JP5115880B2 - マグネトロンの余寿命検出方法とその余寿命検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンの余寿命を予め検出し、マグネトロンの交換時期の予定や交換のためのマグネトロンのストックなどの便宜を計ることができるマグネトロンの余寿検出方法とその余寿検出装置に関する。

マグネトロンは消耗品であるため、マイクロ波電力を利用して加熱、乾燥し、或いは、エッチング処理等を行うマイクロ波応用装置では、所定期間の経過によってマグネトロンを交換することが行なわれている。
ところが、マグネトロン各々の寿命時間には長短があり、寿命（寿命時間の終わり）が明確でないために、寿命時間が充分にあるにもかかわらず交換してしまったり、また、寿命により故障となった後に交換するなど、実用的には様々な取り扱いがなされている。

この結果、寿命時間を充分に残して交換する場合は経済的に好ましくないし、また、故障となった後で交換することも、マイクロ波処理される製品の歩留まりが悪くなったり、さらには、マグネトロン故障のための装置の停止時間が長くなったりする等の問題が生じる。

上記の事情から、マグネトロンの寿命検出については、従来から様々な検出方法や検出装置が提案されている。
一例を述べれば、マグネトロンが冷えている状態で、通常運転起動電圧より低いヒーター電圧（フィラメント電圧）を印加すると共に、陽極にはヒーター電圧よりも高い電圧を印加し、この状態で、マグネトロンの発振停止又は出力低下を発振出力検出手段によって検出する寿命検出方法がる。

この寿命検出方法は、低いヒーター電圧をわざわざ供給する回路を必要とする他に、マグネトロンを発振動作させる毎に準備作業として検出確認することになる。
また、定格フィラメント電圧ではまだまだ寿命時間が充分に残っているにもかかわらず寿命と判定してしまうことがある。
特に、マグネトロンの特性によっては、通常運転起動電圧より低いフィラメント電圧を印加することができないものがあるから、上記の寿命検出方法は限られたマグネトロンに適用できるに止まる。

第２５５３４２４号公報

上記した従来の寿命検出方法は、検出結果として残りの寿命時間、つまり、余寿命については具体的に分からないから、例えば、寿命時間が１０００時間以上も残っているにもかかわらず寿命の到来と判定してしまうことがある。
したがって、寿命と判断すれば、残りの寿命時間（余寿命）に関係なくマグネトロンの交換が行われている。

しかしながら、マグネトロンは、高価な商品であり、また、複数個使用されたものが多いから、寿命（異常発振または発振停止）となる直前に交換することが好ましく、特には、寿命検出時に残りの寿命時間が分れば、マグネトロンの交換時期を知ることができるから、マグネトロンのストックの管理やマグネトロンの交換作業準備、作業時期等について事前に予定することができる。
このことから、余寿命を知ることができれば、経済的にもまた作業の能率向上においても非常に重要なこととなる。

本発明は、上記の実情にかんがみ、マグネトロンの余寿命（残りの寿命時間）を検出してマグネトロンの交換時期や交換作業の予定などに便宜をはかることができるマグネトロンの余寿命検出方法とその余寿命検出装置を提案することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明では、第１の発明として、フィラメント電圧を一定値に維持した状態で、定格出力の平均陽極電流を数段階に順次減少させ、減少させた平均陽極電流の異常発振時点を検出することにより、当該平均陽極電流に対応する寿命時間を求め、この寿命時間と定格出力の平均陽極電流に対応する寿命時間とを比較し、定格出力で運転した際の余寿命を知得することを特徴とするマグネトロンの余寿命検出方法を提案する。

第２の発明としては、フィラメント電圧を一定値に維持した状態で、定格出力の平均陽極電流を数段階に順次減少させる制御手段と、減少させた平均陽極電流の異常発振時点を検出することにより、当該平均陽極電流に対応する寿命時間を求める手段を備え、減少させた平均陽極電流より求めた寿命時間と定格出力の平均陽極電流に対応する寿命時間とを比較し定格出力で運転した際の余寿命を知得することを特徴とするマグネトロンの余寿命検出装置を提案する。

第３の発明としては、上記第２の発明のマグネトロンの余寿命検出装置において、マグネトロンがモーディングしたとき、異常発振時点として検出するモーディング検出手段を設けたことを特徴とするマグネトロンの余寿命検出装置を提案する。

上記のように構成した本発明は、推奨フィラメント電圧を維持した状態で、平均陽極電流を数段階に減少させ、マグネトロンが各々の平均陽極電流を流したとき発生する異常発振時点を検出する。
すなわち、マグネトロンが異常発振する時点は、定格出力限界時点であるから、各々の平均陽極電流を供給したときに発生する異常発振時点は、平均陽極電流各々に対応するマグネトロンの寿命時間となる。

したがって、推奨されるフィラメント電圧を印加して特定の定格出力を出力するマグネトロンの寿命時間を予め求めておくことによって、この寿命時間と減少させた各平均陽極電流に対応する寿命時間とから、マグネトロンが正常発振する余寿命を検出することができる。

この結果、マグネトロンの残りの寿命時間を考慮し、マグネトロンのストックの管理、マグネトロンの交換時期と交換作業の準備などを事前に予定することができる。
なお、マグネトロンの異常発振の検出については、マグネトロンがモーディングした時を検出する検出手段を設けることによって行なうことができる。

次に、本発明の実施形態について図面に沿って説明する。
図１は、一例と示した５ｋＷ出力のマグネトロンの出力Ｐｏ−平均陽極電流Ｉｂの特性図、図２は、そのマグネトロンのフィラメント電圧Ｅｆ−平均陽極電流Ｉｂの特性図である。

図１より分かるように、上記のマグネトロンは、５ｋＷ出力時には９２０ｍＡ（ｍＡ：ミリアンペア）の平均陽極電流Ｉｂが流れ、また、９２０ｍＡの平均陽極電流Ｉｂが流れるときは、図２に示すように、０．４Ｖのフィラメント電圧Ｅｆを加えることが推奨されている。

したがって、このマグネトロンは、５Ｖの予熱フィラメント電圧Ｅｆでフィラメントを加熱した後に運転状態に入り、推奨される０．４Ｖのフィラメント電圧Ｅｆと必要な陽極電圧を印加して特定の定格出力として５ｋＷのマイクロ波電力を出力させることができる。
なお、この種のマグネトロンは、発振出力によってフィラメント温度が上昇するバックヒーテング現象を伴って出力状態を継続する。

図３は、上記のマグネトロンについて、加速寿命試験を行ないながら、特性の変化を調査した特性図で、横軸はマグネトロンの動作時間（時間）、縦軸はモーディング開始フィラメント電圧（Ｖ）として描いた平均陽極電流Ｉｂの特性曲線を示している。
なお、この特性図では、平均陽極電流Ｉｂが２００ｍＡ、４００ｍＡ、６００ｍＡ、８００ｍＡ、８５０ｍＡ，９２０ｍＡについて示してあるが、平均陽極電流が３００ｍＡのときは、２００ｍＡと４００ｍＡの特性曲線の中間となり、４００ｍＡと同様に初期はモーディング開始フィラメント電圧が０Ｖとなることが確認された。

ここで、モーディング開始フィラメント電圧とは、正常発振が維持できる限界のフィラメント電圧である。
例えば、平均陽極電流Ｉｂを６００ｍＡに維持してフィラメント電圧を下げると、フィラメントから放出される電子放出量が減って正常発振が維持できなくなりモーディングするが、このモーディングが発生する直前のフィラメント電圧を上記したモーディング開始フィラメント電圧としてある。
ただし、フィラメント電圧を０Ｖにしてもモーディングしなかった場合は、モーディング開始フィラメント電圧を０Ｖと定義した。

この特性図から平均陽極電流Ｉｂが６００ｍＡのときのモーディング開始フィラメント電圧の推移を見ると、動作時間（定格出力時間）が６０００時間まではフィラメント電圧が２．１Ｖ以上で正常発振し、２．１未満でモーディングしている。
このことは、加速寿命試験でマグネトロンを６０００時間動作させたことにより、フィラメントから放出される電子の放出量が少なくなり、２．１Ｖ以上のフィラメント電圧を印加したときだけ正常発振する状態になることを意味している。

そして、図２の特性図によれば、平均陽極電流Ｉｂが６００ｍＡのときに印加すべき推奨フィラメント電圧Ｅｆは２Ｖであるから、６０００時間弱で寿命終止点に達したことになる。
なお、正しくは、加速係数を加味した時間が本来の寿命時間の終わりとなる。

同様に、平均陽極電流Ｉｂが定格出力動作の９２０ｍＡのときのモーディング開始フィラメント電圧は、６５００時間まではフィラメント電圧を印加しなくともバックヒーティング現象だけで正常発振できたが、７０００時間では、フィラメント電圧が２Ｖ以上で正常発振し、２Ｖ未満でモーディングしている。

そして、図２の特性図から平均陽極電流Ｉｂが９２０ｍＡのとき印加すべき推奨フィラメント電圧は０．４Ｖであるから、概略６７００時間で寿命終止点に達したことになる。
なお、正しくは、加速係数を加味した時間が本来の寿命時間の終わりとなる。

次に、上記した特性のマグネトロンを特定出力動作の５ｋＷ出力（平均陽極電流Ｉｂ＝９２０ｍＡ）で動作させるマイクロ波応用装置に組み付け、余寿命の検出をおこなったところ下記の結果を得た。この場合、フィラメント電圧Ｅｆは図示するように推奨フィラメント電圧である０．４Ｖに設定した。

余寿命を検出する目的で平均陽極電流Ｉｂを９２０ｍＡから６００ｍＡに変更すると、概略５４５０時間（特定出力動作の５ｋＷ寿命に対し８１％）を経過した時点からモーディングが発生するようになる。
この結果、このマグネトロンの余寿命が１９％であることが分かる。
余寿命の検出が終わったら、一旦陽極電源を切断し、再度９２０ｍＡの平均陽極電流Ｉｂを供給することによって、正常発振を継続させることができる。

同様に、余寿命を検出する目的で平均陽極電流Ｉｂを９２０ｍＡから８５０ｍＡに変更すると、概略６４５０時間（特定出力動作の５ｋＷ寿命に対し９６％）を経過した時点からモーディングが発生するようになる。
この結果、このマグネトロンの余寿命が４％であることが分かる。
余寿命の検出が終わったら、一旦陽極電源を切断し、再度９２０ｍＡの平均陽極電流Ｉｂを供給することによって、正常発振を継続させることができる。

平均陽極電流Ｉｂを定格動作の９２０ｍＡから順次変化させ、２００ｍＡ、４００ｍＡ、６００ｍＡ、８００ｍＡ，８５０ｍＡに設定し、これら平均陽極電流Ｉｂ各々について余寿命を検出すると、次の表１に示したように、各平均陽極電流Ｉｂに対応する余寿命を検出することができる。

続いて、本発明を具体的に実施した１実施例について説明する。
本発明は、既に述べたように、モーディングの発生時点を余寿命として検出するので、先ず、モーディングについて説明する。
図４は、電子レンジ用や工業用に使用されるマグネトロンの陽極空洞１０の模式図である。このマグネトロンは導電性のストラップリング１１、１２を備えることが特徴となっている。

陽極空洞１０には、8枚のベイン１０ａ〜１０ｈが放射状に設けられ、内側のストラップリング１１がベイン１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇに電気接続され、外側のストラップリング１２がベイン１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈに電気接続されている。

各ベインの先端側に付した＋（プラス）と−（マイナス）は、マグネトロンが正常発振しているとき、ある瞬間にベイン先端に現れるマイクロ波電界の極性を示し、例えば、図示の如く、ベイン１０ａの先端がプラスの最大値を示すときは、隣のベイン１０ｂの先端がマイナスの最大値を示すと言うように、隣り合うベインの先端に現れるマイクロ波電界の位相が１８０°（π）ずれる状態となる。

この発振状態では、ストラップリング１１、１２による各ベインの接続点が同電位となるように強制されるので、位相がπだけずれたマイクロ波電界によって安定した発振が行われ、このように発振することをマグネトロンの正常発振と言う。
なお、陽極空洞１０のベイン数は偶数で、電子レンジ用や工業用に使用されるマグネトロンは８枚から２４枚のものが一般的で、特に１０枚から１４枚のものが多い。

一方、図４において、ベイン１０ａの先端がプラス、ベイン１０ｃの先端がマイナス、ベイン１０eの先端がプラス、ベイン１０ｇの先端がマイナスとなる発振モード、或いは、ベイン１０ａの先端がプラス、ベイン１０ｅの先端がマイナスとなる発振モードがあるが、このような発振モードを総称して異常発振、あるいは、モーディングと言う。
したがって、以下の説明では、マグネトロンが正常発振以外のモードで発振することをモーディング、或いは、異常発振と言う。

なお、ストラップリング１１、１２は、上記したように正常発振を強制的に促し、発振の安定化に有利であるが、モーディングが生じたときは、ベインの接続点が異なる電位となるので、大きなマイクロ波電流が流れ熱疲労破壊の原因となり、極端な場合は破断などに至る。

図５は、ストラップリングを備えるマグネトロンの陽極電流iｂと陽極電圧ｅｂとの関係を示す特性図である。
図示するように、正常発振Ａ０が最も低い陽極電圧で発生し、異常発振（モーディング）Ａ１、Ａ２のときは、正常発振Ａ０のときに比べ高い陽極電圧となる。
なお、異常発振の種類はベイン枚数に応じて増すが、この特性図では、２種類の異常発振Ａ１、Ａ２の特性が示してある。

本実施例は、正常発振Ａ０の特性に最も近い異常発振Ａ１の特性に着眼し、正常発振Ａ０により出力されるマイクロ波電力の周波数（２．４５ＧＨｚ帯）と異常発振Ａ１により出力されるマイクロ波電力の周波数を有効に利用する。
その理由は、フィラメントからの電子放出量が正常発振を維持するために必要なレベル以下になったとき異常発振するが、このとき異常発振Ａ１のマイクロ波発振が最も強く必ず発生することを確認したからである。

下記する表２は、工業用マグネトロンが正常発振Ａ０で出力されるマイクロ波電力の周波数と異常発振Ａ１で出力されるマイクロ波電力の周波数の測定結果を示す。

なお、家庭用電子レンジが備えるマグネトロンが異常発振によって出力するマイクロ波電力の周波数は、４．２ＧＨｚ〜５．０ＧＨｚであることも確認された。

この表２より分かるように、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力と、３．５ＧＨｚ以上のマイクロ波電力を分離し、３．５ＧＨｚ以上のマイクロ波電力を検出すれば、マグネトロンが異常発振したことが判明し、この結果、マグネトロンの寿命到来を認識することができる。

正常発振のマイクロ波電力と異常発振のマイクロ波電力は、導波管をハイパスフイルタとして簡単に分離することができる。
図６は、ハイパスフイルタの構成例を示す方形導波管１３で、断面の長辺寸法Ｄ０を４．３ｃｍとしたものは、３．５ＧＨｚ以下のマイクロ波電力を遮断し、３．５ＨＧｚを超えるマイクロ波電力を伝搬する。

同様に、長辺寸法Ｄ０を５ｃｍにしたものは、３ＧＨｚ以下のマイクロ波電力を遮断し、３ＧＨｚを超えるマイクロ波電力を伝搬する。
さらに、長辺寸法Ｄ０を６ｃｍとしたものは、２．５ＧＨｚ以下のマイクロ波電力を遮断し、２．５ＧＨｚを超えるマイクロ波電力を伝搬する。

したがって、長辺寸法Ｄ０が４．３ｃｍから６ｃｍまでの方形導波管を用いれば、表２から分かるように、１．５ｋＷから６ｋＷまでのマグネトロンが出力する異常発振のマイクロ波電力を分離し、検出することができる。
具体的には、異常発振のマイクロ波電力に合わせた長辺寸法の方形導波管を使用する。

図７は、余寿命検出装置を備えたマイクロ波応用装置の実施例を示す。
なお、マグネトロン１４を駆動する電源部は省略してある。
このマイクロ波応用装置は、マグネトロン１４が出力するマイクロ波電力が導波管系回路（マイクロ波伝送路）１５を通してアプリケータ１６に送られ、被処理物がこのアプリケータ内でマイクロ波処理される。
この実施例のマイクロ波応用装置では、導波管系回路１５にアイソレータ１７を設け、このアイソレータ１７とマグネトロン１４との間に余寿命検出装置１８が設けてある。

すなわち、図８に示す如く、正常発振のマイクロ波電力を伝播する導波管系回路１５の一部の導波管部１５ａに図９、図１０に示すところの寿命検出装置１８を設置した構成としてある。
具体的には、導波管系回路１５は、正常発振のマイクロ波電力、つまり、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波電力が伝播する導波管構成となっており、したがって、その一部の導波管部１５ａの長辺寸法Ｄ１も６０〜１２０ｃｍの導波管となっている。

導波管部１５ａには、異常発振のマイクロ波電力の波長に対し、１／２波長に近い長さに形成したスロットアンテナ１９が設けてある。
このスロットアンテナ１９は異常発振のマイクロ波電力に対し共振するので、異常発振の多くのマイクロ波電力を放射する。

また、導波管部１５ａには、上記のスロットアンテナ１９を覆うように、図９、図１０に示す余寿命検出装置１８が設置してある。
具体的には、この余寿命検出装置１８は、その胴体部１８ａが図６に示す方形導波管１３と同様に正常発振のマイクロ波電力を遮断し、異常発振のマイクロ波電力を通過させる有底のフイルタで、胴体部１８ａには、結合金属棒１８ｂを備えた同軸線用端子１８ｃが設けてあり、結合金属棒１８ｂの胴体部内挿入長Ｈと短絡板からの距離Ｌは、異常発振のマイクロ波電力が結合する長さに調整してある。

前記の余寿命検出装置１８は、異常発振のマイクロ波電力を集め、同軸線端子１８ｃから検出信号を出力するから、その検出信号に応動させてアラームを動作させるアラーム動作回路を設ける。
図１１はアラーム動作回路の一例である。
このアラーム動作回路は、余寿命検出装置１８から出力される検出信号をアンプ２０によって検波増幅し、この増幅信号をトランジスタ２１のベースに入力し、増幅信号が一定レベルを超えたとき、トランジスタ２１をＯＮさせる。

トランジスタ２１のＯＮにより、リレー２２が励起されてその端子２２ａ、２２ｂがＯＦＦからＯＮになり、ランプ２３が点灯してモーディングの発生を表示さる。
なお、トランジスタ２１に並列接続した常閉型のスイッチ２４とリレー端子２２ａの回路体は、ランプ２３の点灯保持回路である。
すなわち、トランジスタ２１が一旦ＯＮすると、余寿命検出装置１８からの検出信号が消失してもスイッチ２４と端子２２ａの閉成によりリレー２２が動作を継続するから、ランプが点灯したままとなる。

上記した本実施例のマイクロ波応用装置では、通常運転に入る前に余寿命の検出を行う。
余寿命の検出については、既に述べたように、マグネトロン１４を定格出力（例えば、定格出力５ｋＷ、平均陽極電流９２０ｍＡ）させた状態で、平均陽極電流Ｉｂを減少さる。

平均陽極電流Ｉｂを複数段階に減少させ、この減少制御過程でランプ２３が点灯し、表１に示すような余寿命時間が判明する。
余寿命を検出した後は、平均陽極電流Ｉｂを定格動作に戻し、マグネトロン１４を定格出力させ、マイクロ波応用装置を通常運転する。

このようなマイクロ波応用装置では、余寿命時間が予め知得でき、マグネトロンの交換時期を予定することができるので、交換するマグネトロンやその交換作業の準備の他、物品のマイクロ波処理の計画などが容易となり、この種の装置を効率的に稼働させる上に極めて有利となる。

マグネトロン応用装置などに備えるマグネトロンの余寿命検出方法として、また、その余寿命検出装置として利用することができる。

定格出力５ｋＷのマグネトロンの出力と平均陽極電流の関係を示す特性図である。 上記マグネトロンのフィラメント電圧と平均陽極電流の関係を示す特性図である。 平均陽極電流を変化させてマグネトロンの加速寿命試験を行った試験結果を示す特性図である。 電子レンジ用や工業用に使用されるマグネトロンの陽極空洞の模式図である。 ストラップリングを備えるマグネトロンの陽極電流iｂと陽極電圧ｅｂとの関係を示す特性図である。 異常発振のマイクロ波電力を分離するハイパスフイルタの構成例を示す方形導波管の斜視図である。 マグネトロンの余寿命検出装置を備えたマグネトロン応用装置の実施例を示す概略図である。 上記実施例に備えた余寿命検出装置の取付け状態を示す斜視図である。 上記余寿命検出装置の斜視図である。 上記余寿命検出装置の断面図である。 余寿命を検出する検出回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

１４ マグネトロン
１５ 導波管系回路
１５ａ 導波管部
１６ アプリケータ
１７ アイソレータ
１８ 余寿命検出装置
１９ ストラップアンテナ
２３ モーディング表示用のランプ

Claims (3)

1. フィラメント電圧を一定値に維持した状態で、定格出力の平均陽極電流を数段階に順次減少させ、
   減少させた平均陽極電流の異常発振時点を検出することにより、当該平均陽極電流に対応する寿命時間を求め、
   この寿命時間と定格出力の平均陽極電流に対応する寿命時間とを比較し、
   定格出力で運転した際の余寿命を知得することを特徴とするマグネトロンの余寿命検出方法。
2. フィラメント電圧を一定値に維持した状態で、定格出力の平均陽極電流を数段階に順次減少させる制御手段と、
   減少させた平均陽極電流の異常発振時点を検出することにより、当該平均陽極電流に対応する寿命時間を求める手段を備え、
   減少させた平均陽極電流より求めた寿命時間と定格出力の平均陽極電流に対応する寿命時間とを比較し定格出力で運転した際の余寿命を知得することを特徴とするマグネトロンの余寿命検出装置。
3. 請求項２に記載したマグネトロンの余寿命検出装置において、
   マグネトロンがモーディングしたとき、異常発振時点として検出するモーディング検出手段を設けたことを特徴とするマグネトロンの余寿命検出装置。

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