(57)【要約】【課題】主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させた高周波加熱装置を提供することを目的としている。【解決手段】電力検知回路８は、主電力増幅器６から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると、直流電圧源７の出力電圧を減じ、第２の設定値に直流電圧源７の出力電圧を制御する構成とした。これにより、主電力増幅器６に備えられた半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させた。【選択図】  図１
2004362916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに前記反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると前記直流電圧源の出力電圧を減じ、第２の設定値に前記出力電圧を制御する高周波加熱装置。
【請求項２】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに前記反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると前記入射電力を第２の設定値となるように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置。
【請求項３】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測することによって前記入射電力と前記反射電力の比である電力反射係数を算出するとともに、前記電力反射係数が増加し、整合状態が維持されなくなると前記入射電力と前記反射電力の差を第２の設定値となるように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置。
【請求項４】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子のドレーン電圧を検出するドレーン電圧検出手段を有し、前記ドレーン電圧検出手段は、そのドレーン電圧が一定値以上とならないように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置。
【請求項５】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子のドレーン電圧を検出するドレーン電圧検出手段を有し、前記ドレーン電圧検出手段は、前記電力検知回路が検知する入射電力と反射電力の差と相関のある第１の閾値を設け、ドレーン電圧が前記第１の閾値を超えないように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置。
【請求項６】
ドレーン電圧検出手段は、第１の閾値より低い第２の閾値を設け、前記ドレーン電圧検出手段が検出する電圧は、第１の閾値以下で第２の閾値以上となる関係となるように直流電圧源の出力電圧を制御する請求項５に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子の温度を検出する温度検出手段を有し、前記温度検出手段の検出する温度が第１の設定値を超えると前記直流電圧源の出力電圧を減じ前記直流電圧源の出力電圧を第２の設定値に制御する高周波加熱装置。
【請求項８】
温度検出手段の検出する温度が第２の設定値以下になると直流電圧源の出力電圧を定常出力に復帰させる請求項７に記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
第１の設定値と第２の設定値の関係は第１の設定値の方が第２の設定値よりも大きくなるように設定した請求項７または８に記載の高周波加熱装置。
【請求項１０】
温度検出手段はサーミスタにて構成し、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の表面に固定した請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項１１】
温度検出手段はサーミスタにて構成し、自立型のパッケージを用いるとともに主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の近傍の温度を検出し、間接的に前記半導体スイッチ素子の温度を計測する請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項１２】
温度検出手段はサーミスタにて構成し、前記サーミスタは主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子のソース電位側の導体パターンに一端を接続するとともに、前記導体パターンを伝導する前記半導体スイッチ素子の温度を間接的に計測する請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用や一般家庭用として使用される高周波による解凍や高周波誘電加熱によって食品などを加熱調理する高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、数ＭＨｚの高周波での誘電加熱により食品を解凍する高周波加熱装置はすでに知られている（例えば、特許文献１参照）。また、高周波電源の回路構成としては、無電極放電灯点火装置ではあるが、発振回路の出力を主・サブの電力増幅回路によって増幅し、負荷に電力供給するものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−２５５６８２号公報
【特許文献２】
特開平０６−０４５０８７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の高周波加熱装置に高周波電源の回路構成を単に採用しても、以下に挙げるような課題がある。すなわち、発振回路の高周波出力は微弱であるため、そのまま加熱用電力を得ることはできない。このため、主・サブの電力増幅回路を経て、食品の加熱に必要な電力まで増幅するものである。例えば、家庭用電子レンジと同等あるいはそれ以上の解凍能力を得ようとすると、加熱電極に与える電力としては２００Ｗないしは３００Ｗ程度の電力を必要とする。
【０００５】
ところが、加熱する負荷となる食品はその形状、種類は多種多様であり、その種類形状によって電極間のインピーダンスは大きく変化する。したがって、整合回路を調整せずに食品を電極間に挿入した状態において、主電力増幅器から見た負荷インピーダンスは必ずしも適正な値になっているとは限らない。この状態で主電力増幅器が２００Ｗないし３００Ｗの電力を出力しようとすると、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に発生する電圧がその素子耐圧を超えてしまう、あるいはスイッチング損失が非常に大きい状態で動作することが継続し、半導体スイッチ素子の熱破壊を招くものであった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させた高周波加熱装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の高周波加熱装置は、高周波電源と、被加熱物を誘電加熱する電極と、高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると直流電圧源の出力電圧を減じ、第２の設定値に出力電圧を制御するようにしたものである。
【０００８】
これによって、反射電力の増加による主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧を抑制することができ、半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに前記反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると前記直流電圧源の出力電圧を減じ、第２の設定値に前記出力電圧を制御する高周波加熱装置とすることにより、反射電力の増加による主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧を抑制することができ、半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測するとともに前記反射電力が増加し、整合状態が維持されなくなると前記入射電力を第２の設定値となるように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、反射電力が増加すると直流電圧源の出力電圧を制御し、主電力増幅器の出力する入射電力を第２の設定値とし、主電力増幅器の出力電力を減少させることができる。
【００１１】
したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることなく、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記電力検知回路は、主電力増幅器から負荷側へ伝達する入射電力と負荷側から反射する反射電力を計測することによって前記入射電力と前記反射電力の比である電力反射係数を算出するとともに、前記電力反射係数が増加し、整合状態が維持されなくなると前記入射電力と前記反射電力の差を第２の設定値となるように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、反射電力が増加すると直流電圧源の出力電圧を制御じ、主電力増幅器の出力する入射電力と負荷側から反射する反射電力の差を第２の設定値とし、主電力増幅器の出力電力を減少させることができる。
【００１３】
したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることなく、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。また、負荷で消費される電力は入射電力と反射電力の差にて表すことができるので、第２の設定値にて制御しているときも負荷に入力される電力を容易に算出できるため、加熱調理の仕上がり具合を安定にすることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子のドレーン電圧を検出するドレーン電圧検出手段を有し、前記ドレーン電圧検出手段は、そのドレーン電圧が一定値以上とならないように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、インピーダンスの不整合によって主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の印加電圧が増加しはじめても、ドレーン電圧が一定値以上とならないように直流電圧源の出力電圧を制御する。
【００１５】
したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることなく、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子のドレーン電圧を検出するドレーン電圧検出手段を有し、前記ドレーン電圧検出手段は、前記電力検知回路が検知する入射電力と反射電力の差と相関のある第１の閾値を設け、ドレーン電圧が前記第１の閾値を超えないように前記直流電圧源の出力電圧を制御する高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、インピーダンスの不整合によって、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子のドレーン電圧が増加しはじめても、入射電力と反射電力の差と相関性のある第１の閾値を超えないように直流電圧源の出力電圧を制御する。したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることなく、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、ドレーン電圧検出手段は、第１の閾値より低い第２の閾値を設け、前記ドレーン電圧検出手段が検出する電圧は、第１の閾値以下で第２の閾値以上となる関係となるように直流電圧源の出力電圧を制御する請求項５に記載の高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、インピーダンスの不整合によって主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の印加電圧が増加しはじめても、入射電力と反射電力の差と相関性のある第１の閾値以下で第２の閾値以上となる関係となるように直流電圧源の出力電圧を制御する。
【００１８】
したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることなく、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００１９】
また、逆に、インピーダンスの不整合によって、主電力増幅器から見た負荷インピーダンスが大きくなり、半導体スイッチ素子の印加電圧が低下すると同時に、半導体スイッチング素子に電圧が印加された状態でオフからオンに切り替わる動作になり出しても、入射電力と反射電力の差と相関性のある第２の閾値以下になると、直流電圧源の出力電圧を制御することで、主電力増幅器の出力電力を低減するので、半導体スイッチ素子で発生する損失を軽減でき、半導体スイッチ素子が熱的な損傷を受けることなく高周波加熱装置は動作することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路を備え、前記高周波電源は、高周波電源の発振周波数を決定する発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する第１の電力増幅器と、第１の電力増幅器の出力を電力増幅する主電力増幅器と、前記主電力増幅器の出力を検出する電力検知回路と、前記主電力増幅器に直流電圧を供給する直流電圧源を有し、前記主電力増幅器は、その半導体スイッチ素子の温度を検出する温度検出手段を有し、前記温度検出手段の検出する温度が第１の設定値を超えると前記直流電圧源の出力電圧を減じ前記直流電圧源の出力電圧を第２の設定値に制御する高周波加熱装置とすることにより、加熱調理が進行し食品のインピーダンスが大きく変化し主電力増幅器と負荷の整合を維持できなくなり、その結果、インピーダンスの不整合によって主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の発生損失が増加しはじめても、所定の値（第１の設定値）以上になると直流電圧源の出力電圧を第２の設定値に制御する。
【００２１】
したがって、整合状態を維持できなくなった状態であっても、主電力増幅器の出力電力を制御して半導体スイッチ素子の発生損失を低減し、熱的な損傷をなくすとともに、半導体スイッチ素子に印加される電圧はその素子耐圧を越えるような過大な電圧が印加されることを防止でき、主電力増幅器の損傷を未然に防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、温度検出手段の検出する温度が第２の設定値以下になると直流電圧源の出力電圧を定常出力に復帰させる請求項７に記載の高周波加熱装置とすることにより、インピーダンス不整合時には発生損失の増加による熱的な損傷の回避と印加電圧の低減を実現すると同時に、熱的な損傷に対する余裕ができると再び主電力増幅器の出力を所定値に復帰することで、調理時間の無意味な延長を防止することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、第１の設定値と第２の設定値の関係は第１の設定値の方が第２の設定値よりも大きくなるように設定した請求項７または８に記載の高周波加熱装置とすることにより、主電力増幅器の出力電力の制限と復帰に温度幅を持たせることによって主電力増幅器の動作の安定性を向上し、設定値の変更に伴う出力電力の変動を抑え、加熱装置の入力電力のふらつきを軽減することが可能となる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、温度検出手段はサーミスタにて構成し、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の表面に固定した請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、半導体スイッチ素子の温度を確実に計測できるので、半導体スイッチ素子の熱的な損傷を確実に回避することができ、高周波加熱装置の信頼性を向上することが可能となる。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、温度検出手段はサーミスタにて構成し、自立型のパッケージを用いるとともに主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子の近傍の温度を検出し、間接的に前記半導体スイッチ素子の温度を計測する請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、半導体スイッチ素子の温度を容易に計測するとともに、サーミスタは単品で実装することができるのでサーミスタの実装を容易にすることができる。
【００２６】
請求項１２に記載の発明は、温度検出手段はサーミスタにて構成し、前記サーミスタは主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子のソース電位側の導体パターンに一端を接続するとともに、前記導体パターンを伝導する前記半導体スイッチ素子の温度を間接的に計測する請求項７〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、半導体スイッチ素子の温度が導体パターンを伝熱するので、半導体スイッチ素子の温度を容易に計測することができるとともに、サーミスタの実装をその他の回路部品と同様に容易にすることができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における高周波加熱装置を示したものである。
【００２９】
図に示すように、冷凍食品などの被加熱物１は、一対の導体電極２ａ、２ｂを有する電極２に挟み込まれるように載置され、高周波電源３から、例えば食品の解凍に適した１３．５６ＭＨｚや２７．１２ＭＨｚなどの高周波電界を加えられることで誘電加熱される。
【００３０】
高周波電源３は、水晶発振子などによってその発振周波数を決定する発振回路４と、発振回路４の発振出力を一旦数十Ｗ程度に増幅する第１の電力増幅器５と、第１の電力増幅器５の出力電力をさらに電力増幅し被加熱物１の解凍に必要な電力まで増幅する主電力増幅器６と、前記主電力増幅器６の出力を検出する電力検知回路８と、前記主電力増幅器６に直流電圧を供給する直流電圧源７を有している。すなわち、主電力増幅器６の出力電力は電力検知回路８によって検出され、主電力増幅器６に直流電圧を供給する直流電圧源７の出力電圧を帰還制御するように働く。
【００３１】
さらに、電力検知回路８と電極２の間には整合回路９が挿入されており、被加熱物１の形状、種類や電極２ａ、２ｂ間の距離によって電極間のインピーダンスが変化しても高周波電源３とのインピーダンス整合状態を維持するため被加熱物１に効率よく高周波電力を伝達することができるようになっている。
【００３２】
図２は本実施例の高周波加熱装置の具体的な回路構成を示したものである。発振回路４は水晶発振子４０１とロジックＩＣ４０２などから構成されており、水晶発振子４０１の発振周波数で決定される周波数の信号を出力する。この出力信号は第１の電力増幅器５の駆動信号として入力され、駆動回路５０１はこの信号を元に半導体スイッチ素子５０２に駆動信号を与える。半導体スイッチ素子５０２はこの駆動信号によってオンオフ動作を行い、１０Ｗから２０Ｗ程度の電力にまで電力増幅を行っている。
【００３３】
主電力増幅器６は第１の電力増幅器５の出力を駆動回路６０１に駆動用信号として入力され、駆動回路６０１は半導体スイッチ素子６０２に駆動信号としてオンオフ信号を与えている。半導体スイッチ素子６０２はこの駆動信号によってオンオフ制御され共振回路６０３を励振して第１の電力増幅器５の出力電力を被加熱物１の解凍に必要な電力にまで増幅する。主電力増幅器６の出力電力は電力検知回路８に入力され、整合回路９に進行する入射電力Ｐｆと整合回路側から反射してくる反射電力Ｐｒとして検出される。
【００３４】
図３は電力検知回路８の具体的回路の一例である。入力端子ＩＮが主電力増幅器６に接続され、出力端子ＯＵＴは整合回路９に接続される。電流検出トランス８０１の出力と電圧検出用のコンデンサ８０２、８０３の対と８０６、８０７の対によってそれぞれ反射電力と入射電力を検出し、それぞれローパスフィルタ（ＬＰＦ）８０５、８０９によって高周波成分を除去し、それぞれの電力に相関を持った直流電圧Ｐｆ及びＰｒとして電力検出回路８は出力する。
【００３５】
図２に戻り、整合回路９は可変インダクタ９０１及び可変コンデンサ９０２を備えており、電力検知回路８の反射電力Ｐｒが最小となるように可変インダクタ９０１、可変コンデンサ９０２の値を適宜調整し、被加熱物１である食品に主電力増幅器６の出力電力が効率よく伝達するように働く。
【００３６】
直流電圧源７は商用電源１０の電圧を、一旦、整流回路７０１と平滑回路７０２によって整流平滑し、半導体スイッチ素子７０３のオンオフによってトランス７０４を励振して、数十ｋＨｚの高周波電力をトランスに発生する。出力平滑回路７０５はこの高周波電圧を再び直流に整流し、主電力増幅器６に直流電圧を供給する。制御回路７０６は電力検知回路８によって検出される入射電力Ｐｆ及び反射電力Ｐｒをもとに定常出力時は入射電力Ｐｆが略一定となるように直流電圧源７の出力電圧Ｖ７ｏｕｔを制御するように半導体スイッチ素子７０３のオン時間を調整するように働く。
【００３７】
図４は電力検知回路８によって検出される反射電力Ｐｒと、入射電力Ｐｆと反射電力Ｐｒの差で表すことのできる実際に負荷で消費される電力（出力電力）との関係を示したものである。整合回路９によって負荷インピーダンスを整合状態に維持できていると、反射電力Ｐｒは発生せずに（ａ）に示す特性で出力電力によらず常に零近傍の値を示す。しかしながら、インピーダンス整合を維持できなくなると反射電力Ｐｒが生じはじめ、（ｂ）に示す特性となり、出力電力の増加に合わせて反射電力Ｐｒが増加する。このとき、被加熱物１である食品と、主電力増幅器６のインピーダンスの整合が取れていないため、主電力増幅器６で発生した電力が効果的に被加熱物１に伝わらない。このため、結果として、主電力増幅器６の動作効率が低下してしまう。
【００３８】
図５はスミスチャートであり、整合回路９以降の回路のインピーダンスＺとそのときの電力反射の条件を同心円状に表している。整合回路９によってインピーダンス整合が維持されている状態はスミスチャート上で中心に位置し、図５ではＡ点で示される。Ａ点を中心とした２つの同心円はそれぞれ、電力反射係数が０．２（ＳＷＲ＝１．５）と０．３３（ＳＷＲ＝２．０）の条件を示したものである。また、同じ電力反射係数であってもインピーダンスの条件は抵抗成分とリアクタンス成分の組み合わせによって様々な条件が存在する。図５中Ｂ点、及びＣ点はぞれぞれ代表的な値として以下の条件のインピーダンスを示している。
【００３９】
Ｂ点：電力反射係数  ０．３３３  インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ＝１００Ω＋ｊ０Ω
Ｃ点：電力反射係数  ０．３３３  インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ＝２５Ω＋ｊ０Ω
図６は、図５のＡ、Ｂ、Ｃ点のそれぞれのインピーダンスでの主電力増幅器６に備えられた半導体スイッチ素子６０２の印加電圧波形を示した。インピーダンス整合が維持できているＡ点では印加電圧が低く、良好なスイッチング動作を実現しているが、例えば、Ｂ点側にインピーダンスの条件がずれると整合状態よりも半導体スイッチ素子６０２の印家電圧としては低下する。しかし、半導体スイッチング素子６０２がターンオンする際に電圧が印加されたままターンオンする動作となり、スイッチング損失が大幅に増加する。
【００４０】
また、逆にＣ点側にインピーダンスが変動すると、今度は半導体スイッチ素子６０２の印加電圧が高くなり、半導体スイッチ素子６０２の耐電圧に対する余裕度が少なくなってしまう。
【００４１】
図７は本発明の実施例における高周波加熱装置において直流電圧源７の出力電圧と電力検知回路８によって検出される入射電力Ｐｆと反射電力Ｐｒの差である出力電力の関係を示している。インピーダンス整合が維持されている状態では、７−ａの関係を示し、定常出力を出しているので直流電圧源７も定常出力値の直流電圧を示し、その関係は（ａ）点で表すことができる。
【００４２】
しかしながら、インピーダンス整合が維持できない条件になってくると、出力電力と直流電圧源７の出力電圧の関係は７−ｂ、７−ｃの関係となる。７−ｂの関係は図５においてＢ点側にインピーダンスがずれた場合であり、７−ｃの関係は図５においてＣ点側にインピーダンスがずれた場合である。
【００４３】
すでに述べているように、いずれの点にインピーダンスがずれても主電力増幅器６の半導体スイッチ素子６０２でのスイッチング損失増加や素子耐圧に対する余裕度の低下を招き、高周波加熱装置の信頼性を損なってしまう可能性があるが、本実施例の直流電圧源７においては、反射電力Ｐｒが増加し、インピーダンス整合が維持されなくなると、直流電圧源７の出力電圧を定常出力値よりも低い第２の設定値にその出力電圧を制御するように動作する。この結果、その出力電力は定常出力値よりも低い（ｂ）点あるいは（ｃ）点の値に制御される。
【００４４】
従って、半導体スイッチ素子６０２のスイッチング損失も同時に低下するので、特に図５の（Ｃ）点側にインピーダンスがずれたときでも定常出力時よりも半導体スイッチ素子６０２の発熱が少なく、より安全性の高い動作を実現することができる。
【００４５】
また、図８は出力電力と半導体スイッチ素子６０２の印加電圧の関係を示したものである。反射電力の増加によって第２の設定値に直流電圧源７の出力電圧が制限されると、これと同時に出力も低下するので、半導体スイッチ素子６０２の印加電圧も同時に低下する。この結果、例えば、インピーダンスが図５の（Ｃ）点側にずれて半導体スイッチ素子６０２の印加電圧が上昇する傾向を示しても、出力電力が低下するので、結果として半導体スイッチ素子６０２の印加電圧は定常出力時よりも低い値に制御され、その素子耐圧を超える動作にはならないので信頼性の高い高周波加熱装置を実現することができる。
【００４６】
ここまでは反射電力Ｐｒによって直流電圧源７の出力電圧を第２の設定値に制御を変える例について説明したが、入射電力Ｐｆと反射電力Ｐｒの差である出力電力あるいは入射電力Ｐｆが第２の設定値になるように直流電圧源７の出力電圧を負帰還制御するように構成しても同様の効果を得ることができる。また、特に出力電力を第２の設定値になるように、直流電圧源７の出力電圧を制御する場合、整合回路９での損失を無視すると出力電力と被加熱物１で消費される電力は等しくなるので、加熱調理時に第２の設定値に制御値を変更すると加熱の時間を長くすることで加熱調理の仕上がりを安定にし、また、加熱時間の延長を装置が自動判定することによって装置の使用者が加熱時間を再度入力、調整するという手間を簡略化することが容易にできるという効果を有する。
【００４７】
（実施例２）
図９は本発明の実施例２における高周波加熱装置の具体的回路を示したものである。実施例１と同一符号を付した構成要素は同一の回路動作を行うものであり、説明は省略する。
【００４８】
本実施例において、実施例１との相違点は、主電力増幅器６に半導体スイッチ素子６０２の電圧を検出するドレーン電圧検出手段６０４が設けられており、半導体スイッチ素子６０２の印加電圧を検出し、その検出信号を用いて直流電圧源７を制御するように構成していることである。
【００４９】
図１０は主電力増幅器６の出力電力と半導体スイッチ素子６０２の印加電圧の関係を示した。整合回路９によってインピーダンスの整合が維持されている状態では、１０−ａに示す特性で定常出力時において半導体スイッチ素子６０２の素子耐圧を超えるような電圧が印加されることは無い。しかしながら、インピーダンスの整合がずれると、例えば、１０−ｃのように特性が変化し、同じ出力電力でも半導体スイッチ素子６０２の印加電圧が高くなることがある。この場合、本実施例の高周波加熱装置においては、ドレーン電圧検出手段６０４によって所定の値以上にならないように直流電圧源７の出力電圧を制限し、その結果、出力電力を制限するので半導体スイッチ素子６０２に印加する電圧が、その素子耐圧を超えることが無く、非常に信頼性の高い高周波加熱装置を実現することができる。
【００５０】
（実施例３）
図１１は本発明の実施例３における高周波加熱装置の主電力増幅器６の出力電力と半導体スイッチ素子６０２の印加電圧の関係を示したものである。具体的回路は図９と同じである。
【００５１】
本実施例において、インピーダンス整合が維持できている状態では、１２−ａに示す特性で定常出力時において半導体スイッチ素子６０２の耐圧を超えるような電圧が印加されることはない。この特性に対して所定の値以上及び以下にそれぞれ第１、第２の閾値を設けている。例えば、インピーダンス整合が維持できなくなり、出力電力の特性が１２−ｂ側に変化しはじめ、第１の閾値に到達すると、直流電圧源７はその出力電圧を低減し、主電力増幅器６の出力電力を低下させるように働く。例えば、主電力増幅器６の出力から見た負荷インピーダンスがずれて出力電力の特性が１２−ｂの関係となったとき、本実施例の高周波加熱装置の出力電力は（ｂ）点で示される値に制御される。
【００５２】
また、逆に１２−ｃ側にインピーダンスがずれた場合も同様に出力電力の特性が第２の閾値に到達し、最終的に１２−ｃの関係となると高周波加熱装置の出力電力は（ｃ）点で示される値に制御されることになり、いずれの場合も半導体スイッチ素子６０２に印加する電圧は定常出力時よりも低い値で制御することができるので、半導体スイッチ素子６０２の素子耐圧を超えるような電圧が印加されること無く、信頼性の高い高周波加熱装置を実現することができる。
【００５３】
また、半導体スイッチ素子６０２の印加電圧が第１あるいは第２の閾値によって制限されると、それと同時に出力電力も低下するため、半導体スイッチ素子６０２の発生損失も低く押さえることができ、熱的損傷も未然に防ぐことが可能となる。
【００５４】
（実施例４）
図１２は本発明の実施例４における高周波加熱装置の主電力増幅器の具体的回路を示したものである。実施例１と同一符号を付した構成要素は同じ回路機能を果たすものであり、説明は省略する。
【００５５】
本実施例において、実施例１との相違点は、主電力増幅器６には半導体スイッチ素子６０２の温度を検出する温度検出手段６０５が設けられており、半導体スイッチ素子６０２の温度を常時検出し、図９と同様に、直流電圧源７の制御回路７０６にその情報を伝達していることである。
【００５６】
図１３は半導体スイッチ素子６０２の温度と出力電力の時間変化を示しているが、加熱をはじめてからしばらくして整合回路９が整合状態を維持できなくなると、半導体スイッチ素子６０２の損失が増加するため安定状態よりも高い温度になってしまうが、温度検出手段６０５によって半導体スイッチ素子６０２の温度を検出し、その温度が閾値Ｔ１を時刻ｔ１にて越えると、直流電圧源７は主電力増幅器６の出力電力が定常出力Ｐ１よりも低いＰ２の値となるようにその出力電圧を低下させる。このとき、出力電力は低下するので同時に半導体スイッチ素子６０２の発生損失も低下し、素子の温度は低下をはじめる。そして、温度がＴ２まで低下すると熱的な余裕度が大きくなるので出力電力を再びＰ１に戻す。このとき、整合回路９によって再び整合状態が復元されていると安定な出力を行うことができる。
【００５７】
また、整合状態が復元されていなくても、図示していないが半導体スイッチ素子６０２の温度がＴ１を超えると、出力電力をＰ２に減ずることによって半導体スイッチ素子６０２の熱的な損傷を防ぐことができる。
【００５８】
図１４、図１５は温度検出手段６０５を放熱器に半導体スイッチ素子６０２と共締め構成を表したものであり、半導体スイッチ素子６０２の素子表面に温度検出手段６０５を固定できるので、確実に半導体スイッチ素子６０２の温度を検出することができる。特に、図１５では半導体スイッチ素子６０２と温度検出手段６０５を同一のビスで一度に組立てる構成を示しており、工程の簡略化を図ることが可能となる。
【００５９】
図１６は半導体スイッチ素子６０２の近傍に温度検出手段６０５を自立させ、半導体スイッチ素子６０２の周囲温度を検出することで、間接的に半導体スイッチ素子６０２の温度を推定する構成を示している。
【００６０】
図１７は温度検出手段６０５の素子の一端を半導体スイッチ素子６０２のソース電位の導体と接続する構成を示した。このとき半導体スイッチ素子６０２の温度はソース電位の導体を伝導するため、温度検出手段６０５を半導体スイッチ素子６０２の直近に配置することで、正確に半導体スイッチ素子６０２の温度を推定することが可能となる。また、部品実装においては汎用の抵抗などと同じように機械実装することができるので、実装の容易性、工程の簡略化をあわせて実現することが可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高周波加熱装置によれば、主電力増幅器との整合状態が維持できなくなっても、直流電圧源の出力電圧を減じることで、主電力増幅器の出力電力を制御するため、主電力増幅器に備えられた半導体スイッチ素子に印加される電圧を抑制することができ、半導体スイッチ素子の電圧ストレス及び熱的なストレスを軽減し、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における高周波加熱装置を示すブロック図
【図２】同高周波加熱装置の具体的な回路図
【図３】同高周波加熱装置の電力検知回路の一例を示す回路図
【図４】同高周波加熱装置の出力電力と反射電力の関係を示す図
【図５】同高周波加熱装置の出力インピーダンスをスミスチャートに示した図
【図６】同高周波加熱装置の動作波形図
【図７】同高周波加熱装置の直流電圧源の出力電圧と主電力増幅器の出力電力の関係を示す図
【図８】同高周波加熱装置の出力電力と半導体スイッチ素子の印加電圧の関係を示す図
【図９】本発明の実施例２における高周波加熱装置を示す回路図
【図１０】同高周波加熱装置の出力電力と半導体スイッチ素子の印加電圧の関係を示す図
【図１１】本発明の実施例３における高周波加熱装置の出力電力と半導体スイッチ素子の印加電圧の関係を示す図
【図１２】本発明の実施例４における高周波加熱装置の主電力増幅器を示す回路図
【図１３】同高周波加熱装置の半導体スイッチ素子の温度及び出力電力を示すタイムチャート
【図１４】同高周波加熱装置における温度検出手段を半導体スイッチ素子に固定した状態を示す斜視図
【図１５】同高周波加熱装置における温度検出手段及び半導体スイッチ素子の組立て状態を示す斜視図
【図１６】同高周波加熱装置において温度検知手段を自立形にて構成した斜視図
【図１７】同高周波加熱装置において温度検出手段をソース電位側に接続した例を示した回路図
【符号の説明】
１  被加熱物
２  電極
３  高周波電源
４  発振回路
５  第１の電力増幅器
６  主電力増幅器
７  直流電圧源
８  電力検知回路
９  整合回路
６０４  ドレーン電圧検出手段
６０５  温度検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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