JPWO2014087666A1 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波処理装置は、マイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を形成した周期構造体と、マイクロ波電力を発生させる発振部と、発振部によって発生されたマイクロ波電力を周期構造体に伝達する伝達部とを備え、周期構造体と伝達部との接続部分に整合部が設けられ、整合部のインピーダンスは、周期構造体のインピーダンスと伝達部のインピーダンスの間に設定されることにより、伝達部から周期構造体に効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。

Description

本発明は、周期構造体によりマイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を形成したマイクロ波処理装置に関する。

従来、この種のマイクロ波処理装置は、マイクロ波エネルギを供給する同軸ケーブルと、同軸ケーブルからマイクロ波エネルギが供給されるとともに交叉指型テープ線路を形成した周期構造体とを備えたものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１のマイクロ波処理装置は、交叉指型テープ線路の終端に共振孔を設置している。このような構成において、交叉指型テープ線路に生じるマイクロ波を用いて被加熱物に焦げ目付けを行いながら、共振孔からのマイクロ波加熱により被加熱物を均一に加熱するようにしている。

また、別のマイクロ波処理装置として、周期構造体により形成された交叉指型テープ線路上においてマイクロ波を放射させながら伝送させるものがある（例えば、特許文献２参照）。交叉指型テープ線路上でマイクロ波を放射させながら伝送させることにより、厚みのある被加熱物を効率的にマイクロ波加熱するようにしている。

特開昭６１−２３７３９３号公報 特公平４−６１４７６号公報

しかしながら、前記従来のような構成において、交叉指型テープ線路などの表面波伝送線路を形成する周期構造体に同軸ケーブルなどの伝達部からマイクロ波電力を伝達する際に、より効率的に周期構造体にマイクロ波電力を伝達することが求められている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、表面波伝送線路を形成する周期構造体へ効率的にマイクロ波電力を伝達することができるマイクロ波発処理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、本発明のマイクロ波処理装置は、マイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を形成した周期構造体と、マイクロ波電力を発生させる発振部と、発振部によって発生されたマイクロ波電力を周期構造体に伝達する伝達部とを備え、周期構造体と伝達部との接続部分に整合部が設けられ、整合部のインピーダンスは、周期構造体のインピーダンスと伝達部のインピーダンスの間に設定される。

本発明のマイクロ波処理装置は、表面波伝送線路を形成する周期構造体に効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。

本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の概略断面図 実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の周期構造体の下面図 実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の断面図 実施の形態１の変形例１におけるマイクロ波処理装置の整合回路の下面図 実施の形態１の変形例１におけるマイクロ波処理装置の整合回路の断面図 実施の形態１の変形例２におけるマイクロ波処理装置の整合回路の断面図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の断面図 実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の周期構造体の斜視図

第１の発明は、マイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を形成した周期構造体と、マイクロ波電力を発生させる発振部と、発振部によって発生されたマイクロ波電力を周期構造体に伝達する伝達部とを備え、周期構造体と伝達部との接続部分に整合部が設けられ、整合部のインピーダンスは、周期構造体のインピーダンスと伝達部のインピーダンスの間に設定される、マイクロ波処理装置である。これにより、整合部によって伝達部と周期構造体におけるインピーダンスの整合をとることで、伝達部と周期構造体との接続部分に生じるマイクロ波の反射を減少させることができるため、伝達部から周期構造体にマイクロ波電力を効率的に伝達することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の整合部は、周期構造体の少なくとも一部をグランド面とするマイクロストリップ線路を形成する。これにより、整合部をより簡単かつ小型に構成できる。

第３の発明は、特に、第１の発明の整合部はインピーダンスの変化部分を有し、その変化部分にて生じるマイクロ波の反射波が、周期構造体と整合部との接続部分で生じるマイクロ波の反射波を少なくとも部分的に相殺するように変化部分が配置される。これにより、伝達部と周期構造体との接続部分に生じるマイクロ波の反射を相殺することで、伝達部から周期構造体にマイクロ波を効率的に伝達することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の整合部におけるインピーダンスの変化部分は、整合部の形状を変化させて形成される。これにより、伝達部から周期構造体にマイクロ波を効率的に伝達することができる。

第５の発明は、特に、第３の発明の整合部は、周期構造体の少なくとも一部をグランド面として誘電体を有したマイクロストリップ線路を形成し、整合部におけるインピーダンスの変化部分は、マイクロストリップ線路の誘電体に誘電率の変化部分が存在することで形成される。これにより、伝達部から周期構造体にマイクロ波を効率的に伝達することができる。

第６の発明は、特に、第１の発明の周期構造体は、第１の櫛型部を含む第１の金属板部と、第１の櫛形部と対向して配置された第２の櫛型部を含む第２の金属板部とを備え、表面波伝送線路は、第１および第２の櫛型部の間に形成されたインターディジタル線路であり、伝達部は、中心導体と中心導体を覆う外皮とを有する同軸ケーブルであり、同軸ケーブルの中心導体は、整合部を介して周期構造体の第１の櫛型部に接続され、同軸ケーブルの外皮は、周期構造体の第２の金属板部に接続される。これにより、周期構造体を薄型に構成することができ、マイクロ波処理装置の小型化を図ることができる。

第７の発明は、特に、第１の発明の周期構造体は、一定の間隔で互いに平行に並べられた複数の金属板を備え、金属板のうちの１つを他の金属板を支持する支持体から離して配置し、伝達部は、中心導体と中心導体を覆う外皮とを有する同軸ケーブルであり、中心導体は、支持体から離して配置された金属板に整合部を介して接続され、外皮は支持体に接続されている。これにより、伝達部から周期構造体に効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。

第８の発明は、特に、第１から第７のいずれか１つの発明の表面波伝送線路の近傍に設けられるとともに被加熱物を設置する設置台をさらに備え、周期構造体は、設置台に対して被加熱物が設置される側と反対側に配置され、整合部および伝達部のうちの少なくとも一方を、周期構造体に対して、被加熱物および設置台が存在する側と反対側に配置した。これにより、調理に使用しない場所を有効利用できるので、マイクロ波処理装置を小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態１、２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１、２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概略断面図である。

図１に示すように、マイクロ波処理装置は、被加熱物１１が設置される設置台１と、設置台１の近傍に設けられた周期構造体２と、マイクロ波電力を発生させる発振部３と、周期構造体２と発振部３を接続する伝達部４とを備える。マイクロ波電力を発生させる発振部３はマグネトロンや半導体などで構成され、発振部３にて発生されるマイクロ波電力は、伝達部４を通じて周期構造体２に伝達される。周期構造体２は、実質的に同一のスリットや構造物などが一定の間隔で並べて配置されたものであり、伝達部４を介して伝達されたマイクロ波を近傍空間に集中させる。

被加熱物１１は、表面波伝送線路２の近傍に設けられた設置台１の上に設置され、周期構造体２によって集中されるマイクロ波により強く加熱される。これにより、被加熱物１１の表面に焦げ目を付けることができる。

上述した設置台１や周期構造体２などのマイクロ波処理装置の構成は、マイクロ波処理装置の加熱室１０の中に配置されている。ただし、電波漏洩や感電などの危険性がない構成であれば、必ずしも加熱室１０の中に配置しなくても良い。

図２は、本実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の周期構造体２の上面図である。

図２に示すように、周期構造体２は、周期的に折り返したスリットを内部に形成する薄板状の一対の金属板部２ａ、２ｂで形成されている。本実施の形態１では、金属板部２ａ、２ｂは一体的に形成されており、図２における周期構造体２の上側半分を金属板部２ａが占め、下側半分を金属板部２ｂが占める。周期構造体２内で周期的に折り返したスリットは表面波伝送線路９を形成する。図２に示すように、金属板部２ａ、２ｂは、互いに対向する一対の櫛型部１３ａ、１３ｂをそれぞれ備える。本実施の形態１では、金属板部２ａが有する櫛型部１３ａは、図２において下側に延びる３本の金属板であり、金属板部２ｂが有する櫛型部１３ｂは、図２において上側に延びる２本の金属板である。櫛型部１３ａと櫛型部１３ｂの間の空間として形成される表面波伝送線路９は、インターディジタル線路（交叉指型線路）である。本実施の形態１では、表面波伝送線路９の終端９ａは短絡されているが、このような場合に限らず開放されていても良い。

図３は、本実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の拡大断面図である。

図３に示すように、本実施の形態１における伝達部４は、中心導体６と中心導体６を覆う外皮１２とを有する同軸ケーブルである。図２、３に示すように、伝達部４の中心導体６と、一方の金属板部２ａの櫛型部１３ａとの間には整合回路（整合部）５が設けられている。すなわち、伝達部４の中心導体６は、整合回路５を経由して金属板部２ａの櫛型部１３ａに接続されている。伝達部４の外皮１２は、もう一方の金属板２ｂのうち、整合回路５が接続される櫛形部１３ａに対向する部分に接続されている（図２参照）。このような周期構造体２と伝達部４との接続関係によれば、伝達部４から周期構造体２にマイクロ波電力が供給されることで、表面波伝送線路９において電界が生じる。表面波伝送線路９は、スリットの幅や長さ、繰り返しの間隔などを適宜設定することで遅波回路として働く。これにより、表面波伝送線路９に供給されたマイクロ波は、表面波伝送線路９を含む平面に対する垂直方向において、マイクロ波電力が指数関数的に減少する表面波となって伝播する。

ここで、伝達部４のインピーダンス（例えば５０Ω）は、周期構造体２のインピーダンス（例えば１５０Ω）よりも低いことがほとんどであり、それぞれが一致することはほとんどない。よって、整合回路５を設けずに伝達部４と周期構造体２を直接結合した場合には、伝達部４と周期構造体２のインピーダンス不整合によって、接続部分にてマイクロ波の大きな反射が生じる。ここでのマイクロ波の反射は、マイクロ波電力の伝達効率の低下だけでなく、発振部３や伝達部４の故障の原因ともなる。またマイクロ波の反射により、加熱室１０内へのマイクロ波の放射も発生してしまう。

そこで、本実施の形態１におけるマイクロ波処理装置は、インピーダンス不整合部分である周期構造体２と伝達部４との接続部分に整合回路５を設けている。さらに、整合回路５のインピーダンスは、周期構造体２のインピーダンスと伝達部４のインピーダンスの間に設定される（例えば１００Ω）。このような整合回路５を設けてインピーダンス整合を取ることで、マイクロ波の反射波１４（図３参照）や放射の発生を抑制することができるため、マイクロ波電力の伝達効率を高めることができる。すなわち、伝達部４から周期構造体２に効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。

また、マイクロ波の反射波１４および放射の発生を抑制することで、発振部３や伝達部４の温度上昇や故障を抑制することになる。よって、発振部３や伝達部４に対する冷却構造の小型化や、マイクロ波処理装置の信頼性の向上につながる。

なお、本実施の形態１における整合回路５は金属板で形成されている。このような整合回路５は、伝達部４の外皮１２が接続されている周期構造体２（周期構造体２の少なくとも一部）をグランド面としたマイクロストリップ線路を構成している。このマイクロストリップ線路における誘電体は、周期構造体２と整合回路５の間に存在する空気である。整合回路５のインピーダンスは、整合回路５を構成する金属板の幅、グランド面である周期構造体２と整合回路５との距離、誘電体の材質などにより決まる。前述したように、本実施の形態１では、整合回路５のインピーダンスを伝達部４のインピーダンスと周期構造体２のインピーダンスの間に設定することで、周期構造体２と伝達部４との間のインピーダンス変化を段階的とすることができる。これにより、マイクロ波の反射波１４および放射の発生を抑制することができる。

なお、整合回路５のインピーダンスを伝達部４のインピーダンスと周期構造体２のインピーダンスの平均に設定すると、マイクロ波の反射波１４および放射の発生をより抑制することができる。ただし、このような場合に限らず、伝達部４のインピーダンスと周期構造体２のインピーダンスの間の値に設定すれば良い。あるいは、整合回路５において、金属板の幅やグランド面との距離などを連続的に変えることで、伝達部４から周期構造体２までのインピーダンスを滑らかにしても良い。これによりマイクロ波の反射波１４および放射の発生を最も抑制することができる。

また、本実施の形態１では、整合回路５と伝達部４は、被加熱物１１の調理に使用しない表面波伝送線路２の下側のスペースに設置されている。すなわち、周期構造体２は、設置台１に対して被加熱物１１が設置される側と反対側（図３の下側）に配置され、整合部５および伝達部４は、周期構造体２に対して、被加熱物１１および設置台１が存在する側と反対側（図３の下側）に配置されている。これにより、設置台１の下面側に形成される空スペースを有効利用することができ、マイクロ波処理装置の小型化を図ることができる。

以上のように、本実施の形態１のマイクロ波処理装置は、マイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路９を形成した周期構造体２と、マイクロ波電力を発生させる発振部３と、発振部３によって発生されたマイクロ波電力を周期構造体２に伝達する伝達部４とを備える。また、周期構造体２と伝達部４との接続部分に整合部５が設けられ、整合部５のインピーダンスは、周期構造体２のインピーダンスと伝達部４のインピーダンスの間に設定される。このように周期構造体２と伝達部４が接続する部分に整合回路５を設けたことで、インピーダンス不整合が発生する接続部分にてインピーダンス整合を取ることができる。よって、接続部分に生じるマイクロ波の反射波１４を抑制することができ、伝達部４から周期構造体２により効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。これにより、被加熱物１１に対して、マイクロ波の表面波による焦げ目付けを効率良く行うことができるとともに、マイクロ波処理装置の小型化を図ることができる。

（変形例１）
図４は、実施の形態１の変形例１におけるマイクロ波処理装置の整合回路１５の下面図である。図５は、本変形例１におけるマイクロ波処理装置の整合回路１５の断面図である。図４、５に示す変形例１では、図１−３に示す実施の形態１と比較して、整合回路１５の形状のみが異なり、その他のマイクロ波処理装置の構成は共通する。

本変形例１では、図４、５に示すように、金属板で構成される整合回路１５の長手方向（図４、５の左右方向）の途中に幅の異なるタブ１７が設けられている。整合回路１５の途中でタブ１７が幅方向に突出することにより、整合回路１５の長手方向においてインピーダンスの変化部分（すなわち、タブ１７）が形成されている。

整合回路１５の途中に設けられたタブ１７で形成されたインピーダンスの変化部分では、図５に示すようにマイクロ波の反射波１８が生じる。本実施の形態１では、タブ１７で生じるマイクロ波の反射波１８と、周期構造体２と伝達部４との接続部分で生じるマイクロ波の反射波１４が逆位相になるように、タブ１７の位置や形状を調整している。これにより、周期構造体２と伝達部４との接続部分で生じるマイクロ波の反射波１４が、反射波１８によって少なくとも部分的に相殺される。よって、マイクロ波の反射波１４および放射の発生を抑制することができ、伝達部４から周期構造体２により効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。

（変形例２）
図６は、実施の形態１の変形例２におけるマイクロ波処理装置の整合回路２５の断面図である。図６に示す変形例２では、周期構造体２（の少なくとも一部）をグランド面とするマイクロストリップ線路において、整合回路２５と周期構造体２の間に、空気とは異なる誘電体２８が配置されている。さらに本変形例２では、誘電体２８の長手方向の途中に誘電率が異なる誘電体２８ａが設けられている。この誘電体２８ａは誘電体２８の他の部分とは異なるインピーダンスを有する。すなわち、誘電体２８ａにより整合回路２５におけるインピーダンスの変化部分が形成される。

誘電体２８ａで形成されたインピーダンスの変化部分において、伝達部４から伝達されるマイクロ波の反射波が生じる。本変形例２でも、変形例１と同様に、インピーダンスの変化部分で生じるマイクロ波の反射波と、周期構造体２と伝達部４との接続部分で生じるマイクロ波の反射波が逆位相になるように、誘電体２８、２８ａの材質、位置、形状等を調整している。これにより、周期構造体２と伝達部４との接続部分で生じるマイクロ波の反射波を少なくとも部分的に相殺することができ、マイクロ波の反射波および放射の発生を抑制することができる。よって、伝達部４から周期構造体２にマイクロ波電力をより効率的に伝達することができる。

（実施の形態２）
次に、図７、８を用いて、本発明の実施の形態２にかかるマイクロ波処理装置について説明する。本実施の形態２では、実施の形態１と比較して、表面波伝送線路を形成する周期構造体の構造が主に異なっている。

実施の形態２にかかるマイクロ波処理装置が備える周期構造体３２は、加熱室４０内において一定の間隔で互いに平行に並べられた複数の金属板３２ａ、３２ｂで構成される。複数の金属板３２ａは支持体３７により下方から支持され、１つの金属板３２ｂのみが支持体３７とは離して配置されている。支持体３７と離して配置された金属板３２ｂには整合回路３５が取り付けられている。整合回路３５は、伝達部３４の中心導体３６に接続されている。伝達部３４の外皮３８は支持体３７に接続されている。

このような構成においても、整合回路３５を介して伝達部３４から周期構造体３２にマイクロ波電力を伝達することにより、周期構造体３２の金属板３２ａ、３２ｂの間に形成される表面波伝送線路３９に電界が生じる。これにより、表面波伝送線路３９においてマイクロ波による表面波を発生させることができる。この表面波により、設置台３１上に設置された被加熱物４１に焦げ目を付けるように加熱することができる。

また本実施の形態２でも実施の形態１と同様に、整合回路３５のインピーダンスを、周期構造体３２（特に金属板３２ｂ）のインピーダンスと伝達部３４のインピーダンスの間に設定している。このように周期構造体３２と伝達部３４が接続する部分に整合回路３５を設けたことで、インピーダンス不整合が発生する接続部分にてインピーダンス整合を取ることができる。よって、接続部分に生じるマイクロ波の反射波を抑制することができ、伝達部３４から周期構造体３２により効率的にマイクロ波電力を伝達することができる。これにより、被加熱物４１に対して、マイクロ波の表面波による焦げ目付けを効率良く行うことができるとともに、マイクロ波処理装置の小型化を図ることができる。

なお、本発明は上述の構成に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本実施の形態１では、周期構造体２において金属板部２ａおよび金属板部２ｂが一体的に形成される場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、金属板部２ａおよび金属板部２ｂが別々に形成されても良い。

また本実施の形態１、２では、伝達部４が同軸ケーブルである場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、マイクロストリップ線路やストリップ線路であっても良い。

また本実施の形態１の変形例１では、整合回路５の途中に幅を広げたスタブ１７を設けることでインピーダンスの変化部分を設ける場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、整合回路５の幅を狭める、あるいは整合回路５の厚みを変更するなど、他の方法により整合回路５の形状を変化させて、インピーダンスの変化部分を設けても良い。

また本実施の形態１、２では、マイクロ波処理装置の構成は加熱室１０の中に設置される場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、電波漏洩や感電などの危険性がない構成であれば、マイクロ波処理装置の構成を加熱室１０の中ではなく、開放空間に配置しても良い。

なお、上記実施の形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、周期構造体によりマイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を有して、周期構造体に効率的にマイクロ波電力を伝達することができるので、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や生ゴミ処理機、あるいはコンロ、ホットプレートなどの用途にも適用できる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２０１２年１２月７日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１２−２６７９１９号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

Claims (8)

1. マイクロ波による表面波を伝送する表面波伝送線路を形成した周期構造体と、
   マイクロ波電力を発生させる発振部と、
   発振部によって発生されたマイクロ波電力を周期構造体に伝達する伝達部とを備え、
   周期構造体と伝達部との接続部分に整合部が設けられ、整合部のインピーダンスは、周期構造体のインピーダンスと伝達部のインピーダンスの間に設定される、マイクロ波処理装置。
2. 整合部は、周期構造体の少なくとも一部をグランド面とするマイクロストリップ線路を形成する、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 整合部はインピーダンスの変化部分を有し、その変化部分にて生じるマイクロ波の反射波が、周期構造体と整合部との接続部分で生じるマイクロ波の反射波を少なくとも部分的に相殺するように変化部分が配置される、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. 整合部におけるインピーダンスの変化部分は、整合部の形状を変化させて形成される、請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
5. 整合部は、周期構造体の少なくとも一部をグランド面として誘電体を有したマイクロストリップ線路を形成し、
   整合部におけるインピーダンスの変化部分は、マイクロストリップ線路の誘電体に誘電率の変化部分が存在することで形成される、請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
6. 周期構造体は、第１の櫛型部を含む第１の金属板部と、第１の櫛形部と対向して配置された第２の櫛型部を含む第２の金属板部とを備え、
   表面波伝送線路は、第１および第２の櫛型部の間に形成されたインターディジタル線路であり、
   伝達部は、中心導体と中心導体を覆う外皮とを有する同軸ケーブルであり、
   同軸ケーブルの中心導体は、整合部を介して周期構造体の第１の櫛型部に接続され、同軸ケーブルの外皮は、周期構造体の第２の金属板部に接続される、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
7. 周期構造体は、一定の間隔で互いに平行に並べられた複数の金属板を備え、金属板のうちの１つを他の金属板を支持する支持体から離して配置し、
   伝達部は、中心導体と中心導体を覆う外皮とを有する同軸ケーブルであり、
   中心導体は、支持体から離して配置された金属板に整合部を介して接続され、外皮は支持体に接続されている、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
8. 表面波伝送線路の近傍に設けられるとともに被加熱物を設置する設置台をさらに備え、
   周期構造体は、設置台に対して被加熱物が設置される側と反対側に配置され、
   整合部および伝達部のうちの少なくとも一方を、周期構造体に対して、被加熱物および設置台が存在する側と反対側に配置した、請求項１から７のいずれか１つに記載のマイクロ波処理装置。

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