JP5055877B2 - 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７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、特許文献２参照）。

図８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７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９は、本願発明者等が実測した、図７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。

また、作用空間内における過剰電子を抑制することによりノイズ低減が図れることが知られている。特許文献２に記載されている技術によると、フィラメントの線径ｄとピッチＰの比Ｐ／ｄを２．５以上、３．５以下に設定することにより、電子放出量を抑制してノイズ低減を図っている。
特公平４−７７４１２号公報 特公昭６３−３４１７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１１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。

また、図１２に示すように、ノイズの多くは陽極電流がおよそ４００ｍＡ以下の小電流領域にて発生していることを、本願発明者等の実験で解明した。これは、例えば電子レンジ等に用いられているような半波倍電圧電源等の非平滑駆動では、電子放出量がピーク電流を確保できるよう設定されているため、小電流領域では電子が過剰となり、その過剰になった電子が相互に作用することでノイズが発生していると考えられる。

特許文献２に示された技術では、１ＭＨｚ以下のノイズを低減する効果について述べられているが、ピーク陽極電流値との関係については着目されていなかった。また特許文献２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、図１３に示すように、平均陽極電流値が１００ｍＡ以下の領域では、ノイズ低減効果を確認することができたが、２００ｍＡ、３００ｍＡの陽極電流領域ではほとんどノイズ低減効果が現れないことも確認できた。これは、前述したようにピーク電流を確保できるよう電子放出量を設定したために、小電流領域で電子が過剰になったことが理由と考えられる。

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コイル状フィラメントと、前記フィラメントを軸線方向に挟持する前記陰極支持棒上の位置に設けられた一対のエンドハットとを具備し、
前記フィラメントの電子放出部の管軸方向寸法を対向して配置された前記板状ベインの管軸方向寸法より短く設定するとともに、前記フィラメントの前記電子放出部が管軸方向に偏倚して配置されていて、かつ線径φ０．４３ｍｍ〜φ０．４７ｍｍであり、かつピッチ０．９ｍｍ以下であ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％以下であることが好ましい。

（３）高周波利用装置において、上記（１）または（２）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偏倚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、電子放出分布を偏倚させているため、電子が放出される位置でのマイクロ波電界の強度は、偏倚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。さらに、偏倚させた状態で、フィラメントの線径とピッチを適切に保つことにより、初期は陽極電流の小さい領域で必要な電子放出量に設定しながら、陽極電流の増加量に応じて大きくなる陰極逆衝撃エネルギーが、陰極全体に加わり、偏倚の加減で、フィラメントが適切に加熱され、大電流領域においても必要な電子放出量が確保される。

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偏倚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。そして、電子放出部の偏倚とフィラメントの線径およびピッチの適切な選択を組み合わせることにより、広い陽極電流領域においてノイズの低減が図れる。

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。

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７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７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７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の位置が出力側に偏倚して配置されている。さらに、フィラメント３の線径はφ０．４５ｍｍ、ピッチは０．８ｍｍに設定されている。

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偏倚させ、さらにフィラメントの線径とピッチを適切に選択することで、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、出力側に偏倚させ、かつ、フィラメントの線径をφ０．４５ｍｍ、ピッチを０．８ｍｍとした場合の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グラフである。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λｇは約１４０ｍｍであるので、半波長λｇ／２の約７０ｍｍで同じ位置に戻る。また、図４は、図１の構成のマグネトロンにおいて、フィラメントの線径とピッチを変化させ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である。図５は、同じく図１の構成のマグネトロンにおいて、フィラメントの線径を変えたときの、発振開始時間２秒となるフィラメントピッチ、およびピッチＰと線径ｄの比Ｐ／ｄを示すグラフである。一般的なマグネトロンでは、陽極電圧とフィラメント電圧を同時に印加した場合の発振開始時間は２〜３秒程度になるよう設定されている。図６は電子放出部を出力側に偏倚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グラフである。

図２から明らかなように、本実施の形態の場合、図７に示した構成の円筒体を全く設けていない従来品の３０ＭＨｚ以下のノイズレベルを示す図１０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１１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。

フィラメントの線径とピッチに関しては、図４から明らかなように、線径がφ０．４７ｍｍ以下でノイズレベルは低く、また、ピッチはそれぞれの線径において最適値があるが、概ね０．９ｍｍ以下でノイズレベルが低く保たれていることが分かる。また、図５より明らかなように、線径が細くなるにつれて、発振開始時間２秒となるピッチが狭くなることが分かる。フィラメントの線径ｄとピッチＰの比Ｐ／ｄが１．６以下となると、生産性が低下すること、および線径が細くなると機械強度が低下することから、線径の最小値はφ０．４３ｍｍとすることが妥当と考えられる。

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６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６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。

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偏倚させ、かつフィラメントの線径とピッチを適切に選択することにより、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１３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 図１の構成のマグネトロンにおいて、フィラメントの線径とピッチを変えた時の、マグネトロンのノイズレベルの変化を示すグラフ 図１の構成のマグネトロンにおいて、フィラメントの線径を変えた時の、発振開始時間２秒になるピッチ、およびピッチＰと線径ｄの比Ｐ／ｄを示すグラフ 電子放出部を出力側に偏倚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グラフ 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７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７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７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 図７のマグネトロンにおける陽極電流とノイズレベルの関係を示すグラフ 図７のマグネトロンにおいてフィラメントを線径φ０．４、ピッチ１．３としたときの、平均陽極電流値が１００ｍＡ，２００ｍＡ，３００ｍＡ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

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
７ 出力側のエンドハット
７ａ ボス部
８ 陰極支持棒
１３ 陰極
６１ａ，６１ｂ ボス部

Claims (3)

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コイル状フィラメントと、前記フィラメントを軸線方向に挟持する前記陰極支持棒上の位置に設けられた一対のエンドハットとを具備し、
   前記フィラメントの電子放出部の管軸方向寸法を対向して配置された前記板状ベインの管軸方向寸法より短く設定するとともに、前記フィラメントの前記電子放出部が管軸方向に偏倚して配置されていて、かつ線径φ０．４３ｍｍ〜φ０．４７ｍｍであり、かつピッチ０．９ｍｍ以下であ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. 前記請求項１または請求項２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。