JPWO2018131440A1

JPWO2018131440A1 - 電磁界分布調整装置、および、マイクロ波加熱装置

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Publication number: JPWO2018131440A1
Application number: JP2018561906A
Authority: JP
Inventors: 昌之久保; 浩二吉野; 匡史貞平; 橋本　　修; 良介須賀
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: US20190364623A1; JP7124713B2; EP3570639A1; WO2018131440A1; CN110140424B; US11395381B2; CN110140424A; EP3570639A4

Abstract

マイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波発生器と、マイクロ波を加熱室まで導くように構成された導波管と、加熱室内の壁面の少なくとも一部の２次元領域に設けられた電磁界分布調整装置とを備える。電磁界分布調整装置は、所定の２次元領域を充填するように配列された複数の金属片と、複数の金属片のうちの隣接する二つの金属片の間に設けられたスイッチとを有する。隣接する二つの金属片にそれぞれ設けられ、隣接する二つの金属片より小さな二つの導体部を介して、隣接する二つの金属片にスイッチが接続される。本態様によれば、マイクロ波加熱装置で被加熱物を加熱するときに生じる加熱むらを低減することができる。

Description

本開示は、電磁界分布調整装置、および、これを備えたマイクロ波加熱装置に関する。

電子レンジなどのマイクロ波加熱装置では、加熱室に収容された被加熱物を加熱むらなく均一に加熱することが望ましい。その目的の達成のために、種々の構成が考え出されてきた（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、マトリクス状に配置された多数の金属片と、隣接する二つの金属片を接続する多数のスイッチとを有する電磁界分布調整装置が開示される。電磁界分布調整装置は、スイッチの動作に応じて金属片の近傍のインピーダンスを変化させる。これにより、金属片の近傍に発生する定在波の位置を移動させ、加熱むらを低減することができる。

国際公開第２０１５／１３３０８１号

しかしながら、特許文献１では、金属片とスイッチとの接続方法については明確に示されていない。

本開示は、上記従来の課題を解決するもので、電磁界分布調整装置の具体的な構成を提供するものである。

本開示の一態様の電磁界分布調整装置は、所定の２次元領域を充填するように配列された複数の金属片と、複数の金属片のうちの隣接する二つの金属片の間に設けられたスイッチとを備える。

隣接する二つの金属片にそれぞれ設けられ、隣接する二つの金属片より小さな二つの導体部を介して、隣接する二つの金属片にスイッチが接続される。

本態様によれば、マイクロ波加熱装置で被加熱物を加熱するときに生じる加熱むらを低減することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係る電磁界分布調整装置を備えたマイクロ波加熱装置の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置の縦断面図である。図３は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置の上面図である。図４は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置の斜視図である。図５Ａは、スイッチを閉じた場合における電磁界分布調整装置の近傍の電界分布Ｅ１を示す図である。図５Ｂは、スイッチを開いた場合における電磁界分布調整装置の近傍の電界分布Ｅ２を示す図である。図６は、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置に含まれるスイッチの一例を示す図である。図７は、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置の平面図である。図８は、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置の斜視図である。図９は、本実施の形態の変形例に係るユニットセルの反射位相に関する周波数特性を示す図である。図１０Ａは、大きな金属片を有するユニットセルに電流を流した場合の電流ベクトルを示す図である。図１０Ｂは、小さな金属片を有するユニットセルに電流を流した場合の電流ベクトルを示す図である。図１１は、シミュレーションモデルである加熱室の斜視図である。図１２は、加熱室内に生じる電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図１３は、温度分布の解析のための被加熱物が配置された、図１１に示す加熱室の斜視図である。図１４は、電磁界分布調整装置の三つの構成における被加熱物上の温度分布を示す図である。図１５は、ダイオードのインピーダンスとユニットセルの反射位相との関係を示す特性図である。図１６は、ダイオードのインピーダンスとマイクロ波の反射の割合との関係を示す特性図である。図１７は、特性測定用のマイクロストリップラインに接続されたダイオードを示す図である。図１８Ａは、順方向バイアスの場合のダイオードの等価回路を示すブロック図である。図１８Ｂは、逆方向バイアスの場合のダイオードの等価回路を示すブロック図である。図１９は、図１８Ａに示す等価回路のダイオードを使用した場合に、被加熱物上に生じる電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図２０は、図１８Ｂに示す等価回路のダイオードを使用した場合に、被加熱物上に生じる電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

本開示の第１の態様の電磁界分布調整装置は、所定の２次元領域を充填するように配列された複数の金属片と、複数の金属片のうちの隣接する二つの金属片の間に設けられたスイッチとを備える。

本開示の第２の態様の電磁界分布調整装置によれば、第１の態様において、二つの金属片の距離が、マイクロ波の波長の１／２以下である。

本開示の第３の態様の電磁界分布調整装置によれば、第１の態様において、スイッチが、導体部より小さく、降伏電圧特性を有するダイオードである。

本開示の第４の態様の電磁界分布調整装置によれば、第３の態様において、ダイオードが、電磁波によって順方向のバイアスが印加された場合に２００Ω以下のインピーダンスを有し、電磁波によって逆方向のバイアスが印加された場合に８００Ω以上のインピーダンスを有する。

本開示の第５の態様の電磁界分布調整装置によれば、第４の態様において、電磁波によって順方向のバイアスが印加された場合、ダイオードの等価回路が、約３Ωの抵抗と約１．６ｎＨのインダクタンスとを有する直列回路であり、電磁波によって逆方向のバイアスが印加された場合、ダイオードの等価回路が、約１０ＭΩの抵抗と約０．２２ｐＦのキャパシタンスとを有する並列回路である。

本開示の第７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、マイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波発生器と、マイクロ波を加熱室まで導くように構成された導波管と、加熱室内の壁面の少なくとも一部の２次元領域に設けられた電磁界分布調整装置とを備える。

電磁界分布調整装置は、所定の２次元領域を充填するように配列された複数の金属片と、複数の金属片のうちの隣接する二つの金属片の間に設けられたスイッチとを有する。隣接する二つの金属片にそれぞれ設けられ、隣接する二つの金属片より小さな二つの導体部を介して、隣接する二つの金属片にスイッチが接続される。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本開示の実施の形態に係るマイクロ波加熱装置１の斜視図である。図２は、マイクロ波加熱装置１の縦断面図である。

本実施の形態では、マイクロ波加熱装置１は、加熱室２を有する電子レンジである。図１では、加熱室２の内部が見えるように、加熱室２の手前の壁面が省略されている。

図１、図２に示すように、マイクロ波加熱装置１は、加熱室２に加えて、マイクロ波発生器３と導波管４と電磁界分布調整装置５Ａとを備える。本開示において、加熱室２の前後方向、左右方向、上下方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と定義する。

加熱室２は、その前面開口に扉（図示せず）が設けられ、その内部空間に被加熱物６を収容する。

マイクロ波発生器３は、マグネトロンなどで構成され、マイクロ波を生成する。導波管４は、マイクロ波をマイクロ波発生器３から加熱室２まで導く。本実施の形態では、導波管４の開口は加熱室２の側壁に設けられる。

電磁界分布調整装置５Ａは、加熱室２内の所定の２次元領域に設けられる。電磁界分布調整装置５Ａは、加熱室２の内部空間と対向する面におけるインピーダンスを変化させる。これにより、電磁界分布調整装置５Ａは、その近傍の電磁界分布、すなわち、定在波分布を変化させる。その結果、被加熱物６上の加熱分布が変化し、被加熱物６がより均一に加熱される。

被加熱物６を電磁界分布調整装置５Ａの近傍に載置すると、均一加熱の効果が得やすい。本実施の形態では、所定の２次元領域は加熱室２の底面全体である。この場合、被加熱物６は電磁界分布調整装置５Ａ上に配置される。

図３、図４はそれぞれ、電磁界分布調整装置５Ａの上面図、斜視図である。図３、図４に示すように、電磁界分布調整装置５Ａは、複数の金属片１１と複数のスイッチ１２と複数の短絡導体１３と接地導体１４とを備える。

接地導体１４は、加熱室２の底面に沿って設けられる。接地導体１４は、電磁界分布調整装置５Ａの底面に相当し、基準電位を有する電気的接地面である。

スイッチ１２の各々は、列方向（図３、図４に示すＸ方向）に隣接する二つの金属片１１の間に設けられる。

金属片１１は、一辺が、マイクロ波の波長の半分未満の長さを有する四角形の金属平板である。金属片１１は、接地導体１４に対向するように、接地導体１４に平行な平面上にマトリクス状に配列される。

短絡導体１３は、金属片１１を接地導体１４に接続する。一つの金属片１１と一つの短絡導体１３との組み合わせは、マッシュルーム（Mushroom）構造のユニットセル（Unit cell）と呼ばれる。

スイッチ１２を開けると、マイクロ波に対して、電磁界分布調整装置５Ａが磁気壁（Magnetic wall）として機能するように、金属片１１の一辺の長さおよび短絡導体１３の高さなどの寸法が設計される。

図５Ａは、スイッチ１２を閉じた場合における電磁界分布調整装置５Ａの近傍の電界分布Ｅ１を示す。図５Ｂは、スイッチ１２を開いた場合における電磁界分布調整装置５Ａの近傍の電界分布Ｅ２を示す。

スイッチ１２を閉じると、スイッチ１２と金属片１１とを含む平面が一つの導体板として作用する。この場合、電磁界分布調整装置５Ａは、金属片１１の近傍において実質的にゼロのインピーダンスを有する短絡面（Short-circuit plane）を構成する。

図５Ａに示すように、電磁波は短絡面で反射されると、その短絡面、すなわち、金属片１１の表面に節（Node）を有する定在波（Standing wave）を形成する。

電磁界分布調整装置５Ａは、金属片１１の近傍において、実質的にゼロのインピーダンスを有する電気壁（Electric wall）として機能する。

スイッチ１２を開けると、電磁界分布調整装置５Ａは、多数のユニットセルが二次元的かつ周期的に配列されたメタマテリアル（Meta-material）を構成する。この場合、電磁界分布調整装置５Ａは、金属片１１の近傍において実質的に無限大のインピーダンスを有する磁気壁として機能する。ここで、二次元的かつ周期的に配列するとは、複数の同一構造体を縦方向、横方向に一定間隔で配列することを意味する。

スイッチ１２が開いても、隣り合う二つの金属片１１は、二つの短絡導体１３と接地導体１４とを介して導通するため、直流電流はこれらの金属片の間を流れることができる。

しかしながら、マイクロ波は、金属片１１および短絡導体１３の上記寸法により、これらの金属片の間を伝播することができない。

従って、電磁界分布調整装置５Ａは、金属片１１の近傍において、実質的に無限大のインピーダンスを有する開放面（Open plane）を構成する。図５Ｂに示すように、電磁波は開放面で反射されると、その開放面、すなわち、金属片１１の表面に腹（Antinode）を有する定在波を形成する。

このように、電磁界分布調整装置５Ａは、そのインピーダンスを変化させることにより、電磁界分布調整装置５Ａで反射して発生した定在波の節の位置、腹の位置を入れ替えることができる。

図６は、本実施の形態に係るスイッチ１２の一例を示す。図６に示すように、スイッチ１２は、二つのツェナーダイオードが逆向きに並列接続されて構成される。

スイッチ１２がツェナーダイオードのような降伏電圧特性を有する素子である場合、スイッチ１２の近傍に電磁波が到来すると、スイッチ１２の両端に接続された二つの金属片１１の間に所定のしきい値（降伏電圧）より大きな電位差が生じる。このとき、スイッチ１２は、開状態から閉状態に自動的に切り替わる。

そのため、電磁界分布調整装置５Ａの電磁界が強い部分において、インピーダンスが自動的に実質的にゼロに切り替わり、この部分に定在波の節が生じる。これにより、この部分の電磁界が自動的に弱まり、加熱むらを抑制することができる。スイッチ１２は、例えば、ＰＩＮダイオードなどであってもよい。

上記の通り、本実施の形態によれば、電磁界分布調整装置５Ａのインピーダンスを実質的にゼロまたは無限大に設定することにより、電磁界分布調整装置５Ａの近傍に発生する定在波の腹の位置、節の位置を選択的に入れ替えることができる。これにより、加熱むらを低減することができる。

以下、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置５Ｂについて説明する。電磁界分布調整装置５Ｂでは、多数の金属片１１が、誘電体基板上に二次元的かつ周期的に配列される。誘電体基板の裏面は、加熱室２内の導電性部材からなる壁面に接触する。すなわち、電磁界分布調整装置５Ｂは接地導体１４を有しない。

以下の説明では、便宜上、電磁界分布調整装置５Ｂが、金属片１１と金属片１１の周辺の誘電体基板の一部を含むユニットセル２１を二次元的かつ周期的に配列して構成されるものとする。

図７は、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置５Ｂを構成するユニットセル２１の平面図である。図８は、ユニットセル２１の斜視図である。図７、図８に示すように、ユニットセル２１は、金属片１１と誘電体２２と導体部２３とを含む。

誘電体２２は、金属片１１の周辺の誘電体基板の一部である。誘電体２２は、一辺の長さが４５ｍｍの正方形形状を有する。金属片１１は、一辺の長さが３６ｍｍの正方形形状を有し、誘電体２２の表面中央に配置される。

導体部２３は、金属片１１の各辺の中央部分の外側に、金属片１１と一体的に設けられた５ｍｍ幅の長方形形状の金属部材である。

隣り合う二つの金属片１１の間に対向するように設けられた二つの導体部２３に挟まれた１．８ｍｍの隙間に、スイッチ１２が設けられる。スイッチ１２は、二つのダイオード２４が逆向きに並列接続されて構成される（図６参照）。ダイオード２４は、例えば、ツェナーダイオードである。

導体部２３の幅は、ユニットセル２１の電磁界分布調整装置５Ｂとしての機能を妨げないように、金属片１１の幅より小さい。

以上のように、本変形例では、隣接する二つの金属片１１にそれぞれ設けられ、金属片１１より小さな二つの導体部２３を介して、隣接する二つの金属片１１にスイッチ１２が接続される。

図９は、ユニットセル２１の反射位相に関する周波数特性を示す図である。図９において、特性曲線群２５は、ダイオード２４に順方向のバイアスが印加されて、ダイオード２４がオンする場合の特性曲線の束である。特性曲線群２６は、ダイオード２４に逆方向のバイアスが印加されて、ダイオード２４がオフする場合の特性曲線の束である。

ユニットセル２１に照射されるマイクロ波の入射角度θが０度、３０度、６０度の場合の特性曲線を、破線、点線、実線でそれぞれ示す。ここで、０度の入射角度θとは、金属片１１に垂直なマイクロ波の入射を意味し、９０度の入射角度θとは、金属片１１に水平なマイクロ波の入射を意味する。

図９に示すように、電子レンジで使用される２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波に関して、ダイオード２４がオンの時、反射位相は１８０度である。この場合、ユニットセル２１は電気壁として機能する。

ダイオード２４がオフの時、反射位相は０度に変化する。この場合、ユニットセル２１は共振状態となり、ユニットセル２１は磁気壁として機能する。このように、ダイオード２４に印加されるバイアスの方向により、反射位相を反転させることが可能である。

この現象は、ダイオード２４の動作によりユニットセル２１のインピーダンスが変化するために起こると考えられる。このことは、入射角度が０度、３０度、６０度のいずれの場合にも当てはまる。すなわち、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５Ｂは、マイクロ波の入射角度に関わらず、マイクロ波の照射に応じて反射位相を反転させることが可能である。

以下、図１０Ａ〜図１４を用いて、隣り合う二つの金属片１１の間の距離Ｌがユニットセル２１の特性に及ぼす影響について説明する。

図１０Ａは、金属片１１が大きく、導体部２３が短いユニットセル２１に電流を流した場合の電流ベクトルを示す。図１０Ｂは、金属片１１が小さく、導体部２３が長いユニットセル２１に電流を流した場合の電流ベクトルを示す。これらの結果は、シミュレーションにより得られたものである。

図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、金属片１１、導体部２３のいずれにおいても、縁に沿って流れる電流成分は、それ以外の部分を流れる電流成分より多い。

図１０Ａにおいて、矢印線で示された経路７Ａは、金属片１１、導体部２３の左側の縁を下方に流れる電流成分の経路である。図１０Ｂにおいて、矢印線で示された経路７Ｂは、金属片１１、導体部２３の左側の縁を下方に流れる電流成分の経路である。

金属片１１と導体部２３とが正方形または長方形の形状を有すれば、金属片１１と導体部２３とを合わせた領域の外周の長さは、金属片１１および導体部２３の大きさに関わらず一定である。従って、経路７Ａの長さは経路７Ｂの長さに等しい。

すなわち、金属片１１と導体部２３とが上記形状を有する限り、それらの形状は共振周波数にあまり影響しないと考えられる。

しかし、電磁界分布調整装置５Ｂが実際に電子レンジに配置されたときに、ユニットセル２１の形状に応じて異なる加熱性能を有することがわかった。以下、これについて説明する。

図１１は、シミュレーションモデルである加熱室２０を示す図である。図１１において、加熱室２０の内部が見えるように、加熱室２０の壁面が省略されている。図１１に示すように、本シミュレーションの加熱室２０は、その上面に設けられた導波管２７と、導波管２７と対向する下面全体に設けられた電磁界分布調整装置５Ｂとを有する。

図１２は、「パッチ（Patch）間短絡」の場合と「パッチ間開放」の場合とにおいて、加熱室２０内の仮想平面２Ａ、２Ｂ上に生じる電界分布のシミュレーション結果を示す。

本シミュレーションにおいて、下記三つの構成の電磁界分布調整装置５Ｂが用いられる。仮想平面２Ａは、加熱室２０の前半分と後半分とを仮想的に区画し、仮想平面２Ｂは、加熱室２０の左半分と右半分とを仮想的に区画する（図１１参照）。

図１２に示すように、三つの構成は同じ大きさの金属片１１を有する。一つ目の構成では、距離Ｌが１８ｍｍに設定される。二つ目、三つ目の構成は、４０ｍｍの距離Ｌ、８０ｍｍの距離Ｌをそれぞれ有する。導体部２３の長さは、距離Ｌに応じて決定される。図１２において、シミュレーション結果として示された画像の濃淡が電界分布を表し、より淡い部分の電界がより濃い部分のそれより強い。

「パッチ間短絡」とは、金属片１１の間に導体部２３が設けられる場合を意味し、「パッチ間開放」とは、金属片１１の間に導体部２３が設けられない場合を意味する。

距離Ｌが１８ｍｍのとき、「パッチ間短絡」の場合と「パッチ間開放」の場合とで、大きく異なる電界分布が生じる。すなわち、スイッチ１２の動作が、電界分布を大きく変化させ、それにより、被加熱物への加熱パターンを大きく変化させる。

距離Ｌが８０ｍｍのとき、「パッチ間短絡」の場合と「パッチ間開放」の場合とで、翼似た電界分布が生じる。すなわち、スイッチ１２の動作は、電界分布をあまり変化させず、被加熱物への加熱パターンをあまり変化させない。

距離Ｌが４０ｍｍの場合の結果は、距離Ｌが８０ｍｍの場合の結果よりも距離Ｌが１８ｍｍの場合の結果に似ている。

以上の通り、１８ｍｍの距離Ｌでは望ましい効果が得られ、４０ｍｍの距離Ｌではある程度の効果が得られる。しかし、８０ｍｍの距離Ｌでは望ましい効果は得られない。要するに、距離Ｌは小さいほど良い。

この現象は、使用するマイクロ波の波長に関係すると考えられる。すなわち、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波の場合、マイクロ波の波長の１／２は約６０ｍｍであり、距離Ｌが６０ｍｍ以下の場合、望ましい結果が得られる。そうでない場合、この隙間を通過するマイクロ波が増加し、電磁界分布調整装置５Ｂの性能を低下させると考えられる。このことは、一つのユニットセルの評価では気づき難い。

例えば、図１０Ａ、図１０Ｂに示すシミュレーションでは、一つのユニットセルだけの評価によって、金属片１１の大きさによる影響はないという結果であった。

しかし、複数のユニットセルを二次元的に配列した場合、金属片１１の大きさが小さいと距離Ｌが大きくなる。距離Ｌが波長の１／２より大きいと、加熱むらを低減させる効果が低下する。従って、加熱むらを低減させる効果を得るためには、距離Ｌをマイクロ波の波長の１／２以下とするのが望ましい。

図１３は、温度分布の解析のための被加熱物６（寒天）が配置された、図１１に示す加熱室２０の斜視図である。図１４は、「パッチ間短絡」の場合と「パッチ間開放」の場合とにおいて、加熱室２０内に載置された被加熱物６上に生じる温度分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションは、距離Ｌが１８ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍにそれぞれ設定された電磁界分布調整装置５Ｂを用いる。

図１４において寒天の温度分布に関しては、距離Ｌが１８ｍｍであるとき、「パッチ間短絡」の場合の温度分布が、「パッチ間開放」の場合と大きく異なる。すなわち、この構成は、加熱むらを低減させる効果が大きい。

距離Ｌが８０ｍｍであるとき、「パッチ間短絡」と「パッチ間開放」とで、温度分布の差がほとんどない。すなわち、この構成は、加熱むらを低減させる効果が小さい。

距離Ｌが４０ｍｍであるときの結果は、どちらかというと距離Ｌが１８ｍｍであるときの結果によく似ている。しかし、実は、これらの間には大きな違いがある。

図１４において寒天の中心部分の温度に関しては、距離Ｌが１８ｍｍであるとき、「パッチ間短絡」の場合に高く、「パッチ間開放」の場合に低い。しかし、距離Ｌが４０ｍｍであるとき、どちらの場合でも中心温度が低い。

以上の通り、上記三つの構成のうち、距離Ｌが１８ｍｍである場合、最も良い加熱特性が得られる。この現象は、使用するマイクロ波の波長に関係すると考えられる。

２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波の場合、マイクロ波の波長の１／４波長は約３０ｍｍであり、距離Ｌが３０ｍｍ以下の場合、望ましい結果が得られる。そうでない場合、この隙間を通過するマイクロ波が増加し、電磁界分布調整装置５Ｂの性能を低下させると考えられる。このことは、図１２に示す電界分布だけの評価では気づき難い。

例えば、図１２に示すシミュレーションでは、距離Ｌは、マイクロ波の波長の１／２より小さければよいという結果であった。しかし、加熱むらを低減させる効果を最大限得るためには、距離Ｌをマイクロ波の波長の１／４以下とするのが望ましい。

以下、図１５〜図２０を用いて、図７、図８に示すユニットセル２１で使用されるダイオード２４の必要な仕様について説明する。

図１５は、ダイオード２４のインピーダンスとユニットセル２１の反射位相との関係を示す特性図である。

図１５に示すように、ユニットセル２１の反射位相が大きい状態、すなわち、１４０ｄｅｇ以上の状態にするために、ダイオード２４が２００Ω以下のインピーダンスを有する必要がある。すなわち、加熱室２０内に供給されたマイクロ波によってダイオード２４に順方向バイアスが印加され、スイッチ１２が短絡状態になったときに、ダイオード２４が２００Ω以下のインピーダンスを有しなければならない。

ユニットセル２１の反射位相が小さい状態、すなわち、４０ｄｅｇ以下の状態にするために、ダイオード２４が８００Ω以上のインピーダンスを有する必要がある。すなわち、加熱室２０内に供給されたマイクロ波によってダイオード２４に逆方向バイアスが印加され、スイッチ１２が開放状態になったときに、ダイオード２４が８００Ω以上のインピーダンスを有しなければならない。

図１５を参照すると、採用すべきダイオード２４は、マイクロ波によって順方向バイアスが印加されたとき、２００Ω以下のインピーダンスを有し、マイクロ波によって逆方向バイアスが印加されたとき、８００Ω以上のインピーダンスを有しなければならない。

図１６は、ダイオード２４のインピーダンスと、ユニットセル２１におけるマイクロ波の入射に対するマイクロ波の反射の割合との関係を示す特性図である。反射しないマイクロ波は損失となる。このため、できるだけ多くのマイクロ波を反射するように、ダイオード２４を選ぶことが望ましい。

本実施の形態において、ダイオード２４の選定基準は、入射したマイクロ波の半分以上が反射する、すなわち、反射の割合が−３ｄＢより多いことである。

図１６を参照すると、採用すべきダイオード２４は、マイクロ波によって順方向バイアスが印加されたとき、５０Ω以下のインピーダンスを有し、マイクロ波によって逆方向バイアスが印加されたとき、３ｋΩ以上のインピーダンスを有することが望ましい。

図１７は、上記条件を満たすダイオード２４を、特性測定用の１．６ｍｍ幅のマイクロストリップラインに接続した状態を示す。図１７に示すように、ダイオード２４のパッケージは、１．８ｍｍの長さを有し、５ｍｍ幅の導体部２３（図８参照）と比べてかなり小さい。このため、ダイオード２４は、ユニットセル２１の特性に悪影響を及ぼさない。

図１８Ａは、マイクロ波によって順方向バイアスが印加されたときのダイオード２４の等価回路、図１８Ｂは、マイクロ波によって逆方向バイアスが印加されたときのダイオード２４の等価回路である。

図１８Ａに示すように、順方向バイアスの場合のダイオード２４の等価回路は、約３Ωの抵抗と約１．６ｎＨのインダクタンスとを有する直列回路である。図１８Ｂに示すように、逆方向バイアスの場合のダイオード２４の等価回路は、約１０ＭΩの抵抗と約０．２２ｐＦのキャパシタンスとを有する並列回路である。

図１９は、図１８Ａに示す等価回路のダイオードを使用した場合に、マイクロ波の周波数とインダクタンスの値とに応じて、被加熱物６（寒天）上に生じる温度分布のシミュレーション結果を示す。

図２０は、図１８Ｂに示す等価回路のダイオードを使用した場合に、マイクロ波の周波数とキャパシタンスの値とに応じて、被加熱物６上に生じる温度分布のシミュレーション結果を示す。

図１９、図２０において、シミュレーション結果として示された画像の濃淡が温度分布を表し、より淡い部分の温度がより濃い部分のそれより高い。

図１９に示すように、異なるマイクロ波の周波数に対して、被加熱物６上に異なるパターンの電界が生じる。しかし、異なるインダクタンスの値に対して、被加熱物６上にほとんど同じパターンの電界が生じる。すなわち、被加熱物６上に生じる電界は、インダクタンスのばらつきに影響されない。

図２０に示すように、異なるマイクロ波の周波数に対して、被加熱物６上に異なるパターンの電界が生じる。しかし、異なるキャパシタンスの値に対して、被加熱物６上にほとんど同じパターンの電界が生じる。すなわち、被加熱物６上に生じる電界は、キャパシタンスのばらつきに影響されない。

以上の結果より、安定した特性の電磁界分布調整装置５Ｂを実現するため条件は、以下の通りである。それは、スイッチ１２が、例えば、順方向バイアスの場合の等価回路が図１８Ａに示す直列回路であり、逆方向バイアスの場合の等価回路が図１８Ｂに示す並列回路であるダイオード２４により構成されることである。

本実施の形態によれば、電磁界分布調整装置５Ｂの電磁界が強い部分において、自動的に電磁界分布が変化する。その結果、被加熱物６上の加熱分布が変化し、被加熱物６がより均一に加熱される。

本実施の形態では、図１０Ａ、図１０Ｂに示すユニットセル２１において、導体部２３およびスイッチ１２が金属片１１のすべての辺に配置される。しかし、導体部２３およびスイッチ１２は、必ずしも金属片１１のすべての辺に設けられなくてもよい。ユニットセル２１は、必ずしも導体部２３およびスイッチ１２を有しなくてもよい。

すなわち、電磁界分布調整装置５Ｂが、金属片１１の少なくとも一辺に導体部２３およびスイッチ１２が設けられないユニットセル２１と、導体部２３およびスイッチ１２がまったく設けられないユニットセル２１とを有してもよい。

本実施の形態では、電磁界分布調整装置５Ｂは、加熱室の底面全体に設けられる。しかし、電磁界分布調整装置５Ｂは、必ずしも加熱室の底面全体に設けられなくてもよい。

スイッチ１２として使用するダイオードのサイズに応じて、ユニットセルと金属片１１のサイズを決定しさえすれば、導体部２３を介さず、スイッチ１２を金属片１１に直接的に接続してもよい。

本開示に係る電磁界分布調整装置は、電子レンジだけでなく、生ゴミ処理機など誘電加熱を利用した他の加熱装置にも適用可能である。

１マイクロ波加熱装置
２，２０加熱室
２Ａ，２Ｂ仮想平面
３マイクロ波発生器
５Ａ，５Ｂ電磁界分布調整装置
６被加熱物
７Ａ，７Ｂ経路
１１金属片
１２スイッチ
１３短絡導体
１４接地導体
２１ユニットセル
２２誘電体
２３導体部
２４ダイオード
２５，２６特性曲線群

Claims

所定の２次元領域を充填するように配列された複数の金属片と、
前記複数の金属片のうちの隣接する二つの金属片の間に設けられたスイッチと、を備え、
前記隣接する二つの金属片にそれぞれ設けられ、前記隣接する二つの金属片より小さな二つの導体部を介して、前記隣接する二つの金属片に前記スイッチが接続された電磁界分布調整装置。
前記二つの金属片の距離が、マイクロ波の波長の１／２以下である請求項１に記載の電磁界分布調整装置。
前記スイッチが、前記導体部より小さく、降伏電圧特性を有するダイオードである請求項１に記載の電磁界分布調整装置。
前記ダイオードが、電磁波によって順方向のバイアスが印加された場合に２００Ω以下のインピーダンスを有し、前記電磁波によって逆方向のバイアスが印加された場合に８００Ω以上のインピーダンスを有する請求項３記載の電磁界分布調整装置。
前記電磁波によって順方向のバイアスが印加された場合、前記ダイオードの等価回路が、３Ωの抵抗と１．６ｎＨのインダクタンスとを有する直列回路であり、前記電磁波によって逆方向のバイアスが印加された場合、前記ダイオードの等価回路が、１０ＭΩの抵抗と０．２２ｐＦのキャパシタンスとを有する並列回路である請求項４に記載の電磁界分布調整装置。
被加熱物を収容する加熱室と、
マイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波を前記加熱室まで導くように構成された導波管と、
前記加熱室内の壁面の少なくとも一部の２次元領域に設けられた、請求項１に記載の電磁界分布調整装置と、
を備えたマイクロ波加熱装置。