JP6987601B2

JP6987601B2 - 誘導加熱装置

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Publication number: JP6987601B2
Application number: JP2017204431A
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Inventors: 康章鳥居
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Publication date: 2022-01-05
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Also published as: JP2019079644A

Description

本発明は円筒状の被加熱体を誘導加熱する装置に関するものである。

電子写真装置に搭載される電子写真感光体（以下、感光ドラムとも記載する）は円筒状の金属製の基層の上に感光層が形成されたものが一般的である。また、上記感光層の表面に保護層を形成し、電子線照射と加熱とにより保護層を硬化させることで、感光ドラムの耐久性を向上させる方法が知られている。このとき、保護層の硬度ばらつきを小さくする目的で、感光ドラムを均一に加熱できる加熱装置が求められている。

感光ドラムの加熱には熱風加熱、光加熱、誘導加熱を用いた方法が試みられてきた。特に、短時間で加熱できるために、誘導加熱を用いた方法が有効である。誘導加熱とは、磁界が導電性材料を横切って変化したとき、導電性材料の表面付近に渦電流が発生し、そのジュール発熱により被加熱体を加熱する加熱方法である。このとき、導電性材料に流れる渦電流により、磁界の変化を妨げるような磁界が生成される。誘導加熱では導電性材料のみが加熱され、非導電性材料であれば磁界発生領域内にあっても加熱されないという特徴がある。

また、被加熱体の発熱量は被加熱体の比透磁率によって異なる。被加熱体が鉄やニッケルなどの比透磁率が高い材料（強磁性体）であれば、少しの磁界の変化でも多くの渦電流が発生し、発熱量が大きくなる。逆に、被加熱体がアルミや銅などの比透磁率が低い材料（非磁性体）であれば、渦電流の発生量が少なく、強磁性体に比べて発熱量は小さくなる。さらに、円筒状の被加熱体の発熱量は被加熱体の外径によっても異なる。被加熱体の外径が大きいほど、多くの渦電流が発生し、発熱量が大きくなる。

感光ドラムのように長さを有する円筒状の被加熱体を加熱するためには、スパイラル形状の誘導加熱コイルがよく用いられる。また、長さや径の異なる複数種類の被加熱体を共通の誘導加熱コイルで加熱する場合には、誘導加熱コイルにより発生する磁界発生領域と一番長い被加熱体の長さとが合致するような誘導加熱コイルを用いるのが一般的である。しかし上記の誘導加熱コイルを用いて長さの短い被加熱体を加熱した場合、被加熱体の端部が他の部分に比べて過剰に発熱してしまうという問題がある。これは被加熱体の端部において、被加熱体外面の表面付近と、被加熱体端面の表面付近の両方に渦電流が発生することで、他の部分よりも端部の発熱量が大きくなるためであり、この現象はエッジ効果と呼ばれる。

被加熱体の長さより長い磁界発生領域を有する誘導加熱コイルを用いて、被加熱体を均一に加熱する手段が特許文献１に開示されている。特許文献１では、被加熱体の端部に誘導加熱により発熱する導電性の補助基材を配置することで被加熱体の端部近傍の磁束密度を小さくし、端部の過剰な発熱を防止している。さらに補助基材と被加熱体との距離を微動させることで被加熱体の端部の温度を微調整可能にしている。

特開２００５‐６３７５３号公報

特許文献１に記載の誘導加熱装置では導電性の補助基材の外径と被加熱体の外径が異なる場合には被加熱体に温度ムラが発生してしまうという課題がある。補助基材の外径が被加熱体の外径より大きい場合には、補助基材に被加熱体より多くの渦電流が流れ、被加熱体の端部近傍の磁束密度が小さくなりすぎる。その結果、被加熱体の端部の温度が低くなってしまう。一方、補助基材の外径が被加熱体の外径より小さい場合には被加熱体の端部近傍の磁束密度が大きくなりすぎ、被加熱体の端部の温度が高くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、導電性の補助基材の外径と被加熱体の外径とが異なる場合であっても、誘導加熱コイルや把持機構を交換することなく、被加熱体を均一に加熱することが可能な誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内部に配置され、該誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、を具備する誘導加熱装置であって、
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体と該補助基材との間に介在して、該被加熱体を支持する把持部材をさらに具備し、
該把持部材は、
少なくとも該被加熱体との接触部が非導電性材料で構成されており、
該誘導加熱装置は、
第１の被加熱体と、該第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体と、を択一的に支持可能であり、かつ、
該第１の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第１の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第２の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第２の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように該被加熱体を支持するものである誘導加熱装置が提供される。

また、本発明の他の態様によれば、
円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内部に配置され、該誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、を具備する誘導加熱装置であって、
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体を支持する把持部材と、
該把持部材に対する該補助基材の位置を調整する位置調整手段と、をさらに具備し、
該把持部材は、少なくとも該被加熱体との接触部は非導電性材料で構成されており、
該誘導加熱装置は、第１の被加熱体と、該第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体と、を択一的に支持可能であり、かつ
該位置調整手段は、
該第１の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第１の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第２の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第２の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように、該把持部材に対する該補助基材の位置を調整する誘導加熱装置が提供される。

本発明によれば、導電性の補助基材の外径と被加熱体の外径とが異なる場合であっても、誘導加熱コイルや補助基材や把持機構を交換することなく、被加熱体を均一に加熱することが可能な誘導加熱装置を提供することが可能となる。

本発明の誘導加熱装置の装置概要を示す図である。本発明の原理を説明するための模式図である。本発明の実施例１に係る把持部材の断面図である。本発明の実施例２に係る把持部材の図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。本発明の実施例３に係る誘導加熱装置の構成の概要を示す図である。従来技術に係る誘導加熱装置の構成の概要を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の誘導加熱装置の装置概要を示す図である。

スパイラル形状の誘導加熱コイル１００は、コイル支持部材１０１により固定され、台座１０２に取り付けられている。誘導加熱コイル１００は整合機１０３を介して高周波電源１０４に接続されている。高周波電源１０４は制御部１１５に接続されており、制御部１１５からの出力指令に応じた高周波電流を誘導加熱コイル１００に流すことで、誘導加熱コイル内部に配置した被加熱体１２０を加熱することができる。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは軸受部１１２ａ、１１２ｂに保持され、昇降機構１１４ａ、１１４ｂに取り付けられている。
昇降機構１１４ａ、１１４ｂは制御部１１５に接続されており、制御部からの位置移動指令に応じて動作可能である。
誘導加熱コイル１００の内部に被加熱体１２０を配置する際には、補助基材１１１ａ、１１１ｂに接続された把持部材１１０ａ、１１０ｂで被加熱体１２０を挟むことで被加熱体１２０を接触把持可能である。把持部材１１０ａは被加熱体１２０と補助基材１１１ａとの間に介在し、把持部材１１０ｂは被加熱体１２０と補助基材１１１ｂとの間に介在する。

把持部材１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方は回転機構１１３に接続されており、把持した被加熱体１２０を回転可能な構造になっている。図１に示す例では、把持部材１１０ａは補助基材１１１ａと共に回転機構１１３によって回転される。そして、被加熱体１２０、把持部材１１０ｂ及び補助基材１１１ｂは、補助基材１１１ａによって回転される。
誘導加熱コイル１００と被加熱体１２０の回転軸は図示しない調整機構により略同軸に調整可能である。

図２は本発明の原理を説明するための模式図である。
誘導加熱コイル１００の長さ（図２中のＬ）は、誘導加熱コイル１００に高周波電流を流すことによって被加熱体１２０だけでなく、補助基材１１１ａ、１１１ｂにも渦電流が発生する範囲の長さである。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは導電性材料で構成されている。補助基材１１１ａ、１１１ｂに渦電流が流れ、誘導加熱コイル１００が生成した磁界を弱める向きに磁界を生成することで、被加熱体１２０の端部近傍の磁束密度を調整し、端部の過剰な発熱を防止することが可能である。被加熱体１２０の端部近傍とは、被加熱体１２０の上端部の近傍（把持部材１１０ａに近い端部の近傍）及び被加熱体１２０の下端部の近傍（把持部材１１０ｂに近い端部の近傍）を意味する。

把持部材１１０ａ、１１０ｂは、少なくとも被加熱体１２０との接触部は非導電性材料で構成されている。これは誘導加熱コイル１００および補助基材１１１ａ、１１１ｂによって生成された磁界に影響を与えないためである。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは円柱状または円筒状の形状であり、被加熱体１２０の外径と同径または、被加熱体１２０の外径より大きな外径を有している。つまり、本発明に係る誘導加熱装置の補助基材１１１ａ、１１１ｂは、最大の外径を有する被加熱体の外径以上の外径を有する。これは、本発明に係る誘導加熱装置を用いて加熱される被加熱体の中で最大の外径を有する被加熱体を加熱する場合でも、被加熱体１２０の端部の温度が高くならないようにするためである。

誘導加熱装置は、被加熱体１２０の外径に応じて、補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体の一端との距離を調整する手段を有している。かかる調整手段を用いて補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体の一端との距離を、事前に加熱実験を行い被加熱体の外径ごとに求めた最適値に調整する。「補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体の一端との距離」とは、「補助基材１１１ａの下端と被加熱体の上端との距離」及び「補助基材１１１ｂの上端と被加熱体の下端との距離」を意味する。補助基材１１１ａ、１１１ｂの外径に対し被加熱体１２０の外径が小さい場合に、補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体１２０の一端との距離を長くすることで、外径の小さな被加熱体を加熱する場合でも端部近傍の温度が低くならないようにするためである。

被加熱体の外径に応じて、補助基材と被加熱体との距離を調整する手段の一例としては、図３及び図４に示すように、把持部材１１０ａ、１１０ｂの断面形状が補助基材１１１ａ、１１１ｂから離れるに従って縮径する構成があげられる。
図３及び図４に示す把持部材はいずれも、第１の被加熱体と、第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体と、を支持可能である。
また、図３及び図４に示す把持部材はいずれも、
第１の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときの第１の被加熱体の一端と補助基材との距離が、第２の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときの第２の被加熱体の一端と補助基材との距離よりも、長くなるように被加熱体を支持する。
なお、図３及び図４に記載の数値は後述する実施例で用いられた際のサイズを示すものであり、これらの数値は本発明の技術的範囲をなんら制限するものではない。

図３に示すような把持部材は、把持部材の断面の形状を段階的に加工等する必要がないため、把持部材の作製が簡易になる。
また、図４に示すような把持部材は、被加熱体の端面及び内周面の一部を接触把持することができ、図３に示すような把持部材と比較して、被加熱体と把持部材との接触面積を大きくすることができる。そのため、把持部材を繰り返し使用しても、把持部材が摩耗しにくい。その結果、把持部材の摩耗によって生じる「被加熱体の一端と補助基材との距離が短くなるという変動」を抑制することができる。

上記のように、把持部材が「被加熱体の一端と補助基材との距離」を調整する機能を兼ね備えてもよく、また、下記のように、把持部材から独立した別の手段が「被加熱体の一端と補助基材との距離」を調整する機能を有するとしてもよい。
「被加熱体の一端と補助基材との距離」を調整する機能を把持部材から独立した別の手段が有する場合、誘導加熱装置は、
円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、
誘導加熱コイルの内部に配置され、誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、
誘導加熱コイルの内部に被加熱体が配置されたときに、被加熱体を支持する把持部材と、
把持部材に対する補助基材の位置を調整する位置調整手段と、を具備する。

把持部材は、少なくとも被加熱体との接触部が非導電性材料で構成されている。
誘導加熱装置は、第１の被加熱体と、第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体とを支持可能である。
位置調整手段は、以下のように把持部材に対する補助基材の位置を調整する。
「第１の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときの第１の被加熱体の一端と補助基材との距離」が「第２の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときの第２の被加熱体の一端と補助基材との距離」よりも、長くなる。

図５に基づいて、上記のような誘導加熱装置の一例を説明する。
図５に示す誘導加熱装置は、把持部材１１０ａ、１１０ｂの位置に対する補助基材１１１ａ、１１１ｂの端部の位置を調整する位置調整手段１３０ａ、１３０ｂを有する。このような構成とした場合、被加熱体１２０の外径に応じて把持部材１１０ａ、１１０ｂの位置に対する補助基材１１１ａ、１１１ｂの端部の位置を調整することで、補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体１２０の一端との距離を調整可能である。

図５に示す位置調整手段１３０は、補助基材と把持部材との距離を調整可能なものであればよい。例えば、
１）誘電過熱コイルの下方の空間において、把持部材によって上下から被加熱体を挟み込むことによって、被加熱体を把持し、
２）被加熱体を把持した状態のまま、把持部材１１０ａ、１１０ｂを上昇させることによって被加熱体の長手方向の中心と誘電過熱コイルの長手方向の中心とが略一致する位置に被加熱体を上昇させ、
３）その後に把持部材１１０ａ、１１０ｂの位置は維持したままの状態で、補助基材１１１ａを所定量だけ上昇させ、かつ補助基材１１１ｂを所定量だけ下降させて、把持部材と補助基材との間隔及び被加熱体と補助基材との間隔を所定量に調整する。
このような位置調整手段を用いることによって、被加熱体の内径にかかわらず被加熱体の一端と補助基材との距離を調整できる。つまり、被加熱体の長さや外径に加え厚さが変わったとしても、誘導加熱コイルや把持機構を交換することなく、被加熱体を均一に加熱することが可能である。

誘導加熱装置は、
第１の被加熱体の外径と、第１の距離とを関連付けて蓄積し、
第２の被加熱体の外径と、第２の距離とを関連付けて蓄積する、蓄積部をさらに具備することが好ましい。
第２の被加熱体の外径は、第１の被加熱体の外径よりも大きい。
第１の距離は、第２の距離よりも長い。

そして、位置調整手段は、第１の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときは、蓄積部から第１の被加熱体の外径に関連付けられた第１の距離を受け取る。そして、被加熱体の一端と補助基材との距離が、第１の距離となるように、把持部材に対する補助基材の位置を調整する。
また、位置調整手段は、第２の被加熱体が誘導加熱コイルの内部に配置されたときは、蓄積部から第２の被加熱体の外径に関連付けられた第２の距離を受け取る。そして、被加熱体の一端と補助基材との距離が、第２の距離となるように、把持部材に対する補助基材の位置を調整する。

誘導加熱コイルの内部に配置された被加熱体が、第１の被加熱体か第２の被加熱体かは
誘導加熱装置の操作者が判断してもよく、また
被加熱体の外径を測定する外径測定手段をさらに設け、かかる外径測定手段が測定した被加熱体の外径の値に基づいて判断するとしてもよい。

端部近傍の磁束密度の調整を安定して行うためには、補助基材１１１ａ、１１１ｂは被加熱体１２０と同程度の比透磁率を有する材料で構成されることが好ましい。また、補助基材１１１ａ、１１１ｂの形状が円筒状である場合、補助基材１１１ａ、１１１ｂの厚さは補助基材１１１ａ、１１１ｂの表皮深さの５倍以上であることが好ましい。この「補助基材の厚さ」とは、｛（補助基材の外径−補助基材の内径）／２｝である。また、「表皮深さ」とは「ある物質に入射した電磁界が１／ｅ（≒１／２．７１８）に減衰する深さ」である。

被加熱体１２０および補助基材１１１ａ、１１１ｂが誘導加熱によって加熱されると、把持部材１１０ａ、１１０ｂも熱伝導によって昇温する。把持部材１１０ａ、１１０ｂの加熱前の温度が変動すると、被加熱体１２０から把持部材１１０ａ、１１０ｂへの伝熱量が変動してしまい、被加熱体１２０を均一に加熱することの妨げとなる。そのため、把持部材１１０ａ、１１０ｂまたは補助基材１１１ａ、１１１ｂは冷却機構を有し、加熱前の温度を一定にすることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〈実施例１〉
図１に示す誘導加熱装置を用いて加熱試験を行った。
本実施例で使用した被加熱体１２０の外径、内径及び長さを表１に示す。表１に示すように、本実施例で使用した被加熱体１２０は外径、内径及び長さが異なる三種類の感光ドラムである。

被加熱体１２０の基層はアルミニウム合金で構成され、比透磁率はおよそ１．０である。被加熱体１２０の最外層には膜厚５.０μｍ程度の保護層が形成されている。

誘導加熱コイル１００は線形８ｍｍの銅管を曲げてスパイラル形状にしたものを使用した。誘導加熱コイル１００の全長（図２中のＬ）は４５０ｍｍ、外径（図２中のＤ）は８８ｍｍで巻き数は２３ターンとした。銅管内部には冷却水を供給し、冷却を行った。誘導加熱コイル１００はベークライトで構成されたコイル支持部材１０１に固定した。誘導加熱コイル１００は整合機１０３を介して高周波電源１０４に接続した。また、図示しない放射温度計により被加熱体１２０の長手中央位置の温度を測定し、制御部１１５に入力することでフィードバック制御による加熱が可能な構成とした。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは被加熱体１２０の基層と同材料であるアルミニウム合金で構成され、外径は３０ｍｍの円柱形状とした。これは最大の外径を有する被加熱体１２０の外径と略同径である。また補助基材１１１ａ、１１１ｂには冷却水を供給し、冷却を行った。

把持部材１１０ａ、１１０ｂはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）で構成され、補助基材１１１ａ、１１１ｂに取り付けられた。把持部材１１０ａ、１１０ｂの被加熱体１２０との接触部は図３に示すような補助基材１１１ａ、１１１ｂから離れるに従って縮径するテーパー形状とした。把持部材１１０ａ、１１０ｂが被加熱体１２０を接触把持するとき、被加熱体１２０の一端と補助基材１１１ａ、１１１ｂとの距離は事前に加熱実験を行い求めた表１の値になるようにした。また、把持部材１１０ａ、１１０ｂは、冷却している補助基材１１１ａ、１１１ｂからの熱伝導により冷却を行った。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは軸受部１１２ａ、１１２ｂに保持され、昇降機構１１４ａ、１１４ｂに取り付けた。昇降機構１１４ａ、１１４ｂは単軸ロボットとコントローラーによって構成され、ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）により構成される制御部１１５に接続し、制御部１１５からの位置移動指令に応じて各動作の位置座標に移動可能とした。誘導加熱コイル１００の内部に被加熱体１２０を配置する際には、補助基材１１１ａ、１１１ｂに接続された把持部材１１０ａ、１１０ｂで被加熱体１２０を挟むことで被加熱体１２０を接触把持した。また、把持部材１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方は回転機構１１３に接続されており、把持した被加熱体１２０を回転可能な構造とした。

次に実施例１で行った加熱実験の手順について説明する。
まず、昇降機構１１４ｂを下降させた状態で被加熱体１２０を把持部材１１１ｂの上方に載置した。その後、昇降機構１１４ａを下降させて、把持部材１１０ａと把持部材１１０ｂとで被加熱体１２０を上下から挟み込むことで被加熱体１２０を接触把持した。このとき、昇降機構１１４ａと軸受部１１２ａの間に、ばねを有する図示しない押圧機構を設けることで、被加熱体１２０の長さがばらついたとしても把持部材１１０ａ、１１０ｂは被加熱体１２０を１０〜２０Ｎの力で挟み込める構造にした。

次に、把持部材１１０ａと把持部材１１０ｂとで上下から被加熱体１２０を挟み込んだ状態のまま昇降機構１１４ａ、１１４ｂを上昇させることで、図１に示すように、被加熱体１２０を誘導加熱コイル１００の内部に配置した。その際に、被加熱体１２０の長手方向の中心と誘導加熱コイル１００の長手方向の中心とが一致するように昇降機構１１４ａ、１１４ｂの位置を調整した。

次に、回転機構１１３により、把持した被加熱体１２０を回転数およそ１００ｒｐｍで回転させた。把持部材１１０ａ、１１０ｂと被加熱体１２０とは１０〜２０Ｎの力で押圧されているため滑ることなく、把持部材１１０ａ、１１０ｂと被加熱体１２０とは同じ速度で回転することができる。加熱時に被加熱体１２０を回転させるのは、被加熱体の周方向の温度ムラを防止するためである。

次に、高周波電源１０４により、誘導加熱コイル１００に高周波電流を流し、被加熱体１２０を加熱した。加熱の制御はフィードバック制御とし、初期温度である２３℃から目標温度である１２５℃まで１０秒で加熱できるような設定とした。加熱終了時の被加熱体１２０の下部（被加熱体１２０の下端から１０ｍｍ上方の位置）、中央部（被加熱体１２０の長手中央位置）、上部（被加熱体１２０の上端から１０ｍｍ下方の位置）の温度を測定し、温度差を評価した。測定にはサーモビューアを使用し、感光ドラムの保護層の表面の温度を測定した。

加熱終了後に、被加熱体１２０の回転を停止させ、把持部材１１０ａと把持部材１１０ｂとで上下から被加熱体１２０を挟み込んだ状態のまま昇降機構１１４ａ、１１４ｂを下降させることで被加熱体１２０を誘導加熱コイル１００の外部に移動させた。その後、昇降機構１１４ｂを上昇させず、昇降機構１１４ａのみを上昇させて、把持部材１１０ａを被加熱物１２０の上端から離し、把持部材１１０ｂから被加熱物１２０を取りはずした。

表２に、上記の条件で加熱および加熱後の被加熱体温度を測定した結果を示す。表１に示した外径と長さの異なるいずれの被加熱体１２０においても、被加熱体１２０の端部における過剰な発熱は抑制でき、下部温度、中央部温度、及び上部温度における最高温度と最低温度との温度差も２℃以下であった。

〈実施例２〉
実施例１と同様の加熱試験を、図４に示すような補助基材１１１ａ、１１１ｂから離れるに従って段階的に縮径する形状の把持部材１１０ａ、１１０ｂを用いて行った。把持部材１１０ａ、１１０ｂ以外は実施例１と同じ条件である。
本実施例で使用した把持部材１１０ａ、１１０ｂは被加熱体１２０と嵌合する構造になっている。そして、把持部材１１０ａと把持部材１１０ｂとで上下から挟み込んで被加熱体１２０を把持したときに、被加熱体１２０と把持部材１１０ａ、１１０ｂとを略同軸にすることが可能である。
表３に、上記の条件で加熱および加熱後の被加熱体温度を測定した結果を示す。実施例１と同様の結果が得られ、表１に示した外径と長さの異なるいずれの被加熱体１２０においても、被加熱体１２０の端部における過剰な発熱は抑制でき、下部温度、中央部温度、及び上部温度における最高温度と最低温度との温度差も２℃以下であった。

〈実施例３〉
実施例１と同様の加熱試験を、図５に示す誘導加熱装置を用いて行った。
図５に示す誘導加熱装置では把持部材１１０ａ、１１０ｂの被加熱体１２０との接触面の形状は平面とし、厚みは１．０ｍｍとした。把持部材１１０ａ、１１０ｂは位置調整手段１３０ａ、１３０ｂに取り付けられ、位置調整手段１３０ａ、１３０ｂはロボシリンダーとコントローラーによって構成され、制御部１１５に接続された。また、制御部１１５には情報蓄積部２１０を接続し、情報蓄積部２１０には事前に測定した被加熱体１２０の外径に応じた位置移動情報を格納した。これにより制御部１１５が被加熱体１２０の外径に応じた位置移動指令を位置調整手段１３０ａ、１３０ｂに出すことで、補助基材１１１ａ、１１１ｂと被加熱体１２０の一端との距離が表１の値になるように位置調整手段１３０ａ、１３０ｂを動作可能とした。

補助基材１１１ａ、１１１ｂは軸受部１１２ａ、１１２ｂに保持され、昇降機構１１４ａ、１１４ｂに取り付けられた。昇降機構１１４ａ、１１４ｂは単軸ロボットとコントローラーによって構成され、制御部１１５に接続され、制御部１１５からの位置移動指令に応じて各動作の際に所定の位置座標に移動可能とした。
ロボシリンダーも単軸ロボットも、ボールネジ、リニアガイド及びＡＣサーボモーターを有する高精度電動アクチュエータである。

誘導加熱コイル１００の内部に被加熱体１２０を配置する際には、補助基材１１１ａ、１１１ｂに接続された把持部材１１０ａ、１１０ｂで上下から被加熱体１２０を挟むことで被加熱体１２０を接触把持した。また、把持部材１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方は回転機構１１３に接続されており、回転機構１１３によって回転される。図５に示す例では、把持部材１１０ａは回転機構１１３によって回転される。そして、被加熱体１２０及び把持部材１１０ｂは、把持部材１１０ａによって回転される。

表４に、上記の条件で加熱および加熱後の被加熱体温度を測定した結果を示す。実施例１と同様の結果が得られ、表１に示した外径と長さの異なるいずれの被加熱体１２０においても、被加熱体１２０の端部における過剰な発熱は抑制でき、下部温度、中央部温度、及び上部温度における最高温度と最低温度との温度差も２℃以下であった。

〈比較例〉
図６に示す誘導加熱装置を用いて、実施例１と同様の加熱試験を行った。
図６に示す誘導加熱装置では把持部材１１０ａ、１１０ｂの被加熱体１２０との接触面の形状は平面とし、厚みは１．０ｍｍとした。そして被加熱体１２０の外径に関わらず、被加熱体１２０の一端と補助基材１１１ａ、１１１ｂとの距離を1.０ｍｍとして加熱を行った。把持部材１１０ａ、１１０ｂ以外は実施例１と同じ条件とした。

表５に、上記の条件で加熱および加熱後の被加熱体温度を測定した結果を示す。外径３０ｍｍの被加熱体１２０では、補助基材１１１ａ、１１１ｂの外径３０ｍｍと被加熱体１２０の外径とが略同径である。このため、被加熱体１２０の端部における過剰な発熱は抑制でき、下部温度、中央部温度、及び上部温度における最高温度と最低温度との温度差も２℃以下であった。

しかし、被加熱体１２０の外径が補助基材１１１ａ、１１１ｂの外径より小さい外径２４ｍｍの被加熱体１２０では、下部温度と上部温度との温度差は１℃であったが、下部温度が中央部温度より２０℃低くなった。これは、補助基材１１１ａ、１１１ｂに被加熱体１２０より多くの渦電流が流れ、被加熱体１２０の端部近傍の磁束密度が小さくなりすぎたためだと考えられる。
また、被加熱体１２０の外径が補助基材１１１ａ、１１１ｂの外径よりさらに小さい外径２０ｍｍの被加熱体１２０では、下部温度と上部温度との温度差は１℃であったが、下部温度が中央部温度より２６℃低くなった。これも、補助基材１１１ａ、１１１ｂに被加熱体１２０より多くの渦電流が流れ、被加熱体１２０の端部近傍の磁束密度が小さくなりすぎたためだと考えられる。

１００誘導加熱コイル
１０１コイル支持部材
１０２コイル台座
１０３整合器
１０４高周波電源
１１０把持部材
１１１補助基材
１１２軸受部
１１３回転機構
１１４昇降機構
１１５制御部
１２０被加熱物
１３０位置調整手段
２１０情報蓄積部

Claims

円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内部に配置され、該誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、を具備する誘導加熱装置であって、
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体と該補助基材との間に介在して、該被加熱体を支持する把持部材をさらに具備し、
該把持部材は、
少なくとも該被加熱体との接触部が非導電性材料で構成されており、
該誘導加熱装置は、
第１の被加熱体と、該第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体と、を択一的に支持可能であり、かつ、
該第１の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第１の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第２の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第２の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように該被加熱体を支持するものであることを特徴とする誘導加熱装置。
前記把持部材は、その断面形状が、前記補助基材から離れるに従って縮径するテーパー形状を有する請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記把持部材は、その断面形状が、前記補助基材から離れるに従って段階的に縮径する形状を有する請求項１に記載の誘導加熱装置。
円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内部に配置され、該誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、を具備する誘導加熱装置であって、
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体を支持する把持部材と、
該把持部材に対する該補助基材の位置を調整する位置調整手段と、をさらに具備し、
該把持部材は、少なくとも該被加熱体との接触部は非導電性材料で構成されており、
該誘導加熱装置は、第１の被加熱体と、該第１の被加熱体よりも大きい外径を有する第２の被加熱体と、を択一的に支持可能であり、かつ
該位置調整手段は、
該第１の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第１の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第２の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第２の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように、該把持部材に対する該補助基材の位置を調整することを特徴とする誘導加熱装置。
前記第１の被加熱体の外径と、第１の距離とを関連付けて蓄積し、
前記第２の被加熱体の外径と、第２の距離とを関連付けて蓄積する蓄積部をさらに具備し、
該第１の距離は該第２の距離よりも長く、
前記位置調整手段は、
該第１の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときは、前記被加熱体の一端と前記補助基材との距離が、該第１の距離となるように、該把持部材に対する該補助基材の位置を調整し、
該第２の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときは、前記被加熱体の一端と前記補助基材との距離が、該第２の距離となるように、該把持部材に対する該補助基材の位置を調整する、請求項４に記載の誘導加熱装置。
被加熱体の外径を測定する外径測定手段をさらに具備し、
前記位置調整手段は、該被加熱体の一端と前記補助基材との距離が、該外径測定手段が測定した該被加熱体の外径の値に関連付けて前記蓄積部に蓄積されている第１の距離又は第２の距離となるように、前記把持部材に対する該補助基材の位置を調整する、請求項５に記載の誘導加熱装置。