特許 5892368 赤外線センサ

(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】5892368

(24)【登録日】2016年3月4日

(45)【発行日】2016年3月23日

(54)【発明の名称】赤外線センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20160310BHJP

   G01J 5/10 20060101ALI20160310BHJP

   H01L 35/30 20060101ALI20160310BHJP

   H01L 37/02 20060101ALI20160310BHJP

   H01L 35/10 20060101ALI20160310BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/02 C

   G01J5/10 Z

   H01L35/30

   H01L37/02

   H01L35/10

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-19431(P2012-19431)

(22)【出願日】2012年2月1日

(65)【公開番号】特開2013-156235(P2013-156235A)

(43)【公開日】2013年8月15日

【審査請求日】2014年9月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120396

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】田里 和義

(72)【発明者】

【氏名】石川 元貴

(72)【発明者】

【氏名】白田 敬治

(72)【発明者】

【氏名】中村 賢蔵

【審査官】 蔵田 真彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０７８００４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０４６１６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１３２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９４６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−６３５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−２６０５７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ １／０２，１／４２

５／０２，５／１０−５／１６，５／２０−５／２６

Ｈ０１Ｃ ７／０２−７／２２

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０２３２，３１／０８−３１／０９

Ｈ０１Ｌ ３５／１０，３５／２８−３５／３２

Ｈ０１Ｌ ３７／００−３７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、
前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、
前記第２の感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜と、
前記絶縁性フィルムの同じ端部側に設けられ対応する前記第１の配線膜及び前記第２の配線膜に接続された複数の端子電極と、
前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の配線膜と前記第２の配線膜とのうち前記端子電極からの配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して金属膜で形成された熱抵抗調整膜とを備え、
前記第１の配線膜と前記第２の配線膜とのうち配線距離の長い一方の熱抵抗が前記熱抵抗調整膜により調整されて他方の熱抵抗と同じに設定されていることを特徴とする赤外線センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
前記熱抵抗調整膜が、前記赤外線反射膜と同じ材料でパターン形成されていることを特徴とする赤外線センサ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、
前記第１の配線膜が、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜よりも大きな面積で形成され、
前記配線距離の長い方が、前記第１の配線膜であり、
前記熱抵抗調整膜が、前記第１の配線膜の前記第１の感熱素子の周囲に配された部分に対向した領域を除いて形成されていることを特徴とする赤外線センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定対象物からの赤外線を検出して該測定対象物の温度を測定する赤外線センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検出して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、保持体に設置した樹脂フィルムと、該樹脂フィルムに設けられ保持体の導光部を介して赤外線を検出する赤外線検出用感熱素子と、樹脂フィルムに遮光状態に設けられ保持体の温度を検出する温度補償用感熱素子とを備えた赤外線温度センサが提案されている。この赤外線温度センサでは、樹脂フィルムの端部に複数のリード線が接続されている。

【0003】

また、特許文献２には、赤外線の入射孔が形成された第１のケース部と、入射孔に対向する入射孔対向面部を有する第２のケース部と、第１のケース部と第２のケース部の入射孔対向面部との間に配置されると共に、入射孔対向面部の第１のケース部側に取り付けられ、入射孔から入射される赤外線の熱変換をおこなう基体と、基体に設けられ赤外線の熱量を感知する第１の感熱素子とを備える非接触温度センサが記載されている。この非接触温度センサでは、感熱素子が樹脂フィルムに設けられ、該樹脂フィルムの端部に複数のリード線が接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−１５６２８４号公報

【特許文献2】特開２００６−１１８９９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の赤外線センサでは、コスト低減のためにコネクタに集約し、片側から複数のリード線を取り出すために、複数のリード線が樹脂フィルムの同じ端部に接続されている。その場合、一対の感熱素子の配置によっては感熱素子からリード線の接続部までの配線距離が互いに異なり、リード線からの熱伝導が異なって温度により感度が異なるという問題があった。すなわち、長さの異なる互いの配線膜の熱抵抗が異なって一対の感熱素子における熱バランス（熱流入のバランス）が崩れてしまう不都合があった。このため、一対の感熱素子によって正確に温度を検出することが困難であった。互いの配線膜における熱抵抗を同じにするために、配線距離の長い方の配線膜の幅を広くする方法も考えられるが、配線膜の幅を広くすると、赤外線センサを組み込む筐体と接触し易くなってショートするおそれがあり、好ましくない。

【0006】

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、片側にリード線が接続されていても、熱バランスを崩さずに測定対象物の温度を高精度に測定可能な赤外線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】

【0007】

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る赤外線センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、前記第２の感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜と、前記絶縁性フィルムの同じ端部側に設けられ対応する前記第１の配線膜及び前記第２の配線膜に接続された複数の端子電極と、前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の配線膜と前記第２の配線膜とのうち前記端子電極からの配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して前記絶縁性フィルムよりも熱放散性の高い材料で形成された熱抵抗調整膜とを備えていることを特徴とする。

【0008】

この赤外線センサでは、絶縁性フィルムの他方の面に設けられ第１の配線膜と第２の配線膜とのうち端子電極からの配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して絶縁性フィルムよりも熱放散性の高い材料で形成された熱抵抗調整膜とを備えているので、熱抵抗調整膜の配置、形状及び面積により、配線距離の長い一方の配線膜の熱抵抗を調整して他方の配線膜の熱抵抗と同じになるように設定でき、良好な熱バランスを得ることができる。すなわち、絶縁性フィルムよりも熱放散性の高い金属膜等の材料で形成された熱抵抗調整膜が、対向する配線距離の長い一方の配線膜に対して配置、形状及び面積に応じて熱放散させる放熱板としての効果を有していることで、熱流入のバランスを調整することができる。したがって、端子電極に接続されるリード線に対して一対の感熱素子の間で熱抵抗を平衡させることができるので、温度特性を改善させることができる。また、配線膜の幅を広げる必要がないため、配線膜と筐体との接触によるショートのおそれもない。さらに、熱抵抗調整膜は、配線膜とは反対側の絶縁性フィルムの他方の面に形成されているので、配置位置、形状及び面積等の設計自由度が高いと共に、配線膜とは絶縁性フィルムにより電気的に絶縁されているので、ショートのおそれもない。

【0009】

第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、前記熱抵抗調整膜が、前記赤外線反射膜と同じ材料でパターン形成されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、熱抵抗調整膜が、赤外線反射膜と同じ材料でパターン形成されているので、赤外線反射膜の成膜時に同時に熱抵抗調整膜もパターン形成することができ、製造工程の削減を図ることができる。

【0010】

第３の発明に係る赤外線センサは、第１又は第２の発明において、前記第１の配線膜が、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜よりも大きな面積で形成され、前記熱抵抗調整膜が、前記第１の配線膜の前記第１の感熱素子の周囲に配された部分に対向した領域を除いて形成されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、第１の配線膜が、第１の感熱素子の周囲にまで配されて第２の配線膜よりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜が、絶縁性フィルムを透過して筐体や実装基板に照射される赤外線を遮断すると共に筐体や実装基板から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルムへの熱影響を抑制することができる。さらに、絶縁性フィルムの赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量が近づくので、変動誤差を小さくすることができる。したがって、周囲の温度変動に敏感に反応することから、輻射熱を受ける部分と受けない部分との追従性が良く、検出精度がさらに改善される。なお、第１の配線膜の面積及び形状は、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定することが好ましい。
さらに、前記配線距離の長い方が、第１の配線膜であり、熱抵抗調整膜が、第１の配線膜の第１の感熱素子の周囲に配された部分に対向した領域を除いて形成されているので、第１の感熱素子の周囲に配された部分によって赤外線反射膜が形成された部分との熱容量を調整する際に、熱抵抗調整膜が影響を与えることを抑制できる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る赤外線センサによれば、絶縁性フィルムの他方の面に設けられ第１の配線膜と第２の配線膜とのうち端子電極からの配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して形成された熱抵抗調整膜とを備えているので、互いの配線膜の熱抵抗が同じになるように設定でき、良好な熱バランスを得ることができる。
したがって、リード線を片側に接続しても高精度な温度測定ができるので、本発明の赤外線センサは、細長い領域などにも設置し易くなり、特に、構造が細長い複写機等の定着ローラの温度検出に用いる温度センサとして好適である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る赤外線センサの一実施形態において、感熱素子を外した赤外線センサを示す背面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

【図2】本実施形態において、第１の配線膜に沿って切断した要部の断面図である。

【図3】本実施形態において、感熱素子を接着した絶縁性フィルムを示す簡易的な斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係る赤外線センサの一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために一部の縮尺を適宜変更している。

【0014】

本実施形態の赤外線センサ１は、図１から図３に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の一方の面（下面又は背面）に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂと、絶縁性フィルム２の一方の面に銅箔等でパターン形成され第１の感熱素子３Ａに接続された導電性の第１の配線膜４Ａ及び第２の感熱素子３Ｂに接続された導電性の第２の配線膜４Ｂと、第２の感熱素子３Ｂに対向して絶縁性フィルム２の他方の面に設けられた赤外線反射膜５と、絶縁性フィルム２の同じ端部側に設けられ対応する第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂに接続された複数の端子電極６と、絶縁性フィルム２の他方の面に設けられ第１の配線膜４Ａと第２の配線膜４Ｂとのうち端子電極６から配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して絶縁性フィルム２よりも熱放散性の高い材料で形成された熱抵抗調整膜７とを備えている。

【0015】

上記第１の配線膜４Ａは、図１及び図２に示すように、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積でパターン形成された幅広部４ａを有している。これらの第１の配線膜４Ａは、一対の幅広部４ａの中央に第１の感熱素子３Ａを配し、これら幅広部４ａの一対で外形状が赤外線反射膜５と略同じ四角形状に設定されている。すなわち、第１の配線膜４Ａの面積及び形状は、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜５が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定している。なお、図１において、赤外線反射膜５等の金属箔でパターン形成された部分をハッチングで図示している。

【0016】

一対の第１の配線膜４Ａには、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上にパターン形成された第１の接着電極８Ａが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上にパターン形成された上記端子電極６が接続されている。
また、一対の第２の配線膜４Ｂは、線状又は帯状に形成されており、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上にパターン形成された第２の接着電極８Ｂが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上にパターン形成された上記端子電極６が接続されている。

【0017】

なお、上記第１の接着電極８Ａ及び第２の接着電極８Ｂには、それぞれ第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂのチップ端子電極３ａが半田等の導電性接着剤で接着される。
また、各端子電極６は、対応するリード線Ｌに半田等の導電性接着剤で接続される。
上記端子電極６は、第１の配線膜４Ａの一方に接続されたものと、第２の配線膜４Ｂの一方に接続されたものと、第１の配線膜４Ａの他方と第２の配線膜４Ｂの他方とに接続されたものの３つが設けられている。

【0018】

上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで形成され、赤外線反射膜５、熱抵抗調整膜７、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂが銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性フィルム２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線反射膜５、熱抵抗調整膜７、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂが銅箔でパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。

【0019】

さらに、上記赤外線反射膜５は、図１に示すように、第２の感熱素子３Ｂの直上に四角形状で配されており、上記銅箔と、該銅箔上に積層された金メッキ膜とで構成されている。
この赤外線反射膜５は、絶縁性フィルム２よりも高い赤外線反射率を有する材料で形成され、上述したように、銅箔上に金メッキ膜が施されて形成されている。なお、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成しても構わない。この赤外線反射膜５は、第２の感熱素子３Ｂよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

【0020】

上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、図３に示すように、両端部にチップ端子電極３ａが形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂとして、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。

【0021】

特に、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂとして、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子を採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。

【0022】

本実施形態では、第１の感熱素子３Ａの方が第２の感熱素子３Ｂよりも端子電極６から遠い方に配置され、第１の配線膜４Ａの方が第２の配線膜４Ｂよりも配線距離が長く設定されている。
また、上記熱抵抗調整膜７は、第１の配線膜４Ａの第１の感熱素子３Ａの周囲に配された部分（幅広部４ａ）に対向した領域を除いて形成されている。すなわち、熱抵抗調整膜７は、幅広部４ａの両側から端子電極６が形成された端部側に向けて延在した一対の略台形状パターンとされている。

【0023】

この熱抵抗調整膜７は、絶縁性フィルム２よりも熱放散性の高い材料で形成されていればよいが、特に本実施形態では、赤外線反射膜５と同じ材料でパターン形成されている。すなわち、熱抵抗調整膜７は、銅箔と、該銅箔上に積層された金メッキ膜とで構成された、配線膜には接続していない、電気的に浮いているフロート電極である。

【0024】

このように本実施形態の赤外線センサ１では、絶縁性フィルム２の他方の面に設けられ第１の配線膜４Ａと第２の配線膜４Ｂとのうち端子電極６から配線距離の長い方の少なくとも一部に対向して形成された熱抵抗調整膜７とを備えているので、熱抵抗調整膜７の配置、形状及び面積により、配線距離の長い一方の配線膜の熱抵抗を調整して他方の配線膜の熱抵抗と同じになるように設定でき、良好な熱バランスを得ることができる。

【0025】

すなわち、金属膜等で形成された熱抵抗調整膜７が、対向する配線距離の長い一方の配線膜に対して配置、形状及び面積に応じて熱放散させる放熱板としての効果を有していることで、熱流入のバランスを調整することができる。したがって、端子電極６に接続されるリード線Ｌに対して一対の感熱素子３Ａ，３Ｂの間で熱抵抗を平衡させることができるので、温度特性を改善させることができる。

【0026】

また、配線膜の幅を広げる必要がないため、赤外線センサ１を収納する筐体と配線膜との接触によるショートのおそれもない。さらに、熱抵抗調整膜７は、配線膜４Ａ，４Ｂとは反対側の絶縁性フィルム２の他方の面に形成されているので、配置位置、形状及び面積等の設計自由度が高いと共に、配線膜４Ａ，４Ｂとは絶縁性フィルム２により電気的に絶縁されているので、ショートのおそれもない。
さらに、熱抵抗調整膜７が、赤外線反射膜５と同じ材料でパターン形成されているので、赤外線反射膜５の成膜時に同時に熱抵抗調整膜７もパターン形成することができ、製造工程の削減を図ることができる。

【0027】

また、第１の配線膜４Ａが、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜４Ａが、絶縁性フィルム２を透過して筐体や実装基板に照射される赤外線を遮断すると共に筐体や実装基板から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルム２への熱影響を抑制することができる。さらに、絶縁性フィルム２の赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜５が形成された部分と熱容量が近づくので、温度変動誤差を小さくすることができる。

【0028】

したがって、周囲の温度変動に敏感に反応することから、輻射熱を受ける部分と受けない部分との追従性が良く、検出精度がさらに改善される。なお、第１の配線膜４Ａの面積及び形状は、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜５が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定することが好ましい。

【0029】

さらに、熱抵抗調整膜７が、第１の配線膜４Ａの第１の感熱素子３Ａの周囲に配された部分に対向した領域を除いて形成されているので、第１の感熱素子３Ａの周囲に配された部分によって赤外線反射膜５が形成された部分との熱容量を調整する際に、熱抵抗調整膜７が影響を与えることを抑制できる。

【0030】

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0031】

例えば、上記実施形態では、第１の感熱素子が赤外線を直接吸収した絶縁性フィルムから伝導される熱を検出しているが、第１の感熱素子の直上であって絶縁性フィルム上に赤外線吸収膜を形成しても構わない。この場合、さらに第１の感熱素子における赤外線吸収効果が向上して、第１の感熱素子と第２の感熱素子とのより良好な温度差分を得ることができる。すなわち、この赤外線吸収膜によって測定対象物からの輻射による赤外線を吸収するようにし、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜から絶縁性フィルムを介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子の温度が変化するようにしてもよい。

【0032】

この赤外線吸収膜は、絶縁性フィルムよりも高い赤外線吸収率を有する材料で形成され、例えば、カーボンブラック等の赤外線吸収材料を含むフィルムや赤外線吸収性ガラス膜（二酸化珪素を７１％含有するホウケイ酸ガラス膜など）で形成されているもの等が採用可能である。特に、赤外線吸収膜は、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）膜であることが望ましい。このＡＴＯ膜は、カーボンブラック等に比べて赤外線の吸収率が良いと共に耐光性に優れている。また、ＡＴＯ膜は、紫外線で硬化させるので、接着強度が強く、カーボンブラック等に比べて剥がれ難い。
なお、この赤外線吸収膜は、第１の感熱素子よりも大きなサイズでこれを覆うように形成することが好ましい。また、赤外線吸収膜を設ける場合は、赤外線反射膜側の熱容量と略等しくなるように各配線膜を含めて面積や形状を設定する必要がある。

【0033】

また、チップサーミスタの第１の感熱素子及び第２の感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された第１の感熱素子及び第２の感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。

【符号の説明】

【0034】

１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…第１の感熱素子、３Ｂ…第２の感熱素子、４Ａ…第１の配線膜、４Ｂ…第２の配線膜、５…赤外線反射膜、６…端子電極、７…熱抵抗調整膜、Ｌ…リード線

【図1】

【図2】

【図3】