(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収容する加熱室と、
マイクロ波を発生させる発振部と、
前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、
前記電力分配部の出力間の位相を可変する位相可変部と、
前記電力分配部または、前記位相可変部の出力を電力増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、
前記複数の給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射されるマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定する手段と、
前記複数の給電部間の位相を可変制御する手段とを有するマイクロ波処理装置であって、前記給電部から放射されるマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定した前記給電部の組合せに対して、動作周波数や位相及び電力増幅量の制御を伴うマイクロ波処理手段と、
透過及び反射電力量を検知する検出手段を備え、
前記マイクロ波処理手段及び前記検出手段の実行において、前記給電部の励振方向に対する複数ある組合せから最適なものを判断し、前記給電部の励振方向を再設定して、選択する組合せを切り替えながら加熱処理を行う構成とした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、この種のマイクロ波処理装置は、加熱室を６面以上の多面体で形成し、各面の一部あるいは全部の面から放射アンテナを加熱室内に突出して配置した従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。互いの放射アンテナを異なる面に配したことで相互干渉を防止でき、放射アンテナがそれぞれ異なる方向を向いているので放射された電波は加熱室内のあらゆる方向に伝搬し、壁面にて反射して散乱するため、加熱室内で電波は均一に分布する。
【０００３】
半導体発振部と、発振部の出力を複数に分割する分配部と、分配された出力をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、増幅部の出力を合成する合成部とを有し、分配部と増幅部との間に位相器を設けた従来技術がある（例えば、特許文献２参照）。位相器制御で２出力の電力比率を変化させたり、２出力間の位相を同相あるいは逆相にしたりすることができる。
【０００４】
被加熱物を収納した加熱室からマイクロ波発生部側に戻ってくる反射電力を検出し、その反射電力信号に基づいて、たとえば反射電力が最小になる発振周波数を追尾させる従来技術がある（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開昭５２−１９３４２号公報
【特許文献２】特開昭５６−１３２７９３号公報
【特許文献３】特開昭５６−９６４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の複数給電方式における構成では、下記説明のように、加熱室内に収納されたさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理することは難しいという課題を有していた。
【０００６】
放射アンテナ配置については、機器体積に占める加熱室容量の拡大化要望により、使用できるスペースは限られ、６面に設置するのは実質上困難である。また、異なる面に配置するだけでは相互干渉を確実に防止できない。
【０００７】
位相制御については、相互干渉するマイクロ波間に働くので、アンテナ多面配置や異周波数動作との併用ができず広範囲の条件での効果は期待できない。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給電部から放射するマイクロ波の励振方向の制御と、励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量の制御をそれぞれ最適化することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理するマイクロ波発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】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を発生させる発振部と、前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、前記電力分配部の各々の出力位相を可変する複数の位相可変部と、前記電力分配部または、前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記複数の給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射されるマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定する手段と、前記複数の給電部間の位相を可変制御する手段とを有するマイクロ波処理装置であって、前記給電部から放射されるマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定した前記給電部の組合せに対して、動作周波数や位相及び電力増幅量の制御を伴うマイクロ波処理手段と、透過及び反射電力量を検知する検出手段を備え、前記マイクロ波処理手段及び前記検出手段の実行において、前記給電部の励振方向に対する複数ある組合せから最適なものを判断し、前記
給電部の励振方向を再設定して、選択する組合せを切り替えながら加熱処理を行う構成とする。本発明は、給電部から放射されるマイクロ波の励振方向の制御と、励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数、位相及び電力増幅量の制御を組み合わせて行い、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のマイクロ波処理装置は、給電部から放射するマイクロ波の励振方向の制御と、励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量の制御を組み合わせて行い、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理するマイクロ波処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を発生させる発振部と、前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、前記電力分配部の出力間の位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部または、前記位相可変部の出力を電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記複数の給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射されるマイクロ波の電界または磁界の向き（以下、励振方向という）を任意の方向に設定する手段と、前記複数の給電部間の位相を可変制御する手段とを有するマイクロ波処理装置であって、前記給電部から放射されるマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定した前記給電部の組合せに対して、動作周波数や位相及び電力増幅量の制御を伴うマイクロ波処理手段と、透過及び反射電力量を検知する検出手段を備え、前記マイクロ波処理手段及び前記検出手段の実行において、前記給電部の励振方向に対する複数ある組合せから最適なものを判断し、前記給電部の励振方向を再設定して、選択する組合せを切り替えながら加熱処理を行う構成としたものである。これにより、加熱室に収納した被加熱物に適した励振方向、動作周波数、位相および、出力での加熱処理を選択することができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物それぞれに合わせ、所望の状態に加熱することができる。また、放射するマイクロ波の励振方向を制御することにより、相互干渉させる給電部の組合せと、相互干渉させない給電部の組合せを意図的に選択できる。
【００１２】
さらに、マイクロ波処理手段及び、検出手段それぞれに最適な励振方向の給電部組合せを使用でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に対しても所望の状態に加熱処理することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
（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処理装置の構成図である。
【００１５】
図１において、マイクロ波発生部は、半導体素子を用いて構成した発振部１ａ、１ｃ、発振部１ａ、１ｃの出力を２分配する電力分配部２ａ、２ｃ、電力分配部２ａ、２ｃそれぞれの出力から任意の位相ずれを発生させる位相可変部３ａ〜３ｄ、位相可変部３ａ〜３ｄの出力を増幅する増幅部４ａ〜４ｄ、増幅部４ａ〜４ｄによって増幅されたマイクロ波出力を加熱室内に放射する給電部５ａ〜５ｄおよび、増幅部４ａ〜４ｄと給電部５ａ〜５ｄを接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部５ａ〜５ｄから反射する電力を検出する電力検出部６ａ〜６ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄによって検出される反射電力に応じて、発振部１ａ、１ｃの発振周波数と、位相可変部３ａ〜３ｄの位相調整量および、増幅部４ａ〜４ｄの増幅量を制御する制御部７とで構成している。
【００１６】
電力分配部２ａ、２ｃは、例えばウィルキンソン型分配器であってもよいし、ブランチライン型やラットレース型のような出力間に位相差を生じる分配器であってもかまわない。この電力分配部２ａ、２ｃによって各々の出力には発振部１ａ、１ｃから入力されたマイクロ波電力の略１／２の電力が伝送される。位相可変部３ａ〜３ｄは、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、各々出力されるマイクロ波電力の位相差は０度から±１８０度の範囲を制御することができる。
【００１７】
増幅部４ａ〜４ｄは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、各増幅部の増幅素子である半導体素子を良好に動作させる整合回路を配している。各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンの伝送回路や、同軸ケーブルなどで形成している。電力検知部６ａ〜６ｄは、加熱室８側からマイクロ波発生部側にそれぞれ伝送するいわゆる反射波の電力を抽出するものであり、電力結合度をたとえば約４０ｄＢとし、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部７に入力させている。
【００１８】
制御部７は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱処理条件と、電力検知部６ａ〜６ｄからの検知情報に基づいて、給電部５ａ、５ｄから放射するマイクロ波の励振電界１１ａ、１１ｄの制御および、発振部１ａ、１ｃと増幅部４ａ〜４ｄのそれぞれに供給する駆動電力や、位相可変部３ａ〜３ｄに供給する電圧を励振方向の制御と関連付けて制御し、加熱室８内に収納された被加熱物を最適に加熱処理する。
【００１９】
なお、上記の説明では、位相可変部を２つ挿入した例で説明したが、電力分配部３ａのいずれかの出力にのみ挿入し、その位相変化幅を０度から３６０度となるように構成することもできる。
【００２０】
また、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室８を有し、加熱室８は金属材料からなる左壁面、右壁面、底壁面、上壁面、奥壁面および被加熱物を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）と、被加熱物を載置する載置台から構成し、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。そして、マイクロ波を加熱室８内に放射する給電部５ａ〜５ｄが加熱室８を構成する左、右、上と底壁面に配置されている。この給電部の配置は本実施の形態に拘束されるものではなくいずれかの壁面に複数の給電部を設けてもよい。
【００２１】
給電部５ａ、５ｄは、回転位置を検出する手段（図示していない）と回転角度を制御する手段（図示していない）から構成される回転制御部９ａ、９ｄにより回転し、励振方向を調整することができる。
【００２２】
なお上述の説明においては、回転制御部９ａ、９ｄ、回転位置を検出する手段、回転角度を制御する手段が、特許請求の範囲に記載された励振方向設定手段に相当する。
【００２３】
以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作を説明する。
【００２４】
まず被加熱物１０を加熱室８に収納し、その加熱処理条件を操作部（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部７は、動作周波数が制御できる半導体素子などで構成した発振部１ａ、１ｃに制御出力信号を送り、選択された加熱処理条件に適応する周波数で発振開始する。発振部１ａ、１ｃを動作させると、その出力は電力分配部２ａ、２ｃにて各々略１／２分配され、４つのマイクロ波となる。そしてそれぞれのマイクロ波は、位相可変部３ａ〜３ｄにより、制御部７からの指定量だけ位相
がずれ、並列個別に動作する増幅部４ａ〜４ｄにて、制御部７から指定量の増幅をし、電力検知部６ａ〜６ｄを経て、給電部５ａ〜５ｄに供給され、給電部５ａ〜５ｄにて励振電界１１ａ〜１１ｄを発生させ加熱室８内にマイクロ波を放射する。
【００２５】
電力検出部６ａ〜６ｄは、マイクロ波発生部側に戻る反射電力を検出し、その反射電力量に比例した信号を検出するものであり、その検出信号を受けた制御部７は、選択されたメニューと組み込まれたプログラムに従い最適な動作条件の選択と実行をする。
【００２６】
本発明は、放射するマイクロ波の励振方向の制御と、前記励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量を組み合わせて制御し、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理する効果があるが、所望の状態に加熱処理するには、主に「高効率な加熱性能」、「むらの少ない加熱性能」が必要となる。以下にこの２性能について説明する。
【００２７】
発振部１ａ、１ｃで発生したマイクロ波電力が、効率よく加熱室８内に放射され、被加熱物に１００％吸収されると加熱室８側からの反射電力は０Ｗになるが、実際は、被加熱物の種類・形状・量により決まる被加熱物を含む加熱室８のインピーダンスと、加熱室８と結合する給電部５ａ〜５ｄの出力インピーダンス間の不整合による反射や、被加熱物１０に吸収されずに給電部５ａ〜５ｄで拾われたマイクロ波電力が、反射電力として発生部側に戻る。以下に反射電力を低く抑え、高効率な加熱性能を得る作用を説明する。
【００２８】
加熱室８内では複数の給電部５ａ〜５ｄからマイクロ波が放射され、種々の励振方向、電力および、伝播方向のマイクロ波が入り乱れることになるが、加熱室８内の個々の場において、同じ電界方向が重なれば重畳し、逆であれば打ち消し合う相互干渉により、加熱室内の電磁界分布を形成する。各場の電界の強さは、動作周波数や、放射電力および、放射場所での位相ずれがかかわっている。また、各場の電界方向は、給電部５ａ〜５ｄでの励振方向が深くかかわっていて、干渉しあうマイクロ波の組合せやその度合いもこの電界方向で決まる。ただし、同じ動作周波数のマイクロ波の組合せでないと、励振方向が同じであっても相互干渉状態が変動し、位相制御も効果を発揮しなくなる。
【００２９】
回転制御部９ａで給電部５ａの励振電界１１ａの向きを調整し、励振電界をほぼ一致させた給電部５ｂとの組合せに対して、動作周波数や位相および、電力増幅量を調整することにより、電磁界分布を直接変えることができる。給電部５ａ、５ｂのマイクロ波発生源は同じ発振部１ａで、動作周波数は制御部７の信号に従い一致させて調整できる。位相は制御部７の信号により位相可変部３ａ、３ｂを関連させて制御し、必要な位相差に設定できる。電力増幅量は、制御部７の信号により増幅部４ａ、４ｂを任意に制御できる。このように干渉させるマイクロ波の条件を調整し、電磁界分布を意図的に操作して、被加熱物１０に電磁界分布を集中させて、マイクロ波の吸収効率を上げることが可能となる。
【００３０】
更に、回転制御部９ｄで給電部５ｄの励振電界１１ｄの向きを調整して、給電部５ｃの励振電界１１ｃとあわせることにより、別の相互干渉のある組合せを形成できる。この給電部５ｃ、５ｄは給電部５ａ、５ｂの組合せと励振方向が異なるので、お互いの相互干渉関係を乱さないため、独立して制御しても重ね合わせた結果が得られる。この給電部５ｃ、５ｄにより形成される電磁界分布にて、給電部５ａ、５ｂによる電磁界分布を補完する動作をさせれば、更に被加熱物１０のマイクロ波の吸収効率を上げることも可能となる。
【００３１】
また、アンテナには電波を放射および受信しやすい方向（指向性）と電界・磁界の向き（励振方向）の特性があり、この特性が合えば、一旦加熱室８内に放射され、被加熱物１０に吸収されないマイクロ波電力を拾い上げやすくなる。この現象は、他の給電部から放射されたマイクロ波に対しても同様に作用し、図１の場合、励振電界１１ａ、１１ｂの励
振方向が一致し、相互干渉のある組合せ間でお互いの放射電波を受け取りやすい構成となっている。相互干渉による電磁界分布の制御を行わない場合は、回転制御部９ａで給電部５ａの励振電界１１ａの向きを変えることで、励振方向一致によるお互いのマイクロ波電力受け取り量を少なくでき、高効率な加熱性能にも寄与する。
【００３２】
このように様々な形状・大きさ・量の異なる被加熱物に対しても、電力検出部６ａ〜６ｄで検出した反射電力に基づき、給電部５ａ〜５ｄの放射するマイクロ波の励振電界１１ａ〜１１ｄの励振方向と、励振方向の制御と関連付けて決める動作周波数や位相および、放射電力を制御することで、反射電力が最も小さくなる条件を見出し、加熱処理することができ、「高効率な加熱性能」が得られる。
【００３３】
限られた閉空間の加熱室８に放射されたマイクロ波は、被加熱物１０に吸収されたり、給電部５ａ〜５ｄに拾われたり、加熱室８の壁面で反射を繰り返し、相互干渉による電磁界分布を形成するが、この電磁界分布により各場の加熱の強弱が生じる。以下に加熱むらを抑える作用について説明する。
【００３４】
給電部５ａ〜５ｄから放射するマイクロ波の励振電界１１ａ〜１１ｄと、前記励振電界１１ａ〜１１ｄの励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量制御により、加熱室８内の電磁界分布を操作でき、より均一に調整することも可能となる。更に、前述例の給電部５ａ、５ｂのグループおよび、励振方向が異なる給電部５ｃ、５ｄのグループを同時に動作させ、給電部５ｃ、５ｄにより形成される電磁界分布にて、給電部５ａ、５ｂによる電磁界分布を補完すれば、更に均一な加熱パターンを形成することも可能となる。
【００３５】
実際の調理では、均一な電磁界分布が必ずしも最適な結果を得るとは限らず、被加熱物が大きい場合は熱拡散が良い中央に比べ、周囲は熱が溜まりやすく温度むらとなる。解凍も同様に周囲の加熱が進みやすい傾向にある。このため、選択された被加熱物の調理条件に従い、励振方向と、前記励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量の制御をして、意図的に中央の電磁界分布を強めた条件で、調理することにより結果的に良い仕上がりが得られる。
【００３６】
また、電磁界分布むらが微小であっても、同一パターン加熱を継続すると同じ場所への蓄熱による加熱むらが発生する。更に、被加熱物自体も均質ではないため発熱量のずれも発生する。よって、調理途中に意図して、動作周波数、位相および、電力増幅量を変動させたり、回転制御部９ａ、９ｄで、給電部５ａ、５ｄの励振電界１１ａ、１１ｄの向きを変え、給電部の組合せを切り替えるなどで、電磁界分布を変え、加熱むらを緩和できる。
【００３７】
このように給電部５ａ〜５ｄから放射するマイクロ波の励振電界１１ａ〜１１ｄの励振方向の制御と、前記励振方向の制御と関連付けて行う動作周波数や位相および、電力増幅量の制御をして、意図する最適な電磁界分布制御をすることで、様々な形状・大きさ・量の異なる被加熱物に対しても加熱むらが最も小さくなる条件で加熱処理することができ「むらの少ない加熱性能」を得られる。
【００３８】
様々な形状・大きさ・量の異なる被加熱物により、マイクロ波の励振方向による給電部の組合せと、動作周波数や位相および、放射電力の最適な加熱条件やマイクロ波の励振方向による給電部の組合せの最適な検知条件は変わる。例えば加熱処理に最適な組合せの給電部が５ａ、５ｄで、検知に最適な組合せの給電部が５ａ、５ｂのように最適な加熱条件と最適な検知条件が同時に両立できない場合、重なる場合給電部５ａを回転制御部９ａで再設置して、検知とマイクロ波処理を切り替え、最適条件を維持しながら進めることで、より最適な結果が得られる。
【００３９】
また、温度上昇により被加熱物のマイクロ波の吸収特性などの物性が変わることもあり、前記最適な加熱条件や最適な検知条件も変動する。電力検出部６ａ〜６ｄで検出した反射電力の変動に基づき、マイクロ波の励振方向による給電部の組合せと、動作周波数や位相および、放射電力の最適な条件を追随して調整することで、「高効率な加熱性能」や「むらの少ない加熱性能」を満足する加熱処理が行える。
【００４０】
電力検出部６ａ〜６ｄは全ての給電部５ａ〜５ｄに設けられていて、各設置部分でアンテナの指向性と励振方向の特性に従い拾った（受信した）マイクロ波電力を検出するが、個々の給電部での検知には限界がある。例えば、給電部５ａでは加熱室８の幅方向と奥行き方向の電界は拾える（受信できる）が、縦方向は拾えない（受信できない）。また、加熱室８上壁面近傍の電磁界分布のみの検知となる。よって全ての給電部５ａ〜５ｄからの検知を連携して加熱室８内設置の被加熱物１０条件を推定することにより検知の精度が向上する。
【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複数の給電部を有し、給電部から放射されるマイクロ波の電界・磁界の向き（励振方向）、動作周波数、位相差および、電力を変化させる装置を提供できるので、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処理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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図
【符号の説明】
【００４３】
１ａ、１ｃ  発振部
２ａ、２ｃ  電力分配部
３ａ〜３ｄ  位相可変部
４ａ〜４ｄ  増幅部
５ａ〜５ｄ  給電部
６ａ〜６ｄ  電力検出部
７  制御部
８  加熱室
９ａ、９ｄ  回転制御部
１０  被加熱物
１１ａ〜１１ｄ  励振電界
【図１】
0005169255.tif 000002