JP7285413B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

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、給電部の先端にアンテナを用いて、表面波線路端部から給電する方法があった（例えば、特許文献２参照）。

特開昭４９－１６９４４号公報 特開平１１－３２９３６９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、前記アンテナを使った従来の給電方式における構成では、前記導波管を用いた給電構成よりも小型化はするが、前記アンテナは表面波線路端部に配置する必要があり、給電位置が限定される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、給電部を小型化しつつ、給電位置をある程度は任意に決めることができ、かつ加熱効率の高い高周波加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明に関する高周波加熱装置は、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繋がる給電部と、前記給電部の先端にループアンテナと、を備え、前記ループアンテナは、前記表面波線路の側面に配置した構成とした。

上記構成によって、給電部を小型化しつつ、給電位置もある程度は任意に決めことができ、か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、比較的小型な装置で効率の良い表面波加熱を行うことができる。

本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の斜視図 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 本発明の実施の形態１における表面波線路の斜視図 本発明の実施の形態２における表面波線路の横断面図 本発明の実施の形態３における高周波加熱装置の上面図 本発明の実施の形態３におけるループアンテナ近傍の寸法を示す上面図 本発明の実施の形態４における高周波加熱装置の横断面図 本発明の実施の形態５における高周波加熱装置の上面図

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繋がる給電部と、前記給電部の先端にループアンテナと、を備え、前記ループアンテナは、前記表面波線路の側面に配置した構成であり、これにより、給電部の位置を表面波線路の側方方向にある程度は任意に決めることができ、効率の良い表面波加熱を行うことができる。

第２の発明は、第１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構成であることを特徴としている。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を高めることができる。

第３の発明は、第１または２の発明において、前記表面波線路の側面と前記ループアンテナとは向かい合う構成とし、それぞれの向かい合う面が略平行であることを特徴としている。このようにすると、ループアンテナから放射する電磁波と結合しやすくなるので、効率の良い表面波加熱を行うことができる。

第４の発明は、第１～第３のいずれかの発明において、前記ループアンテナ近傍の表面波線路の部材は、他の表面波線路の部材よりも幅方向に短くしたことを特徴としている。このようにすると、ループアンテナから放射する電磁波と結合しやすくなるので、効率の良い表面波加熱を行うことができる。

第５の発明は、第１～第４のいずれかの発明において、高周波電力を反射する金属板を更に備え、前記金属板と前記表面波線路との間に前記ループアンテナを配置したことを特徴としている。このようにすると、ループアンテナから表面波線路と反対側へ放射する電力を反射して表面波線路に集中させることができ、給電効率が向上する。

第６の発明は、第１～第４のいずれかの発明において、複数の表面波線路を有し、前記複数の表面波線路間に前記ループアンテナを配置したことを特徴としている。これにより、加熱可能な面積が増え、比較的面積の大きな被加熱物であっても加熱することができる。

以下、本発明の実施の形態１～５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、同軸線などの接続手段（図１では図示せず）を通じて給電部２に伝送される。なお、高周波電力発生部１は、電子レンジ等で一般的に使用されるマグネトロンであっても、半導体であってもよいものとする。

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構成としている。ＸＹ面を表面波線路４の前面または後面、ＸＺ面を表面波線路４の上面または下面と定義すると、給電部２およびループアンテナ３は表面波
線路４の側面（ＹＺ面）に面するように配置されており、ループアンテナから放射された高周波電力は、表面波線路４の近傍空間に集中する。一般に、表面波線路４に沿って伝送していく高周波を（電磁）表面波と呼ぶ。表面波線路４に励起された表面波は、図のＺ方向に伝送していく電磁エネルギーをもつ波で、表面波線路４上でＸ方向に均一に分布し、Ｙ方向には指数関数的に減衰する特徴を有する。

図２は本発明の実施の形態１における高周波加熱装置２０の構成図である。

図２において、被加熱物５は表面波線路４の上方かつ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被加熱物５は加熱される。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。

また本実施の形態においては、ループアンテナ３の形状は楕円形としているが、これに限られるものではなく、ループアンテナ３の形状は、円形、長方形、正方形のいずれであってもよい。給電部２及びループアンテナ３の位置は表面波線路側面部のＺ方向へ任意に設定することができ、被加熱物の面積に応じて表面波線路４の長さ、幅などが変化してもよい。

図３は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の他の表面波線路の斜視図である。

図３（ａ）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部材８が導電性材料からなる平板上に垂直に立てられ、所定の間隔をもって周期的に設けられた周期構造体とする。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、板状部材８のみでなく、図４（ｂ）に示すように、棒状部材９を周期的に並べて構成しても良い。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における高周波加熱装置の横断面図である。なお、実施の形態１と同一の構成については、同一の名称を付与して詳細な説明を省略する。

図４において、ループアンテナ３は表面波線路４の側面に向かい合っている。ループアンテナ３に高周波電流が流れることによって、図４の破線のような環状の磁界（破線）が発生し、磁界が表面波線路４の側面から回り込むことによって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。誘導電流は表面波線路４上を伝送し、電磁界の発生を繰り返しながら、紙面垂直方向へ伝送していく。

ループアンテナ３と表面波線路４の側面が紙面上方向に向かい合っていない構成（例えば、ループアンテナ３の向きを紙面手前へ９０°回転させた場合）ではループアンテナ３からの電力の放射方向が表面波線路４へほとんど向いていないため、空気中へ放射してしまい、表面波線路４に励起される表面波の励振効率は低い。

また、ループアンテナ３は、表面波線路４の側面と向かい合う面が、表面波線路４の端面と略平行である。表面波線路４が、図３上では略垂直上方向に延伸しており、ループアンテナ３もこの表面波線路４の側面と略平行に向かい合っており、このように、表面波線路４の側面とループアンテナ３の向かい合う面を略平行にすると、ループアンテナ３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、表面波線路４に対して平行に設置されていない（例えば図１の曲面形状の）ループアンテナよりも多くすることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における高周波加熱装置の上面図である。なお、実施の形態１および２と同一の構成については、同一の名称を付与して詳細な説明を省略する。

図５において、表面波線路４はループアンテナ３近傍で表面波線路４を構成する部材である平板４ａが幅方向に短くなるように配置している。表面波線路４に表面波を励起するには、ループアンテナ３から生じた磁界が表面波線路４の平板４ａを巻き込んでいく必要があり、被加熱物５の面積が比較的大きいものの場合、平板４ａの幅を広げていくと、ループアンテナ３から生じる磁界が平板４ａの周りを巻き込み難くなることがわかった。

磁界が平板４ａを巻くためには、ループアンテナ３近傍の平板４ａの幅を他の平板４ａの幅よりも短くし、ループアンテナ３から遠ざかるにつれて徐々に平板４ａの幅を広げていく形状とすれば、ループアンテナ３から生じる磁界が平板４ａの周りを巻き込みやすくなり、効率の良い加熱を行うことができる。

図６は、本発明の実施の形態３における高周波加熱装置のループアンテナ近傍の寸法を示す図である。ループアンテナ３と表面波線路４が最も磁界が結合しやすいように設計すればよく、平板４ａの幅をＡ、平板４ａの厚さをＢ、ループアンテナ３の横幅をＣ、ループアンテナ３の帯幅をＤ、ループアンテナ３と平板４ａとの向かい合う面の間の距離をＥとすると、（２Ａ＋Ｂ+Ｃ+Ｄ+２Ｅ）が印加する高周波電力の波長以下となるように設計すると、ループアンテナ３から生じた磁界（図６の破線）が平板４ａの周りを巻くことができるので、磁界が結合しやすくなる。

ループアンテナ３の幅よりも平板４ａの幅の方が長い（Ａ＞Ｃ）場合には、平板４ａの幅Ａを印加する高周波電力の半波長以下になるように設計すると、効率の良い加熱を行うことができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４における高周波加熱装置の横断面図である。なお、実施の形態１～３と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図７において、ループアンテナ３からみて表面波線路４のある位置とは反対側の空間に金属板１０を設置している。このように、高周波電力を反射する金属板１０を更に備え、金属板１０と表面波線路４との間にループアンテナ３を配置すると、ループアンテナ３から放射され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高周波電力を金属板１０で反射し、表面波線路４の方向へ放射することができる。

このとき、ループアンテナ３の方向の中心と金属板１０との距離Ｅを、給電する高周波の波長の略１／４の長さとすることで、ループアンテナ３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１０で反射した電磁波の位相が等しくなる。これにより、互いに強め合うように干渉して、電磁界のピーク値はそれぞれ２倍となり、より強い電磁エネルギーを表面波線路４に入射することが出来る。

（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上面図である。なお、実施の形態１～４と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８において、２つの表面波線路４はループアンテナ３の両側面に面して挟み込む形で配置している。ループアンテナ３から放射した高周波電力は両側に配置した２つの表面波線路４とそれぞれ磁界結合し、表面波として伝送していく。２つの表面波線路４上にまたがって載置台６および被加熱物５を置くことが可能で、被加熱物５の大きさに応じて表面波線路４の幅は任意に決めてよい。また、２つの表面波線路は必ずしも同一な構造でなくてもよく、用途に応じて適切なものを選んでよい。

このように、複数の表面波線路を有し、複数の表面波線路間にループアンテナを配置すると、加熱可能な面積が増え、面積の大きな被加熱物であっても全面加熱することができる。

以上のように、本発明にかかる高周波加熱装置は、導電性材料からなる表面波伝送線路を有し、表面波伝送線路の側面部からループアンテナを用いて高周波電力を給電することにより、省スペースで給電位置を任意に決めることができ、かつ効率的に加熱を行うことの可能な装置を提供できる。

１ 高周波電力発生部
２ 給電部
３ ループアンテナ
４ 表面波線路
４ａ 平板
５ 被加熱物
６ 載置台
７ 加熱室
８ 板状部材
９ 棒状部材
１０ 金属板

Claims (4)

1. 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は、ＸＹ平面と平行な開口部を有し、Ｚ方向に延びる帯幅面を有する部材で前記開口面を囲むループアンテナと、を備え、
   前記表面波線路は、
   板状の部材が平板上に垂直かつＺ方向に所定の間隔をもって周期的に設けられた周期構造体、または、棒状の部材が平板上に垂直かつＺ方向およびＸ方向に所定の間隔をもって周期的に設けられた周期構造体であって、前記表面波線路に励起された表面波はＺ方向に伝送し、
   前記ループアンテナは、前記表面波線路の側面すなわちＹＺ面の略中央部と前記帯幅面とが向かい合うように配置され、それぞれの向かい合う面が略平行であることを特徴とする高周波加熱装置。
2. 前記ループアンテナ近傍の表面波線路の部材は、他の表面波線路の部材よりも幅方向に短くしたことを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱装置。
3. 高周波電力を反射する金属板を更に備え、前記金属板と前記表面波線路との間に前記ループアンテナを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波加熱装置。
4. 複数の表面波線路を有し、前記複数の表面波線路間に前記ループアンテナを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波加熱装置。

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