JP4815146B2

JP4815146B2 - マグネトロン

Info

Publication number: JP4815146B2
Application number: JP2005126237A
Authority: JP
Inventors: 貴典半田; なぎさ桑原; 正幸相賀
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006302808A

Description

本発明は、発振周波数が５．８ＧＨｚ帯であるマグネトロンに関する。

一般に、マグネトロンは、その中心部に配置される真空管部と、真空管部の外周に配設される複数枚の放熱用フィンと、真空管部と同軸に配設される一対の環状磁石と、環状磁石を磁気的に継ぐ枠状継鉄と、フィルタ回路部とにより構成されている。

真空管部は、図５に示すように、円筒状の陽極筒体２６と、陽極筒体と同軸上に配置される陰極２７と、陽極筒体の中心軸の周りに放射状に配置される複数の板状ベイン２８と、これらを１枚おきに電気的に接続する４個の均圧環２９と、板状ベイン２８のいずれか１枚に一端が接続されるアンテナ３０と、磁極３１とを有する構成となっている。

これまで、市場においては、ＩＳＭバンドである２．４５ＧＨｚまたは９１５ＭＨｚ帯を発振周波数とするマグネトロンが主流であった。

従来、主として比較的低周波のノイズを抑制することを目的として、例えば、ベイン幅Ｌａが９．５ｍｍ、両磁極３１の平坦部対向間隔Ｌｐが１２．７ｍｍ、磁極の高さｈが７．０ｍｍとして設計された２．４５ＧＨｚの基本周波数で動作するマグネトロンが提案されている（特許文献１）。

一方、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および市場の拡大を進めるにあたって、機器の小型化の要請がある。

機器を小型化する際は、その最小寸法がマグネトロンの発振周波数を遮断しないように構成しなければならない。

例えば、一般に、マグネトロンを使用する電気機器の代表例である電子レンジは、マイクロ波を伝搬する導波管部とマイクロ波が共振するキャビティ部とを備えるが、それらの寸法は、一定値以下になると基本周波数が遮断されてしまう。

このように、導波管やキャビティ等の周辺機器はマグネトロンの発振周波数によりその構造が制限されるため、その寸法を大幅に変更することはできない。

そこで、工業用に使用できる周波数（ＩＳＭバンド）として２．４５ＧＨｚの次に割り当てられている５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンの開発が求められた。

この理由は、５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンでは、従来の２．４５ＧＨｚのマグネトロンに比べて発振周波数の波長が約半分となるので、導波管等の周辺機器の寸法が約半分で済み、機器を大幅に小型化することが可能となるからである。
特開昭６３−９１９３２号公報

しかしながら、５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンの開発にあたり、特許文献１に記載されるような２．４５ＧＨｚマグネトロンの設計思想を、５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンに適用して設計したとき、共振空洞と周囲導体（磁極等）との間で容量成分や誘導成分による高周波結合が発生して共振周波数が変動するため、安定した発振周波数を得ることができないということが判った。

本発明は、５．８ＧＨｚにあっても安定した発振周波数を有し、応用機器の小型化に好適となるマグネトロンを提供することを目的とする。

本発明のマグネトロンは、円筒状の陽極筒体と、前記陽極筒体の内壁面に一端部が固着されると共に、該一端部と対向する先端部が前記陽極筒体の中心に向かって放射状に延びた複数枚の陽極ベインと、これらの陽極ベインを１枚おきに電気的に接続する複数個の均圧環と、前記陽極筒体の中心部に設けられる陰極と、前記陽極筒体の軸方向の両開口端に配設される一対の漏斗状の磁極とを備えたマグネトロンにおいて、前記陽極筒体と前記陽極ベインと前記均圧環とからなる共振空洞で発生させるマイクロ波の共振周波数を５．８ＧＨｚ帯とし、かつ前記陽極ベインの側端縁と前記磁極との最小近接距離を２．２ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下の範囲に設定したことを特徴としている。

この構成によれば、陽極ベインの側端縁と磁極との最小近接距離を少なくとも２．２ｍｍ以上確保することで、共振空洞と周囲導体（磁極等）との間で容量成分や誘導成分による高周波結合を防いで、共振周波数の安定化を図ることができる。

また、本発明のマイクロ波応用機器は、前記マグネトロンを備えることを特徴とする。

この構成により、従来の２．４５ＧＨｚのマグネトロンに比べて発振周波数の波長が約半分となるので、導波管等の周辺機器の寸法が約半分で済み、マイクロ波応用機器を小型化することができる。

本発明のマグネトロンによれば、５．８ＧＨｚにあっても安定した発振周波数を得ることができ、また、応用機器を小型化することができる。

以下、本発明に係るマグネトロンの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１のマグネトロンの縦方向の要部断面図である。図２は、図１おけるＡ部の拡大図である。図３は、最小近接距離Ｄと共振周波数との関係を示すグラフである。

実施の形態１のマグネトロンは、図示は省略するが、その中心部に配置される真空管部と、真空管部の外周に配設される複数枚の放熱用フィンと、真空管部と同軸に配設される一対の環状磁石と、環状磁石を磁気的に継ぐ枠状継鉄と、フィルタ回路部とを備えて構成されている。

真空管部は、図１に示すように、円筒状の陽極筒体６と、陽極筒体６と同軸上に配置される陰極部７と、陽極筒体６の中心軸の周りに放射状に配置される板状ベイン８と、板状ベイン８を１枚おきに電気的に接続する４個の均圧環９と、板状ベイン８のいずれか１枚に一端が接続されるアンテナ１０と、すり鉢形状をした磁極１１と備える。

アンテナ１０は、マイクロ波をマグネトロンの外部へ放射する役割を果たす。磁気１１は、陽極筒体６の開口端部に磁気回路を形成して有効に磁気を導くためにすり鉢形状をしている。

また、真空管部１内には、陽極筒体６と板状ベイン８および均圧環９の概包絡線により共振空洞が形成される。この共振空洞と磁極１１との隙間をエンドスペース１４という。

ここで、エンドスペース１４の最小高さ、すなわち、板状ベイン８と磁極１１との最小近接距離をＤとする。図２に、板状ベイン８と磁極１１付近の拡大図を示す。

本実施の形態１のマグネトロンは、ベイン幅Ｌａを８．５ｍｍ、両磁極１１の平坦部対向間隔Ｌｐを１３．５ｍｍ、磁極の高さｈ１を６．６ｍｍ、ｈ２を６．６ｍｍとしてＬｐ＋ｈ１＋ｈ２の寸法を従来構造の寸法と同様としているが、しかし、最小近接距離Ｄは、従来１．８ｍｍであったものを２．５ｍｍに設定してある。

次に、本実施の形態１のマグネトロンの動作について説明する。

まず、本実施の形態１のマグネトロンは、陽極筒体６と板状ベイン８と均圧環９とから成る陽極部と、陰極部７との間に直流電界が加えられると、磁極１１によって形成される磁界の影響を受けて、陰極部７より放出された電子はサイクロイド運動をしながら陰極部７の周りを周回運動する。

一方、陽極部は空洞共振回路になっており、板状ベイン８間に共振器の固有振動による高周波電界が生ずる。この高周波電界と陰極部７の周りの電子周回運動が同期すると、電子は高周波電界の作用を受けて回転電子極を作り、これによって空洞共振回路に誘導電流が流れ発振する。

ところで、課題において述べたように、５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンの開発にあたり、２．４５ＧＨｚマグネトロンの設計思想を適用して設計したとき、安定した発振周波数が得られなかった。

本発明者は、この原因が、記述したとおり、５．８ＧＨｚの波長は約５２ｍｍで、２．４５ＧＨｚの波長約１２２ｍｍと比べて半分以下になることから、共振空洞と磁極１１との間で容量成分や誘導成分が生じて高周波結合し易く、そのため共振周波数が変化してしまうことを見出した。

そこで、板状ベインと磁極との最小近接距離Ｄと、共振周波数との関係を調べた。また、マグネトロンの出力と磁気回路効率の観点から、最小近接距離Ｄと磁界強度との関係も同様に調べた。これらの関係を図３に示す。

図３に示したグラフを参照すると、最小近接距離Ｄが２．２ｍｍより小さくなると共振周波数が激しく変動することが分かる。これは、共振空洞と磁極１１との間で容量成分や誘導成分により高周波結合していることが原因である。

そこで、このグラフから、５．８ＧＨｚを発振周波数とするマグネトロンにおいて、板状ベイン８と磁極１１との最小近接距離Ｄを少なくとも２．２ｍｍ以上にすれば、共振空洞と磁極１１との間に生じる容量成分の影響が十分無視できる程度となることが確認できた。

また、最小近接距離Ｄを少なくとも２．２ｍｍ以上にすることで、熱膨張や組立て誤差などで共振空洞と磁極１１との間の寸法が変化しても、その影響が十分無視できる程度になることが分かった。

そこで、本実施の形態１では共振周波数の安定性と磁気回路効率とを勘案して、最小近接距離Ｄを２．５ｍｍとした。

以上のような発振動作の際、本実施の形態１のマグネトロンは、板状ベイン８と磁極１１との最小近接距離Ｄが２．５ｍｍ確保されているので、共振空洞と磁極１１との間に生じる容量成分の影響を十分無視することができ、共振周波数を安定して保つことができる。

なお、本実施の形態１のマグネトロンでは、基本共振周波数は、５．８５ＧＨｚ±０．０７５ＧＨｚとなっている。

次に、本実施の形態１のマグネトロンを電子機器に応用した応用例について説明する。図４（ａ）に、従来の２．４５ＧＨｚマグネトロンを使用した応用例を示す。図４（ｂ）に５．８ＧＨｚマグネトロンを使用した応用例を示す。

一般に、導波管には遮断波長が存在する。その長さ以上の波長の電磁波は伝搬できない。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波、すなわち波長が約１２２ｍｍであるマイクロ波を伝搬するには、導波管の長辺は最低６１ｍｍ以上は必要となる。

実際には、導波管の遮断波長と伝搬する電磁波との波長が近いと、導波管の伝搬損失が大きいため、導波管はやや余裕をもって設計されている。図４（ａ）に示すように、例えば、２．４５ＧＨｚ用の導波管１５の寸法は、横幅ａ１が９５．３ｍｍ、縦幅ｂ１が５４．６ｍｍ程度となる。

一方、５．８ＧＨｚのマイクロ波の波長は約５２ｍｍであるため、導波管の横幅は２６ｍｍ以上あれば５．８ＧＨｚのマイクロ波を伝搬することができる。図４（ｂ）に示すように、例えば、５．８ＧＨｚ用の導波管１６は、その寸法について横幅ａ２を４０ｍｍ、縦幅ｂ２を２０ｍｍとすることができる。

このように、マグネトロンが発振する周波数が２．４５ＧＨｚから５．８ＧＨｚに代わると波長が短くなるため、波長によってその構造が制限されていた導波管またはキャビティなど周辺機器は、大幅に小型化することができる。よって、マグネトロンの応用機器、例えば、電子レンジやマイクロ波陶芸窯、電力伝送アンテナ等を小型化することが可能となる。

本発明のマグネトロンは、５．８ＧＨｚにあっても安定した発振周波数を得ることができ、また、応用機器を小型化するのに好適である。

本実施の形態１のマグネトロンの縦方向の要部断面図図１おけるＡ部の拡大図最小近接距離と共振周波数との関係を示すグラフ（ａ）２．４５ＧＨｚマグネトロンを使用した電子機器の一例を示す図（ｂ）５．８ＧＨｚマグネトロンを使用した電子機器の一例を示す図従来のマグネトロンの縦方向の要部断面図

符号の説明

６陽極筒体
７陰極部
８板状ベイン
９均圧環
１０アンテナ
１１磁極
１４エンドスペース
１５、１６導波管
Ｄ板状ベインと磁極との最小近接距離

Claims

中心部に配置された真空管部と、この真空管部の外周に配設される複数枚の放熱フィンと、前記真空管部と同軸に配設された一対の環状磁石と、この環状磁石を磁気的に継ぐ枠状継鉄と、フィルタ回路部と、を備えた発振周波数が５．８ＧＨｚ帯のマグネトロンにおいて、
前記真空管部は、前記陽極筒体と、この陽極筒体と同軸上に配置された陰極部と、前記陽極筒体内でかつ前記陽極筒体の中心軸の周りに放射状に複数枚配置された板状ベインと、前記板状ベインを１枚おきに電気的に接続する複数の均圧環と、前記板状ベインのいずれか１枚に一端が接続されマイクロ波を外部へ放射するアンテナと、前記陽極筒体の軸方向と平行な断面がすり鉢形状である磁極と、を有し、
前記板状ベインの側端縁と前記磁極との最小近接距離が２．２ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下の範囲に設定されたことを特徴とするマグネトロン。
請求項１に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とするマイクロ波応用機器。