JP2008270112A - 高周波加熱装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波放射装置を破壊させることなく、固体発振器を安定的に動作させ、加熱効率と信頼性を併せて向上させる高周波放射装置の制御方法を提供する。
【解決手段】制御方法は、固体発振器からアンテナを介して高周波を放射するステップ（ａ）と、アンテナから固体発振器へと戻る高周波を検知するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）での検知結果に基づいて、固体発振器からアンテナへと伝搬する高周波の放射／伝搬条件を調節するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）の後に、固体発振器からアンテナを介して高周波を対象物に放射するステップ（ｄ）とを備えている。ステップ（ｃ）では、固体発振器の発振周波数の変更、固体発振器における高周波出力の変更、固体発振器に供給される電源電圧の変更、及び固体発振器の出力インピーダンスとアンテナのインピーダンスとのインピーダンス整合の変更等を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波加熱装置に関し、特に高出力の高周波を被加熱物に放射する際の高周波加熱装置の制御方法に関する。

高い誘電率を示す被加熱物を加熱する方法として、電磁波の一種であるマイクロ波の電力を利用することが一般的に行われる。

このマイクロ波を発生する方法として、電子管を有するマグネトロンを発振させ、その発振出力をキャビティーに輻射して、被加熱物の加熱を行っている。例えば、電子レンジでは上記のキャビティーは、オーブンと称する被加熱物を挿入する空間に相当する。マグネトロンは陽極電圧が高く、数千ボルト程度の電圧が電極間に印加される。また、上述のような加熱装置では、通常一台のマグネトロンが使用される。

マイクロ波電力の被加熱物への浸透の程度、および加熱効率は、マイクロ波の周波数に依存する。周波数が低い程、マイクロ波は被加熱物の内部に浸透するのに対し、周波数が高い程、加熱の効率は高くなる。

従来のマグネトロンでは単数のマグネトロンを使用することもあり、被加熱物の温度を均一に上昇させるために出力電力や出力周波数を変えることは容易でない。マグネトロンは電圧と磁界との相互関係で動作しているため電子レンジの出力を変えることは難しく、さらに発振周波数はマグネトロンの電極構造に依存するため、電子レンジに搭載された単体のマグネトロンで発振周波数を変えることは困難である。そこで、被加熱物を均一且つ効率良く加熱するため、マグネトロンを固体発振器で置き換える試みがなされている。

しかしながら、固体発振器は、マグネトロンと異なり、半導体で構成されているがゆえに非常に破壊しやすい。例えば、固体発振器で発振した電力をアンテナを介して放射する場合、固体発振器からみたアンテナのインピーダンスとアンテナから見た固体発振器のインピーダンスとが不整合になることにより、固体発振器からの出力電力の一部が固体発振器に戻り、固体発振器を破壊することは一般に良く知られている。

図１２は、特許文献１に記載された従来の高周波放射装置を模式的に示す図である。

同図に示すように、従来の高周波放射装置は、固体高周波発生部１と、被加熱物（図示せず）を収容する加熱室３と、加熱室３の一壁面に配設された給電アンテナ４とを有している。高周波加熱熱源である固体高周波発生部１が発生する高周波電力は、同軸伝送線路２を介して加熱室３内の給電アンテナ４に伝送される。この給電アンテナ４は、高周波電力を加熱室３内へ放射する一方で、加熱室３が閉じこめることができる高周波電力に対して余剰の高周波電力を受けとり、これを固体高周波発生部側へ逆伝送する。ところで、固体高周波発生部１の出力部には反射電カ量に比例した電カ量を取りだす方向性結合器、あるいは、反射電力をすべて取りたすサーキュレータと方向性結合器を組合せて構成された反射電力検出部５が配設されており、当該反射電力検出部５は加熱室からの反射電カ量を等価的に検出する。制御部７は、固体高周波発生部１の主要部品である固体素子が破壊しないように、反射電力検出部５の検出信号が所定の基準レベルを越えた時に固体高周波発生部１の駆動電源６の動作を停止させる。従来の高周波放射装置には、さらに、反射電力の異常に基づいて高周波加熱の停止がなされたことを使用者に報知する報知部８が設けられている。

なお、上述の検出信号の基準レベルは、固体素子が許容可能な損失電力量に基づいて決定された最大反射電力量に応じてあらかじめ設定される。より詳しくは、基準レベルは、反射電力検出部５にサーキュレータを装荷した場合に付加される反射電力吸収用のダミーロードの許容損失電カ量に基づき設定される。このような構成をとることにより、固体素子あるいは、ダミーロードの熱的破壊を未然に防止することができる。
特開昭６１−２７０９３号公報

従来の高周波放射装置の制御方法においては、動作状態の半導体の状態を検知し、半導体を破壊する前に制御することが提案されている。しかしながら、半導体で構成されている固体発振器は非常に破壊されやすいため、高周波放射装置の動作状態を検知している最中に破壊する可能性が極めて高い。仮に破壊を免れたとしても、検知した状態から出力を下げることや、まして電源を停止することは、本来の高周波放射装置の使用方法から考えて、できれば回避したい。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、固体発振器とアンテナを有する高周波放射装置において、高周波放射装置を破壊させることなく、高周波を発振する固体素子を安定的に動作させ、加熱効率と信頼性を併せて向上させる高周波放射装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の高周波放射装置の制御方法は、固体発振器とアンテナとを備えた高周波放射装置の制御方法であって、前記固体発振器から前記アンテナを介して高周波を放射するステップ（ａ）と、前記アンテナから前記固体発振器へと戻る前記高周波を検知するステップ（ｂ）と、前記ステップ（ｂ）での検知結果に基づいて、前記固体発振器から前記アンテナへと伝搬する前記高周波の放射／伝搬条件を調節するステップ（ｃ）と、前記ステップ（ｃ）の後に、前記固体発振器から前記アンテナを介して前記高周波を対象物に放射するステップ（ｄ）とを備えている。

この方法により、アンテナから固体発振器へと戻る高周波の強度や電力が大きくなるのを防ぐことができるので、固体発振器の過熱を防ぎ、高周波放射装置を安全に駆動することが可能となる。また、ステップ（ｃ）により最適な放射／伝搬条件で高周波を対象物に放射することができるので、例えば高周波を用いて対象物を加熱する場合には、効率良く対象物を加熱することが可能となる。

なお、ステップ（ｂ）で検知するのは固体発振器に戻る高周波の強度や電力などであってもよく、ステップ（ｃ）では、検知された強度あるいは電力と所定の閾値とを比較してもよいし、検知された電力等をシンボル値に変換したものを閾値と比較するなどしてもよい。

また、ステップ（ｃ）では、種々の方法によって高周波の伝搬経路におけるインピーダンス不整合を解消してもよいし、固体発振器の出力を調整したり、出力周波数を変更するなどしてもよい。

また、本発明の第２の高周波放射装置の制御方法は、固体発振器と、アンテナと、前記固体発振器の温度を検知する温度検知部とを備えた高周波放射装置の制御方法であって、前記固体発振器から前記アンテナを介して高周波を対象物に放射するステップを備え、前記対象物に前記高周波を放射する際に、前記温度検知部が検知した温度が所定の閾値を超えた場合には、前記高周波の放射／伝搬条件を調節する。

このように、高周波加熱装置の動作中に固体発振器の温度を検知することで、固体発振器の過熱を防ぎ、動作信頼性の向上を図ることができる。

以上のような制御方法を実施することにより、固体発振器とアンテナを有する高周波放射装置を破壊させることなく、高周波を出力する固体発振器を安定に動作させ、加熱効率の向上と動作信頼性の向上とを併せて図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波加熱装置の基本構成を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態の高周波加熱装置は、高周波を発生させる固体発振器１０４と、固体発振器１０４で発生した高周波を伝送する方向性結合器１０３と、被加熱物１０７を収納するための加熱室１０６と、加熱室１０６内に配設され、方向性結合器１０３を介して伝送された高周波を加熱室１０６内に放射するアンテナ１０２とを備えている。方向性結合器１０３には、方向性結合器１０３内を逆方向（固体発振器１０４側）に伝搬する高周波の電力をモニターするためのモニター端子１０５が設けられている。なお、固体発振器１０４が出力する高周波はマイクロ波であればその周波数に限定はないが、例えば高周波加熱装置が民生用の電子レンジ等である場合には高周波の周波数は２．４５ＧＨｚである。

固体発振器１０４で発生した高周波は方向性結合器１０３を介して、アンテナ１０２へと導かれ、次いで加熱室１０６へと放射され、加熱室１０６の中に収納された被加熱物１０７を加熱する。このとき、アンテナ１０２は高周波を放射するとともに、加熱室１０６で被加熱物１０７の加熱に利用されなかった高周波を受けてしまい、当該高周波を固体発振器１０４へと戻してしまう。また、アンテナ１０２のインピーダンスと固体発振器１０４の出力インピーダンスとの不整合がある場合には、加熱室１０６から使用されずに戻ってきた高周波に加え、反射された高周波が固体発振器１０４に戻ることとなる。固体発振器１０４に戻る高周波の量は、加熱室１０６に収納された被加熱物１０７の量、水分、温度等、また時点で出力される高周波の周波数に大きく依存し、時々刻々変化し、一定でない。あまり大きな振幅の高周波が固体発振器１０４に戻った場合は固体発振器１０４を破壊してしまうこともありうる。そのため、本実施形態の高周波加熱装置は、以下で説明するような方法で駆動制御される。

図２は、本実施形態の高周波加熱装置の制御方法を示すフローチャートである。

同図に示すように、本実施形態の制御方法において被加熱物を加熱する際には、まず、ステップＳ２２０として、予備放射を行う。本ステップでは、本照射に比べて短時間のみ高周波を放射する。

次に、ステップＳ２２２では、予備放射された高周波のうち固体発振器１０４（図１参照）に戻る高周波の一部をモニター端子１０５から取り出し当該高周波の電力をモニターする。続いて、ステップＳ２２４では、高周波の電力が所定の閾値を超えるか否かを判定する。

先のステップＳ２２４において発振器に戻る高周波が大きいと判定された場合には、ステップＳ２２６に進み、高周波の放射／伝搬条件を調節する。具体的には、固体発振器１０４の出力周波数を変更したり、インピーダンスの不整合を取り除いたりする。この操作を行うための高周波加熱装置の具体構成などは後の具体例で詳述する。次に、本ステップの終了後、ステップＳ２２０に戻って再度ステップＳ２２２、Ｓ２２４を繰り返す。固体発振器１０４へと戻る高周波の強度は経時的に変化するので、これらのステップを繰り返すことで、より高精度に放射／伝搬条件を調節することができる。なお、ステップＳ２２６で放射／伝搬条件を調節した後に直接ステップＳ２２８に進んで本放射を行ってもよい。

次に、ステップＳ２２４で調節された条件で被加熱物１０７に対して本放射を行う。

以上のような制御方法をとることにより、あらかじめ、固体発振器１０４にとって最適の条件で調整した上で、被加熱物を加熱することができるため、戻りの高周波によって固体発振器１０４の破壊を防ぎ、高周波加熱装置を安定的に動作させることができる。よって、本実施形態の制御方法によれば、高い加熱効率と高い信頼性動作を併せて実現することが可能となる。

本実施形態の制御方法において、固体発振器１０４は、増幅器により、高周波電力のレベルを増幅できる構成であってもよい。また、本実施形態の制御方法は、方向性結合器１０３での戻りの高周波をモニターする方法に限定されるものではなく、サーキュレータを流れる高周波をモニターしてもよく、モニタリング手段は特に問わない。

また、高周波加熱装置において、方向性結合器１０３が挿入されている場所は、固体発振器１０４の出力信号をモニターできる場所であれば何処でもよい。さらに、高周波をモニターされる部材は直接回路に接続されていなくてもよく、固体発振器１０４およびアンテナ１０２に電磁的に結合した部材であってもよい。

また、ステップＳ２２４での具体的な制御方法は周波数の変更等にとどまらず、いかなる方法であっても、本発明の趣旨から外れることはない。

なお、以上で説明した制御方法は、高周波を加熱以外の目的に用いる装置に対しても固体発振器の破壊を防ぐことができる。ただし、携帯電話などのように、規格でタイムチャートが規定されるシステムには本発明は適用できない。

−高周波加熱装置の制御方法の第１の具体例−
図３は、第１の実施形態の第１の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。同図に示す高周波加熱装置は図１に示す高周波加熱装置と基本的には同じ構成を有しているが、第１の具体例では、固体発振器１０４が発振器２０５とバイアス端子２０６に接続された増幅器２０４とで構成されている。固体発振器２０３において、発振器２０５で発生した高周波は、増幅器２０４で増幅され、方向性結合器２０２を介して、アンテナ２０１へ導かれる。

第１の具体例に係る高周波加熱装置は、図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順により動作制御される。

すなわち、最初に、ステップＳ２２０として、予備放射を行う。次に、ステップＳ２２２では、予備放射された高周波のうち固体発振器１０４（図１参照）に戻る高周波の一部をモニター端子１０５から取り出し、当該高周波の電力をモニターする。そして、ステップＳ２２４では、高周波の電力が所定の閾値を超えるか否かを判定する。この判定は高周波加熱装置の内部または外部に設けられた制御装置（図示せず）などにより行われる。

先のステップＳ２２４において発振器に戻る高周波が所定値よりも大きい場合には、ステップＳ２２６に進み、高周波の放射／伝搬条件を変更する。ここで、本具体例の方法では、高周波の一部を増幅器２０４に設けられたバイアス端子２０６に印加する電圧（電源電圧）を制御することで、増幅器２０４の入出力インピーダンスを変化させ、アンテナ２０１とのインピーダンス不整合を回避する。次いで、ステップＳ２２０、Ｓ２２２を再度行ってインピーダンス不整合が回避できたことを確認してから、ステップＳ２２８に進んで被加熱物への本放射を行う。なお、ステップＳ２２４で高周波の電力が閾値以下である場合には、ステップＳ２２６に進まずにステップＳ２２８に進んで予備放射の条件で本放射を行う。

なお、上述のステップＳ２２２では、あらかじめ本放射の際に固体発振器１０４が破壊するおそれがある閾値を実測あるいはシミュレーション等により求めておき、この閾値を予備放射の判定に用いる。例えば、１００〔Ｗ〕出力の固体発振器の場合、ここで、効率が５０％、熱抵抗が２．０〔℃／Ｗ〕と仮定すると、発熱量は、１００〔Ｗ〕となり、固体発振器へと戻る高周波が無い場合のジャンクション温度は、約２００℃となる。

ここで、一般的なジャンクション温度の絶対定格から、ジャンクション温度が２５０℃になると固体発振器が破壊すると仮定すると、固体発振器の出力端に加わる電力が１２５〔Ｗ〕になるときに固体発振器が破壊する計算となる。すなわち、アンテナから戻ってくる高周波電力が２５〔Ｗ〕となると固体発振器が破壊すると考えられるので、１００〔Ｗ〕＝５０〔ｄＢｍ〕、２５〔Ｗ〕＝４４〔ｄＢｍ〕から、リターンロスが、６〔ｄＢ〕以下で、固体発振器は破壊することになる。なお、閾値を設定する際には、これよりも余裕を持った値にしてもよい。

−高周波加熱装置の制御方法の第２の具体例−
図４は、第１の実施形態の第２の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。同図に示す高周波加熱装置は図１に示す高周波加熱装置と基本的には同じ構成を有しているが、高周波の放射／伝搬条件を調節するために、検波回路３１０、Ａ／Ｄ変換回路３１２、制御装置３１４、およびスライドスクリューチューナ３０２をさらに備えている。

すなわち、本具体例に係る高周波加熱装置は、アンテナ１０２、スライドスクリューチューナ３０２、方向性結合器１０３、固体発振器３０４、検波回路３１０、Ａ／Ｄ変換回路３１２、および制御装置３１４を備えている。固体発振器３０４で発生した高周波は、方向性結合器１０３及びスライドスクリューチューナ３０２を介してアンテナ１０１へ導かれる。

スライドスクリューチューナ３０２は、例えば５０Ωのストリップライン３０５と、５０Ωのストリップライン３０５との間のエアギャップにより容量を形成しており、片側を接地したスラグ３０６を有している。このスライドスクリューチューナ３０２は、エアギャップとスラグ３０６の位置を変えることで、インピーダンス整合を行うことができ、エアギャップ間隔及びスラグ３０６の位置は、制御装置（マイコン、ＦＰＧＡ（Field Programable Gate Array）など）からの制御信号により制御可能となっている。

第２の具体例に係る高周波加熱装置は、図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順により動作制御される。

すなわち、最初に、ステップＳ２２０として、予備放射を行う。次に、ステップＳ２２２では、予備放射の際にアンテナ１０２から固体発振器３０４に戻る高周波の一部を方向性結合器１０３において取り出し、検波回路３１０により、当該高周波の強度を電圧に変換する。得られた電圧は、Ａ／Ｄ変換回路３１２によりシンボル値に変換する。制御装置はこのシンボル値をモニターする。続いて、ステップＳ２２４では、このシンボル値を、あらかじめ制御装置に格納された閾値と比較し、シンボル値が閾値よりも大きい場合にはステップＳ２２６に進み、高周波の放射／伝搬条件を変更する。

次に、ステップ２２６では、制御装置３１４が、スライドスクリューチューナのスラグの位置や５０Ωのストリップラインとのエアギャップを変化させ、アンテナとの不整合を回避する。その後、ステップＳ２２８に進んで、制御装置が本放射の条件と予備放射の条件うちから本放射の条件を選択し、固体発振器３０４およびスライドスクリューチューナ３０２の状態を本放射の条件に設定して本放射を行う。

一方、ステップＳ２２４でシンボル値が閾値以下である場合にはステップＳ２２８に進み、スライドスクリューチューナ３０２の設定を予備放射時のままに設定して本放射を行う。

本具体例に係る制御方法によれば、検波回路３１０での検出結果に基づいて固体発振器３０４からの高周波出力条件とスライドスクリューチューナ３０２の状態とを制御装置３１４により適宜調節できるので、より精度良くアンテナ１０２からの反射を抑えることができる。

なお、固体発振器３０４は、図３に示す固体発振器と同様にバイアス電圧を受ける増幅器を有していてもよい。

−高周波加熱装置の制御方法の第３の具体例−
図５は、第１の実施形態の第３の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。同図に示す高周波加熱装置は図１に示す高周波加熱装置と基本的には同じ構成を有しているが、本具体例では、両端にスイッチ４０２ａ、４０２ｂが接続された複数の整合回路４０３が方向性結合器１０３とアンテナ１０２との間の高周波の伝搬経路上に配置されている。ここで、アンテナ１０２と整合回路４０３との間のスイッチ４０２ａ、整合回路４０３と方向性結合器１０３との間のスイッチ４０２ｂとは、協働していずれか１つの整合回路４０３を選択させるものである。

本具体例に係る高周波加熱装置において、固体発振器４０５で発生した高周波は、方向性結合器１０３、スイッチ４０２ｂといずれかの整合回路４０３、スイッチ４０２ａを介して、アンテナ１０２へ導かれる。整合回路４０３は、数種類の整合条件をインダクタ、コンデンサ、ストリップライン等で実現したものであり、あらかじめ準備しておく。

第３の具体例に係る高周波加熱装置は、図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順により動作制御される。

すなわち、最初に、ステップＳ２２０として、予備放射を行う。次に、ステップＳ２２２では、予備放射された高周波のうち固体発振器１０４（図１参照）に戻る高周波の一部をモニター端子１０５から取り出し、高周波の強度や電力などを検出する。続いて、ステップＳ２２４では、高周波の強度または電力が閾値よりも大きいか否かを判定し、大きい場合、ステップＳ２２６に進んで整合回路４０３のいずれかをスイッチ４０２ａ、４０２ｂにより選択し、アンテナ１０２とのインピーダンス不整合を回避する。その後、ステップＳ２２８に進んで本放射を行う。

一方、ステップＳ２２４で高周波の強度または電力が閾値以下であると判定された場合には、そのままステップＳ２２８に進み、スイッチ４０２ａ、４０２ｂによって整合回路４０３が適宜選択され、本放射が行われる。

なお、高周波加熱装置は図４に示すような検波回路、Ａ／Ｄ変換回路、制御装置などを備えていてもよいが、これに代えて、高周波の強度または電力などを検知および判定できる手段を備えていてもよい。

−高周波加熱装置の制御方法の第４の具体例−
図６は、第１の実施形態の第４の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。同図の縦軸には固体発振器の出力電力、横軸には時間が示されている。本具体例に係る制御方法において、例えば第１の実施形態の第１〜第３の具体例に係る高周波加熱装置のいずれを用いてもよい。なお、固体発振器の出力電力は、固体発振器に戻る高周波がどのような場合であっても、どれだけ長時間、固体発振器が発振し続けても破壊しない電力に設定する。

半導体で構成された１００〔Ｗ〕出力の固体発振器の熱抵抗とジャンクション温度を考慮に入れ、リターンロスが０〔ｄＢ〕で全電力が戻ってくる最悪の条件を考えると、固体発振器の出力電力に対して出力端電力は２倍となる。そして、第１の具体例での説明と同様にジャンクション温度を２５０〔℃〕で破壊すると仮定すると、１２５〔Ｗ〕／２で６２．５〔Ｗ〕が破壊の閾値となる。本具体例に係る方法では、出力端電力が出力電力に対して２倍となるような場合であっても、破壊の閾値を超えない電力で予備放射を行う。

従って、この例では、予備放射の出力電力を６２．５〔Ｗ〕未満にしている限り、固体発振器に戻る高周波がどのような場合であっても、固体発振器が破壊されない。さらに、２倍の余裕を見て予備放射をするとすると、６２．５〔Ｗ〕をさらに２分の１にした、３１．２５〔Ｗ〕、すなわち３０〔Ｗ〕程度以下が、適当な予備放射時の出力電力と考えられる。

本具体例に係る高周波加熱装置の制御方法は、基本的には図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順による制御を行っている。

すなわち、図６において、符号５０１で示す期間にステップＳ２２０（図２参照）として予備放射５０５を行うとともに、ステップＳ２２２として高周波電力のモニターや高周波の検波などを行う。次いで、符号５０２で示す期間では、高周波電力が所定の閾値を超えるか否か等の判定を行う（ステップＳ２２４）。また、ステップＳ２２６として、高周波電力が所定の閾値を超える等と判定された場合、高周波の電力の変更、周波数の変更、インピーダンス不整合の回避などを行う。次に、符号５０３で示す期間では、先の判定結果に基づいて選択された条件で本放射５０４を行う。

本具体例に係る制御方法によれば、予備放射５０５での高周波の出力電力を本放射での出力電力に比べて低く設定しているので、固体発振器の破壊を防ぎ、より安全に動作させることができる。また、第１〜第３の具体例に係る高周波加熱装置を用いることにより、加熱効率の向上と、信頼性の向上とを図ることができる。

−高周波加熱装置の制御方法の第５の具体例−
図７は、第１の実施形態の第５の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。同図の縦軸には固体発振器の出力電力、横軸には時間が示されている。本具体例に係る制御方法において、例えば第１の実施形態の第１〜第３の具体例に係る高周波加熱装置のいずれを用いてもよい。

本具体例に係る高周波加熱装置の制御方法は、基本的には図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順による制御を行っている。

すなわち、図７において、符号６０１で示す期間にステップＳ２２０として予備放射を行うとともに、ステップＳ２２２として高周波電力のモニターや高周波の検波などを行う。その後、符号６０２に示す期間にステップＳ２２４として、高周波電力が所定の閾値を超えるか否か等の判定を行う。その後、高周波電力が所定の閾値を超えていた場合には、ステップＳ２２６として、高周波の電力の変更、周波数の変更、インピーダンス不整合の回避などを行う。次に、符号６０３に示す期間では、ステップＳ２２８として、先の判定結果に基づいて選択された条件で本放射を行う。

ここで、本具体例に係る方法では、符号６０３に示す期間に行う本放射６０４に比べて１回当たりの予備放射時間が短くなっている。予備放射時間の設定をするためには、例えば、高周波が最大限反射して全て固体発振器に戻って来る場合（電力２００〔Ｗ〕のとき）に固体発振器が破壊するまでに要する時間をあらかじめ実験的に求め、その時間未満だけ固体発振器を発振させる。さらに好ましくは、固体発振器が破壊するまでの時間の１／２の時間未満予備放射すればさらに安全に予備放射を行うことができる。この方法により、仮に長時間発振していると破壊が起こる条件で高周波を出力しても、固体発振器の動作時間を短くすることで、戻りの高周波による固体発振器の破壊を防ぐことができ、より安全に且つ安定的に固体発振器を動作させることができる。従って、本具体例の方法によれば、加熱効率の向上と動作信頼性の向上とを併せて実現することが可能となる。

また、本放射と同じ出力電力で予備放射（探査）するため、ステップＳ２２４、Ｓ２２６で、より正確に最適条件で固体発振器を動作させることができる。また、以上のような制御方法を行うことにより、出力レベルの可変機能が不要となり、コストの観点からも有利となるメリットを有している。

−高周波加熱装置の制御方法の第６の具体例−
図８は、第１の実施形態の第６の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。本具体例に係る制御方法において、例えば第１の実施形態の第１〜第３の具体例に係る高周波加熱装置のいずれを用いてもよい。本具体例に係る高周波加熱装置の制御方法も、基本的に図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順による制御を行っている。

まず、図８において、符号で示す期間にステップＳ２２０（図２参照）として予備放射を行うとともに、ステップＳ２２２として高周波電力のモニターや高周波の検波などを行う。次いで、符号７０２に示す期間では、高周波電力が所定の閾値を超えるか否か等の判定を行う（ステップＳ２２４）。ここで、高周波の放射／伝搬条件が最適化されていない場合（すなわち、高周波電力が所定の閾値を超える場合など）、高周波の電力の変更、周波数の変更、インピーダンス不整合の回避などを行って放射／伝搬条件を調節し（ステップＳ２２６）、符号７０３に示す期間に再度予備放射（ステップＳ２２０）を行う。この際に、再度高周波電力のモニターや高周波の検波などを行う（ステップＳ２２２）。次に、符号７０４に示す期間では、ステップＳ２２４、Ｓ２２６を行なう。次いで、符号７０５、７０６に示す期間では、再度ステップＳ２２０〜Ｓ２２６を繰り返す。そして、放射／伝搬条件が最適化された場合、符号７０７に示す期間にステップＳ２２８として本放射を行う。

以上のように、放射／伝搬条件が最適化できるまで予備放射と放射／伝搬条件の調節とを繰り返すことで、最適化の精度を上げることができ、戻りの高周波によって、固体発振器が破壊することをより確実に防ぎ、高周波加熱装置をさらに安定的に動作させることが可能となる。また、加熱効率の高い条件で固体発振器を動作させることができる。

なお、図８に示す例ではステップＳ２２０〜ステップＳ２２６の動作を３回繰り返す例を示したが、繰り返し回数に制限は特に制限されない。また、予備放射は本放射より低い出力で行ってもよいし、同程度の出力で行ってもよい。

−高周波加熱装置の制御方法の第７の具体例−
図９は、第１の実施形態の第７の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。本具体例に係る制御方法において、例えば第１の実施形態の第１〜第３の具体例に係る高周波加熱装置のいずれを用いてもよい。本具体例に係る高周波加熱装置の制御方法も、基本的に図２に示すステップＳ２２０〜ステップＳ２２８の手順による制御を行っている。

本具体例の方法では、図９に示す符号８０１、８０２、８０３、８０４の期間、図２に示すステップＳ２２０およびステップＳ２２２と、ステップＳ２２４およびステップＳ２２６とを順次複数回（この例では２回）繰り返す。その後、符号８０５に示す期間にステップＳ２２８として本放射を行う。

本放射を一定期間行った後、符号８０６、８０７、８０８、８０９の期間、再度ステップＳ２２０およびステップＳ２２２と、ステップＳ２２４およびステップＳ２２６とを順次複数回（この例では２回）繰り返す。そして、放射条件を最適化して符号８１０に示す期間に、ステップＳ２２８として、高周波の本放射を行う。

既に説明したように、アンテナから戻ってくる高周波のレベルは、時々刻々変化し、一定でないため、本放射を一定期間行った後、再度放射条件の最適化を行なうことで、固体発振器の破壊をより確実に防ぐことができ、高周波加熱装置をより安全に駆動することが可能となる。また、加熱効率を向上させ、且つ信頼性の高い条件で高周波を放射することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を、図１０を用いて説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る高周波加熱装置の一例を模式的に示す図である。

高周波加熱装置９０１は、高周波を出力する固体発振器９０３と、固体発振器９０３に接続された熱電対（温度検知部）９０４と、被加熱物９０６を加熱するための加熱室９０５と、加熱室９０５内に設置され、高周波を受けるアンテナ９０２とを備えている。

固体発振器９０３で発生した高周波は、アンテナ９０２へと導かれ、加熱室９０５内に放射され、加熱室９０５の中に収納された被加熱物９０６を加熱する。このとき、熱電対９０４により、固体発振器９０３の温度は常にモニターされている。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る高周波加熱装置の制御方法を説明する図であって、その横軸には時間を、縦軸には固体発振器の温度をそれぞれ示している。この制御方法では、例えば図１０に示す高周波加熱装置９０１が用いられる。曲線１００１は、例えば熱電対９０４によりモニターされる、高周波加熱装置９０１の動作時における固体発振器９０３の温度を示す。

本実施形態の制御方法は、基本的に図２に示すステップを行うものである。ただし、本実施形態の制御方法では、本放射（図２のステップＳ２２８）中に、固体発振器９０３の温度があらかじめ設定された閾値１００２に達すると、固体発振器９０３の出力周波数を変えたり、上述のインピーダンスの不整合を取り除く手段を用いて固体発振器９０３の温度の低減を図る。ここで、閾値１００２は実験的に求められた固体発振器９０３の破壊温度であってもよい。この方法により、固体発振器９０３の破壊をより確実に防ぐことができる。従って、本実施形態の駆動方法によれば、高周波加熱装置の動作信頼性の向上と、加熱効率の向上とを併せて実現することができる。

なお、本実施形態の制御方法において、当該破壊温度の近傍であって破壊温度より低い温度を危険予防閾値として設定してもよい。出力周波数の変更やインピーダンスの不整合を取り除くことによって固体発振器９０３の温度を下降させるのには多少時間を要するため、危険予防閾値に達した時に上述の制御を行って固体発振器９０３の温度低減を図ることにより、固体発振器９０３の温度下降に時間を要する場合でも確実に固体発振器９０３の破壊を防ぐことができる。

なお、本実施形態の制御方法は、第１の実施形態およびその具体例に係る制御方法と組み合わせることによって、さらに確実に固体発振器９０３の破壊を防ぐことができる。

また、本実施形態の制御方法において、固体発振器９０３の温度下降に時間がかかる場合には、放射する高周波の出力を下げたり、電源を遮断して高周波の出力を停止した後に再度動作させてもよい。ただし、効率的な加熱を行うためには、高周波出力の停止よりはインピーダンスの不整合の解消や出力周波数の変化で対応することがより好ましい。

なお、図１０に示す熱電対９０４は固体発振器９０３に直接接続されているが、この熱電対９０４は固体発振器９０３が実装されている基板に接続されていてもよいし、固体発振器と同一の半導体基板上に作り込まれていてもよいし、固体発振器９０３が実装されたパッケージに接続されていてもよい。

また、温度をモニターする方法は、本発明の趣旨から、熱電対に限定するものではなく、いかなる方法を用いてもよい、たとえば、赤外線を感知するセンサーでもよいし、サーミスタ等でもかまわない。

本発明の高周波加熱装置およびその制御方法は、家庭用の電子レンジや業務用、研究用の加熱装置など、高周波を用いた種々の装置に用いることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る高周波加熱装置の基本構成を模式的に示す図である。 本発明の高周波加熱装置の制御方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態の第１の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。 第１の実施形態の第２の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。 第１の実施形態の第３の具体例に係る高周波加熱装置を模式的に示す図である。 第１の実施形態の第４の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。 第１の実施形態の第５の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。 第１の実施形態の第６の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。 第１の実施形態の第７の具体例に係る高周波加熱装置の制御方法を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る高周波加熱装置の一例を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る高周波加熱装置の制御方法を説明する図である。 従来の高周波放射装置を模式的に示す図である。

符号の説明

１０２、２０１、９０２ アンテナ
１０３、２０２、３０３ 方向性結合器
１０４、２０３、３０４、４０５、９０３ 固体発振器
１０５ モニター端子
１０６、９０５ 加熱室
１０７、９０６ 被加熱物
２０４ 増幅器
２０５ 発振器
２０６ バイアス端子
３０２ スライドスクリューチューナ
３０５ ストリップライン
３０６ スラグ
３１０ 検波回路
３１２ Ａ／Ｄ変換回路
３１４ 制御装置
４０２ａ、４０２ｂ スイッチ
４０３ 整合回路
５０１、５０２、５０３、６０１、６０２、６０３、７０２、７０３、７０４ 期間
８０１、８０２、８０３、８０４、８０５、 ８０６、８０７、８０８、８０９、８１０ 期間
５０４、６０４ 本放射
５０５ 予備放射
９０１ 高周波加熱装置
９０４ 熱電対
１００１ 曲線
１００２ 閾値

Claims (12)

1. 固体発振器とアンテナとを備えた高周波放射装置の制御方法であって、
   前記固体発振器から前記アンテナを介して高周波を放射するステップ（ａ）と、
   前記アンテナから前記固体発振器へと戻る前記高周波を検知するステップ（ｂ）と、
   前記ステップ（ｂ）での検知結果に基づいて、前記固体発振器から前記アンテナへと伝搬する前記高周波の放射／伝搬条件を調節するステップ（ｃ）と、
   前記ステップ（ｃ）の後に、前記固体発振器から前記アンテナを介して前記高周波を対象物に放射するステップ（ｄ）とを備えている高周波放射装置の制御方法。
2. 前記ステップ（ｄ）では、前記対象物に前記高周波を照射して加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の高周波放射装置の制御方法。
3. 前記ステップ（ａ）での前記高周波の放射時間は、前記ステップ（ｄ）での前記高周波の放射時間よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波放射装置の制御方法。
4. 前記ステップ（ａ）で放射される前記高周波の電力は、前記ステップ（ｄ）で放射される前記高周波の電力よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
5. 前記ステップ（ｂ）では、前記固体発振器へと戻る前記高周波の電力を検知し、
   前記ステップ（ｃ）は、前記ステップ（ｂ）で検知された前記高周波の電力を第１の閾値と比較するステップ（ｃ１）と、前記高周波の電力が前記第１の閾値を超えた場合に前記高周波の放射／伝搬条件を調節するステップ（ｃ２）とを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
6. 前記ステップ（ｂ）では、前記固体発振器へと戻る前記高周波を検波し、
   前記ステップ（ｃ）は、前記ステップ（ｂ）で検波された前記高周波の強度を第２の閾値と比較するステップ（ｃ３）と、前記高周波の強度が第２の閾値を超えた場合に前記高周波の放射／伝搬条件を調節するステップ（ｃ４）とを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
7. 前記ステップ（ａ）と前記ステップ（ｄ）の間に、前記ステップ（ｂ）と前記ステップ（ｃ）とを順次複数セット繰り返すことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
8. 前記対象物に前記高周波を照射する際に、前記ステップ（ａ）、前記ステップ（ｂ）、前記ステップ（ｃ）および前記ステップ（ｄ）を順次複数回繰り返すことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
9. 前記高周波放射装置は前記固体発振器の温度を検知する温度検知部をさらに備えており、
   前記ステップ（ｄ）において、前記温度検知部が検知した温度が第３の閾値を超えた場合には、前記高周波の放射／伝搬条件を調節することを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
10. 前記ステップ（ｃ）では、前記固体発振器の発振周波数の変更、前記固体発振器における前記高周波の出力の変更、前記固体発振器に供給される電源電圧の変更、及び前記固体発振器の出力インピーダンスと前記アンテナのインピーダンスとのインピーダンス整合の変更の少なくとも１つ以上を行うことを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の高周波放射装置の制御方法。
11. 固体発振器と、アンテナと、前記固体発振器の温度を検知する温度検知部とを備えた高周波放射装置の制御方法であって、
    前記固体発振器から前記アンテナを介して高周波を対象物に放射するステップを備え、
    前記対象物に前記高周波を放射する際に、前記温度検知部が検知した温度が所定の閾値を超えた場合には、前記高周波の放射／伝搬条件を調節する高周波放射装置の制御方法。
12. 前記閾値は、前記固体発振器の破壊温度であることを特徴とする請求項１１に記載の高周波放射装置の制御方法。

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