(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収納する加熱室と、高周波を発生する高周波発生手段と、一端に前記高周波発生手段が装着され他端に２つの放射口が設けられることにより前記高周波を前記加熱室に伝送する導波管とを備え、前記２つの放射口は、それぞれが前記導波管の管軸に対して平行な部分と垂直な部分とを有するＬ字状であり、前記導波管の管軸上の点に対して点対称に設けられ、前記導波管の他端の端面から前記高周波の伝送波長の略１／２離れた位置までの間に設けられた高周波加熱装置。
【請求項２】
点対称の点の近傍に容量成分を付設した構成からなる請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記２つの放射口は前記導波管の管軸を横切らない構成とした請求項１に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱物を誘電加熱する高周波加熱装置に関し、更に詳しくは加熱室内への高周波放射部の構成および放射制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高周波加熱装置は、被加熱物を直接的に加熱できるのでなべ釜を準備する必要がない簡便さでもって生活上の不可欠な機器になっている。しかしながら、被加熱物を収納する加熱室はその形状が変化させうる構造体ではないので、被加熱物の存在により加熱室の電気的な特性は変化する。この加熱室内の電気的特性変化は、加熱室内に供給する高周波を発生する高周波発生手段の特性や加熱室内の高周波分布に影響を与える。高周波発生手段が受ける影響は、発振周波数と発振出力の変化に代表される。また、高周波分布は被加熱物の形状やその物理特性の影響が相乗されて局所加熱が発生することがある。
【０００３】
高周波加熱装置の理想的な特性は、高周波発生手段が発生する高周波エネルギを最大効率でもって被加熱物に供給することと被加熱物を均一に加熱することに集約される。
【０００４】
高周波エネルギの高効率利用という視点では、高周波加熱装置に表示されている高周波出力は、その測定方法がＪＩＳ規格やＩＥＣ規格に規定され、高周波出力測定に用いられる被加熱物の量はそれぞれ水２０００ｃｃと１０００ｃｃであり、生活上一般的に加熱する被加熱物の量（約２００ｃｃ〜４００ｃｃ）と乖離している。そして、この被加熱物の量の影響により、一般的な被加熱物の量に対する高周波出力は装置に表示されている出力値の６０〜８０％程度の利用効率である。
【０００５】
このような高周波特性を改善するための技術としては、高周波における整合技術が用いられる。そもそも高周波加熱装置は、規格に規定された被加熱物に対して高周波発生手段が発生した高周波エネルギを最大化して加熱室に伝送するために導波管内に金属ポストを突出させて整合状態の最適化が図られているのが一般的である。もちろん、この金属ポストの配設位置や形状を変更すれば任意の被加熱物に対して最適な整合状態を図ることができるが、金属ポストを移動させるためには複雑で高価な構造が要求され実用上の課題となっている。
【０００６】
また、この整合用の金属ポストが加熱室内の高周波分布に影響を与えることも知られている。従って、整合用の金属ポストの配設は、高周波エネルギの有効利用と高周波分布の最適化との両立を図る中で実用的な構成が決定されている。
【０００７】
一方、被加熱物を均一に加熱するという視点では、被加熱物を回転させる方式や加熱室内の高周波を攪拌させる方式などに加えて、加熱室内への高周波放射のさせ方に関する先行技術がある。
【０００８】
高周波放射に関する従来技術としては、複数の高周波発生手段を備え、高周波発生手段が発生する高周波エネルギを略直方体形状の加熱室の異なる壁面にそれぞれ設けた放射部から放射する構成や単一の高周波発生手段に対して同一壁面に複数の放射部を備える構成のものがある。
【０００９】
また加熱室の壁面に設けた開口を放射口とする放射部構成においては、この開口の形状が通常は矩形形状である。これに対して特開２０００−１６４３４１号公報には、く字状の放射口と矩形形状の放射口とを併設した構成が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の放射部の構成はく字状の放射口を副次的に設けたものであり、主放射口との相乗作用による特別の放射作用を呈するものではなく複数の放射口を備えたものと同様の作用および効果である。また同公報に開示された図７、図８および図１１のように高周波発生手段の出力アンテナの周辺の導波管の短絡面側の導波管壁面にく字状の放射口を配置する場合は、加熱室側から反射して導波管内に戻ってくる高周波の影響を受けて出力アンテナ近傍で生じる定在波により放射口でスパークが発生する課題がある。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するもので、放射口の形状に工夫をして加熱室への放射分布を従来とは異なる放射特性として被加熱物を効率よくまた均一に高周波加熱する装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波加熱装置は上記課題を解決するために、被加熱物を収納する加熱室と、高周波を発生する高周波発生手段と、一端に前記高周波発生手段が装着され他端に２つの放射口が設けられることにより前記高周波を前記加熱室に伝送する導波管とを備え、前記２つの放射口は、それぞれが前記導波管の管軸に対して平行な部分と垂直な部分とを有するＬ字状であり、前記導波管の管軸上の点に対して点対称に設けられ、前記導波管の他端の端面から前記高周波の伝送波長の略１／２離れた位置までの間に設けられた構成としている。
【００１３】
上記発明によれば、複数のＬ字状の放射口を点対称に配置することで各放射口を励振する電界の向きはそれぞれが異なる方向となり、各放射口から放射される高周波が放射口近傍で結合したり反発したりして放射口周辺に幅広い放射分布を形成する。この放射口近傍での振る舞いにより、被加熱物の量や形状の違いによる高周波発生手段への影響が緩和され様々な被加熱物に対して高周波発生手段を安定に動作させることができ、エネルギの利用効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、高周波を発生する高周波発生手段と、一端に前記高周波発生手段が装着され他端に２つの放射口が設けられることにより前記高周波を前記加熱室に伝送する導波管とを備え、前記２つの放射口は、それぞれが前記導波管の管軸に対して平行な部分と垂直な部分とを有するＬ字状であり、前記導波管の管軸上の点に対して点対称に設けられ、前記導波管の他端の端面から前記高周波の伝送波長の略１／２離れた位置までの間に設けられたものであり、２つのＬ字状の放射口を点対称に配置することで各放射口を励振する電界の向きはそれぞれが異なる方向となり、各放射口から放射される高周波が放射口近傍で結合したり反発したりして放射口周辺に幅広い放射分布を形成する。この放射口近傍での振る舞いにより、被加熱物の量や形状の違いによる高周波発生手段への影響が緩和され様々な被加熱物に対して高周波発生手段を安定に動作させることができ、エネルギの利用効率を高めることができる。
【００１５】
また、２つの放射口の導波管の管軸方向における最大間隔は、この導波管を伝送する高周波の伝送波長の略１／２としたことにより、各放射口を横切る高周波電界の方向を相反する方向に規定させることができ放射方向の全方向化を確実に図ることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の発明において、点対称の点の近傍に容量成分を付設した構成により、点対称の点の近傍に高周波を集中させて各放射口の励振状態を安定に維持させることができる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、特に、請求項１に記載の発明において、前記２つの放射口は導波管の管軸を横切らない構成としたものであり、高周波発生手段側に位置する放射口からの放射エネルギを抑制し各放射口の高周波励振を保証させることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１を示す高周波加熱装置の断面構成図、図２は図１の導波管の構成図、図３は図１の放射口による高周波電界分布である。
【００２０】
図において、１０は被加熱物を収納する加熱室、１１は導波管であり高周波発生手段１２を一端に装着する。また導波管１１の他端には加熱室１０の壁面に設けた放射口１３を配置している。１４は被加熱物を載置する載置皿、１５は回転台、１６は回転台の駆動モータである。
【００２１】
放射口１３は導波管１１の高周波発生手段１２を装着する側から遠い側の導波管端面１７とこの端面１７から導波管１１を伝送する周波数の伝送波長の略１／２の距離だけ離れた位置との間の壁面に配置している。放射口１３は二つのＬ字状の開口からなる放射口１３ａ，１３ｂを点対称に配置している。点対称の位置は導波管１１の管軸１８上であり図２において１９で示す。各放射口１３ａ，１３ｂの開口は管軸１８に対して平行な部分と垂直な部分とを有し、かつ開口は管軸１８を横切らないように配置している。また、放射口の点対称位置の放射口に対向する導波管壁面に容量成分を付加させるとともにインピーダンス整合作用を持たせた金属ポスト２０を設けている。なお、２１は高周波発生手段１２の出力アンテナを挿入する接続穴である。また、２２は導波管内の伝送波長を定在波分布として一例を示したが、図示したように導波管内で共振するような導波管１１の長さに限定する必要はない。
【００２２】
次に上記構成の主要動作について説明する。導波管壁面には図２において矢印２３〜２６で示すような高周波電流が流れ、Ｌ字状の放射口１３ａ，１３ｂには同様に矢印２３〜２６で示す方向の高周波電界が生じる。この高周波電界の方向は全方向に分布した形であり、これにより図３に示すような高周波電界分布が生じる。すなわち、電界の強い領域がＬ字状の放射口の点対称位置に現れ、導波管１１の管軸に対して垂直方向に高周波が伝搬していく分布となる。点対称位置が強い電界強度になるのは各放射口から放射される高周波が放射口近傍で結合することによるものであり、これにより放射口周辺に幅広い放射分布を形成している。この放射口近傍での振る舞いにより、被加熱物の量や形状の違いによる高周波発生手段への影響が緩和され様々な範囲の被加熱物に対して高周波発生手段を安定に動作させることができ、エネルギの利用効率を高めることができる。
【００２３】
なお、図３において、高周波電界分布が導波管の管軸に対して対称になっていない理由は、高周波発生手段側の放射口からの放射エネルギが強いからであり、この放射口の開口形状を小さくすることで対称性を改善することが可能となる。
【００２４】
（実施例２）
次に本発明の実施例２について図４から図７を用いて説明する。実施例２が実施例１と相違する点は、被加熱物を載置する載置皿を角皿とし非回転構成としたことと、放射口を設けた加熱室壁面に開口部を設けこの開口部の高周波インピーダンスを可変する手段を付設した構成である。
【００２５】
すなわち、図４において、３０はセラミック材料からなる載置皿、３１および３２は加熱室１０を形成する壁面に設けた開口部である。またこの開口部３１，３２を塞ぐ形で加熱室１０の外側に図５に示すインピーダンス可変手段５０をそれぞれ配設する。
【００２６】
図５において、インピーダンス可変手段５０は、金属部材で構成した箱型部５１を本体とし、加熱室壁面に組立実装することで溝部を形成する構成としている。その箱型部５１内には、板状構造の回転板５２を設けている。この回転板５２の両端には回転板５２を回転させるための回転軸５３、５４を設け、回転軸５３は箱型部５１の壁面に設けた孔に挿入しその孔で回転支持している。一方、回転軸５４には回転板５２を回転駆動する手段であるステッピングモータ５５の出力シャフトと連結させている。５６は回転軸５４に設けた回転角度検出のための遮光部であり、回転角度検出手段としてフォトインタラプタ（図示していない）を用いている。５７〜６０は加熱室実装用フランジであり、加熱室壁面にスポット溶接組立する。６１は回転板５２を箱型部５１内に実装するための孔である。箱型部５１の具体的な構成寸法としては、幅が８０ｍｍ、長さがＬａ＋Ｌｂ、高さが２０ｍｍである。ＬａおよびＬｂ寸法は回転板５２の中心から箱型部５１のそれぞれの端面までの長さである。このような構成のインピーダンス可変手段を加熱室に実装する場合、箱型部５２のＬａ寸法側の所定位置に開口部６２（図４における３１，３２）を配置する。この結果、箱型部５１と加熱室壁面で形成される溝部の終端は図５において箱型部５１を形成する壁面６３である。回転板５２の支持角度は回転板５２の幅広面５２ａが壁面６３に対して略平行の状態を０度と規定する。
【００２７】
回転板５２は、２００℃以上の耐熱温度を有し装置が使用する周波数帯で低誘電損失の特性を有する樹脂材料あるいは無機材料の非金属材料を基材とし、その基材を所定の板厚さにそれぞれ成形あるいは焼成成形加工して構成している。次にインピーダンス可変手段５０の動作、作用を説明する。インピーダンス可変手段は、Ｌａ＝３０ｍｍ、Ｌｂ＝２０ｍｍの構成とすることで開口部６２における電圧反射係数Ｓ１１の位相値を略±１８０度から略−３０度の範囲で可変させることができる。すなわちこの場合、回転板５２を回転させることで開口部６２には容量性リアクタンス成分を変化させたインピーダンスを形成できる。また、Ｌａ＝５０ｍｍ、Ｌｂ＝２０ｍｍの構成とすることで開口部における電圧反射係数Ｓ１１の位相値を略＋９０度から±１８０度を通って略−１３５度の範囲に可変させることができる。すなわち、この場合、回転板５２を回転させることで開口部６２には誘導性リアクタンス成分（位相値範囲：＋９０度から±１８０度）と容量性リアクタンス成分（位相値範囲：±１８０度から略−１３５度）値を存在させることができる。さらにＬａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝２０ｍｍの構成とすることで開口部６２における電圧反射係数Ｓ１１の位相値を略＋０度から＋９０度を通って略±１８０度の範囲に可変させることができる。すなわち、この場合、回転板５２を回転させることで開口部６２には誘導性リアクタンス成分が変化するインピーダンスを存在させることができる。
【００２８】
そして開口部における電圧反射係数の位相値が略±１８０度、すなわち開口部のインピーダンスが略零の場合は、開口部を金属壁面と同様の作用にさせることができる。
【００２９】
また回転板５２の支持角度を変化させると、開口部６２のインピーダンスは変化し開口部６２における高周波の入射波と反射波との位相差を変化させることができる。加熱室１０の金属壁面での高周波の入射波と反射波との位相差は１８０度である。一方金属壁面に設けた開口部における入射波と反射波との位相差は、開口部のインピーダンス値が零の場合は１８０度、インピーダンス値が無限大の場合は０度、誘導性リアクタンスの場合は入射波に対して反射波の位相が遅れ、容量性リアクタンスの場合は位相が進む。入射波と反射波との位相の変化に伴って加熱室の見掛け上の大きさが変化する。誘導性リアクタンスの場合は電波的作用より加熱室の大きさが見掛け上大きくなり、一方容量性リアクタンスの場合は小さくなる。これは、たとえば加熱室内に収納した被加熱物と放射口との見掛け上の距離を変化させるようなものである。この現象を利用することで被加熱物の平面上の加熱領域を可変したり、被加熱物の高さ方向の加熱領域を可変させることができ、被加熱物を移動させることなく被加熱物の加熱の均一化を図ることができる。
【００３０】
また、開口部を図４に示すように配設しそれぞれの開口部に対応してインピーダンス可変手段の回転板を回転制御することで加熱室内の高周波分布を加熱室の上下方向や左右方向に偏向させることができる。これらの作用現象を利用することで被加熱物を回転させることなく被加熱物の加熱領域を可変制御をして被加熱物を均一に加熱させることができる。
【００３１】
次に図６および図７を用い図４に示す高周波加熱装置の実加熱特性を説明する。
図６は、水を被加熱物とし各水量の温度上昇値から算出した水が吸収した加熱パワーおよび装置の入力電力に対する加熱パワーの比率を効率として表したものである。図６において、図４に示す放射口に対して７１が加熱パワー特性、７２が効率、一方従来の矩形形状の放射口に対して７３が加熱パワー特性、７４が効率を示す。同特性より、本発明の放射口を用いることで全体的に高周波エネルギの利用効率が高くでき、特に少量負荷に対する利用効率を大幅に高めることができた。なお、開口部３１，３２のインピーダンス値は略零の状態である。
【００３２】
また図７は市販の１合酒ビンにアドヘア合成糊を１８０ｇ入れて高周波加熱した時の加熱分布を示す。放射口は図４に示すものとし、（ａ）は開口部３１，３２のそれぞれのインピーダンス値が略零の場合、（ｂ）は開口部３１，３２のそれぞれのインピーダンス値を略無限大にした時の加熱分布である。図の特性より、開口部のインピーダンスを変化させることで加熱領域を上下方向に変化させることができることが認められた。また、牛乳や酒燗のように下方から加熱することで全体の均一化が図れる被加熱物に対して開口部のインピーダンスを制御することで加熱の均一化が実現できることも認められた。
【００３３】
（実施例３）
次に本発明の実施例３について図８を用いて説明する。実施例３が実施例２と相違する点は、開口部の配設位置を放射口からの放射分布に対応して配設した構成である。
【００３４】
すなわち、図８において、開口部７５，７６の長手方向は図３に示す放射分布に則って導波管１１の管軸に平行となるように配設している。このような開口部の配設によれば、開口部のインピーダンスを変化させることで加熱室１０内の高周波分布を図８の左右方向に偏向させることができる。これは扁平な被加熱物、たとえば冷凍お好み焼き、や複数の被加熱物の同時加熱における加熱の均一化の促進に特に有効である。
【００３５】
（実施例４）
次に本発明の実施例４について図９および図１０を用いて説明する。実施例４が実施例１の図２と相違する点は放射口の構成にある。
【００３６】
すなわち、図９において高周波を伝送する導波管１１に設けた放射口は矩形形状の放射口１００と、放射口１００の対角１０１，１０２を起点して導波管１１の管軸方向１８にそれぞれ延在する連結放射口１０３，１０４とで構成している。この矩形形状の放射口１００の開口形状は導波管１１を伝送する高周波の周波数帯において共振する寸法構成としている。すなわち、周波数が２４５５ＭＨｚの場合には一辺の長さが約６１ｍｍの正方形形状としている。
【００３７】
また連結放射口１０３，１０４の終端間の距離（図９で１０５で示す）は導波管の管軸方向１８において導波管を伝送する高周波の伝送波長の１／２以上としている。具体的には、周波数を２４５５ＭＨｚ、導波管Ｈ面の幅寸法を８０ｍｍとすると導波管内の伝送波長は約１９０ｍｍであり、連結放射口１０３，１０４の終端間の距離は９５ｍｍ以上とする。従って、連結放射口の開口形状としてはたとえば、幅２０ｍｍ、長さ３０ｍｍ（計算上では１７ｍｍ以上）としている。
【００３８】
このような構成の放射口によれば、導波管壁面を流れる高周波電流によって図９の矢印１０６〜１０９で示す高周波電界が生じる。すなわち、矩形形状の放射口１００の励振方向は導波管の管軸を横切る方向にすることができ、この励振形態により図１０に示すような高周波電界分布を生じる。この高周波電界分布より実施例４に示した放射口構成による高周波の放射方向は導波管の管軸を横切る方向にすることができる。これにより略直方体形状の加熱室において加熱室の対角線の方向に高周波を放射させることができ、嵩高い被加熱物を均一に加熱させることができる。
【００３９】
（実施例５）
次に本発明の実施例５を図１１を用いて説明する。実施例５が実施例３と相違する点は、加熱室壁面への開口部の配設構成である。
【００４０】
すなわち、図１１において、１１０は加熱室１０の壁面に設けた開口部である。この開口部１１０の配設位置は図１０の高周波電界分布に基づき、開口部１１０の長手方向が連結放射口の起点１０１，１０２を結ぶ線に対して平行になるように所定位置に設けている。またこの開口部１１０を塞ぐ形で加熱室１０の外側に図５に示すインピーダンス可変手段５０を配設する。
【００４１】
この構成によれば、開口部のインピーダンスを変化させて加熱室内の高周波分布を変化させることで被加熱物を移動させることなく均一な高周波加熱を実行させることができる。また、開口部の長手方向を連結放射口の起点を結ぶ線に対して平行に設けることで、開口部のインピーダンス変化を加熱室内の高周波分布の変化に確実に作用させることができる。さらには１つのインピーダンス可変手段だけでもって加熱室内の高周波分布を上下方向あるいは左右方向に変化させることができる。
【００４２】
なお、各放射口のコーナー部は適当に丸く加工するのが加工上およびエッジ部によるスパーク発生抑止の観点で望ましい。また、放射部や開口部は被加熱物の飛散物が飛びこむことを回避するためにマイカ材などで封止する。また開口部のインピーダンスの変化範囲は上記説明内容に限定されるものではなく、たとえば回転板の支持角度が９０度の場合に開口部のインピーダンスを略零とすることで誘導成分のみの可変範囲としたり、回転板の支持角度が略４５度の場合に開口部のインピーダンスを略零とすることで誘導成分と容量成分の両方を含む可変範囲に設定したりすることができる。さらにはインピーダンス可変手段を載置皿を回転させる構成の加熱室に付設しても構わない。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数のＬ字状の放射口を点対称に配置することで各放射口を励振する電界の向きはそれぞれが異なる方向となり、各放射口から放射される高周波が放射口近傍で結合したり反発したりして放射口周辺に幅広い放射分布を形成する。この放射口近傍での振る舞いにより、被加熱物の量や形状の違いによる高周波発生手段への影響が緩和され様々な被加熱物に対して高周波発生手段を安定に動作させることができ、エネルギの利用効率を高めることができる。
【００４４】
また、放射口とは異なる位置の加熱室壁面に設けた開口部と、前記開口部における高周波インピーダンスを変化させるインピーダンス可変手段とを備えることで、開口部のインピーダンスを変化させて放射口からの高周波の放射方向を変化させ被加熱物を移動させることなく均一な加熱を促進させることができる。
【００４５】
また、高周波を伝送する導波管に設けた矩形形状の放射口と、前記放射口の対角を起点して導波管の管軸方向にそれぞれ延在する連結放射口とを備えることで、矩形形状の放射口の励振方向を導波管の管軸を横切る方向にすることができ、この励振形態により放射方向を導波管の管軸を横切る方向にすることができる。これにより略直方体形状の加熱室において加熱室の対角線の方向に高周波を放射させることができ、嵩高い被加熱物を均一に加熱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の高周波加熱装置の断面構成図
【図２】  同高周波加熱装置の導波管の構成図
【図３】  同高周波加熱装置の高周波電界分布図
【図４】  本発明の実施例２の高周波加熱装置の断面構成図
【図５】  同高周波加熱装置のインピーダンス可変手段の構成図
【図６】  同高周波加熱装置の第１の加熱特性図
【図７】  同高周波加熱装置の第２の加熱特性図
【図８】  本発明の実施例３の高周波加熱装置の断面構成図
【図９】  本発明の実施例４の高周波加熱装置の断面構成図
【図１０】  同高周波加熱装置の高周波電界分布図
【図１１】  本発明の実施例５の高周波加熱装置の断面構成図
【符号の説明】
１１  導波管
１２  高周波発生手段
１３，１３ａ，１３ｂ  放射口
１８  管軸
１９  点対称位置
２０  金属ポスト（容量成分）
３１，３２，６２，７５，７６，１１０    開口部
５０    インピーダンス可変手段
１００  矩形形状の放射口
１０１，１０２  対角の起点
１０３，１０４  連結放射口
【図１】
0004759870.tif 000002
【図２】
0004759870.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004759870.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004759870.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0004759870.tif 000011
【図１１】
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