JP2014175277A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱コイルの外周に設けた複数の磁束検知コイルで負荷位置のずれを検知する。
【解決手段】 鍋を載置するトッププレートの下方に設けられ、前記鍋に渦電流を発生させる加熱コイル３と、該加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ回路２と、該インバータ回路を制御する制御回路５と、前記加熱コイルの外周に等間隔で配置された複数の磁束検知コイル１１と、該複数の磁束検知コイルの出力を増幅して複数の磁束レベル検出信号Ｋ１として前記制御回路に出力する磁束レベル検出回路１２と、を備え、前記制御回路は、前記複数の磁束レベル検出信号の平均値Ｈと、該平均値Ｈに第１の係数ａを乗じた上限値Ｈｕと、前記平均値Ｈに第２の係数ｂを乗じた下限値Ｈｄと、を演算するとともに、前記複数の磁束レベル検出信号Ｋ１の何れかが前記上限値よりも大きいか、前記下限値よりも小さい場合に、前記鍋が正規位置からずれていると判断する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、トッププレートに載置された鍋などの負荷の位置を検出する誘導加熱調理器に関する。

誘導加熱調理器に用いるインバータは、加熱コイルに流れる電流を制御することによって、鍋などの負荷に発生させる電力を制御するものであり、加熱コイルと共振用コンデンサを直列あるいは並列に接続し、直流電源から供給する電流を高速で入り切りするスイッチング素子のオンオフを制御することで負荷に流れる電流を制御する。インバータが用いる火力制御方法としては、インバータ自体の動作周波数を変化させる周波数制御方式と、インバータに印可される電圧を変化させる電圧制御方式に大別される。

いずれの方式においても、商用電源の電流を検出するカレントトランスの出力と商用電源電圧を検出することによって、制御回路の内部演算から商用電源側から供給している電力を求めることができ、インバータの内部回路電流等の仕様制限内であれば使用者が要求する火力に従い、電力を制御することができる。

負荷の材質や形状に起因して、加熱コイルと負荷の磁気的な結合度合いや、等価抵抗が変化するため、加熱コイルに流れる電流（インバータ電流）を検出することで、加熱状態が適正であるかも同時に判別できるようになっている。

システムキッチンなどで設置される誘導加熱調理器において、負荷（鍋）を配置する天板部分は強化ガラス等のフラットな面であり、加熱コイルの形状および配置にしたがって円形などのパターン印刷が施されていたり、ガラス下面からの補助光照射により使用者が負荷を置くべき位置を把握できるようにしている。通常は、前記パターンの示す形状の中心と負荷の中心が一致させたときに最も効率の良い加熱が行われる。

しかし、パターンの示す中心から多少ずれた位置に負荷が置かれても加熱が継続できるようにも配慮している。これは厳密に中心におかなければならないと使用者の使い勝手が悪くなることや、鍋振り調理などを行うと中心からずれて配置されたままになることがあるためである。

このような場合でも多少の加熱効率低下や、インバータ回路や加熱コイルに生じる損失が製品として許容できる範囲であれば、加熱を継続したほうが使用者のストレス無く調理を継続できるためである。

ただし、負荷の位置が大きくずれた場合でも加熱を継続させると、インバータ回路や加熱コイルの損失による温度上昇が無視できなくなり、最悪の場合素子の故障などが発生してしまう。

従来の誘導加熱調理器では、加熱コイルの上を覆うプレートに載置する負荷の位置ずれを検出して、多少ずれた位置に置かれた場合は加熱を継続し、大きくずれた位置に置かれた場合は、加熱を停止し、素子の故障を防止する必要がある。

特許文献１には、加熱コイル内にサーチコイルである磁束検出器を配置して鎖交する磁束のレベルを検出して負荷位置の状態を推定する加熱調理器が開示されている。

特開昭５９−２５１９５号公報

前述の通り、誘導加熱調理器では加熱コイルの中心と負荷（鍋）の中心を一致させた場合が最も加熱効率が高くなるので、特許文献１に示すような手法を用いて負荷の位置を検出することは有効である。

しかし、特許文献１では、加熱コイルの上方に設けた各磁束検出器で磁束を検出するため、卵焼き用の長方形のフライパンなどが加熱面中央に置かれていても位置がずれていると誤判定する問題がある。

また、加熱コイル内の各磁束検出器を覆う大きさの負荷では各磁束検出器の磁束がほぼ同一になるため位置検出精度が低下する問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、鍋を載置するトッププレートと、該トッププレートの下方に設けられ、前記鍋に渦電流を発生させる加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、該インバータ回路を制御する制御回路と、前記加熱コイルの外周に等間隔で配置された複数の磁束検知コイルと、該複数の磁束検知コイルの出力を増幅して複数の磁束レベル検出信号として前記制御回路に出力する磁束レベル検出回路と、を備え、前記制御回路は、前記複数の磁束レベル検出信号の平均値と、該平均値に第１の係数を乗じた上限値と、前記平均値に第２の係数を乗じた下限値と、を演算するとともに、前記複数の磁束レベル検出信号の何れかが前記上限値よりも大きいか、前記下限値よりも小さい場合に、前記鍋が正規位置からずれていると判断するものである。

本発明によれば、加熱コイル径よりも小さな鍋や、大きな鍋を加熱する場合であっても、鍋位置のずれを精度良く検知することができる。

一実施例の誘導加熱調理器の要部ブロック図 同誘導加熱調理器の磁束検知コイルの配置を示す上面図 同誘導加熱調理器の磁束検知コイルの配置を示す断面図 同誘導加熱調理器の磁束レベル検出手段の構成を示す説明図 同誘導加熱調理器への負荷の位置を説明する説明図 図５の負荷の位置での磁束レベル検出信号を説明する説明図 同誘導加熱調理器の磁束レベル検出信号の鍋ズレ判定を説明する説明図 同誘導加熱調理器の磁束検知レベル検出手段内の増幅率設定を説明する説明図

図１から図８を用いて一実施例の誘導加熱調理器を説明する。

図１は本実施例の誘導加熱調理器の要部ブロック図であり、商用電源１から供給される電力をインバータ回路２によって高周波交流電流に変換し、加熱コイル３に流し、図示しないトッププレートに載置された負荷４（鍋）の底部に渦電流を生じさせて自己発熱させる。なお、トッププレートには負荷４を載置する正規の位置に円状等の目印が付けられており、使用者は負荷４を載置すべき位置を簡単に認識することができる。

電力の制御は制御回路５で行う。具体的にはインバータ回路２内のスイッチング素子（図示せず）をオンオフすることによって、加熱コイル３と負荷４および共振用コンデンサ（図示せず）で構成される共振回路に高周波電流を流すもので、スイッチング素子をオンオフする周波数やデューティを変化させることにより負荷を加熱する電力を制御する。また、商用電源１の電圧を検出する電源電圧検出手段６、商用電源１の電流をカレントトランス７で検出し適切な電圧レベルに変換する入力電流検出手段８、加熱コイル３に流れる電流をカレントトランス９で検出し適切な電圧レベルに変換するインバータ電流検出手段１０を有し、それぞれの変換出力電圧は制御回路５に入力し、それらの組み合わせを用いて加熱電力の状態や負荷とインバータ回路２の結合状態（負荷の材質や距離によって変化する）を判定する。この制御はマイクロコンピュータを用いるのが一般的であり、それぞれの入力はＡＤコンバータ入力に接続された後デジタルデータに変換され、内部演算処理および加熱シーケンス制御を行い、電力を制御するものである。

加熱コイル３の外周囲には複数の磁束検知コイル１１が配され、その出力は磁束レベル検出回路１２に接続され、磁束検知コイル１１に鎖交する交番磁束の量に応じた電圧に変換し制御回路５に出力する。また、磁束レベル検出回路１２には必要に応じて複数段階に増幅率を設定可能な回路や、複数の磁束検知コイル１１を切り替えられるような回路を内包し、制御回路５からの制御信号により切り替えられるようにしておいてもよい。

さらに、制御回路５は、使用者が加熱の起動停止、火力レベルの設定等を行う操作部を有しており、発光素子、ブザー、音声合成手段等で動作状態の報知を行う（図示せず）。

図２は本実施例の磁束検知コイル１１の配置を示す上面図である。ここに示すように、加熱コイル３の外周には、加熱コイル３の中心から等距離に、複数の磁束検知コイル１１を略等間隔に配置している。例えば、図２（ａ）に示すように、磁束検知コイル１１が３つのときは、これらは約１２０°間隔で配置され、図２（ｂ）に示すように、磁束検知コイル１１が４つのときは、これらは約９０°間隔で配置される。換言すれば、中心から放射状に中心角を略等分する位置に磁束検知コイル１１を配置しており、（ａ）は３個の磁束検知コイル１１の中心角を約１２０°で等分する位置に配置し、配置位置を結ぶと正三角形状となる。（ｂ）は４個の磁束検知コイル１１の中心角を約９０°で等分し、配置位置を結ぶと正方形状配置としている。磁束検知コイル１１の数を増やして、同様に正五角形、正六角形・・・での配置は可能である。なお、以下の説明では４個の磁束検知コイル１１を配置する場合について説明する。

図３は加熱コイル３の外周の外側に設けた磁束検知コイルの配置を示す断面図である。ここに示すように本実施例の加熱コイル３は、コイル３０と加熱コイルベース３１とフェライト３２から構成されており、略円形の加熱コイルベース３１にリッツ線を同心円状に巻いたコイル３０を載せる。コイル３０の下方には発生した磁束を漏らさぬように棒状のフェライト３２を放射状に配置する。磁束検知コイル１１はコイル３０よりも外側で加熱コイルベース３１の端面に配置する。このような構成にすることにより、例えば加熱コイルベース３１の中央に穴を有し、そこから冷却風を流しこみ放射状に風が流れる構成をとっても、磁束検知コイル１１が冷却風の流れを妨げることが極力抑えられる。また、コイル３０と磁束検知コイル１１の間に適度な絶縁距離を確保できるため、それぞれの構成部材の絶縁は最小限で済むという利点もある。

図４は磁束レベル検出回路１２の構成を示す説明図である。図２（ｂ）で説明したように、本実施例では４個の磁束検知コイル１１（以下Ｓ１〜Ｓ４と呼ぶ）を有し、制御回路５はそのうちの一つを選択するとともに適切な信号レベルの増幅率を選択してアナログ電圧を磁束レベル検出信号Ｋ１として出力する構成である。

磁束検知コイル１１（Ｓ１）の出力は出力ブロック１３０の整流手段１２１、負荷抵抗１２２で直流電圧に変換され、平滑手段１２３で平滑化される。他の３つの磁束検知コイル１１（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）の出力も対応する出力ブロック１３０で直流電圧に変換され平滑化される。磁束レベル検出回路１２を構成する部品点数を少なく、かつ、精度を確保するため、切替手段１２４を使用して複数の磁束検知コイル１１からの信号を一個の増幅回路部２２５に入力する。

切替手段１２４は、制御回路５が出力する磁束検知コイル選択信号Ｋ３に基づいて切り替えられ、入力される４信号から任意の１信号が選択され、増幅回路部２２５へ入力される。増幅回路部２２５はオペアンプ１２５、抵抗１２６、１２７で構成される非反転増幅回路であり、制御回路５が出力する増幅率設定信号Ｋ２に基づいて複数の抵抗１２７から任意の抵抗が選択される構成となっている。抵抗１２７の選択によって増幅率を変更することが出来、制御回路５の加熱出力設定状態や、加熱コイル電流の状態によって適切に変更することにより、磁束レベル検出回路１２の磁束レベル検出信号Ｋ１の出力電圧を適切に設定できる。

図５は、４個の磁束検知コイルと負荷の位置の関係を示す図である。図４（ａ）の状態Ａは、負荷４が中央に配置されている状態を示す。図４（ｂ）の状態Ｂは負荷４が右側（Ｓ２方向）にずれている状態を示す。図４（ｃ）の状態Ｃは、負荷４が右奥（Ｓ１とＳ２の間方向）にずれている状態を示す。図４（ｄ）の状態Ｄは、負荷４が奥（Ｓ１方向）にずれている状態を示す。

図６は、図５の負荷の位置での磁束レベル検出回路１２の磁束レベル検出信号を説明する説明図である。

図６（ａ）の状態Ａでは、磁束検知コイル１１と負荷４（鍋底）の位置関係が等距離であることから、各検知手段の出力は略等しい。

図６（ｂ）の状態Ｂでは、負荷４はＳ２に最も近く、Ｓ４から最も遠い。従って、Ｓ２近傍の磁束は負荷に鎖交する成分が多くなりＳ２自体に鎖交する成分は減少する。逆に、Ｓ４近傍の磁束は負荷に鎖交する成分が少ないためＳ４自体に鎖交する成分が増加する。Ｓ１とＳ３は状態Ａとほぼ同等の距離にあるため出力の変化はほとんど無い。

図６（ｃ）の状態Ｃでは、負荷４はＳ１とＳ２の中間部分にあり、Ｓ１とＳ２の出力、Ｓ３とＳ４の出力がそれぞれほぼ同等レベルとなる。しかし、状態Ｂに比べてＳ１は微減、Ｓ２は微増、Ｓ３は微増、Ｓ４はほぼ変化無し、となる。

図６（ｄ）の状態Ｄでは、状態Ｃと比べ、負荷がＳ１の上にあり他に比べて最も出力レベルは低下する。逆にＳ３は負荷からの距離が離れるため最も出力が大となり、Ｓ４距離の変化はあまり無く出力レベルはほぼ変化無しとなる。

このように、各状態によって磁束検知コイルと負荷の距離の関係が磁束レベル検知出力に関係するため、それぞれの状態をパターン化しておけば負荷の位置状態を把握することが出来る。なお、通電電力の変化や、負荷（鍋底）径の変化によって各磁束レベル検出信号Ｋ１の出力は変化する。例えば、通電電力が高い場合は全体の検出レベルが高くなる。また、負荷４の径が小さくなれば負荷４に鎖交する磁束は減少するために相対的に全体の検出レベルは高くなり、逆に負荷４の径が大きくなれば低下する。したがって、これらの各検出レベルを用いる場合には、全体の検出レベルの平均を基準として大小関係を把握する必要がある。そのため、磁束レベル検出回路１２の磁束レベル検出信号Ｋ１の平均値Ｈを演算する。

図６では、４個の磁束検知コイル１１の磁束レベル検出信号Ｋ１の平均値Ｈを横破線で示す。図６（ａ）では、各磁束検知コイル１１の磁束レベル検出信号Ｋ１が平均値Ｈと略等しいため、負荷４がずれていないと判断することができる。一方、図６（ｂ）では、磁束検知コイルＳ１とＳ３の磁束レベル検出信号Ｋ１が平均値Ｈと略等しいが、磁束検知コイルＳ２の磁束レベル検出信号Ｋ１が平均値Ｈよりも小さく、磁束検知コイルＳ４の磁束レベル検出信号Ｋ１が平均値Ｈよりも大きいことから、負荷４が磁束検知コイルＳ２側にずれていると推測することができる。同様に、図６（ｃ）（ｄ）でも、磁束レベル検出信号Ｋ１が小さい磁束検知コイル１１側に負荷４がずれて載置されていると推定することができる。

本実施例の制御回路５では、多少のばらつきや負荷の変形等を考慮し、平均値Ｈに対して所定の割合を超えた変化を検出したときに負荷４がずれて載置されていると判定する。例えば、平均値Ｈに所定の係数ａ（例えば１．２）を乗算した値を許容範囲値の上限値Ｈｕとして設定し、平均値Ｈに所定の係数ｂ（例えば０．８）を乗算した値を許容範囲値の下限値Ｈｄとして設定する。この場合、各磁束検知コイル１１の磁束レベル検出信号Ｋ１が何れも上限値Ｈｕと下限値Ｈｄの範囲内であれば、負荷４が正規の位置に載置されていると判断し、いずれかの磁束レベル検出信号Ｋ１が上限値Ｈｕより大きいか、下限値Ｈｄより小さい場合に、負荷４がずれて載置されていると判断する。

また、ずれたと判定した場合においても、それが所定時間継続した場合にずれの判定を行う。これは調理において鍋を傾けたり、フライパンのあおり動作などがあるからである。

図７は、磁束レベル検出信号の鍋ズレと正常の判定を説明する説明図である。図７（ａ）では、Ｓ３の磁束レベル検出信号Ｋ１が上限値Ｈｕを上回るため鍋ズレと判定される。図７（ｂ）では、Ｓ２の磁束レベル検出信号Ｋ１が下限値Ｈｄを下回るため鍋ズレと判定される。図７（ｃ）では、Ｓ１からＳ４の全ての磁束レベル検出信号Ｋ１が、上限値Ｈｕを上回ること無く、または下限値Ｈｄも下回ることが無いため正常であると判定される。

火力が小さくなるともともと加熱コイルから発生する磁束の量が少ないため、全体の検出レベルが低くなるので、全体の平均検出レベルＨに応じた変化の割合を検出することで精度が確保可能である。

また、図４の磁束レベル検出回路１２において適切な増幅率を設定することによって、図６と同様の出力波形とすることが出来るため、精度の確保が容易となる。

図８は、磁束レベル検出回路１２内の増幅率設定を説明する説明図である。図８（ａ）は、火力レベルによる増幅率設定について示している。図８（ｂ）はコイル電流による増幅率設定について示している。磁束レベル検出回路１２は複数の増幅率を切り替え可能な増幅回路部２２５を有している。インバータ回路２の火力レベルが小さい、あるいは加熱コイル３に流れるコイル電流が大きいほど前記増幅率を大きく切り替えるものである。

まず火力レベルによって切替える例を説明する。図８（ａ）は、インバータ制御回路５が設定する火力レベルに応じて増幅率の切り替えを行う方法である。

火力レベル、つまり負荷４に投入しようとする電力は、加熱コイル３に流す電流の二乗に比例するので、切り替えを行うポイントは電力値の平方根を示す値が直線的に並ぶようにすればよい。本例では、１００〜６００、７００〜１５００、１６００〜３０００として切り替える。

図８（ｂ）は、加熱コイル３に流れるコイル電流によって切替える例を説明する。制御回路５が入力するインバータ電流検出手段１０の値により切り替える方法である。この場合、この電流検出レベルと磁束の量は比例するため、最大電流と最小電流を結ぶ直線を略等間隔にすればよい。本例では、最大電流値が５０Ａとすれば、０〜２０、２０〜４０、４０〜６０Ａといった分割として増幅率を切り替える。

上記したように、電力あるいは電流が小さい場合には増幅率を高くし、大きい場合には増幅率逆の場合は低くする。

また、制御回路５が各磁束レベル検出回路１２の出力から負荷４がずれたと判断した場合、所定の時間その状態が継続するまでは使用者に対する報知を保留する。

これは、既に述べたように、調理動作においては、短時間のうちに鍋やフライパンの位置、傾きなどを変化させることがあるからであり、その状態が頻繁に繰り返される度に報知すると使用者にとってわずらわしく感じるためである。逆に、長時間負荷４がずれたと判断した状態が継続している場合には、注意を促す必要があるためである。

例えば、通常鍋振り動作などは数秒間連続して行われる場合があるため、５秒間は負荷４がずれたと判定しても報知を保留する。５秒を継続した後、さらに負荷４がずれていると判定して所定の時間継続した場合は、報知するとともに、通電電力を低下させる、あるいは、通電を停止する等の制御を行う。

以上説明したように、本実施例によれば、略円形に巻かれた加熱コイル３と、加熱コイル３に流れる高周波電流を流すインバータ回路２と、インバータ回路２に投入する電力を制御する制御回路５と、を有し、加熱コイル３の外周部に漏洩する磁束を検知するために加熱コイル３の外側に略等分周となる間隔で配置された複数の磁束検知コイル１１を備え、磁束検知コイル１１の検知レベルを出力する磁束レベル検出回路１２を備え、制御回路５は、各磁束レベル検出回路１２の磁束レベル検出信号Ｋ１を入力し、磁束レベル検出回路１２の磁束レベル検出信号Ｋ１の平均値Ｈを算出して、平均値Ｈに予め設定した１より大なるの比率を乗じた上限値Ｈｕ、１未満の比率を乗じた下限値Ｈｄに対して夫々上回る、下回る場合は負荷４の位置が加熱コイル３からずれていると判定するので加熱コイル径よりも小さな負荷、加熱コイル径よりも大きな負荷の加熱状態において、各磁束検知コイルで負荷位置のずれを精度良く検知することができる。

検出レベルの平均値レベルを基準として個別のレベルの大小関係を比較する相対比較を用いることで、検出レベル変動を回避できる。また、磁束レベル検出回路１２は複数の増幅率を切り替え可能な増幅回路部２２５を有し、インバータ回路２の火力レベルが小さいあるいは加熱コイル３に流れるコイル電流が大きいほど前記増幅率を大きく切り替えるので、火力の大小によらず検出精度のばらつきも減少できる。さらに、磁束検知コイル４は、加熱コイル３の巻き線への冷却風の妨げにならず冷却効率を確保することが出来る。また、巻き線に発生する高電圧部分から離れた位置にあるので、高耐圧絶縁手段が不要にできる。さらに、加熱コイル３と負荷４の距離を短くすることができる。さらに、使用者が負荷４を加熱コイル３中心からずらしている状態を適切に判定することができる。さらに、加熱効率低下に伴うエネルギーの無駄遣いを防ぐことができる。さらに、インバータ電流を過大に流すことを未然に防ぐことができる。さらに、インバータ回路２の過負荷を抑えて信頼性を高くできる。さらに、負荷の温度分布の偏り等を改善することができる。

２ インバータ回路
３ 加熱コイル
４ 負荷（鍋）
５ 制御回路
１１ 磁束検知コイル
１２ 磁束レベル検出回路
２２５ 増幅回路部
Ｋ１ 磁束レベル検出信号
Ｈ 平均値
Ｈｕ 上限値
Ｈｄ 下限値

Claims (4)

1. 鍋を載置するトッププレートと、
   該トッププレートの下方に設けられ、前記鍋に渦電流を発生させる加熱コイルと、
   該加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、
   該インバータ回路を制御する制御回路と、
   前記加熱コイルの外周に等間隔で配置された複数の磁束検知コイルと、
   該複数の磁束検知コイルの出力を増幅して複数の磁束レベル検出信号として前記制御回路に出力する磁束レベル検出回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記複数の磁束レベル検出信号の平均値と、
   該平均値に第１の係数を乗じた上限値と、
   前記平均値に第２の係数を乗じた下限値と、を演算するとともに、
   前記複数の磁束レベル検出信号の何れかが前記上限値よりも大きいか、前記下限値よりも小さい場合に、前記鍋が正規位置からずれていると判断することを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 請求項１に記載の誘導加熱調理器において、
   前記複数の磁束検知コイルは３つであり、該３つの磁束検知コイルは前記加熱コイルの外周に約１２０°の間隔で配置されていることを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 請求項１に記載の誘導加熱調理器において、
   前記複数の磁束検知コイルは４つであり、該４つの磁束検知コイルは前記加熱コイルの外周に約９０°の間隔で配置されていることを特徴とする誘導加熱調理器。
4. 請求項１から３何れか一項に記載の誘導加熱調理器であって、
   前記磁束レベル検出回路の増幅率は、前記加熱コイルの火力レベル、または、前記加熱コイルに流れるコイル電流レベルに応じて切り替えられることを特徴とする誘導加熱調理器。