JP5217993B2 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Description

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。

従来から、マイクロ波発生装置として一般的に用いられるマグネトロンに代えて、半導体素子を用いたマイクロ波発生装置が提案されてきた。半導体素子を用いたマイクロ波発生装置によれば、小型でかつ安価な構成で、マイクロ波の周波数を容易に調整することができる。このように、半導体素子を用いたマイクロ波発生装置を備えるマイクロ波加熱装置が、特許文献１に記載されている。

特許文献１のマイクロ波加熱装置においては、所定の周波数帯域でマイクロ波の周波数が掃引され、反射電力が最小値を示すときのマイクロ波の周波数が記憶される。そして、記憶された周波数のマイクロ波が加熱室内のアンテナから放射され、対象物が加熱される。これにより、電力変換効率が向上する。

また、位相器を備えたものとして、半導体発振部と、半導体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ものがある（例えば、特許文献２参照）。

そして、位相器は、ダイオードのオンオフ特性により、マイクロ波の通過線路長を切り替える構成としている。また、合成部は９０度および１８０度ハイブリッドを用いることで合成部の出力を２つにすることができ、位相器を制御することで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できるとしている。

また、複数個のマイクロ波発振器を基準信号に所定位相関係で同期させたものがある（例えば、特許文献３参照）。そして、位相器の位相量を時間的に変化させて、均一加熱を計ることができ、被加熱物近傍に設けた感温体の検出温度が、最高の値をとるように位相器を動作させることで、高効率な加熱動作を行なえるとしている。
特開昭５６−０９６４８６号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報 特開昭５５−０１０７７７号公報

しかしながら、上記の方法では、加熱室内に放射されるマイクロ波が、常に同じ場所同じ位相から放射されるため、被加熱物を加熱する際に被加熱物の特定の場所に、常にマイクロ波が強く照射され、逆に別の部位では常にマイクロ波の照射が不足し、被加熱物全体としてみると、加熱のムラが強く現れるため、被加熱物を均一に仕上げることができないという課題がある。

さらに、位相器を備えたものにおいては、合成部の２つの出力から放射されるマイクロ波は、位相器によって位相を変化させることで、２つの放射アンテナからの放射電力比率や位相差を、任意にかつ瞬時に変化させることは可能だけれども、その放射によってマイクロ波が供給される、加熱室内に収納されたさまざまな形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物を、所望の状態に加熱することは難しい課題を有していた。

また、位相量を変化させるものにおいては、被加熱物の量や置き場所などの条件に関係なく位相を動かしても、十分な効果は得られず、感温体の検出温度を最高の値にする位相器の制御手段については具体的な記載が無く、効果を得ることが難しい課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、様々な形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物に対しても電力変換効率を向上させることができ、所望の状態に加熱するマイクロ波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、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、前記電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部の出力および／または前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の出力位相と前記電力増幅部を制御する制御部とを有し、前記加熱室を構成する１つの壁面に前記給電部を３つ以上設け、放射するマイクロ波の励振電界または、励振磁界の方向を一致させた２つの前記給電部の組合せを複数設け、前記給電部の組合せを構成する２つの前記給電部間を結ぶ線が、前記複数の給電部の組合せにおいて一直線上に並ばないよう前記給電部を配置すると共に、前記給電部の組合せを構成する２つの前記給電部間の位相差を前記複数の給電部の組合せ間で関連して制御する構成としたものである。

これによって、給電部組合せを構成する２つの給電部の位相差を制御して、放射されるマイクロ波の合成による電界の強弱分布を操作することができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、複数の給電部から照射されるマイクロ波を合成することで加熱室内での電界強度分布を操作できるので、さまざまな形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物を効率よく所望の状態に加熱するマイクロ波処理装置を提供することができる。

第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、発振部の出力を複数に分配し
て出力する電力分配部と、電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、電力分配部および／または位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、電力増幅部の出力を加熱室に供給する複数の給電部と、発振部の発振周波数と位相可変部の位相量と電力増幅部を制御する制御部とを有し、加熱室を構成する１つの壁面に給電部を３つ以上設け、放射するマイクロ波の励振電界または、励振磁界の方向を一致させた２つの給電部の組合せを複数設け、給電部の組合せを構成する２つの給電部間を結ぶ線が、複数の給電部の組合せにおいて一直線上に並ばないよう前記給電部を配置すると共に、前記給電部の組合せを構成する２つの前記給電部間の位相差を前記複数の給電部の組合せ間で関連して制御する構成とすることにより、複数の給電部から照射されるマイクロ波の合成によって生じる電界分布を２次元方向に操作でき、さらに、複数の合成マイクロ波を重ね合わせることで、より細かな電界分布操作ができ、形状や種類・設置位置が異なる被加熱物に対して効率よくかつ所望の状態に被加熱物を加熱することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の給電部組合せを構成する２つの給電部の内、少なくとも１つの給電部が、異なる給電部組合せの１つの給電部を兼ねる構成とすることにより、より少ない給電部で広範囲の電界分布を操作でき加熱室が狭い機器でも形状や種類・設置位置が異なる被加熱物に対して効率よくかつ所望の状態に被加熱物を加熱することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の被加熱物の設置位置を検知する位置検知手段を備え、給電部組合せを構成する２つの給電部間の位相差を制御して、給電部組合せから、位置検知手段で検知した被加熱物の設置位置に向かう指向性のマイクロ波を放射する構成とすることにより、加熱室の載置台に載置された被加熱物に向かって、合成したマイクロ波電界の強い部分を向けることができるので、効率よくマイクロ波を被加熱物に照射・吸収させるマイクロ波処理装置を実現することができる。

第４の発明は、特に第１または第３の発明の給電部組合せを構成する２つの給電部に、同じ周波数で略同等な電力のマイクロ波を供給する構成とすることにより、給電部組合せ間でのマイクロ波相互干渉を確実に行なえ、電界分布の操作の再現性を高めることができ、形状や種類・設置位置が異なる被加熱物に対して効率よくかつ所望の状態に被加熱物を加熱することができる。

第５の発明は、特に第１から３のいずれか１つの発明の位置検知手段の検知結果に応じて、使用する前記給電部組合せを選択する構成とすることにより、被加熱物の配置に合わせた合成マイクロ波による電界分布操作ができ、形状や種類・設置位置が異なる被加熱物に対して効率よくかつ所望の状態に被加熱物を加熱することができる。

第６の発明は、特に第１の発明の給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力を検出する電力検出部を有し、制御部は、給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数および／または位相値を検出する検出動作を行い、給電部組合せを構成する２つの給電部に供給するマイクロ波の周波数と位相値を決める構成とすることにより、電部組合せを構成する２つの前記給電部での反射電力を最小に抑えることができ、効率のよいマイクロ波処理装置を実現することができる。

第７の発明は、特に第６の発明の給電部組合せを構成する２つの給電部の一方に、検出動作で検出した周波数および位相値のマイクロ波を供給し、他方に同じ周波数で、位置検知手段の検知結果に応じた、位相差のマイクロ波を供給する構成とすることにより、電部組合せを構成する２つの前記給電部での反射電力を抑え、さらに効率よくマイクロ波を被加熱物に照射・吸収させることで効率のよいマイクロ波処理装置を実現することができる。

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、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それぞれの出力を増幅する半導体素子を用いて構成した増幅部４ａ〜４ｄ、増幅部４ａ〜４ｄによって増幅されたマイクロ波出力を後述する加熱室８内に放射する給電部５ａ〜５ｄ、および電力分配部２ａ、２ｃと増幅部４ａ〜４ｄとを接続する、マイクロ波伝播路に挿入され入出力に任意の位相差を発生させる位相可変部３ａ〜３ｄ、増幅部４ａ〜４ｄと給電部５ａ〜５ｄとを接続するマイクロ波伝播路に挿入され、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄの方向に反射するマイクロ波反射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の位相量を制御する制御部７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９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壁面、および被加熱物９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９を載置する載置台１０にて、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、発振部１ａ、１ｃで発生したマイクロ波出力が伝播され、加熱室８内に放射供給する４ヶ所の給電部５ａ〜５ｄは、全て加熱室８を構成する壁面の１つである底壁面に配置されている。

増幅部４ａ〜４ｄは、低誘電損失材料から構成し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４ａ〜４ｄの増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく、各半導体素子の入力側と出力側とに、それぞれ整合回路を配している。電力分配部２ａ、２ｃは、例えばウィルキンソン型分配器のような出力間に位相差を生じない同相分配器であってもよいし、また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構わない。

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の電力が伝播される。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、各々の位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。

これによって、位相可変部３ａ〜３ｄより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。電力検出部６ａ〜６ｄは、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄの方向に反射するマイクロ波、いわゆる反射波の電力を抽出するものであり、電力結合度を例えば約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。

制御部７は、使用者が直接入力する被加熱物９の加熱条件、あるいは位置検知手段（図示していない）から得られる被加熱物９の設置位置情報や電力検出部６ａ〜６ｄの検出情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１ａ、１ｃと増幅部４ａ〜４ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御や位相可変部３ａ〜３ｄに供給する電圧を制御し、加熱室８内に収納された被加熱物９を最適に加熱する。

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、作用を説明する。

まず、被加熱物９を加熱室８に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力して、加熱開始キーを押し加熱開始信号を出力する。加熱開始信号を受けた制御部７の制御出力信号により、マイクロ波発生部が動作を開始する。制御部７は、駆動電源（図示していない）を動作させて、発振部１ａ、１ｃに電力を供給する。

この時、発振部１ａ、１ｃの初期の発振周波数は、例えば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。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つのマイクロ波電力信号となる。以降、駆動電源を制御して、増幅部４ａ〜４ｄを動作させる。そして、それぞれのマイクロ波電力信号は、並列動作する増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄを経て、給電部５ａ〜５ｄにそれぞれ出力され、加熱室８内に放射される。

加熱室８内に供給されるマイクロ波電力が被加熱物に１００％吸収されると、加熱室８からの反射電力は０Ｗになるが、被加熱物の種類・形状・量・設置位置により加熱室８のインピーダンスが変わり、マイクロ波電力供給側との整合ずれなどによって、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄの方向に伝播するマイクロ波反射電力が生じる。電力検出器６ａ〜６ｄは、このマイクロ波反射電力を検出し、その反射電力量に比例した検出信号を制御部７に送る。

制御部７は、発振部１ａ、１ｃと位相可変部３ａ〜３ｄを制御して、電力検出器６ａ〜６ｄで検出することで、反射電力を最小化する発振周波数および位相値を見極める検出動作ができる。制御部７は、発振部１ａ、１ｃの発振周波数を例えば２４００ＭＨｚから１ＭＨｚピッチで、周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達するまで動作させ、同時に、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄの方向に反射するマイクロ波電力を電力検出器６ａ〜６ｄにて検出することで、反射電力を最小とする発振周波数情報を得ることができる。同様に、給電部組合せ間の相対的な位相差を位相可変部３ａ〜３ｄの制御により調整し、電力検出器６ａ〜６ｄで検出する反射電力を最小とする位相制御条件を見極めることができる。

しかし、載置台１０などに電力が吸収されて、反射電力が小さくなる場合もある。様々な形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物９で加熱効率を高めるには、反射電力の最小化だけでなく、被加熱物９に吸収されるマイクロ波の放射が必要となる。給電部５ａ、５ｂは、励振電界または励振磁界の方向を一致させた組合せとなっていて、相互干渉により、相互の位相差に応じた指向性のマイクロ波を放射する。

指向性は、給電部５ａ、５ｂそれぞれから放射されるマイクロ波の強い位置が重なった方向となる。給電部５ａ、５ｂから放射されるマイクロ波の位相差を操作することで、２つ（２ヶ所）の給電部５ａ、５ｂを結ぶ線上方向に、強いマイクロ波の重なる位置をずらすことができる。強いマイクロ波の重なる位置は、２ヶ所の給電部５ａ、５ｂから放射するマイクロ波の周波数が異なると変動するので、発振部１ａから同じ周波数のマイクロ波を供給する。

また、２つの給電部５ａ、５ｂから放射するマイクロ波の電力が違うと、指向性がずれるので、ほぼ同等の電力を供給して指向性の再現性を高める。給電部５ｃ、５ｄの組合せも同様に、励振電界または励振磁界の方向を一致させた組合せとなっていて、相互の位相差に応じた指向性のマイクロ波を放射する。給電部５ａ、５ｂを結ぶ線と、給電部５ｃ、
５ｄとを結ぶ線を一直線上から外しておく（給電部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを一直線上に配置しない）ことにより、給電部５ａ、５ｂと、給電部５ｃ、５ｄとの組合せそれぞれの位相差を関連させて操作して、それぞれの組合せから放射するマイクロ波を重ね合わせることで、２次元的な指向性の制御が可能となる。位置検知手段により検知した被加熱物９の設置位置にマイクロ波の指向性を合わせる事により、放射電力を被加熱物９に確実に吸収させることで、効率よく加熱を行なうことができる。

このように検出動作で得た反射電力を最小とする、発振周波数情報および位相制御条件と、被加熱物９の設置位置に応じた位相差制御に基づいて、被加熱物９を含む加熱室８内の特性に合わせて動作をすることで、加熱室８に放射したマイクロ波を効率的に被加熱物９に吸収させることができ、様々な形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物９に対しても反射電力が小さく、思惑通りの設定条件で高効率な加熱をすることができ、増幅部４ａ〜４ｄに備えられた半導体素子が、反射電力によって過剰に発熱することも防止でき、熱的な破壊を回避することができる。

次に、給電部の配置とマイクロ波電力の指向性操作の関係について説明する。

図２は、本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波処理装置の斜視図である。

図２において、加熱室８の載置台１０下側の底壁面に、３ヶ所に設けられた３つの給電部５ａ〜５ｃが、設置されている。給電部５ａと給電部５ｂとの放射マイクロ波電界の励振方向１１が、同じ向きとなるよう設置され、給電部５ａと給電部５ｂの間の位相差に応じ、２つの給電部５ａ、５ｂを結ぶ線上方向に、操作可能な指向性のマイクロ波を放射する。

つまり給電部５ａ、５ｂの組合せを選択して、給電部５ａと給電部５ｂの間の位相差を操作することにより、載置台１０の前後方向に配置された被加熱物９を効果的に加熱できる。給電部５ｂと給電部５ｃの放射マイクロ波電界の励振方向１１も、同じ向きとなるよう設置されているので、同様に左右方向に放射するマイクロ波の指向性を操作できる。給電部５ｂは、両方の給電部組合せを兼ねた構成となっていて、３つの給電部５ａ〜５ｃにより、前後左右の２次元方向に、マイクロ波を放射できる。

このように動作することで、強いマイクロ波分布の操作ができ、加熱室８に放射したマイクロ波を効率的に被加熱物９に吸収させることができ、様々な形状・種類・量・設置位置の異なる被加熱物９を高効率で最適に加熱することができる。

本実施の形態では３、４ヶ所給電の構成を示しているが、本実施の形態に拘束されるものではなく、給電部組合せを増やしたりした場合も同様にそれぞれの位相差の操作に見合った指向性のマイクロ波分布を加熱室８内に発生させることができ、複数のマイクロ波分布の重ね合せにより、所望の加熱ができる。

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、放射するマイクロ波の指向性を操作す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 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の斜視図

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
９ 被加熱物
１０ 載置台
１１ 励振方向

Claims (7)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、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、前記電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部および／または前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量と前記電力増幅部を制御する制御部とを有し、前記加熱室を構成する１つの壁面に前記給電部を３つ以上設け、放射するマイクロ波の励振電界または、励振磁界の方向を一致させた２つの前記給電部の組合せを複数設け、前記給電部の組合せを構成する２つの前記給電部間を結ぶ線が、前記複数の給電部の組合せにおいて一直線上に並ばないよう前記給電部を配置すると共に、前記給電部の組合せを構成する２つの前記給電部間の位相差を前記複数の給電部の組合せ間で関連して制御する構成としたマイクロ波処理装置。
2. 給電部組合せを構成する２つの前記給電部の内、少なくとも１つの前記給電部が、異なる前記給電部組合せの１つの前記給電部を兼ねる構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 被加熱物の設置位置を検知する位置検知手段を備え、給電部組合せを構成する２つの前記給電部間の位相差を制御して、前記給電部組合せから、前記位置検知手段で検知した前記被加熱物の設置位置に向かう指向性のマイクロ波を放射する構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
4. 給電部組合せを構成する２つの給電部に、同じ周波数で略同等な電力のマイクロ波を供給する構成とした請求項１または３に記載のマイクロ波処理装置。
5. 位置検知手段の検知結果に応じて、使用する給電部組合せを選択する構成とした請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。
6. 給電部から増幅部方向に反射するマイクロ波電力を検出する電力検出部を有し、制御部は、前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数および／
   または位相値を検出する検出動作を行い、前記給電部組合せを構成する２つの前記給電部に供給するマイクロ波の周波数と位相値を決める構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
7. 給電部組合せを構成する２つの前記給電部の一方に、前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数および／または位相値を検出する検出動作で検出した周波数および位相値のマイクロ波を供給し、他方に同じ周波数で、位置検知手段の検知結果に応じた、位相差のマイクロ波を供給する構成とした請求項６に記載のマイクロ波処理装置。
   

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