JP6218587B2 - 紫外線放電管及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、紫外線放電管及びそ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２３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。

アノード電極３は、エッジ部に複数の貫通孔４ａ〜４ｃを有している。この貫通孔４ａ〜４ｃに、コバール線５ａ〜５ｃ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５ａ〜５ｃの他端部は、ガラスパッケージ１の外部に引き出されている（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。

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、電極間の放電位置を制御して長期信頼性を確保することが重要となる。

ＵＶチューブの放電特性は、２枚の電極間の電界強度に大きく影響される。２枚の電極間の電界強度は、カソード電極とアノード電極のたわみ及び平行度に大きく影響される。したがって、放電特性を安定させるために、カソード電極とアノード電極のたわみ及び平行度を制御することが求められる。

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生じるアノード電極３のたわみを制御することができなかった。
まず、図２４に示す如く、貫通孔４ａにコバール線５ａの一端部を挿通し、この一端部の端面部６ａの中心部（図中丸印）にレーザー光を照射する。このとき、図中点線の矢印で示す如く、溶融したコバールは貫通孔４ａとコバール線５ａ間の間隙の幅（以下「クリアランス」という）が狭い側に向かって流れる。同様に、コバール線５ｂ，５ｃの端面部６ｂ，６ｃの中心部（不図示）にレーザー光を照射する。

貫通孔４ａ〜４ｃとコバール線５ａ〜５ｃ間のクリアランスは、アノード電極３とコバール線５ａ〜５ｃの配置や製造誤差に応じてそれぞれ不規則な幅になっている。したがって、図２５に点線の矢印で示す如く、溶融したコバールは溶接前のクリアランスに応じてそれぞれ不規則な方向に流れる。

次いで、溶融したコバールが凝固する。このとき、図２５に実線の矢印で示す如く、アノード電極３の貫通孔４ａ〜４ｃの周辺部が、コバールの熱収縮によって溶融時の流れとは反対方向にそれぞれ引っ張られる。

この引っ張りによって、図２６及び図２７に示す如く、アノード電極３に不規則なたわみが生じる。その結果、図２８に示す如く、溶接後のＵＶチューブ１００は２枚の電極間の放電位置が電極の中央部からずれて、放電特性が不安定になっている。

このように、従来のＵＶチューブ１００の製造方法は、レーザー溶接の工程で生じるアノード電極３のたわみを制御することができなかった。また、アノード電極３を構成するタングステンは層状の構造となっていることから、プレス等の機械加工を行うと各層の剥離や割れがおこる。したがって、レーザー溶接の工程で生じたたわみを後の工程で矯正することは困難である。

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で生じるアノード電極のたわみを制御することができるＵＶチューブの製造方法を提供することを目的とする。また、その製造方法によって放電特性を安定させることができるＵＶチューブ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、複数の電極線のそれぞれの一端部にレーザー光を照射して板状のアノード電極の周端部に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、一端部の各々の中心部に対して、アノード電極の面に沿ってアノード電極の中心部から周端部に向かう方向、アノード電極の中心部を中心とする回転方向、又は周端部からアノード電極の中心部に向かう方向にずらした位置にレーザー光を照射するものである。

また、この発明の紫外線放電管は、板状のカソード電極に対向した板状のアノード電極と、アノード電極の周端部にそれぞれの一端部が溶接された複数の電極線とを具備する紫外線放電管において、一端部の各々は、溶融してアノード電極の面に沿ってアノード電極の中心部から周端部に向かう方向、アノード電極の中心部を中心とする回転方向、又は周端部からアノード電極の中心部に向かう方向に流れて溶接してなるものである。

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で生じるアノード電極のたわみを制御することができる。また、この発明の紫外線放電管によれば、放電特性を安定させることができる。

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の溶接前のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接後のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接後のアノ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。 この発明の実施の形態１のアノード電極の上面から見たたわみを示す中間調画像である。 この発明の実施の形態１のアノード電極の△−▽断面から見たたわみを示す説明図である。 この発明の実施の形態１のカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示す中間調画像である。 アノード電極が平坦なＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示す中間調画像である。 この発明の実施の形態１のＵＶチューブの放電状態を示す写真である。 この発明の実施の形態１の他の溶接後のアノ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。 この発明の実施の形態２の溶接前のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２の溶接後のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２のアノード電極の上面から見たたわみを示す中間調画像である。 この発明の実施の形態２のアノード電極の△−▽断面から見たたわみを示す説明図である。 この発明の実施の形態２のカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示す中間調画像である。 アノード電極が平坦なＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示す中間調画像である。 この発明の実施の形態２のＵＶチューブの放電状態を示す写真である。 この発明の実施の形態３の溶接前のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態３の溶接後のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 この発明の実施の形態３の溶接後のアノ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。 この発明の実施の形態３のアノード電極の上面から見たたわみを示す中間調画像である。 この発明の実施の形態３のアノード電極の△−▽断面から見たたわみを示す説明図である。 従来のＵＶチューブの斜視図である。 従来の溶接前のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 従来の溶接後のアノード電極及びコバール線を上面から見た説明図である。 従来のアノード電極の上面から見たたわみを示す中間調画像である。 従来のアノード電極の△−▽断面から見たたわみを示す説明図である。 従来のＵＶチューブの放電状態を示す写真である。

実施の形態１．
図１を参照して、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）で構成された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は、エッジ部に沿って隣接する貫通孔１７ａ〜１７ｃ間の距離がいずれも等しくなる位置に設けられている。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。

このようにして構成されたＵＶチューブ（紫外線放電管）１０１の製造方法について、コバール線１８ａ〜１８ｃをアノード電極１５にレーザー溶接する工程を中心に説明する。
まず、貫通孔１７ａ〜１７ｃにコバール線１８ａ〜１８ｃの一端部をそれぞれ挿通し、この一端部の端面部１９ａ〜１９ｃにレーザー光を照射する。

このとき、図２に示す如く、コバール線１８ａの端面部１９ａの中心部から、アノード電極１５の中心部からエッジ部に向かう方向にずらした位置（図中丸印）にレーザー光を照射する。同様に、コバール線１８ｂ，１８ｃの端面部１９ｂ，１９ｃの中心部から、アノード電極１５の中心部からエッジ部に向かう方向にずらした位置（不図示）にそれぞれレーザー光を照射する。このように、レーザー光の照射位置を端面部１９ａ〜１９ｃの中心部からアノード電極１５の表面２０に沿う方向にずらすことを、以下「オフセット」するという。

溶融したコバールは、図２及び図３に点線の矢印で示す如く、貫通孔１７ａ〜１７ｃとコバール線１８ａ〜１８ｃ間の間隙の幅（クリアランス）にかかわらず、必ずレーザー光の照射位置をオフセットした方向に向かって流れる。

次いで、溶融したコバールが凝固する。このとき、アノード電極１５の貫通孔１７ａ〜１７ｃの周辺部が、コバールの熱収縮によって溶融時の流れとは反対方向にそれぞれ引っ張られる。すなわち、図３及び図４に実線の矢印で示す如く、アノード電極１５のエッジ部が、アノード電極１５のエッジ部から中心部に向かう方向及び裏面２１から表面２０に向かう方向に引っ張られる。

この引っ張りによって、図５及び図６に示す如く、アノード電極１５の中央部がカソード電極１４側にたわむ。アノード電極１５の中央部の最大たわみ量は、約４０マイクロメートル（μｍ）となる。

以上のように、レーザー光の照射位置をオフセットすることで、レーザー溶接の工程で生じるアノード電極１５のたわみを制御することができる。

図７は、アノード電極の中央部のカソード電極側への最大たわみ量を４０μｍとしたＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示している。図８は、比較対象としてアノード電極が平坦な（たわみのない）ＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示している。図７及び図８から明らかなように、アノード電極の中央部のカソード電極側への最大たわみ量が４０μｍを超えると、電極の中央部の電界強度がエッジ部の電界強度よりも強くなっている。

これにより、図９に示す如く、溶接後のＵＶチューブ１０１は２枚の電極間の放電位置が電極の中央部に制御されている。その結果、ＵＶチューブ１０１の放電特性を安定させることができる。

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、コバール線１８ａ〜１８ｃをアノード電極１５にレーザー溶接する工程において、レーザー光の照射位置をアノード電極１５の中心部からエッジ部に向かう方向にそれぞれオフセットする。これにより、溶融したコバールが流れる方向を制御することで、アノード電極１５のたわみを制御することができる。
また、実施の形態１のＵＶチューブ１０１は、溶融して流れたコバールが凝固する際の引っ張りよって、アノード電極１５の中央部のカソード電極１４側への最大たわみ量が約４０μｍになっている。これにより、２枚の電極間の放電位置を電極の中央部に制御することで、放電特性を安定させることができる。

なお、図１０に示す如く、レーザー溶接の工程においてコバール線１８ａ〜１８ｃの中央部にレーザー光を照射して、溶融したコバールがアノード電極１５の裏面２１に沿って流れるものとしてもよい。溶融したコバールが凝固する際、アノード電極１５の中央部が、アノード電極１５の中心部からエッジ部に向かう方向及び表面２０から裏面２１に向かう方向に引っ張られる。これにより、実施の形態１と同様にアノード電極１５のたわみを制御することができる。

実施の形態２．
レーザー溶接の工程において、レーザー光の照射位置をアノード電極の中心部を中心とする回転方向にオフセットする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のＵＶチューブ１０１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、貫通孔１７ａ〜１７ｃにコバール線１８ａ〜１８ｃの一端部をそれぞれ挿通し、この一端部の端面部１９ａ〜１９ｃにレーザー光を照射する。
このとき、図１１に示す如く、コバール線１８ａの端面部１９ａの中心部から、アノード電極１５の中心部を中心とする時計回りの回転方向にオフセットした位置（図中丸印）にレーザー光を照射する。同様に、コバール線１８ｂ，１８ｃの端面部１９ｂ，１９ｃの中心部から、アノード電極１５の中心部を中心とする時計回りの回転方向にオフセットした位置（不図示）にそれぞれレーザー光を照射する。

溶融したコバールは、図１１及び図１２に点線の矢印で示す如く、貫通孔１７ａ〜１７ｃとコバール線１８ａ〜１８ｃ間のクリアランスにかかわらず、必ずレーザー光の照射位置をオフセットした方向に向かって流れる。

次いで、溶融したコバールが凝固する。このとき、アノード電極１５の貫通孔１７ａ〜１７ｃの周辺部が、コバールの熱収縮によって溶融時の流れとは反対方向にそれぞれ引っ張られる。すなわち、図１２に実線の矢印で示す如く、アノード電極１５のエッジ部が、アノード電極１５の中心部を中心として表面２０に沿う反時計回りの回転方向に引っ張られる。

ここで、アノード電極１５は、面内の回転方向の動きに対して自由度を持つように配置されている。そのため、アノード電極１５が引っ張りに応じて回転することで、たわみの発生を抑制することができる。図１３及び図１４に示す如く、アノード電極１５は、中央部のカソード電極１４側への最大たわみ量が２０μｍ以下になる。また、アノード電極１５の中央部は広い範囲に亘って平坦になる。

以上のように、レーザー光の照射位置をオフセットすることで、レーザー溶接の工程で生じるアノード電極１５のたわみを制御することができる。

図１５は、アノード電極の中央部のカソード電極側への最大たわみ量を２０μｍとしたＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示している。図１６は、比較対象としてアノード電極が平坦な（たわみのない）ＵＶチューブのカソード電極の電界強度のシミュレーション結果を示している。図１５及び図１６から明らかなように、アノード電極の中央部のカソード電極側への最大たわみ量を２０μｍ以下にすると、電極のエッジ部のみ電界強度が強くなっている。

電極のエッジ部は、等電位面が狭く放電を維持することができない。そのため、図１７に示す如く、溶接後のＵＶチューブ１０１は電極の中央部の広い範囲に亘って放電が広がるようになっている。

また、溶接後のＵＶチューブ１０１は、電極の中央部が平坦で等電位面が広くなっていることから、放電時にイオン密度が高くならず、紫外線の照射が終了したにもかかわらず電極間の放電が起こる現象（いわゆる「偽放電」）の発生を防ぐことができる。また、エージングにおける電極表面の改質時にも、放電が電極全面に柔軟に広がるため、均一な仕上がり面を得ることができる。

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、コバール線１８ａ〜１８ｃをアノード電極１５にレーザー溶接する工程において、レーザー光の照射位置をアノード電極１５の中心部を中心とする回転方向にオフセットする。これにより、溶融したコバールが流れる方向を制御することで、アノード電極１５のたわみを制御することができる。
また、実施の形態２のＵＶチューブ１０１は、溶融したコバールが流れる方向を制御して、アノード電極１５の中央部のカソード電極１４側への最大たわみ量を２０μｍ以下に抑制している。これにより、電極の中央部の等電位面を広くすることで、放電特性を安定させることができる。

なお、レーザー溶接の工程において、レーザー光の照射位置をアノード電極１５の中心部を中心とする反時計回りの回転方向にオフセットするものとしても良い。溶融したコバールが凝固する際、アノード電極１５のエッジ部は、アノード電極１５の中心部を中心として表面２０に沿う時計回りの回転方向に引っ張られる。これにより、実施の形態２と同様にアノード電極１５のたわみを制御することができる。

実施の形態３．
レーザー溶接の工程において、レーザー光の照射位置をアノード電極のエッジ部から中心部に向かう方向にオフセットする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のＵＶチューブ１０１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、貫通孔１７ａ〜１７ｃにコバール線１８ａ〜１８ｃの一端部をそれぞれ挿通し、この一端部の端面部１９ａ〜１９ｃにレーザー光を照射する。
このとき、図１８に示す如く、コバール線１８ａの端面部１９ａの中心部から、アノード電極１５のエッジ部から中心部に向かう方向にオフセットした位置（図中丸印）にレーザー光を照射する。同様に、コバール線１８ｂ，１８ｃの端面部１９ｂ，１９ｃの中心部から、アノード電極１５のエッジ部から中心部に向かう方向にオフセットした位置（不図示）にそれぞれレーザー光を照射する。

溶融したコバールは、図１８及び図１９に点線の矢印で示す如く、貫通孔１７ａ〜１７ｃとコバール線１８ａ〜１８ｃ間のクリアランスにかかわらず、必ずレーザー光の照射位置をオフセットした方向に向かって流れる。

次いで、溶融したコバールが凝固する。このとき、アノード電極１５の貫通孔１７ａ〜１７ｃの周辺部が、コバールの熱収縮によって溶融時の流れとは反対方向にそれぞれ引っ張られる。すなわち、図１９及び図２０に実線の矢印で示す如く、アノード電極１５のエッジ部が、アノード電極１５の中心部からエッジ部へ向かう方向及び裏面２１から表面２０に向かう方向に引っ張られる。

この引っ張りによって、図２１及び図２２に示す如く、アノード電極１５の中央部がカソード電極１４に対して反対側にたわむ。このとき、アノード電極１５は重力に逆らってたわむため、最大たわみ量は実施の形態１よりも小さい約１０μｍとなる。

以上のように、レーザー光の照射位置をオフセットすることで、レーザー溶接の工程で生じるアノード電極１５のたわみを制御することができる。

なお、この実施の形態３の溶接後のＵＶチューブ１０１は、アノード電極１５の中央部の最大たわみ量が小さくなっているが、同時に２枚の電極のエッジ部間の距離が小さくなっている。そのため、電極のエッジ部のみをコートしたり絶縁するなどの構成をさらに設けることで、偽放電の発生を防いで放電特性を安定させることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において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 貫通孔
５ａ〜５ｃ コバール線
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）
１９ａ〜１９ｃ 端面部
２０ 表面
２１ 裏面
１００，１０１ ＵＶチューブ（紫外線放電管）

Claims (6)

1. 複数の電極線のそれぞれの一端部にレーザー光を照射して板状のアノード電極の周端部に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、
   前記一端部の各々の中心部に対して、前記アノード電極の面に沿って前記アノード電極の中心部から前記周端部に向かう方向にずらした位置に前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。
2. 複数の電極線のそれぞれの一端部にレーザー光を照射して板状のアノード電極の周端部に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、
   前記一端部の各々の中心部に対して、前記アノード電極の面に沿って前記アノード電極の中心部を中心とする回転方向にずらした位置に前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。
3. 複数の電極線のそれぞれの一端部にレーザー光を照射して板状のアノード電極の周端部に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、
   前記一端部の各々の中心部に対して、前記アノード電極の面に沿って前記周端部から前記アノード電極の中心部に向かう方向にずらした位置に前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。
4. 板状のカソード電極に対向した板状のアノード電極と、前記アノード電極の周端部にそれぞれの一端部が溶接された複数の電極線とを具備する紫外線放電管において、
   前記一端部の各々は、溶融して前記アノード電極の面に沿って前記アノード電極の中心部から前記周端部に向かう方向に流れて溶接してなる
   ことを特徴とする紫外線放電管。
5. 板状のカソード電極に対向した板状のアノード電極と、前記アノード電極の周端部にそれぞれの一端部が溶接された複数の電極線とを具備する紫外線放電管において、
   前記一端部の各々は、溶融して前記アノード電極の面に沿って前記アノード電極の中心部を中心とする回転方向に流れて溶接してなる
   ことを特徴とする紫外線放電管。
6. 板状のカソード電極に対向した板状のアノード電極と、前記アノード電極の周端部にそれぞれの一端部が溶接された複数の電極線とを具備する紫外線放電管において、
   前記一端部の各々は、溶融して前記アノード電極の面に沿って前記周端部から前記アノード電極の中心部に向かう方向に流れて溶接してなる
   ことを特徴とする紫外線放電管。

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