JPS5832757B2 - 高周波加熱器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面波を用いた高周波加熱器に関するもので、
加熱室内に表面波を励起する表面波線路を配設し、加熱
室内に生じる電波エネルギーの強弱分布を実質的に表面
波線路に拘束することによって、線路表面の垂直方向へ
のエネルギー分布を実質的に規制してエネルギー強弱分
布を実効的に均一とするとともに、誘電体製の被加熱物
載置台を可動自在に配設し、実質的に被加熱物を均一に
、かく効率良く加熱し、線路表面に平行な面内における
加熱ムラを改善するものである。

また、電波発振器は表面波線路を励振するので、被加熱
物の変動による発振効率の影響をうけにくく、更に表面
波線路と被加熱物との間に誘電体製カバーを介在させる
ことによって、更に発振効率の安定化を図るものである
。

従来、マイクロ波を用いた高周波加熱器は、電波を、導
波管などを介して、加熱室内に放射しているが、加熱室
壁で反射して、加熱室内に、電波の定在波が生じ、電波
エネルギーの強弱パターンが三次元的に分布する。

またこの分布は被加熱物の量や大きさ、種類などにも大
きく影響をうける。

従って被加熱物が均一に加熱されないという大きな欠点
を持っている。

この欠点をなくす為に従来は金属製の羽根状のものを加
熱室内で運動させて電波を攪拌する方法がもちいられて
いたが、充分な均一加熱は得られなかった。

また、加熱室内に回転載置台を設けてこの上に被加熱物
を置き、被加熱物を回転させて、被加熱物を均一に加熱
する方法も提案されているが、この場合にも、前述のよ
うに加熱室内の電波分布が３次元的に分布しているため
と、電波分布が被加熱物の影響をうけるために、被加熱
物を回転させても二次元面内での加熱ムラはいくぶん改
善されるにしても、同心円状の加熱ムラができたり、上
下の加熱ムラなどを改善する効果は得られなかった。

また、電波発振器、たとえばマグネトロンのアンテナは
、従来は、直接加熱室にとりつげられるか、あるいは導
波管を介して加熱室に結合されていたので、加熱室内に
おかれた被加熱物の状態、種類などによって、電波発振
器の負荷状態が大きく変動するので、発振効率が悪かっ
た。

本発明は、電波の一姿態である表面波モードを用いた高
周波加熱器に関するものであるから、まずはじめに表面
波について簡単に説明する。

表面波を導波する線路は表面波線路と呼ばれ、誘電体平
板や、あるいは、金属導体が一つの方向に周期的に配列
された周期構造体が、誘電率や、周期のピッチなどのあ
る条件を満した場合に表面波線路として動作することが
知られている。

第１図は本発明に用いられる表面波線路を示している。

ＡおよびＡ′は板厚ｔの金属導体板で、その間にはジグ
ザグ状のスリットＢが切られている。

このスリットは、２方尚のピッチｐ（使用電波の自由空
間波長の１／２以下の長さ）で周期的に折り曲げられて
おり、電波はスリットに沿ってＺ方向に伝播する。

また、ジグザグの部分を金属で形成し、互いに突出した
空隙を形成してもやはり表面波線路として動作すること
ができる。

このような平面状の表面波線路は、金属板を打抜いて作
ることが出来るし、又、セラミックなどに導電性塗料を
焼付けたり、あるいは蒸着、メッキなどの製法を用いる
ことによって簡単に作れてかつ組立ても簡単なので都合
が良い。

このように、電波の伝播方向に周期的にスリットのよう
なインピーダンス素子が配列されたものを周期構造体と
呼んでいる。

このような構造体を伝播する表面波は、導波管や同軸線
路などの一般の伝送線路を伝播する管内波とは異ったい
くつかの特徴をもっている。

まず第１に、管内波は、導体壁で囲まれた空間内のみに
存在するのに対し、表面波は、表面波線路内部のみなら
ずその外部空間にも拡がっていることである。

すむわち、第１図において、Ｚ方向に伝播する電波のエ
ネルギーのｙ方向への分布は、０図に示したように、板
厚ｔの部分で最高となり、その両側に離れるに従ってほ
ぼ指数関数的に分布し、線路表面から遠ざかるに従って
小さくなる。

それ故、表面波線路に対して垂直方向のエネルギー分布
は、線路に拘束された一定の拡がりを持ちながら、２方
向へ伝播してゆく。

本発明は後で詳述するように、この第１の特徴を利用し
て、被加熱物を均一にかつ効率良く加熱する方法を提供
する。

すなわち、この表面波線路の表面上の被加熱物を配置す
ると、被加熱物の線路近傍は非常に強い電波エネルギー
にさらされるために早く強く加熱される。

従って被加熱物のこの面と反対側の面とは加熱の強さが
異るので片面にこげ目をつげることができる。

また、線路の特性を適当に設計すれば、線路表面上のエ
ネルギー分布カりをもつと大きくすることができるので
、前述のようなこげ目をつげることなしに、被加熱物の
全体にわたってほぼ均一に加熱することもできる。

いずれの場合も、通常の高周波加熱器が、加熱室内全体
に電波エネルギーを分散させて加熱するのと異り、本発
明は、表面波線路の近傍にエネルギーを集めて、この集
められたエネルギー密度の高い部分に被加熱物を配置す
るので、早く、効率良く加熱することができる。

表面波のもつ第２の特徴は、伝播方向の位相速度が光速
よりも遅いことである。

これに対し、管内波の位相速度は光速よりも速い、従っ
て電波伝播方向（Ｚ方向）に測った波長は、管内波の場
合は、自由空間波長よりも長いのに対し、表面波の波長
は自由空間波長よりも短くなる。

本発明は、表面波のもつ第２の特徴をも利用している。

すなわち、表面波線路上には必ず定在波が生じる。

これは、第２図のように、表面波線路上においた被加熱
物にカ波長（１／２λ８）のピッチで強く加熱される部
分イを生じさせるが、この間隔は、自由空間波長のそれ
よりも短い。

これに対して、表面波を用いない通常の加熱室で東自由
空間波長のそれよりも長い間隔をもったエネルギーの強
い部分が生じてしまう。

従って表面波を用いる本発明の構成では、本質的に、強
弱分布の間隔が短いので被加熱物の加熱ムラは従来例に
比較して、本質的に小さくなることができる。

以上のように本発明は、表面波のもつ特性を利用して効
率良く、かつ均一に被加熱物を加熱するものである。

なお、ここで述べた表面波線路の特性は、表面波線路の
近傍に、大きな誘電率を持つ物質（たとえば食品など）
が存在した状態では測定することが困難であるが、線路
が無負荷状態のときには、指数関数的分布もしくは、波
長が自由空間のそれよりも短いという特性のいずれかを
測定によって確認することができる。

本発明で云う表面波は、このように無負荷のときの状態
を云う。

そして、被加熱物を表面波線路の近傍に配置した場合に
は、必ずしも前述の指数関数的なエネルギー分布が観測
できない場合も起るが、このことはかえって、被加熱物
を均一に加熱する場合には都合が良い。

すなわち、線路の垂直方向のエネルギー指数分布が緩和
されれば、被加熱物の垂直方向の加熱がより均一に行わ
れることを意味するからである。

しかしながらこの場合にもエネルギーは本質的に表面波
線路に拘束されているから、従来行われていた管内波の
場合とは本質的に異なり、本発明の目的は何らそこなわ
れることなく、達成することができる。

従って、表面波線路の近傍に誘電体を配設しない時に加
熱室内に表面波が励起される構成を用いる限り、本発明
の内容は達成される。

また、本発明に用いられる表面波線路は第１図に示した
ものに限らないことは明白である。

第３図はその一例を示している。

これは、使用電波の自由空間波長の−よりも小さい板厚
ｔの金肩板な突出状にピッチｐで並べたものである。

また、この高さ１は必要とする表面波の特性によりて異
なるが、使用電波の自由空間波長の２０分の１〜４分の
１ぐらいに選ばれる。

またピッチｐも必要とする条件によって異なるが、使用
電波の自由空間波長の２５分の１〜２分の１ぐらいに選
はれる。

スリット３３の巾も、その間で火花が飛ぶ場合もあるの
で、ピッチｐおよび、高さ１１ならびに、必要とする表
面波の特性などから実験的に決定されるのが望ましい。

このような周期構造体に於ける電波は、２方向に進むと
き、その垂直方向であるｙ方向に於けるエネルギー分布
は、前述第１図で示した場合と同様に、ｙ方向に遠ざか
るに従って指数関数的に減少する第３図ｃ０この指数関
数的な減少は、Ｘ方向についても同様である。

また、第４図に示すように、線路上に被加熱物５を置い
た場合には、その底面は同図すのように、２、Ｒ８（７
）間隔で強く加熱される・そして００間隔（−λ８）は
、表面波の第２の特徴で示したよ５に、使用電波の自由
空間波長−よりも小さい。

このように、第３図の周期構造体も第１図の周期構造体
と同様に本発明に於て表面波線路として用いることがで
きる。

また第３図の周期構造体は、第４図のように被加熱物を
その突出状金属導体の頂部に配置すると、各スリット群
は、その両面、（ｘｚ面内）で電波的結合をすることが
できるので、被加熱物の影響を受げにくいという特長を
もっている事が実験によって確かめた。

勿論、第３図の周期構造体を平面的に配列して、被加熱
物を周期構造体に対して、ｙ方向ではなく、Ｘ方向に配
置して使用することも可能である。

また、本発明に用いる表面波線路は、完全に、その長さ
全てにわたって周期的である必要はなく、その一部の周
期を変えたり、あるいは、スリットの一部を短絡して、
表面波特性を強制的に安定させたり、あるいは周期構造
体の強度を補強したりすることも可能である。

以下に本発明を、具体的な実施例を用いて説明する。

第５図は本発明を用いた電子レンジの一実施例の中央断
面図である。

図で、１は加熱室２１を構成する加熱室壁、２は加熱室
を閉じるドア、３は電波発振器（たとえばマグネトロン
）１１のアンテナ、５は被加熱物、６はガラスやセラミ
ックなどの誘電体で作られた被加熱物載置台である。

Ｉはモータ、８はモーターに結合された回転軸でその先
端は、プラスチック、セラミックあるいはガラスなどの
低損失性誘電体より成るカバー１０を貫ぬいて加熱室中
に突出し、被加熱物載置台６の中央底部に設けられた凹
部にはまり合い、モーターの回転に応じて被加熱物載置
台６を回転させる。

ところが、載置台６を回転可能に支持するために、ロー
ラー等を取りつげる必要があるが、載置台６およびカバ
ー１０はともに耐熱ガラスやセラミック等の材料で作ら
れるために、機械加工がめんどうで、ローラー等の取り
付けは一般に困難である。

ソコで本発明は、１２で示した着脱自在のころがり部材
を着脱自在に配設している。

第７図はこのころがり部材を示している。

図のように、中心部１６から放射状に三本の軸受１５を
作りその−端にはそれぞれ回転ローラー１３が止め部材
１４によって回転自在に保持されている。

３本の軸受１５の中心部には、モーターの軸８が貫通す
るように穴１７があげられている。

従ってこのころがり部材１２は１７を中心として回転す
ることができる。

これを第５図のように被加熱物載置台６とカバー１０の
間に置くことによって、被加熱物載置台６をスムースに
回転させることができる。

第５図にもどって、９は表面波線路で第６図に示すよう
に、金属板Ａに、スリン） Ｂ 、 Ｂ’がジグザグ状
に折れ曲って打ち抜かれており、第１図に示した周期構
造体を形成している。

モーター軸８は図のように中心付近に配置されている。

２２は本体ケースである。

サテ、マグネトロンのアンテナ３から発せられる電波は
、導波管４を通って表面波線路９上を、表面波として、
左側に進行し、その終端で反射され、その表面上に第２
図で示したような電波の強弱分布を作る。

このエネルギーの強い部分は、線路の垂直方向（ｙ方向
）に対しては第１図に示したように、指数関数的に減少
するようなエネルギー分布をする。

従って、もし被加熱物５にこげ目をつげようとする場合
には、その減少割合が大きくなるように、あるいは被加
熱物の上方まで均一に加熱する場合には、その減少割合
が小さくなるように表面波線路を設計すれば、垂直方向
（ｙ方向）における加熱ムラは実質的になくすることが
できる。

勿論、厳密に考えるならば、被加熱物の底面（線路に近
い側）が最も強く加熱されるが、これは表面波線路の特
性を検討することによって、実際使用上全く問題がない
ことを実験によって確認した。

また、ある種の被加熱物、たとえば牛乳びんなどの背の
高い液体類を加熱する場合には、むしろエネルギーの減
少割合を強くしたほうが、均一な加熱温度が得られるこ
とも解った。

このように表面波線路を用いると、従来のように、加熱
室内に電波を管内波として放射していたものでは、加熱
室内の電波エネルギーの強弱分布が三次元的に変化して
いるのに対して、表面波線路を用いれば、たて方向（ｙ
方向）の強弱分布は実質的に均一にすることができるの
である。

従って、第５図のように、被加熱物を、回転する載置台
によって、Ｘ−Ｚ平面内で回転させると表面波線路上に
生じる第２図で示したような強弱分布も実質的に均一に
することができる。

更に好都合なことに、表面波線路上に生じる強弱分布の
間隔は、自由空間波長の−よりも短かいので、更に均一
性が向上することになる。

そして、この強弱の分布は、アンテナ３と線路９の相対
関係と、その近くに配置される加熱室壁と、ならびに、
線路上に配設される誘電体製カバー１０によってほとん
ど決定されてしまう。

従ってこれらを適当に設計することによって、被加熱物
５を回転した時に生じる強弱分布のドーナツツ現象（強
く加熱される部分が同心円状に生じる）を少くすること
もできる。

マタ、マグネトロン１１のアンテナ３から発した電波は
、表面波線路９に於て、表面波として変換されたのちに
被加熱物５に吸収される。

従って、マグネトロン１１と被加熱物５０間に表面波線
路９が介在するために、マグネトロンにとっては、被加
熱物の種類や量、あるいは大きさなどの変化による負荷
インピーダンスの変化があまり生じないようになる。

一般にマグネトロンなどの電波発振器は、負荷インピー
ダンスによって発振効率が変化する。

従って本発明の構成を用いれば、負荷インピーダンスの
変化が小さいので、常に発振効率を高い値に保つことが
できる。

この特性を更に改善するために、本実施例では、表面波
線路上に、被加熱物との間に、ガラス、あるいはセラミ
ック、あるいはプラスチックなどの低損失性誘電体より
なるカバー１０を配設している。

すなわち、カバー１０は、最も線路表面に近い部分に配
設されるものである。

従って、マグネトロン１１から見た負荷インピーダンス
は、はとんどカバー１０によって規制されてしまう。

このことは、マグネトロンの負荷インピーダンスを一定
にして発振効率を高めようという本発明の思想にとって
最も適している。

従って、カバー１０は、表面波線路にごみや異物などが
入って特性が変化するのを防止するとともに、電波発振
器から見た負荷インピーダンスの変化を少なくして、発
振器の発振効率の変動を小さくするという大きな効果を
持っている。

と同時に、誘電体製カバー１０は、表面波線路９の持つ
表面波励振特性にも影響を与え、これを安定化させる作
用も持っている。

すなわち、表面波線路９の特性は、線路の持つ幾何学的
寸法と、その周囲の媒質によって規定される。

従って、もしも表面波線路上に直接被加熱物が配置され
ると、その種類によって表面波の状態が大きく変化する
が、線路表面に誘電体製カバーを配置するとこの特性の
変化を小さくすることができ、表面波の特性を安定化す
ることができる。

また前記第５図の実施例で、ころがり部材１２を軸８で
駆動して、被加熱物載置台６がころがり部材１２を介し
て回転駆動されるようにすれば、載置台中央部の軸８と
はまり合う部分の加工を施す必要がないとともに、ころ
がり部材１２の上にのせるだけなので、とりはずしが非
常に簡単となってとり扱いが便利となる。

以上のように、本発明は、表面波線路によって加熱室内
に表面波を励起することによって、被加熱物の近傍に、
垂直方向に実質的に均一な強い電波エネルギーを形成し
、次いで被加熱物載置台を可動とすることによって実質
的に均一に加熱する方法を提供している。

また被加熱物載置台の運動を容易ならしめるために着脱
自在のころがり部材を配する方法を提供している。

したがって本発明によれば、下記のような効果を奏する
。

ｌ、表面波を用いているので効率良く均一に加熱できる
。

２、表面波線路の近傍に誘電体製のカバーを配している
ので、電波発振器を安定に効率良く動作させることがで
きると同時に表面波特性を安定化することができる。

３、被加熱物載置台を着脱自在としているので取り扱い
が便利であると同時に、牛乳や酒などの液体類のような
ものでは、加熱ムラがあまり問題にならないので、直接
、誘電体製カバー上において加熱できるので、更に効率
良く加熱できる。

４、着脱自在のころがり部材を配しているので、カバー
や載置台に複雑な加工をする必要がないと同時に、取扱
いや掃除に便利である。

５、ころがり部材を直接駆動しても被加熱物を移動させ
ることができるので、駆動機構が簡単になると同時に取
り扱いが便利である。

６、板金の打ち抜き加工もしくは切り起し加工などの簡
単な加工によって表面波線路を構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂ、ｃは本発明による表面波線路の基本原理
を示す説明図、第２図は第１図に示す表面波線路による
加熱パターンの一例を示す説明図、第３図ａ、ｂ、ｃは
本発明による表面波線路の他の構成を示す説明図、第４
図ａ、ｂは第３図に示す表面波線路による加熱パターン
の一例を示す説明図、第５図は本発明の高周波加熱器の
一実施例を示す断面図、第６図は同高周波加熱器に用い
られる表面波線路部の平面図、第７図は同高周波加熱器
に用いられるころがり部材の斜視図、である。 ６・・・・・・被加熱物載置台、９・・・・・・表面波
線路、１０・・・・・・誘電体カバー、１２・・・・・
・ころがり部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱室内に表面波姿態を励起する表面波線路を配設
   し、前記表面波線路は平板状の金属導体に、使用電波の
   自由空間波長の２分の１以下周期を持つように形成され
   た空隙より成る周期構造体より成り、かつ、それぞれ周
   期の異なる複数の周期構造体を有すると共に、前記表面
   波線路の近傍に被加熱物載置台を着脱自在に配設し、前
   記被加熱物載置台と前記表面波線路の間には前記電体製
   のカバーを配設するとともに、前記誘電体製カバーと前
   記被加熱物載置台との間に、ころがり部材を着脱自在に
   配設してなる高周波加熱器。