JPWO2013038715A1

JPWO2013038715A1 - マイクロ波処理装置

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Publication number: JPWO2013038715A1
Application number: JP2013533534A
Authority: JP
Inventors: 圭佑武藤; 信江　等隆; 等隆信江
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2015-03-23
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: US20150041458A1; WO2013038715A1; US10285224B2; CN103797895B; JP6032563B2; DE112012003856T5; CN103797895A

Abstract

マイクロ波処理装置は、発振部１２、電力増幅部１３、被加熱物１８を収納する加熱室１４、加熱室１４の壁面に配置されマイクロ波発生部の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室１４内に放射供給する給電部１５、給電部１５から電力増幅部１３に反射される電力を検出する電力検出部１６を備え、反射電力の極小点周波数の上位数点を用いることにより加熱周波数を複数点決定し、所定の単位時間内で周波数ホッピング加熱する。

Description

本発明は、マイクロ波処理装置に関するものである。

従来この種のマイクロ波処理装置として、被加熱部の均一加熱に関して様々な提案がなされている。複数給電に関して、２つの給電口をソレノイド等からなる摺動手段にて交互に塞ぐことによりマグネトロンで発生させたマイクロ波のモードを連続的に変化させる高周波加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、キャビティ壁面に関して、被加熱物と底面との接触面積を減少させる、凹凸部を設けたことを特徴とする高周波加熱装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

日本国特開昭５９−０２９３９７号公報日本国特開２００３−３０７３１７号公報

従来の高周波加熱装置は、スタラファン、回転テーブル、回転アンテナなどの機構部品を追加することで加熱室へ入射するマイクロ波を撹拌している。

また、前記特許文献１は複数個所で給電する構成、一方前記特許文献２はキャビティ壁面形状を凹凸とする構成によりマイクロ波の集中および拡散を図っている。

しかしながら、前記回転機構部品の追加、給電箇所の追加およびキャビティ壁面の加工により加熱室の容積が減少する弊害が発生し、加えてコストも増加傾向となり、機器の小型化および低コスト化の要求と相反する結果となる。

本発明の目的は、前記従来の課題を解決するもので、機構部品の追加および加工を一切することなく均一加熱を実現するマイクロ波処理装置を提供することである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収納する加熱室と、加熱周波数の源信を出力する発振部と、前記発振部の出力を電力増幅する半導体素子を用いた電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力および前記給電部から前記電力増幅部に反射する反射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部と、を備え、前記給電部は、少なくとも前記加熱室を構成する壁面に配置され、前記制御部は、加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力を検出し、前記検出された反射電力の極小点周波数の上位数点を用いることにより前記発振部の加熱周波数を複数点決定し、前記複数の加熱周波数について所定の単位時間内で周波数ホッピング加熱する。

これにより、加熱分布の時間的な拡散が可能となり、被加熱物に対する局所加熱を防止する効果を有する。

また、前記制御部は、前記の抽出した反射電力の極小点周波数における上位数点を用いたマイクロ波加熱において、抽出した複数周波数に関する検出電力情報に基づいた時間係数を掛け合わせことにより、被加熱物に対する各周波数あたりの入射電力をほぼ等しくなる様に制御する。

これにより、選択した各周波数における反射電力、すなわち被加熱物へ入射する電力強度が異なるが、前記各周波数の時間係数を用いた重み付け加熱により各周波数あたりの負荷入射電力がほぼ等しくなる為、均一加熱における仕上がり品質の更なる向上を実現する。

また単数給電または複数給電ともに有効な技術であるが、特に、マイクロ波の撹拌機構を有さない単数給電方式のマイクロ波処理装置において加熱ムラを防止する効果が高い。

本発明のマイクロ波処理装置は、反射電力の少ない複数の周波数を用いた周波数ホッピング加熱により、回転機構および加熱室容積を増加することなく加熱室内の加熱分布を変化させ、被加熱部の均一加熱をシステム制御のみで実現する。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の電力検出特性図本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の電力検出特性図本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の電力検出特性図本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の制御フローチャート本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の制御フローチャート

第１の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、加熱周波数の源信を出力する発振部と、前記発振部の出力を電力増幅する半導体素子を用いた電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力および前記給電部から前記電力増幅部に反射する反射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部と、を備え、前記給電部は、少なくとも前記加熱室を構成する壁面に配置され、前記制御部は、加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力を検出し、前記検出された反射電力の極小点周波数の上位数点を用いることにより前記発振部の加熱周波数を複数点決定し、前記複数の加熱周波数について所定の単位時間内で周波数ホッピング加熱する。これにより、スタラファンなどのマイクロ波の撹拌機構を追加することなくシステム制御のみで加熱室のマイクロ波加熱分布を変化し、被加熱物に対するマイクロ波の局所集中による加熱ムラを解消する作用を有する。

したがって、機構部品の追加および加工が不必要となり、加熱室容積を犠牲にする弊害は発生しなく、更に部材コストも一切発生しないため、コストアップなく前記作用を獲得可能となる。また、上記の構成は、特に撹拌機構を持たない単数給電部構成のマイクロ波処理装置では、一般的に加熱分布を変化させることが困難である為、加熱分布の拡散に対する効果が大きい。

第２の発明は、特に第１の発明において、制御部が、前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力および前記給電部から前記電力増幅部へ反射される反射電力より計算される入反射電力比について所定の閾値を設定し、周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数として、前記閾値以下の範囲から前記反射電力、すなわち前記入反射電力比の小さい上位数点を選択する。これにより、被加熱物の高効率な加熱を実現する。

第３の発明は、特に第１の発明において、制御部が、周波数ホッピングの周期あたりの各加熱周波数の加熱時間を、複数の加熱周波数の各々の検出電力情報に基づいた時間係数によって定める。これにより、反射電力の小さい、すなわち被加熱物へ吸収される電力の大きい加熱周波数ほど加熱時間を短くし、反射電力の大きい、すなわち被加熱物へ吸収される電力の小さい加熱周波数ほど加熱時間を長くすることにより各加熱周波数あたりの被加熱物へ吸収される電力がほぼ等しくなる為、被加熱物の局所加熱を防止する。

第４の発明は、特に第３の発明において、制御部が、複数の加熱周波数の各々の検出電力情報に基づく時間係数を用いた周波数ホッピング加熱において、各加熱周波数あたりの負荷入射電力がほぼ等しくなる様に制御する。これにより、精度の高い均一加熱を実現する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、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におけるマイクロ波処理装置の構成図である。

図１において、マイクロ波発生部１１は半導体素子を用いて構成した発振部１２、発振部１２の出力を電力増幅する半導体素子を用いて構成した電力増幅部１３と、電力増幅部１３によって増幅されたマイクロ波出力を加熱室１４内に放射する給電部１５と、電力増幅部１３と給電部１５を接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部１５から電力増幅部１３へ反射する電力および電力増幅部１３から給電部１５へ供給される入射電力を検出する電力検出部１６と、電力検出部１６によって検出された入射電力および反射電力によって電力増幅部１３を制御する制御部１７とで構成している。

また、本実施の形態１のマイクロ波処理装置は、被加熱物１８を収納する略直方体構造からなる加熱室１４を有し、加熱室１４は金属材料からなる左壁面、右壁面、底壁面、上壁面、奥壁面および被加熱物１８を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）と、被加熱物１８を載置する載置台１９から構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。そして、マイクロ波発生部１１の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室１４内に放射供給する給電部１５が加熱室１４を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では給電部１５は加熱室１４の底面に配置した図を示しているが、この給電部の配置は本実施の形態に拘束されるものではなく加熱室１４を構成するいずれかの壁面に配置してもかまわない。

電力増幅部１３は、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路を配している。

各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。また、電力検出部１６は、加熱室１４側から電力増幅部１３側に伝送するいわゆる反射波の電力および電力増幅部１３側から加熱室１４側に伝送するいわゆる入射電力を抽出するものであり、電力結合度をたとえば約−４０ｄＢとし、反射電力および入射電力の約１／１００００の電力を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化し、コンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部１７に入力させている。

制御部１７は、使用者が直接入力する被加熱物１８の加熱条件あるいは加熱中に被加熱物１８の加熱状態から得られる加熱情報と電力検出部１６よりの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部１１の構成要素である発振部１２と電力増幅部１３のそれぞれに供給する駆動電力を制御し、加熱室１４内に収納された被加熱物１８を最適に加熱する。また、マイクロ波発生部１１には主に電力増幅部１３に備えた半導体素子の発熱を放熱させる放熱手段（図示していない）を配する。

図２から図４は、極小点周波数の抽出方法を説明する電力検出特性図である。各々の図は異なる被加熱物を収容した加熱室１４にマイクロ波を供給した時の代表例であり、各曲線は、マイクロ波発生部１１が発生した周波数帯、例えば２４００〜２５００ＭＨｚに対して電力検出部１６が検出した信号に基づき制御部１７が演算した入射電力（Ｐｆ）に対する反射電力（Ｐｒ）の割合をパーセント表示したものである。つまり、図２〜図４の各曲線は、反射電力（Ｐｒ）／入射電力（Ｐｆ）比２１〜２３を示す。また、各図中、所定の閾値２５のレベルを破線で示す。

図２は、閾値２５を下回るＰｒ／Ｐｆの領域において極小点が複数存在する場合を示す。図２の場合、極小点周波数は昇順にｆ１１、ｆ１２、ｆ１３とし、これらの周波数を本発明の周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数に設定する。

図３は閾値２５を下回るＰｒ／Ｐｆの領域において極小点が１点のみ存在する場合を示す。図３の場合、極小点周波数をｆ２１に、Ｐｒ／Ｐｆ特性曲線と閾値直線との交点についてそれぞれ低周波側をｆ２２、高周波側をｆ２３とし、これらの周波数を本発明の周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数に選択する。

図４は閾値２５を下回るＰｒ／Ｐｆの領域において極小点が存在しない場合を示す。図４の場合、発振周波数の最低周波数をｆ３１、最低周波数と最高周波数の中点周波数をｆ３２、最高周波数をｆ３３とし、これらの周波数を本発明の周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数に選択する。

以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作と作用について図５および図６を参照しながら説明する。

まず被加熱物１８を加熱室１４に収納し、操作部（図示していない）から加熱条件入力し、制御部１７へ加熱開始信号が送信される（ステップＳ１１）。その後、制御部１７は、ステップＳ１１より送信された情報に基づき駆動電源（図示していない）を動作させ、発振部１２に電力を供給する（ステップＳ１２）。

次のステップＳ１３では、発振部１２の発振周波数を最低周波数、例えば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始するとともに、以降、駆動電源を制御して電力増幅部１３を動作させる。このとき、電力増幅部１３からは、第１の出力電力、たとえば１０Ｗ未満のマイクロ波が出力される。次のステップＳ１４では、給電部１５に供給される入射電力（Ｐｆ）および給電部１５から電力検出部１６に戻ってくる反射電力（Ｐｒ）を電力検出部１６によって検出し、その検出値を制御部１７へ保存する。次のステップＳ１５では、発振周波数が最高周波数、例えば２５００ＭＨｚへ達しているか否か判別する。２５００ＭＨｚへ達していない場合はステップＳ１９へ進み、発振周波数へ所定のスキャン周波数ピッチ分、例えば１ＭＨｚを加算した後、更新した発振周波数にてマイクロ波を出力し、再びステップＳ１４およびステップＳ１５へ進む。２５００ＭＨｚへ達している場合はステップＳ１６へ進み、第１の出力電力によるマイクロ波出力を停止する。

次のステップＳ１７では、制御部１７にて保存した各周波数の入射電力（Ｐｆ）および反射電力（Ｐｒ）の検出値より周波数を変数としたＰｒ／Ｐｆ特性を計算する。このＰｒ／Ｐｆ特性は、単位をパーセント：％とし、その値が小さいほど被加熱物１８へ吸収される電力が大きい為、給電部１５から電力検出部１６に戻ってくる反射電力が小さく、被加熱物１８に対する加熱効率が高いことを意味する。一方、Ｐｒ／Ｐｆが大きい場合は、被加熱物１８へ吸収される電力が小さい為、給電部１５から電力検出部１６に戻ってくる反射電力が大きく、加熱効率が低いことを意味する。次のステップＳ１８では、先のステップＳ１７にて計算したＰｒ／Ｐｆ特性について、最小となるＰｒ／Ｐｆ値に対して所定の数値、例えば１０％を加算した値を所定の閾値に設定する。

次のステップＳ２０では、Ｐｒ／Ｐｆ特性について先のステップＳ１８で設定した閾値以下の領域より極小点周波数が複数存在するか否かを判別する。図２に示したように、極小点周波数が複数点存在する場合にはステップＳ２１へ進み、昇順にｆ１１、ｆ１２、ｆ１３、・・・と設定する。よって、Ｐｒ／Ｐｆが最小値である周波数をｆ１１と設定することを意味する。一方、ステップＳ２０にて極小点周波数が複数点存在しない場合にはステップＳ２７へ進み、更に極小点周波数が１点のみ存在するか否かを判別する。図３に示したように、極小点周波数が１点のみ存在する場合にはステップＳ２８へ進み、極小点周波数をｆ２１に、Ｐｒ／Ｐｆ特性曲線と閾値直線との交点についてそれぞれ低周波側をｆ２２、高周波側をｆ２３と設定する。図４に示したように、極小点周波数が存在しない、すなわちＰｒ／Ｐｆ特性曲線と閾値直線との交点が存在しない場合にはステップＳ２９へ進み、発振周波数の最低周波数をｆ３１、最低周波数と最高周波数の中点周波数をｆ３２、最高周波数をｆ３３に設定する。以降の説明では、ｆ１１、ｆ１２およびｆ１３の３周波数を周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数とした場合を代表として説明する。

次にステップＳ２２では、先のステップＳ２１、ステップＳ２８およびステップＳ２９にて設定された加熱周波数により各加熱周波数における加熱時間の重み付け係数を計算する。加熱周波数ごとの重み付け係数はＢｎとし、Ａｐ（ｋ−ｎ＋１）／ΣＡｐｎにより定義される。ここで、Ａｐｎは加熱周波数ごとの被加熱物吸収電力率であり、１−（Ｐｒｎ／Ｐｆｎ）によって定義され、ΣＡｐｎはＡｐｎの総和によって定義される。また、ｎは先のステップＳ２１、ステップＳ２８およびステップＳ２９にて設定された加熱周波数ｆの後に付与された二桁の数字の一の位の値に等しく、ｋは加熱周波数の数に等しい。例えば、加熱周波数がｆ１１の場合における重み付け係数Ｂ１は、Ａｐ（３−１＋１）／ΣＡｐｎ＝Ａｐ３／（Ａｐ１＋Ａｐ２＋Ａｐ３）となる。よって、反射電力が最も小さい、すなわち被加熱物へ吸収される電力が最も大きい加熱周波数ｆ１１の加熱時間は、設定された周波数の中で被加熱物へ吸収される電力が最も小さい加熱周波数ｆ１３の被加熱物吸収電力率Ａｐ３に比例する為、３周波数中で最も短かい時間に設定される。一方、加熱周波数ｆ１３の加熱時間は、加熱周波数ｆ１１の被加熱物吸収電力率Ａｐ１に比例する為、最も長い時間に設定される。

次にステップＳ２３では、発振周波数をｆ１１に設定し、第２の出力電力、例えば２０Ｗのマイクロ波電力を出力する。その直後、所定のホッピング周期Ｔｈ、例えば１秒の期間について、先のステップＳ２２によって計算された重み付け係数に基づき周波数ホッピング加熱も開始する。一般的に周波数ホッピングとは、データ通信で用いられるスペクトラム拡散方式の一つであり、極めて短い時間、例えば、０．１秒ごとに信号の送信周波数を次々に変更していく為、特定周波数でノイズが発生した場合でも他の周波数で通信したデータによって訂正を可能とする技術である。ここでは、ホッピング周期Ｔｈ内に複数の加熱周波数を用いて順次異なる周波数によって被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方式を周波数ホッピング加熱と呼称する。ここで、所定のホッピング周期Ｔｈ秒に被加熱物１８へ吸収されるエネルギーＥｉｎは、Ｐｆ・Σ（Ａｐｎ・Ｂｎ）・Ｔｈの式で定義され、単位はジュール：Ｊである。例えば、ホッピング周期あたりの加熱周波数ｆ１１の加熱時間は、前述のＥｉｎの式よりＢ１・Ｔｈ秒となる。

周波数ホッピング加熱は、次工程であるのステップＳ２４のＰｒ／Ｐｆ特性の所定の再検出時間Ｔｄ、例えば５秒間繰り返される。再検出時間Ｔｄに達した後ステップＳ２５へ進み、被加熱物１８が加熱前に設定された加熱条件を満たしている場合は、ステップＳ２６へ進み、充たしていない場合はステップＳ１４へ戻り再びＰｒ／Ｐｆ特性を取得し、ステップＳ２５までの一連の工程を繰り返す。ステップＳ２６では、先のステップＳ２５にて被加熱物１８の加熱条件が満たされたと判断された為、第２のマイクロ波電力を停止し、被加熱物の加熱を終了する。

このように反射電力、すなわちＰｒ／Ｐｆ特性の極小点周波数のうち上位数点を求めることによって、所定の電力を出力する加熱動作時における反射電力を極力小さくして加熱動作するため効率的に被加熱物１８にマイクロ波のエネルギーを吸収させることが可能となる。また、マイクロ波による加熱室１４の加熱分布は周波数ごとに異なる分布を有する為、複数の設定周波数により複数の加熱分布によって被加熱物を加熱することが可能となり、加熱ムラは低減される。更に、検出電力情報に基づいて設定周波数ごと重み付け係数を付与することで、ホッピング周期あたりの設定した加熱周波数における被加熱物へ吸収される電力をほぼ等しくすることが可能となり、高精度な均一加熱を実現する。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2011年9月16日出願の日本特許出願No.2011-202622に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

以上のように本発明にかかるマイクロ波処理装置は、既存の電子レンジの代替はもちろん、単一アンテナおよびシステム制御のみで均一加熱を可能とする為、機構制約の厳しいシステムキッチンへの実装や他の機器、たとえば冷蔵庫や自販機への一体組立を実現可能とする。

１１マイクロ波発生部
１２発振部
１３電力増幅部
１４加熱室
１５給電部
１６電力検出部
１７制御部
１８被加熱物
１９載置台
２１、２２，２３反射電力（Ｐｒ）／入射電力（Ｐｆ）比
２５閾値

Claims

被加熱物を収納する加熱室と、
加熱周波数の源信を出力する発振部と、
前記発振部の出力を電力増幅する半導体素子を用いた電力増幅部と、
前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、
前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力および前記給電部から前記電力増幅部に反射する反射電力を検出する電力検出部と、
前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部と、
を備え、
前記給電部は、少なくとも前記加熱室を構成する壁面に配置され、
前記制御部は、加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力を検出し、前記検出された反射電力の極小点周波数の上位数点を用いることにより前記発振部の加熱周波数を複数点決定し、前記複数の加熱周波数について所定の単位時間内で周波数ホッピング加熱するマイクロ波処理装置。
前記制御部は、前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力および前記給電部から前記電力増幅部へ反射される反射電力より計算される入反射電力比について所定の閾値を設定し、周波数ホッピング加熱に用いる加熱周波数として、前記閾値以下の範囲から前記反射電力、すなわち前記入反射電力比の小さい上位数点を選択する、
請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
前記制御部は、周波数ホッピングの周期あたりの各加熱周波数の加熱時間を、複数の加熱周波数の各々の検出電力情報に基づいた時間係数によって定める、
請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
前記制御部は、前記複数の加熱周波数の各々の検出電力情報に基づいた時間係数を用いた周波数ホッピング加熱において、各加熱周波数あたりの負荷入射電力がほぼ等しくなる様に制御する、
請求項３に記載のマイクロ波処理装置。