JP4613687B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置として、例えば、電磁調理器に関して、入力電流波形を整形するスイッチング手段を有し、特に鉄などの強磁性体以外の材質で形成された被加熱物を加熱する際の力率を改善する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、従来の誘導加熱装置として、特許文献１における誘導加熱装置（誘導加熱調理器）について、図を用いて説明する。

図６は特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置の一実施例を示す回路図、図７は図６の各部の信号波形図である。

図６において、交流電圧Ｖａｃの商用電源１０１がブリッジ回路１０５に接続されている。ブリッジ回路１０５は２個のサイリスタ１０７ａ、１０７ｂと２個のダイオード１０９ａ、１０９ｂとをブリッジ接続して構成されており、商用電源１０１の交流電流を直流電流に変換させる。

コンデンサ１１１はリプル電流を除去するために比較的大きな容量に設定されており、ブリッジ回路１０５で整流された脈流を平滑するための平滑手段である。

入力制御回路１３３は商用電源１０１側に設けられたカレントトランス１３４と接続されている。カレントトランス１３４は商用電源１０１から入力する入力電流Ｉｉｎを検出し、この検出した入力電流Ｉｉｎの電流値に相応する情報を入力制御回路１３３へ送出する。

入力制御回路１３３はマイクロコンピュータ等の演算処理部を内蔵しており、カレントトランス１３４からの実際の入力電流Ｉｉｎに関する情報などから最適なＰＷＭ制御を実行する、すなわち入力制御回路１３３は入力電流Ｉｉｎの電流波形がほぼ正弦波となるように力率を改善するために、第７図（ｃ）に示すようなパルス信号１３３ａをトランジスタＴｒ１に出力する。

トランジスタＴｒ１はパルス信号１３３ａに基づいて所定の波形整形に係る周期でスイッチング動作して入力電流Ｉｉｎの波形を整形するためのスイッチング手段である。

また、リアクタＬはトランジスタＴｒ１がオンしたときに商用電源１０１からの電力を蓄積するとともに、トランジスタＴｒ１がオフしたときにこの蓄積した電力をコンデンサ１１１へ供給するためのタンク手段である。
特開平１−２４６７８３号公報

トランジスタＴｒ１のオン／オフ時には、スイッチングに伴うノイズが発生する。

通常、リアクタＬに流れる電流が０点を通らない場合は連続動作モード、０点を通る場合は不連続動作モードと呼ばれる。連続動作モード、不連続動作モードのどちらを採用するかは、リアクタＬ形状、損失、トランジスタＴｒ１定格、損失などによって左右される。

連続動作モードでは、インバータの定格出力にもよるが、一般にリアクタＬの容量を大きく設定することで、継続してリアクタＬ電流が流れるようにしている。そのため、トランジスタＴｒ１がオフする際のターンオフ電流は比較的少ないが、ターンオンする際に急激に短絡電流が流れる。

一方で不連続モードでは、リアクタＬ電流が０点を通るよう、リアクタＬの容量を小さく設定しているため、リアクタＬ電流ピークは高くなる。そのため、トランジスタＴｒ１がオンする際のターンオン電流はほとんど流れないが、ターンオフ電流が大きくなる。

例えば、トランジスタＴｒ１をオフする際のｄＩ／ｄｔ及びｄＶ／ｄｔを抑制するためにスナバなどが設けられる場合があるが、トランジスタＴｒ１はいかなる入力電流であっても波形整形されるようにＰＷＭ制御されるために、オン／オフの導通比、タイミングが一定でなく、トランジスタＴｒ１のターンオン時の短絡電流またはターンオフ電流ピークの増加を抑制することは不可避である。

すなわち、連続動作モード、不連続動作モードどちらを採用しても、トランジスタＴｒ１のスイッチングに伴い、急激な電流変化が生じるため、電磁ノイズをパターンへ伝搬させる、又は周囲の配線などに輻射することになる。

このようなノイズは、入力制御回路１３３の動作を不安定にし、カレントトランス１３４などの検知精度を下げてしまう。

例えば、入力電流やインバータ出力などから被加熱物の材質を検知するなどの鍋種検知、被加熱物の移動などによる加熱不適切な状態を検知する小物検知、過出力に対する保護検知が、ノイズによって精度が下がって正常に行われないため、加熱継続できなかったり、回路の故障を招く恐れがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、安定した動作を行う誘導加熱装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、インバータは第２のスイッチング素子群のオン／オフによって高周波電流を加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱し、力率改善手段は第１のスイッチング素子のオン／オフによって力率を改善するとともに、制御手段はインバータ駆動開始から停止までの間に力率改善手段の停止期間を設けるべく制御したものである。

力率改善手段の動作中は制御手段などに与えるノイズの影響が大きいが、力率改善手段の停止期間中は、力率改善手段から発生するノイズも停止する。この期間中に、制御手段が鍋種判定、小物判定、検知手段からの信号読み込みを行うことによって、それら制御に与えるノイズの影響を抑制することが可能とし、誘導加熱装置の動作を安定したものにすることができる。

本発明の誘導加熱装置は、加熱動作の中で力率改善手段の停止期間を設けることにより、安定した動作を行うことが可能である。

第１の発明は、商用電源からの交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段の出力側に接続される力率改善手段と、前記力率改善手段に内包される第１のスイッチング素子と、前記力率改善手段の出力側に接続される平滑手段と、前記平滑手段に接続されるインバータと、前記インバータに内包される複数からなる第２のスイッチング素子群と、前記インバータに接続されかつアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記インバータの出力の大きさを検出する検知手段と、前記検知手段からの信号を入力しかつ前記インバータの制御を行う制御手段とを備え、前記インバータは前記第２のスイッチング素子群のオン／オフによって高周波電流を前記加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱し、前記力率改善手段は前記第１のスイッチング素子のオン／オフによって力率を改善するとともに、前記制御手段は前記インバータ駆動開始から停止までの間に前記力率改善手段の停止期間を設けるべく制御する誘導加熱装置とするものである。

アルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱する場合、加熱コイルから発生する高周波磁界と被加熱物間の反発力に起因する被加熱物の振動音を抑制するために、インバータ電源電圧を平滑してインバータ出力を略一定にする平滑手段が必要である。

また、平滑手段を設けることによって入力電流が歪むために、入力電流を正弦波状に整形し、力率を改善する力率改善手段も必要となる。

前述したように、力率改善手段は、内包するスイッチング素子のオン／オフによって入力電流の整形を行い、力率を改善するものであるが、力率改善手段の動作、すなわち第１のスイッチング素子のスイッチング動作によって発生するノイズは、制御手段、検知手段などに影響を与える。しかしながら本発明によると、所定の期間、力率改善手段の動作を停止することにより、制御手段が検知手段の信号を精度良く読み込むことができるため、安定した加熱動作が可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明のいずれかにおいて、制御手段は検知手段出力に基づいた被加熱物の材質判定時において力率改善手段を停止すべく制御する請求項１に記載の誘導加熱装置とするものである。

被加熱物の材質判定は、機器への負荷を抑制するため、特に入力電流が低い状態で行われ、検知手段の出力信号も低いレベルとなる。その際、力率改善手段が動作してノイズを発生した場合、制御手段は検知手段の出力信号を精度良く読み込むことができない。

被加熱物の材質判定を正確に行えない場合、例えばアルミ製の被加熱物を鉄系の被加熱物と判定した場合、回路部品に過剰な負荷がかかる上、加熱を継続できない。

本発明では、被加熱物の材質判定時において力率改善手段を停止するため、制御手段はノイズの影響を抑制し、検知手段の出力信号を精度良く読み込むことが可能となる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明のいずれかにおいて、制御手段は、検知手段信号が所定値以下となった場合において力率改善手段を停止すべく制御する誘導加熱装置とするものである。

被加熱物の加熱中に、例えば使用者によって被加熱物を移動された場合、加熱コイル及び被加熱物で構成される加熱構成のインダクタンスが変化する。すなわち、インバータの状態が急変する。このような場合、インバータ出力が低下して、入力電流が流れにくい状態になる。

本発明では、検知手段信号が所定値以下となるインバータ出力が低下した状態において、力率改善手段を停止する。インバータ出力が低下した状態は、加熱に適さない状態の場合、すなわち小物加熱状態または被加熱物がない状態の場合があるが、制御手段は、精度良く検知手段信号を取り込み、加熱に適しているか、不適なのか正確に判定することが可能となる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明のいずれかにおいて、制御手段は、商用電源半周期内での検知手段信号読み込みタイミングを力率改善手段の動作／停止によって変更する誘導加熱装置とするものである。

力率改善手段が動作している場合には、例えば入力電流波形が略正弦波状になるため、入力電流ピークが商用電源半周期のほぼ中間に位置する。そのため、制御手段が検知手段信号を読み込むタイミングを商用電源半周期のほぼ中間にすれば、入力電流ピークを検知することが可能である。

一方で、力率改善手段が停止している場合には、入力電流波形が歪んだ形になるために、ピークも商用電源半周期のほぼ中間から遅れた位置になる。制御手段の検知手段信号を読み込むタイミングが商用電源半周期のほぼ中間のままであれば、入力電流のピークを検知することができない。

しかしながら、本発明では、読み込みタイミングを変更することが可能であるため、力率改善手段の動作／停止に関わらず、入力電流がピークとなるタイミングで検知することができる。

従って、制御手段は、入力電流、インバータ出力などを過剰に低く検知することがないため、安定した制御が可能である。

第５の発明は、特に第１または第２の発明のいずれかにおいて、制御手段は、商用電源半周期内での検知手段信号読み込み回数を力率改善手段が動作している時に対して停止している時に少なく設定する誘導加熱装置とするものである。

力率改善手段が動作している間は、発生するノイズが周囲に影響を及ぼす。検知手段の出力信号にもノイズが重畳するため、制御手段が検知信号を読み込んだ瞬間に正常な信号ではなくノイズの重畳した信号を読み込む場合がある。

通常、制御手段は、商用電源半周期の間に複数回検知手段の出力信号を読み込み、ノイズの影響を抑制すべく内部演算を行うが、力率改善手段の動作／停止によって、重畳するノイズレベルは異なるため、読み込み回数を変更すれば効率的な制御を行うことが可能である。

すなわち、力率改善手段が動作している時には、制御手段は検知手段の出力信号を読み込む回数を増やして、ノイズの影響を受けた信号を除去、除外して、正常な検知信号から演算を行う。また、力率改善手段が停止している時には、読み込む回数を減らし、その時間を別の制御に当てることで、効率的な制御を行うことが可能である。

第６の発明は、特に第１または第２の発明のいずれかにおいて、制御手段は、検知手段信号に対して行う補正を力率改善手段の動作／停止によって変更する誘導加熱装置とするものである。

例えば検知手段が、ピークホールド方式となる回路であった場合、力率改善手段が動作している際には、発生するノイズの影響で検知手段信号の全体のレベルが上昇する。

本発明では、力率改善手段が動作している際、制御手段は読み込んだ検知手段信号に補正を行い、ノイズの影響を除去した補正後の信号を元に演算を行う。

一方で、力率改善手段が停止している際には、ノイズの影響が少なくなるために、制御手段は補正量を少なくして演算を行うため、力率改善手段の動作／停止に関わらず、精度の高い検知が可能となる。

第７の発明は、特に第１または第２の発明のいずれかにおいて、制御手段は、検知手段信号の一部または全てを商用電源が所定値以下となるタイミングで読み込む誘導加熱装置とするものである。

力率改善手段は、入力電流を正弦波状に整形することを目的としているため、商用電源のゼロボルトクロス前後は、電圧、電流とも低い値となる。従ってこの期間は、力率改善手段から発生するノイズも、商用電源ピーク付近に比べて低くなる。

本発明では、商用電源が所定値以下となるゼロボルトクロス前後で、制御手段は検知手段からの信号を読み込むことにより、力率改善手段から発生するノイズの影響を抑制し、精度良い検知が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示すものであり、特に誘導加熱調理器の要部の概略回路図である。

図１において、商用電源１からの交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる整流手段２の出力側には、力率改善手段３が接続されている。

力率改善手段３は、第１のスイッチング素子４、第１のチョークコイル５、及び第１のダイオード６で構成されており、第１のチョークコイル５はその一方をダイオードブリッジ２高電位出力側に、もう一方を第１のスイッチング素子４高電位端子（ＩＧＢＴの場合はコレクタ、ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン）に接続されている。

第１のスイッチング素子４の低電位端子（ＩＧＢＴの場合はエミッタ、ＭＯＳＦＥＴの場合はソース）は、ダイオードブリッジ２の低電位出力側に接続されている。

また第１のダイオード６は、カソードを第１のスイッチング素子４の高電位端子に接続されている。

力率改善手段３の出力側となる第１のダイオード６のアノードと第１のスイッチング素子４低電位端子間には、大容量の電解コンデンサからなる平滑手段７が接続されている。本実施の形態では、容量８２０μＦの電解コンデンサが２個並列に接続されており、通常の場合（商用電源１がＡＣ２００Ｖ、ピーク約２８０Ｖの場合）おおよそ３５０Ｖになるよう力率改善手段３によって昇圧されていることになる。

平滑手段７には、インバータ８が接続されており、インバータ８側から見て平滑手段７はインバータ８電源の役割をなしている。

インバータ８内部には、平滑手段７電圧を昇圧する昇圧手段９、昇圧された電圧を平滑する第２の平滑手段１０、第２の平滑手段１０に並列接続され、それぞれ直列に接続されている２個のＩＧＢＴからなる第２のスイッチング素子群１１、第２のスイッチング素子群１１の低電位側スイッチング素子１１ａの高電位端子と低電位端子に並列接続される加熱コイル１２と共振コンデンサ１３の直列接続体が内包されている。

また第２のスイッチング素子群１１はそれぞれ逆導通ダイオードを内蔵している。

第２の平滑手段１０は、平滑手段７と同様に、インバータ８から見てインバータ８の電源の役割をなしている。

第２の平滑手段１０の両端には、第２の平滑手段１０の電圧を検知するべく、抵抗からなる第１の電圧検知手段１４が接続される。この抵抗によって分圧された分圧電圧は、マイクロコンピュータからなる制御手段１５の電源電圧（本実施の形態では５Ｖ）以下になるような分圧比で入力される。

また、同様に共振コンデンサ１３の両端には、共振コンデンサ１３の電圧を検知するべく、第２の電圧検知手段１６が接続される。検知された検知電圧は、マイクロコンピュータからなる制御手段１５の電源電圧（本実施の形態では５Ｖ）以下になるような分圧比で入力される。

昇圧手段９の回路構成は、力率改善手段３と同様となっており、第３のスイッチング素子１７と第２のチョークコイル１８と第２のダイオード１９で構成されている。第３のスイッチング素子１７は、第２のスイッチング素子群１１と同様、逆導通ダイオードを内蔵している。

第２のチョークコイル１８はその一方を平滑手段７の高電位側に、もう一方を第３のスイッチング素子１７の高電位端子に接続されている。第３のスイッチング素子１７の低電位端子は、平滑手段７の低電位側に接続されている。また第２のダイオード１９は、アノードを第３のスイッチング素子１７高電位端子に、カソードを第２の平滑手段１０高電位側に接続されている。

また第２の平滑手段１０電圧は、平滑手段７電圧（３５０Ｖ）を昇圧して約７００Ｖとしているため、耐圧を高く設定できない電解コンデンサではなく、フィルムコンデンサを使用している。本実施の形態では、フィルムコンデンサ１０の容量を５μＦに設定している。

加熱コイル１２上方には、強化ガラスが配置されており（図示せず）、その上にアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物２０が置かれる。

また、加熱コイル１２は、損失を抑制するために、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻き回されて構成される。

制御手段１５には、前述のように第１の電圧検知手段１４及び第２の電圧検知手段１６からの信号が入力されるとともに、商用電源１からの入力電流を検知するカレントトランスなどからなる入力電流検知手段２１からの信号も入力される。

さらに、制御手段１５は、第１の電圧検知手段１４、第２の電圧検知手段１６、入力電流検知手段２１などからの信号に基づき、所定の出力が得られるよう、第１のスイッチング素子４の動作、第２のスイッチング素子群１１、第３のスイッチング素子１７の動作を制御する。

また、使用者による操作で被加熱物２０の加熱／停止を行うべく信号を出力する操作手段２２が制御手段１５に接続されている。操作手段２２には、装置の状態、すなわち火力表示、タイマー表示、温度表示などの情報を表示する液晶などからなる表示手段２３と、報知音や音声を発生するブザーやスピーカーなどで構成される鳴動手段２４を内包されている。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、商用電源１が投入され、使用者が操作手段２２により被加熱物２０の加熱開始操作を行うと、操作手段２２から制御手段１５に対して加熱開始信号が出力される。また同時に、操作手段２２から表示手段２３及び鳴動手段２４に信号が出力され、使用者の操作に応じた表示及び音声などの鳴動によって加熱開始を報知する。

操作手段２２からの加熱開始信号を入力した制御手段１５は、第２のスイッチング素子群１１を動作させるべく駆動信号を出力する。その際、第２のスイッチング素子群１１の低電位側スイッチング素子１１ａのオン時間を最小に、高電位側スイッチング素子１１ｂのオン時間を最大になるよう、かつそれぞれが排他的にオンするように制御を行う。

制御手段１５は、共振コンデンサ１３と加熱コイル１２と被加熱物２０からなる共振要素の共振周波数約９０ｋＨｚの約１／３となる周波数の３３ｋＨｚの一定駆動周波数（周期）のまま低電位側スイッチング素子１１ａと高電位側スイッチング素子１１ｂの排他的駆動を継続しながら、徐々に低電位側スイッチング素子１１ａのオン時間を延ばしていく。制御手段１５は、低電位側スイッチング素子１１ａのオン時間が駆動周期の１／２に達すると、低電位側スイッチング素子１１ａと高電位側スイッチング素子１１ｂのオン時間比を一定にしたまま、駆動周波数（周期）を下げていく。

図２において、図２（ａ）は力率改善手段３が停止時の入力電流波形、図２（ｂ）は力率改善手段３が動作時の入力電流波形、図２（ｃ）は図２（ｂ）における第１のスイッチング素子４の駆動信号、図（ｄ）は商用電源１電圧を示している。

制御手段１５はインバータ８駆動開始から停止までの間に力率改善手段３の停止期間を設けるべく制御するものであり、本実施の形態では加熱開始当初がその停止期間に相当する。

図２に示すように、加熱開始当初の入力電流波形は、力率改善手段３が停止しているため、歪んだ形となる。

また、入力電流のピークは商用電源１半周期の中間よりも遅れた位置にある。

制御手段１５は、入力電流ピークを検知するべく、検知手段信号である入力電流検知手段２１信号読み込みタイミングを、商用電源１半周期内の中間よりも遅れた位置（図２矢印Ａに示す）に設定する。

図３は、制御手段１５が入力電流を検知する瞬間の入力電流検知手段２１信号を拡大したものであり、図２の矢印Ａ及びＢ部分の拡大を示している。

力率改善手段３の動作／停止によって、入力電流検知手段２１信号に重畳するノイズレベルは異なっている。このようなノイズの影響を極力除去するために、制御手段１５は、入力電流検知手段２１信号を複数回読み込んだ上で、内部演算（所定値以上の変化のある値は除外する、全体を平均するなど）を行っている。

しかしながら、被加熱物２０の材質判定時のように、力率改善手段３が停止している期間では、図３（ａ）のように、重畳するノイズが少ない。従って、制御手段１５は、商用電源１半周期内での検知手段信号、すなわち入力電流検知手段２１信号読み込み回数を、力率改善手段３が動作している時に対して停止している時に少なく（本実施の形態では動作時６回、停止時４回）設定することにより、読み込み時間を短くし、効率よい制御を可能にしている。

一連の動作中に、共振コンデンサ１３の電圧を検知する第２の電圧検知手段１６の出力が、入力電流検知手段２１からの出力に応じて設定されるしきい値を越えると、制御手段１５は、加熱コイル１２上方に加熱適当な被加熱物２０が戴置されていると判断し、平滑手段７電圧が３５０Ｖになるよう第１のスイッチング素子４の駆動を開始し、さらに、第３のスイッチング素子１７の駆動を開始する。

制御手段１５は検知手段出力に基づいた被加熱物２０の材質判定時において、力率改善手段３を停止すべく制御するもので、これにより力率改善手段３から発生するノイズの影響を抑制し、精度良い材質判定が可能となる。

制御手段１５は、内部に発振回路を内包しており、その発振周波数に同期して第１のスイッチング素子４駆動を行う。また制御手段１５は、平滑手段７電圧検知手段（図示せず）や、入力電流検知手段２１の検知結果から演算を行い、第１のスイッチング素子４のオン時間を変更し、入力電流が略正弦波状になって力率が改善され、かつ平滑手段７電圧が設定値になるよう図２に示すようなＰＷＭ制御を行う。

このとき、入力電流のピークは商用電源１半周期のほぼ中間となっている。制御手段１５は、入力電流ピークを検知するべく、検知手段信号である入力電流検知手段２１信号読み込みタイミングを、商用電源１半周期内のほぼ中間（図２矢印Ｂに示す）に変更する。

つまり、制御手段１５は、商用電源１半周期内での検知手段信号読み込みタイミングを、力率改善手段３の動作／停止によって変更しており、入力電流がピークとなるタイミングで検知することができる。

また、力率改善手段３動作時、制御手段１５は発生するノイズの影響で検知手段信号の全体のレベルが上昇することを見越して、レベルを下げるべく内部で補正を行う。

つまり、制御手段１５は、検知手段信号に対して行う補正を、力率改善手段３の動作／停止によって変更することにより、ノイズの影響を抑制し、精度の高い検知が可能となる。

被加熱物２０の材質判定後当初、第３のスイッチング素子１７のオン時間は、最小となるよう設定されるが、第２の平滑手段１０電圧が第１の電圧検知手段１４によって、約７００Ｖに達したと検知されるまで徐々にオン時間を延ばされる。その後は、制御手段１５によって、第２の平滑手段１０電圧が約７００Ｖを維持するよう、第３のスイッチング素子１７オン時間が制御される。

第２のチョークコイル１８には、第３のスイッチング素子１７のオン時間中に平滑手段７を短絡する電流が流れ、第２のチョークコイル１８にはエネルギーが蓄積される。第３のスイッチング素子１７がオフすると、第２のチョークコイル１８に蓄積されたエネルギーは、第２のダイオード１９を介して第２の平滑手段１０を充電する。その結果、第２の平滑手段１０電圧は、平滑手段７電圧に対して昇圧されることになる。

この昇圧動作は、力率改善手段３においても同様で、第３のスイッチング素子１７に相当するのが第１のスイッチング素子４、平滑手段７に相当するのが整流手段２出力、第２のチョークコイル１８に対して第１のチョークコイル５、第２のダイオード１９に対して第１のダイオード６、第２の平滑手段１０に対して平滑手段７となる。

なお、第３のスイッチング素子１７は一定周波数となる約２０ｋＨｚで動作するよう制御される。

第３のスイッチング素子１７駆動開始後、制御手段１５は、入力電流検知手段２１の出力と、操作手段２２による加熱出力設定とを比較して、適宜第２のスイッチング素子群１１の駆動周波数、及び第３のスイッチング素子１７のオン時間を制御する。

つまり、インバータ８は制御手段１５の制御によって、第２のスイッチング素子群１１のオン／オフを行い、高周波電流を加熱コイル１２に供給して被加熱物２０を誘導加熱する。

図４は、本実施の形態における所定の入力電流が得られている状態での各部動作波形を示している。

図４（ａ）は低電位側スイッチング素子１１ａの高電位端子−低電位端子間の電圧（Ｖｃｅ）、図４（ｂ）は低電位側スイッチング素子１１ａ電流（Ｉｃ）、図４（ｃ）は高電位側スイッチング素子１１ｂの高電位端子−低電位端子間の電圧（Ｖｃｅ）、図４（ｄ）は高電位側スイッチング素子１１ｂ電流（Ｉｃ）、図４（ｅ）は加熱コイル１２電流（ＩＬ）、図４（ｆ）は第３のスイッチング素子１７の高電位端子−低電位端子間の電圧（Ｖｃｅ）、図４（ｇ）は第３のスイッチング素子１７電流（Ｉｃ）を示している。

本実施の形態において、制御手段１５は、共振コンデンサ１３と加熱コイル１２と被加熱物２０からなる共振要素の共振周波数の約１／３となる周波数で第２のスイッチング素子群１１を動作させる。これは、被加熱物２０がアルミニウムなどの高電気伝導率、低透磁率の材質であることに関係がある。

被加熱物２０材質がアルミニウムなどであった場合、加熱コイル１２から見た被加熱物２０の高周波抵抗が非常に低いために、被加熱物２０内部に誘導電流が誘起されても十分なジュール熱が生じない。

このような被加熱物２０を誘導加熱するためには、加熱コイル１２に流れる高周波電流によって発生する高周波磁界の強度を強くする、または周波数を高めて被加熱物２０の高周波抵抗を高めるといった方法が有効である。

本実施の形態では、加熱コイル１２をターン数を増やして発生する高周波磁界強度を高め、さらに磁界周波数を約２０ｋＨｚから約９０ｋＨｚに高めることで、アルミニウムなどの被加熱物２０を十分な火力で誘導加熱可能にしている。

しかしながら、磁界周波数を高めるということは、第２のスイッチング素子群１１の駆動周波数を高めることになり、スイッチング回数が増加し、損失増加につながるという課題がある。そこで、本実施の形態では、共振現象を利用し、第２のスイッチング素子群１１の駆動１周期中に３回の共振が得られるような第２のスイッチング素子群１１駆動周波数を選択している。つまり、共振コンデンサ１３と加熱コイル１２と被加熱物２０からなる共振要素の共振周波数の約１／３となる周波数で第２のスイッチング素子群１１を動作させている。

これにより、磁界周波数は高める一方で、第２のスイッチング素子群１１のスイッチング回数増加を抑制し、第２のスイッチング素子群１１の損失増加を抑制することができる。

また、被加熱物２０材質がアルミニウムなどである場合、電気伝導率が高いために、鉄などの材質に比べ、誘導加熱時に誘起される誘導電流が大きい。この誘導電流は、加熱コイル１２から発生する高周波磁界に反発するよう生じるものであるから、被加熱物２０が動きやすくなる。

平滑手段７もしくは第２の平滑手段１０の容量が小さい場合、インバータ８の瞬時出力は、商用電源１に同期して変動し、この変動に起因して、被加熱物２０から振動音が発生する。

本実施の形態では、平滑手段７の容量を８２０μＦを２個、第２の平滑手段１０の容量を５μＦとすることで、十分な容量を確保しており、商用電源１に同期したインバータ８出力の変動が大幅に軽減されている。

図５は、本実施の形態における各部動作波形の全体図を示している。

図５（ａ）は平滑手段７電圧（ＶＣ２）、図５（ｂ）は第２の平滑手段１０電圧（ＶＣｃ）、図５（ｃ）はインバータ８出力と相関する共振コンデンサ１３電圧（ＶＣ１）、図５（ｄ）は商用電源１電圧を示している。なお、図５（ｅ）、図５（ｆ）、図５（ｇ）は平滑手段７及び第２の平滑手段１０の容量が十分ではない場合のＶＣ２、ＶＣｃ、ＶＣ１である。

平滑手段７の容量を大きく設定することにより、商用電源１から流れる入力電流が歪んでしまい、力率が低下するのだが、力率改善手段３によって入力電流の整形が行われるため、高力率を維持することが可能である。

矢印Ａは、制御手段１５が第１の電圧検知手段１４及び第２の電圧検知手段１６からの出力信号を読み込むタイミングを示している。つまり、制御手段１５は、検知手段信号の一部を、商用電源１が所定値以下となるタイミングで読み込んでいる。

商用電源１が所定値以下となる期間では、力率改善手段３に加わる電圧、電流が少ないため、発生するノイズも少ない。つまり、ノイズの影響が少ない期間中に、制御手段１５は検知信号を読み込んでいるのである。

第１の電圧検知手段１４及び第２の電圧検知手段１６は、ＶＣｃ、ＶＣ１を検知するものであるが、上記読み込みタイミングではピークとなっていない。しかしながら平滑手段７及び第２の平滑手段１０容量を十分大きく設定しているため、平滑された結果、読み込みタイミングでのＶＣｃ、ＶＣ１はピークとの差が少ない。

本実施の形態では、ＶＣｃ、ＶＣ１の検知信号に対して、補正を行ってピークでの値を推定することにより、ノイズの影響が少ない期間中に精度良く検知を行うことが可能である。

このような一連の加熱動作中に、使用者による被加熱物２０の移動などが原因で、被加熱物２０、加熱コイル１２、共振コンデンサ１３からなる共振要素の共振周波数が大きく変動する場合がある。

このとき、第２のスイッチング素子群１１の駆動周波数（もしくはその整数倍）と共振周波数が大きく異なると、加熱コイル１２に十分な共振電流が流れなくなるために、入力電流及びインバータ８の出力が低下する。

インバータ８の状態が被加熱物２０の加熱に適さないのであれば、インバータ８にかかる負荷を低減するために、直ちに加熱を停止して所定期間後に再加熱開始すべきである。しかしながら、使用者の調理動作中であれば、加熱停止を繰り返すのは利便性を損なうものである。

本実施の形態では、第２の電圧検知手段１６の出力信号、つまり、インバータ８出力と相関を持つ共振コンデンサ１３電圧が所定値以下になった場合、制御手段１５は、力率改善手段３を停止させ、加熱継続に適した状態かどうかを第１の電圧検知手段１４、第２の電圧検知手段１６、入力電流検知手段２１などの検知信号から総合的に精度良く判断する。

これにより、インバータ８出力が低下、検知信号も低レベルとなった場合、力率改善手段３が動作することによるノイズの影響を抑制している。

つまり、制御手段１５は、検知手段信号が所定値以下となった場合において、力率改善手段３を停止すべく制御し、精度良い検知を行っているものである。

以上のように、本実施の形態においては、力率改善手段の動作状態を検知することにより、部品への負荷を低減し、かつ他機器への影響が少ない誘導加熱装置を提供することが可能となる。

なお、本実施の形態では、制御手段１５によって、第１のスイッチング素子４、第２のスイッチング素子群１１、第３のスイッチング素子１７全ての駆動を制御する例を挙げたがこれに限定するものではない。例えば、第１のスイッチング素子４の駆動を制御する専用の制御手段（ＩＣなど）を用いることにより同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、力率改善手段の動作状態を検知することにより、部品への負荷を低減し、かつ他機器への影響が少ない誘導加熱装置を提供することができるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の要部概略回路図 同誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の力率改善手段３による入力電流整形の模式図 同誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の制御手段１５による入力電流検知手段２１信号読み取りタイミングを示した模式図 同誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の所定の入力電流が得られている状態での各部動作波形図 同誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の各部動作波形の全体図 従来の誘導加熱装置における一実施例を示した回路図 同誘導加熱装置における各部信号波形図

符号の説明

１ 商用電源
２ 整流手段
３ 力率改善手段
４ 第１のスイッチング素子
７ 平滑手段（電解コンデンサ）
８ インバータ
１１ 第２のスイッチング素子群
１２ 加熱コイル
１４ 第１の電圧検知手段
１５ 制御手段
１６ 第２の電圧検知手段
２０ 被加熱物

Claims (3)

1. 商用電源からの交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段の出力側に接続される力率改善手段と、前記力率改善手段に内包される第１のスイッチング素子と、前記力率改善手段の出力側に接続される平滑手段と、前記平滑手段に接続されるインバータと、前記インバータに内包される複数からなる第２のスイッチング素子群と、前記インバータに接続されかつアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記インバータの出力の大きさを検出する検知手段と、前記検知手段からの信号を入力しかつ前記インバータの制御を行う制御手段とを備え、前記インバータは前記第２のスイッチング素子群のオン／オフによって高周波電流を前記加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱し、前記力率改善手段は前記第１のスイッチング素子のオン／オフによって力率を改善するとともに、前記制御手段は検知手段出力に基づいた被加熱物の材質判定時において力率改善手段を停止すべく制御する誘導加熱装置。
2. 制御手段は、小物加熱状態または被加熱物がない場合において力率改善手段を停止すべく制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 制御手段は、商用電源半周期内での検知手段信号読み込みタイミングを力率改善手段の動作時に対して力率改善手段の停止時には遅くする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。

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