JP6715745B2

JP6715745B2 - 高周波加熱装置。

Info

Publication number: JP6715745B2
Application number: JP2016209163A
Authority: JP
Inventors: 誠司斎藤; 功記加藤
Original assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: JP2018073519A

Description

本発明は、高周波加熱装置に使用されるマグネトロン駆動用電源に関するものである。

特許文献１に示す技術は、マグネトロンを駆動するマグネトロン駆動用電源回路において、必要とする高周波出力を得るために、マグネトロンの駆動時はインバータ回路の入力電流を検出する入力電源検出回路で入力電流を監視し、監視の結果から必要とするマグネトロン出力が得られているのかを判断し、監視した電流値に応じてマグネトロンに供給する電圧を調整することが公開されている。

特開２０１０−１２３３５６号公報

上記した特許文献１に示すインバータ回路で使用している入力電流検出回路は、マグネトロンを動作している時に電源平滑回路に流れる電流を検出するものである。電流の測定は、抵抗５２ａの両端間に発生する電圧を測定し、抵抗５２ａの抵抗値から算出するものである。抵抗５２ａは、抵抗自身で余分な電力を消費しないように、小さな抵抗値の抵抗器を使用しており、これによって抵抗５２ａの両端に発生する電圧も微小な値となるため、この電圧を入力電源検出回路で増幅して制御手段に出力している。

そのため、入力電源検出回路に入力される前記電圧が外乱によって変化すると、微小の変化でも増幅されて異なる結果を制御手段に出力して、必要とする高周波出力が得られない課題が考えられる。

前記外乱として考えられるものは、入力電流を検出する入力電流検出回路の各部品および、電圧を発生する抵抗から測定電圧を増幅する増幅回路に接続する銅箔パターンなど、それぞれが温度依存性を有しているためである。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、マグネトロンと、交流電源に接続され電源を直流化する整流回路と、該整流回路に接続され前記マグネトロンを駆動するインバータ回路と、該インバータ回路のスイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記整流回路と前記インバータ回路の間に配置された抵抗により前記インバータ回路に流れる電流を検出する入力電流検出回路と、前記インバータ回路のスイッチング素子のＯＮタイミングを出力するＯＮタイミング検出回路と、前記入力電流検出回路の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の出力に基づいて前記入力電流検出回路からの出力を補正して前記スイッチング素子を駆動するデータ信号を生成して出力する制御手段とを備え、前記抵抗と前記スイッチング素子は金属箔パターンを介してつながれており、、前記温度検出手段は、前記金属箔パターン側の前記抵抗を接続しているランドの近傍に設けたものである。

本発明によれば、マグネトロン駆動用電源の雰囲気温度の変化により電流が増減することのない理想的な電流検出を実現することが可能となる。

本発明に係るマグネトロン駆動用電源を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図である。図１のＶ−Ｖ断面図である。本発明に係るマグネトロン駆動用電源のブロック図。本発明に係るマグネトロン駆動用電源を搭載した高周波加熱装置の制御回路を説明するブロック図である。

以下、本発明の実施例を添付図面に従って説明する。

図において、高周波加熱装置の本体１は、加熱室１７に加熱する食品を入れ、高周波エネルギーやヒータの熱を使用して食品を加熱調理する。

ドア２は、加熱室１７の内部に食品を出し入れするために開閉するもので、ドア２を閉めることで加熱室１７を密閉状態にし、食品を加熱する時に使用する高周波の漏洩を防止し、ヒータの熱を封じ込め、効率良く加熱することを可能とする。

取っ手７は、ドア２に取り付けられ、ドア２の開閉を容易にするもので、手で握りやすい形状になっている。

ガラス窓４は、調理中の食品の状態が確認できるようにドア２に取り付けられ、ヒータ等の発熱による高温に耐えるガラスを使用している。

入力手段５は、ドア２の前面下側の操作パネル３に設けた表示部５ａと操作部５ｂからなり、操作部５ｂは、高周波加熱やヒータ加熱等の加熱手段や加熱の強さや加熱する時間等の調理条件を入力するためのもので、表示部５ａは、操作部５ｂから入力された内容や調理の進行状態を表示するものである。

排気口８は、部品を冷却した後の冷却風や食品を加熱した時に発生した蒸気を排出するところである。

機械室１８は、加熱室１７下部に設けられた空間で、空間内には、食品を加熱するためのマグネトロン３１、マグネトロン３１に接続された導波管２１、マグネトロン３１の電源を供給するマグネトロン駆動用電源３０が搭載されたインバータ基板４８０、その他後述する各種部品、これらの各種部品を冷却する冷却手段６２等が取り付けられている。

加熱室１７の底面の略中央部は凹状に窪んでおり、その中に回転アンテナ１９が設置され、マグネトロン３１の発振により放射される高周波エネルギーは、導波管２１、回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａが貫通する結合穴２２を通して回転アンテナ１９の下面に流入し、回転アンテナ１９で拡散されて加熱室１７内に放射される。回転アンテナ１９は、回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａに連結されている。

加熱室１７の後部には熱風ユニット１１が取り付けられ、熱風ユニット１１内には加熱室１７内の空気を効率良く循環させる熱風ファン１５と熱風ヒータ１４が取り付けられ、加熱室奥壁面には熱風の通り道となる孔が設けられている。

熱風ファン１５は、熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３の駆動により回転し、加熱室奥壁面に設けた孔を通して加熱室１７との間で空気を循環し、熱風ヒータ１４で循環する空気を加熱する。

加熱室１７の天面の裏側には、ヒータよりなるグリル加熱手段１２が取り付けられている。グリル加熱手段１２は、マイカ板にヒータ線を巻き付けて平面状に形成し、加熱室１７の天面裏側に押し付けて固定し、加熱室１７の天面を加熱して加熱室１７内の食品を輻射熱によって焼くものである。

温度検出手段１６は、各ヒータで加熱される加熱室１７の温度を検出するもので、検知手段としてサーミスター等が使用される。

テーブルプレート２０は、食品を載置するためのもので、ヒータ加熱と高周波加熱の両方に使用できるように耐熱性を有し、かつ、高周波の透過性が良く、衛生面でも問題がない磁器等の材料で成形されている。

つぎに、図４のブロック図について説明する。４１は交流電源で、本体１の制御部品や各電気部品を動作させるものである。

６０はレンジ加熱手段で、食品を高周波エネルギーで加熱するマグネトロン３１とマグネトロン駆動用電源３０から構成し、主制御手段６によって入力手段５より入力された加熱の強さをパワー信号６ａに変換してマグネトロン駆動用電源３０の制御回路５０に送られる。

６１はオーブン加熱手段で、前述した熱風ユニット１１と熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３からなり、主制御手段６によって加熱室１７の温度が入力手段５から入力された温度になるように加熱室１７の温度を温度検出手段１６により検出し、熱風ヒータ１４の電力を調整する。

６２は冷却手段で、加熱動作時に自己発熱部品や発熱部品からの熱伝導によって熱的に不具合を発生する部品を冷却するもので、レンジ加熱手段６０が動作している時は、特にマグネトロン３１やマグネトロン駆動用電源３０を冷却するものである。

６は主制御手段で、入力手段５から入力された内容に従い、食品を加熱調理するように各加熱手段を動作させ、温度検出手段１６の検知温度に応じてオーブン加熱手段６１やグリル加熱手段１２のヒータの電力を調整するものである。

次に、マグネトロン３１とマグネトロン駆動用電源３０の動作について、図３のマグネトロン駆動用電源３０を説明する制御ブロック図と、図４の制御回路のブロック図を用いて説明する。

初めに、マグネトロン駆動用電源３０について説明する。

４１は交流電源で、商用電源から供給される交流の電源である。

４２は整流回路で、交流電源４１から供給された交流の電源を直流化するものである。

４３は電源平滑回路で、整流回路４２で整流された電源を平滑するものである。

４６は昇圧トランスで、一時側コイルに印加された電圧を昇圧して二次側コイルに高い電圧を誘起させるものである。

４４はスイッチング素子で、昇圧トランス４６の一次側コイルに流す電流を高周波（２０Ｋ〜４０ＫＨｚ）でＯＮ、ＯＦＦするものである。

４５は共振コンデンサで、共振コンデンサ４５と昇圧トランス４６の一次側コイルのインダクタンスによって、スイッチング素子４４がＯＮからＯＦＦした後も、昇圧トランス４６の一次側コイルに電流が交流的に流れ、昇圧トランス４６の二次側コイルに電圧を誘起する。そして、スイッチング素子４４のＯＮ、ＯＦＦする時間の比率を調整することで二次側に発生する電圧の高さを調節するものである。以上説明した電源平滑回路４３、スイッチング素子４４、共振コンデンサ４５、昇圧トランス４６によってインバータ回路４８を構成する。

４７は倍電圧整流回路で、昇圧トランス４６の二次側コイルに誘起した高周波電圧を倍電圧整流するものである。

３１はマグネトロンで、電気的構成としては、カソード（ヒータと兼用）３１ａとアノード３１ｂからなり、ヒータ３１ａに電流を流しヒータを発熱させ、ヒータが温まり、カソード３１ａとアノード３１ｂ間の電圧が発振電圧以上（約４ｋＶ）に達するとマグネトロン３１は発振を開始し、高周波エネルギーを放射して加熱室１７の食品を加熱するものである。

次に、制御回路５０と制御手段５３について説明する。

制御回路５０は、電源電圧検出回路５８、電源同期タイミング検出回路５１、入力電流検出回路５２、駆動回路５７、ＯＮタイミング検出回路５５、平滑回路５４、基準発振回路５６、温度検出手段５９、制御手段５３によりなる。

電源同期タイミング検出回路５１は、交流電源４１がゼロボルトになるタイミングを検出するためのものである。

入力電流検出回路５２は、マグネトロン３１を動作している時に電源平滑回路４３に流れる電流を検出するものである。電流の測定は、抵抗５２ａの両端間に発生する電圧を測定し、抵抗５２ａの抵抗値から算出する。抵抗５２ａは、抵抗自身で余分な電力を消費しないように、小さな抵抗値の抵抗器を使用するので、抵抗５２ａの両端に発生する電圧も微小な値となるので、その電圧を入力電流検出回路５２に設けた増幅回路で増幅して制御手段５３に検出値として出力している。

そして、マグネトロン３１が発振している時の高周波出力と入力電流検出回路５２の抵抗５２ａの両端に入力電流で発生する前記の電圧との相関関係を事前に確認しておくことで、制御手段５３は入力電流検出回路５２の抵抗５２ａの両端に入力電流で発生する電圧よって、マグネトロン３１の発振している出力が主制御手段６からの要求に合致しているかどうかを認識できるようになっている。

制御手段５３は、計時手段５３ａ、記憶手段５３ｂ、シリアル通信手段５３ｃを持っている。

制御手段５３は主制御手段６より送られてくる後述するパワー信号６ａに基づいて動作を開始する。

パワー信号６ａは、主制御手段６によって操作部５ｂで入力された食品を加熱する強さを制御回路５０に伝え、マグネトロン３１の高周波出力を設定するための信号である。パワー信号６ａは制御回路５０のシリアル通信手段５３ｃ（後述）に入力される。

計時手段５３ａは、電源同期タイミング検出回路５１から送られてくるパルス信号のパルス幅を計時してパルス幅の中点を算出し、パルスの間隔の時間を測定して、接続されている交流電源４１の周波数を判定する。

但し、制御手段５３に交流電圧がゼロになったタイミングが検知できるゼロクロス検出手段を備えている場合は、電源同期タイミング検出回路５１に代わってゼロクロス検出手段を使用することも可能である。

記憶手段５３ｂは、マグネトロン３１が最大の高周波出力で発振できる電圧をマグネトロン駆動用電源３０から出力するための駆動データＫ（図示なし）を記憶する。

駆動データＫは、商用電源の１/２周期の間、スイッチング素子４４を駆動する数を蓄積し、また接続する交流電源４１の周波数によってスイッチング素子４４の駆動は異なるので日本国内で使用する場合は５０Ｈｚ用と６０Ｈｚ用の２種類設けている。

シリアル通信手段５３ｃは制御手段５３に備えたＣＰＵ（図示無し）に接続して主制御手段６からのパワー信号６ａを受け取る。

そして制御手段５３は、電源同期タイミング検出回路５１より入力されるパルスとパルスの間隔から電源の周波数を検出し、記憶手段５３ｂに記憶してある駆動データＫのうち、電源の周波数に対応した方の駆動データＫを呼び出して、電源同期タイミング検出回路５１より入力されるパルスを基準にデータ信号Ｃを生成し出力する。

５４は平滑回路で、制御手段５３から出力されたデータ信号Ｃを平滑した信号に変換するもので、データ信号ＣのパルスのＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より短いほど平滑後の電圧値は低い値を示し、ＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より長いほど平滑後の電圧値は高い値を示す。

ＯＮタイミング検出回路５５は、インバータ回路４８の共振コンデンサ４５と昇圧トランス４６の一次側コイルで成る共振回路に流れている電流を検出し。電流が流れ止まった時を検出して基準発信回路５６（後述）にスイッチング素子４４のＯＮするタイミングを伝達する。

基準発振回路５６は、制御手段５３で出力したデータ信号Ｃを平滑回路５４によって変換された信号とＯＮタイミング検出回路５５から出力された三角信号波形を比較して、スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間（ＯＮデータ信号）を決定する。

スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間は、平滑回路５４によって平滑した信号の電圧値が高いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が小さくなり、マグネトロン３１に印加される電圧は低くなり、平滑した信号の電圧値が低いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が大きくなりマグネトロン３１に印加される電圧は高くなる。

５７は駆動回路で基準発信回路５６より出力したＯＮデータ信号を基にスイッチング素子４４の駆動するものである。

マグネトロン３１の発振開始は、主制御手段６より、加熱を開始するために入力された高周波出力に対応するパワー信号６ａが制御手段５３に送られることで開始する。

制御手段５３は、判定した周波数に対応したＯＮ時間の比率のデータである駆動データＫを記憶手段５３ｂより呼び出しデータ信号Ｃを作成する。

また、主制御手段６から送られてくるパワー信号６ａに対応したマグネトロン３１の発振する高周波出力になるように、入力電流検出回路５２からの検出値に応じて制御手段５３から出力するＯＮ時間データ信号のパルスのＯＮ時間を次のように変更する。

すなわち、変更は、要求のある高周波出力に対応して入力電流検出回路５２の検出する電流値が流れるように、入力電流検出回路５２の検出した電流値が小さい場合はマグネトロン３１に供給する電圧を高くするようにＯＮデータ信号のＯＮ時間の比率を大きくなるデータ信号Ｃを送信して、マグネトロン３１が発振する高周波出力を大きくするように動作する。

また、検出した電流が大きい場合はマグネトロン３１に供給する電圧を小さくするようにＯＮデータ信号のＯＮ時間の比率を小さくなるデータ信号Ｃを送信して、マグネトロン３１が発振する高周波出力を小さくするように動作するものである。

温度検出手段５９は、入力電流検出回路５２、抵抗５２ａ、抵抗５２ａの両端電圧値を入力検出回路５２に接続する基板の銅箔パターンの温度を検知するもので、各々に近接して複数設けても良く、１カ所でも良い。制御手段５３では、検知温度に応じて、検出した入力電流を補正して温度の影響を無くしたデータ信号Ｃを送信してマグネトロン出力を安定よく制御するものである。

本実施例は、以上の構成からなり、次に動作について説明する。

被調理物を温めるのに、その被調理物（図示無し）を加熱室１７のテーブルプレート２０に載置しドア２を閉める。

ドア２を閉めた後、ドア２に設けられた操作パネル３の表示部５ａを見ながら操作部５ｂで高周波加熱を選択して、加熱強さを示す高周波出力と加熱時間を設定する。もしくは自動加熱を選択する。

そして、操作部５ｂの加熱開始用スタートボタン（図示せず）を押して加熱を開始する。

以下の説明は、高周波出力を７００Ｗ、加熱時間を１０分と入力された場合について説明する。

主制御手段６は、加熱を開始するために、入力された高周波出力が７００Ｗであることを、パワー信号６ａをマグネトロン駆動用電源３０の制御手段５３に送って知らせる。

同時に主制御手段６は、回転アンテナ駆動手段２３に信号を送り、回転アンテナ１９を回転させ、冷却手段６２へも信号を送り冷却風の送風を開始する。

制御手段５３はパワー信号６ａを受けて、記憶手段５３ｂに記憶してある駆動データＫのうち、電源の周波数に対応した方の駆動データＫを呼び出してデータ信号Ｃを生成する。

そして駆動回路５７は、基準発信回路５６からＯＮタイミング検出回路５５の出力を待ってＯＮデータ信号の入力にしたがってスイッチング素子４４を駆動する。電源周波数の検出は製品が電源に接続された時に、接続した交流電源４１の周波数の検出を終了している。

加熱開始直後は、マグネトロン３１のヒータ３１ａは温まっていないので発振も無く電流もさほど流れない。しかし加熱開始時は、マグネトロン３１に最大出力となる高い電圧が印加されるように、記憶手段５３ｂに記憶してある駆動データＫのＯＮ時間を生成して出力するので早期にヒータ３１ａの温度が上昇し始め（電圧の印加した約１秒後）次第に電流が流れ始める。

記憶手段５３ｂには駆動データＫは複数パターンを持っていて、起動時は専用パターンで、その後、必要とする高周波出力７００Ｗが得られるパターンの駆動データＫに切り替わり、さらに高周波出力７００Ｗが得られるように入力電流検出回路５２で検出する電流を監視しながらデータ信号ＣのＯＮ時間を変更する。ただし、目標の電流値に対して、差が大きいときは変更幅を多く、差が小さくなると変更幅も小さくしている。さらに、目標値に対して電流を増加させるときと減少させるときでは、減少させるときにマグネトロン３１が発振する高周波出力の変化が鈍いので減少させるときは変更幅を大きくした方が良い。

被調理物の加熱は前記動作を繰り返すことで安定して加熱が行われる。

加熱が進むと、マグネトロン３１、マグネトロン駆動用電源３０のスイッチング素子４４と昇圧トランス４６などが発熱して機械室１８の雰囲気温度が上昇してくる。また、スイッチング素子４４の温度上昇に伴い、前記部品の熱がリード部から基板の銅箔パターンを伝わり該銅箔パターンと抵抗５２ａの温度を上昇させる。前記銅箔パターンは温度変化により銅箔パターンの抵抗値が変化し、同じ電流を流していても温度変化により入力電流検出回路５２の出力は大きくなる。

スイッチング素子４４と抵抗５２ａとをつなぐ銅箔パターンは、マグネトロン３１に供給する電力が流れるため銅箔パターンの幅は広く設けられているため、スイッチング素子４４の熱も良く伝わる。また近年小型化が進んでいるのでスイッチング素子４４と抵抗５２ａは近接した位置に設けられている事も熱伝導を良くしている要因である。

そのため入力電流検出回路５２の出力を一定に保とうと制御すると実際の電流は変化してしまう。

温度検出手段５９は、前記銅箔パターン側の抵抗５２ａを接続しているランドの近傍に設ける事で、抵抗５２ａと銅箔パターンの近似温度を捉え、この時の入力電流検出回路５２の出力の変化と温度検出手段５９の出力との相関により、入力電流検出回路５２の出力を演算し、温度の影響分を取り除くことで、マグネトロン３１の出力を安定した制御を得ることができる。

本構成の温度検出手段５９は通常電流検出用の抵抗５２ａと増幅回路により構成し、特に電流検出用の抵抗を銅箔パターンやＣＰ線等の金属を使用する場合はその金属抵抗値の変化が主要な影響を及ぼすため、本考案の効果は非常に高い。

そして所定の加熱時間である１０分が経過すると、主制御手段６より制御手段５３に停止命令がでて加熱を終了する。

以上説明したように、本実施例によれば、マグネトロン駆動用電源の雰囲気温度や各部品の発熱の影響により電流が増減することのない理想的な電流検出を実現することが可能となる。

また電流検出用の抵抗５２ａに替わり、温度依存性の大きい銅箔パターンやＣＰ線の使用を可能とし安価に製造することを可能とするものである。

３０マグネトロン駆動用電源
３１マグネトロン
４１交流電源
４２整流回路
４４スイッチング素子
４８インバータ回路
５０制御回路
５１電源同期タイミング検出回路
５２入力電流検出回路
５２ａ抵抗
５３制御手段
５３ｂ記憶手段
５５ＯＮタイミング検出回路
５７駆動回路
５９温度検出手段
Ｃデータ信号

Claims

マグネトロンと、
交流電源に接続され電源を直流化する整流回路と、
該整流回路に接続され前記マグネトロンを駆動するインバータ回路と、
該インバータ回路のスイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記整流回路と前記インバータ回路の間に配置された抵抗により前記インバータ回路に流れる電流を検出する入力電流検出回路と、
前記インバータ回路のスイッチング素子のＯＮタイミングを出力するＯＮタイミング検出回路と、
前記入力電流検出回路の温度を検出する温度検出手段と、
該温度検出手段の出力に基づいて前記入力電流検出回路からの出力を補正して前記スイッチング素子を駆動するデータ信号を生成して出力する制御手段とを備え、
前記抵抗と前記スイッチング素子は金属箔パターンを介してつながれており、前記温度検出手段は、前記金属箔パターン側の前記抵抗を接続しているランドの近傍に設けたことを特徴とする高周波加熱装置。