JP2013065406A

JP2013065406A - マグネトロン、その設計方法および製造方法

Info

Publication number: JP2013065406A
Application number: JP2011202080A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Azuma; 正寿東
Original assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Current assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-04-11

Abstract

【課題】マグネトロンの不要輻射抑制チョークが動作中の周波数の変動に追随できるようにする。
【解決手段】マグネトロンに、発振部と、不要輻射抑制チョークとを備える。発振部は、陽極円筒１、ベイン２および陰極５などを備えていて、動作開始時の発振周波数がｆ_Ｓ、所定の時間経過後の発振周波数がｆ_Ｔとする。不要輻射抑制チョークは、発振部での発振周波数の第５次高調波を抑制する第５次高調波抑制用チョーク５５である。不要輻射抑制チョークは、動作開始時の温度と所定の時間経過後の温度との差をΔＴとしたときに、熱膨張係数が式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるαと同等の材料で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネトロン、その設計方法および製造方法に関する。

一般に、電子レンジ用マグネトロンでは、陽極本体に２４５０ＭＨｚ帯のマイクロ波が発生する。しかし、実際には、この基本波勢力以外に、その整数倍の周波数の高調波勢力が同時に発生する。この高調波勢力が出力部から輻射されると、基本波と同様に電子レンジなどのマイクロ波加熱機器内へと伝搬される。

高調波は、その波長が短いため加熱機器でのシールドが困難であり、外部へ漏えいすることがある。この漏えい電力は、無線障害を引き起こす場合があり、漏えいの限度が法規制されている。

そこで、マグネトロン自身で高調波の発生を抑えるべく、出力部にチョーク溝を形成して任意の高調波を抑制する技術がある（たとえば特許文献１ないし３参照）。また、入力部側への基本波成分および高調波成分の漏えいを抑制するため、同様のチョーク構造を入力部側に設ける場合もある。

通常、チョーク溝の軸方向寸法は、抑制しようとする高調波の波長の約４分の１とする。このようなチョーク溝は、一般的に４分の１波長型チョークと呼ばれる。たとえば金属封着体および排気管部に、それぞれ第２次高調波（４．９ＧＨｚ）および第５次高調波（１２．２５ＧＨｚ）の輻射を抑制するチョークが設けられる。なお、実際には、チョーク溝の端部に電界が集中して容量成分が発生し、特に高い周波数ではその浮遊容量の影響が無視できないため、理論上の４分の１波長よりも短い寸法でチョーク効果が得られる。

特許第９８１６１１号公報特許第２１２８８２７号公報特開昭６３−２６４８４８号公報

マグネトロンを動作させた場合、マイクロ波出力へ変換できない一部の入力電力は、熱となる。このようにして発生した熱により作用空間へ導かれる磁束が減少すると共にマグネトロンには寸法変化が生じ、同じ動作点で比較すると発振周波数は徐々に低下していく。マグネトロンそのものや電子レンジ全体の構造、効率、冷却能力、負荷などによってその低下幅は異なるが、発振周波数が１０ＭＨｚ程度低下することもある。発振周波数の低下に伴って、高調波のピーク周波数も変動する。発振周波数が１０ＭＨｚ低下すると、第５次高調波は５０ＭＨｚ低下することになる。

チョーク溝の効果は、抑制しようとする高調波の周波数の４分の１波長よりも若干短い長さで最大となる。したがって、高調波のピーク周波数が変動した場合、十分なチョーク効果が得られない場合がある。また、マグネトロンを用いた高周波加熱機器の設置場所によって動作中のチョーク温度が異なり、その影響による熱膨張差でチョーク効果が得られるピーク周波数もずれてしまう場合がある。

たとえば、発振周波数が２４５０ＭＨｚから２４４０ＭＨｚへ低下した場合を考える。このとき第５次高調波のピーク周波数は１２２２５０ＭＨｚから１２２００ＭＨｚへ変動する。４分の１波長は、約６．１１８ｍｍから約６．１４３ｍｍへと変化し、約０．０２５ｍｍ長くなる。

浮遊容量を無視して、室温における第５次高調波用チョークの長さを４分の１波長に等しい６．１１８ｍｍとし、材料が鉄だとする。動作中のチョークの温度が１５０℃上昇したとすると、チョークの長さは熱膨張により６．１２９ｍｍとなり、第５次高調波の４分の１波長とは０．０１４ｍｍの差が生じてしまう。この長さの差は、周波数に換算すると約８ＭＨｚに相当する。

製品によっても異なるが、高調波のピークは狭い帯域幅で出ることも多く、その差でピーク値が１０ｄｂ以上も変化することもあるため好ましくない。

そこで、本発明は、マグネトロンの不要輻射抑制チョークが動作中の周波数の変動に追随できるようにすることを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、マグネトロンにおいて、動作開始時の発振周波数がｆ_Ｓ、所定の時間経過後の発振周波数がｆ_Ｔである発振部と、動作開始時の温度と所定の時間経過後の温度との差をΔＴとしたときに、熱膨張係数が式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるαと同等の材料で形成された不要輻射抑制チョークと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、動作開始時の発振周波数がｆ_Ｓ、所定の時間経過後の発振周波数がｆ_Ｔである発振部と、動作開始時の温度と所定の時間経過後の温度との差をΔＴとしたときに、前記所定の時間経過後の溝の深さが前記動作開始時に比べて式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるα倍となる不要輻射抑制チョークと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、不要輻射抑制用チョークを備えたマグネトロンの製造方法において、動作開始時の前記チョークの温度と所定の時間経過後の前記チョークの温度との差ΔＴを求めるステップと、前記動作開始時の発振周波数をｆ_Ｓ、前記所定の時間経過後の発振周波数をｆ_Ｔとしたときに、目標熱膨張係数αを式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求めるステップと、前記目標熱膨張係数αに熱膨張係数が近い材料で前記不要輻射抑制用チョークを形成するステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、不要輻射抑制用チョークを備えたマグネトロンの設計方法において、動作開始時の前記チョークの温度と所定の時間経過後の前記チョークの温度との差ΔＴを求めるステップと、前記動作開始時の発振周波数をｆ_Ｓ、前記所定の時間経過後の発振周波数をｆ_Ｔとしたときに、目標熱膨張係数αを式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求めるステップと、前記目標熱膨張係数αに熱膨張係数が近い材料を前記チョークの材料として選定するステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、マグネトロンの不要輻射抑制チョークが動作中の周波数の変動に追随できる。

本発明に係るマグネトロンの一実施の形態の一部拡大断面図である。本発明に係るマグネトロンの一実施の形態の断面図である。本発明に係るマグネトロンの一実施の形態における動作時と所定の時間経過後との不要輻射抑制チョークの温度差と目標熱膨張係数αとの関係を示すグラフである。

本発明に係るマグネトロンの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。

図２は、本発明に係るマグネトロンの一実施の形態における縦断面図である。

本実施の形態のマグネトロンは、同一の軸（中心軸４１）に沿って配置された陽極円筒１、陰極５、一対のエンドハット６，７および一対のポールピース８，９、並びに、この中心軸４１の近傍から放射状に延びる複数のベイン２を備えている。陽極円筒１は、中心軸４１に沿って円筒状に延びている。

ベイン２は、中心軸４１の近傍から放射状に延びて、陽極円筒１の内面に固定されている。ベイン２は、それぞれ実質的に長方形の板状に形成されている。陽極円筒１の内面に固定されていない側のベイン２の遊端３１は、中心軸４１に沿って延びる同一の円筒面上に配置されていて、この円筒面をベイン内接円筒と呼ぶ。複数のベイン２は、円周方向の一つおきに、ベインの上下端部にロー付けされた大小それぞれ対となったストラップリング３，４によって連結されている。

陰極５は、螺旋状であり、陽極円筒１の中心軸に配置されている。また、陰極５の両端は、それぞれエンドハット６，７に固着されている。エンドハット６，７は、ベイン２に対して中心軸４１の外側に配置されている。

一対のポールピース８，９は、それぞれ中央部に貫通孔３２を有する漏斗状に形成されている。貫通孔３２の中心は、中心軸４１上に位置している。それぞれのポールピース８，９は、エンドハット６，７で挟まれる空間に対して中心軸４１の外側に向かって貫通孔３２から広がるように形成されている。ポールピース８，９の外径は陽極円筒１の径とほぼ同じに形成されている。ポールピース８，９の外周部分は、陽極円筒１の両方の端部にそれぞれ固定されている。また、これら一対のポールピース８，９は、エンドハット６，７で挟まれる空間を挟んで配置されている。

また、ポールピース８，９には、それぞれ筒状の金属封着体１０，１１が固着されている。それぞれの金属封着体１０，１１は、陽極円筒１の一端にも接している。

出力側の金属封着体１０のポールピース８に対して反対側の端には、出力側セラミック１２が接合されている。また、出力側セラミック１２の金属封着体１０に対して反対側の端には、排気管１３が接合されている。ベイン２の一つから銅でできた棒状のアンテナ１４が導出されている。このアンテナ１４は、出力側のポールピース８を貫通して、出力部内を中心軸４１上に延びて、先端は排気管１３で挟持固定されている。排気管１３の全体はキャップ１５で覆われている。

入力側の金属封着体１１のポールピース９に対して反対側の端には、入力側セラミック１６が接合されている。陰極５には、エンドハット６，７を介して２本のサポートロッド１７，１８が接続されている。サポートロッド１７，１８は、たとえば中継板１９を介して管外へ導出されている。

また、マグネット２１，２２とヨーク２３，２４が、このような発振部本体を囲むように配設されて、磁気回路を形成している。また、発振部本体を冷却するためのラジエーター２５がヨーク２３，２４で囲まれる空間の内部に設けられている。また、陰極５には、サポートロッド１７，１８を介して、コイル３３および貫通コンデンサ３４を有するフィルター回路が接続されている。フィルター回路を構成するコイル３３および貫通コンデンサ３４は、フィルターボックス２７に収められている。

図１は、本実施の形態における出力側の拡大断面図である。

本実施の形態のマグネトロンは、第５次高調波用チョーク５５を有している。この第５次高調波用チョーク５５は、たとえば出力側の金属封着体１０の出力側セラミック１２の近傍に設けられている。第５次高調波用チョーク５５は、金属封着体１０の内面から内側に広がったリング状部分とそのリング状部分の端縁から陰極５側に向かって中心軸４１に沿って延びる筒状部分とを有している。第５次高調波用チョーク５５の長さＬ、すなわち第５次高調波用チョーク５５の筒状部分の端部からリング状部分までの距離は、第５高調波の４分の１波長よりも若干短い。

この第５次高調波用チョーク５５の材料は、次の手順で決定される。

まず、動作開始時の発振周波数ｆ_Ｓを決定する。ここでは、動作開始時の温度は室温２０℃と仮定し、発振周波数は２４５０ＭＨｚとする。

次に、所定の時間経過後の第５次高調波用チョーク５５の温度を評価する。ここで、所定の時間とは、たとえばマグネトロンを動作させて第５次高調波用チョーク５５の温度がほぼ一定となるまでの時間とする。たとえば、第５次高調波用チョーク５５の所定の時間経過後の温度は２００℃と評価される。したがって、動作開始から所定の時間経過後の第５次高調波用チョーク５５の温度変化ΔＴは、１８０℃である。また、所定の時間経過後の発振部の寸法変化などによって変化した発振周波数ｆ_Ｔは、２４４０ＭＨｚと評価される。これらの条件に基づいて、次式を用いて、目標熱膨張係数αを求める。

α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴ …（式１）
次に、この目標熱膨張係数αに近い材料を第５次高調波用チョーク５５の材質として選定する。

図３は、本実施の形態における所定の時間経過後のチョークの温度変化に対する目標熱膨張係数αとの関係を示すグラフである。

上述の条件の場合、目標熱膨張係数α＝（２４５０ＭＨｚ／２４４０ＭＨｚ−１）／１８０℃＝２２．８×１０^−６（１／℃）となる。この目標熱膨張係数αに近い材質としては、２９３Ｋでの熱膨張係数が２３．１×１０^−６（１／℃）、５００Ｋでの熱膨張係数が２６．４×１０^−６（１／℃）である銅が挙げられる。

また、上述の条件で動作開始時の第５次高調波用チョーク５５の温度と所定の時間経過後の第５次高調波用チョーク５５の温度との差ΔＴのみが２４０℃と変化した場合には、目標熱膨張係数αは、１７．１×１０^−６（１／℃）となる。この目標熱膨張係数αに近い材質としては、２９３Ｋでの熱膨張係数が１６．５×１０^−６（１／℃）、５００Ｋでの熱膨張係数が１８．３×１０^−６（１／℃）であるアルミニウムが挙げられる。

所定の時間経過後には、発振周波数のｆ_Ｓからｆ_Ｔへの変化により第５次高調波の４分の１波長は、動作開始時に対して（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）倍になっている。動作開始時の第５次高調波用チョーク５５の長さＬが動作開始時の第５高調波の４分の１波長に等しいとすると、所定の時間経過後の第５次高調波の４分の１波長は、Ｌ×（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）となる。

一方、所定の時間経過後には、第５次高調波用チョーク５５の温度はΔＴ上昇しており、その結果、第５次高調波用チョーク５５の熱膨張係数が目標熱膨張係数αに等しければ、第５次高調波用チョーク５５の長さは動作開始時の長さＬのα×ΔＴ倍に延びている。つまり、Ｌ×α×ΔＴとなっている。ここで（式１）からα＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴであるから、所定の時間経過後の第５次高調波用チョーク５５の長さはＬ×（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）となる。つまり、所定の時間経過後の第５次高調波の４分の１波長に等しくなる。

このようにして、目標熱膨張係数αと同等の材料を第５次高調波用チョーク５５の材料として選定することにより、所定の時間経過に伴う発振周波数の変動に応じて第５次高調波用チョーク５５の長さＬが変化することになる。つまり、マグネトロンの不要輻射抑制チョークが動作中の周波数の変動に追随できるようになる。

本実施形態では、第５次高調波を例としてその高調波の輻射を抑制する不要輻射抑制チョークの材料の選定について説明したが、他の高調波の場合であっても、同様の方法で材料を選定することができる。

また、ここでは、熱膨張率が目標熱膨張係数αと同等となるような材料を用いて不要輻射抑制チョークを形成することとしたが、熱膨張率がαと同等となる材料ではない場合には、以下のようにして、動作中の周波数の変動に追随するようにできる。まず、この場合には、熱膨張率が目標熱膨張係数αよりも高い材料と低い材料とを選定する。これらの材料で形成された同径の円管を接合して、所定の時間経過後の不要輻射抑制チョークの溝の深さが、動作開始時に比べて式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるα倍となるようにする。これにより、所定の時間経過後のチョーク溝の深さを全体としてα倍にすることができる。

１…陽極円筒、２…ベイン、３…ストラップリング、４…ストラップリング、５…陰極、６…エンドハット、７…エンドハット、８…ポールピース、９…ポールピース、１０…金属封着体、１１…金属封着体、１２…出力側セラミック、１３…排気管、１４…アンテナ、１５…キャップ、１６…入力側セラミック、１７…サポートロッド、１８…サポートロッド、１９…中継板、２１…マグネット、２２…マグネット、２３…ヨーク、２４…ヨーク、２７…フィルターボックス、３１…遊端、３２…貫通孔、３３…コイル、３４…貫通コンデンサ、４１…中心軸、５５…第５次高調波用チョーク

Claims

動作開始時の発振周波数がｆ_Ｓ、所定の時間経過後の発振周波数がｆ_Ｔである発振部と、
動作開始時の温度と所定の時間経過後の温度との差をΔＴとしたときに、熱膨張係数が式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるαと同等の材料で形成された不要輻射抑制チョークと、
を具備することを特徴とするマグネトロン。
前記不要輻射抑制チョークは、前記発振部で発振される基本波の第５次高調波の輻射を抑制するものであることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
動作開始時の発振周波数がｆ_Ｓ、所定の時間経過後の発振周波数がｆ_Ｔである発振部と、
動作開始時の温度と所定の時間経過後の温度との差をΔＴとしたときに、前記所定の時間経過後の溝の深さが前記動作開始時に比べて式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求められるα倍となる不要輻射抑制チョークと、
を具備することを特徴とするマグネトロン。
不要輻射抑制用チョークを備えたマグネトロンの製造方法において、
動作開始時の前記チョークの温度と所定の時間経過後の前記チョークの温度との差ΔＴを求めるステップと、
前記動作開始時の発振周波数をｆ_Ｓ、前記所定の時間経過後の発振周波数をｆ_Ｔとしたときに、目標熱膨張係数αを式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求めるステップと、
前記目標熱膨張係数αに熱膨張係数が近い材料で前記不要輻射抑制用チョークを形成するステップと、
を具備することを特徴とするマグネトロンの製造方法。
不要輻射抑制用チョークを備えたマグネトロンの設計方法において、
動作開始時の前記チョークの温度と所定の時間経過後の前記チョークの温度との差ΔＴを求めるステップと、
前記動作開始時の発振周波数をｆ_Ｓ、前記所定の時間経過後の発振周波数をｆ_Ｔとしたときに、目標熱膨張係数αを式α＝（ｆ_Ｓ／ｆ_Ｔ−１）／ΔＴを用いて求めるステップと、
前記目標熱膨張係数αに熱膨張係数が近い材料を前記チョークの材質として選定するステップと、
を具備することを特徴とするマグネトロンの設計方法。