１．マイクロ波について
マイクロ波は電波の一つで、電波は電磁波の１つです。
電磁波とは電界と磁界が相互に作用しあって伝播するものですから、真空中でも伝播することができます。
電磁波は「波」ですから、波長と周波数という２つの要素を持っています。
波長は波の頂上から頂上までの長さ、周波数は1秒間に現れる波の数を示しています。
電磁波の速度は周波数にかかわらず一定で約30万ｋｍ／秒ですから、これを周波数で割ると波長になります。
表１に示すように電磁波はその周波数により呼び方が変り、それぞれの特性に応じていろいろな用途に使われています。
光も電磁波の一種です。
そして、3000GHz以下の電磁波を電波と分類しています。
周波数が300MHzから300GHz（波長が１ｍから１ｍｍ）の電波をマイクロ波と呼んでいます[1]。
マイクロ波は通信だけでなく、電波望遠鏡による天体観測、レーダーによる移動物体監視システム、カーナビで皆さんもご存じのＧＰＳによる測位システムなどにも応用されています。
そして、もう一つの応用が加熱です。
［参考文献］
1) IEC（国際電気標準会議）の規格「IEC61307工業用マイクロ波加熱設備-出力決定のための試験方法-」
2) ITU（国際電気通信連合）Recommendation ITU-R V.431-8 (08/2015)
２．マイクロ波加熱装置に使用できる周波数について[3]
電波は、ITU（国際電気通信連合）が、その用途に応じて使用できる周波数を割り当てています。
そして、最終的には各国が法律で定めます。
そして、電波を利用する工業, 科学及び医療用装置（ISM装置）に対して、ISM基本周波数として利用するために指定された周波数帯が国際規格CISPR11で規定されています。
日本には、通信障害を生じさせないために電波法があり、非常に厳しい限度値で電波の漏洩を規制しています。 そして、CISPR11を日本の実情に合わせて規格化したJ規格：J55011(H27)がH27年に制定されました。J規格にある「ISM基本周波数として利用するために指定された周波数帯」の一部を抜粋したものが表２です。表２の細字による記述は日本の実情に合わせた部分です。ポイントは、13.56MHzの第2及び第3高調波もISM周波数に指定されているので、それぞれの最大放射量が無制限になっていることと、脚注J37により「ISM周波数帯で運用する無線通信業務は混信を許容しなければばらない」ことが明記されている点です。詳細はJ規格：J55011(H27)をご覧になってください[3]。
したがって、表２にあるITUが割り当てた周波数帯を使用する装置は、そのISM基本周波数帯の安全上の限度値、すなわち、電気通信技術審議会答申による「電波利用における人体防護指針」「電波利用における人体防護の在り方」などの諮問[4]を踏まえたARIB標準規格RCR STD-38 改定3.0版[5]を満足するように設計すればよいことになります。
これに対し、表２のISM周波数以外の電波を使用する加熱装置は、例えば装置を設置する部屋全体あるいは建物全体を電波シールドするなど、大掛かりな電波漏洩対策をして電波法 [6]及びJ規格J55011(H27) [3]の規制を満足させるようにしなければいけません。
これが家庭用電子レンジをはじめ、各種工業用マイクロ波加熱装置がISM周波数を使用している理由です。
中でも2450MHz帯が使用されるのは、世界共通に使用できるISM周波数であると同時に、2450MHz帯のマイクロ波発振管として図１に示すような比較的安価で、小形軽量永久磁石内蔵マグネトロン（出力：300W～10kW）の存在もあります。
（出力2kW水冷式）
したがって、表２にあるITUが割り当てた周波数帯を使用する装置は、そのISM基本周波数帯の安全上の限度値、すなわち、電気通信技術審議会答申による「電波利用における人体防護指針」「電波利用における人体防護の在り方」などの諮問[3]を踏まえたARIB標準規格RCR STD-38 改定3.0版[4]を満足するように設計すればよいことになります。
これに対し、表２のISM周波数以外の電波を使用する加熱装置は、例えば装置を設置する部屋全体あるいは建物全体を電波シールドするなど、大掛かりな電波漏洩対策をして電波法 [5]及びJ規格J55011(H27) [2]の規制を満足させるようにしなければいけません。
これが家庭用電子レンジをはじめ、各種工業加熱装置がISM周波数を使用している理由です。
中でも2450MHz帯が使用されるのは、世界共通に使用できるISM周波数であると同時に、2450MHz帯のマイクロ波発振管として図１に示すような比較的安価で、小形軽量永久磁石内蔵マグネトロン（出力：300W～10kW）の存在もあります。
（出力2kW水冷式）
［参考文献］
3) J規格（J55011(H27) 工業, 科学及び医療用装置からの妨害波の許容値及び測定法
4) http://www.tele.soumu.go.jp/j/sys/ele/medical/protect/index.htm 2019年9月18日閲覧
5) https://www.arib.or.jp/kikaku/kikaku_tushin/desc/std-38.html 2019年9月18日閲覧
6) 電波法第百条、電波法施行規則第四十五条、無線局免許手続規則二十六条、無線設備規則第六十五条第一項
３．マイクロ波加熱の原理について
降雨がひどいとBSテレビ放送が見られなくなる経験をお持ちの方が多いと思います。
文献[7]によれば、水がマイクロ波を最も効率よく吸収する周波数は0℃で10GHz前後、20℃で18GHz前後になっています。
電子レンジの周波数が2.45GHz（2450MHz）に対し、BSテレビ放送周波数は約12GHzですから、電波が雨に吸収されてBSテレビ放送が見られなくこともご理解いただけると思います。
放送電波は微弱ですから雨が加熱されることはありませんが、原理的には雨がBS放送電波を吸収して発熱しています。
ここでは、「誘電体のマイクロ波加熱の原理」「誘電体が吸収するマイクロ波電力」「マイクロ波が誘電体に浸透する深さ」「誘電体の誘電特性」に加え「マイクロ波による金属の加熱」についても説明します。
（１）誘電体のマイクロ波加熱の原理
「マイクロ波加熱とは300MHz～300GHzの電磁波の作用で誘電体を主として分子運動とイオン伝導によって熱を発生させて加熱すること」と定義しています[8]。
その誘電体のマイクロ波加熱の原理は非常に難しく一口には説明できませんが、大雑把に言うと次のようになります。
「マイクロ波電界の振動に対して、例えば、永久双極子が少し遅れてマイクロ波電界の振動に追従するとき、すなわち、マイクロ波電界の変化に対し位相遅れを伴って永久双極子が変化する場合、この遅れがマイクロ波電界の変化に対する抵抗力として働いて永久双極子が加熱される。」と言われています。
簡単に言えば、「永久双極子が抵抗しながらも振動させられることにより発熱する」ということです。
これを、図を用いて説明すると次のようになります。図２は永久双極子の代表として取り上げた水分子の構造を示しています。
水は１個の酸素と２個の水素からなっています。
全体としては電荷を持っていませんが、酸素原子に対し２個の水素原子が約104.5°の角度で結合している関係で、それぞれマイナス（－）とプラス（＋）に少し帯電して、双極子を形成しています。
そして、図３に示すように、外部電界のない状態ではバランスをとって集合していますが、電界中に置くと水の双極子が電界にしたがって向きを変えます。
図３ 電界の影響を受ける水分子（永久双極子）
ここで、例えば水に電波を照射するということは、交流の電界を与えるということで、電子レンジの場合は１秒間に24億5000万回もプラスとマイナスが入れ替わる振動ということになります。
図４は、低い周波数の電波を水の永久双極子に照射した場合を示しています。
この場合は変化する電界に対し永久双極子は瞬時に追従して方向を変えます。
このような場合、水は発熱しません。
一方、高過ぎる周波数の電波を永久双極子に照射した場合が図５です。
この場合は電界の変化が早過ぎるので双極子は全く追従できず変化しません。
このような場合も発熱しません。
これに対し、図６は、電界の変化が程々の電波を水に照射した場合を示しています。
この場合は電波の電界の変化に対し時間遅れで永久双極子が追従しています。
このように時間遅れが生じている間で水は電波からエネルギーを吸収し発熱するというものです。
そして、マイクロ波がその程々の周波数ということです。
（２）誘電体のマイクロ波加熱の式と物質の誘電特性について
（ａ）誘電体が吸収するマイクロ波電力（理論式）[9]式（１）は誘電体が吸収するマイクロ波電力Ｐ1を理論的に求めた式です。
式（１）において、比誘電率εｒと誘電体損失角tanδは物質（誘電体）特有の値となります。
また、その積、すなわち、εｒ･tanδを誘電損失係数（単に、損失係数とも呼びます）と言い、これは誘電体が吸収するマイクロ波電力の程度を表しています。
一方、Ｅは誘電体に作用する電界強度で、装置の設計で決まる値です。
ここで、式（１）は理論式で実際に誘電体に作用する電界強度Ｅを求める手段は、電磁波解析シミュレータを用いる以外ありません。
誘電体が液体の場合は、誘電体が吸収するマイクロ波電力を、（ｂ）で説明するカロリー計算から簡単に算出できます。
アプリケータ内に w [ kg ] の液体（ 初期温度 Ｔ1 [ ℃ ] ）を入れた容器を置き、ＰＡ[W]のマイクロ波電力を ｔ [s] 照射したところ液体の温度が Ｔ2 [℃] になったとします。
この液体が吸収したマイクロ波電力 ＰＢ[W] は式（２）、加熱効率ηは式（３）となります。
例えば、液体が水の場合、水の比熱 4180 [ J / （kg・K） ]を用いれば、マイクロ波吸収電力が算出できます。
マイクロ波が誘電体の表面から内部に浸透する深さは、電力が表面の50％になる深さで定義し、電力半減深度と呼びます。
その電力半減深度Ｄを求める式が式(４)です。
（ａ）で、誘電体の比誘電率 εｒ と 誘電体力率 tanδ は、その誘電体特有の値であることを説明しました。
図７は、いろいろな物質の比誘電率εｒ と誘電体損失角 tanδ を示す特性図です[11]。
図で、上横軸が電力半減深度Ｄの目盛で、右下に下がる線が同じ電力半減深度を結ぶ線です。 大雑把に言うと、電力半減深度の浅い右上の物質ほどマイクロ波吸収が大きい物質、電力半減深度の深い左下の物質ほどマイクロ波吸収が小さい物質であると言えます。 勿論、正確な比較は誘電損失係数εｒ･tanδの大小で判断しないといけません。
（３）マイクロ波による金属板の加熱
IECによる「マイクロ波加熱」の定義[8]から、マイクロ波で加熱できるのは誘電体だけと考えてしまう方もいらっしゃるかもしれませんが、ヒステリシス損・ジュール損により金属もマイクロ波で加熱できます。
金属や金属酸化物の粒子の場合もマイクロ波は加熱しながら内部に浸透しますが、金属板になると僅かしか浸透できず、一部は金属板で吸収されて、残りの殆どは反射されてしまいます。
ここでは金属板について説明します。
（ａ）金属板に浸透するマイクロ波の表皮の深さ[12]式（５）は金属板に浸透するマイクロ波の表皮の深さδの式です。
ここで、
図８は、各種非磁性金属の表皮深さの周波数特性を示しています。例えば、アルミニウムは、周波数が2.45GHzのとき、表皮深さδが約1.67μmになります（表３もご参照ください）。この表皮の深さδは、金属表面の電磁界強度を100％としたときに36.8％になる深さを意味します。そして、アルミニウムの板厚の20 μm = 約12×δは、減衰率が104(dB)に相当します。減衰率の100dBは、金属の表面で1000kWのマイクロ波が裏面では0.1mWになることを意味します。
したがって、2.45GHzのマイクロ波は例えば0.5mmのアルミニウム板を貫通できないことが容易に理解できます。ミクロ電子の導波管の板厚は2.5mmですから、マイクロ波が貫通する心配は全く必要ありません
式（６）は金属板が吸収するマイクロ波電力Ｐｍ の式です。
ここで、
式(６)から、金属板が吸収するマイクロ波電力は、厚さδの金属薄膜に、薄膜表面上の磁界強度に等しい電流が流れたときの損失（ジュール損）と同じことが分かります。したがって、Ｐｍ / |Ｈｔ|２ すなわち、1/（2δσ）は、金属による損失の違いを表す係数となるので、損失係数と呼ぶことにします。
（ｃ）金属板が吸収するマイクロ波電力の計算結果各種金属板に浸透するマイクロ波（2.45GHz）の表皮の深さと損失係数の比較結果を表３に示します。 磁性金属（ニッケル・炭素鋼）は非磁性金属（銀・銅、アルミニウム・SUS304）より表皮の深さδが浅く、多くのマイクロ波を吸収します。電子レンジの加熱室の壁が非磁性の金属板（アルミニウムや非磁性ステンレスなど）で作られているのもこのためです。
［参考文献］
7) Chaplin, M. F., Water Structure and Science, Applied Science London South Bank University, http://www1.lsbu.ac.uk/water/microwave_water.html 2019年9月18日閲覧
8) IEC 60050-841国際電気技術用語集
9) 電子レンジ・マイクロ波食品利用ハンドブック 肥後温子編 日本工業新聞社 昭62年 p13
10) 電子レンジ・マイクロ波食品利用ハンドブック 肥後温子編 日本工業新聞社 昭62年 p16
11) 電子レンジ・マイクロ波食品利用ハンドブック 肥後温子編 日本工業新聞社 昭62年 p16
12) マイクロ波工学の基礎 秋本利夫･松尾幸人共著 廣川書店 昭43年(4版) p42
13) 電子回路設計シリーズ「マイクロ波回路」 石井宗典他 日刊工業新聞社 昭和44 p23
14) マイクロ波工学の基礎 秋本利夫･松尾幸人共著 廣川書店 昭43年(4版) p43
15) 理科年表 平成２１年(机上版) 自然科学研究機構 国立天文台 代表者台長編 丸善 平成20年 p408
16) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/magprop.html#c2 2019年9月5日閲覧
17) http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q6/ 2019年9月5日閲覧
18) https://www.toishi.info/metal/teikou.html 2019年9月5日閲覧
４．マイクロ波加熱の特長
マイクロ波加熱は、マイクロ波加熱以外の加熱方法（これを従来加熱とします）にはない優れた特長があります。 それらを挙げると次のようになります。
・内部加熱
・高速加熱・選択加熱
・高い加熱効率・高速応答と温度制御性
・均一加熱・クリーンなエネルギー
などについて説明します。
（１）内部加熱
マイクロ波は、図８に示すように、光と同じスピードで被加熱物に到達します。
そして、第3章（２）で説明しましたように、マイクロ波の状態で被加熱物の内部に進入しながら被加熱物に吸収されて被加熱物が発熱します。
例えば、水の場合、図７から電力半減深度が約1㎝であることが分ります。
このことは、マイクロ波が表面から1㎝の深さまで達する間に50％のマイクロ波電力が水に吸収されて、水が発熱し、残りの50％のマイクロ波電力は1㎝より深い内部に侵入することを表しています。
同様にして、表面から3㎝の深さの点でも、未だ12.5％のマイクロ波電力がマイクロ波電力の状態で内部に進み、3㎝より深いところの水が発熱することを表しています。
したがって、図９に示すようにマイクロ波加熱は内部加熱となります。
（２）高速加熱
従来加熱では図９に示しますように被加熱物の表面から熱エネルギーが内部に拡散伝達されて昇温します。
一方、マイクロ波加熱では、マイクロ波が浸透できる大きさの被加熱物であれば全体が発熱しますから、熱エネルギーが熱伝導などにより拡散する時間が無視できます。
したがって、高速加熱が実現できます。
仮に、被加熱物の中心までマイクロ波が浸透できない大きさの場合であっても、浸透できる深さまでは発熱し、その熱エネルギーが被加熱物全体に拡散して昇温します。
熱エネルギーが表面だけから供給される従来加熱と比較すると、やはり図１０に示すように高速加熱になります。
（３）選択加熱
マイクロ波加熱は、図７の説明にあるように物質により吸収するマイクロ波電力に違いがでます。
例えば、図７で硼珪酸ガラスは電子レンジ用ガラス容器として販売されているガラスです。
これに水を入れてマイクロ波で加熱すると、硼珪酸ガラスのマイクロ波吸収電力は水の3000分の1しかないので無視されて、水だけが加熱されます。
すなわち、図１１に示すように、容器の材質をうまく選ぶと加熱したいものだけを加熱できますから、実質的に加熱効率も良くなります。
（４）高い加熱効率
マイクロ波は光のスピードで被加熱物の中に浸透し被加熱物自身が発熱します。 加熱炉や炉内の空気を加熱するエネルギーロスが無視できるほど小さいので高い熱効率が得られます。
（５）高速応答と温度制御性
マイクロ波は光のスピードで被加熱物の中に浸透し被加熱物自身が発熱しますから、高速な応答が可能です。
例えば、起動・停止も瞬時にできます。また、マイクロ波の出力調整により被加熱物内で発生する熱エネルギー量を制御することができますから、図１２に示すように被加熱物の温度変化に、瞬時に応答して設定温度を保つことができます。
（６）均一加熱
被加熱物の各部が同時に発熱するので、複雑な形状のものでも比較的均一に加熱することができます。
波長に関係する加熱ムラは、スターラ、ターンテーブル、ベルトコンベアなどにより均一化を図ります。
（７）クリーンなエネルギー
マイクロ波は電界と磁界の相互作用だけで伝搬するので媒質を必要としません。
真空中でも伝搬できます。空気を加熱することなく被加熱物に到達し内部に進入しながら減衰します。
被加熱物がマイクロ波エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換して発熱します。
このように、途中の空気を加熱させることがないので、クリーンなエネルギーと言えます。
（８）操作性や作業環境がよい
従来加熱では熱源が必要で、熱源から被加熱物を含む加熱炉に至るまで昇温するので、加熱炉が置かれた部屋は輻射熱で暑くなるなど操作性や作業環境が問題になります。
これに対しマイクロ波は、電気だけでマイクロ波を発生させて被加熱物だけが昇温するので、加熱炉は高温にならず輻射熱も少ないので操作性も作業環境も良好な状態が保たれます。
５.マイクロ波電力応用装置の基本構成とマイクロ波デバイス
マイクロ波を発生させる電子デバイスには、マグネトロン、クライストロン、ジャイロトロンなど、いろいろなものがあります。
その中で、比較的安価で大電力を発生させることができるのがマグネトロンです。
マグネトロンは真空管の一種で、家庭用電子レンジにも使われています。
ミクロ電子では、主として2.45GHz帯のマグネトロンを使い、出力300W～300kWのマイクロ波電力応用装置を製造販売しております。
（１）マイクロ波電力応用装置の基本構成
マイクロ波電力応用装置の基本構成を図１３に示します。
「発振器」に内蔵するマグネトロンが発振したマイクロ波は、「導波管」、「アイソレータ」、「パワーモニタ」、「導波管」、「EHチューナ」を経由して「アプリケータ」に進み、被加熱物を加熱します。
ここで、発振器が発振したアプリケータに向かうマイクロ波を進行波（あるいは入射波）と呼びます。
一方、アプリケータなどで反射されて発振器側に戻るマイクロ波を反射波と呼びます。
そして、アプリケータ内で消費されるマイクロ波電力はパワーモニタで表示される進行波電力から反射波電力を引いた値になります。 なお、図１３で示す基本構成において、パワーモニタが表示する反射波電力の値を見ながらＥＨチューナを調節して、反射波電力をゼロにしたときが整合状態で、進行波電力はすべてＥＨチューナ以降で消費されるマイクロ波電力となります。
アプリケータの中の被加熱物の加熱ムラを軽減する目的で用いるスターラやターンテーブルの回転により、反射波電力は大きく変動します。この場合は反射波電力の平均値がゼロになるようにＥＨチューナを調節します。
（２）各マイクロ波デバイスの機能
(a) 発振器： マイクロ波を発振するデバイスです。
発振器はランチャー導波管にマグネトロンを取り付けたもので、マグネトロンが発振したマイクロ波がランチャー導波管に放射されます。マグネトロンを動作させる電源部も発振器の一部です。 ランチャー導波管の端は開放になっていて、標準導波管（導波管規格：WRJ-2／WRI-22、フランジ規格：BRJ-2／FUDR22）が接続できるようになっています。
マグネトロンが発振したマイクロ波はランチャー導波管に接続された導波管内を伝搬してアプリケータに到達します。
発振器の動作確認テストは、必ず図１３のように、アプリケータまでのマイクロ波デバイスを接続して行ってください。発振器単独での動作確認は危険です。
(b) アイソレータ： 進行波はそのままアプリケータ側に伝搬させ、反射波は全て内蔵するダミーロードに吸収させて、発振器に反射波が戻らない様にするデバイスです。このため、マグネトロンは常に整合状態で動作できます。
アプリケータ内のターンテーブルや、スターラの回転に応じて発生する反射波の変動分までを、EHチューナによる整合調節が機能しないために、特に出力の大きいマグネトロンの安定した動作の継続を可能にするアイソレータは重要です。
また、発振器を複数台用いる大型アプリケータの場合は、他の発振器からのマイクロ波が照射口に結合して導波管に侵入します。この影響が発振器に及ばないようにするためにも、アイソレータは必要です。
すなわち、アイソレータはマグネトロンを保護する機能も持ちます。
(c) パワーモニタ： 方形導波管内を伝播するマイクロ波の進行波電力と反射波電力をモニタするデバイスです。反射波電力がゼロでない場合は、それぞれの電力表示の表示誤差が大きくなるので注意が必要です。
ミクロ電子のパワーモニタは、発振器のマグネトロン駆動電源方式が異なっても電力を精度良く表示する工夫がしてあります。
(d) EHチューナ： チューナにはスリースタブチューナとＥＨチューナがあります。
調整が簡単なＥＨチューナを推奨します。 例えば、EHチューナのEチューナを調節して反射波電力を最小にし、次にHチューナを調節して反射波電力を最小にすると、略整合状態にできます。アプリケータの状況などで整合がずれることがありますから、２～３回調整して整合を確認します。
整合というのは、アプリケータ側から戻る反射波に対し、大きさが同じで逆位相の波を、Eチューナ及びHチューナの調節で発生させることを意味します。その結果、反射波が打ち消されて、パワーモニタの反射電力の表示がゼロを示す訳です。
反射波電力がないので、チューナ以降アプリケータ内部で消費される電力が最大になります。
(e) アプリケータ： 内部に置いた被加熱物にマイクロ波を照射して被加熱物を加熱する加熱槽がアプリケータです。
用途に応じて、バッチ式、コンベア式、導波管式など、いろいろな形状があります。
ミクロ電子のアプリケータは、導波管とアプリケータの接続部で生じる反射をできる限り小さくする工夫がしてあります。
(f) 導波管： マイクロ波は電界と磁界の相互関係で伝搬します。断面がある大きさの金属管の中をマイクロ波は伝搬できます。日本では、内寸が109.2mm×54.6mmの2GHz用標準方形導波管（導波管規格：WRJ-2/WRI-22、フランジ規格：BRJ-2/FUDR22）が一般的に使用されています。
なお、（ミクロ電子）の導波管はアルミニウム製で標準板厚は2.5mmになっております。3. (3) (a) で説明しましたが、2.5mmの板厚を2.45GHzのマイクロ波は貫通できませんのでご安心ください。
以上で「マイクロ波加熱の基礎知識」を終えます。
なお、マイクロ波加熱の具体的な応用については、このホームページの別の項目をご参照ください。
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