(57)【要約】【課題】ノーマリーＯＮ型のＦＥＴをもった半導体発振のマイクロ波処理装置でドアの開閉や電圧の動揺なのでも破壊しないでかつマイクロ波漏洩をおこさないようにした安全性および信頼性の高いたマイクロ波処理装置を提供する。【解決手段】ドアと連動して接点が開閉する第一のドアスイッチ２２と第二のドアスイッチ１４を設け二重の発振停止装置を具備するとともに直接後段の電源部１７の電力を遮断しても電気二重層コンデンサからなる電荷蓄積部２３が独立してゲートバイアス電圧を維持するためドレイン−ソース間が貫通し半導体を破壊するという現象を生じない高い信頼性をもったマイクロ波処理装置を提供できるとともにドアスイッチが交流電流を遮断する構成をとることができるため安価なマイクロスイッチを利用できシステム全体を安価に構成し経済性の面でも優れたマイクロ波処理装置を提供することができる。【選択図】図４
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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、前記加熱室から機外へ電波の漏洩を遮断する開閉自在のドアと、マイクロ波の基準信号を作成する発振部と、前記発振部の出力を受け半導体素子を用いた複数段のアンプでかつ少なくとも複数段のアンプの最終段はノーマリーＯＮ型のＦＥＴを用いた半導体で構成された電力増幅を行うパワーユニットと、前記パワーユニットから出力されるマイクロ波電力を放射するアンテナと、前記パワーユニットのドレイン又はコレクタに印加される正極電圧を作成する正極電圧供給部と、エミッタ又はソースに印加され負極電圧を作成する負極電圧供給部と、ベース又はゲートに印加されるバイアス電圧を作成するバイアス電圧供給部とを具備した電源部と、ドアの開閉と連動して開成または閉成する機械的接点を有し電源ラインを開閉する第一のドアスイッチと第二のドアスイッチと、前記バイアス電圧供給部を商用電源の電力注入とは独立して形成し電荷を充電して所定の電圧を前記パワーユニットに供給する電荷蓄積部とを備え、前記電荷蓄積部には電気的二重層コンデンサを用い、前記第一のドアスイッチと第二のドアスイッチの閉成により前記電源部に商用電源の電力を供給する構成としたマイクロ波処理装置。
【請求項２】
電荷蓄積部は電気的二重層コンデンサを用いプリント基板に実装後端子間から充電する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項３】
電荷蓄積部の電気的二重層コンデンサには予め製造前に電荷を充電したものをプリント基板に実装する構成とした請求項１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手段にマグネトロンと称される真空管を用いているものが一般的である。
【０００３】
近年、このマグネトロンに代えて、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体素子を用いた高周波加熱装置の開発が進められている。マイクロ波は電子レンジに係わらず誘電加熱を応用する機器に展開可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＧａＮを用いたときの効果としては小型、軽量かつ容易に周波数や位相を可変することができる。一方、従来マグネトロンや、それを付勢する電源に関しては容積が大きく、重量が重いため、マイクロ波を主熱源あるいは補助熱源として利用するアイデアは多く存在するが実用には至っていなかった。特許文献１ではマイクロ波漏洩に対する安全性としての扉体開閉に連動して漏洩電波を停止する安全装置に関する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１２３９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来技術の構成では、扉体と連動してマイクロ波発生手段への商用電源の供給を停止する安全スイッチを二重に設けることにより、扉体の開放にともなう漏洩電波を阻止し、安全性の担保を図ろうとするものであったが、ＧａＮを用いた固体発振装置の場合ノーマリーＯＮ型ＦＥＴ（外部からバイアス電圧が入っていない状態でトラジスタ動作する）を用いることが一般的で、電源供給を一斉遮断してしまうとトランジスタが破壊してしまうという課題があった。
【０００７】
例えば、ノーマリーＯＮのＧａＮトラジスタであれば、ドレイン−ソース間に電圧が印加された状態でゲートバイアス電圧を除去してしまうと、トランジスタ内部でショート回路が形成され短絡破壊してしまう。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、扉体と連動して電源ラインの開閉を司る二つの機械的接点を有し、かつ、ノーマリーＯＮのトランジスタを有するマイクロ波処理装置においても、トランジスタを破壊しない信頼性が高く安全性に優れた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】
【０００９】
上記従来の課題を解決するために、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、加熱室と、加熱室に被加熱物を収納自在とし開成時にはマイクロ波の漏洩を阻止するドアと、マイクロ波の基準信号を作成する発振部と、発振部の出力を受け半導体素子を用いた複数段のアンプでかつ少なくとも複数段のアンプの最終段はノーマリーＯＮ型のＦＥＴを用いた半導体で構成された電力増幅を行うパワーユニットと、パワーユニットから出力されるマイクロ波電力を放射するアンテナと、パワーユニットのドレイン又はコレクタに印加される正極電圧を作成する正極電圧供給部と、エミッタ又はソースに印加され負極電圧を作成する負極電圧供給部と、ベース又はゲートに印加されるバイアス電圧を作成するバイアス電圧供給部とを具備した電源部と、ドアの開閉と連動して開成または閉成する機械的接点を有する第一のドアスイッチと第二のドアスイッチと、電荷を充電して所定の電圧を供給してバイアス電圧供給部を形成する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から電圧供給を受けバイアス電圧供給部の電圧を電源部と独立して確立し、商用電源が遮断され電源部への電力供給がなくなって電源部への電力供給がなくなった時でもバイアス電圧を維持し続けトランジスタが破壊することを回避する高い信頼性を有するとともに、第一のドアスイッチと第二のドアスイッチを有することでドア開閉と連動した二重の発振停止装置を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のマイクロ波処理装置は、ノーマリーＯＮ型のトランジスタを用いたパワーユニットを駆動する電源部がドアの開成によって電力供給が絶たれても、静電容量が極めて大きく蓄えられた電荷で電圧を長時間維持する電気的二重層コンデンサを有した電荷蓄積部によってバイアス電圧を独立して維持し、ドアの開成により電源部に商用電源からの電力供給が絶たれても、ノーマリーＯＮ型のトランジスタが破壊することはなく高い信頼性を保持するとともに、二重の発振停止装置を有し、ドア開時には使用者にマイクロ波を暴露させないことを確実にした安全性にも優れたマイクロ波処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のマイクロ波処理装置の斜視図
【図２】本発明のマイクロ波処理装置の要部断面図
【図３】本発明のパワーユニットのブロック図
【図４】本発明のマイクロ波処理装置の電気回路の全体構成を示すブロック図
【図５】本発明の各部電圧の各部電圧の挙動を示すタイムチャート
【図６】本発明の電荷蓄積部の電気二重層コンデンサの寿命特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、加熱室から機外へ電波の漏洩を遮断する開閉自在のドアと、マイクロ波の基準信号を作成する発振部と、発振部の出力を受け半導体素子を用いた複数段のアンプでかつ少なくとも複数段のアンプの最終段はノーマリーＯＮ型のＦＥＴを用いた半導体で構成された電力増幅を行うパワーユニットと、パワーユニットから出力されるマイクロ波電力を放射するアンテナと、パワーユニットのドレイン又はコレクタに印加される正極電圧を作成する正極電圧供給部と、エミッタ又はソースに印加され負極電圧を作成する負極電圧供給部と、ベース又はゲートに印加されるバイアス電圧を作成するバイアス電圧供給部とを具備した電源部と、ドアの開閉と連動して開成または閉成する機械的接点を有し電源ラインを開閉する第一のドアスイッチと第二のドアスイッチと、前記バイアス電圧供給部を形成し電荷を充電して所定の電圧をパワーユニットに供給する電荷蓄積部とを備えたものである。
【００１３】
本発明によれば、電荷蓄積部には極めて大きな静電容量をもち蓄積された電荷で長時間所望電圧を維持する電気的二重層コンデンサを用い、前記第一のドアスイッチと第二のドアスイッチの閉成により電源部に商用電源を供給する構成とすることにより、第一のドアスイッチもしくは第二のドアスイッチが開成することで、電源部への電力供給が絶たれても、独立して電荷蓄積部がバイアス電圧を維持し、電源部への電力供給が遮断されてもノーマリーＯＮ型のＦＥＴを破壊することを回避できる。
【００１４】
また、第一のドアスイッチと第二のドアスイッチが、ドアと連動して二重に開成するため、ドアが開かれても確実に電源部への電力供給を絶ち発振を停止させるため、使用者へのマイクロ波の暴露は確実に防止することができる。
【００１５】
第２の発明は、電荷蓄積部の電気的二重層コンデンサを、プリント基板に実装するときに製造工程において端子間から充電することにより、電気的二重層コンデンサへの充電を容易かつ短時間に実行することができる。
【００１６】
第３の発明は、電荷蓄積部の電気的二重層コンデンサには予め製造前に電荷を充電することにより、プリント基板に電気的二重層コンデンサを実装するだけで満充電を確保することができ、作業性を著しく簡便化することができる。
【００１７】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態におけるマイクロ波処理装置の概観斜視図である。ドア１は、被加熱物１０を収納する。ヒンジ７は、ドア１を支え、ヒンジ取付け穴Ａ８を通して筐体内部に出入り可能となっており、終端は筐体に固定された螺旋バネ（図示していない）に取り付けられており、取付け穴Ｂ９を通してドア１に係合されている。
【００１８】
このような構成によって、ドア１が閉まりかけるとバネの弾性により強制的にドア１は閉じる。載置板３は、被加熱物１０を載置するためのもので、マイクロ波を透過させ自己の誘電損失も少ない材料が選定されている。
【００１９】
金属性のオーブン５には、被加熱物１０が収納される。ボディ２は筐体全体を覆う。ドア１が閉められると、ドア１の表面に突起状に形成したプッシュ突起物４がスイッチ穴６を通して機械室内部のマイクロスイッチを押し、ドア１が閉められたことを検知する構成となっている。
【００２０】
図２は、マイクロ波処理装置の要部断面図である。マイクロ波はオーブン５内にアンテナ１１を介して照射され、内部の載置板３の上に載せられた被加熱物１０を誘電加熱する。当然、外部にマイクロ波が漏洩しないようにドア１で密閉する。マイクロ波発生源の中核をなすものはパワーユニット１２で、ここで２．４５ＧＨｚの大電力のマイクロ波が創出され、アンテナ１１介してオーブン５の内部に放射される。
【００２１】
マイクロ波発生手段は、一般的に２極自励発振管であるマグネトロンが最もポピュラーなデバイスであるが、本発明では半導体による固体発振を使用している。
【００２２】
図３はパワーユニット１２の内部構成である。初段パワーアンプ２５と中段パワーアンプ２６と最終段パワーアンプ２７でアンプ段は構成されている。アンプの増幅には高周波で大電力を扱え、かつ高効率の化合物半導体であるＧａＮ（窒化ガリウム）を用いたノーマリーＯＮ（外部からゲートバイアス電圧をかけないとき、ドレイン−ソース間が貫通する型のトランジスタ）のＦＥＴが用いられている。
【００２３】
Ｖｇｂはゲートバイアスで約−５Ｖのバイアス電圧を印加してＯＦＦになる。一方、信号が無い場合ＯＮとなる。Ｖｄｄはドレイン電圧、ソースは負電圧（ＧＮＤ）になっている。このアンプ段は微弱な電力の信号を作る発振部２１から０ｄＢｍ信号をパワーユニット１２に出力し約５３ｄＢｍの電力を得ている。
【００２４】
そのマイクロ波はアンテナ１１でオーブン庫内に照射される。ここでＧａＮのＦＥＴの特徴としてはＶｄｄに電圧が印加された状態でＶｇｂが低下してしまうと半導体内部でドレイン−ソース間に短絡状態が生じ破壊に至ってしまうという特性をもっている。
【００２５】
図４を用いて本発明の制御回路全体の動作を説明する。本実施の形態にかかるマイクロ波処理装置は、商用電源１６に直接接続された電流ヒューズ１３、ドア１と連動して接点が開閉するマイクロスイッチである第二のドアスイッチ１４、ドア１と連動して接点が開閉する第三のドアスイッチ１５、電源部１７を有している。
【００２６】
ここで、第二のドアスイッチ１４が万一溶着したとき、商用電源１６→電流ヒューズ１３→第二のドアスイッチ１４→第三のドアスイッチ１５→商用電源１６のショートサーキットで電流ヒューズ１３を短絡電流によって溶断させ、後段への電力供給を停止させる安全回路が構成されている。
【００２７】
第一マイクロスイッチ２２は、ドア１と連動して接点が開閉し、第二のドアスイッチ１４と二つで二重の安全機構となっている。万一、第一マイクロスイッチ２２が溶着しても第二のドアスイッチ１４が機能し、ドア開放時に機外にマイクロ波が漏洩することは生じない構成となっている。
【００２８】
ドア１との連動性について述べておくと、第二のドアスイッチ１４はドア１がオープンの場合開成し、ドア１がクローズの場合閉成する。第三のドアスイッチ１５は２接点をもちドア１がオープンの場合後段に電力を送るべく閉成し、ドア１がクローズの場合前述したショートサーキットを形成する方向に閉成する。
【００２９】
これによって、ドア１と連動して接点が開閉するスイッチと、それを監視し溶着した場合ショートサーキットを形成して、電流ヒューズ１３を溶断して入力を遮断するスイッチの三重の安全回路を形成している。
【００３０】
ドア１の開閉に伴う各スイッチの入り切りする順序について述べると、ドアが閉められたときは、まずドアスイッチ１５がＮＯとなった後、ドアスイッチ１４、２２が閉成するようになっている。
【００３１】
また、ドア１が開かれたときドアスイッチ１４、２２が開成した後、ドアスイッチ１５がＮＣになるようになっている。これにより、ドア１がオープンになったときドアスイッチ１４が万一溶着していたとき、ドアスイッチ１５が閉成するため上述したショートサーキットが働きヒューズ１３を溶断してしまうため、発振は生じない。当然のことであるが、溶着というイレギュラーがないときには問題なくドア７は開閉する。
【００３２】
電源部１７は、絶縁トランスを有するＤＣ−ＤＣコンバータ３０と、正極電圧供給部１８と、バイアス電圧供給部２０と、ＧＮＤたる負極電圧供給部１９とを有している。正極電圧１８は、かなり大きめの容量性のインピーダンスで形成されており、安全のために正極電圧供給部１８と負極電圧供給部１９の間に設けられた放電抵抗２８で、動作休止時には電荷を放電する構成をとっている。
【００３３】
ここで、発生する電圧Ｖｄｄは直接パワーユニットに供給されている。バイアス電圧供給部２０の電荷蓄積部２３は電気二重層コンデンサ２３からなっている。この電気二重層コンデンサ２３の両端の電圧Ｖｇｂは直接パワーユニット１２に供給される。
【００３４】
ここで記述した電気二重層コンデンサは、小型にもかかわらず非常に大きな容量値をもち数Ｆ〜十数Ｆ程度の大きさをもつ。プリント基板実装の際、裏面よりこのコンデンサの両端に電圧を加え速やかに充電する。また、予め充電しておいた電気二重層コンデンサをプリント基板に装着する方法もある。
【００３５】
パワーユニット内のゲートは電圧制御型なので、接合容量を充電する電流は流れるが、電圧静止状態では電流はほぼ零に近い。従って、製造時に予め充電しておけば、機器の生涯ほぼ一定の電圧を保持できる。
【００３６】
図５は各部の電圧のタイミングチャートである。図５（イ）は商用電源、図５（ロ）は電気二重層コンデンサ２３の両端の電圧であるバイアス電圧、図５（ハ）は正極電圧である。
【００３７】
図５に示されるように、商用電源休止期間（ａ）〜（ｂ）の間に、図５（ハ）の正極電圧は負荷抵抗により低下するが、図５（ロ）のバイアス電圧は一定のままの電圧となっている。
【００３８】
このようにすることによってノーマリーＯＮ型のＦＥＴのゲートバイアス電圧は一定値に維持され、図５（ハ）のように正極電圧が低下している間でも、ゲートバイアス電圧はしっかり確保されているため、ドレイン−ソースが貫通してショート破壊することはない。
【００３９】
次に、この電気二重層コンデンサの寿命を図６で示す。負荷抵抗は５０ＭΩで電流は０．５μＡ常時流れた場合を想定した。容量値は４．７Ｆを選択した。機器の耐用年数を１２００時間とすると若干バイアス電圧が下がりドレイン電流は増える傾向にあるが実使用上は問題ないと思われる。
【００４０】
このように、ノーマリーＯＮ型のＦＥＴを用いて電源部への電力供給を一斉に遮断しても半導体が破壊することがない信頼性の高いマイクロ波処理装置を提供できるだけでなく、ドアスイッチによる二重の発振停止装置を用いたり、比較的安価な交流電流を入り切りするマイクロスイッチをドアスイッチに用いたりすることができるため、システム全体を安価に構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、ドアの開閉に連動する二重発振停止装置を有し、マイクロ波の人体暴露を完全に阻止するとともに、商用電源を直接入り切りするドアスイッチを用いても、ノーマリーＯＮ方のＦＥＴを破壊することなく、信頼性の高いマイクロ波処理装置を提供することができる。
【００４２】
本発明は、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。二重安全を構成する第一のドアスイッチ２２、第二のドアスイッチ１４は、正弦波状の電流を入り切りする機能のため非常に廉価なマイクロスイッチを使用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１２  パワーユニット
１４  第二のドアスイッチ
１６  商用電源
１７  電源部
１８  正極電圧供給部
１９  負極電圧供給部
２０  バイアス電圧供給部
２１  発振部
２２  第一のドアスイッチ
２３  電荷蓄積部
【図１】
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【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】
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