JP7107746B2 - 電磁誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の加熱コイルを用いて鍋を加熱する電磁誘導加熱調理器、いわゆるＩＨ（Induction Heating）クッキングヒータに関するものである。

近年、火を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱調理器、いわゆるＩＨクッキングヒータが広く用いられるようになってきている。ＩＨクッキングヒータは、加熱コイルに高周波電流を流し、この加熱コイルに近接して配置された鉄やステンレスなどの材質で作られた鍋に渦電流を発生させ、鍋自体の電気抵抗により発熱させるものである。このように、ＩＨクッキングヒータは、火を使わずに調理でき、安全性や調理環境の快適性が高いため、ガスレンジに代わって急速に普及している。

従来のＩＨクッキングヒータでは、ガラス製のトッププレートの下側に加熱コイルが配置され、この加熱コイルには高周波電流を流すインバータが接続されている。トッププレート上に載置された鍋は、１つの加熱コイルを用いて加熱される。
しかしながら、１つの加熱コイルを用いて鍋を加熱する方式では、鍋の大きさや配置によっては、鍋底の一部しか加熱されず、加熱ムラが発生する問題がある。そこで、複数の加熱コイルを用いることで、様々な大きさや配置の鍋を適切に加熱する誘導加熱装置が提案されている。

例えば、特許文献１の請求項１には、「所定の周波数の高周波電力を生成し、出力するインバータ回路と、前記インバータ回路から供給された高周波電力により所定の周波数の磁界を発生し、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、被加熱物と前記加熱コイル間に設置された自己共振コイルとを備え、前記自己共振コイルは共振用コイルと共振用コンデンサから構成され、前記加熱コイルの発する磁界の周波数で自己共振する誘導加熱装置」と記載されている。

特開２０１１－６０６３１号公報

しかしながら、特許文献１では、被加熱物と加熱コイル間に自己共振用コイルが配置されており、自己共振用コイルから外れた位置に被加熱物が載置された場合に、効率よく加熱することができない。また、加熱コイルと自己共振用コイルが上下に重なることから、被加熱物と加熱コイルの間隔が離れてしまい、磁気結合の低下により加熱効率が悪化してしまう。
そこで、本発明は、電磁誘導加熱調理器において、鍋の載置位置が変化した場合などであっても、効率よく鍋を加熱可能とすることを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の電磁誘導加熱調理器は、第１共振コンデンサと接続されて第１共振回路を構成する加熱コイルと、前記加熱コイルと磁性材料を介して磁気結合し、それぞれ第２共振コンデンサが直列接続されて第２共振回路を構成する複数の共振加熱コイルと、直流電源と、前記直流電源の両端子に接続されて、前記直流電源によって印加される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して、前記第１共振回路に印加するインバータ回路と、該インバータ回路を制御する制御回路と、を具備し、前記共振加熱コイル上の被加熱物の有無により、前記共振加熱コイルに流れる電流が増減する、ことを特徴とする。
本発明の電磁誘導加熱調理器は、第１共振コンデンサと接続されて第１共振回路を構成する加熱コイルと、前記加熱コイルと磁性材料を介して磁気結合し、それぞれ第２共振コンデンサが直列接続されて第２共振回路を構成する複数の共振加熱コイルと、直流電源と、前記直流電源の両端子に接続されて、前記直流電源によって印加される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して、前記第１共振回路に印加するインバータ回路と、該インバータ回路を制御する制御回路と、を具備し、前記加熱コイルと前記複数の共振加熱コイルの直下に、前記磁性材料が配置されており、前記加熱コイルの直下には、第１磁性材料が放射状に配置されており、前記複数の共振加熱コイルの直下には、第２磁性材料が放射状に配置され、かつ前記第１磁性材料の一部が当該の共振加熱コイルに跨っている、ことを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、電磁誘導加熱調理器において、鍋の載置位置が変化した場合などであっても、効率よく鍋を加熱可能とすることができる。

第１の実施形態における電磁誘導加熱調理器のブロック図である。 電磁誘導加熱調理器の加熱コイルおよびフェライトの配置を示す斜視図である。 電磁誘導加熱調理器の加熱コイルおよびフェライトの配置を示す上面図である。 電磁誘導加熱調理器の加熱コイルおよびフェライトの配置を示す断面図である 電磁誘導加熱調理器の鍋ずれ状態を示す上面図である。 共振回路のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第１変形例における加熱コイルおよびフェライトの配置を示す斜視図である。 第１の実施形態の第１変形例における加熱コイルおよびフェライトの配置を示す断面図である。 第１の実施形態の第２変形例における加熱コイルおよびフェライトの配置を示す斜視図である。 第１の実施形態の第２変形例における加熱コイルおよびフェライトの配置を示す断面図である。 第２の実施形態における電磁誘導加熱調理器の回路構成図である。 各被加熱物の抵抗値と鉄に対するインダクタンス比率を示す図である。 インバータの動作波形である。 電磁誘導加熱調理器の入力電力の周波数特性である。 電磁誘導加熱調理器の入力電力のＤｕｔｙ特性である。 第３の実施形態における電磁誘導加熱調理器の回路構成図である。 電磁誘導加熱調理器の動作波形である。 電磁誘導加熱調理器の入力電力の周波数特性である。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
《第１の実施形態》
先ず、図１～図７を用いて、本発明の第１の実施形態における電磁誘導加熱調理器１を説明する。

図１は、第１の実施形態における電磁誘導加熱調理器のブロック図である。
第１の実施形態の電磁誘導加熱調理器１は、直流電源として機能する電源回路２、インバータ３ａ～３ｃ、共振回路４ａ～４ｃ、ドライブ回路５１、共振電流検出回路５２、制御回路５３、入力電力設定部５４を備えている。電磁誘導加熱調理器１は、各インバータ３に対応する複数の加熱コイル３３により、図示しないトッププレート上に載置された鍋などの被加熱物を加熱することができる。なお、各インバータ３の構成は同等であるので、以下では、インバータ３ａを代表して説明する。

インバータ３ａは、スイッチング回路３１、共振回路３２、電流検出器３７を含んで構成されている。スイッチング回路３１は、電源回路２の正電極ｐと負電極ｏとの間に接続されており、電源回路２によって印加される直流電圧を、高周波の交流電圧に変換して共振回路３２に印加する。共振回路３２は、第１共振回路であり、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０が接続された回路である。加熱コイル３３には、スイッチング回路３１から高周波電力が供給される。電流検出器３７は、共振回路３２に流れる電流を検出する。

共振回路４ａは、第２共振回路であり、共振回路３２の加熱コイル３３とフェライト（磁性材料の一例）を介して磁気結合する。共振回路４ａは、共振加熱コイル４１と共振コンデンサＣ１の直列回路と、共振加熱コイル４２と共振コンデンサＣ２の直列回路と、共振加熱コイル４３と共振コンデンサＣ３の直列回路と、共振加熱コイル４４と共振コンデンサＣ４の直列回路として構成されている。

インバータ３ａは、制御回路５３および共振電流検出回路５２、入力電力設定部５４、ドライブ回路５１によって制御される。インバータ３ａの電流検出器３７の出力値は、共振電流検出回路５２で演算され、その演算結果は制御回路５３に出力される。入力電力設定部５４は、使用者が入力電力（火力）を設定するインターフェースであり、設定された火力に応じた信号を制御回路５３に出力する。制御回路５３では、共振電流検出回路５２から出力された演算結果と入力電力設定部５４から出力された信号に応じた駆動信号を生成する。
ドライブ回路５１は駆動信号に基づいて、インバータ３ａのスイッチング回路３１を制御するドライブ信号波形を生成する。

次に、インバータ３ａの動作を説明する。ＩＨクッキングヒータでは、一般的に共振型インバータが用いられる。共振型のインバータ３ａでは、加熱コイル３３上に鍋が載置されたときの共振回路３２の共振周波数ｆｒより、スイッチング回路３１の駆動周波数ｆｓが高くなるように設定して、共振負荷の特性を誘導性にする。これにより共振回路３２に流れる共振電流ＩＬは、スイッチング回路３１の出力電圧に対し遅れ位相になるため、スイッチング回路３１での損失増加が抑制できる。

すなわち、共振回路３２に流れる共振電流ＩＬが、スイッチング回路３１と共振回路３２の接続点である出力端子ｔの電圧に対して遅れ位相になるように制御することでスイッチング回路３１の損失を抑制できる。
また、共振加熱コイル４１～４４に鍋が載置されると、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４が磁気結合して共振回路３２と共振回路４の共振周波数が略同一となる。これにより、共振回路３２に電流が流れて加熱コイル３３上に載置された鍋を加熱すると共に、共振回路４にも電流が流れ、共振加熱コイル４１～４４上に載置された鍋を加熱する。

しかしながら、駆動周波数ｆｓを固定した状態で、スイッチング回路３１の導通期間を変化させ電力制御を行うと、スイッチング回路３１の導通期間に共振電流ＩＬの極性が反転し、共振電流ＩＬがスイッチング回路３１の出力電圧より進み位相になる進相モードへ移行する場合もある。進相モードは、スイッチング回路３１の損失増加を招くので、共振型インバータでは避けなければならない。

次に、図２、図３を用いて、第１の実施形態の電磁誘導加熱調理器１における、複数の加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４の配列について説明する。一般に、電磁誘導加熱調理器１では、ガラス製のトッププレート（図示せず）の下に、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４が配置されている。ここでは、１つのインバータ３が内蔵する加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４とを用いて、一つの鍋を加熱する電磁誘導加熱調理器１を例に説明を進める。

図２は、電磁誘導加熱調理器１の加熱コイル３３、共振加熱コイル４１～４４およびフェライト３４，４５の配置を示す斜視図である。
図２に示した電磁誘導加熱調理器１は、上方からみて加熱コイル３３の前後左右に、共振加熱コイル４１～４４が配置されている。これら加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４の上側には、ガラス製のトッププレート（図示せず）が配置されており、その上に鍋６が載置されている。ここで鍋６は、一点鎖線で示されている。

加熱コイル３３には、インバータ３が接続される。各共振加熱コイル４１～４４には、各共振コンデンサＣ１～Ｃ４が接続される。加熱コイル３３の下部には、磁性材料のフェライト３４が放射状に配置されている。共振加熱コイル４１～４４の下部には、磁性材料のフェライト４５が放射状に配置されている。これらフェライト３４，４５は、磁束を有効に鍋６に誘導すると共に、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合を向上させる。

加熱コイル３３の直下に放射状に配置されるフェライト３４の一部を共振加熱コイル４１～４４のフェライト４５に近接させる構造とすることで、加熱コイル３３との磁気結合がより増大し、漏洩磁束を低減させ、加熱効率を向上させることができる。

図４は、電磁誘導加熱調理器１の加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４と、フェライト３４，４５の配置を示す断面図である。
加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４は、略同一平面上に配置されている。加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌは、加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４と鍋６との間隔Ｄよりも狭い。これにより加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合度が高められ、加熱コイル３３から共振加熱コイル４１～４４の電力伝送効率が向上し、高範囲に鍋６を加熱することができる。
更に、加熱コイル３３とフェライト３４との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも小さく、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも小さい。
また、共振加熱コイル４１～４４とフェライト４５との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも狭く、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも狭い。

図５は、鍋６がずれて共振加熱コイル４３上にのみ載置されている場合を示す上面図である。
図５において鍋６は、共振加熱コイル４３上にのみ載置されている。この場合、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０から構成される共振回路３２と、加熱コイル３３と磁気結合される共振加熱コイル４３と共振コンデンサＣ３より構成される共振回路の共振周波数が略同一周波数となる。制御回路５３は、その共振周波数よりわずかに高い周波数でインバータ３ａを駆動する。これにより、インバータ３ａから加熱コイル３３を経由して共振加熱コイル４３に高周波電流が流れて、鍋６を誘導加熱することができる。一方、鍋６が載置されない共振加熱コイル４１，４２，４４は、インバータ駆動周波数と共振周波数が一致せず電流が流れない。この現象について、図６を用いて説明する。

図６は、インバータ駆動周波数と共振回路のインピーダンス特性の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は、共振回路のインピーダンスを示し、横軸はインバータの駆動周波数を示している。
破線で示された特性１は、鍋６が載置された共振加熱コイル４３と共振コンデンサＣ３とで構成される共振回路４のインピーダンス特性と、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０で構成される共振回路３２を含むインピーダンス特性を示している。
実線で示された特性２は、鍋６が載置されていない共振加熱コイル４１と共振コンデンサＣ１で構成される共振回路のインピーダンス特性である。

共振加熱コイル４２と共振コンデンサＣ２で構成される共振回路のインピーダンス特性や、共振加熱コイル４４と共振コンデンサＣ４で構成される共振回路のインピーダンス特性は図示しないが、特性２と略同一となる。

特性１のインバータ３ａを共振周波数ｆｒ１よりわずかに高い周波数ｆ１で駆動すると、共振回路のインピーダンスは、極小値Ｚ０に近いＺ１となる。そのため、大きな電流を共振加熱コイル４３に流すことができる。これにより、共振加熱コイル４３から磁束が発生し、その磁束が鍋６を鎖交することで、鍋６に渦電流が流れて鍋６自体が発熱する。

一方、鍋６が載置されない共振加熱コイル４１，４２，４４の共振回路では、特性２となるため、周波数ｆ１におけるインピーダンスはＺ２となる。共振加熱コイル４１，４２，４４のインピーダンスＺ２は、共振加熱コイル４３のインピーダンスＺ１に比べ大幅に大きな値となる。このため、共振加熱コイル４１，４２，４４には電流が殆ど流れず、鍋６を誘導加熱することはできない。また、共振加熱コイル４１，４２，４４には電流が殆ど流れないため、不要な放射磁界を抑制することができる。
すなわち、加熱コイル３３および鍋６が載置された共振加熱コイル４３のみに大きな電流を流すことができるため、コイル上の鍋６をセンサ等で検出することなく加熱することが可能となる。
なお、これは鍋６がずれて載置されている場合に限定されない。例えば共振加熱コイル４１～４４を覆う大鍋が加熱コイル３３の中央に載置されている場合を考える。共振加熱コイル４１～４４の共振回路は、全て特性１となり、大鍋を効率的に加熱することができる。また、加熱コイル３３の直径未満の小鍋が、加熱コイル３３の中央に載置されているとき、共振加熱コイル４１～４４の共振回路は、全て特性２となる。よって、これら共振加熱コイル４１～４４には電流が殆ど流れないため、不要な放射磁界を抑制することができる。

以上で説明したように、本実施形態の電磁誘導加熱調理器１によれば、共振加熱コイル４１～４４に鍋６が載置されているとき、インバータ３ａが供給する電力を加熱コイル３３とフェライト３４とを経由して共振加熱コイル４１～４４に供給できる。これにより、共振加熱コイル４１～４４には、高周波大電流を流すことができ、加熱コイル３３と共に鍋６を誘導加熱することができる。
また、共振加熱コイル４１～４４に鍋６が載置されていない場合は、共振回路のインピーダンスが増大するため、共振加熱コイル４１～４４には殆ど電流が流れない。これにより不要な放射磁界を抑制することができる。

《第１変形例》
図７は、第１の実施形態の第１変形例における加熱コイル３３、共振加熱コイル４１～４４およびフェライト３４，４５の配置を示す斜視図である。
図７に示した電磁誘導加熱調理器１は、上方からみて加熱コイル３３の前後左右に、共振加熱コイル４１～４４が配置されている。これら加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４の上側には、ガラス製のトッププレート（図示せず）が配置されており、その上に鍋６が載置されている。ここで鍋６は、一点鎖線で示されている。

加熱コイル３３には、インバータ３が接続される。各共振加熱コイル４１～４４には、各共振コンデンサＣ１～Ｃ４が接続される。加熱コイル３３の下部には、磁性材料のフェライト３５が放射状に配置されており、共振加熱コイル４１～４４の下部に跨がっている。共振加熱コイル４１～４４の下部には、フェライト３５と共にフェライト４５が放射状に配置されている。これらフェライト３４，４５は、磁束を有効に鍋６に誘導すると共に、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合を向上させる。
加熱コイル３３の直下に放射状に配置されるフェライト３５の一部を共振加熱コイル４１～４４の下部に跨がらせる構造とすることで、加熱コイル３３との磁気結合がより増大し、漏洩磁界を低減させ、加熱効率を向上させることができる。

図８は、第１の実施形態の第１変形例における加熱コイル３３、共振加熱コイル４１～４４およびフェライト３５，４５の配置を示す断面図である。
加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４は、略同一平面上に配置されている。加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌは、加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４と鍋６との間隔Ｄよりも狭い。これにより加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合度が高められ、加熱コイル３３から共振加熱コイル４１～４４の電力伝送効率が向上し、高範囲に鍋６を加熱することができる。

更に、加熱コイル３３とフェライト３５との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも狭く、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも狭い。
また、共振加熱コイル４１～４４とフェライト４５との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも狭く、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも狭い。

《第２変形例》
図９は、第１の実施形態の第２変形例における加熱コイル３３、共振加熱コイル４１～４４およびフェライト３５の配置を示す斜視図である。
図７に示した電磁誘導加熱調理器１は、上方からみて加熱コイル３３の前後左右に、共振加熱コイル４１～４４が配置されている。これら加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４の上側には、ガラス製のトッププレート（図示せず）が配置されており、その上に鍋６が載置されている。ここで鍋６は、一点鎖線で示されている。

加熱コイル３３には、インバータ３が接続される。各共振加熱コイル４１～４４には、各共振コンデンサＣ１～Ｃ４が接続される。加熱コイル３３の下部には、磁性材料のフェライト３６が配置されており、共振加熱コイル４１～４４の下部に跨がっている。共振加熱コイル４１～４４の下部には、フェライト３６が配置されている。フェライト３６は、磁束を有効に鍋６に誘導すると共に、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合を向上させる。

加熱コイル３３の直下に放射状に配置されるフェライト３６を共振加熱コイル４１～４４の下部に跨がらせる構造とすることで、加熱コイル３３との磁気結合がより増大し、漏洩磁界を低減させ、加熱効率を向上させることができる。

図１０は、第１の実施形態の第２変形例における加熱コイル３３、共振加熱コイル４１～４４およびフェライト３６を示す断面図である。
加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４は、略同一平面上に配置されている。加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌは、加熱コイル３３および共振加熱コイル４１～４４と鍋６との間隔Ｄよりも狭い。これにより加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４の磁気結合度が高められ、加熱コイル３３から共振加熱コイル４１～４４の電力伝送効率が向上し、高範囲に鍋６を加熱することができる。

更に、加熱コイル３３とフェライト３６との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも狭く、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも狭い。
また、共振加熱コイル４１～４４とフェライト３６との間隔Ｆは、加熱コイル３３と鍋６との間隔Ｄよりも狭く、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１～４４との間隔Ｌよりも狭い。

《第２の実施形態》
次に、図１１から図１５を用いて、スイッチング回路３１にハーブブリッジ回路構成を採用した、本発明の第２の実施形態における電磁誘導加熱調理器１を説明する。なお、第１の実施形態との共通点は重複説明を省略する。

図１１は、第２の実施形態における電磁誘導加熱調理器１の回路構成である。本実施形態の電磁誘導加熱調理器１も第１の実施形態と同様に、３つのインバータ３ａ～３ｃを備えているが、インバータ３ｂ，３ｃの図示は省略して説明を進める。

図１１において、電源回路２は、商用電源７からの交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータ３ａに印加するものであり、交流電圧を整流する整流回路２１とインダクタＬ１およびフィルタコンデンサＣ５で構成された平滑回路からなる。そして、フィルタコンデンサＣ５の正電極ｐと負電極ｏとの間に、インバータ３ａのスイッチング回路３１が接続される。

インバータ３ａのスイッチング回路３１は、パワー半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ３８とＩＧＢＴ３９が直列に接続されて構成される。ＩＧＢＴ３８，３９にはそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２が逆方向に並列接続されている。ＩＧＢＴ３８のコレクタ端子にはダイオードＤ１のカソード端子が接続され、ＩＧＢＴ３８のエミッタ端子にはダイオードＤ１のアノード端子が接続されている。ＩＧＢＴ３９のコレクタ端子にはダイオードＤ２のカソード端子が接続され、ＩＧＢＴ３９のエミッタ端子にはダイオードＤ２のアノード端子が接続されている。

以下では、ＩＧＢＴ３８とダイオードＤ１で構成される回路を上アームと称し、ＩＧＢＴ３９とダイオードＤ２で構成される回路を下アームと称する。また、ＩＧＢＴ３８，３９には、それぞれ並列にスナバコンデンサＣ６，Ｃ７が接続されている。スナバコンデンサＣ６，Ｃ７は、ＩＧＢＴ３８またはＩＧＢＴ３９のターンオフ時の遮断電流によって充電あるいは放電される。スナバコンデンサＣ６，Ｃ７の容量は、ＩＧＢＴ３８，３９のコレクタとエミッタ間の出力容量より十分に大きいため、ターンオフ時にＩＧＢＴ３８，３９に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失は抑制される。

ＩＧＢＴ３８，３９の接続点である出力端子ｔと、電源回路２の正電極ｐおよび負電極ｏには、共振回路３２が接続されている。第２の実施形態の共振回路３２は、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０、Ｃ８で構成される。ここで、出力端子ｔから加熱コイル３３に向かって流れる方向を共振電流ＩＬの正方向とする。

電流検出器３７は、共振回路３２に流れる電流を検出する。共振電流検出回路５２は、各インバータ３の電流検出器３７の出力信号レベルを制御回路５３の入力レベルに適した信号に変換する。電流検出器２２は、商用電源７から入力する電流を検出する。入力電流検出回路５５は、電流検出器３７の出力信号レベルを制御回路５３の入力レベルに適した信号に変換する。

制御回路５３は、入力電流検出回路５５で検出した入力電流と共振電流検出回路５２で検出した共振電流の関係から被加熱物の材質や状態を判断し、加熱動作の開始または停止を行う。被加熱物の判別は、磁性体と非磁性体とに区別する。区別する方法としては、加熱前に低電力（３００Ｗ程度）で通電を行う。そのときの共振電流ＩＬまたはＩＧＢＴ３８，３９の電流値を検出し、その電流値により、被加熱物の材質を判別する。電流値が小さい場合には鉄などの磁性体、電流値が大きい場合は、非磁性ステンレスやアルミニウム、銅といった非磁性体の被加熱物と判別する。

図１２に周波数２０ｋＨｚにおける各被加熱物の抵抗値を示す。
非磁性ステンレスでは鉄の約１／３の抵抗値となる。アルミニウムでは、鉄の約１／２０の抵抗値となる。銅では、鉄の約１／２５の抵抗値となる。

また、制御回路５３は、入力電力設定部５４からの信号に応じてスイッチング回路３１のＩＧＢＴ３８，３９の導通期間を、ドライブ回路５１を介して設定し入力電力を制御する。材質の検知は、過電流や過電圧の発生を防ぐために低電力かつ短時間で実施する必要がある。
また、図１１に示すように、電流Ｉｃ１は、スイッチング回路３１の上アームに流れる電流である。電流Ｉｃ２は、スイッチング回路３１の下アームに流れる電流である。共振電流ＩＬは、加熱コイル３３に流れる電流である。共振電流ＩＬｒは、共振加熱コイル４１に流れる電流である。電圧Ｖｃ１は、上アームのＩＧＢＴ３８のコレクタ端子－エミッタ端子間の電圧である。電圧Ｖｃ２は、下アームのＩＧＢＴ３９のコレクタ端子－エミッタ端子間の電圧である。電圧Ｖｃ３は、共振コンデンサＣ０の共振電圧である。共振コンデンサＣ０の共振電圧を、電圧Ｖｃｒとする。インバータ３の電源電圧を、電圧Ｖｐとする。

次に、第２の実施形態の動作を説明する。
図１３は、第２の実施形態におけるインバータ３のモード１からモード４までの動作波形を示すタイムチャートである。
タイムチャートの第１番目は、ハイサイドのＩＧＢＴ３８の駆動信号を示している。タイムチャートの第２番目は、ロウサイドのＩＧＢＴ３９の駆動信号を示している。
タイムチャートの第３番目は、ハイサイドのＩＧＢＴ３８のコレクタに流れる電流Ｉｃ１を示している。タイムチャートの第４番目は、ハイサイドのＩＧＢＴ３８のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃ１を示している。

タイムチャートの第５番目は、ロウサイドのＩＧＢＴ３９のコレクタに流れる電流Ｉｃ２を示している。タイムチャートの第６番目は、ロウサイドのＩＧＢＴ３９のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃ２を示している。タイムチャートの第７番目は、共振コンデンサＣ０の両端に印加される電圧Ｖｃｒを示している。
タイムチャートの第８番目は、共振コンデンサＣ１の両端に印加される電圧ＩＬｃを示している。タイムチャートの第９番目は、共振加熱コイル４１の両端に印加される電圧ＩＬｒを示している。

なお、何れのモードにおいても、ＩＧＢＴ３８，３９の駆動信号にはデッドタイム期間が設けられており、ＩＧＢＴ３８，３９は、相補的に駆動される。
以下で、モード１～モード４における詳細な動作を説明する。

《モード１》
ＩＧＢＴ３８の電流Ｉｃ１が０Ａとなるタイミングからモード１が始まる。モード１の開始時にはＩＧＢＴ３８に電流は流れていないが、ＩＧＢＴ３８はすでにオンしているため、モード１の開始直後からＩＧＢＴ３８に電流Ｉｃ１が流れ始める。このとき、ＩＧＢＴ３８の両端電圧（コレクタ端子－エミッタ端子間の電圧Ｖｃ１）は０Ｖであるため、ＩＧＢＴ３８には損失が発生しないＺＶＺＣＳ（Zero Voltage Zero Current Switching）ターンオンとなる。

《モード２》
制御回路５３がＩＧＢＴ３８を遮断するとモード２に遷移する。モード２において共振電流ＩＬは、電源回路２→スナバコンデンサＣ６→加熱コイル３３→共振コンデンサＣ０の経路と、加熱コイル３３→共振コンデンサＣ０→スナバコンデンサＣ７の経路と、加熱コイル３３→共振コンデンサＣ０→スナバコンデンサＣ６の経路に流れる。このとき、スナバコンデンサＣ６は充電され、スナバコンデンサＣ７は放電される。これにより、ＩＧＢＴ３８の両端電圧は緩やかに上昇し、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）ターンオフとなり、スイッチング損失を小さくできる。

スナバコンデンサＣ６の電圧Ｖｃ１が電源電圧（ｐ－ｏ間電圧）以上になると、スナバコンデンサＣ７の電圧Ｖｃ２は０Ｖとなり、ダイオードＤ２がオンし、共振電流ＩＬが流れ続ける。ダイオードＤ２に電流が流れている期間に制御回路５３は、ＩＧＢＴ３９に対してオン信号を入力する。

《モード３》
ＩＧＢＴ３９の電流Ｉｃ２が０Ａとなるタイミングからモード３が始まる。モード３開始時に、ＩＧＢＴ３９に電流は流れていないが、ＩＧＢＴ３９はすでにオンしているため、モード３の開始直後からＩＧＢＴ３９に電流Ｉｃ２が流れ始める。このとき、ＩＧＢＴ３９の両端電圧（コレクタ端子－エミッタ端子間の電圧Ｖｃ２）は０Ｖであるため、ＩＧＢＴ３９には損失が発生しないＺＶＺＣＳターンオンとなる。

《モード４》
制御回路５３がＩＧＢＴ３９を遮断するとモード４に遷移する。モード４において共振電流ＩＬは、加熱コイル３３→スナバコンデンサＣ７→電源回路２→共振コンデンサＣ０の経路と、加熱コイル３３→スナバコンデンサＣ７→共振コンデンサＣ０の経路と、加熱コイル３３→スナバコンデンサＣ６→共振コンデンサＣ０の経路に流れる。このとき、スナバコンデンサＣ７は充電され、スナバコンデンサＣ６は放電される。これにより、ＩＧＢＴ３９の両端電圧は緩やかに上昇し、ＺＶＳターンオフとなり、スイッチング損失を小さくできる。

以上のモード１からモード４までの動作を繰り返すことで、加熱コイル３３と磁気結合した共振加熱コイル４１を含む共振回路４に高周波電流が流れ、この高周波電流は加熱コイル３３と共振加熱コイル４１に磁束を発生させる。この磁束により加熱コイル３３および共振加熱コイル４１の上に配置された鍋６に渦電流が流れ、鍋６自体が誘導加熱によって発熱する。

次に電力制御方法について説明する。図１４は、周波数と入力電力の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は入力電力を示し、横軸は、周波数を示す。
ＩＨクッキングヒータは共振現象を利用して加熱コイル３３に高周波の大電流を流す。このため入力電力の周波数特性は、共振特性を示す。図１２に示したように、鉄の抵抗は大きいため共振Ｑが小さくなり、なだらかな共振特性を示す。一方、アルミや銅といった低抵抗の材質では共振Ｑが大きくなるため、急峻な共振特性を示す。共振Ｑが小さい鉄鍋などは、緩やかな共振特性を利用して、周波数による電力制御が可能である。
また、図１５は、ＩＧＢＴ３８のＤｕｔｙと入力電力の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は入力電力を示し、横軸はＤｕｔｙを示す。
図１４のグラフで示されるように共振Ｑが小さい鉄鍋などでは、Ｄｕｔｙによる電力制御も可能である。一方、アルミなどの急峻な共振特性の場合は、周波数制御やＤｕｔｙ制御では難しく、電源回路２の出力電圧を制御することで電力を制御することができる。

以上で説明した第２の実施形態の電磁誘導加熱調理器１によれば、ハーブブリッジ回路構成を採用した場合であっても、インバータ３より加熱コイル３３に高周波電力を供給することで、加熱コイル３３と磁気結合した共振加熱コイル４１～４４にも同様の電流が流れるため鍋６を加熱することができる。

《第３の実施形態》
次に、図１６を用いて、本発明の第３の実施形態における電磁誘導加熱調理器１を説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

図１６は、第３の実施形態における電磁誘導加熱調理器１の回路構成である。
本実施形態のスイッチング回路３１Ａ（電圧共振インバータ）は、共振回路３２とＩＧＢＴ３９が直列に接続されて構成されている。共振回路３２は、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０が並列に接続されて構成されている。また、ＩＧＢＴ３９には逆並列にダイオードＤ２が接続されている。

次に、図１７のタイムチャートを用いて、通常の加熱動作を説明する。ここで、加熱コイル３３の電流の向きは、図１６の矢印方向を正とする。
タイムチャートの第１番目は、ＩＧＢＴ３９のコレクタに流れる電流Ｉｃ１を示している。タイムチャートの第２番目は、ＩＧＢＴ３９のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃ１を示している。タイムチャートの第３番目は、加熱コイル３３に流れる電流ＩＬを示している。

《モード１》
モード１は、ＩＧＢＴ３９のオフからＩＧＢＴ３９のコレクタ電圧がピークになるまでの期間である。モード１において、制御回路５０がＩＧＢＴ３９をオフすると、ＩＧＢＴ３９に流れていた電流が遮断され、加熱コイル３３に蓄えられていたエネルギにより、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０の経路に電流が流れる。この時、ＩＧＢＴ３９のコレクタ電圧が正弦波状に上昇し、ゼロ電圧スイッチング（以下、ＺＶＳ）ターンオンとなる。

《モード２》
モード２は、ＩＧＢＴ３９のコレクタ電圧のピークから０Ｖになるまでの期間である。モード２において、ＩＧＢＴ３９のコレクタ電圧がピークになると、加熱コイル３３の電流が正から負に切り替わって電流の向きが反転し、共振コンデンサＣ０、加熱コイル３３の経路に電流が流れる。

《モード３》
モード３は、ダイオードＤ２の通電期間である。モード３において、共振コンデンサＣ０が放電され、ＩＧＢＴ３９のコレクタ電圧が０Ｖになると、ダイオードＤ２がオンし、加熱コイル３３→フィルタコンデンサＣ５→ダイオードＤ２の経路に電流が流れる。このダイオードＤ２の通電期間内にＩＧＢＴ３９のゲートをオンする。

《モード４》
モード４は、ＩＧＢＴ３９の通電期間である。モード４において、加熱コイル３３のエネルギがなくなると、共振電流ＩＬが負から正に切り替わる。このときＩＧＢＴ３９はすでにゲートがオンしているため電流が流れ始める。このときスイッチング損失の発生しないＺＶＳターンオンになる。電流はフィルタコンデンサＣ５、加熱コイル３３、ＩＧＢＴ３９の経路と商用電源７、整流回路２１、インダクタＬ１、加熱コイル３３、ＩＧＢＴ３９、整流回路２１の経路に流れる。

以上のモード１からモード４までの動作を繰り返すことで、加熱コイル３３と磁気結合した共振加熱コイル４１を含む共振回路４に高周波電流を流れ、加熱コイル３３と共振加熱コイル４１から磁束を発生させる。この磁束により加熱コイル３３および共振加熱コイル４１の上に配置された鍋６に渦電流が流れ、鍋６自体が誘導加熱によって発熱する。

図１８は、周波数と入力電力の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は入力電力を示し、横軸は周波数を示している。
本実施形態は、加熱コイル３３と共振コンデンサＣ０とが並列に接続される並列共振回路となっている。したがって、図１８に示す周波数特性は下に凸になる特性を示している。並列共振においては共振点での電力が最低電力となり、周波数を下げることで電力を制御することができる。

以上で説明した第１～第３の実施形態の電磁誘導加熱調理器によれば、電圧共振回路構成を採用した場合であっても、インバータ３より加熱コイル３３に高周波電力を供給することで、加熱コイル３３と磁気結合した共振加熱コイル４１～４４にも同様の電流が流れるため鍋６を加熱することができる。

（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。

各実施形態において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）～（ｅ）のようなものがある。

（ａ） 加熱コイルや共振加熱コイルの下に配置する磁性材料は、フェライトに限定されず、任意のものであってもよい。
（ｂ） 加熱コイルや共振加熱コイルの下に配置する磁性材料は、前後左右４方向の放射状に限定されず、３方向や５方向や６方向などに放射状に配置してもよい。
（ｃ） 加熱コイルに対する共振加熱コイルの配置は、上から見て前後左右の４個に限定されない。例えば加熱コイルを中心とした三角形状に３個の共振加熱コイルを配置したり、五角形状に五個の共振加熱コイルを配置したり、六角形状に６個の共振加熱コイルを配置してもよい。
（ｄ） 加熱コイルに接続される駆動回路の構成は、ハーフブリッジ回路構成に限られず、フルブリッジ回路構成であってもよい。
（ｅ） 共振加熱コイルに接続される共振コンデンサの容量値をそれぞれ異なる値として、インパータによって周波数を選択的にしてもよい。

１ 電磁誘導加熱調理器
２ 電源回路 （直流電源）
２１ 整流回路
２２ 電流検出器
３，３ａ～３ｃ インバータ
３１ スイッチング回路
３２ 共振回路 （第１共振回路）
３３ 加熱コイル
３４～３６ フェライト （磁性材料）
３７ 電流検出器
３８，３９ ＩＧＢＴ
４，４ａ～４ｃ 共振回路 （第２共振回路）
４１～４４ 共振加熱コイル
４５，４６ フェライト （磁性材料）
４７ 電流検出器
５１ ドライブ回路
５２ 共振電流検出回路
５３ 制御回路
５４ 入力電力設定部
５５ 入力電流検出回路
６ 鍋 （被加熱物）
７ 商用電源
Ｌ１ インダクタ
Ｃ０，Ｃ８ 共振コンデンサ （第１共振コンデンサ）
Ｃ１～Ｃ４ 共振コンデンサ （第２共振コンデンサ）
Ｃ５ フィルタコンデンサ
Ｃ６，Ｃ７ スナバコンデンサ

Claims (10)

1. 第１共振コンデンサと接続されて第１共振回路を構成する加熱コイルと、
   前記加熱コイルと磁性材料を介して磁気結合し、それぞれ第２共振コンデンサが直列接続されて第２共振回路を構成する複数の共振加熱コイルと、
   直流電源と、
   前記直流電源の両端子に接続されて、前記直流電源によって印加される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して、前記第１共振回路に印加するインバータ回路と、
   該インバータ回路を制御する制御回路と、
   を具備し、
   前記共振加熱コイル上の被加熱物の有無により、前記共振加熱コイルに流れる電流が増減する、
   ことを特徴とする電磁誘導加熱調理器。
2. 前記加熱コイルと前記共振加熱コイルとは、同一平面上に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導加熱調理器。
3. 前記加熱コイルと各前記共振加熱コイルとの間隔は、前記加熱コイルおよび各前記共振加熱コイルと被加熱物との間隔よりも狭い、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁誘導加熱調理器。
4. 前記加熱コイルと前記複数の共振加熱コイルの直下に、前記磁性材料が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のうち何れか一項に記載の電磁誘導加熱調理器。
5. 前記磁性材料と前記加熱コイルおよび各前記複数の共振加熱コイルとの間隔は、前記加熱コイルと各前記共振加熱コイルとの間隔よりも狭い、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電磁誘導加熱調理器。
6. 第１共振コンデンサと接続されて第１共振回路を構成する加熱コイルと、
   前記加熱コイルと磁性材料を介して磁気結合し、それぞれ第２共振コンデンサが直列接続されて第２共振回路を構成する複数の共振加熱コイルと、
   直流電源と、
   前記直流電源の両端子に接続されて、前記直流電源によって印加される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して、前記第１共振回路に印加するインバータ回路と、
   該インバータ回路を制御する制御回路と、
   を具備し、
   前記加熱コイルと前記複数の共振加熱コイルの直下に、前記磁性材料が配置されており、
   前記加熱コイルの直下には、第１磁性材料が放射状に配置されており、
   前記複数の共振加熱コイルの直下には、第２磁性材料が放射状に配置され、かつ前記第１磁性材料の一部が当該の共振加熱コイルに跨っている、
   ことを特徴とする電磁誘導加熱調理器。
7. 前記加熱コイルの直下には、第１磁性材料が放射状に配置されており、
   前記複数の共振加熱コイルの直下には、第２磁性材料が放射状に配置されており、かつ前記第１磁性材料の何れかが当該第２磁性材料に近接して配置されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電磁誘導加熱調理器。
8. 前記加熱コイルの直下と前記複数の共振加熱コイルの直下には、磁性材料が面状に配置されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電磁誘導加熱調理器。
9. 前記インバータ回路は、
   上アームと下アームを直列接続したスイッチング回路と、
   前記直流電源の両端子に直列接続された２つのコンデンサで構成される前記第１共振コンデンサと、
   前記加熱コイルと、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし８のうち何れか一項に記載の電磁誘導加熱調理器。
10. 前記インバータ回路は、
    前記第１共振回路と、
    前記第１共振回路に接続されたスイッチング回路と、
    を備えることを特徴とする請求項１ないし８のうち何れか一項に記載の電磁誘導加熱調理器。

Images