JP2010027503A

JP2010027503A - マグネトロン装置

Info

Publication number: JP2010027503A
Application number: JP2008189971A
Authority: JP
Inventors: Sayuri Doi; 早百合土肥
Original assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Current assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-04
Also published as: CN101635244A; EP2148358A3; KR20100010917A; CN101635244B; EP2148358A2

Abstract

【課題】チョークコイルの線径、磁性体コアの断面積を縮小しながら、所期のバックヒート値を確保し、あわせてフィルターボックスの小型化を可能にする。
【解決手段】マグネトロン管本体１０の陰極端子３３を覆うように配置されたフィルターボックス３１内に収容され、磁性体コア３６ａを有するコア型インダクタ３６と空芯型インダクタ３７の直列接続で形成されたチョークコイル３５において、コア型インダクタと空芯型インダクタのコイルの線径が１．０〜１．４ｍｍ、磁性体コアの断面積が４〜１６ｍｍ^２、空芯型インダクタのコイルの巻き数Ｔが
５５＜２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔ≦９０
ここにコイルの線径：Ａ（ｍｍ）、磁性体コア直径：Ｄ（ｍｍ）
であるマグネトロン装置。
【選択図】図２

Description

本発明は電子レンジなどに使用されるマグネトロン装置に関し、とくにフィルターボックス内に配置するチョークコイルに係る。

マグネトロンは、陽極円筒とこの内側に配置された複数のベーンからなる陽極部とこの陽極軸すなわち管軸に配置されたフィラメントの陰極部と陽極円筒の両端面に配置された一対のポールピースとで構成されている発振部と、発振部の一方のポールピースを貫通して延びる陰極リードを支持するステムを有する入力部と、発振部の他のポールピースを貫通して延びるアンテナを含む出力部とを有している。ポールピースは永久磁石で挟まれ、陽極部と陰極部間の作用空間に磁束を集束させる。入力部から陰極にフィラメント電流を供給し、陽極部と陰極部間に電圧を印加するとマグネトロンはマイクロ波発振し、出力部からマイクロ波を出力する。電子レンジ用では２４５０ＭＨｚである。発振出力の一部は入力部から漏洩して外部機器の障害となるため、入力部をフィルターボックスでシールドして電波漏洩を防止している。発振出力は２４５０ＭＨｚの基本波だけでなく、電子擾乱などによって広い帯域にわたる周波数の電波を発振しており、フィルターボックスはこれらの電波の漏洩をも阻止している。

フィルターボックスは外部電源に接続され外部入力端子を兼ねる一対の貫通コンデンサを有しており、ボックス内に一対の陰極入力ステム端子と各貫通コンデンサをそれぞれ直列接続する一対のチョークコイルを配置している。各チョークコイルはフェライトコアを有するコイル状のコア型インダクタと空芯コイルの空芯型インダクタを直列接続したものからなり、構成する銅線の巻線線径が１．４〜１．６ｍｍ、両インダクタの内径を同一とし、フェライトコアの断面積が１５〜３０ｍｍ^２である。このような数値の設定は下記を勘案してきめられている（特許文献１参照）。

フィルター回路を構成するチョークコイルは、陰極部から漏洩するマイクロ波を熱として消費する。このため漏洩出力が大きくなると、チョークコイルが焼損することがある。また過熱でフェライトコアの透過率が低下するとインダクタンスが下がりマイクロ波の漏洩が増大する。また空芯インダクタは漏洩波の最大成分である２４５０ＭＨｚの基本波の定在波の最大振幅部をこのインダクタ内に位置させて減衰させ、コア型インダクタに至らないようにして、コア型インダクタの負担を軽くする。
特開２００２−３４３２６３号公報

以上から放熱や漏洩電力の低減のために、チョークコイルは大型にすることが望ましいが、大型化によりチョークコイルがフィルターボックス内壁に接近し放電を生じるためにフィルターボックスのサイズを小さくできない。

インダクタの巻線（コイル）の抵抗ＲはＲ（Ω）＝ρ（Ｌ／Ａ）（ρ：Ω・ｍ、Ｌ：巻線長（ｍ）、Ａ：巻線断面積（ｍ^２））であり、巻線の線径を細くすると巻線の抵抗が上がりチョークコイル温度が上昇する。外部電源から供給される陰極フィラメント電流は１．４〜２．０Ａであり、この電流に漏洩マイクロ波の電流が重畳される。温度上昇を緩和するために巻線長Ｌを短くし、抵抗値を下げることは可能であるが、チョークコイルのインダクタンスが小さくなるので、マイクロ波の漏洩が増大する。また、空芯型インダクタのみを短くすると、マイクロ波の基本波の定在波がコア型インダクタの位置で振幅が高くなり、コア型インダクタのコイルの巻線を損傷する。

さらにマグネトロン管の動作を不安定にする要因の一つにバックヒート（陰極逆衝撃）がある。バックヒートはフィラメント陰極から放射された熱電子の一部が発振マイクロ波からエネルギーを得てフィラメントに戻る現象である。規定のヒータ電圧を印加したときのフィラメント電流Ｉｆ（アンペア）に対してある特定の負荷における発振時のフィラメント電流をＩｆｂ（アンペア）としたとき、バックヒート（％）はＩｆｂ／Ｉｆ×１００（％）で表され、バックヒート（％）の値が小さいほど、陰極に戻される電子が多いことを意味する。バックヒートは出力負荷によって大きく変動するが、上記マグネトロン構造ではバックヒートの最小値は経験的に９０％以上であることが望ましい。チョークコイルを大きく、かつフィルターボックスを大きくすることでこの値を維持することが可能である。しかし、マグネトロン本体に対するフィルターボックスの容積が大きく小型化を妨げ、さらにチョークコイルのコストの低減化を妨げる。

本発明は所期のバックヒート値を確保し、フィルターボックスの小型化を可能にするマグネトロン用チョークコイルを得るものである。

本発明は、マグネトロン管本体の陰極端子を覆うように配置されたフィルターボックスと、このフィルターボックス内に収容され、磁性体コアを有するコア型インダクタと空芯型インダクタの直列接続で形成され前記空芯型インダクタが前記陰極端子に接続されたチョークコイルと、このチョークコイルの前記コア型インダクタに接続され、前記チョークコイルとともにフィルター回路を構成し前記フィルターボックスを貫通する貫通型コンデンサとを具備し、前記コア型インダクタと前記空芯型インダクタのコイルの線径が１．０〜１．４ｍｍ、前記磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２、
空芯型インダクタのコイルの巻き数Ｔが
５５＜２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔ≦９０
ここに前記コイルの線径：Ａ（ｍｍ）、前記磁性体コア直径：Ｄ（ｍｍ）
であるマグネトロン装置を得るものである。

本発明は所期のバックヒート値を確保し、フィルターボックスの小型化を可能にするものである。

以下図面により、本発明の実施形態を説明する。図１は電子レンジに使用されるマグネトロンの断面図である。陽極円筒１２と、この陽極円筒１２の内周面から管軸に向かって突出した複数個のベイン１３とで陽極部１１が形成されている。マグネトロンの管軸ｋに陰極部１４が配設されており、この陰極部１４は、フィラメント１５、その両端にエンドハット１６，１７を介して接続された陰極センターリード１８と陰極サイドリード１９によって構成されている。ベインの先端がフィラメント１５と所定間隔を保つように配設され、この所定間隔の環状空間２３が作用空間を形成する。陽極円筒１２の管軸方向両端部には、漏斗状、すり鉢状の一対のポールピース２０，２１が作用空間を挟むようにして相対向して設けられており、さらにこのポールピース２０，２１のそれぞれの管軸ｍ方向外方には、フィラメント印加用電流およびマグネトロン駆動用高電圧を供給するための入力部３０と、マイクロ波を伝送し放射するためのアンテナリード４１を含む出力部４０とが設けられてマグネトロン管本体１０を構成している。アンテナリード４１はその一端が陽極構体の一つのベイン１３に接続され、他端が管軸に沿って外方へ延長されている。

さらに、一対のフェライトからなる環状永久磁石５０，５１が、それぞれ一方のポールピース面をポールピース２０，２１に、他方のポールピース面を強磁性体からなる断面がコ字状の枠状ヨーク５２，５３にそれぞれ磁気的に結合されて構成された磁気回路により、ベイン１３とフィラメント１５との間に形成される作用空間２３に磁界を供給している。

図２は、マグネトロンの入力部３０をカバーするフィルターボックス３１およびフィルターボックス部分の内部を示している。入力部３０は陰極センターリード１８と陰極サイドリード１９を保持するセラミックスステム３２と前記各リードに接続された陰極端子３３，３３からなる。フィルターボックス３１の壁部分には２端子の貫通コンデンサ３４，３４が取り付けられ、フィルターボックス３１の中央部分に位置する陰極端子３３，３３と貫通コンデンサ３４，３４間にそれぞれチョークコイル３５，３５が直列接続され、コンデンサおよびチョークコイルによりフィルター回路が構成される。一対のチョークコイル３５，３５は、フェライトなどの円柱状の磁性体コア３６ａをもつコイルからなるコア型インダクタ３６と空芯コイルからなる空芯型インダクタ３７の直列接続構成を有しており、空芯型インダクタ３７側が所定長の折り曲げ配線３８を介して陰極端子３３に、コア型インダクタ３６側が貫通コンデンサ３４の端子３４ａに接続されている。

上記構成において、陰極端子３３，３３を通して漏洩するマイクロ波のうち、２４５０ＭＨｚの基本波成分が最大であり、基本波の１／４波長に相当する位置、漏洩マイクロ波の振幅が最大になる位置が、空芯型インダクタ３７内にくるように折り曲げ配線３８を含めてチョークコイルの長さが設定されている。この場合、漏洩するマイクロ波の多くが空芯型インダクタ３７で吸収される。空芯型インダクタ３７は周囲の空気などを利用して冷却できるため、疎巻の空芯型インダクタ部の最大発熱部をコア型インダクタ３６から離すことにより、コア型インダクタ３６の発熱が抑えられ、チョークコイル３５，３５のインダクタンスの低下を防止できる。

本発明は、チョークコイルを構成するコア型インダクタおよび空芯型インダクタのコイルの線径が１．０〜１．４ｍｍ、コア型インダクタの磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２、空芯型コイルの巻き数Ｔの関係が
５５＜２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔ≦９０・・・・・・（１）
ここにコイル線径：Ａ（ｍｍ）、磁性体コア直径：Ｄ（ｍｍ）
となるように設定するものである。

空芯型インダクタのコイル線径を１．０〜１．４ｍｍにするのは、線径が細いと強度低下や電気抵抗が高まり温度上昇があり、太いとコイルの小型化に寄与せず、またコストの増大を招く。本発明は１．４ｍｍ以下にすることで、従来コイルと同等の特性を維持ししかも小型のチョークコイルとすることができる。

コア型インダクタの磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２にするのは、断面積が小さく５ｍｍ^２以下なると磁束密度が高くなり飽和磁束に達してノイズ特性を劣化させ、さらにバックヒート値が悪化する。しかもフェライトでできたコアが機械的に脆弱なために細いコアの製造性が低下する。断面積を大きくするとコイルの小型化に寄与できない。通常、空芯型インダクタとコア型インダクタは同一径の銅線で一体に形成され、各コイル内径は同じである。なおそれぞれのコイル内径を変えて組合せることもできる。磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２は、円柱状磁性体コアの直径（Ｄ）が２．５〜４．５ｍｍに相当し、コイル内径と実質的に同じである。

式（１）の下限の数値５０は適正なバックヒート特性がえられる範囲を規定しており、上限の数値９０はチョークコイルの大型化を避ける実用値である。

本実施形態によれば、従来構造よりもコイルの線径を細くするとともに磁性体コアを構成する円柱状のフェライトコアの断面積を小さくすることで、コア型インダクタ３６に巻きつけるコイル長を短くし、かつインダクタンスをコイル径の大きな従来構造と同等にすることができる。また漏洩マイクロ波の定在波の最大振幅部が空芯型インダクタ３７内でコア型インダクタから離れた位置にくるようにしてコア型インダクタ３６との接続位置３７ａでは小振幅になるようにしてコア型インダクタへの影響を低減する。

以下実施例を説明する。なお各例で空芯型インダクタを疎巻としてコイル線間間隔を１ｍｍ以下、コア型インダクタのコイルを蜜巻としている。両コイル間の間隔は３ｍｍとしている。空芯型インダクタの疎巻は空冷により温度上昇を抑えるためで、線間間隔を拡げすぎるとチョークコイルを大型化するので、線間間隔は１ｍｍ以下が好ましい。

（実施例１）巻線線径Ａ＝１．４ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝３、コア型インダクタのフェライトコアの直径４．５ｍｍ（断面積ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の４．５ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは９１．６であり、式（１）を満足する。

（実施例２）巻線線径Ａ＝１．０ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝５、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の３ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは６２．８である。

（実施例３）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝５、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の３ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは６５．９である。

（実施例４）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝４、コア型インダクタのフェライトコアの直径４．５ｍｍ（断面積ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の４．５ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは７１．６である。

（実施例５）巻線線径Ａ＝１．４ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝４、コア型インダクタのフェライトコアの直径４．５ｍｍ（断面積ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の４．５ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは７４．１である。

（実施例６）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝６、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の３ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは７９．１である。

（実施例７）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝６、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。なお空芯型インダクタ、コア型インダクタの内径は同一の３ｍｍである。この場合の、式（１）における２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは７９．１である。

（比較例１）巻線線径Ａ＝１．０ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝４、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。この場合の２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは５０．２であり、式に合致しない。

（比較例２）巻線線径Ａ＝１．０ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝３、コア型インダクタのフェライトコアの直径４．５ｍｍ（断面積ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは５１．８となる。

（比較例３）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝４、コア型インダクタのフェライトコアの直径３ｍｍ（断面積７．０６５ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは５２．８となる。

（比較例４）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝３、コア型インダクタのフェライトコアの直径４．５ｍｍ（断面積ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは５３．７となる。

（比較例５）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝５、コア型インダクタのフェライトコアの直径２ｍｍ（断面積３．１４ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは５０．８となる。

（比較例６）巻線線径Ａ＝１．２ｍｍ、空芯型インダクタの巻き数Ｔ＝６、コア型インダクタのフェライトコアの直径２ｍｍ（断面積３．１４ｍｍ^２）のチョークコイルを作製した。２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔは６０．３となる。

表１は上記実施例１〜７および比較例１〜６における式（１）の数値と各バックヒート最小値を示したものである。

バックヒートは、マグネトロンの陰極から放出された電子が高周波電界によって陰極に戻され、陰極を逆加熱させる現象である。

図４ないし図７は２４５０ＭＨｚ発振の電子レンジ用マグネトロンの出力負荷条件として、出力アンテナに装荷した導波管中に負荷を配置し、位置を１７０ｍｍから２５０ｍｍ（０〜２π）まで変えて反射波の位相を変化させたときの上記表１の一例のバックヒート値の変化を示している。

図４は上記表１におけるコア直径および空芯型インダクタの巻き数が同一の場合で、コイル線径が異なる比較例２，４および実施例１のバックヒート値をグラフ化したものである。コイルの線径を細くするとバックヒートが悪化することがわかる。図に示すようにバックヒート値として望ましい９０％を基準にとると、比較例２および４は基準値以下になり、実施例１は基準値を超えている。実施例１の式（１）の数値は５５以上である。実施例１は、図示のように負荷の位相変化に対してバックヒート値９０％を維持し位相変化に対して安定しているが、比較例２，４は一部で９０％を超えるものの最小値は９０％以下になるなど位相変化に対してかなり変動していることがわかる。すなわち、バックヒート値が９０％以上では位相変動に対してマグネトロン管の動作が安定すること示している。

図５は比較例４と実施例４のコア直径４．５ｍｍ、空芯型インダクタのコイル線径１．２ｍｍと同じもの同士で、空芯型コイルの巻き数を異ならしめた例を示している。巻き数を増やすとバックヒートが改善されることを示している。実施例４の数値は７１．６である。

図６は同様にコア直径と空芯型インダクタの線径を同じにして空芯型インダクタの巻き数を変えたときの例（比較例３、実施例３および実施例６）を示している。比較例３に比して実施例３および実施例６ではバックヒートの最小値が９０％を越えている。ただし実施例６は実施例３よりも巻き数が多いが、バックヒート値は実施例よりも悪く、図５の例と対比すると、コア直径によって巻き数が制約される。例えば実施例６で巻き数を７にするとバックヒート値の最小値は９０％以下になり、この場合の式（１）の数値は９２である。また空芯型インダクタのコイル長が長くなる。

図７は空芯型インダクタの巻線線径が１．２ｍｍと同一の場合で、コア直径が３ｍｍの実施例３、実施例７とコア直径が２ｍｍの比較例５、比較例６を対比して示すグラフである。コア直径が２ｍｍ（コア断面積３．１４ｍｍ^２）ではバックヒート値は極端に悪い。比較例６は式（１）を満足しているが、コア断面積の条件を充足しない。コア直径を２．５ｍｍ以上（コア断面積５ｍｍ^２）にする必要がある。

図３は本実施形態と従来のフィルターボックスの寸法差を説明するもので、チョークコイル寸法の相違により、ボックス内壁の間隔幅が変わることを示している。図右側が本実施形態であり、図左側が従来構造である。従来構造ではチョークコイル３５Ａとこれらを収容するフィルターボックス３１Ａの壁面との間の絶縁距離Ｂを維持するため、Ｂを１６ｍｍ以上の間隔を維持しなければならないので、チョークコイル３５Ａのコイル径を従来の一般的な１０ｍｍとすると、フィルターボックスの内壁の幅は４２ｍｍになる。これに対して本発明の例えば実施例２によれば、フェライトコアの直径３ｍｍ、コイル巻線径１ｍｍとしてチョークコイル３５の直径は５ｍｍになり、フィルターボックス３１の内壁の間隔幅は３７ｍｍと縮小される。

発明者が数式化した式（１）は、チョークコイルの線径を１．０〜１．４ｍｍと細径化し、磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２と径小としたときに、９０％以上のバックヒート値を得て安定に動作させることができるチョークコイル構造を示すものである。したがって本発明によれば、マグネトロン動作の高信頼性、チョークコイル温度上昇の抑制、チョークコイルの小型化、チョークコイルのコスト減、フィルターボックスの小型化という効果を得ることができる。

本発明の一実施形態のマグネトロンの断面図図１をII−II線から矢印方向に見たフィルターボックス内の平面図本発明の実施例と従来構造のフィルターボックスを対比して示す略断面図実施例１と比較例２，４における出力側の位相に対するバックヒート（％）の曲線図、およびコア直径、コイル線径、空芯型インダクタの巻き数、式（１）の数値を対比した図実施例４と比較例４における出力側の位相に対するバックヒート（％）の曲線図、およびコア直径、コイル線径、空芯型インダクタの巻き数、式（１）の数値を対比した図実施例３，６と比較例３における出力側の位相に対するバックヒート（％）の曲線図、およびコア直径、コイル線径、空芯型インダクタの巻き数、式（１）の数値を対比した図実施例３，７と比較例５，６における出力側の位相に対するバックヒート（％）の曲線図、およびコア直径、コイル線径、空芯型インダクタの巻き数、式（１）の数値を対比した図

符号の説明

１０：マグネトロン管本体
１１：陽極部
１２：陽極円筒
１４：陰極部
１５：フィラメント
１８：陰極センターリード
１９：陰極サイドリード
３０：入力部
４０：出力部
３１：フィルターボックス
３２：セラミックスステム
３３：陰極端子
３４：貫通コンデンサ
３５：チョークコイル
３６：コア型インダクタ
３６ａ：磁性体コア
３７：空芯型インダクタ

Claims

マグネトロン管本体の陰極端子を覆うように配置されたフィルターボックスと、このフィルターボックス内に収容され、磁性体コアを有するコア型インダクタと空芯型インダクタの直列接続で形成され前記空芯型インダクタが前記陰極端子に接続されたチョークコイルと、このチョークコイルの前記コア型インダクタに接続され、前記チョークコイルとともにフィルター回路を構成し前記フィルターボックスを貫通する貫通型コンデンサとを具備し、前記コア型インダクタと前記空芯型インダクタのコイルの線径が１．０〜１．４ｍｍ、前記磁性体コアの断面積が５〜１６ｍｍ^２、
空芯型インダクタのコイルの巻き数Ｔが
５５＜２π（（Ｄ＋Ａ）／２）Ｔ≦９０
ここに前記コイルの線径：Ａ（ｍｍ）、前記磁性体コア直径：Ｄ（ｍｍ）
であるマグネトロン装置。
前記陰極端子と空芯型インダクタ間が配線で接続され、この配線の長さが２０〜２５ｍｍ、空芯型インダクタは疎巻であり、線間間隔が１ｍｍ以下である請求項１に記載のマグネトロン装置。