JP2594474B2 - 紫外線センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、紫外域の輻射波に対して良好な検出特性を
示すので、この領域の輻射波を検出するのに用いること
ができるのを始め、可燃性ガスの燃焼の炎を検出するの
に用いられる紫外線センサに関する。

〔従来技術の説明〕

近年、紫外線光源が種々開発され、利用分野が拡大さ
れるに伴い、光量を確度よく測定できる紫外線センサの
開発が望まれている。赤外線センサとしては種々開発さ
れているが、紫外域の輻射波を確度よく測定できる紫外
線センサは開発されていないのが現状である。量子効果
を用いた従来の紫外線センサは、その検出原理より明白
なように、強い波長依存性を有すると同時に、検出感度
は温度の影響を強く受け、紫外域の輻射波の光量を確度
よく検出することは困難であった。

また、最近では、可燃性ガスを用いた加熱機器が多用
されているが、ガス爆発事故やガス中毒の発生が絶え
ず、これらの事故をなくすために、使用する上での安全
性が強く要求されている。例えば、多量の水や液体を加
熱蒸発させる可燃性ガスを用いるボイラーにおいては、
人手不足の解消や、労働者の作業環境の安全性を高める
上で、ボイラーのロボット化が望まれており、ボイラー
をロボット化する試み種々検討されてきたが、いまだに
ロボット化された安全なボイラーシステムは実現されて
いない。これは以下の理由による。

すなわち、第３図に示すように、ロボット化されたボ
イラーシステムは、一般に、燃料タンク11と、該燃料タ
ンク11から細い管12を通して供給された小量の可燃性ガ
スを燃焼する種火13と、種火13を用いて燃料タンク11か
ら管14および管14の一部に設けられた制御バルブ15を通
して供給された可燃性ガスを燃焼した炎17により所定の
被加熱物体18に加熱を行うボイラー19と、種火13の燃焼
しているかいないかを検出する紫外線センサ10および信
号処理回路16とから構成され、種火13が燃焼していると
きのみ制御バルブ14が開くようになっている。このボイ
ラーシステムにおいては、制御バルブ14の開閉が紫外線
センサ10の信号に基づいている。

しかしながら、現在用いられている紫外線センサ、例
えば、紫外域に高感度なホトマルでは紫外域だけに検出
感度を有しているにもかかわらず、素子形状が大きいた
めか周囲の温度が上昇するにつれ、種火が一旦消えた場
合でも、あたかも種火が燃焼し続けているかのごとくの
信号を出しやすい。このことは他の紫外線センサ、例え
ばアモルファスシリコンを用いて構成された紫外域に感
度を有するカラーセンサを用いても同様である。従っ
て、種火13が燃焼していないにもかかわらず制御バルブ
14が開いてしまう。実際、このての誤信号によるボイラ
ーシステムの爆発事故は完全になくなっていないのが実
状である。

従って、可燃性ガスを用いてボイラーのロボット化を
実現する上では、種火が燃焼しているかいないかを確実
に検知する紫外線センサ、特に可燃性ガスの燃焼時には
紫外域での発光が観測されるので、紫外域での発光を確
実に検知する紫外線センサの開発が不可欠である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、紫外域における光量を確度よく測定できる紫
外線センサを実現することと、可燃性ガスを用いた加熱
機器、とくに種火を用いた加熱機器を安全に使用する上
で不可欠な、加熱機器における種火が燃焼しているかい
ないかを確実に検出する紫外線センサを開発することが
本発明の解決する課題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために請求項１の発明の紫外線セ
ンサは、特定の条件で作製したビスマス膜の紫外域にお
ける輻射波の吸収率がほぼ一定であることを今回新たに
発見し、その現象に着目し、輻射波吸収体薄膜７として
ビスマス膜を用いた。具体的には、以下の構成とした。

凹部1Bを有する基板1Aと、 基板1A上に設けられたダイヤフラム薄膜２と、 ダイヤフラム薄膜２上に設けられた半導体薄膜対３、
４と各半導体薄膜３、４に設けられたオーミック電極対
5A、5Bとからなる薄膜熱電対６と、 薄膜熱電対６の接合部に対応するダイヤフラム薄膜２
上の基板1A側に、紫外域における輻射波の吸収率がほぼ
一定となるビスマス膜からなる輻射波吸収体薄膜７とを
備えた。

また、請求項２の発明の紫外線センサでは、ボイラー
システムなどの可燃性ガスを用いた加熱機器における種
火は、燃焼時の発光スペクトルが周囲の温度に変化せず
一定であることに着目し、種火周囲物体の温度が変化し
ても検出感度の変化しないように以下の構成とした。

極めて特性の一致した熱電対を、極めて近づけて配列
し、 ２組の熱電対の片一方、具体的には第１の輻射波吸収
体薄膜7A、または第２の輻射波吸収体薄膜7Bのいずれか
一方を覆うよう紫外線カットフィルタを備えたものとし
た。

また、請求項３の発明の紫外線センサでは、請求項２
の第１の輻射波吸収体薄膜7A、及び第２の輻射波吸収体
薄膜7Bに、請求項１と同様に、紫外域における輻射波の
吸収率がほぼ一定であるビスマス膜を用いた。

さらに、請求項４の発明の紫外線センサでは、請求項
２の紫外線センサにおいて、直接、紫外線カットフィル
タ８が輻射波吸収体薄膜を覆うのではなく、基板1Aと紫
外線カットフィルタ８との間に光透過性の有する第２の
基板９を備えた構成とした。

〔作用〕 ビスマス膜の紫外域における吸収特性はこれまでに刊
行物に記載されたものが見当たらない。発明者の測定結
果を第４図に示す。膜厚がｔ＝１μｍ以下では短波長域
での波長依存性がみられるが、ｔ＝５μｍ以上ではほぼ
一定でかつ100％近い吸収率を示すことが確認された。
従って、ビスマス膜を薄膜熱電対の温接点となる接合部
における輻射波吸収体薄膜として用いることにより波長
依存性の無い高確度の熱電対型の紫外線センサを構成で
きる。

次に、可燃性ガスを用いた加熱機器の種火の燃焼時に
おける炎の発光スペクトルを第５図中、実線（ａ）で示
す。また、種火の周囲からの発光スペクトルの燃焼前に
おけるスペクトルを第５図に波線（ｂ）で、また、燃焼
後一定時間が経過しほぼ安定した状態における発光スペ
クトルを波線（ｃ）で示す。燃焼前で、種火が点火され
ていない状態での紫外線センサの受ける輻射エネルギー
は面積Sbに対応する。同様に、ボイラーが燃焼すること
により周囲温度が上昇した後、種火が点火されていない
状態での紫外線センサの受ける輻射エネルギーは面積Sc
に対応する。また、第６図に示すように、加熱機器の燃
焼後の経過時間に伴い発光スペクトルの発光波長および
発光強度が変化する。

しかし、紫外線カットフィルタを用いることに解決で
きる。第７図に示すように種火が点火している状態での
紫外線センサの受ける輻射エネルギーの大きさは紫外線
カットフィルタの有無により異なる。

すなわち、紫外線カットフィルタが設けられていない
紫外線センサの受ける輻射エネルギーは面積Sa＋Sb＋Sd
またはSa＋Sc＋Sdに対応する（第７図（Ａ））。同様
に、紫外線カットフィルタが設けられた紫外線センサの
受ける輻射エネルギーは波長λ_０以下がカットされるの
で、燃焼前後により異なる、面積Sa＋SbまたはSa＋Scに
対応する（第７図（Ｂ））。従って、種火の点火後の時
間経過に関係なくいずれの場合も、紫外線カットフィル
タの設けられていない紫外線センサにおける熱電対の起
電力の方が紫外線カットフィルタの設けられた紫外線セ
ンサにおける熱電対の起電力よりも面積Sdに対応した部
分だけ大きくなる（第７図（Ｃ））。

請求項４の発明は、基板1Aと紫外線カットフィルタ８
との間に光透過性の有する第２の基板９を備えたことに
より、特に、紫外線カットフィルタ８にて生じた熱が第
２の基板９で吸収し放熱されるため、輻射波吸収体薄膜
7Aに影響を与えない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面で用いて説明する。

（第一の実施例） 第１図（Ａ）は、本発明による第一の実施例を示す平
面図である。第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）のＸ−Ｘ′
の断面図である。紫外線センサは、凹部1Bを有する基板
1Aと、基板1A上に設けられたダイヤフラム薄膜２と、ダ
イヤフラム薄膜２上に設けられた半導体薄膜対３、４と
半導体薄膜対３、４に設けられたオーミック電極対5A、
5Bとからなる薄膜熱電対６と、薄膜熱電対６の接合部に
対応するダイヤフラム薄膜２上の基板1A側に設けられた
輻射波吸収体薄膜７とから構成される。薄膜熱電対６の
接合部は温接点部として機能する。また、輻射波吸収体
薄膜としては、ビスマス蒸着膜を用いる。本発明による
紫外線センサの特性として、受光径1mmφ、熱電対数12
対のもので、検出感度20mV/mW、応答速度10ms以下のも
のが実現されている。

（第二の実施例） 第２図（Ａ）は、本発明による第二の実施例を示す平
面図である。第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）のＸ−Ｘ′
の断面図、第２図（Ｃ）は、底面図である。第二の実施
例は、特に、可燃性ガスを用いた加熱機器に用いられる
種火の検出に用いられる紫外線センサで、第１の凹部1B
および第２の凹部1Cを有する第１の基板1Aと、基板1A上
に設けられたダイヤフラム薄膜２と、ダイヤフラム薄膜
２上に設けられた第１および第２の半導体薄膜対3A、4
A、3B、4Bと、各半導体薄膜対3A、4A、3B、4Bに設けら
れたオーミック電極対5A、5B、5B、5Cとからなる第１お
よび第２の薄膜熱電対6A、6Bと、第１および第２の各薄
膜熱電対6A、6Bの各接合部に対応するダイヤフラム薄膜
２上の基板1A側に設けられた第１および第２の輻射波吸
収体薄膜7A、7Bと、第１の輻射波吸収体薄膜7Aを覆うよ
うに設けられた紫外線カットフィルタ８を備えた第２の
基板９とからから構成される。この場合、二つの熱電対
の特性は極めて良く一致するしてことが重要である。ま
た、一般に、ボイラーの種火の炎は小さいので、熱電対
の形状が大きくなると、各熱電対の受ける輻射エネルギ
ーに差が生じ易い。これを避ける上ため、できるだけ熱
電対の形状は小さい方が望ましい。

絶縁性基板状に極めて特性の一致した小型の熱電対を
作製する方法については、すでに、「双子形熱電対素子
（実開昭60−124053号公報）」に開示されている。ま
た、熱電対の検出感度を高める方法としては、「熱電対
素子（特公平２−27826号公報）」、同一出願人による
「ゲルマニウム薄膜ｎ形導電体及びその製造方法（特願
平１−77755号）」に開示されている。

さらに、薄膜熱電対素子を用いて輻射波検出素子を構
成する方法については同一出願人による「輻射波検出素
子（特願平１−213705号）」に開示されている。また、
紫外線カットフィルタの作製方法としてはクロムなどの
金属酸化物薄膜、シリコン、ゲルマニウム、InAs,InSb
の半導体薄膜及びAs₂S₃やSb₂S₃のアモルファス半導体薄
膜を用いることにより構成することができる。

また、第２の基板９として色ガラスフィルタを用い、
第２の基板９側より測定すべき輻射波を入射させること
により紫外線カットフィルタを形成することができる。
なお、この場合、他方の熱電対の温接点である接合部を
形成する周囲の色ガラスフィルタはエッチングにより除
去すればよい。

（第三の実施例） 第３図は本発明による紫外線センサの可燃性ガスを用
いた加熱機器の種火の検出への応用の一実施例を示す図
である。可燃性ガスを用いた加熱機器としてボイラーシ
ステムへの一実施例で、燃料タンク11と、該燃料タンク
11から細い管12を通して供給された小量の可燃性ガスを
燃焼する種火13と、種火13を用いて燃料タンク11から管
14および管14の一部に設けられた制御バルブ15を通して
供給された可燃性ガスを燃焼させた炎17により所定の被
加熱物体18に加熱を行うボイラー19と、種火13の燃焼し
ているかいないかを検出する紫外線センサ10および信号
処理回路16とから構成される。この場合、種火13が燃焼
しているときのみ制御バルブ15が開くように信号処理回
路16からの出力信号を設定する。つまり、本発明による
紫外線センサおよび信号処理回路とを、従来の可燃性ガ
スを用いたボイラーに付加し、信号処理回路からのデー
タを用いて燃焼供給管に設けられた制御バルブの開閉を
行うことによりロボット化されたボイラーシステムを構
成することができる。その結果、従来見られたガス爆発
事故を防ぐことができる。

なお、第二の実施例では紫外線カットフィルタ８を第
２の基板９に覆うものとしたが、反射型の紫外線カット
フィルタを用いた場合、第８図に示すように直接、輻射
波吸収体薄膜に覆うものとすることができる。

以上述べた、紫外線センサは、一般の半導体薄膜プロ
セスを用いることにより容易に実現することができる。
特に、本発明のビスマス蒸着膜は、超高真空の蒸着装置
を用いることにより作製することができる。作製条件の
一例を示すと、Ar雰囲気中、蒸着圧力10⁺²〜10⁺³Pa、堆
積速度10〜15Å/sである。また、熱起電力の大きな半導
体薄膜の作製方法については、「双子形熱電対素子（実
開昭60−124053号公報）」、「熱電対素子（特公平２−
27826号公報）」、「ゲルマニウム薄膜ｎ形導電体及び
その製造方法（特願平１−77755号）」、「輻射波検出
素子（特願平１−213705号）」に開示されている方法を
用いて実現できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の紫外線センサによれば、
輻射波吸収体薄膜を紫外域における輻射波の吸収率がほ
ぼ一定のビスマス膜により成る構成とした。そのため、
波長依存性の無い、特に短波長域（200nm〜400nm）にお
ける光パワーを高確度、高感度に検出できるのはじめ、
各種可燃性ガスを用いた加熱機器の種火が燃焼している
かどうかを確実に検出するのに用いることができる。

また、極めて特性の一致した熱電対を、極めて近づけ
て配列し、片方の輻射波吸収体薄膜に紫外線カットフィ
ルタを覆う構成とした。そのため、第７図（Ｃ）に示す
ように周囲の温度に影響されない一定の検出感度のとな
る。つまり、種火の炎の有る場合のみ起電力を発生し、
周囲の温度の影響を受けないので、種火が燃焼している
かどうかを確実に検出することができる。

また、基板1Aと紫外線カットフィルタ８との間に光透
過性の有する第２の基板９を備えた構成とした。そのた
め、紫外線カットフィルタ８で発生した熱が第２の基板
９で放熱され、輻射波吸収体薄膜に影響を与えないた
め、種火が燃焼しているかどうかを確実に検出すること
ができる。つまり、この種火検出用の紫外線センサを可
燃性ガスを用いた加熱機器に用いることにより、ガス爆
発のないボイラーシステム等を構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による第一の実施例を示す平面
図、第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）のＸ−Ｘ′の断面
図、 第２図（Ａ）は、本発明による第二の実施例を示す平面
図、第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）のＸ−Ｘ′の断面
図、第２図（Ｃ）は、底面図、 第３図は本発明による紫外線センサを応用した一実施例
を示す図、 第４図はビスマス蒸着膜の紫外域における吸収特性を示
す図、 第５図は加熱機器の発光スペクトラムを示した図、 第６図は加熱機器の燃焼後の経過時間による発光スペク
トラムの変化を示した図、 第７図は種火点火後の時間経過による、センサの出力電
圧を示す図、 第８図（Ａ）は、本発明による他の実施例を示す平面
図、第８図（Ｂ）は、第８図（Ａ）のＸ−Ｘ′の断面
図、第８図（Ｃ）は、底面図である。 1A……基板、1B,1C……凹部、２……ダイヤフラム膜、
3,4,3A,3B,4A,4B……半導体薄膜対、5A,5B,5C……オー
ミック電極対、6,6A,6B……薄膜熱電対、7,7A,7B……輻
射波吸収体膜、８……紫外線カットフィルタ、９……第
２の基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−77729（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−245201（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−154139（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−124053（ＪＰ，Ｕ) 特公 平２−27826（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凹部（1B）を有する基板（1A）と、該基板
   （1A）上に設けられたダイヤフラム薄膜（２）と、該ダ
   イヤフラム薄膜（２）上に設けられた半導体薄膜対
   （３、４）と該各半導体薄膜（３、４）に設けられたオ
   ーミック電極対（5A、5B）とからなる薄膜熱電対（６）
   と、該薄膜熱電対（６）の接合部に対応するダイヤフラ
   ム薄膜（２）上の基板（1A）側に紫外域における輻射波
   の吸収率がほぼ一定となるビスマス膜からなる輻射波吸
   収体薄膜（７）とを備えたことを特徴とする紫外線セン
   サ。
2. 【請求項２】第１の凹部（1B）および第２の凹部（1C）
   を有する第１の基板（1A）と、該基板（1A）上に設けら
   れたダイヤフラム薄膜（２）と、該ダイヤフラム薄膜
   （２）上に設けられた第１の半導体薄膜対（3A、4A）お
   よび第２の半導体薄膜対（3B、4B）と前記第１の半導体
   薄膜対（3A、4A）に設けられたオーミック電極対（5A、
   5B）と第２の半導体薄膜対（3B、4B）に設けられたオー
   ミック電極対（5B、5C）とからなる第１および第２の薄
   膜熱電対（6A、6B）と、該第１および第２の薄膜熱電対
   （6A、6B）の各接合部に対応するダイヤフラム薄膜
   （２）上の基板（1A）側に設けられた第１および第２の
   輻射波吸収体薄膜（7A,7B）と、前記第１の輻射波吸収
   体薄膜（7A）または第２の輻射波吸収体薄膜（7B）のい
   ずれか一方を覆うように設けられた紫外線カットフィル
   タ（８）とを備えたことを特徴とする紫外線センサ。
3. 【請求項３】前記輻射波吸収体薄膜（7A、7B）が紫外域
   における輻射波の吸収率がほぼ一定となるビスマス膜か
   らなることを特徴とする請求項２記載の紫外線センサ。
4. 【請求項４】前記基板（1A）と前記紫外線カットフィル
   タ（８）との間に光透過性の有する第２の基板（９）を
   備えたことを特徴とする請求項２記載の紫外線センサ。