电磁场分布调整装置和微波加热装置的制作方法

本发明涉及电磁场分布调整装置和具备该电磁场分布调整装置的微波加热装置。

背景技术：

在微波炉等微波加热装置中，希望对收纳在加热室中的被加热物进行均匀加热而不产生加热不均。为了达成该目的，已考虑出了各种结构(例如，参照专利文献1)。

在专利文献1中，公开了具有呈矩阵状配置的多个金属片和连接相邻的两个金属片的多个开关的电磁场分布调整装置。电磁场分布调整装置根据开关的动作来使金属片附近的阻抗变化。由此，能够使在金属片的附近产生的驻波的位置移动，从而减少加热不均。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/133081号

技术实现要素：

但是，在专利文献1中，没有明确示出金属片与开关的连接方法。

本发明用于解决上述现有的课题，提供了一种电磁场分布调整装置的具体结构。

本发明的一个方式的电磁场分布调整装置具有：多个金属片，它们以填充规定的二维区域的方式排列；以及开关，其设置在多个金属片中的相邻的两个金属片之间。

开关经由两个导体部而与相邻的两个金属片连接，所述两个导体部分别设置于相邻的两个金属片，并且比相邻的两个金属片小。

根据本方式，能够减少利用微波加热装置对被加热物进行加热时产生的加热不均。

附图说明

图1是具有本发明的实施方式的电磁场分布调整装置的微波加热装置的立体图。

图2是本实施方式的电磁场分布调整装置的纵剖视图。

图3是本实施方式的电磁场分布调整装置的俯视图。

图4是本实施方式的电磁场分布调整装置的立体图。

图5a是表示闭合了开关的情况下的电磁场分布调整装置的附近的电场分布e1的图。

图5b是表示断开开关的情况下的电磁场分布调整装置的附近的电场分布e2的图。

图6是表示本实施方式的电磁场分布调整装置所包含的开关的一例的图。

图7是本实施方式的变形例的电磁场分布调整装置的平面图。

图8是本实施方式的变形例的电磁场分布调整装置的立体图。

图9是表示与本实施方式的变形例的单元体的反射相位相关的频率特性的图。

图10a是表示在具有大的金属片的单元体中流过电流的情况下的电流矢量的图。

图10b是表示在具有小的金属片的单元体中流过电流的情况下的电流矢量的图。

图11是作为模拟模型的加热室的立体图。

图12是表示在加热室内产生的电场分布的模拟结果的图。

图13是配置有用于温度分布的解析的被加热物的、图11所示的加热室的立体图。

图14是表示电磁场分布调整装置的三个结构中的被加热物上的温度分布的图。

图15是表示二极管的阻抗和单元体的反射相位之间的关系的特性图。

图16是表示二极管的阻抗与微波的反射比例之间的关系的特性图。

图17是表示与特性测定用的微带线连接的二极管的图。

图18a是表示正向偏压的情况下的二极管的等效电路的框图。

图18b是表示反向偏压的情况下的二极管的等效电路的框图。

图19是表示在使用图18a所示的等效电路的二极管的情况下，在被加热物上产生的电场分布的模拟结果的图。

图20是表示在使用图18b所示的等效电路的二极管的情况下，在被加热物上产生的电场分布的模拟结果的图。

具体实施方式

本发明的第1方式的电磁场分布调整装置具有：多个金属片，它们以填充规定的二维区域的方式排列；以及开关，其设置在多个金属片中的相邻的两个金属片之间。

开关经由两个导体部而与相邻的两个金属片连接，所述两个导体部分别设置于相邻的两个金属片，并且比相邻的两个金属片小。

根据本发明的第2方面的电磁场分布调整装置，在第1方面中，两个金属片的距离是微波的波长的1/2以下。

根据本发明的第3方面的电磁场分布调整装置，在第1方面中，开关是比导体部小且具备击穿电压特性的二极管。

根据本发明第4方面的电磁场分布调整装置，在第3方面中，二极管在被电磁波施加正向的偏压的情况下具有200ω以下的阻抗，在被电磁波施加反向的偏压的情况下具有800ω以上的阻抗。

根据本发明的第5方面的电磁场分布调整装置，在第4方面中，在被电磁波施加了正向的偏压的情况下，二极管的等效电路是具有3ω的电阻和1.6nh的电感的串联电路，在被电磁波施加了反向的偏压的情况下，二极管的等效电路是具有约10mω的电阻和约0.22pf的电容的并联电路。

本发明的第7方式的微波加热装置具有：加热室，其收纳被加热物；微波发生器，其构成为生成微波；波导管，其构成为将微波引导至加热室；以及电磁场分布调整装置，其设置在加热室内的壁面的至少一部分的二维区域。

电磁场分布调整装置具有：多个金属片，它们以填充规定的二维区域的方式排列；以及开关，其设置在多个金属片中的相邻的两个金属片之间。开关经由两个导体部而与相邻的两个金属片连接，所述两个导体部分别设置于相邻的两个金属片且比相邻的两个金属片小。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式的微波加热装置1的立体图。图2是微波加热装置1的纵剖视图。

在本实施方式中，微波加热装置1是具有加热室2的微波炉。在图1中，为了能够看到加热室2的内部而省略了加热室2的近前的壁面。

如图1、图2所示，微波加热装置1除了加热室2之外，还具备微波发生器3、波导管4和电磁场分布调整装置5a。在本发明中，将加热室2的前后方向、左右方向和上下方向分别定义为x方向、y方向和z方向。

加热室2在其前面开口设有门(未图示)，在其内部空间收纳被加热物6。

微波发生器3由磁控管等构成，生成微波。波导管4将微波从微波发生器3引导至加热室2。在本实施方式中，波导管4的开口设置于加热室2的侧壁。

电磁场分布调整装置5a设置在加热室2内的规定的二维区域。电磁场分布调整装置5a使与加热室2的内部空间对置的面上的阻抗变化。由此，电磁场分布调整装置5a使其附近的电磁场分布、即驻波分布变化。其结果是，被加热物6上的加热分布发生变化，被加热物6被更均匀地加热。

如果将被加热物6载置在电磁场分布调整装置5a的附近，则容易得到均匀加热的效果。在本实施方式中，规定的二维区域是加热室2的整个底面。在这种情况下，被加热物6配置在电磁场分布调整装置5a上。

图3、图4分别是电磁场分布调整装置5a的俯视图、立体图。如图3、图4所示，电磁场分布调整装置5a具备多个金属片11、多个开关12、多个短路导体13和接地导体14。

接地导体14沿着加热室2的底面设置。接地导体14相当于电磁场分布调整装置5a的底面，是具有基准电位的电接地面。

开关12分别设置于在列方向(图3、图4所示的x方向)上相邻的两个金属片11之间。

金属片11是一边具有小于微波的波长的一半的长度的四边形的金属平板。金属片11以与接地导体14对置的方式在与接地导体14平行的平面上排列成矩阵状。

短路导体13将金属片11与接地导体14连接。一个金属片11和一个短路导体13的组合被称为蘑菇型(mushroom)结构的单元体(unitcell)。

以断开开关12时电磁场分布调整装置5a相对于微波作为磁壁(magneticwall)发挥功能的方式来设计金属片11的一边的长度和短路导体13的高度等尺寸。

图5a示出闭合了开关12的情况下的电磁场分布调整装置5a的附近的电场分布e1。图5b示出断开开关12的情况下的电磁场分布调整装置5a附近的电场分布e2。

当闭合开关12时，包含开关12和金属片11的平面作为一个导体板发挥作用。在该情况下，电磁场分布调整装置5a构成在金属片11附近具有实质上为零的阻抗的短路面(short-circuitplane)。

如图5a所示，当电磁波被短路面反射时，在该短路面、即金属片11的表面形成具有波节(node)的驻波(standingwave)。

电磁场分布调整装置5a作为在金属片11的附近具有实质上为零的阻抗的电壁(electricwall)发挥作用。

当断开开关12时，电磁场分布调整装置5a构成二维且周期性地排列多个单元体而成的超材料(meta-material)。这种情况下，电磁场分布调整装置5a作为在金属片11的附近具有实质上为无限大的阻抗的磁壁发挥作用。在此，所谓二维且周期性地排列是指在纵向、横向上以固定间隔排列多个同一结构体。

即使开关12断开，相邻的两个金属片11也通过两个短路导体13和接地导体14导通，因此直流电流能够在这些金属片之间流动。

但是，由于金属片11和短路导体13的上述尺寸，微波不能在这些金属片之间传播。

因此，电磁场分布调整装置5a构成在金属片11的附近具有实质上无限大的阻抗的开路面(openplane)。如图5b所示，当电磁波被开路面反射时，在该开路面、即金属片11的表面形成具有波腹(antinode)的驻波。

这样，电磁场分布调整装置5a通过使其阻抗变化，从而能够更换由电磁场分布调整装置5a反射而产生的驻波的波节的位置、波腹的位置。

图6示出本实施方式的开关12的一例。如图6所示，开关12通过将两个齐纳二极管反向并联连接而构成。

在开关12是齐纳二极管那样的具备击穿电压特性的元件的情况下，当电磁波到达开关12的附近时，在与开关12的两端连接的两个金属片11之间产生比规定的阈值(击穿电压)大的电位差。此时，开关12从断开状态自动切换为闭合状态。

因此，在电磁场分布调整装置5a的电磁场较强的部分中，阻抗自动地切换为实质为零，在该部分产生驻波的波节。由此，该部分的电磁场自动减弱，能够抑制加热不均。开关12例如也可以是pin二极管等。

如上所述，根据本实施方式，通过将电磁场分布调整装置5a的阻抗设定为实质上为零或无限大，从而能够选择性地更换在电磁场分布调整装置5a的附近产生的驻波的波腹的位置、波节的位置。由此，能够减少加热不均。

以下，对本实施方式的变形例的电磁场分布调整装置5b进行说明。在电磁场分布调整装置5b中，多个金属片11二维且周期性地排列在电介质基板上。电介质基板的背面与加热室2内的由导电性部件构成的壁面接触。即，电磁场分布调整装置5b不具有接地导体14。

在以下说明中，为了方便起见，电磁场分布调整装置5b是通过将包括金属片11和金属片11的周边的电介质基板的一部分的单元体21二维且周期性地排列而构成的。

图7是构成本实施方式的变形例的电磁场分布调整装置5b的单元体21的平面图。图8是单元体21的立体图。如图7、图8所示，单元体21包括金属片11、电介质22和导体部23。

电介质22是金属片11的周边的电介质基板的一部分。电介质22具有一边的长度为45mm的正方形形状。金属片11具有一边的长度为36mm的正方形形状，并且配置在电介质22的表面中央。

导体部23是以与金属片11一体的方式设置在金属片11的各边的中央部分的外侧的5mm宽的长方形形状的金属部件。

在被两个导体部23夹着的1.8mm的间隙中设置有开关12，其中，所述两个导体部23被设置成，在相邻的两个金属片11之间对置。开关12是通过将两个二极管24反向并联连接而构成的(参照图6)。二极管24例如是齐纳二极管。

导体部23的宽度比金属片11的宽度小，以不妨碍单元体21的作为电磁场分布调整装置5b的功能。

如以上那样，在本变形例中，开关12经由两个导体部23连接于相邻的两个金属片11，其中，该两个导体部23分别设置于相邻的两个金属片11，并且比金属片11小。

图9是示出与单元体21的反射相位相关的频率特性的图。在图9中，特性曲线组25是对二极管24施加正向的偏压而使二极管24导通的情况下的特性曲线的束。特性曲线组26是对二极管24施加反向的偏压而使二极管24截止时的特性曲线的束。

用虚线、点线、实线分别示出照射在单元体21上的微波的入射角度θ为0度、30度、60度的情况下的特性曲线。在此，0度的入射角度θ是指与金属片11垂直的微波的入射，90度的入射角度θ是指与金属片11平行的微波的入射。

如图9所示，关于在微波炉中使用的具有2.45ghz的频率的微波，当二极管24导通时，反射相位为180度。在该情况下，单元体21作为电壁发挥功能。

在二极管24截止时，反射相位变化为0度。在该情况下，单元体21成为共振状态，单元体21作为磁壁发挥功能。这样，通过对二极管24施加的偏压的方向，能够使反射相位反转。

该现象被认为是由于二极管24的动作使单元体21的阻抗发生变化而引起的。这适用于入射角度为0度、30度、60度的任意一种情况。即，本实施方式的电磁场分布调整装置5b无论微波的入射角度如何，都能够根据微波的照射使反射相位反转。

以下，使用图10a～图14，对相邻的两个金属片11之间的距离l对单元体21的特性带来的影响进行说明。

图10a示出在金属片11较大、导体部23较短的单元体21中流过电流的情况下的电流矢量。图10b示出在金属片11较小、导体部23较长的单元体21中流过电流的情况下的电流矢量。这些结果是通过模拟得到的。

如图10a、图10b所示，在金属片11、导体部23的任一个中，沿着边缘流动的电流成分都比在除此以外的部分中流动的电流成分多。

在图10a中，箭头线所示的路径7a是在金属片11、导体部23的左侧的边缘向下方流动的电流成分的路径。在图10b中，箭头线所示的路径7b是在金属片11、导体部23的左侧的边缘向下方流动的电流成分的路径。

如果金属片11和导体部23具有正方形或长方形的形状，则无论金属片11和导体部23的大小如何，将金属片11和导体部23合起来的区域的外周的长度都是固定的。因此，路径7a的长度等于路径7b的长度。

即，只要金属片11和导体部23具有上述形状，则认为它们的形状对共振频率几乎没有影响。

但是，可知在电磁场分布调整装置5b实际配置在微波炉中时，具有根据单元体21的形状而不同的加热性能。以下，对此进行说明。

图11是示出作为模拟模型的加热室20的图。在图11中，为了能够看到加热室20的内部而省略了加热室20的壁面。如图11所示，本模拟的加热室20具有：波导管27，其设置在该加热室20的上表面；以及电磁场分布调整装置5b，其设置在与波导管27对置的整个下表面。

图12示出在“补片(patch)间短路”的情况和“补片间开路”的情况下，在加热室20内的假想平面2a、2b上产生的电场分布的模拟结果。

在本模拟中，使用下述三个结构的电磁场分布调整装置5b。假想平面2a假想地划分加热室20的前半部分和后半部分，假想平面2b假想地划分加热室20的左半部分和右半部分(参照图11)。

如图12所示，三个结构具有相同大小的金属片11。在第一个结构中，距离l被设定为18mm。第二个和第三个结构分别具有40mm的距离l和80mm的距离l。导体部23的长度根据距离l而确定。在图12中，作为模拟结果示出的图像的浓淡表示电场分布，更淡的部分的电场比更浓的部分的电场的电场分布强。

所谓“补片间短路”是指在金属片11之间设置导体部23的情况，所谓“补片间开路”，是指在金属片11之间不设置导体部23的情况。

距离l为18mm时，在“补片间短路”的情况和“补片间开路”的情况下，产生大不相同的电场分布。即，开关12的动作使电场分布大幅变化，由此使对被加热物的加热模式大幅变化。

距离l为80mm时，在“补片间短路”的情况和“补片间开路”的情况下，产生相似的电场分布。即，开关12的动作几乎不改变电场分布，几乎不改变对被加热物的加热模式。

与距离l为80mm的情况下的结果相比，距离l为40mm的情况下的结果更相似于距离l为18mm的情况下的结果。

如上所述，在18mm的距离l时能够得到期望的效果，在40mm的距离l时能够得到某种程度的效果。但是，在80mm的距离l时不能得到所期望的效果。总之，距离l越小越好。

该现象被认为与所使用的微波的波长有关。即，在具有2.45ghz的频率的微波的情况下，微波的波长的1/2约为60mm，在距离l为60mm以下的情况下，可得到所希望的结果。否则，可认为通过该间隙的微波增加，从而使电磁场分布调整装置5b的性能降低。这一点在一个单元体的评价中难以察觉到。

例如，在图10a、图10b所示的模拟中，通过仅对一个单元体进行评价，其结果是不会受到金属片11的大小的影响。

但是，在二维地排列多个单元体的情况下，若金属片11的大小较小，则距离l变大。如果距离l大于波长的1/2，则减少加热不均的效果降低。因此，为了得到减少加热不均的效果，优选使距离l为微波的波长的1/2以下。

图13是配置有用于温度分布的解析的被加热物6(琼脂)的、图11所示的加热室20的立体图。图14示出在“补片间短路”的情况和“补片间开路”的情况下，在载置于加热室20内的被加热物6上产生的温度分布的模拟结果。该模拟使用将距离l分别设定为18mm、40mm、80mm的电磁场分布调整装置5b。

在图14中，关于琼脂的温度分布，在距离l为18mm时，“补片间短路”的情况下的温度分布与“补片间开路”的情况下的温度分布大不相同。即，该结构减少加热不均的效果大。

距离l为80mm时，“补片间短路”和“补片间开路”的温度分布几乎没有差异。即，该结构减少加热不均的效果小。

非要选择的话，距离l为40mm时的结果与距离l为18mm时的结果非常相似。但事实上，它们之间存在着很大的差异。

关于图14中的琼脂的中心部分的温度，在距离l为18mm时，“补片间短路”的情况下该温度较高，“补片间开路”的情况下该温度较低。但是，当距离l为40mm时，无论在哪种情况下，中心温度都低。

如上所述，在上述三个结构中，距离l为18mm的情况下，可以得到最佳的加热特性。该现象被认为与所使用的微波的波长有关。

在具有2.45ghz的频率的微波的情况下，微波波长的1/4波长约为30mm，在距离l为30mm以下的情况下，可得到期望的结果。否则，认为通过该间隙的微波增加，使电磁场分布调整装置5b的性能降低。这一点在图12所示的仅针对电场分布的评价中难以察觉。

例如，在图12所示的模拟中，其结果是距离l比微波的波长的1/2小即可。然而，为了最大限度地得到减少加热不均的效果，优选使距离l为微波的波长的1/4以下。

以下，使用图15～图20，对在图7、图8所示的单元体21中使用的二极管24的必要的规格进行说明。

图15是示出二极管24的阻抗与单元体21的反射相位之间的关系的特性图。

如图15所示，为了成为单元体21的反射相位大的状态、即140度以上的状态，二极管24需要具有200ω以下的阻抗。即，在通过供给到加热室20内的微波对二极管24施加正向偏压、开关12成为短路状态时，二极管24必须具有200ω以下的阻抗。

为了成为单元体21的反射相位小的状态、即40度以下的状态，二极管24需要具有800ω以上的阻抗。即，在通过供给到加热室20内的微波对二极管24施加反向偏压、开关12成为开路状态时，二极管24必须具有800ω以上的阻抗。

参照图15，应采用的二极管24在被微波施加正向偏压时，必须具有200ω以下的阻抗，当被微波施加反向偏压时，必须具有800ω以上的阻抗。

图16是示出二极管24的阻抗与单元体21中的微波的反射相对于微波的入射的比例之间的关系的特性图。不反射的微波成为损失。因此，期望以反射尽可能多的微波的方式来选择二极管24。

在本实施方式中，二极管24的选定基准是入射的微波的一半以上被反射、即反射的比例比-3db多。

参照图16，应采用的二极管24优选在被微波施加正向偏压时具有50ω以下的阻抗，在被微波施加反向偏压时具有3kω以上的阻抗。

图17示出将满足上述条件的二极管24与特性测定用的1.6mm宽度的微带线连接的状态。如图17所示，二极管24的封装具有1.8mm的长度，与5mm宽的导体部23(参照图8)相比相当小。因此，二极管24不会对单元体21的特性造成不良影响。

图18a是被微波施加正向偏压时的二极管24的等效电路，图18b是被微波施加反向偏压时的二极管24的等效电路。

如图18a所示，正向偏压的情况下的二极管24的等效电路是具有约3ω的电阻和约1.6nh的电感的串联电路。如图18b所示，反向偏压的情况下的二极管24的等效电路是具有约10mω的电阻和约0.22pf的电容的并联电路。

图19示出在使用图18a所示的等效电路的二极管的情况下，根据微波的频率和电感的值而在被加热物6(琼脂)上产生的温度分布的模拟结果。

图20示出在使用图18b所示的等效电路的二极管的情况下，根据微波的频率和电容的值而在被加热物6上产生的温度分布的模拟结果。

在图19、图20中，作为模拟结果示出的图像的浓淡表示温度分布，更淡的部分的温度比更浓的部分的温度的温度分布强。

如图19所示，对于不同的微波频率，在被加热物6上产生不同图形的电场。但是，对于不同的电感值，在被加热物6上产生几乎相同图形的电场。即，在被加热物6上产生的电场不受电感的偏差的影响。

如图20所示，对于不同的微波频率，在被加热物6上产生不同图形的电场。但是，对于不同的电容值，在被加热物6上产生几乎相同图形的电场。即，在被加热物6上产生的电场不受电容的偏差的影响。

根据以上结果，用于实现具有稳定特性的电磁场分布调整装置5b的条件如下所述。该条件是，开关12例如由二极管24构成，该二极管24在例如正向偏压的情况下的等效电路是图18a所示的串联电路，反向偏压时的等效电路是图18b所示的并联电路。

根据本实施方式，在电磁场分布调整装置5b的电磁场较强的部分，电磁场分布会自动变化。其结果是，被加热物6上的加热分布变化，被加热物6被更均匀地加热。

在本实施方式中，在图10a、图10b所示的单元体21中，导体部23和开关12配置在金属片11的所有边上。但是，导体部23和开关12也可以不一定设置在金属片11的所有边上。单元体21不一定必须具有导体部23和开关12。

即，电磁场分布调整装置5b也可以具有：单元体21，其在金属片11的至少一边上不设置导体部23和开关12；以及单元体21，其完全不设置导体部23和开关12。

在本实施方式中，电磁场分布调整装置5b设置在加热室的整个底面。但是，电磁场分布调整装置5b也可以不一定设置在加热室的整个底面。

只要根据作为开关12使用的二极管的尺寸来确定单元体和金属片11的尺寸，则可以不通过导体部23而将开关12直接连接到金属片11。

产业上的可利用性

本发明的电磁场分布调整装置不仅可以应用于微波炉，还可以应用于厨余垃圾处理机等利用介电加热的其它加热装置。

标号说明

1：微波加热装置；2、20：加热室；2a、2b：假想平面；3：微波发生器；5a、5b：电磁场分布调整装置；6：被加热物；7a、7b：路径；11：金属片；12：开关；13：短路导体；14：接地导体；21：单元体；22：电介质；23：导体部；24：二极管；25、26：特性曲线组。