JP4717135B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱装置は、複数の加熱コイルを有する構成において、加熱コイルに供給する高周波電流を複数のインバータで発生しているが、そのインバータの駆動制御を時分割で交互に行っている。（たとえば、特許文献１参照。）

特許第３６８７０２８号公報（段落００１５〜００２６、図１、図２）

従来の誘導加熱装置における加熱コイルは、加熱負荷の鍋径によらず、高周波電流が流れるコイル径は一定であった。このため、加熱コイル径より径が小さい被加熱物（鍋）においては、鍋底径外のコイルに流れる電流が作る磁束は加熱に寄与せず、効率が低下するという問題があり、さらに、被加熱物に覆われていないコイル部分から磁束が洩れるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱負荷に応じた最適な駆動を行い効率よく加熱するとともに、洩れ磁束を最小限に抑制することができ、或いは、低損失駆動を可能にした誘導加熱装置を得るものである。

この発明に係る誘導加熱装置は、
加熱負荷が載置される耐熱性のトッププレートと、
前記トッププレートの下方に、略同心円状で且つ略同一平面上に配置された複数の加熱コイルと、
前記複数の加熱コイルに直列に接続されたコンデンサを組として備えた複数の共振回路と、
前記複数の共振回路に同一周波数の高周波電流を供給する高周波電源部と、
前記高周波電源部を制御する制御手段と、
前記加熱負荷の径を検出する検出手段と、
を備え、
前記高周波電源部は、少なくとも２個のスイッチング素子が直列に接続されたアームを３個備え、３個のアームのうち、１つのアームを共通アームとし、該共通アームのスイッチング素子間と他のアームのスイッチング素子間との間に各共振回路を接続し、
前記制御手段は、
前記高周波電源部の前記共通アームと前記他のアームにそれぞれ供給する駆動制御信号の相互の位相差を、内側の加熱コイルの駆動制御信号の位相差よりも外側の加熱コイルの駆動制御信号の位相差のほうが小さくなるように設定して、前記高周波電源部から前記複数の加熱コイルにそれぞれ供給される前記高周波電流の大きさを制御する第１の制御方法と、
前記共通アームの動作を停止させて、前記複数の共振回路が直列に接続された駆動回路を前記高周波電源部に形成する第２の制御方法と、
を備え、
前記加熱負荷の径が中程度以下の場合は前記第１の制御方法を選択し、
前記加熱負荷の径が大きい場合は前記第２の制御方法を選択する。

この発明は、上記の構成を採用したことにより、加熱負荷に応じた最適な駆動を行い効率よく加熱するとともに、洩れ磁束を最小限に抑制することができる。

この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１を示す誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。 この発明の実施の形態１を示す誘導加熱装置の分割コイルと駆動回路の接続の状態図である。 この発明の実施の形態１を示す誘導加熱装置の加熱コイルと大鍋の載置状態図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルと大鍋の載置状態の断面図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルと小鍋の載置状態図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルと小鍋の載置状態の断面図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の位相差による各コイルに流れる高周波電流の大きさの説明図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の位相制御時のコイル電流波形図である。 この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の内コイルと外コイルの結合係数と最大火力の関係の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２における誘導加熱装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態２における誘導加熱装置の位相制御時のコイル電流波形図である。 この発明の実施の形態３における誘導加熱装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態３における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態３における誘導加熱装置の位相制御時のコイル電流波形図である。 この発明の実施の形態４における誘導加熱装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態４における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態４における誘導加熱装置の位相制御波形図である。 この発明の実施の形態４における誘導加熱装置の位相制御時のコイル電流波形図である。 この発明の実施の形態４における誘導加熱装置の位相制御時のコイル電流波形図である。 この発明の実施の形態５における誘導加熱装置の駆動信号波形図である。 この発明の実施の形態６における誘導加熱装置の駆動信号波形図である。 この発明の実施の形態７における誘導加熱装置の駆動信号波形図である。 この発明の実施の形態８における誘導加熱装置の駆動信号波形図である。 この発明の実施の形態９における誘導加熱装置のハーフブリッジ回路構成図である。 この発明の実施の形態９における誘導加熱装置の一石電圧共振回路図である。 この発明の実施の形態１０における誘導加熱装置の内コイル駆動回路図である。 この発明の実施の形態１０における誘導加熱装置の直列駆動回路図である。 この発明の実施の形態１０及び各実施の形態における誘導加熱装置の駆動パターン説明図である。 この発明の実施の形態１０における誘導加熱装置のハーフブリッジ回路へ変更するときの説明回路構成図である。 この発明の実施の形態１０における誘導加熱装置のハーフブリッジ回路へ変更するときの説明回路構成図である。 この発明の実施の形態１０における誘導加熱装置のハーフブリッジ回路へ変更するときの説明回路構成図である。 この発明の実施の形態１１における誘導加熱装置の回路構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す誘導加熱装置の回路構成図である。
図において、誘導加熱装置は、商用交流電源１１１、電源ヒューズ１１４、商用交流電源１１１に並列接続されたコンデンサ１１３、および整流回路１１２からなる電源供給部１１と、フィルタ９と、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１０と、２個のスイッチング素子５１と５２が、６１と６２が、また７１と７２が各々直列に接続された３つのアーム５、６、７でブリッジを構成する駆動回路を含む高周波電源部が設けられている。
また、アーム５−６間には小径の内コイル、共振コンデンサ３が、アーム５−７間には大径の外コイル２、共振コンデンサ４が各々直列に接続され、アーム５を共通とし、他のアーム６、７との間で各々共振回路を形成している。
また、アーム５、６および、アーム５、７を各々を駆動制御する制御手段である制御回路８０が設けられている。また、使用者が装置を操作する操作部８１と、装置の稼働状態を表示する表示部８２が設けられている。

図２は、それぞれ径の異なる複数の分割されたコイル、たとえば小径の内コイル１と、大径の外コイル２を有し、両者がある距離をもって同心円上に配された加熱コイル８の平面図、図３は、一つの加熱コイル８を形成する複数のコイルと駆動回路の接続イメージを表した図である。

図４は加熱コイル８に、比較的鍋径の大きな鍋１５（以下、「大鍋」という）が載置された状態を示しており、さらに、図５は、図３の断面Ａ−Ａ’におけるコイルと駆動回路の接続の状態を表したものであり、内コイル１には共振コンデンサ３とアーム５、６からなる駆動回路が、外コイル２には共振コンデンサ４とアーム５、７からなる駆動回路が接続されている。図５において、トッププレート１７を通して加熱負荷である大鍋１５が載置された状態で、内コイル１および外コイル２に通電されている状態を表している。

また、図６は加熱コイル８に、比較的鍋径の小さな鍋１６（以下、「小鍋１６」という）が載置された状態を示しており、さらに、図７は、図３の断面Ａ−Ａ’におけるコイルと駆動回路の接続の状態を表したものであり、内コイル１には共振コンデンサ３とアーム５、６からなる駆動回路が、外コイル２には共振コンデンサ４とアーム５、７からなる駆動回路が接続されている。図７において、トッププレート１７を通して加熱負荷である小鍋１６が載置された状態で、内コイル１にのみ通電されている。

次に、この発明の実施の形態１の動作について図１、図８〜図１３により説明する。
本実施例では、アーム５を共通として、アーム６と７を同時に制御する動作について説明する。図１において、制御回路８０とアーム５、６、７は、各々独立した制御信号５３、５４、６３、６４、７３、７４で接続されており、ここで、制御信号５３、５４はアーム５を、制御信号６３、６４はアーム６を、制御信号７３、７４はアーム７を制御する信号である。また、図８、図９は、各制御信号の様子を表す波形図であり、制御信号５３、５４と６３、７３について示している。なお、制御信号６４と７４については省略している。

このように構成された駆動回路において、制御回路８０で生成される制御信号５３、５４、６３、６４、７３、７４により、各アームを構成するスイッチング素子５１、５２、６１、６２、７１、７２を駆動させる。各アームを構成するスイッチング素子５１、５２、６１、６２、７１、７２には、それぞれ独立した信号線が接続され、これらの信号により、各スイッチング素子は個別に制御が可能であり、アーム５、６間、およびアーム５、７間では、各々、一般的なフルブリッジ回路におけるスイッチング動作が可能である。

ここで、内コイル１と外コイル２に流れる高周波電流の大きさは、各々制御信号５３と６３、７３、および制御信号５４と６４、７４間の信号位相差（いわゆるアーム間の位相差）により制御され、鍋負荷への加熱量（火力の強弱）に反映される。図８において、制御信号５３と６３、および７３の位相差が０°、つまり電流が流れない状態、図９は、たとえば位相差を９０°与えている状態を表しており、位相差が発生している期間に応じた高周波電流がコイルに流れる。

制御信号５３と５４は、アーム間の短絡を防ぐため、直列に接続されたスイッチング素子が同時に導通しないように、つまり、同時にオン（たとえばハイレベル）となる期間がない様に、図９に示すように、あるデッドタイムが設けられた信号である。制御信号６３と６４、および７３と７４も同様であるが、ここでは制御信号６４、７４は省略してある。なお、制御信号５３と５４、６３と６４、７３と７４、は各々一対の信号で、両者の関係は一定であり、以降の動作は、制御信号５３、６３、および７３で代表して説明する。

図８および図９では、制御信号６３と７３は同じタイミングでスイッチングを繰り返している波形を示しており、アーム６とアーム７は、アーム５に対し、ある位相差をもって、同期してスイッチングを繰り返す。このときの、各コイルに流れる高周波電流の大きさは、前述のように、制御信号５３との位相差により決定されている。（制御信号６４、７４と５４の関係も同様であるが、前述のとおり、ここでは省略している）
このように、制御回路８０は、使用者が操作部８１により任意に操作した設定状態に対応して、高周波電源部を駆動する複数の駆動制御信号の位相差を変えて、高周波電源部から供給される高周波電流の大きさを制御する。

ここで、位相差による各コイルに流れる高周波電流の大きさについて図１０により説明する。図１０は、位相差による各コイルに流れる高周波電流の大きさの説明図である。
図において、制御信号５４と６４、また、制御信号５３と７３、制御信号５４と７４の位相と電流の関係動作は同じなので、制御信号５３と６３で代表している。左半分は、制御信号５３と６３の位相差がＡの場合の制御信号とコイル電流波形であり、右半分は制御信号５３と６３の位相差がＢの場合の各波形である。図より、制御信号５３と６３との位相差の期間にコイルに電流が流れるため、位相差が大きいほど、コイル電流が流れる期間が長くなり、結果コイル電流ピークが大きくなる。図では、位相差Ａ＞位相差Ｂにより、内コイル１電流Ａ＞内コイル１電流Ｂとなっている。

次に、図１１に制御信号５３と６３および７３との位相差が９０°の場合の位相制御波形を、図１２に各々のコイルに流れる電流波形の例を示す。制御信号５３と６３、および７３との位相差が同じ９０°であり、内コイル１、外コイル２に流れる電流はほぼ同じである。
なお、電流がもっとも多く流れるのは二つの信号の位相差が１８０°の時である。たとえば、図１１において、内コイル１に流れる電流が最大となるのは制御信号５３と制御信号６３の位相差（および制御信号５４と６４の位相差）が１８０°の時であり、外コイル２に流れる電流が最大となるのは制御信号５３と制御信号７３の位相差（および制御信号５４と７４の位相差）が１８０°の時である。すなわち、共通のアーム５のスイッチング素子５１（または５２）に対し、スイッチング素子６１と７１（またはスイッチング素子６２と７２）を駆動する信号が同一の位相差１８０°の信号である。
また、図１１において、制御信号５３と５４のデッドタイムは、たとえば、２ｕｓである。
なお、このデッドタイムは、スイッチング素子の特性に依存して任意に設定される値である。

小径の内コイル１と大径の外コイル２を図２や図３に示すように同心円状で平面上に、接触することなく配置し電流を流すことで、コイル同士はトランスのように磁気的に結合するが、このときの結合の度合いを示す結合係数は、コイル間距離、コイルと載置された加熱負荷との距離（トッププレートを介した距離）、および載置された加熱負荷の材質、形状、などによって決定される。

本発明による複数のコイルを用いて加熱する場合、たとえば、内コイル１では小径負荷を加熱するのに必要な電力が得られればよく、一方、大径負荷時は、内コイル１と外コイル２の両者に通電することで大電力を得ることができるように、各々のコイルの特性（主にインピーダンス）を設定する。ただし、この電力はインピーダンスだけで決定されるものではなく、結合係数によっても載置された加熱負荷を加熱するための最大入力電力が変化する。
図１３は、シミュレーションによって試算した、結合係数と最大火力の関係の一例を示す図である。結合係数Ｋによって、最大入力電力が変化し、結合がよい（係数が大きい）と加熱する電力が得にくく、逆に結合が悪い（係数が小さい）と大きな加熱電力が得られる。また、誘導電流による漏れ磁束も結合度に左右される。分割された複数のコイルの間隙調整等により、結合係数を任意に設定することで得られる最大電力を任意に設定できる。

また、加熱負荷の状態（径や材質など）を検出する手段を設け、この検出結果より、加熱負荷を分類するための閾値を設定し、閾値によって分類した結果に従って、コイルの駆動パターンを任意に変えてもよい。
この閾値を設定する場合の指標としては、たとえば、具体的な例として、種々の加熱負荷を加熱することで、実験によって得られた回路電流、または、電圧等である。これらを元に設定した閾値を参照して、通電するコイル（たとえば、内コイル１）を任意に選択する。

閾値は、制御回路にソフト（プログラム）的にあるいはハード（回路）的に組み込み、たとえば、図５や図７に示すようにトッププレート１７を介して加熱負荷が載置されたときに、前述の電流であったり電圧であったりする電気信号を検出する手段、さらに、この検出結果と、制御回路に組み込まれた閾値とを比較する手段を設け、その結果より、載置された負荷に適した駆動を行う。

以上のように、複数に分割された内コイル１、外コイル２に、高周波電流を流すための複数のアーム５、６、７を持つので、内コイル１、外コイル２に対し、各々設けたアーム５、６、７により、内コイル１、外コイル２を略同時、あるいは選択的に、任意に駆動することが可能であって、種々の負荷を最適な電力で加熱することができる。
また、アーム５、６、７に対して、独立した信号を制御することで、アーム５、６、７を選択的に駆動する場合に、切換え用の半導体スイッチやリレーなどの切換え手段が不要となり、回路の信頼性の向上を図ることができる。
また、加熱負荷径に対し任意に設定したコイル径の閾値に応じて、複数に分割された一つの加熱コイル８に対し、機械的な切換え手段を用いることなく、任意のコイルに任意の大きさの電流を通電することができ、鍋径に適切に対応することができ、また、洩れ磁束を低減することができる。

また、複数に分割された一つの加熱コイル８の各々のコイルに、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部が各々接続されているので、従来は、複数の回路を駆動することによって発生する、駆動周波数の微妙なずれが原因で干渉音が発生するケースがあるのに対し、本発明によれば、駆動回路の一部を共有し、複数の加熱コイル８に同時に通電する場合、同一周波数で駆動することで、駆動周波数の干渉による異音が発生しないようにすることができる。
また、回路の共有化によって部品点数の削減ができ、従ってコスト削減ができる。また、故障対象部品点数が減ることによる信頼性の向上を図ることができる。

また、位相差で制御するので、同一周波数で駆動することで、周波数による干渉が生じなく、安定した制御ができる。
また、複数に分割された一つの加熱コイル８に接続される、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部は、各々独立した制御信号で動作させることができるので形態の異なる信号で駆動することができ、コイルに流れる電流の大きさを任意に設定でき、あるいは、複数のコイルに選択的に電流を流すことで種々の駆動パターンで駆動できることから、均一加熱や漏れ磁束の低減等ができる。
また、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部を同一の信号で駆動させることができ、分割された複数のコイルを同一信号（同一タイミング）で駆動することで、最大電力を得ることができる。
ただし、同一信号とは、共通のアーム５のスイッチング素子５１（または５２）に対し、スイッチング素子６１と７１（または、スイッチング素子６２と７２）を駆動する信号が同一信号であることを意味している。
また、加熱コイル８が複数のコイルに分割されている構成であっても、各コイルに同時に、同じような高周波電流を流すことができるため、トッププレートを介して載置された加熱負荷（鍋）を均一に加熱することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、アーム６とアーム７を同時に駆動するようにしたが、実施の形態２では、アーム６を選択的に駆動する実施例について説明する。
図１４は、図１の回路構成において、共通のアーム５と内コイル１、共振コンデンサ３、およびアーム６で構成される共振回路ａのみを駆動する状態を表した回路構成図である。図において、スイッチング素子７１、７２を制御する制御信号７３、７４は供給されず、アーム５を駆動する制御信号５３、５４、およびアーム６を駆動する制御信号６３、６４のみが供給されている。その状態を図１５、および図１６に示す。

図１５は制御信号波形図であり、図においてアーム５の制御信号５３、５４と、アーム６の制御信号６３、６４（図中６４は省略）のみが供給され、アーム７の制御信号７３（図中７４は省略）は停止（オフ、たとえばローレベル）している状態を示している。

図１６は、各々のコイルに流れる電流波形図である。図において、コイル１電流は内コイル１に流れる電流を表す波形図、コイル２電流は外コイル２に流れる電流を表す波形図である。このように、アーム７の制御信号を停止することで、アーム５とアーム７間で構成される共振回路動作が停止され、内コイル１にのみ高周波電流を流すことができる。
このときの内コイル１に流れる高周波電流は、制御信号５３と制御信号６３（および、制御信号５４と６４）の位相差によって決定されている。

なお、図１６では、駆動を停止している外コイル２は、内コイル１とある結合係数を持って結合しているため、内コイル１に流れる電流により誘導される誘導電流がわずかに外コイル２に流れている状態も示している。

以上のように、複数に分割された一つのコイルに接続される、回路の一部を共用して構成されたアーム５、６、７を異なる形態の信号で駆動させることで、複数に分割されたコイルからなる一つの加熱コイル８の各々のコイルに対し、選択的に、高周波電流を流す、または、停止することができる。
たとえば、外コイル２より鍋底径の小さな鍋負荷、いわゆる小鍋が載置された場合、加熱に寄与しない外コイル２に高周波電流を流すことなく、内コイル１のみで加熱動作が実現できるため、効率のよい加熱動作ができる。

さらに、リレー等追加部品による回路の切り替えなしで、内コイル１で構成される共振回路のみを駆動できるため、部品点数が削減できるとともに、鍋底より外周にある外コイル２のコイルに大きな高周波電流を流さない回路を構成できるため、磁束の発生が抑制され、洩れ磁束低減を図ることができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、アーム６を選択的に駆動するようにしたが、実施の形態３では、アーム７を選択的に駆動する実施例について説明する。
図１７は、図１の回路構成において、共通のアーム５と外コイル２、共振コンデンサ４、およびアーム７で構成される共振回路ｂのみを駆動する状態を表した回路構成図である。図において、スイッチング素子６１、６２を制御する制御信号６３、６４は供給されず、アーム５を駆動する制御信号５３、５４、およびアーム７を駆動する制御信号７３、７４のみが供給されている。その状態を図１８に示す。

図１８は制御波形図であり、アーム５の制御信号５３、５４と、アーム７の制御信号７３、７４（図中７４は省略）のみが供給され、アーム６の制御信号６３（図中６４は省略）は停止（オフ、たとえばローレベル）している状態を示している。

図１９は、各々のコイルに流れる電流波形図である。図において、コイル１電流は内コイル１に流れる電流を表す波形、コイル２電流は外コイル２に流れる電流を表す波形である。このように、アーム６の制御信号を停止することで、アーム５とアーム６間で構成される共振回路動作が停止され、外コイル２にのみ高周波電流を流すことができる。
このときの外コイル２に流れる高周波電流は、制御信号５３と制御信号７３（および、制御信号５４と７４）の位相差によって決定されている。

なお、駆動を停止している内コイル１は、外コイル２とある結合係数を持って結合しているため、外コイル２に流れる電流により誘導される誘導電流がわずかに内コイル１に流れている。

以上の実施の形態によれば、内コイル１、外コイル２に接続される、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部を異なる形態の信号で駆動させることで、複数に分割された一つの加熱コイル８のうち、内コイル１、外コイル２に対し、選択的に、高周波電流を流す、または、停止することができる。
たとえば、外コイル２より鍋底径の小さな鍋負荷が載置された場合、鍋負荷との結合が弱くなり、外コイル２に想定外の高周波電流が流れるなどの現象が発生するので、負荷の状態を検知するなどの動作に利用できる。従って、負荷に応じた最適な加熱とするための内コイル１、外コイル２の選択を適切にすることができる。

実施の形態４．
以上の実施の形態では、アーム６、７を同時に、または選択的に駆動する実施例について述べたが、実施の形態４ではアーム６とアーム７を異なる位相差を持つ信号で駆動する実施例について説明する。
図２０は実施の形態４を示す誘導加熱装置の回路構成図であり、図１において、実施例１と同様、アーム５を共通とし、アーム６、７とで各々共振回路ａ、ｂを構成している。

図において、スイッチング素子５１、５２、６１、６２、７１、７２に各々制御信号が接続されており、アーム５を駆動する制御信号５３、５４、アーム６を駆動する制御信号６３、６４、およびアーム７を駆動する制御信号７３、７４その状態を図２１、および図２２に示す。

図２１は制御信号波形図であり、アーム５の制御信号５３とアーム６の制御信号６３との位相差が９０°であり、また、アーム５の制御信号５３とアーム７の制御信号７３の位相差が１８０°であり、アーム５に対するアーム６とアーム７の位相が異なる例を示している。

このときの内コイル１に流れる高周波電流は、制御信号５３と制御信号６３（および、制御信号５４と６４）の位相差によって、また、外コイル２に流れる高周波電流は、制御信号５３と制御信号７３（および制御信号５４と７４）の位相差によって決定されている。

図２２は制御信号波形図であり、アーム５の制御信号５３とアーム６の制御信号６３との位相差が、たとえば、１８０°であり、また、アーム５の制御信号５３とアーム７の制御信号７３との位相差が９０°であり、アーム５に対するアーム６とアーム７の位相が異なる例を示している。なお図示はしないが、制御信号５４と６４、および５４と７４の関係も同様である。

このときの内コイル１に流れる高周波電流は、前述同様、制御信号５３と制御信号６３（および、制御信号５４と６４）の位相差によって、また、外コイル２に流れる高周波電流は、制御信号５３と制御信号７３（および、制御信号５４と７４）の位相差によって決定されている。

図２３、図２４は、各々のコイルに流れる電流波形図である。図において、コイル１電流は内コイル１に流れる電流を表す波形、コイル２電流は外コイル２に流れる電流を表す波形である。
図２３では外コイル２の電流が、図２４では内コイル１の電流がより多く流れていることがわかる。これは、図２４では、外コイル２が接続されたアーム５とアーム７を制御する制御信号５３と７３の位相差が、また図２４では、内コイル１が接続されたアーム５とアーム６を制御する制御信号５３と６３（および制御信号５４と６４）の位相差が大きくなるように制御した結果である。

以上の実施の形態によれば、内コイル１、外コイル２に接続される、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部を異なる形態の信号で駆動させることで、内コイル１、外コイル２を異なる任意の位相差を持つ信号で駆動させることができる。
これにより、内コイル１の電流と外コイル２の電流の大きさが個別に任意に設定できるようにしたので、内コイル１と外コイル２に流す高周波電流の比を任意に設定可能であり、たとえば、鍋底径が大鍋と小鍋の中間程度の負荷、いわゆる中鍋を加熱する時は、内コイル１に一定の電流を流す一方、外コイル２には、内コイル１だけで加熱するには不十分な電力を補う程度の少量の電流を流すだけでよく、効率のよい加熱動作をすることができる。

さらに、外コイル２には大きな電流を流さないので、中鍋の鍋底径外にはみ出した外コイル２から発生する漏れ磁束量も最小限に抑制することができる。

実施の形態５．
実施の形態４では、アーム６とアーム７をアーム５を駆動する信号に対し異なる位相差を持つ信号で駆動したが、実施の形態５では、アーム６と７を複数の位相差を持つ制御信号で駆動する例について説明する。回路構成は実施の形態４の図２０と同じであり説明を省略する。
図２５は実施の形態５を示す駆動信号の波形図である。図２５において、内コイル１と外コイル２に流れる高周波電流は、位相差量Ａ＞Ｂにより、このとき、期間１では内コイル１電流が、期間２では外コイル２電流が多い。ここでは、理解を容易にするため、位相差量はＡとＢを交互に入れ替える状態を示しているが、たとえば、期間１の位相関係はＡ、Ｂ、期間２の位相関係はＣ、Ｄ（図示せず）等任意に設定可能である。

以上のように、アーム５、６、７で位相設定の異なる信号による制御状態にあって、任意に交互に繰り返すことで、内コイル１と外コイル２の電流量の大小（火力の強弱）を任意に変化させることができるので、たとえば、調理物内部に対流を起こさせ、焦げ付きなどを防止することができる。

実施の形態６．
実施の形態４では、内コイル１と外コイル２の電流量を異なる位相に設定し、たとえば、中径の鍋の加熱時に外コイル２に流す電流を制限するために、アーム５とアーム７で構成される共振回路の駆動信号位相差を小さくすることで外コイル２に流れる高周波電流を抑制しているが、実施の形態６では、アーム６とアーム７を位相差と間欠動作を組み合わせた信号で駆動する実施例について説明する。
回路構成は実施の形態４の図２０と同じであり説明を省略する。 図２６は実施の形態６を示す駆動信号の波形図である。図２６において、アーム５とアーム６で構成される共振回路ａを定常駆動し、内コイル１に連続的に通電する一方、アーム７の駆動／停止を繰り返すことで、外コイル２に流れる高周波電流を抑制することができる。アーム５とアーム７、およびアーム６との関係についても同様の動作が可能であることはいうまでもない。

以上のように、内コイル１、外コイル２のように分割された複数のコイルからなる加熱コイル８の各々のコイルに対し、選択的に、間欠した高周波電流を流すので、効率のよい加熱動作をすることができ、また、外コイル２の電流を任意に制御できるようにしたので、中鍋の鍋底径外にはみ出した外コイル２から発生する漏れ磁束量も最小限に抑制することができる。
さらに、内コイル１と外コイル２の電流の強弱が任意に制御できるので、加熱負荷である鍋底を均一に加熱できる効果が得られる。

実施の形態７．
実施の形態７はアーム６、７の位相差を変化させながら通電する例について説明する。回路構成は実施の形態４の図２０と同じであり説明を省略する。 図２７は実施の形態７を示す駆動信号の波形図である。図において、コイルに流す電流量を決定する駆動信号の位相差を連続的に変化させる例を示している（位相差Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→・・）。
なお、図２７では、内コイル１に接続されるアーム６と外コイル２に接続されるアーム７を同一形態の信号（アーム５に対する位相差が同じ）で駆動制御する例を示しているが、図２７の制御信号６３と制御信号７３は制御信号５３に対して異なる位相を持つ信号であってもよい。

このように、位相差を小→大へ（いわゆる低火力から高火力）、任意の範囲内で連続的に可変させ、これを繰り返すことで、周期の長い火力制御が可能となる。逆（位相差を小→大へ）も同様である。

以上のように、複数に分割されたコイルからなる加熱コイル８のうち、内コイル１、外コイル２の各々のコイルに対し、連続的に位相差が変化する信号で駆動させるので（位相スイープ）火力に強弱をもたせた長時間加熱等をすることができる。たとえば、長時間の煮込み調理などで、火力の強弱による調理物の対流が発生し、焦げ付きを防ぐことができる。
なお、ここでは、外コイル２の電流量を制御する制御信号７３（および７４）について示しているが、制御信号６３（および６４）を同様に変化させてもよい。

実施の形態８．
実施の形態８は駆動を停止する期間を変化させる例である。図２８は実施の形態８の動作を示す制御信号の波形図である。図において、外コイル２の電流量を制御する制御信号７３の駆動を停止する期間を変化させている。

このように、複数に分割されたコイルからなる加熱コイル８の、内コイル１、外コイル２に接続される、回路の一部を共用して構成された複数の高周波電源部を異なる形態の信号で駆動させるので、火力に強弱をもたせた長時間加熱等をすることができ、長時間の煮込み調理などで、火力の強弱による調理物の対流が発生し、焦げ付きを防ぐことができる。
なお、図２８では、外コイル２の電流量を制御する制御信号７３（および７４）について示しているが、制御信号６３（および６４）を同様に変化させてもよい。

実施の形態９．
以上の実施の形態では、複数のコイルからなる加熱コイル８を駆動する回路をフルブリッジ回路としたが、実施の形態９はハーフブリッジ回路や電圧共振回路の例を示す。
図２９はハーフブリッジ回路構成図、図３０は電圧共振回路である。

図２９において、内コイル１と外コイル２は直列に接続され、コンデンサと共に電流共振回路を構成し、ハーフブリッジからなる高周波電源が接続されている。スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２は、半導体スイッチ（たとえばＦＥＴなど）、あるいは機械的スイッチ（たとえばリレーなど）である。また、２１はスイッチング素子２１１と２１２からなるアームである。径の大きな負荷を加熱する場合は、スイッチング素子２１１、内コイル１、外コイル２、スイッチ素子ＳＷ２、共振コンデンサ２２、２３、スイッチング素子２１２からなる共振回路を構成する。この時スイッチ素子ＳＷ１は外コイル２側に接続された状態である。この状態では、回路インピーダンスが増大し、回路電流が低減できるので、損失が改善され、効率の良い加熱動作が可能となる。

次に、内コイル１のみを駆動する場合、たとえば、径の小さな負荷を加熱する場合は、スイッチ素子ＳＷ２を開放し、一方スイッチ素子ＳＷ１を内コイル１側に短絡状態とすることで、スイッチング素子２１１、内コイル１、スイッチ素子ＳＷ１、共振コンデンサ２２、スイッチング素子２１２からなる共振回路を構成する。

この状態では、小径鍋を加熱する電力が得られれば良く、その電力は径の大きな加熱負荷に比較して小さくてよい。よって、内コイル１のインピーダンスのみで十分な電力が得られ、外コイル２に無効な電流を流す必要が無いため、同様に効率化が図れる。
なお、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２は、機器を構成する制御部から送出される独立した信号によって制御されている。このように、負荷径に応じてコイル径を切換える構成となっているので、実施の形態２同様、加熱効率の向上、漏れ磁束低減などの効果が得られる。

次に図３０について説明する。図３０は一般的な電圧共振回路を内コイル１用、外コイル２用に個別に設けた例であり、図において、スイッチング素子２１１、内コイル１、共振コンデンサ３、コンデンサ１０１で構成される電圧共振回路ａと、スイッチング素子２１２、外コイル２、共振コンデンサ４、コンデンサ１０２で構成される電圧共振回路ｂが電源供給部１１ に共通に接続されている。

電圧共振回路ａ、ｂのスイッチング素子２１１、２１２には、各々、独立した制御信号Ｇ１、Ｇ２が接続されており、Ｇ１とＧ２を任意に制御することにより、内コイル１および外コイル２を任意の組み合わせで駆動可能であり、簡易な回路構成で、フルブリッジ回路の場合と同様な効果が得られる。

実施の形態１０．
実施の形態１０では、実施の形態１の図１に示す本発明の回路構成において、アーム５、６、７を制御する信号を用いて、回路構成を切換える方法について説明する。
図３１で示す破線で囲んだ部分は、内コイル１のみ駆動させるときの回路構成図である。図３１において、たとえば、制御信号７３、７４をオフとして共通のアーム５と内コイル１、共振コンデンサ３、およびアーム６で構成される共振回路のみを駆動させることで、小鍋加熱に対する回路構成に切換える。これは実施の形態２と同様の動作である。

次に、内コイル１と外コイル２を直列に接続して、大鍋加熱に対応する場合の回路構成を実現する手段について説明する。図３２で示す一点鎖線で囲んだ部分は、内コイル１と外コイル２を直列駆動とするときの回路構成図である。図において、大鍋加熱時は、制御信号５３、５４をオフすることで、共通のアーム５の駆動を停止し、一方、アーム６、７は制御信号６３、６４、および７３、７４で駆動させる。これにより、アーム６とアーム７からなるフルブリッジ回路を構成できる。この状態で、内コイル１、外コイル２、共振コンデンサ３、共振コンデンサ４とアーム６、７からなる共振回路となり、内コイル１と外コイル２は回路に直列に挿入される構成となる。これによって、部品追加や切換え回路等の追加をすることなく、内コイル１と外コイル２を直列に接続して、コイルのインピーダンスを増加させることができるので、コイル電流が低減され損失が改善される。

次に、制御信号の組み合わせによって、実施の形態１の図１に示すフルブリッジの回路構成を、実施の形態９の図２９に示したハーフブリッジの回路構成に変える例を図３３〜３６により説明する。
図３３（ａ）はアーム５、６、７の組み合わせをパターンＡ〜Ｓに示し、このパターンに対応した各々の駆動状態、回路構成を示すフルブリッジ（ＦＢ）とハーフブリッジ（ＨＢ）の区分、動作、効果及び対応する実施の形態１〜１０を示した表であり、図３３（ｂ）、（ｃ）は、実施の形態１の図１を簡略化したものであり、図３３（ａ）の各パターンの動作の参考図である。なお、図３３（ｃ）は「共通のアーム」の概念をわかりやすくするための図であり、図３３（ｂ）、（ｃ）は等価回路である。図において（１）、（２）からなる共通アームが図１のアーム５に、（３）、（４）からなるアームＡが図１のアーム６に、（５）、（６）らなるアームＢが図１のアーム７に相当する。（１）、（２）が共通部で、アームＡ間に接続されたコイルが図１の内コイル１、アームＢ間に接続されるコイルが図１の外コイル２に相当する。図中の矢印は、共通アームからコイルに流れる電流を表す。図３３（ａ）で初段の数字（１）〜（６）は、図３３（ｂ）、（ｃ）の（１）〜（６）に対応している。

図３４〜３６は、図１の回路構成から、実施の形態９に示す図２９のハーフブリッジの回路構成に切り換える方法を示した誘導加熱装置の回路構成図である。これらは、図３３（ａ）のパターンＮ、Ｐ、Ｑ、Ｒに相当する。
パターンＰの場合は、図３３（ｂ）（または（ｃ））の（４）〜（６）の素子を駆動する。すなわち、図３４において 図３３（ｂ）（または（ｃ））の（４）〜（６）の素子に相当するスイッチング素子６２、７１、７２のみを使って内コイル１と外コイル２に電流を流す。このとき、（３）を常時ＯＦＦ状態、（４）を常時ＯＮ状態にしておくことで、図２９相当の回路構成（大径負荷対応＝スイッチング素子２１１、内コイル１、外コイル２、スイッチ素子ＳＷ２、共振コンデンサ２３、スイッチング素子２１２で構成される回路）となる。この時、フルブリッジ回路構成と同様に、内コイル１と外コイル２は直列接続となるため、回路インピーダンスが増加し回路電流が低減できるので、損失が改善され効率の良い加熱動作ができる。なお、パターンＮも同様にして（３）、（４）、（６）の素子を駆動する。なお、パターンＮも同様にして（３）、（４）、（６）の素子を駆動する。

パターンＱの場合は、図３５において、図３３（ｂ）（または（ｃ））の（１）、（２）、（４）の素子に相当するスイッチング素子５１、５２、６２のみを使って内コイル１に電流を流す。このとき、（３）を常時ＯＦＦ状態、（４）を常時ＯＮ状態にしておくことで、図２９相当の回路構成（小径負荷対応＝スイッチング素子２１１、内コイル１、スイッチ素子ＳＷ１、共振コンデンサ２２、スイッチング素子２１２で構成される回路）となる。なお、パターンＲも同様にして（１）、（２）、（６）の素子を駆動させる。

パターンＳの場合は、図３６において、図３３（ｂ）の（１）、（２）、（４）の素子に相当するスイッチング素子５１、５２、６２がひとつのハーフブリッジ回路を構成し内コイル１に電流を流す一方、（１）、（２）、（６）に相当するスイッチング素子５１、５２、７２で構成されるもうひとつのハーフブリッジが外コイル２に電流を流し、アーム５を共通として、両者を並列で動作させる様子を示している。

以上のように、フルブリッジ回路構成の場合と同様、部品や切換え回路等を追加することなく、制御信号による各アームの駆動制御だけで、容易に回路構成が変更できるため、種々の加熱負荷に対して最適な回路構成や駆動パターンでの加熱動作が実現できる。
なお、以上に示した実施の形態１〜１０については、独立した制御信号で各々の回路を制御するようにしたので、信号の組み合わせ（駆動パターン）によって、種々の回路動作の効果が期待できる。

実施の形態１１．
実施の形態１〜１０の回路構成は、内コイル１には共振コンデンサ３とアーム５、６からなる駆動回路が、外コイル２には共振コンデンサ４とアーム５、７からなる駆動回路が接続され、共振コンデンサ３，４の２個用いたが、本実施の形態は共振コンデンサを１個にしたものである。

図３７はこの発明の実施の形態１１を示す誘導加熱装置の回路構成図である。図において、実施の形態１の図１と同一部分には同一の符号を付し説明を省略する。
共通のアーム５の中点に共振コンデンサ３を介して、内コイル１と外コイル２が接続されており、アーム５、共振コンデンサ３、内コイル１、アーム６で内コイル１駆動用のフルブリッジ回路を、アーム５、共振コンデンサ３、外コイル２、アーム７で外コイル２駆動用のフルブリッジ回路を構成している。
このように、共振コンデンサ３を共用した構成として、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

本発明の活用例として、ＩＨクッキングヒータや電磁調理器などがある。

１ 内コイル、２ 外コイル、３、４ 共振コンデンサ、５、６、７ アーム、８ 加熱コイル、１７ トッププレート、５１、５２、６１、６２、７１、７２ スイッチング素子、５３、５４、６３、６４、７３、７４ 制御信号、８０ 制御回路、８１ 操作部、８２ 表示部。

Claims (1)

1. 加熱負荷が載置される耐熱性のトッププレートと、
   前記トッププレートの下方に、略同心円状で且つ略同一平面上に配置された複数の加熱コイルと、
   前記複数の加熱コイルに直列に接続されたコンデンサを組として備えた複数の共振回路と、
   前記複数の共振回路に同一周波数の高周波電流を供給する高周波電源部と、
   前記高周波電源部を制御する制御手段と、
   前記加熱負荷の径を検出する検出手段と、
   を備え、
   前記高周波電源部は、少なくとも２個のスイッチング素子が直列に接続されたアームを３個備え、３個のアームのうち、１つのアームを共通アームとし、該共通アームのスイッチング素子間と他のアームのスイッチング素子間との間に各共振回路を接続し、
   前記制御手段は、
   前記高周波電源部の前記共通アームと前記他のアームにそれぞれ供給する駆動制御信号の相互の位相差を、内側の加熱コイルの駆動制御信号の位相差よりも外側の加熱コイルの駆動制御信号の位相差のほうが小さくなるように設定して、前記高周波電源部から前記複数の加熱コイルにそれぞれ供給される前記高周波電流の大きさを制御する第１の制御方法と、
   前記共通アームの動作を停止させて、前記複数の共振回路が直列に接続された駆動回路を前記高周波電源部に形成する第２の制御方法と、
   を備え、
   前記加熱負荷の径が中程度以下の場合は前記第１の制御方法を選択し、
   前記加熱負荷の径が大きい場合は前記第２の制御方法を選択する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。

Images