JP6393391B2

JP6393391B2 - アナログ増幅用真空管、真空管

Info

Publication number: JP6393391B2
Application number: JP2017217275A
Authority: JP
Inventors: 和典龍田; 前田　忠己; 忠己前田; 美沙山中
Original assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Itron Corp
Current assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Itron Corp
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP2018022709A

Description

本発明は、アナログ増幅器として動作する真空管に関する。

真空管に関する技術として蛍光表示管が知られており、例えば特許文献１，２に示された構造が知られている。特許文献１では、所定以上の温度で熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントを「ヒータＨ」と呼んでいる。そして、フィラメントと平行に配置されたアノード（特許文献１の「陽極４」）と、フィラメントとアノードの間に、アノードと対向するように配置されたグリッドを備えている（特許文献１の第１図、第２図参照）。特許文献２も基本的な構造は特許文献１と同じである。また、特許文献１，２に示された蛍光表示管の制御方法として非特許文献１に示された駆動方式が知られている。

実公昭４９−５２４０号公報特開２００７−４２４８０号公報

ノリタケ伊勢電子株式会社，"蛍光表示管(VFD)全般アプリケーションノート駆動方法−駆動方式"，［平成２６年１２月１９日検索］、インターネット<https://www.noritake-itron.jp/cs/appnote/apf100_vfd/apf201_houshiki.html>．

音楽業界を中心に真空管の特性を好むユーザからの要望があるので、アナログ増幅器として使用する真空管の需要はあり、アナログ増幅器として使用できる真空管は存在する。しかし、製造量が減っており、価格の上昇や入手が困難という課題がある。一方、真空管の一種であり、安価で普及している蛍光表示管は、非特許文献１に示された駆動方式からも分かるようにデジタルの制御であり、アナログ増幅器として使用するものではないので、アナログ増幅用には使用しにくい。

本発明は、安価で入手しやすい蛍光表示管に近い構造であって、アナログ増幅器として動作させやすい真空管を提供することを目的とする。

本発明の対象となる真空管は、熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、フィラメントと平行に配置されたアノードと、フィラメントとアノードの間にアノードと対向するように配置されたグリッドとを備える。そして、本発明は、フィラメントとグリッドの間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明の真空管の特徴によれば、フィラメントからアノードへの電子の流れを、グリッドの電位によってアナログ的に変化させることができるのでアナログ増幅器として使用しやすい。

実施例１の真空管の平面図。実施例１の真空管の正面図。実施例１の真空管の側面図。図１のＡ−Ａ線での断面図。アノードと絶縁層をガラス基板上に形成した様子を示す図。アノードがガラス基板上に形成された様子を示す図。絶縁層の形状を示す図。アンカーの三面図（平面図、正面図、側面図）。グリッドの形状の例を示す図。ゲッターリングを示す図。真空管を用いた増幅回路の例を示す図。蛍光表示管でのアノード電圧Ｖ_ａと電流Ｉ_ｐとの関係をグリッドの電圧ごとに示す図。アノードとグリッドの間隔を０．３ｍｍ程度、フィラメントとグリッドの間隔は０．４ｍｍ程度にした場合のアノード電圧Ｖ_ａと電流Ｉ_ｐとの関係をグリッドの電圧ごとに示す図。変形例の真空管の平面図。図１４のＢ−Ｂ線での断面図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１に実施例１の真空管の平面図、図２に正面図、図３に側面図、図４に図１のＡ−Ａ線での断面図を示す。真空管１００は、所定以上の温度で熱電子を放出する直線状に張られたフィラメント１１０と、フィラメント１１０と平行に配置されたアノード１２０−１，１２０−２と、フィラメント１１０とアノード１２０−１の間にアノードと対向するように配置されたグリッド１３０−１と、フィラメント１１０とアノード１２０−２の間にアノードと対向するように配置されたグリッド１３０−２とを備える。そして、フィラメント１１０とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることを（第１の）特徴とする。さらに、アノード１２０−１，１２０−２とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることを第２の特徴としてもよい。フィラメント１１０は、固有振動の基本周波数が３ｋＨｚ以上であることを第３の特徴としてもよい。また、アノード１２０−１，１２０−２の両方は、平面基板上（ガラス基板１２５）の同一の面に形成され、アノード１２０−１とグリッド１３０−１との間隔は、アノード１２０−２とグリッド１３０−２との間隔と同じである。なお、図１ではアノード１２０−１，１２０−２の位置が分かるようにグリッド１３０−１，１３０−２の一部を記載していない。実際の真空管１００では、アノード１２０−１，１２０−２の上にメッシュ状のグリッド１３０−１，１３０−２（図９参照）が存在するので、アノード１２０−１，１２０−２は見えにくい状態である。

次に、上記の特徴を実現するための構造の具体例を説明する。図５にアノード１２０−１，１２０−２と絶縁層をガラス基板上に形成した様子を示す。図６はアノード１２０−１，１２０−２がガラス基板上に形成された様子を示す図、図７は絶縁層の形状を示す図である。ガラス基板１２５は排気穴１５１を有しており、アノード１２０−１，１２０−２はガラス基板１２５の一方の面上に形成される。アノード１２０−１，１２０−２には、アノード端子１２１−１，１２１−２が接続されている。アノード１２０−１，１２０−２は、例えばアルミニウムの薄膜で形成すればよい。絶縁層１２６は、例えば低融点ガラスを用いればよく、アノード用開口部１２７−１，１２７−２と端子用開口部１２８−１，１２８−２を有している。真空管１００は、ケース１８０とガラス基板１２５とを封着し、排気穴１５１から空気を抜くことで内部を真空にする。そして、排気穴１５１には、排気孔栓１５０がはめられる。図５には示していないが、ガラス基板１２５のケース１８０と接触する部分に、封着用の低融点ガラスをさらに配置してもよい。また、外部との電気的な接触は端子１９０により行う。

フィラメント１１０は直接型のカソードである。例えば、フィラメント１１０は、直流電流を流すことで６５０度程度に加熱すると熱電子を放出するように、酸化バリウムのコーティングを施せばよい。この例では、上記の「所定以上の温度」が６５０度であるが、６５０度に限定するものではない。図８にフィラメント１１０に張力を与えるためのアンカー１１５の三面図（平面図、正面図、側面図）を示す。アンカー本体１１６の一部には板バネ１１７の一端が配置されており、板バネ１１７の他端がフィラメント固定部１１８である。アンカー１１５にはＳＵＳ（ステンレス鋼材）などを用いればよい。アンカー１１５はフィラメント支持部材１１１に取り付けられ、フィラメント１１０がアンカー１１５のフィラメント固定部１１８に溶接などによって固定される。図４中の１１２は、溶接点を示している。フィラメント１１０とアノード１２０−１，１２０−２との間隔はフィラメント支持部材１１１の長さで決定され、フィラメント１１０の張力はアンカー１１５の板バネ１１７によって調整できる。

図９にグリッドの形状の例を示す。グリッド１３０はメッシュ状であり、ＳＵＳなどで形成すればよい。上述のとおり、図１ではアノード１２０−１，１２０−２を分かりやすく示すためにグリッド１３０の一部の記載を省略している。実際のグリッド１３０−１，１３０−２は、図９に示したグリッド１３０である。また、グリッド１３０−１，１３０−２はグリッド支持部材１３２−１，１３２−２に固定されている。グリッド支持部材１３２−１，１３２−２の板厚によって、アノード１２０−１，１２０−２とグリッド１３０−１，１３０−２との間隔、フィラメント１１０とグリッド１３０−１，１３０−２との間隔が決められている。

つまり、真空管１００では、アノード１２０−１，１２０−２とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることは、グリッド支持部材１３２−１，１３２−２で実現している。そして、フィラメント１１０とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることは、フィラメント支持部材１１１とグリッド支持部材１３２−１，１３２−２で実現している。また、フィラメント１１０の固有振動の基本周波数が３ｋＨｚ以上であることは、フィラメント１１０の材質、太さ、溶接点１１２間の長さ、アンカー１１５によって与えられる張力を調整し実現すればよい。なお、基本周波数は高い方が望ましく、１０ｋＨｚ以上に調整できればフィラメントの振動による雑音を人には聞こえなくできる。

図１０にゲッターリング１４０を示す。ゲッターリング１４０は、高周波誘導加熱によりフラッシュし、ケース１８０内の一部に金属バリウム膜を蒸着させることで、真空度を高めるもしくは真空度を保つ役割を果たす。ゲッターシールド１４２は、ゲッターリング１４０を、フィラメント１１０、グリッド１３０−１，１３０−２、アノード１２０−１，１２０−２に対して遮蔽するため部材である。蛍光表示管の場合には、ゲッターリングはケース内のどこに配置しても表示器の特性への影響は無視できるので、ゲッターリングの位置を特性の面から考慮する必要はなかった。しかし、２組のアノード１２０−１，１２０−２とグリッド１３０−１，１３０−２を、ステレオ信号用のアンプとして使用する場合、２組のアンプの特性を揃えるためにはゲッターリング１４０の影響を無視できないことが分かった。したがって、２組のアンプの特性をそろえるために、ゲッターリング１４０は、グリッド１３０−１，１３０−２のそれぞれから等距離に配置することが望ましい。

図１１に真空管１００を用いた増幅回路の例を示す。フィラメント１１０は直流電圧源３１０（例えば０．７Ｖ）が接続され、熱電子を放出する所定の温度（例えば６５０度）まで加熱される。アノード１２０−１，１２０−２にはアノード電圧源３２０が抵抗３３０−１，３３０−２を介して印加される。そして、例えば、所定のバイアスが付加されたステレオの左チャンネルの信号ｖ_Ｌがグリッド１３０−１に入力され、同じバイアスが付加されたステレオの右チャンネルの信号ｖ_Ｒがグリッド１３０−２に入力される。この場合、アノード端子１２１−１の電圧Ｖ_Ｌが左チャンネルの出力、アノード端子１２１−２の電圧Ｖ_Ｒが右チャンネルの出力である。

次に、本発明の特徴の必要性について説明する。一般的な蛍光表示管も、所定以上の温度で熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、フィラメントと平行に配置されたアノードと、フィラメントとアノードの間にアノードと対向するように配置されたグリッドとを備える。ただし、一般的な蛍光表示管であれば、アノードとグリッドの間隔は０．５ｍｍ程度以上であり、フィラメントとグリッドの間隔は１．０ｍｍ程度以上である。また、フィラメントの固有振動の基本周波数は考慮しない。蛍光表示管の場合、ＯＮ，ＯＦＦの制御を行うので、グリッドの電圧を変化させたときに中途半端に電流が流れることを避けなければならない。そこで、上記のような寸法となっている。図１２に、蛍光表示管でのアノード電圧Ｖ_ａと電流Ｉ_ｐとの関係をグリッドの電圧ごとに示す。図１２の線の横に示された数値がグリッドの電圧（ボルト）である。この実験に用いた蛍光表示管は、アノードとグリッドの間隔は０．５ｍｍ程度、フィラメントとグリッドの間隔は１．０ｍｍ程度である。アノード電圧Ｖ_ａが１０Ｖの場合、グリッドの電圧が４Ｖ付近では中途半端な電流が流れるが、グリッドの電圧が３Ｖ以下ならばＯＦＦ、５Ｖ以上ならばＯＮである。また、グリッドの電圧を４Ｖ付近で変化させるとしても、線形性を得られる範囲が狭いと考えられ、アナログ増幅用には利用しにくいことが分かる。なお、アノード電圧Ｖ_ａを３０Ｖよりも高い領域に線形性が得られる領域が存在する可能性はある。しかし、アナログ増幅器として利用するためにはアノード電圧を常時印加しておく必要があるので、熱膨張の影響を考慮するとアノード電圧Ｖ_ａを高くできない。補足すると、蛍光表示管として使用する場合は、人間の残像も利用するのでアノード電圧を常時印加しておく必要がない。つまり、アノード電圧を高くできないことも、蛍光表示管としての利用と対比してアナログ増幅器としての利用が難しい原因である。

図１３に、アノードとグリッドの間隔を０．３ｍｍ程度、フィラメントとグリッドの間隔は０．４ｍｍ程度にした場合のアノード電圧Ｖ_ａと電流Ｉ_ｐとの関係をグリッドの電圧ごとに示す。この図から、バイアス電圧を３Ｖ、入力信号の振幅の最大値を１Ｖとすれば、アノード電圧Ｖ_ａが４Ｖ程度以上の範囲でほぼ線形な増幅特性が得られることが分かる。したがって、アナログ増幅用の真空管として利用しやすい。本願で示す実験例は図１３だけであるが、フィラメント１１０とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であれば、図１２を用いて説明した一般的な蛍光表示管に比べ、アナログ増幅用として利用しやすい真空管にできる。つまり、本発明の真空管の（第１の）特徴によれば、フィラメントからアノードへの電子の流れを、グリッドの電位によってアナログ的に変化させることができるのでアナログ増幅器として使用しやすい。

また、アノード１２０−１，１２０−２とグリッド１３０−１，１３０−２の間隔が０．３５ｍｍを超える場合は、グリッド支持部材１３２−１，１３２−２を折り曲げ成形する必要がある。一方、アノードとグリッドの間隔が０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であれば、グリッド支持部材１３２−１，１３２−２は平板を抜き加工しただけで構成可能である。この場合はアノードとグリッドの間隔が、グリッド支持部材の板厚だけで決定されるため、高精度の間隔を維持できる。またグリッド支持部材１３２−１，１３２−２を折り曲げ成形した場合は、グリッドも振動やすくなりノイズの原因となる。グリッド支持部材１３２−１，１３２−２を平板打ち抜き加工とした場合は、グリッドの振動を抑えることができ、アナログ増幅用として利用しやすい真空管にできる。

上述のとおり、本発明の真空管の第３の特徴によれば、フィラメントの振動の影響が人に聞こえやすい周波数よりも高いので、音響信号を増幅させるためのアナログ増幅器として使用しやすい。なお、フィラメント１１０の振動の影響を除去する機能を真空管の外部に持たせれば、第１の特徴のみでも音響信号にも使えるアナログ増幅器を構成することは可能である。

［変形例］
図１４に変形例の真空管の平面図、図１５に図１４のＢ−Ｂ線での断面図を示す。真空管２００は、アノード１２０とグリッド１３０の組が１組だけである点、ゲッターリング１４０の位置、フィラメント１１０の固定方法が真空管１００と異なる。図１４でも、アノード１２０の位置を分かりやすくするためにグリッド１３０の一部を記載していないが、グリッド１３０は図９と同じである。真空管２００では、アノード１２０とグリッド１３０の組が１組だけなので、特性を調整するためにゲッターリング１４０の位置を制限する必要がない。そこで、ゲッターリング１４０は、真空管２００の端の方にゲッターリング支持部材２４２に保持された状態で設置されている。

真空管２００ではアンカー１１５は一方のフィラメント支持部材１１１のみに取り付けられている。アンカー１１５が取り付けられていないフィラメント支持部材１１１の場合は、フィラメント支持部材１１１のフィラメント固定部１１４にフィラメント１１０を溶接などによって固定すればよい。なお、真空管１００でもこのように片方のみにアンカー１１５を取り付けてもよいし、真空管２００でも両方にアンカー１１５を取り付けてもよい。

真空管１００と共通する記載になるが、真空管２００も、所定以上の温度で熱電子を放出する直線状に張られたフィラメント１１０と、フィラメント１１０と平行に配置されたアノード１２０と、フィラメント１１０とアノード１２０の間にアノードと対向するように配置されたグリッド１３０を備える。そして、フィラメント１１０とグリッド１３０の間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることを第１の特徴とする。そして、アノード１２０とグリッド１３０の間隔が０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることを第２の特徴とする。さらに、フィラメント１１０は、固有振動の基本周波数が３ｋＨｚ以上であることを第３の特徴とする。得られる効果は、実施例１と同じである。

１００、２００真空管１１０フィラメント
１１１フィラメント支持部材１１２溶接点
１１４、１１８フィラメント固定部１１５アンカー
１１６アンカー本体１１７板バネ
１２０アノード１２１アノード端子
１２５ガラス基板１２６絶縁層
１２７アノード用開口部１２８端子用開口部
１３０グリッド１３２グリッド支持部材
１４０ゲッターリング１４２ゲッターシールド
１５０排気孔栓１５１排気穴
１８０ケース１９０端子
２４２ゲッターリング支持部材３１０直流電圧源
３２０アノード電圧源３３０抵抗

Claims

熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、
前記フィラメントと平行に配置されたアノードと、
前記フィラメントと前記アノードの間に、前記アノードと対向するように配置されたグリッドと、
を備え、
前記フィラメントとグリッドの間隔が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ未満である
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
請求項１記載のアナログ増幅用真空管であって、
前記アノードとグリッドの間隔が０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
請求項１または２記載のアナログ増幅用真空管であって、
前記フィラメントは、固有振動の基本周波数が３ｋＨｚ以上である
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
請求項１から３のいずれかに記載のアナログ増幅用真空管であって、
前記アノードと前記グリッドの組が２組設けられ、
前記アノードの両方は、平面基板上の同一の面に形成され、
前記アノードと前記グリッドとの間隔は、２組とも同じである
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
請求項４記載のアナログ増幅用真空管であって、
前記アノードの両方は、互いに同じ大きさである
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
請求項４または５記載のアナログ増幅用真空管であって、
前記アノードと前記グリッドの組は、どちらも１つのグリッドに対して１つのアノードである
ことを特徴とするアナログ増幅用真空管。
熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、
前記フィラメントと平行に配置されたアノードと、
前記フィラメントと前記アノードの間に、前記アノードと対向するように配置されたグリッドと、
を備え、
前記アノードと前記グリッドの組が２組設けられ、
前記アノードの両方は、平面基板上の同一の面に同じ大きさで形成され、
前記アノードと前記グリッドとの間隔は、２組とも同じである
ことを特徴とする真空管。
熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、
前記フィラメントと平行に配置されたアノードと、
前記フィラメントと前記アノードの間に、前記アノードと対向するように配置されたグリッドと、
を備え、
前記アノードと前記グリッドの組が２組設けられ、
前記アノードの両方は、平面基板上の同一の面に形成され、
前記アノードと前記グリッドとの間隔は、２組とも同じである
前記アノードと前記グリッドの組は、どちらも１つのグリッドに対して１つのアノードである
ことを特徴とする真空管。