JP2010142654A - 電波加温器 - Google Patents

Abstract

【課題】被加温物の特性に応じた加温が可能な電波加温器を提供すること。
【解決手段】2枚の電極板で人体等の被加温物を挟み、高周波電流を供給することによって加温する電波加温器において、高周波信号の出力回路53と、インヒ゜ータ゛ンスマッチンク゛回路55と、マッチンク゛回路53の出力が最大になるように、マッチンク゛回路を制御するマッチンク゛制御手段59、51、56、57、58と、マッチンク゛制御手段の制御出力情報に基づき、出力回路の平均出力値あるいは加温時間の少なくとも一方を制御する出力制御手段51とを設ける。上記構成によって、マッチンク゛制御手段の制御出力情報によって被加温物の熱容量あるいは比熱などの特性を推定し、平均出力値あるいは加温時間を制御することによって、被加温物の特性に応じた加温が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、腕や足の温熱治療用に用いることができる家庭用の電波加温器に関し、短波または超短波（ＨＦ〜ＶＨＦ）帯の電磁波を身体等の被加温物に照射し、電磁波が浸透することにより身体等の被加温物の組織自体を発熱させる家庭用の電波加温器に関するものである。

従来、電子レンジと同じ原理による高周波誘導加熱により身体を加温する加温装置が知られている。該装置は出力２００〜５００Ｗの高出力の電磁波を患部に当ててガン細胞を窒息死させる目的で用いられるが、高出力のため、人体表面の他の部分を冷却する必要がある。また、上記装置は水分子を振動させて加温するものであり、通常２５００ＭＨｚのＵＨＦ帯の電磁波を用いている。しかし、上記周波数は波長が短いため、大きな被加温物を温めることが困難である。

図３は、家庭用の電波加温器の使用例を示す説明図である。上記電子レンジと同じ原理による加温装置に対して、家庭用の電波加温器は人体などの大きな被加温物３０を温めるため、ＨＦ〜ＶＨＦ帯（例えば２７．１７ＭＨｚ）の電磁波を用いている。そして、２個の導子４０内の電極板１０で人体等の被加温物３０を挟み、本体２０から２枚の電極板１０間に短波または超短波（ＨＦ〜ＶＨＦ）帯の約４０Ｗ程度の高周波電流を流すことにより、人体３０を加温する。

人体に電磁波を透過させると、人体中の水分子が振動を起こし、この水分子の振動により水分子間の摩擦熱が発生し、人体組織自体が発熱する。該電磁波は、人体を十分透過するため、人体表面のみならず人体深部も加温することができる。即ち、表面の熱が内部に熱伝導するのではなく、人体の内部組織自体が発熱する。従って、上記電波加温器は身体の深部を効率よく温めることができる。

上記した従来の家庭用の電波加温器を使用する場合、加温する人体部分や導子の配置によって負荷インピーダンスが変化する。ところが、従来の家庭用の電波加温器においては、マッチング回路において、負荷インピーダンスの虚数分（インダクタンス分あるいはリアクタンス分）キャンセル手段である可変容量コンデンサを備えていたが、実数分（抵抗分）調節手段は備えていなかった。従って、加温する人体部分によって、加温不足や加温し過ぎが発生するという問題点があった。

また、加温開始時に温かさを感じるまでに時間がかかるので、出力の設定を上げすぎてしまい、結果として加温し過ぎてしまうという問題点もあった。この発明の目的は、上記従来の電波加温器の問題点を解決し、被加温物の特性に応じた適切な加温が可能な電波加温器を提供することにある。

この発明の電波加温器は、２枚の電極板で被加温物を挟み、該２枚の電極板間に高周波電流を供給することによって被加温物を加温する電波加温器において、高周波信号を出力する出力手段と、出力手段の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとのマッチングを取るマッチング手段と、マッチング手段の出力が最大になるように、マッチング手段を制御するマッチング制御手段と、マッチング制御手段の制御出力情報に基づき、出力手段の平均出力値あるいは加温時間の少なくとも一方を制御する出力制御手段とを設けたことを特徴とする。

本発明においては、上記構成によって、マッチング制御手段の制御出力情報によって被加温物の熱容量あるいは比熱などの特性を推定し、出力手段の平均出力値あるいは加温時間の少なくとも一方を制御することによって、被加温物の特性に応じた適切な加温が可能となる。

本発明においては、マッチング制御手段の制御出力情報に基づき、出力手段の平均出力値あるいは加温時間の少なくとも一方を制御する出力制御手段を設け、マッチング制御手段の制御出力情報によって被加温物の熱容量あるいは比熱などの特性を推定し、出力手段の平均出力値あるいは加温時間の少なくとも一方を制御するようにしたので、被加温物の特性に応じた適切な加温が可能となるという効果がある。また、加温開始時に通常よりも大きな出力で加温するようにしたので、使用感が改善され、また使用者が出力の設定を上げすぎてしまい、結果として加温し過ぎてしまうことが防止できる。

本発明を適用した電波加温器の要部構成を示す回路図である。 家庭用の電波加温器の導子４０の構成を示す説明図である。 家庭用の電波加温器の使用例を示す説明図である。 本発明の電波加温器の構成を示すブロック図である。 マッチング回路の容量、負荷インピーダンス、出力電力の関係を示す説明図である。 本発明の電波加温器における電波出力波形を示す波形図である。 マイクロコンピュータ５１の処理内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図４は、本発明の電波加温器の構成を示すブロック図である。発振回路５２は、例えば２７．１７ＭＨｚの交流信号を発生する。増幅回路５３は、例えばトランジスタ等の増幅素子を使用して交流信号を増幅し、４０ｗ程度の電力を出力する。フィルタ回路５４は所望の周波数（例えば２７．１７ＭＨｚ）のみを通過させるための、例えばコイルおよびコンデンサからなるバンドパスフィルタである。

マッチング回路５５は、増幅回路５３の出力を効率よく被加温物に照射するために、増幅回路５３の出力インピーダンスを導子間のインピーダンスに変換して平衡出力するインピーダンスマッチング回路である。マッチング回路５５は、例えばモータ５７、５８によってマッチング回路内のバリコンを回転させることによってマッチングを調節する。マッチング回路５５の２つの平衡出力端子（コネクタ６１）は、それぞれ外部導体を接地した同軸ケーブル（６６、６７）によって２つの導子４０の電極板１０に接続される。レベル検出回路５９は、出力端子から出力される交流信号のレベルを検出する回路である。

マイクロコンピュータ５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、アナログ／デジタル入出力回路等を備え、パネル回路６０からの動作指示に基づき、レベル検出回路５８から入力された出力信号レベル情報をＡ／Ｄ変換して取り込み、このレベル情報に基づいて、例えばレベル情報が最も高くなるように、モータドライブ回路５６を介してモータ５７、５８を制御する。そして、内蔵するタイマを使用して、所望の加温効果が得られるように、例えば発振回路５２の動作をオン／オフさせることによって出力のオン／オフを制御する。（詳細は後述する。）
パネル回路６０には、出力設定スイッチ、タイマ設定スイッチ、スタート／ストップスイッチ等の情報入力回路および出力設定表示ランプ、タイマ表示器、出力レベル表示ランプ等の表示回路が装備されている。直流電源回路５０は装置内の各回路に直流電源を供給する。

図２は、家庭用の電波加温器の導子４０の構成を示す説明図である。導子４０の電極板１０と本体の出力コネクタ６１との間は、コネクタ６２の端子６３、６４および２本の同軸ケーブル６６、６７の中心導体によって接続されている。同軸ケーブル６６、６７の外皮導体同士は接続され、コネクタの端子６５を介して本体２０のフレームグランド（筐体２１）あるいは回路グランドに接地されている。

なお、図２は、本体側コネクタ６１と導子側コネクタ６２とを切り離した場合を図示しており、導子側コネクタ６２を本体側コネクタ６１に押し込むことによって、回路出力と導子側コネクタ６２の端子６３、６４、および本体側コネクタ６１の接地端子と導子側コネクタ６２の端子６５とがそれぞれ接続される。

図１は、本発明を適用した電波加温器の要部構成を示す回路図である。発振回路５２から出力された高周波信号は、増幅回路５３によって増幅され、４０Ｗ程度の電力を出力する。フィルタ回路５４は、コイル７１およびコンデンサ７２からなるバンドパスフィルタである。

マッチング回路５５は、増幅回路５３の出力インピーダンスを導子間のインピーダンスに変換して平衡出力するインピーダンスマッチング回路である。第１の可変容量コンデンサ７３は、出力トランス７４と共に並列共振回路を構成しており、インピーダンス変換の調整を行う。第２の可変容量コンデンサ７６、コンデンサ７５、コイル７７は、負荷インピーダンスの虚数（インダクタンスあるいはリアクタンス）分をキャンセルするために作用する。

レベル検出回路５９は、ダイオード７８、コンデンサ７９、抵抗８０からなる検波回路によって、コイル７７と結合された検出用コイルから出力される、出力電流に比例した交流信号のレベルを検出し、マイクロコンピュータ５１に出力する。

マイクロコンピュータ５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、アナログ／デジタル入出力回路等を備え、パネル回路６０からの動作指示に基づき、レベル検出回路５９から入力された出力信号レベル情報をＡ／Ｄ変換して取り込み、このレベル情報に基づいて、例えばレベル情報が最も高くなるように、モータドライブ回路５６、モータ５７、５８を介して２つの可変容量コンデンサ７５、７６を制御する。

そして、内蔵するタイマを使用して、所望の加温効果が得られるように、例えば発振回路５２の動作をトランジスタ７０によってオン／オフさせることによって出力のオン／オフを制御する。（詳細は後述する。）
図５は、マッチング回路の容量、負荷インピーダンス、出力電力の関係を示す説明図である。グラフ上の複数の黒点は、人体の各部に２つの導子を当ててインピーダンスマッチングを行った場合の、図１の第２の可変容量コンデンサの値と、測定器で測定した負荷インピーダンスの実数分の関係を示してる。これらの測定結果から、コンデンサの値が大きいほど、インピーダンスの実数分が小さいことが判明した。

また、インピーダンスの実数分が小さい使用部位は、例えば足裏−足裏間、足裏−ひざ間、手のひら−肩間など加温体積（熱容量）が大きい部位であり、逆に、インピーダンスの実数分が大きい使用部位は、例えばもも、ひざ、肩など前者に比べて加温体積（熱容量）が小さい部位である。そして、加温体積（熱容量）が大きい部位においては、加温に時間がかかるために、加温器の出力を上げることによって装置の使用感が改善されるものと推定される。

そこで、本発明においては、インピーダンスマッチングを取った結果、第２の可変容量コンデンサの値が大きい場合には、その部位がインピーダンスの実数分が小さく、加温体積（熱容量）が大きい部位であるものと判定し、加温器の出力を通常よりも上げる制御を行うものである。

実際の制御としては、例えば図５に示すように、第２の可変容量コンデンサの値が第１の所定値（例えば５０ｐＦ）を超えた場合には出力を設定値よりも２０％増加させ、更に第２の所定値（例えば６０ｐＦ）を超えた場合には出力を設定値の４０％増加させるように制御する。

図６は、本発明の電波加温器における電波出力波形を示す波形図である。実施例においては、加温器の出力の調整は高周波出力のデューティー比を制御することによって行われる。図６（ａ）は加温器の高周波出力電力を示す波形図である。加温器は、所定の電力、例えば４０Ｗで高周波出力を行うオン時間と出力を行わないオフ時間からなる加温動作を一定の周期（例えば数秒）で繰り返す。従って、オン時間のデューティー比が５０％であれば、平均電力は２０Ｗとなる。

図６（ｂ）は加温器の高周波平均出力電力を示す波形図である。加温器は、後述するような方法で平均出力値を決定し、該平均出力値に対応するデューティー比で高周波出力のオン／オフを繰り返す。加温時間は例えば５分〜１５分程度の範囲でパネルから設定される。

図６（ｃ）は本発明による初期加温動作を示す波形図である。図６（ｂ）に示すような従来の均一な加温動作においては、加温開始時に温かさを感じるまでに時間がかかるので、出力の設定を上げすぎてしまい、結果として加温し過ぎてしまうという問題点があった。本発明においては、加温開始時の一定期間である初期加温時間内において、設定されている値よりも出力を大きくして温かさを感じるまでにかかる時間を短縮し、上記のような加温し過ぎになる状態を防止するものである。

初期加温時間は例えば数十秒〜数分程度で固定されていてもよいし、あるいは後述するように推定されたインピーダンス値によって増減させてもよい。また、初期平均出力値も、最大出力あるいは予め定められた所定の出力値であってもよいし、推定されたインピーダンス値によって増減させてもよい。

図７は、マイクロコンピュータ５１の処理内容を示すフローチャートである。Ｓ１０においては、パネル回路から、出力設定値、加温タイマの設定値等を読み込み、保持する。Ｓ１１においては、パネルのスタートスイッチが操作されたか否かが判定され、結果が否定の場合にはＳ１０に戻るが、肯定の場合にはＳ１２に移行する。Ｓ１２においては、加温タイマをセット（起動）する。具体的には、パネルから読み込んだ加温時間に相当する値をメモリ上のタイマ用エリアに設定する。

Ｓ１３においては、自動同調処理を行う。自動同調処理においては、レベル検出回路５９の出力レベルが最高になるように、モータドライブ回路５６、モータ５７、５８を介して２つの可変容量コンデンサ７３、７６を交互に調整する動作を数回繰り返す。

Ｓ１４においては、マッチング回路の虚数分キャンセル用の可変容量コンデンサ７６の容量が５０ｐＦ以上であるか否かが判定される。判定は、具体的には例えばモータ５７による可変容量コンデンサ７６の回転制御の回転角度が所定値以上であるか否かによって判定することができる。そして、判定結果が否定の場合にはＳ１６に移行するが、肯定の場合にはＳ１５に移行する。

Ｓ１５においては、マッチング回路の虚数分キャンセル用の可変容量コンデンサ７６の容量が６０ｐＦ以上であるか否かが判定される。判定は、具体的にはやはり回転角度が所定値以上であるか否かによって判定することができる。そして、判定結果が否定の場合にはＳ１７に移行するが、肯定の場合にはＳ１８に移行する。

Ｓ１６においては、加温パラメータとして、通常の設定値を設定する。加温パラメータとしては、平均出力値（出力デューティー比）、加温時間（タイマー値）、初期出力値、初期加温時間がある。そして、Ｓ１６においては、平均出力値、加温時間としてパネルから設定された値をそのまま設定する。また、初期出力値としては、最大出力の８０％、初期加温時間としては予め定められた時間を設定する。

Ｓ１７においては、加温パラメータとして、割り増し値１を設定する。割り増し値１は、例えば、平均出力値としてパネルから設定された値の１０％増し、加温時間としてパネルから設定された値の１０％増しを設定する。また、初期出力値としては、最大出力の９０％、初期加温時間としては予め定められた時間プラス１０秒を設定する。

Ｓ１８においては、加温パラメータとして、割り増し値２を設定する。割り増し値２は、例えば、平均出力値としてパネルから設定された値の２０％増し、加温時間としてパネルから設定された値の２０％増しを設定する。また、初期出力値としては、最大出力（１００％）、初期加温時間としては予め定められた時間プラス１５秒を設定する。

Ｓ１９においては、実際に駆動するデューティー比を設定する。例えばＳ１４における判定結果が否定で、Ｓ１６の処理が実行された場合には、初期出力値として、最大出力の８０％が設定されているので、デューティー比として８０％が設定される。なお、割り増し値が１００％以上となる場合には１００％が設定される。

Ｓ２０においては、加温時間のタイマ処理を行う。具体的には、ＣＰＵはハードウェアタイマのタイムアップ割込があるまで待ち、割込があるたびに、ソフトウェアタイマ値を加算（あるいは減算）する。そして再びハードウェアタイマをセットしてＳ２１に移行する。従って、ハードウェアタイマの割込周期でＳ２１以降の処理が実行される。

Ｓ２１においては、ソフトウェアタイマ値が加温時間値を超えたか否かが判定され、判定結果が肯定の場合にはＳ２２に移行して出力を停止し、Ｓ１０に移行するが、否定の場合にはＳ２３に移行する。

Ｓ２３においては、Ｓ１３と同様の自動同調処理が行われる。Ｓ２４においては、ソフトウェアタイマ値が初期加温時間内であるか否かが判定され、結果が肯定の場合にはＳ２６に移行し、初期加温出力値に相当するデューティー比で加温処理を実行する。また、判定結果が否定の場合にはＳ２５に移行し、通常加温出力値に相当するデューティー比で加温処理を実行する。

実際の加温処理においては、設定されているデューティー比に基づき、図６（ａ）のオン時間とオフ時間のタイマを交互に使用して時間を計測し、オン時間の間のみ、図１のトランジスタ７０をオンにして発振回路５２に電源を供給し、高周波信号を出力させる。

Ｓ２７においては、パネルから出力値の設定変更があったか否かが判定され、結果が肯定の場合にはＳ２８に移行して出力値の設定変更処理が行われ、Ｓ２０に戻る。
以上のような処理によって、加温部位の特性を推定して、該特性に基づき、適切な加温動作を行うので、加温器の使用感が改善される。

以上、本発明の実施例を開示したが、本発明には下記のような変形例も考えられる。実施例としては、第１および第２の可変容量コンデンサを使用する例を開示したが、例えば実施例のように、第２の可変容量コンデンサの調整値に基づいて、出力を制御する場合には、第１の可変容量コンデンサの代わりに固定のコンデンサを使用しても本発明を実施可能である。逆に、第１の可変容量コンデンサを使用する場合には、第１の可変容量コンデンサの調整値からインピーダンスを推定し、出力を制御することも可能である。

可変容量コンデンサとしては、軸の回転によって容量の変化するいわゆるバリコンを使用する例を開示したが、例えば複数の固定コンデンサをリレーやスイッチによって切り換える構成でもよい。また、インピーダンスマッチング回路としては実施例として開示した回路の他、公知の任意の回路を採用可能である。

加温パラメータとしては、前記したように、平均出力値（出力デューティー比）、加温時間（タイマー値）、初期出力値、初期加温時間があり、これらのパラメータの内の任意のものを推定インピーダンス値（第２の可変容量コンデンサの調整値）によって制御するようにしてもよい。なお、初期加温時間としては予め定められた時間を設定する例を開示したが、パネルから設定された出力値によって初期加温時間を増減してもよい。

また、制御特性は例えば図５に示したようなステップ状に増加する特性の他、任意の折れ線あるいは曲線の特性を実施可能であり、実施手段としては変換テーブルを用いたり、計算によって求める方法を採用可能である。

更に、平均電力の時間変化も、図６（ｃ）に示したようなステップ状の変化に限らず、例えば初期加温期間において、最初は最大電力で加温し、時間の経過と共に減少するような特性にしてもよい。
なお、実施例においては、人体の加温を行う装置に本発明を適用する例を開示したが、本発明は、電極間に高周波電流を流して被加温物を加温する任意の加温装置に適用可能である。

１０…電極板、２０…電波加温器本体、２１…筐体、３０…人体、４０…導子、５０…直流電源回路、５１…マイクロコンピュータ、５２…発振回路、５３…増幅回路、５４…フィルタ回路、５５…マッチング回路、５６…モータドライブ回路、５７…モータ、５８…レベル検出回路、５９…パネル回路、６０〜６２…コネクタ、６３、６４…コネクタ端子、６５…接地端子、６６、６７…同軸ケーブル、６８…接続、６９…コンデンサ、７０…トランジスタ、７１、７７…コイル、７２、７５、７９…コンデンサ、７３、７６…可変容量コンデンサ、７４…出力トランス、７８…ダイオード、８０…抵抗

Claims (2)

1. ２枚の電極板で被加温物を挟み、該２枚の電極板間に高周波電流を供給することによって被加温物を加温する電波加温器において、
   高周波信号を出力する出力手段と、
   出力値の設定手段と、
   加温開始から所定の初期加温期間だけ、前記出力手段の初期平均出力値を前記設定手段による設定値よりも高く制御する出力制御手段と
   を設けたことを特徴とする電波加温器。
2. 前記設定値によって、前記初期加温期間の長さあるいは初期平均出力値の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の電波加温器。

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