JP5074666B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

本発明は、陽極の中心に筒状の陰極を配置して、陰極の電界放出現象により電子の供給を行うマグネトロンに関するものである。

これまで、電子レンジ等の高周波加熱装置用のマグネトロンとして、熱電子放出型のものが普及している。これは、電子源に熱陰極を使用し、この熱陰極を１５００〜２７００Ｋに加熱して陰極金属内の伝導帯の自由電子に熱エネルギーを与えることで、電子が陰極金属表面のポテンシャル障壁を乗り越えて空間に放出される機構である。

しかし、このような熱電子放出型のマグネトロンは、発振時の熱損失以外に、熱陰極自体からも発熱があり、動作時にはマグネトロン自体を冷却する装置が必要となるという問題があった。
また、熱陰極及びその周辺が高温になるため、陰極自体は勿論のこと、その周辺の部品にも、例えばタングステンやモリブデン等の高価な高融点金属を使用しなければならないという問題があった。

このような問題を解決するべく、電界放出型のマグネトロンが提案された。
このマグネトロンは、図９に示すように、図示せぬ陽極筒体の内周に放射状に配列された陽極ベイン３の中心に筒状の陰極５を配置する。そして、陰極５は、筒状の陰極金属６の外周面に電界電子放出電極７を突設し、更に、図１０に示すように、陰極金属６の外周面に酸化膜９を被覆した構成である。
電界電子放出電極７は、電界集中効果を高めるために、先端を鋭敏に尖らせた形態が望ましく、電解研磨や放電加工を駆使して、先端を鋭角形状に仕上げる。
酸化膜９は、陰極金属６からの電子の放出に対して、二次電子放出源として機能して、仕事関数を下げるもので、例えば、真空蒸着成膜法により形成される。
このようなマグネトロンは、陰極５の表面付近に高電界（１０９Ｖ／ｍ程度）を加えた時に起こる電界放出現象により陰極５から電子を放出させる（例えば、特許文献１参照）。

電界放出現象は、物質の表面付近に高電界（１０９Ｖ／ｍ程度）を加えることにより、物質表面のポテンシャル障壁が薄くなり、電子の波動性により生ずるトンネル効果によって、電子がポテンシャル障壁を乗り越えることなく物質外へ放出される現象である。

このような電界放出型のマグネトロンでは、陰極５を加熱することなく電子の放出を実現するため、発振時の発熱を抑えることが可能になり、且つ、陰極５及びその周辺の部品に、高価な高融点金属を使用する必要がなくなり、コストの削減を図ることが可能になる。

特開２００３−２７２５３７号公報

ところで、電界放出現象は、電界強度を高めることで急激に活性化される。従って、電界放出現象による電子の放出を増大させて出力アップを実現するためには、動作電圧を増大させる方法の他に、電界電子放出電極７への電界集中を高めて、実質的に電界電子放出電極７に作用する電界強度を高くする方法が考えられる。
そして、実質的に電界電子放出電極７に作用する電界強度を高くする方法としては、電界電子放出電極７の突出長を大きくすること、電界電子放出電極７の装備数を増量して、電子放出面積を増大させることなどが考えられる。

しかし、上記の電界放出型のマグネトロンは、陰極金属６の外周面上の電界電子放出電極７を電解研磨や放電加工によって形成するため、電界電子放出電極７の突出長を大きくすることが困難であり、また、電界電子放出電極７の装備数の増量によって電子放出面積を増大させることも容易ではなく、結局、動作電圧の増大等に頼らないと、出力アップが図れない。

本発明は上記事情に鑑みなされもので、その目的は、電界放出型のマグネトロンであって、電界電子放出電極への電界集中効果を高めることで、電界電子放出電極の表面に作用する電界強度を大幅に高めることができ、動作電圧の増大等に頼らずとも出力アップを図ることのできるマグネトロンを提供することである。

（１） 上記課題を解決するために、本発明のマグネトロンは、陽極の中心に筒状もしくは柱状の陰極を配置し、電界放出現象により電子の供給を行うマグネトロンにおいて、
前記陰極が、外周面に凹凸を形成した筒状もしくは柱状の陰極金属と、前記陰極金属の外周面の少なくとも凹部に被覆された炭素繊維とを備え、前記筒状もしくは柱状の陰極金属は、円筒もしくは柱状の外周面にねじ切り加工を施すことによって、凹凸を形成した構成とすることを特徴とする。

上記のマグネトロンは、陰極からの電子の放出を電界放出現象によって行う電界放出型のため、陰極を加熱することなく電子の放出を実現できて発振時の発熱を抑えることが可能になり、且つ、陰極及びその周辺の部品に、高価な高融点金属を使用する必要がなくなり、コストの削減を図ることが可能になる。
そして、上記のマグネトロンでは、筒状もしくは柱状の陰極金属の外周面の凸部に被覆されている炭素繊維が、先端が鋭角で電界集中効果の高い電界電子放出電極として機能するが、この電界電子放出電極として機能する炭素繊維の突出長は、陰極金属の表面の凹凸によって嵩上げされて、大きな突出長を得ることができる。
また、陰極金属の表面の凹凸自体は、そのまま電界電子放出電極として利用されるものでないため、電解研磨や放電加工と比較して加工性の良い切削加工等によって容易に且つ効率的に大きな凹凸に仕上げることができる。
従って、比較的に簡単に突出長の大きな電界電子放出電極を設定することができ、電界電子放出電極への電界集中を高めることで、電界電子放出電極の表面に作用する電界強度を大幅に高めることができ、動作電圧の増大等に頼らずとも出力アップを図ることができる。

上記（２）に記載の構成にすると、ねじ切り加工という比較的に簡単な切削加工だけで、陰極金属の外周面に、突出長が揃った凹凸を連続形成することができて、効率良く電界電子放出電極の形成を行える。

以下、本発明に係るマグネトロンの好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るマグネトロンの第１の実施の形態の陰極周辺の縦断面図であり、図２は図１に示した陰極の要部の拡大図である。

この第１の実施の形態のマグネトロンは、図示せぬ陽極筒体の内周に放射状に配列された複数の陽極ベイン３と、これらの陽極ベイン３の放射状中心に配置された筒状の陰極１３とを備え、電界放出現象により陰極１３から電子を放出させる電界放出型のマグネトロンである。

陰極１３は、図２に示すように、外周面に凸部１５ａと凹部１５ｂとを軸線方向に連続形成した筒状の陰極金属１５と、陰極金属１５の外周面に被覆された炭素繊維１７とを備えるとともに、図１に示すように、筒状の陰極金属１５の両端に接合されたエンドハット１９と、筒内に挿通してエンドハット１９に接続された通電用のリード（接続端子）２１とから構成される。

本実施の形態の場合、筒状の陰極金属１５は、ニッケル等のそれほど融点が高くない安価な金属による円筒体で、外周面にねじ切り加工を施すことによって、凹凸１５ａ，１５ｂが形成されている。

本実施の形態のマグネトロンは、電子の放出を電界放出現象によって行う電界放出型のため、陰極１３を加熱することなく電子の放出が実現できて発振時の発熱を抑えることが可能となり、且つ、陰極１３及びその周辺の部品に、高価な高融点金属を使用する必要がなくなり、コストの削減を図ることが可能になる。

そして、上記のマグネトロンでは、筒状の陰極金属１５の外周面の凸部１５ａに被覆されている炭素繊維１７が、図２に示すように先端が鋭角で電界集中効果の高い電界電子放出電極として機能して仮想線２３のように電子の放出を行うが、この電界電子放出電極として機能する炭素繊維１７の実質的な突出長Ｌは、陰極金属１５の表面の凹凸１５ａ，１５ｂによる高低差Ｌ１よって嵩上げされて、大きな突出長を得ることができる。但し、突出長Ｌは、陰極１３の安定動作を得るためには、陽極ベイン３と陰極１３との離間距離の２０％以下に設定する必要がある。
また、陰極金属１５の表面の凹凸１５ａ，１５ｂ自体は、そのまま電界電子放出電極として利用されるものでないため、電解研磨法や放電加工法と比較して加工性の良いねじ切り加工等の切削加工等によって容易に、且つ、効率的に突出長が揃った大きな凹凸１５ａ，１５ｂを連続形成することができる。
従って、比較的に簡単に突出長の大きな電界電子放出電極を設定することができ、電界電子放出電極の電界集中を高めることで、電界電子放出電極の表面に作用する電界強度を大幅に高めることができ、動作電圧の増大等に頼らずとも出力アップを図ることができる。

なお、筒状の陰極金属の形状は、円筒に限らない。図３は、本発明に係る筒状の陰極金属の第２の実施の形態を示したものである。
この筒状の陰極金属３１は、多角形筒体で、多角形の角部３１ａが、外周面の凹凸の凸部として利用される。
このような多角形筒体の陰極金属３１は、金属筒体を引き抜き加工等で所望の多角形状に形成するだけで、陰極金属３１の外周面に、突出長が揃った凹凸（角部３１ａ）を形成することができる。

図４は、本発明に係る筒状の陰極金属の第３の実施の形態を示したものである。
この筒状の陰極金属３３は、多角形筒体の外周面に、軸方向に一定ピッチｐで、軸線方向に略直交する方向にＶ溝３４を刻設することで、多角形の鍔状の凸部３５を多段に形成したもので、凸部３５の上に被覆される図示せぬ炭素繊維が電界電子放出電極となる。

筒状の陰極金属は、一体形成された筒体に限らない。
図５は、本発明に係る筒状の陰極金属の第４の実施の形態を示したものである。
この筒状の陰極金属３６は、複数個のリング状の金属駒３７を中心軸線を合わせて積み重ねることで所定の長さの筒状に形成されている。
本実施の形態の金属駒３７は、傘形状で、最大径となる下端外周部が鋭角の凸部３８となり、その下に隣接する金属駒３７の上端面との間に形成される段差が凹部３９となって、凹凸３８，３９を有した陰極金属３６に仕上げられている。

このように、リング状の金属駒３７を多段に積み重ねて陰極金属３６を形成する場合、金属駒３７の形状は、上記の傘形状に限らない。
例えば、リング状の金属駒３７自体は、図６に示すように外周の上下をそれぞれテーパ面４０ａとして、そろばんの玉の如き形状にしても良く、図７に示すように、円筒部４１の下端外周に鍔状の凸部４２を装備した構成にしても良い。また、図８に示すように、円筒部４１の中間部外周に鍔状の凸部４３を装備した構成にしても良い。また、図７及び図８に示した形状の駒は、外周の肉厚を部分的に薄くすることで、鍔状の凸部４２，４３を形成するようにしても良い。
また、以上に説明したリング状の駒は、鍛造や転造や、金属板のプレス加工によって簡単に量産することができて、複数の駒を積み重ねるだけで、多段に凹凸を形成した筒状の陰極金属に仕上げることができ、生産性に優れる。

なお、上記の各実施の形態では、陰極を筒状構造として記載したが、他に、柱状構造として構成することもできる。

また、本発明は、上記各実施の形態で記載したマグネトロンを搭載したマイクロ波利用装置とすることができる。
このようなマイクロ波利用装置を構成することにより、高出力が得られる高効率の装置を実現でき、しかも、ランニングコストの低減を図ることもできる。

本発明は、電子レンジなどの高周波加熱装置の他に、レーダ、航空機、船舶、宇宙船、ロケット等に使用することが可能である。

本発明に係るマグネトロンの第１の実施の形態の陰極周辺の縦断面図である。 図１に示した陰極の要部の拡大図である。 本発明に係るマグネトロンの第２の実施の形態に係る筒状の陰極金属の斜視図である。 本発明に係るマグネトロンの第３の実施の形態に係る筒状の陰極金属の斜視図である。 本発明に係るマグネトロンの第４の実施の形態に係る筒状の陰極の縦断面図である。 本発明に係るマグネトロンの第５の実施の形態の陰極に使用する駒の縦断面図である。 本発明に係るマグネトロンの第６の実施の形態の陰極に使用する駒の縦断面図である。 本発明に係るマグネトロンの第７の実施の形態の陰極に使用する駒の縦断面図である。 従来のマグネトロンの陰極周辺の縦断面図である。 図９に示した陰極の要部の拡大図である。

符号の説明

３ 陽極ベイン
１１ 陰極
１５ 筒状の陰極金属
１５ａ 凸部
１５ｂ 凹部
１７ 炭素繊維

Claims (2)

1. 陽極の中心に筒状もしくは柱状の陰極を配置し、前記陰極の電界放出現象により電子の供給を行うマグネトロンにおいて、
   前記陰極が、外周面に凹凸を形成した筒状もしくは柱状の陰極金属と、前記陰極金属の外周面の少なくとも凸部に被覆された炭素繊維とを備え、
   前記筒状もしくは柱状の陰極金属は、円筒もしくは柱状の外周面にねじ切り加工を施すことによって、凹凸を形成したことを特徴とするマグネトロン。
2. 上記請求項１に記載のマグネトロンを搭載したことを特徴とするマイクロ波利用装置。

Images