WO2020054608A1 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

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WO2020054608A1
WO2020054608A1 PCT/JP2019/035168 JP2019035168W WO2020054608A1 WO 2020054608 A1 WO2020054608 A1 WO 2020054608A1 JP 2019035168 W JP2019035168 W JP 2019035168W WO 2020054608 A1 WO2020054608 A1 WO 2020054608A1
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WO
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microwave
resonance
patch
processing chamber
resonators
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PCT/JP2019/035168
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English (en)
French (fr)
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吉野　浩二
昌之 久保
橋本　修
良介 須賀
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/70—Feed lines

Definitions

  • the present disclosure relates to a microwave processing device.
  • a microwave oven which is a typical example of a microwave processing apparatus, supplies microwaves radiated by a magnetron into a processing chamber surrounded by a metal wall, and dielectrically heats an object to be heated such as food placed in the processing chamber. .
  • Microwaves are repeatedly reflected on the walls of the processing chamber.
  • the phase of the reflected wave reflected by the metal wall changes by 180 degrees with respect to the wave incident on the metal wall.
  • a line perpendicular to the metal wall surface is a reference line
  • the angle of incidence which is the angle between the reference line and the incident wave
  • the angle of reflection which is the angle between the reflected wave and the reference line.
  • the size of the processing chamber is usually sufficiently larger than the wavelength of the microwave (about 120 mm). Therefore, a standing wave is generated in the processing chamber due to the behavior of the incident wave and the reflected wave generated on the metal wall surface.
  • a standing wave has antinodes that always appear where the electric field is strong and nodes that always appear where the electric field is weak.
  • the object to be heated When the object to be heated is placed at the place where the antinode of the standing wave appears, the object to be heated is strongly heated. When the object to be heated is placed at the place where the node of the standing wave appears, the object to be heated becomes Not very heated. This is the main cause of uneven heating in a microwave oven.
  • Methods for suppressing such uneven heating due to standing waves and promoting uniform heating include a turntable method in which a table is rotated to rotate an object to be heated, and a rotation method in which an antenna that radiates microwaves is rotated. There is an antenna system.
  • Non-Patent Document 1 There is also a technique for actively using local heating, which is opposite to uniform heating (for example, see Non-Patent Document 1).
  • the device described in Non-Patent Document 1 includes a plurality of microwave generators configured by GaN semiconductor elements, and supplies the output of the microwave generator from various places to a processing chamber. By providing a phase difference between the two supplied microwaves, local heating is achieved by concentrating the microwaves on the object to be heated.
  • the present disclosure aims to provide a microwave processing apparatus capable of heating each of a plurality of objects to be heated as desired by controlling the distribution of standing waves in a processing chamber.
  • a microwave processing apparatus includes a processing chamber that stores an object to be heated, a microwave supply unit that supplies a microwave to the processing chamber, and a resonance unit that has a resonance frequency in a microwave frequency band.
  • the resonance section has a plurality of patch resonators arranged such that at least three patch resonators are arranged along a direction of a polarization plane generated on a metal wall surface forming the processing chamber.
  • the microwave processing apparatus of the present embodiment can control the standing wave distribution in the processing chamber, that is, the microwave energy distribution. As a result, for example, when simultaneously heating a plurality of objects to be heated, the microwave processing apparatus of the present embodiment can adjust the microwave energy absorbed by each of the objects to be heated.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of the microwave processing apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration of the resonance unit according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a frequency characteristic of a reflection phase generated by the resonance unit.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a frequency characteristic of a reflection phase generated by the resonance unit.
  • FIG. 4A is a perspective view of the waveguide for describing an electric field generated in the waveguide.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the waveguide for describing an electric field generated in the waveguide.
  • FIG. 4C is a perspective view of the waveguide for explaining an electric field radiated from the waveguide aperture.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the characteristics of the electric field in the processing chamber and the current vector on the patch surface.
  • FIG. 6A is a diagram for explaining the reason for arranging three rectangular patch resonators.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining the reason why three rectangular patch resonators are arranged.
  • FIG. 6C is a diagram for explaining the reason for arranging three rectangular patch resonators.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the microwave processing apparatus according to the first embodiment in a state where two objects to be heated are accommodated.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating an electric field distribution in a processing chamber when a resonance unit is not provided.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating an electric field distribution in the processing chamber when the resonance unit is provided.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating an electric field distribution in a processing chamber when a resonance unit is not provided.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating a configuration of a resonance unit according to Embodiment 2 of the present disclosure.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an example of an arrangement of a resonance unit and a power supply unit on a metal wall surface of a processing chamber.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating another example of the arrangement of the resonance unit and the power supply unit on the metal wall surface of the processing chamber.
  • FIG. 11 is a plan view illustrating a configuration of a resonance section according to Embodiment 3 of the present disclosure.
  • FIG. 12A is a cross-sectional view illustrating a configuration of a microwave processing apparatus according to Embodiment 3.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line 12B-12B of FIG. 12A.
  • FIG. 13A is a longitudinal sectional view showing another configuration of the microwave processing apparatus according to Embodiment 3.
  • FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line 13B-13B of FIG. 13A.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a configuration of a microwave processing apparatus according to Embodiment 4 of the present disclosure.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating characteristics of the resonance unit illustrated in FIG. 14.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a microwave processing apparatus according to Embodiment 5 of the present disclosure.
  • a microwave processing apparatus includes a processing chamber that stores an object to be heated, a microwave supply unit that supplies a microwave to the processing chamber, and a resonance unit that has a resonance frequency in a microwave frequency band.
  • the resonance section has a plurality of patch resonators arranged such that at least three patch resonators are arranged along a direction of a polarization plane generated on a metal wall surface forming the processing chamber.
  • the plurality of patch resonators are arranged such that at least three patch resonators are arranged in each of a vertical direction and a horizontal direction. Is done.
  • the plurality of patch resonators include at least five rectangular patch resonators arranged in a cross shape.
  • the plurality of patch resonators include at least three patch resonators in each of a vertical direction, a horizontal direction, and an oblique direction. Are arranged radially.
  • the patch resonator is a circular patch resonator.
  • the microwave supply unit includes a microwave generation unit, and a control unit that controls an oscillation frequency of the microwave generation unit.
  • the resonance section has a plurality of resonance sections having different resonance frequencies.
  • the control unit switches the resonance unit that resonates among the plurality of resonance units by controlling the oscillation frequency.
  • the resonance unit has a plurality of resonance units.
  • Each of the plurality of resonance units is provided in each of a plurality of divided regions on one metal wall surface forming the processing chamber.
  • the plurality of resonance units have different resonance frequencies.
  • each of the plurality of resonance units has a resonance frequency according to the order of arrangement of the plurality of resonance units.
  • each of the plurality of resonance units has a conductor having a length corresponding to the order of arrangement of the plurality of resonance units.
  • the microwave processing device of the present embodiment is a microwave oven.
  • the microwave processing apparatus according to the present disclosure is not limited to a microwave oven, but includes a heat processing apparatus using dielectric heating, a chemical reaction processing apparatus, a semiconductor manufacturing apparatus, and the like.
  • FIG. 1 is a perspective view of a microwave processing apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the microwave processing apparatus 100 includes a processing chamber 101 surrounded by a metal wall, and a microwave supply unit 160 that supplies a microwave to the processing chamber 101.
  • the microwave supply unit 160 includes the waveguide 102, the power supply unit 103, the microwave generation unit 104, and the control unit 105.
  • the waveguide 102 has a rectangular cross section and transmits microwaves in the TE10 mode.
  • the power supply unit 103 is a waveguide opening formed at a connection portion between the waveguide 102 and the processing chamber 101.
  • the center of the waveguide opening is located at the intersection of the center line L1 in the left-right direction and the center line L2 in the front-rear direction of the processing chamber 101 in FIG.
  • the waveguide opening has a rectangular shape whose two sides are parallel to the center lines L1 and L2.
  • the control unit 105 receives the information on the heat treatment, and controls the microwave generation unit 104 so as to generate an output and a power of a frequency corresponding to the information.
  • the resonance unit 106 is disposed on the ceiling surface facing the power supply unit 103.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of the resonance unit 106. As shown in FIG. 2, the resonance unit 106 includes three rectangular patch resonators 106a arranged in a 3 ⁇ 1 matrix.
  • the square patch resonator 106a has a dielectric 106b and a square conductor 106c.
  • the square patch resonator 106a has a resonance frequency between 2.4 GHz and 2.5 GHz, which is a frequency band of microwaves generated by the microwave generation unit 104.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams showing frequency characteristics of the reflection phase generated by the rectangular patch resonator.
  • the vertical axis in FIG. 3A represents the reflection phase
  • the vertical axis in FIG. 3B represents the absolute value of the reflection phase.
  • the phase of the reflection coefficient when viewed from the side of the rectangular conductor 106c of the rectangular patch resonator 106a (hereinafter referred to as the reflection phase) is approximately +180 in a frequency band of 2.4 GHz to 2.5 GHz. Degrees to about -180 degrees.
  • the resonance frequency of the rectangular patch resonator 106a is set to 2.45 GHz.
  • FIG. 3B shows the vertical axis of FIG. 3A as an absolute value. As shown in FIG. 3B, the reflection phase is 180 degrees at most frequencies, but falls to 0 degrees near 2.45 GHz. When the length of the rectangular conductor 106c is set to about half the wavelength of the current flowing through the rectangular conductor 106c, resonance occurs.
  • the microwave wavelength of 2.45 GHz used in a general microwave oven is about 120 mm in air having a dielectric constant of 1. Therefore, when the dielectric 106b has a relative dielectric constant close to 1, for example, styrene foam, the length of the square conductor 106c may be set to about 60 mm. Even when the length of the square conductor 106c is, for example, 53 mm, resonance occurs.
  • the relative permittivity is larger than 1 (about 2 to 5), and when the relative permittivity is high, the wavelength of the microwave tends to be short. For this reason, the square conductor 106c can be shortened.
  • the surface of the resonance portion 106 opposite to the patch surface having the rectangular conductor 106 c has the same potential as the metal wall surface of the processing chamber 101.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining the electric field generated in the waveguide.
  • FIG. 4A is a perspective view of a waveguide.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the waveguide viewed from the front of the opening.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining an electric field radiated from the waveguide opening.
  • the microwave is transmitted by the waveguide 102 in the positive direction of the Z axis shown in FIG.
  • the width a of the waveguide 102 is set between half the wavelength ⁇ of the microwave and the wavelength ⁇ of the microwave, and the height b of the waveguide 102 is set to half the wavelength ⁇ of the microwave.
  • the waveguide 102 transmits microwaves in the TE10 mode.
  • an electric field represented by an arrow E1 is generated in the height direction, and a magnetic field represented by an arrow H1 is generated in the width direction.
  • the electric field becomes maximum at the center in the width direction in the waveguide 102 and becomes zero at both ends in the waveguide 102. For this reason, the electric field intensity distribution is shown as a broken line E2.
  • an electric field is radiated from the power supply unit 103 in the positive direction of the Z axis.
  • the vector component of this electric field oscillates only in the Y direction (that is, the height direction of the waveguide) like the arrow E1, and is transmitted in the Z direction with time. Therefore, the electric field is transmitted as indicated by a broken line E3.
  • the electric field vector mainly oscillates only in the Y direction.
  • the vibration direction of this electric field vector is called polarization, and the plane formed by the vibration direction and the transmission direction (in this case, the YZ plane) is called the polarization plane.
  • the plane of polarization is a plane (YZ plane) formed in the height direction (Y direction) and the transmission direction (Z direction) of the waveguide.
  • the microwave radiated from the waveguide 102 to the processing chamber 101 via the power supply unit 103 has a vibration direction (the direction of the dashed line L1 in FIG. 1) and a transmission direction (the upward direction in FIG. 1). ) And a polarization plane indicated by a broken line E4.
  • the microwave is absorbed by the object to be heated in the processing chamber 101 while being repeatedly reflected on the metal wall surface.
  • the electric field component in the processing chamber 101 mainly occurs in a direction parallel to the plane of polarization, and hardly occurs in other directions (for example, the L2 direction component in FIG. 1).
  • the resonance units 106 are arranged such that the three rectangular patch resonators 106a are arranged along the polarization plane indicated by the broken line E4.
  • FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the electric field in the processing chamber 101 and the current vector on the patch surface of the rectangular patch resonator 106a when the number and position of the rectangular patch resonator 106a are changed.
  • FIG. 5 describes, in order from the top, the analysis model, the electric field on the observation plane O1, the electric field on the observation plane O2, and the current vector on the patch plane of the rectangular patch resonator 106a.
  • the analysis model shown in the upper part of FIG. 5 has a configuration in which the waveguide 102 is connected to the processing chamber 101 as in FIG. However, this analysis model is upside down from the case of FIG.
  • the observation surface O1 is a cross section at the center in the front-rear direction of the processing chamber 101, that is, a cross section taken along the dashed line L2 in FIG. 1, and is orthogonal to the polarization plane indicated by the broken line E4 in FIG.
  • the observation plane O2 is located to the left of the processing chamber 101, is orthogonal to the observation plane O1, and is parallel to the one-dot chain line L1 in FIG. 1 and the polarization plane indicated by the broken line E4.
  • the electric field on the observation plane O1 and the electric field on the observation plane O2 are shown by isoelectric field intensity diagrams.
  • 5 shows current vectors on the patch surface of the rectangular patch resonator 106a. Since the position of the rectangular patch resonator 106a differs depending on the analysis model, the current vector on the patch surface is described at a position (back, center, front) corresponding to the arrangement of the rectangular patch resonator 106a. The isosceles triangle in the figure indicates the direction of the current vector.
  • analysis A the rectangular patch resonator 106a is not used.
  • analysis B one rectangular patch resonator 106a is arranged at the center in the front-rear direction.
  • analysis C two rectangular patch resonators 106a are arranged one at the back and one at the front.
  • analysis D three rectangular patch resonators 106a are arranged at the back, center, and front.
  • a plane passing through the position 111 on the observation plane O1 and orthogonal to the observation plane O1 is set as the observation plane O2.
  • an antinode of a standing wave is generated at a position 112 where the observation plane O1 and the observation plane O2 intersect.
  • the electric field distribution is symmetrical in both the observation plane O1 and the observation plane O2.
  • the electric field at the position 111 is strong, the electric field at the positions 113 and 114 is weak, and the electric field at the position 112 is about halfway between the electric fields at the positions 111 and 113.
  • the electric field at positions 111 and 112 is weak.
  • a node of the standing wave is generated at the position 112 of the observation surface O2.
  • the left-right symmetry of the electric field on the observation plane O1 is broken.
  • one rectangular patch resonator 106a is arranged at the center in the front-rear direction of the observation plane O2. That is, in the analysis B, one rectangular patch resonator 106a is arranged at the position of the antinode of the standing wave in the analysis A.
  • the result of the analysis B indicates that the rectangular patch resonator 106a arranged at the position of the antinode of the standing wave has changed the antinode of the standing wave into a node.
  • the reflection phase of the rectangular patch resonator 106a for the frequency of 2.45 GHz is approximately 0 degrees. This means that the phase difference between the incident wave on the patch surface and the reflected wave from the patch surface is approximately 0 degrees. Considering that the phase difference between the incident wave and the reflected wave on the normal metal wall surface is 180 degrees, it can be seen that a standing wave distribution different from the normal was formed near the resonance section 106.
  • the reflection phase is approximately 0 degrees, the impedance becomes infinite. Therefore, the high-frequency current flowing through the patch surface is suppressed, and the microwave moves away from the resonance unit 106. This is the cause of the weakening of the electric field near the resonance section 106. It is estimated that the left-right symmetry of the observation plane O1 is lost due to this influence. This effect is called a first effect.
  • analysis C the electric field at position 111 and position 112 is strong as in analysis A.
  • the electric field is weak at positions 113 and 114 where the rectangular patch resonator 106a is arranged.
  • standing wave nodes occur at the positions 113 and 114. That is, the result of the analysis C indicates that the rectangular patch resonator 106a arranged at the node of the standing wave having a weak electric field does not significantly affect the standing wave distribution.
  • analysis D the electric field at positions 111 and 112 is weak, and a strong electric field is generated in region 115.
  • the left-right symmetry of the observation plane O1 is broken.
  • the results of analysis D seem to indicate that the effects of analysis B and analysis C were combined.
  • a strong electric field is generated in the region 115. This is a unique effect of the arrangement of the three rectangular patch resonators 106a.
  • FIGS. 6A to 6C are diagrams for explaining the reason why three rectangular patch resonators 106a are arranged.
  • FIG. 6A is a diagram for explaining an electric field when two rectangular patch resonators are separated from each other and arranged in a strong electric field.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining an opposite electric field generated when three rectangular patch resonators are arranged.
  • FIG. 6C is a diagram for explaining that a strong electric field becomes a weak electric field in FIG. 6B.
  • the two rectangular patch resonators 106a in FIG. 6A correspond to the two rectangular patch resonators 106a shown in the analysis B in FIG.
  • the strong electric field 119 causes current vectors 116 and 117 in the same direction, and electric fields 120 and 121 in opposite directions are generated between the two rectangular patch resonators 106a.
  • the induced electric fields 122 and 123 generate a current vector 118 in the opposite direction in the centrally arranged rectangular patch resonator 106a. This creates an opposite electric field 124 that counteracts the strong electric field 119. As a result, a strong electric field can be weakened by the opposite electric fields generated by the three rectangular patch resonators 106a.
  • the current vectors 118 generated in the square patch resonator 106a arranged at the center are opposite to the current vectors 116 and 117 generated in the square patch resonators 106a arranged at the back and front, respectively. It is. This result is consistent with the analysis D in FIG. This effect is called a second effect.
  • the second effect is considered to be another effect different from the first effect due to the arrangement of the three rectangular patch resonators 106a.
  • the analysis B of FIG. 5 shows only the first effect that one rectangular patch resonator 106a arranged at the position of the antinode of the standing wave weakens the electric field.
  • Analysis D of FIG. 5 shows that the second effect of the three rectangular patch resonators 106a weakening the electric field is added to the first effect.
  • the analysis D has an effect of further weakening the electric field in the vicinity of the rectangular patch resonator 106a as compared with the analysis B.
  • the electric field at a location distant from the rectangular patch resonator 106a was relatively increased, and a strong electric field was generated in the region 115.
  • the second effect is that the electric field is weakened when the rectangular patch resonator 106a is arranged at the antinode of the standing wave, while the standing wave is reduced even when the rectangular patch resonator 106a is arranged at the node of the standing wave. Does not change.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the microwave processing apparatus 100 in a state where two objects to be heated are accommodated.
  • the processing chamber 101 has a mounting plate 107 disposed above the power supply unit 103.
  • the mounting plate 107 is made of a low dielectric loss material. Heated objects 108 and 109 are arranged on the mounting plate 107. In this state, the microwave generator 104 supplies the microwave 110.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the electric field distribution in the processing chamber 101 shown in FIG.
  • FIG. 8A shows an electric field distribution when the resonance unit 106 is not provided
  • FIG. 8B shows an electric field distribution when the resonance unit 106 is provided on the right ceiling surface of the processing chamber 101.
  • the microwave processing apparatus 100 includes a processing chamber 101 surrounded by metal walls, a microwave supply unit 160 that supplies microwaves to the processing chamber 101, and a microwave frequency band.
  • a resonance unit 106 having a resonance frequency.
  • the resonance section 106 has three patch resonators (square patch resonators 106a) arranged along the direction of the polarization plane generated on the metal wall surface forming the processing chamber 101.
  • the standing wave does not change. That is, when three rectangular patch resonators 106a are arranged along the direction of the polarization plane, the place where the rectangular patch resonators 106a are arranged is the position of the antinode of the standing wave or the position of the node. Regardless of this, there will always be a standing wave node at that location.
  • the standing wave distribution in the processing chamber 101 that is, the microwave energy distribution can be controlled. Therefore, for example, when heating a plurality of objects to be heated simultaneously, each object to be heated can absorb desired microwave energy.
  • one of the objects to be heated does not absorb microwave energy more than the other. Can be controlled.
  • the resonance unit 106 includes a flat rectangular patch resonator 106a.
  • the resonance section 106 can be arranged without substantially impairing the effective volume inside the processing chamber 101.
  • the ⁇ ⁇ ⁇ square patch resonator 106 a is arranged such that the patch surface faces the inside of the processing chamber 101, and the surface opposite to the patch surface has the same potential as the metal wall surface of the processing chamber 101. With this configuration, a sufficient effective volume inside the processing chamber 101 can be secured.
  • Three rectangular patch resonators 106a are arranged on one of the metal wall surfaces constituting the processing chamber 101. This makes it possible to easily predict a change in the standing wave distribution due to the resonance unit 106. As a result, the object to be heated can be heated as desired.
  • the resonance unit 106 is disposed on the metal wall surface of the processing chamber 101 opposite to the metal wall surface of the processing chamber 101 in which the power supply unit 103 is disposed.
  • the microwave energy distribution can be concentrated near the power supply unit 103.
  • the object to be heated can be efficiently heated together with the microwave energy from the power supply unit 103.
  • the microwave supply unit 160 includes the microwave generation unit 104 and the control unit 105 that controls the oscillation frequency and output of the microwave generation unit 104. Thereby, a plurality of objects to be heated can be heated simultaneously.
  • the resonance unit 106 may include four or more rectangular patch resonators 106a.
  • the center position of the combination differs depending on the combination of three adjacent patch resonators among the four or more patch resonators. This substantially corresponds to the existence of a plurality of combinations of three patch resonators.
  • the microwave processing apparatus 100 has basically the same configuration as that of the first embodiment except for the resonance unit 106.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the resonance section 106 in the present embodiment.
  • the resonance section 106 has a square conductor 106c having a square shape.
  • the dielectric 106b is provided in each of the five regions included in the center row and the center column.
  • the resonance section 106 of the present embodiment has five rectangular patch resonators 106a arranged in a cross shape.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating an example of the arrangement of the resonance unit 106 and the power supply unit 103 on one metal wall surface (for example, a ceiling surface) of the processing chamber 101.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an example of the arrangement of the resonance unit 106 and the power supply unit 103 on one metal wall surface (for example, a ceiling surface) of the processing chamber 101.
  • the power supply unit 103 has a horizontally long waveguide opening. Therefore, the vibration direction of the electric field E1 is the vertical direction (the vertical direction in FIG. 10A), and the plane of polarization is the vertical direction.
  • the power supply unit 103 has a vertically elongated waveguide opening. Therefore, the vibration direction of the electric field E1 is the horizontal direction (the left-right direction in FIG. 10A), and the plane of polarization is the horizontal direction.
  • three rectangular patch resonators 106a arranged in the horizontal direction are similar to the resonance unit 106 in the first embodiment.
  • the vertical direction and the horizontal direction correspond to the front-back direction and the left-right direction of the processing chamber 101 in FIG. 1, respectively.
  • the processing chamber 101 has a horizontally long rectangular parallelepiped shape, and the power supply unit 103 is arranged in parallel with the outer shape of the processing chamber 101.
  • the resonance section 106 has the configuration shown in FIG. 9, the resonance section 106 functions similarly to the resonance section 106 in the first embodiment in both the configuration shown in FIG. 10A and the configuration shown in FIG. 10B. .
  • the resonance unit 106 has five patch resonators (square patch resonators 106a) arranged in a cross shape. According to this configuration, the antinode of the standing wave can be changed into a node in any of the vertical polarization plane and the horizontal polarization plane. According to the present embodiment, the standing wave distribution in the processing chamber 101, that is, the microwave energy distribution can be controlled.
  • the resonance section 106 has five rectangular patch resonators 106a arranged in a cross shape. That is, the resonance unit 106 has a total of five patch resonators in which three patch resonators are arranged in the vertical and horizontal directions. With this configuration, the required number of square patch resonators 106a can be reduced as compared with the case where one resonator 106 is provided in each of the vertical direction and the horizontal direction in the first embodiment.
  • the resonance unit 106 four or more rectangular patch resonators 106a may be arranged in the vertical and horizontal directions. In this case, the center position of the combination differs depending on the combination of three adjacent patch resonators among the four or more patch resonators. This substantially corresponds to the existence of a plurality of combinations of three patch resonators.
  • the combination of the other three patch resonators different from the assumed combination of the three patch resonators is different from that of the first embodiment. May function in the same way as the resonance unit 106 in FIG.
  • FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the resonance section 130 according to the present embodiment.
  • the resonance section 130 has nine circular conductors 130c arranged on a circular dielectric 130b. Among the nine circular conductors 130c, one circular conductor 130c is arranged at the center, and eight circular conductors 130c are arranged at equal intervals on a circle around the central circular conductor 130c. That is, in this configuration, the three circular patch resonators 130a are arranged in any of the vertical, horizontal, and oblique directions.
  • the vertical direction and the horizontal direction correspond to the front-back direction and the left-right direction of the processing chamber 101 in FIG. 1, respectively.
  • the oblique direction is a direction that forms 45 degrees with respect to both the vertical direction and the horizontal direction.
  • the diameter of the circular conductor 130c is set to be about half the wavelength of the current flowing on the circular conductor 130c, resonance can be generated.
  • the microwave wavelength of 2.45 GHz is about 120 mm in air having a dielectric constant of 1. Therefore, in the case where the dielectric constant of the dielectric 130b is close to 1, for example, styrene foam, the diameter of the circular conductor 130c may be set to about 60 mm.
  • a substrate having a relative dielectric constant of 3.5, tan ⁇ of 0.004, and a thickness of about 0.6 mm is used as the dielectric 130b, and the circular conductor 130c is formed by a copper foil pattern on the substrate. .
  • the diameter of the resonance section 130 could be reduced to 38 mm.
  • FIG. 12A is a longitudinal sectional view showing the configuration of the microwave processing apparatus 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line 12B-12B of FIG. 12A.
  • microwaves are not directly radiated from the waveguide 102 to the processing chamber 101 but are radiated to the processing chamber 101 via the radiation antenna 131.
  • the radiation antenna 131 has a coupling shaft 132 coupled to the waveguide 102 and a radiation section 133.
  • the radiating part 133 has three wall surfaces (wall surfaces 134a, 134b, 134c), a flange 135 provided around the wall surface, a ceiling surface 136, and a front opening 137.
  • the radiation antenna 131 has a waveguide structure formed by the wall surfaces 134a, 134b, 134c and the ceiling surface 136, and radiates microwaves from the front opening 137 in the direction of the arrow 138.
  • the microwave processing apparatus 100 has a polarization plane that includes the arrow 138 and is perpendicular to the plane of FIG. 12B.
  • the motor 139 is engaged with the coupling shaft 132, and rotates the coupling shaft 132 according to an instruction from the control unit 105.
  • the radiation part 133 rotates with the rotation of the coupling shaft 132, the direction of the microwave radiated from the front opening 137 and the polarization plane also rotate.
  • the polarization plane has not only a vertical direction and a horizontal direction but also various directions.
  • the resonance section 130 having the configuration shown in FIG. 11 can exert an effect on the polarization plane generated in the configuration shown in FIGS. 12A and 12B.
  • FIG. 13A is a longitudinal sectional view showing another configuration of the microwave processing apparatus 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line 13B-13B of FIG. 13A.
  • the radiation antenna 131 has an X-shaped circularly polarized wave opening 140 provided on the ceiling surface 136, and extends upward from FIG. 13A from the circularly polarized wave opening 140. Emit circularly polarized microwaves.
  • the microwave radiated from the waveguide aperture generates an electric field having a single vibration direction. Since the direction of microwave transmission is also single, a single plane of polarization occurs in this case. Such a microwave is called a linearly polarized microwave.
  • the polarization plane has not only a vertical direction and a horizontal direction but also various directions.
  • the resonance section 130 having the configuration shown in FIG. 11 can exert an effect on the polarization plane generated in the configuration shown in FIGS. 13A and 13B.
  • the resonating unit 130 has one circular patch resonator 130a disposed at the center and the same interval on the circumference around the one circular patch resonator 130a. And eight circular patch resonators 130a arranged in the same direction. In this configuration, three patch resonators are arranged in any of the vertical, horizontal, and oblique directions.
  • the resonance section 130 functions in the vertical, horizontal, and oblique directions in the same manner as the resonance section 106 in the first embodiment.
  • the resonance section 130 is configured by a circular patch resonator 130a including a circular conductor 130c.
  • the length of the conductor determines whether resonance occurs.
  • the circular conductor has the same length in any of the vertical, horizontal, and oblique directions.
  • the resonance unit 130 can be generated on any of the vertical, horizontal, and oblique polarization planes.
  • the standing wave distribution in the processing chamber 101 that is, the microwave energy distribution can be controlled.
  • the resonance section 130 of the present embodiment is not limited to the above configuration.
  • the resonance unit 130 may include nine patch resonators arranged in a 3 ⁇ 3 matrix. That is, in the present embodiment, the resonance unit 130 includes a total of nine patch resonators in which three patch resonators are radially arranged in each of the vertical direction, the horizontal direction, and the oblique direction. Having.
  • four or more circular patch resonators 130a may be arranged in each of the vertical, horizontal, and oblique directions.
  • the center position of the combination differs depending on the combination of three adjacent patch resonators among the four or more patch resonators. This substantially corresponds to the existence of a plurality of combinations of three patch resonators.
  • the combination of the other three patch resonators different from the assumed combination of the three patch resonators is different from that of the first embodiment. May function in the same way as the resonance unit 106 in FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a configuration of a microwave processing apparatus 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating characteristics of the resonance unit illustrated in FIG. 14.
  • the microwave processing apparatus 100 includes nine resonance units (resonance units 141, 142, and 143) arranged in a 3 ⁇ 3 matrix on the ceiling surface of the processing chamber 101. , 144, 145, 146, 147, 148, 149).
  • Each of the resonators 141 to 149 has nine circular conductors arranged in a 3 ⁇ 3 matrix on a square dielectric. With this configuration, each of the resonance units 141 to 149 has nine patch resonators.
  • the resonance units 141 to 149 have dielectrics of the same size. However, the diameter of the circular conductor included in the circular patch resonator of each resonance part gradually increases in order from the resonance part 141 to the resonance part 149. With this configuration, the resonance frequency of each resonance unit decreases by 10 MHz in order from the resonance unit 141 to the resonance unit 149.
  • the resonance frequencies of the resonance units 141 to 149 are 2.49 GHz, 2.48 GHz, 2.47 GHz, 2.46 GHz, 2.45 GHz, 2.44 GHz, 2.43 GHz, respectively. , 2.42 GHz and 2.41 GHz.
  • the absolute value of the reflection phase is 0 degrees at these resonance frequencies.
  • the resonance section where resonance occurs by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the resonance section where resonance occurs. For example, when a microwave having a frequency of 2.49 GHz is supplied, only the resonance unit 141 resonates. Accordingly, the antinode of the standing wave can be changed to a node near the left back region where the resonance unit 141 is disposed. As a result, the electric field in the vicinity of the back left region can be reduced.
  • the antinode of the standing wave can be changed into a node near the central region where the resonance unit 145 is disposed. As a result, the electric field in the central region can be weakened.
  • the antinode of the standing wave changes to a node near the left region where the resonance units 141, 144, and 147 are arranged. Can be done. Thereby, the electric field in the left region can be weakened. In this case, the electric field in the right region becomes strong, and as a result, the object to be heated 109 arranged on the right side can be heated strongly.
  • the resonance units 141 to 149 have circular patch resonators. However, the resonance units 141 to 149 may have a rectangular patch resonator. The resonance units 141 to 149 may be the resonance unit 130 according to the third embodiment.
  • the present embodiment by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the resonance section where resonance occurs. Thereby, the antinode of the standing wave can be changed to a node near the resonance part where resonance occurs. As a result, the electric field in the vicinity of the resonance part where resonance occurs can be reduced.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the microwave processing apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the microwave processing apparatus 100 has a resonance section 150 disposed on the ceiling surface of the processing chamber 101.
  • the resonance section 150 has five conductors arranged at a pitch P on a dielectric arranged on the ceiling of the processing chamber 101.
  • five patch resonators (patch resonators 151, 152, 153, 154, and 155) are configured in the resonance unit 150.
  • the conductors of the # 5 patch resonators have different lengths from each other.
  • the conductor of the patch resonator 151 has a length a1
  • the conductor of the patch resonator 152 has a length a2
  • the conductor of the patch resonator 153 has a length a3
  • the conductor of the patch resonator 154 has a length a4, and the conductor of the patch resonator 155.
  • the lengths a1 to a5 have a relationship of a1> a2> a3> a4> a5.
  • each of the patch resonators 151 to 155 has a conductor whose length is in accordance with the order of arrangement of the patch resonators 151 to 155.
  • each of the patch resonators 151 to 155 has a resonance frequency according to the order of arrangement of the patch resonators 151 to 155.
  • a combination of three adjacent patch resonators among these five patch resonators includes a leftmost combination 161, a central combination 162, and a rightmost combination 163.
  • the combination 161 includes the patch resonators 151, 152, and 153.
  • the combination 162 includes the patch resonators 152, 153, and 154.
  • the combination 163 includes the patch resonators 153, 154, and 155.
  • the average of the conductor lengths of the patch resonators included in these combinations becomes shorter in the order from the combination 161 to the combination 163. Therefore, the three patch resonators included in the combination 161 resonate at the frequency f1, the three patch resonators included in the combination 162 resonate at the frequency f2, and the three patch resonators included in the combination 163. When the resonator resonates at the frequency f3, the frequencies f1 to f3 increase in this order.
  • the length of the conductor of the patch resonator 153 is set to approximately ⁇ of the wavelength (effective length) of a microwave used in a general microwave oven.
  • the frequency f2 can be set to 2.45 GHz which is the frequency of the microwave.
  • the conductor length of the patch resonator 152 is slightly longer than that of the patch resonator 153, and the conductor length of the patch resonator 151 is slightly longer than that of the patch resonator 152.
  • the conductor length of the patch resonator 154 is slightly shorter than that of the patch resonator 153, and the conductor length of the patch resonator 155 is slightly shorter than that of the patch resonator 154.
  • the conductors of all the patch resonators have approximately half the wavelength (effective length) of the microwave.
  • the length of the conductor of each patch resonator differs slightly depending on the position of the arrangement.
  • the patch resonator located at the end of the central combination 162 is shared with the combinations 161 and 163 adjacent to the combination 162. According to this configuration, three combinations of three patch resonators can be configured using five patch resonators without using nine patch resonators.
  • the combination of patch resonators in which resonance occurs can be switched.
  • the antinode of the standing wave can be changed to a node near the combination of the patch resonators where resonance occurs.
  • the electric field near the combination of the patch resonators where resonance occurs can be reduced.
  • each of the three combinations of three patch resonators corresponds to one resonance unit. That is, the resonance unit 150 of the present embodiment may be considered to include three resonance units.
  • the patch surfaces of the five patch resonators are made of copper foil applied to one surface of one substrate material.
  • the surface of the substrate material opposite to the patch surface contacts the ceiling surface of the processing chamber 101.
  • the patch resonators 151, 152, 153, 154, 155 can be arranged on the same single-sided substrate.
  • Patch resonators 151, 152, 153, 154, and 155 can be formed of a double-sided board.
  • the opposite surface has the same potential as the metal surface of the processing chamber 101. can do.
  • the present embodiment by controlling the frequency of the supplied microwave, it is possible to switch the combination of patch resonators in which resonance occurs. As a result, the antinode of the standing wave can be changed to a node near the combination of the patch resonators where resonance occurs. As a result, the electric field near the combination of the patch resonators where resonance occurs can be reduced.
  • the resonance unit 150 is disposed only on the ceiling surface of the processing chamber 101.
  • the resonance unit 150 may be disposed on a side surface of the processing chamber 101.
  • a localized standing wave distribution in which a strong electric field is generated on the left side of the processing chamber 101 occurs.
  • the object to be heated placed on the left side of the processing chamber 101 is heated more strongly.
  • the synergistic effect of the two resonating units 150 may provide an effect more than that of FIG. 8B.
  • a dielectric substrate may be used for a device that requires a small energy microwave for a chemical reaction treatment or the like, and a device that requires a large energy microwave for heating a food or the like. In that case, another method may be used.
  • the second effect described with reference to FIGS. 6A to 6C is that the central patch resonator among the three patch resonators is floating from the ground, and the strong electric field generated due to its potential being uncertain is reduced. Weakening by the opposite electric fields generated by the three patch resonators.
  • the standing wave distribution can be arbitrarily controlled only by the on / off control of the switch without controlling the frequency or using all the resonating units of the same size.
  • the present disclosure can be applied to a microwave processing apparatus that performs a heat treatment, a chemical reaction treatment, or the like of food or the like.
  • REFERENCE SIGNS LIST 100 microwave processing apparatus 101 processing chamber 102 waveguide 103 feeding unit 104 microwave generation unit 105 control unit 106, 130, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150 resonance unit 106a Patch resonators 106b, 130b Dielectric 106c Square conductor 107 Mounting plate 108, 109 Heated object 110 Microwave 130a Circular patch resonator 130c Circular conductor 151, 152, 153, 154, 155 Patch resonator 160 Microwave supply unit

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Abstract

マイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する処理室と、処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部とを備える。共振部は、処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する。本態様によれば、処理室内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。

Description

マイクロ波処理装置
　本開示はマイクロ波処理装置に関する。
　マイクロ波処理装置の代表例である電子レンジは、マグネトロンにより放射されたマイクロ波を金属壁面で囲まれた処理室内に供給し、処理室内に載置された食品などの被加熱物を誘電加熱する。
　マイクロ波は、処理室の壁面で反射を繰り返す。金属壁面で反射した反射波の位相は、金属壁面への入射波に対して１８０度変化する。金属壁面に垂直な線を基準線とすると、基準線と入射波の間の角度である入射角は、反射波と基準線の間の角度である反射角と同じである。
　処理室の大きさは、通常、マイクロ波の波長（約１２０ｍｍ）より充分大きい。そのため、金属壁面で生じる入射波と反射波との振る舞いによって、処理室内に定在波が生じる。定在波は、常に電界が強い場所に現れる腹と、常に電界が弱い場所に現れる節とを有する。
　被加熱物が定在波の腹が現れる場所に載置されると、被加熱物は強く加熱され、被加熱物が定在波の節が現れる場所に載置されると、被加熱物はあまり加熱されない。これが、電子レンジにおいて加熱むらが生じる主な原因である。
　このような定在波による加熱むらを抑制し、均一加熱を促進するための方法には、テーブルを回転させて被加熱物を回転させるターンテーブル方式と、マイクロ波を放射するアンテナを回転させる回転アンテナ方式とがある。
　均一加熱とは反対の局所加熱を積極的に利用しようとする技術もある（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の装置は、ＧａＮ半導体素子で構成された複数のマイクロ波発生装置を備え、マイクロ波発生装置の出力を種々の場所から処理室に供給する。供給される二つのマイクロ波に位相差を設けることで、被加熱物にマイクロ波を集中させて局所加熱を実現する。
国立研究開発法人　新エネルギー・産業技術総合開発機構ほか　「ＧａＮ増幅器モジュールを加熱源とする産業用マイクロ波加熱装置を開発」２０１６年１月２５日
　しかしながら、上記従来のマイクロ波処理装置では、複数箇所から処理室にマイクロ波を供給する必要があるため、装置が複雑化し大型化する。
　複数の被加熱物を同時に加熱する場合、一方の被加熱物にマイクロ波を集中させようとしても、その被加熱物がすべてのマイクロ波を吸収することはない。その被加熱物に吸収されなかったマイクロ波は、他方の被加熱物に入射する。このため、複数の被加熱物に対して、望み通りに局所加熱を行うことは難しい。
　本開示は、処理室内の定在波分布を制御することで、複数の被加熱物のそれぞれを望み通りに加熱することができるマイクロ波処理装置を提供することを目的とする。
　本開示の一態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する処理室と、処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部とを備える。共振部は、処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する。
　本態様のマイクロ波処理装置は、処理室内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。その結果、本態様のマイクロ波処理装置は、例えば、複数の被加熱物を同時加熱する場合、各被加熱物が吸収するマイクロ波エネルギーを調整することできる。
図１は、本開示の実施の形態１に係るマイクロ波処理装置の構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１における共振部の構成を示す平面図である。 図３Ａは、共振部により生じる反射位相の周波数特性を示す図である。 図３Ｂは、共振部により生じる反射位相の周波数特性を示す図である。 図４Ａは、導波管に生じる電界を説明するための導波管の斜視図である。 図４Ｂは、導波管に生じる電界を説明するための導波管の断面図である。 図４Ｃは、導波管開口から放射される電界を説明するための導波管の斜視図である。 図５は、処理室内の電界、および、パッチ面上の電流ベクトルの特性を示す図である。 図６Ａは、３個の方形パッチ共振器を配置する理由を説明するための図である。 図６Ｂは、３個の方形パッチ共振器を配置する理由を説明するための図である。 図６Ｃは、３個の方形パッチ共振器を配置する理由を説明するための図である。 図７は、二つの被加熱物が収容された状態における、実施の形態１のマイクロ波処理装置の断面図である。 図８Ａは、共振部が設けられない場合における処理室内の電界分布を示す図である。 図８Ｂは、共振部が設けられた場合における処理室内の電界分布を示す図である。 図９は、本開示の実施の形態２に係る共振部の構成を示す平面図である。 図１０Ａは、処理室の金属壁面における共振部と給電部との配置の一例を示す図である。 図１０Ｂは、処理室の金属壁面における共振部と給電部との配置の他の例を示す図である。 図１１は、本開示の実施の形態３に係る共振部の構成を示す平面図である。 図１２Ａは、実施の形態３に係るマイクロ波処理装置の構成を示す断面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ－１２Ｂ線に沿った横断面図である。 図１３Ａは、実施の形態３に係るマイクロ波処理装置の他の構成を示す縦断面図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの１３Ｂ－１３Ｂ線に沿った横断面図である。 図１４は、本開示の実施の形態４に係るマイクロ波処理装置の構成を示す斜視図である。 図１５は、図１４に示す共振部の特性を示す図である。 図１６は、本開示の実施の形態５に係るマイクロ波処理装置の構成を示す断面図である。
　本開示の第１の態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する処理室と、処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部とを備える。共振部は、処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する。
　本開示の第２の態様のマイクロ波処理装置において、第１の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、縦方向および横方向の各方向に少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置される。
　本開示の第３の態様のマイクロ波処理装置において、第２の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、十字状に配置された少なくとも５個の方形パッチ共振器を含む。
　本開示の第４の態様のマイクロ波処理装置において、第１の態様に加えて、複数のパッチ共振器は、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に少なくとも３個のパッチ共振器が放射状に並ぶように配置される。
　本開示の第５の態様のマイクロ波処理装置において、第４の態様に加えて、パッチ共振器は円形パッチ共振器である。
　本開示の第６の態様のマイクロ波処理装置において、マイクロ波供給部は、マイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部の発振周波数を制御する制御部とを備える。共振部は、共振周波数の異なる複数の共振部を有する。制御部は、発振周波数を制御することで、複数の共振部のうちの共振する共振部を切り替える。
　本開示の第７の態様のマイクロ波処理装置において、第６の態様に加えて、共振部は複数の共振部を有する。複数の共振部のそれぞれは、処理室を構成する一つの金属壁面上の分割された複数の領域のそれぞれに設けられる。複数の共振部は、互いに異なる共振周波数を有する。
　本開示の第８の態様のマイクロ波処理装置において、第６の態様に加えて、複数の共振部のぞれぞれは、複数の共振部の配置の順序に応じた共振周波数を有する。
　本開示の第９の態様のマイクロ波処理装置において、第８の態様に加えて、複数の共振部のそれぞれは、複数の共振部の配置の順序に応じた長さの導体を有する。
　以下、本開示のマイクロ波処理装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。本実施の形態のマイクロ波処理装置は電子レンジである。しかし、本開示のマイクロ波処理装置は、電子レンジに限定されるものではなく、誘電加熱を利用した加熱処理装置、化学反応処理装置、半導体製造装置などを含む。
　（実施の形態１）
　図１～図８Ｂを参照して、本開示の実施の形態１を説明する。図１は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００の斜視図である。
　図１に示すように、マイクロ波処理装置１００は、金属壁面で囲まれた処理室１０１、処理室１０１にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部１６０を備える。マイクロ波供給部１６０は、導波管１０２、給電部１０３、マイクロ波発生部１０４、および、制御部１０５を含む。
　導波管１０２は、矩形形状の断面を有し、ＴＥ１０モードでマイクロ波を伝送する。給電部１０３は、導波管１０２と処理室１０１との接続部分に形成された導波管開口である。導波管開口の中心は、図１における処理室１０１の左右方向の中心線Ｌ１と前後方向の中心線Ｌ２との交点に位置する。導波管開口は、二つの辺が中心線Ｌ１、Ｌ２に平行な矩形形状を有する。
　制御部１０５は、加熱処理に関する情報を受け取り、その情報に応じた出力および周波数の電力を発生させるようにマイクロ波発生部１０４を制御する。
　処理室１０１内において、給電部１０３に対向する天井面に共振部１０６が配置される。図２は、共振部１０６の構成を示す平面図である。図２に示すように、共振部１０６は、３×１のマトリクス状に配列された３個の方形パッチ共振器１０６ａを含む。
　方形パッチ共振器１０６ａは、誘電体１０６ｂと方形導体１０６ｃとを有する。方形パッチ共振器１０６ａは、マイクロ波発生部１０４から発生されるマイクロ波の周波数帯域である２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚの間に共振周波数を有する。
　図３Ａ、図３Ｂは、方形パッチ共振器により生じる反射位相の周波数特性を示す図である。図３Ａの縦軸は反射位相を表し、図３Ｂの縦軸は反射位相の絶対値を表す。
　図３Ａに示すように、方形パッチ共振器１０６ａの方形導体１０６ｃの側から見た時の反射係数の位相（以下、反射位相と呼ぶ）は、２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚの周波数帯域においてほぼ＋１８０度からほぼ－１８０度に変化する。図３Ａに示す特性では、方形パッチ共振器１０６ａの共振周波数は２．４５ＧＨｚに設定される。
　図３Ｂは、図３Ａの縦軸を絶対値で表したものである。図３Ｂに示すように、ほとんどの周波数では反射位相は１８０度であるが、２．４５ＧＨｚ近傍では反射位相は０度まで低下する。方形導体１０６ｃの長さを方形導体１０６ｃを流れる電流の波長の半分程度に設定すると、共振が発生する。
　例えば、一般的な電子レンジで用いられる２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長は、誘電率が１の空気中において約１２０ｍｍである。このため、誘電体１０６ｂが、比誘電率が１に近い、例えば発泡スチロールである場合、方形導体１０６ｃの長さを６０ｍｍ程度に設定すればよい。方形導体１０６ｃの長さが例えば５３ｍｍでも、共振が発生する。
　誘電体１０６ｂに汎用的な基板材料や樹脂材料を選ぶと、比誘電率が１よりも大きくなり（２～５程度）、比誘電率が高いとマイクロ波の波長は短くなる傾向がある。このため、方形導体１０６ｃを短くすることができる。
　なお、共振部１０６の方形導体１０６ｃを有するパッチ面の反対側の面は、処理室１０１の金属壁面と同電位を有する。
　ここで、給電部１０３から放射されるマイクロ波の電界の向きについて図４Ａ～図４Ｃを参照して説明する。
　図４Ａ～図４Ｃは、導波管に生じる電界を説明するための図である。図４Ａは、導波管の斜視図である。図４Ｂは、開口の正面から見た導波管の断面図である。図４Ｃは、導波管開口から放射される電界を説明するための図である。
　マイクロ波は、導波管１０２により図４Ａに示すＺ軸の正方向に伝送され、給電部１０３から放射される。導波管１０２の幅ａを、マイクロ波の波長λの１／２からマイクロ波の波長λの間に設定し、導波管１０２の高さｂを、マイクロ波の波長λの１／２に設定すると、導波管１０２はＴＥ１０モードでマイクロ波を伝送する。
　図４Ｂに示すように、ＴＥ１０モードにおいて、高さ方向に矢線Ｅ１で表される電界が生じ、幅方向に矢線Ｈ１で表される磁界が生じる。電界は、導波管１０２内の幅方向における中央で最大となり、導波管１０２内の両端で０となる。このため、電界強度分布は、破線Ｅ２のように示される。
　図４Ｃに示すように、ＴＥ１０モードにおいて、給電部１０３からＺ軸の正方向に電界が放射される。この電界のベクトル成分は、矢線Ｅ１と同じくＹ方向（すなわち、導波管の高さ方向）にのみ振動し、時間とともにＺ方向に伝送される。このため、電界は、破線Ｅ３のように伝送される。
　導波管１０２から放射された後も、電界ベクトルは主にＹ方向にのみ振動する。この電界ベクトルの振動方向を偏波と呼び、振動方向と伝送方向とで形成される面（この場合、ＹＺ面）を偏波面と呼ぶ。
　一般的に、ＴＥ１０モードで伝送する導波管において、偏波面は、導波管の高さ方向（Ｙ方向）と伝送方向（Ｚ方向）で形成される面（ＹＺ面）となる。図１においても同様に、導波管１０２から給電部１０３を介して処理室１０１に放射されるマイクロ波は、振動方向（図１の一点鎖線Ｌ１の方向）と伝送方向（図１の上方向）とで形成される、破線Ｅ４で示される偏波面を有する。
　処理室１０１内では、マイクロ波は金属壁面で反射を繰り返しながら、処理室１０１内の被加熱物に吸収される。処理室１０１内の電界成分は、主に偏波面に平行な向きに生じ、他の向き（例えば、図１のＬ２方向成分）にはほとんど生じない。
　本実施の形態においては、図１に示すように、３個の方形パッチ共振器１０６ａが破線Ｅ４で示される偏波面に沿って並ぶように、共振部１０６が配置される。
　図５は、方形パッチ共振器１０６ａの個数と位置とを変えた場合の、処理室１０１内の電界、および、方形パッチ共振器１０６ａのパッチ面上の電流ベクトルの特性を示す図である。図５は、上から順に、解析モデル、観測面Ｏ１上の電界、観測面Ｏ２上の電界、方形パッチ共振器１０６ａのパッチ面上の電流ベクトルを記載する。
　図５の上段に示す解析モデルは、図１と同じように処理室１０１に導波管１０２が接続された構成を有する。ただし、この解析モデルは、図１の場合とは上下が逆である。
　観測面Ｏ１は、処理室１０１の前後方向の中央における断面、すなわち、図１の一点鎖線Ｌ２に沿った断面であり、図１の破線Ｅ４で示される偏波面と直交する。観測面Ｏ２は、処理室１０１の左寄りに位置して観測面Ｏ１と直交し、図１の一点鎖線Ｌ１と、破線Ｅ４で示される偏波面とに平行である。
　図５の中ほどの２段には、観測面Ｏ１上の電界、観測面Ｏ２上の電界が等電界強度線図で示される。図５の最下段には、方形パッチ共振器１０６ａのパッチ面上の電流ベクトルが示される。方形パッチ共振器１０６ａの位置は解析モデルによって異なるので、パッチ面上の電流ベクトルは、方形パッチ共振器１０６ａの配置に対応する位置（奥、中央、手前）に記載される。図中の二等辺三角形は電流ベクトルの向きを示す。
　図５に示すように、４種類の解析を行った。解析Ａでは、方形パッチ共振器１０６ａは使用されない。解析Ｂでは、１個の方形パッチ共振器１０６ａが前後方向の中央に配置される。解析Ｃでは、２個の方形パッチ共振器１０６ａが奥と手前とに一つずつ配置される。解析Ｄでは、３個の方形パッチ共振器１０６ａが奥と中央と手前とに配置される。
　ここで、観測面Ｏ２をどの程度左寄りに配置するかについて説明する。まず、解析Ａにおける観測面Ｏ１上の電界分布を参照して、解析モデルの処理室１０１の下面において定在波の腹が生じる位置が選択される。図５では、位置１１１が選択される。
　観測面Ｏ１上の位置１１１を通り観測面Ｏ１に直交する面が、観測面Ｏ２に設定される。このときの観測面Ｏ２上の電界分布を参照すると、観測面Ｏ１と観測面Ｏ２との交わる部分の位置１１２に、定在波の腹が生じている。
　次に、観測面Ｏ１上の電界と観測面Ｏ２上の電界とに着目し、解析Ｂ、Ｃ、Ｄにおける解析Ａからの変化を調べることで、方形パッチ共振器１０６ａの効果を考察する。
　解析Ａでは、観測面Ｏ１、観測面Ｏ２とも電界分布が左右対称である。位置１１１の電界は強く、位置１１３、位置１１４の電界は弱く、位置１１２上の電界は、位置１１１、位置１１３の電界の中間くらいである。
　解析Ｂでは、位置１１１、位置１１２上の電界は弱い。特に観測面Ｏ２の位置１１２には、定在波の節が生じている。観測面Ｏ１における電界の左右対称性は崩れている。
　解析Ｂでは、１個の方形パッチ共振器１０６ａが観測面Ｏ２の前後方向の中央に配置される。すなわち、解析Ｂでは、１個の方形パッチ共振器１０６ａが、解析Ａにおける定在波の腹の位置に配置される。解析Ｂの結果は、定在波の腹の位置に配置された方形パッチ共振器１０６ａが、定在波の腹を節に変化させたことを示している。
　図３Ａ、図３Ｂの特性によれば、２．４５ＧＨｚの周波数に対する方形パッチ共振器１０６ａの反射位相は略０度である。これは、パッチ面への入射波とパッチ面からの反射波との位相差が略０度であることを意味する。通常の金属壁面における入射波と反射波との位相差は１８０度であることを勘案すると、共振部１０６の近傍で、通常とは異なる定在波分布が形成されたことが分かる。
　反射位相が略０度であれば、インピーダンスは無限大となる。このため、パッチ面を流れる高周波電流は抑制され、マイクロ波は共振部１０６から遠ざかる。これが、共振部１０６近傍の電界が弱まる原因である。この影響により、観測面Ｏ１の左右対称性が崩れると推測される。この効果を第一の効果と呼ぶ。
　解析Ｃでは、解析Ａの場合と同様に、位置１１１、位置１１２の電界は強い。方形パッチ共振器１０６ａが配置された位置１１３、１１４では、電界は弱い。解析Ａでは、位置１１３、１１４には定在波の節が生じている。すなわち、解析Ｃの結果は、電界が弱い定在波の節に配置された方形パッチ共振器１０６ａは、あまり定在波分布に影響を与えないことを示している。
　解析Ｄでは、位置１１１、位置１１２の電界が弱く、領域１１５に強い電界が生じている。観測面Ｏ１の左右対称性は崩れている。解析Ｄの結果は、解析Ｂの効果と解析Ｃの効果が合算されたことを示していると思われる。しかし、それだけではなく、領域１１５に強い電界が生じている。これは、３個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されたことの特有の効果である。
　考察のヒントとして、解析Ｄにおいて図５の最下段に示すパッチ面上の電流ベクトルについて考える。３個の電流ベクトルを比較すると、電流ベクトル１１６と電流ベクトル１１７とにおいては図５の下向きのベクトルが多いのに対し、電流ベクトル１１８においては図５の上向きのベクトルが多い。これを参考にして、３個の方形パッチ共振器１０６ａの配置の効果に関する仮説について、図６Ａ～図６Ｃを参照して説明する。
　図６Ａ～図６Ｃは、３個の方形パッチ共振器１０６ａを配置する理由を説明するための図である。図６Ａは、２個の方形パッチ共振器を離間させて強い電界中に配置した場合の電界を説明するための図である。図６Ｂは、３個の方形パッチ共振器を配置したときに生じる逆向きの電界を説明するための図である。図６Ｃは、図６Ｂにおいて強い電界が弱い電界になることを説明するための図である。
　図６Ａにおける二つの方形パッチ共振器１０６ａは、図５中の解析Ｂに示す２個の方形パッチ共振器１０６ａに対応する。図６Ａに示すように、強い電界１１９により同じ向きの電流ベクトル１１６、１１７が生じ、２個の方形パッチ共振器１０６ａの間に互いに逆向きの電界１２０、１２１が発生する。
　図６Ｂに示すように、図６Ａにおける２個の方形パッチ共振器１０６ａの間に、もう１個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されると、電界１２０と同じ向きの誘導電界１２２と、電界１２１と同じ向きの誘導電界１２３とが励起される。
　図６Ｃに示すように、誘導電界１２２、１２３により、中央に配置された方形パッチ共振器１０６ａには逆向きの電流ベクトル１１８が発生する。これにより、強い電界１１９を打ち消す逆向きの電界１２４が生じる。その結果、強い電界を、３個の方形パッチ共振器１０６ａで生じさせた逆向きの電界で弱めることができる。
　このように、上記仮説では、中央に配置された方形パッチ共振器１０６ａに発生する電流ベクトル１１８は、それぞれ奥および手前に配置された方形パッチ共振器１０６ａに発生する電流ベクトル１１６、１１７と逆向きである。この結果は、図５の解析Ｄと一致する。この効果を第二の効果と呼ぶ。第二の効果は、３個の方形パッチ共振器１０６ａを配置することによる、上記第一の効果とは別の効果と考えられる。
　従って、図５の解析Ｂは、定在波の腹の位置に配置された１個の方形パッチ共振器１０６ａが電界を弱めるという第一の効果のみを示す。図５の解析Ｄは、３個の方形パッチ共振器１０６ａが電界を弱めるという第二の効果が、第一の効果に合算されることを示す。
　従って、解析Ｄは、解析Ｂに比べて方形パッチ共振器１０６ａの近傍の場所の電界をより一層弱めるという効果を示す。その結果、方形パッチ共振器１０６ａから離れた場所の電界が相対的に強められ、領域１１５に強い電界が生じたと考えられる。
　第二の効果は、方形パッチ共振器１０６ａが定在波の腹の位置に配置されると電界が弱まる一方、方形パッチ共振器１０６ａが定在波の節の位置に配置されても定在波は変化しないことである。
　なぜならば、方形パッチ共振器１０６ａが定在波の節の位置に配置されると、奥と手前との方形パッチ共振器１０６ａに逆向きの電流が流れ、２個の方形パッチ共振器１０６ａの間に同じ向きの電界が発生し、中央の共振部が配置されても上述のような誘導電界や逆向きの電流が生じないからである。
　以下、処理室１０１に二つの被加熱物を収容する場合について説明する。図７は、二つの被加熱物が収容された状態における、マイクロ波処理装置１００の断面図である。
　図７に示すように、処理室１０１は、給電部１０３の上方に配置された載置板１０７を有する。載置板１０７は、低誘電損失材料で構成される。載置板１０７には、被加熱物１０８、１０９が配置される。この状態において、マイクロ波発生部１０４がマイクロ波１１０を供給する。
　図８Ａ、図８Ｂは、図７に示す処理室１０１内の電界分布を示す図である。図８Ａは、共振部１０６が設けられない場合の電界分布を示し、図８Ｂは、共振部１０６が処理室１０１の右側の天井面に設けられた場合の電界分布を示す。
　図８Ａに示すように、共振部１０６が設けられない場合、処理室１０１内にはほぼ左右対称の電界分布が生じ、より均一な定在波分布が現れる。
　一方、図８Ｂに示すように、共振部１０６が処理室１０１の右側の天井面に設けられると、処理室１０１の右側に弱い電界が生じ、処理室１０１の左側に強い電界が生じる偏在した定在波分布が現れる。この場合、被加熱物１０８に吸収される電力は、被加熱物１０９のそれに対して約２．７倍多くなった。
　以上のように、本実施の形態のマイクロ波処理装置１００は、金属壁面で囲まれた処理室１０１と、処理室１０１にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部１６０と、マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有する共振部１０６とを備える。共振部１０６は、処理室１０１を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って配置された３個のパッチ共振器（方形パッチ共振器１０６ａ）を有する。
　本構成では、共振周波数の近傍の周波数を有するマイクロ波が処理室１０１に供給されると、共振部１０６の表面で、マイクロ波は略０度の位相差で反射される。一方、処理室１０１の金属壁面では、マイクロ波は１８０度の位相差で反射される。これにより、電界の向きが反転する。その結果、処理室１０１内に出現する定在波分布に何らかの変化が生じる。
　特に、偏波面の向きに沿って３個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されると、処理室１０１内に現れる定在波分布にどのような変化が生じるのかをより明確にすることができる。
　第一に、定在波の腹に３個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されると、両端の方形パッチ共振器１０６ａには、同じ方向の電界および電流が生じる。中央の方形パッチ共振器１０６ａには、両端の方形パッチ共振器１０６ａとは逆の方向の電界および電流が生じる。この逆向きの電界が強い電界を打ち消すように作用して、定在波の腹が節に変化する。
　第二に、定在波の節に３個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されると、定在波は変化しない。すなわち、偏波面の向きに沿って３個の方形パッチ共振器１０６ａが配置されると、方形パッチ共振器１０６ａが配置された場所が定在波の腹の位置であるか、節の位置であるかに関わらず、常にその場所に定在波の節が生じる。
　この効果により、処理室１０１内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。従って、例えば、複数の被加熱物を同時加熱する場合、それぞれの被加熱物に所望のマイクロ波エネルギーを吸収させることができる。
　例えば、一方の被加熱物が載置された場所に定在波の節が生じるように制御することで、一方の被加熱物が、他方の被加熱物よりもマイクロ波エネルギーを吸収しないように制御することができる。
　本実施の形態では、共振部１０６は、扁平な方形パッチ共振器１０６ａを含む。これにより、処理室１０１の内部の有効容積をほとんど損なうことなく、共振部１０６を配置することができる。
　方形パッチ共振器１０６ａは、パッチ面が処理室１０１の内側を向き、パッチ面と反対側の面が処理室１０１の金属壁面と同電位を有するように配置される。この構成により、処理室１０１の内部の有効容積を十分に確保することができる。
　３個の方形パッチ共振器１０６ａが、処理室１０１を構成する金属壁面の一つに配置される。これにより、共振部１０６による定在波分布の変化を容易に予測することができる。その結果、被加熱物を所望のように加熱することができる。
　本実施の形態では、給電部１０３が配置された処理室１０１の金属壁面に対向する処理室１０１の金属壁面に、共振部１０６が配置される。これにより、マイクロ波エネルギー分布を給電部１０３の近傍に集中させることができる。その結果、給電部１０３からのマイクロ波エネルギーとともに、被加熱物を効率よく加熱することができる。
　マイクロ波供給部１６０は、マイクロ波発生部１０４と、マイクロ波発生部１０４の発振周波数および出力を制御する制御部１０５とを備える。これにより、複数の被加熱物を同時に加熱することができる。
　共振部１０６が、４個以上の方形パッチ共振器１０６ａを含んでもよい。この場合、４個以上のパッチ共振器のうちの隣接する３個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に３個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
　このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた３個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の３個のパッチ共振器の組合せが、上述の共振部１０６と同様に機能する可能性がある。
　（実施の形態２）
　図９～図１０Ｂを参照して、本開示の実施の形態２を説明する。本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００は、共振部１０６以外は基本的に実施の形態１と同じ構成を有する。
　図９は、本実施の形態における共振部１０６の構成を示す図である。図９に示すように、共振部１０６は、正方形形状の方形導体１０６ｃを有する。方形導体１０６ｃが３×３のマトリクス状に分割された９個の領域を有すると考えると、中央の行および中央の列に含まれる５個の領域のそれぞれに、誘電体１０６ｂが設けられる。
　すなわち、中央の行には、３個の方形パッチ共振器１０６ａが横方向に並べられ、中央の列には、３個の方形パッチ共振器１０６ａが縦方向に並べられる。本実施の形態の共振部１０６は、十字状に配置された５個の方形パッチ共振器１０６ａを有する。
　図１０Ａ、図１０Ｂは、処理室１０１の一つの金属壁面（例えば、天井面）における共振部１０６と給電部１０３との配置の例を示す図である。
　図１０Ａに示す構成では、給電部１０３が横長の導波管開口を有する。このため、電界Ｅ１の振動方向は縦方向（図１０Ａにおける上下方向）となり、偏波面は縦方向となる。
　このため、本構成では、十字状に配置された５個の方形パッチ共振器１０６ａのうち、縦方向に配置された３個の方形パッチ共振器１０６ａが、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する。
　図１０Ｂに示す構成では、給電部１０３が縦長の導波管開口を有する。このため、電界Ｅ１の振動方向は横方向（図１０Ａにおける左右方向）となり、偏波面は横方向となる。
　このため、本構成では、十字状に配置された５個の方形パッチ共振器１０６ａのうち、横方向に配置された３個の方形パッチ共振器１０６ａが、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する。なお、本実施の形態では、縦方向、横方向はそれぞれ、図１における処理室１０１の前後方向、左右方向に相当する。
　電子レンジの場合、一般的に、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、処理室１０１は横長の直方体形状であり、給電部１０３は処理室１０１の外形に平行に配置される。しかし、図１０Ａに示す構成、図１０Ｂに示す構成のどちらを選ぶかは設計次第である。従って、共振部１０６が図９に示す構成を有すれば、共振部１０６は、図１０Ａに示す構成、図１０Ｂに示す構成のどちらにおいても、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する。
　以上のように、本実施の形態において、共振部１０６は、十字状に配置された５個のパッチ共振器（方形パッチ共振器１０６ａ）を有する。本構成により、縦方向の偏波面、横方向の偏波面のいずれの対しても、定在波の腹を節に変化させることができる。本実施の形態によれば、処理室１０１内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。
　本実施の形態では、共振部１０６は、十字状に配置された５個の方形パッチ共振器１０６ａを有する。すなわち、共振部１０６は、縦方向および横方向に３個のパッチ共振器が並ぶように配置された、合計５個のパッチ共振器を有する。この構成により、実施の形態１の共振部１０６を縦方向と横方向とにそれぞれ一つずつ設ける場合に比べて、必要な方形パッチ共振器１０６ａの個数を減らすことができる。
　共振部１０６において、縦方向および横方向に、４個以上の方形パッチ共振器１０６ａが配置されてもよい。この場合、４個以上のパッチ共振器のうちの隣接する３個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に３個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
　このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた３個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の３個のパッチ共振器の組合せが、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する可能性がある。
　（実施の形態３）
　図１１～図１３Ｂを参照して、本開示の実施の形態３を説明する。図１１は、本実施の形態に係る共振部１３０の構成を示す平面図である。
　図１１に示すように、共振部１３０は、円形の誘電体１３０ｂ上に配置された９個の円形導体１３０ｃを有する。９個の円形導体１３０ｃのうち、１個の円形導体１３０ｃが中央に配置され、８個の円形導体１３０ｃが、中央の円形導体１３０ｃを中心とした円周上に等間隔に配置される。すなわち、この構成では、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、３個の円形パッチ共振器１３０ａが並ぶ。
　本実施の形態では、縦方向、横方向はそれぞれ、図１における処理室１０１の前後方向、左右方向に相当する。斜め方向は、縦方向、横方向の両方に対して４５度をなす方向である。
　円形導体１３０ｃの直径を、円形導体１３０ｃ上を流れる電流の波長の半分程度の長さに設定すると、共振を発生させることができる。２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長は、誘電率が１の空気中において約１２０ｍｍである。このため、誘電体１３０ｂの比誘電率が１に近い、例えば発泡スチロールである場合、円形導体１３０ｃの直径を６０ｍｍ程度に設定すればよい。
　本実施の形態では、比誘電率が３．５、ｔａｎδが０．００４、厚さが０．６ｍｍ程度の基板を誘電体１３０ｂとして用い、円形導体１３０ｃを基板上の銅箔のパターンで形成する。この構成により、共振部１３０の直径を３８ｍｍまで小さくすることができた。
　図１２Ａは、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００の構成を示す縦断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ－１２Ｂ線に沿った横断面図である。
　本実施の形態では、導波管１０２から直接マイクロ波が処理室１０１に放射されるのではなく、放射アンテナ１３１を介して処理室１０１にマイクロ波が放射される。
　図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、放射アンテナ１３１は、導波管１０２に結合する結合軸１３２と放射部１３３とを有する。放射部１３３は、三つの壁面（壁面１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ）と、壁面の周囲に設けられたフランジ１３５と、天井面１３６と、前方開口１３７とを有する。
　放射アンテナ１３１は、壁面１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃと天井面１３６とにより形成される導波管構造を有し、前方開口１３７から矢線１３８の方向にマイクロ波を放射する。その結果、本実施の形態のマイクロ波処理装置１００は、矢線１３８を含み図１２Ｂの紙面に垂直な偏波面を有する。
　モータ１３９は結合軸１３２に係合し、制御部１０５による指示に応じて結合軸１３２を回転させる。結合軸１３２の回転に伴って放射部１３３が回転すると、前方開口１３７から放射されるマイクロ波の向き、および、偏波面も回転する。
　このように、回転する放射アンテナ１３１を備えた構成では、偏波面は、縦方向、横方向だけでなく種々の方向を有する。このため、図１１に示す構成の共振部１３０は、図１２Ａ、図１２Ｂに示す構成において生じる偏波面に対して効果を発揮することができる。
　図１３Ａは、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００の他の構成を示す縦断面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの１３Ｂ－１３Ｂ線に沿った横断面図である。
　図１３Ｂに示すように、本構成では、放射アンテナ１３１は、天井面１３６に設けられたＸ字形状の円偏波開孔１４０を有し、円偏波開孔１４０から図１３Ａの上方向に円偏波のマイクロ波を放射する。
　実施の形態１、２において、導波管開口から放射されるマイクロ波は、単一の振動方向を有する電界を生成する。マイクロ波の伝送方向も単一であるので、この場合、単一の偏波面が生じる。このようなマイクロ波は、直線偏波のマイクロ波と呼ばれる。
　一方、円偏波のマイクロ波では、Ｘ字状の円偏波開孔１４０の交点を中心に電界自体が回転する。このため、偏波面は、縦方向、横方向だけでなく種々の方向を有する。図１１に示す構成の共振部１３０は、図１３Ａ、図１３Ｂに示す構成において生じる偏波面に対して効果を発揮することができる。
　以上のように、本実施の形態において、共振部１３０は、中央に配置された１個の円形パッチ共振器１３０ａと、当該１個の円形パッチ共振器１３０ａを中心とした円周上に等間隔に配置された８個の円形パッチ共振器１３０ａとを含む。この構成では、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、３個のパッチ共振器が並ぶ。
　この構成により、縦方向、横方向、斜め方向のいずれにも、共振部１３０が、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する。
　本実施の形態において、共振部１３０は、円形導体１３０ｃを含む円形パッチ共振器１３０ａにより構成される。パッチ共振器では、導体の長さによって共振が発生するかどうかが決まる。円形導体は、縦、横、斜めのいずれの方向に対しても同じ長さを有する。
　このため、共振部１３０を用いれば、縦、横、斜めのいずれの偏波面に対しても共振を発生させることができる。本実施の形態によれば、処理室１０１内の定在波分布、すなわち、マイクロ波エネルギー分布を制御することができる。
　本実施の形態の共振部１３０は、上記構成に限定されない。例えば、共振部１３０が、３×３のマトリクス状に配置された９個のパッチ共振器を有してもよい。すなわち、本実施の形態では、共振部１３０は、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に３個のパッチ共振器が放射状に並ぶように配置された、合計９個のパッチ共振器を有する。
　共振部１３０において、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に、４個以上の円形パッチ共振器１３０ａが配置されてもよい。この場合、４個以上のパッチ共振器のうちの隣接する３個のパッチ共振器の組合せによってその組合せの中心位置は異なる。これは、実質的に３個のパッチ共振器の組合せが複数存在することに相当する。
　このため、例えば定在波の腹の位置が想定からずれたとしても、想定していた３個のパッチ共振器の組合せとは異なる他の３個のパッチ共振器の組合せが、実施の形態１における共振部１０６と同様に機能する可能性がある。
　（実施の形態４）
　図１４、図１５を参照して、本開示の実施の形態４を説明する。図１４は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００の構成を示す斜視図である。図１５は、図１４に示す共振部の特性を示す図である。
　図１４に示すように、本実施の形態のマイクロ波処理装置１００は、処理室１０１の天井面に、３×３のマトリクス状に配置された９個の共振部（共振部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８、１４９）を有する。
　共振部１４１～１４９の各々は、方形の誘電体上に３×３のマトリクス状に配置された９個の円形導体を有する。この構成により、共振部１４１～１４９の各々には、９個のパッチ共振器が構成される。
　共振部１４１～１４９は同じ大きさの誘電体を有する。しかし、各共振部の円形パッチ共振器に含まれた円形導体の直径は、共振部１４１から共振部１４９の順に少しずつ大きくなる。この構成により、各共振部の共振周波数は、共振部１４１から共振部１４９の順に１０ＭＨｚずつ低下する。
　具体的には、図１５に示すように、共振部１４１～１４９の共振周波数は、それぞれ２．４９ＧＨｚ、２．４８ＧＨｚ、２．４７ＧＨｚ、２．４６ＧＨｚ、２．４５ＧＨｚ、２．４４ＧＨｚ、２．４３ＧＨｚ、２．４２ＧＨｚ、２．４１ＧＨｚである。反射位相の絶対値は、これらの共振周波数において０度となる。
　本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生する共振部を切り替えることができる。例えば、２．４９ＧＨｚの周波数のマイクロ波を供給すると、共振部１４１のみが共振する。これにより、共振部１４１が配置された左奥の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、左奥の領域の近傍の電界を弱めることができる。
　２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を供給すると、共振部１４５が配置された中央の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、中央の領域の電界を弱めることができる。
　２．４９ＧＨｚ、２．４６ＧＨｚ、２．４３ＧＨｚのマイクロ波を順番に時分割で供給すると、共振部１４１、１４４、１４７が配置された左側の領域の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。これにより、左側の領域の電界を弱めることができる。この場合、右側の領域の電界は強くなり、その結果、右側に配置された被加熱物１０９を強く加熱することができる。
　本実施の形態では、共振部１４１～１４９は円形パッチ共振器を有する。しかし、共振部１４１～１４９は方形パッチ共振器を有してもよい。共振部１４１～１４９が、実施の形態３における共振部１３０であってもよい。
　本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生する共振部を切り替えることができる。これにより、共振が発生する共振部の近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生する共振部の近傍の電界を弱めることができる。
　（実施の形態５）
　図１６を参照して、本開示の実施の形態５を説明する。図１６は、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置１００の構成を示す断面図である。
　図１６に示すように、本実施の形態のマイクロ波処理装置１００は、処理室１０１の天井面に配置された共振部１５０を有する。共振部１５０は、処理室１０１の天井に配置された誘電体上に、ピッチＰで配置された５個の導体を有する。この構成により、共振部１５０には、５個のパッチ共振器（パッチ共振器１５１、１５２、１５３、１５４、１５５）が構成される。
　５個のパッチ共振器の導体は、互いに異なる長さを有する。パッチ共振器１５１の導体は長さａ１、パッチ共振器１５２の導体は長さａ２、パッチ共振器１５３の導体は長さａ３、パッチ共振器１５４の導体は長さａ４、パッチ共振器１５５の導体は長さａ５である。長さａ１～ａ５にはａ１＞ａ２＞ａ３＞ａ４＞ａ５という関係がある。
　すなわち、パッチ共振器１５１～１５５のそれぞれは、パッチ共振器１５１～１５５の配置の順序に応じた長さの導体を有する。その結果、パッチ共振器１５１～１５５のそれぞれは、パッチ共振器１５１～１５５の配置の順序に応じた共振周波数を有する。
　これら５個のパッチ共振器のうちの隣接する３個のパッチ共振器の組合せには、左端の組合せ１６１と、中央の組合せ１６２と、右端の組合せ１６３とが含まれる。組合せ１６１は、パッチ共振器１５１、１５２、１５３からなる。組合せ１６２は、パッチ共振器１５２、１５３、１５４からなる。組合せ１６３は、パッチ共振器１５３、１５４、１５５からなる。
　これらの組合せに含まれたパッチ共振器の導体の長さの平均は、組合せ１６１から組合せ１６３の順に短くなる。従って、組合せ１６１に含まれた３個のパッチ共振器が周波数ｆ１で共振し、組合せ１６２に含まれた３個のパッチ共振器が周波数ｆ２で共振し、組合せ１６３に含まれた３個のパッチ共振器が周波数ｆ３で共振する場合、周波数ｆ１～ｆ３は、この順に高くなる。
　具体的には、パッチ共振器１５３の導体の長さは、一般的な電子レンジで使用されるマイクロ波の波長（実効長）の略１／２に設定される。これにより、周波数ｆ２を、このマイクロ波の周波数である２．４５ＧＨｚに設定することができる。
　パッチ共振器１５２の導体の長さは、パッチ共振器１５３のそれより少し長く、パッチ共振器１５１の導体の長さは、パッチ共振器１５２のそれより少し長い。パッチ共振器１５４の導体の長さは、パッチ共振器１５３のそれより少し短く、パッチ共振器１５５の導体の長さは、パッチ共振器１５４のそれより少し短い。
　すなわち、本実施の形態では、すべてのパッチ共振器の導体は、マイクロ波の波長（実効長）の略１／２を有する。しかし、配置の位置によって、各パッチ共振器の導体の長さはわずかに異なる。
　本実施の形態では、中央の組合せ１６２における端部に位置するパッチ共振器を、組合せ１６２に隣接する組合せ１６１、１６３と共有する。この構成により、９個のパッチ共振器を用いることなく５個のパッチ共振器を用いて、３個のパッチ共振器からなる３個の組合せを構成することができる。
　本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を周波数ｆ１～ｆ３のいずれかに設定することで、共振が発生するパッチ共振器の組合せを切り替えることができる。これにより、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍の電界を弱めることができる。
　本実施の形態では、３個のパッチ共振器からなる３個の組合せのそれぞれが１個の共振部に対応すると考えてもよい。すなわち、本実施の形態の共振部１５０は、３個の共振部を含むと考えてもよい。
　図１６に示すように、５個のパッチ共振器のパッチ面は、一つの基板材料の片面に施された銅箔で構成される。パッチ面と反対側の基板材料の面は、処理室１０１の天井面に接触する。このようにして、パッチ共振器１５１、１５２、１５３、１５４、１５５を、同一の片面基板上に配置させることができる。
　パッチ共振器１５１、１５２、１５３、１５４、１５５を両面基板で構成することも可能である。両面基板の一方の面にパッチ面を配置し、基板材料のパッチ面の反対側の面を処理室１０１の天井面に接触させると、反対側の面を処理室１０１の金属面と同電位とすることができる。
　本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数を制御することで、共振が発生するパッチ共振器の組合せを切り替えることができる。これにより、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍で、定在波の腹を節に変化させることができる。その結果、共振が発生するパッチ共振器の組合せの近傍の電界を弱めることができる。
　本実施の形態では、共振部１５０が、処理室１０１の天井面だけに配置される。しかし、共振部１５０が、処理室１０１の側面に配置されてもよい。例えば、処理室１０１の右側面に共振部１５０が配置されると、処理室１０１の左側に強い電界が生じる偏在した定在波分布が生じる。その結果、処理室１０１の左側に載置された被加熱物がより強く加熱される。
　天井面および右側面に２個の共振部１５０が一つずつ配置されると、２個の共振部１５０の相乗効果で図８Ｂの場合以上の効果が得られる可能性もある。
　共振部の誘電体として基板を採用すると、共振部を小型化することができる。しかし、出力されるマイクロ波のエネルギーが大きくなると、損失が発生して発熱したり、隣り合うパッチ間でスパークが発生したりする。従って、化学的反応処理などのための、小さなエネルギーのマイクロ波で十分な装置の場合は誘電体基板を用いてもよく、食品の加熱などのための、大きなエネルギーのマイクロ波が必要な装置の場合は別の方法でもよい。
　図６Ａ～図６Ｃを用いて説明した第二の効果は、３個のパッチ共振器のうちの中央のパッチ共振器がグラウンドから浮いており、その電位が不確定なために生じた強い電界を、３個のパッチ共振器により生成された逆向きの電界により弱めることである。
　図６Ａ～図６Ｃに示す構成のほか、中央のパッチ共振器とグラウンド面との間に、スイッチを配置し、切り替え制御を行う構成も考えられる。この場合、スイッチがオフされた場合、パッチ共振器はグラウンドから浮いているので第二の効果が生じる。しかし、スイッチがオンされた場合は、中央のパッチ共振器が接地されて第二の効果が生じない。
　さらに、スイッチを有効活用するために、すべてのパッチ共振器にスイッチを設ける構成も考えられる。この場合、通常はすべてのスイッチをオンさせることで、パッチ共振器を接地させて第二の効果を生じさせない。
　少なくとも３個のパッチ共振器のためのスイッチをオフさせて、パッチ共振器をグラウンドから浮かせると、第二の効果が生じ、その近傍の定在波の腹を節に変化させることができる。
　この方法によれば、周波数を制御しなくても、または、すべての同じサイズの共振部を用いても、スイッチのオンオフ制御だけにより、定在波分布を任意に制御することができる。
　本開示は、食品などの加熱処理や化学的反応処理などを行うマイクロ波処理装置に適用可能である。
　１００　マイクロ波処理装置
　１０１　処理室
　１０２　導波管
　１０３　給電部
　１０４　マイクロ波発生部
　１０５　制御部
　１０６、１３０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８、１４９、１５０　共振部
　１０６ａ　方形パッチ共振器
　１０６ｂ、１３０ｂ　誘電体
　１０６ｃ　方形導体
　１０７　載置板
　１０８、１０９　被加熱物
　１１０　マイクロ波
　１３０ａ　円形パッチ共振器
　１３０ｃ　円形導体
　１５１、１５２、１５３、１５４、１５５　パッチ共振器
　１６０　マイクロ波供給部

Claims (9)

  1. 　被加熱物を収容する処理室と、
    　前記処理室にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
    　前記マイクロ波の周波数帯域において共振周波数を有し、前記処理室を構成する金属壁面に生じる偏波面の向きに沿って少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置された複数のパッチ共振器を有する共振部と、
    を備える、マイクロ波処理装置。
  2. 　前記複数のパッチ共振器が、縦方向および横方向の各方向に前記少なくとも３個のパッチ共振器が並ぶように配置された、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
  3. 　前記複数のパッチ共振器が、十字状に配置された少なくとも５個の方形パッチ共振器を含む、請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
  4. 　前記複数のパッチ共振器が、縦方向、横方向、および、斜め方向の各方向に前記少なくとも３個のパッチ共振器が放射状に並ぶように配置された、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
  5. 　前記パッチ共振器が円形パッチ共振器である、請求項４に記載のマイクロ波処理装置。
  6. 　前記マイクロ波供給部が、マイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部の発振周波数を制御する制御部と、を備え、
    　前記共振部が、共振周波数の異なる複数の共振部を有し、
    　前記制御部が、前記発振周波数を制御することで、前記複数の共振部のうちの共振する前記共振部を切り替える、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
  7. 　前記共振部が複数の共振部を有し、前記複数の共振部のそれぞれが、前記処理室を構成する一つの前記金属壁面における分割された複数の領域のそれぞれに設けられ、前記複数の共振部が、互いに異なる共振周波数を有する、請求項６に記載のマイクロ波処理装置。
  8. 　前記複数の共振部のそれぞれが、前記複数の共振部の配置の順序に応じた共振周波数を有する、請求項６に記載のマイクロ波処理装置。
  9. 　前記複数の共振部のそれぞれが、前記複数の共振部の配置の順序に応じた長さの導体を有する、請求項８に記載のマイクロ波処理装置。
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