(57)【要約】【課題】電磁波を利用して加熱対象物を誘電加熱する電磁波加熱装置において、電磁波による加熱効率を向上させる。【解決手段】電磁波加熱装置１０は、加熱対象物１が配置される加熱室１２と、加熱室１２における第１内側面に配置された第１側面アンテナ２２と、加熱室１２において第１内側面に対向する第２内側面に配置された第２側面アンテナ２３と、第１側面アンテナ２２及び第２側面アンテナ２３の各々に対し、加熱室１２に放射する電磁波を発振する発振装置１６ｂ，１６ｃとを備え、電磁波加熱装置１０は、第１側面アンテナ２２が加熱室１２の底面側に指向性を有するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を利用して加熱対象物を加熱する電磁波加熱装置であって、
前記加熱対象物が配置される加熱室と、
前記加熱室における第１内側面に配置された第１側面アンテナと、
前記加熱室において前記第１内側面に対向する第２内側面に配置された第２側面アンテナと、
前記第１側面アンテナ及び前記第２側面アンテナの各々に対し、前記加熱室に放射する電磁波を発振する発振装置とを備え、
当該電磁波加熱装置は、前記第１側面アンテナが前記加熱室の底面側に指向性を有するように構成されている、電磁波加熱装置。
【請求項２】
前記第２側面アンテナの指向性は、前記第１側面アンテナに比べて低い、請求項１に記載の電磁波加熱装置。
【請求項３】
前記第１側面アンテナは、板状に形成され、
前記第１側面アンテナは、前記加熱室における前記第１内側面の凹部内に配置され、
前記第１側面アンテナに供給される電磁波の波長をλとした場合に、前記第１側面アンテナの正面視において、前記第１側面アンテナの外周における下部は、前記凹部の外周における下側縁部までの距離がλ／１０以上λ／４以下である、請求項１又は２に記載の電磁波加熱装置。
【請求項４】
前記第１側面アンテナでは、電磁波の入力端子が下部に配置され、前記入力端子の上側に共振器を構成する孔部が形成されている、請求項１乃至３の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
【請求項５】
前記第１側面アンテナの外周は、下側の直線部と、前記直線部から上側に円弧状に延びる円弧部とを有する、請求項１乃至４の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を利用して加熱対象物を誘電加熱する電磁波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子レンジなどの電磁波加熱装置において、加熱対象物に対する加熱効率を向上させるために様々な開発が行われている。
【０００３】
特許文献１には、加熱室の壁面に配備された平面アンテナを備えた電磁波加熱装置が記載されている。この装置では、平面アンテナが、アレイ状に配置された複数の小アンテナからなる。制御装置は、複数の小アンテナから電磁波を放射した際に発生する反射電力に基づいて、被加熱物の形状又は温度分布を検出し、その検出結果に基づいて、複数の小アンテナのそれぞれに給電するマイクロ波の大きさを決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０２２７１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の電磁波加熱装置では、互いに対向するアンテナ間で、互いの電磁波が干渉し合う虞がある。すなわち、互いに対向する一方のアンテナから放射された電磁波のエネルギーが、他方のアンテナに受信されてそのアンテナの伝送線路で消費されやすくなる。そのため、電磁波による加熱効率が低下する虞がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電磁波を利用して加熱対象物を誘電加熱する電磁波加熱装置において、電磁波による加熱効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するべく、第１の発明は、電磁波を利用して加熱対象物を加熱する電磁波加熱装置であって、加熱対象物が配置される加熱室と、加熱室における第１内側面に配置された第１側面アンテナと、加熱室において第１内側面に対向する第２内側面に配置された第２側面アンテナと、第１側面アンテナ及び第２側面アンテナの各々に対し、加熱室に放射する電磁波を発振する発振装置とを備え、当該電磁波加熱装置は、第１側面アンテナが加熱室の底面側に指向性を有するように構成されている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、第２側面アンテナの指向性は、第１側面アンテナに比べて低い。また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、第１側面アンテナは、板状に形成され、第１側面アンテナは、加熱室における第１内側面の凹部内に配置され、第１側面アンテナに供給される電磁波の波長をλとした場合に、第１側面アンテナの正面視において、第１側面アンテナの外周における下部は、凹部の外周における下側縁部までの距離がλ／１０以上λ／４以下である。また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、第１側面アンテナでは、電磁波の入力端子が下部に配置され、入力端子の上側に共振器を構成する孔部が形成されている。また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、第１側面アンテナの外周は、下側の直線部と、直線部から上側に円弧状に延びる円弧部とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にでは、互いに対向する第１内側面と第２内側面とに、第１側面アンテナ及び第２側面アンテナが配置されている。そして、第１側面アンテナが加熱室の底面側に指向性を有するように、電磁波加熱装置が構成されている。そのため、第１側面アンテナから放射された電磁波が第２側面アンテナに受信されにくくなり、電磁波による加熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る電磁波加熱装置の縦断面等を示す概略構成図である。
【図２】図２は、電磁波加熱装置の加熱室内において、遮蔽板を取り外した底面を真上から見た上面図である。
【図３】図３は、電磁波加熱装置の加熱室内において、遮蔽板を取り外した右側面を正面から見た正面図である。
【図４】図４は、電磁波加熱装置の加熱室内において、遮蔽板を取り外した左側面を正面から見た正面図である。
【図５】図５は、電磁波加熱装置の制御系のブロック図である。
【図６】図６は、各アンテナにおけるマイクロ波の反射波強度の周波数特性を表すグラフの一例である。
【図７】図７は、各アンテナにおけるマイクロ波の反射波強度の周波数特性を表すグラフの別の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１−図７を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１２】
［電磁波加熱装置の概略構成］
本実施形態に係る電磁波加熱装置１０は、例えば食品などの加熱対象物１を誘電加熱する電子レンジである。電磁波加熱装置１０は、図１に示すように、加熱対象物１が配置される加熱室１２を形成する箱状部材１４と、マイクロ波を発振する複数の発振器１６ａ〜１６ｃと、発振器１６ａ〜１６ｃ毎に設けられて発振器１６ａ〜１６ｃから発振されたマイクロ波を加熱室１２に放射する複数のアンテナ２１〜２３と、発振器１６ａ〜１６ｃ毎に設けられて発振器１６ａ〜１６ｃからアンテナ２１〜２３へマイクロ波を伝送する複数の伝送線路１８ａ〜１８ｃとを備えている。各アンテナ２１〜２３は、導電性の金属板により構成され、加熱室１２に面する位置に配置されている。
【００１３】
なお、本実施形態では、電磁波加熱装置１０が、第１発振器１６ａと第２発振器１６ｂと第３発振器１６ｃの３つのマイクロ波発振器を備えている。そして、第１発振器１６ａに対し第１アンテナ２１と第１伝送線路１８ａが設けられ、第２発振器１６ｂに対し第２アンテナ２２と第２伝送線路１８ｂが設けられ、第３発振器１６ｃに対し第３アンテナ２３と第３伝送線路１８ｃが設けられている。
【００１４】
箱状部材１４は、前側が開放された略直方体の箱体である。箱状部材１４の前側は、後述するハウジングに取り付けられた開閉扉３０（図２など参照）により塞がれる。箱状部材１４では、底面及び左右の各側面に、アンテナ２１〜２３の収容室となる凹部１４ａ〜１４ｃが形成されている。底面の凹部１４ａは、第１アンテナ２１の収容室となっている。右側面の凹部１４ｂは、第２アンテナ２２の収容室となっている。左側面の凹部１４ｃは、第３アンテナ２３の収容室となっている。なお、電磁波加熱装置１０における左右は、前側から見た向きを言う。
【００１５】
各凹部１４ａ〜１４ｃは、加熱室１２側から各アンテナ２１〜２３が見えないように、マイクロ波を透過する絶縁体（例えばセラミックス等の耐熱性を有する絶縁体）の遮蔽板１５ａ〜１５ｃにより塞がれている。加熱室１２は、箱状部材１４内において各凹部１４ａ〜１４ｃを塞ぐ遮蔽板１５ａ〜１５ｃの内側に形成された、略直方体の空間である。加熱室１２の底面（遮蔽板１５ａの上面）は、加熱対象物１を載せる載置台１３となる。
【００１６】
箱状部材１４は、マイクロ波を反射する材料（金属等）で構成されている。箱状部材１４は、電磁波加熱装置１０の外装となるハウジング（図示省略）内に設けられている。ハウジングの前面には、加熱室１２に加熱対象物１を出し入れするための開閉扉３０が設けられている。開閉扉３０の内面は、マイクロ波を反射するように加工が施されている。加熱室１２は、マイクロ波を反射する６面で区画されている。加熱室１２では、マイクロ波の反射等により固有の電磁界分布が発生する。
【００１７】
箱状部材１４の各側面の凹部１４ｂ，１４ｃは、正面視において略矩形状に形成されている（図３及び図４参照）。各凹部１４ｂ，１４ｃは、四角錐台状の窪みであり、図１における縦断面視において加熱室１２側に向かって広がっている。なお、各凹部１４ｂ，１４ｃは、底面の一辺が１波長以上で、深さ（四角錐台の高さに相当）が４分の１波長から１６分の１波長までの範囲内の長さに設計されている。ここでの波長は各凹部１４ｂ，１４ｃに設けられたアンテナ２２，２３での電気長とする。
【００１８】
第１アンテナ２１は、加熱室１２における底面に配置された底面アンテナに相当する。第１アンテナ２１は、箱状部材１４の凹部１４ａ内において、加熱室１２の底面における載置台１３（加熱対象物の載置エリア）の裏側に配置されている。第１アンテナ２１は、遮蔽板１５ａに略平行に設けられている。第１アンテナ２１の外周形状は、図２に示すように、略円形である。第１アンテナ２１の中心部には、入力端子５１が取り付けられている。第１アンテナ２１についての詳細は後述する。なお、第１アンテナ２１の外周形状は略円形以外であってもよい。
【００１９】
第２アンテナ２２は、加熱室１２における第１内側面（右側面）に配置された第１側面アンテナに相当する。第２アンテナ２２は、箱状部材１４の凹部１４ｂ内において、遮蔽板１５ｂの裏側に配置されている。第２アンテナ２２は、遮蔽板１５ｂに略平行に設けられている。第２アンテナ２２は、図３に示すように、略扇形の板状（具体的に略半円板状）に形成されている。第２アンテナ２２の下部には、入力端子５２が取り付けられている。第２アンテナ２２についての詳細は後述する。なお、第２アンテナ２２は略扇形の板状以外の形状であってもよい。
【００２０】
第３アンテナ２３は、加熱室において第１内側面に対向する第２内側面（左側面）に配置された第２側面アンテナに相当する。第３アンテナ２３は、箱状部材１４の凹部１４ｃ内において、遮蔽板１５ｃの裏側に配置されている。第３アンテナ２３は、遮蔽板１５ｃに略平行に設けられている。第３アンテナ２３は、図４に示すように、横長の略矩形状に形成されている。第３アンテナ２３の下部には、入力端子５３が取り付けられている。第３アンテナ２３についての詳細は後述する。なお、第３アンテナ２３は横長の略矩形状以外の形状であってもよい。
【００２１】
各発振器１６ａ〜１６ｃは、マイクロ波の発振源としてパワー半導体デバイス（図示省略）を用いた、周波数可変型の半導体発振器である。各発振器１６ａ〜１６ｃは、所定の周波数帯域（以下、「掃引可能範囲」という。）において、高速で発振周波数を繰り返し掃引しながら、マイクロ波を発振することが可能である。例えば、３つの発振器１６ａ〜１６ｃでは、マイクロ波の発振周波数の掃引可能範囲が同じである。掃引可能範囲は、例えば２．３５ＧＨｚから２．５５ＧＨｚまでの範囲である。なお、第１発振器１６ａは底面用発振器を構成する。第２発振器１６ｂは第１側面用発振器を構成する。第３発振器１６ｃは第２側面用発振器を構成する。
【００２２】
各伝送線路１８ａ〜１８ｃは、マイクロ波を伝送可能な同軸ケーブルにより構成されている。第１伝送線路１８ａは、一端が第１発振器１６ａの出力端子に接続され他端が第１アンテナ２１の入力端子５１に接続されている。第２伝送線路１８ｂは、一端が第２発振器１６ｂの出力端子に接続され他端が第２アンテナ２２の入力端子５２に接続されている。第３伝送線路１８ｃは、一端が第３発振器１６ｃの出力端子に接続され他端が第３アンテナ２３の入力端子５３に接続されている。
【００２３】
［第１アンテナについて］
第１アンテナ２１は、略円板状に形成されている。第１アンテナ２１は、第１発振器１６ａからのマイクロ波が入力される入力端子５１を有する。図２に示すように、入力端子５１は、第１アンテナ２１の中心位置に配置されている。第１アンテナ２１では、共振周波数が互いに異なる複数の主孔部３２（本実施形態では、４つの主孔部３２）が、入力端子５１の周囲に形成されている。複数の主孔部３２は、入力端子５１を中心に点対称に形成されている。各主孔部３２は、電圧位相と電流位相との関係性を示す容量性リアクタンスを調節するためのものである。
【００２４】
第１アンテナ２１では、複数の主孔部３２が形成された領域の外側を囲うように、第１アンテナ２１の外周側へのマイクロ波の伝達を妨げる複数の外側孔部３１（本実施形態では、８つの外側孔部３１）が形成されている。複数の外側孔部３１は、周方向に沿って等角度間隔で形成されている。複数の外側孔部３１は、第１アンテナ２１の中心からの距離が互いに略等しい。各外側孔部３１の形状は、内側部分を取り除いた略扇形状（ドーナツ状の扇形）に形成されている。周方向に隣り合う外側孔部３１間の距離は、電気的な導電性が高く構造強度を保つ距離であり、板厚の３〜５倍（例えば３〜５ｍｍ）とすることができる。
【００２５】
本実施形態では、入力端子５１からマイクロ波が入力された場合に、第１アンテナ２１における複数の外側孔部３１の内側に、加熱室１２の底面に向かってマイクロ波を放射する主放射領域２１ａが形成される。主放射領域２１ａでは、主放射領域２１ａの半径における真ん中付近（中心と主放射領域２１ａの外周との真ん中付近）が、周方向に亘って強電界領域となる。主放射領域２１ａでは、この強電界領域に複数の主孔部３２が周方向に沿って形成されている。
【００２６】
また、主放射領域２１ａでは、中心から放射状に径方向に沿って複数の副孔部３３（本実施形態では、４つの副孔部３３）が形成されている。主放射領域２１ａでは、周方向に隣り合う複数の主孔部３２の間に、副孔部３３が１つずつ形成されている。各副孔部３３は、第１アンテナ２１においてマイクロ波をインピーダンス整合させるために形成されている。各副孔部３３の形状は、四隅が丸みを帯びた略矩形状又は略長円状である。各副孔部３３は、第１アンテナ２１の径方向に沿って延びている。各副孔部３３は、内端が主孔部３２の内周部３２ａ（後述）より内側に位置し、外端が主孔部３２の外周部３２ｂ（後述）より外側に位置している。
【００２７】
なお、第１アンテナ２１の半径ｒ１は、第１アンテナ２１におけるマイクロ波の電気長をλとした場合に、α×λ（α＝１／２〜３／４の範囲の値）により表される。第１アンテナ２１の半径ｒ１は、幾何学的な寸法ではなく電磁界分布を考慮した電気長に基づく。例えば、掃引可能範囲の中央値が２．４５ＧＨｚである場合、λは約１２０ｍｍであり、第１アンテナ２１の半径ｒ１は６０ｍｍ〜９０ｍｍの範囲の値となる。なお、半径ｒ１は、この長さに限定されない。
【００２８】
主孔部３２の形状や機能等について説明する。図２の左下の波線内には、主孔部３２の拡大図を示す。各主孔部３２の形状は、後述する凸部３５がなければ、内側部分を取り除いた略扇形状である。各主孔部３２の中心角は、略９０度である。各主孔部３２の外周は、内周部３２ａと、内周部３２ａに対向する外周部３２ｂと、２箇所の接続径部３２ｃとを有する。各主孔部３２では、外周部３２ｂから略矩形の凸部３５が内向きに突出している。第１アンテナ２１の正面視において各主孔部３２には、主孔部３２の外周が入力端子５１に向かって内側に突出するように曲がった凸部３５が形成されている、各主孔部３２では、凸部３５が共振周波数を同調させる機能を果たす。
【００２９】
第１アンテナ２１では、複数の主孔部３２について互いに共振周波数が異なるように形成されている。各主孔部３２では、主に凸部３５先端の容量成分と主孔部３２の外周で得られる誘導電流とにより共振周波数が決定される。例えば、複数の主孔部３２は、互いに同じ形状ではあるが、大きさが互いに異なり、周長が互いに異なる。また、複数の主孔部３２では、凸部３５の長さ及び幅が互いに異なる。各凸部３５は、箱状部材１４が持つ固有モード（定在波）と各主孔部３２が持つ共振周波数を一致させる。主孔部３２の寸法について、例えば、主孔部３２の外周はλ／２（４０〜６０ｍｍ）、凸部３５の幅Ｓは外周部３２ｂの長さＷの１／３程度の寸法、凸部３５の長さ（突出長）はλ／８（１０〜１５ｍｍ）とすることができる。なお、λは第１アンテナ２１におけるマイクロ波の電気長である。
【００３０】
第１アンテナ２１では、各主孔部３２の外周がマイクロ波の伝送線路となる。各主孔部３２は、箱状部材１４に固有のモード（定在波）が多数存在する中において、印加されるマイクロ波の周波数の変化に応じて固有のモード（定在波）を励振できる。入力端子５１から入力されるマイクロ波の周波数が変化する場合、各主孔部３２は、外周を流れるマイクロ波（電流）の電気長λが、主孔部３２の外周長に対しλ／２の整数倍となるタイミングで共振する。加熱室１２では、マイクロ波に共振する主孔部３２を起点として電界が効果的に立ち上がるため、マイクロ波に共振する主孔部３２の変化に応じて強電界領域の位置が変化する。このように、本実施形態では、第１アンテナ２１を回転させなくても、加熱室１２の載置台１３上では強電界領域が変化する。これにより、加熱対象物１における加熱分布の均一化を図ることができる。
【００３１】
［第２アンテナについて］
第２アンテナ２２は、図３に示すように、略扇形状（具体的に略半円状）に形成されている。具体的に、第２アンテナ２２は、扇状（半円状）に形成された本体部２２ａと、本体部２２ａの下側に連続する長板状の下部２２ｂにより構成されている。第２アンテナ２２は、略半円状であるが、正確には半円の本体部２２ａに、高さが低い下部２２ｂが付加された形状をしている。図３では、本体部２２ａと下部２２ｂとの境界を点線で示す。また、第２アンテナ２２は、第２発振器１６ｂからのマイクロ波が入力される入力端子５２を有する。入力端子５２は、本体部２２ａの中心位置に配置されている。
【００３２】
第２アンテナ２２は、平面形状が略扇形状である点に加え、外側孔部３２が形成されていない点において第１アンテナ２１とは異なる。入力端子５２からマイクロ波が入力された場合に、第２アンテナ２２の半径における真ん中付近（中心と外周との真ん中付近）が、周方向に亘って強電界領域となる。第２アンテナ２２では、この強電界領域に、周方向に沿って複数の主孔部４２（本実施形態では、２つの主孔部４２）が形成されている。
【００３３】
また、第２アンテナ２２では、中心から放射状に径方向に沿って複数の副孔部４３（本実施形態では、３つの副孔部４３）が形成されている。本実施形態では、２つの主孔部４２の間と各主孔部４２の下側に、１つずつ副孔部４３が形成されている。各副孔部４３は、第２アンテナ２２においてマイクロ波をインピーダンス整合させるために形成されている。各副孔部４３の形状は、四隅が丸みを帯びた略矩形状又は略長円状である。各副孔部４３は、本体部２２ａの径方向に沿って延びている。各副孔部４３は、内端が主孔部４２の内周部４２ａ（後述）より内側に位置し、外端が主孔部４２の外周部４２ｂ（後述）より外側に位置している。
【００３４】
なお、第２アンテナ２２における本体部２２ａの半径ｒ２は、第２アンテナ２２におけるマイクロ波の電気長をλとした場合に、α×λ（α＝１／２〜３／４の範囲の値）により表される。第２アンテナ２２の半径ｒ２は、幾何学的な寸法ではなく電磁界分布を考慮した電気長に基づく。例えば、掃引可能範囲の中央値が２．４５ＧＨｚである場合、λは１２０ｍｍであり、本体部２２ａの半径ｒ２は６０ｍｍ〜９０ｍｍの範囲の値となる。なお、半径ｒ２は、この長さに限定されない。
【００３５】
主孔部４２の形状や機能等について説明する。図３の左下の波線内には、主孔部４２の拡大図を示す。各主孔部４２の形状は、主孔部３２と同様に、後述する凸部３６がなければ、内側部分を取り除いた略扇形状である。各主孔部４２の中心角は、略９０度である。各主孔部４２の外周は、内周部４２ａと、内周部４２ａに対向する外周部４２ｂと、２箇所の接続径部４２ｃとを有する。各主孔部４２では、外周部４２ｂから略矩形の凸部３６が内向きに突出している。第２アンテナ２２の正面視において各主孔部４２には、主孔部４２の外周が入力端子５２に向かって内側に突出するように曲がった凸部３６が形成されている。各主孔部４２では、凸部３６が共振周波数を同調させる機能を果たす。凸部３６の長さは、例えば、内周部４２ａと外周部４２ｂとの距離の略半分である。
【００３６】
第２アンテナ２２では、複数の主孔部４２について互いに共振周波数が等しくなるように形成されている。複数の主孔部４２は、互いに同じ形状で同じ大きさである。また、複数の主孔部４２では、凸部３６の長さ及び幅が互いに同じである。各主孔部４２は、箱状部材１４に固有のモード（定在波）が多数存在する中において、印加されるマイクロ波の周波数の変化に応じて固有のモード（定在波）を励振できる。また、各凸部３６は、箱状部材１４が持つ固有モード（定在波）と各主孔部４２が持つ共振周波数を一致させる。
【００３７】
［第３アンテナについて］
第３アンテナ２３は、図４に示すように、電磁波加熱装置１０の前後方向に延びる略帯板状に形成されている。具体的に、第３アンテナ２３は、略矩形状の本体部２３ａと、本体部２３ａの上辺における前寄りの位置と後ろ寄りの位置との各々から上側に突出する２つの凸部２３ｂとを備えている。また、第３アンテナ２３は、第３発振器１６ｃからのマイクロ波が入力される入力端子５３を有する。入力端子５３は、本体部２３ａの下部において前後方向の中心部に配置されている。
【００３８】
［側面アンテナの指向性について］
電磁波加熱装置１０は、第２アンテナ（第１側面アンテナ）２２が加熱室１２の底面側（斜め下方向）に指向性を有するように構成されている。また、第３アンテナ（第２側面アンテナ）は高い指向性を有していない。第３アンテナ２３の指向性は、第２アンテナ２２に比べて低い。以下では、第２アンテナ２２が底面側に指向性を有するようにした構成について説明する。
【００３９】
第２アンテナ２２の外周は、下側の直線部２２ｃと、直線部２２ｃから上側に円弧状に延びる円弧部２２ｄとを有する。直線部２２ｃは、加熱室１２の底面に略平行に前後方向に延びている。直線部２２ｃは、凹部１４ｂの外周の下辺（下側縁部）１１４ａに略平行である。第２アンテナ２２に供給されるマイクロ波の波長をλとした場合に、図２に示す第２アンテナ２２の正面視において、第２アンテナ２２の外周における直線部２２ｃ（下部）から凹部１４ｂの下側縁部１１４ａまでの距離Ｘ１は、λ／１０以上λ／４以下であり、例えば３０ｍｍである。そのため、第２アンテナ２２の下側の電界が強くなる。
【００４０】
また、円弧部２２ｄの頂点から凹部１４ｂの外周における上側縁部１１４ｂまでの距離Ｘ２は、λ／２より少し大きく、例えば７０ｍｍである。第２アンテナ２２の上側は円弧状であるため、円弧部２２ｄから凹部１４ｂの上側縁部１１４ｂまでの平均距離は大きい。第２アンテナ２２の円弧部２２ｄと凹部１４ｂの上側縁部１１４ｂとは、共に電界が略ゼロとなり、これらの間で共振は生じない。また、第２アンテナ２２では、共振器を構成する主孔部４２が入力端子５２の上側に形成されており、マイクロ波のエネルギーが円弧部２２ｄ側に伝わりにくい。以上の構成により、第２アンテナ２２は底面側に指向性を持ち、入力端子５２から入力されたマイクロ波のエネルギーは載置台１３上の加熱対象物１に効率的に供給される。
【００４１】
［発振器の制御について］
電磁波加熱装置１０は、図５に示すように、各発振器１６ａ〜１６ｃを制御する制御装置４０をさらに備えている。制御装置４０は、ＭＣＵ（マイクロ波コントロールユニット）により構成されている。
【００４２】
なお、各伝送線路１８ａ〜１８ｃでは、発振器１６ａ〜１６ｃとアンテナ２１〜２３との間に方向性結合器１９ａ〜１９ｃ（第１方向性結合器１９ａ、第２方向性結合器１９ｂ、第３方向性結合器１９ｃ）が設けられている。各方向性結合器１９ａ〜１９ｃから取り出された進行波及び反射波の各々は、電力計２５に入力されて電力が計測される。電力計２５及び３つの方向性結合器１９ａ〜１９ｃは、加熱室１２側で反射して各発振器１６ａ〜１６ｃに戻るマイクロ波の反射波強度を計測する反射波計測部を構成している。
【００４３】
また、各発振器１６ａ〜１６ｃは、ＩＱ変調器（直交変調器）を有し、位相変調が可能に構成されている。また、各方向性結合器１９ａ〜１９ｃと電力計２５とを結ぶ各配線には、ＩＱ復調器（直交復調器）により構成された復調部２０ａ〜２０ｃ（第１復調部２０ａ、第２復調部２０ｂ、第３復調部２０ｃ）が設けられている。各復調部２０ａ〜２０ｃは、各方向性結合器１９ａ〜１９ｃから取り出された進行波及び反射波の各々を復調し、復調した信号が電力計２５に入力される。
【００４４】
加熱運転の開始時に、制御装置４０はまずモニタリング動作を行う。モニタリング動作は、各アンテナ２１〜２３の共振周波数を検出する動作である。
【００４５】
具体的に、モニタリング動作では、制御装置４０が、各発振器１６ａ〜１６ｃに対し、上述の掃引可能範囲（例えば、２．３５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚ）で発振周波数を繰り返し掃引しながらマイクロ波を発振する掃引動作を実行させる。掃引動作の期間（マイクロ波の発振期間）に、制御装置４０は、電力計２５の出力信号のうち各方向性結合器１９ａ〜１９ｃから取り出された反射波の電力測定情報に基づいて、各アンテナ２１〜２３における反射波強度（リターン・ロス（Ｓ１１））の情報として、図６に示すような反射波強度の周波数特性の情報を取得する。そして、制御装置４０は、各アンテナ２１〜２３について、反射波強度のディップが生じる周波数を共振周波数として検出する。
【００４６】
図６に示す反射波強度の周波数特性が取得された場合、第１アンテナ２１の共振周波数は２．４５ＧＨｚと２．５１ＧＨｚであり、第２アンテナ２２の共振周波数は２．４０５ＧＨｚと２．４７５ＧＨｚであり、第３アンテナ２３の共振周波数は２．４１５ＧＨｚと２．４５５ＧＨｚと２．４６ＧＨｚと２．４９５ＧＨｚと２．５４ＧＨｚである。なお、以下では、モニタリング動作により検出された共振周波数を「検出周波数」という。
【００４７】
加熱運転中にモニタリング動作が終了すると、制御装置４０は周波数設定動作を行う。周波数設定動作は、各発振器１６ａ〜１６ｃに対し発振周波数を設定する動作である。周波数設定動作により、各発振器１６ａ〜１６ｃは、掃引動作から、１つ周波数に発振周蓮を固定してマイクロ波を発振する動作、又は、複数の周波数の間で発振周波数を切り替えながらマイクロ波を発振する動作に切り替えられる。
【００４８】
具体的に、周波数設定動作では、制御装置４０は、第１発振器１６ａについては、対応する第１アンテナ２１の検出周波数から１つ又は複数の値を発振周波数として選択して設定し、第２発振器１６ｂ及び第３発振器１６ｃについては、対応する第２アンテナ２２及び第３アンテナ２３の検出周波数から１つの値を発振周波数として選択して設定する。そして、制御装置４０は、各発振器１６ａ〜１６ｃに対し、設定した発振周波数でのマイクロ波の発振を指示する。第１発振器１６ａは、複数の値が発振周波数として設定された場合、複数の値の間で発振周波数を高速で切り替えながらマイクロ波を発振する。
【００４９】
検出周波数の選択について説明する。制御装置４０は、第１発振器１６ａの発振周波数について、第１アンテナ２１の検出周波数が１つの場合、その検出周波数を選択し、第１アンテナ２１の検出周波数が複数の場合、反射波強度が最も低い検出周波数（「低ロス周波数」という。）を選択すると共に、低ロス周波数と反射波強度の差が第１判定値以下（例えば、第１判定値＝５ｄＢ）の検出周波数が存在する場合、その検出周波数も選択する。また、制御装置４０は、第２発振器１６ｂ及び第３発振器１６ｃの各発振周波数について、対応するアンテナ２２，２３の検出周波数が１つの場合、その検出周波数を発振周波数として選択し、対応するアンテナ２２，２３の検出周波数が複数の場合、低ロス周波数を発振周波数として選択する。第２アンテナ２２及び第３アンテナ２３では、検出周波数の数が１つでも複数でも、選択される検出周波数は１つである。なお、第２発振器１６ｂ又は第３発振器１６ｃについても、第１発振器１６ａと同様手法などで、複数の周波数を発振周波数として設定してもよい。この場合、各発振器１６ｂ，１６ｃは、複数の周波数の間で発振周波数を高速で切り替えながらマイクロ波を発振する。
【００５０】
図６を例にして説明すると、２つの検出周波数が存在する第１アンテナ２１について、低ロス周波数は２．４５ＧＨｚであり、この低ロス周波数と反射波強度の差が第１判定値（５ｄＢ）以下の検出周波数（２．５１ＧＨｚ）が存在する。２つの検出周波数の両方（２．４５ＧＨｚと２．５１ＧＨｚ）が選択されて、これらの値が第１発振器１６ａの発振周波数に設定される。その結果、第１発振器１６ａは、２つの値（２．４５ＧＨｚと２．５１ＧＨｚ）の間で発振周波数を高速で切り替えながらマイクロ波を発振する。このマイクロ波の発振期間に、第１アンテナ２１ではマイクロ波に共振する主孔部３２が変化し、その変化に応じて加熱室１２では強電界領域の位置が変化する。
【００５１】
また、２つの検出周波数が存在する第２アンテナ２２について、低ロス周波数は２．４０５ＧＨｚである。２つの検出周波数の中から低ロス周波数（２．４０５ＧＨｚ）のみが選択されて、この低ロス周波数が第２発振器１６ｂの発振周波数に設定される。その結果、第２発振器１６ｂは、１つの値（２．４０５ＧＨｚ）に発振周波数を固定してマイクロ波を発振する。
【００５２】
また、５つの検出周波数が存在する第３アンテナ２３について、低ロス周波数は２．４１５ＧＨｚである。５つの検出周波数の中から低ロス周波数（２．４１５ＧＨｚ）のみが選択されて、この低ロス周波数が第３発振器１６ｃの発振周波数に設定される。その結果、第３発振器１６ｃは、１つの値（２．４１５ＧＨｚ）に発振周波数を固定してマイクロ波を発振する。図６の場合、発振器１６ａ〜１６ｃ同士で選択される検出周波数に重複はなく、第１発振器１６ａと第２発振器１６ｂと第３発振器１６ｃとが、互いに異なる値に発振周波数を設定される。
【００５３】
また、図７に示す反射波強度の周波数特性が取得された場合、第１アンテナ２１の共振周波数は、２．４５ＧＨｚと２．５１ＧＨｚであり、２．４５ＧＨｚが低ロス周波数となる。第２アンテナ２２の共振周波数は２．４１ＧＨｚと２．４８ＧＨｚであり、そのうち低ロス周波数は２．４１ＧＨｚである。第３アンテナ２３の共振周波数は２．４１ＧＨｚと２．４５ＧＨｚと２．４９５ＧＨｚと２．５４ＧＨｚであり、そのうち低ロス周波数は２．４１ＧＨｚである。
【００５４】
ここで、図７の場合、発振器１６ａ〜１６ｃ同士で選択される検出周波数に重複が生じる。この場合、制御装置４０は、予め定められた所定ルールに従って、第２発振器１６ｂと第３発振器１６ｃで互いに異なる値に発振周波数を設定する。所定ルールとしては、検出周波数が１つのアンテナ２２，２３が存在するという第１条件が成立する場合、そのアンテナ２２，２３に対応する発振器１６ｂ，１６ｃを優先し、低ロス周波数を発振周波数として設定するという第１ルールが設けられている。また、別の所定ルールとしては、第１条件が成立しない場合、低ロス周波数の次に反射波強度が小さい検出周波数と低ロス周波数との差が大きい方のアンテナ２２，２３に対応する発振器１６ｂ，１６ｃを優先し、低ロス周波数を発振周波数として設定するという第２ルールが設けられている。なお、所定のルールは、一例にすぎず、本段落に記載の内容に限定されない。
【００５５】
図７の場合、第２アンテナ２２及び第３アンテナ２３はともに検出周波数が１つではなく第１条件は成立しない。また、第２アンテナ２２及び第３アンテナ２３では、低ロス周波数の次に反射波強度が小さい検出周波数と低ロス周波数との差が大きいのは第２アンテナ２２である。制御装置４０は、第２ルールに従って、第２アンテナ２２に対応する第２発振器１６ｂを優先し、その第２発振器１６ｂの発振周波数として第２アンテナ２２の低ロス周波数（２．４１ＧＨｚ）を設定する。一方、第３発振器１６ｃの発振周波数として、低ロス周波数以外の検出周波数（２．４５ＧＨｚ、２．４９５ＧＨｚ、２．５４ＧＨｚ）の中から反射波強度が最小の検出周波数（２．４５ＧＨｚ）を設定する。第３発振器１６ｃの発振周波数は、第１発振器１６ａの発振周波数と同じになる。
【００５６】
但し、制御装置４０は、例えば所定のルールなどを用いて、第１発振器１６ａと第２発振器１６ｂと第３発振器１６ｃで、互いに異なる値に発振周波数を設定してもよい。この場合、第１アンテナ２１及び第３アンテナ２３では、低ロス周波数の次に反射波強度が小さい検出周波数と低ロス周波数との差が大きいのは第１アンテナ２１であり、制御装置４０は、第１発振器１６ａの発振周波数として、第１アンテナ２１の低ロス周波数（２．４５ＧＨｚ）を設定する。そして、第３発振器１６ｃの発振周波数として、残りの検出周波数（２．４９５ＧＨｚ、２．５４ＧＨｚ）の中から反射波強度が最小の検出周波数（２．５４ＧＨｚ）を設定する。
【００５７】
［実施形態の効果等］
本実施形態では、第２アンテナ２２が加熱室１２の底面側に指向性を有するように、電磁波加熱装置１０が構成されている。そのため、第２アンテナ２２から放射された電磁波が第３アンテナ２３に受信されにくくなり、マイクロ波による加熱効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
また、本実施形態では、加熱運転において、第２アンテナ（第１側面アンテナ）２２のための第２発振器（第１側面用発振器）１６ｂと、第３アンテナ（第２側面アンテナ）２３のための第３発振器（第２側面用発振器）１６ｃとでは、発振周波数が互いに異なる値に設定される。また、第１アンテナ（底面アンテナ）２１も発振周波数が異なる値に設定される。そのため、３つのアンテナ２１〜２３間でマイクロ波の干渉が生じにくく、マイクロ波による加熱効率を向上させることができる。また、各アンテナ２１〜２３は、他のアンテナ２１〜２３から放射されたマイクロ波のエネルギーが流れにくいため、アイソレータを省略することができる。
【００５９】
また、本実施形態では、第１発振器１６ａから発振されたマイクロ波を放射する第１アンテナ２１に、共振周波数が互いに異なる複数の主孔部３２が形成されている。第１発振器１６ａは、第１アンテナ２１について複数の共振周波数が検出された場合に、これらの複数の共振周波数の間で発振周波数を切り替えながらマイクロ波を発振する。そのため、第１アンテナ２１ではマイクロ波に共振する主孔部３２が切り替わり、その切り替わりに応じて加熱室１２では強電界領域が変化する。そのため、導波管やアンテナなどの構造体を回転させる必要がなく、簡素な構成で加熱対象物１に対する加熱の均一性を向上させることができる。
【００６０】
また、本実施形態では、共振周波数が互いに異なる複数の主孔部３２が形成された第１アンテナ２１が、加熱室１２の底面における加熱対象物１の載置エリアの裏側に配置されているため、加熱対象物１の載置エリアにおいて強電界領域を効果的に変化させることができる。
【００６１】
また、本実施形態では、複数の主孔部３２が形成された領域の外側を囲うように、第１アンテナ２１では、その外周側へのマイクロ波の伝達を妨げる複数の外側孔部３１が形成されている。そのため、加熱対象物１に近い第１アンテナ２１に供給されるマイクロ波のエネルギーを効果的に加熱対象物１に供給することができる。
【００６２】
また、本実施形態では、各発振器１６ａ〜１６ｃから発振されたマイクロ波が加熱対象物１に効率良く吸収されるよう、負荷である各アンテナ２１〜２３におけるインピーダンスマッチングが行われる。但し、各発振器１６ａ〜１６ｃに対し個別に発振周波数に設定するため、複数のアンテナ２１〜２３間におけるインピーダンスマッチングは行っていない。
【００６３】
［実施形態の変形例］
本変形例では、第２アンテナ２２及び第３アンテナ２３の各々について発振周波数の候補が複数存在する場合に、制御装置４０は、モニタリング動作の結果に加えて、後述する位相変調動作の結果も補完的に利用して、各発振器１６ａ〜１６ｃの発振周波数を絞り込む。以下では、第２アンテナ２２を例に説明を行うが、第３アンテナ２３についても同じ制御が行われる。第３アンテナ２３の制御については記載を省略する。
【００６４】
具体的に、上述の実施形態では、第２アンテナ２２について、複数の検出周波数が存在する場合、低ロス周波数を発振周波数として選択していたが、本変形例では、発振周波数の決定に先立ち発振周波数の候補（以下、「候補周波数」という。）を選択する。制御装置４０は、低ロス周波数に加え、低ロス周波数と反射波強度の差が第２判定値以下（例えば、第２判定値＝５ｄＢ）の検出周波数を、候補周波数として選定する。
【００６５】
そして、制御装置４０は、複数の候補周波数が存在する場合に、モニタリング動作の直後に位相変調動作を行い、その位相変調動作により得られた位相変化率ｐに基づいて発振周波数を設定する。すなわち、制御装置４０は、複数の候補周波数が存在する場合に、反射波強度だけにより発振周波数を設定できない条件が成立すると判断し、位相変調動作の結果も補完的に利用する。
【００６６】
位相変調動作では、制御装置４０が、第２発振器１６ｂに対し、複数の候補周波数を順番に発振周波数に設定する。また、制御装置４０は、各候補周波数を発振周波数に設定する期間に、振幅を一定値に保ちながら第２発振器１６ｂのＩＱ変調器により位相を所定の位相変調量（例えば３０度の角度）だけ変調させる。また、第２復調部２０ｂは、第２方向性結合器１９ｂから取り出された進行波及び反射波をそれぞれ復調する。
【００６７】
そして、制御装置４０は、第２復調部２０ｂを通って電力計２５にそれぞれ入力される進行波の波形と反射波の波形とを同期させて、第２発振器１６ｂについて、進行波における位相変調量Δφと、発振するマイクロ波の位相を変調させた時に生じる反射波の位相変化量ΔΦとを検出する。制御装置４０は、検出結果から式１を用いて、位相変化率ｐを算出する。なお、制御装置４０は、候補周波数ごとに位相変化率ｐを算出する。
式１：ｐ＝ΔΦ／Δφ
【００６８】
位相変化率ｐ＝１であれば定在波であることを示し、加熱対象物１等の負荷がない状態を示す。また、ｐ＞１であれば、位相変化率の大きいことを示し、ｐ＜１であれば、位相変化率が小さいことを示す。また、位相変化率ｐには、第２アンテナ２２から加熱対象物１までの往復距離が反映される。
【００６９】
制御装置４０は、位相変調動作の結果として候補周波数毎に位相変化率ｐを算出すると、周波数設定動作を行う。周波数設定動作では、制御装置４０が、複数の候補周波数の中から、位相変化率ｐが最小の候補周波数を発振周波数として設定する。すなわち、第２アンテナ２２から加熱対象物１までのマイクロ波の往復距離が最短の候補周波数が発振周波数として選定される。
【００７０】
ここで、反射波強度が最小の共振周波数（低ロス周波数）を探し当てたとしても、その共振周波数の時に加熱対象物１におけるマイクロ波の吸収率が最高とはならない場合がある。すなわち、加熱対象物１の種類又は大きさによっては、定在波に対する位相変化が様々に生じ、位相変化に対応できずにマイクロ波が効率良く加熱対象物１に吸収されない場合がある。本変形例では、共振周波数における反射波強度の大小に加え、位相変化率ｐの大小も考慮するため、最適な発振周波数を精度良く選択することができる。
【００７１】
なお、加熱対象物１自体が小さく総面積が小さい場合は、位相変化率ｐは大きくなり、加熱対象物１自体が大きく総面積が大きい場合には、位相変化率ｐが小さくなる傾向にある。制御装置４０は、式１を用いて位相変化率ｐを測定し、その大小に応じて加熱対象物１の総面積を検知することで、加熱対象物１の種類及び大きさを判断する。そして、加熱対象物１の面積から、どの程度の割合の領域を局所加熱すべきかについても制御装置４０が判断することもできる。例えば、加熱対象物１の全体領域のうち３０％は局所加熱を行い、７０％は全体均一加熱を行うよう制御装置４０を制御することもできる。
【００７２】
また、位相変化率ｐが大きくなる場合、加熱対象物１が局所的に加熱される傾向を示し、位相変化率ｐが小さくなる場合、加熱対象物１が均一に加熱される傾向を示す。加熱運転において、制御装置４０は、位相変化率ｐの大小に応じて、同一の加熱対象物１内における局所加熱すべきポイントを特定する、あるいは、位相変化率ｐの大小に応じて、ポイントを捉え全体的均一加熱処理を行うように、各発振器１６ａ〜１６ｃの周波数制御を行うことができる。
【００７３】
［その他の変形例］
上述の実施形態では、リターン・ロス（Ｓ１１）が最小値となる共振周波数の検出手法について述べたが、別のアンテナを受信アンテナとして検出されるインサーション・ロス（Ｓ２１）が最小値となる共振周波数を検出するようにしてもよい。ここで、リターン・ロス（Ｓ１１）が最小値となる共振周波数を検出する場合、各アンテナ２１〜２３で反射する成分と加熱対象物１で反射する成分とが混在するため、正確な加熱対象物１の吸収比率を算出できない場合がある。それに対し、インサーション・ロス（Ｓ２１）は、加熱対象物１の吸収量を示すが、リターン・ロス（Ｓ１１）と比較した場合、壁等の障害物が存在しない。従って、加熱対象物１の吸収比率をより正確に算出することができる。
【００７４】
上述の実施形態について、第２アンテナ２２についても第１アンテナ２１と同様に、複数の主孔部４２の間で共振周波数を互いに異ならせてもよい。
【００７５】
上述の実施形態について、第３アンテナ２３についても第２アンテナ２２と同様に、底面側に指向性を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、電磁波を利用して加熱対象物を誘電加熱する電磁波加熱装置等に適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    電磁波加熱装置
１２    加熱室
１６ａ  第１発振器
１６ｂ  第２発振器（発振装置）
１６ｃ  第３発振器（発振装置）
２１    第１アンテナ
２２    第２アンテナ（第１側面アンテナ）
２３    第３アンテナ（第２側面アンテナ）
【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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