WO2019193748A1 - 誘電率推定装置、および誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

対象物の形状が不明であっても、非接触で対象物の誘電率を精度高く推定することが可能な誘電率推定装置、および誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置を提供するために、誘電率推定装置は、電磁波の偏波をＴＥ波とＴＭ波とに切り替えることができる送信アンテナ（４）および受信アンテナ（６）を設けて、対象物からのＴＥ波の反射波とＴＭ波の反射波とに基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出し、算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率と、メモリー部（１０）に予め記憶されたデータベース化された理論値の誘電率データとを比較して、対象物の誘電率を推定するよう構成されている。

Description

誘電率推定装置、および誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置

　本発明は、対象物に対して非接触で当該対象物の誘電率を推定する誘電率推定装置、および誘電率推定装置を用いて対象物である被加熱物を誘電加熱するマイクロ波加熱装置に関する。

　近年、マイクロ波発生装置として一般的に用いられるマグネトロンに代えて、半導体素子を備えたマイクロ波加熱装置が提案されている。半導体素子を用いたマイクロ波発生装置は、小型であり、低コストで製造することが可能であり、且つマイクロ波の発振周波数を容易に調整することができるという利点を有する（例えば、特許文献１参照）。

　このようなマイクロ波発生装置を備えたマイクロ波加熱装置においては、所定の周波数帯域で加熱室内に放射するマイクロ波の発振周波数を掃引しつつ、加熱室からの反射電力を検出し、検出された反射電力が最小値を示すときのマイクロ波の発振周波数が記憶される。そして、記憶された発振周波数のマイクロ波は、加熱室内のアンテナから放射されて、加熱室内に電磁界分布を形成することにより、加熱室内の被加熱物である対象物を誘電加熱する。

特開昭５６－９６４８６号公報

電波吸収体入門　橋本修著　森北出版株式会社、１９９７年１０月、８４－８６頁 ６０ＧＨｚ帯におけるレーダドーム用材料の複素比誘電率測定、橋本修著、電子情報通信学会、１９９７年１０月、Ｂ－II　ｖｏｌ．Ｊ８０－Ｂ－II　Ｎｏ．１０　９０９－９１１頁

　マイクロ波加熱装置が形成する加熱室内の電磁界分布は、加熱室内の対象物の誘電率により変化する。このため、対象物の誘電率が予め分かり、かつ加熱による対象物の誘電率の温度変化が予め分からなければ、加熱室内において対象物に対する最適な電磁界分布を常に形成することができず、対象物を加熱むらのない効率的な加熱処理を行うことができないという課題がある。

　さらに、対象物の誘電率を非接触で測定するためには、共振器法や自由空間法があるが、いずれも、対象物の厚み寸法などの形状が予め分かっていなければ、対象物の誘電率を求めることはできないという課題がある。

　本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、対象物の寸法が分かっていなくても、対象物の誘電率を精度高く推定することができる誘電率推定装置、および対象物の誘電率を推定することにより、対象物を加熱むらのない効率的な加熱処理を行うことが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。

　前記従来の課題を解決するために、本発明に係る一態様の誘電率推定装置においては、
　対象物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
　所定のアンテナ角度を有して、対象物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
　前記受信アンテナが受信した対象物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、および前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部とに出力する制御部、を備え、
　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、対象物の誘電率を推定するよう構成されている。

　また、本発明に係る一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、
　被加熱物を誘電加熱するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発振部、
　前記マイクロ波発振部で発生したマイクロ波をマイクロ波伝送路を介して前記加熱室内へ放射するマイクロ波放射部、
　被加熱物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
　所定のアンテナ角度を有して、被加熱物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
　前記受信アンテナが受信した被加熱物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、および前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部と前記マイクロ波発振部とに出力する制御部、を備え、
　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、被加熱物の誘電率を推定し、
　推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御を行うよう構成されている。

　本発明によれば、マイクロ波の偏波をＴＥ波とＴＭ波とに切り替えることができるアンテナと、対象物からのＴＥ波の反射波とＴＭ波の反射波とを演算する手段とを備えることにより、対象物の形状が不明であっても、非接触で対象物の誘電率を精度高く推定することが可能な誘電率推定装置を提供することができる。また、本発明によれば、対象物である被加熱物の形状が不明であっても、被加熱物の誘電率を非接触で推定して、被加熱物を加熱むらなく効率高く加熱処理することができるマイクロ波加熱装置を提供することができる。

（ａ）本発明に係る実施の形態１の誘電率推定装置の対象物である被測定物の誘電率がεｎ、厚みがＸ１である場合のＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波を示す説明図（ｂ）同誘電率推定装置の対象物である被測定物の誘電率がεｎ、厚みがＸ２である場合のＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波を示す説明図 （ａ）本発明に係る実施の形態１の誘電率推定装置において、ＴＥ波の場合の被測定物への電磁波の入射角度（アンテナ角度）と反射係数とに関するシミュレーション結果を示す特性図（ｂ）同誘電率推定装置において、ＴＭ波の場合の被測定物への電磁波の入射角度（アンテナ角度）と反射係数とに関するシミュレーション結果を示す特性図（ｃ）同誘電率推定装置において、ＴＥ波の反射係数の結果と、ＴＭ波の反射係数の結果とに基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果を示す特性図 本発明の実施の形態１における誘電率推定装置の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における誘電率推定装置において実行される誘電率推定処理を示すフローチャート （ａ）誘電率が「５」の物質における、アンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す特性図（ｂ）誘電率が「３０」の物質における、アンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す特性図（ｃ）誘電率が「６０」の物質における、アンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す特性図 本発明に係る実施の形態２のマイクロ波加熱装置の概略構成を示すブロック図 本発明に係る実施の形態３のマイクロ波加熱装置の概略構成を示すブロック図

　先ず始めに、本発明に係る誘電率推定装置およびマイクロ波加熱装置における各種態様の構成について記載する。

　本発明に係る第１の態様の誘電率推定装置は、
　対象物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
　所定のアンテナ角度を有して、対象物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
　前記受信アンテナが受信した対象物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、および前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部とに出力する制御部、を備え、
　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、対象物の誘電率を推定するよう構成してもよい。

　上記のように構成された第１の態様の誘電率推定装置においては、対象物の形状、特に厚みが不明であっても、非接触で対象物の誘電率を高精度に推定することができる。

　本発明に係る第２の態様の誘電率推定装置は、前記の第１の態様における前記制御部が、前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、複数のアンテナ角度において電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行い、前記演算部が、それぞれのアンテナ角度において前記受信アンテナが受信した対象物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出するよう構成してもよい。

　本発明に係る第３の態様の誘電率推定装置は、前記の第１の態様における前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、それぞれのアンテナ角度が対象物の表面における測定基準面の垂線に対して同じ角度を有するよう構成してもよい。

　本発明に係る第４の態様の誘電率推定装置は、前記の第１の態様における前記受信アンテナが、前記送信アンテナよりも広い半値角を有するよう構成してもよい。

　本発明に係る第５の態様の誘電率推定装置は、前記の第１の態様における前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度の和を１８０度以内に制御するよう構成してもよい。

　本発明に係る第６の態様の誘電率推定装置は、前記の第１の態様における前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度を、対象物の表面における測定基準面の垂線に対して３０度から４０度の範囲内に設定してもよい。

　本発明に係る第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、
　被加熱物を誘電加熱するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発振部、
　前記マイクロ波発振部で発生したマイクロ波をマイクロ波伝送路を介して前記加熱室内へ放射するマイクロ波放射部、
　被加熱物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
　所定のアンテナ角度を有して、被加熱物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
　前記受信アンテナが受信した被加熱物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、および前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部と前記マイクロ波発振部とに出力する制御部、を備え、
　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、被加熱物の誘電率を推定し、
　推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御を行うよう構成してもよい。

　上記のように構成された第７の態様のマイクロ波加熱装置においては、対象物である被加熱物の形状、特に厚みが不明であっても、非接触で被加熱物の誘電率を高精度に推定することができる。また、第７の態様のマイクロ波加熱装置においては、検知した誘電率に対応した加熱パターンで適切な加熱調理を行うことができると共に、加熱に伴い被加熱物の誘電率が変化しても、そのときの誘電率に応じた加熱パターンに制御することにより、被加熱物に対して加熱むらのない適切な加熱調理を行うことができる。

　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７の態様における前記マイクロ波放射部が、前記加熱室において対向する位置に設けられて同一周波数のマイクロ波を放射する少なくとも１対のマイクロ波放射部であり、
　前記マイクロ波発振部と前記１対のマイクロ波放射部との間のそれぞれのマイクロ波伝送路に設けた位相可変部により、推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記１対のマイクロ波放射部から放射されるマイクロ波の位相を可変するよう構成してもよい。

　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７の態様における前記マイクロ波発振部と前記マイクロ波放射部との間のマイクロ波伝送路に反射電力検出部が設けられており、
　前記制御部が、推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記反射電力検出部により検出された前記加熱室から前記マイクロ波放射部に戻る反射電力を最小となるよう制御してもよい。

　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７の態様において、前記加熱室に設けられて加熱室内の温度を検出する温度センサーを備え、
　前記制御部が、前記温度センサーからの温度情報に基づいて、推定された被加熱物の誘電率を較正するよう構成してもよい。

　本発明に係る第１１の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第７の態様における前記制御部が、前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、複数のアンテナ角度において電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行い、前記演算部が、それぞれのアンテナ角度において前記受信アンテナが受信した被加熱物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出するよう構成してもよい。

　本発明に係る第１２の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第７の態様における前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、それぞれのアンテナ角度が被加熱物の表面における測定基準面の垂線に対して同じ角度を有する構成としてもよい。

　本発明に係る第１３の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第７の態様における前記受信アンテナが、前記送信アンテナよりも広い半値角を有するよう構成としてもよい。

　本発明に係る第１４の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第７の態様における前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度の和を１８０度以内に制御するよう構成してもよい。
　本発明に係る第１５の態様のマイクロ波加熱装置は、前記の第７の態様における前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度を、被加熱物の表面における測定基準面の垂線に対して３０度から４０度の範囲内に設定するよう構成してもよい。

　以下、本発明に係る実施の形態の誘電率推定装置および誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態においては、具体的な例として誘電率推定装置および誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置について説明するが、本発明は以下の実施の形態の構成に限定されるものではない。本発明は、実施の形態において説明する誘電率推定処理を実行する各種装置を含むものである。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明に係る実施の形態１の誘電率推定装置の動作原理を説明するための図である。まず、図１を用いて、マイクロ波を用いて誘電体の判別方法について、説明する。

　図１においては、誘電率（εｎ）が同じであり、厚み（Ｘ１／Ｘ２）が異なる被測定物（５Ａ／５Ｂ）に対して、電磁波の偏波のＴＥ波（transverse electric wave）およびＴＭ波（transverse magnetic wave）が照射されたときのそれぞれの反射波を模式的に記載した図である。

　図１における（ａ）は、誘電率が「εｎ」であり、厚みが「Ｘ１」である被測定物５Ａに対して電磁波の偏波のＴＥ波およびＴＭ波が照射されたときの反射波の状態を模式的に示している。図１における（ｂ）は、誘電率が「εｎ」であり、厚みが「Ｘ２」（Ｘ１＞Ｘ２）である被測定物５Ｂに対して電磁波の偏波のＴＥ波およびＴＭ波が照射されたときの反射波の状態を示している。

　図１の（ａ）に示すように、ＴＥ波が被測定物５Ａに照射されると、被測定物５Ａの表面においては、その表面の境界面で反射した反射波ＲＴＥと、被測定物５Ａの内部を透過して、その裏面の境界面で反射して表面に現れる反射波ＲＴＥ_ｘ１とが生じる。そして、これら２つの反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ１が合成されて、被測定物５Ａの表面において照射方向に放射される。同様に、ＴＭ波が被測定物５Ａに照射されると、被測定物５Ａの表面においては、その表面の境界面で反射した反射波ＲＴＭと、被測定物５Ａの内部を透過して、裏面の境界面で反射して表面に現れる反射波ＲＴＭ_ｘ１とが生じる。そして、これら２つの反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ１が合成されて、被測定物５Ａの表面において照射方向に放射される。

　図１の（ｂ）に示す被測定物５Ｂにおいても、ＴＥ波が被測定物５Ｂに照射されると、被測定物５Ｂの表面においては、その表面の境界面で反射した反射波ＲＴＥと、被測定物５Ｂの内部を透過して、その裏面の境界面で反射して表面に現れる反射波ＲＴＥ_ｘ２とが生じる。そして、これら２つの反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ２が合成されて、被測定物５Ｂの表面において照射方向に放射される。同様に、ＴＭ波が被測定物５Ｂに照射されると、被測定物５Ｂの表面において、その表面の境界面で反射した反射波ＲＴＭと、被測定物５Ｂの内部を透過して、その裏面の境界面で反射して表面に現れる反射波ＲＴＭ_ｘ２が生じる。そして、これら２つの反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ２が合成されて、被測定物５Ｂの表面において照射方向に放射される。

　なお、ここでは、ＴＥ波およびＴＭ波は、被測定物５Ａ、５Ｂの裏面の境界面を透過せずに、全てが反射するとしている。

　図１において、（ａ）の反射波ＲＴＥと（ｂ）の反射波ＲＴＥとは同じである。しかしながら、図１における（ａ）の反射波ＲＴＥ_ｘ１と、（ｂ）の反射波ＲＴＥ_ｘ２は、被測定物５Ａの厚みＸ１と、被測定物５Ｂの厚みＸ２が異なるため、すなわち伝送距離が異なるため、同じ反射波とはならない。同様に、図１において、（ａ）の反射波ＲＴＭと、（ｂ）の反射波ＲＴＭとは同じである。しかしながら、図１における（ａ）の反射波ＲＴＭ_ｘ１と（ｂ）の反射波ＲＴＭ_ｘ２とは、被測定物５Ａの厚みＸ１と、被測定物５Ｂの厚みＸ２が異なるため、すなわち伝送距離が異なるため、同じ反射波とはならない。

　ＴＥ波を被測定物５Ａ、５Ｂに照射した時の反射波は、被測定物５Ａにおいては（図１における（ａ）参照）、反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ１の合成波となり、被測定物５Ｂにおいては（図１における（ｂ）参照）、反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ２の合成波となる。しかし、反射波ＲＴＥ_ｘ１、および反射波ＲＴＥ_ｘ２は等しくないため、被測定物５Ａの表面における反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ１の合成波と、被測定物５Ｂの表面における反射波ＲＴＥ、ＲＴＥ_ｘ２の合成波とは等しくならない。すなわち、同じＴＥ波を被測定物５Ａ、５Ｂに照射した場合でも、被測定物５Ａ、５Ｂからのそれぞれの反射波は、被測定物５Ａ、５Ｂの厚みにより変化する。

　同様に、ＴＭ波を被測定物５Ａ、５Ｂに照射した時の反射波は、被測定物５Ａにおいては（図１における（ａ）参照）、反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ１の合成波となり、被測定物５Ｂにおいては（図１における（ｂ）参照）、反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ２の合成波となる。しかし、反射波ＲＴＭ_ｘ１、および反射波ＲＴＭ_ｘ２は等しくないため、被測定物５Ａの表面における反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ１の合成波と、被測定物５Ｂの表面における反射波ＲＴＭ、ＲＴＭ_ｘ２の合成波とは等しくならない。すなわち、同じＴＭ波を被測定物５Ａ、５Ｂに照射した場合でも、被測定物５Ａ、５Ｂからのそれぞれの反射波は、被測定物５Ａ、５Ｂの厚みにより変化する。

　次に、被測定物からの反射波と、被測定物の誘電率との関係について説明する。一般的には、誘電率が異なる領域の境界面をマイクロ波が伝送するときの反射率と誘電率との関係は、下記式１が成り立つことが知られている。

　式１において、Γは反射係数を示している。この反射係数Γは、マイクロ波が、誘電率ε１の領域から誘電率ε２の領域へ伝送した場合、誘電率の違いにより、境界面で反射する反射率を示している。式１を用いることにより、マイクロ波を被測定物に照射して、その時の表面の境界面における反射波のみを測定することができれば、被測定物の誘電率を推定することができる。しかしながら、被測定物には厚みがあり、裏面にも境界面が存在するため、裏面の境界面での反射波も表面から放射されることになる。この結果、表面から放射される反射波は、その被測定物の厚みが異なると反射波も変化するため、被測定物の厚みが既知でないと、誘電率を推定することができない。

　本発明においては、対象物である被測定物の厚みが既知でなければ非接触で被測定物の誘電率を推定することができないという課題を解決した誘電率推定装置を提供し、その誘電率推定装置を各種機器に適用するものである。

　以下、誘電率推定処理および誘電率推定装置について、図１を用いて説明する。電磁波の偏波におけるＴＥ波とＴＭ波に関する反射波の反射特性（反射係数Γ）は、被測定物への入射角度（θ）によりそれぞれ異なり（非特許文献２参照）、下記式２が成り立つことが知られている。

　式２において、Ｒ’は、ＴＥ波の場合は下記式３で示され、ＴＭ波の場合は下記式４で示される。また、式２におけるδは下記式５で示される。

　式３、式４、および式５において、λはマイクロ波の波長、εは被測定物の誘電率、ｄは被測定物の厚み、θは被測定物への電磁波の入射角度を示している。ＴＥ波とＴＭ波の反射特性は異なるが、被測定物の内部の伝送距離が同じであれば、ＴＥ波とＴＭ波の伝送エネルギーは同様に減衰するため、ＴＥ波とＴＭ波の反射特性の比である、ＴＭ／ＴＥ反射比率は変化しないと考えられる。従って、下記式６が成り立つと推論される。

　式６は、図１における（ａ）および（ｂ）において、厚みＸ１の被測定物５ＡにおけるＴＭ波の反射波（ＲＴＭ＋ＲＴＭ_ｘ１）と、ＴＥ波の反射波（ＲＴＥ＋ＲＴＥ_ｘ１）との反射比率であるＴＭ／ＴＥ反射比率：（ＲＴＭ＋ＲＴＭ_ｘ１）／（ＲＴＥ＋ＲＴＥ_ｘ１）を示している。また、式６は、厚みＸ２の被測定物５ＢにおけるＴＭ波の反射波（ＲＴＭ＋ＲＴＭ_ｘ２）と、ＴＥ波の反射波（ＲＴＥ＋ＲＴＥ_ｘ２）との反射比率であるＴＭ／ＴＥ反射比率：（ＲＴＭ＋ＲＴＭ_ｘ２）／（ＲＴＥ＋ＲＴＥ_ｘ２）を示している。これらのＴＭ／ＴＥ反射比率は、一定値Ａεｎになる。式６において、Ａは定数であり、εｎは被測定物５Ａ、５Ｂの誘電率である。このことは、被測定物の厚みが違っていても、ＴＥ波とＴＭ波に関するＴＭ／ＴＥ反射比率は一定値となり、被測定物の誘電率に比例した値で決定できることを示している。なお、上記のＴＭ／ＴＥ反射比率における分子と分母は逆でもよい。

　図２は、数値解析ソフトウエア（Mathworks社製Matlab）を用いたシミュレーション結果を示す特性図であり、前述の式６の推論を理論的に実証している。

　図２の特性図を算出したシミュレーションにおいては、対象物である被測定物の一例として、厚みが１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５０ｍｍの４種類のポリエチレンを用い、これらのポリエチレンは誘電率実部が２．２６、誘電率虚部が０．０００９であった。図２の特性図は、こられの被測定物に対して、電磁波の周波数を２４ＧＨｚとした場合において、式２、式３、式４、式５を用いて算出した結果（理論値）を示している。

　図２における（ａ）は、ＴＥ波の場合における反射係数Γの計算結果を示している。図２の（ａ）において、縦軸は反射係数Γ、横軸は被測定物への電磁波の入射角度θを示している。ここで、入射角度θが「０」とは、被測定物の表面に対して、垂直方向に入射していることを示す。図２の（ａ）に示すように、被測定物の厚みの違いにより、各入射角度θにおいて、ＴＥ波の反射係数Γが変化することが理解できる。図２の（ａ）に示す特性曲線において、上から順に厚みが１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５０ｍｍの場合である。

　図２における（ｂ）は、ＴＭ波の場合における反射係数Γの計算結果を示している。図２の（ｂ）において、図２の（ａ）と同様に、縦軸は反射係数Γ、横軸は被測定物への電磁波の入射角度θを示している。図２の（ｂ）に示すように、被測定物の厚みの違いにより、各入射角度θにおいて、ＴＭ波の反射係数Γが変化することが理解できる。

　図２における（ｃ）は、ＴＥ波の反射係数Γの結果と、ＴＭ波の反射係数Γの結果とに基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果である。図２の（ｃ）に示すように、被測定物の厚みが異なっていても、いずれの入射角度θにおいてもＴＭ／ＴＥ反射比率は一定値となり、前述の推論が理論的に正しいことを示している。

　［誘電率推定装置］
　図３は、本発明に係る実施の形態１の誘電率推定装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、誘電率推定用発振部１は、後述する制御部１１からの制御信号が入力されて、所定の高周波信号を出力する。誘電率推定用発振部１から出力された高周波信号は、送信増幅器２により増幅された後、送信アンテナ制御部３を介して、送信アンテナ４から電磁波として放射される。送信アンテナ４からの電磁波は、測定領域ＭＡとなる収容部１３に収容される対象物である被測定物５に向けて放射される。そして、被測定物５において反射された電磁波は、受信アンテナ６で受信される。受信アンテナ６で受信された電磁波は、受信アンテナ制御部７を介して、受信増幅器８に入力されて増幅された後、マイクロコンピュータ１２へ出力される。マイクロコンピュータ１２は、被測定物５の誘電率を推定するシステムの制御を行っている。

　送信アンテナ４および受信アンテナ６は、測定領域ＭＡである収容部１３の底面の直下において所定のアンテナ角度（入射角度／受信角度）を有して送受信可能に配設されている。実施の形態１における誘電率推定装置は、被測定物５が収容部１３の底面上に載置される構成である。従って、収容部１３の底面は電磁波を透過する材料で構成されている。

　マイクロコンピュータ１２には、演算部９、メモリー部１０および制御部１１が設けられている。演算部９は被測定物５から受信した反射波を演算し、その結果をメモリー部１０に保存する。制御部１１は、送信アンテナ制御部３と受信アンテナ制御部７に対して、放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行うための制御信号と、送信アンテナ４のアンテナ角度（送信角度／入射角度）および受信アンテナ６のアンテナ角度（受信角度）の角度制御を行うための制御信号と、を出力する。制御部１１からの制御信号が入力された送信アンテナ制御部３および受信アンテナ制御部７においては、送信アンテナ４および受信アンテナ６から放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行うと共に、被測定物５への電磁波の入射角度（送信角度）と、反射波の受信角度とを調整する角度制御を行う。

　具体的には、例えば、送信アンテナ制御部３により、送信アンテナ４からの放射電磁波の偏波をＴＥ波に切替制御し、被測定物５への入射角度を、被測定物５の表面（測定基準面）に対する垂直方向に対して（＋）２０度となるように角度制御する。さらに、受信アンテナ制御部７により、受信アンテナ６の受信偏波をＴＥ波に切替制御し、被測定物５からの電磁波の受信角度を、被測定物５の表面（測定基準面）に対する垂直方向に対して（－）２０度となるように角度制御する。即ち、送信アンテナ４からの被測定物５への入射角度と、受信アンテナ６の受信角度とは、被測定物５の表面（測定基準面）における垂直線の両側で同じ角度に設定される。上記の入射角度および受信角度を以下の説明にいおいては「アンテナ角度」として説明する。

　上記のように設定された状態において、誘電率推定用発振部１から出力された高周波信号により送信アンテナ４から電磁波の偏波のＴＥ波が被測定物５に放射される。被測定物５に放射された電磁波は、被測定物５の表面において反射され、その反射波が受信アンテナ６で受信される。受信アンテナ６で受信された反射波は、マイクロコンピュータ１２に入力されて、偏波がＴＥ波であり、受信角度（アンテナ角度）が２０度における反射波として、メモリー部１０に記憶される。

　次に、制御部１１からの制御信号により、送信アンテナ制御部３は、送信アンテナ４から放射される電磁波の偏波を、ＴＭ波に切り替える。また、制御部１１からの制御信号により、受信アンテナ制御部７は、受信アンテナ６が受信する電磁波の偏波をＴＭ波に切り替える。このように設定された状態において、誘電率推定用発振部１から出力された高周波信号により送信アンテナ４から電磁波の偏波のＴＭ波が被測定物５に放射される。被測定物５に放射された電磁波は、被測定物５の表面において反射され、その反射波が受信アンテナ６で受信される。受信アンテナ６で受信された反射波は、マイクロコンピュータ１２に入力されて、偏波がＴＭ波であり、受信角度（アンテナ角度）が２０度における反射波として、メモリー部１０に記憶される。

　上記のように、メモリー部１０に記憶されたＴＥ波の反射波の結果と、ＴＭ波の反射波の結果とに基づいて、演算部９においてはアンテナ角度２０度におけるＴＭ／ＴＥ反射比率を演算し、その演算結果をメモリー部１０に記憶する。

　上記においてはアンテナ角度が２０度の場合について説明したが、後述する誘電率推定処理においては、複数のアンテナ角度（例えば、１０度、２０度、３０度、４０度、および５０度）毎におけるＴＥ波の反射波およびＴＭ波の反射波をそれぞれ受信して、それぞれのアンテナ角度におけるＴＭ／ＴＥ反射比率を演算し、それらの演算結果をメモリー部１０に記憶してもよい。上記のように、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算処理する誘電率推定処理に関しては、後述する図４に示すフローチャートにおいて説明する。

　送信アンテナ４および受信アンテナ６における、ＴＥ波とＴＭ波との間の切替システムに関しては、送受信するアンテナ自体を機械的に９０度回転させることにより実現してもよく、若しくはアンテナ自体を予め互いに９０度回転した構成の別々のアンテナ電極を設けて、それぞれのアンテナ電極を電気的に切り替える構成により実現してもよい。これらの送信アンテナ４および受信アンテナ６における切替システムは、簡単な構成により容易に実現することができる。

　［誘電率推定処理］
　次に、図４に示す誘電率推定処理を示すフローチャートを参照しながら、実施の形態１における誘電率推定装置において実行される誘電率推定処理について、具体的な数値例を用いて説明する。なお、ここでは、入射角度として具体的な数値例（１０度、２０度、３０度、４０度、および５０度）を挙げて説明するが、これらの数値例に本発明を限定するものではない。

　図４に示すフローチャートのステップＳ００１において、マイクロコンピュータ１２の制御部１１は、初期の電磁波の偏波として、送信アンテナ制御部３に対して、送信アンテナ４がＴＥ波を送信するように制御信号を出力する。その制御信号を受信した送信アンテナ制御部３は、送信アンテナ４をＴＥ波を送信するように設定する。一方、制御部１１は、受信アンテナ制御部７に対して、受信アンテナ６がＴＥ波を受信するように制御信号を出力する。その制御信号を受信した受信アンテナ制御部７は、受信アンテナ６をＴＥ波を受信するように設定する。

　ステップＳ００２において、マイクロコンピュータ１２の制御部１１は、送信アンテナ４および受信アンテナ６のアンテナ角度が初期設定値である１０度となるように、送信アンテナ制御部３と受信アンテナ制御部７に対する制御指令である制御信号を出力する。なお、実施の形態１における送信アンテナ４／受信アンテナ６のアンテナ角度としては、被測定物５の表面における測定基準面の垂線に対する角度として１０度、２０度、３０度、４０度、および５０度が用いられている。即ち、アンテナ角度が０度とは、被測定物５の表面（測定基準面）に対して垂直となる角度である。図４のフローチャートに示す誘電率推定処理においては、複数のアンテナ角度でＴＥ波およびＴＭ波の反射波を順次測定するように、制御部１１において予め設定されている。

　ステップＳ００３においては、マイクロコンピュータ１２の制御部１１が、誘電率推定用発振部１を起動（ＯＮ）して、高周波信号を出力させる。

　ステップＳ００４においては、被測定物５において反射された電磁波が、受信アンテナ６で受信されて、受信増幅器８を介してマイクロコンピュータ１２へ伝送される。

　ステップＳ００５においては、受信された電磁波が、そのときのアンテナ角度、例えば１０度におけるＴＥ波であるとして、メモリー部１０に記録される。

　ステップＳ００６においては、制御部１１が、誘電率推定用発振部１の発振動作を停止（ＯＦＦ）させて、高周波信号の出力を停止する。

　ステップＳ００７においては、設定されているアンテナ角度が、最大値であるか否か、例えば５０度であるか否かを判断する。もし、アンテナ角度が最大値ではない場合には、ステップＳ００８において、次のアンテナ角度の設定値、例えば１０度の次の２０度に変更して、ステップＳ００３に移行する。もし、アンテナ角度が最大値であれば、ステップＳ００９に移行する。

　ステップＳ００９においては、送信アンテナ４および受信アンテナ６で送受信する偏波がＴＭ波に設定されているかが判断される。もし、送信アンテナ４および受信アンテナ６で送受信する偏波が、ＴＭ波に設定されていない場合には、ステップＳ０１０に移行する。

　ステップＳ０１０においては、送信アンテナ４および受信アンテナ６において送受信する偏波をＴＭ波に設定を変更し、ステップＳ００２へ戻る。ステップＳ００２においては、アンテナ角度を初期値（例えば、１０度）に設定して、反射波を受信して、反射波を測定するフローを継続する。

　ステップＳ００９において、既に送信アンテナ４および受信アンテナ６において送受信する偏波としてＴＭ波に設定されていれば、偏波のＴＥ波およびＴＭ波における各アンテナ角度における反射波の測定が完了したとして、ステップＳ０１１へ進む。

　ステップＳ０１１においては、マイクロコンピュータ１２の制御部１１でメモリー部１０に記録されたデータを呼び出し、演算部９にて、アンテナ角度が１０度、２０度、３０度、４０度、および５０度におけるＴＥ波とＴＭ波に関するＴＭ／ＴＥ反射比率（測定値）をそれぞれ演算する。

　メモリー部１０には、予め記録されている誘電率とアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率とに関して演算された理論値のデータ（誘電率データ）がデータベース化されて記憶されている。ステップＳ０１２においては、メモリー部１０において予め記録されている前記の理論値のデータ（誘電率データ）をデータベースから呼び出す。従って、ステップＳ０１２においては、制御部１１が、当該被測定物５に関するそれぞれのアンテナ角度における演算されたＴＭ／ＴＥ反射比率（測定値）を、データベースにおける理論値のデータ（誘電率データ）と比較して、当該被測定物５の誘電率を推定し、誘電率推定処理が終了する。

　［理論値のデータ（誘電率データ）］
　次に、誘電率、アンテナ角度、およびＴＭ／ＴＥ反射比率の演算結果の関係をデータベース化した理論値のデータである誘電率データの作り方について、図５を用いて説明する。図５は、既知の誘電率を有する物質（３種類の物質）に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す誘電率データを示している。

　図５における（ａ）は、誘電率の値が「５」の物質におけるアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率の演算結果（理論値）に基づく関係を示す特性図である。前述の式２、式３、式４、および式５において、誘電率の値が「５」、入射角度の値、および任意の厚みの値を入力することにより、ＴＥ波とＴＭ波の反射係数Γが演算される。この反射係数Γの演算結果に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率（理論値）を算出すれば図５における（ａ）に示す特性図の結果が容易に得られる。

　図５における（ｂ）および（ｃ）は、同様に演算した結果に基づいて作成した特性図である。図５における（ｂ）は、誘電率の値が「３０」の物質におけるアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率の演算結果（理論値）に基づく関係を示す特性図であり、（ｃ）は、誘電率の値が「６０」の物質におけるアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率の演算結果（理論値）に基づく関係を示す特性図である。

　上記のように、必要に応じて、異なる誘電率を有する各種物質におけるアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を予め演算し、その演算結果（理論値）をデータベース化して、メモリー部１０に記憶させておく。

　従って、被測定物５の誘電率を推定する場合においては、例えばアンテナ角度を４０度とした場合、実測からＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果（測定値）と、メモリー部１０において誘電率データとして予め記録されたＴＭ／ＴＥ反射比率の理論値とを比較すれば、容易に当該被測定物５の誘電率を推定することが可能となる。

　例えば、被測定物５に対して、アンテナ角度が４０度のときの反射波の実測に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果（測定値）が０．５３である場合、図５における（ａ）に示した誘電率が「５」の特性図におけるアンテナ角度４０度のＴＭ／ＴＥ反射比率と同じ値である。他のアンテナ角度においても同じＴＭ／ＴＥ反射比率を示せば、当該被測定物５は図５における（ａ）に示した物質と同じ誘電率（「５」）と推定できる。

　同様に、アンテナ角度が４０度のときの反射波の実測に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果（測定値）が０．７７である場合、図５における（ｂ）に示した特性図と同様であり、他のアンテナ角度においても同様の特性を示せば、当該被測定物５が図５における（ｂ）に示した物質と同じ誘電率（「３０」）と推定できる。

　また、アンテナ角度が４０度のときの反射波の実測に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を演算した結果（測定値）が０．８９である場合、図５における（ｃ）に示した特性図と同様であり、他のアンテナ角度においても同様の特性を示せば、当該被測定物５は図５における（ｃ）に示した物質と同じ誘電率（「６０」）と推定できる。

　上記のように、実施の形態１の誘電率推定処理においては、アンテナ角度（入射角度／受信角度）を変更して、被測定物５に対して電磁波のＴＥ波またはＴＭ波を照射し、被測定物５からの反射波を受信して、ＴＭ／ＴＥ反射比率の測定値を求めている。そして、求められたＴＭ／ＴＥ反射比率の測定値と、予め形成されているデータベース化された誘電率データとを比較することにより、当該被測定物５の誘電率を精度高く推定することができる。このように、実施の形態１の誘電率推定処理は、被測定物５の形状（厚み）が不明であっても、当該被測定物５の誘電率を高精度に推定することができる誘電率推定装置を提供することができる。

　なお、実施の形態１における誘電率推定処理および誘電率推定装置においては、被測定物５へのアンテナ角度を変更して複数角度でＴＭ／ＴＥ反射比率を測定する構成であるが、被測定物５の誘電率を推定するための最適なアンテナ角度が予め分かっている場合には、その最適なアンテナ角度に固定した構成としてもよい。

　また、送信アンテナ４と受信アンテナ６のアンテナ角度を、測定基準面に対する垂線の両側で同じ（±）角度としたが、被測定物５の形状により、同じ角度にする必要はなく、送信アンテナ４のアンテナ角度を固定して、受信アンテナ６のアンテナ角度を変えていくスキャン動作を行う構成としてもよい。このように、受信アンテナ６をスキャン動作させることにより、最適な受信感度を検出して、測定精度を向上させてもよい。

　なお、被測定物５としては、食品に限定されるものではなく、誘電率を有する物質で構成されるものであれば何であってもよい。また、送信アンテナ４および受信アンテナ６は、１対に限定されるものではなく、複数対を設けることにより、被測定物５に対して２次元および３次元での検知が可能となり、検知精度を向上させることができる。

　また、実施の形態１において図４に示したフローチャートにおいては、アンテナ角度を１０度刻みで検知する構成としたが、ある角度の範囲においてはスキャン動作させることにより、検知精度をさらに向上させることが可能となる。

　さらに、実施の形態１における誘電率推定処理および誘電率推定装置においては、被測定物５の表面に対して電磁波を１点に当てる例について説明したが、送信アンテナ４および受信アンテナ６の角度を変えることにより、１点ではなく、複数点もしくは表面の形状に最適な角度で、電磁波を送信／受信することにより、複雑な表面を有する被測定物５であっても、精度高く測定することが可能となる。

　また、実施の形態１の誘電率推定装置においては、受信アンテナ６における半値角が、送信アンテナ４の半値角よりも広い受信アンテナ６を用いてもよい。このような半値角が広い受信アンテナ６を用いることにより、被測定物５において乱反射した反射波も測定することが可能となる。

　（実施の形態２）
　図６は、本発明に係る実施の形態２のマイクロ波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。図６に示すマイクロ波加熱装置においては、前述の実施の形態１における誘電率推定装置を備える構成である。実施の形態２の説明において、前述の実施の形態１において説明した要素と同様の機能、構成、および動作を有するものに関しては、同じ符号を付して、重複する記載を避けるために、その説明を省略する場合がある。

　図６に示す実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、電子レンジに代表される加熱調理器であり、装置本体内に、誘電率推定装置における収容部（測定領域ＭＡ）となる加熱室１３を備えている。半導体素子を用いて構成されたマイクロ波発振部１４は、制御部１１からの制御信号により所望のマイクロ波（例えば、２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ）を発生させる。加熱室１３に底面直下において隣接するように設けられたマイクロ波加熱用アンテナ（マイクロ波放射部）１５には、マイクロ波発振部１４からのマイクロ波が伝送される。そして、加熱室１３内に載置された食品である被加熱物に対して、マイクロ波加熱用アンテナ１５からマイクロ波が照射されて、被加熱物が加熱調理される。

　なお、実施の形態２のマイクロ波加熱装置において加熱調理される被加熱物は、後述するように前述の誘電率推定装置において測定される対象物である被測定物５に相当するため、以下の説明においては被加熱物と被測定物には同じ符号５を付して説明する。

　また、実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、実施の形態１において図３で説明した誘電率推定装置の構成を備えている。図６に示すように、マイクロ波加熱装置には、誘電率推定用発振部１、送信増幅器２、送信アンテナ制御部３、送信アンテナ４、受信アンテナ６、受信アンテナ制御部７、受信増幅器８、およびマイクロコンピュータ１２を含む誘電率推定装置が設けられている。

　なお、実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、マイクロコンピュータ１２が、被測定物５の誘電率を推定する誘電率推定処理の制御を行うと共に、誘電加熱を行うための制御を実行する構成である。また、実施の形態２のマイクロ波加熱装置には、加熱室１３内の温度および被加熱物５の表面温度などを測定する温度センサー１６が設けられている。温度センサー１６としては、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体、半導体、赤外線センサーなどの各種の温度測定方式の構成を用いることができる。

　実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、被加熱物５である食品の物性ごとに、異なる温度による誘電率の変化率をメモリー部１０に予め誘電率データとして記録されている。このため、ＴＥ波の反射波およびＴＭ波の反射波の測定結果に基づいて演算されたＴＭ／ＴＥ反射比率の演算結果（測定値）を、予め記録されている誘電率データ（理論値）と比較することにより、被加熱物５としての食品の誘電率を推定することができる。従って、実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、推定された誘電率から被加熱物５である食品を判別することが可能となり、食品の判別精度を向上させることができる。また、実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、被加熱物５である食品の誘電率を推定することができるため、当該食品の温度変化による誘電率の変化率に基づいて、当該食品を精度高く特定することができると共に、当該食品に関する現時点の調理状態を検知することが可能となる。

　具体的な食品の誘電率としては、例えば、摂氏４０度における生の牛肉の誘電率は４５．２であり、魚の誘電率は４５．０である。このように摂氏４０度における牛肉と魚を誘電率で判別することは困難である。しかし、摂氏６０度においては、生の牛肉の誘電率が４４．４であり、魚の誘電率が４３．８である。この場合、温度の変化（４０℃→６０℃）に基づく牛肉の誘電率の変化率は、１．７７％［＝（４５．２－４４．４）／４５．２］、魚の誘電率の変化率は２．６７％［＝（４５．０－４３．８）／４５．０］となる。このため、温度変化（４０℃→６０℃）による誘電率の変化率から、牛肉と魚とを判別することは容易となる。このように、異なる温度における誘電率の変化を用いることにより判別精度を向上させることができる。

　また、上記のように食品の判別を行った後、引き続き誘電率の変化を測定することにより、当該食品の内部温度および調理状態を推定することが可能となる。

　さらに、食品の誘電率に基づく内部温度と温度センサー１６により検出された温度との温度差を検知することにより、当該食品に対する調理精度を向上させることができる。

　本発明者は、実施の形態２のマイクロ波加熱装置に備えられた誘電率推定装置を用いて、被加熱物（被測定物）５である食品の判別実験を行った。判別実験の食品としては、ケーキ、鶏肉、およびニンジンを用いた。これらの食品に対して行った判別実験においては、被測定物５の誘電率の違いから、食品を確実に判別することができた。また、ニンジンを用いた誘電率推定実験においては、ニンジンを各種形状にカットした材料を器に入れて実験を行った。このニンジンに対する判別実験においては、ニンジンの形状に関わらず、アンテナ角度を器を載せた載置面に垂直な線に対して３０度または４０度に設定することにより、誘電率を正確に推定することが可能であることを確認した。また、被加熱物（測定物）５に対するアンテナ角度としては、３０度から４０度の間の範囲において、誘電率の推定で特に好ましい結果を得ることができた。ここにおいて、アンテナ角度としては、加熱室（収容部）１３の被加熱物（被測定物）５の載置面（水平面）が測定基準面であり、その測定基準面に垂直な線に対する入射角度／受信角度とした。

　さらに、受信アンテナ６における半値角が、送信アンテナ４の半値角よりも広い受信アンテナ６を用いることにより、被加熱物（被測定物）５の形状により、例えば、アンテナ角度が３０度または４０度以外の乱反射した反射波も測定することが可能となる。この結果、被測定物の形状によりスネルの法則に反した角度での反射波も広く受信することができるため、被加熱物（被測定物）５の誘電率の推定精度が向上し、さらに判別精度を改善することができる。

　実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、加熱処理の初期段階において、被加熱物５に対して送信アンテナ４により照射する電磁波のアンテナ角度を順次変更し、電磁波のＴＥ波とＴＭ波とを切り替えて照射することにより、被加熱物５からの反射波を測定している。その測定された反射波に基づいて、実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、ＴＭ／ＴＥ反射比率（測定値）を算出している。このように、実施の形態２のマイクロ波加熱装置においては、各アンテナ角度における被加熱物５からの反射波に基づいてＴＭ／ＴＥ反射比率（測定値）を算出している。従って、実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、被加熱物５の形状、大きさ（厚み）が不明であっても、当該被加熱物５の誘電率を精度高く推定することができ、当該被加熱物５に対する適切な加熱調理を実行することができる。

　実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、被加熱物５の誘電率を高精度に推定することができるため、被加熱物５の誘電率に対応した適切な加熱パターンで加熱調理を行うことができると共に、加熱により被加熱物５の誘電率が変化して加熱パターンを変更させる必要がある場合には、当該被加熱物５に対する適切なタイミングで加熱パターンを変更することができる。この結果、実施の形態２のマイクロ波加熱装置は、被加熱物５を加熱むらなく、効率高く加熱調理することができる。

　（実施の形態３）
　図７は、本発明に係る実施の形態３における誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。実施の形態３の説明において、前述の実施の形態１および実施の形態２において説明した要素と同様の機能、構成、および動作を有するものに関しては、同じ符号を付して、重複する記載を避けるために、その説明を省略する場合がある。

　図７に示した実施の形態３のマイクロ波加熱装置は、実施の形態１において説明した誘電率推定装置を備えると共に、収容部（測定領域ＭＡ）である加熱室１３内に載置された被加熱物５を誘電加熱するためのマイクロ波加熱用アンテナ（マイクロ波放射部）１５（１５ａ、１５ｂ）が複数設けられている構成である。実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波放射部１５とし加熱室１３の両側壁に対向するように１対（２個）設けた構成で説明するが、本発明はこの構成に限定するものではなく、底面、天井などに複数対を設けた構成としてもよい。

　前述の実施の形態２において説明したように、被加熱物５は加熱による温度上昇に伴い、被加熱物５の誘電率が変化していく。発明者は、被加熱物５の誘電率が変化すると、加熱室１３内に放射されるマイクロ波による加熱パターンの加熱ポイントがずれることを実験により確認した。従って、実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、加熱調理中においては、被加熱物５の誘電率の変化を検知して、その誘電率の変化に基づいて適切な加熱ポイントとなるように加熱パターンを制御する構成を提供するものである。

　図７に示すように、実施の形態３のマイクロ波加熱装置は、前述の実施の形態２のマイクロ波加熱装置と同様に、誘電率推定用発振部１、送信増幅器２、送信アンテナ制御部３、送信アンテナ４、受信アンテナ６、受信アンテナ制御部７、受信増幅器８、およびマイクロコンピュータ１２を含む誘電率推定装置が備えられている。従って、実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、誘電率推定装置を用いて、加熱調理の前に食品である被加熱物５に対して誘電率推定処理を行って、当該被加熱物５の誘電率を検知する構成である。また、加熱調理中においても、食品である被加熱物５に対する誘電率推定処理を行っており、被加熱物５の誘電率の変化を検知している。

　実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、図７に示すように、２つのマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂが加熱室１３の対向する壁面に設けられている。マイクロ波放射部１５ａ、１５ｂにマイクロ波を給電するそれぞれのマイクロ波伝送路には、反射電力検出部１７ａ、１７ｂ、増幅器１８ａ、１８ｂ、位相可変部１９ａ、１９ｂ、電力分配部２０、および半導体素子を用いて構成したマイクロ波発振部１４が設けられている。電力分配部２０はマイクロ波発振部１４の出力を２分配して、電力分配部２０から２つマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂへの２つのマイクロ波伝送路を形成している。２つのマイクロ波伝送路のそれぞれに設けられている位相可変部１９ａ、１９ｂは、当該マイクロ波伝送路を流れるマイクロ波の位相を可変調整する。マイクロ波伝送路においては、反射電力検出部１７ａ、１７ｂが、増幅器１８ａ、１８ｂとマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂとの間に設けられており、マイクロ波放射部１５ａ、１５ｂが受信し、マイクロ波放射部１５ａ、１５ｂから増幅器１８ａ、１８ｂの方向に逆伝送するマイクロ波反射電力を検出している。

　実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、反射電力検出部１７ａ、１７ｂにより検出されたマイクロ波反射電力に応じてマイクロ波発振部１４の発振周波数と、位相可変部１９ａ、１９ｂの位相量が、マイクロコンピュータ１２の制御部１１において制御される構成である。

　実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、制御部１１によりマイクロ波発振部１４および位相可変部１９ａ、１９ｂを制御して、反射電力検出部１７ａ、１７ｂにおいて検出されるマイクロ波反射電力が最小となる発振周波数に設定する、周波数最適化処理を行っている。

　また、実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、１対のマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂが励振電界および励振磁界の方向を一致させた組み合わせとなっているため、それぞれの相互干渉により、相互の位相差に応じた指向性（加熱ポイント）を有する加熱パターンのマイクロ波が加熱室１３に放射される構成である。指向性（加熱ポイント）を有するとは、マイクロ波放射部１５ａ、１５ｂからそれぞれ放射されるマイクロ波の強い位置が重なる特定領域を有することを示す。マイクロ波放射部１５ａ、１５ｂから放射されるマイクロ波の位相差を制御することにより、１対のマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂの配設位置を結ぶ線上方向にマイクロ波の強くなる位置を移動させることができる。なお、１対のマイクロ波放射部１５ａ、１５ｂから放射されるマイクロ波は同じ周波数のマイクロ波である。

　上記のように構成された実施の形態３のマイクロ波加熱装置において、前述の実施の形態２と同様に、加熱処理の初期段階において、検出された各アンテナ角度の反射波に基づいてＴＭ／ＴＥ反射比率を算出し、当該被加熱物５の誘電率を推定して当該被加熱物５を判別する被加熱物判別処理を行い、そして判別された被加熱物５に対する適切な加熱調理を実行する構成である。

　また、実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、被加熱物５を判別した後においても、誘電率推定処理を継続して行い、推定された当該被加熱物５の誘電率の変化に基づいて、適切な加熱パターンを選択して当該被加熱物を加熱むらなく、効率高く加熱調理する構成である。

　実施の形態３のマイクロ波加熱装置における加熱調理中の誘電率推定処理においては、前述の図４に示した誘電率推定処理に示すように複数のアンテナ角度におけるＴＭ／ＴＥ反射比率を算出するのではなく、被加熱物５が食品であると特定できるため、例えば３０度または４０度の１つのアンテナ角度におけるＴＭ／ＴＥ反射比率を算出して、当該被加熱物５の誘電率の変化を検知して、最適な加熱パターンを選択する処理を行ってもよい。

　また、実施の形態３のマイクロ波加熱装置においては、制御部１１が、送信アンテナ４のアンテナ角度と受信アンテナ６のアンテナ角度との和を１８０度以内となるように制御されている。特に、制御部１１は、送信アンテナ４のアンテナ角度と受信アンテナ６のアンテナ角度を、被加熱物５の表面における測定基準面の垂線に対して３０度から４０度の範囲内に設定して、送受信を行うとき、当該被加熱物５に対して精度の高い誘電率を検知することが可能であった。

　以上のように、本発明によれば、電磁波の偏波をＴＥ波とＴＭ波とに切り替えることができる送信アンテナおよび受信アンテナと、および対象物（被測定物／被加熱物）からのＴＥ波の反射波とＴＭ波の反射波とを検出して、検出された反射波の値に基づいてＴＭ／ＴＥ反射比率を演算する装置を備えることにより、対象物の誘電率を非接触で高い精度で推定することが可能となる。また、本発明による誘電率推定処理／誘電率推定装置を備えたマイクロ波加熱装置においては、対象物である被加熱物を加熱むらなく、効率高く加熱調理することができる調理器となる。

　なお、本発明においては、誘電率推定処理／誘電率推定装置を備えた装置としては、マイクロ波加熱装置に限定されるものではなく、非接触で対象物の誘電率を推定し、対象物の種類を判別するだけではなく、例えば、対象物の鮮度の推定、水分含有率の推定など様々な用途に広く利用することが可能となる。

　具体的な例としては、冷蔵庫内の食品の鮮度、および食品の腐敗状態を監視するシステム；
　食品集配業者および食品販売業者における食品品質検査において、食品の誘電率および水分含有率から食品品質を判断するシステム；
　スーパーマーケットなどにおいては、食品鮮度および食品腐敗の検知、食品の受入れ検査、および食品内の異物検知のシステム；
　医療分野においては、誘電率の違いを検知することにより、がん検診を安全かつ低コストで測定するシステム；皮膚の水分含有率を測定することにより年齢推定および老化の進行具合の診断システム；肌荒れ状況を検知するシステム、などにおいて本発明は適用可能である。

　本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して十分に記載されているが、この技術に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。

　本発明においては、対象物に対して非接触で当該対象物の誘電率を高精度に推定することが可能となるため、各種システムにおいて広範囲で利用することが可能であり、社会的に利便性の非常に高い装置を構築することが可能である。

　１　誘電率推定用発振部
　２　送信増幅器
　３　送信アンテナ制御部
　４　送信アンテナ
　５　被測定物／被加熱物
　６　受信アンテナ
　７　受信アンテナ制御部
　８　受信増幅器
　９　演算部
　１０　メモリー部
　１１　制御部
　１２　マイクロコンピュータ
　１３　収容部／加熱室
　１４　マイクロ波発振部
　１５　マイクロ波加熱用アンテナ部（マイクロ波放射部）
　１６　温度センサー
　１７ａ、１７ｂ　反射電力検出部
　１８ａ、１８ｂ　増幅器
　１９ａ、１９ｂ　位相可変部
　２０　電力分配部

Claims (15)

1. 　対象物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
   　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
   　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
   　所定のアンテナ角度を有して、対象物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
   　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
   　前記受信アンテナが受信した対象物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
   　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
   　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、および前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部とに出力する制御部、を備え、
   　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、対象物の誘電率を推定するよう構成された、誘電率推定装置。
2. 　前記制御部が、前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、複数のアンテナ角度において電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行い、前記演算部が、それぞれのアンテナ角度において前記受信アンテナが受信した対象物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出するよう構成された、請求項１に記載の誘電率推定装置。
3. 　前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、それぞれのアンテナ角度が対象物の表面における測定基準面の垂線に対して同じ角度を有する、請求項１に記載の誘電率推定装置。
4. 　前記受信アンテナが、前記送信アンテナよりも広い半値角を有する、請求項１記載の誘電率推定装置。
5. 　前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度の和を１８０度以内に制御するよう構成された、請求項１記載の誘電率推定装置。
6. 　前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度を、対象物の表面における測定基準面の垂線に対して３０度から４０度の範囲内に設定するよう構成された、請求項１記載の誘電率推定装置。
7. 　被加熱物を収容する加熱室、
   　被加熱物を誘電加熱するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発振部、
   　前記マイクロ波発振部で発生したマイクロ波をマイクロ波伝送路を介して前記加熱室内へ放射するマイクロ波放射部、
   　被加熱物に対して所定のアンテナ角度を有して電磁波を放射する送信アンテナ、
   　前記送信アンテナから放射される電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える送信アンテナ制御部、
   　前記送信アンテナから放射される電磁波を形成する高周波信号を出力する誘電率推定用発振部、
   　所定のアンテナ角度を有して、被加熱物から反射された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ、
   　前記受信アンテナで受信する電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える受信アンテナ制御部、
   　前記受信アンテナが受信した被加熱物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出する演算部、
   　誘電率が異なる複数の物質に関するアンテナ角度とＴＭ／ＴＥ反射比率との関係を示す理論値のデータをデータベースとして予め記憶するメモリー部、および
   　前記送信アンテナと前記受信アンテナにおけるＴＥ波またはＴＭ波への切替制御、前記送信アンテナと前記受信アンテナとのアンテナ角度の角度制御、および前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御、を行うための制御信号を前記送信アンテナ制御部と前記受信アンテナ制御部と前記マイクロ波発振部とに出力する制御部、を備え、
   　前記制御部が、前記演算部で算出されたＴＭ／ＴＥ反射比率を前記メモリー部に記憶されたデータベースにおける理論値のデータと比較して、被加熱物の誘電率を推定し、
   　推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記マイクロ波発振部で発生するマイクロ波の周波数制御を行うよう構成された、マイクロ波加熱装置。
8. 　前記マイクロ波放射部が、前記加熱室において対向する位置に設けられて同一周波数のマイクロ波を放射する少なくとも１対のマイクロ波放射部であり、
   　前記マイクロ波発振部と前記１対のマイクロ波放射部との間のそれぞれのマイクロ波伝送路に設けた位相可変部により、推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記１対のマイクロ波放射部から放射されるマイクロ波の位相を可変するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
9. 　前記マイクロ波発振部と前記マイクロ波放射部との間のマイクロ波伝送路に反射電力検出部が設けられており、
   　前記制御部が、推定された被加熱物の誘電率に基づいて、前記反射電力検出部により検出された前記加熱室から前記マイクロ波放射部に戻る反射電力が最小となるように制御するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
10. 　前記加熱室に設けられて加熱室内の温度を検出する温度センサーを備え、
    　前記制御部が、前記温度センサーからの温度情報に基づいて、推定された被加熱物の誘電率を較正するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
11. 　前記制御部が、前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、複数のアンテナ角度において電磁波の偏波をＴＥ波またはＴＭ波に切り替える切替制御を行い、前記演算部が、それぞれのアンテナ角度において前記受信アンテナが受信した被加熱物からのＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれの反射波に基づいて、ＴＭ／ＴＥ反射比率を算出するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
12. 　前記送信アンテナと前記受信アンテナの角度制御において、それぞれのアンテナ角度が被加熱物の表面における測定基準面の垂線に対して同じ角度を有する、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
13. 　前記受信アンテナが、前記送信アンテナよりも広い半値角を有する、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
14. 　前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度の和を１８０度以内に制御するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
15. 　前記制御部が、前記送信アンテナのアンテナ角度と前記受信アンテナのアンテナ角度を、被加熱物の表面における測定基準面の垂線に対して３０度から４０度の範囲内に設定するよう構成された、請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。

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