マイクロ波利用装置
【課題】周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させたマイクロ波利用装置を提供する。
【解決手段】加熱室１０の下方に被加熱物を載置する載置板１２、左右の壁面に傾斜壁面領域１３、１４を形成し略中央に放射手段１３ａ、１４ａを配する。加熱室１０の下側に半導体素子を用いて構成した電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部２０と初段増幅部２１と並列動作の主増幅部２３、２４とからなるマイクロ波発生手段１９を配し、出力を放射手段に導く。駆動電源３１、３２から主増幅部２３、２４への電力供給ラインに電力を供給または停止する切換手段３４、３５、マイクロ波発生手段１９の二つの出力には、それぞれ反射電力を抽出する電力結合器２７、２８を配し、発振周波数を可変制御中に生じる反射電力のエネルギでもって切換手段を動作させ、無駄な消費電力を削減し被加熱物の均一な加熱を行う。
【解決手段】加熱室１０の下方に被加熱物を載置する載置板１２、左右の壁面に傾斜壁面領域１３、１４を形成し略中央に放射手段１３ａ、１４ａを配する。加熱室１０の下側に半導体素子を用いて構成した電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部２０と初段増幅部２１と並列動作の主増幅部２３、２４とからなるマイクロ波発生手段１９を配し、出力を放射手段に導く。駆動電源３１、３２から主増幅部２３、２４への電力供給ラインに電力を供給または停止する切換手段３４、３５、マイクロ波発生手段１９の二つの出力には、それぞれ反射電力を抽出する電力結合器２７、２８を配し、発振周波数を可変制御中に生じる反射電力のエネルギでもって切換手段を動作させ、無駄な消費電力を削減し被加熱物の均一な加熱を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変機能を有するマイクロ波発生手段を用いて被加熱物を誘電加熱するマイクロ波利用装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の代表的なマイクロ波利用装置として、マイクロ波加熱装置である電子レンジがある。この電子レンジに搭載されているマイクロ波発生手段としてのマグネトロンは、その形状に対する出力が大きく、さらにその動作効率が７０％強という高い特徴がある。
【０００３】
一方、マグネトロンは発振周波数を自在に制御することができず、またマグネトロン自身の発振周波数が被加熱物を含む負荷側のインピーダンスの影響を受ける。このため、不適当な発振周波数での動作によって加熱室内に生じる定在波により被加熱物には不均一な加熱を生じる場合がある。
【０００４】
マグネトロンの発振周波数を可変制御するものとして、同軸型のマグネトロンなどがあるが、
形状が大きいことや高価なことにより、電子レンジ用途には適さない。
【０００５】
一方、近年の移動体通信の発展に伴う旺盛なマイクロ波回路技術の進化、あるいはＳｉＣ材料やＧａＮ材料などの新しい半導体材料を利用した半導体素子そのものの技術革新などが進み、半導体素子を用いたマイクロ波発生手段が半導体製造に用いられるプラズマ処理装置などに実用化され始めている。
【０００６】
この半導体素子により構成されるマイクロ波発生手段は、電圧制御型発振器や容量制御型発振器を発振源に使用することで、発振周波数を可変制御することが容易である。周波数自励式の固体化発振部を用い、加熱室への給電部分のインピーダンスに応じて発振周波数を制御して最適な整合状態を形成し効率的に加熱を行うというものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、複数の放射アンテナを有し、被加熱物からのマイクロ波の反射波に基づいて、放射アンテナを選択的に動作させて加熱効率を高めるというものがある（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
この装置は、それぞれの放射アンテナに送受信切換スイッチを設け、また被加熱物側から受信する反射波の振幅と位相情報が検出できるようにしている。この検出情報に基づいて、加熱にとって非効率な放射アンテナへのマイクロ波伝送を停止させることで効率的に加熱をするというものである。
【特許文献１】特開昭５９−１６５３９９号公報
【特許文献２】特開２０００−３５７５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、発振周波数を制御して給電部分のインピーダンス整合を図ることは、加熱室の共振状態を探索して、その周波数を見つけることであり、加熱室内に生じる共振状態はひとつとは限らないので、探索して抽出した周波数が被加熱物を効果的に均一に加熱できるとは限らない課題がある。
【００１０】
また、放射アンテナを複数配置し、被加熱物に応じてそれぞれの放射アンテナからの反射波情報に基づいて動作させるべき放射アンテナを選択する方法は、被加熱物を多方面から加熱するという観点では均一化促進に寄与するであろうが、放射されたマイクロ波によって加熱室内には特定の定在波が生じるため、厚みのある被加熱物に対しては特定の定在波による加熱分布が加わり、加熱の均一化が阻害される課題がある。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させたマイクロ波利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波利用装置は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるものである。
【００１３】
これにより、被加熱物の加熱に最適な周波数を探索中に各放射手段から反射する反射波のエネルギによって切換手段が自動的に動作し、動作する切換手段の数を最小にするように発振周波数を可変制御させることで、加熱室内にマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を最大効率で供給することができる。
【００１４】
また、マイクロ波発生手段の発振周波数を変化させる過程において反射波の大きい放射手段からのマイクロ波放射は自動的に放射が中断されるので、加熱室内に供給されるマイクロ波の大部分は、被加熱物の加熱に有効に作用することになり常時加熱効率を高く維持できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロ波利用装置は、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させた装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるものであり、これにより被加熱物の加熱に最適な周波数を探索中に各放射手段から反射する反射波のエネルギによって切換手段が自動的に動作し、動作する切換手段の数を最小にするように発振周波数を可変制御させることで、加熱室内にマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を最大効率で供給することができる。また、マイクロ波発生手段の発振周波数を変化させる過程において反射波の大きい放射手段からのマイクロ波放射は自動的に放射が中断されるので、加熱室内に供給されるマイクロ波の大部分は、被加熱物の加熱に有効に作用することになり常時加熱効率を高く維持できる。
【００１７】
第２の発明は、特に第１の発明のマイクロ波発生手段は、半導体素子を用いた発振部と増幅部とで構成し、複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部を備えたものであり、これにより放射手段と増幅部とをそれぞれ一対として作用
させることができ、マイクロ波周波数可変制御時に反射波が大きい放射手段に接続された増幅部の動作を制御することで反射波による異状な増幅動作の回避および増幅部の破損を回避できる。
【００１８】
第３の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力を検出する手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、所定量を超える反射電力になると対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力を減少あるいは停止させるように制御したものであり、これにより周波数可変制御時に反射波が大きい放射手段に接続された増幅部の動作を反射電力量に応じて動作させることができ、増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を回避しつつ複数の放射手段からの放射を継続させて被加熱物の均一加熱が図れる。
【００１９】
第４の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力によって動作する切換手段を前記増幅部の駆動電力供給線路に設け、所定量を超える反射電力によって前記切換手段を作動させて、対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力供給を停止するように制御したものであり、これにより反射電力が所定量を超過すると増幅部に供給する電力が自動的に切断され、増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができる。
【００２０】
第５の発明は、特に第１、第３、第４のいずれか１つの発明の複数の放射手段は、被加熱物を載置する載置手段の方向にマイクロ波を放射するように構成したものであり、これにより被加熱物にマイクロ波を直接入射し、加熱を促進できる。
【００２１】
第６の発明は、特に第１、第３、第４のいずれか１つのの発明の複数の放射手段は、それぞれ異なる共振周波数を有したものであり、これにより周波数可変制御を行っている過程において、反射電力が少ない放射手段を存在させ、連続的に加熱を実行させることができる。
【００２２】
第７の発明は、マイクロ波発生手段は、複数の発生源を有し、それぞれの発生源の発生周波数はオーバーラップさせない構成としたものであり、これにより複数の発生源の周波数可変を同時に進行させることができ、最適な周波数の選択を短時間に実行できる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の構成図、図２は図１のマイクロ波発生手段の構成図である。
【００２５】
図１〜図２において、被加熱物を収納する加熱室１０は、被加熱物を出し入れする扉（図示していない）を一面に配し、それ以外の壁面は金属材料で構成し、供給されるマイク
ロ波を内部に閉じ込めるように構成している。加熱室１０内の下方には、加熱室底壁面１１と所定の間隔をもって被加熱物を載置する低誘電損失材料からなる載置板１２を配する。また加熱室１０の左右の壁面は、加熱室１０の内外方向に絞り加工を施して載置板１２の方向に傾斜させた壁面領域１３、１４を形成している。
【００２６】
この傾斜壁面領域１３、１４をそれぞれ加熱室１０の外側から覆う金属壁面１５、１６を設け、傾斜壁面領域と金属壁面とによって、導波管形状１７、１８を構成している。また、傾斜壁面領域１３、１４の略中央に放射手段である長方形形状の開口１３ａ、１４ａを配する。
【００２７】
加熱室１０の下側には、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段１９を配する。このマイクロ波発生手段１９は、電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部２０と、発振部２０の出力を一次増幅する初段増幅部２１と、初段増幅部２１の出力を２分配する分配部２２と、分配されたマイクロ波をそれぞれ増幅する並列動作の主増幅部２３、２４とから構成している。また、主増幅部２３、２４のそれぞれの出力は、同軸線路２５、２６を伝送させて導波管１７、１８に導いている。そして、導波管１７、１８に導かれたマイクロ波は開口１３ａ、１４ａから加熱室１０内の載置板１２の方向に放射させている。
【００２８】
マイクロ波発生手段１９の二つの出力には、それぞれ反射電力を抽出する電力結合器２７、２８を配する。また、発振部２０の駆動電源２９、初段増幅部２１の駆動電源３０、主増幅部２３、２４のそれぞれの駆動電源３１、３２と、これら駆動電源の動作を制御する制御手段３３を配する。また駆動電源３１、３２の主増幅部２３、２４への電力供給ラインに電力を供給または停止する切換手段３４、３５を配する。
【００２９】
電力結合器２７、２８は、結合度が約１０ｄＢとし、反射電力の約１／１０の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード３６、３７で整流化しコンデンサ３８、３９で平滑処理している。コンデンサ３８、３９の一端には、抵抗４０、４１を介して切換手段３４、３５を接続している。なお、抵抗４２、４３、４４は、伝送してくる電力信号を熱損失させる抵抗である。
【００３０】
また、マイクロ波発生手段１９からの発熱を放熱させる放熱手段４５を配する。
【００３１】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００３２】
まず被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号４６を受けた制御手段３３の制御信号によりマイクロ波発生手段１９が動作を開始する。制御手段３３は、駆動電源２９を動作させて発振部２０に電力を供給する。この時、発振部２０の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。以降、駆動電源３０を動作させて初段増幅部２１を動作させ、次に駆動電源３１、３２をそれぞれ動作させて主増幅部２３、２４を動作させる。これにより、各主増幅部２３、２４はそれぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。
【００３３】
このマイクロ波は、同軸線路２５、２６を伝送して導波管１７、１８に導かれ開口１３ａ、１４ａから被加熱物が載置された方向に放射される。加熱室１０内に放射されたマイクロ波は、一部が直接被加熱物に入射し被加熱物に吸収され、残りは加熱室１０の壁面で反射を繰り返しながら加熱室１０内を伝搬する。加熱室１０内を伝搬するマイクロ波は、伝搬経路に被加熱物があれば、被加熱物はマイクロ波エネルギをさらに吸収する。加熱室１０内に供給されるマイクロ波エネルギが被加熱物に１００％吸収されると加熱室１０か
らの反射電力は無くなるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生手段１９の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側から同軸線路２５、２６を逆方向に伝送する反射電力が生じる。
【００３４】
電力結合器２７、２８は、この同軸線路２５、２６をマイクロ波発生手段１９側に伝送する反射電力信号と結合し、反射電力量が大きくなり切換手段３４、３５のコイルを励磁する電圧レベルに到達すると切換手段が作動して、関連する主増幅部２３、２４への電力供給を遮断する。制御手段３３は、主増幅部２３、２４に電力供給がなされているかどうかの信号を取り込む。
【００３５】
また、制御手段３３は、所定の時間間隔とステップ（たとえば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）でもって発振部２０の発振周波数を変化させる。この周波数は初期２４５０ＭＨｚから上限値（たとえば２５００ＭＨｚ）に向かって高くし、上限値に到達すると、下限値（たとえば２４００ＭＨｚ）に向かって下げ、下限値に到達すると上限値に向かって高くするように制御する。
【００３６】
この発振周波数の変化により、反射電力の量も変化し、反射電力が所定量を超過すると対応する主増幅部の動作が自動的に停止するが、周波数の可変制御を継続させることで、反射電力が所定値を下回ると再び対応する主増幅部に電力が供給されてその主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室１０に供給される。
【００３７】
この動作により、反射電力が大きい場合は、主増幅部が動作を停止するので、無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。また、周波数を可変可能な帯域全体に渡って変化させて加熱を行うことで、加熱室１０内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱を促進させることができる。
【００３８】
また、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。
【００３９】
なお、周波数可変の速度は、すべての主増幅部が動作している場合は、速度を遅くし（たとえば１秒で１ＭＨｚ）、すべての主増幅部が動作を停止している場合は、速度を早くする（たとえば２ミリ秒で１ＭＨｚ）など、いろいろな可変制御方法を採っても構わない。また、周波数可変範囲も被加熱物や加熱条件に応じて選択指定しても構わない。
【００４０】
（実施の形態２）
図３〜図５は、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波利用装置の構成図である。
【００４１】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、放射手段５０、５１を共振周波数を有する構成としたことと、反射電力の信号の大きさに基づいて主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の出力電圧を制御するようにしたものである。図３〜図５において、第１の実施の形態と同一構成あるいは略同一機能のものは同一番号で示す。
【００４２】
図３において、加熱室１０の左右壁面に形成した傾斜壁面領域１３、１４と金属壁面１５、１６とによって、導波管形状１７、１８を構成している。傾斜壁面領域１３、１４の加熱室１０側に共振周波数を有する放射手段５０、５１を配する。この放射手段５０、５１は、図４に上面構成図を示すように、略正方形形状で低誘電損失材料からなる基板５０ａ、５１ａの片面に円形形状の金属板５０ｂ、５１ｂを蒸着して構成している。
【００４３】
そして、放射手段５０は、共振周波数がたとえば２４３５ＭＨｚ、他方の放射手段５１
の共振周波数がたとえば２４６５ＭＨｚに調整している。また、図４における記号「×」５０ｃ、５１ｃはそれぞれの円形金属板５０ｂ、５１ｂへのマイクロ波の給電位置を示し、この位置に一端を接続固定するとともに他端が導波管１７、１８内に延在する金属棒を配している。
【００４４】
なお、傾斜壁面領域１３、１４の金属壁面には、金属棒を貫通させる穴を配する。また、基板５０ａ、５１ａの円形金属板と反対側の面は、金属板を全面に蒸着している。そしてこの全面蒸着した金属板にも金属棒を貫通させる穴を配する。
【００４５】
またなお、共振周波数の高い放射手段５１は、共振周波数の低い放射手段５０と略同一の直径からなる円形金属板をベースとし、円形の中心と給電位置５１ｃとを結ぶ線が円形の周囲と交わる点を基準として円縁に切欠５１ｄを施すことで所望の共振周波数に高めている。
【００４６】
図５において、方向性結合器５４、５５は、結合度が約３０ｄＢとし、反射電力の約１／１０００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード５６、５７で整流化しコンデンサ５８、５９で平滑処理し、制御手段６０に入力している。
【００４７】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００４８】
まず被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号６１を受けた制御手段６０の制御信号によりマイクロ波発生手段１９が動作を開始する。制御手段６０は、駆動電源２９を動作させて発振部２０に電力を供給する。この時、発振部２０の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。以降、駆動電源３０を動作させて初段増幅部２１を動作させ、次に駆動電源５２、５３をそれぞれ動作させて主増幅部２３、２４を動作させる。これにより、各主増幅部２３、２４はそれぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。
【００４９】
このマイクロ波は、同軸線路２５、２６を伝送して導波管１７、１８に導かれ放射手段５０、５１から被加熱物が載置された方向に放射される。加熱室１０内に放射されたマイクロ波は、一部が直接被加熱物に入射し被加熱物に吸収され、残りは加熱室１０の壁面で反射を繰り返しながら加熱室１０内を伝搬する。加熱室１０内を伝搬するマイクロ波は、伝搬経路に被加熱物があれば、被加熱物はマイクロ波エネルギをさらに吸収する。加熱室１０内に供給されるマイクロ波エネルギが被加熱物に１００％吸収されると加熱室１０からの反射電力は無しになるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生手段１９の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側から同軸線路２５、２６を逆方向に伝送する反射電力が生じる。
【００５０】
方向性結合器５４、５５は、この同軸線路２５、２６をマイクロ波発生手段１９側に伝送する反射電力信号と結合し、反射電力量に比例した電圧信号を制御手段６０に入力する。
【００５１】
また、制御手段６０は、前述の第１の実施の形態にて説明したのと同様の周波数可変制御信号を駆動電源２９に出力する。
【００５２】
この発振周波数の変化により、反射電力の量も変化する。制御手段６０は、入力される反射電力に対応した信号とを比較する基準レベルを２つ有している。そして、反射電力が
基準レベルのひとつである第一の所定量を超過すると制御手段６０は、主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の出力電圧を低下させる制御を行う。これにより、対応する主増幅部は増幅率が低下し、低い出力を呈する。また、第一の所定量よりも大きい第二の所定量を超過すると制御手段６０は、主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の動作を停止するように制御を行う。このような主増幅部の動作の変化に係わらず制御手段６０は周波数の可変制御を継続させることで、反射電力信号レベルに応じた制御指令を駆動電源５２、５３に出力し、その駆動電力に対応して主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室１０に供給される。
【００５３】
この動作により、反射電力の大きさに対応して主増幅部を動作させるので、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。また主増幅部は反射電力の大きさに応じた動作をさせることで無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。さらには、周波数を可変可能な帯域全体に渡って変化させて加熱を行うことで、加熱室１０内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱を促進させることができる。
【００５４】
（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施の形態のマイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段まわりの構成図である。
【００５５】
本実施の形態が第１あるいは第２の実施の形態と相違する点は、発振源を複数備えた点にある。
【００５６】
すなわち、図６において、第１の発生源であるマイクロ波発生手段７０と、第２の発生源であるマイクロ波発生手段７１とを有し、それぞれのマイクロ波発生手段７０、７１は、第１の実施の形態で説明した構成をベースとしている。相違する点は、それぞれの発振部７２、７３の周波数可変範囲がオーバーラップしない可変範囲となるように構成としている点である。すなわち、発振部７２の周波数可変範囲は、たとえば２４００〜２４５０ＭＨｚとし、発振部７３の周波数可変範囲は、たとえば２４５０〜２５００ＭＨｚとしている。また、それぞれのマイクロ波発生手段の駆動電源を制御する第１の制御手段７４と第２の制御手段７５を配し、さらに全体を制御する制御手段７６を配する。
【００５７】
以上のように構成された複数の発生源を備えたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００５８】
制御手段７６は、加熱開始信号７７を受けて第１の制御手段７４と第２の制御手段７５に動作開始信号を出力し、各制御手段７４、７５からの制御信号により、マイクロ波発生手段７０、７１がそれぞれ動作を開始する。前述したような動作開始時の一連の制御により、各主増幅部７８、７９、８０、８１はそれぞれ約２００Ｗのマイクロ波電力を出力する。なお、発振部７２、７３の初期発振周波数は、それぞれたとえば２４２５ＭＨｚ、２４７５ＭＨｚとしている。また周波数可変は、それぞれの可変範囲の上限に向かって変化させた後、下限に向かって変化させ、さらに上限に向かって変化させる制御を継続する。
【００５９】
発生したマイクロ波は、４本の同軸線路をそれぞれ伝送し４個の放射手段（図示していない）から加熱室内に放射される。このとき、加熱室内には異なる周波数のマイクロ波が伝搬する状態となっている。また、加熱室側から同軸線路を逆方向に伝送する反射電力に結合する電力結合器８２、８３、８４、８５により、反射電力が所定値を超えた場合、対象の主増幅部への電力供給が停止する。このような主増幅部の動作の変化に係わらず各制御手段７４、７５は周波数の可変制御を継続させることで、反射電力レベルに応じてそれ
ぞれの主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室に供給される。
【００６０】
この動作により、反射電力が所定値を超えると対象の主増幅部の動作を停止させるので、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。また主増幅部は反射電力の大きさに応じた動作をさせることで無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。さらには、加熱室内に異なる周波数のマイクロ波を供給して加熱を行うことで、加熱室内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱をさらに促進させることができる。
【００６１】
なお、放射手段は、第１および第２の実施の形態で説明した放射手段を様々に組合せて利用できる。また、たとえば左右と上下の４つの壁面に放射手段を配設する構成とすることもできる。また、周波数の可変のスピードは、それぞれの発振源で異ならした制御を採ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように本発明によれば、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させたマイクロ波利用装置の構成としたことにより、市販の電子レンジのごとき食品加熱はもとより、洗浄装置、乾燥装置、半導体製造装置などの工業分野での加熱装置にも展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１のマイクロ波利用装置の構成図
【図２】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【図３】本発明の実施の形態２のマイクロ波利用装置の構成図
【図４】同マイクロ波利用装置の放射手段の構成図
【図５】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【図６】本発明の実施の形態３のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【符号の説明】
【００６４】
１０ 加熱室
１２ 載置板（載置手段）
１３、１４ 傾斜壁面（傾斜壁面領域）
１３ａ、１４ａ 放射手段
１９、７０、７１ マイクロ波発生手段
２０ 発振部（周波数可変）
２１、２３、２４ 増幅部
２３、２４、７８、７９、８０、８１ 並列駆動の増幅部
２７、２８、８２、８３、８４、８５ 電力結合器（反射電力と結合）
３３、６０、７４、７５、７６ 制御手段
３４、３５ 切換手段
５０、５１ 共振周波数の異なる放射手段
５４、５５ 方向性結合器（反射電力と結合）
７２、７３ 発振周波数がオーバーラップしない発振部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変機能を有するマイクロ波発生手段を用いて被加熱物を誘電加熱するマイクロ波利用装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の代表的なマイクロ波利用装置として、マイクロ波加熱装置である電子レンジがある。この電子レンジに搭載されているマイクロ波発生手段としてのマグネトロンは、その形状に対する出力が大きく、さらにその動作効率が７０％強という高い特徴がある。
【０００３】
一方、マグネトロンは発振周波数を自在に制御することができず、またマグネトロン自身の発振周波数が被加熱物を含む負荷側のインピーダンスの影響を受ける。このため、不適当な発振周波数での動作によって加熱室内に生じる定在波により被加熱物には不均一な加熱を生じる場合がある。
【０００４】
マグネトロンの発振周波数を可変制御するものとして、同軸型のマグネトロンなどがあるが、
形状が大きいことや高価なことにより、電子レンジ用途には適さない。
【０００５】
一方、近年の移動体通信の発展に伴う旺盛なマイクロ波回路技術の進化、あるいはＳｉＣ材料やＧａＮ材料などの新しい半導体材料を利用した半導体素子そのものの技術革新などが進み、半導体素子を用いたマイクロ波発生手段が半導体製造に用いられるプラズマ処理装置などに実用化され始めている。
【０００６】
この半導体素子により構成されるマイクロ波発生手段は、電圧制御型発振器や容量制御型発振器を発振源に使用することで、発振周波数を可変制御することが容易である。周波数自励式の固体化発振部を用い、加熱室への給電部分のインピーダンスに応じて発振周波数を制御して最適な整合状態を形成し効率的に加熱を行うというものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、複数の放射アンテナを有し、被加熱物からのマイクロ波の反射波に基づいて、放射アンテナを選択的に動作させて加熱効率を高めるというものがある（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
この装置は、それぞれの放射アンテナに送受信切換スイッチを設け、また被加熱物側から受信する反射波の振幅と位相情報が検出できるようにしている。この検出情報に基づいて、加熱にとって非効率な放射アンテナへのマイクロ波伝送を停止させることで効率的に加熱をするというものである。
【特許文献１】特開昭５９−１６５３９９号公報
【特許文献２】特開２０００−３５７５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、発振周波数を制御して給電部分のインピーダンス整合を図ることは、加熱室の共振状態を探索して、その周波数を見つけることであり、加熱室内に生じる共振状態はひとつとは限らないので、探索して抽出した周波数が被加熱物を効果的に均一に加熱できるとは限らない課題がある。
【００１０】
また、放射アンテナを複数配置し、被加熱物に応じてそれぞれの放射アンテナからの反射波情報に基づいて動作させるべき放射アンテナを選択する方法は、被加熱物を多方面から加熱するという観点では均一化促進に寄与するであろうが、放射されたマイクロ波によって加熱室内には特定の定在波が生じるため、厚みのある被加熱物に対しては特定の定在波による加熱分布が加わり、加熱の均一化が阻害される課題がある。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させたマイクロ波利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波利用装置は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるものである。
【００１３】
これにより、被加熱物の加熱に最適な周波数を探索中に各放射手段から反射する反射波のエネルギによって切換手段が自動的に動作し、動作する切換手段の数を最小にするように発振周波数を可変制御させることで、加熱室内にマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を最大効率で供給することができる。
【００１４】
また、マイクロ波発生手段の発振周波数を変化させる過程において反射波の大きい放射手段からのマイクロ波放射は自動的に放射が中断されるので、加熱室内に供給されるマイクロ波の大部分は、被加熱物の加熱に有効に作用することになり常時加熱効率を高く維持できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロ波利用装置は、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させた装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるものであり、これにより被加熱物の加熱に最適な周波数を探索中に各放射手段から反射する反射波のエネルギによって切換手段が自動的に動作し、動作する切換手段の数を最小にするように発振周波数を可変制御させることで、加熱室内にマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を最大効率で供給することができる。また、マイクロ波発生手段の発振周波数を変化させる過程において反射波の大きい放射手段からのマイクロ波放射は自動的に放射が中断されるので、加熱室内に供給されるマイクロ波の大部分は、被加熱物の加熱に有効に作用することになり常時加熱効率を高く維持できる。
【００１７】
第２の発明は、特に第１の発明のマイクロ波発生手段は、半導体素子を用いた発振部と増幅部とで構成し、複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部を備えたものであり、これにより放射手段と増幅部とをそれぞれ一対として作用
させることができ、マイクロ波周波数可変制御時に反射波が大きい放射手段に接続された増幅部の動作を制御することで反射波による異状な増幅動作の回避および増幅部の破損を回避できる。
【００１８】
第３の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力を検出する手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、所定量を超える反射電力になると対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力を減少あるいは停止させるように制御したものであり、これにより周波数可変制御時に反射波が大きい放射手段に接続された増幅部の動作を反射電力量に応じて動作させることができ、増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を回避しつつ複数の放射手段からの放射を継続させて被加熱物の均一加熱が図れる。
【００１９】
第４の発明は、被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力によって動作する切換手段を前記増幅部の駆動電力供給線路に設け、所定量を超える反射電力によって前記切換手段を作動させて、対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力供給を停止するように制御したものであり、これにより反射電力が所定量を超過すると増幅部に供給する電力が自動的に切断され、増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができる。
【００２０】
第５の発明は、特に第１、第３、第４のいずれか１つの発明の複数の放射手段は、被加熱物を載置する載置手段の方向にマイクロ波を放射するように構成したものであり、これにより被加熱物にマイクロ波を直接入射し、加熱を促進できる。
【００２１】
第６の発明は、特に第１、第３、第４のいずれか１つのの発明の複数の放射手段は、それぞれ異なる共振周波数を有したものであり、これにより周波数可変制御を行っている過程において、反射電力が少ない放射手段を存在させ、連続的に加熱を実行させることができる。
【００２２】
第７の発明は、マイクロ波発生手段は、複数の発生源を有し、それぞれの発生源の発生周波数はオーバーラップさせない構成としたものであり、これにより複数の発生源の周波数可変を同時に進行させることができ、最適な周波数の選択を短時間に実行できる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波利用装置の構成図、図２は図１のマイクロ波発生手段の構成図である。
【００２５】
図１〜図２において、被加熱物を収納する加熱室１０は、被加熱物を出し入れする扉（図示していない）を一面に配し、それ以外の壁面は金属材料で構成し、供給されるマイク
ロ波を内部に閉じ込めるように構成している。加熱室１０内の下方には、加熱室底壁面１１と所定の間隔をもって被加熱物を載置する低誘電損失材料からなる載置板１２を配する。また加熱室１０の左右の壁面は、加熱室１０の内外方向に絞り加工を施して載置板１２の方向に傾斜させた壁面領域１３、１４を形成している。
【００２６】
この傾斜壁面領域１３、１４をそれぞれ加熱室１０の外側から覆う金属壁面１５、１６を設け、傾斜壁面領域と金属壁面とによって、導波管形状１７、１８を構成している。また、傾斜壁面領域１３、１４の略中央に放射手段である長方形形状の開口１３ａ、１４ａを配する。
【００２７】
加熱室１０の下側には、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段１９を配する。このマイクロ波発生手段１９は、電圧可変型の周波数可変機能を備えた発振部２０と、発振部２０の出力を一次増幅する初段増幅部２１と、初段増幅部２１の出力を２分配する分配部２２と、分配されたマイクロ波をそれぞれ増幅する並列動作の主増幅部２３、２４とから構成している。また、主増幅部２３、２４のそれぞれの出力は、同軸線路２５、２６を伝送させて導波管１７、１８に導いている。そして、導波管１７、１８に導かれたマイクロ波は開口１３ａ、１４ａから加熱室１０内の載置板１２の方向に放射させている。
【００２８】
マイクロ波発生手段１９の二つの出力には、それぞれ反射電力を抽出する電力結合器２７、２８を配する。また、発振部２０の駆動電源２９、初段増幅部２１の駆動電源３０、主増幅部２３、２４のそれぞれの駆動電源３１、３２と、これら駆動電源の動作を制御する制御手段３３を配する。また駆動電源３１、３２の主増幅部２３、２４への電力供給ラインに電力を供給または停止する切換手段３４、３５を配する。
【００２９】
電力結合器２７、２８は、結合度が約１０ｄＢとし、反射電力の約１／１０の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード３６、３７で整流化しコンデンサ３８、３９で平滑処理している。コンデンサ３８、３９の一端には、抵抗４０、４１を介して切換手段３４、３５を接続している。なお、抵抗４２、４３、４４は、伝送してくる電力信号を熱損失させる抵抗である。
【００３０】
また、マイクロ波発生手段１９からの発熱を放熱させる放熱手段４５を配する。
【００３１】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００３２】
まず被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号４６を受けた制御手段３３の制御信号によりマイクロ波発生手段１９が動作を開始する。制御手段３３は、駆動電源２９を動作させて発振部２０に電力を供給する。この時、発振部２０の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。以降、駆動電源３０を動作させて初段増幅部２１を動作させ、次に駆動電源３１、３２をそれぞれ動作させて主増幅部２３、２４を動作させる。これにより、各主増幅部２３、２４はそれぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。
【００３３】
このマイクロ波は、同軸線路２５、２６を伝送して導波管１７、１８に導かれ開口１３ａ、１４ａから被加熱物が載置された方向に放射される。加熱室１０内に放射されたマイクロ波は、一部が直接被加熱物に入射し被加熱物に吸収され、残りは加熱室１０の壁面で反射を繰り返しながら加熱室１０内を伝搬する。加熱室１０内を伝搬するマイクロ波は、伝搬経路に被加熱物があれば、被加熱物はマイクロ波エネルギをさらに吸収する。加熱室１０内に供給されるマイクロ波エネルギが被加熱物に１００％吸収されると加熱室１０か
らの反射電力は無くなるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生手段１９の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側から同軸線路２５、２６を逆方向に伝送する反射電力が生じる。
【００３４】
電力結合器２７、２８は、この同軸線路２５、２６をマイクロ波発生手段１９側に伝送する反射電力信号と結合し、反射電力量が大きくなり切換手段３４、３５のコイルを励磁する電圧レベルに到達すると切換手段が作動して、関連する主増幅部２３、２４への電力供給を遮断する。制御手段３３は、主増幅部２３、２４に電力供給がなされているかどうかの信号を取り込む。
【００３５】
また、制御手段３３は、所定の時間間隔とステップ（たとえば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）でもって発振部２０の発振周波数を変化させる。この周波数は初期２４５０ＭＨｚから上限値（たとえば２５００ＭＨｚ）に向かって高くし、上限値に到達すると、下限値（たとえば２４００ＭＨｚ）に向かって下げ、下限値に到達すると上限値に向かって高くするように制御する。
【００３６】
この発振周波数の変化により、反射電力の量も変化し、反射電力が所定量を超過すると対応する主増幅部の動作が自動的に停止するが、周波数の可変制御を継続させることで、反射電力が所定値を下回ると再び対応する主増幅部に電力が供給されてその主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室１０に供給される。
【００３７】
この動作により、反射電力が大きい場合は、主増幅部が動作を停止するので、無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。また、周波数を可変可能な帯域全体に渡って変化させて加熱を行うことで、加熱室１０内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱を促進させることができる。
【００３８】
また、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。
【００３９】
なお、周波数可変の速度は、すべての主増幅部が動作している場合は、速度を遅くし（たとえば１秒で１ＭＨｚ）、すべての主増幅部が動作を停止している場合は、速度を早くする（たとえば２ミリ秒で１ＭＨｚ）など、いろいろな可変制御方法を採っても構わない。また、周波数可変範囲も被加熱物や加熱条件に応じて選択指定しても構わない。
【００４０】
（実施の形態２）
図３〜図５は、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波利用装置の構成図である。
【００４１】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、放射手段５０、５１を共振周波数を有する構成としたことと、反射電力の信号の大きさに基づいて主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の出力電圧を制御するようにしたものである。図３〜図５において、第１の実施の形態と同一構成あるいは略同一機能のものは同一番号で示す。
【００４２】
図３において、加熱室１０の左右壁面に形成した傾斜壁面領域１３、１４と金属壁面１５、１６とによって、導波管形状１７、１８を構成している。傾斜壁面領域１３、１４の加熱室１０側に共振周波数を有する放射手段５０、５１を配する。この放射手段５０、５１は、図４に上面構成図を示すように、略正方形形状で低誘電損失材料からなる基板５０ａ、５１ａの片面に円形形状の金属板５０ｂ、５１ｂを蒸着して構成している。
【００４３】
そして、放射手段５０は、共振周波数がたとえば２４３５ＭＨｚ、他方の放射手段５１
の共振周波数がたとえば２４６５ＭＨｚに調整している。また、図４における記号「×」５０ｃ、５１ｃはそれぞれの円形金属板５０ｂ、５１ｂへのマイクロ波の給電位置を示し、この位置に一端を接続固定するとともに他端が導波管１７、１８内に延在する金属棒を配している。
【００４４】
なお、傾斜壁面領域１３、１４の金属壁面には、金属棒を貫通させる穴を配する。また、基板５０ａ、５１ａの円形金属板と反対側の面は、金属板を全面に蒸着している。そしてこの全面蒸着した金属板にも金属棒を貫通させる穴を配する。
【００４５】
またなお、共振周波数の高い放射手段５１は、共振周波数の低い放射手段５０と略同一の直径からなる円形金属板をベースとし、円形の中心と給電位置５１ｃとを結ぶ線が円形の周囲と交わる点を基準として円縁に切欠５１ｄを施すことで所望の共振周波数に高めている。
【００４６】
図５において、方向性結合器５４、５５は、結合度が約３０ｄＢとし、反射電力の約１／１０００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード５６、５７で整流化しコンデンサ５８、５９で平滑処理し、制御手段６０に入力している。
【００４７】
以上のように構成されたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００４８】
まず被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号６１を受けた制御手段６０の制御信号によりマイクロ波発生手段１９が動作を開始する。制御手段６０は、駆動電源２９を動作させて発振部２０に電力を供給する。この時、発振部２０の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。以降、駆動電源３０を動作させて初段増幅部２１を動作させ、次に駆動電源５２、５３をそれぞれ動作させて主増幅部２３、２４を動作させる。これにより、各主増幅部２３、２４はそれぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。
【００４９】
このマイクロ波は、同軸線路２５、２６を伝送して導波管１７、１８に導かれ放射手段５０、５１から被加熱物が載置された方向に放射される。加熱室１０内に放射されたマイクロ波は、一部が直接被加熱物に入射し被加熱物に吸収され、残りは加熱室１０の壁面で反射を繰り返しながら加熱室１０内を伝搬する。加熱室１０内を伝搬するマイクロ波は、伝搬経路に被加熱物があれば、被加熱物はマイクロ波エネルギをさらに吸収する。加熱室１０内に供給されるマイクロ波エネルギが被加熱物に１００％吸収されると加熱室１０からの反射電力は無しになるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生手段１９の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側から同軸線路２５、２６を逆方向に伝送する反射電力が生じる。
【００５０】
方向性結合器５４、５５は、この同軸線路２５、２６をマイクロ波発生手段１９側に伝送する反射電力信号と結合し、反射電力量に比例した電圧信号を制御手段６０に入力する。
【００５１】
また、制御手段６０は、前述の第１の実施の形態にて説明したのと同様の周波数可変制御信号を駆動電源２９に出力する。
【００５２】
この発振周波数の変化により、反射電力の量も変化する。制御手段６０は、入力される反射電力に対応した信号とを比較する基準レベルを２つ有している。そして、反射電力が
基準レベルのひとつである第一の所定量を超過すると制御手段６０は、主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の出力電圧を低下させる制御を行う。これにより、対応する主増幅部は増幅率が低下し、低い出力を呈する。また、第一の所定量よりも大きい第二の所定量を超過すると制御手段６０は、主増幅部２３、２４の駆動電源５２、５３の動作を停止するように制御を行う。このような主増幅部の動作の変化に係わらず制御手段６０は周波数の可変制御を継続させることで、反射電力信号レベルに応じた制御指令を駆動電源５２、５３に出力し、その駆動電力に対応して主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室１０に供給される。
【００５３】
この動作により、反射電力の大きさに対応して主増幅部を動作させるので、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。また主増幅部は反射電力の大きさに応じた動作をさせることで無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。さらには、周波数を可変可能な帯域全体に渡って変化させて加熱を行うことで、加熱室１０内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱を促進させることができる。
【００５４】
（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施の形態のマイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段まわりの構成図である。
【００５５】
本実施の形態が第１あるいは第２の実施の形態と相違する点は、発振源を複数備えた点にある。
【００５６】
すなわち、図６において、第１の発生源であるマイクロ波発生手段７０と、第２の発生源であるマイクロ波発生手段７１とを有し、それぞれのマイクロ波発生手段７０、７１は、第１の実施の形態で説明した構成をベースとしている。相違する点は、それぞれの発振部７２、７３の周波数可変範囲がオーバーラップしない可変範囲となるように構成としている点である。すなわち、発振部７２の周波数可変範囲は、たとえば２４００〜２４５０ＭＨｚとし、発振部７３の周波数可変範囲は、たとえば２４５０〜２５００ＭＨｚとしている。また、それぞれのマイクロ波発生手段の駆動電源を制御する第１の制御手段７４と第２の制御手段７５を配し、さらに全体を制御する制御手段７６を配する。
【００５７】
以上のように構成された複数の発生源を備えたマイクロ波利用装置について、以下その動作と作用を説明する。
【００５８】
制御手段７６は、加熱開始信号７７を受けて第１の制御手段７４と第２の制御手段７５に動作開始信号を出力し、各制御手段７４、７５からの制御信号により、マイクロ波発生手段７０、７１がそれぞれ動作を開始する。前述したような動作開始時の一連の制御により、各主増幅部７８、７９、８０、８１はそれぞれ約２００Ｗのマイクロ波電力を出力する。なお、発振部７２、７３の初期発振周波数は、それぞれたとえば２４２５ＭＨｚ、２４７５ＭＨｚとしている。また周波数可変は、それぞれの可変範囲の上限に向かって変化させた後、下限に向かって変化させ、さらに上限に向かって変化させる制御を継続する。
【００５９】
発生したマイクロ波は、４本の同軸線路をそれぞれ伝送し４個の放射手段（図示していない）から加熱室内に放射される。このとき、加熱室内には異なる周波数のマイクロ波が伝搬する状態となっている。また、加熱室側から同軸線路を逆方向に伝送する反射電力に結合する電力結合器８２、８３、８４、８５により、反射電力が所定値を超えた場合、対象の主増幅部への電力供給が停止する。このような主増幅部の動作の変化に係わらず各制御手段７４、７５は周波数の可変制御を継続させることで、反射電力レベルに応じてそれ
ぞれの主増幅部が動作し、マイクロ波エネルギが加熱室に供給される。
【００６０】
この動作により、反射電力が所定値を超えると対象の主増幅部の動作を停止させるので、反射電力による主増幅部の半導体素子の異常動作や熱的破壊を確実に回避させることができ、信頼性の高い半導体素子を用いたマイクロ波発生手段を提供できる。また主増幅部は反射電力の大きさに応じた動作をさせることで無用な電力消費を回避し、高い加熱効率で被加熱物を加熱させることができる。さらには、加熱室内に異なる周波数のマイクロ波を供給して加熱を行うことで、加熱室内での定在波の発生を回避し、被加熱物の均一な加熱をさらに促進させることができる。
【００６１】
なお、放射手段は、第１および第２の実施の形態で説明した放射手段を様々に組合せて利用できる。また、たとえば左右と上下の４つの壁面に放射手段を配設する構成とすることもできる。また、周波数の可変のスピードは、それぞれの発振源で異ならした制御を採ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように本発明によれば、周波数可変可能なマイクロ波発生手段を用い、被加熱物の均一な加熱の促進と高い加熱効率とを両立させたマイクロ波利用装置の構成としたことにより、市販の電子レンジのごとき食品加熱はもとより、洗浄装置、乾燥装置、半導体製造装置などの工業分野での加熱装置にも展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１のマイクロ波利用装置の構成図
【図２】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【図３】本発明の実施の形態２のマイクロ波利用装置の構成図
【図４】同マイクロ波利用装置の放射手段の構成図
【図５】同マイクロ波利用装置のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【図６】本発明の実施の形態３のマイクロ波発生手段の構成ブロック図
【符号の説明】
【００６４】
１０ 加熱室
１２ 載置板（載置手段）
１３、１４ 傾斜壁面（傾斜壁面領域）
１３ａ、１４ａ 放射手段
１９、７０、７１ マイクロ波発生手段
２０ 発振部（周波数可変）
２１、２３、２４ 増幅部
２３、２４、７８、７９、８０、８１ 並列駆動の増幅部
２７、２８、８２、８３、８４、８５ 電力結合器（反射電力と結合）
３３、６０、７４、７５、７６ 制御手段
３４、３５ 切換手段
５０、５１ 共振周波数の異なる放射手段
５４、５５ 方向性結合器（反射電力と結合）
７２、７３ 発振周波数がオーバーラップしない発振部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるマイクロ波利用装置。
【請求項２】
マイクロ波発生手段は、半導体素子を用いた発振部と増幅部とで構成し、複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部を備えた請求項１に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項３】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力を検出する手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、所定量を超える反射電力になると対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力を減少あるいは停止させるように制御したマイクロ波利用装置。
【請求項４】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力によって動作する切換手段を前記増幅部の駆動電力供給線路に設け、所定量を超える反射電力によって前記切換手段を作動させて、対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力供給を停止するように制御したマイクロ波利用装置。
【請求項５】
複数の放射手段は、被加熱物を載置する載置手段の方向にマイクロ波を放射するように構成した請求項１、３、４のいずれか１項に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項６】
複数の放射手段は、それぞれ異なる共振周波数を有した請求項１、３、４のいずれか１項に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項７】
マイクロ波発生手段は、複数の発生源を有し、それぞれの発生源の発生周波数はオーバーラップさせない構成としたマイクロ波利用装置。
【請求項１】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記放射手段からマイクロ波発生手段側に反射するそれぞれの反射波のエネルギによって動作する複数の切換手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、周波数可変に伴う切換手段の動作により放射手段が選択されるマイクロ波利用装置。
【請求項２】
マイクロ波発生手段は、半導体素子を用いた発振部と増幅部とで構成し、複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部を備えた請求項１に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項３】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力を検出する手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、所定量を超える反射電力になると対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力を減少あるいは停止させるように制御したマイクロ波利用装置。
【請求項４】
被加熱物が収納される加熱室と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を発生させる周波数可変機能付マイクロ波発生手段と、前記加熱室へ供給するマイクロ波を放射する複数の放射手段と、前記マイクロ波発生手段が発生する周波数を可変制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波発生手段は半導体素子を用いた発振部と前記複数の放射手段にそれぞれ伝送させるマイクロ波を出力する並列動作の増幅部とで構成し、前記複数の放射手段のそれぞれからマイクロ波発生手段側に伝送するマイクロ波反射電力によって動作する切換手段を前記増幅部の駆動電力供給線路に設け、所定量を超える反射電力によって前記切換手段を作動させて、対象の放射手段に接続された増幅部の駆動電力供給を停止するように制御したマイクロ波利用装置。
【請求項５】
複数の放射手段は、被加熱物を載置する載置手段の方向にマイクロ波を放射するように構成した請求項１、３、４のいずれか１項に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項６】
複数の放射手段は、それぞれ異なる共振周波数を有した請求項１、３、４のいずれか１項に記載のマイクロ波利用装置。
【請求項７】
マイクロ波発生手段は、複数の発生源を有し、それぞれの発生源の発生周波数はオーバーラップさせない構成としたマイクロ波利用装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３１７４５８（Ｐ２００７−３１７４５８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４４７９８（Ｐ２００６−１４４７９８）
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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