JP5167678B2 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部を備えたマイクロ波処理装置に関するものである。

従来のこの種のマイクロ波処理装置は、半導体発振部と、発振部の出力を複数に分割する分配部と、分配された出力をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、増幅部の出力を合成する合成部とを有し、分配部と増幅部との間に位相器を設けたものがある（たとえば、特許文献１）。

そして、位相器はダイオードのオンオフ特性によりマイクロ波の通過線路長を切り替える構成としている。また、合成部は９０度および１８０度ハイブリッドを用いることで合成部の出力を２つにすることができ、位相器を制御することで２出力の電力比を変化させたり、２出力間の位相を同相あるいは逆相にすることができるとしている。

また、この種のマイクロ波処理装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生部にマグネトロンと称される真空管を用いている。
特開昭５６−１３２７９３号公報

しかしながら、前記従来の構成での合成部の２つの出力から放射されるマイクロ波は、位相器によって位相を変化させることで２つの放射アンテナからの放射電力比や位相差を任意にかつ瞬時に変化させることは可能だが、その放射によってマイクロ波が供給される加熱室内に収納されたさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱することは難しいという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、マイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置するとともにそれぞれの給電部から放射されるマイクロ波の位相差および発振周波数を最適化することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波発処理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処理装置は、被加熱物を収納する加熱室と、半導体素子を用いて構成しマイクロ波を出力する発振部と、前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、前記電力分配部の出力のそれぞれの位相を可変する位相可変部と、前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記増幅部の出力を前記給電部に伝送する複数の伝送路に各々設けられると共に、前記給電部から前記増幅部に反射される反射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量をそれぞれ制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面の異なる複
数の壁面に配置するとともに、前記制御部は、前記電力検出部で検出される反射電力が最小となる周波数および位相差に前記発振部および前記位相可変部を制御することによって、加熱室に放射したマイクロ波を有効に被加熱物に吸収させ、またマイクロ波放射を異なる複数の壁面から行うことで異なる方向から被加熱物に直接的にマイクロ波を入射させることができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱することができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、マイクロ波を放射する機能を有した複数の給電部を加熱室を構成する壁面に最適に配置するとともにそれぞれの給電部から放射されるマイクロ波の位相差および周波数を最適化することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波処理装置を提供することができる。

第１の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、半導体素子を用いて構成しマイクロ波を出力する発振部と、前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、前記電力分配部の出力のそれぞれの位相を可変する位相可変部と、前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記増幅部の出力を前記給電部に伝送する複数の伝送路に各々設けられると共に、前記給電部から前記増幅部に反射される反射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量をそれぞれ制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面の異なる複数の壁面に配置するとともに、前記制御部は、前記電力検出部で検出される反射電力が最小となる周波数および位相差に前記発振部および前記位相可変部を制御する構成としたものであり、複数の給電部から放射するマイクロ波の位相差および周波数を反射電力が最小となるように制御することによって加熱室に放射したマイクロ波を効率的に被加熱物に吸収させ、またマイクロ波放射を異なる複数の壁面から行うことで異なる方向から被加熱物に直接的にマイクロ波を入射させることができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱することができる。

また、反射電力を最小に抑制して被加熱物の加熱を効率的に行い、短時間での加熱を実現することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明の制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する前段階で、加熱処理するマイクロ波の電力よりも低い電力で反射電力が最小となる周波数および位相差を検出する予備動作をする構成とすることにより、様々な形状、種類、分量の異なる被加熱物が加熱室に載置された場合でも過大な反射電力によって増幅部に致命的な損傷を負わせることなく被加熱物の加熱を効率的に行うことができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する際、電力検出部が検出する反射電力が所定の反射電力以下となるように位相可変部の位相量と発振部の発振周波数を可変制御する構成とすることにより、様々な形状、種類、分量の異なる被加熱物が加熱室に載置された場合でも過大な反射電力によって増幅部に致命的な損傷を負わせることなく被加熱物の加熱を効率的に行うことができると同時に、加熱中も常時所定の反射電力以下となる位相差および発振周波数を維持できるため常に効率的に被加熱物の加熱を行うことができる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明の制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する際、電力検出部が検出する反射電力が常に最低値となるように位相可変部の位相量と発振部の発振周波数を可変制御する構成することにより、様々な形状、種類、分量の異なる被加熱物が加熱室に載置された場合でも過大な反射電力によって増幅部に致命的
な損傷を負わせることなく被加熱物の加熱を効率的に行うことができると同時に、加熱中も常時所定の反射電力以下となる位相差および発振周波数を維持できるため被加熱物の温度上昇によって電波の吸収および反射の状態が変化しても常に効率的に被加熱物の加熱を行うことができる。

第５の発明は、特に第１から第４のいずれか１つの発明の位相可変部の位相量および発振部の発振周波数の変化量は、被加熱物を加熱処理する際と加熱処理前に反射電力が最小値となる位相量および発振周波数を検索する予備動作時で異なるようにしたものであり、様々な形状、種類、分量の異なる被加熱物が加熱室に載置された場合でも過大な反射電力によって増幅部に致命的な損傷を負わせることなく被加熱物の加熱を効率的に行うことができると同時に、加熱中も常時所定の反射電力以下となる位相差および発振周波数を維持できるため被加熱物の温度上昇によって電波の吸収および反射の状態が変化しても常に効率的に被加熱物の加熱を行うことができる。

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処理装置の構成図である。

図１において、マイクロ波発生部１は半導体素子を用いて構成した発振部２、発振部２の出力を２分配する電力分配部３、電力分配部３それぞれの出力を増幅する半導体素子を用いて構成した増幅部５ａ、５ｂ、増幅部５ａ、５ｂによって増幅されたマイクロ波出力を加熱室内に放射する給電部７ａ、７ｂ、および電力分配部３と増幅部５ａ、５ｂを接続するマイクロ波伝送路に挿入され入出力に任意の位相差を発生させる位相可変部４ａ、４ｂ、増幅部５ａ、５ｂと給電部７ａ、７ｂを接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部７ａ、７ｂから反射する電力を検出する電力検出部６ａ、６ｂ、電力検出部６ａ、６ｂによって検出される反射電力に応じて発振部２の発振周波数と位相可変部４ａ、４ｂの位相量を制御する制御部１０とで構成している。

また、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室８を有し、加熱室８は金属材料からなる左壁面、右壁面、底壁面、上壁面、奥壁面および被加熱物を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）と、被加熱物を載置する載置台から構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。そして、マイクロ波発生部１の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室８内に放射供給する給電部７ａ、７ｂが加熱室８を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では対向構成の左壁面と右壁面の略中央にそれぞれ給電部７ａと７ｂを配置した構成を示している。この給電部の配置は本実施の形態に拘束されるものではなくいずれかの壁面に複数の給電部を設けてもよいし、対向面ではない例えば右壁面と底壁面のような組合せであってもかまわない。

増幅部５ａ、５ｂは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、各増幅部の増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路を配している。

各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。

電力分配部３は、例えばウィルキンソン型分配器のような出力間に位相差を生じない同相分配器であってもよいし、ブランチライン型やラットレース型のような出力間に位相差
を生じる分配器であってもかまわない。この電力分配部３によって各々の出力には発振部２から入力されたマイクロ波電力の略１／２の電力が伝送される。

また、位相可変部４ａ、４ｂは、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、各々の位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。これによって位相可変部４ａ、４ｂから出力されるマイクロ波電力の位相差は０度から±１８０度の範囲を制御することができる。

また、電力検知部６ａ、６ｂは、加熱室８側からマイクロ波発生部１側にそれぞれ伝送するいわゆる反射波の電力を抽出するものであり、電力結合度をたとえば約４０ｄＢとし、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部１０に入力させている。

制御部１０は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件（矢印２８）あるいは加熱中に被加熱物の加熱状態から得られる加熱情報と電力検知部６ａ、６ｂからの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部１の構成要素である発振部２と増幅部５ａ、５ｂのそれぞれに供給する駆動電力の制御や位相可変部４ａ、４ｂに供給する電圧を制御し、加熱室８内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部１には主に増幅部５ａ、５ｂに備えた半導体素子の発熱を放熱させる放熱手段（図示していない）を配する。

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

まず被加熱物を加熱室８に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部１０の制御出力信号によりマイクロ波発生部１が動作を開始する。制御手段１０は、駆動電源（図示していない）を動作させて発振部２に電力を供給する。この時、発振部２の初期の発振周波数は、たとえば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。

発振部２を動作させると、その出力は電力分配部３にて略１／２分配され、２つのマイクロ波電力信号となる。以降、駆動電源を制御して増幅部５ａ、５ｂを動作させる。

そしてそれぞれのマイクロ波電力信号は並列動作する増幅部５ａ、５ｂ、電力検知部６ａ、６ｂを経て給電部７ａ、７ｂにそれぞれ出力され加熱室８内に放射される。このときの各主増幅部はそれぞれ１００Ｗ未満、たとえば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室８内に供給されるマイクロ波電力が被加熱物に１００％吸収されると加熱室８からの反射電力は無しになるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室８の電気的特性を決定し、マイクロ波発生部１の出力インピーダンスと加熱室８のインピーダンスとに基づいて、加熱室８側からマイクロ波発生部１側に伝送する反射電力が生じる。

電力検出器６ａ、６ｂは、マイクロ波発生部１側に伝送する反射電力を検出し、その反射電力量に比例した信号を検出するものであり、その検出信号を受けた制御部１０は、反射電力が極小値となる発振周波数および位相差の選択を行う。この周波数、位相差の選択に対して、制御部１０は、位相可変部４ａ、４ｂによって生じる位相差を０度の状態で発振部２の発振周波数を初期の２４００ＭＨｚから例えば１ＭＨｚピッチで高い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達すると、位相可変部４ａ、
４ｂによって生じる位相差を例えば３０度に変更し、今度は周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚから１ＭＨｚピッチで低周波側に変化させる。発振周波数が２４００ＭＨｚに達すると再び位相可変部４ａ、４ｂの出力の位相差を変化（例えば６０度）させ、再び発振部２の発振周波数を２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚに向かって変化させる。この操作を行うことで制御部１０は発振部２の発振周波数と位相可変部４ａ、４ｂの位相差に対する反射電力の配列を得ることができる。制御部１０はこの反射電力が最も小さくなる発振部２および位相可変部４ａ、４ｂの位相差の条件で制御するとともに発振出力を入力された加熱条件に対応した出力が得られるように制御する。これにより、各増幅部５ａ、５ｂはそれぞれ所定のマイクロ波電力を出力する。そして、それぞれの出力は給電部７ａ、７ｂに伝送され加熱室８内に放射される。

このように動作することで様々な形状・大きさ・量の異なる被加熱物に対しても反射電力が最も小さくなる条件で加熱を開始することができ、増幅部５ａ、５ｂに備えられた半導体素子が反射電力によって過剰に発熱することを防止でき熱的な破壊を回避することができる。

図２は加熱動作中における位相可変部４ａ、４ｂの位相差および発振部２の発振周波数の制御例を示すフローチャートである。はじめに位相差Φで位相可変部４ａ、４ｂが位相差を生じている状態で動作している状態からΔΦ（例えば５度）位相差をずらした状態に制御する。このとき電力検出部６ａ、６ｂは反射電力を各々計測し制御部１０にその反射電力量に応じた信号を伝送する。制御部１０は前回に計測した反射電力と今回計測した反射電力を比較し、反射電力が減少していればΔΦをそのままとし、反射電力が増加していればΔΦの符号を逆にする。このようにすることによって位相差Φの変化に対して反射電力が減少する方向に常に制御することができる。また、発振周波数ｆについても同じような操作、すなわちある発振周波数ｆで発振部２が発振している状態でΔｆ（例えば０．１ＭＨｚ）発振周波数をずらした状態に制御し、そのときの反射電力を計測する。制御部１０はこの反射電力と前回（発振周波数を変化させる前に）計測した反射電力を比較し、反射電力が減少していればΔｆをそのままの値とし、反射電力が増加していればΔｆの符号を逆にする。この操作によって発振周波数の変化に対して反射電力が常に減少する方向で制御することができる。

このように制御することで、加熱動作中においても電力検出部６ａ、６ｂは加熱室８からの反射電力を検出できるので、制御部１０がこれを判断し、発振周波数および位相差を時々刻々微調整し常に反射電力が低い状態を維持できるのでさらに半導体素子の発熱を低く抑えることが可能となり、加熱効率を高く維持できるので短時間での加熱を図ることができる。あるいは、許容する反射電力を所定の値に定めその許容する反射電力の範囲において制御部１０は時間的に位相可変部４ａ、４ｂの位相差と発振部２の発振周波数を変化させることもできる。このような動作をすることで加熱室８内でのマイクロ波の伝播状態を時間的に変化させることができるので、被加熱物の局所加熱を解消し、加熱の均一化を図ることも可能である。

なお、本実施の形態においては、位相可変部は２つ挿入した例で説明したが、電力分配部３のいずれかの出力にのみ挿入し、その位相変化幅を０度から３６０度となるように構成することもできる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は複数の給電部を有しマイクロ波を放射する給電部を切り替え制御したり動作中の給電部間のマイクロ波の位相差を変化させる装置を提供できるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途
にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図 同マイクロ波処理装置の位相差、発振周波数の制御例を示すフローチャート

１ マイクロ波発生部
２ 発振部
３ 電力分配部
４ａ、４ｂ 位相可変部
５ａ、５ｂ 増幅部
６ａ、６ｂ 電力検出部
７ａ、７ｂ 給電部
８ 加熱室
１０ 制御部

Claims (5)

1. 被加熱物を収納する加熱室と、
   半導体素子を用いて構成しマイクロ波を出力する発振部と、
   前記発振部の出力を複数に分配して出力する電力分配部と、
   前記電力分配部の出力のそれぞれの位相を可変する位相可変部と、
   前記位相可変部の出力をそれぞれ電力増幅する増幅部と、
   前記増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、
   前記増幅部の出力を前記給電部に伝送する複数の伝送路に各々設けられると共に、前記給電部から前記増幅部に反射される反射電力を検出する電力検出部と、
   前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量をそれぞれ制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面の異なる複数の壁面に配置するとともに、前記制御部は、前記電力検出部で検出される反射電力が最小となる周波数および位相差に前記発振部および前記位相可変部を制御する構成としたマイクロ波処理装置。
2. 制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する前段階で、加熱処理するマイクロ波の電力よりも低い電力で反射電力が最小となる周波数および位相差を検出する予備動作をする構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する際、電力検出部が検出する反射電力が所定の反射電力以下となるように位相可変部の位相量と発振部の発振周波数を可変制御する構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
4. 制御部は加熱室に収容された被加熱物を加熱処理する際、電力検出部が検出する反射電力が常に最低値となるように位相可変部の位相量と発振部の発振周波数を可変制御する構成とした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
5. 位相可変部の位相変化量および発振部の発振周波数の変化量は、被加熱物を加熱処理する際と加熱処理前に反射電力が最小値となる位相量および発振周波数を検索する予備動作時で異なるものとした請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。

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