JP5589300B2

JP5589300B2 - 加熱処理装置

Info

Publication number: JP5589300B2
Application number: JP2009096861A
Authority: JP
Inventors: 誠三原; 等隆信江; 健治安井; 義治大森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2010250999A

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、一般に固体発振器が接続された各アンテナのうち少なくとも２個を加熱室の同一壁面に配置させるものがあった（例えば、特許文献１参照）。

この従来のマイクロ波処理装置では、ものづくりが容易で生産性が高く、あわせてサービス性も高い構成を実現することは殆ど考慮されていなかった。

実開昭５２−１６６５４号公報

しかしながら、加熱室同一壁面に複数のアンテナを配置させるものにあっては、単純にアンテナ数を複数設けたものとの差異が明確でなく、同一壁面に設けることの効果の内容、具体的構成の開示がなく、実現の可能性のみを示すものである。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数の給電部のそれぞれから放射されるマイクロ波を下方より放射するための具体的な構成、ものづくりに関してまで言及した加熱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、本発明の加熱処理装置は、機器の外装を形成するボディーと、前記ボディーに設けられた開口と、前記ボディー内部に配置され被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力位相を可変する位相可変部と、前記位相可
変部の出力を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方向性結合器と、前記方向性結合器で検出した透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、前記加熱室を構成する一つの壁面に設けられると共に、前記方向性結合器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、前記検波回路の出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、前記加熱室壁面外部に設けられた部品載置板を備え、同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記電力分配部と、前記位相可変部とを中央集中系統部としてユニット化する構成として前記部品載置板に実装すると共に、各構成部品を実装した前記部品載置板をボディー壁面に取り付け、前記パワーユニットに取り付けられた電力伝播軸を前記加熱室壁面に穿った孔を貫通させて、前記電力伝播軸に前記給電部を着脱可能に取り付ける構成とした。

本発明のマイクロ波処理装置によれば、構成部品を大括り化し、それをまた構成部品とし集約しシンプルな半完成ユニットにまとめあげ、それを簡単な作業で実装し作業性を大幅に簡略化し、かつサービス性を向上させた加熱処理装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における加熱処理装置のシステムブロック図本発明の実施の形態１におけるパワーユニットの回路構成図本発明の実施の形態１における加熱処理装置の要部概観組立斜視図本発明の実施の形態１における機器の側面から見た部分断面図

第１の発明は、機器の外装を形成するボディーと、前記ボディーに設けられた開口と、前記ボディー内部に配置され被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力位相を可変する位相可変部と、前記位相可変部の出力を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方向性結合器と、前記方向性結合器で検出した透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、前記加熱室を構成する一つの壁面に設けられると共に、前記方向性結合器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、前記検波回路の出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、前記加熱室壁面外部に設けられた部品載置板を備え、同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記電力分配部と、前記位相可変部とを中央集中系統部としてユニット化する構成として前記部品載置板に実装すると共に、各構成部品を実装した前記部品載置板をボディー壁面に取り付け、前記パワーユニットに取り付けられた電力伝播軸を前記加熱室壁面に穿った孔を貫通させて、前記電力伝播軸に前記給電部を着脱可能に取り付ける構成とすることにより、ものづくりの簡便性及びサービス性を大幅に改善することができる。

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加熱処理装置の構成図である。

図１において、構成要素について説明する。発振部１２は２４００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚの帯域の元信号を発信する。電力分配部１３は発振部１２の出力を４分配する。位相可変部１１ａ〜１１ｄはそれぞれの電力分配部１３の出力の位相を制御する。パワーユニット１ａ〜１ｄは電力分配部１３からのマイクロ波電力を増幅する機能を有し半導体素子を用いて構成した。

電力分配部１３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。電力分配部１３によってパワーユニット１ａ〜１ｄには、発振部１２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。

また、位相可変部１１ａ〜１１ｄ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１１ａ〜１１ｄ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。

ここまでの部品はマイクロ波帯の電力フローであるが、略１０Ｗ以下の比較的小電力を扱っているので、同一基板上に構成することが可能である。この部分を中央集中統合部３として１ユニット化すれば、部品点数の削減、ハンドリングの容易さとういうものづくりの効果が発揮されてくる。

例えば、発振部は比較的汎用的な部品としても取り扱われている領域で、ガラスエポキシを材料として用いたマイクロストリップ線路構成の基板として、電力分配器１３以降の回路は比較的扱う電力が大きくなってくるため、テフロン（登録商標）材料を用いたマイクロストリップ線路構成の基板とし、裏面はグランド箔なので、ベースとなる金属ベース板に半田付け等で一体化することも１ユニット化の手段として考えられる。

また、扱う電力が比較的低くできれば、ガラスエポキシ基板で１枚基板化ということも考えられる。

方向性結合器１９ａ〜１９ｂは、パワーユニット１ａ〜１ｄの出力を透過するとともに
、検波回路に透過波電力と反射波電力の一部を送出する。検波回路２０は、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減衰、検波、平滑して直流電圧として検出する（透過電力をＰｆ、反射電力をＰｒとする）。その信号は制御部４に送出される。検波回路２０についてはまた別図面で後述する。

給電部５ａ〜５ｄは、パワーユニット１ａ〜１ｄで増幅されたマイクロ波出力を加熱室内に放射する。制御部４は、検波回路２０によって検出されるＰｆ、Ｐｒに応じて、発振部１２の発振周波数と位相可変部１１ａ〜１１ｄの位相量を制御する。駆動電源部２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１ａ〜１ｄに電圧（Ｖｄｄ、ＧＮＤ）を供給する。

制御部４は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件や被加熱物の配置位置を検出する位置検出手段から得られる負荷情報、あるいは、加熱中に被加熱物の加熱処理の進捗状態を検出する処理状態検出手段から得られる加熱情報と、検波回路２０の反射電力情報に基づいて、マイクロ波発生部の構成要素である発振部１２とパワーユニット１ａ〜１ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御、位相可変部１１ａ〜１１ｄに供給する電圧の制御で放射するマイクロ波の励振電界の向きを制御し、加熱室６内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、図３及び図４を用い詳細は後述するが、本発明の加熱処理装置は、被加熱物を収納する略直方体構造からなるボディー２４とその内部に配された同じく略直方体構造からなる加熱室６を有し、加熱室６は金属材料からなる壁面および被加熱物（不図示）を収納するために開閉する開閉扉（不図示）と、被加熱物を載置する載置台７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、パワーユニット１ａ〜１ｄで発生したマイクロ波出力が伝播され、加熱室６内に放射供給する４ヶ所の給電部５ａ〜５ｄは、加熱室６の底壁面においてパワーユニット１ａ〜１ｄの位置に対応した位置に配置されている。４ヶ所の給電部１ａ〜１ｄから放射されるマイクロ波出力によって被加熱物は加熱される。

次に、パワーユニット１ａ〜１ｄ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。電力分配部１３から出力された微弱なマイクロ波出力は、各増幅部（プリアンプａ１４、プリアンプｂ１５、プリアンプｃ１６）で増幅させ、十数Ｗの電力まで増幅される。この部分をドライバー段２１と称している。

出力段２２は大きな入力電力を増幅するため、かなり大きな半導体チップを有する増幅素子が必要となり、ファイナルアンプａ１７とファイナルアンプｂ１８の並列接続で略１０ｄＢのゲインを必要とする。ここでは出力段２２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。

パワーユニット１ａ〜１ｄの出力は方向性結合器１９によって透過する。パワーユニット１ａ〜１ｄ方向への反射も、当然マイクロ波帯の回路なので存在する。検波回路２０は減衰器と検波ダイオードと平滑用コンデンサ等からなり、その透過電力と反射電力の一部が入射し減衰器で低電圧に低下させ、検波素子と平滑回路で制御部４が検出可能な直流低電圧に変換しＰｒ、Ｐｆを得る。

当然、回路パターン設計を巧に行えば、方向性結合器１９ａ〜１９ｄ及び検波回路２０はパワーユニット１ａ〜１ｄに取り込むことも可能で、それを実現すれば回路を統合化し
て総ユニット数を減らすことが可能でものづくり面では簡略化が図れる。

以上のように構成された加熱処理装置について、以下その作用、効果を説明する。図３は本加熱処理装置の一例を示す構成斜視図である。

ここで、構成部品は、全て外郭を構成するボディー２４の内部に配された加熱室６の底面に配置されている。ここでのポイントは、配置ベースと外装を兼ねた部品載置板８の上に、パワーユニット１ａ〜１ｄ、駆動電源部２、中央集中統合部３、制御部４が全て固定取り付けされ、１ユニット化されている。この状態でハンドリング可能である。

部品載置板８は、マイクロ波電力が全て電力伝播軸２３ａ〜２３ｄで加熱室６内に伝播されるため、機外への電波漏洩の配慮は不要であるので、樹脂を選択しても金属を選択しても自由である。

ものづくりのイメージとしては、部品載置板８の上に、パワーユニット１ａ〜１ｄ、駆動電源部２、中央集中統合部３、制御部４を取り付け一体化する。この作業をサブラインで事前に組立て、メインラインに供給し、メインラインでは、この一体化ユニットを取り付けビス９でボディー２４の底面部の開口２５に締結する。

予め加熱室６に穿った電力伝播軸２３ａ〜２３ｄ挿入用の孔に嵌合させて取り付けビス９で締結したのち、金属平板からなるアンテナ機能を有する給電部５ａ〜５ｄの突端に形成した孔にビス締めする固定も考えられる。なお、この事例は固定方法を限定するものではない。

図４を用いてさらに実装の詳細を説明する。この図は機器の一部の側面からの部分断面図である。ボディー２４の内部に加熱室６が配されている。パワーユニット１（１ａ〜１ｄ）、制御部４は勿論のこと、駆動電源部２、中央集中系統部３も全て部品載置板８の上に配置され、この状態でハンドリング可能である。

ボディー２４の底面には、開口２５を利用してボディー２４に取付けビス９で固定し取り付けられている。加熱室６の底面には、電力伝播軸２３を通す孔が穿ってあり、そこを貫通して電力伝播軸２３を嵌合することによって、各部品が載置された部品載置板８は円滑にボディー２４に取り付けられる構成になっている。

ここでは、部品載置板８のボディー２４の開口２５への取り付けは取付けビス９での締結であるが、サービス性を一部無視すれば溶接等の取り付けも考えられ、ここの事例は締結法を限定するものではない。

またビスの場合はボディー２４を外すことなく、これらのビスを外すだけで一体化したユニット、即ち全ての部品が取り出せるためサービス性は極めて良好となることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる加熱処理装置は、加熱室を構成する一つの壁面に複数設けた給電部にて反射するマイクロ波電力が最小となる周波数で加熱処理することができるので、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〜１ｄパワーユニット
５ａ〜５ｄ給電部
６加熱室
８部品載置板
１１ａ〜１１ｄ位相可変部
１９ａ〜１９ｄ方向性結合器
１２発振部
１３電力分配部
２０検波回路
２４ボディー
２５開口

Claims

機器の外装を形成するボディーと、
前記ボディーに設けられた開口と、
前記ボディーの内部に配置された被加熱物を収容する加熱室と、
発振部と、
前記発振部の出力位相を可変する位相可変部と、
前記位相可変部の出力を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方向性結合器と、
前記方向性結合器で検出した透過と反射のマイクロ波電力を減衰させ直流電圧に変換する検波回路と、
前記加熱室を構成する一つの壁面に設けられると共に、前記方向性結合器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、
前記検波回路の出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、
前記加熱室壁面外部に設けられた部品載置板を備え、
同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記電力分配部と、前記位相可変部とを中央集中系統部としてユニット化する構成として前記部品載置板に実装すると共に、
各構成部品を実装した前記部品載置板をボディー壁面に取り付け、
前記パワーユニットに取り付けられた電力伝播軸を前記加熱室壁面に穿った孔を貫通させて、前記電力伝播軸に前記給電部を着脱可能に取り付ける構成とした加熱処理装置。