JP7245549B2

JP7245549B2 - 電磁波加熱装置

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Publication number: JP7245549B2
Application number: JP2021091069A
Authority: JP
Inventors: 誠士神原; 創士渡部
Original assignee: GENERAL SOLUTIONS CO., LTD.
Current assignee: GENERAL SOLUTIONS CO., LTD.
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2041-05-31
Also published as: JP2022183636A

Description

本発明は、被加熱物の加熱に用いられる電磁波加熱装置等に関する。

従来から、食品の加熱など様々な用途に、誘電加熱方式の電磁波加熱装置が利用されている。この方式の電磁波加熱装置では、被加熱物に含まれる誘電体に対し電磁波が照射される。そうすると、電磁波による電界の作用により、誘電体における分子レベルのダイポールが振動し、その振動に伴う誘電損失により発熱が生じて、被加熱物が加熱される。また、他の方式の電磁波加熱装置として、被加熱物に導体成分やイオン物質が含まれる場合には電流により生じる導電（ジュール）損失により、磁性成分が含まれる場合には磁性損失により、被加熱物を加熱する装置がある。

特許文献１には、トナー像を加熱・溶融して記録媒体上に定着する定着部材を誘電加熱する誘電加熱部が記載されている。この誘電加熱部は、定着部材の外周面又は／及び内周面に対向して、定着部材の誘電体の周囲に高周波電界を形成する少なくとも一対の棒状電極を備えている。棒状電極は、隣接する棒状電極との極性が異なるように配設されていて、電源から高周波電力が供給される。

また、特許文献２には、高周波電源装置のインピーダンス整合を行う周波数制御を、位相制御と反射電力制御の二段階制御によって行う高周波電源装置が記載されている。

特開２００８－２９２６０６号公報特許第６１５７０３６号公報

ところで、特許文献１には、４０ＭＨｚの高周波を用いた実験結果が記載されている。この場合、高周波の波長は約７．５ｍとなる。このことから、特許文献１に記載の従来技術では、各棒状電極において長さ方向の電界は概ね均一になると考えられる。それに対し、本願発明者は、電界が強いほど電磁波は被加熱物に吸収されやすくなり、被加熱物を効率的に加熱することができることから、放射アンテナによる電界強度を高めるために、放射アンテナにおいて電磁波による共振が生じる電磁波加熱装置を考えた。

しかし、このような電磁波加熱装置は、被加熱物などによって、放射アンテナにおける共振周波数が逐次変化する場合があり、この場合は効率的な加熱状態を維持することが困難であった。そのため、本願発明者は、共振周波数に対して発振器の発振周波数を制御する周波数制御の適用を考えた。

ここで、従来の周波数制御では、位相制御と反射電力制御とが順番に行われる。しかし、反射電力制御において反射電力の検出に時間を要することから、従来の周波数制御では、共振周波数に対して発振周波数を高速で追従させることはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放射アンテナにおいて電磁波による共振が生じる電磁波加熱装置について、共振周波数に対して発振周波数を高速で追従させることが可能に構成することを目的とする。

上述の課題を解決するべく、第１の発明は、電磁波を出力する発振器と、発振器から伝送される周波数帯域の電磁波により共振が生じる共振構造を有する放射アンテナとを備え、共振構造により形成される電磁波の強電界領域において被加熱物の加熱を行う電磁波加熱装置であって、発振器から放射アンテナへ延びる伝送線路に設けられ、放射アンテナから戻る反射波の波形を表す反射波情報を抽出する信号抽出部と、発振器から放射アンテナへ伝送される入射波の波形を表す入射波情報と反射波情報とを用いる演算処理により、入射波と反射波の位相差を表す位相差情報を生成する位相差情報生成部と、入射波の位相と反射波の位相とが等しくなる状態の基準情報と、位相差情報とに基づいて、放射アンテナにおける共振周波数と発振器の発振周波数との差が小さくなる発振周波数の調節方向を検出し、その検出された調節方向に基づいて発振周波数を制御する制御処理を繰り返し行う制御部とをさらに備えている。

第２の発明は、第１の発明において、制御部は、基準情報と位相差情報とを用いて、共振周波数に対する発振周波数のずれ方向を検出し、その検出結果に対し平均化処理を行うことにより、発振周波数の調節方向を検出する。

第３の発明は、第２の発明において、被加熱物が強電界領域を通過するように搬送され、制御部は、被加熱物の搬送速度に基づいて、平均化処理に用いる検出結果のサンプル数を調節する。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、発振器は、直交変調された電磁波を放射アンテナに出力し、反射波情報を直交復調する直交復調部をさらに備え、入射波情報を構成する第１Ｉ成分情報及び第１Ｑ成分情報と、反射波情報を構成する第２Ｉ成分情報及び第２Ｑ成分情報とを用いる演算処理により、位相差情報を生成する。

第５の発明は、第４の発明において、信号抽出部は、伝送線路から入射波情報を抽出し、直交復調部は、１つの直交復調器と、信号抽出部から直交復調器に対し、入射波情報が入力される第１期間と、反射波情報が入力される第２期間とを切り替える切替スイッチとを備え、位相差情報の生成周期よりも短い周期で、切替スイッチにより、第１期間と第２期間の切り替えが行われる。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、信号抽出部は、伝送線路から入射波情報を抽出し、信号抽出部から位相差情報生成部へ入射波情報を伝送する線路には、入射波情報と反射波情報との位相のずれを補正する遅延線路又は遅延素子が設けられている。

第７の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、制御部は、発振器の電磁波の出力タイミングにおける位相の入射波情報を用いて、位相差情報の生成を行うように構成され、演算処理の前に、入射波情報に対し反射波情報との位相のずれの補正を行う。

第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、制御部は、位相差情報に基づいて、被加熱物に吸収される電磁波エネルギー量を推測し、その推測結果に基づいて発振器の出力制御を行う。

第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、基準情報は、所定の幅を持つ閾値範囲であり、制御部は、被加熱物の加熱目標状態に対する、該被加熱物の加熱進行度合いを推測し、その推測結果に基づいて閾値範囲の幅を調節する。

第１０の発明は、第１乃至第９の何れか１つの発明において、強電界領域を順番に通過するように、複数の被加熱物が間隔を空けて搬送され、制御部は、１つの被加熱物が強電界領域を通過する期間に制御処理を繰り返す周波数制御を行うと共に、該周波数制御の制御履歴情報を記録し、その記録後に強電界領域を通過する被加熱物を加熱する期間に、制御履歴情報を用いて周波数制御を行う。

第１１の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、強電界領域を順番に通過するように、複数の被加熱物が間隔を空けて搬送され、被加熱物は、印刷装置で印刷されたインクであり、制御部は、制御処理の制御パラメータの調節に、被加熱物の印刷パターンの情報を用いる。

第１２の発明は、第１乃至第１１の何れか１つの発明において、放射アンテナが配置された内部空間を外部から遮蔽し、被加熱物を含む搬送物の導入部及び導出部が形成されて、内部空間では、被加熱物が放射アンテナの対面領域を通過するように、搬送物が導入部から導出部に向かって搬送される遮蔽部をさらに備えている。

本発明では、入射波情報と反射波情報を用いる演算処理により、入射波と反射波の位相差を表す位相差信号が生成される。そして、位相差信号と基準情報とに基づいて発振周波数の調節方向を検出し、その検出結果に基づいて発振周波数を制御する制御処理が繰り返し行われることで、共振周波数に対して発振周波数が追従する。ここで、入射波情報と反射波情報を用いる演算処理は、高速で行うことができる。つまり、位相差情報の生成は高速で行うことができる。また、基準情報は予め準備しておくことができるため、発振周波数の調節方向も高速で検出できる。本発明によれば、共振周波数に対して発振周波数を高速で追従させることが可能である。

図１は、第１実施形態に係る電磁波加熱装置においてカバーを取り外した状態を斜め上から見た斜視図である。図２は、第１実施形態に係る電磁波加熱装置を斜め上から見た斜視図である。図３は、図２のＡ－Ａの断面図である。図４は、図２のＢ－Ｂの断面図であり、基材が搬送されている状態を示す。図５は、第１実施形態に係る電磁波加熱装置の断面図である。図６は、第１実施形態に係る電磁波加熱装置の概略回路図である。図７は、第１実施形態に係る電磁波加熱装置の制御部により行われる処理のフローチャートである。図８は、共振周波数に対する位相差電圧の関係を表すグラフ等を記載した図表である。図９（ａ）～（ｆ）は、共振周波数に発振周波数を追従させる様子を説明するための図表である。図１０は、第１実施形態の第１変形例に係る平均化処理を説明するための図表である。図１１は、第２実施形態に係る電磁波加熱装置の概略回路図である。図１２は、第２実施形態に係る電磁波加熱装置の制御部により行われる処理のフローチャートである。図１３は、共振周波数に発振周波数を追従させる様子を説明するための図表（スミスチャート）である。図１４は、第２実施形態の第１変形例に係る電磁波加熱装置の概略回路図である。図１５は、第２実施形態の第２変形例に係る電磁波加熱装置の概略回路図である。図１６は、第３実施形態に係る電磁波加熱装置の概略回路図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態及び変形例は、本発明の一例であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜第１実施形態＞
本実施形態は、高周波等の電磁波を利用して被加熱物２０を加熱する電磁波加熱装置１０である。電磁波加熱装置１０は、誘電加熱方式の加熱装置である。電磁波加熱装置１０で利用される電磁波は、８００ＭＨｚ以上の高周波（例えばマイクロ波）である。

電磁波加熱装置１０で加熱される被加熱物２０は、高周波を吸収する物質（液体、固体など）を含む。被加熱物２０は、厚みが薄い薄物であり、シート状又は膜状を呈する。被加熱物２０は、例えば接着剤である。被加熱物２０は、シート状で長尺の基材（搬送物）１１の表面に塗布又は配置される。被加熱物２０は、基材１１と共に所定の方向（図１に示す矢印の方向）に搬送されて、高周波による強電界領域を通過する。その際、被加熱物２０は、高周波を吸収することで加熱される。なお、被加熱物２０は、シート状又は膜状ではなくてもよく、ある程度の厚みがあってもよい。また、被加熱物２０が封筒などのシート体に設けられる接着剤の場合、シート体及び基材１１とともに搬送されてもよい。

電磁波加熱装置１０は、基材１１の表面に被加熱物２０を塗布又は配置する上流側装置（例えば、接着剤の塗布装置。図示省略）と、少なくとも上流側装置の入口から電磁波加熱装置１０の出口までの処理区間において基材１１を搬送する搬送機構１２とともに、搬送式の処理システムを構成している。搬送機構１２は、複数対のローラ１３を用いて基材１１及び被加熱物２０を搬送する（図４参照）。以下では、基材１１の搬送方向を「第１方向」と言い、第１方向に直交する方向を「第２方向」と言う（図１等参照）。また、電磁波加熱装置１０において、カバー５０側を「表側」と言い、基板２３側を「裏側」と言う（図２等参照）。

［電磁波加熱装置の構成］
電磁波加熱装置１０は、図１及び図２に示すように、高周波を発振する発振器２１と、被加熱物２０を加熱するための高周波を放射する放射アンテナ２２と、片面に放射アンテナ２２が設けられた基板２３と、基板２３の放射アンテナ２２側を覆うカバー５０と、発振器２１を制御する制御装置７５とを備えている。制御装置７５についての詳細は後述する。

発振器２１には、例えば半導体発振器が用いられる。基板２３及びカバー５０は、金属製である。基板２３は接地されている。基板２３及びカバー５０は、放射アンテナ２２が配置された内部空間４０（図３参照）を外部から遮蔽する遮蔽部６０を構成している。カバー５０は、遮蔽部６０の内部空間４０を片側（上側）から区画する第１区画部を構成している。基板２３は、第１区画部とは反対側（下側）から内部空間４０を区画する第２区画部を構成している。基板２３とカバー５０の間には、平面視における遮蔽部６０の外周部において周方向に連続する連続隙間７０が形成されている。

放射アンテナ２２は、インターディジタル型の回路により構成されている。放射アンテナ２２は、第１櫛歯電極３１と、第１櫛歯電極３１に隙間を空けて噛み合う第２櫛歯電極３２とを備えている。第１櫛歯電極３１は、複数の歯部３１ａにより櫛状に形成されている。第２櫛歯電極３２は、複数の歯部３２ａにより櫛状に形成されている。

第１櫛歯電極３１は、真っすぐ延びる基部線路３１ｂと、基部線路３１ｂに付け根が接続された複数の歯部３１ａとを備えている。複数の歯部３１ａは、互いに平行に設けられている。各歯部３１ａは、基部線路３１ｂから斜めに延びている。複数の歯部３１ａは、第１方向に等間隔で配列されている。

第２櫛歯電極３２は、真っすぐ延びる基部線路３２ｂと、基部線路３２ｂに付け根が接続された複数の歯部３２ａとを備えている。基部線路３２ｂは、第１櫛歯電極３１の基部線路３１ｂに平行である。複数の歯部３２ａは、互いに平行に設けられている。第２櫛歯電極３２の歯部３２ａは、第１櫛歯電極３１の歯部３１ａに平行である。各歯部３２ａは、基部線路３２ｂから斜めに延びている。複数の歯部３２ａは、第１方向に等間隔で配列されている。

放射アンテナ２２では、同一平面内において、複数の歯部３１ａ，３２ａが、所定の方向（第１方向）に隙間を空けて配列されている。複数の歯部３１ａ，３２ａが配列された領域（以下、「配列領域」と言う。）は、平面視で帯状の領域である。なお、第１の方向に配列される歯部（導体線路）３１ａ，３２ａの合計本数は、３本以上であればよく、本実施形態のように１０本以上としてもよい。

放射アンテナ２２は、第１櫛歯電極３１及び第２櫛歯電極３２に加え、第１方向における配列領域の一端側で第１櫛歯電極３１と第２櫛歯電極３２を接続する第１接続線路４１と、配列領域の他端側で第１櫛歯電極３１と第２櫛歯電極３２を接続する第２接続線路４２とを備えている。放射アンテナ２２は閉回路である。第１接続線路４１には、発振器２１からの高周波が入力される入力部３０が接続されている。入力部３０は、例えば同軸コネクタであり、同軸線路を介して発振器２１に接続されている。入力部３０は、基板２３の裏側に設けられている。入力部３０に高周波が入力される入力期間に、放射アンテナ２２の対面領域（配列領域の上方の領域）では、被加熱物２０を加熱するための強電界領域が形成される。強電界領域は、対面領域のうち放射アンテナ２２の表側近傍に形成され、平行で厚みが薄い領域となる。

放射アンテナ２２は、上述の入力期間に、発振器２１が発振する高周波の周波数帯域で、高周波の共振が生じるように構成されている。放射アンテナ２２では、各歯部３１ａ，３２ａで高周波による共振が同時に生じる。歯部３１ａの長さＬ１と歯部３２ａの長さＬ２とは、伝送される高周波の波長（電気長）をλとした場合に、式１及び式２を用いて設計される（ｎ_１、ｎ_２は自然数）。隣り合う歯部３１ａと歯部３２ａの合計長さは、２ｍ×λ／４で表される（ｍは自然数）。本実施形態では、歯部３１ａ，３２ａの長さＬ１，Ｌ２は、ともにλ／４である。なお、第１櫛歯電極３１の各歯部３１ａと第２櫛歯電極３２の各歯部３２ａは、全て同じ長さにしているが、長さを互いに異ならせてもよい。
式１：Ｌ１＝λ×（２ｎ_１－１）／４
式２：Ｌ２＝λ×（２ｎ_２－１）／４

放射アンテナ２２は、上述の入力期間に、第１方向に隣り合う歯部３１ａ，３２ａの間で比較的強固な電界結合が生じるように構成されている。具体的に、放射アンテナ２２では、複数の歯部３１ａ，３２ａが第１方向に等間隔で配列され、第１方向に隣り合う歯部３１ａ，３２ａの距離（隙間の寸法）は、歯部３１ａ，３２ａの線路幅の５倍以下となっている。この距離は、歯部３１ａ，３２ａの線路幅の３倍以下としてもよいし、１倍以下としてもよい。なお、第１櫛歯電極３１の各歯部３１ａと第２櫛歯電極３２の各歯部３２ａは、全て同じ線路幅にしているが、線路幅を互いに異ならせてもよい。

基板２３は、例えば金属製の板材を用いて構成されている。基板２３の平面形状は、略矩形である。基板２３の長手方向は、第１方向に一致している。基板２３の表側には、平面形状が略矩形の凹部２４が形成されている。凹部２４の長手方向も第１方向に一致している。凹部２４には、放射アンテナ２２が収容されている。凹部２４では、例えば底面に設けられた誘電体（図示省略）によって、放射アンテナ２２が浮いた状態で支持されている。放射アンテナ２２は、基板２３の金属部分から電気的に絶縁されている。基板２３の表面のうち凹部２４以外の領域は、放射アンテナ２２を囲う平坦領域２７となっている。平坦領域２７の高さ位置は、例えば、放射アンテナ２２の上面と同程度又は少し上側あるいは下側となっている。

なお、本実施形態では、基板２３が、枠状の表側金属板２３ａと、表側金属板２３ａの裏面に重ねられた矩形状の裏側金属板２３ｂとにより構成されているが、基板２３は、片面に凹部２４が形成された１枚の金属板により構成してもよい。また、平坦領域２７の表面及び／又は放射アンテナ２２の上面には、強電界による放電の発生を抑制するために、高周波を吸収するコーティング（例えば、誘電体のコーティング）を施してもよい。

カバー５０は、金属製の筐体である。カバー５０は、図２及び図３に示すように、表側から放射アンテナ２２を覆う本体部５１と、本体部５１の全周囲を囲うように本体部５１に一体化された外周部５２と、本体部５１の上面に接続されたダクト部５３とを備えている。ダクト部５３の外端部には、内部空間４０を搬送される被加熱物２０に空気を供給する送風機３５が取り付けられている。

本体部５１は、平面視において略矩形状を呈し、例えば凹部２４と同程度の平面寸法を有する。本体部５１は、凹部２４の真上に位置している。本体部５１は、下側が開放された箱状に形成されている。図４に示すように、本体部５１の内部空間とダクト部５３の内部空間とは、互いに繋がっており、送風機３５から被加熱物２０に向かう空気が流れる送風通路４５となっている。

外周部５２は、本体部５１よりも外側の部分であり、平面視において略矩形の枠状を呈する。外周部５２は、周方向に亘って、連続隙間７０を介して基板２３の平坦領域２７に対面している。外周部５２には、連続隙間７０を通じた高周波の漏洩を防止するシールド構造５５が全周囲に亘って設けられている。シールド構造５５は、例えばチョーク構造５５により構成されている。チョーク構造の構造や形状は、特に限定されないが、短絡型λ／４共振チョークを採用することができる。チョーク構造５５は、断面視において渦巻状（又はリング形状）の空洞より構成され、放射アンテナ２２寄りの位置に開口している。なお、チョーク構造５５の寸法は、例えば、断面視の周長が「λ／２×ａ（ａは自然数）」で、深さが「λ／４×ｂ（ｂは自然数）」となる。λは、チョーク構造５５における高周波の電気長である。

ダクト部５３は、基材１１の搬送方向（第１方向）において上流側（導入部７１側）に配置されている。ダクト部５３は、第１方向において下流側に向かって斜め下方に傾斜している。送風機３５の送風方向は、第１方向の下流側を向いている。また、本体部５１の内面には、複数の風向調節板６８が設けられている。各風向調節板６８は、例えばルーバーであり、風向を第１方向の下流側に向かせる。これらの構成により、送風機３５から送風された空気は、第１方向の下流側に向かって流れ、連続隙間７０のうち導出部７２から主に外部に排出され、一部は側方隙間７３，７４から排出される。図４及び図５では白抜きの矢印が、送風機３５から被加熱物２０へ供給される空気の風向きを表す。図５では、カバー５０のうちシールド部材４６よりも上側部分の記載を省略している。なお、風向調節板６８は省略してもよい。

送風通路４５には、放射アンテナ２２から放射される高周波から送風機３５を遮蔽し、且つ、送風機３５から被加熱物２０に向かう空気を通過させる貫通孔４６ａが形成された金属製のシールド部材４６が設けられている。シールド部材４６は、板状に形成されている。シールド部材４６は、送風通路４５を上流側と下流側に区画するように（上下に区画するように）、本体部５１に取り付けられている。シールド部材４６には、複数の貫通孔４６ａが形成されている。各貫通孔４６ａは、放射アンテナ２２から放射される高周波が通過できない大きさに形成されている。

［遮蔽部の構成］
図３及び図４等を参照しながら、遮蔽部６０の構成について説明を行う。

遮蔽部６０は、内部空間４０に放射アンテナ２２を収容する筐体であり、基板２３及びカバー５０により構成されている。遮蔽部６０は、導入部７１及び導出部７２などを設けることで基材１１の通過を許容しつつ、内部空間４０が遮蔽空間となるように構成されている。内部空間４０では、被加熱物２０が放射アンテナ２２の対面領域を通過するように、基材１１が導入部７１から導出部７２に向かって搬送される。

遮蔽部６０には、内部空間４０を外部に連通させる隙間として、遮蔽部６０の側部の全周囲に亘って連続する連続隙間７０が形成されている。例えば、遮蔽部６０では、カバー５０が、基板２３に対して浮いた状態になるように、支持部材（図示省略）により支持されている。

連続隙間７０は、断面視において、基板２３の平坦領域２７の上面とカバー５０の外周部５２の下面とにより形成されている。断面視における連続隙間７０の隙間寸法（平坦領域２７と外周部５２との距離）は、例えば遮蔽部６０の全周囲に亘って一定である。連続隙間７０の隙間寸法の下限値は、基材（搬送物）１１が通過可能な寸法であればよい。連続隙間７０の隙間寸法の上限値は、外部への高周波漏洩を実質的に阻止できればよく、例えば３０ｍｍ以下であり、好ましくは１０ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下である。

連続隙間７０は、被加熱物２０を含む基材１１が導入される導入部７１と、基材１１が導出される導出部７２と、対面領域の両側方において基材１１の搬送方向に延びる一対の側方隙間７３，７４とにより構成されている。連続隙間７０は、平面視において放射アンテナ２２の対面領域から見て、第１方向の上流側、第１方向の下流側、及び、第２方向の両側方の四方に形成されている。なお、本明細書において対面領域の「側方」とは、搬送方向に直交する方向を意味する。

具体的に、導入部７１及び導出部７２の各々は、基板２３の平坦領域２７の短辺部分と、その短辺部分に対面する外周部５２との間に形成された隙間により構成されている。各側方隙間７３，７４は、基板２３の平坦領域２７の長辺部分と、その長辺部分に対面する外周部５２との間に形成された隙間により構成されている。各側方隙間７３，７４は、導入部７１と導出部７２にそれぞれ繋がっている。

［処理システムの動作］
電磁波加熱装置１０を含めた処理システムの動作について説明を行う。処理システムの電源をＯＮにすると、電磁波加熱装置１０及び搬送機構１２の各電源がＯＮになる。これにより、搬送機構１２により基材１１が搬送されると共に、発振器２１から高周波が発振される。発振器２１を制御する制御装置７５の動作については後述する。基材１１は、被加熱物２０側を表側（図１において上側）に向けて、放射アンテナ２２の表側近傍を搬送される。なお、基材１１は、被加熱物２０側を裏側に向けて搬送してもよい。

電磁波加熱装置１０では、発振器２１から出力された高周波が、第１櫛歯電極３１の各歯部３１ａ及び第２櫛歯電極３２の各歯部３２ａに供給される。櫛歯電極３１，３２の各歯部３１ａ，３２ａでは、高周波による共振が生じ、各歯部３１ａ，３２ａの先端が、高周波による定在波の腹部となる。放射アンテナ２２では、第１櫛歯電極３１の複数の歯部３１ａにおける定在波の腹部が第１方向に一列に並び、第２櫛歯電極３２の複数の歯部３２ａにおける定在波の腹部が第１方向に一列に並ぶ。

また、第１方向に隣り合う歯部３１ａ，３２ａの間では、比較的強い電界結合が生じる。これにより、放射アンテナ２２の対面領域では、基材１１及び被加熱物２０の搬送路を含むように強電界領域が形成される。強電界領域を通過する被加熱物２０は、誘電成分や導電成分などが高周波により加熱される。これにより、被加熱物２０は昇温を経て、所望の物理／化学変化（重合、アニール、乾燥、硬化等）が生じる。なお、基材１１では、複数の被加熱物２０が、基材１１の搬送方向に間隔を空けて並べられている。複数の被加熱物２０は、強電界領域を順番に通過するように間隔を空けて搬送される。

本実施形態では、放射アンテナ２２の各歯部３１ａ，３２ａで高周波の共振が生じ、強電界領域の電界強度が比較的高くなる。従って、共振が生じない場合に比べて、発振器２１への投入電力を抑制することができる。また、本実施形態では、連続隙間７０が遮蔽部６０に形成されているため、基材１１の通過を許容しつつ、外部への高周波の漏洩を抑制できる。また、シールド部材４６を設けることで、送風通路４５の入口を通じての高周波漏洩も抑制することができる。また、送風機３５を設けているため、加熱により被加熱物２０を乾燥させる場合に、被加熱物２０から蒸発した有機溶剤や水分を遮蔽部６０の外部に排出することができ、被加熱物２０を効率的に乾燥させることができる。

［制御装置の構成及び動作］
制御装置７５は、発振器２１の発振周波数を制御するように構成されている。制御装置７５は、図６に示すように、方向性結合器７６と、位相差情報生成部７７と、制御部７８とを備えている。以下では、制御装置７５について説明を行う前に、発振器２１の構成について説明を行う。方向性結合器７６は、発振器２１から放射アンテナ２２へ延びる伝送線路１６に設けられ、反射波情報を抽出する情報抽出部に相当する。

発振器２１は、制御電圧により発振周波数が変化する電圧可変発振器（ＶＣＯ）２１ａと、電圧可変発振器２１ａの後段に設けられた増幅器２１ｂと、電圧可変発振器２１ａと直流電源１５との間に設けられた電圧調整回路２１ｃとを備えている。電圧調整回路２１ｃは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦにより、電圧可変発振器２１ａに印加する制御電圧を変化させることが可能に構成されている。

例えば、電圧調整回路２１ｃは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に加え、インダクタＬとコンデンサＣを備えている。電圧調整回路２１ｃでは、インダクタＬの第１端子が直流電源１５のプラス側に、コンデンサＣの第１端子が直流電源１５のマイナス側に、インダクタＬの第２端子とコンデンサＣの第２端子とが互いに接続されて電圧可変発振器２１ａに接続されている。第１スイッチＳＷ１は、インダクタＬの第１端子と直流電源１５のプラス側との間に接続されている。第２スイッチＳＷ２は、インダクタＬの第１端子と直流電源１５のプラス側とを結ぶ配線と、コンデンサＣの第１端子と直流電源１５のマイナス側とを結ぶ配線との間に接続されている。

第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のうち第１スイッチＳＷ１だけをＯＮに設定する第１状態では、コンデンサＣの充電が行われる。第１状態では、制御電圧が徐々に増加し、その増加に伴って発振周波数が徐々に高くなる。また、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のうち第２スイッチＳＷ２だけをＯＮに設定する第２状態では、コンデンサＣの放電が行われる。第２状態では、制御電圧が徐々に低下し、その低下に伴って発振周波数が徐々に低くなる。また、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２の両方をＯＦＦに設定する第３状態では、コンデンサＣにおける第１端子と第２端子の電位差、及び、制御電圧は一定である。第３状態では、電圧可変発振器２１ａの発振周波数は変化しない。なお、電圧調整回路２１ｃの構成は本実施形態に限定されない。

制御装置７５の各要素について説明を行う。方向性結合器７６は、伝送線路１６に接続されている。方向性結合器７６は、伝送線路１６から、放射アンテナ２２へ向かう高周波（入射波）の波形を表す入射波信号と、放射アンテナ２２から戻ってくる高周波（反射波）の波形を表す反射波信号とをそれぞれ抽出するように構成されている。方向性結合器７６は、位相差情報生成部７７に接続された第１出力端子及び第２出力端子を有し、第１出力端子から入射波信号を位相差情報生成部７７に出力し、第２出力端子から入射波信号を位相差情報生成部７７に出力する。

なお、方向性結合器７６から位相差情報生成部７７へ入射波信号を伝送する線路には、入射波信号と反射波信号との位相のずれを補正する位相補正部９９として、所定の位相だけ信号を遅延させる遅延線路（ケーブル）が設けられている。なお、遅延線路の代わりに、所定の位相だけ信号を遅延させる遅延素子を設けてもよい。

位相差情報生成部７７は、入射波信号と反射波信号とを演算する演算処理により、入射波と反射波の位相差（θ１－θ２）を表す位相差信号を生成する機器である。位相差信号は、位相差情報に相当する。位相差情報生成部７７には、位相検出器又は振幅・位相検出器を用いることができる。位相差情報生成部７７は、例えば、式３に示す乗算を行った後に、発振周波数fに対応する角周波数ω及び時間関数tを含む成分（２倍調波成分（ｃｏｓ（２ωｔ＋θ１＋θ２）））を除去するフィルタ処理を行うことにより、式４に示す位相差信号ＰＤＳを生成して出力する。フィルタ処理によれば、直流分の位相差信号ＰＤＳが残る。位相差情報生成部７７における位相差信号ＰＤＳの生成及び出力は、連続的に行われる。
［式３］

［式４］

式３において、ＮＰＡは入射波信号（Ａｓｉｎ（ωｔ＋θ１））を表し、ＮＰＢは反射波信号（Ｂｓｉｎ（ωｔ＋θ２））を表す。θ１は入射波信号ＮＰＡの位相、θ２は反射波信号ＮＰＢの位相を表す。

図６に示す位相差情報生成部７７では、入射波信号が入力される第１ログアンプ８１と、反射波信号が入力される第２ログアンプ８２と、第１ログアンプ８１から出力される入射波信号と第２ログアンプ８２から出力される反射波信号とを加算する乗算器８３（つまり、対数変換された信号の加算により、変換前の信号を乗算した結果を出力する乗算器）と、乗算器８３の出力信号に対し上述のフィルタ処理を施すフィルタ部８４とを備えている。乗算器８３では、対数変換された入射波信号と、対数変換された反射波信号との加算（つまり、入射波信号と反射波信号との乗算）が行われる。フィルタ部８４は、乗算結果から２倍周波数成分を除去するものである。フィルタ部８４には、ローパスフィルタを用いることができる。なお、フィルタ部８４は、デジタルフィルタとしてもよく、この場合は、ＡＤ変換器の後段に設ける。

制御部７８は、位相差信号に基づいて、放射アンテナ２２における共振周波数と発振器２１の発振周波数との差が小さくなる発振周波数の調節方向を検出する方向検出動作と、方向検出動作の検出結果に基づいて発振周波数を調節する周波数調節動作とを行う、制御処理を繰り返し行うように構成されている。制御部７８は、方向検出動作を行う検出部７８ａと、周波数調節動作を行う第１指令部７８ｂ及び第２指令部７８ｃとを備えている。

制御部７８は、例えば、マイコンにより構成することができる。この場合、制御部７８には、制御用のプログラムがインストールされる。制御部７８は、ＣＰＵが制御用プログラムを実行及び解釈することによって実現される機能ブロックとして、検出部７８ａ、第１指令部７８ｂ及び第２指令部７８ｃを有する。なお、制御部７８は、アナログ回路により構成してもよい。

図７のフローチャートを参照して、制御部７８の制御処理について説明を行う。なお、フローチャートでは、ステップＳＴ１～ＳＴ３が方向検出動作に相当し、ステップＳＴ４～ＳＴ６が周波数調節動作に相当する。また、制御部７８は、所定の制御周期Ｓでフローチャートの制御処理を繰り返す。制御周期Ｓは、５０ｍｓ以下に設定される。

検出部７８ａには、ＡＤ変換器を介して、位相差信号が連続的に入力される。ステップＳＴ１において、検出部７８ａは、デジタル変換された位相差信号に対し正規化処理等を行うことにより、例えば制御周期Ｓに等しいサンプリング周期で、位相差信号の電圧値を位相差電圧Ｖとして検出する。ステップＳＴ２では、検出部７８ａが、閾値（電圧＝０）を含む閾値範囲（－Ｖｃ～Ｖｃ）と、位相差電圧Ｖとを比較する第１比較動作として、位相差電圧Ｖが閾値範囲の下限値－Ｖｃを下回るか否かの判定を行う。閾値範囲は、入射波の位相と反射波の位相とが等しくなる状態の基準情報に相当する。

ここで、図８には、周波数に対する位相差電圧Ｖの変化を表す第１グラフＧ１と、周波数に対する反射波強度の変化を表す第２グラフＧ２とが重ねて記載されている。第１グラフＧ１は、発振周波数が共振周波数ｆ_０よりも小さい下位周波数域ｆｂでは、位相差電圧Ｖがゼロより小さくなり、発振周波数が共振周波数ｆ_０よりも大きくなる上位周波数域ｆｅでは、位相差電圧Ｖがゼロより大きくなり、発振周波数が共振周波数ｆ_０と等しくなる周波数（つまり、放射アンテナ２２においてインピーダンス整合が取れている周波数）では、位相差電圧Ｖがゼロになることを表している。

ステップＳＴ２において位相差電圧Ｖが閾値範囲の下限値－Ｖｃを下回る場合、発振周波数は、共振周波数ｆ_０よりも小さい下位周波数域ｆｂにある。この場合、ステップＳＴ４に移行して、検出部７８ａから指令を受けた第１司令部７８ｂが、周波数調節動作として、第１スイッチＳＷ１にＯＮ信号を出力する。この時、第２スイッチＳＷ２がＯＮになっていれば、検出部７８ａは、第２司令部７８ｃに対し第２スイッチＳＷ２をＯＦＦに切り替えさせる。これにより、電圧調整回路２１ｃは第１状態に切り替わり、電圧可変発振器２１ａへの制御電圧が徐々に増加していく。その結果、発振器２１の発振周波数は、徐々に高くなっていき、共振周波数ｆ_０に近づいていく。ステップＳＴ４の実行後は、ステップＳＴ１に戻る。

一方、ステップＳＴ２において位相差電圧Ｖが閾値範囲の下限値－Ｖｃを下回らない場合、ステップＳＴ３に移行して、検出部７８ａが、第２比較動作として、位相差電圧Ｖが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回るか否かの判定を行う。ステップＳＴ３において位相差電圧Ｖが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回る場合、発振周波数が、共振周波数ｆ_０よりも大きい上位周波数域ｆｅにある。この場合、ステップＳＴ５に移行して、検出部７８ａから指令を受けた第２司令部７８ｃが、周波数調節動作として、第２スイッチＳＷ２にＯＮ信号を出力する。この時、第１スイッチＳＷ１がＯＮになっていれば、検出部７８ａは、第１司令部７８ｂに対し第１スイッチＳＷ１をＯＦＦに切り替えさせる。これにより、電圧調整回路２１ｃは第２状態に切り替わり、電圧可変発振器２１ａへの制御電圧が徐々に低下していく。その結果、発振器２１の発振周波数は、徐々に低くなっていき、共振周波数ｆ_０に近づいていく。ステップＳＴ５の実行後は、ステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ３において位相差電圧Ｖが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回らない場合は、位相差電圧Ｖが閾値範囲内にある。この場合、ステップＳＴ６に移行して、検出部７８ａは、第１スイッチＳＷ１がＯＮになっていれば、第１司令部７８ｂに対し第１スイッチＳＷ１をＯＦＦに切り替えさせ、第２スイッチＳＷ２がＯＮになっていれば、第２司令部７８ｃに対し第２スイッチＳＷ２をＯＦＦに切り替えさせる。これにより、電圧調整回路２１ｃは第３状態に切り替わり、制御電圧は一定となる。その結果、電圧可変発振器２１ａの発振周波数は、その時点の値にホールドされる。ステップＳＴ６の実行後は、ステップＳＴ１に戻る。

図９を参照して、共振周波数ｆ_０に発振周波数を追従させる様子について説明を行う。なお、以下では、ステップＳＴ１から始まって再び第１ステップＳＴ１に戻るまでの処理を１単位として、「ｎ回目の処理」と表現する。

１回目の処理の時点で、発振周波数の値がｆ_Ａになっているとする（図９（ａ）参照）。この状態で１回目の処理が行われると、位相差電圧は検出点Ａの縦軸の値となり、位相差電圧が下限値－Ｖｃを下回っていることが検出される。そのため、電圧調整回路２１ｃが第１状態（第１スイッチＳＷ１だけがＯＮ状態）に切り替えられ、発振周波数は徐々に増加し共振周波数ｆ_０に近づいていく。

２回目の処理の時点で、発振周波数の値がｆ_Ｂになっているとする（図９（ｂ）参照）。この状態で２回目の処理が行われると、引き続き位相差電圧が下限値－Ｖｃを下回っていることが検出される。電圧調整回路２１ｃは第１状態に維持され、発振周波数はさらに共振周波数ｆ_０に近づいていく。３回目の処理の時点で、発振周波数の値がｆ_Ｃになっているとする（図９（ｃ）参照）。この状態で３回目の処理が行われると、位相差電圧が上限値Ｖｃと下限値－Ｖｃの間にあることが検出される。この場合は、電圧調整回路２１ｃが第３状態（両スイッチＳＷ１，ＳＷ２ともＯＦＦ状態）に切り替えられ、発振周波数がホールドされる。

この状態から、図９（ｄ）に示すように、被加熱物２０などの影響により共振周波数ｆ_０が小さくなったとする（グラフＧ１，Ｇ２が左へ移動したとする）。発振周波数の値はｆ_Ｃのままである。この状態で４回目の処理が行われると、位相差電圧は検出点Ｃ’の縦軸の値となり、位相差電圧が上限値Ｖｃを上回っていることが検出される。そのため、電圧調整回路２１ｃが第２状態（第２スイッチＳＷ２だけがＯＮ状態）に切り替えられ、発振周波数が徐々に低下し共振周波数ｆ_０に近づいていく。

５回目の処理の時点で、発振周波数の値がｆ_Ｄになっているとする（図９（ｅ）参照）。この状態で５回目の処理が行われると、引き続き位相差電圧が上限値Ｖｃを上回っていることが検出される。電圧調整回路２１ｃは第２状態に維持され、発振周波数はさらに共振周波数ｆ_０に近づいていく。６回目の処理の時点で、発振周波数の値がｆ_Ｅになっているとする（図９（ｆ）参照）。この状態で６回目の処理が行われると、３回目の処理と同様に、電圧調整回路２１ｃが第３状態に切り替えられ、発振周波数がホールドされる。このように、制御処理では、共振周波数ｆ_０に対し追従するように発振周波数が調節される。

［第１実施形態の効果等］
本実施形態では、入射波信号と反射波信号を用いる演算処理により、入射波と反射波の位相差を表す位相差情報が生成される。そして、位相差情報と基準情報（閾値範囲）とに基づいて発振周波数の調節方向を検出し、その検出結果に基づいて発振周波数を制御する制御処理を繰り返し行うことで、共振周波数ｆ_０に対して発振周波数が追従する。ここで、上述の演算処理は、高速で行うことができる。つまり、位相差情報の生成は高速で行うことができる。また、基準情報の数値データは予め準備できるため、発振周波数の調節方向も高速で検出できる。本実施形態によれば、共振周波数に対して発振周波数を高速で追従させることが可能である。

ところで、本実施形態の処理システムでは、被加熱物２０の搬送を行いながら、その搬送経路において被加熱物２０の加熱を行う。この場合、被加熱物２０の有無や、被加熱物２０における水分量の経時変化、加熱により生じる蒸気などによって、共振周波数ｆ_０は逐次変化する。具体的に、被加熱物２０は少量で軽負荷であり、内部空間４０における共振特定モードを維持する環境においても、共振モード内で共振周波数ｆ_０は逐次変化する。例えば、被加熱物２０に高周波が印加され、被加熱物２０の昇温及び乾燥とともに比誘電率が低下するため、共振周波数ｆ_０は遷移する。

ここで、共振周波数ｆ_０の時に、被加熱物２０に吸収される高周波エネルギーの割合（以下、「高周波エネルギー吸収率」という。）は最大となる。しかし、共振周波数ｆ_０は逐次変化する場合、従来技術では、共振周波数ｆ_０に対し発振周波数を高速に追従させることができず、高周波エネルギー吸収率を高い値に維持することは難しかった。また、開放空間への高周波が漏洩しやすくもなる。

それに対し、本実施形態では、共振周波数ｆ_０に対して発振周波数を高速で追従させることができるため、搬送式で被加熱物２０の加熱を行う場合であっても、高周波エネルギー吸収率を高い値に維持することができ、さらに高周波漏洩も抑制できる。

なお、本願発明者は、（i）発振周波数を固定する場合は、電磁波加熱装置１０の電源をＯＮした直後に、特に高周波エネルギー吸収率が低下すること、及び、（ii）電磁波加熱装置１０の電源のＯＮ時点から上述の周波数制御を実施することで、ＯＮ時点から高周波エネルギー吸収率が大きく改善されることを、制御周期３０ｍｓの実験で確認している。

［第１実施形態の第１変形例］
本変形例では、制御部７８が、基準情報と位相差情報とを用いて、共振周波数に対する発振周波数のずれ方向（偏移方向）を検出し、その検出結果に対し平均化処理を行うことにより、発振周波数の調節方向を検出する。平均化処理は、閾値範囲（－Ｖｃ～Ｖｃ）と位相差電圧Ｖとを比較する比較動作の結果に対し行われる。以下では、図１０を参照しながら、実施形態と異なる点を中心に説明を行う。

本変形例では、第１比較動作において位相差電圧Ｖが閾値範囲の下限値－Ｖｃを下回る場合に、検出部７８ａは、マイナス方向のずれと判定して判定結果（－Ｘ）を記録する。また、第２比較動作において位相差電圧Ｖが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回る場合に、プラス方向のずれと判定して判定結果（＋Ｘ）を記録する。また、第２比較動作において位相差電圧Ｖが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回わらない場合に、位相のずれがない状態と判定して判定結果（±０）を記録する。

検出部７８ａは、所定の比較結果のサンプル数ｎで、時系列に並ぶ比較動作の判定結果を平均化する平均化処理を行う。式５は、ｍ番目の判定結果Ｄ(ｍ)から、（ｍ＋ｎ－１）番目の判定結果Ｄ（ｍ＋ｎ－１）に対する平均化処理に用いる式の一例である。Ｙは平均化処理の算出値を表す。
［式５］

検出部７８ａは、平均化処理の算出値Ｙがマイナスの場合に、第１司令部７８ｂに対し、第１スイッチＳＷ１にＯＮ信号を出力させる。検出部７８ａは、算出値Ｙがプラスの場合に、第２司令部７８ｃに対し、第２スイッチＳＷ２にＯＮ信号を出力させる。なお、図１０には、位相差電圧Ｖの時系列変化を表すグラフＧ３と共に、比較動作の判定結果の時系列変化を表すグラフＧ４と、算出値Ｙの時系列変化を表すグラフＧ５とを重ねて記載している。本変形例によれば、平均化処理によりノイズを除去できるため、発振周波数の追従精度が向上する。そのため、高周波エネルギー吸収率が増加し、加熱に要する電力を低減させることができる。

なお、本変形例において、平均化処理の算出値Ｙの比較対象が、閾値範囲であってもよい。検出部７８ａは、算出値Ｙが閾値範囲の下限値－Ｖｃを下回る場合に第１スイッチＳＷ１にＯＮ信号を出力させ、算出値Ｙが閾値範囲の上限値Ｖｃを上回る場合に第２スイッチＳＷ２にＯＮ信号を出力させる。この場合、算出値Ｙを閾値（Ｖ＝０）と比較する場合に比べて、ノイズを除去できるため、加熱に要する電力を低減させることができる。

また、制御部７８は、被加熱物２０の搬送速度に基づいて、平均化処理に用いる検出結果のサンプル数ｎを調節してもよい。搬送速度が速い場合は、共振周波数ｆ_０が細かく変動するため、搬送速度が速いほどサンプル数ｎを小さくして、きめ細かな追従制御を行う。なお、搬送速度に基づいて制御周期Ｓを調節してもよく、ノイズ除去のために搬送速度が速いほど制御周期Ｓを長くしてもよい。

［第１実施形態の第２変形例］
本変形例では、制御部７８が、基準情報と位相差情報に基づいて、発振周波数の調節方向に加えて、発振周波数の調節量（又は偏移量）を検出する。この場合、発振周波数の調節量は、位相差電圧Ｖの大きさ（位相差情報と基準情報との差）に基づいて検出することができる。例えば位相差電圧Ｖとゼロとの差が大きいほど、発振周波数の調節量は小さくなる。本変形例では、制御部７８により、調節量に応じて、調節方向への発振周波数の調節がなされることで、共振周波数ｆ_０に対して発振周波数をより高速に追従させることができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態は、制御装置７５の構成が第１実施形態とは異なる。以下では、第１実施形態と異なる点を中心に本実施形態について説明を行う。

発振器２１は、図１１に示すように、電圧可変発振器２１ａと、電圧可変発振器２１ａの後段に設けられたシンセサイザー２１ｄと、シンセサイザー２１ｄの後段に設けられた直交変調器２１ｅと、直交変調器２１ｅの後段に設けられた増幅器２１ｂと、電圧調整回路２１ｃとを備えている。本実施形態では、電圧調整回路２１ｃがＤＡコンバータにより構成されている。

シンセサイザー２１ｄは、電圧可変発振器２１ａから高周波ｆvcoが入力されると、その高周波の周波数ｆvcoにレジスタ値Ｒを加えた周波数ｆ（ｆ＝ｆvco＋Ｒ）の高周波を出力する。シンセサイザー２１ｄには、レジスタ値Ｒを記録・更新するレジスタ（図示省略）が設けられている。本実施形態では、発振器２１の発振周波数が、シンセサイザー２１ｄから出力される高周波の周波数となる。

また、直交変調器２１ｅは、シンセサイザー２１ｄから出力される高周波を、第１Ｉ成分信号及び第１Ｑ成分信号に変調して、増幅器２１ｂに出力する。発振器２１は、直交変調された高周波を発振する。

制御装置７５は、方向性結合器７６と、第１直交復調部９１と、第２直交復調部９２と、制御部７８とを備えている。第１直交復調部９１及び第２直交復調部９２は、直交復調部を構成している。

第１直交復調部９１は、入射波信号を、第１Ｉ成分信号と第１Ｑ成分信号とに復調する。第２直交復調部９２は、反射波信号を、第２Ｉ成分信号と第２Ｑ成分信号とに復調する。各直交復調部９１，９２には、直交変調器２１ｅと同期を取るための同期信号が、シンセサイザー２１ｄから入力される。

制御部７８は、復調後の入射波信号（第１Ｉ成分信号と第１Ｑ成分信号）、及び、復調後の反射波信号（第２Ｉ成分信号と第２Ｑ成分信号）に基づいて、入射波と反射波の位相差を表す位相差情報を生成する情報生成動作と、位相差情報に基づいて放射アンテナ２２における共振周波数ｆ_０と発振器２１の発振周波数との差が小さくなる発振周波数の調節方向を検出する方向検出動作と、方向検出動作の検出結果に基づいて発振周波数を調節する周波数調節動作と行う、制御処理を繰り返し行うように構成されている。制御部７８は、例えば、マイコンにより構成することができる。制御部７８には、制御用のプログラムがインストールされる。制御部７８は、ＣＰＵが制御用プログラムを実行及び解釈することによって実現される機能ブロックとして、検出部８７と指令部８８とを有する。

検出部８７は、情報生成動作、及び、方向検出動作を行う。検出部８７は、位相情報生成部を兼ねている。検出部８７では、第１Ｉ成分信号及び第１Ｑ成分信号と、第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号とを用いる演算処理により、入射波と反射波の位相差（θ１－θ２）を表す位相差算出値ＰＤＣが、位相差情報として算出される。そして、位相差算出値ＰＤＣに基づいて発振周波数の調節方向が検出される。

検出部８７は、例えば、式６及び式７に示す演算処理を行うことにより、入射波情報ＮＰＡと反射波情報ＮＰＢを算出した後、式８に示す演算（複素除算（共役複素数の乗算））を行うことにより、入射波情報ＮＰＡにより反射波情報ＮＰＢを除した値として位相差算出値ＰＤＣを算出する。

なお、式６及び式７において、第１Ｉ成分信号はＡｃｏｓ（ωｔ＋θ１）で表され、第１Ｑ成分信号はＡｉｓｉｎ（ωｔ＋θ１）で表され、第２Ｉ成分信号はＢｃｏｓ（ωｔ＋θ２）で表され、第２Ｑ成分信号はＢｉｓｉｎ（ωｔ＋θ２）で表される。α＝ωｔ＋θ１、β＝ωｔ＋θ２とする。
［式６］

［式７］

［式８］

図１２のフローチャートを参照して、制御部７８の動作について説明を行う。本実施形態では、被加熱物２０の搬送を開始する前に、発振器２１が発振可能な周波数帯域（以下、「発振可能帯域」と言う。）の中で、反射波強度が所定の判定レベルｋより低くなる帯域を探索する探索制御を行った後、周波数制御を行う。

［探索制御］
図１２（ａ）は探索制御のフローチャートである。探索制御では、ステップＳＴ１１で、制御部７８が、発振器２１に初期周波数ｆｉ（例えば、発振可能帯域の下限値）を設定し、発振器２１による高周波の発振を開始させる。次に、ステップＳＴ１２で、制御部７８は、発振器２１に周波数掃引を行わせる。周波数掃引が行われる帯域幅（ｆｉ～ｆｉ＋Δｆ）はレジスト値Ｒの初期値に等しい。

ここで、発振器２１から高周波が発振されている期間は、第１直交復調部９１にて復調された第１Ｉ成分信号及び第１Ｑ成分信号と、第２直交復調部９２にて復調された第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号とが、連続的な信号として検出部８７に入力される。検出部８７では、各Ｉ成分信号及び各Ｑ成分信号がデジタル変換される。

ステップＳＴ１３では、検出部８７が、式６～式８の演算により、周波数掃引を行う期間に所定の算出周期で、位相差算出値ＰＤＣを算出する。位相差算出値ＰＤＣは、図１３に示すスミスチャートの複素平面の座標値を表す。ステップＳＴ１４は、周波数掃引が終了した後に行われる。ステップＳＴ１４では、検出部８７が、所定の算出周期で算出した複数の位相差算出値ＰＤＣにより表される座標値（以下、「算出座標値」と言う。）の中に、入射波の位相θ１と反射波の位相θ２とが等しくなる座標値（スミスチャートにおいて中心点Ｐ_０を通る中心線Ｐ上の座標値）があるか否かを判定する。なお、図１３では、中心線Ｐより上側の領域が０～π／２であり、中心線Ｐより下側の領域が－π／２～０である。

ステップＳＴ１４において位相θ１と位相θ２が等しくなる座標値がない場合は、周波数掃引を行った帯域に共振周波数ｆ_０はないため、ステップＳＴ１５でレジスト値Ｒに所定値Δｆ（上述の帯域幅）を加算した後に、ステップＳＴ１２に戻る。レジスト値Ｒは、Δｆ×２となる。ステップＳＴ１２では、制御部７８が、直前に周波数掃引がなされた帯域の隣りの上位帯域（ｆｉ＋Δｆ～ｆｉ＋Δｆ×２）で、発振器２１に周波数掃引を行わせる。

一方、ステップＳＴ１４において位相θ１と位相θ２が等しくなる座標値がある場合は、周波数掃引を行った帯域に共振周波数ｆ_０があるため、ステップＳＴ１６で、検出部８７が、位相θ１と位相θ２が等しくなる共振周波数ｆ_０における反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回るか否かの判定を行う。判定レベルｋは、制御部７８に予め記憶されている。

ステップＳＴ１６において反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回らない場合は、周波数掃引を行った帯域における共振周波数ｆ_０で反射波強度が小さくないため、ステップＳＴ１５でレジスト値Ｒに所定値Δｆを加算した後に、ステップＳＴ１２に戻る。一方、ステップＳＴ１６において反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回る場合は、共振周波数ｆ_０で反射波強度が小さくなる帯域が見つかったため、ステップＳＴ１７において周波数掃引を行った帯域の共振周波数ｆ_０を検出した後、探索制御を終了して周波数制御を開始する。

［周波数制御］
図１２（ｂ）は、周波数制御を構成する制御処理のフローチャートである。なお、フローチャートでは、ステップＳＴ２３が情報生成動作に相当し、ＳＴ２６～ＳＴ２７が方向検出動作に相当し、ステップＳＴ２８～ＳＴ２９が周波数調節動作に相当する。

周波数制御では、ステップＳＴ２１で、搬送機構１２の電源がＯＮに切り替えられて、被加熱物２０の搬送が開始される。次に、ステップＳＴ２２で、制御部７８が、ステップＳＴ１７で検出した共振周波数ｆ_０に、発振器２１の発振周波数ｆを設定する。ステップＳＴ２３では、検出部８７が、その時点における第１Ｉ成分信号、第１Ｑ成分信号、第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号を用いて、式６～式８の演算により、位相差算出値ＰＤＣを算出する。

次に、ステップＳＴ２４で、検出部８７が、反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回るか否かの判定を行う。ステップＳＴ２４において反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回らない場合は、ステップＳＴ２５でレジスト値Ｒに所定値Δｆを加算した後に、ステップＳＴ２２に戻る。これにより、共振周波数ｆ_０の変動により、反射波強度が低くなる帯域ではなくなった場合に、他の帯域に移動できる。

一方、ステップＳＴ２４において反射係数Ｂ／Ａが判定レベルｋを下回る場合は、ステップＳＴ２６で、検出部８７が、位相差算出値ＰＤＣによる表される算出座標値と、スミスチャートの中心線Ｐを表す基準情報とを比較する第１比較動作として、算出座標値が正位相にあるか否か（つまり、θ１＞θ２か否か）の判定を行う。

ステップＳＴ２６においてθ１＞θ２の条件を満たす場合、算出座標値（例えば、図１３の位置Ａ）が０～π／２にある。この場合、ステップＳＴ２８に移行して、指令部８８が、電圧調整回路２１ｃを介して、所定の加算周波数ｐ（例えば、ｐ＝１ＭＨｚ）だけ発振周波数を増加させる。これにより、発振器２１の発振周波数は、共振周波数ｆ_０に近づく。位相算出値Ａは、矢印の方向に動く。ステップＳＴ２８の実行後は、ステップＳＴ２３に戻る。

一方、ステップＳＴ２６においてθ１＞θ２の条件を満たさない場合、ステップＳＴ２７に移行して、検出部８７が、第２比較動作として、算出座標値が－π／２～０にあるか否か（つまり、θ１＜θ２か否か）の判定を行う。ステップＳＴ２７においてθ１＜θ２の条件を満たす場合、算出座標値（例えば、図１３の位置Ｂ）が－π／２～０にある。この場合、ステップＳＴ２９に移行して、指令部８８が、電圧調整回路２１ｃを介して、所定の減算周波数ｑ（例えば、ｑ＝１ＭＨｚ）だけ発振周波数を減少させる。これにより、発振器２１の発振周波数は、共振周波数ｆ_０に近づく。位相算出値Ｂは、矢印の方向に動く。ステップＳＴ２９の実行後は、ステップＳＴ２３に戻る。

ステップＳＴ２７においてθ１＜θ２の条件を満たさない場合は、座標値が中心線Ｐ上にある。この場合、ステップＳＴ２３に戻る。発振周波数は、そのままの値に維持される。

［第２実施形態の効果等］
本実施形態では、入射波信号と反射波信号を用いるデジタルの演算処理により、入射波と反射波の位相差を表す位相差情報が生成される。そして、位相差情報と基準情報（中心線Ｐの情報）とに基づいて発振周波数の調節方向を検出し、その検出結果に基づいて発振周波数を制御する制御処理を繰り返し行うことで、共振周波数ｆ_０に対して発振周波数が追従する。ここで、上述の演算処理は、高速で行うことができる。また、基準情報の数値データは予め準備できるため、発振周波数の調節方向も高速で検出できる。本実施形態によれば、共振周波数に対して発振周波数を高速で追従させることが可能である。

［第２実施形態の第１変形例］
本変形例では、図１４に示すように、直交復調部が、１つの直交復調器９１と、方向性結合器７６から直交復調器９１に対し、入射波信号が入力される第１期間と、反射波信号が入力される第２期間とを切り替える切替スイッチＳＷ３とを備えている。切替スイッチＳＷ３は、制御部７８により所定の切替周期で切り替えられる。例えば、切替周期は、位相差情報の生成周期の半分以下である。

本変形例では、上述のステップＳＴ２３の前半は、切替スイッチＳＷ３が入射波信号側の接点に切り替えられて第１期間となる。直交復調器９１では、入射波信号が、第１Ｉ成分信号及び第１Ｑ成分信号に復調される。ステップＳＴ２３の後半は、切替スイッチＳＷ３が反射波信号側の接点に切り替えられて第２期間となる。直交復調器９１では、反射波信号が、第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号に復調される。そして、検出部８７が、式６～式８の演算処理により、位相差算出値ＰＤＣを算出する。本変形例によれば、直交復調器の構成を簡素化できる。

［第２実施形態の第２変形例］
本変形例では、図１５に示すように、伝送線路１６から入射波信号を抽出するためにカプラー９３が設けられ、伝送線路１６から反射波信号を抽出するためにアイソレータ９４が設けられている。アイソレータ９４にはサーキュレータ方式のものが用いられる。

カプラー９３により抽出された入射波信号は、復調されることなく、制御部７８に入力される。制御部７８は、入射波信号に基づいて、増幅器２１ｂで増幅後の入射波信号の強度Ａを検出する。強度Ａの情報は、上述の反射係数Ｂ／Ａの算出に用いられる。

アイソレータ９４により抽出された反射波信号は、アッテネータ９５を経て直交復調器９１に入力される。本変形例では、直交復調部が、１つの直交復調器９１により構成されている。直交復調器９１では、反射波信号が、第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号に復調される。直交復調器９１により復調された第２Ｉ成分信号及び第２Ｑ成分信号は、制御部７８に入力される。

本変形例では、制御部７８が、発振器２１の高周波の出力タイミングにおける位相の入射波情報（発振情報由来の入射波情報）を用いて、位相差情報の生成を行うように構成されている。具体的に、制御部７８は、発振情報由来の入射波情報の第１Ｉ成分情報及び第１Ｑ成分情報と、直交復調器９１で復調された第２Ｉ成分情報及び第２Ｑ成分情報とを用いて、式６～式８の演算処理を行い、位相差算出値ＰＤＣを算出する。この演算処理にあたっては、制御部７８は、演算処理の前に、入射波情報に対し反射波情報との位相のずれの補正を行う。この補正により、発振器２１から出力される入射波の位相と、アイソレータ９４により抽出される反射波信号との位相のずれが補正される。

［第２実施形態の第３変形例］
本変形例では、制御部７８が、最初の被加熱物２０が強電界領域を通過する初回加熱期間に、上述の周波数制御を行うと共に、該周波数制御の制御履歴情報として、発振周波数の調整履歴（各制御処理における調節方向）をメモリーに逐次記録し、その記録後に強電界領域を通過する被加熱物２０を加熱する期間に、メモリーに記録した制御履歴情報を用いて周波数制御を行う。

なお、制御履歴情報として、位相差情報及び発振周波数から算出した共振周波数ｆ_０の履歴、又は、発振器２１の発振周波数（周波数を表す電圧情報など）の履歴を記録してもよい。また、制御履歴情報を用いる周波数制御においては、履歴情報の発振周波数をそのまま適用してもよいが、履歴情報の発振周波数に対して、検出部７８ａにより逐次検出される位相差電圧Ｖを用いて補正を行った周波数を、発振器２１に与えるようにしてもよい。

また、内部空間４０に被加熱物２０の有無を検出する物体検出センサ（例えば、受光素子、撮像素子）を設け、被加熱物２０の加熱開始時間（例えば、放射アンテナ２２の上流側の位置に被加熱物２０が到達する時間）からの時間経過情報と併せて、制御履歴情報を記録してもよい。制御履歴情報を用いる周波数制御では、物体検出センサにより次の被加熱物２０の加熱開始タイミングを検出し、その検出タイミングから周波数制御が開始される。

［第２実施形態の第４変形例］
本変形例では、放射アンテナ２２に生じる浮遊リアクタンスによる位相のずれを補正するために、電磁波加熱装置１０のセッティング段階で、反射係数（反射波電力）が最小値を示す周波数と位相角０°の周波数との差分を補正するための補正用位相角の分だけ、発振器２１から発振される高周波に対し位相変調を行ってもよい。これにより、復調部で復調される反射波信号における共振インピーダンスの最小値と位相角０°とを一致させた状態で、電磁波加熱装置１０を出荷することができる。

［第２実施形態の第５変形例］
本変形例では、各被加熱物２０が、基材１１に印刷されたインクであり、制御部７８が、例えば、受光素子を用いた受光センサの測定値を用いて、各被加熱物２０のインク量の検出を行う。インク量は、例えば、被加熱物２０の通過期間における受光センサの測定値の積算値（光量の積算値）により検出することができる。

また、制御部７８は、インク量の検出値ＶＩに基づいて発振器２１の出力制御を行う。ここで、位相差情報を用いることで、単位時間当たりに被加熱物２０に吸収される高周波エネルギー量Ｐを推測可能である。制御部７８は、被加熱物２０の加熱開始からの経過時間によって位相差情報を積分することにより、被加熱物２０に吸収される高周波エネルギー量Ｐｔを推測する。そして、インク量の検出値ＶＩと、高周波エネルギー量Ｐｔとを比較することにより、発振器２１の出力を増減させる。

例えば、式９の算出値Ｔが、予め定めた乾燥閾値を超えるタイミングで、発振器２１の出力を停止させることができるし、放射アンテナ２２の下流端に被加熱物２０が到達するタイミングで、算出値Ｔが乾燥閾値となるように発振器２１の出力を加減することもできる。なお、式９においてＫは、被加熱物２０に応じて設定する乾燥係数である。
［式９］
式９：Ｔ＝（Ｐｔ×Ｋ／ＶＩ）

なお、発振器２１の出力制御に、内部空間４０の空気又は内部空間４０から排出される空気の湿度を検出する湿度センサの計測値を用いてもよい。制御部７８は、湿度センサの計測湿度が所定値より高い場合は、被加熱物２０の乾燥が早期に進んでいると判断して、発振器２１の出力を低下させ、湿度センサの計測湿度が所定値より低い場合は、被加熱物２０の乾燥が遅れていると判断して、発振器２１の出力を増加させる。

＜第３実施形態＞
本実施形態は、高周波等の電磁波を利用して、食品等の被加熱物２０を加熱して解凍する電磁波加熱装置１０である。電磁波加熱装置１０は、図１６に示すように、解凍室１００を形成する箱状部材１０１と、高周波を発振する発振器２１と、解凍室１００内の被加熱物２０を加熱するための高周波を放射する放射アンテナ２２と、発振器２１を制御する制御装置７５とを備えている。箱状部材１０１には、空気の導入口及び排出口と、導入口から排出口に空気を送るファンが設けられている。解凍室１００には、被加熱物（解凍対象物）２０を載せる載置台１０２が設けられている。なお、放射アンテナ２２は、発振器２１から伝送される周波数帯域の高周波により共振が生じる共振構造を有するものであればよく、第１実施形態と同じアンテナを用いることができる。また、本実施形態では、第１実施形態の制御装置７５を用いているが、第２実施形態の制御装置７５を用いてもよい。

ここで、被加熱物２０の解凍においては、固相か液相により高周波を吸収しやすい周波数が大きく異なる。そのため、被加熱物２０の相変化に伴って共振周波数ｆ_０が逐次で変化する。従って、制御装置７５により共振周波数ｆ_０に対して発振周波数を高速で追従させる周波数制御を行うことで、効率的に被加熱物２０の加熱・解凍を行うことができる。

また、電磁波加熱装置１０を解凍装置として用いる場合は、被加熱物２０の相変化に伴って共振モードが変化する場合があり、この共振モードの変化は、被加熱物２０の種類及び重量などによって異なる。そのため、制御装置７５は、被加熱物２０の種類及び重量などからなる被加熱物２０の条件ごとに、解凍開始から終了までに被加熱物２０の相変化に伴って遷移する複数の共振モードの各々について、共振周波数ｆ_０の時系列変化を共振周波数ｆ_０のパターンとして予め記録しておき、その記録したパターンを周波数制御に利用してもよい。例えば、共振モード毎に制御周期Ｓを予め決めておき、制御装置７５は、被加熱物２０の加熱時間の推移及び共振周波数ｆ_０の変化に基づいて、予め記録させた複数の共振パターンのうち何れの共振パターンであるかを検出し、検出した共振パターンに対応する制御周期Ｓで周波数制御を行ってもよい。また、共振モード毎に発振器２１の発振出力を予め決めておき、制御装置７５は、被加熱物２０の加熱時間の推移及び共振周波数ｆ_０の変化に基づいて、予め記録させた複数の共振パターンのうち何れの共振パターンであるかを検出し、検出した共振パターンに対応する発振出力となるように発振器２１を制御してもよい。

［その他の変形例］
上述の実施形態において、制御部７８は、被加熱物２０の加熱目標状態に対する、被加熱物２０の加熱進行度合いを推測し、その推測結果に基づいて、閾値範囲（－Ｖｃ～Ｖｃ）の幅を調節する。この場合に、被加熱物２０の加熱進行度合いは、上述の湿度センサの計測値の積算値、被加熱物２０に吸収される高周波エネルギー量Ｐｔ、インクの検出量ＶＩなどを用いて、推測値として算出できる。被加熱物２０の加熱目標状態は、予め閾値として準備することができる。また、被加熱物２０の加熱進行度合いの推測値が、小さい場合は、反射波強度が低くなる帯域ではないと判断して、他の帯域に移動してもよい。

上述の実施形態において、被加熱物２０は、印刷装置で印刷されたインクである場合に、制御部７８は、制御処理の制御パラメータの調節に、被加熱物２０の印刷パターンの情報を用いてもよい。例えば、印刷パターンの解像度に応じて、制御周期Ｓ、閾値範囲（－Ｖｃ～Ｖｃ）の幅、又は、平均化処理のサンプル数ｎを増減させることができる。解像度が高い場合は、共振周波数ｆ_０が細かく変動する虞があるため、解像度が高いほど、制御周期Ｓは短く、閾値範囲の幅を狭く、サンプル数ｎは少なくする。

上述の実施形態では、各櫛歯電極３１，３２において複数の歯部３１ａ，３２ａが基部線路３１ｂ，３２ｂに対して斜めに設けられているが、複数の歯部３１ａ，３２ａが基部線路３１ｂ，３２ｂに対して垂直に設けられていてもよい。

本発明は、被加熱物の加熱に用いられる電磁波加熱装置等に適用可能である。

１０電磁波加熱装置
１６伝送線路
２０被加熱物
２１発振器
２２放射アンテナ
７６方向性結合器（信号抽出部）
７７位相差情報生成部
７８制御部

Claims

電磁波を出力する発振器と、
前記発振器から伝送される周波数帯域の電磁波により共振が生じる共振構造を有する放射アンテナとを備え、
前記共振構造により形成される電磁波の強電界領域において被加熱物の加熱を行う電磁波加熱装置であって、
前記発振器から前記放射アンテナへ延びる伝送線路に設けられ、前記放射アンテナから戻る反射波の波形を表す反射波情報を抽出する信号抽出部と、
前記発振器から前記放射アンテナへ伝送される入射波の波形を表す入射波情報と前記反射波情報とを用いる演算処理により、前記入射波と前記反射波の位相差を表す位相差情報を生成する位相差情報生成部と、
前記入射波の位相と前記反射波の位相とが等しくなる状態の基準情報と、前記位相差情報とに基づいて、前記放射アンテナにおける共振周波数と前記発振器の発振周波数との差が小さくなる前記発振周波数の調節方向を検出し、その検出された調節方向に基づいて前記発振周波数を制御する制御処理を繰り返し行う制御部とをさらに備えている、電磁波加熱装置。
前記制御部は、前記基準情報と前記位相差情報とを用いて、前記共振周波数に対する前記発振周波数のずれ方向を検出し、その検出結果に対し平均化処理を行うことにより、前記発振周波数の調節方向を検出する、請求項１に記載の電磁波加熱装置。
前記被加熱物が前記強電界領域を通過するように搬送され、
前記制御部は、前記被加熱物の搬送速度に基づいて、前記平均化処理に用いる検出結果のサンプル数を調節する、請求項２に記載の電磁波加熱装置。
前記発振器は、直交変調された電磁波を前記放射アンテナに出力し、
前記反射波情報を直交復調する直交復調部をさらに備え、
前記入射波情報を構成する第１Ｉ成分情報及び第１Ｑ成分情報と、前記反射波情報を構成する第２Ｉ成分情報及び第２Ｑ成分情報とを用いる演算処理により、前記位相差情報を生成する、請求項１乃至３の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記信号抽出部は、前記伝送線路から前記入射波情報を抽出し、
前記直交復調部は、
１つの直交復調器と、
前記信号抽出部から前記直交復調器に対し、前記入射波情報が入力される第１期間と、前記反射波情報が入力される第２期間とを切り替える切替スイッチとを備え、
前記位相差情報の生成周期よりも短い周期で、前記切替スイッチにより、前記第１期間と前記第２期間の切り替えが行われる、請求項４に記載の電磁波加熱装置。
前記信号抽出部は、前記伝送線路から前記入射波情報を抽出し、
前記信号抽出部から前記位相差情報生成部へ前記入射波情報を伝送する線路には、前記入射波情報と前記反射波情報との位相のずれを補正する遅延線路又は遅延素子が設けられている、請求項１乃至５の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記制御部は、前記発振器の電磁波の出力タイミングにおける位相の前記入射波情報を用いて、前記位相差情報の生成を行うように構成され、前記演算処理の前に、前記入射波情報に対し前記反射波情報との位相のずれの補正を行う、請求項１乃至４の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記制御部は、前記位相差情報に基づいて、前記被加熱物に吸収される電磁波エネルギー量を推測し、その推測結果に基づいて前記発振器の出力制御を行う、請求項１乃至７の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記基準情報は、所定の幅を持つ閾値範囲であり、
前記制御部は、前記被加熱物の加熱目標状態に対する、該被加熱物の加熱進行度合いを推測し、その推測結果に基づいて前記閾値範囲の幅を調節する、請求項１乃至８の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記強電界領域を順番に通過するように、複数の被加熱物が間隔を空けて搬送され、
前記制御部は、１つの被加熱物が前記強電界領域を通過する期間に前記制御処理を繰り返す周波数制御を行うと共に、該周波数制御の制御履歴情報を記録し、その記録後に前記強電界領域を通過する被加熱物を加熱する期間に、前記制御履歴情報を用いて前記周波数制御を行う、請求項１乃至９の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記強電界領域を順番に通過するように、複数の被加熱物が間隔を空けて搬送され、
前記被加熱物は、印刷装置で印刷されたインクであり、
前記制御部は、前記制御処理の制御パラメータの調節に、前記被加熱物の印刷パターンの情報を用いる、請求項１乃至１０の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。
前記放射アンテナが配置された内部空間を外部から遮蔽し、前記被加熱物を含む搬送物の導入部及び導出部が形成されて、前記内部空間では、前記被加熱物が前記放射アンテナの対面領域を通過するように、前記搬送物が前記導入部から前記導出部に向かって搬送される遮蔽部をさらに備えている、請求項１乃至１１の何れか１つに記載の電磁波加熱装置。