JP3828272B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンに係り、特にマグネトロンの出力部を構成するドーム形のアンテナセラミック（以下、アンテナドームと称する）の温度上昇による当該アンテナドームの熱破壊を防止して高信頼性を維持できるようにしたマグネトロンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンは高周波出力すなわちマイクロ波出力を効率よく発生することから、レーダー装置、医療機器、電子レンジ等の高周波調理器、その他のマクロ波応用機器の分野で広く使用されている。
【０００３】
このマグネトロンは、通常、真空容器の中心部に陰極が配置され、管軸方向磁界が形成されている作用空間を隔てて上記陰極の周囲に空洞共振器群が配置されている。
【０００４】
上記空洞共振器は、管軸にそって中心に配置された陰極と、この陰極を囲んで上記作用空間にと同軸に設置された陽極シリンダーと、上記陰極に近接した位置から上記陽極シリンダー方向に放射状に設置された複数の板状体すなわち陽極ベイン（以下、単にベインともいう）と、上記ベインと陽極シリンダーとで構成される空間に形成される複数の空洞共振器の発振位相を合わせるために前記ベインを一つおきに電気的に同電位に接続するための上下一対または上下の一方に配置した一対のストラップリングとで構成される。
【０００５】
空洞共振器群に発生したマイクロ波は、一端が前記空洞共振器に接続され、他端が出力部を構成するドーム形のアンテナセラミック（アンテナドーム）内に配置されたアンテナリードを通して外部に放射する。陽極シリンダー、ベイン、ストラップリングは一般に銅製であり、これらの間の接合固着には銀ローを用いたロー付けが採用されている。なお、ベインとアンテナリードも同様のロー付けで接続されている。言うまでもなく、陽極シリンダーとベインを一体化した形式のマグネトロンでは、アノード円筒とベインとのロー付けは考慮する必要はない。一般に、１．５ｋＷ以上のマイクロ波を出力するマグネトロンは、アンテナリードの上記他端を内包するように設置したアンテナドームを有する出力部を通して当該アンテナドームに接続する導波管に放出される。
【０００６】
このようなマグネトロンにおいては、アンテナリードから放射されたマイクロ波がアンテナドーム部分を通る際に、その一部が吸収されて熱に変わり、当該アンテナドームの温度を上昇させる。
【０００７】
このアンテナドームにマイクロ波が吸収される度合いは、アンテナドームの材料特性の誘電率εｒと誘電正接ｔａｎδの積で決まるので、この積εｒｔａｎδを損失ファクタと呼んでいる。特に、マイクロ波の発熱を問題とする場合には誘電正接ｔａｎδが重要なパラメータとして考慮される。
【０００８】
マイクロ波の出力が小さいもの、例えばマイクロ波出力が2kW以下のマグネトロンにおいては、誘電正接tanδが6× 10 ^-4 以上でも発熱量が小さいので、信頼性上問題となるまでに至らない。このため、出力部を冷却することなく使用している。
【０００９】
しかしながら、マイクロ波出力が２ｋＷを越える大出力のマグネトロンでは、マグネトロンのマイクロ波の負荷インピーダンスによっては、発熱量が大きくなり、アンテナドームの温度が急上昇するために、アンテナドームにクラックが生じ、マグネトロンが破壊する。これを防止するために、このような大出力のマグネトロンでは外部から冷却風を送ってアンテナドーム部分を含む出力部を強制冷却している。
【００１０】
なお、この種の従来技術を開示したものとしては、例えば特開昭６３−２３８２０号公報、特開昭６３−９１９３４号公報等を挙げることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナドームに使用されているセラミックには、主としてクロームＣｒの金属酸化物、その他微量のマンガンＭｎ、カルシウムＣａ、ナトリウムＮａ等が数％以上も混入されていたため、これらの混入物がマイクロ波で発熱し、出力部を冷却しないでおくと当該アンテナドームにクラックが発生するという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、大出力でも出力部の冷却を行うことなくアンテナドームのクラックを無くした高信頼性のマグネトロンを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、アンテナドームのセラミックの誘電率正接tanδを6× 10 ^-4 以下とするために、セラミック材料の組成分を、アルミナ＋酸化珪素で９６重量%以上としたものであり、またアンテナドームの先端形状を平坦あるいは凹陥形として熱応力を吸収したものであり、特に下記(1)〜(3)に記載の構成としたことを特徴とする。
【００１４】
（１）陽極シリンダーの内部に放射状に設置した複数の陽極ベインで形成された空洞共振器群に発生したマイクロ波を、一端が前記空洞共振器に接続され、他端が主力部を構成するアンテナドーム（ドーム形のアンテナセラミック）内に配置されたアンテナリードを通して外部に放射するマグネトロンにおいて、
前記アンテナドームが、アルミナが９２重量％以上、酸化珪素を除く他の金属酸化物が２重量％以下を含む構成材料から構成した。
【００１５】
この構成により、アンテナドームの発熱が低減し、大出力でもアンテナドームにクラックが発生しない。
【００１６】
（２）（１）にける前記ドーム形のアンテナセラミックのドーム状先端に平坦部を形成した。
【００１７】
（３）（１）における前記ドーム形のアンテナセラミックのドーム状先端に凹陥部を形成した。
【００１８】
上記（２）または（３）の構成としたことで、アンテナドームの熱応力がドーム状先端の平坦部あるいは凹陥部で吸収され、アンテナドームのクラック発生防止作用がさらに向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例を説明する断面図であって、１は陽極シリンダー、２は陽極ベイン、３はアンテナリード、４はアンテナドーム、５ａは上部磁極、５ｂは下部磁極、６ａは上部シール、６ｂは下部シール、７は陰極フィラメント、８ａは上部マグネット、８ｂは下部マグネット、９は金属ガスケット、１０は冷却フィン、１１ａは上部ヨーク、１１ｂは下部ヨーク、１２は陰極リード、１３はチョークコイル、１４は貫通ンデンサ、１５はフィルタケースを示す。
【００２１】
複数の陽極ベイン２は一対のストラップリング１６ａ，１６ｂで一つおきに電気的に接続して同電位としている。陽極ベイン２とストラップリング１６ａ，１６ｂとは強固にロー付けされて特性のバラツキが発生しないように陽極ベインを固定している。
【００２２】
陰極フィラメント７はマグネトロンの管軸中心に位置し、その回りに複数の陽極ベイン２が放射状に配置されている。この複数の陽極ベイン２は陽極シリンダー１にロー付け等で固着されている。なお、陽極ベイン２は陽極シリンダー１と共に押出し成型等により一体成形してもよい。
【００２３】
陽極シリンダー１の上部には円筒状の上部マグネット８ａが、下部には円筒状の下部マグネット８ｂが設置されており、この上部マグネット８ａと下部マグネット８ｂからの磁束は上部磁極５ａと下部磁極５ｂを通って陰極フィラメント７と陽極ベイン２との間に形成される作用空間に対して上下方向（管軸方向）に必要な直流磁界を発生させる。なお、上部ヨーク１１ａ，下部ヨーク１１ｂは上下のマグネットからの磁束通路を形成する。
【００２４】
陰極フィラメント７は負の高電位になっている。すなわち、陰極フィラメント７は２本の陰極リード１２を介してチョークコイル１３に接続され、さらにチョークコイル１３の他端は貫通コンデンサ１４に接続されており、貫通コンデンサ１４の端子は負の高電位となっているフィラメントトランス（後述）に接続されている。この貫通コンデンサ１４の素体としては、誘電体磁器が用いられ、チョークコイル１３と共にフィルタを構成し、このフィルタをフィルタケース１５で遮蔽することにより、また発振したマイクロ波が電源ラインを通して外部機器に影響を及ぼさないように機能する。
【００２５】
そして、アンテナドーム４は上部シール６ａの部分で金属ガスケット９で上部ヨークから離間された位置において上記アンテナリード３を内包するように設置されている。
【００２６】
図２は図１に示したマグネトロンの上面図であって、アンテナドーム４は上部ヨーク１１ａの中央部分に設置された金属ガスケット９の中心部に設置され、ている。
【００２７】
このような構造において、陰極フィラメント７から放出された電子は、直流磁界の影響を受けて円運動しながら各陽極ベイン２に高周波の電位を形成して高周波（マイクロ波）を発振する。発振されたマイクロ波はアンテナリード３を通してアンテナドーム４から図示しない導波管に出力される。
【００２８】
本実施例では、アンテナドーム4の構成材料として、アルミナと酸化珪素が96重量%以上含んだものを使用する(例えば、アルミナ92重量%以上、酸化珪素6〜8重量%、この誘電正接は6× 10 ^-4 以下 )ことで、アンテナリード3から放出されたマイクロ波がアンテナドーム4を通る際に、当該アンテナドーム4がマイクロ波を吸収する量が非常に少なくなり、アンテナドームの温度上昇が低減される。
【００２９】
上記本実施例で説明したアンテナドームの材料とすることにより、当該アンテナドーム４がマイクロ波を吸収する量が非常に少なくなり、アンテナドームの温度上昇が低減され、出力部を強制的に冷却する必要がなくなり、従来技術のようにアンテナドームにクラックが発生することに起因するマグネトロンの破壊が防止される。図３は本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例におけるアンテナドームの１形状例の説明図であり、（ａ）は部分断面した側面図、（ｂ）はそのドーム状先端の形状を示す上面図である。
【００３０】
この例では、アンテナドーム４のドーム状先端に平坦部４ａを形成してあり、かつこの平坦部４ａの厚みを他の部分よりも薄くしてある。これにより、アンテナドームの熱応力が平坦部に吸収され、加熱により生じる歪みに起因するクラックを防止できる。なお、上記平坦部の厚みを他の部分と同様の厚みとしても熱応力の吸収効果はある。
【００３１】
図４は本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例におけるアンテナドームの他の形状例の説明図であり、（ａ）は部分断面した側面図、（ｂ）はそのドーム状先端の形状を示す上面図である。
【００３２】
この例では、アンテナドームのドーム状先端に凹陥部４ｂを形成してある。これにより、アンテナドームの熱応力が凹陥部４ｂに吸収され、加熱により生じる歪みに起因するクラックを防止できる。なお、上記凹陥部４ｂの厚みを他の部分と同様の厚みより薄くしてもよい。
【００３３】
図５はマグネトロンの駆動回路の一例を説明する回路図で、同図においては符号２３１で示したものが上記した本実施例に係るマグネトロンである。
【００３４】
本例は、マグネトロン電源として商用交流電源を高速スイッチッグして所要の電圧を得るスイッチング電源装置，所謂インバータ電源を用いたものであり、スイッチング電源装置２０９に直流電力を供給する直流電源２０１は、商用交流電源２０３と全波整流器２０５から構成されている。
【００３５】
全波整流器２０５の直流出力端子には、リアクタとキャパシタで構成されたフィルタ２０７が接続されているが、このフィルタ２０７は整流電流を平滑するためでなく、発振電流に含まれる高周波雑音が交流電源側を通して洩れるのを防ぎ、これによって妨害波の伝播をさけるようにしている。
【００３６】
スイッチング電源装置２０９はトランジスタ２１１を備え、同期パルス発生器２３５で生成される同期パルスにより制御されるオン信号発生回路２３７のオン信号で駆動される駆動回路２４１によりオン−オフ動作される。
【００３７】
スイッチング電源装置２０９は、トランジスタ２１１に逆並列に接続されたダンパダイオード２１５および並列に接続された共振用キャパシタ２１３を備えている。
【００３８】
このスイッチング電源装置２０９は、一次巻線２１９と二次巻線２２１，２２３と２２４，２２５を持つ昇圧トランス２１７に接続し、一次巻線２１９はスイッチング電源装置２０９を介してフィルタ２０７に接続し、キャパシタ２１３と一次巻線２１９により直列共振回路が構成される。
【００３９】
二次巻線２２１は、キャパシタ２２７と高圧ダイオード２２９よりなる倍電圧整流器を通してマグネトロン２３１に接続される。電流検出器２３３はマグネトロンに流れる負荷電流を検出し、平均回路２４９で平均値として出力設定器２５１の設定値との差分を増幅器２５７を介して同期パルス発生器２３５からの同期パルスと加算されてオン信号発生器２３７に制御信号として与えられる。
【００４０】
二次巻線２２５は、マグネトロン２３１のフィラメントを加熱するために設けられ、さらに他の二次巻線２２３は出力フィードバック用の電圧を作るためのものであり、波形成形回路２４３で波形成形された後に遅延回路２４５で所定の時間遅延を受け、オン信号発生回路２３７の制御信号として与えられる。
【００４１】
また二次巻線２２４は補助電源２４７に与えられ、整流されて制御回路等の電源として用いられる。
【００４２】
ここで、フィラメントと陽極には、通常数ＫＶの高圧が印加されている。
【００４３】
なお、図中、２３２は導波管、２３４は電子レンジの調理室であり、マグネトロン２３１で発振されたマイクロ波は導波管２３２を通して調理室２３４に供給されるようになっている。
【００４４】
図６はマグネトロン電源として一般商用電源をそのまま用いた回路例であって、２０３は商用交流電源、２１７'は高圧トランス、２１９'は一次巻線、２２１'，２２５'は二次巻線、２２７'はキャパシタ、２２９'は高圧ダイオード、２３１はマグネトロンである。
【００４５】
同図において、高圧トランス２１７’の一次巻線２１９’は商用交流電源２０３に接続され、二次巻線２２１’はキャパシタ２２７’と高圧ダイオード２２９’とからなる半波倍電圧整流回路に接続される。
【００４６】
また、二次巻線２２５’はマグネトロン２３１のヒータ端子に接続されてヒータに所要の電圧を印加することで流れる電流によってヒータを加熱する。
【００４７】
上記半波倍電圧整流回路のキャパシタ２２７’と高圧ダイオード２２９’の接続点は上記ヒータ端子の一方に接続されて負の陽極電圧が印加される。そして、二次巻線２２５’の一方はマグネトロン２３１の陽極と接地に接続される。
【００４８】
なお、一般商用電源をそのまま用いたマグネトロン電源は上記した半波倍電圧整流回路に限らず、既知の全波整流回路を用いることもできる。
【００４９】
図７は本発明によるマグネトロンを電子レンジに適用した具体例を説明する概念図であって、３０１は電子レンジ調理室で、ドア３０２から被加熱物３０３がセットされる。３０４はマグネトロン、３０５はアンテナ、３０６はマグネトロン電源、３０７は冷却ファン、３０８は冷却風、３０９は導波管、３１０はスターラーである。
【００５０】
同図において、マグネトロン３０４で発生されたマイクロ波はアンテナ３０５から導波管３０９を通して被加熱物３０３がセットされた調理室３０１に供給される。スターラー３１０は調理室３０１内で回転して被加熱物３０３が均一に加熱されるようマイクロ波を拡散するためのものである。
【００５１】
冷却ファン３０７はマグネトロン３０４に冷却風３０８を送風してマグネトロン２３１を冷却するためのものである。
【００５２】
なお、上記図５〜図７に示した回路はあくまで一例であり、高出力のマグネトロン用電源として別途の構成をもつ回路とする場合もある。
【００５３】
本発明は、特に、マイクロ波出力が2kWを越えるマグネトロンに前記で説明したアンテ
ナドームを採用することにより、熱破壊が防止されて信頼性の高い、かつ強制冷却を必要としない特性の均一な大出力のマグネトロンを得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大出力でのアンテナドームの温度上昇を抑制でき、外部から強制冷却する必要がなく、信頼性の高い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】 本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例を説明する断面図である。
【図２】 図１に示したマグネトロンの上面図である。
【図３】 本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例におけるアンテナドームの１形状例の説明図である。
【図４】 本発明によるドーム形アンテナセラミックを備えたマグネトロンの１実施例におけるアンテナドームの他の形状例の説明図である。
【図５】 マグネトロンの駆動回路の一例を説明する回路図である。
【図６】 マグネトロン電源として一般商用電源をそのまま用いた回路例である。
【図７】 本発明によるマグネトロンを電子レンジに適用した具体例を説明する概念図である。
【符号の説明】
１ 陽極シリンダー
２ 陽極ベイン
３ アンテナリード
４ アンテナドーム
５ａ 上部磁極
５ｂ 下部磁極
６ａ 上部シール
６ｂ 下部シール
７ 陰極フィラメント
８ａ 上部マグネット
８ｂ 下部マグネット
９ 金属ガスケット
１０ 冷却フィン
１１ａ 上部ヨーク
１１ｂ 下部ヨーク
１２ 陰極リード
１３ チョークコイル
１４ 貫通ンデンサ
１５ フィルタケース
１６ａ，１６ｂ ストラップリング。

Claims (3)

1. 陽極シリンダーの内部に放射状に設置した複数の陽極ベインで形成された空洞共振器群に発生したマイクロ波を、一端が前記空洞共振器に接続され、他端が出力部を構成するドーム形のアンテナセラミック内に配置されたアンテナリードを通して外部に放射するマグネトロンにおいて、
   前記ドーム形のアンテナセラミックはアルミナと酸化珪素とを含み、前記アルミナと前記酸化珪素とで９６重量％以上であり、前記アルミナが９２重量％以上、前記酸化珪素が６〜８重量％、前記酸化珪素を除く他の金属酸化物が２重量％以下である構成材料からなることを特徴とするマグネトロン。
2. 前記ドーム形のアンテナセラミックのドーム状先端に平坦部を有することを特徴とする請求項1に記載のマグネトロン。
3. 前記ドーム形のアンテナセラミックのドーム状先端に凹陥部を有することを特徴とする請求項 1 に記載のマグネトロン。

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