(57)【要約】  マイクロ波加熱装置は、被加熱物（４）を収容する加熱室（１）と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部（２）と、マイクロ波を加熱室（１）に供給する給電部（３、８）と、加熱室（１）の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置（５）とを有する。電磁界分布調整装置（５）は、上記二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片と、複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチとを有する。電磁界分布調整装置（５）はさらに、隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、加熱室（１）に供給されたマイクロ波の励振方向（６）と異なるように構成される。本構成によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
2017081852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収容する加熱室と、
マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
前記マイクロ波を前記加熱室に供給する給電部と、
前記加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置と、
を備え、
前記電磁界分布調整装置は、前記二次元領域に設けられた接地導体と、前記接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片と、前記複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチと、を有し、
前記電磁界分布調整装置は、前記隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、前記加熱室に供給された前記マイクロ波の励振方向と異なるように構成されたマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記給電部が、前記加熱室の壁面に形成されたスロット状の開口部と、前記マイクロ波を前記開口部に伝播させる導波管とを含み、
前記隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、前記開口部の長手方向と平行でなく、かつ、垂直でない請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記電磁界分布調整装置が、前記複数の金属片の各々と前記接地導体とをそれぞれ接続する複数の金属柱をさらに有する請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記電磁界分布調整装置が、前記複数の金属片と前記接地導体との間に設けられた誘電体をさらに有する請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記隣り合う二つの金属片の間に並列に、前記複数のスイッチのうちのいくつかのスイッチが接続された請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記隣り合う二つの金属片の間に直列に、前記複数のスイッチのうちのいくつかのスイッチが接続された請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電磁界分布調整装置を備えたマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および２に記載された技術は、電子レンジなどのマイクロ波加熱装置の分野において、被加熱物を均一に加熱するための代表的な技術である。【０００３】
図８は、特許文献１に記載された電子レンジの断面図である。図８に示すように、加熱室２１内にターンテーブル２５が設置される。ターンテーブル２５が回転すると、ターンテーブル２５上の被加熱物２４も回転する。マグネトロン２２により生成されたマイクロ波は、導波管２３により加熱室２１内に供給される。【０００４】
図９は、特許文献２に記載された電子レンジの断面図である。図９に示すように、回転アンテナ２６が、被加熱物２４が載置された載置台の下方に配置される。マグネトロン２２により生成されたマイクロ波は、導波管２３内を伝播し、回転アンテナ２６に到達する。回転アンテナ２６は、回転しながらマイクロ波を加熱室２１内に放射する。【０００５】
これらの従来技術は、被加熱物またはアンテナを回転させて、マイクロ波を被加熱物に均等に供給することで、被加熱物を均一に加熱することを意図したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公昭５８−００５８４２号公報
【特許文献２】特開昭５３−０９２９３９号公報
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、加熱室内に定在波が発生する。被加熱物は同じところを繰り返し通過するので、定在波により同心円状に加熱むらが発生する。
【０００８】
特許文献２に記載の構成では、アンテナに近い場所では加熱が強く、アンテナから遠い場所では加熱が弱く、その結果、加熱むらが発生する。回転アンテナにより、加熱室内に定在波が発生することを完全に防止するのは困難である。
【０００９】
さらに、特許文献１および２に記載の構成では、回転駆動のための装置を必要とするため、コスト削減が困難である。
【００１０】
上記従来の問題を解決するために、本開示の一態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、マイクロ波を加熱室に供給する給電部と、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置とを有する。
【００１１】
電磁界分布調整装置は、上記二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片と、複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチとを有する。
【００１２】
電磁界分布調整装置はさらに、隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、加熱室に供給されたマイクロ波の励振方向と異なるように構成される。
【００１３】
本態様によれば、複数のスイッチの開閉に応じて、電磁界分布調整装置の近傍のインピーダンスを変化させることができる。これにより、加熱室内に発生した定在波の腹および節の位置が入れ替わる。その結果、加熱むらを低減することができる。
【００１４】
さらに、複数のスイッチを閉じた場合に、隣り合う二つの金属片の間を流れる電流の方向が、加熱室に供給されたマイクロ波の励振方向と異なる。これにより、一つのスイッチに流れる電流を低減させることができる。その結果、本態様は、より低い耐圧で安価なスイッチを使用可能とし、コスト削減に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置の斜視図である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置の断面図である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、スイッチが閉じられた電磁界分布調整装置で反射して発生した定在波を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、スイッチが開けられた電磁界分布調整装置で反射して発生した定在波を示す図である。
【図５】図５は、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置の平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５の部分拡大図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本実施の形態と比較するための仮想的な構成を示す部分拡大図である。
【図８】図８は、従来の電子レンジの断面図である。
【図９】図９は、従来の電子レンジの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の第１の態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、マイクロ波を加熱室に供給する給電部と、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置とを有する。
【００１７】
電磁界分布調整装置は、上記二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片と、複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチとを有する。
【００１８】
電磁界分布調整装置はさらに、隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、加熱室に供給されたマイクロ波の励振方向と異なるように構成される。
【００１９】
本態様によれば、複数のスイッチの開閉に応じて、電磁界分布調整装置の近傍のインピーダンスを変化させることができる。これにより、加熱室内に発生した定在波の腹および節の位置が入れ替わる。その結果、加熱むらを低減することができる。
【００２０】
さらに、複数のスイッチを閉じた場合に、隣り合う二つの金属片の間を流れる電流の方向が、加熱室に供給されたマイクロ波の励振方向と異なる。これにより、一つのスイッチに流れる電流を低減させることができる。その結果、本態様は、より低い耐圧で安価なスイッチを使用可能とし、コスト削減に貢献する。
【００２１】
本開示の第２の態様によれば、第１の態様において、給電部が、加熱室の壁面に形成されたスロット状の開口部と、マイクロ波を開口部に伝播させる導波管とを含む。隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向が、開口部の長手方向と平行でなく、かつ、垂直でない。本態様によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
【００２２】
本開示の第３の態様によれば、第１の態様において、電磁界分布調整装置が、複数の金属片の各々と接地導体とをそれぞれ接続する複数の金属柱をさらに有する。本態様によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
【００２３】
本開示の第４の態様によれば、第１の態様において、電磁界分布調整装置が、複数の金属片と接地導体との間に設けられた誘電体をさらに有する。本態様によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
【００２４】
本開示の第５の態様によれば、第１の態様において、隣り合う二つの金属片の間に並列に、複数のスイッチのうちのいくつかのスイッチが接続される。本態様によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
【００２５】
本開示の第６の態様によれば、第１の態様において、隣り合う二つの金属片の間に直列に、複数のスイッチのうちのいくつかのスイッチが接続される。本態様によれば、より安価な構成で加熱むらを低減することができる。
【００２６】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１、図２はそれぞれ、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置である電子レンジの斜視図、断面図である。
【００２８】
図１、図２に示すように、マグネトロン２が導波管３の一端に接続される。導波管３の他端は、加熱室１の天面に設けられた長方形のスロット状の開口部８に接続される。
【００２９】
マグネトロン２は、所定の動作周波数を有するマイクロ波を生成する。マグネトロン２により生成されたマイクロ波は、導波管３を伝播して開口部８で励振電界６となる。励振電界６は、開口部８の長手方向と垂直な方向を有する。励振電界６は、加熱室１内に供給されて食品などの被加熱物４を誘電加熱する。
【００３０】
本実施の形態では、マグネトロン２がマイクロ波生成部に、導波管３と開口部８とが給電部にそれぞれ相当する。開口部８は加熱室１の天面に形成されるが、加熱室１の他の壁面（例えば側壁）に形成されてもよい。
【００３１】
電磁界分布調整装置５は、加熱室１の底面に設けられる。被加熱物４は、電磁界分布調整装置５の上に載置される。電磁界分布調整装置５は、その表面のインピーダンスを変化させて、その近傍の電界分布を変化させることができる。これにより、被加熱物４の加熱分布を変化させ、被加熱物４を均一に加熱することができる。
【００３２】
図３は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。図３に示すように、電磁界分布調整装置５は、金属片１０と金属柱１１と接地導体１２とスイッチ１３とを備え、図１に示す加熱室１内の所定の二次元領域に設けられる。
【００３３】
本実施の形態では、所定の二次元領域は加熱室１の底面全体である。しかしながら、所定の二次元領域が底面ではなく他の壁面（例えば側壁）でもよく、全体ではなく一部であってもよい。
【００３４】
接地導体１２は、加熱室１の底面に平行に設けられる（図１、図２参照）。接地導体１２は、電磁界分布調整装置５の底面に相当し、基準電位を有する。
【００３５】
金属片１０は、接地導体１２と平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片を含む。金属片１０の各金属片は、一辺が、例えば、マイクロ波加熱のための動作周波数を有する電磁波の波長の半分以下の長さを有する四角形の金属平板である。二次元的かつ周期的に配列するとは、複数の同一構造体を縦横ともに一定間隔に配列することを意味する。
【００３６】
金属柱１１は、金属片１０の各金属片を接地導体１２にそれぞれ接続する複数の金属柱を含む。一つの金属片と一つの金属柱の組み合わせは、マッシュルーム（Mushroom）構造のユニットセル（Unit cell）と呼ばれる。
【００３７】
スイッチ１３は、金属片１０における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられ、例えばトランジスタで構成された複数のスイッチを含む。
【００３８】
スイッチ１３を開けたとき、マイクロ波加熱のための動作周波数を有する電磁波に対して、電磁界分布調整装置５が磁気壁（Magnetic wall）として機能するように、金属片１０の各々の一辺の長さおよび金属柱１１の高さなどの寸法が設計される。
【００３９】
図４Ａは、図３に示すスイッチ１３が閉じられた電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波１４ａを示す。図４Ｂは、スイッチ１３が開けられた電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波１４ｂを示す。
【００４０】
スイッチ１３を閉じると、スイッチ１３と金属片１０とを含む平面が短絡面（Short-circuit plane）を構成する。電磁波は短絡面で反射されると、その短絡面、すなわち、金属片１０の表面に節（Node）を有する定在波（Standing wave）を形成する。
【００４１】
これらの二つの金属片の近傍において、電磁界分布調整装置５は、実質的にゼロのインピーダンスを有する電気壁（Electric wall）として機能する。
【００４２】
スイッチ１３を開けると、電磁界分布調整装置５は、多数のマッシュルーム構造のユニットセルが二次元的かつ周期的に配列されたメタマテリアル（Meta-material）を構成する。電磁界分布調整装置５は、金属片１０の近傍において実質的に無限大のインピーダンスを有する磁気壁として機能する。
【００４３】
スイッチ１３が開いても、隣り合う二つの金属片は、金属柱１１と接地導体１２とを介して導通するため、直流電流はこれらの金属片の間を流れることができる。しかしながら、電磁波は、金属片１０および金属柱１１の寸法により、これらの金属片の間を伝播することができない。
【００４４】
従って、スイッチ１３と金属片１０とを含む平面が開放面（Open plane）を構成する。電磁波は開放面で反射されると、その開放面、すなわち、金属片１０の表面に腹（Antinode）を有する定在波を形成する。
【００４５】
このように、電磁界分布調整装置５は、そのインピーダンスを変化させることにより、電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波の節の位置と腹の位置とを入れ替えることができる。
【００４６】
図５は、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。本変形例に係る電磁界分布調整装置５は、図３に示す電磁界分布調整装置５と異なり、金属柱１１の代わりに、金属片１０と接地導体１２との間に誘電体１５が配置される。
【００４７】
スイッチ１３は、例えば、ツェナーダイオードなどの降伏電圧特性を有する素子であってもよい。スイッチ１３が降伏電圧特性を有する素子である場合、スイッチ１３の各スイッチの近傍に到来した電磁波により、一つのスイッチの両端に接続された二つの金属片に予め決められたしきい値（降伏電圧）より大きな電位差が発生したとき、スイッチが開状態から閉状態に切り替わる。
【００４８】
従って、電磁界分布調整装置５は、電磁界が強い部分において自動的にインピーダンスを実質的にゼロに切り替えることで、この部分に定在波の節を発生させ、電磁界を弱める。これにより、加熱むらを自動的に抑制することができる。
【００４９】
図６は、電磁界分布調整装置５の上面図である。上述のように、励振電界６は、開口部８の長手方向と垂直な方向を有する（図１、図２参照）。図７Ａは、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５の部分拡大図である。図７Ｂは、本実施の形態と比較するための仮想的な構成を示す部分拡大図である。
【００５０】
図６、図７Ａに示すように、スイッチ１３を流れる電流の方向は、励振電界６の方向と４５度の角度をなす。すなわち、隣り合う二つの金属片の一方から他方へ流れる電流の方向は、開口部８の長手方向と平行でも垂直でもなく、励振方向と異なる。
【００５１】
図７Ｂに示すように、スイッチ１３を流れる電流の方向は、励振電界６の方向と平行または垂直である。
【００５２】
電磁界分布調整装置５の近傍の電界は、励振電界６と平行な方向を有する。このため、隣り合う二つの金属片の間に、図７Ｂに示すように左から右への方向の電気力線７が発生する。この場合、隣り合う二つの金属片を流れるすべての電流が一つのスイッチを通過する。従って、スイッチ１３の各スイッチは高い耐圧を要する。
【００５３】
図７Ａに示す構成において、図７Ｂと同様に、金属片間に電気力線７が発生する。しかしながら、この場合、電流は二方向に分岐する。
【００５４】
すなわち、本実施の形態では、金属片１０において隣り合う二つの金属片の一方から他方への方向は、加熱室１に供給されたマイクロ波の励振方向と異なる。これにより、電気力線７が分散されて、スイッチにかかる電圧も分散される。本実施の形態によれば、より低い耐圧で安価なスイッチを使用することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、隣り合う二つの金属片の間に、スイッチが一つずつ設置される。しかしながら、本実施の形態はこれに限定されない。隣り合う二つの金属片の間に、いくつかのスイッチを並列に設置してもよく、直列に設置してもよい。例えば、二つのスイッチを並列に設置すると、一つのスイッチを流れる電流が半減され、二つのスイッチを直列に設置すると、一つのスイッチにかかる電圧が半減される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本開示に係る電磁界分布調整装置は、生ごみ処理機など、誘電加熱を利用した他の加熱装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１，２１  加熱室
２，２２  マグネトロン
３，２３  導波管
４，２４  被加熱物
５  電磁界分布調整装置
６  励振電界
７  電気力線
８  開口部
１０  金属片
１１  金属柱
１２  接地導体
１３  スイッチ
１４ａ，１４ｂ  定在波
１５  誘電体
２５  ターンテーブル
２６  回転アンテナ
【図１】
2017081852.tif 000003
【図２】
2017081852.tif 000004
【図３】
2017081852.tif 000005
【図４Ａ】
2017081852.tif 000006
【図４Ｂ】
2017081852.tif 000007
【図５】
2017081852.tif 000008
【図６】
2017081852.tif 000009
【図７Ａ】
2017081852.tif 000010
【図７Ｂ】
2017081852.tif 000011
【図８】
2017081852.tif 000012
【図９】
2017081852.tif 000013
【国際調査報告】
2017081852.tif 000014
2017081852.tif 000015
2017081852.tif 000016
2017081852.tif 000017