JP2014010927A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンの発振停止を短時間で確実に検出するものである。
【解決手段】被加熱物に高周波エネルギーを発振して加熱するマグネトロン３１と、該マグネトロンに供給する電源電圧を生成するインバータ回路４８と、該インバータ回路の入力電流値を検出する入力電流検出手段５２と、該入力電流検出手段が検出した入力電流値に応じて前記インバータ回路が生成する電源電圧を制御する制御手段５３と、を備えた高周波加熱装置において、前記制御手段には、前記入力電流検出手段が検出した入力電流値を記憶する記憶手段５３ｂを設け、一定時間以上前に前記記憶手段に記憶した入力電流値から、前記入力電流検出手段が検出している入力電流値を減算した値が、一定値以上である時に、前記インバータ回路を停止するものである。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マグネトロンを駆動するインバータ電源を備えた高周波加熱装置に関するものである。

従来の特許文献１に示すマグネトロン駆動用の制御回路において、マグネトロンが発振する高周波出力に対応した電流が流れるように、入力電流検出回路の検出した電流値が小さい場合は、マグネトロンに印加する電圧を高くするようにデータ信号（ｃ）のＯＮ時間の比率を大きくしてマグネトロンが発振する高周波出力を大きくするように動作する。また、検出した電流が大きい場合は、マグネトロンに印加する電圧を小さくするようにデータ信号のＯＮ時間の比率を小さくしてマグネトロンが発振する高周波出力を小さくするように動作するものである。

特開２０１０−１２３３５６号公報

上記背景技術においては、マグネトロンに何らかの不具合が発生して、マグネトロンの発振が停止し、要求のあった高周波出力に対応した電流値が流れていない場合は、マグネトロンに印加する電圧を大きくするようにデータ信号のＯＮ時間の比率を大きくしてマグネトロンが発振する高周波出力を大きくするように動作するため、前記不具合の検出に時間を要していた。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、被加熱物に高周波エネルギーを発振して加熱するマグネトロンと、該マグネトロンに供給する電源電圧を生成するインバータ回路と、該インバータ回路の入力電流値を検出する入力電流検出手段と、該入力電流検出手段が検出した入力電流値に応じて前記インバータ回路が生成する電源電圧を制御する制御手段と、を備えた高周波加熱装置において、前記制御手段には、前記入力電流検出手段が検出した入力電流値を記憶する記憶手段を設け、一定時間以上前に前記記憶手段に記憶した入力電流値から、前記入力電流検出手段が検出している入力電流値を減算した値が、一定値以上である時に、前記インバータ回路を停止するものである。

本発明によれば、マグネトロンの発振停止を短時間で確実に検出でき、信頼性を向上させることができる。

一実施例のマグネトロン駆動用の制御回路を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 高周波加熱装置の制御を説明するブロック図。 本実施例のマグネトロン駆動用電源を説明する制御ブロック図。 制御ブロック図の主要部の電圧波形図。 マグネトロンの正常発振時と発振が停止したときの一次電流の波形。 マグネトロンの発振が停止した時の実効電流の変化を示す説明図。

以下、本発明の実施例を添付図面に従って説明する。
図１は本実施例のマグネトロン駆動用の制御回路を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図、図２は図１のＡ−Ａ部の断面図、図３は高周波加熱装置の制御を説明するブロック図を示す。

図において、高周波加熱装置の本体１は、加熱室１７に加熱する食品を入れ、高周波エネルギーやヒータの熱を使用して食品を加熱調理する。

ドア２は、加熱室１７の内部に食品を出し入れするために開閉するもので、ドア２を閉めることで加熱室１７を密閉状態にし、食品を加熱する時に使用する高周波の漏洩を防止し、ヒータの熱を封じ込め、効率良く加熱することを可能とする。

取っ手７は、ドア２に取り付けられ、ドア２の開閉を容易にするもので、手で握りやすい形状になっている。

ガラス窓４は、調理中の食品の状態が確認できるようにドア２に取り付けられ、ヒータ等の発熱による高温に耐えるガラスを使用している。

入力手段５は、ドア２の前面下側の操作パネル３に設けた表示部５ａと操作部５ｂからなり、操作部５ｂは、高周波加熱やヒータ加熱等の加熱手段や加熱の強さや加熱する時間等の調理条件を入力するためのもので、表示部５ａは、操作部５ｂから入力された内容や調理の進行状態を表示するものである。

排気口８は、部品を冷却した後の冷却風や食品を加熱した時に発生した蒸気を排出するところである。

機械室１８は、加熱室１７下部に設けられた空間で、空間内には、食品を加熱するためのマグネトロン３１、マグネトロン３１に接続された導波管２１、マグネトロン３１の電源を供給するマグネトロン駆動用電源３０が搭載されたインバータ基板、その他後述する各種部品、これらの各種部品を冷却する冷却手段６２等が取り付けられている。

加熱室１７の底面の略中央部は凹状に窪んでおり、その中に回転アンテナ１９が設置され、マグネトロン３１の発振により放射される高周波エネルギーは、導波管２１、回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａが貫通する結合穴２２を通して回転アンテナ１９の下面に流入し、該回転アンテナ１９で拡散されて加熱室１７内に放射される。回転アンテナ１９は、回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａに連結されている。

加熱室１７の後部には熱風ユニット１１が取り付けられ、熱風ユニット１１内には加熱室１７内の空気を効率良く循環させる熱風ファン１５と熱風ヒータ１４が取り付けられ、加熱室奥壁面には熱風の通り道となる孔が設けられている。

熱風ファン１５は、熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３の駆動により回転し、加熱室奥壁面に設けた孔を通して加熱室１７との間で空気を循環し、熱風ヒータ１４で循環する空気を加熱する。

加熱室１７の天面の裏側には、ヒータよりなるグリル加熱手段１２が取り付けられている。グリル加熱手段１２は、マイカ板にヒータ線を巻き付けて平面状に形成し、加熱室１７の天面裏側に押し付けて固定し、加熱室１７の天面を加熱して加熱室１７内の食品を輻射熱によって焼くものである。

温度検出手段１６は、各ヒータで加熱される加熱室１７の温度を検出するもので、検知手段としてサーミスター等が使用される。

テーブルプレート２０は、食品を載置するためのもので、ヒータ加熱と高周波加熱の両方に使用できるように耐熱性を有し、かつ、高周波の透過性が良く、衛生面でも問題がない磁器等の材料で成形されている。

つぎに、図３のブロック図について説明する。
４１は交流電源で、本体１の制御部や各電気部品を動作させるものである。

６０はレンジ加熱手段で、被加熱物である食品に高周波エネルギーを発振して加熱するマグネトロン３１とマグネトロン駆動用電源３０から構成し、主制御手段６によって入力手段５より入力された加熱の強さをパワー信号６ａに変換してマグネトロン駆動用電源３０の制御回路５０に送られる。

６１はオーブン加熱手段で、前述した熱風ユニット１１と熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３からなり、主制御手段６によって加熱室１７の温度が入力手段５から入力された温度になるように加熱室１７の温度を温度検出手段１６により検出し、熱風ヒータ１４の電力を調整する。

６２は冷却手段で、加熱動作時に自己発熱部品や発熱部品からの熱伝導によって熱的に不具合を発生する部品を冷却するもので、レンジ加熱手段６０が動作している時は、特にマグネトロン３１やマグネトロン駆動用電源３０を冷却するものである。

６は主制御手段で、入力手段５から入力された内容に従い、食品を加熱調理するように各加熱手段を動作させ、温度検出手段１６の検知温度に応じてオーブン加熱手段６１やグリル加熱手段１２のヒータの電力を調整するものである。

次に、マグネトロン３１とマグネトロン駆動用電源３０の動作について、図４のマグネトロン駆動用電源３０を説明する制御ブロック図と、図５の制御ブロック図の主要部の電圧波形図を用いて説明する。

初めに、マグネトロン駆動用電源３０について説明する。
４１は交流電源で、商用電源から供給される交流の電源である。

４２は整流回路で、電源４１から供給された交流の電源を直流化するものである。

４３は電源平滑回路で、整流回路４２で整流された電源を平滑するものである。

４６は昇圧トランスで、一次側コイルに印加された電圧を昇圧して二次側コイルに高い電圧を誘起させるものである。

４４はスイッチング素子で、スイッチング素子４４は昇圧トランス４６の一次側コイルに流す電流を高周波（２０Ｋ〜４０KHz）でＯＮ、ＯＦＦするものである。

４５は共振コンデンサで、共振コンデンサ４５と昇圧トランス４６の一次側コイルのインダクタンスによって、スイッチング素子４４がＯＮからＯＦＦした後も、昇圧トランス４６の一次側コイルに電流が交流的に流れ、昇圧トランス４６の二次側コイルに電圧を誘起する。そして、スイッチング素子４４のＯＮ、ＯＦＦする時間の比率を調整することで二次側に発生する電圧の高さを調節するもので、以上説明した電源平滑回路４３、スイッチング素子４４、共振コンデンサ４５、昇圧トランス４６によってインバータ回路４８を構成する。

４７は高圧回路で、昇圧トランス４６の二次側コイルに誘起した高周波電圧を倍電圧整流するものである。

３１はマグネトロンで、電気的構成としては、カソード（ヒータと兼用）３１ａとアノード３１ｂからなり、ヒータ３１ａに電流を流しヒータを発熱させ、ヒータが温まり、カソード３１ａとアノード３１ｂ間の電圧が発振電圧以上（約４kV）に達するとマグネトロン３１は発振を開始し、高周波エネルギーを放射して加熱室１７の食品を加熱するものである。

６ａはパワー信号で、主制御手段６によって操作部５ｂで入力された食品を加熱する強さをマグネトロン駆動用電源３０内の制御回路５０に伝え、マグネトロン３１の高周波出力を設定するための信号である。

５１は電源同期タイミング検出回路で、交流電源４１の電圧（図５（ａ）商用電源の１／２周期を表示）が周期的に変化し、電圧がゼロボルトになるタイミングを検出するためのものである。実施例では、図５の（ｂ）に示すように、交流電源４１の電圧が一定の範囲内の時にパルスとなって出力するように設定され、その出力されたパルスの中点がゼロと認識するように後述する制御手段５３は設定されている。但し、制御手段５３に電圧がゼロになったタイミングが検知できる、ゼロクロス検出手段を備えている場合は、電源同期タイミング検出回路５１に代わってゼロクロス検出手段を使用することも可能である。

５２は入力電流検出回路で、マグネトロン３１を動作している時に電源平滑回路４３に流れる電流を検出するものである。電流の測定は、抵抗５２ａの両端間に発生する電圧を測定し、抵抗５２ａの抵抗値から算出する。抵抗５２ａは、抵抗自身で余分な電力を消費しないように、小さな抵抗値の抵抗器を使用するので、抵抗５２ａの両端に発生する電圧も微小な値となるので、その電圧を増幅回路で増幅して制御手段５３に出力している。

そして、マグネトロン３１が発振している時の高周波出力と前記電圧との相関関係を事前に確認しておくことで、制御手段５３は入力電流検出回路５２の抵抗５２ａの両端に発生する電圧より、マグネトロン３１の発振している出力が主制御手段６からの要求に合致しているかどうかを認識できる。

さらに、入力電流検出回路５２からの検出値を複数回検出し、その値を平均化することでノイズなどの影響を少なくしている。

５３は制御手段で、制御手段５３は計時手段５３ａと記憶手段５３ｂを要し、計時手段５３ａは、電源同期タイミング検出回路５１から送られてくるパルス信号のパルス幅を計時してパルス幅の中間を算出し、パルスとパルスの間隔の時間を測定して、接続されている電源４１の周波数を判定する。

記憶手段５３ｂには、マグネトロン駆動用電源３０の出力が、マグネトロン３１が最大の高周波出力で発振できる電圧を出力するためのデータを記憶し、そのデータは、接続する交流電源４１の周波数によって異なり、日本国内で使用する場合は５０Hz用と６０Hz用の半サイクル分のデータを２種類記憶している。

記憶するデータは、交流電源４１の半サイクル分の複数個のパルスのＯＦＦ時間とＯＮ時間のデータで、その周波数は約１６KHzとなる。

そして、制御手段５３は、判定した周波数に対応したデータを記憶手段５３ｂより呼び出し、次の平滑回路５４へと出力するデータ信号（ｃ）（図５（ｃ））を作成する。そのデータ信号（ｃ）は、呼び出した最初に出力するパルスのＯＦＦ時間とＯＮ時間のデータに基づいて、電源同期タイミング検出回路５１より入力されたパルスの中点（交流電源のゼロボルト点）より計時を開始し、最初のデータのＯＦＦ時間が経過した後にパルスをＯＮし、パルスのＯＮ時間を計時してＯＮする時間を経過したらパルスをＯＦＦする。次に二番目のパルスのＯＦＦ時間とＯＮ時間のデータに基づいて、ＯＦＦ時間の計時を開始する。以後三番目、四番目のデータに基づいてパルスの出力する動作を繰り返して半サイクル分のパルスを出力し終わったら、次の電源同期タイミング検出回路５１より入力されたパルスを待ち、パルスが入力されたら前記動作を繰り返して加熱を続ける。

また、主制御手段６から送られてくるパワー信号６ａに対応したマグネトロン３１の発振する高周波出力になるように、入力電流検出回路５２からの検出値に応じて制御手段５３から出力するデータ信号（ｃ）のパルスのＯＮ、ＯＦＦする時間の比率を次のように変更する。

すなわち、変更は、要求のある高周波出力に対応した電流が流れるように、入力電流検出回路５２の検出した電流値が小さい場合はマグネトロン３１に印加する電圧を高くするようにデータ信号（ｃ）のＯＮ時間の比率を大きくして、マグネトロン３１が発振する高周波出力を大きくするように動作する。また、検出した電流が大きい場合はマグネトロン３１に印加する電圧を小さくするようにデータ信号のＯＮ時間の比率を小さくして、マグネトロン３１が発振する高周波出力を小さくするように動作するものである。

前記記憶手段５３ｂに記憶するデータは、マグネトロン駆動用電源３０の出力が、マグネトロン３１が最大の高周波出力で発振できる電圧を出力するためのデータであり、また、マグネトロン３１を発振させた時に最大限に力率と効率を向上できる電源（図５（ｈ））を生成するためのデータである。

具体的には、力率と効率を向上するために交流電源４１の電圧が低い正弦波の裾野にあたる図５（ａ）のＡ部では、マグネトロン３１の通電率を高めるために、スイッチング素子４４のＯＮ時間を長くして昇圧トランス４６の二次側コイルの誘導電圧を早く上昇（維持）させ、マグネトロン３１のヒータ３１ａの温度を早く上昇させ、マグネトロン３１の発信開始を早くしている。また、電源効率を向上させるために、交流電源４１の電圧が低い正弦波の裾野にあたる図５（ａ）のＡ部から急激に電圧が上昇（図５（ａ）のＢ部）した後、電圧変動がなだらかになる頂点部分の図５（ａ）のＣ部では、必要以上の電圧がマグネトロン３１に加わらないように、頂点部分のＣ部の手前（電圧が急激に上昇しているＢ部の後半）からスイッチング素子４４のＯＮ時間を短くし始めマグネトロン３１に印加される電圧の上昇率を押さえ、頂点部分のＣ部では必要以上の電圧（マグネトロン３１に印加される印加電圧がマグネトロン３１の発振電圧（約４kV）を越すと急激に電流が流れる）が印加されないようにした。

また、入力電流検出回路５２の検出した電流値を記憶している。
高周波出力の変更は、基準データ信号の全パルスのＯＮ、ＯＦＦする時間の比率を同じ比率で変更することで、マグネトロン３１に印加される電源の力率と電源効率は低下することはない。

５４は平滑回路で、制御手段５３から出力されたデータ信号（ｃ）を平滑した信号（図５（ｄ）、信号ｇ）に変換するもので、データ信号（ｃ）のパルスのＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より短いほど平滑後の電圧値は低い値を示し、ＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より長いほど平滑後の電圧値は高い値を示す。

平滑回路５４は、データ信号（ｃ）の変化に対応して平滑した電圧値が変化できるように時定数を１ｍｓｅｃ以下になるように回路乗数を決定している。

５５はＯＮタイミング検出回路で、スイッチング素子４４がＯＮからＯＦＦした後にスイッチング素子４４に印加されている電圧がゼロになるのを検知して、次にスイッチング素子４４がＯＮすることが可能となるタイミングを出力（図５（ｄ）、信号ｆ）するものである。

この出力する信号波形には、スイッチング素子４４を動作させる周波数（２０〜４０KHz）と制御手段５３から出力されるデータ信号（ｃ）を平滑した電圧の高低に対応してスイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率が変更できる信号となっている。

５６は基準発振回路で、基準発振回路５６は、制御手段５３で出力したデータ信号（ｃ）を平滑回路５４によって変換された信号（図５（ｄ）、信号ｇ）とＯＮタイミング検出回路５５から出力された信号波形（図５（ｄ）、信号ｆ）を比較（図５（ｄ））して、スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間（図５（ｅ））を決定し、またそのＯＮとＯＦＦの周期はマグネトロン３１を効率良く発振させるために２０KHz〜４０KHzの高周波としている。

スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間の決定は、平滑回路５４によって平滑した信号の電圧値が高いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が小さくなりマグネトロン３１に印加される電圧は低くなり、平滑した信号の電圧値が低いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が大きくなりマグネトロン３１に印加される電圧は高くなる。

５７は駆動回路で、基準発振回路５６からの信号でスイッチング素子４４を駆動できる信号に変換するものである。

本実施例は、以上の構成からなり、次に動作について説明する。
被調理物を温めるのに、その被調理物（図示無し）を加熱室１７のテーブルプレート２０に載置しドア２を閉める。

ドア２を閉めた後、ドア２に設けられた操作パネル３の表示部５ａを見ながら操作部５ｂで高周波加熱を選択して、加熱強さを示す高周波出力と加熱時間を設定する。もしくは、自動加熱の温めを選択する。

そして、操作部５ｂの加熱開始用スタートボタン（図示せず）を押して加熱を開始する。

以下の説明は、高周波出力を７００Ｗ、加熱時間を１分と入力された場合について説明する。

主制御手段６は、加熱を開始するために、入力された高周波出力が７００Ｗであることを、パワー信号６ａをインバータ基板内の制御手段５３に送って知らせる。

同時に主制御手段６は、回転アンテナ駆動手段２３に信号を送り、回転アンテナ１９を回転させ、冷却手段６２へも信号を送り冷却風の送風を開始する。

制御手段５３はパワー信号６ａを受けて、記憶手段５３ｂに記憶してあるデータのうち、電源の周波数に対応した方のデータを呼び出してデータ信号（ｃ）を生成し出力する。なお、電源周波数の検出は製品が電源に接続された時に、接続した交流電源４１の周波数の検出を終了している。

加熱開始直後は、マグネトロン３１のヒータ３１ａは温まっていないので発振も無く電流もさほど流れないが、加熱開始時は、記憶手段５３ｂに記憶してあるデータでデータ信号（ｃ）を生成し出力するのでマグネトロン３１には最大出力となる高い電圧が印加され、早期にヒータ３１ａの温度が上昇し始め（電圧の印加した約１秒後）次第に電流が流れ始める。

ヒータ３１ａが温まると急激に電流が流れるので、急激な電流の流れを防止するために、ヒータ３１ａがまだ完全に温まる前に、既にマグネトロン３１に印加する電圧を下げる方向にデータ信号（ｃ）のＯＮ、ＯＦＦする時間のＯＮ時間の比率を下げる必要がある。そこで、電圧を印加した後から入力電流検出回路５２で回路に流れる電流を検出し続け、検出値が電流換算で３Ａ以下の間は、加熱開始後に出力したデータ信号（ｃ）のＯＮ、ＯＦＦする時間の比率を変更しないで、３Ａ以上になるとデータ信号のＯＮ、ＯＦＦする時間のＯＮ時間の比率を下げてマグネトロン３１に印加する電圧の上昇率を低下させる。

その後、必要とする高周波出力７００Ｗに見合った電流値が得られるように、データ信号（ｃ）のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を変更する。ただし、目標の電流値に対して、差が大きいときは変更幅を多く、差が小さくなると変更幅も小さくしている。さらに、目標値に対して電流を増加させるときと減少させるときでは、減少させるときのマグネトロン３１の発振する高周波出力の変化が鈍いので減少させるときは変更幅を大きくした方が良い。

被調理物の加熱は前記動作を繰り返すことで安定して加熱が行われ、加熱時間の１分が経過すると、主制御手段６より制御手段５３と各負荷に停止命令がでて、加熱を終了する合図と共に加熱を終了する。

図６に、マグネトロン３１が通常発振しているときの一次電流と発振が停止したときの一次電流の波形をそれぞれ示す。

入力電流検出手段５２より検出した値は、制御手段５３に内蔵されたＡＤコンバータによって実効電流値が求められる。検出はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅのタイミングにて実効電流を求め、記憶手段５３ｂに記憶する。また、タイミングＣの検出結果はピーク電流として記憶する。

マグネトロン３１の発振状態と発振停止状態では電流値は低下し、かつピーク電流が著しく低下する。

図７にマグネトロン３１の発振停止時の電流変化を示す。
マグネトロン３１に流れる電流を入力電流検出回路５２によって検出した場合は、ノイズなどの影響を少なくするために、複数回検出した平均値を検出値として記憶手段５３ｂに記憶する。そのため、記憶される検出値は、マグネトロン３１が発振を停止した後は図７の下段に示すように徐々に低下する。

被調理物の加熱中は、制御手段５３は記憶手段５３ｂに記憶されたＮ回目（一定時間後）のピーク電流値および実効電流値を常に、商用電源の１０サイクル目の値と比較して、一定以上（１〜２Ａ）の電流が下がったら、発振停止と判定し通電を停止する。

また、マグネトロン３１が発振を停止した時は、特にピーク電流が著しく減少するため、ピーク電流値の変化で検出を検定するのに向いている。実効電流で判定しても良く、実効値とピーク値とを併用しても良い。

さらに、判定するまでの商用電源のＮ回は、商用電源の１０サイクル目に限ることなく、短くても良く、長いほど検出し易くなるが時間が長くなるので、概ね８サイクル〜２０サイクルの範囲が良い。

以上説明したように、本実施例によれば、マグネトロン３１の発振停止を確実に早い時間に検出することが可能であり、信頼性の向上が図れた。

３０ マグネトロン駆動用電源
３１ マグネトロン
４４ スイッチング素子
５０ 制御回路
５１ 電源同期タイミング検出回路
５３ 制御手段
５３ｂ 記憶手段

Claims (4)

1. 被加熱物に高周波エネルギーを発振して加熱するマグネトロンと、
   該マグネトロンに供給する電源電圧を生成するインバータ回路と、
   該インバータ回路の入力電流値を検出する入力電流検出手段と、
   該入力電流検出手段が検出した入力電流値に応じて前記インバータ回路が生成する電源電圧を制御する制御手段と、
   を備えた高周波加熱装置において、
   前記制御手段には、前記入力電流検出手段が検出した入力電流値を記憶する記憶手段を設け、
   一定時間以上前に前記記憶手段に記憶した入力電流値から、前記入力電流検出手段が検出している入力電流値を減算した値が、一定値以上である時に、前記インバータ回路を停止することを特徴とする高周波加熱装置。
2. 前記記憶手段に記憶される入力電流値は複数の入力電流値の平均値であることを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。
3. 前記一定時間は、商用周波数の８サイクル以上であることを特徴とする請求項１または２記載の高周波加熱装置。
4. 前記入力電流検出手段によって検出する入力電流値は、実効電流と位相９０°におけるピーク電流値とすることを特徴とする請求項１から３何れか一項に記載の高周波加熱装置。