JP2010225501A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱室の下方壁面に配置したマイクロ波加熱装置の簡素な構成でものづくり及びサービス性に優れた実装形態を提供する。
【解決手段】外装カバー８をベースにしてパワーユニット１ａ〜１ｄ、駆動電源部２、中央集中系統部３、制御部４を固定一体ユニット化して、パワーユニット１ａ〜１ｄに設置された電力伝播軸２３ａ〜２３ｄを加熱室６に穿った孔に嵌合させ、外装カバー８を加熱室６に取り付けビス９で締結した後、電力伝播軸２３ａ〜２３ｄに給電部５ａ〜５ｄを取り付ける構成とするため、ものづくりの簡素化、部品のハンドリングの容易さ、サービス性が飛躍的に改善される。
【選択図】図３

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加熱装置に関するものである。

従来のこの種のマイクロ波加熱装置は、一般に固体発振器が接続された各アンテナのうち、少なくとも２個を加熱室の同一壁面に配置させるものがあった（例えば、特許文献１参照）。これをより、ものづくり、すなわち製造現場における作業が容易で生産性が高く、あわせてサービス性も高い構成を実現することは殆ど考慮されていなかった。
実開昭５２−１６６５４号公報

しかしながら、加熱室同一壁面に複数のアンテナを配置させるものにあっては、単純にアンテナ数を複数設けたものとの差異が明確でなく、同一壁面に設けることの効果の内容、具体的構成の開示がなく、実現の可能性のみを示すものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を下方より放射する具体的な構成、製造技術、製造作業まで考慮したマイクロ波加熱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加熱装置は、加熱室を構成する一壁面に複数設けた給電部から放射する給電部を加熱室底面に配置する。

そして、発振部と、電力分配部と、電力分配部の出力位相を可変する位相可変部と、電力分配部の出力をそれぞれ電力増幅するパワーユニットと、パワーユニットの出力を透過させ、パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する方向性結合器と、方向性結合器からの透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、方向性結合器から透過してきたマイクロ波電力を加熱室内に放射する給電部と、検波回路の出力を処理しマイクロ波を制御する制御部とを備えている。

これによって、構成部品を集約しシンプルな半完成ユニットにまとめあげ、それを簡単な作業で実装して作業性を大幅に簡略化し、かつサービス性を向上できることとなる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、構成部品を大括り化し、それをまた構成部品とし集約しシンプルな半完成ユニットにまとめあげ、それを簡単な作業で実装し作業性を大幅に簡略化し、かつサービス性を向上させたマイクロ波処理装置を提供するものである。

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パワーユニットと、パワーユニットの出力を透過させ、パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する方向性結合器と、方向性結合器からの透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、方向性結合器から透過してき
たマイクロ波電力を加熱室内に放射する給電部と、検波回路の出力から発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を制御する制御部と、加熱室下部に設けられた外装カバーを備え、加熱室を構成する１壁面に給電部を複数設け、複数設けた給電部を除く構成部品を加熱室下部に集約して外装カバーに実装し一つのユニット構成とすることにより、ものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、発振部と、電力分配部と、位相可変部とを共通ベース上に取り付け中央集中系統部としてユニット化する構成とすることにより部品の大括りユニット化が実現できものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、方向性結合器と、位相可変部をパワーユニット上に配置しユニット化する構成とすることにより部品の大括りユニット化が実現でき、ものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、パワーユニットを四隅に配置し、かつ給電部を等間隔に配置する構成としたもので、複数の給電部が加熱室底面により広く分散させることが出来るため、各給電部からの電磁波がお互いに干渉し易くなり、加熱室内の定在波をマイクロ波周波数や各給電部間の位相を変化させることにより、ダイナミックな変化を得ることができ、加熱分布を自在に変化し易くすることができる。

第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明において、パワーユニットを四隅に配置しかつ給電部を等間隔に配置しかつ前記間隔を複数有する構成としたもので、ここで示したユニットを標準部品化するためには、様々なサイズの加熱室にも適応可能にしておく必要がある。従って、給電部の配置についても加熱室サイズに応じて給電部位置を選択できるようにし、それぞれの加熱室サイズに応じて最適な加熱分布が得られるように選択肢をもたせたものである。

第６の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明において、パワーユニット間の隙間に駆動電源部と、中央集中系統部と、パワーユニットと制御部を配置する構成としたもので、装置の小型化や配線の簡素化を図るとともに、組立作業における作業性を向上させる。

第７の発明は、特に第１から第６のいずれか１つの発明において、各構成部品を実装した外装カバーを加熱室底面に取り付けビスで締結固定する構成としたもので、完成したユニットを簡単なビス締めでほぼ完成状態に近づけることができものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

第８の発明は、特に第７の発明において、パワーユニットに取り付けられた電力伝播軸を加熱室底面に穿った孔を貫通させて、外装カバーを加熱室底面に取り付け、前記電力伝播軸に給電部を着脱可能に取り付ける構成とすることにより、ユニット取り付け後、簡単なビス締めで給電部を固定することができ、ものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

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加熱装置の構成図である。

図１において構成要素について説明する。発振部１２は２４００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚの帯域の元信号を発信する。電力分配部１３は発振部１２の出力を４分配する。位相可変部１１ａ〜１１ｄはそれぞれの電力分配部１３の出力の位相を制御する。パワーユニット１ａ〜１ｄは電力分配部１３からのマイクロ波電力を増幅する機能を有し半導体素子を用いて構成した。電力分配部１３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、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。また、電力分配部１３によってパワーユニット１ａ〜１ｄには発振部１２から入力されたマイクロ波電力の略１／４の電力が伝播される。

また、位相可変部１１ａ〜１１ｄ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１１ａ〜１１ｄ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。

ここまでの部品はマイクロ波帯の電力フローであるが、略１０Ｗ以下の比較的小電力を扱っているので、同一基板上に構成することが可能である。この部分を中央集中系統部３として１ユニット化すれば部品点数の削減、ハンドリングの容易さとういうものづくりの効果が発揮されてくる。

例えば、発振部は、比較的汎用的な部品としても取り扱われている領域でガラスエポキシを材料にし、マイクロストリップ線路構成の基板にしている。電力分配器１３以降の回路は、比較的扱う電力が大きくなってくるため、基板材料をテフロン（登録商標）とし、マイクロストリップ線路構成の基板とし、裏面はグランド箔なのでベースとなる金属ベース板に半田付け等で一体化することも、１ユニット化の手段として考えられる。また、扱う電力が比較的低くできればガラスエポキシ基板で１枚基板化ということも考えられる。

方向性結合器１９ａ〜１９ｂは、パワーユニット１ａ〜１ｄの出力を透過するとともに、検波回路に透過波電力と反射波電力の一部を送出する。検波回路２０は、パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を減衰、検波、平滑して直流電圧として検出する（透過電力をＰｆ、反射電力をＰｒとする）。その信号は制御部４に送出される。検波回路２０についてはまた別図面で後述する。

給電部５ａ〜５ｄはパワーユニット１ａ〜１ｄで増幅されたマイクロ波出力を加熱室６内に放射する。制御部４は、検波回路２０によって検出されるＰｆ、Ｐｒに応じて、発振部１２の発振周波数と位相可変部１１ａ〜１１ｄの位相量を制御する。駆動電源部２は、ＰＦＣ機能付絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータからなり、パワーユニット１ａ〜１ｄに電圧（Ｖｄｄ、ＧＮＤ）を供給する。

制御部４は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件や、被加熱物の配置位置を検出する位置検出手段から得られる負荷情報、あるいは加熱中に被加熱物の加熱処理の進捗状態を検出する処理状態検出手段から得られる加熱情報と検波回路２０の反射電力情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１２とパワーユニット１ａ〜１ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御、位相可変部１１ａ〜１１ｄに供給する電圧の制御で放射するマイクロ波の励振電界の向きを制御し、加熱室６内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室６を有し、加熱室６は金属材料からなる壁面および被加熱物（図示していない）を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）と、被加熱物を載置する載置台７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、パワーユニット１ａ〜１ｄで発生したマイクロ波出力が伝播され、加熱室６内に放射供給する４ヶ所の給電部５ａ〜５ｄは全て加熱室６を構成する底壁面に配置されている。４ヶ所の給電部１ａ〜１ｄから放射されるマイクロ波出力によって被加熱物は加熱される。

次にパワーユニット１ａ〜１ｄについて、図２を用いて説明する。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、回路を構成している。電力分配部１３から出力された微弱なマイクロ波出力は各増幅部（プリアンプａ１４、プリアンプｂ１５、プリアンプｃ１６）で増幅させ十数Ｗの電力まで増幅される。この部分をドライバー段２１と称している。出力段２２は大きな入力電力を増幅するため、かなり大きな半導体チップを有する増幅素子が必要となり、ファイナルアンプａ１７とファイナルアンプｂ１８の並列接続で略１０ｄＢのゲインを必要とする。ここでは、出力段２２がその機能を司る。マイクロ波パワー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。

パワーユニット１ａ〜１ｄの出力は、方向性結合器１９によって透過する。パワーユニット１ａ〜１ｄ方向への反射も、当然マイクロ波帯の回路なので存在する。検波回路２０は減衰器と検波ダイオードと平滑用コンデンサ等からなり、その透過電力と反射電力の一部が入射し、減衰器で低電圧に低下させ検波素子と平滑回路で制御部４が検出可能な直流低電圧に変換しＰｒ、Ｐｆを得る。当然、回路パターン設計を巧に行えば、方向性結合器１９ａ〜１９ｄ及び検波回路２０はパワーユニット１ａ〜１ｄに取り込むことも可能で、それを実現すれば、回路を統合化して総ユニット数を減らすことが可能で、ものづくり面では簡略化が図れる。

以上のように構成されたマイクロ波加熱装置について、以下その作用、効果を説明する。

図３は本マイクロ波加熱装置の一例を示す構成斜視図である。

ここで、構成部品は全て加熱室６の底面に配置されている。ここでのポイントは配置ベースを兼ねた外装カバー８の上にパワーユニット１ａ〜１ｄ、駆動電源部２、中央集中系統部３、制御部４が全て固定取り付け、１ユニット化されている。この状態でハンドリング可能である。外装カバー８は、マイクロ波電力が全て電力伝播軸２３ａ〜２３ｄで加熱室６内に伝播され、機外への電波漏洩の配慮は不要であるので、樹脂を選択しても、金属を選択しても自由である。

ものづくりのイメージとしては、外装カバー８の上に、パワーユニット１ａ〜１ｄ、駆動電源部２、中央集中系統部３、制御部４を取り付け一体化する。この作業をサブラインで事前に組立、メインラインに供給し、メインラインではこの一体化ユニットを取り付けビス９で加熱室６の底面に締結する。予め加熱室６に穿った電力伝播軸２３ａ〜２３ｄ挿入用の孔に嵌合させて取り付けビス９で締結したのち金属平板からなるアンテナ機能を有する給電部５ａ〜５ｄの突端に形成した孔にビス締めする固定も考えられる。この事例は固定方法を限定するものではない。

またビスを外すだけで一体化したユニット、即ち全ての部品が取り出せるためサービス性は極めて良好となる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波加熱装置は、加熱室を構成する１壁面に複数設けた給電部にて反射するマイクロ波電力が最小となる周波数で加熱処理することができ
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加熱装置のシステムブロック図 本発明の実施の形態１におけるパワーユニットの回路構成図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の要部概観組立斜視図

１ａ〜１ｄ パワーユニット
５ａ〜５ｄ 給電部
６ 加熱室
８ 外装カバー
１１ａ〜１１ｄ 位相可変部
１９ａ〜１９ｄ 方向性結合器
１２ 発振部
１３ 電力分配部
２０ 検波回路

Claims (8)

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パワーユニットと、前記パワーユニットの出力を透過させ、前記パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する方向性結合器と、前記方向性結合器からの透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、前記方向性結合器から透過してきたマイクロ波電力を前記加熱室内に放射する給電部と、前記検波回路の出力から前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を制御する制御部と、前記加熱室下部に設けられた外装カバーを備え、
   前記加熱室を構成する壁面のうち一つの壁面に前記給電部を複数設け、複数設けた前記給電部を除く構成部品を前記加熱室下部に集約して前記外装カバーに実装し一つのユニット構成としたマイクロ波加熱装置。
2. 発振部と、電力分配部と、位相可変部とを共通ベース上に取り付け中央集中系統部としてユニット化する構成とした請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 方向性結合器と、位相可変部をパワーユニット上に配置しユニット化する構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. パワーユニットを四隅に配置しかつ給電部を等間隔に配置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加熱装置。
5. パワーユニットを四隅に配置しかつ給電部を等間隔に配置しかつ前記間隔を複数有する構成とした請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
6. パワーユニット間の隙間に駆動電源部と、中央集中系統部と、パワーユニットと制御部を配置する構成とした請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
7. 各構成部品を実装した外装カバーを加熱室底面に取り付けビスで締結固定する構成とした請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
8. パワーユニットに取り付けられた電力伝播軸を加熱室底面に穿った孔を貫通させて外装カバーを加熱室底面に取り付け、前記電力伝播軸に給電部を着脱可能に取り付ける構成とした請求項７記載のマイクロ波加熱装置。