JPWO2013094095A1 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波発生手段であるマイクロ波処理装置３をＤＣ電源で駆動するＧａＮ等の化合物半導体を用いたマイクロ波パワーアンプで構成し、ＤＣ電源を構成するＡＣ／ＤＣコンバータ４で作成されたＤＣ電圧によって実現する。ＡＣ／ＤＣコンバータ４は入力電圧に依存しないで所望のＶｄ電圧７、Ｖｃ電圧８、Ｖｇ電圧等をレギュレートして供給する。機器内の複数の負荷６の駆動／停止はＡＣ／ＤＣコンバータ４で出力するＶｃ電圧８で駆動する制御部２で複数の接点部５を選択的に開閉することでコントロールする。

Description

本発明は、ＡＣ／ＤＣコンバータを電力供給装置として用いてマイクロ波を電力増幅するマイクロ波処理装置を具備し、マイクロ波処理装置に印加される電圧を用いて機器内の全ての電気部品を駆動する入力電圧に依存しないマイクロ波加熱装置に関するものである。

従来、この種のマイクロ波加熱装置は世界各国の商用電源電圧に応じて、電気機器を全て仕向地向けに設計しているものが全てであった。

従来のマイクロ波加熱装置である電子レンジは、商用電源を高圧昇圧トランスで高圧に一旦変換し、倍電圧整流回路で高圧直流電圧を生成し、これをマグネトロンというマイクロ波自励発振装置を駆動しマイクロ波を金属で封じられたキャビティ内に放射しマイクロ波の誘電加熱で食品を温めるものが常態化していた（例えば、特許文献１参照）。そのとき、例えば日本向け商品であれば、入力電圧ＡＣ１００Ｖとしてマイクロ波発振回路を設計し、電気部品を選択しなければならなかった。また英国であれば入力電圧は２４０Ｖの商用電源が主体で同様の、その電圧に応じた設計および電気部品選択をしなければなかった。

例えば図５は、従来のマイクロ波加熱装置の全体回路図であるが、商用電源１、商用電源１から取り出される２ポートラインのホット側に配されたヒューズ１２、その後段のホットラインとコールドライン間に配されたマイクロスイッチ１０、さらに後段のコールドラインに配されたマイクロスイッチ１１でマイクロ波漏洩を阻止する安全装置１３が構成されている。この安全装置１３はドアが開成しているときにマイクロ波がキャビティ外に洩れない様に二重に安全機構を設けている。技術法規制にも厳格にその型式規制がなされている。

その安全装置１３の後段に、庫内ランプ１４、電波攪拌モータ１５、冷却ファンモータ１６が配されており複数の負荷６を構成している。複数の負荷６のそれぞれには直列にリレー１７、リレー１８、リレー１９が配され随時、開閉の制御が制御部２によりなされている。高圧トランス２１は入力を商用電力としてＫｖオーダーの高圧に昇圧される。高圧トランス２１への電力投入はリレー２０の開閉によって制御される。高圧トランス２１の出力はダイオード２３、コンデンサ２４からなる高圧回路２２によって半波倍電圧整流され起動時約７Ｋｖ、定常発振時約４Ｋｖの高圧直流電圧に変換されマグネトロン２５に印加され約２．４５ｋＨｚのマイクロ波が出力される。

日本国特開平１−１１２６９７号公報

しかしながら、前記従来の方式では商用電源１の後段に安全装置１３、複数の負荷６、複数の接点部５が配されているため、商用電源仕様に応じて部品を選択する必要があった。高圧電圧もまた同様に商用電源仕様ごとに選択する必要がある。

従って、グローバルな物作りを実現するためには展開機種ごとに設計して部品を選定する必要があり、設計効率は極めて悪い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、商用電源仕様に無関係に共用の部品を使うことを可能としたマイクロ波加熱装置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、本発明のマイクロ波加熱装置は、電気機器に搭載されるマイクロ波加熱装置であって、商用電源と、前記商用電源から供給された電力に応じて、複数のＤＣ電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから電力を受け、前記電気機器全体を制御する制御部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの複数の出力電圧を受け、マイクロ波を出力する化合物半導体を用いたマイクロ波処理装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される前記複数のＤＣ電圧のうち所定のＶｄ電圧とグランドとの間に複数の接点部を介して接続された複数の負荷と、を備え、前記複数の負荷は、前記電気機器内の電気部品群であり、前記制御部は、前記複数の負荷への電力の供給をコントロールし、前記商用電源がいかなる電圧であっても、前記複数の接点部の入り切りをコントロールして前記複数の負荷を前記Ｖｄ電圧で駆動するものである。

これによって、電気機器内の複数の負荷とそれを駆動する複数の接点等の電気機器内の全ての電気部品は商用電源の仕様に関係なくＡＣ／ＤＣコンバータの出力Ｖｄ電圧から供給されるため電源仕様に関係なく全て電気機器内の電気部品、電子部品は共通の部品で良いため設計効率が高くなることはもちろん、グローバルの全世界どこでも使用できるユニバーサルな機器を提供できることになる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、ＧａＮ等の化合物半導体のパワーアンプを用いたマイクロ波処理装置によってマイクロ波をキャビティ内に照射する構成とし、マイクロ波処理装置は直流電圧で駆動するため、電源部も商用電源を入力とするＡＣ／ＤＣコンバータで構成している。ＡＣ／ＤＣコンバータはその特性上、入力電圧が１００Ｖ〜２４０Ｖの全世界の電圧仕様に対して所望の直流電圧を出力する特徴を持っている。

この特徴を生かし機器の電気部品、電子部品関係の全てをＡＣ／ＤＣコンバータの出力で駆動する構成とすることによって、電圧仕様に依存しないで世界のあらゆる地域で使用可能なユニバーサル機器を提供することができる。

また、機種展開の物作り面でも、部品の共有化が究極的に進んでいるため、少ない人的リソースで多くの国の電源仕様を満たす製品を開発することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置のシステムブロック図 本発明の実施の形態１におけるＡＣ／ＤＣコンバータの回路図 （ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態１におけるエネルギー蓄積コイルの電圧動作原理図 （ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態１におけるエネルギー蓄積コイルの電流動作原理図 従来のマイクロ波加熱装置におけるシステムブロック図

第１の発明は、電気機器に搭載されるマイクロ波加熱装置であって、商用電源と、前記商用電源から供給された電力に応じて、複数のＤＣ電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータと、ＡＣ／ＤＣコンバータから電力を受け、前記電気機器全体を制御する制御部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの複数の出力電圧を受け、マイクロ波を出力するＧａＮ等の化合物半導体を用いたマイクロ波処理装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される前記複数のＤＣ電圧のうち所定のＶｄ電圧とグランドとの間に複数の接点部を介して接続された複数の負荷と、を備え、前記複数の負荷は、前記電気機器内の電気部品群であり、前記制御部は、前記複数の負荷への電力の供給をコントロールし、前記商用電源がいかなる電圧であっても、前記複数の接点部の入り切りをコントロールして前記複数の負荷を前記Ｖｄ電圧で駆動することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータの特性から商用電源電圧に無関係に一定の直流電圧を出力でき、その直流電圧で機器内の電気部品、電子部品等を動作させることとなり、いかなる電源電圧の仕向地でも使用可能なユニバーサルな機器を提供し、また仕向地ごとの専用設計が不要になるため開発効率は著しく向上させることができる。

第２の発明は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータはＰＦＣ機能を備えることにより、電流波形を限りなく正弦波状に整流することとなり、電源電圧歪みによって周辺機器の誤動作を与えることはない信頼性の高いマイクロ波加熱機器をすることができる。

第３の発明は、前記複数の負荷と直列に配された前記複数の接点部は、それぞれ異なるリレーの接点によって構成され、前記制御部は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される前記複数のＤＣ電圧のうち所定のＶｃ電圧により駆動し、各々の前記リレーの接点を選択的に駆動開閉することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータの電源が確立されれば制御部は機器全体をコントロールすることとなる、これによって制御自体も電源電圧の影響を受けないためユニバーサルな制御機能を具備することができる。

第４の発明は、前記電気機器に設けられたドアの開成時にマイクロ波漏洩を阻止するヒューズと、前記ドアの開閉と連動したノーマルオープン型のマイクロスイッチと、前記ドアの開閉と連動したノーマルクローズ型のマイクロスイッチとからなる安全装置と、を更に備え、前記安全装置は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの前段に配されたことにより、ＡＣ／ＤＣコンバータの電圧入りきりすることなく商用電源のホットラインとコールドライン間で機械的なメカニズムの安全装置を形成できるため、信頼性の極めて高いマイクロ波加熱機器を提供することができる。

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。ただ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、本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の要部ブロック図を示すものである。

図１において、商用電源１によって電気機器に搭載されるマイクロ波加熱装置に電力が与えられる。安全装置１３はヒューズ１２、ドア閉成によって接点が閉成するマイクロスイッチａ１０、ドア閉成によって接点が開成するマイクロスイッチｂ１１からなる。この安全装置１３はドア開成時にはマイクロスイッチａ１０は開成しオープンになり回路網を遮断し商用電源１の電力は後段には伝わらない。一方、マイクロスイッチｂ１１は閉成し回路網には影響を与えない。

逆にドア閉成時にはマイクロスイッチａ１０が閉成し、後段に電力を供給する。安全装置１３としてはこのマイクロスイッチａ１０、マイクロスイッチｂ１１のドア開閉と連動した安全メカニズムと併せて、万一、マイクロスイッチａ１０が接点溶着した場合にドア開成時にはマイクロスイッチｂ１１が閉成しているため商用電源１、ヒューズ１２、溶着したマイクロスイッチａ１０のショートサーキットによって過大な電流が流れヒューズ１２を自己遮断するためマイクロ波が外部に漏洩することを二重に保護している極めて厳重な安全装置で技術法規的にも型式規制されマイクロ波加熱装置には必須の構成となっている。

安全装置１３の後段にＡＣ／ＤＣコンバータ４が配置され後述する機能によりＶｄ電圧７、Ｖｇ電圧、Ｖｃ電圧８を作成している。庫内ランプ１４、電波攪拌モータ１５、冷却ファンモータ１６からなる複数の負荷６、リレーａ１７、リレーｂ１８、リレーｃ１９からなる複数の接点部５がＶｄ電圧７とグランド間に直列に接続されリレーｄ２０を介して電力を供給されている。Ｖｃ電圧８で駆動する制御部２は、複数の接点部５の開閉、マイクロ波処理装置３と発振器２７の制御パラメータのコントロールを司っている。こうして制御された商用電源１の電力はマイクロ波出力としてアンテナ２８からキャビティ内に放射される。一方で、機器内の負荷への電力供給の大元は制御部２がリレーｄ２０を選択的に開閉することで制御されている。

発振器２７は２．４５ＧＨｚの基準信号を出力し、外部からの制御信号で基準周波数をコントロールすることができる。信号は微弱電力で０ｄＢｍ以下とする。マイクロ波処理装置３は複数段のアンプをカスケードに接続して数百Ｗのマイクロ波出力をアンテナ２８に出力する。内部はＧａＮなどの化合物半導体から形成されたパワーアンプ群からなりアンプはノーマリーＯＦＦでゲート電圧は負電圧となる。Ｖｄ電圧７は数十Ｖ、Ｖｇ電圧はマイナス数Ｖである。従来の発振手段であるマグネトロンが起動時には７ｋＶ程度、定常発振時も４ｋＶ程度あることからすると極めて安全な機器ということができる。

ここでＡＣ／ＤＣコンバータ４は出力電圧をある参照電圧と誤差増幅回路で負帰還制御するため入力電圧に依存せず所望の電圧を出力することができる。この作用によってＶｄ電圧７、Ｖｃ電圧８、Ｖｇ電圧を高精度に出力することができる。自明であるが入力電圧に依存しないＶｄ電圧７で駆動される複数の負荷６、複数の接点部５も入力電圧に依存しないためどのような商用電源仕様であっても共通の部品を選択できるという大きなメリットがある。また制御部２、マイクロ波処理装置３もＡＣ／ＤＣコンバータ４が作成した電圧で駆動するため入力電圧の依存性はない。

従って唯一の設計開発を行えば、世界各国で使用できる機器を展開できるためユニバーサル機器を作ることも可能であるし、各国の電源仕様に合わせたローカルな設計が一切不要になるため設計効率は格段にアップさせることができる。

それでは、ＡＣ／ＤＣコンバータ４について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるＡＣ／ＤＣコンバータの回路図である。

商用電源１はダイオードブリッジ２９によって単方向電源に変換される。その単方向電源はチョークコイル３０と平滑コンデンサ３１からなるフィルター回路によって電流および電圧を平滑化する。エネルギー蓄積コイル５９で蓄えられたエネルギーダイオード４０を通じて後段の回路にエネルギー伝播される。パワーＭＯＳＦＥＴ３６がオン時にはエネルギー蓄積コイル５９に閉ループで電流が流れ１／２Ｌｉ^２のエネルギーが蓄積される。パワーＭＯＳＦＥＴ３６がＯＦＦするとエネルギーはエネルギーダイオード４０を通じて後段の回路に伝播される。パワーＭＯＳＦＥＴ３６がＯＮするとエネルギーダイオード４０はカットＯＦＦされ、前段スイッチング回路とは絶縁される。

制御ＩＣ３５は、パワーＭＯＳＦＥＴ３６のゲートにドライバー３７を介してＯＮ／ＯＦＦのＰＷＭ信号を送る。おおよそ入力電圧の谷間部分ではＯＮ信号を長くしエネルギーを意図的に汲み上げる山部では逆に短くしエネルギーの汲み上げを少なくし後段にエネルギー伝播したエネルギーダイオード４０のカソード以降の回路に蓄積される。制御ＩＣ３５はエネルギー蓄積コイル５９の複巻回路からダイオードブリッジ３２を介して得た単方向電圧を電解コンデンサ３３で平滑した直流電圧Ｖｃｃで駆動される。シャント抵抗３４に流れる回路電流による電圧降下を制御ＩＣ３５は検出し回路電流の値を検出している。

ＡＣ／ＤＣコンバータ４は、電解コンデンサ４２とバイパスコンデンサ４１でエネルギーダイオード４０を介してエネルギー蓄積コイル５９から伝搬されたエネルギーを蓄積してＶｄ電圧７を得ている。さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ４は、抵抗４９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４３に電流を流してＶｃ電圧８を得ている。またＡＣ／ＤＣコンバータ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３のスイッチング信号を利用しチャージポンプ回路４４で負電圧Ｖｇを得ている。

また、出力電圧は極力リップルの少ない円滑な波形が望ましい。Ｖｄ電圧７を抵抗４７、抵抗４８で分圧して制御ＩＣ４５に入力している。参照電圧は抵抗４６とツェナーダイオード５０によって作成され、制御ＩＣ４５の内部の基準電圧をＶｄ電圧の分圧電圧が超えるとフォトトランジスタ３８のダイオ−ドのカソードがグランドに直結され電流が流れダイオードは発光する。そうすると、フォトトランジスタ３８のトランジスタがＯＮしほぼＶｅ電圧に等しい電圧が制御ＩＣ３５に入力される。そうすると制御ＩＣ３５のロジックに従ってＰＷＭ信号のＯＮ幅が短くなる方向に制御されＶｄ電圧７に帰還がかかって電圧は低くなる方向に修正される。

逆に制御ＩＣ４５の内部の基準電圧をＶｄ電圧の分圧電圧が下回るとフォトトランジスタ３８のダイオードがカットオフされフォトトランジスタ３８のトランジスタはＯＦＦになるためＶｃｃ電圧が制御ＩＣ３５にかかる。そうすると制御ＩＣ３５のロジックに従ってＰＷＭ信号のＯＮ幅が長くなる方向に制御されＶｄ電圧７に帰還がかかって電圧は高くなる方向に修正される。このようにして、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の出力電圧はレギュレートされる。

以上のように、機器内の電気部品、電子部品が全てＡＣ／ＤＣコンバータ４の負荷になっているため、商用電源の仕様に全く影響を受けない構成にする機器にすることができる。

唯一マイクロスイッチｂ１１は１００Ｖ（日本）から２４０Ｖ（英国）の電源仕様を満足できるものである必要がある。それ以外については日本であろうが英国であろうが全く電源仕様を考慮せずＶｄ電圧に適用した部品を共通的に使用すれば良いため一つの型式のプラットホームをつくってしまえば世界のどこの国でも使用が可能である。そのため万国使用可能なユニバーサル機器を開発可能になる。

また、各国仕向地対応についても電源電圧仕様に関するフリンジ設計が全く不要になるため開発効率は格段にアップさせることが可能となり、開発利便性、またグローバル化する昨今世界各地での勤務が余儀なくされるが、この機器があれば、海外転勤などにおいても機器を運ぶだけでそのまま使用できるため非常に使い勝手が良くなる。

また、機器全体の制御を司る制御部もまた、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の電源Ｖｃ電圧８で駆動しているためこの電源が確立すれば、その他全ての負荷の制御が可能となり、これによって制御自体も電源電圧の影響を受けないためユニバーサルな制御機能を具備することができる。

また、ドア開成時にマイクロ波漏洩を阻止するヒューズ、ドア開閉と連動したノーマルオープン型のマイクロスイッチａ１０と同じくドア開閉と連動したノーマルクローズ型のマイクロスイッチｂ１１からなる安全装置はＡＣ／ＤＣコンバータ４の前段に配した構成とすることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の電圧を入り切りすることなく商用電源のホットラインとコールドラインとの間で機械的なメカニズムの安全装置を形成できるため、信頼性の極めて高いマイクロ波加熱機器を提供することができる。

このＡＣ／ＤＣコンバータ４はＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を備えている。この動作メカニズムを図３、図４を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるエネルギー蓄積コイルの電圧動作原理図であり、図４は、本発明の実施の形態１におけるエネルギー蓄積コイルの電流動作原理図である。

図３（ａ）はエネルギー蓄積コイル５９の両端の電圧を示した全体波形図である。エンベロープは商用電源を全波整流した形になっているが、ローカル波形については約８０ｋＨｚ（１／Ｔ１）のスイッチング波形になっている。網目ハンチングのエンベロープの山部について拡大して波形を見たものが図３（ｂ）である。この期間では電圧が高いためあまり多くのエネルギーの蓄積は不要のためパワーＭＯＳＦＥＴ３６のＯＮ期間は短くなっている。一方谷間部の網目ハンチングを拡大した図３（ｃ）図を見ると山部と反して電圧振幅が小さいためエネルギーを多く蓄えなければ回路電流エンベロープが正弦波状にならないためＯＮ期間をふんだんに取って電流を強制的に流すように制御している。

一方、エネルギー蓄積コイル５９に流れる電流を図４に示す。図４（ａ）が全体のエンベロープ波形である。図４（ｂ）は谷間のローカル部分の拡大図であるが、周波数は同じで約８０ｋＨｚ（１／Ｔ１）であるがＴｏｎ時間は長くなっている。図４（ｃ）は山部のローカル部分の拡大図であるが、図４（ｂ）に比べるとＯＮ期間はほぼ半減させてエネルギー蓄積コイル５９へ蓄積するエネルギーを控えている。

このようにエンベロープ波形の振幅に応じてＰＷＭ信号のＯＮ期間を制御することによってエンベロープ波形は正弦波状に修正することができる。この電流をチョークコイル３０と平滑コンデンサ３１のフィルターに通すと高周波成分がとれ、きれいな正弦波状の電流波形となる。

こうすることによって、配電網に高調波電流が流れることによる一般電源の波形歪みという問題は発生せず信頼性の高い機器を提供することができる。

なお、本出願は、２０１１年１２月２０日出願の日本特許出願（特願２０１１−２７８０８１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

以上の様に、本発明にかかるマイクロ波加熱装置はマイクロ波の漏洩を防止する安全装置を除いて、全ての機器内の電気部品、電子部品はＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧で駆動するため、商用電源の影響に支配されず部品の共用化が画期的に進む。またＡＣ／ＤＣコンバータの入力仕様も原理的には世界各国の電圧に対応するため単一機器ながら世界各国で使用可能なユニバーサル機器への用途展開が可能になる。

１ 商用電源
２ 制御部
３ マイクロ波処理装置
４ ＡＣ／ＤＣコンバータ
５ 複数の接点部
６ 複数の負荷
７ Ｖｄ電圧

Claims (4)

1. 電気機器に搭載されるマイクロ波加熱装置であって、
   商用電源と、
   前記商用電源から供給された電力に応じて、複数のＤＣ電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータから電力を受け、前記電気機器全体を制御する制御部と、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータの複数の出力電圧を受け、マイクロ波を出力する化合物半導体を用いたマイクロ波処理装置と、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される前記複数のＤＣ電圧のうち所定のＶｄ電圧とグランドとの間に複数の接点部を介して接続された複数の負荷と、を備え、
   前記複数の負荷は、前記電気機器内の電気部品群であり、
   前記制御部は、前記複数の負荷への電力の供給をコントロールし、前記商用電源がいかなる電圧であっても、前記複数の接点部の入り切りをコントロールして前記複数の負荷を前記Ｖｄ電圧で駆動するマイクロ波加熱装置。
2. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ＰＦＣ機能を備えた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記複数の負荷と直列に配された前記複数の接点部は、それぞれ異なるリレーの接点によって構成され、
   前記制御部は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される前記複数のＤＣ電圧のうち所定のＶｃ電圧により駆動し、各々の前記リレーの接点を選択的に駆動開閉する請求項１又は請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記電気機器に設けられたドアの開成時にマイクロ波漏洩を阻止するヒューズと、前記ドアの開閉と連動したノーマルオープン型のマイクロスイッチと、前記ドアの開閉と連動したノーマルクローズ型のマイクロスイッチとからなる安全装置と、を更に備え、
   前記安全装置は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの前段に配された請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。

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