JP7203329B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に関する。

マイクロ波加熱装置として、例えば、マグネトロンと称される真空管を用いたマイクロ波処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、加熱対象物を収容する加熱室と、マイクロ波を発振する発振源と、加熱対象物を載置する載置台と、マイクロ波を載置台に導く導波管と、導波管に関連付けて設けられた周期構造体と、を備えるマイクロ波処理装置が開示されている。特許文献１のマイクロ波処理装置においては、発振源として、マグネトロンが用いられている。

国際公開第２０１５／１２９２３３号

しかしながら、特許文献１のマイクロ波処理装置では、加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する点において未だ改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、加熱対象物を加熱する加熱領域を容易に制御することができるマイクロ波加熱装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明の一態様に係るマイクロ波加熱装置は、
加熱対象物を収容する加熱室と、
半導体素子を用いて構成され、且つ１つ又は複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記１つ又は複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記１つ又は複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記１つ又は複数のマイクロ波を前記導波管に供給する１つ又は複数の給電部と、
前記１つ又は複数のマイクロ波の周波数を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
を備える。

本発明の一態様に係るマイクロ波加熱装置は、
加熱対象物を収容する加熱室と、
半導体素子を用いて構成され、且つ複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記複数のマイクロ波を前記導波管に供給する複数の給電部と、
前記複数のマイクロ波間の位相差を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
を備え
前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、互いに間隔を有して前記第１方向に配置される。

本発明に係るマイクロ波加熱装置によれば、加熱対象物を加熱する加熱領域を容易に制御することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の一例の概略断面構成図である。 図２は、周期構造体の複数の凸部間の沿面距離を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の一例の制御ブロック図である。 図４Ａは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図４Ｂは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示す解析モデルを用いてマイクロ波の発振周波数を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデルの負荷直下の平面断面図である。 図６Ａは、変形例の周期構造体を示す図である。 図６Ｂは、別の変形例の周期構造体を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置の一例の概略断面構成図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置の一例の制御ブロック図である。 図９Ａは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図９Ｂは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図１０は、図９Ａ及び図９Ｂに示す解析モデルを用いて２つのマイクロ波の発振周波数を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデルの負荷直下の平面断面図である。 図１１は、図９Ａ及び図９Ｂに示す解析モデルを用いて２つのマイクロ波の位相差を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデルの負荷直下の平面断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置の一例を奥行き方向から見た場合の概略断面構成図である。 図１３は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置の一例を幅方向から見た場合の概略断面構成図である。 図１４は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置の４つの給電部の位置関係の一例を示す図である。 図１５は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置の一例の制御ブロック図である。 図１６Ａは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図１６Ｂは、電界分布解析に用いた解析モデルを示す図である。 図１７は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示す解析モデルを用いて４つのマイクロ波の発振周波数及び位相差を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデルの負荷直下の平面断面である。 図１８は、変形例のマイクロ波加熱装置の概略断面構成図である。 図１９は、変形例の周期構造体の概略構成図である。 図２０は、図１９の周期構造体をＡ－Ａ線で切断した概略断面図である。 図２１は、別の変形例の周期構造体の概略構成図である。 図２２は、別の変形例の周期構造体の概略構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
マイクロ波加熱装置において、加熱対象物を加熱する加熱領域を制御することが求められている。具体的には、加熱する加熱対象物に応じて、加熱室内の所望の領域を狙って加熱すること、又は加熱室内全体を均一に加熱することが求められている。

例えば、加熱室内に異なる２つの加熱対象物を収容して加熱する場合、一方の加熱対象物を加熱し、他方の加熱対象物を加熱しないように、加熱領域を制御することが求められている。

しかしながら、例えば、特許文献１に示すようなマイクロ波加熱装置においては、マグネトロンを用いているため、加熱領域を制御することが困難である。

マグネトロンを用いたマイクロ波加熱装置では、多くの場合、ターンテーブル方式又は回転アンテナ方式が採用されている。ターンテーブル方式では、被加熱部が移動するため、選択加熱は難しい。また、回転アンテナ方式であっても、アンテナの形状・特に直径などにより選択加熱できる範囲が狭く限定されてしまい、また範囲内であっても十分な選択加熱性能を実現することは難しい。また、選択加熱性能と電子レンジの本質機能である均一加熱性能を両立することは現行の給電方式では実現できていない。

本発明者らは、半導体素子を用いて構成されたマイクロ波発生部と、周期構造体とを利用し、マイクロ波発生部から発振される１つ又は複数のマイクロ波の周波数及び／又は位相差を制御することによって加熱領域を容易に制御できることを見出し、以下の発明に至った。

本発明の第１態様のマイクロ波加熱装置は、
加熱対象物を収容する加熱室と、
半導体素子を用いて構成され、且つ１つ又は複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記１つ又は複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記１つ又は複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記１つ又は複数のマイクロ波を前記導波管に供給する１つ又は複数の給電部と、
前記１つ又は複数のマイクロ波の周波数を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
を備える。

本発明の第２態様のマイクロ波加熱装置においては、前記１つ又は複数の給電部は、前記周期構造体に配置されてもよい。

本発明の第３態様のマイクロ波加熱装置においては、前記マイクロ波発生部は、同じ周波数を有する複数のマイクロ波を発生させ、
前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、互いに間隔を有して前記第１方向に配置されてもよい。

本発明の第４態様のマイクロ波加熱装置においては、
加熱対象物を収容する加熱室と、
半導体素子を用いて構成され、且つ複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記複数のマイクロ波を前記導波管に供給する複数の給電部と、
前記複数のマイクロ波間の位相差を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
を備え
前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、互いに間隔を有して前記第１方向に配置される。

本発明の第５態様のマイクロ波加熱装置においては、前記制御部は、前記複数のマイクロ波の周波数を制御し、
前記複数のマイクロ波の周波数は、同じであってもよい。

本発明の第６態様のマイクロ波加熱装置においては、前記複数の給電部は、前記周期構造体に配置されてもよい。

本発明の第７態様のマイクロ波加熱装置においては、前記周期構造体の前記複数の凸部は、前記第１方向、及び前記第１方向と異なる第２方向に周期的に配列されてもよい。

本発明の第８態様のマイクロ波加熱装置においては、前記第１方向に配置される前記複数の凸部間の第１沿面距離と、前記第２方向に配置される前記複数の凸部間の第２沿面距離とは異なっており、
前記第１沿面距離は、前記第１方向に配置される隣り合う前記複数の凸部間において前記周期構造体の表面に沿った最小距離であり、
前記第２沿面距離は、前記第２方向に配置される隣り合う前記複数の凸部間において前記周期構造体の表面に沿った最小距離であってもよい。

本発明の第９態様のマイクロ波加熱装置においては、前記周期構造体は、前記加熱室の底部、上部及び側部のうち少なくとも１つに配置されてもよい。

以下、本開示の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。

（実施の形態１）
［全体構成］
本発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の一例について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置１Ａの一例の概略断面構成図である。図１中のＸ，Ｙ，Ｚ方向は、それぞれ、マイクロ波加熱装置１Ａの幅方向、奥行き方向、高さ方向を示す。

図１に示すように、マイクロ波加熱装置１Ａは、加熱室１０、導波管１１、周期構造体２０、マイクロ波発生部３０、給電部４０、及び制御部５０を備える。実施の形態１では、マイクロ波加熱装置１Ａは、１つの給電部４０を備える。また、マイクロ波加熱装置１Ａは、制御部５０によってマイクロ波発生部３０から発生する１つのマイクロ波の周波数を制御する。

＜加熱室＞
加熱室１０は、加熱対象物１２を収容する略直方体構造を有する。加熱室１０は、金属材料からなる複数の壁面、及び加熱対象物１２を収容するために開閉する開閉扉を備える。加熱室１０の内部には、加熱対象物１２を載置する載置台１３が配置されている。載置台１３は、加熱室１０の底部に配置されている。

＜導波管＞
導波管１１は、マイクロ波を加熱室１０内に導くマイクロ波伝送路である。導波管１１は、加熱室１０の底部に配置されている。導波管１１の内部には、周期構造体２０が配置されている。なお、実施の形態１では、導波管１１で周期構造体２０にマイクロ波を給電している構成について記載しているが、これに限定したものではなく、複数の凸部間に電界が生じるようなアンテナを用いて給電する構成であってもよい。

＜周期構造体＞
周期構造体２０は、導波管１１内において第１方向（Ｘ方向）に周期的に配列される複数の凸部２１を有し、マイクロ波を表面波モードで伝播させる。具体的には、周期構造体２０に供給されたマイクロ波は、遅波（Ｓｌｏｗ ｗａｖｅ）となり、表面波モード（Ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ ｍｏｄｅ）で伝播する。そして、周期構造体２０を表面波モードで伝播してきたマイクロ波は、加熱室１０内に供給される。

実施の形態１では、複数の凸部２１は、マイクロ波の伝播方向に垂直に配列された複数の金属製の板状構造体で構成されている。複数の凸部２１は、互いに間隔を有して第１方向に配列されている。また、複数の凸部２１は、同一の板状構造体で構成されている。

具体的には、周期構造体２０は、導波管１１から加熱室１０に向かって延びる複数の金属製の板材（複数の凸部２１）を配列して構成されている。周期構造体２０は、導波管１１内部全体に形成されている。

周期構造体２０の複数の凸部２１間の沿面距離は、マイクロ波発生部３０から発生するマイクロ波の波長の１／４の整数倍であることが好ましい。なお、沿面距離とは、複数の凸部２１間において周期構造体２０の表面に沿った最小距離である。

マイクロ波は、波長の１／４ごとに腹（電界最大値）と節（電界最小値・電界ゼロ）とを繰り返している。複数の凸部２１間の沿面距離をマイクロ波の波長の１／４の整数倍にすることで、どの凹凸内の電界分布を比較しても、同じ分布にすることができる。これは、位相ズレを生じさせることなく、隣接する凸部へマイクロ波が伝送されるからである。よって、加熱対象物である１つの食品を均一に加熱することが可能となる。特に、周期構造体２０の複数の凸部２１間の沿面距離を波長の１／４の奇数倍とした場合、凹部の底面は金属であり、電界の節となるため、凸部２１の上面は電界の腹となり、均一加熱に加えて高効率な加熱が可能となる。

図２は、周期構造体２０の複数の凸部２１間の沿面距離Ｌ１を示す図である。図２において、沿面距離Ｌ１は、理解し易いようにハッチングで強調して示している。図２に示すように、沿面距離Ｌ１は、隣り合う第１凸部２１ａと第２凸部２１ｂとの間において、周期構造体２０の表面に沿った最小距離である。具体的には、沿面距離は、第１凸部２１ａの頂部を始点として、第１凸部２１ａと第２凸部２１ｂとの間に形成される凹部を通って、第２凸部２１ｂの頂部を終点とする最小距離である。

＜マイクロ波発生部＞
マイクロ波発生部３０は、半導体素子を用いて構成され、且つマイクロ波を発生させる半導体発振器である。マイクロ波発生部３０は、給電部４０と接続されている。具体的には、マイクロ波発生部３０から出力されたマイクロ波は、給電部４０から導波管１１内部の周期構造体２０に供給される。そして、マイクロ波は、表面波モードで周期構造体２０を伝播して加熱室１０内に供給される。また、マイクロ波発生部３０は、制御部５０によって制御される。

図３は、マイクロ波加熱装置１Ａの一例の制御ブロック図を示す。図３に示すように、マイクロ波発生部３０は、周波数制御部３１及び増幅部３２を有する。

周波数制御部３１は、電源５１から供給された電力から、マイクロ波を発振すると共にその発振周波数を制御する。周波数制御部３１は、例えば、コンデンサ、インダクタ、抵抗器などの電子部品とトランジスタとを含む帰還回路を有する半導体発振回路である。半導体発振回路は、帰還回路に含まれる共振回路の共振周波数を変更することによって、その発振周波数を容易に変更することができる。

増幅部３２は、周波数制御部３１から出力されたマイクロ波を増幅する。増幅部３２は、例えば、トランジスタなどを含む増幅回路である。

周波数制御部３１、増幅部３２及び電源５１は、制御部５０によって制御される。

＜給電部＞
給電部４０は、マイクロ波発生部３０と接続され、且つマイクロ波発生部３０から出力されたマイクロ波を導波管１１に供給する。給電部４０は、加熱室１０の底部に配置された導波管１１に配置されている。実施の形態１では、給電部４０は、導波管１１の底部に設けられた給電ポート（開口）である。また、給電部４０は、周期構造体２０に配置されている。具体的には、給電部４０は、周期構造体２０の隣り合う２つの凸部２１の間に配置されている。

給電部４０は、例えば、上側から見て矩形状の給電ポートで形成されている。

＜制御部＞
制御部５０は、マイクロ波の周波数を制御することによって、加熱対象物１２を加熱する加熱領域を制御する。具体的には、制御部５０は、マイクロ波発生部３０の周波数制御部３１を制御することによって、マイクロ波の周波数を制御する。

制御部５０は、マイクロ波の周波数を制御することによって、周期構造体２０を伝播するマイクロ波の遅延量を制御することができる。これにより、導波管１１から加熱室１０内に供給されるマイクロ波の指向性を制御することができる。

制御部５０を構成する要素は、例えば、これらの要素を機能させるプログラムを記憶したメモリ（図示せず）と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサに対応する処理回路（図示せず）を備え、プロセッサがプログラムを実行することでこれらの要素として機能してもよい。

［実施の形態１における加熱制御の解析結果の一例］
マイクロ波加熱装置１Ａの加熱制御の解析結果の一例について説明する。加熱制御の解析として、マイクロ波加熱装置１Ａの解析モデルを用いて、電界分布解析を行った。なお、電界分布解析は、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（ＣＯＭＳＯＬ ＡＢ社製）を用いて行った。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、電界分布解析に用いた解析モデル６０Ａを示す。図４Ａは、解析モデル６０Ａを上から見た図を示す。図４Ｂは、解析モデル６０Ａを正面から見た図を示す。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、加熱室１０の左側の領域を第１領域Ｒ１と称し、加熱室１０の右側の領域を第２領域Ｒ２と称する。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、解析モデル６０Ａは、マイクロ波加熱装置１Ａの構成要素を備えると共に、加熱室１０内の載置第１２の上に２つの加熱対象物６１を載置している。解析モデル６０Ａにおいて、給電部４０は加熱室１０の左側の第１領域Ｒ１に配置されている。

２つの加熱対象物６１は、互いに間隔を有して加熱室１０内の左右の領域にそれぞれ配置されている。具体的には、解析モデル６０Ａを上から見て、加熱室１０の中心よりも左側の第１領域Ｒ１に一方の加熱対象物６１を配置し、加熱室１０の中心よりも右側の第２領域Ｒ２に他方の加熱対象物６１を配置する。

解析モデル６０Ａにおいて、加熱室１０は金属導体であり、載置台１３はガラスプレートである。また、加熱対象物（負荷）６１は、水及び氷を用いた。

解析モデル６０Ａを用いた電界分布解析においては、マイクロ波の発振周波数をパラメータとして、加熱室１０を上から見た場合の電界分布を調べている。

解析モデル６０Ａを用いた電界分布解析の条件は、表１に示す通りである。

なお、表１中のＰｏｒｔ１は第１給電部４０を示す。

図５は、解析モデル６０Ａを用いてマイクロ波の発振周波数を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデル６０Ａの負荷６１直下の平面断面図を示す。なお、図５は、加熱対象物６１が水の場合の解析結果を示す。図５に示すように、マイクロ波の発振周波数を変更することによって、加熱室１０内において電界分布を変化させることができる。

発振周波数が２４００ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央領域に電界が集中して形成されている。また、加熱室１０の側壁近傍においては、電界が形成されていない。即ち、マイクロ波が加熱室１０の中央領域に集中して供給されている。よって、発振周波数を２４００ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の中央に加熱領域を集中して形成することができる。

発振周波数が２４２０ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央左寄りの領域に電界が集中して形成されている。また、加熱室１０の中央より右側の領域（第２領域Ｒ２）には電界が形成されていない。即ち、マイクロ波が加熱室１０の中央左寄りの領域に集中して供給されている。よって、発振周波数を２４２０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の中央左寄りの領域に加熱領域を集中して形成することができる。

発振周波数が２４４０ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央左寄りの領域に電界が集中して形成されている。また、加熱室１０の右側領域（第２領域Ｒ２）の全体に電界が形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の中央左寄りの領域に集中して供給されると共に、加熱室１０の右側領域の全体に供給されている。よって、発振周波数を２４４０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の中央左寄りの領域に集中させて加熱領域を形成すると共に、加熱室１０の右側領域の全体に加熱領域を形成することができる。また、加熱室１０の中央左寄りの領域の加熱を、他の領域の加熱よりも強くすることができる。

発振周波数が２４６０ＭＨｚである場合、加熱室１０の全体に電界が形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に供給されている。よって、発振周波数を２４４０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成することができる。

発振周波数が２４８０ＭＨｚである場合、加熱室１０の全体に電界が形成されている。また、加熱室１０の右側領域の電界分布が左側領域（第１領域Ｒ１）の電界分布よりも広くなっている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に供給されると共に、左側領域よりも右側領域の方に集中させて供給されている。よって、発振周波数を２４８０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成しつつ、加熱室１０の左側領域よりも右側領域において広く加熱領域を形成することができる。

発振周波数が２５００ＭＨｚである場合、加熱室１０の全体に電界が形成されている。また、加熱室１０の右側領域よりも左側領域に電界が集中して形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に供給されていると共に、加熱室１０の右側領域よりも左側領域に集中して供給されている。このことから、発振周波数を２５００ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成しつつ、加熱室１０の右側領域の加熱よりも左側領域の加熱を強くすることができる。

このように、加熱室１０内に供給されるマイクロ波の発振周波数を調節することによって、加熱室１０内に形成される加熱領域を変化させることができる。また、加熱領域における火力、即ち加熱の強弱を調節することができる。なお、図５に示す解析結果は、加熱対象物６１が水である例について示しているが、加熱対象物６１が氷の例についても同様の解析結果が得られる。

なお、上記したマイクロ波加熱装置１Ａの加熱制御の解析結果は一例であって、周波数帯は、２４００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ以下に限定されない。マイクロ波加熱装置１Ａの加熱制御は、異なる周波数帯でも応用可能である。例えば、周波数帯は、１０ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲で設定されてもよい。このような周波数帯に設定された場合であっても、マイクロ波加熱装置１Ａは、加熱領域を制御することができる。

［効果］
実施の形態１のマイクロ波加熱装置１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。

マイクロ波加熱装置１Ａは、マイクロ波発生部３０から発生する１つのマイクロ波を１つの給電部４０から導波管１１内の周期構造体２０に供給している。マイクロ波発生部３０は、半導体素子を用いて構成されているため、制御部５０によってマイクロ波の周波数を容易に制御することができる。このような構成により、導波管１１から加熱室１０内に供給されるマイクロ波の指向性を制御することができる。これにより、加熱対象物１２を加熱する加熱領域を容易に制御することができる。

マイクロ波加熱装置１Ａによれば、マイクロ波の周波数を制御することによって、所望の領域を狙って加熱することができる。例えば、加熱室１０の左側領域を狙って加熱したり、中央領域を狙って加熱したりすることができる。また、マイクロ波加熱装置１Ａは、マイクロ波の周波数を制御することによって、加熱室１０全体を均一に加熱することもできる。更に、マイクロ波加熱装置１Ａは、マイクロ波の周波数を制御することによって、加熱領域において、加熱の強弱（火力）を制御することもできる。

マイクロ波加熱装置１Ａによれば、加熱対象物１２の状態に応じて、加熱対象物１２に対する加熱を調節することができる。例えば、マイクロ波加熱装置１Ａが加熱対象物１２の温度を検出する温度検出部を備えている場合、制御部５０は、温度検出部で検出された温度に基づいて、マイクロ波発生部３０から発振されるマイクロ波の周波数を制御する。これにより、加熱対象物１２の温度に応じて、加熱領域及び／又は加熱領域における加熱の強弱を制御することができる。その結果、加熱対象物１２に対する加熱を調節することができる。

また、マイクロ波加熱装置１Ａによれば、画像センサによって、加熱対象物１２を認識し、認識した加熱対象物１２に応じてマイクロ波の周波数を制御することもできる。

マイクロ波加熱装置１Ａによれば、給電部４０は、周期構造体２０に配置されている。このような構成により、給電部４０から供給されるマイクロ波が周期構造体２０を伝播しやすくなり、加熱領域の制御をより容易に行うことができる。言い換えると、マイクロ波の向きを容易に制御しやすくなる。

なお、実施の形態１では、周期構造体２０を構成する複数の凸部２１は、第１方向（Ｘ方向）に配列される例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の凸部２１は、Ｙ方向に配列されていてもよい。

あるいは、複数の凸部２１は、第１方向（Ｘ方向）と、第１方向と異なる第２方向（Ｙ方向）とに配列されていてもよい。この場合、複数の凸部２１は、例えば、複数の円柱部材、又は複数の角部材、又はこれらの組み合わせで形成されていてもよい。

また、周期構造体２０は、複数の金属製の板状構造体（複数の凸部２１）を配列する構成である例について説明したが、これに限定されない。図６Ａ及び図６Ｂは、変形例の周期構造体２０ａ、２０ｂをそれぞれ示す。図６Ａに示すように、周期構造体２０ａは、例えば、一枚の板を加工した波板で構成されていてもよい。即ち、一枚の板を波状に加工して、複数の凸部２１を形成してもよい。あるいは、図６Ｂに示すように、周期構造体２０ｂは、例えば、凹凸板（プレス板）で構成されていてもよい。即ち、１枚の板をプレスして、複数の凸部２１を形成してもよい。このような構成により、周期構造体の製造コスト化の低減、材料の削減、組立性の向上が期待できる。

このように、周期構造体２０の形状を変更することによって、マイクロ波の向きを詳細に制御することができる。これにより、マイクロ波の指向性を向上させることができる。その結果、加熱領域の制御が更に容易になり、加熱パターンを増やすことができる。

実施の形態１では、周期構造体２０は、加熱室１０の底部に配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、周期構造体２０は、加熱室１０の底部、上部及び側部のうち少なくとも１つに配置されていればよい。この場合、導波管１１についても加熱室１０の底部、上部及び側部のうち少なくとも１つに配置される。

実施の形態１では、マイクロ波加熱装置１Ａは、１つのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部３０、及び１つの給電部４０を備える例について説明したが、これに限定されない。例えば、マイクロ波発生部３０は、複数のマイクロ波を発生させる構成を有していてもよい。また、複数の給電部４０によって、導波管１１内部に複数のマイクロ波を供給してもよい。

この場合、マイクロ波発生部３０から発生する複数のマイクロ波の周波数は同じであってもよい。例えば、マイクロ波発生部３０は、周波数制御部３１からの出力を分配する分配部を有していてもよい。これにより、マイクロ波発生部３０において、周波数制御部３１から出力されたマイクロ波を分配することによって、複数のマイクロ波を発生させることができる。その結果、部品点数を減らすことができ、コストを削減すると共に省スペース化が実現できる。

また、複数の給電部４０のうち少なくとも２つの給電部は、周期構造体２０の複数の凸部２１が配列される第１方向（Ｘ方向）に互いに間隔を有して並べて配置されてもよい。このような構成により、給電部４０から供給されるマイクロ波は、複数の凸部２１が配列する方向に対して交差する方向に周期構造体２０を伝播する。これにより、給電部４０から出力されたマイクロ波が表面波モードで周期構造体２０を伝播しやすくなる。

実施の形態１では、給電部４０は、周期構造体２０に配置される例について説明したが、これに限定されない。給電部４０は、周期構造体２０に配置されていなくてもよい。給電部４０は、給電部４０から出力されたマイクロ波が周期構造体２０を伝播できる位置に配置されていればよい。

実施の形態１では、給電部４０は、例えば、上側から見て矩形状の給電ポートで形成されている例について説明したが、これに限定されない。給電部４０の形状は、例えば、円形、楕円形、又は多角形などであってもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置について説明する。なお、実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

図７は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置１Ｂの一例の概略断面構成図を示す。図８は、マイクロ波加熱装置１Ｂの一例の制御ブロック図を示す。図７及び図８に示すように、実施の形態２では、２つの給電部４０ａ、４０ｂを有する点、マイクロ波発生部３０ａが２つのマイクロ波を発生させる点、及び制御部５０によって２つのマイクロ波の位相差を制御する点が、実施の形態１と異なる。

＜給電部＞
マイクロ波加熱装置１Ｂは、複数の給電部として、２つの給電部４０ａ、４０ｂを有する。２つの給電部４０ａ、４０ｂは、周期構造体２０の複数の凸部２１が配列される方向に互いに間隔を有して配置される。実施の形態２では、加熱室１０の中央領域を間に挟んで互いに間隔を有して、第１方向（Ｘ方向）に配置されている。

本明細書では、マイクロ波加熱装置１Ｂを奥行き方向（Ｙ方向）から見て、加熱室１０の中心よりも左側の領域に配置される給電部４０ａを第１給電部４０ａと称し、右側の領域に配置される給電部４０ｂを第２給電部４０ｂと称する。

第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとは、導波管１１の底部に配置されている。具体的には、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂは、導波管１１の内部に配置された周期構造体２０に配置されている。また、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂは、マイクロ波発生部３０ａと接続されている。実施の形態２では、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂは、実施の形態１の給電部４０と同じ形状を有する。

＜マイクロ波発生部＞
マイクロ波発生部３０ａは、半導体素子を用いて構成され、且つ２つのマイクロ波を発生させる半導体発振器である。マイクロ波発生部３０ａは、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとのそれぞれにマイクロ波を供給する。

本明細書では、第１給電部４０ａに供給されるマイクロ波を第１マイクロ波と称し、第２給電部４０ｂに供給されるマイクロ波を第２マイクロ波と称する。

図８に示すように、マイクロ波発生部３０ａは、周波数制御部３１、分配部３３、第１位相制御部３４ａ、第１増幅部３２ａ、第２位相制御部３４ｂ、及び第２増幅部３２ｂを備える。実施の形態２では、第１増幅部３２ａ及び第２増幅部３２ｂは、実施の形態１の増幅部３２と同じ構成を有する。また、マイクロ波発生部３０ａを構成するこれらの要素は、制御部５０によって制御される。

周波数制御部３１で発生したマイクロ波は、分配部３３によって第１マイクロ波と第２マイクロ波とに分配される。第１マイクロ波は第１位相制御部３４ａに供給され、第２マイクロ波は第２位相制御部３４ｂに供給される。なお、周波数制御部３１で発生したマイクロ波を分配部３３によって第１マイクロ波と第２マイクロ波とに分配しているため、第１マイクロ波の周波数と第２マイクロ波の周波数とは、同じである。即ち、マイクロ波発生部３０ａは、同じ周波数の複数のマイクロ波を発生させている。

第１位相制御部３４ａは、第１マイクロ波の位相を制御する。第２位相制御部３４ｂは、第２マイクロ波の位相を制御する。具体的には、第１位相制御部３４ａ及び第２位相制御部３４ｂは、制御部５０によって制御される。制御部５０は、第１位相制御部３４ａ及び第２位相制御部３４ｂを制御し、第１マイクロ波と第２マイクロ波との間の位相差を設定する。

第１位相制御部３４ａによって位相を設定された第１マイクロ波は、第１増幅部３２ａに供給される。第１マイクロ波は、第１増幅部３２ａによって増幅された後、第１給電部４０ａから導波管１１内部の周期構造体２０へ供給される。

第２位相制御部３４ｂによって位相を設定された第２マイクロ波は、第２増幅部３２ｂに供給される。第２マイクロ波は、第２増幅部３２ｂによって増幅された後、第２給電部４０ｂから導波管１１内部の周期構造体２０へ供給される。

このように、実施の形態２では、制御部５０は、マイクロ波発生部３０ａにおいて、２つのマイクロ波を発生させ、且つ２つのマイクロ波の周波数に加えて、位相差を制御している。

［実施の形態２における加熱制御の解析結果の一例］
マイクロ波加熱装置１Ｂの加熱制御の解析結果の一例について説明する。加熱制御の解析として、マイクロ波加熱装置１Ｂの解析モデルを用いて、電界分布解析を行った。なお、電界分布解析は、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（ＣＯＭＳＯＬ ＡＢ社製）を用いて行った。

図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、電界分布解析に用いた解析モデル６０Ｂを示す。図９Ａは、解析モデル６０Ｂを上から見た図を示す。図９Ｂは、解析モデル６０Ｂを正面から見た図を示す。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、加熱室１０の左側領域を第１領域Ｒ１と称し、加熱室１０の右側領域を第２領域Ｒ２と称する。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、解析モデル６０Ｂは、マイクロ波加熱装置１Ｂの構成要素を備えると共に、加熱室１０内の載置第１２の上に２つの加熱対象物６１を載置している。解析モデル６０Ｂは、実施の形態１の解析モデル６０Ａ（図４Ａ及び図４Ｂ参照）と比べて、２つの給電部４０ａ、４０ｂを備える点が異なる。具体的には、解析モデル６０Ｂにおいて、第１給電部４０ａは加熱室１０の左側の第１領域Ｒ１に配置されており、第２給電部４０ｂは加熱室１０の右側の第２領域Ｒ２に配置されている。なお、実施の形態２では、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとは、解析モデル６０Ｂを上から見た場合、加熱室１０の左右方向の中心に対して互いに対称の位置に配置されている。

解析モデル６０Ｂのその他の構成については、解析モデル６０Ａと同じである。

解析モデル６０Ｂを用いた電界分布解析においては、第１マイクロ波及び第２マイクロ波の発振周波数及び位相差をパラメータとして、加熱室１０を上から見た場合の電界分布を調べている。

解析モデル６０Ｂを用いた電界分布解析の条件は、表２に示す通りである。

なお、表２中のＰｏｒｔ１は第１給電部４０ａ、Ｐｏｒｔ２は第２給電部４０ｂを示す。

図１０は、解析モデル６０Ｂを用いて２つのマイクロ波の発振周波数を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデル６０Ｂの負荷６１直下の平面断面を示す。なお、図１０は、加熱対象物６１が水の場合の解析結果を示す。

図１０に示すように、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂからそれぞれ供給される第１マイクロ波及び第２マイクロ波の発振周波数を変更することによって、加熱室１０内において電界分布を変化させることができる。なお、第１マイクロ波と第２マイクロ波とは、同じ発振周波数である。

発振周波数が２４００ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央に電界が集中して形成されている。また、加熱室１０の側壁近傍においては、電界が形成されていない。即ち、マイクロ波が加熱室１０の中央に集中して供給されている。よって、発振周波数を２４００ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の中央に加熱領域を集中して形成することができる。

発振周波数が２４４０ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央に電界が集中して形成されると共に、左側領域及び右側領域においても電界が形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０のほぼ全体に供給されると共に、加熱室の中央の領域に集中して供給されている。よって、発振周波数を２４４０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成しつつ、加熱室１０の中央の領域の加熱を他の領域の加熱に比べて強くすることができる。

発振周波数が２５００ＭＨｚである場合、加熱室１０の全体に電界が均一に形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。よって、発振周波数を２５００ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成し、加熱室１０の全体を均一に加熱することができる。

このように、実施の形態２においても実施の形態１と同様に、加熱室１０内に供給される２つのマイクロ波の発振周波数を制御することによって、加熱室１０内に形成される加熱領域を変化させることができる。

図１１は、解析モデル６０Ｂを用いて２つのマイクロ波の位相差を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデル６０Ｂの負荷直下の平面断面を示す。なお、図１１は、加熱対象物６１が水の場合の解析結果を示す。

図１１に示す電界分布解析は、第１給電部４０ａから出力される第１マイクロ波に対して、第２給電部４０ｂから出力される第２マイクロ波の位相を調節することによって、第１マイクロ波と第２マイクロ波との位相差を設定している。

図１１に示すように、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂからそれぞれ供給される第１マイクロ波と第２マイクロ波との位相差を変更することによって、加熱室１０内において電界分布を変化させることができる。なお、第１マイクロ波と第２マイクロ波の発振周波数は、２５００ＭＨｚとした。

位相差が０°である場合、加熱室１０の全体に電界が均一に形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。よって、発振周波数を２５００ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成し、加熱室１０の全体を均一に加熱することができる。

位相差が９０°である場合、加熱室１０の右側領域よりも左側領域に電界が集中して形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の右側領域よりも左側領域に集中して供給されている。よって、位相差を９０°に設定すると、加熱室１０の右側領域に比べて左側領域に加熱領域を集中させて形成することができる。

位相差が１８０°である場合、加熱室１０の全体に電界が均一に形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。よって、位相差を１８０°に設定すると、加熱室１０の全体に加熱領域を形成し、加熱室１０の全体を均一に加熱することができる。

実施の形態２では、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとは、解析モデル６０Ｂを上から見た場合、互いに左右対称の位置に配置されている。このため、図１１には図示していないが、位相差が２７０°である場合、電界分布は、位相差が９０°である場合と左右逆になる。具体的には、位相差が２７０°である場合、加熱室１０の左側領域よりも右側領域に電界が集中して形成される。即ち、マイクロ波が加熱室１０の左側領域よりも右側領域に集中して供給される。よって、位相差を２７０°に設定すると、加熱室１０の左側領域に比べて右側領域に加熱領域を集中させて形成することができる。

このように、加熱室１０内に供給される２つのマイクロ波の位相差を制御することによって、加熱室１０内に形成される加熱領域を変化させることができる。

なお、図１０及び図１１に示す解析結果は、加熱対象物６１が水である例について示しているが、加熱対象物６１が氷の例についても同様の解析結果が得られる。

上記したマイクロ波加熱装置１Ｂの加熱制御の解析結果は一例であって、周波数帯は、２４００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ以下に限定されない。マイクロ波加熱装置１Ｂの加熱制御は、異なる周波数帯でも応用可能である。例えば、周波数帯は、１０ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲で設定されてもよい。また、位相差についても、９０°、１８０°、２７０°に限定されない。例えば、位相差は、０°以上３６０°以下の範囲で設定されてもよい。このような周波数帯及び／又は位相差に設定された場合であっても、マイクロ波加熱装置１Ｂは、加熱領域を制御することができる。

［効果］
実施の形態２のマイクロ波加熱装置１Ｂによれば、以下の効果を奏することができる。

マイクロ波加熱装置１Ｂは、マイクロ波発生部３０から発生した２つのマイクロ波を２つの給電部４０から導波管１１内の周期構造体２０に供給している。また、マイクロ波加熱装置１Ｂは、制御部５０によって、マイクロ波発生部３０から発生した２つのマイクロ波の周波数及び位相差を制御している。このような構成により、加熱室１０内に供給される２つのマイクロ波の指向性を制御することができる。これにより、マイクロ波加熱装置１Ｂは、加熱対象物１２を加熱する加熱領域をより詳細に制御することができる。

制御部５０は、２つのマイクロ波の周波数及び位相差の組み合わせによって、様々な加熱パターンを制御することができる。例えば、制御部５０は、加熱室１０の左側、右側、中央、及び全体などの所望の領域を狙って加熱する複数の加熱パターンを容易に作り出すことができる。また、加熱領域を加熱する火力の強弱を容易に調節することもできる。

なお、実施の形態２では、制御部５０は、２つのマイクロ波の周波数及び位相差を制御する例について説明したが、これに限定されない。例えば、制御部５０は、２つのマイクロ波の周波数を制御せず、位相差を制御してもよい。この場合であっても、加熱室１０内に供給されるマイクロ波の指向性を制御することができ、加熱領域を制御することができる。

実施の形態２では、マイクロ波加熱装置１Ｂは、２つのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部３０ａ、２つの給電部４０ａ、４０ｂを備える例について説明したが、これに限定されない。例えば、マイクロ波発生部３０ａは、２つ以上のマイクロ波を発生させる構成を有していてもよい。また、２つ以上の給電部によって、加熱室１０内に複２つ以上のマイクロ波を供給してもよい。

実施の形態２では、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂは、第１方向（Ｘ方向）に配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１方向と異なる第２方向（Ｙ方向）に配置されてもよい。この場合、周期構造体２０の複数の凸部２１は、第２方向に周期的に配置されていてもよい。このような構成においても、加熱領域を制御することができる。

実施の形態２では、マイクロ波発生部３０ａは、１つの周波数制御部３１を備える例について説明したが、これに限定されない。例えば、マイクロ波発生部３０ａは、複数の周波数制御部３１を備えていてもよい。このような構成により、複数のマイクロ波のそれぞれの発振周波数を制御することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置について説明する。なお、実施の形態３では、主に実施の形態１及び２と異なる点について説明する。実施の形態３においては、実施の形態１及び２と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態３では、実施の形態１及び２と重複する記載は省略する。

図１２は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置１Ｃの一例を奥行き方向から見た場合の概略断面構成図を示す。図１３は、マイクロ波加熱装置１Ｃの一例を幅方向から見た場合の概略断面構成図を示す。図１４は、マイクロ波加熱装置１Ｃの４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの位置関係を示す図である。図１５は、マイクロ波加熱装置１Ｃの一例の制御ブロック図を示す。

図１２～図１５に示すように、実施の形態３では、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを有する点、マイクロ波発生部３０ｂが４つのマイクロ波を発生させる点、周期構造体２０ｃが第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）に周期的に配置される複数の凸部２１ｃで構成されている点、及び制御部５０によって４つのマイクロ波の周波数及び位相差を制御する点が、実施の形態１及び２と異なる。

＜給電部＞
図１２～図１５に示すように、マイクロ波加熱装置１Ｃは、複数の給電部として、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを有する。図１４に示すように、２つの給電部４０ａ、４０ｂは、互いに間隔を有して第１方向（Ｘ方向）に配置される。残り２つの給電部４０ｃ、４０ｄは、互いに間隔を有して第１方向と異なる第２方向（Ｙ方向）に配置される。

本明細書では、マイクロ波加熱装置１Ｃを高さ方向（Ｚ方向）から見て、第１方向（Ｘ方向）において左側に配置される給電部４０ａを第１給電部４０ａ、右側に配置される給電部４０ｂを第２給電部４０ｂと称する。また、第２方向（Ｙ方向）において下側（正面側）に配置される給電部４０ｃを第３給電部４０ｃ、上側（奥側）に配置される給電部４０ｄを第４給電部４０ｄと称する。

４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄは、加熱室１０の底部に配置されている。具体的には、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄは、加熱室１０の底部に配置された周期構造体２０ｃに配置されている。また、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０は、マイクロ波発生部３０ｂと接続されている。実施の形態３では、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄは、同じ形状を有する。

＜周期構造体＞
周期構造体２０ｃは、第１方向（Ｘ方向）と、第１方向と異なる第２方向（Ｙ方向）に周期的に配置される複数の凸部２１ｃによって構成されている。具体的には、複数の凸部２１ｃは、高さ方向（Ｚ方向）に延びる円柱状の複数の凸部材が第１方向と第２方向とに周期的に配置されている。４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄは、複数の凸部２１ｃの間に配置される。

＜マイクロ波発生部＞
マイクロ波発生部３０ｂは、半導体素子を用いて構成され、且つ４つのマイクロ波を発生させる半導体発振器である。マイクロ波発生部３０ｂは、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄのそれぞれにマイクロ波を供給する。

本明細書では、第１給電部４０ａ、第２給電部４０ｂ、第３給電部４０ｃ、及び第４給電部４０ｄにそれぞれ供給されるマイクロ波を、第１マイクロ波、第２マイクロ波、第３マイクロ波、及び第４マイクロ波と称する。

図１５に示すように、マイクロ波発生部３０ｂは、周波数制御部３１、３つの分配部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、及び４つの増幅部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを備える。実施の形態２では、分配部３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、それぞれ実施の形態２の分配部３３と同じ構成を有する。４つの増幅部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、それぞれ実施の形態１の増幅部３２と同じ構成を有する。また、マイクロ波発生部３０ｂを構成するこれらの要素は、制御部５０によって制御される。

本明細書では、３つの分配部３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、それぞれ、第１分配部３３ａ、第２分配部３３ｂ、及び第３分配部３３ｃと称する。４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、それぞれ、第１位相制御部３４ａ、第２位相制御部３４ｂ、第３位相制御部３４ｃ、及び第４位相制御部３４ｄと称する。４つの増幅部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、それぞれ、第１増幅部３２ａ、第２増幅部３２ｂ、第３増幅部３２ｃ、及び第４増幅部３２ｄと称する。

周波数制御部３１で発振されたマイクロ波は、３つの分配部３３ａ、３３ｂ、３３ｃによって４つのマイクロ波に分配される。具体的には、周波数制御部３１で発振されたマイクロ波は、第１分配部３３ａによって、２つのマイクロ波に分配される。

第１分配部３３ａによって分配された一方のマイクロ波は、第２分配部３３ｂに供給され、第２分配部３３ｂによって第１マイクロ波と第２マイクロ波に分配される。第１分配部３３ａによって分配された他方のマイクロ波は、第３分配部３３ｃに供給され、第３分配部３３ｃによって第３マイクロ波と第４マイクロ波に分配される。

第１マイクロ波、第２マイクロ波、第３マイクロ波、及び第４マイクロ波は、それぞれ、第１位相制御部３４ａ、第２位相制御部３４ｂ、第３位相制御部３４ｃ、及び第４位相制御部３４ｄに供給される。なお、周波数制御部３１で発生したマイクロ波を３つの分配部３３ａ、３３ｂ、３３ｃによって４つのマイクロ波に分配しているため、４つのマイクロ波の周波数は、同じである。

４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、それぞれ、供給されてきたマイクロ波の位相を制御する。具体的には、４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、制御部５０によって制御される。制御部５０は、４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを制御し、４つのマイクロ波の位相差を設定する。

４つの位相制御部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄによって位相を設定された４つのマイクロ波は、それぞれ、４つの増幅部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに供給される。４つのマイクロ波は、それぞれ、４つの増幅部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄによって増幅された後、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄから周期構造体２０ｃへ供給される。

このように、実施の形態２では、マイクロ波発生部３０ｂにおいて、４つのマイクロ波を発振し、且つ４つのマイクロ波の周波数及び位相差を制御している。

［実施の形態３における加熱制御の解析結果の一例］
マイクロ波加熱装置１Ｃの加熱制御の解析結果の一例について説明する。加熱制御の解析として、マイクロ波加熱装置１Ｃの解析モデルを用いて、電界分布解析を行った。なお、電界分布解析は、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（ＣＯＭＳＯＬ ＡＢ社製）を用いて行った。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、それぞれ、電界分布解析に用いた解析モデル６０Ｃを示す。図１６Ａは、解析モデル６０Ｃを上から見た図を示す。図１６Ｂは、解析モデル６０Ｃを正面から見た図を示す。なお、図１６Ａ及び図１６Ｂにおいて、加熱室１０を上から見た場合、加熱室１０の左側領域を第１領域Ｒ１、右側領域を第２領域Ｒ２、下側（正面側）領域を第３領域Ｒ３、上側（奥側）領域を第４領域Ｒ４と称する。

図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、解析モデル６０Ｃは、マイクロ波加熱装置１Ｃの構成要素を備えると共に、加熱室１０内の載置第１２の上に２つの加熱対象物６１を載置している。解析モデル６０Ｃは、実施の形態１の解析モデル６０Ａ（図４Ａ及び図４Ｂ参照）及び実施の形態２の解析モデル６０Ｂ（図９Ａ及び図９Ｂ参照）と比べて、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを備える点が異なる。具体的には、解析モデル６０Ｃにおいて、第１給電部４０ａ、第２給電部４０ｂ、第３給電部４０ｃ、及び第４給電部４０ｄは、それぞれ加熱室１０の第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３、及び第４領域Ｒ４に配置されている。実施の形態３では、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとは、解析モデル６０Ｃを上から見た場合、加熱室１０の左右方向の中心に対して互いに対称の位置に配置されている。また、第３給電部４０ｃと第４給電部４０ｄとは、解析モデル６０Ｃを上から見た場合、加熱室１０の奥行き方向の中心に対して互いに対称の位置に配置されている。

また、解析モデル６０Ｃにおいては、周期構造体２０ｃが第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）とに周期的に配置される複数の凸部２１ｃで構成されている点が、解析モデル６０Ａ及び解析モデル６０Ｂと異なる。

解析モデル６０Ｃのその他の構成については、解析モデル６０Ａ及び解析モデル６０Ｂと同じである。

解析モデル６０Ｃを用いた電界分布解析においては、４つのマイクロ波の発振周波数及び位相差をパラメータとして、加熱室１０を上から見た場合の電界分布を調べた。

解析モデル６０Ｃを用いた電界分布解析の条件は、表３に示す通りである。

なお、表３中のＰｏｒｔ１は第１給電部４０ａ、Ｐｏｒｔ２は第２給電部４０ｂ、Ｐｏｒｔ３は第３給電部４０ｃ、Ｐｏｒｔ４は第４給電部４０ｄを示す。

図１７は、解析モデル６０Ｃを用いて４つのマイクロ波の発振周波数及び位相差を変更した場合の電界分布解析の結果の一例であって、解析モデル６０Ｃの負荷６１直下の平面断面を示す。なお、図１７は、加熱対象物６１が水の場合の解析結果を示す。

図１７に示す電界分布解析は、第１給電部４０ａから出力される第１マイクロ波に対して、第２給電部４０ｂ、第３給電部４０ｃ及び第４給電部４０ｄからそれぞれ出力される第２マイクロ波、第３マイクロ波及び第４マイクロ波の位相を調節することによって、位相差を設定している。

図１７に示す電界分布解析は、位相差の設定の一例として、第１マイクロ波と第２マイクロ波との位相差を９０°に設定し、第１マイクロ波と第３マイクロ波との位相差を０°に設定し、第１マイクロ波と第４マイクロ波との位相差を９０°に設定した。この設定条件を位相差条件１と称する。また、図１７に示す電界分布解析は、位相差の設定の別例として、第１マイクロ波と第２マイクロ波との位相差を１８０°に設定し、第１マイクロ波と第３マイクロ波との位相差を０°に設定し、第１マイクロ波と第４マイクロ波との位相差を１８０°に設定した。この設定条件を位相差条件２と称する。

図１７に示す電界分布解析では、位相差条件１及び２において、４つのマイクロ波の発振周波数を変化させて、加熱室１０内の電界分布を解析している。なお、第１マイクロ波、第２マイクロ波、第３マイクロ波及び第４マイクロ波は、同じ発振周波数である。

図１７に示すように、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄからそれぞれ供給される第１マイクロ波、第２マイクロ波、第３マイクロ波及び第４マイクロ波の発振周波数及び位相差を変更することによって、加熱室１０内において電界分布を変化させることができる。

位相差条件１において、発振周波数が２４８０ＭＨｚ及び２４９０ＭＨｚである場合、加熱室１０の右側領域に比べて、左側領域に電界が集中して形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の左側領域に集中して供給されている。よって、位相差条件１において、発振周波数が２４８０ＭＨｚ及び２４９０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の左側領域に加熱領域を集中して形成することができる。また、加熱室１０の左側領域の加熱を右側領域の加熱に比べて強くすることができる。

位相差条件２において、発振周波数が２４００ＭＨｚ、２４１０ＭＨｚ及び２４２０ＭＨｚである場合、加熱室１０の全体に電界が均一に形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の全体に均一に供給されている。よって、位相差条件２において、発振周波数が２４００ＭＨｚ、２４１０ＭＨｚ及び２４２０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０全体に加熱領域を形成し、加熱室１０全体を均一に加熱することができる。

位相差条件２において、発振周波数が２４４０ＭＨｚである場合、加熱室１０の中央領域に電界が集中して形成されている。即ち、マイクロ波が加熱室１０の中央に集中して供給されている。よって、位相差条件２において、発振周波数が２４４０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の中央に加熱領域を集中して形成することができる。また、加熱室１０の中央領域の加熱を、他の領域の加熱に比べて強くすることができる。

実施の形態３では、第１給電部４０ａと第２給電部４０ｂとは、解析モデル６０Ｃを上から見た場合、加熱室１０の左右方向の中心に対して互いに対称の位置に配置されている。また、第３給電部４０ｃと第４給電部４０ｄとは、解析モデル６０Ｃを上から見た場合、加熱室１０の奥行き方向の中心に対して互いに対称の位置に配置されている。このため、図１７には図示していないが、位相差条件３として、第１マイクロ波と第２マイクロ波との位相差を２７０°に設定し、第１マイクロ波と第３マイクロ波との位相差を０°に設定し、第１マイクロ波と第４マイクロ波との位相差を２７０°に設定した場合、位相差条件３の電界分布は、位相差条件１の電界分布と逆の分布となる。具体的には、位相差条件３において、発振周波数が２４８０ＭＨｚ及び２４９０ＭＨｚである場合、加熱室１０の左側領域に比べて、右側領域に電界が集中して形成される。即ち、マイクロ波が加熱室１０の右側領域に集中して供給される。よって、位相差条件３において、発振周波数が２４８０ＭＨｚ及び２４９０ＭＨｚに設定すると、加熱室１０の右側領域に加熱領域を集中して形成することができる。また、加熱室１０の右側領域の加熱を左側領域の加熱に比べて強くすることができる。

このように、実施の形態３においても実施の形態１及び２と同様に、加熱室１０内に供給される４つのマイクロ波の発振周波数及び位相差を制御することによって、加熱室１０内に形成される加熱領域を制御することができる。なお、図１７に示す解析結果は、加熱対象物６１が水である例について示しているが、加熱対象物６１が氷の例についても同様の解析結果が得られる。

なお、上記したマイクロ波加熱装置１Ｃの加熱制御の解析結果は一例であって、周波数帯は、２４００Ｍｚ以上２５００ＭＨｚ以下に限定されない。マイクロ波加熱装置１Ｃの加熱制御は、異なる周波数帯でも応用可能である。例えば、周波数帯は、１０ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲で設定されてもよい。また、位相差についても、９０°、１８０°、２７０°に限定されない。例えば、位相差は、０°以上３６０°以下の範囲で設定されてもよい。このような周波数帯及び／又は位相差に設定された場合であっても、マイクロ波加熱装置１Ｃは、加熱領域を制御することができる。

［効果］
実施の形態３のマイクロ波加熱装置１Ｃによれば、以下の効果を奏することができる。

マイクロ波加熱装置１Ｃは、マイクロ波発生部３０ｂから発生した４つのマイクロ波を４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄから周期構造体２０ｃに供給している。また、マイクロ波加熱装置１Ｃは、制御部５０によって、マイクロ波発生部３０ｂから発生した４つのマイクロ波の周波数及び位相差を制御している。このような構成により、加熱室１０内に供給される４つのマイクロ波の指向性を制御することができる。これにより、マイクロ波加熱装置１Ｃは、加熱対象物１２を加熱する加熱領域をより詳細に制御することができる。

制御部５０は、４つのマイクロ波の周波数及び位相差の組み合わせによって、様々な加熱パターンを制御することができる。例えば、制御部５０は、加熱室１０の左側、右側、中央、正面側、奥側、及び全体などを加熱する複数の加熱パターンを容易に作り出すことができる。また、加熱領域を加熱する火力の強弱を容易に調節することもできる。

周期構造体２０ｃは、第１方向（Ｘ方向）と、第１方向（Ｘ方向）と異なる第２方向（Ｙ方向）に周期的に配列される複数の凸部２１ｃによって構成されている。このような構成により、４つの給電部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄから周期構造体２０ｃに供給される４つのマイクロ波の指向性を更に容易に制御することができる。

第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂは、加熱室１０の中央領域を間に挟んで、互いに間隔を有して第１方向（Ｘ方向）に配列されている。第３給電部４０ｃ及び第４給電部４０ｄは、加熱室１０の中央領域を間に挟んで、互いに間隔を有して第２方向（Ｙ方向）に配列されている。このような構成により、第１給電部４０ａ及び第２給電部４０ｂから出力されるマイクロ波は第１方向に伝播しやすく、第３給電部４０ｃ及び第４給電部４０ｄから出力されるマイクロ波は第２方向に伝播しやすい。これにより、マイクロ波を第１方向と第２方向とに向けて容易に出力することができ、加熱室１０の左右方向（第１方向）と奥行き方向（第２方向）とに加熱領域を容易に形成することができる。

なお、実施の形態３では、周期構造体２０ｃが加熱室１０の底部に配置されている例について説明したが、これに限定されない。例えば、周期構造体２０ｃは、加熱室１０の底部、上部、及び／又は側部に配置されていればよい。

図１８は、変形例のマイクロ波加熱装置１Ｄの概略断面構成図を示す。図１８に示すように、周期構造体２０ｄを加熱室１０の底部及び両側部に配置されていてもよい。具体的には、加熱室１０の底部及び両側部に導波管１１を配置する。周期構造体２０ｄを構成する複数の凸部２１ｄは、加熱室１０の底部及び両側部に配置された導波管１１内部に配置される。

また、図１８に示すマイクロ波加熱装置１Ｄにおいては、加熱室１０の側部に配置された周期構造体２０ｄに、第５給電部４０ｅと第６給電部４０ｆとを配置している。このような構成により、加熱室１０の側部からもマイクロ波を加熱室１０内に供給することができる。これにより、加熱領域をより容易に制御することができる。また、加熱室１０の下方からだけではなく、側方又は上方からもマイクロ波放射が可能となり、均一加熱性能の向上が可能となる。

実施の形態１～３では、周期構造体２０、２０ｃ、２０ｄは、複数の凸部２１、２１ｃ、２１ｄを周期的に配列した構成の例を説明したが、これに限定されない。図１９は、変形例の周期構造体２０ｅの概略構成を示す。図２０は、図１９の周期構造体２０ｅをＡ－Ａ線で切断した概略断面図を示す。

図１９及び図２０に示すように、周期構造体２０ｅは、複数の共振導体２２を第１方向（Ｘ方向）と、第１方向と異なる第２方向（Ｙ方向）とに周期的に配列した構成を有していてもよい。図１９に示す周期構造体２０ｅは、複数の共振導体２２が縦３列、横３行で配列されている。周期構造体２０ｅの中央の共振導体２２には、給電部４０ｇが配置されている。

複数の共振導体２２のそれぞれは、矩形状の平板と、平板の底面に設けられた棒状部材とを有する。複数の共振導体２２は、例えば、金属などの導体によって形成されている。

複数の共振導体２２の配置間隔がマイクロ波の１／４波長であるときが最も周期構造体２０ｅを伝搬しやすい。また、４給電で同一周波数のマイクロ波を発振する場合、複数の共振導体２２の配置間隔を異なる構成にすることで、それぞれの方向に伝送しやすい周波数を変えられるので、加熱パターンの制御性が高まる。

図２１及び図２２は、それぞれ、別の変形例の周期構造体２０ｆ、２０ｇの概略構成を示す。図２１及び図２２に示すように、周期構造体２０ｆ、２０ｇにおいて、複数の共振導体２３は、円板状の平板と、平板の底面に設けられた棒状部材と、を有する。

図２１に示す周期構造体２０ｆでは、４つの共振導体２３が縦２列、横２行に配列されている。周期構造体２０ｆの中央、即ち、４つの共振導体２３の間に形成されたスペースには、給電部４０ｈが配置されている。

図２２に示す周期構造体２０ｇでは、９つの共振導体２３が縦３列、横３行で配列されている。周期構造体２０ｇの中央の共振導体２３には、給電部４０ｉが配置されている。

図２１及び図２２に示す周期構造体２０ｆ、２０ｇのその他の構成は、図１９に示す周期構造体２０ｅと同じである。

このような構成においても、加熱領域を容易に制御することができる。更に、マイクロ波加熱装置の低背化を実現することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に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。

本発明に係るマイクロ波加熱装置は、加熱対象物を加熱する加熱領域を容易に制御することができるため、例えば、マイクロ波加熱機などの調理家電として有用である。例えば、対象物としての食品にマイクロ波を放射して誘電加熱する加熱調理器、特にオーブン、グリル、過熱スチーム等のその他の加熱と併用する加熱調理器において有用である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ マイクロ波加熱装置
１０ 加熱室
１１ 導波管
１２ 加熱対象物
１３ 載置台
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ 周期構造体
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 凸部
２２ 共振導体
２３ 共振導体
３０、３０ａ、３０ｂ マイクロ波発生部
３１ 周波数制御部
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 増幅部
３３、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ 分配部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 位相制御部
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉ 給電部
５０ 制御部
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ 解析モデル
６１ 加熱対象物
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 領域

Claims (8)

1. 加熱対象物を収容する加熱室と、
   半導体素子を用いて構成され、且つ１つ又は複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
   前記１つ又は複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
   前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記１つ又は複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
   前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記１つ又は複数のマイクロ波を前記導波管に供給する複数の給電部と、
   前記１つ又は複数のマイクロ波の周波数を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
   を備え、
   前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、平面視において、前記周期構造体の端部より内側に配置され、
   前記周期構造体の複数の凸部が配列される前記第１方向に互いに間隔を有し、前記加熱室の中央領域を挟んで配置される、マイクロ波加熱装置。
2. 前記マイクロ波発生部は、同じ周波数を有する複数のマイクロ波を発生させ、
   前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、互いに間隔を有して前記第１方向に配置される、
   請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 加熱対象物を収容する加熱室と、
   半導体素子を用いて構成され、且つ複数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
   前記複数のマイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
   前記導波管内に第１方向に周期的に配列された複数の凸部を有し、前記複数のマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
   前記マイクロ波発生部と接続され、且つ前記複数のマイクロ波を前記導波管に供給する複数の給電部と、
   前記複数のマイクロ波間の位相差を制御することによって、前記加熱対象物を加熱する加熱領域を制御する制御部と、
   を備え
   前記複数の給電部のうち少なくとも２つの給電部は、平面視において、前記周期構造体の端部より内側に配置され、
   前記周期構造体の複数の凸部が配列される前記第１方向に互いに間隔を有し、前記加熱室の中央領域を挟んで配置される、マイクロ波加熱装置。
4. 前記制御部は、前記複数のマイクロ波の周波数を制御し、
   前記複数のマイクロ波の周波数は、同じである、
   請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記複数の給電部は、前記周期構造体に配置される、請求項２～４のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
6. 前記周期構造体の前記複数の凸部は、前記第１方向、及び前記第１方向と異なる第２方向に周期的に配列される、請求項１～５のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
7. 前記第１方向に配置される前記複数の凸部間の第１沿面距離と、前記第２方向に配置される前記複数の凸部間の第２沿面距離とは異なっており、
   前記第１沿面距離は、前記第１方向に配置される隣り合う前記複数の凸部間において前記周期構造体の表面に沿った最小距離であり、前記第２沿面距離は、前記第２方向に配置される隣り合う前記複数の凸部間において前記周期構造体の表面に沿った最小距離である、
   請求項６に記載のマイクロ波加熱装置。
8. 前記周期構造体は、前記加熱室の底部、上部及び側部のうち少なくとも１つに配置される、請求項１～７のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。

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