JP6471906B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加熱物にマイクロ波を放射して誘電加熱する電子レンジ等のマイクロ波加熱装置に関するものである。

代表的なマイクロ波加熱装置の電子レンジは、代表的なマイクロ波発生部であるマグネトロンから放射されたマイクロ波を金属製の加熱室の内部に供給し、加熱室内部に置かれた被加熱物を誘電加熱するものである。

近年、食品を収納する空間の底面をフラットにし、食品を左右に２品並べて加熱できるようにした利便性の高い製品が実用化されている。しかし２品を同時に加熱する場合、例えば、冷凍食品と室温の食品とを同時に加熱する場合、室温の食品のほうが早く出来上がってしまう。よって、２品を同時に仕上げるためには、より低温の食品を集中的に加熱しなければならない。このような場合は、加熱室内全体を均一に加熱するのではなく、局所を集中加熱できる機能が必要である。これを実現するものとして、加熱室底面の略中央に回転軸を有する回転アンテナを配置し、赤外線センサで検出した庫内温度分布に基づき、回転アンテナの停止位置制御を行うものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

ここで回転アンテナは、回転軸を中心として外向きの指向性が高くなるように設計されることで、２品調理などで低温側の食品に向けて回転アンテナを停止させたときに、食品を集中的に加熱することができる。回転アンテナは、特に局所加熱性能に優れた構成として、図３４〜図３７のような導波管構造アンテナ１、１１、２１が知られている（特許文献１、２参照）。図３４、３５には、特許文献１に記載の導波管構造アンテナ１を示し、図３６、３７には、特許文献２に記載の導波管構造アンテナ１１、２１をそれぞれ示す。

導波管構造アンテナ１、１１、２１は、マイクロ波が供給される結合軸２、１２、２２を囲むように構成された箱型の導波管構造３、１３、２３を有する。導波管構造３、１３、２３を構成する壁面は、結合軸２、１２、２２と接続された上壁面４、１４、２４と、上壁面４、１４、２４の周囲３方を閉止する側壁面５ａ〜５ｃ、１５ａ〜１５ｃ、２５ａ〜２５ｃとを有する。導波管構造３、１３、２３を構成する壁面はさらに、側壁面５ａ〜５ｃ、１５ａ〜１５ｃ、２５ａ〜２５ｃの外側にて、加熱室底面６、１６、２６とわずかな隙間を介して並行に形成されたフランジ７、１７、２７を有する。壁面はさらに、一方向の先端にのみ広く解放された先端開放部８、１８、２８を形成する。このような構成において、マイクロ波の大部分を先端開放部８、１８、２８のみから放射させることで、先端開放部８、１８、２８側へのマイクロ波の指向性を強めている。また、このようなマイクロ波の供給方式によれば、結合軸２、１２、２２を中心に回転させるので、回転導波管方式と呼ばれることもある。

特開昭６０−１３００９４号公報 特許２８９４２５０号公報

しかしながら、前記従来のマイクロ波加熱装置は、導波管構造アンテナの先端開放部８、１８、２８のみからマイクロ波を放射するため、先端開放部８、１８、２８に近接する被加熱物を局所加熱できるものの、先端開放部８、１８、２８から離れると加熱しにくい。よって、導波管構造アンテナ１、１１、２１の局所加熱性能に関して、結合軸２、１２、２２を中心とした回転方向（周方向）には先端開放部８、１８、２８の向きを合わせることで制御可能であるが、半径方向には制御が難しく、先端開放部８、１８、２８に近い所しか局所加熱できない。例えば、被加熱物を、先端開放部８、１８、２８より結合軸２、１２、２２に近い位置に置く場合や、先端開放部８、１８、２８より結合軸２、１２、２２から離れた位置に置く場合がある。このような場合、被加熱物のうち、先端開放部８、１８、２８に近い部位が強く加熱される一方で、先端開放部８、１８、２８から遠い部位はあまり加熱されないような加熱分布が生じる。被加熱物の置き位置は使用者の好みによって変わるため、先端開放部８、１８、２８を結合軸２、１２、２２からどの程度離れた距離に配置するかは、困難な問題となる。先端開放部８、１８、２８と結合軸２、１２、２２との距離を短く設計すると、加熱室内の端寄りに置かれた被加熱物を局所加熱することができない。一方で、先端開放部８、１８、２８と結合軸２、１２、２２との距離を長く設計すると、加熱室内の中央寄りに置かれた被加熱物を局所加熱することができない。このようなジレンマが生じる。

本発明は前記課題を解決するものであり、回転制御される導波管構造アンテナの局所加熱性能に関して、回転の半径方向にも制御性を持たせ、被加熱物の置き位置に応じて局所加熱することができるマイクロ波加熱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加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部が発生させたマイクロ波を伝送する伝送部と、伝送部から伝送されるマイクロ波を加熱室に放射する導波管構造アンテナと、導波管構造アンテナを回転させるように駆動する回転駆動部とを備え、導波管構造アンテナの導波管構造を形成する壁面にマイクロ波吸出し開口が形成される。

本発明によれば、回転制御される導波管構造アンテナの局所加熱性能に関して、回転の半径方向にも制御性を持たせ、被加熱物の置き位置に応じて局所加熱することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の正面断面図 実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の平面断面図 導波管を説明する図 導波管の終端部を放射境界としたシミュレーション結果であって、シミュレーションモデルの平面構成図 導波管の終端部を放射境界としたシミュレーション結果であって、庫内の電界強度分布の平面断面図 吸出し効果のシミュレーションモデルにおいて、直線偏波モデルの平面断面図 吸出し効果のシミュレーションモデルにおいて、円偏波モデルの平面断面図 吸出し効果のシミュレーションモデルにおいて、正面断面図 開口長さと放射電力の特性図であって、直線偏波の特性図 開口長さと放射電力の特性図であって、円偏波の特性図 偏波方式による吸出し効果の違いを比較した特性図 誘電体の波長圧縮と開口サイズによる放射の関係を示すイメージ図 食品によるマイクロ波吸出し効果のイメージ図 偏波方式によって開口長さと放射量を比較した特性図 開口形状および配置によって発生する偏波を調べたシミュレーション結果 円偏波を発生する開口の形状によって開口長さと放射量を比較した特性図 開口形状による電磁界のチャージ量のイメージ図 スリットの数に対するチャージ量あるいは吸出し効果を示すイメージ図 吸出し効果の実用イメージを示すマイクロ波加熱装置の正面断面図であって、開口上に食品が有り、マイクロ波を吸い出しているイメージ図 吸出し効果の実用イメージを示すマイクロ波加熱装置の正面断面図であって、開口上に食品が無く、マイクロ波を吸い出していないイメージ図 本発明の実施の形態２における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態におけるマイクロ波吸出し開口の構成図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの構成図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの構成図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの構成図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの平面図 本発明の他の実施の形態における導波管構造アンテナの正面断面図 従来の特許文献１のマイクロ波加熱装置の正面断面図 特許文献１の導波管構造アンテナの平面図 従来の特許文献２の導波管構造アンテナの平面図 特許文献２の導波管構造アンテナの平面図

第１の発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部が発生させたマイクロ波を伝送する伝送部と、伝送部から伝送されるマイクロ波を加熱室に放射する導波管構造アンテナと、導波管構造アンテナを回転させるように駆動する回転駆動部とを備え、導波管構造アンテナの導波管構造を形成する壁面にマイクロ波吸出し開口が形成される。これにより、マイクロ波吸出し開口の近傍における食品の載置の有無などにより、マイクロ波吸出し開口からのマイクロ波の吸出し効果が変わる。よって、導波管構造アンテナの局所加熱性能に関して半径方向にも制御性を持たせ、被加熱物の置き位置に応じて局所加熱することができる。

第２の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１の発明の伝送部から伝送されるマイクロ波を導波管構造アンテナに結合する結合軸をさらに備え、導波管構造アンテナの先端には、結合軸により結合されたマイクロ波を放射するように開放された先端開放部が形成されている。これにより、導波管構造アンテナにおいて、先端開放部とマイクロ波吸出し開口の両方からマイクロ波を放射することができるため、より柔軟なマイクロ波の放射を行うことができる。

第３の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１又は第２の発明のマイクロ波吸出し開口は、近傍の誘電率の変化に応じてマイクロ波の吸出しを行う。これにより、被加熱物の配置の有無などによって誘電率を変化させ、マイクロ波の吸出しを行うことができる。

第４の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第３のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口の最大長さは、マイクロ波発生部が発生させるマイクロ波の波長の１／４以上１／２以下である。このようにマイクロ波吸出し開口の大きさを設定することにより、加熱室に被加熱物が配置されないときにはマイクロ波吸出し開口からマイクロ波を放射させず、加熱室に被加熱物が配置されるときにはマイクロ波吸出し開口からマイクロ波を放射させるようにすることができる。よって、より効率的なマイクロ波の放射を行うことができる。

第５の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第４のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口は、壁面の幅方向中央からオフセットして配置され、円偏波を放射する形状を有する。これにより、マイクロ波を円偏波として放射することにより、より均一なマイクロ波の放射を行うとともに、マイクロ波吸出し開口による吸出し効果を向上させることができる。

第６の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第５のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口は、２つのスリットが交差する形状を有する。これにより、マイクロ波をより確実に円偏波として放射することができるため、より均一なマイクロ波の放射を行うことができる。

第７の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第６のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口は、導波管構造アンテナの延在方向沿いに複数設けられている。これにより、より均一な放射を行うことができる。

第８の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第７のいずれか１つの発明の加熱室内における被加熱物の状態を検出する状態検出部をさらに備え、状態検出部が検出した被加熱物の状態をもとに、回転駆動部は導波管構造アンテナの回転位置を制御する。

第９の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第７のいずれか１つの発明の回転駆動部は、ユーザによって選択可能な予め定められたプログラムに基づき、導波管構造アンテナの回転位置を制御する。

第１０の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第９のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口は、壁面の幅方向中央に対して片側にのみ設けられている。これにより、マイクロ波吸出し開口から放射されるマイクロ波の干渉を抑制し、より効率的にマイクロ波を放射することができる。

第１１の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第１から第９のいずれか１つの発明のマイクロ波吸出し開口は、壁面の幅方向中央に対して両側に設けられている。これにより、壁面の幅方向中央に対して両側からマイクロ波を吸い出すことができるため、面積の大きな被加熱物にも対応することができる。

第１２の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第２の発明のマイクロ波吸出し開口は、導波管構造アンテナが延在する方向において、先端開放部よりも結合軸に近い位置に配置される。これにより、マイクロ波の吸出しを結合軸周辺にて重点的に行うことができるため、被加熱物をより効率的に加熱することができる。

第１３の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第２の発明の導波管構造アンテナの導波管構造を形成する壁面において、結合軸からマイクロ波吸出し開口よりも遠い位置にマイクロ波放射開口が形成されている。これにより、マイクロ波吸出し開口からはマイクロ波を吸出し、マイクロ波放射開口からはマイクロ波を放射することで、より柔軟なマイクロ波の放射を行うことができる。

第１４の発明のマイクロ波加熱装置は、特に第２の発明の導波管構造アンテナにおける先端開放部およびマイクロ波吸出し開口は、結合軸を中心として一方側と他方側の両方に配置される。これにより、結合軸の両側からマイクロ波を吸い出せるので、より均一なマイクロ波加熱を行うことができる。

以下、本発明に係るマイクロ波加熱装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態のマイクロ波加熱装置においては電子レンジについて説明するが、電子レンジは例示であり、本発明のマイクロ波加熱装置は電子レ ンジに限定されるものではなく、誘電加熱を利用した加熱装置、生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置などのマイクロ波加熱装置を含むものである。また、本発明は、以下の実施の形態の具体的な構成に限定されるものではなく、同様の技術的思想に基づく構成が本発明に含まれる。

（実施の形態１）
図１〜図１５は、本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の説明図である。

図１は、マイクロ波加熱装置を正面側から見た断面図、図２は、マイクロ波加熱装置を上から見た断面図である。図１、２に示すように、代表的なマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１は、加熱室１０２と、マグネトロン１０３と、導波管１０４と、導波管構造アンテナ１０５と、載置台１０６とを備える。加熱室１０２は、代表的な被加熱物である食品（図示せず）を収納可能な空間を形成する。マグネトロン１０３は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部の一例である。導波管１０４は、マグネトロン１０３から発生（放射）されたマイクロ波を加熱室１０２に伝送する（導く）伝送部の一例である。導波管構造アンテナ１０５は、導波管１０４内のマイクロ波を加熱室１０２内に放射する。載置台１０６は、食品を載置する。載置台１０６は、加熱室１０２の底面全体を覆うことで、導波管構造アンテナ１０５が加熱室１０２内に露出しないように塞いでいる。また、載置台１０６の上面をフラットにすることで、使用者が食品の出し入れがしやすくなり、載置台１０６に汚れがついたときにふき取りやすくしている。ここで、載置台１０６の材料は、ガラスやセラミックなどのようなマイクロ波が透過しやすい材料としている。これにより、導波管構造アンテナ１０５からのマイクロ波を加熱室１０２内に放射させる。

導波管構造アンテナ１０５は、結合軸１０７により導波管１０４内から引き出したマイクロ波を、結合軸１０７を囲むように構成された箱型の導波管構造１０８の向きにより加熱室１０２内への放射方向を制御可能としている。導波管構造１０８を形成する壁面は、上壁面１０９と、側壁面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃと、フランジ１１２とを備える。上壁面１０９は、結合軸１０７と接続されている。側壁面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、上壁面１０９の周囲三方を閉止する。フランジ１１２は、側壁面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの外側において、加熱室底面１１１とわずかな隙間を介して平行に形成される。導波管構造１０８は、残る一方向の先端にのみ広く開放された先端開放部１１３を形成し、上壁面１０９にはマイクロ波吸出し開口１１４を構成する。このような構成により、導波管構造アンテナ１０５は、マイクロ波の大部分を先端開放部１１３とマイクロ波吸出し開口１１４のいずれかから放射させる。

電子レンジ１０１はさらに、回転駆動部１１５と、赤外線センサ１１６と、制御部１１７とを備える。回転駆動部１１５は、結合軸１０７を中心に導波管構造アンテナ１０５を回転させて駆動する。赤外線センサ１１６は、食品の状態を検出する状態検出部の一例であって、食品の状態として食品の温度を検出する。制御部１１７は、赤外線センサ１１６の信号にもとづき、マグネトロン１０３の発振制御や回転駆動部１１５の回転制御を行うことで、導波管構造アンテナ１０５の回転位置を制御している。

なお、本実施の形態１では、状態検出部の一例として、食品の温度を検出する赤外線センサ１１６を用いる場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、食品の重量（重心）を検出する重量センサや、食品の画像を取得する画像センサなどを状態検出部として用いてもよい。あるいは、このような状態検出部を用いない場合であってもよい。例えば、電子レンジ１０１に、ユーザによって選択可能なプログラムを記憶しておくことで、回転駆動部１１５は、その予め定められたプログラムに基づき、導波管構造１０５の回転位置の制御を行ってもよい。

導波管構造１０８は、上壁面１０９と側壁面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃによって略直方体形状を成し、先端開放部１１３の方向（図２の左方向）へとマイクロ波を伝送する。マイクロ波吸出し開口１１４は、長孔（スリットあるいはスロット）を交差させたＸ字状の形状を有する開口である。マイクロ波吸出し開口１１４を導波管の上壁面１０９の幅方向の中央からずらして配置することで、円偏波を放射することができる。特に、マイクロ波吸出し開口１１４を導波管構造１０８の幅方向の片側（図２の上側）にのみ配置することで、円偏波放射をより効率的に実現させている。結合軸１０７は、図２に示すように、加熱室底面１１１の前後方向および左右方向の中心に配置されている。

ここで、導波管構造の理解のために、図３を用いて、一般的な導波管２００について説明する。最も単純で一般的な導波管２００は、図３に示すように、一定の長方形の断面（幅ａ、高さｂ）を伝送方向１２４に伸ばした直方体からなる方形導波管である。マイクロ波の自由空間での波長をλ０としたときに、導波管２００の幅ａおよび高さｂの範囲を、λ０＞ａ＞λ０／２、ｂ＜λ０／２と選ぶことにより、ＴＥ１０モードでマイクロ波を伝送することが知られている。

ＴＥ１０モードとは、導波管２００内においてマイクロ波の伝送方向１２４には磁界成分のみが存在して電界成分は存在しない、Ｈ波(ＴＥ波；電気的横波伝送 Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ)における伝送モードのことを指す。

ここで、導波管２００内の管内波長λｇの説明に先立って、自由空間の波長λ０について説明する。自由空間の波長λ０は、一般的な電子レンジのマイクロ波の場合は約１２０ｍｍとして知られている。しかし、正確には、自由空間の波長λ０は、λ０＝ｃ／ｆで求められる。ｃは光の速度であり、３．０＊１０＾８[ｍ／ｓ]で一定であるものの、ｆは周波数であり、２．４〜２．５［ＧＨｚ］（ＩＳＭバンド）の幅がある。発信周波数ｆはマグネトロンのばらつきや負荷条件によって変化するので、自由空間の波長λ０も変化する。これにり、自由空間の波長λ０は、最小１２０［ｍｍ］（２．５ＧＨｚ時）から最大１２５［ｍｍ］（２．４ＧＨｚ時）まで変化する。

導波管２００の話に戻ると、自由空間の波長λ０の範囲も考慮して、一般的には、導波管２００の幅ａを８０〜１００ｍｍ、高さｂを１５〜４０ｍｍ程度に選ぶことが多い。このとき、図３の上下の幅広面を、磁界が平行に渦巻く面という意味でＨ面１１８と呼び、左右の幅狭面を、電界に平行な面という意味でＥ面１１９と呼ぶ。ちなみに、マイクロ波が導波管内を伝送されるときの波長は、管内波長λｇとしてあらわされ、λｇ＝λ０／√（１−（λ０／（２×ａ））^２）で求められる。λｇは、導波管の幅ａの寸法によって変化するが、高さｂの寸法には無関係に決定される。ちなみに、ＴＥ１０モードでは、導波管２００の幅方向の両端（Ｅ面）１１９で電界が０、幅方向の中央で電界が最大となる。

図１および図２で示した本実施の形態１の導波管構造アンテナ１０５に関しても、同様の考えを適用することができる。上壁面１０９と加熱室底面１１１がＨ面である。側壁面１１０ａと１１０ｃがＥ面である。側壁面１１０ｂは、マイクロ波を先端開放部１１３側へ全て反射させるための反射端である。本実施の形態１の導波管構造アンテナ１０５は、具体的には導波管幅は８０ｍｍである。マイクロ波吸出し開口１１４は、直交する２本のスリットで構成され、その長さは４５ｍｍ、幅は１０ｍｍとしている。マイクロ波吸出し開口１１４は、上壁面１０９において側壁面１１０ａに寄せて配置している。これにより、マイクロ波吸出し開口１１４は上壁面１０９の幅方向の半分近くのスペースを占めるが、管軸２０１（導波管Ｈ面の幅方向の中央を一般に管軸と呼ぶ）にはまたがない（横切らない）ようにしている。ちなみに、Ｘ字状の開口を、導波管のＨ面の中央から片側に偏らせて配置することで、きれいな円偏波を放射することができる。Ｘ字状の開口をＨ面のどちら側に寄せるかで電界の回転方向が異なり、それによって、円偏波は右旋偏波あるいは左旋偏波となる。

以下、円偏波を放射するＸ字状の開口の特徴について説明する。図４はシミュレーション結果である。シミュレーションなので実際とは異なり、加熱室１２０の壁面をすべて放射境界（マイクロ波が反射しない境界条件）とし、Ｘ字状の開口１２１が１つだけの簡単な構成で、導波管１２２の終端部１２３も放射境界としている。図４Ａは上から見たモデル形状である。図４Ｂは解析結果であり、上から見た加熱室１２０内の電界強度のコンター図（contour map）である。

図４Ｂを見ると、円偏波らしく電界が渦を巻いており、開口１２１を中心としてマイクロ波の伝送方向１２４（紙面の左右方向）、導波管１２２の幅方向１２５（紙面の上下方向）とも均等な電界分布が発生すると思われる。この結果、開口１２１から円偏波のマイクロ波を放射することにより、加熱分布を均一化することができる。

ここで円偏波について説明する。円偏波は、移動通信および衛星通信の分野で広く用いられている技術である。身近な使用例としては、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）「ノンストップ自動料金収受システム」などが挙げられる。円偏波は、電界の偏波面が進行方向に対して時間に応じて回転するマイクロ波である。円偏波を形成すると、電界の方向が時間に応じて変化し続けて、電界強度の大きさは変化しないという特徴を有している。この円偏波をマイクロ波加熱装置に適用すれば、従来の直線偏波によるマイクロ波加熱と比較して、被加熱物を特に円偏波の周方向に対して均一に加熱することが期待される。なお、円偏波は、回転方向から右旋偏波（CW：clockwise）と左旋偏波（CCW：counter clockwise）の２種類に分類されるが、どちらの種類であっても良い。

円偏波としては導波管壁面の開口で構成するものや、パッチアンテナで構成するものがあるが、本実施の形態１のマイクロ波吸出し開口１１４は、導波管構造１０８の上壁面１０９（Ｈ面）に形成して円偏波を放射するものである。

円偏波はもともと通信の分野での利用が主なので、開放空間への放射を対象としていることから、反射波が戻ってこないいわゆる進行波で論じられるのが一般的である。一方、本実施の形態１の電子レンジ１０１において、加熱室１０２は、外部とは遮蔽された閉空間であるため、反射波が発生して進行波と合成されて定在波となる可能性がある。しかし、食品がマイクロ波を吸収するので反射波は小さくなるのに加えて、マイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波が放射される瞬間には定在波のバランスがくずれ、再び安定した定在波に戻るまでの間は進行波が発生していると考えられる。したがって、マイクロ波吸出し開口１１４を円偏波が放射できる形状とすることで、前述の円偏波の特長を利用することが可能となり、加熱室１０２内の加熱分布をより均一化することができる。

ここで、開放空間の通信分野と閉空間の加熱の分野では、いくつか異なる点があるので説明を加える。通信分野では、他のマイクロ波との混在を避けて必要な情報のみを送受信したいから、送信側は右旋偏波か左旋偏波のどちらかに限定して送信し、受信側もそれに合わせた最適な受信アンテナを選ぶことになる。一方、加熱の分野では、指向性を有する受信アンテナの代わりに、特に指向性のない食品などの被加熱物がマイクロ波を受けるので、マイクロ波が被加熱物全体に均等に当たる効果のみが重要となる。よって加熱の分野では右旋偏波でも左旋偏波でも問題は無く、開口を複数構成して右旋偏波と左旋偏波を混在させてもよい。

以下、図５〜図１５を用いて、本実施の形態１のマイクロ波吸出し開口１１４について、食品などの被加熱物が近くにある時ほど、導波管１０４内のマイクロ波を吸出す特性（吸出し効果）が優れていることを説明する。

まず、吸出し効果について説明する。食品がそばにあるとどれだけマイクロ波を放射するかについて、ＣＡＥを使って、従来の直線偏波と本実施の形態１の円偏波とを比較した。図５Ａ、図５Ｂはそれぞれ上から見た図である。図５Ａは従来の直線偏波、図５Ｂは円偏波を発生させる構成を示す。図５Ｃは正面から見た断面図である。図５Ａに示すように、直線偏波を発生する開口１２７は、管軸の両側にわたる直線状である。図５Ｂに示すように、円偏波を発生する開口１２８はＸ字状であり、導波管１２６の幅方向に２つ対称に配置されている。開口１２７、１２８のいずれも、導波管１２６の幅方向に対称な形状である。また、いずれの開口１２７、１２８もスリット幅１０ｍｍ、スリット長さＬｍｍとした。この構成において、食品が無い場合（食品無し）と、図５Ｃに示すように食品１２９がある場合（食品あり）とを解析した。なお、図５Ｃの食品ありでは、食品１２９の面積を２種類、食品１２９の材質を３種類、食品１２９の高さは３０ｍｍで一定、導波管１２６の開口面からの距離Ｄをパラメータとしている。

まず、食品無しの場合のマイクロ波の放射量を基準とするために、食品無し時の開口長さＬによる放射量の変化を図６Ａ、図６Ｂにグラフ化した。図６Ａは、図５Ａの従来の直線偏波の開口１２７による特性を表し、図６Ｂは、図５Ｂの円偏波の開口１２８による特性を表す。図６Ａ、図６Ｂにおいて、横軸が、開口長さＬであり、縦軸が、導波管１２６内を伝送する電力を１としたときの開口から放射される放射量である。

図６Ａより、開口長さＬとして４５．５ｍｍを選択し、図６Ｂより、開口長さＬとして４６．５ｍｍを選択した。開口長さＬの選択については、食品が無いときに同じ量（導波管内を伝送する電力の１／１０）を放射する開口長さＬ（グラフの縦軸が０．１となるＬ）を選んだ。

次に、選択した開口長さＬに固定して、食品ありの条件で解析を行って特性をまとめた結果を図７に示す。食品の種類として、冷凍牛肉、冷蔵牛肉、水の３種類とし、食品の面積は１００ｍｍ角と２００ｍｍ角の２種類で解析した。横軸は、食品から開口までの距離Ｄであり、縦軸は、無負荷時の放射量を１としたときの相対的な放射量である。つまり、食品無し時と比較して、食品が近傍にあることで何倍放射するか（食品がどれだけ吸出すか）を示すものである。グラフは、破線が直線偏波（Ｉ字状開口１２７）、実線が円偏波（２つのＸ字状開口１２８）である。開口１２７、１２８のいずれも、直線偏波より円偏波のほうが放射量が多く、特に距離Ｄが２０ｍｍ以下の実用的な距離では、２倍程度の差があるとわかった。よって、食品の種類や食品の面積に関わらず、円偏波のほうが直線偏波よりも吸出し効果が高いと言える。

詳細に見ていくと、まず食品の種類については、特に距離Ｄが１０ｍｍ以下では、誘電率や誘電損失が小さい冷凍牛肉の方が吸出し効果が大きく、誘電率や誘電損失が大きい水の方が吸出し効果は小さくなっている。また、冷蔵牛肉や水の場合、距離Ｄが大きい時に、特に直線偏波では放射量が１以下にまで落ち込んでいる。これは、食品で反射されたマイクロ波が戻ってきて相殺されることが原因と考える。

次に、食品の面積については、１００ｍｍ角と２００ｍｍ角でマイクロ波の放射量がほとんど変わらないため、吸出し効果への影響は少ないと考えられる。

以上のように、Ｘ字状の円偏波開口１２８の方がＩ字状の直線偏波開口１２７よりも吸出し効果が高いとわかった。その理由について以下に考察する。

吸出し効果が起こる原理について考察する。おそらく、誘電体による波長圧縮効果が関係していると推測される。一般的に、誘電率εが高い環境では、マイクロ波の波長は1/√εに圧縮される波長圧縮という現象が知られている。誘電率変化による波長圧縮は、置き換えると、同じ誘電率の環境下で開口の大きさが√ε倍に拡大したことと同意である。図８のイメージ図を用いて説明する。開口については、開口無し、小開口、大開口の３つに分けて、媒質が空気の場合と誘電体の場合に分けて考える。

系全体が空気中にある場合は、誘電率が１、波長がλ≒１２０ｍｍとする。この場合、開口無しではマイクロ波は放射されず、小開口でもマイクロ波は放射されないが、大開口のみマイクロ波が放射される。一般に、開口長さがλ／２（≒６０ｍｍ）を超えるとマイクロ波が放射されやすいと言われている。よって、例えば小開口の長さをλ／４（≒３０ｍｍ）、大開口の長さをλ／２（≒６０ｍｍ）とすることにより、小開口ではマイクロ波を放射させず、大開口ではマイクロ波を放射させる、ということが実現可能と考えられる。

一方、系全体が誘電率εの誘電体中にある場合は、誘電率がεの波長圧縮効果により、波長がλ/√εにまで圧縮され、あたかも開口が√ε倍に拡大したようにふるまう。よって、小開口の長さが√ε倍されたときにλ／２≒６０を超えるような寸法であれば、開口からマイクロ波を放射可能となる。例えば、電子レンジは食品に含まれる水を加熱することが知られているので、誘電体を水とした場合、水の誘電率ε＝８０であり、√ε≒９と考えると、小開口は前述の３０ｍｍから３０×９≒２７０ｍｍに拡大されたようにふるまう。これにより、小開口から充分にマイクロ波を放射することができる。

ここで、径全体の誘電率によらず、開口無しではマイクロ波は常に放射されないし、大開口ではマイクロ波は常に放射される。誘電率の変化によって、マイクロ波の放射の有無が変わるのは小開口だけである。

このことから発展させた吸出し効果の考え方について、図９を使って説明する。これは、系全体を誘電体にしなくても、誘電体としての食品が近づくだけでも、一種の波長圧縮効果が生じ、開口からマイクロ波を吸出すことができるという考え方である。そもそも、マイクロ波を放射していない小開口の周辺にも少なからず電磁界がチャージされており、誘電体が近づくことでチャージされた電磁界が乱されると、一気にマイクロ波を放射すると考える。これにより、図９に示すように、食品無しではマイクロ波を放射していない小開口において、食品ありでは小開口近傍にチャージされた電磁界が乱されるとともに、食品自体の誘電率により波長が圧縮してマイクロ波が吸出されると考えられる。吸い出されたマイクロ波により、食品がダイレクトに加熱される。

次に、Ｘ字状の円偏波開口１２８の方がＩ字状の直線偏波開口１２７よりも吸出し効果が高い理由について考察する。図１０は、食品無しの解析結果から求めたもので、円偏波と直線偏波について、開口長さと放射量の関係を表した特性図である。両者は、開口長さが長くなると放射量が増えるという点では一致している。しかし、直線偏波は立ち上がりが早く、徐々に傾きが小さくなるのに対し、円偏波は立ち上がりが遅く、傾きが大きい。つまり、円偏波の方が開口長さに対する放射量の変化率が大きい（感度が高い）。よって、同じ食品が近づいたとしても、吸出し効果に違いが生じ、円偏波の方が大量に吸出すことができる。

ちなみに、円偏波開口について、Ｘ字状以外の形状についても確認した。

円偏波を発生する開口形状はＸ字状だけではない。図４と同様の解析を用いて、開口形状をいろいろと変え、円偏波を放射できる開口の条件について明確化した。その結果を図１１に示す。開口形状は、Ｉ字状、Ｘ字状に加えて、四角（正方形）、円状の合計４種類である。開口配置は、導波管の幅方向の中央と端寄りの２種類とした。開口配置が導波管の幅方向の中央の場合は、どの開口も渦を巻くような電界は発生せず、円偏波にならない。一方、開口配置が導波管の幅方向の端寄りの場合は、Ｉ字状を除いて、渦を巻くような電界が発生して円偏波になった。Ｉ字状は一方向にのみ長い形状のため、直交する長孔を含まないので、配置位置によらず直線偏波しか放射できないと考える。以上をまとめると、円偏波を発生する条件は、開口配置は、導波管の幅方向の中央からずらして配置すること、開口形状は、直交する長孔を含む形状であること、とわかった。

次に、円偏波を発生できる３種類の開口形状（Ｘ字状、四角、円状）で、吸出し効果の違いについて説明する。図１２は、食品無しの解析結果から求めたもので、円偏波を発生できる開口として、Ｘ字状、円状、四角（正方形）について、開口長さと放射量の関係を表した特性図である。全ての開口形状において、開口長さが長くなるとマイクロ波の放射量が増えるという点では一致している。しかし、傾きが大きく異なる。傾きが大きい順にＸ字状、円状、四角（正方形）となり、つまり、この順に開口長さに対する放射量の変化率が大きい（感度が高い）。おそらく、四角や円はＸ形状を内包するものの、余分な開口も含むので、いろいろなマイクロ波が放射されて打ち消しあい、全体としての放射量が低下すると考える。一方、Ｘ字状の開口は、一組の直交成分のみから成るので、無駄な放射も無く、最も効率的に円偏波を発生させると考えられる。以上により、円偏波のマイクロ波を最も効率よく放射することができるのは、Ｘ字状の開口であり、この時に最も吸出し効果が高いと考えられる。

考察の最後に、スリットの数と電磁界のチャージ量と吸出し効果の関係について述べる。図１３には、３種類の開口（Ｉ字状、Ｘ字状、円状）と、開口の上方にチャージ量のイメージを記載した。開口形状は、１つのスリットで構成され、直線偏波を放射するＩ字状の開口１２７と、直交する２つのスリットで構成され、円偏波を放射するＸ字状の開口１２８と、直交する多くのスリットを内包して、円偏波を放射する円状の開口１２９がある。Ｉ字状の開口１２７はチャージが少なく、Ｘ字状の開口１２８はチャージが最大、円状の開口１２９は少なからず放射があって打ち消しあっておりチャージ量自体は少ない。つまり、開口形状によりチャージの量が異なると考えられる。そして、開口の近傍に食品が近づくと、あたかも周囲の誘電率が増えたように作用して、波長圧縮が起こる。これにより、開口長さが伸びたように作用し、開口長さに対する感度が高いＸ字状の開口１２８は、一気に放射量が増え、導波管１２６内からの吸出し効果が極めて高くなると考える。図６に戻ると、スリット１つからなる直線偏波（Ｉ字状）１個と、スリット２つからなる円偏波（Ｘ字状）２個において、無負荷時の放射量を同じにできる長さにあまり差がなかった（４５．５ｍｍと４６．５ｍｍでわずか１ｍｍ差）。よって、Ｘ字状の方が開口面積としては約４倍もあるのに、放射量が同じである。こういった点からも、Ｘ字状の開口１２８は、放射できないチャージ量が多いのではないかとも推定できる。

図１４は、以上の話をベースに、スリットの数に対するチャージ量あるいは吸出し効果をグラフとしてイメージ化したものである。スリットの数が１つのときは吸出し効果は小さいが、スリットの数が２つになると吸出し効果は倍増し、これを最大値として、以降はスリットを増やすごとに吸出し効果は減少していく

図１５は、本実施の形態１における吸出し効果の実用例を示す。図１５Ａ、図１５Ｂとも食品１３０、１３１を図中左側に配置した場合であるが、結合軸１０７からの距離が異なる。図１５Ａの食品１３０は結合軸１０７に近く、図１５Ｂの食品１３１は結合軸１０７から遠い位置に配置されている。いずれの場合も、導波管構造アンテナ１０５において、左側に先端開放部１１３が向くように、制御部１１７により回転駆動部１１５が制御される。ただし、図１５Ａでは、食品１３０がマイクロ波吸出し開口１１４に近いので吸出し効果が生じる。すなわち、結合軸１０７から先端開放部１１３へ向かうマイクロ波１３２のうちの大部分が、食品１３０に向かうマイクロ波１３３として吸出され、直接波で局所的に食品１３０を加熱する。一方、図１５Ｂでは、食品１３１がマイクロ波吸出し開口１１４から遠いので吸出し効果は起きない。すなわち、結合軸１０７から先端開放部１１３へ向かうマイクロ波１３２のうちの大部分が、先端開放部１１３から食品１３１に向かうマイクロ波１３４として放射され、直接波で局所的に食品１３１を加熱する。このように、マイクロ波吸出し開口１１４は、マイクロ波吸出し開口１１４の近くに食品を置いた時のみマイクロ波の放射量が多くなり、遠くに置いた時にはマイクロ波の放射量が少なくなるという制御性を有することができる。

以上、吸出し効果について説明したが、これは、導波管内を伝送するマイクロ波の一部を開口によって吸出すという吸出し効果について述べたものであり、導波管の壁面に設けた円偏波開口の特にＸ字状の開口において吸出し効果が高いことを示した。しかし、導波管構造を持たずに平板に直接給電するいわゆるパッチアンテナで円偏波を放射する場合は、吸出し効果は期待できない。パッチアンテナに食品を近づけても、主に整合が変化する程度であり、そもそもパッチアンテナからマイクロ波を吸い出すことがないからである。

以下に、本実施の形態１における作用、効果を説明する。

図１、２に示すように、本実施の形態１の電子レンジ１０１は、食品（被加熱物）を収納する加熱室１０２と、マイクロ波を発生させるマグネトロン（マイクロ波発生部）１０３と、マグネトロン１０３が発生させたマイクロ波を伝送する導波管（伝送部）１０４と、導波管１０４から伝送されるマイクロ波を加熱室１０２に放射する導波管構造アンテナ１０５と、導波管構造アンテナ１０５を回転させるように駆動する回転駆動部１１５とを備える。また、導波管構造アンテナ１０５の導波管構造１０８を形成する壁面にマイクロ波吸出し開口１１４が形成されている。ここで、マイクロ波吸出し開口１１４は、食品が近くにある時ほど、導波管構造１０８内のマイクロ波を吸出す特性（吸出し効果）を有している。よって、マイクロ波吸出し開口１１４の近くに食品１３０を置いた時には、マイクロ波の放射量を多くして局所加熱を行い、マイクロ波吸出し開口１１４の遠くに食品１３１を置いた時には、マイクロ波吸出し開口１１４からはマイクロ波の放射量が少なくなるという制御性を持たせることができる。このため、導波管構造アンテナ１０５の局所加熱性能に関して、マイクロ波吸出し開口１１４と食品の位置関係により、導波管構造アンテナ１０５の半径方向にも制御性を持たせ、食品の置き位置に応じて局所加熱することができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１は、導波管１０４（伝送部）から伝送されるマイクロ波を導波管構造アンテナ１０５に結合する結合軸１０７をさらに備え、導波管構造アンテナ１０５の先端には、結合軸１０７により結合されたマイクロ波を放射するように開放された先端開放部１１３が形成されている。これにより、導波管構造アンテナ１０５において、先端開放部１１３とマイクロ波吸出し開口１１４の両方からマイクロ波を放射することができるため、より柔軟なマイクロ波の放射を行うことができる。より具体的には、第１に、食品をマイクロ波吸出し開口１１４から中央の結合軸１０７寄りに置いた時は、食品が先端開放部１１３よりもマイクロ波吸出し開口１１４の近くに位置することになる。この場合、マイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波が放射され、マイクロ波吸出し開口１１４からの直接波で食品を局所的に加熱することができる。第２に、食品を先端開放部１１３から端寄りに置いた時は、マイクロ波吸出し開口１１４の遠くに位置することになる。この場合、マイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波は出にくくなり、その代わりに、食品の近くに位置する先端開放部１１３からの直接波で食品を局所的に加熱することができる。第３に、食品をマイクロ波吸出し開口１１４と先端開放部１１３の間に置いた時は、マイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波を出しつくさずに先端開放部１１３からもある程度出せるように配分して、両方から局所的に加熱することも期待できる。このときは、食品の中央寄りと端寄りの両方から加熱するので、加熱分布が均一になる効果もある。以上により、導波管構造アンテナ１０５の局所加熱性能に関して、マイクロ波吸出し開口１１４と先端開放部１１３に対する食品の置き位置により、導波管構造アンテナ１０５の半径方向にも制御性を持たせ、食品の置き位置に応じて局所加熱することができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１によれば、マイクロ波吸出し開口１１４は、近傍の誘電率の変化に応じてマイクロ波の吸出しを行う。これにより、被加熱物の配置の有無などによって誘電率を変化させ、マイクロ波の吸出しを行うことができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１によれば、マイクロ波吸出し開口１１４の最大長さは、マグネトロン１０３（マイクロ波発生部）が発生させるマイクロ波の波長の１／４以上１／２以下である。このようにマイクロ波吸出し開口１１４の大きさを設定することにより、加熱室１０２に被加熱物が配置されないときにはマイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波を放射させず、加熱室１０２に被加熱物が配置されるときにはマイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波を放射させるようにすることができる。よって、より効率的なマイクロ波の放射を行うことができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１によれば、マイクロ波吸出し開口１１４は、壁面の幅方向中央からオフセットして配置され、円偏波を放射する形状を有する。これにより、壁面の中央に配置して直線偏波を放射する一般的な開口に比べて、食品が近くにない時はマイクロ波吸出し開口１１４からマイクロ波を出しにくくすることができ、食品が近くにある時ほど導波管構造１０８内のマイクロ波を吸出す特性（吸出し効果）を高めることができる。これにより、マイクロ波の放射の制御性を高めることができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１は、マイクロ波吸出し開口１１４は、二つのスリットが交差する形状を有する。これにより、マイクロ波をより確実に円偏波として放射することができるため、より均一なマイクロ波の放射を行うことができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１は、マイクロ波吸出し開口１１４は、壁面の幅方向中央に対して片側にのみ設けられている。これにより、マイクロ波吸出し開口１１４から放射されるマイクロ波の干渉を抑制し、より効率的にマイクロ波を放射することができる。

また、本実施の形態１の電子レンジ１０１は、加熱室１０２内における被加熱物（食品）の状態を検出する状態検出部（赤外線センサ１１６など）をさらに備え、状態検出部が検出した被加熱物の状態をもとに、回転駆動部１１５は導波管構造アンテナ１０５の回転位置を制御してもよい。あるいは、回転駆動部１１５は、ユーザによって選択可能な予め定められたプログラムに基づき、導波管構造アンテナ１０５の回転位置を制御してもよい。

なお、マイクロ波吸出し開口１１４のサイズについては、マイクロ波吸出し開口１１４と食品の鉛直方向の距離によって最適化してもよい。例えば、マイクロ波吸出し開口１１４と載置台１０６の上面までの鉛直方向の距離を７〜１０ｍｍとした場合、スリットの長さはλ/4（≒３０ｍｍ）以上かつλ/2（≒６０ｍｍ）以下とすれば、より効率的なマイクロ波の放射を行うことができる。

（実施の形態２）
図１６は、本発明の実施の形態２におけるマイクロ波加熱装置における導波管構造アンテナを上から見た構成である。前述の実施の形態１と同等の構成や機能については説明を省略し、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

導波管構造アンテナ１４１は、結合軸１４２により導波管内から引き出したマイクロ波を、結合軸１４２を囲むように構成された箱型の導波管構造１４３の向きにより加熱室内への放射方向を制御可能としている。導波管構造１４３を構成する壁面は、上壁面１４４と、側壁面１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ、１４５ｄと、フランジ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄとを備える。上壁面１４４は、結合軸１４２と接続されている。側壁面１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ、１４５ｄは、上壁面１４４の周囲四方を閉止する。フランジ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、側壁面１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ、１４５ｄの外側において、加熱室底面とわずかな隙間を介して並行に形成されている。本実施の形態２の導波管構造アンテナ１４１は、開放された先端開放部を有していない。また、上壁面１４４は、結合軸１４２を通る管軸から見て両側に、マイクロ波吸出し開口１４８、１４９を有している。

このように、本実施の形態２のマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波吸出し開口１４８、１４９は、壁面の幅方向中央に対して両側に設けられている。これにより、壁面の幅方向中央に対して両側からマイクロ波を吸い出すことができるため、面積の大きな被加熱物にも対応することができる。

（他の実施の形態）
図１７〜図３４は、本発明の他の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の説明図である。

図１７は、マイクロ波吸出し開口１５１ａ、１５１ｂを導波管の幅方向に２個配置したもので、幅方向に制御性を持たせたり、幅方向に面積の大きな食品に対して広範囲に放射して局所加熱できる効果がある。すなわち、マイクロ波吸出し開口１５１ａ、１５１ｂが、壁面の幅方向中央に対して両側に設けられることにより、壁面の幅方向中央に対して両側からマイクロ波を吸い出すことができるため、面積の大きな被加熱物にも対応することができる。

図１８は、マイクロ波吸出し開口１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄと４個配置したものである。結合軸１５３と先端開放部１５４の間に、結合軸１５３から近い側から１列目のマイクロ波吸出し開口１５２ａ、１５２ｂと、２列目のマイクロ波吸出し開口１５２ｃ、１５２ｄがある。このようにマイクロ波吸出し開口を２列配置することで、１列のみ配置した場合よりも、より制御性が高まる効果がある。すなわち、マイクロ波吸出し開口１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄとは、導波管構造アンテナの延在方向沿いに複数設けられることで、より所望の局所加熱を行うことができる。なお、加熱室の大きさにもよるが、マイクロ波吸出し開口は、サイズは小さくかつ数が多いほど、制御性が高まると考えられる。

図１９は、マイクロ波吸出し開口１５５ａ、１５５ｂを結合軸１５３の横に配置したものである。通常、食品が置かれるのは加熱室の中央であり、結合軸１５３も加熱室の中央に配置することが多い。この場合、加熱室の中央に置かれた食品は結合軸１５３の横に隣接するマイクロ波吸出し開口１５５ａ、１５５ｂ上に配置される可能性が高いため、マイクロ波の吸出し効果を発揮させやすい。すなわち、マイクロ波吸出し開口１５５ａ、１５５ｂは、導波管構造アンテナが延在する方向において、先端開放部よりも結合軸１５３により近い位置に配置されることで、マイクロ波の吸出しを結合軸１５３周辺にて重点的に行うことができるため、食品をより効率的に加熱することができる。また、食品の底面中央を直接波で強く加熱することができるので、概して、加熱効率が高くなる。特に、マイクロ波が、結合軸１５３から近いマイクロ波吸出し開口１５５ａ、１５５ｂを介して、極めて短距離で放射されるので、上壁面１５６のうち、結合軸１５３とマイクロ波吸出し開口１５５ａ、１５５ｂの間の導体部分を流れる電流の経路も短くなって、導電損が少なくなり、ますます加熱効率を向上させることができる。

図２０は、マイクロ波吸出し開口１５７ａ、１５７ｂを上壁面１５６に千鳥に配置したものである。前述の図１７や図１８のように、マイクロ波吸出し開口を上壁面の幅方向に複数配置するときと比べると、互いの干渉が少ないという効果がある。具体的には、上壁面１５６の幅よりも大きな食品が置かれた時、幅方向にマイクロ波吸出し開口１５７ａ、１５７ｂが２つある場合は、結合軸１５３から先端開放部１５４に向かって伝送されるマイクロ波が２つのマイクロ波吸出し開口１５７ａ、１５７ｂに分散される。また、２つのマイクロ波吸出し開口１５７ａ、１５７ｂから放射されたマイクロ波同士が、食品に当たる前に干渉する可能性もある。一方、本実施の形態のような千鳥配置の場合は、開口が幅方向に隣接している場合や伝送方向に隣接している場合よりも、開口間の距離を離すことができて、互いの干渉を少なくすることができる。これにより、所望の局所加熱を行うことができる。

図２１は、マイクロ波吸出し開口１５８が上壁面１５６の幅方向の中央（管軸１５９）にかかる構成としたものである。これにより、マイクロ波吸出し開口の開口長さを長くできるので吸い出されるマイクロ波の量を増やすことができる。吸い出されて開口から放射されるマイクロ波が円偏波を維持するためには、図１１のようにマイクロ波吸出し開口の中心を管軸１５９に完全に一致させると直線偏波になってしまうので、少しだけでもずらす（オフセットさせる）必要がある。

図２２に、マイクロ波吸出し開口の様々な形状の変形例を示す。図２２Ａ、図２２Ｂは、マイクロ波吸出し開口の様々な形状のうち、図１２―図１４で示したように吸出し効果が高い例、即ち、直交するスリットを含むがその本数が少ない例を示したものである。図２２ＡのＸ字状に加え、図２２ＢのＴ字状、図２２ＣのＬ字状、図２２（ｄ）のような３本のもの、図２２（ｅ）、図２２（ｆ）のように一部離れた形状がある。以上の構成のように、直交するスリットを含むがその本数を少なくすることで、特にマイクロ波の吸出し効果を高めることができる。

図２３は、マイクロ波吸出し開口１６０ａ、１６０ｂのスリットが直交していない例である。具体的には、マイクロ波吸出し開口１６０ａ、１６０ｂの形状は、上壁面１５６の幅方向に短く、伝送方向に長い。図３で説明したように、導波管構造アンテナが導波管として機能するためには、上壁面１５６の幅ａは、λ０＞ａ＞λ０／２の範囲に選ぶ必要がある。よって、導波管構造アンテナにおける管軸から幅方向の端部までの距離はａ／２になるから、スリットが直交した形状で管軸をまたがない開口長さＬには上限がある。具体的には、開口長さＬmax≒√２・ａ／２＝ａ／√２となる。ａ＝８０のとき、Ｌmax≒５６となる。また、これは開口幅を考慮せずに計算した場合であり、実際には開口幅が広くなると、開口長さをさらに小さくしなければならない。実施の形態１では、開口幅１０ｍｍで、開口長さＬ＝４５ｍｍとしていた。このように、これまでは主にスリットが直交する例（交差角度９０°）を説明してきたが、実際にはスリットを直交させずに、狭い方の交差角度を６０度、広い方の交差角度を１２０度にしても、マイクロ波の吸出し効果はあり、ある程度、円偏波が生じていることがわかってきた。よって、本実施の形態のように、開口形状を上壁面の幅方向に短くて伝送方向に長い形状とすることで、管軸１５９をまたがないで開口長さを長くすることができる。これにより、開口の吸い出し効果が及ぶ範囲を広くするとか、開口から吸い出されるマイクロ波の放射量を増やすなど、調整することができる。

図２４は、マイクロ波吸出し開口１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄ、１６１ｅ、１６１ｆのスリットが直交していない例で、開口形状は上壁面１５６の幅方向に長くて伝送方向に短い例である。この構成により、結合軸１５３から先端開放部１５４までの半径方向に配置する開口を多くすることができる。よって、導波管構造アンテナの局所加熱性能に関して、被加熱物の置き位置による半径方向の制御性をより一層高めることができ、被加熱物の置き位置に応じて局所加熱することができる。

図２５は、他の開口１６４を有する例である。他の開口１６４は、上壁面１５６の幅方向全体にわたる大きなマイクロ波放射開口であり、マイクロ波吸出し開口１６２ａ、１６２ｂで吸い出せなかったマイクロ波の残りを効果的に放射することができる。この、マイクロ波放射開口１６４の大きさの選び方によっても、マイクロ波をマイクロ波放射開口１６４から放射するか、先端開放部１５４から放射するかの配分を調整することができる。すなわち、導波管構造アンテナの導波管構造を形成する壁面において、結合軸１５３からマイクロ波吸出し開口１６２ａ、１６２ｂよりも遠い位置にマイクロ波放射開口１６４が形成されている。これにより、マイクロ波吸出し開口１６２ａ、１６２ｂからはマイクロ波を吸出し、マイクロ波放射開口１６４からはマイクロ波を放射することで、より柔軟なマイクロ波の放射を行うことができる。

図２６は、先端開放部１６５を上方視で直線状にしている。これまでは、先端開放部の形状を円弧にしていたが、それに限定するものではなく、本実施の形態のような形状でも良い。マイクロ波吸出し開口１６２ａ、１６２ｂで吸い出せなかったマイクロ波の残りをどの位置から放射させるかを考慮して、直線状以外にも、適宜、先端開放部１６５の位置を選ぶことができる。

図２７は、先端開放部１６６の両端に、先端開放部１６６に向かって突出する突出部１６７を設けている。これまでは、先端開放部が上壁面１５６の幅方向の両端まで延在していたが、それに限定するものではなく、本実施の形態のような形状でも良い。これまでの先端開放部は幅方向に広かったので、マイクロ波が全体から均等に出るとは限らず、食品の材質や形状や置き位置によっては、先端開放部の特定の位置から強く出る、および、その特定の位置が食品によって変化する可能性があった。これに対して、本実施の形態のように突出部１６７を設けることにより、常に、突出部１６７以外の先端開放部１６６からのみマイクロ波を出すように制限することができる。よって、マイクロ波吸出し開口１６２ａ，１６２ｂで吸い出せなかったマイクロ波の残りをどの位置から放射させるかを考慮して、突出部１６７の有無を選ぶことができる。

図２８は、先端開放部１６８を、側壁１６９ａ、１６９ｂやフランジ１７０の先端から結合軸１５３に近づく方向に凹ませている。この構成により、側壁１６９やフランジ１７０がガイドの役割を果たし、先端開放部１６８から放射されるマイクロ波が導波管の幅方向（紙面の上下方向）に広がるのを抑えることができる。

なお、本実施の形態では、先端開放部１６８を直線形状かつ側壁１６９ａ，１６９ｂに非常に近い形状としたが、これに限定されるものではない。例えば、先端開放部１６８は直線状ではなく、湾曲している、あるいは段差があっても良い。また、先端開放部１６８の幅や場所も適宜、変更可能である。

図２９は、導波管構造１７１を結合軸１５３の両側に延ばして、２つの先端開放部１７２ａ、１７２ｂを形成している。導波管構造１７１が結合軸１５３の両側に延びているため、マイクロ波吸出し開口も両側に配置している。具体的には、結合軸１５３の左側にマイクロ波吸出し開口１７３ａ、１７３ｂ、１７３ｃ、１７３ｄが配置され、結合軸１５３の右側にマイクロ波吸出し開口１７４ａ、１７４ｂ、１７４ｃ、１７４ｄが配置されている。また、側壁およびフランジとしては、側壁１７５ａ、１７５ｂおよびフランジ１７６ａ、１７６ｂが設けられている（それぞれ２つずつ）。

図３０は、導波管構造１７７をＴ分岐（Ｔ字型）導波管のように、結合軸１５３から３方向に延ばしている。導波管構造１７７が結合軸１５３から３方向に延びているため、先端開放部およびマイクロ波吸出し開口も３方向に設けられる。具体的には、結合軸１５３の左側には、先端開放部１７８ａとマイクロ波吸出し開口１７９ａ、１７９ｂ、１７９ｃ、１７９ｄが設けられる。結合軸１５３の右側には、先端開放部１７８ｂとマイクロ波吸出し開口１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄが設けられる。結合軸１５３の奥側（図３０の紙面の上側）には、先端開放部１７８ｃとマイクロ波吸出し開口１８１ａ、１８１ｂ、１８１ｃ、１８１ｄである。

なお、本実施の形態では導波管構造１７７をＴ分岐としたが、結合軸１５３を中心とした回転対称とするために、導波管構造１７７の分岐のそれぞれを１２０°間隔で配置してもよい。この場合、結合軸１５３から３方向に均等にマイクロ波を伝送させることができる。なお、導波管構造１７７を十字状にして４方向に分岐させてもよく、あるいはもっと多く分岐させてもよい。分岐を増やすことで、開口数も増やすことができる。

図３１は、導波管構造１８２が結合部１５３から先端開放部１８３に向けて徐々に広くなる構成を示す。導波管としては、幅ａをλ０＞ａ＞λ０／２に選ぶ必要があると述べたが、先端開放部１８３から自由空間に放射する構成なので、先端開放部１８３近傍ではａがλ０より大きくなってもよい。結合軸１５３の近傍における導波管の幅１８４がλ０より小さければ良いと考えられる。

図３２は、これまでの例とは異なり、結合軸１５３から見て先端開放部１８３とは逆方向にある側壁面１８５が直線状ではなく、湾曲している。

図３３は、これまでの例とは異なり、側壁面１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃの外側にフランジを有さない。図３３Ａは導波管を上から見た図であり、図３３Ｂは正面側から見た断面図である。図３３Ｂを見ると明らかなように、フランジを有さなくても、各側壁面１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃと加熱室底面１８７との隙間１８８は、上壁面１９０と加熱室底面１８７との隙間１８９よりも遥かに狭い。この隙間が狭いほどインピーダンスが低くなり、マイクロ波が通過しにくくなる。よって、フランジ１８８がなくても、マイクロ波の大部分を先端開放部１８３側に伝送することができる。以上により、本実施の形態においては、フランジを無くすことで導波管の外形を小さくすることができ、外形を小さくできる分、導波管構造を拡大して開口を大きくするとか、開口数を増やすなどの調整が可能となる。また、導波管の外形が小さくなると、回転駆動時のトルクを低減することも可能であり、アンテナ自体や回転駆動部のコストダウンにつながる可能性がある。しかし、フランジが無いと、各側壁面１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃの先端が加熱室底面１８７に対向するので、強電界が立ってスパークを起こしやすくなる。よって、リスクを回避するために、各側壁面１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃと加熱室底面１８７の間に薄い（隙間１８８以下の厚みの）絶縁用の樹脂スペーサを介在させてもよい。

なお、本明細書では、マイクロ波吸出し開口は、主として２つの長孔が交差する略Ｘ字状であり、円偏波のマイクロ波を吸い出す場合について説明したが、このような場合に限らない。マイクロ波吸出し開口の形状は、略Ｘ字状以外であってもよい。また、円偏波以外のマイクロ波を吸い出すような形状であってもよい。また、長孔（あるいはスリット）は、長方形に限定されない。開口のコーナー部を湾曲させるとか、楕円状にするなどの場合であっても、円偏波を発生することが可能である。基本的な円偏波開口の考え方としては、１方向に長くその方向に直行する方向には短い、概ね長細い形状のものを２つ組み合わせればよいと推察される。

また、本明細書では、マイクロ波吸出し開口が導波管構造を形成する壁面のうち、上壁面（すなわち、加熱室壁面から遠い側の壁面、被加熱物側の壁面、加熱室壁面に対向する壁面）に形成される場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、マイクロ波吸出し開口は、導波管構造を形成する壁面のうち上壁面以外の壁面に形成されてもよい。

以上のように、本発明のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波を被加熱物に照射する導波管構造アンテナの局所加熱性能を向上させることができるので、食品の加熱加工や殺菌などを行うマイクロ波加熱装置などに有効に利用することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２０１３年４月１９日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１３−０８８０９１号および２０１３年６月２０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１３−１２９１５４号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

Claims (10)

1. 被加熱物を収納する加熱室と、
   マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
   マイクロ波発生部が発生させたマイクロ波を伝送する伝送部と、
   伝送部から伝送されるマイクロ波を加熱室に放射する導波管構造アンテナと、
   伝送部から伝送されるマイクロ波を導波管構造アンテナに結合する結合軸と、
   導波管構造アンテナの先端に形成され、結合軸により結合されたマイクロ波を放射する
   ように開放された先端開放部と、
   導波管構造アンテナを回転させるように駆動する回転駆動部とを備え、
   導波管構造アンテナの導波管構造を形成する上壁面にマイクロ波吸出し開口としての円偏波開口が形成され、
   上壁面の周囲に側壁面を設けて先端開放部以外の周囲が閉止され、
   マイクロ波吸出し開口としての円偏波開口は、壁面の幅方向中央からオフセットして配置され、
   マイクロ波吸出し開口としての円偏波開口の最大長さは、マイクロ波発生部が発生させるマイクロ波の波長の１／４以上１／２以下である、マイクロ波加熱装置であって、
   マイクロ波吸出し開口としての円偏波開口、および先端開放部は、近傍の誘電率の変化に応じて、それぞれからのマイクロ波の放射量を変化させるマイクロ波加熱装置。
2. マイクロ波吸出し開口は、２つのスリットが交差する形状を有する、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. マイクロ波吸出し開口は、導波管構造アンテナの延在方向沿いに複数設けられている、請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 加熱室内における被加熱物の状態を検出する状態検出部をさらに備え、
   状態検出部が検出した被加熱物の状態をもとに、回転駆動部は導波管構造アンテナの回転位置を制御する、請求項１から３のいずれか１つに記載のマイクロ波加熱装置。
5. 回転駆動部は、ユーザによって選択可能な予め定められたプログラムに基づき、導波管構造アンテナの回転位置を制御する、請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロ波加熱装置。
6. マイクロ波吸出し開口は、壁面の幅方向中央に対して片側にのみ設けられている、請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロ波加熱装置。
7. マイクロ波吸出し開口は、壁面の幅方向中央に対して両側に設けられている、請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロ波加熱装置。
8. マイクロ波吸出し開口は、導波管構造アンテナが延在する方向において、先端開放部よりも結合軸に近い位置に配置される、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
9. 導波管構造アンテナの導波管構造を形成する壁面において、結合軸からマイクロ波吸出し開口よりも遠い位置にマイクロ波放射開口が形成されている、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
10. 導波管構造アンテナにおける先端開放部およびマイクロ波吸出し開口は、結合軸を中心として一方側と他方側の両方に配置される、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。

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