(57)【要約】【課題】小型化を実現し、かつ、設計通りの寸法や位置に収めて製作することが容易に可能な火炎センサを提供する。【解決手段】紫外線を検出するＵＶセンサを用いた火炎センサにおいて、ＵＶセンサが、紫外線を照射される金属体１３と、電圧を振動に変換する第１の圧電素子１１と、振動を電圧に変換し金属体１３を帯電させる第２の圧電素子１２と、金属体１３の上部にある誘電体の電圧変化を計測する測定部１８と、第１の圧電素子１１に電圧をかけるのか、第１の圧電素子１１、第２の圧電素子１２及び金属体１３を接地するのかを切り替えるスイッチ部１９とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線を検出するＵＶセンサを用いた火炎センサにおいて、
前記ＵＶセンサが、
紫外線を照射される金属体と、
電圧を振動に変換する第１の圧電素子と、
前記振動を電圧に変換し前記金属体を帯電させる第２の圧電素子と、
前記金属体上部にある誘電体の電圧変化を計測する測定部と、
前記第１の圧電素子に電圧をかけるのか、前記第１の圧電素子、前記第２の圧電素子及び前記金属体を接地するのかを切り替えるスイッチ部
とを備えたことを特徴とする火炎センサ。
【請求項２】
前記金属体の形状が上面の方が下面よりも面積が小さい
ことを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。
【請求項３】
前記金属体、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子をＭＥＭＳ加工技術によって加工する
ことを特徴とする請求項２記載の火炎センサ。
【請求項４】
前記金属体の上面の上方にレンズ状の部品を備える
ことを特徴とする請求項１記載の火炎センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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５の中に、網目状のアノード電極１と、カソード電極２とが、リード線３，４によってそれぞれ支持されており、ガラス管５内にはガスが封入されている。このアノード電極１とカソード電極２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５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１の網目を抜けてカソード電極２に当たることにより、放電する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１２５８１号公報
【特許文献２】特公昭４４−１０３９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１０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。
【０００６】
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６とカソード電極７とを支えるコバール線（リード線）８及びコバール線（リード線）９と、ガラスシール部（ガラス管１０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８，９が変動し、ゆがみの生じていないアノード電極６及びカソード電極７を得ることは容易ではなく、設計通りの寸法、位置に収めて製作することが非常に困難であるという課題が発生した。
【０００７】
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、設計通りの寸法や位置に収めて製作することが容易に可能な火炎センサ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明に係る火炎センサは、ＵＶセンサを用いたものであり、前記ＵＶセンサが、紫外線を照射される金属体と、電圧を振動に変換する第１の圧電素子と、前記振動を電圧に変換し前記金属体を帯電させる第２の圧電素子と、前記金属体上部にある誘電体の電圧変化を計測する測定部と、前記第１の圧電素子に電圧をかけるのか、前記第１の圧電素子、前記第２の圧電素子及び前記金属体を接地するのかを切り替えるスイッチ部とを備えたことを特徴とする火炎センサ。
【０００９】
また、この発明に係る火炎センサは、前記金属体の形状が上面の方が下面よりも面積が小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明に係る火炎センサは、金属体、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子をＭＥＭＳ加工技術によって加工することを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係る火炎センサは、前記金属体の上面の上方にレンズ状の部品を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明における火炎センサによれば、圧電素子（ピエゾ素子）を用いて金属体を帯電させることで生じる金属体の上面と誘電体上部間の電位差の光電効果による減少を測定することにより紫外線を検出する構成であるので、小型化を実現でき、かつ、容易に設計通りの寸法、位置に収めて製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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を示す。
【図２】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を示す。
【図３】この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図を示す。
【図４】この発明の実施の形態１に係る火炎センサの動作についての説明図を示す。
【図５】この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶセンサの測定電圧の例を示す。
【図６】この発明の実施の形態１に係る火炎センサの金属板の特徴的な形状による効果について説明する図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る火炎センサのＵＶセンサの構成図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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に係る火炎センサにおけるＵＶセンサの構成図であり、下から順番に、電圧を振動に変換する第１のピエゾ素子（第１の圧電素子）１１、振動を電圧に変換する第２のピエゾ素子（第２の圧電素子）１２、金属体１３、誘電体１４を重ねたものを遮光板１５によって覆ったセンサ部１６に電源１７、電圧計（測定部）１８及びスイッチ（スイッチ部）１９が接続されて構成されている。
【００１５】
センサ部１６は、第１のピエゾ素子１１、第２のピエゾ素子１２、金属体１３、誘電体１４が縦に重ねられたものであり、このうち誘電体１４は、金属体１３の上面の全体ではなく一部に載せられているため、金属体１３の上面には誘電体１４が載せられていない箇所がある。また、遮光板１５には、この金属体１３の上面の誘電体１４が載せられていない箇所に紫外線が照射されることが可能なように穴が開いている。
【００１６】
電源１７は第１のピエゾ素子１１に接続されており、電圧計１８は誘電体１４に接続されている。なお、電源１７は、第１のピエゾ素子１１に直流電圧を与えることができるものであればどのような構成でもよく、例えば、商用電源に、コンバータ、コンデンサを接続した構成などであってもよい。また、図３において、電圧計１８が接続された誘電体１４はひとつのみであるが、実際は各誘電体１４にそれぞれ電圧計１８が接続される。
【００１７】
スイッチ１９は第１のピエゾ素子１１に電圧をかける側（Ｃ１側）と、第１のピエゾ素子１１、第２のピエゾ素子１２及び金属体１３を接地する側（Ｃ２側）とを切り替えるものであり、スイッチ１９の切り替えはマイコン等の制御部（図示せず）によって制御される。
【００１８】
ピエゾ素子（１１，１２）は、圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する、圧電効果を利用した受動素子である。
【００１９】
次に、このＵＶセンサの動作について説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサにおけるＵＶセンサの動作についての説明図である。
まず、スイッチ１９がＣ１側に接続されると、図４（ａ）に示すように、電源１７によって、第１のピエゾ素子１１に電圧が印加される。第１のピエゾ素子１１が印加された電圧を振動に変えて、第２のピエゾ素子１２に振動を加える。第２のピエゾ素子１２が第１のピエゾ素子１１によって加えられた振動を電圧に変換すると、第２のピエゾ素子１２の上面に電子を、下面に陽子を、それぞれ帯電する。
【００２０】
第２のピエゾ素子１２の上面に接している金属体１３は、仕事関数が第２のピエゾ素子１２よりも大きいものを用いており、接触帯電現象により、第２のピエゾ素子１２の上面に帯電した電子が金属体１３の上面へ移動する。
【００２１】
さらに、金属体１３の上面に電子が帯電したことにより、金属体１３の上に重ねられた誘電体１４についても、下面に陽子、上面に電子をそれぞれ帯電し、上面と下面の間に電位差が生じる。
【００２２】
ここで、図４（ａ）の金属体１３の周辺Ａの拡大図である図４（ｂ）に示すように、金属体１３の上面において誘電体１４が設置されていない箇所に紫外線が照射されると、光電効果が起きて、金属体１３の上面に帯電している電子の一部が失われ、金属体１３及び誘電体１４に帯電している電荷の量が減少し、金属体１３及び誘電体１４の上・下面間の帯電によって生じた電位差は小さくなる。
【００２３】
つまり、電圧計１８によって、誘電体１４の上・下面の帯電によって生じる電圧の変化を測定することにより、金属体１３の上面に紫外線が照射することによって起こる光電効果から電子の損失分を計測することができる。
【００２４】
スイッチ１９がＣ２側に接続されると、第１のピエゾ素子１１、第２のピエゾ素子１２及び金属体１３が接地されるため、分極化が無くなり、誘電体１４の上下間の電圧はなくなる。その後、スイッチ１９は再度Ｃ１側に切り替えられる。
【００２５】
図５は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサのＵＶセンサの測定結果の例を示しており、上のグラフはスイッチ１９の状態を、中央のグラフは「火炎無しの場合」の電圧計１８の測定結果を、下のグラフは「火炎有りの場合」の電圧計１８の測定結果を、それぞれ示している。
【００２６】
図５に示されているように、スイッチ１９がＣ１側に接続されているとき、中央のグラフでは電圧値はＦＵＬＬを示しているのに対し、下のグラフでは電圧値はＦＵＬＬよりも小さな値を示している。これは、上述したように、紫外線が金属体１３の上面に照射することにより光電効果が生じ、誘電体１４の上・下面間の電位差が減少するためであり、火炎の強さによって電位差の減少の幅は異なる。この電位差の減少の幅が所定の第２の閾値を超え、第１の閾値以下の場合、火炎を検出したと判断する。なお、あまりにも電位差の減少の幅が大きく、所定の第１の閾値を超える場合には、装置の故障か或いは火炎不安定と判断する。このように、スイッチ１９がＣ１側に接続されているときの誘電体１４の上・下面間の電位差を測定することにより紫外線を検出することができる。
【００２７】
なお、金属体１３の形状は、図３に示されているように、上面よりも下面の方が面積が大きくなっている。図６は、この発明の実施の形態１に係る火炎センサの金属体１３の特徴的な形状による効果について説明する図である。図６に示すように、金属体１３の上面の面積を下面よりも小さくすることにより、上面に、より集中的に電子を集めることができ、単位面積当たりの電荷量が大きくなるため、省力による帯電が可能となる。第２のペルチェ素子１２についても金属体１３と同様に、上面の面積を下面よりも小さくすることにより、上面に、より集中的に電子を集めることができる。
【００２８】
また、第１のピエゾ素子１１、第２のピエゾ素子１２及び金属体１３の加工はＭＥＭＳ加工技術によって行われる。ＭＥＭＳ加工技術を採用することにより、設計通りの寸法、位置に加工することができるので、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。
【００２９】
なお、この実施の形態では、圧電素子としてピエゾ素子を用いているが、例えば、水晶などのピエゾ素子以外の圧電素子を用いてもよい。
【００３０】
以上のように、この発明の実施の形態１に係る火炎センサによれば、第１のピエゾ素子１１及び第２のピエゾ素子１２を用いて金属体１３を帯電させることで生じる誘電体１４の上面と下面間の電位差について、光電効果による電圧の変化を測定することにより紫外線を検出する構成のＵＶセンサであるので、小型化を実現でき、かつ、容易に設計通りの寸法、位置に収めて製作することができ、製造過程での細かな調整及び修正が必要なくなる。
【００３１】
また、この発明の実施の形態１に係る火炎センサによれば、ＵＶセンサ自体を大量に生産することが可能であり、さらに小型であるため材料費及び製造費用を低減することができる。
【００３２】
また、この発明の実施の形態１に係る火炎センサによれば、ＵＶチューブのようにガスを封入する必要がない構成のＵＶセンサであるので、ＵＶチューブの課題である、電極やリード線にガスが吸着することや、ガスのスローリークによる影響を受け、性能が低下するなどの問題も生じない。
【００３３】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る火炎センサにおける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、遮光板１５の上面の穴の部分にレンズ状部２０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。
【００３４】
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、紫外線が金属体１３の上面に照射しにくいので、紫外線検出（火炎検出）の精度を上げるために、遮光板１５の上面にレンズ状部２０を備えることが望ましい。なお、図７においては、遮光板１５の上面に大きなレンズ状部２０を設置する構成について示しているが、遮光板１５の各穴に小さなレンズ状部２０を設置する構成とする等、紫外線を金属体１３の上面に効率良く集光できるものであれば、どのように設置してもよい。
【００３５】
そして、遮光板１５の上面の穴の部分にレンズ状部２０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、金属体１３の上面を照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。
【００３６】
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、遮光板１５の上面の穴にレンズ状部２０を備えるようにしたので、火炎センサ自身が集光機能を備え、金属体１３の上面を照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。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
１，６  アノード電極
２，７  カソード電極
３，４，８，９  コバール線（リード線）
５，１０  ガラス管
１１  第１のピエゾ素子（第１の圧電素子）
１２  第２のピエゾ素子（第２の圧電素子）
１３  金属体
１４  誘電体
１５  遮光板
１６  センサ部
１７  電源
１８  電圧計（測定部）
１９  スイッチ（スイッチ部）
２０  レンズ状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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