JP4316637B2 - 加熱対象物の高周波識別を用いた磁気誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
本特許出願は、1999年9月7日に出願された仮特許出願番号60/152,559号の利益を主張する。
[発明の分野]
本発明は、概して、高周波識別(RFID)を用いて、磁気誘導加熱器に物理的に接続されていない誘導加熱可能な対象物を加熱し、温度を制御することが可能な磁気誘導加熱システムおよび方法に関するものである。より具体的には、本発明は、そのようなシステムに加えて、個々の構成部品、RFIDタグが取り付けられた加熱対象物、RFIDリーダを含む誘導加熱器に関する。食器等のタグが取り付けられた対象物が加熱器に配置されると、タグは加熱対象物の種類などの情報を送信し、加熱器調節回路は、その情報を用いて適切な加熱サイクルを開始および実行し、対象物の加熱および温度制御を行う。好適な形態では、タグおよびリーダ/ライタが、それぞれ関連する加熱情報を記憶する電子メモリ(記憶)装置を有し、タグとリーダ/ライタ間に、双方向送信を確立する。スイッチが経験した(感知した)温度等の外的状況に応答する関連したスイッチを有するRFIDタグを用いて、より厳密な制御が実現される。本発明は事実上、食器などの誘導加熱可能なあらゆる対象物に適用可能である。
SmrkeのUS特許第5,951,900号公報、Andreの同第4,587,406号公報、およびHarnden,Jr.の同第3,742,178号公報には、磁気誘導加熱を用いた非接触温度制御方法およびデバイスが記載されている。これらの従来のデバイスでは、加熱対象物と誘導電気機器の間を送信する高周波が、誘導加熱工程を調節する目的で採用されている。
本発明は、大幅に改善された対象物の磁気誘導加熱に関する方法および装置であって、特に対象物を所定の温度またはそれに近い温度に、温度制御する磁気誘導加熱の方法および装置を提供する。概して、本発明は、誘導加熱デバイスと、誘導加熱可能な対象物の組み合わせを意図し、対象物は、RFIDタグが取り付けられ、加熱デバイスは、RFIDタグからの情報を受信する装置を備える。使用の際は、対象物を加熱機器の近傍に配置し、RFIDタグは加熱デバイスに接続された情報受信装置に情報(通常、対象物の加熱特性に関する)を送信する。この情報は、加熱装置の一部を形成する磁場発生器の調節に用いられる。
図1の実施形態
概して、本発明の加熱装置は、専用の磁気誘導加熱デバイスと、RFIDリード/ライトタグを有し、温度制御される誘導加熱可能な対象物とを含む。この目的のため、加熱デバイスは、RFIDタグに記憶されたデジタル情報を読取り可能であることが好ましく、また、定期的に新たなデジタル情報をタグに書き込んでもよい。加熱デバイスのマイクロプロセッサの調節には、適切なソフトウェアアルゴリズムが与えられ、該アルゴリズムは、RFIDタグおよび/または測定された誘導加熱デバイスの回路パラメータから読取られた情報に基づいて、修正が可能である。
上述したように、RFIDリーダ/ライタ36は、誘導加熱機器20のマイクロプロセッサベースの調節回路に、動作可能なように接続される。食器22が加熱対象物であるとき、RFIDリーダ/ライタ36のアンテナ38は、食器22がRFIDリーダ/ライタ36から読取り/書込み可能な距離にあるよう配置される。1つの好適なアンテナ形状として、RFIDアンテナの平面らせん状アンテナコイルは、二次元的に、ワークコイル30の中央の開口部分に置かれる。図1に関して、検査ではRFIDアンテナは、誘導ワークコイル30の面とクックトップ支持面34の間に配置してもよく、クックトップ動作中に、RFIDアンテナに有害な電流が誘導されないことが示された。
ソフトウェア統合の主な目的は、磁気誘導加熱デバイス20がそれに従うソフトウェアアルゴリズムを実行し、与えられた温度から所望の制御温度までの加熱サイクルを開始し、不定期にわたってその温度で維持するように対象物を加熱させることである。ソフトウェア統合とは、好ましくはソフトウエアアルゴリズムに、以下の3つの情報源を用いて、加熱の開始時に存在する具体的な開始時条件に予めプログラムされた加熱アルゴリズムを適応させる事実をいう。3つの情報源とは、1)RFIDタグから回収した情報、2)電流、電圧のような回路パラメータをモニタする、デバイス20の回路センサからの情報、3)マイクロプロセッサ32にアクセス可能なメモリ装置に記憶された情報である。
タスク1:対象物の現在の温度の推定、EPT
タスク2:EPTの計算された値を用いて、具体的な経過時間に関して、補正されたパワーレベルを用いて対象物の加熱を開始し(適正な補正されたパワーレベルで開始し、パワーレベルでの適正な経過時間実行する)、対象物をそのEPTから所望される制御温度にもたらし、その温度で維持する。
タスク3:対象物に取り付けられたRFIDタグ50を、対象物の、加熱アルゴリズムの最新の既知のパワーレベルLKPSおよび加熱アルゴリズムのこのステップの適用時刻t(LKPS)および所望の制御温度に到達するまでの全ての時間間隔Δtbetween transmitを用いて更新する。
タスク1および2を達成するため、理想動作条件下での、対象物の温度制御に必要な固定記憶データは、最初に収集される。このデータは、理想動作条件で収集した加熱情報および冷却情報のいずれをも含む。固定記憶データは、定期的に収集されないが、HA(シズルプレート)に対応する記憶装置の位置に記憶されるか、または容易に利用できるようにされている。固定記憶データは、誘導加熱デバイスの一部をなす記憶デバイス(図1の追加メモリデバイス44のような)に記憶されることが好ましいが、この情報をRFIDタグのEEPROMメモリに記憶することもできる。この場合において、この固定記憶データに対応するEEPROMメモリの位置は、RFIDタグが供用に置かれた後、書き換えする必要はない。固定記憶データの物理的位置とは関係なく、データは加熱動作の実行前及び実行中にマイクロプロセッサ32が利用可能でなければならない。
シズルプレートに関する理想動作条件は、以下のように仮定される。
1)シズルプレートは、室温未満の初期プレート温度からは決して加熱されない。
2)シズルプレートは、その上面に食品が存在しない状態で常に加熱される。
3)シズルプレートは、ピーク効率で磁気的に結合するように、デバイス20上に配置される。
4)シズルプレートは、常に所望される制御温度に到達した場合にのみクックトップから取り除かれる。
これらの制御された理想条件により、代表的なシズルプレートは、代表的な磁気誘導クックトップ上で加熱される。シズルプレートに取り付けられた熱電対およびその測定は、クックトップのマイクロプロセッサによりフィードバックとして使用され、対象物を所望の期間で、所望の温度まで加熱する。同じフィードバックは、平衡が存在し、必要とされるクックトップの昇温動作の明確なパターンが発生するまでの期間、所望の制御温度を維持するために使用される。クックトップは、規定内での加熱および昇温動作中、シズルプレートをその制御温度まで加熱し、その温度を維持しつつ、全ての有意な対象物温度およびクックトップ回路パラメータに関する測定値が得られる。
情報 識別コード
1)RFIDタグから、またはタグへの読み取り Δtbetween transmit
または書き込みの開始の間の期間
2)理想パワーレベル1 IPL1
(インバータ「オン」時間93%)
コマンド 「オン」サイクル111回、「オフ」
サイクル9回の繰り返し
3)理想パワーレベル2 IPL2
(インバータ「オン」時間83%)
コマンド 「オン」サイクル100回、「オフ」
サイクル20回の繰り返し
4)理想パワーレベル3 IPL3
(インバータ「オン」時間74%)
コマンド 「オン」サイクル89回、「オフ」
サイクル31回の繰り返し
5)理想パワーレベル4 IPL4
(インバータ「オン」時間65%)
コマンド 「オン」サイクル78回、「オフ」
サイクル42回の繰り返し
6)理想パワーレベル5 IPL5
(インバータ「オン」時間55%)
コマンド 「オン」サイクル66回、「オフ」
サイクル54回の繰り返し
7)予想される動作時の最低温度 T(0)
8)理想パワーステップ1実行後の温度 T(1)
9)理想パワーステップ2実行後の温度 T(2)
10)理想パワーステップ3実行後の温度 T(3)
11)理想パワーステップ4実行後の温度 T(4)
12)理想パワーステップ5実行後の温度 T(5)
13)理想パワーステップ6実行後の温度 T(6)
14)理想パワーステップ7実行後の温度 T(7)
15)理想パワーステップ8実行後の温度 T(8)
16)理想パワーステップ9実行後の温度 T(9)
17)制御温度(250°F) T(10)
18)線形冷却速度1(T(10)→T(6)) CR1
19)線形冷却速度2(T(6)→T(2)) CR2
20)線形冷却速度3(T(2)→T(0)) CR3
21)インバータ「オン」時間中に、負荷が理想 Itransistor max ideal
的に接続されたクックトップの切り替え用トラン
ジスタを通過して流れる電流の強度
22)最大遅延時間 MXDT
ステップ番号 クックトップへのコマンド
理想パワーステップ1 IPL1を2秒間適用*
理想パワーステップ2 IPL1を2秒間適用*
理想パワーステップ3 IPL1を2秒間適用*
理想パワーステップ4 IPL1を2秒間適用*
理想パワーステップ5 IPL2を2秒間適用*
理想パワーステップ6 IPL2を2秒間適用*
理想パワーステップ7 IPL3を2秒間適用*
理想パワーステップ8 IPL3を2秒間適用*
理想パワーステップ9 IPL4を2秒間適用*
理想パワーステップ10 IPL4を2秒間適用*
期間MXDT クックトップを待機モードにし、インピーダン
ス限界内の負荷をチェックするため試験パルス
を1サイクル実施**
理想パワーステップ11 IPL5を2秒間適用**
期間(0.50)(MXDT) クックトップを待機モードにし、インピーダン
ス限界内の負荷をチェックするため試験パルス
を1サイクル実施**
理想パワーステップ11 IPL5を2秒間適用**
期間(0.50)(MXDT) クックトップを待機モードにし、インピーダン
ス限界内の負荷をチェックするため試験パルス
を1サイクル実施**
先行する2ステップを不定期繰り返す**
* 各理想パワーステップの最後の0.15秒間、RFIDリーダ/ライタはRFIDタグと通信する。
**LKPS値は10以上の数を割り当てられることはない。しかし、実際の電力ステップ11の実際の完了時刻は、t(LKPS)の更新に用いられる。
MXDTと呼ばれる、同一のパワーの供給の間の最大遅れ時間は、理想パワーステップ10の終わりと理想パワーステップ11の始めとの間の時間である。シズルプレートを例に取れば、MXDTは120秒に等しい。
既知のシズルプレートが、上記の理想条件下でほぼ動作しない限りにおいて、理想アルゴリズム内で使用される、変更ステップと呼ばれる式および命令は、開始条件または作業条件に関係無く、各シズルプレートの加熱動作が、25秒間以内のクックプレートの加熱で到達目標温度250°F±20°Fを達成するように設計されている。日々の動作において、無数の非理想条件に遭遇する可能性がある。しかし、何らかの系において、加熱動作の結果に最も影響をおよぼす非理想条件は通常特定することができる。シズルプレートの実施例において、変更ステップは、以下の2つの非理想条件の補正を試みるように準備されている。
1)クックトップおよびシズルプレート間での非理想パワー接続。
2)室温とは異なる温度でのシズルプレートの加熱動作の開始。
補正された インバータ「オン」時間のパーセントで
パワーレベル 表現されるパワーレベルの式
CPL1 CPL1={(Δtbetween transmit−Δttransmit)}
/(Δtbetween transmit)=93%
CPL2 CPL2=(IPL2)×[(Itransistor max ideal)2
/(Itransistor max actual )2 ]
CPL3 CPL3=(IPL3)×[(Itransistor max ideal)2
/(Itransistor max actual )2 ]
CPL4 CPL4=(IPL4)×[(Itransistor max ideal)2
/(Itransistor max actual )2 ]
CPL5 CPL5=(IPL5)×[(Itransistor max ideal)2
/(Itransistor max actual )2 ]
ステップ番号 クックトップへのコマンド
実際のパワーステップ1 2秒間CPL1を適用*
実際のパワーステップ2 2秒間CPL1を適用*
実際のパワーステップ3 2秒間CPL1を適用*
実際のパワーステップ4 2秒間CPL1を適用*
実際のパワーステップ5 2秒間CPL2を適用*
実際のパワーステップ6 2秒間CPL2を適用*
実際のパワーステップ7 2秒間CPL3を適用*
実際のパワーステップ8 2秒間CPL3を適用*
実際のパワーステップ9 2秒間CPL4を適用*
実際のパワーステップ10 2秒間CPL4を適用*
期間MXDT クックトップに待機モードを指令。待機モードでは、
インピーダンス限界内の負荷をチェックするため
試験パルスを1サイクル送信する**。
実際のパワーステップ11 2秒間CPL5を適用**
期間(0.50)(MXDT) クックトップに待機モードを指令。待機モードでは、
インピーダンス限界内の負荷をチェックするため
試験パルスを1サイクル送信する**。
実際のパワーステップ12 2秒間CPL5を適用**
先の2つのステップを不定期繰り返す。
*各実際のパワーステップの最後の0.15秒間、RFIDリーダ/ライタはRFIDタグと連絡する。
**LKPSの値は、決して10以上の数を割り当てられない。しかし、各実際のパワーステップ11の実際の終了時刻は、t(LKPS)の更新に使用される。
以下の表5は、”n”を値に割り当てる手段を記述している。シズルプレートがクックトップ上に置かれ、最初のRFIDタグの伝送が、LKPSとt(LKPS)の値をRFIDリーダー/ライター、およびこのようにそれらの各々の一時メモリの位置に伝送した後、”n”の値は直ちに可変メモリに割り当てられる。このように、RFIDタグから回収するLKPSの値に基づいて、理想条件でT(10)からT(LKPS)に冷却するために必要な秒数は、”n”として記憶される(RFIDタグ内のメモリには、10より大きい値はLKPSとして記憶されないことを覚えているので)。
加熱動作の開始時のLKPSの 割り当て値nは以下である。
RFIDタグ値が以下である場合
LKPS=10である場合 n=0である。
LKPS=9である場合 n=120である。
LKPS=8である場合 n=360である。
LKPS=7である場合 n=720である。
LKPS=6である場合 n=1200である。
LKPS=5である場合 n=1440である。
LKPS=4である場合 n=1800である。
LKPS=3である場合 n=2100である。
LKPS=2である場合 n=2400である。
LKPS=1である場合 n=3000である。
LKPS=0である場合 n=3600である。
6≦LKPS≦10であって、
0≦ELCLT≦(1200−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR1 )・(ELCLT)}である。
(1200−n)<ELCLT≦(2400−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR1 )・(1200−n)}+
{(CR2 )・(ELCLT)−(1200−n)}である。
(2400−n)<ELCLT≦(3600−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR1 )・(1200−n)}+
{(CR2 )・(1200)}+{(CR2 )・(ELCLT)
−(2400−n)}である。
(3600−n)<ELCLTである場合、EPT=T(0)である。
2≦LKPS≦6であって、
0≦ELCLT≦(2400−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR2 )・(ELCLT)}である。
(2400−n)<ELCLT≦(3600−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR2 )・(2400−n)}+
{(CR3 )・ELCLT−(2400−n)}である。
(3600−n)<ELCLTである場合、EPT=T(0)である。
0≦LKPS<2であって、
0≦ELCLT≦(3600−n)である場合、
EPT=T(LKS)−{(CR3 )・(ELCLT)}である。
(3600−n)<ELCLTである場合、EPT=T(0)である。
EPT=T(0)である場合、
実際のパワーステップ1に進み(GOTO)、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了(実行)する。
T(0)<EPT≦T(1)である場合、
実際のパワーステップ2に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(1)<EPT≦T(2)である場合、
実際のパワーステップ3に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(2)<EPT≦T(3)である場合、
実際のパワーステップ4に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(3)<EPT≦T(4)である場合、
実際のパワーステップ5に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(4)<EPT≦T(5)である場合、
実際のパワーステップ6に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(5)<EPT≦T(6)である場合、
実際のパワーステップ7に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(6)<EPT≦T(7)である場合、
実際のパワーステップ8に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(7)<EPT≦T(8)である場合、
実際のパワーステップ9に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(8)<EPT≦T(9)である場合、
実際のパワーステップ10に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
T(9)<EPT≦T(10)である場合、
実際のパワーステップ11に進み、実際のパワーステップの残りのシーケンスを完了する。
上記したように、情報のいくつかの部分が、シズルプレートに取り付けられたRFIDタグから回収されるか、またはHA(シズルプレート)を正確に動作させるためにクックプレートの回路センサで実施された測定から決定される。これらの情報の必要とされる部分の大半、それらを決定する手段、およびそれらに与えられた名称については上記した。表8は、クックトップのマイクロプロセッサにアクセス可能な一時記憶メモリ位置に記憶されなければならないこれら必要なデータ項目のリストである。
情報 識別コード
1)適用された加熱アルゴリズムの最近の LKPS
既知のパワーステップ
2)適用された加熱アルゴリズムの最新の t(LKPS)
既知のパワーステップの終了時刻
3)最近の既知のパワーステップの終了時 T(LKPS)
の温度
4)経過した冷却時間 ELCLT
=(Pt−t(LKPS))
5)推定現在温度 EPT
6)実際のパワーステップの繰り返し間での DT
遅延時間
7)補正されたパワーレベル1 CPL1
(インバータ「オン」時間のパーセント)
8)補正されたパワーレベル2 CPL2
(インバータ「オン」時間のパーセント)
9)補正されたパワーレベル3 CPL3
(インバータ「オン」時間のパーセント)
10)補正されたパワーレベル4 CPL4
(インバータ「オン」時間のパーセント)
11)補正されたパワーレベル5 CPL5
(インバータ「オン」時間のパーセント)
12)クックトップの待機モードでインバータ Itransistor max actual
「オン」状態、試験パルス送信時にクックトップ
の切り替え用トランジスタを通過して流れる電流
の強度
13)現在の時間(リアルタイムの時計または Pt
クックトップのマイクロプロセッサの時計から
決定される)
14)T(10)から与えられた実際のパワー n
レベルの結果に対応する温度まで冷却するのに
必要とされる秒数
図7は、下記の表9に説明される情報の少なくとも3つの必須項目がRFIDタグの記憶装置に記憶されていると仮定して、クックトップに対してHA(シズルプレート)にアクセスするように命令する好ましい包括的ソフトウェアアルゴリズムを示すフローチャートである。
必須情報
情報 コード Ario40−SLタグ
イニシャル で要求されるバイト数
1)対象物の種類 COB 1
2)加熱アルゴリズムの最新の既知 LKPS 1
のパワーステップ
3)アルゴリズムの最新の既知の時間 t(LKPS)
随意の情報
情報 コードイニシャル
4)固定記憶装置の変数のいずれか 同左
1〜22
5)完全な加熱サイクルの合計数 サイクル番号
タグの完了
6)第1の温度スイッチでの実際の温度 TS1
温度上昇時にRFIDタグへの接続を動作させる。
7)第2の温度スイッチでの実際の温度 TS2
温度上昇時にRFIDタグへの接続を動作させる。
8)TS1およびTS2間での経過時間 TS1/TS2_時間
理想冷却負荷
記:これらの項目は、1またはそれ以上の温度スイッチがRFIDタグに接続された代替態様に好ましい。
1 個のサーマルスイッチ52を持つ給仕用容器22を備えた図1に示された装置でまず考慮して、スイッチ52(TS1)の例示的な切り替え温度はT(10)、すなわち図5に示された予めプログラムされた制御温度に等しくなるように選択される。図7の包括的ソフトウエアアルゴリズムはまた、変更することなくこのような構成を採用することを許容する。しかし、HA(シズルプレート)の場合には、ソフトウエアHA(COB)において変更がなされる。それゆえに、誘導加熱装置のパワーをアップすることに基づいて、図7のすべてのステップは前述したように追従される。マイクロプロセッサが異なるアルゴリズムに追従することは、HA(COB)が実行されるステップ66の中でのみ行われる。
CPL(n)=CPL(n)×{1+(0.1×((TS1/TS2 実際時間)−(“TS1/TS2 時間”)))}、このとき、このシズルプレートの例ではn=2、3、4、および5となる。
上述の説明では、好適な実施例として食器であるシズルプレート22の構造および動作について述べたが、本発明は、特定の食器または加熱対象物に限定されることはない。例えば、図2は、適切なエポキシまたはその他の合成樹脂体114に包まれたRFIDタグ112がその下面に取り付けられる金属層110を配した、従来デザインのプレート108を示す。同様に、図3は、その底部に金属層118と、合成樹脂マトリクス122で配置されるRFIDタグ120を持つエスプレッソカップ116を図示する。最後に、図4は、誘導加熱され、食品配達バッグ(例えばピザバッグ)などと接続して使用されるよう設計された加熱ペレット124を図示する。ペレット124は、誘導加熱コア126と囲いの合成樹脂体128を供える。また、このペレットは、中央に配置されるRFIDタグ130を備える。これらの装置やその他の無数の誘導加熱対象物が、本発明に使用できることが認識される。
Claims (5)
- 対象物を加熱するために一次磁場を発生する構成部品と、
前記一次磁場を発生する構成部品を、加熱サイクル中のある期間の間、選択的に動作させるために該構成部品に動作可能に接続された調節回路と、
前記対象物に取り付けられたRFIDタグから、前記対象物の温度に関する情報を受け取る情報受け取り装置と、を含む誘導加熱デバイスであって、
前記情報受け取り装置は、加熱サイクル中、定期的に、前記RFIDタグに対して、前記温度情報を提供させるRFIDリーダを含み、
前記RFIDリーダは、前記一次磁場の有する周波数とは異なる周波数を有する高周波磁場を伝送動作可能であり、
前記誘導加熱デバイスの前記一次磁場による加熱の動作は、前記RFIDタグから定期的に受ける前記温度情報に対応して行われることを特徴とする誘導加熱デバイス。 - さらに、前記RFIDタグに動作可能に接続された少なくとも1つのサーマルスイッチを含み、前記サーマルスイッチは、前記対象物における現在の温度情報を、前記対象物に関する情報として前記RFIDタグに提供する請求項1に記載の誘導加熱デバイス。
- 前記RFIDリーダは、前記RFIDタグから、前記対象物における前記現在の温度情報を前記対象物に関する情報として提供される請求項2に記載の誘導加熱デバイス。
- 前記加熱サイクルは、異なる加熱パワーを備えた複数の加熱ステップを有する加熱アルゴリズムによって制御され、
前記調節回路は、前記対象物の前記現在の温度情報に対応して前記加熱アルゴリズムを調整するように動作する請求項2又は3に記載の誘導加熱デバイス。 - 前記加熱サイクルは、異なる加熱パワーを備えた複数の加熱ステップを有する加熱アルゴリズムによって制御され、
前記情報受け取り装置は、さらに、前記加熱サイクル中定期的に、前記RFIDタグに前記加熱パワーに関する情報を、前記対象物の加熱履歴の記憶のために、送信する請求項4に記載の誘導加熱デバイス。
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