JP6911410B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に関するものである。
マイクロ波加熱装置は、加熱対象となる被加熱物を加熱室内に載置し、マイクロ波発生源において発生させたマイクロ波を被加熱物に照射して、吸収させることにより、被加熱物を加熱する装置である（例えば、特許文献１）。このようなマイクロ波加熱装置においては、加熱室内に放射されたマイクロ波は、加熱室の壁面等において反射を繰り返し、被加熱物に照射される。
一般的には、マイクロ波加熱装置には、マイクロ波発生源として真空管の一種であるマグネトロンが用いられているが、マグネトロンの代わりに半導体素子を用いることにより、マイクロ波加熱装置を小型軽量化することができ、出力制御性を向上させることができる。このような半導体素子としては、例えば、高周波領域においても高耐圧で大電流を流すことが可能な窒化ガリウム等を用いた半導体素子が挙げられる。
特開２００９−１６１４９号公報 特開２０１６−１１０７５０号公報 特開昭５９−４４７９４号公報 特開２０１０−９２７９４号公報
マイクロ波加熱装置においては、通常、被加熱物を均一に加熱することを目的としているが、被加熱物の一部だけを加熱したい場合がある。例えば、食品であるサラダ、ご飯、肉等が入った弁当を暖める場合、ご飯と肉は暖めたいが、サラダは暖めたくない場合等がある。この場合、マイクロ波加熱装置において弁当全体を均一に加熱すると、暖めたくないサラダまで温まってしまう。
よって、マイクロ波を照射し被加熱物を加熱する際、被加熱物の一部を部分的に加熱することのできるマイクロ波加熱装置が求められている。
本実施の形態の一観点によれば、平面アンテナより放射されたマイクロ波を被加熱物に照射することにより、前記被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、前記平面アンテナの放射電極は、一辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの正方形の形状で形成されていることを特徴とする。
開示のマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波を照射し被加熱物を加熱する際、被加熱物の一部を部分的に加熱することができる。
パッチアンテナの説明図（１） パッチアンテナの説明図（２） 実験に用いたマイクロ波加熱装置の構造図 実験により得られた周波数と反射損失Ｓ１１との関係を示す反射特性図 本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の構造図 本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の説明図（１） 本実施の形態におけるパッチアンテナの説明図 本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置により加熱される被加熱物の説明図 本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の説明図（２） マイクロ波加熱装置に用いられる半導体装置の構造図 本実施の形態におけるパッチアンテナの変形例の説明図 本実施の形態におけるパッチアンテナの配置の変形例の説明図
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
（平面アンテナ）
本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、パッチアンテナと呼ばれる平面アンテナを用いたものである。最初に、このパッチアンテナについて説明する。
マイクロ波加熱装置においては、通常、周波数が２．４５ＧＨｚの電磁波であるマイクロ波が用いられる。例えば、この周波数のマイクロ波をパッチアンテナを用いて自由放射する場合、一般的には、一辺がλ／２となる正方形の放射電極を有するパッチアンテナが、効率の観点から好ましいとされている。
図１に示されるように、パッチアンテナ１０は、放射電極２０と、接地電極３０とを有しており、放射電極２０には給電部２１が設けられている。放射電極２０と接地電極３０との間は空間であってもよく、また、図２に示されるように、誘電体により形成された板状のアンテナ基体４０が設けられていてもよい。即ち、図２に示されるパッチアンテナでは、板状のアンテナ基体４０の一方の面に、放射電極２０が形成されており、他方の面に接地電極３０が形成されている。
パッチアンテナ１０には、図２に示されるように、同軸ケーブル５０が接続されており、同軸ケーブル５０の内部導体は、放射電極２０の給電部２１に接続され信号が供給され、同軸ケーブル５０の外部導体は、接地電極３０に接続され接地電位となっている。このパッチアンテナを用いて波長λの電磁波を放射する場合、上述したように、放射電極２０の形状は、一辺の長さがλ／２の正方形で形成されていることが好ましい。具体的には、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を放射する場合、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長λは約１２２ｍｍであるため、放射電極２０は一辺がλ／２となる約６１ｍｍの正方形により形成されていることが好ましい。
ところで、被加熱物の一部を部分的に加熱する場合には、加熱される領域を細かく設定することができれば、温めたい領域のみを効率よく加熱することができる。従って、マイクロ波加熱装置において、パッチアンテナの大きさを小さくすることができれば、加熱される領域を細かく設定することができ、温めたい領域のみを効率よく加熱することができる。
次に、発明者が行ったパッチアンテナと被加熱物とを近づけた状態で行った実験について説明する。具体的には、図３に示されるように、加熱室６０の底面６０ａの凹部６１内にパッチアンテナ１０を設置し、凹部６１内に設置されたパッチアンテナ１０を覆うように、板状の誘電体基板７０を設置し、この誘電体基板７０の上に、被加熱物１００を設置する。パッチアンテナ１０の放射電極２０から被加熱物１００までの距離Ｌ１は約１５ｍｍであり、誘電体基板７０の厚さｔは約３ｍｍである。尚、パッチアンテナ１０における放射電極２０は、一辺が約６０ｍｍの大きさの正方形により形成されており、この正方形の一辺の長さは、２．４５ＧＨｚのλ／２に相当する値である。
このような装置において、パッチアンテナ１０に周波数が１．０ＧＨｚ〜３．０ＧＨｚまでの電磁波を供給した場合の反射損失Ｓ１１を測定した反射特性を図４に示す。被加熱物１００に電磁波が吸収されると、その分戻る電磁波が減少するため、Ｓ１１の値は低くなる。従って、図４では、Ｓ１１の値が低くなっている周波数の電磁波が被加熱物１００に吸収されている。
図４に示されるように、周波数が２．４５ＧＨｚに近い約２．３１ＧＨｚにおいては、Ｓ１１の値が約−１３．５ｄＢとなっており、この周波数の電磁波は被加熱物１００に吸収されている。また、周波数が約１．２２５ＧＨｚにおいても、Ｓ１１の値が約−２７．５ｄＢとなっており、この周波数の電磁波は被加熱物１００に吸収されている。尚、Ｓ１１の値は、周波数が約２．３１ＧＨｚの電磁波よりも、周波数が約１．２２５ＧＨｚの電磁波が低い。よって、被加熱物１００における電磁波の吸収は、周波数が約２．３１ＧＨｚの電磁波よりも、周波数が約１．２２５ＧＨｚの電磁波の方が大きい。
ところで、１．２２５ＧＨｚは２．４５ＧＨｚの半分の周波数である。よって、パッチアンテナ１０の放射電極２０の形状を一辺が２．４５ＧＨｚのλ／２の半分、即ち、２．４５ＧＨｚのλ／４の正方形で形成した場合、被加熱物１００には、１．２２５ＧＨｚの２倍の２．４５ＧＨｚの電磁波が吸収されるものと推察される。言い換えるならば、パッチアンテナの放射電極の正方形の一辺の長さを２．４５ＧＨｚのλ／２の半分、即ち、２．４５ＧＨｚのλ／４にした場合には、図４に示される横軸の値は２倍となり、被加熱物１００に２．４５ＧＨｚの電磁波が吸収されるものと推察される。このように、一辺の長さが２．４５ＧＨｚのλ／４の正方形により放射電極が形成されているパッチアンテナを被加熱物１００の近くに配置することにより、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を被加熱物１００に効率よく吸収させて、加熱することができる。
以上より、被加熱物１００には、パッチアンテナ１０の放射電極２０の正方形の一辺の長さの２倍の波長の近傍の周波数の電磁波が吸収されるが、これとともに、一辺の長さの４倍の波長の周波数の電磁波も吸収される。また、被加熱物１００においては、パッチアンテナ１０の放射電極２０の正方形の一辺の長さの２倍の波長の近傍の周波数の電磁波よりも、一辺の長さの４倍の波長の電磁波の方が、吸収は大きい。
このことは、パッチアンテナ１０と被加熱物１００との距離を所定の距離よりも近づけることにより生じるものである。従って、パッチアンテナ１０と被加熱物１００との距離が離れると、パッチアンテナ１０の放射電極２０の正方形の一辺の長さの４倍の波長の電磁波は、急激に被加熱物１００には吸収されなくなる。
これは、パッチアンテナ１０と被加熱物１００の距離が離れている場合と近い場合とでは、パッチアンテナ１０における放射モードに変化、即ち、遠方界と近傍界では、パッチアンテナ１０における放射モードに変化が生じるためと考えられる。発明者の知見に基づくならば、パッチアンテナ１０と被加熱物１００の距離が２０ｍｍ以下の場合に、放射モードが変化するものと考えられる。この２０ｍｍの値は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長λの２λ弱、具体的には、約１．６λに相当する。
従って、本実施の形態においては、パッチアンテナの放射電極の大きさを小さくすることができるため、被加熱物１００において加熱される領域を細かく設定することができ、温めたい領域のみ効率よく加熱することができる。
本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、上記に説明した知見に基づくものである。
（マイクロ波加熱装置）
次に、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置について説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、一辺の長さがλ／４の正方形の形状の放射電極を有するパッチアンテナを用い、このパッチアンテナを被加熱物の近くに設置したものである。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、図５に示されるように、被加熱物１００が入れられる加熱室１６０を有しており、被加熱物１００は加熱室１６０の底面１６０ａの上に載置される。
図６に示されるように、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、加熱室１６０の底面１６０ａの下に、パッチアンテナ１１０が設置されている。このパッチアンテナ１１０は、板状のアンテナ基体１４０の一方の面に複数の放射電極１２０が形成されており、他方の面に接地電極１３０が形成されている。放射電極１２０及び接地電極１３０は、銅等の金属により形成されており、板状のアンテナ基体１４０は厚さが１００μｍ〜２００μｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の誘電体により形成されている。板状のアンテナ基体１４０は、厚さが１〜２ｍｍのＰＣＢ（printed circuit board）等により形成してもよい。
図７に示されるように、パッチアンテナ１１０の放射電極１２０は、一辺の長さが、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長λのλ／４、即ち、約３０ｍｍの正方形により形成されており、各々の放射電極１２０には、給電部１２１が設けられている。尚、隣り合う放射電極１２０同士のカップリングを避けるため、隣り合う放射電極１２０の間隔は、１０ｍｍ以上離されている。また、パッチアンテナ１１０の放射電極１２０の一辺の長さは、マイクロ波の波長λのλ／４の−５％〜＋５％の範囲であればよい。
パッチアンテナ１１０の複数の放射電極１２０の上には、誘電体基板１７０が設置されており、誘電体基板１７０の上に、被加熱物１００が載置されている。従って、被加熱物１００が載置される誘電体基板１７０の面が、加熱室１６０の底面１６０ａとなる。誘電体基板１７０はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等により形成されている。本実施の形態においては、パッチアンテナ１１０の複数の放射電極１２０から被加熱物１００までの距離Ｌは２０ｍｍ以下となるように形成されている。図６では、パッチアンテナ１１０の複数の放射電極１２０と誘電体基板１７０とが接触している様子が記載されているが、パッチアンテナ１１０の複数の放射電極１２０と誘電体基板１７０とは離れており空間が設けられていてもよい。
次に、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置による被加熱物１００の加熱について図８に基づき説明する。被加熱物１００は弁当等であり、ご飯や様々なおかず等が入っており、各々適温となる温度等が異なっているものとする。例えば、被加熱物１００の第１の領域１００ａは加熱されることなく、第２の領域１００ｂは僅かに加熱され、第３の領域１００ｃは弱く加熱され、第４の領域１００ｄは中程度に加熱され、第５の領域１００ｅは強く加熱されることが求められているものとする。即ち、被加熱物１００の第１の領域１００ａは加熱されず、加熱の強さが、第２の領域１００ｂ＜第３の領域１００ｃ＜第４の領域１００ｄ＜第５の領域１００ｅとなるように加熱されることが求められているものとする。
このような被加熱物１００を本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の加熱室１６０の底面１６０ａ、即ち、誘電体基板１７０の上に載置する。誘電体基板１７０の下には、図９に示されるように、複数の放射電極１２０が２次元状に配置されており、例えば、図９に示す場合では６×６で３６個設けられている。このパッチアンテナ１１０には、電源ユニット１８０が接続されている。電源ユニット１８０には、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源１８１、複数のアンプユニット１８２、各々のアンプユニット１８２の制御を行う制御部１８３等が設けられている。
電源ユニット１８０では、増幅器となるアンプユニット１８２は各々の放射電極１２０に対応して設けられており、各々の放射電極１２０に供給するマイクロ波の出力が制御される。即ち、電源ユニット１８０には、１つの放射電極１２０に対し１つのアンプユニット１８２が設けられており、対応する放射電極１２０とアンプユニット１８２とが接続されており、各々の放射電極１２０に供給するマイクロ波の出力が制御される。尚、この制御は制御部１８３により行われる。
図８に示される被加熱物１００を加熱する場合には、被加熱物１００の第１の領域１００ａに対応するパッチアンテナ１１０の放射電極１２０ａからは、マイクロ波が放射されないように、放射電極１２０ａに接続されているアンプユニット１８２が制御される。また、被加熱物１００の第２の領域１００ｂに対応するパッチアンテナ１１０の放射電極１２０ｂからは、僅かにマイクロ波が放射されるように、放射電極１２０ｂに接続されているアンプユニット１８２が制御される。また、被加熱物１００の第３の領域１００ｃに対応するパッチアンテナ１１０の放射電極１２０ｃからは、弱いマイクロ波が放射されるように、放射電極１２０ｃに接続されているアンプユニット１８２が制御される。また、被加熱物１００の第４の領域１００ｄに対応するパッチアンテナ１１０の放射電極１２０ｄからは、中程度のマイクロ波が放射されるように、放射電極１２０ｄに接続されているアンプユニット１８２が制御される。また、被加熱物１００の第５の領域１００ｅに対応するパッチアンテナ１１０の放射電極１２０ｅからは、強いマイクロ波が放射されるように、放射電極１２０ｅに接続されているアンプユニット１８２が制御される。
このような制御を行い被加熱物１００を加熱することにより、被加熱物１００の各々の領域において所望の加熱を行うことができる。例えば、被加熱物１００の第１の領域１００ａは加熱されることなく、第２の領域１００ｂは僅かに加熱され、第３の領域１００ｃは弱く加熱され、第４の領域１００ｄは中程度に加熱され、第５の領域１００ｅは強く加熱することができる。
（電源ユニットに用いられている半導体素子）
本実施の形態においては、所望の出力のマイクロ波を発生させるため、電源ユニットには半導体素子が用いられている。具体的には、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等が用いられている。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、図１０に示されるように、ＳｉＣ等の基板２１０の上に、窒化物半導体層を積層することにより形成されている。即ち、基板２１０の上に、ＡｌＮやＧａＮ等により形成されたバッファ層２１１、電子走行層２１２、電子供給層２１３が順に積層されている。電子走行層２１２は、ＧａＮにより形成されており、電子供給層２１３は、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮにより形成されている。これにより、電子走行層２１２において、電子供給層２１３との界面近傍には２ＤＥＧ（two dimensional electron gas）２１２ａが生成される。ゲート電極２３１、ソース電極２３２、ドレイン電極２３３は、電子供給層２１３の上に形成される。
（変形例）
本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置では、図１１に示すような放射電極３２０の形状が長方形となるパッチアンテナを用いてもよい。この場合、長方形の放射電極３２０の一辺の長さ、例えば、短辺の長さがλ／４となるように形成されている。図１１に示すような長方形の形状の放射電極３２０のパッチアンテナは、図７に示されるようなパッチアンテナよりも大きいが、図１に示されるパッチアンテナ１０よりも小さいため、加熱される領域を狭くすることができる。
また、図６では、一枚のアンテナ基体１４０の一方の面に複数の放射電極１２０が形成されており、他方の面に接地電極１３０が形成されているものを示した。しかしながら、本実施の形態は、図１２に示すように、アンテナ基体１４０の一方の面に放射電極１２０が１つ、他方の面に接地電極１３０が１つ形成されているパッチアンテナを２次元状に複数設けた構造のものであってもよい。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
平面アンテナより放射されたマイクロ波を被加熱物に照射することにより、前記被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
前記平面アンテナの放射電極は、一辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの正方形の形状で形成されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記２）
平面アンテナより放射されたマイクロ波を被加熱物に照射することにより、前記被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
前記平面アンテナの放射電極は、短辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの長方形の形状で形成されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記３）
前記平面アンテナの前記放射電極と、前記被加熱物との距離は、２０ｍｍ以下であることを特徴とする付記１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記４）
前記平面アンテナは、板状のアンテナ基体の一方の面に、複数の前記放射電極が２次元状に配置されているものであることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記５）
前記平面アンテナの前記アンテナ基体の他方の面には、略全面に接地電極が設けられていることを特徴とする付記４に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記６）
前記平面アンテナの前記放射電極と前記被加熱物との間には、誘電体基板が設置されていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記７）
前記平面アンテナには、電源ユニットが接続されており、
前記電源ユニットには、前記平面アンテナの前記放射電極の各々に接続される増幅器が設けられていることを特徴とする付記６に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記８）
前記電源ユニットには、窒化物半導体により形成された半導体素子が含まれていることを特徴とする付記７に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記９）
前記被加熱物が載置される加熱室を有し、
前記加熱室の底面の一部または全部は前記誘電体基板により形成されており、
前記被加熱物は、前記誘電体基板の一方の面に載置され、
前記誘電体基板の他方の面には、前記平面アンテナが設置されていることを特徴とする付記６から８のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
１０ パッチアンテナ
２０ 放射電極
２１ 給電部
３０ 接地電極
４０ アンテナ基体
５０ 同軸ケーブル
６０ 加熱室
６０ａ 底面
７０ 誘電体基板
１００ 被加熱物
１００ａ 第１の領域
１００ｂ 第２の領域
１００ｃ 第３の領域
１００ｄ 第４の領域
１００ｅ 第５の領域
１１０ パッチアンテナ
１２０ 放射電極
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ 放射電極
１２１ 給電部
１３０ 接地電極
１４０ アンテナ基体
１６０ 加熱室
１６０ａ 底面
１７０ 誘電体基板
１８０ 電源ユニット
１８１ マイクロ波発生源
１８２ アンプユニット
１８３ 制御部

Claims (6)

  1. 平面アンテナより放射されたマイクロ波を被加熱物に照射することにより、前記被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
    前記平面アンテナの放射電極は、一辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの正方形、または短辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの長方形の形状で形成されており、
    前記平面アンテナの前記放射電極と、前記被加熱物との距離は、２０ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
  2. 平面アンテナより放射されたマイクロ波を被加熱物に照射することにより、前記被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
    前記平面アンテナの放射電極は、一辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの正方形、または短辺が前記マイクロ波の波長λの略１／４の長さの長方形の形状で形成されており、
    前記平面アンテナは、板状のアンテナ基体の一方の面に、複数の前記放射電極が２次元状に配置されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
  3. 前記平面アンテナの前記アンテナ基体の他方の面には、略全面に接地電極が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
  4. 前記平面アンテナの前記放射電極と前記被加熱物との間には、誘電体基板が設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
  5. 前記平面アンテナには、電源ユニットが接続されており、
    前記電源ユニットには、前記平面アンテナの前記放射電極の各々に接続される増幅器が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波加熱装置。
  6. 前記被加熱物が載置される加熱室を有し、
    前記加熱室の底面の一部または全部は前記誘電体基板により形成されており、
    前記被加熱物は、前記誘電体基板の一方の面に載置され、
    前記誘電体基板の他方の面には、前記平面アンテナが設置されていることを特徴とする
    請求項４または５に記載のマイクロ波加熱装置。
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