特開 2023-35577 ＵＶ－Ｃ検出センサ、ＵＶ－Ｃ検出方法、及び、ＵＶ－Ｃ検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035577

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】ＵＶ－Ｃ検出センサ、ＵＶ－Ｃ検出方法、及び、ＵＶ－Ｃ検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20230306BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20230306BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20230306BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 G

G01J1/42 A

G01N27/416 300U

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142540

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】302069930

【氏名又は名称】メイコーエンベデッドプロダクツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(72)【発明者】

【氏名】松田 智美

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 隆

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AB05

2G065AB28

2G065BA01

2G065BA02

2G065BC35

2G065BE08

2G065DA06

(57)【要約】

【課題】選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出するＵＶ－Ｃ検出センサ、ＵＶ－Ｃ検出方法、及び、ＵＶ－Ｃ検出装置を提供する。
【解決手段】主電極１１と、主電極１１を被覆する酸化タンタル膜１２と、対電極１３と、酸化タンタル膜１２及び対電極１３に接触して設けられた電解質１４と、主電極１１及び対電極１３の間の、電位差の変化を計測する計測手段１５と、を備える、ＵＶ－Ｃ検出センサ１。主電極１１がタンタルであることが好ましい。酸化タンタル膜１２の厚さが１６０～１９０ｎｍであることが好ましい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主電極と、
前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、
対電極と、
前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、
前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、
を備える、ＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項2】

前記主電極がタンタルである、請求項１に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項3】

前記酸化タンタル膜の厚さが１６０～１９０ｎｍである、請求項１又は２に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項4】

前記主電極が長細い形状であって、前記対電極の廻りに螺旋状に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項5】

前記主電極の厚さが、前記酸化タンタル膜の厚さの１６００～３０００倍である、請求項１～４のいずれか一項に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項6】

前記主電極、前記対電極及び前記電解質を収容する容器を備え、前記容器に、液体を通さず気体のみを通過させる通気機構が設けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項7】

前記通気機構が逆浸透膜を有する、請求項６に記載のＵＶ－Ｃ検出センサ。

【請求項8】

主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備えるＵＶ－Ｃ検出センサを用いて、ＵＶ－Ｃを検出する、ＵＶ－Ｃ検出方法。

【請求項9】

ＵＶ－Ｃ検出センサと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサから電位差の変化データを受け取るマイコンと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサを駆動する電池と、前記電位差の変化を通知する通知機構を備え、前記ＵＶ－Ｃ検出センサは、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備える、ＵＶ－Ｃ検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＵＶ－Ｃ検出センサ、ＵＶ－Ｃ検出方法、及び、ＵＶ－Ｃ検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

深紫外線（以下、「ＵＶ－Ｃ」という。）は、可視光線よりも波長が短い紫外線のうち最もエネルギーが高い、１００～２８０ｎｍの光である。太陽光の近紫外線（ＵＶ－Ａ(４００～３１５ｎｍ)及びＵＶ－Ｂ(３１５～２８０ｎｍ)）がオゾン層を通過し、地表に到達するのに対して、太陽光のＵＶ－Ｃはオゾン層に吸収され、地表には到達しない。しかし、炎が燃える際、空気中の酸素との化学反応で微量のＵＶ－Ｃが発生する。

【0003】

例えば、特許文献１～２には、火炎中のＵＶ－Ｃを検出するセンサが開示されている。特許文献３には、静電容量検出回路を備える紫外線検知素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０８－１３８１５２号公報

【特許文献2】特開２０１３－０７９８６６号公報

【特許文献3】特公昭６１―２８２８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のＵＶ－Ｃを検出するセンサは、振動に弱く駆動電圧が極めて高いことから、取り扱いや設置が難しい。加えて、今後水素エネルギーに置き換わる際には爆発を誘発するおそれがある。静電容量検出回路を備える紫外線検知素子は、感度が低く、温度の影響を大いに受けるので炎センサ市場をターゲットとした検出方法としては適さない。

【0006】

上述のような技術において、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出するセンサが求められている。

【0007】

そこでこの発明は、上述の課題を解決するＵＶ－Ｃ検出センサ、ＵＶ－Ｃ検出方法、及び、ＵＶ－Ｃ検出装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様によれば、ＵＶ－Ｃ検出センサは、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備える。

【0009】

本発明の第２の態様によれば、ＵＶ－Ｃ検出方法は、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備えるＵＶ－Ｃ検出センサを用いて、ＵＶ－Ｃを検出する。

【0010】

本発明の第３の態様によれば、ＵＶ－Ｃ検出装置は、ＵＶ－Ｃ検出センサと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサから電位差の変化データを受け取るマイコンと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサを駆動する電池と、前記電位差の変化を通知する通知機構を備え、前記ＵＶ－Ｃ検出センサは、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１の概略構成を示す図である。

【図2】主電極となるタンタル（Ｔａ）を陽極酸化処理することにより、板状のタンタル（Ｔａ）の上に酸化タンタル膜（ＴａＯ）を形成する様子を示す概略図である。

【図3】石英ガラス等の透明基板の上に、主電極となる板形状のタンタル（Ｔａ）に、酸化タンタル膜（ＴａＯ）をスパッタリングして形成する様子、又は、板形状のタンタル（Ｔａ）をスパッタ成膜した後、陽極酸化処理により酸化タンタル膜（ＴａＯ）を形成する様子を示す概略図である。

【図4】ＵＶ－Ｃ検出装置の構成を示す概略ブロック図である。

【図5】酸化タンタル膜の断面写真である。

【図6】実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１を示す写真である。

【図7】実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１に、５０ｍｍ離れた位置から、ＬＥＤライトにより、２５４ｎｍの波長のＵＶ－Ｃを照射したとき、及び、３６５ｎｍの波長のＵＶ－Ａを照射したときの電位差の変化を表すグラフである。

【図8】実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１に、５０ｍｍ離れた位置からライターの炎を当てたときの電位差の変化を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［ＵＶ－Ｃ検出センサ］
以下、本発明の一実施形態であるＵＶ－Ｃ検出センサについて図面を参照して詳細に説明する。

【0014】

図１は、本発明の一実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１の概略構成を示す図である。
ＵＶ－Ｃ検出センサ１は、主電極１１と、主電極１１を被覆する酸化タンタル膜１２と、対電極１３と、酸化タンタル膜１２及び対電極１３に接触して設けられた電解質１４と、主電極１１及び対電極１３の間の、電位差の変化を計測する計測手段１５と、を備える。酸化タンタル膜１２にＵＶ－Ｃが当てられることで、主電極１１及び対電極１３の間に電位差が生じることから、炎などからのＵＶ－Ｃを検出することができる。

【0015】

本実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１は、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出するので、半導体光センサなどのように光学的可視光カットフィルタを使用する必要がなく、選択的な波長領域のセンサを構成できる。

【0016】

本実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１は、主電極１１及び対電極１３の間の電位差の変化を計測するので、静電容量の変化を計測するタイプのセンサに比べて、温度の影響を受けにくく、振動による誤作動のおそれも少ない。

【0017】

主電極１１は、陽極酸化処理により容易に酸化タンタル膜１２を形成できることからタンタルであることが好ましい。

【0018】

酸化タンタルは、化学式Ｔａ_２Ｏ_５で表される無機化合物であり、３．９ｅＶ程度のバンドギャップを有する。次式より、３１８ｎｍより短い波長のＵＶ－Ｃを受光すれば光化学反応を生じる。

【0019】

【数1】

【0020】

酸化タンタル膜１２は、電解質１４に接触する部分の、主電極１１を被覆している。酸化タンタル膜１２の厚さは、ＵＶ－Ｃをより感度よく検出できることから、１６０～１９０ｎｍが好ましく、１７０～１８０ｎｍがより好ましい。

【0021】

主電極１１の厚さは、酸化タンタル膜１２の厚さの１６００～３０００倍であることが好ましい。
酸化タンタル膜１２の厚さが、１６０～１９０ｎｍであるとき、主電極１１の厚さは、酸化タンタル膜１２の厚さの１６００～１９００倍であることがより好ましく、１７００～１８００倍であることがさらに好ましい。
酸化タンタル膜１２の厚さが、１７０～１８０ｎｍであるとき、主電極１１の厚さは、酸化タンタル膜１２の厚さの２８００～３０００倍であることが好ましい。
主電極１１が、例えば、細長い形状であって、断面が円の針状であれば、主電極１１の厚さは、断面の円の直径を云い、断面が楕円の針状であれば、主電極１１の厚さは、断面の楕円の短径を云う。主電極１１が、例えば、細長い形状であって、断面が正方形であれば、主電極１１の厚さは、断面の正方形の一辺の長さを云い、断面が長方形であれば、主電極１１の厚さは、断面の長方形の短辺の長さを云う。

【0022】

酸化タンタル膜１２の厚さを調整することで、ＵＶ－Ｃにより選択的に、より高感度で反応するセンサにすることができる。

【0023】

主電極１１の形状は、板状であってもよく、長細い形状であってもよい。大きな表面積を確保し、感度を向上させ、外部からのＵＶ－Ｃを受けやすいことから、主電極１１は長細い形状であって、対電極１３の廻りに螺旋状に配置されていることが好ましい。主電極１１が長細い形状であって、主電極１１を被覆する酸化タンタル膜１２の表面積を大きくできることで、ＵＶ－Ｃの検出感度を向上させることができ、ＵＶ－Ｃを検出できる角度を拡大できる。

【0024】

ＵＶ－Ｃ検出センサ１において、主電極１１、対電極１３及び電解質１４は、容器１６に収容されている。容器１６は主電極１１が外部からのＵＶ－Ｃを受光できるように、少なくとも一部が透明である。容器１６は、例えば、石英ガラス製とすることができる。容器１６により、主電極１１、対電極１３及び電解質１４を収容して密封することができる。電解質１４として、固体電解質を用いたときは、容器１６を不要にすることもできる。電解質１４として、水溶液の電解質を用いたときは、容器１６には、液体を通さず気体のみを通過させる通気機構１７が設けられていることが好ましい。通気機構１７は逆浸透膜を有することがより好ましい。

【0025】

水の電気分解は１．２２９Ｖ以上の電圧をかけることで進行し、電極から気体が発生する。本実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１は、バイアス電圧を１Ｖ以下とすることで水溶液が分解しない仕様とすることができる。それにより、急激な膨張は発生しないので、破裂・爆発は起こらない。しかしながら、仮に、水の分解により微量な気体（酸素と水素）が発生しても、微量な気体を逃がす通気機構１７が設けられていることにより、万が一の破裂・爆発・火災の危険を回避することができる。通気機構１７は破損を回避するために用意する方が安心である。例えば、逆浸透膜（ナノフィルター）をセンサ上部へ設ける。逆浸透膜は液体を通さず、気体のみを通過させる材料であればよく、例えばセロハン紙やメンブレンフィルタが挙げられる。逆浸透膜は、通気機構１７のうち、ごく小さい面積で有効である。

【0026】

対電極１３としては、安定性のある材料が好ましく、銀（Ａｇ）、プラチナ（Ｐｔ）、炭素（Ｃ）などが挙げられる。

【0027】

電解質１４としては、水溶液であってもよく、固体電解質であってもよい。抵抗の低い希硫酸ナトリウム水溶液などが適している。

【0028】

［ＵＶ－Ｃ検出センサの製造方法］
前述の実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサは、図２に示されるように、希硫酸中で、主電極となるタンタル（Ｔａ）、及び、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の対電極に電圧を付加して金属のタンタル（Ｔａ）を陽極酸化処理することにより、希硫酸に接触するタンタル（Ｔａ）に酸化タンタル膜（ＴａＯ）を形成し、主電極及び対電極の間に、電位差の変化を計測する計測手段をつなぐことで、容易に作製することができる。

【0029】

陽極酸化処理の、電圧条件及び時間条件を調整することにより、酸化タンタル膜の厚さを適宜調整可能である。

【0030】

図３に示されるように、石英ガラス等の透明基板の上に、主電極となる板形状のタンタル（Ｔａ）に、酸化タンタル膜（ＴａＯ）をスパッタリングして形成する、又は、板形状のタンタル（Ｔａ）をスパッタ成膜した後、陽極酸化処理により酸化タンタル膜（ＴａＯ）を形成することもできる。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）による微細加工が可能であり、より小型化することも可能である。

【0031】

［ＵＶ－Ｃ検出方法］
本実施形態のＵＶ－Ｃ検出方法は、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備えるＵＶ－Ｃ検出センサを用いて、ＵＶ－Ｃを検出する。
本実施形態のＵＶ－Ｃ検出方法において、ＵＶ－Ｃ検出センサは、上述の実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１を適用することができる。
本実施形態のＵＶ－Ｃ検出方法は、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出することができる。

【0032】

［ＵＶ－Ｃ検出装置］
図４は、ＵＶ－Ｃ検出装置の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態のＵＶ－Ｃ検出装置は、ＵＶ－Ｃ検出センサと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサから電位差の変化データを受け取るマイコンと、前記ＵＶ－Ｃ検出センサを駆動する電池と、前記電位差の変化を通知する通知機構を備え、前記ＵＶ－Ｃ検出センサは、主電極と、前記主電極を被覆する酸化タンタル膜と、対電極と、前記酸化タンタル膜及び前記対電極に接触して設けられた電解質と、前記主電極及び前記対電極の間の、電位差の変化を計測する計測手段と、を備える。

【0033】

本実施形態のＵＶ－Ｃ検出装置において、ＵＶ－Ｃ検出センサは、上述の実施形態のＵＶ－Ｃ検出センサ１を適用することができる。本実施形態のＵＶ－Ｃ検出装置において、電池駆動のＵＶ－Ｃ検出センサは、炎などからのＵＶ－Ｃを受光すると電位差が変化し、マイコンがその数値によって通知機構を駆動させる。通知機構がブザーやスマホ等へ無線通知するＵＶ－Ｃ検出装置を構成することができる。

【0034】

本実施形態のＵＶ－Ｃ検出装置は、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出することができる。本実施形態のＵＶ－Ｃ検出装置は、駆動電圧が低く、ＵＶ－Ｃ検出センサのほかに信号を増幅するアンプが不要なため、利便性やコストパフォーマンスが良好である。

【実施例0035】

以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。

【0036】

［実施例１］
直径０．３ｍｍのタンタルの針金を、ポリ乳酸製の治具１８に螺旋状に巻き付けて主電極１１を作製した。主電極１１、希硫酸、及び、銀製の対電極１３を、石英ガラス製の試験管（容器１６）に挿入した。主電極１１及び対電極１３に電圧を付加してタンタルを陽極酸化処理した。
希硫酸を希硫酸ナトリウム水溶液（電解質１４）に置換した。
陽極酸化処理した主電極１１及び対電極１３に電圧計（計測手段１５）を接続して、実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１を作製した。
図５は、酸化タンタル膜１２の断面写真である。酸化タンタル膜１２の厚さは１７６ｎｍであった。
図６は、電圧計を接続する前の実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１を示す写真である。希硫酸ナトリウム水溶液（電解質１４）に接触するタンタルの表面には、酸化タンタル膜１２の干渉色が観察された。

【0037】

（ＬＥＤライトによるＵＶ－Ｃの照射実験）
図７は、実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１に、５０ｍｍ離れた位置から、ＬＥＤライトにより、２５４ｎｍの波長のＵＶ－Ｃを断続的に照射したとき、及び、３６５ｎｍの波長のＵＶ－Ａを断続的に照射したときの電位差の変化を表すグラフである。このとき、２５４ｎｍの波長のＵＶ－Ｃの照射による照度は、約１．２ｍＷ／ｃｍ^２であった。３６５ｎｍの波長のＵＶ－Ａの照射による照度も、約１．２ｍＷ／ｃｍ^２であった。
３６５ｎｍの波長のＵＶ－Ａの照射では、約－０．０２Ｖの起電力であったのに対して、２５４ｎｍの波長のＵＶ－Ｃの照射では、約－０．４Ｖの起電力が発生した。ただし、ＵＶ－ＡのＬＥＤライトの照射波長領域には、若干のＵＶ－Ｃの領域を含む。
実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１は、３６５ｎｍの波長のＵＶ－Ａには応答せず、２５４ｎｍの波長のＵＶ－Ｃに選択的に応答する、検出装置に応用が可能である。

【0038】

（ライターの炎によるＵＶ－Ｃの照射実験）
図８は、実施例１のＵＶ－Ｃ検出センサ１に、５０ｍｍ離れた位置からライターの炎を断続的に当てたときの電位差の変化を表すグラフである。
ＵＶ－Ｃ検出センサ１の酸化タンタル膜１２にライターの炎を当てたときに生じる光電気反応により、主電極１１及び対電極１３の間の電位差が変化する。電位差の変化を検出することで、炎の発生と炎の大きさを検知することができる。ライターの炎から発生する微弱なＵＶ－Ｃであっても、ｍＶオーダーで電位差が変化することから、検出回路の設計も容易であり、コストパフォーマンスの改善に貢献できる。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明のＵＶ－Ｃ検出センサは、選択的、かつ、高感度にＵＶ－Ｃを検出するので、火災報知器、ガス給湯器、ガスレンジ、ロケットエンジン等における炎センサに応用が可能である。

【0040】

本発明のＵＶ－Ｃ検出センサにおいて、酸化タンタル膜はＵＶ－Ｃの波長に応答する。地表では炎や人工的光源にのみ応答するので、光電気反応は限定的であり、溶液減の状況は回避される。したがって、ＵＶ－Ｃ検出センサの電解質が水溶液であっても水が分解し尽くすおそれがなく、長期間、安定的な使用が可能となる。

【符号の説明】

【0041】

１…ＵＶ－Ｃ検出センサ
１１…主電極
１２…酸化タンタル膜
１３…対電極
１４…電解質
１５…計測手段
１６…容器
１７…通気機構
１８…治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】