(57)【要約】【課題】  環境温度などが変動しても、発振周波数の変動を小さく抑制し、占有する周波数帯域幅を最小限に抑えることができる構造のマグネトロンを提供する。【解決手段】  円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、複数個のベーン１２が中心に向って放射状に設けられることによりアノード１が形成され、その中心部にアノードシェル１１の軸方向に沿ってカソード２が設けられている。そして、ベーン１２の軸方向側の端部と対向させて金属片５が設けられている。この金属片５は、少なくとも２種類の第１および第２の金属片５１、５２が接合されたものからなり、ベーン１２側の第１金属片５１の熱膨張係数が、ベーン１２側と反対側の第２金属片５２の熱膨張係数より小さい材料により形成されることにより、マグネトロンの動作に伴う昇温時に、ベーン１２に近づいて、発振周波数の変動を抑制するように設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のアノードシェル内周壁に複数個のベーンが中心に向って放射状に設けられることにより隣接するベーン間に共振空胴が形成されるアノードと、該ベーンの先端部で囲まれる前記アノードシェルの中心部に該アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードとを有するマグネトロンにおいて、前記共振空胴に対向させて金属片が設けられ、該金属片は、前記ベーン側の金属の熱膨張係数が該ベーン側と反対側の金属の熱膨張係数より小さくなるように、熱膨張係数の異なる少なくとも２種類の金属片を接合したものからなり、マグネトロンの動作に伴う昇温時に、前記熱膨張係数の差に起因する反りにより、前記共振空胴に近づき昇温による発振周波数の変動を抑制するように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】
前記金属片が前記共振空胴に近づき、前記共振空胴のインダクタンスを小さくすることにより、前記発振周波数の変動を抑制する請求項１記載のマグネトロン。
【請求項３】
前記金属片は、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀よりなる群から選ばれる少なくとも２種の組合せからなる請求項１または２記載のマグネトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を発振するマグネトロンに関する。さらに詳しくは、使用環境ならびに自己の発熱による昇温に対しても発振周波数が余り変化しない、周波数特性が改善された構造のマグネトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ波を放射する装置に対して、スプリアス放射の規制が厳しくなる傾向にある。その傾向の中にあって、パルスマグネトロンの基本発振周波数近傍の放射についても規制が厳しくなりつつある。レーダに使用されるマグネトロンは、パルス動作をするため、その発振出力のスペクトラムは、主ローブの他に側帯にたくさんのローブをもち、図５に示されるような特性を有している。このスペクトラム特性は、マグネトロンの出力パルス幅でほぼ決まり、ショートパルスになるほど帯域幅が増大する。この増大した占有帯域幅を抑えるために、フィルタなどを装着する方法が採られている。
【０００３】
従来のマグネトロンは、図６に要部の断面説明図が示されるように、円筒状のアノードシェル１１の内周壁に中心に向かって放射状に延びるベーン１２が複数個設けられ、そのベーン１２間に共振空胴を形成したアノード１とされ、ベーン１２の先端部で囲まれた空間にカソード２が設けられている。ベーン１２には、１個おきに連結するストラップ１３が設けられ、ベーン１２により囲まれる共振空胴の位相をπラジアン異ならせ、πモードで発振しやすくされている。なお、３は、ベーン１２の先端とカソード２との間の作用空間に磁界を集中させるためのポールピースである。この構造のマグネトロンの発振周波数は、一般的に温度が上昇すると低下するという負の温度特性を有しており（たとえば非特許文献１参照）、マグネトロンが設置される環境の温度およびマグネトロン自身の発熱による昇温により、マグネトロンのアノード温度が変化するため、発振周波数の占有周波数帯域幅Ｐは、たとえば環境温度が−４０℃から１２０℃までの変化を想定すると、図５に示されるように、１７０ＭＨｚ程度とさらに広い範囲のものとなる。
【非特許文献１】「マグネトロン  キャラクタリスティクス（Magnetron Characteristics）」、イーツーブイ  テクノロジー（e2v technologies）社、［平成１５年１１月１２日検索］、インターネット＜URL:http://e2vtechnologies.com/education/mag_characteristics_nojs.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、前述の構造のマグネトロンでは、その使用環境により周囲の温度範囲が、−４０〜＋１２０℃程度まで変ることが想定されるため、その環境で、前述の発振周波数の温度特性が−０.１５ＭＨｚ／℃とすると、２４ＭＨｚ変動することになる。そのため、発振スペクトラムの帯域幅を抑えるためのフィルタを装着しても、昇温と共に発振周波数が変動し、帯域幅規制値に収まるスペクトラムを確保することができないという問題がある。一方、このような昇温による周波数変動を考慮して帯域幅規制の要求を満たそうとすると、周波数帯域幅は、非常に広い範囲となり、フィルタの性能を非常に向上させなければならないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、使用する環境温度などが変動しても、発振周波数の変動を小さく抑制し、占有する周波数帯域幅を最小限に抑えることができる構造の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】
【０００６】
本発明によるマグネトロンは、円筒状のアノードシェル内周壁に複数個のベーンが中心に向って放射状に設けられることにより隣接するベーン間に共振空胴が形成されるアノードと、該ベーンの先端部で囲まれる前記アノードシェルの中心部に該アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードとを有するマグネトロンにおいて、前記共振空胴に対向させて金属片が設けられ、該金属片は、前記ベーン側の金属の熱膨張係数が該ベーン側と反対側の金属の熱膨張係数より小さくなるように、熱膨張係数の異なる少なくとも２種類の金属片を接合したものからなり、マグネトロンの動作に伴う昇温時に、前記熱膨張係数の差に起因する反りにより、前記共振空胴に近づき昇温による発振周波数の変動を抑制するように設けられることを特徴とする。
【０００７】
ここにベーンとは、個々のアノード共振空胴を仕切る隔壁を意味し、通常のアノードシェル内周壁に接続固定される板状の陽極片のみならず、ライジングサン型などのように、アノードシェルと一体物にスリットやスロットが形成されることにより、複数個の小空胴に分割されて共振空胴が形成される場合の小空胴間の隔壁なども含む意味である。
【０００８】
前記金属片が前記共振空胴に近づき、前記共振空胴のインダクタンスを小さくすることにより、前記発振周波数の変動を抑制する構造であれば、負の温度係数を有するマグネトロンの温度ドリフトを抑制しやすいため好ましい。
【０００９】
前記金属片は、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀よりなる群から選ばれる少なくとも２種の組合せからなることが好ましい。マグネトロンの種類に応じたドリフト量などに合せて材料の組合せを選択することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この構造にすることにより、環境温度の変化などにより、マグネトロンの動作時のアノード温度が変化し、たとえば通常よりも上昇すると、通常のマグネトロンでは、その負の温度係数により発振周波数が低下する特性を有しているが、本発明のマグネトロンでは、共振空胴を構成するベーンの軸方向端部側に金属片が設けられ、その金属片は熱膨張係数の小さい金属が共振空胴側に、熱膨張係数の大きい金属が共振空胴と反対側になるように接合されている。このため、温度が上昇すると金属片は共振空胴に近づくように反る。その結果、金属片は共振空胴に近づき、共振空胴のインダクタンスＬが減少し、発振周波数を上昇させる作用をする。そして、マグネトロン本来の負の温度特性と本発明による金属片の作用の両者が相殺され、温度による発振周波数の変化が殆ど生じない。すなわち、温度が上昇する場合、通常の発振周波数を下げる作用と、本発明の金属片による発振周波数を上げる作用とが相殺して、温度が上昇しても余り発振周波数が変化しない。温度が下がる場合も周波数が逆方向に変動するだけで、同様に相殺され、発振周波数の変動を抑制することができる。
【００１１】
前述の金属片が、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀よりなる群から選ばれるこにより、真空管内に入れてもガスの放出は殆どなく、しかも、熱膨張係数の組合せを選択することができるため、マグネトロンの種類などによる温度に対する周波数変化に応じて材料を選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、図面を参照しながら本発明のマグネトロンについて説明をする。本発明によるマグネトロンは、図１（ａ）〜（ｂ）にその一実施形態の縦断面説明図およびそのアノード部分の底面説明図が示されるように、円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、複数個のベーン１２が中心に向って放射状に設けられ、隣接するベーン１２間に共振空胴が形成されることによりアノード１が形成され、そのベーン１２の先端部で囲まれるアノードシェル１１の中心部にアノードシェル１１の軸方向に沿ってカソード２が設けられている。そして、ベーン１２の軸方向側の端部と対向させてアノードシェル１１に接続される金属片５が設けられている。
【００１３】
この金属片５は、その一例の一部の斜視説明図が図１（ｃ）に示されるように、少なくとも２種類の第１および第２の金属片５１、５２が接合されたものからなり、ベーン１２側の第１金属片５１の熱膨張係数が、ベーン１２側と反対側の第２金属片５２の熱膨張係数より小さい材料により形成されることにより、マグネトロンの動作に伴う昇温時に、第１および第２の金属片５１、５２の熱膨張係数の差に起因する反りにより、共振空胴（ベーン１２）に近づき、アノード１の温度による発振周波数の変動を抑制するように設けられていることに特徴がある。
【００１４】
マグネトロンの基本的な構成は、たとえば図１（ａ）に縦断面の説明図が示されるように、たとえば無酸素銅などからなる円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、一端部が固着され、その一端部と対向する先端部がアノードシェル１１の中心に向かって放射状に延びるように、複数個のベーン（アノード片）１２が設けられることにより隣接するベーン１２間に共振空胴が複数個形成され、この複数個の共振空胴の全体でアノード共振空胴が形成されることによりアノード１を構成しており、そのアノードシェル１１の中心部に軸方向に沿ってカソード２が設けられている。このベーン１２を１個おきにストラップ１３により連結して、それぞれπラジアン位相を異ならせることにより、πモード発振をしやすい構造に形成されている。そして、ベーン１２の先端部とカソード２とが対向する作用空間にカソ−ド２とほぼ平行な磁界を印加し得るように、１組の鉄などからなるポールピース３が設けられて磁界が印加される構成になっている。カソード２から放出される電子は、作用空間に印加される電磁界により電子が曲げられ、周回することによりエネルギーを空胴に与え、発振するように形成されている。
【００１５】
図１に示される例では、アノードシェルの内周壁に複数枚のベーンを固着して共振空胴を複数個形成するベーン構造のマグネトロンが示されているが、アノードがスリットにより分割されて多分割にされたラインジングサン型や、アノードシェルと一体物にスロットが形成されることにより複数個の小空胴にされる場合などでも、小空胴の隔壁をベーンと見なして同様に本発明を適用することができる。
【００１６】
金属片５は、図１に示される例では、図１（ｂ）に図１（ａ）のポールピース３とカソード２を除去した底面図が示されるように、アノードシェル１の内周壁にその外周が固着されるリング状の板状体で、円周に沿ったスリット５ａおよびそのスリット５ａの端部を内周側に曲げることにより円周方向の連続を切断する切断部５ｂが形成されることにより、アノードシェル１１との接続部５ｃおよび分離部５ｄが形成され、分離部５ｄは、一端部５ｅが接続部５ｃを介してアノードシェル１１に固定され、他端部５ｆが自由端とされてＬリングの形状に形成されている。図１に示される例では、この分離部（Ｌリング）５ｄが円周方向に沿って４個形成されている。
【００１７】
この金属片５は、図１（ｃ）に一部の斜視説明図が示されるように、第１および第２の金属片５１、５２が主に一端部５ｅおよび他部端部５ｆの両端部で接合されている。ベーン１２側となる第１金属片５１は、ベーン１２側と反対側となる第２金属片５２の材料よりも熱膨張係数の小さい材料になるように両金属片５１、５２の材料が選定されている。第１および第２の金属片５１、５２は、全面で接合されていてもよいが、前述の一端部５ｅおよび他端部５ｆの両端部が少なくとも接合されていればよい。すなわち、温度が上昇した際に両金属片５１、５２の熱膨張係数の相違に基づく反りを得ることを目的として熱膨張係数の異なる金属片５１、５２が接合されている。そのため、図１（ｃ）に示されるように、第１および第２の金属片５１、５２が接合される部分は、少なくとも分離部５ｄの部分が接合されていればよく、接続部５ｃは一方の金属片のみの方が、アノードシェル１１と熱膨張係数の差が小さい材料で信頼性よく固着することができるため好ましい。しかし、接続部５ｃも含めて両金属片５１、５２を接合させてもよい。
【００１８】
前述のように、金属片５は温度変化の際に、反りを得ることを目的として設けられているため、その湾曲性を考慮すると、第１および第２の金属片５１、５２は、厚さがそれぞれ０.５ｍｍ以内であることが好ましく、さらに好ましくは０.０５〜０.２ｍｍ程度であった。この第１および第２の金属片５１、５２は熱膨張係数の異なる材料を用いる必要があるが、マグネトロンは真空管で、しかもアノードの内部は高温になるため、高温に耐えられ、かつ、ガス放出の少ない材料である必要がある。本発明者らがこの金属片５として最適な材料を検討した結果、コバール、モリブデン、無酸素銅、鉄、金、銀、ニッケル、白金の群からなる材料より所望の熱膨張係数の材料を選択し、組み合せることが好ましいことを見出した。これらの材料の２０℃における線膨張率（×１０-6／℃）を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
図１に示される例では、第１金属片５１として、０.１ｍｍ厚のコバール板を、第２金属片５２として、０.１ｍｍ厚の無酸素銅板を用い、その分離部５ｄの部分のみに第１金属片５１を接合させ、その一端部５ｅおよび他端部５ｆの両端部のみで、ロウ材を用いて接着されている。なお、金属片５の接続部５ｃは、その外周がアノードシェル１１の内周壁にロウ材などにより固着されている。その結果、分離部５ｄは、その一端部５ｅが接続部５ｃを介してアノードシェル１１の内周壁に固着された固定端となり、他端部５ｆがフリーの状態で可動端となるＬリングの形状になっている。
【００２１】
このように、熱膨張係数の異なる少なくとも２種類の金属からなる第１および第２の金属片５１、５２が接合され、その一端部５ｅが固定端とされて他端部５ｆが可動端となっているため、たとえば温度が上昇すると第１金属片５１は熱膨張係数が小さく、第２金属片５２は熱膨張係数が大きいため、第２金属片５２の方が膨張が大きく、金属片５は第１金属片５１側に曲がる。すなわち金属片５は、ベーン１２、換言すれば共振空胴に近づく方向に曲がる。その結果、共振空胴のインダクタンスが減少し、共振空胴の共振周波数、換言すればマグネトロンの発振周波数を高くする作用をする。この金属片５は、第１および第２の金属片５１、５２の熱膨張係数の差が大きいほど、また、分離部５ｄの固定端５ｅと可動端５ｆとの距離（長さＭ）が大きいほど、金属片５の曲がりが大きくベーン１２に近づきやすい。そして、ベーン１２に近づけば近づくほど、また、近づく金属片５の面積が大きいほど発振周波数を高くする作用をする。一方、温度が下がれば、金属片５は空胴共振器から離れる方向に曲り、全く逆の作用をする。
【００２２】
図１に示される例では、このようなＬリングの形状をした分離部５ｄが４個アノードシェル１１の内壁に取り付けられた構造になっている。ｘバンド（９ＧＨｚ帯）用のマグネトロンで、図１に示されるリング状の金属片５を設けると、その内径は１８ｍｍ程度（分離部５ｄの幅Ｄが２ｍｍ程度）で、１個の分離部（Ｌリング）５ｄの長さＭは１０ｍｍ程度に形成することができる。前述のように、たとえば第１金属片５１としてコバールが用いられ、第２の金属片５２として無酸素銅が用いられていることにより、Ｌリング５ｄの長さＭが前述の１０ｍｍであると、１００℃で、その可動端は０.２５ｍｍ湾曲することになる。この形状の金属片５の可動端とベーン１２端部（軸方向端部）との距離を変化させた場合に、共振周波数の関係を調べた結果が図３に示されている。図３において、縦軸は可動端のベーン端部との距離が２ｍｍのときの発振周波数を基準（０）として、変化分で表示してある。
【００２３】
図３から、１５ＭＨｚ変化させるのに、分離部（Ｌリング）５ｄの可動端の変化量が０.１２ｍｍあればよいことが分る。従来のマグネトロンの温度による発振周波数のドリフト量は、およそ−１５０ｋＨｚ／℃程度であるため、１００℃では１５ＭＨｚドリフトすることになるが、前述のように、金属片５の可動端を０.１２ｍｍ変化させれば、１００℃の温度変化分の温度補償を行うことができる。その結果、前述の構成によれば１００℃で０.２５ｍｍ湾曲させることができるため、必要な温度補償範囲をカバーしており、第１金属片５１にコバールより熱膨張係数の大きい白金または鉄を用いたり、第１金属片５１としては、コバールまたはモリブデンのままで、分離部５ｄの幅Ｄを狭くしたり、長さＭを短くしたりすることにより、マグネトロンのドリフトに対応した周波数変化に調整することができる。なお、長さＭを短くすると、曲る量が減るのみならず、可動端とベーンとの間隔を同じにしても発振周波数の変化に対する寄与も変化するため、その両方を考慮しながら調整することになる。
【００２４】
前述の構造で、長さＭを８ｍｍに調整し、その他は前述の構造および材料例で製造したマグネトロンのアノード外壁温度を、環境温度を変えることにより変化させ、そのときの発振周波数の変化を調べた。その結果が図４に本発明として示されるように、−４０℃から１２０℃まで変化させても、発振周波数は２ＭＨｚ程度しか変化しないのに対して、従来構造のマグネトロンによる同様の発振周波数の変化が図４に従来構造として対比して示されるように、２４ＭＨｚ程度変化し、２２ＭＨｚ程度占有する帯域幅を狭くすることができる。
【００２５】
前述の例では、金属片５がアノードシェル内周壁に固着できる構造の金属リングにスリットを形成することにより、接続部５ｃと分離部５ｄとを形成して、Ｌリング形状の分離部５ｄの曲げを利用したが、たとえば図２（ａ）に示されるように、直接Ｌリング形状の金属片５として形成し、そのＬの底部側を直接アノードシェルの内周壁に固定する構造にしてもよい。また、その長さ、幅は自由に設定することができ、個数（４個には限定されない）、長さ、幅などを調整することにより、所望の温度係数を相殺することができる。このようなＬリング形状にすることにより、固定端と可動端との距離を大きくすることができて、曲げによる変化量を大きくすることができるため好ましいが、金属片５としては、このようなＬリング形状には限定されない。
【００２６】
図２（ｂ）に示される例は、図１（ｂ）と同様の図が示されており、固定端５ｅと可動端５ｆとの方向がアノードシェル１１の周方向ではなく、径方向に形成された例である。すなわち、固定端５ｅ側は全体に亘ってアノードシェル１１に固着され、可動端５ｆがアノードシェル１１の中心側に張り出して形成されている。このように形成されることにより、固定端５ｅと可動端５ｆとの距離Ｎが小さいため、ベーン１２側に近づく距離は小さ
くなるが、第１金属片５１および第２金属片５２に、その熱膨張係数の差の大きい材料を用いたり、その幅（Ｎ）を大きくしたり、円周方向の大部分に設けて近づく面積を大きくしたりすることにより、温度変化により曲げを得ることができると共に、広い面積に亘って間隔を変化させることができるため、発振周波数のドリフトを充分に補償することができる。また、この場合は、各小空胴（ベーンに挟まれた共振空胴）に比較的均一に金属片５を接近させることができるため、安定した周波数特性を得ることができる。
【００２７】
なお、この例の場合も、アノードシェル１１との固着部は第２金属片または第１金属片のみとして、それ以外の部分で第１および第２の金属片を接合する構造にすることもできる。
【００２８】
上述の温度補償量の可変は、マグネトロンの共振空胴のリアクタンス分をどれだけ温度で変化させるかの関数となる。したがって、上記のような構成のもとで、金属片の配置を変えることにより、温度補償量を適宜選択することができ、マグネトロンの種類（構造により周波数変動の程度が異なる）に応じて、金属片の厚さ、長さ、大きさ、材料の組合せなどを適宜設定することができる。また、効果を増すために、異種金属片の形状を工夫することができ、上記の実施例のように、必ずしも４分割にする必要はない。また、可動端側に突起部を設けるなどの工夫を施すことにより、さらに効果を大きくすることができる。
【００２９】
さらに、前述の各例では、異種金属が第１および第２の金属片のみで構成されていたが、３種以上の金属片を接合してもよい。また、前述の例では、金属片５がベーン１２のストラップ１３が設けられない側のみに設けられていたが、ストラップの有無には関係なくどちらに設けられてもよいし、ベーン１２の両端部側に設けられてもよい。なお、ストラップ１２も図１に示される例に限定されるものではなく、ベーン１２の両側端部に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるマグネトロンの一実施形態を説明する図である。
【図２】図１の金属片の変形例を示す説明図である。
【図３】図１に示される構造で、金属片の可動端とベーンとの距離に対する周波数変化の関係を示す図である。
【図４】マグネトロンのアノード外壁温度の変化に対する発振周波数の変化の関係を示す図である。
【図５】従来のマグネトロンによるスペクトラム波形を、アノードの外壁温度が−４０℃と１２０℃の場合の両方で示した図である。
【図６】従来のマグネトロンの構成説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    アノード
２    カソード
３    ポールピース
５    金属片
１１    アノードシェル
１２    ベーン
１３    ストラップ
５１    第１金属片
５２    第２金属片
【図１】
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【図２】
2005158276.tif 000005
【図３】
2005158276.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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