(57)【要約】【課題】高周波の伝送効率を維持しつつ、生産効率を向上させることができる高周波窓構造体及び高周波デバイスを提供する。【解決手段】高周波窓構造体１０は、加圧室（非真空室）から真空室へ高周波を通過させるものであって、高周波窓２０とタブ（外囲部）３０とを備える。高周波窓２０は、高周波窓基体が高周波を透過する素材で構成され、加圧室と真空室とを気密に区画する。タブ３０は、高周波窓基体の素材であるアルミナの熱膨張係数の０．７倍以上１．４倍以下の範囲内の鉄ニッケルコバルト合金で構成され、加圧室に連通する第１の空間３５Ａと真空室に連通する第２の空間３５Ｂが形成された筒状の外囲部基体、電気抵抗率が２．６５×１０−８Ω・ｍ以下の素材で構成され、外囲部基体の筒状の内周面に、高周波窓２０に接するように形成される表面層、を有し、高周波窓２０が外囲部基体の筒状の内周面に熱接合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非真空室から真空室へ高周波を通過させる高周波窓構造体であって、
高周波窓基体が前記高周波を透過する素材で構成され、前記非真空室と前記真空室とを気密に区画する高周波窓と、
前記高周波窓基体の素材の熱膨張係数の０．７倍以上１．４倍以下の熱膨張係数の素材で構成され、前記非真空室に連通する第１の空間と前記真空室に連通する第２の空間が形成された筒状の外囲部基体、電気抵抗率が２．６５×１０−８Ω・ｍ以下の素材で構成され、前記外囲部基体の筒状の内周面に、前記高周波窓に接するように形成される表面層、を有し、前記高周波窓が前記外囲部基体の筒状の内周面に熱接合されている外囲部と、
を備える高周波窓構造体。
【請求項２】
前記外囲部基体と前記表面層との間には、前記外囲部基体に対する前記表面層の密着性を高める素材で構成された中間層が形成されている請求項１に記載の高周波窓構造体。
【請求項３】
前記中間層は、前記外囲部基体の表面上に施されたニッケルめっきで構成され、
前記表面層は、前記中間層上に施された銅めっきで構成されている請求項２に記載の高周波窓構造体。
【請求項４】
前記高周波窓基体の素材は、セラミックであり、
前記外囲部基体の素材は、鉄ニッケルコバルト合金である請求項１から３のいずれか一項に記載の高周波窓構造体。
【請求項５】
前記高周波窓は、ロウ付けによって前記外囲部に熱接合されている請求項１から４のいずれか一項に記載の高周波窓構造体。
【請求項６】
前記高周波窓及び前記外囲部が内部に配置される筐体を備え、
前記外囲部と前記筐体との間には、前記高周波窓を冷却するために用いられる流体が流れる流体通路が形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の高周波窓構造体。
【請求項７】
前記外囲部の一部が外部に露出することで、前記高周波窓の熱を外部に放熱する放熱部として構成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の高周波窓構造体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の高周波窓構造体を備える高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波窓構造体及び高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
クライストロンや進行波管の真空管において、非真空室から真空室に高周波を通過させる場合、非真空室からの高周波は、非真空室と真空室とを気密に区画する高周波窓を透過してから真空室に通過される（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−０２３６０１号公報
【特許文献２】特開平０５−０９０８０５号公報
【特許文献３】特開平０２−１４４８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２に記載された高周波窓構造体は、銅めっきが施されたセラミック板からなる高周波窓と、高周波窓を囲う外囲部とを備える。高周波窓は、セラミックの熱膨張係数よりも大きいステンレス又は銅からなる外囲部の内部に、ロウ付けによって接合される。ロウ付け工程では、高周波窓及び外囲部に熱が加わるため、高周波窓と筐体部との間に熱膨張率差が生じ、セラミック板からなる高周波窓が破損し易くなる。この結果、生産効率が低くなるおそれがあった。
【０００５】
特許文献３に記載された高周波窓構造体では、外囲部は、鉄にニッケル、コバルトを配合した合金である鉄ニッケルコバルト合金（コバール（商品名））からなる。鉄ニッケルコバルト合金は、ステンレスや銅よりも熱膨張率の小さい材料であるため、ロウ付けの際に生じる高周波窓の破損率を抑制することができる。しかしながら、鉄ニッケルコバルト合金は、ステンレスや銅に比べて電気抵抗率が大きいため、外囲部の素材に鉄ニッケルコバルト合金を用いた場合、高周波窓構造体の高周波の伝送効率が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、高周波の伝送効率を維持しつつ、生産効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係る高周波窓構造体は、非真空室から真空室へ高周波を通過させる高周波窓構造体であって、高周波窓と外囲部とを備える。高周波窓は、高周波窓基体が高周波を透過する素材で構成され、非真空室と真空室とを気密に区画する。外囲部は、高周波窓基体の素材の熱膨張係数の０．７倍以上１．４倍以下の熱膨張係数の素材で構成され、非真空室に連通する第１の空間と真空室に連通する第２の空間が形成された筒状の外囲部基体、電気抵抗率が２．６５×１０−８Ω・ｍ以下の素材で構成され、外囲部基体の筒状の内周面に、前記高周波窓に接するように形成される表面層、を有し、高周波窓が外囲部基体の筒状の内周面に熱接合されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、外囲部の表面層は、２．６５×１０−８Ω・ｍ以下の電気抵抗率の小さな素材からなるため、高周波の伝送効率の低下が抑制される。また、外囲部基体の熱膨張係数は、高周波窓基体の熱膨張係数の０．７倍以上１．４倍以下であり、高周波窓基体の熱膨張係数に近似した値であるため、高周波窓を外囲部に熱接合する場合、熱膨張率差に起因した高周波窓の破損が生じにくくなる。結果として、高周波の伝送効率を維持しつつ、生産効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高周波窓構造体の斜視図である。
【図２】高周波窓構造体の断面図である。
【図３】高周波窓及びタブの分解斜視図である。
【図４】図２のＡの拡大断面図である。
【図５】実施の形態２に係る高周波窓構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る高周波窓構造体について、図１〜図４を用いて説明する。なお、理解を容易にするために、ＸＹＺ座標を設定し、適宜参照する。
【００１１】
高周波窓構造体１０は、例えば、クライストロンや進行波管の真空管に用いられ、高周波を利用する高周波デバイスに組み込まれて使用される。なお、本発明における「高周波」は、３００ＭＨｚ以上の周波数の電波をいう。図１及び図２に示すように、高周波窓構造体１０は、高周波窓２０と、高周波窓２０を囲うタブ（外囲部）３０と、シリンダー４０Ａ，４０Ｂと、フランジ５０Ａ，５０Ｂと、導波管１１Ａ，１１Ｂとを備える。
【００１２】
高周波窓２０は、図３に示すように、高周波を透過する円板形状の部材である。高周波窓２０は、タブ３０にロウ付けによって熱接合されている。
【００１３】
高周波窓２０は、図４に示すように、基体２１と、基体２１に形成されたメタライズ層２２と、ロウ付け層２３とを有する。
【００１４】
基体２１は、セラミックからなる。好ましくは、基体２１の素材は、アルミナである。ただし、これに限られず、基体２１の素材は、高周波を良好に透過する素材であれば、アルミナ以外の素材であってもよい。しかしながら、高周波の透過性及び素材のコストの観点から、アルミナが好ましい。基体２１の側面２１ａ，２１ｂと外周面２１ｃとによって規定される角は、面取り加工によってＣ面が形成されている。Ｃ面は、側面２１ａ，２１ｂの外周円の全周に形成されている。
【００１５】
メタライズ層２２は、モリブデンマンガン合金層とニッケルめっき層とを有し、メタライズ法によって形成されている。このメタライズ層２２の厚みは、本実施の形態においては、およそ１０μｍである。
【００１６】
モリブデンマンガン合金層は、基体２１の外周面２１ｃ上に形成されている。モリブデンマンガン合金層は、例えば、基体２１の外周面２１ｃにモリブデンマンガン粉末（Ｍｏ−Ｍｎ粉末）を塗布し、特定の温度で焼結されることによって形成される。
【００１７】
ニッケルめっき層は、モリブデンマンガン合金層上に形成されている。ニッケルめっき層は、例えば、モリブデンマンガン合金層上にニッケルめっきが施されて、特定の温度で焼結されることによって形成される。
【００１８】
ロウ付け層２３は、メタライズ層２２上に形成されている。ロウ付け層２３は、例えば、銀ロウからなる。
【００１９】
タブ（外囲部）３０は、図２及び図３に示すように、＋Ｙ側の端部近傍から外径方向に張り出した鍔部を有する略円筒形状の部材であり、加圧室（非真空室）に連通する第１の空間３５Ａと真空室に連通する第２の空間３５Ｂが形成されている。第１の空間３５Ａと第２の空間３５Ｂとは、高周波窓２０によって区画されている。タブ３０は、図４に示すように、基体３１と、表面層３２と、基体３１と表面層３２との間に形成された中間層３３とを有する。
【００２０】
基体３１は、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナと熱膨張係数が近似の鉄ニッケルコバルト合金（コバール（商品名））から形成されている。例えば、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナの熱膨張係数は、７．８×１０−６／℃であり、タブ３０の基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金の熱膨張係数は、１０．８×１０−６／℃である。また、タブ３０の一般的な素材である銅の熱膨張係数は、２０．０×１０−６／℃である。したがって、タブ３０の基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金の熱膨張係数は、一般的な素材である銅の熱膨張係数よりも、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナの線熱膨張係数に近似した値であることがわかる。また、アルミナと鉄ニッケルコバルト合金との熱膨張係数の比は、１．００：１．３８（または、０．７２：１．００）であることから、少なくとも、基体３１の熱膨張係数は、高周波窓２０の基体２１の熱膨張係数の０．９倍以上１．４倍以下（望ましくは、０．７２倍以上１．３８倍以下）であればよいことがわかる。
【００２１】
表面層３２は、中間層３３上に形成されている銅めっきである。表面層３２は、高周波窓構造体内を通過する高周波の伝送効率の低下を抑制するために形成されている。この表面層３２の厚みは、およそ５μｍである。なお、本実施の形態では、表面層３２の素材は、銅であるが、これに限られない。高周波の伝送効率の低下が抑制することができる表皮抵抗の小さな素材であれば、銅以外の素材であってもよい。
【００２２】
中間層３３は、基体３１の外面全体に形成されているニッケルめっきである。中間層３３は、銅めっきである表面層３２の素地であり、基体３１と表面層３２との密着性を高めるために形成されている。また、中間層３３は、高周波窓２０とタブ３０とのロウ付け性、及びタブ３０の防錆性を向上させる機能も有する。中間層３３の厚みは、１〜１０μｍである。なお、本実施の形態では、表面層３２の素材は、ニッケルであるが、これに限られない。基体３１と表面層３２との密着性を高めることが可能な素材であれば、ニッケル以外の素材であってもよい。
【００２３】
上述のように構成されたタブ３０の貫通孔３０ａの内周面には、図３及び図４に示すように、高周波窓２０がロウ付けによって熱接合されている。詳しくは、高周波窓２０のロウ付け層２３が融解することで、高周波窓２０のメタライズ層２２が、タブ３０の表面層３２に接着する。これにより、高周波窓２０は、気密にタブ３０に取り付けられる。
【００２４】
シリンダー４０Ａ，４０Ｂは、図１及び図２に示すように、円環形状に形成され、タブ３０を覆う外形器である。シリンダー４０Ａ，４０Ｂは、鉄ニッケルコバルト合金からなる基体に、ニッケルめっきが施されることによって形成されている。シリンダー４０Ａ，４０Ｂには、ロウ付けによって、タブ３０が固定されている。シリンダー４０Ａ，４０Ｂとタブ３０とによって規定される空間は、冷却水４２が流れる流体通路４１として構成されている。この流体通路４１は、高周波の透過によって加熱された高周波窓２０を冷却するために用いられる。なお、本実施の形態１では、高周波窓２０を冷却するために冷却水４２が用いられているが、これに限られず、冷却用気体であってもよい。
【００２５】
フランジ５０Ａ，５０Ｂは、シリンダー４０Ａ，４０Ｂとともに、高周波窓２０及びタブ３０を覆う筐体として構成されている。フランジ５０Ａは、−Ｙ側からシリンダー４０Ａに取り付けられ、フランジ５０Ｂは、＋Ｙ側からシリンダー４０Ｂに取り付けられる。フランジ５０Ａ，５０Ｂは、例えば、シリンダー４０Ａ，４０Ｂにロウ付けによって固定されている。シリンダー４０Ａ，４０Ｂに取り付けられたフランジ５０Ａ，５０Ｂは、高周波窓２０から離間した状態で固定される。フランジ５０Ａ，５０Ｂは、シリンダー４０Ａ，４０Ｂと同様に、鉄ニッケルコバルト合金からなる基体に、ニッケルめっきが施されることによって形成されている。フランジ５０Ａ，５０Ｂには、高周波を通過させるための導波通路５１Ａ，５１ＢがＹ軸方向に貫通するように形成されている。
【００２６】
導波管１１Ａは、高周波を通過させるための管であり、フランジ５０Ａに形成されている導波管挿入孔５２Ａに挿入され、ロウ付けによって固定されている。導波管１１Ａは、断面が方形となるように形成されている。フランジ５０Ａの導波通路５１Ａは、導波管１１Ａを介して、図示しない加圧室に通じている。
【００２７】
導波管１１Ｂは、高周波を伝播するための管であり、フランジ５０Ｂに形成されている導波管挿入孔５２Ｂに挿入され、ロウ付けによって固定されている。導波管１１Ｂは、断面が方形となるように形成されている。フランジ５０Ｂの導波通路５１Ｂは、導波管１１Ｂを介して、図示しない真空室に通じている。
【００２８】
以上、説明したように、図４に示すように、本実施の形態１では、タブ３０の表面層３２は、表皮抵抗の小さい銅からなる。このため、高周波の伝送効率の低下が抑制される。
【００２９】
高周波が高周波窓２０を透過する際の高周波の伝送効率は、タブ３０の貫通孔３０ａの内周面の表皮抵抗によって、高周波伝送の損失の大きさが定まる。基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金（コバルト（商品名））の電気抵抗率は、４．９×１０−７Ω・ｍであるのに対し、表面層３２の素材である銅の電気抵抗率は１．６８×１０−８Ω・ｍである。したがって、高周波の通過路に、基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金が露出していた場合、鉄ニッケルコバルト合金の電気抵抗率は大きいため、高周波伝送の損失が大きくなる。これに対して、本実施の形態１では、高周波の通過路の内周面（詳しくは、タブ３０の貫通孔３０ａの内周面）を、銅めっきから構成される表面層３２で覆っているため、高周波の伝送効率の低下を抑制することが可能になる。
【００３０】
なお、アルミニウムは、電気抵抗率が、２．６５×１０−８Ω・ｍであり、鉄ニッケルコバルト合金の電気抵抗率より小さいため、高周波の通過路をアルミニウムで形成することも考えられる。ただし、アルミニウムは腐食しやすいため、例えば、本実施の形態１の場合は、真空室側のシリンダー４０Ｂ及びフランジ５０Ｂを、アルミニウムで形成することが好ましい。
【００３１】
また、電流が表面電流の１／ｅとなる表皮深さｄは下記の式（１）により求められる。
ｄ＝√{（２・ρ）／（ω・μ）}      （１）
ただし、ρは、導体の電気抵抗率、ωは、電流の角周波数、μは、導体の絶対透磁率を示す。
上記式（１）において、高周波の周波数を１０ＧＨｚとした場合、銅における導体の電気抵抗率ρ＝１．６８×１０−８（Ω・ｍ）、電流の角周波数ω＝２π×（周波数）≒６．２８×１０１０、銅における導体の絶対透磁率μ≒１．２６×１０−６（Ｈ／ｍ）となる。これらの各数値を式（１）に代入することで、表皮深さｄ＝０．６５（μｍ）が求められる。
【００３２】
さらに、導体の電流密度Ｊは、深さδに対して、下記式（２）により求められる。
Ｊ＝ｅ−δ／ｄ      （２）
上述したように、本実施の形態１では、表面層３２の厚みは、５μｍである。式（２）の深さδを５μｍとすると、下記式（３）のように導体の電流密度Ｊが求められる。
Ｊ＝４．６２×１０−４      （３）
上記式（３）で求められた値に基づくと、電流は表面電流の約０．４５％（≒０．４６２％）となり、高周波電流は、損失の小さい表面層３２を流れることがわかる。なお、本実施の形態では、表面層３２は、電気抵抗率が１．６８×１０−８Ω・ｍである銅で構成されている。しかしながら、これに限らない。表面層３２は、少なくとも、アルミニウムの電気抵抗率の２．６５×１０−８Ω・ｍ以下の電気抵抗率の素材で構成されていればよい。ただし、高周波の伝送効率等の観点から、表面層３２は、銅で構成されていることが望ましい。
【００３３】
また、タブ３０の基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金の熱膨張係数（１０．８×１０−６／℃）は、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナの熱膨張係数（７．８×１０−６／℃）と近似である。このため、高周波窓２０をタブ３０にロウ付けする場合、熱膨張係数の差に起因した高周波窓２０の破損、例えば、割れやひびが生じにくくなる。結果として、本実施の形態１では、高周波の伝送効率を維持しつつ、生産効率を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施の形態１では、タブ３０は、鉄ニッケルコバルト合金からなる基体３１と、銅めっきから構成される表面層３２との間に形成されたニッケルめっきから構成される中間層３３とを有する。このため、基体３１と表面層３２との密着性を向上させることができる。
【００３５】
また、本実施の形態１では、シリンダー４０Ａ，４０Ｂ及びタブ３０は、同一の素材から形成されている。このため、シリンダー４０Ａ，４０Ｂにタブ３０をロウ付けで固定する際に生じる熱膨張係数の差に起因する隙間の発生を抑制することができる。
【００３６】
また、本実施の形態１では、シリンダー４０Ａ，４０Ｂ及びフランジ５０Ａ，５０Ｂは、同一の素材で形成されている。このため、フランジ５０Ａ，５０Ｂをシリンダー４０Ａ，４０Ｂにロウ付けによって固定することが可能になる。また、ロウ付けにより、シリンダー４０Ａ，４０Ｂ及びフランジ５０Ａ，５０Ｂに、ガスケット用のエッジ部を設ける必要がなくなり、結果として生産性を向上させることができる。また、シリンダー４０Ａ，４０Ｂにフランジ５０Ａ，５０Ｂをロウ付けで固定する際に生じる熱膨張係数差に起因する隙間の発生を防止することができる。
【００３７】
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、シリンダー４０Ａ，４０Ｂとフランジ５０Ａ，５０Ｂとは、それぞれ別の部材として構成されている。しかしながら、これに限られない。以下、シリンダーとフランジとが一体に形成されている実施の形態２について、図５を参照しつつ説明する。
【００３８】
実施の形態２に係る高周波窓構造体１１０は、図５に示すように、高周波窓２０と、高周波窓２０を囲うタブ（外囲部）３０と、筐体６０Ａ，６０Ｂと、導波管１１Ａ，１１Ｂとを備える。高周波窓構造体１１０は、実施の形態１に係る高周波窓構造体１０とは、シリンダー４０Ａ，４０Ｂ及びフランジ５０Ａ，５０Ｂに代わる筐体６０Ａ，６０Ｂを備える点で相違する。
【００３９】
高周波窓２０は、実施の形態１に係る高周波窓構造体１０のものと同等の部材であり、基体２１と、基体２１に形成されたメタライズ層２２と、ロウ付け層２３とを有する。基体２１は、アルミナからなる。メタライズ層２２は、モリブデンマンガン合金層とニッケルめっき層とが積層されて構成されている。
【００４０】
タブ３０は、略円筒形状の部材である。タブ３０は、基体３１と、表面層３２と、基体３１と表面層３２との間に形成された中間層３３とを有する。基体３１は、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナと熱膨張係数が近似の鉄ニッケルコバルト合金から形成されている。
【００４１】
筐体６０Ａ，６０Ｂは、タブ３０の基体３１の素材と同一の素材である鉄ニッケルコバルト合金から形成されている。さらに、筐体６０Ａ，６０Ｂの外面には、ニッケルめっきが施されている。筐体６０Ａ，６０Ｂは、ロウ付けによって、タブ３０の＋Ｙ側及び−Ｙ側から固定され、タブ３０の外周面３０ｂは、外部に露出する。
【００４２】
なお、高周波窓構造体１１０には、実施の形態１に係る高周波窓構造体１０とは異なり、高周波の透過によって加熱された高周波窓２０を冷却するための冷却水４２が流れる流体通路４１が形成されていない。本実施の形態２では、冷却水４２が流れる流体通路４１に代わり、タブ３０の外周面３０ｂが、高周波窓２０の発熱を排熱する放熱面として機能する。
【００４３】
以上、本実施の形態２では、タブ３０の表面層３２は、表皮抵抗の小さい銅からなる。このため、高周波の伝送効率の低下が抑制される。また、タブ３０の基体３１の素材である鉄ニッケルコバルト合金の熱膨張係数は、高周波窓２０の基体２１の素材であるアルミナの熱膨張係数と近似である。このため、高周波窓２０をタブ３０にロウ付けする場合、熱膨張率差に起因した高周波窓２０の破損が生じにくくなる。結果として、本実施の形態２では、本実施の形態１と同様に、高周波の伝送効率を維持しつつ、生産効率を向上させることができる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。
【００４５】
例えば、本発明の実施の形態１及び２では、タブ３０は、基体３１と表面層３２との間に形成された中間層３３を有する。しかしながら、これに限られない。基体３１と表面層３２との密着性が高い素材を適宜選択した場合は、中間層３３を割愛してもよい。
【００４６】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１０，１１０  高周波窓構造体、１１Ａ，１１Ｂ  導波管、２０  高周波窓、２１  基体（高周波窓基体）、２１ａ，２１ｂ  側面、２１ｃ  外周面、２２  メタライズ層、２３  ロウ付け層、３０  タブ（外囲部）、３０ａ  貫通孔、３０ｂ  外周面、３１  基体（外囲部基体）、３２  表面層、３３  中間層、３５Ａ  第１の空間、３５Ｂ  第２の空間、４０Ａ，４０Ｂ  シリンダー、４１  流体通路、４２  冷却水、５０Ａ，５０Ｂ  フランジ、５１Ａ，５１Ｂ  導波通路、５２Ａ，５２Ｂ  導波管挿入孔、６０Ａ，６０Ｂ  筐体
【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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