JP5162880B2

JP5162880B2 - マグネトロン

Info

Publication number: JP5162880B2
Application number: JP2006292144A
Authority: JP
Inventors: なぎさ桑原; 健石井; 正幸相賀
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2008108657A

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８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９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８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１０は、本願発明者等が実測した、図８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１２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自由長部の寸法が前記板状ベインの管軸方向寸法に対し５０％以上かつ８０％以下であり、前記フィラメントの電子放出部が前記管軸方向に偏倚して配置されていて、かつ前記一対のエンドハットのうち入力側エンドハットはボス部が作用空間方向に径小となって延出し、前記ボス部の先端に段を有して更に細い径小ボス部が形成されており、前記入力側エンドハットの径小ボス部と前記陰極を構成するフィラメントの一方の端部が固着され、前記フィラメントの他方の端部が出力側エンドハットのボス部と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、前記入力側エンドハットのボス部が、作用空間方向にテーパー状に径小となって延出していることを特徴とする。

（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。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。

上記（２）に記載のマグネトロンによれば、入力側エンドハットのボス部形状によって電界分布が急激に変化することなく、かつ電子の軸方向への拡散を抑制するため、負荷安定度が向上する。

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。

（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８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８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、入力側エンドハット６１は図８における形状に対し径の太い径大ボス部６１ａが作用空間内まで伸びており、径小ボス部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。

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、出力側に偏倚させた場合の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偏倚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１１に示した円筒体を全く設けていない従来品のノイズレベル特性と比較して、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１２に示した円筒体を全く設けていない従来品のノイズレベル特性と比較して、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偏倚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、出力側へ偏倚させた場合、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偏倚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８０ｄＢ以下に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８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１，図８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における入力側エンドハットの径大ボス部の形状を変えたものである。

図７は、図１における入力側エンドハット６１の径大ボス部６１ａの外径寸法Ｄに対するマグネトロンの負荷安定度（ＭｏＢ［ｍＡ］）の関係を示すものである。

図７から明らかなように、入力側エンドハット６１の径大ボス部６１ａの外形寸法は、径の小さいほうがマグネトロンの負荷安定度が向上している。

そこで、本実施の形態では、図６に示すように、入力側エンドハット６２は、テーパー状ボス部６２ａが作用空間方向に径小となって延出し、このテーパー状のボス部６２ａの先端に段を有して更に細い径小ボス部６２ｂが形成されており、入力側エンドハット６２の径小ボス部６２ｂと陰極を構成するフィラメント３の一方の端部３ａが固着されている。

フィラメント３の他方の端部３ｂは出力側エンドハット７のボス部７ａと固着され、フィラメント３の電子放出部を成す管軸方向自由長部Ｆが板状ベイン２の管軸方向部Ｈに対して出力側に偏倚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対して偏倚させて配置することにより、磁場・電場の不均一により主にノイズ成分となる端部の一方からの電子放出が抑制されるため、不要電子が抑制されラインノイズが低減する。

また、入力側エンドハットの径大ボス部の形状を、作用空間方向に径小となるように延出したテーパー状にすることにより、電界分布が急激に変化することなく、かつ電子の軸方向への拡散を抑制することができるため、負荷安定度が向上する。

さらに、入力側エンドハットのプレス成形においても、抜き強度が向上するため、量産化が可能となる。

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１のマグネトロンにおける入力側エンドハットの径大ボス部の外形寸法に対するマグネトロンの負荷安定度の関係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８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図８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

２板状ベイン
３フィラメント
３ａ，３ｂフィラメントの端部
７出力側エンドハット
７ａボス部
８陰極支持棒
１３陰極
６１，６２入力側エンドハット
６１ａ径大ボス部
６１ｂ、６２ｂ径小ボス部
６２ａテーパー状ボス部

Claims

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自由長部の寸法が前記板状ベインの管軸方向寸法に対し５０％以上かつ８０％以下であり、前記フィラメントの電子放出部が前記管軸方向に偏倚して配置されていて、かつ前記一対のエンドハットのうち入力側エンドハットはボス部が作用空間方向に径小となって延出し、前記ボス部の先端に段を有して更に細い径小ボス部が形成されており、前記入力側エンドハットの径小ボス部と前記陰極を構成するフィラメントの一方の端部が固着され、前記フィラメントの他方の端部が出力側エンドハットのボス部と固着されていることを特徴とするマグネトロン。
前記入力側エンドハットのボス部が、作用空間方向にテーパー状に径小となって延出していることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
前記請求項１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。