JP2013019719A - 火炎センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を実現し、かつ、電極にゆがみが生じない火炎センサを提供する。
【解決手段】網目状の電極３４を設置した紫外線透過物質であるガラス板３３からなる上蓋３１と、電極３８となる金属を設置した下蓋３２とを備え、上蓋３１の電極３４と下蓋３２の電極３８が平行に向かい合うように上蓋３１と下蓋３２を接合し、向かい合う電極間に規定のガスを封入したので、電極にゆがみの生じない火炎センサを容易に実現することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、火炎中に含まれる紫外線を検出する火炎センサに関するものである。

火炎センサの一種として、ユニット化した紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）を用いて火炎中に含まれる紫外線を検出する火炎センサがある。このＵＶチューブは、紫外線を受けて放電を生起する一対の放電電極を円筒形のガラス管内に封止し、上記一対の放電電極それぞれのリード線をガラス管の一端部から導出したものである。
このような構造のＵＶチューブは、火がついていることを確実に検知するための安全確保の役割を担っており、例えばボイラ内の燃焼状態をモニタするための火炎センサとして用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１は、従来のＵＶチューブの構造を示す模式図である。ガラス管１０の中に、網目状のアノード電極１１と、カソード電極１２とが、リード線１３，１４によってそれぞれ支持されており、ガラス管１０にはガスが封入されている。このアノード電極１１とカソード電極１２とは、平行平面構造であり、両電極間は約０．５ｍｍの距離を保って配置されている。そして、ガラス管１０の端部（図１の上端部）から入射した紫外線が、アノード電極１１の網目を抜けてカソード電極１２に当たることにより、放電する（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１２５８１号公報 特公昭４４−１０３９号公報

従来の火炎センサに用いられるＵＶチューブは、図１のガラス管１０の上下方向の長さが４．３ｃｍ前後の比較的大きなものであるため、振動に弱く、ガスタービンや発電所等の特殊な市場では使えないという問題があった。
そこで、ＵＶチューブを小型化することが考えられる。図２は、従来のＵＶチューブ（図２左側）と、小型化したＵＶチューブ（図２右側）との外観を比較する模式図である。図２右側のＵＶチューブは、大幅な小型化を図ったものであり、ガラス管２０の上下方向の長さは１．７ｃｍ前後である。このように小型化されたＵＶチューブは、耐振動性、耐衝撃性を向上できるため、このＵＶチューブを用いた火炎センサは、ガスタービンの燃焼検出など、従来では安定した火炎検出が困難であった過酷な環境での使用が可能となる。

しかしながら、ＵＶチューブを小型化したことにより、アノード電極２１とカソード電極２２とを支えるコバール線（リード線）２３（図２においては図示せず）及びコバール線（リード線）２４と、ガラスシール部（ガラス管２０の溶接部）とが近距離に配置されるため、ガラスシール時の熱影響でコバール線２３，２４が変動し、ゆがみの生じていないアノード電極２１及びカソード電極２２を得ることは容易ではないという課題が発生した。

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、小型化を実現し、かつ、電極にゆがみが生じない火炎センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明の火炎センサは、網目状の電極を設置した紫外線透過物質からなる上蓋と、電極となる金属を設置した下蓋とを備え、上蓋の電極と下蓋の電極が平行に向かい合うように上蓋と下蓋を接合し、向かい合う電極間に規定のガスを封入したことを特徴とする。

また、この発明の火炎センサは、上蓋と下蓋のうち少なくとも一方がキャビティを有することを特徴とする。

また、この発明の火炎センサは、上蓋と下蓋の間に穴あきウェハを挟んで接合されていることを特徴とする。

また、この発明の火炎センサは、上蓋の上面がレンズ状であることを特徴とする。

また、この発明の火炎センサは、下蓋に設置された電極が接触しないように固定された外側部分と内側部分の２つに分かれていることを特徴とする。

また、この発明の火炎センサは、網目状の電極を設置した紫外線透過物質からなる上蓋と、少なくとも１つの面を研磨した金属板からなる下蓋とを備え、上蓋の電極と下蓋の研磨した面が平行に向かい合うように上蓋と下蓋とを接合し、上蓋の電極と下蓋の研磨した面の間に規定のガスを封入することを特徴とする。

この発明における火炎センサによれば、網目状又はストライプ状に電極を設置された紫外線透過物質からなる上蓋と、少なくとも電極となる金属を設置された下蓋とを備え、上蓋の電極と下蓋の電極が平行に向かい合うように上蓋と下蓋を接合するので、電極にゆがみの生じない火炎センサを容易に実現することができる。

従来の紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）の構造を示す模式図である。 従来のＵＶチューブと、小型化したＵＶチューブとの外観を比較する模式図である。 この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図である。 この発明の実施の形態２に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図である。 この発明の実施の形態３に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図である。 この発明の実施の形態４に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図である。 この発明の実施の形態１に係る火炎センサの下側電極とこの発明の実施の形態４に係る火炎センサの下側内電極と下側外電極を上側電極側から見た形状を示す。 この発明の実施の形態４に係る火炎センサのＵＶセンサの回路図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図３は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図であり、このＵＶセンサは、図３（ａ）に示すように、上蓋３１と下蓋３２によって構成されている。

上蓋３１は、紫外線透過物質であるガラス板３３の表面に網目状の電極である上側電極（アノード電極）３４が設置され、上側電極３４に接続された入力用導電性リード（貫通電極）３５が反対側の面に引き出されたものであり、貫通部は気密になっている。

下蓋３２は、ガラス板３６にエッチング等により約０．５ｍｍの深さのキャビティ３７が設けられ、このキャビティ３７の底に下側電極（カソード電極）３８が設置され、下側電極３８に接続された出力用導電性リード（貫通電極）３９が反対側の面に引き出されたものであり、貫通部は気密になっている。ここで、上側電極３４及び下側電極３８は、それぞれ上蓋３１、下蓋３２の面に沿って設置された簡単な構成であり、製造過程において電極にゆがみが生じることはない。なお、ガラス板３３，３６に電極３４，３８を設置する方法としては真空蒸着やスパッタ等の薄膜生成方法を用いればよい。下側電極３８の材料としては、例えばニッケル、モリブデン、タングステンなど、紫外線が照射されることにより光電子を放出する金属が挙げられる。

この際、上蓋３１及び下蓋３２に電極及び導電性リードを設置する加工技術として、ＭＥＭＳ加工技術を採用することにより、設計通りの寸法及び位置に電極や導電性リードを設置することができ、製造過程での細かな調整、修正は必要なくなる。なお、ＭＥＭＳとは、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）のことである。

図３（ｂ）に示すように、このＵＶセンサは、上側電極３４と下側電極３８が平行に向かい合うように、上蓋３１と下蓋３２を接合して形成されており、向かい合う上側電極３４と下側電極３８間に例えば水素とネオンの混合ガスなど、規定のガスを封入する。この際、上蓋３１と下蓋３２の接合部分を鏡面に仕上げ、規定のガス雰囲気中で室温で直接接合することにより、上蓋３１と下蓋３２を接合して規定ガスを封入する。なお、上蓋３１と下蓋３２の接合は、このような直接接合技術により行っても良いし接着剤や加熱硬化接着剤により行ってもよい。

このＵＶセンサに対して、図３（ｂ）の矢印Ａが示すように上面から紫外線光が照射されると、紫外線は、上蓋３１のガラス板３３及び網目状の上側電極３４を透過し、下蓋３２の下側電極３８にぶつかる。このＵＶセンサは、上側電極３４と下側電極３８間に直流電圧を印加されており、このように紫外線が下側電極３８にぶつかると上側電極３４と下側電極３８の間で放電が起きるので、この放電を検出することにより紫外線の有無（火炎の有無）を検出する。

なお、上蓋３１を形成する物質は、紫外線透過ガラス３３に限らず、石英やサファイアなど紫外線透過物質であればよい。一方、下蓋３２を形成する物質は、紫外線透過物質に限らず、素材によって制限されないが、上蓋３１を形成する物質と同じ素材である方が接合後のゆがみなどがないため望ましい。さらに、下蓋３２はガラス板３６に電極となる金属を設置するものとしたが、下蓋３２自体を上面を研磨したタングステン板などの金属板としたり、上面を研磨した紫外線透過ガラスと同じ熱膨張率を有する合金板に電極となる金属を設置するものとしてもよい。なお、下蓋３２自体をタングステン板とする場合には、電極３８を別途設ける必要はない。また、このように下蓋３２を、タングステン板などの金属板又は紫外線透過ガラスと同じ熱膨張率を有する合金板とした場合には、出力用導電性リード３９は不要となる。

また、上蓋３１の入力用導電性リード３５及び下蓋３２の出力用導電性リード３９は、それぞれ電極と反対の面に引き出されるものとしたが、反対の面に限らず、別の面から外部に引き出されるものとしてもよい。

以上のように、この発明の火炎センサによれば、電極（３４，３８）がそれぞれ設置された上蓋３１及び下蓋３２を備え、電極が平行に向かい合うように上蓋３１と下蓋３２を接合してＵＶセンサが形成されるので、電極（３４，３８）にゆがみの生じない火炎センサを容易に実現することができる。

また、この発明の火炎センサによれば、ＵＶセンサが非常に小型であるため、設置するのに必要なスペースが非常に小さく、ひとつの火炎センサに複数のＵＶセンサを設置することができる。これにより、例えば、設置したＵＶセンサのうち１つのＵＶセンサが故障しても、他のＵＶセンサにより火炎を検出することができるため、火炎センサの検出結果に冗長性を持たせることができると共に、火炎センサの寿命を延ばすことができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、下蓋３２にキャビティ３７を設け、上蓋３１と下蓋３２を接合してＵＶセンサを形成する構成について記載しているが、下蓋３２にキャビティ３７を設けず、上蓋３１と下蓋３２の間に穴あきウェハ４０を挟んで接合してＵＶセンサを形成する構成としてもよい。

図４は、この発明の実施の形態２に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図であり、実施の形態１の図３に示すＵＶセンサとの違いは、下蓋３２がキャビティを有さないガラス板であり、上蓋３１と下蓋３２の間に例えば０．５ｍｍ厚の穴あきウェハ４０を挟んで接合する点のみであり、その他の構成については実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

穴あきウェハ４０は穴４１を有するウェハであり、図４（ｂ）に示すように、上蓋３１の上側電極３４と下蓋３２の下側電極３８が穴あきウェハ４０の穴４１において向かい合うように接合し、向かい合う上側電極３４と下側電極３８間に例えば水素とネオンの混合ガスなど、規定のガスを封入する。

そして、図４（ｃ）に示すように、上蓋３１、下蓋３２、穴あきウェハ４０を接合したものをダイシングして個片に分離する。このようにして、一度に同じ構成のＵＶセンサを製造することができる。なお、接合については、実施の形態１同様、上蓋３１と下蓋３２と穴あきウェハ４０の接合部分を鏡面に仕上げ、規定のガス雰囲気中で室温で直接接合することにより行ってもよいし、接着剤や過熱硬貨接着剤によって行ってもよい。

以上のように、この発明の実施の形態２に係る火炎センサによれば、エッチング等によりキャビティ３７を生成する必要がなく、ＵＶセンサを容易に生成することが可能となり、また、同じ構成のＵＶセンサを一度に大量に生成することができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図であり、実施の形態１の図３に示すＵＶセンサとの違いは、上蓋３１がさらにレンズ状部４２を備える点のみであり、その他の構成については実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

この発明のＵＶセンサは従来のＵＶセンサと比べて非常に小型であるため、ＵＶセンサに入射する光量が少なくなり、紫外線が下側電極にぶつかりにくいので、紫外線検出（火炎検出）の精度を上げるために、上蓋３１の上面にレンズ状部４２を備えることが望ましい。

そして、上蓋３１の上面にレンズ状部４２を備えることにより、ＵＶセンサ自身が集光機能を備えるようになり、これにより、入射する光量が増加し、非常に小型なＵＶセンサであっても紫外線の検出（火炎の検出）精度が低下することを防ぐことができる。

以上のように、この発明の実施の形態３に係る火炎センサによれば、上蓋３１の上面をレンズ状にしたので、火炎センサ自身が集光機能を備え、入射する光量が増加し、非常に小型な火炎センサであっても紫外線の検出（火炎の検出）精度が低下することを防ぐことができる。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図であり、実施の形態１の図３に示すＵＶセンサとの違いは、下蓋３２に下側内電極４３と下側外電極４４の２枚の電極を設置しており、下側内電極４３には出力用内側導電性リード４５が、下側外電極４４には出力用外側導電性リード４６が、それぞれ接続されて反対側の面に引き出されている点のみであり、その他の構成については実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

この発明の実施の形態１に係る火炎センサの上側電極３４と下側電極３８は平行に配置されているため、両電極間の電界は中心部よりも外周部において強くなり、電極の外周部が放電しやすい状態になっている。このため、実際には火が消えており、紫外線の照射が終わっているにもかかわらず、特に電界の強い電極の外周部において放電が発生する、いわゆる偽放電が発生してしまう場合があり、この偽放電の検出を防ぐために下蓋３２は下側内電極４３と下側外電極４４を備えることが望ましい。

ここで、図７（ａ）は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサの下側電極３８を、図７（ｂ）は、この発明の実施の形態４に係る火炎センサの下蓋３２に設置された下側内電極４３と下側外電極４４を、それぞれ上側電極３４側から見た形状を示す。

図７（ａ）に示すように、下側電極３８は円形であり、出力用導電性リード３９が接続されている。この場合、上述のように中心部よりも外周部の電界が強くなっており、放電しやすい状態であるため、外周部において偽放電が発生してしまう場合がある。一方、図７（ｂ）に示すように、下側内電極４３は下側電極３８よりも小さい円形の電極であり、出力用内側導電性リード４５が接続されている。また、下側外電極４４は下側内電極４３の周りを囲うドーナツ形の電極であり、出力用外側導電性リード４６が接続されている。図７（ｂ）の場合も図７（ａ）の場合と同様に、中心部よりも外周部の電界の方が強くなるため、下側外電極４４の方が下側内電極４３よりも電界が強く、放電しやすい状態であり、偽放電が発生する場合がある。
そこで、上側電極３４と下側外電極４４間において起こる偽放電を含む放電は検出しないで、上側電極３４と下側内電極４３間において起こる偽放電を含まない放電のみを検出するようにすることで、偽放電を含まない紫外線検出が可能となる。

図８は、この発明の実施の形態４に係る火炎センサのＵＶセンサの回路図である。図８に示すように、上側電極３４と下側内電極４３間及び上側電極３４と下側外電極４４間に電圧源４７によって直流電圧がかけられている。ここで、極板間において起こる放電を検出するために放電電流を測定する電流計４８は、下側内電極４３に接続された出力用内側導電性リード４５には接続しているものの、下側外電極４４に接続された出力用外側導電性リード４６には接続していない。つまり、図８に示すＵＶセンサは、上側電極３４と下側内電極４３間において起きた偽放電を含まない放電のみを検出し、上側電極３４と下側外電極４４間において起きた偽放電を含む放電は検出しないので、偽放電を検出することはない。

以上のように、この発明の実施の形態４に係る火炎センサによれば、下蓋３２に設置された電極が接触しないように固定された外側部分と内側部分の２つに分かれているようにしたので、放電の起きやすい上側電極３４と下側外電極４４間で起こる偽放電を含む放電は検出しないで、上側電極３４と下側内電極４３間で起こる偽放電を含まない放電のみを検出することで、より精度よく紫外線を検出することができる。

なお、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

１０，２０ ガラス管
１１，２１ アノード電極
１２，２２ カソード電極
１３，１４，２３，２４ コバール線（リード線）
３１ 上蓋
３２ 下蓋
３３，３６ ガラス板
３４ 上側電極（アノード電極）
３５ 入力用導電性リード（貫通電極）
３７ キャビティ
３８ 下側電極（カソード電極）
３９ 出力用導電性リード（貫通電極）
４０ 穴あきウェハ
４１ 穴
４２ レンズ状部
４３ 下側内電極
４４ 下側外電極
４５ 出力用内側導電性リード
４６ 出力用外側導電性リード
４７ 電圧源
４８ 電流計

Claims (6)

1. 網目状の電極を設置した紫外線透過物質からなる上蓋と、
   電極となる金属を設置した下蓋とを備え、
   前記上蓋の電極と前記下蓋の電極が平行に向かい合うように前記上蓋と前記下蓋を接合し、
   前記向かい合う電極間に規定のガスを封入したＵＶセンサを備える
   ことを特徴とする火炎センサ。
2. 前記上蓋と前記下蓋のうち少なくとも一方がキャビティを有することを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。
3. 前記上蓋と前記下蓋の間に穴あきウェハを挟んで接合されていることを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。
4. 前記上蓋の上面がレンズ状であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の火炎センサ。
5. 前記下蓋に設置された電極が接触しないように固定された外側部分と内側部分の２つに分かれていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の火炎センサ。
6. 網目状の電極を設置した紫外線透過物質からなる上蓋と、
   少なくとも１つの面を研磨した金属板からなる下蓋とを備え、
   前記上蓋の電極と前記下蓋の研磨した面が平行に向かい合うように前記上蓋と前記下蓋とを接合し、
   前記上蓋の電極と前記下蓋の研磨した面の間に規定のガスを封入したＵＶセンサを備える
   ことを特徴とする火炎センサ。

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