(57)【要約】【課題】  高周波の導波路と被照射体の流路を一体化し小型化可能にする。【解決手段】  高周波照射構造１は、導波路２と、導波路内に設けられた、被照射体を収容する中空部３と、導波路外から中空部３へ被照射体を導入し又は中空部３から導波路外へ被照射体を排出する少なくとも１本の流路４とを備えている。導波路２は、その高さ方向に間隔をおいて対峙する２つの接地導体面２ａと、導波路２の幅方向に間隔をおいて対峙するとともに、両接地導体面２ａを電気的に接続する２つの接地導体側部２ｂとにより形成されている。接地導体側部２ｂは、導波路２の長さ方向における全部又は一部が、導波路２の長さ方向に列設された複数の接地導体ポスト１５により構成され、導波路２の長さ方向における残りの部分が、導波路２の長さ方向に延びる接地導体壁により構成されている。流路４は、接地導体ポスト１５同士の隙間を経由して中空部３に連通するように形成されている。【選択図】      図２
2012111804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射体に照射するための高周波を伝送する導波路と、
該導波路内に設けられており、該被照射体を収容する中空部と、
該導波路外から該中空部へ該被照射体を導入し、又は、該中空部から該導波路外へ被照射体を排出する少なくとも１本の流路とを備え、
前記導波路は、該導波路の高さ方向に間隔をおいて対峙する２つの接地導体面と、該導波路の幅方向に間隔をおいて対峙するとともに、該両接地導体面を電気的に接続する２つの接地導体側部とにより形成されており、
前記接地導体側部は、前記導波路の長さ方向における全部又は一部が、該導波路の長さ方向に列設された複数の接地導体ポストにより構成され、該導波路の長さ方向における残りの部分が、該導波路の長さ方向に延びる接地導体壁により構成されており、
前記流路は、該接地導体ポスト同士の隙間を経由して前記中空部に連通するように形成されている高周波照射構造。
【請求項２】
複数本の前記流路を備えており、該複数本のうちの一部の該流路を前記被照射体の導入用に、残りの該流路を前記被照射体の排出用に、それぞれ利用するように構成された請求項１記載の高周波照射構造。
【請求項３】
前記流路は、前記被照射体の導入用及び排出用に共通利用するように構成された請求項１記載の高周波照射構造。
【請求項４】
前記２つの接地導体面の間は、前記中空部及び前記流路以外の部分が固体の誘電体で満たされた請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波照射構造。
【請求項５】
前記２つの接地導体面の間は、前記中空部及び前記流路以外の部分が流体の誘電体で満たされており、
前記中空部は、固体の誘電体からなる管内又は容器内に形成されており、
前記流路は、固体の誘電体からなる管内に形成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波照射構造。
【請求項６】
前記被照射体に照射するための高周波は、動作帯域２４ＧＨｚ帯である請求項１〜５のいずれか一項に記載の高周波照射構造。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の高周波照射構造を用いて前記被照射体を加熱するように構成された流路構造体。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の高周波照射構造を用いて前記被照射体に化学反応を起こさせるように構成された流路構造体。
【請求項９】
請求項７に記載の流路構造体を備えた高周波照射装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の流路構造体を備えた高周波照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波を照射することにより被照射体を加熱したり、被照射体に化学反応を起こさせたりするための高周波照射構造、流路構造体及び高周波照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再加熱調理器として一般に用いられている電子レンジは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を庫内に照射して食品を温める。これは、マイクロ波による水の誘電加熱を基本原理に利用したものであるが、マイクロ波には有機化学合成などの分子・物質合成を瞬間的に達成する熱触媒効果がある。現在、このようなマイクロ波化学反応およびそのシステムに関する研究が盛んに行われている。マイクロ波を照射することで，水やエチレングリコールなどの溶媒を急速に昇温できることが知られており、特にグリセリンや水などの比誘電率の高い溶媒については、スーパーヒーティングと呼ばれる沸点以上に加熱された状態も得られる。【０００３】
具体的な物質合成の例としては，アルケン類の合成が従来法では１８時間かかるのに対し、マイクロ波照射では１．５分や、最近話題となったパラジウム触媒Suzuki カップリングも従来法１５分に対し、マイクロ波照射では５０秒という報告がある。【０００４】
従来、この種のマイクロ波の照射は、電子レンジを改造して庫内に試験管などを直接挿入した合成装置や、２．４５ＧＨｚ導波管型合成装置で行われている。【０００５】
また、従来の高周波照射構造として、特許文献１に記載されたマイクロ波加熱装置の構造を例示する。このマイクロ波加熱装置は、図１９に示すように、両端が短絡板５２で塞がれたＴＥ１０モードを伝送する導波管５１と、この導波管長辺の中心内壁面側に設けた整合素子５３と、導波管５１の一端に設けられマイクロ波エネルギーを供給するマグネトロン５４と、前記導波管５１の一方端側に導波管の長辺上，下の中心で長辺上下壁面を貫通して設けられた円筒管５５と、前記円筒管５５内を自在に流れる液体状負荷５６とを具備したものである。マグネトロン５４で発生したマイクロ波エネルギーは、アンテナ５４′で導波管５１内に放射されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２２６５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、必要なときに必要な場所でオンチップ即ち、チップサイズの化学プラントで少量薬品を合成することや、ＤＮＡ・たんぱく質の分析など行うオンチップマイクロ化学が商業利用されている。上述のマイクロ波熱触媒効果による迅速な分子・物質合成方法をチップサイズで実現することができれば、種々のマイクロ化学チップの一形態としてマイクロ波化学反応を利用していくことができると考えられる。【０００８】
しかし、従来の高周波照射構造は、電子レンジや導波管を用いているためにサイズが大きく、チップサイズまでの小型化は不可能であった。しかも、サイズが大きいために高出力の高周波源が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
マイクロ波・ミリ波工学の領域においては、近年、密に並べた金属ポスト列で壁面を形成した導波路が提案されている。このような導波路は、ポスト壁導波路やＳＩＷ（Substrate Integrated Waveguide）として特にミリ波帯での応用が期待でき、アンテナ給電部や９０度ハイブリッド回路などが報告されている。本導波路は、上下面をグランドとする平行平板間に金属柱（ポスト）を連続的に配置することで回路パターンを実現することができる。金属柱は、基板等に設けたスルーホールに金属メッキを施せば実現できることから、ミリ波帯の回路素子が低コストで製作できるという利点を持つ。本願発明者はこれまで、ポスト壁導波路の解析法の提案や方向性結合器などのポスト壁導波路回路の設計に関する研究を行っていた。ポスト壁導波路は、金属柱の間隔を適切に選べば、電磁界エネルギーは導波路の外へ漏れることなく伝搬する。そして、ポスト壁導波路は、金属柱と金属柱の間が空いており、導波路内部と外部が繋がっている構造である。以上のことを背景として、本願発明者は、ポスト壁導波路の隙間に流路を設けて水や他の溶媒を連続的に流し込み、ポスト壁導波路内部でマイクロ波加熱する構造を思い付くに至った。【００１０】
上記課題を解決するために、第１の発明の高周波照射構造は、
被照射体に照射するための高周波を伝送する導波路と、
該導波路内に設けられており、該被照射体を収容する中空部と、
該導波路外から該中空部へ該被照射体を導入し、又は、該中空部から該導波路外へ被照射体を排出する少なくとも１本の流路とを備え、
前記導波路は、該導波路の高さ方向に間隔をおいて対峙する２つの接地導体面と、該導波路の幅方向に間隔をおいて対峙するとともに、該両接地導体面を電気的に接続する２つの接地導体側部とにより形成されており、
前記接地導体側部は、前記導波路の長さ方向における全部又は一部が、該導波路の長さ方向に列設された複数の接地導体ポストにより構成され、該導波路の長さ方向における残りの部分が、該導波路の長さ方向に延びる接地導体壁により構成されており、
前記流路は、該接地導体ポスト同士の隙間を経由して前記中空部に連通するように形成されている。【００１１】
ここで、前記接地導体面としては、特に限定されないが、導体膜、導体箔、導体板、導体壁等により形成されるものを例示する。
前記接地導体ポストの構造としては、特に限定されないが、柱体、筒体などからなるものを例示する。前記接地導体ポストの形状としては、特に限定されないが、円柱形、角柱形とすることを例示する。前記複数の接地導体ポスト（以下「接地導体ポスト列」という。）の構成としては、同一構造及び同一形状の前記接地導体ポストを列設したものに限定されず、異なる構造及び／又は異なる形状の前記接地導体ポストを列設したものとすることもできる。
前記接地導体壁は、前記導波路の長さ方向における一部が前記複数の接地導体ポストにより構成されている場合に設けられるものであり、前記導波路の長さ方向における全部が前記複数の接地導体ポストにより構成されている場合には設けられない。前記接地導体壁としては、特に限定されないが、導体膜、導体箔、導体板、導体壁等により形成されるものを例示する。
また、前記被照射体としては、特に限定されないが、気体、液体、粉体、粒体、エマルションなどのものを例示する。
また、前記導波路は、前記中空部及び前記流路が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成する。この構成としては、前記中空部及び前記流路に前記被照射体が充満しているときに遮断周波数以下にならないようにすることが好ましい。【００１２】
この構成によれば、前記導波路内に前記中空部を設けるとともに、前記接地導体側部における前記接地導体ポストの隙間を経由させて該中空部に連通する流路を設けることで、高周波を該導波路内に閉じこめた状態を達成しながら、前記被照射体に高周波の連続照射が可能な構造となる。これにより高周波の導波路と被照射体の流路を一体化した小型の高周波照射構造が実現できる。また、小型化できるので、被照射体（例えば、水や他の溶媒）が少量となり、低出力の高周波源を用いることができる。【００１３】
第２の発明の高周波照射構造としては、前記第１の発明において、
複数本の前記流路を備えており、該複数本のうちの一部の該流路を前記被照射体の導入用に、残りの該流路を前記被照射体の排出用に、それぞれ利用するように構成された態様を例示する。【００１４】
この構成によれば、前記中空部を前記被照射体が流れる道筋として用いることにより、前記導入用の流路から前記中空部を経て前記排出用の流路に向けて、前記被照射体を連続的に流しながら効率よく高周波を照射することができる。【００１５】
第３の発明の高周波照射構造としては、前記第１の発明において、
前記流路は、前記被照射体の導入用及び排出用に共通利用するように構成された態様を例示する。【００１６】
この構成によれば、前記中空部を、前記被照射体を留める容器として用いることにより、該中空部に前記被照射体を留めた状態で高周波を照射することができる。【００１７】
第４の発明の高周波照射構造としては、前記第１〜３のいずれかの発明において、
前記２つの接地導体面の間は、前記中空部及び前記流路以外の部分が固体の誘電体で満たされた態様を例示する。【００１８】
第５の発明の高周波照射構造としては、前記第１〜３のいずれかの発明において、
前記２つの接地導体面の間は、前記中空部及び前記流路以外の部分が流体の誘電体で満たされており、
前記中空部は、固体の誘電体からなる管内又は容器内に形成されており、
前記流路は、固体の誘電体からなる管内に形成された態様を例示する。【００１９】
前記流体とは、気体、液体、粉粒体、又はこれらの組み合わせからなるものをいう。【００２０】
第６の発明の高周波照射構造としては、前記第１〜５のいずれかの発明において、
前記被照射体に照射するための高周波は、動作帯域２４ＧＨｚ帯である態様を例示する。【００２１】
前記動作帯域２４ＧＨｚ帯とは、国際電気通信連合(ITU :
International Telecommunication Union)の無線通信規則（RR：Radio Regulations)５．１５０に規定された２４〜２４．２５ＧＨｚ（中心周波数２４．１２５ＧＨｚ）の周波数帯をいう。【００２２】
また、第７の発明の流路構造体は、前記第１〜６のいずれかの発明の高周波照射構造を用いて前記被照射体を加熱するように構成されている。【００２３】
また、第８の発明の流路構造体は、前記第１〜６のいずれかの発明の高周波照射構造を用いて前記被照射体に化学反応を起こさせるように構成されている。【００２４】
第７及び８の発明の流路構造体によれば、前記高周波照射構造と同様の効果が得られる。これらの流路構造体は、高周波の導波路と被照射体の流路を一体化した前記高周波照射構造を備えており、チップサイズまでの小型化が可能になっているので、微小空間（一般的には、一辺あたりおよそ１ｍｍ以下の空間）で高周波の照射を行うためのマイクロ流路構造体としても実施することもできる。【００２５】
また、第９の発明の高周波照射装置は、前記第７の発明の流路構造体を備えている。【００２６】
また、第１０の発明の高周波照射装置は、前記第８の発明の流路構造体を備えている。【００２７】
第９及び第１０の発明の高周波照射装置によっても、前記流路構造体と同様の効果が得られる。これらの高周波照射装置は、前記マイクロ流路構造体を備えたマイクロ高周波照射装置としても実施することもできる。【００２８】
以上において、高周波照射構造としては、
前記導波路の高さｈが２分の１波長以下であり、
前記導波路の長さ方向における前記接地導体ポストの幅ｐｌが２分の１波長以下であり、
前記導波路の幅方向における前記接地導体ポストの幅ｐｗが２分の１波長以下であり、
前記接地導体ポストの間隔ｓ＝ｐｇ＋ｐｌ(ただし前記接地導体ポストが半径ｒの円柱形の場合ｐｌ＝ｐｗ＝２ｒ、ｓ＝ｐｇ＋２ｒ)が２０分の１波長〜２分の１波長＋ｐｇであり、
前記導波路の幅ａf（接地導体ポストの場合は、原則として、その中心にａfの端を採り、接地導体壁の場合は、その内面にａfの端を採る。）が２分の１波長以上であるという条件を満たした態様を例示する。
この条件は、前記高周波照射構造の電気的・物理的制限を表したものであり、前記高周波照射構造に対して前記流路及び前記中空部を後述する具体的な形態で設けることが可能な範囲で適用する必要がある。【００２９】
ここで、前記導波路の高さｈを前記のようにした理由は、該高さｈが２分の１波長を超えると、前記導波路の伝送モードがTE10モードでなくなってしまうため(TE01、TE11モードなど不都合なモードが発生するため)である。また、前記導波路の幅方向における前記接地導体ポストの幅ｐｗを前記のようにした理由は、前記導波路の幅ａfは２分の１波長以上が選ばれるが、このａfが２分の１波長の場合に対しては、ｐｗを前記のようにしていないと、前記導波路の幅方向の両側に２本の前記接地導体ポストを配置する構成を採用する場合にこれらを物理的に配置できないためである。また、前記接地導体ポストの間隔ｓを前記のようにした理由は、通常、ｐｇを１０分の１波長程度の間隔にすれば電磁波が外へ漏れないが、より確実に漏れなくする条件を加えて，ｓとしては２０分の１波長を下限、前記接地導体ポスト列の列長方向における前記接地導体ポストの幅ｐｌの最大値を前述のように２分の１波長としているので、これを考慮して上限を２分の１波長＋ｐｇにしているからである。また、前記導波路の幅ａfを前記のようにした理由は、この幅が２分の１波長以上でなければ、前記導波路の伝送モードTE10モードが伝送できないため(２分の１波長未満で前記導波路が遮断状態になるため)である。【００３０】
また、前記流路の具体的な形態としては、次のようにすることを例示する。
（１）前記流路は、前記接地導体ポスト同士の隙間を経由して前記ポスト壁導波路に入出力されるため、該隙間における横幅は、該隙間より狭いものになるが、それ以外の部分については、この横幅に限らない。
（２）前記流路の高さｇhは、例えば前記流路の横幅ｇwと同じ値で構わないが、流量を勘案して前記導波路の高さｈまでの範囲で任意で設定可能である。前記流路の高さ方向における配置位置は、例えば、前記導波路の高さｈの２分の１や、一方又は両方の前記接地導体面に接する位置など任意に設定可能である。
（３）前記流路の横断面の形状としては、特に限定されないが、例えば、円形や多角形などの任意の形状にすることができる。【００３１】
また、前記中空部の具体的な形態としては、次のようにすることを例示する。
（１）前記中空部のサイズとしては、前記導波路の長さ方向における前記中空部が存在している範囲において、該範囲全体の体積に対する該中空部の体積の比が４分の１程度までであれば実用可能である。この実用可能なサイズは、本願発明者が実際に試作した前記中空部のサイズおよび実用的な該中空部のサイズを勘案しつつ、それほど大きく伝送モードに影響を与えないと考えられるものを選んだものである。従って、この実用可能なサイズは経験的な目安として示した数値であるため、個々の場合に応じて、前記導波路が遮断状態とらないか計算する必要がある。
（２）前記中空部は、前記導波路の幅方向の中央のところに配置することが好ましい。これは、この中央のところで電界が最も強くなるためである。
（３）前記中空部の高さ及び該高さ方向における配設位置は、前記流路の高さと同様に設定可能である。
（４）前記中空部の形状としては、特に限定されないが、例えば、直線、直角曲がり、蛇行線、円形曲がり、方形空洞、円形空洞、及びこれらの組み合わせの形状で構成される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る高周波照射構造、流路構造体及び高周波照射装置によれば、高周波の導波路と被照射体の流路を一体化することができ、小型化できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を具体化した第一実施形態に係る高周波照射装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同高周波照射装置におけるポスト壁導波路による高周波照射構造を備えた流路構造体の概略斜視図である。
【図３】同高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図４】同高周波照射構造の第一の変更例に係るポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図５】同高周波照射構造の第二の変更例に係るポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図６】同高周波照射構造の第三の変更例に係るポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図７】同高周波照射構造の第四の変更例に係るポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図８】同高周波照射構造の温度上昇のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】同高周波照射構造の試作品を示す写真である。
【図１０】図９の試作品で水の昇温実験を行った結果を示すグラフである。
【図１１】図９の試作品でエタノール(99.5)の昇温実験を行った結果を示すグラフである。
【図１２】本発明を具体化した第二実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１３】本発明を具体化した第三実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１４】本発明を具体化した第四実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１５】本発明を具体化した第五実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１６】本発明を具体化した第六実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造のポスト壁導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１７】本発明を具体化した第七実施形態に係る高周波照射構造の導波路と中空部及び流路との位置関係を示す平面図である。
【図１８】本発明を具体化した第八実施形態に係るポスト壁導波路による高周波照射構造を備えた流路構造体の概略斜視図である。
【図１９】従来のマイクロ波加熱装置の要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１〜図１１は本発明を具体化した第一実施形態の高周波照射構造１、流路構造体９、及び高周波照射装置１０を示している。
【００３５】
高周波照射装置１０は、図１に示すように、マイクロ波発振器としての２４ＧＨｚ発振器６と、該発振器６から出力される信号を増幅するパワーアンプ７と、該パワーアンプ７により増幅された信号を流路構造体９に対する一方向にのみ伝送するアイソレータ８と、該アイソレータ８を介して入力されたマイクロ波を被照射体に照射する流路構造体９とを備えている。本例の高周波照射装置１０は、被照射体に応じて照射するマイクロ波の強度をパワーアンプ７で適宜調節することにより、被照射体を加熱したり、被照射体に化学反応を起こさせたりすることができるように構成されている。
【００３６】
流路構造体９は、図２に示すように、ポスト壁導波路２による高周波照射構造１を備えている。この流路構造体９は、高周波をポスト壁導波路２の長さ方向の一端側から入力し、他端側から出力することにより、ポスト壁導波路内の被照射体に対して高周波を照射するように構成されている。
【００３７】
高周波照射構造１は、図２に示すように、被照射体に照射するための高周波を伝送する導波路としてのポスト壁導波路２と、該ポスト壁導波路２内に設けられており、該被照射体を収容する中空部３と、該ポスト壁導波路外から該中空部３へ該被照射体を導入し、又は、該中空部３から該ポスト壁導波路外へ被照射体を排出する複数本の流路４とを備えている。
【００３８】
ポスト壁導波路２は、誘電体層１２の両面に接地導体層１３が積層されてなる誘電体基板１１を備えている。誘電体基板１１には、接地導体ポスト列１４が２列配置されている。各接地導体ポスト列１４は、誘電体層１２を貫通し両面の接地導体層１３間を接続する接地導体ポスト１５が複数列設されてなっている。
このように、前記両面の接地導体層１３は、本例の導波路２の高さ方向に間隔をおいて対峙する２つの接地導体面２ａ，２ａを形成している。また、前記２列の接地導体ポスト列１４は、本例の導波路２の幅方向に間隔をおいて対峙するとともに、両接地導体面２ａ，２ａを電気的に接続する２つの接地導体側部２ｂ，２ｂを構成している。そして、各接地導体ポスト列１４は、本例の導波路２の長さ方向に列設された複数の接地導体ポスト１５により構成されている。
【００３９】
誘電体層１２は、比誘電率εrの誘電体からなり、厚さｈに形成されている。接地導体ポスト１５は、半径ｒの接地された金属ポストからなっており、間隔ｓで配置され、接地導体ポスト列１４をなしている。２列の接地導体ポスト列１４は、間隔ａfをおいて平行に配置されている。誘電体基板１１の両面の接地導体層１３，１３は、接地された金属膜からなっている。
【００４０】
本例のポスト壁導波路２は、誘電体層１２の厚さｈが２分の１波長以下であり、接地導体ポスト列１４の列長方向における接地導体ポスト１５の幅ｐｌ（本例では、接地地導体ポスト１５の直径２ｒ）が２分の１波長以下であり、接地導体ポスト列１４の列幅方向における接地導体ポスト１５の幅ｐｗ（本例では、接地地導体ポスト１５の直径２ｒ）が２分の１波長以下であり、接地導体ポスト１５の間隔ｓが２０分の１波長〜４分の１波長であり、２列の接地導体ポスト列１４の間隔ａfが２分の１波長以上にされており、中空部３及び流路４が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成されている。なお、接地導体ポスト１５の形状は円柱に限定されず、角柱にすることも可能である。
【００４１】
中空部３は、誘電体層１２における２列の接地導体ポスト列１４の間に設けられている。流路４は、誘電体層１２における接地導体ポスト１５同士の隙間を経由して中空部３に連通するように形成されている。本例では、図２に示すように、複数本の流路４を備えており、該複数本のうちの一部の該流路４を前記被照射体の導入用に、残りの該流路４を前記被照射体の排出用に、それぞれ利用するように構成されており、中空部３を前記被照射体が流れる道筋として用いるようになっている。
【００４２】
流路４の具体的な形態としては、次のようにすることを例示する。
（１）流路４は、接地導体ポスト１５同士の隙間（接地導体ポスト１５の配置間隔ｓ−2×接地導体ポスト１５の半径ｒ）を経由してポスト壁導波路２に入出力されるため、該隙間における流路４の横幅ｇwは、該隙間より狭いものになるが、それ以外の部分については、この横幅に限らない。
（２）流路４の高さｇhは、例えば流路４の横幅ｇwと同じ値で構わないが、流量を勘案してポスト壁導波路２の高さ（誘電体層１２の厚さｈ）までの範囲で任意で設定可能である。流路４の高さ方向における配置位置は、例えば、ポスト壁導波路２の高さの２分の１や、一方面又は両面の接地導体層１３に接する位置など任意に設定可能である。
（３）流路４の横断面の形状としては、特に限定されないが、例えば、円形や多角形などの任意の形状にすることができる。図２は、流路４の横断面の形状が正方形に形成された場合を例示している。
【００４３】
中空部３の具体的な形態としては、次のようにすることを例示する。
（１）中空部３の横幅については、図２のように、中空部３の横断面がポスト壁導波路２の長さ方向において一定形状に形成されている場合は、基本的に流路４の横幅と同じ値を用いればよいが、８分の１波長程度までであれば実用可能である。
（２）中空部３は、２列の接地導体ポスト列１４内における列幅方向の中央（ａf／２）のところに配置することが好ましい。これは、この中央のところで電界が最も強くなるためである。
（３）中空部３の高さ及び該高さ方向における配設位置は、流路４の高さと同様に設定可能である。
（４）中空部３の形状としては、例えば、直線、直角曲がり、蛇行線、円形曲がり、方形空洞、円形空洞、及びこれらの組み合わせの形状で構成される。図２は、中空部３の形状が直線形状に形成された場合を例示している。
【００４４】
図３〜図７は、本例の高周波照射構造１の具体的な構成例を示している。図３は、図２に対応しており、中空部３を直線の形状で構成し、該中空部３の両端にそれぞれ流路４，４を設けた構成例である。本例では、両流路４，４をいずれも一方の接地導体ポスト列１４と交差するように設けている。図４は、図３の構成例に対し、両流路４，４を各々が両接地導体ポスト列１４と交差するように設けた構成例である。図５は、図４の構成例に対し、中空部３の両端の流路４をそれぞれ２本ずつにした構成例である。このように構成する場合は、２本の流路４の横断面積の合計値が、中空部３の横断面積と等しくなるように構成すると、被照射体をスムーズに流すことができる。図６は、図３の構成に対し、接地導体ポスト列１４及び流路４の交差部におけるポスト壁導波路２の外側且つ流路４の両側に、該流路４に沿って接地導体ポスト１５を追加的に列設した構成例である。これにより、中空部３及び流路４に誘電率の高い被照射体を流した場合に、該交差部から高周波が漏れることを防止するようにしている。図７は、図３の構成に対し、前記交差部における流路４の両側の接地導体ポスト１５を、ポスト壁導波路２の外側へ、流路４の両側に沿って延びる角柱形状に形成した構成例である。この構成によっても、図６と同様の効果が得られる。
【００４５】
図８は、本発明の高周波照射構造に２４．１５ＧＨｚの高周波信号０．７Ｗを入力した場合に生じる温度上昇のシミュレーション結果を示している。ポスト壁導波路２は、２４ＧＨｚ帯で動作するよう設計されている。中空部３及び流路４には被照射体としての水（約２０℃）が充填されており、静止状態となっている。接地導体ポスト１５は、径２ｒが０．７３ｍｍ、配置間隔ｓが１．８ｍｍである。ポスト壁導波路２は、幅ａfが６．８ｍｍ、厚さｈが３ｍｍである。誘電体層１２は、フッ素樹脂（比誘電率εｒ＝２．１）で形成している。中空部３及び流路４としては、高さｇh及び幅ｇwが１ｍｍの断面矩形状に形成している。中空部３は、２列の接地導体ポスト列１４内における列幅方向の中央（ａf／２）であって、ｈ／２の場所に形成している。流路４は、接地導体ポスト１５同士の隙間の中央であって、ｈ／２の場所に形成している。ポスト壁導波路２の両端は、２列の接地導体ポスト列１４を横断するように列設された接地導体ポスト１５により短絡されており、ポスト壁導波路２の一端から同軸変換構造２１を用いて高周波を入力するようにし、もう一端は終端器２２で終端している。図８に示すように、加熱の中心付近Ｃでは、静止状態の水は１０９℃程度まで昇温すると見られる。
【００４６】
図９は、高周波照射構造の試作品の写真である。試作品は、図８のシミュレーションを行った構造に基づくものであり、誘電体層１２としてのフッ素樹脂板（比誘電率εｒ＝２．１）を接地導体層１３としての真鍮板で挟んだものに、接地導体ポスト１５としての金属ピンを打ち込んで製作している。入力ケーブル２３から同軸変換構造２１を介してポスト壁導波路２内に２４．１５ＧＨｚを入力し、もう片側のポートは終端器２２で終端している。試作した中空部３及び流路４の中に直接被照射体としての水を流すことが困難であったため、内径１ｍｍのフッ素樹脂チューブ２５を接続し、これを介して水を入れた。
【００４７】
図１０は、前記試作品に24.15GHzで0.7Wならびに1.2Wのマイクロ波を照射して静止状態の水の昇温実験を行った結果を示すグラフである。このグラフは照射時間に対する温度変化を示している。0.7Wを入力した場合、水温は初期値28.5℃から49.0℃まで上昇した。1.2Wを入力した場合、75.9℃まで水温が上昇した。水を入れない場合には、33℃までの上昇に留まる。図８のシミュレーションと比較して温度上昇が少ないが、これは試作品（特に中空部３及び流路４）の加工精度が低かったことと、温度の測定方法が関係していると思われる。同軸変換構造２１での反射損失が−８ｄＢ程度あるため、実質の入力電力は０．５Ｗ程と思われる。本試作品で、１Ｗ〜２Ｗ程度の電力が入れられれば、実用的な加熱が行えると考えられる。
【００４８】
図１１は、前記試作品に24.15GHzで0.7Wならびに1.2Wのマイクロ波を照射して静止状態のエタノール(99.5)の昇温実験を行った結果を示すグラフである。このグラフは照射時間に対する温度変化を示している。0.7Wを入力した場合、エタノールの温度は初期値27.6℃から41.6℃まで上昇した。1.2Wを入力した場合、55.9℃まで水温が上昇した。
【００４９】
表１は、各種溶媒に対する実施例を示している。前述した水、エタノール(99.5)の他、アセチルアセトン、ヘキサンの昇温実験を前記試作品で行い、アセチルアセトンで上昇温度18.5℃(マイクロ波出力0.7W)および38.1℃(1.2W)、ヘキサンで31.3℃(1.2W)を得た。
【００５０】
【表１】
2012111804.tif 000003
【００５１】
以上のように構成された本例のポスト壁導波路による高周波照射構造１によれば、高周波照射用の高周波導波路にポスト壁導波路２を採用し、ポスト壁導波路２内に中空部３を設けるとともに、接地導体ポスト１５の隙間を経由させて該中空部３に連通する流路４を設けることで高周波をポスト壁導波路２内に閉じ込めた状態を達成しながら連続照射が可能な構造となる。これにより高周波の導波路と被照射体の流路を一体化した小型の高周波照射構造が実現できる。試作した高周波照射構造では、入力端子を除けば、直径２６．５ｍｍの硬貨ほどのサイズに小型化できた。また、小型化できるので、被照射体（例えば、水や他の溶媒）が少量となり、低出力の高周波源を用いることができる。
【００５２】
また、複数本の流路４を備えており、該複数本のうちの一部の該流路４を前記被照射体の導入用に、残りの該流路４を前記被照射体の排出用に、それぞれ利用するように構成されているので、中空部３を前記被照射体が流れる道筋として用いることにより、前記導入用の流路４から中空部３を経て前記排出用の流路４に向けて、前記被照射体を連続的に流しながら効率よく高周波を照射することができる。
【００５３】
次に、図１２は本発明を具体化した第二実施形態のポスト壁導波路による高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００５４】
本例の高周波照射構造１における中空部３は、その横断面が流路４の横断面よりも大きく形成されている。ここで、中空部３の横断面がポスト壁導波路２の長さ方向において一定形状に形成されている場合であって、中空部３の横幅が８分の１波長程度より広くなるときには、ポスト壁導波路２が遮断状態とならないように、２列の接地導体ポスト列１４の間隔ａfを広げることが好ましい（高周波の使用周波数で、ポスト壁導波路２の位相定数が常に正となるように、この間隔を設定する。）。
【００５５】
また、本例の流路４は１本とされ、前記被照射体の導入用及び排出用に共通利用するように構成されている。なお、流路４を複数本設け、該複数本を前記被照射体の導入用及び排出用に共通利用するようにしてもよい。
【００５６】
本例の高周波照射構造１によっても、（１）高周波の導波路と被照射体の流路を一体化した小型の高周波照射構造が実現できる、（２）小型化できるので、被照射体（例えば、水や他の溶媒）が少量となり、低出力の高周波源を用いることができる、という第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
また、中空部３を前記被照射体が流れる道筋として用いる第一実施形態の構造とは異なり、中空部３を、前記被照射体を留める容器として用いることにより、該中空部３に前記被照射体を留めた状態で高周波を照射することができる。
【００５８】
次に、図１３は本発明を具体化した第三実施形態のポスト壁導波路による高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第二実施形態と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００５９】
本例の高周波照射構造１におけるポスト壁導波路２は、一端が、２列の接地導体ポスト列１４を横断するように列設された接地導体ポスト１５ａにより短絡されており、他端から高周波を入力するように構成されている。また、他端側には、高周波の導波路をその幅方向の両側から狭めるように接地導体ポスト１５ｂが配設されており、一端で反射された高周波が入力側に戻ることを防止するように構成している。
【００６０】
この構成によれば、第二実施形態と同様の効果に加え、前記他端から入力された高周波を前記一端で反射させることにより、前記被照射体に効率よく高周波を照射できる。
【００６１】
次に、図１４は本発明を具体化した第四実施形態の高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態の図２及び図３に示す構成と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００６２】
本例の高周波照射構造１（正方形柱型）は、誘電体層１２の厚さｈが２分の１波長以下であり、接地導体側部２ｂが断面正方形の接地導体ポスト１５からなる接地導体ポスト列１４で構成され、接地導体ポスト列１４の列幅方向における幅ｐwが２分の１波長以下であり、接地導体ポスト１５の隙間ｐgが２０分の１波長〜４分の１波長であり、接地導体ポスト列１４の間隔ａfが２分の１波長以上であるという条件を満たすポスト壁導波路２によるものである。ポスト壁導波路２は、中空部３及び流路４が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成されている。
【００６３】
本例の高周波照射構造１によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
次に、図１５は本発明を具体化した第五実施形態のポスト壁導波路による高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態の図４に示す構成と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００６５】
本例の高周波照射構造１（長方形柱型）は、誘電体層１２の厚さｈが２分の１波長以下であり、接地導体側部２ｂが断面長方形の接地導体ポスト１５からなる接地導体ポスト列１４で構成され、接地導体ポスト列１４の列幅方向における幅ｐｗが２分の１波長以下であり、接地導体ポスト１５の隙間pgが２０分の１波長〜４分の１波長であり、接地導体ポスト列１４の間隔ａfが２分の１波長以上であるという条件を満たすポスト壁導波路２によるものである。断面長方形の接地導体ポスト１５の列長方向における幅ｐlはｐl＞ｐwであればよい。ポスト壁導波路２は、中空部３及び流路４が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成されている。
【００６６】
本例の高周波照射構造１によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
次に、図１６は本発明を具体化した第六実施形態のポスト壁導波路による高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態の図４に示す構成と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００６８】
本例の高周波照射構造１は、誘電体層１２の厚さｈが２分の１波長以下であり、一方の接地導体側部２ｂが断面円形の接地導体ポスト１５ａからなる接地導体ポスト列１４で構成され、他方の接地導体側部２ｂが断面正方形の接地導体ポスト１５ｂ又は断面長方形の接地導体ポスト１５ｃからなる接地導体ポスト列１４で構成され、接地導体ポスト列１４の間隔ａfが２分の１波長以上であるという条件を満たすポスト壁導波路２によるものである。断面が円形、正方形又は長方形からなる接地導体ポスト列１４の構成条件は、それぞれ円形柱型（前記第一実施形態）、正方形柱型（前記第四実施形態）又は長方形柱型（前記第五実施形態）と同一である。ポスト壁導波路２は、中空部３及び流路４が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成されている。
【００６９】
本例の高周波照射構造１によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
次に、図１７は本発明を具体化した第七実施形態の高周波照射構造１を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態の図２及び図３に示す構成と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００７１】
本例の高周波照射構造１においては、一方の接地導体側部２ｂは、導波路２の長さ方向における一部が、該導波路２の長さ方向に列設された複数の接地導体ポスト１５により構成され、該導波路２の長さ方向における残りの部分が、該導波路２の長さ方向に延びる接地導体壁１６により構成されており、他方の接地導体側部２ｂは、導波路２の長さ方向における全部が、接地導体壁１６により構成されている。この高周波照射構造１は、誘電体層１２の厚さｈが２分の１波長以下であり、導波路２の幅ａfが２分の１波長以上であるという条件を満たす導波路２によるものである。接地導体ポスト列１４は、断面円形の接地導体ポスト１５からなっており、その構成条件は円形柱型（前記第一実施形態）と同一である。この接地導体ポスト１５としては、断面正方形又は断面長方形のものを採用することもでき、それらの構成条件はそれぞれ正方形柱型（前記第四実施形態）又は長方形柱型（前記第五実施形態）と同一である。導波路２は、中空部３及び流路４が設けられた状態で遮断周波数以下にならないように構成されている。
【００７２】
本例の高周波照射構造１によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
次に、図１８は本発明を具体化した第八実施形態のポスト壁導波路による高周波照射構造１’を備えた流路構造体９’を示している。本実施形態は、以下に示す点において、主に第一実施形態の図２に示す構成と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００７４】
本例の流路構造体９’が備える高周波照射構造１’は、２つの接地導体面２ａの間は、中空部３’及び流路４’以外の部分が流体の誘電体１２’で満たされており、中空部３’は、固体の誘電体からなる管内に形成されており、流路４’は、固体の誘電体からなる管内に形成されている。流体の誘電体１２’の周囲は固体の誘電体からなる壁で囲まれている。
【００７５】
本例の高周波照射構造１によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、新材料の合成や化学反応の高速化に利用することができ、例えば、有機材料合成装置、無機材料合成装置、マイクロ波無溶媒有機合成装置、金属触媒を用いるマイクロ波合成装置、標識化合物の合成装置、金属錯体合成装置、ナノ粒子合成装置、高分子合成装置、バイオマス装置、有害物質無害化装置、バイオチップへの応用などの用途が考えられる。
【符号の説明】
【００７８】
１    高周波照射構造
２    導波路
２ａ  接地導体面
２ｂ  接地導体側部
３    中空部
４    流路
６    ２４ＧＨｚ発振器
７    パワーアンプ
８    アイソレータ
９    流路構造体
１０    高周波照射装置
１１    誘電体基板
１２    誘電体層
１３    接地導体層
１４    接地導体ポスト列
１５    接地導体ポスト
１６    接地導体壁
２１    同軸変換構造
２２    終端器
２３    入力ケーブル
２５    フッ素樹脂チューブ
【図１】
2012111804.tif 000004
【図２】
2012111804.tif 000005
【図３】
2012111804.tif 000006
【図４】
2012111804.tif 000007
【図５】
2012111804.tif 000008
【図６】
2012111804.tif 000009
【図７】
2012111804.tif 000010
【図８】
2012111804.tif 000011
【図９】
2012111804.tif 000012
【図１０】
2012111804.tif 000013
【図１１】
2012111804.tif 000014
【図１２】
2012111804.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
2012111804.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
2012111804.tif 000019
【図１７】
2012111804.tif 000020
【図１８】
2012111804.tif 000021
【図１９】
2012111804.tif 000022
【国際調査報告】
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