JP7113209B2

JP7113209B2 - 高周波加熱装置

Info

Publication number: JP7113209B2
Application number: JP2018073616A
Authority: JP
Inventors: 和樹前田; 義治大森; 利幸岡島; 浩二吉野; 博幸上島; 貴紀廣部
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: JP2019185964A

Description

本発明は周期構造体からなる表面波伝送線路を備えた高周波加熱装置に関するものである。

従来、この種の高周波加熱装置は、表面波線路に対して導波管を通じて高周波電力を給電し、表面波線路上に励振される表面波を用いて加熱を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

また、表面波線路上へ表面波を励振する別の方法として、給電部の先端にモノポールアンテナを用いるという方法があった（例えば、特許文献２参照）。

特開昭４９－１６９４４号公報特開平６－３３８３８７号公報

しかしながら、前記導波管を使った従来の給電方式における構成では、装置が大型化し使用場所や製品化の際の形態が限定されてしまうという課題を有していた。

また前記モノポールアンテナを使った従来の給電方式における構成では、導波管方式に比べて装置は小型化するが、周辺物の影響でアンテナの放射効率が下がり、表面波線路とのインピーダンス整合が非常に困難で、効率よく高周波電力を供給できず、十分な表面波加熱ができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、給電部分の構成を変えることにより、小型かつ加熱効率の高い高周波加熱装置を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、導電性材料からなる表面波線路と、前記高周波電力発生部からつながる給電部と、前記給電部の先端に設けたループアンテナを備え、前記ループアンテナは前記表面波線路の端部に面した構成としてある。

上記構成によって、給電部を小型化しつつ、効率の良い表面波加熱を行うことができる。

本発明の高周波加熱装置によれば、小型な装置で、効率よく表面波加熱ができる。

本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の構成図同実施の形態１における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の斜視図本発明の実施の形態２における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の横断面図本発明の実施の形態３における表面波線路の斜視図同実施の形態３における表面波線路の斜視図本発明の実施の形態４における高周波加熱装置の構成図同実施の形態４における高周波加熱装置の構成図本発明の実施の形態５におけるループアンテナ近傍の構成図本発明の実施の形態６におけるループアンテナ近傍の構成図本発明の実施の形態７におけるループアンテナ近傍の構成図

第１の発明は、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、導電性材料からなる表面波線路と、前記高周波電力発生部からつながる給電部と、前記給電部の先端に設けたループアンテナとを備え、前記ループアンテナは前記表面波線路の端部に面した構成としてある。

これにより、高い入力インピーダンスを保ち、放射抵抗の低下を防ぐことができて、給電部を小型化しつつ、効率の良い表面波加熱を行うことができる。

また第２の発明は、第１の発明において、前記表面波線路の端部と前記ループアンテナの向かい合う面が平行である構成としてある。

これにより、ループアンテナから放射する電磁波が前記表面波線路と結合しやすくなり、表面波への変換効率が高まって加熱効率が向上する。

また第３の発明は、第１または第２の発明において、前記表面波線路は、板状または棒状の部材が平板上に垂直かつ周期的に設けられた周期構造体とした構成としてある。

これにより、ループアンテナから放射する電磁波と結合しやすく、表面波が表面波線路上を均一的に伝送するため、加熱効率を向上させることができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記ループアンテナの高さは、前記表面波線路を構成する部材の高さを超えない構成としてある。

これにより、被加熱物を載置する載置台を前記表面波線路近傍に設計する際、表面波線路の直上部に置くことが可能で、被加熱物との物理的な距離が近くなり、加熱効率が向上する。また、前記載置台の範囲を前記ループアンテナ上まで広げてフラットな一面が得られ、製品としての自由度が向上する。

また第５の発明は、第３または第４の発明において、前記給電部は、前記表面波線路の底面近傍に設けられ、前記ループアンテナは前記表面波線路を構成する部材と平行に伸び、前記給電部と同一面に回帰して接地する構成としてある。

これにより、給電部の取り付けが容易であり、また給電部の構成を小型化できる。

第６の発明は、第１～第５の発明において、前記給電部から、前記表面波線路の反対側の空間に金属板を設けた構成としてある。

これにより、前記ループアンテナから放射する電力のうち、前記表面波線路を構成する部材と反対方向へ進む電力を反射し、前記表面波線路を構成する部材で表面波へ変換する電力に充当することができ、加熱効率が向上する。

第７の発明は、第１～第６の発明において、前記給電部及び前記金属板は位置調節手段によってその位置を可変可能な構成としてある。

これにより、表面波線路に対するループアンテナと金属板の相対位置を変えることができ、印加電力の周波数に応じた磁界ループの大きさに対応することができ、整合を合わせやすくなるため、表面波への変換効率が向上し、加熱効率が高まる。

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における高周波加熱装置の構成図、図２は同高周波加熱装置のループアンテナ近傍の斜視図である。

図１において、マイクロ波などの高周波は、高周波電力発生部１にて励振され、同軸線などの伝送手段を通じて給電部２に伝送される。給電部２の先端にはループアンテナ３が備え付けられており、表面波線路４に向けて高周波電力を放射する。高周波電力は、表面波線路４の近傍空間に集中する。被加熱物５は、表面波線路４の近傍に設けられた載置台６の上に載置され、表面波線路４の近傍に集中させた高周波により加熱される。被加熱物５、表面波線路４、及び載置台６は加熱室７の中に設置されるが、電波漏洩や感電などの危険性がない構成があれば、必ずしも加熱室７の中に設置する必要はない。

ここで、上記
ループアンテナ３は表面波線路４の端部に面するように設けてあり、ループアンテナ３に高周波電流が流れることによって環状の磁界が発生し、電磁誘導により導電性の表面波線路４に誘導電流が流れる。これによって表面波が発生し、被加熱物５の加熱が行われる。

この表面波による加熱は、従来のモノポールアンテナを用いた給電でも同様の原理で表面波を発生させて加熱を行っているが、従来は周辺物との近傍電磁界が発生し、アンテナの入力インピーダンスが低下、その結果放射抵抗が下がり、放射効率が低くなって十分な表面波加熱ができなかった。

しかしながら、本実施の形態の上記構成によれば、アンテナをループ状にして高さを抑えたまま長くすることで実装体積が増え、高い入力インピーダンスを保ち、放射抵抗の低下を防ぐことができる。よって、高い放射効率を実現でき、被加熱物５を効率よく表面波加熱することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における高周波加熱装置におけるループアンテナ近傍の横断面図である。

図３において、ループアンテナ８は平面ループアンテナとして表面波線路４の端面と向かい合う面が平行になるようにしてある。

このようにすると、ループアンテナ８（以下、平面ループアンテナと称す）に高周波電流が流れることによって発生する磁界の面積を、表面波線路４に対して広く取ることができるので、電磁誘導で発生する電流量を多くすることができる。その結果、被加熱物５を効率よく表面波加熱することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における高周波加熱装置の表面波線路の斜視図である。

図４において、表面波線路４は、アルミニウムや銅といった金属などの導電性材料からなる板状の部材９が平板上に垂直に立てられ、所定の間隔をもって周期的に並べられた周期構造体としてある。

このようにすると、表面波が表面波線路４上を均一的に伝送するため、被加熱物５を均一に加熱することができる。

なお、周期構造体としての構成は、板状の部材９のみでなく、図５のように棒状の部材１０が周期的に並べられていても良い。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の横断面図である。

図６において、平面ループアンテナ８の高さは表面波線路４を構成する板状の部材９の高さより低くしている。

このようにすると、表面波線路４の限りなく近傍に被加熱物５を載置する載置台６を設置できるため、表面波線路４と被加熱物５との物理的な距離が近くなり、加熱効率が向上する。また、載置台６の範囲を前記平面ループアンテナ８上まで広げてフラットな一面が得られ、製品化の際の自由度が向上する。

なお、被加熱物５が大きい、形が歪であるなどの理由で広い載置台６及び加熱室７が必要な場合、図７のように表面波線路４の両端から給電を行うように構成すればよい。

（実施の形態５）
図８は本発明の実施の形態５における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の横断面図である。

図８において、高周波電力発生部１から繋がる給電部２の設置は表面波線路４の底面と同一面上を起始部として行い、平面ループアンテナ８の接地も表面波線路４の底面と同一面で行う構成としてある。

このようにすると、給電部２の取り付けがしやすい。また給電部の構成を小型化できる。このとき平面ループアンテナ８は長方形を成しており、表面波線路４の端部と向かい合う面は平行である。

ここで、上記表面波線路４の周期構造を構成するスタブの高さをＡ、隣り合うスタブ同士の間隔をＢとしたとき、あるスタブの上面からスタブ表面を通る隣のスタブ上面までの距離２Ａ＋Ｂが放射電力の波長の１／２の長さであるとき、形成される表面波の表面集中度が高く、加熱効率が高くなる。換言すると、放射電力の波長の１／２の長さを、あるスタブの上面からスタブ表面を通る隣のスタブ上面までの距離２Ａ＋Ｂとなるように可変すれば、表面波の表面集中度を高め、加熱効率を高めることができる。

また、隣り合うスタブ同士の上面の距離だけでなく、複数枚隔てたスタブの上面の距離を例えばスタブの厚みをＣとすると、１枚隔てたスタブの上面の間の距離は、２Ａ＋２Ｂ＋Ｃとなり、この２Ａ＋２Ｂ＋Ｃに対応する波長の電力を印加すると表面波の表面集中度を変えることができる。

つまり、高周波電力発生部１からの放射電力の波長を変えることによって、表面波の表面集中度を高めたり、表面波の表面集中度を変えたりして、被調理物の厚みや幅に応じた最適かつ効率的な加熱が可能となる。

（実施の形態６）
図９は本発明の実施の形態６における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の横断面図である。

図９において、平面ループアンテナ８に対して表面波線路４と反対側の空間に金属板１１を設置している。

このようにすると、平面ループアンテナ８から放射する高周波電力のうち、表面波線路４と反対方向に放射された電力を反射し、表面波線路４へ向けることができる。

このとき、平面ループアンテナ８の中心と金属板１１との距離を放射電力の波長の１／４の長さとすることで、平面ループアンテナ８から表面波線路４に向かって放射された電磁波と、金属板１１で反射した電磁波の位相が等しくなる。これにより互いに強め合う形で干渉して定在波が生まれ、電磁界のピークはそれぞれ２倍となり、より強いエネルギーが表面波線路に入射される。よって、より効率のよい加熱が可能となる。

（実施の形態７）
図１０は、本発明の実施の形態７における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の横断面図である。

図１０において、給電部２の固定と平面ループアンテナ８の接地を行うアンテナ台８ａをケーブル等の位置調節手段１３を介して表面波線路４及び金属板１１と電気的につなげており、且つ位置を自由に動かせるようにしている。なお、１２は高周波電力発生部１と給電部２をつなぐ同軸線である。

このように、表面波線路４と金属板１１、及び平面ループアンテナ８の相対位置を変えることができるようにすることで、印加電力の周波数に応じた磁界の大きさに対応することができ、整合を合わせやすくなるため、表面波への変換効率が向上し、加熱効率が高まる。

以上、本発明に係る高周波加熱装置について、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。つまり、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は、小型かつ効率的に加熱を行うことが可能な高周波加熱装置を提供できる。よって、家庭用及び産業用の高周波加熱装置として広く使用することができる。

１高周波電力発生部
２給電部
３ループアンテナ（平面ループアンテナ）
４表面波線路
５被加熱物
６載置台
７加熱室
８平面ループアンテナ
９部材
１０部材
１１金属板
１２同軸線
１３位置調節手段

Claims

被加熱物を加熱処理する高周波加熱装置であって、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、導電性材料からなる表面波線路と、前記高周波電力発生部から繋がる給電部と、前記給電部の先端に設けたループアンテナとを備え、前記ループアンテナは前記表面波線路の端部に面して配置され、前記給電部は前記表面波線路の底面近傍に設けられ、前記ループアンテナは前記表面波線路の底面と同一面に接地され、前記給電部から前記ループアンテナに高周波電流が流れることにより磁界を発生させ、電磁誘導により前記表面波線路に誘導電流を流すことを特徴とする高周波加熱装置。
被加熱物を加熱処理する高周波加熱装置であって、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、導電性材料からなる表面波線路と、前記高周波電力発生部から繋がる給電部と、前記給電部の先端に設けたループアンテナとを備え、前記ループアンテナは前記表面波線路の端部に面して配置され、前記給電部から、前記表面波線路の反対側の空間に金属板を設け、前記給電部及び前記金属板は位置調節手段によってその位置を可変可能とした高周波加熱装置。
前記表面波線路の端部と前記ループアンテナの向かい合う面が平行である請求項１または２に記載の高周波加熱装置。
前記表面波線路は、板状または棒状の部材が平板上に垂直かつ周期的に設けられた周期構造体とした請求項１～３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
前記ループアンテナの高さは、前記表面波線路を構成する部材の高さを超えない構成である請求項４に記載の高周波加熱装置。
前記ループアンテナは前記表面波線路を構成する部材と平行方向に伸び、前記給電部と同一面に回帰して接地する構成である請求項１～５のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。