WO2013094175A1 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

　本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室１０３と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波を伝送する導波部２０１と、加熱室１０３内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部１０２とを備え、マイクロ波放射部は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向に複数有しており、複数のマイクロ波放射部から放射されたマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に広がるように構成されている。

Description

マイクロ波加熱装置

　本発明は、被加熱物にマイクロ波を放射して誘電加熱する電子レンジ等のマイクロ波加熱装置に関し、特にマイクロ波放射部の構造に特徴を有するマイクロ波加熱装置に関するものである。

　マイクロ波により対象物を加熱処理するマイクロ波加熱装置の代表的な装置としては、電子レンジがある。電子レンジにおいては、マイクロ波発生器において発生したマイクロ波が金属製の加熱室の内部に放射され、加熱室内部の対象物である被加熱物が放射されたマイクロ波により誘電加熱される。

　従来の電子レンジにおけるマイクロ波発生器としては、マグネトロンが用いられている。マグネトロンにより生成されたマイクロ波は、導波管を介して加熱室内部に放射される。加熱室内部におけるマイクロ波の電磁界分布（マイクロ波分布）が不均一であると、被加熱物を均一にマイクロ波加熱することができない。

　加熱室内部の被加熱物を均一に加熱する手段として、被加熱物を載置するテーブルを回転させて被加熱物を回転させる構成、被加熱物を固定してマイクロ波を放射するアンテナを回転させる構成、または位相器によってマイクロ波発生器から発生するマイクロ波の位相を変化させる構成など、何らかの駆動機構を用いて被加熱物に放射されるマイクロ波の向きを変えながら加熱して、被加熱物に対する均一加熱を図る方法が一般的であった。

　一方、構成を簡単にするために駆動機構を持たずに均一加熱する方法が期待されており、時間的に電界の偏波面が回転する円偏波を利用する方法が提案されている。本来、誘電加熱は誘電損失を有する被加熱物をマイクロ波の電界によって加熱する原理に基づくため、電界が回転する円偏波を用いることは加熱の均一化に効果があるものと考えられる。

　例えば、具体的な円偏波の発生方法としては、米国特許第４３０１３４７号明細書（特許文献１）には、図１２に示すように、導波管１２００上で交差するＸ字型の円偏波開口１２０２を用いる構成が示されている。また、特許第３５１０５２３号公報（特許文献２）には、図１３に示すように、導波管１３００上で直交する方向に延設された二つの長方スリット状の開口１３０１を対向させつつも離して配置する構成が示されている。さらに、特開２００５－２３５７７２号公報（特許文献３）には、図１４に示すように、マグネトロン１４０４からのマイクロ波が伝送する導波管１４００にパッチアンテナ１４０１が結合されており、そのパッチアンテナ１４０１の平面部分に切り欠き１４０２を形成して円偏波を発生させる構成が示されている。

　例えば、従来のマイクロ波加熱装置では、導波管内部に回転可能なアンテナ、アンテナシャフトなどが配置されており、アンテナモータによって当該アンテナを回転させながらマグネトロンを駆動することにより、加熱室内のマイクロ波分布の不均一さを低減する構成を有するものがあった。

　また、特開昭６２－６４０９３号公報（特許文献４）には、マグネトロンの下部に回転アンテナを設け、当該回転アンテナの羽根に送風ファンからの冷却風をあてることにより、送風ファンの風力により回転アンテナを回転させて、加熱室内のマイクロ波分布を変化させているマイクロ波加熱装置が提案されている。

　位相器を有する例としては、マイクロ波加熱による被加熱物の加熱ムラの低減を図ると共に、給電部の省スペース化を図ったマイクロ波加熱装置が特許文献１に記載されている。特許文献１には、図１２に示すように、回転式の位相シフター１２０１を有し、加熱室内部に円偏波を放射する単一のマイクロ波放射部１２０２を備えたマイクロ波加熱装置が提案されている。

米国特許第４３０１３４７号明細書 特許第３５１０５２３号公報 特開２００５－２３５７７２号公報 特開昭６２－６４０９３号公報

　前述の従来構成の電子レンジのようなマイクロ波加熱装置においては、できるだけ簡易的な構造を有し、被加熱物を効率良く、ムラ無く加熱することが求められている。しかし、これまで提案されていた従来の構成においては、満足出来るものではなく、構造上、効率化および均一化などの点で種々の問題を有していた。

　また、マイクロ波加熱装置、特に、電子レンジにおいては、高出力化の技術開発が進み、日本国内では定格高周波出力１０００Ｗの製品が商品化されている。電子レンジは、熱伝導によって食品を加熱するのではなく、誘電加熱を用いて直接食品を加熱できる利便性がこの商品の大きな特徴である。しかし、電子レンジにおいて、不均一加熱が未解決な状態においての高出力化は不均一加熱をより顕在化させるという大きな問題を抱えている。

　前記従来の構成において、駆動機構を有するマイクロ波加熱装置が抱える構造上の課題としては、下記の３点が挙げられる。

　１点目は、加熱ムラを低減するためにテーブルまたはアンテナを回転させるための駆動機構を必要としており、このためテーブルまたはアンテナのための回転スペース、およびテーブルまたはアンテナを回転させるモータなどの駆動源ための設置スペースを確保しなければならず、マイクロ波加熱装置の小型化を阻害していたことである。

　２点目は、アンテナを安定的に回転させるために、当該アンテナを加熱室の上部または下部に設ける必要があり、構造的に制限されていたことである。

　３点目は、水蒸気加熱や熱風加熱などの種々の加熱機能を有する電子レンジの登場により、電子レンジの筐体内部に多くの構成部品が必要となることである。またこのような電子レンジにおいては、筐体内部の制御部品などからの発熱量が多いため、十分な冷却性能を実現するために冷却風路を筐体内部に確保する必要があり、導波管およびマイクロ波放射部の設置位置が制限され、加熱室内のマイクロ波分布が不均一になってしまうという課題がある。

　さらに、従来のマイクロ波加熱装置における加熱室に通じる、マイクロ波が照射される空間（アプリケータ）内には、テーブルまたは位相器の回転機構などが設置されており、このような機構の設置は、マイクロ波による放電現象を引起こし、装置としての信頼性を低下させていた。したがって、これらの機構を不要とするマイクロ波加熱装置が当分野においては要求されている。

　前述の円偏波を利用した従来のマイクロ波加熱装置は、特許文献１～３のいずれの場合においても、駆動機構を不要にできるほどの均一効果はないという課題を有していた。いずれの特許文献１～３においても、円偏波と駆動機構との相乗効果により従来の駆動機構のみの構成よりも均一化を図ることができるということが記載されているに過ぎない。

　具体的には、図１２に示した特許文献１では導波管１２００の終端に位相シフター１２０１と呼ばれる回転体を有しており、図１３に示した特許文献２では被加熱物を回転させるためのターンテーブルを有しており、図１４に示した特許文献３ではターンテーブル１４０３に加えてパッチアンテナ１４０１をも回転させて攪拌機として利用する構成を記載している。上記のように、いずれの特許文献１～３においても円偏波を用いれば駆動機構を不要にできるとは記載されていない。これは、単一のマイクロ波放射部から放射される円偏波のみで駆動機構を設けない場合には、一般的な駆動機構を有した構成、例えば被加熱物を載置するテーブルを回転させる構成や、アンテナを回転させる構成などの場合に比べて、マイクロ波の攪拌が不十分であるため、均一性が劣るためである。

　また、特許文献４の従来のマイクロ波加熱装置においては、送風ファンからの冷却風により回転アンテナを回転させる構成であり、回転機構がアプリケータ内に設けられている。このため、装置としての信頼性を低下させているとともに、加熱室内のマイクロ波分布の均一化においても課題を有していた。

　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、駆動機構を用いなることなく、被加熱物を均一に加熱できるマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。特に、図１２および図１３に示したように導波管の開口から円偏波を放射する場合、導波管の幅よりも外側には開口を設けることができないため、導波管の幅よりも外側の領域にマイクロ波を広げることができない構成である。本発明においては、導波管の幅方向にマイクロ波を広げることが可能な構成として、被加熱物を均一に加熱することができる構成を提供するものである。

　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ために、本発明に係るマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、
　マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
　マイクロ波を伝送する導波部と、
　前記加熱室内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部と、を備え
　前記マイクロ波放射部が、前記導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）に複数有するよう構成されている。

　上記のように構成された本発明に係るマイクロ波加熱装置は、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に並んで配置された複数のマイクロ波放射部から加熱室内にマイクロ波が放射される構成である。このため、本発明に係るマイクロ波加熱装置においては、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）にマイクロ波が広がり、加熱室内部において導波部の幅よりも外側の領域にもマイクロ波が放射され、駆動機構を用いなくても被加熱物の加熱分布を均一化することができる。

　本発明のマイクロ波加熱装置においては、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に配置した複数のマイクロ波放射部からマイクロ波が放射されるため、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向にマイクロ波が広がり、導波管の幅よりも外側の領域にもマイクロ波が放射され、駆動機構を用いることなく被加熱物の加熱分布を均一化することができる。

本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置の全体構成を示す斜視図 本発明に係る実施の形態１における導波部とマイクロ波放射部と加熱室を示す上面図およびマイクロ波放射部と導波部内の電界との関係を説明する側面図 本発明に係る実施の形態１における導波部内の電界と磁界と伝送方向との関係を説明する図 本発明に係る実施の形態１における導波部内の電界と磁界と電流の位相とマイクロ波放射部との関係を説明する図 本発明に係る実施の形態１における導波部内の電界の位相とマイクロ波放射部から放射されるマイクロ波の指向性の関係を説明する図 本発明に係る実施の形態２における導波部とマイクロ波放射部と加熱室を示す上面図およびマイクロ波放射部と導波部内の電界の関係を説明する側面図 本発明に係る実施の形態３における導波部とマイクロ波放射部と加熱室を示す上面図およびマイクロ波放射部と導波部内の電界の関係を説明する側面図 本発明に係る実施の形態３における導波部内の電界の位相とマイクロ波放射部から放射されるマイクロ波の指向性の関係を説明する図 本発明に係る実施の形態４における導波部とマイクロ波放射部と加熱室を示す上面図およびマイクロ波放射部と導波部内の電界の関係を説明する側面図 本発明に係る実施の形態５における導波部とマイクロ波放射部と加熱室を示す上面図およびマイクロ波放射部と導波部内の電界の関係を説明する側面図 本発明に係る実施の形態５におけるマイクロ波放射部の形状例を説明する図 Ｘ字型の開口で円偏波を発生させる従来のマイクロ波加熱装置の構成図 直交する二つの長方スリットで円偏波を発生させる従来のマイクロ波加熱装置の構成図 パッチアンテナで円偏波を発生させる従来のマイクロ波加熱装置の構成図

　本発明に係る第１の態様のマイクロ波加熱装置は、
　被加熱物を収納する加熱室と、
　マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
　マイクロ波を伝送する導波部と、
　前記加熱室内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部と、を備え
　前記マイクロ波放射部が、前記導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に複数有するよう構成されている。

　上記のように構成された本発明に係る第１の態様のマイクロ波加熱装置は、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に並んで配置された複数のマイクロ波放射部から加熱室内にマイクロ波が放射される構成である。このため、本発明に係るマイクロ波加熱装置においては、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）にマイクロ波が広がり、加熱室内部において導波部の幅よりも外側の領域にもマイクロ波が放射され、駆動機構を用いなくても被加熱物の加熱分布を均一化することができる。

　本発明に係る第２の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第１の態様の少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部内の電界の略腹位置に対応する位置に配置されている。このように構成された本発明に係る第２の態様のマイクロ波加熱装置は、導波部内のマイクロ波における略腹位置にマイクロ波放射部が配置されているため、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波は、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へさらに広がる構成となる。

　本発明に係る第３の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第１の態様または第２の態様の少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部内の電界の略同位相の位置に配置されている。このように構成された本発明に係る第３の態様のマイクロ波加熱装置は、略同位相に配置されたマイクロ波放射部からの直接波同士の打消し合いが弱くなり、より効率的な加熱を行うことが可能な構成となる。

　本発明に係る第４の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第１の態様乃至第３の態様のいずれかの態様の少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部における伝送方向に平行な中心軸に対称の位置に対向するよう配置されている。このように構成された本発明に係る第４の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がるとともに、さらなる円偏波のマイクロ波が確実に放射される構成となる。

　本発明に係る第５の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第２の態様における前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記導波部の終端部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／４の奇数倍である。このように構成された本発明に係る第５の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がる構成となる。

　本発明に係る第６の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第２の態様における前記導波部内に少なくとも１つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
　前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記整合部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／４の奇数倍である。このように構成された本発明に係る第６の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部の中心が電界の略腹位置に確実に配置され、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がる構成となる。

　本発明に係る第７の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第２の態様における前記導波部内に少なくとも１つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
　前記導波部の伝送方向において、前記整合部と、前記導波部の終端部との間に対応する位置に、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心を配置している。このように構成された本発明に係る第７の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部の中心が電界の略腹位置に配置され、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がる構成となる。

　本発明に係る第８の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第２の態様における前記導波部内に少なくとも２つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
　前記導波部の伝送方向において、隣接する前記整合部の間の対応する位置に、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心を配置している。このように構成された本発明に係る第８の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部の中心が電界の略腹位置に配置され、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がる構成となる。

　本発明に係る第９の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第２の態様における前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記マイクロ波発生部の出力部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／２の整数倍である。このように構成された本発明に係る第９の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部の中心が電界の略腹位置に配置され、マイクロ波放射部から放射されるマイクロ波が導波部の伝送および電界方向に対して直角方向へ広がる構成となる。

　本発明に係る第１０の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第１の態様乃至第９の態様における少なくとも１つの前記マイクロ波放射部が、円偏波を放射する構成である。このように構成された本発明に係る第１０の態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波放射部から円偏波が放射されて、マイクロ波放射部上の被加熱物に対して、周方向に均一な加熱ができる構成となる。

　以下、本発明に係るマイクロ波加熱装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態のマイクロ波加熱装置においては電子レンジについて説明するが、電子レンジは例示であり、本発明のマイクロ波加熱装置は電子レンジに限定されるものではなく、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などのマイクロ波加熱装置を含むものである。また、本発明は、以下の実施の形態の具体的な構成に限定されるものではなく、同様の技術的思想に基づく構成が本発明に含まれる。

　（実施の形態１）
　図１～図５は、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置である電子レンジに関する説明図である。

　図１は、実施の形態１のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１の全体構成を示す斜視図である。図２の（ａ）は、マイクロ波加熱装置１０１における加熱室１０３に対する、導波部２０１と、マイクロ波放射部１０２と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する図である。図２の（ｂ）は、導波部２０１における、マイクロ波放射部１０２と、導波部２０１内に発生した定在波２０４の位相(電界４０１の発生状態)と、導波部２０１の終端部２０３と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する図である。図３は、一般的な矩形導波管３０１の寸法と伝送モードとの関係を説明するための図である。図４は、矩形の導波部２０１内に生じる電界４０１、磁界４０２および電流４０３の関係を説明するための図である。図４において、（ａ）は矩形の導波部２０１における磁界４０２および電流４０３の状態を示す平面図であり、（ｂ）は矩形の導波部２０１における電界４０１およびマイクロ波放射部１０２の関係を示す側面図である。図５の（ａ）は、導波部２０１内部において、終端部２０３からの距離と定在波（電界４０１）の位相との関係を説明するための図であり、図５の（ｂ）は、マイクロ波放射部１０２が設けられた位置において、導波部２０１内の定在波の位相状態により、放射されるマイクロ波の広がりが変化することを説明するための図である。図５に示した結果は電磁界解析により求めた。

　実施の形態１の電子レンジ１０１は、被加熱物を収納可能な加熱室１０３と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波発生部２０２から放射されたマイクロ波を加熱室１０３に導く導波部２０１と、導波部２０１のＨ面（図３の導波管３０１のＨ面３０２参照）に設けた導波部２０１内のマイクロ波を加熱室１０３内に放射する複数のマイクロ波放射部１０２と、を有している。

　図１に示すように、電子レンジ１０１は、マイクロ波放射部１０２の上部をカバーしつつ被加熱物（図示なし）を載置する載置台１０４と、被加熱物の出し入れのためのドア１０５とを有する。実施の形態１において、載置台１０４は、ガラスやセラミックなどマイクロ波が透過しやすい材料で構成されている。

　なお、マイクロ波発生部２０２にはマグネトロン、導波部２０１には矩形導波管３０１、マイクロ波放射部１０２には導波部２０１に設けた開口部を用いることで上記の構成を容易に実現できる。

　最初に、実施の形態１のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１の概略動作について説明する。使用者により加熱室１０３内の載置台１０４上に被加熱物が載置され、当該電子レンジ１０１に対して加熱開始指示が実行されると、電子レンジ１０１においては、マイクロ波発生部２０２であるマグネトロンから導波部２０１内にマイクロ波が供給される。マイクロ波発生部２０２から導波部２０１内にマイクロ波が供給されると、加熱室１０３と導波部２０１とを連結しているマイクロ波放射部１０２を介して加熱室１０３内にマイクロ波が放射される。この結果、電子レンジ１０１においては被加熱物に対する加熱が行われる。

　なお、本発明の説明において、マイクロ波放射部１０２から放射され被加熱物を直接加熱するマイクロ波を直接波と呼び、加熱室１０３の内壁等で反射したマイクロ波を反射波と呼ぶ。

　次に、図３を用いて電子レンジに搭載される代表的な導波部２０１である矩形導波管３０１について説明する。最も単純で一般的な導波管は、図３に示すように、一定の長方形の断面（幅ａ×高さｂ）を伝送方向２０７に延ばした直方体で構成された矩形導波管３０１である。このような構成の矩形導波管３０１において、当該矩形導波管３０１に供給されるマイクロ波の波長をλとしたとき、導波管の幅ａを、λ＞ａ＞λ／２の範囲、および高さｂを、ｂ＜λ／２の範囲に選ぶことにより、ＴＥ１０モードでマイクロ波が導波管内を伝送することが知られている。

　ＴＥ１０モードとは、矩形導波管３０１内において、伝送方向２０７には磁界４０２成分のみが存在して、電界４０１成分がない、Ｈ波（ＴＥ波；電気的横波伝送：Transverse Electric Wave）における伝送モードのことを指す。なお、ＴＥ１０モード以外の伝送モードが電子レンジ１０１の導波部２０１に適用されることは殆どない。

　電子レンジ１０１において、マイクロ波発生部２０２から導波部２０１内に供給されるマイクロ波の波長λは約１２０ｍｍであり、導波部２０１としては、一般的には幅ａを８０～１００ｍｍ、高さｂを１５～４０ｍｍ程度に選ぶことが多い。

　このとき、図３の上下の面を磁界４０２が平行に渦巻く面という意味でＨ面３０２と呼び、左右の面を電界４０１に平行な面という意味でＥ面３０３と呼ぶ。なお、マイクロ波が導波管内を伝送されるときの波長は、管内波長λｇと表され、λｇ＝λ／√（１－（λ／（２×ａ））＾２）となり、幅ａ寸法によって変化するが、高さｂ寸法には無関係に決まる。なお、「＾２」は二乗を表すものとする。

　また、ＴＥ１０モードでは、導波部２０１の幅方向の両端（Ｅ面３０３）で電界４０１が０、幅方向の中央で電界４０１が最大となる。したがって、マイクロ波発生部２０２であるマグネトロンの出力部は電界４０１が最大となる導波部２０１の幅方向の中央に結合させる構成とする。

　次に、図２に示すように、導波部２０１として矩形導波管３０１（図３参照）を用いている場合、マイクロ波発生部２０２からの進行波と、導波部２０１の終端部２０３で反射した反射波とが互いに干渉して、導波部２０１内に定在波２０４が生じる。

　なお、マイクロ波放射部１０２が設けられている位置における、導波部２０１内に生じた定在波２０４（電界４０１）の位相状態によって、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波の広がり状態は変化する。このマイクロ波の広がりが変化する原理については、以下で説明する。

　まず、図４を用いて定在波２０４における電界４０１・磁界４０２・電流４０３の関係について説明する。進行波においては、電界４０１と磁界４０２の方向が９０°ずれており、位相は同一である。これに対し、定在波２０４においては、電界４０１と磁界４０２の方向が９０°ずれており、位相はπ／２ずれている。したがって、定在波２０４が発生している導波部２０１内の電界４０１と磁界４０２の関係は、図４に示すようになる。これは、定在波２０４の場合は、進行波が導波部２０１の終端部２０３で反射する際に、電界４０１の位相が１８０°ずれることが主な原因である。なお、電流４０３は導波部２０１の表面を磁界４０２に直交する方向に流れる。

　以下、定在波２０４が発生している導波部２０１のＨ面（図３に示す矩形導波管３０１のＨ面３０２）にマイクロ波放射部１０２が形成された場合における、マイクロ波の指向性についての原理説明を行なう。

　図４に示すように、導波部２０１内に生じた定在波２０４において、略腹位置２０５と略節位置２０６にマイクロ波放射部１０２が形成された場合について説明する。マイクロ波放射部１０２における電流４０３の伝送方向２０７成分と、伝送および電界方向に対して直角方向２０９成分とを考えた場合、略腹位置２０５に形成されたマイクロ波放射部１０２における電流４０３は伝送および電界方向に対して直角方向２０９成分が多い。このため、電流４０３の流れる方向と電界４０１が拡がる方向は同一であるため、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波は、伝送および電界方向に対して直角方向２０９に広がる。

　一方、略節位置２０６に形成されたマイクロ波放射部１０２における電流４０３には伝送方向２０７成分が多い。このため、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波は、伝送方向２０７に広がり、伝送および電界方向に対して直角方向２０９には広がらない状態となる。

　次に、マイクロ波放射部１０２が設けられている位置における、導波部２０１内の定在波２０４の電界４０１の位相と、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波の広がりとの関係を図５に示す。なお、図５は電磁界解析によって求めたものである。

　図５においては、定在波２０４の節位置を位相０°、１８０°、３６０°とし、腹位置を９０°および２７０°としており、位相約０°から約１８０°までを約４５°刻みで、マイクロ波放射部１０２から放射されるマイクロ波の分布を電磁界解析により求めた。なお、本解析では導波部２０１の終端部２０３からマイクロ波放射部１０２の中心までの距離を変えることにより、マイクロ波放射部１０２が設けられた位置において、導波部２０１内の定在波２０４の電界４０１の位相を変化させている。なお、図５中のλｇは、導波部２０１内の管内波長を示している。

　図５の（ｂ）に示すように、位相が約０°（図４の（ｂ）における略節位置２０６）の場合は、前述の原理説明と同様に、伝送方向２０７の広がりを有する。これに対して、位相を約４５°（λｇ／８）ずらしていくことによって、マイクロ波の指向性は、反時計回りに推移していき、位相が約９０°（図４の（ｂ）における略腹位置２０５）の場合に伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波の広がりを有する。これも前述の原理説明と一致している。

　上記のようにマイクロ波放射部１０２を導波部２０１内の略腹位置２０５に設けることにより、導波部２０１の幅よりも外側の領域にマイクロ波を広げることができ、加熱室１０３内の被加熱物を均一に加熱することが可能となる。

　次に、図５に示した解析結果の解析条件を以下に記載する。本解析では、図３に示した矩形導波管３０１を用いてマイクロ波発生部であるマグネトロンから発生したマイクロ波をＴＥ１０モードで伝送している。

　本解析における矩形導波管３０１は、電界方向２０８の寸法が３０ｍｍ、伝送および電界方向に対して直角な方向２０９の寸法が１００ｍｍとなっており、解析に用いたマイクロ波の周波数は２．４６ＧＨｚとした。

　また、マイクロ波の広がり方向を９０°変化させるために必要なマイクロ波放射部１０２の移動距離は、管内波長の約半分（約λｇ／２）であり、解析に用いたマイクロ波の周波数は２．４６ＧＨｚである。このため、マイクロ波の広がり方向を９０°変化させるために必要なマイクロ波放射部１０２の移動距離は、約６０ｍｍとなる。

　また、本解析で用いたマイクロ波放射部１０２の形状は、２本のスリットを各スリットの中央で直交させ、伝送方向２０７に対して各スリットを４５°傾けた構成とした。

　また、マイクロ波放射部１０２の数は１個、各スリットの長さは５５ｍｍ、図５の（ｂ）における表示データは実効放射電力である。

　次に、導波部２０１内の電界４０１の節位置について説明する。図２に示すような終端部２０３を備えた導波部２０１内をマイクロ波が伝送する場合、マイクロ波の伝送方向２０７に定在波２０４が形成される。導波部２０１は終端部２０３で閉じられているため、終端部２０３における振幅は０となる。マイクロ波発生部２０２の供給側（出力部）では、図２の（ｂ）に示すように振幅最大値を示す自由端となるため、導波部２０１内に生じる定在波２０４の波長は、図２におけるマイクロ波の伝送方向２０７の長さであるｃと、定在波モードを示す自然数ｓを用いて、下記の式（１）により簡易的に演算することができる。

　例えば、マイクロ波の伝送方向２０７の長さｃを２７５ｍｍとすると、定在波２０４の波長λｓ、定在波２０４の節間隔（λｓ／２）、および定在波２０４の波長λｓにおける発振周波数νは、それぞれ下記の表（１）のようになる（ν＝（光速）／λｓ）。

　　　　　　　　　　　　　　表１

　ここで、導波部２０１内に存在する定在波２０４は、マイクロ波発生部２０２が供給する発振周波数が基になった波である。したがって、マイクロ波発生部２０２の発振周波数が２．４５ＧＨｚである場合、導波部２０１内に存在する定在波２０４の数はマイクロ波発生部２０２の周波数に近い値が存在し易くなる。このため、前記の表１よりｓ＝５で、定在波２０４の節間隔（λｓ／２）が６１．１ｍｍとなる定在波２０４が存在することになる。また、定在波２０４の腹位置は、隣り合う節の中間に存在する。

　ただし、現実の導波部でマイクロ波発生部の供給側（出力部）の入口の状態（形状、構成の状態など）、および導波部の終端部の状態が理想状態とならない場合は演算値の前後の値も取り得るため（この場合はｓ＝４、ｓ＝６）、現実の正確な定在波２０４の波長λｓは導波部内の振幅を実測するのが確実である。

　次に、マイクロ波放射部１０２を通して、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波の干渉について説明する。

　任意の点でのマイクロ波の相互干渉は、各マイクロ波放射部１０２からのマイクロ波の広がり方向と任意の点までの距離の差、および加熱室１０３内でのマイクロ波の波長によって決定される。なお、加熱室１０３内での波長の１／２の偶数倍（０を含む）の時に強め合い、奇数倍の時に弱め合う。一般的な電子レンジ１０１に用いられるマイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚの場合、加熱室１０３内などの空気中での波長は、約１２０ｍｍである。

　図２に示す構成においては、略腹位置２０５に複数のマイクロ波放射部１０２を形成しており、各マイクロ波放射部１０２からはそれぞれ伝送および電界方向に対して直角方向２０９に広がりを持ったマイクロ波が放射されて、加熱室１０３内で相互干渉する。

　ここでは、伝送および電界方向に対して直角方向２０９にのみ距離を有し、略腹位置２０５に配置されている２個のマイクロ波放射部１０２からそれぞれ放射されるマイクロ波の干渉について説明する。各マイクロ波放射部１０２は略腹位置２０５に配置されて、伝送および電界方向に対して直角方向２０９に広がりを持っているため、伝送および電界方向に対して直角方向２０９において強く干渉が生じる。しかし、これらの２つのマイクロ波放射部１０２から放射されるマイクロ波の合成波の広がりが、伝送および電界方向に対して直角方向２０９となることに変わりはない。

　同様にして、伝送および電界方向に対して直角方向２０９と伝送方向２０７に距離を有し、略腹位置２０５に配置されている複数のマイクロ波放射部１０２についても、マイクロ波放射部１０２から放射されるマイクロ波の合成波の広がりが、伝送および電界方向に対して直角方向２０９となることに変わりはない。

　以下に、本発明に係る実施の形態１のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１における具体的な構成、作用、および効果について説明する。

　図２に示すように、実施の形態１のマイクロ波加熱装置における複数のマイクロ波放射部１０２の中心が、導波部２０１における伝送方向２０７に平行な中心軸に対称の位置に対向するよう配置されている。
　ここで、本発明のマイクロ波加熱装置は、図２に示した構成のように、マイクロ波加熱装置における複数のマイクロ波放射部１０２の中心が、導波部２０１における伝送方向２０７に平行な中心軸に対称の位置に対向するよう配置する必要は無く、マイクロ波放射部１０２は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（幅方向）に沿って複数配置されれば良いものである。例えば、導波部２０１における伝送方向２０７に平行な中心軸によって、分けられる一方の領域に複数のマイクロ波放射部１０２を配置してもよい。さらには、導波部２０１における伝送方向２０７に平行な中心軸によって、分けられる一方の領域に複数のマイクロ波放射部１０２を配置し、他方の領域に１つのマイクロ波放射部１０２を配置してもよい。
　さらに、図２に示すように、実施の形態１のマイクロ波加熱装置における複数のマイクロ波放射部１０２は、加熱室１０３の中央２１０に対して点対称となるように配置されている。導波部２０１における伝送方向２０７と平行な中心軸を間にして対向する２つのマイクロ波放射部１０２の間の距離は、加熱室１０３の中央２１０に近いマイクロ波放射部１０２の方が、加熱室１０３の中央２１０から離れて加熱室の壁面に近いマイクロ波放射部１０２の方より短く設定されている。

　また、前述した通り、マイクロ波発生部２０２の供給側（出力部）は、図２の（ｂ）に示すように、振幅最大値を示す自由端となるため、略腹位置２０５である。したがって、マイクロ波発生部２０２の出力部からマイクロ波放射部１０２の中心までの伝送方向２０７の距離は、導波部２０１内の管内波長λｇの約１／２の整数倍の位置であり、マイクロ波放射部１０２は略腹位置２０５に設けられている。実施の形態１における構成では、全てのマイクロ波放射部１０２を上記の距離となるように配置している。なお、マイクロ波放射部１０２の中心とは、マイクロ波の放射口の実質的な中心位置を示すものであり、例えば、マイクロ波放射部１０２が開口で構成されている場合には、その開口形状を同じ厚みの板材で構成したと仮定した場合において、その板材の重心位置を示すものである。

　したがって、実施の形態１における構成においては、略腹位置２０５に配置された複数のマイクロ波放射部１０２により、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波を広げることができ、駆動機構を用いることなく被加熱物を均一に加熱することができる。

　なお、本発明のマイクロ波加熱装置は、図２に示した構成のように、全てのマイクロ波放射部１０２を略腹位置２０５に配置する必要はなく、少なくとも２つのマイクロ波放射部１０２を略腹位置２０５に配置する構成であれば、実施の形態１の構成と同様の効果を奏するものであり、このような構成も本発明に含まれる。

　また、本発明のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部の数および配置は実施の形態１の構成に限定されるものではなく、マイクロ波加熱装置の仕様、構成などを考慮して適宜設定されるものである。また、マイクロ波放射部の配置に関しては、加熱室の中央２１０（図２参照）に対して非対称である場合や、マイクロ波放射部の形状としては、図２に示すような長方形以外の場合においても同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　（実施の形態２）
　次に、本発明に係る実施の形態２のマイクロ波加熱装置としての電子レンジについて図６を用いて説明する。図６は、実施の形態２のマイクロ波加熱装置である電子レンジに関する説明図である。図６において、前述の実施の形態１と実質的に同一の機能、動作を示す部分には同一番号を付与している。また、実施の形態２における基本的な動作は、実施の形態１における基本動作と同様であるので、実施の形態２においては実施の形態１と異なる点を主として、その動作および作用について説明する。

　図６は、マイクロ波放射部１０２と導波部２０１内に生じた定在波（電界４０１）の位相、および導波部２０１の終端部２０３とマイクロ波発生部２０２との位置関係を説明する図である。図６の（ａ）は、マイクロ波加熱装置１０１における加熱室１０３に対する、導波部２０１と、マイクロ波放射部１０２と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する平面図である。図６の（ｂ）は、導波部２０１における、マイクロ波放射部１０２と、導波部２０１内に発生した定在波２０４の位相(電界４０１の発生状態)と、導波部２０１の終端部２０３と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する側面図である。

　実施の形態２のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１は、被加熱物を収納する加熱室１０３と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波を伝送する導波部２０１と、加熱室１０３内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部１０２と、を備えている。実施の形態２におけるマイクロ波放射部１０２は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（幅方向）にのみ距離を有するように、複数配置する構成としている。また、各マイクロ波放射部１０２は、導波部２０１内の電界４０１の略同位相の位置であり、且つ略腹位置２０５に配置されている。

　また、前述した通り、導波部２０１の終端部２０３は、図６の（ｂ）に示すように、終端部２０３における振幅は０となるため略節位置２０６である。したがって、導波部２０１の終端部２０３からマイクロ波放射部１０２の中心までの伝送方向２０７の距離は、導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の長さであり、マイクロ波放射部１０２の中心は略腹位置２０５である。実施の形態２における構成では、それぞれのマイクロ波放射部１０２が、上記のように、終端部２０３からの長さが、導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の長さとなるように配置されている。

　前述の実施の形態１において図４を用いて説明したが、マイクロ波放射部１０２は、略腹位置２０５であっても、導波部２０１内の電界４０１の位相が異なると、電界４０１および磁界４０２の方向が逆となるため、マイクロ波の広がり方向も逆となる。したがって、マイクロ波放射部１０２の構成においては、導波部２０１の電界４０１の略同位相であり、且つ略腹位置２０５に少なくとも２つのマイクロ波放射部１０２を配置することにより、異なる位相であり、且つ略腹位置２０５に少なくとも２つのマイクロ波放射部１０２を配置した場合より、均一な加熱が可能となる。なお、導波部２０１内において、略腹位置２０５および略節位置２０６は経時的に大きく変化することはなく、電界４０１および磁界４０２の方向のみが半周期毎に反転する。

　以上のように、実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９に配置されており、略同位相の位置であり、且つ略腹位置２０５に配置された複数のマイクロ波放射部１０２により、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波を広げることができる。このため、実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、駆動機構を用いることなく、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。

　なお、図６示した構成のように、本発明のマイクロ波加熱装置においては、全てのマイクロ波放射部を略同位相の位置であり、且つ略腹位置に配置する必要はなく、少なくとも２つのマイクロ波放射部を略同位相の位置であり、且つ略腹位置に配置する構成であれば、実施の形態２の構成と同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　また、本発明のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部の数および配置は実施の形態２の構成に限定されるものではなく、マイクロ波加熱装置の仕様、構成などを考慮して適宜設定されるものである。また、マイクロ波放射部の配置に関しては、加熱室の中央２１０（図６参照）に対して非対称である場合や、マイクロ波放射部の形状に関して、図６に示すような楕円形以外の場合においても同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　（実施の形態３）
　次に、本発明に係る実施の形態３のマイクロ波加熱装置として電子レンジについて図７および図８を用いて説明する。図７および図８は、実施の形態３のマイクロ波加熱装置である電子レンジに関する説明図である。図７および図８において、前述の実施の形態１および実施の形態２と実質的に同一の機能、動作を示す部分には同一番号を付与している。また、実施の形態３における基本的な動作は、実施の形態１および実施の形態２における基本動作と同様であるので、実施の形態３においては他の実施の形態と異なる点を主として、その動作および作用について説明する。

　図７は、実施の形態３のマイクロ波加熱装置における、マイクロ波放射部１０２と導波部２０１内に生じた定在波（電界４０１）の位相との位置関係、および導波部２０１の終端部２０３とマイクロ波発生部２０２とインピーダンス調整用の整合部７０１との位置関係を説明する図である。図７の（ａ）は、マイクロ波加熱装置１０１における加熱室１０３に対する、導波部２０１と、マイクロ波放射部１０２と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する平面図である。図７の（ｂ）は、導波部２０１における、マイクロ波放射部１０２と、導波部２０１内に発生した定在波２０４の位相(電界４０１の発生状態)と、導波部２０１の終端部２０３と、整合部７０１と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する側面図である。

　実施の形態３の電子レンジ１０１におけるマイクロ波放射部１０２の形状としては、図７の（ａ）に示すように、２本のスリットを交差させた形状を有している。このため、実施の形態３におけるマイクロ波放射部１０２は加熱室１０３に対して円偏波を放射する構成である。

　図８の（ａ）は、インピーダンス調整用の整合部７０１からマイクロ波放射部１０２の中心までの距離と、導波部２０１内の定在波（電界４０１）の位相との関係を説明するための図である。図８の（ｂ）は、マイクロ波放射部１０２が設けられた位置において、導波部２０１内の定在波（電界４０１）の位相状態により、放射されるマイクロ波の指向性が変化することを説明するための図である。図８に示した結果は電磁界解析により求めた。

　最初に、実施の形態３のマイクロ波加熱装置において用いられているインピーダンス調整用の整合部７０１について説明する。

　図７に示すように、導波部２０１内の略節位置２０６に整合部７０１を配置すると、整合部７０１の位置で振幅０となり、定在波２０４の位相における電界４０１の略節位置２０６が整合部７０１において確実に形成される。実施の形態３においては整合部７０１としては円筒形状の金属を用いており、その金属面が固定端と同様の役割を果たしている。

　したがって、整合部７０１を電界４０１の略節位置２０６に配置することにより、マイクロ波放射部１０２からマイクロ波が加熱室１０３内に放射されて、導波部２０１内の電界分布が崩れる状態が発生して、再び安定した導波部２０１内の電界分布が形成される過程においても、導波部２０１内において略腹位置２０５および略節位置２０６を安定した位置に固定することが可能となる。なお、導波部２０１内の電界分布が崩れる要因としては、他に、加熱室１０３の内壁などで反射したマイクロ波がマイクロ波放射部１０２を通って、導波部２０１内に戻ってくることが挙げられる。このように導波部２０１内の電界分布が崩れたとしても、導波部２０１内においては略腹位置２０５および略節位置２０６が所定の位置に安定して形成される。

　また、実施の形態３の構成においては、隣り合う整合部７０１の間隔を、導波部２０１内の管内波長λｇの約１／２に設定することにより、整合部７０１により維持される導波部２０１内の電界分布を、存在し易い波長で無理なく形成することができる。このため、実施の形態３のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１においては、高効率でのマイクロ波伝送が可能となり、高効率かつ安定したマイクロ波加熱が可能となる。

　なお、実施の形態３の構成においては、整合部７０１の位置では振幅０となり略節位置２０６となるため、整合部７０１から導波部２０１内の管内波長λｇの約１／２の奇数倍の位置に略腹位置２０５が存在する。

　図７に示す構成においては、整合部７０１を導波部２０１の幅方向の中央（中心軸２１１上）に配置した例を示しているが、整合部７０１は導波部２０１の幅方向の中央からずれていても同様の効果を得ることができる。

　また、実施の形態３の構成においては、整合部７０１に円筒形状の金属を用いているため、整合部７０１を容易に実現することができる。なお、整合部７０１としては、振幅が０となる地点を作り出す構成であれば良く、例えば、導波部２０１の内壁に凹みをつけた構成や、四角柱形状の金属部材などを用いても良く、同様の効果を奏する。

　次に、マイクロ波放射部１０２の位置する、導波部２０１内の定在波２０４の電界４０１の位相と、導波部２０１から加熱室１０３へ放射されるマイクロ波の広がりとの関係を図８に示す。図８の（ａ）は、導波部２０１内部において、整合部７０１からマイクロ波放射部１０２の中心までの距離[×λｇ]と、定在波（電界４０１）の位相[deg.]との関係を説明するための図である。図８の（ｂ）は、マイクロ波放射部１０２が設けられた位置において、導波部２０１内の定在波の位相状態により、放射されるマイクロ波の広がりが変化することを説明するための図である。なお、図８は電磁界解析によって求めたものである。

　図８に関する説明は、前述の実施の形態１の図５の説明と同様であり、整合部７０１からマイクロ波放射部１０２の中心までの距離が管内波長λｇの約１／８長くなる毎に、導波部２０１内の電界４０１の位相が約４５°変化すること、および導波部２０１内の電界４０１の位相に準じて加熱室１０３内に放射されるマイクロ波の広がり方向も変化することを示している。

　図８の（ｂ）に示すように、位相が約０°（図７の（ｂ）における略節位置２０６）の場合は、前述の原理説明と同様に、伝送方向２０７の広がりを有する。これに対して、位相を約４５°（λｇ／８）ずらしていくことによって、マイクロ波の指向性は、反時計回りに推移していき、位相が約９０°（図７の（ｂ）における略腹位置２０５）の場合に伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波の広がりを有する。これも前述の原理説明と一致している。

　上記のようにマイクロ波放射部１０２を導波部２０１内の略腹位置２０５に設けることにより、導波部２０１の幅よりも外側の領域にマイクロ波を広げることができ、加熱室１０３内の被加熱物を均一に加熱することが可能となる。

　次に、本発明に係る実施の形態３のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１における具体的な構成、作用、および効果について説明する。
　図７に示すように、実施の形態３のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１は、被加熱物を収納する加熱室１０３と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波を伝送する導波部２０１と、インピーダンス調整用の整合部７０１と、加熱室１０３内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部１０２とを備えている。実施の形態１におけるマイクロ波放射部１０２は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（導波部２０１の幅方向）に沿って所定距離を有して複数配置されている。また、各マイクロ波放射部１０２は、導波部２０１内の電界４０１の略腹位置２０５に配置されている。

　また、実施の形態３の電子レンジ１０１においては、図７の（ｂ）に示すように、導波部２０１の終端部２０３と整合部７０１との間にマイクロ波放射部１０２を配置している。これは、導波部２０１の終端部２０３および整合部７０１における導波部２０１内の電界４０１の振幅は０であるため、終端部２０３および整合部７０１の位置が略節位置２０６となり、終端部２０３と整合部７０１との間に生じる電界４０１の略腹位置２０５にマイクロ波放射部１０２を配置するためである。さらに、整合部７０１からの距離が導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍となる略腹位置２０５にマイクロ波放射部１０２を配置している。

　なお、複数のマイクロ波放射部１０２を導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（幅方向）にのみ所定距離を有するように複数配置することにより、単一のマイクロ波放射部１０２によりマイクロ波を放射した場合よりも導波部２０１の幅方向へのマイクロ波の広がりを大きくすることか可能となる。

　以上のように、実施の形態３の電子レンジ１０１においては、導波部２０１の終端部２０３と整合部７０１との間、および整合部７０１から導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の位置にマイクロ波放射部１０２を配置している。さらに、実施の形態３の電子レンジ１０１においては、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９に複数のマイクロ波放射部１０２を配置することにより、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波を広げることができ、駆動機構を用いることなく被加熱物を均一に加熱することが可能な構成となる。

　なお、本発明のマイクロ波加熱装置においては、図７の（ａ）に示した構成のように、全てのマイクロ波放射部１０２を略腹位置２０５に配置する必要はなく、少なくとも２つのマイクロ波放射部１０２を、導波部２０１の終端部２０３と整合部７０１との間、および整合部７０１から導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の位置に配置する構成であれば、実施の形態３の構成と同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　また、本発明のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部の数および配置は実施の形態３の構成に限定されるものではなく、マイクロ波加熱装置の仕様、構成などを考慮して適宜設定されるものである。また、マイクロ波放射部の配置に関しては、加熱室の中央２１０（図７参照）に対して非対称である場合や、マイクロ波放射部の形状としては、図７に示すような２本のスリットを交差させた形状以外の場合においても同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　（実施の形態４）
　次に、本発明に係る実施の形態４のマイクロ波加熱装置としての電子レンジについて図９を用いて説明する。図９は、実施の形態４のマイクロ波加熱装置である電子レンジに関する説明図である。図９において、前述の実施の形態１から実施の形態３と実質的に同一の機能、動作を示す部分には同一番号を付与している。また、実施の形態４における基本的な動作は、実施の形態１から実施の形態３のマイクロ波加熱装置の基本動作と同様であるので、実施の形態４においては他の実施の形態と異なる点を主として、その動作および作用について説明する。

　図９は、マイクロ波放射部１０２と導波部２０１内に生じた定在波（電界４０１）の位相、および導波部２０１の終端部２０３とマイクロ波発生部２０２とインピーダンス調整用の整合部７０１との位置関係を説明する図である。図９の（ａ）は、マイクロ波加熱装置１０１における加熱室１０３に対する、導波部２０１と、マイクロ波放射部１０２と、整合部７０１と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する平面図である。図９の（ｂ）は、導波部２０１における、マイクロ波放射部１０２と、導波部２０１内に発生した定在波２０４の位相(電界４０１の発生状態)と、導波部２０１の終端部２０３と、整合部７０１と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する側面図である。

　最初に、実施の形態４のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１の構成について説明する。
　図９に示すように、実施の形態４の電子レンジ１０１は、被加熱物を収納する加熱室１０３と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波を伝送する導波部２０１と、複数のインピーダンス調整用の整合部７０１と、加熱室１０３内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部１０２とを備えている。実施の形態４におけるマイクロ波放射部１０２は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（幅方向）に距離を有するように、複数配置する構成としている。また、各マイクロ波放射部１０２は、導波部２０１内の電界４０１の略腹位置２０５に配置されている。

　また、実施の形態４の電子レンジ１０１においては、マイクロ波放射部１０２が２本のスリットをＶ字状に配置した形状を有している。このため、実施の形態４におけるマイクロ波放射部１０２は加熱室１０３に対して円偏波を放射する構成である。

　また、図９の（ｂ）に示すように、整合部７０１からの距離が導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍となる略腹位置２０５にマイクロ波放射部１０２が配置されている。

　図９に示すように、実施の形態４の構成においては、導波部２０１内の略節位置に、金属製の半球状の整合部７０１が配置されている。このように整合部７０１が配置されると、整合部７０１の位置で振幅０となり、定在波２０４の位相における電界４０１の略節位置２０６が整合部７０１において確実に形成される

　以上のように、実施の形態４のマイクロ波加熱装置においては、整合部７０１から導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の位置にマイクロ波放射部１０２を配置し、さらに、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９に複数のマイクロ波放射部１０２を配置することにより、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波を広げることができる。このため、実施の形態４のマイクロ波加熱装置においては、駆動機構を用いることなく、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。

　なお、図９示した構成のように、本発明のマイクロ波加熱装置においては、少なくとも２つのマイクロ波放射部を、整合部から導波部内の管内波長λｇの約１／４の奇数倍の位置に配置する構成であれば、実施の形態４の構成と同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　また、本発明のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部の数および位置は実施の形態４の構成に限定されるものではなく、マイクロ波加熱装置の仕様、構成などを考慮して適宜設定されるものであり、加熱室の中央２１０（図９の（ａ）参照）に対して非対称である構成や、マイクロ波放射部が２本のスリットを交差させた構成や、それ以外の形状を有する構成においても、指向性を有するマイクロ波放射が可能な構成であれば、実施の形態４の構成と同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　（実施の形態５）
　次に、本発明に係る実施の形態５のマイクロ波加熱装置として電子レンジを用いて説明する。図１０および図１１は、実施の形態５のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１の説明図である。図１０および図１１において、前述の実施の形態１から実施の形態４と実質的に同一の機能、動作を示す部分には同一番号を付与している。また、実施の形態５における基本的な動作は、実施の形態１から実施の形態４における基本動作と同様であるので、実施の形態５においては他の実施の形態と異なる点を主として、その動作および作用について説明する。

　図１０は、実施の形態５のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１における、マイクロ波放射部１０２と導波部２０１内に生じた定在波（電界４０１）の位相との位置関係、および導波部２０１の終端部２０３とマイクロ波発生部２０２とインピーダンス調整用の整合部７０１との位置関係を説明する図である。図１０の（ａ）は、電子レンジ１０１における加熱室１０３に対する、導波部２０１と、マイクロ波放射部１０２と、整合部７０１と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する平面図である。図１０の（ｂ）は、導波部２０１における、マイクロ波放射部１０２と、導波部２０１内に発生した定在波２０４の位相(電界４０１の発生状態)と、導波部２０１の終端部２０３と、整合部７０１と、マイクロ波発生部２０２と、の位置関係を説明する側面図である。

　図１１は、実施の形態５の電子レンジ１０１の構成において用いられる、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２の形状の例を示した図である。

　最初に、マイクロ波放射部１０２が放射する円偏波の特徴および円偏波を用いたマイクロ波加熱の利点について説明する。
　円偏波とは、移動通信および衛星通信の分野で広く用いられている技術であり、身近な使用例としては、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）「ノンストップ自動料金収受システム」などが挙げられる。円偏波は、電界４０１の偏波面が電波の進行方向に対して時間に応じて回転するマイクロ波であり、円偏波を形成すると電界４０１の方向が時間に応じて変化し続けるので、加熱室１０３内に放射されるマイクロ波の放射角度も変化し続け、時間的に電界強度の大きさが変化しないという特徴を有している。

　前記の特徴により、従来のマイクロ波加熱装置に用いられている直線偏波によるマイクロ波加熱と比較して、広範囲にわたってマイクロ波が分散放射されて、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。特に、円偏波の周方向に対して均一加熱の傾向が強い。なお、円偏波は回転方向から右旋偏波（ＣＷ：Clockwise）と左旋偏波（ＣＣＷ：Counter Clockwise）の２種類に分類されるが、加熱性能に違いはない。

　なお、円偏波に対して、導波部内のマイクロ波は電場および磁場の振動方向が一定方向であるのが直線偏波である。直線偏波を加熱室内に放射する従来のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波分布の不均一さを低減するために、被加熱物を載置するテーブルを回転させる機構や、導波部から加熱室へマイクロ波を放射するアンテナを回転させる機構などを設置する必要がある。

　したがって、実施の形態５のマイクロ波加熱装置においては、導波部２０１から加熱室１０３内に円偏波のマイクロ波を放射する構成であるため、従来の直線偏波を用いたマイクロ波加熱装置によるマイクロ波加熱で問題とされていた、直接波と反射波の干渉によって加熱室内に生じる定在波を緩和することが可能となり、均一なマイクロ波加熱を実現することができる。

　次に、円偏波の利用において、開放空間の通信分野と閉空間の加熱の分野では、いくつか異なる点があるので説明を加える。通信分野では、他のマイクロ波との混在を避けて必要な情報のみを送受信したいため、送信側は右旋偏波か左旋偏波のどちらかに限定して送信し、受信側もそれに合わせた最適な受信アンテナを選ぶことになる。

　一方、加熱の分野では、指向性を有する受信アンテナの代わりに特に指向性のない食品などの被加熱物がマイクロ波を受ける構成であるため、マイクロ波が全体に均等に当たることのみが重要となる。

　したがって、加熱の分野では右旋偏波と左旋偏波が混在しても問題はないが、被加熱物が配置された位置や、被加熱物の形状によって不均等な加熱分布になるのをできるだけ防ぐ必要がある。例えば、単一の円偏波開口を設けた場合には、被加熱物が円偏波開口の真上に配置されたときは良いが、円偏波開口の前後あるいは左右にずらした位置に配置されると、円偏波開口に近い部位が加熱されやすく、遠い部位は加熱されにくく、結果として被加熱物において加熱ムラが生じてしまう。したがって、マイクロ波加熱装置においては、円偏波開口は複数設けることが望ましい。

　実施の形態５のマイクロ波加熱装置においては、図１０に示したように、マイクロ波放射部１０２である円偏波開口は、導波部２０１の伝送方向２０７に４列が並んで形成され、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９に２列が並んで形成されており、合計で８つの円偏波開口が配置されている。特に、直角方向２０９に２列に並んだ対向する円偏波開口（マイクロ波放射部１０２）は、互いに偏波の方向が逆（右旋偏波および左旋偏波）になるが、このように配置することは通信分野では考えられないことであり、本発明において初めて実現させた構成であり、加熱分野ならでは特別な配置である。

　次に、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２のその他の形状について説明する。特に、ここでは、少なくとも２本以上のスリットにより構成されるマイクロ波放射部１０２について説明する。

　図１１の（ａ）～（ｆ）は、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２の形状の例を示した平面図である。図１１の（ａ）～（ｆ）に示すように、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２の形状としては、２本以上のスリットにより構成されており、このうちの少なくとも１本のスリットの長辺がマイクロ波の伝送方向２０７に対して傾いた形状となっていれば良い。したがって、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２としては、図１１の（ｅ）および（ｆ）のようにスリットが交差していない形状や、図１１の（ｄ）に示すように３本のスリットにより構成されている形状でも良い。

　なお、図１１に示すように、少なくとも２本のスリットにより構成されている円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２の最良な形状の条件としては以下の３点が挙げられる。

　１点目は、各スリットの長辺の長さは導波部２０１内の管内波長λｇの約１／４以上であることである。２点目は、２本のスリットはお互いに直交していることおよび伝送方向２０７に対して各スリットの長辺が傾斜（例えば、４５°）していることである。３点目は、導波部２０１の伝送方向２０７に平行であり、かつマイクロ波放射部１０２の中心を通る直線を軸として、電界４０１の分布が軸対照とならないことである。

　例えば、ＴＥ１０モードでマイクロ波を伝送している場合においては、導波部２０１における伝送方向２０７の中心軸２１１（図１０の（ａ）参照）を対称軸として電界４０１が分布しているので、それぞれのマイクロ波放射部１０２の形状が、導波部２０１における伝送方向２０７の中心軸２１１に対して軸対照とならないように配置することが条件となる。

　なお、実施の形態５のマイクロ波加熱装置においては、円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２を、二つの長孔（スリット）が交差する略Ｘ字状の構成としている。このように構成することにより、簡単な構成で確実に円偏波を放射することができる。

　なお、図７に示した前述の実施の形態３のマイクロ波加熱装置において示したように、各マイクロ波放射部１０２を長孔（スリット）を直交させずに傾斜させて構成することにより、Ｘ字が横（伝送方向２０７）に長く押しつぶされたような形状となる。このようなマイクロ波放射部１０２を用いた場合でも、円偏波を放射することが可能であり、円偏波開口の長孔を小さくすることなく、マイクロ波放射部１０２の中心をより導波部２０１の端部（左右側面壁）に寄せることができる。その結果、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波をさらに広げることが可能となり、駆動機構を用いることなく、被加熱物を均一に加熱することができる。

　なお、図１１の（ｅ）および（ｆ）に示したように、マイクロ波放射部１０２の構成としては、直線状の複数のスリットによりＴ字型やＸ字型で構成することが可能である。このため、図１３に示した前述の特許文献２のように、それぞれのスリットを離して配置するときにも応用できる。また、マイクロ波放射部１０２としては、図１３の（ｂ）に示したように、二つのスリットは直交関係でなくてもよく、例えば３０度程度なら傾けても形成しても良い。

　また、実施の形態５におけるマイクロ波放射部１０２を構成する長孔（スリット）の開口形状としては、長方形に限定されるものではない。例えば、開口部分のコーナーを曲線部分（Ｒ）で構成することや、開口部分を楕円状に構成することにより、放電の恐れがある鋭角な部分を無くして、円偏波を発生することも可能である。基本的な円偏波開口の考え方としては、一方向に長めのスリットと、その長めのスリットの一方向に対して斜行する方向、または直交する方向には短めのスリットと、を二つ組み合わせて構成されていればよい。

　次に、実施の形態５のマイクロ波加熱装置である電子レンジ１０１の構成について説明する。
　図１０に示すように、実施の形態５の電子レンジ１０１は、被加熱物を収納する加熱室１０３と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２０２と、マイクロ波を伝送する導波部２０１と、複数のインピーダンス調整用の整合部７０１と、加熱室１０３内に円偏波のマイクロ波を放射するマイクロ波放射部１０２とを備えている。実施の形態５におけるマイクロ波放射部１０２は、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９（幅方向）に距離を有するように複数配置する構成としている。また、各マイクロ波放射部１０２は、導波部２０１内の電界４０１の略腹位置２０５に配置されている。

　また、実施の形態５の電子レンジ１０１においては、図１０の（ｂ）に示すように、隣り合う整合部７０１と整合部７０１との間の位置にマイクロ波放射部１０２が配置されている。導波部２０１内において、整合部７０１の位置は、電界４０１の振幅が０であり、略節位置２０６である。このため、実施の形態５の電子レンジ１０１においては、整合部７０１と整合部７０１の間には電界４０１の略腹位置２０５が生じており、この略腹位置２０５にマイクロ波放射部１０２が確実に配置される。

　本発明に係る実施の形態５のマイクロ波加熱装置における円偏波を放射するマイクロ波放射部１０２は、前述の図３に示した導波部（３０１）における上下面である磁界４０２が平行に渦巻く面のＨ面３０２に所定の開口形状を形成して、加熱室１０３に対して確実に円偏波が放射されるよう構成されている。

　なお、前述の通り、直線偏波による加熱と比較して、円偏波による加熱は円周方向により均一に加熱することができる。特に、マイクロ波放射部１０２を、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９において対称となるように配置すると、渦の巻き方向が互いに逆方向になるので、導波部２０１の中央側での向きは同方向となり、打消し合うことがない。したがって、実施の形態５のマイクロ波加熱装置において、マイクロ波放射部１０２からは放射したマイクロ波を無駄することがなく、広げることができる。

　以上のように、実施の形態５のマイクロ波加熱装置においては、隣り合う整合部７０１と整合部７０１との間にマイクロ波放射部１０２を配置し、さらに、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９に複数のマイクロ波放射部１０２を配置することにより、導波部２０１の伝送および電界方向に対して直角方向２０９にマイクロ波を広げることができ、駆動機構を用いることなく、被加熱物を均一に加熱することができる。

　なお、図１０示した構成のように、本発明のマイクロ波加熱装置においては、全てのマイクロ波放射部を略腹位置に配置する必要はなく、少なくとも２つのマイクロ波放射部を、隣り合う整合部と整合部との間に配置する構成であれば、実施の形態５の構成と同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　また、本発明のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部の数および位置は実施の形態５の構成に限定されるものではなく、マイクロ波加熱装置の仕様、構成などを考慮して適宜設定されるものである。また、マイクロ波放射部の配置に関しては、加熱室の中央２１０（図１０参照）に対して非対称である場合も本発明に含まれるものである。

　さらに、本発明のマイクロ波加熱装置においては、円偏波を放射する少なくとも１つのマイクロ波放射部を略腹位置に配置していれば、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向にマイクロ波を広げることができ、同様の効果を奏し、本発明に含まれるものである。

　上記のように、本発明に係るマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、マイクロ波を伝送する導波部と、加熱室内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部と、を備えており、マイクロ波放射部が、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）に複数有するよう構成されている。

　上記のように構成された本発明に係るマイクロ波加熱装置は、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に並んで配置された複数のマイクロ波放射部から加熱室内にマイクロ波が放射される構成であるため、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）にマイクロ波が広がり、加熱室内部において導波部の幅よりも外側の領域にもマイクロ波が放射され、駆動機構を用いなくても被加熱物の加熱分布を均一化することができる。

　本発明に係るマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部が設けられている位置における、導波部内のマイクロ波の位相状態により、マイクロ波放射部から加熱室内に放射されるマイクロ波の広がる方向が変化している。特に、定在波の略腹位置にマイクロ波放射部を配置することにより、導波部の伝送および電界方向に対して直角方向（導波部の幅方向）にマイクロ波を広げること可能となり、駆動機構を設けることなく被加熱物の加熱分布を均一化することが可能となる。

　また、本発明に係るマイクロ波加熱装置においては、円偏波を放射するマイクロ波放射部を設けることにより、マイクロ波放射部から円偏波の特徴である拡がりを有するマイクロ波が加熱室内に放射され、被加熱物へのマイクロ波の放射をより広い範囲で均一化することができる。特に、円偏波によるマイクロ波加熱は、周方向に対しての均一加熱が期待できるものである。

　さらに、本発明に係るマイクロ波加熱装置においては、円偏波を放射するマイクロ波放射部を２本以上のスリットにより構成される形状とすることにより、被加熱物の均一加熱だけではなく、駆動機構が不要な簡易な構成で信頼性の高いマイクロ波給電部分（導波部＋マイクロ波放射部）の小型化を実現することができる。

　本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物への均一照射ができるため、個食食品の加熱加工や殺菌などを行う加熱装置などに有効に利用することができる。

　１０１　マイクロ波加熱装置（電子レンジ）
　１０２　マイクロ波放射部
　１０３　加熱室
　２０１　導波部
　２０２　マイクロ波発生部
　２０３　終端部
　２０５　略腹位置
　２０７　伝送方向
　２０９　伝送および電界方向に対して直角方向
　７０１　整合部

Claims (10)

1. 　被加熱物を収納する加熱室と、
   　マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
   　マイクロ波を伝送する導波部と、
   　前記加熱室内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部と、を備え
   　前記マイクロ波放射部が、前記導波部の伝送および電界方向に対して直角方向に複数有するよう構成されたマイクロ波加熱装置。
2. 　少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部内の電界の略腹位置に対応する位置に配置された請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 　少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部内の電界の略同位相の位置に配置された請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 　少なくとも２つの前記マイクロ波放射部の中心が、前記導波部における伝送方向に平行な中心軸に対称の位置に対向するよう配置された請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 　前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記導波部の終端部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／４の奇数倍である請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
6. 　前記導波部内に少なくとも１つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
   　前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記整合部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／４の奇数倍である請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
7. 　前記導波部内に少なくとも１つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
   　前記導波部の伝送方向において、前記整合部と、前記導波部の終端部との間に対応する位置に、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心を配置した請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
8. 　前記導波部内に少なくとも２つのインピーダンス調整用の整合部を有し、
   　前記導波部の伝送方向において、隣接する前記整合部の間の対応する位置に、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心を配置した請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
9. 　前記導波部の伝送方向において、少なくとも１つの前記マイクロ波放射部の中心から前記マイクロ波発生部の出力部までの距離が、前記導波部内における管内波長の約１／２の整数倍である請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
10. 　少なくとも１つの前記マイクロ波放射部が、円偏波を放射する構成である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。

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