JP5218297B2 - 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加熱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アイソレータを用い反射波の影響を排除することが一般的であった（例えば、特許文献１）。容易に反射波を排除することができ、半導体素子を破壊しない構成となっていた。

特開２００６−１２８０７５号公報

鈴木清著「マイクロ波回路の基礎」啓学出版、１９７１年６月２５日、Ｐ．１６３

しかしながら、アイソレータは非常に高価で嵩のとる部品であり、機器の大型化や経済性の観点から、従来の非常に反射波に対して堅牢で安価なマグネトロンを使ったマイクロ波処理装置が、専らユーザーに対して購入しやすく利便性の高いものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、透過波／反射波を制御部で検知し半導体素子が破壊しない信頼性が高く経済性に優れたマイクロ波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、被加熱物を加熱開始する前に給電部から入力される反射波が全反射しても、パワーユニットの半導体が破壊しない程度の低出力で、所要周波数帯域内を周波数掃引し反射度合いを検出し、最低反射度合いとなる周波数を決定する（プリサーチ）とともに、その反射度合いに応じて給電部から放射される電力を調整しようとしたものである。

これによって、反射波が大きい時には加熱出力を低下させ、逆に反射波が小さい時には加熱出力が大きくなって定格出力を出すため、アイソレータを用いずともパワーユニットの半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止することとなる。

本発明のマイクロ波処理装置は、透過／反射の比率からどれだけ反射が多くかえっているか、あるいは反射が少ないかを検知し、加熱中の出力の大きさを決めるため、アイソレ
ータを用いずともパワーユニットの半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の主要部のブロック構成図 本発明の実施の形態１におけるパワーユニット４のブロック構成図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の断面図 許容周波数帯域における反射波と透過波の比率（Ｖｒ／Ｖｆ）の変化を示すグラフ 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置のプリサーチのプロセスを示す説明図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置のプリサーチ方法の説明用グラフ 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の主要部のブロック構成図 本発明の実施の形態３におけるマイクロ波処理装置の主要部のブロック構成図

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半導体素子で電力増幅するパワーユニットと、前記パワーユニットの出力を透過させ前記パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する透過波／反射波検出手段と、前記透過波／反射波検出手段から透過してきたマイクロ波電力を前記加熱室内に放射する給電部と、前記透過波／反射波検出手段の出力を受け前記発振部の発振周波数を制御するとともに、前記発振部の出力レベルを制御する制御部からなり、前記制御部は、被加熱物を加熱開始する前に反射が１００％であっても、前記パワーユニットの半導体素子がダメージを受けて破壊しない所定出力の電力で所要周波数帯域内を周波数掃引し反射度合いを検出し、最低反射度合いとなる周波数を決定するとともに、被加熱物の加熱時に前記最低反射度合いの値に応じて前記給電部から放射される電力を決定するように前記発振部の出力レベルを制御するものである。

第２の発明は、特に第１の発明のマイクロ波処理装置において、被加熱物の加熱時に給電部から放射される電力は、最低反射度合いの値を予め決めた複数の閾値と比較し閾値のレベルに応じて決定することとしたものである。

第３の発明は、特に第１の発明のマイクロ波処理装置において、被加熱物の加熱時に給電部から放射される電力は、最低反射度合いの値に応じた所定のテーブルより決定する、あるいは最低反射度合いの値を引数とした関数より決定することとしたものである。

これにより、制御部は被加熱物を加熱開始する前に給電部から入力される反射波が全反射しても、パワーユニットの半導体が破壊しない程度の低出力で所要周波数帯域内を周波数掃引し、反射度合いを検出し最低反射度合いとなる周波数を決定する（プリサーチ）とともに、その反射度合いに応じて前記給電部から放射される電力を調整する。そうすることにより、被加熱物に応じて加熱前に予め反射度合いを知ることができる。

その結果、反射度合いが小さい時には加熱出力を大きくして定格出力で加熱し、逆に反射度合いが大きい時には加熱出力を小さくすることを行い、アイソレータを用いずとも、パワーユニットの半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

第４の発明は、特に第１の発明のマイクロ波処理装置において、発振部の後段に電力分配部を備え複数のパワーユニットに電力を分配し複数の給電部へ電力を供給するものである。これにより、複数の給電口からマイクロ波を照射する構成とすることにより、マイクロ波を加熱室の内部で空間合成することとなり、複数分散給電により筐体とオーブンの空間を有効に活用して構成部品を配置することができる。

第５の発明は、特に第１または第４の発明のマイクロ波処理装置において、複数のパワーユニットに供給するマイクロ波電力の位相を可変する位相可変部を備えるものである。これにより、複数の給電口からマイクロ波を照射し、かつ、給電口間の位相差を可変できることとなり、この位相差を可変することにより自在な電磁界分布をつくりだすことができ、被加熱物の種々箇所を選択的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、本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の要部ブロック図である。図１において構成要素について説明する。発振部３は２４００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚの帯域の元信号を発振する。パワーユニット４は、発振部３からのマイクロ波電力を増幅する機能を有する半導体素子を用いて構成した。

ここまでの部品はマイクロ波帯の電力フローであるが、パワーユニット４に入力される数ｍＷ以下の比較的小電力を扱っている。パワーユニット４は略３０ｄＢで透過波／反射波検出手段１を通じて給電部５に供給される電力は略１０００Ｗとなる。

透過波／反射波検出手段１は、パワーユニット４への出力を透過するとともに、透過信号Ｐｆと反射電力信号Ｐｒを創出する。電源部６は、ＰＦＣ機能付絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータからなり、パワーユニット４の電源Ｖｄｄ、ＧＮＤを創出する。

制御部２は、透過波／反射波検出手段１からの信号Ｐｆ、Ｐｒを受け、発振部３の周波数を変化させる制御信号や出力電力を変化させる制御信号を発振部３に送出する。パワーユニット４の詳細については別図面で後述する。給電部５は、パワーユニット４で増幅されたマイクロ波出力を加熱室７内に放射する。

そして、パワーユニット４で発生したマイクロ波出力が透過波／反射波検出手段１を通じて伝播され、給電部５から加熱室７内に照射される。透過波／反射波検出手段１は加熱室７の底面（加熱室外）に配され、加熱室７の底面に穿った小径開口から加熱室７の底面（加熱室内）に配された給電部５に連結されている。

マイクロ波出力は、パワーユニット４から透過波／反射波検出手段１を経由して給電部５に伝えられる。そして、アンテナたる給電部５から照射されたマイクロ波出力は、加熱室７の内部に固定された載置台１６の上に載置された被加熱物１５に吸収され、誘電加熱が行われる。

次に、パワーユニット４について図２を用いて説明する。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ている。制御部２から出力された微弱なマイクロ波出力は、各増幅部（前段プリアンプ８、中段プリアンプ９、後段プリアンプ１０）で１０ｄＢ程度ずつ増幅され略１０Ｗの電力まで増幅される。この部分をドライバー段１１と称している。

出力段１２は、大きな入力電力を増幅するため、ファイナルアンプＡ１３とファイナルアンプＢ１４の並列接続で略２０ｄＢのゲインを必要とする。ここでは出力段１２がその機能を司る。マイクロ波パワー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。

また、本実施の形態にかかるマイクロ波処理装置の概略構成を、図３を用いて説明する。被加熱物１５を収納する略直方体構造からなる加熱室７を有し、加熱室７は金属材料からなる壁面および被加熱物１５を収納するために開閉する開閉扉（不図示）と、被加熱物１５を載置する載置台１６にて構成され、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるようになっている。

さて、本実施の形態にかかるマイクロ波加熱システムの動作について説明する。被加熱物１５の加熱は一般的なマイクロ波加熱の場合、定格高周波出力は７００Ｗ〜１０００Ｗ程度が一般的である。

被加熱物１５についても千差万別で、ポッポコーンのような極めて含水量の少ない軽負荷から煮込みのキャセロールや、海外では大きな七面鳥のような大負荷、さらには消費者の悪意のない空での誤使用まで幅広い負荷があり、給電部５から見た加熱室７内のインピーダンスを大きな幅を持って変化する。また、解凍などの場合、氷の誘電率が低いため空の状態に近いインピーダンスになる。

例えば、電子レンジの許容周波数帯域（２４００〜２５００ＭＨｚ）における反射波と透過波の比率（Ｖｒ／Ｖｆ）は負荷の種類で大きく変わる。図４に示されるように、許容周波数帯域内のＶｒ／Ｖｆを見てみると、ユーザーが一般的に用いる負荷帯で比較的大負荷である５００ｃｃの水負荷相当の被加熱物の場合、曲線Ａの様なカーブが描かれる。この場合、ａ点が最も反射が少ないポイントで、ここでの周波数はＦ１である。

従って、発振部３から出力される周波数を反射最小周波数Ｆ１に選定すれば、最も反射が少なく食品へのマイクロ波エネルギーの吸収が極大化する。反射も少ないため、パワーユニット４の半導体素子に与える反射エネルギーの影響も小さい。

次に、中負荷である２８５ｃｃの水負荷相当の被加熱物の場合、曲線Ｂの様なカーブが描かれる。この場合、ｂ点が最も反射が少ないポイントで、ここでの周波数はＦ２である。従って、発振部３から出力される周波数を反射最小周波数Ｆ２に選定すれば、最も反射が少なく食品へのマイクロ波エネルギーの吸収が極大化する。

しかし、５００ｃｃの水負荷相当に比べるとエネルギー吸収量は少なくなり、また反射もやや大きくなるため、パワーユニット４の半導体素子に与える反射エネルギーの影響もやや大きくなる。

次に、小負荷である９０ｃｃの水負荷相当の被加熱物の場合、曲線Ｃの様なカーブが描かれる。この場合、ｃ点が最も反射が少ないポイントで、ここでの周波数はＦ３である。従って、発振部３から出力される周波数を反射最小周波数Ｆ３に選定すれば、最も反射が少なく食品へのマイクロ波エネルギーの吸収が極大化する。

しかし、５００ｃｃや２８５ｃｃの水負荷相当に比べるとエネルギー吸収量は少なくなり、また反射もかなり大きくなるため、パワーユニット４の半導体素子に与える反射エネルギーの影響もかなり大きくなる。

このように、いくら反射の少ない反射最小周波数を選定しても、ｂ点やｃ点では反射エ
ネルギーが大きくなり、定格周波数で高周波出力を被加熱物に与えると、パワーユニット４の半導体素子がダメージを受け破壊してしまう可能性がある。これを回避する手段を、図５を用いて説明する。

まず、被加熱物を加熱開始する前に、マイクロ波出力をＰｐｒｅという微小出力に設定する。このＰｐｒｅとしては、反射が１００％であっても、パワーユニット４の半導体素子がダメージを受けて破壊しない小さな出力を選定する。ここで、反射最小周波数をｔｐ間で検出し、加熱時に定格出力をフルに出力しても反射波で破壊しないＶｒ／Ｖｆであれば、定格出力Ｐｍａｘを出力する。

また、ｔｐ間で検出したＶｒ／Ｖｆが、所定の第一の閾値以上であれば出力を低下させ、Ｐｍｉｄで出力する。こうすれば反射波が低減され、パワーユニット４の半導体素子の破壊限界以下の出力で加熱が実施され、反射波による破壊が生じることはない。

また、Ｖｒ／Ｖｆが第一の閾値より更に大きい第二の閾値以上であれば、出力をさらに低下させＰｍｉｎとして出力する。こうすれば反射波がさらに低減され、パワーユニット４の半導体素子の破壊限界以下の出力で加熱が実施され、反射波による破壊が生じることはない。

ここでの反射最小周波数探索をプリサーチと呼び、許容周波数帯域（２４００〜２５００ＭＨｚ）をある律則にしたがってＶｒ／Ｖｆを掃引測定して、反射最小周波数を検出し設定する。

出力に関しては、検出した最小Ｖｒ／Ｖｆの値に応じた所定のテーブルを設け、加熱出力を上述したように最適化するか、加熱出力をＶｒ／Ｖｆの値を引数にした関数をもち、検出したＶｒ／Ｖｆの値に応じて、加熱マイクロ波出力を最適化することなどが考えられる。この機能は制御部２にて実施するが、演算等を多用するためマイクロコンピュータを用いることが望ましい。

次に、プリサーチの方法を、図６を用いて説明する。電子レンジの許容周波数帯域（２４００〜２５００ＭＨｚ）において、２４００ＭＨｚを初期点として所定周波数増分でｔ１、ｔ２、ｔ３と時間を増分してＶｒ／Ｖｆの値を測定していく。そして、ｔｎ−１、ｔｎと増加させｔｎ時間で２５００ＭＨｚに最も近い周波数のＶｒ／Ｖｆの値を測定して終了する。

ここでは時間間隔は一定であるので、１測定時間はｔｐ／ｎということになる。この各ステップでの周波数とＶｒ／Ｖｆの値を記憶蓄積し、反射最小周波数Ｆｍｉｎとその時のＶｒ／Ｖｆの値を獲得する。

ここでは、時間ｔｘで反射最小周波数Ｆｍｉｎ、Ｖｒ／Ｖｆの値Ｒ１を獲得している。このＲ１の値に応じて加熱出力を適正化すれば、半導体素子をアイソレータなしで破壊阻止でき信頼性の高いマイクロ波処理装置を得ることができる。

（実施の形態２）
以下、本願発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態においては、発振部３の後段に電力分配部１７を備え、複数のパワーユニットに電力を分配し、複数の給電部からマイクロ波を照射する構成としている。

図７に基づいて構成を説明する。ここではパワーユニットが扱う電力に限度があるため、複数のパワーユニットから給電し１つのパワーユニットが扱う電力を小さくし、空間合
成して所望のマイクロ波出力を得ようとするものである。

電力分配部１７は、小電力系統の発振部後段に配する。電力分配部１７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。

また、電力分配部１７によって、パワーユニット４ａ、４ｂには発振部３から入力されたマイクロ波電力の略１／４の電力が伝播される。パワーユニット以降は、透過波／反射波検出手段１ａ、１ｂ、給電部５ａ、５ｂと２つの系列で電力が伝送される。

パワーユニット複数分散給電により種々のオーブン壁面に給電部を配置する場合などは、筐体と加熱室７の空間を有効に活用し、そこに複数の給電部を配置することができ、外形はコンパクトで加熱室は大きいという小型大容量加熱室の電子レンジを提供することができる。

ここでは、２系列の給電分配を行っているが、電力分配部１７をさらに多段化することによって、４給電についても実現可能である。そうすることによって、パワーユニット４の扱う電力はさらに小さくてよく、出力段１２の扱う電力も小さくなり、熱放散設計は容易になる。

（実施の形態３）
図８を用いて、本発明の第３の実施の形態を説明する。ここでは、位相可変器１８ａ、１８ｂを用いて各給電部間の位相を変えることを行っている。電力分配部１７で２分配した系統の後段に位相可変部１８ａ、１８ｂを設けている。その後段については（実施の形態２）と同様のため、説明を割愛する。

また、位相可変部１８ａ、１８ｂ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１８ａ、１８ｂ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。

また、この位相可変部１８ａ、１８ｂを用いると、給電部間の位相差を可変することにより自在な電磁界分布をつくりだすことができ、被加熱物の種々箇所を選択的に加熱することができるので、加熱ムラのない加熱仕上げを実現することができる。

以上のように、本発明にかかる加熱処理装置によれば、種々被加熱物においても反射波による半導体素子の破壊を阻止することができるので、電子レンジに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。

１、１ａ、１ｂ 透過波／反射波検出手段
２ 制御部
３ 発振部
４、４ａ、４ｂ パワーユニット
５、５ａ、５ｂ 給電部
６ 電源部
７ 加熱室
８ 前段プリアンプ
９ 中段プリアンプ
１０ 後段プリアンプ
１１ ドライバー段
１２ 出力段
１３ ファイナルアンプＡ
１４ ファイナルアンプＢ
１５ 被加熱物
１６ 載置台
１７ 電力分配部
１８ａ、１８ｂ 位相可変部

Claims (5)

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半導体素子で電力増幅するパワーユニットと、
   前記パワーユニットの出力を透過させ前記パワーユニット方向に反射するマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する透過波／反射波検出手段と、
   前記透過波／反射波検出手段から透過してきたマイクロ波電力を前記加熱室内に放射する給電部と、
   前記透過波／反射波検出手段の出力を受け前記発振部の発振周波数を制御するとともに、前記発振部の出力レベルを制御する制御部からなり、
   前記制御部は、被加熱物を加熱開始する前に反射が１００％であっても、前記パワーユニットの半導体素子がダメージを受けて破壊しない所定出力の電力で所要周波数帯域内を周波数掃引し反射度合いを検出し、最低反射度合いとなる周波数を決定するとともに、被加熱物の加熱時に前記最低反射度合いの値に応じて前記給電部から放射される電力を決定するように前記発振部の出力レベルを制御することとしたマイクロ波処理装置。
2. 被加熱物の加熱時に給電部から放射される電力は、最低反射度合いの値を予め決めた複数の閾値と比較し閾値のレベルに応じて決定することとした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 被加熱物の加熱時に給電部から放射される電力は、最低反射度合いの値に応じた所定のテーブルより決定する、あるいは最低反射度合いの値を引数とした関数より決定することとした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. 発振部の後段に電力分配部を備え、複数のパワーユニットに電力を分配し複数の給電部からマイクロ波を照射する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
5. 複数のパワーユニットに供給するマイクロ波電力の位相を可変する位相可変部を備える構成とした請求項１または４に記載のマイクロ波処理装置。
   

Images