JP5286899B2

JP5286899B2 - マイクロ波処理装置

Info

Publication number: JP5286899B2
Application number: JP2008101182A
Authority: JP
Inventors: 等隆信江; 健治安井; 義治大森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: JP2009252619A

Description

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

従来のこの種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部にマグネトロンと称される真空管を用いている。

このマイクロ波発生部を半導体素子を用いて構成する時の主要な課題は、第一はスピード加熱を実践できる大電力化、第二は供給可能な商用電源電力の下で大電力動作をさせるための高効率動作、第三は一般消費者がご購入し使用していただけ価値の提供である。

第一の課題に対しては、複数給電方式が提案されている。たとえば、加熱室を６面以上の多面体に形成し、各面の一部あるいは全部の面から放射アンテナを加熱室内に突出して配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。

そして、互いの放射アンテナを異なる面に配したことで互いの干渉を防止できるとしている。さらには放射アンテナがそれぞれ異なる方向を向いているので放射された電波は加熱室内のあらゆる方向に伝搬し、壁面にて反射して散乱するため、加熱室内で電波は均一に分布するとしている。

また、マイクロ波発生部を複数の出力を有する構成としその出力を加熱室壁面に分散配置し、これらの発生部のうち少なくとも二つの壁面に配した発生部の出力を時分割動作させるものがある（例えば、特許文献２参照）。

そして、動作させるために選択したマイクロ波発生部を時分割動作させることで干渉による発生部の破壊を防止し同時動作させることができるとしている。また、直交関係にある壁面に配置した発生部は加熱室と発生部との結合を適当に選ぶことで互いに干渉しないように励振させることができ同時発振が可能であるとしている。

また、第二の課題に対しては、ＳｉやＧａＡｓに対してバンドギャップが大きく高電圧高温動作が可能なＳｉＣやＧａＮを用いた半導体素子の進化があげられる。さらには、第三の課題に対して、均一加熱の促進や被加熱物が受けるマイクロ波の受熱効率の向上をベースとした省エネルギ化がある。

また受熱効率向上に対しては、被加熱物を収納した加熱室からマイクロ波発生部側に戻ってくる反射電力を検出し、その反射電力信号に基づいて、たとえば反射電力が最小になる発振周波数を追尾させるものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５２−１９３２４２号公報特開昭５３−５４４５号公報特開昭５６−９６４８６号公報

しかしながら、前記従来の半導体素子を用いたマイクロ波発振部の構成は、加熱室内に供給できるマイクロ波電力量は大きくできるが、加熱室内に収納される様々な形状・量の被加熱物のすべてに対して、供給したマイクロ波を効率よく受熱させることは従来の各種技術を総合的に組み合したとしても困難である。この困難さは加熱室から反射してマイクロ波発振部側に戻ってくるマイクロ波電力によって半導体素子を熱破壊に至らしめる重要な実用課題を有する。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、加熱室側から戻ってくる反射電力に対して半導体素子を熱破壊から防止しながら、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱する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、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させる半導体素子を用いたマイクロ波発振部と前記マイクロ波発振部が発生するマイクロ波を増幅するマイクロ波増幅部とで構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部が前記加熱室から受け取る電力量を検出する反射電力検出部と、前記反射電力検出部の検出信号に基づいて前記マイクロ波発振部の発振周波数および前記マイクロ波発生部の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御する制御部とを備え、前記制御部は、被加熱物の加熱開始前に前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御して前記マイクロ波発生部を第１の出力電力で動作させる中において前記マイクロ波発振部の発振周波数を周波数可変範囲全体にわたって変化させたときに前記反射電力検出部から得られる反射電力が最小となる周波数を選定し、さらにその周波数における反射電力値と被加熱物を加熱実行する予定の第２の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧群の値に基づいて前記マイクロ波増幅部に生じる電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出した後、選定した周波数および抽出した駆動電圧を前記マイクロ波増幅部に印加した第２の出力電力とでもって被加熱物の加熱実行開始
を行うものであり、被加熱物の加熱開始時にまず発振周波数をスイープさせて周波数対反射電力量の特性を把握し、反射電力が最小を呈する発振周波数を加熱動作周波数として選択することで給電部への反射電力を最小化できる。この反射電力最小の周波数にて被加熱物の加熱動作を開始するが、この時にマイクロ波増幅部の電力損失量をその駆動電力と反射電力から演算して求め、この電力損失量とマイクロ波増幅部に用いている半導体素子が熱破壊することなく安定に動作できる第１の規定値とを比較し、第１の規定値を超過している場合はマイクロ波増幅部の駆動電力を低減制御し電力損失量を第１の規定値以下になるように制御することで、半導体素子の熱破壊を防止しながらさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。

本発明のマイクロ波処理装置は、加熱室側から戻ってくる反射電力信号とマイクロ波増幅部の駆動電力に基づくマイクロ波増幅部の半導体素子の電力損失量を演算し、半導体素子が熱破壊しないように発振周波数の制御および／またはマイクロ波増幅部の駆動電力を低減制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波処理装置を提供することができる。

第１の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させる半導体素子を用いたマイクロ波発振部と前記マイクロ波発振部が発生するマイクロ波を増幅するマイクロ波増幅部とで構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部が前記加熱室から受け取る電力量を検出する反射電力検出部と、前記反射電力検出部の検出信号に基づいて前記マイクロ波発振部の発振周波数および前記マイクロ波発生部の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御する制御部とを備え、前記制御部は、被加熱物の加熱開始前に前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御して前記マイクロ波発生部を第１の出力電力で動作させる中において前記マイクロ波発振部の発振周波数を周波数可変範囲全体にわたって変化させたときに前記反射電力検出部から得られる反射電力が最小となる周波数を選定し、さらにその周波数における反射電力値と被加熱物を加熱実行する予定の第２の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧群の値に基づいて前記マイクロ波増幅部に生じる電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出した後、選定した周波数および抽出した駆動電圧を前記マイクロ波増幅部に印加した第２の出力電力とでもって被加熱物の加熱実行開始を行うものであり、被加熱物の加熱開始時にまず発振周波数をスイープさせて周波数対反射電力量の特性を把握し、反射電力が最小を呈する発振周波数を加熱動作周波数として選択することで給電部への反射電力を最小化できる。この反射電力最小の周波数にて被加熱物の加熱動作を開始するマイクロ波発生部の第２の出力電力を事前に決める。この時にマイクロ波増幅部の電力損失量をこの第２の出力電力に対応するマイクロ波増幅部の駆動電圧群の値と第１の出力電力のもとで得られた最小の反射電力から演算して求め、この電力損失量とマイクロ波増幅部に用いている半導体素子が熱破壊することなく安定に動作できる第１の規定値とを比較し、第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出し、それによる第２の出力電力で動作させることで、半導体素子の熱破壊を防止しながらさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。加熱室内に供給する出力を低減させることで反射電力も低減できマイクロ波発生部を熱破壊から確実に保護することができる。

第２の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させる半導体素子を用いたマイクロ波発振部と前記マイクロ波発振部が発生するマイクロ波を複数分配する電力分配部と前記電力分配部の出力をそれぞれ増幅する複数のマイクロ波増幅部と前記電力分配部の出力に設けた位相可変器で構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波増幅部の出力を前記加熱室にそれぞれ供給する複数の給電部と、前記給電部が前記加熱室から受け
取る電力量をそれぞれ検出する複数の反射電力検出部と、前記反射電力検出部のそれぞれの検出信号に基づいて前記マイクロ波発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量および前記マイクロ波発生部の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部のそれぞれの駆動電圧を選択制御する制御部とを備え、前記制御部は、被加熱物の加熱開始前に、前記位相可変器を制御して前記マイクロ波増幅部のそれぞれの出力の位相差を無しとし、前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御して前記マイクロ波発生部を第１の出力電力で動作させる中において前記マイクロ波発振部の発振周波数を周波数可変範囲全体にわたって変化させたときに前記反射電力検出部から得られる反射電力が最小となる周波数を選定し、さらにその周波数において前記位相可変器の位相量を可変制御する中で得られる最小の反射電力を呈する位相量に前記位相可変器の位相量を選択し、この反射電力値と被加熱物を加熱実行する予定の第２の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧群の値に基づいて前記マイクロ波増幅部のそれぞれに生じる電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出した後、選定した周波数と位相量および抽出した駆動電圧を前記マイクロ波増幅部のそれぞれに印加した第２の出力電力とでもって被加熱物の加熱実行開始を行うものであり、複数の給電部を備え、この場合も被加熱物の加熱開始時にまず発振周波数をスイープさせて周波数対反射電力量の特性を把握し、反射電力が最小を呈する発振周波数を加熱動作周波数として選択することに加えてこの加熱動作周波数のもとで位相可変器を制御しさらに最小の反射電力を呈する位相量を選択することで給電部への反射電力をさらに最小化できる。この反射電力最小の周波数と位相量にて被加熱物の加熱動作を開始するマイクロ波発生部の第２の出力電力を事前に決める。この時に個々の給電部に接続されたそれぞれのマイクロ波増幅部の電力損失量をこの第２の出力電力に対応するマイクロ波増幅部の駆動電圧群の値と第１の出力電力のもとで得られた最小の反射電力からそれぞれ演算して求め、この電力損失量とマイクロ波増幅部に用いている半導体素子が熱破壊することなく安定に動作できる第１の規定値とを比較し、第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出し、それによる第２の出力電力で動作させることで、半導体素子の熱破壊を防止しながらさまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を効率よく加熱することができる。加熱室内に供給する出力を低減させることで反射電力も低減できマイクロ波発生部を熱破壊から確実に保護することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明のマイクロ波増幅部を配置した空間の温度を検出する温度検出部を設け、温度検出部の検出信号に基づいて、対象となるマイクロ波増幅部の第１の規定値をそれぞれ演算し補正することとしたものであり、本装置が置かれた環境に対応する第１の規定値に補正することで、グローバルな地域に対応した装置を提供できる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明のマイクロ波増幅部を駆動する電力を検出する駆動電力検出部を設け、制御部は、被加熱物の加熱実行中において、反射電力検知部から得られる反射電力と前記駆動電力検出部からえられる駆動電力に基づいて前記マイクロ波増幅部の電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下かどうかを判定し、規定値以下の場合は加熱を継続し、規定値を超過している場合は、第１の規定値以下となるマイクロ波増幅器の最大の駆動電圧値に変更して被加熱物の加熱実行を行うものであり、被加熱物の加熱実行中においても第１の規定値以下になるように駆動電圧を変更することで、反射電力の大きい被加熱物の加熱においてもマイクロ波発生部を熱破壊から確実に保護して被加熱物の加熱の実行をさせることができる。

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の実施の形態におけるマイクロ波処理装置の構成図、図２は図１
の実装構成図である。

図１および図２において、マイクロ波発生部１０は半導体素子を用いて構成したマイクロ波発振部１１、マイクロ波発振部１１の出力信号を電力分配する電力分配部１２、電力分配部１２のそれぞれの出力を後段の半導体素子を用いて構成した初段マイクロ波増幅部１３ａ、１３ｂに導くマイクロ波伝送路１４ａ、１４ｂ、初段マイクロ波増幅部１３ａ、１３ｂのそれぞれの出力をさらに増幅する半導体素子を用いて構成した主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂ、主マイクロ波増幅部１５ａ，１５ｂの出力をマイクロ波発生部１０の出力部１６ａ、１６ｂに導くマイクロ波伝送路１７ａ、１７ｂ、マイクロ波伝送路１４ｂに挿入配置した位相可変器１８、マイクロ波伝送路１７ａ、１７ｂに挿入配置した少なくとも反射電力を検出する反射電力検出部１９ａ、１９ｂとで構成している。

初段マイクロ波増幅部１３ａ，１３ｂおよび主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板２０の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、各マイクロ波増幅部の増幅素子である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を配している。また、主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂの半導体素子は、ＧａＮ材料を利用したノーマリーオン型の電界効果トランジスタを用いている。

マイクロ波伝送路１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂは、誘電体基板２０の片面に設けた導電体パターンによって特性インピーダンスが５０Ωの伝送回路を形成している。電力分配器１２は、３ｄＢブランチラインカプラー構成とし、特性インピーダンス５０Ωでその電気長λ／４（λは使用周波数帯の中央周波数の実効波長）からなるマイクロストリップ線路１２ａ、１２ｄと、特性インピーダンス３５．３５Ωで電気長λ／４のマイクロストリップ線路１２ｂ、１２ｃで構成している。

この構成により、マイクロ波発振部１１の出力電力は、電力分配器１２により略１／２ずつ分配された出力を生じる。また、マイクロ波伝送路１４ｂを伝送するマイクロ波信号を基準にするとマイクロ波伝送路１４ａを伝送するマイクロ波信号は、９０度位相が遅れた信号として伝送する。位相可変器１８は、略１８０度の位相遅延を行うもので、これにより初段マイクロ波増幅部１３ａ、１３ｂのそれぞれに入力するマイクロ波の位相差は、最大略１８０度を形成できる。

一方、被加熱物を収納するとともにマイクロ波発生部１０の出力が供給される加熱室１００を備える。この加熱室１００は、被加熱物を出し入れする扉（図示していない）を一面に配し、それ以外の壁面は金属材料で構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。加熱室１００内の下方には、加熱室底壁面１０１と所定の間隔をもって被加熱物を載置する低誘電損失材料からなる載置板１０２を配する。また加熱室１００の対向する壁面である左右の壁面１０３、１０４のそれぞれの略中央には、給電部である放射手段１０５、１０６を配置している。

マイクロ波発生部１０のマイクロ波発振部１１は、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数を発生する周波数可変機能を備える。そしてマイクロ波発生部１０の出力１６ａ、１６ｂと放射手段１０５、１０６とは同軸線路２１ａ、２１ｂで接続されている。

また、マイクロ波増幅部１３ａ、１５ａおよび１３ｂ、１５ｂはそれぞれ増幅回路を一体化し、熱伝導が大きい金属材料で構成した放熱部３０ａ、３０ｂとともにユニット構成として加熱室１００の左右の壁面１０３、１０４に適当な隙間を持たせて対向配置させている。この放熱部３０ａ、３０ｂには内部に水を通流させる通流路を配して冷却部３１ａ、３１ｂを構成している。また、各冷却部３１ａ、３１ｂに通流させる水は、水タンク３
２、送水ポンプ３３および通流管３４を配設して送水ポンプ３３を動作させることで行っている。通流管３４および水タンク３２には、放熱フィン３４ａ、３２ａを配設し、送水する水を冷却させる構成としている。さらに、水タンク３２に向かって冷却風を送る冷却ファン３５を設けている。

また、マイクロ波増幅部のユニットが配された空間の温度を検出する温度検出部３６ａ、３６ｂ、放熱部３０ａ、３０ｂの温度を検出する温度検出部３７ａ、３７ｂを配している。

また、主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂを動作させる駆動電力を供給する駆動電源部２２を配する。初段マイクロ波増幅部、マイクロ波発振部などの駆動電源部は図示せず説明も省略する。駆動電源部２２は、主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂに用いる電界効果トランジスタに対して、ドレイン電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２およびゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２を供給し、その半導体素子の動作電力を検出する駆動電力検出部３８ａ、３８ｂを備える。ゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２はマイナス電圧である。

また、マイクロ波発生部１０および冷却部３１ａ、３１ｂの特性を確保するための制御部２３を配する。この制御部２３は、マイクロ波発生部１０の反射電力検出部１９ａ、１９ｂ、駆動電力検出部３８ａ、３８ｂおよび温度検出部３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂが検出した信号を受け取り、各種の処理を行った後、マイクロ波発振部１１の発振周波数の可変制御、位相可変器１８の位相可変制御、駆動電源部２２が主マイクロ波増幅器１５ａ、１５ｂのそれぞれに供給する駆動電圧制御、冷却ファン３５の動作制御を行う。

反射電力検出部１９ａ、１９ｂは、結合度が約４０ｄＢの方向性結合器で構成し、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部２３に入力させている。

以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作と作用とを図３を参照しながら説明する。

まず被加熱物を加熱室１００に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部２３の制御出力信号によりマイクロ波発生部１０を第１の出力電力、たとえば１００Ｗ未満、に設定して動作を開始する（Ｓ１１）。このとき制御部２３は、マイクロ波発振部１１の初期の発振周波数は、たとえば２４５０ＭＨｚに設定する信号を供給し、発振を開始させる。以降、所定の駆動電源電圧を初段マイクロ波増幅部１３ａ、１３ｂに供給し初段マイクロ波増幅部を動作させ、次に主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂに所定駆動電圧を供給し主マイクロ波増幅部を動作させる。このときの各主マイクロ波増幅部に供給する駆動電圧は主マイクロ波増幅部のそれぞれがたとえば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する電圧である。また、位相可変器１８は位相遅延９０度に制御している。この結果、マイクロ波発生部１０の２つの出力は位相差無しの状態となっている。

次にＳ１２では、マイクロ波発振部１１の発振周波数を初期の２４５０ＭＨｚから０．１ＭＨｚピッチ（たとえば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）で低い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の下限である２４００ＭＨｚに到達すると１ＭＨｚピッチで周波数を高く変化させ、２４５０ＭＨｚに到達すると再び０．１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚまで変化させる。この周波数可変の中で反射電力検出器１９ａ、１９ｂから得られる反射電力を記憶し、Ｓ１３に進む。Ｓ１３では、二つ反射電力検出器から得た反射電力の合計値が最小となる周波数（ｆ１）を選定する。次のＳ１４では、反射電力最
小の周波数における各給電部が受ける反射電力値に基づいて被加熱物を加熱実行する時に生じるマイクロ波増幅部のそれぞれの電力損失量（予め既定した駆動電圧および検出した反射電力量に対応して流れるであろう駆動電流の推定値に基づいて計算）を演算し第１の規定値と比較する。この第１の規定値は、マイクロ波発生部に組み込まれた放熱構成に基づいて決定したマイクロ波増幅部の半導体素子が許容する最大熱損失量としている。なお、この規定値は、絶対値とする方法と、マイクロ波増幅部の出力に対する相対比率値とする方法のいずれでも構わない。

そして各給電部の反射電力値に基づいて演算した加熱動作時の半導体素子の電力損失値と第１の規定値との比較において、規定値以下の場合は、Ｓ１５に進む。一方、第１の規定値を超過している場合には、Ｓ１６に進み、第１の規定値以下になる各主マイクロ波増幅器１５ａ、１５ｂに供給する駆動電圧を抽出する。この抽出にあたり、駆動電圧は、マイクロ波発生部１０の定格出力に対して、１００％、９０％、７５％、６０％、１５％（これは第１の出力電力の発生時に使用する）の５段階の駆動電圧群を用意しており、この駆動電圧群の中から第１の規定値を超過することなく最大出力を発生できる駆動電圧が抽出される。なお、主マイクロ波増幅器ごとに駆動電圧は最適選択する。この駆動電圧の抽出処理を終えるとＳ１５に進む。

Ｓ１５では、被加熱物の加熱条件から高速加熱か均一加熱仕上げかを判定し、均一加熱の場合はＳ１７に進み、高速加熱の場合はＳ２３に進む。

まず均一加熱の場合を説明する。

Ｓ１７ではマイクロ波発生部１０を定格出力（または低減させた出力）である第２の出力電力を発生するように主マイクロ波増幅器１５ａ、１５ｂの駆動電圧を設定する。なお、この時の駆動電圧はＳ１６を経由した処理の場合は、Ｓ１６で決定した駆動電圧に設定される。

Ｓ１８では、Ｓ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）とＳ１７で決定された第２の出力電力でもって被加熱物の本加熱が開始される。Ｓ１９では、被加熱物の均一加熱を行うために位相可変器１８を制御し給電部から供給されるマイクロ波の位相差を変化させる。

Ｓ２０では、変化させた位相差の下で各主マイクロ波増幅部の電力損失値が上述の第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ２１に進む。第１の規定値を超過している場合は、Ｓ２２に進み、第１の規定値以下になるように対象の主マイクロ波増幅部の駆動電圧を最適な駆動電圧に変更し、Ｓ２１に進む。

Ｓ２１では、被加熱物の仕上り程度を判定するものであり、たとえば赤外線量検出手段を備えるものにあっては、被加熱物の表面温度を抽出し、目標の仕上り温度に到達しているかどうかを比較判定する。目標温度未達の場合は、Ｓ１９に戻る。目標温度に到達しているとマイクロ波発生部１０の動作を停止させて加熱を終了をする。

次に高速加熱の場合を説明する。

Ｓ２３ではＳ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）のもとで位相可変器１８を制御して位相差を変化させ、この位相差可変制御において最小の反射電力を呈する位相差に位相可変器１８を設定してＳ２４に進む。

Ｓ２４では、マイクロ波発生部１０を定格出力（または低減させた出力）である第２の出力電力を発生するように主マイクロ波増幅器１５ａ、１５ｂの駆動電圧を設定する。な
お、この時の駆動電圧はＳ１６を経由した処理の場合は、Ｓ１６で決定した駆動電圧に設定される。

Ｓ２５では、Ｓ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）とＳ２３で設定された位相差とＳ２４で決定された第２の出力電力でもって被加熱物の本加熱が開始される。

Ｓ２６では各反射検出部および各温度検出部が検出した信号を制御部が取り込み、Ｓ２７に進む。Ｓ２７では主マイクロ波増幅部のそれぞれの電力損失量を演算する。また演算した電力損失量を第１の規定値（場合によっては後述する補正された第１の規定値）と比較し、第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ３１に進む。第１の規定値を超過している場合は、Ｓ２８に進む。

Ｓ２８では冷却能力を高めるために冷却ファン３５を動作させ、Ｓ２９に進む。Ｓ２９では再び各反射検出部および各温度検出部が検出した信号を制御部が取り込み、Ｓ３０に進む。Ｓ３０では主マイクロ波増幅部のそれぞれの電力損失量を演算する。また演算した電力損失量を第１の規定値（場合によっては後述する補正された第１の規定値）と比較し、第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ３１に進む。第１の規定値を超過している場合は、Ｓ３２に進む。

Ｓ３２では第１の規定値を超過した対象のマイクロ波増幅器の駆動電圧を制御し半導体素子が被る電力損失量を低減させる駆動電圧に設定し、Ｓ２９に進む。

そしてＳ３１では、被加熱物の仕上り程度を判定するものであり、たとえば赤外線量検出手段を備えるものにあっては、被加熱物の表面温度を抽出し、目標の仕上り温度に到達しているかどうかを比較判定する。目標温度未達の場合は、Ｓ２６に戻る。目標温度に到達しているとマイクロ波発生部１０の動作を停止させて加熱を終了する。

以上、加熱制御内容について説明したが、ここの制御における作用について以下に述べる。周波数を変化させることにより、各給電部１０５、１０６から被加熱物が収納された加熱室１００側を見たときの負荷インピーダンスを変化させることができる。そして、最適な周波数を選択することで各給電部からマイクロ波発生部１０側を見たときの電源インピーダンスに負荷インピーダンスを近づけることで各給電部への反射電力を低減できる。また各給電部から供給された複数のマイクロ波の位相差を変化させることでそれぞれのマイクロ波が加熱室空間内でぶつかり合うタイミングや被加熱物に入射して電力吸収されるタイミングが変化し各給電部への反射電力を変化させることができる。これらの制御を最適に組合わせることで、各給電部から放射するマイクロ波のエネルギを効率よく被加熱物に供給させることができる。

また、最適な発振周波数を抽出した後にさらに位相可変器１８を制御することで、より反射電力の少ない給電方法を抽出させている。これにより、マイクロ波発生部１０の出力を低減を極力抑え、さらには冷却ファンを動作させて冷却能力をアップし半導体素子を熱破壊から保護する中での最大出力電力を加熱室に供給して高速加熱を実現させている。

また、位相可変器１８を電力分配部１２と増幅部１３ｂの間に設けた構成により、増幅部出力間、しいては各給電部１０５、１０６から加熱室１００内に供給するマイクロ波の位相差を確実に制御させることができる。

また、マイクロ波発生部１０の出力可変は、主マイクロ波増幅部１５ａ、１５ｂの駆動電圧を可変制御させる構成からなり、反射電力が第１の規定値を超過の場合は駆動電圧を低減して増幅器出力電力を低減し、増幅動作に伴う熱損失量を減少させるとともに加熱室
へ供給される電力が低減されることに付随して反射電力も低減させることで増幅部の半導体素子が被る熱損失を許容最大値以下にして装置の信頼性を確保することができる。

また、この駆動電圧の可変制御に当たっては、マイクロ波増幅部に用いる半導体素子としてノーマリーオン型の電界効果トランジスタを用いることで、電流が大きいドレイン電源系の制御に代えてゲート電源系を制御対象にしたことで、電圧可変部材を低電力部材で構成できるとともに制御に伴う回路のコンパクト化と制御の容易性を実現させることができる。

さらには給電部１０５、１０６は、加熱室１００を構成する対向壁面１０３、１０４にそれぞれ配置した構成からなるものであり、これにより被加熱物を異なる方向から加熱することができる。

またマイクロ波増幅部を配置した空間の温度を検出する温度検出部３６ａ、３６ｂを設け、その検出信号に基づいて、対象となるマイクロ波増幅部の第１の規定値をそれぞれ演算し補正することにより、本装置が置かれた環境（地域性・季節性など）に対応する第１の規定値に補正することで、グローバルな地域とオールシーズン使用に対応した装置を提供できる。

（実施の形態２）
次に図２に示したマイクロ波増幅部のユニット構成要素である熱伝導が大きい金属材料で構成した放熱部３０ａ、３０ｂの温度を検出する温度検出部３７ａ、３７ｂを利用した制御内容について説明する。

放熱部３０ａ、３０ｂの温度として第２の規定値を用いる。この第２の規定値は、マイクロ波増幅器が許容する電力損失に対して、その電力損失を生じた時に半導体素子を熱破壊から確実に保護する最大温度値として予め制御部２３内の記憶部に記憶させている。

そして、上述の実施の形態１の中の加熱制御フローチャートで説明した第２の出力電力で本格加熱を開始した以降に、この放熱部の温度検出部の検出信号を用いる。これは駆動電力および反射電力に基づく電力損失の演算をすることなく半導体素子の熱破壊に対する危険性を判定でき、対象のマイクロ波増幅器の駆動電圧を制御し半導体素子が被る電力損失量を低減させる駆動電圧に設定するものである。

また放熱部の温度信号に基づいて、マイクロ波増幅部の電力損失量を放熱させる放熱部が確実に動作していることを検知して、装置の信頼性を保証させることができる。さらに、反射電力の大きい被加熱物の加熱において、マイクロ波増幅部の冷却能力を高くするべく冷却ファンを動作させた場合に、放熱物の温度信号に基づいてその冷却ファンが確実に動作していることを判断することができる。

またマイクロ波増幅部に生じる電力損失量を放熱させる放熱部を設け、その放熱部の温度に基づいて第１の規定値をそれぞれ補正することにより、放熱部の性能バラツキに対応した第１の規定値に補正することで、装置の信頼性を保証させることができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、加熱室側から戻ってくる反射電力信号とマイクロ波増幅部の駆動電力に基づくマイクロ波増幅部の半導体素子の電力損失量を演算し、半導体素子が熱破壊しないように発振周波数の制御および／またはマイクロ波増幅部の駆動電力を低減制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波処理装置を提供できるので、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。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成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実装構成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制御フローチャート図３の分岐先の制御フローチャート

１０マイクロ波発生部
１１マイクロ波発振部
１２電力分配部
１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂマイクロ波増幅部
１９ａ、１９ｂ反射電力検出部
２２駆動電源部
２３制御部
３０ａ、３０ｂ放熱部
３１ａ、３１ｂ、３４通流部（冷却手段）
３２水タンク（冷却手段）
３３送水ポンプ（冷却手段）
３５冷却ファン
３６ａ、３６ｂ空間の温度検出部
３７ａ、３７ｂ放熱部の温度検出部
３８ａ、３８ｂ駆動電力検出部
１００加熱室
１０５、１０６放射手段（給電部）
Ｖｇ１、Ｖｇ２ゲート電圧

Claims

被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させる半導体素子を用いたマイクロ波発振部と前記マイクロ波発振部が発生するマイクロ波を増幅するマイクロ波増幅部とで構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部が前記加熱室から受け取る電力量を検出する反射電力検出部と、前記反射電力検出部の検出信号に基づいて前記マイクロ波発振部の発振周波数および前記マイクロ波発生部の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御する制御部とを備え、
前記制御部は、被加熱物の加熱開始前に前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御して前記マイクロ波発生部を第１の出力電力で動作させる中において前記マイクロ波発振部の発振周波数を周波数可変範囲全体にわたって変化させたときに前記反射電力検出部から得られる反射電力が最小となる周波数を選定し、さらにその周波数における反射電力値と被加熱物を加熱実行する予定の第２の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧群の値に基づいて前記マイクロ波増幅部に生じる電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出した後、選定した周波数および抽出した駆動電圧を前記マイクロ波増幅部に印加した第２の出力電力とでもって被加熱物の加熱実行開始を行うマイクロ波処理装置。
被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を発生させる半導体素子を用いたマイクロ波発振部と前記マイクロ波発振部が発生するマイクロ波を複数分配する電力分配部と前記電力分配部の出力をそれぞれ増幅する複数のマイクロ波増幅部と前記電力分配部の出力に設けた位相可変器で構成したマイクロ波発生部と、前記マイクロ波増幅部の出力を前記加熱室にそれぞれ供給する複数の給電部と、前記給電部が前記加熱室から受け取る電力量をそれぞれ検出する複数の反射電力検出部と、前記反射電力検出部のそれぞれの検出信号に基づいて前記マイクロ波発振部の発振周波数と前記位相可変部の位相量および前記マイクロ波発生部の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部のそれぞれの駆動電圧を選択制御する制御部とを備え、
前記制御部は、被加熱物の加熱開始前に、前記位相可変器を制御して前記マイクロ波増幅部のそれぞれの出力の位相差を無しとし、前記マイクロ波増幅部の駆動電圧を選択制御して前記マイクロ波発生部を第１の出力電力で動作させる中において前記マイクロ波発振部
の発振周波数を周波数可変範囲全体にわたって変化させたときに前記反射電力検出部から得られる反射電力が最小となる周波数を選定し、さらにその周波数において前記位相可変器の位相量を可変制御する中で得られる最小の反射電力を呈する位相量に前記位相可変器の位相量を選択し、この反射電力値と被加熱物を加熱実行する予定の第２の出力電力に対応する前記マイクロ波増幅部の駆動電圧群の値に基づいて前記マイクロ波増幅部のそれぞれに生じる電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下となる最大の駆動電圧値を抽出した後、選定した周波数と位相量および抽出した駆動電圧を前記マイクロ波増幅部のそれぞれに印加した第２の出力電力とでもって被加熱物の加熱実行開始を行うマイクロ波処理装置。
マイクロ波増幅部を配置した空間の温度を検出する温度検出部を設け、温度検出部の検出信号に基づいて、対象となるマイクロ波増幅部の第１の規定値をそれぞれ演算し補正することとした請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。
マイクロ波増幅部を駆動する電力を検出する駆動電力検出部を設け、制御部は、被加熱物の加熱実行中において、反射電力検知部から得られる反射電力と前記駆動電力検出部からえられる駆動電力に基づいて前記マイクロ波増幅部の電力損失量を演算し、演算した電力損失量が第１の規定値以下かどうかを判定し、規定値以下の場合は加熱を継続し、規定値を超過している場合は、第１の規定値以下となるマイクロ波増幅器の最大の駆動電圧値に変更して被加熱物の加熱実行を行う請求項１または２に記載のマイクロ波処理装置。