(57)【要約】【課題】  マグネトロンを備えるマイクロ波発振器が出力するマイクロ波の電力値を微細に調整可能なマイクロ波電力制御装置を提供すること。【解決手段】  マグネトロンを備えるマイクロ波発振器１１が出力するマイクロ波電力をアプリケータ１８に送る導波管系回路１０に、マイクロ波発振器１１からアプリケータ１８に向かって順次接続したアイソレータ１４、可変型リアクタンス素子３０、パワーモニタ１５からなるマイクロ波可変減衰器３１を備えて構成したマイクロ波電力制御装置となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロンを備えるイクロ波発振器が出力するマイクロ波電力をアプリケータに送る導波管系回路に、マイクロ波発振器からアプリケータに向かって順次接続したアイソレータ、可変型リアクタンス素子、パワー測定手段からなるマイクロ波可変減衰器を備えて、マイクロ波の電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置。
【請求項２】
マグネトロンを備えるマイクロ波発振器が出力するマイクロ波電力をアプリケータに送る導波管系回路に、マイクロ波発振器からアプリケータに向かって順次接続したアイソレータ、可変型リアクタンス素子、パワー測定手段、アイソレータからなるマイクロ波可変減衰器を備えて、マイクロ波の電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載したマイクロ波電力制御装置において、
前記可変型リアクタンス素子は、スタブチューナ、Ｅチューナ、Ｈチューナ、ＥＨチューナのいずれかより形成したことを特徴とするマイクロ波電力制御装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載したマイクロ波電力制御装置において、
前記パワー測定手段は、前記導波管に結合させた方向性結合器を介して取り出した進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力を測定して前記導波管内を伝播する進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力値を求めるパワーモニタなどのデバイスによって形成したことを特徴とするマイクロ波電力制御装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載したマイクロ波電力制御装置において、
マイクロ波の電力値を制御するマグネトロンの陽極電流制御手段を備え、当該陽極電流制御手段と前記マイクロ波可変減衰器とを併用してマイクロ波の電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンを備えるマイクロ波発振器が出力するマイクロ波の電力値を制御するマイクロ波電力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来例として示したマイクロ波応用装置の簡略的な構成図である。
このマイクロ波応用装置は、マグネトロンを備えるマイクロ波発振器１１から出力されたマイクロ波電力（この例では、２．４５GHｚ帯）が、ランチャー導波管（方向性結合器）１２、テーパー導波管１３、アイソレータ１４、パワーモニタ１５、ＥＨチューナ１６を順次接続した導波管系回路１０を介してアプリケータ１８に送られる。
【０００３】
上記ランチャー導波管１２は、マイクロ波発振器１１が備えるマグネトロンのアンテナを内装し、マイクロ波発振器１１が出力したマイクロ波電力を結合させる。
ランチャー導波管１２によって結合されたマイクロ波電力は、テーパー導波管１３によって標準導波管に送られる。
【０００４】
上記アイソレータ１４は、図７に示すように、サーキュレータ１４ａとダミーロード１４ｂから形成されており、アプリケータ１８側からマイクロ波発振器１１側に戻るマイクロ波電力を吸収する。
すなわち、アプリケータ１８側に向かうマイクロ波電力は透過させるが、アプリケータ１８側からマイクロ波発振器１１側に向かうマイクロ波電力はサーキュレータ１４ａで曲げられダミーロード１４ｂに進んで吸収される。
したがって、マイクロ波発振器１１へ戻るマイクロ波電力はない。
【０００５】
上記パワーモニタ１５は、マイクロ波電力の進行波と反射波をモニタするものである。
上記ＥＨチューナ１６は、マイクロ波電力のインピーダンスを調整し、反射波の無い状態を実現するもので、Ｅチューナ１６ａとＨチューナ１６ｂとを備えている。
ＥＨチューナ１６のＥチューナー１６ａは、図８に示すように、主導波管の仮想壁面Ｄ０から短絡面１６ｃまでの距離Ｌ０を管内波長の０〜１／４とし、それぞれ自由に調整が可能となっている。
なお、図８はＥチューナ１６ａについて示しているが、Ｈチューナ１６ｂは主導波管のような構成となっていて、Ｅチューナー１６ａは主導波管のＨ面に、Ｈチューナー１６ｂは主導波管のＥ面に、それぞれの中心が主導波管の同じ位置になるように配置してＥＨチューナー１６が構成されている。
【０００６】
このＥＨチューナ１６は、パワーモニタ１５の反射波の指示値を確認しながらＥチューナ１６ａとＨチューナ１６ｂの短絡板位置を動かして反射波の指示値がゼロとなるように調整する。
マイクロ波電力の反射波がゼロとなれば、ＥＨチューナ１６から照射アンテナ１７に向かうマイクロ波電力は、マイクロ波発振器１１が発振したマイクロ波電力で、アイソレータ１４を透過したマグネトロン１１の発振電力となる。
照射アンテナ１７からアプリケータ１８内に照射されたマイクロ波電力は、ターンテーブル１９に置かれたマイクロ波被処理物２０に作用し、マイクロ波処理をする。
【０００７】
上記したマイクロ波応用装置は、マグネトロンの陽極電流を制御してマイクロ波の電力値を調整している。
具体的には、マイクロ波発振器１１の駆動回路２１に備えたマグネトロンの陽極電圧調整回路によって、マグネトロンの陽極電流値をモニタしながら電圧調整してマイクロ波の電力値を増減する構成となっている。
この調整は、マイクロ波電力と陽極電流とが比例関係にあることを利用している。
【０００８】
しかしながら、上記のように陽極電流値を制御する調整では、マイクロ波の電力値を微細にコントロールすることができない。
その理由は、マグネトロンが備える永久磁石（フェライト磁石）が、−０．２％／℃の温度係数をもっているため、マグネトロンのピーク陽極電圧も、マイクロ波出力もこの温度係数で変化する。
したがって、安定した出力を得るために、マイクロ波発振器１１を２０〜３０分間連続運転して温度が平衡状態になったところから、マイクロ波処理作業に入ることになる。 
【０００９】
ところが、常温より高い温度で熱平衡状態になるので、安定した出力を得る状態におけるマイクロ波の電力値が若干低い値になってしまうと言う問題がある。
これを避けるために、マイクロ波電力を検出して、マイクロ波電圧を増減させて調整する方法もあるが、信頼性を確保するための工夫が必要になる。
【００１０】
一方、陽極電流を変えて行うマイクロ波の電力値の調整には、マグネトロンのスペクトラムの問題がある。
すなわち、陽極電流を変えてマイクロ波の電力値を増減すると、基本波発振周波数（以下、「発振周波数」と呼ぶ）も、その発振周波数を含むスペクトラムも変化する。
図９は直流陽極電源でマグネトロンを駆動した場合のパフォーマンス特性とスペクトラムの例を示す。
なお、上側のスペクトラムの図は、横軸が周波数で、縦軸が周波数成分の強度を示す。
【００１１】
この図から分かるように、マグネトロンを整合状態で運転しているにもかかわらず、直流陽極電流５０ｍＡから１５０ｍＡの範囲でスペクトラムが大きく割れている。
そして、２００ｍＡ以上では安定したスペクトラムになっている。
したがって、安定なスペクトラムが得られると推定される直流陽極電源であっても、実際に測定してみると、図９に示すような不安定なスペクトラムになっている。
【００１２】
上記したスペクトラムの問題は、マグネトロン固有の特徴と推定され、どのマグネトロンでも観測される。
そして、同じ品種のマグネトロンであっても、発振周波数が上記のように変化を起こす陽極電流値（即ち、マイクロ波の電力値）が異なり、マグネトロンの陽極電源回路のタイプや回路定数によっても影響が異なる。
【００１３】
マイクロ波応用装置の一例として、マイクロ波プラズマを利用した表面改質処理装置があるが、この装置のプラズマ強度はマイクロ波の電力値を増減して調整することから、上記したように、マグネトロンの発振周波数が２つに割れるスペクトラムの影響を受けてプラズマが不安定となるなどの問題がある。
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２８０１９６号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記した実情にかんがみ、マグネトロンを備えるマイクロ波発振器が出力するマイクロ波の電力値を微細に調整可能なマイクロ波電力制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記した目的を達成するため、本発明では、第１の発明として、マグネトロンを備えるイクロ波発振器が出力するマイクロ波電力をアプリケータに送る導波管系回路に、マイクロ波発振器からアプリケータに向かって順次接続したアイソレータ、可変型リアクタンス素子（可変型サセプタンス素子）、パワー測定手段からなるマイクロ波可変減衰器を備えて、マイクロ波の電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置を提案する。
【００１７】
第２の発明としては、マグネトロンを備えるマイクロ波発振器が出力するマイクロ波電力をアプリケータに送る導波管系回路に、マイクロ波発振器からアプリケータに向かって順次接続したアイソレータ、可変型リアクタンス素子（可変型サセプタンス素子）、パワー測定手段、アイソレータからなるマイクロ波可変減衰器を備えて、マイクロ波の電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置を提案する。
【００１８】
第３の発明としては、上記した第１又は第２の発明のマイクロ波電力制御装置において、前記可変型リアクタンス素子は、スタブチューナ、Ｅチューナ、Ｈチューナ、ＥＨチューナのいずれかより形成したことを特徴とするマイクロ波電力制御装置を提案する。
【００１９】
第４の発明としては、上記した第１又は第２の発明のマイクロ波電力制御装置において、前記パワー測定手段は、前記導波管に結合させた方向性結合器を介して取り出した進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力を測定して前記導波管内を伝播する進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力値を求めるパワーモニタなどのデバイスによって形成したことを特徴とするマイクロ波電力制御装置を提案する。
【００２０】
第５の発明としては、上記した第１又は第２の発明のマイクロ波電力制御装置において、マイクロ波の電力値を制御するマグネトロンの陽極電流制御手段を備え、当該陽極電流制御手段と前記マイクロ波可変減衰器とを併用してマイクロ波電力値を制御する構成としたことを特徴とするマイクロ波電力制御装置を提案する。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明のマイクロ波電力制御装置は、アイソレータ、可変型リアクタンス素子、パワー測定手段を順次接続したマイクロ波可変減衰器を導波管系回路に備えた構成としてある。
したがって、パワー測定手段の指示値が所望の電力値になるように、可変型リアクタンス素子を調整して反射波電力を増減させると、この可変型リアクタンス素子からアプリケータに向かうマイクロ波電力を微細に制御でき、マイクロ波の電力値を所望の値に設定することができる。
なお、可変型リアクタンス素子で反射した反射電力はアイソレータで吸収する。
【００２２】
第２の発明のマイクロ波電力制御装置は、マイクロ波発振器からアプリケータに向かって順次接続したアイソレータ、可変型リアクタンス素子、パワー測定手段、アイソレータからなるマイクロ波可変減衰器を導波管系回路に備えた構成としてある。
したがって、アプリケータ内に置いたマイクロ波被処理物の状況が変わり、導波管系回路内を伝播するマイクロ波電力の反射波が変化、つまり、反射波の位相と大きさが変化しても、反射波がアプリケータ側のアイソレータにより吸収されるので、可変型リアクタンス素子とマイクロ波発振器側のアイソレータとの間は、常に反射波のないマイクロ波電力状態を保持することができる。
【００２３】
したがって、パワー測定手段がアプリケータに向かうマイクロ波電力の正しい指示値を示すので、その指示値に基づいて可変型リアクタンス素子によって反射波を増減し、この可変型リアクタンス素子からアプリケータに向かうマイクロ波電力を微細に制御し、マイクロ波の電力値を設定することができる。
このように、第２の発明によれば、マイクロ波被処理物の状況が変わり、反射波が変化した場合にも対応できるマイクロ波電力制御装置となる。
【００２４】
因みに、第１の発明では、マイクロ波電力を照射し続けると被処理物の状況が変わって反射波が変化すると、パワー測定手段の指示値が影響を受けるので、従来の調整方法と同様に、アプリケータからの反射波をアプリケータとパワー測定手段との間に設置したＥＨチューナで打ち消した上で、可変型リアクタンス素子を調整して所望のマイクロ波電力値に設定することになる。
【００２５】
第３の発明のマイクロ波電力制御装置は、上記した可変型リアクタンス素子については、スタブチューナ、Ｅチューナ、Ｈチューナ、ＥＨチューナのいずれかにより形成したことを特徴とする発明となっている。
【００２６】
第４の発明のマイクロ波電力制御装置は、上記したパワー測定手段について、前記導波管に結合させた方向性結合器を介して取り出した進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力を測定して前記導波管内を伝播する進行波と反射波の両方または進行波或いは反射波のみの電力値を求めるパワーモニタ等によって形成したことを特徴とする発明となっている。
【００２７】
第５の発明のマイクロ波電力制御装置は、マグネトロンの陽極電流制御手段を使用してマイクロ波発振器が出力するマイクロ波の電力値をマイクロ波応用装置が必要とするマイクロ波電力の上限に設定した後、上記したマイクロ波可変減衰器を使用して必要なマイクロ波の電力値に減少調節する。
このようにすると、マイクロ波の電力値を調節する際の反射波の発生が最小になるので、エネルギーの省力化に有利となる。
【００２８】
さらに、上記のようにマイクロ波の電力値を上限に設定した後、マイクロ波可変減衰器で減少制御すれば、マグネトロンの発振周波数と基本波発振スペクトラム波形が一定の状態を維持するので、照射するマイクロ波電力の周波数特性に敏感なアプリケータやマイクロ波被処理物に対し、マイクロ波電力の微細な調整が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態について図面に沿って説明する。
図１は、第１実施形態として示したマイクロ波応用装置の簡略構成図である。
本実施形態のマイクロ波応用装置は、従来例として示した図６のマイクロ波応用装置のアイソレータ１４とパワーモニタ（パワー測定手段）１５との間に可変型リアクタンス素子３０を接続することによって、可変型リアクタンス素子３０とアイソレータ１４とでマイクロ波可変減衰器３１を形成した点に特徴がある。
したがって、その他の構成は図６の従来例のマイクロ波応用装置と同構成であるので、同じ部材には同符号を付してその説明を省略する。
ただし、本実施形態のパワーモニタ１５は、進行波と反射波の両方が測定できるパワー測定手段となっている。
【００３０】
上記した可変型リアクタンス素子３０は、図２に示す如く、導波管系回路（主導波管）１０のＥ面（電界に平行な面）あるいはＨ面（磁界に平行な面）に副導波管３０ａを設け、副導波管３０ａ内に移動可能な短絡板（バックプランジャ）３０ｂを設けた構成としてあり、短絡板３０ｂを可動させて、リアクタンスを０〜∞まで可変することができる。
【００３１】
図３は、上記した可変型リアクタンス素子３０のバックプランジャ距離（主導波管の仮想壁面Ｄ１から短絡板３０ｂまでの距離）Ｌ１とリアクタンス量の関係を示す特性図である。
図４はバックプランジャ距離と反射電力係数及び透過電力係数の関係を示す特性図である。
なお、この図において、４Ａが反射電力、４Ｂが透過電力を示している。
これらの特性図から分かるように、上記した可変型リアクタンス素子３０は、バックプランジャ距離Ｌ１を１０ｍｍの位置に設定すると、透過電力が５％減り、９５％となる。
【００３２】
なお、図２は、Ｈ面に設けた可変型リアクタンス素子３０について示したが、Ｅ面についても同様に設けることができ、また、Ｅ面とＨ面の両面に設けてＥＨチューナと同様に構成することもできる。
【００３３】
上記のように構成したマイクロ波応用装置は、パワーモニタ１５の反射波指示値がゼロまたはゼロに近くなるようにＥＨチューナ１６を調節する。
【００３４】
したがって、この調節により、パワーモニタ１５が設置される場所では、反射波指示値がゼロまたはゼロ近くになって定在波が無視できるようになるので、パワーモニタ１５が示す進行波電力値は、マイクロ波発振器１１で発振したマイクロ波電力で、アイソレータ１４を透過したマイクロ波電力（透過電力）を正しく示すことができる。
そして、この透過電力が、ＥＨチューナ１６以降のアプリケータ１８内に照射されるので、この透過電力であるマイクロ波電力によってマイクロ波被処理物２０が処理される。
【００３５】
マイクロ波電力を調整する場合は、この状態、すなわち、ＥＨチューナ１６を調節して反射波指示値がゼロまたはゼロの近くに設定して、パワーモニタ１５の進行波指示値がアイソレータ１４の透過電力を正しく示すようになってから、この進行波指示値が所望の電力値になるように、可変型リアクタンス素子３０を調整する。
【００３６】
図５は、第２実施形態として示したマイクロ波応用装置の簡略構成図である。
本実施形態のマイクロ波応用装置は、図１に示したマイクロ波応用装置の可変型リアクタンス素子３０とパワーモニタ１５の間に、パワーモニタ３３とアイソレータ３２とを接続することによって、アイソレータ１４、可変型リアクタンス素子３０、パワーモニタ３３、アイソレータ３２、パワーモニタ１５によってマイクロ波可変減衰器３４を形成した点に特徴がある。
したがって、その他の構成は図１のマイクロ波応用装置と同構成であるので、同じ部材には同符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
このマイクロ波応用装置は、アイソレータ３２でアプリケータ１８からの反射波を吸収してマイクロ波発振器１１側に反射波を透過させないので、アプリケータ１８内のマイクロ波被処理物２０の状態如何に関わらず、また、ＥＨチューナ１６の調整如何に関わらず、パワーモニタ３３の設置場所では進行波しか伝播しないから、パワーモニタ３３の指示値は正しい値を示す。
【００３８】
すなわち、ＥＨチューナ１６は、透過したマイクロ波電力がＥＨチューナ１６以降で全て吸収されるように調整する。
つまり、パワーモニタ１５の反射波指示値がゼロになるように、このＥＨチューナ１６を調整する。
【００３９】
一方、マイクロ波可変減衰器３４は、アイソレータ３２でアプリケータ１８からの反射波の影響を打ち消すことができるから、ＥＨチューナ１６の調整の適否に関わらず、パワーモニタ３３の進行波指示値が所望の電力値なるように可変型リアクタンス素子３０を独立させて調整してマイクロ波電力を制御し、アイソレータ３２を透過する進行波電力を微調整することができる。
【００４０】
これより、照射アンテナ１７からアプリケータ１８内に照射されたマイクロ波電力値が微妙に制御されることにより、マイクロ波被処理物２０のマイクロ波処理精度を高めることができる。
なお、上記のように、パワーモニタ３３は進行波だけが測定できる仕様でもよいので、それだけ安価なパワーモニタを使用することができる。
【００４１】
以上、第１、第２実施形態のマイクロ波応用装置について説明したが、マイクロ波可変減衰器３１、３４による電力値の制御に加え、駆動回路２１によってマグネトロンの陽極電流を増減して電力値を制御することにり、マイクロ波電力値を精度高く微細に調整することができる。
【００４２】
また、既に述べたように、マグネトロンの陽極電流を制御してマイクロ波発振器が出力するマイクロ波の電力値をマイクロ波応用装置が必要とするマイクロ波電力の上限に設定した後、上記した、マイクロ波可変減衰器３１、３４を使用して必要なマイクロ波の電力値に減少調節すれば、マイクロ波の電力値を調節する際の反射波の発生が最小になるので、エネルギーの省力化に有利となる。
【００４３】
さらに、上記のようにマイクロ波の電力値を上限に設定した後、マイクロ波可変減衰器３１、３４で減少制御すれば、マグネトロンの発振周波数と基本波発振スペクトラム波形が一定の状態を維持するので、スペクトラムに影響されずにマイクロ波の電力値の微細な調整が可能になる。
【００４４】
また、本発明の実施に際しては、マイクロ波可変減衰器３１、３４を形成する可変型リアクタンス素子３０としては、ＥＨチューナを基本としたＥチューナやＨチューナを用いたが、スタブチューナも可変型リアクタンス素子の一種であり、リアクタンスを０〜∞まで可変することができるができるから、ＥＨチューナに換えてスタブチューナを備えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
マイクロ波電力を利用して加熱や乾燥する装置、マイクロ波電力を供給してプラズマを発生させるプラズマ発生装置などに備えて、マイクロ波の電力値を制御するマイクロ波電力制御装置として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態として示したマイクロ波応用装置の簡略構成図である。
【図２】上記マイクロ波応用装置に備えた可変型リアクタンス素子の拡大断面図である。
【図３】上記可変型リアクタンス素子のプランジャー距離とリアクタンス量との関係を示した特性図である。
【図４】上記可変型リアクタンス素子のプランジャー距離に対する反射電力係数及び透過電力係数の関係を示した特性図である。
【図５】第２の実施形態として示したマイクロ波応用装置の簡略構成図である。
【図６】従来例として示したマイクロ波応用装置の簡略構成図である。
【図７】図６のマイクロ波応用装置が備えるアイソレータを説明するための部分的な拡大断面図である。
【図８】図６のマイクロ波応用装置が備えるＥＨチューナの拡大断面図である。
【図９】直流陽極電源でマグネトロンを駆動した場合のパフォーマンス特性とスペクトラムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  導波管系回路
１１  マイクロ波発振器
１４  アイソレータ
１４ａ  サーキュレータ
１４ｂ  ダミーロード
１５  パワーモニタ
１６  ＥＨチューナ
１８  アプリケータ
２１  駆動回路
３０  可変型リアクタンス素子
３１  マイクロ波可変減衰器
３２  アイソレータ
３３  パワーモニタ
３４  マイクロ波可変減衰器
【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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