(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】
(24)【登録日】2022-09-09
(45)【発行日】2022-09-20
(54)【発明の名称】紫外線センサ
(51)【国際特許分類】
H01J 47/02 20060101AFI20220912BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20220912BHJP
【ＦＩ】
H01J47/02
G01J1/02 G
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018160991
(22)【出願日】2018-08-30
(65)【公開番号】P2020035639
(43)【公開日】2020-03-05
【審査請求日】2021-07-28
(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】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】中島 有紀
(72)【発明者】
【氏名】片桐 宗和
【審査官】中尾 太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－２０７４８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０１９７１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１９６８１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２５２４６７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ４７／０２
Ｇ０１Ｊ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノード電極と、このアノード電極に所定の間隙を隔てて対向して設けられたカソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極を収容したガラス製の保護管とを備え、前記アノード電極と前記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前記保護管の一部を透過して入射される紫外線を検出する紫外線センサにおいて、前記カソード電極は、
タングステンからなる板状の母材と、
前記母材の前記アノード電極に対向する第１面の全面に形成された、前記母材の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する第１金属膜と、
前記母材の前記第１面と反対の第２面に形成された、前記母材の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する第２金属膜と、を備える
ことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項2】
請求項１に記載された紫外線センサにおいて、
前記板状の母材は、結晶方位（２００）の面が前記第１面及び前記第２面に露出したタングステンからなる、
ことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項3】
請求項１又は２に記載された紫外線センサにおいて、
前記板状の母材は、圧延された圧延母材である、
ことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか１項に記載された紫外線センサにおいて、前記第１金属膜及び前記第２金属膜は、結晶方位（１１０）の面が粒子表面に露出したタングステン粒子からなる
ことを特徴とする紫外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
図１１を参照して、火炎検出センサとして用いられている従来の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）。
【0004】
この紫外線センサ１Ｂは、アノード電極１１と、このアノード電極１１に所定の間隙を隔てて対向して設けられたカソード電極１２Ｂと、アノード電極１１およびカソード電極１２Ｂを収容したガラスパッケージ（ガラス製の保護管）１３とを備えている。ガラスパッケージ１３は、ホウ珪酸ガラスで構成されており、内部空間に特殊な混合ガスが一定圧で封入されている。
【0005】
アノード電極１１には、このアノード電極１１をカソード電極１２Ｂが設けられている方向から支える複数の導電性の支柱１４（１４－１～１４－３）の一端部がレーザ溶接されており、この導電性の支柱１４（１４－１～１４－３）の他端部はガラスパッケージ１３の外部に引き出されている。また、アノード電極１１には、複数の貫通孔１１ａが網目状に形成されている。
【0006】
カソード電極１２Ｂにも、アノード電極１１と同様、カソード電極１２Ｂを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）の他端部もガラスパッケージ１３の外部に引き出されている。
【0007】
ガラスパッケージ１３は、アノード電極１１と対向する天板ガラス（天板部）１３－１と、天板ガラス１３－１に一端が接合されて、アノード電極１１およびカソード電極１２Ｂの周囲を囲む円筒状のエンベロープガラス（筒部）１３－２と、エンベロープガラス１３－２の他端に接合されたボタンステム（台座部）１３－３とから構成されている。ボタンステム１３－３は、エンベロープガラス１３－２の天板ガラス１３－１とは反対側の面を塞ぐように、エンベロープガラス１３－２に接合されている。
【0008】
天板ガラス１３－１は、ガラス（ホウ珪酸ガラス）内から紫外線を吸収する成分を除去することによって、紫外線を透過できるものとされている。これに対し、エンベロープガラス１３－２およびボタンステム１３－３は、紫外線を吸収する成分を含む通常のホウ珪酸ガラスでできており、これらの部分からガラスパッケージ１３の内部への紫外線の入射が防がれる。また、アノード電極１１とカソード電極１２Ｂはそれぞれ円板状とされ、これらの電極間には直流電圧が印加されている。
【0009】
このように構成された紫外線センサ１Ｂでは、天板ガラス１３－１を通過した紫外線がアノード電極１１の貫通孔１１ａを通ってカソード電極１２Ｂに到達すると、光電効果によりカソード電極１２Ｂから電子が放出され、これが電場により加速されて封入ガスの分子と衝突することによって電子なだれが発生して、アノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間で放電が開始される。
【0010】
すなわち、カソード電極１２Ｂへの紫外線の入射による光電効果をトリガーとして、アノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間の放電が開始され、この放電によってアノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間に電流が流れるので、このアノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間に流れる電流に基づいて、天板ガラス１３－１を通過した特定波長の紫外線を検出することができる。
【0011】
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１４参照）、Ｅ＝ｈν－ｗと表される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【文献】特開２０１２－２５５７３０号公報
【文献】特開２０１５－１１５２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
このような紫外線センサにおいて、ガラスパッケージを構成するホウ珪酸ガラスの成分は、主に酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化アルミニウムであるが、パッケージ用のガラスであっても、ガラスメーカによって厳密な成分や成分比は異なり、光学的特性に違いが生じる。
【0014】
本願の発明者らは、ガラスパッケージを構成するホウ珪酸ガラスに複数のガラスメーカのものを適応したところ、ガラスによって紫外線センサ内に入射する紫外線がなくなっても電極間で放電が継続する現象が生じる場合があることがわかった。このように、紫外線がない状態でも放電が継続する現象は、紫外線センサの誤動作の原因となる。
【0015】
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、紫外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
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（１１）と、このアノード電極に所定の間隙を隔てて対向して設けられたカソード電極（１２Ａ）と、前記アノード電極および前記カソード電極を収容したガラス製の保護管（１３）とを備え、前記アノード電極と前記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、前記保護管の前記アノード電極と対向する方向に位置する天板部（１３－１）を透過して入射される紫外線を検出する紫外線センサ（１Ａ）において、カソード電極は、結晶方位（２００）のタングステンからなる板状の母材（１２_１）と、前記母材の前記アノード電極に対向する面（１２_１ａ）および反対側の面（１２_１ｂ）に形成された、前記母材の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する金属膜（１２_２，１２_３）とを備えることを特徴とする。
【0017】
本発明において、カソード電極の母材のアノード電極に対向する面および反対側の面には、母材の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する金属膜（例えば、５．２０ｅＶ前後の仕事関数を有する金属膜）が形成されている。これにより、アノード電極とカソード電極との間の放電に起因して保護管の内壁面（筒部や基台部の内壁面）に蛍光が誘発されても、この蛍光による光電効果が発現し難くなり、天板部を透過して入射される紫外線がなくなった後も、アノード電極とカソード電極との間の放電が継続することがないようにして、誤動作を起こし難くすることが可能となる。
【0018】
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。
【発明の効果】
【0019】
以上説明したように、本発明によれば、カソード電極の母材のアノード電極に対向する面および反対側の面に母材の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する金属膜を形成するようにしたので、保護管の内壁面に蛍光が誘発されても、この蛍光によるカソード電極における光電効果が発現し難くなり、誤動作を起こし難くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。先ず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の概要について説明する。
【0022】
〔発明の概要〕
本出願人は、図７に示した紫外線センサ１Ｂにおいて、カソード電極１２Ｂを、母材となる結晶方位（２００）のタングステン（Ｗ）と、この母材のアノード電極１１に対向する面に形成した金属膜、具体的には結晶方位（１１０）のタングステンの膜とから形成している（特願２０１７－１４７６０８号参照）。
本出願人は、図７に示した紫外線センサ１Ｂにおいて、カソード電極１２Ｂを、母材となる結晶方位（２００）のタングステン（Ｗ）と、この母材のアノード電極１１に対向する面に形成した金属膜、具体的には結晶方位（１１０）のタングステンの膜とから形成している（特願２０１７－１４７６０８号参照）。
【0023】
より具体的には、図１に示すように、圧延処理されたタングステン（結晶方位（２００）のタングステン）の板をカソード電極１２Ｂの母材１２_１とし、母材１２_１の表面をスパッタリングすることによって、母材１２_１のアノード電極１１に対向する面（母材１２_１の表面１２_１ａ）にタングステンのスパッタ粒の層（結晶方位（１１０）のタングステンの膜）１２_２を形成している。
【0024】
結晶方位（１１０）のタングステンの仕事関数は結晶方位（２００）のタングステンの仕事関数よりも大きい。一般に、タングステンは、結晶方位が（２００）である場合、仕事関数は４．６３ｅｖとなり、真空中で光電効果が生じる波長の最大値（以下、限界感度波長という。）が２６８ｎｍとなる。また、結晶方位が（１１０）である場合、仕事関数は５．２５ｅｖとなり、限界感度波長は２３７ｎｍとなる（図２参照）。
【0025】
なお、上記の限界感度波長は、下記（１）式により計算した。
λmax＝ｈ・ｃ×１０9／（ｗ×1.60×１０-19） ・・・・（１）
λmax：限界感度波長、ｈ：プランク定数（6.63×１０-34Ｊ・ｓ）、ｃ：光速（3.00×１０8ｍ／ｓ）、ｗ：仕事関数。
λmax＝ｈ・ｃ×１０9／（ｗ×1.60×１０-19） ・・・・（１）
λmax：限界感度波長、ｈ：プランク定数（6.63×１０-34Ｊ・ｓ）、ｃ：光速（3.00×１０8ｍ／ｓ）、ｗ：仕事関数。
【0026】
このカソード電極１２Ｂの母材１２_１の表面１２_１ａにタングステンのスパッタ粒の層１２_２を形成した紫外線センサ１Ｂでは、真空中で光電効果が発現する限界感度波長は２３７ｎｍとなるが、ガラスパッケージ１３内のガス圧や印加電圧などを調整することによって、火炎から生じる特定波長（１８５～２４０ｎｍ）の紫外線のみを選択的に検出することができる（図３参照）。
【0027】
上述したように、ガラスパッケージ１３を構成するホウ珪酸ガラスは、ガラスメーカによって厳密な成分や成分比が異なるため、その光学的特性に違いが生じる。この光学的特性の違いにより、ホウ珪酸ガラスの種類によっては、２００～２５０ｎｍの波長の紫外線によって２５０～３００ｎｍの波長の蛍光を生じるものがある（図４参照）。
【0028】
紫外線センサによる火炎検出は、紫外線入射による光電効果をトリガーとして生じる放電現象を火炎検出に応用しているが、紫外線の発生源が火炎ではなくても、紫外線がカソード電極に入射すると、光電効果が起こり得る。火炎によって発生する放電現象によって電極間には光が発生するが、この時、その光には２００～２８０ｎｍの波長の紫外線も含まれている（図５参照）。この紫外線は、ガラスパッケージを構成するホウ珪酸ガラスの種類によっては、２５０～３００ｎｍの波長の蛍光を誘発し、この蛍光がカソード電極における光電効果のトリガーとなり得る。
【0029】
すなわち、図１に示したカソード電極１２Ｂにおいて、アノード電極１１に対向する面（受光面)は、結晶方位が（１１０）のタングステンのスパッタ粒の層１２_２に覆われているため、２５０～３００ｎｍの波長の蛍光では光電効果は発現しない。しかしながら、カソード電極１２Ｂの裏面（母材１２_１の裏面１２_１ｂ）は、タングステンのスパッタ粒の層を形成していないために、結晶方位（２００）の母材１２_１が露出しており、タングステンのスパッタ粒の層１２_２よりも仕事関数が小さい。そのため、 ホウ珪酸ガラスよりなるエンベロープガラス１３－２やボタンステム１３－３に誘発される２５０～３００ｎｍの波長の蛍光によって、カソード電極１２Ｂの裏面で光電効果が発現し、電子が飛び出すことによって放電現象のトリガーとなり得る。
【0030】
現場での紫外線センサ１Ｂの使用を想定した場合、シャッタなどによって火炎から生じる紫外線が遮られた際には、紫外線センサ１Ｂにおけるアノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間の放電は直ちに停止しなければならない。しかし、ホウ珪酸ガラスよりなるエンベロープガラス１３－２やボタンステム１３－３に蛍光が誘発される場合、カソード電極１２Ｂの裏面で光電効果が発現し、この蛍光による光電効果をトリガーとする放電が継続することにより、火炎から生じる紫外線がなくなった後も紫外線センサ１Ｂにおける放電が停止しない可能性がある。火炎から生じる紫外線がなくなった後も放電が停止しない現象は、火炎検出の誤検知につながる可能性があり、問題である。
【0031】
図６に、ホウ珪酸ガラスに誘発される蛍光を起点として生じる放電を説明する図を示す。天板ガラス１３－１からの紫外線によってアノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間に放電が生じ、この放電によって紫外線が発生すると（図６（ａ））、この紫外線によってホウ珪酸ガラスよりなるエンベロープガラス１３－２やボタンステム１３－３に蛍光が誘発される（図６（ｂ））。この誘発された蛍光によって、天板ガラス１３－１からの紫外線がなくなった後も、アノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間に放電が生じる（図６（ｃ））。アノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間に放電が生じると、この放電によって再び紫外線が発生する。この繰り返しによってアノード電極１１とカソード電極１２Ｂとの間の放電が継続する。
【0032】
上述した内容は、発明者らの研究過程で得られた知見である。この知見から、発明者らは、カソード電極の母材の表面だけではなく、裏面にも母材の仕事関数よりも大きく、５．２０ｅＶ前後の仕事関数を有する金属膜を形成することによって、ガラスパッケージの内壁面（エンベロープガラスやボタンステムの内壁面）に蛍光が誘発されても、この蛍光によるカソード電極における光電効果が発現し難くなり、天板ガラスを透過して入射される紫外線がなくなった後も、アノード電極とカソード電極との間の放電が継続することがないようにして、誤動作を起こし難くすることが可能となることを見出した。
【0033】
【0034】
この紫外線センサ１Ａでは、図８に示すように、カソード電極１２Ａの母材１２_１の表面（アノード電極１１に対向する面）１２_１ａだけではなく、母材１２_１の裏面（反対側の面）１２_１ｂにも、母材１２_１の仕事関数よりも大きく、５．２０ｅＶ前後の仕事関数を有する金属膜として、タングステンのスパッタ粒の層（結晶方位（１１０）のタングステンの膜）１２_３を形成している。
【0035】
すなわち、この紫外線センサ１Ａでは、カソード電極１２Ａの母材１２_１の表面１２_１ａと裏面１２_１ｂの両方に、タングステンのスパッタ粒の層（結晶方位（１１０）のタングステンの膜）１２_２，１２_３を形成している。なお、この例において、タングステンのスパッタ粒の層１２_２，１２_３の膜厚は、５０～２００ｎｍとしている。
【0036】
図９に、紫外線センサ１Ａの製造工程の概略を示す。この紫外線センサ１Ａを製造する場合、タングステン圧延材を使用してカソード電極１２Ａの母材１２_１を形成し（ステップＳ１０１）、このカソード電極１２Ａの母材１２_１の両面にタングステンのスパッタ粒の層１２_２，１２_３を形成する（ステップＳ１０２）。なお、ステップＳ１０１では、タングステン圧延材を使用してアノード電極１１も形成する。
【0037】
一方、ボタンステム（台座部）１３－３のガラス成形を行い（ステップＳ１０３）、このボタンステム１３－３に貫通固定されている導電性の支柱１４，１５へのアノード電極１１やカソード電極１２Ａの溶接（電極溶接）を行う（ステップＳ１０４）。
【0038】
そして、天板ガラス（天板部）１３－１とエンベロープガラス１３－２とを接合し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０４で電極溶接を行ったボタンステム１３－３に、ステップＳ１０５で天板ガラス１３－１を接合したエンベロープガラス１３－２を接合して（ステップＳ１０６）、ガラスパッケージ１３とする。そして、このガラスパッケージ１３の内部にガスを封入し、チップオフとする（ステップＳ１０７）。
【0039】
なお、ステップＳ１０１，１０２において、電極シートの状態でスパッタリングを行い、電極シートの両面にタングステンのスパッタ粒の層を形成し、このタングステンのスパッタ粒の層が形成された電極シートからタングステンのスパッタ粒の層１２_２，１２_３が形成されたカソード電極１２Ａを切り出すようにしてもよい。また、カソード電極１２Ａの母材１２_１の裏面１２_１ｂにだけタングステンのスパッタ粒の層１２_３を形成しておき、紫外線センサ１Ａを製作した後のエージングによって、母材１２_１の表面１２_１ａにタングステンのスパッタ粒の層１２_２を形成するようにしてもよい。
【0040】
図１０に、母材１２_１の裏面１２_１ｂにタングステンのスパッタ粒の層１２_３を形成した場合としない場合の放電の確率（放電の停止し易さを評価する値）を示す。例えば、「電極間に断続的に電圧を印加しながら間欠的に紫外線を照射して放電電流を観測したときの、紫外線を照射した回数と放電電流を検出した回数の比」を放電の確率として用いる。横軸はサンプル（＃１～＃２６）を示し、縦軸は放電の確率を示す。カソード電極１２Ａの母材１２_１の裏面１２_１ｂにもタングステンのスパッタ粒の層１２_３を形成した場合、形成しない場合（成膜なし）よりも放電の確率が下がり、放電の停止し易さを評価する値に改善がみられた。図１０には、タングステンのスパッタ粒の層１２_３の膜厚を５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍとした場合を示している。５０ｎｍでも効果は認められるが、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。
【0041】
以上の説明から分かるように、本実施の形態に係る紫外線センサ１Ａでは、カソード電極１２Ａの表面だけではなく、裏面の仕事関数も母材１２_１の仕事関数よりも大きくなり（図２参照）、ガラスパッケージ１３の内壁面（エンベロープガラス１３－２やボタンステム１３－３の内壁面）に蛍光が誘発されても、この蛍光によるカソード電極１２Ａにおける光電効果が発現し難くなり、天板ガラス１３－１を透過して入射される紫外線がなくなった後も、アノード電極１１とカソード電極１２Ａとの間の放電が継続することがないようにして、誤動作を起こし難くすることができる。
【0042】
なお、上述した実施の形態では、カソード電極１２Ａの母材１２_１の表面１２_１ａおよび裏面１２_１ｂにスパッタリングによって結晶方位（１１０）のタングステンの膜を形成しているが、タングステンの粒子表面の結晶方位が（１１０）面になればよく、スパッタリング以外の方法で結晶方位（１１０）のタングステンの膜を形成するようにしてもよい。例えば、蒸着によって、カソード電極１２Ａの母材１２_１の表面１２_１ａおよび裏面１２_１ｂに、結晶方位（１１０）のタングステンの膜を形成することが考えられる。また、母材１２_１の表面１２_１ａおよび裏面１２_１ｂに形成する膜は、母材１２_１よりも仕事関数が大きく、５．２０ｅＶ前後の仕事関数を有する金属膜であればよく、結晶方位（１１０）のタングステンの膜に限られるものでもない。
【0043】
〔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。
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。
【符号の説明】
【0044】
１Ａ…紫外線センサ、１１…アノード電極、１２Ａ…カソード電極、１２_１…母材（結晶方位（２００）のタングステン）、１２_１ａ…表面（母材の表面）、１２_１ｂ…裏面（母材の裏面）、１２_２，１２_３…タングステンのスパッタ粒の層（結晶方位（１１０）のタングステンの膜）、１３…ガラスパッケージ（保護管）、１３－１…天板ガラス（天板部）、１３－２…エンベロープガラス（筒部）、１３－３…ボタンステム（台座部）、１４（１４－１～１４－３），（１５－１～１５－３）…支柱。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】