JP7369096B2 - 誘電加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、誘電加熱システムに関する。

高周波誘電加熱システムによる解凍及び加熱では、高周波電源のインピーダンスと、負荷のインピーダンスとを整合させる必要がある。そのため、高周波電源と、負荷との間には、整合器が設けられる。そして、加熱は、高周波電源の出力インピーダンスと、負荷の入力インピーダンスとを整合させる動作モード（以下、整合点探索モードという）と、負荷６に電力を印加する動作モード（以下、定常電力印加モードという）とを繰り返すことで行われる。

整合点探索モードでは、高周波電源への反射電力が大きくなり、高周波電源に使用される半導体スイッチング素子が破壊されてしまう虞がある。その解決法として、整合点探索モードでの電力を、定常電力印加モードでの電力よりも低くする方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４－３４０４７１号公報

しかしながら、特許文献１で開示される技術を用いて、単に高周波電源および負荷のインピーダンスを整合させた場合、定常電力印加モードにおいて、被加熱物の状態変化により負荷の入力インピーダンスが変化するので、整合点からずれが生じる。高周波電源は、負荷に電力を印加し続けながら、整合点検出モードに移行するまで、高周波電源の増幅器の効率が悪い領域であっても、稼働を継続する。そのような増幅器の効率が悪い領域での稼働が継続した場合、高周波電源が受けるストレスにより、スイッチング素子の破壊、劣化等の虞が生じる。

本発明の一態様は、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、高周波電源が受けるストレスを軽減することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る誘電加熱システムは、高周波の電力を出力する電源部と、上記電源部から出力された電力が印加されることにより対象物を加熱する加熱部と、上記電源部と、上記加熱部との間に介設され、自らのインピーダンスを変更可能である可変部と、上記電源部と、上記可変部との間に介設され、上記電源部から上記可変部に出力される出力電力と、当該出力電力が上記可変部に反射されて上記電源部に戻る反射電力とを検出する検出部と、上記電源部が負荷に印加する電力である定常電力を出力するときに当該電源部の出力インピーダンスである電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスであって、上記対象物、上記加熱部、および、上記可変部を含む上記負荷の入力インピーダンスである負荷インピーダンスを調整する制御部と、を備え、上記制御部は、上記負荷インピーダンスを調整する場合に、上記電源部に備えられた増幅器の効率であって、上記電源部に入力される入力電力に対する上記出力電力の割合である効率を取得し、上記電源部が上記定常電力を出力する場合に、上記取得した効率を用いて、上記負荷インピーダンスが許容範囲内であり、かつ、上記効率が所定値以上で推移するための、当該負荷インピーダンスの初期値を特定する。

本発明の一態様によれば、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、高周波電源が受けるストレスを軽減することができる。

本発明の実施形態１に係る高周波誘電加熱システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る出力電力の制御イメージを示す図である。 上図は本発明の実施形態１に係る整合器の構成例を示す図であり、下図は本発明の実施形態１に係る３つのスイッチの開閉と、整合器の状態との関係を示す表である。 本発明の実施形態１に係る整合点探索モードにおける制御器の処理を示すフローチャートである。 図４の処理を実行した場合の、進行波および反射波の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る整合点探索モードから定常電力印加モードにおける制御器の処理を示すフローチャートである。 増幅器の効率の推移を示すスミスチャートである。 本発明の実施形態２に係る整合器の構成例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る整合点探索モードにおける制御器５の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３に係る制御器の電力値モニタ部および出力パワー制御部の具体例を示すブロック図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。

（実施形態１の概要）
図２は、本実施形態に係る出力電力の制御イメージを示す図である。本実施形態では、図２に示すように、整合点探索モードにおいて、電源インピーダンスと、負荷インピーダンスと（以下、両インピーダンスともいう）が整合していない場合には電力を小さくし、両インピーダンスが整合している場合には電力を大きくするような電力制御を行いながら、負荷インピーダンスが電源インピーダンスに整合する整合点を探索する。

一例として、反射波の電力が規定値以下となるように出力電力を絞りながら、反射波の電力が許容値以下の場合には進行波電力（出力電力）を定常電力印加モードにおける電力と等しいか、それに近いレベルまで大きくするように電力制御を行う等の方法がある。なお、定常電力は、負荷６に印加する電力である。

上記により、両インピーダンスが整合していない場合には、電力が小さいため、反射波によるスイッチング半導体の破壊を防ぐことができる。一方、両インピーダンスが整合している場合には、定常電力印加モードとほぼ同じ状態になるため、整合点探索モードから定常電力印加モードに移行した場合に、高周波電源２の出力インピーダンスが大きく変化して、負荷６の入力インピーダンスとの整合がずれることが発生しなくなる。

従って、効率的な加熱を行い、かつ、スイッチング半導体の破壊を防ぎながら、定常出力印加モードにおける整合点を正確かつ円滑に探索することができる。

さらに、本実施形態では、整合点探索モードにおいて、整合点の探索と並行して、高周波電源２の増幅器２１の効率データを取得し、当該効率データを用いて、定常電力印加モードにおける負荷インピーダンスの初期位置を調整することにより、定常電力印加モード時に効率のよい可動域で動作させる。

すなわち、制御器５は、負荷インピーダンスを調整する場合に、高周波電源２に備えられた増幅器２１の効率であって、高周波電源２に入力される入力電力に対する、整合器４に出力される出力電力の割合である効率を取得する。そして、制御器５は、高周波電源２が定常電力を出力する場合に、取得した効率を用いて、負荷インピーダンスが許容範囲内であり、かつ、効率が通常値（所定値）以上で推移するための、当該負荷インピーダンスの初期値を特定する。

従って、増幅器２１の効率が通常値以上で推移するので、高周波電源２、および、スイッチング素子(ＧａＮデバイス等)へのストレスを低減することができる。

（高周波誘電加熱システム１の構成）
図１は、本実施形態に係る高周波誘電加熱システム（以下、誘電加熱システムという）１の構成を示す図である。誘電加熱システム１は、高周波電源（電源部）２と、検波器（検出部）３と、整合器（可変部）４と、制御器（制御部）５と、２つの電極（加熱部）６１とを備えている。なお、高周波電源２、検波器３、整合器４、および、下側の電極６１は、接地７に接続されている。

２つの電極６１は対向しており、当該電極６１の間には、ターゲット（対象物）Ｔが介設されている。ターゲットＴは、加熱または解凍の対象である。２つの電極６１は、高周波電源２から出力された電力が印加されることによりターゲットＴを加熱する。

高周波電源２は、例えば、１３．５６ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ等の高周波の交流電力を出力する。なお、当該交流電力の電力レベルは、制御器５により制御可能である。

高周波電源２から出力される電力は、検波器３、および、整合器４を通過して、電極６１間に印加される。電力の印加により電極６１間に発生した電界は、ターゲットＴに作用する。すなわち、当該電界により、ターゲットＴは、加熱または解凍される。

検波器３は、高周波電源２と、整合器４との間に介設される。検波器３は、高周波電源２から整合器４の方向に進む進行波の電力レベル（整合器４に出力される出力電力）と、当該進行波（出力電力）が整合器４に反射されて高周波電源２に戻る反射波の電力レベル（反射電力）とを検出し、それぞれに対応した信号を出力する。なお、検波器３は、進行波と、反射波との比である反射率に応じた信号を出力するものであってもよい。

整合器４は、高周波電源２と、２つの電極６１との間に介設され、自らのインピーダンスを変更可能である。すなわち、整合器４は、コイルと、コンデンサとを備えており、一部またはすべての、コイルのインダクタンスと、コンデンサのキャパシタンスとを変化させることができる。整合器４は、当該インダクタンスと、当該キャパシタンスとを変化させることにより、負荷６のインピーダンスを変化させることが可能である。なお、整合器４は、コイルのみの構成であってもよいし、コンデンサのみの構成であってもよい。

制御器５は、電力値モニタ部５１と、出力パワー制御部５２と、整合調整部５３とを備えている。電力値モニタ部５１は、検波器３の電力値を取得する。出力パワー制御部５２は、検波器３が取得した電力値を参照して、高周波電源２の電力レベルを制御する。整合調整部５３は、整合器４のインダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を変化させることにより、負荷６のインピーダンスを制御する。

制御器５は、高周波電源２が定常電力を出力するときに、整合面において高周波電源２の出力インピーダンスである電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスであって、負荷６の入力インピーダンスである負荷インピーダンスを調整する。図１に示すように、負荷６は、ターゲットＴ、２つの電極６１、および、整合器４を含む。

制御器５は、負荷インピーダンスを調整する場合に、進行波の電力レベルおよび反射波の電力レベルを参照して、電源インピーダンスと、負荷インピーダンスとが整合していないときに進行波の電力レベルを小さくし、電源インピーダンスと、負荷インピーダンスとが整合しているときに進行波の電力レベルを大きくする。

（整合器４の構成例）
図３上図は、本実施形態に係る整合器４の構成例を示す図である。図３上図に示すように、整合器４において、並列接続されたコイルＬ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）と、スイッチＳ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）とを一つの構成要素とし、複数の当該構成要素が入出力回路内に直列または並列に接続されている。

コイルＬと並列に接続されたスイッチＳをオンすると、コイルＬの両端は短絡するので、上記構成要素のインダクタンスはゼロ（０）になる。そして、スイッチＳをオフすると、上記構成要素のインダクタンスはコイルＬのインダクタンスに等しくなる。

なお、上記構成要素に用いるものは、コイルＬではなく、コンデンサＣであってもよい。また、コイルＬまたはコンデンサＣとセットで用いるスイッチＳは、コイルＬまたはコンデンサＣに対して直列に接続されてもよい。

整合器４は、複数配置された構成要素のスイッチＳのオン、オフの組み合わせを変えることにより、離散的にインピーダンスを変更可能であり、負荷６のインピーダンスを調整することが可能になる。この場合、負荷６のインピーダンスは、２の「スイッチの個数」乗通りのインピーダンスが実現できることになる。本実施形態では、説明のため、３つの上記構成要素を用いた整合回路を扱うものとする。この場合、８（＝２の３乗）通りのインピーダンスが実現可能である。

なお、スイッチＳは、半導体スイッチであってもよいし、メカニカルリレーであってもよい。

図３下図は、本実施形態に係る３つのスイッチＳの開閉と、整合器４の状態との関係を示す表である。以下の説明のため、図３下図に示すように、３つのスイッチＳをそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とし、それぞれのスイッチＳの開閉の組み合わせによる整合器４の状態１～８を定義する。例えば、スイッチＳ１、Ｓ２、および、Ｓ３がすべて閉である場合、整合器４の状態は状態１になる。整合器４の状態１～８は、それぞれ異なるインピーダンスに対応する。

（整合点探索モードの処理）
図４は、本実施形態に係る整合点探索モードにおける制御器５の処理を示すフローチャートである。なお、以下に記載する制御部の処理内容はあくまでも一例に過ぎない。他の公知技術によって、整合器４の状態を調整してインピーダンス整合を行ってもよい。

ここで、出力パワー制御信号は、高周波電源２の出力を制御するための信号である。なお、出力パワー制御信号と、高周波電源出力レベルとは比例するものとする。設定値Ｖ１は、出力パワー制御信号の値のうち、予め設定された値であり、定常電力印加モードにおける出力パワー制御信号の値より小さいものとする。

（ステップＳ４０１）
制御器５において、出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号の電圧値を設定値Ｖ１に設定する。そして、整合調整部５３は、整合器４の状態を「状態１」に設定する。すなわち、整合調整部５３は、スイッチＳ１、Ｓ２、および、Ｓ３をすべて閉にする。

（ステップＳ４０２）
制御器５において、電力値モニタ部５１は、検波器３から出力される電力値から進行波電力と、反射波電力（反射電力）とを読み取る。そして、電力値モニタ部５１は、反射波電力が予め設定された閾値（第１の閾値）Ｒ１よりも小さく、かつ、進行波電力が定常出力印加時の電力値である閾値（第３の閾値）Ｆ１よりも小さいか否かを判定する。当該条件を満たす場合（ステップＳ４０２のＹＥＳ）、制御器５は、ステップＳ４０３の処理を実行する。当該条件を満たさない（すなわち、反射波電力が閾値Ｒ１以上、または、進行波電力が閾値Ｆ１以上である）場合（ステップＳ４０２のＮＯ）、制御器５は、ステップＳ４０４の処理を実行する。

（ステップＳ４０３）
出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号を増加させることにより、高周波電源２の出力電力を増加させる。そして、制御器５は、ステップＳ４０２の判定を再度実行する。

（ステップＳ４０４）
電力値モニタ部５１は、進行波電力および反射波電力、ならびに、進行波電力に対する反射波電力の割合である反射率の少なくとも一方を、整合器４の状態に対応付けて記録する。例えば、電力値モニタ部５１は、それらの値をメモリに記憶させる。なお、電力値モニタ部５１は、反射率を記録する場合には、進行波電力および反射波電力から反射率を算出する。

電力値モニタ部５１は、さらに、高周波電源２に内蔵された（備えられた）増幅器２１の効率データを取得し、当該効率データを整合器４の状態に対応付けて記録する。当該効率データは、後述する定常電力印加モードにおいて使用される。その詳細については、後述する。

（ステップＳ４０５）
電力値モニタ部５１は、すべての、整合器４の状態で（整合器４の各インピーダンスについて）記録を行ったか否かを判定する。すべての状態で記録を行った場合（ステップＳ４０５のＹＥＳ）、制御器５は、ステップＳ４０６の処理を実行する。すべての状態では記録を行っていない場合（ステップＳ４０５のＮＯ）、制御器５は、ステップＳ４０８の処理を実行する。

（ステップＳ４０６）
制御器５は、ステップＳ４０４の処理で記録された、各状態の反射率を比較し、最も反射率が低い状態を整合がとれた状態と判断する。すなわち、制御器５は、反射率のうち最も小さい反射率に対応する、整合器４のインピーダンスを含む負荷インピーダンスが、高周波電源２が定常電力を出力するときの電源インピーダンスに整合すると判断する。この場合、メモリに反射率が記憶されていないとき、制御器５は、進行波電力および反射波電力から反射率を算出する。

（ステップＳ４０７）
制御器５は、増幅器２１の効率データを用いて整合点のずれの進行方向を確認し、増幅器２１の効率が推移する範囲のうち、当該効率が通常値以上の範囲を選択する。

制御器５は、ステップＳ４０７の処理に続いて、定常電力印加モードの処理を行う。

（ステップＳ４０８）
制御器５において、出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号の電圧値を設定値Ｖ１に設定する。そして、整合調整部５３は、整合器４の状態を変更して別の状態に設定する。詳細には、整合調整部５３は、メモリに未だ記憶されていない状態に整合器４の状態を設定する。整合調整部５３は、例えば、状態２から状態３、状態４、・・・、状態８と順次設定してもよい。その後、制御器５は、ステップＳ４０２の判定を再度実行する。

図５は、図４の処理を実行した場合の、進行波および反射波の時間変化を示すグラフである。図５には、整合器４の状態１から８における、進行波および反射波の各波形が示されている。

（定常電力印加モードの処理）
図６は、本実施形態に係る整合点探索モードから定常電力印加モードにおける制御器５の処理を示すフローチャートである。

（ステップＳ６０１）
制御器５は、整合点探索モードの処理を実施する。当該処理の詳細は、図４およびその説明を参照のこと。

（ステップＳ６０２）
制御器５は、整合点の探索が完了したか否かの判定を行う。当該判定の詳細は、図４のステップＳ４０５およびその説明を参照のこと。そして、制御器５は、ステップＳ４０６において、最も反射率が低くなる整合器の状態を整合がとれた状態と判断して、整合点探索モードを完了する。

整合点の探索が完了した場合（ステップＳ６０２のＹＥＳ）、制御器５は、ステップＳ６０４の処理を実行する。整合点の探索が完了していない場合（ステップＳ６０２のＮＯ）、制御器５は、ステップＳ６０３の処理を実行する。

（ステップＳ６０３）
制御器５は、増幅器２１の効率データを取得する。電力値モニタ部５１は、高周波電源２の増幅器２１の効率データを、整合器４の状態（スイッチＳの開閉に対応する、整合器４のインピーダンス）に対応付けて記録する。高周波電源２の増幅器の効率データとは、例えば、増幅器２１から出力される電力を高周波電源２に入力された電力により除算した値を示すデータである。すなわち、「効率＝出力電力÷入力電力（×１００）」である。

詳細には、制御器５は、電力値モニタ部５１が検波器３から取得した進行波電力を、出力パワー制御部５２が設定した出力パワー制御信号の電圧値に対応する入力電力で除算した値を効率データとして取得する。

なお、ステップＳ６０３の処理は、整合点探索モードの処理のうち、図４のステップＳ４０４における処理の一部に対応する。

（ステップＳ６０４）
制御器５は、整合点探索モードから定常電力印加モードに切り替える。詳細には、出力パワー制御部５２は、定常電力印加モードにおける出力パワー制御信号の値を設定する。

（ステップＳ６０５）
制御器５は、整合点探索によってインピーダンス整合がとれた状態で、整合点のずれの方向を確認する。詳細には、ターゲットＴの状態が変化する（例えば、氷から水への変化）ために、負荷インピーダンスが変化することにより、インピーダンス整合がなされた状態から反射波電力の増減が発生する。その際に、反射波電力が増える、または、減少することをずれの方向と考える。

（ステップＳ６０６）
制御器５は、インピーダンス整合のずれの方向を確認した後、定常電力印加モードの初期位置を設定する。すなわち、制御器５は、高周波電源２が定常電力を出力する場合に、増幅器２１の効率が減少する状況に応じて、負荷インピーダンスの初期値を特定する。

詳細には、制御器５は、高周波電源２の増幅器２１の効率データと、インピーダンス整合の許容範囲とに従って、負荷インピーダンスの初期位置を設定する。すなわち、整合点としては、進行波電力と、反射波電力とが同じであるのがよいが、進行波電力および反射波電力の何れかがより大きい許容範囲がある。制御器５は、当該許容範囲内で、増幅器２１の効率がよい点を特定する。

これにより、高周波電源２の増幅器２１の効率と、整合点探索モードで得られたインピーダンス整合の許容範囲内において、定常電力印加モードを実施することができる。そして、上記の構成によれば、本実施形態における誘電加熱システム１は、高周波電源２、スイッチング素子へのストレスを軽減することができる。

なお、本実施形態に係る制御器５の、整合点探索モードにおける増幅器２１の効率データの取得、および、定常電力印加モードにおける初期位置の設定は、整合点探索モードおよび定常電力印加モードを有する誘電加熱システムに適用することができる。

図７は、増幅器２１の効率の推移を示すスミスチャートである。図７の上図は、定常電力印加モードにおいて、本実施形態に該当しない増幅器２１であって、インピーダンス整合がとれた状態における増幅器２１の効率が増減する様子を示す。そのうち、図７の左上図は、増幅器２１の効率が８０％から７０％に減少する様子を示す。一方、図７の右上図は、増幅器２１の効率が８０％から９０％に増加する様子を示す。このように、定常電力印加モードにおいては、増幅器２１の効率が減少することもあれば、増加することもある。

図７の下図は、定常電力印加モードにおいて、本実施形態に係る増幅器２１であって、負荷インピーダンスの許容範囲内で選択した増幅器２１の効率が９０％から８０％に減少する様子を示す。

本実施形態に係る制御器５は、定常電力印加モードにおいて、増幅器２１の効率が８０％から７０％に減少しながら、高周波電源２が稼働する（図７の左上図）のを避けて、整合点探索モードにおいて取得した効率であって、負荷インピーダンスが許容範囲内にある効率を用いて、増幅器２１の効率が９０％から８０％に推移しながら、高周波電源２が稼働する（図７の下図）ように、負荷インピーダンスの初期位置（初期値）を設定する。

なお、定常電力印加モードにおいて、増幅器２１の効率が通常値以上の範囲で推移するのであれば、必ずしも負荷インピーダンスの初期位置が許容範囲内になくてもよい。

また、高周波電力を加えると、ターゲットＴにおいて、＋および－の電荷を持つ分子が衝突し、振動することにより摩擦熱が発生する。このとき、ターゲットＴに加えられたエネルギーを通過エネルギーという。

上記によれば、通過エネルギーの積分値は同じであっても、高周波電源２の増幅器２１の効率を加味したときに、当該効率を通常値以上の範囲で推移させることができる。従って、高周波電源２が受けるストレスを減らして、スイッチング素子の破壊、劣化等を抑制することができる。

本実施形態において、限定する要件ではない点を、以下に示す。

（１）出力パワー制御信号と、出力電力との関係は、比例である必要はない。例えば、出力パワー制御信号を増加させることにより、出力電力が減少する関係でもよいし、線形比例する必要もない。

（２）出力パワー制御信号は、アナログ信号である必要はない。例えば、パルス信号のデューティ比による制御でもよいし、何段階かのデジタル的な制御でもよい。

（３）図４のステップＳ４０２の判定に用いるデータは、反射率であってもよい。詳細には、制御器５は、反射波電力が閾値Ｒ１よりも小さくなり、または、反射率が閾値Ｒ２（第２の閾値）よりも小さくなるように、進行波電力を変化させながら負荷インピーダンスを調整してもよい。また、制御器５は、反射波電力が閾値Ｒ１よりも小さくなり、または、反射率が閾値Ｒ２よりも小さくなるように、かつ、進行波電力が閾値Ｆ１と等しくなるか、または、閾値Ｆ１を超えない範囲においてできる限り大きくなるように変化させながら、負荷インピーダンスを調整してもよい。

さらに、制御器５は、ステップＳ４０２において、上記の判定を行いながら、例えば、調整開始からの経過時間、または、出力パワー制御信号の大きさが閾値に達したと判定した場合には、調整が完了したものとして、ステップＳ４０４の処理に移行してもよい。

（４）図４のステップＳ４０２の判定に用いる進行波の閾値Ｆ１は、定常電力印加モードの電力と同じである必要はない。例えば、高周波電源２の出力レベルが所定値以上であれば出力インピーダンスが変化しないことが分かっている場合には、閾値Ｆ１を下げてもよい。また、反射率を正確に記録する目的のために、閾値Ｆ１を定常電力印加モードの電力よりも大きい値としてもよい。

（５）整合器４の状態すべてについて反射率を確認する必要はなく、反射率の確認順序も重要ではない。反射率が規定値以下となった時点で探索を完了してもよいし、探索する状態の数を減らしても構わない。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

誘電加熱システム１全体の構成は、実施形態１と同様である。

図８は、本実施形態に係る整合器４ａの構成例を示す図である。図８に示すように、整合器４ａにおいて、複数のバリアブルコンデンサＣ（Ｃ１、Ｃ２）が入出力回路内に直列または並列に接続されている。バリアブルコンデンサＣは、キャパシタンスを変化させることができる。整合器４ａは、複数配置されたバリアブルコンデンサＣのキャパシタンスを変えることにより、連続的にインピーダンスを変更可能であり、負荷６のインピーダンスを調整することが可能である。この場合、負荷６のインピーダンスは、連続的に変化する。

図９は、本実施形態に係る整合点探索モードにおける制御器５の処理を示すフローチャートである。

本実施形態が実施形態１と異なる点は、バリアブルコンデンサＣのキャパシタンスが連続的に変化するため、反射率がゼロになる状態が存在することにある。そのため、制御器５は、反射率がゼロとなる、バリアブルコンデンサＣのキャパシタンスを探索し、その状態を見つけた時点で探索モードを終了する。

（ステップＳ９０１）
制御器５において、出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号の電圧値を設定値Ｖ１に設定する。

（ステップＳ９０２）
制御器５において、電力値モニタ部５１は、検波器３から出力される電力値から進行波電力と、反射波電力とを読み取る。そして、電力値モニタ部５１は、反射波電力が予め設定された閾値Ｒ１よりも小さく、かつ、進行波電力が定常出力印加時の電力値である閾値Ｆ１よりも小さいか否かを判定する。当該条件を満たす場合（ステップＳ９０２のＹＥＳ）、制御器５は、ステップＳ９０３の処理を実行する。当該条件を満たさない（すなわち、反射波電力が閾値Ｒ１以上、または、進行波電力が閾値Ｆ１以上である）場合（ステップＳ９０２のＮＯ）、制御器５は、ステップＳ９０４の処理を実行する。

（ステップＳ９０３）
出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号を増加させることにより、高周波電源２の出力電力を増加させる。そして、制御器５は、ステップＳ９０２の判定を再度実行する。

（ステップＳ９０４）
電力値モニタ部５１は、進行波電力および反射波電力を記録し、さらに高周波電源２の増幅器２１の効率データを記録する。詳細は、図４のステップＳ４０４およびその説明を参照のこと。

（ステップＳ９０５）
電力値モニタ部５１は、反射波電力がゼロ、かつ、進行波電力が定常出力印加時の電力値である閾値Ｆ１以上か否かを判定する。当該条件を満たす場合（ステップＳ９０５のＹＥＳ）、制御器５は、ステップＳ９０６の処理を実行する。当該条件を満たさない（すなわち、反射波電力がゼロでない、または、進行波電力が閾値Ｆ１以上である）場合（ステップＳ９０５のＮＯ）、制御器５は、ステップＳ９０８の処理を実行する。

（ステップＳ９０６）
制御器５は、現在の整合器４ａの状態を整合がとれた状態と判断する。すなわち、制御器５は、現在の整合器４のインピーダンスを含む負荷インピーダンスが、高周波電源２が定常電力を出力するときの電源インピーダンスに整合すると判断する。

（ステップＳ９０７）
制御器５は、増幅器２１の効率データを用いて整合点のずれの進行方向を確認し、増幅器２１の効率が推移する範囲のうち、当該効率が通常値以上の範囲を選択する。

制御器５は、ステップＳ９０７の処理に続いて、定常電力印加モードの処理を行う。定常電力印加モードの処理は、実施形態１と同様である。

（ステップＳ９０８）
制御器５において、出力パワー制御部５２は、出力パワー制御信号の電圧値を設定値Ｖ１に設定する。

（ステップＳ９０９）
制御器５において、整合調整部５３は、コンデンサＣ１のキャパシタンスおよびコンデンサＣ１のキャパシタンスの少なくとも一方（整合器４ａのインピーダンス）を変化させることにより、負荷６のインピーダンスを変更する。その後、制御器５は、ステップＳ９０２の判定を再度実行する。

上記により、効率的な加熱を行い、かつ、スイッチング半導体の破壊を防ぎながら、定常出力印加モードにおける整合点を正確かつ円滑に探索することができる。

なお、図９のステップＳ９０２の判定に用いるデータは、反射率であってもよい。詳細には、制御器５は、反射波電力が閾値Ｒ１よりも小さくなり、または、反射率が閾値Ｒ２（第２の閾値）よりも小さくなるように、進行波電力を変化させながら負荷インピーダンスを調整してもよい。また、制御器５は、反射波電力が閾値Ｒ１よりも小さくなり、または、反射率が閾値Ｒ２よりも小さくなるように、かつ、進行波電力が閾値Ｆ１と等しくなるか、または、閾値Ｆ１を超えない範囲においてできる限り大きくなるように変化させながら、負荷インピーダンスを調整してもよい。

さらに、制御器５は、ステップＳ９０２において、上記の判定を行いながら、例えば、調整開始からの経過時間、または、出力パワー制御信号の大きさが閾値に達したと判定した場合には、調整が完了したものとして、ステップＳ９０５の判定に移行してもよい。

〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１、２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

本実施形態に係る誘電加熱システム１の構成、および、整合器４、４ａの構成は、実施形態１または２と同様である。

図１０は、本実施形態に係る制御器５の電力値モニタ部５１および出力パワー制御部５２の具体例を示すブロック図である。制御器５は、エラーアンプ（誤差増幅器）５４、および、リミッタ（信号制限変換器）５５を備えている。

エラーアンプ５４は、検波器３から反射波電力検出値（反射電力）の信号を取得し、予め設定された閾値（第１の閾値）Ｒ１の信号を取得し、取得した２つの信号の差分に比例した信号を出力する。すなわち、エラーアンプ５４は、反射波電力検出値が閾値Ｒ１よりも大きい場合に出力を下げ、反射波電力検出値が閾値Ｒ１よりも小さい場合に出力を上げる。

リミッタ５５は、エラーアンプ５４から出力された信号を取得し、当該信号に比例した信号を上限設定値の範囲内で高周波電源２に出力する回路である。リミッタ５５の出力は、高周波電源２に対する出力パワー制御信号になっている。なお、高周波電源２は、リミッタ５５からの出力パワー制御信号に比例した電力を出力する。

上記により、高周波電源２には、反射波が閾値Ｒ１と等しくなるようなフィードバック制御がかかることになる。また、反射波が非常に小さい場合には、リミッタ５５にて設定された上限出力を出力することになる。

さらに、上記によれば、本実施形態に係る制御器５を用いながら、整合器４、４ａの状態を変えることにより、反射が大きい場合には高周波電源２の出力を小さくし、反射が小さい場合には高周波電源２の出力を大きくするように動作することができる。

したがって、高周波電源２から負荷に電力を印加する場合に、電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスを正確かつ円滑に調整することができる。

なお、本実施形態に係る制御器５においても、実施形態１および２の整合点探索モードにおける増幅器２１の効率データの取得、および、定常電力印加モードにおける初期位置の設定を適用することができる。

〔ソフトウェアによる実現例〕
誘電加熱システム１の制御器５の制御ブロック（特に、電力値モニタ部５１、出力パワー制御部５２、および、整合調整部５３）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、制御器５は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば少なくとも１つのプロセッサ（制御装置）を備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な少なくとも１つの記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る誘電加熱システムは、高周波の電力を出力する電源部と、上記電源部から出力された電力が印加されることにより対象物を加熱する加熱部と、上記電源部と、上記加熱部との間に介設され、自らのインピーダンスを変更可能である可変部と、上記電源部と、上記可変部との間に介設され、上記電源部から上記可変部に出力される出力電力と、当該出力電力が上記可変部に反射されて上記電源部に戻る反射電力とを検出する検出部と、上記電源部が負荷に印加する電力である定常電力を出力するときに当該電源部の出力インピーダンスである電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスであって、上記対象物、上記加熱部、および、上記可変部を含む上記負荷の入力インピーダンスである負荷インピーダンスを調整する制御部と、を備え、上記制御部は、上記負荷インピーダンスを調整する場合に、上記電源部に備えられた増幅器の効率であって、上記電源部に入力される入力電力に対する上記出力電力の割合である効率を取得し、上記電源部が上記定常電力を出力する場合に、上記取得した効率を用いて、上記負荷インピーダンスが許容範囲内であり、かつ、上記効率が所定値以上で推移するための、当該負荷インピーダンスの初期値を特定する。

上記の構成によれば、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、当該高周波電源に備えられた増幅器の効率が所定値以上で推移するので、高周波電源が受けるストレスを軽減することができる。

本発明の態様２に係る誘電加熱システムは、上記態様１において、上記制御部が、上記電源部が上記定常電力を出力する場合に、さらに、上記効率が減少する状況に応じて、負荷インピーダンスの初期値を特定することとしてもよい。

上記の構成によれば、増幅器の効率が減少する状況に応じて、当該効率が所定値以上で推移するように、負荷インピーダンスの初期値を精確に特定することができる。

本発明の態様３に係る誘電加熱システムは、上記態様１または２において、上記制御部が、上記負荷インピーダンスを調整する場合に、上記出力電力および上記反射電力を参照して、上記電源インピーダンスと、上記負荷インピーダンスとが整合していないときに上記出力電力を小さくし、上記電源インピーダンスと、上記負荷インピーダンスとが整合しているときに上記出力電力を大きくする。

上記の構成によれば、電源インピーダンスと、負荷インピーダンスとが整合していない場合には、出力電力が小さいため、反射波の大きさを抑制できるので、例えば、スイッチング半導体の破壊を防ぐことができる。一方、電源インピーダンスと、負荷インピーダンスとが整合している場合には、反射波が発生しないので、例えば、効率的な加熱を行うことができる。したがって、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスを正確かつ円滑に調整することができる。

本発明の態様４に係る誘電加熱システムは、上記態様３において、上記制御部が、上記反射電力が第１の閾値よりも小さくなり、または、上記出力電力に対する上記反射電力の割合である反射率が第２の閾値よりも小さくなるように、上記出力電力を変化させながら上記負荷インピーダンスを調整することとしてもよい。

上記の構成によれば、反射波の大きさを抑制できるので、例えば、スイッチング半導体の破壊を防ぐことができる。

本発明の態様５に係る誘電加熱システムは、上記態様４において、上記制御部が、上記反射電力が第１の閾値よりも小さくなり、または、上記反射率が第２の閾値よりも小さくなるように、かつ、上記出力電力が第３の閾値と等しくなるか、または、第３の閾値を超えない範囲で大きくなるように変化させながら、上記負荷インピーダンスを調整することとしてもよい。

上記の構成によれば、反射波の大きさ及び出力電力の大きさを抑制できるので、例えば、スイッチング半導体の破壊を防ぐことができる。

本発明の態様６に係る誘電加熱システムは、上記態様５において、上記可変部が、離散的にインピーダンスを変更可能であり、上記制御部が、上記可変部の各インピーダンスについて、（１）上記反射電力が第１の閾値よりも小さく、かつ、上記出力電力が第３の閾値よりも小さいとの条件を満たすか否かを判定し、（２）（１）の条件を満たす場合に上記出力電力を増加させて（１）の判定に戻り、（１）の条件を満たさない場合に（３）の処理に進み、（３）上記反射率を算出し、上記反射率のうち最も小さい反射率に対応する、上記可変部のインピーダンスを含む上記負荷インピーダンスが、上記電源部が定常電力を出力するときの上記電源インピーダンスに整合すると判断することとしてもよい。

上記の構成によれば、最も小さい反射率に対応する、可変部のインピーダンスを用いるので、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスを正確かつ円滑に調整することができる。

本発明の態様７に係る誘電加熱システムは、上記態様５において、上記可変部が、連続的にインピーダンスを変更可能であり、上記制御部が、（１）上記反射電力が第１の閾値よりも小さく、かつ、上記出力電力が第３の閾値よりも小さいとの条件を満たすか否かを判定し、（２）（１）の条件を満たす場合に上記出力電力を増加させて（１）の判定に戻り、（１）の条件を満たさない場合に（３）の判定に進み、（３）上記出力電力が第３の閾値よりも大きく、かつ、上記反射電力がゼロであるとの条件を満たすか否かを判定し、（４）（３）の条件を満たす場合に（５）の処理に進み、（３）の条件を満たさない場合に上記可変部のインピーダンスを変更して（１）の判定に戻り、（５）現在の上記可変部のインピーダンスを含む上記負荷インピーダンスが、上記電源部が定常電力を出力するときの上記電源インピーダンスに整合すると判断することとしてもよい。

上記の構成によれば、出力電力が第３の閾値よりも大きく、かつ、反射電力がゼロである、可変部のインピーダンスを用いるので、高周波電源から負荷に電力を印加する場合に、電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスを正確かつ円滑に調整することができる。

本発明の態様８に係る誘電加熱システムは、上記態様１から７において、上記制御部が、上記検出部から上記反射電力の信号を取得し、予め設定された第１の閾値の信号を取得し、取得した２つの信号の差分に比例した信号を出力する誤差増幅器と、上記誤差増幅器から出力された信号を取得し、当該信号に比例した信号を上限設定値の範囲内で上記電源部に出力する信号制限変換器と、を備えていることとしてもよい。

上記の構成によれば、電源部には、反射電力が第１の閾値と等しくなるようなフィードバック制御がかかることになる。また、反射電力が非常に小さい場合には、信号制限変換器にて設定された上限値の信号を出力することになる。したがって、反射電力が大きい場合には電源部の出力電力を小さくし、反射電力が小さい場合には電源部の出力電力を大きくすることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 高周波誘電加熱システム
２ 高周波電源（電源部）
３ 検波器（検出部）
４、４ａ 整合器（可変部）
５ 制御器（制御部）
６ 負荷
Ｔ ターゲット（対象物）
２１ 増幅器
５４ エラーアンプ（誤差増幅器）
５５ リミッタ（信号制限変換器）
６１ 電極（加熱部）
Ｒ１ 閾値（第１の閾値）
Ｒ２ 閾値（第２の閾値）
Ｆ１ 閾値（第３の閾値）

Claims (8)

1. 高周波の電力を出力する電源部と、
   上記電源部から出力された電力が印加されることにより対象物を加熱する加熱部と、
   上記電源部と、上記加熱部との間に介設され、自らのインピーダンスを変更可能である可変部と、
   上記電源部と、上記可変部との間に介設され、上記電源部から上記可変部に出力される出力電力と、当該出力電力が上記可変部に反射されて上記電源部に戻る反射電力とを検出する検出部と、
   上記電源部が負荷に印加する電力である定常電力を出力するときに当該電源部の出力インピーダンスである電源インピーダンスに整合する負荷インピーダンスであって、上記対象物、上記加熱部、および、上記可変部を含む上記負荷の入力インピーダンスである負荷インピーダンスを調整する制御部と、
   を備え、
   上記制御部は、
   上記負荷インピーダンスを調整する場合に、上記電源部に備えられた増幅器の効率であって、上記電源部に入力される入力電力に対する上記出力電力の割合である効率を取得し、
   上記電源部が上記定常電力を出力する場合に、上記取得した効率を用いて、上記負荷インピーダンスが許容範囲内であり、かつ、上記効率が所定値以上で推移するための、当該負荷インピーダンスの初期値を特定する
   ことを特徴とする誘電加熱システム。
2. 上記制御部は、
   上記電源部が上記定常電力を出力する場合に、さらに、上記効率が減少する状況に応じて、負荷インピーダンスの初期値を特定することを特徴とする請求項１に記載の誘電加熱システム。
3. 上記制御部は、
   上記負荷インピーダンスを調整する場合に、上記出力電力および上記反射電力を参照して、上記電源インピーダンスと、上記負荷インピーダンスとが整合していないときに上記出力電力を小さくし、上記電源インピーダンスと、上記負荷インピーダンスとが整合しているときに上記出力電力を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電加熱システム。
4. 上記制御部は、上記反射電力が第１の閾値よりも小さくなり、または、上記出力電力に対する上記反射電力の割合である反射率が第２の閾値よりも小さくなるように、上記出力電力を変化させながら上記負荷インピーダンスを調整することを特徴とする請求項３に記載の誘電加熱システム。
5. 上記制御部は、上記反射電力が第１の閾値よりも小さくなり、または、上記反射率が第２の閾値よりも小さくなるように、かつ、上記出力電力が第３の閾値と等しくなるか、または、第３の閾値を超えない範囲で大きくなるように変化させながら、上記負荷インピーダンスを調整することを特徴とする請求項４に記載の誘電加熱システム。
6. 上記可変部は、離散的にインピーダンスを変更可能であり、
   上記制御部は、
   上記可変部の各インピーダンスについて、
   （１）上記反射電力が第１の閾値よりも小さく、かつ、上記出力電力が第３の閾値よりも小さいとの条件を満たすか否かを判定し、
   （２）（１）の条件を満たす場合に上記出力電力を増加させて（１）の判定に戻り、（１）の条件を満たさない場合に（３）の処理に進み、
   （３）上記反射率を算出し、
   上記反射率のうち最も小さい反射率に対応する、上記可変部のインピーダンスを含む上記負荷インピーダンスが、上記電源部が定常電力を出力するときの上記電源インピーダンスに整合すると判断する
   ことを特徴とする請求項５に記載の誘電加熱システム。
7. 上記可変部は、連続的にインピーダンスを変更可能であり、
   上記制御部は、
   （１）上記反射電力が第１の閾値よりも小さく、かつ、上記出力電力が第３の閾値よりも小さいとの条件を満たすか否かを判定し、
   （２）（１）の条件を満たす場合に上記出力電力を増加させて（１）の判定に戻り、（１）の条件を満たさない場合に（３）の判定に進み、
   （３）上記出力電力が第３の閾値よりも大きく、かつ、上記反射電力がゼロであるとの条件を満たすか否かを判定し、
   （４）（３）の条件を満たす場合に（５）の処理に進み、（３）の条件を満たさない場合に上記可変部のインピーダンスを変更して（１）の判定に戻り、
   （５）現在の上記可変部のインピーダンスを含む上記負荷インピーダンスが、上記電源部が定常電力を出力するときの上記電源インピーダンスに整合すると判断する
   ことを特徴とする請求項５に記載の誘電加熱システム。
8. 上記制御部は、
   上記検出部から上記反射電力の信号を取得し、予め設定された第１の閾値の信号を取得し、取得した２つの信号の差分に比例した信号を出力する誤差増幅器と、
   上記誤差増幅器から出力された信号を取得し、当該信号に比例した信号を上限設定値の範囲内で上記電源部に出力する信号制限変換器と、
   を備えていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の誘電加熱システム。

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