JP2003059414A - マグネトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温減磁が発生することなく、高効率で実用
上問題のないマグネトロンを提供することを目的とす
る。 【解決手段】 陽極円筒６とベイン７とで形成される陽
極部と、コイル状フィラメント１からなる陰極部と、上
下に配設された磁極９，１０と、環状永久磁石１３，１
４と、入力部および出力部とを具備し、環状永久磁石１
３，１４にはＬａ−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石を用
い、一対の磁極間の中央部でセンターリード４上におけ
る磁束密度が０．２５０±０．０１０テスラ、ベインを
１０個、その管軸方向寸法Ｈを９．０ｍｍ以上、ベイン
先端部の内接円直径φａを７．５〜８．５ｍｍ、コイル
状フィラメントの外径φｃを３．４〜３．６ｍｍ、ベイ
ンの陰極側先端部の相互間隔Ｇと厚さＴとの比をＧ／
（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０〜０．２５に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子レンジ等のマ
イクロ波応用機器に用いられるマグネトロンに関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンはマイクロ波を発生する電
子管であり、発振効率が比較的高く大出力化が容易なこ
とから、電子レンジをはじめとするマイクロ波応用機器
のマイクロ波発生源として広く用いられている。

【０００３】以下に従来のマグネトロンについて説明す
る。

【０００４】図７は従来の一般的な電子レンジに使用さ
れるマグネトロンの断面図である。図７に示されるよう
に、マグネトロンの中央部には陰極部が配設されてお
り、この陰極部は、フィラメント１、その両端にエンド
ハット２，３を介して接続されたセンターリード４とサ
イドリード５によって構成されている。また、陽極円筒
６と、この陽極円筒６の内周面からフィラメント１に向
かって突出し、その先端がフィラメント１と所定間隔を
保つように配設された複数個のベイン７とで陽極部が形
成されている。

【０００５】陽極円筒６の管軸方向両端部には、略同一
形状ですり鉢状の一対の磁極９，１０が相対向して設け
られており、さらにこの磁極９，１０のそれぞれの管軸
方向外方には、フィラメント印加用電力およびマグネト
ロン駆動用高電圧を供給するための入力部１１と、マイ
クロ波を伝送し放射するための出力部１２とが設けられ
てマグネトロンの本体部を構成している。

【０００６】さらには、一対の環状永久磁石１３，１４
が、それぞれ一方の磁極面を磁極９，１０に、他方の磁
極面を強磁性体から成る断面がコ字状の枠状継鉄１５，
１６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７とフィラメント１との間に形成される
電子運動空間１７に磁界を供給している。なお、陽極構
体の任意のベインにはマイクロ波出力用のアンテナリー
ド１８の一端が接続され、他端が外方へ導出されてい
る。

【０００７】従来のマグネトロンの本体部における主な
仕様および寸法としては、発振周波数が２，４５０ＭＨ
ｚ帯で、ベイン７の数量は１０個、ベイン７の陰極側先
端部で形成される内接円の直径φａが９．０ｍｍ、コイ
ル状フィラメント１の外径φｃが３．９ｍｍ、ベイン７
の寸法は管軸方向高さＨが９．５ｍｍ、厚さＴが２．０
ｍｍ、また隣り合うベイン７の陰極側先端部の相互間隔
Ｇが０．９ｍｍであり、ＧとＴとの比Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝
０．３１であり、環状永久磁石にはＳｒフェライト磁石
が用いられ、電子運動空間１７における磁束密度は、一
対の磁極９，１０間の中央部でセンターリード４上にお
ける磁束密度を測定すると０．１９５±０．０１０テス
ラである。

【０００８】このような構成のマグネトロンにおいて、
フィラメント１を加熱し、陰極部と陽極部との間に所定
の電圧を印加することによって、フィラメント１からベ
イン７に向かって放出された電子は、電子運動空間１７
内の磁界によってフィラメント１の周囲を周回しマイク
ロ波エネルギーを発生させる。このマイクロ波エネルギ
ーは、ベイン７の一つと電気的に結合されたアンテナリ
ード１８によってアンテナキャップ１９を有する出力部
１２に伝送され、電子レンジ等の庫内へ放射される。こ
の時のマグネトロンの発振効率は、陽極部と陰極部との
間に印加された直流入力（陽極電圧×陽極電流）と、出
力部１２から放射されたマイクロ波電力の測定値から算
出され、従来の代表的なマグネトロンの特性としては、
陽極電圧４．５ｋＶ、陽極電流３００ｍＡでマイクロ波
電力約１ｋＷを出力させることにより、発振効率７５％
が得られていた。

【０００９】ここで、マグネトロンの発振効率は電子の
運動効率である電子効率と、ジュール損や誘電体損等の
回路定数が関係する回路効率との積で決定される。つま
り、発振効率η＝電子効率ηｅ×回路効率ηｃで表され
る。

【００１０】このうち、電子効率ηｅは、陽極電圧との
関係では（数１）で表され、陽極電圧を高くすると電子
効率ηｅが向上することが公知となっている。

【００１１】

【数１】

【００１２】また別の観点から、電子効率ηｅは、磁束
密度との関係では（数２）で表され、磁束密度を大きく
すると電子効率ηｅが向上することが公知となってい
る。

【００１３】

【数２】

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】近年の世界的な省エネ
化指向から発振効率の向上が要求されてきたことを機に
マグネトロンの発振効率改善の必要性が生じてきたた
め、従来のマグネトロンでは、陽極電圧を高くして且つ
電子運動空間に供給される磁束密度を大きくすることに
よって発振効率を向上させていた。しかしながら、この
方法ではマグネトロン駆動用電源を高電圧用のものに変
更し、また陽極電圧を高くする必要性からマグネトロン
とその周辺部品の絶縁耐圧を高くしなければならず、ま
た、磁束密度を大きくするために環状永久磁石を大きく
することが必要となっていた。そのためコストアップを
招いたり、磁石の大型化によってマグネトロンそのもの
が大型化して既存品との互換性に支障を来したり、サー
ビス性が悪くなるなどの課題を有していた。さらに、環
状永久磁石の大型化のために径方向に拡大して偏平化し
たものは、例えば、マグネトロンの空輸中など、−４０
℃以下の低温環境に一旦置かれると、環状永久磁石は不
可逆減磁特性が生じて減磁してしまい、その結果電子運
動空間の磁束密度が所定の値以下に低下したままとな
り、マグネトロンの発振効率を低下させてしまう問題が
あった。

【００１５】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、電子効率を改善し、低温減磁が発生することなく、
発振効率を向上させる高効率のマグネトロンを提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の請求項１に記載のマグネトロンは、陽極円筒
と、この陽極円筒の内壁面に配設された複数個のベイン
とで形成される陽極部と、陽極部の同軸的中央部に設け
られたコイル状フィラメントからなる陰極部と、陽極部
の管軸方向上下に配設された一対の磁極と、この一対の
磁極と磁気的に結合配置されて磁気回路を構成する環状
永久磁石と、磁極の各管軸方向外方にそれぞれ配設され
た入力部と出力部とを具備し、前記環状永久磁石がＬａ
−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石で形成されている。

【００１７】これにより、環状永久磁石が低温に曝され
ても、不可逆減磁特性が生じることはなくなり、減磁す
ることが解消される。

【００１８】また、請求項１に記載の発明において、陽
極部を構成するベイン先端部の内接円の直径を７．５〜
８．５ｍｍ、前記コイル状フィラメントの外径を３．４
〜３．６ｍｍに構成したものである。

【００１９】この構成によれば、従来の陽極電圧のまま
でも発振効率を向上させることができる。

【００２０】また、請求項１に記載の発明において、前
記ベインの隣り合う陰極側先端部の相互間隔Ｇとベイン
の厚さＴとの比をＧ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０〜０．２５
に構成したものである。

【００２１】この構成によれば、従来の陽極電圧のまま
でも発振効率を向上させることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。なお従来例と同一構
成要素については同一符号が付してある。

【００２３】図１（ａ）は本発明のマグネトロンの要部
拡大断面図を示す。各部の寸法は、２個の環状永久磁石
１３、１４の外径をＤ１、Ｄ３、内径をＤ２、Ｄ４、厚
さをＬ１、Ｌ２で表した。また、図１（ｂ）は、ベイン
７を管軸方向すなわちＡ方向から見たときの陽極部を示
し、隣り合うベインの陰極側先端部の相互間隔をＧ、ベ
インの厚さをＴで表した。本実施例では、２個の環状永
久磁石は材質および寸法ともに同じものを用いた。そし
て本発明者らは、（数１）にしたがってマグネトロンの
発振効率を上げることを目的として、マグネトロンの磁
束密度を従来のマグネトロンにおける０．１９５±０．
０１０テスラよりも大きくし、種々の実験による試行錯
誤の結果、０．２５０±０．０１０テスラとした。この
値を得るために従来のＳｒフェライト製（ＴＤＫ株式会
社製ＦＢ５Ｎ）環状永久磁石は、内径及び厚さを同一に
した場合、外径（Ｄ１、Ｄ３）を５５ｍｍから８０ｍｍ
にしなければならないことが分かった。しかしながら、
Ｓｒフェライト製の環状永久磁石では、その外径が一定
寸法を超えると、低温環境に一旦置かれると不可逆減磁
特性が生じて、大きく減磁することがわかった。この不
可逆減磁特性によって、磁束密度が所定の値である０．
２５０±０．０１０テスラを維持することができなくな
り、マグネトロンの発振効率を低下させてしまうことと
なった。例えば、マグネトロンが空輸中など−４０℃の
低温環境に保持されるとＳｒフェライト磁石の性能が約
５％低下し、一対の磁極間の中央部でセンターリード４
上における磁束密度が０．２５０±０．０１０テスラよ
りも小さくなり、０．２３テスラ以下になってしまう。
このため、本発明者らは、Ｓｒフェライト磁石に代え
て、Ｌａ−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石を用いた。この
Ｌａ−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石は、従来のＳｒフェ
ライト磁石のようにその外径が一定寸法を超えても不可
逆減磁特性が生じることはなくなり、例えば−４０℃で
も低温減磁が発生することなく、高効率で実用上問題の
ない特性が得られた。ここで、磁束密度０．２５０±
０．０１０テスラを得るために本発明に使用したＬａ−
Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石と、従来から使用されてい
るＳｒフェライト磁石について、寸法および低温による
減磁率を比較して（表１）に示す。なお、環状永久磁石
の内径および厚さは、Ｌａ−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁
石とＳｒフェライト磁石について同じである。

【００２４】

【表１】

【００２５】また本発明では、発振効率を上げるため
に、陽極電圧Ｖａを大きくすることと同じ効果を得る方
法として、ベイン先端部の内接円の直径φａを小さくす
ることによって陽極部と陰極部の間の電界を強くする方
法を採用し実験を行った。そしてまた、電界分布を詳細
に検討するため、ベインの陰極側先端部の相互間隔Ｇと
ベインの厚さＴの検討を行った。

【００２６】図２は、ベイン先端部の内接円の直径φａ
を変えたときに、従来と同じ陽極電圧Ｖａ４．５ｋＶで
発振させるために要した磁束密度の大きさについての実
験結果を示す。図に示されるように、ベイン先端部の内
接円の直径φａが８．５ｍｍ、８．０ｍｍ、７．５ｍｍ
のときに、磁束密度はそれぞれ０．２２０±０．０１０
テスラ、０．２５０±０．０１０テスラ、０．２９０±
０．０１０テスラに大きくすることが必要であった。し
かしながら、このときのマグネトロンの発振効率は、図
３に示されるように１０個の平均値でそれぞれ７５．４
％、７６．０％、７５．６％であり、従来の７５．０％
よりもわずかに大きくなるに過ぎなかった。比較のた
め、図２および図３に従来のマグネトロンにおけるベイ
ン先端部の内接円の直径φａが９．０ｍｍのものについ
ても磁束密度（０．１９５±０．０１０テスラ）と発振
効率（７５．０％）を記載した。なお、本実施例では、
後述する図６に示される実験を除いて管軸方向高さＨは
従来と同じ９．５ｍｍとし、またすべての実験について
ベイン７の数量は従来と同じ１０個とした。以上述べた
ように、電子運動空間内の電界を強くし磁束密度を大き
くすることによって、マグネトロン発振効率をわずかに
向上させることができた。しかし、十分なものではなか
った。

【００２７】このため、さらに発振効率を向上させるた
めの検討を行った。そして、電界および磁束密度の大き
さを検討するだけでは不十分であるとの考えに立ち、電
子運動空間内の軸方向での電界と磁束密度の分布を考慮
することにし、ベイン先端部の内接円の直径φａに対し
てコイル状フィラメント１の外径φｃを変化させた。そ
のときの発振効率の結果を図４に示す。図４には、図２
に示されるようにベイン先端部の内接円の直径φａを
７．５ｍｍ，８．０ｍｍ，８．５ｍｍとし、磁束密度は
それぞれ０．２９０±０．０１０テスラ、０．２５０±
０．０１０テスラ、０．２２０±０．０１０テスラとし
たものについて、コイル状フィラメント１の外径φｃを
３．９ｍｍから３．８ｍｍ，３．７ｍｍ，３．６ｍｍ，
３．４ｍｍと変化させたときの発振効率の結果を示す。
比較のために、従来例であるφａ９．０ｍｍ、φｃ３．
９ｍｍを黒丸（●）で示し、発振効率は７５％であっ
た。三角（△）は外径φｃを３．９ｍｍ，３．８ｍｍ，
３．７ｍｍと変えたときを示し、それらの発振効率はい
ずれも７６％であった。また、白丸（〇）は外径φｃを
３．６ｍｍ，３．４ｍｍに変えたときを示し、それらの
発振効率はいずれも７７％であった。以上の結果から、
ベイン先端部の内接円の直径φａを７．５ｍｍ，８．０
ｍｍ，８．５ｍｍとし、磁束密度はそれぞれ０．２９０
±０．０１０テスラ、０．２５０±０．０１０テスラ、
０．２２０±０．０１０テスラとしたものについて、外
径φｃが３．４ｍｍから３．６ｍｍまでの範囲で、発振
効率が７７％になることがわかった。

【００２８】さらにまた、電子運動空間内の電界の分布
について詳細に検討することにし、ベインの陰極側先端
部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴの検討を行った。図５
には、ベイン先端部の内接円の直径φａを８．０ｍｍ、
磁束密度を０．２５０±０．０１０テスラ、コイル状フ
ィラメント１の外径φｃを３．６ｍｍにしたときに、Ｇ
とＴの比Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）をパラメータとして発振効率を
測定した結果を示す。Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０，０．
２２，０．２５のときに発振効率は試料１０個の平均値
でそれぞれ７７．８％，７８．１％，７７．５％に向上
した。

【００２９】また、ベインの高さ方向に電界が発生する
と発振効率が低下する原因となることから、ベイン７の
管軸方向高さＨについて検討をした。図６には、図２か
ら図５までに示された結果のうち、発振効率が最高にな
るときの条件において、すなわち磁束密度が０．２５０
±０．０１０テスラ、ベイン先端部の内接円の直径φａ
が８．０ｍｍ、コイル状フィラメント１の外径φｃを
３．６ｍｍ、Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２２のときにベイン
７の管軸方向高さＨを検討した結果を示す。この図から
ベイン７の管軸方向高さ寸法Ｈは９．０ｍｍ以上であれ
ば発振効率がほぼ７８％となることがわかった。

【００３０】（表２）には、本発明および従来のマグネ
トロンを比較して、入力した陽極電圧および陽極電流に
おける出力、発振効率の測定結果を示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【発明の効果】以上詳述しましたように本発明は、Ｌａ
−Ｃｏ含有Ｓｒフェライト磁石を用いることによって、
低温減磁が発生することなく、高効率で実用上問題のな
いマグネトロンができる。

【００３３】また、磁束密度を大きくし、電子運動空間
に関連するマグネトロン各部の寸法を最適化することに
よって、陽極電圧を高くすることなく電子効率ηｅを改
善し、発振効率ηを大幅に向上することができ、高効率
型マグネトロンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のマグネトロンの要部拡大断面
図（ｂ）は本発明の隣り合うベインの陰極側先端部の相
互間隔Ｇとベインの厚さＴを示す図

【図２】本発明についてベイン先端部の内接円の直径と
磁束密度との関係を従来例と比較して示す図

【図３】図２に示されるベイン先端部の内接円の直径と
磁束密度における発振効率を示す図

【図４】本発明についてベイン先端部の内接円の直径φ
ａとコイル状フィラメントの外径φｃとの発振効率の関
係を従来例と比較して示す図

【図５】本発明についてベイン陰極側先端部の相互間隔
Ｇと厚さＴとの比と発振効率の関係を従来例と比較して
示す図

【図６】本発明のベイン管軸方向高さと発振効率の関係
を示す図

【図７】従来のマグネトロンの断面図

【符号の説明】

１ コイル状フィラメント ４ センターリード ６ 陽極円筒 ７ ベイン ９ 磁極 １０ 磁極 １３ 環状永久磁石 １４ 環状永久磁石 １５ 枠状継鉄 １６ 枠状継鉄 １７ 電子運動空間 Ｄ１ 環状永久磁石の外径 Ｄ２ 環状永久磁石の内径 Ｄ３ 環状永久磁石の外径 Ｄ４ 環状永久磁石の内径 Ｌ１ 環状永久磁石の厚さ Ｌ２ 環状永久磁石の厚さ φａ ベイン陰極側先端内接円の直径 φｃ コイル状フィラメントの外径 Ｇ ベインの隣り合う陰極側先端部の相互間隔 Ｔ ベインの厚さ Ｈ ベインの管軸方向寸法

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相賀 正幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 桑原 なぎさ 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5C029 FF09 LL02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極円筒と、この陽極円筒の内壁面に固
   着された複数個のベインとで形成される陽極部と、前記
   陽極部の同軸的中央部に設けられたコイル状フィラメン
   トからなる陰極部と、前記陽極部の管軸方向上下に配設
   された一対の磁極と、この一対の磁極と磁気的に結合配
   置されて磁気回路を構成する環状永久磁石と、前記磁極
   の各管軸方向外方にそれぞれ配設された入力部と出力部
   とを具備し、前記環状永久磁石がＬａ−Ｃｏ含有Ｓｒフ
   ェライト磁石であることを特徴とするマグネトロン。
2. 【請求項２】 前記陽極部を構成するベイン先端部の内
   接円の直径を７．５〜８．５ｍｍ、前記コイル状フィラ
   メントの外径を３．４〜３．６ｍｍとしたことを特徴と
   する請求項１記載のマグネトロン。
3. 【請求項３】 前記ベインの隣り合う陰極側先端部の相
   互間隔Ｇとベインの厚さＴとの比をＧ／（Ｇ＋Ｔ）＝
   ０．２０〜０．２５としたことを特徴とする請求項１記
   載のマグネトロン。