DE69530031T2

DE69530031T2 - Magnetron und Mikrowellenofen

Info

Publication number: DE69530031T2
Application number: DE69530031T
Authority: DE
Inventors: Minoru Makita; Takeo Takase; Terutaka Tokumaru; Masao Urayama; Seiki Yano
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2015-06-23
Also published as: DE69530031D1; EP0694948B1; EP0694948A3; US5676873A; JPH0878153A; EP0694948A2; JP3390562B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Magnetron, das Mikrowellen unter Verwendung von Elektronen erzeugt, die durch Anlegen eines elektrischen Felds im Vakuum von einer Kathode emittiert werden, und sie betrifft einen Mikrowellenherd zum dielektrischen Erwärmen einer zu erwärmenden Substanz unter Verwendung des neuartigen Magnetrons als Mikrowellenquelle.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Ein Magnetron ist ein Oszillator, der kräftige elektromagnetische Schwingungen mit hohem Wirkungsgrad im Zentimeter- und Millimeterbereich erzeugen kann, und es wird als Mikrowellenquelle für einen Mikrowellenherd und dergleichen verwendet. Die Fig. 1 ist eine Konstruktionsansicht eines herkömmlichen Magnetrons, bei dem mehrere Flügel 61 radial von einer Innenfläche eines Anoden-Hohlzylinders 60 zur Mittelachse desselben vorstehen. Der Anodenzylinder 60 und die Flügel 61 bilden einen Hohlraumresonator.
Die Kathode 62 ist auf der Mittelachse des Anodenzylinders 60 angeordnet, und ein durch die Kathode 62 und die Flügel 61 gebildeter Raum ist ein Wechselwirkungsraum 63. Am Anodenzylinder 60 sind an dessen oberem und unterem Ende Polstücke 64a und 64b befestigt, um im Wechselwirkungsraum 63 gleichmäßig ein Magnetfeld zu erzeugen, und an den Polstücken 64a und 64b sind Magnete 65a bzw. 65b fest angebracht. Zwischen dem Anodenzylinder 60 und einem Joch 66 sind mehrere Wärmeabstrahlungsplatten 67 angebracht.
Bei dieser Konfiguration werden Elektronen von der Kathode 62 zu den Flügeln 61 emittiert, während das Innere des Anodenzylinders 60 evakuiert ist, was auf das Anlegen des Magnetfelds an den Wechselwirkungsraum 63 durch die Magnete 65a, 65b hin erfolgt, sowie ferner auf das Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Kathode 62 und die Flügel 61 über ein Eingangselement 68. Die emittierten Elektronen laufen mit einer Zykloidbewegung zu den Flügeln 61 im Wechselwirkungsraum 63, während sie der Kraft des durch die Magnete 65a, 65b induzierten Magnetfelds unterliegen. Die mit einer Zykloidbewegung im Wechselwirkungsraum 63 laufenden Elektronen geben Energie an die Hohlraumresonatoren ab, so dass die Energie über ein Ausgangselement 69 als Mikrowellenstrahlung entnommen wird.
In der Kathode 62 wird eine Heißkathodenwendel verwendet. Da herkömmliche Magnetrons für Diodenbetrieb dienen, ist es ziemlich schwierig, für ein variables hochfrequentes Ausgangssignal zu sorgen. Daher wird im Fall z. B. der Anwendung bei einem Mikrowellenherd für den Hausgebrauch das Ausgangssignal dadurch gesteuert, dass das zeitliche Mittel desselben geändert wird, während das Tastverhältnis des zwischen die Kathode und die Anode gelegten elektrischen Felds variabel gemacht wird. In jüngerer Zeit wurde eine Umrichter-Spannungsquelle verwendet.
Das herkömmliche Magnetron benötigt wegen der Verwendung der Heißkathode elektrische Energie zum Beheizen der Wendel, und ferner tritt eine bestimmte Zeitverzögerung auf, bis es nach dem Anlegen der Spannung zwischen die Kathode und die Anode den Stationärbetrieb erreicht. Das Ausgangssignal des Magnetrons des beschriebenen Typs wird dadurch gesteuert, dass der Tastfaktor der zwischen die Kathode und die Anode gelegten Spannung variiert wird.
Wenn jedoch Nahrungsmittel erwärmt werden, zeigt das o. g. Verfahren des Variierens des Tastfaktors geringen oder keinen Einfluss hinsichtlich der Wärmesteuerung, da Nahrungsmittel im Allgemeinen eine große Wärmekapazität aufweisen, und es ist schwierig, eine gewünschte Temperatur zu erzielen. Das Verwenden einer Umrichter-Spannungsquelle ist effektiv, jedoch ist es aus wirtschaftlichen und Kostenüberlegungen nachteilig. Wenn die Betriebsspannung auf die Netzspannung oder kleiner eingestellt werden kann, wird ein Hochspannungstransformator überflüssig und es kann eine Kostensenkung erzielt werden.
Wenn ein Mikrowellenherd mit einem herkömmlichen Magnetron ausgestattet wird, werden ein Heizraumgehäuse und die Anode des Magnetrons elektrisch verbunden. Dies macht es erforderlich, die Spannungsquelle gegen einen Primärkreis zu isolieren. Die Betriebsspannung weist den hohen Wert von einigen tausend Volt auf. So ist es sehr gefährlich, einen elektrischen Schlag zu erhalten, wodurch Erfordernissen betreffend hohe Isolationsfunktion gegen die Hochspannung in der Spannungsquelle auferlegt werden. Ferner ist die Lebensdauer des Magnetrons als Ergebnis der Beeinträchtigung der Wendel wegen einer Heißkathode von Natur aus verkürzt.
Außerdem verfügt das herkömmliche Magnetron über keine Ausgangssignal-Steuerfunktion. Demgemäß kann die Mikrowellenstrahlung nur entweder durch intermittierende Tastverhältnissteuerung oder eine Steuerung mit einer hochfrequenten Umrichter-Spannungsquelle geändert werden. Ferner sind bei Mikrowellenherden für kommerziellen Gebrauch mit zwei oder mehr Magnetrons, um für eine große Ausgangsleistung zu sorgen, und dergleichen, für die Ausgangssignalsteuerung unabhängige Hochspannungsquellen für die einzelnen Magnetrons erforderlich. Ein derartiges System tendiert dazu, sehr groß und teuer zu sein.
Wenn beim herkömmlichen Mikrowellenherd die Anode des Magnetrons auf höhere Temperatur erwärmt wird, wird die Temperatur dadurch abgesenkt, dass die Spannungsquelle zum Magnetron getrennt wird, jedoch ruft dies ein Problem dahingehend hervor, dass der Kochvorgang unterbrochen wird.
Bei einem Mikrowellenherd für kommerziellen Gebrauch, der durch Parallelbetrieb mehrerer Magnetrons für große Ausgangsleistung sorgt, kann der Kopplungszustand zwischen den einzelnen Magnetrons und dem zu erwärmenden Nahrungsmittel abhängig von verschiedenen Formen der Nahrungsmittel variiert werden. Das Problem besteht darin, dass einige Magnetrons mit niedriger Effizienz betrieben werden. Ferner sind Mikrowellenherde unter Verwendung eines Halbleiterbauteils als Oszillator praktisch und kommerziell wegen des niedrigen Wandlungswirkungsgrads nicht anwendbar, da eine derartige Schwingung von der Mikrowellenschwingung ziemlich verschieden ist, wie sie durch die Kopplung von Hohlraumresonatoren und Elektronen mit einer Zykloidbewegung in einem Magnetfeld hervorgerufen wird.
Beispiele bekannter Kaltkathodenmagnetrons sind in US-A-3109123 und FR-A- 1306999 offenbart. Im ersteren Dokument verfügt eine scheibenförmige Kaltkathode über einen scharfen Umfangsrand, und beim letzteren Dokument verfügt eine gekühlte Kathode über spezielle Beschichtungen für Kaltemission und für Sekundäremission.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher zielt die Erfindung darauf ab, ein effektives Magnetron unter Verwendung einer Kaltkathode und einen kostensparenden Mikrowellenherd, der mit niedriger Spannung und mit leicht steuerbarer Ausgangsleistung unter Verwendung eines derartigen Magnetrons als Mikrowellenquelle betrieben werden kann, zu schaffen.
Gemäß einer Erscheinungsform ist ein Magnetron mit Folgendem geschaffen: einer Kaltkathode mit einem Elektronenemissionselement zum Emittieren von Elektronen; einer unterteilten Anode, die dem Elektronenemissionselement gegenüberliegend und von diesem gleichmäßig beabstandet angeordnet ist und auf ihrer der Kathode zugewandten Seite über in ihr ausgebildete Hohlraumresonatoren verfügt; und einem Magnet zum Erzeugen eines Magnetfelds rechtwinklig zu einem zwischen die Kathode und die unterteilte Anode angelegten elektrischen Feld; dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenemissionselement in einer geraden Linie oder einer Ebene auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei die unterteilte Anode parallel zum Elektronenemissionselement liegt.
Es ist bevorzugt, dass das Elektronenemissionselement aus Feldemissions- Kaltkathodenarrays besteht. Außerdem ist es bevorzugt, dass die die Länge des Elektronenemissionselements 2 wmE/eB² oder weniger in der Laufrichtung der vom Feuchtigkeitsgehalt emittierten Elektronen beträgt, wobei π das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu dessen Durchmesser ist, m die Elektronenmasse ist, E das angelegte elektrische Feld ist, e die Elektronenladung ist und B die Stärke des Magnetfelds ist.
Für ein Magnetron dieses Konfigurationstyps beseitigt eine Kaltkathode als Kathode eines Magnetrons, wie sie in den letzten Jahren entwickelt wurde und sich schnell verbessert hat, das Erfordernis des Erwärmens einer Wendel, wie dies ansonsten bei herkömmlichen Heißkathoden erforderlich ist. Dies erlaubt eine Senkung des Energieverbrauchs und unmittelbaren Betrieb, ohne dass es zu irgendeiner Zeitverzögerung nach dem Anlegen einer Ansteuerspannung käme.
Ferner kann dieses neuartige Magnetron mit der Netzspannung oder darunter als Betriebsspannung zwischen seiner Kathode und Anode betrieben werden, und das Erfordernis eines Hochspannungstransformators, wie er für den Betrieb herkömmlicher Magnetrons erforderlich ist, ist beseitigt. So kann eine große Kostensenkung erzielt werden.
Genauer gesagt, verhindert die im o. g. Bereich festgelegte Länge des Elektronenemissionselements, das von diesem emittierte Elektronen in die Gateelektrode eindringen, nachdem sie durch das Magnetfeld gewendet wurden. Im Ergebnis wird der durch die Gateelektrode fließende Strom sehr klein, was wiederum eine Absenkung des Stromleitvermögens und der Größe der die Gatespannung steuernden Spannungsquelle erlaubt. Ferner führt dies zum verhindern eines Temperaturanstiegs in der Gateelektrode und des Abgebens von Gas von der Gateelektrode (Abgeben von an der Oberfläche adsorbiertem Gas), was die Ausbeute und Lebensdauer eines Geräts verbessert.
Das Magnetron verfügt vorzugsweise über eine Hochfrequenzausgangssignal- Änderungseinrichtung zum Ändern des hochfrequenten Ausgangssignals durch Steuern der Menge der vom Elektronenemissionselement emittierten Elektronen. Die Ausgangssignal-Änderungseinrichtung kann eine auf dem Elektronenemissionselement ausgebildete Gateelektrode aufweisen, und es kann eine Einrichtung zum Steuern der an das Gate angelegten Gatespannung vorhanden sein, um dadurch die Menge der vom Elektronenemissionselement emittierten Elektronen zu steuern. Ferner ist es bevorzugt, das Elektronenemissionselement in zwei oder mehr Abschnitte zu unterteilen und für eine Ausgangssignal-Änderungseinrichtung zu sorgen, die die Abschnitte des Elektronenemissionselements unabhängig steuert, um das hochfrequente Ausgangssignal zu ändern.
Daher kann bei der bevorzugten Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Magnetrons auf einfache Weise eine Steuerung zum Ändern des hochfrequenten Ausgangssignals realisiert werden.
Eine weitere Erscheinungsform der Erfindung betrifft einen Mikrowellenherd mit einer Mikrowellenquelle zum dielektrischen Erwärmen einer in einer Heizkammer des Herds platzierten Substanz durch von der Mikrowellenquelle erzeugte Mikrowellenenergie, wobei die Mikrowellenquelle ein Magnetron ist, das über eine Kaltkathode mit einem Elektronenemissionselement zum Emittieren von Elektronen, eine unterteilte Anode, die dem Elektronenemissionselement gegenüberliegend und parallel zu diesem angeordnet ist und die auf ihrer der Kathode zugewandten Seite über in ihr ausgebildete Hohlraumresonatoren verfügt, und einen Magnet zum Erzeugen eines Magnetfelds rechtwinklig zu einem zwischen die Kathode und die unterteilte Anode angelegten elektrischen Feld verfügt; dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Kaltkathode ist, bei der das Elektronenemissionselement in einer geraden Linie oder einer Ebene auf einem Substrat angeordnet ist und es aus einem Array von Feldemissions-Kaltkathodenemittern besteht.
Da beim durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherd als Mikrowellenquelle ein Magnetron unter Verwendung einer Feldemissions-Kaltkathode verwendet wird, wird keine Wendel benötigt, wie sie für herkömmliche Magnetrons unter Verwendung einer Heißkathode wesentlich war. Demgemäß wird die sich ergebende Stromdichte erheblich hoch, was eine Größenverringerung des Magnetrons erlaubt.
Ferner verfügt der durch die Erfindung geschaffene Mikrowellenherd vorzugsweise über eine zwischen der Kaltkathode und der unterteilten Anode des Magnetrons ausgebildete Gateelektrode sowie eine Einrichtung zum Ändern des Mikrowellen-Ausgangssignals des Magnetrons durch Ändern der an die Gateelektrode angelegten Gatespannung. Ferner ist es bevorzugt, dass der durch die Erfindung geschaffene Mikrowellenherd über eine Einrichtung zum Erfassen der Temperatur des Magnetrons verfügt. Bei dieser Konfiguration steuert die Mikrowellenausgangssignal-Änderungseinrichtung die Gatespannung, um das Mikrowellen-Ausgangssignal zu verkleinern, wenn die durch die Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des Magnetrons einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Wie oben angegeben, kann beim durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherd das um eine Kathodenfläche herum existierende elektrische Feld durch Steuern der an die Gateelektrode des Magnetrons angelegten Spannung geändert werden. Daher kann die Menge der von der Kathode emittierten Elektronen, oder die Ausgangsleistung des Mikrowellenherds, leicht gesteuert werden, und es kann ein übermäßiger Temperaturanstieg des Magnetrons verhindert werden.
Ferner ist beim durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherd das Magnetron in einem Heizkammergehäuse so angeordnet, dass eine Elektrode des Magnetrons elektrisch gegen dieses isoliert ist, wodurch eine Gleichspannungsquelle, die nicht elektrisch gegen eine externe Netzspannungsquelle isoliert ist, als Spannungsquelle für das Magnetron dienen kann. Daher kann die Betriebsspannung des Magnetrons auf den niedrigen von ungefähr 100 V verringert werden. Demgemäß kann das fragliche Magnetron leicht in das gegen die Elektrode des Magnetrons elektrisch isolierte Heizkammergehäuse eingebaut werden, was es erlaubt, die Isolierung zu einem Primärkreis der Netzspannungsquelle wegzulassen.
Darüber hinaus ist es beim durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherd bevorzugt, dass mehrere Magnetrons im Heizkammergehäuse angeordnet sind, und in diesem Fall verfügt der Mikrowellenherd über eine Steuereinrichtung zum gleichzeitigen Betreiben der jeweiligen Magnetrons und zum unabhängigen Steuern des Mikrowellen-Ausgangssignals der jeweiligen Magnetrons. Das durch die Erfindung geschaffene Magnetron verfügt über einen sehr kleinen durch die Gateelektrode fließenden Strom im Verhältnis zum Anodenstrom. So ist es möglich, die Größe der Spannungsversorgung für das Gate zu verringern, wie sie zum Steuern des Mikrowellen-Ausgangssignals verwendet wird. Im Fall des gleichzeitigen Betreibens mehrerer Magnetrons, wie im Fall des o. g. Mikrowellenherds, kann das System vereinfacht werden, wenn für unabhängige Steuerung nur der Gatespannung jedes Magnetrons gesorgt wird, während für die Anoden eine gemeinsame Treiberspannungsquelle verwendet wird.
Der durch die Erfindung geschaffene Mikrowellenherd kann über eine Formerkennungseinrichtung zum Erkennen der Formen von in der Heizkammer zu erwärmenden Substanzen verfügen, und die Steuerungseinrichtung kann das Verhältnis der Mikrowellen-Ausgangssignale der jeweiligen Magnetrons abhängig von den durch die Formerkennungseinrichtung erkannten Formen der zu erwärmenden Substanzen einstellen. Daher wird bei einem Mikrowellenherd mit mehreren Magnetrons das Ausgangssignal jedes Magnetrons verteilt in die Heizkammer geliefert. Querschnittsflächen zu erwärmender Substanzen werden dadurch berechnet, dass die Formen der Substanzen z. B. aus der Perspektive jeder Energiezuführöffnung mittels eines Bildsensors erkannt werden, um das Ausgangssignal jedes Magnetrons abhängig von der jeweiligen Querschnittsfläche einzustellen, um dadurch die Menge direkter Wellen zu regulieren, wie sie vom Magnetron pro Einheitsfläche der zu erwärmenden Substanz auf diese gestrahlt werden.
Im Allgemeinen erreicht die durch ein Magnetron erzeugte Mikrowellenstrahlung eine zu erwärmende Substanz entweder als direkte Welle oder als reflektierte Welle von den Wänden eines Heizraums. Da die reflektierten Wellen durch bestimmte Verluste an den Wänden geschwächt werden, ist der Heizwirkungsgrad höher, wenn die direkten Wellen einen höheren Beitrag zur Erwärmung leisten. Daher kann ein Erwärmen durch Mikrowellen mit hohem Wirkungsgrad mit weniger oder keiner Verteilung und Variation der Erwärmung dadurch bewerkstelligt werden, dass das Ausgangssignal jedes Magnetrons so gesteuert wird, dass die direkten Wellen gleichmäßig auf die Oberfläche der zu erwärmenden Substanz gestrahlt werden, wie beim o. g. Mikrowellenherd.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Magnetrons;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Magnetrons zeigt;
Fig. 3 ist eine geschnittene Seitenansicht des in der Fig. 2 dargestellten Magnetrons;
Fig. 4A ist eine schematische Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer in der Fig. 3 dargestellten Kaltkathode zeigt;
Fig. 4B ist eine schematische Draufsicht, die die Ausführungsform der in der Fig. 3 dargestellten Kaltkathode zeigt;
Fig. 5 ist eine veranschaulichende Ansicht, die den Zustand des elektrischen Potenzials des durch die Erfindung geschaffenen Magnetrons zeigt;
Fig. 6A-F sind Schnittansichten, die einen Herstellprozess einer anderen Ausführungsform eines Elektronenemissionselements veranschaulichen;
Fig. 7A ist eine Ansicht, die einen Elektronenzustand zu einem Anfangszeitpunkt in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern zeigt;
Fig. 7B ist eine Ansicht, die eine Trochoidenbahn zeigt, entlang der sich Elektronen bewegen;
Fig. 8 ist eine grafische Wiedergabe, die eine Charakteristikkurve des durch den in der Fig. 6 veranschaulichten Prozess hergestellten Elektronenemissionselements zeigt;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine andere Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Magnetrons zeigt;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in der Fig. 9;
Fig. 11 ist eine grafische Wiedergabe, die eine Beziehung zwischen der Anzahl von Spannungsanlegeabschnitten des Elektronenemissionselements und dem hochfrequenten Ausgangssignal des in der Fig. 9 dargestellten Magnetrons zeigt;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherds zeigt;
Fig. 13 ist eine Ansicht, die ein an einem durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherd angebrachtes Magnetron zeigt;
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherds zeigt;
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das eine Modifizierung des in der Fig. 14 dargestellten Mikrowellenherds zeigt;
Fig. 16A-C sind Ansichten, die Verwendungsbeispiele eines Mikrowellenherds mit mehreren Magnetrons zeigen; und
Fig. 17A-C sind Ansichten, die Verwendungsbeispiele eines Mikrowellenherds mit mehreren Magnetrons zeigen.
Gemäß den Fig. 2 bis 4 ist in einem erfindungsgemäßen Magnetron eine Kaltkathode 2 mit einem Elektronenemissionselement 2a zum Emittieren von Elektronen auf der Innenfläche (oberer Teil in der Figur) eines ebenen Substrats 1 ausgebildet, und mit einem bestimmten Abstand von der Innenfläche ist eine Beschleunigungselektrode 3 angeordnet, um an das Elektronenemissionselement 2a ein hohes elektrisches Feld anzulegen.
Benachbart zur Beschleunigungsanode 3 befindet sich eine unterteilte Anode 4, die mit einem bestimmten Abstand zur Innenfläche des Substrats 1 angeordnet ist. Genauer gesagt, ist die unterteilte Anode 4 dem Elektronenemissionselement 2a der auf der Innenfläche des Substrats 1 ausgebildeten Kaltkathode 2 gegenüberstehend und parallel angeordnet. Ein Teil von Hohlraumresonatoren ist seitens dieser unterteilten Anode 4, der Kaltkathode 2 zugewandt, ausgebildet. Auf der unterteilten Anode 4 ist an deren rechtem Rand ein Ausgangselement 5 vorhanden, um hochfrequente Energie nach außen zu entnehmen. Über dem gesamten Wechselwirkungsraum für Elektronen ist ein Magnet 6 angeordnet. Der Magnet 6 sorgt für ein Magnetfeld, das rechtwinklig zu einem elektrischen Feld liegt, das zwischen die Kaltkathode 2 und die unterteilte Anode 4 angelegt ist. Auf der Außenfläche (unterer Teil in der Figur) des Substrats 1 ist eine Wärmestrahlungsplatte 7 angeordnet, während eine Wärmestrahlungsplatte 8 auf den Außenflächen (oberer Teil in der Figur) der Anoden 3 und 4 angeordnet.
Gleichspannungsquellen Va und Vb sind in Reihe zwischen das Substrat 1 und die Anoden 3, 4 geschaltet. Ferner ist der Verbindungsmittelpunkt zwischen den Gleichspannungsquellen Va und Vb mit einem Gate 23, das später beschrieben wird, des Elektronenemissionselements 2a verbunden. Bei dieser Ausführungsform erreicht ein Anodenanschluss der mit der Beschleunigungsanode 3 verbundenen Gleichspannungsquelle Va die Massespannung, so dass die Kaltkathode 2 und das Substrat 1 auf negativem elektrischem Potenzial liegen.
Bei dieser Ausführungsform besteht, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, das Elektronenemissionselement 2a aus einem Feldemissions-Kaltkathodenarray. Genauer gesagt, sind viele feine Nadeln als Emitter (Quellen von Elektronen) 21 auf dem Substrat 1 ausgebildet. Nahe den Emittern 21 ist durch eine Isolationsschicht 22 hindurch ein Gate 23 ausgebildet, um die Emission der Elektronen zu erleichtern. Während in der Figur nur zwölf (drei auf vier) Emitter 21 dargestellt sind, ist in der Praxis eine große Anzahl von Emittern 21 ausgebildet. Wie es aus der Fig. 4 erkennbar ist, wurde demgemäß diese Ausführungsform in Zusammenhang mit einem eben auf dem Substrat 1 ausgebildeten Elektronenemissionselement 2a beschrieben. Jedoch kann das Elektronenemissionselement 2a dadurch linear auf dem Substrat 1 ausgebildet werden, dass z. B. vier (eins auf vier) Emitter 21 ausgebildet werden.
Als Nächstes wird der Betrieb beschrieben. Die Fig. 5 zeigt den Zustand des an einzelnen Elektroden anliegenden elektrischen Potenzials. Vom Emitter 21 des Elektronenemissionselements 2a emittierte Elektroden werden durch das durch den Magnet 6 angelegte Magnetfeld M nach rechts in der Figur abgelenkt, und sie werden zum Abschnitt der Hohlraumresonatoren geführt, wo die unterteilte Anode 4 vorhanden ist. Die Elektronen erfahren in einem Wechselwirkungsraum 9 des Resonatorabschnitts aufgrund der Wirkung des elektrischen Felds und des Magnetfelds einen Bündelungseffekt, wobei sie sich in der Figur nach rechts bewegen, während hochfrequente Energie entnommen wird.
Die Elektronen, die die potenzielle Energie, die sie durch die angelegte Spannung erfahren haben, über das Ausgangselement 5 als Hochfrequenzenergie abgegeben haben, werden anschließend durch die unterteilte Anode 4 absorbiert. Daher muss, um hohen Wirkungsgrad beim Umsetzen der eingegebenen Energie in hochfrequente Ausgangsenergie zu erzielen, die unterteilte Anode 4 über eine ausreichende Länge in Bezug auf die Laufrichtung der Elektronen verfügen, damit von den Emittern 21 emittierte Elektronen die unterteilte Anode 4 erreichen können.
Ein beispielhaftes Magnetron, das gemäß dieser Ausführungsform erhalten wurde, sorgt für eine hochfrequente Ausgangsleistung von mindestens 500 W bei einer Schwingungsfrequenz von 2,4 GHz, wenn die Länge der unterteilten Anode 4 120 mm in der Laufrichtung der Elektronen beträgt, die Anodenunterteilungs-Schrittweite der unterteilten Anode 4 1,4 mm beträgt, der Abstand zwischen der Anode und der Kathode 1,2 mm beträgt, die Fläche des Elektronenemissionselements 2a 0,4 cm² beträgt, die Emitterschrittweite 5 um beträgt, die Anodenspannung 1,5 kV beträgt, die Gatespannung 300 V beträgt und das angelegte Magnetfeld 1800 Gauss beträgt.
Als Nächstes wird eine andere Ausführungsform des Elektronenemissionselement beschrieben. Die o. g. Struktur des Elektronenemissionselements 2a ist diejenige eines Feldemissions-Kaltkathodenarrays vom sogenannten Spindt- oder Gray-Typ. Bei einer Kaltkathode vom beschriebenen Typ entspricht der Abstand zwischen der Spitze des Emitters und dem Gaterand der Ausdehnung am Emitterboden, der als Konus bezeichnet wird, von typischerweise ungefähr 1 um. Die typische Betriebsspannung liegt so im Bereich von einigen hundert bis einigen tausend Volt. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann die Betriebsspannung verringert werden, wenn der Abstand zwischen der Emitterspitze und dem Gaterand verkürzt werden kann.
Die Fig. 6A-F sind Schnittansichten, die einen Prozess zum Herstellen eines derartigen Elektronenemissionselements veranschaulichen. Als Erstes wird ein n-< 100> -Siliciumwafer Si mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ω·cm bei 1000ºC durch Wärme oxidiert, um einen thermisch oxidierten SiO&sub2;- Film mit einer Filmdicke von 300 nm zu erzeugen (Fig. 6A). Als Nächstes wird unter Verwendung einer Fotolithografietechnik eine Maske aus SiO&sub2;- Kreisen mit einem Durchmesser von 3 um hergestellt (Fig. 6B), und dann wird durch Trockenätzen des Siliciums eine Emitterbasis hergestellt (Fig. 6C).
Als Nächstes wird die sich ergebende Baugruppe thermisch bis auf eine Dicke von 400 nm oxidiert, um eine Isolationsschicht 22 auszubilden und gleichzeitig den Emitter 21 spitz auszubilden (Fig. 6D), gefolgt von einer Schrägabscheidung zum Herstellen einer Gateelektrodenschicht 23 (Fig. 6E). Dann wird der Emitter 21 durch Ätzen der SiO&sub2;-Maske freigelegt (Fig. 6F).
Diese Reihe von Prozessen erlaubt eine Verringerung des Abstands zwischen der Spitze des Emitters 21 und dem Rand des Gates 23 auf 0,4 im oder weniger. Gemäß diesem Herstellprozess wurde das o. g. Flachmagnetron mit der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Form unter Verwendung eines Kaltkathodenarrays als Kathode, die mit einer Emitterschrittweite von 5 um auf einem Siliciumsubstrat von 3,5 cm² Fläche integriert war, hergestellt.
Ein beispielhaftes Magnetron, das gemäß dieser Ausführungsform erhalten wurde, sorgt für eine hochfrequente Ausgangsleistung von mindestens 500 W bei einer Schwingungsfrequenz von 2,4 GHz, wenn die Länge der unterteilten Anode 4 40 mm in Bezug auf die Laufrichtung der Elektronen beträgt, die Anodenunterteilungs-Schrittweite der unterteilten Anode 4 0,4 mm beträgt, der Abstand zwischen der Anode und der Kathode 0,3 mm beträgt, die Anodenspannung 100 V beträgt, die Gatespannung 25 V beträgt und das angelegte Magnetfeld 1800 Gauss beträgt. Auf diese Weise wurde im Vergleich mit dem durch die vorige Ausführungsform erhaltenen Magnetron ein kleineres Magnetron erhalten, das mit einer niedrigeren Spannung betrieben wurde.
Während diese Ausführungsform demgemäß in Zusammenhang mit einer Struktur mit nahe beieinander angeordneten Emittern und Gate beschrieben wurde, wobei der thermisch oxidierte Film als Isolationsschicht diente, um die Betriebsspannung abzusenken, besteht für eine Maßnahme zum Absenken der Betriebsspannung keine Beschränkung hierauf. Um die Betriebsspannung abzusenken, kann z. B. der Emitter näher am Gate angeordnet sein, wobei eine Opferschicht vorhanden ist, und zwar durch Verringern des Durchmessers der Gateöffnung bei einer Kaltkathode vom Spindt-Typ. Alternativ kann der Krümmungsradius an der Spitze des Emitters durch Anodenätzen wesentlich verringert werden. Jedes geeignete Verfahren kann verwendet werden, solange es eine Absenkung der Betriebsspannung erlaubt.
Für die bei jedem Schritt dieses Herstellprozesses verwendeten speziellen Werte besteht keine Beschränkung auf die vorstehenden Werte, und insbesondere besteht für die angelegte Spannung keine Beschränkung auf 100 V. Stattdessen sollen diese Werte so bestimmt werden, dass das sich ergebende Magnetron für die Netzspannungen im Gebiet, in dem es verwendet wird, geeignet ist.
Als Nächstes wird noch eine andere Ausführungsform des Elektronenemissionselement beschrieben. Da ein Teil der vom o. g. Elektronenemissionselement 2a emittierten Elektronen nach Auslenkung durch das Magnetfeld auf die Gateelektrode fällt, fließt ein Strom durch diese. Der durch die Gateelektrode fließende Strom kann dann verringert werden, wenn die Länge des Elektronenemissionselements 2a in der Laufrichtung der von ihm emittierten Elektronen als "2irmE/eB²" oder kürzer festgelegt wird (π ist das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser, m ist die Elektronenmasse, E ist die angelegte Spannung, e ist die Elementarladung, B ist das Magnetfeld. Die Länge des Elektronenemissionselements 2a in der Laufrichtung der Elektronen ist im Fall eines Feldemissions-Kaltkathodenarrays von z. B. dem Spindt-Typ, wie in der Fig. 4 dargestellt, als Länge der Gateelektrode 23 definiert, die zwischen dem linken Rand des Bodens des am linken Rand angeordneten Emitters 21 bis zum rechten Rand des Bodens des am rechten Rand angeordneten Emitters 21 ausgebildet ist.
Ein beispielhaftes Magnetron, das gemäß dieser Ausführungsform erhalten wurde, sorgt für eine Schwingungsfrequenz von 2,4 GHz, eine hochfrequente Ausgangsleistung von mindestens 3,5 W und einen Gatestrom von 70 uA oder kleiner, wenn die Länge des Elektronenemissionselements 2a 0,15 mm beträgt, die Emitterschrittweite 5 arm beträgt, die Länge der unterteilten Anode 4 in der Laufrichtung der Elektronen 40 mm beträgt, die Anodenunterteilungs- Schrittweite der unterteilten Anode 4 0,4 mm beträgt und der Abstand zwischen der Anode und der Kathode 0,3 mm beträgt, was für das durch den in der, Fig. 6 veranschaulichten Prozess hergestellte Elektronenemissionselement 2a gilt, und wenn die Anodenspannung 100 V beträgt, die Gatespannung 25 V beträgt und das angelegte Magnetfeld 180 Gauss beträgt.
Nun wird der Grund zum Festlegen der Länge des Elektronenemissionselements 2a in der Laufrichtung der Elektronen auf "2wmE/eB²" beschrieben. Die auf die sich im statischen Magnetfeld bewegenden Elektronen wirkende Kraft ist durch das Produkt der Geschwindigkeitskomponente u der Elektronen rechtwinklig zum Magnetfeld und dem Magnetfeld B gegeben. Diese Kraft beeinflusst die Komponente parallel zum Magnetfeld B nicht. Im Feld, in dem ein statisches elektrisches Feld E und ein statisches Magnetfeld B existieren, ist die Bewegungsgleichung für die Elektronen in rechtwinkligen Koordinaten (x, y, z) wie folgt gegeben:
wobei η = e/m gilt.
Nun sei angenommen, wie es in der Fig. 7A dargestellt ist, dass die Beschleunigungsspannung Vb an den Zwischenraum mit dem Abstand d zwischen den parallelen Flachelektroden angelegt wird und dass die Magnetflussdichte B parallel zur Oberfläche der Elektroden wirkt, wodurch die Bewegungsgleichung für ein von einem beliebigen Punkt mit einer beliebigen Anfangsgeschwindigkeit emittiertes Elektron für jede Komponente aus der Gleichung (1) wie folgt gegeben ist.
In diesem Fall ist angenommen, dass die Anfangsbedingungen die folgenden sind: t = 0, y = y&sub0;, (dx/dt) = u&sub0;·cosΘ, (dy/dt) = u&sub0;·sinΘ. Dann kann die Gleichung (2) wie folgt geschrieben werden:
und
ist die Zyklotron-Winkelfrequenz.
Daher bewegen sich die Elektronen mit der Winkelgeschwindigkeit ωc entlang einem Kreis mit dem Radius
dessen Zentrum entlang der folgenden Linie definiert ist.
mit der Geschwindigkeit (E/B). Eine Umlaufbahn wie diese wird als Trochoid bezeichnet, wobei es sich um dasselbe wie die Umlaufbahn eines Punkts auf einer Kreisplatte handelt, wenn sich eine derartige Kreisplatte linear mit der Drehung bewegt. Die Fig. 7B zeigt die Trochoidumlaufbahn von Elektronen.
Auf Grundlage der Gleichung (3) ist der Abstand L, über den sich die Elektronen im Zeitraum zwischen einem bestimmten Zeitpunkt t&sub0; und dem Zeitpunkt t&sub1; (= t&sub0; + 2π/ωc) entsprechend einem Zyklus des Zyklotrons bewegen, der folgende:
L = x(t&sub1;) - x(t&sub0;) = (t&sub1; - t&sub0;) = 2πmE/eB² (6)
Daher ist der Abstand L, über den sich die Elektronen während eines Zyklus bewegen, L = 2πmE/eB². Elektronen, die von einer Position emittiert werden, die um den Abstand L oder mehr von der Sohle entfernt ist, treten in die Gateelektroden ein, während sich Elektronen, die an einer Position innerhalb des Abstands L von der Sohle emittiert werden, in den Wechselwirkungsraum zwischen der Sohle und der Anode bewegen, ohne in die Gateelektrode einzutreten.
Das Kurvenbild in der Fig. 8 zeigt den Anodenstrom als Funktion der Gatespannung pro Emitter des Elektronenemissionselements 2a, das entsprechend dem in der Fig. 6 dargestellten Herstellprozess hergestellt wurde. Die Anodenspannung ist auf 100 V fixiert. Wie es aus diesem Kurvenbild deutlich ist, wird beobachtet, dass die Elektronenemission bei einer Gatespannung von 15 V oder darunter beginnt. Der Anodenstrom nimmt sequenziell zu, wenn die Gatespannung ansteigt, und der Anodenstrom betrug 0,2 uA bei einer Gatespannung von 17 V, während er bei einer Gatespannung von 25 V den Wert 2,0 uA aufwies, d. h. das Zehnfache des obigen.
Auf Grundlage dieser beobachteten Ergebnisse wird der Gatespannungskreis zu einem solchen Kreis gemacht, in dem die Spannung kontinuierlich variabel ist, um ein Magnetron mit variablem Ausgangssignal zu realisieren. Bei der in der Fig. 5 dargestellten Schaltung ist die Gatespannung VGE durch eine einfache Struktur unter Verwendung eines typischen Potenziometers von 15 V bis 30 V kontinuierlich variabel gemacht.
Beim Magnetron mit der obigen Konstruktion wurde das hochfrequente Ausgangssignal gemessen, während die Gatespannung VGE geändert wurde. Im Ergebnis wurde ein hochfrequentes Ausgangssignal von mindestens 500 W bei einer Gatespannung von 25 V und von mindestens 50 W bei einer Gatespannung von 17 V proportional zum Anodenstrom erhalten, wie es aus der o. g. Anodenstrom-Gatespannung-Charakteristik in der Fig. 8 zu erwarten war. Ferner wurde klargestellt, dass das hochfrequente Ausgangssignal bei einer Gatespannung zwischen 25 V und 17 V kontinuierlich variabel war.
Während bei dieser Ausführungsform die Feldemissions-Elektronenquelle mit der o. g. Strom-Spannung-Charakteristik verwendet wird, kann auch eine Elektronenquelle mit anderer Strom-Spannung-Charakteristik verwendet werden. Alternativ kann anstelle einer Feldemissions-Kaltkathode jede andere Elektronenquelle mit einer Kaltkathode verwendet werden. Obwohl ein Potenziometer zum kontinuierlichen Variieren der Gatespannung verwendet wird, können auch beliebige andere spannungsvariable Schaltungen verwendet werden, solange die Schaltung über eine Ausgangsimpedanz unter der Impedanz des Gateeingangs aufweist. Ferner sollte der Variationsbereich der Gatespannung selbstverständlich so ausgewählt werden, dass er zum Bereich des gewünschten hochfrequenten Ausgangssignals passt.
Ferner wird eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetrons angegeben. Beim Magnetron gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Elektronenemissionselement 2a in zwei oder mehr Abschnitte unterteilt, die unabhängig gesteuert werden, um ein variables hochfrequentes Ausgangssignal zu erzielen. Die Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion eines Magnetrons gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Die Fig. 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in der Fig. 9.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Elektronenemissionselement 2a in fünf Abschnitte unterteilt. Als spezielles Verfahren zum Unterteilen des Elektronenemissionselements 2a wird die Gateelektrode 24 gleichmäßig in fünf Abschnitte unterteilt. Die Fig. 11 zeigt eine Änderung des hochfrequenten Ausgangssignals, zu der es durch Ändern der Menge der Elektronen kommt, wie sie in einer ausgewählten Anzahl der fünf Abschnitte, an die die Spannung angelegt wird, emittiert werden. Das Ergebnis zeigt, dass ein hochfrequentes Ausgangssignal proportional zur Anzahl der Abschnitte erzielt wird, an die die Spannung angelegt wird.
Während bei dieser Ausführungsform das Elektronenemissionselement 2a durch Unterteilen der Gateelektrode 24 unterteilt ist, besteht für das Unterteilungsverfahren keine Beschränkung hierauf, sondern es kann ein beliebiges von anderen Verfahren verwendet werden, z. B. ein Unterteilen der Emitterelektrode oder ein Unterteilen der Anodenelektrode. Selbstverständlich besteht für die Unterteilungsanzahl keine Beschränkung auf fünf, und gleichmäßige Unterteilung ist nicht wesentlich.
Während die Magnetrons der vorstehenden Ausführungsformen ein Feldemissions-Kaltkathodenarray als Elektronenemissionselement verwenden, besteht für das Elektronenemissionselement keine Beschränkung genau hierauf, sondern es kann eine Kaltkathode unter Verwendung des Tunneleffekts, mit pin-Übergang, mit Elektronen-Lawineneffekt und dergleichen verwendet werden. Das Gate wird auf dem Elektronenemissionselement ausgebildet, um die Emission von Elektronen zu erleichtern. Jedoch ist das Gate nicht wesentlich, und es kann durch einen einzelnen Emitter ersetzt werden. Ferner besteht für die Abmessungen und die Größe der Konfiguration, die angelegte Spannung, das angelegte Magnetfeld, die Schwingungsfrequenz, die Ausgangsleistung usw. keine Beschränkung nur auf die vorstehend angegebenen Werte.
Als Nächstes wird ein durch die Erfindung geschaffener Mikrowellenherd beschrieben, bei dem das o. g., erfindungsgemäße Magnetron als Mikrowellenquelle verwendet ist. Die Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, die eine Ausführungsform eines durch die Erfindung geschaffenen Mikrowellenherds zeigt. Eine Spannungsquellenschaltung 30 setzt eine über eine Sicherung FS und einen Türschalter DS zugeführte Netzwechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC) um, und liefert sie als Anodenspannung Ea an das Gebiet zwischen der Anode und der Kathode eines Magnetrons 31.
Eine Steuerschaltung 32, die die Gleichspannung von der Spannungsversorgungsschaltung 30 empfängt, steuert die Gatespannung Eb des Magnetrons 31 und stellt dessen Schwingungsausgangssignal ein. Die Steuerschaltung 32 erfasst die Temperatur des Magnetrons 31 mittels eines Temperatursensors 33, der nahe dem Magnetron 31 angeordnet ist. Wenn die Temperatur des Magnetrons 31 übermäßig ansteigt, stellt die Steuerschaltung 32 die Gatespannung Eb so ein, dass die Eingangsspannung des Magnetrons 31 beschränkt wird. Ferner steuert die Steuerschaltung 32 einen Relaiskontakt 34 auf ein/aus, um die an einen Kühllüftermotor 35 gelieferte Wechselspannung zu steuern.
Wenn die Größe des Magnetrons als Mikrowellenquelle so groß wie bei einem herkömmlichen Mikrowellenherd ist, muss das Magnetron dadurch in das Heizkammergehäuse eingebaut werden, dass die Anode des Magnetrons elektrisch mit diesem verbunden wird. In diesem Fall muss der herkömmliche Mikrowellenherd von der Netzspannung getrennt werden, um zu vermeiden, dass aufgrund der Hochspannung des Magnetrons ein elektrischer Schlag erlitten wird, wozu ein Trenntransformator erforderlich ist.
Diesbezüglich gewährleistet die Erfindung Isolation mittels eines Isolationsmaterials 42, selbst wenn eine Spannungsquelle 36 verwendet wird, die nicht gegen die Netzspannung isoliert ist, wobei ein Schritt ausgeführt wird, bei dem das Magnetron 31 an einer Wellenleiterröhre 41 des Heizkammergehäuses 40 mittels des Isolationsmaterials 42 befestigt wird. Dies erlaubt es, dass die Spannungsquelle 36 über eine einfache Schaltungsstruktur ohne Verwendung eines Trenntransformators verfügt. Die Spannungsquelle 36 verfügt über die Sicherung FS, den Türschalter DS, die Spannungsversorgungsschaltung 30 und die Steuerschaltung 32.
Als Nächstes wird eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrowellenherds beschrieben. Die Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrowellenherds zeigt. Diese Ausführungsform dient für den Fall, dass zwei Magnetrons 31A, 31B parallel betrieben werden. Die Gatespannungen Eb1, Eb2 werden unabhängig an die Magnetrons 31A bzw. 31B angelegt, wobei auch eine gemeinsame Anodenspannung Ea an diese angelegt wird. Die Magnetrons 31A, 31B werden unabhängig voneinander auf variable Weise gesteuert. Andere Konfigurationen sind gleich wie diejenigen in der vorstehenden Fig. 12.
Für die Ausführungsform, bei der die zwei Magnetrons 31A, 31B parallel betrieben werden, zeigt die Fig. 15, dass die Querschnittsfläche einer zu, erwärmenden Substanz, aus der Perspektive des Spannungsversorgungsabschnitts der Magnetrons 31A, 31B zur Innenseite des Gehäuses, dadurch ermittelt wird, dass, mittels eines Bildsensors 50, Bildinformation der im Heizkammergehäuse 40 zu erwärmenden Substanz F gelesen wird und die Kontur der zu erwärmenden Substanz F in einer Bildverarbeitungseinheit 51 entnommen wird.
In einer Arithmetikeinheit 52 werden die Ausgangssignale der Magnetrons 31A, 31B auf Grundlage eines vorbestimmten Werts für die Heizausgangsleistung von einer Ausgangssignal-Bestimmungseinheit 53 und der von der Bildverarbeitungseinheit 51 erhaltenen Querschnittsflächeninformation für die Substanz F bestimmt. Wenn z. B. die Querschnittsfläche aus der Perspektive des Spannungsversorgungsabschnitts des Magnetrons 31A den Wert SA hat, die Querschnittsfläche aus der Perspektive des Spannungsversorgungsabschnitts des Magnetrons 31B den Wert SB hat und der durch die Ausgangssignal-Bestimmungseinheit 53 vorbestimmte Ausgangsleistungswert PW ist, gilt für die Ausgangsleistung PA des Magnetrons 31A PA = PW · SA/(SA + SB) und für die Ausgangsleistung PB des Magnetrons 31B PB = PW · SB/(SA + SB). Jeder der vorbestimmten Ausgangsleistungswerte PA, PB wird dadurch gesteuert, dass die jeweiligen Gatespannungen Eb1, Eb2 eingestellt werden, wie sie von einer Steuereinheit 55 an die Magnetrons 31A, 31B geliefert werden, während eine Überwachung durch Stromerfassungseinheiten 54A, 54B erfolgt.
Die Fig. 16A-C zeigen ein Beispiel für die Verwendung eines Mikrowellenherds mit zwei Magnetrons. Die Fig. 16A zeigt ein Beispiel, bei dem das Magnetron 31A auf der Oberseite des Heizkammergehäuses 40 angeordnet ist und das Magnetron 31B an dessen Seite angeordnet ist. Der Bildsensor 50A ist auf der Oberseite des Heizkammergehäuses 40 angeordnet, und der Bildsensor 50B ist an dessen Seite angeordnet. Auf Grundlage der durch die Bildsensoren 50A, 50B erhaltenen Bildinformation für die zu erwärmende Substanz F, wie in den Fig. 16B und 16C dargestellt, wird in der Bildverarbeitungseinheit jede Querschnittsfläche erhalten.
Die Fig. 17A-C zeigen eine Änderung der Ausgangssignalverteilung der Magnetrons 31A, 31B abhängig von der Form einer zu erwärmenden Substanz F. Wenn die zu erwärmende Substanz F z. B. ein Nahrungsmittel ist, das in einem tiefen Behälter wie einem Glas platziert ist, wie es in der Fig. 17A dargestellt ist, wird das Ausgangssignal des Magnetrons 31A, das auf der Oberseite angeordnet ist, abgesenkt, und das Ausgangssignal des auf der Seite angeordneten Magnetrons 31B wird erhöht.
Wenn dagegen die zu erwärmende Substanz F ein Nahrungsmittel mit ovaler Form ist, wie ein Ei, wie in der Fig. 17B dargestellt, werden die Ausgangssignale der zwei Magnetrons 31A, 31B gleichgemacht. Wenn die zu erwärmende Substanz F ein Nahrungsmittel mit flacher Form wie eine Pizza ist, wie in der Fig. 17C dargestellt, wird das Ausgangssignal des auf der Oberseite angeordneten Magnetrons 31A erhöht, während das Ausgangssignal des auf der Seite angeordneten Magnetrons 31B verringert wird. Auf diese Weise kann das Mikrowellen-Emissionsmuster, das für die zu erwärmende Substanz F am geeignetsten ist, dadurch ausgewählt werden, dass die Ausgangssignale der zwei Magnetrons abhängig von der Form der zu erwärmenden Substanz F ausgewählt werden.
Während diese Ausführungsform demgemäß in Zusammenhang mit einem Fall beschrieben wurde, bei dem zwei Magnetrons zum Emittieren von Mikrowellen aus zwei Richtungen verwendet werden, können zusätzliche Magnetrons an der entgegengesetzten Seite, im Inneren oder dergleichen angeordnet werden, um dadurch für gleichmäßigere Erwärmung zu sorgen. Ferner zeigt diese Ausführungsform zwar ein Beispiel, bei dem das Ausgangssignal des als Schwingungsquelle verwendeten Magnetrons dadurch gesteuert wird, dass die Gatespannung gesteuert wird, jedoch kann das Ausgangssignal des als Schwingungsquelle verwendeten Magnetrons mittels einer hochfrequenten Spannungsquelle gesteuert werden.

Claims

1. Magnetron mit:

- einer Kaltkathode (2) mit einem Elektronenemissionselement (2a) zum Emittieren von Elektronen;

- einer unterteilten Elektrode (4), die dem Elektronenemissionselement (2a) gegenüberstehend parallel zu diesem angeordnet ist und auf ihrer der Kathode (2) zugewandten Seite über in ihr ausgebildete Hohlraumresonatoren verfügt; und

- einem Magnet (6) zum Erzeugen eines Magnetfelds (M) rechtwinklig zu einem zwischen die Kathode (2) und die unterteilte Anode (4) angelegten elektrischen Feld;

dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenemissionselement (2a) in einer geraden Linie oder einer Ebene auf einem Substrat (1) ausgebildet ist.

2. Magnetron nach Anspruch 1, bei dem das Elektronenemissionselement (2a) aus einem Array von Feldemissions-Kaltkathodenemittern (21) besteht.

3. Magnetron nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Länge des Elektronenemissionselements 2 πmE/eB² oder weniger in der Laufrichtung der vom Feuchtigkeitsgehalt emittierten Elektronen beträgt, wobei π das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu dessen Durchmesser ist, m die Elektronenmasse ist, E das angelegte elektrische Feld ist, e die Elektronenladung ist und B die Stärke des Magnetfelds ist.

4. Magnetron nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung (23) zum Ändern des hochfrequenten Ausgangssignals des Magnetrons durch Steuern der Menge der vom Elektronenemissionselement (2a) emittierten Elektronen.

5. Magnetron nach Anspruch 4, bei dem die Ausgangssignal-Änderungseinrichtung ein auf dem Elektronenemissionselement (2a) ausgebildetes Gate (23) aufweist.

6. Magnetron nach Anspruch 5 in Kombination mit einer Einrichtung (32) zum Steuern der an das Gate angelegten Gatespannung (Eb) zum Steuern der Menge der vom Elektronenemissionselement (2a) emittierten Elektronen.

7. Magnetron nach Anspruch 4, bei dem das Elektronenemissionselement (2a) in zwei oder mehr Abschnitte unterteilt ist und die Ausgangssignal-Änderungseinrichtung so betreibbar ist, dass sie die Abschnitte des Elektronenemissionselements unabhängig steuert, um das Hochfrequenz-Ausgangssignal zu ändern.

8. Mikrowellenherd mit einer Mikrowellenquelle zum dielektrischen Erwärmen einer in einer Heizkammer des Herds platzierten Substanz durch von der Mikrowellenquelle erzeugte Mikrowellenenergie, wobei die Mikrowellenquelle ein Magnetron (31) ist, das über eine Kaltkathode (2) mit einem Elektronenemissionselement (2a) zum Emittieren von Elektronen, eine unterteilte Anode (4), die dem Elektronenemissionselement (2a) gegenüberstehend und parallel zu diesem angeordnet ist und die auf ihrer der Kathode (2) zugewandten Seite über in ihr ausgebildete Hohlraumresonatoren verfügt, und einen Magnet (6) zum Erzeugen eines Magnetfelds rechtwinklig zu einem zwischen die Kathode (2) und die unterteilte Anode (4) angelegten elektrischen Feld verfügt; dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenemissionselement (2a) in einer geraden Linie oder einer Ebene auf einem Substrat angeordnet ist und es aus einem Array von Feldemissions-Kaltkathodenemittern (21) besteht.

9. Mikrowellenherd nach Anspruch 8, bei dem das Magnetron eine zwischen der Kaltkathode (2) und der unterteilten Anode (4) desselben ausgebildeten Gateelektrode (23) aufweist und ferner eine Einrichtung (23) zum Ändern des.

Mikrowellen-Ausgangssignals des Magnetrons durch Ändern der an die Gateelektrode (23) angelegten Gatespannung (Eb) vorhanden ist.

10. Mikrowellenherd nach Anspruch 9, ferner mit einer Einrichtung (33) zum Erfassen der Temperatur des Magnetrons, wobei die Mikrowellenausgangssignal-Änderungseinrichtung (32) so betreibbar ist, dass sie die Gatespannung (Eb) zum Absenken des Mikrowellen-Ausgangssignals steuert, wenn die durch die Temperaturerfassungseinrichtung (33) erfasste Temperatur des Magnetrons einen vorbestimmten Wert überschreitet.

11. Mikrowellenherd nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Magnetron (31) auf einem Heizkammergehäuse (40) angeordnet ist, wobei die Elektrode des Magnetrons elektrisch gegen dieses isoliert ist und bei dem eine nicht gegen eine externe Spannungsversorgung (AC) isolierte Gleichstromversorgung (36) als Versorgungsquelle für das Magnetron (31) dient.

12. Mikrowellenherd nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem mehrere Magnetrons (31A, 31B) an einem Heizkammergehäuse (40) angeordnet sind und er ferner über eine Steuerungseinrichtung (32) zum gleichzeitigen Betreiben der jeweiligen Magnetrons und zum unabhängigen Steuern des Mikrowellen- Ausgangssignals von den jeweiligen Magnetrons verfügt.

13. Mikrowellenherd nach Anspruch 12, ferner mit einer Formerkennungseinrichtung (50A, 50B) zum Erkennen von Formen zu erwärmender Substanzen, die in der Heizkammer des Herds platziert sind, wobei die Steuerungseinrichtung (32) das Verhältnis von Mikrowellen-Ausgangssignalen der jeweiligen Magnetrons abhängig von den durch die Formerkennungseinrichtung (50A, 50B) erkannten Formen der zu erwärmenden Substanzen einstellt.