JP2016081877A

JP2016081877A - 紫外線センサ

Info

Publication number: JP2016081877A
Application number: JP2014215559A
Authority: JP
Inventors: 有紀松田; Yuki Matsuda; 宗和片桐; Munekazu Katagiri
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】疑放電性に影響を与えずに感度を高めた紫外線センサを提供する。
【解決手段】紫外線センサ１のガラスパッケージ２において、紫外線発生源に向ける天板２２の厚みを０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下にする。あるいは、天板２２の厚みと直径の比を０．０１５７以上、０．０３９４以下にする。天板２２の厚みを薄くすることにより、紫外線透過率を高めて高感度化する。
【選択図】図１

Description

この発明は、火炎から放出される紫外線を検出する紫外線センサに関するものである。

従来より、燃焼炉等において火炎から放出される紫外線を検出して火炎の有無を検知するのに用いられる紫外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この紫外線センサは、ガラスパッケージ内にカソードとアノードの２枚の電極が設置され、所定のガスが封入されている。ガラスパッケージの上面にある天板には、紫外線を透過できるガラスが使用されており、この天板を透過した紫外線がアノード電極の貫通孔を介して電極間に到達すると、封入されたガスが励起され、電極間に放電現象が発生する。この放電現象による電極間の電圧の変化、または電極間に流れる電流などを計測することにより、火炎の有無を検知できる。

特開２０１３−１９６８１２号公報

上述したような紫外線センサは、燃焼安全装置の火炎検出器として、例えば、自動車のボディや部品の塗装ラインにおける乾燥炉や、アルミ、亜鉛ダイキャストに使用する溶解炉、また金属部品の焼き入れなどの熱処理炉といった各種工業炉の燃焼制御の分野で幅広く使用されており、よりいっそうの高感度化が求められている。

従来は、カソードとアノードの２枚の電極の間隔を狭めたり、ガス圧を下げたりすることによって、放電開始電圧を下げて感度を高める場合があった。しかしながら、この方法では放電が起こりやすくなるため、紫外線センサが疑放電する可能性が高くなるという課題があった。

この発明は、上記のような現状に鑑みてなされたもので、疑放電性に影響を与えずに感度を高めることを目的とする。

この発明に係る紫外線センサは、ガラスパッケージの天板が紫外線発生源に向けて設置されて、ガラスパッケージの内部に配設された一対の電極により紫外線を検出する紫外線センサであって、天板は、紫外線透過ホウ珪酸ガラスで構成され、厚みが０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。

この発明に係る紫外線センサは、ガラスパッケージの天板が紫外線発生源に向けて設置されて、ガラスパッケージの内部に配設された一対の電極により紫外線を検出する紫外線センサであって、天板は紫外線透過ホウ珪酸ガラスで構成され、天板の厚みとガラスパッケージの外径の比が０．０１５７以上、０．０３９４以下である。

この発明によれば、紫外線センサのガラスパッケージの天板を薄くすることにより、疑放電性に影響を与えずに感度を高めることができる。

この発明の実施の形態１に係る紫外線センサの構成例を示す斜視図である。実施の形態１に係る紫外線センサに用いる紫外線透過ホウ珪酸ガラスの厚みと光の透過率の関係を示すグラフである。実施の形態１に係る紫外線センサの天板の厚みと感度の関係を示すグラフである。実施の形態１に係る紫外線センサの側面部と天板を接合する際の様子を示す図である。

実施の形態１．
図１に示すように、実施の形態１に係る紫外線センサ１は、ガラスパッケージ２と、ガラスパッケージ２の底面部２３を貫通する６本の電極ピン３と、６本の電極ピン３を介して互いに平行に支持されたアノード電極４およびカソード電極５と、排気管６を備えている。

ガラスパッケージ２は、円筒状の側面部２１と、この側面部２１の一方の端部を塞ぐ天板２２と、もう一方の端部を塞ぐ底面部２３とを有している。側面部２１および底面部２３は、通常のホウ珪酸ガラスでできており、この部分から紫外線センサ１内に紫外線が入光し難くなっている。一方、天板２２は、側面部２１および底面部２３に比べて紫外線透過率の高い紫外線透過ホウ珪酸ガラスでできており、この部分から紫外線センサ１内に紫外線を入光させるようになっている。紫外線発生源である火炎に天板２２を向けた状態で紫外線センサ１を設置することにより、火炎が放出する紫外線がガラスパッケージ２内に入光する。

６本の電極ピン３は、底面部２３を貫通した状態で設けられている。これらの電極ピン３は、導電性を有する材料（例えば、コバール）で構成されている。６本の電極ピン３のうち、３本の電極ピン３にはアノード電極４が固定され、残りの３本の電極ピン３にはカソード電極５が固定されている。

アノード電極４およびカソード電極５は、タングステンで構成されている。図示は省略しているが、アノード電極４には多数の貫通孔が形成されている。対して、カソード電極５は平板状に形成されている。アノード電極４とカソード電極５は、各３本の電極ピン３によって、互いに平行に支持されている。

排気管６は、側面部２１および底面部２３と同じホウ珪酸ガラスでできている。この排気管６は、一方の端部が底面部２３に接合されており、排気管６を通じてガラスパッケージ２内に所定の組成のガスが充填された後、もう一方の端部が閉塞されることによりガラスパッケージ２が封止される。

本実施の形態１では、紫外線センサ１の感度を高めるよう改良する。
天板２２を構成する紫外線透過ホウ珪酸ガラスは、透過率が低い波長域では、厚みの依存性が大きくなる特性をもつ。紫外線センサ１で検出対象とする紫外線は２００〜２４０ｎｍの波長であり、紫外線透過ホウ珪酸ガラスの透過率が低い波長域であるため、天板２２を薄くすることで感度を向上させる。

以下では、紫外線透過ホウ珪酸ガラスとして、ガラスの厚み１ｍｍのとき波長２５３．７ｎｍの紫外線を８０％以上透過させる特性を有するものを使用した場合を説明する。

図２は、紫外線透過ホウ珪酸ガラスの厚みと光の透過率の関係を示すグラフである。天板２２の紫外線透過ホウ珪酸ガラスの厚みを、０．７ｍｍから０．５ｍｍに変更した場合、波長２００ｎｍの透過率は約７０％から約７７％に向上し、０．３ｍｍに変更した場合、約８３％に向上する。このように、天板２２の厚みが薄いほど紫外線の透過率が高いことが分かる。

図３は、天板２２の厚みと紫外線センサ１の感度の関係を示すグラフである。この例では、天板２２を厚み０．７ｍｍにした紫外線センサ１の感度と、厚み０．３ｍｍにした紫外線センサ１の感度を比較する。グラフの横軸は感度、縦軸は天板２２の厚みである。厚み０．７ｍｍの場合の感度に比べて、厚み０．３ｍｍの場合の感度のほうが大きい。このように、天板２２の厚みが薄いほど感度が大きいことが分かる。

上述したように、天板２２の厚みが薄いほど高感度になるが、０．２ｍｍより薄くなると製造時のハンドリングが非常に困難になり、また完成品の機械的強度も低くなる。よって、天板２２は、０．２ｍｍ以上の厚みが望ましい。
高温なコークス炉や、微細精密加工に用いられる水素炎（水素炉）などでは特に高感度が要求される傾向にあり、要求される感度を達成するためには、天板２２が波長２００ｎｍの紫外線を７５％以上透過できることが求められる。図２のグラフより、この要求を満たすためには天板２２は０．５ｍｍ以下の厚みが望ましい。

ここで、厚み０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の天板２２を採用した場合の、紫外線センサ１の構成例を考える。
感度に影響するのは、主に、天板２２の厚み、アノード電極４とカソード電極５の外径、アノード電極４とカソード電極５の間隔、アノード電極４とカソード電極５の材料、および電極ピン３の材料である。例えば、ガラスパッケージ２の外径（つまり側面部２１の外径）を１２．７ｍｍとした場合、アノード電極４とカソード電極５の外径を８．７ｍｍ、アノード電極４とカソード電極５の間隔を０．４ｍｍとする。また、アノード電極４とカソード電極５をタングステンで構成し、電極ピン３をコバールで構成する。

また、上記の構成例では、側面部２１の外径と天板２２の厚みの関係には、下記が成立する。
側面部２１の外径１２．７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのとき、厚み／外径は０．０１５７である。側面部２１の外径１２．７ｍｍ、厚み０．５ｍｍのとき、厚み／外径は０．０３９４である。つまり、紫外線センサ１の高感度化のためには、厚みと外径の比として、０．０１５７以上、０．０３９４以下が望ましい。

図４は、側面部２１と天板２２を接合する際の様子を示す。円筒状の側面部２１の端部に天板２２を載置し、天板２２の外周をバーナ７の火炎であぶることにより側面部２１と天板２２とを接合する。その際、接合部に凹凸ができないよう、天板２２の外径を、側面部２１の外径より小さくすることが望ましい。接合部に凹凸があると、透過率や屈折率が変化してしまい、所望の感度を得にくい可能性がある。

天板２２を薄くすることで、バーナ７の火力を弱めることができるので、天板２２の熱による変形が起こりにくくなる利点がある。
また、接合時には天板２２を治具で保持することができないので（治具で保持した部分が変形したり欠けたりするため）、バーナ７の火炎が強いと天板２２が飛ばされる場合があるが、天板２２を薄くすることで、バーナ７の火力を弱めることができるので、天板２２の自重で側面部２１上での位置を保持できる利点もある。

また、天板２２と側面部２１のガラスの種類はともにホウ珪酸ガラスであるため、線膨張係数が略同一であり、製造しやすい。これに対し、感度を高めるために、紫外線透過率の高い石英ガラス等を天板２２に使用すると、製造時の条件を大幅に変更したり、側面部２１と天板２２のガラスの種類の違いによる線膨張係数差を緩和する機構が必要になったりする。

また、紫外線センサ１を高感度化するにあたり、アノード電極４とカソード電極５の間隔を狭めたりガス圧を下げたりすることは行っていないため、疑放電性に影響を与えることはない。

以上より、実施の形態１によれば、天板２２を紫外線透過ホウ珪酸ガラスで構成し、その厚みを０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下にしたので、疑放電性に影響を与えずに感度を高めることができる。
また、天板２２の厚みとガラスパッケージ２の外径の比を０．０１５７以上、０．０３９４以下にすることによっても、疑放電性に影響を与えずに感度を高めることができる。

なお、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。
上記実施の形態１ではガラスパッケージ２を筒形状にしたが、ドーム形状にした場合であっても、ドーム天面部分の厚みを薄くすることによって上記同様の効果が得られる。

１紫外線センサ
２ガラスパッケージ
３電極ピン
４アノード電極
５カソード電極
６排気管
７バーナ
２１側面部
２２天板
２３底面部

Claims

ガラスパッケージの天板が紫外線発生源に向けて設置されて、前記ガラスパッケージの内部に配設された一対の電極により紫外線を検出する紫外線センサであって、
前記天板は、紫外線透過ホウ珪酸ガラスで構成され、厚みが０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする紫外線センサ。
ガラスパッケージの天板が紫外線発生源に向けて設置されて、前記ガラスパッケージの内部に配設された一対の電極により紫外線を検出する紫外線センサであって、
前記天板は紫外線透過ホウ珪酸ガラスで構成され、前記天板の厚みと前記ガラスパッケージの外径の比が０．０１５７以上、０．０３９４以下であることを特徴とする紫外線センサ。
前記天板の厚みは、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の紫外線センサ。
前記紫外線透過ホウ珪酸ガラスは、厚み１ｍｍのとき波長２５３．７ｎｍの紫外線を８０％以上透過させる特性を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の紫外線センサ。
前記ガラスパッケージは、円筒状のガラスの端部に、前記円筒状のガラスより外径の小さい前記天板を接合して構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の紫外線センサ。