WO2017163964A1

WO2017163964A1 - マイクロ波処理装置

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Publication number: WO2017163964A1
Application number: PCT/JP2017/009910
Authority: WO
Inventors: 大森　義治; 吉野　浩二; 岡島　利幸; 宇野　博之; 上島　博幸
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2017-09-28
Also published as: EP3435738A4; JPWO2017163964A1; EP3435738A1; EP3435738B1; CN108781487A; CN108781487B

Abstract

マイクロ波処理装置（１０１）は、加熱室（１１）と、マイクロ波の発振源（１）と、加熱室（１１）内に設けられ被加熱物（７）を載置するための載置台（４）と、マイクロ波を加熱室（１１）に導く導波管（６）とを備える。マイクロ波処理装置（１０１）はさらに、導波管（６）内に設けられマイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体（５）と、周期構造体（５）の近傍の検知アンテナ（９）と、検知アンテナ（９）で受信された電磁波を検知する検知部（８）と、発振源（１）を制御する制御部（１０）を備える。制御部（１０）は、検知された電磁波に基づいて周期構造体（５）の近傍の電磁界の電力分布を認識し、電磁界の電力分布に応じて発振周波数を第１の発振周波数、第２の発振周波数のいずれかに設定するように発振源（１）を制御する。本態様によれば、周期構造体の特性の変化を補正することにより、周期構造体の近傍における望ましい電磁界の電力分布を維持することができる。

Description

マイクロ波処理装置

　本開示は、周期構造体を用いた表面波伝送線路を備えたマイクロ波処理装置（Microwave treatment apparatus）に関する。

　従来、この種のマイクロ波処理装置として、リッジ（Ridge）部とスロット（Slot）部とを有する梯子回路を備えた導波管を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術によれば、梯子回路による電磁界の電力分布の集中を利用することにより、焦げ目付けと誘電加熱とを、被加熱物に対して同時に行うことができる。リッジ部を移動させると、電磁界の電力分布の集中を調整することもできる。

　これ以外にも、周期構造体で構成された加熱プレートを有し、加熱プレートにマイクロ波を励振させるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この従来技術によれば、周期構造体の溝の深さを変更することで、表面波加熱の強度を調整し、上下方向の加熱分布を制御することができる。

特開昭４９－１６９４４号公報特開平５－６６０１９号公報

　特許文献１に記載の従来技術では、周期構造体の近傍に電磁界の電力分布を集中させるために、梯子回路を備えた導波管などの周期構造体が、マイクロ波を表面波モード（Surface wave mode）で伝播する。

　この従来技術では、被加熱物の形状・種類・体積などに応じて周期構造体の特性が変化することにより生じる電磁界の電力分布の変化を検知することができない。このため、被加熱物の影響を補正することができない。その結果、周期構造体の近傍における電磁界の電力分布の状態を維持することができない。

　特許文献２に記載された従来技術は、マイクロ波が伝播する空間において周期構造体の溝の深さを変更するための移動機構を有し、周期構造体の近傍における電磁界の電力分布を制御する。

　この構成では、放電防止のため、移動機構と周辺構造体とを確実に電気的に接続させる必要がある。移動機構に動力を伝達するための孔からの、マイクロ波の漏洩を防止するための対策も必要である。移動機構を駆動するためのモータが必要であるため、装置の小型化が容易ではない。

　本開示の一態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を発振し、マイクロ波の発振周波数が可変である発振源と、加熱室内に設けられ、被加熱物を載置するように構成された載置台と、マイクロ波を加熱室に導く導波管とを備える。

　マイクロ波処理装置はさらに、導波管内に設けられ、マイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、周期構造体の近傍に配置された検知アンテナと、検知アンテナにより受信された電磁波を検知する検知部と、発振源を制御するように構成された制御部とを備える。

　制御部はさらに、検知部により検知された電磁波に基づいて周期構造体の近傍における電磁界の電力分布を認識し、電磁界の電力分布に応じて、発振周波数を少なくとも第１の発振周波数と、第１の発振周波数と異なる第２の発振周波数とのいずれかに設定するように発振源を制御するように構成される。

　本態様によれば、発振周波数を変更することにより、周期構造体の近傍における電磁界の電力分布を制御することができる。被加熱物の影響による周期構造体の特性の変化を検知し補正することにより、周期構造体の近傍における望ましい電磁界の電力分布を維持することができる。その結果、さまざまな形状・種類・体積の被加熱物に所望の焦げ目を付けることができる。

図１は、実施の形態１に係るマイクロ波処理装置の構成を示す概略断面図である。図２は、実施の形態１に係るマイクロ波処理装置の導波管内の構成を示す透視斜視図である。図３は、実施の形態１に係る漏洩電力の周波数特性を示す図である。図４は、実施の形態１に係る周期構造体近傍における電磁界の電力分布を示す図である。図５は、実施の形態２に係るマイクロ波処理装置の構成を示す概略断面図である。

　本開示の第１の態様に係るマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する加熱室と、マイクロ波を発振し、マイクロ波の発振周波数が可変である発振源と、加熱室内に設けられ、被加熱物を載置するように構成された載置台と、マイクロ波を加熱室に導く導波管とを備える。

　本開示の第２の態様に係るマイクロ波処理装置によれば、第１の態様において、制御部が、発振周波数を変動させるように発振源を制御しながら、検知部により検知された電磁波に基づいて、周期構造体の近傍における電磁界の電力分布の集中が最大となる周波数を特定し、特定された周波数を第１の発振周波数に設定するように構成される。

　本開示の第３の態様に係るマイクロ波処理装置によれば、第１の態様において、制御部が、発振周波数を変動させるように発振源を制御しながら、検知部により検知された電磁波に基づいて、周期構造体の近傍における電磁界の電力分布の集中が最小となる周波数を特定し、特定された周波数を第２の発振周波数に設定するように構成される。

　本開示の第４の態様に係るマイクロ波処理装置によれば、第１の態様において、制御部が、被加熱物の状態に応じて、被加熱物の加熱中に発振周波数を変更するように、発振源を制御するように構成される。

　本開示の第５の態様に係るマイクロ波処理装置によれば、第１の態様において、制御部が、第１の発振周波数と第２の発振周波数との間の周波数を発振周波数に設定するように構成される。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１に係るマイクロ波処理装置１００の、特に導波管６および加熱室１１の構成を示す概略断面図である。図２は、マイクロ波処理装置１００に設けられた導波管６内の構成を示す透視斜視図である。

　図１、図２に示すように、マイクロ波処理装置１００は、発振源１とアンテナ２と金属製板３と載置台４と周期構造体５と導波管６と加熱室１１とを有する。

　発振源１はマイクロ波を発振する。発振源１からのマイクロ波の発振周波数は可変である。制御部１０は、マイクロコンピュータで構成され、マイクロ波の発振周波数を変更するように発振源１を制御する。発振源１は、発振器と半導体素子製の増幅器とを備えてもよい。発振器と増幅器とを備えた発振源１の場合、制御部１０により発振周波数を容易に制御することができる。

　導波管６は、加熱室１１の下方に載置台４に近接して設けられ、アンテナ２の設置場所から加熱室１１の下方まで延在する。金属製板３は、導波管６の内壁面に対して垂直な複数の金属製板である。複数の金属製板が導波管６内に一定間隔で周期的に配置されることで、周期構造体５が構成される。

　金属製板３の高さや間隔などを最適化すると、周期構造体５が設けられた範囲において、マイクロ波は遅波（Slow wave）となり、表面波モードで金属製板３の上側を伝播する。その結果、金属製板３の上側近傍に電磁界の電力分布が集中する。

　被加熱物７が載置台４に載置されると、被加熱物７は周期構造体５に近接する。導波管６の載置台４に対向する側は開放されているため、金属製板３の上側近傍における電磁界の電力分布の集中により、被加熱物７が下方から加熱される。

　以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、その動作、作用を説明する。

　図３は、２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚまでの帯域の発振周波数における、周期構造体５からの漏洩電力を示す。図３において、横軸は発振源１の発振周波数を表し、縦軸は、周期構造体５から所定距離離れた位置で測定された漏洩電力を表す。

　周期構造体５の近傍に電磁界の電力分布があまり集中せず、マイクロ波が空間に拡散する場合、漏洩電力は大きくなる。周期構造体５の近傍に電磁界の電力分布が集中し、マイクロ波が空間に拡散しない場合、漏洩電力は小さくなる。

　図３に示すように、漏洩電力は、発振源１の発振周波数に応じて変化する。金属製板３の高さや間隔などの最適化に加え、適切な発振周波数の設定により、周期構造体５が設けられた範囲では、マイクロ波は遅波となり、表面波モードで金属製板３上側を伝播する。その結果、金属製板３の上側近傍に電磁界の電力分布が集中する。

　図４は、周期構造体５の近傍における電磁界の電力分布を示す。図４において、横軸は電磁界電力を表し、縦軸は、周期構造体５からの上下方向の距離（すなわち高さ）を示す。図４において、実線で示すグラフは、２．４１ＧＨｚのマイクロ波による電磁界の電力分布を表し、点線で示すグラフは、２．４６ＧＨｚのマイクロ波による電磁界の電力分布を示す。

　図３、図４に示すように、どちらの場合も、電磁界電力は周期構造体５の近傍で最大となり、周期構造体５から離れるにつれて減少する。

　漏洩電力が最小となる発振周波数（２．４１ＧＨｚ）では、電磁界の電力分布は、周期構造体５の近傍により強く集中し、周期構造体５から離れると急激に減衰する。これに対し、漏洩電力が最大となる発振周波数（２．４６ＧＨｚ）では、周期構造体５の近傍での集中が弱くなり、周期構造体５から離れると緩やかに減衰し、広範囲に電磁波電力が分布する。

　以後、２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚの範囲で、漏洩電力が最小となる発振周波数を第１の発振周波数という。漏洩電力が最大となる発振周波数を第２の発振周波数という。発振周波数が第１の発振周波数である場合、電磁界の電力分布の集中が最大となり、発振周波数が第２の発振周波数である場合、電磁界の電力分布の集中が最小となる。

　すなわち、発振周波数を第１の発振周波数に設定すると、周期構造体５の近傍に電磁界の電力分布を集中させることができる。発振周波数を第２の発振周波数に設定すると、周期構造体５から離れた空間にマイクロ波を拡散させることができる。図３に示すように、発振周波数に対する漏洩電力は連続的に変化する。

　本実施の形態によれば、第１の発振周波数と第２の発振周波数と、第１の発振周波数および第２の発振周波数の間の周波数とを発振周波数に設定することにより、周期構造体５の近傍における電磁界の電力分布を制御することができる。

　発振源１の発振周波数の設定は、制御部１０からの電気信号により容易に安全に行うことができる。このため、電磁界の電力分布の変更のために発振源１を停止させる必要がない。発振源１の発振周波数の設定のための機構は不要であるため、装置の小型化が可能である。

　（実施の形態２）
　以下、本開示の実施の形態２に係るマイクロ波処理装置１０１について説明する。

　図５は、マイクロ波処理装置１０１の構成を示す概略断面図である。本実施の形態の説明において、実施の形態１と同一または相当部分には同じ参照符号を付し、重複する説明を省略する。

　図５に示すように、周期構造体５の近傍の加熱室１１内に検知アンテナ９が配置される。検知部８は、検知アンテナ９により受信された電磁波を検知する。制御部１０は、検知部８により検知された電磁波に応じて、周期構造体５の近傍における電磁界の電力分布を認識することができる。

　検知アンテナ９は、周期構造体５を伝播する表面波モードのマイクロ波を検知することができる位置に配置されても良い。検知アンテナ９は、空間に放射されるマイクロ波を検知することができる位置に配置されも良い。

　被加熱物７は、載置台４上に載置されると、周期構造体５に近接する。載置台４に載置された被加熱物７は、金属製板３の先端近傍を伝播するマイクロ波に影響を及ぼし、表面波モードでの伝播を乱す。マイクロ波への影響は、被加熱物７の形状、種類、体積、温度などにより異なる。

　本実施の形態によれば、制御部１０が、発振周波数を変動させるように発振源１を制御しながら、検知部８が、周期構造体５の近傍における電磁界の電力分布を検知する。

　制御部１０は、検知された電磁界の電力分布に基づいて、図３のグラフに示すような、被加熱物７の影響を含む条件の下の電磁界の電力分布の状態を示す漏洩電力の周波数特性を得る。制御部１０は、得られた漏洩電力の周波数特性に基づいて、第１および第２の発振周波数を決定する。

　これにより、マイクロ波処理装置１０１は、被加熱物７による周期構造体５の周波数特性の変化を補正した、所望の加熱性能を得ることができる。

　本実施の形態によれば、制御部１０が、被加熱物７の加熱中に、被加熱物７の状態に応じて発振周波数を変更するように発振源１を制御して、周期構造体５の近傍における電磁界の電力分布を変更することができる。その結果、マイクロ波処理装置１０１は、さまざまな形状・種類・体積の被加熱物７に所望の焦げ目を付けることができる。

　本開示に係るマイクロ波処理装置は、電子レンジや生ゴミ処理機などの、誘電加熱を利用した加熱装置に適用可能である。

　１　発振源
　２　アンテナ
　３　金属製板
　４　載置台
　５　周期構造体
　６　導波管
　７　被加熱物
　８　検知部
　９　検知アンテナ
　１０　制御部
　１１　加熱室
　１００，１０１　マイクロ波処理装置

Claims

　被加熱物を収容する加熱室と、
　マイクロ波を発振し、前記マイクロ波の発振周波数が可変である発振源と、
　前記加熱室内に設けられ、前記被加熱物を載置するように構成された載置台と、
　前記マイクロ波を前記加熱室に導く導波管と、
　前記導波管内に設けられ、マイクロ波を表面波モードで伝播させる周期構造体と、
　前記周期構造体の近傍に配置された検知アンテナと、
　前記検知アンテナにより受信された電磁波を検知する検知部と、
　前記発振源を制御するとともに、前記検知部により検知された前記電磁波に基づいて前記周期構造体の近傍における電磁界の電力分布を認識し、前記電磁界の前記電力分布に応じて、前記発振周波数を少なくとも第１の発振周波数と、前記第１の発振周波数と異なる第２の発振周波数とのいずれかに設定するように前記発振源を制御するように構成された制御部と、
を備えたマイクロ波処理装置。
　前記制御部が、前記発振周波数を変動させるように前記発振源を制御しながら、前記検知部により検知された前記電磁波に基づいて、前記周期構造体の近傍における電磁界の電力分布の集中が最大となる周波数を特定し、前記特定された周波数を前記第１の発振周波数に設定するように構成された請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
　前記制御部が、前記発振周波数を変動させるように前記発振源を制御しながら、前記検知部により検知された前記電磁波に基づいて、前記周期構造体の近傍における電磁界の電力分布の集中が最小となる周波数を特定し、前記特定された周波数を前記第２の発振周波数に設定するように構成された請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
　前記制御部が、前記被加熱物の状態に応じて、前記被加熱物の加熱中に前記発振周波数を変更するように、前記発振源を制御するように構成された請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
　前記制御部が、前記第１の発振周波数と前記第２の発振周波数との間の周波数を前記発振周波数に設定するように構成された請求項１に記載のマイクロ波処理装置。