JP7065304B2

JP7065304B2 - 水位検知装置および誘導加熱機器、ならびに、これらを備えた水位検知システム

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Publication number: JP7065304B2
Application number: JP2019519203A
Authority: JP
Inventors: 晋介佐々木; 章片岡
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: WO2018212057A1; JPWO2018212057A1

Description

本開示は、誘導加熱されることが可能な容器内の液体の水位を検知する水位検知システムに関する。

食品の分量の検知は、最適加熱や省エネの観点から、電気調理器にとって重要な機能である。

従来、電気湯沸かし器は、例えば容器と連通したガラス管の外面に巻かれたアルミ箔と、ガラス管内の水とを電極として用いた水位検知部を有する。この水位検知部を用いて、水位の変化による静電容量の変化を検知することで、従来の電気湯沸かし器は、容器内の水位を検知する。

しかしながら、上記構成では、ガラス管の厚みのばらつき、配線の容量のばらつきのため、容器内の水位が精度良く検知できない。

この問題を解決するため、特許文献１には、超音波を発生し、その超音波が水面で反射して戻るまでの時間を計測するように構成された超音波センサを用いて、精度良く水位検知を行なう電気湯沸かし器が開示されている。特許文献２には、同様に超音波センサを用いて内釜内の水位を検知する炊飯器が開示されている。

特開平５－４２０４４号公報特開平１１－１１３７３８号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載される超音波センサは、誘導加熱機器では利用するのが困難である。

すなわち、超音波センサの動作周波数は、誘導加熱機器の動作周波数、または、その高調波に起因する電気的ノイズの周波数に近い。超音波センサの動作周波数は、誘導加熱される容器の振動に起因する振動性ノイズの周波数にも近い。そのため、これらのノイズは、超音波センサの検知結果の精度を低下させる。これらのノイズの強度は、誘導加熱のための電源の電力に比例する。

本開示の一態様は、誘導加熱機器により誘導加熱される容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置である。

本態様の水位検知装置は、超音波センサと計時部と演算部と通信部とを備える。超音波センサは、超音波を送信波として送信するように構成された送信部、および、反射された超音波を反射波として受信するように構成された受信部を有する。

計時部は、送信部により送信波が送信された時点から受信部により反射波が受信された時点までの時間幅を計測するように構成される。演算部は、計時部によって計測された時間幅に基づいて、超音波センサと液体との距離を演算する。

通信部は、誘導加熱機器と通信するように構成される。具体的には、通信部は、誘導加熱機器により送信されたタイミング信号を受信する。演算部は、タイミング信号に応じて距離を演算するように構成される。

本開示の別の態様は、容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置と通信するように構成された誘導加熱機器である。

本態様の誘導加熱機器は、誘導加熱部と駆動制御部と通信部とを備える。誘導加熱部は、容器を誘導加熱するように構成される。駆動制御部は、誘導加熱部に電源を供給するように構成される。通信部は、水位検知装置と通信するように構成される。

具体的には、通信部は、電源電力の絶対値が所定値以下であることを示すタイミング信号を、水位検知装置に送信するように構成される。

本態様によれば、調理中に食品の分量を正確に検知することができる。このため、急激な水位上昇を検知することによる吹きこぼれ検知、水位下降を検知することによる煮詰まり検知を行うことができる。その結果、安全な調理の支援、食品の分量に応じた最適加熱の制御、煮物の調理終了の判定などを行うことが可能となる。

図１は、実施の形態に係る水位検知装置付き容器の縦断面図である。図２は、実施の形態に係る水位検知装置および誘導加熱機器のブロック図である。図３は、実施の形態に係る水位検知装置における送信波および反射波を示す図である。図４は、電源ノイズが小さくて水位検知が可能な場合における、反射波の波形を示す図である。図５は、電源ノイズが大きくて水位検知が困難な場合における、反射波の波形を示す図である。図６は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。図７は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。図８は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。図９は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。図１０は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。図１１は、超音波センサを作動させるべき作動期間を示す図である。

本開示の第１の態様は、誘導加熱機器により誘導加熱される容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置である。

本開示の第２の態様の水位検知装置では、第１の態様に加えて、タイミング信号が、誘導加熱のための電源電力の絶対値が所定値以下であることを示す。

本開示の第３の態様は、容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置と通信するように構成された誘導加熱機器である。

具体的には、通信部は、誘導加熱のための電源電力の絶対値が所定値以下であることを示すタイミング信号を、水位検知装置に送信するように構成される。

本開示の第４の態様の誘導加熱機器では、第３の態様に加えて、駆動制御部が、電源電力の絶対値を所定値以下に設定するように構成される。

本開示の第５の態様の水位検知システムは、第１の態様の水位検知装置と、第３の態様の誘導加熱機器とを備える。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る水位検知装置３を備えた容器１の縦断面図である。図２は、本実施の形態に係る水位検知装置３および誘導加熱機器１０のブロック図である。

図１、図２に示すように、有底筒形状の容器１に、食品４が収容される。本実施の形態では、食品４は煮物などの液体状の食品である。蓋２は、容器１の上面開口を覆う。蓋２には、食品４の上面に対向するように、水位検知装置３が設けられる。容器１の側壁の外面には、把手６が設けられる。蓋２の上面には、把手５が設けられる。

誘導加熱機器１０は、内部に設けられた誘導加熱部１１と駆動制御部２５と通信部３１とを有し、誘導加熱部１１の上方に設けられたトッププレート１２を有する。

誘導加熱部１１は加熱コイルを含む。駆動制御部２５は、インバータ（図示せず）を含み、水位検知装置３により送信された情報に基づいて誘導加熱部１１を駆動する。駆動制御部２５が誘導加熱部１１に電源を供給すると、トッププレート１２に載置された容器１が誘導加熱される。

通信部３１は、誘導加熱機器１０側の通信部である。すなわち、通信部３１は機器側通信部に相当する。通信部３１は、誘導加熱部１１に供給される電源の電力（以下、電源電力という）の絶対値が所定の閾値電力以下であることを示すタイミング信号を送信する。駆動制御部２５は、このタイミング信号を送信するように通信部３１を制御する。通信部３１は、水位検知装置３により送信された情報を受信し、その情報を駆動制御部２５に送信する。

水位検知装置３は、超音波センサ２０と計時部２３と演算部２４と通信部３０とを有する。水位検知装置３は、容器１内に収容された食品４の分量を検知する。

超音波センサ２０は、送信部２１と受信部２２とを有する。送信部２１は、容器１内の食品４に向けて鉛直下方に超音波を送信する。受信部２２は、容器１内の食品４により反射された超音波を受信する。以下、送信部２１により送信される超音波を送信波７、受信部２２により受信される超音波を反射波８という。

計時部２３は、送信部２１から送信波７が送信された時点から受信部２２が反射波８を受信した時点までの時間幅を測定する。演算部２４は、計時部２３によって計測された時間幅に基づいて、超音波センサ２０と食品４の上面との距離を演算する。

通信部３０は、誘導加熱機器１０側の通信部３１と通信する水位検知装置３側の通信部である。すなわち、通信部３０はセンサ側通信部に相当する。具体的には、通信部３０は、通信部３１により送信されるタイミング信号を受信し、演算部２４による演算の結果を通信部３１に送信する。

以下、通信部３１がこのタイミング信号を送信する期間を、超音波センサ２０を作動させるべき超音波センサ２０の作動期間という。このタイミング信号により、誘導加熱機器１０から水位検知装置３に、超音波センサ２０の作動期間が通知される。

以下、上記のように構成された水位検知装置、容器および誘導加熱機器１０の動作について説明する。

図３は、水位検知装置３における送信波７および反射波８を示す図である。

図３において、波形４０、４１は送信波７、反射波８をそれぞれ示す。波形４０、４１は、正弦波の半波として図示される。しかし、実際には、波形４０、４１は、高周波の正弦波信号を全波整流して、整流された信号の高周波成分が濾過されることで得られる信号である。

計時部２３は、送信波７が送信される際の時刻を送信時刻４３として記憶する。受信部２２は、食品４と空気との境界面で反射されて戻ってきた反射波８を受信する。計時部２３は、反射波８の受信強度が閾値強度４２を超えた時点である受信時刻４４を記憶する。計時部２３は、受信時刻４４と送信時刻４３の差を応答時間４５として出力する。

演算部２４は、超音波センサ２０と食品４との距離を、音の速度と応答時間４５とから演算する。具体的には、超音波センサ２０と食品４との距離をＤｆ［ｍ］、音速をＶｓ［ｍ／ｓｅｃ］、応答時間４５をＲｔ［ｓｅｃ］とすると、距離Ｄｆ［ｍ］は下記式（１）によって得られる。

Ｄｆ＝Ｖｓ×Ｒｔ／２・・・（１）
空気の温度θ［℃］の場合の音速Ｖｓ［ｍ／ｓｅｃ］は、下記式（２）によって得られる。

Ｖｓ＝３３１．５＋０．６０７×θ ・・・（２）
超音波センサ２０と容器１の底との距離は既知なので、上述の式（１）の演算によって求めた距離Ｄｆから、食品４の高さを求めることができる。食品４が液状の場合、食品４の高さは水位として検知することができる。

しかしながら、調理中、誘導加熱部１１から高周波ノイズが発生する。この高周波ノイズは、比較的周波数の高い、誘導加熱機器１０の電源からの電気的ノイズである。この高周波ノイズは、容器１の固有振動数に起因する、比較的周波数の低い、振動性ノイズとしても、超音波センサ２０の動作に影響を及ぼす。

図４は、電源ノイズが小さくて水位検知が可能な場合における、反射波８の波形４１を示す。図５は、電源ノイズが大きくて水位検知が困難な場合における、反射波８の波形４１を示す。

図４に示すように、波形４１には、比較的振幅の小さい高周波ノイズ成分４６が重畳されている。この場合、閾値強度４２との比較は容易であり、波形４１の立ち上がりを検知することが可能である。従って、水位検知装置３による水位検知が可能である。

一方、図５に示すように、波形４１には、比較的振幅の大きな高周波ノイズ成分４６が重畳されている。この場合、波形４１は頻繁に閾値強度４２を超えており、波形４１の立ち上がりを正確に検知することは不可能である。従って、水位検知装置３による水位検知は困難である。

この高周波ノイズは、火力設定に応じて誘導加熱部１１に供給される電力に比例する。このため、供給電力が低ければ、高周波ノイズ成分４６が重畳されても、図４と同様に波形４１の立ち上がりを検知でき、水位検知が可能である。

図６～図１１は、誘導加熱部１１に供給される電源を考慮して、超音波センサ２０を作動させるべき作動期間５２を示す。

図６～図１１の上側グラフにおいて、波形５０は、全波整流された電源電力を示す。閾値電力５１は、水位検知装置３に重畳される高周波ノイズ成分４６が、閾値強度４２に比べて充分に小さく、水位検知が可能であると判断されるための閾値である。閾値強度４２は、誘導加熱機器１０、容器１、水位検知装置３の構成およびそれらの位置関係を考慮して決定される値である。

上述のように、電源のみならず、これに起因する、電源よりも周波数の低い振動性ノイズが超音波センサ２０に影響を及ぼす。そのため、図６～図１１の上側グラフは、適宜、容器１の振動の振幅を示すグラフであると考える必要がある。

図６～図１１の下側グラフは、反射波８の波形４１を示す。上側グラフにおける波形５０が閾値電力５１以下となる期間において、高周波ノイズの影響が少ないため、水位検知装置３は水位検知可能である。これらの期間が、図中の斜線領域で示される作動期間５２となる。

図６に示すように、作動期間５２は、電源電力がゼロクロス点５３に接近する期間である。作動期間５２において受信部２２を作動させると、超音波センサ２０における高周波ノイズの影響を低減することができる。

図６の下側グラフに示すように、作動期間５２内の時点Ｔａで、波形４１が閾値強度４２を超えるため、反射波８が検知される。

一方、図７の下側グラフのように、作動期間５２内でない時点Ｔｂで、波形４１が閾値強度４２を超えても、反射波８は検知されない。反射波８は、続く作動期間５２内の時点Ｔｃで検知される。すなわち、反射波８の検知は、最大で波形５０の半分だけ遅れる。この遅れは、誤差として考慮する必要がある。

波形４１の形状に規則性が認められる場合、時点Ｔｃの受信強度と、その後の波形４１の傾きとから、時点Ｔｂを推定することも可能である。

波形４１の波長が波形５０の波長より短い場合、波形４１の閾値強度４２より大きい部分が、二つの作動期間５２の間に入る可能性がある。この場合、反射波８は検出できない。そのため、ノイズの最短波長より反射波の波長を長く設定する必要がある。

図８に示す例では、駆動制御部２５は、波形５０が常に閾値電力５１以下となるように、電源電力を下げる。この場合、常にノイズの影響を受けずに超音波を受信することが可能となる。

図９に示す例では、駆動制御部２５は、所定期間（図９では電源電力の二周期の期間）電源を停止する。この場合、超音波センサ２０は、この期間においてノイズの影響を受けずに波形４１で示される反射波８を受信することができる。

例えば、容器１の底と水位検知装置３との距離が１８０［ｍｍ］程度に設定された場合、応答時間４５は約１［ｍｓｅｃ］である。従って、水位検知のために１［ｍｓｅｃ］の期間、電源が停止されれば、ノイズの影響を受けずに水位検知を行うことができる。

この場合、１［ｓｅｃ］の間に水位検知が１０回行われ、元の供給電力が１０００［Ｗ］であるとすると、供給電力Ｐｓ［Ｗ］は式（３）で計算される。

Ｐｓ＝１０００［Ｗ］×（１－１［ｍｓｅｃ］×１０／１［ｓｅｃ］）
・・・（３）
＝９９０［Ｗ］
この電力は、調理用としてまったく問題ない。元の供給電力を１．０１［ｋＷ］とすれば、上記と同様に水位検知が行われた場合、供給電力は９９９［Ｗ］となる。すなわち、供給電力の低下はほぼなくなる。

図１０は図６と似ている。しかし、図１０の場合、図６の場合より閾値電力５１が低いため、作動期間５２の時間幅は図６の場合より狭くなる。そこで、作動期間５２の時間幅を図６の場合と同じにするために、駆動制御部２５は、ゼロクロス点５３の近傍の所定期間だけ電源電力を下げる、または、停止させる。

図１１は図９と似ている。図９の場合、駆動制御部２５が、電源を所定期間停止する。一方、図１１の場合、駆動制御部２５は、電源が所定期間（図９では電源電力の二周期）だけ閾値電力５１を下回るように電源電力を下げる。これによって、図９の場合と同様に、電力の低下をほぼなくすことができる。

以上のように、本実施の形態の水位検知装置によれば、調理中に食品の分量を正確に検知することができる。このため、急激な水位上昇を検知することによる吹きこぼれ検知、水位下降を検知することによる煮詰まり検知を行うことができる。その結果、安全な調理の支援、食品の分量に応じた最適加熱の制御、煮物の調理終了の判定などを行うことが可能となる。

本開示に係る水位検知装置は、炊飯器、マルチクッカー、ジャーポットなどの加熱調理器に適用可能である。

１容器
２蓋
３水位検知装置
４食品
５、６把手
７送信波
８反射波
１０誘導加熱機器
１１誘導加熱部
２０超音波センサ
２１送信部
２２受信部
２３計時部
２４演算部
２５駆動制御部
３０、３１通信部
４０、４１、５０波形
４２閾値強度
４３送信時刻
４４受信時刻
４５応答時間
５１閾値電力
５２作動期間

Claims

誘導加熱機器により誘導加熱される容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置であって、
超音波を送信波として送信するように構成された送信部、および、反射された超音波を反射波として受信するように構成された受信部を有する超音波センサと、
前記送信部により前記送信波が送信された時点から前記受信部により前記反射波が受信された時点までの時間幅を計測するように構成された計時部と、
前記計時部によって計測された前記時間幅に基づいて、前記超音波センサと前記液体との距離を演算する演算部と、
前記誘導加熱機器と通信するように構成されたセンサ側通信部と、を備え、
前記センサ側通信部は、前記誘導加熱機器により送信されたタイミング信号を受信し、
前記演算部は、前記タイミング信号に応じて前記距離を演算するように構成された、水位検知装置。
前記タイミング信号が、前記誘導加熱のための電源電力の絶対値が所定値以下であることを示す、請求項１に記載の水位検知装置。
容器内に収容された液体の水位を検知するように構成された水位検知装置と通信するように構成された誘導加熱機器であって、
前記容器を誘導加熱するように構成された誘導加熱部と、
前記誘導加熱部に電源を供給するように構成された駆動制御部と、
前記水位検知装置と通信するように構成された機器側通信部と、を備え、
前記機器側通信部は、前記誘導加熱のための電源電力の絶対値が所定値以下であることを示すタイミング信号を、前記水位検知装置に送信するように構成された、誘導加熱機器。
前記駆動制御部が、前記電源電力の絶対値を所定値以下に設定するように構成された、請求項３に記載の誘導加熱機器。
請求項１に記載の水位検知装置と、請求項３に記載の誘導加熱機器と、を備えた、水位検知システム。