JP7113191B2

JP7113191B2 - 高周波処理装置

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Publication number: JP7113191B2
Application number: JP2018096702A
Authority: JP
Inventors: 義治大森; 幹男福井; 大介細川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2038-05-21
Also published as: JP2019204571A

Description

本発明は、高周波処理装置に関するものである。

従来、この種の高周波処理装置は、複数の回転アンテナを備え、この複数の回転アンテナより高周波を放射すことにより加熱室の広範囲に高周波を供給し、加熱むらのない例えば調理を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数の放射部を備え、この複数の放射部から放射される高周波の位相差を変化させて干渉状態を変化させることにより、高周波分布を変化させ、対象物を均一に加熱したり、集中的に加熱したりすることができるようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４－４７３２２号公報特開２００８－６６２９２号公報

しかしながら、前記従来の回転アンテナを回転させるものは、放射部が回転範囲内で動く程度で、高周波分布の変動効果は少ない。

また、複数の放射部から高周波を放射して、加熱室内で高周波を空間合成させるものでは、下記する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が難しいという課題を有していた。

すなわち、位相差制御で定在波を移動させても、半波長程度の移動に留まるため、高周波分布の変動効果は少なかった。

さらに、複数放射を空間合成して、加熱室内の高周波分布を制御しようとしても、加熱室に収納された被加熱物、例えば食品の影響で高周波分布自体が変わるので、設計時点の思惑通りの加熱を再現することができなかった。

また、複数放射部をＯＮ／ＯＦＦさせると、放射位置が大きくずれて、高周波分布の変動を大きくできるが、供給電力が小さくなり、調理時間が長くなる別の課題が生じる。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、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短時間で加熱することができる高周波発処理装置を提供することを目的としたものである。

本発明は、上記目的を達成するため、高周波を供給する２か所の給電部と、高周波を放射する複数の放射部と、前記給電部から前記放射部へ高周波を伝送する伝送線路とを有し、前記伝送線路には、一周がほぼ波長の整数倍プラス半波長の距離の環状伝送線路を備え、前記２か所の給電部は、前記環状伝送線路を経由して前記複数の放射部へ高周波を伝送し、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置を近接配置した構成としたものである。

これにより、複数の放射部から高周波を選択的に切り替えて放射させ、高効率な加熱動作を実現することができる。

本発明の高周波処理装置は、上記構成により、高周波を選択的に切り替えて放射させることにより意図した加熱分布を実現することができ、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る。

本発明の実施の形態１における高周波処理装置の構成図同高周波処理装置における伝送線路の配置図同高周波処理装置における伝送線路の線路長説明図同高周波処理装置における伝送線路の線路長説明図同高周波処理装置における伝送線路の斜視図本発明の実施の形態２における高周波処理装置の伝送線路の配置図

第１の発明は、高周波を供給する２か所の給電部と、高周波を放射する複数の放射部と、前記給電部から前記放射部へ高周波を伝送する伝送線路とを有し、前記伝送線路には、一周がほぼ波長の整数倍プラス半波長の距離の環状伝送線路を備え、前記２か所の給電部は、前記環状伝送線路を経由して前記複数の放射部へ高周波を伝送し、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置を近接配置する構成としたものである。

詳述すると、複数の放射部から供給される高周波を集中合成して複数の放射部の中から伝送先を選択的に切り替えて放射させ、意図した加熱分布を実現することができる。つまり、２か所の給電部から供給される高周波を伝送線路上で合成し、選択した放射部より放射でき、必要とする加熱分布を実現することができる。しかも、伝送線路に環状伝送線路を備えたことで、２か所の給電部間の透過電力を抑制でき、放射部からの高周波放射を最大化できる。つまり、一方の給電部から他方の給電部への高周波伝送は、環状伝送線路を１周回る経路と近接結合間の最短経路の合成となるが、その経路長差がほぼ半波長となり、逆相で打ち消し合うため、透過を抑制することができ、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

以上のようなことから、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る。

第２の発明は、特に第１の発明の高周波処理装置において、前記複数の放射部のうち１か所を、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路との結合位置からほぼ同等の距離に結合し、他の前記放射部は、前記１か所の放射部の前記環状伝送線路との結合位置から４分の１波長の位置に結合する構成としてある。

これにより、それぞれの放射部の環状伝送線路との結合位置での合成位相を２か所の給電位相により制御して、高周波を供給する放射部を選択することができ、意図した加熱分布を実現することができる。よって、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱を短時間で行うことができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の高周波処理装置において、前記環状伝送線路のほぼ直線部に直交する方向から前記給電部を結合する構成としてある。

これにより、給電部から環状伝送線路への結合をＴ字形状とすることができ、これによって、１周回る経路と近接結合間の最短経路への電力を均等に分配でき、２つの経路の合成による打消しをより確実に行って透過を抑制することができる。よって、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第４の発明は、特に第１～第３の発明の高周波処理装置において、前記２か所の給電部間の位相差制御を可能とし、前記位相差制御により、前記複数の放射部への給電を選択する構成としてある。

この位相差制御により、高周波を伝送する放射部を選択して、意図した加熱分布を確実に実現することができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱を短時間で行うことができる。

第５の発明は、特に第１の発明の高周波処理装置において、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置の間隔を４分の１波長以下とした構成としてある。

これにより、１周回る経路と近接結合間の最短経路の差を半波長に近づけ、２つの経路の合成による打消しをより確実に行って透過を抑制することができ、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第６の発明は、特に第１の発明の高周波処理装置において、前記環状伝送線路の一周長さを波長の整数倍プラス半波長の距離から前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置の間隔距離の２倍長くした構成としてある。

これにより、１周回る経路と近接結合間の最短経路の差を半波長にして、２つの経路の合成による打消しをより確実に行って透過を抑制することができ、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第７の発明は、特に第１～第６の発明の高周波処理装置において、前記環状伝送線路を長円形状とした構成としてある。

これにより、給電部から環状伝送線路への結合を長円形状の直線部として、Ｔ字形状とすることができ、１周回る経路と近接結合間の最短経路への電力が均等に分配でき、２つの経路の合成による打消しをより確実に行って透過を抑制することができ、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

第８の発明は、特に第１～第７の発明の高周波処理装置において、前記２か所の給電部と、前記複数の放射部と、前記環状伝送線路を備えた伝送線路で構成した給電制御回路を左右対称に２組設け、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路との結合位置からほぼ同等の距離に結合した前記１か所の放射部を前記２組の給電制御回路で共用した構成としてある。

これにより、１か所の放射部に４か所の給電を集中することができ、更に強く効率よく加熱することができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物に適した加熱を短時間で行うことができる。

第９の発明は、特に第８の発明の高周波処理装置において、前記２組の給電制御回路で共用する前記１か所の放射部を加熱室のほぼ中央に配置した構成としてある。

これにより、多くの場合被加熱物が設置される加熱室中央をより強く加熱することで、加熱効率をより高くすることができる。

第１０の発明は、特に第８または第９の発明の高周波処理装置において、前記２組の給電制御回路で共用する前記１か所の放射部をパッチアンテナで構成し、前記２組の給電制御回路から前記パッチアンテナへの給電位置を直交方向に配置した構成としてある。

このようにパッチアンテナへの給電位置を直交させたことにより、２つの給電が干渉せず、２つの給電制御回路間の透過も抑制でき、電力増幅器に過大な電力が流入することを防止して電力増幅器の損傷を防ぎ、高効率な加熱動作を実現することができる。

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、本発明の実施の形態１における高周波処理装置の構成図を示す。

図１において、加熱室１に収納された被加熱物２は、放射部８ａ、８ｂ、８ｃより放射された高周波により加熱される。高周波は、発振部３により発振し、分配部４で複数に分配され、増幅部６ａ、６ｂで大電力に増幅され、伝送線路７で放射部８ａ、８ｂ、８ｃへ供給される。分配部４で複数に分配された高周波は、位相可変部５により他方と異なる位相値に調整して増幅部６ｂへ供給することができる。

図２は、本発明の実施の形態１における伝送線路の配置図を示す。増幅部６ａ、６ｂからの高周波は、給電部９ａ、９ｂより環状線路構造の伝送線路７へ供給され、伝送線路７上で合成され、伝送線路７上の分岐１０ａ、１０ｂ、１０ｃより放射部８ａ、８ｂ、８ｃへ供給される。略長円形状の環状線路構造の伝送線路７のほぼ直線部に増幅部６ａ、６ｂからの給電部９ａ、９ｂが近接して設けられ、伝送線路７のほぼ直線部に対して直交する方向から給電する構成になっている。すなわち、略Ｔ字形状の結合線路構成になっている。よって、給電は２方向に均等に分かれる。

以上のように構成された高周波処理装置について、以下その動作、作用を説明する。

図３は、本発明の実施の形態１における伝送線路の線路長説明図である。給電部９ａ、９ｂは４分の１波長以下に近接して配置されている。このように４分の１波長以下に近接して配置された給電部９ａ、９ｂの環状線路構造の伝送線路７上の距離は、環状伝送線路をほぼ１周回る経路１１と近接結合間の最短経路１３の２経路がある。

表１は、図３における伝送線路の伝送動作説明表である。なお、表の中で記載している数字は同図（この場合は図３）で使用している図番を意味している。これは以下に述べる表２、表３（この場合はいずれも図４）においても同じである。

４分の１波長以下に近接して配置された給電部９ａ、９ｂの最短経路１３の経路長をαｄｅｇとし、ほぼ１周回る経路１１の経路長を３６０ｄｅｇ×ｎ＋１８０ｄｅｇ＋αｄｅｇ（１周回る経路長は３６０ｄｅｇ×ｎ＋１８０ｄｅｇ＋２αｄｅｇ）に設定されている。ここで上記「×ｎ」は「整数倍」を意味する。このような経路長で、増幅部６ａから２つの経路を伝送してきた高周波は、給電部９ｂで逆相合成となり、その合成結果は打ち消しあうので、給電部９ａから給電部９ｂへの透過を抑制することができる。給電部９ｂから給電部９ａへの透過も同じ原理により抑制することができる。

このように給電部９ａ、９ｂ間の透過が抑制されるので、増幅部６ａ、６ｂへ過大な電力が流入することを防止でき、電力増幅器の損傷を防ぐことができる。また、給電電力の損失を抑えて放射効率を高めることができ、高効率な加熱動作を実現することができる。

図４は、本発明の実施の形態１における伝送線路の線路長説明図である。環状線路構造の伝送線路７の距離は、給電部９ａから分岐１０ａまでの位相長１１ａと、給電部９ｂから分岐１０ａまでの位相長１１ｂは、同相となる距離で、例えば０ｄｅｇの位相距離となる。また、分岐１０ａと分岐１０ｂ、１０ｃまでの位相長１２ａ、１２ｂは、それぞれ９０ｄｅｇ（４分の１波長）の位相距離となる。

表２は、図４における伝送線路の伝送動作説明表である。

増幅部６ａ、６ｂから給電部９ａ、９ｂへの給電位相が同相で共に０ｄｅｇの場合、位相長１１ａ、１１ｂが前記の０ｄｅｇなので、分岐部１０ａへの伝送位相は、それぞれ０ｄｅｇになり、放射部８ａへは同相で重ね合わせた高周波が供給される。

しかし、分岐部１０ｂへの伝送位相は、位相長１２ａ分位相がずれ、増幅部６ａ側が－９０ｄｅｇ、増幅部６ｂ側が９０ｄｅｇになり、放射部８ｂへは逆相で打ち消され高周波は供給されない。分岐部１０ｃへの伝送も同じ原理により、放射部８ｃへは逆相で打ち消され高周波は供給されない。つまり、増幅部６ａ、６ｂから給電部９ａ、９ｂへの給電位相が同相の場合、高周波電力は、選択的に放射部８ａへのみ供給される。

表３は、同じく図４における伝送線路の伝送動作説明表である。

増幅部６ｂから給電部９ｂへの給電位相を逆相の１８０ｄｅｇとした場合、位相長１１ａ、１１ｂが前記の０ｄｅｇなので、分岐部１０ａへの伝送位相は、増幅部６ａ側が０ｄｅｇ、増幅部６ｂ側が１８０ｄｅｇになり、放射部８ａへは逆相で打ち消され高周波は供給されない。

しかし、分岐部１０ｂへの伝送位相は、位相長１２ａ分位相がずれ、増幅部６ａ側が－９０ｄｅｇ、増幅部６ｂ側が２７０ｄｅｇになり、放射部８ｂへは同相で重ね合わせた高周波が供給される。分岐部１０ｃへの伝送も同じ原理により、放射部８ｃへは同相で重ね合わせた高周波が供給される。

つまり、増幅部６ａ、６ｂから給電部９ａ、９ｂへの給電位相が逆相の場合、高周波電力は、選択的に放射部８ｂ、８ｃへ供給される。

以上説明の通り、給電部９ａ、９ｂへの給電位相の制御により、加熱室１へ高周波を放射する放射部８ａまたは、８ｂ、８ｃを選択して切り替えることができ、高周波分布を意図的に操作することができる。すなわち、加熱室内に設けた被加熱物に応じて必要とする加熱分布を実現することができる。

図５は、本発明の実施の形態１における伝送線路の斜視図を示す。環状線路構造の伝送線路７を加熱室１の１壁面に近接したマイクロストリップ線路で構成している。給電部９ａ、９ｂは、加熱室１の壁面より挿入した同軸線芯線をマイクロストリップ線路に接続して構成している。分岐部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、分岐したマイクロストリップ線路で構成している。放射部８ａ、８ｂ、８ｃは、マイクロストリップ線路で構成したアンテナにより構成している。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における伝送線路の配置図を示す。

本実施の形態の高周波処理装置は、給電部９ａ、９ｂと、環状線路構造の伝送線路７ａと、放射部８ａ、８ｂ、８ｃで構成した右側の給電制御回路と、給電部９ｃ、９ｄと、環状線路構造の伝送線路７ｂと、放射部８ａ、８ｄ、８ｅで構成した左側の給電制御回路の２組を設けている。左右２組の給電制御回路は左右対称になるように配置されている。

放射部８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅは、パッチアンテナで構成している。２組の給電制御回路間で、放射部８ａを共用し、それぞれの給電制御回路から高周波を供給できる。放射部８ａは、加熱室のほぼ中央に配置されている。一般的に調理物等の被加熱物は加熱
室の中央に置かれることが多いため、中央を強く加熱することは、加熱効率の向上につながる。すなわち、効率の良い加熱が可能となる。

また、中央の共用している放射部８ａへの給電位置１４ａ、１４ｂは、直交方向なので、励振方向が直交して干渉しないため、給電制御回路間の透過を抑制できる。したがって、放射部８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅからの高周波放射を最大化でき、高効率な加熱動作を実現することができる。

以上、本発明に係る高周波加熱処理装置について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば実施の形態では、高周波の発信源を半導体で構成した例を示しているが、マグネトロンなど他の発振源を使用してもかまわない。このように、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以上のように、本発明にかかる高周波処理装置は、複数給電間の透過を抑制し、複数の放射部を選択して放射できるので、加熱効率が良く、意図した加熱分布を実現することができる高周波処理装置とすることができる。よって、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高周波電源などの用途に適用することができる。

１加熱室
２被加熱物
３発振部
４分配部
５位相可変部
６ａ～６ｂ増幅部
７、７ａ～７ｂ伝送線路
８ａ～８ｅ放射部
９ａ～９ｄ給電部
１０ａ～１０ｃ分岐部
１１ａ～１１ｂ位相長
１２ａ～１２ｂ位相長
１３最短経路
１４ａ～１４ｂ給電位置

Claims

高周波を供給する２か所の給電部と、高周波を放射する複数の放射部と、前記給電部から前記放射部へ高周波を伝送する伝送線路とを有し、前記伝送線路には、一周がほぼ波長の整数倍プラス半波長の距離の環状伝送線路を備え、前記２か所の給電部は、前記環状伝送線路を経由して前記複数の放射部へ高周波を伝送し、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置を近接配置する構成とした高周波処理装置。
前記複数の放射部のうち１か所を、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路との結合位置からほぼ同等の距離に結合し、他の前記放射部は、前記１か所の放射部の前記環状伝送線路との結合位置から４分の１波長の位置に結合する構成とした請求項１に記載の高周波処理装置。
前記環状伝送線路のほぼ直線部に直交する方向から前記給電部を結合する構成とした請求項１または２に記載の高周波処理装置。
前記２か所の給電部間の位相差制御を可能とし、前記位相差制御により、前記複数の放射部への給電を選択する構成とした請求項１～３のいずれか１項に記載の高周波処理装置。
前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置の間隔を４分の１波長以下とした請求項１に記載の高周波処理装置。
前記環状伝送線路の一周長さを波長の整数倍プラス半波長の距離から前記２か所の給電部の前記環状伝送線路への結合位置の間隔距離の２倍長くした請求項１に記載の高周波処理装置。
前記環状伝送線路を長円形状とした請求項１～６のいずれか１項に記載の高周波処理装置。
前記２か所の給電部と、前記複数の放射部と、前記環状伝送線路を備えた伝送線路で構成した給電制御回路を左右対称に２組設け、前記２か所の給電部の前記環状伝送線路との結合位置からほぼ同等の距離に結合した前記１か所の放射部を前記２組の給電制御回路で共用した請求項１～７のいずれか１項に記載の高周波処理装置。
前記２組の給電制御回路で共用する前記１か所の放射部を加熱室のほぼ中央に配置した請求項８に記載の高周波処理装置。
前記２組の給電制御回路で共用する前記１か所の放射部をパッチアンテナで構成し、前記２組の給電制御回路から前記パッチアンテナへの給電位置を直交方向に配置した請求項８または９に記載の高周波処理装置。