特許 6109054 紫外線放電管の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6109054

(24)【登録日】2017年3月17日

(45)【発行日】2017年4月5日

(54)【発明の名称】紫外線放電管の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 47/00 20060101AFI20170327BHJP

   B23K 26/046 20140101ALI20170327BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20170327BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20170327BHJP

   H01J 9/36 20060101ALI20170327BHJP

【ＦＩ】

   H01J47/00

   B23K26/04 C

   B23K26/00 N

   B23K26/20 310N

   H01J9/36 Z

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-257242(P2013-257242)

(22)【出願日】2013年12月12日

(65)【公開番号】特開2015-115230(P2015-115230A)

(43)【公開日】2015年6月22日

【審査請求日】2016年3月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123434

【弁理士】

【氏名又は名称】田澤 英昭

(74)【代理人】

【識別番号】100101133

【弁理士】

【氏名又は名称】濱田 初音

(74)【代理人】

【識別番号】100173934

【弁理士】

【氏名又は名称】久米 輝代

(74)【代理人】

【識別番号】100156351

【弁理士】

【氏名又は名称】河村 秀央

(72)【発明者】

【氏名】津村 佳宏

(72)【発明者】

【氏名】片桐 宗和

(72)【発明者】

【氏名】松田 有紀

【審査官】 佐藤 仁美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０７９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９６８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１５２９３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０、

Ｈ０１Ｊ ９／３６、４７／００−４７／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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焦点部から光軸方向にずらした位置に前記表面を配置する
ことを特徴とする紫外線放電管の製造方法。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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）。

【0005】

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。

【0006】

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、感度波長が紫外線の波長（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。

【0007】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第５２９６６１８号公報

【特許文献2】特開２０１２−２０７９７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【課題を解決するための手段】

【0016】

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焦点部から光軸方向にずらした位置に表面を配置するものである。

【発明の効果】

【0017】

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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】この発明の実施の形態１のＵＶチューブの斜視図である。

【図2】この発明の実施の形態１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。

【図3】この発明の実施の形態１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。

【図4】この発明の実施の形態１のレーザー光及び出射レンズを側面から見た説明図である。

【図5】この発明の実施の形態１のｚ軸高さに対する照射部径及びエネルギー密度を示す特性図である。

【図6】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。

【図7】この発明の実施の形態１のｚ軸高さに対する溶接部の接合強度を示す特性図である。

【図8】従来のＵＶチューブの斜視図である。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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、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２に示す如く、カソード電極１４の裏面１９にコバール線１６ａ〜１６ｃの一端部を当接させる。次いで、図３に示す如く、カソード電極１４の表面２０にレーザー光２１を照射する。これにより、カソード電極１４の一部及びコバール線１６ａ〜１６ｃの一端部が溶融して溶融部２２ａ〜２２ｃとなる。

【0024】

このとき、集光したレーザー光２１の焦点部から、光軸方向に所定距離ずらした位置にカソード電極１４の表面２０を配置する。これにより、表面２０におけるレーザー光２１の直径がレーザー光２１の焦点部の直径よりも大きくなり、表面２０におけるレーザー光２１のエネルギー密度がレーザー光２１の焦点部のエネルギー密度よりも低くなる。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。

【0025】

図４は、この実施の形態１の溶接中のレーザー光及び出射レンズを側面から見た説明図である。図中、ｚ軸はレーザー光２１の焦点部２３を基準とする光軸方向の高さ［ミリメートル（ｍｍ）］を示している。また、ｚ軸と直交するｘ軸は、レーザー光２１，２４，２５及び出射レンズ２６の直径［ｍｍ］を示している。

【0026】

まず、図示しない光源が平行光のレーザー光２５を照射する。光源は、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）に設定する。

【0027】

次いで、出射レンズ２６がレーザー光２５を集光する。出射レンズ２６は、焦点距離ｆが１００ｍｍで、中央部の直径ｄ_Lが２６ｍｍの凸レンズを用いる。

【0028】

ここで、出射レンズ２６により集光したレーザー光２１の焦点部２３から、ｚ軸方向に＋４ｍｍずらした位置にカソード電極１４の表面２０を配置する。このように、集光したレーザー光２１の焦点部２３から光軸方向にずらした位置に表面２０を配置することを、以下「アウトフォーカス」するという。また、焦点部２３を基準とする光軸方向の表面２０の高さＺを、以下「ｚ軸高さ」という。

【0029】

図４に示す如く、焦点部２３から光軸方向に±２．３ｍｍ離れた位置におけるレーザー光２１の直径（以下「ビームウェスト径」という）ｄ_Wは０．６ｍｍとなる。これに対し、ｚ軸高さＺを＋４ｍｍとした表面２０におけるレーザー光２１の直径（以下「照射部径」という）ｄ_Iは１．０４ｍｍとなる。

【0030】

図５は、ｚ軸高さＺに対する照射部径ｄ_Iの値を示す折れ線グラフと、ｚ軸高さＺに対する表面２０におけるレーザー光２１のエネルギー密度Ｅ［ジュール毎平方ミリメートル（Ｊ／ｍｍ²）］の値を示す棒グラフである。図５から明らかなように、ｚ軸高さＺが０ｍｍ〜＋２ｍｍの範囲においては、照射部径ｄ_Iは０．６ｍｍで一定であり、エネルギー密度Ｅは５６Ｊ／ｍｍ²で一定である。これに対し、ｚ軸高さＺを＋３ｍｍにすると、照射部径ｄ_Iは０．７８ｍｍに拡大し、エネルギー密度Ｅは３３Ｊ／ｍｍ²に低下する。以下、ｚ軸高さＺの値を大きくするにつれて、照射部径ｄ_Iが拡大し、エネルギー密度Ｅは低下する。

【0031】

以上のように、レーザー光２１の焦点部２３からカソード電極１４の表面２０をアウトフォーカスすることで、表面２０におけるレーザー光２１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。

【0032】

なお、ｚ軸高さＺを−３ｍｍ以下としても、同様にエネルギー密度Ｅを低下させることができる。しかしながら、焦点部２３で交差した後のレーザー光２５にはぼやけが生じる。そのため、ｚ軸高さＺを＋３ｍｍ以上として、焦点部２３で交差する前のレーザー光２１をカソード電極１４に照射するのが好適である。

【0033】

図６及び図７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６は、ｚ軸高さＺを＋４ｍｍ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にレーザー光２１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６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。

【0034】

図７は、ｚ軸高さＺを０ｍｍ〜＋５ｍｍ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にレーザー光２１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７から明らかなように、ｚ軸高さＺが０ｍｍ〜＋２ｍｍの範囲においては、接合強度Ｐの平均値は９０Ｎ〜１００Ｎとなっている。これに対し、ｚ軸高さＺを＋３ｍｍ以上とすると、接合強度Ｐの平均値は１２０Ｎ〜１３０Ｎとなっている。

【0035】

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、レーザー光２１の焦点部２３からカソード電極１４の表面２０をアウトフォーカスする。これにより、表面２０におけるレーザー光２１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。

【0036】

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。

【0037】

また、光源の設定や出射レンズ２６の形状は、図４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。

【0038】

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。

【符号の説明】

【0039】

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
２１，２４，２５ レーザー光
２２ａ〜２２ｃ 溶融部
２３ 焦点部
２６ 出射レンズ
１００，１０１ ＵＶチューブ（紫外線放電管）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】