JP2003331744A

JP2003331744A - マグネトロン

Info

Publication number: JP2003331744A
Application number: JP2002139628A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Aiga; 正幸相賀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率で安定した発振のできるマグネトロン
を提供することを目的とする。【解決手段】陽極円筒６の内壁面に配され分割型空洞
共振器を形成する偶数個のベイン７とベイン７を交互に
電気的に接続する大小のストラップリング８ａ、９ａ、
８ｂ、９ｂとで形成される陽極部において、ベイン７が
陰極側に延設され、相互の間隔が狭くなったベイン７の
陰極側端部の対向部分に一つ以上の貫通孔２０または凹
部２１を相対して設けることにより、ベイン７相互間お
よび陽極円筒内壁面からなる陽極空洞部のキャパシタン
ス分Ｃｒを減少させ、ストラップリングそれぞれおよび
ベイン７との対向部から成るストラップリング部のキャ
パシタンス部Ｃｓの割合を大きく設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子レンジ等のマ
イクロ波応用機器に用いられるマグネトロンの特性改善
に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンは一般的に、陽陰極間に印
加された直流エネルギーを、直交静電磁界が形成された
陽陰極間の作用空間における電子運動を介して高周波エ
ネルギーに変換し、マイクロ波を発生する電子管であ
り、他のマイクロ波発生デバイスより発振効率が高く大
出力化が容易なことから、電子レンジをはじめとするマ
イクロ波応用機器のマイクロ波発生源として広く用いら
れている。

【０００３】図４に一般的な電子レンジに使用される
２．４５ＧＨｚ帯の連続波マグネトロンの断面図を示
す。陰極部はその中心部にコイル状のフィラメント１が
配され、フィラメント１は、フィラメント１の両端にエ
ンドハット２、３を介して接続された陰極支持リード４
によって支持されている。陽極部５は陽極円筒６と、陽
極円筒６の内周面からフィラメント１に向かって突出
し、フィラメント１と所定間隔を保つように配設された
偶数枚のベイン７と、前記ベインの管軸方向の端部に配
されベイン７を一枚おきに交互に接続して電気的に短絡
する大小２組のストラップリング８ａ、９ａ、８ｂおよ
び９ｂで構成される。また、陽極円筒６の管軸方向両端
部には、略同一形状ですり鉢状の一対の磁極片１０、１
１が相対向して配されるとともに、磁極片１０、１１の
それぞれの管軸方向外端部には、フィラメント１に加熱
電力およびマグネトロン駆動用高電圧を供給するための
入力部１２と、陽極部５に発生したマイクロ波を伝送、
放射するための出力部１３が設けられマグネトロンの本
体部が構成されている。さらには、一対の環状永久磁石
１４、１５の一方の磁極面を磁極片１０、１１と磁気的
に結合させるとともに、他方の磁極面を強磁性体から成
る口字状の枠状継鉄１６、１７に磁気的に結合させた磁
気回路が構成され、ベイン７とフィラメント１の間に形
成される電子運動空間（以下、作用空間という）１８に
直流磁界を供給している。以上のような構成のマグネト
ロンは、特開平１１−２３３０３６号公報等に開示さ
れ、電子レンジ用マグネトロンの代表的な構成となって
いる。

【０００４】斯かる構成においてマグネトロンは、フィ
ラメント１を加熱し、フィラメント１とベイン７の間に
所定の直流高電圧を印加することにより、フィラメント
１からベイン７に向かって放出された電子が、ベイン７
とフィラメント１の間の作用空間１８において直交する
電磁界の作用を受け、フィラメント１の周囲を旋回しな
がら周回し、陽極部５のベイン７に向かい、偶数個のベ
イン７によって分割、形成された空洞共振器１９に生じ
た微弱なマイクロ波と相互作用を起こすことにより、空
洞共振器１９内に大なるマイクロ波を発生させる。

【０００５】図５（ａ）、（ｂ）は、陽極部５の要部断
面図及び平面図を表す。図において、空洞共振器１９内
に発生するマイクロ波の周波数は、空洞共振器１９を形
成している陽極円筒６の内周壁面部および相対するベイ
ン７からなるインダクタンス分Ｌと、ベイン７相互間お
よび陽極円筒６からなる空洞共振器１９のキャパシタン
ス分Ｃｒおよびストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、９
ｂそれぞれおよびベイン７との対向部からなるキャパシ
タンス分Ｃｓとの合成キャパシタンス分Ｃとで決定さ
れ、一般的には共振周波数ｆｒは次の数式

【０００６】

【数１】

【０００７】で表される。

【０００８】この周波数はマグネトロンの発振形態のう
ち最も強く安定に発振し隣接空洞共振器間で逆位相のい
わゆるπモード発振の周波数となり、ベイン７を交互に
接続して電気的に短絡する大小２組のストラップリング
８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂの主な機能は、このπモード発
振の安定化維持のためにある。

【０００９】しかしながら、一般的にマグネトロンでは
Ｎ個の空洞共振器が互いに電気的に結合され、さらにベ
イン７が大小２組のストラップリング８ａ、８ｂ、９
ａ、９ｂによって交互に電気的に短絡されていれば、Ｎ
／２個の異なった周波数の発振が存在することになる。
例えば、空洞共振器１９の数量が１０個であれば、基本
モードとしてはＮ／２から５個の発振モードがあり、前
記のπモードと呼ばれるＮ／２モード、Ｎ／２−１モー
ド、Ｎ／２−２モード、Ｎ／２−３およびＮ／２−４モ
ードとなる。なかでもＮ／２−１モードは、周波数およ
び陽極電圧等の動作条件が最も強く安定に発振するπモ
ードに隣接しているため、動作条件が僅かに変動しただ
けでもπモードからＮ／２−１モードに変移して発振す
る、いわゆるモードジャンプなどの不安定な現象が現れ
るという問題があった。斯かる問題への対応として、従
来では昭和３１年１２月に無線従事者教育協会により発
行された「マイクロ波真空管」の１６３〜１６５ページ
に記載されているように、ベイン７相互間および陽極円
筒６からなる空洞共振器１９のキャパシタンス分Ｃｒに
対し、ストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂそれぞ
れおよびベイン７との対向部からなるストラップリング
部のキャパシタンス分Ｃｓの割合を大きく設定するか、
ストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂを全く対称構
造とはせず、その一部を切断する方法が用いられてい
た。前者の方法は安定発振維持機能には若干劣るもの
の、量産性に優れていることから大量生産されている電
子レンジ用連続波マグネトロンに採用され、後者の方法
は安定発振維持機能には優れるものの、寸法が不安定で
量産には不向きなことから少量生産のＸバンド帯レーダ
用パルスマグネトロンに採用されていた。

【００１０】また、一方では、近年の世界的な省エネ要
求に応えるべく、高効率マグネトロンの開発が必要とな
ってきた。しかしながら、マグネトロンの高効率化を行
うためには、前述の昭和３１年１２月に無線従事者教育
協会により発行された「マイクロ波真空管」の１７２〜
１７７ページに記載されている理論からも明らかなよう
に、高磁界化、陽極分割数の増加および陽極陰極径の小
型化が必要となってくるがいずれもベイン７相互の間隔
が狭くなりキャパシタンス分Ｃｒが増加するため、ベイ
ン７相互間および陽極円筒６からなるキャパシタンス分
Ｃｒに対し、ストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂ
それぞれおよびベイン７との対向部からなるキャパシタ
ンス分Ｃｓの割合を大きく設定することができず、高効
率化は行えるもののπモード発振以外の不要モードによ
る不安定発振が発生し、電子レンジ等での実用時に問題
となることがあった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題に鑑
みなされたもので、世界的な省エネ要求に応えるべく、
より高効率で、安定発振のできるマグネトロンを提供す
るために、量産性に優れた構成でπモード発振以外の不
要モード発振を抑制することを課題としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、発振管本体部の一部である陽極
円筒と、前記陽極円筒の内壁面に配され分割型空洞共振
器を形成する偶数個のベインおよび前記ベインを交互に
電気的に接続する大小のストラップリングで形成される
陽極部を少なくとも有し、前記ベインの前記陰極側端部
の対向部分に一つ以上の貫通孔、または凹部が相対して
設けられた構成を有している。

【００１３】この構成により、ベイン相互間および陽極
円筒内壁面からなる陽極空洞部のキャパシタンス分Ｃｒ
を減少させ、ストラップリングそれぞれおよびベインと
の対向部からなるストラップリング部のキャパシタンス
分Ｃｓの割合を大きく設定することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下２．４５ＧＨｚ帯のマグネト
ロンを基にした本発明の実施形態を、図１、図２および
図３を用いて説明する。ただし、従来技術と同一部分に
ついては同一の符号を付し説明を省略する。

【００１５】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明のマグネト
ロン陽極部の要部断面図及び平面図である。

【００１６】図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、ベ
イン７の数量は１０個、ベイン７の陰極側先端部で形成
される内接円の直径φａは従来の９．０ｍｍから８．０
ｍｍに、コイル状フィラメント１の外径φｃ（図４参
照）は従来の３．９ｍｍから３．６ｍｍに縮小変更さ
れ、ベイン７の寸法は管軸方向高さＨの９．５ｍｍおよ
び厚さＴの２．０ｍｍは従来と同様であるが、径方向長
さＬが１３．０ｍｍから１３．５ｍｍと延長され、ベイ
ン７の陰極側先端部で形成される内接円の円周（π×直
径φａ）で表される電子の径方向最大運動距離が、従来
のマグネトロンの２８．２６ｍｍ（π×９．０ｍｍ）に
対して、２５．１２ｍｍ（π×８．０ｍｍ）と変更され
ていることにより高効率化を目的とした設計となってい
る。

【００１７】しかし、上述したような設計変更を行う
と、ベイン７の陰極側先端部の相互間隔Ｇが従来の０．
８３ｍｍに対して０．５１ｍｍと縮小され、ベイン７相
互間のキャパシタンス分が増加することになる。また、
ベイン７相互間および陽極円筒６からなるキャパシタン
ス分Ｃｒも増加することになり、（数１）により発振周
波数が変わってしまう。

【００１８】そこで、発振周波数を一定とするために
は、ストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂそれぞれ
およびベイン７との対向部からなるキャパシタンス分Ｃ
ｓを小さくすることが必要となり、また、πモードと隣
接モードの分離度の面で不利となることから不安定発振
を起こすことへの対策として、その陰極側端部には先端
部から１．０ｍｍ離れた箇所にφ１．０ｍｍの孔２０が
３個設けられている。

【００１９】なお、この孔加工２０は小径ストラップリ
ング９ａ、９ｂより陰極側に設けられることによりスト
ラップリングおよびベインとの対向部からなるキャパシ
タンス分Ｃｓを小さくでき、かつ、発振時の熱ストレス
による小径ストラップリング９ａ、９ｂの変形、破断を
抑制することができる。

【００２０】斯かる構成からなるマグネトロンにおいて
は、共振周波数を２．４５ＧＨｚに設定したときのベイ
ン７相互間および陽極円筒６からなるキャパシタンス分
Ｃｒは０．２２１ｐＦとなり、ベイン７の陰極側端部に
孔加工されていない高効率化設計時の０．３５０ｐＦよ
り小で、従来のマグネトロンの０．２９５ｐＦよりも減
少できる。また、（数１）で表されるベイン７のインダ
クタンス分Ｌは、従来品の７．５１９μＨから７．６２
０μＨと微増で、ストラップリング８ａ、９ａ、８ｂ、
９ｂそれぞれおよびベイン７との対向部からなるキャパ
シタンス分Ｃｓも従来の０．２２２ｐＦから０．３４９
ｐＦと比率を大きく設定できることから、隣接モードと
の分離も従来と同等以上となる。

【００２１】図２に本発明および従来の２．４５ＧＨｚ
帯マグネトロンの発振効率η、πモード発振電流Ｉｂｍ
（πモード安定発振の度合いを示す測定量）の測定結果
を示す。この結果からも明らかなように、本発明のマグ
ネトロンは、従来品に比べ同等以上のπモード安定発振
を維持するとともに、約３％の発振効率ηの向上を行う
ことができた。

【００２２】また、他の実施形態として図３に示すよう
に、ベイン７の陰極側端部の相対部に凹部２１を設けて
も同様の効果が得られる。さらには、電子レンジに利用
される２．４５ＧＨｚ帯と同様に各種産業科学医療用機
器用のＩＳＭ（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｃｉｅｎｔｉ
ｆｉｃａｎｄＭｅｄｉｃａｌ）帯として自由放射が
認められている５．８ＧＨｚ帯のマグネトロンのよう
に、発振周波数が高周波化され陽極分割数を増加せざる
を得ないとき等にも有効である。

【００２３】なお、ベイン７に孔加工を施す先行技術と
しては特開平１１−３０６９９７号公報があるが、空洞
共振器１９のキャパシタンス分に対する記述、ベイン７
の相対部に孔加工がないことおよび全ベインに加工が施
されていない等、本発明とは全く技術的思想の異なるも
のである。

【００２４】

【発明の効果】以上説明のように本発明によれば、ベイ
ンの陰極側端部に孔または凹部が設けられているので、
高効率化のため相対するベイン間隔を縮小しても、対向
する面積の増加が抑制され、ストラップリングに依存さ
れるキャパシタンス分を減少させることなく所望の発振
周波数を得ることができるため、不安定な隣接モードと
の分離度が大となり、最も安定で高効率なπモード発振
を持続できることから、高品質および省エネ貢献度に優
れたマグネトロンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明のマグネトロン陽極部の要部断面
図（ｂ）本発明のマグネトロン陽極部の要部平面図

【図２】本発明の効果を示すπモード陽極電流と発振効
率との関係グラフ

【図３】本発明の他の実施形態を示す陽極部の要部断面
図

【図４】従来のマグネトロンの構成を示す断面図

【図５】（ａ）従来のマグネトロン陽極部の要部断面図（ｂ）従来のマグネトロン陽極部の要部平面図

【符号の説明】

６陽極円筒７ベイン８ａ、８ｂ大ストラップリング９ａ、９ｂ小ストラップリング１９空洞共振器２０ベイン孔部２１ベイン凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振管本体部の一部である陽極円筒と、
前記陽極円筒の内壁面に配され分割型空洞共振器を形成
する偶数個のベインおよび前記ベインを交互に電気的に
接続する大小のストラップリングで形成される陽極部を
少なくとも有し、前記ベインの前記陰極側端部の対向部
分に一つ以上の貫通孔、または凹部が相対して設けられ
ていることを特徴とするマグネトロン。
【請求項２】ベインの陰極側端部の対向部分に相対し
て設けられた、一つ以上の貫通孔、または凹部が、ベイ
ンを交互に電気的に接続する大小のストラップリングの
取り付け位置よりも、陰極側に設けられたことを特徴と
する請求項１記載のマグネトロン。