JP5347809B2

JP5347809B2 - 炊飯器

Info

Publication number: JP5347809B2
Application number: JP2009178598A
Authority: JP
Inventors: 英樹両角; 純輝能瀬; 晴俊中▲崎▼; 融新山; 誠一高椋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP2011030683A

Description

本発明は、一般家庭で使用する誘導加熱を利用した炊飯器に関するものである。

従来、この種の炊飯器は鍋を誘導加熱する加熱コイルと、加熱コイルをオンオフする半導体スイッチング素子を有するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御回路を備え、制御回路は半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を検出する周波数検出手段とを有し、周波数検出手段の検出した周波数に応じた基準値と電圧検出手段により検出された値とを比較して規定の負荷であるか否かを検出する負荷判定手段を有するものがあった（例えば、特許文献１参照）。

このような構成にすることで、半導体素子のスイッチング周波数は同期信号をマイクロコンピュータが検出するので部品のばらつき関係なく精度よく検出でき、このスイッチング周波数に応じて基準値を設けるので、電圧検出手段の検出した値を比較することで精度よく負荷判定を行うことができ、アルミ鍋のような高周波で動作する異鍋を検出できると記述されている。

特開平８−１１７０９２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、根本的に電圧検出手段の周波数特性を考慮しておらず、アルミ鍋を誘導加熱した時の動作周波数帯域では、電圧検出手段の出力電圧が減衰してしまい、精度よく半導体スイッチング素子の両端電圧を検出できないという課題を有していた。

また、電圧検出手段の周波数特性を高周波まで減衰しない構成にするように考慮したとしても、電圧検出手段の回路構成が複雑になるという課題や、電圧検出手段の雑音に対する感度が高くなり、半導体スイッチング素子の両端電圧を誤検出するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体スイッチング素子の両端電圧を精度よく検出し、半導体スイッチング素子の最大電圧定格を超えないように制御することで、信頼性の高い炊飯器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の炊飯器は、鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに接続した半導体スイッチング素子を有するインバータ回路と、交流電源を整流し前記インバータ回路に電力供給する整流回路と、前記半導体スイッチング素子の両端電圧を検出する両端電圧検出回路と、前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、前記加熱コイルの動作周波数を検出する周波数検出部を有し、前記インバータ回路は前記半導体スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給し、前記制御部は前記半導体スイッチング素子の両端電圧の上限値を設定するとともに前記両端電圧検出回路の出力値を前記交流電源のピーク値より前のタイミングで読み込み、前記周波数検出部の検出した周波数に応じて前記両端電圧検出回路の出力電圧を補正し、この補正値が両端電圧の上限値を超えないように前記半導体スイッチング素子のオン時間を設定するものである。

これによって、動作周波数に応じて、前記両端電圧検出回路の出力電圧を補正するので、前記両端電圧検出回路の周波数特性を考慮することが可能となり、前記両端電圧検出回路が高周波帯域で減衰する傾向があっても、その減衰分を補正して精度よく前記半導体スイッチング素子の両端電圧を検出できる。

本発明の炊飯器は、電圧検出手段の周波数特性を考慮して半導体スイッチング素子の両端電圧を精度よく検出し、半導体スイッチング素子の両端電圧が最大定格電圧を超えないようにすることができ、信頼性の高い炊飯器を提供することができる。

本発明の実施の形態１における炊飯器の主要部ブロック図本発明の実施の形態１における炊飯器の要部断面構成図本発明の実施の形態１における加熱コイルの動作周波数と両端電圧検出回路の出力電圧の関係を示したグラフ本発明の実施の形態１における半導体スイッチング素子のオン時間と加熱コイルの動作周波数の関係を示したグラフ本発明の実施の形態１における半導体スイッチング素子のオン時間と交流電源から供給される入力電流の関係を示したグラフ本発明の実施の形態１における半導体スイッチング素子のオン時間がＴｏｎ２の時の（ａ）はオン時間設定部の８ｂｉｔ出力波形図（ｂ）はパルス発生部の出力波形図（ｃ）は半導体スイッチング素子に流れる電流波形図（ｄ）は（ＣＥ）端子の電圧波形と（Ｃ２）端子の電圧波形図（ｅ）は同期信号発生回路の出力波形図（ｆ）は加熱コイルに流れる電流波形図本発明の実施の形態１における半導体スイッチング素子のオン時間がＴｏｎ３の時の（ａ）はオン時間設定部の８ｂｉｔ出力波形図（ｂ）はパルス発生部の出力波形図（ｃ）は半導体スイッチング素子に流れる電流波形図（ｄ）は（ＣＥ）端子の電圧波形と（Ｃ２）端子の電圧波形図（ｅ）は同期信号発生回路の出力波形図（ｆ）は加熱コイルに流れる電流波形図本発明の実施の形態１における（ａ）は交流電源の両端電圧波形図（ｂ）は零電圧同期信号出力回路の出力パルス波形図（ｃ）はオン時間設定部が設定するオン時間波形図（ｄ）は両端電圧検出回路の出力するアナログ電圧波形図（ｅ）はＩＧＢＴのコレクタ電圧（ＣＥ）端子の包絡線波形図本発明の実施の形態１における（ａ）は温度検知部が検知した鍋底温度のタイムチャート（ｂ）はスイッチング手段のオン時間のタイムチャート本発明の実施の形態２における炊飯器の主要部ブロック図

第１の発明は鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに接続した半導体スイッチング素子を有するインバータ回路と、交流電源を整流し前記インバータ回路に電力供給する整流回路と、前記半導体スイッチング素子の両端電圧を検出する両端電圧検出回路と、前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、前記加熱コイルの動作周波数を検出する周波数検出部を有し、前記インバータ回路は前記半導体スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給し、前記制御部は前記半導体スイッチング素子の両端電圧の上限値を設定するとともに前記両端電圧検出回路の出力値を前記交流電源のピーク値より前のタイミングで読み込み、前記周波数検出部の検出した周波数に応じて前記両端電圧検出回路の出力電圧を補正し、この補正値が両端電圧の上限値を超えないように前記半導体スイッチング素子のオン時間を設定することにより、動作周波数に応じて、前記両端電圧検出回路の出力電圧を補正するので、前記両端電圧検出回路の周波数特性を考慮することが可能となり、前記両端電圧検出回路が高周波帯域で減衰する傾向があっても、その減衰分を補正して精度よく前記半導体スイッチング素子の両端電圧を検出
でき、例えばアルミ鍋のように通常炊飯器用に準備されている鍋より高周波の動作周波数で前記インバータ回路が動作する場合でも前記半導体スイッチング素子の両端電圧が最大定格電圧を超えないように制御することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の周波数検出部が、制御部が制御する半導体スイッチング素子のスイッチング周波数に基づいて加熱コイルの動作周波数を検出することにより、制御部を構成するマイクロコンピュータが前記半導体スイッチング素子のオンするタイミングの周期を計測することで動作周波数を検出できるので、マイクロコンピュータのクロック周波数を利用して検出することができ、前記加熱コイルの動作周波数を検出するために回路を設ける必要がなく、この回路のバラつきをなくすことができ、精度良く前記加熱コイルの動作周波数を検出することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の周波数検出部が、制御部が設定する半導体スイッチング素子のオン時間に基づいて加熱コイルの動作周波数を検出することにより、前記半導体スイッチング素子のオン時間のデータを利用できるので、前記加熱コイルの動作周波数を検出するための回路を設ける必要がなく、この回路のバラつきをなくすことができ、精度よく前記インバータ回路の動作周波数を検出することができ、また、回路構成を簡単にできるので、実装面積を小さくし、コンパクトな炊飯器を提供できる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の炊飯器が、交流電源の零電圧を検出し制御部に同期信号を出力する零電圧同期信号出力回路を有し、前記制御部は前記零電圧同期信号出力回路の同期信号から所定時間経過後に、両端電圧検出回路の出力電圧を読み込むことにより、両端電圧検出回路が両端電圧のピーク値近傍で検出することができる。また、両端電圧検出回路の出力電圧のピーク保持時間を短くしても読み込みタイミングを設定することで確実にピーク保持時間内に出力電圧を読み込むことができる。つまり、両端電圧検出回路の出力電圧のピーク値を精度良く読み込むことで半導体スイッチング素子の両端電圧を精度よく検出することができ、半導体スイッチング素子の両端電圧が最大定格電圧を超えないように制御することができる。

第５の発明は、特に、第４の発明の制御部が、零電圧同期信号出力回路の同期信号から交流電源の電源周波数を検出し、前記制御部は検出した電源周波数に応じて、前記零電圧同期信号出力回路の同期信号から両端電圧検出回路の出力電圧を読み込む時間を切り替えることにより、電源周波数が変わっても、電源電圧ピーク近傍で半導体スイッチング素子の両端電圧を検出することができるので、前記半導体スイッチング素子の両端電圧が最大定格を超えないように制御することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における炊飯器の主要部ブロック図を示すものである。

図１において、鍋１は特に図示していないが、磁性金属や非磁性金属を複数用いた積層体で構成されている。

加熱コイル２は、特に図示していないが鍋１の底面の中央部に対向した第一の加熱コイ
ルと、鍋１の底面のコーナー部に対向した第二の加熱コイルで構成される。

この第一の加熱コイルと第二の加熱コイルは電気的に直列接続している。

特に図示しないが、第一の加熱コイルは渦巻き状の形状をしており、鍋１の底面中央部に一定の距離で配置される。第二の加熱コイルは第一の加熱コイルの同心円状の外側に配置され、鍋１の底面のコーナー部に一定の距離をおいて配置されている。

加熱コイル２は複数の銅線を束ねたリッツ線を更に２０数本で撚った線で構成されており、高周波電流が流れた時の電流分布を均一にしている。

インバータ回路３は、コンデンサ４と半導体スイッチング素子５とダイオード６で構成されている。インバータ回路３は、半導体スイッチング素子５をオンオフして、後述する加熱コイル２とコンデンサ３で構成される共振回路の加熱コイル２に高周波電力を供給し、鍋１を誘導加熱する。

コンデンサ４は、図１に示すように加熱コイル２に並列接続している。本実施例では高周波電流が流れても損失の少ないポリプロピレンコンデンサを使用している。

半導体スイッチング素子５は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子で構成されている。ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴは耐圧が高く、高周波のスイッチングが可能で、ゲート端子に電圧を印加することで大電流を流すことができるので、パワートランジスタに比べ省電力で大電流を流すことができるという利点がある。なお、本実施例では、この半導体素子にＩＧＢＴを使用している。

ダイオード６は、半導体スイッチング素子５の電流方向とは逆方向に電流が流れるように並列接続されている。

一般的にこのようなインバータ回路の構成は、加熱コイル２とコンデンサ３で並列共振回路を構成しているため、１石電圧共振形インバータといわれている。

交流電源７は、炊飯器に電力を供給するもので、交流電源７の電源周波数は、東日本地域では５０Ｈｚ、西日本地域では６０Ｈｚとなっている。

整流回路８は、ダイオードブリッジ９、コイル１０、コンデンサ１１で構成されている。ここで、コンデンサ１１の容量は数μＦと小さく、加熱コイル２に電流を流すとリプルが生じる。本実施例では、このリプル電圧波形は交流電源７を全波整流した時の電圧波形と同じとなる。

両端電圧検出回路１２は、半導体スイッチング素子５の両端電圧を検出する回路で、（ＣＥ）端子を複数の抵抗により所定の分圧比で分圧した抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の出力電圧をピークホールドするためのエミッタフォロア回路で構成され、アナログ電圧を出力する。

制御部１３は、マイクロコンピュータ１４、同期信号発生回路１５、駆動回路１６により構成されており、半導体スイッチング素子５をオンオフ制御する。

マイクロコンピュータ１４は、多数のカウンタ機能やタイマー機能を利用して、オン時間設定部１９、パルス発生部２０、パルス発生部２０の動作周波数を検出する周波数検出部２２、周波数検出部２２の検出周波数に応じて両端電圧検出回路１２の出力電圧値を補
正する両端電圧補正部２１を構成している。また、半導体スイッチング素子５の両端電圧上限値２３を予めＲＯＭによって記憶している。オン時間設定部１９は両端電圧補正部２１の出力値と両端電圧上限値２３を比較してオン時間を設定する。オン時間設定部１９は最小オン時間Ｔｏｎ１と最大オン時間Ｔｏｎ４の範囲内でオン時間を設定する。

パルス発生部２０は、同期信号発生回路１５の同期信号を検知すると、設定されたオン時間のハイパルスを駆動回路１６に出力する。ここで、マイクロコンピュータ１４は８ＭＨｚ発振子と３２．７２８ｋＨｚ発振子で動作する。従って、マイクロコンピュータ１４で構成されるパルス発生部２０のハイパルス幅の最小設定単位は、８ＭＨｚ発振子で設定される最小周期である０．１２５μｓ単位で制御される。つまり、オン時間設定部１９が出力データ（８ｂｉｔ）を１ｄｉｇｉｔ変更すると、パルス発生部２０のハイパルス幅が０．１２５μｓ変化するようになっている。マイクロコンピュータ１４はそのほかにも表示部を制御する機能や、時計表示を行う計時機能、炊飯工程を制御する炊飯工程制御機能などを構成している。

同期信号発生回路１５は、コンパレータや抵抗分圧回路などで構成され、（Ｃ２）端子を所定の比率で抵抗分圧した電圧と、（ＣＥ）端子を所定の比率で抵抗分圧した電圧をコンパレータによって比較し、（Ｃ２）端子の分圧電圧の方が高いときにハイ信号をマイクロコンピュータ１４に出力し、（Ｃ２）端子の分圧電圧の方が低いときにロー信号をマイクロコンピュータ１４に出力する。

駆動回路１６は、特に図示しないがＮＰＮトランジスタとＰＮＰトランジスタで構成されたプッシュプル回路で構成され、マイクロコンピュータ１４が構成するパルス発生部２０の出力がハイの間、半導体スイッチング素子５を構成するＩＧＢＴのゲート端子に電圧を印加し、ＩＧＢＴをオンし、パルス発生部２０がロー出力しているときはＩＧＢＴのゲート端子の電圧を０Ｖにして、ＩＧＢＴをオフにする。なお、これは一例でプッシュプル回路を構成する部品はＭＯＳＦＥＴなどで構成しても構わない。

入力操作部１７は、複数のモーメンタリスイッチで構成されている。各スイッチが使用者により押されると、マイクロコンピュータ１４はスイッチが押されたことを検出し、各スイッチに応じて、所定の動作をおこなう。

表示部１８は、ＬＣＤと、赤、緑、橙などの複数のＬＥＤで構成されている。マイクロコンピュータ１４は、炊飯中や保温中などの炊飯器の状態に応じて、ＬＣＤの表示内容や点灯するＬＥＤを設定している。ＬＣＤの表示内容としては、現在時刻の表示や、炊飯終了までの時間の表示、保温経過時間の表示などがある。

零電圧同期信号出力回路２４は、特に図示していないが、交流電源７の（ｕ）極が抵抗を介してトランジスタのベース端子に接続している。このトランジスタのコレクタ端子は交流電源７からスイッチング電源を介して生成される５Ｖ電源と、抵抗を介して接続しており、（ｕ）極の電位がもう一方の極より高いときにローを、低いときにハイをマイクロコンピュータ１４に出力する。マイクロコンピュータ１４はこの出力信号に同期して、両端電圧検出回路１２の電圧を入力し、両端電圧補正部２１でこの電圧を補正し、両端電圧上限値２３と比較して、オン時間設定部１９のオン時間の設定を行う。またマイクロコンピュータ１４は零電圧同期信号出力回路２４の出力信号に同期して、現在時刻の表示や、炊飯制御に関する処理などを開始する。

以上のように本実施の形態の炊飯器では、半導体スイッチング素子５の動作周波数に相当する値としてパルス発生部２０の動作周波数を検出し、この検出した動作周波数に応じて両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正している。

図２は本発明の第１の実施の形態の炊飯器の要部断面構成図である。図面を簡潔にするために、電気的接続のためのリード線や、部品を固定するためのネジは省略している。

図２において、炊飯器のボディ（本体）３１には、その上面を覆う蓋３２が開閉自在に設置されている。ボディ３１の収納部３３は、その底部と側面部に加熱コイル２を配設し、加熱コイル２の外周側に放射状にフェライトコア３４を配設する。加熱コイル２は鍋１の底部の中心の略真下に中心を有する巻き線である。

鍋１は、ステンレス、鉄、銅などの磁性体によって形成される。鍋１は、上端開口部に外側にせり出したフランジ３５を有し、フランジ３５を収納部３３の上端から浮き上がった状態で載置することにより、収納部３３に着脱自在に収納される。従って、鍋１は収納時に、収納部３３との間に隙間を有する。

鍋１の温度を検出する温度検出手段４１はサーミスタで構成され、鍋１の底部の略中心に配置されている。サーミスタは温度で抵抗値が変わるので、このサーミスタと所定の抵抗値を有する抵抗で分圧回路を構成し、所定の電圧をこの分圧回路の両端に供給することで、サーミスタの抵抗値をアナログ電圧に変換できる。図１に示したマイクロコンピュータ１４は、内蔵されたＡＤ変換器を用いてこのアナログ電圧から温度を推定する。

蓋３２は、蓋加熱板３６、蓋加熱コイル３７、第一の回路基板３８を備えている。蓋加熱板３６はステンレスなどの金属で形成され、蓋３２には着脱自在に設定されている。

蓋加熱コイル３７は蓋３２に内蔵され、蓋加熱板３６を誘導加熱する。なお、蓋加熱コイル３７は図１には特に図示していない。

第一の回路基板３８は、スイッチ、ＬＣＤ、マイクロコンピュータ１４などで構成されている。

炊飯器のボディ（本体）３１には、また、第二の回路基板３９、巻き取り式の電源コード収納部４０、冷却手段４２が配されている。

第二の回路基板３９は、特に図示しないが、半導体スイッチング素子５を構成するＩＧＢＴ、コンデンサ４，ダイオードブリッジ９、チョークコイル１０、コンデンサ１１などが搭載されている。

巻き取り式の電源コード収納部４０はストッパーとばねを用いて電源コードを巻き取ることを可能にしている。電源コードは、交流電源７に接続して、炊飯器に電源を供給する。電源コード収納部４０は、第二の回路基板３９にリード線を介して電気的に接続している。

冷却手段４２は、第二の回路基板３９や炊飯器本体内に発生した熱を排熱・空冷するもので、ＤＣブラシレスモータの回転子にファンを取り付けたファンモータで構成されている。このファンモータは図１に示したマイクロコンピュータ１４でオンオフ制御される。

第一の回路基板３８と第二の回路基板３９は、特に図示しないが、リード線で電気的に接続しており、マイクロコンピュータ１４内部に構成されたオン時間設定部１９、パルス発生部２０により、ＩＧＢＴをオンオフ制御し、加熱コイル２に高周波電流を供給する。加熱コイル２は高周波電流が流れると交番磁界を発生させ，この交番磁界により鍋１に渦電流が流れ、鍋１が発熱する。

以上のように，本実施の形態の炊飯器は、鍋１を誘導加熱し、鍋１内の調理物を加熱調理する。ここで調理物は、炊飯前の米と水又は炊き上がったご飯等である。

図３は本発明の第１の実施の形態の炊飯器の加熱コイル２の動作周波数と両端電圧検出回路１２の出力電圧ゲインの関係を示したグラフである。この出力電圧ゲインとは、半導体スイッチング素子５を構成するＩＧＢＴの両端電圧のピーク電圧に対する両端電圧検出回路１２の出力電圧の比率のことである。このとき交流電源８の電圧は１００Ｖである。両端電圧検出回路１２は上記で説明したように、（ＣＥ）端子を複数の抵抗により所定の分圧比で分圧した抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の出力電圧をピークホールドするためのエミッタフォロア回路で構成され、アナログ電圧を出力する。

図３に示すように、両端電圧検出回路１２の出力電圧ゲインは加熱コイル２の動作周波数が高くなるほど低下する。これは本実施の形態の両端電圧検出回路１２の構成が両端電圧を複数の抵抗で分圧し、その後、ノイズ除去のためにコンデンサを入れていることによりＲＣの一次フィルタが発生しているためである。本実施の形態の炊飯器では、ノイズ除去のコンデンサが約１０００ｐＦで数ｋΩの抵抗が並列接続するため、実際の動作周波数である２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲内に遮断周波数を有するフィルタ回路の構成となっている。特に一石電圧共振のインバータは、この両端電圧が数百ボルトと高電圧になるため、抵抗値を大きくし、消費電力を抑えるようにしている。そのため遮断周波数が低くなり、インバータの動作周波数の影響を受けやすくなっている。

従って、両端電圧検出回路１２の出力電圧がインバータ３の動作周波数によって変動しても、両端電圧補正部２１に予め動作周波数ごとの補正値を記憶しておいて、この補正値を両端電圧検出回路１２の出力電圧に加えることで、実際のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧に近い値を検出することができる。

図４は、本発明の第１の実施の形態の炊飯器の半導体スイッチング素子５のオン時間と加熱コイル２の動作周波数の関係を示したグラフである。このとき交流電源６の電圧は１００Ｖである。

図４に示すように、オン時間と加熱コイル２の動作周波数はほぼ比例関係にあるので、オン時間設定部１９が設定したオン時間から加熱コイル２の動作周波数を検知することが可能となる。

なお、図４において、オン時間がＴｏｎ１の時、加熱コイル２の動作周波数が５０ｋＨｚになり、オン時間がＴｏｎ２の時、加熱コイル２の動作周波数が４０ｋＨｚになり、オン時間がＴｏｎ３の時、加熱コイル２の動作周波数が３０ｋＨｚになり、オン時間がＴｏｎ４の時、加熱コイル２の動作周波数が２０ｋＨｚになる。

図５は、本発明の第１の実施の形態の炊飯器の半導体スイッチング素子５のオン時間と交流電源７から供給される入力電流の関係を示したグラフである。図４でも示されているように、オン時間が長くなるほど入力電流が大きくなる。本実施の形態の炊飯器では、炊飯や保温状態に応じて最適な入力電流になるように所定のオン時間を設定している。

図６及び図７は、本発明の第１の実施の形態の炊飯器の主要回路の動作波形を示しており、図６は、半導体スイッチング素子５のオン時間をＴｏｎ２にしたとき、図７は、オン時間をＴｏｎ３にしたときの動作波形をそれぞれ示している。

一般的に誘導加熱を利用した炊飯器においては、交流電源７の周波数（５０Ｈｚまたは
６０Ｈｚ）に対し、半導体スイッチング素子５のオンオフの周波数は２０ｋＨｚ以上と４００倍以上の高周波である。（ａ）はオン時間設定部１９の８ｂｉｔ出力を示している。（ｂ）はパルス発生部２０の出力波形を示している。（ｃ）は半導体スイッチング素子５に流れる電流波形を示している。（ｄ）は（ＣＥ）端子の電圧波形と（Ｃ２）端子の電圧波形を示している。（ｅ）は同期信号発生回路１５の出力波形を示しており、（ＣＥ）端子の電圧が、（Ｃ２）端子の電圧より小さい時にハイを出力し、その所定時間後にパルス発生部２０がハイ出力になる。（ｆ）は加熱コイル２に流れる電流波形を示している。

図８は本発明の第１の実施の形態の炊飯器の主要部の動作波形を示している。特に、交流電源７と零電圧同期信号出力回路２４の出力信号と両端電圧検出回路１２の出力信号の関係を示している。

図８において、（ａ）は交流電源７の両端電圧波形を示している。（ｂ）は零電圧同期信号出力回路２４がマイクロコンピュータ１４に出力するパルス波形を示している。（ｃ）はオン時間設定部１９が設定するオン時間を示している。（ｄ）は両端電圧検出回路１２が両端電圧補正部２１に出力するアナログ電圧波形を示している。（ｅ）は半導体スイッチング素子５を構成するＩＧＢＴのコレクタ電圧（ＣＥ）端子の包絡線波形を示している。

図６、図７、図８の動作波形についての詳細説明は後述する。

図９は、本発明の第１の実施の形態の炊飯器の温度検知部のタイムチャートとスイッチング手段のオン時間のタイムチャートを示している。（ａ）は温度検知部が検知した鍋底温度のタイムチャートを示している。（ｂ）はスイッチング手段のオン時間のタイムチャートを示している。

図９（ｂ）のスイッチング手段のオン時間のタイムチャートは、縦軸でスイッチング手段のオン時間を示し、横軸に、このオン時間でスイッチング手段をオンオフし加熱コイルに高周波電流を流す期間を示している。

図１から図９を用いて、本実施の形態の炊飯器の動作を説明する。

図９のＳ０において、図２に示した炊飯器の蓋内に配置された第一の回路基板３８に実装された複数のモーメンタリスイッチ（入力操作部１７）のうち、炊飯スタートを意味するモーメンタリスイッチを押すと、図１に示したマイクロコンピュータ１４が入力操作部１７の信号を検知し、炊飯シーケンスを開始する。

炊飯シーケンスは複数のサブシーケンスから構成されている。本実施の形態では、前炊き行程、炊飯量判定行程、沸騰維持行程、追い炊き行程で構成されている。

Ｓ０からＳ２までの期間は前炊き行程に該当する。前炊き行程では、Ｓ０からＳ１の期間にお米に水が吸収されやすい温度まで、半導体スイッチング素子５のオン時間をＴｏｎ２にして、加熱コイル２に高周波電流を供給する。このとき、半導体スイッチング素子５のオン時間はＴｏｎ１を初期値にして、徐々にオン時間を大きくし、最終的にＴｏｎ２に達する。加熱コイル２は図３に示したようにＴｏｎ２の場合は約４０ｋＨｚで動作する。加熱コイル２が４０ｋＨｚで動作する導通比は１０秒／１６秒である。Ｔ１で図２に示した温度検知部４１が６０度を検知すると、マイクロコンピュータ１４は予めプログラムされた内容に従って、半導体スイッチング素子５のオン時間はＴｏｎ２にして、加熱コイルが４０ｋＨｚで動作する導通比を可変にし、約６０度の温度を、Ｔ２までの期間、維持するように制御する。

Ｓ２からＳ３までの期間は炊飯量判定行程に該当する。炊飯量判定行程では、半導体スイッチング素子５のオン時間をＴｏｎ３にして、加熱コイル２に高周波電流を供給する。オン時間が長いので加熱コイルに供給される電流も増加し、誘導加熱量も大きくなる。つまり、鍋の温度も急激に上昇する。本実施の形態では、スイッチング手段５のオン時間をＴｏｎ３にして加熱コイル１駆動を開始してから、温度検知部４１が１００度を検知するまでの経過時間（Ｓ２からＳ３までの時間）から、マイクロコンピュータ１４が炊飯量を判定し、その後の沸騰維持行程における加熱コイル２の導通比、追い炊き行程における加熱コイル２駆動の導通比を設定する。

Ｓ３からＳ４までの期間は沸騰維持行程に該当する。沸騰維持行程では、マイクロコンピュータ１４は半導体スイッチング素子５のオン時間をＴｏｎ２に設定し、１０秒／１６秒の導通比で加熱コイル２を駆動する。加熱コイル２を駆動して鍋１を誘導加熱し続けると、鍋１内に残っていた水も蒸発し、鍋１の温度は１００度を超え、Ｓ４では１３０度に達する。温度検知部４１が１３０度を検知すると、マイクロコンピュータ１４は半導体スイッチング素子５をオフして、加熱コイル２の駆動を停止するとともに沸騰維持行程を終了し、追い炊き行程に移行する。

Ｓ４からＳ５までの期間は追い炊き行程に該当する。追い炊き行程では、マイクロコンピュータ１４は半導体スイッチング素子５のオン時間をＴｏｎ２に設定し、２秒／１６秒の導通比で加熱コイル２を高周波スイッチングする。マイクロコンピュータ１４はＳ４からの経過時間を計時し、Ｓ５に達すると炊飯シーケンスを終了し、炊飯終了をブザー報知するとともに表示部１８を構成する炊飯中の意味を示すＬＥＤを消灯することで炊飯が終了したことを表示する。

同時にＳ５においてマイクロコンピュータ１４は保温シーケンスを開始し、温度検知部４１の温度が所定の温度より低くなるまで半導体スイッチング素子５をオフし、所定の温度より低くなったところで、再び半導体スイッチング素子５をオンオフし鍋１を誘導加熱し、この温度を維持するようにする。

以上のように、図９においては、炊飯の行程に応じて、半導体スイッチング素子のオン時間がＴｏｎ２、Ｔｏｎ３と複数設定されている。

次に、図６と図７と図８の動作波形について、図１、図９を用いて説明する。

図６は、図９（ｂ）の半導体スイッチング素子のオン時間がＴｏｎ２のときの各部の動作波形である。具体的には、Ｓ０〜Ｓ２（前炊き行程）、Ｓ３〜Ｓ４（沸騰維持行程）、Ｓ４〜Ｓ５（追い炊き行程）の各工程における各部の動作波形を示している。

まず、オン時間設定部１９が半導体スイッチング素子５のオン時間ＴｏｎをＴｏｎ２に設定し、パルス発生部２０が、図６（ｂ）のように、ハイパルス幅Ｔｏｎ２のハイパルスを駆動手段１６に出力する。

駆動回路１６はハイ信号を受けて、半導体スイッチング素子５を構成するＩＧＢＴのゲート端子に約２０Ｖの電圧を印加する。ＩＧＢＴはゲート端子に２０Ｖ電圧を印加されると、コレクタ−エミッタ間をオンし、加熱コイル２が通電状態となり、図６（ｆ）のように加熱コイル２に電流が流れる。加熱コイル２はインダクタンス成分を有するので、加熱コイル２に流れる電流は時間とともに右肩上がりに上昇する波形となる。

時間ｔ１において、設定されたオン時間Ｔｏｎ２が経過すると、パルス発生部２０はロ
ー信号を駆動回路１６に出力する。駆動回路１６は、このロー信号を受けてＩＧＢＴのゲート端子に０Ｖを印加しＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間をオープンにし、加熱コイル２の通電経路を遮断する。しかし、加熱コイル２はインダクタンス成分を有するため、このインダクタンス分とコンデンサ４とで図６（ｆ）のｔ１からｔ２期間に示したような共振波形が発生する。

このとき、図６（ｅ）に示すように、同期信号発生回路１５は、加熱コイル２のインダクタンス成分とコンデンサ４からなる共振電圧に相当する図６（ｄ）に示したＩＧＢＴのコレクタ電圧（（ＣＥ）端子の電圧）と、整流回路８の出力電圧（（Ｃ２）端子の電圧）を比較し、（ＣＥ）端子の電圧が（Ｃ２）端子の電圧より高いときはロー信号をパルス発生部２０に出力する。

時間ｔ２において、共振現象により、（ＣＥ）端子電圧が（Ｃ２）端子電圧より低くなると、同期信号発生回路１５は図６（ｅ）に示すようにハイ信号をパルス発生部２０に出力する。

時間ｔ３では、パルス発生部２０は同期信号発生回路１５のローからハイへのエッジをトリガにして、再びオン時間設定部１９が設定したオン時間Ｔｏｎ２でハイパルスを出力する。

以上のようにｔ０点からｔ３までの期間を一周期として加熱コイル２に高周波電流を流すことで鍋１が誘導加熱される。両端電圧検出回路１２は、図６（ｄ）の半導体スイッチング素子５の両端電圧のピーク値を特に図示していないが、抵抗分圧回路とこの抵抗分圧回路の出力ピーク値を保持するエミッタフォロア回路で検出する。

図８では、図９のＳ２からＳ３の期間で半導体スイッチング素子５のオン時間がＴｏｎ２からＴｏｎ３に大きくなっていくときの各部の動作波形を示している。図８に示したように零電圧同期信号のロー信号からハイ信号へのエッジから所定時間後に、両端電圧補正値と両端電圧上限値とを比較し、オン時間を更新していく。より詳細には、零電圧同期信号出力回路２４の出力信号のロー信号からハイ信号へのエッジ（ｔ＝Ｔ０、Ｔ２、Ｔ４、…）から所定時間後（ｔ＝Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、…）に、両端電圧検出回路１２の出力電圧を読み込み、周波数検出部２２が検出したパルス発生部２０の動作周波数にもとづいて両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正し、オン時間設定部１９が両端電圧補正部２１と両端電圧上限値２３を比較し、オン時間設定値を変更する。次のタイミング（ｔ＝Ｔ２、Ｔ４、…）で零電圧同期信号出力回路２４の出力信号がローからハイに切り替わると、オン時間を変更値に更新していく。

例えば、図８のＴ０において、図８（ｂ）の零電圧同期信号出力回路２４の出力信号がローからハイに切り替わるエッジを、マイクロコンピュータ１４が検出すると、このエッジをトリガとして、マイクロコンピュータ１４内のカウンタがマイクロコンピュータ１４に接続した発振子の周期を利用して、時間を計測する。この計測した時間が所定時間経過したときのタイミングＴ１で、図８（ｄ）の両端電圧検出回路１２の出力電圧を、マイクロコンピュータ１４のＡＤ変換器を利用して読み込み、両端電圧補正部２１において、周波数検出部２２が検出したパルス発生部２０の動作周波数にもとづいて両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正する。

オン時間設定部１９は、両端電圧補正部２１で補正された補正値と両端電圧上限値２３とを比較し、この補正値が両端電圧上限値２３より低ければ、オン時間設定値を長く変更する。しかし、この変更値は次のＴ２のタイミングに達するまでは使用されない。

Ｔ２において、図８（ｂ）の零電圧同期信号出力回路２４の出力信号がローからハイに切り替わると、ほぼ同期して、図８（ｃ）に示すように、オン時間設定部２１が変更したオン時間設定値が更新され、パルス発生部２０よりハイ信号を出力する。同時に、タイミングＴ０の時と同様に、マイクロコンピュータ１４が両端電圧検出回路１２の出力電圧を読み込むタイミングを計測し始める。

所定時間が経過したタイミングＴ３において、タイミングＴ１の時と同様に、図８（ｄ）の両端電圧検出回路１２の出力電圧をマイクロコンピュータ１４のＡＤ変換器を利用して読み込み、両端電圧補正部２１において、周波数検出部２２が検出したパルス発生部２０の動作周波数にもとづいて両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正する。

オン時間設定部１９は、両端電圧補正部２１で補正された補正値と両端電圧上限値２３とを比較し、この補正値が両端電圧上限値２３より低ければ、オン時間設定値を長く変更する。図８においては、このときオン時間設定値がＴｏｎ３に達する。しかし、この変更値Ｔｏｎ３は、図８（ｃ）に示すように、次のＴ４のタイミングに達するまでは更新されない。

タイミングＴ４に達すると、図８（ｃ）に示すように、半導体スイッチング素子５のオン時間はＴｏｎ３に更新される。本実施の形態においては、Ｔ４からＴ５の期間に図８（ａ）の交流電源７の電源電圧が変動し、半導体スイッチング素子５の両端電圧が上昇し、タイミングＴ５においては、図８（ｄ）の両端電圧検出回路１２の出力電圧を両端電圧補正部２１で補正しても、両端電圧上限値２３を超えているため、オン時間設定部１９がオン時間設定値を短く変更する。しかし、この変更値は、図８（ｃ）に示すように、次のＴ６のタイミングになるまで更新されない。

タイミングＴ６に達すると、図８（ｃ）に示すように、半導体スイッチング素子５のオン時間はＴｏｎ３より短い時間に更新され、半導体スイッチング素子５の両端電圧は両端電圧上限値２３より低い値となる。

なお、オン時間がＴｏｎ３のときの動作波形は、図７のようになる。動作原理は、図６のときと同様である。しかし、オン時間が長くなるので、（ＣＥ）端子電圧が図６のときよりも高くなる。

図６、図７に示すように本実施の形態の炊飯器では、オン時間設定部１９の８ｂｉｔ出力が変化すると、パルス発生部２０のハイパルス期間が変化する。

以上のように本実施の形態の炊飯器では、加熱コイル２の動作周波数をパルス発生部２０の出力信号で検出し、検出した動作周波数に基づいて、両端電圧補正部２１が両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正し、この補正した値と両端電圧上限値２３をオン時間設定部１９が比較し、オン時間を変更することで、両端電圧検出回路１２の出力電圧の周波数特性による変動をなくし、精度良く半導体スイッチング素子５の両端電圧を検出できる。

なお、本実施の形態では一石電圧共振型のインバータについて説明したが、インバータ回路の構成はこれに限定するものではなく、たとえば２石のハーフブリッジ型のインバータや４石のフルブリッジ型のインバータでも構わない。

また、本実施の形態の炊飯器の加熱コイル２の動作周波数の検出方法を、オン時間設定部１９が設定するオン時間で推定する方法にしてもよい。

図５に示したように、半導体スイッチング素子５のオン時間と加熱コイル２の動作周波
数はほぼ比例関係にあるので、推定することは可能である。この場合、パルス発生部２０の動作周波数を検出する必要がなくなるので、周波数検出部２２をマイクロコンピュータ１４内部で構成したり、外部回路で構成する必要がなくなり、簡単な構成、プログラムで半導体スイッチング素子５の両端電圧の検出精度を高くすることができる。上記のようにオン時間設定部１９が設定したオン時間から加熱コイル２の動作周波数を検出する方法は、本発明の炊飯器の請求項３の実施の形態の一例である。

また、本実施の形態の両端電圧検出回路１２の出力電圧の読み込みタイミングを零電圧同期信号出力回路２４のローからハイへのエッジに切り替わるタイミングから所定時間経過後に読み込むようにする方法は、本発明の炊飯器の請求項４の実施の形態の一例である。なお、この読み込みのタイミングは、交流電源７の電源電圧がピークになるタイミングが最も良いが、本実施の形態では、ピークの少し前で読み込むようにしている。ピークのタイミングより後で読み込むと、エミッタフォロア回路を構成するコンデンサの経年変化による容量抜けを考慮すると、検知精度が悪化し、半導体スイッチング素子５の両端電圧を本来の値よりも低く検知してしまう可能性があるが、ピークのタイミングより前に検知するようにするとコンデンサが容量抜けして容量が小さくなっても、半導体スイッチング素子５の両端電圧を本来の値よりも高く検知するので、半導体スイッチング素子５の両端電圧の最大定格を超える心配がなく、安全な炊飯器を提供できる。

なお、本実施の形態では、図９に示した炊飯シーケンスは複数のサブシーケンスから構成し、前炊き行程、炊飯量判定行程、沸騰維持行程、追い炊き行程ごとに半導体スイッチング素子５のオン時間を設定していたが、特に各工程をオン時間を限定する必要はなく、例えば両端電圧上限値２３を各工程ごとに予め記憶しておき、各工程ごとに両端電圧上限値２３を変更して、この両端電圧上限値２３を越えないように制御しても構わない。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の第２の実施の形態における炊飯器の主要部ブロック図である。

図１０において、制御部１０１は、マイクロコンピュータ１０２、同期信号発生回路１５、駆動回路１６、により構成されている。

マイクロコンピュータ１０２は、マイクロコンピュータ内部のカウンタを利用することで交流電源周波数検出部１０３を構成している。その他の構成は、本実施の形態１と同様であり、ここでの説明は省略する。

交流電源周波数検出部１０３は、零電圧同期信号出力回路２４のハイパルス幅をカウンタで計時することにより、交流電源７の電源周波数が５０Ｈｚか６０Ｈｚかを判定し、両端電圧検出回路１２の出力電圧の読み込みタイミングを決定する。

交流電源７の電源周波数が５０Ｈｚの場合は、交流電源７の周期は２０ｍｓであり、図８のＴ０からＴ１までの時間は約１４ｍｓである。

交流電源７の電源周波数が６０Ｈｚの場合は、交流電源７の周期は約１６．７ｍｓであり、図８のＴ０からＴ１までの時間は約１２ｍｓである。

以上のように、交流電源７の電源周波数を検出し、両端電圧検出回路１２の出力電圧の読み込みタイミングを切り替えることで、確実に両端電圧検出回路１２の出力電圧の略ピーク値を検出し、両端電圧補正部２１で両端電圧検出回路１２の出力電圧を補正するので、半導体スイッチング素子５の両端電圧を精度良く検出し、最大定格以上の電圧が印加されて半導体スイッチング素子が破壊されるのを防止することができる安全な炊飯器を提供
できる。

以上のように、本発明にかかる炊飯器は、加熱コイルの動作周波数に応じて半導体スイッチング素子の両端電圧検出回路の出力電圧の周波数特性を補正するので、半導体スイッチング素子の両端電圧を精度良く検出し、半導体スイッチング素子の最大定格電圧を超えないように制御することができるので、家庭用途のみならず業務用途の炊飯器等の用途にも適用できる。

１鍋
２加熱コイル
３インバータ回路
５半導体スイッチング素子
７交流電源
８整流回路
１２両端電圧検出回路
１３制御部
１９オン時間設定部
２０パルス発生部
２１両端電圧補正部
２２周波数検出部
２３両端電圧上限値
２４零電圧同期信号出力回路
１０１制御部
１０３交流電源周波数検出部

Claims

鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに接続した半導体スイッチング素子を有するインバータ回路と、交流電源を整流し前記インバータ回路に電力供給する整流回路と、前記半導体スイッチング素子の両端電圧を検出する両端電圧検出回路と、前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、前記加熱コイルの動作周波数を検出する周波数検出部を有し、前記インバータ回路は前記半導体スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給し、前記制御部は前記半導体スイッチング素子の両端電圧の上限値を設定するとともに、前記両端電圧検出回路の出力値を前記交流電源のピーク値より前のタイミングで読み込み、前記周波数検出部の検出した周波数に応じて前記両端電圧検出回路の出力電圧を補正し、この補正値が両端電圧の上限値を超えないように前記半導体スイッチング素子のオン時間を設定する炊飯器。
周波数検出部は、制御部が制御する半導体スイッチング素子のスイッチング周波数に基づいて加熱コイルの動作周波数を検出する請求項１に記載の炊飯器。
周波数検出部は、制御部が設定する半導体スイッチング素子のオン時間に基づいて加熱コイルの動作周波数を検出する請求項１に記載の炊飯器。
交流電源の零電圧を検出し制御部に同期信号を出力する零電圧同期信号出力回路を有し、前記制御部は前記零電圧同期信号出力回路の同期信号から所定時間経過後に、両端電圧検出回路の出力電圧を読み込む請求項１〜３のいずれか１項に記載の炊飯器。
制御部は零電圧同期信号出力回路の同期信号から交流電源の電源周波数を検出し、前記制御部は検出した電源周波数に応じて、前記零電圧同期信号出力回路の同期信号から両端電圧検出回路の出力電圧を読み込む時間を切り替える請求項４に記載の炊飯器。