JP3043120B2 - マグネトロンの磁気回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子レンジなどのマイ
クロ波加熱機器や、レーダなどの送信管に使われるマグ
ネトロンに関する。さらに詳しくは、磁極片の構造によ
るマグネトロンの磁気回路の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンは、マイクロ波の高出力を
発振させる真空管でマイクロ波による誘電加熱やレーダ
などの送信管に有用されている。このようなマグネトロ
ンの磁気回路部分を中心とした断面説明図を図３に示
す。図３において、１は環状の陽極シェルで、内部に陽
極片２がたとえば８枚中心に向かって放射状に配置さ
れ、それぞれの隣り合った陽極片２と陽極シェル１とで
囲まれた空間で小空胴を形成している。３は陽極シェル
１の中心部に配置された陰極で、４は陽極片２と陰極３
とで囲まれた作用空間である。５は陽極シェル１の一端
に固着された第一の磁極片、６は陽極シェル１の他端に
固着された第二の磁極片、７は第一および第二の磁極片
の中心部に形成された孔である。８は一方の磁極片であ
る第一の磁極片５に密着された磁石で、その中心部は陰
極３の接続導体貫通のため、中空部が設けられている。
９は磁石８の他端と第二の磁極片６とを磁気的に接続す
るためのヨークである。

【０００３】このマグネトロンで陽極シェル１内を真空
にし、磁石８により作用空間４に磁界を印加するととも
に、陰極３を図示しないヒータで加熱し、陰極３と陽極
片２のあいだに高電圧を印加すると、陰極３から電子が
引き出され、陽極片２に向かって飛び出る。この際、磁
石８による磁界が第一の磁極片５と第二の磁極片６との
あいだのギャップに集中し、作用空間４に陰極と陽極の
対向する方向と直角の方向に作用している。そのため陰
極３から飛び出た電子は磁石８による磁界から受ける力
により回転させられ、螺旋を描きながら陽極片に到達す
る。この電子の動きを作用空間４の部分で軸方向に垂直
にきった断面で、図４に模式的に示す。

【０００４】図４で、もし磁界が弱ければ同図のＡのよ
うに作用空間で余り走行しないで直ちに陽極に到達して
しまい、磁界が強過ぎると同図のＣに示すように、直ち
に陰極に戻りやはり作用空間での走行時間は少なくな
る。同図のＢは磁界の強さが、ちょうど適当な磁束密度
のばあいの軌道で、図に示すように螺旋を描きながら進
む。この作用空間で螺旋を描きながら進む電子から空胴
共振器にエネルギーが与えられ、マグネトロンの発振に
寄与する。

【０００５】したがって、電子がちょうどよい螺旋軌道
を描かないとマグネトロンの発振は行われず、作用空間
に働く磁界はマグネトロンの発振効率に大きく影響し、
重要な要素となる。そのため、第一の磁極片５および第
二の磁極片６は、作用空間４に平行な磁界が印加される
ように、テーパ状にして径の大きい磁石から径の小さい
作用空間に磁路が形成されるように構成されている。こ
のテーパの角度θは磁石８の内径および作用空間の径と
の関係によるが、第一の磁極片５と第二の磁極片６とは
対称性を考慮して同じ形に形成されている。

【０００６】また、第一の磁極片５および第二の磁極片
６の中心部も陰極３の接続導体貫通のため、または作用
空間４のみに磁界を集中させ、中心部の陰極３部分に無
駄な磁界を印加しないようにするため、孔７が設けられ
ている。この孔７も、第一の磁極片５と第二の磁極片６
との対称性を考慮して同じ大きさに形成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来のこの構造
のマグネトロンの作用空間での磁力線の様子を測定して
みると、図５に示すように、作用空間の横方向での磁力
線は湾曲していることがわかった。これはヨーク９は磁
気抵抗の小さい磁性体を使ってはいるが、薄い板状で四
角状に折り曲げて形成されており、図６に示すように途
中での磁気漏洩が生じて、磁極片先端での磁束もヨーク
９側に引っぱられるからと考えられる。

【０００８】本発明はこのような状況に鑑み、二つの磁
極片の形状を非対称にして作用空間での磁界を平行に
し、マグネトロンの発振を効率的にすることを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、陽極シェルの
両端に固着された磁極片を非対称にして上記目的を達成
したもので、その第一の発明によるマグネトロンの磁気
回路は、中心部に陰極が配置され、該陰極の周囲に陽極
空胴を形成している環状の陽極シェルと、該陽極シェル
の両端部にそれぞれ固着され、前記陰極と陽極とで囲ま
れた作用空間に磁界を集中させる第一および第二の磁極
片と、該第一の磁極片に直接または磁性体を介してその
一端が接続された環状の磁石と、該磁石の他端と前記第
二の磁極片とを磁気的に接続するヨークとからなり、前
記ヨークを介して接続される前記第二の磁極片にテーパ
が設けられ、そのテーパの角度が前記第一の磁極片に設
けられたテーパの角度より小さく形成されたものであ
る。

【００１０】また第二の発明によるマグネトロンの磁気
回路は、前記第二の磁極片の中心部に孔が設けられ、そ
の孔径が前記第一の磁極片の中心部に設けられた孔径よ
り小さく形成されたものである。

【００１１】

【作用】本発明によれば、ヨークにより接続され、磁石
から遠く離れた第二の磁極片のテーパ角度が第一の磁極
片のテーパ角度より小さく形成されているため、第二の
磁極片の磁路は陽極シェルの軸方向に沿う方向になり、
磁力線が従来より中心方向へ向うような力をうける。そ
のため、第二の磁極片側の磁束は、作用空間で軸方向の
成分が強いことになり、作用空間での磁力線が端の外側
でも陽極シェルの軸方向と平行になるように作用する。

【００１２】また、第二の磁力片の中心部の孔径を第一
の磁力片の孔径より小さく形成することにより、第一の
磁力片と対向する第二の磁力片の部分の面積は、第一の
磁力片の部分の面積より大きくなり、第二の磁力片の先
端部分の磁束は軸方向に強く作用し、作用空間に均一な
磁界が作用するように働く。

【００１３】

【実施例】つぎに、本発明の第一の発明について図面に
より説明する。図１は本発明の第一の発明を説明するた
めの断面説明図である。同図において、１〜９は図３と
同じ部分を示す。ここで、陽極シェル１は、その内部に
形成された陽極片２とともに、無酸素銅などの放熱がよ
く、ガスの出にくい材料で形成されている。これは陽極
片２の先端に電子が飛び込み、その衝撃により加熱され
ること、および陽極片２と陽極シェル１とで空胴共振器
が形成され、この共振器内でマイクロ波を共振させて発
振させるため、陽極片２および陽極シェル１の表面を高
周波電流が大量に流れること、などにより電気伝導およ
び熱伝導のよい材料が好ましいためである。しかし、陽
極シェルに鉄材など磁性体を使用し、その表面に銅など
電気伝導および熱伝導のよい材料をメッキして形成する
こともできる。このばあいヨーク９を使わないで陽極シ
ェルをヨークとすることができる。

【００１４】作用空間４は陽極片２と陰極３とで囲まれ
た空間で、陽極片２と陰極３とのあいだに直流の高電圧
が印加されるとともに、第一および第二の磁極片により
形成された磁気ギャップにより、磁界が前記の直流の高
電圧と直角方向に印加される構成となっている。その結
果、直流の高電圧で陰極３から引き出された電子は磁界
の影響を受け、ローレンツ力を受けて回動させられ、前
述のごとく螺旋運動を描きながら陽極片２に到達し、そ
の電子の運動によりえたエネルギーが空胴共振器に与え
られ、発振に寄与する。

【００１５】第一および第二の磁極片５、６はそれぞれ
鉄などの磁気抵抗の小さい磁性体の板材を絞り加工など
により図に示すような円錐台形状に形成したものであ
る。この板厚はマグネトロンの大きさにもよるが、通常
は１〜３mmのものが使用され、その表面には銅など電気
伝導および熱伝導のよい材料がメッキなどで付着されて
いる。これは、この磁極片部分にも高周波電流が流れる
ため、その抵抗損を減らす目的と、陽極シェルとのロウ
付などの際のロウ流れを良くするためである。また磁極
片は磁路を形成するためのもので、厚い程磁気抵抗が小
さく、薄い板ではなく、棒材で先端を作用空間に合わせ
て細くする方が磁気抵抗の面からは好ましいが、板材で
形成されているのは、無駄な材料は極力減らし、小型で
安価なマグネトロンにするためものである。したがって
本発明においても、このような小型で低コスト追求のマ
グネトロンにおいて、作用空間での磁界の均一化を図る
必要がある。

【００１６】この両磁極片にテーパを形成して円錐台形
状としているのは、磁石８が後述するように作用空間４
の径より大きい径になっており、その磁石の磁力を作用
空間４に集中させる必要があるため、磁石８側の磁極片
の径は大きく、作用空間４側での磁極片の径を小さくし
て円錐台形状としている。この円錐台形状のテーパ角度
（図１のθ）は、マグネトロンの周波数、出力などの特
性による構造の違いもあるが、通常は20〜40°である。

【００１７】この磁極片のテーパ角度θは、従来は第一
の磁極片と第二の磁極片で対称形にして同じ角度に形成
されていたが、本発明では磁石８から遠い方の第二の磁
極片のテーパ角度を小さくし、10〜30°で形成すること
により、作用空間での磁界が均一になることを見出し
た。このテーパ角度を小さくする具体的な方法は、図１
に示すように、作用空間への作用は変えられないため、
第二の磁極片６の先端部の径は変えないで、陽極シェル
１との接着側の径、すなわち円錐台の底側の径を小さく
することにより形成している。

【００１８】また、図１には第一および第二の磁極片の
中心部に孔７を設け、陰極３の接続導体が貫通する例で
描かれているが、この第一の発明ではこの孔７は必ずし
も必要ではない。すなわち、陰極の接続導体を陽極シェ
ル１側または、陽極シェル１内で端部へ引き出し、端部
から陰極接続導体を引き出せば、陰極接続導体貫通用と
しての孔は必ずしも必要ではない。ただし、このばあい
でも作用空間へ磁界を集中させるため陰極部分の無駄な
磁界を生じさせないように、作用空間に影響を与えない
程度の小さい孔を設けることもできる。

【００１９】磁石８はマグネトロン全体の小型化のた
め、および取り扱い易さの点などからたとえば、フェラ
イト、アルニコ、希土類コバルトなどを使用した環状の
永久磁石が用いられ、その一端が一方の磁極片と、密着
する構成をとっている。このばあい、中心部は陰極の接
続導体や図示してない真空外囲器などを貫通させるた
め、中空にし円筒状に形成されている。この円筒状永久
磁石の内径はその中を貫通する真空外囲器などにより定
まり、外径および高さは必要な磁束をうるため必要な磁
石材の量などにより定まるが、真空外囲器などを貫通さ
せる内径は作用空間の径よりも大きくなる。また中心部
を貫通させる必要のないばあいは、無空の円柱状の磁石
とすることもできる。

【００２０】磁石８は小型化、取扱い易さの容易さなど
から前述のごとく永久磁石を使うのが好ましいが、電磁
石を使っても同様に構成することができる。また、第一
の磁極片５と磁石８の一端を直接密着させる例で説明し
たが、全体の寸法および位置関係などから第一の磁極片
５と磁石８の一端とのあいだに、鉄など磁性体の薄板を
介在させることもできる。

【００２１】ヨーク９は磁石８の他端側と第二の磁極片
６とを磁気的接続するもので、やはり磁気抵抗の小さい
鉄などの板材で形成され、図示していない陽極シェル１
の外周に形成された放熱板などを迂回して構成されてい
る。

【００２２】本発明によるマグネトロンの磁気回路で
は、磁石８から遠い側の第二の磁極片のテーパ角度を第
一の磁極片のテーパ角度より小さく形成しているため、
第二の磁極片６の磁路の方向は陽極シェル１の軸方向に
近づく方向となり、磁力線が従来より中心方向へ向うよ
うな力をうけ、軸方向の磁束成分は強く作用し、作用空
間での磁力線は作用空間の外側でも軸方向と平行にな
り、均一な磁界がえられ、マグネトロンの発振効率向上
に役立つ。

【００２３】つぎに、本発明の第二の発明について図２
により説明する。第二の発明では、陽極シェル１の両端
に固着された第一および第二の磁極片以外は、第一の発
明と全く同じであるので説明を省略する。

【００２４】この第二の発明では、第一および第二の磁
極片の中心部に孔７が設けられているばあいで、テーパ
については必ずしも必要ではない。すなわち磁石８が小
さく形成でき、磁極片にテーパを形成しなくて直接作用
空間へ磁力線を集中できるばあいにも適用できる。

【００２５】この第二の発明の特徴は、第二の磁極片の
孔７の径Ｄを第一の孔の径より小さく形成したことにあ
る。この孔７は前述のように、陰極３の接続用導体の貫
通用などのため設けられており、マグネトロンの周波数
や出力などの特性による構造の違いもあるが、2450MHz
帯のマグネトロンにおいては通常10〜12mmφである。本
発明では、第二の磁極片のこの孔径Ｄを６〜10mmφに形
成することにより作用空間での磁界の均一化を図った。

【００２６】この第二の磁極片６の中心部の孔７の径を
小さくすると両磁極片の対向している部分の第二の磁極
片６の面積が第一の磁極片の対向している面積より大き
くなっている。そのため作用空間４に影響する磁界は軸
方向の成分が強くなり、作用空間の外側でも軸方向と平
行な磁力線となり、均一な磁界がえられ、マグネトロン
の発振効率の向上に役立つ。

【００２７】つぎに具体的な実施例について説明する。
2450MHz 、900 Ｗ用マグネトロンを構成のため、陽極片
の先端で形成される陽極の内径を９mmφ、陽極片の高さ
を８mm、陰極の外径を４mmφ、二つの磁極片の間隔を1
1.5mmで作用空間を形成し、第一の磁極片のテーパ角度
θを30°、第二の磁極片のテーパ角度θを20°として、
コンピュータシュミレーションで作用空間の磁力線の様
子を調べた。その結果、従来のテーパ角度30°のままの
ときと比べ、磁力線の曲りの度合が平均で2/3 程度にな
った。

【００２８】また陽極などの寸法は全く同じで、磁極片
のテーパ角度は共に30°とし、中心部に設けた孔７の径
Ｄを、第一の磁極片で10mmφ、第二の磁極片で８mmφに
して同様にコンピュータシュミレーションで作用空間の
磁力線の様子を調べた。その結果従来の孔径10mmφのま
まに比べて、磁力線の曲りの度合が平均で半分程度にな
った。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁石から遠い方の第二の磁極片の形状をわずかに変える
だけで、作用空間での磁力線を電界方向と垂直の均一磁
界とすることができ、マグネトロンの発振効率および寿
命の延長など特性改善に及ぼす効果が大きい。その結
果、このマグネトロンを使用した電子レンジなどの利用
価値も向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の発明を説明するためのマグネト
ロンの磁気回路部分の断面説明図である。

【図２】本発明の第二の発明を説明するためのマグネト
ロンの磁気回路部分の断面説明図である。

【図３】従来のマグネトロンの磁気回路部分の断面説明
図である。

【図４】マグネトロンの作用空間部分を軸方向に垂直な
面で切った断面説明図で電子の動きを説明する図であ
る。

【図５】従来のマグネトロンの作用空間での磁力線を示
す説明図である。

【図６】マグネトロンの磁気回路で磁力線の漏れを説明
する図である。

【符号の説明】

１ 陽極シェル ３ 陰極 ４ 作用空間 ５ 第一の磁極片 ６ 第二の磁極片 ７ 孔 ８ 磁石 ９ ヨーク θ テーパ角度

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心部に陰極が配置され、該陰極の周囲
   に陽極空胴を形成している環状の陽極シェルと、該陽極
   シェルの両端部にそれぞれ固着され、前記陰極と前記陽
   極とで囲まれた作用空間に磁界を集中させるべくテーパ
   状に形成された第一および第二の磁極片と、該第一の磁
   極片に直接または磁性体を介してその一端が接続された
   環状の磁石と、該磁石の他端と前記第二の磁極片とを磁
   気的に接続するヨークとからなるマグネトロンの磁気回
   路であって、前記ヨークを介して接続される前記第二の
   磁極片のテーパの角度が、前記第一の磁極片のテーパの
   角度より小さく形成されてなるマグネトロンの磁気回
   路。
2. 【請求項２】 中心部に陰極が配置され、該陰極の周囲
   に陽極空胴を形成している環状の陽極シェルと、該陽極
   シェルの両端部にそれぞれ固着され、中心部に孔が形成
   された第一および第二の磁極片と、該第一の磁極片に直
   接または磁性体を介してその一端が接続された環状の磁
   石と、該磁石の他端と前記第二の磁極片とを磁気的に接
   続するヨークとからなるマグネトロンの磁気回路であっ
   て、前記ヨークを介して接続される前記第二の磁極片の
   孔径が前記第一の磁極片の孔径より小さく形成されてな
   るマグネトロンの磁気回路。