁束通路が形成される。誘導加熱コイルに高周波電源が印加されると、誘導加熱コイルの中心部と誘導加熱コイルの外部を閉曲線に接続して、高周波電源の周波数に応じて方向が変わる磁力線が形成される。また、電磁誘導現象によって方向が変る磁力線によって形成された磁場の内部に位置する導体は加熱される。

前記の磁気コアは磁性体で形成されて誘導加熱コイルによって誘導された磁場の通路を提供して、コアの中空に挿入された金属素材で磁束が通過しないように solder して、コアの中空に位置する金属素材が加熱されることを防止する。磁気コアは強磁性体を使用することもあるが、例えば、フェライトコアのような酸化物や金属粉末を成形した圧粉コアのような軟磁性体コアを使用して、高温に加熱されないようにすることが望ましい。前記の磁気コアの出口部は、出口部を介して排出される金属素材で磁束が通過するように構成されて磁気コアの中空から排出される金属を加熱して溶融させるようになっている。したがって、金属材料が連続的に供給されるとき、磁気コアの内部に位置する金属素材は、誘導電流によって加熱されず、磁気コアの出口部で加熱される金属素材から熱が伝導されて加熱される。

本発明の実施に使用される金属材料は例えば、鉄または鉄合金、銅または銅合金、ソルダまたはソルダ合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などが使用されることができる。供給される金属材料の形態は、用途に応じて様々な形態が使用することができる。例えば、ワイヤの形で供給されるか、粉末形態で供給することができる。また、ワイヤの形態で供給される場合にも、フィラメントの形や複数のワイヤをよった形(twisted)など多様な形態が可能である。粉末の場合にも、粒子の形が球形であるか、円柱形、フレーク形など様々な形が可能である。

いくつかの実施例において、磁気コアは、誘導加熱コイルの内部に配置したり、誘導加熱コイルの外部に隣接して配置することもできる。誘導加熱コイルの内部に磁気コアを配置する場合、誘導加熱コイルは、線材を巻いて形成したソレノイド形の誘導加熱コイルを使用するか、板材を中空が形成されるようジグザグ形で巻いて形成された誘導加熱コイルを使用することができる。中空が形成された誘導加熱コイルは、ソルダリングしようとする位置に磁束を集中させて磁束密度を高め、誘導加熱コイルの中空に挿入された磁気コアは金属材料の加熱範囲を制限して、必要な量だけ溶融させて供給できるようにして、同時に溶融された金属材料が供給される位置にも磁束が集中して通過するようにし、溶融金属が付着されている部位を局部的に加熱することができる。

いくつかの実施例において、磁気コアの中空から排出される金属材料を加熱して溶融させるように、誘導加熱コイルの中空に挿入された磁気コアを前記誘導加熱コイルの長さよりも長いものを使用して、磁気コアの出口部は誘導加熱コイルの端部から少し露出されるように配置することが望ましい。

磁気コアの出口部がシリンダー形状のコアの中心線に対して直角に切断された単純な平面形状である場合、磁気コアの出口部切断面を介してコアから外部に出るか、外部からの磁気コアに入ってくる磁力線は、コアの中心線に向かって凸に屈曲(湾曲)した曲線の形となる。したがって、磁気コアの出口部中空を介して排出される金属材料と磁気コアを通過する磁力線が鎖交になって、金属材料を誘導加熱することになる。いくつかの実施例において、磁気コアの出口部は磁気コアの中空の内周面の内径が長さ方向に沿って端部に行くほど増加するようにして、出口部の内周面にテーパ(taper)面が形成されるようにできる。磁気コア出口部のテーパ面を通じて磁力線が磁気コアを通過する場合、直角に切断された出口部の切断面を通じて磁力線が磁気コアを通過する場合よりも、より多くの磁力線が出口部の中空を介して排出される金属材料と鎖交することになる。いくつかの実施例において、磁気コアの出口部は半径方向の内側に延長されるように構成できる。出口部が内側に延長され、磁気コアの出口部で排出される金属材料の外周面と対向するようにすれば、出口部を通じて外部に出るか、外部から磁気コアに入ってくる磁力線のほとんどが出口部を通じて排出される金属材料と鎖交するようになり、より効果的に金属材料を加熱できる。

いくつかの実施例において、磁気コアの入口部は半径方向の外側に延長されるようにして、磁気コアの入口部を通じてコアの中空に供給される金属材料と誘導加熱コイルによって誘導された磁力線が鎖交されないようにして、コアの入口部に供給される金属材料が入口部で加熱されないようにできる。いくつかの実施例において、磁気コアの入口部の外周面の直径が長さ方向に沿って端部へ行くほど減少されるようにして、入口部の外周面にテーパ面が形成されるようにできる。入口部のテーパ面を通じて磁力線が磁気コアを通過する場合、誘導加熱コイルによって誘導された磁力線が入口部を通じて磁気コアの中空に挿入される金属材料と鎖交されなくなり、入口部に供給される金属材料が加熱されないようにする。

いくつかの実施例において、磁気コアは線材を巻いて形成したソレノイド形の誘導加熱コイルや板材を巻いて形成した形態の誘導加熱コイルの内側に配置できる。磁気コアを誘導加熱コイルの中心部に形成された中空の磁束通路に配置すると、誘導加熱ヘッドをコンパクトに製作できる。また、本発明による誘導加熱ヘッドは、誘導加熱コイルによって誘導され、コイルの外側に形成される磁力線の通路として使用されるための磁束案内コアをさらに含むことができる。磁束案内コアは、磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、誘導加熱コイルの少なくとも一部が磁束案内コアの中空に挿入されるように設置することができる。磁束案内コアは誘導加熱コイルによって誘導加熱コイルの外側に誘導される磁力線によって周辺の部品が影響を受けることを防止する。

いくつかの実施例において、磁性体から出来上がった内部磁束案内コアを誘導加熱コイルの内部の磁束通路に挿入して、磁気コアを誘導加熱コイルの外側に設置して誘導加熱ヘッドを構成することができる。磁気コアの出口部を内部磁束案内コアの端部と隣接するように配置して出口部に排出される金属材料が磁気コアと内部磁束案内コアを通過するより多くの磁力線と鎖交するようにすることが望ましい。内部の磁束案内コアは中空またはソリッド(solid)シリンダー形状に構成することができる。また、磁気コアおよび内部磁束案内コアはすべて軟磁性体で形成することが望ましい。

本発明による誘導加熱ヘッドは、さまざまな装置で使用することができる。例えば、ソルダリング装置に設置して使用する場合には、ワイヤの形態で形成されたソルダまたはソルダ合金を溶融しようとする金属材料として使用することができる。３Ｄプリンタに設置して使用する場合には、鉄または鉄合金、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などを溶融しようとする金属材料として使用することができる。金属素材は、ワイヤの形態で供給することが好ましい。

本発明により、様々な技術分野に適用できる新しいタイプの誘導加熱ヘッドが提供される。本発明による誘導加熱ヘッドは、誘導加熱コイルと磁気コアを備えて、誘導加熱のための磁束を集束させて、金属材料を必要に応じて正確に溶融させて供給することが可能である。特に、溶融金属が供給されて積層される部分を非接触方式で局部的に加熱することが可能で、供給された溶融金属がより強固に付着されるようにすることができる。また、溶融金属が積層される部分を局部的に加熱して被加工物の周辺に広く加熱された場合に発生する被加工物に対する熱影響を最小限に抑えることができる。

図１は、従来の誘導加熱ソルダリング装置の概略図

図２は、図１に図示された誘導加熱ソルダリング装置で誘導加熱範囲を概略的に示す説明図

図３は、図１に図示された誘導加熱ソルダリング装置を用いてソルダワイヤを誘導加熱する場合ソルダワイヤ端部の温度分布を示す説明図

図４は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの一実施例を適用した誘導加熱ソルダリング装置の概略図

図５は、本発明に係る誘導加熱ヘッドを誘導加熱ソルダリング装置に適用した実施例で、誘導加熱コイルに磁気コアが挿入された状態を示す断面図

図６は図５の誘導加熱ソルダリング装置でソルダワイヤと電子部品の端子の局部加熱を説明する概略図

図７（a）-（e）は、磁気コアの入口部と出口部の様々な実施例を示す概略図

図８は、図４に示された誘導加熱ソルダリング装置の他の使用方法を示す説明図

図９は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの他の実施例を適用した誘導加熱ソルダリング装置の概略図

図１０は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの別の実施例の概略図

図１１は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの別の実施例の概略図

図１２は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの別の実施例の概略断面図

図１３は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの別の実施例の概略図

図１４は、図１３に図示された誘導加熱ヘッドの他の使用方法を示す説明図

図１５は、本発明の誘導加熱ヘッドの他の使用方法を示す説明図

図１６は、本発明に係る誘導加熱ヘッドの一実施例を適用した３Ｄプリンタの概略図

図１７は、図１６の３Ｄプリンタに適用された誘導加熱ヘッドの詳細図

図１８は、図１６の３Ｄプリンタに適用される誘導加熱ヘッドの他の実施例の詳細図

以下では、添付の図面を参照して、本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。

図４に示された実施例は、ソルダワイヤ（130）の端部を誘導加熱してソルダリングするための装置である。誘導加熱ソルダリング装置は、高周波電源ユニット（120）と誘導加熱ヘッド（100）を含む。誘導加熱ヘッド（100）は、高周波電源に電気的に接続された誘導加熱コイル（110）と、磁気コア（150）を含む。誘導加熱コイル（110）は、銅のような導電性線材をらせん状に巻いて形成されたソレノイドの形で、中心部に中空の磁束通路が形成される。磁気コア（150）は、誘導加熱コイル（110）によって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、誘導加熱コイル（110）の中心部に挿入されている。また、磁気コア（150）の中空には溶融して供給するための金属材料としてソ減磁力ルダワイヤ（130）が挿入される。図示してはいないが、ソルダワイヤを磁気コア（150）の中空に供給するためのソルダワイヤ供給手段をさらに含むことができる。

図５を参照すると、誘導加熱ヘッド（100）の誘導加熱コイル（110）に高周波電源を印加すると、誘導加熱コイル（110）のソレノイドの中心部と外部を閉曲線に接続する磁力線（180）が形成され、磁力線（180）は、高周波電源の周波数に応じて方向が変化する。誘導加熱コイル（110）の中心部を通る磁力線（180）は、中心部に挿入された磁気コア（150）を通過するようになって、磁気コア（150）は、磁性体で成り立ち、磁気コア（150）を通過する磁力線（180）は、集中させて磁束密度が高くなる。磁気コア（150）は、中空の一端にソルダワイヤ（130）が供給されるための入口部（150a）とソルダワイヤが排出されるための出口部（150b）を備える。一般的に、電磁誘導現象によって方向が変わる磁力線によって形成される磁界の内部に位置する導体は加熱される。しかし、磁気コア（150）の中空に挿入されたソルダワイヤ（130）のような金属材料は、磁気コア（150）によって、磁気コア（150）の中空に磁場(磁気）シールド(shield)領域（160）が形成されて磁力線が通過できないので加熱されない。図５を参照すると、磁気コア（150）を通過して出口部（150b）に排出されるソルダワイヤ（130）は、磁気コア（150）の出口部（150b）から磁束と鎖交することになる。したがって、磁気コア（150）の中空から排出されたソルダワイヤ（130）の端部のみが電磁誘導現象によって加熱される。つまり、磁気コア（150）は、磁気コア（150）の出口部（150b）に排出されるソルダワイヤ（130）の端部（130a）のみが加熱されて溶融されるようにする。

図６を参照して、ソルダワイヤ（130）の端部（130a）が加熱される原理について詳細に説明する。図６に図示したように、磁気コア（150）の内部を通過した磁力線（180）が、コアの出口部（150b）を介して出てきたり、磁気コア（150）に入るとき、磁場が空間に均一に分布しようとする現象によって、磁力線（180）は、コアの中心線に向かって凸に屈曲（湾曲）した曲線の形となる。したがって、磁気コア（150）の出口部（150b）を通過して露出されたソルダワイヤ（130）の端部（130a）と、磁気コアを通過する磁力線（180）が鎖交になって、ソルダワイヤの端部（130a）だけが加熱される。このとき、ソルダワイヤ（130）の端部（130a）を通過した磁力線の（181-183）の一部は、被加工物すなわちソルダリングしようとする電子部品（141）の端子（141a）とプリント回路基板（140）に装着された金属パッド（154）を通過しながら加熱することになる。

図５を参照すると、誘導加熱コイル（110）の中空に挿入された磁気コア（150）の長さは、誘導加熱コイル（110）の長さよりも長いものを使用する。また、磁気コア（150）の出口部（150b）は、ソレノイド形状の誘導加熱コイル（110）の下側端部に隣接して配置され、誘導加熱コイル（110）の端部から少し露出するように配置されている。つまり、磁気コア（150）の入口部（150a）は、出口部（150a）より誘導加熱コイル（110）から多く外れるように配置されている。したがって、入口部（150a）の近くには、磁力線の密度が低くなって、コア（150）の入口部（150a）に挿入されるソルダワイヤ（130）と鎖交する磁力線が薄くなって、入口部（150a）では、挿入されるソルダワイヤ（130）が、ほぼ加熱されなくなる。したがって、誘導加熱ヘッド（100）の磁気コア（150）の中空から出口部（150b）に排出されるソルダワイヤ（130）の端部のみが加熱溶融され、磁気コア（150）の入口部（150a）に挿入されているソルダワイヤ（130）は、ほぼ加熱されなくなる。

本発明によれば、と誘導加熱ヘッド（100）の磁気コア（150）は、誘導加熱コイル（110）によって誘導された磁束をソルダリングしようとする場所に集中させて磁束密度を高くすると同時に磁気コア（150）の中空内部を通過する金属材料としては、磁力線が通過しないようにシールド領域（160）を形成して、磁気コア（150）の出口部（150b）に排出される金属材料で磁力線が通過するようにする。つまり、磁気コア（150）は、金属材料の加熱範囲を磁気コア（150）の出口部（150b）に露出される部分に制限して、溶融が必要な量のみの出口部（150b）に露出させて溶融されるようにして供給できるようにする。また、磁気コア（150）は、ワイヤの形態で供給される金属材料の露出された端部以外の部分を支持して、ソルダワイヤ（130）のようなワイヤの形で供給される金属材料を被加工物の加工位置に正確に供給するように案内する機能をする。また、本発明に係る誘導加熱ヘッドは、溶融された金属材料だけでなく、溶融された金属材料が付着されるための被加工物を局部的に加熱して被加工物の熱による影響を最小化できる。特に、本発明によるヘッドをソルダリング装置に利用する場合、磁気コア（150）の出口部（150b）に排出されるソルダワイヤ（130）の端部と同時にソルダワイヤがソルダリングされる部位を局部的に加熱して、精密なソルダリングを可能にする。

図示していないが、誘導加熱ヘッド（100）の誘導加熱コイル（110）が過熱されることを防止するために、誘導加熱コイルを銅のような金属パイプで構成し、パイプの内部に冷却水が流れるように構成できる。また、誘導加熱ヘッドの使用中に、誘導加熱ヘッドが作業をしている間だけ、誘導加熱コイルに電流を流して、次の操作をするためにヘッドや工作物が移動する間、誘導加熱コイルに流れる電流を遮断して誘導加熱ヘッドの誘導加熱コイルが過熱するのを防止して、エネルギーを節約することができる。

図７（a）-（d）は、入口部と出口部の形状が変形された様々な実施例を磁気コアで示す。図７（a）に図示された実施例は、図5に示された実施例の磁気コア（150）の出口部のように、出口部（150b）の形状がシリンダー形状のコア（150）の中心線に対して直角に切断された単純な平面形状となっているが、磁気コア（150）の入口部（150a）は、半径方向の外側に延長されており、磁束の経路を提供することができるように構成されている。図７（b）に図示された磁気コア（150）は、入口部（150a-1）の外周面の中心軸線に沿って末端に行くほど外周面の直径が減少するようにテーパ面が形成されている。コア（150）のテーパーされた外周面から磁力線が出たりテーパーされた外周面に磁力線が入るとき、磁力線は空間に均一に最短経路の閉曲線を形成しようとする傾向があって、図示されたようにソルダワイヤ（130）を鎖交する磁力線がほとんど発生しなくなる。図７（c）に図示された磁気コア（150）は、図７（b）に図示されたのとは異なり、コア（150）の出口部（150b）の中空の内周面に中心軸線に沿って末端に行くほど内周面の直径が増加するようにテーパ面が形成されている。図７（c）に図示された磁気コア（150）のテーパ面から磁力線が出たりテーパ面に磁力線が入るとき、磁力線は空間に均一に最短経路の閉曲線を形成しようとする傾向があって、図示されたようにより多くの磁力線がソルダワイヤ（130）と鎖交することになる。図７（d）に図示された磁気コア（150）は、出口部（150b）中空の内周面から中心軸線に向かって突出延長された部分が形成されている。図７（c）と同様に、より多くの磁力線がソルダワイヤ（130）と鎖交することになる。図７（e）に図示された磁気コアは、出口部（150b-3）外周面の直径が末端に行くほど減少して外周面にテーパ面が形成されている。図７（a）に図示された磁気コア（150）の出口部（150b）からの磁力線の分布よりも図７（e）に図示された磁気コア（150）の出口部（150b-3）での磁力線の分布が集中されるため、より多くの磁力線がソルダワイヤ（130）と鎖交して加熱効果を高めることができる。図７に図示された磁気コア（150）の入口部と出口部の形状は、必要に応じて、それぞれ選択的に適用することができる。磁気コア（150）は、強磁性体を使用することもあるが、例えば、フェライトコアのような酸化物や金属粉末を成形した圧粉コアのような軟磁性体コアを使用して、高温に加熱されないようにすることが望ましい。特に、圧粉コアは微分上の磁性材料を絶縁性の結合体で固着させたもので、高周波に適している。また、圧粉コアの磁性粉末は、球状に近い形状となるため、減磁力(demagnetaizing force）が大きいため、広範囲な磁場に対して比透磁率は小さいが、磁場に対して比透磁率の値が変化しない特徴を持っている。

図８は、図４に示された誘導加熱ソルダリング装置の他の使用方法を示す説明図である。図示されたように、電子部品（141）が設置されたＰＣＢ（140）に対して傾斜するように誘導加熱ヘッド（100）を配置して使用することもできる。また、誘導加熱ヘッド（100）を傾斜に配置して使用すれば、図示されたようにＰＣＢ（140）のホールに装着された電子部品だけでなく、図示していないが電線やコネクタ(connector)などの部品もソルダリングすることができ、表面実装によって装着された電子部品のリード線もソルダリングすることができる。また、本実施例ではソルダワイヤ（130）を磁気コア（150）に供給する装置を図示していないが、追加で含める。ソルダなどの金属材料を磁気コアの入口部に供給するための供給手段は、例えば、ロール形で巻かれたソルダワイヤ（solder wire）を磁気コアに連続的に供給したり、ソルダボール（solder ball）を磁気コアの中空に一つずつ供給できる。また、誘導加熱ヘッド（100）を被加工物に対して適切な位置に移動させるための送り機構や誘導加熱コイル（110）を冷却するための冷却装置などをさらに含むことができる。

図９は、本発明に係る誘導加熱ヘッド（100）の他の実施例の概略図である。図９に示された誘導加熱ヘッド（100'）が図４に図示された誘導加熱ヘッド（100）と異なる点は、誘導加熱コイル（110）によって誘導され、コイルの外側に形成される磁力線（180）の経路を提供するための磁束案内コア（190）をさらに含む点である。磁束案内コア（190）は、磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、誘導加熱コイル（110）が中空に挿入されている。また、磁気コア（150）の入口部（150a）は、半径方向に延びている。磁束案内コア（190）は、誘導加熱コイル（110）の外側に誘導される磁力線によってソルダリング装置の周辺の部品が影響を受けることを防止する。

図１０は、本発明に係る誘導加熱ヘッド（200）の別の実施例の概略図である。本実施例の誘導加熱ヘッド（200）が、図4に図示された誘導加熱ヘッド（100）と異なる点は、誘導加熱コイル（210）を銅板のような導電性板材を中空に形成されるよう巻いて誘導加熱コイルを形成して、内部に磁気コア（250）を配置した点である。図示されたように、誘導加熱コイル（250）は、板材を円形にジグザグの形で巻いて（断面で見たとき、板材を時計回りと反時計回りに交互に巻いて）形成して、中央部に磁気コア（250）が挿入されるための中空が形成されている。誘導加熱コイル（210）の上部には、電源を接続するための内側連結部（214）と外側連結部（212）が構成されている。また、磁気コア（250）の入口部側に対応する誘導加熱コイル（250）の下部は、円錐状に形成して、ソルダワイヤを加熱して供給しようとする部位（例えば、電子部品のリード）へのアクセスを容易にできる。

図１１は、本発明による誘導加熱ヘッド（200'）の別の実施例の概略図である。図１１に図示された実施例（200'）が、図１０に図示された実施例の誘導加熱ヘッド（200）と異なる点は、導電性板材を円錐形に巻いて中空が形成されるように誘導加熱コイル（210-1）を構成した点である。

図１２は、本発明による別の実施例の誘導加熱ヘッド（300）を適用した誘導加熱ソルダリング装置の概略図である。図１２において、誘導加熱ヘッド（300）は、高周波電源ユニット（320）に電気的に接続されて電源を供給される。誘導加熱ヘッド（300）は、誘導加熱コイル（310）と、磁気コア（350）と、誘導加熱コイルの中空に挿入された内部磁束案内コア（352）を含む。誘導加熱コイル（310）は、銅のような導電性線材をらせん状に巻いて形成されたソレノイドの形で、中心部に中空の磁束通路が形成されている。磁気コア（350）は、誘導加熱コイル（110）によって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体で構成された中空のシリンダー形状であり、誘導加熱コイル（310）と隣接に配置されている。磁気コア（350）の中空にソルダリングのためのソルダワイヤ（330）が供給される。また、磁気コア（350）の入口部（350a）は、磁束の経路を提供するために、隣接する内部磁束案内コア（352）に向かって延長された延長部を備える。実施例では、内部の磁束案内コア（352）は、シリンダー形状になっているが、中空のシリンダ形状で構成することもできる。中空のシリンダー形状で構成する場合には、内部の磁束案内コア（352）の中空にソルダワイヤを供給して中空から排出される金属材料を加熱して溶融させることもできる。また、磁気コア（350）および内部磁束案内コア（352）は、すべて軟磁性体で形成して高温に加熱されないようにすることが望ましい。ソルダリングする場合、誘導加熱コイル（310）に高周波電力が印加されると、内部の磁束案内コア（352）の端部と隣接するように配置された磁気コア（350）の出口部（350b）を介して露出されたソルダワイヤ（330）の端部が磁気コア（250）と内部磁束案内コア（352）を通過する磁力線と鎖交して加熱されて溶融される。

図１３は、本発明による誘導加熱ヘッド（400）の他の実施例が図示されている。図１３の実施例が図１２の実施例と異なる点は、誘導加熱コイル（410）を導電性板材を巻いて形成した点である。図１３に図示された実施例の利点は、誘導加熱ヘッド（400）をコンパクトに製作することができ、ソルダリング装置に適用した場合狭い領域を局部的に加熱してソルダリングすることができるという点である。図１４は、図１３に図示された誘導加熱ヘッドの他の使用方法を示す説明図で、ソルダリング装置に適用された磁気コア（450）を傾斜に設置すると、周囲に設置された電子部品との干渉を避けながら、効果的にソルダリングをすることができる。

図１５は、本発明に係る誘導加熱ヘッド（100）を使用してソルダボール（135）の形の金属材料を溶融して供給する状態を示す。図4に図示された誘導加熱ヘッド（100）を適用した装置でソルダワイヤ（130）の代わりにソルダボール（135）を磁気コア（150）の中空に挿入して供給することに違いがある。ソルダボール（135）は、事前に予熱して供給することもできる。図示されたように、磁気コア（150）の出口部（150b）を通過するソルダボール（135）は、線シールドコア（150）の磁力線と鎖交されて加熱され溶融されて半田付け位置に落ちることになる。

図１６は、本発明に係る誘導加熱ヘッド（500）を適用した３Ｄプリンタ（1000）の一実施例を示す。本発明に係る３Ｄプリンタ（1000）は、誘導加熱ヘッド（500）と、誘導加熱ヘッド（500）に高周波電力を供給するための電源ユニット（520）と、誘導加熱ヘッド（500）にワイヤの形態の金属素材（530）を供給するための素材供給ユニット（600）と、素材供給ユニット（600）の素材供給速度に合わせて電源を供給するための統合された制御ユニット（660）を含む。

誘導加熱ヘッド（500）は、誘導加熱コイル（510）と、誘導加熱コイル（510）の中空に挿入され、設置された中空の磁気コア（550）を含む。誘導加熱ヘッド（500）は、図4または図１０に図示された実施例のヘッドを使用することができる。

素材供給ユニット（600）は、フレーム（610）に設置され、金属ワイヤ（530）が巻かれるリール（640）と、リールを回転させるようにリールの軸に接続されたモータ（650）を含む。また、フレームにはリール（640）から解放され出てくる金属ワイヤ（530）を案内するためのガイド部材（615）と、ガイド部材（615）を通過した金属ワイヤ（530）を一定の速度で供給するための子供のローラー（ 620）とフィーディングローラ（630）が設けられている。ワイヤは、子供のローラー（620）とフィーディングローラ（630）との間に挟まって供給される。フィーディングローラ（630）の外周面には、金属ワイヤの滑らないように歯車が形成されている。また、図示していないが、フィーディングローラーを回転させるためのモーターが設置されている。統合制御ユニット（660）は、継手ローラー（630）の回転を制御して、３Ｄプリンティングのための金属ワイヤの供給速度を制御する。いくつかの実施例において、フィーディングローラ（630）のみで金属ワイヤを供給することが可能な場合、リール駆動モータ（650）を省略することもできる。

いくつかの実施例において、ワイヤの形態の金属素材を溶融して、任意の形状の３Ｄ部品や製品を製造する場合、ワイヤ断面の形状を円形にすることよりも、長方形形状のワイヤ素材を使用すれば、３Ｄプリンタによって製造された製品の表面粗さを小さくして、３Ｄプリンティング製品の品質を向上させることができる。

図１７は、誘導加熱コイル（510）の斜視図であって、誘導加熱コイル（510）は、パイプをらせん状に巻いて作る。誘導加熱コイル（510）の入口（511）に供給された冷却水が出口（512）に排出されるようにして誘導加熱コイル（510）が過熱されることを防止することができる。図示していないが、３Ｄプリンタは、誘導加熱コイル（510）を冷却するための冷却水供給ユニットを別々に備えることができる。図１８は、誘導加熱コイル（510）の他の実施形態の斜視図で、断面が長方形の商人パイプをらせん状に巻いて形成したものである。断面が長方形の商人のパイプを使用すると、断面が円形であるファイブを使用する場合よりも、磁束発生面積が増加され、誘導加熱の効率を高めることができる。

前に説明した本発明に係る実施例は、本発明を限定するものではなく例示的なものと理解されるべきであり、本発明に係る誘導加熱ヘッドは、様々な形態に変形することができる。請求項に記載された範囲とそれに同等の範囲内で様々な形態に変形された誘導加熱ヘッドは、本発明の具体的な実施例とみなされることができる。

Claims

高周波電源に電気的に接続されるための誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルによって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、中空の内部に金属素材が供給されるための入口部と供給された金属材料が排出されるための出口部を備えた磁気コアを含み、前記磁気コアの出口部、出口部を介して排出される金属素材で磁束が通過するように構成され、前記磁気コアから排出される金属材料を加熱して溶融させることを特徴とする請求項１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアは、前記誘導加熱コイルよりも長さが長く、誘導加熱コイルの内部に挿入されて設置されており、磁気コアの出口部は、前記誘導加熱コイルの一端部に隣接して誘導加熱コイルで露出するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記誘導加熱コイルは、導電性線材をらせん状に巻いて形成されたことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記誘導加熱コイルは、導電性板材を円形に巻いて形成されたことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの出口部内径が長さ方向に沿って端部に行くほど増加するようにテーパーされたことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの出口部の外径が長さ方向に沿って端部に行くほど減少するようにテーパーされたことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの出口部の半径方向に内側に延長されたことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの入口部の半径方向に外側に延長され、前記誘導加熱コイルによって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体からなる中空のシリンダー形状であり、前記誘導加熱コイルの少なくとも一部が中空に挿入されて設置されたコイルの外部磁束案内コアをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアは、軟磁性体からなることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記軟磁性体の磁気コアは圧粉コアであることを特徴とする請求項９に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記誘導加熱コイルによって誘導される磁束の経路を提供するための磁性体で構成され、シリンダ形状であり、前記誘導加熱コイルの内部に挿入されて設置されたコイルの内部磁束案内コアをさらに含み、前記磁気コアの出口は、前記コイルの内部磁束案内コアの端部に隣接して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記誘導加熱コイルは、導電性線材をらせん状に巻いて形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記誘導加熱コイルは、導電性板材を円形に巻いて形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの出口部内径が長さ方向に沿って端部に行くほど増加するようにテーパーされた場合を特徴とする請求項１１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記磁気コアの入口部の半径方向に外側に延長された入口磁束案内部を備えることを特徴とする請求項１１に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。
前記シールドソルダリングコアは、軟磁性体からなることを特徴とする請求項１〜15のいずれか一項に記載の金属材料を溶融して供給するための誘導加熱ヘッド。