JP2008269794A - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置することで、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するマイクロ波発処理装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波発生部１０は発振部１１、２段構成の電力分配部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、初段増幅部１３ａ〜１３ｄ、主増幅部１５ａ〜１５ｄ、被加熱物を収納する加熱室１９、加熱室１９の各壁面に配置されマイクロ波発生部１０の４つの出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室１９内に放射供給する給電部２５ａ〜２５ｄを備え、それぞれの給電部の開口部２５１ａ〜２５１ｄの配置を平行状態あるいは直交状態に構成することで、開口部から放射されたマイクロ波の偏波面を平行あるいは直交状態にしマイクロ波エネルギを被加熱物に効率よく供給するとともに所望の加熱状態を実現させることができる。
【選択図】図１

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。

従来のこの種のマイクロ波処理装置は、加熱室を6面以上の多面体に形成し、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ものがある（たとえば特許文献１参照）。

そして、互いの放射アンテナを異なる面に配したことで互いの干渉を防止できるとしている。さらには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としている。

また、複数のマイクロ波発生部を加熱室壁面に分散配置し、これらの発生部のうち少なくとも二つの壁面に配した発生部を時分割動作させるものがある（たとえば特許文献２参照）。

そして、動作させるために選択したマイクロ波発生部を時分割動作させることで干渉による発生部の破壊を防止し同時動作させることができるとしている。また、直交関係にある壁面に配置した発生部は加熱室と発生部との結合を適当に選ぶことで互いに干渉しないように励振させることができ同時発振が可能であるとしている。

また位相器を備えたものとして、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ものがある（たとえば特許文献３参照）。

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出力の電力比を変化させたり、２出力間の位相を同相あるいは逆相にすることができるとしている。

また、この種のマイクロ波処理装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生部にマグネトロンと称される真空管を用いている。
特開昭５２−１９３２４２号公報 特開昭５３−５４４５号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報

しかしながら、前記従来の多面体の各面へ放射アンテナを配置する構成は、放射される方向は異なっているが、加熱室壁面での反射に伴う散乱およびその散乱したマイクロ波が壁面にぶつかってさらに散乱という繰返しにより広範囲の散乱になるので、他の放射アンテナから放射されたマイクロ波からの干渉を防止することは不可能である。

また、加熱室壁面に複数のマイクロ波発生部を配置させ、それらを時分割動作させるも
のにあっては、直交関係の壁面に配置した場合に同時発振が可能と開示しているが、どのような結合形態であれば、相互干渉を回避できるかの内容開示がなく、実現の可能性のみである。

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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、マイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置することで、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、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、前記電力分配部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の出力部とを有するマイクロ波発生部と、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に前記マイクロ波発生部のそれぞれの出力を供給する複数の給電部とを備え、前記複数の給電部は、前記加熱室の壁面に設けた開口部と前記開口部を加熱室壁面の外部から覆うとともに開口部を終端側とした導波部と前記導波部に前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を供給する供給部とから構成し、複数の給電部において前記加熱室を構成する対向壁面に配置した給電部の開口部を平行状態に配置した構成からなるものであり、それぞれの開口部から放射されるマイクロ波は開口部の平行状態の方向に垂直な方向に加熱室壁面をそれぞれ周回しながら伝搬するので、それぞれ開口部から放射されたマイクロ波の偏波面は略同一となりそれぞれのマイクロ波のエネルギを被加熱物に集中させることができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、マイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置しそれぞれの給電部からの放射方向を最適化することで、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、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、前記電力分配部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の出力部とを有するマイクロ波発生部と、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に前記マイクロ波発生部のそれぞれの出力を供給する複数の給電部とを備え、前記複数の給電部は、前記加熱室の壁面に設けた開口部と前記開口部を加熱室壁面の外部から覆うとともに開口部を終端側とした導波部と前記導波部に前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を供給する供給部とから構成し、複数の給電部において前記加熱室を構成する対向壁面に配置した給電部の開口部を平行状態に配置した構成からなるものであり、それぞれの開口部から放射されるマイクロ波は開口部の平行状態の方向に垂直な方向に加熱室壁面をそれぞれ周回しながら伝搬するので、それぞれ開口部から放射されたマイクロ波の偏波面は略平行となりそれぞれのマイクロ波のエネルギを被加熱物に集中させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の複数の給電部において、加熱室を構成する隣接した壁
面に配置される給電部の開口部を直交状態に配置した構成からなり、これにより隣接する給電部の開口部から放射されるマイクロ波の偏波面を直交状態にすることで互いの干渉を緩和し、それぞれの給電部から放射するマイクロ波のエネルギを効率よく被加熱物に供給させることができる。

第３の発明は、特に第１の発明の複数の給電部において、加熱室の側壁面に配置した給電部の開口部は、導波部への供給部よりも高い位置に配置した構成からなり、これにより開口部から放射されるマイクロ波の伝搬方向を上壁面側に偏らせることができ、被加熱物の量・形状などの影響によるそれぞれの開口部から放射されるマイクロ波の偏向面の乱れを緩和し、マイクロ波エネルギをより効率よく被加熱物に供給させることができる。

第４の発明は、特に第１の発明の複数の給電部において、加熱室の側壁面に配置した給電部の開口部は、それぞれの側壁面の略中央に配置した構成からなり、これにより被加熱物の嵩高さの影響によるそれぞれの開口部から放射されるマイクロ波の偏向面の乱れを緩和し、マイクロ波エネルギをより効率よく被加熱物に供給させることができる。

第５の発明は、特に第１の発明の電力分配部の出力を増幅部に伝送する複数の伝送路の少なくとも１つに位相可変部を配置したものであり、位相可変部を制御して対象の給電部から放射されるマイクロ波の位相を時間的に変化させることにより他の給電部から出力されるマイクロ波との位相差を時間的に変化させ加熱室内のマイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

第６の発明は、特に第５の発明の複数の給電部において、対向した壁面に配置した一対の給電部の間のマイクロ波の位相差を可変することとしたものであり、位相差を可変させることで、被加熱物の特定部分の加熱を促進させて被加熱物全体を所望の状態に加熱することができる。

第７の発明は、特に第５の発明の複数の給電部において、近接した壁面に配置した一対の給電部の間のマイクロ波の位相差を可変することとしたものであり、位相差を可変させることで、被加熱物のより特定した部分の加熱を促進させることができる。

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１０は半導体素子を用いて構成した発振部１１、発振部１１の出力を４分配する２段構成からなる３つの電力分配部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、分配部１２ｂ、１２ｃのそれぞれの出力を後段の半導体素子を用いて構成した初段増幅部１３ａ〜１３ｄに導くマイクロ波伝送路１４ａ〜１４ｄ、初段増幅部１３ａ〜１３ｄのそれぞれの出力をさらに増幅する半導体素子を用いて構成した主増幅部１５ａ〜１５ｄ、主増幅部１５ａ〜１５ｄの出力をマイクロ波発生部１０の出力部１６ａ〜１６ｄに導くマイクロ波伝送路１７ａ〜１７ｄ、マイクロ波伝送路１７ａ〜１７ｄに挿入した電力検知部１８ａ〜１８ｄ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１９を有し、加熱室１９は金属材料からなる左壁面２０、右壁面２１、底壁面２２、上壁面２３、奥壁面２４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）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、
マイクロ波発生部１０の４つの出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室１９内に放射供給する給電部２５ａ〜２５ｄが加熱室１９を構成する各壁面に配置されている。対向構成の左壁面２０と右壁面２１の略中央にはそれぞれ給電部２５ｃと２５ｄ、上壁面２３と底壁面２２の略中央にはそれぞれ給電部２５ａと２５ｂを対向して配置している。

そして、各給電部２５ａ〜２５ｄは、加熱室壁面に設けた開口部２５１ａ〜２５１ｄ、開口部２５１ａ〜２５１ｄを加熱室壁面の外部から覆うとともにそれぞれの開口部２５１ａ〜２５１ｄを終端側に配置した導波部２５２ａ〜２５２ｄ、それぞれの導波部２５２ａ〜２５２ｄにマイクロ波発生部１０の各出力を供給する供給部２５３ａ〜２５３ｄでもって構成している。開口部２５１ａ〜２５１ｄは、略矩形形状とし、対向配置の開口部２５１ａと２５１ｂ、および開口部２５１ｃと２５１ｄは、それぞれ略矩形形状の開口の長手開口方向を平行状態に配置している。また、開口部２５１ａを配する上壁面２３に直交して隣接する左右壁面に配置した開口部２５１ｃおよび２５１ｄは、開口の長手方向が直交状態に配置している。さらには、左右壁面２０、２１に配設した給電部２５ｃ、２５ｄは、開口部２５１ｃ、２５１ｄがそれぞれの給電部の供給部２５３ｃ、２５３ｄに対して高さ方向に高い位置に配置している。なお、構成要素として加熱室１９内へのマイクロ波の伝送効率を高めるために導波部２５２ａ〜２５２ｄの内部にインピーダンス整合素子を付帯させる場合もある。

初段増幅部１３ａ〜１３ｄおよび主増幅部１５ａ〜１５ｄは、低誘電損失材料から構成した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にそれぞれ整合回路を配している。

マイクロ波伝送路１４ａ〜１４ｄ、１７ａ〜１７ｄは、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。

電力分配部１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それぞれ同一構造の３ｄＢブランチラインカプラー構成とし、電力分配部１２ａを代表してその構成を説明する。電力分配部１２ａの各端子を１２１〜１２４とすると、端子１２１と端子１２２の間および端子１２３と端子１２４の間には特性インピーダンスが略５０Ωでその電気長がλ/4（λは使用周波数帯の中央周波数の実効波長）からなるマイクロストリップ線路を配置し、端子１２１と端子１２３の間および端子１２２と端子１２４の間には特性インピーダンスが略３５．３５Ωで電気長λ/4のマイクロストリップ線路を配置し、さらに端子１２３には抵抗値が５０Ωの電力終端器１２５を接続配置した構成からなる。この構成により、端子１２１に入力したマイクロ波信号は、端子１２２および端子１２４に２分配されて出力される。また、このとき端子１２２と端子１２４とから出力される信号は、端子１２２の出力信号の位相を基準にすると端子１２４から出力される信号は位相が９０度遅れる。

この電力分配部を２段接続した構成により、発振部１１の出力電力は、略１／４ずつ分配され、後続の初段増幅部１３ａ〜１３ｄに出力される。また、マイクロ波伝送路１４ｂを伝送するマイクロ波信号を基準にするとマイクロ波伝送路１４ａおよび１４ｃを伝送するマイクロ波信号は、位相が９０度遅れた信号として伝送され、マイクロ波伝送路１４ｄを伝送するマイクロ波信号は、位相が１８０度遅れた信号として伝送される。

また、マイクロ波伝送路１４ａと１４ｃにはそれぞれ位相可変部２６ａ、２６ｂを挿入している。この位相可変部２６ａ、２６ｂ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、位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。

また、電力検知部１８ａ〜１８ｄは、加熱室１９側からマイクロ波発生部１０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２７に入力させている。

制御部２７は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件（矢印２８）あるいは加熱中に被加熱物の加熱状態から得られる加熱情報（矢印２８）と電力検知部１８ａ〜１８ｄからの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部１０の構成要素である発振部１１と初段増幅部１３ａ〜１３ｄと主増幅部１５ａ〜１５ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御や位相可変部２６ａ、２６ｂに供給する電圧を制御し、加熱室１９内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部１０には半導体素子の発熱を放熱させる放熱手段（図示していない）を配する。なお、加熱室１９の底壁面２２に設けた給電部２５ｂを覆うとともに被加熱物を収納載置する低誘電損失材料からなる載置皿２９を配する。

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。

まず被加熱物を加熱室１９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、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部２７の制御出力信号によりマイクロ波発生部１０が動作を開始する。制御手段２７は、駆動電源（図示していない）を動作させて発振部１１に電力を供給する。この時、発振部１１の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。

発振部１１を動作させると、その出力は電力分配部１２ａにて略１／２分配され、後続の電力分配器１２ｂ、１２ｃにてさらに略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初段増幅部を動作させ、次に主増幅部を動作させる。

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１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ、電力検知部１８ａ〜１８ｄを経て出力部１６ａ〜１６ｄにそれぞれ出力される。そして、それぞれの出力は給電部２５ａ〜２５ｄに伝送され加熱室１９内に放射される。このとき、給電部２５ｂから放射されるマイクロ波信号の位相を基準にすると、給電部２５ａおよび給電部２５ｃのマイクロ波信号は、略９０度遅れた信号となり、給電部２５ｄのマイクロ波信号は略１８０度遅れた信号となる。すなわち、隣接した給電部の間の位相差が略９０度となるようにマイクロ波発生部１０の出力をそれぞれの給電部に供給するように配置している。このときの各主増幅部はそれぞれ１００Ｗ未満、たとえば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室１９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１９からの反射電力は無しになるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１９の電気的特性を決定し、マイクロ波発生部１０の出力インピーダンスと加熱室１９のインピーダンスとに基づいて、加熱室１９側からマイクロ波発生部１０側に伝送する反射電力が生じる。

電力結合器１８ａ〜１８ｄは、マイクロ波発生部１０側に伝送する反射電力と結合し、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２７は、反射電力が極小値となる発振周波数の選択を行う。この周波数選択に対して、制御部２７は、発振部の発振周波数を初期の２４５０ＭＨｚから０．１ＭＨｚピッチ（たとえば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）で低い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の下限である２４
００ＭＨｚに到達すると１ＭＨｚピッチで周波数を高く変化させ、２４５０ＭＨｚに到達すると再び０．１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚまで高くする。この周波数可変の中で得られた反射電力が極小となる周波数とその周波数における反射電力に相当する信号を記憶する。そして、反射電力が極小をとる周波数群において反射電力に相当する信号が最も小さい周波数を選定し、発振部をその選定した周波数が発振するように制御するとともに発振出力を入力された加熱条件に対応した出力が得られるように制御する。これにより、各主増幅部はそれぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。

そして、それぞれの出力は給電部２５ａ〜２５ｄに伝送され加熱室１９内に放射される。このとき、給電部２５ｂから放射されるマイクロ波信号の位相を基準にすると、給電部２５ａおよび給電部２５ｃのマイクロ波信号は、略９０度遅れた信号となり、給電部２５ｄのマイクロ波信号は略１８０度遅れた信号となる。すなわち、隣接した給電部の間の位相差が略９０度となるようにマイクロ波発生部１０の出力をそれぞれの給電部に供給するように配置している。

また、略９０度の倍数の位相差を形成に対して電力分配部に９０度ハイブリッド分配器を用いることで、コンパクト形状で安定な等分配が実行でき、かつその電力分配部を複数段接続することで４分配や８分配を形成しても分配出力間の位相差は略９０度が安定に形成できる。

また、マイクロ波伝送路１４ａおよび１４ｃにそれぞれ挿入した位相可変部２６ａ、２６ｂに印加する電圧を制御することで、対向および／または近接した給電部である２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのそれぞれの位相差を同相にしたり逆相（１８０度差）にすることで、加熱室１９内のマイクロ波の伝搬状態を時間的に変化させ、被加熱物の局所加熱の解消をし、加熱の均一化を促進することができる。

なお、本実施の形態においては、位相可変部は２つだけ挿入したが、最大ですべてのマイクロ波伝送路１４ａ〜１４ｄに挿入し、それぞれを個別にかつ時間的に制御することで、複数の給電部から放射されるマイクロ波の位相の組合せを変化させることでさらに均一加熱を促進させることができる。また、電力検知部１８ａ〜１８ｄの検知信号に基づいて、反射電力量が少なくなるように位相可変部への印加電圧を制御することで、加熱の効率を高くでき短時間加熱を図ることもできる。電力検知部が検知する反射電力量が所定の最大許容反射電力量を超える場合には、制御部２７は発振出力を低下させるように発振部１１あるいは増幅部１３ａ〜１３ｄおよび１５ａ〜１５ｄへの供給電力を低減させて、各半導体素子の熱破壊を回避させる。

そして、複数の給電部配置において少なくとも２つの給電部は、加熱室を構成する隣接した壁面（左壁面２０と底壁面２２、あるいは右壁面２１と底壁面２２の関係）に配置したことにより被加熱物に異なる２方向から直接的にマイクロ波を放射させることで厚みのある被加熱物などの加熱を促進できる。

また、複数の給電部配置において対向する壁面に設けた給電部のそれぞれの開口部から放射されるマイクロ波は開口部の平行状態の方向に垂直な方向に加熱室壁面をそれぞれ周回しながら伝搬するので、それぞれ開口部から放射されたマイクロ波の偏波面は略平行となりそれぞれのマイクロ波のエネルギを被加熱物に集中させることができる。

また、複数の給電部において、加熱室を構成する隣接した壁面に配置される給電部の開口部を直交状態に配置した構成からなり、これにより隣接する給電部の開口部から放射されるマイクロ波の偏波面を直交状態にすることで互いの干渉を緩和し、それぞれの給電部
から放射するマイクロ波のエネルギを効率よく被加熱物に供給させることができる。

さらに、加熱室の側壁面である左壁面２０と右壁面２１にそれぞれ配置した給電部の開口部は、導波部への供給部よりも高い位置に配置した構成からなり、これにより開口部から放射されるマイクロ波の伝搬方向を上壁面側に偏らせることができ、被加熱物の量・形状などの影響によるそれぞれの開口部から放射されるマイクロ波の偏向面の乱れを緩和し、マイクロ波エネルギをより効率よく被加熱物に供給させることができる。

また、加熱室の側壁面である左壁面２０と右壁面２１にそれぞれに配置した給電部の開口部は、それぞれの側壁面の略中央に配置した構成からなり、これにより被加熱物の嵩高さの影響によるそれぞれの開口部から放射されるマイクロ波の偏向面の乱れを緩和し、マイクロ波エネルギをより効率よく被加熱物に供給させることができる。

さらに、電力分配部の出力を増幅部に伝送する複数の伝送路の少なくとも１つに位相可変部を配置したことにより、位相可変部を制御して対象の給電部から放射されるマイクロ波の位相を時間的に変化させることにより他の給電部から出力されるマイクロ波との位相差を時間的に変化させ加熱室内のマイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２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２において、実施の形態１と同一部材あるいは同一機能部材は同一番号にて示すとともに説明は省略する。第２の実施の形態が実施の形態１と相違する点は、増幅部選択手段３０を用いた点である。

すなわち図２において、マイクロ波発生部３１は半導体素子を用いて構成した発振部１１、発振部１１の出力を２分配する電力分配部１２ａ、電力分配部１２ａのそれぞれの出力を後続の増幅部選択手段３０ａ、３０ｂに導くマイクロ波伝送路３２ａ、３２ｂ、増幅部選択手段３０ａ、３０ｂのそれぞれの切換端子３０１ａ〜３０１ｄと半導体素子を用いて構成した初段増幅部１３ａ〜１３ｄの入力端とを接続したマイクロ波伝送路３３ａ〜３３ｄ、初段増幅部１３ａ〜１３ｄのそれぞれの出力をさらに増幅する半導体素子を用いて構成した主増幅部１５ａ〜１５ｄ、主増幅部１５ａ〜１５ｄの出力をマイクロ波発生部３１の出力部１６ａ〜１６ｄに導くマイクロ波伝送路１７ａ〜１７ｄ、マイクロ波伝送路１７ａ〜１７ｄに挿入した電力検知部１８ａ〜１８ｄとで構成している。

また、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室１９を有し、加熱室１９は金属材料からなる左壁面２０、右壁面２１、底壁面２２、上壁面２３、奥壁面２４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）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、マイクロ波発生部３１の４つの出力部にそれぞれ接続された給電部２５ａ〜２５ｄが加熱室１９を構成する各壁面に配置されている。対向構成の左壁面２０と右壁面２１の略中央にはそれぞれ給電部２５ｃと２５ｄ、上壁面２３と底壁面２２の略中央にはそれぞれ給電部２５ａと２５ｂを配置している。そして、増幅部切換手段３０ａによって給電部２５ａと給電部２５ｄとが切換選択される。また、増幅部切換手段３０ｂによって給電部２５ｂと給電部２５ｃとが切換選択される。

発振部１１の出力電力は、電力分配部１２ａにより略１／２ずつ分配され、マイクロ波伝送路３２ａ、３２ｂを伝送して後続の増幅部選択手段３０ａ、３０ｂに入力する。増幅部選択手段３０ａ、３０ｂは、後続される増幅部１３ａ〜１３ｄ（および１５ａ〜１５ｄ
）の中でマイクロ波を伝送する増幅部を選択するものである。そして、増幅部選択手段３０ａ、３０ｂを動作制御することによりマイクロ波信号が伝送するマイクロ波伝送路３３ａ〜３３ｄがそれぞれ選択され、選択されたマイクロ波伝送路に接続した増幅部に駆動電力を供給することでマイクロ波信号は増幅され、増幅したマイクロ波電力信号が選択された増幅部に接続した給電部から加熱室１９内に放射供給される。

このとき、マイクロ波伝送路３２ａを伝送するマイクロ波信号を基準にするとマイクロ波伝送路３２ｂを伝送するマイクロ波信号は、位相が９０度遅れた信号として伝送される。そして最終的に加熱室１９内に放射されるマイクロ波は、給電部２５ａまたは給電部２５ｂから放射されるマイクロ波の位相を基準にすると給電部２５ｃまたは給電部２５ｄから放射されるマイクロ波の位相が略９０度遅れた信号となって放射される。

また、マイクロ波伝送路３２ａには位相可変部２６を挿入している。この位相可変部２６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、位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。

以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作と作用を説明する。

被加熱物の加熱開始時の発振周波数の選択に係る諸動作は、実施の形態１と同様であり、その動作説明は省略する。

被加熱物を加熱室１９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、加熱開始キーを押すことで、加熱条件や加熱開始信号（図２の３４）を受けた制御部２７の制御出力信号によりマイクロ波発生部３１が動作を開始する。制御部２７は、入力された加熱条件に基づいて増幅部選択手段３０ａ、３０ｂを制御し、加熱開始時に動作させる増幅部を決定する。その後、発振部１１に駆動電力を供給し、所望の発振周波数のマイクロ波を発振させる。以降、増幅部選択手段３０ａ、３０ｂが選択した増幅部の初段増幅部を動作させ、次に主増幅部を動作させる。

これにより、各主増幅部はそれぞれ２００Ｗから５００Ｗのマイクロ波電力を位相差９０度でもって出力する。そして選択された増幅部に接続された給電部から被加熱物が収納された加熱室１９内にマイクロ波が供給放射される。たとえば、加熱初期に選択されマイクロ波を放射する給電部が右壁面２１に配置した給電部２５ｄと底壁面２２に配置した給電部２５ｂとした場合、これらの給電部から放射されるマイクロ波の位相差は略９０度（たとえば給電部２５ｂの信号を基準にすると給電部２５ｄの信号が略９０度遅れた状態）であり、加熱室１９の略中央部から右壁面２１側にマイクロ波の電界集中領域が形成される。加熱室１９に形成された電界集中領域により、被加熱物が加熱室１９の略中央に収納された場合には、被加熱物の略中央から右寄りが強く加熱される。

そして制御部２７は、被加熱物の加熱の均一化を図るために、適当な時間周期あるいは被加熱物の温度分布情報に基づいて、動作させる増幅部を切り替える制御信号をマイクロ波発生部３１に出力する。この制御信号により、切り替え対象の増幅部への駆動電力を停止し増幅部選択手段を作動させて動作させる増幅部の切り替えをする。切り替えが終わると対象の増幅部に電力を供給してその増幅部を動作させる。

この一連の動作をたとえば、給電部２５ｄを給電部２５ｃに切り替える場合に当てはめて説明する。給電部２５ｄを給電部２５ｃへの切り替えは、被加熱物の略中央から左寄りの加熱を促進する目的で実施する。

そして、たとえば被加熱物の温度分布情報としての被加熱物の表面温度分布において、被加熱物の略中央から左寄りの領域における表面温度の最低温度が右寄りの領域における最高表面温度に比べて１０℃以上の差に達した場合に切り替え指令を制御部２７が出力する。

この切り替え指令に基づいて、初段増幅部１３ｄおよび主増幅部１５ｄに供給している駆動電力を停止する。そして、増幅部選択手段３０ｂを制御し、コモン端子を端子３０１ｃと接続する。その後、初段増幅部１３ｃおよび主増幅部１５ｃに順次駆動電力を供給する。この一連の制御動作により給電部２５ｃからマイクロ波が加熱室１９内に供給される。

左壁面２０の給電部２５ｃおよび底壁面２２の給電部２５ｂの両者からのマイクロ波供給により、被加熱物は、その略中央より左寄りの領域が強く加熱され始める。

この状態を継続する中で、被加熱物の略中央より左寄りの領域の加熱に伴う表面温度上昇が芳しくない場合には、底壁面２２に配置した給電部２５ｂからのマイクロ波給電を給電部２５ａからのマイクロ波給電に切り替える。

この切り替え制御は、制御対象となる増幅部および増幅部選択手段が異なるが上述した給電部２５ｄから給電部２５ｃへの切り替え制御内容に準じるものである。

以上の一連の切り替え制御は、被加熱物の表面温度分布情報に基づいて、加熱中に適宜実施するものである。

また、マイクロ波伝送路３２ａに挿入した位相可変部２６に印加する電圧を制御することで、動作中の２つの給電部から放射されるマイクロ波の位相差を同相にしたり逆相（１８０度差）にすることで、加熱室１９内のマイクロ波の伝搬状態を時間的に変化させ、被加熱物の局所加熱の解消をし、加熱の均一化をさらに促進することができる。

そして、被加熱物の表面温度検出手段の検知信号や手動入力された加熱時間情報に基づいて、加熱が終了制御される。

以上に説明した実施の形態２によれば、増幅部選択手段を制御して加熱室内にマイクロ波を供給する位置を選択することで、被加熱物の特定部分の加熱を促進させたり、またマイクロ波を供給する位置を時間的に選択切換することで被加熱物全体を所望の状態に加熱することができる。

また、電力分配部の出力と増幅部選択手段との間に位相可変部を配置することで、位相可変部を制御して対象の給電部から放射されるマイクロ波の位相を時間的に変化させることにより他の給電部から出力されるマイクロ波との位相差を時間的に変化させ加熱室内のマイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

また、複数の給電部配置において、加熱室を構成する対向した壁面に配置した一対の給電部に対応する増幅部のいずれか一方を増幅部選択手段が選択する構成としたことにより、被加熱物の種類・大きさ・量に応じて対向配置の給電部のいずれか一方からマイクロ波を放射することで給電部に近い側の被加熱物領域を強く加熱することができる。これを利用して、受熱効率の異なる異種の被加熱物を同時に均一に昇温させることが可能にできる。対向壁面として、加熱室の左右壁面あるいは上下壁面が実用価値が大きい。

さらに、複数の給電部配置において、加熱室を構成する同一壁面に配置した一対の給電
部に対応する増幅部のいずれか一方を増幅部選択手段が選択する構成としたことにより、被加熱物の種類・大きさ・量に応じて対向配置の給電部のいずれか一方からマイクロ波を放射することで給電部に近い側の被加熱物領域を強く加熱することができる。これを利用して、受熱効率の異なる異種の被加熱物を同時に均一に昇温させることが可能にできる。同一壁面として、加熱室の底壁面が実用価値が大きい。

さらにまた、複数の給電部配置において、同一壁面に配置した一対の給電部と、対向した壁面に配置した一対の給電部とを有し、同一壁面への配置は対向した壁面の対向方向としたことにより、対向配置の給電部と同一壁面配置の給電部との放射方向は直交する方向となり、対向配置の給電部のひとつからのマイクロ波放射を継続しながら、同一壁面配置の給電部のマイクロ波放射を時間的に選択切換することで被加熱物の加熱の均一化を促進できる。特に加熱室形状が横長の直方体構造のものに適用することで実用価値を高くできる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置はマイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置しそれぞれの給電部からの放射方向を最適化するとともに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位相差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構成図

符号の説明

１０、３１ マイクロ波発生部
１１ 発振部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 電力分配部
１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ 増幅部
１６ａ〜１６ｄ 複数の出力部
１９ 加熱室
２０ 左壁面（対向した壁面のひとつ）
２１ 右壁面（対向した壁面のひとつ）
２２ 底壁面（他の対向した壁面のひとつ）
２３ 上壁面（他の対向した壁面のひとつ）
２５ａ〜２５ｄ 給電部
２５１ａ〜２５１ｄ 開口部
２５２ａ〜２５２ｄ 導波部
２５３ａ〜２５３ｄ 供給部
２６、２６ａ、２６ｂ 位相可変部

Claims (7)

1. 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、前記電力分配部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の出力部とを有するマイクロ波発生部と、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に前記マイクロ波発生部のそれぞれの出力を供給する複数の給電部とを備え、前記複数の給電部は、前記加熱室の壁面に設けた開口部と前記開口部を加熱室壁面の外部から覆うとともに開口部を終端側とした導波部と前記導波部に前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を供給する供給部とから構成し、複数の給電部において前記加熱室を構成する対向壁面に配置した給電部の開口部を平行状態に配置した構成からなるマイクロ波処理装置。
2. 複数の給電部において、加熱室を構成する隣接した壁面に配置される給電部の開口部を直交状態に配置した請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 複数の給電部において、加熱室の側壁面に配置した給電部の開口部は、導波部への供給部よりも高い位置に配置した請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. 複数の給電部において、加熱室の側壁面に配置した給電部の開口部は、それぞれの側壁面の略中央に配置した請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
5. 電力分配部の出力を増幅部に伝送する複数の伝送路の少なくとも１つに位相可変部を配置した請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
6. 複数の給電部において、対向した壁面に配置した一対の給電部の間のマイクロ波の位相差を可変することとした請求項５に記載のマイクロ波処理装置。
7. 複数の給電部において、近接した壁面に配置した一対の給電部の間のマイクロ波の位相差を可変することとした請求項５に記載のマイクロ波処理装置。

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