WO2017022712A1 - 電磁波加熱装置 - Google Patents

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electromagnetic wave
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池田　裕二
誠士 神原
實 牧田
由和 佐藤
健一郎 三谷
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イマジニアリング株式会社
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    • H05B2206/04—Heating using microwaves

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic wave heating device such as a microwave oven.
  • an electromagnetic wave heating device such as a microwave oven.
  • it uses a plurality of array antennas that radiate electromagnetic waves such as microwaves to heat food. It automatically recognizes the shape of the object to be heated and emits electromagnetic waves according to the shape.
  • the present invention relates to an electromagnetic wave heating apparatus for heating a heated object.
  • An electromagnetic wave that automatically recognizes the shape and temperature distribution of the object to be heated (food, etc.) and controls the directivity of the microwave radiation antenna according to the result, thereby performing heating suitable for the shape of the object to be heated Heating devices are known.
  • the temperature distribution of an object to be heated is measured by an infrared sensor provided in the upper part of the heating chamber, and based on the result, two rotary antennas provided on the lower surface side of the heating chamber are used.
  • a microwave heating apparatus that radiates microwaves having directivity using an object to be heated.
  • the present invention has been made in view of this point.
  • An electromagnetic wave heating device of the present invention includes a heating chamber, a planar antenna that is disposed on a wall surface of the heating chamber and radiates electromagnetic waves for heating an object to be heated in the heating chamber, and a control device that controls the operation of the planar antenna.
  • the planar antenna is composed of a plurality of antennas arranged in an array, and the control device determines the shape or temperature distribution of the object to be heated based on the reflected power generated when electromagnetic waves are radiated from the plurality of antennas. Based on the detection result, the magnitude of the microwaves fed to each of the plurality of antennas is determined.
  • the shape of the object to be heated can be automatically recognized, and the object to be heated can be locally heated by radiating electromagnetic waves according to the shape. Furthermore, instead of using a plurality of elements (for example, an infrared sensor and a rotating antenna) as in the prior art, the shape recognition and heating of the object to be heated can be performed by one element (array antenna). The size can be reduced.
  • a plurality of elements for example, an infrared sensor and a rotating antenna
  • a microwave oven 10 as an example of an electromagnetic wave heating device according to the present invention includes a heating chamber 2 that accommodates an object to be heated, and planar antennas 1A to 1D that are disposed on upper, lower, left, and right wall surfaces of the heating chamber.
  • An oscillator 3 that generates a microwave
  • a switch 4A that switches a supply destination of the microwave input from the oscillator 3
  • a switch 4B that switches a supply destination of the microwave input from the switch 4A
  • the control device 5 that controls each switch 4 and the coaxial line 6 that connects each switch 4 and each planar antenna 1 are provided.
  • the switch 4A is for selecting one or more of the switch 4B and the planar antennas 1B, 1C, and 1D as microwave output destinations.
  • Each planar antenna 1 is formed by arranging a plurality of small antennas 11 in an array as will be described later.
  • the switch 4B is for selecting the small antenna 11 in the planar antenna 1A as a microwave output destination.
  • Each of the planar antennas 1A to 1D is provided on a metal wall via a heat-resistant insulator such as ceramics. Further, a mounting table for placing an object to be heated is also formed of a heat-resistant insulator such as ceramics, and is provided on the upper side of the planar antenna 1B provided on the lower wall surface side.
  • control apparatus 5 uses the reflected power produced when radiating
  • each planar antenna 1 includes 16 small antennas 11A to 11P arranged in an array of 4 columns ⁇ 4 rows.
  • microwaves are serially fed from the switch 4B to the lines (for each row).
  • the first output terminal of the switch 4B is connected to four small antennas 11A to 11D in the first row of the planar antenna 1A, and the second output terminal of the switch 4B is 4 in the second row of the planar antenna 1A.
  • the distance between each antenna and the switch is different. That is, since the length from the oscillator 3 to the antenna 11 is different, the optimum operating frequency is different.
  • the small antenna 11 to be turned on in the planar antenna 1 can be switched by changing the frequency of the microwave applied to the planar antenna 1.
  • the control device 5 monitors the magnitude of the reflected power, so that the shape of the object to be heated can be automatically recognized.
  • the planar antenna 1 has 16 spiral metal patterns formed on the surface of an insulating substrate 12 such as ceramic. Each of the metal patterns forms one small antenna 11.
  • Each small antenna 11 is formed in a spiral shape around a power receiving end 11a to which microwaves are input, and is formed such that the distance from the power receiving end 11a to the open end 11b is approximately a quarter wavelength of the microwave. . Further, a through hole is formed in the substrate 12 at the position of the power receiving end 11 a of each small antenna 11. The through hole is filled with a via, and the metal pattern of the substrate 12 and the metal pattern of the second substrate 13 are connected through the via.
  • the switch 4 includes an input terminal 41 (input unit), a plurality of output terminals 42 (output unit), and a plurality of branch transmission lines 45 (transmission unit).
  • the microwave output from the oscillator 3 is input to the input terminal 41.
  • the microwaves output from each output terminal 42 are connected to the feeding point 14 of each planar antenna 1.
  • the branch transmission line 45 is provided corresponding to the output terminal 42.
  • the input terminal 41 is grounded via the input side ground line 43.
  • Each branch transmission line 45 includes switching means 46 for switching between an on state in which microwaves are allowed to pass and an off state in which microwaves are not allowed to pass.
  • Each switching means 46 includes a transmission-side diode 63 and a ground-side diode 65 configured by PIN diodes or the like.
  • Each branch transmission line 45 is provided with a capacitor 51 and a capacitor 52 in order from the input terminal 41 side.
  • the transmission side diode 63 has a cathode connected to the input terminal 41 side and an anode connected to the first strip line 71.
  • a bias line 64 is provided on the anode side (first strip line 71) of the transmission side diode 63, and the other end of the bias line 64 is connected to the signal input unit 81.
  • a capacitor 51 is connected to the output terminal 42 side of the first strip line 71.
  • a second strip line 72 is connected to the output terminal 42 side of the capacitor 51.
  • the ground side diode 65 has a cathode grounded and an anode connected to the second strip line 72.
  • a bias line 66 is provided on the anode side (second strip line 72) of the ground side diode 65, and the other end of the bias line 66 is connected to the signal input unit 82.
  • An inductor 67 is provided on the transmission-side bias line 64, and both ends of the inductor 67 are grounded via capacitors 68 and 69.
  • the ground side bias line 66 is provided with an inductor 77, and both ends of the inductor 77 are grounded via capacitors 78 and 79.
  • the input side ground line 43 branches into a plurality of branch ground lines.
  • 48 as the branch ground line to be removed, the electrical length to the oscillator 3 can be adjusted. Therefore, it is possible to adjust the circuit impedance error due to assembly errors during manufacturing and variations in parts even at the final stage of manufacturing.
  • a positive bias voltage is applied to the signal input unit 81 of the transmission side bias line 64, while the signal input of the ground side bias line 66 is applied.
  • the unit 82 outputs a negative bias voltage.
  • a negative bias voltage is applied to the signal input unit 81 of the transmission side bias line 64, while the signal input of the ground side bias line 66 is applied.
  • the unit 82 outputs a positive bias voltage.
  • the output-side transmission line 45a becomes conductive and the non-output-side transmission line 45b is cut off, so that the microwave input to the input terminal 41 is not transmitted to the output-side transmission line. It is output from the output terminal 42 via 45a.
  • the present invention is useful for an electromagnetic wave heating device such as a microwave oven.

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Abstract

【課題】装置の大型化を伴うことなく、被加熱物の形状を自動的に認識して、その形状に応じた電磁波を放射することで被加熱物を局所的に加熱する。電磁波加熱装置は、加熱室と、加熱室の壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、平面アンテナの動作を制御する制御装置を備え、平面アンテナは、アレイ状に配置された複数のアンテナからなり、制御装置は、前記複数のアンテナから電磁波を放射した際に発生する反射電力に基づいて、前記被加熱物の形状又は温度分布を検出し、その検出結果に基づいて、前記複数のアンテナのそれぞれに給電するマイクロ波の大きさを決定する。

Description

電磁波加熱装置
　本発明は、電子レンジ等の電磁波加熱装置に関する。特に、マイクロ波等の電磁波を放射する複数のアレーアンテナを用いて食品を加熱するものであり、被加熱物の形状を自動的に認識して、その形状に応じた電磁波を放射することで被加熱物を加熱する電磁波加熱装置に関する。
　被加熱物（食品など）の形状や温度分布を自動的に認識し、その結果に応じてマイクロ波放射アンテナの指向性を制御することで、被加熱物の形状等に適した加熱を行う電磁波加熱装置が知られている。例えば、特許文献１では、加熱室の上部に設けられた赤外センサにより被加熱物の温度分布を計測し、その結果に基づいて、加熱室の下面側に設けられた２つの回転式アンテナを用いて指向性を持たせたマイクロ波を被加熱物に放射する、マイクロ波加熱装置が開示されている。
特開２００８－２９２０８８号公報
　特許文献１のマイクロ波加熱装置では、赤外線センサを加熱室の上面側の壁面に配置しているので、例えば被加熱物の下面や側面の温度分布の計測が困難である。従って、温度分布の計測結果を、被加熱物の下面側や側面側のアンテナからの電磁波放射制御に生かすことができない。
　また、特許文献１では、２個の回転アンテナを用いることにより、被加熱物に放射するマイクロ波に指向性を与えている。しかし、２個の回転アンテナのみでは放射マイクロ波の指向性の制御には限界がある。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。
　本発明の電磁波加熱装置は、加熱室と、加熱室の壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、平面アンテナの動作を制御する制御装置を備え、平面アンテナは、アレイ状に配置された複数のアンテナからなり、制御装置は、前記複数のアンテナから電磁波を放射した際に発生する反射電力に基づいて、前記被加熱物の形状又は温度分布を検出し、その検出結果に基づいて、前記複数のアンテナのそれぞれに給電するマイクロ波の大きさを決定する。
　本発明によれば、被加熱物の形状を自動的に認識して、その形状に応じた電磁波を放射することで被加熱物を局所的に加熱することができる。更には、従来のように複数の素子（例えば、赤外線センサと回転アンテナ）を用いるのではなく、一つの素子（アレイアンテナ）により、被加熱物の形状認識と加熱とを行えるので、電磁波加熱装置の小型化も図れる。
実施形態に係る電子レンジの概略構成図である。 実施形態に係る電子レンジの平面アンテナの概略構成図である。 実施形態に係る平面アンテナの正面図である。 実施形態に係る切替器の概略構成図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
　図１を参照して、本発明に係る電磁波加熱装置の一例である電子レンジ１０は、被加熱物を収容する加熱室２と、加熱室の上下左右の壁面に配置される平面アンテナ１Ａ～１Ｄと、マイクロ波を生成する発振器３と、発振器３から入力されたマイクロ波の供給先を切り替える切替器４Ａと、切替器４Ａから入力されたマイクロ波の供給先を切り替える切替器４Ｂと、発振器３、各切替器４を制御する制御装置５と、各切替器４と各平面アンテナ１を接続する同軸線路６を備える。切替器４Ａは、マイクロ波の出力先として、切替器４Ｂ、平面アンテナ１Ｂ、１Ｃ、１Ｄの何れか１つ又は複数を選択するためのものである。また、各平面アンテナ１は、後述するように、複数の小アンテナ１１がアレイ状に配置されて形成される。そして、切替器４Ｂは、マイクロ波の出力先として、平面アンテナ１Ａ内の小アンテナ１１を選択するためのものである。
　各平面アンテナ１Ａ～１Ｄは、セラミックス等の耐熱性のある絶縁体を介して金属製の壁面にそれぞれ配備される。また、被加熱物を置くための載置台もセラミックス等の耐熱性のある絶縁体で形成され、下の壁面側に配備される平面アンテナ１Ｂの上側に配備される。
　そして、制御装置５は、平面アンテナ１Ａのそれぞれの小アンテナ１１からマイクロ波を放射する際に生じる反射電力を用いて、上記載置台の上に置かれた被加熱物（食品）の形状又は温度分布を検出し、その検出結果に基づいて、小アンテナ１１のそれぞれに給電するマイクロ波の大きさを決定する。
　図２を参照して、各平面アンテナ１は、１６個の小型アンテナ１１Ａ～１１Ｐが、４列×４行のアレイ状に配置される。平面アンテナ１Ａは、ライン（行ごと）にマイクロ波が切替器４Ｂから直列給電される。例えば、切替器４Ｂの第１出力端子は平面アンテナ１Ａの第１行にある４つ小型アンテナ１１Ａ～１１Ｄと接続し、切替器４Ｂの第２出力端子は平面アンテナ１Ａの第２行にある４つ小型アンテナ１１Ｅ～１１Ｈと接続する。つまり、同じ行にある小アンテナ１１に関して言えば、それぞれのアンテナと切替器までの距離が異なる。つまり、発振器３からアンテナ１１までの長さがそれぞれ異なるので、最適な動作周波数がそれぞれ異なる。このことを逆に利用して、平面アンテナ１に与えるマイクロ波の周波数を変化させて、平面アンテナ１内においてＯＮとすべき小アンテナ１１を切り替えることができる。
　また、平面アンテナ１Ａの上側にある載置台の上に被加熱物（食品）が置かれた場合、平面アンテナ１Ａの各アンテナ１１から放射されたマイクロ波の一部は、被加熱物での反射等により平面アンテナ１Ａへ戻る。そこで、この反射電力の大きさを制御装置５がモニタリングすることにより、被加熱物の形状を自動的に認識することもできる。
　図３を参照して、平面アンテナ１は、セラミック等の絶縁性基板１２の表面に渦巻き状の金属パターンが１６個形成されている。金属パターンのそれぞれは１つの小アンテナ１１を形成する。
　図示しない背面側の第２基板には、切替器４Ｂからのマイクロ波を受ける給電点が４つ形成される。そして、図２を参照して、平面アンテナ１の行ごとに４つの給電点からそれぞれの小アンテナ１１にマイクロ波を伝送するための金属パターンが表面に形成される。
　各小アンテナ１１は、マイクロ波が入力される受電端１１ａを中心に渦巻き状に形成され、受電端１１ａから開放端１１ｂの距離がマイクロ波のおおよそ４分の１波長となるように形成される。また、基板１２には、各小アンテナ１１の受電端１１ａの位置において貫通孔が形成されている。この貫通孔にはビアが充填され、このビアを介して基板１２の金属パターンと第２基板１３の金属パターンが接続される。
　図５を参照して、切替器４は、入力端子４１（入力部）、複数の出力端子４２（出力部）、及び複数の分岐伝送ライン４５（伝送部）を備える。入力端子４１には、発振器３から出力されたマイクロ波が入力される。各出力端子４２から出力されるマイクロ波は、各平面アンテナ１の給電点１４に接続される。分岐伝送ライン４５は、出力端子４２に対応して設けられる。入力端子４１は、入力側接地ライン４３を介して、接地されている。
　各分岐伝送ライン４５は、マイクロ波を通過させるオン状態と、通過させないオフ状態を切り替えるための切替手段４６を備える。各切替手段４６は、ＰＩＮダイオード等で構成される伝送側ダイオード６３と接地側ダイオード６５を備える。各分岐伝送ライン４５には、入力端子４１側から順に、コンデンサー５１とコンデンサー５２が設けられる。
　伝送側ダイオード６３は、カソードが入力端子４１側、アノードが第１ストリップライン７１に接続される。伝送側ダイオード６３のアノード側（第１ストリップライン７１）には、バイアスライン６４が設けられ、このバイアスライン６４の他端は信号入力部８１に接続される。第１ストリップライン７１の出力端子４２側にはコンデンサー５１が接続される。コンデンサー５１の出力端子４２側には、第２ストリップライン７２が接続される。
　接地側ダイオード６５は、カソードが接地され、アノードが第２ストリップライン７２に接続される。接地側ダイオード６５のアノード側（第２ストリップライン７２）にはバイアスライン６６が設けられ、このバイアスライン６６の他端は信号入力部８２に接続される。
　伝送側のバイアスライン６４には、インダクター６７が設けられ、インダクター６７の両端はコンデンサー６８，６９を介して接地される。接地側のバイアスライン６６には、インダクター７７が設けられ、インダクター７７の両端はコンデンサー７８，７９を介して接地される。
　入力側接地ライン４３は、複数の分岐接地ラインに分岐する。取り除く分岐接地ラインが４８を選択することにより、発振器３までの電気長を調整できる。従って、製造時の組み立て誤差や部品のバラツキに起因する、回路インピーダンス誤差に対する調整を製造の最終段階においても行うことができる。
　マイクロ波を出力させる出力端子４２に対応する分岐伝送ライン４５ａに対しては、その伝送側バイアスライン６４の信号入力部８１にプラスのバイアス電圧を印加する一方、その接地側バイアスライン６６の信号入力部８２にはマイナスのバイアス電圧を出力する。これにより、出力側伝送ライン４５ａでは、順バイアスが印加された伝送側ダイオード６３が導通し、逆バイアスが印加された接地側ダイオード６５が遮断される。
　マイクロ波を出力させない出力端子４２に対応する分岐伝送ライン４５ｂに対しては、その伝送側バイアスライン６４の信号入力部８１にマイナスのバイアス電圧を印加する一方、その接地側バイアスライン６６の信号入力部８２にはプラスのバイアス電圧を出力する。これにより、非出力側伝送ライン４５ｂでは、逆バイアスが印加された伝送側ダイオード６３が遮断され、順バイアスが印加された接地側ダイオード６５が導通する。
　これらの結果、入力端子４１から見て、出力側伝送ライン４５ａが導通し、非出力側伝送ライン４５ｂが遮断された状態になるので、入力端子４１に入力されたマイクロ波は、出力側伝送ライン４５ａを介して出力端子４２から出力される。　
　以上説明したように、本発明は、電子レンジ等の電磁波加熱装置について有用である。
　１　　平面アンテナ
　２　　加熱室
　３　　発振器
　４　　切替器
　５　　制御装置
　６　　同軸線路
　１１　小型アンテナ
　１２　第１基板
　１３　第２基板
　１４　給電点
 

Claims (2)

  1. 　加熱室と、
    　加熱室の壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、
    　平面アンテナの動作を制御する制御装置を備え、
    　平面アンテナは、アレイ状に配置された複数のアンテナからなり、
    　制御装置は、
    　前記複数のアンテナから電磁波を放射した際に発生する反射電力に基づいて、前記被加熱物の形状又は温度分布を検出し、
    　その検出結果に基づいて、前記複数のアンテナのそれぞれに給電するマイクロ波の大きさを決定する、電磁波加熱装置。
  2. 　前記複数のアンテナを選択するための切替器を更に備え、
    　該切替器は、
    　電磁波を入力する入力部と、
    　前記電磁波を出力する複数の出力部を有し、
    　前記制御装置は、
    　前記検出結果に基づいて、該切替器の制御を行う、請求項１記載の電磁波加熱装置。
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