WO1991010338A1 - High-frequency heating device - Google Patents

Description

明 細 書 .

発明の名称

高周波加熱装置

技術分野

本発明は、 食品の状態を加熱室内の電磁波の状態検出により 推定し、 機器動作を制御する高周波加熱装置に関するものであ る。

背景技術

近年、 高周波加熱装置を用いた食品の解凍を自動化する動き が高まっている。

従来は、 食品重量をキー入力するタイ ムオー トや、 食品重量 を自動的に検出する重量セ ンサを用いて食品重量を知り、 あら かじめ食品重量毎に設定されている最適加熱時間まで加熱する という手段が主流であった。 さ らに、 加熱室内にマイ ク ロ波検 出素子 （即ちア ンテナ） を配置し、 食品に吸収されずに素子に 検出されるマイ ク 口波電力が食品の重量に反比例する特性を用 いる もの （特公昭 52— 2133号公報） があった。 以下、 その構成 について第 1図を用いて説明する。

加熱室 1 内に冷凍の食品 2が置かれ、 電波放射部 3 より電波 4が加えられる。 この時食品 2に吸収されなかった電波の一部 5が、 加熱室 1 内に取付けられたア ンテナ 6で検出され検波回 路 7 で検波された後、 制御器 8 に送られるが、 ア ンテナ 6 での 電波検波量は食品 2の重量に反比例するので逆に食品 2 の重量 を判別でき、 最適加熱時間を設定できる。

しかし、 このような従来の高'周波加熱装置では、 加熱室内の 食品の状態を検出するために、 ア ンテナと検波回路を用いて加 熱室内の電波の状態を検出する場合、 ア ンテナの構造、 検波酉 路の構造、 および両者の取付け精度、 また外部磁界の影響等に より検出レベルが大き く変化し、 重量推定等により以後のシ一 ケ ンスを決定する際に極めて不安定な要素となり、 最適な仕上 り伏態が得られない問題があった。

発明の開示

本発明はかかる従来の課題を解消するもので、 ア ンテナと検 波回路を用いた電磁波の状態検出による機器制御を極めて安定 に行ない、 最適な調理仕上り状態を提供することを目的とする, 上記目的達成のために、 本発明の高周波加熱装置は、 食品を 収納する加熱室と、 前記食品を加熱するために電波を放射する 電波放射部と、 前記加熱室内の電波の状態を検出するァンテナ と、 前記ア ンテナの検出した電波を検波する検波回路と、 前記 検波回路出力に応じて各種機器動作を制御する制御器とを有し. 前記検波回路は基板材料の両面に銅箔を施した両面基板上で構 成する。

また同様に前記ァンテナはプリ ン ト基板上の銅箔で形成する , さ らに、 前記ア ンテナと前記検波回路を同一基板上で形成す る。

図面の簡単な説明

第 1図は従来のアンテナ付き高周波加熱装置の構成図、 第 2 図は本発明の高周波加熱装置の一実施例を示す構成図、 第 3図 は本発明の高周波加熱装置の要部構成図、 第 4図は同アンテナ の一実施例を示す構成図、 第 5図は同検波回路の一実施例を示 す構成図、 第 6図は同検波回路の等価回路構成図、 第 7図は食 品温度と電波吸収度合いを示す特性図、 第 8図は理想的な食品 温度と検波回路出力の関係を示す特性図、 第 9図は理想的な食 品重量と検波回路出力の関係を示す特性図、 第 10図は温度をパ ラメ一タ とした検波回路入出力の関係を示す特性図である。 発明を実施するための最良の形態

第 2図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の構成断面 図である。 加熱室 1 内に配置された食品 2 に、 電波放射部 3 よ り電波 4が放射される。 この時、 食品 2 の状態により反射波を 舍む電波の一部 5が、 樹脂製のスリ ッ ト力バー 9を抜け、 加熱 室 1壁面に開けられたス リ ッ ト 10を通り、 プリ ン ト基板 11上の 片側の面にある銅箔で出来たア ンテナ 6で検知され、 プリ ン ト 基板 11の裏面にある検波回路 7に伝達され検波したのち検波回 路出力としてリー ド線 12によつて制御器 8 まで送られる。 検波 量に応じて制御器 8 は食品 2 の状態を知り最適解凍時間を判定 し、 電波放射部 3やフ ァ ン 13の動作を制御する。 フ ァ ン 13から の冷却風の大部分 14は電波放射部 3 へ送られるが、 冷却風の一 部 15はァンテナ 6や検波回路 7 のあるプリ ン ト基板 11へ導びか れる。

上記プリ ン ト基板 11は、 4弗化工チレン樹脂やガラスェポキ シ樹脂などの基板材料の両面に銅箔が施された両面基板を用い、 片面は信号面として検波面路 7を形成し、 他面はグラ ン ド面と し、 信号面とグラ ン ド面との間でス ト リ ップ回路を構成する。 ア ンテナ 6 はグラ ン ド面に形成され、 このグラ ン ド面を利用し てプリ ン ト基板 11は金属板 16に半田付けし、 その金属板 16を利 用して検波回路 7を外部ノ ィズから保護するための金属カバー 17を取付け、 金属板 16と金属カバー 17の間にリー ド線 12をはさ みこんで位置固定して一体構成を形成している。 さらに金属板 16と金属カバー Πは、 加熱室 1壁面にスポ ッ ト溶接された金属 製の支持具 18にビスでとも締めする構成としている。 支持具 18 は第 3図に示す如く通風口 18 aを有し、 フ ァ ン Bからの風の一 部 15を通過させる構成としている。

第 3図は、 加熱室 1壁面の取付け構成の一例を示す要部斜視 図である。 ア ンテナ 6 と検波回路 7を表と裏にもつプリ ン ト基 板 11のアース面を金属板 16の半田付け用凸部 19の 4 ケ所に半田 付けする。 その上から電波遮断用の金属カバー 17でおおい、 金 属カバー 17のリ― ド保持部 20と金属板 16でリ一ド線 12をはさみ こんで固定しつつ、 加熱室 1壁面に位置合わせ穴 21を利用して 位置決め後、 スポ ッ ト溶接で取付けた金属製の支持具 18にビス 22でとも締めする。 この構成ではプリ ン ト基板 11のアース即ち 検波回路 7 のアースは金属板 16への半田付けで確実にとれ、 金 属板 16と金属製の支持具 18はビス止めにより確実にショー ト し. 金属製の支持具 18と加熱室 1壁面は溶接により確実にショー ト するため、 マイ クロ波からみても取付け精度が良く 、 アースは 確実で、 ビス締めによるス ト レスを金属板 16が吸収するため検 波面路 7へのス ト レスが抑制できることが判る。

第 4図はプリ ン ト基板 11をァンテナ 6側から見た図である _e ア ンテナ 6およびグラ ン ド面 23は銅箔面の上にレジス トコ一テ ィ ングしており、 一方、 半田面 24はグラ ン ド面 23と電気的には ショー ト しているがコーティ ングが無く、 金属板 16と容易に半 田付けできるようになつている。 またァ テナ周囲 25は銅箔も コ 一ティ ングもない状態であり、 基板材料が露出している。 ァ ンテナ 6で検出した電波はスルーホール 26を通して裏面の検波 回路 7に送られる構成となっている。 コーティ ングは、 銅箔面 の保護の検知性能の安定化のために利用されている。

第 5図はプリ ン ト基板 11を検波回路 7側から見た図である。 図中破線と一点鎮線は第 4図で説明したア ンテナ 6側の構成を 示している。 ア ンテナ 6から伝達された電波は、 スルーホール 26より検波回路 7 へ導かれ、 ダイォー ド 27等のチップ部品と銅 箔を利用した.マイ ク ロ ス ト リ ップ ' ライ ンで構成される検波回 路 7で検波されて、 リード線 12から取出される時には直流とな つた状態で信号伝達される。 本発明によると、 リー ド線 12の位 置は金属カバ一 17のリ一ド保持部 20がガイ ドとなって図中 ®に 固定されるが、 従来通り リ一ド線 12が固定されてないとすると 図 Φ ®の位置に位置するこ ともある。 言わば基板材料を仲介と してア ンテナ 6近傍にリ ー ド線 12という金属が接近する こ とに なり、 加熱室 1内からア ンテナ 6'を見たィ ンピーダンスが大き く変化したり、 リー ド線 12自身に電磁波が乗ってしまう こ とが 起こり う るのである。 よってリー ド線 12をふらふらせずに位置 固定させることで極めて安定化がはかれることになる。

第 6図は、 検波回路 7 の一例を示す等価回路構成図である。 ア ンテナ 6 より得られた電力はダイォー ド 27で検波され、 積分 され、 低域通過フ ィ ルタ （ L P F ) でフ ィ ルタ リ ングされたあ と検波出力として制御器 8 へ送られる。 両面基板上で検波回路 7を構成する場合は、 L P F用のイ ンダクタ ンス 28 , 29や積分 用のキャパシタ ンス 30をマイ ク ロス ト リ ップライ ンで構成する ことが可能となる。

第 7図〜第 9図は、 本癸明の高周波加熱装置における解凍検 知の原理を示す特性図である。 ここで検知原理について説明を 加える。

食品の比誘電率 £ _r と誘電損失 tan の積は、 食品が均一に 加熱されて全体が同時に温度上昇してい く場合、 第 7図の様 に変化する。 横軸は食品の温度、 縦軸は e _r * tan である。 e _r · tar, δは食品がどれだけ電波を吸収しやすいかを示す指 標であり、 冷凍時には電波を吸収しにく く、 0 °C付近では電波 を吸収しやすいことを示している。 言い換えると、 食品に吸収 されずにァンテナで検出される電波は、 冷凍時には多く 0て付 近では少なく なるのである。 この事から第 8図が得られる。 横 軸は食品の温度、 縦軸は検波回路出力を示している。 この図か ら判るように、 食品が均一な温度上舁を示す場合は、 検波出力 の変曲点 （極小値） で解凍検知が可能な様に考えられる。 とこ ろが実際は、 高周波加熱装置による加熱は不均一であり、 部分 的に電波が集中する所や集中しない所の組合せになるため、 第 8図の曲線がい くつも重なり合った波形となり、 一概に変曲点 で解凍完了とはいかない。

そこで実際に有効なのは、 検波回路出力の初期値と、 初期変 化率である。 初期値は食品重量とおよそ反比例の関係にあり、 例えば少量の食品の場合、 電波の吸収が少なく初期検波面路出 力が大きいのに対し、 大量の食品の場合、 電波の吸収が大き く 初期検波回路出力が小さい。 ま'た、 低温 （例えば一 20て） の食 品の場合検波回路出力の初期変化率が大きいのに対し、 中温 (例えば一 1 (TC ) の食品の場合検波回路出力の初期変化率が小 さいというような傾向がある。

以上の原理から、 第 9図の様な初期出力変化率をパラメ一タ に重量と初期出力の相関を求め、 食品の重量判定および初期温 判定しているのである。 但し、 図中 a は変化率大の低温食品、 b は変化率小の中温食品である。 もちろん、 制御器 8内で重量 と初期温毎に最適加熱時間を設定し調理するこ とで、 皿の重量 等で誤判定する重量セ ンサ等と比較して、 極めて安定な解凍検 知を実現している。

第 10図は検波回路の入出力特性の温度ドリ フ トの一例を示す 特性図である。 横軸が検波回路入力 （即ちア ンテナの検出電波 量） P A で、 縦軸が検波回路出力 V。_{u t} とすると、 通常 a の様 な入出力特性を持つ検波回路で、 回路の温度 （即ち基板自体の 温度） が上昇すると、 b の様に変化する。 即ち低入力範囲では 通常より出力が増え、 高入力範囲では通常より出力が減少し、 感度が落ちることを示す。 本発明の如く ファ ンからの風の一部 を支持具 18の方向に送風するなどの温度 ドリ フ ト低減の工夫が 無いと、 検知がばらつき、 調理仕上り状態が悪くなることが判 る。

産業上の利用可能性

以上詳述したように、 両面基板で検波回路を構成する ことに より、 表面を信号ライ ン、 裏面をグラ ン ド面という様に分離出 来、 ダラ ン ド面で外部電磁界を遮断することが可能となり、 検 波信号を安定化でき、 信頼性の高い検知が可能となる。 また、 ア ンテナをプリ ン ト基板上の銅箔で形成するこ とによ り、 ァンテナの寸法精度が極めて良く、 マイ クロ波の検出精度 も向上し、 加熱室内の食品の状態を知る電波情報を正確に検出 できる。

また、 ア ンテナと検波回路を同一基板上で構成する こ とによ り、 アンテナと検波回路間のマッチング精度が良い。 また、 ァ ンテナと検波回路を結ぶ伝送経路が短くて済み、 高周波特有の 伝送損失の低減が図れる。 さらに、 アンテナ専用の基板が不要 なので、 低コス ト化、 小型化が実現出来る。

また、 ア ンテナと検波回路を同一基板の相対する両面で構成 するこ とにより、 検波回路のダラ ン ド面によりァンテナ周囲か ら外部へ漏洩しょう とする電波を抑制できて、 外部機器動作へ のノ ィ ズを低減できる。 また、 検波画路裏面の一部を利用して ァンテナを構成出来、 大巾なコ ンパク ト化がはかれる。 さらに、 ァンテナで電波検出する時に検波回路面は基板の反対側にあり、 検波回路上のダイォー ド等の素子は輻射熱を受けに く く、 安定 した検波が可能となる

また、 アンテナの周囲をグラン ド面で取囲むことにより、 ァ ンテナ付近から外部へ漏洩する電波を最も効率的に遮断でき、 外部機器動作に影響を与えるようなノ ィ ズの発生を抑えられる, また逆に、 外部からのノ ィズも受けに く く安定した検波動作を 続けられる。 さらに、 アンテナとグラ ンド面とのすきま幅によ つてマッチング状態を変えることが出来て、 感度を自由に変え られる。 検波回路の許容入力範囲に合わせてすきまの幅を設計 すれば、 簡単に希望通りの回路入力を与えられる。 また、 アンテナ裏面にグラ ン ド面が無いため、 一般のマイ ク ロス ト リ ップア ンテナと異なり、 アンテナと検波回路の間に 50 Ωライ ン等の伝送経路は必要でな く、 一体化が容易となる。 ま た、 両者を基板の同一面上で構成する必要もな く なる。

また、 ア ンテナと検波回路をスルーホールで接続する こ とに より、 接続精度が極めて良く、 検知精度が向上する。

また、 アンテナは基板の中央付近に形成し、 周囲のグラ ン ド 面により取付け治具で加熱室に固定する ことにより、 基板サイ ズに対してァンテナ長を長く確保できて、 電波検出量が多 く な り、 多少の取付けばらつきがあってもそのばらつきの影響を相 対的に小さ くする ことが出来る。 逆に言えば、 同じア ンテナ長 に対して基板サイ ズが小さ く て良いことになり、 高周波用の高 価な基板を小型化できるので、 大巾なコス トダウ ンが可能であ る。 また、 基板の周囲を使って位置固定できるため、 取付け精 度が出しやすい。

また、 ア ンテナと検波回路は加熱室壁面上に溶接された金属 製の支持具を介して取付けることにより、 溶接部で確実にァ一 スが短絡できるので取付け精度が良く 、 加熱室側から見たァン テナと検波回路を舍むィ ンピーダンスが安定し、 ア ンテナによ る電波検出量への誤差要因が排除できて、 極めて信頼性の高い 検知が実現出来る。 また同様の理由で、 検波回路を加熱室壁面 から少し距離をおいた状態で保つことが可能となり、 種々の冷 却手段を用いる ことも容易となり、 検波回路の温度上昇を抑え ることが出来るため耐熱面での信頼性も大市に向上する。 また、 食品からの飛散物を直接的には受けに く く なり、 水分や油分等 でアンテナが腐蝕したり、 検知感度が変化したりすることはな また、 ァンテナおよび検波回路は基板のダラ ン ド面を利用し て金属板に半田付けして加熱室に位置固定することにより、 ァ ースへの短絡ボィ ン トが確実であり、 加熱室側からみたアンテ ナと検波回路を舍むィ ンピーダンスが一定となり、 ア ンテナの 電波検出量への誤差要因が排除できて、 極めて信頼性の高い検 知が実現できる。

また、 加熱室壁面上の支持具に金属板をビス止めすることに より、 位置固定時の機械的ス ト レスを金属板で吸収できて、 検 波回路に負担をかけな くて良いため、 基板の割れ等による伝送 線路の遮断などの故障が起こらず、 検知の信頼性が向上する- また、 検波回路を金属カバーでおおう ことにより、 外部電磁 界の影響を遮断すると共に、 外部の金属部品との距離の変動に よるィ ンピーダンスのばらつきを防止するので、 検波出力の安 定化がはかれる。

また、 検波回路出力を取出すリー ド線を検波面路との接続部 近傍で位置固定する ことにより、 取付け位置のばらつきが無く . 漏洩電波を拾ったり拾わなかったり という不安定要素が無いと 同時に、 リ ー ド線がア ンテナに近づいて、 アンテナと検波回路 のマツチング状態や加熱室内からァンテナを見た時のィ ンピー ダンスを変えてしまう ことが無いので、 検知精度が極めて良い, また、 アンテナをコーティ ングする ことにより、 食品から発 生する水分や油分によるアンテナと加熱室壁面間の短絡や、 他 の電位面との短絡、 さ らにアンテナの腐蝕がな く、 安定した検 知性能を提供できる。 - プリ ン ト基板の支持具に通風口を設け、 電波放射部冷却用の フ ァ ンからの風の一部を通過させるこ とにより、 放熱効果が高 く、 基板の温度上昇を抑えられ、 検波回路の検知性能が安定し 誤検知が無く 、 検知精度が良い。 さ らに、 冷風が常に通ると湯 気 （水蒸気） がたまりに く く、 検波回路上に結露するこ とを防 ぎ より一層誤動作の無い回路を実現出来る。

Claims

請 求 の 範 囲

食品を格納する加熱室と、 前記食品に電磁波を放射して加 熱する電波放射部と、 前記加熱室内の電磁波の一部を検出 するア ンテナと、 前記ア ンテナの検出した電力を検波する 検波回路と、 前記検波回路出力により各種機器動作を制御 する制御器とを有し、 前記検波回路は絶緣基板材料の両面 に銅箔を施した両面基板上で構.成してなる高周波加熱装置, 請求の範囲第 1項において、 検波画路は絶緣基板材料の両 面に銅箔を施した両面基板の片面をグラ ン ド面とし他面を 信号面として構成してなる高周波加熱装置。

請求の範囲第 2項において、 アンテナは両面基板のグラ ン ド両側の穴の貫通し、 信号面に接続してなる高周波加熱装 請求の範囲第 1項において、 検波回路を外部ノ ィ ズから防 護する金属ケースで覆ってなる高周波加熱装置。

請求の範囲第 1項において、 検波回路の.出力を取出すリ一 ド線を前記検波回路との接続部近傍に設けたリ一ド線保持 具で位置決め固定してなる高周波加熱装置。

食品を格納する加熱室と、 前記食品に電磁波を放射して加 熱する電波放射部と、 前記加熱室内の電磁波の一部を検出 するアンテナと、 前記アンテナの検出した電力を検波する 検波回路と、 前記検波面路出力により各種機器動作を制御 する制御器とを有し、 前記ァンテナはプリ ン ト基板上の銅 箔で形成してなる高周波加熱装置。

新たな用紙

7 . 請求の範囲第 6項において、 アンテナは基板材料の片面に 施された銅箔で形成し、 他の面のア ンテナと検波回路の接 . 鐃部以外でァンテナの真裏にあたる部分には銅箔が無い構 成とした高周波加熱装置- 8 . 請求の範囲第 6項において、 ア ンテナの周囲をグラ ン ド面 で取囲んでなる高周波加熱装置。

9 , 請求の範囲第 6項において、 アンテナはレジス トコ一ティ ングしてなる高周波加熱装置 _£

10 . 請求の範囲第 3項において、 ア ンテナはプリ ン ト基板の中 央付近に形成し、 周囲のグラ ン ド面にて取付け治具で加熱 室に固定してなる高周波加熱装置。

11 . 請求の範囲第 10項において、 ア ンテナおよび検波回路は、 加熱室壁面上に溶接された金属製の支持具を介して取付け てなる高周波加熱装置。

12. 請求の範囲第 10項において、 ア ンテナおよび検波回路は、 プリ ン ト基板のグラ ン ド面を介して金属板に半田付けし、 この金属板を加熱室壁面上の支持具にビス止めしてなる高 周波加熱装置 _s

13. 食品を格納する加熱室と、 前記食品を加熱するために電磁 波を放射する電波放射部と、 前記加熱室内の電波の状態を 検出するア ンテナと、 前記ア ンテナの検出した電波を検波 する検波回路と、 前記検波回路出力に応じて各種機器動作 を制御する制御器とを有し、 前記ア ンテナと前記検波回路 を同一基板上で形成してなる高周波加熱装置。

1 4. 請求の範囲第 13項において、 アンテナと検波回路は、 基板 の相対する両面にそれぞれ配置してなる高周波加熱装置 15. 請求の範囲第 14項において、 アンテナと検波回路はスル' ホールで接続してなる高周波加熱装置。