JP2004171852A - 高周波加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】整合回路の動作が不十分な場合に高周波電源の破壊を防ぐ。
【解決手段】高周波電源１５０と整合回路１４０の間に設けた入射電力検知手段１７０の出力が規定値以下になるように直流電源１６０の出力電圧を制御することにより、高周波電源１５０の構成要素の過熱を防止し、信頼性を確保する。
【選択図】 図１
【解決手段】高周波電源１５０と整合回路１４０の間に設けた入射電力検知手段１７０の出力が規定値以下になるように直流電源１６０の出力電圧を制御することにより、高周波電源１５０の構成要素の過熱を防止し、信頼性を確保する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用や一般家庭用として使用される高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高周波加熱装置としては、（例えば、特許文献１参照）に記載されているようなものがあった。図１４は、前記公報に記載された従来の高周波加熱装置を示すものである。
【０００３】
図１４において、高圧電源５および高周波電源６によって、加熱室１内の上部電極板２と下部電極板３の間に高周波の高電圧を供給し、両電極板の間に高周波電界を生じさせることによって、被解凍物の誘電加熱を行わせるものであった。
【０００４】
また、インピーダンス整合回路としては、図１５に従来の技術として示されている共振コンデンサ５１、共振用可変コイル５２を直列に接続し、その上に高周波トランス５３を設けて構成した直列共振回路の構成を、実施例においても使用するものとし、その上で共振用可変コイル５２の損失を低減させつつ、電極５４に電力を供給するという効果をあげることが効果として述べられているものであった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５５６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の高周波加熱装置では、被解凍物の種類、大きさ、形などによって、インピーダンス整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時、高周波電源の出力パワーの変動、および高周波電源への反射電力の増大が発生し、高周波電源から負荷側を見たインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせの条件によっては、比較的小さい反射電力であっても、高周波電源の構成要素の温度上昇が大きくなることがあり、ひどい場合には故障につながることがあるという課題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、また反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防いで高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００９】
請求項２に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記反射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１０】
請求項３に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段と反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段と前記反射電力検知手段の出力の差が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、また反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１１】
請求項４に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源と前記高周波電源の間に設けた直流電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記直流電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防いで高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１２】
請求項５に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、交流電源と整流回路から構成され前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記交流電源と前記整流回路の間に交流入力電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記交流入力電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、比較的簡単な構成で、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１３】
請求項６に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、半導体素子と前記半導体素子の温度を検知する温度検知手段を有し前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源を有し、前記直流電源は、前記温度検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時などに発生し得る、高周波電源の出力パワーが過大や反射電力による効率低減によって引き起こされる、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑えることができ、十分な信頼性を確保するものである。
【００１４】
請求項７に示す発明は、特に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置の高周波電源を、直列に接続した２個の半導体素子を有し、前記２個の半導体素子の直列回路の両端に直流電源が接続され、前記２個の半導体素子同士の接続点から出力端子を接続した構成とすることにより、比較的簡単な構成で高周波電源を実現することができ、かつ効率も高いものとすることができることから、低価格、小形の装置が実現できるものとなる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００１７】
図１において、冷凍食品などの被解凍物１００を挟み込むように、上下に配置された金属材料からなるアルミニウム製の２枚の電極板１１０、１２０により構成した電極１３０が設けられている。
【００１８】
電極１３０には整合回路１４０が接続されており、整合回路１４０に１３．５６メガヘルツの高周波の電力を供給する高周波電源１５０、および高周波電源１５０に直流電圧を供給する直流電源１６０が設けられている。
【００１９】
高周波電源１５０と整合回路１４０の間には、ＣＭ回路１５５が設けられており、ＣＭ回路は、入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０を有している。
【００２０】
さらに、直流電源１６０の出力電圧値を設定する直流電圧設定回路１９０が設けられている。
【００２１】
本実施例においては、直流電源１６０は、１００ボルト６０ヘルツの交流電源２００、４本のブリッジ接続されたダイオードからなり交流電源２００を整流する整流器２１０、整流器２１０の出力電圧を安定化するコイル２２０とコンデンサ２３０、コンバータ回路２４０が設けられており、コンバータ回路２４０は、内部に１００キロヘルツでスイッチングするスイッチング素子を有し、コンデンサ２３０の両端から約１３０ボルトの直流電圧を受けて、高周波電源１５０に対して、５０ボルトから２５０ボルトの可変電圧を出力するものとなっている。
【００２２】
なお、コンバータ回路２４０は、絶縁トランスを内蔵しており、交流電源２００から電気的に浮いた状態の直流電圧を高周波電源１５０に供給することができるものとなっている。
【００２３】
高周波電源１５０は、直列に接続した２個の半導体素子２５０、２６０を有しており、本実施例ではＭＯＳＦＥＴで構成している。
【００２４】
半導体素子２５０、２６０のゲート端子とソース端子には、オンオフ動作をさせるための駆動回路２７０が接続されており、１３．５６メガヘルツの周波数で、半導体素子２５０、２６０が交互にオンする動作がなされるものである。
【００２５】
２個の半導体素子２５０、２６０の直列回路の両端には、直流電源１６０の出力が接続されており、本実施例では特にコンデンサ２８０が、高電位側の半導体素子２５０のドレイン端子とグランド間に接続されているため、安定した直流電圧が高周波電源１５０に供給されるものとなっている。
【００２６】
また２個の半導体素子２５０、２６０同士の接続点から、高調波歪みを低減するため、コンデンサ２９０、３００とコイル３１０を設け、高周波電源の出力端子の電圧波形は、正弦波に近いものとなっている。
【００２７】
このように、比較的簡単な構成で高周波電源が実現でき、かつスイッチング動作で半導体素子２５０、２６０を動作させていることから、効率も高いものとすることができるものとなっている。
【００２８】
直流電圧設定回路１９０は、増幅器３２０、ダイオード３３０、抵抗３４０、規定の電圧を出力する直流電源３５０、３６０を有しており、直流電源３５０は３ボルト、直流電源３６０は５ボルトの直流電圧を出力する。
【００２９】
入射電力検知手段１７０の出力が、直流電源３５０の出力電圧３ボルトよりも低い場合には、増幅器３２０の出力は高電位となって、ダイオード３３０が逆阻止状態となり、直流電源３６０の電圧５ボルトが、ほぼそのままコンバータ回路２４０に出力されるものとなる。
【００３０】
本実施例において、コンバータ回路２４０は、直流電圧設定回路１９０からの信号が５ボルトである場合には、２５０ボルトの直流電圧を出力するものとなっている。
【００３１】
そして高周波電源１５０と電極１３０側との整合状態がとれている場合には、高周波電源１５０は直流電源１６０からの印加電圧が２５０ボルトの時に３００ワットを出力する。
【００３２】
一方、整合回路１４０の動作が不十分であって、高周波電源１５０の出力から電極１３０側を見たインピーダンスがたとえば５０オームの純抵抗状態から高抵抗側にずれると、入射電力が３００ワットを越え、入射電力検知手段１７０の出力Ｙの電圧が３ボルトを越えた状態となる。
【００３３】
その際には、増幅器３２０は直流電源３５０の電圧３ボルトよりも高い電圧がマイナス入力端子に印加された状態となることから、ダイオード３３０と抵抗３４０を通じて直流電源３６０から電流を引き出す作用を起こし、その結果コンバータ回路２４０への設定電圧は、５ボルトより引き下げられた状態となる。
【００３４】
本実施例では、増幅器３２０はＰＩ（比例、積分）の利得が備えられていることから、定常的に、入射電力が３００ワットになるように、直流電源１６０の出力電圧がコントロールされることになる。
【００３５】
整合回路１４０は、電極１３０に直列接続したコイル３７０を設け、さらに電極１３０とコイル３７０との直列回路にコンデンサ３８０が並列接続で設けられている。
【００３６】
本実施例では、コイル３７０のインダクタンス値とコンデンサ３８０の静電容量値は、いずれも可変とし、共にリアクタンス可変素子として、整合制御回路３９０から可変制御されるものとなっている。
【００３７】
整合制御回路３９０は、反射電力検知手段１８０の出力Ｘに接続されていて、反射電力値が５ワットを越えた場合には、コイル３７０とコンデンサ３８０を交互に可変制御して、それぞれの可変制御によって反射電力が最小となる条件とするという動作を繰り返すものとなっており、このような動作によって、通常は反射電力の値はほぼ１０ワット以内に抑えられている。
【００３８】
図２は、ＣＭ回路１５５の詳細な回路図を示したものである。
【００３９】
反射電力検知手段１８０は、フェライト製のトロイダルコアを用いた電流トランス４００、抵抗４１０、４２０、４３０と、コンデンサ４４０、４５０、４６０、ショットキーバリア形のダイオード４７０によって構成され、整合回路１４０の入力から電極１３０側を見たインピーダンスの値が５０オームでなかったり、リアクタンス分が有る場合には、発生する反射電力の値に応じた直流電圧を、Ｘ端子から出力するものとなっている。
【００４０】
また、入射電力検知手段１７０は、抵抗４８０、４９０、５００、コンデンサ５１０、５２０、５３０、ダイオード５４０を用いて構成されており、高周波電源１５０から整合回路１４０に向かって供給される入射電力に応じた直流電圧をＹ端子から出力するものとなっている。
【００４１】
図３は、駆動回路２７０の詳細回路図を示している。
水晶発振子を用いた１３．５６メガヘルツの発振回路５５０から、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチング素子５６０が接続され、スイッチング素子５６０のドレイン端子は、コイル５７０を通じて２４ボルトの直流電源５８０に接続されると共に、コンデンサ５９０、６００、６１０を経て、駆動トランス６２０の一次巻線６３０に接続されている。
【００４２】
駆動トランス６２０の二次巻線６４０は、高電位側の半導体素子２５０のゲートとソース端子に接続され、二次巻線６５０は、低電位側の半導体素子２６０のゲートとソース端子に接続されている。
【００４３】
また、二次巻線６４０、６５０は、逆極性でかつバイファイラ巻きで巻かれている。
【００４４】
図４は、半導体素子２５０、２６０の各ゲート・ソース間電圧波形図を示している。
【００４５】
（ア）は高電位側の半導体素子２５０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ１、（イ）は低電位側の半導体素子２６０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ２を示している。
【００４６】
図４に見られるように、Ｖｇ１とＶｇ２は、ちょうど交互に正の電圧が印加されることになり、交互にオンオフがなされるものとなる。
【００４７】
図５は、（ア）に高周波電源１５０の低電位側の半導体素子２６０のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ２を示し、（イ）に高周波電源１５０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示している。
【００４８】
本実施例においては、半導体素子２５０、２６０をスイッチングで動作させているため、両半導体素子の損失が小さく、高効率の装置とすることができるものとなる。
【００４９】
ただし、（ア）のままの波形を整合回路１４０に出力すると、高調波に対する対策が整合回路１４０に必要となることがあるので、本実施例においては、前述のようにコンデンサ２９０、３００、およびコイル３１０によるフィルタ作用を持たせることによって、高周波電源１５０の出力における電圧Ｖｏｕｔの波形は、（イ）に示されるように、ほぼ正弦波に近いものとして、高調波分をほとんど除去した形としている。
【００５０】
図６は、本発明の入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０の特性グラフを示したものであり、両者とも同等の特性となっていて、反射電力もしくは入射電力がゼロの場合には出力端子ＸもしくはＹの出力はゼロで、反射電力もしくは入射電力が増すほどに、出力端子ＸもしくはＹ端子からの電圧出力値が増大するという特性のものとなっている。
【００５１】
図７は、本実施例の直流電源１６０に用いている、コンバータ回路２４０の特性をグラフで示している。
【００５２】
コンバータ回路２４０のＶｓ入力端子が零ボルトの時には５０Ｖが出力され、Ｖｓ電圧が上昇するに従って、出力電圧が増大し、Ｖｓ＝５ボルトが入力された場合に、出力電圧は２５０ボルトになるという特性となっている。
【００５３】
以上のように、本実施例では整合回路１４０によって、反射電力をなるべく低減した状態で高周波電源を働かせることにより、低損失、高効率で高周波電源を運転するとともに、整合回路１４０の動作が不完全となるなどして入射電力が規定値である３００ワットよりも増加しようとした場合には、直流電源１６０の出力電圧を低下させることにより、入射電力を３００ワット以下になるように制限する動作がなされるものとし、高周波電源１５０の構成要素である半導体素子２５０、２６０の温度上昇を抑え、良好に動作させることができるものとなる。
【００５４】
本実施例においては、入射電力値の制限を３００ワットとしていることから、多少の反射電力があっても、正味整合回路１４０に供給される電力として、２００ワット以上のものが得られることから、十分な加熱性能が得られるものとなる。
【００５５】
ただし、直流電源１６０の出力電圧設定において、反射電力の値は関与しないことから、特に整合回路１４０の調整可能範囲の限界などにおいて、大きな反射電力が生ずる場合には、高周波電源１５０の構成要素などの温度上昇が問題ない程度に抑えられるよう、冷却設計などに有る程度の余裕を見ておくとか、半導体素子２５０、２６０の定格に余裕を持ったものとしておくなどの設計が必要となる場合もある。
【００５６】
（実施例２）
図８は、本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００５７】
図８において、反射電力検知手段５５０が、高周波電源１５０と整合回路１４０の間に設けられ、直流電圧設定回路５６０は、直流電源５７０を有しているが、その他の構成については、実施例１と同等の構成となっている。
【００５８】
本実施例では、直流電源５７０は０．８ボルトとし、増幅器３２０のプラス入力（非反転入力）端子に接続している。
【００５９】
図９は、反射電力検知手段５５０の詳細回路図であり、電流トランス４００の一方の端子に抵抗器５８０を接続してグランドに落としているが、他の部分は実施例１と全く同等であって、入射電力検知は不要となっているため、反射電力検知に関する部分のみに絞った回路構成となっている。
【００６０】
ただし、この種の回路は、動作における安定性を十分確保するには、入射電力と反射電力の検知部分の部品配置などをプリント基板上に対称に配置する方が特性が良くなるものとなるので、反射電力検知に高い精度を得たい場合には、本実施例のように入射電力検知が不要であっても、実施例１に示したように、ＣＭ回路１５５をすべて実装したものとしてもかまわない。
【００６１】
これにより、反射電力の値が３０Ｗ以下の状態では、反射電力検知手段５５０の出力電圧は０．８ボルトより低く、増幅器３２０の出力電圧が上昇してダイオード３３０が逆阻止状態となって、直流電源３６０から５ボルトの電圧がＶｓとして、そのままコンバータ回路２４０に加えられ、直流電源１６０が２５０ボルトの出力電圧を高周波電源１５０に供給するものとなる。
【００６２】
反射電力が３０Ｗを超えると、反射電力検知手段５５０の出力電圧は０．８ボルトを超え、増幅器３２０の出力電圧が下降してダイオード３３０は導通状態となり、直流電源３６０が発する５ボルトよりも低い電圧がＶｓとして、コンバータ回路２４０に加えられるようになるため、直流電源１６０は２５０ボルトより低い出力電圧を高周波電源１５０に供給するものとなる。
【００６３】
このような動作により、定常的には反射電力は規定値３０Ｗ以下となるように直流電源１６０の出力電圧の制御がなされるものとなる。
【００６４】
高周波電源１５０は、反射電力が大きい場合には、反射電力が零の場合に比して、効率が低下する場合が多々あり、また高周波電源１５０の構成要素である半導体素子２５０、２６０に大電流が流れるなどして、温度上昇が相当高くなる場合もあり、そのような条件下で運転を継続すると、ひどい場合には半導体素子２５０、２６０が破壊するということもあり得る。
【００６５】
本実施例では、そうなる前に反射電力の値が大きいことが反射電力検知手段５５０で検知されて、前述の直流電源１６０の出力電圧制御がなされるので、破壊などを防ぐことができるものとなり、信頼性に富んだ装置の実現が図られるものとなる。
【００６６】
（実施例３）
図１０は、本発明の第３の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００６７】
本実施例においては、直流電圧設定回路５９０の構成が実施例１と異なるものとなっているが、その他の構成は実施例１と同等のものとなっている。
【００６８】
直流電圧設定回路５９０は、マイクロコンピュータ６００、抵抗６１０、コンデンサ６２０が設けられており、その他の部分は、実施例１の構成要素と同等の構成となっている。
【００６９】
直流電圧設定回路５９０は、マイクロコンピュータ６００によって、反射電力検知手段１８０からのＸ出力信号、および入射電力検知手段１７０からのＹ出力信号を、いずれもアナログ電圧入力端子から、それぞれＶｒ、Ｖｆとして入力し、マイクロコンピュータ６００内に備えられたアナログ−デジタル変換回路を通して、１２ビットのデジタル値に変換して処理している。
【００７０】
マイクロコンピュータ６００は、プログラムにより、まずＶｆとＶｒの値から入射電力値と反射電力値を計算する。
【００７１】
その際、入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０の特性は、図６に示すごとくであるので、この曲線をテーブルに持つことにより、図６の縦軸の値からそれに対応する入射電力値と反射電力値を求めることができる。
【００７２】
次に、入射電力値から反射電力値を差し引き、それを正味の整合回路１４０に供給される電力値とする。
【００７３】
本実施例においては、その値が２００ワットを超えた場合には、マイクロコンピュータ６００が出力端子Ｚから出力される電圧波形として、１ミリ秒の周期内に零電位期間を設けるという動作を行わせており、その零電位期間の長さは、入射電力値と反射電力値の差と、２００ワットとの差に対して、ＰＩ（比例と積分）の利得を持たせたものとしている。
【００７４】
１ミリ秒に比して十二分に長い時定数を持たせた、抵抗６１０とコンデンサ６２０の平滑作用により、コンバータ回路２４０には、ほぼ直流の電圧がＶｓとして入力される。
【００７５】
これにより、直流電源１６０の出力電圧の制御が行われ、正味整合回路１４０に入る電力が既定値２００ワットを超えそうな条件においては、ほぼ２００ワットに抑えられて、常に既定値２００ワット以下の、入力電力と反射電力の差とすることが実現されるものとなる。
【００７６】
よって、高周波電源１５０から供給される電力、また直流電源１６０から供給される電力などについても、過大となることを防止することができるものなり、これらの構成要素の温度上昇を抑えることができるものとなる。
【００７７】
ちなみに、正味整合回路１４０に入るパワーが２００ワットと言う条件は、実施例１の入射電力３００ワットと比較すると、被解凍物１００に入る平均加熱パワーとしては若干低くなるが、多少の反射電力の値に関係なく場合も常に２００ワットの電力が整合回路１４０に供給されることから、解凍動作をさせる場合には、加熱パワーがより安定し、良好な解凍の仕上がりが得られるものとなる。
【００７８】
また、同時に整合回路１４０に正味供給される電力が安定することから、加熱パワーの変動も抑えられ、冷凍食品の解凍もムラなく進行するものとなり、解凍性能も高い装置とすることができる。
【００７９】
（実施例４）
図１１は、本発明の第４の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００８０】
本実施例において、電極１３０、整合回路１４０、高周波電源１５０、直流電源１６０については、実施例１と同等のものを使用しており、反射電力検知手段５５０については、実施例２と同等のものを使用している。
【００８１】
また、ダイオード３３０、抵抗３４０、６１０、直流電源３６０、コンデンサ６２０についても、実施例３のそれと同等のものを使用している。
【００８２】
直流電力検知手段６３０は、回路上、直流電源１６０と高周波電源１５０の間に設けられ、その部分を通過する直流電力値を検知する回路である。
【００８３】
直流電力検知手段６３０は、抵抗６４０、６５０、６６０、マイクロコンピュータ６７０で構成しており、抵抗６４０は直流電源１６０から高周波電源１５０に供給される電流を受けて、その電流に比例した電圧降下を生ずることによって、電流の検知をする作用があり、抵抗６５０、６６０の直列回路により、直流電源１６０の出力電圧検知を行うのもとなっている。
【００８４】
マイクロコンピュータ６７０は、電流に応じた信号電圧値をＭ端子に、また電圧に応じた信号電圧をＮ端子に入力し、内部のアナログ−デジタル変換器を作用させることにより、双方とも１２ビットのデジタル値に変換されて、その値同士の積算がなされることにより、電力値が検知できるものである。
【００８５】
次に、マイクロコンピュータ６７０は前記の検知した電力値から規定値である２５０ワットを差し引く計算を行い、差の符号がマイナスの場合は出力Ｚはハイのままであるが、プラスの場合には、Ｚにローの期間を設けた１ミリ秒周期の信号を出力する。
【００８６】
なおロー期間の割合については、ＰＩ（比例、積分）の利得を持たせたものとしている。
【００８７】
Ｚ信号を受けて、ダイオード３３０、抵抗３４０、６１０、直流電源３６０、コンデンサ６２０の動作については、実施例３と同様であり、直流電源１６０に対して設定電圧Ｖｓが出力されるものとなる。
【００８８】
このような動作により、本実施例の高周波加熱装置は、例えば整合回路１４０の入力インピーダンスが変化した場合でも、直流電源１６０から高周波電源１５０への供給電力を、規定値２５０ワット以下に抑えるという動作がなされることにより、過大なパワーが供給されることを防ぐことができ、高周波電源１５０や直流電源１６０などを構成している要素部品の過熱や破壊を防止することができるものとなる。
【００８９】
ちなみに、本実施例において、直流電源１６０から高周波電源１５０に供給される直流電力が２５０ワットである場合、高周波電源１５０の効率が約８０パーセント得られることから、高周波電源１５０から整合回路１４０に正味供給される電力、すなわち入射電力から反射電力を減じた値は、ほぼ２００ワットとなり、実施例３の場合とほぼ同等程度の加熱パワーが得られるものとなる。
【００９０】
なお、本実施例では、直流電源１６０の出力電圧の検知を行っていることから精度の高い直流電力検知が可能であるが、マイクロコンピュータ６７０は、自己が出力しているＺ信号から、現在の直流電源１６０の出力電圧がほぼ定まるものであることから、電圧検知を無くして電流検知のみで、電力を検知する構成としてもよく、その場合には装置の簡略化ができるものとなる。
【００９１】
（実施例５）
図１２は、本発明の第５の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００９２】
本実施例においては、直流電源１６０の構成要素である交流電源２００と整流回路２１０の間に接続し、装置の消費電力を検知する交流入力電力検知手段６８０を設けている。
【００９３】
交流入力電力検知手段６８０は、電流トランス６９０、電流トランス６９０の二次巻線に負荷として接続された抵抗７００、抵抗７００の両端に発生する交流電圧を整流する全波ブリッジ形の整流器７１０、整流器７１０の出力を平滑するコンデンサ７２０と負荷抵抗７３０、マイクロコンピュータ７４０により構成されている。
【００９４】
なお、その他の部分の構成については、実施例４と同等のものを使用している。
【００９５】
以上の構成により、本実施例の高周波加熱装置は、交流電源２００から整流器２１０に供給される電流にほぼ比例した電圧信号をマイクロコンピュータ７４０のＰ端子から入力するものとなるが、交流電源２００の電圧変動が比較的小さく、また交流電源２００からの電力供給における力率がほぼ一定値に近いという条件下においては、装置の消費電力にほぼ対応した値のアナログ電圧が、Ｐ端子に印加されるものとなり、マイクロコンピュータ７４０内のテーブルにより、ワット数を算出する。
【００９６】
本実施例においては、さらにマイクロコンピュータ７４０において、この値から規定値２７０ワットを差し引き、差の符号がマイナスであれば、Ｚ出力端子はハイのままであるが、プラスの場合には、実施例４と同様に、ローの期間を設けた１ミリ秒周期の信号波形を出力する。
【００９７】
このような動作により、本実施例の高周波加熱装置は、例えば整合回路１４０の入力インピーダンスが変化した場合でも、交流電源２００から整流回路２１０への供給電力、すなわち装置の消費電力を、規定値２７０ワット以下に抑えるという動作がなされることにより、過大なパワーが供給されることを防ぐことができ、高周波電源１５０や直流電源１６０などを構成している要素部品の過熱や破壊を防止することができるものとなる。
【００９８】
ちなみに交流電源２００から装置に供給される電力が、２７０ワットである場合、整流器２１０、コイル２２０、コンバータ回路２４０などによる電力損失がほぼ２０ワットとなるため、直流電源１６０出力パワーは約２５０ワットとなり、実施例４とほぼ同等の加熱パワーが得られるものとなる。
【００９９】
なお、本実施例では、電流の検知のみを行っていることから構成が比較的簡単であるが、交流電源２００の端子間の電圧を検知する構成、またはさらに力率を検知する構成などを加えてもよく、そのような構成とした場合には、より精度の高い交流入力電力検知が可能となり、特に交流電源２００の電圧変動が大きい場合などには有効となる。
【０１００】
（実施例６）
図１３は、本発明の第６の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【０１０１】
本実施例において、温度検知手段７５０が設けられている他の構成については、実施例５と同等のものである。
【０１０２】
温度検知手段７５０は、直流電源７６０、高周波電源１５０の半導体素子２５０に取り付けられたサーミスタ７７０、抵抗７８０、コンデンサ７９０、高周波電源１５０の半導体素子２６０に取り付けられたサーミスタ８００、抵抗８１０、コンデンサ８２０、マイクロコンピュータ８３０を備えている。
【０１０３】
以上の構成により、本実施例の高周波加熱装置は、整合回路１４０の入力インピーダンスが完全な整合状態である５０オームの純抵抗状態から変動した場合、マイクロコンピュータ８３０は、半導体素子２５０、２６０の温度をそれぞれ独立してＵ端子、Ｖ端子のアナログ電圧から検知し、高い方の温度から規定値であるセ氏８５度を差し引く計算を行う。
【０１０４】
そして、その差がマイナスである場合にはＺ端子からの出力をハイのままの状態とするが、プラスの場合には、実施例５と同様にＺ端子からローの期間を含んだ１ミリ秒周期の方形波波形を出力し、直流電源１６０の出力電圧の設定値Ｖｓを低減するものとなる。
【０１０５】
その結果、半導体素子２５０、２６０の温度の高い方の値が、規定値セ氏８５度以下になるように直流電源１６０の出力電圧が制御されるものとなる。
【０１０６】
したがって、半導体素子２５０、２６０の温度が上昇しすぎることがなくなり、温度による破壊を確実に防止することができるものとなる。
【０１０７】
特に本実施例においては、半導体素子２５０、２６０の温度を検知していることから、構成が比較的簡単で済むものとなり、さらに整合回路１４０の入力におけるインピーダンス値、すなわち高周波電源１５０の出力端子から電極１３０側のインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、比較的小さい反射電力しか発生していない条件であっても、半導体素子２５０、２６０の温度がかなり高く上昇する条件もあることから、そのようなインピーダンス条件においても確実に半導体素子２５０、２６０の熱的破壊を防止することができる。
【０１０８】
また、逆に前述したインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、反射電力がかなりあっても半導体素子２５０、２６０の温度上昇が低い場合もあり、そのような場合には、直流電源１６０の出力電圧は高く保たれることにより、十分な電力が整合回路１４０、およびその後方にある被解凍物１００に供給され、加熱性能が高いものとすることができるものとなる。
【０１０９】
さらに、前述のインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、半導体素子２５０の温度のみが高くなったり、半導体素子２６０の温度のみが高くなったりすることも発明者らによる実験による確認されているが、そのような条件においても、本実施例の構成により、温度が高い方の半導体素子に対して、規定値であるセ氏８５度以下になるように直流電源１６０の出力電圧の制御がなされることから、信頼性の高い運転を行わせることができるものとなる。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波加熱装置は、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図２】同、ＣＭ回路１５５の詳細回路図
【図３】同、駆動回路２７０の詳細回路図
【図４】同、駆動回路２７０の出力電圧波形図
【図５】同、高周波電源１５０の動作波形図
【図６】同、入射電力検知手段１７０および反射電力検知手段１８０の特性図
【図７】同、直流電源１６０のコンバータ回路２４０の特性図
【図８】本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図９】同、反射電力検知手段５５０の特性図
【図１０】本発明の第３の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１１】本発明の第４の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１２】本発明の第５の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１３】本発明の第６の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１４】従来の技術における高周波加熱装置の回路図
【図１５】同、整合回路の回路図
【符号の説明】
１３０ 電極
１４０ 整合回路
１５０ 高周波電源
１６０ 直流電源
１７０ 入射電力検知手段
１８０、５５０ 反射電力検知手段
６３０ 直流電力検知手段
６８０ 交流入力電力検知手段
２５０、２６０ 半導体素子
７５０ 温度検知手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用や一般家庭用として使用される高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高周波加熱装置としては、（例えば、特許文献１参照）に記載されているようなものがあった。図１４は、前記公報に記載された従来の高周波加熱装置を示すものである。
【０００３】
図１４において、高圧電源５および高周波電源６によって、加熱室１内の上部電極板２と下部電極板３の間に高周波の高電圧を供給し、両電極板の間に高周波電界を生じさせることによって、被解凍物の誘電加熱を行わせるものであった。
【０００４】
また、インピーダンス整合回路としては、図１５に従来の技術として示されている共振コンデンサ５１、共振用可変コイル５２を直列に接続し、その上に高周波トランス５３を設けて構成した直列共振回路の構成を、実施例においても使用するものとし、その上で共振用可変コイル５２の損失を低減させつつ、電極５４に電力を供給するという効果をあげることが効果として述べられているものであった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５５６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の高周波加熱装置では、被解凍物の種類、大きさ、形などによって、インピーダンス整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時、高周波電源の出力パワーの変動、および高周波電源への反射電力の増大が発生し、高周波電源から負荷側を見たインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせの条件によっては、比較的小さい反射電力であっても、高周波電源の構成要素の温度上昇が大きくなることがあり、ひどい場合には故障につながることがあるという課題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、また反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防いで高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００９】
請求項２に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記反射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１０】
請求項３に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段と反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段と前記反射電力検知手段の出力の差が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、また反射電力による効率低減を防ぐことにより、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１１】
請求項４に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源と前記高周波電源の間に設けた直流電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記直流電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防いで高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１２】
請求項５に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、交流電源と整流回路から構成され前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記交流電源と前記整流回路の間に交流入力電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記交流入力電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、比較的簡単な構成で、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の出力パワーが過大となることを防ぎ、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１３】
請求項６に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、半導体素子と前記半導体素子の温度を検知する温度検知手段を有し前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源を有し、前記直流電源は、前記温度検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する構成とすることにより、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時などに発生し得る、高周波電源の出力パワーが過大や反射電力による効率低減によって引き起こされる、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑えることができ、十分な信頼性を確保するものである。
【００１４】
請求項７に示す発明は、特に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置の高周波電源を、直列に接続した２個の半導体素子を有し、前記２個の半導体素子の直列回路の両端に直流電源が接続され、前記２個の半導体素子同士の接続点から出力端子を接続した構成とすることにより、比較的簡単な構成で高周波電源を実現することができ、かつ効率も高いものとすることができることから、低価格、小形の装置が実現できるものとなる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００１７】
図１において、冷凍食品などの被解凍物１００を挟み込むように、上下に配置された金属材料からなるアルミニウム製の２枚の電極板１１０、１２０により構成した電極１３０が設けられている。
【００１８】
電極１３０には整合回路１４０が接続されており、整合回路１４０に１３．５６メガヘルツの高周波の電力を供給する高周波電源１５０、および高周波電源１５０に直流電圧を供給する直流電源１６０が設けられている。
【００１９】
高周波電源１５０と整合回路１４０の間には、ＣＭ回路１５５が設けられており、ＣＭ回路は、入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０を有している。
【００２０】
さらに、直流電源１６０の出力電圧値を設定する直流電圧設定回路１９０が設けられている。
【００２１】
本実施例においては、直流電源１６０は、１００ボルト６０ヘルツの交流電源２００、４本のブリッジ接続されたダイオードからなり交流電源２００を整流する整流器２１０、整流器２１０の出力電圧を安定化するコイル２２０とコンデンサ２３０、コンバータ回路２４０が設けられており、コンバータ回路２４０は、内部に１００キロヘルツでスイッチングするスイッチング素子を有し、コンデンサ２３０の両端から約１３０ボルトの直流電圧を受けて、高周波電源１５０に対して、５０ボルトから２５０ボルトの可変電圧を出力するものとなっている。
【００２２】
なお、コンバータ回路２４０は、絶縁トランスを内蔵しており、交流電源２００から電気的に浮いた状態の直流電圧を高周波電源１５０に供給することができるものとなっている。
【００２３】
高周波電源１５０は、直列に接続した２個の半導体素子２５０、２６０を有しており、本実施例ではＭＯＳＦＥＴで構成している。
【００２４】
半導体素子２５０、２６０のゲート端子とソース端子には、オンオフ動作をさせるための駆動回路２７０が接続されており、１３．５６メガヘルツの周波数で、半導体素子２５０、２６０が交互にオンする動作がなされるものである。
【００２５】
２個の半導体素子２５０、２６０の直列回路の両端には、直流電源１６０の出力が接続されており、本実施例では特にコンデンサ２８０が、高電位側の半導体素子２５０のドレイン端子とグランド間に接続されているため、安定した直流電圧が高周波電源１５０に供給されるものとなっている。
【００２６】
また２個の半導体素子２５０、２６０同士の接続点から、高調波歪みを低減するため、コンデンサ２９０、３００とコイル３１０を設け、高周波電源の出力端子の電圧波形は、正弦波に近いものとなっている。
【００２７】
このように、比較的簡単な構成で高周波電源が実現でき、かつスイッチング動作で半導体素子２５０、２６０を動作させていることから、効率も高いものとすることができるものとなっている。
【００２８】
直流電圧設定回路１９０は、増幅器３２０、ダイオード３３０、抵抗３４０、規定の電圧を出力する直流電源３５０、３６０を有しており、直流電源３５０は３ボルト、直流電源３６０は５ボルトの直流電圧を出力する。
【００２９】
入射電力検知手段１７０の出力が、直流電源３５０の出力電圧３ボルトよりも低い場合には、増幅器３２０の出力は高電位となって、ダイオード３３０が逆阻止状態となり、直流電源３６０の電圧５ボルトが、ほぼそのままコンバータ回路２４０に出力されるものとなる。
【００３０】
本実施例において、コンバータ回路２４０は、直流電圧設定回路１９０からの信号が５ボルトである場合には、２５０ボルトの直流電圧を出力するものとなっている。
【００３１】
そして高周波電源１５０と電極１３０側との整合状態がとれている場合には、高周波電源１５０は直流電源１６０からの印加電圧が２５０ボルトの時に３００ワットを出力する。
【００３２】
一方、整合回路１４０の動作が不十分であって、高周波電源１５０の出力から電極１３０側を見たインピーダンスがたとえば５０オームの純抵抗状態から高抵抗側にずれると、入射電力が３００ワットを越え、入射電力検知手段１７０の出力Ｙの電圧が３ボルトを越えた状態となる。
【００３３】
その際には、増幅器３２０は直流電源３５０の電圧３ボルトよりも高い電圧がマイナス入力端子に印加された状態となることから、ダイオード３３０と抵抗３４０を通じて直流電源３６０から電流を引き出す作用を起こし、その結果コンバータ回路２４０への設定電圧は、５ボルトより引き下げられた状態となる。
【００３４】
本実施例では、増幅器３２０はＰＩ（比例、積分）の利得が備えられていることから、定常的に、入射電力が３００ワットになるように、直流電源１６０の出力電圧がコントロールされることになる。
【００３５】
整合回路１４０は、電極１３０に直列接続したコイル３７０を設け、さらに電極１３０とコイル３７０との直列回路にコンデンサ３８０が並列接続で設けられている。
【００３６】
本実施例では、コイル３７０のインダクタンス値とコンデンサ３８０の静電容量値は、いずれも可変とし、共にリアクタンス可変素子として、整合制御回路３９０から可変制御されるものとなっている。
【００３７】
整合制御回路３９０は、反射電力検知手段１８０の出力Ｘに接続されていて、反射電力値が５ワットを越えた場合には、コイル３７０とコンデンサ３８０を交互に可変制御して、それぞれの可変制御によって反射電力が最小となる条件とするという動作を繰り返すものとなっており、このような動作によって、通常は反射電力の値はほぼ１０ワット以内に抑えられている。
【００３８】
図２は、ＣＭ回路１５５の詳細な回路図を示したものである。
【００３９】
反射電力検知手段１８０は、フェライト製のトロイダルコアを用いた電流トランス４００、抵抗４１０、４２０、４３０と、コンデンサ４４０、４５０、４６０、ショットキーバリア形のダイオード４７０によって構成され、整合回路１４０の入力から電極１３０側を見たインピーダンスの値が５０オームでなかったり、リアクタンス分が有る場合には、発生する反射電力の値に応じた直流電圧を、Ｘ端子から出力するものとなっている。
【００４０】
また、入射電力検知手段１７０は、抵抗４８０、４９０、５００、コンデンサ５１０、５２０、５３０、ダイオード５４０を用いて構成されており、高周波電源１５０から整合回路１４０に向かって供給される入射電力に応じた直流電圧をＹ端子から出力するものとなっている。
【００４１】
図３は、駆動回路２７０の詳細回路図を示している。
水晶発振子を用いた１３．５６メガヘルツの発振回路５５０から、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチング素子５６０が接続され、スイッチング素子５６０のドレイン端子は、コイル５７０を通じて２４ボルトの直流電源５８０に接続されると共に、コンデンサ５９０、６００、６１０を経て、駆動トランス６２０の一次巻線６３０に接続されている。
【００４２】
駆動トランス６２０の二次巻線６４０は、高電位側の半導体素子２５０のゲートとソース端子に接続され、二次巻線６５０は、低電位側の半導体素子２６０のゲートとソース端子に接続されている。
【００４３】
また、二次巻線６４０、６５０は、逆極性でかつバイファイラ巻きで巻かれている。
【００４４】
図４は、半導体素子２５０、２６０の各ゲート・ソース間電圧波形図を示している。
【００４５】
（ア）は高電位側の半導体素子２５０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ１、（イ）は低電位側の半導体素子２６０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ２を示している。
【００４６】
図４に見られるように、Ｖｇ１とＶｇ２は、ちょうど交互に正の電圧が印加されることになり、交互にオンオフがなされるものとなる。
【００４７】
図５は、（ア）に高周波電源１５０の低電位側の半導体素子２６０のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ２を示し、（イ）に高周波電源１５０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示している。
【００４８】
本実施例においては、半導体素子２５０、２６０をスイッチングで動作させているため、両半導体素子の損失が小さく、高効率の装置とすることができるものとなる。
【００４９】
ただし、（ア）のままの波形を整合回路１４０に出力すると、高調波に対する対策が整合回路１４０に必要となることがあるので、本実施例においては、前述のようにコンデンサ２９０、３００、およびコイル３１０によるフィルタ作用を持たせることによって、高周波電源１５０の出力における電圧Ｖｏｕｔの波形は、（イ）に示されるように、ほぼ正弦波に近いものとして、高調波分をほとんど除去した形としている。
【００５０】
図６は、本発明の入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０の特性グラフを示したものであり、両者とも同等の特性となっていて、反射電力もしくは入射電力がゼロの場合には出力端子ＸもしくはＹの出力はゼロで、反射電力もしくは入射電力が増すほどに、出力端子ＸもしくはＹ端子からの電圧出力値が増大するという特性のものとなっている。
【００５１】
図７は、本実施例の直流電源１６０に用いている、コンバータ回路２４０の特性をグラフで示している。
【００５２】
コンバータ回路２４０のＶｓ入力端子が零ボルトの時には５０Ｖが出力され、Ｖｓ電圧が上昇するに従って、出力電圧が増大し、Ｖｓ＝５ボルトが入力された場合に、出力電圧は２５０ボルトになるという特性となっている。
【００５３】
以上のように、本実施例では整合回路１４０によって、反射電力をなるべく低減した状態で高周波電源を働かせることにより、低損失、高効率で高周波電源を運転するとともに、整合回路１４０の動作が不完全となるなどして入射電力が規定値である３００ワットよりも増加しようとした場合には、直流電源１６０の出力電圧を低下させることにより、入射電力を３００ワット以下になるように制限する動作がなされるものとし、高周波電源１５０の構成要素である半導体素子２５０、２６０の温度上昇を抑え、良好に動作させることができるものとなる。
【００５４】
本実施例においては、入射電力値の制限を３００ワットとしていることから、多少の反射電力があっても、正味整合回路１４０に供給される電力として、２００ワット以上のものが得られることから、十分な加熱性能が得られるものとなる。
【００５５】
ただし、直流電源１６０の出力電圧設定において、反射電力の値は関与しないことから、特に整合回路１４０の調整可能範囲の限界などにおいて、大きな反射電力が生ずる場合には、高周波電源１５０の構成要素などの温度上昇が問題ない程度に抑えられるよう、冷却設計などに有る程度の余裕を見ておくとか、半導体素子２５０、２６０の定格に余裕を持ったものとしておくなどの設計が必要となる場合もある。
【００５６】
（実施例２）
図８は、本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００５７】
図８において、反射電力検知手段５５０が、高周波電源１５０と整合回路１４０の間に設けられ、直流電圧設定回路５６０は、直流電源５７０を有しているが、その他の構成については、実施例１と同等の構成となっている。
【００５８】
本実施例では、直流電源５７０は０．８ボルトとし、増幅器３２０のプラス入力（非反転入力）端子に接続している。
【００５９】
図９は、反射電力検知手段５５０の詳細回路図であり、電流トランス４００の一方の端子に抵抗器５８０を接続してグランドに落としているが、他の部分は実施例１と全く同等であって、入射電力検知は不要となっているため、反射電力検知に関する部分のみに絞った回路構成となっている。
【００６０】
ただし、この種の回路は、動作における安定性を十分確保するには、入射電力と反射電力の検知部分の部品配置などをプリント基板上に対称に配置する方が特性が良くなるものとなるので、反射電力検知に高い精度を得たい場合には、本実施例のように入射電力検知が不要であっても、実施例１に示したように、ＣＭ回路１５５をすべて実装したものとしてもかまわない。
【００６１】
これにより、反射電力の値が３０Ｗ以下の状態では、反射電力検知手段５５０の出力電圧は０．８ボルトより低く、増幅器３２０の出力電圧が上昇してダイオード３３０が逆阻止状態となって、直流電源３６０から５ボルトの電圧がＶｓとして、そのままコンバータ回路２４０に加えられ、直流電源１６０が２５０ボルトの出力電圧を高周波電源１５０に供給するものとなる。
【００６２】
反射電力が３０Ｗを超えると、反射電力検知手段５５０の出力電圧は０．８ボルトを超え、増幅器３２０の出力電圧が下降してダイオード３３０は導通状態となり、直流電源３６０が発する５ボルトよりも低い電圧がＶｓとして、コンバータ回路２４０に加えられるようになるため、直流電源１６０は２５０ボルトより低い出力電圧を高周波電源１５０に供給するものとなる。
【００６３】
このような動作により、定常的には反射電力は規定値３０Ｗ以下となるように直流電源１６０の出力電圧の制御がなされるものとなる。
【００６４】
高周波電源１５０は、反射電力が大きい場合には、反射電力が零の場合に比して、効率が低下する場合が多々あり、また高周波電源１５０の構成要素である半導体素子２５０、２６０に大電流が流れるなどして、温度上昇が相当高くなる場合もあり、そのような条件下で運転を継続すると、ひどい場合には半導体素子２５０、２６０が破壊するということもあり得る。
【００６５】
本実施例では、そうなる前に反射電力の値が大きいことが反射電力検知手段５５０で検知されて、前述の直流電源１６０の出力電圧制御がなされるので、破壊などを防ぐことができるものとなり、信頼性に富んだ装置の実現が図られるものとなる。
【００６６】
（実施例３）
図１０は、本発明の第３の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００６７】
本実施例においては、直流電圧設定回路５９０の構成が実施例１と異なるものとなっているが、その他の構成は実施例１と同等のものとなっている。
【００６８】
直流電圧設定回路５９０は、マイクロコンピュータ６００、抵抗６１０、コンデンサ６２０が設けられており、その他の部分は、実施例１の構成要素と同等の構成となっている。
【００６９】
直流電圧設定回路５９０は、マイクロコンピュータ６００によって、反射電力検知手段１８０からのＸ出力信号、および入射電力検知手段１７０からのＹ出力信号を、いずれもアナログ電圧入力端子から、それぞれＶｒ、Ｖｆとして入力し、マイクロコンピュータ６００内に備えられたアナログ−デジタル変換回路を通して、１２ビットのデジタル値に変換して処理している。
【００７０】
マイクロコンピュータ６００は、プログラムにより、まずＶｆとＶｒの値から入射電力値と反射電力値を計算する。
【００７１】
その際、入射電力検知手段１７０と反射電力検知手段１８０の特性は、図６に示すごとくであるので、この曲線をテーブルに持つことにより、図６の縦軸の値からそれに対応する入射電力値と反射電力値を求めることができる。
【００７２】
次に、入射電力値から反射電力値を差し引き、それを正味の整合回路１４０に供給される電力値とする。
【００７３】
本実施例においては、その値が２００ワットを超えた場合には、マイクロコンピュータ６００が出力端子Ｚから出力される電圧波形として、１ミリ秒の周期内に零電位期間を設けるという動作を行わせており、その零電位期間の長さは、入射電力値と反射電力値の差と、２００ワットとの差に対して、ＰＩ（比例と積分）の利得を持たせたものとしている。
【００７４】
１ミリ秒に比して十二分に長い時定数を持たせた、抵抗６１０とコンデンサ６２０の平滑作用により、コンバータ回路２４０には、ほぼ直流の電圧がＶｓとして入力される。
【００７５】
これにより、直流電源１６０の出力電圧の制御が行われ、正味整合回路１４０に入る電力が既定値２００ワットを超えそうな条件においては、ほぼ２００ワットに抑えられて、常に既定値２００ワット以下の、入力電力と反射電力の差とすることが実現されるものとなる。
【００７６】
よって、高周波電源１５０から供給される電力、また直流電源１６０から供給される電力などについても、過大となることを防止することができるものなり、これらの構成要素の温度上昇を抑えることができるものとなる。
【００７７】
ちなみに、正味整合回路１４０に入るパワーが２００ワットと言う条件は、実施例１の入射電力３００ワットと比較すると、被解凍物１００に入る平均加熱パワーとしては若干低くなるが、多少の反射電力の値に関係なく場合も常に２００ワットの電力が整合回路１４０に供給されることから、解凍動作をさせる場合には、加熱パワーがより安定し、良好な解凍の仕上がりが得られるものとなる。
【００７８】
また、同時に整合回路１４０に正味供給される電力が安定することから、加熱パワーの変動も抑えられ、冷凍食品の解凍もムラなく進行するものとなり、解凍性能も高い装置とすることができる。
【００７９】
（実施例４）
図１１は、本発明の第４の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００８０】
本実施例において、電極１３０、整合回路１４０、高周波電源１５０、直流電源１６０については、実施例１と同等のものを使用しており、反射電力検知手段５５０については、実施例２と同等のものを使用している。
【００８１】
また、ダイオード３３０、抵抗３４０、６１０、直流電源３６０、コンデンサ６２０についても、実施例３のそれと同等のものを使用している。
【００８２】
直流電力検知手段６３０は、回路上、直流電源１６０と高周波電源１５０の間に設けられ、その部分を通過する直流電力値を検知する回路である。
【００８３】
直流電力検知手段６３０は、抵抗６４０、６５０、６６０、マイクロコンピュータ６７０で構成しており、抵抗６４０は直流電源１６０から高周波電源１５０に供給される電流を受けて、その電流に比例した電圧降下を生ずることによって、電流の検知をする作用があり、抵抗６５０、６６０の直列回路により、直流電源１６０の出力電圧検知を行うのもとなっている。
【００８４】
マイクロコンピュータ６７０は、電流に応じた信号電圧値をＭ端子に、また電圧に応じた信号電圧をＮ端子に入力し、内部のアナログ−デジタル変換器を作用させることにより、双方とも１２ビットのデジタル値に変換されて、その値同士の積算がなされることにより、電力値が検知できるものである。
【００８５】
次に、マイクロコンピュータ６７０は前記の検知した電力値から規定値である２５０ワットを差し引く計算を行い、差の符号がマイナスの場合は出力Ｚはハイのままであるが、プラスの場合には、Ｚにローの期間を設けた１ミリ秒周期の信号を出力する。
【００８６】
なおロー期間の割合については、ＰＩ（比例、積分）の利得を持たせたものとしている。
【００８７】
Ｚ信号を受けて、ダイオード３３０、抵抗３４０、６１０、直流電源３６０、コンデンサ６２０の動作については、実施例３と同様であり、直流電源１６０に対して設定電圧Ｖｓが出力されるものとなる。
【００８８】
このような動作により、本実施例の高周波加熱装置は、例えば整合回路１４０の入力インピーダンスが変化した場合でも、直流電源１６０から高周波電源１５０への供給電力を、規定値２５０ワット以下に抑えるという動作がなされることにより、過大なパワーが供給されることを防ぐことができ、高周波電源１５０や直流電源１６０などを構成している要素部品の過熱や破壊を防止することができるものとなる。
【００８９】
ちなみに、本実施例において、直流電源１６０から高周波電源１５０に供給される直流電力が２５０ワットである場合、高周波電源１５０の効率が約８０パーセント得られることから、高周波電源１５０から整合回路１４０に正味供給される電力、すなわち入射電力から反射電力を減じた値は、ほぼ２００ワットとなり、実施例３の場合とほぼ同等程度の加熱パワーが得られるものとなる。
【００９０】
なお、本実施例では、直流電源１６０の出力電圧の検知を行っていることから精度の高い直流電力検知が可能であるが、マイクロコンピュータ６７０は、自己が出力しているＺ信号から、現在の直流電源１６０の出力電圧がほぼ定まるものであることから、電圧検知を無くして電流検知のみで、電力を検知する構成としてもよく、その場合には装置の簡略化ができるものとなる。
【００９１】
（実施例５）
図１２は、本発明の第５の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００９２】
本実施例においては、直流電源１６０の構成要素である交流電源２００と整流回路２１０の間に接続し、装置の消費電力を検知する交流入力電力検知手段６８０を設けている。
【００９３】
交流入力電力検知手段６８０は、電流トランス６９０、電流トランス６９０の二次巻線に負荷として接続された抵抗７００、抵抗７００の両端に発生する交流電圧を整流する全波ブリッジ形の整流器７１０、整流器７１０の出力を平滑するコンデンサ７２０と負荷抵抗７３０、マイクロコンピュータ７４０により構成されている。
【００９４】
なお、その他の部分の構成については、実施例４と同等のものを使用している。
【００９５】
以上の構成により、本実施例の高周波加熱装置は、交流電源２００から整流器２１０に供給される電流にほぼ比例した電圧信号をマイクロコンピュータ７４０のＰ端子から入力するものとなるが、交流電源２００の電圧変動が比較的小さく、また交流電源２００からの電力供給における力率がほぼ一定値に近いという条件下においては、装置の消費電力にほぼ対応した値のアナログ電圧が、Ｐ端子に印加されるものとなり、マイクロコンピュータ７４０内のテーブルにより、ワット数を算出する。
【００９６】
本実施例においては、さらにマイクロコンピュータ７４０において、この値から規定値２７０ワットを差し引き、差の符号がマイナスであれば、Ｚ出力端子はハイのままであるが、プラスの場合には、実施例４と同様に、ローの期間を設けた１ミリ秒周期の信号波形を出力する。
【００９７】
このような動作により、本実施例の高周波加熱装置は、例えば整合回路１４０の入力インピーダンスが変化した場合でも、交流電源２００から整流回路２１０への供給電力、すなわち装置の消費電力を、規定値２７０ワット以下に抑えるという動作がなされることにより、過大なパワーが供給されることを防ぐことができ、高周波電源１５０や直流電源１６０などを構成している要素部品の過熱や破壊を防止することができるものとなる。
【００９８】
ちなみに交流電源２００から装置に供給される電力が、２７０ワットである場合、整流器２１０、コイル２２０、コンバータ回路２４０などによる電力損失がほぼ２０ワットとなるため、直流電源１６０出力パワーは約２５０ワットとなり、実施例４とほぼ同等の加熱パワーが得られるものとなる。
【００９９】
なお、本実施例では、電流の検知のみを行っていることから構成が比較的簡単であるが、交流電源２００の端子間の電圧を検知する構成、またはさらに力率を検知する構成などを加えてもよく、そのような構成とした場合には、より精度の高い交流入力電力検知が可能となり、特に交流電源２００の電圧変動が大きい場合などには有効となる。
【０１００】
（実施例６）
図１３は、本発明の第６の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【０１０１】
本実施例において、温度検知手段７５０が設けられている他の構成については、実施例５と同等のものである。
【０１０２】
温度検知手段７５０は、直流電源７６０、高周波電源１５０の半導体素子２５０に取り付けられたサーミスタ７７０、抵抗７８０、コンデンサ７９０、高周波電源１５０の半導体素子２６０に取り付けられたサーミスタ８００、抵抗８１０、コンデンサ８２０、マイクロコンピュータ８３０を備えている。
【０１０３】
以上の構成により、本実施例の高周波加熱装置は、整合回路１４０の入力インピーダンスが完全な整合状態である５０オームの純抵抗状態から変動した場合、マイクロコンピュータ８３０は、半導体素子２５０、２６０の温度をそれぞれ独立してＵ端子、Ｖ端子のアナログ電圧から検知し、高い方の温度から規定値であるセ氏８５度を差し引く計算を行う。
【０１０４】
そして、その差がマイナスである場合にはＺ端子からの出力をハイのままの状態とするが、プラスの場合には、実施例５と同様にＺ端子からローの期間を含んだ１ミリ秒周期の方形波波形を出力し、直流電源１６０の出力電圧の設定値Ｖｓを低減するものとなる。
【０１０５】
その結果、半導体素子２５０、２６０の温度の高い方の値が、規定値セ氏８５度以下になるように直流電源１６０の出力電圧が制御されるものとなる。
【０１０６】
したがって、半導体素子２５０、２６０の温度が上昇しすぎることがなくなり、温度による破壊を確実に防止することができるものとなる。
【０１０７】
特に本実施例においては、半導体素子２５０、２６０の温度を検知していることから、構成が比較的簡単で済むものとなり、さらに整合回路１４０の入力におけるインピーダンス値、すなわち高周波電源１５０の出力端子から電極１３０側のインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、比較的小さい反射電力しか発生していない条件であっても、半導体素子２５０、２６０の温度がかなり高く上昇する条件もあることから、そのようなインピーダンス条件においても確実に半導体素子２５０、２６０の熱的破壊を防止することができる。
【０１０８】
また、逆に前述したインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、反射電力がかなりあっても半導体素子２５０、２６０の温度上昇が低い場合もあり、そのような場合には、直流電源１６０の出力電圧は高く保たれることにより、十分な電力が整合回路１４０、およびその後方にある被解凍物１００に供給され、加熱性能が高いものとすることができるものとなる。
【０１０９】
さらに、前述のインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分の組み合わせによっては、半導体素子２５０の温度のみが高くなったり、半導体素子２６０の温度のみが高くなったりすることも発明者らによる実験による確認されているが、そのような条件においても、本実施例の構成により、温度が高い方の半導体素子に対して、規定値であるセ氏８５度以下になるように直流電源１６０の出力電圧の制御がなされることから、信頼性の高い運転を行わせることができるものとなる。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波加熱装置は、整合回路の調整作用が十分に働かなくなった時でも、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図２】同、ＣＭ回路１５５の詳細回路図
【図３】同、駆動回路２７０の詳細回路図
【図４】同、駆動回路２７０の出力電圧波形図
【図５】同、高周波電源１５０の動作波形図
【図６】同、入射電力検知手段１７０および反射電力検知手段１８０の特性図
【図７】同、直流電源１６０のコンバータ回路２４０の特性図
【図８】本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図９】同、反射電力検知手段５５０の特性図
【図１０】本発明の第３の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１１】本発明の第４の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１２】本発明の第５の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１３】本発明の第６の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図１４】従来の技術における高周波加熱装置の回路図
【図１５】同、整合回路の回路図
【符号の説明】
１３０ 電極
１４０ 整合回路
１５０ 高周波電源
１６０ 直流電源
１７０ 入射電力検知手段
１８０、５５０ 反射電力検知手段
６３０ 直流電力検知手段
６８０ 交流入力電力検知手段
２５０、２６０ 半導体素子
７５０ 温度検知手段
Claims (7)
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記反射電力検知手段の出力が規定値以下になるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電源と前記整合回路の間に設けた入射電力検知手段と反射電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記入射電力検知手段と前記反射電力検知手段の出力の差が規定値以下となるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源と前記高周波電源の間に設けた直流電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記直流電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、交流電源と整流回路から構成され前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源と、前記交流電源と前記整流回路の間に交流入力電力検知手段を有し、前記直流電源は、前記交流入力電力検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 電極と、前記電極に接続した整合回路と、半導体素子と前記半導体素子の温度を検知する温度検知手段を有し前記整合回路に電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源に直流電圧を供給する直流電源を有し、前記直流電源は、前記温度検知手段の出力が規定値以下となるように出力電圧を制御する高周波加熱装置。
- 高周波電源は、直列に接続した２個の半導体素子を有し、前記２個の半導体素子の直列回路の両端に直流電源が接続され、前記２個の半導体素子同士の接続点から出力端子を接続した請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
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