JP2017224983A - Microwave processing apparatus and coaxial antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波処理を行うマイクロ波処理装置および同軸アンテナに係り、特に、マイクロ波の指向性を制御する技術に関する。 The present invention relates to a microwave processing apparatus and a coaxial antenna that perform microwave processing, and more particularly to a technique for controlling the directivity of microwaves.
以下、マイクロ波処理として、マイクロ波加熱を例に採って説明する。一般的に、マイクロ波加熱では、サンプルを設置した加熱炉(チャンバー)に、マグネトロンなどの発振器から発生するマイクロ波を導波管で給電し、サンプルにマイクロ波を印加することでサンプルを加熱する。 Hereinafter, microwave heating will be described as an example of microwave processing. In general, in microwave heating, a microwave generated from an oscillator such as a magnetron is supplied to a heating furnace (chamber) in which a sample is installed by a waveguide, and the sample is heated by applying the microwave to the sample. .
加熱の均一性が求められる場合、図10に示すように、金属の羽根からなるスターラ(stirrer) 、すなわち撹拌器を用いてマイクロ波を拡散し、サンプルに印加されるマイクロ波の伝搬に変化を与えて、加熱の均一性を確保する。なお、スターラは、金属の羽根を取り付けた軸が回転することで、マイクロ波を反射・散乱させるように構成されている。図10中の符号Oは発振器(oscillator)であって、符号wgは導波管(wave guide)であって、符号Cはチャンバー(chamber)であって、符号Sはスターラであって、符号sはサンプルであって、実線は導波管wgから伝搬したチャンバーC内のマイクロ波であって、破線はスターラSにより伝搬が変化したマイクロ波である。 When uniformity of heating is required, as shown in FIG. 10, the microwave is diffused by using a stirrer made of metal blades, that is, a stirrer, and the propagation of the microwave applied to the sample is changed. To ensure the uniformity of heating. Note that the stirrer is configured to reflect and scatter microwaves by rotating a shaft to which metal blades are attached. In FIG. 10, symbol O is an oscillator, symbol wg is a waveguide, symbol C is a chamber, symbol S is a stirrer, symbol s Is a sample, the solid line is the microwave in the chamber C propagated from the waveguide wg, and the broken line is the microwave whose propagation is changed by the stirrer S.
ところで、通常の導波管は、円形または方形の断面を持つ金属製の中空導波管で構成されており、この中空導波管の中をマイクロ波が伝搬する。また、中空導波管の替わりに、中心導体およびそれを外部から囲む外部導体を有した同軸導波管をマイクロ波処理装置に用いた技術が本出願人から提案されている(例えば、特許文献1参照)。 By the way, a normal waveguide is composed of a metal hollow waveguide having a circular or square cross section, and a microwave propagates through the hollow waveguide. In addition, the present applicant has proposed a technique in which a coaxial waveguide having a central conductor and an outer conductor surrounding it from the outside instead of the hollow waveguide is used in a microwave processing apparatus (for example, Patent Documents). 1).
しかしながら、導波管の場合には、アルミニウム(Al)等の金属の筒で構成されているので、引き回しが容易でなく、発振器の設置場所に制限がある。また、導波管の種類に関係なく、サンプルの状態(形状や加熱物性(例えば誘電率や誘電正接))がマイクロ波の伝搬に変化を与えるので、サンプルの状態によっては十分な(処理による)均一性を確保することが困難なことがある。加熱炉などに代表されるチャンバーや、スターラサイズが大きい方がマイクロ波処理の特徴上、均一性を確保しやすい。すなわち、チャンバーやスターラのサイズが大きいと、それによって反射した様々なマイクロ波の合成(マルチモード)となるので、小型のときと比較すると相対的に均一性を確保しやすい。 However, in the case of a waveguide, since it is composed of a metal tube such as aluminum (Al), routing is not easy, and there is a limit to the place where the oscillator is installed. In addition, regardless of the type of waveguide, the state of the sample (shape and physical properties of heating (for example, dielectric constant and dielectric loss tangent)) changes the propagation of microwaves, which may be sufficient depending on the state of the sample (depending on the processing) It may be difficult to ensure uniformity. A chamber represented by a heating furnace or the like, or a larger stirrer size, is easier to ensure uniformity due to the characteristics of microwave processing. That is, when the size of the chamber or the stirrer is large, a combination of various microwaves reflected by the chamber or the stirrer (multi-mode) is obtained.
そのため、小型のチャンバーでは均一性の確保がそもそも困難である場合が多い。その上、小型のチャンバーではスペース的にスターラや、サンプルを回転させるターンテーブルを設置しにくいこともあり、均一性を確保することがさらに困難となる。 Therefore, it is often difficult to ensure uniformity in a small chamber. In addition, in a small chamber, it may be difficult to install a stirrer or a turntable for rotating the sample in terms of space, making it more difficult to ensure uniformity.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、サンプルの状態やチャンバーの構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理を均一に行うことができるマイクロ波処理装置および同軸アンテナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is not limited to the state of the sample or the structure of the chamber, and a microwave processing apparatus capable of uniformly performing microwave processing without using a stirrer and An object is to provide a coaxial antenna.
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係るマイクロ波処理装置は、マイクロ波処理を行うマイクロ波処理装置であって、中心導体およびそれを外部から囲む外部導体を有し、マイクロ波を伝搬させるための同軸ケーブルと、当該外部導体に電気的に接続されたグランドプレーンと、当該グランドプレーンを接地した状態で、当該同軸ケーブルから伝搬したマイクロ波によるマイクロ波処理を行うチャンバーとを備えるとともに、前記同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板と、前記同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構とを備えることを特徴とするものである。
In order to achieve such an object, the present invention has the following configuration.
That is, the microwave processing apparatus according to the present invention is a microwave processing apparatus for performing microwave processing, has a central conductor and an external conductor surrounding it from the outside, a coaxial cable for propagating microwaves, A ground plane electrically connected to the outer conductor, and a chamber for performing microwave processing using microwaves propagated from the coaxial cable in a state where the ground plane is grounded, and an antenna portion of the coaxial cable It is characterized by comprising a reflecting plate formed so as to surround and at least partially opened, and a rotating mechanism for rotating the reflecting plate around the coaxial core of the coaxial cable.
[作用・効果]本発明に係るマイクロ波処理装置によれば、中心導体およびそれを外部から囲む外部導体を有した同軸ケーブルを導波管の替わりに用いることで、同軸ケーブルで引き回すことにより発振器の設置場所の自由度が高くなる。後述する反射板および回転機構がなければ、同軸ケーブルの外部導体に電気的に接続されたグランドプレーンおよび同軸ケーブルの外部導体がない中心導体からなるλ/4垂直接地アンテナとなる。なお、同軸ケーブルの外部導体は接地されているので、グランドプレーンを外部導体に電気的に接続することで、グランドプレーンは接地状態となる。 [Operation / Effect] According to the microwave processing apparatus of the present invention, a coaxial cable having a central conductor and an external conductor surrounding it from the outside is used in place of the waveguide, so that the oscillator can be routed by the coaxial cable. The degree of freedom of the installation location is increased. Without a reflector and a rotating mechanism to be described later, a λ / 4 vertical ground antenna consisting of a ground plane electrically connected to the outer conductor of the coaxial cable and a central conductor without the outer conductor of the coaxial cable. Since the outer conductor of the coaxial cable is grounded, the ground plane is brought into a grounded state by electrically connecting the ground plane to the outer conductor.
λ/4垂直接地アンテナの指向性は、水平面(同軸方向に直交する面)内が無指向性で(図3を参照)、垂直面(同軸方向に平行な面)内が半球方向に指向性を持つ(図4を参照)。すなわち、λ/4垂直接地アンテナをマイクロ波処理の給電機構に用いた場合、マイクロ波の伝搬は、グランドプレーンの上側(同軸ケーブル側とは逆側)の空間に無指向性で広がる。しかし、サンプルの形状や物性などのサンプルの状態や、チャンバーの構造によってサンプルにマイクロ波が均等に照射されない場合があり、サンプルの(処理による)均一性が得られないことが多い。 The directivity of the λ / 4 vertical ground antenna is omnidirectional in the horizontal plane (plane perpendicular to the coaxial direction) (see Fig. 3) and in the vertical plane (plane parallel to the coaxial direction) in the hemispherical direction. (See FIG. 4). That is, when the λ / 4 vertical ground antenna is used for a microwave processing power supply mechanism, the propagation of the microwave spreads omnidirectionally in the space above the ground plane (the side opposite to the coaxial cable side). However, the sample may not be evenly irradiated with microwaves depending on the state of the sample, such as the shape and physical properties of the sample, and the structure of the chamber, and the uniformity of the sample (due to processing) is often not obtained.
そこで、本発明では、同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板を設けることで、マイクロ波の伝搬方向に反射板の開口の方向に対する指向性を持たせる。そして、λ/4垂直接地アンテナに準じる同軸アンテナとする。指向性は、水平面内が反射板の開口の方向にあり、垂直面内が反射板の開口の形状で当該開口の方向にある。さらに、同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構を備えることで、サンプルの状態やチャンバーの構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理を均一に行うことができる。 Therefore, in the present invention, by providing a reflecting plate that is formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable and that is at least partially opened, directivity in the direction of the opening of the reflecting plate is provided in the microwave propagation direction. . The coaxial antenna conforms to the λ / 4 vertical ground antenna. In the directivity, the horizontal plane is in the direction of the opening of the reflecting plate, and the vertical plane is in the direction of the opening in the shape of the opening of the reflecting plate. Furthermore, by providing a rotation mechanism that rotates the reflecting plate around the coaxial core of the coaxial cable, the microwave processing can be performed uniformly without using a stirrer without being limited to the sample state or the chamber structure.
上述した本発明に係るマイクロ波処理装置において、同軸ケーブルのアンテナ部分を保護するレドーム(radome)を備えるのが好ましい。レドームについては、マイクロ波等のような電波の透過率が高い誘電体として、例えばグラスファイバーやフッ素樹脂を使用する。もちろん、レドームを必ずしも備える必要はない。 The microwave processing apparatus according to the present invention described above preferably includes a radome that protects the antenna portion of the coaxial cable. For the radome, for example, glass fiber or fluororesin is used as a dielectric having high radio wave transmittance such as microwaves. Of course, the radome need not necessarily be provided.
レドームを備える場合には、以下の態様がある。レドームの外周に反射板を設ける態様(前者の態様)、逆にレドームの内周に反射板を設ける態様(後者の態様)である。後者の態様の場合、反射板の外周にレドームがあるので、レドーム外部から反射板へのパーティクルの侵入を防止することができる。さらに、前者の態様および後者の態様を組み合わせた態様として、レドームは、内周レドームおよびそれを外周から囲む外周レドームからなり、当該内周レドームの外周、かつ当該外周レドームの内周に反射板を設ける態様である。 When a radome is provided, there are the following modes. In this embodiment, the reflector is provided on the outer periphery of the radome (the former embodiment), and conversely, the reflector is provided on the inner periphery of the radome (the latter embodiment). In the case of the latter mode, since there is a radome on the outer periphery of the reflector, it is possible to prevent particles from entering the reflector from the outside of the radome. Further, as a mode combining the former mode and the latter mode, the radome is composed of an inner circumferential radome and an outer circumferential radome surrounding it from the outer circumference, and a reflector is disposed on the outer circumference of the inner circumferential radome and on the inner circumference of the outer circumferential radome. It is an aspect to provide.
上述した本発明に係るマイクロ波処理装置において、回転機構による反射板の回転速度を制御する制御手段を備える。制御手段は反射板を一定速度で回転させるように制御し、反射板を一定速度で回転させながらマイクロ波処理を行う場合や、制御手段は回転速度を可変制御しつつ反射板を回転させるように制御し、所定部分で反射板を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波処理を行うとともに、当該所定部分以外で、(a)反射板を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波処理を行う場合に有用である。 The above-described microwave processing apparatus according to the present invention includes control means for controlling the rotation speed of the reflecting plate by the rotation mechanism. The control means controls the reflector to rotate at a constant speed, and when performing microwave processing while rotating the reflector at a constant speed, or the controller means to rotate the reflector while variably controlling the rotation speed. Controlling and performing microwave processing while rotating the reflecting plate at a predetermined rotational speed at a predetermined portion, and (a) rotating the reflecting plate at a speed lower than the predetermined rotational speed except for the predetermined portion, or (B) Useful when performing microwave processing after being temporarily stopped.
反射板を一定速度で回転させながらマイクロ波処理を行う場合、時間積分としてλ/4垂直接地アンテナに準ずる指向特性が得られるので、サンプルに対してマイクロ波処理を均一に行うことができる。一方、サンプルの状態やチャンバーの構造によってサンプルに対して(処理による)不均一が生じたとしても、不均一が生じた部分に開口が向けられるように、所定部分で反射板を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波処理を行うとともに、当該所定部分以外で、(a)反射板を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波処理を行う。それによって、不均一が生じた部分の方向に多くのマイクロ波を伝搬、ひいては照射させることができ、不均一が生じた部分に対してマイクロ波処理を選択的に行うことができる結果、サンプルに対してマイクロ波処理を均一に行うことができる。 When microwave processing is performed while rotating the reflecting plate at a constant speed, a directivity characteristic equivalent to that of a λ / 4 vertical ground antenna is obtained as time integration, so that microwave processing can be performed uniformly on the sample. On the other hand, even if non-uniformity (due to processing) occurs with respect to the sample due to the state of the sample or the structure of the chamber, the reflector is rotated at a predetermined rotational speed at a predetermined portion so that the opening is directed to the non-uniform portion. In addition to performing the microwave processing while rotating in step (a), the microwave processing is performed by rotating the reflector at a speed lower than the predetermined rotation speed, or (b) temporarily stopping at a portion other than the predetermined portion. Do. As a result, a lot of microwaves can be propagated in the direction of the portion where the non-uniformity has occurred, and thus irradiated, and the microwave processing can be selectively performed on the portion where the non-uniformity has occurred. On the other hand, the microwave treatment can be performed uniformly.
また、本発明に係る同軸アンテナは、中心導体およびそれを外部から囲む外部導体を有し、マイクロ波を伝搬させるための同軸ケーブルと、当該外部導体に電気的に接続されたグランドプレーンとを備えるとともに、前記同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板と、前記同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構とを備えることを特徴とするものである。 The coaxial antenna according to the present invention includes a central conductor and an outer conductor that surrounds the central conductor, and includes a coaxial cable for propagating microwaves and a ground plane that is electrically connected to the outer conductor. And a reflection plate formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable and having at least a part opened, and a rotation mechanism for rotating the reflection plate around the coaxial center of the coaxial cable. Is.
[作用・効果]本発明に係る同軸アンテナによれば、マイクロ波処理を行うチャンバーを備えていない点を除けば、上述した本発明に係るマイクロ波処理装置と同様である。すなわち、同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板を設けることで、マイクロ波の伝搬方向に反射板の開口の方向に対する指向性を持たせる。そして、λ/4垂直接地アンテナに準じる同軸アンテナとする。指向性は、水平面内が反射板の開口の方向にあり、垂直面内が反射板の開口の形状で当該開口の方向にある。さらに、同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構を備えることで、サンプルの状態やチャンバーの構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理を均一に行うことができる。 [Operation / Effect] The coaxial antenna according to the present invention is the same as the above-described microwave processing apparatus according to the present invention, except that a chamber for performing microwave processing is not provided. That is, by providing a reflecting plate that is formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable and that is at least partially opened, directivity in the direction of the opening of the reflecting plate is given in the propagation direction of the microwave. The coaxial antenna conforms to the λ / 4 vertical ground antenna. In the directivity, the horizontal plane is in the direction of the opening of the reflecting plate, and the vertical plane is in the direction of the opening in the shape of the opening of the reflecting plate. Furthermore, by providing a rotation mechanism that rotates the reflecting plate around the coaxial core of the coaxial cable, the microwave processing can be performed uniformly without using a stirrer without being limited to the sample state or the chamber structure.
本発明に係るマイクロ波処理装置および同軸アンテナによれば、同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板を設けることで、マイクロ波の伝搬方向に反射板の開口の方向に対する指向性を持たせる。そして、λ/4垂直接地アンテナに準じる同軸アンテナとする。指向性は、水平面内が反射板の開口の方向にあり、垂直面内が反射板の開口の形状で当該開口の方向にある。さらに、同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構を備えることで、サンプルの状態やチャンバーの構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理を均一に行うことができる。 According to the microwave processing device and the coaxial antenna according to the present invention, the reflection plate is formed in the microwave propagation direction by providing the reflection plate that is formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable and that is at least partially opened. Give directivity to the direction of the opening. The coaxial antenna conforms to the λ / 4 vertical ground antenna. In the directivity, the horizontal plane is in the direction of the opening of the reflecting plate, and the vertical plane is in the direction of the opening in the shape of the opening of the reflecting plate. Furthermore, by providing a rotation mechanism that rotates the reflecting plate around the coaxial core of the coaxial cable, the microwave processing can be performed uniformly without using a stirrer without being limited to the sample state or the chamber structure.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は、実施例に係るマイクロ波加熱装置の概略図であり、図2は、図1の反射板の周辺部分を拡大した概略断面図である。本実施例では、マイクロ波処理として、マイクロ波加熱を例に採って説明するとともに、チャンバーとして加熱炉を例に採って説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a microwave heating apparatus according to an embodiment, and FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of a peripheral portion of the reflector in FIG. In this embodiment, microwave heating will be described as an example of microwave treatment, and a heating furnace will be described as an example of a chamber.
本実施例では、マイクロ波加熱装置は、図1に示すように発振器1と同軸ケーブル2と加熱炉3とを備えている。発振器1は、例えば2.45GHzのマイクロ波を発振する。発振器1として、例えばマグネトロン(magnetron)や半導体発振器などを使用する。同軸ケーブル2は、図2に示すように中心導体2Aおよびそれを外部から囲む外部導体2Bを有し、発振器1(図1を参照)からのマイクロ波を伝搬させる。加熱炉3は、後述するグランドプレーン4を接地した状態で、同軸ケーブル2から伝搬したマイクロ波によるマイクロ波加熱を行う。同軸ケーブル2は、本発明における同軸ケーブルに相当し、加熱炉3は、本発明におけるチャンバーに相当する。
In this embodiment, the microwave heating apparatus includes an
本実施例では、図1に示すように加熱炉3の中央の底部に同軸ケーブル2を設置している。図1の加熱炉3は直方体であって、加熱炉3の中央に同軸ケーブル2を設置することで、少なくとも加熱炉3の構造に左右されずにマイクロ波加熱を均一に行うことができる。
In this embodiment, the
この他に、マイクロ波加熱装置は、図1に示すようにグランドプレーン4(図2も参照)とレドーム5(図2も参照)と反射板6(図2も参照)と回転機構7とコントローラ8とを備えている。グランドプレーン4は、本発明におけるグランドプレーンに相当し、レドーム5は、本発明におけるレドームに相当し、反射板6は、本発明における反射板に相当し、回転機構7は、本発明における回転機構に相当し、コントローラ8は、本発明における制御手段に相当する。
In addition, the microwave heating apparatus includes a ground plane 4 (see also FIG. 2), a radome 5 (see also FIG. 2), a reflector 6 (see also FIG. 2), a
グランドプレーン4は、例えばステンレス鋼(SUS)などの金属で形成されており、図2に示すように外部導体2Bに電気的に接続されている。外部導体2Bは接地されているので、グランドプレーン4を外部導体2Bに電気的に接続することで、グランドプレーン4は接地状態となる。
The
レドーム5は、同軸ケーブル2のアンテナ部分を囲うように半球状に形成されており、このように形成することでレドーム5は同軸ケーブル2のアンテナ部分を保護する。レドーム5については、マイクロ波等のような電波の透過率が高い誘電体として、例えばグラスファイバーやフッ素樹脂を使用する。レドーム5は、充填されていてもよいし、中空状であってもよい。
The
反射板6は、同軸ケーブル2のアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口されている。本実施例では、半球の半分(球を1/4)に分割した形状の反射板6を設けることで、反射板6がない部分が半球の半分(球を1/4)に分割した開口部分となる。なお、本実施例では、図1および図2に示すようにレドーム5の外周に反射板6を設けている。反射板6は、金属であれば特に限定されないが、加工しやすく耐熱性のある金属であるのが好ましい。例えば、ステンレス鋼(SUS)やアルミニウム(Al)や銅(Cu)などで反射板6を形成すればよい。
The
回転機構7は、同軸ケーブル2の同軸心周りに反射板6を回転させるように構成されている。本実施例では、回転機構7は、図2に示すようにモータ71と回転軸72とギア73と外輪74とベアリング75と内輪76とを備えて構成されている。ギア73は、回転軸72を介してモータ71に取り付けられており、外輪74のラックはギア73に嵌合されている。また、内輪76はグランドプレーン4に固定配置されており、ベアリング75を介して外輪74は内輪76に支持されている。外輪74には反射板6を取り付けており、回転軸72を介してモータ71を駆動させるとギア73が回転する。ギア73が回転することによって、外輪74全体が同軸ケーブル2の同軸心周りに回転することで、外輪73に取り付けられた反射板6も同軸ケーブル2の同軸心周りに回転する。回転機構については、図2に示す機構に限定されない。例えば反射板を磁性体で形成し、磁極を対向配置することで、磁気によって反射板を回転させるような非接触型の回転機構であってもよい。
The
コントローラ8は、回転機構7による反射板6の回転速度を制御する。コントローラ8は、中央演算処理装置(CPU)などで構成されている。本実施例では、反射板6を一定速度で回転させる制御、または下記のように回転速度を可変制御しつつ反射板6を回転させる制御を行う。回転速度を可変制御しつつ反射板6を回転させる制御を行う場合には、所定部分で反射板6を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波処理を行うとともに、当該所定部分以外で、(a)反射板6を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波処理を行う。これらの制御については、図7で詳しく後述する。
The
次に、各アンテナの指向性について、図3〜図6を参照して説明する。図3は、従来のλ/4垂直接地アンテナにおける水平面内の指向性を示した概略図であり、図4は、従来のλ/4垂直接地アンテナにおける垂直面内の指向性を示した概略図であり、図5は、実施例に係る指向性制御同軸アンテナにおける水平面内の指向性を示した概略図である。図3〜図6の軸は相対電界強度であり、符号Oはアンテナ中心である。 Next, the directivity of each antenna will be described with reference to FIGS. 3 is a schematic diagram showing the directivity in the horizontal plane of the conventional λ / 4 vertical ground antenna, and FIG. 4 is a schematic diagram showing the directivity in the vertical plane of the conventional λ / 4 vertical ground antenna. FIG. 5 is a schematic view showing the directivity in the horizontal plane in the directivity control coaxial antenna according to the embodiment. The axis of FIGS. 3 to 6 is the relative electric field strength, and the symbol O is the center of the antenna.
「課題を解決するための手段」の欄でも述べたように、従来のλ/4垂直接地アンテナの指向性は、図3および図4に示す通りである。図3に示すように水平面(同軸方向に直交する面)内が無指向性で、図4に示すように垂直面(同軸方向に平行な面)内が半球方向に指向性を持つ。 As described in the section “Means for Solving the Problems”, the directivity of the conventional λ / 4 vertical ground antenna is as shown in FIGS. As shown in FIG. 3, the horizontal plane (plane orthogonal to the coaxial direction) is omnidirectional, and the vertical plane (plane parallel to the coaxial direction) is directional in the hemispherical direction as shown in FIG.
これに対して、本実施例の指向性制御同軸アンテナでは、球を1/4に分割した形状の反射板6(図1および図2を参照)を使用しているので、反射板がない場合と比べて、放射されるマイクロ波の単位面積当たりの電力が約2倍になる。電力は電界強度の2乗に比例するので、電力が2倍ならば電界強度は√2倍となって、相対電界強度が従来のλ/4垂直接地アンテナのときの約1.4倍(=√2倍)となる。
On the other hand, in the directivity control coaxial antenna of the present embodiment, the
本実施例の指向性制御同軸アンテナの指向性は、図5および図6に示す通りである。図5に示すように水平面(同軸方向に直交する面)内は反射板6(図1および図2を参照)の反対方向、すなわち開口方向に指向性を持ち、図6に示すように垂直面(同軸方向に平行な面)内が半球の半分、かつ反射板6の反対方向(開口方向)方向に指向性を持つ。 The directivity of the directivity control coaxial antenna of the present embodiment is as shown in FIGS. As shown in FIG. 5, the horizontal plane (plane orthogonal to the coaxial direction) has directivity in the direction opposite to the reflecting plate 6 (see FIGS. 1 and 2), that is, in the opening direction, and as shown in FIG. The inside of the (plane parallel to the coaxial direction) is half the hemisphere and has directivity in the direction opposite to the reflecting plate 6 (opening direction).
次に、本実施例のマイクロ波加熱方法について、上述した図1とともに、図7を参照して説明する。図7は、図2に領域を併記した概略図である。 Next, the microwave heating method of the present embodiment will be described with reference to FIG. 7 together with FIG. FIG. 7 is a schematic diagram in which regions are shown in FIG.
図1に示すような形状のサンプルsを加熱する場合、図1中の太枠の破線で囲まれた領域が加熱されにくい領域になる。よって、図1中の矢印に示す方向にマイクロ波を照射させる。そのために、図7に示すように、加熱されにくい領域(すなわち加熱の不均一が生じた部分)をRRとし、逆方向の領域をRLとする。加熱されにくい領域(加熱の不均一が生じた部分)RRは図7の右側となり、逆方向の領域RLは図7の左側となる。 When the sample s having a shape as shown in FIG. 1 is heated, a region surrounded by a thick broken line in FIG. Therefore, the microwave is irradiated in the direction indicated by the arrow in FIG. Therefore, as shown in FIG. 7, a region that is difficult to be heated (that is, a portion where heating non-uniformity occurs) is denoted as RR, and a region in the reverse direction is denoted as RL . The region that is difficult to be heated (the portion where the uneven heating has occurred) RR is on the right side of FIG. 7, and the region RL in the reverse direction is on the left side of FIG.
加熱されにくい領域(加熱の不均一が生じた部分)RRを所定部分と設定すると、所定部分(図7では右側のRR)で反射板6を所定の回転速度(例えば1回転/秒)で回転させながらマイクロ波加熱を行うとともに、当該所定部分以外(図7では左側のRL)で、(a)反射板6を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波加熱を行う。つまり、反射板6が右側のRRに位置する際には反射板6を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波加熱を行う。反射板6が左側のRLに位置する際には、(a)反射板6を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波加熱を行う。このように、加熱されにくい領域に開口が向けられるようにマイクロ波加熱を行う。
The heated hard region by setting the (heterogeneous occurs part of the heating) R R a predetermined portion, the predetermined rotational speed a
なお、図1に示すような形状のサンプルsでなく、加熱物性が均一で対称な形状のサンプルを加熱する場合で、かつ図1に示すような直方体の加熱炉3の中央に同軸ケーブル2を設置する場合には、サンプルの状態や加熱炉3のようなチャンバーの構造に左右されずにマイクロ波加熱を均一に行うことができる。ただし、上述したように小型のチャンバーではスペース的にスターラやターンテーブルを設置しにくいので、スターラやターンテーブルを用いずにマイクロ波加熱を確実に均一に行うために、反射板6を一定速度(例えば1回転/秒)で回転させながらマイクロ波加熱を行う。
In addition, the
ここでは、回転速度の例示として1回転/秒を挙げたが、この値に限定されない。マイクロ波の周波数、マイクロ波処理の対象となるサンプルの種類や形状、チャンバーの構造、目標温度などの処理条件に応じて、回転速度は所定の値に適宜設定される。また、グランドプレーン4(図1および図2を参照)やレドーム5(図1および図2を参照)や反射板6やアンテナ部分の設計寸法についても、上述した処理条件に応じて適宜設定される。なお、本実施例では、2.45GHzのマイクロ波を用いているが、本実施例の同軸ケーブルはλ/4垂直接地アンテナに準じるので、実際にはアンテナ部分の長さはλ/4にならず、周囲の構造(例えば反射板)や処理条件に応じてアンテナ部分の長さは適宜設定されることに留意されたい。
Here, although 1 rotation / second was mentioned as an example of a rotational speed, it is not limited to this value. The rotation speed is appropriately set to a predetermined value according to the processing conditions such as the frequency of the microwave, the type and shape of the sample to be subjected to the microwave processing, the structure of the chamber, and the target temperature. Further, the design dimensions of the ground plane 4 (see FIGS. 1 and 2), the radome 5 (see FIGS. 1 and 2), the
本実施例に係るマイクロ波処理装置(本実施例ではマイクロ波加熱装置)によれば、中心導体2Aおよびそれを外部から囲む外部導体2Bを有した同軸ケーブル2を導波管の替わりに用いることで、同軸ケーブル2で引き回すことにより発振器1の設置場所の自由度が高くなる。反射板6および回転機構7がなければ、同軸ケーブル2の外部導体2Bに電気的に接続されたグランドプレーン4および同軸ケーブル2の外部導体2Bがない中心導体2Aからなるλ/4垂直接地アンテナとなる。なお、同軸ケーブル2の外部導体2Bは接地されているので、グランドプレーン4を外部導体2Bに電気的に接続することで、グランドプレーン4は接地状態となる。
According to the microwave processing apparatus according to the present embodiment (microwave heating apparatus in the present embodiment), the
λ/4垂直接地アンテナの指向性は、水平面(同軸方向に直交する面)内が無指向性で(図3を参照)、垂直面(同軸方向に平行な面)内が半球方向に指向性を持つ(図4を参照)。すなわち、λ/4垂直接地アンテナをマイクロ波処理の給電機構に用いた場合、マイクロ波の伝搬は、グランドプレーン4の上側(同軸ケーブル側とは逆側)の空間に無指向性で広がる。しかし、サンプルの形状や物性などのサンプルの状態や、チャンバー(本実施例では加熱炉3)の構造によってサンプルにマイクロ波が均等に照射されない場合があり、サンプルの(処理による)均一性が得られないことが多い。
The directivity of the λ / 4 vertical ground antenna is omnidirectional in the horizontal plane (plane perpendicular to the coaxial direction) (see Fig. 3) and in the vertical plane (plane parallel to the coaxial direction) in the hemispherical direction. (See FIG. 4). That is, when the λ / 4 vertical ground antenna is used as a power supply mechanism for microwave processing, the propagation of the microwave spreads omnidirectionally in the space above the ground plane 4 (the side opposite to the coaxial cable side). However, the sample may not be evenly irradiated with microwaves depending on the state of the sample, such as the shape and physical properties of the sample, and the structure of the chamber (
そこで、本実施例では、同軸ケーブル2のアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口(本実施例では半球の半分の形状に開口)された反射板6を設けることで、マイクロ波の伝搬方向に反射板6の開口(半球の半分の開口)の方向に対する指向性を持たせる。そして、λ/4垂直接地アンテナに準じる同軸アンテナとする。指向性は、水平面内が反射板6の開口(半球の半分の開口)の方向にあり、垂直面内が反射板6の開口の形状(半球の半分の形状)で当該開口の方向にある。さらに、同軸ケーブル2の同軸心周りに当該反射板6を回転させる回転機構7を備えることで、サンプルの状態やチャンバー(加熱炉3)の構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を均一に行うことができる。
Therefore, in this embodiment, a microwave is provided by providing a
本実施例のように、同軸ケーブル2のアンテナ部分を保護するレドーム5を備えるのが好ましい。レドーム5については、上述したように、マイクロ波等のような電波の透過率が高い誘電体として、例えばグラスファイバーやフッ素樹脂を使用する。本実施例では、図1および図2に示すようにレドーム5の外周に反射板6を設けている。
As in this embodiment, it is preferable to include a
本実施例では、回転機構7による反射板6の回転速度を制御する制御手段として、図1に示すようにコントローラ8をマイクロ波処理装置(マイクロ波加熱装置)は備えている。コントローラ8は反射板6を一定速度で回転させるように制御し、反射板6を一定速度で回転させながらマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行う場合や、コントローラ8は回転速度を可変制御しつつ反射板6を回転させるように制御し、所定部分(図7では右側のRR)で反射板6を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行うとともに、当該所定部分以外(図7では左側のRL)で、(a)反射板6を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行う場合に有用である。
In this embodiment, as a control means for controlling the rotation speed of the reflecting
反射板6を一定速度で回転させながらマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行う場合、時間積分としてλ/4垂直接地アンテナに準ずる指向特性が得られるので、サンプルに対してマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を均一に行うことができる。一方、サンプルの状態やチャンバー(加熱炉3)の構造によってサンプルに対して(処理による)不均一が生じたとしても、不均一が生じた部分に開口が向けられるように、所定部分(図7では右側のRR)で反射板6を所定の回転速度で回転させながらマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行うとともに、当該所定部分以外(図7では左側のRL)で、(a)反射板6を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させてマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行う。それによって、不均一が生じた部分の方向に多くのマイクロ波を伝搬、ひいては照射させることができ、不均一が生じた部分に対してマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を選択的に行うことができる結果、サンプルに対してマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を均一に行うことができる。
When microwave processing (microwave heating) is performed while rotating the reflecting
また、本実施例に係る同軸アンテナは、上述した同軸ケーブル2やグランドプレーン4や反射板6や回転機構7が構成として含まれている。すなわち、本実施例に係る同軸アンテナによれば、マイクロ波処理(マイクロ波加熱)を行うチャンバー(加熱炉3)や、さらに本実施例では発振器1やコントローラ8を備えていない点を除けば、上述した本施例に係るマイクロ波処理装置(マイクロ波加熱装置)と同様である。すなわち、同軸ケーブル2のアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口(本実施例では半球の半分の形状に開口)された反射板6を設けることで、マイクロ波の伝搬方向に反射板6の開口(半球の半分の開口)の方向に対する指向性を持たせる。そして、λ/4垂直接地アンテナに準じる同軸アンテナとする。指向性は、水平面内が反射板6の開口(半球の半分の開口)の方向にあり、垂直面内が反射板6の開口の形状(半球の半分の形状)で当該開口の方向にある。さらに、同軸ケーブル2の同軸心周りに当該反射板6を回転させる回転機構7を備えることで、サンプルの状態やチャンバー(加熱炉3)の構造に限定されず、スターラを用いずにマイクロ波処理(マイクロ波加熱)を均一に行うことができる。
Further, the coaxial antenna according to the present embodiment includes the above-described
本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as follows.
(1)上述した実施例では、マイクロ波処理として、マイクロ波加熱を例に採って説明したが、局所的に行うマイクロ波処理であれば、マイクロ波加熱に限定されない。例えば、マイクロ波によるプラズマ処理(プラズマエッチングやプラズマアッシングなど)に適用してもよい。 (1) In the above-described embodiment, the microwave heating is described as an example of the microwave treatment, but the microwave treatment is not limited to the microwave heating as long as it is performed locally. For example, the present invention may be applied to microwave plasma processing (plasma etching, plasma ashing, etc.).
(2)上述した実施例では、チャンバー(実施例では加熱炉3)の底部の中央に同軸ケーブル2を設置したが、同軸ケーブルの設置場所については、特に限定されない。例えば、チャンバーの天井部や側面に同軸ケーブルを設置してもよいし、チャンバーの中央以外に端部に同軸ケーブルを設置してもよい。また、設置される同軸ケーブルは必ずしも単数でなくてもよく、複数であってもよい。例えば、チャンバーの4隅に同軸ケーブルをそれぞれ設置してもよい。
(2) In the embodiment described above, the
(3)上述した実施例では、反射板は図1や図2に示す形状で、開口部分は図1や図2に示す半球の半分の形状であったが、形状(特に開口の形状)については、特に限定されない。例えば、図8(a)の斜視図に示すような開口6Aであってもよいし、図8(b)の斜視図に示すように開口6Aを複数(図8(b)では2つ)設けてもよい。また、開口の方向にマイクロ波を絞って照射させるように開口に筒状の絞りを設けてもよい。
(3) In the embodiment described above, the reflecting plate has the shape shown in FIG. 1 and FIG. 2 and the opening portion has a half shape of the hemisphere shown in FIG. 1 and FIG. Is not particularly limited. For example, an
(4)上述した実施例では、同軸ケーブルのアンテナ部分を保護するレドームを備えたが、レドームを必ずしも備える必要はない。また、図9(a)の断面図に示すようにレドーム5の内周に反射板6を設けてもよい。図9(a)の場合、反射板の外周にレドーム5があるので、レドーム外部から反射板へのパーティクルの侵入を防止することができる。さらに、実施例の構造および図9(a)の構造を組み合わせてもよい。すなわち、図9(b)の断面図に示すように、レドームは、内周レドーム5aおよびそれを外周から囲む外周レドーム5bからなり、当該内周レドーム5aの外周、かつ当該外周レドーム5bの内周に反射板を設ける。なお、図9の構造におけるレドーム5は、実施例でも述べたように、充填されていてもよいし、中空状であってもよい。
(4) Although the radome which protects the antenna part of a coaxial cable was provided in the Example mentioned above, it is not necessary to necessarily provide a radome. Moreover, you may provide the reflecting
2 … 同軸ケーブル
2A … 中心導体
2B … 外部導体
3 … 加熱炉
4 … グランドプレーン
5 … レドーム
6 … 反射板
7 … 回転機構
8 … コントローラ
2 ...
Claims (9)
中心導体およびそれを外部から囲む外部導体を有し、マイクロ波を伝搬させるための同軸ケーブルと、
当該外部導体に電気的に接続されたグランドプレーンと、
当該グランドプレーンを接地した状態で、当該同軸ケーブルから伝搬したマイクロ波によるマイクロ波処理を行うチャンバーと
を備えるとともに、
前記同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板と、
前記同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構と
を備えることを特徴とするマイクロ波処理装置。 A microwave processing apparatus for performing microwave processing,
A coaxial cable for propagating microwaves, having a center conductor and an outer conductor surrounding it from the outside;
A ground plane electrically connected to the outer conductor;
A chamber for performing microwave processing using microwaves propagated from the coaxial cable in a state where the ground plane is grounded,
A reflector formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable, and at least a part of which is opened;
A microwave processing apparatus comprising: a rotating mechanism that rotates the reflecting plate around a coaxial core of the coaxial cable.
前記同軸ケーブルのアンテナ部分を保護するレドームを備えることを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 1,
A microwave processing apparatus comprising a radome for protecting an antenna portion of the coaxial cable.
前記レドームの外周に前記反射板を設けることを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 2, wherein
A microwave processing apparatus, wherein the reflector is provided on an outer periphery of the radome.
前記レドームの内周に前記反射板を設けることを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 2, wherein
A microwave processing apparatus, wherein the reflecting plate is provided on an inner periphery of the radome.
前記レドームは、内周レドームおよびそれを外周から囲む外周レドームからなり、
当該内周レドームの外周、かつ当該外周レドームの内周に前記反射板を設けることを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 2, wherein
The radome consists of an inner circumference radome and an outer circumference radome surrounding it from the outer circumference,
A microwave processing apparatus, wherein the reflector is provided on the outer periphery of the inner radome and on the inner periphery of the outer radome.
前記回転機構による前記反射板の回転速度を制御する制御手段を備えることを特徴とするマイクロ波処理装置。 In the microwave processing apparatus in any one of Claims 1-5,
A microwave processing apparatus comprising control means for controlling a rotation speed of the reflection plate by the rotation mechanism.
前記制御手段は前記反射板を一定速度で回転させるように制御し、前記反射板を一定速度で回転させながら前記マイクロ波処理を行うことを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 6, wherein
The microwave processing apparatus, wherein the control means controls the reflector to rotate at a constant speed, and performs the microwave processing while rotating the reflector at a constant speed.
前記制御手段は回転速度を可変制御しつつ前記反射板を回転させるように制御し、所定部分で前記反射板を所定の回転速度で回転させながら前記マイクロ波処理を行うとともに、当該所定部分以外で、(a)前記反射板を当該所定の回転速度よりも低速で回転させながら、あるいは(b)一時的に停止させて前記マイクロ波処理を行うことを特徴とするマイクロ波処理装置。 The microwave processing apparatus according to claim 6, wherein
The control means controls the rotation of the reflection plate while variably controlling the rotation speed, performs the microwave processing while rotating the reflection plate at a predetermined rotation speed at a predetermined portion, and at other than the predetermined portion. (A) The microwave processing apparatus performs the microwave processing while rotating the reflecting plate at a speed lower than the predetermined rotation speed, or (b) temporarily stopping the reflection plate.
当該外部導体に電気的に接続されたグランドプレーンと
を備えるとともに、
前記同軸ケーブルのアンテナ部分を囲うように形成され、少なくとも一部が開口された反射板と、
前記同軸ケーブルの同軸心周りに当該反射板を回転させる回転機構と
を備えることを特徴とする同軸アンテナ。 A coaxial cable for propagating microwaves, having a center conductor and an outer conductor surrounding it from the outside;
A ground plane electrically connected to the outer conductor, and
A reflector formed so as to surround the antenna portion of the coaxial cable, and at least a part of which is opened;
And a rotating mechanism for rotating the reflecting plate around the coaxial core of the coaxial cable.
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JP2013098626A (en) * | 2011-10-28 | 2013-05-20 | Nisshin:Kk | Microwave processing method |
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