JPWO2011027529A1 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波加熱装置は、制御部（７）が、位相可変部の位相値を固定して、発振部の発振周波数を変化させつつ、電力検出部により反射電力を検出し、発振周波数に対する反射電力特性を検出する掃引動作と、発振部の発振周波数を固定して、記位相可変部の位相値を変化させつつ、電力検出部により反射電力を検出し、位相値に対する反射電力特性を検出する掃引動作とを交互に繰り返し動作を行い、被加熱物を加熱する発振周波数と位相値を確定するよう構成されている。

Description

本発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段を備えたマイクロ波加熱装置に関するものである。

半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段を備えた従来のマイクロ波加熱装置としては、半導体素子で構成された発振部と、発振部の出力を増幅する複数の増幅部と、被加熱物を配置して加熱するための加熱室と、加熱室にマイクロ波を供給する給電部と、給電部のインピ−ダンスを検出するインピ−ダンス検出部と、を有するマイクロ波加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたマイクロ波加熱装置は、インピ−ダンス検出部の検出結果により発振部の発振周波数を制御して、加熱室内において加熱むらのない安定した調理を行うことを目的としている。

また、特許文献２には、発振周波数を可変できるマイクロ波加熱電源と、マイクロ波電力を加熱室へ放射するアンテナと、アンテナからの反射電力を検波する検波器とを有するマイクロ波加熱装置が開示されている。この従来のマイクロ波加熱装置においては、反射電力が最小となるマイクロ波加熱電源の周波数を追尾し、検出された周波数の近傍でマイクロ波加熱電源を駆動して、高い電力効率で駆動するよう構成されている。

さらに、特許文献３には、半導体素子で構成された発振部と、発振部の出力を複数に分割する分配部と、分配された発振部の出力をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、増幅部の出力を合成する合成部とを有し、分配部と増幅部との間に位相器を設けたマイクロ波加熱装置が開示されている。この特許文献３に開示されたマイクロ波加熱装置においては、位相器による位相制御で２つの出力の電力比率を変化させる構成や、２つの出力間の位相を同相あるいは逆相に制御する構成を有している。

特開昭５９−１６５３９９号公報 特公昭６２−０４８３５４号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報

しかしながら、前述の従来のマイクロ波加熱装置における給電方式では、下記に説明するように、加熱室内に収納された様々な形状、種類および量を有する異なる被加熱物を常に所望の状態で加熱処理することが難しいという課題を有していた。

従来のマイクロ波加熱装置において、加熱室のインピーダンスおよび反射電力の検出結果に従い、発振周波数を最適化して、加熱状態を制御すること、および高い電力効率で加熱動作を行うことは可能である。しかし、加熱室内の被加熱物に対して、１ヶ所からのマイクロ波電力給電では、様々な形状、種類および量を有する異なる被加熱物のそれぞれに適切に対応するには不十分であった。また、発振部に半導体素子を用いて構成したマイクロ波加熱装置において、発振部にマグネトロンを用いた市販されている従来の電子レンジと同等のマイクロ波出力を形成するためには、半導体素子を使用した最終段増幅部を複数設けて、複数の最終段増幅部から加熱室に設けた複数の給電部のそれぞれにマイクロ波を伝播することが最も安価であり、性能も安定する構成である。

前述の従来のマイクロ波加熱装置の構成を複数ヶ所の給電部に応用する場合、加熱室のインピーダンス検出のみでは、給電部間の透過電力の影響が把握できないため、検出誤差が大きくなる。また、複数ヶ所の給電部を同一発振周波数で動作させて、発振周波数を追尾する制御では、１ヶ所から給電する場合と大差がなく、様々な形状、種類および量を有する異なる被加熱物に対応するには不十分であった。

さらに、従来のマイクロ波加熱装置の構成を複数ヶ所の給電部に応用する場合には、複数ヶ所の給電部に対する発振周波数の制御と位相差の制御を全ての組み合わせ条件において、加熱室の反射電力の検出を行うためには多くの時間が必要であるという問題がある。その結果、使用者が設定してから実際の加熱動作が始動するまでの時間がかかりすぎるという課題を有している。

本発明は、前述の従来のマイクロ波加熱装置における課題を解決するものであり、さまざまな形状、種類および量を有する異なる被加熱物を所望の状態で加熱するための加熱条件を短時間で検出して、その加熱条件で加熱するとともに、加熱動作において加熱室から戻ってくるマイクロ波電力（反射電力）を大幅に低減して、被加熱物を効率高く加熱することができるマイクロ波加熱装置の提供を目的とする。

本発明に係る第１の態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、
半導体素子を有して構成された発振部と、
前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、
前記電力分配部の出力位相を可変する位相可変部と、
前記位相可変部または前記電力分配部の出力を電力増幅する複数の増幅部と、
前記増幅部の出力を前記加熱室に給電する複数の給電部と、
前記加熱室から前記給電部を介して前記増幅部に伝播する反射電力を検出する複数の電力検出部と、
前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の出力位相を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記位相可変部の出力位相を固定して、前記発振部の発振周波数を変化させつつ、前記電力検出部により検出された反射電力を取得する周波数検知動作を行い、周波数掃引特性を検出する周波数掃引部と、
前記発振部の発振周波数を固定して、前記位相可変部の位相値を変化させつつ、前記電力検出部により検出された反射電力を取得する位相検知動作を行い、位相掃引特性を検出する位相掃引部と、
前記周波数掃引部の周波数検知動作と前記位相掃引部の位相検知動作とを交互に繰り返すよう制御して、検出された前記周波数掃引特性および前記位相掃引特性から前記被加熱物を加熱する発振周波数と位相値を確定する掃引制御部と、を有する。
上記のように構成された第１の態様のマイクロ波加熱装置においては、反射電力が最小となる加熱条件である発振周波数および位相値を短時間で検出することができ、さまざまな形状、種類および量を有する異なる被加熱物に対する最適な加熱動作を短時間で始動することができる。

本発明に係る第２の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１の態様の前記掃引制御部が、前記被加熱物の加熱を開始する前に、前記周波数掃引部における周波数検知動作により検出された周波数掃引特性、および前記位相掃引部における位相検知動作により検出された位相掃引特性から、前記被加熱物を加熱する発振周波数と位相値を確定するよう構成してもよい。

本発明に係る第３の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１または第２の態様の前記掃引制御部が、最初に、前記周波数掃引部における周波数検知動作を行い、反射電力が最小となる発振周波数を検出し、次に、検出された発振周波数により前記発振部の発振周波数を固定して、前記位相掃引部における位相検知動作を行い、反射電力が最小となる出力位相を検出し、以降、検出された位相値で前記位相可変部の出力位相を固定した前記周波数掃引部の周波数検知動作と、検出された発振周波数で前記発振部の発振周波数を固定した前記位相掃引部の位相検知動作とを交互に繰り返すよう構成してもよい。

本発明に係る第４の態様のマイクロ波加熱装置において、前記の第１または第２の態様の前記掃引制御部は、前記周波数掃引部が周波数検知動作を実行した後、直前の前記周波数掃引部の周波数検知動作において、前記位相可変部を固定した位相値と、反射電力が最小を示した発振周波数と、反射電力の最小値と、を少なくとも記憶するよう構成してもよい。

本発明に係る第５の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１または第２の態様の前記掃引制御部が、前記位相掃引部が位相検知動作を実行した後、直前の前記位相掃引部の位相検知動作において、前記発振部を固定した発振周波数と、反射電力が最小を示した位相値と、反射電力の最小値と、を少なくとも記憶するよう構成してもよい。

本発明に係る第６の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１乃至第３の態様の前記掃引制御部が、予め定められた終了判断条件を満足するまで、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作を交互に繰り返すよう構成してもよい。

本発明に係る第７の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１乃至第３の態様の前記掃引制御部が、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作において検出した反射電力の最小値が予め定められた閾値より小さくなったときを第１の終了判断条件とし、当該第１の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成してもよい。

本発明に係る第８の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１乃至第３の態様の前記掃引制御部が、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作において、検出された発振周波数または位相値が直前の周波数検知動作または位相検知動作において検出された発振周波数または位相値からの変化量が予め定められた閾値より小さくなったときを第２の終了判断条件とし、当該第２の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成してもよい。

本発明に係る第９の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１乃至第３の態様の前記掃引制御部が、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し回数が予め定められた回数に達したときを第３の終了判断条件とし、当該第３の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成してもよい。

本発明に係る第１０の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第８の態様の前記掃引制御部が、前記第２の終了判断条件により前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止した場合には、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作において検出した反射電力が最小となる発振周波数および位相値、並びに反射電力の最小値を記憶し、最初に実行した周波数掃引部の周波数検知動作において固定した位相値と異なる値の位相値により、前記位相可変部の位相値を固定して、前記周波数掃引部の周波数検知動作を実行し、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を再度実行するよう構成してもよい。

本発明に係る第１１の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第９の態様の前記掃引制御部が、前記第３の終了判断条件により前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止した場合には、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の掃引動作において検出した反射電力が最小となる発振周波数および位相値、並びに反射電力の最小値を記憶し、最初に実行した周波数掃引部の周波数検知動作において固定した位相値と異なる値の位相値により、前記位相可変部の位相値を固定して、前記周波数掃引部の周波数検知動作を実行し、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を再度実行するよう構成してもよい。

本発明に係る第１２の態様のマイクロ波加熱装置においては、前記の第１乃至第３の態様の前記掃引制御部が、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作により検出され、記憶された反射電力が最小値となる周波数と位相値とを加熱条件として、加熱動作を開始するよう構成してもよい。

上記のように構成された本発明のマイクロ波加熱装置は、予め定めた閾値以下の反射電力で被加熱物を適切に加熱する加熱条件である周波数および出力位相を短時間で検出することができる。また、本発明のマイクロ波加熱装置は、検出結果の加熱条件を示す情報に基づいて発振周波数および出力位相をそれぞれ最適に制御することにより、様々な形状、種類および量を有する異なる被加熱物に対して加熱むらなく所望の状態で確実に加熱することができるとともに、加熱室から戻ってくるマイクロ波電力（反射電力）を大幅に低減して、効率の高い加熱動作を実行することができる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、様々な形状、種類および量を有する異なる被加熱物に対する加熱条件を短時間で検出して、常に所望の状態で加熱することができるとともに、加熱動作時において加熱室から戻ってくるマイクロ波電力を低く抑えて、効率の高い加熱動作を実現することができる。

本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置の構成を示すブロック図 本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置における発振周波数および位相値に対する反射電力量を示す特性図 本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置における加熱条件を確定するためのフローチャート 本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置における周波数掃引特性の検出動作を示すフローチャート 本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置における位相掃引特性の検出動作を示すフローチャート

以下、本発明のマイクロ波加熱装置に係る実施の形態として電子レンジについて、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本発明のマイクロ波加熱装置は、以下の実施の形態に記載した電子レンジの構成に限定されるものではなく、以下の実施の形態において説明する技術的思想と同等の技術的思想及び当技術分野における技術常識に基づいて構成される電磁波加熱装置を含むものである。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置としての電子レンジの構成を示すブロック図であり、加熱室８の内部に被加熱物９が収納された状態を模式的に示している。

図１において、実施の形態１のマイクロ波加熱装置におけるマイクロ波発生部は、半導体素子を用いて構成した発振部１ａ，１ｂ、発振部１ａ，１ｂの出力を２分配する電力分配部２ａ，２ｂ、電力分配部２ａ，２ｂのそれぞれの出力を増幅する半導体素子を用いて構成した増幅部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ（以下、増幅部４ａ〜４ｄと略記）、増幅部４ａ〜４ｄによって増幅されたマイクロ波出力を加熱室８内に給電する給電部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ（以下、給電部５ａ〜５ｄと略記）、電力分配部２ａ，２ｂと増幅部４ａ〜４ｄとを接続するマイクロ波伝播路に設けられ、入出力に任意の位相差を発生させる位相可変部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ（以下、位相可変部３ａ〜３ｄと略記）、増幅部４ａ〜４ｄと給電部５ａ〜５ｄとを接続するマイクロ波伝播路に設けられ、加熱室８から給電部５ａ〜５ｄを介して各増幅部４ａ〜４ｄに戻ってくるマイクロ波電力を検出する電力検出部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ（以下、電力検出部６ａ〜６ｄと略記）、および電力検出部６ａ〜６ｄによって検出された反射電力に応じて発振部１ａ，１ｂの発振周波数と位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相を制御する制御部７、を有して構成されている。
制御部７は、後述するように、機能的に周波数掃引部７ａと、位相掃引部７ｂと、掃引制御部７ｃを保有している。ただ、周波数掃引部７ａ、位相掃引部７ｂおよび掃引制御部７ｃは、制御部７を構成する演算処理装置に含まれる構成であり、ソフトウェアにより構成することが可能である。

以下、上記のように構成された実施の形態１のマイクロ波加熱装置における動作について説明する。

まず、被加熱物９が加熱室８内に収納されて、マイクロ波加熱装置の操作部（図示なし）において使用者により加熱設定情報が入力されて、加熱処理が開始される。操作部からの加熱処理開始信号が入力された制御部７は、当該被加熱物９に対する最適な加熱条件を探索して確定する。制御部７は、加熱条件を確定した後、確定した加熱条件に従い制御信号をマイクロ波発生部へ出力し、マイクロ波発生部は加熱動作を開始する。このとき制御部７は、駆動電源（図示なし）を駆動して発振部１ａ，１ｂおよび各増幅部４ａ〜４ｄなどに所望の電力を供給する。

このとき、発振部１ａ，１ｂの発振周波数は、例えば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号が駆動電源から供給されて、発振部１ａ，１ｂは発振を開始する。発振部１ａ，１ｂが発振すると、発振部１ａ，１ｂの出力は電力分配部２ａ，２ｂにおいて各々略１／２に分配され、４つのマイクロ波伝搬路にマイクロ波電力が供給される。

電力分配部２ａ，２ｂ以降の４つのマイクロ波伝搬路において、駆動電源から制御された電力が各増幅部４ａ〜４ｄに入力されて、各増幅部４ａ〜４ｄは動作する。４つのマイクロ波伝搬路には、増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄ、給電部５ａ〜５ｄがそれぞれ設けられており、それぞれのマイクロ波伝搬路における増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄ、給電部５ａ〜５ｄは並列動作する。各マイクロ波伝搬路における増幅部４ａ〜４ｄ、電力検出部６ａ〜６ｄ、給電部５ａ〜５ｄを経て、各マイクロ波電力は加熱室８内に給電される。

加熱室８内へ給電されたマイクロ波電力の内、被加熱物９などにおいて吸収されなかったマイクロ波電力は、給電部５ａ〜５ｄを介してマイクロ波伝搬路に反射電力として戻ってくる。各給電部５ａ〜５ｄのそれぞれに戻ってくる反射電力は、電力検出部６ａ〜６ｄにおいて検出される。電力検出部６ａ〜６ｄは、検出した反射電力量に比例した信号を制御部７に送る。したがって、制御部７は、各給電部５ａ〜５ｄが受け取ったそれぞれの反射電力量を認識することができる。

制御部７は、マイクロ波加熱による本格的な加熱動作に移行する前の段階において、発振周波数および出力位相に対する各給電部５ａ〜５ｄの反射電力の変動特性を検出し、反射電力が最小となる周波数および位相値を選択し、加熱条件を確定する。

周波数に対する反射電力の変動特性（周波数掃引特性）は、例えば、発振部１ａ，１ｂの発振周波数を２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚに到達するまで、例えば１ＭＨｚピッチ毎に変化させる周波数掃引動作を行いながら、給電部５ａ〜５ｄが受け取った反射電力を電力検出部６ａ〜６ｄが検出する反射電力検出動作を実行することにより得ることができる（周波数検知動作）。

位相値に対する反射電力の変動特性（位相掃引特性）は、例えば、位相可変部３ａ〜３ｄによって生じる出力位相の差を０度から３６０度まで、例えば１０度ピッチ毎に変化させる位相掃引動作を行いながら反射電力検出動作を実行することにより得ることができる（位相検知動作）。

実施の形態１のマイクロ波加熱装置において、加熱動作を開始する前に被加熱物９を加熱するために最適な周波数と位相値を検出して、加熱条件を確定させるために制御部７が以下のように動作する。
制御部７において、周波数掃引部７ａは、位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相を特定の位相値に固定して、発振部１ａ，１ｂの発振周波数を変化させる周波数掃引動作を行う。また、周波数掃引部７ａは、周波数掃引動作と同時に、電力検出部６ａ〜６ｄにより検出された反射電力の情報を取得する周波数検知動作を行い、周波数掃引特性を検出する。
制御部７の位相掃引部７ｂは、発振部１ａ，１ｂの発振周波数を特定の周波数に固定して、位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相を変化させる位相掃引動作を行う。また、位相掃引部７ｂは、位相掃引動作と同時に、電力検出部６ａ〜６ｄにより検出された反射電力の情報を取得する位相検知動作を行い、位相掃引特性を検出する。
制御部７の掃引制御部７ｃは、周波数掃引部７ａの周波数検知動作と位相掃引部７ｂの位相検知動作とを交互に繰り返すよう制御して、検出された周波数掃引特性および位相掃引特性から当該被加熱物を加熱する最適な周波数と位相値を確定する（加熱条件確定動作）。なお、制御部７における加熱条件確定動作の詳細については後に説明する。

図２は、実施の形態１のマイクロ波加熱装置における周波数および位相差に対する反射電力量を示す特性図である。複数給電間の位相差を前述した位相値毎（例えば、１０度ピッチ毎）に設定して、周波数掃引動作を行いながら反射電力検出動作を実行することにより、図２に示すような特性図が完成される。

本来であれば、上記のように位相値毎に周波数掃引動作を行いつつ反射電力検出動作を実行して、反射電力量の特性図を完成させる。このような動作を行って全てのデータを得るためには、上記のように位相値を１０度ピッチ毎に検出する場合、３６回の周波数掃引動作を行って、設定した発振周波数毎に反射電力の検出動作を行う必要がある。また、複数給電の組み合わせ毎に最適な加熱動作を行うための加熱条件を得る必要があり、複数の発振部１ａ，１ｂそれぞれの発振周波数制御や、複数の位相可変部３ａと３ｂおよび３ｃと３ｄの組み合わせにおけるそれぞれの出力位相制御を個別に行うことになり、更に多くの検出動作が必要となる。

しかし、本発明においては、後で詳細に説明するように、周波数掃引動作による反射電力検出動作（周波数検知動作）、および位相掃引動作による反射電力検出動作（位相検知動作）を組合せて行う加熱条件確定動作を実行することにより、より短時間で反射電力が最小となる周波数および位相値を確定することが可能となる。

［加熱条件確定動作］
以下、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置において最適な加熱動作を得るための加熱条件を確定する加熱条件確定動作について説明する。本発明に係る実施の形態１において、加熱条件確定動作とは、最適な加熱動作を得るために、反射電力Ｐ（ｎ）が予め定めた閾値以下となる最適発振周波数ｆoptと最適位相値Φoptを検出して、検出した最適発振周波数ｆoptと最適位相値Φoptを最適な加熱条件として確定する動作である。

図３は、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置において加熱条件確定動作を示すフローチャートである。
加熱条件確定動作においては、周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）および位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）を交互に繰返して行う繰返し掃引動作を行って、反射電力Ｐ（ｎ）が予め定めた閾値以下となる最適発振周波数ｆoptと最適位相値Φoptを求めることにより、加熱条件が確定される。ここで、「ｎ」は整数であり、加熱条件確定動作において、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作の繰り返し掃引動作を行うたびにインクリメントされる変数である。

先ず始めに、加熱条件確定動作における周波数掃引特性の検出動作（図３のステップ１０３）と位相掃引特性の検出動作（図３のステップ１０９）について説明する。

［周波数掃引特性の検出動作］
図４は、周波数掃引特性の検出動作を示すフローチャートである。先ず位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ（例えば３ａと３ｂおよび３ｃと３ｄ）間の出力位相差を設定値（Φ（ｎ）temp）に固定し（ステップ２０１）、発振周波数ｆ（ｎ）を初期値ｆ０、例えば２４００ＭＨｚに設定する（ステップ２０２）。なお、最初の検出動作においては、位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ間の出力位相差の設定値（Φ（１）temp）は、予め決めた値、例えば０度に固定する。次回以降の検出動作においては、その直前に行われていた位相掃引特性の検出動作で得られた反射電力Ｐ（ｎ）が最小となる位相値Φ（ｎ）tempが記憶されているため、その記憶されている位相値Φ（ｎ）tempに位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ間の出力位相差が固定される。

次に、発振周波数ｆ（ｎ）を初期値ｆ０（例えば２４００ＭＨｚ）にて発振部１ａ，１ｂを発振させる（ステップ２０３）。発振周波数ｆ（ｎ）が初期値ｆ０のときに、給電部５ａ〜５ｄ側から戻ってくる反射電力Ｐ（ｎ）を各電力検出部６ａ〜６ｄにより検出する（ステップ２０４）。

検出した反射電力Ｐ（ｎ）が記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minと比較される（ステップ２０５）。ただし、最初の検出動作においては反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minが未だ記憶されていないため、検出した反射電力Ｐ（ｎ）をそのときの発振周波数ｆ（ｎ）とともに記憶する（ステップ２０８）。

次に、そのときの発振周波数ｆ（ｎ）が上限値、例えば、２５００ＭＨｚと比較される（ステップ２０６）。発振周波数ｆ（ｎ）が上限値に達していない場合には、発振周波数ｆ（ｎ）を所定幅△ｆだけ増やして（ステップ２０７）、ステップ２０３以降のステップを繰り返す。

ステップ２０５において、検出した反射電力Ｐ（ｎ）が記憶されている最小値Ｐ（ｎ）minと比較したとき、そのとき検出した反射電力Ｐ（ｎ）が記憶されている最小値Ｐ（ｎ）minより小さければ、検出した反射電力Ｐ（ｎ）を新たな最小値Ｐ（ｎ）minとして記憶し、そのときの発振周波数ｆ（ｎ）を仮の最適発振周波数ｆ（ｎ）tempとして記憶する（ステップ２０８）。

上記の周波数掃引特性の検出動作は、掃引される発振周波数が上限値、例えば、２５００ＭＨｚに達するまで行われる。周波数掃引の検出動作において、発振周波数が上限値に達している場合には、その時に記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minおよび仮の最適発振周波数ｆ（ｎ）tempが、今回の周波数掃引特性の検出動作における検出結果であるとして、今回の周波数掃引特性の検出動作（図３のステップ１０３）を終了する。

［位相掃引特性の検出動作］
次に、加熱条件確定動作における位相掃引特性の検出動作（図３のステップ１０９）について説明する。
図５は、位相掃引特性の検出動作を示すフローチャートである。先ず発振部１ａ，１ｂの発振周波数を設定値（ｆ（ｎ）temp）に固定し（ステップ３０１）、位相値Φ（ｎ）を初期値Φ０、例えば、０度に設定する（ステップ３０２）。このとき固定される発振部１ａ，１ｂの発振周波数は、直前の周波数掃引特性の検出動作で得られた反射電力を最小値Ｐ（ｎ）minとする仮の最適発振周波数ｆ（ｎ）tempである。

次に、位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ（例えば３ａと３ｂおよび３ｃと３ｄ）間の出力位相差が初期値Φ０に設定された状態で、発振部１ａ，１ｂを発振させる（ステップ３０３）。このとき給電部５ａ〜５ｄ側から戻ってくる反射電力Ｐ（ｎ）を電力検出部６ａ〜６ｄにより検出する（ステップ３０４）。

検出された反射電力Ｐ（ｎ）が記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minと比較される（ステップ３０５）。このとき比較される反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minは、直前の周波数掃引特性の検出動作において記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minである。

検出された反射電力Ｐ（ｎ）がそのときに記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minより小さい場合には、検出された反射電力Ｐ（ｎ）を反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minとして記憶し、そのときの位相値Φ（ｎ）を仮の最適位相値Φ（ｎ）tempとして記憶する（ステップ３０８）。

上記の位相掃引特性の検出動作は、掃引される位相値が上限値、例えば、３６０度に達するまで行われる。ステップ３０６において、掃引される位相値が上限値に達していない場合には、位相値Φ（ｎ）を所定幅△Φだけ増やして（ステップ３０７）、ステップ３０３以降のステップを繰り返す。すなわち、位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ間の出力位相差を所定幅△Φだけ増やした位相値Φ（ｎ）に設定し、発振部１ａ，１ｂを発振させて、ステップ３０３からステップ３０６の動作を繰り返す。

ステップ３０６において、掃引される位相値が上限値に達している場合には、その時に記憶されている反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minおよび仮の最適位相値Φ（ｎ）tempが、今回の位相掃引特性の検出動作における検出結果であるとして、今回の位相掃引特性の検出動作（図３のステップ１０９）を終了する。

上記のように、実施の形態１のマイクロ波加熱装置においては、加熱条件確定動作における周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）と位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）が交互に繰返される繰返し掃引動作が実行される。

次に、図３に示した加熱条件を確定する加熱条件確定動作を示したフローチャートに戻り、加熱条件確定動作について説明する。
先ず始めに、位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相差の設定値（Φ（１）temp）を０度に設定する（ステップ１０１）。また、加熱条件確定動作における繰り返し掃引動作の繰り返し回数ｎを１（ｎ＝１）とする。
ステップ１０２において、繰り返し回数ｎが奇数であれば、周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）へ移行し、繰り返し回数ｎが偶数であれば、位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）へ移行する選択を行う。最初の検出動作は周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）である。

前述のように、周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）においては、出力位相を設定値（Φ（ｎ）temp）に固定して行い、位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）においては、発振周波数を設定値（ｆ（ｎ）temp)に固定して行う。周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）における出力位相の設定値（Φ（ｎ）temp）は、直前の位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）において結果として得られた反射電力を最小値Ｐ（ｎ）minとする加熱条件が使用される。また、位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）における発振周波数の設定値（ｆ（ｎ）temp）は、直前の周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）において結果として得られた反射電力を最小値Ｐ（ｎ）minとする加熱条件が使用される。

ただし、最初の周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）においては、直前の出力位相の設定値が存在しないため、出力位相の設定値（Φ（１）temp）を予め決めた値、例えば０度に設定して（ステップ１０１）、周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）を行っている。

上記のように、周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）において反射電力を最小値Ｐ（ｎ）minとする仮の最適発振周波数ｆ（ｎ）tempは、その周波数掃引特性の検出動作終了後の次の位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）において、発振周波数の設定値として使用（ステップ１０４）される。そして、位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）において反射電力を最小値Ｐ（ｎ）minとする仮の最適位相値Φ（ｎ）tempは、その位相掃引特性の検出動作終了後の次の周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）において、位相値の設定値として使用（ステップ１１０）される。

実施の形態１のマイクロ波加熱装置において、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返して実行される加熱条件確定動作の終了は、それぞれの検出動作における検出結果である反射電力の最小値Ｐ（ｎ）min、仮の最適発振周波数ｆ（ｎ）temp、および仮の最適位相値Φ（ｎ）tempに基づき判断される。

第１の終了判断条件は、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返して実行されて得られた検出結果の反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minが閾値（Ｐth）を下回ったときである（ステップ１０５）。

第２の終了判断条件は、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返して実行されて得られた仮の最適発振周波数（ｆ（ｎ）temp）、および仮の最適位相値（Φ（ｎ）temp）において、前回との変化量が閾値（ｆth、およびΦth）を下回ったときである（ステップ１０６）。すなわち、前回の検出動作における検出結果の仮の最適発振周波数（ｆ（ｎ−１）temp）と、今回の検出動作における検出結果の仮の最適発振周波数（ｆ（ｎ）temp）との変化量が閾値（ｆth）より下回り、且つ前回の検出動作における検出結果の仮の最適位相値（Φ（ｎ−１）temp）と、今回の検出動作における検出結果の仮の最適位相値（Φ（ｎ）temp）との変化量が閾値（Φth）より下回ったときが、第２の終了判断条件となる。

第３の終了判断条件は、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作において繰り返して掃引動作を行う繰返し回数ｎが閾値ｎthに達したときである（ステップ１０７）。
上記の第１の終了判断条件、第２の終了判断条件、および第３の終了判断条件の全ての終了判断条件が満足されていない場合には、繰返し回数ｎをインクリメントして、１増やし（ステップ１０８）、次の周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）または位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）に移行する。

第１の終了判断条件が満たされた場合には、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返される加熱条件確定動作を終了する。したがって、第１の終了判断条件により加熱条件確定動作が終了した時、その時記憶されている仮の最適発振周波数（ｆ（ｎ）temp）および仮の最適位相値（Φ（ｎ）temp）が最適発振周波数（ｆ（ｎ）opt）および最適位相値（Φ（ｎ）opt）として、加熱条件が確定され、その加熱条件に従って加熱動作が開始される。

第２の終了判断条件および第３の終了判断条件において繰返し掃引動作の終了と判断された場合、このときの反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minは閾値Ｐthを越えている状態である。このため、さらに良い加熱条件を探索するため、今までの繰返し掃引の検出結果を記憶した後、繰り返し掃引動作の繰返し回数ｎを１にリセットするとともに、前回の加熱条件確定動作における最初の周波数掃引特性の検出動作において固定値として用いた位相値（Φ（１）temp（例えば、０度））に所定値α（例えば、３０度）を加算した新たな位相値を次回の加熱条件確定動作における最初の周波数掃引特性の検出動作において固定する位相値Φ（１）tempとして使用する（ステップ１１２）。このように新たな設定値にリセット（ｎ＝１）された状態において、前述の加熱条件確定動作における周波数掃引特性の検出動作（ステップ１０３）と位相掃引特性の検出動作（ステップ１０９）の繰り返し掃引動作を再度実行する。

なお、繰返し掃引動作の再実行には限度（例えば２回）を設定しておき（ステップ１１１）、繰返し掃引動作の再実行が限度回数に達したときには、その加熱条件確定動作を終了する。したがって、繰返し掃引動作が繰返し限度に達した場合には、反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minが閾値Ｐthを下回らなくても、繰返し掃引動作の再実行で反射電力を最小とする検出結果が最良の加熱条件であるとして加熱条件確定動作を終了する。

次に、実施の形態１のマイクロ波加熱装置において、周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返して実行される加熱条件確定動作について具体的な例示に基づいて説明する。すなわち、加熱室８に被加熱物９を収納した状態における周波数および位相値に対する反射電力量の特性が図２の特性図に示す場合を例として、加熱条件確定動作について説明する。

図２の横軸は位相可変部３ａ〜３ｄの出力位相の位相差を示す位相軸であり、０度から３６０度まで示している。位相差は出力位相値の差を意味し、例えば位相可変部３ａおよび３ｂで設定される出力位相値間の差となる。図２の縦軸は発振部１ａ、１ｂの発振周波数を示す周波数軸であり、２４００ｋＨｚ（２．４ＧＨｚ）から２５００ｋＨｚ（２．５ＧＨｚ）までの領域を示している。図２に示すグラフは反射電力量の等高線グラフである。

周波数掃引特性の検出動作および位相掃引特性の検出動作が繰り返して実行される繰返し掃引動作において、周波数掃引特性の検出動作を行うときには、その直前の位相掃引特性の検出動作において検出されている仮の最適位相値Φ（ｎ）tempを位相可変部３ａ〜３ｄの各組み合わせ間の出力位相差の固定値として周波数掃引特性の検出動作が行われる。すなわち、周波数掃引特性の検出動作は、図２の横軸である位相軸上の特定の位相値（Φ（ｎ）temp）に固定された状態において、縦軸である周波数軸方向に発振周波数を変更する掃引動作を行うことである。例えば、図２に示す等高線グラフにおいて、位相値（Φ（ｎ）temp）が１５０度の場合には、位相軸上の１５０度において周波数軸方向（図２における矢印Ａ方向）に移動させる掃引動作を行ったときの検出結果である。このときの検出結果では、反射電力の最小値Ｐ（ｎ）minは、発振周波数が２．４５ＧＨｚ近傍において、−１５〜−１２．５ｄＢで示す領域にある。この検出結果に基づき、次に行う位相掃引特性の検出動作においては、仮の最適発振周波数ｆ（ｎ＋１）tempを２．４５ＧＨｚに固定することを条件として、位相値を変化させる掃引動作を行う。

このように、位相掃引特性の検出動作は、仮の最適発振周波数ｆ（ｎ＋１）tempを発振部１ａ，１ｂの発振周波数の固定値として使用して、位相掃引特性の検出動作を行う。すなわち、位相掃引特性の検出動作において、そのとき選択されている仮の最適発振周波数ｆ（ｎ＋１）tempにおける位相軸方向の最小の反射電力量を示す位相値が検出される。

例えば、位相掃引特性の検出動作においては、直前の検出結果により仮の最適発振周波数ｆ（ｎ＋１）temp＝２．４５ＧＨｚを固定値として、周波数軸上の２．４５ＧＨｚにおいて位相軸方向（図２における矢印Ｂ方向）に移動させる掃引動作を行う。そのときの検出結果は、反射電力の最小値Ｐ（ｎ＋１）minが、位相値が１８０度近傍において、−２０〜−１７．５ｄＢで示す領域にある。この検出結果に基づき、次に行う周波数掃引特性の検出動作においては、仮の最適位相値Φ（ｎ＋２）tempを１８０度に固定することを条件として、発振周波数を変化させる掃引動作を行う。

上記のように、実施の形態１のマイクロ波加熱装置における加熱条件確定動作においては、位相値を固定して発振周波数を変化させることにより最小値の反射電力量を示す周波数を検出し、その検出結果に基づき発振周波数を固定して位相値を変化させることにより最小値の反射電力量を示す位相値を検出する。そして、直前の検出結果に基づき位相値を固定して発振周波数を変化させることにより最小値の反射電力量を示す周波数を検出する。このように、加熱条件確定動作においては、直前の掃引動作に基づき、繰返し掃引動作を行うことにより、短時間で反射電力量が最小となる最適な加熱条件を検出ことができる。

以上のようにより、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置においては、短い時間で把握した情報より、反射電力が最小となる周波数と位相値を得ることができる。この結果、最適な加熱条件が短時間で確定されて、確定された最適な加熱条件に基づいて給電するマイクロ波電力の発振周波数および出力位相を制御することにより、さまざまな形状、種類、量を有する異なる被加熱物９を所望の状態で確実に加熱することができると同時に、加熱室８から戻るマイクロ波電力を低く抑えて、効率の高い加熱動作を実行することができる。

なお、実施の形態１のマイクロ波加熱装置においては、位相可変部３ａ〜３ｄを４つのマイクロ波伝搬路のそれぞれに設けた例について説明したが、電力分配部２ａ，２ｂにより分配されたいずれか一方のマイクロ波伝搬路のみに設けて位相制御を行う構成とすることもできる。

また、実施の形態１のマイクロ波加熱装置においては、４つのマイクロ波伝搬路に形成した例について説明したが、本発明におけるマイクロ波伝搬路としては数を限定するものではなく複数の給電部を加熱室に設けた構成に対応して複数のマイクロ波伝搬路を設けた構成においても対応可能である。なお、本発明のマイクロ波加熱装置においては、電力分配部を使用せず、給電部の数に応じた発振部を設けて構成することも可能である。

以上のように、本発明のマイクロ波加熱装置は、複数の給電部を有し、給電するマイクロ波電力の発振周波数および給電部間の位相差を調整することにより、さまざまな形状、種類および量を有する異なる被加熱物を常に所望の状態で確実に加熱することができると同時に、加熱室から戻ってくるマイクロ波電力を低く抑えて、効率の高い加熱動作を行うことができる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置、生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの誘導加熱を用いた各種の加熱機器に適用できる。

１ａ，１ｂ 発振部
２ａ，２ｂ 電力分配部
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 位相可変部
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 増幅部
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 給電部
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 電力検出部
７ 制御部
８ 加熱室
９ 被加熱物

Claims (12)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、
   半導体素子を有して構成された発振部と、
   前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、
   前記電力分配部の出力位相を可変する位相可変部と、
   前記位相可変部または前記電力分配部の出力を電力増幅する複数の増幅部と、
   前記増幅部の出力を前記加熱室に給電する複数の給電部と、
   前記加熱室から前記給電部を介して前記増幅部に伝播する反射電力を検出する複数の電力検出部と、
   前記発振部の発振周波数と前記位相可変部の出力位相を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記位相可変部の出力位相を固定して、前記発振部の発振周波数を変化させつつ、前記電力検出部により検出された反射電力を取得する周波数検知動作を行い、周波数掃引特性を検出する周波数掃引部と、
   前記発振部の発振周波数を固定して、前記位相可変部の位相値を変化させつつ、前記電力検出部により検出された反射電力を取得する位相検知動作を行い、位相掃引特性を検出する位相掃引部と、
   前記周波数掃引部の周波数検知動作と前記位相掃引部の位相検知動作とを交互に繰り返すよう制御して、検出された前記周波数掃引特性および前記位相掃引特性から前記被加熱物を加熱する発振周波数と位相値を確定する掃引制御部と、を有するマイクロ波加熱装置。
2. 前記掃引制御部は、前記被加熱物の加熱を開始する前に、前記周波数掃引部における周波数検知動作により検出された周波数掃引特性、および前記位相掃引部における位相検知動作により検出された位相掃引特性から、前記被加熱物を加熱する発振周波数と位相値を確定するよう構成した請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記掃引制御部は、最初に、前記周波数掃引部における周波数検知動作を行い、反射電力が最小となる発振周波数を検出し、次に、検出された発振周波数により前記発振部の発振周波数を固定して、前記位相掃引部における位相検知動作を行い、反射電力が最小となる出力位相を検出し、以降、検出された位相値で前記位相可変部の出力位相を固定した前記周波数掃引部の周波数検知動作と、検出された発振周波数で前記発振部の発振周波数を固定した前記位相掃引部の位相検知動作とを交互に繰り返すよう構成した請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記掃引制御部は、前記周波数掃引部が周波数検知動作を実行した後、直前の前記周波数掃引部の周波数検知動作において、前記位相可変部を固定した位相値と、反射電力が最小を示した発振周波数と、反射電力の最小値と、を少なくとも記憶するよう構成した請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記掃引制御部は、前記位相掃引部が位相検知動作を実行した後、直前の前記位相掃引部の位相検知動作において、前記発振部を固定した発振周波数と、反射電力が最小を示した位相値と、反射電力の最小値と、を少なくとも記憶するよう構成した請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
6. 前記掃引制御部は、予め定められた終了判断条件を満足するまで、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作を交互に繰り返すよう構成した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
7. 前記掃引制御部は、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作において検出した反射電力の最小値が予め定められた閾値より小さくなったときを第１の終了判断条件とし、当該第１の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
8. 前記掃引制御部は、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作において、検出された発振周波数または位相値が直前の周波数検知動作または位相検知動作において検出された発振周波数または位相値からの変化量が予め定められた閾値より小さくなったときを第２の終了判断条件とし、当該第２の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
9. 前記掃引制御部は、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し回数が予め定められた回数に達したときを第３の終了判断条件とし、当該第３の終了判断条件を満足したとき前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止するよう構成した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
10. 前記掃引制御部は、前記第２の終了判断条件により前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止した場合には、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作において検出した反射電力が最小となる発振周波数および位相値、並びに反射電力の最小値を記憶し、最初に実行した周波数掃引部の周波数検知動作において固定した位相値と異なる値の位相値により、前記位相可変部の位相値を固定して、前記周波数掃引部の周波数検知動作を実行し、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を再度実行するよう構成した請求項８に記載のマイクロ波加熱装置。
11. 前記掃引制御部は、前記第３の終了判断条件により前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を停止した場合には、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の掃引動作において検出した反射電力が最小となる発振周波数および位相値、並びに反射電力の最小値を記憶し、最初に実行した周波数掃引部の周波数検知動作において固定した位相値と異なる値の位相値により、前記位相可変部の位相値を固定して、前記周波数掃引部の周波数検知動作を実行し、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作を再度実行するよう構成した請求項９に記載のマイクロ波加熱装置。
12. 前記掃引制御部は、前記周波数掃引部の周波数検知動作および前記位相掃引部の位相検知動作の繰り返し動作により検出され、記憶された反射電力が最小値となる周波数と位相値とを加熱条件として、加熱動作を開始するよう構成した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。

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