JP2011060530A - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を用いてマイクロ波を発生するマイクロ波処理装置において、アイソレータを用いずに、簡単な構成で半導体素子を破壊から保護するマイクロ波加熱制御シーケンスを用いた加熱処理装置を提供する。
【解決手段】本加熱に入る前に、半導体素子が全反射しても破壊しない程度の微小電力で透過波／反射波検出手段１において、透過電力信号Ｖｆと反射電力信号Ｖｒの比が最小となる反射最小周波数を制御部２で検出・選択し、反射の影響を極小化する。本動作をプリサーチと呼び、本加熱後も適宜プリサーチを実施し、反射最小周波数を修正することにより、反射波から半導体素子を保護する信頼性の高いマイクロ波処理装置をアイソレータ無しで提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部を備えた加熱処理装置に関するものである。

従来のマイクロ波処理装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生手段にマグネトロンと称される真空管を用いている。

電子レンジに用いられているマグネトロンは、自身の構造によって発振周波数が決定され、その決定された周波数を意図的に可変することはできない。マグネトロンに周波数可変機能を付帯させる技術は存在するが、高価であり、一般ユーザー向けの製品に搭載することは難しい。

近年の半導体技術の進歩により、マグネトロンの性能に匹敵あるいはその性能を凌駕するマイクロ波発生手段の実用化が可能になってきた。そして半導体素子を用いたマイクロ波発生手段は、広帯域の周波数に対応したマイクロ波を容易に出力させることができる。

また、被加熱物はマイクロ波処理に伴ってその性状が変化するため、被加熱物を収納する加熱室に供給したマイクロ波は、被加熱物への吸収度合が変化して加熱室からマイクロ波発生手段側にマイクロ波が反射する現象を呈する。この反射電力は半導体素子内で熱消費することから半導体素子の熱破壊を抑制する意味で、反射電力の制御は重要な課題である。

従来のこの種のマイクロ波処理装置は、アイソレータを用い反射波の影響を排除することが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。容易に反射波を排除することができ半導体素子を破壊しない構成となっていた。

特開２００６−１２８０７５号公報

鈴木清著「マイクロ波回路の基礎」啓学出版、１９７１年６月２５日、Ｐ．１６３

しかしながら、アイソレータは非常に高価で嵩のとる部品であり、機器の大型化や経済性の観点から従来の非常に反射波に対して堅牢で安価なマグネトロンを使ったマイクロ波処理装置が専らユーザーに対して購入しやすく利便性の高いものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、透過波／反射波を制御部で検知し半導体素子が破壊しない信頼性が高く経済性に優れたマイクロ波処理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、被加熱物を本加熱開始する前に給電部から入力され
る反射波が全反射してもパワーユニットの半導体が破壊しない程度の低出力で所要周波数バンド内を周波数掃引し反射度合いを検出し最低反射度合いとなる周波数を決定するプリサーチを行った後本来の加熱に進行する。しかし加熱が進行すると被加熱物への吸収度合いが変化して最低反射度合いとなる周波数も徐々に変化していく。

すなわち加熱開始前に選択した周波数と異なってくるのである。そのままの選択周波数で加熱すると反射波で半導体が破壊してしまう可能性がる。従って、加熱途上で適宜プリサーチを実施して最適な最低反射度合いとなる周波数に戻し反射波を低減しようとするものである。

これによって、被加熱物が加熱の進行によってその物性が変わり電波の吸収度合いが変化して最低反射度合いとなる周波数が移動しても半導体が反射波によって破壊することを回避することができるというものである。その結果、反射電力の大きい本加熱出力時にもアイソレータを用いずパワーユニットの半導体素子を破壊から回避することができるようになる。

本発明のマイクロ波処理装置は、本加熱中にも適宜プリサーチを実施し透過／反射の比率からどれだけ反射が多くかえっているか検知しつつ最低反射度合い周波数（最低反射周波数と呼ぶ）を探索決定する。

そのため、本加熱中の被加熱物の温度上昇に伴う物性変化に応じて最適の周波数で本加熱するため常時反射を低く抑えることができるため、アイソレータを用いずともパワーユニットの半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の要部回路ブロック図 本発明の実施の形態１における電力増幅するパワーユニットのシステムブロック図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の要部構成断面図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の給電部の高周波出力シーケンス図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置のプリサーチのプロセスを示す機能説明図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の一定インターバルプリサーチのプロセスを示すシーケンス図 本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の反射波リミット型プリサーチのプロセスを示すシーケンス図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の要部回路ブロック図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の要部構成断面図 本発明の実施の形態３におけるマイクロ波処理装置の要部回路ブロック図

第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、発振部の出力を半導体素子で電力増幅するパワーユニットと、パワーユニットから伝播される電力でパワーユニット方向にはね返ってくるマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する透過波／反射波検出手段と、前記透過波／反射波検出手段から透過してきたマイクロ波電力を加熱室内に放射する給電部と、透過波／反射波検出手段の出力を受け、発振部の発振周波数を制御するとともに発振部の出力レベルを制御する制御部からなり、制御部は、被加熱物を加熱開始する前に給電部から戻る反射波が極度に大きくなっても、パワーユニットの半導体素子
が破壊しない程度の低出力で所定周波数バンド内を周波数掃引し反射度合いを検出し、最低反射度合いとなる周波数を決定するプリサーチ期間と実際に被加熱物を加熱する本加熱期間を設けるとともに加熱進行後も適宜プリサーチを実行し、最適周波数再選択をおこなっているため、定格出力の大きい本加熱中でも、反射波の極めて少ない反射最低周波数で動作させることができ、半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

第２の発明は、本加熱中、一定インターバルでプリサーチを繰り返すことによって反射最低周波数を維持するもので、極めて簡単なシーケンスでパワーユニットの本加熱中での半導体素子を破壊から回避することができる。

第３の発明は、本加熱実施後、反射波を監視し、所定値を超えるとプリサーチを再度実施するシーケンスで反射最低周波数を選択するもので、常時反射波を監視し、所定値を超えるとプリサーチを実施するため、確実にある限度値以下の反射状態を維持でき、半導体素子が本加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

第４の発明は、本加熱中プリサーチを適宜実行しても、反射波がなお大きい時には給電部から放射される電力を調整し減定格化するもので、それにより、最低周波数を選択しても、依然反射レベルが高いという負荷条件においても反射波を低減させ、パワーユニットの半導体素子が本加熱中に反射波で破壊するのを防止することができる。

第５の発明は、発振部の後段に電力分配部を備え、複数のパワーユニットに電力を分配し、複数の給電部へ電力を供給することにより、複数の給電口からマイクロ波を照射する構成とするもので、マイクロ波を加熱室の内部で空間合成することにより、複数分散給電により筐体とオーブンの空間を有効に活用して、構成部品を配置することができる。

第６の発明は、複数のパワーユニットに供給するマイクロ波電力の位相を可変する位相可変部を備えるもので、複数の給電口からマイクロ波を照射し、かつ、給電口間の位相差を可変することが可能となり、それにより、自在な電磁界分布をつくりだすことができ、被加熱物の種々箇所を選択的に加熱し、かつ反射波による半導体素子の破壊を防止するものである。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波処理装置の要部ブロック図である。図１において本実施の形態の構成について説明する。発振部３は２４００〜２５００ＭＨｚの帯域の元信号を発振する。パワーユニット４は発振部３からのマイクロ波電力を増幅する機能を有し半導体素子を用いて構成した。

ここまでの部品はマイクロ波帯の電力フローであるが、パワーユニット４に入力される電力約略数ｍＷ以下の比較的小電力を扱っている。パワーユニット４は略６０ｄＢで、透過波／反射波検出手段１を通じて給電部５に供給される電力は、略１０００Ｗとなる。

透過波／反射波検出手段１は、パワーユニット４への出力を透過するとともに透過信号Ｐｆと反射電力信号Ｐｒを創出する。電源部６は、ＰＦＣ機能付絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータからなりパワーユニット４の電源Ｖｄｄ、ＧＮＤの直流電源を創出する。制御部２は、透過波／反射波検出手段１からの信号Ｐｆ、Ｐｒを受け発振部３の周波数を変化させる制御信号や出力電力を変化させる制御信号に発振部３に送出する。パワーユニット４の詳
細については別図面で後述する。

パワーユニット４で発生したマイクロ波出力は、透過波／反射波検出手段１を通じて伝播され、給電部５から加熱室７内に照射される。透過波／反射波検出手段１は、加熱室７の底面（加熱室外）に配され、加熱室７の底面に穿った小径開口から加熱室７の底面（加熱室内）に配された給電部５に連結されている。

マイクロ波出力は、パワーユニット４から透過波／反射波検出手段１を経由して給電部５に伝えられる。そして、アンテナである給電部５から照射されたマイクロ波出力は、加熱室７の内部に固定された載置台１６の上に載置された被加熱物１５に吸収され、誘電加熱が行われる。

次に、パワーユニット４について図２を用いて説明する。ここでは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成している。制御部２から出力された微弱なマイクロ波出力は、各増幅部（前段プリアンプ８、中段プリアンプ９、後段プリアンプ１０）で略４０ｄＢ程度で増幅させ、略１０Ｗの電力まで増幅される。

この部分をドライバー段１１と称している。出力段１２は、大きな入力電力を増幅するため、かなり大きな半導体チップを有する半導体素子が必要となり、ファイナルアンプＡ１３とファイナルアンプＢ１４の並列接続で略２０ｄＢのゲインを必要とする。

ここでは、出力段１２がその機能を司る。マイクロ波パワー半導体素子を良好に動作させるべく、各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路（不図示）を配している。

次に、本発明のマイクロ波処理装置の概略構成を示す図３を用いて説明する。被加熱物１５を収納する略直方体構造からなる加熱室７を有し、加熱室７は、金属材料からなる壁面および被加熱物１５を収納するために開閉する開閉扉（不図示）と、被加熱物１５を載置する載置台１７にて構成され、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるようになっている。載置台１７は、セラミック系の材料でマイクロ波は低損失で透過する。

さて、図４、図５を用いて本発明で実施するプリサーチについて説明する。本加熱は高周波出力Ｐｍａｘである。ここではオーブン庫内に照射される電力は略１０００Ｗで最大出力である。

従って、反射の少ない周波数ポイントで加熱を行わなければ、反射波でパワーユニットの半導体素子が一瞬にして破壊してしまう。そのため、調理開始後のｔｐ間では、大きな反射が返って来ても半導体素子が破壊しないようなＰｐｒｅという微弱な高周波出力で許容バンド（２４００〜２５００ＭＨｚ）まで掃引し、反射最小周波数を選択する。そして、その周波数に固定して本加熱でＰｍａｘのような大きな高周波出力を出力する。

さらに詳細にプリサーチの実施方法を示したのが図５である。許容バンド２４００〜２５００ＭＨｚまでを、ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・、ｔｎ−１、ｔｎというように小刻みに掃引していく。このケースではｔｘ時点で反射最小周波数Ｆｍｉｎを検出することができる。

このようにして、許容バンド内の反射最小周波数を検出することができる。この操作は制御部により行われるが、マイコンを用いると比較的部品点数も少なく、正確な検知が可能になる。

マイコンは、Ａ／Ｄ機能を用いて透過波／反射波検出手段１の出力をＡ／Ｄ変換して、測定点の間引き度合いにもよるが、５０ｍｓｅｃ以下で完了すると、トータル加熱時間を左程遅延させることはないと想定する。

また、食品の反射最小周波数は加熱が進行するに従い変化する。例えば、温度上昇に伴う被加熱物の物性変化（誘電率、誘電正接等）、形状の変化（膨らんだりしぼんだり）、含水率の変化等である。

従って、加熱初期に実施したプリサーチでの反射最小周波数が、加熱終了まで固定しているということはまず考えられない。従って、加熱途中で刻々と反射最小周波数は変化するものである。

以下、そういう観点に鑑みた本発明の実施の形態を、図６を用いて説明する。この場合は一定インターバルｔｃで連続的にプリサーチするという簡単なシーケンスである。ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５・・・と時間経過に伴って随時プリサーチをかけていく。こうすることによって反射最小周波数が変化しても、再度プリサーチを実施することによってＶｒ／Ｖｆが低い値に維持されていることがわかる。

制御部にとっても、単純なシーケンスのため責務負担は軽くて済む。このように反射が少ない状態を維持できるため高周波出力は最大定格であっても反射波は低いので、パワーユニットの半導体素子にダメージを与えることはなく、アイソレータを用いず反射に対する信頼性を確保することができる。

また、本発明のその他の実施の形態を図６を用いて説明する。この場合、反射波に対してリミットＶｒ／Ｖｆを設定し、それを超過するとプリサーチを実施して反射最小周波数を補正していくものである。リミットＶｒ／Ｖｆに達するごとに、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４というようにプリサーチを実施することによって、Ｖｒ／ＶｆはリミットＶｒ／Ｖｆ以下の低い値で維持できるため、高周波出力は最大定格であっても反射波は低くパワーユニットの半導体素子にダメージを与えることはなく、アイソレータを用いず反射に対する信頼性を確保することができる。

しかし、被加熱物の物性の変化具合によっては、このような本加熱中のプリサーチを施しても反射波を抑制できない場合がある。その場合においても、パワーユニットの半導体素子を破壊させない方法について図４を用いて説明する。反射最小周波数を補正しても、なおリミットＶｒ／Ｖｆを超える場合は、Ｐｍａｘ出力を減じＰｍｉｄ出力とする。

これによって、出力レベルは小さくなり、加熱速度という点での犠牲はともなうが、反射波はてきめんに減少する。それでもまだ、リミットＶｒ／Ｖｆを超える場合はさらにＰｍｉｎまでパワーを減じ、反射波レベルを低く抑え、パワーユニットの半導体素子を破壊から保護することができ、信頼性の高いマイクロ波処理装置を提供することができる。

本事例では２水準の低高周波出力レベルをもつが、より多水準化してリミットＶｒ／Ｖｆにいり近い大きな高周波出力を得ることも可能である。

（実施の形態２）
ここでは発振部３の後段に電力分配部１７を備え複数のパワーユニットに電力を分配し、複数の給電部からマイクロ波を照射する構成としている。図８に基づいて本実施の形態の構成を説明する。

ここでは、パワーユニットが扱う電力に限度があるため、複数のパワーユニットから給
電し、１つのパワーユニットが扱う電力を小さくし、空間合成して所望の高周波出力を得ようとするものである。出力段１２の利得は１７ｄＢと小さくできる。電力分配部１７は小電力系統の発振部後段に配する。

電力分配部１７は、例えばウィルキンソン型分配器のような出力間に位相差を生じない同相分配器であってもよいし、ブランチライン型やラットレース型のような出力間に位相差を生じる分配器であってもかまわない。

また、電力分配部１７によって、パワーユニット４ａ、４ｂには発振部３から入力されたマイクロ波電力の略１／２の電力が伝播される。パワーユニット以降は、透過波／反射波検出手段１ａ、１ｂ、給電部５ａ、５ｂと、２つの系列で電力が伝送される。

次に、パワーユニット複数分散給電することによるメリットについて、図９を用いて説明する。ここではパワーユニト４ａと透過波／反射波検出手段１ａを製品の外郭たるボディー１９と加熱室７の空間に配している。

もう一方の側面には、パワーユニト４ｂと透過波／反射波検出手段１ｂを製品の外郭たるボディー１９と加熱室７の空間に配している。

この部位は従来デッドスペースとして存在していた部分であり、本発明のように分散型にすることによって、このデッドスペースに部品を配することができ、ひいては機械室実効容積を大幅に削減できるため、外形体積は同じでも加熱質容積を従来よりも大きくすることができる。これにより、置き場所を取らずに、大きな加熱室７を有するマイクロ波処理装置を実現できるという、使用者にとって大きな利便性を提供することができる。

しかも、実施の形態１で示したように、反射波に対する耐性も向上しているため、様々な複数給電配置に対して反射波を低く抑制し、パワーユニット４ａ、４ｂの半導体素子の破壊を阻止する信頼性の高いマイクロ波処理装置を提供することができる。

（実施の形態３）
位相可変器１８ａ、１８ｂを用いて、各給電部間の位相を変えることを行っている。電力分配部１７で２分配した系統の後段に位相可変部１８ａ、１８ｂを設けている。その後段については、実施の形態２と同様のため説明を割愛する。

また、位相可変部１８ａ、１８ｂは、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、各々の位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。これによって位相可変部１８ａ、１８ｂより出力されるマイクロ波電力の位相差は０度から±１８０度の範囲を制御することができる。

また、この位相可変部１８ａ、１８ｂを用いると給電部間の位相差を可変することにより、自在な電磁界分布をつくりだすことができるので、被加熱物の種々箇所を選択的に加熱することができ、加熱ムラのない加熱仕上げを実現することができる。

しかも、実施の形態１で示したように、反射波に対する耐性も向上しているため、様々な複数給電配置に対して反射波を低く抑制し、パワーユニット４ａ、４ｂの半導体素子の破壊を阻止する信頼性の高いマイクロ波処理装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる加熱処理装置は、種々被加熱物においても反射波による半導体素子の破壊を阻止することができるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱
を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途にも適用できる。

１ 透過波／反射波検出手段
２ 制御部
３ 発振部
５ 給電部

Claims (6)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を半導体素子で電力増幅するパワーユニットと、前記パワーユニットから伝播される電力で前記パワーユニット方向にはね返ってくるマイクロ波電力と透過するマイクロ波電力を検出する透過波／反射波検出手段と、前記透過波／反射波検出手段から透過してきたマイクロ波電力を前記加熱室内に放射する給電部と、前記透過波／反射波検出手段の出力を受け、前記発振部の発振周波数を制御するとともに前記発振部の出力レベルを制御する制御部からなり、前記制御部は、被加熱物を加熱開始する前に前記給電部から戻る反射波が大きくなっても、前記パワーユニットの半導体素子が破壊しない程度の出力で所定周波数バンド内を周波数掃引し反射度合いを検出し、最低反射度合いとなる周波数を決定するプリサーチ期間と実際に被加熱物を加熱する本加熱期間を設けるとともに加熱進行後もプリサーチを実行し、最適周波数再選択を行い、半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止する構成としたマイクロ波処理装置。
2. 本加熱実施後、一定インターバルでプリサーチを繰り返す構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 本加熱実施後、反射波を監視し所定値を超えるとプリサーチを再度実施する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
4. プリサーチを実行した後、給電部から放射される電力を調整し、パワーユニットの半導体素子が加熱中に反射波で破壊するのを防止する構成とした請求項１から請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
5. 発振部の後段に電力分配部を備え、複数のパワーユニットに電力を分配し、複数の給電部からマイクロ波を照射する構成とした請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。
6. 複数のパワーユニットに供給するマイクロ波電力の位相を可変する位相可変部を備える構成とした請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。

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