JP6375032B2 - マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置、マイクロ波加熱装置、および、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置、マイクロ波加熱装置、および、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法に関する。

被加熱物に熱処理を施すためのマイクロ波加熱装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。マイクロ波加熱装置は、たとえば、マグネトロンを有している。このマグネトロンから発射されたマイクロ波は、導波管などを通ってチャンバへ供給され、チャンバ内の被加熱物を加熱する。

チャンバ内で被加熱物に吸収されなかったマイクロ波の一部は、チャンバ内で反射し、マグネトロンへ戻るように進む。このマイクロ波は、マグネトロンの劣化の原因となるため、マグネトロンに到達しないようにされることが好ましい。なお、家庭用の電子レンジでは、コストの制約の問題から、マイクロ波がチャンバからマグネトロンに戻ることを抑制する構成を採用されていない場合がある。

一方、産業用のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波がチャンバからマグネトロンに戻ることを抑制するための構成を設けられる場合が多い。具体的には、産業用のマイクロ波加熱装置は、マグネトロンに加えて、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータを有している。

パワーモニタは、マグネトロンから発射されたマイクロ波の強さと、チャンバからマグネトロンに向けて反射するマイクロ波（反射マイクロ波）の強さとを表示する。作業員は、パワーモニタを見つつ、チューナのスタブを調整することで、反射マイクロ波を最小化させる。反射マイクロ波の強さは、マグネトロンからのマイクロ波の強さによって変動する。また、反射マイクロ波の強さは、温度変化に起因する被加熱物のマイクロ波吸収特性の変化によっても変化するため、被加熱物の熱処理中にも変化する。このため、反射マイクロ波が強い場合、アイソレータに含まれるダミーロードが、チャンバからのマイクロ波を吸収する。これにより、マグネトロンへのマイクロ波の反射を抑制し、マグネトロンの損傷を抑制している。

特開２００４−７１２６９号公報

マイクロ波加熱を用いた被加熱物の加熱処理の効率、および、温度制御などの精度を向上させるためには、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷を、マイクロ波加熱装置が把握する必要がある。この場合の負荷とは、被加熱物におけるマイクロ波の吸収特性をいう。しかしながら、一般的には、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷は、材料によって大きく異なるため、当該負荷の推定が困難である。また、マイクロ波加熱装置の分野においては、マイクロ波に関する被加熱物の負荷を推定する試みは、必ずしも活発ではない。なお、一般的には、物質のマイクロ波吸収特性は、物質の温度によって変動するため、物質の処理温度域全般に対して適切な加熱条件を求めることは、困難である。

前述したように、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータを有する産業用のマイクロ波加熱装置においては、作業員は、チューナのスタブを調整することで、反射マイクロ波を最小化させる。そして、この調整の後、作業員は、パワーモニタへの入射マイクロ波のパワーと反射マイクロ波のパワーとの差に基づいて、被加熱物に関する被加熱物の負荷を推定し得る。しかしながら、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータは、寸法が大きく、且つ、高価である。このため、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータの存在は、装置の小型化、および、製造コスト低減の観点からは、好ましくない。

本発明は、上記事情に鑑みることにより、より簡易な構成で、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷を推定することのできる、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置、マイクロ波加熱装置、および、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置は、被加熱物を収容したチャンバから漏洩するマイクロ波としての漏洩マイクロ波を検出するための、漏洩マイクロ波検出部と、前記チャンバ内に向けて発射されたマイクロ波としての供給マイクロ波の強さの変化と前記漏洩マイクロ波の強さの変化との関係を示す所定の関係に基づいて、マイクロ波加熱に関する前記被加熱物の負荷を推定する、負荷推定部と、を備えている。

なお、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷とは、被加熱物におけるマイクロ波の吸収特性をいう。換言すれば、当該負荷とは、マイクロ波加熱に関する被加熱物の加熱特性をいう。

この構成によると、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す所定の関係に基づいて、負荷推定部が、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷（以下、単に被加熱物の負荷ともいう）を推定する。このような構成であれば、負荷推定部は、供給マイクロ波の出力を、マイクロ波発生源の出力に基づいて容易に知ることができる。また、負荷推定部は、漏洩マイクロ波を、漏洩マイクロ波検出部を用いて容易に知ることができる。このような簡易な構成によって、負荷推定装置は、被加熱物の負荷を推定することができる。したがって、負荷推定装置は、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータなどの大型の装置を用いなくて済み、より簡易な構成で、被加熱物の負荷を推定できる。

（２）好ましくは、前記負荷推定部は、前記負荷として、前記被加熱物を所定の基準物質に置き換えた場合の前記基準物質の等価質量を推定する。

この構成によると、負荷推定部は、基準物質の等価質量を用いて被加熱物の負荷を推定する。これにより、負荷推定部は、被加熱物の材質にかかわらず、被加熱物の負荷の算出方法を統一することができる。その結果、たとえば、マイクロ波加熱時における被加熱物の加熱パターン（レシピ）の作成は、より容易となる。

（３）より好ましくは、前記基準物質は、水である。

この構成によると、負荷推定部は、被加熱物の負荷に対応する水の等価質量を推定することができる。水であれば、マイクロ波の吸収特性の把握が容易であるため、被加熱物の負荷の推定のための作業が、より容易となる。

（４）好ましくは、前記負荷推定部は、前記被加熱物に代えて前記基準物質が前記チャンバ内に配置されているときの前記供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す基準関係と、前記所定の関係と、に基づいて、前記等価質量を算出する。

この構成によると、負荷推定部は、基準関係と所定の関係との対比によって、等価質量を算出することができる。

（５）好ましくは、前記負荷推定部は、前記供給マイクロ波の強さの変化に対する前記漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点での、前記供給マイクロ波の強さから、前記負荷を算出する。
より好ましくは、前記所定の関係において前記供給マイクロ波の強さの変化に対する前記漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点での、前記供給マイクロ波の強さをＰｗと規定した場合で、且つ、前記基準関係において前記供給マイクロ波の強さの変化に対する前記漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点での、単位質量あたりの前記基準物質に与えられる前記供給マイクロ波の強さをＰＤ_Ｒと規定した場合、前記負荷推定部は、前記等価質量ＷｅをＷｅ＝Ｐｗ／ＰＤ_Ｒの式によって算出する。

この構成によると、被加熱物への供給マイクロ波の強さが変曲点での値を超えると、漏洩マイクロ波の強さは、急激に大きくなる。すなわち、被加熱物への供給マイクロ波の強さが変曲点での値を超えると、被加熱物で吸収されないマイクロ波が多くなり、その結果、チャンバからの漏洩マイクロ波が急激に大きくなる。この傾向は、基準物質がマイクロ波加熱される場合も同様である。このような傾向を利用することで、負荷推定部は、この変曲点を基準にして被加熱物の負荷を推定することができる。その結果、負荷推定部は、被加熱物の負荷容量を、より正確に推定できる。

（６）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容するためのチャンバと、前記チャンバ内の空間に向けて所定の供給マイクロ波を発射するためのマイクロ波発射部と、前記の負荷推定装置と、前記負荷推定部で推定された前記負荷に基づいて、前記マイクロ波発射部を制御する制御部と、を備えている。

この構成によると、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す所定の関係に基づいて、負荷推定部が、被加熱物の負荷を推定する。このような構成であれば、負荷推定部は、供給マイクロ波の出力を、マイクロ波発生源の出力に基づいて容易に知ることができる。また、負荷推定部は、漏洩マイクロ波を、漏洩マイクロ波検出部を用いて容易に知ることができる。このような簡易な構成によって、負荷推定装置は、被加熱物の負荷を推定することができる。したがって、負荷推定装置は、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータなどの大型の装置を用いなくて済み、より簡易な構成で、被加熱物の負荷を推定できる。

また、制御部は、負荷推定部で推定された負荷の値に基づいて、マイクロ波発射部を制御する。これにより、マイクロ波発射部は、被加熱物の負荷に合わせた態様で被加熱物に供給マイクロ波を供給することができる。これにより、マイクロ波発射部は、効率よく且つ精度良く、供給マイクロ波を被加熱物に供給することができる。その結果、マイクロ波加熱装置のエネルギーの消費効率、および、加熱処理の精度を、より高くできる。

（７）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法は、被加熱物を収容したチャンバから漏洩するマイクロ波としての漏洩マイクロ波を検出する、漏洩マイクロ波検出ステップと、前記チャンバ内に向けて発射されたマイクロ波としての供給マイクロ波の強さの変化と前記漏洩マイクロ波の強さの変化との関係を示す所定の関係に基づいて、マイクロ波加熱に関する前記被加熱物の負荷を推定する、負荷推定ステップと、を含んでいる。

この構成によると、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す所定の関係に基づいて、被加熱物の負荷が推定される。このような構成であれば、供給マイクロ波の出力は、マイクロ波発生源の出力に基づいて容易に知られる。また、漏洩マイクロ波は、漏洩マイクロ波検出ステップで容易に知られる。このような簡易な構成によって、被加熱物の負荷が推定される。したがって、被加熱物の負荷の推定に際して、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータなどの大型の装置を用いなくて済み、より簡易な構成で、被加熱物の負荷を推定できる。

本発明によると、より簡易な構成で、マイクロ波に関する被加熱物の負荷を推定することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱装置の正面図である。 マイクロ波加熱装置の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、主要部の断面図である。 供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を説明するための模式的なグラフである。 負荷推定装置、および、制御部における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置、マイクロ波加熱装置、および、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法として、広く適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱装置１の正面図である。図２は、マイクロ波加熱装置１の側面図である。図１および図２を参照して、マイクロ波加熱装置１は、マイクロ波によって被加熱物５０を加熱するために用いられる。被加熱物５０は、マイクロ波によって加熱される物体であればよく、材質は限定されない。

マイクロ波加熱装置１は、筐体２と、チャンバ３と、マグネトロン４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と、導波管５と、インバータ６と、制御箱７と、負荷推定装置８と、制御部９と、を有している。

筐体２は、たとえば、金属板を組み合わせて形成されている。本実施形態では、筐体２は、中空の四角柱状に形成されている。筐体２は、チャンバ３、マグネトロン４、導波管５、インバータ６、および、制御箱７を収容している。なお、図において、筐体２は、想像線である２点鎖線で示されている。

筐体２の正面には、扉１１，１２が設けられている。扉１１は、制御箱７を筐体２の外部に露呈させることが可能に構成されている。扉１２は、チャンバ３を筐体２の外部に露呈させることが可能に構成されている。また、扉１２に隣接する筐体２の側壁には、観測窓１３が取り付けられている。作業員は、この観測窓１３を通して筐体２の外部からチャンバ３を視認することができる。

チャンバ３は、被加熱物５０を収容するために設けられている。本実施形態では、チャンバ３は、上下方向における筐体２の中間部に配置されている。チャンバ３は、金属板などを用いて、マイクロ波を反射するように構成されている。チャンバ３は、中空の箱形形状に形成されている。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、主要部の断面図である。図１〜図３を参照して、チャンバ３は、４つの側壁１４，１５，１６，１７と、チョーク機構１８と、天壁１９と、底壁２０と、を有している。

側壁１４，１５，１６，１７は、全体として中空の四角柱状に形成されており、上下に延びている。側壁１４には、窓部２１が形成されている。

窓部２１は、作業員がチャンバ３の外部からチャンバ３の内部を視認するために設けられている。窓部２１は、側壁１４の一部の領域に設けられている。窓部２１は、側壁１４の略中央に配置されており、矩形状に形成されている。

窓部２１は、側壁１４の一部をパンチングメタルとすることで形成されている。窓部２１においては、周期構造（規則的に配置された構造）を持つ多数の微細な貫通孔が形成されていることにより、チャンバ３の内部の観察を可能にしながらも、チャンバ３内のマイクロ波が所定の基準値以上外部に漏洩しないように構成されている。上記の各貫通孔は、たとえば、丸孔形状に形成されている。なお、マイクロ波を検出するために用いられる、マイクロ波の漏洩量の許容値は、電波防護指針に示されている電磁波強度指針値以下であることは、いうまでもない。上記の電波防護方針とは、「電波利用における人体の防護方針」（諮問３８号、電気通信技術審議会、１９９０年６月）に開示されている。

扉１２には、λ／４チョーク機構１８（λはマイクロ波の波長）が設けられている。チョーク機構１８は、チャンバ３に供給されたマイクロ波が漏洩することを抑制するために設けられている。側壁１４，１５，１６，１７で囲まれた空間は、天壁１９によって上方から覆われている。

天壁１９は、たとえば、金属板の中央部を上向きに凸となるように押し上げた形状に形成されている。天壁１９の外周部は、側壁１４，１５，１６，１７の上端部に固定されている。天壁１９は、底壁２０と上下に向かい合っている。

底壁２０は、被加熱物５０が置かれる部分として設けられている。底壁２０は、略矩形の平板状に形成されている。底壁２０の外周部は、側壁１４，１５，１６，１７に接続されている。このように、底壁２０、側壁１４，１５，１６，１７、および、天壁１９で囲まれた空間が、被加熱物５０の加熱のための加熱用空間２８として規定されている。底壁２０には、複数の開口部２４，２５，２６，２７が形成されている。

開口部２４，２５，２６，２７は、それぞれ、加熱用空間２８へのマイクロ波の入口として設けられている。開口部２４，２５，２６，２７は、平面視において、被加熱物５０を取り囲むように配置されている。本実施形態では、各開口部２４，２５，２６，２７は、細長い矩形状に形成されている。２つの開口部２４，２６は、平面視において向きを揃えられた状態で、被加熱物５０を挟むように配置されている。また、開口部２５は、平面視において開口部２４の向きと９０°ずれた向きに配置されている。同様に、開口部２７は、平面視において開口部２４の向きと９０°ずれた向きに配置されている。開口部２５，２７は、平面視において被加熱物５０を挟むように配置されている。開口部２４，２５，２６，２７は、それぞれ、対応する導波管５と接続されている。

各導波管５は、対応するマグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからのマイクロ波をチャンバ３の加熱用空間２８へ案内するために設けられている。各導波管５は、チャンバ３の底壁２０から下方に延びており、対応するマグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに接続されている。

マグネトロン４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、被加熱物５０へ与えられるマイクロ波を発生するために設けられている。本実施形態では、４つのマグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが設けられている。なお、マグネトロンの数は、１つ以上であればよく、特に限定されない。マグネトロン４は、本発明の「マイクロ波発射部」の一例である。本実施形態では、マグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを総称していう場合、マグネトロン４という。なお、本実施形態では、マグネトロン４を用いてマイクロ波を発生させる構成を説明するけれども、この通りでなくてもよい。たとえば、半導体を用いて発生されたマイクロ波によって被加熱物５０が加熱されてもよい。

各マグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、筐体２に支持されている。各マグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、対応する導波管５を介して加熱用空間２８に向けてマイクロ波を放出するように構成されている。これにより、各マグネトロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからのマイクロ波は、対応する導波管５を通って、加熱用空間２８に到達し、被加熱物５０を加熱する。マグネトロン４は、インバータ６に接続されている。

インバータ６は、マグネトロン４に電力を供給するために設けられている。インバータ６は、商用電源などに接続されている。インバータ６は、マグネトロン４に、マイクロ波を発生するための交流電力を供給する。インバータ６、および、マグネトロン４は、制御部９によって制御される。

制御部９は、被加熱物５０の加熱量を制御するように構成されている。本実施形態では、制御部９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、ＲＯＭ（Read Only Memory）を有するコンピュータである。制御部９による制御の一例は、後述する。制御部９は、制御箱７に収容されている。

制御箱７は、マイクロ波加熱装置１の制御に関連する装置を収容するために設けられている。本実施形態では、制御箱７は、チャンバ３の上方に配置されている。制御箱７の前方に位置する前述の扉１１には、操作パネル２９が取り付けられている。操作パネル２９は、たとえば、電源スイッチなどを有しており、筐体２の外部に露呈している。操作パネル２９は、たとえば、作業員によって操作されることで、所定の信号を、制御部９などに出力する。

制御部９は、操作パネル２９から出力された信号、および、負荷推定装置８で推定された、マイクロ波加熱に関する被加熱物５０の負荷などに基づいて、マグネトロン４を制御することで、被加熱物５０に加熱処理を施す。

なお、マイクロ波加熱に関する被加熱物５０の負荷とは、マイクロ波加熱に関する被加熱物５０におけるマイクロ波の吸収特性をいう。換言すれば、当該負荷とは、マイクロ波加熱に関する被加熱物５０の加熱特性をいう。なお、以下では、マイクロ波加熱に関する被加熱物５０の負荷を、単に、被加熱物５０の負荷ともいう。

負荷推定装置８は、被加熱物５０の負荷を推定するために設けられている。本実施形態では、後述するように、制御部９によるマイクロ波の出力制御において、負荷推定装置８の負荷推定結果が用いられる。これにより、マグネトロン４から加熱用空間２８内の被加熱物５０に与えられるマイクロ波としての供給マイクロ波が被加熱物５０に吸収される効率および精度は、より高くなる。これにより、マイクロ波加熱装置１は、被加熱物５０の加熱に寄与しない無駄なマイクロ波を出力することを、抑制できる。

負荷推定装置８は、漏洩マイクロ波検出部３１と、負荷推定部３２と、を有している。

漏洩マイクロ波検出部３１は、被加熱物５０を収容したチャンバ３から漏洩するマイクロ波としての漏洩マイクロ波を検出するために、設けられている。漏洩マイクロ波検出部３１は、たとえば、マイクロ波を受信するためのアンテナを含んでいる。本実施形態では、漏洩マイクロ波検出部３１は、筐体２内において、窓部２１に隣接して配置されており、窓部２１から漏洩する漏洩マイクロ波を検出する。なお、漏洩マイクロ波検出部３１は、チョーク機構１８に隣接して配置されていてもよい。この場合も、漏洩マイクロ波検出部３１は、チャンバ３からの漏洩マイクロ波を検出する。

漏洩マイクロ波検出部３１の大きさは、本実施形態では、窓部２１の大きさよりも小さく設定されている。漏洩マイクロ波検出部３１は、当該漏洩マイクロ波検出部３１のマイクロ波検出面における、単位面積あたりの漏洩マイクロ波の強さ（ｍＷ／ｃｍ^２）を特定する信号を、負荷推定部３２へ出力する。なお、本実施形態では、単位面積あたりの漏洩マイクロ波の強さ（ｍＷ／ｃｍ^２）を、単に、漏洩マイクロ波の強さともいう。

負荷推定部３２は、漏洩マイクロ波の大きさに基づいて、被加熱物５０の負荷を推定するように構成されている。負荷推定部３２は、制御箱７に収容されている。負荷推定部３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、および、ＲＯＭを含むコンピュータによってソフトウェア的に構成されていてもよいし、電気回路を用いてハードウェア的に構成されていてもよい。負荷推定部３２がコンピュータによって構成されている場合、負荷推定部３２は、制御部９と同一のコンピュータによって構成されていてもよいし、制御部９とは別のコンピュータによって構成されていてもよい。

負荷推定部３２は、所定の関係に基づいて、被加熱物５０の負荷を推定する。「所定の関係」とは、マイクロ波加熱装置１が被加熱物５０をマイクロ波によって加熱するときにおける供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す関係である。また、本実施形態では、負荷推定部３２は、上記所定の関係に加えて、基準関係を用いて、被加熱物５０の負荷を推定する。「基準関係」とは、マイクロ波加熱装置１が水をマイクロ波によって加熱するときにおける供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す関係である。換言すれば、基準関係は、被加熱物５０に代えて、所定の質量を有する水がチャンバ３内に配置されたときの、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示している。なお、水は、本発明の「基準物質」の一例である。

図４は、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を説明するための模式的なグラフである。次に、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係について説明する。図２および図４を参照して、グラフの横軸は、マグネトロン４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の合計の出力比であり、マグネトロン４の定格出力に対するマグネトロン４の出力を百分率で示している。すなわち、グラフの横軸は、供給マイクロ波の強さを示している。グラフの縦軸は、漏洩マイクロ波の強さを示しており、単位は、ｍＷ／ｃｍ^２である。

図４では、基準関係を示すグラフとして、基準グラフＢＧ（ＢＧ１〜ＢＧ３）が示されている。本実施形態では、１つの基準グラフＢＧが、１つの基準関係を示している。本実施形態では、上記の基準グラフＢＧは、予め、実験などによって作成されている。なお、図４に示す基準グラフＢＧは、模式的に表示されており、実際の実験結果を厳密に表示しているわけではない。

基準グラフＢＧ１は、１ｋｇの質量の水がチャンバ３に配置されたときの、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係（基準関係）を示している。ここで、マイクロ波が１ｋｇの水に供給される場合において、マグネトロン４からの供給マイクロ波の出力が、ゼロから増大するときを考える。このとき、当初は、基準グラフＢＧ１の領域Ｒ１１で示されるように、供給マイクロ波の出力の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化は小さい。これは、マグネトロン４からの供給マイクロ波の大部分が水に吸収されていることを示す。なお、領域Ｒ１１における供給マイクロ波の出力の下限はゼロであり、当該出力の上限は、後述する変曲点Ａ１でのマイクロ波の出力である。

基準グラフＢＧ１では、供給マイクロ波の出力が約１９％であるときにおいて、領域Ｒ１１の上限が存在しており、供給マイクロ波強さの変化に対する漏洩マイクロ波強さの変化の割合が変化している。すなわち、基準グラフＢＧ１においては、供給マイクロ波の出力が約１９％の箇所に、変曲点Ａ１が存在している。また、変曲点Ａ１における、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーが、ＰＤ_Ｒ（ＰＤ_Ｒ１）として規定される。なお、本実施形態では、変曲点は、供給マイクロ波の厳密な一点における出力のことを示しているのではなく、供給マイクロ波の出力について、ある程度の幅を有している値である。

なお、領域Ｒ１１において、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギー（強さ）ＰＤ＝１（ｋＷ／ｋｇ）であることを示す標識ＰＤ_１が記されている。すなわち、領域Ｒ１１においては、水１リットルあたり１ｋＷの供給マイクロ波が与えられる領域が存在する。

そして、マイクロ波の出力が、領域Ｒ１１と領域Ｒ１２との境界である変曲点Ａ１を超えて、領域Ｒ１２の範囲にある場合、供給マイクロ波の出力の増大に対する漏洩マイクロ波の増大の割合は、領域Ｒ１１での当該割合よりも大きくなる。すなわち、供給マイクロ波の強さが変曲点Ａ１での強さであるときの供給マイクロ波の出力を境にして、供給マイクロ波の強さの変化に対する漏洩マイクロ波の強さの割合が変化する。

このように、変曲点Ａ１での供給マイクロ波の強さＰ１は、供給マイクロ波の出力（強さ）の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化の割合の変曲点での供給マイクロ波の強さに相当する。領域Ｒ１２においては、マグネトロン４からのマイクロ波は、水で十分に吸収されきれず、窓部２１から漏洩する漏洩マイクロ波が多くなると考えられる。

上記と同様に、基準グラフＢＧ２は、２ｋｇの質量を有する水がチャンバ３に配置されたときの、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係（基準関係）を示している。この場合も、基準グラフＢＧ１と同様に、基準グラフＢＧ２において、領域Ｒ２１，Ｒ２２が存在する。領域Ｒ２１，Ｒ２２は、それぞれ、対応する領域Ｒ１１，Ｒ１２と同様の特性を有している。領域Ｒ２１では、供給マイクロ波の出力の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化は小さい。なお、領域Ｒ２１における供給マイクロ波の出力の下限はゼロであり、当該出力の上限は、変曲点Ａ２での供給マイクロ波の出力である。

基準グラフＢＧ２では、供給マイクロ波の出力が約３８％であるときにおいて、領域Ｒ２１の上限が存在しており、供給マイクロ波強さの変化に対する漏洩マイクロ波強さの変化の割合が変化している。すなわち、基準グラフＢＧ２においては、供給マイクロ波の出力が約３８％の箇所に、変曲点Ａ２が存在している。また、変曲点Ａ２における、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーが、ＰＤ_Ｒ（ＰＤ_Ｒ２）として規定される。変曲点Ａ２は、領域Ｒ２１と領域Ｒ２２との境界である。

なお、領域Ｒ２１において、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーＰＤ＝１（ｋＷ／ｋｇ）であることを示す標識ＰＤ_２が記されている。すなわち、領域Ｒ２１においては、水１リットルあたり１ｋＷの供給マイクロ波が与えられる領域が存在する。

このように、基準グラフＢＧ２において、供給マイクロ波の強さが変曲点Ａ２での強さであるときの供給マイクロ波の出力を境にして、供給マイクロ波の強さの変化に対する漏洩マイクロ波の強さの割合が変化する。

以上より、変曲点Ａ２での供給マイクロ波の強さＰ２は、供給マイクロ波の出力（強さ）の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化の割合の変曲点での供給マイクロ波の強さに相当する。

上記と同様に、基準グラフＢＧ３は、４ｋｇの質量を有する水がチャンバ３に配置されたときの、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係（基準関係）を示している。この場合も、基準グラフＢＧ１と同様に、基準グラフＢＧ３において、領域Ｒ３１，Ｒ３２が存在する。領域Ｒ３１，Ｒ３２は、それぞれ、対応する領域Ｒ１１，Ｒ１２と同様の特性を有している。領域Ｒ３１では、供給マイクロ波の出力の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化は小さい。なお、領域Ｒ３１における供給マイクロ波の出力の下限はゼロであり、当該出力の上限は、変曲点Ａ３での供給マイクロ波の出力である。

基準グラフＢＧ３では、供給マイクロ波の出力が約７６％であるときにおいて、領域Ｒ３１の上限が存在しており、供給マイクロ波強さの変化に対する漏洩マイクロ波強さの変化の割合が変化している。すなわち、基準グラフＢＧ３においては、供給マイクロ波の出力が約７６％の箇所に、変曲点Ａ３が存在している。また、変曲点Ａ３における、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーが、ＰＤ_Ｒ（ＰＤ_Ｒ３）として規定される。変曲点Ａ３は、領域Ｒ３１と領域Ｒ３２との境界である。

なお、領域Ｒ３１において、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーＰＤ＝１（ｋＷ／ｋｇ）であることを示す標識ＰＤ_３が記されている。すなわち、領域Ｒ３１においては、水１リットルあたり１ｋＷの供給マイクロ波が与えられる領域が存在する。

このように、基準グラフＢＧ３において、供給マイクロ波の強さが変曲点Ａ３での強さであるときの供給マイクロ波の出力を境にして、供給マイクロ波の強さの変化に対する漏洩マイクロ波の強さの割合が変化する。

以上より、変曲点Ａ３での供給マイクロ波の強さＰ３は、供給マイクロ波の出力（強さ）の変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化の割合の変曲点での供給マイクロ波の強さに相当する。

基準グラフＢＧ１，ＢＧ２，ＢＧ３から明らかなように、単位質量あたりの供給マイクロ波のエネルギーＰＤ＝ＰＤ_Ｒ（ＰＤ_Ｒ１，ＰＤ_Ｒ２，ＰＤ_Ｒ３）（ｋＷ／ｋｇ）であるときの、供給マイクロ波の大きさは、水の質量と比例関係にある。より具体的には、２リットルの水にＰＤ＝ＰＤ_Ｒ２のエネルギーを与えるときの供給マイクロ波の強さは、１リットルの水にＰＤ＝ＰＤ_Ｒ１のエネルギーを与えるときの供給マイクロ波の強さの約２倍である。同様に、４リットルの水にＰＤ＝ＰＤ_Ｒ３のエネルギーを与えるときの供給マイクロ波の強さは、１リットルの水にＰＤ＝ＰＤ_Ｒ１のエネルギーを与えるときの供給マイクロ波の強さの約４倍である。

したがって、所定の質量の水に供給マイクロ波が供給されたときにおける、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示すグラフでの変曲点と、変曲点Ａ１〜Ａ３との比率から、上記所定の質量が明らかとなる。すなわち、被加熱物５０に供給マイクロ波が供給されたときにおける、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示すグラフＧ４での変曲点Ａ４における供給マイクロ波の強さと、基準グラフＢＧの各変曲点Ａ１〜Ａ３における供給マイクロ波の強さとの比率から、等価質量Ｗｅが明らかとなる。等価質量Ｗｅは、被加熱物５０を水に置き換えた場合の水の等価質量である。すなわち、負荷推定部３２は、マイクロ波に関する被加熱物５０の負荷としての等価質量Ｗｅを推定することができる。

たとえば、グラフＧ４（所定の関係）における変曲点Ａ４での供給マイクロ波の強さＰｗが、供給マイクロ波の定格値の約２８．５％であった場合、基準グラフＢＧ１（基準関係）におけるＰＤ_Ｒでのマイクロ波の出力Ｐ１（約１９％）との関係から、２８．５（％）÷１９（％／リットル）＝１．５リットルとなり、等価質量Ｗｅは、１．５リットルとなる。すなわち、等価質量Ｗｅは、下記式（１）で表わされる。

Ｗｅ＝Ｐｗ（ｋＷ）／ＰＤ_Ｒ（ｋＷ／ｋｇ）・・・・・（１）
なお、Ｐｗ：グラフＧ４（所定の関係）において供給マイクロ波の強さの変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点Ａ４での、供給マイクロ波の強さ。

このように、負荷推定部３２は、水についての基準関係と、被加熱物５０についての所定の関係と、に基づいて、等価質量Ｗｅを算出する。

各上記基準グラフＢＧ１〜ＢＧ３のデータは、負荷推定部３２に格納されている。負荷推定部３２は、基準グラフＢＧ１〜ＢＧ３のデータを、数値データとして記憶している。

負荷推定部３２は、被加熱物５０の負荷としての等価質量Ｗｅを算出するように構成されている。具体的には、負荷推定部３２は、制御部９、および、漏洩マイクロ波検出部３１に接続されている。負荷推定部３２は、制御部９から、供給マイクロ波の出力を特定するデータを受信する。また、負荷推定部３２は、漏洩マイクロ波の出力を特定するデータを受信する。

そして、負荷推定部３２は、被加熱物５０に供給マイクロ波が供給されているときの、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を記録する。これにより、負荷推定部３２は、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係（所定の関係）を示すグラフＧ４を作成する。すなわち、負荷推定部３２は、被処理物５０に与えられた供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示すグラフＧ４を作成する。なお、負荷推定部３２は、実際にグラフＧ４作成することに代えて、供給マイクロ波の強さと漏洩マイクロ波の強さとを示す表を作成してもよい。

そして、負荷推定部３２は、上記のグラフＧ４において、供給マイクロ波の強さの変化に対する漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点Ａ４を探す。次に、負荷推定部３２は、基準グラフＢＧ１〜ＢＧ３における変曲点Ａ１〜Ａ３でのエネルギー値ＰＤ_Ｒ１，ＰＤ_Ｒ２，ＰＤ_Ｒ３と、変曲点Ａ４での供給マイクロ波の出力Ｐｗとを基に、上記式（１）を算出する。これにより、負荷推定部３２は、等価質量Ｗｅを算出する。

次に、負荷推定装置８、および、制御部９における処理の流れの一例を説明する。図５は、負荷推定装置８、および、制御部９における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。なお、以下では、フローチャートを参照して説明する場合、フローチャート以外の図も適宜参照する。

以下に説明する処理は、たとえば、作業員による操作パネル２９の操作に伴い、マイクロ波加熱装置１による被加熱物５０の加熱動作が開始されてから行われる。

具体的には、作業員による操作パネル２９の操作に起因して、マイクロ波加熱装置１における加熱処理指令が制御部９に与えられる。これにより、制御部９は、マグネトロン４を動作させることで、供給マイクロ波の発生を開始する（ステップＳ１）。この供給マイクロ波は、チャンバ３内に供給され、被加熱物５０の加熱が開始される。

次に、漏洩マイクロ波検出部３１は、チャンバ３から漏洩する漏洩マイクロ波を検出する（ステップＳ２）。その後、負荷推定部３２は、供給マイクロ波のデータと漏洩マイクロ波のデータとを読み込む（ステップＳ３）。より具体的には、負荷推定部３２は、制御部９が設定した供給マイクロ波の強度を特定する信号を、制御部９から読み込む。また、負荷推定部３２は、漏洩マイクロ波の強さを特定する信号を、漏洩マイクロ波検出部３１から読み込む。

次に、負荷推定部３２は、被加熱物５０について、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示すグラフＧ４を作成する（ステップＳ４）。この場合、負荷推定部３２は、ステップＳ３が実行される度に読み込んだ、供給マイクロ波の強さを横軸の値とし、且つ、漏洩マイクロ波の強さを縦軸の値として、１つのステップＳ３の処理毎で特定される座標を複数用いて、グラフＧ４を作成する。そして、負荷推定部３２は、被加熱物５０に関するグラフＧ４に変曲点Ａ４が存在しているか否かを判定する（ステップＳ５）。

グラフＧ４に変曲点Ａ４が存在していない場合（ステップＳ５でＮＯ）、負荷推定部３２は、変曲点Ａ４が存在していないことを示す信号を制御部９に出力する（ステップＳ６）。すなわち、供給マイクロ波の大部分が被加熱物５０に吸収されていることにより、供給マイクロ波の強さに比べて漏洩マイクロ波の強さが小さい場合、その旨が負荷推定部３２から制御部９に通知される。

この場合、制御部９は、供給マイクロ波の出力が増加するように、マグネトロン４を制御する（ステップＳ７）。この場合、制御部９は、たとえば、マグネトロン４からの供給マイクロ波の出力を、当該供給マイクロ波の定格出力の数％分増加させる制御を行う。

そして、漏洩マイクロ波検出部３１は、再び、チャンバ３から漏洩する漏洩マイクロ波を検出する（ステップＳ２）。また、負荷推定部３２は、制御部９が設定した供給マイクロ波の強度を特定する信号を、制御部９から読み込むとともに、漏洩マイクロ波の強さを特定する信号を、漏洩マイクロ波検出部３１から読み込む（ステップＳ３）。

次に、負荷推定部３２は、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示すグラフＧ４を作成する（ステップＳ４）。この場合、負荷推定部３２は、たとえば、最新の供給マイクロ波の強さと漏洩マイクロ波の強さとで特定される座標に点をプロットする。そして、負荷推定部３２は、前回のステップＳ４で作成されたグラフＧ４と、今回プロットされた点とを基に、グラフＧ４を延長する。

そして、負荷推定部３２は、被加熱物５０に関するグラフＧ４に変曲点Ａ４が存在しているか否かを判定する（ステップＳ５）。グラフＧ４に変曲点Ａ４が存在していない場合（ステップＳ５でＮＯ）、前述したステップＳ６，Ｓ７，Ｓ２〜Ｓ５の処理が繰り返される。なお、グラフＧ４に変曲点Ａ４が表れる前に、供給マイクロ波の強さが供給マイクロ波の定格値に達した場合、ステップＳ７では、供給マイクロ波の出力増大は、停止される。この場合、供給マイクロ波の強さが最大であっても、被加熱物５０が供給マイクロ波の大部分を吸収できていることとなる。

一方、グラフＧ４において変曲点Ａ４が表れた場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、負荷推定部３２は、等価質量Ｗｅを推定する（ステップＳ８）。負荷推定部３２は、たとえば、前述した式（１）を用いて、等価質量Ｗｅを算出する。この場合、式（１）のＰｗは、変曲点Ａ４における供給マイクロ波の強さである。

次に、負荷推定部３２は、算出した等価質量Ｗｅの値を、制御部９へ通知する（ステップＳ９）。この通知を受信した制御部９は、等価質量Ｗｅを基に、マグネトロン４からの供給マイクロ波の出力を制御する（ステップＳ１０）。

以上説明したように、マイクロ波加熱装置１によると、供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す所定の関係（グラフＧ４）に基づいて、負荷推定部３２が、被加熱物５０の負荷（等価質量Ｗｅ）を推定する。このような構成であれば、負荷推定部３２は、供給マイクロ波の出力を、マグネトロン４の出力に基づいて容易に知ることができる。また、負荷推定部３２は、漏洩マイクロ波を、漏洩マイクロ波検出部３１を用いて容易に知ることができる。このような簡易な構成によって、負荷推定装置８は、被加熱物５０の負荷を推定することができる。したがって、負荷推定装置８は、パワーモニタ、チューナ、および、アイソレータなどの大型の装置を用いなくて済み、より簡易な構成で、被加熱物５０の負荷を推定できる。

また、マイクロ波加熱装置１によると、アイソレータで不要なマイクロ波（被加熱物５０から反射したマイクロ波）を消費する構成ではない。よって、アイソレータで無駄にマイクロ波が消費されずに済み、マイクロ波加熱装置１の省エネルギー性能をより高くできる。さらに、被加熱物５０でマイクロ波が効率よく吸収される結果、マイクロ波加熱装置１における被加熱物５０の温度を、より精密に制御できる。

また、マイクロ波加熱装置１によると、負荷推定部３２は、被加熱物５０を水に置き換えた場合の水の等価質量Ｗｅを推定する。この構成によると、負荷推定部３２は、水の等価質量Ｗｅを用いて被加熱物５０の負荷を推定する。これにより、負荷推定部３２は、被加熱物５０の材質にかかわらず、被加熱物５０の負荷の算出方法を統一することができる。その結果、たとえば、マイクロ波加熱時における被加熱物５０の加熱パターン（処理量、昇温速度などを特定するレシピ）の作成は、より容易となる。

また、負荷推定部３２は、被加熱物５０の負荷に対応する水の等価質量Ｗｅを推定することができる。水であれば、マイクロ波の吸収特性の把握が容易であるため、被加熱物５０の負荷の推定のための作業が、より容易となる。

また、マイクロ波加熱装置１によると、負荷推定部３２は、被加熱物５０に代えて水がチャンバ３内に配置されているときの供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す基準関係（基準グラフＢＧ１〜ＢＧ３）と、所定の関係（グラフＧ４）と、に基づいて、等価質量Ｗｅを算出する。この構成によると、負荷推定部３２は、基準関係と所定の関係との対比によって、等価質量Ｗｅを算出することができる。

より具体的には、負荷推定部３２は、等価質量Ｗｅを、Ｗｅ＝Ｐｗ／ＰＤ_Ｒの式によって算出する。この構成によると、被加熱物５０への供給マイクロ波の強さが変曲点Ａ４での値を超えると、漏洩マイクロ波の強さは、急激に大きくなる。すなわち、被加熱物５０への供給マイクロ波の強さが変曲点Ａ４での値Ｐｗを超えると、被加熱物５０で吸収されないマイクロ波が多くなり、その結果、チャンバ３からの漏洩マイクロ波が急激に大きくなる。この傾向は、水がマイクロ波加熱される場合も同様である。このような傾向を利用することで、負荷推定部３２は、この変曲点Ａ４を基準にして被加熱物５０の負荷（等価質量Ｗｅ）を推定することができる。その結果、負荷推定部３２は、被加熱物５０の負荷を、より正確に推定できる。

また、マイクロ波加熱装置１によると、制御部９は、負荷推定部３２で推定された被加熱物５０の負荷（等価負荷Ｗｅ）の値に基づいて、マグネトロン４を制御する。これにより、マグネトロン４は、被加熱物５０の負荷に合わせた態様で被加熱物５０に供給マイクロ波を供給することができる。これにより、マグネトロン４は、効率よく且つ精度良く、供給マイクロ波を被加熱物５０に供給することができる。その結果、マイクロ波加熱装置１のエネルギーの消費効率、および、加熱処理の精度を、より高くできる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。

（１）たとえば、上述の実施形態では、負荷推定装置８が、マイクロ波加熱装置１の一部として設けられる形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、負荷推定装置８は、マイクロ波加熱装置とは別個に設けられていてもよい。

（２）また、上述の実施形態では、等価質量Ｗｅの算出の基準となる基準物質として水が用いられる形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、上記の基準物質は、水以外の物質であってもよい。

本発明は、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置、マイクロ波加熱装置、および、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法として、広く適用することができる。

１ マイクロ波加熱装置
３ チャンバ
４ マグネトロン（マイクロ波発射部）
８ 負荷推定装置
９ 制御部
２８ 加熱用空間（チャンバ内の空間）
３１ 漏洩マイクロ波検出部
３２ 負荷推定部
５０ 被加熱物
Ａ４ 変曲点
ＢＧ 基準グラフ（基準関係）
Ｇ４ グラフ（所定の関係）
Ｗｅ 等価質量（負荷）

Claims (7)

1. 被加熱物を収容したチャンバから漏洩するマイクロ波としての漏洩マイクロ波を検出するための、漏洩マイクロ波検出部と、
   前記チャンバ内に向けて発射されたマイクロ波としての供給マイクロ波の強さの変化と前記漏洩マイクロ波の強さの変化との関係を示す所定の関係に基づいて、マイクロ波加熱に関する前記被加熱物の負荷を推定する、負荷推定部と、
   を備えていることを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置。
2. 請求項１に記載のマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置であって、
   前記負荷推定部は、前記負荷として、前記被加熱物を所定の基準物質に置き換えた場合の前記基準物質の等価質量を推定することを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置。
3. 請求項２に記載のマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置であって、
   前記基準物質は、水であることを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置であって、
   前記負荷推定部は、前記被加熱物に代えて前記基準物質が前記チャンバ内に配置されているときの前記供給マイクロ波と漏洩マイクロ波との関係を示す基準関係と、前記所定の関係と、に基づいて、前記等価質量を算出することを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置であって、
   前記負荷推定部は、前記供給マイクロ波の強さの変化に対する前記漏洩マイクロ波の強さの変化の割合が変化する変曲点での、前記供給マイクロ波の強さから、前記負荷を算出することを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置。
6. 被加熱物を収容するためのチャンバと、
   前記チャンバ内の空間に向けて所定の供給マイクロ波を発射するためのマイクロ波発射部と、
   請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のマイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定装置と、
   前記負荷推定部で推定された前記負荷に基づいて、前記マイクロ波発射部を制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とする、マイクロ波加熱装置。
7. 被加熱物を収容したチャンバから漏洩するマイクロ波としての漏洩マイクロ波を検出する、漏洩マイクロ波検出ステップと、
   前記チャンバ内に向けて発射されたマイクロ波としての供給マイクロ波の強さの変化と前記漏洩マイクロ波の強さの変化との関係を示す所定の関係に基づいて、マイクロ波加熱に関する前記被加熱物の負荷を推定する、負荷推定ステップと、
   を含んでいることを特徴とする、マイクロ波加熱に関する被加熱物の負荷推定方法。
   

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