JP4456903B2 - 重量センサ及び該重量センサを搭載した加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は重量センサ及びそれを搭載した加熱調理器に関するものである。

電子レンジ等の加熱調理器において、良好な加熱調理を行うため加熱室底面に配置されるテーブルに載置される被加熱物の状態（主に重量）を把握し、それに応じた加熱を行うことが必要である。

被加熱物の重量は特許文献１に記載されているように、テーブルを保持するシャフトの下方に配置された静電容量式重量センサで行う構成が一般的となっている。

また、電子レンジでは多彩なメニューが調理できるようにグリルやオーブン機能を搭載した（オーブンレンジ）ことで加熱室の温度が著しく変化するようになり、例えば特許文献２記載のように重量センサの耐環境特性を向上させた構成も提案されている。

特開 平８−３２０１２３

特開 ２０００−１８５９２

機械室が加熱室の左右いずれかに配置された従来の重量センサを搭載した電子レンジでは、加熱室の下方に重量センサ本体の大きな設置容積が必要となり、電子レンジの庫内容量の増加に伴い、本体の高さが高くなり、省設置スペース性が良好でない。

また、機械室が加熱室の下方に配置された電子レンジでは、機械室の実装密度が高くなり、その内部に搭載されるマグネトロンやインバータなどの冷却が難しくなる。

また、オーブン機能を有する電子レンジの場合、重量センサがオーブン使用の有無によって温度変動の影響を受けやすく、正確な重量計測が難しい。

また、従来の静電容量式重量センサを同構成で小型化を図ると、電極部の面積が小さくなるため、耐環境特性が悪化し、さらに、ばねとなる脚部の長さが短くなるため、最大検出重量の増加とともに感度が鈍くなる。

さらに、重量センサは一般的には大きいほど部品コストが高くなりやすい。

本発明は、上記の課題のうち少なくとも１つを解決するためになされるものである。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、請求項１では、少なくとも１対の可動電極と固定電極で構成される重量計測コンデンサと、該重量計測コンデンサの静電容量変化を検出する検出回路から構成される重量センサにおいて、前記可動電極を、可動電極部と、該可動電極部を弾性保持する４つの脚部と、各々の脚部を固定する固定孔を持った４つの固定部と、各固定部と各脚部とをつなぐ４つの接続部とで構成し、前記４つの固定孔で囲まれた面積の内側に前記可動電極部を配置し、前記４つの固定孔で囲まれた面積の外側に前記４つの接続部を配置し、各脚部が前記可動電極部に対して固定孔の外方から各固定部に接続するものである。

また、請求項２では、被加熱物を載置するテーブルを備えた加熱室と、前記テーブルに載置された前記被加熱物を加熱する加熱手段と、該加熱手段の出力制御手段と、請求項１に記載の重量センサを備えた加熱調理器であって、前記テーブルを支持するシャフトは前記重量センサの可動電極と連動しており、前記シャフトを介して前記重量センサにより検出された被加熱物の重量をもとに前記被加熱物の加熱を制御するものである。

本発明によれば、重量計測コンデンサの静電容量変化を検出する検出回路から構成される回路基板の面積を広げずに、最大荷重が大きく検出感度の高い重量センサを構成できる。

また、耐環境特性と検出感度の両方を向上し、被測定物の最大検出重量を増加させるとともに高い精度で重量を検出できる。

また、重量センサの可動電極を構成する脚部を長くすることができるため、重量センサの測定精度を上げることができる。
さらに、周囲環境の影響を受けずに被加熱物の重量を正確にできることから、被加熱物に最適な加熱調理を行うことができる。

本発明の各実施例を以下に説明する。

図１に本発明の加熱調理器の一例として、機械室を加熱室の下方に配置したターンテーブルレス式オーブンレンジを示す。

キャビネット１の内部に被加熱物３の加熱調理を行う加熱室２があり、その底面側には被加熱物３を載置するテーブル４が配置されている。

ここで、テーブル４はセラミック製であり、機械室９に設けられたマグネトロン８から照射されるマイクロ波をテーブル４下方から透過して、テーブル４上の被加熱物３を加熱できる。

マグネトロン８と加熱室２は導波管を介して連結されており、マイクロ波の経路となる加熱室底面のくぼみに該マイクロ波を拡散させるアンテナ６が収納されている。

アンテナ６はその下方つまり導波管の外方に設けられた回転モータ７で回転させる構成になっている。

また、使用者がアンテナ６に触れることがないようにアンテナ６と加熱室２の間にはマイカなどのマイクロ波を透過する材質で構成されるアンテナカバー１２が配置されている。

被加熱物３が載置されるテーブル４は、図２に示す重量センサ５の可動電極５１と連動するシャフト５５によって支持される構成となっており、図１では複数個の重量センサ５で該テーブル４を保持した構造となっている。

ここで、該テーブル４を保持する重量センサ５が１個の場合は被加熱物３の重量のみを、複数個の場合は被加熱物３の重量と被加熱物の載置位置の両方をセンシングすることができる。

たとえば、重量センサ５を１個使用する場合はテーブル４の中央を保持すれば良いし、複数個の場合では２個の場合はテーブル４の左右または前後の２点、３個の場合はテーブル４の２隅と対向する１点に三角形形状に３点、４個の場合はテーブル４の４隅を保持すればよい。

加熱室２の下方に配置される機械室９には重量センサ５が配置されるとともに、アンテナ６を回転させる前記モータ７、マイクロ波を発生するマグネトロン８、制御基板１０、インバータ１１、これらを冷却するファン（図示せず）などが収納されている。

被加熱物３が載置されたテーブル４を複数個のシャフト５５（重量センサ５）で保持する本実施例では、テーブル４の隅部をシャフト５５で保持させる構成となるため、重量センサ５は機械室の端側（図１の左右端）に、テーブル下方のアンテナ６を回転させるモータ７は略中央に配置されることになる。

これらの部品をファンで空冷する場合、機械室９に冷却空気が流れる風路を形成させる必要があり、機械室９の風路断面が大きいほど少ない動力で大風量の冷却風を送風して容易に各部品を冷却できる。

重量センサ５は、シャフト５５に連動して変動する可動電極５１、該可動電極５１と対となって重量計測コンデンサＣ１を構成する固定電極５２、該固定電極が設けられる回路基板５３、該回路基板５３と該重量計測コンデンサＣ１を固定するケース５４から構成される。

静電容量の検出回路が構成された回路基板５３上には固定電極５２として金属薄膜パターンが形成されており、回路基板５３を挟んで可動電極５１がケース５４に取り付けられることによって可動電極５１と固定電極５２が所定の隙間を保って平行に向かい合い、重量計測コンデンサＣ１を構成できる。

ここで、固定電極５２は、可動電極５１と平行に配置できれば回路基板５３に一体成形された金属薄膜でなくとも可動電極５１と略同形状の他の金属板を用いても良い。

図３に可動電極５１の一例を示す。

図に示すように、固定電極５２と対になる可動電極５１は、可動電極部２３を弾性保持させる脚部２２と、該脚部を固定する固定孔５１ａとそれにより固定される固定部２１及び固定部２１を支持するバネ枠２４から構成されており、可動電極５１は固定孔５１ａを貫通するネジ（図示せず）で固定電極５２の配置された回路基板５３とともにケースに固定される。

ここで、ネジで可動電極５１を回路基板５３上に固定する場合、マイカ等の絶縁体を挟んで固定し、回路基板５３のグランド（ＧＮＤ）と導通しているケース５４やネジが可動電極５１に接触しないようにする。

また、可動電極５１には固定部２１と脚部２２間に段差５１ｂが設けられており、可動電極５１の固定部２１を回路基板５３に接触させて固定した場合も可動電極部２３と脚部２２は回路基板５３に接触しない。

また、被加熱物３が載置されたテーブル４を保持する重量センサ５のシャフト５５は、ケース５４上方に設けられた該シャフト５５と略同形状の孔５４ａと固定電極５２の固定孔５２ａを貫通して設けられており、一端が可動電極５１の中央に、もう一端がテーブル４の下方を支持している。

そのため、シャフト５５にテーブル側の一端から重量Ｗが加わることにより、接触する可動電極部２３が上下方向のみに平行移動し、重量Ｗの大きさに応じて、可動電極５１の可動電極部２３と固定電極５２の隙間が変化し、その結果、重量計測コンデンサＣ１の静電容量が変化する。

つまり、重量Ｗによって可動電極５１の可動電極部２３と固定電極５２の電極間距離（隙間）が変わるので、重量計測コンデンサＣ１の静電容量の変化からシャフト５５を介して伝わった重量Ｗを検出することができる。

図では可動電極５１の中央は平坦だが、突起を持っていても構わない。

図４に示すのが本発明の重量センサ回路の一例である。

本発明の重量センサ回路は、回路基板５３上に配置される検出回路と、固定電極５２と可動電極５１から構成される重量計測コンデンサＣ１と、固定コンデンサＣ２から構成される。

この検出回路は静電容量を周波数に変換して出力する基本的な発振回路である。

ここで、検出回路は図示した発振回路でなくとも、静電容量変化を検出できる回路であればその方式は問わない。

従来の重量センサ回路は重量計測コンデンサＣ１のみを検出回路に接続する回路構成であったのに対し、本発明の重量センサ回路では重量計測コンデンサＣ１に並列に固定コンデンサＣ２を設けた点が特徴である。

ここで、固定コンデンサＣ２とは容量が一定で変化しないコンデンサであり種類は問わず、回路基板上に設置されるコンデンサは一般的なセラミックコンデンサやタンタルコンデンサでも良い。

この重量センサ回路では可動電極５１と固定電極５２によって構成される重量計測コンデンサＣ１と固定コンデンサＣ２の静電容量の総和を周波数に変換して検出する構成になっている。

つまり、２つのコンデンサを並列に接続したときの合成静電容量は２つの静電容量の和になることから、重量センサ全体の静電容量Ｃは重量計測コンデンサＣ１と固定コンデンサＣ２の和でＣ＝Ｃ１＋Ｃ２となり、従来の重量センサにおける重量計測コンデンサＣ１のみの場合に比べるとセンサ全体の静電容量Ｃが大きくなる。

まず、固定コンデンサＣ２と重量計測コンデンサＣ１を並列に接続した本発明の効果について述べる。

図５は重量センサ全体の静電容量（Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２）に対する、環境温度サイクルによる出力周波数のばらつき量を実験的に求めたものである。

図より、重量センサ全体の静電容量Ｃが大きい程、温度サイクルによる出力周波数の変化が小さくなることから、重量センサの耐環境特性向上には、検出回路に接続されるコンデンサＣ（重量計測コンデンサＣ１と固定コンデンサＣ２の和）を大きくする方がよいことになる。

一方、２枚の電極で構成される静電容量は電極面積と電極間距離によって以下の式で決まる。

ここで、Ｃ：静電容量、ε：空気誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間距離である。

例えば、電極面積が２５ｍｍ角で電極間距離が０．１５ｍｍの場合は２枚の電極で構成される静電容量が約４０ｐＦであるのに対して、同じ電極間距離で電極面積が１２ｍｍ角の場合では約８ｐＦである。

つまり、従来の静電容量式重量センサ構造では、電極面積が大きく、静電容量が大きいほど、ノイズや周囲の環境変化による影響を受けにくく、ほぼ安定した出力が得られることになる。

よって、本発明の重量センサのように、回路基板上に別途コンデンサを配置させることにより、電極面積を狭めても容易に耐環境性能が高く小型化された構成を実現できる。

また、重量センサを小型化することにより、加熱室２の下方に配置された機械室９の容量（高さ）を減少させ、加熱調理器１のキャビネット高さを変えずに、加熱室の庫内容量を増やすことができ、加熱室の庫内容量に対して外形容量のコンパクト化を図ることができる。

また、重量センサ５が小さいとその熱容量が小さく冷却しやすくなるとともに、機械室９の実装密度を低下させ、内部の通風抵抗を低減できるためファンによる他の部品の冷却効果も高めることができる。

さらに、可動電極５１や固定電極５２の面積を小さくできるため、部品コストを下げる効果もある。

以上のように、従来の重量センサで電極を小型化した構造のみでは、電極面積が広い従来の重量センサに比べて電極間の静電容量が小さくなり、熱的に安定した出力を得られない場合がある。

また、電極の面積が小さくても、理論的には電極間距離を小さくすることによって静電容量を大きくすることもできるが、電極間距離が非常に小さくなると加工精度や組み立て精度が重量検出精度に大きく影響するため、正確な重量検出が難しくなる場合もある。

従って、図３に示すような形状で電極面積が小さいまま（例えば、可動電極部２３の大きさが１０〜２０ｍｍ角程度）で重量センサ全体の静電容量を大きくするために、重量計測コンデンサＣ１と並列に固定コンデンサＣ２を回路接続した重量センサ回路を構成すれば容易にこれらの課題は解決され、周囲の環境変化に対する出力周波数のばらつきを小さくすることができる。

つまり、本発明の構造で重量センサの耐環境性能を上げることができる。

また、この構造を採用することで、高精度で小型の重量センサを提供できるため、機械室を小さくして加熱室を大きくして使い勝手の向上が図れるとともに、機械室の冷却構造の簡素化が可能となり、また重量センサの製造コストの低減ができる。

尚、本実施例による重量検出回路構造は、重量検出の耐環境特性を向上させるものであり、電極形状や対となる電極の数を問わず、あらゆる静電容量式重量センサにおいて適用可能である。

また、電極面積を小さくして小型化した重量センサにおける耐環境性能向上策としては特に有効であり、従来の重量センサをそのまま小型化した上で耐環境性能を向上させることも可能である。

次に可動電極部を保持する脚部２２による効果について説明する。

図６に本発明による可動電極５１の一例を示す。

図６では、ネジで固定する固定孔５１ａを持つ固定部２１、該固定部２１を支持するバネ枠２４、脚部２２、可動電極部２３で構成されている。

脚部２２はバネ枠２４との接続部付近で段差５１ｂが形成されており、固定孔５１ａが回路基板５３と回路を接続するために接触しても可動電極部２３と回路基板５３上の固定電極５２は接触せずに一定間隔を保ち、重量計測コンデンサＣ１を構成する。

重量センサ５のシャフト５５に荷重が加わると、可動電極部２３の中央に荷重が伝わり、それを受けて脚部２２とバネ枠２４が弾性変形することで可動電極部２３は平行移動し重量計測コンデンサＣ１の静電容量が変動する。

脚部２２とバネ枠２４に比べて可動電極部２３の断面２次モーメントが大きいため、可動電極部２３は変形することなく平行移動が可能となる。

この形状では、４つの固定部２１で囲まれた面積の内側に可動電極部２３、固定部２１で囲まれた面積の外側に脚部２２とバネ枠２４の接続部を配置したことを特徴としている。つまり、可動電極部２３から固定孔５１ａをつなぐ脚部２２が可動電極部２３に対して固定孔５１ａの外方から固定孔５１ａに接続している。

図６に示す本発明による可動電極形状とすることで、特許文献１に示す従来形状よりも脚部を長くすることができるようになる。

次に、脚を長くすることによる効果について述べる。

重量センサの重量変化に対する周波数変化を分解能とする。

分解能が小さい場合、低荷重での重量計測に誤差が生じたり、重量のわずかな変化をとらえることができない場合がある。

重量センサの測定精度を高くするためには、分解能を上げることが有効である。

重量センサの分解能を上げるためには、単位重量変化あたりの周波数変化が大きくなればいいので、可動電極部２３と固定電極５２の電極間距離が小さな荷重変化で大きく変動すると、分解能は上がる。

図８に重量センサ脚部の剛性と分解能の関係を示す。

脚部の剛性が軟らかいと、剛性が硬い場合に比べて可動電極部２３の変動が大きくなるため、分解能は高い。

つまり、可動電極５１の脚部２２が大きく変形するよう、脚部２２の厚さを薄く、幅を細く、断面２次モーメントを小さくすると可動電極部２３は小さな荷重でも大きく変動し、重量センサの分解能が上がる。

しかし、脚部２２の断面２次モーメントを小さくすると、脚部２２は大きな荷重には耐えられないため、塑性変形や破断がおこりやすくなる。

ここで、脚部２２の長さを長くすると、最大応力が小さくなり、耐荷重が上がる。

また、脚部２２が長いと脚部２２の断面２次モーメントを小さくしなくても変位量を増やすことができる。

つまり、重量センサの分解能を上げるためには脚部２２の長さを長くすることは有効である。

しかし特許文献１に示す従来の重量センサの可動電極形状では、外側の固定孔５１ａと内側の可動電極部２３の間に脚部２２が存在するために長さには限界があり、固定孔５１ａの間隔よりも短い長さでしか脚部２２を構成することができなかった。

そこで、本発明による可動電極形状を用いることで、固定孔５１ａの間隔よりも長く、脚部２２の長さを十分にとることができるため、耐荷重が大きく高精度の重量計測ができる重量センサを提供できる。

尚、本実施例の脚部の形状は、センサ検出回路における重量検出感度を向上させるものであり、特許文献１に示す従来の電極形状の脚部構造を本発明の図４に示すセンサ回路に適用しても、重量検出における耐環境特性の向上を図ることができることは言うまでもない。

尚、本実施例では機械室９が加熱室２の下方に配置された構造であるが、機械室９を加熱室２の側方あるいは上方に配置した構造でも、図２の重量センサを用いた加熱調理器の効果は同様であることは言うまでもない。

また、ターンテーブルレスオーブンレンジについての使用例を述べたが、本発明による重量センサは、テーブルが回転するターンテーブル式レンジや、単機能レンジ、単機能オーブンなど、被加熱物の重量を検知する機能をもつ加熱調理器全般に適用できる。

図７に本発明の実施例として重量センサの可動電極形状の一例を示す。

図６の電極形状例と同様に、可動電極部２３から固定孔５１ａをつなぐ脚部２２が、可動電極部２３に対して固定孔５１ａの外方から固定部２１に接続していることを特徴としている。

図７では、図６で固定部２１を支持しているバネ枠２４がないが、固定部２１と脚部２２の接続部を４つの固定孔５１ａで囲まれた面積の外側に配置しており、第二実施例の図６と同様に脚部２２を長くするための構造である。

このように、バネ枠２４がなく、４つの固定部２１がそれぞれ離れた状態であっても、脚部２２を長く配置することができる。

可動電極５１の大きさは小さくしたいが可動電極部２３の大きさはあまり小さくしたくない場合などにもこの可動電極形状は有効である。

また、本実施例では、固定孔５１ａで囲まれた面積の内部を可動電極部２３、外部を脚部２２としたが、固定孔５１ａで囲まれた面積の内部が脚部２２で外部が可動電極部２３である逆の構成でも構わない。

また、本例で固定孔５１ａの数は、全ての脚部２２に等しく荷重が負荷されるような対称形状として最適な４つとしたが、いくつでも構わない。

ここで、固定孔５１ａが２個以下の場合で囲まれた面積が存在しない場合でも、可動電極５１の可動電極部２３に対して、固定孔５１ａの外方から脚部２２が固定部２１に接続する場合であれば形状は問わない。

また、静電容量式重量センサにおいて、耐環境性能は問わないが分解能を向上させたい場合には、従来のセンサに本発明形状の可動電極を採用するだけで分解能を向上することができる。

もちろん、本発明の重量検出回路と共に用いることで耐環境性能と分解能を両方とも向上させることは可能である。

図４に示す重量計測コンデンサＣ１と固定コンデンサＣ２の総和を検出することで重量を計測する本発明の重量検出回路を備え、図６に示す可動電極部２３から固定部２１に対して外側に脚部２２と固定部２１の接続部を持つ本発明形状の可動電極５１を備えた重量センサを実施例として示す。

図４の重量検出回路により重量センサの耐環境性能が向上するとともに、図６の電極形状により重量センサの分解能も高めることができる。

つまり、本発明による重量検出回路と可動電極形状を組み合わせて用いることで、耐環境性能が高く高精度の重量計測が可能である静電容量式重量センサを実現できる。

またこのことで、加熱調理器などの温湿度変化が激しい環境下での使用に耐えられる重量センサの小型化が図れるとともに、より正確に重量を計測して被加熱物の状態に適した調理を行うことができる。

図９に、加熱室２の側面に機械室９を配置したターンテーブル式オーブンレンジを示す。

加熱室２の下方に機械室を持たないオーブンレンジにおいて十分に高く広い庫内容量を確保するためには、加熱室２の下方空間の高さを低くするか、オーブンレンジの高さを高くすれば良い。

しかし、オーブンレンジの高さが高いと棚等に収納できない場合があるので、高さには制限があり、加熱室２の下方空間を低くしなければならない。

しかしオーブンレンジで被加熱物３の重量計測を行う場合は加熱室２の下方に重量センサを設置しなければならず、加熱室の下方空間を小さくすることは難しかった。

本発明による重量センサであれば、精度の良い重量センサを安価に小型化することができるため、狭い空間にも収めることができることから、加熱室の下方空間を低くしなければならない図９のようなオーブンレンジには最適である。

つまり、本発明により耐環境性能が高い高精度の小型化した重量センサを用いることにより、被加熱物の状態に最適な調理を行うことができると共に、広い庫内空間に対して外形容量をコンパクト化することができる。

尚、ターンテーブル式オーブンレンジだけではなく、重量センサを加熱室の下方に配置する全ての加熱調理器において、外形に対して十分に広い庫内容量を確保するために本発明による重量センサを適用できる。

本発明のオーブンレンジの概略断面図である。 本発明の重量センサの断面図である。 本発明の可動電極形状の例を示す説明図である。 本発明の実施例の回路図である。 本発明の全体の静電容量に対する冷熱サイクルによる出力周波数のばらつきを示す図である。 本発明の可動電極形状の例を示す説明図である。 本発明の可動電極形状の他の例を示す説明図である。 本発明の重量センサの脚部剛性と分解能を示す図である。 本発明の加熱室の横に機械室を持つオーブンレンジの概略断面図である。

符号の説明

５・・・重量センサ
２３・・・可動電極部
５１・・・可動電極
５２・・・固定電極
５３・・・回路基板

Claims (2)

1. 少なくとも１対の可動電極と固定電極で構成される重量計測コンデンサと、該重量計測コンデンサの静電容量変化を検出する検出回路から構成される重量センサにおいて、
   前記可動電極を、可動電極部と、該可動電極部を弾性保持する４つの脚部と、各々の脚部を固定する固定孔を持った４つの固定部と、各固定部と各脚部とをつなぐ４つの接続部とで構成し、
   前記４つの固定孔で囲まれた面積の内側に前記可動電極部を配置し、前記４つの固定孔で囲まれた面積の外側に前記４つの接続部を配置し、
   各脚部が前記可動電極部に対して固定孔の外方から各固定部に接続することを特徴とする重量センサ。
2. 被加熱物を載置するテーブルを備えた加熱室と、
   前記テーブルに載置された前記被加熱物を加熱する加熱手段と、
   該加熱手段の出力制御手段と、
   請求項１に記載の重量センサを備えた加熱調理器であって、
   前記テーブルを支持するシャフトは前記重量センサの可動電極と連動しており、前記シャフトを介して前記重量センサにより検出された被加熱物の重量をもとに前記被加熱物の加熱を制御することを特徴とする加熱調理器。

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