JP6433416B2 - 高周波照射装置、高周波照射システムおよび高周波照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波を照射することで被加熱物を加熱する高周波照射装置、高周波照射システムおよび高周波照射方法に関するものである。

従来の高周波照射装置として、マイクロ波を照射可能なマグネトロン発振器を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、加熱室内に設置された被加熱物にマイクロ波を照射するマグネトロン発振器の出力を電力分配するとともにその出力の位相制御を行い、複数のアンテナから加熱室内にマイクロ波を照射する。このように構成することで、被加熱物にエネルギーを効率的に吸収させることができ、その結果、被加熱物を加熱が可能となる。

特開２０１０−９２７９５号公報

ここで、被加熱物に高周波を照射する場合において、被加熱物がエネルギーを吸収しやすい高周波の周波数は、（以下、エネルギー吸収周波数と称す）は、加熱による被加熱物の物性変化に付随して変化することに着目する。特許文献１に記載の従来技術では、このような点に着目しておらず、加熱による被加熱物の物性変化に付随してエネルギー吸収周波数が変化することに対応していない。その結果、被加熱物を加熱するにつれて加熱効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、加熱による被加熱物の物性変化が生じた場合であっても、被加熱物の加熱を効率良く行うことのできる高周波照射装置、高周波照射システムおよび高周波照射方法を得ることを目的とする。

本発明における高周波照射装置は、高周波を発生する発振器と、発振器の出力が照射されているときに入力される入力電力を検出する第１の検出部と、第１の検出部による検出結果に従って発振器の出力周波数を制御する周波数・位相制御部と、周波数・位相制御部によって制御されている出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出する第２の検出部と、を備え、周波数・位相制御部は、第２の検出部による検出結果に従って発振器の出力位相を制御するものである。

本発明における高周波照射システムは、複数の高周波照射装置を備えたものである。

本発明における高周波照射方法は、高周波を発生する発振器の出力が照射されているときに入力される入力電力を検出する第１の検出ステップと、第１の検出ステップでの検出結果に従って発振器の出力周波数を制御する周波数・位相制御ステップと、周波数・位相制御ステップで制御されている出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出する第２の検出ステップと、を備え、周波数・位相制御ステップでは、第２の検出ステップでの検出結果に従って発振器の出力位相を制御するものである。

本発明によれば、高周波を発生する発振器の出力が照射されたときに入力された入力電力を検出し、その検出結果に従って発振器の出力周波数を制御するとともに、制御されている発振器の出力周波数の単位時間当たりの周波数変化量を検出し、その検出結果に従って発振器の出力位相を制御するように構成されている。これにより、加熱による被加熱物の物性変化が生じた場合であっても、被加熱物の加熱を効率良く行うことのできる高周波照射装置、高周波照射システムおよび高周波照射方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における高周波照射装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１において、電圧制御発振器の出力周波数と、電圧制御発振器の出力波が被加熱物に照射されたときの反射波との関係を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１において、被加熱物の温度とエネルギー吸収周波数との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１において、被加熱物の照射時間とエネルギー吸収周波数との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１において、加熱炉内での被加熱物の位置と、電圧制御発振器２の出力位相との関係を示す模式図である。 本発明の実施の形態２における高周波照射装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における周波数・位相制御部の回路構成の一例である位相同期回路を示す構成図である。 本発明の実施の形態１または２における高周波照射装置を複数備えた高周波照射システムを示す構成図である。

以下、本発明による高周波照射装置、高周波照射システムおよび高周波照射方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高周波照射装置１を示す構成図である。なお、図１では、高周波照射装置１に接続されるアンテナ７も併せて図示している。

図１における高周波照射装置１は、電圧制御発振器２と、周波数制御部３１および位相制御部３２を有する周波数・位相制御部３と、第１の検出部４と、第２の検出部５と、サーキュレータ６とを備える。

高周波を発生する電圧制御発振器２の出力は、サーキュレータ６を介してアンテナ７から照射される。電圧制御発振器２の出力がアンテナ７を介して照射されているときにアンテナ７が受信する反射波の反射電力は、サーキュレータ６を介して第１の検出部４に入力される。

第１の検出部４は、反射電力を検出し、その検出結果を周波数制御部３１に出力する。周波数制御部３１は、第１の検出部４による検出結果に従って、電圧制御発振器２の出力周波数を制御する。具体的には、周波数制御部３１は、電圧制御発振器２の出力周波数を制御するための直流電圧を電圧制御発振器２に出力する。

第２の検出部５は、周波数制御部３１によって制御されている電圧制御発振器２の出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出し、その検出結果を位相制御部３２に出力する。位相制御部３２は、第２の検出部５による検出結果に従って、電圧制御発振器２の出力位相を制御する。

次に、本実施の形態１における高周波照射装置の動作についてさらに説明する。電圧制御発振器２の出力は、上述のとおり、サーキュレータ６を介してアンテナ７から照射される。

ここで、電圧制御発振器２の出力周波数と、電圧制御発振器２の出力が被加熱物に照射されたときの反射波との関係について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態１において、電圧制御発振器２の出力周波数と、電圧制御発振器２の出力波が被加熱物に照射されたときの反射波との関係を説明するための模式図である。

図２に示すとおり、電圧制御発振器２の出力周波数がエネルギー吸収に適した周波数、すなわち、エネルギー吸収周波数である場合、照射された高周波のエネルギーが被加熱物に吸収されやすいので、その結果、高周波の反射が小さい。この場合、反射波の反射電力が小さい。また、照射された高周波のエネルギーが被加熱物に吸収されやすいことから、被加熱物の加熱を効率良く行うことができる。

一方、電圧制御発振器２の出力周波数がエネルギー吸収に適していない周波数、すなわち、エネルギー吸収周波数でない場合、照射された高周波のエネルギーが被加熱物に吸収されにくいので、その結果、高周波の反射が大きい。この場合、反射波の反射電力が大きい。また、照射された高周波のエネルギーが被加熱物に吸収されにくいことから、被加熱物の加熱の効率性の向上を図ることができない。

そこで、周波数制御部３１は、第１の検出部４によって検出された反射電力が第１の設定値となるように電圧制御発振器２の出力周波数を制御する。なお、第１の設定値とは、あらかじめ設定しておく０以上の値であり、第１の設定値が小さいほど、反射電力が小さくなり、出力周波数をエネルギー吸収周波数に近付けることができる。

具体的には、第１の検出部４は、検出した反射電力を直流電圧に変換し、検出した反射電力に対応する直流電圧を検出結果として周波数制御部３１に出力する。周波数制御部３１は、第１の検出部４の出力電圧値に従って、その出力電圧値が第１の設定値となるように電圧制御発振器２の出力周波数を制御する。また、第１の設定値を適切に設定すれば、電圧制御発振器２の出力周波数をエネルギー吸収周波数と等しくすることができる。

ここで、被加熱物の加熱に伴う温度上昇によってエネルギー吸収周波数が変化する点について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態１において、被加熱物の温度とエネルギー吸収周波数との関係を示すグラフである。

図３に示すとおり、被加熱物の加熱に伴う温度上昇によって被加熱物の物性値が変化するので、エネルギー吸収周波数が変化する。具体的には、被加熱物の温度が高くなるにつれてエネルギー吸収周波数が大きくなる。

これに対して、上述のとおり、第１の検出部４による検出結果に従って電圧制御発振器２の出力周波数を制御するように構成されているので、電圧制御発振器２の出力周波数がエネルギー吸収周波数の変化に追従する。したがって、被加熱物の物性値の変化に伴うエネルギー吸収周波数の変化にも対応することができる。

このように、第１の検出部４による検出結果に従って電圧制御発振器２の出力周波数を制御するように構成することで、被加熱物の物性値の変化に伴うエネルギー吸収周波数の変化に関係なく、被加熱物の加熱を効率良く行うことができる。

第２の検出部５は、上述のとおり、電圧制御発振器２の出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出し、その検出結果を位相制御部３２に出力する。具体的には、第２の検出部５は、電圧制御発振器２の出力周波数を一定の時間間隔で検出し、時間間隔をΔｔ、Δｔでの出力周波数の変化をΔｆとしたとき、単位時間あたりの周波数変化量（＝Δｆ／Δｔ）を検出し、その周波数変化量を位相制御部３２に出力する。

ここで、電圧制御発振器２の出力周波数を制御するための直流電圧を電圧制御発振器２に出力するように周波数制御部３１が構成されている場合、周波数制御部３１の出力電圧値の変化と、電圧制御発振器２の出力周波数の変化とは等価である。

そこで、第２の検出部５は、周波数制御部３１の出力電圧値を一定の時間間隔で検出し、その出力電圧値の単位時間当たりの電圧変化量を、周波数変化量として検出し、その電圧変化量を検出結果として位相制御部３２に出力する。

ここで、周波数変化量と加熱速度との関係について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態１において、被加熱物の照射時間とエネルギー吸収周波数との関係を示すグラフである。

図４に示すとおり、照射時間の単位時間あたりのエネルギー吸収周波数の変化が大きくなるに従って加熱が急速に進み、加熱速度が大きい。また、周波数制御部３１の出力電圧値の単位時間あたりの電圧変化量が大きいということは、周波数変化量が大きいことと等価であることから、加熱速度が大きいことを意味する。

そこで、位相制御部３２は、第１の検出部４によって検出された周波数変化量の絶対値が第２の設定値となるように電圧制御発振器２の出力位相を制御する。なお、第２の設定値とは、あらかじめ設定しておく０以上の値であり、第２の設定値が大きいほど、加熱速度が大きくなる。

ここで、加熱炉内での被加熱物の位置と、電圧制御発振器２の出力位相との関係について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１において、加熱炉９内での被加熱物１０の位置と、電圧制御発振器２の出力位相との関係を示す模式図である。

図５に示すとおり、加熱炉９の中において被加熱物１０が存在する位置と、アンテナ７から照射された高周波の最大振幅の位置、すなわち、高電界となる位置とが一致するように電圧制御発振器２の出力位相を制御することが有効である。このように位相制御することで、加熱速度を高めることができる。したがって、このような位相制御を実現可能な第２の設定値を適切に設定することで、加熱速度の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態１では、電圧制御発振器２の出力が照射されているときに入力される入力電力がアンテナ７によって受信される反射波の反射電力である場合を例示しているが、これに限定されない。すなわち、反射電力の代わりに、被加熱物の温度を熱電対によって測定し、被加熱物の温度に対応する直流電流または直流電圧を入力電力として熱電対から第１の検出部４に入力するように構成してもよい。

また、本実施の形態１では、高周波を発生する発振器として電圧制御発振器２を用いる場合を例示しているが、これに限定されず、電圧制御発振器２の代わりに、例えばイットリウム・鉄・ガーネット発振器のような電流制御発振器を用いてもよい。この場合、周波数制御部３１の出力が直流電圧の代わりに直流電流になるように構成される。また、第２の検出部５は、周波数制御部３１の出力電流値、またはその出力電流値に対応する電圧値の単位時間当たりの変化量を、周波数変化量として検出されるように構成される。

このように、周波数・位相制御部３は、使用する発振器の種類に応じて、発振器の出力周波数を制御するための直流電圧または直流電流を発振器に出力することでその出力周波数を制御する。

以上、本実施の形態１によれば、高周波を発生する発振器の出力が照射されたときに入力された入力電力を検出し、その検出結果に従って発振器の出力周波数を制御するとともに、制御されている発振器の出力周波数の単位時間当たりの周波数変化量を検出し、その検出結果に従って発振器の出力位相を制御するように構成されている。

上記の構成において、入力電力が小さくなるように発振器の出力周波数が制御されるので、発振器の出力周波数をエネルギー吸収周波数に設定可能となり、さらに、周波数変化量が大きくなるように発振器の出力位相が制御されるので、被加熱物の加熱速度を大きくすることができる。したがって、加熱による被加熱物の物性変化が生じた場合であっても、被加熱物の加熱を効率良く行うことができる。つまり、加熱などによる被加熱物の物性変化に対応することができ、その結果、エネルギー効率の良い加熱と高速な加熱とが可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態１では、先の実施の形態１と構成が異なる周波数・位相制御部３を備えた高周波照射装置１について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図６は、本発明の実施の形態２における高周波照射装置１を示す構成図である。なお、図６では、高周波照射装置１に接続されるアンテナ７も併せて図示している。図６における高周波照射装置１は、電圧制御発振器２と、周波数・位相制御部３と、第１の検出部４と、第２の検出部５と、サーキュレータ６とを備える。ここで、本実施の形態２における周波数・位相制御部３は、後述する位相同期回路８で構成されている。

次に、本実施の形態２における周波数・位相制御部３の回路構成の一例である位相同期回路（ＰＬＬ）８について、図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の実施の形態２における周波数・位相制御部３の回路構成の一例である位相同期回路８を示す構成図である。

図７における位相同期回路８は、カプラ８１と、分周器８２と、水晶発振器８３と、移相器８４と、位相比較器８５と、ループフィルタ８６とを有する。分周器８２は、電圧制御発振器２の出力をＮ分周する。水晶発振器８３は、基準周波数を発生する基準発振器の一例である。移相器８４は、水晶発振器８３の出力を移相する。

位相比較器８５は、移相器８４の出力と分周器８２の出力とを位相比較し、その位相差に従って直流電圧を、ループフィルタ８６を介して電圧制御発振器２に出力する。なお、先の実施の形態１で述べたとおり、電圧制御発振器２の代わりに電流制御発振器を用いる場合、位相比較器８５は、直流電圧の代わりに直流電流を、ループフィルタ８６を介して電圧制御発振器２に出力する。

次に、位相同期回路８の動作についてさらに説明する。電圧制御発振器２の出力は、カプラ８１の結合端子から分周器８２に入力される。分周器８２の出力は、電圧制御発振器２の出力周波数をＮ分周した周波数である。

分周器８２の出力と、移相器８４によって移相された水晶発振器８３の出力とは、位相比較器８５において位相比較され、その位相差に応じて位相比較器８５から出力される直流電流がループフィルタ８６を介して直流電圧として電圧制御発振器２の周波数制御端子に印加される。

このとき、位相比較器８５では、位相差がなくなるように制御されるので、電圧制御発振器２の出力周波数は、水晶発振器８３の出力周波数と分周器８２の分周数Ｎとの積に等しくなる。

第１の検出部４は、アンテナ７から入力された反射電力を直流電圧に変換し、検出した反射電力に対応する直流電圧を検出結果として位相同期回路８に出力する。位相同期回路８は、第１の検出部４の出力電圧値が第１の設定値となるように分周器８２の分周数Ｎを制御する。このように制御することで、電圧制御発振器２の出力周波数が変化し、その出力周波数をエネルギー吸収周波数に近付けることができる。

第２の検出部５は、ループフィルタ８６の出力電圧値を一定の時間間隔で検出し、その出力電圧値の単位時間当たりの電圧変化量を、周波数変化量として検出し、その電圧変化量を検出結果として位相同期回路８に出力する。位相同期回路８は、第２の検出部５によって検出された電圧変化量が第２の設定値となるように移相器８４の移相量を制御する。このように制御することで、移相器８４の移相量の変化に伴い位相比較器８５の位相差が変化する。また、このような変化に電圧制御発振器２の出力位相が同期するので、電圧制御発振器２の出力位相の制御も可能となる。

以上、本実施の形態２によれば、先の実施の形態１の構成に対して、周波数・位相制御部が位相同期回路で構成される。具体的には、位相同期回路において、第１の検出部による検出結果に従って、分周器のＮ分数を制御することで、発振器の出力周波数を制御し、ループフィルタの出力の単位時間当たりの変化量を周波数変化量として検出する第２の検出部による検出結果に従って、移相器の移相量を制御することで、発振器の出力位相を制御するように構成される。これにより、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、図８に示すように、本実施の形態１または２における高周波照射装置１を複数備え、複数の高周波照射装置１が連動して動作可能な高周波照射システムを構成してもよい。図８は、本発明の実施の形態１または２における高周波照射装置１を複数備えた高周波照射システムを示す構成図である。

図８に示すように、アンテナ７から被加熱物１０へ照射された高周波が同相で合成するように構成してもよく、このように構成することで、電界をさらに高くすることができ、その結果、より効果的な加熱が可能となる。また、複数の高周波照射装置１を備えた高周波照射システムに対してアクティブフェーズドアレーを適用してもよく、同様に高電界が実現可能となり、効果的な加熱が可能となる。

１ 高周波照射装置、２ 電圧制御発振器、３ 周波数・位相制御部、４ 第１の検出部、５ 第２の検出部、６ サーキュレータ、７ アンテナ、８ 位相同期回路、９ 加熱炉、１０ 被加熱物、３１ 周波数制御部、３２ 位相制御部、８１ カプラ、８２ 分周器、８３ 水晶発振器、８４ 移相器、８５ 位相比較器、８６ ループフィルタ。

Claims (8)

1. 高周波を発生する発振器と、
   前記発振器の出力が照射されているときに入力される入力電力を検出する第１の検出部と、
   前記第１の検出部による検出結果に従って前記発振器の出力周波数を制御する周波数・位相制御部と、
   前記周波数・位相制御部によって制御されている前記出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出する第２の検出部と、
   を備え、
   前記周波数・位相制御部は、
   前記第２の検出部による検出結果に従って前記発振器の出力位相を制御する
   高周波照射装置。
2. 前記第１の検出部は、
   前記発振器の出力がアンテナを介して照射されているときに前記アンテナが受信する反射波の反射電力を、前記入力電力として検出する
   請求項１に記載の高周波照射装置。
3. 前記周波数・位相制御部は、
   前記第１の検出部によって検出された前記入力電力が第１の設定値となるように前記出力周波数を制御し、
   前記第２の検出部によって検出された前記周波数変化量の絶対値が第２の設定値となるように前記出力位相を制御する
   請求項１または２に記載の高周波照射装置。
4. 前記周波数・位相制御部は、
   前記出力周波数を制御するための直流電圧または直流電流を前記発振器に出力することで前記出力周波数を制御し、
   前記第２の検出部は、
   前記周波数・位相制御部の出力である前記直流電圧または前記直流電流の単位時間当たりの変化量を、前記周波数変化量として検出する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波照射装置。
5. 前記周波数・位相制御部は、位相同期回路で構成される
   請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波照射装置。
6. 前記位相同期回路は、
   基準周波数を発生する基準発振器と、
   前記基準発振器の出力を移相する移相器と、
   前記発振器の出力をＮ分周する分周器と、
   前記移相器の出力と、前記分周器の出力とを位相比較し、位相差に従って直流電圧または直流電流を、ループフィルタを介して前記発振器に出力する位相比較器と、
   を備え、
   前記第２の検出部は、前記ループフィルタの出力の単位時間あたりの変化量を、前記周波数変化量として検出し、
   前記位相同期回路は、
   前記第１の検出部による検出結果に従って、前記分周器の分周数Ｎを制御することで、前記出力周波数を制御し、
   前記第２の検出部による検出結果に従って、前記移相器の移相量を制御することで、前記出力位相を制御する
   請求項５に記載の高周波照射装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の高周波照射装置を複数備えた
   高周波照射システム。
8. 高周波を発生する発振器の出力が照射されているときに入力される入力電力を検出する第１の検出ステップと、
   前記第１の検出ステップでの検出結果に従って前記発振器の出力周波数を制御する周波数・位相制御ステップと、
   前記周波数・位相制御ステップで制御されている前記出力周波数の単位時間当たりの変化量である周波数変化量を検出する第２の検出ステップと、
   を備え、
   前記周波数・位相制御ステップでは、
   前記第２の検出ステップでの検出結果に従って前記発振器の出力位相を制御する
   高周波照射方法。

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