JP2013187143A - 真空外囲器の製造方法、真空外囲器、進行波管及び心棒治具 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝達効率を向上させることができる真空外囲器の製造方法、真空外囲器、進行波管及び心棒治具を提供する。
【解決手段】円筒形状のポールピース１と、内径がポールピース１と同じ円筒形状のスペーサ２とが交互に積層されて形成される進行波管の真空外囲器の製造方法は、ポールピース１と熱膨張率が同じ第１のクラッド材４ａと、スペーサ２と熱膨張率が同じ第２のクラッド材４ｂがを交互に積層して構成される心棒治具４に、ポールピース１が第１のクラッド材４ａに対応し、スペーサ２が第２のクラッド材４ｂに対応するように、ポールピース１とスペーサ２とを複数個交互に挿入して組み立てる工程を含んでいる。
【選択図】図５

Description

この発明は、真空外囲器の製造方法、真空外囲器、進行波管及び心棒治具に関する。

進行波管（ＴＷＴ；Traveling Wave Tube）は、マイクロ波真空管の一種である。進行波管は、通信、放送などの様々な分野で用いられている。進行波管は、電子ビームと高周波信号の相互作用により高周波信号を増幅する遅波回路を備えている。遅波回路の周りには、周辺を真空にするための真空外囲器が設けられている。

真空外囲器としては、磁気回路を構成する円筒形状のポールピース（磁性体）とスペーサ（非磁性体）を交互に積み上げ、ロウ付け等により接合し、内周を切削して真空外壁とするＩＰＰ構造（インテグラルポールピース）を有するものが良く用いられている。

ＩＰＰ構造を採用することにより、装置の小型化、高性能化、高出力化及び準ミリ波及びミリ波帯への高周波数化が可能となる。ポールピースとスペーサとは、酸化させたステンレスやセラミックス等の心棒治具に交互に挿入されることにより、積み上げられ、ロウ付けされる。ロウ付け後に心棒治具は引き抜かれ、内周が切削されて内径寸法が出される。

ポールピースとスペーサの材質の違いによる熱膨張率の違いやポールピースに一般に使われる鉄の縮み等を考慮すると、心棒治具と、ポールピース及びスペーサとの間には、ロウ付け時に温度が上がった時でも、０．１〜０．２ｍｍの隙間を設ける必要がある。しかしながら、隙間が大きすぎると部品のずれが大きくなる。

積み重ねたポールピースとスペーサのずれが大きくなると、心棒が抜けなくなったり、内周の切削時に切り残しができて内部に遅波回路を挿入したときに接触が悪くなったりする。また、ポールピース及びスペーサの外周にもずれができるため、これらを放熱体等に固定する場合、真空外囲器自体が曲がり、電子ビームの進行状態を悪化させたり、へリックスが折れてしまったりするおそれもある。

そこで、ポールピース及びスペーサより熱膨張率の大きな材質、例えば銅のパイプを心棒として、ポールピース、スペーサ及びロウ材を交互に挿入して組み立てを行い、心棒も同時にロウ付けした後、ポールピースとスペーサとによって形成された円筒状の容器の内周面を切削加工により仕上げる真空外囲器の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−３０６５２９号公報

上記特許文献１に開示された真空外囲器の製造方法においては、銅のパイプである心棒は抜き取られず、真空外囲器の一部となる。内周を同一材質にして、ヘリックスの挿入をスムーズに行うためである。これにより、遅波回路（後工程にて真空外囲器内に挿入される）から発生する熱は、銅のパイプとロウ材を介してポールピース及びスペーサに伝わることになる。この場合、ポールピースとスペーサのみで真空外囲器を構成する場合と比較すると、加工工数が増え、熱伝達効率が低下するおそれがある。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、加工工数を削減し、熱伝達効率を向上させることができる真空外囲器の製造方法、真空外囲器、進行波管及び心棒治具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る真空外囲器の製造方法は、
円筒形状の磁性体金属と、内径が前記磁性体金属と同じ円筒形状の非磁性体金属とが交互に積層されて形成される進行波管の真空外囲器の製造方法であって、
前記磁性体金属と熱膨張率が同じ第１の材料と、前記非磁性体金属と熱膨張率が同じ第２の材料とを交互に積層して構成される心棒治具に、前記磁性体金属が前記第１の材料に対応し、前記非磁性体金属が前記第２の材料に対応するように、前記磁性体金属と前記非磁性体金属とを交互に挿入して組み立てる工程を含む。

この発明によれば、真空外囲器の組立、ロウ付け時に使用する心棒治具として熱膨張率の異なる材料が交互に積層されたクラッド材を用いることで、銅のパイプの心棒を用いなくても、ロウ付け時におけるポールピースとスペーサの径方向のずれを低減することができる。これにより、加工工数を削減し、熱伝達効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態に係る進行波管の概略的な構成を示す断面図である。 本体部の拡大断面図である。 真空外囲器の製造に用いられる心棒治具の断面図である。 真空外囲器の製造工程のフローチャートである。 組み立て後の状態を示す断面図である。 スペーサが膨張した状態を示す断面図である。 心棒治具を抜き取った後の真空外囲器の断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１には、この発明の実施の形態に係る進行波管１００の概略的な構成が示されている。図１に示すように、進行波管１００は、電子銃部１０と、本体部２０と、コレクタ部３０とを備える。

電子銃部１０は、電子ビームを発射する。発射された電子ビームは、本体部２０に入射する。

本体部２０は、電子ビームが通過することにより高周波（ＲＦ）を発生する。本体部２０を高周波回路部ともいう。本体部２０には、入力部２１と、遅波回路部２２と、出力部２３と、磁気回路部２４とが設けられている。

入力部２１は、高周波信号を遅波回路部２２に導入する。入力部２１は、不図示の信号源に接続されており、その信号源から高周波信号を入力する。

遅波回路部２２は、電子銃部１０から発射される電子ビームと高周波信号の相互作用により高周波信号を増幅する。遅波回路部２２については、後に詳述する。

出力部２３は、増幅された高周波信号を取り出し、出力する。出力された高周波信号は通信、放送などの各種用途に用いられる。

磁気回路部２４は、遅波回路部２２を通過する電子ビームを収束させる。

コレクタ部３０は、本体部２０を通過し相互作用を終えた電子ビームを捕捉し、内部の集束装置に電子ビームを集束させる。電子ビームの持つ運動エネルギーは、ここで熱エネルギーに変換される。

電子銃部１０と本体部２０とコレクタ３０とは、内部を真空に保つ必要がある。したがって、電子銃部１０と、本体部２０と、コレクタ３０とは、内部の気密性が高くなるように接合されている。

進行波管１００は、マイクロ波の発振に用いられる。進行波管１００では、電子銃部１０から出た電子ビームの速度が、本体部２０内の同方向に進む遅延回路部２２の電波の速度にほぼ等しいときに、軸上の電界と電子との間に生じる相互作用を利用して、マイクロ波の増幅が行われる。

進行波管１００では、遅延回路部２２の軸上の波数を多くすれば、電子ビームとの相互作用が高まり、高い利得が得られる。また、回路にエネルギーのたまる所が少ないので増幅の帯域幅を広くすることができる。

図２には、本体部２０の拡大断面図が示されている。図２に示すように、本体部２０に真空外囲器７が、設けられている。真空外囲器７は、複数のポールピース１と複数のスペーサ２とを備えている。

ポールピース１は、円筒状である。ポールピース１の材料としては、例えば、純鉄（線膨張係数：約１．２×１０^-5（１／Ｋ））が用いられる。この材料が第１の材料に対応する。この実施の形態では、ポールピース１が磁気回路部２４に対応する。各ポールピース１の軸方向（上下方向）の長さは同じである。

スペーサ２は、円筒状である。スペーサ２の材料としては、例えば、銅ニッケル合金（線膨張係数：約１．６×１０^-5（１／Ｋ））が用いられる。スペーサ２の材料として、キュプロニッケル（白銅）を用いてもよい。また、純度９０％前後のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いてもよい。この材料が第２の材料に対応する。スペーサ２の外周にも、電子ビームを収束させるための永久磁石が取り付けられる。各スペーサ２の軸方向（上下方向）の長さは同じである。

ポールピース１とスペーサ２とは、内径が等しい。ポールピース１とスペーサ２とは、中心軸を一致させた状態で、すなわち同心円状に交互に積み重ねられている。

真空外囲器７の内部には、ヘリックス（螺旋状導体）５と支持体６とが挿入されている。へリックス５は、電子ビームと信号との相互作用により信号を増幅する。すなわち、へリックス５が、図１の螺旋型の遅波回路部２２に対応する。ヘリックス５には、タングステンやモリブデンのような金属からなるものを用いることができる。また、支持体６は、ボロンナイトライド又はベリリアのようなセラミックスにより形成された誘電体とすることができる。

次に、真空外囲器７の製造方法について説明する。

まず、真空外囲器７の製造の際に用いられる心棒治具４の構成について説明する。図３には、心棒治具４の断面が示されている。心棒治具４は、円柱状である。

図３に示すように、心棒治具４は、第１のクラッド材４ａと、第２のクラッド材４ｂとを備える。

第１のクラッド材４ａは、ポールピース１と同じ熱膨張率を有する材料とする。同じ熱膨張率には、同程度とみなせる範囲が含まれる。例えば、第１のクラッド材４ａとしては、純鉄が用いられる。

第２のクラッド材４ｂは、スペース２と同じ熱膨張率を有する材料とする。同じ熱膨張率には、同程度とみなせる範囲が含まれる。例えば、第２のクラッド材４ｂとしては、銅ニッケル合金が用いられる。

心棒治具４は、熱膨張率の異なる第１のクラッド材４ａ及び第２のクラッド材４ｂを、ポールピース１とスペーサ２の間隔に合わせた間隔で積層し、円柱状に削り出したものである。心棒治具４の外径は、ポールピース１及びスペーサ２がスムーズに挿入できるように、ポールピース１及びスペーサ２の内径より僅かに（１０μｍ程度）小さくなっている。

図４には、真空外囲器７の製造工程のフローチャートが示されている。

図４に示すように、まず、第１のクラッド材４ａ及び第２のクラッド材４ｂが積層された心棒治具４に、ポールピース１とスペーサ２の間にロウ材（ロウ板）３を挟みながら交互に積み上げて組み立てる（ステップＳ１）。図５には、このようにして組み立てられた状態が示されている。図５に示すように、ポールピース１は、第１のクラッド材４ａに対応する位置に積層され、スペーサ２は、第２のクラッド材４ｂに対応する位置に積層される。ここで、組み立てられたものを、以下では、成型品とする。

図４に戻り、続いて、ロウ付け炉を用いて成型品のロウ付けを行う（ステップＳ２）。例えば、ロウ付け温度を、約１０００℃にする。

ロウ付け温度を約１０００℃にし、ポールピース１として純鉄（線膨張係数：約１．２×１０^-5（１／Ｋ））、スペーサ２として銅ニッケル合金（線膨張係数：約１．６×１０^-5（１／Ｋ））を用いた場合、両者の熱膨張率の差により、スペーサ２の方が内径が１０μｍ程度広くなる。しかしながら、心棒治具４を構成する第１のクラッド材４ａ、第２のクラッド材４ｂは、ポールピース１とスペーサ２の熱膨張率に合わせた材料で構成されている。このため、図６に示すように、スペーサ２が心棒治具４に妨げられることなく膨張し、ロウ付け温度においてもポールピース１及びスペーサ２との同軸が精度良く保たれる。これにより、ポールピース１とスペーサ２との径方向の位置ずれを非常に小さくすることができる。

図４に戻り、ロウ付け後、ロウ付け炉から成型品を取り出して冷却する（ステップＳ３）。

冷却後、心棒治具４を抜き取る（ステップＳ４）。この場合、ポールピース１とスペーサ２とのずれが小さいため、心棒治具４をスムーズに抜き取ることができる。

続いて、ガンドリル等を用いて内周面を切削し、仕上げ加工を行う（ステップＳ５）。この場合、ポールピース１とスペーサ２とのずれが小さいため、切削加工における切削量は少なくて済む。また、軸ずれによる削り残しもなく、滑らかな内面を有する真空外囲器７を得ることができる。

図７には、仕上げ加工後の真空外囲器７の断面図が示されている。図７に示すように、真空外囲器７は、実質的に、ポールピース１と、スペーサ２のみで形成されている。

続いて、図２に示すように、遅波回路部２２を構成するヘリックス（螺旋状導体）５と、支持体６とを真空外囲器７内に挿入する（ステップＳ６）。この挿入の際、真空外囲器７の内面に支持体６を確実に接触させることができるため、遅波回路部２２の熱伝達効率を向上させることができる。この結果、高周波出力の進行波管１００を実現することができる。

以上詳細に説明したように、この実施の形態によれば、真空外囲器７の組立、ロウ付け時に使用する心棒治具４として熱膨張率の異なる材料が交互に積層された第１のクラッド材４ａ、第２のクラッド材４ｂを用いることで、銅のパイプの心棒を用いなくても、ロウ付け時におけるポールピース１とスペーサ２の径方向のずれを低減することができる。これにより、熱伝達効率を向上させることができる。また、銅のパイプ等をロウ付けする必要がなくなるので、加工工数を削減することができる。

なお、第１のクラッド材４ａの材質を、ポールピース１と同じとするようにしてもよい。さらには、第２のクラッド材４ｂの材質を、スペーサ２と同じとするようにしてもよい。このようにすれば、ポールピース１とスペーサ２の径方向のずれを、最も小さくすることができる。

なお、ステップＳ１において、ポールピース１とスペーサ２とを接合する際には、土台８と重し治具とで、ポールピース１とスペーサ２との積層体を挟み込むようにしてもよい。

また、真空外囲器７内に、広い帯域内で生じる不用の反射波を防止するため減衰器を備えるようにしてもよい。

また、この実施の形態では、遅波回路をヘリックス５としたが、リングループ形の遅波回路を用いるようにしてもよい。

上述した進行波管１００における部品の各種材料は、上述したものには限られず、適宜変更が可能である。

この発明は、この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。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

この発明は、進行波管の製造に用いられる。特に、進行波管を構成する真空外囲器の製造に好適である。この発明により製造された進行波管は、通信や放送等における高周波信号を増幅する装置に用いることができる。

１ ポールピース
２ スペーサ
３ ロウ材（ロウ板）
４ 心棒治具
４ａ 第１のクラッド材
４ｂ 第２のクラッド材
５ ヘリックス（螺旋状導体）
６ 支持体
７ 真空外囲器
８ 土台
１０ 電子銃部
２０ 本体部
２１ 入力部
２２ 遅波回路部
２３ 出力部
２４ 磁気回路部
３０ コレクタ部
５０ 真空外囲器
１００ 進行波管

Claims (6)

1. 円筒形状の磁性体金属と、内径が前記磁性体金属と同じ円筒形状の非磁性体金属とが交互に積層されて形成される進行波管の真空外囲器の製造方法であって、
   前記磁性体金属と熱膨張率が同じ第１の材料と、前記非磁性体金属と熱膨張率が同じ第２の材料とを交互に積層して構成される心棒治具に、前記磁性体金属が前記第１の材料に対応し、前記非磁性体金属が前記第２の材料に対応するように、前記磁性体金属と前記非磁性体金属とを交互に挿入して組み立てる工程を含む真空外囲器の製造方法。
2. 前記第１の材料を、前記磁性体金属とし、前記第２の材料を、前記非磁性体金属とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空外囲器の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法を用いて製造された真空外囲器。
4. 請求項３に記載の真空外囲器を備える進行波管。
5. 円筒形状の磁性体金属と、内径が前記磁性体金属と同じ円筒形状の非磁性体金属とが交互に積層されて形成される進行波管の真空外囲器の製造に用いられる心棒治具であって、
   前記磁性体金属と熱膨張率が同じ第１の材料と、前記非磁性体金属と熱膨張率が同じ第２の材料とを、前記磁性体金属と前記非磁性体金属の積層順に合わせて交互に積層して構成される心棒治具。
6. 前記第１の材料が、前記磁性体金属であり、前記第２の材料が、前記非磁性体金属である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の心棒治具。

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