JP5262250B2

JP5262250B2 - マイクロ波処理装置

Info

Publication number: JP5262250B2
Application number: JP2008094656A
Authority: JP
Inventors: 健治安井; 等隆信江; 義治大森; 誠三原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-04-01
Also published as: JP2009252346A

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。

従来から、マイクロ波発生装置として一般的に用いられるマグネトロンに代えて、半導体素子を用いたマイクロ波発生装置が提案されてきた。半導体素子を用いたマイクロ波発生装置によれば、小型でかつ安価な構成でマイクロ波の周波数を容易に調整することができる。このように、半導体素子を用いたマイクロ波発生装置を備える高周波加熱装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１の高周波加熱装置においては、所定の周波数帯域でマイクロ波の周波数が掃引され、反射電力が最小値を示すときのマイクロ波の周波数が記憶される。そして、記憶された周波数のマイクロ波が加熱室内のアンテナから放射され、対象物が加熱される。これにより、電力変換効率が向上する。
特開昭５６−０９６４８６号公報

しかしながら上記の方法では加熱室内に放射されるマイクロ波が常に同じ場所同じ位相から放射されるため被加熱物を加熱する際に被加熱物の特定の場所が常にマイクロ波が強く照射され、また別の部位では常にマイクロ波の照射が不足し、被加熱物全体としてみると加熱のムラが強く現れるため被加熱物を均一に仕上げることができないという課題がある。

本発明の目的は、電力変換効率を向上させるとともに、被加熱物を加熱ムラなく均一に加熱することができるマイクロ波処理装置を提供することである。

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、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をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の電力増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の給電部と、前記電力分配部と前記電力増幅部を接続する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と、前記電力増幅部と前記給電部を接続する伝送路に挿入され前記給電部から反射する電力を検出する電力検出部とを備えマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、被加熱物を収容し前記マイクロ波が供給される加熱室と、前記電力検出部によって検出される反射電力に応じて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有し、前記給電部は前記加熱室を構成する１つの壁面に配置するとともに、前記複数の給電部は、隣接する給電部間の間隔が、前記マイクロ波発生部が発生するマイクロ波の略１波長の長さで配置され、前記制御部は、加熱動作中において前記電力検出部によって検出される反射電力が所定の範囲なるように前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を時々刻々微調整する構成としたものである。

これによって、複数の給電部から放射されるマイクロ波の合成によってマイクロ波による電界の強弱を作ることができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、複数の給電部から照射されるマイクロ波を合成することで加熱室内でのマイクロ波による電界強度を制御できるので、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく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、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をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の電力増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の給電部と、前記電力分配部と前記電力増幅部を接続する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と、前記電力増幅部と前記給電部を接続する伝送路に挿入され前記給電部から反射する電力を検出する電力検出部とを備えマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、被加熱物を収容し前記マイクロ波が供給される加熱室と、前記電力検出部によって検出される反射電力に応じて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有し、前記給電部は前記加熱室を構成する１つの壁面に配置するとともに、前記複数の給電部は、隣接する給電部間の間隔が、前記マイクロ波発生部が発生するマイクロ波の略１波長の長さで配置され、前記制御部は、加熱動作中において前記電力検出部によって検出される反射電力が所定の範囲なるように前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を時々刻々微調整することにより、複数の給電部から照射されるマイクロ波の合成によってマイクロ波の強い部位と弱い部位を制御して、形状や種類が異なる被加熱物に対して効率よくかつ所望の状態に被加熱物を加熱することができ、複数の給電部前方にマイクロ波の合成によって電界の強い部分を作ることができ、また、位相差を制御することで電界が強くなる位置を変えることができるので加熱室の載置台に載置された被加熱物に向かって合成したマイクロ波電界の強い部分を向けることができるので効率よくマイクロ波を被加熱物に照射・吸収させ、さらに、加熱室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ができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記マイクロ波発生部を少なくとも２つ有し、第１の前記マイクロ波発生部の前記複数の給電部が、第２の前記マイクロ波発生部の前記複数の給電部と異なる壁面に配置される構成とすることにより、被加熱物を異なった面からマイクロ波を照射して加熱することができるので被加熱物全体として均一にかつ効率よく所望の状態に加熱することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記複数の給電部が１次元状に配置する配置される構成とすることにより、複数の給電部前方にマイクロ波の合成によって電界の強い部分を作ることができるので加熱室の載置台に載置された被加熱物に向かって合成したマイクロ波電界の強い部分を向けることができるので効率よくマイクロ波を被加熱物に照射・吸収させ効率のよいマイクロ波処理装置を実現することができる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明において、前記複数の給電部が２次元状に配置される構成とすることにより、複数の給電部前方にマイクロ波の合成によって電界の強い部分を作ることができるので加熱室の載置台に載置された被加熱物に向かって合成したマイクロ波電界の強い部分を向けることができるので効率よくマイクロ波を被加熱物に照射・吸収させ効率のよいマイクロ波処理装置を実現することができる。

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２ａ、２ｂ、発振部２ａ、２ｂの出力を複数に分配する電力分配部３ａおよび３ｂと、分配部３ａ、３ｂ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電力増幅部５ａ〜５ｄと、電力増幅部５ａ〜５ｄによって増幅されたマイクロ波出力を加熱室１０内に放射する給電部８ａ〜８ｄと、電力分配部３ａ、３ｂと電力増幅部５ａ〜５ｄ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〜４ｄと、電力増幅部５ａ〜５ｄと給電部８ａ〜８ｄを接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部８ａ〜８ｄから反射する電力を検出する電力検出部６ａ〜６ｄと、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２ａおよび２ｂの発振周波数と位相可変部４ａ〜４ｈの位相量を制御する制御部１２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１０を有し、加熱室１０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１１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１１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、マイクロ波発生部の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室１０内に放射供給する給電部８ａ〜８ｄが加熱室１０を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では位相差を制御してマイクロ波の電界強度を制御するために給電部８ａ〜８ｂを左壁面に８ｃ〜８ｄを右壁面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対向面ではない例えば右壁面と底壁面のような隣接する壁面に給電部を構成してもかまわない。また、図１では図面配置の関係上、給電部８ａ〜８ｂおよび８ｃ〜８ｄはそれぞれ２つの給電部として作図しているがさらに多数に電力分配させて、３つの給電部をそれぞれ並べてもよいし、それぞれ４つに分配して正方形の各頂点に給電部が配置されるように同一壁面内で２次元的に配列してもよい。

電力増幅部５ａ〜５ｄ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３ａおよび３ｂ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３ａ、３ｂによって各々の出力には発振部２ａ、２ｂから入力されたマイクロ波電力を略等分割した電力が伝送される。

また、位相可変部４ａ〜４ｄ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〜４ｄ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、電力検出部６ａ〜６ｄは、加熱室８側から電力増幅部（５ａ〜５ｄ）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１２に入力させている。

制御部１２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よりの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部２ａおよび２ｂと電力増幅部５ａ〜５ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御や位相可変部４ａ〜４ｄに供給する電圧を制御し、加熱室１０内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部には主に電力増幅部５ａ〜５ｄ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１０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１２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。制御部１２は、駆動電源（図示していない）を動作させて発振部２ａおよび２ｂに電力を供給する。この時、発振部２ａ、２ｂ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２ａ、２ｂを動作させると、その出力は電力分配部３ａ、３ｂにて各々等分配され、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電力増幅部５ａ〜５ｄ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電力増幅部５ａ〜５ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄを経て給電部８ａ〜８ｄにそれぞれ出力され加熱室１０内に放射される。このときの各電力増幅部はそれぞれ１００Ｗ未満、たとえば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室１０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１０からの反射電力は０Ｗ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１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生部の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側からマイクロ波発生部側に伝送する反射電力が生じる。

電力検出部６ａ〜６ｄは、マイクロ波発生部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１２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１２は、位相可変部４ａ〜４ｄによって生じる位相差を０度の状態で発振部２ａおよび２ｂ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。この操作を行うことで制御部１２は発振部２ａ、２ｂの発振周波数に対する反射電力の配列を得ることができる。

制御部１２はこの反射電力が最も小さくなる発振部２ａ、２ｂ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、各電力増幅部５ａ〜５ｄ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８ａ〜８ｄに伝送され加熱室１０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、電力増幅部５ａ〜５ｄ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。

位相可変部４ａ〜４ｄはたとえば加熱開始から所定の変化量で時々刻々その位相を変化させる。位相可変部４ａ〜４ｄによって位相を変化させることによって加熱室１０内で給電部８ａ、８ｂおよび給電部８ｃ、８ｄが放射するマイクロ波が干渉する位置を変化させることができる。たとえば給電部８ａ、８ｂの位相が同じ場合におけるマイクロ波の干渉状態は図３（ａ）の状態となり給電部８ａ、８ｂに対して水平方向にマイクロ波の干渉によって電界が強めあう部分（図中○印の部分）と電界が弱めあう部分（図中△印の部分）が現れる。また、隣接する給電部の位相を９０度ずらした状態にするとマイクロ波の干渉によって電界が強めあう部分は上下方向にずれた方向に現れる。

また、図中の実線、破線はそれぞれ給電部８ａと同位相のマイクロ波電界の波動面、半波長ずれた位相のマイクロ波電界の波動面を模式的に示している。したがって上述の様に○印の点においては同位相の電界がかさなるため電界を強めあい、実践と破線が交差する△印の点においては逆位相の電界が重なるため電界が弱めあう様に働く。このため位相差を制御することによって加熱室１０内に載置された被加熱物１１の位置・形状に応じて干渉位置を制御することで被加熱物１１を均等もしくは局部的に加熱することができる。

図２は加熱動作中における制御的に組となっている位相可変部４ａ、４ｂの位相差および発振部２ａの発振周波数の制御例を示すフローチャート図である。別の組である位相可変部４ｃ、４ｄも同様の制御をするためここでは代表して一方の対である位相可変部４ａ、４ｂの制御フローについて説明する。はじめにある周波数ｆで発振部２ａ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（ステップ１０２）し、そのときの反射電力を計測する（ステップ１０３）。制御部１２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（ステップ１０６）、反射電力が増加していればΔｆの符号を逆にする（ステップ１０８）。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。

また、位相可変部４ａ、４ｂは位相可変部４ａの位相を基準として位相可変部４ｂは位相差φとなるようにマイクロ波の位相を制御する。このように変化させることで図３に示したように給電部８ａ、８ｂから放射されるマイクロ波の電界の合成によって電界が強めあう位置・方向を制御し被加熱物に効率的にまた、均一にマイクロ波を照射することができる。また、加熱動作中に一定の変化幅ΔΦでその位相差を時々刻々変化させていく（ステップ１０１）。この位相可変部４ａ、４ｂによって生じる位相差Φによって上述したように加熱室１０内でのマイクロ波の干渉位置が変化するため被加熱物１１を均等もしくは局部的に加熱することができる。また、逆に電力検出部６ａ、６ｂによって検出される反射電力が小さい位相差を重点的に制御することも可能である。この動作をすることによって反射電力が小さいすなわち被加熱物にマイクロ波が効率よく吸収されている状態を継続することができる。

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〜６ｄは加熱室１０からの反射電力を検出できるので、制御部１２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１２は時間的に位相可変部４ａ、４ｂ及び４ｃ、４ｄの位相差と発振部２ａ、２ｂ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１０
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。

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換制御したり、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制御例を示すフローチャート同マイクロ波処理装置の電力検出部の周波数特性を示す図（ａ）周波数と反射電力値を分離して検出した場合の周波数特性を示す図、（ｂ）周波数と反射電力値を分離せずに検出した場合の周波数特性を示す図

２ａ、２ｂ発振部
３ａ、３ｂ電力分配部
４ａ〜４ｄ位相可変部
５ａ〜５ｄ電力増幅部
６ａ〜６ｄ電力検出部
８ａ〜８ｄ給電部
９ａ、９ｂマイクロ波発生部
１０加熱室
１１被加熱物
１２制御部

Claims

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をそれぞれ電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の電力増幅部の出力をそれぞれ出力する複数の給電部と、前記電力分配部と前記電力増幅部を接続する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と、前記電力増幅部と前記給電部を接続する伝送路に挿入され前記給電部から反射する電力を検出する電力検出部とを備えマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
被加熱物を収容し前記マイクロ波が供給される加熱室と、
前記電力検出部によって検出される反射電力に応じて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有し、
前記給電部は前記加熱室を構成する１つの壁面に配置するとともに、前記複数の給電部は、隣接する給電部間の間隔が、前記マイクロ波発生部が発生するマイクロ波の略１波長の長さで配置され、
前記制御部は、加熱動作中において前記電力検出部によって検出される反射電力が所定の範囲なるように前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量を時々刻々微調整するマイクロ波処理装置。
前記マイクロ波発生部を少なくとも２つ有し、第１の前記マイクロ波発生部の前記複数の給電部が、第２の前記マイクロ波発生部の前記複数の給電部と異なる壁面に配置される構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
前記複数の給電部が１次元状に配置され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。
前記複数の給電部が２次元状に配置され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。