(57)【要約】  周波数可変型発振器１と、周波数可変型発振器１の出力を増幅する半導体電力増幅器２と、半導体電力増幅器２の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器３と、加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路５と、周波数可変型発振器１の発振周波数を制御する制御回路７とを備えている。制御回路７は、周波数可変型発振器１の発振周波数を不連続に切り替えることにより、放射器３から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行うことができる。放射器３から放射された電磁波は、加熱庫８の内部に配置される被加熱物（通常は食品）９を照射し、被加熱物を加熱する。
2009139136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数可変型発振器と、
前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、
前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、
前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、
前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路が前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記放射器から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う、高周波加熱装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記発振周波数の生起確率を設定する、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする、請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程の初期において、前記半導体電力増幅器の出力を相対的に低い値に調整して前記加熱用電磁波を放射し、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を求める、請求項３に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を更新し、前記発振周波数の生起確率を動的に変化させる、請求項３または４に記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記制御回路は、前記反射波の強度が極小となる周波数、および前記反射波の強度が極小とならない周波数を含む複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
被加熱物を収容する加熱庫を備え、
前記制御回路は、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
被加熱物を収容する加熱庫を備え、
前記制御回路は、１．０ミリ秒以下で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
前記制御回路は、０．０１ミリ秒以上で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項８に記載の高周波加熱装置。
【請求項１０】
前記半導体電力増幅器は、ＧａＮ ＨＦＥＴである請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項１１】
前記発振周波数の不連続な切り替えは、前記制御回路が決定する周波数シーケンスに従って行われ、
前記周波数シーケンスは、白色のランダム周波数系列に対して、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係の逆特性で表される正規化吸収量に基づく生起確率で時系列フィルタリングを行うことにより決定される、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項１２】
各々が加熱用電磁波を周波数可変で放射する複数の放射ユニットを備えた高周波加熱装置であって、
各放射ユニットは、
周波数可変型発振器と、
前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、
前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、
前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、
を備え、
前記高周波加熱装置は、前記複数の放射ユニットに含まれる周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路が前記複数の放射ユニット間で相関が無くなるように各周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の放射器から独立して周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う、高周波加熱装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の反射波モニタ回路によって独立して検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、対応する放射ユニットに含まれる前記周波数可変型発振器の発振周波数の生起確率を設定する、請求項１２に記載の高周波加熱装置。
【請求項１４】
周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備える高周波加熱装置の駆動方法であって、
前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えつつ、前記放射器から加熱用電磁波を放射させるステップ（Ａ）と、
前記反射波モニタ回路によって前記加熱用電磁波の反射被の強度を検出し、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係を求めるステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数と関係に基づいて、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域を決定するステップ（Ｃ）と、
を含み、
前記ステップ（Ａ）では、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする、高周波加熱装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記ステップ（Ｃ）では、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数と関係に基づいて、前記反射波の強度が最小となる発振周波数を決定する、請求項１４に記載の高周波加熱装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子レンジ等に用いられる高周波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子レンジに用いられる従来の高周波加熱装置は、マグネトロンという、真空管を用いた大電力直接発振デバイスと、マグネトロンで発生した電磁波を加熱庫内に放射するアンテナ（放射器）とを備えている。高周波加熱のための電磁波の周波数としては、通常、ＩＳＭバンドが用いられ、マグネトロンの発振周波数は、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる所定値に設定される。しかし、マグネトロンの発振周波数は、マグネトロンに印加される電圧と加熱庫内のインピーダンスで動揺し、発振スペクトルは、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの１００ＭＨｚ帯域幅のほぼ全体に広がってしまう。【０００３】
近年、マグネトロンの代わりに、発振器および固体電力増幅器を備える固体化高周波加熱装置が検討されている。これは、固体電力増幅器として、ＧａＮやＳｉＣなどの高周波半導体デバイス（以下、「半導体電力増幅器」と称する）が実用化されつつあるためである。このような半導体電力増幅器を用いた高周波加熱装置では、発振器から出力される高周波信号を半導体電力増幅器によって増幅し、放射器から加熱庫内に大電力で放射することになる。【０００４】
固体化高周波加熱装置では、ノイズ成分のほとんどない、線スペクトルの電磁波放射を実現できる。しかも、発振器の設定により、線スペクトルの放射周波数を例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内で任意に変化させることができる。【０００５】
しかしながら、半導体電力増幅器は、強い反射波を受けると、加熱により破壊しやすいという問題があり、実用化のために解決しなければならない重要な課題となっている。このような半導体電力増幅器を通信技術に用いる場合は、電磁波を開放された空間内に放射するため、反射波による半導体電力増幅器の損傷を防止する必要性は低い。しかし、電子レンジのように加熱庫内に強い電磁波を放射する用途では、加熱庫内で強い反射波が生じやすいため、実用化のためには、半導体電力増幅器を反射波から保護することが必要不可欠である。【０００６】
特許文献１は、このような半導体電力増幅器を備える高周波加熱装置の例を開示している。この高周波加熱装置では、図９（ａ）、（ｃ）に示すように、動作開始直後に放射波の強度（放射電力）を低く設定して周波数を連続的にスイープさせながら反射波の強度を測定するモニタ・モードを実行する。図９（ｃ）に示す例では、モニタ・モードで周波数を２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまで連続的に変化させている。このときに発生する反射波の強度を検知すると、例えば図９（ｂ）に示されるように、反射波の強度が電磁波の周波数に依存して大きく変化している。【０００７】
このようなモニタ・モードを実行することにより、反射波強度が小さくなる周波数を決定できる。こうして決定した周波数に発振周波数を固定した後、図９（ａ）に示すように出力を上げ、加熱のため放射を開始する。なお、特許文献１に開示されている装置では、加熱途中に何らかの理由で反射波の強度が規定値以上になれば、反射波による固体増幅器の破壊を防止するため、電磁放射の出力を落として加熱が停止される。【０００８】
このような固体化高周波加熱装置によれば、反射が少なく被加熱物による吸収効率の高い周波数で高周波加熱を実行することができ、また、反射波による破壊から電力増幅器を保護することも可能になる。【０００９】
特許文献２は、加熱室のインピーダンスを検出し、検出結果に基づいて発振周波数を制御する高周波加熱装置を開示している。発振周波数を調整することにより、常にインピーダンスを整合させ、それによってむらの無い調理を実現しようとしている。【００１０】
特許文献３は、マイクロ波の周波数を２．４ＭＨｚから２．５ＭＨｚまでの範囲でスイープするとともに、反射電流を検出することにより、反射電力と周波数との関係を記憶するマイクロ波処理装置を開示している。このマイクロ波処理装置は、記憶した反射電力と周波数との関係から最小の反射電力が示される周波数を加熱周波数として抽出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３１７４５８号公報
【特許文献２】特開昭５９−１６５３９９号公報
【特許文献３】特開２００８−３４２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に開示されている高周波加熱装置では、小電力で放射する電磁波の周波数を連続的にスイープして反射波強度を測定するという予備的なモニタ・モードが必要である。また、加熱途中で加熱庫内の被加熱物の状況が変化すると、周波数制御が追随できないため、加熱効率が悪く、反射波強度が高くなると、半導体電力増幅器の破壊を防ぐために加熱を中断しなければならないという問題もある。また、加熱時には放射周波数が固定されているため、加熱庫内に電磁界分布の定常的な不均一が生じ、その結果として被加熱物に加熱むらを生じてしまうという問題もある。【００１３】
さらに、特許文献１に開示される従来技術によれば、各々が電力増幅器および放射器を有する複数の放射ユニットを１つの高周波加熱装置に設けた場合、モニタ・モードで決定される共通の周波数で各放射ユニットから電磁波の放射が行われるため、各放射ユニットから放射される電磁波の反射波と、他の放射ユニットから放射された電磁波とを区別することができず、反射波強度のモニタ値に大きな誤差を生じる問題もある。【００１４】
特許文献２に開示されている高周波加熱装置では、加熱時に検出されるインピーダンスに基づいて発振周波数を制御することが開示されているが、最適なインピーダンスをどのようにして決定するかが記載されていない。特許文献２の装置では、発振周波数をスイープしながらインピーダンス整合が達成される周波数を検出していると推察されるが、これでは、特許文献１について説明した問題点と同様の問題点が存在していることになる。【００１５】
特許文献３に開示されているマイクロ波処理装置でも、周波数のスイープが行われるため、特許文献１、２について説明した問題点と同様の問題点が存在する。【００１６】
被加熱物の反射スペクトルは複雑なプロファイルを示し、周波数によって局所的に反射波強度が小さくなる複数の領域が存在し得る。また、加熱の過程で反射スペクトルのプロファイルがダイナミックに変化する場合も多い。このため、特許文献１、２が教示する従来技術では、局所的に反射波強度が低くなる周波数を一時的に検出できたとしても、加熱の進行によって被加熱物の状態が変動すると、それに伴って反射強度を最小化する周波数も大きく変化する可能性がある。そのような場合、被加熱物による反射スペクトルが変化すると、それに追従して最適な周波数を検出できず、急激に強度を増した反射波によって固体増幅器に致命的な損傷が生じる危険がある。【００１７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、反射波による固体増幅器の破壊を防止しつつ、反射電力の低い放射を実現し、被加熱物の状況が時間的に変化しても、その状況変化に応じて放射周波数を調整できる高周波加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の高周波加熱装置は、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備え、前記制御回路が前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記放射器から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う。【００１９】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記発振周波数の生起確率を設定する。【００２０】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする。【００２１】
好ましい実施形態において、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程の初期において、前記半導体電力増幅器の出力を相対的に低い値に調整して前記加熱用電磁波を放射し、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を求める。【００２２】
好ましい実施形態において、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を更新し、前記発振周波数の生起確率を動的に変化させる。【００２３】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程で、前記反射波の強度が極小となる周波数および前記反射波の強度が極小とならない周波数を含む複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。【００２４】
好ましい実施形態において、被加熱物を収容する加熱庫を備え、前記制御回路は、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。【００２５】
好ましい実施形態において、被加熱物を収容する加熱庫を備え、前記制御回路は、１．０ミリ秒以下で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。【００２６】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、０．０１ミリ秒以上で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。【００２７】
好ましい実施形態において、前記半導体電力増幅器は、ＧａＮ ＨＦＥＴである。【００２８】
好ましい実施形態において、前記発振周波数の不連続な切り替えは、前記制御回路が決定する周波数シーケンスに従って行われ、前記周波数シーケンスは、白色のランダム周波数系列に対して、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係の逆特性で表される正規化吸収量に基づく生起確率で時系列フィルタリングを行うことにより決定される。【００２９】
本発明の高周波加熱装置は、各々が加熱用電磁波を周波数可変で放射する複数の放射ユニットを備えた高周波加熱装置であって、各放射ユニットは、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路とを備え、前記高周波加熱装置は、前記複数の放射ユニットに含まれる周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路を更に備え、前記制御回路が前記複数の放射ユニット間で相関が無くなるように各周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の放射器から独立して周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う。【００３０】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の反射波モニタ回路によって独立して検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、対応する放射ユニットに含まれる前記周波数可変型発振器の発振周波数の生起確率を設定する。【００３１】
本発明による高周波加熱装置の駆動方法は、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備える高周波加熱装置の駆動方法であって、前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えつつ、前記放射器から加熱用電磁波を放射させるステップ（Ａ）と、前記反射波モニタ回路によって前記加熱用電磁波の反射被の強度を検出し、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係を求めるステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数と関係に基づいて、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域を決定するステップ（Ｃ）とを含み、前記ステップ（Ａ）では、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする。【００３２】
好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｃ）では、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数と関係に基づいて、前記反射波の強度が最小となる発振周波数を決定する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、反射波強度（反射電力）が最小となる周波数を周波数ホッピングによって検出するため、小電力のモニタ・モードを実行することが不要となり、加熱に要する時間を短縮できる。また、加熱庫内における被加熱物の状況が時間的に変化しても、加熱時に周波数ホッピングを行うことにより、常に最良な加熱状態に調整することが可能である。すなわち、本発明では、反射波強度が極小となる周波数で加熱を実行し続けるわけではなく、本発明では、加熱処理の途中において、反射波強度が極小となる周波数から、反射波強度が極小ではない周波数へもホッピングが行われ得る。【００３４】
周波数のホッピングを短い周期で繰り返すことにより、反射波強度の強い周波数で長時間の放射を行うことを回避し、強い反射波によって半導体電力増幅器が破壊されることを防止できる。また、反射波による破壊保護のためのアイソレータを設けることも不要となり、小型・低コスト化することが可能となる。更に、周波数ホッピングによって加熱庫内の電磁界分布を変化させることができるため、電波の攪拌機能やターンテーブル無しで均一な加熱も可能になる。【００３５】
１つの高周波加熱装置が複数系統の電力増幅器および放射器を備える場合、各々の系統の放射周波数を互いに相関が無いように変化させることができ、その結果、各系統の反射波を正確にモニタすることが可能になる。また、加熱に要する電源消費電力が少なくなり、省エネルギーを実現できる。【００３６】
また、本発明の高周波加熱装置は、マグネトロンを用いないため、個々の放射スペクトルが狭く、かつ、放射が許容される範囲内に的確に調節できる。このため、ＥＭＣ（電磁環境適合性：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）特性を改善でき、またＥＭＣ対策部品の省略により低コスト化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明におけるスペクトル拡散高周波加熱の原理を説明する図であり、（ａ）は、周波数ホッピングを行っているときの放射波強度（放射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、反射波強度（反射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｃ）は、反射波強度の周波数依存性を示すグラフである。
【図２】本発明による高周波加熱装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】実施形態１における反射波モニタの構成例を示す図である。
【図４】実施形態１における制御回路の構成を示す図である。
【図５】本発明における周波数シーケンスを決定するアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明における時系列フィルタリングによる周波数系列計算を説明するためのフローチャートである。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、時系列フィルタリングを説明するための図である。
【図８】本発明による高周波加熱装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】（ａ）は、特許文献１などに開示されるモニタ・モードにおける、放射電磁波の強度（放射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、反射波強度の時間変化を示すグラフであり、（ｃ）は、周波数の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の高周波加熱装置は、周波数可変型発振器の発振周波数を所定範囲内で不連続に切り替えることにより、周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行うことができる。本明細書における「周波数ホッピング式スペクトル拡散」とは、無線通信の分野で実施されている「スペクトル拡散（Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）」と同様に、電磁波の周波数帯域を線スペクトルから所定幅の帯域に広げる（拡散させる）技術に類似した技術である。
【００３９】
本発明では、被加熱物に照射する電磁波の周波数が固定されず、短時間の間に所定の周波数範囲内において離散した複数の値（不連続値）の間で切り替えられる。すなわち、離散した各周波数における電磁波の放射は、それぞれ、短時間で完了し、次の周波数へのホッピングが行われる。このため、仮に被加熱物による反射波強度が高い（吸収率の低い）周波数で強い電磁波が放射されたとしても、その反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に、周波数が他の値に切り替えられることになる。その結果、固体電力増幅器が反射波によって損傷を受けることを防止できる。
【００４０】
以下、本発明の実施形態を説明する前に、本発明で用いる「スペクトル拡散加熱」の基本的原理を説明する。
【００４１】
「スペクトル拡散」は、無線通信分野でよく知られた技術であり、「周波数ホッピング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｈｏｐｐｉｎｇ）」と呼ばれる方式と「直接拡散（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）」と呼ばれる方式に大別される。本発明の高周波加熱装置では、自由空間中で情報伝送を行う無線通信と違い、加熱庫という閉じられた空間の中で高周波エネルギーを放射し、被加熱物に吸収させることにより、熱に変換するという動作を行う。しかしながら、本発明における高周波の放射も、周波数スペクトルを所定範囲に拡散するという点において、無線通信技術におけるスペクトル拡散と同様であるため、「スペクトル拡散加熱方式」と称することとする。
【００４２】
前述のように、マグネトロンでは直接発振を行う。マグネトロンを発振器として見た場合、そのＱ値は低い。そのため、マグネトロンから放射される高周波の周波数スペクトルは、多くのノイズ成分を含んだ緩やかな山状のブロードな分布を示す。これに対して、本発明では、周波数可変型発振器と半導体電力増幅器を用いるため、発振器のＱ値が高い。このため、発振器から出力される高周波信号の周波数スペクトルは実質的に「線スペクトル」であり、任意の周波数に鋭いピークを有するものとなる。このような「線スペクトル」の高周波信号を半導体電力増幅器で増幅することにより、実質的に線スペクトル状の大電力電磁波（半値全幅：例えば１ｋＨｚ）を放射することが可能になる。周波数可変型発振器の発振周波数を、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内で変化させると、放射器から放射される加熱用電磁波の周波数（放射周波数）も、発振周波数に応じて上記範囲内で変化することになる。
【００４３】
本発明では、放射が許される所定の周波数帯域の中で、予め複数の周波数候補値を設定しておく。具体的には、上記の周波数帯域に含まれるｎ（ｎは３以上の自然数）個の周波数候補値Ｆ１、Ｆ２、・・・、Ｆｎ（Ｆ１＜Ｆ２＜・・・＜Ｆｎ）を設定しておく。高周波加熱装置の動作時には、ｎ個の周波数候補値の間で放射周波数を時間τごとに切り替えることより、周波数ホッピングを行う。時間τは、例えば０．１〜１ミリ秒の値に設定され、ｎは例えば２５６〜１０２４に設定され得る。周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に周波数を切り替えることができる。なお、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲からｎ個の周波数候補値を選択する場合、周波数軸上で隣接する周波数の間隔（例えばＦ３−Ｆ２）の大きさは、０．１〜０．４ＭＨｚ程度に設定され得る。Ｆｎ−Ｆ１は、１００ＭＨｚ以下の値に設定されるが、小さすぎると、周波数拡散の効果が得られなくなる。Ｆｎ−Ｆ１は、８０ＭＨｚ以上に設定することが好ましい。
【００４４】
図１（ａ）は、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５の４つの周波数候補値（Ｆ１＜Ｆ２＜・・・＜Ｆ５）で時間τごとに発振周波数を切り替える例を示している。この例では、時間の経過に伴って発振周波数がＦ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５→Ｆ４→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ１→Ｆ５→Ｆ３→・・・と変化している。
【００４５】
図１（ｂ）は、上記の周波数変化に応じて生じる反射電力の強度変化の一例を示している。放射される電磁波の周波数において、被加熱物の反射率が異なるため、図１（ｂ）に例示されるように、周波数によって異なる反射電力が観測される。
【００４６】
図１（ｃ）は、反射電力の強さと周波数との関係の一例を示す図である。この例では、周波数Ｆ３で反射電力が最も小さい。このことは、電磁波が周波数Ｆ３で最も効率的に被加熱物に吸収されることを意味している。
【００４７】
図１（ａ）に示す例では、周波数の変化が単調では無い。本明細書では、周波数が段階的に増加する、あるいは減少することを周波数の「単調」な変化と称することとし、単調でない変化（非単調な変化）を「ランダム」な変化と称することとする。「ランダム」とは、規則的であることを排除せず、また、充分に長い期間に各周波数の生起する頻度（生起確率）が等しいことを要求しない。すなわち、特定の周波数の生起確率が高く、他の周波数の生起確率が低くとも良い。
【００４８】
ここで、ｎ個の周波数候補値の各々の生起確率が等しいと仮定すると、周波数スペクトルは、Ｆ１からＦｎまでのｎ個の周波数で均等に分布し、各周波数における電力は、総出力電力Ｐoutの１／ｎである。Ｆ１からＦｎまでのｎ個の周波数で反射波強度Ｐrefｉ（ｉ＝１、・・・ｎ）が観測される。被加熱物以外での電力損失が無いと仮定すれば、被加熱物に吸収された電力Ｐabsｉは、Ｐabsｉ＝Ｐout−Ｐrefｉで求められる。すなわち、反射の少ない周波数では、電磁波のエネルギーが高い吸収率で吸収され、加熱が行われていることになる。したがって、効率よく加熱を行うためには、反射の少ない周波数における放射が支配的になるように、反射の少ない周波数の生起確率を相対的に高くすればいい。例えば、反射電力の強さが図１（ｃ）に示すような周波数依存性を示す場合、効率よく加熱を行うためには、周波数Ｆ３の生起確率を高くすればよい。
【００４９】
本発明では、反射波強度が最も低くなる周波数を決定するため（探索目的）に、複数の周波数でホッピングを行うが、これをモニタ・モードとして加熱動作前に別途行う必要は無い。加熱動作を開始した後、被加熱物を加熱しながら、周波数ホッピングを行っても良いし、被加熱物を加熱する前に小電力で周波数ホッピングを行っても良い。
【００５０】
一般に、周波数と反射波強度との関係を示す曲線において、反射波強度の局所的な最小点（ローカルミニマム）は１つとは限らず、周波数帯域全体を探索しないと、真の最小点を検出することができない。しかし、特許文献１、２に記載されている従来技術では、周波数のスイープを開始した後、最初に見つかった反射波強度の局所最小点を「真の最小点」と誤って認識し、真の最小点に至らない可能性がある。また、反射波強度のスペクトル分布は、加熱の進行に応じて経時的に変化し得るため、最初に検出した反射波強度の局所最小点が、仮に真の最小点であったとしても、加熱中に真の最小点であり続ける保証はない。
【００５１】
本発明では、放射が許される所定の周波数帯域の中において離散した複数の周波数でランダムにホッピングを行うため、ローカルミニマムに拘束されず、放射が許される所定の周波数帯域から反射最小点を探索することが可能である。したがって、周波数を単調にスイープして見つかった反射強度の局所最小点（いわゆる極小点）を真の最小点とすることがなく、放射が許される所定の周波数帯域から真の反射最小点を探索することができる。特に、本発明は、加熱中に反射最小点が急激に変化し、選択している最小点が局所最小値となって、異なる周波数が新たに真の最小点となった場合でも有利である。本発明は、放射が許される所定の周波数帯域でランダムにホッピングさせている。このため、選択している周波数の最小点の周辺の周波数のみをスイープして周波数の最小点を再探索する方法と比較して、選択している周波数の局所最小値と新たな異なる新の周波数の最小値との間に周波数の他の局所最小値があったときに、探索した周波数を他の局所最小値に収束させてしまうことがなく、反射周波数の真の最小点を見つけ出すことができる。
【００５２】
周波数ホッピングによれば、反射波強度を最小化する周波数とは異なる周波数での放射を行うことになるが、平均値として反射電力を小さく抑えることができれば、加熱効率の向上になる。このためには、反射波強度を小さくする周波数の生起確率を高く設定しつつ、広い帯域内（例えば、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内）に分散した他の周波数にホッピングすればよい。ホッピングに際し、反射波強度の高い周波数で放射が行われたとしても、その時間τが極めて短く設定されれば、反射波による半導体電力増幅器の損傷を防ぐことができる。時間τの上限値は、反射波による半導体電力増幅器の損傷防止という観点から決定され得る。例えば、周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に周波数を切り替えることができる。また、周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、物質の加熱において一般的に使用される２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの間の１００ＭＨｚ帯域幅において、ホッピングの際に周波数分散の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、周波数をホッピングする時間τの下限値は、特に限定はされない。発信器の周波数変更スピードの追随が許される範囲で設定することができる。なお、現在の実用的な範囲としては、周波数をホッピングする時間τは０．０１ミリ秒以上が好ましい。また、より安価な装置を実現するのであれば、周波数をホッピングする時間τは０．１ミリ秒以上が好ましい。
【００５４】
このように時間τを短く設定することにより、反射波強度が極小とならない周波数を含む多数の周波数の間でホッピングを行うことが可能となる。その結果、加熱過程中に反射波強度を最小化する周波数が大きく変化した場合でも、反射波強度を最小化する周波数を広い帯域の中から適切に見つけ出すことができる。
【００５５】
本発明によれば、固体化高周波加熱装置の加熱効率を改善し、半導体電力増幅器の破壊を回避することができる。
【００５６】
（実施形態１）
以下、本発明による高周波加熱装置の最初の実施形態を説明する。
【００５７】
まず、図２を参照する。図２は、本実施形態における高周波加熱装置のブロック図である。図示されている高周波加熱装置は、周波数可変型発振器１と、周波数可変型発振器１の出力を増幅する半導体電力増幅器２と、半導体電力増幅器２の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器３と、加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路５と、周波数可変型発振器１の発振周波数を制御する制御回路７とを備えている。制御回路７は、周波数可変型発振器１の発振周波数を不連続に切り替えることにより、放射器３から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行うことができる。放射器３から放射された電磁波は、加熱庫８の内部に配置される被加熱物（通常は食品）９を照射し、被加熱物９を加熱する。
【００５８】
本実施形態の高周波加熱装置では、半導体電力増幅器２と放射器３との間に方向性結合器４が設けられており、方向性結合器４には反射波モニタ回路５が接続されている。本実施形態では、周波数可変型発振器１、半導体電力増幅器２、方向性結合器４、および反射波モニタ回路５により、放射回路６が構成される。放射回路６と、放射回路６に結合された放射器３とが、１つの放射ユニットを構成している。
【００５９】
本実施形態で好適に使用され得る周波数可変型発振器１は、例えばフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を用いた周波数シンセサイザなどである。与えられた周波数指示情報のデジタル・データに基づき、発振周波数が決定される。
【００６０】
半導体電力増幅器２は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）で形成されるＨＦＥＴ（異種接合２次元電子ガス電界効果トランジスタ）を最終段に用いた多段増幅器などである。マグネトロンは、それ自体が大電力の発振器であるが、本実施形態では、発振器と別に半導体電力増幅器を用いる。近年の半導体デバイス技術の進化により、２．４ＧＨｚ帯でも出力数百Ｗ級の電力増幅器を実現することか可能となってきた。
【００６１】
放射器３は、電波を放射するアンテナである。高出力に対応できる構造と、加熱庫８という閉空間に電波を放射するため、系全体でのインピーダンスの合わせ込みや放射特性の吟味が必要である。
【００６２】
方向性結合器４は、４分の１波長結合伝送線路などによって形成されるカップラである。ポート１（Ｐ１）から入射された高周波信号は、ポート２（Ｐ２）に大部分出力されると共に、結合量で表される分だけ小さくなって、ポート３（Ｐ３）にも出力されるが、ポート４（Ｐ４）には出力されない。一方、ポート２に入射した高周波信号は、ポート１に大部分出力されると共に、結合量で表される分だけ小さくなって、ポート４にも出力されるが、ポート３には出力されない。したがって、ポート１に電力増幅器２の出力を入力し、ポート２を放射器に結合して大電力の放射を行うとき、ポート３を終端し、ポート４の出力をモニタすれば、反射波強度を観測できる。
【００６３】
反射波モニタ回路５は、方向性結合器４のポート４に接続され、反射波強度を測定する。従来の反射波モニタは、ポート４の出力をダイオードで検波し、反射電力にほぼ比例する出力電圧を発生させるというものであった。本実施形態では、放射に周波数ホッピングを用いているので、自分が発生させた周波数シーケンスに従って反射波を復調すれば、自分自身の反射波のみを観測することができる。この周波数シーケンスに従わない他の信号はすべて雑音となるため、ある一定期間の時間平均を取れば、その出力は零になる。
【００６４】
反射波モニタ回路５は、例えば図３に示す構成を有している。この図に示す反射波モニタ回路５は、反射波信号を受け取り、この信号に対して、図２の発信器１からの出力および当該出力の移送をπ／２だけシフトさせた出力で積算を行う。その後、こうして得た信号（Ｉ信号とＱ信号：アナログ信号）をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換し、反射波復調信号として出力する。
【００６５】
放射回路６は、周波数可変型発振器１と半導体電力増幅器２と方向性結合器４と反射波モニタ回路５から構成され、放射器３をつないで電源ユニットから電力を供給すれば、この１セットで大電力の高周波出力を得ることができる。放射回路６と放射器３を有する複数のユニットを備えることにより、空間電力合成によって更に出力を増大できる。このような構成を有する実施形態は、後に詳しく説明する。
【００６６】
制御回路７は、反射波モニタ回路５からの反射波強度情報に基づいて、周波数可変型発振器１に発振周波数の指令データを送出する回路である。制御回路７は、予め決められたアルゴリズムに従い、周波数ごとに異なる生起確率で発振周波数を指令する。反射波強度情報は、アナログ信号であってもデジタル信号であってもよい。反射波強度情報が、反射波モニタ回路５の出力をＡ／Ｄコンバータによってデジタル化したものである場合、マイクロプロセッサによって所望のアルゴリズムを実行することができるので好ましい。この場合、制御回路７は、後述する周波数シーケンスに従ってデジタル化された周波数データを周波数可変型発振器１のＰＬＬに供給することができる。
【００６７】
制御回路７は、例えば図４に示す構成を有している。図４の制御回路７は、デジタル回路であり、例えばソフトウェア・モジュールによって構成され得る。
【００６８】
反射波モニタ回路５から出力された反射波復調信号（最新のデータ）は、反射係数テーブル３１から読み出された前回のデータに対して忘却係数ｍ（０＜ｍ＜１）を積算したものと加算された後、反射係数テーブル３１に書き込まれる。例えば、ｍ＝０．７とすると、古いデータは０．７倍され、新しいデータに積算された後、１．７（＝ｍ＋１）で割って規格化される。この例では、反射係数に関する古いデータが、更新されるたびに０．７倍されるので、０．４９倍、０．３５倍、・・・とだんだん影響が小さくなる。
【００６９】
反射波のモニタリングは、サーチモジュール３５から指示された放射周波数に対して行われるため、反射係数テーブル３１の書換えは、全周波数で同時に行われるのではなく、放射周波数がホッピングするたびに、その放射周波数について行われる。
【００７０】
反射係数テーブル３１に記録されたデータは、マッピングモジュール３２により、各反射係数に適切な重み付けがなされてマッピングされる。マッピングされたデータは、時系列フィルタモジュール３４で参照され、反射係数に対応した周波数スペクトルを持つ周波数ホッピング信号が発生される。より具体的には、反射係数が小さい周波数での生起確率を大きくするようにフィルタリングが行われる。
【００７１】
サーチモジュール３５には、勾配サーチモジュール３６とランダムサーチモジュール３７とが含まれる。これらのモジュールを適宜組み合わせるため、ローカルミニマムにトラップされないように、サーチを高速にかつ有効的に実施することができる。通常は、ランダムサーチモジュール３７によってランダムサーチが実行されるが、高速化が必要なときだけ、勾配サーチモジュール３６による勾配サーチが併用される。こうして得られた放射周波数情報は、パラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換モジュール３８によってシリアルデータに変換された後、ＰＬＬレジスタに入力される。
【００７２】
加熱庫８は、放射高周波電力が周囲に散らばらないようにするとともに、高周波のエネルギーを閉じ込めて被加熱物９（電子レンジの場合は主に食品）を効率よく温めることができるようにする。
【００７３】
次に、図５を参照しながら、周波数シーケンスを決定するためのアルゴリズムの一例を説明する。これは、あくまでも一例である。加熱庫８の形状、放射器３の電気特性、予想される被加熱物９の特性などに応じて、効率的な周波数シーケンスのパターンが存在するため、個々の状況に応じて、最適なアルゴリズムを取り入れることが望ましい。本実施形態で好適に使用される「周波数シーケンス」は、反射波強度の低い周波数の生起確率を高くするように決定される。
【００７４】
図５に例示するフローでは、まず、反射強度の低い周波数を探索するため、放射周波数のランダムな系列を決める（ステップＳ４１）。例えば、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲から１０００個の周波数（Ｆ１、Ｆ２、・・・、Ｆ１０００）を設定する。この場合、周波数が等間隔であれば、隣接する周波数の間隔は、１００ＭＨｚ÷１０００個＝１００ｋＨｚとなる。まず、これらの１０００個の周波数から例えば１００個の周波数候補値を選択する。
【００７５】
そして、現実の周波数を、上記の周波数候補値のいずれかに時間τ（例えば１ミリ秒程度）ごとにホッピングさせながら、電磁波の放射を行う。本実施形態では、加熱前に小電力で周波数をスイープさせるモードを実行せず、放射の初期の時点から、被加熱物を充分に加熱し得る大きさの電力（例えば最大パワー）で放射を開始してもよい。
【００７６】
放射器３から放射される電磁波の周波数は、上記の周波数候補値の中からランダムな系列に選択され、短い周期でホッピングする。このとき、放射回路６の反射波モニタ回路５は、反射波をモニタし、モニタされた反射波強度と周波数とがテーブルに書き込まれてゆく（ステップＳ４２）。
【００７７】
本明細書における「周波数の系列」とは、複数の周波数候補値の列、または、複数の周波数候補値に対応する符号の列である。本実施形態では、最初に相対的に広い範囲から周波数候補値を選択し、それらの周波数候補値の間で周波数を切り替えてゆく。
【００７８】
上記の動作により、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲において、周波数と反射波強度との粗い関係を検出することができる。この粗い関係に基づいて、反射波強度が相対的に低くなる周波数領域（例えば幅１０ＭＨｚの領域）を少なくとも１つ決定することができる。
【００７９】
次に、このような周波数領域の中から、反射波強度が最小となる周波数を検出するための動作を行う。具体的には、上述の「粗い関係」を求めるために選択した周波数候補値の中で最も反射波強度が低くなる周波数を初期値として選択する。次に、この初期値から幅Δだけ増加させた周波数と、初期値から幅Δだけ減少させた周波数とで順次放射を実行する。こうして、初期値から周波数を増加させた場合と減少させた場合の何れで反射波強度が低くなるかを決定することができる（ステップＳ４３）。その後、反射波強度が減少する側に幅Δの間隔で並んだ周波数候補値に周波数をホッピングさせる。ここで、周波数は離散的な値だけを想定しているので、幅Δは発振器の周波数ステップの倍数となる。幅Δは、例えば周波数ステップを１００ｋＨｚとして、５ＭＨｚに設定され得る。
【００８０】
周波数の幅Δの増減により、モニタされる反射波強度が高くなれば、Δをｋ倍（０＜ｋ＜１）小さくし、上記の周波数領域内で周波数をランダムにホッピングさせる（ステップＳ４４）。ここでも、Δは発振器の周波数ステップの倍数であり、例えば１ＭＨｚに設定され得る。こうして、反射波強度が更に低い周波数が検出できた場合、その周波数の前後に、より反射波強度の低い周波数が無いかを求めてもよい。このためには、幅Δを更に小さくした上で現在の時点で反射波強度を最小化する周波数を幅Δだけ増減させ、反射波強度をモニタする。
【００８１】
モニタされた反射波強度が今までの最小値より大きくなった場合は、再度、周波数を広い範囲でランダムにホッピングさせる。
【００８２】
上記の手順、または他の手順によって周波数と反射波強度との関係を示すテーブルを作成した後、このテーブルに基づいて周波数の生起確率を決定する（ステップＳ４５）。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を最大に設定する。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を例えば０．９に設定する場合、他の周波数の生起確率は、全体で０．１に設定する。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を１．０に設定しない理由は、被加熱物の加熱に伴い、周波数と反射波強度との関係が変化することに対処するためである。
【００８３】
次に、生起確率に基づく時系列フィルタリングによる周波数系列計算を行う。この状態においても、テーブルは忘却係数ｍ（０＜ｍ＜１）を有するランニング・アベレージとし、常に更新する（ステップＳ４６）。このような更新により、反射波強度特性の時間的変化にも追随できる。
【００８４】
反射波強度が、予想値に対して規定量α１以上異なる場合、幅Δの値をリセットし、再度、上記のシーケンスを繰り返すようにしてもよい（ステップＳ４７）。また、反射波強度が規定値α２以上の相対的に高い値（α１＜α２）を示す時間が所定時間を超えて続く場合、異常事態と判断し、半導体電力増幅器２の出力を低下させてもよい（ステップＳ４８）。半導体電力増幅器２を強い反射波から保護するためである。
【００８５】
生起確率のテーブルから、放射周波数の系列を発生させる手順としては、以下に述べる時系列フィルタリングによる方法によってもよい。以下、図６を参照しながら、この方法を説明する。
【００８６】
まず、Ｍ系列でランダムな数列を発生させる（ステップＳ５１）。この数列を、周波数Ｆ１、Ｆ２、・・・Ｆｎにマッピングする（ステップＳ５２）。こうすれば、すべての周波数Ｆｉで生起確率が等しく、帯域幅内で白色となる略均一なスペクトル密度を得ることができる。
【００８７】
この周波数系列において、生起確率に基づく間引きを行う（ステップＳ５３）。これが、時系列フィルタリングである。間引かれた周波数系列を周波数シーケンスとして、スペクトル拡散放射を行う。
【００８８】
こうして得られた周波数シーケンスにおける周波数Ｆｉの発生確率は、テーブルに記載の生起確率と同じになる。すなわち、周波数スペクトルは、反射波強度が小さいところで大となり、反射波強度が大きいところで小となる。したがって、全反射に近いような周波数では、放射確率が限りなく零に近付くので、半導体電力増幅器を破壊から守ることができる。
【００８９】
以下、図７（ａ）から（ｄ）を参照して、本実施形態で採用され得る時系列フィルタリングのためのアルゴリズムの一例を説明する。
【００９０】
まず、擬似ランダム系列の発生方法を説明する。擬似ランダム系列を発生するために種々の方法を採用することが可能であるが、ここではＭ系列について説明する。Ｍ系列は、周期が２N−１（Ｎはビット数を表す自然数）となる数列である。通常、シフトレジスタと、排他的論理和をとる加算器で構成される。ハードウェアではなく、ソフトウェアによる論理操作によっても擬似ランダム系列を発生することが可能である。
【００９１】
ここでは、簡単のため、８ビットの系列を考える。この場合、既約な原始多項式として、ｘ8＋ｘ6＋ｘ5＋ｘ＋１を用いることができる。初期値として、すべてが０である（０、０、０、０、０、０、０、０）以外の数列を用いると、最大２５５ビット周期の擬似ランダム系列を発生することができる。ここで、０と１の発生確率は等しくランダムである。
【００９２】
ここで、初期値を（１、１、１、１、１、１、０、１）とする。４ビットずつ２桁の１６進数として、８ビットのシフトを繰り返すと、１５、１３、１３、８、１４、・・・という０から１５までの数列が得られる。各数に＋１をして、Ｆ１、Ｆ２、・・・・、Ｆ１６に対応させると、図７（ａ）に示すような、１６個の周波数に対応する周波数列が得られる。図７（ａ）からわかるように、発生頻度分布に若干の凹凸はあるが、各周波数の生起確率はほぼ等しい。
【００９３】
次に、図７（ｂ）に示す反射係数に基づいて、反射係数が小さいほど生起確率を高くする時系列フィルタリングを行う。図７（ｂ）は、反射波モニタによって得られた反射係数の周波数依存性の一例を示すグラフである。図７（ｂ）の例では、Ｆ１〜Ｆ１６の各周波数について、次の反射係数、すなわち、Ｆ１：０．９５、Ｆ２：０．９、Ｆ３：０．８、Ｆ４：０．６、Ｆ５：０．７、Ｆ６：０．６、Ｆ７：０．４、Ｆ８：０．２、Ｆ９：０．３、Ｆ１０：０．４、Ｆ１１：０．６、Ｆ１２：０．７、Ｆ１３：０．７、Ｆ１４：０．８、Ｆ１５：０．７、Ｆ１６：０が得られたとする。
【００９４】
各周波数の生起確率が等しいとすると、平均反射係数は、０．６２１９である。すなわち、放射した電力の６２％強が食品を温める熱に変わることなく、反射して戻ってくるということになる。
【００９５】
本実施形態では、上記の反射係数分布に基づいて、好ましい生起確率を発生させるためのマッピングを行う。ここでは、反射係数をΓｉとし、以下の計算を行うことにより、反射係数に重みをつけてマッピングを行う。
ＳＱＲＴ（（ｅｘｐ（１０・Γｉ）−ｅｘｐ（０））／（ｅｘｐ（１０）−ｅｘｐ（０）））
【００９６】
図７（ｃ）は、横軸を反射係数とするマッピング関数を示すグラフである。このマッピング関数は、反射係数が０から１に向かって増加すると、縦軸の値が０から１に増加する性質を有しおり、反射係数の重み付けを規定する。マッピング関数の形は、電子レンジの加熱性能などを加味して適切なものに設定され得る。各周波数について、０〜１の間の値を示す乱数γとマッピング関数との間で大小比較を行い、マッピング関数が相対的に小さいときは、その周波数を放射周波数列に採用する。マッピング関数が相対的に大きいときは、その周波数を放射周波数列に採用しない。重み付けられた反射係数は、γの２乗、３乗と比較してもよい。
【００９７】
上記のフィルタリング処理を繰り返すと、反射係数が相対的に低くなる周波数の発生頻度が高くなる。図７（ｄ）は、こうして選択された放射周波数の発生頻度を示すグラフである。
【００９８】
（実施形態２）
次に、図８を参照しながら、本発明による高周波加熱装置の第２の実施形態を説明する。図８は、本実施形態における高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。
【００９９】
本実施形態の高周波加熱装置は、図８に示すように、周波数可変型発振器１、半導体電力増幅器２、方向性結合器４、および反射波モニタ回路５を有する複数の放射回路６を備えている。また、複数の放射回路６の各々には、対応する放射器３が結合されている。放射器３は、好ましくは加熱庫８の異なる壁面に配置され、加熱庫８の被加熱物９に対して大きく異なる角度で対面することが好ましい。これらの個々の構成要素は、基本的には、実施形態１について説明した構成要素と同様の構造を有し、同様に機能する。このため、ここでは同じ説明は繰り返さない。
【０１００】
本実施形態では、複数の半導体電力増幅器２の各々から大電力の高周波信号が送出され、対応する放射器３から加熱庫８の内部に放射される。加熱庫８の内部では、各放射器３から放射された電磁波が重ね合わせられ、空間電力の合成が行われる。
【０１０１】
各放射回路６は、それぞれ個別に周波数可変型発振器１を備えている。従来の固体化高周波加熱装置では、ひとつの発振器の出力を分波して共通の放射周波数で半導体電力増幅器を駆動しているが、この点において、本実施形態の構成は従来技術と基本的に異なっている。
【０１０２】
周波数ホッピングを行う本実施形態において、複数の放射回路６の各々が周波数可変型発振器１を備えていることにより、個々の放射回路６における周波数可変型発振器１の周波数シーケンスを相互に異なるものとすることができる。複数の周波数可変型発振器１の周波数シーケンスに相関がなければ、各放射回路６の発振周波数は、偶然に一致する極めて短い期間を除き、相互に異なる値を有することになる。
【０１０３】
本実施形態では、各放射回路６において、周波数可変型発振器１からの信号の一部を反射波モニタ回路５に供給し、同期復調を行う。このため、反射波モニタ回路５は、その反射波モニタ回路５が属する放射回路６によって放射された高周波の周波数と等しい周波数を有する反射波を選択的にモニタすることができる。すなわち、他の放射回路６の高周波は、雑音として抑圧され、各放射回路６は、その放射回路６によって放射された高周波の反射波のみを的確に検出することが可能になる。
【０１０４】
加熱庫８の内部空間は、周囲を金属壁で囲まれているため、定在波の電磁界分布が形成される。この電磁界分布は、加熱庫８を空胴キャビティと見立てた場合の固有共振モードの線形結合によって表現される。加熱庫８の内部に被加熱物９が存在するために損失がありＱ値が低くなっている。よって、固有共振モードに対応する固有値である共振周波数はブロードに広がっている。加熱庫８の固有共振モードは周波数によって次々に変わっていき、無数の共振周波数が存在することになる。したがって、周波数ホッピングを行うことにより、励起される固有共振モードが変化し、その結果、加熱庫８の定在波の分布も変わる。このことにより、ターンテーブルなどを設けなくとも、均一な加熱が可能になる。
【０１０５】
本実施形態における制御回路７は、実施形態１の制御回路７と同様の構成を有しているが、異なる点は、複数の放射回路６のために相関しない複数の周波数シーケンスを生成することにある。本実施形態によれば、周波数が相互に異なり、かつ時間的に変化する電磁波を合成することにより、固体化高周波加熱装置の加熱効率を更に改善することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明の高周波加熱装置は、加熱効率を改善することができ、また、半導体電力増幅器の破壊を加熱中断することなく回避できるため、電子レンジ等の各種高周波加熱装置において有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１    周波数可変型発振器
２    半導体電力増幅器
３    放射器
４    方向性結合器
５    反射波モニタ回路
６    放射回路
７    制御回路
【図１】
2009139136.tif 000003
【図２】
2009139136.tif 000004
【図３】
2009139136.tif 000005
【図４】
2009139136.tif 000006
【図５】
2009139136.tif 000007
【図６】
2009139136.tif 000008
【図７】
2009139136.tif 000009
【図８】
2009139136.tif 000010
【図９】
2009139136.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月17日(2010.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子レンジ等に用いられる高周波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子レンジに用いられる従来の高周波加熱装置は、マグネトロンという、真空管を用いた大電力直接発振デバイスと、マグネトロンで発生した電磁波を加熱庫内に放射するアンテナ（放射器）とを備えている。高周波加熱のための電磁波の周波数としては、通常、ＩＳＭバンドが用いられ、マグネトロンの発振周波数は、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる所定値に設定される。しかし、マグネトロンの発振周波数は、マグネトロンに印加される電圧と加熱庫内のインピーダンスで動揺し、発振スペクトルは、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの１００ＭＨｚ帯域幅のほぼ全体に広がってしまう。
【０００３】
近年、マグネトロンの代わりに、発振器および固体電力増幅器を備える固体化高周波加熱装置が検討されている。これは、固体電力増幅器として、ＧａＮやＳｉＣなどの高周波半導体デバイス（以下、「半導体電力増幅器」と称する）が実用化されつつあるためである。このような半導体電力増幅器を用いた高周波加熱装置では、発振器から出力される高周波信号を半導体電力増幅器によって増幅し、放射器から加熱庫内に大電力で放射することになる。
【０００４】
固体化高周波加熱装置では、ノイズ成分のほとんどない、線スペクトルの電磁波放射を実現できる。しかも、発振器の設定により、線スペクトルの放射周波数を例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内で任意に変化させることができる。
【０００５】
しかしながら、半導体電力増幅器は、強い反射波を受けると、加熱により破壊しやすいという問題があり、実用化のために解決しなければならない重要な課題となっている。このような半導体電力増幅器を通信技術に用いる場合は、電磁波を開放された空間内に放射するため、反射波による半導体電力増幅器の損傷を防止する必要性は低い。しかし、電子レンジのように加熱庫内に強い電磁波を放射する用途では、加熱庫内で強い反射波が生じやすいため、実用化のためには、半導体電力増幅器を反射波から保護することが必要不可欠である。
【０００６】
特許文献１は、このような半導体電力増幅器を備える高周波加熱装置の例を開示している。この高周波加熱装置では、図９（ａ）、（ｃ）に示すように、動作開始直後に放射波の強度（放射電力）を低く設定して周波数を連続的にスイープさせながら反射波の強度を測定するモニタ・モードを実行する。図９（ｃ）に示す例では、モニタ・モードで周波数を２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまで連続的に変化させている。このときに発生する反射波の強度を検知すると、例えば図９（ｂ）に示されるように、反射波の強度が電磁波の周波数に依存して大きく変化している。
【０００７】
このようなモニタ・モードを実行することにより、反射波強度が小さくなる周波数を決定できる。こうして決定した周波数に発振周波数を固定した後、図９（ａ）に示すように出力を上げ、加熱のため放射を開始する。なお、特許文献１に開示されている装置では、加熱途中に何らかの理由で反射波の強度が規定値以上になれば、反射波による固体増幅器の破壊を防止するため、電磁放射の出力を落として加熱が停止される。
【０００８】
このような固体化高周波加熱装置によれば、反射が少なく被加熱物による吸収効率の高い周波数で高周波加熱を実行することができ、また、反射波による破壊から電力増幅器を保護することも可能になる。
【０００９】
特許文献２は、加熱室のインピーダンスを検出し、検出結果に基づいて発振周波数を制御する高周波加熱装置を開示している。発振周波数を調整することにより、常にインピーダンスを整合させ、それによってむらの無い調理を実現しようとしている。
【００１０】
特許文献３は、マイクロ波の周波数を２．４ＭＨｚから２．５ＭＨｚまでの範囲でスイープするとともに、反射電流を検出することにより、反射電力と周波数との関係を記憶するマイクロ波処理装置を開示している。このマイクロ波処理装置は、記憶した反射電力と周波数との関係から最小の反射電力が示される周波数を加熱周波数として抽出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３１７４５８号公報
【特許文献２】特開昭５９−１６５３９９号公報
【特許文献３】特開２００８−３４２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に開示されている高周波加熱装置では、小電力で放射する電磁波の周波数を連続的にスイープして反射波強度を測定するという予備的なモニタ・モードが必要である。また、加熱途中で加熱庫内の被加熱物の状況が変化すると、周波数制御が追随できないため、加熱効率が悪く、反射波強度が高くなると、半導体電力増幅器の破壊を防ぐために加熱を中断しなければならないという問題もある。また、加熱時には放射周波数が固定されているため、加熱庫内に電磁界分布の定常的な不均一が生じ、その結果として被加熱物に加熱むらを生じてしまうという問題もある。
【００１３】
さらに、特許文献１に開示される従来技術によれば、各々が電力増幅器および放射器を有する複数の放射ユニットを１つの高周波加熱装置に設けた場合、モニタ・モードで決定される共通の周波数で各放射ユニットから電磁波の放射が行われるため、各放射ユニットから放射される電磁波の反射波と、他の放射ユニットから放射された電磁波とを区別することができず、反射波強度のモニタ値に大きな誤差を生じる問題もある。
【００１４】
特許文献２に開示されている高周波加熱装置では、加熱時に検出されるインピーダンスに基づいて発振周波数を制御することが開示されているが、最適なインピーダンスをどのようにして決定するかが記載されていない。特許文献２の装置では、発振周波数をスイープしながらインピーダンス整合が達成される周波数を検出していると推察されるが、これでは、特許文献１について説明した問題点と同様の問題点が存在していることになる。
【００１５】
特許文献３に開示されているマイクロ波処理装置でも、周波数のスイープが行われるため、特許文献１、２について説明した問題点と同様の問題点が存在する。
【００１６】
被加熱物の反射スペクトルは複雑なプロファイルを示し、周波数によって局所的に反射波強度が小さくなる複数の領域が存在し得る。また、加熱の過程で反射スペクトルのプロファイルがダイナミックに変化する場合も多い。このため、特許文献１、２が教示する従来技術では、局所的に反射波強度が低くなる周波数を一時的に検出できたとしても、加熱の進行によって被加熱物の状態が変動すると、それに伴って反射強度を最小化する周波数も大きく変化する可能性がある。そのような場合、被加熱物による反射スペクトルが変化すると、それに追従して最適な周波数を検出できず、急激に強度を増した反射波によって固体増幅器に致命的な損傷が生じる危険がある。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、反射波による固体増幅器の破壊を防止しつつ、反射電力の低い放射を実現し、被加熱物の状況が時間的に変化しても、その状況変化に応じて放射周波数を調整できる高周波加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の高周波加熱装置は、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備え、前記制御回路が前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記放射器から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記発振周波数の生起確率を設定する。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程の初期において、前記半導体電力増幅器の出力を相対的に低い値に調整して前記加熱用電磁波を放射し、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を求める。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を更新し、前記発振周波数の生起確率を動的に変化させる。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程で、前記反射波の強度が極小となる周波数および前記反射波の強度が極小とならない周波数を含む複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。
【００２４】
好ましい実施形態において、被加熱物を収容する加熱庫を備え、前記制御回路は、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。
【００２５】
好ましい実施形態において、被加熱物を収容する加熱庫を備え、前記制御回路は、１．０ミリ秒以下で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、０．０１ミリ秒以上で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記半導体電力増幅器は、ＧａＮ ＨＦＥＴである。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記発振周波数の不連続な切り替えは、前記制御回路が決定する周波数シーケンスに従って行われ、前記周波数シーケンスは、白色のランダム周波数系列に対して、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係の逆特性で表される正規化吸収量に基づく生起確率で時系列フィルタリングを行うことにより決定される。
【００２９】
本発明の高周波加熱装置は、各々が加熱用電磁波を周波数可変で放射する複数の放射ユニットを備えた高周波加熱装置であって、各放射ユニットは、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路とを備え、前記高周波加熱装置は、前記複数の放射ユニットに含まれる周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路を更に備え、前記制御回路が前記複数の放射ユニット間で相関が無くなるように各周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の放射器から独立して周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の反射波モニタ回路によって独立して検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、対応する放射ユニットに含まれる前記周波数可変型発振器の発振周波数の生起確率を設定する。
【００３１】
本発明による高周波加熱装置の駆動方法は、周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備える高周波加熱装置の駆動方法であって、前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えつつ、前記放射器から加熱用電磁波を放射させるステップ（Ａ）と、前記反射波モニタ回路によって前記加熱用電磁波の反射波の強度を検出し、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係を求めるステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域を決定するステップ（Ｃ）とを含み、前記ステップ（Ａ）では、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｃ）では、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記反射波の強度が最小となる発振周波数を決定する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、反射波強度（反射電力）が最小となる周波数を周波数ホッピングによって検出するため、小電力のモニタ・モードを実行することが不要となり、加熱に要する時間を短縮できる。また、加熱庫内における被加熱物の状況が時間的に変化しても、加熱時に周波数ホッピングを行うことにより、常に最良な加熱状態に調整することが可能である。すなわち、本発明では、反射波強度が極小となる周波数で加熱を実行し続けるわけではなく、本発明では、加熱処理の途中において、反射波強度が極小となる周波数から、反射波強度が極小ではない周波数へもホッピングが行われ得る。
【００３４】
周波数のホッピングを短い周期で繰り返すことにより、反射波強度の強い周波数で長時間の放射を行うことを回避し、強い反射波によって半導体電力増幅器が破壊されることを防止できる。また、反射波による破壊保護のためのアイソレータを設けることも不要となり、小型・低コスト化することが可能となる。更に、周波数ホッピングによって加熱庫内の電磁界分布を変化させることができるため、電波の攪拌機能やターンテーブル無しで均一な加熱も可能になる。
【００３５】
１つの高周波加熱装置が複数系統の電力増幅器および放射器を備える場合、各々の系統の放射周波数を互いに相関が無いように変化させることができ、その結果、各系統の反射波を正確にモニタすることが可能になる。また、加熱に要する電源消費電力が少なくなり、省エネルギーを実現できる。
【００３６】
また、本発明の高周波加熱装置は、マグネトロンを用いないため、個々の放射スペクトルが狭く、かつ、放射が許容される範囲内に的確に調節できる。このため、ＥＭＣ（電磁環境適合性：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）特性を改善でき、またＥＭＣ対策部品の省略により低コスト化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明におけるスペクトル拡散高周波加熱の原理を説明する図であり、（ａ）は、周波数ホッピングを行っているときの放射波強度（放射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、反射波強度（反射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｃ）は、反射波強度の周波数依存性を示すグラフである。
【図２】本発明による高周波加熱装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】実施形態１における反射波モニタの構成例を示す図である。
【図４】実施形態１における制御回路の構成を示す図である。
【図５】本発明における周波数シーケンスを決定するアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明における時系列フィルタリングによる周波数系列計算を説明するためのフローチャートである。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、時系列フィルタリングを説明するための図である。
【図８】本発明による高周波加熱装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】（ａ）は、特許文献１などに開示されるモニタ・モードにおける、放射電磁波の強度（放射電力）の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、反射波強度の時間変化を示すグラフであり、（ｃ）は、周波数の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の高周波加熱装置は、周波数可変型発振器の発振周波数を所定範囲内で不連続に切り替えることにより、周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行うことができる。本明細書における「周波数ホッピング式スペクトル拡散」とは、無線通信の分野で実施されている「スペクトル拡散（Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）」と同様に、電磁波の周波数帯域を線スペクトルから所定幅の帯域に広げる（拡散させる）技術に類似した技術である。
【００３９】
本発明では、被加熱物に照射する電磁波の周波数が固定されず、短時間の間に所定の周波数範囲内において離散した複数の値（不連続値）の間で切り替えられる。すなわち、離散した各周波数における電磁波の放射は、それぞれ、短時間で完了し、次の周波数へのホッピングが行われる。このため、仮に被加熱物による反射波強度が高い（吸収率の低い）周波数で強い電磁波が放射されたとしても、その反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に、周波数が他の値に切り替えられることになる。その結果、固体電力増幅器が反射波によって損傷を受けることを防止できる。
【００４０】
以下、本発明の実施形態を説明する前に、本発明で用いる「スペクトル拡散加熱」の基本的原理を説明する。
【００４１】
「スペクトル拡散」は、無線通信分野でよく知られた技術であり、「周波数ホッピング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｈｏｐｐｉｎｇ）」と呼ばれる方式と「直接拡散（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）」と呼ばれる方式に大別される。本発明の高周波加熱装置では、自由空間中で情報伝送を行う無線通信と違い、加熱庫という閉じられた空間の中で高周波エネルギーを放射し、被加熱物に吸収させることにより、熱に変換するという動作を行う。しかしながら、本発明における高周波の放射も、周波数スペクトルを所定範囲に拡散するという点において、無線通信技術におけるスペクトル拡散と同様であるため、「スペクトル拡散加熱方式」と称することとする。
【００４２】
前述のように、マグネトロンでは直接発振を行う。マグネトロンを発振器として見た場合、そのＱ値は低い。そのため、マグネトロンから放射される高周波の周波数スペクトルは、多くのノイズ成分を含んだ緩やかな山状のブロードな分布を示す。これに対して、本発明では、周波数可変型発振器と半導体電力増幅器を用いるため、発振器のＱ値が高い。このため、発振器から出力される高周波信号の周波数スペクトルは実質的に「線スペクトル」であり、任意の周波数に鋭いピークを有するものとなる。このような「線スペクトル」の高周波信号を半導体電力増幅器で増幅することにより、実質的に線スペクトル状の大電力電磁波（半値全幅：例えば１ｋＨｚ）を放射することが可能になる。周波数可変型発振器の発振周波数を、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内で変化させると、放射器から放射される加熱用電磁波の周波数（放射周波数）も、発振周波数に応じて上記範囲内で変化することになる。
【００４３】
本発明では、放射が許される所定の周波数帯域の中で、予め複数の周波数候補値を設定しておく。具体的には、上記の周波数帯域に含まれるｎ（ｎは３以上の自然数）個の周波数候補値Ｆ１、Ｆ２、・・・、Ｆｎ（Ｆ１＜Ｆ２＜・・・＜Ｆｎ）を設定しておく。高周波加熱装置の動作時には、ｎ個の周波数候補値の間で放射周波数を時間τごとに切り替えることより、周波数ホッピングを行う。時間τは、例えば０．１〜１ミリ秒の値に設定され、ｎは例えば２５６〜１０２４に設定され得る。周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に周波数を切り替えることができる。なお、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲からｎ個の周波数候補値を選択する場合、周波数軸上で隣接する周波数の間隔（例えばＦ３−Ｆ２）の大きさは、０．１〜０．４ＭＨｚ程度に設定され得る。Ｆｎ−Ｆ１は、１００ＭＨｚ以下の値に設定されるが、小さすぎると、周波数拡散の効果が得られなくなる。Ｆｎ−Ｆ１は、８０ＭＨｚ以上に設定することが好ましい。
【００４４】
図１（ａ）は、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５の４つの周波数候補値（Ｆ１＜Ｆ２＜・・・＜Ｆ５）で時間τごとに発振周波数を切り替える例を示している。この例では、時間の経過に伴って発振周波数がＦ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５→Ｆ４→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ１→Ｆ５→Ｆ３→・・・と変化している。
【００４５】
図１（ｂ）は、上記の周波数変化に応じて生じる反射電力の強度変化の一例を示している。放射される電磁波の周波数において、被加熱物の反射率が異なるため、図１（ｂ）に例示されるように、周波数によって異なる反射電力が観測される。
【００４６】
図１（ｃ）は、反射電力の強さと周波数との関係の一例を示す図である。この例では、周波数Ｆ３で反射電力が最も小さい。このことは、電磁波が周波数Ｆ３で最も効率的に被加熱物に吸収されることを意味している。
【００４７】
図１（ａ）に示す例では、周波数の変化が単調では無い。本明細書では、周波数が段階的に増加する、あるいは減少することを周波数の「単調」な変化と称することとし、単調でない変化（非単調な変化）を「ランダム」な変化と称することとする。「ランダム」とは、規則的であることを排除せず、また、充分に長い期間に各周波数の生起する頻度（生起確率）が等しいことを要求しない。すなわち、特定の周波数の生起確率が高く、他の周波数の生起確率が低くとも良い。
【００４８】
ここで、ｎ個の周波数候補値の各々の生起確率が等しいと仮定すると、周波数スペクトルは、Ｆ１からＦｎまでのｎ個の周波数で均等に分布し、各周波数における電力は、総出力電力Ｐoutの１／ｎである。Ｆ１からＦｎまでのｎ個の周波数で反射波強度Ｐrefｉ（ｉ＝１、・・・ｎ）が観測される。被加熱物以外での電力損失が無いと仮定すれば、被加熱物に吸収された電力Ｐabsｉは、Ｐabsｉ＝Ｐout−Ｐrefｉで求められる。すなわち、反射の少ない周波数では、電磁波のエネルギーが高い吸収率で吸収され、加熱が行われていることになる。したがって、効率よく加熱を行うためには、反射の少ない周波数における放射が支配的になるように、反射の少ない周波数の生起確率を相対的に高くすればいい。例えば、反射電力の強さが図１（ｃ）に示すような周波数依存性を示す場合、効率よく加熱を行うためには、周波数Ｆ３の生起確率を高くすればよい。
【００４９】
本発明では、反射波強度が最も低くなる周波数を決定するため（探索目的）に、複数の周波数でホッピングを行うが、これをモニタ・モードとして加熱動作前に別途行う必要は無い。加熱動作を開始した後、被加熱物を加熱しながら、周波数ホッピングを行っても良いし、被加熱物を加熱する前に小電力で周波数ホッピングを行っても良い。
【００５０】
一般に、周波数と反射波強度との関係を示す曲線において、反射波強度の局所的な最小点（ローカルミニマム）は１つとは限らず、周波数帯域全体を探索しないと、真の最小点を検出することができない。しかし、特許文献１、２に記載されている従来技術では、周波数のスイープを開始した後、最初に見つかった反射波強度の局所最小点を「真の最小点」と誤って認識し、真の最小点に至らない可能性がある。また、反射波強度のスペクトル分布は、加熱の進行に応じて経時的に変化し得るため、最初に検出した反射波強度の局所最小点が、仮に真の最小点であったとしても、加熱中に真の最小点であり続ける保証はない。
【００５１】
本発明では、放射が許される所定の周波数帯域の中において離散した複数の周波数でランダムにホッピングを行うため、ローカルミニマムに拘束されず、放射が許される所定の周波数帯域から反射最小点を探索することが可能である。したがって、周波数を単調にスイープして見つかった反射強度の局所最小点（いわゆる極小点）を真の最小点とすることがなく、放射が許される所定の周波数帯域から真の反射最小点を探索することができる。特に、本発明は、加熱中に反射最小点が急激に変化し、選択している最小点が局所最小値となって、異なる周波数が新たに真の最小点となった場合でも有利である。本発明は、放射が許される所定の周波数帯域でランダムにホッピングさせている。このため、選択している周波数の最小点の周辺の周波数のみをスイープして周波数の最小点を再探索する方法と比較して、選択している周波数の局所最小値と新たな異なる新の周波数の最小値との間に周波数の他の局所最小値があったときに、探索した周波数を他の局所最小値に収束させてしまうことがなく、反射周波数の真の最小点を見つけ出すことができる。
【００５２】
周波数ホッピングによれば、反射波強度を最小化する周波数とは異なる周波数での放射を行うことになるが、平均値として反射電力を小さく抑えることができれば、加熱効率の向上になる。このためには、反射波強度を小さくする周波数の生起確率を高く設定しつつ、広い帯域内（例えば、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲内）に分散した他の周波数にホッピングすればよい。ホッピングに際し、反射波強度の高い周波数で放射が行われたとしても、その時間τが極めて短く設定されれば、反射波による半導体電力増幅器の損傷を防ぐことができる。時間τの上限値は、反射波による半導体電力増幅器の損傷防止という観点から決定され得る。例えば、周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、反射波によって固体電力増幅器が損傷を受ける前に周波数を切り替えることができる。また、周波数をホッピングする時間τを１ミリ秒以下に設定することにより、物質の加熱において一般的に使用される２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの間の１００ＭＨｚ帯域幅において、ホッピングの際に周波数分散の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、周波数をホッピングする時間τの下限値は、特に限定はされない。発振器の周波数変更スピードの追随が許される範囲で設定することができる。なお、現在の実用的な範囲としては、周波数をホッピングする時間τは０．０１ミリ秒以上が好ましい。また、より安価な装置を実現するのであれば、周波数をホッピングする時間τは０．１ミリ秒以上が好ましい。
【００５４】
このように時間τを短く設定することにより、反射波強度が極小とならない周波数を含む多数の周波数の間でホッピングを行うことが可能となる。その結果、加熱過程中に反射波強度を最小化する周波数が大きく変化した場合でも、反射波強度を最小化する周波数を広い帯域の中から適切に見つけ出すことができる。
【００５５】
本発明によれば、固体化高周波加熱装置の加熱効率を改善し、半導体電力増幅器の破壊を回避することができる。
【００５６】
（実施形態１）
以下、本発明による高周波加熱装置の最初の実施形態を説明する。
【００５７】
まず、図２を参照する。図２は、本実施形態における高周波加熱装置のブロック図である。図示されている高周波加熱装置は、周波数可変型発振器１と、周波数可変型発振器１の出力を増幅する半導体電力増幅器２と、半導体電力増幅器２の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器３と、加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路５と、周波数可変型発振器１の発振周波数を制御する制御回路７とを備えている。制御回路７は、周波数可変型発振器１の発振周波数を不連続に切り替えることにより、放射器３から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行うことができる。放射器３から放射された電磁波は、加熱庫８の内部に配置される被加熱物（通常は食品）９を照射し、被加熱物９を加熱する。
【００５８】
本実施形態の高周波加熱装置では、半導体電力増幅器２と放射器３との間に方向性結合器４が設けられており、方向性結合器４には反射波モニタ回路５が接続されている。本実施形態では、周波数可変型発振器１、半導体電力増幅器２、方向性結合器４、および反射波モニタ回路５により、放射回路６が構成される。放射回路６と、放射回路６に結合された放射器３とが、１つの放射ユニットを構成している。
【００５９】
本実施形態で好適に使用され得る周波数可変型発振器１は、例えばフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を用いた周波数シンセサイザなどである。与えられた周波数指示情報のデジタル・データに基づき、発振周波数が決定される。
【００６０】
半導体電力増幅器２は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）で形成されるＨＦＥＴ（異種接合２次元電子ガス電界効果トランジスタ）を最終段に用いた多段増幅器などである。マグネトロンは、それ自体が大電力の発振器であるが、本実施形態では、発振器と別に半導体電力増幅器を用いる。近年の半導体デバイス技術の進化により、２．４ＧＨｚ帯でも出力数百Ｗ級の電力増幅器を実現することか可能となってきた。
【００６１】
放射器３は、電波を放射するアンテナである。高出力に対応できる構造と、加熱庫８という閉空間に電波を放射するため、系全体でのインピーダンスの合わせ込みや放射特性の吟味が必要である。
【００６２】
方向性結合器４は、４分の１波長結合伝送線路などによって形成されるカップラである。ポート１（Ｐ１）から入射された高周波信号は、ポート２（Ｐ２）に大部分出力されると共に、結合量で表される分だけ小さくなって、ポート３（Ｐ３）にも出力されるが、ポート４（Ｐ４）には出力されない。一方、ポート２に入射した高周波信号は、ポート１に大部分出力されると共に、結合量で表される分だけ小さくなって、ポート４にも出力されるが、ポート３には出力されない。したがって、ポート１に電力増幅器２の出力を入力し、ポート２を放射器に結合して大電力の放射を行うとき、ポート３を終端し、ポート４の出力をモニタすれば、反射波強度を観測できる。
【００６３】
反射波モニタ回路５は、方向性結合器４のポート４に接続され、反射波強度を測定する。従来の反射波モニタは、ポート４の出力をダイオードで検波し、反射電力にほぼ比例する出力電圧を発生させるというものであった。本実施形態では、放射に周波数ホッピングを用いているので、自分が発生させた周波数シーケンスに従って反射波を復調すれば、自分自身の反射波のみを観測することができる。この周波数シーケンスに従わない他の信号はすべて雑音となるため、ある一定期間の時間平均を取れば、その出力は零になる。
【００６４】
反射波モニタ回路５は、例えば図３に示す構成を有している。この図に示す反射波モニタ回路５は、反射波信号を受け取り、この信号に対して、図２の発振器１からの出力および当該出力の移送をπ／２だけシフトさせた出力で積算を行う。その後、こうして得た信号（Ｉ信号とＱ信号：アナログ信号）をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換し、反射波復調信号として出力する。
【００６５】
放射回路６は、周波数可変型発振器１と半導体電力増幅器２と方向性結合器４と反射波モニタ回路５から構成され、放射器３をつないで電源ユニットから電力を供給すれば、この１セットで大電力の高周波出力を得ることができる。放射回路６と放射器３を有する複数のユニットを備えることにより、空間電力合成によって更に出力を増大できる。このような構成を有する実施形態は、後に詳しく説明する。
【００６６】
制御回路７は、反射波モニタ回路５からの反射波強度情報に基づいて、周波数可変型発振器１に発振周波数の指令データを送出する回路である。制御回路７は、予め決められたアルゴリズムに従い、周波数ごとに異なる生起確率で発振周波数を指令する。反射波強度情報は、アナログ信号であってもデジタル信号であってもよい。反射波強度情報が、反射波モニタ回路５の出力をＡ／Ｄコンバータによってデジタル化したものである場合、マイクロプロセッサによって所望のアルゴリズムを実行することができるので好ましい。この場合、制御回路７は、後述する周波数シーケンスに従ってデジタル化された周波数データを周波数可変型発振器１のＰＬＬに供給することができる。
【００６７】
制御回路７は、例えば図４に示す構成を有している。図４の制御回路７は、デジタル回路であり、例えばソフトウェア・モジュールによって構成され得る。
【００６８】
反射波モニタ回路５から出力された反射波復調信号（最新のデータ）は、反射係数テーブル３１から読み出された前回のデータに対して忘却係数ｍ（０＜ｍ＜１）を積算したものと加算された後、反射係数テーブル３１に書き込まれる。例えば、ｍ＝０．７とすると、古いデータは０．７倍され、新しいデータに積算された後、１．７（＝ｍ＋１）で割って規格化される。この例では、反射係数に関する古いデータが、更新されるたびに０．７倍されるので、０．４９倍、０．３５倍、・・・とだんだん影響が小さくなる。
【００６９】
反射波のモニタリングは、サーチモジュール３５から指示された放射周波数に対して行われるため、反射係数テーブル３１の書換えは、全周波数で同時に行われるのではなく、放射周波数がホッピングするたびに、その放射周波数について行われる。
【００７０】
反射係数テーブル３１に記録されたデータは、マッピングモジュール３２により、各反射係数に適切な重み付けがなされてマッピングされる。マッピングされたデータは、時系列フィルタモジュール３４で参照され、反射係数に対応した周波数スペクトルを持つ周波数ホッピング信号が発生される。より具体的には、反射係数が小さい周波数での生起確率を大きくするようにフィルタリングが行われる。
【００７１】
サーチモジュール３５には、勾配サーチモジュール３６とランダムサーチモジュール３７とが含まれる。これらのモジュールを適宜組み合わせるため、ローカルミニマムにトラップされないように、サーチを高速にかつ有効的に実施することができる。通常は、ランダムサーチモジュール３７によってランダムサーチが実行されるが、高速化が必要なときだけ、勾配サーチモジュール３６による勾配サーチが併用される。こうして得られた放射周波数情報は、パラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換モジュール３８によってシリアルデータに変換された後、ＰＬＬレジスタに入力される。
【００７２】
加熱庫８は、放射高周波電力が周囲に散らばらないようにするとともに、高周波のエネルギーを閉じ込めて被加熱物９（電子レンジの場合は主に食品）を効率よく温めることができるようにする。
【００７３】
次に、図５を参照しながら、周波数シーケンスを決定するためのアルゴリズムの一例を説明する。これは、あくまでも一例である。加熱庫８の形状、放射器３の電気特性、予想される被加熱物９の特性などに応じて、効率的な周波数シーケンスのパターンが存在するため、個々の状況に応じて、最適なアルゴリズムを取り入れることが望ましい。本実施形態で好適に使用される「周波数シーケンス」は、反射波強度の低い周波数の生起確率を高くするように決定される。
【００７４】
図５に例示するフローでは、まず、反射強度の低い周波数を探索するため、放射周波数のランダムな系列を決める（ステップＳ４１）。例えば、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲から１０００個の周波数（Ｆ１、Ｆ２、・・・、Ｆ１０００）を設定する。この場合、周波数が等間隔であれば、隣接する周波数の間隔は、１００ＭＨｚ÷１０００個＝１００ｋＨｚとなる。まず、これらの１０００個の周波数から例えば１００個の周波数候補値を選択する。
【００７５】
そして、現実の周波数を、上記の周波数候補値のいずれかに時間τ（例えば１ミリ秒程度）ごとにホッピングさせながら、電磁波の放射を行う。本実施形態では、加熱前に小電力で周波数をスイープさせるモードを実行せず、放射の初期の時点から、被加熱物を充分に加熱し得る大きさの電力（例えば最大パワー）で放射を開始してもよい。
【００７６】
放射器３から放射される電磁波の周波数は、上記の周波数候補値の中からランダムな系列に選択され、短い周期でホッピングする。このとき、放射回路６の反射波モニタ回路５は、反射波をモニタし、モニタされた反射波強度と周波数とがテーブルに書き込まれてゆく（ステップＳ４２）。
【００７７】
本明細書における「周波数の系列」とは、複数の周波数候補値の列、または、複数の周波数候補値に対応する符号の列である。本実施形態では、最初に相対的に広い範囲から周波数候補値を選択し、それらの周波数候補値の間で周波数を切り替えてゆく。
【００７８】
上記の動作により、例えば２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲において、周波数と反射波強度との粗い関係を検出することができる。この粗い関係に基づいて、反射波強度が相対的に低くなる周波数領域（例えば幅１０ＭＨｚの領域）を少なくとも１つ決定することができる。
【００７９】
次に、このような周波数領域の中から、反射波強度が最小となる周波数を検出するための動作を行う。具体的には、上述の「粗い関係」を求めるために選択した周波数候補値の中で最も反射波強度が低くなる周波数を初期値として選択する。次に、この初期値から幅Δだけ増加させた周波数と、初期値から幅Δだけ減少させた周波数とで順次放射を実行する。こうして、初期値から周波数を増加させた場合と減少させた場合の何れで反射波強度が低くなるかを決定することができる（ステップＳ４３）。その後、反射波強度が減少する側に幅Δの間隔で並んだ周波数候補値に周波数をホッピングさせる。ここで、周波数は離散的な値だけを想定しているので、幅Δは発振器の周波数ステップの倍数となる。幅Δは、例えば周波数ステップを１００ｋＨｚとして、５ＭＨｚに設定され得る。
【００８０】
周波数の幅Δの増減により、モニタされる反射波強度が高くなれば、Δをｋ倍（０＜ｋ＜１）小さくし、上記の周波数領域内で周波数をランダムにホッピングさせる（ステップＳ４４）。ここでも、Δは発振器の周波数ステップの倍数であり、例えば１ＭＨｚに設定され得る。こうして、反射波強度が更に低い周波数が検出できた場合、その周波数の前後に、より反射波強度の低い周波数が無いかを求めてもよい。このためには、幅Δを更に小さくした上で現在の時点で反射波強度を最小化する周波数を幅Δだけ増減させ、反射波強度をモニタする。
【００８１】
モニタされた反射波強度が今までの最小値より大きくなった場合は、再度、周波数を広い範囲でランダムにホッピングさせる。
【００８２】
上記の手順、または他の手順によって周波数と反射波強度との関係を示すテーブルを作成した後、このテーブルに基づいて周波数の生起確率を決定する（ステップＳ４５）。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を最大に設定する。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を例えば０．９に設定する場合、他の周波数の生起確率は、全体で０．１に設定する。反射波強度を最小化する周波数の生起確率を１．０に設定しない理由は、被加熱物の加熱に伴い、周波数と反射波強度との関係が変化することに対処するためである。
【００８３】
次に、生起確率に基づく時系列フィルタリングによる周波数系列計算を行う。この状態においても、テーブルは忘却係数ｍ（０＜ｍ＜１）を有するランニング・アベレージとし、常に更新する（ステップＳ４６）。このような更新により、反射波強度特性の時間的変化にも追随できる。
【００８４】
反射波強度が、予想値に対して規定量α１以上異なる場合、幅Δの値をリセットし、再度、上記のシーケンスを繰り返すようにしてもよい（ステップＳ４７）。また、反射波強度が規定値α２以上の相対的に高い値（α１＜α２）を示す時間が所定時間を超えて続く場合、異常事態と判断し、半導体電力増幅器２の出力を低下させてもよい（ステップＳ４８）。半導体電力増幅器２を強い反射波から保護するためである。
【００８５】
生起確率のテーブルから、放射周波数の系列を発生させる手順としては、以下に述べる時系列フィルタリングによる方法によってもよい。以下、図６を参照しながら、この方法を説明する。
【００８６】
まず、Ｍ系列でランダムな数列を発生させる（ステップＳ５１）。この数列を、周波数Ｆ１、Ｆ２、・・・Ｆｎにマッピングする（ステップＳ５２）。こうすれば、すべての周波数Ｆｉで生起確率が等しく、帯域幅内で白色となる略均一なスペクトル密度を得ることができる。
【００８７】
この周波数系列において、生起確率に基づく間引きを行う（ステップＳ５３）。これが、時系列フィルタリングである。間引かれた周波数系列を周波数シーケンスとして、スペクトル拡散放射を行う。
【００８８】
こうして得られた周波数シーケンスにおける周波数Ｆｉの発生確率は、テーブルに記載の生起確率と同じになる。すなわち、周波数スペクトルは、反射波強度が小さいところで大となり、反射波強度が大きいところで小となる。したがって、全反射に近いような周波数では、放射確率が限りなく零に近付くので、半導体電力増幅器を破壊から守ることができる。
【００８９】
以下、図７（ａ）から（ｄ）を参照して、本実施形態で採用され得る時系列フィルタリングのためのアルゴリズムの一例を説明する。
【００９０】
まず、擬似ランダム系列の発生方法を説明する。擬似ランダム系列を発生するために種々の方法を採用することが可能であるが、ここではＭ系列について説明する。Ｍ系列は、周期が２N−１（Ｎはビット数を表す自然数）となる数列である。通常、シフトレジスタと、排他的論理和をとる加算器で構成される。ハードウェアではなく、ソフトウェアによる論理操作によっても擬似ランダム系列を発生することが可能である。
【００９１】
ここでは、簡単のため、８ビットの系列を考える。この場合、既約な原始多項式として、ｘ8＋ｘ6＋ｘ5＋ｘ＋１を用いることができる。初期値として、すべてが０である（０、０、０、０、０、０、０、０）以外の数列を用いると、最大２５５ビット周期の擬似ランダム系列を発生することができる。ここで、０と１の発生確率は等しくランダムである。
【００９２】
ここで、初期値を（１、１、１、１、１、１、０、１）とする。４ビットずつ２桁の１６進数として、８ビットのシフトを繰り返すと、１５、１３、１３、８、１４、・・・という０から１５までの数列が得られる。各数に＋１をして、Ｆ１、Ｆ２、・・・・、Ｆ１６に対応させると、図７（ａ）に示すような、１６個の周波数に対応する周波数列が得られる。図７（ａ）からわかるように、発生頻度分布に若干の凹凸はあるが、各周波数の生起確率はほぼ等しい。
【００９３】
次に、図７（ｂ）に示す反射係数に基づいて、反射係数が小さいほど生起確率を高くする時系列フィルタリングを行う。図７（ｂ）は、反射波モニタによって得られた反射係数の周波数依存性の一例を示すグラフである。図７（ｂ）の例では、Ｆ１〜Ｆ１６の各周波数について、次の反射係数、すなわち、Ｆ１：０．９５、Ｆ２：０．９、Ｆ３：０．８、Ｆ４：０．６、Ｆ５：０．７、Ｆ６：０．６、Ｆ７：０．４、Ｆ８：０．２、Ｆ９：０．３、Ｆ１０：０．４、Ｆ１１：０．６、Ｆ１２：０．７、Ｆ１３：０．７、Ｆ１４：０．８、Ｆ１５：０．７、Ｆ１６：０が得られたとする。
【００９４】
各周波数の生起確率が等しいとすると、平均反射係数は、０．６２１９である。すなわち、放射した電力の６２％強が食品を温める熱に変わることなく、反射して戻ってくるということになる。
【００９５】
本実施形態では、上記の反射係数分布に基づいて、好ましい生起確率を発生させるためのマッピングを行う。ここでは、反射係数をΓｉとし、以下の計算を行うことにより、反射係数に重みをつけてマッピングを行う。
ＳＱＲＴ（（ｅｘｐ（１０・Γｉ）−ｅｘｐ（０））／（ｅｘｐ（１０）−ｅｘｐ（０）））
【００９６】
図７（ｃ）は、横軸を反射係数とするマッピング関数を示すグラフである。このマッピング関数は、反射係数が０から１に向かって増加すると、縦軸の値が０から１に増加する性質を有しおり、反射係数の重み付けを規定する。マッピング関数の形は、電子レンジの加熱性能などを加味して適切なものに設定され得る。各周波数について、０〜１の間の値を示す乱数γとマッピング関数との間で大小比較を行い、マッピング関数が相対的に小さいときは、その周波数を放射周波数列に採用する。マッピング関数が相対的に大きいときは、その周波数を放射周波数列に採用しない。重み付けられた反射係数は、γの２乗、３乗と比較してもよい。
【００９７】
上記のフィルタリング処理を繰り返すと、反射係数が相対的に低くなる周波数の発生頻度が高くなる。図７（ｄ）は、こうして選択された放射周波数の発生頻度を示すグラフである。
【００９８】
（実施形態２）
次に、図８を参照しながら、本発明による高周波加熱装置の第２の実施形態を説明する。図８は、本実施形態における高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。
【００９９】
本実施形態の高周波加熱装置は、図８に示すように、周波数可変型発振器１、半導体電力増幅器２、方向性結合器４、および反射波モニタ回路５を有する複数の放射回路６を備えている。また、複数の放射回路６の各々には、対応する放射器３が結合されている。放射器３は、好ましくは加熱庫８の異なる壁面に配置され、加熱庫８の被加熱物９に対して大きく異なる角度で対面することが好ましい。これらの個々の構成要素は、基本的には、実施形態１について説明した構成要素と同様の構造を有し、同様に機能する。このため、ここでは同じ説明は繰り返さない。
【０１００】
本実施形態では、複数の半導体電力増幅器２の各々から大電力の高周波信号が送出され、対応する放射器３から加熱庫８の内部に放射される。加熱庫８の内部では、各放射器３から放射された電磁波が重ね合わせられ、空間電力の合成が行われる。
【０１０１】
各放射回路６は、それぞれ個別に周波数可変型発振器１を備えている。従来の固体化高周波加熱装置では、ひとつの発振器の出力を分波して共通の放射周波数で半導体電力増幅器を駆動しているが、この点において、本実施形態の構成は従来技術と基本的に異なっている。
【０１０２】
周波数ホッピングを行う本実施形態において、複数の放射回路６の各々が周波数可変型発振器１を備えていることにより、個々の放射回路６における周波数可変型発振器１の周波数シーケンスを相互に異なるものとすることができる。複数の周波数可変型発振器１の周波数シーケンスに相関がなければ、各放射回路６の発振周波数は、偶然に一致する極めて短い期間を除き、相互に異なる値を有することになる。
【０１０３】
本実施形態では、各放射回路６において、周波数可変型発振器１からの信号の一部を反射波モニタ回路５に供給し、同期復調を行う。このため、反射波モニタ回路５は、その反射波モニタ回路５が属する放射回路６によって放射された高周波の周波数と等しい周波数を有する反射波を選択的にモニタすることができる。すなわち、他の放射回路６の高周波は、雑音として抑圧され、各放射回路６は、その放射回路６によって放射された高周波の反射波のみを的確に検出することが可能になる。
【０１０４】
加熱庫８の内部空間は、周囲を金属壁で囲まれているため、定在波の電磁界分布が形成される。この電磁界分布は、加熱庫８を空胴キャビティと見立てた場合の固有共振モードの線形結合によって表現される。加熱庫８の内部に被加熱物９が存在するために損失がありＱ値が低くなっている。よって、固有共振モードに対応する固有値である共振周波数はブロードに広がっている。加熱庫８の固有共振モードは周波数によって次々に変わっていき、無数の共振周波数が存在することになる。したがって、周波数ホッピングを行うことにより、励起される固有共振モードが変化し、その結果、加熱庫８の定在波の分布も変わる。このことにより、ターンテーブルなどを設けなくとも、均一な加熱が可能になる。
【０１０５】
本実施形態における制御回路７は、実施形態１の制御回路７と同様の構成を有しているが、異なる点は、複数の放射回路６のために相関しない複数の周波数シーケンスを生成することにある。本実施形態によれば、周波数が相互に異なり、かつ時間的に変化する電磁波を合成することにより、固体化高周波加熱装置の加熱効率を更に改善することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明の高周波加熱装置は、加熱効率を改善することができ、また、半導体電力増幅器の破壊を加熱中断することなく回避できるため、電子レンジ等の各種高周波加熱装置において有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１    周波数可変型発振器
２    半導体電力増幅器
３    放射器
４    方向性結合器
５    反射波モニタ回路
６    放射回路
７    制御回路
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数可変型発振器と、
前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、
前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、
前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、
前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記反射波の強度が極小となる周波数、および前記反射波の強度が極小とならない周波数を含む複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記放射器から周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う、高周波加熱装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程の初期において、前記半導体電力増幅器の出力を相対的に低い値に調整して前記加熱用電磁波を放射し、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を求める、請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
前記加熱用電磁波によって被加熱物を加熱する過程において、前記制御回路は、前記反射波モニタ回路によって検出される反射波の強度と前記発振周波数との関係を更新し、前記発振周波数の生起確率を動的に変化させる、請求項２または３に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
被加熱物を収容する加熱庫を備え、
前記制御回路は、２．４０ＧＨｚから２．５０ＧＨｚまでの範囲に含まれる複数の周波数の間で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
被加熱物を収容する加熱庫を備え、
前記制御回路は、１．０ミリ秒以下で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
前記制御回路は、０．０１ミリ秒以上で前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替える、請求項６に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
前記半導体電力増幅器は、ＧａＮ ＨＦＥＴである請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
前記発振周波数の不連続な切り替えは、前記制御回路が決定する周波数シーケンスに従って行われ、
前記周波数シーケンスは、白色のランダム周波数系列に対して、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づく生起確率で時系列フィルタリングを行うことにより決定される、請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項１０】
各々が加熱用電磁波を周波数可変で放射する複数の放射ユニットを備えた高周波加熱装置であって、
各放射ユニットは、
周波数可変型発振器と、
前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、
前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、
前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、
を備え、
前記高周波加熱装置は、前記複数の放射ユニットに含まれる周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路が前記複数の放射ユニット間で相関が無くなるように各周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えることにより、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の放射器から独立して周波数ホッピング式スペクトル拡散型の放射を行う、高周波加熱装置。
【請求項１１】
前記制御回路は、前記複数の放射ユニットに含まれる個々の反射波モニタ回路によって独立して検出される反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くなるように、対応する放射ユニットに含まれる前記周波数可変型発振器の発振周波数の生起確率を設定する、請求項１０に記載の高周波加熱装置。
【請求項１２】
周波数可変型発振器と、前記周波数可変型発振器の出力を増幅する半導体電力増幅器と、前記半導体電力増幅器の出力に基づいて加熱用電磁波を放射する放射器と、前記加熱用電磁波の反射波を検出する反射波モニタ回路と、前記周波数可変型発振器の発振周波数を制御する制御回路とを備える高周波加熱装置の駆動方法であって、
前記周波数可変型発振器の発振周波数を不連続に切り替えつつ、前記放射器から加熱用電磁波を放射させるステップ（Ａ）と、
前記反射波モニタ回路によって前記加熱用電磁波の反射波の強度を検出し、前記反射波の強度と前記発振周波数との関係を求めるステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域を決定するステップ（Ｃ）と、
を含み、
前記ステップ（Ａ）では、前記反射波の強度が相対的に低い周波数域における前記発振周波数の生起確率を、前記反射波の強度が相対的に高い周波数域における前記発振周波数の生起確率よりも高くする、高周波加熱装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記ステップ（Ｃ）では、前記ステップ（Ｂ）で求めた前記反射波の強度と前記発振周波数との関係に基づいて、前記反射波の強度が最小となる発振周波数を決定する、請求項１２に記載の高周波加熱装置の駆動方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009139136.tif 000012
【図２】
2009139136.tif 000013
【図３】
2009139136.tif 000014
【図４】
2009139136.tif 000015
【図５】
2009139136.tif 000016
【図６】
2009139136.tif 000017
【図７】
2009139136.tif 000018
【図８】
2009139136.tif 000019
【図９】
2009139136.tif 000020
【国際調査報告】
2009139136.tif 000021
2009139136.tif 000022
2009139136.tif 000023