JP4448920B2 - 高周波加熱装置用アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、高周波加熱装置用アンテナに関する。

従来、物品を加熱するための高周波加熱装置として、マグネトロンを備えたものが知られている。この高周波加熱装置は、金属板による加熱室、加熱室に連結される導波管、および導波管の先端部に設置したマグネトロンを備え、マグネトロンが発生するマイクロ波を、導波管を通じて加熱室に導き、加熱室内の物品へと照射することにより加熱を行う。この場合、電磁波は、導波管の放射口から加熱室内に放射され、加熱室内で反射されながら物品に照射されるため、照射ムラが生じやすく、物品全体を均一に加熱することが困難であった。ここで、照射ムラを低減するため、高周波加熱装置の加熱室に出し入れ自在に設置されて、表面波を発生する表面波発生体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この表面波発生体は、それぞれ起立設置された複数の帯状起立片および所定の高さで突き出し形成された突起を有し、加熱試料の物品を上に載せることが可能となっている。この表面波発生体を物品の材質および形状に適当に合わせることにより、表面波が物品に照射される。

しかしながら、この表面波発生体は、高周波加熱装置のマグネトロンが発生する電磁波を利用するものであり、従来の高周波加熱装置に追加して用いるものであった。ここで追加の装置を用いる手法とは別に、物品の近傍から電磁波をより均一に直接物品に向かって照射する高周波加熱装置が求められていた。

本発明は、物品の近くからより均一な電磁波を直接に物品に向かって照射することが可能な高周波加熱装置用アンテナを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のものを提供する。

（１） 高周波加熱装置に用いるアンテナであって、板状の導体である放射板と、前記放射板と所定の距離をおいて対向する板状の導体である反射板と、を備え、前記放射板は、中央付近から辺縁部に向かい螺線状に延びるスロットと、このスロットの基端側に設けられ、かつ電源を供給する同軸ケーブルが接続されるケーブル接続部と、を有することを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。

（１）によれば、高周波加熱装置用アンテナを、螺線状に延びるスロットを有する放射板と、放射板と対向する反射板と、で構成した。これにより、電磁波がスロットを有する放射板の全体から放射される。したがって、高周波加熱装置において、加熱試料に対しより均一な強さの電磁波を照射し、加熱試料内に満遍なく熱を発生させることができる。また、加熱試料以外の空間に電磁波を逃げにくくするため、エネルギー効率を高めることができる。

（２） （１）に記載の高周波加熱装置用アンテナであって、前記スロットの幅は、前記放射板の中央付近から辺縁部に向かうに従い増加することを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。

（２）によれば、スロットから放出される電磁波の密度が高い放射板の中心部では、スロットの幅は狭く、この一方、放出される電磁波の密度が低い放射板４２の辺縁部付近では、スロットの幅は広い。したがって、放射板の中心部と辺縁部における電磁波の密度の差による放出量の不均衡が抑制され、加熱試料をより均一に加熱することができる。

（３） （１）または（２）に記載の高周波加熱装置用アンテナであって、さらに前記放射板および前記反射板の外周どうしを連結する側板を備えることを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。

（３）によれば、前記放射板および前記反射板は、側板を介して連結される。このことにより、誘電体材料として、例えば、樹脂といった誘電体よりも耐熱性に優れた空気を利用できるため、高周波加熱装置用アンテナの耐熱性を高めることができる。

（４） （１）から（３）いずれかに記載の高周波加熱装置用アンテナであって、さらに、前記放射板を挟んで、前記反射板とは反対側に配置される板状の導体である第２反射板を備えることを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。

（４）によれば、放射板から放射され、加熱試料を通過した電磁波は、第２反射板で反射され、再び加熱試料に照射されるため、効率良く加熱をすることができる。

本発明によれば、高周波加熱装置に用いるアンテナにおいて、電磁波がスロットを有する放射板の全体から放射される。したがって、加熱試料に対しより均一な強さの電磁波を直接照射することができる。高周波加熱装置用アンテナを用いることによって、加熱試料内に満遍なく熱を発生させる高周波加熱装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを、図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを示す斜視図であり、図２は、中央縦断面図である。

高周波加熱装置用アンテナ１０は、円形の誘電体基板１４と、誘電体基板１４の一方の面上に配置された板状の導体である放射板１２と、誘電体基板１４の他方の面に配置され、放射板１２と所定の距離をおいて対向する板状の導体である反射板１６を備えている。放射板１２および反射板１６は、銅や、鉄といった金属板からなる。放射板１２および反射板１６の形状は、略円形であり、放射板１２は、中央付近から辺縁部に向かい螺線状（渦巻き状）に延びるスロット１８を有する。ここで、高周波加熱装置用アンテナ１０の放射板１２が配置されている方の向き（図２紙面上向き）を上向き、反射板１６の配置されている方の向き（図２紙面下向き）を下向きとする。

放射板１２および反射板１６は、一定の厚みを有する誘電体基板１４の両面に、上述の形状の金属板を貼り付けることにより製造することができる。なお、放射板１２および反射板１６の製造方法としては、誘電体基板１４の両面に金属を塗布した後、エッチング等により略円形の形状およびスロット１８を形成することとしてもよい。

放射板１２には、スロットの基端側である放射板１２の中央に、同軸ケーブル２２が接続されるケーブル接続部２０が設けられている。高周波加熱装置用アンテナ１０への給電は、ケーブル接続部２０に接続される同軸ケーブル２２によりなされる。すなわち、高周波加熱装置が備える高周波発信装置等で発生した高周波電力は、同軸ケーブル２２を介して伝えられ、ケーブル接続部２０から、高周波加熱装置用アンテナ１０へと供給される。供給された高周波電力は、放射板１２の表面から上向き、すなわち高周波加熱装置用アンテナ１０の外部に向かう電磁波として放出される。また、放射板１２の表面から下向きに、すなわち高周波加熱装置用アンテナ１０の内部に向かって放出される電磁波は反射板１６により反射され、放射板１２に形成されたスロット１８から上向きに放射される。

スロット１８は螺線状であり、高周波加熱装置用アンテナ１０の表面を構成する放射板１２全体に均一に配置されている。したがって、高周波加熱装置用アンテナ１０は、放射板１２に向かう一定の範囲の領域において、均一な密度の電磁波を放射することができる。また、高周波加熱装置用アンテナ１０は、放射板１２と所定の距離をおいて対向する反射板１６を備えるため、特定の方向すなわち放射板１２が配置された方向に強い指向性を有する電磁波を放出することができる。つまり、特定の方向に対しては所定の範囲の領域に対し均一かつ強力な電磁波を放出することが可能である。これは、高周波加熱装置に高周波加熱装置用アンテナ１０を用いた場合、加熱試料物以外の領域に対し不要な電磁波が放射されにくく、かつ加熱試料に対し満遍なく電磁波を吸収させ、より均一に熱を発生させることができる。また、従来の、マグネトロンからの電磁波を加熱室に導く高周波加熱装置では、加熱室が電磁波を共振させる機能を有するため、加熱室の大きさは、使用する電磁波の波長との関係で一定のものに制約されていた。高周波加熱装置用アンテナ１０を用いた高周波加熱装置では、電磁波が高周波加熱装置用アンテナ１０から均一に直接放射されるものであるため、加熱室の大きさは加熱試料の大きさに合わせて設計することが可能となる。

高周波加熱装置用アンテナ１０を用いた高周波加熱装置は、あらゆる物品を加熱するのに適するが、高周波加熱装置に高周波加熱装置用アンテナ１０を用いることが好ましい例としては、商店や飲食店に設置されるごみ処分装置や、顔料といった粉体の固化装置がある。例えば、プラスティックや油に混入して使用される顔料は、粉末や液状では運搬が困難であり、混入の際の飛び散りといった弊害が生じるため、顔料を加水・加熱してタイル状に固形化する。顔料を加熱する高周波加熱装置に高周波加熱装置用アンテナ１０を用いた場合、加熱試料の顔料に電磁波を直接照射することができ、顔料以外の空間に電磁波が逃げにくくなる。また、顔料に対し均一な強さで電磁波を照射することができ、顔料内に満遍なく熱を発生させることができる。

［実施例１］
次に、第１実施形態の高周波加熱装置用アンテナ１０の構成において、スロット１８の幅寸法を様々に変化させた解析モデルを想定し、加熱試料への影響をコンピュータシミュレーションにより解析した。解析には、英国ＫＣＣ社の解析ソフトＭｉｃｒｏ−Ｓｔｒｉｐｅｓ６．０を用いた。

図３は、高周波加熱装置用アンテナの特性解析における加熱試料の配置を示す図であり、図４は、加熱試料の配置を示す断面図である。本実施例の解析では、加熱試料２６は、３０ｃｍ四方の正方形の板状にされた顔料である。この板状の顔料は、４枚並んだ状態で高周波加熱装置用アンテナ１０の上方に所定の距離を置いて配置される。加熱試料２６全体の縦および横方向長さａは、それぞれ６００ｍｍである。また、加熱試料２６の厚さｂは３０ｍｍである。加熱試料２６は、高周波加熱装置用アンテナ１０からの高さｃが５０ｍｍの位置に配置される。円形である高周波加熱装置用アンテナ１０の直径ｅは１０４０ｍｍであり、厚さｄは８ｍｍである。高周波加熱装置用アンテナ１０に供給されそして放出される高周波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、この電磁波の自由空間波長は１２２．４５ｍｍである。高周波加熱装置用アンテナ１０の誘電体基板１４の比誘電率は２．２であり、この誘電体内波長は８２．５６ｍｍである。高周波加熱装置用アンテナ１０への電力の供給は、インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルにより放射板１２の中央にあるケーブル接続部２０を介して行う。

図５は、本実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析におけるスロットの状態を示す一部断面拡大図である。ここで、ｆはスロット１８の幅を示し、ｇはスロット１８から次のスロット１８までのスロット間隔を示す。本実施例では、スロット間隔ｇを１波長（８２．５６ｍｍ）の一定とし、スロット幅ｆを、１／２波長（４１．２８ｍｍ）、１／４波長（２０．６４ｍｍ）、１／６波長（１３．７６ｍｍ）、１／８波長（１０．３２ｍｍ）、および１／１０波長（８．２６ｍｍ）の５種類に変化させ、加熱試料の状態を解析した。

図６は、本実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における加熱試料を示す斜視図である。加熱試料２６は顔料を想定したものであり、３０ｃｍ四方の正方形を有する板状の直方体を４枚並べたものである。顔料の複素比誘電率は４−ｊ４．２９であり、質量密度は１０００ｋｇ／ｍ３である。本実施例では、この加熱試料２６の内部に１００点×１００点×５点の計５００００点の解析点を配置し、これらの解析点について電磁波吸収率（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｔｉｏｎ Ｒａｔｅ：ＳＡＲ）分布を解析した。

図７は、本実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。この表より、スロット幅が大きいほどエネルギー効率すなわち、アンテナへの入力電力に対する顔料（加熱試料）発熱量の割合が高い。

［第２実施形態］
図８および図９は、本発明の第２実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナ３０を示す断面図である。本実施形態の高周波加熱装置用アンテナ３０は、エネルギー効率をより高めるため、加熱試料２６の上方すなわち、放射板３２を挟んで、反射板３６とは反対側に配置される板状の導体である第２反射板３４を備えている。本実施形態の他の構成は第１実施形態に同じであり、説明を省略する。この構成により、加熱試料２６を通過した電磁波の多くが第２反射板３４で反射され、再び加熱試料２６に照射される。また、再び照射されたものの再度通過した電磁波の多くが放射板３２で反射され、また再び加熱試料２６に照射される。このようにして、電磁波のエネルギーが再利用され、エネルギー効率を高めることができる。

［実施例２］
第２実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナ３０の構成を想定した解析モデルについて、加熱試料への影響を、コンピュータシミュレーションにより解析した。

本実施例では、第２反射板３４の位置が高い設定、および低い設定の２個の状態について解析を行った。図８は、第２反射板３４の位置を高く設定した状態を示す。第２反射板３４の放射板３２からの高さｈは、３／２波長相当とした。また、第２反射板３４から加熱試料２６までの距離ｊは６１．８４ｍｍ、加熱試料２６の高さｋは３０ｍｍ、放射板３２から加熱試料２６間での高さｌは６１．８４ｍｍとした。放射板３２と第２反射板３４との距離は、１２３ｍｍ以上１８４ｍｍ以下が好ましいが、特に図８に示す例のように、約１５３．６８ｍｍであることがより好ましい。図９は、第２反射板３４の位置を低く設定した状態を示す。第２反射板３４の高周波加熱装置用アンテナ１０からの高さｍは、３／４波長相当とした。また、第２反射板３４から加熱試料２６までの距離ｎは０．６ｍｍ、加熱試料２６の高さｏは３０ｍｍ、高周波加熱装置用アンテナ１０から加熱試料２６までの高さｐは６１．８４ｍｍとした。なお、図８および図９の設定とも、第２反射板３４は円板形であり、その直径は高周波加熱装置用アンテナ１０と同じく１０４０ｍｍとした。また、他の条件は実施例１の解析条件に同じである。

図１０は、本実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。この表に示すように、第２反射板３４を設けたことによりエネルギー効率が高まった。また、第２反射板３４の位置が高い場合は、低い場合に比べエネルギー効率が高く、特にスロット幅１／４波長でのエネルギー効率は０．１５３８と高かった。

図１１は、本実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す加熱試料のＳＡＲ分布図である。ここで（ａ）は第２反射板３４の位置が高い設定の結果であり、（ｂ）は位置が低い設定の結果である。この図に示すように、第２反射板３４の位置が高い場合は、強い定在波が分布する結果となった。

［第３実施形態］
本実施形態においては、高周波加熱装置用アンテナ４０の放射板４２に形成されたスパイラル状のスロット４４の幅ｑが、中央付近で細く、辺縁部では太い。すなわち幅ｑが、放射板４２の中央付近から辺縁部へ延びるに従い増加する点が上述の実施形態と異なる。この構成において、放射板４２の中心部では、電力が供給されるケーブル接続部２０が近接しているためスロット４４から放出される電磁波の密度が高いが、スロット４４の幅ｑは狭く抑えられ、この一方で電力が供給されるケーブル接続部２０から遠い放射板４２の辺縁部付近では、放出される電磁波の密度が低いが、スロット４４の幅ｑは広い。したがって、放射板４２の中心部と辺縁部における電磁波の密度の差による放出量の不均衡が抑制される。

図１３は、図１２の高周波加熱装置用アンテナ４０に対し、スロット５４の変化の勾配がさらに大きい高周波加熱装置用アンテナ５０の例を示す斜視図である。なお、本実施形態の他の構成は、第２実施形態に同じであり、説明を省略する。

［実施例３］
第３実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナ３０の構成を想定した解析モデルについて、加熱試料への影響をコンピュータシミュレーションにより解析した。

図１４は、本実施形態の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。表は、本実施形態の高周波加熱装置用アンテナ４０を緩やかな勾配のものとし、高周波加熱装置用アンテナ５０を急な勾配のものとし、実施例２の解析と同一条件で解析を行った。この表に示すように、急な変化の勾配を有する高周波加熱装置用アンテナ５０は、エネルギー効率が高く、しかも発熱のムラを示す変動係数も低かった。

図１５は、高周波加熱装置用アンテナ５０の特性解析の結果を示す加熱試料のＳＡＲ分布図である。ここで、（ａ）は、スロット５４の変化の勾配が急なもの、（ｂ）はスロットの幅が１／４で一定の場合の結果を示す。この図の（ａ）に示すように、急な変化の勾配を有する高周波加熱装置用アンテナ５０において、ＳＡＲが加熱試料全体に渡り均一に分布していることが確認された。

［第４実施形態］
図１６は、本実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナ６０を示す斜視図である。また、図１７は、高周波加熱装置用アンテナ６０の中央縦断面図である。本実施形態の高周波加熱装置用アンテナ６０においては、放射板および前記反射板の外周どうしを連結する側板６３を有することにより、誘電体基板を用いずに、反射板を放射板と所定の距離をおいて対向するよう構成している点が上述の実施形態とは異なる。具体的には、高周波加熱装置用アンテナ６０は、金属製の中空の円筒状であり、円筒の上面のスパイラル状の開口であるスロット６８が形成されている。高周波加熱装置用アンテナ６０は誘電体として空気を用いる。

このように、放射板および反射板は、側板を介して接続されるため、誘電体基板を用いずに放射板および反射板の位置を保つことができる。高周波加熱装置用アンテナには、大電力の電磁波が供給されるため、高周波加熱装置用アンテナ自体も加熱する。高周波加熱装置用アンテナ６０によれば、例えば樹脂製の誘電体より耐熱性に優れた空気を誘電体として利用できるため、高周波加熱装置用アンテナ全体としての耐熱性を高めることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナの中央縦断面図である。 本発明の第１実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における加熱試料の配置を示す図である。 本発明の第１実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における加熱試料の配置を示す断面図である。 本発明の第１実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析におけるスロットの状態を示す一部断面拡大である。 第１実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における加熱試料を示す斜視図である。 本発明の第１実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。 本発明の第２実施形態の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における配置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の高周波加熱装置用アンテナの特性解析における配置を示す断面図である。 本発明の第２実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。 本発明の第２実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す加熱試料のＳＡＲ分布図である。 本発明の第３実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを示す斜視図である。 本発明の第３実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す表である。 本発明の第３実施例の高周波加熱装置用アンテナの特性解析の結果を示す加熱試料のＳＡＲ分布図である。 本発明の第４実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナを示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る高周波加熱装置用アンテナの中央縦断面図である。

符号の説明

１０、３０、４０、５０、６０ 高周波加熱装置用アンテナ
１２、３２、４２、５２、６２ 放射板
１４ 誘電体基板
１６、３６ 反射板
１８、４４、５４、６８ スロット
２０ ケーブル接続部
２２ 同軸ケーブル
２６ 加熱試料
３４ 第２反射板
６３ 側板

Claims (4)

1. 高周波加熱装置に用いるアンテナであって、
   板状の導体である放射板と、
   前記放射板と所定の距離をおいて対向する板状の導体である反射板と、を備え、
   前記放射板は、中央付近から辺縁部に向かい螺線状に延びるスロットと、
   このスロットの基端側に設けられ、かつ電源を供給する同軸ケーブルが接続されるケーブル接続部と、を有することを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。
2. 請求項１に記載の高周波加熱装置用アンテナであって、
   前記スロットの幅は、前記放射板の中央付近から辺縁部に向かうに従い増加することを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。
3. 請求項１または２に記載の高周波加熱装置用アンテナであって、
   さらに前記放射板および前記反射板の外周どうしを連結する側板を備えることを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。
4. 請求項１から３いずれかに記載の高周波加熱装置用アンテナであって、
   さらに、前記放射板を挟んで、前記反射板とは反対側に配置される板状の導体である第２反射板を備えることを特徴とする高周波加熱装置用アンテナ。