(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器から放射されたマイクロ波を反射させる反射鏡と、
試料が配置される試料台と、
前記試料台を内部に納める炉とを備え、
前記反射鏡は、前記一次放射器が放射するマイクロ波の波源と、前記試料台の中心位置とを焦点とし、かつ、一端が前記試料台の中心位置を通る中心軸上にあり、他端が前記中心軸に対して前記波源と反対側にある楕円曲線を、前記中心軸を回転軸としたときに得られるトーラス鏡面であり、前記中心軸方向に向けて前記炉の配置位置から離れる方向に凹む形状を有し、前記凹む側を反射面とし、
前記一次放射器は、前記中心軸に対して前記波源と反対側にある前記反射鏡の反射面の前記楕円曲線に向けて前記マイクロ波を放射する
ことを特徴とするマイクロ波加熱照射装置。
【請求項２】
前記反射鏡は、中央部に穴を備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱照射装置。
【請求項３】
前記炉に吸収体を備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱照射装置。
【請求項４】
前記反射鏡に吸収体を備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱照射装置。
【請求項５】
前記一次放射器はアクティブフェーズズドアレーアンテナで構成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いた加熱装置に関するものであり、例えば製鉄分野において適用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＰＳ（Ｓｏｌａｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）をはじめとするマイクロ波伝送技術の実現に向けて、高効率伝送技術やＡＰＡＡ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ａｎｔｅｎｎａ）によるビーム制御技術等に関する様々な研究・開発が行われている。さらに、これらの技術を工業用のアプリケーションに応用していく動向もみられ、例えば、特許文献１や非特許文献１のようなマイクロ波製鉄システムが知られている。【０００３】
特許文献１は、マイクロ波製鉄炉に関するものであり、マイクロ波製鉄炉の実現にむけた構成について開示されている。また、非特許文献１には、マイクロ波照射源としてフェーズドアレーアンテナを使用し、これを工業用アプリケーターの１つとしてマイクロ波製鉄システムに適用する場合の概念的な構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８７４６４号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤、永田、篠原、三谷、樫村、「フェーズドアレーアンテナを使った工業用マイクロ波アプリケーターの概念設計」、第５回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム、講演要旨集２Ｂ０７（２０１１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１では、マイクロ波照射源とそのマイクロ波を反射させる材料及び反射鏡のイメージについての記載はあるが、試料に効率よくマイクロ波を照射するための具体的な反射鏡の形状については明らかになっていない。また、反射鏡を複数有する構成となっており、装置が複雑化するという課題があった。【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、マイクロ波を試料に効率よく照射する形状の反射鏡を備え、その反射鏡は１枚とすることで装置が簡略化されたマイクロ波加熱照射装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るマイクロ波加熱照射装置は、マイクロ波を放射する一次放射器と、一次放射器から放射されたマイクロ波を反射させる反射鏡と、試料が配置される試料台と、試料台を内部に納める炉とを備え、反射鏡は、一次放射器が放射するマイクロ波の波源と、試料台の中心位置とを焦点とし、かつ、一端が試料台の中心位置を通る中心軸上にあり、他端が中心軸に対して波源と反対側にある楕円曲線を、中心軸を回転軸としたときに得られるトーラス鏡面であり、中心軸方向に向けて炉の配置位置から離れる方向に凹む形状を有し、凹む側を反射面とし、一次放射器は、中心軸に対して波源と反対側にある反射鏡の反射面の楕円曲線に向けてマイクロ波を放射することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、マイクロ波を試料に効率よく照射する形状の反射鏡を備え、その反射鏡は１枚とすることで装置が簡略化されたマイクロ波加熱照射装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置における試料台上のマイクロ波の電力分布例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態６に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置における試料台上のマイクロ波の電力分布例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。
マイクロ波加熱照射装置は、一次放射器１、反射鏡２、試料台３、炉４から構成される。
【００１２】
一次放射器１は、球面マイクロ波を放射するものであり、炉４の周囲に円弧状に複数配置される。一次放射器１の配置数、種類、照射するマイクロ波の周波数等は適宜選択してよい。球面マイクロ波は、一次放射器の中心位置１２を波源として照射される。一次放射器の中心位置１２は、反射鏡２へと向けられている。
【００１３】
反射鏡２は、一次放射器１から放射された球面マイクロ波を反射して、試料台３の中央部にマイクロ波を収束させるものであり、試料台３及び炉４の上部に１枚だけ配置される。
【００１４】
試料台３は、マイクロ波の照射対象となる試料（図示せず）が載せられる台であり、炉４の内部に配置される。試料台３の上部には反射鏡２が配置される。試料台の中心位置１３を通る直線が中心軸１４である。
【００１５】
炉４は、試料をマイクロ波で加熱する場所であり、反射鏡２の方向に開口した凹部を備える形状である。炉４の周囲に一次放射器１が、上部に反射鏡２が配置される。また、内部に試料台３が納められる。
なお、反射鏡２、試料台３、炉４の構成材料は適宜選択してよい。
【００１６】
ここで、反射鏡２の形状について説明する。反射鏡２の断面形状は、一次放射器の中心位置１２を第１の焦点、試料台の中心位置１３を第２の焦点とする楕円曲線から成る。図１において、中心軸１４より左側の楕円曲線及び一次放射器１を用いて説明すると、この楕円曲線は、一方の端点２ａが中心軸１４上に設定され、他方の端点２ｂが一次放射器１の放射性質に適宜合わせて設定される曲線であり、かつ、端点２ｂと一次放射器の中心位置１２とを結ぶ線分が、中心軸１４と交わらない曲線となっている。
すなわち、一次放射器１と、該一次放射器１の対象となる反射面の楕円曲線が、中心軸１４に対し同じ側に存在するような曲線となる。
このため、中心軸１４より左側の一次放射器１から放射されるマイクロ波のうち、試料台の中心位置１３に収束するマイクロ波は、中心軸１４から見て該一次放射器１の方向、つまり中心軸１４より左側にある反射鏡２の鏡面部分で反射されて試料台の中心位置１３に収束する。
この楕円曲線を、中心軸１４を回転軸としたときに得られるトーラス鏡面が反射鏡２の形状であり、試料台３側からみると、中心が尖った山型の形状となっている。
【００１７】
このように構成されたマイクロ波加熱照射装置の動作について説明する。
炉４内の試料台３に試料が置かれ、炉４の周囲に円弧状に複数配置された一次放射器１において、一次放射器の中心位置１２から球面マイクロ波が放射される。放射された球面マイクロ波は拡散して伝播し、一次放射器の中心位置１２を第１の焦点、試料台の中心位置１３を第２の焦点とする楕円曲線を断面形状に持つ反射鏡２の鏡面上の各点で反射されると、第２の焦点である試料台の中心位置１３へと収束して向かい、試料台３に置かれた試料に照射される。なお参考までに、図１（ｂ）に、中心軸１４より左側の一次放射器１から放射されるマイクロ波の幾何光学的な光線を、１１ａ、１１ｂ、１１ｃとして３本示す。１１ａは一次放射器１から出て反射鏡２の中心点（端点２ａ）で反射されて試料台の中心位置１３へと向かう光線である。１１ｂは一次放射器１から出て反射鏡２の端点２ｂで反射されて試料台の中心位置１３へと向かう光線である。１１ｃは一次放射器１から出て反射鏡２の中心点（端点２ａ）と端点２ｂとの間の点で反射されて試料台の中心位置１３へと向かう光線である。
【００１８】
図２は、このときの試料台３上のマイクロ波による電力分布の計算結果である。図２に示すように、電力分布が試料台３の中央部（図中Ｘ＝０ｍｍ、Ｙ＝０ｍｍの位置）に集中しており、中央部で電力が高く、中央部から離れるに従い電力が低くなっていることがわかる。このことから、試料台３に置かれる試料に、マイクロ波を集中的に照射できることがわかる。
【００１９】
以上のように、この実施の形態１によれば、断面が、球面マイクロ波の波源である一次放射器の中心位置１２を第１の焦点、試料台の中心位置１３を第２の焦点とする楕円曲線となる反射鏡２でマイクロ波を反射するようにしたので、マイクロ波を試料に効率よく照射することができる。また、反射鏡２は１枚で構成されるため、反射鏡を複数設ける必要がなく、装置を簡略化することができる。
【００２０】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態２では、反射鏡２の断面形状である楕円曲線の端点のうち、中心軸１４上にない方の端点と一次放射器の中心位置１２とを結ぶ線分が、中心軸１４と交わるという点で実施の形態１と異なる。
【００２１】
実施の形態２に係る反射鏡２の断面形状は、一次放射器の中心位置１２を第１の焦点、試料台の中心位置１３を第２の焦点とする楕円曲線から成る。図３において、中心軸１４より左側の楕円曲線と中心軸１４より右側の一次放射器１とを用いて説明すると、この楕円曲線は、一方の端点２ａが中心軸１４上に設定され、他方の端点２ｂが一次放射器１の放射性質に適宜合わせて設定される曲線であり、かつ、端点２ｂと一次放射器の中心位置１２とを結ぶ線分が、中心軸１４と交わる曲線となっている。
すなわち、一次放射器１と、該一次放射器１の対象となる反射面の楕円曲線が、中心軸１４に対し異なる側に存在するような曲線となる。
このため、中心軸１４より右側の一次放射器１から放射されるマイクロ波のうち、試料台の中心位置１３に収束するマイクロ波は、中心軸１４から見て該一次放射器１がある方向とは反対の方向、つまり中心軸１４より左側にある反射鏡２の鏡面部分で反射されて試料台の中心位置１３に収束する。
この楕円曲線を、中心軸１４を回転軸としたときに得られるトーラス鏡面が反射鏡２の形状であり、試料台３側からみると、凹面となっている。
【００２２】
以上のように、この実施の形態２によれば、断面が、球面マイクロ波の点波源である一次放射器の中心位置１２を第１の焦点、試料台の中心位置１３を第２の焦点とする楕円曲線となる反射鏡２でマイクロ波を反射するようにしたので、マイクロ波を試料に効率よく照射することができる。また、反射鏡２は１枚で構成されるため、反射鏡を複数設ける必要がなく、装置を簡略化することができる。
【００２３】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態３では、一次放射器１は平面マイクロ波を放射するものとし、反射鏡２の断面形状を放物線とした点が、実施の形態１及び実施の形態２と異なる。
【００２４】
実施の形態３に係る一次放射器１は、平面マイクロ波を放射するものである。一次放射器１の種類や照射するマイクロ波の周波数を適宜選択してよいことは、実施の形態１において述べたのと同様である。
【００２５】
実施の形態３に係る反射鏡２の断面形状は、試料台の中心位置１３を焦点とするような放物線とする。この放物線を、中心軸１４を回転軸としたときに得られるトーラス鏡面が反射鏡２の形状となる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態３によれば、一次放射器１が平面マイクロ波を放射し、このマイクロ波を、断面が試料台の中心位置１３を焦点とする放物線となる反射鏡２で反射するようにしたので、マイクロ波を試料に効率よく照射することができる。また、反射鏡２は１枚で構成されるため、反射鏡を複数設ける必要がなく、装置を簡略化することができる。なお参考までに、図４（ｂ）に、一次放射器１から放射されるマイクロ波の幾何光学的な光線を、１１ｂ、１１ｃとして２本示す。１１ｂは一次放射器１から出て反射鏡２の端点で反射されて試料台の中心位置１３へと向かう光線である。１１ｃは一次放射器１から出て反射鏡２の端点以外の点で反射されて試料台の中心位置１３へと向かう光線である。
【００２７】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態４では、反射鏡２の中央部に試料を加熱したときに化学反応等により発生するガスを逃がす排ガス用途の穴２１を備えた点が、他の実施の形態と異なる。なお、図５では、実施の形態１に対して実施の形態４に係る構成を適用した場合を示しているが、実施の形態２、実施の形態３に対して適用してもよい。
【００２８】
排ガス用途の穴２１は、反射鏡２の断面形状において、反射鏡２の端部を、中心軸１４から離して決定することにより設けることが可能となる。
【００２９】
以上のように、この実施の形態４によれば、排ガス用途の穴２１を設けたので、実施の形態１乃至３と同様の効果が得られることに加えて、より効果的にガスを排気する効果が得られる。
【００３０】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態５では、炉４の周囲に吸収体３１を備えた点が、他の実施の形態と異なる。なお、図６では、実施の形態１に対して実施の形態５に係る構成を適用した場合を示しているが、実施の形態２乃至４に対して適用してもよい。
【００３１】
吸収体３１は、炉４の表面を覆うように炉４の周囲に備えられ、マイクロ波を吸収する働きを有する。吸収体３１に用いる吸収体の材料、特性については、適宜選択してよい。炉４の周囲に吸収体３１を備えることで、試料台３よりも外側に漏れるマイクロ波や、炉４よりも外側に漏れるマイクロ波を、吸収体３１で吸収することができる。
試料台３の外側に漏れるマイクロ波を抑圧することで、炉４内側で生じる可能性のある多重反射による試料台３上の電力分布の乱れを防ぐことができる。また、炉４の外側に漏れるマイクロ波を抑圧することで、炉４外側で生じる可能性のある多重反射により一次放射器１に戻ってくるマイクロ波を原因として、一次放射器１が故障することを防ぐことができる。
【００３２】
以上のように、この実施の形態５によれば、吸収体３１を炉４の周囲に設けたので、実施の形態１乃至３と同様の効果が得られることに加えて、マイクロ波の不要な放射による影響を軽減する効果が得られる。
【００３３】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態６では、反射鏡２の周囲に吸収体３２を備えた点が、他の実施の形態と異なる。なお、図７では、実施の形態１に対して実施の形態６に係る構成を適用した場合を示しているが、実施の形態２乃至５に対して適用してもよい。
【００３４】
吸収体３２は、反射鏡２の外周に沿って、反射鏡２の周囲に備えられ、マイクロ波を吸収する働きを有する。吸収体３２に用いる吸収体の材料、特性については、適宜選択してよい。反射鏡２の周囲に吸収体３２を備えることで、一次放射器１から反射鏡２の外側に漏れるマイクロ波を吸収体３２で吸収することができる。なお、マイクロ波の照射効率を考え、吸収体３２は反射鏡２の鏡面でない箇所に備えられるが、吸収体３２の取り付け易さを考慮して、適宜吸収体３２の一部が鏡面に取り付けられた状態で吸収体３２を備えてもよい。
一次放射器１から見た反射鏡２の後ろ側に回り込むマイクロ波を抑圧することで、装置全体での不要放射が要因の多重反射による試料台３上の電力分布の乱れや、一次放射器１に戻ってくるマイクロ波を要因とした一次放射器１の故障を防ぐことができる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態６によれば、吸収体３２を反射鏡２の周囲に設けたので、実施の形態１乃至３と同様の効果が得られることに加えて、マイクロ波の不要な放射による影響を軽減する効果が得られる。
【００３６】
実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。（ａ）はマイクロ波加熱照射装置の上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ面についての断面図を示している。図１に示した実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態７では、球面マイクロ波を放射する一次放射器１をアクティブフェーズドアレーアンテナ４１とした点が、他の実施の形態と異なる。なお、図８では、実施の形態１に対して実施の形態７に係る構成を適用した場合を示しているが、実施の形態２乃至６に対して適用してもよい。
【００３７】
アクティブフェーズドアレーアンテナ４１は、アンテナ素子毎もしくは複数のアンテナ素子で構成するサブアレーアンテナ毎に増幅器と移相器を備えており、各々の増幅器の増幅量と移相器の移相量を適宜調整することが可能である。従って、それらの増幅量、移相量を調整して、各調整量を最適化することで、試料台３に照射されるマイクロ波の電力分布をフレキシブルに制御することができる。電力分布の形状や、増幅量と移相量の調整量は適宜選択してよい。
【００３８】
図９は、一定の領域を一様に照射するように増幅量と移相量の最適化を行った際の、試料台３上のマイクロ波による電力分布の計算結果であり、実施の形態７の効果を示す一例である。図９に示すように、一定の領域が一様に照射されていることがわかる。
以上のように、この実施の形態７によれば、マイクロ波を放射する一次放射器１をアクティブフェーズドアレーアンテナ４１としたので。実施の形態１乃至３と同様の効果が得られることに加えて、試料台３上の電力分布をフレキシブルに制御できる効果が得られる。
【００３９】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
この発明に係るマイクロ波加熱照射装置は、マイクロ波を試料に効率よく照射する形状の反射鏡を備え、その反射鏡は１枚とすることで装置を簡略化することができるので、例えば製鉄分野において好適である。
【符号の説明】
【００４１】
１  一次放射器、２  反射鏡、２ａ  端点、２ｂ  端点、３  試料台、４  炉、１１ａ  マイクロ波の幾何光学的な光線、１１ｂ  マイクロ波の幾何光学的な光線、１１ｃ  マイクロ波の幾何光学的な光線、１２  一次放射器の中心位置、１３  試料台の中心位置、１４  中心軸、２１  排ガス用途の穴、３１  吸収体、３２  吸収体、４１  アクティブフェーズドアレーアンテナ。
【図１】
0005908127.tif 000002
【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】
0005908127.tif 000007
【図７】
0005908127.tif 000008
【図８】
0005908127.tif 000009
【図９】
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