(57)【要約】【課題】導波管を伝送するマイクロ波の入射波と反射波を分離し、検出回路でマイクロ波量を測定する際に、簡易な構成で正確に検出を行い加熱制御に活用すること。【解決手段】被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずにマグネトロン１０２（マイクロ波発生手段）に戻ってくる反射波を検出し加熱制御に用いる際、入射波は電力計１０４（入力電力検出手段）で取得し、簡易な構成では検出が難しい反射波は、多重反射重畳特性を利用して反射波演算部１０８を用いて演算で取得することにより、大量生産に適した簡易な構成でも入射波および反射波を把握し加熱制御に活用する構成を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に電力を供給する入力電力供給手段と、前記入力電力供給手段が供給する入力電力を検出する入力電力検出手段と、前記マイクロ波発生手段が発生したマイクロ波を前記加熱室に伝送する導波管と、前記導波管を伝送するマイクロ波を前記加熱室に放射させるマイクロ波放射部と、
前記導波管内の重畳入射波を検出する重畳入射波検出手段と、
多重反射重畳特性を利用することで前記入力電力検出手段の検出値と前記重畳入射波検出手段の検出値を用いて反射波を演算する反射波演算部と、
各構成要素を統合制御する制御手段と
を備えたマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記マイクロ波放射部を回転させるための回転手段を備え、前記反射波演算部で演算された反射波情報を利用して前記制御手段が前記回転手段を用いた加熱制御を行う請求項１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】
本発明は、マイクロ波で被加熱物を加熱するとともに、導波管内を伝搬するマイクロ波の一部を検出して加熱を制御するマイクロ波加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
代表的なマイクロ波加熱装置として、電子レンジが知られている。一般的な電子レンジは、マイクロ波発生手段としてのマグネトロンから放射されたマイクロ波を、導波管を介して加熱室に伝送し、加熱室内に載置された被加熱物（食品）を、加熱するものである。また、加熱ムラを発生しないで、被加熱物を均一に加熱するために、被加熱物自体を回転させるターンテーブル方式や、導波管から加熱室内にマイクロ波を放射する部分に、回転可能なアンテナを配置した回転アンテナ方式がある。
【０００３】
また、導波管内には、マグネトロンから加熱室に向かうマイクロ波（入射波あるいは進行波とも表現する）と、加熱室内で被加熱物に吸収されずに、加熱室からマグネトロンに戻るマイクロ波（反射波とも表現する）が存在する。この反射波は、被加熱物の形状、材質、置き位置などで変化するとともに、先に述べた均一加熱のためのターンテーブルや、アンテナの向きによっても変化する。
【０００４】
一方、導波管内の入射波と反射波を監視するための方法として、方向性結合器がある。ただし、方向性結合器は、導波管内に混在する入射波と反射波を分離することと、方向性結合器を装着することで導波管内の伝送に影響を与えてしまわないように、一定程度減衰（例えば、３０ｄＢ）させることが必要となり、結果としてサイズが大きくなってしまうので、一般家庭での使用を想定した電子レンジには、あまり搭載できなかった。しかし最近になって、小型の方向性結合器が開発され、電子レンジにも採用しようという動きが出てきている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１９３３３号
【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に見られる従来のマイクロ波加熱装置においては、装置の大型化を抑えつつ、高精度な寸法管理を不要とする工夫が見られるが、方向性結合器により、導波管を伝送するマイクロ波を入射波と反射波に分離した後、分離したマイクロ波の量を測定するための検出回路における考慮が不足している。
【０００７】
図４に、方向性結合器を用いて入射波成分および反射波成分を分離し検出する、従来の入射波・反射波検出構成を示す。方向性結合器４０１は、導波管４０６内を伝送する入射波４５０および反射波４５１の伝送量に比例したマイクロ波を、結合・分離部４０２を介して、方向性検出線路４０３に結合させ、入射波成分検出量４５２および反射波成分検出量４５３として、分離伝送させる。従来のマイクロ波加熱装置においては、方向性結合器４０１により、入射波成分検出量４５２および反射波成分検出量４５３に分離した後は、それぞれの検出量を入射波検出回路４０４および反射波検出回路４０５で検出する。
【０００８】
ここで問題となるのは、方向性結合器４０１により、入射波成分と反射波成分を分離して観測するという構成上、分離した入射波成分検出量４５２と反射波成分検出量４５３と
が、同一の伝送路である方向性検出線路４０３上に存在することに起因する、検出量の相互干渉である。
【０００９】
具体的には、方向性結合器４０１で分離したマイクロ波を、入射波検出回路４０４および反射波検出回路４０５で受けて測定する部分において、方向性検出線路４０３と検出回路のインピーダンスとが完全には同一ではないことに起因する、検出回路部の反射が意図せず発生してしまうことである（以下、検出回路部反射という）。一方の検出回路で発生した検出回路部反射は、同一線路である方向性検出線路４０３上に存在する、他方の検出回路まで伝送され、この他方の検出回路における検出量に影響を与えることになる。
【００１０】
この際、入射波は反射波以上の大きさであるため、反射波検出回路４０５で発生した検出回路部反射が、入射波検出回路４０４に与える影響は小さいが、低反射を検出する反射波検出回路４０５においては、入射波検出回路４０４で発生した検出回路部反射が無視できない影響を生じさせる。例えば、検出回路部反射が−２０ｄＢ（元信号に対し１．０％反射する）という、一般的な電気回路としては、かなり小さい反射条件を準備しても、導波管４０６内を伝送する反射波が、入射波に対して３．２％（≒約−１５ｄＢ）となる状況を測定する場合、入射波成分の３．２％の反射波成分を検出するところに、入射波検出回路４０４で発生する１．０％分の検出回路部反射が重畳されるため、検出回路部反射の影響だけで概算でも３０％以上（１−（重畳検出量）／（真の検出量）＝（１−（３．２＋１．０）／３．２）＝−０．３１２（３１．２％））もの検出誤差を生じてしまう。
【００１１】
例えば、マイクロ波加熱装置における反射波検出スペックとして、入射波量に対する反射波量が１．０％（＝−２０ｄＢ）を５％以内の誤差で測定することとすると、検出回路部反射には−３３ｄＢという非常に高いスペックが必要となる（一般的に大量生産で使用される検出回路は−１５ｄＢ程度）。つまり、入射波は簡易な構成でも検出可能だが、反射波の検出は、簡易な構成では難しいという課題が存在することになる。
【００１２】
なお、マイクロ波加熱装置は、マイクロ波の伝送路である導波管と加熱室とが閉鎖空間を構成していることから、導波管から加熱室に向かう方向を入射波、加熱室から導波管へ戻ってくる方向を反射波と定義すると、入射波にも反射波にも、反射波が閉鎖空間内で再反射した成分が重畳されることとなり、導波管内を伝送するマイクロ波を検出すると、入射波、反射波ともに、閉鎖空間内で多重に反射した成分が重畳したマイクロ波を検出することになる（以下、この事象を多重反射重畳特性という）。この多重反射重畳特性を利用すれば、簡易な構成で取得可能な入力電力検出手段の検出値と重畳入射波検出手段の検出値とから、反射波を演算で取得することが可能となる。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱室内の被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずに導波管へ戻ってくる反射波とを検出し、加熱制御に用いる際には、入射波電力は入力電力検出手段で取得され、そして、簡易な構成では検出が難しい反射波電力は、多重反射重畳特性を利用し、反射波演算手段を用いて演算することにより取得されて、大量生産に適した簡易な構成でも入射波電力および反射波電力を把握でき、加熱制御に活用可能なマイクロ波加熱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】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずに戻ってくる反射波を検出し加熱制御に用いる際、入射波は入力電力検出手段で取得し、簡易な構成では検出が難しい反射波は、多重反射重畳特性を利用した演算で取得することにより、大量生産に適した簡易な構成でも入射波および反射波を把握し、加熱制御に活用可能することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロ波加熱装置によれば、被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずに戻ってくる反射波を検出し加熱制御に用いる際、入射波は入力電力検出手段で取得し、簡易な構成では検出が難しい反射波は、多重反射重畳特性を利用し反射波演算手段を用いて演算で取得することにより、大量生産に適した簡易な構成でも入射波および反射波を把握し、加熱制御に活用可能することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の概略構成図
【図２】実施の形態１の多重反射重畳特性を説明する図
【図３】実施の形態１の重畳入射波検出手段の概略構成を説明する図
【図４】従来の入射波・反射波検出構成を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に電力を供給する入力電力供給手段と、前記入力電力供給手段が供給する入力電力を検出する入力電力検出手段と、前記マイクロ波発生手段が発生させたマイクロ波を前記加熱室に伝送する導波管と、前記導波管を伝送するマイクロ波を前記加熱室に放射させるマイクロ波放射部と、前記導波管内の重畳入射波を検出する重畳入射波検出手段と、多重反射重畳特性を利用することで前記入力電力検出手段の検出値と前記重畳入射波検出手段の検出値を用いて反射波を演算する反射波演算手段と、各構成要素を統合制御する制御手段とを備えたマイクロ波加熱装置とすることにより、被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずに戻ってくる反射波を検出し加熱制御に用いる際、入射波は入力電力検出手段で取得し、簡易な構成では検出が難しい反射波は、多重反射重畳特性を利用した演算で取得することにより、大量生産に適した簡易な構成でも入射波および反射波を把握し、加熱制御に活用可能することができる。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、前記マイクロ波放射部を回転させるための回転手段を備え、前記反射波演算部で演算された反射波情報を利用して前記制御手段が前記回転手段を用いた加熱制御を行うことにより、加熱効率を向上することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の構成図である。
【００２１】
図１において、本実施の形態のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室１０１と、加熱室１０１に供給するマイクロ波を発生するマグネトロン１０２（マイクロ波発生手段）と、マグネトロン１０２に電力を供給するインバータ１０３（入力電力供給手段）とを設けている。また、インバータ１０３が供給する電力量を算出するため、電流および電圧をモニタする電力計１０４（入力電力検出手段）と、マグネトロン１０２が発生するマイクロ波を加熱室１０１に伝送する導波管１０５と、導波管１０５内を伝送するマイクロ波を加熱室１０１に放射させるマイクロ波放射部１０６とを設けている。
【００２２】
導波管１０５内を伝送する重畳入射波を検出する重畳入射波検出手段１０７と、多重反射重畳特性を利用することで電力計１０４の検出値と重畳入射波検出手段１０７の検出値とを用いて反射波を演算する反射波演算部１０８と、各構成要素を統合制御する制御手段１０９と、マイクロ波放射部１０６を回転させるためのモータ１１０（回転手段）、加熱
室に被加熱物を載置するための載置台１１１を有している。重畳入射波検出手段１０７としては、入射波成分を取りだす方向性結合器と入射波量を検出する検出回路、そして、反射波演算部１０８および制御手段１０９としては、マイクロコンピュータを利用できる。
【００２３】
図２は、重畳入射波検出手段１０７の概略構成を示す図である。
【００２４】
重畳入射波検出手段１０７は、方向性結合器２０１の働きにより、導波管１０５内を伝送する入射波２５０に比例した検出量を、方向性検出線路２０３の入射波成分検出量２５２として検出回路２０４で取り出すように構成されている。ここで、方向性結合器２０１の働きとは、導波管１０５内を伝送する入射波２５０および反射波２５１の伝送量に比例したマイクロ波を、結合・分離部２０２を介して方向性検出線路２０３に結合させ、入射波成分検出量２５２および反射波成分検出量２５３として、分離伝送させることである。
【００２５】
方向性結合器２０１により入射波成分検出量２５２と反射波成分検出量２５３に分離された後は、上述のように、簡易な構成で正確な値を検出可能な入射波成分だけを、検出回路２０４で検出する。そして、反射波成分については、入射波成分検出量２５２に悪影響を与えることがないように略無反射とする目的で、方向性検出線路２０３と整合の取れる抵抗（例えば、５０Ω）を接地した終端構成２０５を接続し、反射波成分を吸収してしまう構成とする。
【００２６】
また、電力計１０４は、インバータ１０３の電圧と電流をモニタし、制御手段１０９へ伝える構成である。制御手段１０９は、入力電力供給に関わる部品で発生する電力ロスも加味して定められた、電圧、電流、電力の関係テーブル（制御手段１０９のメモリ内に保存されている）を基に、入力電力を確定することで、入射波量を取得する構成とする。
【００２７】
以上のように構成されたマイクロ波加熱装置の動作を、下記の順序で説明する。
【００２８】
（１）全体動作
（２）反射波の活用例
（３）多重反射重畳のしくみ
（４）反射波演算部１０８の反射波演算方法
（１）全体動作
まずマイクロ波加熱装置の使用者により、載置台１１１の上に被加熱物が載置され、加熱が開始される。すると、制御手段１０９の指示により、インバータ１０３からマグネトロン１０２に、電力が供給される。発生したマイクロ波は導波管１０５内を伝送し、マイクロ波放射部１０６から、加熱室１０１内に放射される。ここで、モータ１１０とマイクロ波放射部１０６とは機械的に接続されており、マイクロ波放射部１０６は、モータ１１０の回転動作に合わせて、回転する。よって、マイクロ波加熱時に、制御手段１０９がモータ１１０を動作させると、マイクロ波放射部１０６の回転により、被加熱物に対するマイクロ波放射を複雑に変化させることとなり、結果として被加熱物の加熱分布を均一化することができる。
【００２９】
また、被加熱物の加熱制御中に、制御手段１０９が反射波演算部１０８に指示を出し、重畳入射波検出手段１０７と電力計１０４から反射波量を演算させる（演算の詳細は後述する）ことで、モータ１１０の回転位置と反射波量を把握することができる。ここで得られた反射波量の情報を用いることで、マイクロ波加熱装置は、被加熱物の加熱状態を利用した加熱制御を行うことができる。
（２）反射波の活用例
反射波が小さい状態は、被加熱物の一部に加熱が集中している状態にある可能性があり、加熱分布の偏りによる加熱ムラが懸念される。しかし、被加熱物が水のように粘性の低
い液体である場合は、対流が発生することから加熱の偏りは緩和される。したがって、被加熱物が粘性の低い液体である場合、制御手段１０９が、反射波演算部１０８により得られる反射量が少なくなる回転位置で、マイクロ波放射部１０６を一時停止または低速動作させる制御を行うことにより、加熱効率を向上することができる。
【００３０】
また、マイクロ波放射部１０６を停止した状態でも、均一加熱可能な固形物が被加熱物である場合は、モータ１１０を用いることなく、反射波を活用した加熱が可能である。具体的には、反射波演算部１０８により得られる反射波量をモニタしつつ被加熱物を加熱することで、被加熱物の水分量の減少を反射波の増加として捉えることができるため、反射波変化の飽和を加熱終了の判断に用いることができる。
（３）多重反射重畳の仕組み
導波管１０５内を伝送するマイクロ波を検出すると、入射波、反射波ともに閉鎖空間内で多重に反射した成分が重畳したマイクロ波を検出することになる多重反射重畳について、図３を用いて説明する。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、入射波Ｐｆｎ−１３０１がマイクロ波放射部１０６から加熱室１０１に放射される際、マイクロ波は、反射波Ｐｒｎ３０２として、一部反射して導波管１０５内を反射方向に戻る。導波管１０５は閉鎖空間となっているため、導波管１０５の端部で反射して、再び入射方向のマイクロ波となり、入射波Ｐｆｎ３０３として導波管１０５内を伝送する。このような反射が繰り返されることから、ここで、重畳入射波検出手段１０７の位置において、観測可能な入射波量ＰＦおよび反射波量ＰＲは、図３（ｂ）のように、反射波成分が多重に重畳した状況が発生することになる。
【００３２】
マグネトロン１０２から入射されるマイクロ波をＰｆ０、ｎ次反射量Ｐｒｎ３０２に対応する重畳入射波量をＰｆｎ３０３、観測可能な重畳入射波量をＰＦ、重畳反射波量ＰＲ、反射量を入射量で割って得られる反射率をｒと表すと、それぞれの関係は下記式で表すことが出来る。
【００３３】
【数１】
2018160386.tif 000003
【００３４】
【数２】
2018160386.tif 000004
【００３５】
【数３】
2018160386.tif 000005
【００３６】
【数４】
2018160386.tif 000006
【００３７】
ここで（数２）から（数１）を減算すると、Ｐｆ０＝ＰＦ−ＰＲの関係が得られる。
【００３８】
また（数１）、（数２）、（数３）を用いると（数４）に示すようにｒ＝ＰＲ／ＰＦが得られる。
【００３９】
なお、マグネトロン１０２から入射されるマイクロ波Ｐｆ０に対する反射波Ｐｒ１と反射率ｒの関係は、Ｐｒ１＝Ｐｆ０×ｒで表される。
（４）反射波演算部１０８の反射波演算方法
上述の通り、重畳入射波検出手段１０７を構成する方向性結合器で反射波を取得する構成は、検出回路部反射を抑えるために必要となるスペックが高く、現物に合わせた調整作業を必要とするため、計測器用途であれば充分であるが、大量生産される比較的単価の安い加熱調理器には不向きである。よって、本実施の形態においては、導波管１０５を伝送するマイクロ波の入射波量は、電力計１０４から取得し、反射波量は反射波演算部１０８から取得する構成としている。ここで、入力電力検出手段である電力計１０４で得られる入射波量をＰｆ０とする。
【００４０】
既述のように、導波管１０５内では多重反射重畳が起こっているため、入射波成分を検出すると、必然的に反射波が重畳された重畳入射波量ＰＦを検出することとなる。
【００４１】
既述の通り、入射波量Ｐｆ０に対応する反射波量をＰｒ０、重畳反射波量をＰＲ、反射量を入射量で割って得られる反射率をｒと表すと、それぞれの関係は下記で表すことが出来る。
【００４２】
Ｐｆ０＝ＰＦ−ＰＲ
ｒ  ＝ＰＲ／ＰＦ
Ｐｒ１＝Ｐｆ０×ｒ
反射波演算部１０８が反射波量Ｐｒ１を求めるための演算は、電力計１０４から得られる検出量Ｐｆ０と重畳入射波検出手段１０７で得られる検出量ＰＦを用いると、下記式で表すことが出来る。
【００４３】
Ｐｒ１＝Ｐｆ０（１−Ｐｆ０／ＰＦ）
このように、マグネトロン１０２から入射されるマイクロ波Ｐｆ０に対する反射波Ｐｒ１は、電力計１０４でＰｆ０を取得すれば、演算で求めることが可能である。
【００４４】
以上で述べたような動作により、被加熱物のマイクロ波加熱に用いる入射波と、負荷に吸収されずに戻ってくる反射波を検出し加熱制御に用いる際、入射波は電力計１０４で取得し、簡易な構成では検出が難しい反射波は、多重反射重畳特性を利用し反射波演算部１０８を用いて演算で取得することにより、大量生産に適した簡易な構成でも入射波量および反射波量を把握し、加熱制御に活用可能することができる。
【００４５】
なお、電力計１０４は、使用者の加熱指示電力を被加熱物に供給するために元々必須な
検出手段であり、反射波演算のための新たに追加すべき構成ではないため、電力計１０４の検出値を活用して反射波演算を行うことは、マイクロ波加熱装置としてのマイクロ波検出手段に必要なコストを低減する効果もある。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物としての食品にマイクロ波を放射して誘電加熱する加熱調理器、特にオーブン、グリル、過熱スチーム等のその他の加熱と併用する加熱調理器の他に、乾燥装置、陶芸用加熱装置、生ゴミ処理機、或いは半導体製造装置や化学反応装置等の各種工業用途におけるマイクロ波加熱装置において有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１  加熱室
１０２  マグネトロン（マイクロ波発生手段）
１０３  インバータ（入力電力供給手段）
１０４  電力計（入力電力検出手段）
１０５  導波管
１０６  マイクロ波放射部
１０７  重畳入射波検出手段
１０８  反射波演算部
１０９  制御手段
１１０  モータ（回転手段）
１１１  載置台
２０１  方向性結合器
２０２  結合・分離部
２０３  方向性検出線路
２０４  検出回路
２０５  終端構成
２５０  入射波
２５１  反射波
２５２  入射波成分検出量
２５３  反射波成分検出量
３０１  Ｐｆｎ−１：ｎ−１次入射（＝ｎ−１次反射）
３０２  Ｐｒｎ：ｎ次反射
３０３  Ｐｆｎ：ｎ次入射（＝ｎ次反射）
【図１】
2018160386.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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