JP6940323B2 - 紫外線センサのカソード電極の製造方法および紫外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、アノード電極とカソード電極との間の放電によって生じる電流に基づいて紫外線を検出する紫外線センサのカソード電極の製造方法および紫外線センサに関する。

従来より、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、およ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センサが用いられている。

図７を参照して、火炎検出センサとして用いられている紫外線センサの構成について説明する（例えば、特許文献１，２参照）。

図７において、１１はホウ珪酸ガラスで構成されたガラスパッケージである。ガラスパッケージ１１は、内部空間に特殊な混合ガス（ＮｅとＨ２の混合ガス）が一定圧で封入されている。また、ガラスパッケージ１１の上面には天板１２が設けられており、この天板１２には紫外線を透過できるガラスが使用されている。また、ガラスパッケージ１１の内部に、所定の間隙を隔てて互いの面（電極面）を対向させた円板状のカソード電極１３およびアノード電極１４が設けられている。

アノード電極１４には、このアノード電極１４をカソード電極１３が設けられている方向から支える複数の導電性の支柱１５（１５−１〜１５−３）の一端部がレーザ溶接されており、この導電性の支柱１５（１５−１〜１５−３）の他端部はガラスパッケージ１１の外部に引き出されている。また、アノード電極１４には、複数の貫通孔１４ａが網目状に形成されている。

カソード電極１３にも、アノード電極１４と同様、カソード電極１３を支える複数の導電性の支柱１６（１６−１〜１６−３）の一端部がレーザ溶接されており、この導電性の支柱１６（１６−１〜１６−３）の他端部はガラスパッケージ１１の外部に引き出されている。

このように構成された紫外線センサ１では、天板１２を通過した紫外線がアノード電極１４の貫通孔１４ａを通ってカソード電極１３に到達すると、光電効果により電子が放出され、その後、封入ガス・電圧により電子なだれが発生して放電が開始される。すなわち、アノード電極１４とカソード電極１３との間に電流が流れ、このアノード電極１４とカソード電極１３との間に流れる電流に基づいて、天板１２を通過した特定波長の紫外線のみが紫外線センサ１によって検出される。

なお、光電効果とは、物質が光を吸収した際に内部の電子が励起され、それに伴って電子が飛び出す現象を言う。この光電効果において、物質表面から電子を１つ取り出すのに必要なエネルギーは仕事関数と呼ばれ、入射される光のエネルギーをｈν、仕事関数をｗ、物質から飛び出す電子の運動エネルギーをＥとした場合（図８参照）、Ｅ＝ｈν−ｗと表される。

特開２０１２−２５５７３０号公報 特開２０１５−１１５２２８号公報

従来の紫外線センサでは、電流を多く流すために、カソード電極の電極材料として、高融点金属であるタングステン（Ｗ）が用いられている。このＷ電極タイプの紫外線センサでは、大電流を流すため、ガラスパッケージ内の残留イオンが多くなり、誤動作（紫外線がない状態でも放電する）を起こし易いという問題があった。

図９に、従来のＷ電極タイプの紫外線センサにおけるカソード電極（Ｗ電極）のＸ線回折測定結果を示す。このＸ線回折測定結果から分かるように、従来のＷ電極の面方位は、（２００）が最大となっている。タングステンは、圧延率が９７％以上となると、（２００）面に配向する。図９に示した例では、タングステンの圧延率を９９．７％（３８ｍｍ→０．１ｍｍ）としている。図１０に、従来のＷ電極の断面イメージを示す。

タングステンは、面方位が（２００）である場合、仕事関数が４．６３ｅＶとなり、限界感度波長（カットオフ波長）が２６８ｎｍとなる（図１１参照）。この限界感度波長２６８ｎｍが上述した誤動作を起こし易い原因となる。

なお、図１１において、面方位（２００），（２２２）は、原子密度が面方位（１００），（１１１）と同じであり、仕事関数や限界感度波長も面方位（１００），（１１１）と同じ値となる。

また、タングステンの面方位を（１１０）とすれば、仕事関数を大きくし、限界感度波長を小さくして、限界感度波長を２４０ｎｍ以下とすることが可能であるが、タングステンの面方位を（１１０）に配向させる有効な方法がなかった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、誤動作を起こし難い、Ｗ電極タイプの紫外線センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、アノード電極（１４）とカソード電極（１３）との間の放電によって生じる電流に基づいて紫外線を検出する紫外線センサ（１）のカソード電極の製造方法であって、タングステン材を圧延処理する圧延工程（Ｓ１０１）と、圧延工程によって圧延処理されたタングステン材の表面をスパッタリングするスパッタリング工程（Ｓ１０２）とを備え、スパッタリング工程は、スパッタリングにより生じるタングステンのスパッタ粒がタングステン材の表面を覆い尽くすまでスパッタリングを続けることを特徴とする。

この発明によれば、タングステン材を圧延処理することによって、タングステン材の面方位が（２００）に配向させられる。そして、この圧延処理されたタングステン材の表面をスパッタリングし、このスパッタリングをタングステンのスパッタ粒がタングステン材の表面を覆い尽くすまで続けることによって、スパッタ粒の面方位が（１１０）に配向させられる。

本発明において、紫外線の当たる面をタングステン材のスパッタ粒が覆われた面とすると、紫外線の当たる面の面方位が（１１０）に配向し、仕事関数が５．２５ｅＶ、限界感度波長が２３７ｎｍとなる（図１１参照）。これにより、仕事関数を大きくし、限界感度波長を小さくして、２４０ｎｍ以下とすることが可能となり、誤動作を起こし難くすることができるようになる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したことにより、本発明によれば、タングステン材を圧延処理し、この圧延処理されたタングステン材の表面をスパッタリングし、このスパッタリングをタングステンのスパッタ粒がタングステン材の表面を覆い尽くすまで続けるようにしたので、スパッタ粒が覆われた面の面方位を（１１０）とし、仕事関数を大きくし、限界感度波長を小さくして、２４０ｎｍ以下にすることが可能となり、誤動作を起こし難くい、Ｗ電極タイプの紫外線センサを提供することができるようになる。

図１は、本発明に係る紫外線センサのカソード電極の製造方法の一実施の形態を説明するための工程図である。 図２は、圧延処理されたタングステン材の断面イメージを示す図である。 図３は、圧延処理されたタングステン材の表面にスパッタ粒の層が形成された状態を示す図である。 図４は、スパッタ粒の層の表面（Ｗ電極の表面）を示す顕微鏡写真である。 図５は、本願のＷ電極の断面イメージを示す図である。 図６は、本願と従来のＷ電極の分光測定結果を示す図である。 図７は、紫外線センサの要部を示す斜視図である。 図８は、光電効果によって飛び出す電子の運動エネルギーと入射される光のエネルギーと仕事関数との関係を説明する図である。 図９は、従来のＷ電極のＸ線回折測定結果を示す図である。 図１０は、従来のＷ電極の断面イメージを示す図である。 図１１は、タングステンの面方位とその面方位における仕事関数および限界感度波長を例示する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施の形態では、図１に示すように、先ず、タングステン材を圧延処理し（ステップＳ１０１）、次に、この圧延処理されたタングステン材の表面をスパッタリングする（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０１において、タングステン材を圧延処理すると、タングステン材の面方位が（２００）に配向させられる（図２参照）。本実施の形態では、圧延率を９７％以上、例えば９９．７％（３８ｍｍ→０．１ｍｍ）とする。

図２では、圧延処理されたタングステン材を符号２１で示している。なお、このタングステン材の圧延処理は、タングステン材の納入前に行われていてもよい。すなわち、タングステン材を供給するメーカ側で行われていてもよい。

ステップＳ１０２では、連続放電を行うことにより、圧延処理されたタングステン材２１の表面をスパッタリングし、このスパッタリングにより生じるタングステンのスパッタ粒をタングステン材２１の表面に堆積させる。タングステン材２１の表面に堆積するスパッタ粒の面方位は（１１０）であり、このスパッタ粒がタングステン材２１の表面を覆い尽くすまで、スパッタリングを続ける。

具体的には、タングステン材２１の表面からの放電を３５０ボルト以上の印加電圧で少なくとも１０日間連続して行う。これにより、図３に示すように、タングステン材２１の表面に、面方位（１１０）のスパッタ粒の層２２が形成される。このタングステン材２１の表面にスパッタ粒の層２２が形成された電極を図７に示した紫外線センサ１のカソード電極（Ｗ電極）１３として用いる。図４に、スパッタ粒の層２２の表面（Ｗ電極１３の表面）の状態を示す。

なお、ステップＳ１０２での連続放電は、タングステン材２１を紫外線センサのカソード電極として組み込んだ状態で行うようにしてもよく、カソード電極として組み込む前の状態で行うものとしてもよい。

また、熱処理などでは、タングステン材２１の表面の面方位を（１１０）に配向させることができないので、本実施の形態では、連続放電によってタングステン材２１の表面にスパッタ粒を堆積させ、タングステン材２１の表面の面方位を（１１０）に配向させている。

このＷ電極１３を組み込んだ紫外線センサ１では、図５に示すように、紫外線の当たる面をタングステン材２１のスパッタ粒が覆われた面（スパッタ粒の層２２の表面）とする。これにより、紫外線の当たる面の面方位が（１１０）に配向し、仕事関数が５．２５ｅＶ、限界感度波長が２３７ｎｍとなる（図１１参照）。

すなわち、従来のＷ電極（図１０）では、紫外線の当たる面の面方位が（２００）であり、仕事関数が４．６３ｅＶ、限界感度波長が２６８ｎｍであった。これに対し、本願のＷ電極１３では、紫外線の当たる面の面方位が（１１０）に配向し、仕事関数が５．２５ｅＶ、限界感度波長が２３７ｎｍとなる。

図６に、本願と従来のＷ電極の分光測定結果を示す。なお、図６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は放電回数を示し、Ｉは本願のＷ電極の分光測定結果、IIは従来のＷ電極の分光測定結果を示す。従来のＷ電極では、限界感度波長が２６８ｎｍとなるが、本願のＷ電極では、限界感度波長を２４０ｎｍ以下にすることができる。これにより、本願のＷ電極を組み込んだ紫外線センサでは、誤動作を起こし難くいものとなる。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…紫外線センサ、１１…ガラスパッケージ、１３…カソード電極（Ｗ電極）、１４…アノード電極、２１…圧延処理されたタングステン材、２２…スパッタ粒の層。

Claims (4)

1. アノード電極とカソード電極との間の放電によって生じる電流に基づいて紫外線を検出する紫外線センサのカソード電極の製造方法であって、
   タングステン材を圧延処理する圧延工程と、
   前記圧延工程によって圧延処理された前記タングステン材の表面をスパッタリングするスパッタリング工程とを備え、
   前記スパッタリング工程は、
   前記スパッタリングにより生じるタングステンのスパッタ粒が前記タングステン材の表面を覆い尽くすまで前記スパッタリングを続ける
   ことを特徴とする紫外線センサのカソード電極の製造方法。
2. 請求項１に記載された紫外線センサのカソード電極の製造方法において、
   前記圧延工程は、
   前記タングステン材の面方位を（２００）に配向させ、
   前記スパッタリング工程は、
   前記スパッタ粒の面方位を（１１０）に配向させる
   ことを特徴とする紫外線センサのカソード電極の製造方法。
3. 請求項１に記載された紫外線センサのカソード電極の製造方法において、
   前記スパッタリング工程は、
   前記スパッタリングとして、前記タングステン材の表面からの放電を３５０ボルト以上の印加電圧で少なくとも１０日間連続して行う
   ことを特徴とする紫外線センサのカソード電極の製造方法。
4. アノード電極とカソード電極との間の放電によって生じる電流に基づいて紫外線を検出する紫外線センサであって、
   前記カソード電極は、
   請求項１又は２に記載された紫外線センサのカソード電極の製造方法で製造されている
   ことを特徴とする紫外線センサ。

Images