JP7380221B2 - microwave processing equipment - Google Patents
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/64—Heating using microwaves
- H05B6/70—Feed lines
Description
本開示はマイクロ波処理装置に関する。 The present disclosure relates to microwave processing devices.
マイクロ波処理装置の代表例である電子レンジは、マグネトロンにより放射されたマイクロ波を金属壁面で囲まれた処理室内に供給し、処理室内に載置された食品などの被加熱物を誘電加熱する。 A microwave oven, which is a typical example of microwave processing equipment, supplies microwaves emitted by a magnetron into a processing chamber surrounded by metal walls, and dielectrically heats food or other objects placed inside the processing chamber. .
マイクロ波は、処理室の壁面で反射を繰り返す。金属壁面で反射した反射波の位相は、金属壁面への入射波に対して180度変化する。金属壁面に垂直な線を基準線とすると、基準線と入射波の間の角度である入射角は、反射波と基準線の間の角度である反射角と同じである。 Microwaves are repeatedly reflected on the walls of the processing chamber. The phase of the reflected wave reflected by the metal wall surface changes by 180 degrees with respect to the incident wave on the metal wall surface. When a line perpendicular to the metal wall surface is taken as a reference line, the angle of incidence, which is the angle between the reference line and the incident wave, is the same as the angle of reflection, which is the angle between the reflected wave and the reference line.
処理室の大きさは、通常、マイクロ波の波長(約120mm)より充分大きい。そのため、金属壁面で生じる入射波と反射波との振る舞いによって、処理室内に定在波が生じる。定在波は、常に電界が強い場所に現れる腹と、常に電界が弱い場所に現れる節とを有する。 The size of the processing chamber is usually much larger than the microwave wavelength (about 120 mm). Therefore, a standing wave is generated in the processing chamber due to the behavior of the incident wave and the reflected wave generated on the metal wall surface. A standing wave has antinodes that always appear in places where the electric field is strong and nodes that always appear in places where the electric field is weak.
被加熱物が定在波の腹が現れる場所に載置されると、被加熱物は強く加熱され、被加熱物が定在波の節が現れる場所に載置されると、被加熱物はあまり加熱されない。これが、電子レンジにおいて加熱むらが生じる主な原因である。 When an object to be heated is placed at a place where an antinode of a standing wave appears, the object to be heated is heated strongly, and when an object to be heated is placed at a place where a node of a standing wave appears, the object to be heated is heated. It doesn't get heated much. This is the main cause of uneven heating in microwave ovens.
このような定在波による加熱むらを抑制し、均一加熱を促進するための方法には、テーブルを回転させて被加熱物を回転させるターンテーブル方式と、マイクロ波を放射するアンテナを回転させる回転アンテナ方式とがある。 Methods for suppressing uneven heating due to such standing waves and promoting uniform heating include a turntable method in which the table is rotated to rotate the object to be heated, and a rotation method in which the antenna that emits microwaves is rotated. There is an antenna method.
均一加熱とは反対の局所加熱を積極的に利用しようとする技術もある(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1に記載の装置は、GaN半導体素子で構成された複数のマイクロ波発生装置を備え、マイクロ波発生装置の出力を種々の場所から処理室に供給する。供給される二つのマイクロ波に位相差を設けることで、被加熱物にマイクロ波を集中させて局所加熱を実現する。 There is also a technique that actively attempts to utilize local heating, which is the opposite of uniform heating (see, for example, Non-Patent Document 1). The apparatus described in Non-Patent Document 1 includes a plurality of microwave generators made of GaN semiconductor elements, and supplies the output of the microwave generators to a processing chamber from various locations. By providing a phase difference between the two supplied microwaves, the microwaves can be concentrated on the object to be heated to achieve local heating.
しかしながら、上記従来のマイクロ波処理装置では、複数箇所から処理室にマイクロ波を供給する必要があるため、装置が複雑化し大型化する。 However, in the conventional microwave processing apparatus described above, it is necessary to supply microwaves to the processing chamber from a plurality of locations, which makes the apparatus complicated and large.
複数の被加熱物を同時に加熱する場合、一方の被加熱物にマイクロ波を集中させようとしても、その被加熱物がすべてのマイクロ波を吸収することはない。その被加熱物に吸収されなかったマイクロ波は、他方の被加熱物に入射する。このため、複数の被加熱物に対して、望み通りに局所加熱を行うことは難しい。 When heating multiple objects at the same time, even if you try to concentrate the microwaves on one object, that object will not absorb all the microwaves. The microwaves that are not absorbed by the object to be heated are incident on the other object to be heated. For this reason, it is difficult to locally heat multiple objects to be heated as desired.
本開示は、処理室内の定在波分布を制御することで、複数の被加熱物のそれぞれを望み通りに加熱することができるマイクロ波処理装置を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a microwave processing apparatus that can heat each of a plurality of objects to be heated as desired by controlling the standing wave distribution in a processing chamber.
本開示の一態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する処理室と、処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部とを備える。共振部は、処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも3個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する。 A microwave processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure includes a processing chamber that accommodates an object to be heated, a microwave supply section that supplies microwaves to the processing chamber, and a resonant section that has a resonant frequency in a microwave frequency band. Be prepared. The resonator has a plurality of patch resonators arranged so that at least three patch resonators are lined up along the direction of a plane of polarization generated on a metal wall surface constituting the processing chamber.
本態様のマイクロ波処理装置は、処理室内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。その結果、本態様のマイクロ波処理装置は、例えば、複数の被加熱物を同時加熱する場合、各被加熱物が吸収するマイクロ波エネルギーを調整することできる。 The microwave processing apparatus of this embodiment can control the standing wave distribution in the processing chamber, that is, the microwave energy distribution. As a result, the microwave processing apparatus of this embodiment can adjust the microwave energy absorbed by each of the objects to be heated, for example, when simultaneously heating a plurality of objects to be heated.
本開示の第1の態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する処理室と、処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部とを備える。共振部は、処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも3個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する。 A microwave processing apparatus according to a first aspect of the present disclosure includes a processing chamber that accommodates an object to be heated, a microwave supply section that supplies microwaves to the processing chamber, and a resonant section that has a resonant frequency in a microwave frequency band. Equipped with. The resonator has a plurality of patch resonators arranged so that at least three patch resonators are lined up along the direction of a plane of polarization generated on a metal wall surface constituting the processing chamber.
本開示の第2の態様のマイクロ波処理装置において、第1の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、縦方向および横方向の各方向に少なくとも3個のパッチ共振器が並ぶように配置される。 In the microwave processing device according to the second aspect of the present disclosure, in addition to the first aspect, the plurality of patch resonators are arranged such that at least three patch resonators are lined up in each of the vertical and horizontal directions. be done.
本開示の第3の態様のマイクロ波処理装置において、第2の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、十字状に配置された少なくとも5個の方形パッチ共振器を含む。 In the microwave processing device of the third aspect of the present disclosure, in addition to the second aspect, the plurality of patch resonators includes at least five square patch resonators arranged in a cross shape.
本開示の第4の態様のマイクロ波処理装置において、第1の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に少なくとも3個のパッチ共振器が放射状に並ぶように配置される。 In the microwave processing device according to the fourth aspect of the present disclosure, in addition to the first aspect, the plurality of patch resonators include at least three patch resonators in each of the vertical direction, the horizontal direction, and the diagonal direction. are arranged radially.
本開示の第5の態様のマイクロ波処理装置において、第4の態様に加えて、パッチ共振器は円形パッチ共振器である。 In the microwave processing device of the fifth aspect of the present disclosure, in addition to the fourth aspect, the patch resonator is a circular patch resonator.
本開示の第6の態様のマイクロ波処理装置において、マイクロ波供給部は、マイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部の発振周波数を制御する制御部とを備える。共振部は、共振周波数の異なる複数の共振部を有する。制御部は、発振周波数を制御することで、複数の共振部のうちの共振する共振部を切り替える。 In the microwave processing device according to the sixth aspect of the present disclosure, the microwave supply section includes a microwave generation section and a control section that controls an oscillation frequency of the microwave generation section. The resonant section includes a plurality of resonant sections having different resonant frequencies. The control section switches the resonant section that resonates among the plurality of resonant sections by controlling the oscillation frequency.
本開示の第7の態様のマイクロ波処理装置において、第6の態様に加えて、共振部は複数の共振部を有する。複数の共振部のそれぞれは、処理室を構成する一つの金属壁面上の分割された複数の領域のそれぞれに設けられる。複数の共振部は、互いに異なる共振周波数を有する。 In the microwave processing device according to the seventh aspect of the present disclosure, in addition to the sixth aspect, the resonator has a plurality of resonators. Each of the plurality of resonance parts is provided in each of the plurality of divided regions on one metal wall surface that constitutes the processing chamber. The plurality of resonance parts have mutually different resonance frequencies.
本開示の第8の態様のマイクロ波処理装置において、第6の態様に加えて、複数の共振部のぞれぞれは、複数の共振部の配置の順序に応じた共振周波数を有する。 In the microwave processing device according to the eighth aspect of the present disclosure, in addition to the sixth aspect, each of the plurality of resonant parts has a resonant frequency according to the order of arrangement of the plurality of resonant parts.
本開示の第9の態様のマイクロ波処理装置において、第8の態様に加えて、複数の共振部のそれぞれは、複数の共振部の配置の順序に応じた長さの導体を有する。 In the microwave processing device according to the ninth aspect of the present disclosure, in addition to the eighth aspect, each of the plurality of resonant parts has a conductor with a length corresponding to the order of arrangement of the plurality of resonant parts.
以下、本開示のマイクロ波処理装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。本実施の形態のマイクロ波処理装置は電子レンジである。しかし、本開示のマイクロ波処理装置は、電子レンジに限定されるものではなく、誘電加熱を利用した加熱処理装置、化学反応処理装置、半導体製造装置などを含む。 Hereinafter, preferred embodiments of the microwave processing apparatus of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The microwave processing apparatus of this embodiment is a microwave oven. However, the microwave processing apparatus of the present disclosure is not limited to a microwave oven, but includes a heat processing apparatus using dielectric heating, a chemical reaction processing apparatus, a semiconductor manufacturing apparatus, and the like.
(実施の形態1)
図1~図8Bを参照して、本開示の実施の形態1を説明する。図1は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100の斜視図である。(Embodiment 1)
Embodiment 1 of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 8B. FIG. 1 is a perspective view of a
図1に示すように、マイクロ波処理装置100は、金属壁面で囲まれた処理室101、処理室101にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部160を備える。マイクロ波供給部160は、導波管102、給電部103、マイクロ波発生部104、および、制御部105を含む。
As shown in FIG. 1, the
導波管102は、矩形形状の断面を有し、TE10モードでマイクロ波を伝送する。給電部103は、導波管102と処理室101との接続部分に形成された導波管開口である。導波管開口の中心は、図1における処理室101の左右方向の中心線L1と前後方向の中心線L2との交点に位置する。導波管開口は、二つの辺が中心線L1、L2に平行な矩形形状を有する。
The
制御部105は、加熱処理に関する情報を受け取り、その情報に応じた出力および周波数の電力を発生させるようにマイクロ波発生部104を制御する。
The
処理室101内において、給電部103に対向する天井面に共振部106が配置される。図2は、共振部106の構成を示す平面図である。図2に示すように、共振部106は、3×1のマトリクス状に配列された3個の方形パッチ共振器106aを含む。
In the
方形パッチ共振器106aは、誘電体106bと方形導体106cとを有する。方形パッチ共振器106aは、マイクロ波発生部104から発生されるマイクロ波の周波数帯域である2.4GHz~2.5GHzの間に共振周波数を有する。
図3A、図3Bは、方形パッチ共振器により生じる反射位相の周波数特性を示す図である。図3Aの縦軸は反射位相を表し、図3Bの縦軸は反射位相の絶対値を表す。 FIGS. 3A and 3B are diagrams showing frequency characteristics of a reflected phase generated by a square patch resonator. The vertical axis in FIG. 3A represents the reflection phase, and the vertical axis in FIG. 3B represents the absolute value of the reflection phase.
図3Aに示すように、方形パッチ共振器106aの方形導体106cの側から見た時の反射係数の位相(以下、反射位相と呼ぶ)は、2.4GHz~2.5GHzの周波数帯域においてほぼ+180度からほぼ-180度に変化する。図3Aに示す特性では、方形パッチ共振器106aの共振周波数は2.45GHzに設定される。
As shown in FIG. 3A, the phase of the reflection coefficient when viewed from the side of the
図3Bは、図3Aの縦軸を絶対値で表したものである。図3Bに示すように、ほとんどの周波数では反射位相は180度であるが、2.45GHz近傍では反射位相は0度まで低下する。方形導体106cの長さを方形導体106cを流れる電流の波長の半分程度に設定すると、共振が発生する。
FIG. 3B shows the vertical axis of FIG. 3A as an absolute value. As shown in FIG. 3B, the reflection phase is 180 degrees at most frequencies, but the reflection phase drops to 0 degrees near 2.45 GHz. When the length of the
例えば、一般的な電子レンジで用いられる2.45GHzのマイクロ波の波長は、誘電率が1の空気中において約120mmである。このため、誘電体106bが、比誘電率が1に近い、例えば発泡スチロールである場合、方形導体106cの長さを60mm程度に設定すればよい。方形導体106cの長さが例えば53mmでも、共振が発生する。
For example, the wavelength of a 2.45 GHz microwave used in a typical microwave oven is approximately 120 mm in air with a dielectric constant of 1. For this reason, when the
誘電体106bに汎用的な基板材料や樹脂材料を選ぶと、比誘電率が1よりも大きくなり(2~5程度)、比誘電率が高いとマイクロ波の波長は短くなる傾向がある。このため、方形導体106cを短くすることができる。
If a general-purpose substrate material or resin material is selected for the dielectric 106b, the dielectric constant will be larger than 1 (about 2 to 5), and the higher the dielectric constant, the shorter the wavelength of the microwave tends to be. Therefore, the
なお、共振部106の方形導体106cを有するパッチ面の反対側の面は、処理室101の金属壁面と同電位を有する。
Note that the surface of the
ここで、給電部103から放射されるマイクロ波の電界の向きについて図4A~図4Cを参照して説明する。
Here, the direction of the electric field of the microwave radiated from the
図4A~図4Cは、導波管に生じる電界を説明するための図である。図4Aは、導波管の斜視図である。図4Bは、開口の正面から見た導波管の断面図である。図4Cは、導波管開口から放射される電界を説明するための図である。 FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining the electric field generated in the waveguide. FIG. 4A is a perspective view of the waveguide. FIG. 4B is a cross-sectional view of the waveguide seen from the front of the aperture. FIG. 4C is a diagram for explaining the electric field radiated from the waveguide opening.
マイクロ波は、導波管102により図4Aに示すZ軸の正方向に伝送され、給電部103から放射される。導波管102の幅aを、マイクロ波の波長λの1/2からマイクロ波の波長λの間に設定し、導波管102の高さbを、マイクロ波の波長λの1/2に設定すると、導波管102はTE10モードでマイクロ波を伝送する。
The microwave is transmitted by the
図4Bに示すように、TE10モードにおいて、高さ方向に矢線E1で表される電界が生じ、幅方向に矢線H1で表される磁界が生じる。電界は、導波管102内の幅方向における中央で最大となり、導波管102内の両端で0となる。このため、電界強度分布は、破線E2のように示される。
As shown in FIG. 4B, in the TE10 mode, an electric field indicated by arrow E1 is generated in the height direction, and a magnetic field indicated by arrow H1 is generated in the width direction. The electric field is maximum at the center in the width direction within the
図4Cに示すように、TE10モードにおいて、給電部103からZ軸の正方向に電界が放射される。この電界のベクトル成分は、矢線E1と同じくY方向(すなわち、導波管の高さ方向)にのみ振動し、時間とともにZ方向に伝送される。このため、電界は、破線E3のように伝送される。
As shown in FIG. 4C, in the TE10 mode, an electric field is radiated from the
導波管102から放射された後も、電界ベクトルは主にY方向にのみ振動する。この電界ベクトルの振動方向を偏波と呼び、振動方向と伝送方向とで形成される面(この場合、YZ面)を偏波面と呼ぶ。
Even after being radiated from the
一般的に、TE10モードで伝送する導波管において、偏波面は、導波管の高さ方向(Y方向)と伝送方向(Z方向)で形成される面(YZ面)となる。図1においても同様に、導波管102から給電部103を介して処理室101に放射されるマイクロ波は、振動方向(図1の一点鎖線L1の方向)と伝送方向(図1の上方向)とで形成される、破線E4で示される偏波面を有する。
Generally, in a waveguide that transmits in the TE10 mode, the plane of polarization is a plane (YZ plane) formed by the height direction (Y direction) of the waveguide and the transmission direction (Z direction). Similarly, in FIG. 1, the microwaves radiated from the
処理室101内では、マイクロ波は金属壁面で反射を繰り返しながら、処理室101内の被加熱物に吸収される。処理室101内の電界成分は、主に偏波面に平行な向きに生じ、他の向き(例えば、図1のL2方向成分)にはほとんど生じない。
Inside the
本実施の形態においては、図1に示すように、3個の方形パッチ共振器106aが破線E4で示される偏波面に沿って並ぶように、共振部106が配置される。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
図5は、方形パッチ共振器106aの個数と位置とを変えた場合の、処理室101内の電界、および、方形パッチ共振器106aのパッチ面上の電流ベクトルの特性を示す図である。図5は、上から順に、解析モデル、観測面O1上の電界、観測面O2上の電界、方形パッチ共振器106aのパッチ面上の電流ベクトルを記載する。
FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the electric field in the
図5の上段に示す解析モデルは、図1と同じように処理室101に導波管102が接続された構成を有する。ただし、この解析モデルは、図1の場合とは上下が逆である。
The analytical model shown in the upper part of FIG. 5 has a configuration in which a
観測面O1は、処理室101の前後方向の中央における断面、すなわち、図1の一点鎖線L2に沿った断面であり、図1の破線E4で示される偏波面と直交する。観測面O2は、処理室101の左寄りに位置して観測面O1と直交し、図1の一点鎖線L1と、破線E4で示される偏波面とに平行である。
The observation plane O1 is a cross section at the center of the
図5の中ほどの2段には、観測面O1上の電界、観測面O2上の電界が等電界強度線図で示される。図5の最下段には、方形パッチ共振器106aのパッチ面上の電流ベクトルが示される。方形パッチ共振器106aの位置は解析モデルによって異なるので、パッチ面上の電流ベクトルは、方形パッチ共振器106aの配置に対応する位置(奥、中央、手前)に記載される。図中の二等辺三角形は電流ベクトルの向きを示す。
In the second row in the middle of FIG. 5, the electric field on the observation plane O1 and the electric field on the observation plane O2 are shown as equal electric field strength diagrams. At the bottom of FIG. 5, a current vector on the patch surface of the
図5に示すように、4種類の解析を行った。解析Aでは、方形パッチ共振器106aは使用されない。解析Bでは、1個の方形パッチ共振器106aが前後方向の中央に配置される。解析Cでは、2個の方形パッチ共振器106aが奥と手前とに一つずつ配置される。解析Dでは、3個の方形パッチ共振器106aが奥と中央と手前とに配置される。
As shown in FIG. 5, four types of analysis were performed. In analysis A,
ここで、観測面O2をどの程度左寄りに配置するかについて説明する。まず、解析Aにおける観測面O1上の電界分布を参照して、解析モデルの処理室101の下面において定在波の腹が生じる位置が選択される。図5では、位置111が選択される。
Here, a description will be given of how far to the left the observation plane O2 should be placed. First, with reference to the electric field distribution on the observation surface O1 in analysis A, a position where an antinode of a standing wave occurs on the lower surface of the
観測面O1上の位置111を通り観測面O1に直交する面が、観測面O2に設定される。このときの観測面O2上の電界分布を参照すると、観測面O1と観測面O2との交わる部分の位置112に、定在波の腹が生じている。 A plane passing through position 111 on observation plane O1 and perpendicular to observation plane O1 is set as observation plane O2. Referring to the electric field distribution on the observation plane O2 at this time, an antinode of the standing wave is generated at a position 112 where the observation plane O1 and the observation plane O2 intersect.
次に、観測面O1上の電界と観測面O2上の電界とに着目し、解析B、C、Dにおける解析Aからの変化を調べることで、方形パッチ共振器106aの効果を考察する。
Next, focusing on the electric field on the observation plane O1 and the electric field on the observation plane O2, the effect of the
解析Aでは、観測面O1、観測面O2とも電界分布が左右対称である。位置111の電界は強く、位置113、位置114の電界は弱く、位置112上の電界は、位置111、位置113の電界の中間くらいである。 In analysis A, the electric field distributions are symmetrical on both the observation plane O1 and the observation plane O2. The electric field at position 111 is strong, the electric field at positions 113 and 114 is weak, and the electric field at position 112 is about halfway between the electric fields at positions 111 and 113.
解析Bでは、位置111、位置112上の電界は弱い。特に観測面O2の位置112には、定在波の節が生じている。観測面O1における電界の左右対称性は崩れている。 In analysis B, the electric fields at positions 111 and 112 are weak. In particular, nodes of standing waves occur at position 112 on observation surface O2. The left-right symmetry of the electric field on the observation plane O1 is broken.
解析Bでは、1個の方形パッチ共振器106aが観測面O2の前後方向の中央に配置される。すなわち、解析Bでは、1個の方形パッチ共振器106aが、解析Aにおける定在波の腹の位置に配置される。解析Bの結果は、定在波の腹の位置に配置された方形パッチ共振器106aが、定在波の腹を節に変化させたことを示している。
In analysis B, one
図3A、図3Bの特性によれば、2.45GHzの周波数に対する方形パッチ共振器106aの反射位相は略0度である。これは、パッチ面への入射波とパッチ面からの反射波との位相差が略0度であることを意味する。通常の金属壁面における入射波と反射波との位相差は180度であることを勘案すると、共振部106の近傍で、通常とは異なる定在波分布が形成されたことが分かる。
According to the characteristics shown in FIGS. 3A and 3B, the reflection phase of the
反射位相が略0度であれば、インピーダンスは無限大となる。このため、パッチ面を流れる高周波電流は抑制され、マイクロ波は共振部106から遠ざかる。これが、共振部106近傍の電界が弱まる原因である。この影響により、観測面O1の左右対称性が崩れると推測される。この効果を第一の効果と呼ぶ。
If the reflection phase is approximately 0 degrees, the impedance will be infinite. Therefore, the high frequency current flowing through the patch surface is suppressed, and the microwave moves away from the
解析Cでは、解析Aの場合と同様に、位置111、位置112の電界は強い。方形パッチ共振器106aが配置された位置113、114では、電界は弱い。解析Aでは、位置113、114には定在波の節が生じている。すなわち、解析Cの結果は、電界が弱い定在波の節に配置された方形パッチ共振器106aは、あまり定在波分布に影響を与えないことを示している。
In analysis C, as in analysis A, the electric fields at positions 111 and 112 are strong. At positions 113 and 114 where the
解析Dでは、位置111、位置112の電界が弱く、領域115に強い電界が生じている。観測面O1の左右対称性は崩れている。解析Dの結果は、解析Bの効果と解析Cの効果が合算されたことを示していると思われる。しかし、それだけではなく、領域115に強い電界が生じている。これは、3個の方形パッチ共振器106aが配置されたことの特有の効果である。
In analysis D, the electric fields at positions 111 and 112 are weak, and a strong electric field is generated in region 115. The left-right symmetry of the observation plane O1 is broken. The results of analysis D seem to indicate that the effects of analysis B and analysis C were combined. However, in addition to this, a strong electric field is generated in the region 115. This is a unique effect of arranging the three
考察のヒントとして、解析Dにおいて図5の最下段に示すパッチ面上の電流ベクトルについて考える。3個の電流ベクトルを比較すると、電流ベクトル116と電流ベクトル117とにおいては図5の下向きのベクトルが多いのに対し、電流ベクトル118においては図5の上向きのベクトルが多い。これを参考にして、3個の方形パッチ共振器106aの配置の効果に関する仮説について、図6A~図6Cを参照して説明する。
As a hint for consideration, consider the current vector on the patch surface shown in the bottom row of FIG. 5 in analysis D. Comparing the three current vectors, the
図6A~図6Cは、3個の方形パッチ共振器106aを配置する理由を説明するための図である。図6Aは、2個の方形パッチ共振器を離間させて強い電界中に配置した場合の電界を説明するための図である。図6Bは、3個の方形パッチ共振器を配置したときに生じる逆向きの電界を説明するための図である。図6Cは、図6Bにおいて強い電界が弱い電界になることを説明するための図である。
6A to 6C are diagrams for explaining the reason for arranging three
図6Aにおける二つの方形パッチ共振器106aは、図5中の解析Bに示す2個の方形パッチ共振器106aに対応する。図6Aに示すように、強い電界119により同じ向きの電流ベクトル116、117が生じ、2個の方形パッチ共振器106aの間に互いに逆向きの電界120、121が発生する。
The two
図6Bに示すように、図6Aにおける2個の方形パッチ共振器106aの間に、もう1個の方形パッチ共振器106aが配置されると、電界120と同じ向きの誘導電界122と、電界121と同じ向きの誘導電界123とが励起される。
As shown in FIG. 6B, when another
図6Cに示すように、誘導電界122、123により、中央に配置された方形パッチ共振器106aには逆向きの電流ベクトル118が発生する。これにより、強い電界119を打ち消す逆向きの電界124が生じる。その結果、強い電界を、3個の方形パッチ共振器106aで生じさせた逆向きの電界で弱めることができる。
As shown in FIG. 6C, the induced
このように、上記仮説では、中央に配置された方形パッチ共振器106aに発生する電流ベクトル118は、それぞれ奥および手前に配置された方形パッチ共振器106aに発生する電流ベクトル116、117と逆向きである。この結果は、図5の解析Dと一致する。この効果を第二の効果と呼ぶ。第二の効果は、3個の方形パッチ共振器106aを配置することによる、上記第一の効果とは別の効果と考えられる。
In this way, in the above hypothesis, the
従って、図5の解析Bは、定在波の腹の位置に配置された1個の方形パッチ共振器106aが電界を弱めるという第一の効果のみを示す。図5の解析Dは、3個の方形パッチ共振器106aが電界を弱めるという第二の効果が、第一の効果に合算されることを示す。
Therefore, analysis B in FIG. 5 shows only the first effect of weakening the electric field by one
従って、解析Dは、解析Bに比べて方形パッチ共振器106aの近傍の場所の電界をより一層弱めるという効果を示す。その結果、方形パッチ共振器106aから離れた場所の電界が相対的に強められ、領域115に強い電界が生じたと考えられる。
Therefore, analysis D exhibits the effect of further weakening the electric field in the vicinity of the
第二の効果は、方形パッチ共振器106aが定在波の腹の位置に配置されると電界が弱まる一方、方形パッチ共振器106aが定在波の節の位置に配置されても定在波は変化しないことである。
The second effect is that when the
なぜならば、方形パッチ共振器106aが定在波の節の位置に配置されると、奥と手前との方形パッチ共振器106aに逆向きの電流が流れ、2個の方形パッチ共振器106aの間に同じ向きの電界が発生し、中央の共振部が配置されても上述のような誘導電界や逆向きの電流が生じないからである。
This is because when the
以下、処理室101に二つの被加熱物を収容する場合について説明する。図7は、二つの被加熱物が収容された状態における、マイクロ波処理装置100の断面図である。
A case in which two objects to be heated are accommodated in the
図7に示すように、処理室101は、給電部103の上方に配置された載置板107を有する。載置板107は、低誘電損失材料で構成される。載置板107には、被加熱物108、109が配置される。この状態において、マイクロ波発生部104がマイクロ波110を供給する。
As shown in FIG. 7, the
図8A、図8Bは、図7に示す処理室101内の電界分布を示す図である。図8Aは、共振部106が設けられない場合の電界分布を示し、図8Bは、共振部106が処理室101の右側の天井面に設けられた場合の電界分布を示す。
8A and 8B are diagrams showing the electric field distribution inside the
図8Aに示すように、共振部106が設けられない場合、処理室101内にはほぼ左右対称の電界分布が生じ、より均一な定在波分布が現れる。
As shown in FIG. 8A, when the
一方、図8Bに示すように、共振部106が処理室101の右側の天井面に設けられると、処理室101の右側に弱い電界が生じ、処理室101の左側に強い電界が生じる偏在した定在波分布が現れる。この場合、被加熱物108に吸収される電力は、被加熱物109のそれに対して約2.7倍多くなった。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the
以上のように、本実施の形態のマイクロ波処理装置100は、金属壁面で囲まれた処理室101と、処理室101にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部160と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部106とを備える。共振部106は、処理室101を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って配置された3個のパッチ共振器(方形パッチ共振器106a)を有する。
As described above, the
本構成では、共振周波数の近傍の周波数を有するマイクロ波が処理室101に供給されると、共振部106の表面で、マイクロ波は略0度の位相差で反射される。一方、処理室101の金属壁面では、マイクロ波は180度の位相差で反射される。これにより、電界の向きが反転する。その結果、処理室101内に出現する定在波分布に何らかの変化が生じる。
In this configuration, when microwaves having a frequency near the resonant frequency are supplied to the
特に、偏波面の向きに沿って3個の方形パッチ共振器106aが配置されると、処理室101内に現れる定在波分布にどのような変化が生じるのかをより明確にすることができる。
In particular, when the three
第一に、定在波の腹に3個の方形パッチ共振器106aが配置されると、両端の方形パッチ共振器106aには、同じ方向の電界および電流が生じる。中央の方形パッチ共振器106aには、両端の方形パッチ共振器106aとは逆の方向の電界および電流が生じる。この逆向きの電界が強い電界を打ち消すように作用して、定在波の腹が節に変化する。
First, when three
第二に、定在波の節に3個の方形パッチ共振器106aが配置されると、定在波は変化しない。すなわち、偏波面の向きに沿って3個の方形パッチ共振器106aが配置されると、方形パッチ共振器106aが配置された場所が定在波の腹の位置であるか、節の位置であるかに関わらず、常にその場所に定在波の節が生じる。
Second, when the three
この効果により、処理室101内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。従って、例えば、複数の被加熱物を同時加熱する場合、それぞれの被加熱物に所望のマイクロ波エネルギーを吸収させることができる。
This effect makes it possible to control the standing wave distribution within the
例えば、一方の被加熱物が載置された場所に定在波の節が生じるように制御することで、一方の被加熱物が、他方の被加熱物よりもマイクロ波エネルギーを吸収しないように制御することができる。 For example, by controlling so that nodes of standing waves occur where one heated object is placed, one heated object can be prevented from absorbing more microwave energy than the other heated object. can be controlled.
本実施の形態では、共振部106は、扁平な方形パッチ共振器106aを含む。これにより、処理室101の内部の有効容積をほとんど損なうことなく、共振部106を配置することができる。
In this embodiment, the
方形パッチ共振器106aは、パッチ面が処理室101の内側を向き、パッチ面と反対側の面が処理室101の金属壁面と同電位を有するように配置される。この構成により、処理室101の内部の有効容積を十分に確保することができる。
The
3個の方形パッチ共振器106aが、処理室101を構成する金属壁面の一つに配置される。これにより、共振部106による定在波分布の変化を容易に予測することができる。その結果、被加熱物を所望のように加熱することができる。
Three
本実施の形態では、給電部103が配置された処理室101の金属壁面に対向する処理室101の金属壁面に、共振部106が配置される。これにより、マイクロ波エネルギー分布を給電部103の近傍に集中させることができる。その結果、給電部103からのマイクロ波エネルギーとともに、被加熱物を効率よく加熱することができる。
In this embodiment, the
マイクロ波供給部160は、マイクロ波発生部104と、マイクロ波発生部104の発振周波数および出力を制御する制御部105とを備える。これにより、複数の被加熱物を同時に加熱することができる。
The
共振部106が、4個以上の方形パッチ共振器106aを含んでもよい。この場合、4個以上のパッチ共振器のうちの隣接する3個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に3個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
The
このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた3個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の3個のパッチ共振器の組合せが、上述の共振部106と同様に機能する可能性がある。 Therefore, even if the position of the antinode of the standing wave deviates from the expected position, for example, a combination of three patch resonators different from the expected combination of three patch resonators may be 106 may function similarly.
(実施の形態2)
図9~図10Bを参照して、本開示の実施の形態2を説明する。本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100は、共振部106以外は基本的に実施の形態1と同じ構成を有する。(Embodiment 2)
図9は、本実施の形態における共振部106の構成を示す図である。図9に示すように、共振部106は、正方形形状の方形導体106cを有する。方形導体106cが3×3のマトリクス状に分割された9個の領域を有すると考えると、中央の行および中央の列に含まれる5個の領域のそれぞれに、誘電体106bが設けられる。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the
すなわち、中央の行には、3個の方形パッチ共振器106aが横方向に並べられ、中央の列には、3個の方形パッチ共振器106aが縦方向に並べられる。本実施の形態の共振部106は、十字状に配置された5個の方形パッチ共振器106aを有する。
That is, three
図10A、図10Bは、処理室101の一つの金属壁面(例えば、天井面)における共振部106と給電部103との配置の例を示す図である。
10A and 10B are diagrams illustrating an example of the arrangement of the
図10Aに示す構成では、給電部103が横長の導波管開口を有する。このため、電界E1の振動方向は縦方向(図10Aにおける上下方向)となり、偏波面は縦方向となる。
In the configuration shown in FIG. 10A, the
このため、本構成では、十字状に配置された5個の方形パッチ共振器106aのうち、縦方向に配置された3個の方形パッチ共振器106aが、実施の形態1における共振部106と同様に機能する。
Therefore, in this configuration, among the five
図10Bに示す構成では、給電部103が縦長の導波管開口を有する。このため、電界E1の振動方向は横方向(図10Aにおける左右方向)となり、偏波面は横方向となる。
In the configuration shown in FIG. 10B, the
このため、本構成では、十字状に配置された5個の方形パッチ共振器106aのうち、横方向に配置された3個の方形パッチ共振器106aが、実施の形態1における共振部106と同様に機能する。なお、本実施の形態では、縦方向、横方向はそれぞれ、図1における処理室101の前後方向、左右方向に相当する。
Therefore, in this configuration, among the five
電子レンジの場合、一般的に、図10A、図10Bに示すように、処理室101は横長の直方体形状であり、給電部103は処理室101の外形に平行に配置される。しかし、図10Aに示す構成、図10Bに示す構成のどちらを選ぶかは設計次第である。従って、共振部106が図9に示す構成を有すれば、共振部106は、図10Aに示す構成、図10Bに示す構成のどちらにおいても、実施の形態1における共振部106と同様に機能する。
In the case of a microwave oven, generally, as shown in FIGS. 10A and 10B, the
以上のように、本実施の形態において、共振部106は、十字状に配置された5個のパッチ共振器(方形パッチ共振器106a)を有する。本構成により、縦方向の偏波面、横方向の偏波面のいずれの対しても、定在波の腹を節に変化させることができる。本実施の形態によれば、処理室101内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。
As described above, in this embodiment, the
本実施の形態では、共振部106は、十字状に配置された5個の方形パッチ共振器106aを有する。すなわち、共振部106は、縦方向および横方向に3個のパッチ共振器が並ぶように配置された、合計5個のパッチ共振器を有する。この構成により、実施の形態1の共振部106を縦方向と横方向とにそれぞれ一つずつ設ける場合に比べて、必要な方形パッチ共振器106aの個数を減らすことができる。
In this embodiment, the
共振部106において、縦方向および横方向に、4個以上の方形パッチ共振器106aが配置されてもよい。この場合、4個以上のパッチ共振器のうちの隣接する3個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に3個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
In the
このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた3個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の3個のパッチ共振器の組合せが、実施の形態1における共振部106と同様に機能する可能性がある。
Therefore, even if, for example, the position of the antinode of the standing wave deviates from the expected position, other combinations of three patch resonators different from the expected combination of three patch resonators may be different from the one in Embodiment 1. There is a possibility that it functions similarly to the
(実施の形態3)
図11~図13Bを参照して、本開示の実施の形態3を説明する。図11は、本実施の形態に係る共振部130の構成を示す平面図である。(Embodiment 3)
図11に示すように、共振部130は、円形の誘電体130b上に配置された9個の円形導体130cを有する。9個の円形導体130cのうち、1個の円形導体130cが中央に配置され、8個の円形導体130cが、中央の円形導体130cを中心とした円周上に等間隔に配置される。すなわち、この構成では、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、3個の円形パッチ共振器130aが並ぶ。
As shown in FIG. 11, the
本実施の形態では、縦方向、横方向はそれぞれ、図1における処理室101の前後方向、左右方向に相当する。斜め方向は、縦方向、横方向の両方に対して45度をなす方向である。
In this embodiment, the vertical direction and the horizontal direction correspond to the front-back direction and the left-right direction of the
円形導体130cの直径を、円形導体130c上を流れる電流の波長の半分程度の長さに設定すると、共振を発生させることができる。2.45GHzのマイクロ波の波長は、誘電率が1の空気中において約120mmである。このため、誘電体130bの比誘電率が1に近い、例えば発泡スチロールである場合、円形導体130cの直径を60mm程度に設定すればよい。
Resonance can be generated by setting the diameter of the
本実施の形態では、比誘電率が3.5、tanδが0.004、厚さが0.6mm程度の基板を誘電体130bとして用い、円形導体130cを基板上の銅箔のパターンで形成する。この構成により、共振部130の直径を38mmまで小さくすることができた。
In this embodiment, a substrate with a dielectric constant of 3.5, tan δ of 0.004, and a thickness of about 0.6 mm is used as the dielectric 130b, and the
図12Aは、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100の構成を示す縦断面図である。図12Bは、図12Aの12B-12B線に沿った横断面図である。
FIG. 12A is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of
本実施の形態では、導波管102から直接マイクロ波が処理室101に放射されるのではなく、放射アンテナ131を介して処理室101にマイクロ波が放射される。
In this embodiment, the microwaves are not directly radiated from the
図12A、図12Bに示すように、放射アンテナ131は、導波管102に結合する結合軸132と放射部133とを有する。放射部133は、三つの壁面(壁面134a、134b、134c)と、壁面の周囲に設けられたフランジ135と、天井面136と、前方開口137とを有する。
As shown in FIGS. 12A and 12B, the
放射アンテナ131は、壁面134a、134b、134cと天井面136とにより形成される導波管構造を有し、前方開口137から矢線138の方向にマイクロ波を放射する。その結果、本実施の形態のマイクロ波処理装置100は、矢線138を含み図12Bの紙面に垂直な偏波面を有する。
The
モータ139は結合軸132に係合し、制御部105による指示に応じて結合軸132を回転させる。結合軸132の回転に伴って放射部133が回転すると、前方開口137から放射されるマイクロ波の向き、および、偏波面も回転する。
The
このように、回転する放射アンテナ131を備えた構成では、偏波面は、縦方向、横方向だけでなく種々の方向を有する。このため、図11に示す構成の共振部130は、図12A、図12Bに示す構成において生じる偏波面に対して効果を発揮することができる。
In this way, in the configuration including the
図13Aは、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100の他の構成を示す縦断面図である。図13Bは、図13Aの13B-13B線に沿った横断面図である。
FIG. 13A is a longitudinal cross-sectional view showing another configuration of the
図13Bに示すように、本構成では、放射アンテナ131は、天井面136に設けられたX字形状の円偏波開孔140を有し、円偏波開孔140から図13Aの上方向に円偏波のマイクロ波を放射する。
As shown in FIG. 13B, in this configuration, the
実施の形態1、2において、導波管開口から放射されるマイクロ波は、単一の振動方向を有する電界を生成する。マイクロ波の伝送方向も単一であるので、この場合、単一の偏波面が生じる。このようなマイクロ波は、直線偏波のマイクロ波と呼ばれる。 In the first and second embodiments, the microwaves emitted from the waveguide opening generate an electric field having a single vibration direction. Since the microwave transmission direction is also single, a single plane of polarization occurs in this case. Such microwaves are called linearly polarized microwaves.
一方、円偏波のマイクロ波では、X字状の円偏波開孔140の交点を中心に電界自体が回転する。このため、偏波面は、縦方向、横方向だけでなく種々の方向を有する。図11に示す構成の共振部130は、図13A、図13Bに示す構成において生じる偏波面に対して効果を発揮することができる。
On the other hand, in the case of circularly polarized microwaves, the electric field itself rotates around the intersection of the X-shaped circularly polarized
以上のように、本実施の形態において、共振部130は、中央に配置された1個の円形パッチ共振器130aと、当該1個の円形パッチ共振器130aを中心とした円周上に等間隔に配置された8個の円形パッチ共振器130aとを含む。この構成では、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、3個のパッチ共振器が並ぶ。
As described above, in the present embodiment, the resonating
この構成により、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、共振部130が、実施の形態1における共振部106と同様に機能する。
With this configuration, the
本実施の形態において、共振部130は、円形導体130cを含む円形パッチ共振器130aにより構成される。パッチ共振器では、導体の長さによって共振が発生するかどうかが決まる。円形導体は、縦、横、斜めのいずれの方向に対しても同じ長さを有する。
In this embodiment, the
このため、共振部130を用いれば、縦、横、斜めのいずれの偏波面に対しても共振を発生させることができる。本実施の形態によれば、処理室101内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。
Therefore, by using the
本実施の形態の共振部130は、上記構成に限定されない。例えば、共振部130が、3×3のマトリクス状に配置された9個のパッチ共振器を有してもよい。すなわち、本実施の形態では、共振部130は、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に3個のパッチ共振器が放射状に並ぶように配置された、合計9個のパッチ共振器を有する。
The
共振部130において、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に、4個以上の円形パッチ共振器130aが配置されてもよい。この場合、4個以上のパッチ共振器のうちの隣接する3個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に3個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
In the
このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた3個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の3個のパッチ共振器の組合せが、実施の形態1における共振部106と同様に機能する可能性がある。
Therefore, even if, for example, the position of the antinode of the standing wave deviates from the expected position, other combinations of three patch resonators different from the expected combination of three patch resonators may be different from the one in Embodiment 1. There is a possibility that it functions similarly to the
(実施の形態4)
図14、図15を参照して、本開示の実施の形態4を説明する。図14は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100の構成を示す斜視図である。図15は、図14に示す共振部の特性を示す図である。(Embodiment 4)
Embodiment 4 of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of
図14に示すように、本実施の形態のマイクロ波処理装置100は、処理室101の天井面に、3×3のマトリクス状に配置された9個の共振部(共振部141、142、143、144、145、146、147、148、149)を有する。
As shown in FIG. 14, the
共振部141~149の各々は、方形の誘電体上に3×3のマトリクス状に配置された9個の円形導体を有する。この構成により、共振部141~149の各々には、9個のパッチ共振器が構成される。
Each of the
共振部141~149は同じ大きさの誘電体を有する。しかし、各共振部の円形パッチ共振器に含まれた円形導体の直径は、共振部141から共振部149の順に少しずつ大きくなる。この構成により、各共振部の共振周波数は、共振部141から共振部149の順に10MHzずつ低下する。
具体的には、図15に示すように、共振部141~149の共振周波数は、それぞれ2.49GHz、2.48GHz、2.47GHz、2.46GHz、2.45GHz、2.44GHz、2.43GHz、2.42GHz、2.41GHzである。反射位相の絶対値は、これらの共振周波数において0度となる。
Specifically, as shown in FIG. 15, the resonance frequencies of the
本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生する共振部を切り替えることができる。例えば、2.49GHzの周波数のマイクロ波を供給すると、共振部141のみが共振する。これにより、共振部141が配置された左奥の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、左奥の領域の近傍の電界を弱めることができる。
According to this embodiment, by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the resonant section where resonance occurs. For example, when microwaves with a frequency of 2.49 GHz are supplied, only the
2.45GHzの周波数のマイクロ波を供給すると、共振部145が配置された中央の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、中央の領域の電界を弱めることができる。
When microwaves with a frequency of 2.45 GHz are supplied, the antinode of the standing wave can be changed into a node near the central region where the
2.49GHz、2.46GHz、2.43GHzのマイクロ波を順番に時分割で供給すると、共振部141、144、147が配置された左側の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。これにより、左側の領域の電界を弱めることができる。この場合、右側の領域の電界は強くなり、その結果、右側に配置された被加熱物109を強く加熱することができる。
When microwaves of 2.49 GHz, 2.46 GHz, and 2.43 GHz are supplied sequentially in a time-division manner, the antinodes of the standing waves change to nodes near the left region where the
本実施の形態では、共振部141~149は円形パッチ共振器を有する。しかし、共振部141~149は方形パッチ共振器を有してもよい。共振部141~149が、実施の形態3における共振部130であってもよい。
In this embodiment, the
本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生する共振部を切り替えることができる。これにより、共振が発生する共振部の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生する共振部の近傍の電界を弱めることができる。 According to this embodiment, by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the resonant section where resonance occurs. Thereby, the antinode of the standing wave can be changed into a node near the resonance part where resonance occurs. As a result, it is possible to weaken the electric field near the resonant portion where resonance occurs.
(実施の形態5)
図16を参照して、本開示の実施の形態5を説明する。図16は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置100の構成を示す断面図である。(Embodiment 5)
Embodiment 5 of the present disclosure will be described with reference to FIG. 16. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the configuration of
図16に示すように、本実施の形態のマイクロ波処理装置100は、処理室101の天井面に配置された共振部150を有する。共振部150は、処理室101の天井に配置された誘電体上に、ピッチPで配置された5個の導体を有する。この構成により、共振部150には、5個のパッチ共振器(パッチ共振器151、152、153、154、155)が構成される。
As shown in FIG. 16, the
5個のパッチ共振器の導体は、互いに異なる長さを有する。パッチ共振器151の導体は長さa1、パッチ共振器152の導体は長さa2、パッチ共振器153の導体は長さa3、パッチ共振器154の導体は長さa4、パッチ共振器155の導体は長さa5である。長さa1~a5にはa1>a2>a3>a4>a5という関係がある。
The conductors of the five patch resonators have different lengths. The conductor of
すなわち、パッチ共振器151~155のそれぞれは、パッチ共振器151~155の配置の順序に応じた長さの導体を有する。その結果、パッチ共振器151~155のそれぞれは、パッチ共振器151~155の配置の順序に応じた共振周波数を有する。
That is, each of the
これら5個のパッチ共振器のうちの隣接する3個のパッチ共振器の組合せには、左端の組合せ161と、中央の組合せ162と、右端の組合せ163とが含まれる。組合せ161は、パッチ共振器151、152、153からなる。組合せ162は、パッチ共振器152、153、154からなる。組合せ163は、パッチ共振器153、154、155からなる。
The combinations of three adjacent patch resonators among these five patch resonators include a
これらの組合せに含まれたパッチ共振器の導体の長さの平均は、組合せ161から組合せ163の順に短くなる。従って、組合せ161に含まれた3個のパッチ共振器が周波数f1で共振し、組合せ162に含まれた3個のパッチ共振器が周波数f2で共振し、組合せ163に含まれた3個のパッチ共振器が周波数f3で共振する場合、周波数f1~f3は、この順に高くなる。
The average length of the conductors of the patch resonators included in these combinations becomes shorter from
具体的には、パッチ共振器153の導体の長さは、一般的な電子レンジで使用されるマイクロ波の波長(実効長)の略1/2に設定される。これにより、周波数f2を、このマイクロ波の周波数である2.45GHzに設定することができる。
Specifically, the length of the conductor of the
パッチ共振器152の導体の長さは、パッチ共振器153のそれより少し長く、パッチ共振器151の導体の長さは、パッチ共振器152のそれより少し長い。パッチ共振器154の導体の長さは、パッチ共振器153のそれより少し短く、パッチ共振器155の導体の長さは、パッチ共振器154のそれより少し短い。
The length of the conductor of
すなわち、本実施の形態では、すべてのパッチ共振器の導体は、マイクロ波の波長(実効長)の略1/2を有する。しかし、配置の位置によって、各パッチ共振器の導体の長さはわずかに異なる。 That is, in this embodiment, the conductors of all patch resonators have approximately 1/2 the wavelength (effective length) of the microwave. However, depending on the location of the arrangement, the length of the conductor in each patch resonator varies slightly.
本実施の形態では、中央の組合せ162における端部に位置するパッチ共振器を、組合せ162に隣接する組合せ161、163と共有する。この構成により、9個のパッチ共振器を用いることなく5個のパッチ共振器を用いて、3個のパッチ共振器からなる3個の組合せを構成することができる。
In this embodiment, the patch resonators located at the ends of the
本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を周波数f1~f3のいずれかに設定することで、共振が発生するパッチ共振器の組合せを切り替えることができる。これにより、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍の電界を弱めることができる。 According to this embodiment, by setting the frequency of the supplied microwave to one of the frequencies f1 to f3, it is possible to switch the combination of patch resonators in which resonance occurs. Thereby, the antinode of the standing wave can be changed into a node near the combination of patch resonators where resonance occurs. As a result, it is possible to weaken the electric field near the patch resonator combination where resonance occurs.
本実施の形態では、3個のパッチ共振器からなる3個の組合せのそれぞれが1個の共振部に対応すると考えてもよい。すなわち、本実施の形態の共振部150は、3個の共振部を含むと考えてもよい。
In this embodiment, each of three combinations of three patch resonators may be considered to correspond to one resonator. That is, the
図16に示すように、5個のパッチ共振器のパッチ面は、一つの基板材料の片面に施された銅箔で構成される。パッチ面と反対側の基板材料の面は、処理室101の天井面に接触する。このようにして、パッチ共振器151、152、153、154、155を、同一の片面基板上に配置させることができる。
As shown in FIG. 16, the patch surfaces of the five patch resonators are comprised of copper foil applied to one side of one substrate material. The surface of the substrate material opposite the patch surface contacts the ceiling surface of the
パッチ共振器151、152、153、154、155を両面基板で構成することも可能である。両面基板の一方の面にパッチ面を配置し、基板材料のパッチ面の反対側の面を処理室101の天井面に接触させると、反対側の面を処理室101の金属面と同電位とすることができる。
It is also possible to configure the
本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生するパッチ共振器の組合せを切り替えることができる。これにより、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍の電界を弱めることができる。 According to this embodiment, by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the combination of patch resonators in which resonance occurs. Thereby, the antinode of the standing wave can be changed into a node near the combination of patch resonators where resonance occurs. As a result, it is possible to weaken the electric field near the patch resonator combination where resonance occurs.
本実施の形態では、共振部150が、処理室101の天井面だけに配置される。しかし、共振部150が、処理室101の側面に配置されてもよい。例えば、処理室101の右側面に共振部150が配置されると、処理室101の左側に強い電界が生じる偏在した定在波分布が生じる。その結果、処理室101の左側に載置された被加熱物がより強く加熱される。
In this embodiment, the
天井面および右側面に2個の共振部150が一つずつ配置されると、2個の共振部150の相乗効果で図8Bの場合以上の効果が得られる可能性もある。
If two
共振部の誘電体として基板を採用すると、共振部を小型化することができる。しかし、出力されるマイクロ波のエネルギーが大きくなると、損失が発生して発熱したり、隣り合うパッチ間でスパークが発生したりする。従って、化学的反応処理などのための、小さなエネルギーのマイクロ波で十分な装置の場合は誘電体基板を用いてもよく、食品の加熱などのための、大きなエネルギーのマイクロ波が必要な装置の場合は別の方法でもよい。 If a substrate is used as the dielectric of the resonant part, the resonant part can be made smaller. However, when the energy of the output microwave increases, loss occurs and heat is generated, and sparks occur between adjacent patches. Therefore, a dielectric substrate may be used for devices that require small energy microwaves, such as for chemical reaction processing, and for devices that require large energy microwaves, such as for heating food. If so, you can use another method.
図6A~図6Cを用いて説明した第二の効果は、3個のパッチ共振器のうちの中央のパッチ共振器がグラウンドから浮いており、その電位が不確定なために生じた強い電界を、3個のパッチ共振器により生成された逆向きの電界により弱めることである。 The second effect explained using FIGS. 6A to 6C is that the center patch resonator out of the three patch resonators is floating from the ground, and the strong electric field generated because its potential is uncertain. , by the opposite electric fields generated by the three patch resonators.
図6A~図6Cに示す構成のほか、中央のパッチ共振器とグラウンド面との間に、スイッチを配置し、切り替え制御を行う構成も考えられる。この場合、スイッチがオフされた場合、パッチ共振器はグラウンドから浮いているので第二の効果が生じる。しかし、スイッチがオンされた場合は、中央のパッチ共振器が接地されて第二の効果が生じない。 In addition to the configurations shown in FIGS. 6A to 6C, a configuration in which a switch is disposed between the central patch resonator and the ground plane to perform switching control is also conceivable. In this case, when the switch is turned off, the second effect occurs because the patch resonator is floating above ground. However, when the switch is turned on, the central patch resonator is grounded and the second effect does not occur.
さらに、スイッチを有効活用するために、すべてのパッチ共振器にスイッチを設ける構成も考えられる。この場合、通常はすべてのスイッチをオンさせることで、パッチ共振器を接地させて第二の効果を生じさせない。 Furthermore, in order to make effective use of the switches, a configuration in which all patch resonators are provided with switches is also conceivable. In this case, all switches are normally turned on to ground the patch resonator and prevent the second effect from occurring.
少なくとも3個のパッチ共振器のためのスイッチをオフさせて、パッチ共振器をグラウンドから浮かせると、第二の効果が生じ、その近傍の定在波の腹を節に変化させることができる。 When the switches for at least three patch resonators are turned off and the patch resonators are lifted above ground, a second effect occurs, which can transform the antinode of the standing wave in its vicinity into a node.
この方法によれば、周波数を制御しなくても、または、すべての同じサイズの共振部を用いても、スイッチのオンオフ制御だけにより、定在波分布を任意に制御することができる。 According to this method, the standing wave distribution can be arbitrarily controlled only by on/off control of a switch, even without controlling the frequency or using all resonant parts of the same size.
本開示は、食品などの加熱処理や化学的反応処理などを行うマイクロ波処理装置に適用可能である。 The present disclosure can be applied to a microwave processing apparatus that performs heat treatment, chemical reaction treatment, etc. of foods and the like.
100 マイクロ波処理装置
101 処理室
102 導波管
103 給電部
104 マイクロ波発生部
105 制御部
106、130、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150 共振部
106a 方形パッチ共振器
106b、130b 誘電体
106c 方形導体
107 載置板
108、109 被加熱物
110 マイクロ波
130a 円形パッチ共振器
130c 円形導体
151、152、153、154、155 パッチ共振器
160 マイクロ波供給部100
Claims (9)
前記処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有し、前記処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも3個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する共振部と、を備え、
前記少なくとも3個のパッチ共振器は、両端のパッチ共振器と、中央のパッチ共振器とを含み、前記両端のパッチ共振器に生じる電流ベクトルとは逆向きの前記電流ベクトルが前記中央のパッチ共振器に生じるように、前記中央のパッチ共振器が前記両端のパッチ共振器の間に配置される、マイクロ波処理装置。 a processing chamber that accommodates an object to be heated;
a microwave supply unit that supplies microwaves to the processing chamber;
A plurality of patch resonators having a resonant frequency in the microwave frequency band and arranged so that at least three patch resonators are lined up along the direction of a polarization plane generated on a metal wall surface constituting the processing chamber. a resonant section having;
The at least three patch resonators include patch resonators at both ends and a central patch resonator, and the current vector that is opposite to the current vector generated in the patch resonators at both ends resonates with the central patch resonator. The microwave processing device , wherein the central patch resonator is disposed between the end patch resonators so as to occur in a microwave oven .
前記処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、a microwave supply unit that supplies microwaves to the processing chamber;
前記マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有し、前記処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも3個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する共振部と、を備える、マイクロ波処理装置であって、A plurality of patch resonators having a resonant frequency in the frequency band of the microwave and arranged so that at least three patch resonators are lined up along the direction of a plane of polarization generated on a metal wall surface constituting the processing chamber. A microwave processing device comprising: a resonating section having
前記マイクロ波供給部が、マイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部の発振周波数を制御する制御部と、を備え、The microwave supply unit includes a microwave generation unit and a control unit that controls an oscillation frequency of the microwave generation unit,
前記共振部が、共振周波数の異なる複数の共振部を有し、The resonant part has a plurality of resonant parts having different resonant frequencies,
前記制御部が、前記発振周波数を制御することで、前記複数の共振部のうちの共振する前記共振部を切り替える、マイクロ波処理装置。The microwave processing device, wherein the control section switches the resonant section that resonates among the plurality of resonant sections by controlling the oscillation frequency.
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