JP4904877B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

本発明は、高周波利用装置等に用いられるノイズの低減が図られたマグネトロンに関するものである。

従来のマグネトロンについて図面を用いて説明する。

図１０は、従来品におけるマグネトロンの電子が運動する作用空間部分を示した縦断面図である。このマグネトロンは、陽極筒体１の内側に複数の板状ベイン２（この図では２枚のみ見えている）が放射状に配置され、これら板状ベイン２は均圧リング９，１０，１１，１２によって１枚おきに連結されている。このように均圧リング９，１０，１１，１２を１枚おきに連結することにより、マグネトロンがπモードで安定して発振するようになる。そして、陽極筒体１の軸心に沿って、コイル状のフィラメント３と一対のエンドハット６，７および陰極支持棒８からなる陰極１３が装備されている。このフィラメント３はトリウムを１〜２％含有するタングステンで形成され、表面を浸炭することによって仕事関数を下げ電子が放出しやすくなる工夫が施されている。さらに一対のエンドハット６，７は、フィラメント３の管軸方向両端部に電子が管軸方向に漏洩するのを抑制するために配置され、フィラメント３の端部３ａ，３ｂと固着されている。ここで、エンドハット６，７に固着されているフィラメント３の端部３ａ，３ｂは浸炭されていないため仕事関数が高く、ほとんど電子放出を行わず、実際に電子放出を行う電子放出部はフィラメント３における浸炭されておりエンドハット６，７に固着されていない軸方向自由長領域である。

このようなマグネトロンにおいて、従来、マグネトロンで発生したノイズを低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１１は、上記特許文献１で開示されたマグネトロンの陽極筒体内の一部分を示した縦断面図である。このマグネトロンは、図１０の構成に加え、陰極１３の両端部に金属製の円筒体４，５が配置されている。陰極１３の入力側の円筒体４は入力側のエンドハット６に固着されており、陰極１３の出力側の円筒体５は出力側のエンドハット７に固着されている。これらの円筒体４，５は、フィラメント３から放射された電子の広がりを抑制するものであり、マグネトロンがこれらの円筒体４，５を装備していることにより、３０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ帯のノイズを著しく低減することができる。

なお、図１２は、本願発明者等が実測した、図１０に示すこれらの円筒体４，５を全く設けていない従来品での１ＧＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図である。確かに、円筒体を全く設けていない従来品にあっては、ノイズが２００ＭＨｚ以下でとりわけ大きく、その点で特許文献１に記載があるように、３０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ帯のノイズの低減は有意義であることが分かる。
特公平４−７７４１２号公報

一般にマグネトロンは、陰極の電子放出部から放出された電子が、陰極と陽極の間に加えられた静電界による力と、管軸方向に加えられた静磁界によるローレンツ力により、陰極の周りを旋回しながら周回している。そして、板状ベインと陽極筒体および均圧リングにより形成される複数個の共振器の固有振動により、電子はバンチングされ電子束を形成する。すると、この電子束の回転により板状ベインに誘導電流が流れ、共振し、マイクロ波エネルギーに変換される。

この電子束の形状は、マグネトロンに結合された負荷によって決定されるマイクロ波電界の強度に依存し、発振周波数に大きな影響を与える。さらには、マイクロ波電界の強度が強く、その影響を受け電子束が鋭い形状になると、押し込められた電子の相互作用により、ノイズのレベルは上がる。図１４は、位相を変化させたときのノイズレベルを表示したものである。

また、電源線を伝搬するノイズや空間に放射されるノイズは、電界や磁界に歪みが生じ直交電磁界が保てない作用空間の管軸方向端部において主に発生していると考えられている。

それらの事実に鑑み、特許文献１で開示された技術では、管軸方向端部において放出された電子が運動できないよう、円筒体を設けている。

ところが、特許文献１に開示された技術では、３０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ帯のノイズは低減させることができたものの、従来のマグネトロンに付属しているコイルやコンデンサ等で構成されるノイズフィルター（図示せず）では抑制が困難な３０ＭＨｚ以下の帯域については着目されていなかった。また特許文献１に開示された技術をもとに本願発明者等が行った実験では、作用空間内に円筒体４，５を配置することにより、作用空間内の静電界分布が変化してしまい、位相による負荷安定度が著しく劣化する傾向にあった。さらに、上記の特許文献１に開示された技術では、各円筒体４，５はエンドハット６，７に固着されていたものの、エンドハット６，７とはそれぞれ別体品であることから、部品点数を増加させると共に、組立寸法の精度確保が困難になるという問題があった。

本発明は、前述した問題点を解決するべく、上記知見に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相による負荷安定度を劣化させることなく、３０ＭＨｚ以下の低い周波数帯におけるノイズを低減でき、しかも、部品点数を増加することなく組立寸法の精度も確保することができるマグネトロンを提供することにある。

上記目的は下記構成により達成される。

（１）本発明のマグネトロンは、複数枚の板状ベインが中心軸に向かって放射状に配設されてなる円筒状の陽極筒体と、前記陽極筒体の中心軸上に陰極支持棒によって配設される陰極と、前記陰極を軸線方向に挟持する前記陰極支持棒上の入力側と出力側の位置に設けられた一対のエンドハットと、前記入力側エンドハットと前記出力側エンドハットとの
間にコイル状のフィラメントと、を具備し、前記陰極の電子放出部が管軸方向に変位して配置され、前記入力側エンドハットには径の太いボス部と径の細いボス部とを設け、前記径の太いボス部が作用空間内まで伸びており、前記径の細いボス部は前記フィラメントの内側に配置され前記径の細いボス部と前記フィラメントの端部とが固着されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載のマグネトロンにおいて、前記電子放出部の寸法は、前記板状ベインの管軸方向寸法の５０％以上８０％以下であることが好ましい。

（３）上記（１）または（２）に記載のマグネトロンにおいて、前記電子放出部の配置が出力側に変位して配置されていることが好ましい。

（４）高周波利用装置において、上記（１）から（３）のいずれかに記載のマグネトロンを具備することを特徴とする。

係る構成によれば、位相による負荷安定度を劣化させることなく、３０ＭＨｚ以下の低い周波数帯におけるノイズを低減でき、しかも、部品点数を増加することなく組立寸法の精度も確保することができる。

上記（１）に記載のマグネトロンによれば、浸炭されたフィラメントが管軸方向に対し変位して配置されているため、陰極のフィラメントが板状ベインと対向しない部分からは電子放出されず、ノイズに起因する不要電子の放出が抑制される。さらに、マイクロ波電界強度は、共振器の管軸方向中央部すなわち板状ベインの管軸方向中央部がもっとも強いと考えられるが、電子放出分布を変位させているため、電子が放出される位置でのマイクロ波電界の強度は、変位させていない場合より弱められ、マイクロ波電界から電子が受ける影響は小さくなる。これらのことから、３０ＭＨｚ以下の低い周波数帯におけるノイズを低減できる。また、陰極の両端各々に円筒体を設ける従来のマグネトロンと異なり、電子放出部自体の配置を変位させるだけであるので、部品点数の増加を防ぐとともに、組立は従来と同様に行え、組立寸法の精度を十分に確保することができる。さらに、電子が運動できる作用空間寸法は従来と何ら変わりないため、位相による負荷安定度は劣化しない。

上記（２）に記載のマグネトロンによれば、作用空間内における電子放出部を板状ベインの管軸方向寸法の５０％から８０％の範囲に設定したことで、マグネトロンの発振効率の低下を抑制しつつ、広帯域におけるノイズを大幅に低減することができる。

上記（３）に記載のマグネトロンによれば、電子放出部の配置を出力側に変位させることで、真空度を向上させるために出力側のエンドハットの上面に配置されているチタンへの熱伝導が、入力側に変位させた場合よりも良く、ゲッター効果がより発揮される。さらには、広帯域におけるノイズを大幅に低減できる。

上記（４）に記載の高周波利用装置によれば、３０ＭＨｚ以下の周波数帯におけるノイズの低ノイズ化が図れるので、コイルやコンデンサ等のノイズ対策部品が小容量のもので済み、その分、コストダウンが図れる。

以下、本発明の好適な実施の形態に係るマグネトロンを図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るマグネトロンの陰極部分を示す縦方向の部分断面図である。なお、この図に示す陰極部分以外の構成は先の図１０に示される従来のマグネトロンと同一構成であるので省略し、また図１０と共通する構成には同一の符号を付けている。

図１において、本実施の形態のマグネトロンは、陰極支持棒８で支持された入力側エンドハット６１と出力側エンドハット７の間にコイル状のフィラメント３が配置されている。特に、本実施の形態では、入力側のエンドハット６１は図１０における形状に対し径の太いボス部６１ａが作用空間内まで伸びており、径の細いボス部６１ｂとフィラメント３の端部３ａが固着されている。出力側のエンドハット７は従来と同形状であり、ボス部７ａとフィラメント３の端部３ｂが固着されている。ここで、フィラメント３のエンドハット６１およびエンドハット７に固着されていない、すなわち電子放出を行うことのできる管軸方向自由長部Ｆの寸法は、管軸方向寸法Ｈを９．５ｍｍに設定してある板状ベイン２の約７５％に設定されるとともに、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの位置が出力側に変位して配置されている。

このように電子放出部を、管軸方向に短小化し、かつ作用空間に対し管軸方向に変位させることで、直交電磁界が保てない作用空間の管軸方向端部における電子放出が片側で抑制される。これにより、主に電源線を伝搬するノイズや空間に放射されるノイズの原因となる作用空間の管軸方向端部での電子運動を最小限に抑制しつつ、総電子放出量を調整することにより、位相による負荷安定度を劣化させることなく、従来技術に示された円筒体を陰極の両側に設ける場合よりも、広帯域に亘るノイズの低減が図れる。また、円筒体を設ける場合よりも部品点数が削減でき、かつ、組立寸法の精度を十分に確保することが可能となる。

ここで、本願発明者等が実証のため行った、マイクロ波発振信号を測定した実験結果を示す。

図２は、本実施の形態である、マグネトロンの電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を板状ベイン２の管軸方向寸法Ｈの約７５％に設定し、かつ、出力側に変位させた場合の３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図であり、図３は、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）をＶＳＷＲ≒１．５として位相を変化させたときの、各位相におけるノイズレベルを示す図である。図３において、横軸は測定に用いたスラグチューナの挿入位置を示している。実験に用いた導波管の管内波長は約１４０ｍｍであるので、半波長の約７０ｍｍで同じ位置に戻る。また、図４は、電子放出部を板状ベインの管軸方向に対し変位させず中央に配置したまま、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えたときのマグネトロンのノイズレベルの変化を示す図、図５は電子放出部を出力側に変位させて、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えたときのマグネトロンの発振効率とノイズレベルの変化を示す図である。

図２から明らかなように、本実施の形態の場合、図１３に示した円筒体を全く設けていない従来品と比較して、３０ＭＨｚ以下のノイズレベルが低減している。

また、図３から明らかなように、本実施の形態の場合、図１４に示した円筒体を全く設けていない従来品と比較して、位相によるノイズ変動が低く抑えられている。

電子放出部の位置に関しては、図４から明らかなように、板状ベインの管軸方向に対し変位させず中央に配置したままでは、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えてもノイズレベルにはほとんど変化が生じないが、図５から明らかなように、出力側へ変位させた場合、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えるとノイズレベルも変化する。したがって、ノイズレベルを低減するためには、電子放出部を板状ベインの管軸方向に対し変位させることが有効である。

一方、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法に関しては、図５から明らかなように、板状ベイン２の管軸方向寸法Ｈに対し５０％以上であれば、マグネトロンの発振効率７０％以上を確保することができる。これは、主に作用空間中央における電子運動が、マグネトロンの発振効率に寄与しているためである。さらに図５から明らかなように、板状ベイン２の管軸方向寸法Ｈに対し８０％以下であれば、ノイズのレベルを低く抑えることが可能である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るマグネトロンの陰極部分を示す縦方向の部分断面図である。なお、この図に示す陰極部分以外の構成は前述した図１０の従来のマグネトロンと同一構成であるので省略し、また図１０と共通する構成には同一の符号を付けている。

図６において、本実施の形態のマグネトロンは、上記した実施の形態１を示す図１における陰極部を上下反転したように構成され電子放出部が入力側に変位されている。

図７は、本実施の形態である電子放出部の寸法を板状ベインの管軸方向寸法の約７５％に設定し、かつ、電子放出部の配置を入力側に変位させたときの、３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図である。

本実施の形態のように電子放出部を入力側に変位させても、図１３に示した円筒体を全く設けていない従来品と比較して、３０ＭＨｚ以下のノイズレベルが低く抑えられている。但し、図２に示した電子放出部の配置を出力側に変位させた場合の方が、ノイズの低減効果はより大きい。

なお、本実施の形態においても、部品点数の増加を抑制するとともに、組立寸法の精度を十分に確保することができる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係るマグネトロンの陰極部分を示す縦方向の部分断面図である。なお、この図に示す陰極部分以外の構成は前述した図１０の従来のマグネトロンと同一構成であるので省略し、また図１０と共通する構成には同一の符号を付けている。

図８において、本実施の形態のマグネトロンは、電子放出部を出力側のエンドハット７２の凹部７２ａ内部まで配置している。図を用いて説明すると、入力側のエンドハット６１は実施の形態１を示す図１に示したものと同じ構成である。出力側のエンドハット７２は、図１に示したものが出力側のエンドハット７のボス部７ａとフィラメント３の端部３ｂにおける内径部とが固着されているのに対し、図８に示すように出力側のエンドハット７２の多段に形成された凹部の径小部内面７２ａとフィラメント３の端部３ｂにおける外径部とが固着される構成となっている。そのため、フィラメント３は出力側のエンドハット７２の凹部７２ａ内部まで配置されており、電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆ２の寸法は図１に示した実施の形態１の管軸方向自由長部Ｆよりも大きく確保することができ、図１０に示した従来のものと同等となっている。このように電子放出部の寸法は従来と同等であるが、電子放出部の位置は出力側へ変位され、作用空間内における板状ベインと対向する電子放出部の寸法は、板状ベインの管軸方向寸法の約７５％に設定されている。

図９は、本実施の形態である電子放出部を出力側のエンドハット７２の多段に形成された凹部の径小部内面７２ａまで配置した場合の３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図である。先の図１３に示した円筒体を全く設けていない従来品の場合と比較して、３０ＭＨｚ以下のノイズレベルが低く抑えられている。このように、電子放出部の寸法自体は従来のものと同等であっても、その位置を変位させることで、ノイズの低減を図ることができる。

以上、説明してきたように、本実施の形態のマグネトロンによれば、作用空間内における電子放出部を管軸方向に変位させることにより、円筒体を全く設けていない従来品や、円筒体４，５と同等のものを陰極３の両側に設けた場合よりも３０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ帯のノイズの低減は勿論のこと、３０ＭＨｚ以下の低い周波数帯におけるノイズも同時に低減することができる。

また、本実施の形態のマグネトロンを電子レンジ等の高周波利用装置に用いた場合も上記同様に低ノイズ化が図れることから、コイルやコンデンサ等のノイズ対策部品が小容量のもので済み、その分、コストダウンが図れる。

本発明にかかるマグネトロンは、電子レンジやマイクロ波発生装置、及びその装置を用いた高周波利用装置等のマグネトロンを使用する用途への適用が可能である。

本発明の実施の形態１に係るマグネトロンの部分断面図 図１のマグネトロンにおける３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図 図１のマグネトロンにおける位相変化によるノイズレベルの変化を示すグラフ 電子放出部を中央に配置したまま電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えた時の、マグネトロンのノイズレベルの変化を示すグラフ 電子放出部を出力側に変位させて電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆの寸法を変えた時の、マグネトロンの発振効率とノイズレベルの変化を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係るマグネトロンの部分断面図 図６のマグネトロンにおける３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図 本発明の実施の形態３に係るマグネトロンの部分断面図 図８のマグネトロンにおける３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図 円筒体を全く設けていない従来品の陽極筒体内部の一部分を示す縦断面図 従来の陰極端部の入出力側に円筒体を設けたマグネトロンの陽極筒体内部の一部分を示す縦断面図 図１０のマグネトロンにおける１ＧＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図 図１０のマグネトロンにおける３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す波形図 図１０のマグネトロンにおける位相変化によるノイズレベルの変化を示すグラフ

符号の説明

１ 陽極筒体
２ 板状ベイン
３ フィラメント
３ａ，３ｂ フィラメントの端部
６，６１ 入力側のエンドハット
６ａ，６１ａ，６１ｂ ボス部
７，７１，７２ 出力側のエンドハット
７ａ，７１ａ，７１ｂ ボス部
８ 陰極支持棒
１３ 陰極
７２ａ 凹部の径小部内面

Claims (4)

1. 複数枚の板状ベインが中心軸に向かって放射状に配設されてなる円筒状の陽極筒体と、前記陽極筒体の中心軸上に陰極支持棒によって配設される陰極と、前記陰極を軸線方向に挟持する前記陰極支持棒上の入力側と出力側の位置に設けられた一対のエンドハットと、前記入力側エンドハットと前記出力側エンドハットとの間にコイル状のフィラメントと、を具備し、
   前記陰極の電子放出部が管軸方向に変位して配置され、前記入力側エンドハットには径の太いボス部と径の細いボス部とを設け、前記径の太いボス部が作用空間内まで伸びており、前記径の細いボス部は前記フィラメントの内側に配置され前記径の細いボス部と前記フィラメントの端部とが固着されていることを特徴とするマグネトロン。
2. 前記電子放出部のうち、前記板状ベインと対向する部位の寸法が、前記板状ベインの管軸方向寸法の５０％以上８０％以下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。
3. 前記電子放出部が出力側に変位して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロン。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載のマグネトロンを具備することを特徴とする高周波利用装置。