マイクロ波加熱装置
【課題】各アンテナから放出されたマイクロ波の電力を効果的に空間合成し、加熱室内に強い電界を発生させ、食品の加熱効率を改善できるマイクロ波加熱装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波加熱装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部１０１と、被加熱物を収納する加熱室１０４と、マイクロ波発生部１０１が発生したマイクロ波を加熱室１０４に供給するための少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂとを備え、少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂは、加熱室１０４の同一面に配置され、かつ、少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂにおける各給電点の位置がマイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。
【解決手段】マイクロ波加熱装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部１０１と、被加熱物を収納する加熱室１０４と、マイクロ波発生部１０１が発生したマイクロ波を加熱室１０４に供給するための少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂとを備え、少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂは、加熱室１０４の同一面に配置され、かつ、少なくとも２個のアンテナ１０３ａ、１０３ｂにおける各給電点の位置がマイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱室に配置されたアンテナからマイクロ波を放射し、加熱室内の被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波により食品等の被加熱物を加熱する装置として、電子レンジが広く普及している。被加熱物を加熱するためには、民生用途においても、５００Ｗ以上の非常に大きなマイクロ波電力が必要である。それに伴って、電子レンジの消費電力も非常に大きい。そこで、供給するマイクロ波電力を被加熱物の加熱に有効利用し、加熱効率を向上させることで、電子レンジの消費電力を低減することが求められてきた。
【０００３】
加熱効率を向上する手段として、例えば、特許文献１に記載の装置は、マイクロ波発生部であるマグネトロンから放出されたマイクロ波が加熱室内の広い範囲に行きわたるように、回転式の攪拌機構を設けている。
【０００４】
また、特許文献２に記載の装置は、マイクロ波発生部が半導体素子で構成され、加熱室内に複数配置されたアンテナから放出されるマイクロ波の周波数および位相を制御することにより、被加熱物に適した加熱条件で加熱できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８６４４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、マグネトロンが放出するマイクロ波の周波数が不安定である。さらに、回転式の攪拌機構が常に動作しているため、加熱室内のマイクロ波分布が安定しない。よって、加熱効率の高い状態を維持できず、放出されたマイクロ波を食品の加熱に、有効利用することが困難である。
【０００７】
それに対し、特許文献２に記載の装置では、半導体素子を使用しているため、アンテナから放出されるマイクロ波が安定しており、加熱室内のマイクロ波分布を一定に保つことが可能である。しかし、複数の壁面にアンテナを配置した場合、各アンテナから放出されたマイクロ波の電力を空間合成することが困難であり、加熱室内に強い電界が発生しない。よって、加熱効率を十分にあげられないという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するもので、各アンテナから放出されたマイクロ波の電力を効果的に空間合成し、加熱室内に強い電界を発生させ、食品の加熱効率を改善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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来の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、被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記被加熱物を収納する加熱室と、前記マイクロ波発生部が発生した前記マイクロ波を前記加熱室に供給するための少なくとも２個のアンテナとを備え、前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の同一面に配置され、かつ、前記少なくとも２個のアンテナにおける各給電点の位置が前記マイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。
【００１０】
これにより、エネルギーの空間合成が効果的に生じ、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。この強い電界を利用し、食品を加熱することで、加熱効率が向上する。
【００１１】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記各給電点の位置が前記マイクロ波の波長の２分の１以上の間隔になるように配置されていることが好ましい。
【００１２】
これにより、同一平面内に各アンテナを配置する場合においても、十分に、各アンテナの領域が確保される。
【００１３】
また、前記マイクロ波発生部は、半導体素子を用いた発振部と半導体素子を用いた増幅部とで構成されることが好ましい。
【００１４】
半導体素子により発生させたマイクロ波は、マグネトロンにより発生させたマイクロ波と比べ、アンテナから放射されるマイクロ波のスペクトルが急峻になる。そのため、加熱室内の定在波が安定し、電界分布が一定に保たれる。したがって、加熱効率向上に必要な電界の強い状態を保持できる。
【００１５】
また、前記マイクロ波発生部の前記増幅部は、窒化ガリウムのトランジスタを含むことが好ましい。
【００１６】
窒化ガリウムは、高電圧および大電流動作が可能なバンドギャップの広い化合物半導体材料であり、電子移動度および電子飽和速度も高い。よって、高周波特性も優れている。この窒化ガリウムのトランジスタを使用すれば、小型かつ低コストでマイクロ波発生部を構成することができる。
【００１７】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、円形のパッチアンテナであることが好ましい。
【００１８】
電子レンジへの応用では、アンテナから加熱室内に放射されるマイクロ波の出力が非常に大きく、アンテナの形状も重要な要素となる。角を持たない円形のパッチアンテナを使用することで、電界集中による放電および絶縁破壊を抑制できる。
【００１９】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の底面に配置されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、被加熱物が載置される加熱室の底面付近に強い電界を発生させることが可能になる。
【００２１】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナが配置されている前記同一面の中心位置から前記各給電点の位置までの距離がいずれも同じ距離になるように配置されていることが好ましい。
【００２２】
これにより、被加熱物が載置される加熱室の中央付近に強い電界を発生させることが可能になる。
【００２３】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナにおけるいずれの給電点においても、前記給電点の位置から前記加熱室において前記被加熱物を出し入れするための扉を有する面までの最短距離が、前記給電点の位置から前記加熱室において前記扉を有する面の反対側の面までの最短距離よりも、短くなるように、配置されていることが好ましい。
【００２４】
通常、電子レンジの加熱室は、マイクロ波を加熱室内に閉じ込めるため壁面を金属材料で構成する。しかし、被加熱物を出し入れするための扉は、金属材料にマイクロ波が通過できない程度の、波長よりも十分に小さい穴を開けることにより、加熱室内を目視で確認できるように構成される。そのため、扉面側と背面側との壁面は境界条件が異なり、電界の強い領域が、加熱室の中心から背面側に広がるように発生する。そこで、アンテナを予め扉面側に近づけて配置することにより、被加熱物が載置される加熱室の中央付近に電界の強い領域を発生させることが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、エネルギーの空間合成が効果的に生じるため、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。この強い電界を利用し、食品を加熱することで、加熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるマイクロ波発生部の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるマイクロ波発生部の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の効果を検証するための解析モデルの全体図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の効果を検証するための解析モデルの上面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の効果を検証するための解析モデルの横面図である。
【図５】図５は、本発明の効果を検証した解析結果を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、アンテナ間隔が９０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、アンテナ間隔が１２０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、アンテナ間隔が１５０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、アンテナ間隔が１８０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図７】図７は、アンテナの位置関係を示す概念図である。
【図８】図８は、円形パッチアンテナの一例を示す図である。
【図９】図９は、円形パッチアンテナのリターンロスの特性を示す図である。
【図１０】図１０は、円形パッチアンテナの遠方界での放射分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明における実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【００２８】
図１に示すように、マイクロ波加熱装置１００は、マイクロ波発生部１０１と、分配部１０２と、第１アンテナ１０３ａと、第２アンテナ１０３ｂと、加熱室１０４とを備えている。なお、図１において、マイクロ波加熱装置１００は、２個のアンテナを有しているが、アンテナの数はこれに限定されるものではない。
【００２９】
マイクロ波発生部１０１により、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数でマイクロ波電力を発生させ、そのマイクロ波電力を分配部１０２により分配する。さらに、分配されたマイクロ波電力は、第１アンテナ１０３ａと第２アンテナ１０３ｂに給電され、マイクロ波として加熱室１０４へ放射される。加熱室１０４の壁面は、金属材料などで構成され、放射されたマイクロ波を、加熱室１０４内部に閉じ込める。そのため、放射されたマイクロ波は加熱室１０４の壁面で複雑に反射し、加熱室１０４内に定在波が生じる。この定在波を利用し、被加熱物１０５は加熱される。
【００３０】
また、分配部１０２は、マイクロ波発生部１０１から入力されたマイクロ波電力を２分配する。この分配部１０２としては、ウィルキンソン型分配器、ハイブリッドカプラ、または、抵抗分配器などにより構成することができる。なお、図１において、マイクロ波加熱装置１００は、１個のマイクロ波発生部１０１から発生したマイクロ波を分配部１０２にて２分配しているが、分配部１０２を用いずに、マイクロ波発生部１０１を複数配置し、それぞれが各アンテナに給電する構造にしてもよい。
【００３１】
第１アンテナ１０３ａと第２アンテナ１０３ｂは、加熱室１０４の同一壁面に配置され、各アンテナの給電点の間隔が、アンテナから放射するマイクロ波の波長の２分の１倍から１倍の間になるように配置されている。つまり、電子レンジで、被加熱物を加熱するために使用するマイクロ波の周波数を、２．４５ＧＨｚとすると、波長は１２２ｍｍであり、給電点間隔を６１〜１２２ｍｍとすればよい。
【００３２】
６１ｍｍ以上とすることで、アンテナを置くスペースが確保される。また、１２２ｍｍ以下とすることで、加熱室１０４内の定在波の電界強度が強くなる。なお、以降、アンテナの給電点の間隔を単にアンテナの間隔と記載する場合がある。
【００３３】
また、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、平面のパッチアンテナであり、その絶縁破壊を抑制するために、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂと、加熱室底面の金属材料との間を空気層で構成することが好ましい。そして、本実施の形態では、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、円形パッチアンテナである。通常、円形パッチアンテナの半径は、放射されるマイクロ波の波長の４分の１程度である。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を加熱室内に放射するためには、円形パッチアンテナの半径として３０ｍｍ程度必要である。
【００３４】
ここで、給電点はパッチアンテナの中心部付近にあるため、各アンテナの給電点の間隔を波長の２分の１倍の長さよりも短くすると、アンテナ同士が物理的に重なってしまうため、給電点はアンテナから放射するマイクロ波の波長の２分の１倍よりも広い間隔で配置することが好ましい。
【００３５】
なお、図１においては、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、加熱室１０４の底面に設けられているが、それに限るものではなく、それぞれのアンテナが同一壁面に設けられていればよく、上面、側面、または、背面に設けられていてもよい。
【００３６】
図２は、図１に示されたマイクロ波発生部１０１の具体的な構成を示すブロック図である。
【００３７】
図２に示すように、マイクロ波発生部１０１は、発振部２０１と、増幅部２０２とを備えている。
【００３８】
発振部２０１は、トランジスタなどの半導体増幅素子と、タンク回路などの共振回路で構成される一般的なマイクロ波発振回路である。発振部２０１の構成は公知であり、ハートレー型発振回路またはコルピッツ型発振回路などを用いることができる。
【００３９】
増幅部２０２は、発振部２０１で生成されたマイクロ波電力を増幅する。増幅部２０２は、例えば、トランジスタで構成できる。
【００４０】
ここで、増幅部２０２に、高電圧および大電流動作が可能な窒化ガリウムのトランジスタを使用した場合、小さいチップ面積で大きな電力を扱えるため、増幅部２０２のサイズを小さくできるとともに、コストも低減可能である。
【００４１】
図３は、図２に示された発振部２０１を、位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いて、周波数可変型のマイクロ波電力発生器として構成した場合の、マイクロ波発生部１０１の具体的な構成を示すブロック図である。
【００４２】
図３に示すように、マイクロ波発生部１０１は、発振部３０１と、位相同期ループ３０２と、増幅部２０２とを備えている。
【００４３】
発振部３０１は、位相同期ループ３０２から出力される電圧に応じた周波数を有するマイクロ波信号を生成する、例えばＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）で構成できる。
【００４４】
位相同期ループ３０２は、発振部３０１にて発生されるマイクロ波電力の周波数と、制御部３０３から入力された、設定周波数を示す周波数制御信号３０４とが同一周波数となるように出力電圧を調整する。これにより、マイクロ波の周波数および位相を調整することができる。
【００４５】
なお、図２および図３では、増幅部２０２を１個の電力増幅器で構成しているが、出力電力を大きくするために、電力増幅器を複数設け、直列に多段接続してもよいし、並列接続した電力増幅器から出力される電力を合成する構成にしてもよい。
【００４６】
次に、実際に本発明の効果を検証したシミュレーション結果について、説明する。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに、本発明の効果を検証するための解析モデルを示す。
【００４７】
図４Ａは、解析モデル４１０の全体図を示しており、図４Ｂは、解析モデル４１０の上面図、図４Ｃは、解析モデル４１０の横面図をそれぞれ示している。
【００４８】
図４Ａの解析モデル全体図に示すように、解析モデル４１０は、加熱室４０１と、第１アンテナ４０２ａと、第２アンテナ４０２ｂと、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂを配置するスペース４０３と、加熱室４０１に被加熱物を出し入れするための扉４０４と、天井部分の張り出し４０５とから構成される。また、図４Ｃに示すように、加熱室４０１の底面に、被加熱物を載置する載置台４０６が配置されている。
【００４９】
ここでは、具体的な構成例として、加熱室４０１の大きさをｘ＝３１４ｍｍ、ｙ＝４１０ｍｍ、および、ｚ＝２３０ｍｍとした。また、天井部分の張り出しをｚ＝９ｍｍとし、アンテナを配置するスペースをｚ＝２０ｍｍとし、扉の張り出しをｘ＝８．８ｍｍとした。
【００５０】
図４Ｂは、解析モデル４１０の上面図であり、アンテナの具体的な配置を示している。第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂは、いずれも半径３２．３ｍｍの円形パッチアンテナであり、底面の中心点Ａからｘ軸およびｙ軸の方向に対していずれも対称になるように配置されている。また、アンテナの配置間隔は、円形のパッチアンテナの中心間距離で規定し、アンテナから放射するマイクロ波信号の波長よりも短い９０ｍｍと、アンテナから放射するマイクロ波信号の波長よりも長い１８０ｍｍの２種類で解析を実施した。なお、アンテナの給電点はアンテナの中心部付近にあるため、中心間距離で規定されたアンテナの間隔は、アンテナの給電点の間隔とほぼ同じになる。
【００５１】
図４Ｃは、解析モデル４１０の横面図であり、加熱室４０１と第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの位置関係を示している。加熱室４０１の底面には、被加熱物が載置される載置台４０６を配置し、その下にアンテナを配置するスペース４０３を設けた。第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂは、アンテナを配置するスペース４０３の底面から高さ４ｍｍに配置し、円形アンテナの厚さを０．４ｍｍとした。
【００５２】
図５は、本発明の効果を検証した解析結果である。図５は、図４Ａ等に示された解析モデル４１０において、実際に第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂからマイクロ波を放射することにより、加熱室４０１内に発生した定在波の電界分布を示している。解析は、アンテナ間隔を９０ｍｍとした場合と、アンテナ間隔を１８０ｍｍとした場合の２種類を実施し、それぞれの横面図と上面図を示している。なお、横面図は、図４Ｂに示された中心点Ａを含むＺＹ平面の電界分布を示しており、上面図は、加熱室４０１の底面から１５．２５ｍｍにおけるＸＹ平面の電界分布を示している。
【００５３】
図５に示した定在波の電界分布において、色の濃い領域は電界が強く、被加熱物の加熱に適した状態であるのに対し、色の薄い領域は電界が弱く、被加熱物の加熱には適していない状態である。
【００５４】
図５に示すように、アンテナ間隔が９０ｍｍの場合、加熱室４０１の広い範囲で電界強度の強い領域が多く、被加熱物が載置されると想定される載置台の中央付近に強い電界が発生している。これに対し、アンテナ間隔が１８０ｍｍの場合、加熱室４０１内の電界強度が全体的に弱く、被加熱物が載置されると想定される載置台の中央付近も電界強度が弱くなっている。
【００５５】
この電界強度は、被加熱物を加熱する効率に大きな影響がある。図５は、アンテナ間隔を９０ｍｍにすることで加熱効率が圧倒的に高くなることを明確に示している。また、アンテナ間隔を９０ｍｍにすることで電界強度が強くなる原因は、アンテナ間隔をアンテナから放射するマイクロ波の波長よりも短くすることで、空間での電力合成が効果的に生じているためである。
【００５６】
また、被加熱物を出し入れするための扉は、扉を閉めた状態でも加熱室４０１内が確認できるように金属板にマイクロ波が漏れない程度の穴が開いているのに対し、その他の壁面は金属板で完全に遮蔽される。これにより、図５の上面図に示すように、加熱室４０１内の電界分布が非対称となり、被加熱物を出し入れするための扉面側の方から背面側の方に、電界強度が強く広がっている。そのため、アンテナ位置を加熱室内の中心よりも、扉面側へ配置することが望ましい。これにより、中心部付近の電界強度が強くなる。
【００５７】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、さらに、図４Ａ等で示した解析モデルを用い、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔を９０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍおよび１８０ｍｍの４種類に設定して、各アンテナ間の相互干渉レベルをシミュレーションした結果である。また、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄのシミュレーションには、加熱室４０１の中に、加熱される食品を想定して、直径１５０ｍｍ、高さ７５ｍｍの器に、１７．５ｍｍの高さまで水をいれた被加熱物を、載置台４０６の中央部に配置した。
【００５８】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄの横軸は、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂから放射する周波数であり、ここでは、２．４〜２．５ＧＨｚとした。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄの縦軸は、各アンテナの相互干渉のレベルをデシベルで示した。
【００５９】
実際には、アンテナに供給したマイクロ波電力が加熱室４０１内に放射されずに、アンテナ端で反射してしまうリターンロスが発生する。しかし、リターンロスは、アンテナの設計に影響される要素が大きく、アンテナの間隔による影響は小さいと考えられるため、リターンロスの記載は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄにおいて省略している。
【００６０】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄでは、第１アンテナ４０２ａから放射されて第２アンテナ４０２ｂに入射したマイクロ波電力のレベルをＳ２１、および、第２アンテナ４０２ｂから放射されて第１アンテナ４０２ａに入射したマイクロ波電力のレベルをＳ１２として示している。また、ここで使用した解析モデルは、加熱室４０１の構造に対し、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂの配置は、左右対称であるため、Ｓ２１とＳ１２は、ほぼ同じ値となり、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄでは重なっている。
【００６１】
図６Ａは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔を９０ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。同様に、図６Ｂは、間隔を１２０ｍｍとした場合、図６Ｃは、間隔を１５０ｍｍとした場合、図６Ｄは、間隔を１８０ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。
【００６２】
また、放射するマイクロ波の周波数は２．４〜２．５ＧＨｚであるため、その波長は１２０〜１２５ｍｍであり、図６Ａおよび図６Ｂでは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの配置間隔が１波長以下となり、図６Ｃおよび図６Ｄでは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの配置間隔が１波長よりも長くなる。
【００６３】
ここで、Ｓ２１とＳ１２は、一方のアンテナから放射されたマイクロ波が他方のアンテナに入射される電力であり、被加熱物の加熱に関与しない電力である。そのため、被加熱物の加熱効率を向上させるには、アンテナ間の相互干渉であるＳ２１とＳ１２を低いレベルに抑えることが非常に重要である。
【００６４】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、１波長以下の間隔で第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを配置することで、Ｓ２１とＳ１２は−１２ｄＢ以下の低いレベルになる。これに対し、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、１波長よりも長い間隔で第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを配置すると、Ｓ２１とＳ１２のレベルが−５ｄＢまで上がっている。
【００６５】
これは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔が１波長より長くなることで、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間で相互干渉が生じるためである。ここで、加熱室４０１内で発生する定在波のエネルギーは被加熱物の加熱に寄与するが、アンテナ間の相互干渉で対向するアンテナへ入射したエネルギーは被加熱物の加熱に寄与しない。すなわち、アンテナ間の距離が１波長よりも長い場合、アンテナ間の相互干渉により、加熱に寄与しないエネルギーが増加し、加熱効率が下がる。
【００６６】
したがって、高い加熱効率を実現するためには、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを１波長以下の間隔で配置することが望ましい。
【００６７】
図７は、アンテナの位置関係を示す概念図である。
第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとが、加熱室内の同一壁面に配置される。
【００６８】
第１アンテナ５０１ａは、中心５０２ａから所定の半径ｒにより形成される円形のパッチアンテナである。中心５０２ａに近い位置に給電点５０３ａが設けられている。第２アンテナ５０１ｂは、第１アンテナ５０１ａと同様に、中心５０２ｂから所定の半径ｒにより形成される円形のパッチアンテナである。中心５０２ｂに近い位置に給電点５０３ｂが設けられている。
【００６９】
図７では、第１アンテナ５０１ａの給電点５０３ａと、第２アンテナ５０１ｂの給電点５０３ｂとは、対称の位置にあるが、非対称の位置にあっても構わない。
【００７０】
また、半径ｒはアンテナからマイクロ波を放射させるために、通常、１波長の４分の１程度の長さになる。そのため、第１アンテナ５０１ａの給電点５０３ａと第２アンテナ５０１ｂの給電点５０３ｂとの間隔ｄ１が、マイクロ波の１波長より長い場合、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとの間隔ｄ２は、１波長の２分の１より長くなる。間隔ｄ２が、１波長の２分の１より長くなると、アンテナ間の相互干渉が生じ始め、被加熱物の加熱に寄与せず消費されるエネルギーが増加する。よって、間隔ｄ１は、マイクロ波の波長以下で配置することが望ましい。
【００７１】
一方、半径ｒが１波長の４分の１であり、給電点の間隔ｄ１が１波長の２分の１である場合、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとの間隔ｄ２は、０になる。
【００７２】
したがって、これ以上、給電点の間隔ｄ１を短くすると、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとを重ねて配置しなければならない。よって、十分な大きさを持つ円形パッチアンテナを同一平面内に配置する場合、間隔ｄ１は、マイクロ波の波長の２分の１以上で配置することが望ましい。
【００７３】
なお、図７では、２個のアンテナの関係を示したが、マイクロ波加熱装置に３個以上のアンテナを配置してもよい。３個以上のアンテナのうち少なくとも２個のアンテナがマイクロ波の１波長以下で配置された場合、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。また、３個以上のアンテナが相互に１波長以下で配置されてもよい。また、例えば、４個のアンテナがある場合に、そのうち１個のアンテナとの関係において、他の３個のアンテナが１波長以下の間隔で配置されてもよい。また、４個のアンテナを１波長以下の間隔で直列に並べてもよい。
【００７４】
次に、パッチアンテナの構造について説明する。
図８は、円形パッチアンテナの一例を示す図である。
【００７５】
真円形のアンテナ板１２０は、マイクロ波加熱装置の加熱室内の底板導体１２１から４ｍｍの高さに設置される。また、アンテナ板１２０の厚みは、０．４ｍｍである。アンテナ板１２０に電力を給電するＴＥＭ型伝送線路１２２は、底板導体１２１の穴部分を通って加熱室外からアンテナ板１２０に接続される。アンテナ板１２０は、ＴＥＭ型伝送線路１２２によって固定されている。アンテナ板１２０の半径を３２．３４２ｍｍ、および、アンテナの中心から給電点の距離を１１．３５ｍｍとすることにより、共振周波数が２．４５ＧＨｚとなる。
【００７６】
図９は、上記構造の円形パッチアンテナの無負荷時のリターンロスの特性を示す。図９では、リターンロスがＳ１１として示されている。図９に示すように、電子レンジとして使用する２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの帯域の両端付近においても、Ｓ１１＜−１０ｄＢとなっており良好な反射特性が得られており、図９には示されていないが、３００ＭＨｚと広い通過帯域が得られる。また、２．４５ＧＨｚにおいて、約−４３ｄＢの減衰極が確認できる。
【００７７】
ここで、Ｓ１１のピークの急峻性を示す指標としてＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）がある。Ｑ値が高い程ピーク中心のリターンロスの特性はよく、反射は少なくなるが、中心から外れるとリターンロスの特性は大きく劣化する。そのため、これ以上Ｑ値が高くなると帯域の端の特性が劣化する。一般的にパッチアンテナの無負荷でのＱ値はアンテナと下部導体との間の媒質の比誘電率が低く、厚みが大きいほど低くなっていく。
【００７８】
上述した円形パッチアンテナにおいて、電子レンジとして使用する２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの帯域の両端において良好な反射特性が得られているのは、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層としたことにより、誘電体を挿入した場合と比べて、アンテナ板１２０と底板導体１２１との実質的な距離が大きくなることにより、Ｑ値が低くなったためと考えられる。さらに、誘電体を挿入した場合と比べて、誘電体による誘電損失も減少する。なお、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層とすることにより、同じＱ値であれば、誘電体を挿入した場合に比べて、アンテナの薄型化も同時に実現できる。このように、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層とすることにより、アンテナの薄型化と広帯域化の両立を実現することができる。さらに、誘電体を省くことによりコストも低減できる。
【００７９】
図１０は、円形パッチアンテナの遠方界での放射分布を示す図である。図１０では、放射分布が四方に広がっており、円形パッチアンテナの広指向性が示されている。また、図１０には明示されてはいないが、この放射分布において利得は最も高い点で約１０ｄＢｉ得られている。このように、円形パッチアンテナを用いることにより、電磁波を一様に広い範囲に放射することができる。これにより、加熱室の壁面からの反射波も一様になり、複数のパッチアンテナ間の空間合成が効果的に行われる。
【００８０】
さらに、パッチアンテナは、高電圧を印加するため、エッジがあるとそこに電界が集中することにより、放電等を起こす可能性がある。しかし、円形のパッチアンテナにすることにより、放電等の発生を防止することもできる。
【００８１】
なお、本実施の形態においてアンテナへの給電点は１つとしているが、給電点を２つ設け、それぞれの位置が略円の中心点に対して互いに直交するような配置としても良い。給電点を２つ設けることで、円偏波を発生することが可能になるとともに、アンテナ板の固定強度を向上させる効果も得られる。
【００８２】
また、アンテナ板の固定強度を大きくするためには、アンテナ板と下部導体との間に、誘電体からなる支持部材を部分的に設けてもよい。
【００８３】
以上に示されたように、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置は、少なくとも２個のアンテナが、加熱室の同一面に配置され、かつ、給電点の位置がマイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。これにより、加熱室内の被加熱物を加熱するための効率を向上させることができる。
【００８４】
なお、本発明に係るマイクロ波加熱装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態も本発明に含まれる。また、実施の形態における各構成要素およびアンテナの位置関係を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によるマイクロ波加熱装置は、効率よく被加熱物を加熱することができるため、例えば、電子レンジなどに代表される調理家電等において、消費電力を低減させることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１００ マイクロ波加熱装置
１０１ マイクロ波発生部
１０２ 分配部
１０３ａ、４０２ａ、５０１ａ 第１アンテナ
１０３ｂ、４０２ｂ、５０１ｂ 第２アンテナ
１０４ 加熱室
１０５ 被加熱物
１２０ アンテナ板
１２１ 底板導体
１２２ ＴＥＭ型伝送線路
２０１、３０１ 発振部
２０２ 増幅部
３０２ 位相同期ループ
３０３ 制御部
３０４ 周波数制御信号
４０１ 加熱室
４０３ スペース
４０４ 扉
４０５ 天井部分の張り出し
４０６ 載置台
４１０ 解析モデル
５０２ａ、５０２ｂ 中心
５０３ａ、５０３ｂ 給電点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱室に配置されたアンテナからマイクロ波を放射し、加熱室内の被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波により食品等の被加熱物を加熱する装置として、電子レンジが広く普及している。被加熱物を加熱するためには、民生用途においても、５００Ｗ以上の非常に大きなマイクロ波電力が必要である。それに伴って、電子レンジの消費電力も非常に大きい。そこで、供給するマイクロ波電力を被加熱物の加熱に有効利用し、加熱効率を向上させることで、電子レンジの消費電力を低減することが求められてきた。
【０００３】
加熱効率を向上する手段として、例えば、特許文献１に記載の装置は、マイクロ波発生部であるマグネトロンから放出されたマイクロ波が加熱室内の広い範囲に行きわたるように、回転式の攪拌機構を設けている。
【０００４】
また、特許文献２に記載の装置は、マイクロ波発生部が半導体素子で構成され、加熱室内に複数配置されたアンテナから放出されるマイクロ波の周波数および位相を制御することにより、被加熱物に適した加熱条件で加熱できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８６４４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、マグネトロンが放出するマイクロ波の周波数が不安定である。さらに、回転式の攪拌機構が常に動作しているため、加熱室内のマイクロ波分布が安定しない。よって、加熱効率の高い状態を維持できず、放出されたマイクロ波を食品の加熱に、有効利用することが困難である。
【０００７】
それに対し、特許文献２に記載の装置では、半導体素子を使用しているため、アンテナから放出されるマイクロ波が安定しており、加熱室内のマイクロ波分布を一定に保つことが可能である。しかし、複数の壁面にアンテナを配置した場合、各アンテナから放出されたマイクロ波の電力を空間合成することが困難であり、加熱室内に強い電界が発生しない。よって、加熱効率を十分にあげられないという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するもので、各アンテナから放出されたマイクロ波の電力を効果的に空間合成し、加熱室内に強い電界を発生させ、食品の加熱効率を改善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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来の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、被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記被加熱物を収納する加熱室と、前記マイクロ波発生部が発生した前記マイクロ波を前記加熱室に供給するための少なくとも２個のアンテナとを備え、前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の同一面に配置され、かつ、前記少なくとも２個のアンテナにおける各給電点の位置が前記マイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。
【００１０】
これにより、エネルギーの空間合成が効果的に生じ、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。この強い電界を利用し、食品を加熱することで、加熱効率が向上する。
【００１１】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記各給電点の位置が前記マイクロ波の波長の２分の１以上の間隔になるように配置されていることが好ましい。
【００１２】
これにより、同一平面内に各アンテナを配置する場合においても、十分に、各アンテナの領域が確保される。
【００１３】
また、前記マイクロ波発生部は、半導体素子を用いた発振部と半導体素子を用いた増幅部とで構成されることが好ましい。
【００１４】
半導体素子により発生させたマイクロ波は、マグネトロンにより発生させたマイクロ波と比べ、アンテナから放射されるマイクロ波のスペクトルが急峻になる。そのため、加熱室内の定在波が安定し、電界分布が一定に保たれる。したがって、加熱効率向上に必要な電界の強い状態を保持できる。
【００１５】
また、前記マイクロ波発生部の前記増幅部は、窒化ガリウムのトランジスタを含むことが好ましい。
【００１６】
窒化ガリウムは、高電圧および大電流動作が可能なバンドギャップの広い化合物半導体材料であり、電子移動度および電子飽和速度も高い。よって、高周波特性も優れている。この窒化ガリウムのトランジスタを使用すれば、小型かつ低コストでマイクロ波発生部を構成することができる。
【００１７】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、円形のパッチアンテナであることが好ましい。
【００１８】
電子レンジへの応用では、アンテナから加熱室内に放射されるマイクロ波の出力が非常に大きく、アンテナの形状も重要な要素となる。角を持たない円形のパッチアンテナを使用することで、電界集中による放電および絶縁破壊を抑制できる。
【００１９】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の底面に配置されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、被加熱物が載置される加熱室の底面付近に強い電界を発生させることが可能になる。
【００２１】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナが配置されている前記同一面の中心位置から前記各給電点の位置までの距離がいずれも同じ距離になるように配置されていることが好ましい。
【００２２】
これにより、被加熱物が載置される加熱室の中央付近に強い電界を発生させることが可能になる。
【００２３】
また、前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナにおけるいずれの給電点においても、前記給電点の位置から前記加熱室において前記被加熱物を出し入れするための扉を有する面までの最短距離が、前記給電点の位置から前記加熱室において前記扉を有する面の反対側の面までの最短距離よりも、短くなるように、配置されていることが好ましい。
【００２４】
通常、電子レンジの加熱室は、マイクロ波を加熱室内に閉じ込めるため壁面を金属材料で構成する。しかし、被加熱物を出し入れするための扉は、金属材料にマイクロ波が通過できない程度の、波長よりも十分に小さい穴を開けることにより、加熱室内を目視で確認できるように構成される。そのため、扉面側と背面側との壁面は境界条件が異なり、電界の強い領域が、加熱室の中心から背面側に広がるように発生する。そこで、アンテナを予め扉面側に近づけて配置することにより、被加熱物が載置される加熱室の中央付近に電界の強い領域を発生させることが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、エネルギーの空間合成が効果的に生じるため、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。この強い電界を利用し、食品を加熱することで、加熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるマイクロ波発生部の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるマイクロ波発生部の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の効果を検証するための解析モデルの全体図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の効果を検証するための解析モデルの上面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の効果を検証するための解析モデルの横面図である。
【図５】図５は、本発明の効果を検証した解析結果を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、アンテナ間隔が９０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、アンテナ間隔が１２０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、アンテナ間隔が１５０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、アンテナ間隔が１８０ｍｍの場合の結果を示す図である。
【図７】図７は、アンテナの位置関係を示す概念図である。
【図８】図８は、円形パッチアンテナの一例を示す図である。
【図９】図９は、円形パッチアンテナのリターンロスの特性を示す図である。
【図１０】図１０は、円形パッチアンテナの遠方界での放射分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明における実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【００２８】
図１に示すように、マイクロ波加熱装置１００は、マイクロ波発生部１０１と、分配部１０２と、第１アンテナ１０３ａと、第２アンテナ１０３ｂと、加熱室１０４とを備えている。なお、図１において、マイクロ波加熱装置１００は、２個のアンテナを有しているが、アンテナの数はこれに限定されるものではない。
【００２９】
マイクロ波発生部１０１により、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数でマイクロ波電力を発生させ、そのマイクロ波電力を分配部１０２により分配する。さらに、分配されたマイクロ波電力は、第１アンテナ１０３ａと第２アンテナ１０３ｂに給電され、マイクロ波として加熱室１０４へ放射される。加熱室１０４の壁面は、金属材料などで構成され、放射されたマイクロ波を、加熱室１０４内部に閉じ込める。そのため、放射されたマイクロ波は加熱室１０４の壁面で複雑に反射し、加熱室１０４内に定在波が生じる。この定在波を利用し、被加熱物１０５は加熱される。
【００３０】
また、分配部１０２は、マイクロ波発生部１０１から入力されたマイクロ波電力を２分配する。この分配部１０２としては、ウィルキンソン型分配器、ハイブリッドカプラ、または、抵抗分配器などにより構成することができる。なお、図１において、マイクロ波加熱装置１００は、１個のマイクロ波発生部１０１から発生したマイクロ波を分配部１０２にて２分配しているが、分配部１０２を用いずに、マイクロ波発生部１０１を複数配置し、それぞれが各アンテナに給電する構造にしてもよい。
【００３１】
第１アンテナ１０３ａと第２アンテナ１０３ｂは、加熱室１０４の同一壁面に配置され、各アンテナの給電点の間隔が、アンテナから放射するマイクロ波の波長の２分の１倍から１倍の間になるように配置されている。つまり、電子レンジで、被加熱物を加熱するために使用するマイクロ波の周波数を、２．４５ＧＨｚとすると、波長は１２２ｍｍであり、給電点間隔を６１〜１２２ｍｍとすればよい。
【００３２】
６１ｍｍ以上とすることで、アンテナを置くスペースが確保される。また、１２２ｍｍ以下とすることで、加熱室１０４内の定在波の電界強度が強くなる。なお、以降、アンテナの給電点の間隔を単にアンテナの間隔と記載する場合がある。
【００３３】
また、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、平面のパッチアンテナであり、その絶縁破壊を抑制するために、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂと、加熱室底面の金属材料との間を空気層で構成することが好ましい。そして、本実施の形態では、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、円形パッチアンテナである。通常、円形パッチアンテナの半径は、放射されるマイクロ波の波長の４分の１程度である。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を加熱室内に放射するためには、円形パッチアンテナの半径として３０ｍｍ程度必要である。
【００３４】
ここで、給電点はパッチアンテナの中心部付近にあるため、各アンテナの給電点の間隔を波長の２分の１倍の長さよりも短くすると、アンテナ同士が物理的に重なってしまうため、給電点はアンテナから放射するマイクロ波の波長の２分の１倍よりも広い間隔で配置することが好ましい。
【００３５】
なお、図１においては、第１アンテナ１０３ａおよび第２アンテナ１０３ｂは、加熱室１０４の底面に設けられているが、それに限るものではなく、それぞれのアンテナが同一壁面に設けられていればよく、上面、側面、または、背面に設けられていてもよい。
【００３６】
図２は、図１に示されたマイクロ波発生部１０１の具体的な構成を示すブロック図である。
【００３７】
図２に示すように、マイクロ波発生部１０１は、発振部２０１と、増幅部２０２とを備えている。
【００３８】
発振部２０１は、トランジスタなどの半導体増幅素子と、タンク回路などの共振回路で構成される一般的なマイクロ波発振回路である。発振部２０１の構成は公知であり、ハートレー型発振回路またはコルピッツ型発振回路などを用いることができる。
【００３９】
増幅部２０２は、発振部２０１で生成されたマイクロ波電力を増幅する。増幅部２０２は、例えば、トランジスタで構成できる。
【００４０】
ここで、増幅部２０２に、高電圧および大電流動作が可能な窒化ガリウムのトランジスタを使用した場合、小さいチップ面積で大きな電力を扱えるため、増幅部２０２のサイズを小さくできるとともに、コストも低減可能である。
【００４１】
図３は、図２に示された発振部２０１を、位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いて、周波数可変型のマイクロ波電力発生器として構成した場合の、マイクロ波発生部１０１の具体的な構成を示すブロック図である。
【００４２】
図３に示すように、マイクロ波発生部１０１は、発振部３０１と、位相同期ループ３０２と、増幅部２０２とを備えている。
【００４３】
発振部３０１は、位相同期ループ３０２から出力される電圧に応じた周波数を有するマイクロ波信号を生成する、例えばＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）で構成できる。
【００４４】
位相同期ループ３０２は、発振部３０１にて発生されるマイクロ波電力の周波数と、制御部３０３から入力された、設定周波数を示す周波数制御信号３０４とが同一周波数となるように出力電圧を調整する。これにより、マイクロ波の周波数および位相を調整することができる。
【００４５】
なお、図２および図３では、増幅部２０２を１個の電力増幅器で構成しているが、出力電力を大きくするために、電力増幅器を複数設け、直列に多段接続してもよいし、並列接続した電力増幅器から出力される電力を合成する構成にしてもよい。
【００４６】
次に、実際に本発明の効果を検証したシミュレーション結果について、説明する。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに、本発明の効果を検証するための解析モデルを示す。
【００４７】
図４Ａは、解析モデル４１０の全体図を示しており、図４Ｂは、解析モデル４１０の上面図、図４Ｃは、解析モデル４１０の横面図をそれぞれ示している。
【００４８】
図４Ａの解析モデル全体図に示すように、解析モデル４１０は、加熱室４０１と、第１アンテナ４０２ａと、第２アンテナ４０２ｂと、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂを配置するスペース４０３と、加熱室４０１に被加熱物を出し入れするための扉４０４と、天井部分の張り出し４０５とから構成される。また、図４Ｃに示すように、加熱室４０１の底面に、被加熱物を載置する載置台４０６が配置されている。
【００４９】
ここでは、具体的な構成例として、加熱室４０１の大きさをｘ＝３１４ｍｍ、ｙ＝４１０ｍｍ、および、ｚ＝２３０ｍｍとした。また、天井部分の張り出しをｚ＝９ｍｍとし、アンテナを配置するスペースをｚ＝２０ｍｍとし、扉の張り出しをｘ＝８．８ｍｍとした。
【００５０】
図４Ｂは、解析モデル４１０の上面図であり、アンテナの具体的な配置を示している。第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂは、いずれも半径３２．３ｍｍの円形パッチアンテナであり、底面の中心点Ａからｘ軸およびｙ軸の方向に対していずれも対称になるように配置されている。また、アンテナの配置間隔は、円形のパッチアンテナの中心間距離で規定し、アンテナから放射するマイクロ波信号の波長よりも短い９０ｍｍと、アンテナから放射するマイクロ波信号の波長よりも長い１８０ｍｍの２種類で解析を実施した。なお、アンテナの給電点はアンテナの中心部付近にあるため、中心間距離で規定されたアンテナの間隔は、アンテナの給電点の間隔とほぼ同じになる。
【００５１】
図４Ｃは、解析モデル４１０の横面図であり、加熱室４０１と第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの位置関係を示している。加熱室４０１の底面には、被加熱物が載置される載置台４０６を配置し、その下にアンテナを配置するスペース４０３を設けた。第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂは、アンテナを配置するスペース４０３の底面から高さ４ｍｍに配置し、円形アンテナの厚さを０．４ｍｍとした。
【００５２】
図５は、本発明の効果を検証した解析結果である。図５は、図４Ａ等に示された解析モデル４１０において、実際に第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂからマイクロ波を放射することにより、加熱室４０１内に発生した定在波の電界分布を示している。解析は、アンテナ間隔を９０ｍｍとした場合と、アンテナ間隔を１８０ｍｍとした場合の２種類を実施し、それぞれの横面図と上面図を示している。なお、横面図は、図４Ｂに示された中心点Ａを含むＺＹ平面の電界分布を示しており、上面図は、加熱室４０１の底面から１５．２５ｍｍにおけるＸＹ平面の電界分布を示している。
【００５３】
図５に示した定在波の電界分布において、色の濃い領域は電界が強く、被加熱物の加熱に適した状態であるのに対し、色の薄い領域は電界が弱く、被加熱物の加熱には適していない状態である。
【００５４】
図５に示すように、アンテナ間隔が９０ｍｍの場合、加熱室４０１の広い範囲で電界強度の強い領域が多く、被加熱物が載置されると想定される載置台の中央付近に強い電界が発生している。これに対し、アンテナ間隔が１８０ｍｍの場合、加熱室４０１内の電界強度が全体的に弱く、被加熱物が載置されると想定される載置台の中央付近も電界強度が弱くなっている。
【００５５】
この電界強度は、被加熱物を加熱する効率に大きな影響がある。図５は、アンテナ間隔を９０ｍｍにすることで加熱効率が圧倒的に高くなることを明確に示している。また、アンテナ間隔を９０ｍｍにすることで電界強度が強くなる原因は、アンテナ間隔をアンテナから放射するマイクロ波の波長よりも短くすることで、空間での電力合成が効果的に生じているためである。
【００５６】
また、被加熱物を出し入れするための扉は、扉を閉めた状態でも加熱室４０１内が確認できるように金属板にマイクロ波が漏れない程度の穴が開いているのに対し、その他の壁面は金属板で完全に遮蔽される。これにより、図５の上面図に示すように、加熱室４０１内の電界分布が非対称となり、被加熱物を出し入れするための扉面側の方から背面側の方に、電界強度が強く広がっている。そのため、アンテナ位置を加熱室内の中心よりも、扉面側へ配置することが望ましい。これにより、中心部付近の電界強度が強くなる。
【００５７】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、さらに、図４Ａ等で示した解析モデルを用い、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔を９０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍおよび１８０ｍｍの４種類に設定して、各アンテナ間の相互干渉レベルをシミュレーションした結果である。また、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄのシミュレーションには、加熱室４０１の中に、加熱される食品を想定して、直径１５０ｍｍ、高さ７５ｍｍの器に、１７．５ｍｍの高さまで水をいれた被加熱物を、載置台４０６の中央部に配置した。
【００５８】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄの横軸は、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂから放射する周波数であり、ここでは、２．４〜２．５ＧＨｚとした。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄの縦軸は、各アンテナの相互干渉のレベルをデシベルで示した。
【００５９】
実際には、アンテナに供給したマイクロ波電力が加熱室４０１内に放射されずに、アンテナ端で反射してしまうリターンロスが発生する。しかし、リターンロスは、アンテナの設計に影響される要素が大きく、アンテナの間隔による影響は小さいと考えられるため、リターンロスの記載は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄにおいて省略している。
【００６０】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄでは、第１アンテナ４０２ａから放射されて第２アンテナ４０２ｂに入射したマイクロ波電力のレベルをＳ２１、および、第２アンテナ４０２ｂから放射されて第１アンテナ４０２ａに入射したマイクロ波電力のレベルをＳ１２として示している。また、ここで使用した解析モデルは、加熱室４０１の構造に対し、第１アンテナ４０２ａおよび第２アンテナ４０２ｂの配置は、左右対称であるため、Ｓ２１とＳ１２は、ほぼ同じ値となり、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄでは重なっている。
【００６１】
図６Ａは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔を９０ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。同様に、図６Ｂは、間隔を１２０ｍｍとした場合、図６Ｃは、間隔を１５０ｍｍとした場合、図６Ｄは、間隔を１８０ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。
【００６２】
また、放射するマイクロ波の周波数は２．４〜２．５ＧＨｚであるため、その波長は１２０〜１２５ｍｍであり、図６Ａおよび図６Ｂでは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの配置間隔が１波長以下となり、図６Ｃおよび図６Ｄでは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの配置間隔が１波長よりも長くなる。
【００６３】
ここで、Ｓ２１とＳ１２は、一方のアンテナから放射されたマイクロ波が他方のアンテナに入射される電力であり、被加熱物の加熱に関与しない電力である。そのため、被加熱物の加熱効率を向上させるには、アンテナ間の相互干渉であるＳ２１とＳ１２を低いレベルに抑えることが非常に重要である。
【００６４】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、１波長以下の間隔で第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを配置することで、Ｓ２１とＳ１２は−１２ｄＢ以下の低いレベルになる。これに対し、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、１波長よりも長い間隔で第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを配置すると、Ｓ２１とＳ１２のレベルが−５ｄＢまで上がっている。
【００６５】
これは、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間隔が１波長より長くなることで、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとの間で相互干渉が生じるためである。ここで、加熱室４０１内で発生する定在波のエネルギーは被加熱物の加熱に寄与するが、アンテナ間の相互干渉で対向するアンテナへ入射したエネルギーは被加熱物の加熱に寄与しない。すなわち、アンテナ間の距離が１波長よりも長い場合、アンテナ間の相互干渉により、加熱に寄与しないエネルギーが増加し、加熱効率が下がる。
【００６６】
したがって、高い加熱効率を実現するためには、第１アンテナ４０２ａと第２アンテナ４０２ｂとを１波長以下の間隔で配置することが望ましい。
【００６７】
図７は、アンテナの位置関係を示す概念図である。
第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとが、加熱室内の同一壁面に配置される。
【００６８】
第１アンテナ５０１ａは、中心５０２ａから所定の半径ｒにより形成される円形のパッチアンテナである。中心５０２ａに近い位置に給電点５０３ａが設けられている。第２アンテナ５０１ｂは、第１アンテナ５０１ａと同様に、中心５０２ｂから所定の半径ｒにより形成される円形のパッチアンテナである。中心５０２ｂに近い位置に給電点５０３ｂが設けられている。
【００６９】
図７では、第１アンテナ５０１ａの給電点５０３ａと、第２アンテナ５０１ｂの給電点５０３ｂとは、対称の位置にあるが、非対称の位置にあっても構わない。
【００７０】
また、半径ｒはアンテナからマイクロ波を放射させるために、通常、１波長の４分の１程度の長さになる。そのため、第１アンテナ５０１ａの給電点５０３ａと第２アンテナ５０１ｂの給電点５０３ｂとの間隔ｄ１が、マイクロ波の１波長より長い場合、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとの間隔ｄ２は、１波長の２分の１より長くなる。間隔ｄ２が、１波長の２分の１より長くなると、アンテナ間の相互干渉が生じ始め、被加熱物の加熱に寄与せず消費されるエネルギーが増加する。よって、間隔ｄ１は、マイクロ波の波長以下で配置することが望ましい。
【００７１】
一方、半径ｒが１波長の４分の１であり、給電点の間隔ｄ１が１波長の２分の１である場合、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとの間隔ｄ２は、０になる。
【００７２】
したがって、これ以上、給電点の間隔ｄ１を短くすると、第１アンテナ５０１ａと第２アンテナ５０１ｂとを重ねて配置しなければならない。よって、十分な大きさを持つ円形パッチアンテナを同一平面内に配置する場合、間隔ｄ１は、マイクロ波の波長の２分の１以上で配置することが望ましい。
【００７３】
なお、図７では、２個のアンテナの関係を示したが、マイクロ波加熱装置に３個以上のアンテナを配置してもよい。３個以上のアンテナのうち少なくとも２個のアンテナがマイクロ波の１波長以下で配置された場合、加熱室内の定在波の電界強度が強くなる。また、３個以上のアンテナが相互に１波長以下で配置されてもよい。また、例えば、４個のアンテナがある場合に、そのうち１個のアンテナとの関係において、他の３個のアンテナが１波長以下の間隔で配置されてもよい。また、４個のアンテナを１波長以下の間隔で直列に並べてもよい。
【００７４】
次に、パッチアンテナの構造について説明する。
図８は、円形パッチアンテナの一例を示す図である。
【００７５】
真円形のアンテナ板１２０は、マイクロ波加熱装置の加熱室内の底板導体１２１から４ｍｍの高さに設置される。また、アンテナ板１２０の厚みは、０．４ｍｍである。アンテナ板１２０に電力を給電するＴＥＭ型伝送線路１２２は、底板導体１２１の穴部分を通って加熱室外からアンテナ板１２０に接続される。アンテナ板１２０は、ＴＥＭ型伝送線路１２２によって固定されている。アンテナ板１２０の半径を３２．３４２ｍｍ、および、アンテナの中心から給電点の距離を１１．３５ｍｍとすることにより、共振周波数が２．４５ＧＨｚとなる。
【００７６】
図９は、上記構造の円形パッチアンテナの無負荷時のリターンロスの特性を示す。図９では、リターンロスがＳ１１として示されている。図９に示すように、電子レンジとして使用する２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの帯域の両端付近においても、Ｓ１１＜−１０ｄＢとなっており良好な反射特性が得られており、図９には示されていないが、３００ＭＨｚと広い通過帯域が得られる。また、２．４５ＧＨｚにおいて、約−４３ｄＢの減衰極が確認できる。
【００７７】
ここで、Ｓ１１のピークの急峻性を示す指標としてＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）がある。Ｑ値が高い程ピーク中心のリターンロスの特性はよく、反射は少なくなるが、中心から外れるとリターンロスの特性は大きく劣化する。そのため、これ以上Ｑ値が高くなると帯域の端の特性が劣化する。一般的にパッチアンテナの無負荷でのＱ値はアンテナと下部導体との間の媒質の比誘電率が低く、厚みが大きいほど低くなっていく。
【００７８】
上述した円形パッチアンテナにおいて、電子レンジとして使用する２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの帯域の両端において良好な反射特性が得られているのは、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層としたことにより、誘電体を挿入した場合と比べて、アンテナ板１２０と底板導体１２１との実質的な距離が大きくなることにより、Ｑ値が低くなったためと考えられる。さらに、誘電体を挿入した場合と比べて、誘電体による誘電損失も減少する。なお、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層とすることにより、同じＱ値であれば、誘電体を挿入した場合に比べて、アンテナの薄型化も同時に実現できる。このように、アンテナ板１２０と底板導体１２１との間を空気層とすることにより、アンテナの薄型化と広帯域化の両立を実現することができる。さらに、誘電体を省くことによりコストも低減できる。
【００７９】
図１０は、円形パッチアンテナの遠方界での放射分布を示す図である。図１０では、放射分布が四方に広がっており、円形パッチアンテナの広指向性が示されている。また、図１０には明示されてはいないが、この放射分布において利得は最も高い点で約１０ｄＢｉ得られている。このように、円形パッチアンテナを用いることにより、電磁波を一様に広い範囲に放射することができる。これにより、加熱室の壁面からの反射波も一様になり、複数のパッチアンテナ間の空間合成が効果的に行われる。
【００８０】
さらに、パッチアンテナは、高電圧を印加するため、エッジがあるとそこに電界が集中することにより、放電等を起こす可能性がある。しかし、円形のパッチアンテナにすることにより、放電等の発生を防止することもできる。
【００８１】
なお、本実施の形態においてアンテナへの給電点は１つとしているが、給電点を２つ設け、それぞれの位置が略円の中心点に対して互いに直交するような配置としても良い。給電点を２つ設けることで、円偏波を発生することが可能になるとともに、アンテナ板の固定強度を向上させる効果も得られる。
【００８２】
また、アンテナ板の固定強度を大きくするためには、アンテナ板と下部導体との間に、誘電体からなる支持部材を部分的に設けてもよい。
【００８３】
以上に示されたように、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置は、少なくとも２個のアンテナが、加熱室の同一面に配置され、かつ、給電点の位置がマイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている。これにより、加熱室内の被加熱物を加熱するための効率を向上させることができる。
【００８４】
なお、本発明に係るマイクロ波加熱装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態も本発明に含まれる。また、実施の形態における各構成要素およびアンテナの位置関係を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によるマイクロ波加熱装置は、効率よく被加熱物を加熱することができるため、例えば、電子レンジなどに代表される調理家電等において、消費電力を低減させることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１００ マイクロ波加熱装置
１０１ マイクロ波発生部
１０２ 分配部
１０３ａ、４０２ａ、５０１ａ 第１アンテナ
１０３ｂ、４０２ｂ、５０１ｂ 第２アンテナ
１０４ 加熱室
１０５ 被加熱物
１２０ アンテナ板
１２１ 底板導体
１２２ ＴＥＭ型伝送線路
２０１、３０１ 発振部
２０２ 増幅部
３０２ 位相同期ループ
３０３ 制御部
３０４ 周波数制御信号
４０１ 加熱室
４０３ スペース
４０４ 扉
４０５ 天井部分の張り出し
４０６ 載置台
４１０ 解析モデル
５０２ａ、５０２ｂ 中心
５０３ａ、５０３ｂ 給電点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記被加熱物を収納する加熱室と、
前記マイクロ波発生部が発生した前記マイクロ波を前記加熱室に供給するための少なくとも２個のアンテナとを備え、
前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の同一面に配置され、かつ、前記少なくとも２個のアンテナにおける各給電点の位置が前記マイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている
マイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記各給電点の位置が前記マイクロ波の波長の２分の１以上の間隔になるように配置されている
請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記マイクロ波発生部は、半導体素子を用いた発振部と半導体素子を用いた増幅部とで構成される
請求項１または請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記マイクロ波発生部の前記増幅部は、窒化ガリウムのトランジスタを含む
請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記少なくとも２個のアンテナは、円形のパッチアンテナである
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の底面に配置されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項７】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナが配置されている前記同一面の中心位置から前記各給電点の位置までの距離がいずれも同じ距離になるように配置されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項８】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナにおけるいずれの給電点においても、前記給電点の位置から前記加熱室において前記被加熱物を出し入れするための扉を有する面までの最短距離が、前記給電点の位置から前記加熱室において前記扉を有する面の反対側の面までの最短距離よりも、短くなるように、配置されている
請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１】
被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記被加熱物を収納する加熱室と、
前記マイクロ波発生部が発生した前記マイクロ波を前記加熱室に供給するための少なくとも２個のアンテナとを備え、
前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の同一面に配置され、かつ、前記少なくとも２個のアンテナにおける各給電点の位置が前記マイクロ波の波長以下の間隔になるように配置されている
マイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記各給電点の位置が前記マイクロ波の波長の２分の１以上の間隔になるように配置されている
請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記マイクロ波発生部は、半導体素子を用いた発振部と半導体素子を用いた増幅部とで構成される
請求項１または請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記マイクロ波発生部の前記増幅部は、窒化ガリウムのトランジスタを含む
請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記少なくとも２個のアンテナは、円形のパッチアンテナである
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記加熱室の底面に配置されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項７】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナが配置されている前記同一面の中心位置から前記各給電点の位置までの距離がいずれも同じ距離になるように配置されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項８】
前記少なくとも２個のアンテナは、前記少なくとも２個のアンテナにおけるいずれの給電点においても、前記給電点の位置から前記加熱室において前記被加熱物を出し入れするための扉を有する面までの最短距離が、前記給電点の位置から前記加熱室において前記扉を有する面の反対側の面までの最短距離よりも、短くなるように、配置されている
請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１２４０４９（Ｐ２０１１−１２４０４９Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７９８９８（Ｐ２００９−２７９８９８）
【出願日】平成２１年１２月９日（２００９．１２．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月９日（２００９．１２．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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