JP5195008B2 - マイクロ波加熱装置 - 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、増幅部の出力を再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（例えば、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、被加熱物を収納した加熱室からマイクロ波発生部側に戻ってくる反射電力を検出し、その反射電力信号に基づいて、反射電力が最小になる発振周波数を追尾させる従来技術がある（特許文献２）。
特開昭５６−１３２７９３号公報 特開昭５６−９６４８６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高効率に加熱することは難しいという課題を有していた。また、複数のアンテナでマイクロ波を供給する場合、位相差によって反射電力が変動することや、発振周波数によって位相が変動することに対して対処できない課題も有していた。

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の壁面に最適に配置するとともに、夫々に供給するマイクロ波の位相のずれを補正して反射電力を最小とする発振周波数検出を行い、検出精度を向上するとともに、検出結果の再現性を高めて、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を高効率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、被加熱物を収容する加熱室と、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
電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部および／または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給電部と、前記それぞれの給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波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制御する制御部とを備え、前記制御部は前記加熱室に収容された前記被加熱物を加熱処理する前段階で、前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数を検出する予備検出動作を行う構成とし、前記それぞれの給電部から供給されるマイクロ波の位相差を略一致させる周波数として、前記発振部の発振周波数帯域の中央周波数を選定すると共に、前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれのそれぞれの経路間の差分を前記発振部の出力マイクロ波の周波数毎に補正して、前記位相可変部を制御して、前記それぞれの給電部から供給するマイクロ波の位相差を略一致させた後、前記予備検出動作を行う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有効に被加熱物に吸収させることができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を高効率に加熱することができる。特に、発振部から給電部までの電気的線路長は、伝播線路の長さや途中に接続される部品のばらつきにより位相ずれが発生し、複数の給電部間で位相差が発生することに対して、位相差が一致するように位相可変部を制御して電気的線路長のばらつき分を補正することが出来、より正しい条件での検出動作を実現し、検出精度を向上させ、再現性を高められる。

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の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高効率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、被加熱物を収容する加熱室と、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、前記電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、前記電力分配部および／または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給電部と、前記それぞれの給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波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制御する制御部とを備え、前記制御部は前記加熱室に収容された前記被加熱物を加熱処理する前段階で、前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数を検出する予備検出動作を行う構成とし、前記それぞれの給電部から供給されるマイクロ波の位相差を略一致させる周波数として、前記発振部の発振周波数帯域の中央周波数を選定すると共に、前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれのそれぞれの経路間の差分を前記発振部の出力マイクロ波の周波数毎に補正して、前記位相可変部を制御して、前記それぞれの給電部から供給するマイクロ波の位相差を略一致させた後、前記予備検出動作を行う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を一致させて予備検出動作を行うことにより、検出結果の再現性が向上し、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確実に制御することができ、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ることで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を高効率に加熱することができる。特に、発振部から給電部までの電気的線路長は、伝播線路の長さや途中に接続される部品のばらつきにより位相ずれが発生し、複数の給電部間で位相差が発生することに対して、位相差が一致するように位相可変部を制御して電気的線路長のばらつき分を補正することが出来、より正しい条件での検出動作を実現し、検出精度を向上させ、再現性を高められるものである。

第２の発明は、特に、第１の発明の複数有する前記加熱室へのマイクロ波供給経路の１経路を基準経路とし、前記制御部は、前記基準経路の前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた補正後の位相値に対する各経路の前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた補正後の相対的な値で位相差の制御を行う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制御の基準を明確にして、検出精度と再現性を高めることができ、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高効率に加熱することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の制御部は、前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた位相補正値を機器毎に固有な値として記憶し、部品を交換により固有の位相補正値が変わる場合は、複数有する前記加熱室へのマイクロ波供給経路の前記基準経路に対する相対的な位相差を再現可能な負荷条件の基で検出し、記憶を更新する手段を有する構成としたものであり、マイクロ波処理装置個々にある固有のマイクロ波供給経路ばらつきを補正する情報の取得と保存ができ、複数の給電部から放射するマイクロ波の位相差制御の基準を明確にして、検出精度と再現性を高めることができ、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高効率に加熱することができる。

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、マイクロ波発生部は半導体素子を用いて構成した発振部１ａ、１ｃ、発振部１ａ、１ｃの出力を２分配する電力分配部２ａ、２ｃ、電力分配部２ａ、２ｃ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４ａ〜４ｄ、増幅部４ａ〜４ｄによって増幅されたマイクロ波出力を後述する加熱室８内に放射する給電部５ａ〜５ｄ、および電力分配部２ａ、２ｃと増幅部４ａ〜４ｄを接続するマイクロ波伝播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３ａ〜３ｄ、増幅部４ａ〜４ｄと給電部５ａ〜５ｄを接続するマイクロ波伝播路に挿入され、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波反射電力を検出する電力検出部６ａ〜６ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄによって検出される反射電力に応じて発振部１ａ、１ｃの発振周波数と位相可変部３ａ〜３ｄの位相量を制御する制御部７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壁面および被加熱物９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９を載置する載置台にて、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、発振部１ａ、１ｃで発生したマイクロ波出力が伝播され、加熱室８内に放射供給する給電部５ａ〜５ｄが加熱室８を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では給電部５ａ〜５ｄを各壁面の略中央にそれぞれ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隣接面に給電部を構成してもかまわない。

増幅部４ａ〜４ｄ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。電力分配部２ａ、２ｃ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２ａ、２ｃによって各々の出力には発振部１ａ、１ｃから入力されたマイクロ波電力の略１／２の電力が伝播される。

位相可変部３ａ〜３ｄ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３ａ〜３ｄより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。電力検出部６ａ〜６ｄは、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波いわゆる反射波の電力を抽出するものであり、電力結合度を例えば約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７に入力させている。

制御部７は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件、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出部６ａ〜６ｄよりの検出情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１ａ、１ｃと増幅部４ａ〜４ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御や位相可変部３ａ〜３ｄ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９を最適に加熱する。

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９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７の制御出力信号により、マイクロ波発生部が動作を開始する。制御手段７は、駆動電源（図示していない）を動作させて発振部１ａ、１ｃに電力を供給する。

この時、発振部１ａ、１ｃの初期の発振周波数は、例えば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。発振部１ａ、１ｃを動作させると、その出力は電力分配部２ａ、２ｃにて各々略１／２分配され、４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４ａ〜４ｄ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４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄを経て給電部５ａ〜５ｄにそれぞれ出力され、加熱室８内に放射される。

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０Ｗになるが、被加熱物の種類・形状・量により加熱室８のインピーダンスが変わり、マイクロ波電力供給側との整合ずれなどにより、給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に伝播するマイクロ波反射電力が生じる。電力検出器６ａ〜６ｄは、このマイクロ波反射電力を検出し、その反射電力量に比例した検出信号を制御部７に送る。

制御部７は、加熱室８に収容された被加熱物９を加熱処理する前段階で、発振部１ａ、１ｃと位相可変部３ａ〜３ｄを制御して、電力検出器６ａ〜６ｄで検出する反射電力を極小化する発振周波数および位相差の見極め、加熱処理条件を確定する予備検出動作を行う。予備検出動作で制御部７は、複数の給電部から放射するマイクロ波の位相差を一致させ、発振部１ａ、１ｃの発振周波数を例えば２４００ＭＨｚから１ＭＨｚピッチで、周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達するまで動作させ、同時に給電部５ａ〜５ｄから増幅部４ａ〜４ｄ方向に反射するマイクロ波電力を電力検出器６ａ〜６ｄにて検出することで、反射電力を最小とする発振周波数情報を得ることができる。

ただし、発振部１ａ、１ｃから給電部５ａ〜５ｄの入力部分までの電気的線路長は、伝播線路の長さや途中に接続される部品のばらつきなどによりずれがあるため、位相可変部３ａ〜３ｄの制御を０度の状態に合わせても、給電部５ａ〜５ｄ入力位置で位相がずれてしまう。このため、マイクロ波伝播条件が揃いかつ加熱室放射に最も近い位置となる給電部５ａ〜５ｄの入力部分で、位相差が一致するように、位相可変部３ａ〜３ｄの制御を電気的線路長ばらつき分補正する。この電気的線路長ばらつきは、周波数によってもばらつき変動が発生するため、使用する発振周波数帯域の中央の周波数、例えば２４５０ＭＨｚで補正値を決めれば、周波数変動に対して乖離幅が少なくなる。更に、発振部１ａ、１ｃの発振周波数に応じて、位相可変部３ａ〜３ｄの位相量を補正制御すれば、より正しい条件での検出動作を実現し、検出精度を向上させ、再現性を高められる。

制御部７は、複数の給電部から放射するマイクロ波の位相差を一致させた条件での反射電力を最小とする発振周波数情報を最初に得て、この条件を基準として位相差を変動させた条件での予備検出動作を続ける。複数の給電部から放射するマイクロ波間に所定の位相差を設定するため、複数有する加熱室へのマイクロ波供給経路の中から、例えば給電部５ａに至る経路を基準経路とし、給電部５ａの入力部分に対する給電部５ｂ〜５ｄの入力部分の相対的な位相差の制御を行う。この基準経路との相対的な制御で、各給電部５ａ〜５ｄから放射するマイクロ波の供給条件を明確にでき、検出精度と再現性を高められる。また、放射するマイクロ波の位相差を一致させた検出動作の場合と同様に発振部１ａ、１ｃの発振周波数に応じて、位相可変部３ａ〜３ｄの位相量を補正制御することで、複数の給電部５ａ〜５ｄから放射するマイクロ波の位相差が、伝播する周波数によってずれるのを修正し、正しい条件での検出動作を実現し、検出精度を向上させ、再現性を高められる。

以上の操作を繰り返し行うことで制御部７は、位相差設定位置と相対制御対象を明確にした発振部１ａ、１ｃの発振周波数と位相可変部３ａ〜３ｄの位相差に対する反射電力の情報を得て、予備検出動作を完了できる。

制御部７は、反射電力が最も小さくなる発振周波数と位相差の条件で、発振部１ａ、１ｃおよび位相可変部３ａ〜３ｄを制御するとともに、入力された加熱条件に対応した出力が得られるように発振出力を制御する。制御部７の制御に応じた発振周波数のマイクロ波は、増幅部４ａ〜４ｄで、制御に応じた電力となり、それぞれの給電部５ａ〜５ｄ入力部に制御指定の位相差で供給され、さらに加熱室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検出動作が精度よく行え、検出結果の再現性が向上し、反射電力が最も小さくなる思惑通りの設定条件で高効率な加熱を開始することができ、増幅部４ａ〜４ｄ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も防止でき、熱的な破壊を回避することができる。

次に、マイクロ波処理装置個々の電気的線路長のばらつきへの対処について説明する。

マイクロ波処理装置個々のばらつきへの対処のため、個々の位相差制御を補正する固有補正値を装置ごとに保有しておく必要がある。また、故障などで部品を交換した場合にこの固有補正値を更新する必要がある。このような補正値は、マイクロ波処理装置ごとに検出し、記憶する。マイクロ波処理装置ごとに検出する固有補正値は、再現できる負荷条件例えば被加熱物の無い状態で測定する。検出は、例えば基準経路の給電部５ａと、固有補正値を得る給電部５ｂから２４００ＭＨｚのマイクロ波を加熱室８へ放射し、電力検出部６ａの反射電力を最小とする位相差を求め、同じ条件の設計値からのずれがマイクロ波処理装置個々の固有補正値となる。

以下同様に、周波数を変化させて周波数可変範囲の上限の２５００ＭＨｚまで検出し、また、同じ検出を給電部５ｃ、５ｄに対して行えば固有補正値が揃う。

この固有補正値を保存し、複数の給電部から放射するマイクロ波の位相差制御の基準を正しく補正することで、検出精度と再現性を高めることができ、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高効率に加熱することができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、複数の給電部を加熱室の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

１ａ、１ｃ 発振部
２ａ、２ｃ 電力分配部
３ａ〜３ｄ 位相可変部
４ａ〜４ｄ 増幅部
５ａ〜５ｄ 給電部
６ａ〜６ｄ 電力検出部
７ 制御部
８ 加熱室
９ 被加熱物

Claims (3)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、
   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、
   前記電力分配部の少なくともひとつの出力位相を可変する位相可変部と、
   前記電力分配部および／または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給電部と、
   前記それぞれの給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波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制御する制御部とを備え、
   前記制御部は前記加熱室に収容された前記被加熱物を加熱処理する前段階で、前記給電部から前記増幅部方向に反射するマイクロ波電力が最小となる周波数を検出する予備検出動作を行う構成とし、
   前記それぞれの給電部から供給されるマイクロ波の位相差を略一致させる周波数として、前記発振部の発振周波数帯域の中央周波数を選定すると共に、
   前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれのそれぞれの経路間の差分を前記発振部の出力マイクロ波の周波数毎に補正して、
   前記位相可変部を制御して、前記それぞれの給電部から供給するマイクロ波の位相差を略一致させた後、前記予備検出動作を行う構成としたマイクロ波処理装置。
2. 複数有する前記加熱室へのマイクロ波供給経路の１経路を基準経路とし、
   前記制御部は、前記基準経路の前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた補正後の位相値に対する各経路の前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた補正後の相対的な値で位相差の制御を行う構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 前記制御部は、前記発振部から前記給電部までの電気的線路長および、接続部品による位相ずれに応じた位相補正値を機器毎に固有な値として記憶し、部品を交換により固有の位相補正値が変わる場合は、複数有する前記加熱室へのマイクロ波供給経路の前記基準経路に対する相対的な位相差を再現可能な負荷条件の基で検出し、記憶を更新する手段を有す
   る構成とした請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
   

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