JP2005085685A

JP2005085685A - マグネトロン

Info

Publication number: JP2005085685A
Application number: JP2003318421A
Authority: JP
Inventors: Nagisa Kuwabara; なぎさ桑原; Masayuki Aiga; 正幸相賀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP4233421B2

Abstract

【課題】マグネトロン応用機器の小型化と電子効率の向上の両立を図ることができるマグネトロンを得る。
【解決手段】ベイン型共振器で構成されているマグネトロン１１において、放出するマイクロ波の基本周波数は５，８００ＭＨｚ±７５ＭＨｚに設定すると共に、陽極筒体１３の内周面に放射状に配列された複数枚の板状ベイン１７の装備数を１４〜２２個の範囲に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子レンジやその他マイクロ波応用装置に用いられるベイン型共振器で構成されているマグネトロンに関する。

ベイン型共振器を有する連続波出力のマグネトロンは、マイクロ波加熱器、或いはマイクロ波放電ランプなどのマイクロ波を用いた電気機器の高周波発生源として普及している。

このようなマグネトロンは、一般に、図８に示すように、円筒状の陽極筒体１と、この陽極筒体１の中心軸上に配置される陰極２と、陽極筒体１の内周面に固着されると共に陽極筒体１の中心軸の周りに放射状に配列された複数枚の板状ベイン３と、これらの板状ベイン３を一枚おきに電気的に接続するための複数個の均圧環４と、板状ベイン３の一枚に固着されたマイクロ波放出用アンテナ５とを有した構成となっている。

また、陽極筒体１の上下の開口は、フランジ部を有する金属筒体６，７及びセラミック（図示せず）等によって、真空封止されている。

このようなマグネトロンでは、陰極２から放出された電子が軸方向に加えられた磁界によってローレンツ力を受け、陰極２の周りを周回運動している。この時の電子の回転数は、陰極２と陽極筒体１との間に加えられた直流電界強度と軸方向に加えられた磁界強度により決定される。

そして、陰極２の周りを周回運動している電子群が、陽極筒体１に固着された複数枚の板状ベイン３と複数個の均圧環４とで構成される共振空洞のマイクロ波電界によりスポーク状にバンチングされる。

また、逆にこのバンチングされた電子群が板状ベイン３の近傍を通り過ぎることにより、板状ベイン３に誘導電流を発生する。

この結果、直流入力がマイクロ波出力に変換される。この出力されるマイクロ波周波数は、共振空洞の共振周波数によってほぼ決定される。

ところで、近年、マグネトロンを用いた機器の分野では、新たな応用機器の開発や、市場の拡大を進めるに当たって、応用機器の小型化という観点から、マグネトロンの電子効率の向上や小型化が重要課題とされている。

これまでの研究で、上記構造のマグネトロンでは、板状ベイン３の装備数を増大させて共振空洞の数を増やすと、電子効率が向上することが判っている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、共振空洞の数を増やした場合、放出するマイクロ波の基本発振周波数（マイクロ波周波数）をそれまでと同様に維持するには、誘導成分Ｌを確保するために、共振空洞外径を大きくしなければならず、装置の小型化が犠牲にされてしまう。即ち、電子効率の向上と小型化とを両立することができない。

そこで、従来のマグネトロンでは、放出するマイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚで、共振空洞の数を１０個とした構造が一般的になっていた（例えば、特許文献１参照）が、基本周波数を５，８００ＭＨｚで、共振空洞の数の増加による電子効率の向上を実現すると同時に、共振空洞外径に密接な誘導成分を小さく抑えて、電子効率の向上とマグネトロン応用機器の小型化との双方を実現する提案がなされた（例えば、特許文献２参照）。
西巻正郎著、「マイクロ波真空管とその回路」オーム社、昭和４０年６月、ｐ。１８４〜１９３。実開昭５７−１９４２４２号公報特開平４−２８１１１７号公報

ところが、放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚに変更したマグネトロンの製品化に当たっては、未だ、数々の解決すべき難問があった。

例えば、共振空洞数の増大に従って電子効率は高まるが、反対に空洞共振器のＱ値は減少し、Ｑ値が１０００以下に落ちると、電子効率が高くても、実際には発振効率が低くなるという問題が発生する。

また、発振効率には、陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比も密接に影響し、これらの陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比の設定如何でも、発振効率が大きく変動してしまう。

更に、陽陰極間電位差を高くする程発振効率を高めることができるが、陽陰極間電位差を高くすると、従来の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの場合の電源とは仕様が相異してしまい、従来の電源の流用ができず、新たな電源を開発しなければならないため、製品コストの増加を招くという問題も発生する。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放出するマイクロ波の基本周波数が５，８００ＭＨｚで、電子効率を一定以上に保って、安定した発振動作を維持できるため、マグネトロン応用機器の小型化と電子効率の向上の両立を図ることができ、更には、従来の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの場合の電源の流用が可能で、電源の流用によって製品コストを抑えた製品化が図れるマグネトロンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るマグネトロンは、請求項１に記載したように、円筒状の陽極筒体と、この陽極筒体の中心軸上に配置される陰極と、前記陽極筒体の内周面に固着されると共に前記中心軸の周りに放射状に配列された複数枚の板状ベインと、これらの板状ベインを一枚おきに電気的に接続するための複数個の均圧環と、前記板状ベインの一枚に固着されたマイクロ波放出用アンテナとを有し、前記マイクロ波放出用アンテナから放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚ±７５ＭＨｚに設定すると共に、前記板状ベインの装備数を１４〜２２個の範囲に設定したことを特徴とする。

このように構成されたマグネトロンにおいては、放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚとしたため、電子効率の向上を目的として共振空洞の数を増やした場合でも、マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚであった従来のものと比較すると、共振空洞外径を抑えても必要な誘導成分Ｌを確保することができ、共振空洞外径を抑えることで、マグネトロン応用機器の小型化を図ることもできる。

また、空洞共振器のＱ値は共振空洞の数の増加に伴って徐々に減少する傾向を示すが、共振空洞の分割数（即ち、板状ベインの装備数）が上記の範囲ならば、空洞共振器のＱ値を１０００以上に維持でき、安定した発振ができる。

即ち、放出するマイクロ波の基本周波数が５，８００ＭＨｚで、電子効率を一定以上に保って、安定した発振動作を維持できるため、マグネトロン応用機器の小型化と電子効率の向上の両立を図ることができる。

また、請求項２に記載のマグネトロンは、上記目的を達成するために、請求項１に記載のマグネトロンにおいて、更に、陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比を、０．５６≦Ｄｃ／Ｄａ≦０．６９に設定したことを特徴とするものである。

ベイン型共振器のマグネトロンにおいては、陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比Ｄｃ／Ｄａは、図６に示すように、発振効率に対して、上に凸の放物線状の相関を示す。

放物線の頂点となるときのＤｃ／Ｄａの値を基準に、それより小さくなると、電子の径方向運動が大きくなるために電子効率が低下し、また、それより大きくなると、作用空間が小さくなるために安定発振が困難となって電子効率が低下する。

従って、発振効率を発振が可能な一定以上に保つためには、、放物線の頂点を含む一定の範囲に、Ｄｃ／Ｄａの値を規制する必要がある。

Ｄｃ／Ｄａの値を上記の範囲に設定すると、発振効率は約６０％以上に保つことができ、連続した良好な発振動作を安定維持することが可能になる。

また、Ｄｃ／Ｄａの値が上記範囲の上限を超える場合は、より大きな磁界強度が必要になり、磁気回路設計が困難になるが、上記範囲であれば、そのような問題も生じない。

また、請求項３に記載のマグネトロンは、上記目的を達成するために、請求項２に記載のマグネトロンにおいて、更に、陽極と陰極との間に与える電位差ｖを、４．０ｋＶ≦ｖ≦５．０ｋＶに設定したことを特徴とするものである。

ベイン型共振器で構成されているマグネトロンの発振効率は、図７に示すように、陽極と陰極との間に与える電位差ｖの増加に伴って緩やかに増加する上昇曲線となり、陽極と陰極との間に与える電位差ｖが４ｋＶ以上であれば発振効率が６０％以上となり、陽極と陰極との間に与える電位差ｖを大きくする程、発振効率を向上させることができる。

マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの従来のマグネトロンでは一般に陽極と陰極との間に与える電位差ｖを、ｖ≦５．０ｋＶの範囲に設定しており、上記のように、従来と同程度に設定しておけば、良好な発振効率を確保する一方、従来の電源の流用が可能になり、電源の流用によって製品コストを抑えた製品化が図れる。

本発明のマグネトロンによれば、放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚとしたため、電子効率の向上を目的として板状ベインの装備数を増やして共振空洞の数を増やした場合でも、マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚであった従来のものと比較すると、共振空洞外径を抑えても必要な誘導成分Ｌを確保することができ、共振空洞外径を抑えることで、マグネトロン応用機器の小型化を図ることもできる。

また、空洞共振器のＱ値は共振空洞の数の増加に伴って徐々に減少する傾向を示すが、板状ベインによる共振空洞の分割数が上記の範囲ならば、空洞共振器のＱ値を１０００以上に維持でき、安定した発振ができる。

ベイン型共振器のマグネトロンにおいては、陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比Ｄｃ／Ｄａは、発振効率に対して、上に凸の放物線状の相関を示し、請求項２に記載のように、Ｄｃ／Ｄａの値の範囲に設定すると、発振効率は約６０％以上に保つことができ、連続した良好な発振動作を安定維持することが可能になる。

ベイン型共振器で構成されているマグネトロンの発振効率は、陽極と陰極との間に与える電位差ｖの増加に伴って緩やかに増加する上昇曲線となり、陽極と陰極との間に与える電位差ｖが４ｋＶ以上であれば発振効率が６０％以上となり、良好な発振効率を確保できるが、更に、請求項３の範囲に設定すると、マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの従来のマグネトロンの場合と電源仕様を共通にでき、良好な発振効率を確保する一方、従来の電源の流用が可能になり、電源の流用によって製品コストを抑えた製品化が図れる。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施の形態に係るマグネトロンを詳細に説明する。

図１は本発明に係るマグネトロンの一実施の形態の概略構成を示す縦断面図、図２は図１のＡ矢視図である。

この一実施の形態のマグネトロン１１は、円筒状の陽極筒体１３と、この陽極筒体１３の中心軸上に配置される陰極１５と、陽極筒体１３の内周面に固着されると共に陽極筒体１３の中心軸の周りに放射状に配列された複数枚の板状ベイン１７と、これらの板状ベイン１７を一枚おきに電気的に接続するための複数個の均圧環１９と、板状ベイン１７の一枚に固着されたマイクロ波放出用アンテナ２１とを有している。

そして、マイクロ波放出用アンテナ２１から放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚ±７５ＭＨｚに設定すると共に、図２に示すように、板状ベイン１７の装備数を１８個に設定している。

また、本実施の形態の場合、図３に示す陰極１５外径Ｄｃと板状ベイン１７の遊端間最大径Ｄａとの比Ｄｃ／Ｄａを、０．５６≦Ｄｃ／Ｄａ≦０．６９に設定している。

更に、本実施の形態の場合、陽極筒体１３と陰極１５との間に与える電位差ｖを、４．０ｋＶ≦ｖ≦５．０ｋＶに設定する。

以上に説明したマグネトロン１１においては、放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚとしたため、電子効率の向上を目的として共振空洞の数を増やした場合でも、マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚであった従来のものと比較すると、共振空洞外径を抑えても必要な誘導成分Ｌを確保することができ、共振空洞外径を抑えることで、マグネトロン応用機器の小型化を図ることもできる。

実際、マイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚとした場合では、放出されるマイクロ波の波長は約５２ｍｍとなり、従来の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの場合の波長約１２２ｍｍや、９１５ＭＨｚの場合の約３２８ｍｍと比べて波長が大幅に短くなるため、該マグネトロンを組み込む応用機器（例えば、調理用の電子レンジ等の高周波加熱装置）において、導波管やキャビティ等の筐体を大幅に小型化することができる。

電子効率は、図４に示すように、陽極分割数（共振空洞の数）に応じて徐々に増加する特性を持つ。従って、電子効率を高める点では、陽極分割数はできるだけ多く設定したほうが良い。

しかし、その一方、図５に示すように、空洞共振器のＱ値は共振空洞の数の増加に伴って徐々に減少する傾向を示し、共振空洞の数が２４以上では空洞共振器のＱ値が１０００以下となって発振効率低下もしくは発振不可能になってしまう。更に、共振空洞の数が１２以下では、空洞共振器のＱ値は高く確保できるが、電子効率が低下してしまう。

従って、共振空洞の数は、電子効率ηｅと空洞共振器のＱ値の双方が、良好な範囲となるように設定すべきで、上記のように、板状ベイン１７の装備数を１８とすると（即ち、陽極分割数が１８）、空洞共振器のＱ値は１５００となり、良好な発振効率を保て、更に、従来の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの場合と比較して、共振空洞の数の増加による電子効率の向上が望める。

従って、放出するマイクロ波の基本周波数が５，８００ＭＨｚで、電子効率を一定以上に保って、安定した発振動作を維持できるため、マグネトロン応用機器の小型化と電子効率の向上の両立を図ることができる。

なお、安定した発振動作を維持可能にするために必要な空洞共振器のＱ値は、一般に、１０００以上であれば良く、図５では、共振空洞の分割数（即ち、板状ベイン１７の装備数）を１４〜２２の範囲にすれば、空洞共振器のＱ値を１０００以上に維持でき、また、同時に、図４から明らかなように、電子効率も約６７％以上の高い値に維持でき、共振空洞の数の増加による電子効率の向上も図れる。

即ち、放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚとした場合、共振空洞の分割数を１４〜２２の範囲にすれば、電子効率を一定以上に保って、安定した発振動作を維持でき、マグネトロン応用機器の小型化と電子効率の向上の両立を図ることができる。

また、上記マグネトロン１１において、図３に示した陰極外径Ｄｃと板状ベイン１７の遊端間最大径Ｄａとの比Ｄｃ／Ｄａは、図６に示すように、発振効率に対して、上に凸の放物線状の相関を示す。

従って、発振効率を発振が可能な一定以上に保つためには、放物線の頂点を含む一定の範囲に、Ｄｃ／Ｄａの値を規制する必要がある。

また、マグネトロン１１の発振効率は、図７に示すように、陽極と陰極１５との間に与える電位差ｖの増加に伴って緩やかに増加する上昇曲線となり、陽極と陰極１５との間に与える電位差ｖが４ｋＶ以上であれば発振効率が６０％以上となり、陽極と陰極１５との間に与える電位差ｖを大きくする程、発振効率を向上させることができる。

マイクロ波の基本周波数が２，４５０ＭＨｚの従来のマグネトロンでは一般に陽極と陰極１５との間に与える電位差ｖを、ｖ≦５．０ｋＶの範囲に設定しており、上記のように、従来と同程度に設定しておけば使用する電源の仕様を共通にでき、良好な発振効率を確保する一方、従来の電源の流用が可能になり、電源の流用によって製品コストを抑えた製品化が図れる。

本発明に係るマグネトロンの一実施の形態の概略構成を示す縦断面図である。図１のＡ矢視図である。図１に示したマグネトロンの作用空間部の断面図である。マグネトロンにおける板状ベインの枚数と電子効率との相関図である。マグネトロンにおける板状ベインの枚数と共振器のＱ値との相関図である。マグネトロンにおける陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比Ｄｃ／Ｄａと発振効率との相関図である。マグネトロンにおける陽陰極間電位差と理論発振効率との相関図である。従来のマグネトロンの概略構成図である。

符号の説明

１１マグネトロン
１３陽極筒体
１５陰極
１７板状ベイン
１９均圧環
２１アンテナ
Ｄｃ陰極外径
Ｄａ板状ベインの遊端間最大径

Claims

円筒状の陽極筒体と、この陽極筒体の中心軸上に配置される陰極と、前記陽極筒体の内周面に固着されると共に前記中心軸の周りに放射状に配列された複数枚の板状ベインと、これらの板状ベインを一枚おきに電気的に接続するための複数個の均圧環と、前記板状ベインの一枚に固着されたマイクロ波放出用アンテナとを有し、前記マイクロ波放出用アンテナから放出するマイクロ波の基本周波数を５，８００ＭＨｚ±７５ＭＨｚに設定すると共に、前記板状ベインの装備数を１４〜２２個の範囲に設定したことを特徴とするマグネトロン。
陰極外径Ｄｃと板状ベインの遊端間最大径Ｄａとの比を、０．５６≦Ｄｃ／Ｄａ≦０．６９に設定したことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
陽極と陰極との間に与える電位差ｖを、４．０ｋＶ≦ｖ≦５．０ｋＶに設定したことを特徴とする請求項２に記載のマグネトロン。