JP5169254B2 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンでマイクロ波を発生し、加熱処理を行うマイクロ波処理装置に関するものである。

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。

また、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。

さらに、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）。
特開昭５２−１９３４２号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報 特開昭５６−９６４８６号公報

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。

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。

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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給電部から加熱室へ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放射電力および、放射方向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。

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、前記発振部で発生されたマイクロ波を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射するマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定する励振方向設定手段を備え、前記励振方向設定手段により励振方向がほぼ同じ方向に調整された前記複数の給電部による第１の組合せと、前記励振方向設定手段により前記第１の組合せによる励振方向と異なる方向の励振方向に調整された前記複数の給電部の第２の組合せとを有し、前記給電部の第１の組合せと前記給電部の第２の組合せが形成する電磁界分布をそれぞれが補完する制御を行い、前記加熱室内に任意の電磁界分布を形成するものである。前記給電部から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を意図的に選択でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に合わせて、前記励振方向の制御と関連付けて行う放射電力および、放射方向の制御を組み合わせて最適な加熱処理が行える。

本発明のマイクロ波処理装置は、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放射電力、放射方向等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ができる。

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、前記発振部で発生されたマイクロ波を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射す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励振方向設定手段を備え、前記励振方向設定手段により励振方向がほぼ同じ方向に調整された前記複数の給電部による第１の組合せと、前記励振方向設定手段により前記第１の組合せによる励振方向と異なる方向の励振方向に調整された前記複数の給電部の第２の組合せとを有し、前記給電部の第１の組合せと前記給電部の第２の組合せが形成する電磁界分布をそれぞれが補完する制御を行い、前記加熱室内に任意の電磁界分布を形成することにより、給電部から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を意図的に選択でき、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、前記励振方向の制御と関連付けて行う放射電力および、放射方向の制御を組み合わせて最適な加熱処理することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、第１の組合せにおける複数の給電部の少なくとも１つの給電部は、第２の組合せにおける励振電界による励振方向成分と、第１の組合せにおける励振電解による励振方向成分を有することにより、より少ない給電部設置数で、励振方向を変える手段を利用した最適な加熱処理が行える。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の加熱室壁面を貫通して中心導体を突出させた給電部において、中心導体とほぼ平行に対面してほぼ平坦な金属製の励振方向調整板を設け、中心導体と励振方向調整板間から放射するマイクロ波の主要励振方向を揃えたことにより、加熱室へ供給するマイクロ波電力の励振方向を制御する手段を実現できる。

第４の発明は、特に第３の発明の励振方向調整板を加熱室壁面とほぼ平行な部分と一体構造としたことにより、加熱壁面との電界集中を緩和でき、励振方向調整板をアース電位に近づけられ、中心導体との励振電界強度を上げられ、更に中心導体との略平行を保ちつつ周囲を回転自在に設置され、中心導体と励振方向調整板間に発生する主要励振方向を変えられることにより、放射マイクロ波の励振電界を容易に制御できる。

第５の発明は、特に第３または第４の発明の励振方向調整板の回転位置を検出する手段と回転角度を制御する手段を有することにより、放射マイクロ波の励振電界を容易に制御できる。

第６の発明は、特に第１〜第５のいずれか１つの発明の少なくとも１つの給電部から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放射電力および、放射方向の制御は、調理の進捗や負荷条件により切り替えたり、調理途中で変えたりすることにより、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、更に細かく所望の状態に加熱処理することができる。

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。

（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。

図１において、マイクロ波発生部はマグネトロンを用いて構成した発振部１ａ〜１ｄ、マイクロ波出力を加熱室内に放射する給電部２ａ〜２ｄ、および給電部２ａ〜２ｄへのマイクロ波伝送路に挿入され給電部２ａ〜２ｄから反射する電力を検出する電力検出部３ａ〜３ｄ、電力検出部３ａ〜３ｄによって検出される反射電力に応じて発振部１ａ〜１ｄの発振を制御する制御部４とで構成している。

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５を有し、加熱室５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５内に放射する給電部２ａ〜２ｄが加熱室５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。

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６ａ、６ｄにより、給電部２ａ、２ｄは、マイクロ波の電界または磁界の向き、すなわち励振方向を任意の方向に調整、設定することができる。

そして、各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、導波管や同軸線路など供給電力に見合った伝播手段であればよい。

なお上述の説明においては、回転制御部６ａ、６ｄ、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。

また、電力検知部３ａ〜３ｄは、加熱室５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４に入力させている。

制御部４は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件あるいは加熱処理中に被加熱物の加熱処理状態から得られる加熱情報と電力検知部３ａ〜３ｄよりの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１ａ〜１ｄを制御し、加熱室５内に収納された被加熱物を最適に加熱処理する。

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。

まず被加熱物７を加熱室５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４は、制御出力信号により駆動電源（図示していない）を動作させて、発振部１ａ〜１ｄに電力を供給し、発振が開始する。発生したマイクロ波電力は、電力検知部３ａ〜３ｄを経て給電部２ａ〜２ｄにそれぞれ出力され加熱室５内に放射される。このときそれぞれの給電部２ａ〜２ｄは励振電界８ａ〜８ｄを発生させ加熱室５内にマイクロ波を放射する。

電力検出部３ａ〜３ｄ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４は、反射電力が極小値とする動作条件の選択を行う。

本発明は、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放射電力および、放射方向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。

発振部１ａ〜１ｄで発生したマイクロ波電力が、効率よく加熱室５内に放射され、被加熱物に１００％吸収されると加熱室５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５のインピーダンスと、加熱室５と結合する給電部２ａ〜２ｄ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７に吸収されずに給電部２ａ〜２ｄ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。

加熱室５内では複数の給電部２ａ〜２ｄ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５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、放射電力や、放射方向がかかわっている。また、電界方向は、給電部２ａ〜２ｄ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。

回転制御部６ｄで給電部２ｄの励振電界８ｄの向きを調整し、励振電界をほぼ一致させた給電部２ｂとの組合せに対して、放射電力や放射方向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。このように電磁界分布を操作することで、被加熱物７に電磁界分布を集中し、マイクロ波の吸収効率を上げることが可能となる。

更に、回転制御部６ａで給電部２ａの励振電界８ａの向きを調整して、給電部２ｃの励振電界８ｃ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２ａ、２ｃは給電部２ｂ、２ｄ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２ａ、２
ｃにより形成される電磁界分布にて、給電部２ｂ、２ｄ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７のマイクロ波の吸収効率を上げることも可能となる。

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５内に放射され、被加熱物７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、８ｂ、８ｄ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６ｄで給電部２ｄの励振電界８ｄ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。

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３ａ〜３ｄで検出した反射電力に基づき、給電部２ａ〜２ｄの放射するマイクロ波の励振方向と、励振方向の制御と関連付けて決める放射電力および、放射方向を制御することで、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。

限られた閉空間の加熱室５に放射されたマイクロ波は、被加熱物７に吸収されたり、給電部２ａ〜２ｄに拾われたり、加熱室５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。

給電部２ａ〜２ｄから放射するマイクロ波の励振方向８ａ〜８ｄと、前記励振方向の制御と関連付けて行う放射電力および、放射方向の制御により、加熱室５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２ｂ、２ｄのグループおよび、励振方向が異なる給電部２ａ、２ｃのグループを同時に動作させ、給電部２ａ、２ｃにより形成される電磁界分布にて、給電部２ｂ、２ｄ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。

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放射電力および、放射方向の制御をして、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。

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、回転制御部６ａ、６ｄで、給電部２ａ、２ｄの励振電界８ａ、８ｄの向きを変え、電磁界分布を変えることができ、加熱むらを緩和できる。

このように給電部２ａ〜２ｄから放射するマイクロ波の励振方向８ａ〜８ｄの制御と、前記励振方向の制御と関連付けて行う放射電力および、放射方向の制御をして、単に均一とするのではない、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。

図２は給電部分を動かすことが可能な給電手段の説明図である。

図２において、給電部２ｂは、アンテナ垂直部９と、アンテナ水平部１０で構成される。励振電界８ｂは加熱室５の壁面とアンテナ水平部１０の間に発生し、マイクロ波は放射方向１１へ放射される。給電部２ｂは、アンテナ垂直部９を軸に回転し水平方向３６０°の任意の方向にマイクロ波を放射できる。しかし、発生する励振電界８ｂは常に垂直方向で、意図的に制御できない。

図３は本発明の給電手段の実施例説明図である。

図３において、給電部２ｄは、中心導体１２と、中心導体１２と略平行を保ちつつその周囲を回転できる励振方向調整板１３で構成される。マイクロ波電力は、中心導体１２を経て供給されるが、励振方向調整板１３により、両者間の励振方向８ｄは図４（ｂ）に示されるように励振方向調整板１５に垂直方向に揃えられる。励振方向調整板１５が回転すると励振方向調整板１５の垂直方向に揃った励振方向８ｄも回転しその方向を意図的に制御できる。

励振方向調整板１３の加熱室５側は、図３（ｃ）に示されるように加熱室５の壁面とほぼ平行な調整板平板部１４と一体な構成となっている。また、加熱室５と調整板平板部１４間には、絶縁板１５が設けられ、電気的な絶縁とほぼ平行を保ちつつ回転可能に保持されている。調整板平板部１４により加熱室５の壁面との間での電界集中を防止しつつ、近傍に配置でき、一体の励振方向調整板１３の電位をアースに近づけ、中心導体１２との間に発生する励振電界８ｄを極力大きくしている。

この給電部の構成は本実施の形態に拘束されるものではなく励振方向を意図する方向に調節できる機能を有すればよい。

（実施の形態２）
図４は加熱室５の１壁面に３ヶ所の給電部２ｄ〜２ｆを設けた他の実施形態の正面説明図である。

図４において、２ｄは図１と同じく励振電界８ｄを変動できる構成とし、２ｅ、２ｆは、導波管から給電口１６ｅ、１６ｆを経て固定の励振電界８ｅ、８ｆを供給する構成となっている。

励振電界８ｅ、８ｆは奥行き方向（Ｄ）と幅方向（Ｗ）の成分を持ち相互干渉は少ない。励振電界８ｄの向きは、励振電界８ｅ、８ｆの中間に設定され、奥行き方向（Ｄ）と幅方向（Ｗ）両方の成分を持ち、励振電界８ｅ、８ｆ両方に影響する。このように中間的な励振方向に設定すれば、１ヶ所の給電から複数の異なる励振電界による電磁界分布を同時に制御できる。

（実施の形態３）
図５は本発明の給電手段の別の実施形態側面図である。

図５において。励振電界８ｄ´は、中心導体１２と励振方向調整板１３´両者の左方向端間に発生し、マイクロ波放射方向１１ｄ´は励振電界８ｄ´に垂直な方向に放射する。よって、中心導体１２と励振方向調整板１３の左方向端位置関係により図４（ｃ）、図５のように放射方向が変わる。図４（ｃ）の場合励振方向調整板１３を回転させて励振方向８ｄを意図的に制御できるが、マイクロ波放射方向１１ｄはほとんど変わらない。図５の構成にすると、励振方向調整板１３´の回転により、励振方向８ｄ´とマイクロ波放射方向１１ｄ´を意図的に制御できる。これにより、加熱室５内の電磁界分布制御の要因を増やすことができ、より意図する制御が行える。

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、マイクロ波を放射する給電部を切り替え制御したり、動作中の給電部間のマイクロ波の励振方向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。

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 （ａ）本発明のマイクロ波給電部の斜視図（ｂ）本発明のマイクロ波給電部の側面説明図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるマイクロ波給電部の斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるマイクロ波給電部の上面説明図（ｃ）本発明の実施の形態１におけるマイクロ波給電部の側面説明図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の正面説明図 本発明の実施の形態３におけるマイクロ波給電部の側面説明図

１ａ〜１ｄ 発振部
２ａ〜２ｆ 給電部
３ａ〜３ｄ 電力検出部
４ 制御部
５ 加熱室
６ａ、６ｄ 回転制御部
７ 被加熱物
８ａ〜８ｆ 励振電界
９ アンテナ垂直部
１０ アンテナ水平部
１１ｂ、１１ｄ マイクロ波放射方向
１２ 中心導体
１３ 励振方向調整板
１４ 調整板平板部
１５ 絶縁板
１６ｅ〜１６ｆ 給電口

Claims (6)

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、
   前記発振部で発生されたマイクロ波を前記加熱室に供給する複数の給電部と、
   前記給電部の少なくとも１つに前記給電部から放射するマイクロ波の励振方向を任意の方向に設定する励振方向設定手段を備え、
   前記励振方向設定手段により励振方向がほぼ同じ方向に調整された前記複数の給電部による第１の組合せと、
   前記励振方向設定手段により前記第１の組合せによる励振方向と異なる方向の励振方向に調整された前記複数の給電部の第２の組合せとを有し、
   前記給電部の第１の組合せと前記給電部の第２の組合せが形成する電磁界分布をそれぞれが補完する制御を行い、前記加熱室内に任意の電磁界分布を形成することを特徴としたマイクロ波処理装置。
2. 第１の組合せにおける複数の給電部の少なくとも１つの給電部は、第２の組合せにおける励振電界による励振方向成分と、第１の組合せにおける励振電解による励振方向成分を有することを特徴とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 加熱室壁面を貫通して、前記加熱室内部に向かって棒状の中心導体を突出させて、同軸の原理でマイクロ波を前記加熱室へ供給する給電部において、前記中心導体とほぼ平行に対面して、ほぼ平坦な金属製の励振方向調整板を設け、前記中心導体と前記励振方向調整板間から放射するマイクロ波の主要励振方向を揃えた請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
4. 励振方向調整板は、加熱室壁面と隣接分離してほぼ平行な部分と一体構造とし、中心導体との略平行を保ちつつ前記中心導体周囲を回転自在に設置され、前記中心導体と前記励振方向調整板間に発生する主要励振方向を変えられることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
5. 励振方向調整板の回転位置を検出する手段と回転角度を制御する手段を有する請求項３ま
   たは４に記載のマイクロ波処理装置。
6. 少なくとも１つの給電部から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放射電力および、放射方向の制御は、調理の進捗や負荷条件により切り替えたり、調理途中で変えたりすることを特徴とした請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。