JP6393197B2 - 真空管 - Google Patents

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できない。

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、音響信号用のアナログ増幅器として使用しやすい真空管を提供することを目的とする。

本発明の真空管は、熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、２組のグリッドとアノードを有する。アノードの両方は、平面基板上の同一の面に形成される。フィラメントは、平面基板と平行に、アノードの両方と対向する位置に配置される。グリッドのそれぞれは、同じ組のアノードと第１所定間隔を有して対向し、フィラメントと第２所定間隔を有するように、アノードとフィラメントとの間に配置される。フィラメントを、２組のアノード同士の中間点に対応する位置で固定するフィラメント中間固定部を備える。

本発明の真空管によれば、フィラメントを中間で固定するのでフィラメントの振動の基本周波数を高くしやすい。つまり、人間が感知しにくい周波数にしやすいので、音響信号用の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。

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に本発明の真空管の平面図、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、２組のグリッド１３０−１，１３０−２とアノード１２０−１，１２０−２を有する。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る。フィラメント１１０は、平面基板（ガラス基板１２５）と平行に、アノード１２０−１，１２０−２の両方と対向する位置に配置される。グリッド１３０−１，１３０−２のそれぞれは、同じ組のアノード１２０−１，１２０−２と第１所定間隔を有して対向し、フィラメント１１０と第２所定間隔を有するように、アノード１２０−１，１２０−２とフィラメント１１０との間に配置される。フィラメント１１０を、２組のアノード１２０−１，１２０−２同士の中間点に対応する位置で固定するフィラメント中間固定部１１３を備える。さらに、第１所定間隔を０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下、第２所定間隔を０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下にすればアナログ増幅用として利用しやすくできる。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。２組のアノード同士の中間点に対応する位置にはフィラメント中間支持部材１１９が取り付けられる。フィラメント中間支持部材１１９にフィラメント１１０を溶接などによって固定することで、フィラメント中間固定部１１３が形成される。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とフィラメント中間支持部材１１９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。

フィラメント１１０は、直流電流が流れることで加熱され熱電子を放出できる所定の温度以上まで加熱される。しかし、溶接点１１２とフィラメント中間固定部１１３では、フィラメント支持部材１１１，フィラメント中間支持部材１１９への伝熱があるので、その近傍ではフィラメント１１０の温度は熱電子を放出できる所定以上の温度まで加熱できない。そこで、グリッド１３０−１，１３０−２のそれぞれの中心は、フィラメント１１０の片端（溶接点１１２の一方）から１／４の位置と対向しており、フィラメント中間固定部１１３は、フィラメント１１０を２分する位置（２つの溶接点１１２の中点）にすればよい。このような配置にすれば、アノード１２０−１，１２０−２と対向する位置のフィラメント１１０は、フィラメント支持部材１１１，フィラメント中間支持部材１１９から最も離れた位置にできるので、フィラメント１１０から十分な熱電子を放出させることができる。

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（第１所定間隔）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（第２所定間隔）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，フィラメント中間支持部材１１９とグリッド支持部材１３２−１，１３２−２で実現している。

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、本発明の第１所定間隔と第２所定間隔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できる。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２所定間隔を０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下にすれば、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（第１所定間隔）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（第１所定間隔）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。

また、上述のとおり、フィラメントを中間で固定すればフィラメントの振動において波長を短くできるので、基本周波数を高くしやすい。つまり、人間が感知しにくい周波数にしやすいので、音響信号用のアナログ増幅器として使用しやすい。そして、フィラメント１１０の固有振動の基本周波数を３ｋＨｚ以上にすれば、フィラメント１１０の振動による影響を人が聞き取りにくい周波数にできる。このような周波数の調整は、フィラメント１１０の材質、太さ、溶接点１１２からフィラメント中間固定部１１３までの長さ、アンカー１１５によって与えられる張力の調整で実現すればよい。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。

１００ 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
１１３ フィラメント中間固定部 １１５ アンカー
１１６ アンカー本体 １１７ 板バネ
１１８ フィラメント固定部 １１９ フィラメント中間支持部材
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
３１０ 直流電圧源 ３２０ アノード電圧源
３３０ 抵抗

Claims (5)

1. 熱電子を放出する直線状に張られたフィラメントと、２組のグリッドとアノードを有する真空管であって、
   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、
   前記フィラメントは、前記平面基板と平行に、前記アノードの両方と対向する位置に配置され、
   前記グリッドのそれぞれは、同じ組の前記アノードと第１所定間隔を有して対向し、前記フィラメントと第２所定間隔を有するように、前記アノードと前記フィラメントとの間に配置され、
   前記フィラメントを、２組の前記アノード同士の中間点に対応する位置で固定するフィラメント中間固定部と、
   当該真空管内の真空度を保つためのゲッターリングと、
   前記ゲッターリングを、前記フィラメント、前記グリッド、前記アノードに対して遮蔽するためのゲッターシールド
   を備え、
   前記ゲッターリングは、前記グリッドのそれぞれから等距離に配置されている
   ことを特徴とする真空管。
2. 請求項１記載の真空管であって、
   前記第２所定間隔は、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である
   ことを特徴とする真空管。
3. 請求項１または２に記載の真空管であって、
   前記第１所定間隔は、０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする真空管。
4. 請求項１から３のいずれか記載の真空管であって、
   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
   ことを特徴とする真空管。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の真空管であって、
   前記グリッドのそれぞれの中心は、前記フィラメントの片端から１／４の位置と対向しており、前記フィラメント中間固定部は、前記フィラメントを２分する位置である
   ことを特徴とする真空管。

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