(57)【要約】【課題】  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。【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、放射状に設けられるベーン１２を１つおきに電気的に接続するように環状のストラップ１３が設けられている。このストラップ１３は、少なくとも２種類の第１および第２のストラップ片１３１、１３２が接合されたものからなり、ベーン１２に近い側の第１のストラップ片１３１の熱膨張係数が、ベーン１２から遠い側の第２のストラップ片１３２の熱膨張係数より小さい材料により形成されている。【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、該放射状に設けられるベーンを１つおきに電気的に接続する環状のストラップと、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、前記ストラップが２種以上の熱膨張係数の異なる金属の接合体により形成され、マグネトロンの昇温時に、前記熱膨張係数の差に起因する反りにより、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】
前記ストラップを構成する２種以上の金属は、前記ベーンからの距離が近い側の金属の熱膨張係数が、該ベーンから遠い側の金属の熱膨張係数より小さくなるように設けら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】
前記ストラップは、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀、ならびにこれらの少なくとも１つを含有する合金よりなる群から選ばれる少なくとも２種の組合せにより形成されてなる請求項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、使用環境の変化ならびに自己の発熱による昇温に対しても、周波数特性の改善を行える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６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７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枚おきに電気的に接続する金属からなるストラップ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６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、該放射状に設けられるベーンを１つおきに電気的に接続する環状のストラップと、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、前記ストラップが２種以上の熱膨張係数の異なる金属の接合体により形成され、マグネトロンの昇温時に、前記熱膨張係数の差に起因する反りにより、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。
【０００７】
前記ストラップを構成する２種以上の金属は、前記ベーンからの距離が近い側の金属の熱膨張係数が、該ベーンから遠い側の金属の熱膨張係数より小さくなるように設けられていることにより、マグネトロンの昇温時に、熱膨張係数の差に起因する反りにより、ベーンから遠ざかり、ベーンとストラップ間のキャパシタンスが小さくなることにより、昇温による発振周波数の変動を抑制するように作用する。
【０００８】
前記ストラップは、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀、ならびにこれらの少なくとも１つを含有する合金よりなる群から選ばれる少なくとも２種の組合せにより形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
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、たとえば常温よりも上昇すると、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、ストラップが２種類以上の金属を接合して構成され、その金属は熱膨張係数の小さい金属がベーン側に、熱膨張係数の大きい金属がベーンから遠い側になるように接合されている。そのため、温度が上昇するとストラップはベーンから遠ざかるように反る。その結果、ストラップとベーンの距離が離れて両者の間に形成されるキャパシタンスＣ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ストラップ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、本発明のストラップ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。
【００１０】
前述のストラップが、コバール、モリブデン、白金、鉄、ニッケル、金、銅および銀、ならびにこれらの少なくとも１つを含有する合金よりなる群から選ばれる少なくとも２種の組合せにより形成されることにより、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。
【００１１】
以上説明したように、通常のマグネトロンの温度に対する周波数ドリフト特性により、使用時の発振周波数が２４ＭＨｚ程度変動していたが、本発明によりこの負の温度特性を軽減して補償することができるため、占有する周波数帯域幅を最小限に抑制することができる。
【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１枚のベーンとストラップ部の拡大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、放射状に設けられるベーン１２を１つおきに電気的に接続するように環状のストラップ１３が設けられ、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。
【００１３】
このストラップ１３は、その一例の一部の断面説明図が図１（ｂ）に拡大して示されるように、少なくとも２種類の第１および第２のストラップ片１３１、１３２が接合されたものからなり、ベーン１２に近い側の第１のストラップ片１３１の熱膨張係数が、ベーン１２から遠い側の第２のストラップ片１３２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のストラップ片１３１、１３２の熱膨張係数の差に起因する反りにより、ベーン１２から遠ざかり、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くすると共に、他のモードの発振を抑制し、さらに共振周波数を調整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】
ストラップ１３は、図１に示される例では、図１（ｂ）に一部の拡大断面説明図が示されるように、板状体のリング（厚さが薄く幅があるリング）である第１のストラップ片１３１と第２のストラップ片１３２とが２枚重ねて貼り付けられた構造の接合体からなっており、ベーン１２に近い側、すなわちベーン溝部１２１の径方向に沿った端面１２２ａに近い側の第１のストラップ片１３１は、ベーン１２（端面１２２ａ）から遠い側の第２のストラップ片１３２よりも熱膨張係数の小さい材料により形成されている。このような構成にすることにより、マグネトロンの動作に伴う昇温時に、第１および第２のストラップ片１３１、１３２の熱膨張係数の差に起因する反りにより、アノード１の温度による発振周波数の変動を抑制することができる理由について、以下に説明をする。
【００１６】
一般に、マグネトロンの発振周波数は、アノードの共振周波数で物理的に決定されるが、基本的にはベーン１２で囲まれた空胴のインダクタンス、ベーン１２とベーン１２との間に生ずるキャパシタンス、ストラップ１３のインダクタンス、およびストラップ１３とベーン１２との間のキャパシタンス、の４つの定数によって決まっている。このうち、ストラップ１３とベーン１２との間のキャパシタンスは、ストラップ１３を設けるためベーン１２に形成される溝部１２１の径方向に沿った端面１２２ａおよび軸方向に沿った端面１２２ｂとストラップ１３との間に形成されるキャパシタンスで、組立済みのマグネトロンでは、真空下での部品の対向する面積が一定であるため、両者の距離によってのみ変化する。
【００１７】
図１に示される例では、ストラップ１３が板状体から形成されたリングであるため、第
１および第２のストラップ１３１、１３２が貼り合されてもその厚さａは薄く、幅ｗが広い（図では厚さａが厚く書かれており、厚さａと幅ｗが余り変らないように書かれているが、幅ｗの方が十分に大きい）。そのため、ストラップ１３とベーン１２との間のキャパシタンスは、ベーン１２の溝部１２１の径方向に沿った端面１２２ａとストラップ１３との間のキャパシタンスの寄与が大きい。すなわち、一般に、２つのものの間のキャパシタンスＣは、その２つのものの対向する面積をＳ、距離をｄ、その間の誘電率をεとすると、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表され、対向面積が大きく、距離が近いところで大きなキャパシタンスになる。
【００１８】
いま、ストラップ１３は、第１のストラップ片１３１と第２のストラップ片１３２とが貼り合され、第１のストラップ片１３１の方が第２のストラップ片１３２より熱膨張係数が小さいため、マグネトロンが動作を始めて温度が上昇すると、熱膨張係数の大きい第２のストラップ片１３２の方が伸びる。そのため、第２のストラップ片１３２は図で上方に伸びて、第１のストラップ片１３１も上方に引っ張られ、ベーン１２の端面１２２ａから離れる方向に移動する。その結果、ベーン１２（端面１２２ａ）との距離が大きくなり、ストラップ１３とベーン１２との間のキャパシタンスは小さくなり、発振周波数を高くするように作用する。そして、本来のマグネトロンの動作による温度上昇に伴う発振周波数を低下させる性質を相殺することができ、動作による発振周波数の変化を相殺することができる。
【００１９】
図３は、９４１０ＭＨｚ帯マグネトロンの発振周波数と、ベーン１２およびストラップ１３間の距離との関係を示したものである。上記４つの定数のそれぞれの割合は、設計により変えることが可能であるが、この実施例によれば、全体では、ベーン１２とストラップ１３との間隔を１.３ｍｍ変化させたときに周波数が１１０ＭＨｚ変化することになる
。また、ベーン１２とストラップ１３間の距離と周波数変化量との関係は、比例関係を示さず、ベーン１２とストラップ１３の間隔が０.１ｍｍから０.３ｍｍの間での変化は、４０ＭＨｚ変化している。この変化量は２００ＭＨｚ／ｍｍと非常に大きく、ストラップ１３とベーン１２との間の距離を僅かに変えるだけで、所望する以上の周波数変を得ることが可能である。
【００２０】
図４は、ストラップ１３の温度変化に対する反り量を示したものである。たとえば無酸素銅とコバールとの組合せで、板厚を０.２５ｍｍとした場合、１００℃の変化で０.１６３ｍｍの反りが得られる。つまり、０.００１６３ｍｍ／℃ということになる。
【００２１】
この数値を図３のベーン１２およびストラップ１３の間隔と周波数変化量との関係に当てはめると、温度に対する周波数変化量は、０.３２６ＭＨｚ／℃となる。したがって、
マグネトロンの温度係数である−０.１７ＭＨｚ／℃を超える変化量を生み出すことがで
き、たとえば図３に示される周波数変化曲線上の所望する位置を選択することにより、マグネトロンの温度に対する周波数特性を相殺するように合せることが可能である。
【００２２】
ストラップ１３またはベーン１２の互いに対面する面の形状を変えることにより両者間のキャパシタンスが変化し、このとき同時に距離に対する変化量も増減させることができる。また、反りによる両者間の距離の変化量は、ストラップの板厚や、組み合せる金属の熱膨張係数から、自由度をもって変えることが可能である。さらにストラップのベーンと対向する面にあたる面積（ストラップ幅）を変えることも可能である。このように、キャパシタンスの温度に対する変化量は、自由に調整することができ、マグネトロンの発振周波数の温度係数を自由にコントロールすることが可能となる。
【００２３】
ストラップ１３として使用する第１および第２のストラップ片１３１、１３２は、熱膨張係数の異なる金属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。本発明者がこのストラップ１３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、ならびにこれらの少なくとも１種を含む合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。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
図１に示される例では、内側および外側に２重に設けられた両方のストラップ１３を共に第１および第２のストラップ片１３１、１３２の貼り合せ構造とし、第１のストラップ片１３１として、０.１２５ｍｍ厚のコバール板を、第２のストラップ片１３２として、
０.１２５ｍｍ厚の無酸素銅板を用い、その他の構造は前述の図１に示される構造でマグ
ネトロンを製造した。その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５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５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、２０ＭＨｚ程度占有する帯域幅を狭くすることができる。
【００２６】
図１に示される例では、薄板でリング状に形成されたストラップを用い、そのストラップ１３の面とベーン溝部１２１の径方向に沿ったの端面１２２ａとの対向部によるキャパシタンスを用いた。この場合、ストラップ１３のベーン１２と対向する部分のみで、そのストラップ１３の幅を広く形成しておくことにより、ストラップ１３とベーン１２との間に形成されるキャパシタンスが大きくなり、温度上昇による反りが発生するとキャパシタンスの変化量が多くなり、より顕著に周波数変化を補償することができる。
【００２７】
前述の例では、ベーン溝部１２１の端面１２２のうち、マグネトロンの軸方向と垂直な（径方向に沿った）ベーン溝部１２１の端面１２２ａとその端面に対向するストラップ１３との間のキャパシタンスを変化させる例であったが、前述のように、マグネトロンの軸方向と平行なベーン溝部１２１の端面１２２ｂとストラップ１３との間にもキャパシタンスが形成されており、このキャパシタンスを変化させても同様の周波数補正を行うことができる。その例が図２に示されている。
【００２８】
図２に示される例は、ストラップ１３が、軸方向の寸法である高さｈを大きく、径方向の寸法である厚さｔを小さく形成されており、ベーン１２の溝部１２１の軸方向に沿った端面１２２ｂとの間のキャパシタンスを利用している。この場合、ベーン溝部１２１の軸方向に沿った端面１２２ｂは、ストラップ１３を挟んで両側にあるため、溝部１２１の中心部にストラップ１３が存在すると、どちらにストラップ１３の反りが生じてもベーン１２との距離が一方で近くなり、他方で遠くなるので、キャパシタンスが変化する。そのため、マグネトロンの製造時に、ストラップ１３の位置を溝部１２１の中心部から一定距離ｂだけオフセットさせた状態で所望の発振周波数になるように他の部分で調整しておく。そして、オフセットさせた結果、ベーン１２に近い側に熱膨張係数の小さい第１のストラップ片１３１が、ベーン１２から遠い側に熱膨張係数の大きい第２のストラップ片１３２が位置するように接合されている。
【００２９】
なお、図２に示される例では第１のストラップ片１３１は内側のストラップ１３（図２で左側のストラップ１３）に近づいているが、内側ストラップ１３はベーン１２とロウ付されているため、ベーン１２と同電位で、ベーン１２に近い側に相当する。すなわち、ベーンに近いとは、ベーンそれ自体のみならず、ベーンとの間に別のストラップを有している場合も含む意味である。
【００３０】
このような構造になっていることにより、マグネトロンの動作により温度が上昇すると、熱膨張係数の大きい第２のストラップ片１３２が伸びてストラップ１３は反り、溝部１２１の中心側に変位する。その結果、ストラップ１３の第１のストラップ片１３１がオフセットにより近かった部分が離れてキャパシタンスは小さくなる。そのため、発振周波数は高くなるように作用し、本来のマグネトロンの動作による発振周波数の低下を相殺して、温度による発振周波数の変動を抑制することができる。なお、ストラップ１３の反りにより溝部１２１の中心部側に変位すると、第１のストラップ片１３１とベーン１２との距離は大きくなる反面、第２のストラップ片１３２はベーン溝部１２１の軸方向に沿った端面１２２ｂと近くなるが、前述のようにベーン１２とストラップ１３との距離が大きいところではキャパシタンスの変化は少ないのに対して、近づくとその変化量が大きくなるため、近づけたストラップ１３が離れると顕著にキャパシタンスが低下するのに対して、第２のストラップ片１３２がベーン１２に近づくことによるキャパシタンスの増加は顕著ではないため、キャパシタンスの低下として現れる。
【００３１】
この場合、ストラップ１３を溝部１２１の中心から変位させるには、ストラップ１３の径自身を小さくして変位させる（またはベーンの溝部の位置を変位させる）こともできるし、マグネトロンの製造の際に、ストラップ１３をロウ付けした後に、ベーン１２の部分だけを変形させてベーン１２に近づけることもできる。
【００３２】
前述の各例では、２重ストラップの例で、外側ストラップ（径の大きい方のストラップ）についてのみ説明をしたが、内側のストラップについても第１のストラップ片１３１と第２のストラップ片１３２との接合体を用いることにより、同様に動作時の発振周波数を高くする作用をし、両方に適用すれば、より多くの発振周波数の補正を行うことができる。また、逆に一方のストラップは従来通りの１種類の金属で変形しないように形成することもできる。さらに、前述の各例では、ベーン１２の軸方向で一端側にのみストラップ１３が設けられる例であったが、ベーンの軸方向の両側にストラップが設けられる場合でもよく、この場合でも両側のストラップの全部を異種金属の接合にすることもできるし、その中の一部のストラップのみを異種金属の接合にすることもできる。また、ストラップの数も２重ストラップに限らず、３重ストラップ、４重ストラップなど種々の構造が実用化されているが、どの構造にも本発明を適用することができる。
【００３３】
異種金属の接合によるストラップが多いほど周波数の変動を大きくすることができるが
、マグネトロンの構造、異種金属の組合せなどにより、その発振周波数の補正の絶対量は異なり、また、マグネトロンの発振周波数のドリフト量もマグネトロンにより異なり、マグネトロンに応じて、所望の補正量になるように異種金属の接合部の数、異種金属の組合せなどを設定することができる。なお、異種金属の組合せも、２種には限定されず、３種以上の金属片を接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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のストラップ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、ベーンとストラップとの距離に対する発振周波数の変化の関係を示す図である。
【図４】コバールと無酸素銅とを貼り合せたストラップの温度に対する反り量の関係を示す図である。
【図５】図１に示される構造のマグネトロンで、アノード外壁温度に対する発振周波数の変化の関係を示す図である。
【図６】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７】従来のマグネトロンの構成説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    アノード
２    カソード
３    ポールピース
１１    アノードシェル
１２    ベーン
１３    ストラップ
１３１  第１のストラップ片
１３２  第２のストラップ片
【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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