JP2006114269A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧手段のある誘導加熱装置において、マイコンなどによるデジタル制御でもきめ細かな電力制御を行うことができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】高周波インバータ１と、これに昇圧電源を供給する昇圧手段７と、高周波インバータ１に接続するスイッチング素子２、誘導加熱コイル３および共振コンデンサ４と、誘導加熱コイル３により加熱される被加熱体５とを有し、前記昇圧手段７と高周波インバータ１は独立に入力電力を制御することができる構成とし、昇圧制御と周波数制御の組み合わせによって入力電力の制御分解能を上げることできめ細かな電力制御が可能となり、機器の高機能化を実現するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭で使用される誘導加熱装置に関するものである。

従来から知られている誘導加熱装置は、誘導加熱コイルから高周波磁界が発生し、電磁誘導による渦電流のために調理鍋等の被加熱体が加熱されるものである。

以下、従来の誘導加熱装置について、図３に基づいて一例を説明する。図に示すように、誘導加熱装置は、高周波インバータ１と、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子２に接続する誘導加熱コイル３および共振コンデンサ４と、前記誘導加熱コイル３により加熱される被加熱体５と、電源６を有するものである。

この構成において、高周波インバータ１により供給された高周波電流によって誘導加熱コイル３からは高周波磁界が発生し、被加熱体５内には電磁誘導による渦電流が流れ、そのジュール熱のために被加熱体５が加熱され、調理が行えるものである。
特開２００３−１５１７４８号公報

ところで、被加熱体５への電力制御を行うためは、高周波インバータ１の駆動周波数制御またはスイッチング素子２のオンオフデューティ制御のいずれかが行われていた。すなわち、周波数制御は、スイッチング素子２のオンオフデューティを固定してスイッチング素子２の駆動周波数を可変することにより、図４のような周波数−入力電力特性があることを利用して電力制御を行うものであり、オンオフデューティ制御は、駆動周波数を固定してスイッチング素子２のオンオフデューティを可変することにより、図５のようなオンオフデューティ−入力電力特性があることを利用して電力制御を行うものである。

このような構成の誘導加熱装置は、アルミニウムや銅など低抵抗金属からなる被加熱体５を誘導加熱した場合、低抵抗のため被加熱体５と磁気結合した状態での誘導加熱コイル３のＱが大きくなり、周波数に対する入力電力の変化が大きくなり、周波数制御以外による電力制御を行うことが必要で、また周波数制御に代わる制御手段はスイッチング素子２のオンオフデューティしかなかった。しかし、マイコンなどを用いてデジタル的に周波数を可変する場合、その最小周波数可変幅での高周波インバータ１の入力電力がステップ的に大きく変化し、きめ細かな電力制御を行うことができないという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱体の材質に関わらず、誘導加熱コイルを切り替えることなく被加熱体を誘導加熱し、マイコンなどによるデジタル制御手段でもきめ細かな電力制御を行うことのできる誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。

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、高周波インバータと、この高周波インバータに昇圧電源を供給する昇圧手段と、前記高周波インバータを構成するスイッチング素子に接続する誘導加熱コイルおよび共振コンデンサと、前記誘導加熱コイルにより加熱される被加熱体と、前記被加熱体の材質判別手段とを有し、被加熱体の加熱開始時は、昇圧手段の動作を停止し、高周波インバータを構成するスイッチング素子の駆動周波数を変更し、その間に前記材質判別手段によって前記被加熱体の材質を判別するようにしたものである。

これにより、周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力制御の分解能を大きくすることを可能とし、マイコンなどによるデジタル制御でもアルミニウムや銅などの低抵抗金属からなる被加熱体であってもきめ細かな電力制御を行うことを可能とし、調理性能の向上をはかることができる。

本発明の誘導加熱装置は、マイコンなどによるデジタル制御でも被加熱体がどのような種類であるかを判定し、きめ細かな電力制御を実現することができる。

第１の発明は、高周波インバータと、この高周波インバータに昇圧電源を供給する昇圧手段と、前記高周波インバータを構成するスイッチング素子に接続する誘導加熱コイルおよび共振コンデンサと、前記誘導加熱コイルにより加熱される被加熱体と、前記被加熱体の材質判別手段とを有し、被加熱体の加熱開始時は、昇圧手段の動作を停止し、高周波インバータを構成するスイッチング素子の駆動周波数を変更し、その間に前記材質判別手段によって前記被加熱体の材質を判別する誘導加熱装置とすることにより、周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力制御の分解能を大きくすることを可能とし、マイコンなどによるデジタル制御でもアルミニウムや銅などの低抵抗金属からなる被加熱体であっても、入力電力が小さい状態において被加熱体がどのような種類であるかを判定することができるため、高周波インバータの破壊を防止するとともに、被加熱体の材質を正確に判別することが可能であり、きめ細かな電力制御を行い、最適な方法で被加熱体を加熱することができ、調理性能の向上をはかることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、被加熱体の加熱開始時は、高周波インバータを構成するスイッチング素子のデューティ制御のみで入力電力制御することにより、高周波インバータの電源電圧が高い場合には高周波インバータの駆動周波数制御だけでは入力電力を絞りきれないような被加熱体であっても入力電力を絞ることができ、その結果として入力電力をきめ細かく制御することが可能となるものである。

第３の発明は、特に、第１の発明において、高周波インバータを構成するスイッチング素子のデューティを入力電力が大となるデューティにした後、昇圧手段を動作させることにより、高周波インバータに過剰な負荷をかけることなく被加熱体を加熱することを可能とするものである。

第４の発明は、特に、第１の発明において、昇圧手段が所定の電圧まで上昇するまで高周波インバータの駆動周波数を変更しないことにより、高周波インバータおよび昇圧手段に過剰な負荷をかけることなく、被加熱体を加熱することを可能とするものである。

第５の発明は、特に、第１の発明において、高周波インバータの駆動周波数の制御を行った場合、昇圧電圧も変更することにより、周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力制御の分解能を大きくすることを可能とし、マイコンなどによるデジタル制御でもきめ細かな電力制御を行うことが可能となり、調理性能の向上した誘導加熱装置を提供することが可能となる。

第６の発明は、特に、第５の発明において、昇圧制御の昇圧電圧に上位電圧と下位電圧を設定し、高周波インバータの駆動周波数を下げた場合は昇圧電圧を下位電圧とし、高周波インバータの駆動周波数を上げた場合は上位電圧とすることにより、マイコンなどによるデジタル制御であっても周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力を連続的に制御することを可能とするものである。

第７の発明は、特に、第１の発明において、入力電力の中途までは高周波インバータの駆動周波数のみで入力電力制御を行い、それ以降は駆動周波数制御と昇圧制御の両方で入力電力制御を行うことにより、加熱初期は目標とする入力電力に早く到達させるために周波数制御を行い、それ以降はオーバーシュートをしないようにするために駆動周波数制御と昇圧制御を併用することで目標電力に到達させ、起動の早さと高周波インバータの保護を両立させるものである。

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る。

図に示すとおり、本実施の形態における誘導加熱装置は、高周波インバータ１と、この高周波インバータ１に昇圧電源を供給する昇圧手段７と、前記高周波インバータ１を構成するスイッチング素子２に接続する誘導加熱コイル３および誘導加熱コイル３と直列に接続された共振コンデンサ４と、前記誘導加熱コイル３により加熱される調理鍋などの被加熱体５と、電源６、前記被加熱体５の材質を判別する材質判別手段１０とを有している。前記昇圧手段７は、スイッチング素子８と、昇圧された電圧を平滑する平滑コンデンサ９とで構成されている。

そして、前記材質判別手段１０は、被加熱体５に近接配置してあり被加熱体５の加熱開始時に、その材質を判別するようにしたものである。

上記の構成において、誘導加熱装置の動作について説明する。電源６によって供給された電力は昇圧手段７に送られる。電源６としては、商用の単相１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源をダイオードブリッジで直流化した電源を用いることが多い。

昇圧手段７は、電源６より供給された電力の電圧を所定の電圧まで昇圧する。こうすることによって、高周波インバータ１に同電力を供給する場合に電流を減らすことが可能となり、高周波インバータ１を構成する各部品の部品定格を下げることが可能となり、部品の小型化と低コスト化を可能としてより安価で小型の製品とすることで使用者に便益をもたらすものである。

昇圧手段７は、コイルに蓄えられたエネルギーをスイッチング素子８によって制御し、昇圧された電圧を平滑コンデンサ９によって平滑している。

昇圧手段７によって昇圧された昇圧電源は、高周波インバータ１に送られる。高周波インバータ１では、昇圧手段７よって供給された昇圧電源をスイッチング素子２によって電流経路を切り替えて誘導加熱コイル３に高周波電流を供給する。誘導加熱コイル３からは高周波磁界が発生し、被加熱体５内には電磁誘導による渦電流が流れ、そのジュール熱のために被加熱体５が加熱され、調理が行えるものである。

材質判別手段１０は被加熱体５の材質を判別するもので、材質に応じた加熱を行うためのものである。すなわち、被加熱体５が低抵抗金属であるアルミや銅などの場合は、高周波インバータ１の駆動周波数を高周波化し、抵抗を大きくすることで低抵抗金属を加熱することができ、高抵抗金属の場合は、低抵抗金属を加熱する駆動周波数よりも低い周波数で高周波インバータ１を駆動することでインバータのロスを小さくするといったことが可能となる。また、材質に応じて誘導加熱コイル３や共振コンデンサ４の容量を切り替えるといったことも可能となる。

材質を判別する方法としては、高周波インバータ１の入力電流やスイッチング素子２（ＩＧＢＴ）にかかる電圧、共振コンデンサ４の電圧などから判別することが可能である。アルミなどの低抵抗金属の場合は、入力電流に対して共振コンデンサ４の電圧が高くなり、鉄系の場合は入力電流に対して共振コンデンサ４の電圧が低いという傾向があるからである。

本実施の形態では、昇圧手段７を電力制御に利用し、昇圧電源の電圧を可変とすることでより電力制御の分解能を上げることを可能とするものである。これによって、電力制御を周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって行うことが可能となり、電力制御の分解能を大きくすることができる。したがって、マイコンなどによるデジタル制御でもアルミニウムや銅などの低抵抗金属からなる被加熱体であってもきめ細かな電力制御を行うことが可能となり、最適な方法で被加熱体を加熱することができ、調理性能の向上した誘導加熱装置を提供することができる。また、入力電力が小さい状態において被加熱体５がどのような種類であるかを判定することができるため、目標とする入力電力に対してオーバーシュートを小さくすることが可能となり、高周波インバータ１を構成する各部品に対して過負荷をかけることが少なくなるため、部品の保護が実現されるとともに、機器の故障を減らすことが可能となるものである。

なお、本実施の形態では、高周波インバータ１と昇圧手段７が分離されている構成を挙げたが、これに限定するものではなく、高周波インバータの一部が昇圧手段の一部を兼ねていても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、被加熱体５の加熱開始時は昇圧手段７の動作を停止し、電源６から供給される電力をそのまま高周波インバータ１に供給する。その際の電力制御は、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子２のデューティ制御のみで行うものである。

これは、被加熱体５の加熱開始時は昇圧手段７を停止することで入力電力を制限する。そして周波数制御も行わないので、スイッチング素子２の駆動周波数を入力電力が小となる周波数を選択して入力電力を確実に小とすることができる。このような状態において、オンオフデューティ制御を行っても入力電力は大きく変化しないため、きめ細かな電力制御を可能とするものである。すなわち、高周波インバータ１の電源電圧が高い場合には高周波インバータ１の駆動周波数制御だけでは入力電力を絞りきれないような被加熱体５であっても入力電力を絞ることができ、その結果として入力電力をきめ細かく制御することが可能となるものである。

このような入力電力の小さい状態で被加熱体５の材質判別を行うことによって、高周波インバータ１に過負荷をかけることなく材質判別が可能となる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子２のデューティを入力電力が大となるデューティにした後、昇圧手段７を動作させることにより、高周波インバータ１に過剰な負荷をかけることなく被加熱体５を加熱することを可能とするものである。

ここで、誘導加熱装置は、材質判別手段１０の判別結果によって、最適な高周波インバータ１の動作周波数を決定して加熱を行うものであり、図示していないが、共振コンデンサ４や誘導加熱コイル３を切り替えて高周波インバータ１を動作させても良い。これは、被加熱体５が鉄を材質とする場合と比較し、アルミを材質とする場合は、被加熱体５と誘導加熱コイル３を合わせたインダクタンスが低くなるために、誘導加熱コイル３と共振コンデンサ４に流れる共振電流周波数が高くなる。また、スイッチング素子２の駆動周波数とこの共振電流周波数の位相が合致したとき、つまりスイッチング素子２を駆動する周波数の整数倍の共振電流周波数となったとき、十分な共振が行われ被加熱体５が誘導加熱されやすい。

したがって、被加熱体５が誘導加熱されやすいスイッチング素子２の駆動周波数は、被加熱体５の材質によって異なる。ある材質の被加熱体５に合わせた高周波インバータ１の設計を行うと、他の材質の被加熱体５では誘導加熱されにくくなる場合が生じ、磁界の高周波化だけでなく、昇圧手段７によって高周波インバータ１の電源を所定電圧まで昇圧し、強い磁界を発生することが必要となる。

しかしながら、同時にスイッチング素子２の電圧も上昇するために、スイッチング素子２の耐圧から制限が設定されるので、それを避けるために材質判別手段１０によって共振電流周波数を変化させることにより、被加熱体５の材質にかかわらず誘導加熱できる。共振電流周波数変化のために、誘導加熱コイル３の切り替え、共振コンデンサ４の切り替えが考えられるが、誘導加熱コイル３と比較して部品体積の小さい共振コンデンサ４を複数個切り替えて使用することで、機器の筐体体積を抑えたまま、被加熱体５の材質に対する高周波インバータ１の設計自由度を高めることが可能となる。

このようなことから、加熱開始時にインバータ定数が初期状態で加熱を開始した場合、被加熱体５の材質に合致したインバータ定数でない状態で入力電力が大となると、スイッチング素子２などに過負荷をかけることとなり、破壊の原因となってしまう。したがって、入力電力を絞った状態としておくために昇圧手段７を停止させておくことが望ましい。また、そのような状態で入力電力を制御して徐々に電力を変化させることによって、誘導加熱コイル３および共振コンデンサ４に流れる共振電流と、スイッチング素子２の電圧より被加熱体５の材質を判別することを容易とするためにスイッチング素子２のデューティ制御によってきめ細かな電力制御を可能とするものである。

なお、本実施の形態においては、被加熱体５の材質判別を誘導加熱コイル３および共振コンデンサ４に流れる共振電流と、スイッチング素子２の電圧の検知で行う例を挙げたが、この他、誘導加熱コイル３および共振コンデンサ４に流れる共振電流周波数や、共振コンデンサ４の電圧、入力電流等の組み合わせによっても被加熱体５の材質判別は可能である。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、昇圧手段７が所定の電圧まで上昇するまで高周波インバータ１の駆動周波数を変更しないことにより、高周波インバータ１および昇圧手段７に過剰な負荷をかけることなく、被加熱体５を加熱することを可能とするものである。

実施の形態３で説明したように、被加熱体５の材質によって適切な駆動周波数、デューティ、共振コンデンサ４の容量が存在する。入力電力が大となりにくいデューティで昇圧動作を行った場合、入力電力を大とするために昇圧手段７を構成するスイッチング素子８のデューティを大きくしてスイッチング素子８に過負荷をかけ、破壊の原因となってしまう。したがって、被加熱体５を加熱するのに適切なデューティとしておき、必要以上に昇圧することがないようにすることで高周波インバータ１および昇圧手段７を保護することが可能となり、機器の故障を減らすことができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、高周波インバータ１の駆動周波数の制御を行った場合、昇圧電圧も変更することにより、周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力制御の分解能を大きくすることを可能とし、マイコンなどによるデジタル制御でもきめ細かな電力制御を行うことが可能となり、調理性能の向上した誘導加熱装置を提供することを可能としたものである。

既述したように、スイッチング素子２のデューティを入力電力が大となるデューティにした後、スイッチング素子２の駆動周波数を制御することによって入力電力を増やしていく。その場合、被加熱体５によっては入力電力が大となりにくい材質であった場合、図４のように、周波数−入力電力特性における入力電力が最も大となる駆動周波数により近い駆動周波数でスイッチング素子２を動作させることになる。このような状態においては、マイコンなどによるデジタル制御手段で駆動周波数を変更すると、周波数の最小変更単位で制御を行ったとしても入力電力が大きく変動してしまう。

そのような場合において、駆動周波数の制御に加え、昇圧電圧も変更することによって周波数の最小変更単位で制御した際の入力電力の変動幅を小さくすることができ、滑らかな入力電力の制御を実現することが可能となる。

また、入力電力の変動幅が大きいと昇圧電圧が変動してしまうため、周波数制御を行う際には昇圧手段７を構成するスイッチング素子８のデューティも同時に制御することで昇圧電圧の変動幅を小さくする効果も得られる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、昇圧制御の昇圧電圧に上位電圧と下位電圧を設定し、高周波インバータ１の駆動周波数を下げた場合は昇圧電圧を下位電圧とし、高周波インバータ１の駆動周波数を上げた場合は上位電圧とすることにより、マイコンなどによるデジタル制御であっても周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力を連続的に制御することを可能とするものである。

被加熱体５を加熱する際、目標とする入力電力を入れるために昇圧手段７で電源６より供給される電力を昇圧して高周波インバータ１に供給する。目標とする入力電力が大きい場合には高い電圧まで昇圧する必要が出てくるが、昇圧手段７を構成するスイッチング素子８の耐圧などの問題でデューティを上げて昇圧比率を上げ続けることは機器の保護からして不可能である。したがって、昇圧手段７が破壊に至ることのない安定した動作域までの昇圧比率、つまりはスイッチング素子８のデューティを上げた後は周波数制御を行うものである。こうすることによって、被加熱体５として入力電力が大となりにくい材質であった場合でも、周波数−入力電力特性における入力電力が最も大となる駆動周波数からできる限り遠い駆動周波数でスイッチング素子２を動作させることとなり、スイッチング素子２の損失が大とならないようにしてスイッチング素子２を保護することが可能となる。

昇圧手段７はスイッチング素子８のデューティを広げて昇圧手段７が破壊に至ることのない安定した動作域まで昇圧する。その安定動作域である昇圧電圧に幅を持たせることによって、周波数制御と昇圧制御の組み合わせによって電力制御の分解能を大きくすることを可能とし、マイコンなどによるデジタル制御でもきめ細かな電力制御を行うことが可能となる。

つまり、周波数−入力電力特性には、図４のような特性がある。この特性によれば、周波数を一定値だけ変更したとしても、曲線の傾きが最大値に近づくほど大きくなっているために入力電力の変化量は異なる。したがって、マイコンなどによるデジタル制御を行った際に高周波インバータ１の周波数の制御量と入力電力の変化量が一定の関係でないということを意味し、入力電力制御が困難なものとなる。

そこで、周波数制御と昇圧制御を組み合わせることによって、周波数制御による入力電力の変化量が一定値となるように同時に昇圧制御を行うために昇圧電圧に幅を持たせるものであって、こうすることによって、入力電力をリニアに制御することが可能となり、制御を容易とするとともにきめ細かな電力制御が可能となる誘導加熱装置を提供することができる。

つまり、マイコンなどによるデジタル制御手段で周波数制御と昇圧制御を行った場合、マイコンの特性や使用方法などによっても異なるが、マイコンで操作可能な制御最小単位である１デジットの変更による電力制御の変化量が、昇圧制御における１デジットの変更よりも周波数制御の方が大きい。つまり、周波数制御を行う１デジットが、昇圧制御を行う数デジット分に相当する入力電力が変化する。

そこで、きめ細かく電力制御を行うために、昇圧制御で電力を増加させていき、上位電圧を超えたときに初めて周波数制御を行う。その際、昇圧手段７の昇圧電圧も変更し、上位電圧よりも低い電圧とする。それが下位電圧であってもかまわない。そうすることによって、周波数制御によって入力電力を増加させる方向、昇圧制御によって入力電力を減少させる方向となり、その合算で現状より少しだけ入力電力を増加させるという制御が可能となる。

逆に、入力電力が目標とする電力よりも大となった場合には入力電力を絞る必要があり、その場合には上記と逆の制御となる。つまり、昇圧制御で電力を減少させていき、下位電圧を超えたときに初めて周波数制御を行う。その際、昇圧手段７の昇圧電圧も変更し、上位電圧よりも高い電圧とする。それが上位電圧であってもかまわない。そうすることによって、周波数制御によって入力電力を減少させる方向、昇圧制御によって入力電力を増加させる方向となり、その合算で現状より少しだけ入力電力を減少させるという制御が可能となる。

（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるので、相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、入力電力の中途までは高周波インバータ１の駆動周波数のみで入力電力制御を行い、それ以降は駆動周波数制御と昇圧制御の両方で入力電力制御を行うことにより、加熱初期は目標とする入力電力に早く到達させるために周波数制御を行い、それ以降はオーバーシュートをしないようにするために駆動周波数制御と昇圧制御を併用することで目標電力に到達させ、起動の早さと高周波インバータの保護を両立させるものである。

実施の形態６で説明した制御方法によれば、マイコンなどによるデジタル制御手段であっても入力電力をきめ細かな電力制御が可能となる。しかしながら、目標とする入力電力まで早く到達したい場合には上記の方法ではステップ数が多くなるために時間がかかりすぎる。したがって、入力電力の中途までは高周波インバータの駆動周波数のみで入力電力制御を行うことによって入力電力を大幅に変更して入力電力を増加させて、それ以降は駆動周波数制御と昇圧制御の両方で入力電力制御を行うことによってきめ細かな電力制御を行う。そうすることによって、入力電力が目標とする電力よりも大幅にオーバーシュートすることなく入力電力に到達することが可能となる。それはすなわち、高周波インバータ１を構成する部品への負担を減らすことが可能となり、機器の故障を防ぐことが可能となる。

上記した各実施の形態３〜６で説明してきたとおり、被加熱体５の材質によって適切な駆動周波数、デューティ、共振コンデンサ４の容量がそれぞれ存在する。また、周波数−入力電力特性には図４のような相関があり、入力電力が最も大となる駆動周波数により近い駆動周波数でスイッチング素子２を動作させた場合、被加熱体５が移動したような場合は高周波インバータ１の負荷状態が変わるために入力電力を維持するための制御を行い、その際にスイッチング素子２の損失が大となる過負荷の状態で動作し、スイッチング素子２の破壊につながる場合がある。このような状態を避けるため、制御の順序の効果を説明してきた。

この一連の制御内容を時系列でまとめた図２を参照しながら、流れを説明する。

ＳＴＥＰ１では、機器の使用者によって加熱開始の要求が行われると、入力電力が大とならないようなスイッチング素子２の駆動周波数とデューティとしておき、高周波インバータ１の動作を開始する。その際、昇圧手段７は停止する。こうすることで、高周波インバータ１の動作開始とともに急激に被加熱体５に入力電力が入り、スイッチング素子２のロスが大となって破壊に至ることを防止している。その際、昇圧手段７は動作を停止しているため、高周波インバータ１には電源６の電圧が供給される。

ＳＴＥＰ２では、昇圧手段７は停止したまま高周波インバータ１のデューティを変更する。高周波インバータ１の周波数は固定とする。その際、被加熱体５の材質判別を行う。これは、昇圧手段７を停止することで入力電力を制限する。そして周波数制御も行わないので、スイッチング素子２の駆動周波数を入力電力が小となる周波数を選択して入力電力を確実に小とすることができる。このような状態において、オンオフデューティ制御を行っても入力電力は大きく変化しないため、きめ細かな電力制御を可能とするものである。

このような入力電力の小さい状態で被加熱体５の材質判別を行うことによって、高周波インバータ１に過負荷をかけることなく材質判別が可能となる。

ＳＴＥＰ３では、昇圧手段７は停止したまま高周波インバータ１の周波数を変更する。高周波インバータ１のデューティは固定とする。その間に被加熱体５の材質を調べるために材質判別手段１０を動作させる。これはＳＴＥＰ２だけでは被加熱体５の材質が判別できない場合があるため、周波数を変更することによって材質判別を容易にするためである。このときも昇圧手段７は停止しているので、入力電力は小さいままである。

ＳＴＥＰ４では、高周波インバータ１のデューティを変更して、被加熱体５に電力を入れていく。その際、高周波インバータ１の周波数は材質判別手段１０の判別結果に応じた値で固定とし、昇圧手段７も停止とする。これにより、高周波インバータ１のデューティを変更するだけで入力電力が大となるような被加熱体５でも安全に加熱することができる。ただし、被加熱体５の材質によってはこのステップをとばしても良い。すなわち、高周波インバータ１のデューティを変更しただけでは入力電力がほとんど大きくならないような場合はあまり意味をなさないからである。

ＳＴＥＰ５では、材質判別手段１０の判別結果に応じて共振コンデンサ４を切り替える場合には切り替え、高周波インバータ１の駆動周波数を決定する。駆動周波数に応じて入力電力が大となるデューティとし、昇圧手段７を動作させ、昇圧手段７を構成するスイッチング素子８のデューティを広げて昇圧手段７が破壊に至ることのない安定した動作域まで昇圧する。こうすることによって、昇圧手段７を安全に動作させることができる。

ＳＴＥＰ６では、昇圧手段７は昇圧電圧を維持するよう動作し、高周波インバータ１はデューティを固定として周波数を変更して入力電力を大としていく。このような制御によって、高周波インバータ１および昇圧手段７を保護し、確実に入力電力を制御することが可能となる。

目標とする入力電力の中途までは周波数制御によって入力電力を増加させていき、目標とする入力電力に近くなれば昇圧制御と周波数制御の両方で入力電力を増加させていく。このような制御とすることによって、目標とする入力電力に早く到達し、かつ入力電力がオーバーシュートして部品に過負荷をかけることなく実現できるものである。

また、周波数制御をする際に昇圧手段７を構成するスイッチング素子８のデューティも同時に制御することで昇圧電圧の変動幅を小さくすることができ、制御性を良くすることができる。

以上述べてきたように、マイコンなどによるデジタル制御でもきめ細かな電力制御を行うことが可能となることで、きめ細かな電力制御を必要とする炊飯や、煮込みなどのオート調理メニューを実現した誘導加熱装置を提供することが可能となる。また、マイコンなどによるデジタル制御を用いることによって、機器を安価に提供することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、マイコンなどによるデジタル制御でも被加熱体がどのような種類であるかを判定し、きめ細かな電力制御を実現することができるので、きめ細かな電力制御を必要とする誘導加熱を利用した炊飯器や、煮込みなどのオート調理メニュー機能を実現した誘導加熱調理器、その他誘導加熱を利用したプリンターや加熱機器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１〜７における誘導加熱装置の概略構成図 同誘導加熱装置の制御フローを示す図 従来の誘導加熱装置の概略構成図 誘導加熱装置の駆動周波数−入力電力特性を示す図 誘導加熱装置のオンオフデューティ−入力電力特性を示す図

符号の説明

１ 高周波インバータ
２ スイッチング素子
３ 誘導加熱コイル
４ 共振コンデンサ
５ 被加熱体
６ 電源
７ 昇圧手段
８ スイッチング素子
９ 平滑コンデンサ
１０ 材質判別手段

Claims (7)

1. 高周波インバータと、この高周波インバータに昇圧電源を供給する昇圧手段と、前記高周波インバータを構成するスイッチング素子に接続する誘導加熱コイルおよび共振コンデンサと、前記誘導加熱コイルにより加熱される被加熱体と、前記被加熱体の材質判別手段とを有し、被加熱体の加熱開始時は、昇圧手段の動作を停止し、高周波インバータを構成するスイッチング素子の駆動周波数を変更し、その間に前記材質判別手段により前記被加熱体の材質を判別する誘導加熱装置。
2. 被加熱体の加熱開始時は、高周波インバータを構成するスイッチング素子のデューティ制御のみで入力電力制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 高周波インバータを構成するスイッチング素子のデューティを入力電力が大となるデューティにした後、昇圧手段を動作させる請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 昇圧手段が所定の電圧まで上昇するまで高周波インバータの駆動周波数を変更しない請求項１に記載の誘導加熱装置。
5. 高周波インバータの駆動周波数の制御を行った場合、昇圧電圧も変更する請求項１に記載の誘導加熱装置。
6. 昇圧制御の昇圧電圧に上位電圧と下位電圧を設定し、高周波インバータの駆動周波数を下げた場合は昇圧電圧を下位電圧とし、高周波インバータの駆動周波数を上げた場合は上位電圧とする請求項５に記載の誘導加熱装置。
7. 入力電力の中途までは高周波インバータの駆動周波数のみで入力電力制御を行い、それ以降は駆動周波数制御と昇圧制御の両方で入力電力制御を行う請求項１に記載の誘導加熱装置。

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