JP5286144B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は、トッププレート上の鍋の反りやズレを精度良く検出することができる誘導加熱調理器に関するものである。

特許文献１には、例えば要約書に記載されているように、「…仮反り量および仮負荷量の算出結果から、被加熱物の底の反り量および鍋内部の負荷量を確定する定量算出手段を設ける構成とすることで、直線的に実際の反り量と油量を算出し、特に揚げ物調理における鍋の反り判定および負荷量判定を定量的行うことができる…」ようにするため、「サーミスタの出力に基づき、温度勾配算出手段と温度差算出手段から算出された仮反り量および仮負荷量から定量算出手段、すなわち定数の異なる連続した算出式として実際の値を直線的に検出する」技術が開示されている。

特許文献２には、例えば要約書に記載されているように、「被加熱物の検知温度上昇勾配での被加熱物の反り判定において、温度検知手段の温度が高い状態での誤判定をなくす」ために、「被加熱物（鍋）底の反りに影響を受ける第１の温度検知手段と受けない第２の温度検知手段の温度差によって被加熱物の反りを判定する第１の反り検知動作で用いる閾値を温度差の加熱開始からの最小値により決定することで、加熱開始時のトッププレートの温度に応じた反り判定ができるため、前回の加熱状態に影響されない反り判定ができる」技術が開示されている。また、特許文献２の段落００１７では、「第１の温度検知手段は、トッププレートの下面に接するように設けられた温度検知素子の第１のサーミスタの抵抗値の変化により、温度測定を行っている。第１の温度検知手段は、被加熱物の反りによる熱伝達の変化に影響を受ける。第２の温度検知手段は、トッププレートの下面に接するように設けられ、かつ第１のサーミスタと比べて加熱コイルの外周側に設けられた温度検知素子の第２のサーミスタの抵抗値の変化により、温度測定を行っている。第２の温度検知手段は、被加熱物の反りによる熱伝達の変化に影響を受けない。」と記載されている。

すなわち、引用文献１，２は、サーミスタが検出する被加熱物（鍋）の温度に基づいて鍋の反りを検出する技術を開示している。

また、特許文献３には、例えば要約書に記載されているように、「調理容器が温度検知手段上に載置されていない場合には加熱を開始せずに、調理容器の過加熱を防止できるようにすること」を目的として、「赤外線センサの受光したエネルギーより調理容器の温度を換算する加熱制御部（温度検出手段）と、トッププレートを介して調理容器に向けて光を放射する発光手段と、発光手段が放射した光を赤外線センサが受光することにより調理容器の有無を判別する調理容器検出手段と、調理容器検出手段によって調理容器が検出されなかった場合、調理容器の加熱を停止または加熱電力量を抑制するように制御を行うようにする」技術が開示されている。また、特許文献３の段落００２５では、「… 図５において、発光手段を発光させたときの赤外線センサの出力と発光手段を発光させないときの赤外線センサの出力の差が△Ｖが所定の値以上であれば調理容器検出手段は調理容器があると判定し加熱制御部に伝える。… 調理容器検出手段は発光手段を発光させたときの赤外線センサの出力と発光手段を発光させないときの赤外線センサの出力の差△Ｖが所定の値を下回っているときは調理容器がないと判定し操作部に設けられた容器なし表示を点灯させ使用者に報知する。…」と記載されている。

すなわち、特許文献３は、赤外線センサの受光量に応じて鍋の有無を判定する技術を開示している。

特開２００８−２６２７２２号公報 特開２００６−３１８６６０号公報 特開２００８−２７７３０号公報

薄い鍋底の鍋を強火で加熱したときには、鍋底が過加熱され、加熱中に鍋底が変形するという問題がある。特許文献１，２に記載の技術は、温度センサとしてサーミスタを用いることで鍋が予め反りを有している場合に、その反りを考慮した加熱制御を実現するものである。しかしながら、サーミスタは鍋底の熱が伝熱したトッププレート下の温度を接触検出することで鍋底の温度を間接的に観測するものであるため、応答速度が良くないという特徴がある。すなわち、サーミスタは、鍋底の変形を素早く検出するセンサとしては適さないという問題がある。このため、特許文献１，２に記載の技術では、薄い鍋底の鍋を強火で加熱したときの鍋底変形を素早く検出することができず、過加熱に起因する鍋底変形を防止することも困難であった。

本発明の第一の目的は、過加熱による鍋変形を監視することで過加熱を防止し、適切な火力制御を行うことができる誘導加熱調理器を提供することである。

また、特許文献３には、「発光手段を発光させたときの赤外線センサの出力と発光手段を発光させないときの赤外線センサの出力の差が△Ｖが所定の値以上であれば調理容器検出手段は調理容器があると判定」すると記載されているが、このような赤外光の反射で鍋の有無を判定する手法では鍋の有無を判定ができない鍋（例えば、反射が極端に小さな鍋底の黒い鍋）も多く販売されているので、特許文献３の鍋有無判定方法は実用的ではないという問題がある。

本発明の第二の目的は、赤外線センサによる鍋底温度検出位置に鍋底が黒い鍋を置かれたときであっても、この検出位置からの鍋ズレを検出することができ、鍋ズレの修正を使用者に促すことで、赤外線センサによる鍋底温度検出を的確に行い、これによって適切な火力制御を行うことができる誘導加熱調理器を提供することである。

上記課題は、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、内周側コイルと外周側コイルで構成され前記鍋を加熱する加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給回路と、前記内周側コイルと外周側コイルの間隙の下方に設けられた赤外線センサモジュールと、該赤外線センサモジュールの出力に基づいて前記鍋の温度を算出する温度検出回路と、該温度検出回路の出力に基づいて前記高周波電力供給回路を制御する制御回路と、加熱の設定、操作を行う操作部と、通電の状態を表示する表示部と、具備しており、前記赤外線センサモジュールは、前記鍋が放射する赤外線量に応じた信号を出力するサーモパイルと、該サーモパイルから出力される信号を増幅するアンプと、を一体にした熱型赤外線検出回路と、前記鍋に向けて赤外線を照射する赤外線発光素子と、前記鍋で反射した赤外線を受光する赤外線受光素子と、を備えた反射率検出回路と、を隣接して配置したものであり、前記制御回路は、前記加熱コイルのインダクタンス値が閾値以上である場合に前記操作部の操作を受付け設定された火力で前記鍋の加熱を開始するとともに、前記熱型赤外線検出回路で前記鍋の温度上昇を観測できるときに通常の加熱を続行するように、前記加熱コイルを制御するものであり、前記反射率検出回路の出力電圧が閾値より大きいときは、前記鍋の鍋底の異常変形が無いと判断して通常の加熱を行い、前記反射率検出回路の出力電圧が閾値以下のときは、前記鍋の鍋底が異常変形したと判断して加熱を停止するか火力を弱める誘導加熱調理器によって解決される。

本発明によれば、適切な火力制御を実現する誘導加熱調理器を提供することができる。

一実施例の誘導加熱調理器の外観斜視図。 一実施例の誘導加熱調理器の加熱コイル上面図。 一実施例の誘導加熱調理器の加熱コイル下面図。 一実施例の誘導加熱調理器の断面図。 一実施例の誘導加熱調理器の鍋加熱制御システムの機能ブロック図、および、赤外線検出モジュールの断面図。 従来の誘導加熱調理器の加熱コイル上面図。 従来の誘導加熱調理器の加熱コイルによる鍋加熱分布図。 一実施例の誘導加熱調理器のセンサ位置模式図。 一実施例の誘導加熱調理器のセンサ位置模式図。 一実施例の誘導加熱調理器の加熱コイルによる鍋加熱分布図。 フライパン持ち上げ時の鍋距離を示す図。 各温度における黒体の放射エネルギー特性および一実施例のトッププレートの赤外線透過特性グラフ。 一実施例の赤外線センサモジュール４０７の断面図。 一実施例の制御方法を示すフローチャート。 鍋底温度と熱型赤外線検出回路の出力，反射率検出回路の出力の関係を示す図。 鍋底の異常変形を検出した後の加熱コイル制御を示す図。

以下本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は誘導加熱調理器の外観斜視図である。まず、図１において、１は誘導加熱調理器の本体である。２は耐熱性の高い結晶化ガラスよりなるトッププレートで、本体１の上面に水平に配置され、鉄等の磁性体又はアルミ等の非磁性体よりなる鍋５０１等の金属負荷を載置するものである。このトッププレート２は、４μｍ以下の波長の赤外線を透過し、それより長い波長の赤外線をカットする光学特性を有する。図１２（ａ）にこの光学特性を示す。３ａ〜３ｃは本体１の上部に配置された３つの加熱部で、トッププレート２上に載置された鍋５０１を誘導加熱する加熱コイルを各々の下方に有するものである。３１ａ〜３１ｃは鍋底が放射した赤外線をトッププレート２の下方に透過する赤外線透過領域である。尚、ここでは加熱部を３つとしたが、加熱部は１つまたは２つであっても良い。４は吸気口で、本体１の後部において上方に向けて開口しており、本体１内部の加熱コイルおよび制御部（図示せず）に冷却風を取り入れるものである。５は排気口で、本体１の後部において上方に向けて開口しており、本体１内部を冷却した排気を排出するものである。本実施例では、吸気口４を本体１後部の右側に、排気口５を左側に配置している。６は本体１の前面左部に設けられたグリル加熱部である。７ａ〜７ｃは本体１の上面側に設けられた操作部で、加熱部３ａ〜３ｃの加熱の設定，操作を行うものである。８ａ〜８ｃはトッププレート２の前面側上部に設けられ、出力制御基板（図示せず）と連動して加熱部３ａ〜３ｃの通電の状態を表示する表示部である。

図２は加熱領域３ａの下方にある加熱コイル２００近傍の上面図である。加熱コイル２００は、同心円状の間隙Ｇを挟んで同一平面上に設けられた内周側加熱コイル２０１と外周側加熱コイル２０２で構成されており、同一方向の電流が両コイルに流れるように、同一巻き方向に巻回して巻かれ、内周側加熱コイル２０１の巻き終わりが、外周側加熱コイル２０２の巻き始めとなるように同一巻き線で間隙Ｇを架橋している。そして内周側加熱コイル２０１の巻き始めと外周側加熱コイル２０２の巻き終わりが後述する高周波電力供給回路に接続される。

本実施例において、内周側加熱コイル２０１はコイル中心からの距離約３０〜４５mmに設けられているものとし、外周側加熱コイル２０２はコイル中心からの距離約５５〜９０mmに設けられているものとする。また、２０３は加熱コイル２００を保持するコイルベース、２０４はコイル中心からの距離４５〜５５mmに設けられた赤外線センサモジュールの検出エリアで、鍋底から放射される赤外線を、後述する赤外線センサモジュール４０７に導くエリアである。なお、本実施例では赤外線センサモジュールの検出エリア２０４の大きさを直径約１０mmとする。２０５〜２０８はトッププレート２の下面の温度を測定するサーミスタ（接触式温度センサ）である。

図３はコイルベース２０３の下面図である。図３において、３０１〜３１２は放射状に設けられたフェライトコアで、内周側加熱コイル２０１および外周側加熱コイル２０２で生じた磁界をトッププレート２上の鍋に効率的に入力するためのものである。なお、フェライトコア３０１と３０２の間のピッチは、赤外線センサモジュールの検出エリア２０４を設けるため、他のフェライトコアのピッチより大きくしてある。

図４は図１のＡ−Ａ′面の本体断面図である。図４において、４０１は冷却ファン、４０２は冷却ファン４０１を駆動するモーター、４０３〜４０５は加熱コイル２００に高周波電力を供給する高周波電力供給回路、４０６は冷却ファン４０１により吸引され加熱コイルを冷却する冷却風の流れを表す矢印、４０７は赤外線センサモジュールである。コイルベース２０３はバネ（図示せず）によりトッププレート２の下面に密着されている。

図５は、鍋加熱制御システムを示す機能ブロック図である。図５において、５０１は被加熱物である鍋、５０２は赤外線センサモジュール４０７とサーミスタ２０５〜２０８の出力に基づいて鍋５０１の温度を算出する温度検出回路、２６は赤外線センサモジュール４０７の出力に基づいて鍋５０１の放射率を算出する放射率算出回路、５０３は温度検出回路５０２が算出した温度を放射率算出回路２６の出力に基づいて補正し、補正した温度に応じて高周波電力供給回路４０５を制御し加熱コイル２００に供給する電力を制御する制御回路である。また、５０８は、鍋５０１が放射する赤外線を下方の赤外線センサモジュール４０７に導くとともに、加熱コイル２００から放射される赤外線が赤外線センサモジュール４０７に入射されるのを防ぐ導波管である。

次に、本実施例の動作を説明する。ユーザーがトッププレート２上に鍋５０１を置き、操作部７ａを操作して加熱を開始すると、制御回路５０３が高周波電力供給回路４０５を制御して加熱コイル２００に所定の電力を供給する。加熱コイル２００に高周波電流が供給されると、加熱コイル２００から誘導磁界が発せられ、トッププレート上の鍋に渦電流が発生し誘導加熱される。この誘導加熱によって鍋の温度が上昇し、鍋内の調理物が調理される。

一般に物体は、その温度に応じて自ら赤外線を放射する。この赤外線の強さは、物体の温度が上昇すればそれに伴って増大する。そのため、赤外線センサモジュールを用いて鍋が放射する赤外線量を測定すれば、鍋の温度を瞬時に計測できる。

ここで問題になるのは、加熱コイルを用いて誘導加熱を行うと、鍋底の温度が均一とならないため、赤外線センサモジュールを用いても鍋底の最高温度を正確に計測することができない場合がある。図６，図７を用いて、従来の誘導加熱調理器における赤外線センサによる温度計測を説明する。図６は従来の加熱コイル近傍の上面図であり、６０１はコイル中心から約３６mm〜約８８mmの距離で形成された一体化構成の加熱コイル、６０２はコイル中心から約１５mmの位置に設けられた赤外線センサモジュールの検出エリアである。図７は、加熱コイル６０１を用いて、底の厚みが比較的薄いステンレス製鍋を高火力で加熱し、鍋底表面温度の最高点が約３６０℃（てんぷら油の発火温度）に達した時点での温度分布を、コイル中心からの距離１０mmピッチで測定したものである。図７から分かるように、鍋底の最低温度は中心付近の約３０℃であり、鍋底の最高温度はコイル中心からの距離５０〜７０mm付近の約３５０〜３６０℃である。つまり、最低温度と最高温度の温度差は約３３０度である。これは、一体化コイル６０１がドーナッツ形状をしており、このコイル上の磁束密度はコイル巻き幅の中心で最も大きく、内周および外周側で低くなるためである。このため加熱コイル巻き幅中央上の鍋の部分が最も渦電流が大きく、温度上昇が大きいが、加熱コイルがない中心部では、渦電流が小さいため、温度上昇が小さいためである。そして、コイル中心から約１５mmの位置に設けられた従来の赤外線センサモジュールの検出エリア６０２では、約６０℃という鍋底温度しか観測することができなかった。すなわち、最高温度と観測温度の温度差は約２７０℃にも達していた。

本実施例の誘導加熱調理器では、従来加熱コイルをほぼ巻き幅中央で二つに分割し、この間隙位置すなわち鍋底温度が最高になるコイル中心からの距離５０〜７０mm位置での鍋底温度を測定する。すなわち、図２に示すように、加熱コイルを内周側加熱コイル２０１と外周側加熱コイル２０２に分割し、コイル中心から５０mmの距離に赤外線センサモジュールの検出エリア２０４を設けた。検出エリア２０４をコイル中心から５０mmの距離に設けたのは、鍋底温度が最高になるコイル中心からの距離５０〜７０mm位置に含まれる位置であると同時に、図８に示すように、使用頻度の高い鍋のうち最も直径の小さい直径１２０mmの小径鍋を加熱するときであっても、鍋底が完全に赤外線センサモジュールの検出エリア２０４の上を覆うことができ、鍋底の温度を測定できる位置だからである。

図１０は、加熱コイル２００を用いて、底の厚みが比較的薄いステンレス製鍋を高火力で加熱し、鍋底表面温度の最高点が約３６０℃（てんぷら油の発火温度）に達した時点での温度分布を、コイル中心からの距離１０mmピッチで測定したものである。図１０から分かるように、鍋底の最低温度は中心付近の約５０℃であり、鍋底の最高温度はコイル中心からの距離７０mm付近の約３６０℃である。検出エリア２０４が設けられた、コイル中心から約５０mmの位置で観測される鍋底温度は約３２０℃である。すなわち、本実施例の構成を用いれば、最高温度と観測温度の温度差をわずか約４０℃にでき、観測温度に基づく火力制御も好適に行うことができる。

なお、図２に示す内周側加熱コイル２０１と外周側加熱コイル２０２の間隔Ｇが広いと、検出エリア２０４上の鍋底温度が低下するため、間隔Ｇは狭いほどよいが、間隔Ｇを狭くしすぎると検出エリアも狭くなり、鍋底から放射される赤外線を十分補足することができない。従って、間隔Ｇをある程度大きく１０〜２０mm程度に設定するのが望ましく、本実施例では間隔Ｇを１５mmと定めた。

また、図３に示すように、検出エリア２０４隣のフェライトコア３０１の隣にサーミスタ２０５を設置し、サーミスタ２０５〜２０７で略正三角形を形成するようにサーミスタ２０６，２０７を配置し、この略正三角形の中心にサーミスタ２０８を配置した。これにより、図９に示すように、直径１２０mmの鍋底がコイル加熱範囲である直径２００mmの円の範囲で移動しても、必ず鍋底の下に複数のサーミスタがあるので、鍋底の温度検知は可能となる。なお、鍋底の下に赤外線センサモジュールの検出エリア２０４上が無い場合は、高火力入力は行わず、比較的ゆっくりした加熱制御を行う。

また、図１１に示すように、ユーザーがフライパン等を使って調理する場合、フライパン１１１を傾ける場合があるが、この場合、フライパン１１１の手前側（操作部側）を持ち上げる動作がほとんどである。本実施例では、赤外線センサモジュールの検出エリア２０４がコイル中心より操作部側の反対側にあるため、トッププレートとフライパン１１１の距離Ｈが短くなるので、多少の持ち上げ時でも正確に鍋底温度を測定できる。

次に、図１３を用いて、赤外線センサモジュール４０７の詳細を説明する。図１３（ａ）は、赤外線センサモジュール４０７近傍の断面図であり、図１３（ｂ）は、赤外線センサモジュール４０７を上方から見た平面図である。

図１３（ａ）に示すように、赤外線センサモジュール４０７は、樹脂ケース１６と、樹脂ケース１６の上方に設けられた開口部１４と、樹脂ケース１６の外殻を、開口部１４を除いて覆う防磁ケース１３と、開口部１４に設けられた窓材１５と、樹脂ケース１６の内部に設けられた熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２，プリント配線板２７を備えている。

樹脂ケース１６の開口部１４は窓材１５によって封鎖されているので、赤外線センサモジュール４０７内部の熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２には冷却風が直接当たることはない。すなわち、この構成により、冷却風が熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２に与える影響を低減している。

また、樹脂ケース１６を熱伝導率の低い樹脂で構成することによって、赤外線センサモジュール４０７内部の温度が急激に変化するのを防止している。すなわち、この構成により、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２の温度が伝熱によって急変化するのを防止している。

さらに、高温となったトッププレート２，加熱コイル２００などから発せられる昇温効果の高い波長の赤外線（４μｍ以上）をカットする光学特性を窓材１５に持たせることによって、昇温効果の高い波長の赤外線が赤外線センサモジュール４０７内部に進入するのを防止している。すなわち、この構成により、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２の温度が昇温効果の高い波長の赤外線によって急変化するのを防止している。なお、本実施例では、トッププレート２の赤外線透過特性と窓材１５の赤外線透過特性を同一とした。

さらに、防磁ケース１３を非磁性体のアルミ製にすることによって、赤外線センサモジュール４０７内部に侵入する電磁気的ノイズを低減し、防磁ケース１３が受ける輻射熱を放熱しやすい構成とした。

このような構成を採ることにより、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２は、冷却風，周辺温度の急激な変化，昇温効果の高い波長の赤外線の影響，電気的なノイズの悪影響を小さくすることができ、調理温度１５０から３００℃の広い温度範囲において、精度の高い信号を出力することができ、鍋５０１の温度を正確に測定することができる。

次に、赤外線センサモジュール４０７における信号検出を説明する。鍋５０１の底面から放射される赤外線は、放射赤外線視野範囲である経路３０（トッププレート２，導波管５０８，窓材１５）を介して、熱型赤外線検出回路１３１に届く。また、反射率検出回路１３２が発光する赤外線は、経路２９の往路（窓材１５，導波管５０８，トッププレート２）を介して鍋５０１に届き、鍋５０１で反射した赤外線は、経路２９の復路（トッププレート２，導波管５０８，窓材１５）を介して反射率検出回路１３２に戻る。つまり、熱型赤外線検出回路１３１にも、反射率検出回路１３２にも、トッププレート２，窓材１５の両方を経由した赤外線が届くことが分かる。

窓材１５，赤外線透過部材５０７の赤外線透過特性は、トッププレート２と同一なので、鍋５０１が放射した赤外線のうち、トッププレート２を透過した短い波長の赤外線は、窓材１５，赤外線透過部材５０７も透過する。一方、トッププレート２でカットされた長い波長の赤外線は、窓材１５，赤外線透過部材５０７でもカットされる。窓材１５には、鍋５０１からの伝熱で高温になったトッププレート２の下面から放射された赤外線も届くが、この赤外線の大部分は窓材１５でカットされる長い波長の赤外線であるので、トッププレート２が放射する赤外線の大部分は窓材１５でカットされる。すなわち、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２に届く赤外線にはトッププレート２が放射する赤外線の大部分が届かないので、トッププレート２が放射する赤外線に起因する、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２が出力信号の劣化を防止できる。

次に、熱型赤外線検出回路１３１を詳細に説明する。熱型赤外線検出回路１３１は、トッププレート２と同一の素材をレンズ形状に加工した赤外線透過部材５０７と、鍋５０１の底面から放射される赤外線を検知するサーモパイル１２と、サーモパイル１２の出力を増幅するアンプ２１で構成されている。サーモパイル１２に届く赤外線エネルギーは微弱であるが、サーモパイル１２とアンプ２１を一体化することで、サーモパイル１２，アンプ２１間での電磁気的ノイズ混入を低減できる。そして、ノイズの混入の少ない信号をアンプ２１で５０００〜１００００倍に増幅した後に出力することで、Ｓ／Ｎ比の良い信号を熱型赤外線検出回路１３１から出力している。

ここで、サーモパイル１２の原理について説明する。サーモパイル１２は受光した赤外線のエネルギーに比例した電圧を出力するもので、熱電対を一点に集めたものである。このため、鍋の温度が上昇すると鍋底からの赤外線放射強度も強くなり、サーモパイル１２が受光する赤外線エネルギー量が増え、サーモパイル１２の出力信号電圧が高くなる。

図１２（ａ）にプランクの分布則から算出される２５から３００℃の黒体温度の分光放射エネルギーを示す。この分光放射エネルギーを全波長域で積分すれば、全放射エネルギーＷが求まり、これは温度（絶対温度）の４乗に比例する。これが（１）式のステファン・ボルツマンの法則である。

誘導加熱された鍋底は、黒体温度の全放射エネルギーＷに鍋底の放射率εを乗じた全放射エネルギーを温度に応じて放出する。すなわち黒体温度の全放射エネルギーＷと鍋底温度のそれ（Ｗ′＝εσＴ⁴）との比が放射率εである。すなわち、サーモパイル１２を用いて単位面積当たりの放射量Ｗを知ることができれば、式１に基づいて放射物体の絶対温度を算出できる。

Ｗ＝（２π⁵κ⁴／１５ｃ²ｈ³）×Ｔ⁴＝σＴ⁴ （式１）
Ｗ：単位面積当たりの放射量（Ｗ／cm²・μｍ）
κ：ボルツマン定数＝１.３８０７×１０^-23（Ｗ・ｓ／Ｋ）
ｃ：光速度＝２.９９７９×１０¹⁰（cm／ｓ）
ｈ：プランク定数＝６.６２６１×１０^-34（Ｗ・ｓ²）
σ：ステファン・ボルツマン定数＝５.６７０６×１０^-12（Ｗ／cm²・Ｋ⁴）
Ｔ：放射物体の絶対温度（Ｋ）

次に、反射率検出回路１３２を詳細に説明する。反射率検出回路１３２は、赤外線発光素子１９と赤外線受光素子２０で構成されている。赤外線発光素子１９は、例えば、発光波長９３０ｎｍの赤外線ＬＥＤである。赤外線受光素子２０は、例えば、ピーク感度波長が８００ｎｍであって、波長９３０ｎｍにおける感度がピーク感度の８０％のフォトトランジスタである。赤外線発光素子１９が発光した赤外線は、経路２９を通り、鍋５０１で反射し、赤外線受光素子２０に戻る。赤外線受光素子２０では、受光した赤外線量に比例した電圧が発生し、電圧値から受光した赤外線量を知ることができる。つまり、反射率検出回路１３２は、赤外線発光量と赤外線受光量の比から鍋５０１の反射率ρを検出することができる。なお、赤外線発光素子１９の発光波長として９３０ｎｍを採用したのは、トッププレート２，窓材１５，赤外線透過部材５０７を透過する波長の赤外線であるとともに、鍋５０１が放射する赤外線にほとんど含まれない波長の赤外線だからである。図１２（ａ）に各温度の黒体の分光放射エネルギー、同図（ｂ）にトッププレート２の透過特性を示す。従って、赤外線受光素子２０が受ける９３０ｎｍの赤外線は鍋５０１で反射した赤外線であると判断でき、この赤外線に基づいて鍋５０１の反射率を正確に検出することができる。

ここで、反射率検出回路１３２が求めた反射率に基づいて放射率算出回路２６が放射率を算出する方法を説明する。温度Ｔの金属物質の表面から放射される赤外線エネルギー（Ｗ＝εσＴ⁴）の放射率εと表面の反射率ρの間にはキルヒホフの法則により式２が成立する（但し、透過率α＝０とする）。すなわち、鍋５０１の反射率ρを知ることができれば、式２を変形した式３に基づいて、鍋５０１の放射率εを算出できることが分かる。

ε＋ρ＝１ （式２）
ε＝１−ρ （式３）

放射率εが異なる場合、同じ温度であっても、放射する赤外線エネルギーが異なるので、熱型赤外線検出回路１３１内のサーモパイル１２が検出した赤外線エネルギーからは鍋５０１の温度を一義的に求めることができないという問題がある。この問題を解消するため、制御回路５０３は、温度検出回路５０２が算出した鍋底の温度を、放射率算出回路２６が算出した放射率εを用いて補正することで、反射率ρが異なる鍋５０１を用いたときであっても、適切に鍋底温度を検出する。従って、制御回路５０３は、放射率εを用いて補正した鍋底温度に基づいて加熱コイル２００に供給する電力を好適に制御することができる。

また、図１３（ｂ）に示すように、熱型赤外線検出回路１３１に含まれるサーモパイル１２と反射率検出回路１３２に含まれる赤外線発光素子１９，赤外線受光素子２０を同一のプリント配線板２７上に隣接させて配置した。鍋底が汚れている場合は、同じ鍋であっても場所によって赤外線の反射率，放射率が大きく異なる。本実施例では同一のプリント配線板２７上に熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２を設けたので、サーモパイル１２が温度を観測した鍋底近傍の反射率と放射率を求めることができ、制御回路２３はこの放射率を用いた適切な温度補正を行うことができる。また、プリント配線板２７上の素子を位置調整する必要がないので、誘導加熱調理器の組立効率を高めることもできる。

以上で説明した、本実施例の誘導加熱調理器によれば、鍋底の最高温度近傍の温度を検出することができ、反射率に基づく検出温度の補正も適切に行うことができる。また鍋底温度検出と同時に反射率検出も行うことができる。そしてこの反射率検出を用いて、後述する過熱による鍋変形の検出も行うことができる。さらに、赤外線センサへの温度変化を低減できるとともに、電磁気的なノイズも低減し、正確に鍋温度を検出すること、すなわち正確に検出した温度を用いて加熱の制御を行うことができるので、上手に調理をすることが可能となる。

続いて、本実施例の誘導加熱調理器の具体的な制御を、図１４のフローチャートを用いて詳細に説明する。

実施例では、使用者が加熱操作をスタートされたら、制御回路５０３は、一定周期例えば１秒ごとに、温度検出回路５０２を介して熱型赤外線検出回路１３１の出力及び放射率算出回路２６を介して反射率検出回路１３２の出力を読み込み制御を行うとして説明する。

まず、操作部７ａを操作して電源をＯＮする（Ｓ１）。その後、制御回路５０３は、加熱コイルのインダクタンス値を監視し、インダクタンス値が閾値以上であるかを判断する（Ｓ２）。周知のようにコイル近傍に金属特に磁性体を配置するとコイルのインダクタンスは増加する。この原理で加熱コイル上に鍋が戴置されているかどうかをまず判断する。インダクタンス値が閾値より小さい場合には、鍋５０１が載置されておらずこれを誘導加熱できないと判断し（Ｓ３）、使用者が加熱操作をした場合であってもその命令を受け付けない（Ｓ４）。一方、インダクタンス値が所定の値より大きい場合は、鍋５０１が載置されていると判断し、加熱操作を受け付ける（Ｓ５）。

そして、使用者が実際に加熱操作をしたときには加熱コイル２００に所定の電力を供給し鍋５０１に対する誘導加熱を開始する（Ｓ６）。

次に、熱型赤外線検出回路１３１内のサーモパイル１２で鍋５０１の温度上昇が観測できるかを確認する（Ｓ７）。

サーモパイル１２で温度上昇が観測できないときは、赤外線透過領域３１ａ上に鍋が存在しない、つまり、鍋ズレが大きく鍋底温度をサーモパイル１２で検出できないと判断できるので（Ｓ８）、表示部８ａに鍋ズレが大きいこと、または、鍋位置の修正指示を表示し（Ｓ９）、使用者に鍋ズレの修正を促す。所定時間経過しても鍋ズレが修正されない場合は、鍋の過加熱を防止するため、加熱を停止するか、火力を弱める。一方、サーモパイル１２で温度上昇が観測できるときは、赤外線透過領域３１ａ上に鍋が存在する、つまり、鍋ズレが小さいと判断できるので（Ｓ８）、通常の加熱を続行する。このように鍋のズレの大きさを判断することで、過加熱を防止した適切な加熱制御を行うことができる。

なお、鍋ズレを判別するときに照度センサを使う方法も考えられるが、サーモパイル１２を用いることで、次の利点がある。第一の利点として、本体１外部から赤外線透過領域３１ａを介して受光する光の有無を照度センサで検出し、その受光量が閾値以下のときに鍋５０１があると判断する方法と比較した場合の利点を説明する。このように照度センサを使うと、例えば夜間など、本体１の周囲が暗い環境であるときには、誤った判断をしてしまう場合がある。具体的には、明るい環境下（約１０００ルクス）で、赤外線透過領域３１ａ上に鍋５０１がないときの照度センサの出力電圧は５Ｖ（大）、鍋５０１があるときの出力電圧は０.１Ｖ以下（小）であるのに対し、暗い環境下（約５０ルクス）では、鍋５０１がないときであっても、照度センサ（赤外線受光素子２０）の出力電圧は０.１Ｖ（小）に留まる。つまり、出力電圧が小さい原因が、鍋５０１があるせいなのか、暗い環境のせいなのか、を適切に区別することができない。一方、鍋自身が放射する波長の赤外線の有無により鍋の有無を判断する本実施例の方式では、本体１外部の明るさにかかわらず、鍋の有無を正確に判断でき、鍋の有無に応じた適切な制御をすることができる。

第二の利点として、赤外線発光素子１９が発光する赤外線の反射光を赤外線受光素子２０が受光し、その受光量が閾値以上のときに鍋５０１があると判断する方法と比較した場合の利点を説明する。このように赤外線受光素子２０を使うと、例えば鍋底が黒い鍋など、鍋底の反射率が低く赤外線受光素子２０が受光する反射光量が少ないときには、鍋５０１がないと誤った判断をしてしまう場合がある。具体的には、赤外線透過領域３１ａ上に鏡面処理された鍋５０１があるときの赤外線受光素子２０の出力電圧は２Ｖ（大）であり、鍋５０１がないときの赤外線受光素子２０の出力電圧は０.５Ｖ（小）であるのに対し、赤外線透過領域３１ａ上に鍋底の黒い鍋５０１があるときの赤外線受光素子２０の出力電圧は０.５５Ｖ（小）に留まる。つまり、出力電圧が小さい原因が、鍋５０１がないせいなのか、鍋５０１の鍋底が黒い（反射率小＝放射率大（赤外線の大部分を吸収してしまう））せいなのか、を適切に区別することができない。一方、鍋自身が放射する波長の赤外線の有無により鍋の有無を判断する本実施例の方式では、鍋底の状態にかかわらず、鍋の有無を正確に判断することができ、鍋の有無に応じた適切な制御をすることができる。

続いて、鍋底の変形の検出方法について説明する。まず、図１５に、鍋底の薄い（例えば０.８mm）鍋５０１を加熱コイルに２ｋＷの電力を供給して急激に加熱したときの、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２が検出する信号の大きさと赤外線透過領域３１ａの真上の鍋底温度との関係を示す。ここに示すように、鍋底温度の上昇に伴い熱型赤外線検出回路１３１の出力電圧は増加するが、反射率検出回路１３２の出力電圧は低下する。図中破線で示すように厚手の鍋（例えば２mm）では反射率検出回路１３２の出力は加熱中に変化することはない。反射率検出回路１３２の出力電圧が低下する原因は、急激な加熱による鍋底の変形に伴い赤外線発光素子１９が発光した赤外線のうち、赤外線受光素子２０に戻る赤外線量が減るからであり、これを原因とする赤外線量の減少は鍋底変形の影響が直ちに反映されたものとなる。すなわち、反射率検出回路１３２の出力を観測することで、鍋底の変形を直ちに検出することができる。図１５では、反射率検出回路１３２の出力電圧が０.８Ｖまで低下したときに鍋底の異常変形であると判断し、加熱を停止することで、変形した鍋の過加熱を防止している。

図１５で説明した動作を、図１４のフローチャートを用いて詳細に説明する。まず、反射率検出回路１３２の出力電圧が所定の閾値（例えば０.８Ｖ）まで低下したかを判断する（Ｓ１１）。反射率検出回路１３２の出力電圧が閾値以下となった場合は、鍋底が異常変形したと判断し（Ｓ１２）、加熱を停止する（Ｓ１３）。なお、図１６に示すように、加熱の停止の後、所定時間経過後に鍋底の変形が復帰した場合には、加熱コイル２００に供給する電力を間欠的に制御するなどして鍋底温度を低く保つ保温動作を行う。そして、調理が終了するまでＳ１１〜Ｓ１３で説明した制御を続行する（Ｓ１４）。一方、反射率検出回路１３２の出力電圧が閾値以下とならなかった場合は、鍋底の異常変形がないと判断し、通常加熱を続行する（Ｓ１５）。そして、調理が終了するまでＳ１１，Ｓ１５で説明した制御を続行する（Ｓ１６）。

図１４のＳ１３および図１６では、鍋底の変形を検出したときに加熱を停止し、鍋変形が復帰したときに保温動作を開始したが、これに代え、鍋変形を検出したときに直ちに火力を弱め保温動作を開始しても良いし、鍋変形が復帰しないときには、加熱を強制的に停止し使用者に警告を発しても良い。

なお、鍋の反りを判別する方法として、サーミスタを用いる方法が知られているが、サーミスタは鍋底の温度をトッププレートを介して測定するものであるため、トッププレートの下面に熱が伝わる前に鍋底の温度を検出することができない。従って、サーミスタを用いて加熱による鍋底の異常変形を検出するのは、異常変形した後の長時間を過加熱状態に放置することに等しく、適切な温度制御を行っているとは言い難いのに対し、本実施例のように反射率検出回路１３２を用いると、鍋底の異常変形を直ちに判別することができ、異常変形を抑制するための適切な加熱制御を実現することが容易となる。

以上で説明した本実施例の誘導加熱調理器によれば、鍋の載置位置のズレや、加熱による鍋底の異常変形を正確に検出することができ、それに応じた適切な火力制御ができるので、鍋の過加熱を防止することができる。

なお、図１４では、鍋の有無を判断するためのＳ２と、鍋の変形を判断するためのＳ１１の両方を備えたフローチャートを説明したが、必ずしもこれらの両方の判断を行う必要はなく、鍋の有無を判断するＳ２に関連するステップを省略しても良いし、鍋の変形を判断するＳ１１に関連するステップを省略しても良い。前者の場合は、鍋の変形に応じた適切な火力制御をすることができるし、後者の場合は、鍋の有無に応じた適切な火力制御をすることができる。

１ 本体
２ トッププレート
３ａ〜３ｃ 加熱部
４ 吸気口
５ 排気口
６ グリル加熱部
７ 操作部
８ 表示部
１１ 風路
１２ サーモパイル
１３ 防磁ケース
１４ 開口部
１５ 窓材
１６ 樹脂ケース
１７ サーミスタ
１８ 冷却風
１９ 赤外線発光素子
２０ 赤外線受光素子
２１ アンプ
２３，５０３ 制御回路
２６ 放射率算出回路
２７ プリント配線板
１３１ 熱型赤外線検出回路
１３２ 反射率検出回路
２００ 加熱コイル
２０１ 内周側加熱コイル
２０２ 外周側加熱コイル
２０３ コイルベース
２０５〜２０８ サーミスタ
３０１〜３１２ フェライトコア
４０３〜４０５ 高周波電力供給回路
４０７ 赤外線センサモジュール
５０１ 鍋
５０２ 温度検出回路
５０８ 導波管

Claims (3)

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、内周側コイルと外周側コイルで構成され前記鍋を加熱する加熱コイルと、
   該加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給回路と、
   前記内周側コイルと外周側コイルの間隙の下方に設けられた赤外線センサモジュールと、
   該赤外線センサモジュールの出力に基づいて前記鍋の温度を算出する温度検出回路と、
   該温度検出回路の出力に基づいて前記高周波電力供給回路を制御する制御回路と、
   加熱の設定、操作を行う操作部と、
   通電の状態を表示する表示部と、
   を具備しており、
   前記赤外線センサモジュールは、
   前記鍋が放射する赤外線量に応じた信号を出力するサーモパイルと、該サーモパイルから出力される信号を増幅するアンプと、を一体にした熱型赤外線検出回路と、
   前記鍋に向けて赤外線を照射する赤外線発光素子と、前記鍋で反射した赤外線を受光する赤外線受光素子と、を備えた反射率検出回路と、
   を隣接して配置したものであり、
   前記制御回路は、
   前記加熱コイルのインダクタンス値が閾値以上である場合に前記操作部の操作を受付け設定された火力で前記鍋の加熱を開始するとともに、前記熱型赤外線検出回路で前記鍋の温度上昇を観測できるときに通常の加熱を続行するように、前記加熱コイルを制御するものであり、
   前記反射率検出回路の出力電圧が閾値より大きいときは、前記鍋の鍋底の異常変形が無いと判断して通常の加熱を行い、
   前記反射率検出回路の出力電圧が閾値以下のときは、前記鍋の鍋底が異常変形したと判断して加熱を停止するか火力を弱め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、
   前記反射率検出回路の出力電圧が閾値以下となり、加熱を停止するか火力を弱めた後、
   前記反射率検出回路の出力電圧が閾値より大きくなったときには、通常の加熱を再開することを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 請求項１または請求項２に記載の誘導加熱調理器において、
   前記制御回路は、前記熱型赤外線検出回路で前記鍋の温度上昇を観測できないときには、前記鍋のズレが大きいと判断して前記表示部に、前記鍋のズレが大きいこと、または、鍋位置の修正指示を表示することを特徴とする誘導加熱調理器。

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