JPH0575157A - 紫外線検出素子及び火焔センサ及び紫外線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 例えば火焔センサに組み込まれる紫外線検出
素子であって、基板１Ａ上にダイヤモンド薄膜１Ｂを形
成してなるダイヤモンドからなる検知部１に、その検知
部１の電気抵抗を検出するための電極２を付設してあ
る。 【効果】 ほぼ２２５ｎｍ以下に感度領域を有するダイ
ヤモンドを用いることで、火焔センサに組み込まれた場
合に、火焔Ｆ以外の加熱部分から放射される紫外線によ
る悪影響を受けることなく、火焔Ｆが消滅したことを迅
速確実に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外波長領域に感度を
有する紫外線検出素子、及び、燃焼中には火焔から紫外
線が放射されている現象を利用して前記紫外線検出素子
による検出紫外線情報に基づいて火焔の状態を判別する
火焔センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の紫外線検出素子のうち、軽量小
型化が可能で光電型に比して耐熱性に優れた光導電型の
ものとして、金属亜鉛やタンタル酸カリウムといった光
導電層を有するものが提案されている。そして、その紫
外線検出素子を用いた火焔センサは、火焔の近傍に位置
させた紫外線検出素子の光導電層の抵抗を測定し、燃焼
中には火焔から放射される紫外線を受けていて光導電層
の抵抗値が低い状態から抵抗値が急増することで、紫外
線が放射されないようになった、すなわち、火が消えた
ことを検出するものである（例えば、特開平２−１６５
０２１号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の火焔センサでは、それに用いられる紫外線検出素子の
特性に起因して、次のような問題があった。

【０００４】つまり、上述した光導電型の紫外線検出素
子では、検出可能な波長範囲、即ち感度領域は、光導電
層の材料それぞれに特有のエネルギーギャップに依存す
るものであり、従って、例えば金属亜鉛であればほぼ４
００ｎｍよりも短波長領域である。即ち、燃焼中で４０
０ｎｍ以下の紫外線が放射されていれば抵抗値は低く、
火が消えて４００ｎｍ以下の紫外線が放射されなくなれ
ば抵抗値は高くなるのである。ところが、バーナ等の燃
焼機器において放射される紫外線は火焔からのものだけ
でなく、燃焼機器の加熱部分からのものもある。この加
熱部分からの紫外線の放射量は、短波長成分ほど少な
く、加熱部分の温度が低くなるほど少なくなるが、３０
０〜４００ｎｍの波長領域では、加熱部分の温度が高い
場合の加熱部分からの紫外線の放射量が、火焔からの放
射量とあまり変わらないものとなっている（図４参
照）。そして、加熱部分からの紫外線の放射は、火が消
えた後でも加熱部分から冷えてくるまでは暫く続くもの
である。前述した従来の紫外線検出素子を用いた火焔セ
ンサでは、感度領域がほぼ４００ｎｍ以下の波長であっ
たから、火が消えた後に加熱部分からの紫外線の放射が
続いている間は抵抗値が殆ど変化せず、加熱部分が冷え
て放射紫外線の量が少なくなって抵抗値に増加が見られ
るまでは、火が消えたこと検出できないのである。

【０００５】すなわち、従来では、この種の火焔センサ
が例えば工業用バーナに付設されて立ち消えを検出する
ために用いられるものであって、それへの対処を迅速に
行なうには、立ち消えが生ずれば即座に検出できること
が望ましいにも拘らず、立ち消えの検出の応答性に欠け
る問題があった。

【０００６】本発明の目的は、上記実情に鑑み、火焔セ
ンサとして用いられて火が消えた場合にその迅速な検出
を可能にする紫外線検出素子、及び、その紫外線検出素
子を用いた火焔センサを提供するとともに、この素子を
使用して感度の良好な検出ができる紫外線検出装置を得
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による紫外線検出
素子の特徴構成は、ダイヤモンドからなる検知部に、そ
の検知部の電気抵抗を検出するための電極を付設したこ
とにある。

【０００８】本発明による火焔センサの特徴構成は、ダ
イヤモンドからなる検知部にその検知部の電気抵抗を検
出するための電極を付設した紫外線検出素子と、前記電
極を介して検出した電気抵抗情報に基づいて火焔の状態
を判別するための火焔判別手段とを備えていることにあ
る。

【０００９】本発明による紫外線検出装置の特徴構成
は、ダイヤモンドからなる検知部に、その検知部の電気
抵抗を検出するための電極を付設してある紫外線検出素
子と、電極を介して紫外線検出素子の電気抵抗の変化情
報を検出する抵抗変化検出手段とを備えるとともに、紫
外線放射源からの放射光を選択された周波数で断続して
検知部に入光させるチョッパー手段と、抵抗変化検出手
段による検出出力から交流成分を抽出する交流結合手段
と、前記交流結合手段により分離された交流信号成分内
の、前記チョッパー手段に於ける断続周波数の信号成分
強度を検出する選択フィルター検出手段とを備えたこと
にある。

【００１０】

【作用】本発明の紫外線検出素子によれば、検知部を構
成するダイヤモンドは、そのエネルギーギャップが５．
４７ｅＶであるから、ほぼ２２５ｎｍよりも短波長側に
感度領域を有している。この紫外線検出素子を備えてい
るのが本発明の火焔センサであって、この波長領域で
は、加熱部分から放射される紫外線の量は極めて少ない
から、火が消えた場合に加熱部分が未だかなり高温であ
ったとしても、火焔がなくなることでこの波長領域の紫
外線の放射量が直ぐに激減し、検知部の電気抵抗が急増
することとなり、火焔判別手段によって、火が消えたこ
とを殆ど瞬時に判別することができる。また、２００ｎ
ｍ近傍の波長領域では、燃焼状態の火焔からの紫外線の
放射量が比較的多いので、火焔判別手段が火焔の状態を
判別するにあたって、信号対雑音比を大きく取れて精度
高く行なえるのである。さらに紫外線検出装置において
は、上述の紫外線検出素子が使用されるのであるが、こ
の素子の検知部にチョッパー手段により特定の周波数に
断続された放射光が入光されるとともに、この入光によ
り素子から出力される検出出力に於ける交流成分内の前
記特定周波数に対応する出力が、選択フィルター検出手
段によって検出される。この場合直流成分であるベース
分がカットされ、検出情報の変化分のみが有効に検出さ
れるため、光線の波長変化に対応して、その出力が線型
に変化し、ベース分がない出力の検出が可能となる。

【００１１】

【発明の効果】従って、本発明の紫外線検出素子は、火
焔センサに用いられて迅速で確実な立ち消えの検出を可
能にする。また、本発明の火焔センサは、立ち消えを迅
速にかつ確実に検出できるから、その検出に基づいて、
早期に立ち消えに対処することを可能にする。さらに紫
外線検出装置においては、従来感度の低い状態で検出さ
れていた情報が、有効に感度よく検出できる。

【００１２】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説
明する。なお、説明にあたって、本発明の紫外線検出素
子はその実施の一形態として本発明の火焔センサに組み
込まれて実施されるものであるから、別個に説明を行な
わず、火焔センサの説明時に紫外線検出素子の説明を併
せて行なうものとする。

【００１３】図１に示すように、ダイヤモンドからなる
検知部１に、その検知部１の電気抵抗を検出するための
電極２を付設した紫外線検出素子Ｓを設け、この紫外線
検出素子Ｓの電極２を介して検出した電気抵抗情報に基
づいて火焔Ｆの状態を判別するための火焔判別手段Ｄを
設け、もって、工業用バーナＢの火焔Ｆの立ち消えを検
出するための火焔センサを構成してある。

【００１４】前記検知部１は、アルミナからなる絶縁基
板１Ａ上に、ダイヤモンド薄膜１Ｂを形成して構成して
ある。また、前記電極２は、前記ダイヤモンド薄膜１Ｂ
上に４個並設したプラチナ電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ
から構成してある。

【００１５】前記火焔判別手段Ｄは、前記電極２のうち
の外側の２個のプラチナ電極２ａ，２ｄを何れも金ワイ
ヤ３を介して定電流源４に接続し、残りの２個の電極２
ｂ，２ｃをともに金ワイヤ３を介して電圧計５に接続す
るとともに、この電圧計５の出力を演算処理装置６に入
力させたもので、前記定電流源４からの一定電流の供給
下で前記電圧計５からの測定電圧出力の信号を用い、演
算処理装置６によってその測定電圧値と前記一定電流の
電流値とから、前記ダイヤモンド薄膜１Ｂの電気抵抗を
検出できるように構成してある。

【００１６】次に、この火焔センサを用いての火焔Ｆの
状態判別の原理について説明する。ダイヤモンド薄膜１
Ｂにおいて、そのエネルギーギャップは５．４７ｅＶで
あって、ほぼ２２５ｎｍ以下の波長領域で光導電性を示
し、図２に示すような分光抵抗率特性を有している。バ
ーナＢが燃焼継続状態にある場合、そのバーナＢの火焔
Ｆからは、紫外領域から赤外領域にわたる光が放射され
ているから、上述したほぼ２２５ｎｍ以下の波長領域の
紫外線が照射されることで前記ダイヤモンド薄膜１Ｂは
光導電性を示し、その抵抗率は比較的低い。その状態か
ら、立ち消え等によって火焔Ｆが消滅すると、火焔Ｆか
らの放射紫外線を受けなくなったダイヤモンド薄膜１Ｂ
は光導電性を示さなくなり、その抵抗率は急増する。こ
の様子を図３に示す。従って、この抵抗率の急増を検出
することで、火が消えたことを判別することができる。

【００１７】ここで、紫外線検出素子Ｓの感度領域と上
述した火焔Ｆの判別との関係について述べると、バーナ
Ｂの周辺に放射される紫外線は、バーナＢの火焔Ｆから
放射されたもののほか、バーナＢの先端や図示はしない
が燃焼室を構成するパネルといったように、燃焼に伴な
って加熱された部分から放射されたものがある。この加
熱部分からの放射は、短波長成分ほど少なく、温度が低
いほど少ない。図４に、加熱部分からの放射を温度をパ
ラメータとして表わしたもの（ａ〜ｅのライン）を、火
焔Ｆからの放射（ｆのライン）とともに示す。

【００１８】このような状態での燃焼中に火が消えた場
合、加熱部分はすぐには冷えないのでそこからの紫外線
は継続して放射されることとなる。そのため、紫外線検
出素子Ｓの感度領域が長波長領域まで広がっていると、
火焔Ｆから紫外線が放射されていないにも拘らず、加熱
部分からの紫外線の放射を受けて未だ火焔Ｆがあると誤
って判別してしまう。本発明の紫外線検出素子Ｓの感度
領域はほぼ２２５ｎｍ以下の比較的短波長の領域である
から、たとえ加熱部分の温度が高くても、その波長領域
での紫外線の放射量が火焔Ｆからのものに比して加熱部
分からのものにおいて充分少ないから、火が消えたとき
に直ぐにそれを検出できるのである。また、この波長領
域では、より短波長側の領域においてよりも火焔Ｆから
の紫外線の放射量が充分あるので、ＳＮ比の高い火焔Ｆ
の状態判別を行なえるのである。

【００１９】次に、前記検知部１の作成方法の一例を説
明する。まず、アルミナからなる絶縁基板１Ａを用意
し、その表面を、＃８００のダイヤモンド砥粒で傷付け
処理を行なう。この処理は、次工程で微小で良質なダイ
ヤモンド核を迅速にかつ多く発生させるために行なうも
のである。次に、一酸化炭素と水素とを、それぞれ一定
温度での単位時間当りの供給体積比が１５：８５となる
状態で供給しつつ、マイクロ波パワーを３００Ｗとして
基板１Ａの表面温度を９００℃に維持し、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法で、ダイヤモンド薄膜１Ｂを形成する。
この方法で作成した検知部１の分光抵抗率特性が、図２
に示すものである。なお、ダイヤモンド薄膜の膜厚は、
ダイヤモンドの結晶が密実に並んで基板１Ａの表面を覆
うことができるように、１マイクロメートル以上とする
ことが好ましい。

【００２０】さて、ダイヤモンド薄膜１Ｂの形成時の条
件は、上述したものに限られるものではなく、マイクロ
波パワーは２００〜４００Ｗの範囲で基板１Ａの表面温
度が約８８０〜１０００℃に維持されるようにすればよ
く、また、供給気体の単位時間当りの供給体積比につい
ても、一酸化炭素の体積率で、１５％に限らず５〜１５
％の範囲とすればよい。さらに、一酸化炭素と水素とを
用いることに替えて、メタンと水素とを用いてもよい。
この場合、供給気体の単位時間当りの供給体積は、メタ
ンの体積率で０．３〜３％の範囲とすればよい。また、
一酸化炭素やメタンに限らず、炭素原子を含む気体をそ
れらに替えて用いることも可能であるが、純度が高く良
質のダイヤモンド薄膜１Ｂを得るためには、上述した一
酸化炭素と水素、或は、メタンと水素の組合せが好まし
い。

【００２１】また、上述したアルミナからなる基板１Ａ
に替えて、絶縁基板１Ａの素材は、窒素珪素、石英、シ
リカを付設したシリコン等、絶縁体であって、かつ、ダ
イヤモンド薄膜１Ｂの形成時に高温に加熱されることか
らダイヤモンドと熱膨張率がほぼ同じものであれば、使
用することができる。

【００２２】上述した実施例では、検知部１として絶縁
基板１Ａ上にダイヤモンド薄膜１Ｂを形成した構成を説
明したが、それに替えて、ダイヤモンドの層が自立して
保形性のあるものであれば、絶縁基板１Ａは不要であ
る。従って、純度が充分に高ければ、天然や合成のダイ
ヤモンドを検知部１として用いることが可能である。ま
た、検知部１の形態は、層状であっても塊状であっても
構わない。

【００２３】先の実施例では、電極２として、プラチナ
電極を４個設け、そのうちの２個を定電流源５に接続す
るとともに残りの２個を電圧計６に接続することで検知
部１の電気抵抗を測定するように構成していたが、それ
に替えて、プラチナ電極を２個設け、それらを抵抗計に
直接接続して検知部１の電気抵抗を測定するように構成
してもよい。この場合、プラチナ電極の一対で検知部１
のダイヤモンドを挾持する構成としてもよい。なお、電
極２の素材としては、プラチナの他、金、銀、銅、炭素
等、ダイヤモンドと組み合わせた場合の電圧−電流特性
がリニアなものであれば、用いることができる。

【００２４】上記の実施例で構成した検出回路構成にお
いては、図２に示すように検出情報の変化量（２００〜
２２５ｎｍの範囲内）と検出情報の比が、０．３％
（０．０５／１．９）と低く、有効な検出に障害がある
場合がある。このような状況においては、図５に示す検
出装置Ｉの構成を採用することが有利である。この検出
装置Ｉについて以下に説明する。装置Ｉには前述の紫外
線検出素子Ｓが採用されるとともに、この素子Ｓの受光
による電気抵抗の変化情報を検出する抵抗変化検出手段
Ｈとしての定電圧源１０及び抵抗１１が備えられる。さ
らに、この装置Ｉには抵抗変化検出手段Ｈによる検出出
力から交流成分を抽出する交流結合手段Ｊであるコンデ
ンサー１２が備えられるとともに、交流結合手段Ｊによ
り分離された交流信号成分内の、特定周波数の信号成分
強度を増幅して検出するロックインアンプ１３が備えら
れている。ここで、必ずしもロックインアンプ１３を使
用する必要はなく、選択的に特定周波数成分を抽出でき
る選択フィルターと、その信号を増幅する機能を兼ね備
えたものであればロックインアンプ１３の機能は果たせ
る。即ちここで、選択的に特定周波数成分を抽出できる
機能を備えたものを選択フィルター手段Ｋと称する。一
方、前述の紫外線検出素子Ｓの検知部１に、紫外線放射
源である火炎Ｆからの放射光を前述の特定周波数と同一
な周波数で断続して入光させるチョッパー手段Ｌとして
の回転窓チョッパー１４が設けられている。従って、こ
の装置構成を採用することにより、ロックインアンプ１
３で、断続光により発生する検出出力における交流成分
の特定周波数成分のみを検出することによって、雑音成
分を大きく除去して高感度な測定ができる。また信頼性
も増す。

【００２５】以下に上記の装置を使用した実施結果を説
明する。 実施結果１ アルミナ基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、
ＣＯ １５ＳＣＣＭ、水素８５ＳＣＣＭを原料とし、マ
イクロ波パワー３００Ｗ（基板温度９００℃）でダイヤ
モンド膜を形成し、更にその上にプラチナ電極を２端子
形成して、紫外線検出素子Ｓを形成する。この素子Ｓを
図５に示す装置系内に採用し、２００〜８００ｎｍの波
長域の光に対する光電流変化（電圧出力）をロックイン
アンプ１３で測定する。結果、図６に示す分光出力特性
が得られた。（ここで、断続光の周波数：１１０Ｈｚ、
定電圧源の電圧：１１０Ｖ、定抵抗：４８０Ω、電流：
６０μＡ）検出情報の変化量（２００〜２２５ｎｍの範
囲内で０．１３）と検出情報（ほぼ０）の比が、非常に
大きく良好な検知出力が得られている。 実施結果 ２ 図７のような放射スペクトルをもつ重水素ランプをダイ
ヤモンド薄膜に照射したときと、そうでないときのロッ
クインアンプ１３の信号を図８に示す。重水素ランプは
紫外線の放射強度が高いものであり（特に波長２２５ｎ
ｍ以下）、図を参照すると、重水素ランプを照射する場
合と、しない場合とで、明確且つ迅速な応答を示すロッ
クインアンプからの出力信号が得られている。

【００２６】さらに以下に、火焔センサとして使用する
場合について述べると、火焔センサとしての用途は、先
の実施例で説明した燃焼中の立ち消えを検出するための
ほか、燃料供給を停止した状態で確実に消化されたか否
か他物への引火がないか否かを検出するためのもの等が
考えられる。

【００２７】火焔センサにおける火焔判別手段Ｄとして
は、検知部１の電気抵抗の絶対値を測定することで火焔
Ｆの状態を判別するものに替えて、火が消えたか否かの
検出のためだけであれば、検知部１の電気抵抗の絶対値
ではなく単にそれが急増したことを検出する構成であっ
てもよい。

【００２８】本発明による紫外線検出素子Ｓは、本発明
による火焔センサに組み込まれて実施されるもののほ
か、各種の紫外線発生ランプのモニタ用として実施した
り、半導体原料ガスの漏れの検出用として実施すること
が可能である。

【００２９】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】概略構成図

【図２】紫外線検出素子の分光抵抗率特性曲線

【図３】火焔判別の原理を示すタイムチャート

【図４】火焔の周囲の分光放射特性曲線

【図５】紫外線検出装置の別実施例の構成を示す図

【図６】図５に示す紫外線検出装置における波長とロッ
クインアンプ出力の関係を示す図

【図７】重水素ランプの放射スペクトルを示す図

【図８】重水素ランプ入り、切り時の出力状態を示す図

【符号の説明】

１ 検知部 ２ 電極 Ｓ 紫外線検出素子 Ｆ 火焔 Ｄ 火焔判別手段 Ｈ 抵抗変化検出手段 Ｊ 交流結合手段 Ｋ 選択フィルター検出手段 Ｌ チョッパー手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/16 7377−4Ｍ (72)発明者 馬 京昇 大阪府豊中市本町９―４―28 (72)発明者 川原田 洋 神奈川県横浜市港北区中川２―９―８― 405

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンドからなる検知部（１）に、
   その検知部（１）の電気抵抗を検出するための電極
   （２）を付設してある紫外線検出素子。
2. 【請求項２】 ダイヤモンドからなる検知部（１）に、
   その検知部（１）の電気抵抗を検出するための電極
   （２）を付設してある紫外線検出素子（Ｓ）と、前記電
   極（２）を介して検出した電気抵抗情報に基づいて火焔
   （Ｆ）の状態を判別するための火焔判別手段（Ｄ）とを
   備えた火焔センサ。
3. 【請求項３】 ダイヤモンドからなる検知部（１）に、
   その検知部（１）の電気抵抗を検出するための電極
   （２）を付設してある紫外線検出素子（Ｓ）と、前記電
   極（２）を介して前記紫外線検出素子（Ｓ）の電気抵抗
   の変化情報を検出する抵抗変化検出手段（Ｈ）とを備え
   るとともに、 紫外線放射源からの放射光を選択された周波数で断続し
   て前記検知部（１）に入光させるチョッパー手段（Ｌ）
   と、 前記抵抗変化検出手段（Ｈ）による検出出力から交流成
   分を抽出する交流結合手段（Ｊ）と、前記交流結合手段
   （Ｊ）により分離された交流信号成分内の、前記チョッ
   パー手段（Ｌ）に於ける断続周波数の信号成分強度を検
   出する選択フィルター検出手段（Ｋ）とを備えた紫外線
   検出装置。