JP4263896B2

JP4263896B2 - マグネトロン

Info

Publication number: JP4263896B2
Application number: JP2002295848A
Authority: JP
Inventors: 真澄久我; 徹森池
Original assignee: 株式会社日立ディスプレイデバイシズ
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004134160A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を発生させるマグネトロンに係り、特に低周波発振に好適な磁路構造を有するマグネトロンに関し、詳細には陽極本体の外周部を冷却液を用いて直接冷却する冷却構造を備えたマグネトロンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にマグネトロンは、高周波出力を効率良く発生できることから、レーダ装置，医療機器，電子レンジ等の調理器，半導体製造装置またはその他のマイクロ波応用機器等の分野で広く用いられている。
【０００３】
この種のマグネトロンにおいては、発振周波数として２４５０ＭＨｚと９１５ＭＨｚとの２種類のタイプが実用化されており、特に前者の２４５０ＭＨｚタイプが多用されている。この２４５０ＭＨｚタイプのマグネトロンは、加工室，被加工物の大きさ及び導波管の寸法などを小型化できる特徴を有することから、業務用，家庭用等の電子レンジのような加熱装置はもとより、半導体製造装置として例えば薄膜のドライエッチング装置，マイクロ波プラズマＣＶＤ装置などにも使用されている。
【０００４】
ところが、この２４５０ＭＨｚタイプのマグネトロンを用いた加工装置では、例えば加熱装置に用いた場合、大きな加熱物，厚物加熱物，解凍物では加熱むらが発生し易い。すなわち、被加熱物の外表面から中心部までを短時間で均一加熱が出来難いという問題があった。また、半導体製造装置として例えば薄膜のドライエッチング装置，マイクロ波プラズマＣＶＤ装置等に用いた場合には、加工室へ供給される出力の変動が生じ易く、フィードバック回路を備えた精密な制御を行っても均一な加工が困難であり、半導体ウエハーに大きな損傷を与える恐れがあった。
【０００５】
一方、９１５ＭＨｚタイプのマグネトロンは、大型の電磁石を用いる構造のマグネトロンであり、数十ＫＷ以上の大出力の工業用加熱装置などに用いられている。この９１５ＭＨｚタイプのマグネトロンを通常のマグネトロン構造で構成すると、その発振周波数が低いことにより共振空洞が大きくなり、全体の形状が大型となる。
【０００６】
このような背景の下にマグネトロン自体の寸法の巨大化を回避するため、磁束の発生手段として永久磁石を用いて発振周波数を４００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚタイプのマグネトロンを構成する試みがなされ、近年、実用化される段階になっている。
【０００７】
例えば、４５０ＭＨｚタイプのマグネトロンの開発においては、管球本体（アノード）の外径が必然的に大きくなるので、冷却するには相応の大きい冷却ブロックが必要であった。さらに、管球本体と冷却ブロックの双方を取り囲む磁気回路もその形状が大きくなるので、磁気効率が低下する。このため、磁気回路を小型化できる冷却構造が必要となる。
【０００８】
このような問題を解決したものとしては、例えば、下記特許文献１に開示されているように陽極部及び永久磁石を囲むように設けられたヨークには、内側が気密封止された空間となるように冷却用ジャケットが形成され、このヨーク内の気密封止はヨークの合わせ面を溶接し、また、陽極部と永久磁石との間にゴムパッキンを配設し、さらに、永久磁石とヨークとの接触面に接着剤を塗布して冷却液が漏れないように形成されている。また、ヨークには空間に冷却を供給する供給口及び排出する排出口を設けることにより、陽極部，永久磁石及びヨークを冷却液で直接冷却することで磁気回路の小型化を図っている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平４−４５４４
【特許文献２】
特開平４−１０３３１
【特許文献３】
特開平４−２８１４７
【特許文献４】
特開平４−１８１６８５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように構成される冷却構造を有するマグネトロンは、マグネトロン本体が異種金属間に封着部を有する気密構造を用いており、そのシール部材として鉄を採用しているので、長期間の使用に対して冷却液の接触による腐食が発生し易くなり、信頼性を低下させるなどの問題があった。
【００１１】
また、このように構成されるマグネトロンは、４５０ＭＨｚタイプのマグネトロンの開発において、管球本体（陽極部）の外径寸法が大きくなり、冷却するには相応の冷却構造が必要となり、さらに管球本体及び冷却構造の双方を取り囲む磁気回路の形状が大きくなり、磁気効率が低下するという問題があった。
【００１２】
したがって、本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石を磁束源として用いたマグネトロンにおける封着部分の腐食を回避し、長期間の使用に対して信頼性を向上させた低周波発振のマグネトロンを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、管球本体に冷却構造を有するマグネトロンにおける管球本体の形状を大きくし、マグネトロン本体の形状の小型化を実現可能とする低周波発振のマグネトロンを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明によるマグネトロンは、陽極部の外壁面と対向するヨークの内壁面に周方向に沿って形成されたリング状の密封空間からなる冷却ジャケツトと、ヨークに設置されて冷却ジャケット内に連通し冷却ジャケット内に循環させる冷却液を供給する供給口と、ヨークに設置されて冷却ジャケット内に連通し冷却ジャケット内を循環する冷却液を外部に排出する排出口と、供給口と排出口との間に周方向に隣接して設置されて冷却ジャケット内の一部を管軸方向に塞ぐように配設された強磁性体からなる仕切り板とを設けることにより、冷却ジャケット内に冷却液を循環させることで冷却液が直接陽極円筒及びヨークに接触するので、陽極部が効率良く冷却されることになる。
【００１５】
また、本発明によるマグネトロンは上記構成において、陽極部の外径寸法をＤ１とし、永久磁石の外径寸法をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２に設定することにより共振空洞が大きく形成できる。
【００１６】
また、本発明によるマグネトロンは、上記構成において、ヨークの陽極円筒と接合する管軸方向の両端部に周方向に沿ってシーリングを介在させたことにより、冷却液と接触する封着部分が存在しなくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によるマグネトロンの一実施例を説明する要部断面図である。このマグネトロンは、マイクロ波の発振周波数が４５０ＭＨｚである。図１において、参照符号１はタングステン線を螺旋状に形成して構成された陰極フィラメントの上下端をエンドシールドにより支持固定された熱電子放出源となる陰極部、２は中心部に陰極部１を囲むようにシリンダ状に形成された銅部材からなる陽極円筒、３は陽極円筒２の内壁面に所定の角度を有して放射状に配設された銅部材からなる複数枚の陽極ベイン、４ａ，４ｂは陰極部１の上下方向に配設された軟鉄材などの強磁性体からなる磁極、５ａ，５ｂは陽極円筒２の上下端に配設された封止板である。
【００１８】
また、６は陽極円筒２の外周面に密着して配設された軟鉄材などの強磁性体からなる円筒ジャケット、６ａ，６ｂは円筒ジャケット６の内壁面でその両端側に断面が凹状に形成されたリング状の溝、７ａは円筒ジャケット６の上端に配設された軟鉄材などの強磁性体からなる上板、７ｂは円筒ジャケット６の下端に配設された軟鉄材などの強磁性体からなる下板、８ａ，８ｂは円環状に形成された一対の永久磁石、９は円筒ジャケット６両端面に上板７ａと下板７ｂとを密着固定するネジである。なお、この円筒ジャケット６と上板７ａと下板７ｂとで外部磁路を形成するヨークを構成している。
【００１９】
また、１０ａ，１０ｂは円筒ジャケット６の内壁面にそれぞれ形成されたリング状の溝６ａ，６ｂ内に挿入された耐熱性シールである。なお、このマグネトロンの発振周波数は４５０ＭＨｚであり、このために共振空洞の外径である陽極円筒２の外径寸法をＤ１とし、永久磁石８ａ，８ｂの外径寸法をＤ２としたとき、発振波長に合わせてＤ１＞Ｄ２の関係を有して設定されている。
【００２０】
また、１１は円筒ジャケット６の陽極円筒２の外壁面と対向する内壁面に内周方向に沿って断面が凹状に形成されたリング状の密封空間からなる冷却ジャケット、１２ａ，１２ｂは図２に要部斜視図で示すように円筒ジャケット６の外壁面に形成された冷却水の供給口，排出口であり、これらの供給口１２ａ及び排出口１２ｂは密封空間状の冷却ジャケット１１内に連通する構造となっている。１３は円筒ジャケット６の供給口１２と排出口１２ａとの隣接間で密封空間の一部を管軸方向に沿って塞ぐように圧入により配設された仕切り板である。
【００２１】
また、１４はアンテナリード、１５はアンテナ、１６はアンテナカバー、１７ａ，１７ｂは帽子状に形成された強磁性体からなる出力側封着体、１７ｂは帽子状に形成された強磁性体からなる入力側封着体、１８は出力側絶縁体，１９ａ，１９ｂは陰極リード、２０は陰極リード１９ａ，１９ｂを支持する入力側絶縁体、２１ａ，２１ｂは外部導出リード、２２はチョークコイル、２３は貫通コンデンサ、２４はフィルタケース、２５は蓋体である。
【００２２】
このような構成において、螺旋状の陰極部１を構成する陰極フィラメントの周縁部には複数枚、例えば８枚の陽極ベイン３が陽極円筒２と蝋付けなどにより固着されている。また、この陽極円筒２の上下端には軟鉄などの強磁性体からなる磁極４ａ，４ｂ及び円環状の永久磁石８ａ，８ｂが配置されている。この永久磁石８ａ，８ｂから発生した磁束は、内部磁路を形成する磁極４ａ，４ｂを通して陰極部１と陽極ベイン３との間に形成される作用空間に入り、管軸方向に必要な直流磁界を与える。
【００２３】
また、上板７ａ，円筒ジャケット６及び下板７ｂは、永久磁石８ａ，８ｂの磁束が通る磁気回路（外部磁路）を形成し、永久磁石８ａ，８ｂで発生する磁束は、外部磁路である上板７ａと円筒ジャケット６と下板７ｂと内部磁路を形成する封着体１７ａ，１７ｂと磁極４ａ，４ｂとを通る。負の高電圧が印加される陰極部１から放出された電子は、電界及び磁界の作用を受けて円運動をしながら、各陽極ベイン３に高周波電界を形成する。形成された高周波電界、すなわちマイクロ波はアンテナリード１４を通してアンテナ１５に到り、アンテナカバー１６から図示しない同軸管を通して外部機器に出力される。
【００２４】
また、円筒ジャケット６には、陽極円筒２の外周面と対向する内壁面にその内周方向に沿って気密封止されたリング状の密封空間からなる冷却ジャケット１１が一体的に形成されており、この円筒ジャケット６の外壁面には密封空間状の冷却ジャケット１１内に連通する供給口１２及び排出口１２ａが周方向に沿って隣接して形成されている。また、この円筒ジャケット６には、互いに隣接して形成された供給口１２ａと排出口１２ｂとの間に管軸方向に沿ってその密封空間内に連通する切り込み部１２ｃが形成され、この切り込み部１２ｃ内には強磁性体からなる仕切り板１３が圧入により挿入されている。この仕切り板１３はリング状に形成された冷却ジャケット１１内の密封空間の一部を管軸方向に沿って塞ぐ機能を有している。
【００２５】
また、この円筒ジャケット６の陽極円筒２と対向する内壁面には、冷却ジャケット１１の上下部分に周方向に沿って断面が凹状となるリング状の溝６ａ，６ｂが形成されており、この溝６ａ，６ｂ内にはそれぞれ耐熱性シール１０ａ，１０ｂが挿入され、円筒ジャケット６と陽極円筒２との接合面を密着させ、冷却ジャケット１１の密封空間のリークを防止させている。なお、円筒ジャケット６にそれぞれ形成されるこれらの冷却ジャケット１１，溝１０ａ，溝１０ｂ，供給口１２ａ，排出口１２ｂ，仕切り板１３を挿入する管軸方向の切り込み１２ｃ部などは、切削加工などの手法により形成されている。
【００２６】
なお、陰極部１を構成する陰極フィラメントは、電子放射特性及び加工性などを考慮して一般的には酸化ナトリウムを約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールドと下側エンドシールド及び陰極リード１９ａ，１９ｂにより支持されている。なお、この陰極リード１９ａ，１９ｂは、耐熱性及び加工性などを考慮して一般的にはモリブデンが採用され、入力側絶縁体２０の上面に銀蝋付けされた端子板でチョークコイル２２に接続する外部導出リード２１ａ，２１ｂに接続される。
【００２７】
また、マグネトロンの下部側には、チョークコイル２２と、貫通コンデンサ２３を支持するフィルタケース２４と、このフィルタケース２４を閉じる蓋体２５とからなるフィルタ構体が取り付けられている。さらに、外部導出リード２１ａ，２１ｂに接続されたチョークコイル２２は、貫通コンデンサ２３とでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リード１９ａ，１９ｂから伝播されてくる低周波成分を抑制する。なお、高周波成分はフィルタケース２４とその蓋体２５でシールドされる。
【００２８】
このような構成において、マグネトロンの動作時に円筒ジャケット６内に形成された密封空間状の冷却ジャケット１１内に供給口１２ａより冷却水を供給することにより、冷却ジャケット１１内を循環させ、陰極部１，陽極円筒２及び各陽極ベイン３の加熱により温められた水が仕切り板１３により遮られ、供給口１２ａ側に逆流することなく、排出口１２ｂより排出されることにより、陽極円筒２，各陽極ベイン３及び円筒ジャケット６、特に陽極円筒２の外周壁が直接冷却水により強制的に冷却されるので、極めて高い冷却効果が得られ、マグネトロンの諸特性、特に温度ドリフト特性を大幅に向上させることができる。
【００２９】
また、このような構成において、冷却水を循環させる冷却ジャケット１１内及びその周辺部も含めて冷却水と接触する封着部分が存在しない冷却構造となるので、長期間の使用に対して冷却水による腐食の発生が皆無となる。
【００３０】
また、このような構成において、陽極円筒２の外壁面と対向する円筒ジャケット６の内壁面に冷却ジャケット１１を設けたことにより、冷却構造が円筒型に構成できるので、マグネトロン本体の全体形状を小型化させることができる。
【００３１】
また、このような構成において、陽極円筒２及び陽極ベイン３などを含む陽極部の冷却構造をその外壁面側に配設される円筒ジャケット６内にリング状の冷却ジャケット１１として円筒型に構成できるので、冷却構造が小型化され、その分陽極円筒２の外径寸法を大きく形成することが可能となり、これによって４５０ＭＨｚタイプの低周波発振に好適なマグネトロンが実現可能となる。
【００３２】
なお、前述した実施例においては、４５０ＭＨｚタイプのマグネトロンについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発振周波数が４００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚタイプのマグネトロンに適用しても前述と同様に効果が得られることは勿論である。
【００３３】
なお、前述した実施例において、冷却液として冷却水を用いたが、冷却水に代えて各種の冷媒を用いても良いことは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によるマグネトロンによれば、管軸の中心部に設置して熱電子源を有する陰極部と、この陰極部を中心とし、かつ陰極部に対して一端を離間させて作用空間を形成し、管軸と平行かつ放射状に配置した複数枚の陽極ベイン及びこの陽極ベインの他端を結合した陽極円筒とで複数の放射状の共振空洞を形成する陽極部と、共振空洞を管軸方向から挟む位置に設けられて作用空間を通る内部磁路を形成する強磁性体からなる一対の磁極と、陽極円筒を管軸方向かつ磁極の共振空洞とは反対側の両端部で封止する強磁性体からなる一対の封着体と、磁極と同軸かつ磁極に対して封止板とは反対側に設置した一対の円環状の永久磁石と、永久磁石に対して磁極とは反対側で磁極と共に前記永久磁石の外部磁路を形成する強磁性体からなるヨークと、陽極円筒の外壁面と対向するヨークの内壁面に周方向に沿って形成された密封空間からなる冷却ジャケツトと、ヨークに設置されて冷却ジャケット内に連通し冷却ジャケット内に循環させる冷却液を供給する供給口と、ヨークに設置されて冷却ジャケット内に連通し冷却ジャケット内を循環する冷却液を外部に排出する排出口と、供給口と排出口との間に周方向に隣接して設置されて冷却ジャケット内の一部を管軸方向に塞ぐように配設された強磁性体からなる仕切り板とを設けたことにより、冷却ジャケット内を循環する冷却液と接触する封着部分が皆無となる構造となるので、冷却液との接触による腐食の発生がなくなり、長期間の使用に対して信頼性を大幅に向上させることができる
【００３５】
また、本発明によるマグネトロンによれば、内部磁路及び外部磁路が円筒型に構成できるので、作用空間を通過する磁束が全方位に対称となり、作用空間に対してバランスの良い磁界分布が得られ、これにより、マグネトロンの諸特性を大幅に向上させることができるという極めて優れた効果が得られる。
【００３６】
また、本発明によるマグネトロンによれば、陽極部の外壁面と対向するヨークの内壁面に周方向に沿って形成された密封空間からなる冷却ジャケツトを設けたことにより、円筒型磁気回路に加えて冷却回路が円筒型に一体構成できるので、管球本体の形状を大きくしてマグネトロン本体の全体形状を小型化できるという極めて優れた効果が得られる。
【００３７】
また、本発明によるマグネトロンによれば、冷却回路を円筒型に構成し、陽極部の外径寸法をＤ１とし、永久磁石の外径寸法をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２に設定することにより、陽極部の外径を大きく構成することで共振空洞を大きく形成できるので、低周波発振に好適なマグネトロンが実現可能となるという極めて優れた効果が得られる。
【００３８】
また、本発明によるマグネトロンによれば、ヨークの陽極円筒と接合する管軸方向の両端部に周方向に沿ってシーリングを介在させたことにより、冷却ジャケット内を循環する冷却液のリークを確実に防止することができるので、信頼性をさらに大幅に向上させることができるという極めて優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマグネトロンの一実施例により構成を説明する断面図である。
【図２】図１に示した円筒ジャケットの構成を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１陰極部
２陽極円筒
３陽極ベイン
４ａ磁極
４ｂ磁極
５ａ封止板
５ｂ封止板
６円筒ジャケット
６ａ溝
６ｂ溝
７ａ上板
７ｂ下板
８ａ永久磁石
８ｂ永久磁石
９ネジ
１０ａ耐熱性シール
１０ｂ耐熱性シール
１１冷却ジャケット
１２ａ供給口
１２ｂ排出口
１２ｃ切り込み部
１３仕切り板
１４アンテナリード
１５アンテナ
１６アンテナカバー
１７ａ出力側封着体
１７ｂ入力側封着体
１８出力側絶縁体
１９ａ陰極リード
１９ｂ陰極リード
２０入力側絶縁体
２１ａ外部導出リード
２１ｂ外部導出リード
２２チョークコイル
２３貫通コンデンサ
２４フィルタケース
２５蓋体

Claims

管軸の中心部に設置して熱電子源を有する陰極部と、
前記陰極部を中心とし、かつ前記陰極部に対して一端を離間させて作用空間を形成し、管軸と平行かつ放射状に配置した複数枚の陽極ベイン及び前記陽極ベインの他端を結合した陽極円筒とで複数の放射状の共振空洞を形成する陽極部と、
前記共振空洞を管軸方向から挟む位置に設けられて前記作用空間をとおる内部磁路を形成する強磁性体からなる一対の磁極と、
前記陽極円筒を管軸方向かつ前記磁極の前記共振空洞とは反対側の両端部で封止する強磁性体からなる一対の封止板と、
前記磁極と同軸かつ前記磁極に対して前記封止板とは反対側に設置した一対の円環状の永久磁石と、
前記永久磁石に対して前記磁極とは反対側で前記磁極と共に前記永久磁石の外部磁路を形成する強磁性体からなるヨークと、
前記陽極円筒の外壁面と対向する前記ヨークの内壁面に周方向に沿って形成されたリング状の密封空間からなる冷却ジャケットと、
前記ヨークに設置されて前記冷却ジャケット内に連通し前記冷却ジャケット内に循環させる冷却液を供給する供給口と、
前記ヨークに設置されて前記冷却ジャケット内に連通し前記冷却ジャケット内を循環する前記冷却液を外部に排出する排出口と、
前記供給口と前記排出口との間に周方向に隣接して設置されて前記冷却ジャケット内の一部を管軸方向に塞ぐように配設された強磁性体からなる仕切り板と、
を備えたことを特徴とするマグネトロン。
前記陽極円筒の外径寸法をＤ１とし、前記永久磁石の外径寸法をＤ２としたとき、
Ｄ１＞Ｄ２
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。
前記ヨークの前記陽極円筒と接合する管軸方向の両端部に周方向に沿ってシーリングを介在させたことを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のマグネトロン。