JP6214373B2 - 紫外線放電管の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、紫外線放電管の製造方法に関するものである。

従来、自動車のボディーや部品の塗装ラインの乾燥炉、アルミや亜鉛ダイキャストの溶解炉、及び金属部品の焼き入れ用の熱処理炉などの各種工業炉において、燃焼安全装置の火炎検出センサとして紫外線放電管（以下「ＵＶチューブ」という）が用いられている。

図８を参照して、従来のＵＶチューブについて説明する。
図中、１はガラスパッケージである。ガラスパッケージ１は、内部空間に特殊な混合ガスが一定圧で封入されている。また、ガラスパッケージ１の内部に、互いの面を対向させた板状のカソード電極２及びアノード電極３が設けられている。

カソード電極２のエッジ部に、複数本の電極線４ａ〜４ｃの一端部がそれぞれレーザー溶接されている。電極線４ａ〜４ｃの他端部は、ガラスパッケージ１の外部にそれぞれ引き出されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

このように構成されたＵＶチューブ１００は、２枚の電極間に０ボルト（Ｖ）〜４００Ｖの交流電圧を印加することで、ガラスパッケージ１の外部から特定波長（１８５ｎｍ〜２４５ｎｍ）の紫外線を照射した場合のみ２枚の電極間で放電が起こる。これにより、紫外線のみを選択的に検知して反応する。

ここで、ＵＶチューブ１００の感度波長は、カソード電極２及びアノード電極３を構成する材料の仕事関数によって決まる。そのため、カソード電極２及びアノード電極３は、感度波長が特定波長（１８５ｎｍ〜２４５ｎｍ）となる仕事関数を有し、かつ放電時の発熱に耐える高い融点（約３０００度）を有する金属であるタングステンで構成されている。

また、電極線４ａ〜４ｃの材料は、ガラスパッケージ１を構成するホウ珪酸ガラスと線膨張係数を合わせる必要がある。そのため、電極線４ａ〜４ｃはコバールで構成されている。以下、電極線４ａ〜４ｃを「コバール線」という。

特許第５２９６６１８号公報 特開２０１２−２０７９７１号公報

ＵＶチューブは、燃焼安全装置などに用いられることから、信頼性を確保することが重要となる。

ＵＶチューブの電極表面にひび割れ（以下「クラック」という）が発生すると、溶接部の接合強度が低下して信頼性が損なわれる。また、電極表面が汚染されると、放電特性が悪くなり信頼性が損なわれる。したがって、ＵＶチューブの製造工程において、電極表面の汚染やクラックの発生を防ぐことが求められる。

これに対し、従来のＵＶチューブ１００の製造方法は、以下のようにレーザー溶接の工程でカソード電極２の表面にクラックが発生するのを防ぐことができなかった。
まず、図９に示す如く、カソード電極２の裏面にコバール線４ａ〜４ｃの一端部を当接させる。次いで、図１０に示す如く、カソード電極２の表面に集光したレーザー光５を照射する。これにより、カソード電極２の一部及びコバール線４ａ〜４ｃの一端部が溶融して溶融部６ａ〜６ｃとなる。

このように、いわゆる「突き当て溶接」を行うことで、溶接後のカソード電極２の表面にタングステン以外の材料が露出しないようにしている。

このとき、照射したレーザー光５の熱により、カソード電極２を構成するタングステンが高温になり、タングステンの再結晶が起こる。これにより、図１１に示す如く、溶接後のカソード電極２の表面にはクラックが発生している。

一方、図１２に示す如く、カソード電極２の表面を治具等（不図示）で支持して、裏面に当接させたコバール線４ａ〜４ｃの一端部にレーザー光５を照射する製造方法によれば、タングステンの再結晶を防ぐことができる。しかしながら、カソード電極２の表面が治具等に当接して汚染される。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、レーザー溶接の工程においてカソード電極の表面の汚染を防ぎ、かつクラックの発生を防ぐことができるＵＶチューブの製造方法を提供することを目的とする。

この発明の紫外線放電管の製造方法は、板状のカソード電極の表面にレーザー光を照射して裏面に当接した電極線の一端部を溶接するステップを具備する紫外線放電管の製造方法において、集光したレーザー光の光路上に設けた凹レンズを用いて平行光にして照射するものである。

また、この発明の紫外線放電管の製造方法は、板状のカソード電極の表面にレーザー光を照射して裏面に当接した電極線の一端部を溶接するステップを具備する紫外線放電管の製造方法において、集光したレーザー光の光路上に設けた凹レンズを用いて焦点部を表面から光軸方向にずらして照射するものである。

この発明の紫外線放電管の製造方法によれば、レーザー溶接の工程においてカソード電極の表面の汚染を防ぎ、かつクラックの発生を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１のＵＶチューブの斜視図である。 この発明の実施の形態１のレーザー溶接装置を側面から見た説明図である。 凹レンズを除いたレーザー溶接装置を側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態１の照射部径に対するエネルギー密度を示す特性図である。 この発明の実施の形態１の溶接後のカソード電極の表面を上面から見た写真である。 この発明の実施の形態１の照射部径に対する溶接部の接合強度を示す特性図である。 この発明の実施の形態２の溶接後のカソード電極の表面を上面から見た写真である。 従来のＵＶチューブの斜視図である。 従来の溶接前のカソード電極及びコバール線をＡ−Ａ’断面から見た説明図である。 従来の溶接中のカソード電極及びコバール線をＡ−Ａ’断面から見た説明図である。 従来の溶接後のカソード電極の表面を上面から見た写真である。 従来の他の溶接中のカソード電極及びコバール線をＡ−Ａ’断面から見た説明図である。

実施の形態１．
図１を参照して、この発明の実施の形態１のＵＶチューブについて説明する。
図中、１０は筒状のエンベロープである。エンベロープ１０の上端の開口部は天板１１で塞がれており、下端の開口部は台座１２により支持されている。台座１２には、エンベロープ１０に連通した排気管１３が設けられている。ホウ珪酸ガラスなどの硬質ガラスからなるエンベロープ１０、天板１１、台座１２及び排気管１３によって、ガラスパッケージが構成されている。このガラスパッケージの内部空間に、特殊な混合ガスが一定圧で封入されている。

ガラスパッケージの内部には、互いの面を対向させた円板状のカソード電極１４及びアノード電極１５が設けられている。ここで、カソード電極１４及びアノード電極１５を構成するタングステンは層状の構造となっている。また、アノード電極１５は、断面が矩形状の貫通孔を面方向に沿って複数配列した網板状になっている。

カソード電極１４のエッジ部（周端部）に、鉄、ニッケル及びコバルトの合金（コバール）からなる３本の電極線（以下「コバール線」という）１６ａ〜１６ｃの一端部がそれぞれレーザー溶接されている。コバール線１６ａ〜１６ｃの他端部は、台座１２を貫通してガラスパッケージの外部にそれぞれ引き出されている。

アノード電極１５のエッジ部（周端部）に、断面が円形状の３つの貫通孔１７ａ〜１７ｃが設けられている。貫通孔１７ａ〜１７ｃに、コバール線１８ａ〜１８ｃの一端部がそれぞれレーザー溶接されている。コバール線１８ａ〜１８ｃの他端部は、台座１２を貫通してガラスパッケージの外部にそれぞれ引き出されている。
このようにして、ＵＶチューブ（紫外線放電管）１０１が構成されている。

次に、図２を参照して、カソード電極１４にコバール線１６ａ〜１６ｃをレーザー溶接する装置について説明する。
図中、２１は光ファイバである。光ファイバ２１の一端部は図示しない光源に接続され、他端部は筒状の加工ヘッド筐体２２の上端部に接続されている。

加工ヘッド筐体２２の内部には、入射側レンズ２３及び出射側レンズ２４が設けられている。入射側レンズ２３及び出射側レンズ２４は、光ファイバ２１の他端部と光軸を揃えて、かつ互いの面を対向させた凸レンズで構成されている。加工ヘッド筐体２２の下端の開口部には、円板状の保護ガラス２５が嵌合されている。加工ヘッド筐体２２、入射側レンズ２３、出射側レンズ２４及び保護ガラス２５によって、出射ユニット２６が構成されている。

出射ユニット２６と、溶接対象となるコバール線１６ａ〜１６ｃを固定する図示しないアームとの間に、入射側レンズ２３及び出射側レンズ２４と光軸を揃えた凹レンズ２８が介在されている。凹レンズ２８は、図示しないスライダーによって光軸方向に沿う方向に直動自在に支持されている。
このようにして、レーザー溶接装置２００が構成されている。

次に、ＵＶチューブ１０１の製造方法について、レーザー溶接装置２００を用いてカソード電極１４にコバール線１６ａ〜１６ｃをレーザー溶接する工程を中心に説明する。
まず、図示しないアームに固定したコバール線１６ａ〜１６ｃの一端部に、カソード電極１４の裏面１９を当接させる。

次いで、図示しない光源がレーザー光を出力する。出力したレーザー光は、光ファイバ２１を通過して加工ヘッド筐体２２の上端部に入力される。入力したレーザー光は、入射側レンズ２３及び出射側レンズ２４によって集光され、保護ガラス２５を介して出力される。

次いで、凹レンズ２８が、集光されたレーザー光３０を平行光のレーザー光３１に戻す。このレーザー光３１をカソード電極１４の表面２０の加工部３２に照射する。

このとき、図示しないスライダーによって凹レンズ２８の位置を調整することで、図２に示す平行光のレーザー光３１の表面２０における直径（以下「照射部径」という）ｄ _Ｉ を、図３に示す集光したレーザー光３０の表面２０における直径（すなわち、レーザー光３０の焦点部の直径）ｄ _Ｉ ´よりも大きくする。

図４は、光源のランプ電圧を２５３ボルト（Ｖ）に設定し、レーザー出力を１５．９ジュール（Ｊ）に設定した場合の、照射部径ｄ _Ｉ ［ミリメートル（ｍｍ）］に対する表面２０におけるレーザー光３１のエネルギー密度Ｅ［ジュール毎平方ミリメートル（Ｊ／ｍｍ^２）］を示す折れ線グラフである。図４から明らかなように、照射部径ｄ _Ｉ を０．６ｍｍ（レーザー光３０の焦点部の直径ｄ _Ｉ ´と同じ値）とすると、エネルギー密度Ｅは５６Ｊ／ｍｍ^２ となる。これに対し、照射部径ｄ _Ｉ を０．７８ｍｍに拡大すると、エネルギー密度Ｅは３３Ｊ／ｍｍ^２に低下する。以下、照射部径ｄ _Ｉ を拡大するにつれて、エネルギー密度Ｅは低下する。

以上のように、凹レンズ２８を用いて平行光に戻したレーザー光３１を照射することで、表面２０におけるレーザー光３１の照射部径ｄ_Ｉが拡大して、エネルギー密度Ｅが低下する。その結果、カソード電極１４を構成するタングステンの再結晶を抑制して、クラックの発生を防ぐことができる。

図５及び図６を参照して、この実施の形態１の製造方法で製造されたＵＶチューブ１０１の効果について説明する。
図５は、厚さ０．１ｍｍのタングステンからなるカソード電極１４に平行光のレーザー光３１を照射した場合の、カソード電極１４の溶接部の表面２０を示す写真である。図５から明らかなように、表面２０におけるエネルギー密度Ｅを低下させることで、タングステンの再結晶によるクラックの発生を防ぐことができている。

図６は、照射部径ｄ _Ｉ を０．６ｍｍ〜１．３０ｍｍとして、厚さ０．１ｍｍのタングステンからなるカソード電極１４に平行光のレーザー光３１を照射した場合の、複数個（ｎ個）のＵＶチューブ１０１の溶接部の接合強度Ｐ［ニュートン（Ｎ）］の最小値、最大値及び平均値を示す棒グラフである。図６から明らかなように、照射部径ｄ _Ｉ を０．６ｍｍ（ｄ _Ｉ ´と同じ値）とすると、接合強度Ｐの平均値は９０Ｎ〜１００Ｎとなっている。これに対し、照射部径ｄ _Ｉ を０．７８ｍｍ以上とすると、接合強度Ｐの平均値は１２０Ｎ〜１３０Ｎとなっている。

以上のように、この実施の形態１のＵＶチューブ１０１の製造方法は、カソード電極１４にコバール線１６ａ〜１６ｃをレーザー溶接する工程において、凹レンズ２８を用いて平行光に戻したレーザー光３１を照射する。これにより、表面２０におけるレーザー光３１の照射部径ｄ_Ｉが拡大して、エネルギー密度Ｅが低下する。
その結果、カソード電極の表面にクラックが発生するのを防ぎ、溶接部の接合強度を高くすることができる。また、カソード電極の表面が治具等に当接せず、カソード電極の表面が汚染されるのを防ぐことができる。

さらに、平行光のレーザー光３１を照射することから、出射ユニット２６とカソード電極１４の間の距離（以下「ワークディスタンス（ＷＤ）」という）の制約がなくなる。これにより、溶接時に出射ユニット２６やアームの光軸方向の位置を調整する工程を不要とすることができる。

なお、実施の形態１におけるカソード電極の厚さ０．１ｍｍの値は、多少の誤差を許容する値である。最大で厚さ０．２ｍｍのカソード電極であっても、実施の形態１と同様にクラックの発生を防ぐことができる。

また、光源の設定や出射ユニット２６の構造は、図２に示すものに限定されない。表面２０におけるエネルギー密度Ｅを、カソード電極１４の厚さに応じてクラックが発生しない程度に低下させることができるものであれば、任意の構成のものを用いて良い。

また、レーザー溶接装置２００は、複数種類の凹レンズ２８を取り付けたリボルバーを有するものとしても良い。これにより、１台のレーザー溶接装置２００を用いて、厚さなどが異なる複数のカソード電極１４に対してそれぞれ最適なエネルギー密度Ｅとなる凹レンズ２８を切り換えながら溶接するものとしても良い。

実施の形態２．
凹レンズを用いてレーザー光の焦点部をカソード電極の表面から光軸方向にずらして照射するＵＶチューブの製造方法について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

まず、レーザー溶接装置２００の図示しないアームに固定したコバール線１６ａ〜１６ｃの一端部に、カソード電極１４の裏面１９を当接させる。

次いで、図示しない光源がレーザー光を出力する。出力したレーザー光は、光ファイバ２１を通過して加工ヘッド筐体２２の上端部に入力される。入力したレーザー光は、入射側レンズ２３及び出射側レンズ２４によって集光され、保護ガラス２５を介して出力される。

次いで、凹レンズ２８が、集光されたレーザー光３０の焦点部をカソード電極１４の表面２０から光軸方向にずらして加工部３２に照射する。

このとき、図示しないスライダーによって凹レンズ２８の位置を調整することで、表面２０におけるレーザー光３０の直径（以下「照射部径」という）ｄ _Ｉ を、レーザー光３０の焦点部の直径ｄ _Ｉ ´よりも大きくする。

以上のように、この実施の形態２のＵＶチューブ１０１の製造方法は、カソード電極１４にコバール線１６ａ〜１６ｃをレーザー溶接する工程において、凹レンズ２８を用いてレーザー光３０の焦点部をカソード電極１４の表面２０から光軸方向にずらして照射する。これにより、実施の形態１と同様に表面２０におけるレーザー光３１の照射部径ｄ _Ｉ が拡大して、エネルギー密度Ｅが低下する。
その結果、図７に示す如く、カソード電極１４を構成するタングステンの再結晶を抑制して、クラックの発生を防ぐことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ ガラスパッケージ
２ カソード電極
３ アノード電極
４ａ〜４ｃ コバール線（電極線）
５ レーザー光
６ａ〜６ｃ 溶融部
１０ エンベロープ
１１ 天板
１２ 台座
１３ 排気管
１４ カソード電極
１５ アノード電極
１６ａ〜１６ｃ コバール線（電極線）
１７ａ〜１７ｃ 貫通孔
１８ａ〜１８ｃ コバール線（電極線）
１９ 裏面
２０ 表面
２１ 光ファイバ
２２ 加工ヘッド筐体
２３ 入射側レンズ
２４ 出射側レンズ
２５ 保護ガラス
２６ 出射ユニット
２８ 凹レンズ
３０，３１ レーザー光
３２ 加工部
１００，１０１ ＵＶチューブ（紫外線放電管）
２００，２０１ レーザー溶接装置

Claims (4)

1. 板状のカソード電極の表面にレーザー光を照射して裏面に当接した電極線の一端部を溶接するステップを具備する紫外線放電管の製造方法において、
   集光した前記レーザー光の光路上に設けた凹レンズを用いて平行光にして照射する
   ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。
2. 厚さ０．１ミリメートルのタングステンからなる前記カソード電極に前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項１記載の紫外線放電管の製造方法。
3. 前記表面における前記レーザー光のエネルギー密度を３３ジュール毎平方ミリメートル以下にすることを特徴とする請求項２記載の紫外線放電管の製造方法。
4. 板状のカソード電極の表面にレーザー光を照射して裏面に当接した電極線の一端部を溶接するステップを具備する紫外線放電管の製造方法において、
   集光した前記レーザー光の光路上に設けた凹レンズを用いて焦点部を前記表面から光軸方向にずらして照射する
   ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。

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