JP2010192359A - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極端に反射電力が大きくなる給電部が無い様に反射電力が小さくなる動作周波数条件を選択すること。
【解決手段】発振部２、電力増幅部４１〜４４、被加熱物９を収納する加熱室８、加熱室８の壁面に配置されマイクロ波発生部１の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室８内に放射供給する給電部５１〜５４、給電部５１〜５４から電力増幅部４１〜４４に反射される電力を検出する電力検出部６１〜６４を備え、加熱動作前の最低反射電力条件探索動作において、反射電力最小の条件は、それぞれの電力検出部６１〜６４の検出する反射電力の総和平均としている。
【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処理装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１の高周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。
特開昭５６−０９６４８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、加熱室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からの反射電力は０Ｗになるが、実際には、被加熱物の種類・形状・量・載置位置が被加熱物を含む加熱室の電気的特性を決定し、マイクロ波発生部の出力インピーダンスと加熱室のインピーダンスとの比に応じて、加熱室側からマイクロ波発生部側に伝送する反射電力が生じる。この電気的特性はマイクロ波の周波数によっても変化し、最も効率よくマイクロ波を吸収させることのできる周波数は、載置された被加熱物によって変化する。このため、加熱効率を向上させるためには、最も適した周波数で加熱動作することが求められる。

また、半導体素子は放熱部材が接触した状態で用いられるため、反射電力により半導体素子が発熱した場合、放熱部材により放熱が行われる。

また、特に複数の給電部からマイクロ波を照射する場合、それぞれの給電部と被加熱物との位置関係が異なるため、周波数掃引時における反射電力の特性は、各々異なった特性を示す。このため、加熱効率を向上させるためには、各々の給電部における反射電力の特性から、加熱効率を改善できる条件の選択が必要となる。

本発明の目的は、反射電力によるマイクロ波発生装置の破損を防止し、高い加熱効率を実現できるマイクロ波処理装置を提供することである。

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する電力分配部と、前記電力分配部の出力を各々電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の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、前記複数の給電部から前記複数の電力増幅部に反射する電力および前記複数の電力増幅部から前記複数の給電部に供給される入射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記複数の電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御
部は加熱動作開始前に前記複数の電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成としたものである。

これによって、加熱動作前の周波数掃引動作によって最小反射電力の動作条件を選択し、加熱動作へ移行するので、過大な反射電力によるマイクロ波発生部の破損を防止できると共に高い加熱効率を実現することができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、過大な反射電力によるマイクロ波発生部の破損を防止できると共に高い加熱効率を実現することができる。

第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、前記電力分配部の出力を各々電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の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、前記複数の給電部から前記複数の電力増幅部に反射する電力および前記複数の電力増幅部から前記複数の給電部に供給される入射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記複数の電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記複数の電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成とすることにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の平均値が最小となる条件とする構成することにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の最大値の包絡線が最小値となる条件を選択する構成とすることにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の平均値との差および平均値双方がもっとも小さくなる条件とすることにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第５の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によっ
て検出される反射電力を入射電力で除した値の総和平均値が最小となる条件とすることにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第６の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によって検出される反射電力を入射電力で除した値の最大値の包絡線が最小値となる条件を選択する構成とすることにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第７の発明は、特に第１の発明の反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によって検出される反射電力を入射電力で除した値の平均値との差および平均値双方がもっとも小さくなる条件とすることにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第８の発明は、特に第２から第７の発明の反射電力が最小となる条件において、加熱動作時に所定値以上の反射電力が検出された電力増幅部はその出力を低減するよう制御する構成とした請求項２から７に記載のマイクロ波処理装置構成とすることにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第９の発明は、特に第２から第７の発明の電力増幅部を構成する半導体素子の近傍に温度検出部を設け、前記温度検出部によって検出される温度が所定値以上となると電力増幅部はその出力を低減するよう制御する構成とすることにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作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１は半導体素子を用いて構成した発振部２、発振部２の出力を複数に分配する電力分配部３、電力分配部３の複数の出力をそれぞれ増幅する半導体素子を用いて構成した電力増幅部４１〜４４と、複数の電力増幅部４１〜４４によって増幅されたマイクロ波出力を加熱室８内に放射する複数の給電部５１〜５４と、複数の電力増幅部４１〜４４と複数の給電部５１〜５４を接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部５１〜５４から電力増幅部４１〜４４へ各々反射する電力および電力増幅部４１〜４４から給電部５１〜５４へ各々供給される入射電力を検出する電力検出部６１〜６４と、電力検出部６１〜６４によって検出された入射電力および反射電力によってマイクロ波処理装置を制御する制御部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左壁面、右壁面、底壁面、上壁面、奥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１の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室８内に放射供給する給電部５１〜５４が、加熱室８を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では、給電部５１〜５４は加熱室８の底面に配置した図を示しているが、この給電部５１〜５４の配置は本実施の形態に拘束されるものではなく、加熱室８を構成するいずれかの壁面に配置してもかまわない。

電力増幅部４１〜４４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、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。

各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、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。

また、電力検出部６１〜６４は、加熱室８側から電力増幅部４１〜４４側に伝送するいわゆる反射波の電力、および電力増幅部４１〜４４側から加熱室８側に伝送するいわゆる入射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、反射電力および入射電力の約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加熱中に被加熱物９の加熱状態から得られる加熱情報と電力検出部６１〜６４よりの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部１の構成要素である発振部２と電力増幅部４１〜４４のそれぞれに供給する駆動電力を制御し、加熱室８内に収納された被加熱物９を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部１には主に電力増幅部４１〜４４に備えた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。

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、加熱開始キーを押す。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１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２に電力を供給する。この時、発振部２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２を動作させると、以降、駆動電源を制御して電力増幅部４１〜４４を動作させる。

そしてマイクロ波電力信号は、電力分配部３、電力増幅部４１〜４４、電力検出部６１〜６４を経て給電部５１〜５４に出力され、加熱室８内に放射される。このときの電力増幅部４１〜４４の出力電力は、それぞれ１００Ｗ未満、例えば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室８内に供給されるマイクロ波電力が、被加熱物９に１００％吸収されると、加熱
室８からの反射電力は０Ｗになる。しかし多くの場合、加熱室８側から給電部５１〜５４側に伝送する反射電力が生じる。これは、被加熱物９の種類・形状・量・載置位置により決定される、被加熱物９を含む加熱室８の電気的特性、すなわち給電部５１〜５４の出力インピーダンスと加熱室８のインピーダンスとに基づくものである。

電力検出部６１〜６４は、マイクロ波発生部１側に伝送す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７は、反射電力が極小値となる発振周波数の選択を行う。この周波数の選択において、制御部７は、発振部２の発振周波数を初期の２４００ＭＨｚから、例えば１ＭＨｚピッチで高い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達させる。この操作を行うことで、制御部７は、発振部２の発振周波数に対する反射電力の配列を得ることができる。

図２は、それぞれの電力検出部６１〜６４が検出した反射電力の周波数特性図をグラフ化した一例を示す図である。制御部７は、この反射電力が最も小さくなる発振部２の発振周波数の条件（動作周波数は図中のｆ＿ｏｐｔ）で制御するとともに、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、電力増幅部４１〜４４は所定のマイクロ波電力を出力する。そして、その出力は給電部５１〜５４に伝送され加熱室８内に放射される。

しかしながら、給電部５１〜５４はそれぞれ異なった位置に配置されているため、被加熱物９と給電部５１〜５４のそれぞれの位置関係が異なるため、先に述べた周波数掃引動作によって得られる反射電力の情報は、それぞれの給電部５１〜５４ごとに異なった特性を示す。このため、マイクロ波発生部１としての反射電力の最小値は、それぞれの電力検出部６１〜６４で検出される反射電力の総和平均とする方法で、求めることができる。

このように反射電力が最小である条件を総和平均で求めることによって、それぞれの電力増幅部４１〜４４が、所定の電力を出力する加熱動作時における反射電力を小さくして加熱動作することができるため、効率的に被加熱物にマイクロ波のエネルギーを吸収させることができ、加熱時間を短縮することができるようになる。

また、制御部７は、加熱動作中の反射電力の変化も、時々刻々計測している。このため、反射電力が被加熱物の温度上昇によって変化して所定の閾値を超えると、その系統の電力増幅部を制御して、そのマイクロ波出力を減ずる。このように制御することによって、電力増幅部での過剰な温度上昇を防ぐことができるので、マイクロ波発生部１の損傷を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、反射電力値の総和平均の最小値を示す周波数を、反射電力が最小となる動作条件として選択する例を説明したが、電力検出部ではそれぞれの入射電力も検出しているので、反射電力／入射電力を演算し、この値の総和平均値の最小値を動作条件として選択する方法をとってもよい。このようにすることで、電力増幅部が出力する入射電力がばらついた場合でも、その影響を排して反射電力が最小となる条件を選択することができる。

（実施の形態２）
図３は、前述の実施の形態１において述べた、周波数掃引動作時の各々の電力検出部５１〜５４が検出する反射電力とその最大値の包絡線を示す図である。最大値の包絡線は図中破線にて示したようにそれぞれの電力検出部によって検出される反射電力の最大値を結ぶ特性を示す。したがって、例えば３つの電力検出部（例えば電力検出部６１〜６３）が低い反射電力値を示し、残りのひとつ（例えば電力検出部６４）が、極端に反射電力が大
きい状態を示していると、最大の反射電力を検出している電力検出部６４の検出値を特性値として選択する。

このように測定する各周波数に対して、反射電力最大値をその計測値として選択するようにすると、反射電力が低い条件を選択する際に、いずれか１つだけが極端に反射電力が大きいという条件を排除することができる。このように動作条件を選択することによって、極端な反射電力の偏りをなくして動作条件を設定できるので、加熱動作時に極端に反射電力が高い給電部を選ぶことなく動作させることができ、結果としてマイクロ波発生部の総出力を高く維持することができるので加熱効率を改善することができる。

なお、本実施の形態では反射電力値の最大値の包絡線が最小値を示す周波数を反射電力が最小となる動作条件として選択する例を説明したが、電力検出部ではそれぞれの入射電力も検出しているので反射電力／入射電力を演算し、この値最大値の包絡線が最小値を示す周波数を動作条件として選択する方法をとってもよい。このようにすることで、電力増幅部が出力する入射電力がばらついた場合でもその影響を排して反射電力が最小となる条件を選択することができる。

（実施の形態３）
図４は、前述の実施の形態１において述べた、周波数掃引動作時の各々の電力検出部６１〜６４が検出する反射電力とその平均値との誤差および平均値の周波数特性を示す図である。反射電力の平均値との誤差（破線）と平均値（１点鎖線）の変化から平均値の誤差と平均値が共に低くなっている周波数を反射電力が低い動作条件として制御部は選択する。このように選択することによって、反射電力が低い条件を選択する際に、いずれか１つだけが極端に反射電力が大きいという条件を排除することができる。

そして、このように動作条件を選択することによって、極端な反射電力の偏りをなくして動作条件を設定できるので、加熱動作時に極端に反射電力が高い給電部を選ぶことなく動作させることができ、結果としてマイクロ波発生部の総出力を高く維持することができるので、加熱効率を改善することができる。

なお、本実施の形態では、反射電力値の最大値の包絡線が最小値を示す周波数を、反射電力が最小となる動作条件として選択する例を説明したが、電力検出部ではそれぞれの入射電力も検出しているので反射電力／入射電力を演算し、この値の最大値の包絡線が最小値を示す周波数を、動作条件として選択する方法をとってもよい。このようにすることで、電力増幅部が出力する入射電力がばらついた場合でも、その影響を排して反射電力が最小となる条件を選択することができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、加熱前に低出力で反射電力が小さくなる動作周波数条件を検索する動作をするので、加熱効率のよいマイクロ波処理装置とすることが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 同マイクロ波処理装置の電力検出部が検出した反射電力の一例を示す周波数特性図 実施の形態２における周波数掃引動作時の各々の電力検出部が検出する反射電力とその最大値の包絡線を示す図 実施の形態３における周波数掃引動作時の各々の電力検出部が検出する反射電力とその平均値との誤差および平均値の周波数特性を示す図

１ マイクロ波発生部
２ 発振部
３ 電力分配部
４１〜４４ 電力増幅部
５１〜５４ 給電部
６１〜６４ 電力検出部
７ 制御部
８ 加熱室
９ 被加熱物

Claims (9)

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する電力分配部と、前記電力分配部の出力を各々電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の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、前記複数の給電部から前記複数の電力増幅部に反射する電力および前記複数の電力増幅部から前記複数の給電部に供給される入射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記複数の電力増幅部を制御する制御部とを備え、
   前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記複数の電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成としたマイクロ波処理装置。
2. 反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の平均値が最小となる条件とする構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の最大値の包絡線が最小値となる条件を選択する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. 反射電力が最小である条件は複数の電力検出部によって検出される反射電力の平均値との差および平均値双方がもっとも小さくなる条件とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
5. 反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によって検出される反射電力を入射電力で除した値の総和平均値が最小となる条件とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
6. 反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によって検出される反射電力を入射電力で除した値の最大値の包絡線が最小値となる条件を選択する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
7. 反射電力が最小である条件は各々の電力検出部によって検出される反射電力を入射電力で除した値の平均値との差および平均値双方がもっとも小さくなる条件とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
8. 反射電力が最小となる条件において、加熱動作時に所定値以上の反射電力が検出された電力増幅部はその出力を低減するよう制御する構成とした請求項２から７のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。
9. 電力増幅部を構成する半導体素子の近傍に温度検出部を設け、前記温度検出部によって検出される温度が所定値以上となると電力増幅部はその出力を低減するよう制御する構成とした請求項２から７のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。