JP2007329021A - マイクロ波利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源を全波整流して平滑し、ある程度安定化した電圧を発生させる電力供給手段からの電圧を定電圧安定化させて個体高周波発信器（エキサイター）に供給し、極めて簡素な構成でエキサイターに電源を供給することが可能で、より経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を提供する。
【解決手段】エキサイター８とそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源１を全波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段４を設け、少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、かつエキサイター８に印加する電圧は整流平滑された電力を供給する電力供給手段４を用いて簡単な回路を用い電圧を精緻に安定化させてエキサイターを駆動させることによって、高精度な高周波信号をえることができる。
【選択図】図１

Description

本発明のマイクロ波利用装置は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マイクロ波を発光体に照射して光源を得る照明等のマイクロ波応用装置に関するものである。

従来、このマイクロ波利用装置は、半導体を用いた固体高周波発振器とそれを増幅する複数段の電力増幅器をもち、個体高周波発信器に電力を供給する安定化電源回路と、複数段の電力増幅器に電力を供給する整流平滑回路を個別に設けていた（例えば特許文献１参照）。

図９は従来のマイクロ波利用装置の電源部の回路図である。商用電源１の電圧を半波整流する整流平滑回路２０で半波整流したあと抵抗分圧で電圧降圧して出力端子２１から電力をアンプに供給していた。また、エキサイターへの電力は変圧器２４を介して定電圧電源回路２３で安定化し出力端子２２で供給している。したがって商用電源から２系統の回路でアンプとエキサイターに電力を供給していた。
特開昭５５−３５４８５号公報

しかしながら、前記従来の発明では個体高周波発信器に電力を供給する安定化電源回路と、複数段の電力増幅器に電力を供給する整流平滑回路を２系統の電源をマイクロ波利用装置に具備する必要があり回路の大規模化、経済性における不利益は避けられないものであった。

まず個体高周波発信器から安定した高周波信号をえるため商用電源から安定化電源をつくり、その安定した電圧を個体高周波発信器に供給するのと平行して、別の整流平滑回路に商用電源から電力を供給して準安定化した電圧を複数段の電力増幅器に供給するという非常に冗長な電力供給手段系を構成する必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、商用電源を全波整流して平滑し、ある程度安定化した電圧を発生させる電力供給手段からの電圧を定電圧安定化させて個体高周波発信器（エキサイター）に供給し、極めて簡素な構成でエキサイターに電源を供給することが可能で、より経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用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利用装置は、エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を全波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段を設け、少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、かつ前記エキサイターに印加する電圧は整流平滑された電力を供給する電力供給手段を用いて簡単な回路を用い電圧を精緻に安定化させてエキサイターを駆動させることによって、高精度な高周波信号をえることができる。

本発明のマイクロ波利用装置は、商用電源を全波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段の平滑された電力でエキサイターを駆動する安定化電源を形成するため複雑で
高度な安定化技術を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

第１の発明は、エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を全波整流し平滑した電圧を発生させる電力供給手段を設け、電力供給手段はマイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、エキサイターに印加する電圧は電力供給手段の出力に簡単な平滑安定電圧回路を追加し精緻に定電圧安定化させることにより高精度な高周波信号をえることができる。よって複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

第２の発明は、エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を全波整流した電圧を発生させる電力供給手段を設け、電力供給手段はマイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、エキサイターに印加する電圧は電力供給手段の出力に簡単な平滑安定電圧回路を追加し精緻に定電圧安定化させることにより入力電流の平滑度合いは第１の発明より低下するが、高精度で経済性に優れた高周波信号をえることができる。よって複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

第３の発明は、エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を半波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段を設け、電力供給手段はマイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、エキサイターに印加する電圧は電力供給手段の出力に簡単な平滑安定電圧回路を追加し精緻に定電圧安定化させることにより高精度な高周波信号をえることができる。しかし出力される高周波電力の振幅値は第１の発明及び第２の発明より大きくなるが、複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さずより経済性に優でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

第４の発明は、エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を半波整流した電圧を発生させる電力供給手段を設け、電力供給手段はマイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、エキサイターに印加する電圧は電力供給手段の出力に簡単な平滑安定電圧回路を追加し精緻に定電圧安定化させることにより高精度な高周波信号をえることができる。しかし入力電流の平滑度合いは第１の発明及び第３の発明より低下しかつ、出力される高周波電力の振幅値は第１の発明及び第２の発明より大きくなるが、複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さずより経済性優れかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

第５の発明は、特に第１〜４の発明のいずれか１つの発明のエキサイターに印加する電圧を自在に変化させることによりエキサイターに印加する電圧を所望の出力に変化させ照射されるマイクロ波出力の強度を自由にコントロールするものである。

第６の発明は、特に第１〜５の発明のいずれか１つの発明のマイクロ波デバイスの耐圧を６００Ｖ以上にすることによって１００Ｖ地域の商用電源及び２００Ｖ地域の商用電源においても耐圧的余裕をもたせ標準化した回路とするものである。

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、本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利用装置の回路図を示すものである。

商用電源1を全波整流器２で全波整流し、チョークコイルと平滑コンデンサからなる平滑フィルター回路３で全波整流平滑された電圧は、ファーストアンプ９、ミドルアンプ１０、ファイナルアンプ１１の電源に直接印加される。

昨今の化合物半導体であるＳｉＣ、ＧａＮ等のパワー半導体はバンドギャップが広く高耐圧化されており、従来のシリコンであれば数Ｖ〜数１０Ｖであったものが数１００Ｖ〜１０００Ｖ超の電圧まで耐える素子が登場してきている。

このような化合物半導体を用いると本発明で述べたような商用電源１を整流した電圧、すなわち１００Ｖ系の電源環境でいえば１４０Ｖ程度の電圧を直接印加するアンプが半導体技術の進化によって利用可能になっている。このような化合物半導体を用いるとＤＣ−ＤＣコンバータやＰＦＣ等で電圧を数１０Ｖ程度に低下させるような高価な回路を用いずとも、１００Ｖ系で言えば１４０Ｖの電圧を直接印加してアンプを構成することができるようになった。

本発明では高圧電源端子４をそれぞれのアンプ群（９〜１１）の電力供給手段４を直結して高周波信号を高電力に増幅している。

一方、基準となる高周波信号は水晶等を用いて所望の周波数で極めて安定して発振する水晶回路１４を用いている。エキサイター８は前述した水晶回路１４で発生した数ｍＶ程度の電圧をプリアンプ１５で数Ｖの電圧に増幅している。但し水晶回路１４で直接数Ｖの電圧を発生させる場合もあり、このプリアンプ１５自体は本発明を限定するものではない。

しかしながら、このエキサイター８に印加する電圧は高周波出力の発生期間においては少なくともきっちりと安定した電圧を供給する必要があり高圧端子４から抵抗６とツェナーダイオード７（雑音防止用にコンデンサ１３を並列に追加）を直列に接続することによってツェナーダイオード７の安定化された電圧は定電圧端子５を通じてエキサイター８に印加され安定した高周波信号を発振する。

エキサイター８から出力された高周波マイクロ波信号はアンプ群（９〜１１）によりアンプ一段あたり約１０ｄＢ以下の増幅率でトータル２０〜３０ｄＢ増幅する。アンプの増幅率は半導体デバイスの能力により決まり本発明では１０ｄＢ以下の増幅率をもった半導体デバイスを選択している。マイクロ波高周波電力は最終段のアンテナ１２から外部に放射される。

例えば、高周波加熱装置である電子レンジであればオーブン内に、生ゴミ処理器であれば処理用器の内という具合で供給される。

ここで、平滑フィルターの時定数によって平滑度合いが変わるが平滑度をあげるのであれば平滑コンデンサ１６の値を数百μＦ程度の大きな電解コンデンサのようなものが必要になるし、全波整流波形と同等程度の波形でよいのであれば十数μＦ程度のフィルムコンデンサを選択することになる。

図２に電力供給手段の電圧とエキサイターの発振期間の関係を示す。(a)図及び（ｂ）
図は平滑コンデンサ１６の容量が８２０μFの時の波形でツェナーダイオードは常時電圧確立しておりエキサイターは連続発振している。しかし、図２の(ｄ)図及び（ｅ）図は平滑コンデンサ１６の容量が９μＦの時の波形であり、電力供給手段の電圧の放電による電圧低下で水晶発振回路の発振確立に十分な電圧が供給されず、ツェナーダイオードが電圧確立しないため波形の谷間で離散的に発振が停止する。

尚、電力供給手段４の電圧のピーク電圧は商用電源の実効値電圧をＶｐとするとその√２倍になる。その分発振高周波エネルギー密度が低下するため。同一高周波出力をえるためにはアンプ群のトータルゲインをもう少しあげて出力を増加させる必要がある。

こうすることによって、エキサイター８に印加される電圧は全波整流平滑された電圧が電力供給手段４に供給されるため、安定した電圧をつくるため複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の回路図を示すものである。商用電源1を全波整流器２で全波整流し正弦波を全波整流した電圧を電力供給手段４に出力する。電圧は、ファーストアンプ９、ミドルアンプ１０、ファイナルアンプ１１の電源に直接印加される。

一方、基準となる高周波信号は水晶等を用いて所望の周波数で極めて安定して発振する水晶回路１４を用いている。エキサイター８は前述した水晶回路１４で発生した数ｍＶ程度の電圧をプリアンプ１５で数Ｖの電圧に増幅している。但し水晶回路１４で直接数Ｖの電圧を発生させる場合もあり、このプリアンプ１５自体は本発明を限定するものではない。

しかしながら、このエキサイター８に印加する電圧は高周波出力の発生期間においては少なくともきっちりと安定した電圧を供給する必要があり高圧端子４から抵抗６とツェナーダイオード７（雑音防止用にコンデンサ１３を並列に追加）を直列に接続することによってツェナーダイオード７の安定化された電圧は定電圧端子５を通じてエキサイター８に印加され安定した高周波信号を発振する。

エキサイター８から出力された高周波マイクロ波信号はアンプ群（９〜１１）により増幅されマイクロ波高周波電力は最終段のアンテナ１２から外部に放射される。

ここで、全波整流波形を大きなコンデンサで平滑すると図４の(a)、（ｂ）図のような波形をえることができ、全期間でエキサイターは連続発振するが、本発明のように全波整流波形であれば図４の(ｄ)図及び（ｅ）図に示すように波形の谷間でツェナーダイオードが電圧確立せず離散的に発振が停止する。（ｄ）図においては点線で示された電圧以下では抵抗６を介してツェナーダイオード７を活性化させ所望の電圧を確立させるにたる電圧が供給されていない。したがって（ｅ）図に示すように谷間の電圧（点線以下の電圧）ではエキサイター８は発振しないため離散的な発振帯をもつ発振状態になる。

尚、電力供給手段４の電圧のピーク電圧は商用電源の実効値電圧をＶｐとするとその√２倍になる。その分発振高周波エネルギー密度が低下するため。同一高周波出力をえるためにはアンプ群のトータルゲインをもう少しあげて出力振幅を増加させる必要がある。

こうすることによって、エキサイター８に印加される電圧は全波整流された電圧が電力供給手段４に供給され、安定した電圧をつくるため複雑で高度な安定化技術を要する回路
を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の回路図を示すものである。商用電源1を整流ダイオード１７で半波平滑整流し正弦波を全波整流した電圧の１個とばしの電圧を平滑コンデンサ１８で平滑した電圧を電力供給手段４に出力する。電圧は、ファーストアンプ９、ミドルアンプ１０、ファイナルアンプ１１の電源に直接印加される。

一方、基準となる高周波信号は水晶等を用いて所望の周波数で極めて安定して発振する水晶回路１４を用いている。エキサイター８は前述した水晶回路１４で発生した数ｍＶ程度の電圧をプリアンプ１５で数Ｖの電圧に増幅している。但し水晶回路１４で直接数Ｖの電圧を発生させる場合もある。しかしながら、このエキサイター８に印加する電圧は高周波出力の発生期間においては少なくともきっちりと安定した電圧を供給する必要があり高圧端子４から抵抗６とツェナーダイオード７（雑音防止用にコンデンサ１３を並列に追加）を直列に接続することのよってツェナーダイオード７の安定化された電圧は定電圧端子５を通じてエキサイター８に印加され安定した高周波信号を発振する。

エキサイター８から出力された高周波マイクロ波信号はアンプ群（９〜１１）により増幅されマイクロ波高周波電力は最終段のアンテナ１２から外部に放射される。

ここで、全波整流波形を大きなコンデンサで平滑すると図６の(a)、（ｂ）図のような波形をえることができ、全期間でエキサイターは連続発振するが、本発明のように半波整流平滑した波形であれば６図の(ｄ)図及び（ｅ）図に示すように波形の谷間でツェナーダイオードが電圧確立せず離散的に発振が停止する。（ｄ）図においては点線で示された電圧以下では抵抗６を介してツェナーダイオード７を活性化させ所望の電圧を確立させるにたる電圧が供給されていない。したがって（ｅ）図に示すように谷間の電圧（点線以下の電圧）ではエキサイター８は発振しないため離散的な発振帯をもつ発振状態になる。

尚、電力供給手段４のピーク電圧は商用電源の実効値電圧をＶｐとするとその√２倍になる。その分発振高周波エネルギー密度が低下するため。同一高周波出力をえるためにはアンプ群のトータルゲインをさらに上げ、もう少し出力振幅を増加させる必要がある。

こうすることによって、エキサイター８に印加される電圧は半波整流平滑された電圧が電力供給手段４に供給されるため、安定した電圧をつくるため複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の第４の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の回路図を示すものである。商用電源1を整流ダイオード１７で半波整流し正弦波を全波整流した電圧の１個とばしの電圧を電力供給手段４に出力する。電圧は、ファーストアンプ９、ミドルアンプ１０、ファイナルアンプ１１の電源に直接印加される。

一方、基準となる高周波信号は水晶等を用いて所望の周波数で極めて安定して発振する水晶回路１４を用いている。エキサイター８は前述した水晶回路１４で発生した数ｍＶ程度の電圧をプリアンプ１５で数Ｖの電圧に増幅している。但し水晶回路１４で直接数Ｖの電圧を発生させる場合もある。しかしながら、このエキサイター８に印加する電圧は高周波出力の発生期間においては少なくともきっちりと安定した電圧を供給する必要があり高圧端子４から抵抗６とツェナーダイオード７（雑音防止用にコンデンサ１３を並列に追加
）を直列に接続することのよってツェナーダイオード７の安定化された電圧は定電圧端子５を通じてエキサイター８に印加され安定した高周波信号を発振する。

エキサイター８から出力された高周波マイクロ波信号はアンプ群（９〜１１）により増幅されマイクロ波高周波電力は最終段のアンテナ１２から外部に放射される。

ここで、全波整流波形を大きなコンデンサで平滑すると図８の(a)、（ｂ）図のような波形をえることができ、全期間でエキサイターは連続発振するが、本発明のように半波整流平滑した波形であれば８図の(ｄ)図及び（ｅ）図に示すように欠落した電圧波形部ではツェナーダイオードが電圧確立せず離散的に発振が停止する。（ｄ）図においては点線で示された電圧以下では抵抗６を介してツェナーダイオード７を活性化させ所望の電圧を確立させるにたる電圧が供給されていない。したがって（ｅ）図に示すように電圧欠落部（点線以下の電圧）ではエキサイター８は発振しないため離散的な発振帯をもつ発振状態になる。

尚、電力供給手段４のピーク電圧は商用電源の実効値電圧をＶｐとするとその√２倍になる。その分発振高周波エネルギー密度が低下するため。同一高周波出力をえるためにはアンプ群のトータルゲインをさらに上げ、もう少し出力振幅を増加させる必要がある。
こうすることによって、エキサイター８に印加される電圧は半波整流された電圧が電力供給手段４を介してエキサイター８に供給されるため、安定した電圧をつくるため複雑で高度な安定化技術を要する回路を要さず経済的でかつ実装容易な小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。したがって本発明全般にわたりツェナーダイオードを安定化手段に引用しているが一般的な安定化電源装置でも同様の効果がえられるため、ツェナーダイオードは本発明を限定するものではない。

また、実施の形態１〜３についてもいえることであるが、ツェナーダイオードの替わりに外部から信号を与えて出力が可変できるような安定化電源発生装置を用いればエキサイター８に印加される電圧は自在に変化させることができ高周波出力は自在に可変することができる。

また、実施の形態１〜３についてもいえることであるが、ファーストアンプ９、ミドルアンプ１０、ファイナルアンプ１１の耐圧を６００Ｖ以上にしておけば、日本の１００Ｖ〜英国の２４０Ｖまでグローバルにカバーできるマイクロ波発生デバイスを供給することができグローバルに標準のマイクロ波利用装置を供給することができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波利用装置は商用電源を全波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段の平滑もしくは整流された電力でエキサイターを駆動する安定化電源を形成するため複雑で高度な安定化技術を要さず経済的でかつ実装容易が小規模のマイクロ波利用装置を得ることができる。したがって、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に用いる加熱発生源を低コスト化しかつ収納スペースを大幅にコンパクト化することが可能となる。またそのコンパクト性からマイクロ波を発光体に照射して光源を得る照明等のマイクロ波応用装置に関してもよりリーズナブルなサイズで提供可能になる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波利用装置の回路図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波利用装置の波形図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波利用装置の回路図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波利用装置の波形図 本発明の実施の形態３におけるマイクロ波利用装置の回路図 本発明の実施の形態３におけるマイクロ波利用装置の波形図 本発明の実施の形態４におけるマイクロ波利用装置の回路図 本発明の実施の形態４におけるマイクロ波利用装置の波形図 従来のマイクロ波利用装置の電源部の回路図

符号の説明

４ 電力供給手段
８ エキサイター
９ ファーストアンプ
１０ ミドルアンプ
１１ ファイナルアンプ

Claims (6)

1. エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を全波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段を設け、前記電力供給手段は前記マイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、前記エキサイターに印加する電圧は前記電力供給手段を定電圧安定化させて駆動するマイクロ波利用装置。
2. エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を全波整流した電圧を発生させる電力供給手段を設け、前記電力供給手段は前記マイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、前記エキサイターに印加する電圧は前記電力供給手段を定電圧安定化させて駆動するマイクロ波利用装置。
3. エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を半波整流して平滑した電圧を発生させる電力供給手段を設け、前記電力供給手段は前記マイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、前記エキサイターに印加する電圧は前記電力供給手段を定電圧安定化させて駆動するマイクロ波利用装置。
4. エキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもつマイクロ波発生デバイスと、商用電源を半波整流した電圧を発生させる電力供給手段を設け、前記電力供給手段は前記マイクロ波発生デバイスの少なくとも１個以上のアンプに出力を直接印加させ、前記エキサイターに印加する電圧は前記電力供給手段を定電圧安定化させて駆動するマイクロ波利用装置。
5. マイクロ波発生デバイスはエキサイターとそれを増幅する少なくとも1個以上のアンプをもち、エキサイターに印加する電圧は自在に可変できるような構成とした請求項１〜４のいずれか1項に記載のマイクロ波利用装置。
6. マイクロ波発生デバイスの耐圧を６００Ｖ以上とする請求項１〜５のいずれか1項に記載のマイクロ波利用装置。
   

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