JP3617182B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波による被加熱物の誘電加熱分布を変更する電磁波放射手段を備えた高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な高周波加熱装置である電子レンジは、従来は図２９〜図３７に示すような構成であった。
【０００３】
図２９の電子レンジはターンテーブル１５を用いた一般的な構成である。ここでは電磁波発生手段としてのマグネトロン９から出た電磁波は、導波管１１を介して伝送され、加熱室１形状と電磁波が放射される開口部８２の位置で決まる定在波となって加熱室１内に分布する。そして食品２の各部位に与えられる電磁波の電界成分と、各部位の誘電損失に応じて発熱する。食品の単位体積当たり吸収される電力Ｐ［Ｗ／ｍ３］は、加えられる電界の強さＥ［Ｖ／ｍ］、周波数ｆ［Ｈｚ］、および食品２の比誘電率εｒ、誘電正接ｔａｎδにより（１）式として表される。この従来例では、食品２の加熱分布は概ね電磁波の定在波分布によって決まるため、加熱分布のむらを抑えるためにターンテーブル１５を回転駆動して同心円上の加熱分布の均一化を図っている。
【０００４】
Ｐ＝（５／９）εｒ・ｔａｎδ・ｆ・Ｅ２×１０−１０［Ｗ／ｍ３］ （１）
また、特開平７−１９８１４７号公報のように、複数の開口部を切り替えて加熱分布を変えるものがある。図３０、図３１は加熱室の底面外部に２０個の導波管１１をマトリクス状に配置し、それぞれの導波管１１への給電を選択的に制御するものである。どの導波管へ給電するかは、加熱室１内の局所的な温度を検出する温度検出手段８３により制御するもので、各々の開口部８２の鉛直上方向に２０個のミラー８４を有し、５組の凹面ミラー８５を介して５組の温度検出手段８３に赤外線を導いている。また、図３２、図３３は、開口部８６を回転軸８７を中心に回転可動にして加熱点を移動する構成で、ターンテーブル１５と組み合わせて局所的に加熱するものである。開口部８６の位置を制御してターンテーブル１５の半径方向の加熱点を任意に変化させ、ターンテーブル１５の回転を制御して周方向の加熱点を任意に変化させている。
【０００５】
さらに、特開平７−１６１４６９号公報のように、回転位置を検出しながら開口部を回転させるものがある。本従来例では図３４〜図３７のように、環状矩形導波管８８、回転により位置の変化する開口部８９、モータ９０、９１、回転軸９２、９３および回転角検出器（アブソリュート・ロータリー・エンコーダ）９４を有し、回転角すなわち開口部８９の回転位置が検出できる構成である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、導波管と加熱室を接続して電磁波を加熱室内に入れる場合、食品の材質や形状ごとに加熱分布を均一にする適切な開口部の位置が異なり、一つの開口部ですべての食品を均一に加熱することはできないという問題があった。
【０００７】
例えば従来の電子レンジで平らな食品を加熱すると、縁のほうから加熱が進み中心は冷たいままという顕著な加熱むらが起こることが一般に知られている。一例として、図３８のように平らで５×５ますに区切ったアクリル製の容器９５に水を入れ、従来の電子レンジ（開口部の位置は後ろ）で加熱したときのそれぞれのますの温度上昇を示すと、図３９（ａ）となる。容器９５の形状は加熱室に丁度入る程度の大きさで回転できないため、ターンテーブルよりもわずかに高い位置に容器を固定して加熱した。開口部の位置が後ろなので、後ろ側のますでの温度上昇が高くなることがわかる。また図３９（ｂ）は、図３９（ａ）のデータを加工したもので、中央のますを中心として対象位置（中心から等距離）にあるますの温度上昇を平均化しており、ターンテーブルの回転による平均化を想定したものである。この結果から、前述の通り、縁のほうから加熱が進み中心は冷たい加熱むらが生じることがわかる。
【０００８】
また開口部の位置による特徴として、加熱室底面の中央付近に開口部を設ける場合、食品の底面が加熱され、対流のある液体状の食品ならば均一に加熱できるが、対流のない固体状の食品は底面ばかり温度が上がるという問題があった。この時ターンテーブルを用いると、同心円上の加熱分布の均一化は図れるが、いくらターンテーブルを回転させたとしても、回転中心から見た半径方向の分布や上下方向の分布は改善されない。
【０００９】
一方、図３０、図３１のように、定在波よりも放射に重点を置き、食品に近い下方からの電磁波の放射位置を制御するものは、放射位置により食品の任意の位置を局所的に加熱することができる。しかしながら多くの導波管１１が必要で、それぞれの導波管１１への給電を切り替える構成が複雑になるという問題があった。
【００１０】
また隣接する２つの開口部の間や、４つの開口部８２の間を加熱することができないという問題があった。
【００１１】
さらに、図３２〜図３７のように、環状矩形導波管８８や環状の導波管９６により開口部８６、８９の位置を変える場合は、連続的に励振位置を変えることができる。しかしながら環状矩形導波管８８や環状の導波管９６が大きなスペースを有し、構成が複雑になるという問題があった。図３３によると加熱室内のうちターンテーブル１５の占める割合が少ないので、食品を置けるスペースが限定されるという問題があった。さらに環状の導波管９６が邪魔になるので底面ヒータなどの他部品を構成できないという問題があった。
【００１２】
また図３０〜図３４では、食品の汁や水などを加熱室内でこぼした場合、導波管１１や環状矩形導波管８８や環状の導波管９６内に入り込んで電界の集中を引き起こしたり、駆動部分を詰まらせて駆動停止しかねないという問題があった。
【００１３】
さらに、図３５、図３７では、回転角検出器９４により開口部８９の回転位置が検出でき、精度よく開口部８９位置を制御できる。しかし側方の開口部８９から励振するので、電磁波が食品２に到達するまでには距離があり、電磁波が拡散してしまうのである。この拡散の度合いは、食品２の置き方による開口部８９から食品２までの距離の変化によっても大きく変化し、加熱される部分が特定できないので、狙ったところだけを加熱するという事はできない。よって回転角検出器９４で精度よく開口部８９位置を制御しても効果が少ないという問題があった。その上、電磁波が拡散すると、食品以外のいろいろな部分（加熱室壁面など加熱すべきでない部分）と衝突して損失が生じるため、加熱効率を悪くするという問題もあった。その他にも、異種の複数の食品を入れると、いずれかのみを選択して加熱することはできず全てのものに電磁波が衝突し、軽いものや密度の小さいものや誘電損（比誘電率と誘電正接の積）の大きなものが先に温度上昇してしまうという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、加熱室内にマグネトロンにより電磁波を放射して被加熱物を加熱し、かつ、電界を集中させる集中部を一部に有する放射アンテナと、前記被加熱物の名称を入力する設定手段と、前記設定手段に入力した前記被加熱物の名称に基づいて、前記被加熱物が液体である場合には、前記被加熱物の底面を集中加熱するように前記放射アンテナの位置を制御する制御手段で放射アンテナの位置を制御するものである。
【００１５】
上記発明によれば、放射アンテナを所望の位置に制御できるので、簡単な構成で被加熱物を所望の仕上がり状態にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の高周波加熱装置のブロック図である。
【００１８】
図１において、加熱室１内の被加熱物２を所望の仕上がり状態に加熱するために、加熱室１内に電磁波３を放射する放射アンテナ４と、放射アンテナ４の位置を所望の加熱分布にとって適切な位置に制御する制御手段５を有している。
【００１９】
ここで放射アンテナとは、導体に電界をのせることで電磁波を放射するものとし、閉空間内に閉じこめた電磁波を開口（または励振口、給電口）より放出するもの（導波管）とは異なるものと定義する。
【００２０】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２の高周波加熱装置のブロック図である。
【００２１】
図２において、放射アンテナ４を駆動する駆動手段６と、駆動手段６と放射アンテナ４を結合する結合部７を有し、制御手段５は、駆動手段６を制御することで、放射アンテナ４の位置を制御している。
【００２２】
（実施例３）
図３〜図８は、本発明の実施例３の代表的な高周波加熱装置である電子レンジの断面構成図である。
【００２３】
図３において、電磁波放射手段８は、代表的な電磁波発生手段であるマグネトロン９から出た電磁波が、代表的な導波手段１０を構成する導波管１１および導波管１１と同軸結合する結合部７を介して、代表的な放射手段である放射アンテナ４により加熱室１内に放射され、代表的な被加熱物である食品２を加熱するものである。また結合部７を導波管１１との間で保持する保持部１２や、結合部７と勘合して結合部７および放射アンテナ４を回転駆動させる代表的な駆動手段であるステッピングモータ１３を構成している。
【００２４】
加熱室１内部には、食品２を載せて加熱中に回転させるために、電磁波が透過するガラスやセラミック製の皿１４と、ターンテーブル１５を有し、また放射アンテナ４を使用しないときに格納するために壁面の一部を加熱室１の外側に突出させて構成した突出部１６を構成している。
【００２５】
加熱室１外部には、ターンテーブル１５を回転させるターンテーブルモータ１７、食品２の重量を判定するための重量検出手段１８、オーブン調理やグリル調理の際に食品２を輻射加熱するヒータ１９、食品２の温度分布を検出する温度分布検出手段２０、使用者が設定入力する設定手段２１および制御手段５を構成している。ここで設定手段２１は、使用者が、食品２の名称に関する情報（たとえば”牛乳”、”酒”など）、食品２の種類に関する情報（たとえば”根菜”、”葉菜”など）、加熱前の状態に関する情報（たとえば初期温度や保存状態など）、加熱方法（たとえば”強”、”弱”など）または加熱仕上がり状態（たとえば”解凍”、”あたため”など）を入力するか選択するかにより設定するものである。また制御手段５は、マグネトロン９からの電磁波出力を制御する出力制御手段２２、ステッピングモータ１３を制御して放射アンテナ４の回転や停止を制御するアンテナ制御手段２３、ターンテーブルモータ１７を制御してターンテーブル１５の回転や停止を制御するテーブル制御手段２４などを有し、重量検出手段１８、温度分布検出手段２０および設定手段２１などにより、制御している。
【００２６】
図４は図３のＡ−Ａ’線断面を示す。図４において、マグネトロン９の放射位置２５から放射された電磁波は導波管１１内を管内波長λｇで伝送し、放射位置２５での電界が強く、λｇ／４ごとに電界が強弱（腹節）を繰り返す定在波となる。また結合部７により、導波管１１内の電磁波を効率よく突出部１６へ導くために、放射位置２５から結合部７までの距離Ｌ１をｍ・λｇ／２（ただしｍは０以上の整数）としている。さらに導波管１１の端面２６で電界を弱くするために、結合部７から端面２６までの距離Ｌ２を（２ｎ＋１）・λｇ／４（ただしｎは０以上の整数）としている。
【００２７】
図５〜図７は図４のＢ−Ｂ’線断面を示す。
【００２８】
図５において、放射アンテナ４は結合部７から伝送された電磁波を加熱室１内に放射するものであるが、電磁波の放射方向は放射アンテナ４の長手方向に強い指向性を有している。また放射アンテナ４の位置は、実矢線２７ａ、２７ｂの範囲で変更可能で、ステッピングモータ１３により位置決め駆動している。図５の放射アンテナ４の位置はターンテーブル１５の回転軸２８を向く位置であり、放射アンテナ４の駆動範囲の中で最も加熱室１底面の中央方向に強い指向性を有する状態である。このとき放射アンテナ４はターンテーブル１５上の食品２と近接した位置にあり、食品２の底面中央を集中的に加熱することができる。
【００２９】
図６において、放射アンテナ４の位置は加熱室１のコーナーを向く位置であり、放射アンテナ４の駆動範囲の中で最も加熱室１の周囲方向に強い指向性を有する状態である。このとき放射アンテナ４はターンテーブル１５上の食品２と離れた位置にあり、電磁波を拡散させて周囲から食品２を加熱することができる。
【００３０】
図７において、放射アンテナ４はステッピングモータ１３により図５〜図７からみて時計回り（図５の実矢線２７ａ方向）に駆動されているが、代表的な停止手段であるストッパー２９に当たることでこれ以上駆動できないため、この位置（基準位置）に保持されている。このときアンテナ制御手段２３が、ステッピングモータ１３により、放射アンテナ４を図５〜図７からみて時計回り（図５の実矢線２７ａ方向）に駆動し、かつ放射アンテナ４の駆動範囲より十分大きな範囲を駆動するよう制御することで、いつでも放射アンテナ４を基準位置に停止させることができる。よってストッパー２９は、停止手段であるとともに、放射アンテナ４が基準位置にあることを確認する位置確認手段といえる。
【００３１】
さらに放射アンテナ４の位置により食品の加熱分布が大きく変化するため、放射アンテナ４の位置を正確に制御しなければならない。そこで本実施例では、放射アンテナ４をいったん基準位置まで駆動し、その後方向を反転（反時計回り）してねらった位置まで駆動して停止させることとしている。
【００３２】
また放射アンテナ４を基準位置に停止させることで、放射アンテナ４全体を突出部１６内に格納している。本実施例では、放射アンテナ４が加熱室１内に位置すると邪魔になる場合（たとえば、ヒータ１９のみで加熱したい場合や、使用者が加熱室１内を掃除する場合）に、放射アンテナ４を突出部１６内に格納し、邪魔にならないようにしている。
【００３３】
図８は、図７のＣ−Ｃ’断面を示す。
【００３４】
図８において、放射アンテナ４は、その一部に段部を設けて電界を集中させる集中部３０を有するとともに、段部を設けることで集中部３０から先端３１にかけての部分は上方に位置する構成としている。よって集中部３０から先端３１に生じる電界は、上向きに伝わりやすくなり、指向性が増す効果がある。たとえば図５のような位置に放射アンテナ４が位置する場合は、集中部３０から先端３１の部分で被加熱物との鉛直距離が近くなるので、より被加熱物を集中的に加熱しやすい。
【００３５】
また、放射アンテナ４の一端の結合部でステッピングモータ１３と結合し、放射アンテナ４を細長い形状にすることによって長手方向に指向性を有することができるが、その反面長さが長いために、保持部１２で保持するだけでは先端３１の高さ方向の位置がふらついて変動しやすい。そこで、加熱室１の底面上で放射アンテナ４を保持するスペーサ３２を構成し、放射アンテナ４が駆動するときにはスペーサ３２上を滑らせながら高さ方向の位置を規制して、ふらつきを抑えている。
【００３６】
なお、電界を集中させる集中部を設ける方法としては、先端を湾曲させたり、放射アンテナの一部に凸部や凹部或いは曲部を設ける等の方法がある。
【００３７】
以下、制御手段５について説明を加える。
【００３８】
本実施例では、テーブル制御手段２４はターンテーブル１５を一定回転させて、回転軸２８を中心とした同心円上の加熱分布の均一化をはかっている。ターンテーブル１５が一定回転する場合、放射アンテナ４の位置により電磁波の集中する部位がターンテーブル１５の半径方向に変化するので、底面集中型の加熱から周囲分散型の加熱へと連続的に切り替えることができる。
【００３９】
なお、食品２を局所的に加熱したり、複数の食品を同時に載置してその中で選択加熱したりする場合はこの限りではない。例えば幕の内弁当を加熱するような場合、ご飯のように加熱すべき食品と、生野菜や刺身や漬物のように低温で食べるべき食品が一つの容器に入っている。この場合、ご飯と生野菜や刺身や漬物を分けることなく一つの容器のまま加熱室に入れ、ご飯だけを加熱することが望ましい。そこでターンテーブル１５の回転中に、局所的に加熱したい部分（たとえばご飯）が放射アンテナ４の真上にきた場合、ターンテーブル１５を停止させるか、あるいは回転速度を減速させるなどの方法により、その部分だけを集中的に加熱することができる。この方法は、局所加熱や選択加熱ができるということと、無駄な加熱をしないのでエネルギーのロスを防ぐという効果がある。
【００４０】
なお、出力制御手段２２により、テーブル制御手段２４でターンテーブル１５を変速させるのと同様の効果を得る方法がある。ターンテーブル１５は一定回転させたまま、局所的に加熱したい部分が放射アンテナ４から離れた位置にある時間帯にマグネトロン９の発振を停止させ電磁波を加熱室１内部に入れないようにしても良い。ただし、この場合は加熱終了までに長時間を要する。
【００４１】
また温度分布検出手段２０は、加熱室１の壁面の開口３３から食品２の温度を検出し、加熱分布を検出しているが、温度分布検出手段２０自身の構成について説明を加える。非接触で温度を検出する一般的な温度分布検出手段２０としては、食品２から放射される赤外線量を電気信号に変換する赤外線センサがある。赤外線センサとしては、内部に熱接点と冷接点を有するサーモパイル型や、チョッパを有する焦電型などがあり、本発明ではどちらを採用しても良い。
【００４２】
（実施例４）
図９〜図１２において、本発明の実施例４の電子レンジの温度分布検出手段２０と、温度分布検出手段２０による制御手段５の動作について説明する。
【００４３】
図９は、電子レンジの要部断面構成図を示している。加熱室１の壁面に開口３３を設け、２種の板金３４ａと３４ｂで電磁波を妨げるチョーク構造を構成している。３４ａは光路を形成するもので壁面に広がりを持った筒状の金属部品で壁面に密接している。３４ｂは小孔３５を持った箱状の金属部品で壁面に密接している。このチョーク構造３４ａ、３４ｂにより加熱室１内から赤外線は小孔３５より外部に出るが、加熱室１内の電磁波は遮断され外部にはほとんど漏れない。図９において寸法Ｌを電磁波の波長をλとしてλ／４に設計する、即ち周波数が２．４５ＧＨｚであれば約３０ｍｍにすることで、小孔３５でのインピーダンスが無限大となり電磁波の遮断効果は最も大きい。
【００４４】
図９において、３６は焦電型の赤外線検出素子で、入光する赤外線量、即ち視野となる加熱室１内の位置の温度に相関を持った出力をするものである。赤外線検出素子３６は固定部材３７内部に固定し、固定部材３７に取り付けたレンズ３８を通して視野を絞って狭い範囲の温度を検出している。レンズ３８はフレネルレンズで赤外線の透過する材料で構成している。３９はステッピングモータであり、４０を第１の回転軸として小歯車４１とチョッパ４２を回転する。
【００４５】
チョッパ４２はスリットを形成していて赤外線検出素子３６に至る光路を開閉しながら回転する。小歯車４１は大歯車４３と接し大歯車４３には第２の回転軸４４を取り付け、第２の回転軸４４は受け部４５により回転自在に取り付けている。また、第２の回転軸４４にはプリント基板４６を取り付け、プリント基板４６には赤外線検出素子３６の他、増幅回路等の電子回路（図示せず）を取り付けている。これらは赤外線の光路となる位置に小孔４７を持った金属ケース４８に収納され金属蓋４９で覆い金属蓋４９でチョーク構造３４ｂに固定している。
【００４６】
この構成でステッピングモータ３９は赤外線検出素子３６を図９の手前から奥に首振りし、同時にチョッパ４２による光路の開閉の両方を行っている。この赤外線検出素子３６の首振りの周期はモータ３９の回転周期の整数分の１に設定、即ちモータ３９の回転周期を赤外線検出素子３６の回転周期の整数倍としていて、モータ３９の回転ごとに同じ位置の温度を検出できる構成としている。
【００４７】
図１０に赤外線検出素子３６の検出位置を示す。赤外線検出素子３６の検出視野を小円で示し、検出中心の軌跡を破線で示している。この例では赤外線検出素子３６の首振り片道で温度検出位置を５箇所変更している。この首振りとモータ３９の回転の組み合わせで、検出位置は皿１４の全体を覆い２次元的に温度分布を検出できるものである。また、赤外線検出素子３６の首振りの整数倍の周期でモータ３９は回転するので、ターンテーブルの１周前の温度との温度差や初期からの温度変化を各検出位置ごとに検出できるものである。
【００４８】
次に制御手段５の制御動作について図１１により説明する。制御手段５は、温度分布検出手段２０で検出した温度分布により駆動手段１３を制御することで、放射アンテナ４を制御するのであるが、まず検出した温度が食品２の温度なのか、または皿１４や加熱室１の壁面の温度であるのかを各検出位置ごとに区別するのが被加熱物抽出手段５０である。加熱初期には食品２がどのような大きさのものであるか、どの位置に置かれているかなどわからないので、まず均一加熱制御手段５１で駆動手段１３により放射アンテナ４を制御する。均一加熱制御手段５１はモータ３９の回転周期に比べて十分早い周期でステッピングモータ１３により放射アンテナ４を往復させる、あるいはランダムに駆動するなど連続的に制御して、加熱室１内に下方からの電磁波を撹拌しおおよそ均一に分布させる。また、この均一加熱制御手段５１で駆動手段１３により放射アンテナ４を制御している間に各検出位置ごとの温度上昇により食品２であるかそうでないかを区別する。
【００４９】
図１２に均一加熱制御手段５１でステッピングモータ１３により放射アンテナ４を制御しているときの食品２の表面温度変化と皿１４など食品２ではない部分の温度変化を示す。横軸は加熱開始からの経過時間、縦軸は加熱開始からの温度変化であり、斜線で示したＤの領域が皿１４など食品２でない部分の温度変化を示し、Ｅの領域が食品２の温度変化を示している。このように皿１４は食品２に比べて誘電損失が小さいので電磁波が吸収されにくくほとんど温度上昇しないので明確に区別ができる。温度変化演算手段５２は例えばモータ３９の加熱開始から１周目の各検出位置に対応した温度を記憶しておき、それからｔ１時間経過後の各検出位置に対応した温度から１周目の温度との温度差ΔＴを演算する。温度変化比較手段５３は温度変化演算手段５２の演算結果である温度差ΔＴが予め定めた判定曲線Ｆの所定値ΔＴ１より大きければ食品２、小さければ皿１４として区別するのである。
【００５０】
被加熱物抽出手段５０で各検出位置が食品２であるか、皿１４であるかの区別ができれば加熱モード切替手段５４により放射アンテナ４の制御を均一加熱制御手段５１から局所加熱制御手段５５に切り替える。局所加熱制御手段５５は放射アンテナ４を適当な位置で止めながら電磁波の集中する箇所を制御するものである。５６は低温部分抽出手段であり、被加熱物抽出手段５０で食品２と判定した検出位置の中から温度の低い箇所を抽出する。局所加熱制御手段５５は低温部分抽出手段５６で抽出された温度の低い箇所に電磁波が放射されるように放射アンテナ４の位置を制御するのである。また、局所加熱制御手段５５で食品２の低温部分に電磁波を放射することで食品２から低温部分がなくなり全体が均一温度になれば再度均一加熱制御手段５１で放射アンテナ４を制御しても良い。
【００５１】
低温部分抽出手段５６は赤外線検出素子３６の首振り１往復の間で被加熱物抽出手段５０が食品２と判定した検出位置の中で最も検出温度の低い検出位置を加熱位置として記憶しておく。モータ３９の１回転の間に赤外線検出素子３６の首振りの往復は繰り返されるが、それぞれの首振り１往復における加熱位置を記憶する。モータ３９の回転で放射アンテナ４の上部にある半径方向での記憶している加熱位置に向けて局所加熱制御手段５５が放射アンテナ４の角度を調節し、加熱位置、即ち食品２の中での低温部分を加熱するのである。この制御を繰り返すことで食品２から低温部分がなくなり全体に均一に加熱されることになるのである。
【００５２】
また、放射アンテナ４を駆動する駆動手段１３の駆動回数を減らす簡易的な方法としては、赤外線検出素子３６の検出位置は同心円上に並ぶものであり、各同心円の円周単位で食品２か皿１４かを区別し、食品と判定できる円周についてはその円周の中での最高温度を抽出し、その最高温度が最も低い円周を低温部分抽出手段５６が抽出して、その円周に電磁波が集中するように放射アンテナ４の角度を調節しても良い。この場合には放射アンテナ４の耐久性能を向上させる効果がある。
【００５３】
尚、均一加熱制御手段５１の均一という意味は、局所加熱に対して広域加熱を表現しているものであり、完全に万遍にムラなく加熱することを条件とするものではない。
【００５４】
また、上記実施例の説明では温度分布検出手段２０を物理量検出手段として用いていたが、本発明はこれに限定するものではない。例えば食品の形状や色を認識できるＣＣＤイメージセンサと呼ばれる固体撮像素子を使っても可能である。この場合には加熱の進行に従って変化する色とその分布を基に制御手段が電磁波放射手段を制御すればよく、例えば肉であれば赤から薄茶を経て白っぽく変化する色に合わせ全体が薄茶の色に仕上がるように電磁波放射手段を制御する。また形状の変化を基に制御手段が放射アンテナを制御してもよく、例えば餅であれば柔らかくなり膨らむ変化があるので全体が同じように膨らみかけるように放射アンテナを制御する。複数の発光素子と受光素子を使って光路の遮断パターンから形状認識しても同様の効果が得られる。また形状に合わせて最適な放射アンテナの制御パターンを予め記憶しておけば、固体撮像素子や複数の発光素子と受光素子で認識できる初期の形状認識で制御手段が放射アンテナを制御することも可能である。またメニューと重量に合わせて最適な放射アンテナの制御パターンを予め記憶しておけば重量検出手段により制御することも可能である。
【００５５】
（実施例５）
本実施例では、設定手段２１により、制御手段５が駆動手段を介して放射アンテナ４の位置制御を行う構成について説明する。
【００５６】
図３を用いれば、制御手段５は、設定手段２１の入力に応じてアンテナ制御手段２３がステッピングモータ（駆動手段）１３を駆動し放射アンテナ４を適切な位置に制御する。また、出力制御手段２２がマグネトロン９を制御して電磁波の放射を開始する。その後加熱が進むと、設定手段２１の入力内容を元に、必要であれば何度かステッピングモータ１３を駆動して加熱むらをなくすように制御したり、マグネトロン９の出力を変化させる制御を行い、加熱終了まで加熱する。
【００５７】
たとえば設定手段２１に、食品２の名称に関する情報を入力する代表的な手段として”牛乳”というキーがあったとする。牛乳のような液体は加熱により対流が生じて上下方向に加熱むらが起こりやすい（上部が高温かつ下部が低温になりやすい）ため、加熱むらを無くすには底面を集中的に加熱するのがよい。よって設定手段２１で”牛乳”を選択したときは、アンテナ制御手段２３がステッピングモータ１３を駆動し、加熱の開始から終了まで放射アンテナ４を底面集中加熱に適した位置（たとえば図５の位置）に固定する。
【００５８】
また設定手段２１に、加熱仕上がり状態を入力する代表的な手段として”解凍”というキーがあったとする。冷凍状態にある食品は対流が生じない固体であり、加熱むらを無くすには各部を均等に加熱しなければならない。よって設定手段２１で”解凍”を選択したときは、アンテナ制御手段２３がステッピングモータ１３を駆動し、物理量検出手段（たとえば実施例４で述べた温度分布検出手段や重量検出手段、あるいはその他の検出手段）により検出した食品２の物理量に応じて放射アンテナ４の位置を変更する。
【００５９】
（実施例６）
図１３〜図２１は、本発明の実施例６の高周波加熱装置の構成図と特性図である。
【００６０】
図１３は、加熱室１内を上からみた断面図で、加熱室１の底面下にある導波管１１（波線内の領域）から放射アンテナ４に電磁波を伝送している。放射アンテナ４の位置は、放射アンテナ４がストッパー２９に当たって停止している位置を０度として角度θ（実矢線）で表現する。図１３には、角度０度の場合と、角度９０度の場合の２つの状態を図示している。本実施例では、駆動範囲以上の駆動信号を駆動手段に与えて放射アンテナ４を反時計回りに回転駆動し、ストッパー２９に当てて停止させ、これを０度の位置として確認する。そしてその位置を基準として目標の角度に対応する駆動信号を与えて時計回りに回転駆動する事により放射アンテナ４の位置を制御している。
【００６１】
図１４は、放射アンテナ４を正面から見た構成図である。放射アンテナ４を加熱室底面上で一定の高さに保持するスペーサ５７は、テフロンなど高周波損失の少ない材料からなり、放射アンテナ４と接続されて一緒に駆動するもので、駆動するときには加熱室底面に接触しながら滑らせることで高さ方向の位置を規制している。またスペーサ５７は、摩擦を抑えるために下に凸の曲部５８を構成している。
【００６２】
図１５は、ターンテーブル１５を下から見た構成図である。ターンテーブル１５は、回転軸２８と、皿を介して食品を保持する保持部５９からなり、保持部５９は、図３と同様、放射アンテナ４の上部に位置している。保持部５９は、回転軸２８上から反対向きの２方向に延びた直線状導体６０、２つの直線状導体６０をつなぐ環状導体６１、環状導体６１から３方向に延びた直線状導体６２、３つの直線状導体６２をつなぐ環状導体６３からなる。直線状導体６０の両側には、直線状導体６０と環状導体６１により電磁波が透過可能な２つの透過部６４を形成し、同様に、環状導体６１、直線状導体６２、環状導体６３により３つの透過部６５を形成している。ここで透過部の面積が大きいほど電磁波が透過しやすいが、導体の幅が小さくなると保持部５９全体の強度が弱くなるので適当な寸法を選んでいる。特に透過部６４は食品の底面を集中的に加熱するために不可欠であり、電磁波の波長をλとすると、直線状導体６０の幅Ｈをλ／４以下、かつ長さＩをλ／４以上で選ぶべきである。ちなみに電子レンジでよく用いられる電磁波の波長λは１２２ｍｍであり、このとき、λ／４は３０．５ｍｍとなる。また本実施例の場合、より食品の底面を集中的に加熱できるように、Ｈ＝１５ｍｍ、Ｉ＝５０ｍｍとしている。
【００６３】
図１６〜図１９は本実施例の特性図であり、図１３〜図１５の構成で放射アンテナ４の角度θを変え、図３８と同じ容器の水を加熱した時の温度上昇を示したものである。
【００６４】
図１６は角度θが３０度の場合で、図１６（ａ）は実測データで右後方の温度上昇が大きい。また図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のデータを加工したもので、ターンテーブルの回転を想定したものである。この結果から、図３９の従来の電子レンジの加熱分布とほぼ同等であり、縁のほうから加熱が進み中心は冷たくなることがわかる。
【００６５】
図１７は角度θが６０度の場合で、図１７（ａ）は実測データで右後方のピークが下がっている。また図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のデータを加工したもので、ターンテーブルの回転を想定したものである。この結果から、図１６（ｂ）と比べるとかなり中央が温度上昇することがわかる。
【００６６】
図１８は角度θが９０度の場合で、図１８（ａ）は実測データで中央に向かって温度上昇が大きい。また図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のデータを加工したもので、ターンテーブルの回転を想定したものである。この結果から、中央が集中的に温度上昇することがわかる。
【００６７】
また図１９は、図１６〜図１８の結果から、放射アンテナ４の角度θを横軸に、全体の温度上昇の総和に対する個々のますの温度上昇の割合を縦軸にして示したものである。Ｊは中央のますの特性、Ｋは４すみのますの平均値の特性である。角度θが大きくなるにつれて、Ｊは増加し、Ｋは減少している。すなわち、０≦θ≦９０の範囲では、角度θが大きくなると電磁波が中央に集中する割合が増えることがわかる。また角度θにより加熱分布が大きく変化するので、ストッパー２９で電磁波放射手段の位置を確認しながら制御することで、精度よく任意の加熱分布をつくることができる。
【００６８】
たとえば本実施例の電子レンジで３００ｇの牛のスライス肉を解凍する場合、放射アンテナ４の角度θを一カ所に停止させた状態で加熱分布の評価を行っていくと、図２０のように放射アンテナ４の角度θが８６．２５度の位置で最もよい出来映え（温度むらの少ない状態）となった。
【００６９】
図２１は、３００ｇの牛のスライス肉の解凍加熱終了時の温度むらを示す特性図である。縦軸に実測温度をとり、最高温度と最低温度を実線で結んでいる。電子レンジの現行品の特性はＬ（最高温度５０．２℃、最低温度−１．３℃、温度差５１．５）、本実施例の放射アンテナ４の角度θが８６．２５度での特性はＭ（最高温度３６．１℃、最低温度−１．１℃、温度差３７．２）であり、本実施例の方が温度むらが縮小している。ただし、双方とも、加熱条件は、出力制御手段によりマグネトロンからの約３００ｗの高周波出力をＯＮ／ＯＦＦさせて見かけ上１７０ｗの出力で８分間加熱した。
【００７０】
なお、本発明の場合、加熱の進み具合を見ながら、加熱の遅い部分を集中的に加熱できるように途中で角度θを変えると、より出来映えが良くなる。
【００７１】
（実施例７）
図２２は、本発明の実施例７の電子レンジの要部断面構成図である。
【００７２】
図２２において、電磁波放射手段として、導波管１１内の電磁波を結合部７、放射アンテナ４により加熱室１内に放射し、制御手段５は、ステッピングモータ１３により結合部７を回転駆動することで放射アンテナ４の角度を制御している。ここでステッピングモータ１３の回転軸６７は導波管１１よりも下部の加熱室１外でカム６８と接続され、放射アンテナ４が基準位置に到達したときにスイッチ６９を押す構成である。制御手段５は、代表的な基準位置検出手段であるカム６８とスイッチ６９により放射アンテナ４が基準位置にあることを確認し、その後、所望の位置に放射アンテナ４を制御する。ステッピングモータを使う場合、スイッチ６９を押してからの駆動パルス数により正確に位置決め制御をすることができる。
【００７３】
実施例６と実施例７に共通の構成として、集中部３０よりも結合部７側にスペーサ５７を構成しており、スペーサ５７が放射アンテナ４から抜けることのないようにしている。また、集中部３０よりも結合部７側なので、スペーサ５７の高さ方向の大きさが大きくならなくて済む効果がある。さらにスペーサ５７を集中部３０に近い位置に構成しているので、より一層、電界を集中させることができる。これは、スペーサ５７の材質によって決まる誘電率εによりスペーサ５７内を伝わる電磁波の波長が波長圧縮を受けて１／√ε倍（＜１）となるので、狭い領域に電磁波が集中したように見えるためである。
【００７４】
なお、他の駆動手段として、ステッピングモータ以外にも様々なモータで実現可能である。たとえば、モータの種類に関わらず、放射アンテナを停止させたい位置の数だけスイッチを設け、押されたスイッチにより位置を決定する方法がある。この場合、モータをステッピングモータにしなくても低価格の汎用品で実現できる効果がある。
【００７５】
なお、他の駆動手段として、磁石などの磁力を利用して、放射アンテナを駆動する方法も考えられる。たとえば、電気的に磁界の強さや向きを制御して、放射アンテナを駆動することができる。
【００７６】
なお、他の駆動手段として、バネやゴムなどの弾性を利用して放射アンテナを駆動する方法も考えられる。
【００７７】
なお、他の駆動手段として、形状記憶合金に見られるような温度による変形を利用して放射アンテナを駆動する方法も考えられる。
【００７８】
なお、以上の方法に限定することなく、放射アンテナを駆動できればいかなる駆動手段を用いても良い。
【００７９】
なお、基準位置を検出する手段としても、カム６８とスイッチ６９の組み合わせ以外にも、エンコーダを利用する方法や、他にも様々な物理量を検出することで基準位置を確認することが考えられる。
【００８０】
（実施例８）
図２３〜図２５は、本発明の実施例８の電子レンジの要部断面構成図である。
【００８１】
図２３は、加熱室１内を上からみた断面図で、加熱室１の底面下にある導波管１１（波線内の領域を含む）から放射アンテナ４に電磁波を伝送している。放射アンテナ４の位置は、図１３と同様、角度θ（実矢線）で表現する。図２３には、角度０度の場合と、角度９０度の場合の２つの状態を図示している。また図２４は図２３のＮ−Ｎ’線断面図、図２５は図２３のＯ−Ｏ’線断面図である。
【００８２】
放射アンテナ４は、先端が湾曲した集中部７０と、遮蔽部７１を有している。
【００８３】
集中部７０は、先端が水平面内で湾曲しており、湾曲によって形成される半円内に電磁波を集中させることをねらったものである。前述の図５〜７、図１３、図２０などの例とは異なり、本実施例では、角度９０度の場合、集中部７０がターンテーブルの回転軸２８を包み込むような位置関係となるので、回転軸２８の真上の被加熱物を加熱しやすい効果がある。
【００８４】
遮蔽部７１は、結合部７２から放射アンテナ４の集中部７０近傍までを覆っており、結合部７２からの加熱室内への電磁波の放射や、集中部７０以外の放射アンテナ４からの加熱室内への電磁波の放射を抑えている。よって集中部７０からの電磁波の放射の割合（指向性）が増し、より一層ねらったところを集中的に加熱することができる効果がある。
【００８５】
図２４のスペーサ７３、７４は、テフロンなど高周波損失の少ない材料からなり、遮蔽部７１と接続され、遮蔽部７１と加熱室底面との距離７５を一定に保つものである。よって遮蔽部７１と加熱室底面の間でのスパークを防ぎ、安全性を高める効果がある。また同時にスペーサ７３は、放射アンテナ４を加熱室底面上で一定の高さに保持することも兼ねている。また、スペーサ７３、７４は、放射アンテナ４、遮蔽部７１と接続されて一緒に駆動するもので、駆動するときには加熱室底面に接触しながら滑らせることで高さ方向の位置を規制している。またスペーサ７３、７４は、摩擦を抑えるために下に凸の曲部を構成している。
【００８６】
（実施例９）
図２６〜図２８は、本発明の実施例９の電子レンジの要部断面構成図である。
【００８７】
図２６は、加熱室１内を上からみた断面図で、加熱室１の底面下にある導波管１１（波線内の領域を含む）から放射アンテナ４に電磁波を伝送している。放射アンテナ４の位置は、図１３と同様、角度θ（実矢線）で表現する。図２３には、角度０度の場合と、角度約４５度の場合の２つの状態を図示している。また図２７は図２６のＰ−Ｐ’線断面図、図２８は図２６のＱ−Ｑ’線断面図である。
【００８８】
放射アンテナ４は、同軸線路よりなる伝送部７６と、電磁波を放射する放射部７７とを有している。伝送部７６は、結合部７８、内導体７９および外導体８０により、周囲に電磁波をまき散らすことなく放射部７７まで伝送している。放射部７７は、内導体７９の先端を上下方向と、水平面内に２重に湾曲させた集中部８１を有している。
【００８９】
まず集中部８１が上下方向の湾曲により上方に位置する構成としているため、集中部８１から先端に生じる電界は上向きに伝わりやすくなり、指向性が増す効果がある。
【００９０】
それに加えて、水平面内の湾曲によって半円状に構成しているので、半円内に電磁波を集中させる効果がある。たとえば角度約４５度の場合、ターンテーブルの回転軸２８を包み込むような位置関係となるので、回転軸２８の真上の被加熱物を加熱しやすい効果がある。
【００９１】
図２７のスペーサ８２は、テフロンなど高周波損失の少ない材料からなり、外導体８０と接続され、外導体８０と加熱室底面との距離を一定に保つものである。よって外導体８０と加熱室底面の間でのスパークを防ぎ、安全性を高める効果があるなど、実施例８と同様の効果がある。
【００９２】
本実施例では、同軸線路で伝送して無駄な電磁波の漏洩を防ぐことで指向性が高まり、集中部が２重の湾曲よりなることからさらに指向性が高まるので、極めて指向性が高い放射アンテナを実現できるものである。よって放射アンテナを制御することで、被加熱物を所望の加熱状態にすることができる。
【００９３】
また、前述の実施例で、放射アンテナの長手方向の一端で結合部により駆動手段と結合しているが、この構成により放射アンテナの長手方向の他端を広範囲にわたって位置制御できる。被加熱物を所望の仕上がり状態にするためには、放射アンテナを所望の位置に制御できることが望ましく、同じ長さの放射アンテナで同じ駆動手段を用いる場合、本発明の構成は最も広範囲に放射アンテナを制御できるものである。
【００９４】
なお、上記実施例では放射アンテナとして主として棒状アンテナを用いた場合につき述べたが、放射アンテナの形状としては、この他櫛葉状、円環状あるいはループ状等を目的に応じて種々の形状のものを選択することができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高周波加熱装置によれば以下の効果がある。
【００９６】
また、放射アンテナの長手方向の一端を湾曲させた電界の集中部を有するので、集中部近傍に局所的に電磁波を放射することができ、被加熱物を局所的に加熱できるので、所望の部位を加熱することができる。
【００９７】
また、湾曲させることにより、電界の集中部と被加熱物の鉛直距離が近くなるので、集中部から被加熱物をより局所的に加熱できるので、より所望の部位を加熱することができる。
【００９８】
また、被加熱物の温度分布に応じて、放射アンテナを所望の位置に制御できるので、被加熱物を適切な仕上がり状態にすることができる。
【００９９】
さらに、使用者の設定に応じて、放射アンテナを所望の位置に制御できるので、被加熱物を所望の仕上がり状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の高周波加熱装置のブロック図
【図２】本発明の実施例２の高周波加熱装置のブロック図
【図３】本発明の実施例３の高周波加熱装置の断面構成図
【図４】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図５】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図６】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図７】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図８】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図９】本発明の実施例４の高周波加熱装置の温度分布検出手段の断面構成図
【図１０】同高周波加熱装置の特性図
【図１１】同高周波加熱装置の制御手段のブロック図
【図１２】同高周波加熱装置の特性図
【図１３】本発明の実施例６の高周波加熱装置の要部断面構成図
【図１４】同高周波加熱装置の放射アンテナの構成図
【図１５】同高周波加熱装置のターンテーブルの構成図
【図１６】（ａ）同高周波加熱装置の特性図
（ｂ）同特性図
【図１７】（ａ）同高周波加熱装置の特性図
（ｂ）同特性図
【図１８】（ａ）同高周波加熱装置の特性図
（ｂ）同特性図
【図１９】同高周波加熱装置の特性図
【図２０】同高周波加熱装置の要部構成図
【図２１】同高周波加熱装置と従来の高周波加熱装置の特性図
【図２２】本発明の実施例７の高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２３】本発明の実施例８の高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２４】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２５】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２６】本発明の実施例９の高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２７】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２８】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図２９】従来の高周波加熱装置の断面構成図
【図３０】従来の他の高周波加熱装置の構成図
【図３１】同高周波加熱装置の断面構成図
【図３２】従来の他の高周波加熱装置の要部構成図
【図３３】同高周波加熱装置の要部構成図
【図３４】従来の他の高周波加熱装置の断面構成図
【図３５】従来の他の高周波加熱装置の断面構成図
【図３６】同高周波加熱装置の要部構成図
【図３７】同高周波加熱装置の要部断面構成図
【図３８】容器の構成図
【図３９】（ａ）従来の他の高周波加熱装置の特性図
（ｂ）同特性図
【符号の説明】
１ 加熱室
２ 食品（被加熱物）
３ 電磁波
４ 放射アンテナ
５ 制御手段
６ 駆動手段
７、７２、７８ 結合部
１３ ステッピングモータ（駆動手段）
１８ 重量検出手段（物理量検出手段）
２０ 温度分布検出手段（物理量検出手段）
２１ 設定手段
３０、７０、８１ 集中部
３２、５７、７３、７４ スペーサ
７１ 遮蔽部
７６ 伝送部
７７ 放射部

Claims (4)

1. 加熱室内にマグネトロンにより電磁波を放射して被加熱物を加熱し、かつ、電界を集中させる集中部を一部に有する放射アンテナと、前記被加熱物の名称を入力する設定手段と、前記設定手段に入力した前記被加熱物の名称に基づいて、前記被加熱物が液体である場合には、前記被加熱物の底面を集中加熱するように前記放射アンテナの位置を制御する制御手段とを有する高周波加熱装置。
2. 加熱室内にマグネトロンにより電磁波を放射して被加熱物を加熱し、かつ、電界を集中させる集中部を一部に有する放射アンテナと、前記被加熱物の名称を入力する設定手段と、前記設定手段に入力した前記被加熱物の名称が牛乳である場合には、前記被加熱物の底面を集中加熱するように前記放射アンテナの位置を制御する制御手段とを有する高周波加熱装置。
3. 加熱室内にマグネトロンにより電磁波を放射して被加熱物を加熱し、かつ、電界を集中させる集中部を一部に有する放射アンテナと、設定手段と、被加熱物の温度分布を検出する温度分布検出手段とを有し、前記設定手段に解凍と入力した場合には、前記温度分布検出手段が検出した検出位置の中で最も検出温度の低い検出位置を加熱するように前記放射アンテナを制御する制御手段とを有する高周波加熱装置。
4. 加熱室内にマグネトロンにより電磁波を放射して被加熱物を加熱し、かつ、電界を集中させる集中部を一部に有する放射アンテナと、被加熱物の温度を検出する温度分布検出手段と、前記温度分布検出手段が検出した検出位置の中で最も検出温度の低い検出位置を加熱するように、前記放射アンテナの前記集中部と前記被加熱物との鉛直距離を近づける制御手段とを有する高周波加熱装置。

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