以下、図面を参照しながら本発明の最良の� ��態を詳細に説明する。
〔第1の実施形態〕
 第1の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置 は、高周波インバータからの出力電流と加熱 コイルの両端に生じる電圧を監視することで 高周波焼入れの品質を保証するものである。 図1は、第1の実施形態に係る高周波焼入れ監� ��装置を組み込んだ高周波焼入れシステムの� ��成を示す図である。高周波焼入れシステム1 は、高周波焼入れ装置10と高周波焼入れ監視� ��置20とで構成される。

 高周波焼入れ装置10は、電気回路的に、� �周波インバータ11と、高周波インバータ11の� ��力端子間に接続される整合用のコンデンサ1 2と、ワーク15を誘導加熱する加熱コイル14と� ��整合用のコンデンサ12と加熱コイル14との間 に介在される電流変成器13と、で構成されて� ��る。よって、高周波焼入れ装置10は、等価� �路的に、整合用のコンデンサ12と加熱コイル 14とが並列共振回路を含んで構成されている� ��

 ここで、高周波インバータ11は電流型イ� �バータであって、出力電圧の一定制御方式� �駆動制御される。電流変成器13は、高周波イ ンバータ11に対して整合用のコンデンサ12と� �列接続される一次コイル13aと、加熱コイル14 と並列接続される二次コイル13bと、で構成さ れている。

 高周波焼入れ装置10は、加熱コイル14を内 蔵した受け部(図示せず)にワーク15を配置し� �状態で、高周波インバータ11から加熱コイル 14に対して高周波電流を供給することで、ワ� ��ク15の内部に渦電流を発生させてワーク15を 加熱して焼入れ処理を行う。

 高周波焼入れ監視装置20は、高周波イン� �ータ11の出力電流を検出する電流センサ21と� ��加熱コイル14における電圧を検出する電圧� �ンサ22と、電流センサ21の検出信号と電圧セ� ��サ22の検出信号とに基づいて焼入れ管理を� �う制御部23と、制御部23に対して各種制御情� ��を入力し、制御部23から警告信号を受ける� �告部24と、を備えている。

 電流センサ21は、高周波インバータ11と整合 用のコンデンサ12との配線に電気的に接続さ� ��、高周波インバータ11の出力電流I _o を検出する。電圧センサ22は、両端に端子22a, 22bを備え、加熱コイル14に並列接続され、加� ��コイル14の電圧V _coil を検出する。

 制御部23は、電流センサ21からの検出信号 の入力を受ける電流検出部23aと、電圧センサ 22からの検出信号の入力を受ける電圧検出部2 3bと、電流検出部23a及び電圧検出部23bからの� ��力を受けてそれぞれ信号処理を行う信号処� ��部23cと、信号処理部23cで信号処理された結� ��の入力を受け、結果が所定の範囲内か否か� ��判定する判定部23dと、を含んでいる。判定� ��23dは、信号処理部23cで信号処理された結果� ��出力する表示部23eを備えている。

 電流センサ21と電流検出部23aとは、検出し� �電流を電圧に変換するカレントトランスフ� �ー(変流器)で構成してもよい。このとき、電 流センサ21にはロゴスキーコイルを用いるこ� ��ができ、電流検出部23aはロゴスキーコイル� ��生じる電圧から所定の範囲の電圧に変換す� ��。カレントトランスファーは例えば出力電� ��500A _rms を0.5V _rms に変換する。

 電圧センサ22と電圧検出部23bとは、検出し� �電圧を所定範囲の電圧に変換するポテンシ� �ルトランスファー(変圧器)で構成してもよい 。このとき、電圧センサ22には加熱コイル14� �端子間に接続可能なプローブを用いること� �できる。電圧検出部23bはプローブで抽出し� �電圧を所定範囲の電圧に変換する。ポテン� �ャルトランスファーは例えばコイル電圧200V _rms を10V _rms に変換する。

 信号処理部23cは、電流検出部23a及び電圧検� ��部23bからの信号を、それぞれ整流して実効� ��を算出すると共にフィルターでノイズを除� ��し、電流信号S _i 及び電圧信号S _v を判定部23dに出力する。これにより、カレン トトランスファーからの信号、例えば0.5V _rms の信号を5Vの電圧信号に変換する一方、ポテ� ��シャルトランスファーからの信号、例えば� ��10V _rms の信号を5Vの電圧信号に変換する。

 判定部23dは、信号処理部23cから入力された� ��流信号S _i 及び電圧信号S _v が適切であるか否かの判定を行う。即ち、判 定部23dは、高周波インバータ11を制御する制� ��部(図示せず)から加熱同期信号S _s が入力されることにより、電流信号S _i 及び電圧信号S _v の波形を取り出し、表示部23eに表示する。そ の際、判定部23dは予め設定されている上限下 限のしきい値も表示する。これにより、判定 部23dは、高周波焼入れ装置10が動作中である� ��態で、電流信号S _i 、電圧信号S _v が上限のしきい値を上回ったり下限のしきい 値を下回った場合には、判定NGとして当該波� ��を異常波形として記録する。また、判定部2 3dは、警告部24に対して警告信号を出力する� �その際、判定部23dが警告信号を出力する際� �表示部23eに、「NG」として警告表示を行って もよい。

 警告部24は、判定部23dからの警告信号に� �づいて警告表示を行ったり、警告音を外部� �発生させたり、また、高周波インバータ11の 制御部(図示せず)に対して高周波電力の出力� ��停止するように指示する。

 図1の信号処理部23c内部の回路構成につい て説明する。信号処理部23cには、電流検出部 23aからの信号を処理する電流測定回路と、電 圧検出部23bからの信号を処理する電圧測定回 路とが別々に含まれている。電流測定回路も 電圧測定回路も同様の回路構成であるので、 以下では電圧測定回路を説明する。

 図2は、図1における信号処理部23c内の電圧� �定回路30を示す図である。
 電圧測定回路30は、第1の演算増幅器31と第2� ��演算増幅器32が縦続接続され、出力側にフ� �ルター回路33が接続されている。第1の演算� �幅器31には、入力抵抗34と、入力端子と出力� ��子に接続される第1のダイオード35と、出力� ��子に一端が接続される第2のダイオード36と� ��入力端子に一端が接続され他端が第2のダイ オード36の他端に接続される抵抗37と、が接� �されている。この第1の演算増幅器31は、所� �理想ダイオードであり、入力信号電圧の半� �整流を行う。第1の演算増幅器31と第2の演算� ��幅器32とは、抵抗38で接続されている。第2� �演算増幅器32は、入力端子と出力端子との間 に抵抗39が接続された反転増幅器である。第2 の演算増幅器32の入力端子は、抵抗40を介し� �、入力抵抗34の入力信号側と接続されている 。第2の演算増幅器32の出力は、入力電圧信号 の両波整流波形となる。この両波整流波形が 、抵抗41及びコンデンサ42からなるローパス� �のフィルター回路33に入力され、両波整流波 のリップルが除去されて直流電圧に変換され る。フィルター回路33の抵抗41及びコンデン� �42の値を設定することで、第2の演算増幅器32 から出力される両波整流波の実効値が得られ る。

 以下、図1に示す高周波焼入れシステム1に� �る焼入れ監視について説明する。
 高周波焼入れ装置10において、高周波イン� �ータ11から整合用のコンデンサ12及び電流変� ��器13を介して加熱コイル14に高周波電力を投 入する。これにより、加熱コイル14内に配置� ��れたワーク15が加熱され、高周波焼入れさ� �る。その際、高周波焼入れ監視装置20におい て、電流センサ21が高周波インバータ11の出� �電流I _o を検出し、電圧センサ22が加熱コイル14の電� �V _coil を検出する。

 制御部23の電流検出部23a、電圧検出部23bは� �電流センサ21、電圧センサ22からのそれぞれ� ��検出信号をレベル調整し、電流信号S _i 及び電圧信号S _v を信号処理部23cに出力する。よって、信号処 理部23cが、電流検出部23a、電圧検出部23bから それぞれ入力された電流信号、電圧信号を整 流して実効値を求め、電流信号S _i 及び電圧信号S _v として判定部23dに出力する。

 判定部23dは、信号処理部23cからの電流信号S _i 及び電圧信号S _v を加熱同期信号S _S により同期を取って波形の判定を行い、上限 及び下限のしきい値と比較し、電流信号S _i 及び電圧信号S _v が上限のしきい値を上回ったり、下限のしき い値を下回ったか否かの判定を行う。判定部 23dは、電流信号S _i 及び電圧信号S _v がしきい値から外れた場合には当該波形を記 録し、警告信号を警告部24に出力する。

 警告信号を受けた警告部24は、警告を表� �したり警告音を発生させる。よって、焼入� �作業者は、警告の表示や警告音を認知した� �き、高周波焼入れに異常が発生したことを� �ることができる。また、警告部24は、高周波 焼入れ装置10の高周波インバータ11の出力動� �を停止させてもよい。

 以上のように、電流センサ21を用いて高� �波インバータ11からの出力電流を検出し、電 圧センサ22を用いて加熱コイル14に生じる電� �を検出し、電流センサ21の検出信号と電圧セ ンサ22の検出信号とに基づいて焼入れ管理を� ��う。これにより、出力電圧が一定となるよ� ��出力制御される高周波インバータ11からコ� �デンサ12を介して加熱コイル14に高周波電力� ��投入された際、高周波インバータ11からの� �力電力の変動が直に出力電流に影響する。� �って、電流センサ21を用いてこの出力電流を モニターすることで、高周波焼入れ処理にお いて高周波インバータ11からの出力電力を監� ��することができる。一方、電圧センサ22を� �いて加熱コイル14に生じる電圧をモニターす ることで、高周波インバータ11から加熱コイ� ��14までの伝送損失、コンデンサ12と加熱コイ ル14との並列共振回路による整合損失により� ��出感度が高くなり、加熱コイル14の電圧変� �を高い精度で検出することができる。

 即ち、電力の伝送損失が小さい場合、負� ��変動による出力電流の変動率がコイル電圧� ��変動率より大きいので、高周波インバータ1 1からの出力電流を電流センサ21で監視するこ とが有効となる。一方、電力の伝送損失が大 きい場合、負荷変動によるコイル電圧の変動 率が、高周波インバータ11からの出力電流の� ��動より大きいので、コイル電圧を電圧セン� ��22で監視することが有効となる。逆に、背� �技術で説明した、高周波インバータの出力� �流及び出力電圧を監視する方法において、� �周波インバータの出力電圧を一定となるよ� �出力電力を制御する場合、負荷変動を検出� �ることはできない。以下、この点について� �説する。

 図3(A)は負荷共振回路を示し、(B)は(A)に示す 負荷共振回路に関し高周波インバータの周波 数が負荷共振回路の共振周波数と一致して同 期している場合の等価回路を示す図である。 図1に示す誘導加熱の電気回路は、図3(A)に示� ��ように、整合用コンデンサC _p と負荷抵抗R _p と負荷インダクタンスL _p との並列接続に対し、高周波インバータと加 熱コイルとの間の伝送損失及び整合損失を含 めた抵抗R _x とが直列接続された回路で表される。図3(A)� �示す負荷共振回路において高周波インバー� �の周波数が負荷共振回路の周波数と一致し� �同期している場合には、図3(A)に示す回路は� ��図3(B)に示す等価回路、即ち鈍抵抗化回路に 書き直すことができる。なお、高周波インバ ータと加熱コイルとの間の伝送損失及び整合 損失を含めた抵抗をR _x とし、負荷抵抗をR _p とし、高周波インバータからの出力電圧をV ₀ =300V、出力電流I _o =300Aとする。Rx、R _p が何れも0.5ωであるとして説明を簡略化する� ��負荷変動により抵抗R _p が0.5ωから0.55ωに+10%変化すると、出力電圧一 定制御のため、出力電圧V _O が300Vで不変で、出力電流I _o は300Aから285.7Aに変化するので、出力電流の� �化率も-4.8%であり、出力電力も-4.8%変化する� ��このとき、コイル電圧V _coil は150V(=300A×0.5ω)から157.1V(=285.7A×0.55ω)に変化� ��、コイル電圧の変化率は+4.8%となる。つま� �、高周波インバータからの出力電流の低下� �とコイル電圧の増加率とがほぼ等しくなる� �

 上記回路構成において、伝送損失と整合損� ��を含めた抵抗R _x が0.4ωで、負荷抵抗R _p が0.6ωの場合、負荷抵抗R _p が変化率で+10%、即ち0.6ωから0.66ωに変化した 場合を考えると、高周波インバータの出力電 圧V ₀ は300Vで不変で、出力電流I _o は300Aから283.0Aに変化するので、出力電流の� �化率も-5.7%であり、出力電力も-5.7%変化する� ��このとき、コイル電圧V _coil は180V(=300A×0.6ω)から186.8V(=283.0A×0.66ω)に変化� ��、コイル電圧の変化率は約+3.8%となる。つ� �り、高周波インバータからの出力電流の減� �率の絶対値は、コイル電圧の増加率の絶対� �と比べてより大きい。

 上記回路構成において、逆に、伝送損失と� ��合損失を含めた抵抗R _x が0.6ωで、負荷抵抗R _p が0.4ωの場合、負荷抵抗R _p が変化率で+10%、即ち0.4ωから0.44ω変化した場 合を考えると、高周波インバータの出力電圧 V _O は300Vで不変で、出力電流I _o は300Aから288.5Aに変化するので、出力電流の� �化率も-3.8%であり、出力電力も-3.8%変化する� ��このとき、コイル電圧V _coil は180V(=300A×0.6ω)から126.9V(=288.5A×0.44ω)に変化� ��、コイル電圧の変化率は約+5.7%となる。つ� �り、高周波インバータからの出力電流の減� �率の絶対値は、コイル電圧の増加率の絶対� �と比べてより小さい。

 以上のことから、従来のように、高周波イ� ��バータの出力電流及び出力電圧を監視する� ��法では、伝送損失及び整合損失が増加する� ��従い、例えば伝送損失及び整合損失を含め� ��抵抗R _x と負荷抵抗R _p との比率が0.4:0.6、0.5:0.5、0.6:0.4となるに従い 、高周波インバータからの出力電流I _o の変化率は、-5.7%、-4.8%、-3.8%となり、負荷抵 抗R ₂ の変化率に比例して変化せず、負荷抵抗R _p の変動に対して感度が悪いことが分かる。

 これに対し、本実施形態のように、コイル� ��圧V _coil と高周波インバータからの出力電流I _o との何れもモニターして監視することで、伝 送損失の影響を排除した負荷変動を監視する ことができる。なぜなら、伝送損失及び整合 損失の割合が小さい場合、負荷抵抗の変動は 、コイル電圧の変動率の方よりも出力電流の 変化率の方に大きく影響するため、高周波イ ンバータからの出力電流の変化を監視するこ とが好ましいからである。逆に、伝送損失及 び整合損失の割合が大きい場合、負荷抵抗の 変動は、出力電流の変化率の方よりコイル電 圧の変動率の方に大きく影響するので、コイ ル電圧の変化を監視することが好ましいから である。つまり、コイル電圧V _coil と高周波インバータからの出力電流I _o との両方を監視することで、回路の電力損失 の影響を排除した監視方法を確立することが できる。

〔第2の実施形態〕
 第2の実施形態では、高周波焼入れの際、加 熱コイル電圧を高周波インバータから出力さ れた出力電流で加熱コイル電圧を割って求め た値、即ち負荷インピーダンスを監視するこ とで、高周波焼入れ処理の正常性を監視する 。第2の実施形態に係る焼入れ監視装置を組� �込んだ高周波焼入れシステムの構成は、第1� ��実施形態を示す図1の場合と同様である。す なわち、第2の実施形態に係る高周波焼入れ� �視装置具体的にはインピーダンス監視装置� �組み込んだ高周波焼入れシステムは、図1に� ��すように、高周波焼入れ装置10と焼入れ監� �装置20とで構成される。

 高周波焼入れ装置10は、図1に示すように� ��等価回路的に、整合用のコンデンサ12と加� �コイル14とが並列共振回路を含んで構成され ている。第2の実施形態では、高周波焼入れ� �置10は整合用のコンデンサと加熱コイルとが 直列共振回路であってもよい。高周波インバ ータ11は、第1の実施形態と同様電流型インバ ータであるが、第1の実施形態と異なり、出� �される高周波の電力が一定となるよう、電� �一定制御方式で駆動制御される。電流変成� �13が、高周波インバータ11に対して整合用の� ��ンデンサ12と並列接続される一次コイル13a� �、加熱コイル14と並列接続される二次コイル 13bとで構成されている点は、第1の実施形態� �場合と同様である。

 高周波焼入れ装置10は、加熱コイル14を内 蔵した受け部(図示せず)にワーク15を配置し� �状態で、高周波インバータ11から加熱コイル 14に対して高周波電流を供給することで、ワ� ��ク15の内部に渦電流を発生させてワーク15を 加熱して焼入れ処理を行う。

 焼入れ監視装置20は、高周波インバータ11 の出力電流を検出する電流センサ21と、加熱� ��イル14における電圧を検出する電圧センサ22 と、電流センサ21の検出信号と電圧センサ22� �検出信号とから負荷インピーダンスを算出� �、この負荷インピーダンスに基づいて焼入� �管理を行う制御部23と、制御部23に対して各� ��制御情報を入力し、制御部23から警告信号� �受ける警告部24と、を備えている。

 電流センサ21は、高周波インバータ11と整合 用のコンデンサ12との配線に電気的に接続さ� ��、高周波インバータ11の出力電流I _o を検出する。電圧センサ22は、両端に端子22a, 22bを備え、加熱コイル14に並列接続され、加� ��コイル14の電圧V _coil を検出する。

 制御部23は、電流センサ21からの検出信号 の入力を受ける電流検出部23aと、電圧センサ 22からの検出信号の入力を受ける電圧検出部2 3bと、電流検出部23aからの入力を受けて出力� ��流に関する実効値を求めると共に電圧検出� ��23bからの入力を受けてコイル電圧に関する� ��効値を求める信号処理部23cと、信号処理部2 3cから求めた出力電流及びコイル電圧に関す� ��各実効値から負荷インピーダンスを算出し� ��負荷インピーダンスが基準範囲内か否かを� ��定する判定部23dと、を含んでいる。判定部2 3dは、信号処理部23cで信号処理された結果を� ��力する表示部23eを備えている。

 電流センサ21と電流検出部23aとは、検出� �た電流を電圧に変換するカレントトランス� �ァー(変流器)で構成してもよい。電圧センサ 22と電圧検出部23bとは、検出した電圧を所定� ��囲の電圧に変換するポテンシャルトランス� ��ァー(変圧器)で構成してもよい。これらの� �は第1の実施の形態と同様である。

 信号処理部23cは、電流検出部23a及び電圧検� ��部23bからの信号を、それぞれ整流して実効� ��を算出すると共にフィルターでノイズを除� ��し、電流信号S _i 及び電圧信号S _v を判定部23dに出力する。この点は第1の実施� �態と同様であり、信号処理部23cには、電流� �出部23aからの信号を処理する電流測定回路� �、電圧検出部23bからの信号を処理する電圧� �定回路と、が別々に含まれている。電流測� �回路、電圧測定回路の具体的な構成は第1の� ��施形態と同様である。よって、カレントト� ��ンスファーからの信号、例えば0.5V _rms の信号を5Vの電圧信号に変換する一方、ポテ� ��シャルトランスファーからの信号、例えば� ��10V _rms の信号を5Vの電圧信号に変換する。

 判定部23dは、信号処理部23cから入力された� ��流信号S _i 及び電圧信号S _v に基づいてコイル電圧を出力電流で割り、こ の算出した負荷インピーダンスが規定範囲内 であるか否かを判定する。具体的には、先ず 、高周波インバータ11を制御する制御部(図示 せず)から加熱同期信号S _s が入力されることにより、信号処理部23cから 入力された電流信号S _i 及び電圧信号S _v の値をサンプリングする。次に、サンプリン グした電圧値をサンプリングした電流値で割 り、所定の比例定数を乗算することで、コイ ル電圧に対する出力電流、即ち負荷インピー ダンスを算出する。算出した結果をグラフィ ックに表示部23eに表示する。その際、算出し た負荷インピーダンスが基準範囲内であるか 否かの判定を行う。判定部23dは、算出した負 荷インピーダンスが基準範囲内であった場合 には焼入れ処理がOKと判断し、算出した負荷� ��ンピーダンスが基準範囲外であった場合に� ��焼入れ処理がNGと判断して警告部24に対して 警告信号を表示する。

 なお、判定部23dは、高周波インバータ11の� �御部(図示せず)から加熱同期信号S _s が入力されることで切り出した電流信号S _i 及び電圧信号S _v の何れかの波形を表示部23eに出力できるよう にしてもよい。その際、判定部23dは予め設定 されている上限下限のしきい値も表示する。 これにより、判定部23dは、高周波焼入れ装置 10が動作中である状態で、電流信号S _i 及び電圧信号S _v が上限のしきい値を上回ったり下限のしきい 値を下回ったりした場合には、判定がNGであ� ��と判定し、当該波形を異常波形として記録� ��る。

 判定部23dは、警告部24に対して警告信号� �出力する。その際、判定部23dが警告信号を� �力する際、表示部23eに、「NG」として警告表 示を行ってもよい。

 警告部24は、判定部23dからの警告信号に� �づいて警告表示を行ったり、警告音を外部� �発生したり、また、高周波インバータ11の制 御部(図示せず)に対して高周波電力の出力を� ��止するように指示する。

 高周波焼入れシステム1を用いて焼入れ処理 を行う際の焼入れ監視について説明する。
 高周波焼入れ装置10において、高周波イン� �ータ11から整合用のコンデンサ12及び電流変� ��器13を介して加熱コイル14に高周波電力を投 入する。これにより、加熱コイル14内に配置� ��れたワーク15が加熱され、高周波焼入れさ� �る。その際、高周波焼入れ監視装置10におい て、電流センサ21が高周波インバータ11の出� �電流I _o を検出し、電圧センサ22が加熱コイル14の電� �V _coil を検出する。

 制御部23の電流検出部23a、電圧検出部23bは� �電流センサ21、電圧センサ22からのそれぞれ� ��検出信号をレベル調整し、電流信号S _i 及び電圧信号S _v を信号処理部23cに出力する。よって、信号処 理部23cが、電流検出部23a、電圧検出部23bから それぞれ入力された電流信号、電圧信号を整 流して実効値を求め、電流、電圧の各実効値 を電流信号S _i 及び電圧信号S _v として判定部23dに出力する。

 判定部23dは、信号処理部23cからの電流信号S _i と電圧信号S _v との入力を受け、電流信号S _i 及び電圧信号S _v について加熱同期信号S _S により同期を取って波形を取得する。そして 、判定部23dは、各波形から電流の実効値と電 圧の実効値とのデータ列を得、その後、電流 の実効値を電圧の実効値で割ることで負荷イ ンピーダンスを算出し、算出した負荷インピ ーダンスが規定の範囲内か範囲外かの判定を 行う。判定部23dは、負荷インピーダンスがし きい値から外れた場合には、そのデータ列を 取得して記録し、警告信号を警告部24に出力� ��る。

 その際、判定部23dは、電流の実効値と上限� ��び下限のしきい値とを比較し、電流信号S _i が上限のしきい値を上回ったか、下限のしき い値を下回ったか、の判定を行うようにして もよい。電流信号S _i がしきい値から外れた場合には、その波形を 記録し、警告信号を警告部24に出力する。こ� ��により、後述するように、負荷インピーダ� ��スの監視では判定できない高周波インバー� ��11からの出力の変動を監視することができ� �。

 警告信号を受けた警告部24は、警告を表� �しまたは警告音を発生させる。よって、焼� �れ作業者は、警告の表示や警告音を認知し� �とき、高周波焼入れに異常が発生したこと� �知ることができる。また、警告部24は、高周 波焼入れ装置10の高周波インバータ11の出力� �作を停止させてもよい。

 以上のように、電流センサ21を用いて高� �波インバータ11からの出力電流を検出し、電 圧センサ22を用いて加熱コイル14に生じる電� �を検出し、電流センサ21の検出信号と電圧セ ンサ22の検出信号とから負荷インピーダンス� ��算出して、算出した負荷インピーダンスに� ��づいて焼入れ管理を行う。これにより、出� ��電力が一定となるよう出力制御される高周� ��インバータ11からコンデンサ12を介して加熱 コイル14に高周波電力が投入された際、高周� ��インバータ11からの出力電流の変動率が小� �く、かつ加熱コイル14に生じるコイル電圧の 変動率が小さい場合であっても、焼入れ対象 となるワークと加熱コイルとの位置関係が基 準範囲から外れると、即ち、図11に示すよう� ��ワーク50と加熱コイルとの間のギャップd(こ れを以下、コイルギャップdという)が大きく� ��ると負荷インピーダンスの変動として検出� ��ることができる。よって、高周波焼入れ処� ��の品質管理を容易にかつ高い精度で行うこ� ��ができる。

 ここで、高周波焼入れ処理において、高� ��波インバータ11からの出力電流の変動率が� �さく、かつ加熱コイル14に生じるコイル電圧 の変動率が小さい場合であっても、負荷イン ピーダンスの変動として現れる理由について 説明する。

 図4は、コイルギャップdの変動が負荷イ� �ピーダンス変動として観測できる理由を説� �するための模式的な回路図であり、(A)は誘� �加熱をモデル化した等価回路図、(B)はワー� �が存在しない状態での等価回路図、(C)は(B)� �示す等価回路を並列回路で示した図である� �

 誘導加熱の電気回路のうち図1(A)に示す高周 波インバータ11から加熱コイル14までの電気� �路は、伝送損失R _x を省略すると抵抗R1と自己インダクタンスL1� �の直列接続に対し整合用コンデンサCpが並列 接続されている点で示され、ワーク15は自己� ��ンダクタンスL2と抵抗R2との並列接続で示さ れ、加熱コイル14にワーク15が配置される状� �が相互インダクタンスとしてモデル化する� �とができる。ここで、R1とはコイル導線の抵 抗成分、R2は加熱対象の抵抗成分、L1は加熱� �イル14のインダクタンス成分、L2は加熱対象� ��インダクタンス成分、Mは相互インダクタン スであり、加熱コイル14とワーク15とのギャ� �プにより変化する。なお、相互インダクタ� �スMは、自己インダクタンスL1と自己インダ� �タンスL2との結合係数をkとすると、k=M/(L1×L2 ) ^1/2 の関係を満たす。このとき整合用コンデンサ Cpの両端から見た負荷インピーダンスは、リ� ��クタンス成分ωLeと抵抗成分Reとの和で示さ� ��る。なお、Le=L1(1-k ² )、Re=R1+A・R2である。ここで、Aは前述の結合� ��数k、負荷形状、加熱周波数で定まる係数で ある。

 ワーク15と加熱コイル14とのギャップdが増� �すると、負荷の結合が弱くなる。極限的な� �況として、k=0、Re=R1まで負荷の結合が弱くな り、Le=L1となる。即ち、図4(A)の等価回路は図 4(B)のように書き換えることができる。
 よって、ギャップが増加すると、Leが増加� �、Reが減少する。

 さらに、図4(B)の直列等価回路を図4(C)の並� �等価回路に変換することができる。なお、Ze =Re+jwLeであるので、アドミタンスYeはYe=1/Zeで� ��るから、次式で表される。
  Ye=Gp+jBp
 但し、Gp、Bpは次式の通りである。
  Gp=Re/(Re ² +(ωLe) ² )
  Bp=ωLe/(Re ² +(ωLe) ² )
 ここで、Rp=1/Gp、|Xp|=1/|Bp|であり、Rp、|Xp|は� ��式で表される。
  Rp=(Re ² +(ωLe) ² )/Re
  |Xp|=(Re ² +(ωLe) ² )/(ωLe)
 焼入れ応用ではωLe ² >>Re ² であるため、次式が成り立つ。
  Rp=(ωLe) ² /Re
  |Xp|≒ωLe
 なお、ωが高周波インバータ11から出力され る高周波の角周波数である。
 高周波インバータの周波数が負荷共振回路� ��それと一致して同期している場合には、負� ��インピーダンスZ _o は、
  Z _o =R _p =(ωLe) ² /Re
 となる。
 つまり、上記の近似式から、ワーク15と加� �コイル14とのギャップdが増加すると、負荷� �結合が弱くなり、Leが増加し、Reが減少し、� ��荷インピーダンスZ _o が大きくなる。しかも、負荷インピーダンス Z _o の変化率は、Le、Reそれぞれの変化率と比べ� �大きい。

 よって、高周波インバータ11からの出力� �力を一定としてコイルギャップdが増加する� ��、高周波インバータ11からの出力電流が小� �くなる一方、コイル電圧は大きくなる。従� �て、出力電流の減少率が小さくても、コイ� �電圧の増加率が小さくても、出力電流に対� �るコイル電圧比、すなわち、負荷インピー� �ンスが増加する。よって、コイルギャップd� ��増加すると、負荷インピーダンスの変動に� ��接現れる。

 以上のことから、高周波焼入れ処理にお� ��て、高周波インバータ11の出力電力が一定� �なるよう制御している場合、負荷インピー� �ンスの変動を判定部23dで監視し、負荷イン� �ーダンスの変動がしきい値の上限及び下限� �収まっていることを確認することで、高周� �焼入れ監視を効率的に行うことができる。� �た、制御部23が電流センサ21からの検出信号� ��基づいて高周波インバータ11からの出力電� �を算出し、この出力電流の変動がしきい値� �上限及び下限に収まっていることを確認す� �ことが好ましい。これにより、ギャップが� �容範囲であるか否かを負荷インピーダンス� �モニターすることで確認することができ、� �つ高周波インバータ11からの出力電流の変動 をモニターすることで、焼入れに必要なエネ ルギーが投入されていることを確認でき、質 の高い焼入れの管理を行うことができる。

 第1の実施形態に係る高周波焼入れ監視装 置は、図1に示した高周波焼入れ装置10に対し てのみ適用されるものではなく、等価回路的 に、整合用のコンデンサと加熱コイルとでな る並列共振回路及び高周波インバータを含ん で構成される高周波焼入れ装置に対して適用 可能である。例えば電流変成器13は省略され� ��もよい。

 第2の実施形態の変形例を説明する。
 図5は、本発明の変形例を説明するための模 式図である。なお、図24と同一の部材には同� ��の符号を付してある。図5に示すように、コ イル電圧としてコイルの半円周部61aの両端部 22c,22dの電圧を検出するように配置する。こ� �により、コイルギャップdの変動を効率的に� ��荷インピーダンスに反映させることができ� ��。

 この変形例のように、加熱コイル61がワ� �ク50の焼入れ対象領域に対して所定のギャッ プdを有するように配置される半円周部61aを� �え、図5に点線で示すように、電圧センサ22� �両端部22c,22dが半円周部61a間の電圧を検出す� ��ように半円周部61aの両端部に接続されるこ� ��が好ましい。これにより、実線で示すよう� ��電圧センサ22の両端部22a,22bを直線部61b,61bを 介して接続している場合よりも、点線で示す ように電圧センサ22の端部22c,22dを半円周部61a の両端部に接続した方がコイルギャップの変 動率を高感度に検出することができ、より精 度の高い焼入れ監視を行うことができる。

 以上のことから、高周波電力が一定とな� ��よう制御されている場合、コイルギャップd が増加すると負荷インピーダンスが大きくな り、この負荷インピーダンスの変動を元に、 焼入れ処理が正しくなされているかの判定を 行うことができる。

 第2の実施形態に係る高周波焼入れ監視装 置は、図1に示した高周波焼入れ装置10に対し てのみ適用されるものではなく、等価回路的 に、整合用のコンデンサと加熱コイルとでな る共振回路及び高周波インバータを含んで構 成される高周波焼入れ装置に対して適用可能 である。例えば電流変成器13は省略されても� ��い。

 以下、第1の実施形態に対応する実施例1� �至3及び比較例1乃至2と、第2の実施形態に対� ��する実施例4及び比較例3について説明する� �