(57)【要約】【課題】加熱室の壁面に配置した給電部の励振電界の向き制御によりマイクロ波分布を操作することで、様々な被加熱物を高効率に加熱する装置を提供する。【解決手段】発振部１ａ、１ｃ、電力分配部２ａ、２ｃ、増幅部４ａ〜４ｄ、被加熱物９を収納する加熱室８、加熱室８の底壁面に配置されマイクロ波を放射する給電部５ａ〜５ｄ、マイクロ波伝播路に挿入した位相可変部３ａ〜３ｄを備え、給電部５ａ〜５ｄより放射されるマイクロ波の励振電界の向き、位相差および発振周波数を最適制御することにより、様々な被加熱物に対して反射電力を最小に抑制し高効率な加熱を実現させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、前記電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部および／または前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記加熱室にマイクロ波電力を放射する放射部と前記増幅部の出力を前記放射部に伝える伝播部で構成された給電部と、それぞれの前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を制御する制御部とを備え、前記給電部の前記伝播部を軸形状とし、前記放射部が前記伝播部を中心軸として回転動作可能とし、前記放射部の回転動作により前記放射部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きが変わる構成としたマイクロ波処理装置。
【請求項２】
給電部の伝播部は、放射部に接続した軸と、加熱室を構成する１壁面に設けた穴を非接触で貫通し、増幅部に直接または間接につながる軸の２軸を部分的に同軸形状に組み合わせた構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項３】
伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側軸は、伝播するマイクロ波の高周波電流が表面電流の１／ｅ（ｅ：自然対数の底）になる厚み以上の管形状構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項４】
伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の内部で内側軸を回転可能に保持した構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項５】
伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の内部で内側軸を抜けないように保持した構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項６】
伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸と内側軸は回転可能に保持した部分以外で接触させない構成とした請求項１、２または４のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項７】
伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の端部をテーパー形状にした構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項８】
放射部と前記加熱室を構成する１壁面の間に前記放射部または前記放射部に接続した軸と連動する誘電体を設け、誘電体部分で回転駆動する構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部を備えたマイクロ波処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のマイクロ波処理装置は、一般には直方体形状の加熱室で構成され、一つあるいは複数の給電部を備えている。複数の給電部の構成としては、給電部を加熱室の上壁面と底壁面に設け、専用のマイクロ波発生部からそれぞれの給電部にマイクロ波を供給したものがある。
【０００３】
また、被加熱物の加熱の均一化を促進することを狙いとして加熱室を６面以上の多面体に形成し、各壁面の一部あるいは全部の面から給電部である放射アンテナを加熱室内に突出して配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。そして、互いの放射アンテナを異なる面に配したことで互いの干渉を防止できるとしている。さらには放射アンテナがそれぞれ異なる方向を向いているので放射された電波は加熱室内のあらゆる方向に伝播し、壁面にて反射して散乱するため、加熱室内で電波は均一に分布するとしている。
【０００４】
また、固体発振器が接続された各アンテナのうち少なくとも２個を加熱室の同一壁面に配置させるものがある（例えば、特許文献２参照）。そして、アンテナの設置数を増やすことにより加熱むらが少なくなり、均一加熱ができかつアンテナ相互の向き関係により反射波の影響をも無くすとしている。
【０００５】
また位相器を備えたものとして、半導体発振部と、発振部の出力を複数に分割する分配部と、分配された出力をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、増幅部の出力を合成する合成部とを有し、分配部と増幅部との間に位相器を設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。そして、位相器はダイオードのオンオフ特性によりマイクロ波の通過線路長を切り替える構成としている。また、合成部は９０度および１８０度ハイブリッドを用いることで合成部の出力を２つにすることができ、位相器を制御することで２出力の電力比を変化させたり、２出力間の位相を同相あるいは逆相にすることができるとしている。
【０００６】
また、この種のマイクロ波処理装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生部にマグネトロンと称される真空管を用いている。
【特許文献１】特開昭５２−１９３４２号公報
【特許文献２】実開昭５２−１６６５４号公報
【特許文献３】特開昭５６−１３２７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の複数給電部は、各給電部間の干渉を回避させるように配置させたものであり、それぞれの給電部から放射されたマイクロ波は放射方向がそれぞれ異なっているが、加熱室壁面での反射に伴う散乱およびその散乱したマイクロ波が壁面にぶつかってさらに散乱という繰返しにより広範囲の散乱になるので、他の放射アンテナから放射されたマイクロ波からの干渉を防止することは不可能である。
【０００８】
また、加熱室同一壁面に複数のアンテナを配置させるものにあっては、単純にアンテナ数を複数設けたものとの差異が明確でなく、同一壁面に設けることの効果の内容開示がなく、実現の可能性のみである。
【０００９】
さらに、位相器を備えたものにおいては、合成部の２つの出力から放射されるマイクロ波は、位相器によって位相を変化させることで２つの放射アンテナからの放射電力比や位相差を任意にかつ瞬時に変化させることは可能だけれども、その放射によってマイクロ波が供給される加熱室内に収納されたさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱することは難しい課題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を最適に相互干渉させることで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波処理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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波処理装置は、加熱室を構成する壁面に設けた給電部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きを回転動作可能とし、給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる電界または磁界の向き条件と、周波数条件で加熱処理する構成としたものであり、加熱室内に収納する被加熱物を効率よく加熱する装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のマイクロ波処理装置は、給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる電界または磁界の向き条件と、周波数条件で、給電部からマイクロ波を加熱室内に放射して、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱するマイクロ波処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、電力分配部および／または位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、加熱室にマイクロ波電力を放射する放射部と増幅部の出力を放射部に伝える伝播部で構成された給電部と、それぞれの給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力を検出する電力検出部と、発振部の発振周波数と位相可変部の位相量を制御する制御部とを備え、給電部の伝播部を軸形状とし、放射部が伝播部を中心軸として回転動作可能とし、放射部の回転動作により放射部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きが変わる構成としたものであり、給電部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きを制御でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の給電部の伝播部は、放射部に接続した軸と、加熱室を構成する１壁面に設けた穴を非接触で貫通し、増幅部に直接または間接につながる軸の２軸を部分的に同軸形状に組み合わせた構成としたものであり、放射部が伝播部を中心軸として回転動作可能となり、給電部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きを制御でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１または２の発明の伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側軸は、伝播するマイクロ波の高周波電流が表面電流の１／ｅ（約０．３７）になる厚み以上の管形状構成としたものであり、伝播部のマイクロ波電力損失を抑えて、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１または２の発明の伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の内部で内側軸を回転可能に保持した構成としたものであり、マイクロ波電力の多くが伝播する伝播部の外郭部での損失を抑えて、さまざまな形状・種類・量
の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１７】
第５の発明は、特に、第１または２の発明の伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の内部で内側軸を抜けないように保持した構成としたものであり、放射部の回転を安定化し、給電部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きの制御を維持でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１８】
第６の発明は、特に、第１、２または４のいずれかの発明の伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸と内側軸は回転可能に保持した部分以外で接触させない構成としたものであり、伝播部のマイクロ波電力損失を抑えて、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００１９】
第７の発明は、特に、第１または２の発明の伝播部を構成する同軸形状に組み合わせた２軸の外側管形状軸の端部をテーパー形状にした構成としたものであり、伝播部のマイクロ波電力の反射を抑えて、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００２０】
第８の発明は、特に、第１または２の発明の放射部と加熱室を構成する１壁面の間に放射部または放射部に接続した軸と連動する誘電体を設け、誘電体部分で回転駆動する構成としたものであり、放射部の形状に関係なく安定した回転制御ができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波処理装置の構成図である。
【００２３】
図１において、マイクロ波発生部は半導体素子を用いて構成した発振部１ａ、１ｃ、発振部１ａ、１ｃの出力を２分配する電力分配部２ａ、２ｃ、電力分配部２ａ、２ｃそれぞれの出力を増幅する半導体素子を用いて構成した増幅部４ａ〜４ｄ、増幅部４ａ〜４ｄによって増幅されたマイクロ波出力を加熱室８内に放射する給電部５ａ〜５ｄ、および電力分配部２ａ、２ｃと増幅部４ａ〜４ｄを接続するマイクロ波伝播路に挿入され入出力に任意の位相差を発生させる位相可変部３ａ〜３ｄ、増幅部４ａ〜４ｄと給電部５ａ〜５ｄを接続するマイクロ波伝播路に挿入され、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波電力（以下、反射電力という）を検出する電力検出部６ａ〜６ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄによって検出される反射電力に応じて発振部１ａ、１ｃの発振周波数と位相可変部３ａ〜３ｄの位相量を制御する制御部７とで構成している。
【００２４】
また、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物９を収納し略直方体構造からなる加熱室８を有し、加熱室８は金属材料からなる壁面および被加熱物９を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）と、被加熱物９を載置する載置台１０にて、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。そして、発振部１ａ、１ｃで発生したマイクロ波出力が伝播され、加熱室８内に放射供給する４ヶ所の給電部５ａ〜５ｄは全て加熱室８を構成する底壁面に配置されている。４ヶ所の給電部５ａ〜５ｄは、制御部７の制御により、回転動作部１２ａ〜１２ｄを動作させ、アンテナ向きを回転することができ、放射するマイクロ波の励振電界１１ａ、１１ｃの向きを制御できる。
【００２５】
増幅部４ａ〜４ｄは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体
パターンにて回路を構成し、各増幅部の増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路を配している。電力分配部２ａ、２ｃは、例えばウィルキンソン型分配器のような出力間に位相差を生じない同相分配器であってもよいし、ブランチライン型やラットレース型のような出力間に位相差を生じる分配器であってもかまわない。この電力分配部２ａ、２ｃによって各々の出力には発振部１ａ、１ｃから入力されたマイクロ波電力の略１／２の電力が伝播される。
【００２６】
位相可変部３ａ〜３ｄは、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、各々の位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。これによって位相可変部３ａ〜３ｄより出力されるマイクロ波電力の位相差は０度から±１８０度の範囲を制御することができる。電力検出部６ａ〜６ｄは、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波いわゆる反射電力を抽出するものであり、電力結合度を例えば約４０ｄＢとし、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部７に入力させている。
【００２７】
制御部７は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件や電力検出部６ａ〜６ｄの検出情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１ａ、１ｃと増幅部４ａ〜４ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御、位相可変部３ａ〜３ｄに供給する電圧の制御や回転動作部１２ａ〜１２ｄを動作させ、放射するマイクロ波の励振電界１１ａ、１１ｃの向きを制御し、加熱室８内に収納された被加熱物９を最適に加熱する。
【００２８】
以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２９】
まず被加熱物９を加熱室８に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部７の制御出力信号によりマイクロ波発生部が動作を開始する。制御手段７は、駆動電源（図示していない）を動作させて発振部１ａ、１ｃに電力を供給する。この時、発振部１ａ、１ｃの初期の発振周波数は、例えば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。発振部１ａ、１ｃを動作させると、その出力は電力分配部２ａ、２ｃにて各々略１／２分配され、４つのマイクロ波電力信号となる。以降、駆動電源を制御して増幅部４ａ〜４ｄを動作させる。そしてそれぞれのマイクロ波電力信号は並列動作する増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄを経て給電部５ａ〜５ｄにそれぞれ出力され加熱室８内に放射される。
【００３０】
加熱室８内に供給されるマイクロ波電力が被加熱物９に１００％吸収されると加熱室８からの反射電力は０Ｗになるが、被加熱物の種類・形状・量により加熱室８のインピーダンスが変わり、マイクロ波電力供給側との整合ずれなどにより、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に伝播するマイクロ波電力が生じる。電力検出器６ａ〜６ｄは、このマイクロ波電力を検出し、その反射電力量に比例した検出信号を制御部７に送る。
【００３１】
制御部７は、加熱室８に収容された被加熱物９を加熱処理する前段階で、回転動作部１２ａ〜１２ｄを制御して、給電部５ａ〜５ｄから放射するマイクロ波の励振電界１１ａ、１１ｃの向きを一致させ、発振部１ａ、１ｃと位相可変部３ａ〜３ｄを制御して、電力検出器６ａ〜６ｄで検出する反射電力の合計値を極小化する発振周波数を見極め、加熱処理条件を確定する予備検出動作を行う。予備検出動作で制御部７は、発振部１ａ、１ｃの発振周波数を例えば２４００ＭＨｚから１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達するまで動作させ、同時に給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波電力を電力検出器６ａ〜６ｄにて検出することで、反射電力を最小とする周波数条件を得ることができる。同様に、給電部間の相対的位相差を位相可変部３
ａ〜３ｄの制御により調整し、電力検出器６ａ〜６ｄで検出する反射電力の合計値を極小化する位相制御条件を見極めることができる。
【００３２】
制御部７は、反射電力が最も小さくなる発振周波数と位相差の条件で、発振部１ａ、１ｃおよび位相可変部３ａ〜３ｄを制御するとともに、入力された加熱条件に対応した出力が得られるように発振出力を制御する。制御部７の制御に応じた発振周波数のマイクロ波は、増幅部４ａ〜４ｄで、制御に応じた電力となり、それぞれの給電部５ａ〜５ｄ入力部に制御に応じた位相差で供給され、さらに加熱室８内に放射される。このように予備検出動作で得た、反射電力を最小とする周波数条件および位相制御条件に基づいて、被加熱物を含む加熱室８内の特性に合わせて加熱を開始することで、加熱室８に放射したマイクロ波を効率的に被加熱物９に吸収させることができ、様々な形状・種類・量の異なる被加熱物９に対しても反射電力が最も小さくなる思惑通りの動作条件で高効率な加熱を続けることができ、増幅部４ａ〜４ｄに備えられた半導体素子が反射電力によって過剰に発熱することも防止でき、熱的な破壊を回避することができる。
【００３３】
本実施の形態では４ヶ所給電の構成を示しているが、本実施の形態に拘束されるものではなく、給電部を増やしたりした場合も同様にそれぞれの励振方向の制御により様々な形状・種類・量の異なる被加熱物に対しても反射電力が最も小さくなる思惑通りの設定条件で高効率な加熱をすることができる。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態における給電部の断面図である。
【００３５】
図２において、給電部は、加熱室８内にマイクロ波電力を放射する放射部１３、マイクロ波を伝播する伝播部１４、伝播部１４と増幅部を中継する中継部１７、放射部１３を回転動作させる駆動部１６で構成している。また伝播部１４は、放射部１３と接合した伝播部外軸１４１と、中継部１７からのマイクロ波を伝える伝播部内軸１４２で構成され、伝播部外軸１４１と伝播部内軸１４２は、伝播部外軸管形状部分１４３で同軸構造となっている。伝播部外軸管形状部分１４３は、高周波電流が表面電流の１／ｅ（ｅは自然対数の底）、すなわち約０．３７倍になる厚み以上あり、内部に設けた伝播部抜け防止１４４と伝播部軸受け１４５でのみ伝播部内軸１４２と接触し、抜けを防止しつつ軸受けをして回転可能な状態に保持している。伝播部外軸１４１の下側端部をテーパー形状として、急なインピーダンスの変化をなくし、マイクロ波伝播経路での反射を少なくしている。放射部１３は円筒形状の誘電体１５と接合し、誘電体１５の外周部と接している駆動部１６から回転駆動力を受けて回転する。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、加熱室を構成する壁面に設けた給電部から放射するマイクロ波の電界または磁界の向きを回転動作可能とし、給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる電界または磁界の向き条件と、周波数条件で加熱処理することができるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における給電部の断面図
【符号の説明】
【００３８】
１ａ、１ｃ  発振部
２ａ、２ｃ  電力分配部
３ａ〜３ｄ  位相可変部
４ａ〜４ｄ  増幅部
５ａ〜５ｄ  給電部
６ａ〜６ｄ  電力検出部
７  制御部
８  加熱室
９  被加熱物
１０  載置台
１１ａ、１１ｃ  励振方向
１２ａ〜１２ｄ  回転動作部
１３  放射部
１４  伝播部
１４１  伝播部外軸
１４２  伝播部内軸
１４３  伝播部外軸管形状部分
１４４  伝播部抜け防止
１４５  伝播部軸受け
１５  誘電体
１６  駆動部
１７  中継部
【図１】
2010198752.tif 000003
【図２】
2010198752.tif 000004