JPH0265087A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は家庭用の電子レンジ等に用いられる高周波加熱
装置に関し、さらに詳しく言えば、その電源にインバー
タ等の電力変換器を用いた高周波加熱装置に関するもの
である。

従来の技術 従来、この種の高周波加熱装置は、第１０図に示すよう
な電源回路が用いられている。

第１０図において、商用電源１の電力は、鉄共振上ラン
ス２の１次巻線３に供給され、２次巻線４からは約２ｋ
Ｖの高圧が発生する。コンデンサ５、ダイオード６によ
り半波倍電圧整流されたこの２次巻線４の出力は、約４
ｋＶの直流電力となってマグネトロン７に供給される。

ヒータ巻線８によリマグネトロン７のカソードが加熱さ
れるのでマグネトロン７は発振し、誘電加熱が可能とな
る。

鉄共振トランス７は、図のようにそのコア９が２次巻線
４の低電位側およびマグネトロン７のアノードと共に、
電子レンジの筐体１０に接続され、かつ、この筐体１０
は、アース線１１により大地アース１２に接地されてい
る。これは、アース線１１が設けられておらず、筺体１
０が大地アース１２と同電位にない状態において、例え
ば、１次巻線３の点Ａと２次巻線４の点Ｂが何らかの事
故のために接続（混触）されてしまった時、筐体１０が
大地アース１２に対して約２ｋＶもの高電位となり、も
し人間がこの筐体に触れると感電死に敗ってしまうとい
う極めて重大な不都合を生じてしまうのでこれを防止す
るためである。

発明が解決しようとする課題 第１１図（ａ）および（ｂ）は、鉄共振トランス２の構
造を示す断面図および側面図である。図より明らかなよ
うに、１次巻線３と２次巻線４は、構造上相互に隣接す
る部分が多いために、十分な絶縁距離２を確保したとし
ても、長期にわたる高信頼性を保証するためには、アー
ス線１１による大地アース１２への接地工事は不可欠で
あり、特に家庭用として多く用いられる電子レンジの可
搬性を阻害して、任意の場所で自由に仕える電子レンジ
の実現が困難であった。また、各家庭で使用する場合も
、面倒なアース工事が不可欠であり、工事費用が必要に
なる、あるいは、接地工事が不可能なところでは、使用
できないなどの不都合があった。

また、１次巻線３と２次巻線４の間に金属性の１次２次
巻線間混触防止板を設けることで安全性を確保すること
は可能であったが、鉄共振トランス２そのもののサイズ
が大きいため大きな混触防止板が必要となり、これを鉄
共振トランス２に設けると、トランス２そのもののサイ
ズも大型化すること、金属性の板を１次２次巻線間に挿
入する構成となるので、トランスの特性も悪化するなど
の不都合があり、実用上は、製造が面倒で高コスト化す
るため、あまり用いられていなかった。

課題を解決するための手段 本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので
以下に述べる手段により構成されている。

すなわち、商用電源又はバッテリー等より成る電源部と
、この電源部より付勢され高周波電力を発生する電力変
換器と、前記電力変換器の出力を昇圧する昇圧トランス
と、前記昇圧トランスの出力により直接又は整流手段を
介して付勢されるマグネトロンとを備えると共に、前記
昇圧トランスの１次巻線と２次巻線の間にセラミック等
の脆性を有する絶縁材料より成る１次２次間分離部材と
、この分離部材の割れを検知する割れ検知手段とを設け
、この割れ検知手段の割れ検知信号で前記電力変換器の
動作を停止する構成としたものである。

また、分離部材を比誘電率ε７が１００以下の低誘電率
材料で構成し、１次２次巻線の容量性結合を小さく抑制
する構成とすることが可能である。

また、分離部材と１次巻線および２次巻線との間の少な
くとも一方に、絶縁空間を設け、分離部材と絶縁空間と
による２重絶縁構成とすることができる。

さらに、半導体スイッチを含んだ電力変換器を構成し、
前記半導体スイッチを制御する制御部を設けると共に、
割れ検知手段の割れ検知信号で前記制御部の半導体スイ
ッチ制御信号を実質的に遮断する構成として、小さい電
力の遮断で容易に電力変換器の動作を停止する構成を実
現することができる。

さらにまた、制御部の電源回路を割れ検知信号で遮断す
る構成とすることで、小さい直流電力の遮断に、より電
力変換器の動作を停止することができる構成を実現可能
である。

また、分離部材の表面もしくは内部に薄膜状の検知導体
を設け、これを含んで割れ検知手段を構成することによ
り、簡単な構造で低コストな割れ検知手段を構成できる
。

さらに、この検知導体を往復構成としてこの往復路を近
接配置し、１次および２次巻線の発生する磁束により検
知導体に誘起される電圧が相互に実質上打ち消し合う構
成とし、誘起電圧による誤動作等の悪影響を防止した構
造の割れ検知手段とすることができる。

作用 上記構成により、昇圧トランスの１次巻線と２次巻線と
の間の絶縁を、セラミック等の脆性を有する絶縁材料で
構成した分離部材で分離し、１次２次間の混触を防止す
るものである。しかも、分離部材は、脆性を有している
ので、破損時は割れが生じるため、分離部材の破損を割
れ検知手段で検知し、電力変換器の動作を停止して２次
巻線の高電圧の発生を防止する。したがって、脆性を有
する絶縁材料より成る分離部材とこの割れ検知手段とに
より、昇圧トランスの１次２次巻線間の混触を完全に防
止し、高い安全性を確保することができる。

分離部材の比誘電率εｒを１００以下の低誘電率にする
ことにより、１次２次間の容量性結合を防止し、容量結
合による１次２次混触や、漏洩電流の抑制が可能である
。

また、分離部材と絶縁空間とを併用することで、１次２
次巻線間の容量性結合を著しく減少でき、かつ、２重絶
縁によるより高い絶縁信顛性を実現できる。

さらに、半導体スイッチの制御信号を割れ検知手段で遮
断する構成により、小さい電力の遮断のみで、分離部材
の破損時に２次巻線の高圧発生を防止できる。

特に、制御部の電源回路を割れ検知手段で遮断する構成
とすることにより、制御部の信号回路を直接遮断するこ
とがないので誤動作や信号波形の歪の発生などの悪影響
を生じることなく、しかも、確実に半導体スイッチへの
制御信号を遮断して電力変換器の動作を停止することが
できる。

また、分離部材の表面又は内部に薄膜状の検知導体を設
ける構成とすることで、簡単で低コストに割れ検知手段
を実現できる。

さらに、この検知導体を往復構成とし、この往復路を近
接配置する構成により、検知導体に誘起される電圧を実
質的に打ち消し、誤動作の発生やショート電流の発生等
の不都合を防止できる。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の回
路図である。

図において、電源部２０は商用電源１と整流器２１、お
よび、インダクタ２２、コンデンサ２３より成るフィル
タ回路により構成され、直流又は脈流単方向電源となっ
ている。従って、電源部は例えば、車載用のバッテリー
や、燃料電池などでもよい、この電源部より電力を受け
る電力変換器２４は、本実施例においては、電源部が単
方向電源であるのでインバータ装置で構成されており、
コンデンサ２５、トランジスタ２６、ダイオード２７等
より成る。この電源変換器２４の出力は電力変換器２４
の一部を構成すると考えてもよいところの昇圧トランス
２８の１次巻線２９に供給され、２次巻線３０およびヒ
ータ巻線３１にそれぞれ高圧および低圧電力を出力する
。

３２はコアであり、２次巻線の片側が接続されている。

２次巻線３０の出力は、コンデンサ３３、ダイオード３
４より成る整流回路３５を介してマグネトロン７に直流
高圧を供給する構成となっている。昇圧トランス２８の
１次巻線２９と２次巻線３０の間は、比誘電率εｒが数
十オーダー以下の低比誘電率の絶縁材料であるセラミッ
クで構成された分離部材３６が設けられ、１次巻線２９
と２次巻線３０との混触を防止する構成となっている。

分離部材３６は脆性を有するセラミック等の材料である
ので、破損して絶縁性能に支障が生じた時は、割れが生
じている。

したがって、これを検知するために割れ検知手段として
、検知導体３７が設けられている。この検知導体３７は
、電源部２０の電圧を、抵抗器３８を通して制御部（制
御回路）３９の電源回路であるゼナダイオード４０、コ
ンデンサ４１に供給するための電流経路に挿入されてい
る。したがって、検知導体３７が、分離部材３６の割れ
により破断した時は、制御部３９への電力供給が遮断さ
れる。従って、トランジスタ２６への制御信号が確実に
遮断され電力変換器２４の動作を停止して、２次巻線３
０に高圧が発生するのを確実に防止することができる。

すなわち、１次２次巻線の混触を分離部材の破損時にお
いても確実に防止することが可能である。

第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、トランジ
スタ２６に制御部３９より供給される制御信号ｖＧ！、
コレクタエミッタ電圧■０、およびコレクタ電流とダイ
オード電流！、／、である。トランジスタ２６には同図
（ａ）の制御信号が例えば２０ｋＨｚ〜ＩＭＨｚ程度の
高周波で供給されるので、前述した検知導体３７を制御
部３９とトランジスタ２６のゲートとの間に挿入する構
成としても同様の効果を得ることができる。

しかしながら、例えば数百ｋＨｚの周波数の電力変換器
を構成した場合は、その制御信号も数百ｋＨｚであるの
で、検知導体３７やその配線などの影響により、制御信
号ＶＧＨの波形が歪を生じたり、制御部３９にノイズが
注入されやすくなって誤動作を生じやすくなったりする
可能性がある。従って、第１図の実施例のように、制御
回路の電源回路を検知導体３７で遮断する構成の方が有
利である。

また、第３図（ａ）の実施例のように検知導体３７を接
続することより、検知導体３７の破断時に破断部の端面
間に印加される電圧を小さく押え、より割れ検知性能を
高めることができる。

また、同図（ｂ）に示すように、検知導体３７によりリ
レー４２を動作させる構成とし、その接点４３で、電力
変換器２４への電力供給を制御する構成として、電気的
に絶縁した形で割れ検知信号を電源部や制御部に供給す
ることもできる。このような構成により、大電力の遮断
が自由に行える、あるいは、マグネトロンのモーディン
グなどにより発生する高圧スパイクノイズが検知導体に
誘起されて伝導し、電力変換器や制御回路３９を誤動作
させる、などの不都合を防止することができる。

第４図は昇圧トランス２８の一実施例を示す断面図であ
る。

図において、コア３２ａ１および３２ｂは、止め金具４
４により、ギャップスペーサ４５によるギャップを設け
た状態で固定されている。１次巻線２９はボビン４６に
巻かれ、２次巻線３０およびヒータ巻線３１はボビン４
７に巻かれている。

分離部材３６は、例えば樹脂等で作られたボビン４６．
４７などが異常過熱のため融けてしまった状態であって
も１次２次巻線を確実に分離するよう図のような構造で
設けられている。すなわち、ボビン４６．４７がないと
仮定した時であっても、２次巻線の配置されている位置
からは、１次巻線が見えない位置関係を実現する構造で
設けられている。

従って、分離部材３６であるセラミックに割れが生じな
い限り、１次２次巻線の混触が防止される。

また、分離部材３６の比誘電率εｒは１００以下が必要
である。

比誘電率εｒを１００以下とする理由は、以下のような
考え方に基づくものである。

すなわち、第５図（ａ）に示すように分離部材３６の容
量成分４９により昇圧トランス２８の１次２次巻線間が
結合され一種の１次２次短絡現象と同様な効果が生じる
。このコンデンサ４９の静電容量をＣとし、電力変換器
の動作周波数ｆ０を２０ｋＨｚとすると、そのインピー
ダンスＺｃは である。

今、２次巻線３０に出力電圧■。−２０００Ｖが出力さ
れており、高周波加熱装置の筐体１０が大地アース１２
に接続されていなかったとすると、筐体に人Ｍが触れた
場合、等価的に第５図（ｂ）のような電位関係となる。

したがって、人を通して流れる電流■９は、人の抵抗は
５００ｒ〜ｌｋｒと小さいので無視すると、 となる。

第４図において、分離部材３６の左右面において直接１
次２次巻線が接していると考えたとき、すなわち、第５
図（Ｃ）のように考えた時、分離部材３６は、コンデン
サとして働き、１次、２次巻線２９、および３０の接触
面積をＳ、分離部材３６の厚さをｄとするとき、静電容
量Ｃは Ｃ＝ε。　・　εｒ　・　　　　　（Ｆ）となる。但し
、ａ　ｏ　”’　８．９Ｘ１０−”（Ｆ”／＋ａ）であ
る。

２０ｋＨｚ程度の動作周波数ｆ０で１００ＯＷ前後の電
力を昇圧することができる昇圧トランス２８を作った場
合、上記の面積Ｓは、約１ｃｉ！１のオーダーとなる。

また、加工精度や機械的強度などから考えると、分離部
材３６の厚さｄは１ｍｍのオーダーが適切である。

一方、電流１．は、人体の安全上から、２０に＆におい
ては、２０ｍＡ程度（６０七では１ｍＡ）以下であるこ
とが必要である。従って、Ｃは２ｘｆ、　　−Ｖ、　　
　２ｚＸ２０Ｘ１０３　Ｘ２Ｘ１０”’＝；８０Ｘ１０
−”　　（Ｆ　） であることが必要である。

これらの結果から、分離部材の比誘電率εｒの最大許容
値を計算すると以下のようになる。

また、ｆｏがもっと高くなった場合は、許容される■９
゜値もそれに比例して大きくなるので、ε。

は、はぼ周波数ｆ０に関係なく、εｒ≦１００程度を満
たすことが、安全上必要である。

従って、分離部材のεｒが、１００もしくはそれ以下の
値となる低比誘電率材料が、分離部材３６として適切な
のである。

４８は絶縁空間であって、分離部材３６と１次巻線２９
の間に設けられている。これは、分離部材３６による絶
縁性能と絶縁空間４８による絶縁性能との２重絶縁効果
により、さらに高い安全性を実現するためである。また
、この分離部材３６は前述のように比誘電率εｒが１０
０以下の低誘電率材料で構成されているので、その容量
成分は極めて小さいけれども、第５図（ａ）に示すよう
に、その容量成分４９により、１次２次巻線間を結合し
てしまうことになる。

したがって、数百ｋＨｚ程度の高い周波数で動作する電
力変換器を構成した場合は、少なからず問題となる場合
もある。そこで、第４図の実施例のように絶縁空間４８
を設けることでこの容量成分４９を著しく減少し、悪影
響の少ないものとすることが可能である。

分離部材３６は、第６図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）のよう
に、検知導体３７を任意の形状にすることができる。同
図（ａ）は最もシンプルな構成のもの、同図（ｂ）は、
同図（ａ）のものを２重に設け、より安全性を高めたも
の、同図（Ｃ）は、さらに安全性を高めるために、分離
部材３７の極めて部分的な割れをも検出することができ
るよう、できるだけ広い面積に検知導体を設ける構成と
したものである。このように、分離部材３６の面積の大
きさと脆性の程度に応じて、検知導体の配置パターンは
種々の構成が可能であるが、要は、分離部材３６の部分
的な割れが生じ得る場合は、これを検知し得る検知導体
３７の配置パターンが種々可能である。

また、検知導体３７は、図のように往復構成となってお
り、かつ近接配置されている。これは、１次又は２次巻
線により発生する磁束がこの検知導体３７を横切った時
、これに誘起される電圧を打ち消すためである。これに
より、端子３７ａと端子３７ｂの間に誘起される電圧を
ほとんど零にすることができ、この誘起電圧による制御
部の誤動作や端子３７ａ・３７ｂを低インピーダンス素
子で接続した時のショート電流の発生を防止し、動作の
確実な割れ検知手段を実現できる。

第７図は、第６図（ａ）の分離部材３６の断面図である
。分離部材は、厚さが０．５〜２鵬程度、εｒが１０〜
３０程度のセラミック（アルミナ基板）で構成されてお
り、検知導体３７は、例えば、Ａ、、Ｐ。

の焼付印刷などで簡単に構成されている。従って、検知
導体の厚さは数μｍ〜数十μｍ程度となっており、分離
部材３６の割れが生じた時、確実に破断して、割れ検知
を行うことが可能である。

第８図は、昇圧トランス２８の他の実施例の構造を示す
断面図で、第４図と同符号のものは相当する構成要素で
あり詳しい説明を省略する。

第８図において、１次巻線２９は２次巻線３０、ヒータ
巻線３１を覆うように重ねて巻かれている。したがって
、分離部材３６は円筒状のセラミックで構成され、その
内側に絶縁空間４８が設けられている。

分離部材３６の外観図が第９図であり、同図に示すよう
に検知導体３７は、この円筒状分離部材３６のまわりに
全域にわたって施されている。

このような構造にすることによって、第４図の場合と同
等の絶縁効果を得られると共に、１次２次巻線間の結合
度を高くすることができ、この結合度の高い昇圧トラン
ス２８が必要な電力変換器を用いる場合には、好適な構
造である。

発明の効果 以上に述べたように、本発明によれば、以下の効果を得
ることができる。

１次２次巻線の間に脆性を有する絶縁材料より成る分離
部材を設け、かつ、この分離部材の割れ検知手段を設け
て、割れ検知信号で電力変換器の動作を停止する構成と
したので、１次２次巻線の混触を確実に、しかも容易に
防止することができる。したがって、従来必要不可欠で
あった筐体を大地アースに接地することが不要となり、
工事が面倒である、工事費用がかかる、アース用部材が
必要である、接地工事のできない所では使用できない、
などの多くの不都合を解決し、設置の自由度が高く使い
勝手が良い、接地をすることによるコストの削除ができ
るので低コストが実現できる、等の効果を奏するもので
ある。

また、分離部材の比誘電率を１００以下とすることによ
り、分離部材を通して人体に流れ得る電流を最悪の場合
においても人体に危険のない小さい値の電流とすること
ができ、高い安全性を実現できる。

さらに、分離部材と１次２次巻線との間の少なくとも一
方に絶縁空間を設けることにより、１次２次巻線の混触
に対する２重絶縁構造を実現し、さらに高い安全性を保
証することが可能である。

また、この場合には、沿面距離を十分確保するという効
果もある。

また、割れ検知手段により、半導体スイッチの制御信号
を遮断する構成とすることにより、小さい電力の遮断の
みで、電力変換器の動作を停止することができるので、
割れ検知信号による電力変換器の停止構成が簡単で低コ
ストなものとすることができる。

また、割れ検知手段は、高圧２次巻線の近傍に配置され
るのでマグネトロンのモーディング等の高圧スパイク発
生によるノイズを受は易（なるが、割れ検知手段の信号
で半導体スイッチの制御部の電源回路を遮断する構成と
することにより、確実に電力変換器の動作を停止し、し
かも、ノイズの影響を受は難い構成とすることができる
。

さらに、分離部材の表面又は内部に薄膜状の検知導体を
設ける構成とすることにより、極めて簡単な構成でかつ
、低コストに割れ検知手段を実現できる。

そして、また、この検知導体を往復構成とし、かつ、こ
の往復路を近接配置することにより、検知導体に１次２
次巻線の発生する磁束によって誘起される電圧を打ち消
すことができ、誤動作やショート電流の発生などの不都
合を防止し、動作の確実な割れ検知手段を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の回路
図、第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は同回路の動作波形
図、第３図（ａ）、（ｂ）は同回路の割れ検知手段の他
の結線例を示す回路図、第４図は同装置の昇圧トランス
の構造を示す断面図、第５図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は
同装置の分離部材の電気的性質による影響を説明する説
明図、第６図（ａ）、０））、（Ｃ）は同装置の分離部
材および割れ検知導体の構造図、第７図は同装置の分離
部材と割れ検知導体の断面図、第８図は同装置の昇圧ト
ランスの他の構造例を示す断面図、第９図は同昇圧トラ
ンスの分離部材および割れ検知導体の構成図、第１０図
は従来の高周波加熱装置の回路図、第１１図（ａ）、（
ｂ）は同装置の鉄共振トランスの構造を示す断面図およ
び側面図である。 １・・・・・・商用電源、７・・・・・・マグネトロン
、２０・・・・・・電源部、２４・・・・・・電力変換
器、２６・・・・・・半導体スイッチ（トランジスタ）
、２８・・・・・・昇圧トランス、３６・・・・・・分
離部材、３７・・・・・・割れ検知手段（検知導体）、
３９・・・・・・制御部、４８・・・・・・絶縁空間、
３８．４０．４１・・・・・・制御部の電源回路（３８
・・・・・・抵抗器、４０・・・・・・ゼナダイオード
、４１・・・・・・コンデンサ）。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第３図 図 １　＝− ７−・・ ｆｌ−− ２４−・− 商用を液 マグネトロン ｔＲ都 を刀変倹す 午　４　やド　ス　　イ　　ッ　　＋ 舅．　Ｂミ　ト　　ラ　　ン　ス 分膣ｔ！ｌＪ社 ？Ｉｔｌ確旬＋段（検知４悴） 第 図 絶朧交闇 朝 第 図 第 図 第 図 第１０区 第１ １図 （α） （ムフ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）商用電源又はバッテリー等により成る電源部と、
   前記電源部より付勢され高周波電力を発生する電力変換
   器と、前記電力変換器の出力を昇圧する昇圧トランスと
   、前記昇圧トランスの出力により付勢されるマグネトロ
   ンとを備えると共に、前記昇圧トランスの１次巻線と２
   次巻線の間にセラミック等の脆性を有する絶縁材料より
   成る１次２次間分離部材と、前記分離部材の割れを検知
   する割れ検知手段とを設け、前記割れ検知手段の割れ検
   知信号で前記電力変換器の動作を停止する高周波加熱装
   置。
2. （２）分離部材を比誘電率ε＿ｒが１００もしくはそれ
   以下の低比誘電率材料で構成した特許請求の範囲第１項
   記載の高周波加熱装置。
3. （３）分離部材と１次巻線又は２次巻線との間の少なく
   とも１方に絶縁空間を設けた特許請求の範囲第１項記載
   の高周波加熱装置。
4. （４）商用電源又はバッテリー等より成る電源部と、前
   記電源部より付勢され、半導体スイッチを有する電力変
   換器と、前記半導体スイッチを制御する制御部と、前記
   電力変換器の出力を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧
   トランスの出力により付勢されるマグネトロンとを備え
   ると共に、前記昇圧トランスの１次巻線と２次巻線との
   間にセラミック等の脆性を有する絶縁材料より成る１次
   ２次間分離部材と、前記分離部材の割れを検知する割れ
   検知手段とを備え、前記割れ検知手段の割れ検知信号で
   前記制御部の半導体スイッチ制御信号を実質的に遮断す
   る高周波加熱装置。
5. （５）割れ検知手段の割れ検知信号で制御部の電源回路
   を遮断する特許請求の範囲第４項記載の高周波加熱装置
   。
6. （６）分離部材の表面又は内部に設けた薄膜状の検知導
   体を含んで割れ検知手段を構成した特許請求の範囲第１
   項記載の高周波加熱装置。
7. （７）検知導体を往復構成としてこの往復路を近接配置
   し、１次巻線又は２次巻線により生じる磁束により前記
   検知導体に誘起される電圧が相互に実質上打ち消される
   特許請求の範囲第６項記載の高周波加熱装置。