(57)【要約】【課題】電子のアノードベイン先端の中央部分とその両角部分に対する到達速度の均一化が図れるマグネトロンを得る。【解決手段】ポールピース５及び７のアノードベイン２に近接対向する径小平坦部ＦＬ１同士の間隔Ｂ´をアノードベイン２の管軸方向高さの１４０％〜１４５％の寸法比率とし、またポールピース５及び７夫々の中央部の透孔Ｄ´の直径をアノードベイン２の先端部同士が形成する直径Ｒａの寸法と同等又は小さい寸法とする。このような構造とすることで、アノードベイン２の先端の両角部分における磁束の傾きが小さくなり、アノードベイン２の先端近傍における管軸方向の磁束分布が改善されて、電子のアノードベイン先端の中央部分とその両角部分に対する到達速度の均一化が図れる。その結果、電子のアノードベインへの到達速度の違いを原因とする損失が低減して発振効率が向上する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の陽極筒体と、この陽極筒体の中心軸上に配置された陰極と、前記陰極の周りに作用空間を介して放射状に配置され前記陽極筒体の内壁面に固着した複数枚のアノードベインと、前記陽極筒体の両端開口部に配置されて中央部に透孔を有する漏斗状の一対のポールピースとを備えたマグネトロンにおいて、
前記ポールピースは前記アノードベインに近接対向する面同士の間隔が、前記アノードベインの軸方向高さの１４０％以上を有していることを特徴とするマグネトロン。
【請求項２】
前記ポールピースは中央部の前記透孔の直径が前記作用空間に臨む前記アノードベインの先端部同士が形成する直径寸法と同等又は小さい寸法になされていることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とするマイクロ波利用機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子レンジ等のマイクロ波利用機器に用いられるマグネトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マグネトロンのアノードベインと陰極とで形成される作用空間での磁界分布が発振動作に強い影響を与えることはよく知られている(例えば、特許文献１参照)。理想的には作用空間の全領域で管軸方向に完全に平行で均一な磁束密度となるように設計すべきであるが、以下に示す構造上の制約から作用空間の全領域で管軸に完全に平行で均等な磁界分布にはできず、該空間内では傾いた磁界分布となっている。
【０００３】
・管軸上に位置決めして陰極を置くために陰極支持体を管軸に沿って延長して設置する必要から、ポールピースの中央部に貫通孔を形成しなければならない。
・永久磁石をなるべく低価格なものを用いてそれを小型化して管外に設置する必要があるため、ポールピースは中央部に透孔を有する漏斗状に形成される。
【０００４】
図６は、従来の一般的な電子レンジ用のマグネトロンを示す縦断面図である。この図において、筒状の陽極筒体１の内部にアノードベイン２が放射状に配置され、それぞれ隣り合ったアノードベイン２と陽極筒体１とで囲まれた空間で空洞共振器が形成されている。陽極筒体１の中心部に陰極３が配置され、この陰極３とアノードベイン２とで囲まれた空間が作用空間４となっている。
【０００５】
陽極筒体１の上端にはポールピース５が固着され、下端にはポールピース７が固着されている。ポールピース５にはアンテナ６を通過させるための孔が開けられている。ポールピース５の直上とポールピース７の直下には夫々中央部を中空にしたリング形状の磁石８が密着状態で取り付けられている。ポールピース５の直上の磁石８にはアンテナ６が通過し、ポールピース７の直下の磁石８には陰極３の接続導体１０が通過する。磁石８とポールピース５及び７はヨーク９によって磁気的に接続される。
【０００６】
陽極筒体１は、その内部に形成されたアノードベイン２と共に無酸素銅などの放熱がよくガスの出難い材料で作られている。これはアノードベイン２の先端に電子が飛び込んだ際の衝撃により加熱されることと、アノードベイン２と陽極筒体１とで空洞共振器を形成して、その空洞共振器内でマイクロ波を共振させて発振させた際にアノードベイン２と陽極筒体１夫々の表面を高周波電流が大量に流れること考慮して電気伝導及び熱伝導の良い材料が好ましいからである。
【０００７】
ポールピース５及び７は、それぞれ鉄などの磁気抵抗の小さい磁性体の板材を絞り加工などにより、上述したように漏斗状に形成されている。すなわち、中央部に貫通孔のある径小平坦部ＦＬ１と、径小平坦部ＦＬ１より径の大きな径大平坦部ＦＬ２と、径小平坦部ＦＬ１と径大平坦部ＦＬ２を接続する円錐状の傾斜部ＳＬとからなる漏斗状の形状を成している。また、ポールピース５及び７夫々の各部ＦＬ１、ＦＬ２、ＳＬの表面には銅など電気伝導及び熱伝導の良い材料がメッキなどで付着されている。これはポールピース５及び７の部分にも高周波電流が流れるため、その抵抗損を減らす目的とガスを出難くするためである。
【０００８】
磁石８は、マグネトロン全体の小型化及び取り扱いやすさの点からフェライトを使用した環状の永久磁石が用いられ、その一端がポールピース５及び７の径大平坦部ＦＬ２側と密着する構成となっている。ヨーク９は、磁石８の他端側とポールピース５及び７とを磁気的に接続するもので、磁気抵抗の小さい鉄などの板材で形成されている。
【０００９】
ここで、ポールピース５及び７を、径小平坦部ＦＬ１、径大平坦部ＦＬ２及び傾斜部ＳＬからなる漏斗状に形成しているのは、作用空間４の径よりも大きい径の磁石８の磁力を作用空間４に集中させる必要があるためである。このように磁石８の形状の制約からポールピース５及び７を漏斗状に形成している。
【００１０】
このマグネトロンの使用時には陽極筒体１の内部を真空状態とし、アノードベイン２と陰極３との間に直流の高電圧を印加する。作用空間４には２つの磁石８によって磁界が形成される。アノードベイン２と陰極３との間に直流高電圧を印加することで陰極３から電子が引き出されてアノードベイン２に向かって飛び出る。このとき２つの磁石８による磁界がポールピース５とポールピース７との間のギャップに集中し、作用空間４に陰極３と陽極筒体１の対向する方向と直角の方向に作用する。これにより、陰極３から飛び出た電子が各磁石８による磁界から受ける力により回転して螺旋を描きながらアノードベイン２に到達する。このときの電子運動によるエネルギーが空洞共振器に与えられて、マグネトロンの発振に寄与する。
【００１１】
このマグネトロンにおける作用空間内の磁束分布を調べると図７に示すようになっている。また、作用空間付近の磁束の傾きは図８に示すようになっている。図７の縦軸は管軸上の位置、横軸は磁束密度である。曲線Ｃｖ１はアノードベイン２の先端近傍における磁束密度の変化、曲線Ｃｖ２は作用空間４の中心部分における磁束密度の変化、曲線Ｃｖ３は陰極３の表面近傍における磁束密度の変化を夫々示している。
【００１２】
一方、図８の縦軸は管軸上の位置、横軸は磁束の傾きである。曲線Ｃｖ４はアノードベイン２の先端近傍における磁束の傾きの変化、曲線Ｃｖ５は作用空間４の中心部分における磁束の傾きの変化、曲線Ｃｖ６は陰極３の表面近傍における磁束の傾きの変化を夫々示している。図８に示すように作用空間４の陰極近傍では磁束の傾きは８度、アノードベイン２の先端近傍では５度、その中間となる作用空間４の中心部分で７度となっている。
【００１３】
図９は、２４５０ＭＨｚ帯、出力９００Ｗのマグネトロンの寸法例であり、電子を放出するコイル状フィラメントである陰極３の実質的に円筒状をなす電子放出面の外径寸法Ｒｃが３．９ｍｍ、アノードベイン２の先端が作る直径寸法Ｒａが９．０ｍｍ、アノードベイン２の管軸方向の高さＣが９．５ｍｍ、ポールピース５及び７夫々の中心孔径Ｄが９．２ｍｍ、径小平坦部ＦＬ１の外径Ａが１７．０ｍｍ、ポールピース５の径小平坦部ＦＬ１とポールピース７の径小平坦部ＦＬ１の間隔Ｂが１２．７ｍｍ、ポールピース５及び７の端部Ｒが４．０ｍｍ、その肉厚ＰＴが１．６ｍｍ、磁石８の内径ＭＤ１と外径ＭＤ２が夫々２１．５ｍｍ、５５．０ｍｍでその厚さＭＴが１３．０ｍｍである。また、ヨーク９の厚さＹＴが１．６ｍｍで口字状に組み立てられる（磁石８及びヨーク９については図６参照）。このような構造のマグネトロンでは発振効率が７２％程度となっている。
【００１４】
【特許文献１】特開平３−１１５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、上述した従来のマグネトロンにあっては、作用空間４の特にアノードベイン２の先端近傍における管軸方向の磁束分布がアノードベイン２の先端の中央部分とその両角部分とで大きく異なっているために、電子のアノードベイン２への到達速度に違いが生じており、その違いを原因とする損失が発振効率を低下させているという問題がある。
【００１６】
この発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、電子のアノードベイン先端の中央部分とその両角部分に対する到達速度の均一化が図れるマグネトロンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的は下記構成により達成される。
（１）  円筒状の陽極筒体と、この陽極筒体の中心軸上に配置された陰極と、前記陰極の周りに作用空間を介して放射状に配置され前記陽極筒体の内壁面に固着した複数枚のアノードベインと、前記陽極筒体の両端開口部に配置されて中央部に透孔を有する漏斗状の一対のポールピースとを備えたマグネトロンにおいて、前記ポールピースは前記アノードベインに近接対向する面同士の間隔が、前記アノードベインの軸方向高さの１４０％以上を有している。
【００１８】
（２）  上記（１）に記載のマグネトロンにおいて、前記ポールピースは中央部の前記透孔の直径が前記作用空間に臨む前記アノードベインの先端部同士が形成する直径寸法と同等又は小さい寸法になされている。
【発明の効果】
【００１９】
上記（１）に記載のマグネトロンでは、ポールピースのアノードベインに近接対向する面同士の間隔をアノードベインの軸方向高さの１４０％以上とすることで、アノードベインの先端の両角部分における磁束の傾きが小さくなり、これによりアノードベインの先端近傍における管軸方向の磁束分布が改善されて、電子のアノードベイン先端の中央部分とその両角部分に対する到達速度の均一化が図れる。その結果、電子のアノードベインへの到達速度の違いを原因とする損失が低減して発振効率が向上する。
【００２０】
上記（２）に記載のマグネトロンでは、ポールピースの中央部の透孔の直径を、作用空間に臨むアノードベインの先端部同士が形成する直径寸法と同等又は小さい寸法とすることで、上記（１）単独の場合と比べて、アノードベインの先端の両角部分における磁束の傾きが更に小さくなり、発振効率の更なる向上が図れる。
【００２１】
また、本発明のマイクロ波利用機器は、上記（１）または（２）に記載のマグネトロンを備えることで、発振効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するため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。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係るマグネトロンの主要部分を示す縦断面図である。なお、この図において上述した図６と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００２４】
図１において、本実施の形態のマグネトロンは、これを構成する各部が上述した図６に示す従来のマグネトロンと同様であるが、構造上の寸法を部分的に変更して発振効率を向上させた点が異なる。すなわち、本実施の形態のマグネトロンでは、図１に示すように、ポールピース５及び７のアノードベイン２に近接対向する径小平坦部ＦＬ１同士の間隔Ｂ´をアノードベイン２の管軸方向高さの１４０％〜１４５％の寸法比率としており、またポールピース５及び７夫々の中央部の透孔の直径Ｄ´を作用空間４に臨むアノードベイン２の先端部同士が形成する直径寸法Ｒａと同等又は小さい寸法としている。
【００２５】
ポールピース５及び７のアノードベイン２に近接対向する径小平坦部同士の間隔Ｂ´をアノードベイン２の管軸方向高さの１４０％〜１４５％の寸法比率とすることで、アノードベイン２の先端の両角部分における磁束の傾きが小さくなり、管軸方向の磁束分布がアノードベイン２の先端の中央部分と両角部分とで差が略無くなる。これにより、アノードベイン２の先端近傍における管軸方向の磁束分布が改善されて、電子のアノードベイン２への到達速度がアノードベイン２の先端の中央部分と両角部分で均一化し、電子のアノードベイン２への到達速度の違いを原因とする損失が低減して発振効率が向上する。但し、１４５％より大きい寸法比率にすると、磁石８を大型化しなければならないため１４０％〜１４５％が好ましい。
【００２６】
図２は、作用空間付近の磁束分布をコンピュータ解析した結果である。また図３は作用空間付近の磁界分布の傾きをコンピュータ解析した結果である。図２の縦軸は管軸上の位置、横軸は磁束密度である。曲線Ｃｖ１´はアノードベイン２の先端近傍における磁束密度の変化、曲線Ｃｖ２´は作用空間４の中心部分における磁束密度の変化、曲線Ｃｖ３´は陰極３の表面近傍における磁束密度の変化を夫々示している。一方、図３の縦軸は管軸上の位置、横軸は磁束の傾きである。曲線Ｃｖ４´はアノードベイン２の先端近傍における磁束の傾きの変化、曲線Ｃｖ５´は作用空間４の中心部分における磁束の傾きの変化、曲線Ｃｖ６´は陰極３の表面近傍における磁束の傾きの変化を夫々示している。
【００２７】
このように、アノードベイン２に近接対向するポールピース５及び７の径小平坦部ＦＬ１同士の間隔Ｂ´を広く且つポールピース５及び７夫々の中央部の透孔の直径Ｄ´をアノードベイン２の先端部同士が形成する直径Ｒａの寸法と同等又は小さい寸法とすることで、アノードベイン２の先端の両角部分での磁束の磁場の傾きが小さくなり、管軸方向で平行度の良い磁束分布となる。このときの作用空間４付近での磁束の傾きは、図３に示すように作用空間４の陰極３近傍での磁束の傾きが１度以下、アノードベイン２の先端近傍での磁束の傾きとその中間となる作用空間４の中心部分での磁束の傾きが６度以下となっている。
【００２８】
作用空間付近の磁束分布の計算結果を実証するために、この軸方向の磁界強度分布を、ホール素子を検出器として用いたガウスメータにより、各点の管軸方向に平行な磁界成分の強さを測定した結果、図４に示す通り計算結果（図２で示した結果）と略同等の値が得られた。
【００２９】
以上の結果を整理し、２４５０ＭＨｚ帯、出力９００Ｗのマグネトロンの実施例として、電子を放出するコイル状フィラメントである陰極３の実質的に円筒状をなす電子放出面の外径寸法Ｒｃを３．９ｍｍ、アノードベイン２の先端が作る直径寸法Ｒａを９．０ｍｍ、アノードベイン２の管軸方向の高さＣを９．５ｍｍ、ポールピース５及び７夫々の中心孔径Ｄ´を９．０ｍｍ、径小平坦部ＦＬ１の外径Ａを１７．０ｍｍ、ポールピース５の径小平坦部ＦＬ１とポールピース７の径小平坦部ＦＬ１の間隔Ｂ´を１３．３ｍｍ、ポールピース５及び７の端部Ｒ´を２．６ｍｍでその肉厚ＰＴを１．６ｍｍ、磁石８の内径ＭＤ１と外径ＭＤ２を夫々２１．５ｍｍ、５５．０ｍｍでその厚さＭＴを１３．０ｍｍとし、またヨーク９の厚さＹＴを１．６ｍｍで口字状に組み立てる。このような構造にすることで、発振効率が７６％となり従来品と比べて４％の効率アップを得ることができた。
【００３０】
ここで、図５はポールピース５及び７の径小平坦部ＦＬ１同士の間隔Ｂとアノードベイン２の軸方向高さの比と発振効率（％）との関係を表したものであり、図９に示す従来のマグネトロンの構造上の寸法では、発振効率は７２％であるのに対して、本発明では発振効率は７６％となる。
【００３１】
このように本実施の形態のマグネトロンによれば、ポールピース５及び７のアノードベイン２に近接対向する径小平坦部ＦＬ１同士の間隔Ｂ´をアノードベイン２の管軸方向高さの１４０％〜１４５％の寸法比率とし、またポールピース５及び７夫々の中央部の透孔Ｄ´の直径をアノードベイン２の先端部同士が形成する直径Ｒａの寸法と同等又は小さい寸法としたので、アノードベイン２の先端の両角部分における磁束の傾きが小さくなり、これによりアノードベイン２の先端近傍における管軸方向の磁束分布が改善されて、電子のアノードベイン先端の中央部分とその両角部分に対する到達速度の均一化が図れる。その結果、電子のアノードベインへの到達速度の違いを原因とする損失が低減して発振効率が向上する。
【００３２】
また、磁石８は従来と同様の大きさのものでよく大型化する必要がないことから、不必要なコストアップが発生しない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、マグネトロンの発振効率を向上させることができるという効果を有し、電子レンジ等のマイクロ波利用機器等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るマグネトロンの主用部分を示す縦断面図
【図２】図１のマグネトロンにおける作用空間付近の磁界分布を計算した結果を示す図
【図３】図１のマグネトロンにおける作用空間付近の磁界分布の傾きを計算した結果を示す図
【図４】図１のマグネトロンにおける作用空間付近の磁界分布を実測した結果を示す図
【図５】図１のマグネトロンと従来のマグネトロンの発振効率の違いを示す図
【図６】従来のマグネトロンを示す縦断面図
【図７】図６のマグネトロンにおける作用空間付近の磁界分布を計算した結果を示す図
【図８】図６のマグネトロンにおける作用空間付近の磁界分布の傾きを計算した結果を示す図
【図９】図６の従来のマグネトロンの主用部分を示す縦断面図
【符号の説明】
【００３５】
１  陽極筒体
２  アノードベイン
３  陰極
４  作用空間
５、７  ポールピース
６  アンテナ
８  磁石
９  ヨーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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