JP2007228219A - マイクロ波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導入できるマイクロ波の周波数帯域が狭い負荷に対しマグネトロンで効率よくマイクロ波を導入できる新しい手段を提供する。
【解決手段】 周波数特性が優れた低電力の注入波発振装置の出力をマグネトロンに注入してマグネトロンの出力特性を発振周波数とスペクトラムについて大きく改善するとともに、合わせて負荷からの反射をこの注入波発振装置に導入されないようにして、マグネトロン出力を負荷に効率よく安定に導入できる装置を実現した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、マグネトロンが発生するマイクロ波をマイクロ波負荷内に設置した被照射物に照射することにより、被照射物を加熱したり、被照射物の物理化学反応を促進させたりする装置に係り、わずかな周波数の変化で特性が大きく変化するマイクロ波負荷に対応するように、マグネトロンが持つ不安定な周波数特性と広いスペクトラム特性を制御し、マイクロ波負荷内の被照射物に効率よくマイクロ波を照射する装置に関する。

マイクロ波は、電子レンジをはじめ、産業用加熱炉の加熱装置として広く利用され、さらに近年では急速に化学反応を行わせる力を持つ媒体として注目を集めている。
マイクロ波を発生するためのデバイスとしてはマグネトロン発振器（以下単に「マグネトロン」という）が最も安価に利用できる装置である。しかしながら、マグネトロンは出力を変えたり、あるいは負荷からの反射波が変化したりすると、発振周波数が変化するという欠点を持つ。また、マグネトロンの出力は単一の周波数ではなく、スペクトラムがある幅を持っているという問題がある。すなわち、マグネトロンには、周波数特性が不安定で、スペクトラム特性も良くないという欠点がある。
空胴共振器のような負荷は、特定の周波数のマイクロ波のみを受け入れ、その周波数から外れたマイクロ波電力は殆ど反射してしまう。特にQが3000を越すような空胴では、同調をとっても、マグネトロンからのマイクロ波出力の1/3〜1/5程度しか利用できない。マイクロ波は高価なエネルギー源であるから、できるだけ効率よく出力を利用する必要があるが、上記のような非効率性は、マイクロ波装置にとって致命的な問題である。この問題を軽減するには、マグネトロン出力の周波数スペクトラムを良くする必要がある。また非同調とならないよう、発振周波数を安定させることも必須事項である。しかしながら、単なるマグネトロンではそのような要求に応えることができない。
マグネトロンを動作させる電源にリプルがあると、マグネトロン出力が変化するだけでなく、周波数変調を受けることになる。特に負荷がプラズマの場合には、プラズマの状態に影響が出る。このため高価な低リプル電源を用いてマグネトロンを動作させるような手段が一般に広く採用されている。
マグネトロンの出力を上げるひとつの手段として、複数のマグネトロンの出力 を合成することが考えられている。またマグネトロンの出力位相を制御し、フェーズドアレイシステムに利用することも考えられている。
位相制御のための手段は、特許文献１、２、３に示されている。これらの先行技術の目的は、あくまで位相制御であって、出力のスペクトラムの良好さを直接的に求めるものではない。同文献によると、マグネトロンの出力周波数に近い周波数の別の注入同期信号源の出力をマグネトロンに注入してマグネトロンを動作させる。同時にマグネトロン出力の一部をピックアップして、その信号と前記注入同期信号とを比較し、マグネトロンの励磁電流あるいは陽極電流を制御する。この注入系と制御系によりマグネトロンの位相を制御する。特許文献2によれば、このような手段でかなり良いスペクトラムを得ているが、陽極電流の制御がどの程度スペクトラム特性の向上に寄与したのか明らかにしていない。
近年、固体発振装置の発展が目覚しい。この装置は、出力の小さい発振器と100W〜500W程度の固体増幅器を組み合わせて構成される。装置の出力周波数を制御するには、発振器の発振周波数を制御すればよく、その制御は比較的容易である。すでに周波数が可変で、出力スペクトラム特性のかなり良い固体発振装置が市販されている。問題は、極めて価格が高いことと、出力も現状では高々700W止まりであることである。このため出力が大きく、周波数の制御が簡単で、出力が安定し、スペクトラム特性も優れ、しかも価格が安いマイクロ波源の開発が望まれる。
周波数特性の優れた固体発振装置とマグネトロンの位相注入技術を組み合わせれば、周波数特性が良好な装置が得られ、それによって特に周波数応答が敏感な負荷に対して効率よくマイクロ波を導入できる可能性が生まれる。
特開昭６０−１２３１１０ 特開２００２−４３８４８ 特開２００３−１８００３

この発明は上記のような背景と要求のもとになされたものであり、周波数特性が急峻なピークを持つ負荷、あるいは、周波数的に不安定でスペクトラム特性も良くないマイクロ波出力を導入することによって特性が損なわれるような負荷（以下単に「狭帯域負荷」という。）にマイクロ波を効率よく導入できる新しい手段を提供する。

この発明においては、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
（１）発振周波数が安定でスペクトラム幅も十分に狭い注入波発振装置（代表的には固体発振器の小出力を固体増幅器で増幅する形態の装置）の出力をマグネトロンに注入する。
（２）マグネトロンの出力を狭帯域負荷に導入する。
（３）負荷で発生した反射波をサーキュレータを利用して無反射終端に導くことにより、直接、注入波発振装置又はマグネトロンに届かないようにする。

この発明は、以下の効果を有する。
（１）マグネトロンの定格出力に比較して出力が十分低く、周波数特性が優れた注入波発振装置の出力によりマグネトロンの周波数特性を制御できる。
（２）狭帯域負荷に対して効率よくマイクロ波を導入できる。
（３）負荷からの反射をサーキュレータで注入波発振装置に戻らないようにし、この注入波発振装置の破損を防止することができる。

図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図1は本発明に係るマイクロ波装置の基本構成図、図２は非注入時のマグネトロンの出力の周波数特性図、図3は非注入時および注入時のマグネトロンの出力周波数特性図、図4は狭帯域負荷へのマイクロ波による加熱効率に対する注入の効果を示す図表、図5は負荷の周波数応答を検出しその信号を注入波発振装置に帰還して周波数を最適に制御するためのブロック図、図６は負荷内に置かれた被加熱物の温度を検出しその信号によってマグネトロンの出力を制御するブロック図、図７は4端子型サーキュレータを使用する場合のマイクロ波の流れを説明する図である。

図1（ａ）において、比較的低電力の注入波発振装置2は、周波数が安定で周波数スペクトラム幅も狭い(以下単に「周波数特性が良好な」という。)マイクロ波を出力する。注入波発振装置2の出力は、サーキュレータ５とサーキュレータ4を通してマグネトロン1に注入される。図１（ｂ）では、低電力注入波発振装置2の出力が、サーキュレータ4を通してマグネトロン1に注入される。図１（ａ），（ｂ）は、回路構成が異なっているが、いずれもサーキュレータ５又は７の作用で、負荷３からの反射波が、注入波発振装置２に入らず、無反射終端6へ導かれるようになっている。マグネトロン1は、注入波発振装置2からの注入マイクロ波により制御され、一定の周波数で安定に発振する。この構成により、マグネトロン１の出力は、スペクトラムも注入波発振装置2の出力のスペクトラムに匹敵する良好な周波数特性を持つ。ここで注入波発振装置2の出力は、マグネトロン１の定格出力に比較して十分小さく、例えば、1.5kWのマグネトロンの場合、わずか6W程度である。特許文献１，２，３に示されるような位相に関わるフィードバック系は一切使用していない。これにより、あたかも注入波発振装置2の出力をマグネトロン１で増幅したかのように、注入波発振装置２の特性に匹敵する良好な周波数特性を持つ出力が得られる。なお、増幅と異なる点はマグネトロン出力が注入発振装置2の出力に直接対応せず、マグネトロンの動作電源電圧によって決まることいことである。

図2（ａ）は、注入波発振装置2の出力をマグネトロンに注入しない場合について、縦軸に出力電力、横軸に周波数をとって示したマグネトロンの出力スペクトラムの一例である。出力電力は、急激に立ち上がって、ｆ(lower)で示す周波数より上で傾斜が緩やかな台状となり、ｆ(upper)で示す周波数より高い周波数で急激に減少している。ｆ(upper)とｆ(lower)の差はおよそ6ないし９MHｚあり、スペクトラム特性は良くない。図2（ｂ）は、注入波発振装置2の出力を注入したときのマグネトロン１の出力特性で、極めて急峻なピークをもつ単峰特性を示している。尖頭値から３dB低下する周波数の幅で与えられる帯域は１MHz以下である。なお、図2（ａ）に示した例では、ピーク付近の出力が単純な台状を呈しているが、動作出力レベルによってはｆ(lower)とｆ(upper) で2つの山を持つような双峰特性となる場合もある。

図３は、出力電力を横軸、周波数を縦軸にとって周波数が変化する様子を示す。注入波発振装置2の出力を注入しない場合は、出力電力の上昇に伴って発振周波数が特に出力電力の低いところで急激に上昇する。ｆ(upper)とｆ(lower)の差も出力によって異なり、最大で7MHzに達している。注入波発振装置2の出力を注入した場合は、注入周波数に等しい周波数となり、出力を変えても周波数は変化しない。また注入周波数を変えると、それに対応して出力周波数が変化する。このように周波数特性が良好でしかも制御が可能であるので、特に、導入できるマイクロ波の周波数帯域が狭い狭帯域負荷に対して効率よくマイクロ波を導入でき、注入効果は絶大である。

図４はQが3,000の空胴内の被加熱物を負荷とした場合の加熱効果を示す図である。非注入時の被加熱物の温度上昇に比較して注入時の昇温が速く、同じ出力でおよそ５倍の昇温が確認されている。その理由は、非注入の場合にはマグネトロンの出力スペクトラム幅が広いため、出力のかなりの部分が空胴の入り口で反射されてしまい加熱に寄与できないのに対し、注入時は出力のスペクトラム幅が狭いので、殆どの出力が空胴に導入され、加熱に利用されるためである。すなわち、マグネトロンの出力が有効に空胴内に導入されて被加熱物の加熱に寄与していることが判る。

図５において、負荷３が共振空胴である場合の例を示している。ループ8は、この空胴内に発生するマイクロ波の大きさに対応する信号を発生する。
空胴内に置かれた被加熱物９の昇温によって共振周波数が変化する。その結果、共振周波数からずれるので、ループ8の検出信号が減少する。これを注入波発振装置２の発振部(図示しない)に帰還し、ループの信号が最大となるように周波数を制御する。この操作により、同調が常に確保される。ここでは一例としてループを用いて空胴の共振を自動的に維持する方法を説明した。これ以外にも周波数調整のための信号を検出する方法があり、また、異なる要求で周波数制御を行う場合(例えば遠隔手動制御)もある。

次に温度制御の一例を説明する。図６は負荷３としての共振空胴内に被加熱物9を置いた場合を示している。マイクロ波の導入により被加熱物９が昇温する。その温度を例えば赤外線放射温度計１０で検出し、その信号をマグネトロン１に帰還する。マグネトロン１、厳密にはマグネトロン発振器で規定の温度に達したかどうかを判断し、その温度を維持するように、例えばマグネトロン１の動作電圧を制御する。
従来、たとえばマグネトロン出力を制御すると発振周波数も変化する問題があって周波数制御と温度制御が独立でなく、このためうまく制御の目的を果たせないという致命的な問題があったが、本発明によれば、この2つが独立に制御できるという極めて重大な効果が得られている。

以上、単一のマグネトロンの制御について説明したが、マグネトロンが複数の場合でも本発明が適用できることは明らかである。この場合、1台の注入波発振装置の注入電力で複数のマグネトロンを制御する。たとえば2個のマグネトロンの発振出力を同相同大となるようにして出力合成すると2倍の出力が得られる。この合成出力を同様に同相同大にしてその出力を合成すれば4倍のマグネトロン出力が得られる。この方法を拡張すれば、注入装置の所要出力も増大するが、マグネトロン出力を大きく高めることができ、さらに高出力の要求にも応じることができる。
また、３ポートのサーキュレータを２つ用いる先の実施形態に代え、図７に示すように、単一の４ポートのサーキュレータ１１を用いることができる。

上記の説明で明らかなごとく、本発明によれば、固体増幅器やクライストロンのような増幅用電子管を用いる極めて高価な出力装置によることなく、安価なマグネトロンで、共振器のような周波数応答が急激に変化する狭帯域負荷に対し有効にマイクロ波を導入できる利点があり、低価格、省エネルギー効果の見地から、極めて有利なマイクロ波装置を提供できる。マイクロ波電力の価格は決して安くないので、きわめて大きい利点である。

本発明は、効率向上、低価格維持、省エネルギー等の利点を産むので、マイクロ波加熱装置、プラズマ処理装置として有効に利用できる。

本発明に係るマイクロ波装置の基本構成を示す構成図である。 本発明の適用の有無によるマグネトロンの出力対周波数特性を比較する図表である。 本発明の適用の有無によるマグネトロンの出力対周波数特性を比較する図表である。 本発明の適用の有無によるマグネトロンの被加熱物昇温特性を比較する図表である。 本発明の他の実施形態を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１ マグネトロン
２ 注入波発振装置
３ 負荷
４ サーキュレータ
５ サーキュレータ
６ 無反射終端
７ サーキュレータ
８ ループ
９ 被加熱物
１０ 赤外線放射温度計

Claims (10)

1. マイクロ波出力がマグネトロンの定格出力に比較して十分小さく出力周波数の帯域幅が３MHz以下である注入波発振装置の出力をサーキュレータを介して前記マグネトロンに注入すると共に、注入波により出力周波数の帯域幅が３MHz以下に制御された前記マグネトロンの出力をサーキュレータを介して負荷に導入し、負荷からの反射電力をサーキュレータを介して無反射終端に導くようにしたことを特徴とするマイクロ波装置。
2. 前記注入波発振装置の出力が前記マグネトロンの定格出力の1/100以下であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置。
3. 前記注入波発振装置が固体発振源と固体増幅器とで構成されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置
4. 前記負荷の周波数特性が、この負荷が受け入れることができる周波数の尖頭値から±1/3,000だけ周波数を変化したとき3dB以上低下するような急峻な変化を示すことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置
5. 前記負荷が1,500を越えるQを有する共振器であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置。
6. 前記負荷がECR装置であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置。
7. 前記負荷がプラズマ装置であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
8. 前記負荷と前記マグネトロンとの距離が、長線路効果を生じるのに十分な距離に設定されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波装置。
9. 前記負荷の周波数応答特性の変化を検出する検出器を具備し、この検出器の検出信号を前記注入波発振装置に帰還して、自動または手動で周波数制御することを特徴とする請求項1ないし８のいずれかに記載のマイクロ波装置。
10. 前記負荷内にあってマイクロ波の作用を受けて発熱する被照射物の温度を検出する温度検出器を具備し、この温度検出器の検出信号を前記マグネトロンに帰還して出力を自動または手動で制御することを特徴とする請求項1ないし９のいずれかに記載のマイクロ波装置。

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