JPH0567493A - マイクロ波加熱用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】マグネトロンの動作状態に変化があっても、陰
極フィラメント温度の過大な変化を防ぎ、マグネトロン
の長寿命使用を可能とするマイクロ波加熱用電源装置の
提供する。 【構成】マグネトロンの陰極加熱回路に、マグネトロン
陰極と直列に接続された陰極制御用トランスを挿入し、
この陰極制御用トランスの二次側回路に設けた陰極制御
用のスイッチング素子を断続して陰極のフィラメント電
流を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、商用電源より周波数の
高い交流に変換して変圧器の軽量化を図ったインバ−タ
電源方式によりマグネトロンを駆動する電子レンジ等の
マイクロ波加熱装置で、マグネトロンのアノ−ド温度や
マイクロ波の出力、さらに、マイクロ波の反射等により
フィラメントに加わる逆加熱電力が変化し、この影響で
フィラメント温度が変化すること防止したマイクロ波加
熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンによりマイクロ波を発生さ
せ、このマイクロ波を用いて誘電加熱を行なうマイクロ
波加熱装置は、家庭用電子レンジ等に広く利用されてい
る。マイクロ波を発生させるマグネトロンを駆動する電
源として近年インバ−タ電源が採用されている。インバ
−タ電源は、スイッチング素子を用い商用電源の周波数
より高い周波数とし変圧器の小形軽量化や出力の制御を
図るものである。出力の制御の方法は、スイッチング素
子のオン期間を長くすることでマグネトロンの陽極に印
加される電圧が高くなり出力が増加する。

【０００３】一方、スイッチング素子のオフ期間は回路
定数で定めほぼ一定であり、この期間に倍電圧整流回路
の高圧コンデンサを充電する。したがって、スイッチン
グ素子のオン期間の長短を制御回路で制御することによ
りマイクロ波出力の増減をコントロ−ルすることができ
る。このようにインバ−タ電源は、高周波変圧器を用い
るため変圧器は小形軽量となり、また、加熱出力の可変
制御が容易なことから近年急速に普及しはじめている。

【０００４】従来のインバ−タ電源の回路は実開昭６２
−１０７３９７号公報にも示されている。これらのイン
バ−タ電源の主回路は図６に示す構成となっており１は
整流回路、２は昇圧変圧器、３はスイッチング素子、４
は共振用コンデンサ、５は高圧コンデンサ、６ａ，６ｂ
は高圧ダイオ−ド、７は高圧巻線、８はフィラメント巻
線、９はマグネトロン、１０は制御回路である。商用電
源の交流は１の整流回路により全波整流され、この電圧
は変圧器の一次側を経てスイッチング素子に印加され
る。スイッチング素子のオン、オフの周期は２０ｋＨｚ
〜６０ｋＨｚが用いられており高周波により変圧器が動
作する。変圧器の二次側は高圧巻線とフィラメント巻線
が設けられており、高圧回路は倍電圧整流回路を構成し
ている。高圧ダイオ−ド６ａは倍電圧整流用、高圧ダイ
オ−ド６ｂはマグネトロンに内臓されている貫通コンデ
ンサに流れる不必要な充放電電流を阻止する働きをす
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の図６に示す方式
を用いた従来のインバ−タ電源では、マグネトロンが発
振を開始したのちマグネトロンの温度上昇によりマグネ
トロンの発振開始電圧が低下すると、倍電圧整流回路の
出力電圧も低下し、それに応じて高圧巻線の端子電圧も
低くなる。同一変圧器に巻かれたフィラメント巻線の端
子電圧は巻き数比に比例した電圧となるため、高圧巻線
の端子電圧が下がるとフィラメント巻線の端子電圧も下
がり、結果的にフィラメントの電流も減少しフィラメン
トの温度が低下する。加えて、マイクロ波の出力を減少
させる場合にはマグネトロン陽極電流を減じなければな
らず、そのマグネトロン陽極電流の減少の影響で、変圧
器の高圧巻線と同時に巻かれているフィラメント巻線の
端子電圧もさらに下がり、フィラメント電流はより一層
減少する。マグネトロンのフィラメントは適切な温度で
動作させる必要があり、上記のような場合にも一定のフ
ィラメント温度を保つことが望ましい。しかし、同一変
圧器に高圧巻線とフィラメント巻線を設けていることか
ら、従来の回路方式ではフィラメント温度が変化するこ
とを防止できなかった。

【０００６】また、被加熱物の量や位置が変わりマイク
ロ波の反射量が変化した場合も、マイクロ波の反射が生
じフィラメントへの逆加熱電力が変化し、その結果フィ
ラメントの温度も変化する。加熱室内の被加熱物の量が
多い場合は、マイクロ波の吸収が良く行なわれ反射電力
は少ない。これに対して、被加熱物の量が極めて少ない
場合には、マイクロ波の吸収がほとんど行なわれないた
め反射電力が多くなり、この反射電力はマグネトロンの
フィラメントを逆加熱する。フィラメントの逆加熱電力
は、マイクロ波出力の大小及び反射波の大小に関係する
ため、電子レンジの使用条件により様々な変化をする。

【０００７】マグネトロンのフィラメント温度は電子放
射に必要な最適温度範囲があり、それより高過ぎるとフ
ィラメント構成材料の蒸発により、寿命が短くなる。ま
た、低過ぎる場合には電子放射不足を招きやすく、そう
なるとマグネトロンの異常発振（モ−ディング）を起
し、マグネトロンの過熱による真空度劣化等を生じ短寿
命となる。

【０００８】従来のインバ−タ電源では、マグネトロン
の陽極電圧が低下するとフィラメント電流も低下し、ま
た、マイクロ波の反射が増加すると逆加熱電力も増加す
る等、フィラメント温度の変化が大きくマグネトロン本
来の寿命より短くなる傾向があるという問題がある。

【０００９】本発明は、上記のような従来の問題を解決
し、マグネトロンの陽極電圧の変化やマイクロ波の反射
量に変化が生じても、フィラメント温度の変化を防ぎ、
一定のフィラメント温度としマグネトロンの短寿命化を
防止することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、マグネトロンのフィラメント回路
に挿入した陰極制御用トランスを挿入し、この陰極制御
用トランスの二次巻線に接続されたスイッチング素子に
より二次回路を断続せしめて、陰極制御用トランスの一
次側から見たインピーダンスを変化させ、陰極フィラメ
ント回路の電流を制御する方式を用いる。この際にフィ
ラメント温度を検出し、この検出信号に応じた制御回路
により、前記スイッチング素子の断続をコントロールす
る。本回路によりマグネトロンの陽極電圧の変化やマイ
クロ波の反射量の変化に影響されることなく、常にマグ
ネトロンのフィラメント温度が最適温度となるようにす
ることができる。課題を解決する手段を図１乃至図３を
用いて説明する。 マグネトロンのフィラメント温度は
約２０００ Ｋの高温で輝いており光を発している。フ
ィラメントの温度により明るさは変化し、この光の変化
量を検出し回路の入力信号とする。図１の１１はフォト
ダイオ−ド等の光センサ−である。光センサ−が検出し
た信号は１２の陰極制御回路に入り、さらに１２の陰極
制御回路の出力は１３の陰極制御用トランスの二次側巻
線１８に接続されているスイッチング素子２０の制御端
子へ入力される。陰極制御用トランス１３の陰極制御用
一次巻線１９はマグネトロンの陰極フィラメントと直列
に変圧器２のフィラメント巻線８に接続されている。陰
極フィラメントの加熱回路には陰極制御用トランス１３
を介して陰極制御用二次回路の負荷２１の影響が出るた
め、陰極制御用スイッチング素子２０の断続により、陰
極の温度も変化する。このため、陰極制御用スイッチン
グ素子２０の断続の具合を変えれば陰極の平均温度も変
えることができる。

【００１１】陰極制御用スイッチング素子２０の断続の
速さはメインインバータ電源のスイッチング素子３のス
イッチング周波数２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚに対して十分
低く設定し、例えばフィラメント温度制御用には数Ｈｚ
程度とする。フィラメント温度の時定数は１〜３秒程度
であるため、陰極制御用スイッチング素子２０の断続の
速さがこれより遅すぎると、陰極制御用スイッチング素
子２０の断続により、フィラメントの時間平均温度は制
御できてもフィラメントの瞬間温度は比較的大きな変動
となり、フィラメント制御の効果を減じてしまう。但
し、フィラメント温度を一定に保つということではな
く、動作条件や入力条件により、フィラメントの加熱電
流を大または小と切り替えるだけの制御であれば、陰極
制御用スイッチング素子２０の断続の速さは問題になら
ない。

【００１２】陰極制御用スイッチング素子２０は単なる
断続のみであり、機械的なスイッチ、リレーで構成して
もよいが、寿命や信頼性を考えると半導体（トランジス
タ他）によるものが優れている。変圧器２のフィラメン
ト巻線８にはマイナスの高電圧が印加されるが、陰極制
御用スイッチング素子２０は陰極制御用トランス１３に
より高電圧から絶縁されており、陰極制御用スイッチン
グ素子２０、陰極制御用負荷２１及び陰極制御回路１２
含めた二次巻線１８につながる回路部品は低耐電圧の安
価なものでよい。

【００１３】フィラメントの光を検出する部分の詳細は
図２により説明する。１４はマグネトロンのアンテナで
ある。１５はセラミックで作られておりフィラメントの
光を透過することができる。１７はマイクロ波を導く導
波管である。１６は光センサ−でありセラミックを透過
してくる光を検出し、外部の光は入らない構造としてあ
る。

【００１４】陰極制御用トランス１３の一実施例の詳細
を図３に示す。１８は陰極制御用二次巻線、１９は陰極
制御用一次巻線、１３Ａはフェライトコアである。

【００１５】

【作用】本発明による回路の動作について説明する。何
らかの理由でフィラメントの温度が上昇した場合は発す
る光が強くなり、その変化を光センサが検出し多くの光
を受けそれに応じた信号を出す。その信号に応じて陰極
制御回路は陰極制御用スイッチング素子の断続の時間比
率を変え、陰極制御用一次巻線を流れる電流が低下する
時間が増すようにして、平均のフィラメント電流を減じ
フィラメント温度を下げる。逆に、フィラメントの温度
が下降した場合は上記と逆の関係になりフィラメント温
度を上げる。したがって、設定されたフィラメント温度
に対してずれが生じ始めた場合直ちに本回路が作動し、
そのずれを防止するように作用するので常に一定のフィ
ラメント温度にコントロ−ルすることができる。本回路
はマイクロ波出力をコントロールしているメインの制御
回路１０とは無関係に陰極制御回路側で制御するためマ
グネトロンの陽極電流やマイクロ波の出力には影響を与
えずに、また、陽極電流を制御回路１０により変化せし
めた場合でも、常に最適なフィラメント温度で使用する
ことができる。陰極制御トランス１３の作用について詳
細に説明する。図３は陰極制御トランス１３の構造と関
連回路を示す。フェライトコア１３Ａに多数回巻かれた
陰極制御用二次巻線１８を有し、さらに、陰極制御用二
次巻線１９として高圧絶縁被覆電線がフェライトコア１
３Ａの中央穴に挿通せしめられている。陰極制御用二次
巻線１８の端子には数端の空心巻線で構成された負荷イ
ンダクタンス２１とスイッチング素子２０とが直列に接
続されている。負荷２１は必ずしもコイルにする必要は
なく、例えば抵抗でも短絡線でもよい。フィラメント電
流制御の必要量に応じて適宜インピーダンス素子を選択
する。２１のインピーダンス素子としてコンデンサを選
択すれば、陰極制御トランス１３の一次側から見たイン
ピーダンスは容量性となり、メインの変圧器２のフィラ
メント巻線８による誘導性インピーダンスを打ち消す作
用となり、よりフィラメント電流が流れやすくする。制
御トランス１３からスイッチング素子２０までの空間距
離がある場合にはその間の電気配線のインダクタンスの
影響が出て、スイッチング素子２０のオンオフの効果が
減じるため、スイッチング素子２０と陰極制御トランス
１３の距離は十分短くする事が望ましい。

【００１６】図４は陰極制御用トランス１３の他の実施
例を示したものであるが、同図のように負荷２１とスイ
ッチング素子２０とを並列に陰極制御トランス１３に接
続してもよい。図３の場合にはスイッチング素子２０を
オフすると陰極制御トランス１３の二次側回路のインピ
ーダンスは無限大となり、スイッチング素子２０をオン
すると２１のインピーダンス素子が二次側回路に入る形
となる。一方、図４の場合にはこれとは逆に、スイッチ
ング素子２０をオンすると陰極制御トランス１３の二次
側回路のインピーダンスは零となり、スイッチング素子
２０をオフすると２１のインピーダンス素子が二次側回
路に入る形となる。もちろん、スイッチング素子２０に
直列に別なインピーダンス素子を挿入してスイッチング
素子２０をオンしたときに二次側回路のインピーダンス
を零とせず、別なインピーダンスに合わせることもあり
得る。

【００１７】以上のようにして、陰極制御用二次巻線１
８に接続された回路のインピーダンスの切り替え制御に
より、マグネトロンのフィラメント電流の制御が可能と
なる。しかも、この制御においては、メインのインバー
タ電源回路には影響をほとんど与えないため、陽極電流
の値、従ってマイクロ波出力特性にも何ら影響しない長
所も持っている。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を図１に示した回路方式によ
り説明する。具体的にはインバ−タ方式の電源を採用し
た電子レンジを用い、図２に示す如くマグネトロンのセ
ラミックに最も近い位置で導波管に光センサ−を取り付
けるため採光用の穴を開け、光センサ−としてフォトダ
イオ−ドを用い取り付けた。フォトダイオ−ドは背面か
ら不要の光が入らぬようにシ−ルドし導波管にネジで固
定した。また、導波管の温度上昇によりフォトダイオ-
ドの温度が上昇しない様に断熱構造及びヒ-トシンクを
設け(図示せず)温度上昇による特性の変化を防いだ。陰
極制御用トランスとしては図４に示したものを用いた。
これらの回路及び部品は既成の電子レンジ内の空きスペ
-スに組み込んだ。また、陰極制御用スイッチング素子
２０としてはリレーを用いて、フィラメント温度２０５
０ Ｋ程度でオンし、２０００ Ｋ程度でオフとなるよう
に条件設定を行なった。陰極制御用スイッチング素子２
０断続によるフィラメント温度の変化はおよそ１５０
Ｋの結果が得られた。

【００１９】本発明の方式を用いた電子レンジにより、
加熱室に負荷を入れた場合と、負荷を入れない場合につ
いた１５分間の連続動作でフィラメント温度の変化を調
査した。図７は本方式を作動させない例である。本方式
が作動していない場合は、負荷のある場合でもマイクロ
波の最大出力を得る条件で２２００ Ｋでスタ-トしても
１５分後には２０５０ Ｋに下がる。さらに最小出力条
件の場合は１９８０ Ｋでスタ-トし１５分後に１８５０
Ｋまで下がる。加熱室内の負荷がない場合は破線で示
す如く２２７０ Ｋでスタ−トし、下降も急になる。フ
ィラメント温度の変化する範囲は最大の２２７０ Ｋか
ら最小の１８５０ Ｋまでと４２０ Ｋもある。

【００２０】図５は本発明の方式による回路を作動させ
た場合の温度変化の結果を示した図である。同図からわ
かるようにフィラメント温度の最大値は、本方式を作動
させない図７の２２７０ Ｋから２１２０ Ｋに改善され
ており、より長寿命にすることができた。フィラメント
の温度をさらに精度良く保つためには、陰極制御用スイ
ッチング素子２０としてトランジスタを用いること、及
び陰極制御用トランス１３と負荷２１の条件設定、制御
条件の改善等で可能である。このように本発明によりフ
ィラメントの温度を従来よりも精度良く保つことができ
るため、高信頼のマイクロ波加熱用装置とすることがで
きる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の方式を採用
した電源を組み込んだマイクロ波加熱装置は、マグネト
ロンの寿命に適したフィラメント温度の範囲に設定する
ことが可能である。マイクロ波加熱装置の使用条件が変
わった場合でもフィラメント温度が大きく変化すること
がなく、フィラメント温度の高過ぎによるフィラメント
そのものの短寿命や、フィラメント温度の低過ぎによる
電子放射不足で生じる異常発振（モ−ディング）による
短寿命を防ぐことが可能となり、マグネトロンの信頼性
を高め，従来の方式に比較し長寿命とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電源装置の概略回路構成図。

【図２】本発明によるマグネトロンのフィラメント温度
を検出する方法の概略図。

【図３】本発明による陰極制御用トランスと二次側回路
構成の実施例。

【図４】本発明による陰極制御用トランスと二次側回路
構成の他の実施例。

【図５】本発明の方式を用いた場合のフィラメント温度
の変化が異なる様子を示した図。

【図６】従来の電源装置の概略回路構成図。

【図７】本発明の方式を用いない従来の場合のフィラメ
ント温度の変化が異なる様子を示した図。

【符号の説明】

１・・・整流回路、 ２・・・変圧器、 ３・・・スイ
ッチング素子、 ４・・・共振用コンデンサ、 ５・・
・高圧コンデンサ、 ６・・・高圧ダイオ−ド、７・・
・高圧巻線、 ８・・・フィラメント巻線、 ９・・・
マグネトロン、 １０・・・制御回路、１１・・・光検
出器、 １２・・・陰極制御回路、１３・・・陰極制御
用トランス、 １４・・アンテナ、 １５・・・セラミ
ック、 １６・・・フォトダイオ−ド、 １７・・・導
波管、 １８・・・陰極制御用二次巻線、 １９・・・
陰極制御用一次巻線、 ２０・・・陰極制御用スイッチ
ング素子、 ２１・・・陰極制御用負荷。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電源を整流して得た直流をインバ−タ
   回路で繰返し開閉して商用交流電源より周波数の高い交
   流に変換し、この交流を変圧器に入力して、マグネトロ
   ン駆動用の陽極電圧と陰極加熱電圧を得るマイクロ波加
   熱装置電源において、上記マグネトロンの陰極加熱回路
   に陰極と直列に陰極制御用トランスの一次巻線を接続
   し、かつ、この陰極制御用トランスの二次巻線には陰極
   制御用スイッチング素子を接続し、この陰極制御用スイ
   ッチング素子を断続せしめて前記陰極制御用トランスの
   二次回路のインピーダンスを変化せしめ、これにより陰
   極制御用トランスの一次側から見たインピーダンスを変
   化させ、前記マグネトロンの陰極加熱回路に流れる陰極
   フィラメント電流を制御することを特徴とするマイクロ
   波加熱用電源装置。