JP2013246999A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンで発生したマイクロ波電力を回転アンテナに効率よく結合させ、加熱室内に損失なく最大限放射させる。
【解決手段】被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波エネルギーを発生するマグネトロンと、該マグネトロンを取り付ける導波管と、該導波管に導かれたマイクロ波エネルギーを高周波供給室に放射するために高周波供給室底面中央部に設けられた結合穴と、該結合穴を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられた内導体と、該内導体の一端の前記高周波供給室内に略水平に連結された金属製で立体構造の回転アンテナで、前記回転アンテナの矩形部の第１長辺および第２長辺は、１／２λ（λはマイクロ波の波長）より長く、かつ、λより短く、前記矩形部の垂直壁の高さは、１／２λより短くし、さらに前記回転アンテナの矩形部と台形部の下面に前記第２長辺と垂直な向きの凸部（リッジ）を設けた構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転アンテナを用いてマイクロ波エネルギーを加熱室内に放射し、食品などを加熱する高周波加熱装置に関するものである。

特許文献１に記載の高周波加熱装置は、加熱室の底面に固着された誘電体からなる載置棚を備え、加熱室底面中央部に設けた導波管の励振口部分にホーン形状の回転アンテナを備え、導波管により導かれるマイクロ波エネルギーをホーン形状の回転アンテナで受けホーン先端よりマイクロ波を加熱室内に放射し、載置棚に載置された食品などを高周波加熱するものである。

また、特許文献２では、ホーン形状の受信アンテナを備えホーン部の長辺面に幅が一定でホーン入り口での高さを低く、ホーンと連結された導波管部に設けた平面回路検出器部で高くした楔形のリッジを設け、ホーン形状の受信アンテナで自由空間を伝送されているマイクロ波信号を受信し、受信したマイクロ波の電界強度をリッジを介することにより強め、平面回路検出器部入り口に導き検出しようとするものである。なお、リッジとは、マイクロ波伝送路である導波管の長辺面中央の内面側に管軸に沿って設けた直方体状の突起をさす。

特開２０１０−１９９００９号公報 特開平１−１３２１０８号公報

特許文献１では、高周波供給室底面中央部に設けられた結合孔を貫通して、前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられ回転アンテナと結合された内導体の一端を導波管内に突出させ、これによりマグネトロンで発生し導波管内を伝送されてきたマイクロ波をホーン形の回転アンテナに結合してホーン先端から加熱室内に放射するようになっている。

この場合、導波管を伝送されてきたマイクロ波を同じような導波管形状を持つ回転アンテナに結合させて伝送させれば、反射が少なく結合度も大きくとれ効率よく伝送できるが、上記の従来技術のように形状も特性インピーダンスも異なり、高次モードの発生するホーン形状の回転アンテナへ結合する場合は両者間で反射が大きくなり結合度も低くなるので、マグネトロンで発生し導波管内を伝送されてきたマイクロ波を効率よくホーン形状の回転アンテナに結合させて供給することができない。

また、回転アンテナをホーン形状にすれば空間に幅広くマイクロ波電力が拡散放射されるので、従来技術で述べているようなホーン形状としたことにより指向性を高めたとする効果は少ない。さらにホーン形状の伝送路をもつ特許文献１の回転アンテナではマイクロ波は高次のＴＥモードの波として伝送され、自由空間を伝送されるマイクロ波の姿態であるＴＥＭモードと特性インピーダンスが異なるので、加熱室空間に放射される時に反射が生じるという問題がある。

そのために導波管やホーン形状部にリッジを設けてＴＥモードの波からＴＥＭモードの波に変換して自由空間に放射する手段が考えられ、従来例で示す特許文献２にはこれに類似した内容が示されているが、受信アンテナの特許でありリッジの高さをホーン形状部で低くして反射波を抑制し、導波管入り口で高くして電界強度を高めて平面回路検出器でとらえるのが目的の構成となっている。

これを回転アンテナに置き換えてリッジの効果を検証すると、ホーン形状の開放口でリッジの高さが低いためにＴＥＭモードの波に変換されないので反射が大きくなりマイクロ波を効率よく放射できないばかりか、電界はリッジの高さが低いと集中しないのでホーン開放口での電界強度も弱くなり指向性を鋭くする効果もない。また、従来例ではリッジの高さが高い平面回路検出器部が回転アンテナではマイクロ波給電部となるので、給電部近傍に金属製の背の高い金属製リッジを設けることはその部分での反射が大きくなり整合がとれないという問題がある。

なお、ＴＥモードとはマイクロ波の進行方向Ｚに電界成分を持たない（磁界成分はあってもよく、電界成分はマイクロ波の進行方向Ｚに対して直角な面でのＸ方向、Ｙ方向にある）波の姿態をさす。ＴＥＭモードとはマイクロ波の進行方向Ｚに電界成分も磁界成分も持たない波（電界成分や磁界成分はマイクロ波の進行方向Ｚに対して直角な面でのＸ方向、Ｙ方向にある）の姿態をさす。高次モードとは伝送路において、マイクロ波の進行方向Ｚに対して直角な面でのＸ方向、Ｙ方向に電界成分や磁界成分が複数個発生する波の姿態をさす。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、請求項１の高周波加熱装置では、被加熱物を収容する加熱室と、該加熱室の底面に設けた誘電体からなる被加熱物載置板と、この被加熱物載置板の下方で前記加熱室の底面略中央部に設けた高周波供給室と、マイクロ波エネルギーを発生するマグネトロンと、該マグネトロンを取り付ける導波管と、前記高周波供給室底面中央部に設けた結合孔と、該結合孔を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けた内導体と、該内導体の一端の前記高周波供給室内に略水平に連結した金属製で立体構造の回転アンテナと、前記内導体の前記導波管内で連結した誘電体軸と、該誘電体軸を回転駆動する駆動部とを備え、前記回転アンテナは、第１長辺、第２長辺、第１短辺、第２短辺で囲まれた矩形部と、前記第２長辺と略平行により長い第３長辺と、該第３長辺と前記第１短辺を結ぶ第１辺と、前記第３長辺と前記第２短辺を結ぶ第２辺と、前記第２長辺で台形部とを有し、前記第１長辺、前記第１短辺、前記第２短辺、前記第１辺、および、前記第２辺には下向きの垂直壁部を備え、前記内導体は、前記回転アンテナの矩形部の下面に接している構成とした。

本発明の高周波加熱装置の回転アンテナでは、矩形部の第１長辺および第２長辺は、１／２λ（λはマイクロ波の波長）より長く、かつλより短く、前記矩形部の垂直壁の高さは、１／２λより短くすることにより高次モードのマイクロ波を発生させることなく、前記導波管と同じＴＥモードの波の姿態で回転アンテナの導波路部に結合させることができるので反射が少なく結合度も大きくとれる効果があり、マグネトロンで発生させたマイクロ波エネルギーを効率よく回転アンテナの導波路に伝送できる。

実施例１の高周波加熱装置の要部縦断面図。 実施例１の回転アンテナの斜視図。 実施例２の回転アンテナの斜視図。 各実施例の回転アンテナの反射係数を解析により求めた図。 各実施例の回転アンテナの放射路前方での電界強度を解析により求めた図。 実施例３の回転アンテナの斜視図。 実施例４の回転アンテナの斜視図。 実施例５の回転アンテナの斜視図。

以下、図１〜図７を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は実施例１の高周波加熱装置の要部縦断面図で、図２、図３は回転アンテナの斜視図、図４Ａ、図４Ｂはそれぞれ回転アンテナの凸部（リッジ）の違いによる結合度を評価するための反射係数と、指向性を評価するための電界強度の解析値を示している。

図１の要部断面図に示すように、本実施例の高周波加熱装置は、被加熱物１２を収容する加熱室１と、加熱室１の底面に設けられた誘電体からなる被加熱物載置板２と、この被加熱物載置板２の下方で加熱室１の底面略中央部に設けられた高周波供給室３と、マイクロ波エネルギーを発生するマグネトロン４と、マグネトロン４を取り付ける導波管５と、導波管５に導かれたマイクロ波エネルギーを高周波供給室３に放射するために高周波供給室底面中央部に設けられた結合穴６と、結合穴６を貫通して高周波供給室３内へ略垂直に臨んで設けられた内導体７と、内導体７の一端の高周波供給室３内に略水平に連結された金属製で立体構造の回転アンテナ８と、内導体７の導波管内で連結された誘電体軸９と、穴１０を介して誘電体軸９を回転駆動する駆動部１１とを備えており、回転アンテナ８は駆動部１１により回転自在となっている。そして、マグネトロン４で発生したマイクロ波エネルギーは導波管５に導かれ、結合穴６を貫通する内導体７との同軸モード結合により上記回転アンテナ８に伝搬され、高周波供給室３、被加熱物載置板２を通して加熱室１内に放射される。

図２（ｂ）に示すように、回転アンテナ８は、導波路１３となる矩形部８ｆと放射路１４となる台形部８ｌとを一体に形成されたものであり、内導体７は、回転アンテナ８の矩形部８ｆの下面に接している。これにより、矩形部８ｆは、内導体７を介して伝わるマイクロ波エネルギーを台形部８ｌに導く導波路１３となり、台形部８ｌは、矩形部８ｆを介して伝わるマイクロ波エネルギーを加熱室１に放射する放射路１４となる。

図２（ａ）に示すように、矩形部８ｆは、第１長辺８ａ、第２長辺８ｂ、第１短辺８ｃ、第２短辺８ｄで囲まれており、さらに、第１長辺８ａ、第１短辺８ｃ、第２短辺８ｄには下向きの垂直壁８ｅを備え、第２長辺８ｂは垂直方向に開口している。

また、台形部８ｌは、第２長辺８ｂと略平行で第２長辺８ｂより長い第３長辺８ｈ、第２長辺８ｂと第３長辺８ｈを結ぶ第１辺８ｉ、第２辺８ｊで囲まれており、第１辺８ｉおよび第２辺８ｊには下向きの垂直壁部８ｋを備え、第３長辺８ｈは垂直方向に開口している。

本実施例の回転アンテナ８では、第１長辺８ａと第２長辺８ｂの長さを、１／２λ（λはマイクロ波の波長）より長く、かつ、λより短くするとともに、矩形部８ｆの垂直壁８ｅの高さを、１／２λより短くした。

以上で説明した本実施例の回転アンテナ８では、第１長辺８ａと第２長辺８ｂの長さを、１／２λより長く、かつ、λより短くするとともに、矩形部８ｆの垂直壁８ｅの高さを、１／２λより短くすることにより、垂直壁８ｅの高さ方向には電界成分をもたず、第１長辺８ａおよび第２長辺８ｂに一個の電界成分のみが表れるＴＥモードの波の基本モードＴＥ１０となり、高次モードのマイクロ波の発生を抑制し、導波管５と同じＴＥ１０モードの波の姿態で回転アンテナ８の導波路１３に結合させることができ、反射が少なく結合度も大きくとることができる。

実施例２の回転アンテナ８を図３に示す。なお、実施例１と共通する点は説明を省略する。実施例１との相違は、実施例２の回転アンテナ８２では、その下面が平坦であるのに対し、図３の回転アンテナ８では、その下面に第２長辺８ｂと垂直な向きの凸部（リッジ）１５を設けている。なお、図３から明らかなように、凸部（リッジ）１５の高さと幅は一様としている。ここで、凸部（リッジ）１５の幅、高さ寸法は、回転アンテナ８の導波路１３の第１長辺８ａおよび第２長辺８ｂの長さの約３／１以内、垂直壁８ｅの高さのおよそ１／２以内に選んでいる。

本実施例の回転アンテナ８では、矩形部８ｆと台形部８ｌの下面に第２長辺８ｄと垂直な向きの凸部（リッジ）１５を設けたことで、マグネトロン４から導波管５内を伝送されてきたＴＥモードのマイクロ波を導波路１３、放射路１４で加熱室内（自由空間）を伝送されるマイクロ波のモードであるＴＥＭモードの波の姿態に変換することができる。

具体的には、マグネトロンから導波管内を伝送されてきたＴＥモードのマイクロ波が矩形形状の導波路で同じＴＥモードの波の姿態で結合されたのち、凸部（リッジ）１５の作用で導波路、放射路で平行線路や自由空間を伝送されるマイクロ波のモードであるＴＥＭモードの波の姿態に変換され、放射路から加熱室空間に放射されるようになるので、回転アンテナから加熱室空間に放射される時の反射波の発生を抑制できる。

実施例３の回転アンテナ８を図５に示す。なお、実施例２と共通する点は説明を省略する。実施例２との相違は、凸部（リッジ）１５の形状にあり、本実施例では、凸部（リッジ）１５の幅は一様であるが、高さは、矩形部８ｆ側で小さく、台形部８ｌ側で大きい、楔状としている。

本実施例の回転アンテナ８では、導波路１３の長辺面に垂直に設けられた内導体７近傍の凸部（リッジ）１５の高さ寸法を短くして放射路１４に向かって高さ寸法を長くした楔形で構成することで、内導体７近傍での反射が抑制される。一方、放射路１４の下底部８−８の凸部（リッジ）１５では高さ寸法が高くしているので、放射路１４の第３長辺８ｈ部近傍でＴＥモードの波の姿態が加熱室１内を伝送されるのと同じＴＥＭモードの波の姿態に変換され易くなり、放射路と加熱室空間との整合がとれ、反射波の抑制に加えて電界強度を増すことができ、指向性も鋭くなる。

実施例４の回転アンテナ８を図６に示す。なお、実施例２と共通する点は説明を省略する。実施例２との相違は、凸部（リッジ）１５の形状にあり、本実施例では、凸部（リッジ）１５の高さと幅の両方が、矩形部８ｆ側で小さく、台形部８ｌ側で大きい、四角錐状としている。

本実施例の回転アンテナ８では、内導体７近傍の凸部（リッジ）１５の高さ寸法、幅寸法を共に短くして内導体７近傍から放射路１４に向かって凸部（リッジ）１５の高さ寸法、幅寸法を共に長くした四角錐形にしているので、実施例３よりもさらに内導体７近傍での反射を抑制することができ、放射路下底部での電界強度が強くでき指向性も鋭くなるという効果がある。

実施例５の回転アンテナ８を図７に示す。なお、実施例２と共通する点は説明を省略する。実施例２との相違は、凸部（リッジ）１５の形状、および、切り込み１６、フランジ１７を設けた点にある。

本実施例の回転アンテナ８では、放射路１４の台形部８ｌに切り込み１６を設けることで、反射を抑制し整合性や指向性などを向上させることに加え、回転アンテナ８の真上に置かれた被加熱物１２もむらなく効率よく加熱することができる。

また、導波路１３や放射路１４の垂直壁８ｅ、垂直壁部８ｋには、これらと直角にフランジ１７を設けることにより、垂直壁８ｅ、垂直壁部８ｋとこれと対向する高周波供給口３の底面間でのスパーク発生の防止と、マイクロ波電力の伝送方向と垂直な側面からの漏洩電力を抑制し指向性を高めることができる。

さらに、凸部１５は丸みを帯びた円錐形状で絞り加工により一体加工した円錐形で構成し、直方体状や、楔形、四角錐形の凸部（リッジ）１５の角部で発生しがちな電界集中による異常加熱やスパークを抑制することができる。

〔参考例〕
図４を用いて、各実施例の回転アンテナ８の特性を従来の台形型回転アンテナと比較しながら説明する。なお、図４Ａは、各実施例の回転アンテナの反射係数を解析により求めた図であり、縦軸は反射係数を横軸は周波数ｆ（MHz）をとっている。また、図４Ｂは、各実施例の回転アンテナの放射路前方での電界強度をマグネトロン出力８００ワットとして解析により求めた図であり、縦軸は電界強度Ｅ（Ｖ／ｍ）をとっている。

図４Ａに示すように、従来例と実施例１〜４の回転アンテナ８の反射係数を比べると、（実施例４）＜（実施例３）＜（実施例２）＜（実施例１）＜（従来例）となる。なお、実施例５は実施例４と実施例３の中間程度の特性となる。

一般に、結合度は反射係数の値から評価し、反射係数が小さいほど結合度が大きくなる。従って、矩形型の導波路１３と台形型の放射路１４を組み合わせた実施例１の回転アンテナ８の結合度が、従来の台形型の放射路からなる回転アンテナよりも大きくなるという効果や、それぞれの実施例の凸部（リッジ）１５の形状違いによる結合度の違いがわかる。

また、図４Ｂに示すように、従来例と実施例１〜４の回転アンテナ８の放射路前方での電界強度を比べると、（従来例）＜（実施例１）＜（実施例２）＜（実施例３）＜（実施例４）となる。なお、実施例５は実施例４と実施例３の中間程度の特性となる。

一般に、指向性はアンテナ放射方向の電界強度の値から評価し、電界強度が大きいほど指向性が鋭くなる。従って、矩形型の導波路１３と台形型の放射路を組み合わせた実施例１の回転アンテナの指向性が、従来の台形型の放射路からなる回転アンテナよりも鋭くなるという効果や、それぞれの凸部（リッジ）１５の違いによる指向性の違いが分かる。

なお、凸部（リッジ）１５を設けることにより、放射方向の電界強度が強くなり、反射波の発生を抑制できるのは次の理由によるものである。すなわち、ＴＥＭモードの波の姿態で伝搬される自由空間や、ＴＥモードの波の姿態で伝搬される導波管内では特性インピーダンスが異なる。自由空間での波の特性インピーダンスは伝搬される波の周波数に関係なく自由空間（真空中と見なせる）の誘電率εと透磁率μで決まり３７７Ωで、導波管の場合の特性インピーダンスは伝送する波の周波数と導波管の長辺寸法できまる。

例えば、導波管の長辺長が８５mmで周波数２４５０MHzのマイクロ波が伝送される場合は５３７Ωとなる。従って、導波管から加熱室の自由空間にマイクロ波が放射される時、マイクロ波のモードの違いで上記特性インピーダンスも異なるので、導波管出口から自由空間にマイクロ波が放射される時に両者境界面である導波管出口で不整合状態となり反射が生じる。そこで導波管内に凸部（リッジ）１５を設けてＴＥＭモードに変換して特性インピーダンスを自由空間の特性インピーダンスに近づけておけば導波管と自由空間の整合がとれて、導波管出口での反射が抑制され、電界強度も大きくとれる。このように導波管と類似した矩形型の導波路１３や台形型の放射路１４に凸部（リッジ）１５を設けることで、ＴＥモードの波がＴＥＭモードの波の姿態に変換され、特性インピーダンスが低下し自由空間の特性インピーダンスに近づくからである。

なお、上記凸部（リッジ）１５の幅、高さ寸法は回転アンテナ８の導波路１３の長辺（第１長辺と第２長辺）の長さの約３／１以内、矩形部８ｆの垂直壁８ｅの高さのおよそ１／２以内に選んでいるのは、凸部（リッジ）１５の幅寸法が長くなると電界集中が弱まりＴＥモードの波からＴＥＭモードの波への変換効果が弱くなり、凸部（リッジ）１５を設けたことによるモード変換と特性インピーダンスの変換効果が得られなくなるからである。また、凸部（リッジ）１５高さ寸法が垂直壁８ｅの高さのおよそ１／２より長くなると、導波路１３と放射路１４内で反射が増大し回転アンテナ内をマイクロ波が伝搬されにくくなるのと、凸部（リッジ）１５面と対向する高周波供給室３の底面間でのスパークが発生するからである。

１ 加熱室
２ 被加熱物載置板
３ 高周波供給室
４ マグネトロン
５ 導波管
６ 結合穴
７ 内導体
８ 回転アンテナ
８ａ 第１長辺
８ｂ 第２長辺
８ｃ 第１短辺
８ｄ 第２短辺
８ｅ 垂直壁
８ｆ 矩形部
８ｈ 第３長辺
８ｉ 第１辺
８ｊ 第２辺
８ｋ 垂直壁部
８ｌ 台形部
９ 誘電体軸
１０ 穴
１１ 駆動部
１２ 被加熱物
１３ 導波路

Claims (4)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、該加熱室の底面に設けた誘電体からなる被加熱物載置板と、この被加熱物載置板の下方で前記加熱室の底面略中央部に設けた高周波供給室と、マイクロ波エネルギーを発生するマグネトロンと、該マグネトロンを取り付ける導波管と、前記高周波供給室底面中央部に設けた結合孔と、該結合孔を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けた内導体と、該内導体の一端の前記高周波供給室内に略水平に連結した金属製で立体構造の回転アンテナと、前記内導体の前記導波管内で連結した誘電体軸と、該誘電体軸を回転駆動する駆動部とを備え、
   前記回転アンテナは、
   第１長辺、第２長辺、第１短辺、第２短辺で囲まれた矩形部と、
   前記第２長辺と略平行により長い第３長辺と、該第３長辺と前記第１短辺を結ぶ第１辺と、前記第３長辺と前記第２短辺を結ぶ第２辺と、前記第２長辺で台形部とを有し、
   前記第１長辺、前記第１短辺、前記第２短辺、前記第１辺、および、前記第２辺には下向きの垂直壁部を備え、
   前記内導体は、前記回転アンテナの矩形部の下面に接していることを特徴とする高周波加熱装置。
2. 請求項１に記載の高周波加熱装置において、
   前記第１長辺および第２長辺は、１／２λ（λはマイクロ波の波長）より長く、かつ、λより短く、
   前記矩形部の垂直壁の高さは、１／２λより短いことを特徴とする高周波加熱装置。
3. 請求項１に記載の高周波加熱装置において、
   前記矩形部は、前記内導体を介して伝わるマイクロ波エネルギーを前記第２長辺と前記第３長辺と前記第１辺および前記第２辺とからなる台形部に導く導波路であり、
   前記台形部は、前記矩形部を介して伝わるマイクロ波エネルギーを前記加熱室に放射する放射路であることを特徴とする高周波加熱装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の高周波加熱装置において、
   前記矩形部と台形部の下面に前記第２長辺と垂直な向きの凸部（リッジ）を設けたことを特徴とする高周波加熱装置。