JPH09293456A - マグネトロンのカソード構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 螺旋状カソードのフィラメントの間隔を調節
して２ｋｖよりも低いアノード電極においても７０％の
高い効率を得ることのできるマグネトロンのカソード構
造を提供することにある。 【解決手段】 熱電子を放出するカソード１１０・１２
０と、磁束を発生させる永久磁石と、該永久磁石から発
生された磁束を誘導するよう磁路を形成する磁極片と、
前記カソード１１０・１２０を外側で囲繞してマイクロ
波を発生するよう複数のベインを配置された陽極筒体
と、該陽極筒体から発生されたマイクロ波を誘導するア
ンテナと、前記カソード１１０・１２０に電源を供給す
るよう該カソード１１０・１２０の中心軸を通るカソー
ド支持台２３とからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子レンジなどの
マイクロ波加熱機器に使われるマグネトロンに係り、と
くに、低いアノード電圧でも高い効率と出力が維持でき
るマグネトロンのカソード構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、従来この種のマグネトロンは、
図１のごとく、銅版等により円筒状に形成された陽極筒
体１３の内には外部へもれる高調波成分を減衰するよう
複数の共振空洞を形成する複数（偶数）のベイン１５が
軸心方向に向けて等間隔にて配置されており、前記陽極
筒体１３とベイン１５により両極部を構成する。

【０００３】さらに、前記ベイン１５の先端部側の近傍
には上下部にそれぞれキャパシタンスを変化させて所定
の共振周波数を得られるよう内側および外側均圧環１５
ａ、１５ｂが前記ベイン１５を一つおきにそれぞれ配置
されており、前記陽極筒体１３の中心軸上の近傍には前
記複数のベイン１５の先端部により作用空間１４が形成
されており、該作用空間１４内には熱電子を放射するよ
うタングステンＷと酸化トリウムＴｈＯ₂を混合して焼
結させたフィラメントを螺旋状に巻回したカソード１７
が前記陽極筒体１３と同軸状に配置されている。

【０００４】前記カソード１７の両端部には、発振に寄
与できない損失電流の熱電子が中心軸方向への放射を防
止すべく上下部エンドハット１９、２１が固着されてお
り、該下部エンドハット２１の中央部にはモリブデン製
の中央支持台である第１のカソード支持台２３が前記中
央部に形成された通し穴を通して前記上部エンドハット
１９の下端部に溶着されており、前記下部エンドハット
２１の底面にはモリブデン製の第２のカソード支持台２
５が溶着されている。

【０００５】ここで、前記第１のカソード支持第２３
は、前記カソード１７の中心軸を貫通しつつ前記上部エ
ンドハット１９を支持し、前記第１、２のカソード支持
台２３、２５はマグネトロンの陰極を支持固定する絶縁
セラミック２７で形成された通し穴を通して図示のない
電源端子に接続されている第１、２の外部接続端子２
９、３１に電気的に接続されて前記カソード１７に動作
電流を供給する。

【０００６】また、前記陽極筒体１３の両側開口部に
は、前記カソード１７とベイン１５とにより形成される
作用空間１４内に均一に磁束を形成するよう磁路を形成
する磁性体である漏斗状の第１、２の磁極片３３、３５
が前記陽極筒体１３の両端部内側に切欠された位置に着
座されて残留する両端部の外側縁部を折曲して固定して
から気密に溶着されている。

【０００７】前記第１、２の磁極片３３、３５の上下部
には、前記陽極筒体１３の内部を真空密封するための上
下部金属管３７、３９が第１、２の磁極片３３、３５の
中間部或は前記陽極筒体１３の両側開口端子にそれぞれ
気密に溶着されている。

【０００８】また、前記上下部金属管３７、３９の外側
面には、前記陽極筒体１３内に所定の磁界分布を維持す
るべく環状の永久磁石４１、４３が前記陽極筒体１３の
上下部の左右に所定間隔をおいて配置されており、前記
マグネトロン４の出力部を構成する前記上部金属管３７
の上部開口端子には上部金属管３７および後述するアン
テナを絶縁させるようセラミックからなる円筒状の出力
側絶縁環４５が接合されている。

【０００９】また図において、前記絶縁環４５の上部側
の先端部には銅からなる排気管４７が接合されており、
前記排気管４７の内側中央部の近傍には共振空洞内に発
振された高周波を出力すべく前記ベイン１５の一つから
導出されたアンテナ４９が前記第１の磁極片３３の通し
穴を通り軸上に延長されつつ前記アンテナ４９の端部が
前記排気管４７により固定されている。

【００１０】さらに、前記排気管４７の外側面には、該
排気管４７の溶着部を保護するのはもとより、電界の集
中によるスパークの防止および高周波アンテナの作用を
するとともに、高周波の出力を外部へ引き出すアンテナ
カップ５１が被われている。

【００１１】また、前記陽極筒体１３の外周面には、帰
環する磁束を連結するために前記陽極筒体１３内の磁束
量を決定するヨーク５３、５５が設けられており、該ヨ
ーク５３、５５内には管の径方向へ伸ばされた複数のア
ルミニウム放熱フィン５７が前記ヨーク５３、５５に固
定されたクランプ部材５５ａにより嵌合されて配置さ
れ、前記永久磁石４１、４３とともに磁路形成用ヨーク
５３、５５により被われている。

【００１２】一方、前記カソード１７は、図２、図３の
ごとく、螺旋構造の直径（以下、カソード径という）が
ｄｃであり、螺旋上で隣接するフィラメント線の中心間
の距離（以下、カソードステムという）がｓであり、カ
ソード１７の中心軸を基準に対称されるよう配列されて
いるベイン１５間の距離（以下、アノード径という）が
ｄａであり、第１のカソード支持台２３の直径（以下カ
ソードステム径という）がｄｓである。

【００１３】上記のごとく構成されたマグネトロンにお
いて、関係係数ｋ値は下記式（１）のごとしである。

【数１】

【００１４】さらに、螺旋状カソード１７をもつ従来の
マグネトロンにおけるカソードステムｓの長さはアノー
ドとカソードとの間の距離（ｄａ−ｄｃ）／２に比べて
ずっと小さいため、関係係数ｋ値は約５．０程に極めて
小さい。

【００１５】したがって、螺旋状カソード１７は、図４
のごとく、カソード径ｄｃと同一の径をもつ円筒状のカ
ソード１００のごとく作用する。

【００１６】結論的には、螺旋状カソード１７をもつ従
来のマグネトロンは、図４のごとく、螺旋状カソード１
７のカソード径ｄｃと同径の円筒状カソード１００を有
し、アノードカソードの間隔の同じマグネトロンと動作
特性は同一である。

【００１７】上述のごとき従来のマグネトロンにおい
て、カソード１７の両端に４ｋｖのアノード電圧（Ｖａ
＝動作電圧）が印加される場合、マグネトロンの効率は
７０％以上の高い効率をもつ。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かように構
成された上記従来の電子レンジにおいては、前記マグネ
トロンのアノード電圧Ｖａを減少させることは、安全性
と経済的な面から多くの利点を提供するものの、螺旋状
カソード１７を有する従来の４ｋｖのマグネトロンはア
ノード電圧Ｖａを低める場合、効率が５５％に減少され
るという問題点があった。

【００１９】

【発明の目的】そこで、本発明は、上記種々の問題点を
解決するためになされたものであって、本発明の目的
は、螺旋状カソードのフィラメントの間隔を調節して２
ｋｖより低いアノード電圧においても７０％の高い効率
を得ることのできるマグネトロンのカソード構造を提供
することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記のごとき目的を達成
するために、本発明によるマグネトロンのカソード構造
は、熱電子を放出するカソードと、該カソードから放出
される電子を偏向させて回転動を維持するよう磁束を発
生させる永久磁石と、該永久磁石から発生された磁束を
誘導するよう磁路を形成する磁極片と、前記カソードを
外側で囲繞してマイクロ波を発生するよう複数のベイン
を配置された陽極筒対と、該陽極筒体から発生されたマ
イクロ波を誘導するアンテナと、前記カソードに電源を
供給するよう該カソードの中心軸を通るカソード支持台
とからなることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による一実施例につ
いて添付図面に沿って詳述する。図５は、本発明の一実
施例によるカソードの拡大図であって、図３と同一部分
にたいしては同一符号を付し、重なる説明は省くことに
する。

【００２２】図５のごとく、タングステンｗと酸化トリ
ウムＴｈｏ₂粉末を混合して焼結したフィラメントを螺
旋状に巻回してカソード１７に隣接したフィラメント中
心間の距離、つまり、フィラメント間隔（ｓ＝以下、カ
ソードステムという）を調節して関係係数ｋ値を３．７
と同一か、或は小に設計する。

【００２３】以下、上記のごとく構成されたマグネトロ
ンの作用、効果について述べる。マグネトロンの電子効
率（ηｅ）は下記式（２）のごとしである。

【数２】 ここで、ｅは電子の重荷量、ｍは、電子の質量、ｆは、
動作周波数、Ｖｏは、アノードの表面で隣接したベイン
壁間の基準電圧、Ｎは、ベイン数 Ｖａは、アノード電圧である。したがって、アノード電
圧Ｖａを初期にゼロから増加させた場合、発振のはじま
る電圧Ｖｓｔも下記式（３）のごとしである。

【数３】 これにより、上記式（２）を書き直せば、下記式（４）
のごとくになる。

【数４】

【００２４】上記式（２）を見てみれば、動作周波数ｆ
を変えずに、従来のマグネトロンのアノード電圧Ｖａよ
り低電圧で同一の効率を出すためには、アノード径ｄａ
対比ベイン数Ｎの割合ｄａ／Ｎを減らすべきである。

【００２５】ところで、マグネトロンからアノード径ｄ
ａを減少させると、出力がともに減少され、ベイン数Ｎ
を増加させるとマグネトロンの発振の際安全性に劣る。
さらに、上記式（３）と（４）からわかりうるのは、ｄ
ａ／ｄｃ値が小なればマグネトロンの効率は増加する
が、これに伴って発振開始電圧Ｖｓｔも増加するという
ことである。

【００２６】したがって、本発明では発振開始電圧Ｖｓ
ｔを増加させずに、マグネトロンの効率はｄａ／ｄｃ値
により変わるという点を利用して効率の増加を得ること
ができた。

【００２７】なお、螺旋状カソード１７を有するマグネ
トロンは図５のごとく、中心軸の方向に沿って周期的に
変わる複数のカソード１７とともに作用するとの点を利
用して螺旋状フィラメントカソード１７のカソードステ
ムｓの調節によってマグネトロンの低いアノード電圧Ｖ
ａ（約２ｋｖ）においても７０％の高い効率をもって動
作できるようにした。

【００２８】また、螺旋状カソード１７のうち関係係数
ｋ値が３．７より低いカソード１７は、図６のごとく、
直径の相違する二つの円筒状カソード１１０、１２０が
つづけざまに交互に置かれているものと同じ効果をも
つ。これにより、螺旋状カソード１７を有するマグネト
ロンは、二種のマグネトロンがつづけざまに交互に置か
れており、この際それぞれのマグネトロンは共振器の一
部だけで構成され長さはｓ／２のものと等価である。

【００２９】図６に示す個別マグネトロン１、３、５、
７……のカソード１１０は、その直径ｄｃ１が螺旋状カ
ソード１７のカソード径ｄｃと同一である。さらに、テ
ュードの理論によれば、図６に示す個別マグネトロン
２、４、６、８……のカソード１２０は、その直径ｄｃ
２が螺旋状カソード１７のカソード径ｄｃとカソードス
テム直径ｄｓの間の値である。螺旋状カソード１７のカ
ソードステムｓが増加すると、個別マグネトロン２、
４、６、８……のカソード径ｄｃ２は減少し、この際の
電子効率（ηｅ）は上記式（４）により増加するのがわ
かる。

【００３０】結論として、個別マグネトロン２、４、
６、８……の効率増加は、全マグネトロン１、２、３、
４、５、６、７、８、……の平均効率を増加させ、この
ような効率上昇は関係係数ｋ値が３．７以下のときに大
きく増加するのを見い出した。したがって、既存の電子
レンジ用の４ｋｖマグネトロンで関係係数ｋ値が通常
５．０であるのを本発明では関係係数ｋ値を３．７と同
一か小にしてアノード電圧Ｖａを４ｋｖから２ｋｖに減
少させる構造の変更において発生する効率減少を補っ
た。

【００３１】

【発明の効果】上述のように、本発明によるマグネトロ
ンのカソード構造によれば、螺旋状カソードのフィラメ
ント間隔を調節して２ｋｖという低いアノード電圧でも
７０％の高い効率と出力が得られるという優れる効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来によるマグネトロンの縦断面図である。

【図２】 図１の断面図である。

【図３】 図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。

【図４】 円筒状カソードの断面図である。

【図５】 本発明の一実施例によるカソードの拡大断面
図である。

【図６】 本発明の一実施例によるカソードの等価断面
図である。

【符号の説明】

１３ 陽極筒体 １５ ベイン １７ カソード １９、２１ 上部および下部エンドハット ２３ 第１のカソード支持台 ２５ 第２のカソード支持台 ２７ 絶縁セラミック ２９、３１ 外部接続端子 ３３、３５ 第１、２の磁極片 ３７、３９ 上下部金属管 ４１、４３ 永久磁石 ４５ 絶縁環 ４７ 排気管 ４９ アンテナ ５１ アンテナカップ ５３、５５ ヨーク ５７ 放熱フィン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電子を放出するカソードと、該カソー
   ドから放出される電子を偏向させて回転動を維持するよ
   う磁束を発生させる永久磁石と、該永久磁石から発生さ
   れた磁束を誘導するよう磁路を形成する磁極片と、前記
   カソードを外側で囲繞してマイクロ波を発生するよう複
   数のベインを配置された陽極筒体と、該陽極筒体から発
   生されたマイクロ波を誘導するアンテナと、前記カソー
   ドに電源を供給するよう該カソードの中心軸を通るカソ
   ード支持台とからなることを特徴とするマグネトロンの
   カソード構造。
2. 【請求項２】 前記カソードは、２ｋｖのアノード電圧
   で７０％の効率を得られるよう関係係数ｋ値を調節する
   ことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンのカソ
   ード構造。
3. 【請求項３】 前記関係係数ｋ値は、前記カソードのカ
   ソードステムｓを調節して決定することを特徴とする請
   求項２に記載のマグネトロンのカソード構造。
4. 【請求項４】 前記関係係数ｋ値は、３．７以下である
   ことを特徴とする請求項２に記載のマグネトロンのカソ
   ード構造。