JP4572213B2 - マイクロ波照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、被照射物にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置に関する。

従来用いられてきた温風加熱炉および熱線式加熱炉は、被加熱物への熱伝導が充分でなく、被加熱物の表面に達した熱がその内部へ伝導するのに時間がかかり、一般にエネルギー効率が良好とはいえなかった。そこで、マイクロ波電力応用が研究され、マイクロ波のエネルギーを被照射物に直接的に伝達することによって、被照射物を迅速かつ高効率に加熱できるようになった。マイクロ波電力応用の典型例のひとつに電子レンジがあり、食品の加熱、調理、解凍などの加熱用途に広く利用されている。

産業分野でも、従前から各種食材、木材などへのマイクロ波による加熱は知られていた。近年では、半導体製造装置におけるマイクロ波によるプラズマ生成とエッチングやアッシングへ応用したり、石英バルブ中のガスにマイクロ波を照射してガス分子を励起し、強力なＵＶ発光を生じさせたりして、紫外線硬化型の塗料や接着材、印刷（製版）に適用するなど、プラズマ分野などにも、マイクロ波電力の応用は広がってきている。さらに、化学産業分野においても、マイクロ波照射によって化学反応を著しく促進する効果が多数報告され、マイクロ波電力応用は化学分野へも拡大しつつある。

一般に、被照射物へマイクロ波を照射したとき、被照射物によるエネルギー損失Ｐは、マイクロ波の電場Ｅに起因するエネルギー損失分を表す項と、マイクロ波の磁場Ｈに起因するエネルギー損失分を表す項とに分けて、次の式（１）で表せる。

Ｐ＝(１／２)σ|Ｅ|²＋ｐｆε₀ε_r"|Ｅ|²＋ｐｆμ₀μ_r"|Ｈ|² …（１）

前記した電子レンジなどのマイクロ波電力応用は、主にマイクロ波の電場による損失を利用して被照射物を加熱しようとするものである。また、前記したプラズマ生成に関するマイクロ波電力応用は、マイクロ波の電場による励起現象を利用している。このように、従来、マイクロ波照射装置は、主としてマイクロ波の電場を利用するものであった（例えば、特許文献１参照）。

また、アンテナ空洞で定常波を形成し、この定常波がスリットから核燃料を内蔵する共振器空洞に取り出されるようにした「核燃料のマイクロ波焼結装置」が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−４４５１９号公報 特表２００２−５０４６６８号公報

マイクロ波照射の方式を照射されるマイクロ波の電磁界モードに従って区別すると、シングルモード方式とマルチモード方式とに大別される。シングルモード方式は、典型的には、導波管内に被照射物を置き、導波管内でマイクロ波を伝搬させることによって実現される。通常、導波管中では特定の電磁界モードのみが伝播するように設計されているので、その電磁界モードの分布にしたがって、電場の強い箇所や、磁場の強い箇所を選択して使用することができる。

一方、マルチモード方式とは、特許文献１記載のマイクロ波加熱炉のように、電子レンジに代表され、被照射物が配置される加熱筐体中には多数の電磁界モードが発生する方式であるが、電場・磁場が混在して、時間的にも微妙に変化する照射方式であるため、電場（もしくは磁場）を主体にした照射を行おうとしても、不要な磁場（もしくは電場）が必ず照射されてしまい、電場と磁場とを独立に制御することは、実質的に不可能である。

また、特許文献２記載の装置では、スリットの配置によって、共振器空洞内の電磁界強度の分布が形成されるが、やはり電場と磁場とを独立に制御することは、実質的に不可能である。

しかしながら、近年の化学反応分野へのマイクロ波電力応用においては、電場のみならず、むしろ磁場によるマイクロ波照射効果が重要と考えられる例が出てきており、マイクロ波の磁場を主に利用する照射装置が望まれていた。

したがって、本発明の目的に対してはシングルモード方式が適切であると考えられるが、その場合、次のような問題が生じる。
１． 導波管中の場所の選定によって、電場もしくは磁場の強度比率を調整することが可能であるが、場所を固定するとその比率は固定されてしまい、比率を可変することができない。
２． マイクロ波照射出力を調整することで、磁場（もしくは電場）を調整することができるものの、電磁場とも同じ比率で変化してしまうため、不都合を生じることがある。例えば、電場を一定に保っておいて磁場のみを変えるということができない。
３． マイクロ波を照射しているとき、電場（または磁場）を一定にしながら磁場（または電場）を変えるには、導波管中の被照射物位置を変更し、マイクロ波照射出力も調整して、電場（もしくは磁場）を一定にしながら磁場（もしくは電場）を変えるということは不可能ではないが、機械的な操作が必要で迅速な調整ができず、調整の精度が悪くなる。

本発明はこのような問題点を解消し、照射するマイクロ波の電場と磁場とを各々独立して制御しつつ同時に照射可能なマイクロ波照射装置を提供することを課題とする。

前記した課題を達成するため、本発明によるマイクロ波照射装置は、被照射物を収納しうる内部空間を有するアプリケータ部と、第１のモードで第１のマイクロ波を内部空間へ出力し、この内部空間の所定箇所で大きい電界および小さい磁界を生じさせる第１のマイクロ波照射系と、第１のマイクロ波と偏波面が交差する第２のモードで第２のマイクロ波をこの内部空間へ出力しこの所定箇所で大きい磁界および小さい電界を生じさせる第２のマイクロ波照射系とを具備したことを特徴とする。
その具体的な技術思想については、発明を実施するための最良の形態での記述を通じて、詳細に表現するものとする。

本発明のマイクロ波照射装置によれば、被照射物（あるいは被照射物を配置する空間部分）に対して、照射するマイクロ波の磁場と電場とを独立して制御しつつ同時に照射することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照し詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１を示す正面図である。
このマイクロ波照射装置１０１は、アプリケータ部１と、第１のマイクロ波発生部２と、第２のマイクロ波発生部３とを含み、アプリケータ部１に、第１のマイクロ波発生部２および第２のマイクロ波発生部３を接続した構造を有する。マイクロ波照射装置１０１の各要素のうち、少なくともマイクロ波の伝送路または反射面を形成する部分は、金属などの良導体製である。

アプリケータ部１は、角型筒体部１１と、マイクロ波短絡部１５と、仕切窓部１４と、接続部１６と、ガス供給部１７とを具備している。
角型筒体部１１は、中空の角筒状であり、その管軸方向（アプリケータ部１の場合、図の左右方向；入射したマイクロ波のエネルギーが進行する方向）を直角に横切る断面が矩形状である。角型筒体部１１の終端（図の右方）は、マイクロ波短絡部１５によって封止され、角型筒体部１１の始端（図の左方）は、仕切窓部１４によって封止されるとともに、仕切窓部１４を介してその内面が角筒状の断面形状を有する接続部１６が取り付けられている。角型筒体部１１を、仕切窓部１４およびマイクロ波短絡部１５によって封止して形成した内部空間１９には、絶縁体からなる支持体１３が配設され、支持体１３は、被照射物１２を保持している。

このように形成された角型筒体部１１の内部空間１９は気密であるが、角型筒体部１１には、さらに、一端が内部空間１９に連通し、他端がガス供給システム（図示せず）に接続されているガス供給部１７が設けられている。このため、ガス供給システム（図示せず）を制御することによって、ガス供給部１７を通じて、角型筒体部１１の内部空間１９へアルゴンや窒素などの不活性ガスなどのガス体を供給したり、内部空間１９を加圧または減圧したりして、内部空間１９を所望の雰囲気に調整できる。

仕切窓部１４は、例えば、高純度のアルミナセラミックや溶融石英など、マイクロ波を透過しやすい材質からなる仕切窓１４ａを有している。したがって、接続部１６から角型筒体部１１へ進行するマイクロ波の大部分は、仕切窓部１４の仕切窓１４ａを通じて、角型筒体部１１の内部空間１９へ進行する。

マイクロ波短絡部１５は、金属などの良導体製である。仕切窓部１４を通じて角型筒体部１１の内部空間１９へ入射したマイクロ波は、その一部が被照射物１２を照射し、その余の多くはマイクロ波短絡部１５へ入射する。マイクロ波短絡部１５は、入射したマイクロ波を高率で反射する。なお、仕切窓部１４からマイクロ波短絡部１５へ向かう方向のマイクロ波を進行波と称し、マイクロ波短絡部１５で反射され仕切窓部１４へ向かう方向のマイクロ波を反射波と称する。

第１のマイクロ波発生部２は、図１の左方から右方に向かって、すなわち、マイクロ波の進行方向順に、マグネトロン２１を備えた導波管マウント部２２と、アイソレータ部２３と、パワーモニタ部２４と、チューナ部２５と、テーパ導波管部２６とを、一連の導波管状に接続して構成されている。

マグネトロン２１は、例えば２４５０ＭＨｚ帯のマイクロ波を発振し、出力部２１ａから輻射する。

導波管マウント部２２は、マグネトロン２１を機械的に支持するとともに、マグネトロン２１の出力部２１ａから出力されたマイクロ波を効率的に取り出す。具体的には、導波管マウント部２２の終端部（すなわち、第１のマイクロ波発生部２の先端部）は、マグネトロン２１の出力部２１ａから４分の１管内波長の距離で短絡されている。このため、逆方向（図の下方から上方へ）へ進行し導波管マウント部２２の内部で反射されて進行方向が変わって順方向（図の上方から下方へ）へ向かうマイクロ波と、出力部２１ａから直接に順方向へ向かうマイクロ波との位相が合致し、これらを合成した出力を取り出すことができる。

アイソレータ部２３は、ある方向へ進行するマイクロ波を透過し、この方向の逆方向へ進行するマイクロ波を吸収し阻止する素子である。具体的には、アイソレータ部２３は、マグネトロン２１からアプリケータ部１へ順方向に進行するマイクロ波は透過するが、アプリケータ部１からマグネトロン２１へ逆方向に進行するマイクロ波は阻止する。こうして、逆方向へ進行するマイクロ波によって、マグネトロン２１が損傷することが防止される。
パワーモニタ部２４は、マイクロ波の進行電力および反射電力を計測し定在波比や透過電力などの状態を観測する。
チューナ部２５およびテーパ導波管部２６は、第１のマイクロ波発生部２とアプリケータ部１との特性インピーダンスを整合する。

アイソレータ部２３、パワーモニタ部２４、およびチューナ部２５は、標準的なマイクロ波素子であるから、説明の便宜上、単なる導波管系として図示する。第１のマイクロ波発生部２を形成しているアイソレータ部２３、パワーモニタ部２４、およびチューナ部２５は、２４５０ＭＨｚ帯に対応した２ＧＨｚ帯用の標準導波管系（例えばＷＲ４３０規格によるもの）で構成されている。しかし、アプリケータ部１を形成する角型筒体部１１の管軸と直角な断面寸法は、前記した２ＧＨｚ帯用の標準導波管系の断面寸法と縦横ともに異なる。そこで、テーパ導波管部２６は、開口断面寸法が異なる要素間に介在して開口断面寸法が管軸方向に滑らかに変化するようにし、第１のマイクロ波発生部２で発振されたマイクロ波電力が、アプリケータ部１へ円滑に伝播するようにしている。

第２のマイクロ波発生部３は、アプリケータ部１との接続に係る部分を除き、基本的に第１のマイクロ波発生部２と同様の構成である。すなわち、第２のマイクロ波発生部３は、例えば２４５０ＭＨｚ帯のマイクロ波を発振するマグネトロン３１と、マグネトロン３１を支持するとともにマグネトロン３１の出力部３１ａからのマイクロ波出力を有効に取り出す導波管マウント部３２と、アプリケータ部１の方向から入射するマイクロ波を阻止し、マグネトロン３１を保護するアイソレータ部３３と、マイクロ波の進行電力および反射電力を計測し定在波比や透過電力などの状態を計測するパワーモニタ部３４と、第１のマイクロ波発生部２とアプリケータ部１との特性インピーダンスを整合するチューナ部３５およびテーパ導波管部３６と、扁平導波管３７とを具備している。

アイソレータ部３３、パワーモニタ部３４、およびチューナ部３５は、標準的なマイクロ波素子であるので、簡単のため単なる導波管系として図示する。第２のマイクロ波発生部３を形成しているアイソレータ部３３、パワーモニタ部３４、およびチューナ部３５は、２４５０ＭＨｚ帯に対応した２ＧＨｚ帯用の標準導波管系（例えばＷＲ４３０規格によるもの）で構成されている。しかし、アプリケータ部１を形成する角型筒体部１１の管軸を直角に横断する断面寸法は、前記した２ＧＨｚ帯用の標準導波管系の断面寸法と縦横ともに異なる。そこで、テーパ導波管部３６および扁平導波管３７は、開口断面寸法が異なる要素間に介在して開口断面寸法が管軸方向に滑らかに変化するようにし、第２のマイクロ波発生部３で発振されたマイクロ波電力が、アプリケータ部１へ円滑に伝播するようにしている。

第１のマイクロ波発生部２は、その管軸がアプリケータ部１の管軸とほぼ一致するようにアプリケータ部１に接続されているが、第２のマイクロ波発生部３は、その管軸がアプリケータ部１の管軸と直角上側（図の上方）となるように、アプリケータ部１に接続されている。

図２は、本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１であって、第２のマイクロ波発生部３を取り外した状態を示す平面図である。
観測窓部１８は、アプリケータ部１内に配設された被照射物１２を視覚的に観察したり、温度測定を行ったりし、その状態を観測するためのものである。観測窓部１８については、図１２を参照して、後で詳細に説明する。
アプリケータ部１の接続部１６の上面には、扁平開口部１６ａが穿設されている。扁平開口部１６ａは、第１のマイクロ波発生部２からの進行波に対して、その電場および磁場の方向が直交するマイクロ波をアプリケータ部１に伝送するため、図の左右方向に細長い（つまり、第１のマイクロ波発生部２からのマイクロ波の進行方向に沿って細長い）形状に開口している。扁平開口部１６ａには、第２のマイクロ波発生部３の扁平導波管３７が取り付けられ、第２のマイクロ波発生部３からのマイクロ波は、この扁平開口部１６ａを通じて、アプリケータ部１の内部に伝播する。

図３は、第２のマイクロ波発生部３とアプリケータ部１の接続部１６との接続状態を示す要部側面図（左側面図）である。
この図に示すように、第２のマイクロ波発生部３の導波管マウント部３２から扁平導波管３７までは、概略直線状に接続されている。特に、導波管マウント部３２からチューナ部３５までは、管軸方向に沿って、概略同一の形状および寸法を有し、なめらかに接続されている。扁平開口部１６ａ（図２参照）に接続するため、扁平導波管３７は、導波管マウント部３２からチューナ部３５までよりも、正面−背面方向に狭窄した形状を有している。そこで、チューナ部３５と扁平導波管３７とをなめらかに接続し、伝送路としての特性インピーダンスを徐々に整合させるため、テーパ導波管部３６の上端の形状および寸法はチューナ部３５の下端と同一であり、テーパ導波管部３６の下端の形状および寸法は、扁平導波管３７の上端と同一である。

次に、図４から図６までを参照し、マイクロ波照射装置１０１において、アプリケータ部１内などでどのような電磁場が生じるかについて説明する。
図４は、アプリケータ部１を示す正面図である。この図では、説明の便宜上、第１のマイクロ波発生部２および第２のマイクロ波発生部３（図１参照）の記載を省略してある。短絡面１５ａは、アプリケータ部１の端部に配設されたマイクロ波短絡部１５における短絡面位置を示す。また、距離Ｘは、短絡面１５ａを基点とした長さであって、アプリケータ部１内の位置を特定する。

図５は、アプリケータ部１の角型筒体部１１における縦断面図である。
図５（ａ）に示すように、第１のマイクロ波発生部２によって照射されたマイクロ波の電場の向きは、実線の矢印１１ａで示すように上下方向となり、磁場の向きは、破線の矢印１１ｂで示すように、水平方向となる。
図５（ｂ）に示すように、第２のマイクロ波発生部３によって照射されたマイクロ波の電場の向きは、接続部１６の上面に設けられた扁平開口部１６ａを通して照射されるため、実線の矢印１１ａで示すように水平方向となり、磁場の向きは、破線の矢印１１ｂで示すように、上下方向となる。
このように、第１のマイクロ波発生部２からのマイクロ波によって生じる電場（磁場）の向きと、第２のマイクロ波発生部３からのマイクロ波によって生じる電場（磁場）の向きは、直交する分布状態となる。

図６は、短絡面１５ａからの距離Ｘ（図４参照）と、アプリケータ部１の内部にマイクロ波によって生じた電磁場強度の二乗値との関係を示すグラフである。なお、電磁場強度の二乗値は、正規化して図示してある。
図６（ｂ）に示すように、短絡面１５ａを基点とする観測点までの距離Ｘに対して、第１のマイクロ波発生部２によってアプリケータ部１内に生じる電場（電界強度）の二乗値（相対値）（Ｅ₁）²は、短絡面１５ａが電気的に短絡されているため距離Ｘ＝０のとき実質的に（Ｅ₁）²＝０となる波状を呈し、一方、磁場（磁束密度）の二乗値（相対値）（Ｈ₁）²は、距離Ｘ＝０のとき実質的に（Ｅ₁）²が最大値を示す相補的な波状を呈する。
図６（ａ）に示すように、短絡面１５ａを基点とする観測点までの距離Ｘに対して、第２のマイクロ波発生部３によってアプリケータ部１内に生じる電場（電界強度）の二乗値（相対値）（Ｅ₁）²は、短絡面１５ａが電気的に短絡されているため距離Ｘ＝０のとき実質的に（Ｅ₁）²＝０となる波状を呈し、一方、磁場（磁束密度）の二乗値（相対値）（Ｈ₁）²は、距離Ｘ＝０のとき実質的に（Ｅ₁）²が最大値を示す相補的な波状を呈する。

アプリケータ部１の角型筒体部１１の管軸を横断する断面は矩形状であって、縦辺の寸法と横辺の寸法とが互いに異なり、横方向内径Ａ１が縦方向内径Ａ２より小さく設定されている。例えば、横方向内径Ａ１＝６９．３ｍｍであり、縦方向内径Ａ２＝８６．０ｍｍである。このため、第１のマイクロ波発生部２によってアプリケータ部１内に生じた縦方向の電場Ｅ₁を有する伝播モードの管内波長λ₁は、第２のマイクロ波発生部３によってアプリケータ部１内に生じた横方向の電場Ｅ₂を有する伝播モードの管内波長λ₂に比して大きな値となる。導波管寸法Ａと管内波長λとの関係は、自由空間におけるマイクロ波の波長λoから、一般に次式で表わされる。

アプリケータ部１の端部にはマイクロ波短絡部１５が設けられ電気的に短絡状態となっているため、アプリケータ部１内を伝播してきたマイクロ波は、短絡面１５ａで完全反射される。このため、短絡面１５ａの位置、つまりＸ寸法＝０の位置では、電場Ｅ₁および電場Ｅ₂は、いずれもゼロとなる。また、Ｘ＞０の位置ではマイクロ波の進行波と短絡面１５ａからの反射波とが干渉して定在波を形成しているので、観測位置を変えてＸ寸法を次第に大きくしてゆくと、磁場（磁束密度）の二乗値（相対値）（Ｅ₁）²、（Ｅ₂）²は、図６のように管内波長λの半分の周期で大きく変化する。また、導波管断面中央部における電場と磁場の分布は、電場が強い箇所では磁場が弱く、電場が小さい箇所では磁場が大きくなるので、（Ｈ₁）²、（Ｈ₂）²の分布は、図６の破線で示したように変化する。そして、前記したように、Ｅ₁とＥ₂の伝播モードは管内波長が異なっていることから、距離Ｘが大きくなるに従って（Ｅ₁）²と（Ｅ₂）²との分布のずれが大きくなり、距離Ｘ＝Ｘoとなる位置では、（Ｅ₂）²が極大値を示すのに対して、（Ｅ₁）²はほぼゼロとなる。また、この位置の磁場分布は、（Ｈ₂）²がゼロ、（Ｈ₁）²は極大値を示す状態となる。つまり、距離Ｘ＝Ｘoの場所では、第２のマイクロ波発生部３によって発生した電場Ｅ₂と、第２のマイクロ波発生部３によって発生した磁場Ｈ₁とが同時に存在することになる。このため、この位置に被照射物１２を配設すれば、電場Ｅ₂および磁場Ｈ₁を独立に制御し同時に被照射物１２へ照射することが可能となる。

図７は、マイクロ波短絡部１５の第１例を詳細に示す縦断面図である。
このマイクロ波短絡部１５では、アプリケータ部１の角型筒体部１１の端面に金属からなるフランジ部１５ｂがろう付けにより固着され、さらにフランジ部１５ｂには短絡板１５ｃが接合されて短絡面１５ａが形成され、複数のボルト１５ｄおよび複数のナット１５ｅによって締め付けられている。
さらに、金属メッシュからなる環状の導電性ガスケット１５ｆが、フランジ部１５ｂに設けられた溝部に配設され、また、その外周において、シール用ガスケット１５ｇが、フランジ部１５ｂと短絡板１５ｃとの間に挟みこまれ、気密性を保っている。シール用ガスケット１５ｇは、プラスチック（シリコーンゴム、フッ素樹脂など）など、気密性を保つために適切な性状（気密性、弾性、柔軟性など）を有する物質からなる。
このマイクロ波短絡部１５では、フランジ部１５ｂと短絡板１５ｃとの接触部分である短絡面１５ａの微小隙間から滲出する電波は、金属メッシュからなる導電性ガスケット１５ｆによって減衰される。このように、導電性ガスケット１５ｆによって漏洩電波が遮断されるため、シール用ガスケット１５ｇがマイクロ波によって加熱されることが防止される。

図８は、マイクロ波短絡部１５の第２例を詳細に示す縦断面図である。
このマイクロ波短絡部１５の第２例は、前記したマイクロ波短絡部１５の第１例（図７参照）における導電性ガスケット１５ｆの代わりに、４分の１波長チョーク１５ｈを設けたものである。
このマイクロ波短絡部１５の第２例では、フランジ部１５ｂと短絡板１５ｃとの隙間を通り、外部へ向けて滲出するマイクロ波の基本波は、４分の１波長チョーク１５ｈによって捉えられ、そのほとんどが自己干渉して消滅するため、シール用ガスケット１５ｇがマイクロ波によって加熱されることが防止される。

図９は、マイクロ波照射装置１０１が備える仕切窓部１４の第１例を詳細に示す縦断面図である。
この仕切窓部１４の第１例では、アプリケータ部１の角型筒体部１１の別な端面に金属からなるフランジ（Ｂ）１４ｄがろう付けにより固着され、アプリケータ部１の接続部１６の端面には金属からなるフランジ（Ａ）１４ｃがろう付けにより固着されている。

仕切窓１４ａは、アルミナセラミックや石英などマイクロ波の透過性を有する角型平板であり、接続部１６と角型筒体部１１との間でマイクロ波が通過する中央部表面を除き、その周辺部に金属メッキを施すなどの方法で導電体膜１４ｂが形成されている。仕切窓部１４は、仕切窓１４ａをフランジ（Ａ）１４ｃとフランジ（Ｂ）１４ｄとで、サンドイッチ状に挟み込み、複数のボルト１４ｅと複数のナット１４ｆとで締め付けて組み立てられている。また、仕切窓１４ａの導電体膜１４ｂと、フランジ（Ａ）１４ｃおよびフランジ（Ｂ）１４ｄとの接触面には、微小隙間からの電波漏れを防ぐための４分の１波長チョーク１４ｇが配設され、また、気密性を保つためのシール用ガスケット１４ｈが挟みこまれている。

シール用ガスケット１４ｈは、例えばシリコーンゴムやフッ素樹脂などのプラスチックなど、適切な弾性および気密性などを満たすＯリングを用いている。そこで、シール用ガスケット１４ｈは、強いマイクロ波の照射を避ける観点から、マイクロ波の基本波に対する４分の１波長チョーク１４ｇによって接触部からの電波漏洩が遮断され、シール用ガスケット１４ｈがマイクロ波で加熱されないように構成されている。

前記したように、仕切窓部１４は、仕切窓１４ａをフランジ（Ａ）１４ｃとフランジ（Ｂ）１４ｄとでサンドイッチ状に挟み込む構成であるから、部品の公差を吸収するため、若干の隙間１４ｊが設けられている。４分の１波長チョーク１４ｇは、マイクロ波の基本波に対して最適化されているため、マイクロ波の第二高調波〜第五高調波などの高調波成分が充分に遮断されず、隙間１４ｊから滲出して外部に漏洩するおそれがある。そこで、導電性ガスケット（Ａ）１４ｉを、この隙間１４ｊに配設し、マイクロ波の高調波成分を減衰させて、外部に漏出することを阻止している。

図１０は、マイクロ波照射装置１０１が備える仕切窓部１４の第２例を詳細に示す縦断面図である。
この仕切窓部１４の第２例は、仕切窓部１４の第１例（図９参照）の４分の１波長チョーク１４ｇの代わりに、導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋを設けたものである。この仕切窓部１４では、導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋによって、接触部に侵入したマイクロ波の基本波成分のみならず、その高調波成分も含めて電気的に短絡されるので、マイクロ波の外部への漏洩が阻止される。つまり、導電性ガスケット（Ａ）１４ｉの配設は、二重に不要電波漏洩を防止するバックアップ的な処置である。したがって、導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋが良好に機能する場合は、導電性ガスケット（Ａ）１４ｉを配設しなくてもよい。

図１１は、マイクロ波照射装置１０１が備える仕切窓部１４の第３例を詳細に示す縦断面図である。
この仕切窓部１４の第３例では、仕切窓１４ａを単なるアルミナセラミックの角型平板とし、表面の導電体膜１４ｂ（図９参照）を省略している。導電性ガスケット（Ｃ）１４Ｌは、金属メッシュからなり、隙間１４ｊを通じて漏洩するマイクロ波を阻止する。また、仕切窓１４ａの両面に接して、シール用ガスケット１４ｈが挟みこまれるが、シール用ガスケット１４ｈの挿入位置は、マイクロ波が電気的に短絡される導電性ガスケット（Ｃ）１４Ｌに近接した場所を選定し、シール用ガスケット１４ｈがマイクロ波の電界によって過熱しないようにする。

なお、仕切窓部１４の第１例（図９参照）および仕切窓部１４の第２例（図１０参照）では、仕切窓部１４の第３例（図１１参照）と比較すると、仕切窓１４ａの導電体膜１４ｂを備えているので、仕切窓部１４の第３例（図１１参照）においてシール用ガスケット１４ｈを電界の弱い場所に配設するとはいえ、導電体膜１４ｂ付きの仕切窓部１４（図９および図１０参照）のほうが、マイクロ波によって加熱されにくく、より高出力の装置に適用できる。

図１２は、観測窓部１８を詳細に示す縦断面図である。
観測窓部１８では、中心穴部１８ｃを有する金属円筒１８ｂの端部がアプリケータ部１の角型筒体部１１側面にろう付けにより固着されている。そして、石英ガラス円盤１８ａが金属円筒１８ｂの他端部に配設され、締付金具１８ｆのネジ部１８ｇと金属円筒１８ｂのネジ部１８ｄとを噛み合わせてネジ締め固定されている。金属円筒１８ｂが石英ガラス円盤１８ａと接する面には、シール用ガスケット１８ｅが施されている。金属円筒１８ｂの中心穴部１８ｃの内径は、マイクロ波の遮断波長よりも充分に小さくされているのでマイクロ波の漏洩はここで遮断される。締付金具１８ｆに設けられた観測用の中心穴部１８ｈと、角型筒体部１１に設けられた穴部１１ｃとを通じて、角型筒体部１１内を視認できる。

前記した説明のように、本発明による実施形態の構成により、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）に対して、磁場と電場とを独立して制御し、同時に照射することを可能とした。

なお、第１のマイクロ波発生部２、第２のマイクロ波発生部３は２４５０ＭＨｚ帯のマイクロ波を発生させる装置としたが、別の周波数帯、例えば５８００ＭＨｚ帯や９１５ＭＨｚなどを発生させる装置としてもよい。この場合、アプリケータ部１の角型筒体部１１、接続部１６、マイクロ波短絡部１５、仕切窓部１４、接続部１６、そのほか関連するマイクロ波素子などの寸法を対応して変更すれば、同様の作用効果が得られる。

また、被照射物１２の寸法や材質、それを保持するための絶縁体からなる支持体１３の寸法や材質によっては、距離Ｘｏ（図６参照）の長さがずれることがあるので、あらかじめマイクロ波電磁場シミュレーションやマイクロ波電磁場測定を行って、最適な位置に被照射物１２、支持体１３を配設するように配慮することが好ましい。あるいは、マイクロ波短絡部１５に金属スペーサ（図示せず）を挿入して短絡面１５ａ（図４参照）の位置を変更可能に構成したり、公知の可変短絡板構造としたりしてもよい。

本実施形態では、距離Ｘ＝Ｘoの場所において、被照射物１２に電場Ｅ₂、磁場Ｈ₁を同時に、また独立に制御しながら照射することを可能にしたが、アプリケータ部１の角型筒体部１１の内径寸法設定を変えることにより、また距離Ｘｏとなる場所を選択しなおすことにより、電場Ｅ₂、磁場Ｈ₁を照射するのではなく、代わりに電場Ｅ₁、磁場Ｈ₂を同時に、また独立に制御しながら照射することを可能にすることもできる。

マイクロ波短絡部１５のシール用ガスケット１５ｇ（図７、図８参照）は、プラスチックからなるＯリングなどとしたが、この代わりに、銅のような柔らかい金属体からなるガスケット（図示せず）を用いて、気密性および導電性の両方を満足させるように構成してもよい。この場合、導電性ガスケット１５ｆおよび４分の１波長チョーク１５ｈを省略できる。同様に、仕切窓部１４のシール用ガスケット１４ｈ（図９、図１０参照）の代わりに前記した銅ガスケットを用いて、導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋおよび４分の１波長チョーク１４ｇを省略してもよい。

なお、図９、図１０に示す導電性ガスケット（Ａ）１４ｉは、図９に示す導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋおよび図１０に示す４分の１波長チョーク１４ｇの機能を補強する副次的なものであり、導電性ガスケット（Ｂ）１４ｋおよび４分の１波長チョーク１４ｇが充分に機能するならば、省略してもよい。したがって、導電性ガスケット（Ａ）１４ｉは、電波漏れのチェックを行い、その状況によって必要性が認められた場合に挿入すればよい。

本実施形態では、マイクロ波短絡部１５を外した状態で被照射物１２の挿入や取り出しを行うが、マイクロ波短絡部１５の締め付けをボルト１５ｄとナット１５ｅで行うのではなく、簡単なハンドル方式のロック機構で締め付ける方式としてもよいことは勿論である。さらに、被照射物１２と支持体１３を配設する位置の角型筒体部１１の底部に、取り外し可能の金属金具部を設け、この金属金具部に被照射物１２と支持体１３を載せたまま下側に移動させて、被照射物１２の挿入や取り出しを行えるようにしてもよい。

本実施形態では、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）に対して、磁場と電場とを独立して同時に照射することを可能にしているが、更にその上に、被照射物１２が配設されるアプリケータ部１内の雰囲気を加圧もしくは減圧することができる構成としている。しかし、これに限定されるものではなく、大気圧のままでの雰囲気としてもよいのは勿論のことである。

本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１は、被照射物１２を収納して有効にマイクロ波エネルギーを照射させるように作用する１個のアプリケータ部１に対して、少なくとも２つのマイクロ波発生部（第１のマイクロ波発生部２および第２のマイクロ波発生部３）を接続した構成を有する。そして、２つのマイクロ波発生部のうち、１つはアプリケータ部１内の被照射物１２に（あるいは被照射物１２を配置する空間部分に）マイクロ波による電界を生じさせ、他のもう１つのマイクロ波発生部は、アプリケータ内の被照射物１２に（あるいは被照射物１２を配置する空間部分に）マイクロ波による磁界を生じさせる。この構成によれば、電場と磁場とが各々独立のマイクロ波発生部で供給されるため、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）における電場と磁場とを、各々独立して調整することが可能となる。

単に２つのマイクロ波発生部からのマイクロ波エネルギーを１つの場所に照射すると、２つのマイクロ波電磁界が干渉してしまい、所望の電場および磁場を維持できないが、本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１によれば、電場照射用のマイクロ波照射モードと磁場照射用のマイクロ波照射モードの偏波面が直交するように構成し、相互に干渉しないようにした。また、電場照射用のマイクロ波照射モードの位相は、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）において、電場が最大で磁場が最小になるようにされ、磁場照射用のマイクロ波照射モードの位相は、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）において、磁場が最大で電場が最小になるようにされる。この構成によって、電場照射用のマイクロ波発生部を制御する制御装置（図示せず）を有することで、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）における電場の強さを単独に調整することができ、また、磁場照射用のマイクロ波発生部をこの制御装置によって制御することで、被照射物１２（あるいは被照射物１２を配置する空間部分）における磁場の強さを単独に調整できる。

＜第２実施形態＞
図１３は、本発明による第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２を示す正面図であり、図１４は、本発明による第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２を示す平面図である。
図１３に示すように、このマイクロ波照射装置１０２は、第２のマイクロ波発生部３（図１参照）の代わりに、第１のマイクロ波発生部２と平行に、水平方向に折り曲げられた形状を有する第２のマイクロ波発生部４を有しているほかは、第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１と同様の構成でよい。

図１４に示すように、この第２のマイクロ波発生部４は、チューナ部３５の次段にＨ面コーナ３８を挿入し、さらにその次段（すなわち、図１３に示すテーパ導波管部３６の前段）に、Ｅ面コーナ３９を挿入した構成を有する。こうして、図１４に示すように、マグネトロン３１が発振したマイクロ波は、Ｈ面コーナ３８によって、伝搬方向を水平に９０度偏向させられ、そして、図１３に示すように、Ｅ面コーナ３９によって、このマイクロ波の伝搬方向を下方に９０度偏向させられる。

図１５は、Ｅ面コーナ３９を示す左側面図である。
Ｅ面コーナ３９は、短い導波管部３９ｂとそれに続く下方に直角に曲げられた導波管部３９ａで構成されている。Ｅ面コーナ３９は、図１５に矢印で図示するように、マイクロ波の方向を最終的に下向きに９０度変化させ、図１４に示すアプリケータ部１の接続部１６の扁平開口部１６ａへ円滑にマイクロ波を入射させる機能を有する。

第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２では、第２のマイクロ波発生部４が水平方向に配設されるので、転倒などが防止され、実質的な占有容積を減少できる。さらなるＨ面コーナ３８、Ｅ面コーナ３９、つなぎ用導波管（図示せず）などの導波管部品をさらに付加することによって、第２のマイクロ波発生部４を所望の形状に屈曲させることができる。例えば、第１のマイクロ波発生部２と第２のマイクロ波発生部４の保持位置を同じ平面に合わせることが望ましい場合などでは、さらなるＨ面コーナ３８、Ｅ面コーナ３９、つなぎ用導波管（図示せず）などの導波管部品をさらに用いて、同一平面でこれらが保持されるようにすればよい。

第２のマイクロ波発生部４は、マイクロ波の進行方向を変化させているが、結局のところ、第１実施形態の第２のマイクロ波発生部３（図１参照）と電磁的な動作は実質的に同等である。このため、第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２によれば、第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１と同様の効果が得られる。
さらに、第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２によれば、第２のマイクロ波発生部４が水平に（つまり、第１のマイクロ波発生部２の管軸方向と平行な方向に）延在しているので、第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１のように、第２のマイクロ波発生部３が上方（つまり、第１のマイクロ波発生部２の管軸方向と直角の方向）へ向かって直線的に延在している構成と比較すると、機械的な安定性を改善し、実質的に空間利用効率を向上できる。

また、第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２によれば、第１実施形態のマイクロ波照射装置１０２における第２のマイクロ波発生部３（図１参照）の代わりに、同等の電磁的動作をする第２のマイクロ波発生部４を備えているので、第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１と同様の効果が得られる。

＜第３実施形態＞
図１６は、本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１（図１参照）および第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２（図１３参照）において角型筒体部１１の代わりに用いる第１変形例の筒体部１１ｘを示す断面図である。
この筒体部１１ｘの管軸を横断する内面の断面形状は、楕円形である。このような断面形状であっても、この断面の寸法が縦横で異なるため、２つの電場の方向が直交するように（すなわち、２つの磁場の方向が直交するように）マイクロ波を給電することによって、２つのマイクロ波の管内波長が異なるようにできるので、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第４実施形態＞
図１７は、本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置１０１（図１参照）および第２実施形態のマイクロ波照射装置１０２（図１３参照）において角型筒体部１１の代わりに用いる第２変形例の筒体部１１ｙを示す断面図である。
この筒体部１１ｙの管軸を横断する内面の断面形状は、例えば六角形状であるが、他の多角形状でもよい。このような断面形状であっても、この断面の寸法が縦横で異なるため、２つの電場の方向が直交するように（すなわち、２つの磁場の方向が直交するように）マイクロ波を給電することによって、２つのマイクロ波の管内波長が異なるようにできるので、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明による装置を応用することで、各種化学反応システムや加熱処理システムにおける、電場・磁場のマイクロ波照射効果の追求が極めて容易になる。電場・磁場の独立制御により、最も効果的なマイクロ波照射方法や、効率的なマイクロ波電力応用装置を実現することができる。また、本発明の方式では、被照射物（あるいは被照射物を配置する空間部分）の位置を固定したままで、磁場の照射と電場の照射とを同時に行なう方式や、各々単独に照射する方式が可能となり、その切り替えにアプリケータの機械的な操作を必要としないため、加圧や減圧雰囲気中で被照射物にマイクロ波磁場・電場を照射するマイクロ波電力応用システムの構築が容易になる。

さらに、マイクロ波による磁場を照射して、マイクロ波の磁場が関与した化学反応を進める装置を実現し、被照射物に誘電加熱性の材料を混ぜたり、被照射物を誘電加熱性の材料からなる容器に収納したりあるいはカバーした状態として、マイクロ波磁場と同時に照射したマイクロ波電場によって被照射物の温度上昇を図ることが可能となる。この方式によるマイクロ波照射装置によって、マイクロ波電界照射で被照射物の温度制御を行いながら、同時に、マイクロ波磁界に基づく化学反応を進めることが可能になる。

本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置を示す正面図である。 本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置であって、第２のマイクロ波発生部を取り外した状態を示す平面図である。 第２のマイクロ波発生部とアプリケータ部の接続部との接続状態を示す要部側面図（左側面図）である。 アプリケータ部を示す正面図である。 アプリケータ部の角型筒体部における縦断面図である。 短絡面からの距離Ｘと、アプリケータ部の内部にマイクロ波によって生じた電磁場強度の二乗値との関係を示すグラフである。なお、電磁場強度の二乗値は、正規化して図示してある。 マイクロ波短絡部の第１例を詳細に示す縦断面図である。 マイクロ波短絡部の第２例を詳細に示す縦断面図である。 マイクロ波照射装置が備える仕切窓部の第１例を詳細に示す縦断面図である。 マイクロ波照射装置が備える仕切窓部の第２例を詳細に示す縦断面図である。 マイクロ波照射装置が備える仕切窓部の第３例を詳細に示す縦断面図である。 観測窓部を詳細に示す縦断面図である。 本発明による第２実施形態のマイクロ波照射装置を示す正面図である。 本発明による第２実施形態のマイクロ波照射装置を示す平面図である。 Ｅ面コーナを示す左側面図である。 本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置（図１参照）および第２実施形態のマイクロ波照射装置（図１３参照）において角型筒体部の代わりに用いる第１変形例の筒体部を示す断面図である。（第３実施形態） 本発明による第１実施形態のマイクロ波照射装置（図１参照）および第２実施形態のマイクロ波照射装置（図１３参照）において角型筒体部の代わりに用いる第２変形例の筒体部を示す断面図である。（第４実施形態）

符号の説明

１ アプリケータ部
２ 第１のマイクロ波発生部
３，４ 第２のマイクロ波発生部
１１ 角型筒体部
１１ｘ，１１ｙ 筒体部
１２ 被照射物
１３ 支持体
１４ 仕切窓部
１４Ｌ 導電性ガスケット
１４ａ 仕切窓
１４ｂ 導電体膜
１４ｃ，１４ｄ フランジ
１４ｇ，１５ｈ ４分の１波長チョーク
１４ｈ，１５ｇ シール用ガスケット
１４ｉ，１４ｋ，１５ｆ 導電性ガスケット
１４ｊ 隙間
１５ マイクロ波短絡部
１５ａ 短絡面
１５ｂ フランジ部
１５ｃ 短絡板
１６ 接続部
１６ａ 扁平開口部
１８ 観測窓部
１９ 内部空間
２１，３１ マグネトロン
２１ａ，３１ａ 出力部
２２，３２ 導波管マウント部
２３，３３ アイソレータ部
２４，３４ パワーモニタ部
２５，３５ チューナ部
２６，３６ テーパ導波管部
３７ 扁平導波管
３８ Ｈ面コーナ
３９ Ｅ面コーナ
３９ａ，３９ｂ 導波管部
１０１ マイクロ波照射装置（第１実施形態）
１０２ マイクロ波照射装置（第２実施形態）

Claims (5)

1. 被照射物およびこの被照射物を支持する支持体を収納する内部空間を有するアプリケータ部と、
   第１のマイクロ波を前記内部空間へ出力する第１のマイクロ波照射系と、
   前記第１のマイクロ波と偏波面が直交する第２のマイクロ波を前記内部空間へ出力する第２のマイクロ波照射系とを備え、
   前記アプリケータ部は、その管軸方向に関して、前記第１のマイクロ波および前記第２のマイクロ波が入力される側の反対側が短絡板で終端され、
   前記内部空間は、前記第１のマイクロ波の偏波方向に係る寸法と、前記第２のマイクロ波の偏波方向に係る寸法とが異なり、
   前記支持体は、前記第１のマイクロ波による電界強度が極大となり、前記第２のマイクロ波による磁界強度が極大となる前記管軸方向の位置に配置されていることを特徴とするマイクロ波照射装置。
2. 前記アプリケータ部の管軸方向を横断する断面の形状が、矩形状、楕円形状、または多角形状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波照射装置。
3. 前記断面の形状は、前記第１のマイクロ波の偏波方向に係る寸法と、前記第２のマイクロ波の偏波方向に係る寸法とが異なる楕円形状であり、
   前記アプリケータ部の内部空間内で、前記第１のマイクロ波の管内波長と、前記第２のマイクロ波の管内波長を異なることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波照射装置。
4. 前記アプリケータ部の始端は、前記第１のマイクロ波および前記第２のマイクロ波を透過しやすい材質からなる仕切窓により封止されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波照射装置。
5. 前記仕切窓は、周辺部に導電帯膜を形成されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波照射装置。

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