(57)【要約】【課題】従来の電波による加熱・照射装置では、電波発生から放射まで固定されているため、被加熱物体に応じて加熱方法を変えることができなかった。またリモートセンシングでは種々の偏波状態を切り替えるが、瞬間的にあるいは広い周波数帯域で行うことが難しかった。【解決手段】本発明では、加熱室内に複数の放射口を、空間的に角度差を与えて設け、各放射口への電波の振幅と位相を制御する。その結果、加熱性能を上げることができ、一様に加熱するためトレイを回転させたりアンテナを回転させる必要もなくなる。さらに単一の電波発生器からの電波を分けて、各放射口に対応して設けた振幅位相調整器および増幅器か同期発振器に供給し、各放射口からの放射電界を合成した時直線偏波や円偏波になるように制御する。その結果照射電波の偏波面を、簡易な手段により、加熱・照射する物体に応じて自由に、かつ瞬時に変化できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱・照射する空間内に複数の放射口を設け、各放射口に振幅と位相を変化させる機能を持たせたことを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項２】
請求項１において、各放射口の放射電界において所望方向に直交する成分が打ち消し合い、直線偏波になることを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項３】
請求項２において、直線偏波になった各放射口の合成電界が、時間と共に回転することを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項４】
請求項１において、各放射口の電界が位相差を有し、合成した時に円偏波になることを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項５】
請求項１において、各放射口に対応して電波発生器を接続し、各電波発生器からの電波を順次供給することにより、照射波を切り替えることを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項６】
請求項１において、電波発生器からの電波を分けてしかる後、各放射口に分けた電波を増幅あるいは同期発振により強めて供給することを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項７】
請求項１において、各放射口の電波を合成した電界が直線偏波や円偏波、あるいは無偏波になるように、電波の振幅と位相を動的に制御することを特徴とする加熱・照射装置。
【請求項８】
請求項２と請求項４において、各放射口から被加熱物体までの距離差に応じて、供給電波の振幅と位相を補正することを特徴とする加熱・照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電波を加熱あるいは照射に用いる場合、対象に応じて加熱あるいは照射の性能を変えられる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の加熱装置では、マグネトロンなどの電波発生器を用いて、ひとつの放射口から電波を加熱室に放射していた。例えば図１に示す電子レンジの場合、電波発生器５で発生した電波を、導波管を含んだ電波回路７を通して、放射口１から加熱室６に導き被加熱物体１０を照射している。方形導波管においては、電波の電界が管壁に垂直に規定されるので、電波の電界方向すなわち偏波が殆ど直線上に固定されたいわゆる直線偏波が放射される。しかし電波は加熱室内でランダムに反射するようにしているため、偏波は殆ど無くなり一様化される。またマグネトロンはコヒーランス（干渉性）が無い雑音のような電波なので、特定の部分に電波を集中させることは難しい。【０００３】  図１のシステムの中の部品は全て固定なので、電波の状態を時間的に変える機能は無い。さらに加熱を一様化するため、被加熱物体１０をトレイに載せて回したり（例えば、特許文献１参照）、固定トレイの周りでアンテナを回したりしている（例えば、特許文献２参照）。【０００４】  合板の高周波加熱接着装置でも、構成は同じようであり、機能的にも電波の状態は固定である。【０００５】  高周波電波による加熱によりガン細胞を殺すハイパーサーミアや、電波による人体診断や、レーダにおいても、電波の電界方向すなわち偏波状態を制御する使い方は特には見あたらない。【０００６】  衛星や飛行機からのリモートセンシングは、偏波が重要である（例えば、特許文献３参照）。直線や円の偏波を選択・生成することは、パラボラアンテナの場合給電口はひとつなので、給電用の円形導波管の中で機械的に切り替えて行う。配列アンテナの場合、各素子の給電電界のベクトル方向と位相を切り替えて、偏波を選択・生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許公開平５−５４９６５
【特許文献２】特許公開平１１−１６２６３１
【特許文献３】特許公開２００５−２６５４６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  以上述べた高周波加熱接着装置や電子レンジの場合、放射される電波の状態は変化できない。ところが一般には図２に示すように、被加熱物体１０によって均一性と水分含有量は異なる。例えば人参の様に長いものは、すじ１１が長手方向に走っている。すじはセルロースが多く、すじ以外の部分より水分が少ない。従って加熱するため、マイクロ波をその電界がすじに沿ってかけると、全ての部分が同じ電界強度になるので、すじ部分は加熱が少なくなる。ところが従来の装置では、加熱すべき部分を選択的に加熱できない。【０００９】  合板などの高周波加熱でも、木材は木目というすじを持っているにも拘わらず、選択的に加熱できない。【００１０】  ガンの加熱療法（ハイパーサーミア）では、血管は誘電率と損失角が大きいため、加熱しやすい。そのため血管を暖めるなら、偏波を血管に平行にすべきである。逆に血管以外の部分を暖めたいなら、偏波を血管に垂直にすべきである。従来のハイパーサーミア装置では、このような運用はできない。【００１１】  リモートセンシングでは、地上の植生や地形の特長・影響を判定するため、２通りの直線偏波、２通りの円偏波、あるいはそれらの間で偏波状態を切り替えたい。しかも自由にかつ瞬時に切り替えられれば、判定機能を高めることができる。ところが従来のリモートセンシング装置でパラボラアンテナの場合、給電用の導波管を機械的に切り替えるので、瞬時に行うことができない。また配列アンテナの場合、配列素子が通常共振型アンテナなので、周波数帯域が制限されてしまうという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  加熱・照射する空間内に複数の放射口を設け、各放射口に振幅と位相を変化させる機能を持たせ、該空間内の電波の偏波状態を直線偏波あるいは円偏波あるいは無偏波にすることを特徴とする加熱・照射装置。さらに各放射口に対応して、増幅器か発振器か電波発生器を設けることを特徴とする加熱・照射装置。
【発明の効果】
【００１３】  本発明は、放射電波の偏波面を簡易な手段により、自由にかつ瞬時に変化できることを最も主要な特徴とする。その結果電波加熱装置においては、被加熱物体の種類と加熱法により、運用法を変えることができる。従来の電子レンジで用いられているトレイやアンテナの回転機構も、要らないという利点がある。ハイパーサーミアなどの人体加熱装置においては、血管や脂肪層を意識して選択加熱ができる。人体診断やレーダにおいても、血管や脂肪層を意識して描画あるいは選択診断ができる。リモートセンシングにおいては、合成した電界の偏波状態を瞬時に変えることができ、周波数帯域を広くとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】  従来の電子レンジの構成を示す。
【図２】  被加熱物体とすじの関係を示した図である。
【図３】  本発明装置の基本的構成を示す。
【図４】  本発明の一構成で、スイッチにより加熱状態を変化させる場合を示す。
【図５】  合成電界が同じ方向の直線偏波を発生する場合を示す。
【図６】  合成電界が上半分と下半分で反対方向の直線偏波を発生する場合を示す。
【図７】  直線偏波を回転する場合を示す。
【図８】  円偏波を発生する場合を示す。
【図９】  電界の方向をランダムに変化させる場合を示す。
【図１０】  各放射口から被加熱物体への距離差を補正する場合を示す。。
【図１１】  加熱室の垂直面内での応用例を示す。
【図１２】  本発明装置構成で、振幅移相調整器と増幅器を分散配置する場合を示す。
【図１３】  本発明装置構成で、注入同期発振の場合を示す。
【図１４】  本発明装置構成で、注入同期発振で発振器を後に配置する場合を示す。
【図１５】  本発明の人体加熱への適用例で、血管に沿って電界をかける場合を示す。
【図１６】  本発明のリモートセンシング衛星への適用例を示す。
【図１７】  リモートセンシング用高利得アンテナへの適用例で、合成電界が縦の直線偏波の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】  図３は本発明の原理図であり、水平面内に４つの放射口１〜４を持つ場合を示す。各放射口１〜４からの放射電界は、水平（紙面内）にしてあり、各放射口１〜４の辺に平行な向きを持つことになる。従って放射口１〜４の幾何学的配置から分かるように、空間的に順繰りに９０度の角度差を有している。また加熱室内に複数の放射口を設けているので、被加熱物体１０にかかる電界は、各放射口からの放射波を合成した電界となる。この場合唯一の電波発生器５からの電波は分けられて、振幅位相調整器１２〜１５に供給され、電波の振幅と位相を変化・調整されたのち、放射口１〜４に供給され、加熱室６内に放射される。従って各放射口１〜４から放射される電波は、同じ周波数を有している。振幅位相調整器１２〜１５は、各々移相器および可変減衰器か利得可変増幅器から成る。この調整器により、各放射口１〜４の電波の振幅と位相を自由に変えることができる。振幅位相調整器１２〜１５における振幅と位相の変化は、制御器９から制御信号回路４４を経由して伝えられる制御信号により成される。以上説明した構成により、被加熱物体１０周りの電界は、種々に変化・制御することが可能である。
【実施例２】
【００１６】  図４は振幅位相調整器１２〜１５がスイッチ８の場合であり、振幅の入切を行い位相は調整しないという特別な例を示す。放射口が４つ有る場合を示している。この場合、放射する放射口１〜４を順次切り替えることにより、加熱室６内の電波の放射状態を時間的に切り替えており、被加熱物体１０を４方向から加熱することができる。従ってアンテナを固定したままで、アンテナを被加熱物体１０の周りで回転するあるいは被加熱物体１０を回転することと、同じ効果を得られるという利点がある。切り替えのタイミングは、制御装置９により与えられる。またこの場合、各放射口１〜４の電波は同じ周波数と位相成分を有している必要は無い。従って図４における唯一の電波発生器５に代わり  各放射口１〜４に独立な電波発生器を用いて、そこからの電波供給を順次切り替えても、性能の差はほとんど無い。
【実施例３】
【００１７】  図５は振幅位相調整器１２〜１５が連続した電波を送り出す場合であり、各放射口１〜４からの電波を合成した電界が、常に同じ方向（この図では縦方向）を向くようにしている。ただし見やすくするため、被加熱物体を省いて示す。この場合、放射口１からの電界１６と放射口４からの電界１９は、横方向成分が打ち消し合い、縦成分のみ残る。放射口２と３においても、同じように電界１７と電界１８の縦成分のみが残る。従って全ての放射口１〜４からの合成電界２０は、縦方向を向くのである。合成電界２０を横に向けるためには、放射口１と２および放射口３と４からの電界の間で、各々縦方向成分が打ち消し合うようにすれば良い。【００１８】  この場合、電界の偏波が常に同じ方向を向くので、被加熱物体１０の非等方性を選択して加熱することができる。例えば電子レンジの場合、肉のようにすじが有るものでは、すじ方向に電界をかけると、すじはあまり加熱されないで、すじの間の脂肪が選択的に加熱される。逆にすじに垂直に電界をかけると、すじと脂肪が均一に加熱される。このように料理の種類と材料により、加熱法を変えることができる。
【実施例４】
【００１９】  図６は同じく直線偏波であるが、上半分における合成電界２０と下半分における合成電界２０で、電界の向きが反対の場合である。この場合、全体として偏波加熱性は同じであるが、中心部分の加熱を弱くできる利点がある。
【実施例５】
【００２０】  図７は直線偏波の電界を、時計方向に回す場合を示している。任意の時間Ｔの間同一方向に電界を留めておき、次の時間では、９０度回転した方向に電界が向く。そのようにして偏波面を３６０度変えることができる。直線偏波を反時計方向に回すためには、図７の各放射口１〜４への給電電界で位相の変え方を、逆転させれば良い。このように直線偏波を回せば、電界を回してかき回す効果がある。【００２１】  偏波面を変えることは、図４においても各放射口１〜４への給電を時間Ｔ毎に順次切り替えることで、可能であった。しかしその場合、照射電力は１放射口分のみである。それに対し図７においては、全放射口１〜４の電力が常に寄与するので、加熱効果と電力利用効率が優れている利点がある。
【実施例６】
【００２２】  図８は円偏波を発生する場合である。各放射口１〜４への給電位相を、９０度ずつ進める。この場合、４つの放射口１〜４間で、時計方向に位相を進めている。挿入図の時間ｔ１における電波波形２１を用いて、作用を説明する。まず時間ｔ１では、放射口２からの瞬時放射電界２３は＃１の位相なので電界はゼロで、放射口１からの瞬時放射電界２２は＃２なので電界は正で最大で、放射口３からの瞬時放射電界２４は＃３の位相なのでゼロで、放射口４からの瞬時放射電界２５は＃４の位相なので負で最大である。従って瞬時の合成電界２６は、電界２２と２４の合成で＋４５度方向を向く。次に電波の周期の４分の１だけ経過した時間ｔ２では、波形２１の位相が９０度進むことになるので、各放射口１〜４におけるゼロ点と最大点の分布が９０度回転し、その結果瞬時の合成電界２６のベクトル方向が９０度回転する。このようにして瞬時の合成電界２６は、電波の周波数で回転することになる。【００２３】  図７の場合直線偏波（瞬時放射電界の方向が一定）の合成電界２０が一方向に留まる時間を、任意にＴと決められたが、Ｔは電波の１周期よりかなり長くなる。それに対し図８の場合、瞬時の合成電界２６の回転が電波の周波数と同じ値になり極めて速いので、電界を回してかき回す効果が強くなる利点がある。
【実施例７】
【００２４】  さらに各振幅移相調整器の位相をランダムに変えると、各放射口１〜４からの電界方向は図９のようになる。従って合成電界２０は、方向が定まらないいわゆる無偏波状態となる。さらにこの場合時間的に電波状態が変えることができ、かつ四方から照射するので、従来のマイクロ波加熱装置よりも、均一に加熱することができる。また従来の電子レンジで用いられているトレイやアンテナの回転機構も、要らないという利点がある。
【実施例８】
【００２５】  これまでは、各放射口１〜４から被加熱物体１０までの距離が等しいとして、説明してきた。実際には各放射口１〜４から被加熱物体１０までの距離Ｒ１〜Ｒ４には、図１０のようにばらつきが生じる。すると放射口から物体までの距離が長いところでは、電波の減衰が大きい。これに対して、該放射口に繋がる振幅移相調整器を調整して、より強い電波を入れることが可能である。また長い距離の放射口では位相も遅れるので、振幅移相調整器により位相を進めることが可能である。この距離のばらつきを測るため従来の電子レンジで用いられているように、トレイに付随した重量センサーを使うことができる。また被加熱物体１０の暖まり具合を、赤外線センサーや蒸気センサー、温度センサーなどで測り、暖まり具合を最適化するように振幅と位相を制御しても良い。
【実施例９】
【００２６】  以上は被加熱物体が加熱室の水平面内（図３で紙面内）にある場合を説明したが、加熱室の垂直面内でも同じことが言える。図１１は、本発明適用例の側面図を示す。加熱室６の下側に放射口２と３、上側に放射口４と１が配置されており、トレイ４５の上にある被加熱物体１０を照射する。この場合合成した電界が、被加熱物体１０の表面に垂直や平行となるので、被加熱物体１０内部のすじ組成と共に、表面形状に対しても選択的に加熱することができる。
【実施例１０】
【００２７】  以上述べたように、本発明は対象に応じて偏波を切り替えて、加熱あるいは探知できる装置を提供できる。図３〜図９で電界形成の原理を示した。以下に実際の装置構成を、図面に従って説明する。
【実施例１１】
【００２８】  図１２においては、電波発生器５からの出力を分けて振幅移相調整器１２〜１５により振幅と位相を整えた上で、増幅し各放射口１〜４に電波を供給する構成を示す。電波発生器５の出力は小さくても良いので、マグネトロンを使う必要がなく、例えば小さい水晶発振器やトランジスタ発振器などを使える利点がある。また照射する電波の周波数より低く発振させて、増幅器２７〜３０の前で高調波発生器やミキサを使って、電波の周波数にしても良い。増幅器２７〜３０はトランジスタを使えば小さくでき、振幅移相調整器と共に各放射口１〜４に近く配置できる。従って電波発生器５と振幅移相調整器を結ぶ長い配線として、簡便な伝送線（例えば同軸線）を使える。逆に増幅器２７〜３０から放射口１〜４までの配線は、大電力が通るが、極めて短くすることができる利点がある。さらに増幅器と振幅移相調整器、放射口を一体化すれば、製造工程が大幅に簡略化できる。
【実施例１２】
【００２９】  図１３は、増幅器２７〜３０の代わりに発振器３１〜３４を使い、注入同期発振させる場合を示す。電波発生器５からの種となる電波を発振器３１〜３４に注入し、周波数と位相が揃った電波を得る。増幅器よりも発振器の方が、直流から電波への変換効率が良いという利点がある。
【実施例１３】
【００３０】  図１４は、前と同じく注入同期発振であるが、発振器３１〜３４を振幅移相調整器１２〜１５より電波発生器５に近く配置する場合を示す。この構成にすると、電波発生器５から負荷を見た時に位相が変わらないので、電波発生器５の発振が安定になるという利点がある。ただし振幅移相調整器に大電力が通る、という欠点がある。
【実施例１４】
【００３１】  図１５は、ハイパーサーミアなどの人体加熱装置の例を示す。人体表面３５に、本加熱装置３７を置く。この例は、血管３６に沿って電界をかける場合である。血管中の血液は誘電率と損失角が大きいので、電波で加熱されやすく、偏波を血管に揃えることにより選択加熱ができる。【００３２】  患部が筋肉と脂肪層でできている場合、脂肪層は筋肉よりも加熱されやすい。従って患部が脂肪層に有る場合、脂肪層に沿って電界を加えるのが良い。反対に筋肉に患部が有る場合、脂肪層のみが加熱されないよう、筋肉の筋に直角に電界を加えるのが良い。本発明によれば、このような選択加熱が可能となる。
【実施例１５】
【００３３】  本装置はまた、人体診断やレーダにおいて、送信機として使える。人体診断機の構成は、図１５と同じになる。血管に沿って電界をかける場合、血管で電波が散乱されやすいので、血管が強調されて描画ができる。血管に垂直に電界をかける場合、血管と筋肉や脂肪で等しく電波が散乱されるので、血管もそれ以外も等しく描画ができる。このように、選択診断ができる。これに対する受信機において、導波管のように偏波を決定する機能を有するものを用いれば、受信側でも偏波を選ぶことができる。
【実施例１６】
【００３４】  図１６はリモートセンシング衛星に適用する例を示す。衛星はリモートセンシング用のアンテナ開口３８と太陽電池パネル３９を有する。図３において説明したように、アンテナ開口３８内にある放射口１〜４からの放射波の位相を制御することにより、地表に放射される電波の偏波状態を瞬時に変えることができる。この図では、合成電界２０が太い破線の矢印で示した直線偏波となっている。
【実施例１７】
【００３５】  図１７は、リモートセンシング衛星に適用するアンテナの構成例を示す。リモートセンシング衛星のアンテナは、高利得なので開口が大きい。ここでは開口を４つの部分開口４０〜４３に分割する場合を示し、各部分開口４０〜４３が図３における各放射口１〜４に相当する。各部分開口４０〜４３の背面に振幅位相調整器１２〜１５それに必要に応じて増幅器２７〜３０や発振器３１〜３４が設置される。各部分開口４０〜４３からの放射電界の位相を制御することにより、図３において説明したように、合成した電界の偏波状態を瞬時に変えることができる。また部分開口としてパラボラのような開口面アンテナを使えば、ダイポールアンテナのような共振型アンテナの配列に比べて、周波数帯域を格段に広くすることができる。【００３６】  このアンテナは細いペンシルビームであり、そのビーム中心では各放射口１〜４からの距離は等しい。従って図１０で説明したような、各放射口１〜４からの距離に応じた振幅と位相の補正は、ほとんど要らない。また図１７に示した部分開口を集めて、さらに大きい開口を作ることもできる。その偏波状態は、図１７のアンテナからの放射波を合成したものと、同じで変わらない。【００３７】  これまで本発明の構成として、複数の放射口が４つの場合を説明してきた。しかし偏波を変えるには、３放射口以上有れば良い。最も簡便にする場合は３で良く、きめ細かな偏波制御を行うには４以上が良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  電子レンジの製造メーカや家庭・コンビニエンスストアのような使用者に、本発明は利用される。合板の製造業者やそのための機械メーカにも利用される。ハイパーサーミアのような医療機器メーカとその使用病院などで、本発明は使われる。その他に限らず、効率的に電波加熱しようと言う人に、一般的に利用される。リモートセンシングや種々の電波センサーにも、応用される。
【符号の説明】
【００３９】１０  被加熱物体
１１  すじ
１２  放射口＃１に対応する振幅位相調整器
１３  放射口＃２に対応する振幅位相調整器
１４  放射口＃３に対応する振幅位相調整器
１５  放射口＃４に対応する振幅位相調整器
６  加熱室
７  電波回路
８  スイッチ
９  制御器
１  放射口＃１
２  放射口＃２
３  放射口＃３
４  放射口＃４
５  電波発生器
１６  放射口＃１からの放射電界
１７  放射口＃２からの放射電界
１８  放射口＃３からの放射電界
１９  放射口＃４からの放射電界
２０  合成電界
２２  放射口＃１からの瞬時放射電界
２３  放射口＃２からの瞬時放射電界
２４  放射口＃３からの瞬時放射電界
２５  放射口＃４からの瞬時放射電界
２６  瞬時の合成電界
２７  放射口＃１に対応する増幅器
２８  放射口＃２に対応する増幅器
２９  放射口＃３に対応する増幅器
３０  放射口＃４に対応する増幅器
３１  放射口＃１に対応する発振器
３２  放射口＃２に対応する発振器
３３  放射口＃３に対応する発振器
３４  放射口＃４に対応する発振器
３５  人体表面
３６  血管
３７  加熱装置
３８  アンテナ開口
３９  太陽電池パネル
４０  アンテナ開口の部分開口＃１
４１  アンテナ開口の部分開口＃２
４２  アンテナ開口の部分開口＃３
４３  アンテナ開口の部分開口＃４
４４  制御信号回路
４５  トレイ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013162512.tif 000018
【図１７】
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