JP2012248292A

JP2012248292A - 誘導加熱装置

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Publication number: JP2012248292A
Application number: JP2011116568A
Authority: JP
Inventors: Yuji Fujii; 裕二藤井; Masashi Kinoshita; 雅志木下
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP5877302B2

Abstract

【課題】意図しない駆動周波数でのインバータ動作を排除し、使い勝手が良いこと。
【解決手段】第１のスイッチング手段４ａ、第２のスイッチング手段４ｄにターンオン電流を発生させて動作させる状態になったことを、負荷状態検知手段１１が区間ｃの範囲内での入力電流検知手段８の出力に対する制御要素検知手段９の出力の制限値群による制限動作から、その制限動作を外れるという変化として検知し、材質判定手段１０による負荷の材質判定動作を再実施して、変化した負荷５の電気的状態に対して適した第１のスイッチング手段４ａ、第２のスイッチング手段４ｄの駆動周波数にして、駆動周波数を変えずに誘導加熱出力を下げることでは排除されない第１のスイッチング手段４ａ、第２のスイッチング手段４ｄの意図しない熱的ストレスを除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般家庭やレストラン及びオフィス、あるいは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。

従来の誘導加熱装置を誘導加熱調理器を例に取り上げ説明する。放熱体に取り付けられたスイッチング手段を印刷配線板に取付けると共に、この印刷配線板にサーミスタ等の温度検知素子を取付けて、スイッチング手段の近傍の温度を検知し、この温度がある値に上昇したら、インバータ回路の入力を制限してスイッチング手段等のインバータ回路を構成するパワー電子部品を熱破壊から保護する技術が開示されている。

特開平１０−１５４５７９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、インバータ回路の入力の低下に比例してパワー電子部品の熱的責務も軽減される場合には有用であるが、そうでない場合、例えば、通常スイッチング手段のターンオン時はゼロ電流スイッチングをしていれば、インバータ回路の入力とスイッチング手段の損失（導通損失とターンオフ損失）はほぼ比例するが、ターンオン時にゼロ電流ではなくターンオン電流が発生するとターンオン損失が支配的となる場合があり、インバータ回路の入力を低減すべくスイッチング手段の導通時間や駆動時間比を小さくしてもスイッチング手段の導通損失及びターンオフ損失は低減するが、ターンオン損失は低減しないため、スイッチング手段の全損失の低減幅が少なく、インバータ回路の入力制限が早期に始まり、調理器の場合であれば、鍋等の負荷への誘導加熱出力が低下するタイミングが早まるため、その調理に必要な火力が得られなくなったり、最悪の場合、パワー電子部品を熱破壊保護できない場合があると言う課題を有していた。

また、インバータ回路の入力を制限しても、温度検知素子が検知する温度が更に上がる場合は、段階的に入力制限値を下げていくことも考えられるが、その場合更に負荷への誘導加熱出力が少なくなるため、使い勝手が悪いという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スイッチング手段のターンオン時にターンオン電流が生じ、インバータ回路の入力を制限してもスイッチング手段の損失が大きく低減できない場合において、その動作状態の変化を入力電流対共振電圧や共振電流といったインバータ回路に発生する制御要素の動作軌跡の変化で捉えることで、その際には負荷の材質判定を実施し直して、スイッチング手段の駆動周波数が、負荷の材質や形状や電気特性に適合させることを試みるようにして、スイッチング手段がターンオン電流を生じない駆動周波数で負荷を誘導加熱する機会を増やし、パワー部品の熱保護のための誘導加熱出力の低下による使い勝手の劣化を防止した誘導加熱装置を提供することを目的とする。

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、交流電源と、この交流電源を直流に整流する整流回路と、この整流回路の出力を高周波交流に変換して、負荷を誘導加熱する、スイッチング手段と加熱コイルと共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記インバー
タ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、その基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動すると共に、前記入力電流検知手段の出力に対する前記制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群以下になるように、前記スイッチング手段の導通時間または駆動周波数を可変制御する駆動手段と、前記入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態を検知する負荷状態検知手段を有し、前記負荷状態検知手段が前記入力電流検知手段の出力が前記所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態から、前記入力電流検知手段の前記所定の範囲外で動作している状態に変化したと検知した際に、前記スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成としたものである。

これによって、加熱開始時に判定した負荷の材質や形状が何らかの要因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの磁気結合の変化等で、最初に決定していたスイッチング手段の基本駆動周波数での動作が、変化した状態の負荷を誘導加熱するためには、スイッチング手段にターンオン電流を発生させて動作するような適さない状態になった際に、入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の動作特性曲線が変化することを用い、所定の入力電流検知手段の出力範囲内での入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の制限値群による制限動作から、その制限動作を外れるという変化を負荷状態検知手段によって検知した際に、インバータ回路の動作を停止することなく、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、現状の負荷の状態や材質に適するかどうかを、インバータ動作開始時以外にも材質判定手段で材質判定することにより、インバータ回路を再起動し負荷の材質判定を行う際に、誘導加熱が一時的に停止して所望の誘導加熱出力に到達するまでの時間が生じることに対して、所望の誘導加熱出力に速く復帰させて、誘導加熱出力の途切れを最小限に留めると共に、変化した負荷の電気的状態に対して適したスイッチング手段の基本駆動周波数にして、基本駆動周波数を変えずに誘導加熱出力を抑制することでは排除されない意図しないスイッチング手段の熱的ストレスを除去することができる。

本発明の誘導加熱装置は、所定の入力電流検知手段の出力範囲内での入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の制限値群による制限動作から、その制限動作を外れるという変化を検知する負荷状態検知手段を設けることで、加熱開始時に判定した負荷の材質や形状が何らかの要因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの磁気結合の変化等で、最初に決定していたスイッチング手段の駆動周波数が、変化した状態の負荷を誘導加熱するためには、スイッチング手段にターンオン電流を発生させて動作させる状態になったことを、所定の入力電流検知手段の出力範囲内での入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の制限値群による制限動作から、その制限動作を外れるという変化として負荷状態検知手段が検知した際には、材質判定手段による負荷の材質判定動作を再実施して、変化した負荷の電気的状態に対して適したスイッチング手段の駆動周波数にして、駆動周波数を変えずに誘導加熱出力を下げることでは排除されないスイッチング手段の熱的ストレスを除去して、パワー部品の熱保護のための負荷への誘導加熱出力を抑制する頻度を低減することで、使い勝手の劣化を防止することができる。

（ａ）本発明の実施の形態１における加熱調理器のブロック図（ｂ）本発明の実施の形態１における動作特性曲線図本発明の実施の形態１における負荷材質判定領域図（ａ）本発明の実施の形態１におけるスイッチング手段の基本駆動周波数２３ｋＨｚ時鉄材質負荷が規定位置及び非磁性ステンレスが規定位置からずれている状態の動作時電流波形図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるスイッチング手段の基本駆動周波数２３ｋＨｚ時非磁性ステンレスが規定位置にある状態の動作時電流波形図（ｃ）本発明の実施の形態１におけるスイッチング手段の基本駆動周波数３０ｋＨｚ時非磁性ステンレスが規定位置にある状態の動作時電流波形図本発明の実施の形態１における負荷状態検知手段の動作フローチャート

第１の発明は、交流電源と、この交流電源を直流に整流する整流回路と、この整流回路の出力を高周波交流に変換して、負荷を誘導加熱する、スイッチング手段と加熱コイルと共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、その基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動すると共に、前記入力電流検知手段の出力に対する前記制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群以下になるように、前記スイッチング手段の導通時間または駆動周波数を可変制御する駆動手段と、前記入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態を検知する負荷状態検知手段を有し、前記負荷状態検知手段が前記入力電流検知手段の出力が前記所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態から、前記入力電流検知手段の前記所定の範囲外で動作している状態に変化したと検知した際に、前記スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成としたものである。

これにより、通常は駆動手段によりインバータ回路のスイッチング手段を駆動して、交流電源を整流回路で整流した直流を高周波交流に変換し共振コンデンサと加熱コイルで形成される共振回路に高周波電流を発生し、加熱コイルに高周波電流を供給し、加熱コイルから発生する磁束により負荷を誘導加熱する。

この時、スイッチング手段を駆動し、インバータ回路を動作させ、負荷を誘導加熱し始めた時に、制御要素検知手段で検知したインバータ回路に発生する電気的制御要素、例えば、共振コンデンサの両端電圧や電流、加熱コイルの両端電圧や電流を基に得られる、加熱対象の負荷の電気特性から、材質や形状を材質判定手段で判定し、これによって予め定めた材質に対応した、スイッチング手段の基本駆動周波数を選択して決定し、この決定した基本駆動周波数で駆動してインバータ回路を動作させている。

負荷への誘導加熱出力の制御は、入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群以下になるように、スイッチング手段の導通時間等を可変することで行っている。

また、インバータ回路が動作している間は、スイッチング手段はスイッチング損失により発熱するが、発熱した熱はスイッチング手段を取り付けた放熱体を介して放熱し、スイッチング手段や放熱体の温度上昇を抑制している。

ここで、何らかの原因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの磁気結合の変化等で、インバータ回路動作開始時に決定したスイッチング手段の基本駆動周波数では、加熱コイルと負荷の磁気結合による相互インダクタンスと共振コンデンサとの共振周波数が変わってしまうために、スイッチング手段がターンオン電流を発生させて動作していると、ターンオン電流が無い場合に比して、スイッチング手段のスイッチング損失が増大することにより発熱量も増大し、放熱体の放熱能力を上回る発熱となるとスイッチング手段の熱的ストレスが増大し、破壊する恐れがある。

これを回避するために、上記理由により最初に決定していたスイッチング手段の基本駆動周波数での動作が、変化した状態の負荷を誘導加熱するためには、スイッチング手段にターンオン電流を発生させて動作するような適さない状態になった際に、入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の動作特性曲線が変化することを用い、所定の入力電流検知手段の出力範囲内での入力電流検知手段の出力に対する制御要素検知手段の出力の制限値群による制限動作から、その制限動作を外れるという変化を負荷状態検知手段によって検知した際に、インバータ回路の動作を停止することなく、駆動手段は変更の後、所定時間だけ固定して、その間に、インバータ回路が動作開始時に行う材質判定とは別の予め定めた判定閾値にて、材質判定手段による負荷の材質判定を行った後に、所望の入力電流になるようにインバータ回路の動作を制御する。

この動作によって、インバータ回路を再起動し負荷の材質判定を行う際に、誘導加熱が一時的に停止して所望の誘導加熱出力に到達するまでの時間差が生じることに対して、インバータ回路を停止せずに、負荷の材質判定を行うことができるので、所望の誘導加熱出力に速く復帰させて、誘導加熱出力の途切れを最小限に留めることができる。

これによって、スイッチング手段の基本駆動周波数を再選択して、状態の変わった負荷の電気特性や加熱コイルとの磁気結合に適した駆動周波数にて動作させることにより、ターンオン電流が発生しないような動作モードにして、スイッチング手段のスイッチング損失を低減し、スイッチング手段の熱的責務を軽減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段を有し、駆動手段は前記第１のスイッチング手段と前記第２のスイッチング手段を交互に駆動すると共に、前記第１のスイッチング手段及び第２のスイッチング手段の導通比または駆動時間比を増減、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減し、入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限される以外は前記入力電流検知手段が検知する値が一定になるようにすることで負荷への誘導加熱出力を制御する構成としたものである。

これにより、入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限される、例えば鍋が加熱コイルの中心からずれて載置されているとか小径鍋など火力制限の必要な負荷を加熱している場合、以外は前記入力電流検知手段が検知する値が一定になるようにすることで可能な限り負荷への所望の誘導加熱出力が得られると共に、２つのスイッチング手段を交互に駆動することで、定めた基本駆動周波数にて、駆動時間比を可変する、あるいは基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲で駆動周波数を可変することで、加熱コイルのインダクタンスや共振コンデンサの静電容量を切り替えることなく、基本駆動周波数を切り替えることにより負荷の材質に適した動作モードにすると共に、同一材質の負荷を加熱する際には基本駆動周波数が略同一にできるので、複数の誘導加熱装置にて同時動作させた時の負荷に印加される高周波磁界の周波
数差による干渉音の発生頻度を抑制して、インバータ回路の負荷への誘導加熱出力を容易に制御することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限されて動作している状態から、前記入力電流検知手段の前記所定の範囲外で動作している状態に変化したと負荷状態検知手段が検知した際に、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、材質判定手段にて負荷の材質を再判定することに代えて、前記材質判定手段での前記負荷の材質を再決定すべく、インバータ回路を再起動する構成としたものである。

これにより、スイッチング手段の駆動を一旦止め、インバータ回路の動作を停止して、再び動作させて、材質判定手段による負荷の材質判定を行った後に、所望の入力電流になるようにインバータ回路の動作を制御することで、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、別の判別閾値にて負荷の材質を再判定する場合に対して、元の誘導加熱出力に復帰するまでの時間差が大きくなるものの、別の判別閾値を設ける必要が無く、インバータ回路動作開始時に行う材質判定に用いる判別閾値と同じものを使用できるので、判別閾値を決定する設計要因を減らして簡単にすることができると共に、この判別閾値を記憶しておくマイクロコンピュータ等の記憶領域を低減することができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、所定の値は、この所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した構成としたものである。

これにより、インバータ回路を構成するスイッチング手段等のパワー部品の電気的や熱的責務を、現動作時より増加することなく、低減した状態で負荷の材質判定を行うことができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明において、制御要素検知手段が検知するインバータ回路に発生する電気的制御要素を、共振コンデンサの両端電圧または電流とした構成としたものである。

これにより、抵抗やカレントトランス等の比較的小型で安価な電子部品で簡潔に検知回路を構成できる。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明において、制御要素検知手段が検知するインバータ回路に発生する電気的制御要素を、加熱コイルの両端電圧または電流とした構成としたものである。

以下本発明の誘導加熱装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。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）
以下、本発明の実施の形態を誘導加熱調理器を例に取り上げ、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。また、図１（ｂ）は本発明の実施の形態における動作特性曲線図、図２は本発明の実施の形態における負荷材
質判定領域図、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の実施の形態におけるスイッチング手段の動作時電流波形図、図４は本発明の実施の形態における負荷状態検知手段の動作フローチャートである。

図１（ａ）において、交流電源１を整流するブリッジ接続されたダイオードから成る整流回路２、チョークコイル３ａ及びコンデンサ３ｂからなる平滑回路３、第１のスイッチング手段４ａと第２のスイッチング手段４ｄと共振コンデンサ４ｂと加熱コイル４ｃを含むインバータ回路４を備え、加熱コイル４ｃから高周波電流を供給されることにより鍋等の負荷５に高周波交番磁界を印加して誘導加熱を行う。

制御回路６はインバータ回路４の動作を制御するため、第１のスイッチング手段４ａと第２のスイッチング手段４ｄを交互にオンオフ駆動し、その駆動時間比、或いは駆動周波数を可変して加熱コイル４ｃへ供給する高周波電流を制御する駆動手段７と、インバータ回路４の入力電流（Ｉｉｎ）を検知する入力電流検知手段８と、被加熱体となる鍋等の負荷５への誘導加熱出力に対応した制御要素値を検知する制御要素検知手段９と、制御要素検知手段９の出力から負荷５の有無及び材質を判定する材質判定手段１０と、入力電流検知手段８の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限されて動作している状態を検知する負荷状態検知手段１１を備える。

尚、本実施の形態では制御要素検知手段を共振コンデンサ４ｂの両端電圧（Ｖｃ１）を検知する共振電圧検知手段９とした場合を説明する。

駆動手段７がインバータ回路４の第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄを駆動して、交流電源１を整流回路２で整流し、平滑回路３で平滑した直流を高周波交流に変換し、加熱コイル４ｃに高周波電流を供給し、加熱コイル４ｃから発生する磁束により負荷５である鍋を誘導加熱する。負荷５の加熱火力は、駆動手段７の出力で第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動タイミングを変化させて、加熱コイル４ｃに供給する高周波電流を変化させて制御している。

この時、入力電流検知手段８の出力が所定の範囲内で共振電圧検知手段９の出力が予め定めた制限値群以下に制限される、例えば鍋が加熱コイルの中心からずれて載置されているとか小径鍋など火力制限の必要な負荷を加熱している場合（図１（ｂ）の動作ａ）、以外（図１（ｂ）の動作ｂ）は入力電流検知手段８が検知する値が所望の値になるように、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比を増減、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減して負荷５への誘導加熱出力を制御することで可能な限り負荷への所望の誘導加熱出力が得られるようにしている。

本実施の形態では第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比は、第２のスイッチング手段４ｄの導通時間に対する第１のスイッチング手段４ａの導通時間の比であり、この駆動時間比が予め定めた最小値から最大値に増加させることで、負荷５の誘導加熱出力も単調増加するように、共振コンデンサ４ｂの静電容量、加熱コイル４ｃのインダクタンス、加熱コイル４ｃと負荷５との距離等を設定している。

基本駆動周波数は、インバータ回路４の動作開始時（起動時）に得られる、本実施の形態では、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小設定とした際の、負荷５の材質や形状に起因する共振電圧検知手段９の出力に基づいて、図２に示すような予め定めた材質判定領域に応じて、鉄や有磁性ステンレス等の高透磁率、低導電率の負荷５であれば、第１の基本動作周波数２３ｋＨｚ、非磁性ステンレス等の低透磁率、低導電率の負荷５では第２の基本動作周波数３０
ｋＨｚとして誘導加熱し、前記２種の材質でも加熱コイル４ｃとの磁気結合が弱くなるナイフ等の小物、小径鍋、あるいはアルミ等の低透磁率、高導電率の負荷５、あるいは無負荷状態では、負荷無しであると判断して、誘導加熱しないようにしている。誘導加熱する場合は、この決定した基本駆動周波数で第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比を増減して負荷５への誘導加熱出力を制御するが、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比を最大にしても、所望の入力電流に到達しない場合、本実施の形態では、基本駆動周波数から更に２ｋＨｚを上限として、駆動周波数を減じて所望の入力電流に可能な限り近づくような制御を行っている。これは、同一材質の複数の負荷５を複数のインバータ回路４にて同時に誘導加熱した際には、各負荷に印加される高周波磁界の周波数を略同一にして、周波数差に起因する可聴域の干渉音の発生頻度を抑制するものである。また、誘導加熱可能と判定した負荷５の材質に依って、基本駆動周波数を切り替えるようにしているのは、共振コンデンサ４ｂの静電容量や加熱コイル４ｃのインダクタンスをリレー等の大容量接点で切り替えること無く、基本駆動周波数を切り替えることによって、負荷５の材質に適した動作を実現するためであり、鉄や有磁性ステンレス等の高透磁率、高導電率材質の負荷５では、加熱コイル４ｃとの結合が強く、加熱コイル４ｃとの相互インダクタンスが大きくなり、高い駆動周波数では最大誘導加熱出力が小さくなるため、可聴域以上で可能な限り駆動周波数を低く設定することにより所望の誘導加熱出力を得やすくしている。

インバータ回路４が動作している間は、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの導通損失及びスイッチング損失によって各スイッチング手段は発熱するが、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄはアルミニウム等から成る放熱体（図示せず）に取り付けられ熱接続されているので、放熱体を介して放熱される。

さらにインバータ回路４の動作が続くと第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの発熱が継続し、放熱体の温度も上昇する。この状態が続き第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの温度が上昇し続け、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの許容耐熱温度を超えると第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄは熱暴走あるいは熱破壊を生じインバータ回路４は動作不能となる。そこでインバータ回路４の動作中は第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの温度上昇を抑制するために、冷却ファン（図示せず）により冷却風を主に放熱体（図示せず）及び第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄに送っている。

一般的にはインバータ回路４の入力電力の増加に伴って加熱コイル４ｃと共振コンデンサ４ｂの損失、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄのスイッチング損失も増加して、これに伴う発熱も増加する。逆にインバータ回路４の入力電力が減少すれば、加熱コイル４ｃと共振コンデンサ４ｂの損失、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄのスイッチング損失も減少して、これに伴う発熱も減少する。

しかし、本実施の形態のように、インバータ回路４の動作開始時に共振電圧検知手段９にて検知した値に基づき材質判定手段１０にて決定した負荷５の材質や形状に対応したインバータ回路４の動作状態、つまり加熱するかどうか、加熱する場合の基本駆動周波数をどれにするかを決定するので、例えば、加熱コイル４ｃと負荷５の相対的な位置がインバータ回路４の動作開始時に材質判定した直後と、その後で相対的な位置が異なったり、加熱コイル４ｃと負荷５の相対的な位置は変わらずとも、負荷５の電気的特性が加熱による熱によって変化してしまうような場合、等では、加熱を継続する際には本来加熱対象の負荷５の材質や形状に適したインバータ回路４を動作させる基本駆動周波数ではない場合が
発生する。

例えば、本来、加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置であれば、低透磁率、高抵抗である非磁性ステンレス材質の負荷５で基本駆動周波数を３０ｋＨｚとして動作させるのが適している負荷５であっても、加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置から有る程度以上ずれたり離れたりしていると、高透磁率、高抵抗の鉄や有磁性ステンレス材質の負荷５と判別して、基本駆動周波数を２３ｋＨｚとして図１（ｂ）の動作ａに示す予め定めた入力電流検知手段８の出力範囲である区間ｃ内の共振電圧制限値群と交差するａ点で、図３（ａ）に示す波形で動作する。この状態のままであれば、加熱コイル４ｃから見た負荷５の電気特性は鉄や有磁性ステンレス材質であり、ターンオン電流を生じて動作することは無いが、加熱の途中で加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置に戻されてしまうと、図１（ｂ）の動作ｂに示す区間ｃを外れた、設定した入力電流制御値と交差するｂ点で、図３（ｂ）のように第１のスイッチング手段４ａがターンオン電流を伴う動作となる場合がある。

この時は、第１のスイッチング手段４ａのターンオン損失が著しく増大するため、冷却ファン（図示せず）の能力を超えて、加熱継続すると第１のスイッチング手段４ａが熱破壊する。これを回避するため、本実施の形態では、図１（ｂ）の動作ａにて、予め定めた入力電流検知手段の出力範囲の区間ｃで共振電圧制限値群により誘導加熱出力が制限されている状態から、予め定めた入力電流検知手段の出力範囲を外れて図１（ｂ）の動作ｂで動作することに変わったことを負荷状態検知手段１１が検知した場合は、インバータ回路４の動作を一時停止して約２秒後に再スタートさせて、材質判定手段１０での負荷５の材質、形状判定をやり直す動作をする。

この時の具体的な負荷状態検知手段１１は図４に示す条件判断を成すことにより、動作状態の変化を判断している。これにより、負荷５の状態に応じた基本駆動周波数を再選択して、負荷５が略規定の位置に有れば、基本駆動周期数は３０ｋＨｚが選択され、図３（ｃ）に示す動作にして、これ以降にターンオン電流を伴う動作をする機会を排除する。この後は、入力電流検知手段８の検知した値が所望の値となるように、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比または駆動周波数を調整する動作を行う。

この材質判定動作を行うことで、インバータ回路動作開始時に行う材質判定に用いる図２に示す判別閾値と同じものを使用して、判別閾値を決定する設計要因を減らすと共に、この判別閾値を記憶しておくマイクロコンピュータ等の記憶領域量を低減している。

図４のフローチャートで２つ目の条件分岐に「１秒以上」という時間の要素を入れているのは、使用者が調理の際鍋を振ったりして、短時間に条件Ａを満たしてしまうことによる不要な再材質判定動作を回避するためであり、この時間は適宜量で設定している。

但し、この時、インバータ回路４が再起動することによる誘導加熱動作の中断時間が長くなることが問題となる場合は、インバータ回路の動作を停止せず、設定されているインバータ回路４への所望の入力電流よりも小さくなる方向に第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動時間比を調整してインバータ回路４への入力電流を減少して第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの電気的、熱的責務が少ない状態にすると共に、その駆動時間比を一定時間、本実施の形態では約１秒間（インバータ回路再起動時の待機時間約２秒よりも短い時間）固定して、その間に材質判定手段１０で別に定めた材質判定領域に基づいて負荷５の材質判定を実施し、負荷５に適した基本駆動周波数を再選択する動作を行うことで誘導加熱動作の中断を無くし、誘導加熱出力を元の出力より規定量だけ低下させた状態で可能として、材質再判定動作に伴う誘導加熱出力の低下時間を短縮し且つ、所望の誘導加熱出力への復帰を早めることができる。

また、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小にして材質判定するようにすれば、インバータ回路動作開始時の材質判定領域と同じものを使用できる。

本実施の形態では、インバータ回路４はスイッチング手段を２個含む構成としているが１個及び３個以上有する構成、共振コンデンサを１個含む構成としているが２個以上有する構成、加熱コイルを１個含む構成としているが２個以上有する構成であっても、同様の効果が得られるのは言うまでもない。

また、温度検知手段の設置箇所はスイッチング手段の発熱状態を相対的な相関に依って推定できる箇所であれば印刷配線板上のどこでも良く、加えて本実施の形態では温度検知手段を１個含む構成としているが、２個以上有する構成として複数の温度測定箇所で温度検知を行い、さらに細かい温度検知が可能となることは言うまでもない。

更に、負荷の材質判定に用いるインバータ回路から得られる制御要素を共振コンデンサの両端電圧としているが、共振コンデンサ電流、加熱コイル両端電圧、加熱コイル電流等、インバータ回路の動作状態を規定できる要素でも同様の効果が得られる。

また、本実施の形態ではアルミ等の低透磁率、高導電率の材質の負荷は加熱しない設定としているが、加熱する設定としても同様の効果がある。本実施の形態では、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小設定とした際の、負荷５の材質や形状に起因する共振電圧検知手段９の出力に基づいて、負荷５の材質を判定し、それに適した基本駆動周波数を決定しているが、例えば、第１のスイッチング手段４ａ及び第２のスイッチング手段４ｄの駆動周波数を６０ｋＨｚから３０ｋＨｚへと減じて、共振電圧検知手段９の出力の値にて、負荷５の材質を判別する方法等でも有用であり、負荷５の材質判定方法に関係なく、同様の効果を得られる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、誘導加熱を用いて金属製負荷を所望の誘導加熱加出力にて加熱する際に有用となるので、家庭用で有れば、誘導加熱調理器、誘導加熱炊飯器等に有効である。

１交流電源
２整流回路
４インバータ回路
４ａ第１のスイッチング手段
４ｂ共振コンデンサ
４ｃ加熱コイル
４ｄ第２のスイッチング手段
５負荷
６制御回路
７駆動手段
８入力電流検知手段
９共振電圧検知手段（制御要素検知手段）
１０材質判定手段
１１負荷状態検知手段

Claims

交流電源と、この交流電源を直流に整流する整流回路と、この整流回路の出力を高周波交流に変換して、負荷を誘導加熱する、スイッチング手段と加熱コイルと共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、その基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動すると共に、前記入力電流検知手段の出力に対する前記制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群以下になるように、前記スイッチング手段の導通時間または駆動周波数を可変制御する駆動手段と、前記入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態を検知する負荷状態検知手段を有し、前記負荷状態検知手段が前記入力電流検知手段の出力が前記所定の範囲内で前記制御要素検知手段の出力が前記予め定めた制限値群に制限されて動作している状態から、前記入力電流検知手段の前記所定の範囲外で動作している状態に変化したと検知した際に、前記スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成の誘導加熱装置。
第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段を有し、駆動手段は前記第１のスイッチング手段と前記第２のスイッチング手段を交互に駆動すると共に、前記第１のスイッチング手段及び第２のスイッチング手段の導通比または駆動時間比を増減、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減し、入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限される以外は前記入力電流検知手段が検知する値が一定になるようにすることで負荷への誘導加熱出力を制御する構成の請求項１に記載の誘導加熱装置。
入力電流検知手段の出力が所定の範囲内で制御要素検知手段の出力が予め定めた制限値群に制限されて動作している状態から、前記入力電流検知手段の前記所定の範囲外で動作している状態に変化したと負荷状態検知手段が検知した際に、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、材質判定手段にて負荷の材質を再判定することに代えて、前記材質判定手段での前記負荷の材質を再決定すべく、インバータ回路を再起動する構成の請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
所定の値は、この所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した構成の請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
制御要素検知手段が検知するインバータ回路に発生する電気的制御要素を、共振コンデンサの両端電圧または電流とした構成の請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
制御要素検知手段が検知するインバータ回路に発生する電気的制御要素を、加熱コイルの両端電圧または電流とした構成の請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。