JP5471515B2 - 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には、半導体発振部と、発振部の出力を増幅する複数の増幅部と、加熱室と、給電部分のインピ−ダンスを検知するインピ−ダンス検知部とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。ここでは、インピ−ダンス検知部の検知結果により発振周波数を制御して、むらのない安定した調理を可能としている。

発振周波数を可変できるマイクロ波加熱電源と、マイクロ波電力を加熱室へ放射するアンテナと、アンテナからの反射電力を検波する検波器とを有するものがある（例えば、特許文献２参照）。ここでは、反射電力が最小となる電源の発振周波数を追尾し、その近傍で電源を駆動し、常に最大の電力効率で駆動できるとしている。

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従来技術がある（例えば、特許文献３参照）。ここでは、位相器制御で複数の放射アンテナからの放射電力比率や位相差を任意にかつ瞬時に変化させて、一様性の優れた加熱ができるとしている。

特開昭５９−１６５３９９号公報 特公昭６２−０４８３５４号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報

しかしながら、前記従来の複数給電方式における構成では、下記説明のように、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処理する
ことは難しいという課題を有していた。

加熱室のインピーダンスや反射電力の検知結果に従い、発振周波数を最適化して、加熱むらを制御したり、より良い電力効率で動作させたりすることは可能だが、１箇所からのマイクロ波電力給電では、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に対応するには不十分だった。前記従来の構成を複数箇所の給電に応用する場合、加熱室のインピーダンス検知のみでは、給電部間の透過電力の影響が把握できないため、検知誤差が大きくなる。

複数箇所の給電を同一発振周波数で動作させて、周波数追尾する制御では、合成された電磁波の分布が固定化され、被加熱物の配置によっては最適な加熱条件が見つからず、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に対応するには不十分となる。

複数の放射アンテナからの放射電力比率や位相差を変化させるだけでは、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処理することは難しく、効率の悪い加熱処理となってしまう。

また、複数箇所の給電部への発振周波数制御と位相差制御全ての組み合わせ条件に対して、加熱室のインピーダンスや反射電力の検知を確認するのには時間がかかりすぎるという課題も有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱物の配置を検知して、被加熱物に合った加熱条件をより早く、精度よく決定でき、決定した情報に基づいて給電場所および出力位相をそれぞれ最適に制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱でき、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作する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、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、マイクロ波電力を発生させる発振部と、前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、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、前記位相可変部および／または前記電力分配部の出力を前記加熱室に給電する複数の給電部と、前記給電部から前記位相可変部または前記電力分配部方向に伝播する反射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の出力位相を制御する制御部と、前記マイクロ波の２波長以下の間隔のいずれか２箇所の前記給電部の組み合わせを使用し、２箇所の前記給電部の反射電力を最小とする位相差より前記被加熱物の配置を推定する配置検知手段とを備え、
前記給電部の一方から前記被加熱物の位置を経て、他方の前記給電部に至る伝播総距離が、最小となる前記給電部の組み合わせを、前記配置検知により検知した前記被加熱物の位置より判定し、判定された前記給電部の組み合わせを使用して前記配置検知を行い、前記被加熱物の位置を再度検知する構成としたものである。

これによって、被加熱物の配置が短時間に検知でき、検知配置より被加熱物に合った加熱条件をより早く、精度よく決定でき、給電場所および出力位相をそれぞれ最適に制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱でき、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作させることができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱し、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作させることができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の概略構成図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図 本発明の実施の形態２における給電部の配置を示す図

第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波電力を発生させる発振部と、発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、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、位相可変部および／または電力分配部の出力を加熱室に給電する複数の給電部と、給電部から位相可変部または電力分配部方向に伝播する反射電力を検出する複数の電力検出部と、発振部の発振周波数と位相可変部の出力位相を制御する制御部と、マイクロ波の２波長以下の間隔のいずれか２箇所の給電部の組み合わせを使用し、２箇所の給電部の反射電力を最小とする位相差より被加熱物の配置を推定する配置検知手段とを備え、給電部の一方から被加熱物の位置を経て、他方の給電部に至る伝播総距離が、最小となる給電部の組み合わせを、配置検知により検知した被加熱物の位置より判定し、判定された給電部の組み合わせを使用して配置検知を行い、被加熱物の位置を再度検知する構成としたものである。

本発明によれば、複数の給電部から２箇所の給電部に絞ることで、配置検知を簡略化でき、被加熱物の配置を検知するのに適した給電部の組合せを使用することで、精度良く位置検知ができると共に、被加熱物に近い給電部を使用することで、被加熱物の配置検知をより高精度で行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く判断できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、配置検知に使用する給電部の少なくとも１箇所は、被加熱物を設置できる範囲の外郭に接した位置または接した位置より外側に設置する構成としたとしたものである。

本発明によれば、被加熱物配置より外側に位置する給電部と組み合わせて使用することで、より広範囲に精度良く被加熱物の配置検知を行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く判断できる。

第３の発明は、特に第１の発明において、配置検知に使用する給電部の組み合わせは、給電部近傍に発生する電界方向を一致させた構成としたものである。

本発明によれば、電界方向の一致により２箇所の給電部間の相互干渉が強くなり、被加熱物の配置検知をより高精度で行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く判断できる。

第４の発明は、特に第１の発明において、配置検知に使用する給電部の組み合わせへは、同じ周波数のマイクロ波を供給する構成としたものである。

本発明によれば、周波数の一致により２箇所の給電部間の相互干渉が強くなり、被加熱物の配置検知をより高精度で行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く判断できる。

第５の発明は、特に第１の発明において、制御部は、異なる給電部の組み合わせを使用した配置検知を追加して実施する構成としたものである。

本発明によれば、被加熱物の配置検知を異なる角度から複数回行うことで、より高精度に被加熱物の配置を検知でき、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く判断できる。

第６の発明は、特に第１の発明において、制御部は、同じ給電部の組み合わせを使用した配置検知を複数回実施する構成としたものである。

本発明によれば、被加熱物の配置検知を繰り返し行なうことで、加熱による被加熱物の変化を把握でき、より被加熱物に適した条件の修正が行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く実施できる。

第７の発明は、特に第１の発明において、配置検知により検知した被加熱物の位置情報より、少なくとも被加熱物の加熱に使用する給電部および／または、位相可変部の出力位相を確定する構成としたものである。

本発明によれば、被加熱物の配置情報を使用して被加熱物に適した加熱条件を判断することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く実施できる。

第８の発明は、特に第１の発明において、制御部は、配置検知を被加熱物の加熱を開始する前に行う構成としたものである。

本発明によれば、加熱開始前に配置検知による被加熱物に適した加熱条件を判断することで、被加熱物の加熱処理全般を通して、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱条件を短時間でより精度良く実施できる。

第９の発明は、特に第１の発明において、給電部の近傍に発生する電界方向が、配置検知に使用する給電部と異なる給電部有し、制御部は、配置検知の実施と同時に、異なる電界方向の給電部へマイクロ波電力の供給を行う構成としたものである。

本発明によれば、被加熱物の配置検知と別の給電部組合せを使用して、被加熱物の配置検知または／および、被加熱物の加熱を平行して行なえ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱を短時間でより精度良く実施できる。

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概略構成図である。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、１ｂ、発振部１ａ、１ｂの出力を２分配する電力分配部２ａ、２ｂ、電力分配部２ａ、２ｂ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加熱室８内に給電する給電部５ａ〜５ｄ、および電力分配部２ａ、２ｂ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側から戻ってくるマイクロ波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、１ｂの発振周波数と位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相を制御する制御部７とで構成している。

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１０を加熱室８に収納し、その加熱設定を操作部（不図示）から入力し、加熱を開始する。加熱開始信号を受けた制御部７は、加熱条件確定の後、加熱条件に従い制御出力信号を出し、マイクロ波発生部が動作を開始する。制御部７は、駆動電源（不図示）を動作させて、発振部１ａ、１ｂに電力を給電する。

この時、発振部１ａ、１ｂの周波数は、例えば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。発振部１ａ、１ｂを動作させると、その出力は電力分配部２ａ、２ｂにて各々略１／２分配され、４つのマイクロ波電力となる。以降、駆動電源を制御して増幅部４ａ〜４ｄを動作させる。

それぞれのマイクロ波電力は並列動作する増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄ、給電部５ａ〜５ｄを経て加熱室８内に給電される。加熱室８内へ給電されたマイクロ波電力の内、被加熱物１０などに吸収されなかったマイクロ波電力は、給電部５ａ〜５ｄを通じて戻り、給電部５ａ〜５ｄ個々の反射電力が電力検出部６ａ〜６ｄにて検出され、その反射電力量に比例した信号は制御部７に送られ、給電部５ａ〜５ｄ夫々の反射電力が把握される。

制御部７は、マイクロ波加熱に移る前に、給電部５ａ〜５ｄの中から２箇所の組合せ、例えば給電部５ａ、５ｂの位相差に対する反射電力を検出する。位相差に対する反射電力の検出は、例えば位相可変部３ａ、３ｂによって生じる位相差を０度から３６０度まで、１０度ピッチで変化させ、給電部５ａ、５ｂ側から戻ってくる反射電力を電力検出部６ａ、６ｂによって検出して、位相差に対する反射電力値を把握する。

把握した反射電力を最小にする位相差より、被加熱物１０の配置を検知する配置検知を行なう。加熱を開始する前に、配置検知を行い検知した被加熱物の位置より、加熱に使用する給電部および、位相値を選択し、加熱条件の確定を行なうことで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱でき、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作させることができる。

次に、位相差と被加熱物配置の関係を説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図である。給電部５ａ、５ｂは、２波長の間隔で設置され、この給電部５ａ、５ｂから放射されたマイクロ波は、電波伝播１１ａ、１１ｂのように広がってゆく。

加熱室８の壁面ではマイクロ波の反射があるため、電波伝播１１ａ、１１ｂの広がりは複雑になるが、加熱室８の壁面での反射を経て被加熱物に届くマイクロ波は、伝播経路が長くて電力が小さくなるので、被加熱物が吸収する電力を見る場合は、給電部から被加熱物に直接吸収されるマイクロ波の伝播経路が支配的になる。

電波伝播１１ａ、１１ｂが同位相で重なる同相干渉位置１２ａ、１２ｂ、１２ｃでは、マイクロ波電力がほぼ合算され、この位置に被加熱物が配置されると強く加熱され、反射電力も小さくなる。

図３は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図である。給電部５ａ、５ｂからある位相差で放射されたマイクロ波は、電波伝播１１ａ、１１ｂのように広がってゆく。マイクロ波放射時の位相差により電波伝播１１ａ、１１ｂが同位相
で重なる同相干渉位置１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、図２の位置からずれる。

このように、２箇所の給電部組合せから放射するマイクロ波の位相差を変化させることで、同相干渉位置１２ａ、１２ｂ、１２ｃを移動させることができ、反射電力を最小にする位相差を見極めることで、２箇所の給電部を結ぶ線上方向に対する被加熱物配置の位置関係を検知することができる。

なお、同相干渉位置１２ｂ、１２ｃは、それぞれ給電部５ａ、５ｂの一方に近く、この付近に置かれた被加熱物は、給電部５ａ、５ｂの一方から多くのマイクロ波電力を吸収するため、反射電力も一方に偏るので、同相干渉位置１２ａと識別できる。

図４、図５は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の伝播の様子を示す図である。図４は給電部５ａ、５ｂの間隔が２波長を越える場合の、図５は給電部５ａ、５ｂの間隔が２波長未満の場合のマイクロ波の伝播の様子を示す図をそれぞれ示す。図２、図４、図５を比較すると、給電部５ａ、５ｂの間隔により同相干渉位置１２ｂ、１２ｃの位置がずれることが分かる。

図４の給電部５ａ、５ｂの間隔が２波長を越える場合、同相干渉位置１２ｂ、１２ｃは、給電部５ａ、５ｂの内側となり、同相干渉位置１２ａと識別が困難となる。図５の給電部５ａ、５ｂの間隔が２波長未満の場合、同相干渉位置１２ｂ、１２ｃは、それぞれ給電部５ａ、５ｂの一方から更に遠くなり、給電部５ａ、５ｂの反射電力の偏りにより、同相干渉位置１２ａと識別できる。

給電部５ａ、５ｂの間隔が１波長近くになると同相干渉位置１２ｂ、１２ｃは、棚板１４の上側に現れなくなり、同相干渉位置１２ａのみで被加熱物配置の位置関係を検知することができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態における給電部の配置を示す図である。給電部５ａ〜５ｄは、図１の給電部５ａ、５ｂのように加熱室８の棚板１４の下側に配置され、被加熱物１０は棚板１４の上側に置かれる。被加熱物の水平方向配置は、被加熱物設置範囲１３内で任意の場所に配置され、給電部５ａの水平方向配置は被加熱物設置範囲１３の外側に設置されている。

被加熱物配置の位置関係を検知できる範囲は、使用する２箇所の給電部の設置間隔により変わるが、給電部近傍からその間となる。被加熱物が被加熱物設置範囲１３ぎりぎりに置かれた場合は、給電部５ａのように被加熱物設置範囲１３近傍から外側に配置された給電部を使用することで、被加熱物配置の位置関係を検知することができる。

前述のように、被加熱物配置の位置関係を検知できる範囲は、給電部近傍からその間となるため、２箇所の給電部５ａ、５ｂを結ぶ配置間方向線１５から離れる方向への位置検知はできないので、異なる２箇所の給電部組み合わせ５ｃ、５ｄを使用して異なる方向への配置検知を行なうことで、被加熱物の位置がより明確に検知できる。

被加熱物配置の位置関係の検知に使用する給電部の一方から、被加熱物の位置を経て他方の給電部に至る伝播総距離が長くなると、被加熱物に届くマイクロ波電力が小さくなったり、加熱室８の壁面での反射による影響がでたりするため、配置検知を複数回行う中で、伝播総距離が最小となる給電部の組み合わせを使用することで検知位置の精度が向上する。

被加熱物配置の位置関係の検知は、２箇所の給電部から放射されたマイクロ波の相互干
渉を利用しているので、給電部から放射されるマイクロ波は、給電部近傍に発生する電界方向を一致させ、供給するマイクロ波を同じ周波数にすることで、より強く相互干渉させることができ、検知精度も向上する。

例えば、図１の給電部５ａ、５ｂはその近傍の励振電界９ａが一致するので、この２箇所の給電部５ａ、５ｂに発振部１ａから同じ周波数のマイクロ波を供給して、位相可変部３ａ、３ｂにより位相差を制御しながら、電力検出部６ａ、６ｂにて反射電力を検出することで、反射電力を最小にする位相差を精度良く測定できる。

加熱中に被加熱物が変形したり、マイクロ波を良く吸収する部分が移動したりした場合、そのままの条件では、最適な加熱を行なえないので、再度配置検知を行ない、加熱条件を更新することで、本発明のマイクロ波処理装置は、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱でき、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作させることができる。

被加熱物配置の位置関係の検知は、２箇所の給電部から放射されたマイクロ波の相互干渉を利用しているので、給電部近傍に発生する電界方向が異なる給電部から放射されるマイクロ波との相互干渉は弱くて影響がないので、給電部近傍に発生する電界方向が異なる給電部の組合せを同時に使用して、複数方向の被加熱物配置の位置関係の検知や加熱を同時進行できる。

例えば、図１の給電部５ａ、５ｂはその近傍の励振電界９ａが一致し、給電部５ｃ、５ｄはその近傍の励振電界９ｂが励振電界９ａと異なる方向で一致するので、給電部５ａ、５ｂの組合せと、給電部５ｃ、５ｄの組み合わせを使用して、同時に２方向の被加熱物配置の位置関係の検知を行える。

以上のように、被加熱物配置の位置関係の検知により最適な加熱条件を確定し、使用する給電部や、マイクロ波電力出力位相を制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を短時間で所望の状態に加熱することができ、同時に加熱室から戻るマイクロ波電力を低く抑えて効率よく動作させることができる。

なお、上記の説明では、給電部の組み合わせを加熱室の１壁面に設置した例で説明したが、複数の壁面に配置して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、給電するマイクロ波電力の発振周波数や給電部間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。

１ａ、１ｂ 発振部
２ａ、２ｂ 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 励振電界
１０ 被加熱物
１１ａ、１１ｂ 電波伝播
１２ａ〜１２ｃ 同相干渉位置
１３ 被加熱物配置範囲
１４ 棚板
１５ 配置方向線

Claims (9)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波電力を発生させる発振部と、前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、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、前記位相可変部および／または前記電力分配部の出力を前記加熱室に給電する複数の給電部と、前記給電部から前記位相可変部または前記電力分配部方向に伝播する反射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の出力位相を制御する制御部と、前記マイクロ波の２波長以下の間隔のいずれか２箇所の前記給電部の組み合わせを使用し、２箇所の前記給電部の反射電力を最小とする位相差より前記被加熱物の配置を推定する配置検知手段とを備え、
   前記給電部の一方から前記被加熱物の位置を経て、他方の前記給電部に至る伝播総距離が、最小となる前記給電部の組み合わせを、前記配置検知により検知した前記被加熱物の位置より判定し、判定された前記給電部の組み合わせを使用して前記配置検知を行い、前記被加熱物の位置を再度検知する構成としたマイクロ波処理装置。
2. 前記配置検知に使用する前記給電部の少なくとも１箇所は、前記被加熱物を設置できる範囲の外郭に接した位置または前記接した位置より外側に設置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. 前記配置検知に使用する前記給電部の組み合わせは、前記給電部近傍に発生する電界方向を一致させた構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. 前記配置検知に使用する前記給電部の組み合わせへは、同じ周波数のマイクロ波を供給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. 前記制御部は、異なる前記給電部の組み合わせを使用した前記配置検知を追加して実施する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
6. 前記制御部は、同じ前記給電部の組み合わせを使用した前記配置検知を複数回実施する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
7. 前記配置検知により検知した前記被加熱物の位置情報より、少なくとも前記被加熱物の加熱に使用する前記給電部および／または、前記位相可変部の出力位相を確定する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
8. 前記制御部は、前記配置検知を前記被加熱物の加熱を開始する前に行う構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
9. 前記給電部の近傍に発生する電界方向が、前記配置検知に使用する前記給電部と異なる前記給電部有し、前記制御部は、前記配置検知の実施と同時に、前記異なる電界方向の前記給電部へマイクロ波電力の供給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。