JP5589306B2

JP5589306B2 - 加熱処理装置

Info

Publication number: JP5589306B2
Application number: JP2009121658A
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: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP2010272268A

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（例えば、特許文献１参照）がある。ただし、この文献には、加熱室同一壁面に複数のアンテナを配置することが記載されるに留まり、複数壁面への適用を示すものは詳述されていない。

実開昭５２−１６６５４号公報

加熱室同一壁面に複数のアンテナを配置させるものとしては、単純にアンテナ数を複数設けただけであって、加熱室の複数面に複数のアンテナを配置する手段、効果について記載したものはなかった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を複数の壁面より放射する具体的な構成を示し、複数の壁面の複数のアンテナから多くのマイクロ波を放射し大きなマイクロ波電力を供給しかつ高密度実装により外観、ものづくり、サービス性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と、前記ボディ内部に配置され被加熱物を収容する加熱室と、前記加熱室内にマイクロ波電力を供給するマイクロ波モジュールと、を有し、前記マイクロ波モジュールは、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を少なくとも二組備え、前記マイクロ波モジュールは、マイクロ波電力を前記加熱室内に給電部を介して放射すると共に、前記加熱室を構成する少なくとも二つの壁面に各１個ずつ設けられ、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前記給電部を設けた少なくとも二つの部品載置板と、を備え、同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記位相可変部とを中央集中統合部として前記加熱室と前記ボディとの空間にユニット化して集約し収納する構成とし、各構成部品を実装した前記部品載置板を前記ボディに取り付け、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部品載置板を前記加熱室壁面に取り付け、前記電力伝播軸に前記給電部を着脱可能に取り付けるものである。

加熱室を構成する多壁面に給電部を複数設け、マイクロ波モジュールを加熱室とボディの間の微小空間に配置、実装し、複数の部品構成ユニットを分散配置し、加熱室の多壁面から複数の給電を行い、電力供給量を増大させるとともに、多給電間の相互作用による電磁界分布の多様性を増加させる加熱処理装置を提供することができる。

本発明の加熱処理装置は、加熱室の多壁面に複数の給電部を配置し、その複数の給電部から発生するマイクロ波の総和を大きくして大電力を供給することを可能とし、また、加熱室とボディの間の空間を有効に利用し、給電部以外の構成部品をコンパクトに微小空間に収納し、空間容積を最小限に抑え大電力を供給する小型の加熱処理装置を提供するものである。

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における加熱処理装置の側面からの断面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部分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と、前記ボディ内部に配置され被加熱物を収容する加熱室と、前記加熱室内にマイクロ波電力を供給するマイクロ波モジュールと、を有し、前記マイクロ波モジュールは、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を少なくとも二組備え、前記マイクロ波モジュールは、マイクロ波電力を前記加熱室内に給電部を介して放射すると共に、前記加熱室を構成する少なくとも二つの壁面に各１個ずつ設けられ、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前記給電部を設けた少なくとも二つの部品載置板と、を備え、同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記位相可変部とを中央集中統合部として前記加熱室と前記ボディとの空間にユニット化して集約し収納する構成とし、各構成部品を実装した前記部品載置板を前記ボディに取り付け、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部品載置板を前記加熱室壁面に取り付け、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、小型の外形にも関わらず大電力を供給することができる。また、複数の電波が相互干渉により自在な加熱分布を形成することが可能となる。

また、部品の大括りユニット化が実現し、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、２４００〜２５００ＭＨｚの帯域のもととなる微弱信号を発信する。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する。

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構わない。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。

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度の範囲で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たマイクロストリップ線路構成の基板とし、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）を材料とし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。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、または、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と、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電磁界分布を制御とを行い、加熱室６内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

図２を用いて、本発明の加熱処理装置の構成を説明する。被加熱物を収納する略直方体構造からなるボディ２６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に載置された被加熱物には底面のマイクロ波モジュール２４からは給電部５ａ〜５ｄを通じて、マイクロ波電力が加熱室６内に供給される。

天面のマイクロ波モジュール２４からは給電部５ｅ〜５ｈを通じてマイクロ波電力が加熱室６内に供給される。ここでマイクロ波モジュール２４はボディ２６と加熱室６の空隙に配され、天面と底面に各１個ずつ配されている。そのフラット性から外観に与える影響は最小限におさえられている。

このように、マイクロ波モジュール２４のフラット性を最大限に活かし、ボディ２６と加熱室６の間にコンパクトに収納されている。天面側に給電部４つ、底面側に給電部４つとすると、一給電あたり２５０Ｗのマイクロ波電力を供給するとすれば８つの給電部からトータル２０００Ｗの電力を供給することができる。

しかも、前述したように加熱室６とボディ２６の空間が非常に小さいため、外観上既成の加熱処理装置と比べて違和感のない筐体外観のコンパクト性を実現することができる。

底面側のマイクロ波モジュール２４のパワーユニット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は全て加熱室６を構成する底壁面に配置されている。

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。また被加熱物を載置し、かつユーザーが給電部５ａ〜５ｄを触れられないように載置台７が給電部５ａ〜５ｄの上方に取り付けられている。

天面側のマイクロ波モジュール２４のパワーユニット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５ｅ〜５ｈは全て加熱室６を構成する天壁面に配置されている。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。ユーザーが給電部５ａ〜５ｄを触れられないように遮蔽天面２５が、給電部５ｅ〜５ｈの下方に取り付けられている。

掃除性と耐熱性を考慮して、載置台７及び遮蔽天面２５は耐熱性の高い結晶化ガラスのネオセラムを使用しているが、これはその材料を制限するものではない。

次に、パワーユニット１ａ〜１ｄについて図３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１の１４、プリアンプ２の１５、プリアンプ３の１６）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１の１７とファイナルアンプ２の１８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４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２６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が全て取り付けられ、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、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２６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。この事例は固定方法を限定するものではない。

詳述していないが、天面側についても同様の構成をとることが可能で、この底面側と天面側の部品載置板８を各々、底面及び天面に装着することによって給電部を８個持つ加熱処理装置を構成することができる。

図５を用いてさらに実装方法の詳細について説明する。ただし、この事例は底面側のみの構成を示すもので、天面側については上下に１８０°回転させた構成であるので説明は割愛する。

図５は、機器の一部の側面からの部分断面図である。ボディ２６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２６の底面には、開口２５を利用してボディ２６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２６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２６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。

ビスの場合は、ボディ２６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によれば、加熱室を構成する複数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。このため、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〜５ｈ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
２６ボディ

Claims

機器の外装を形成するボディと、
前記ボディの内部に配置され被加熱物を収容する加熱室と、
前記加熱室内にマイクロ波電力を供給するマイクロ波モジュールと、を有し、
前記マイクロ波モジュールは、
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を少なくとも二組備え、
前記マイクロ波モジュールは、マイクロ波電力を前記加熱室内に給電部を介して放射すると共に、前記加熱室を構成する少なくとも二つの壁面に各１個ずつ設けられ、
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前記給電部を設けた少なくとも二つの部品載置板と、を備え、
同一基板に取り付けられた前記発振部と、前記位相可変部とを中央集中統合部として前記加熱室と前記ボディとの空間にユニット化して集約し収納する構成とし、
各構成部品を実装した前記部品載置板を前記ボディに取り付け、
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部品載置板を前記加熱室壁面に取り付け、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。