JP2017517128A - ソリッドステート式マイクロ波デバイス - Google Patents
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Abstract
キャビティ(20)内に配置された負荷にエネルギを付加するためのソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)が提供される。マイクロ波ジェネレータは、オシレータ(30)と、オシレータ(30)に接続されたプリアンプ(38)と、プリアンプ(38)に接続されたパワーアンプ(18)と、パワーアンプに接続されてキャビティに連通する放射素子(26)と、オシレータとパワーアンプとの間のラインに接続され、電磁スペクトルのマイクロ波領域の既定の通過帯域を備えるパッシブ型バンドパスフィルタ(17)とを有する。パッシブ型のマイクロストリップバンドパスフィルタの出力がパワーアンプの入力に接続されて、通過帯域外の周波数で放射素子によってキャビティに伝送されるエネルギを制限している。
Description
本願は、2014年3月21日に出願された米国出願第14/221528号の利益を請求するものである。
従来のマイクロ波オーブンは、高周波数の交流電磁場を閉鎖キャビティ全体にわたって分布させる誘電加熱プロセスによって食品を調理する。2.45GHzでのまたは2.45GHz近傍の無線周波数スペクトルのサブバンドのマイクロ波周波数により、主に食品内の水分へのエネルギ吸収によって誘電加熱が起こる。
従来のマイクロ波においてはマイクロ波周波数放射を発生させるために、電圧を高電圧変圧器に印加することによって生じた高電圧電力が、マイクロ波周波数放射を発生させるマグネトロンに印加されている。そして、そのマイクロ波は、導波管を介して、食品を収容する閉鎖キャビティに伝送される。マグネトロンなどのシングルの非コヒーレント源を用いて閉鎖キャビティ内の食品を調理すると、食品に加熱むらが起こる可能性がある。マイクロオーブン内の食品をよりむらなく加熱するためのものとして、特に、キャビティ内でマイクロ波を再配分するためのマイクロ波撹拌器と、キャビティ内で食品を回転させるためのターンテーブルとがある。
一態様において、キャビティ内に配置された負荷にエネルギを付加するためのソリッドステート式マイクロ波ジェネレータが提供される。マイクロ波ジェネレータは、オシレータと、オシレータに接続されたプリアンプと、プリアンプに接続されたパワーアンプと、パワーアンプに接続されてキャビティに連通する放射素子と、オシレータとパワーアンプとの間のラインに接続され、電磁スペクトルのマイクロ波領域の既定の通過帯域を備えるパッシブ型バンドパスフィルタと、を有する。パッシブ型バンドパスフィルタの出力がパワーアンプの入力に接続されて、通過帯域外の周波数で放射素子によってキャビティに伝送されるエネルギを制限している。
別の態様において、上述のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータを備えるマイクロ波オーブンが提供される。
図面において、
ソリッドステート式高周波(RF)調理器は、閉鎖キャビティ内に電磁放射を行うことによって食物を加熱調理する。閉鎖キャビティの異なる位置に配置されたRFフィーダにより、動的な(dynamic)マイクロ波パターンが生成される。閉鎖キャビティ内の波パターンを制御して成形するために、複数のRFフィーダは、閉鎖キャビティ内のコヒーレンス(すなわち、安定した干渉パターン)を維持するために別々に制御された電磁特性を備える波を放射してもよい。例えば、RFフィーダそれぞれは、他のフィーダに対して異なる位相および/または振幅で発信してもよい。複数のRFフィーダにおいて、他の電磁特性が共通であってもよい。例えば、RFフィーダそれぞれは、共通であるが可変な周波数で発信してもよい。以下の実施の形態はRFフィーダが電磁波によって閉鎖キャビティ内の対象を加熱する調理器を対象としているが、本明細書で言うマイクロ波オーブンと本明細書から導出される発明の概念はこれに限定されない。保護対象の概念は、電磁放射を閉鎖キャビティ内に行い、それによりキャビティ内の対象に影響を与えるあらゆるRFデバイスに適用可能である。デバイスの一例には、オーブン、ドライヤ、スチーマなどが含まれる。
図1は、一実施の形態に係る複数のRFフィーダ26A〜26Dを備えたマイクロ波オーブン19内の信号経路のブロック図である。マイクロ波オーブン10は、電源12、コントローラ14、小信号マイクロ波ジェネレータ16、ヒューマン・マシン・インターフェース28、1つ以上のバンドパスフィルタ17A〜17D、および、それぞれがRFフィーダ26A〜26Dに接続された複数のパワーアンプ18A〜18Dを含んでいる。複数のRFフィーダ26A〜26Dそれぞれは、複数のパワーアンプ18A〜18D中の1つからのRF電力を閉鎖キャビティ20に連結(couple)する。
電源12は、電気の幹線からの電力をコントローラ14、小信号マイクロ波ジェネレータ16、ヒューマン・マシン・インターフェース28、および複数のパワーアンプ18A〜18Dに供給する。電源12は、電気の幹線を、電力が供給されるデバイスに必要な電力レベルに変換する。電源12は、可変な出力電圧レベルを伝送してもよい。例えば、電源12は、0.5ボルトきざみで選択的に制御された電圧レベルを出力してもよい。この場合、電源12は、通常時にはパワーアンプ18A〜18Dそれぞれに28ボルトの直流(DC)を供給し、所望のレベルに基づいてRF電力レベルを下げるために、15ボルトDCなどのより低い電圧を供給してもよい。
コントローラ14は、マイクロ波オーブン10に含まれてもよく、調理サイクルを実行するマイクロ波オーブン10の様々な構成要素に動作可能に接続されてもよい。コントローラ14はまた、ユーザによって選択された入力を受け取ってユーザに情報を提供するコントロールパネル、すなわちヒューマン−マシンインターフェース28に動作可能に接続されてもよい。ヒューマン−マシンインターフェース28は、ユーザが調理サイクルなどの命令を入力できるようにまた情報を受け取ることができるように、ダイアル、ライト、スイッチ、タッチスクリーン素子、および/またはディスプレイなどの操作制御部を含んでもよい。ユーザインターフェース28は、1つの構成要素、あるいは、中央集積化されたまたは互いに分散された複数の構成要素であってもよい。
コントローラ14は、メモリと中央処理ユニット(CPU)とを備えてもよく、また、好ましくはマイクロコントローラとして具現化されてもよい。メモリは、CPUによって実行されて調理サイクルを完了させる制御ソフトウェアを記憶するために使用されてもよい。例えば、メモリは、ユーザによって選択されてマイクロ波オーブン10によって完了される、予めプログラミングされた1つ以上の調理サイクルを記憶してもよい。コントローラ14はまた、1つ以上のセンサからの入力を受け取ってもよい。コントローラ14に通信可能に接続される非限定的な一例のセンサとして、RF電力を測定するピークレベル検出器、閉鎖キャビティ20または1つ以上のパワーアンプ18A〜18Dの温度を測定する温度センサがある。
ヒューマン−マシンインターフェース28によって提供されたユーザ入力と複数のパワーアンプ18A〜18Dからの入射電力強度および反射電力強度を含むデータ(図1に示す、パワーアンプ18A〜18Dから小信号マイクロ波ジェネレータ16を通過してコントローラ14に至る経路)とに基づいて、コントローラ14は、調理方法を決定し、小信号マイクロ波ジェネレータ16の設定値を計算してもよい。この場合、コントローラ14のメイン機能の1つは、ユーザによって始動されたときに調理サイクルを説明するようにマイクロ波オーブン10を作動させることである。小信号マイクロ波ジェネレータ16は、以下に後述するが、コントローラ14によって示された設定値に基づいて、1つ以上のマイクロ波信号、すなわち、パワーアンプ18A〜18Dそれぞれに対する信号を生成してもよい。
それぞれがRFフィーダ26A〜26Dの1つに接続されているパワーアンプ18A〜18Dは、小信号マイクロ波ジェネレータ16によって提供された低電力マイクロ波信号に基づいて、高電力マイクロ波信号を出力する。パワーアンプ18A〜18Dそれぞれに入力される小電力マイクロ波信号は、電源12によって供給された直流電力を高電力マイクロ波信号に変換することによって増幅されてもよい。例えば、パワーアンプ18A〜18Dそれぞれは、250ワットのマイクロ波信号を出力する能力があってもよい。パワーアンプ18A〜18Dそれぞれの最大出力ワットは、実施に応じて、250ワットより大きいまたは小さくてもよい。
加えて、パワーアンプ18A〜18Dそれぞれは、アンプ出力での入射電力レベルおよび反射電力レベルの強度を測定する検出能力を備える。パワーアンプ18A〜18Dそれぞれの出力での測定された反射電力は、パワーアンプ18A〜18Dと閉鎖キャビティ20との間のインピーダンスのミスマッチによって生じた、パワーアンプ18A〜18Dに戻った電力レベルを示している。調理方法にある程度影響するためにコントローラ14や小信号マイクロ波ジェネレータ16にフィードバックすることに加えて、反射レベルは重要視されうる。なぜなら、過剰な反射レベルはパワーアンプ18A〜18Dにダメージを与える可能性があるからである。
そのため、パワーアンプ18A〜18Dそれぞれは、過剰なRF反射を吸収するための疑似負荷を含んでもよい。パワーアンプ18A〜18Dそれぞれでの反射電力レベルを判断するとともに、疑似負荷での温度検出を含むパワーアンプ18A〜18Dでの温度検出により、反射電力レベルが所定のしきい値を超えたときに判断する必要があるデータが提供されてもよい。しきい値を超えた場合、電源12、コントローラ14、小信号マイクロ波ジェネレータ16、または、パワーアンプ18A〜18Dを含むRF伝送チェーン(chain)内の任意の制御要素が、1つ以上のパワーアンプ18A〜18Dが低電力レベルに切り替わるまたは完全に停止した可能性を判断してもよい。数ミリ秒の間に反射電力レベルまたは検出温度が高くなりすぎると、例えば、パワーアンプ18A〜18Dのいずれかが自動的に自ら停止してもよい。他の例において、電源12が、全てのパワーアンプ18A〜18Dに供給する直流電力をカットしてもよい。
複数のRFフィーダ26A〜26Dそれぞれは、パワーアンプ18A〜18Dに接続され、閉鎖キャビティ20に連通している放射素子を含んでいる。複数のRFフィーダ26A〜26Dそれぞれの放射素子は、マイクロ波信号の電力減衰が小さくなるように設計された導波管構造体を介して、実装されてもよい。例えば、マイクロ波技術者には公知の金属製方形導波管は、パワーアンプ18A〜18Dから閉鎖キャビティ20へのRF電力のガイドを、1メータあたり約0.03デシベルの電力減衰で行うことができる。他のタイプの放射素子は、一つ以上のアンテナ構造体、または、導波管とアンテナ構造体の組み合わせを含んでもよい。複数のRFフィーダ26A〜26Dは、空間的に分離されているが一定な物理的な場所で、閉鎖キャビティ20に接続されてもよい。
閉鎖キャビティ20は、選択的に、その内部にオプションの仕切り24を投入することによって形成されたサブキャビティ22A〜22Bを含んでもよい。閉鎖キャビティ20は、少なくとも一方のサイドに、食品やオプションの仕切り24の出し入れのために、ユーザの閉鎖キャビティ20内へのアクセスを可能にするシールドドアを含んでもよい。
RFフィーダ26A〜26Dそれぞれの伝送帯域は、好ましくは、2.4GHzから2.5GHzの電磁スペクトル範囲の周波数を含んでいる。RFフィーダ26A〜26Dは、他のRF帯域を伝送するように構成されてもよい。例えば、2.4GHzと2.5GHzの間の周波数の帯域は、産業科学医療用(ISM)の無線帯域を取り決めるいくつかの帯域の1つである。他のRF帯域の伝送は、考慮され、そして、13.553MHzから13.567MHz、26.957MHzから27.283MHz、902MHzから928MHz、5.725GHzから5.875GHz、24GHzから24.250GHzの周波数によって定義されるISM帯域に含まれる非限定的な例を含んでもよい。
図2は、マイクロ波オーブンの1つのRFフィーダ26C用のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ11のブロック図を示している。小信号マイクロ波ジェネレータ16は、連続的に接続されて全てがRFコントローラ32の制御下にあるオシレータ30、位相ジェネレータ34、およびプリアンプ38を含んでもよい。この場合、小信号マイクロ波ジェネレータ16から出力される実際の周波数、位相、および振幅は、好ましくはデジタルコントロールインタフェースとして実装されているRFコントローラ32を介してプログラム可能である。小信号マイクロ波ジェネレータ16は、調理用コントローラ14から物理的に分離されてもよく、または、そのコントローラ14に対して物理的に搭載あるいは統合されてもよい。小信号マイクロ波ジェネレータ16は、好ましくは、特注の集積回路として実装されている。
図2に示すように、小信号マイクロ波ジェネレータ16は、1つのRFフィーダ26Cを駆動するために、1つのマイクロ波信号を出力してもよい。なお、図1に示すように、小信号マイクロ波ジェネレータ16はまた、複数のRFフィーダ26A〜26Dを駆動するために、複数のマイクロ波信号を出力してもよい。例えば、小信号マイクロ波ジェネレータ16は、共通で可変の周波数(例えば、2.4GHzから2.5GHzの範囲)を共有する複数のRFフィーダ26A〜26Dを駆動してもよい。しかし、位相と振幅については、RFフィーダ26A〜26Dそれぞれに対して設定可能である。この構成は一例であって、これに限定されるものではない。小信号マイクロ波ジェネレータ16は、多かれ少なかれチャンネルを出力し、用途にもよるがチャンネルそれぞれについて、固有の可変周波数を出力する能力をもってもよい。
上述したように、小信号マイクロ波ジェネレータ16は、電源12から電力を得てもよく、また、コントローラ14からの1つ以上の制御信号を入力してもよい。付加的な入力として、パワーアンプ18A〜18Dによって決定された入射電力レベルと反射電力レベルとを含んでもよい。これらの入力に基づいて、RFコントローラ32は、周波数を選択してもよく、選択された周波数の信号指示を出力するために、オシレータ30に信号を送信してもよい。図2のオシレータ30を表すブロックに図示するように、選択された周波数は、個別の周波数のセットにわたって周波数が分布する正弦波信号を決定する。例えば、2.4GHzから2.5GHzの選択可能な帯域は、101個の固有周波数の選択を可能にする1MHzの解像度で離散化されてもよい。
複数のRFフィーダ26A〜26Dを備えるマイクロ波オーブン10の場合、小信号マイクロ波ジェネレータ16は、最終的なマイクロ波信号のために信号位相を制御する能力を備えてもよい。コヒーレント信号制御の場合、オシレータ30の後、マイクロ波信号は、位相ジェネレータ34に送られてもよい。シングルチャンネル位相ジェネレータ36は、異なる位相、すなわち、入力信号の正弦状関数の初期角度を与えてもよい。図2のシングルチャンネル位相ジェネレータ36を表すブロックに図示するように、チャンネルのためのマイクロ波信号の選択された位相は、個別の角度のセットにわたって分布してもよい。例えば、選択可能な位相(振動の半周期すなわち180度にわたる範囲)は、チャンネルごとに19個の固有位相の選択を可能にする10度の解像度で離散化されてもよい。
シングルチャンネル位相ジェネレータ36の後、チャンネル毎のマイクロ波信号は、位相ジェネレータ34からプリアンプ38に送られてもよい。RFコントローラ32からの制御信号に続いて、プリアンプ38は、異なる振幅にするために、チャンネル毎のマイクロ波信号を増幅するまたは減衰してもよい。図2のチャンネル毎のプリアンプ40を表すブロックに図示するように、マイクロ波信号の選択された振幅は、個別の振幅(すなわち電力レベル)のセットにわたって分布してもよい。例えば、選択可能な振幅は、チャンネルごとに47個の固有振幅の選択を可能にする0から23デシベルの範囲にわたって0.5デシベルの解像度で離散化されてもよい。
プリアンプ38から出力された低電力マイクロ波信号は、パワーアンプ18に入力される。パワーアンプ18は、電源12によって供給された直流電力を高電力マイクロ波信号に変換することによってマイクロ波信号を増幅する。マイクロ波信号の振幅は、用途にもよるが、いくつかの方法の1つによって制御されてもよい。例えば、各チャンネルのプリアンプ38の供給電圧の制御により、小信号マイクロ波ジェネレータ16からの各チャンネルの出力振幅が、後のパワーアンプ18のための所望なマイクロ波信号出力に対して正比例してもよい。代わりとして、チャンネルごとの出力は、パルス幅変調信号としてエンコードされてもよく、振幅レベルがパルス幅変調信号のデューティサイクルによってエンコードされている。さらなる別の代案では、閉鎖キャビティ20に伝送されるマイクロ波信号の最終的な振幅を制御するために、電源12のチャンネル毎の出力を調整し、パワーアンプ18A〜18Dそれぞれに供給される供給電圧を変化させる。
バンドパスフィルタ17が、オシレータ30とパワーアンプ18との間に接続されている。電力損失を最小化するために、バンドパスフィルタ17は、好ましくは、プリアンプ38とパワーアンプ18との間に配置される。バンドパスフィルタの出力39は、パワーアンプ18の入力に対して極めて接近し且つ直結している。バンドパスフィルタ17とパワーアンプ18との間の近接は、パワーアンプ18より前の任意のポイントでマイクロ波信号に対して行われうるバンドパスフィルタ17の通過帯域外の周波数の増幅を低減する。
バンドパスフィルタ17は、電磁スペクトルのマイクロ波領域(例えば2.4GHzから2.5GHzの電磁スペクトルの周波数範囲)の所定の通過帯域を備えるように構成されている。
図2のバンドパスフィルタ17を表すブロックに図示するように、フィルタは、中央の周波数近くの範囲の周波数を通過させ、通過帯域外の周波数を減衰させる。
図2のバンドパスフィルタ17を表すブロックに図示するように、フィルタは、中央の周波数近くの範囲の周波数を通過させ、通過帯域外の周波数を減衰させる。
好ましくは、バンドパスフィルタ17はパッシブ型(すなわち、フィルタはマイクロ波を増幅しない)であり、マイクロストリップ技術を用いることによって構成されている。マイクロストリップ技術は、一般的に誘電層または誘電基板によってグラウンド面から離れた導体ストリップからなるプリント回路基板技術を用いて作製される電気伝送ラインの一種である。マイクロストリップ素子は、基板上の金属配線パターンに基づいて、マイクロ波周波数信号を伝送する。
通過帯域がマイクロオーブン10の動作周波数を中心とする場合、オシレータ30とパワーアンプ18との間のパッシブ型バンドパスフィルタ17を低信号ラインに配置することにより、対象でない周波数を増幅するリスクが減少する。この場合、パッシブ型バンドパスフィルタ17は、通過帯域外の周波数でRFフィーダ26の放射素子によって閉鎖キャビティ20に伝送されるエネルギを制限する。例えば、オシレータ30またはプリアンプ38に故障が生じた場合、閉鎖キャビティ20をシールするドアがリークを防ぐことができない範囲の周波数でマイクロ波電力が発生する可能性がある。バンドパスフィルタ17は、対象としない周波数の振幅を減衰し、放射漏洩を効率的に軽減する。
上述したように、マイクロ波オーブン10は、複数のRFフィーダ26A〜26Dで閉鎖キャビティ20内に制御された量の電力を伝送してもよい。さらに、RFフィーダ26A〜26Dそれぞれから伝送される電力の振幅、周波数、および位相の制御を維持することにより、マイクロ波オーブン10は、閉鎖キャビティ20に伝送される電力をコヒーレントに制御してもよい。コヒーレントRF源が、電磁波の干渉特性を有効に使うために、制御した状態で電力を伝送する。すなわち、規定の空間内のエリアや期間に、コヒーレントRF源が、電場が相加状態で分布するように、安定した干渉パターンを提供してもよい。その結果として、干渉パターンは、振幅について、任意のRF源に比べて大きい(すなわち建設的(constructive)な干渉)または任意のRF源に比べて小さい(すなわち破壊的(destructive)な干渉)電磁場分布を発生させてもよい。
本発明が、ある特定の実施の形態と関連付けて具体的に説明されたが、それは理解を容易にするためのものであって限定するものではない。合理的な変更や改良が、添付の請求項に言及されている本発明の範囲から逸脱することなく、本開示や図面の範囲内で可能である。
Claims (11)
- キャビティ(20)内に配置された負荷にエネルギを付加するためのソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)であって、
オシレータ(30)と、
オシレータ(30)に接続されたプリアンプ(38)と、
プリアンプ(38)に接続されたパワーアンプ(18)と、
パワーアンプ(18)に接続され、キャビティ(20)に連通する放射素子(26)と、
オシレータ(30)とパワーアンプ(18)との間のラインに接続され、電磁スペクトルのマイクロ波領域の既定の通過帯域を備えるパッシブ型バンドパスフィルタ(17)と、を有し、
パッシブ型バンドパスフィルタ(17)の出力がパワーアンプ(18)の入力に接続されて、通過帯域外の周波数で放射素子(26)によってキャビティ(20)に伝送されるエネルギを制限している、ソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)。 - パッシブ型バンドパスフィルタ(17)が、プリアンプ(38)とパワーアンプ(18)との間に配置されている、請求項1に記載のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)。
- ラインが低信号ラインである、請求項1に記載のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)。
- パッシブ型バンドパスフィルタ(17)の出力が、パワーアンプ(18)の入力に直結している、請求項1に記載のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)。
- パッシブ型バンドパスフィルタ(17)が、マイクロストリップを含んでいる、請求項1に記載のソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)。
- マイクロ波オーブン(10)であって、
負荷を収容するように、且つ、所定の周波数範囲でマイクロ波エネルギの漏出をシールするように構成されたキャビティz(20)と、
キャビティ(20)内に配置された負荷にエネルギを付加するためのソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)と、を有し、
ソリッドステート式マイクロ波ジェネレータ(16)が、
オシレータ(30)と、
オシレータ(30)に接続されたプリアンプ(38)と、
プリアンプ(38)に接続されたパワーアンプ(18)と、
パワーアンプ(18)に接続され、キャビティ(20)に連通する放射素子(26)と、
オシレータ(30)とパワーアンプ(18)との間のラインに接続され、所定の周波数の既定の通過帯域を備えるパッシブ型バンドパスフィルタ(17)と、を有し、
パッシブ型バンドパスフィルタ(17)の出力がパワーアンプ(18)の入力に接続されて、所定の周波数範囲外の周波数で放射素子(26)によってキャビティ(20)に伝送されるエネルギを制限している、マイクロ波オーブン(10)。 - パッシブ型バンドパスフィルタ(17)が、プリアンプ(38)とパワーアンプ(18)との間に配置されている、請求項6に記載のマイクロ波オーブン(10)。
- ラインが低信号ラインである、請求項6に記載のマイクロ波オーブン(10)。
- パッシブ型バンドパスフィルタ(17)の出力が、パワーアンプ(18)の入力に直結している、請求項6に記載のマイクロ波オーブン(10)。
- 所定の周波数範囲が、2.4〜2.5GHzである、請求項6に記載のマイクロ波オーブン(10)。
- パッシブ型バンドパスフィルタ(17)が、マイクロストリップを含んでいる、請求項6に記載のマイクロ波オーブン(10)。
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