JPH09325068A - 火炎センサ及び火炎検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火炎の放射する光の中の２００ｎｍ〜２８０
ｎｍの波長範囲の紫外線を検出でき、装置構成が簡単
で、大型の冷却装置を必要とせず、高温での使用状態に
あっても比較的長い寿命を有して、火炎の存非を的確に
検知できる火炎センサを得る。 【解決手段】 ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳから選択される
光導電体材料からなる受光部８と、この受光部８が受光
した場合に光導電効果により受光部８に発生する電流を
取り出し可能な電極３、４とを備えて、火炎センサを構
築する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火炎から放射され
る放射光の特定波長成分を認識して、火炎の有無等を検
出するための火炎センサ及びこのようなセンサを備えた
火炎検出器に関するものであり、更に詳細には、火炎の
発光波長範囲から太陽光や室内光といった雑音源となる
光の波長範囲を除外した、概ね２００ｎｍ〜２８０ｎｍ
の波長成分の紫外線を検出する火炎検出技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、火炎センサとしては、熱電対を用
いて火炎の発する熱を電気エネルギに変換して火炎を検
出する熱電対型と、水素炎イオン化検出器を用いて火炎
中の水素イオンを電気エネルギに変換して火炎を検出す
る水素炎イオン化検出器型と、光電管を用いて火炎の発
する光エネルギを電気エネルギに変換して火炎を検知す
る光電管型のものが、知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の各火炎センサ
は、それぞれ、以下のような欠点がある。 １ 熱電対型の火炎センサは、熱源である火炎が発生、
消滅した後でもセンサ周辺の温度が急速には上昇もしく
は低下しないため、着火時、消火時等の火炎状態の変化
に対する過渡応答性が悪く、特に、温度変化に乏しい密
閉筐体中での使用に問題がある等、使用範囲が制限され
る。 ２ 水素炎イオン化検出器型の火炎センサは、電極部を
火炎内に設ける必要があり、小さな火炎から大きな火炎
まで広範囲に適応されるには、電極部のみならず支持部
等も含め、高い耐熱性と信頼性が要求される。従って、
火炎の形状や大きさが大きく変化するものには適用が困
難であり、使用範囲が給湯器や小型ボイラ等での使用に
限定される。 ３ 光電管型の火炎センサは、前記熱電対型または水素
炎イオン化検出器型の火炎センサに比べて、火炎のオン
・オフの判定精度に優れており、また火炎から距離を置
いて設置できるという長所を備えているが、光電管の構
造的な制約から光エネルギを電気エネルギに変換する変
換効率が低いため、火炎センサとして検出すべき２００
ｎｍから２８０ｎｍの波長範囲において、受光感度が低
く、火炎から放射される微弱な前記波長範囲の光を検出
するには十分とは言えない。図５は、横軸が波長を、縦
軸が、火炎光、太陽光及び室内光（蛍光管から発生する
蛍光）の相対強度及び光電管の検出感度を示すものであ
る。ここで、火炎であるガス光が実線で、妨害光として
の室内光が破線で、太陽光が一点鎖線で示されている。
さらに、光電管の検出感度に関しては、これを二点鎖線
で示している。従って、火炎のみを検出するためには、
２００ｎｍから２８０ｎｍの波長範囲を検出することが
好ましいことが判る。さらに、光電管型のものは、構造
が複雑であり、寿命が比較的短く、使用できる温度域が
１００℃程度までに限れるという問題がある。本発明
は、上記の問題を解決することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

〔構成〕上記の目的を達成するための本発明による請求
項１に係わる火炎センサの第１の特徴構成は、ＭｇＳ、
ＣａＳ、ＳｒＳから選択される光導電体材料からなる受
光部と、前記受光部が受光した場合に光導電効果により
前記受光部に発生する電流を取り出し可能な電極とを備
えてなることにある。

【０００５】〔作用・効果〕ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳ、
夫々のバンドギャップＥｇは４．４ｅＶ、４．４１ｅ
Ｖ、及び４．３ｅＶであり、これら吸収スペクトルの長
波長限界は２８１．８ｎｍ、２８１．１ｎｍ、２８８．
３ｎｍである。これらの光導電体材料は、これらの波長
以下の放射光を吸収し、電流を発生する。従って、この
ような材料を受光部に備え、光導電効果により発生する
電流を検出することにより、太陽光や室内光といった通
常存在する雑音源となる光と、火炎からの放射光を有効
に区別して火炎からの放射光を検出して、火炎センサと
しての機能を果たすことができる。ここで、これらの材
料の吸収スペクトルの長波長端に於ける感度の立ち上が
りは、光導電特性によることにより急峻となるため、従
来技術に於ける光電管が有していた問題（感度の低い部
分がかなり残存する）を解消することができる。即ち、
先に示したように、火炎の検出を妨害光の影響を少なく
検出しようとすると、図５にＳＢで示す２００ｎｍ〜２
８０ｎｍ程度の紫外線を選択的に検知することが好まし
い。しかしながら、この帯域に於ける火炎の発光スペク
トルは短波長になるほど微弱となる。一方、光電管の受
光感度は、最高感度域が２００ｎｍ〜２２０ｎｍの波長
範囲に存在し、量子効率（光電変換効率）は２０％〜３
０％であり、２４０ｎｍ〜２８０ｎｍの波長範囲では５
％〜１０％に低下する。従って、特に、火炎が小さい場
合や、火炎から距離を隔てている場合など、光電管の受
光領域を大きくする等の検出感度の向上手段が必要とな
り、装置が大型化するなどの問題が生じる。このような
状況において、特定の帯域の紫外線を良好に検知しよう
とする場合は、図５に例示的に斜線領域として示すよう
に、例えば、２８０ｎｍ程度以下の長波長端にあって、
検出感度の立ち上がりが急峻で、これ以下の短波長域で
比較的高い感度を維持するセンサが好ましい。このよう
なセンサをこの構成の火炎センサは提供することができ
るのである。ここで、ＳｒＳの長波長端は理論上２８８
ｎｍであるが、これは、誤差範囲とみなせる。さらに、
この構成の場合は、比較的高い感度（量子効率）を得る
ことができるとともに、後述するように装置構成も簡素
である。また、材料の特性から、比較的高温（５００℃
前後）においても使用することができる。さらに、寿命
の点でも従来より、長い。

【０００６】〔構成〕上記の構成の火炎センサを備えた
火炎検出器を構成する場合にあっては、以下のような構
造とすることが好ましい。即ち、請求項２に係わる本願
の火炎検出器の特徴構成は、内部が真空もしくは不活性
ガスで充填された中空閉構造の検出器本体を備え、Ｍｇ
Ｓ、ＣａＳ、ＳｒＳから選択される光導電体材料からな
る受光部と、前記受光部が受光した場合に光導電効果に
より前記受光部に発生する電流を取り出し可能な電極と
を備えた火炎センサを、検出光が導入照射される検出器
本体内の検出光照射部に備え、検出器本体内への検出光
導入部に紫外線透過フィルターを備えることにある。

【０００７】〔作用・効果〕この火炎検出器にあって
は、先に説明した本願独特の光導電体材料を備えた火炎
センサが検出器本体の検出光照射部に配設される。この
検出光照射部には、検出光導入部から火炎からの放射光
が導入照射される。この場合、検出光導入部に紫外線透
過フィルターを備えておくことにより、火炎センサへの
紫外線以外の光の到達が抑制される。従って、可視光
線、火炎センサの温度上昇要因となる赤外線等の到達が
抑制され、センサに於ける検出精度を高めることができ
る。さらに、この構成を採る火炎検出器にあっては、紫
外線フィルターによるノイズの除去、さらには火炎セン
サを構成する光導電体材料自体の特性による、長波長側
（例えば波長が２８０ｎｍ以上の範囲に於けるもの）の
ノイズ除去の、二重のノイズ除去構造を有するため、確
度の高い火炎検知が可能となる。さて、検出器本体内は
真空保持されたり、内部に不活性ガスを充填した構成と
される。上記の光導電体材料は、一般に水分の影響を受
けて、その特性が変化しやすい。従って、この構成の火
炎センサを検出器本体内に収納し、周囲雰囲気を水分を
遮断したものとすることにより、その性能を適切に維持
することができる。

【０００８】〔構成〕上記の目的を達成する請求項３に
係わる火炎センサの第２の特徴構成は、長波長端が２８
０ｎｍにあり、この長波長端より短波長の紫外線吸収に
より電流を発生する光導電特性を備えた蛍光材料からな
る受光部を備え、紫外線吸収により受光部に発生する電
流を取り出し可能な電極を備えて、火炎センサを構成す
ることにある。 〔作用・効果〕蛍光材料は、紫外線の吸収により、保有
する電子が、バレンスバンドとコンダクションバンドと
の間にある中間的な準位まで励起された後、バレンスバ
ンドに遷移する場合に蛍光を発する。しかしながら、励
起状態にある電子は、例えば材料温度等による要因によ
りコンダクションバンドまでさらに励起され、この電子
を電流として検出できる。従って、このような材料は、
ある種の光導電特性を有するものと見做すことができ
る。さて、これまで説明してきたように、火炎検出を、
ノイズの影響を除いて確実に行おうとする場合、その長
波長端が概略２８０ｎｍにあることが要件となる。従っ
て、本願の火炎センサにあっては、受光部にこのような
特性を有する蛍光材料を使用し、その光導電特性によっ
て得られる電流を検出するものとする。結果、長波長端
が２８０ｎｍ以下の火炎から発する放射光の特定スペク
トル部位を、電極を介する電気的情報として検出するこ
とができる。このような火炎センサにあっては、比較的
安価な材料を使用して大面積の受光素子を構築すること
ができる。さらに、高圧電源等が不要となり、装置構成
を簡素化できる。さらに、光電管型の場合のように、１
００℃程度でしか使用できないということはなく、２０
０〜３００℃程度で使用できるため、冷却装置も小型の
ものですむ。さらに寿命の長くできる。

【０００９】〔構成〕上記の目的を達成する請求項４に
係わる火炎センサの第３の特徴構成は、母材組成；付活
剤の形式で表した場合に、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂
Ｏ₇；Ｐｂ²⁺、（Ｂａ，Ｚｎ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇；Ｐ
ｂ²⁺、ＢａＳｉ₂Ｏ₃；Ｐｂ²⁺、Ｙ₂Ｏ₃；Ｅｕ、ＣｓＩ；
Ｎａ⁺、（Ｃａ，Ｚｎ）₃（ＰＯ₄）₂；Ｔｌ⁺、ＣａＳｉ
Ｏ₃；Ｐｂ ²⁺、ＣａＳｉＯ₃；Ｍｎ²⁺として表される蛍光
材料から選択された材料からなる受光部を備え、紫外線
吸収により前記受光部に発生する電流を取り出し可能な
電極を備えて、火炎センサを構成することにある。 〔作用・効果〕このような蛍光材料の励起スペクトル
（実質上は吸収スペクトル）の長波長端は、本願が問題
とする２８０ｎｍ〜２９０ｎｍ付近にある。各蛍光材料
について具体的な長波長端は以下の表１のとおりであ
る。

【００１０】

【表１】 母材組成 付活剤 長波長端（ｎｍ） （Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇ Ｐｂ²⁺ ２７０ （Ｂａ，Ｚｎ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇ Ｐｂ²⁺ ２８０ ＢａＳｉ₂Ｏ₃ Ｐｂ²⁺ ２７０ Ｙ₂Ｏ₃ Ｅｕ ２８０ ＣｓＩ Ｎａ⁺ ２６０ （Ｃａ，Ｚｎ）₃（ＰＯ₄）₂ Ｔｌ⁺ ２８０ ＣａＳｉＯ₃ Ｐｂ²⁺ ２７０ ＣａＳｉＯ₃ Ｍｎ²⁺ ２８０

【００１１】従って、このような材料を受光部に使用す
ることにより、これまで説明してきたと同様の原理で火
炎から発生する放射光を検出することができる。このよ
うな火炎センサにあっては、先にも説明したように、比
較的安価な材料を使用して大面積の受光素子を構築する
ことができる。さらに、高圧電源等が不要となり、装置
構成を簡素化できる。さらに、光電管型の場合のよう
に、１００℃程度でしか使用できないということはな
く、２００〜３００℃程度で使用できるため、冷却装置
も小型のものですむ。さらに寿命の長くできる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。本願の火炎検出器１００は、図１
に示すように、本願独自の構成の火炎センサ５０を、内
部が真空の中空閉構成の検出器本体５１内で、この検出
器本体５１内に導入される検出光が導入照射される検出
器本体内の検出光照射部５２に備えて構成されている。
さらに、この検出器本体５１の検出光導入部５６には、
紫外線透過フィルター５３が備えられている。そして、
火炎センサ５０の出力端には、この火炎センサ５０の出
力により、火炎のオン・オフを判断するために判断装置
５４、さらには、判断装置５４による結果を表示する表
示装置５５が接続されている。従って、図１に示すよう
に火炎検出器１００の前方に火炎Ｆがある場合は、火炎
から発生する光が火炎検出器１００の検出光導入部５６
から検出器本体５１内に導入され、検出光照射部５２に
備えられる火炎センサ５０の受光部８に受光されて、検
知出力を得ることができる。

【００１３】前記火炎センサ５０は、図２に示すよう
に、ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳから選択される光導電体材
料からなる受光部８と、検出光が受光部８に受光された
場合に光導電効果により前記受光部８に発生する電流を
取り出し可能な電極３、４とを備えて構成されている。
各電極は図３に示すようにくし歯状に形成されている。
火炎センサ５０の概略構造を、先ず概説すると、図２に
示すように、センサ基板（具体的にはサファイア基板
２）上に、紫外線に対して光導電特性を示す光導電体材
料の薄膜層が形成され、この薄膜層の上部側に、三系統
の電極３、４が備えられている。さらに、これらの電極
３、４は、後に説明するように互いに一対で組とされ、
一方の対と薄膜層で検出用の光導電体素子が、他方の対
と薄膜層とその受光部を覆う金属遮光膜９とで、温度補
償用の光導電体素子が構成されている。従って、この火
炎センサ５０にあっては、火炎から放出される特定の紫
外線を温度補償を伴った状態で検出することができる。

【００１４】図２に基づいて、光導電体材料としてＭｇ
Ｓを使用した場合について、さらに詳細に説明する。火
炎センサ５０には、ＭｇＳ光導電体１の薄膜層（この一
部が受光部８を構成する）が、例えばレーザ加熱等によ
る物理蒸着法によりサファイア基板２上に形成されてい
る。そして、金属電極４と、ＭｇＳ光導電体１との間に
緩衝層を設けオーミック接触構造としている。即ち、緩
衝用の下部電極３を金属電極４の下にパターン形成して
ある。さらに、この火炎センサ５０にあっては、前記金
属電極４及び受光部８である前記金属電極４に覆われて
いないＭｇＳ光導電体１の上部に、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、
またはＡｌ₂Ｏ₃の少なくとも波長が２８０ｎｍ以下の紫
外線を透過する絶縁膜５が化学蒸着法等により形成され
ている。

【００１５】さらに、図２に示すように、光導電体素子
の周辺部において、前記金属電極４と外部を結線するた
めに開口された結線用窓７がフォトエッチング工程によ
り設けられている。一方、先に説明したように、温度補
償用の光導電体素子を構築するために、前記金属電極４
とは別の金属膜を前記絶縁膜５の上部に蒸着形成し、図
２に示す二つの受光部８の一方を遮光するように金属遮
光膜９をフォトエッチング工程によりパターン形成して
ある。また、前記金属遮光膜９と同じ金属膜から同じフ
ォトエッチング工程を経て前記結線用窓７を覆うボンデ
ィング用パッドを形成してある。

【００１６】従って、図２に示す構造にあっては、下部
電極３と金属電極４で構成される電極が三つ形成され、
中央の電極と左側の電極の間に一つ光導電体素子（検出
用）が、さらに中央の電極と右側の電極の間に別の光導
電体素子（温度補償用）が形成されており、これら一対
の光導電体素子の一方に対してのみ、その受光部８ａが
遮光されている。このように同一基板上に一対の光導電
体素子を形成し、一方の光導電体素子を遮光することに
より、両方の光導電体素子の電気的特性の整合性を良好
に取ることができ、両光導電体素子間で出力電流または
出力電圧の差分を取ることで、温度特性の激しい暗電流
成分が相殺され温度補償ができる。

【００１７】以上の構成を採用することにより、本願の
火炎検出器１００にあっては、概略２８０ｎｍ以下の短
波長側の火炎からの光を検出することが、太陽光、室内
光等のノイズを拾うことなしに、おこなえる。以上が、
本願の火炎センサをなる光導電素子の一実施形態であ
る。

【００１８】〔別実施形態〕以下、本願の別実施形態に
ついて説明する。 （イ） 上記の実施の形態においては、受光部を構成す
る光導電体材料として、ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳから選
択される材料を採用したが、これらの材料の他、以下の
ような材料から、前記受光部を構成することも可能であ
る。即ち、所謂、蛍光材料である、母材組成；付活剤の
形式で表される、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇；Ｐ
ｂ²⁺、（Ｂａ，Ｚｎ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇；Ｐｂ²⁺、Ｂａ
Ｓｉ₂Ｏ₃；Ｐｂ²⁺、Ｙ₂Ｏ₃；Ｅｕ、ＣｓＩ；Ｎａ⁺、
（Ｃａ，Ｚｎ）₃（ＰＯ₄）₂；Ｔｌ⁺、ＣａＳｉＯ₃；Ｐ
ｂ²⁺，ＣａＳｉＯ₃；Ｍｎ²⁺等を、受光部を構成する材
料として使用するのである。このような材料は、吸収ス
ペクトルの長波長端がほぼ２８０ｎｍ近傍にあり、前記
２８０ｎｍより短波長の紫外線吸収により蛍光を発する
蛍光材料である。そして、このような材料は、その温度
状態によって、広義の光導電特性を示すものであり、上
記と同様な構成、原理で、火炎からの特定波長の紫外線
の検出に使用できる。上記の実施の形態にあっては、Ｍ
ｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳ材料の水、温度に対する耐久性を
考慮して、真空雰囲気化に火炎センサを配設する構成と
したが、この材料にあっては、必ずしも、このような構
成を採用する必要はない。

【００１９】（ロ） 上記の実施の形態にあっては、遮
光側に金属遮光膜９を設けたが、この金属遮光膜を設け
る代わりに、金属遮光膜９で遮光されていた方の受光部
８ａを覆うように、絶縁膜５上にポリイミド樹脂膜を塗
布する構成も採用できる。このように構成すると、一層
分の金属膜形成工程が省略できるので、製造工程の簡略
化、低コスト化において有効である。

【００２０】（ハ） 上記の実施の形態にあっては、検
出器本体５１内を真空状態としたが、この構成は、固体
光導電性材料に対する水の影響を主に回避するために必
要とされるため、例えば、検出器本体５１内を窒素、ヘ
リウム等の不活性ガスで満たしておいてもよい。

【００２１】（ニ） さらに、図４に示すように、図２
に示す実施形態の下部電極３と金属電極４の代わりに前
記光導電体上にオーミックコンタクト用の下部電極３を
蒸着、フォトエッチング工程を経てパターン形成し、前
記下部電極３及び受光部８である前記下部電極に覆われ
ていない前記光導電体１の上部に、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、
またはＡｌ₂Ｏ₃の絶縁膜５を化学蒸着法等により形成
し、後工程で上部に形成する金属電極４と前記下部電極
３を接触させるための接触窓６をフォトエッチング工程
を経て形成するものも好ましい。この場合、前記金属電
極４及び金属遮蔽膜９は前記絶縁膜５に蒸着された同じ
金属膜からフォトエッチング工程を経て夫々パターン形
成できるため、図２に示す実施形態のように金属電極４
と金属遮光膜９を形成するために２回の金属膜形成工程
を必要としないという利点がある。

【００２２】（ホ） 図２、図４に示すサファイア基板
の代わりに、サファイア、６方象形ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｇ
ａＡｓ、Ｓｉ，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、またはＮｄＧａＯ₃から
なる基板を使用してもよい。 （ヘ） 本願の火炎センサ５０を構築するにあたって
は、図２ないし図４に示すように、一対の光導電素子が
必ずしも形成される必要はなく、光導電素子は単体であ
っても、複数個あっても良い。

【００２３】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】火炎検出器の構成、使用状態を示す図

【図２】火炎センサの断面構成を示す図

【図３】火炎センサの平面視図

【図４】火炎センサの別構成例を示す断面図

【図５】火炎、太陽光、室内光の発光スペクトル及び光
電管の検出感度を示す図

【符号の説明】

３ 電極 ４ 電極 ８ 受光部 ５０ 火炎センサ ５１ 検出器本体 ５２ 検出光照射部 ５３ 紫外線透過フィルター

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/0264 Ｈ０１Ｌ 31/08 Ｌ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳから選択される
   光導電体材料からなる受光部（８）と、前記受光部
   （８）が受光した場合に光導電効果により前記受光部
   （８）に発生する電流を取り出し可能な電極（３）
   （４）とを備えた火炎センサ。
2. 【請求項２】 内部が真空もしくは不活性ガスで充填さ
   れた中空閉構造の検出器本体（５１）を備え、 ＭｇＳ、ＣａＳ、ＳｒＳから選択される光導電体材料か
   らなる受光部（８）と、前記受光部（８）が受光した場
   合に光導電効果により前記受光部（８）に発生する電流
   を取り出し可能な電極（３）（４）とを備えた火炎セン
   サ（５０）を、検出光が導入照射される前記検出器本体
   内の検出光照射部（５２）に備え、前記検出器本体内の
   検出光導入部に紫外線透過フィルター（５３）を備えた
   火炎検出器。
3. 【請求項３】 長波長端が２８０ｎｍにあり、前記長波
   長端より短波長の紫外線吸収により電流を発生する光導
   電特性を備えた蛍光材料からなる受光部を備え、前記紫
   外線吸収により前記受光部に発生する電流を取り出し可
   能な電極を備えた火炎センサ。
4. 【請求項４】 母材組成；付活剤の形式で表した場合
   に、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇；Ｐｂ²⁺、（Ｂ
   ａ，Ｚｎ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇；Ｐｂ²⁺、ＢａＳｉ₂Ｏ₃；
   Ｐｂ²⁺、Ｙ₂Ｏ₃；Ｅｕ、ＣｓＩ；Ｎａ⁺、（Ｃａ，Ｚ
   ｎ）₃（ＰＯ₄）₂；Ｔｌ⁺、ＣａＳｉＯ₃；Ｐｂ²⁺、Ｃａ
   ＳｉＯ₃；Ｍｎ²⁺として表される蛍光材料から選択され
   た材料からなる受光部を備え、紫外線吸収により前記受
   光部に発生する電流を取り出し可能な電極を備えた火炎
   センサ。