JP4782690B2 - 選択的な層のミリメートル波表面加熱システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は加熱システム及び方法に関し、特に表面を加熱するためのＲＦエネルギを使用する表面加熱システム及び方法に関する。

通常の加熱技術は典型的に、アイテムの加熱または食品の調理をするために赤外線（ＩＲ）エネルギ、対流熱、またはマイクロ波エネルギに依存している。ＩＲまたは対流エネルギの使用における１つの問題は表面の浸透に時間がかかる一方で、加熱処理の速度を上げるために、表面は過剰に加熱され、焦げることである。マイクロ波エネルギの使用に関する１つの問題は表面は褐色にならなくてもアイテムが表面の下で過剰に加熱されることである。認識されるように、表面温度とサブ表面温度を通常のＩＲ加熱技術および／または通常のマイクロ波加熱技術により制御することは困難である。

幾つかの通常の加熱技術は表面の加熱にレーザを使用する。レーザの使用における１つの問題は、多くの表面加熱応用ではレーザが十分に表面から浸透しないことである。さらに、レーザは約１０％のパワー変換効率を有しているが、それでは非常に効率的ではなく、したがって電源の大きさが重要となる産業上の応用では実用的ではない。

したがって改良された表面加熱システム及び方法が必要とされている。また、より効率的な表面加熱システム及び方法が必要とされている。

表面加熱システムはミリメートル波周波数において高いパワー波頭で表面を加熱する。高パワー波頭はコリメートされた波頭または収斂或いは発散波頭である。幾つかの実施形態では、システムは低パワーのミリメートル波周波数信号を発生するための周波数発生器と、ミリメートル波周波数を増幅し、加熱する表面の方向に高パワー波頭を発生するための能動アレイアンテナシステムを含んでいる。別の実施形態では、周波数発生器とパワー増幅器は高パワーのミリメートル波周波数信号を発生し、受動アレイアンテナシステムが表面の方向に高パワー波頭を供給する。幾つかの実施形態では、熱感知サブシステムが表面温度を測定し、予め定められた温度範囲内に表面温度を維持するための制御信号を発生する。

特許請求の範囲は本発明の種々の実施形態のうちの幾つかに関する。しかしながら、詳細な説明により、図面に関連して考慮するとき、本発明の実施形態を完全に理解することができる。図面において類似の参照符号は図面を通して類似のアイテムを示している。

以下の説明及び図面は当業者がこれらを実施することを可能にするのに十分に本発明の特定の実施形態を説明している。他の実施形態は構造的、論理的、電気的にプロセス及びその他の変更を伴ってもよい。示された実施例は可能な変形の代表的なものである。個々のコンポーネント及び機能は明白に必要とされない限りは随意選択的であり、動作のシーケンスは変更できる。幾つかの実施形態の部分及び特徴は他の部分及び特徴に含まれるか、それに置換されることができる。本発明の実施形態の技術的範囲は十分に特許請求の範囲及びこれらの特許請求の全ての有効な等価物を含んでいる。

図１は本発明の幾つかの実施形態による動作環境及び表面加熱システムを示している。表面加熱システム102は表面106を加熱するためにミリメートル波周波数で高パワー波頭104を供給する。高パワー波頭104は表面106の表面温度を増加させ、表面内の深さ108まで浸透する。

幾つかの実施形態では、高パワー波頭104は高パワーのコリメートされた波頭であり、ミリメートル波エネルギは実質的に円筒形の形状で与えられる。この実施形態では、ミリメートル波エネルギは表面106に平行な平面で実質的に均一である。他の実施形態では、高パワー波頭104は高パワー波頭であり、ミリメートル波エネルギは収斂する円錐形状で与えられる。この実施形態では、ミリメートル波エネルギの密度はコーンの頂点方向で増加し、この頂点は表面106またはその付近である。ミリメートル波波頭特性は表面加熱システム102により使用されるために選択された特定のアンテナシステムにしたがっている。これらの実施形態を以下より詳細に説明する。

幾つかの実施形態では、表面加熱システム102は、ミリメートル波周波数で高パワー波頭104を発生するための波頭発生サブシステム110と、熱感知信号113により表面温度を測定するための熱感知サブシステム112とを含んでいる。熱感知サブシステム112は表面温度を予め定められた温度にまたは予め定められた温度範囲内に維持するのを助けをするためにフィードバックループの一部分として波頭発生サブシステム110の温度制御信号114を発生することができる。例えば熱感知サブシステム112は使用されているシステム102の応用にしたがって、予め定められた範囲内に表面温度を維持する助けをする。幾つかの実施形態では、摂氏５５度よりも高い表面温度が維持されることができるが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。実施形態では、熱感知サブシステム112は表面温度を決定するために赤外線（IR）感知技術を使用できる。他の実施形態では、熱感知サブシステム112は表面106の温度が熱くなる（例えば色が褐色または黒色に変化する）時を決定するために光学的または可視信号を使用できる。

幾つかの実施形態では、波頭発生サブシステム110は高パワー波頭104を発生するために能動アンテナシステムを備え、一方、他の実施形態では、波頭発生サブシステム110は高パワー波頭104を発生するために受動アンテナシステムを備えている。これらの実施形態を以下さらに詳細に説明する。高パワー波頭104のパワーレベルは表面温度を予め定められた温度範囲よりも上、下、またはその範囲内に維持することを助けるために熱感知サブシステム112からの制御信号114に応答して変化（例えば減少または増加）されることができる。システムは波頭104を含む放射されたビームの発散角度を制御するためにアンテナシステムまたはレンズを使用する等の、表面106上のパワー密度を制御するための種々の方法を使用することができる。

幾つかの実施形態では、システム102はパルスの高パワー波頭を発生する。これらの実施形態では、システム102は制御信号114に応答して、送信された波頭のパルス反復率またはパルス継続時間を変更できる。

波頭104のミリメートル波周波数はアプリケーションにしたがって選択されることができる。幾つかの実施形態では、周波数は表面106の分子構造に基づいて選択されることができる。例えば周波数は水の分子のような分子の共振に基づいて選択されることができる。実施形態では、ミリメートル波周波数は表面加熱が表面106の表面の深さ108内で主に生じるように選択されることもできる。

幾つかの実施形態では、システム102は改良された表面加熱に対して最適である。幾つかの実施形態では、システム102は表面の滅菌、食品のトースト、塗料の乾燥および／または除去、血管の焼灼、セラミック材料の硬化等に適切である。さらに他の実施形態では、システム102は水の表面からのオイルの除去のように、上部から不純物を除去するために液体の上部層を蒸発させ、および／または取除くために使用されることができる。

塗料の除去（例えば鉛塗料の除去）に使用されるとき、塗装された表面は塗料が軟化しもはや下に位置する表面に接着しなくなるまで加熱され、容易に除去することを可能にする。その代わりに、塗料の除去に使用されるとき、塗料はこれが下に位置する表面が非常に熱くなる前に燃焼して剥がれるまで加熱されることができる。幾つかの通常の塗料除去技術はマイクロ波エネルギを使用しているが、これらの通常の技術はマイクロ波エネルギを吸収し、塗料を加熱するため、塗装された表面に対してマイクロ波吸収材料を付加することを必要としている。他方で、本発明のシステム102は高パワーミリメートル波波頭で塗装された表面を直接加熱することができ、表面に対して吸収材料の付加を必要としない。

幾つかの他の実施形態では、システム102は表面のすぐ下の予め定められた表面の深さの範囲まで加熱するために適している。例えば、システム102は樹皮のすぐ下の木材の層を加熱および／または乾燥するために使用され、恐らくレーザエネルギを使用する通常のシステムとは異なって、樹皮を加熱せずに加熱することができる。

図２は本発明の幾つかの実施形態による波頭発生サブシステムの機能ブロック図である。波頭発生サブシステム200は波頭発生サブシステム110（図１）として使用するのに適しているが、他のシステムおよびサブシステムもまた適している。波頭発生サブシステム200はミリメートル波周波数で高パワーの波頭204を発生するアンテナシステム220を含んでいる。波頭発生サブシステム200はまたミリメートル波周波数を発生するための周波数発生器202と、サブシステム200の種々のエレメントにパワーを供給するための電源206とを具備している。高パワー波頭204は例えばコリメートされた波頭、収斂波頭、または発散波頭であることができる。

幾つかの実施形態では、アンテナシステム220は周波数発生器202および／またはパワー増幅器218により与えられる高パワーのミリメートル波周波数信号を受取る受動システムであることができる。これらの実施形態では、周波数発生器202およびパワー増幅器218は単一または別々の素子を備えることができ、アンテナシステム220に対する高パワーミリメートル波周波数信号を発生するためのジャイロトロン、進行波管（ＴＷＴ）、および／またはクライストロンを含むことができる。幾つかの実施形態では、周波数発生器202は低パワーミリメートル波周波数信号を発生し、それはパワー増幅器218により増幅される。これらの実施形態では、パワー増幅器218は進行波管（ＴＷＴ）またはクライストロンのような高パワー増幅器で構成され、アンテナシステム220のための高パワーのミリメートル波周波数信号を発生する。

他の実施形態では、アンテナシステム220は周波数発生器202および／またはパワー増幅器218により与えられる高パワーのミリメートル波周波数信号を受信する能動アンテナシステムであることができる。これらの実施形態では、周波数発生器202および／またはパワー増幅器218は水晶発振器および／または半導体ベースの増幅器素子（例えばトランジスタ増幅器）を具備し、アンテナシステム220のための低パワーミリメートル波周波数信号を発生する。これらの実施形態では、アンテナシステム220は高パワー波頭204を提供するために低パワーのミリメートル波周波数信号を増幅することができる。

周波数発生器202はミリメートル波周波数信号を発生するためにガンまたはインパッドダイオード（例えばＩｎＰ ＨＥＭＰ上に）を使用するが、周波数を発生および／または増幅する他の方法も適している。幾つかの実施形態では、パワー増幅器218はアンテナシステム220により必要とされるパワーレベルおよび周波数発生器202により与えられるパワーレベルに従って随意選択的である。

電源206はアンテナシステム220に対して高いサージ電流を発生できる低電圧で高電流の電源を含むことができる。これらの実施形態では、電源206は、パワー増幅器218、周波数発生器202および／またはアンテナシステム220により必要とされるような高いサージ電流を供給可能な大きいキャパシタを利用することができる。

サブシステム200はまたアンテナシステム220、周波数発生器202、パワー増幅器208および／または電源206のようなサブシステムの素子の温度を減少および／または制御するため冷却サブシステム208を含むことができる。幾つかの実施形態では、冷却サブシステム208は分散されたシステムであり、１以上の熱電冷却（ＴＥＣ）素子を備えているが、他の実施形態では冷却システム208は相変化流体、冷媒、冷却剤を含むことができる。

サブシステム200はまた、特に他のサブシステムからの信号214に応答するシステム制御装置210を含むこともできる。例えばシステム制御装置210は熱感知サブシステム112（図１）のような他のサブシステムから温度制御信号114（図１）を受信し、それにしたがって表面温度を増加または減少させる。

幾つかの実施形態では、システム200はビーム誘導装置216を含むことができる。システム制御装置210はビーム成形制御信号212を発生でき、それによって加熱される表面の方向のように特定の方向に波頭204を導くようにビーム誘導装置216を制御するが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。この実施形態では、アンテナシステム220は波頭204の指向方向を制御することができ、フェイズドアレイタイプのアンテナを構成することができるが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。システム200のビーム誘導装置216を含むことはシステム200が意図される特定の応用と、アンテナシステム220で使用されるアンテナシステムの特定のタイプに依存している。

実施形態では、周波数発生器202により発生され、波頭204を有するミリメートル波信号の特別な周波数は水分子（例えば水素と酸素の結合）のような表面の物質の原子間の結合共振を増加し、任意の表面の表面加熱を生じるように選択されることができる。実施形態では、任意のミリメートル波周波数（例えば３０乃至３００ＧＨｚ）が適切であり、幾つかの実施形態ではＷバンド周波数（例えば７７乃至１１０ＧＨｚ）が特に好ましいが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。ミリメートル波周波数はまた加熱が表面106（図１）の表面の深さ108（図１）のような予め定められた表面の深さ内で主に行われるように選択されることもできる。実施形態では、加熱される表面の深さは例えば１ミリメートルより遥かに小さいが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。

幾つかの実施形態では、アンテナシステム220は単一周波数、異なる周波数またはブロードバンド周波数のいずれかからなる波頭204を放出できる。これらの実施形態では、共にまたは異なる時間に放出される多数の周波数が使用されて表面または表面からある深度の時間関数として所望の温度プロフィールを実現する。これらの実施形態は積層表面の加熱に適している。

当業者はサブシステム200の距離および／または温度の要求にしたがって、高パワー波頭204を提供するために適切なパワーレベルおよび関連するシステムコンポーネントを選択できる。幾つかの実施形態では、システム200は数メートル以上までの距離で予め定められたパワー密度を発生できる。幾つかの実施形態では、波頭204は拡散の減少を助けるためコヒーレントなＲＦエネルギからなる波頭であってもよいが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。

システム102（図１）及びサブシステム200は幾つかの別々の機能素子を有するように示されているが、１以上の機能素子は結合されてもよく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）および／または他のハードウェア素子を含んでいる処理素子のようなソフトウェア構成素子の組み合わせにより構成されることもできる。例えば処理素子は１以上のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、少なくともここで説明した機能を行うための種々のハードウェアと論理回路の組合せを含むことができる。

図３は本発明のある実施形態にしたがった能動アレイアンテナシステムを示している。能動アレイアンテナシステム300はミリメートル波周波数で高パワー波頭を発生し、アンテナシステム220（図２）の使用に適しているが、他のアンテナ及びアンテナシステムも適している。能動アレイアンテナシステム300は高パワー波頭204（図２）の発生に使用するために周波数発生器202（図２）および／またはパワー増幅器218（図２）から低パワーミリメートル波周波数信号を受信できる。

この実施形態では、能動アンテナシステム300は低パワーフィード304により空間的に供給されることのできる能動反射アレイ302を含んでいる。能動反射アレイ302は共に整列またはタイル状に貼られている複数の半導体ウェハ306（例えばモノリシック基板）を具備することができる。図示の実施形態では、ウェハ306は実質上パラボラ形状で共にタイル状で配置されているが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。低パワーフィード304は能動反射アレイ302に入射するためミリメートル波周波数で低パワー波頭308を提供する。波頭308は実質的に垂直偏波された波頭であるが、これは必要ではない。波頭308に応答して、能動反射アレイ302は高パワー波頭310を発生できる。

実施形態では、能動反射アレイ302は低パワーフィード304から波頭308を受信するための複数の受信アンテナを含み、関連する１つの受信アンテナにより受信される波頭の信号を増幅するための複数のパワー増幅器を含むことができる。能動反射アレイ302はまた高パワー波頭308を提供するため増幅された信号を送信するための複数の送信アンテナを含むことができる。

実施形態では、低パワーフィード304は能動反射アレイ302に入射する波頭308を提供するための指向性アンテナのような受動フィードであってもよい。別の実施形態では、フィード304はミリメートル波周波数を反射し、能動反射アレイ302に入射する波頭308を提供するための受動反射装置を構成することができる。この実施形態では、フィード304はアレイ302の中心近くにあるフィードによって送信されるミリメートル波信号を反射できるが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。

幾つかの他の実施形態では、低パワーフィード304は能動反射アレイ302内（例えばその中心近く）のソースから受信されたミリメートル波周波数をコヒーレントに増幅し、反射するための能動フィードであってもよいが、本発明の技術的範囲はそれに限定されない。これらの実施形態では、低パワーフィード304はフィードソースからミリメートル波周波数を受信するための１以上の受信アンテナと、受信されたミリメートル波周波数を増幅する１以上の増幅器と、増幅された信号を送信し、能動反射アレイ302に入射する低パワー波頭308を提供するための１以上の送信アンテナとを具備することができる。

さらに別の実施形態では、低パワーフィード304は周波数発生器202（図２）および／またはパワー増幅器218（図２）のような送信のための信号源から信号を受信することができる。その代わりに、低パワーフィード304はミリメートル波周波数を発生し波頭308を発生するため周波数発生器202（図２）および／またはパワー増幅器218（図２）のような周波数発生器とパワー増幅器とを含むことができる。

（とりわけ）能動反射アレイ302の形状と、波頭308のフェージング、偏波および／またはコヒーレンス性にしたがって、能動反射アレイ302は高パワーのコリメートされた波頭または高パワーの収斂または発散波頭を発生するように構成されることができる。幾つかの実施形態では、ビーム成形素子312は所望の結果とアレイ302により発生される波頭のタイプにしたがって、波頭310をコリメート、収斂または発散するために使用されることができる。幾つかの実施形態では、ビーム成形素子312はＲＦレンズまたはフレネルタイプのレンズであってもよいが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。

他の実施形態では、低パワーフィード304は受動ソースであってもよい。これらの実施形態では、フィード304はアレイ302を反射するための波頭放射（例えば波頭308）を行うために受動的な部分的反射プレート素子として構成されることができる。これらの実施形態では、波頭放射は実際には反射されて戻る波頭放射（例えば波頭310）の一部であってもよい。これらの実施形態では、ミリメートル波周波数は能動反射アレイ302の代わりに受動反射アレイの個々の半導体ウェハ306の自然および／または誘起された発振によって発生されることができる。１実施形態では、受動低パワーフィード（例えばフィード304）はソースであり、（波頭308の通路の）ビーム成形素子と共に使用されることができ、それによって部分的反射の単一のプレート素子に反射する。これらの実施形態では、受動ソース304とビーム成形素子312の組合せから生じるモノリシックアレイ302と部分的反射素子との間の間隔は波頭310として放射される最終的な出力周波数を制御できる。これらの実施形態では、能動アレイシステム300は周波数発生器202（図２）のような他の低レベルソースを必要とせずにこのシステムのレベルにより発生されるその出力放射放出を有する。これらの実施形態では、結合された部分的反射素子（例えば304と312）の形状は個々の半導体ウェハ306の位相を制御し、それによって最終的なビーム（例えば波頭310）が所望の位相波頭を有することを可能にする。能動反射アレイ302の幾つかの重要な素子間の位相定数の制御または物理的或いは電気的なシフトによって、低パワーフィード素子は波頭310のさらに最適な分布または指向方向操縦能力を提供できる。

図４は、本発明の幾つかの実施形態にしたがった能動反射アレイ302（図３）のような能動反射アレイの一部として使用するのに適した半導体ウェハの一部を示している。部分400はウェハ306（図３）に適しているが、他の半導体ウェハも適当に使用できるであろう。半導体ウェハ部分400は実質的に垂直偏波された波頭である波頭308（図３）のような波頭を受信するための１以上の受信アンテナ402を含むことができる。部分400はまた受信アンテナ402の関連するものにより受信された波頭の信号を増幅する１以上の増幅器404のセットを含んでいる。部分400は増幅された信号を送信するための１以上の送信アンテナ406も含んでおり、それによってミリメートル波周波数で波頭310（図３）のような高パワー波頭を発生する。実施形態では、各パワー増幅器404の各セットは１つの送信アンテナと１つの受信アンテナに関連されている。ある実施形態では、部分400は別々の受信アンテナと送信アンテナを含むことができ、一方で、他の実施形態では、増幅素子は送受信のための単一のアンテナを利用できる。

実施形態では、アンテナ402と406はパッチアンテナであってもよいが、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、マイクロストリップアンテナのような他のタイプのアンテナまたはミリメートル波信号の受信および／または送信に適切な他のタイプのアンテナも使用可能であろう。１実施形態では、二重偏波されたパッチアンテナは送信及び受信の両機能に使用されることができる。

能動アレイアンテナシステム300（図３）と半導体ウェハ部分400として使用するのに適している能動反射アレイアンテナの例は米国特許出願第10/153,140号明細書（発明の名称“MONOLITHIC MILLIMETER-WAVE REFLECT ARRAY SYSTEM”、2002年５月20日出願、代理人番号第PD-01W176）に記載されており、これは本願と同一の出願人に譲渡されている。この米国特許明細書はここで参考文献とされている。

図５は本発明の幾つかの実施形態による平面能動アレイアンテナシステムを示している。能動アレイアンテナシステム500はミリメートル波周波数で高パワー波頭510を発生し、アンテナシステム220（図２）として使用するのに適しているが、他のアンテナも適当に使用できるであろう。能動アレイアンテナシステム500は高パワー波頭510の発生に使用するための低パワーミリメートル波周波数信号を周波数発生器202（図２）および／またはパワー増幅器218（図２）から受信できる。

幾つかの実施形態では、アンテナシステム500は実質的に平坦な形状でそこに整列されているか共にタイル状に貼り付けられている複数の半導体ウェハ506（例えばモノリシック基板）を有する実質上平坦な構造素子502を含むことができる。各半導体ウェハ506はミリメートル波周波数を増幅するためのパワー増幅器の１以上のセットと、ミリメートル波周波数で高パワーの波頭510を発生するための１以上の送信アンテナを具備することができる。各パワー増幅器のセットは１つの送信アンテナに関連されている。この実施形態では、平坦な能動アレイアンテナシステム500のウェハ506は増幅と送信のために信号源（図示せず）から１以上のミリメートル波信号を与えられることができる。ある実施形態ではアレイアンテナシステム500は共にタイル状に貼り付けられている多くのウェハ506ではなく単一のモノリシック半導体基板を具備することができる。

能動アレイアンテナシステム500は、コヒーレンス性、フェージングおよび／または偏波のような要因にしたがって、高パワーのコリメートされた波頭または高パワーの収斂または発散された波頭を発生するように構成されることができる。ある実施形態では、別々のビーム成形素子が、所望の結果とアンテナシステム500により発生されるのに望ましい波頭のタイプにしたがって、波頭510をコリメート、収斂または発散するために使用されることができる。ある実施形態では、付加的なビーム成形素子がＲＦレンズであってもよいが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。幾つかの実施形態では、波頭510の方向はビーム誘導装置216（図２）のようなビーム誘導装置により制御されることができる。

図６は本発明のある他の実施形態による受動反射アレイアンテナシステムの側面図を示している。受動反射アレイアンテナシステム600はミリメートル波周波数で高パワーの波頭610を発生し、アンテナシステム220（図２）として使用するのに適しているが、他のアンテナも使用可能であろう。受動反射アレイアンテナシステム600は高パワーの波頭610の発生に使用するための高パワーミリメートル波周波数信号を周波数発生器202（図２）および／またはパワー増幅器218（図２）から受信することができる。

アンテナシステム600は信号源604から受信されたミリメートル波周波数信号を反射する受動反射装置602を含んでいる。反射装置602は受動反射アンテナ608に入射する波頭606を提供できる。波頭606は高パワーの垂直偏波された波頭であり、反射装置602は平坦な円形の金属素子であってもよい。受動反射アンテナ608は空間的に与えられ、波頭606を受信し、高パワー波頭610を提供するための複数のアンテナを含むことができる。ある実施形態では、高パワー波頭610は収斂または発散波頭であってもよく、これは加熱される表面612またはその近くで収斂する。幾つかの他の実施形態では、高パワー波頭610はコリメートされた波頭であってもよい。高パワー収斂円錐波頭が発生される実施形態では、反射装置602と反射アンテナ608との間の間隔は波頭610の収斂点（例えばコーンの頂点の位置近く）を変化するために変更されることができる。

受動反射アンテナ608は平坦またはパラボラ形状を有してもよく、中心点の周囲に配置されている異なるサイズの二重偏波ダイポールのような複数の個々のアンテナ素子を具備することができる。この実施形態では、各アンテナ素子は受信および送信をすることができ、約１８０度の位相シフトを行うことができるが、本発明の技術的範囲はこれに関して限定されない。アンテナ素子は波頭606を受信し波頭610を発生するためにサイズおよび形状を変化することができる。受動反射アンテナ608として使用するのに適した１つのタイプのアンテナの１例はカリフォルニア州のMalibu Research of Calabasasによる平坦なパラボラ表面の反射アンテナであるが、他の受動反射アンテナも使用可能であろう。反射装置602とフィード604は波頭610内に位置されて示されているが、反射装置602とフィード604は実際には少なくとも部分的に波頭610を避けるように下方または側方に位置されることができる。

ある実施形態では、反射装置602、フィード604、反射アンテナ608、およびその他のシステムコンポーネントは三脚または他の運搬可能な装置に取り付けられるか位置されることができる。これらの実施形態は焦点距離の変化と共に、波頭610がほとんどの任意の表面またはその他のものに向けられ、そこに焦点を結ばれることを可能にする。

図７は本発明の１実施形態による表面加熱システムを示している。例えば表面加熱システム700は食品の表面の加熱および／または褐色に焼くためのシステムとして使用するのに適しているが、システム700のその他の使用も本発明の技術的範囲内に含まれる。システム700の部分は波頭発生サブシステム200（図２）の素子に対応することができる。実施形態では、システム700は食品を褐色に焼き、および／または食品を調理するためのシステムであってもよく、アイテム704を位置させるための空洞706を有するハウジング702を具備することができる。システム700は１以上のアンテナシステム708もまた具備することができる。

ある実施形態では、アンテナシステム500（図５）は１以上のアンテナシステム708として使用するのに適しているが、アンテナシステム300（図３）またはアンテナシステム600（図６）もまた適している。アンテナシステム708はハウジング702内に設置され、空洞706内に配置されてアイテム704の表面を加熱し、および／または褐色に焼くために空洞内に１以上の高パワー波頭710を誘導する。高パワー波頭710はアンテナシステム708として使用するために選択されたアンテナシステムに応じて、コリメートされた波頭、収斂および／または発散された波頭であることができる。

実施形態では、アンテナシステム708はアイテム704方向に空洞706内で高パワー波頭710を誘導できる。収斂円錐波頭の場合、円錐の頂点は空洞706の中心の近くであるが、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。

幾つかの実施形態では、アンテナシステム708は、単一の周波数、異なる周波数またはブロードバンド周波数を放射することができる。これらの実施形態では、同時または異なる時間に多数の周波数を使用することは時間の関数として所望の温度プロフィールを実現するために使用されることができる。これらの実施形態はアイテム704が積層されているとき、層を加熱するのに適している。

幾つかの実施形態では、システム700はアイテム704の温度表面を測定し、その表面温度を実質的に予め定められた温度範囲内に維持するための制御信号を発生する熱感知サブシステム112（図１）のような熱感知サブシステムを含むことができる。ある実施形態では、表面温度は予め定められた時間の間、または表面が褐色になるまで予め定められた範囲内に維持されることができ、これは熱感知サブシステムにより決定される。

幾つかの実施形態では、システム700は電子レンジの一部であってもよい。これらの実施形態では、前述の表面の加熱とトースト特性に加えて、システム700はマイクロ波増幅器と、空洞内でマイクロ波エネルギを誘導するための関連するアンテナを含むことができ、それによってアイテムをその表面または表面下まで加熱および／または調理する。これらの実施形態では、システム700は通常の電子レンジに関連する他の素子を含むことができるが、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。

食品を褐色に焼くために使用されるとき、システム700は食品の外部層を焦がすように焼き、アイテムが紙またはプラスティックでラッピングされながら、食品に焦げ目を付けて焼くのに使用されることができる。調理において、ミリメートル波ＲＦ放射は低周波数（例えば２．４８ＧＨｚまたは０．９１５ＧＨｚ）で動作する通常の電子レンジとは異なって、食品の外部層を焦げ目をつけて焼くことが立証されている。通常の電子レンジで使用されるエネルギは食品に深く浸透し、食品の外部層を焦がして焼かない。

図８は本発明の幾つかの実施形態にしたがった表面加熱手順である。表面加熱手順800は表面加熱システム102（図１）および／または波頭発生サブシステム200（図２）により行われるが、その他のシステムも手順800を行うことができる。動作802は加熱される表面に誘導される高パワー波頭を発生する。動作802はアンテナシステム220（図２）により行われることができる。動作804は表面温度を測定する。動作804は熱感知サブシステム112（図１）により行われることができる。動作806はパワーレベル、パルス反復率、放射される波頭の問題とするフィールドのサイズ、放射される波頭の位置、放射の周波数または動作802で発生される波頭の期間を制御し、それによって表面温度を予め定められた温度範囲内または予め定められた温度に維持する。動作808は例えば滅菌、トーストまたは他の目的で予め定められた時間だけ表面温度を維持できる。

手順800の個々の動作を別々の動作として示し、説明したが、１以上の個々の動作が同時に行われることができ、示された順序で動作が行われる必要はない。本発明の幾つかの実施形態によれば、手順800の幾つかの動作は随意選択的である。例えばある実施形態では、動作808が随意選択的であるが、他の実施形態では動作804および／または806が随意選択的である。

前述の詳細な説明では、種々の特徴は時には説明の簡単化の目的で単一の実施形態で共にグループ化されている。この説明方法は請求されている主題の実施形態が各特許請求の範囲で述べられているさらに多くの特性を必要とする意図を示すものと解釈されてはならない。むしろ特許請求の範囲が示すように、本発明の主題は単一の説明した実施形態の全ての特徴を含まなければならないものではない。したがって、特許請求の範囲は詳細な説明に含まれているが、各請求の範囲は別々の好ましい実施形態として固有のものである。

本発明の幾つかの実施形態による動作環境及び表面加熱システムの概略図。 本発明の幾つかの実施形態による波頭発生サブシステムの機能ブロック図。 本発明の幾つかの実施形態による能動アレイアンテナシステムの斜視図。 本発明の幾つかの実施形態による能動反射アレイの一部として使用するのに適した半導体ウェハの一部の平面図。 本発明の幾つかの実施形態による平面能動アレイアンテナシステムの斜視図。 本発明の幾つかの他の実施形態による受動反射アレイアンテナシステムの側面図。 本発明の１実施形態による表面加熱システムの概略図。 本発明の幾つかの実施形態による表面加熱手順を示すフロー図。

Claims (7)

1. 被加熱体の表面を加熱する表面加熱システムにおいて、
   ミリメートル波周波数を発生するための周波数発生器と、
   被加熱体の表面に向けてコリメートされたまたは収斂されたミリメートル波周波数の高パワー波頭を照射して、その高パワー波頭の浸透する深さまで被加熱体の表面領域を加熱する能動反射アンテナシステムと、
   被加熱体の表面温度を測定し、その表面温度を予め定められた温度範囲内に維持するための制御信号を発生する熱感知サブシステムとを具備し、
   表面加熱システムは被加熱体の表面温度を制御するために前記熱感知サブシステムからの制御信号に応答して高パワー波頭の送信パワーレベルと、パルス繰返し率と、パルス継続期間とのいずれかを変化させるように構成され、
   前記能動反射アンテナシステムはパラボラ形状の表面上に配置されている複数の半導体ウエハを具備し、各半導体ウエハは受信し、増幅し、再送信するように構成されている表面加熱システム。
2. 前記各半導体ウェハは、ミリメートル波周波数を増幅するための１以上のパワー増幅器のセットと、
   コリメートされたまたは収斂する高パワー波頭を発生するための１以上の送信アンテナとを具備し、
   前記各パワー増幅器のセットは前記送信アンテナの１つに結合されている請求項１記載のシステム。
3. 能動反射アレイは、空間的に供給されたミリメートル波の低パワー波頭を受信し、その低パワー波頭を増幅して高パワー波頭を発生し、
   前記各半導体ウェハは、
   空間的に供給されたミリメートル波の低パワー波頭を受信するための１以上の受信アンテナと、
   空間的に供給されたミリメートル波の低パワー波頭の信号を増幅するための１以上のパワー増幅器のセットと、
   コリメートされたまたは収斂する高パワー波頭を発生するために増幅された信号を送信する１以上の送信アンテナとを具備している請求項２記載のシステム。
4. 周波数発生器とアンテナシステムは波頭発生サブシステムの一部である請求項２記載のシステム。
5. 能動反射アレイに入射する低パワー波頭を供給するミリメートル波周波数の低パワーフィードをさらに具備し、
   前記低パワーフィードは能動反射アレイ内の周波数ソースから受信されたミリメートル波信号を増幅し、反射する請求項３記載のシステム。
6. 半導体ベースの能動アレイアンテナを使用して、被加熱体の表面に向けてコリメートされたまたは収斂するミリメートル波周波数の高パワー波頭を発生し、
   被加熱体の表面温度を測定し、その表面温度を制御する制御信号を発生し、
   前記表面温度を制御するために熱感知サブシステムからの制御信号に応答して波頭の送信パワーレベル、パルス繰返し率、パルス継続期間のいずれかを変化させ、
   前記高パワー波頭の発生においては、入射するミリメートル波周波数の低パワーミリメートル波波頭を能動アレイアンテナにで受取り、
   前記能動アレイアンテナはパラボラ形状の表面上に配置されている複数の半導体ウエハを具備しており、
   各半導体ウエハは、受取った低パワーミリメートル波波頭をパワー増幅器によって増幅し、
   各半導体ウエハは、受取って増幅して生成した高パワーミリメートル波波頭を前記被加熱体の表面に向けてその半導体ウエハ上のアンテナにより再送信する表面の加熱方法。
7. 食品を褐色に焦して焼くシステムにおいて、
   空洞を有するハウジングと、
   前記空洞内に位置する食品アイテムの表面を加熱するように複数の高パワーミリメートル波波頭を導くための空洞内に設けられている複数の能動アレイとを具備し、
   前記波頭はコリメートされた、または収斂するミリメートル波周波数の高パワー波頭であり、
   前記能動アレイは実質的に平坦な表面上に配置された複数の半導体ウエハを具備し、
   前記各半導体ウエハは、ミリメートル波周波数の信号を増幅する１以上のパワー増幅器のセットと、
   前記１以上のパワー増幅器のセットに結合され、コリメートされたまたは収斂された高パワー波頭を生成する１以上の送信アンテナと、
   食品アイテムの表面温度を測定し、その表面温度を予め定められた温度範囲内に維持するための制御信号を発生する熱感知サブシステムと、
   食品アイテムを表面温度よりも低い温度に加熱するために前記空洞内にマイクロ波エネルギを導入するマイクロ波増幅器およびそれに結合されているアンテナとを具備している食品を褐色に焦して焼くシステム。

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