JP4899595B2 - マイクロ波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｍｅｄｉｃａｌ）周波数帯において被加熱物の誘電加熱に利用されるマイクロ波を発生させるマイクロ波発
生装置に関するものである。

この種の代表的なマイクロ波発生装置には、電子レンジに搭載され実用されているマグネトロンがある。このマグネトロンは、その形状に対する出力が大きく、さらにその動作効率が７０％強と高い特徴がある。一方、マグネトロンは、発振周波数が負荷側のインピーダンスの影響を受け、発振周波数を自在に制御することが難しく不適当な周波数による定在波により不均一な加熱を生じる課題がある。また負荷インピーダンスによっては基本波の近傍の側波帯に不要な発振を生じることがあり、ＩＳＭ周波数帯域内に発振周波数を収めるためには負荷インピーダンスが制約される課題がある。

近年の移動体通信の発展に伴う旺盛なマイクロ波回路技術の進化、あるいはＳｉＣ材料やＧａＮ材料などの新しい半導体材料を利用した半導体素子そのものの技術革新などが進み、半導体製造に用いられるプラズマ処理装置のマイクロ波電源に半導体素子を用いたマイクロ波発生部が実用化されるレベルに到達してきた。

プラズマ処理装置に適用されるマイクロ波発生部は、その出力が１０００Ｗ〜３０００Ｗが必要とされ、半導体増幅素子を並列動作させ、それぞれの出力を電力合成して所望の高出力を発生させている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１２８１４１号公報

しかしながら、このような半導体素子を用いて構成されたマイクロ波発生部は、その出力の伝送には同軸線路が用いられるために、市販の電子レンジで使用する環境では、現在のマグネトロンと同様の実装形態を採用することが困難であり、マグネトロンをマイクロ波発生部に置き換えることは単純ではなく、実装上のさまざまな新規工夫が必要とされる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、半導体素子を用いて構成されたマイクロ波発生部を有するマイクロ波発生装置と市販の電子レンジに実装されているマグネトロンとの実装置換を可能にするマイクロ波発生装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波発生装置は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を放射するマイクロ波放射部に同軸伝送するマイクロ波伝送手段とを備えたマイクロ波発生装置であって、前記マイクロ波放射部と前記マイクロ波伝送手段とは一体的に構成し、前記マイクロ波放射部は、円筒形状のセラミック管と、前記マイクロ波伝送手段の中心導体の一端を支持するとともに前記セラミック管とろう接された金属管と、前記金属管に嵌めあい組立された金属キャップとで構成し、前記マイクロ波放射部の根元に配した金属ガスケット及び前記マイクロ波伝送手段の外周に嵌合組立した取付板を設け、前記マイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に前記取付板を介して前記マイクロ波放射部を着脱可能に装着するものである。

これにより、マイクロ波放射部を導波管に着脱可能に装着した構成とすることで、市販の電子レンジに実装されているマグネトロンとの実装置換を可能にできる。

本発明のマイクロ波発生装置は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部が発生
したマイクロ波をそのマイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に伝送させるために前記導波管に着脱可能に装着したマイクロ波放射部とを有する構成を提供するものであり、これによりマイクロ波発生装置を市販の電子レンジに実装されているマグネトロンと実装置換を可能にできる装置を提供することができる。

第１の発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を放射するマイクロ波放射部に同軸伝送するマイクロ波伝送手段とを備えたマイクロ波発生装置であって、前記マイクロ波放射部と前記マイクロ波伝送手段とは一体的に構成し、前記マイクロ波放射部は、円筒形状のセラミック管と、前記マイクロ波伝送手段の中心導体の一端を支持するとともに前記セラミック管とろう接された金属管と、前記金属管に嵌めあい組立された金属キャップとで構成し、前記マイクロ波放射部の根元に配した金属ガスケット及び前記マイクロ波伝送手段の外周に嵌合組立した取付板を設け、前記マイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に前記取付板を介して前記マイクロ波放射部を着脱可能に装着するものである。これにより、マイクロ波放射部を導波管に着脱可能に装着した構成とすることで、市販の電子レンジに実装されているマグネトロンとの実装置換を行なうことができるとともに、マイクロ波放射部の機械的強度を有させることで熱変形防止あるいは実装時の機械的変形を防ぎ、信頼性の高い実装を得ることができる。

第２の発明は、第１の発明のマイクロ波放射部を、マイクロ波伝送手段を介してマイクロ波発生部と着脱自在に構成したものであり、これによりマイクロ波発生部とマイクロ波放射部との整合状態を初期性能に維持できるとともにマグネトロンとの置換実装を単純化できる。また、これによりマイクロ波発生部およびマイクロ波放射部を含むマイクロ波伝送手段を、それぞれ単独に性能評価することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明のマイクロ波伝送手段を、放熱手段を付帯させた構成としたものであり、これにより大きな電力伝送による伝送手段の熱歪などによる機械的な変形による特性変化を抑制でき、効率よく大きな電力伝送をすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波発生装置の構成図であり、図２は同マイクロ波発生装置のブロック構成図であり、図３は同マイクロ波発生装置のマイクロ波加熱装置への実装例を示す構成図である。

図１〜図３において、マイクロ波発生装置１０は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部１１、半導体素子を冷却する放熱手段であるヒートシンク１２、マイクロ波発生部１１の出力端１３に接続したマイクロ波伝送手段である同軸伝送線路１４、同軸伝送線路１４の先端に設けたマイクロ波放射部１５から構成している。

同軸伝送線路１４とマイクロ波放射部１５とは一体的に構成し、マイクロ波放射部１５の根元には同軸伝送線路１４の外周に嵌合組立した取付板１６を設けている。また、取付板１６とマイクロ波発生部１１との間の同軸伝送線路１４の外周には放熱手段１７を配している。

マイクロ波発生部１１は、電圧の変化により発振周波数を可変できる発振器１１ａ、発振器１１ａの出力を増幅する初段増幅器１１ｂ、初段増幅器１１ｂの出力を２分配して後
続の主増幅器１１ｃ、１１ｄに伝送する電力分配器１１ｅ、主増幅器１１ｃ、１１ｄの増幅された出力を電力合成する電力合成器１１ｆとで構成している。

また、マイクロ波発生部１１の出力端には、マイクロ波発生部１１の回路を構成する平面回路の出力伝送線路にハンダづけした嵌合ピン１８を配している。そして、マイクロ波放射部１５を含む同軸伝送線路１４の中心導体１４ａの先端を嵌合ピン１８に嵌めこむことで、マイクロ波発生部１１と同軸伝送線路１４との接続ができる構成としている。

マイクロ波放射部１５は、電子レンジに搭載されて実用化されているマグネトロンの出力アンテナ部と等価な構成としている。すなわち、マイクロ波放射部１５は、円筒形状のセラミック管１５ａ、中心導体１４ａの一端を支持するとともにセラミック管１５ａとろう接された金属管１５ｂ、金属管１５ｂに嵌めあい組立された金属キャップ１５ｃとで構成している。また、マイクロ波放射部１５の根元には金属ガスケット１９を配している。

以上のように構成されたマイクロ波発生装置１０をマイクロ波加熱装置２０に実装した場合の構成例を図３に示す。

図３において、マイクロ波加熱装置２０は、被加熱物を収納する加熱室２１、加熱室底部に配設された回転駆動される放射アンテナ２２、放射アンテナ２２にマイクロ波を導く導波管２３、放射アンテナ２２を回転駆動する駆動モータ２４、被加熱物を載置するセラミックス材料から構成された載置板２５とを有している。そして、導波管２３の他端には、本発明によるマイクロ波発生装置１０が接続されている。

以上のように構成されたマイクロ波発生装置について、以下その動作と作用を説明する。

マイクロ波発生装置１０のマイクロ波放射部１５は、市販のマイクロ波発生装置であるところの電子レンジに組み込まれて使用されているマグネトロンの出力アンテナと同様の構成（例えば互換性を有する形状）とすることで、このマグネトロンに置換するだけで、電子レンジに適用させることができる。

また、導波管２３を介してマイクロ波を加熱室２１に供給するタイプの電子レンジにおいては、マイクロ波発生装置１０の能力を最大限に発揮できるようにマイクロ波発生装置１０と加熱室２１のインピーダンス整合に係わる特性調整を導波管２３のＨ面（幅広面）の絞りなどにより容易に調整できる利点があるので、さらにマグネトロンとの置換を促進することができる。

また、マイクロ波発生部１１の出力部１３とマイクロ波放射部１５を含む同軸伝送線路１４とは、嵌合ピン１８と同軸伝送線路１４の中心導体１４ａとの嵌め合いによる接続構成としていることで、同軸伝送線路１４を外して計測用同軸線路を接続しマイクロ波発生部１１の基本性能の測定を行うことができる。これにより、マイクロ波発生部１１の性能ならびに信頼性評価を容易に実施することができる。

また、同軸伝送線路１４側の特性評価も容易に実施できる。

また、マイクロ波伝送手段である同軸伝送線路１４に放熱手段１７を付帯させた構成により、大きな電力伝送による同軸伝送線路の熱歪などによる機械的な変形による特性変化を抑制でき、効率よく大きな電力伝送をすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波発生装置２９の構成図である。
図４が第１の実施の形態と相違する点は、マイクロ波伝送手段である同軸伝送線路３０を折り曲げ構成とするとともに、同軸伝送線路３０内に空気を通流できるように構成した点である。

すなわち、同軸伝送線路３０は、マイクロ波発生部１１の出力方向から略垂直方向に折り曲げた構成としている。このように略垂直方向に折り曲げた形状の同軸伝送線路３０を介してマイクロ波発生部１１とマイクロ波放射部３１とを接続する構成とすることで、マイクロ波加熱装置への実装においてマイクロ波発生部の実装場所を自由設計できる。

また、同軸伝送線路３０の外部導体３０ｂの一部に複数の孔３２を配設している。さらに、マイクロ波放射部３１において、同軸伝送線路３０の内部導体３０ａを支持固定する金属管３１ｂに孔３３を配設、金属キャップ３１ｃにも孔３４を配設している。

そして、送風手段３５を配し、同軸伝送線路３０に設けた孔３２を介して気流を同軸伝送線路３０内部に配流し、同軸伝送線路３０の内部を通流させて孔３３、３４を介して排出させている。この通流により、同軸伝送線路３０の中心導体３０ａは冷却されその機械的強度を保証することで、より大きな電力を伝送させることができる。

（実施の形態３）
次に、マイクロ波発生部の出力を複数にした場合について説明する。

マイクロ波発生部内での電力合成をせずに複数の出力端を持たせることで、伝送電力は低くできる。この場合も上記実施の形態と同様にマイクロ波発生部が発生したマイクロ波をそのマイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に伝送させるために前記導波管に着脱可能に装着した複数のマイクロ波放射部を配する。

そして、マイクロ波放射部は、マイクロ波伝送手段を介してマイクロ波発生部と接続した構成とし、そのマイクロ波伝送手段は電力合成しないことによる比較的低電力の電力を伝送することで可撓性を有する同軸伝送線路で構成している。

これにより従来では複数導波管構成では複数のマイクロ波発生装置であるマグネトロンが必要であり、大きな実装空間を要したが、ひとつのマイクロ波発生部からの複数出力構成による複数放射の構成を採ることで実装空間のコンパクト化を図ることができる。

また可撓性を有するマイクロ波伝送手段（例えば同軸ケーブル）を採ることで複数のマイクロ波放射部の放射場所の実装自由度を格段に高めることができる。

なお、本発明のマイクロ波発生装置を搭載した電子レンジにおいては、上記述べたマイクロ波発生装置自体の性能上の効果を有する以外にも、従来のマグネトロンからの置換互換性や実装の自由度による設計、製作の容易化や、実装空間のコンパクト性による電子レンジの小型化もしくは電子レンジ庫内容積の拡大という特有の効果も奏する。

以上のように本発明によれば、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部が発生したマイクロ波をそのマイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に伝送させるために前記導波管に着脱可能に装着したマイクロ波放射部とを有するマイクロ波発生装置の構成としたことにより、市販の電子レンジに実装されているマグネトロンと実装置換を可能にし、食品加熱はもとより、洗浄装置、乾燥装置、半導体製造装置などの工業分野での加熱装置にも展開することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波発生装置の構成図 同マイクロ波発生装置のブロック図 同マイクロ波発生装置のマイクロ波加熱装置へ実装時の構成図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波発生装置の構成図

１０、２９ マイクロ波発生装置
１１ マイクロ波発生部
１４、３０ 同軸伝送線路（マイクロ波伝送手段）
１５、３１ マイクロ波放射部
１７ 放熱手段
２３ 導波管

Claims (3)

1. 半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部と、
   前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を放射するマイクロ波放射部に同軸伝送するマイクロ波伝送手段とを備えたマイクロ波発生装置であって、
   前記マイクロ波放射部と前記マイクロ波伝送手段とは一体的に構成し、
   前記マイクロ波放射部は、円筒形状のセラミック管と、前記マイクロ波伝送手段の中心導体の一端を支持するとともに前記セラミック管とろう接された金属管と、前記金属管に嵌めあい組立された金属キャップとで構成し、
   前記マイクロ波放射部の根元に配した金属ガスケット及び前記マイクロ波伝送手段の外周に嵌合組立した取付板を設け、
   前記マイクロ波を伝送可能な形状からなる導波管に前記取付板を介して前記マイクロ波放射部を着脱可能に装着するマイクロ波発生装置。
2. マイクロ波放射部は、マイクロ波伝送手段を介してマイクロ波発生部と着脱自在に構成した請求項１に記載のマイクロ波発生装置。
3. マイクロ波伝送手段は、放熱手段を付帯させた構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波発生装置。