(57)【要約】【課題】半導体によるマイクロ波発生装置において損失を軽減し高効率化を図ったマイクロ波利用装置を提供する。【解決手段】加熱室１内に載置された被加熱物２にマイクロ波を照射するマイクロ波発生手段６、７にＧａＮ半導体素子を用いその駆動電圧を高くし、かつ、マイクロ波発生手段６、７を複数個配置することによって個々のマイクロ波発生手段６、７の損失を軽減し、マイクロ波利用装置の効率を改善する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンよりもバンドギャップの大きい半導体を使用する半導体素子を有する複数のマイクロ波発生手段と、マイクロ波を放射する放射手段と、加熱室と、制御部からなり、前記放射手段は前記マイクロ波発生手段から出力されるマイクロ波を加熱室内に放射し、前記制御部は前記マイクロ波発生手段の出力を制御するとともに、前記マイクロ波発生手段の各々の駆動電力は装置全体の最大供給電力の１／２以下としたマイクロ波利用装置。
【請求項２】
放射手段は複数配置し、各々のマイクロ波発生手段に１：１で接続する構成とした請求項１記載のマイクロ波利用装置。
【請求項３】
各々のマイクロ波発生手段の出力を時間的にランダムに変化させる構成とした請求項２記載のマイクロ波利用装置。
【請求項４】
各々のマイクロ波発生手段の出力は時間的に周期的に変化させる構成とした請求項２記載のマイクロ波利用装置。
【請求項５】
各々のマイクロ波発生手段の出力が変化する周期はそれぞれ異なる構成とした請求項４記載のマイクロ波利用装置。
【請求項６】
加熱室内に載置された被加熱物の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の情報を元に各々のマイクロ波発生手段の出力を制御する構成とした請求項２から５のいずれか１項に記載のマイクロ波利用装置。
【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て被加熱物を誘電加熱するマイクロ波利用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の代表的なマイクロ波利用装置は、家庭用の調理器として広く普及している電子レンジである。この電子レンジに搭載されているマイクロ波発生手段はマグネトロンであり、このマグネトロンはいわゆる真空管でありマイクロ波の出力を大きく取れ、さらにその動作効率が７０％強と高い特徴がある。一方、マグネトロンは、発振周波数を自在に制御することができず、マグネトロン自身の発振周波数は被加熱物を含む負荷のインピーダンスによって変動する。このため、不適切な発振周波数での動作によって加熱室内に生じる定在波により被加熱物には不均一な加熱を生じる場合がある。
【０００３】
マグネトロンの発振周波数を可変制御する構成として、同軸型のマグネトロンなどがあるが周波数を可変制御する部品形状が大きいためマグネトロン自身が大型化することや非常に高価であることから、電子レンジの用途には適していない。
【０００４】
一方、近年の移動体通信の発展に伴うマイクロ波回路技術の進化により半導体素子の技術革新も進み、高周波動作可能な素子の実用化がなされ始めている。
【０００５】
この半導体素子により構成されるマイクロ波発生手段は電圧制御型発振器や容量制御型発振器を発振源に用いることで、発振周波数を可変制御することができる。周波数自励式の固体化発振部を用い、加熱室への給電インピーダンスに応じて発振周波数を制御して最適な整合状態を形成し効率的に加熱を行うというものがある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５９−１６５３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マグネトロンと同等以上のマイクロ波出力を半導体素子を発振源とするマイクロ波発生手段で得ようとした場合、単一のマイクロ波発生手段で構成すると、高周波動作に対応した半導体素子は素子の耐電圧が低いため電力を稼ぐためには通過する電流が自ずと大きくならざるを得ない。一方、通過電流によって生じる損失Ｐは抵抗成分Ｒと通過電流Ｉの２乗の積で表されるので電流の増加に対して損失Ｐの増加は大きなものとならざるを得ない。このため半導体素子での損失が非常に大きくなりマグネトロンと同等以上の出力を得ようとすると装置全体の効率が非常に悪化してしまうという課題がある。
【０００７】
この課題を解決するためにマイクロ波発生手段を複数個に分割する方法が考えられるが、現存している半導体素子を用いてマイクロ波発生手段を構成すると各マイクロ波発生手段での発生損失をある程度冷却可能なまでに低減するにはマイクロ波発生手段の分割数が非常に多くなり、マグネトロンに対してマイクロ波発生手段の占有する体積が大きくなるため、電子レンジのように実装空間が限られた用途では実用に供さないという課題が生じる。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、バンドギャップの大きい半導体を使用する半導体素子を有するマイクロ波発生手段を用い、高い加熱効率を実現するマイクロ波利用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】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波利用装置はシリコンよりもバンドギャップの大きい半導体を使用する半導体素子を有する複数のマイクロ波発生手段と、マイクロ波を放射する放射手段と、加熱室と、制御部からなり、前記放射手段は前記マイクロ波発生手段から出力されるマイクロ波を加熱室内に放射し、前記制御部は前記マイクロ波発生手段の出力を制御するとともに、前記マイクロ波発生手段の各々の駆動電力は装置全体の最大供給電力の１／２以下としたものである。
【００１０】
これにより、装置全体で所定の電力を得ようとした場合、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体素子によってマイクロ波発生手段の駆動電圧を高くできるので同じ電力を得る場合の駆動電流を軽減できる。このため通過電流による損失を軽減できるため複数のマイクロ波発生手段の出力を合成する場合に各々のマイクロ波発生手段の出力を高く設定できるのでその分割数を軽減できる。また、マイクロ波発生手段を複数個配置することによって各々のマイクロ波発生手段での消費電流を軽減することができるので各々のマイクロ波発生手段での通過電流に起因する損失を軽減できるため、装置全体の総損失を軽減でき電力変換効率を改善することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のマイクロ波利用装置によれば各々のマイクロ波発生手段の駆動電力は装置の総電力の１／２以下とすることで、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減しているため、装置全体の総損失を軽減でき電力変換効率を改善することができる。また、電力変換効率の改善による省エネ効果も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、シリコンよりもバンドギャップの大きい半導体を使用する半導体素子を有する複数のマイクロ波発生手段と、マイクロ波を放射する放射手段と、加熱室と、制御部からなり、前記放射手段は前記マイクロ波発生手段から出力されるマイクロ波を加熱室内に放射し、前記制御部は前記マイクロ波発生手段の出力を制御するとともに、前記マイクロ波発生手段の各々の駆動電力は装置全体の最大供給電力の１／２以下とすることにより、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明の放射手段は複数配置し、各々のマイクロ波発生手段に１：１で接続する構成とすることにより、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することができる。また、各々のマクロは発生手段の出力はそれぞれに接続された放射手段から加熱室内に放射するので各々の出力を合成する際に生じる損失もなくなるのでより加熱効率を向上することが可能となる。
【００１４】
第３の発明は、特に第２の発明の各々のマイクロ波発生手段の出力を時間的にランダムに変化させる構成とすることにより、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することが可能になると同時に、各々のマイクロ波発生手段の出力を時間的にランダムに変化させることによって被加熱物の昇温部位をランダムに変化させ加熱状態の均一化を促進させることが可能となる。
【００１５】
第４の発明は、特に第２の発明の各々のマイクロ波発生手段の出力は時間的に周期的に変化させる構成とすることにより、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することが可能になると同時に、各々のマイクロ波発生手段の出力を時間的にある周
期を持って変化させることによって被加熱物の昇温部位を変化させ加熱状態の均一化を促進させることが可能となる。
【００１６】
第５の発明は、特に第４の発明の各々のマイクロ波発生手段の出力が変化する周期はそれぞれ異なる構成とすることにより、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することが可能になると同時に、各々のマイクロ波発生手段の出力を時間的に異なった周期を持って変化させることによって被加熱物の昇温部位を変化させ加熱状態の均一化を促進させることが可能となる。
【００１７】
第６の発明は、特に第２から第５のいずれか１つの発明の加熱室内に載置された被加熱物の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の情報を元に各々のマイクロ波発生手段の出力を制御する構成とすることにより、、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減できるため、マイクロ波発生手段での発生損失を軽減することができ装置全体の電力変換の効率を向上することが可能になると同時に、被加熱物の昇温状態を観測し、その情報に基づいて各々のマイクロ波発生手段の出力を制御し、昇温状態の不足している部位により強く電波が照射されるように各々のマイクロ波発生手段の出力を調整することによって被加熱物の加熱状態の均一化を促進させることができる。
【００１８】
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、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の構成図、図２は図１のマイクロ波発生手段の構成図である。
【００２０】
図１〜図２において、被加熱物を収納する加熱室１は、被加熱物２を出し入れする扉（図示していない）を一面に配し、それ以外の壁面は金属材料で構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。加熱室１内の下方には、加熱室１底壁面と所定の間隔をもって被加熱物２を載置する低誘電損失材料からなる載置板３を配する。また加熱室１の左右の壁面には、放射手段４、５を設けている。
【００２１】
加熱室１の下側には、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段６、７を配する。このマイクロ波発生手段６、７は、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数を発生する電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部９と、発振部９の出力を所定の電力に増幅する初段増幅部１０と、初段増幅部１０の出力を増幅する主増幅部１１とから構成している。
【００２２】
また、主増幅部１１のそれぞれの出力は、同軸線路を伝送させて対向配置の放射手段４、５に導いている。また、この初段増幅部１０及び主増幅部１１を構成する半導体素子は窒化ガリウム（以下ＧａＮと称する）を半導体材料として用いてトランジスタを構成している。
【００２３】
このＧａＮ材料は一般に広く知られている半導体材料のシリコン（Ｓｉ）と比べるとエネルギバンドギャップが広く、Ｓｉ半導体素子に比べると高耐圧、高速動作、低損失に素子を構成することが可能となる。このためＧａＮ半導体素子を初段増幅部１０及び主増幅部１１に用いることによってその駆動電圧を高めることができ、駆動電流の軽減を図ることができるようになる。
【００２４】
また、制御手段８はマイクロ波発生手段６、７の出力電力を所定の制御値になるように
駆動電源あるいは初段増幅器１０、主増幅器１１の増幅率を制御する。
【００２５】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００２６】
まず被加熱物２を加熱室１に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御手段８の制御出力信号によりマイクロ波発生手段６、７が動作を開始する。制御手段８は、駆動電源を動作させて発振部９に電力を供給する。この時、発振部９の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。以降、駆動電源を制御して初段増幅部１０を動作させ、次に主増幅部１１を動作させる。
【００２７】
加熱室１内に供給されるマイクロ波エネルギが被加熱物２に１００％吸収されると加熱室１からの反射電力は無しになるが、被加熱物２の種類・形状・量が被加熱物２を含む加熱室１の電気的特性を決定し、マイクロ波発生手段６、７の出力インピーダンスと加熱室１のインピーダンスとに基づいて、加熱室１側から同軸線路を逆方向に伝送する反射電力が生じる。
【００２８】
このマイクロ波は、同軸線路を伝送して一対の対向配置の放射手段４、５から被加熱物２が収納された加熱室１内に放射される。この放射されたマイクロ波によって加熱室１の所定の部位に電界集中領域が形成される。加熱室１に形成された電界集中領域により、被加熱物２が加熱室１内の電界集中領域に収納された場合に被加熱物２が強く加熱される。
【００２９】
このようにマイクロ波の供給を図１のように２箇所から分けてそれぞれのマイクロ波発生手段６、７の発生するマイクロ波の電力をおのおの総電力の１／２となるように給電した場合、それぞれのマイクロ波発生手段６、７の通過電流は総電力を単一のマイクロ波発生手段から給電した場合と比較すると略１／２に減ずることができる。
【００３０】
マイクロ波発生手段６、７で発生する損失Ｐは通過電流によって生じるオーミックな損失Ｐａと周波数に起因する損失Ｐｆに分類することができる。オーミックな損失Ｐａは通過電流Ｉと内部抵抗Ｒを用いると次式、Ｐａ＝Ｉ２Ｒのように表現することができる。
【００３１】
したがって通過電流を１／２に減ずることによってＰａは１／４に低減することができる。このためマイクロ波発生手段６、７で発生する損失Ｐはトータルとして略１／２に軽減することができ装置としての効率を向上することが可能となる。
【００３２】
また、図３はそれぞれのマイクロ波発生手段６、７から放射されるマイクロ波電力Ｐ１、Ｐ２の時間的な変化を示した図である。制御手段８は、マイクロ波発生手段６、７の放射するマイクロ波電力を時間的にランダムに制御し、被加熱物２の加熱の均一化を図っている。このマイクロ波電力可変制御により、一対の対向配置した放射手段によって形成される電界集中領域は加熱室１内をランダムに移動し、被加熱物２の加熱部位を移動させて均一加熱を促進する。
【００３３】
図３ではマイクロ波発生手段６、７の放射するマイクロ波電力Ｐ１、Ｐ２を時間的にランダムに制御する構成で示しているが、制御手段８によってある一定のパターンを持ち時間的にある周期を持たせて放射するマイクロ波電力を制御しても加熱室１内の電界集中領域は周期的な変化をするため被加熱物２の加熱部位を移動することができ均一加熱を促進することが可能である。また、上述の周期をそれぞれのマイクロ波発生手段で異なった周期で変動させるようにしてもなんら本発明の効果を損じるものではない。
【００３４】
（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波利用装置の構成図である。
【００３５】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、温度検出手段１２を設け被加熱物２の加熱状態を計測し、その情報に基づいてマイクロ波発生手段６、７の供給するマイクロ波電力を制御する構成とした点である。図４において、第１の実施の形態と同一構成あるいは略同一機能のものは同一番号で示す。
【００３６】
図４において、被加熱物２を収納する加熱室１は、被加熱物２を出し入れする扉（図示していない）を一面に配し、それ以外の壁面は金属材料で構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。加熱室１内の下方には、加熱室１底壁面と所定の間隔をもって被加熱物２を載置する低誘電損失材料からなる載置板３を配する。また加熱室１の左右の壁面には、放射手段４、５を設けている。
【００３７】
加熱室１の下側には、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段６、７を配する。このマイクロ波発生手段６、７は、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数を発生する電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部９と、発振部９の出力を所定の電力に増幅する初段増幅部１０と、初段増幅部１０の出力を増幅する主増幅部１１とから構成している。また、主増幅部１１のそれぞれの出力は、同軸線路を伝送させて対向配置の放射手段４、５に導いている。
【００３８】
また、制御手段８はマイクロ波発生手段６、７の出力電力を所定の制御値になるように駆動電源あるいは初段増幅器１０、主増幅器１１の増幅率を制御する。
【００３９】
また、温度検出手段１２はマイクロ波発生手段６、７から照射されるマイクロ波電力によって加熱される被加熱物２の温度を逐次計測する。具体的な構成としては加熱室１外部から被加熱物２から放射される赤外線によって温度を検出する赤外線センサであってもよいし、直接被加熱物２と接触させることによって温度を計測する熱電対のような計測手段であっても良い。
【００４０】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置において、以下その動作と作用を特に第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００４１】
温度計測手段１２は被加熱物２の加熱状態を計測している。ここで、例えば被加熱物２の左右いずれか一方に温度上昇の不足している部分が計測されると、温度上昇の不足している部分に近い方のマイクロ波発生手段６または７のマイクロ波出力を高くし、反対に他方のマイクロ波出力を低くなるように制御する。このように制御することでマイクロ波出力が大きい方に加熱室１内での電界集中領域を移動させる。この結果、ある計測タイミングで被加熱物２の温度上昇が不足している部分に電界集中領域を移動させることによって被加熱物２全体の温度上昇の均一化を促進することができる。温度計測手段１２は逐次被加熱物２の温度を計測し、その検出信号に基づき制御手段８によってマイクロ波発生手段６、７の供給するマイクロ波電力が決定されるので、被加熱物２の加熱は常に均一な温度上昇を保つことができ、均一な加熱を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように本発明によれば、マイクロ波発生手段の駆動電力は装置の総電力の１／２以下とすることで、各々のマイクロ波発生手段の通過電流を軽減しているため、装置全体の総損失を軽減でき電力変換効率を改善することができ、省エネ機器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１のマイクロ波利用装置の構成図
【図２】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【図３】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段のマイクロ波出力の時間変化を示す図
【図４】本発明の実施の形態２のマイクロ波利用装置の構成図
【符号の説明】
【００４４】
１  加熱室
２  被加熱物
４、５  放射手段
６、７  マイクロ波発生手段
８  制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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