JP2020176981A - Temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は温度センサに関し、特に熱電変換材料を用いた温度センサに関する。 The present invention relates to a temperature sensor, and more particularly to a temperature sensor using a thermoelectric conversion material.
熱電変換材料は、p型半導体またはn型半導体の両端に温度差を生じさせると起電力が生じる現象、つまりゼーベック効果を利用して熱を電力に変換する材料である。近年、このような熱電変換材料が様々な分野で使用されている。 The thermoelectric conversion material is a material that converts heat into electric power by utilizing the phenomenon that an electromotive force is generated when a temperature difference is generated at both ends of a p-type semiconductor or an n-type semiconductor, that is, the Seebeck effect. In recent years, such thermoelectric conversion materials have been used in various fields.
特許文献1には、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する技術が開示されている。特許文献2には、熱電変換材料を用いた宇宙発電システムに関する技術が開示されている。特許文献3には、複数の導電性材料と、導電性のコア部及び絶縁性のシェル部を有するコアシェル粒子と、を有する熱電変換材料に関する技術が開示されている。
上述のように、熱電変換材料は熱を電力に変換する材料であることから、発電モジュールとして広く用いられている。一方で、熱電変換材料は、熱電変換材料における温度差によって起電力が生じるので、この起電力を検出することで温度センサとしても利用することができる。 As described above, the thermoelectric conversion material is widely used as a power generation module because it is a material that converts heat into electric power. On the other hand, since an electromotive force is generated by a temperature difference in the thermoelectric conversion material, the thermoelectric conversion material can also be used as a temperature sensor by detecting this electromotive force.
熱電変換材料を温度センサとして用いる場合は、熱電変換材料を含むセンシング部を基板上に形成することで温度センサを構成することができる。そして、測定対象物に温度センサを接触させて、センシング部で生じた起電力を検出することで測定対象物の温度を測定することができる。しかしながら、センシング部が形成されている基板が硬い場合は、温度センサを取り付ける場所が制限されたり、また温度センサを測定対象物に適切に接触させることができないために温度を正確に測定することができないなど、利便性が悪いという問題がある。 When the thermoelectric conversion material is used as the temperature sensor, the temperature sensor can be configured by forming a sensing unit containing the thermoelectric conversion material on the substrate. Then, the temperature of the object to be measured can be measured by bringing the temperature sensor into contact with the object to be measured and detecting the electromotive force generated in the sensing unit. However, if the substrate on which the sensing part is formed is hard, the place where the temperature sensor is attached is limited, and the temperature sensor cannot be properly contacted with the object to be measured, so that the temperature can be measured accurately. There is a problem that it is not convenient, such as not being able to do it.
上記課題に鑑み本発明の目的は、利便性の高い温度センサを提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly convenient temperature sensor.
本発明の一態様にかかる温度センサは、フレキシブル基板と、前記フレキシブル基板上に配置された複数のセンシング部と、を備え、前記複数のセンシング部の各々は熱電変換材料を含み、前記センシング部における温度勾配に起因して生じた電圧差を用いて前記各々のセンシング部における温度を検出する。 The temperature sensor according to one aspect of the present invention includes a flexible substrate and a plurality of sensing units arranged on the flexible substrate, and each of the plurality of sensing units includes a thermoelectric conversion material in the sensing unit. The temperature in each of the sensing units is detected by using the voltage difference caused by the temperature gradient.
本発明により、利便性の高い温度センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly convenient temperature sensor.
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態にかかる温度センサは、フレキシブル基板と、当該フレキシブル基板上に配置された複数のセンシング部と、を備える。複数のセンシング部の各々は熱電変換材料を含んでおり、センシング部における温度勾配に起因して生じた電圧差を用いて、各々のセンシング部における温度を検出する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The temperature sensor according to the present embodiment includes a flexible substrate and a plurality of sensing units arranged on the flexible substrate. Each of the plurality of sensing units contains a thermoelectric conversion material, and the temperature in each sensing unit is detected by using the voltage difference caused by the temperature gradient in the sensing unit.
本実施の形態にかかる温度センサは、基板にフレキシブル基板を用いているので、温度センサに柔軟性を持たせることができる。したがって、例えば、測定対象物が曲面形状を有する場合であっても、温度センサを測定対象物に適切に接触させることができ、測定対象物の温度を正確に測定することができる。よって、本実施の形態にかかる発明により、利便性の高い温度センサを提供することができる。また、本実施の形態にかかる温度センサは複数のセンシング部を備えるので、温度センサの面内における温度分布を測定することができる。 Since the temperature sensor according to the present embodiment uses a flexible substrate as the substrate, the temperature sensor can be made flexible. Therefore, for example, even when the object to be measured has a curved surface shape, the temperature sensor can be appropriately brought into contact with the object to be measured, and the temperature of the object to be measured can be accurately measured. Therefore, according to the invention according to the present embodiment, it is possible to provide a highly convenient temperature sensor. Further, since the temperature sensor according to the present embodiment includes a plurality of sensing units, it is possible to measure the temperature distribution in the plane of the temperature sensor.
以下、実施の形態1および実施の形態2を用いて、本発明について詳細に説明する。
実施の形態1では、フレキシブル基板の厚さ方向における温度勾配に起因して生じた電圧差(起電力)を用いて温度を検出する構成について説明する。
実施の形態2では、フレキシブル基板の面内方向における温度勾配に起因して生じた電圧差(起電力)を用いて温度を検出する構成について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to
In the first embodiment, a configuration in which the temperature is detected by using the voltage difference (electromotive force) generated due to the temperature gradient in the thickness direction of the flexible substrate will be described.
In the second embodiment, a configuration in which the temperature is detected by using the voltage difference (electromotive force) generated due to the temperature gradient in the in-plane direction of the flexible substrate will be described.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1にかかる温度センサを説明するための断面図である。
図1に示すように、温度センサ1は、フレキシブル基板11、12、センシング部13、及び電極14、15を備える。
<
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the temperature sensor according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the
フレキシブル基板11、12は柔軟性を有する基板であり、所定の応力が印加されると屈曲可能な基板である。フレキシブル基板11とフレキシブル基板12は互いに対向するように配置されている。フレキシブル基板11とフレキシブル基板12との間にはセンシング部13が配置されている。
The
フレキシブル基板11、12は、フィルムやシート状の基板であり、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂やゴム状エラストマー等を用いて構成することができる。なお、本実施の形態では、フレキシブル基板11、12は柔軟性と絶縁性を有する材料であればこれら以外の材料を用いて構成してもよい。フレキシブル基板11、12は同じ基材を用いて構成してもよく、また異なる基材を組み合わせて構成してもよい。フレキシブル基板11、12の厚さは、例えば、5〜1000μm程度とすることができるが、この厚さに限定されることはない。
The
フレキシブル基板11、12は、印刷、転写、塗装、メッキ、刻印等が施された加飾フィルムであってもよい。また、フレキシブル基板11、12は、三次元(3D)の立体形状が成型可能なものであってもよい。
The
各々のセンシング部13は、フレキシブル基板11とフレキシブル基板12との間に配置されており、フレキシブル基板11側において電極14と接続され、フレキシブル基板12側において電極15と接続されている。電極14、15には、例えば、金、銀、銅、白金などの導電率の高い材料を用いることができる。なお、電極14、15に用いる材料はこれらに限定されることはなく、導電率の高い材料であればこれら以外の材料を用いてもよい。
Each
図1に示すように、複数のセンシング部13の各々は、フレキシブル基板11、12の厚さ方向における温度勾配(温度差)に起因して生じた電極14と電極15との間の電圧差を用いて温度を検出することができる。
As shown in FIG. 1, each of the plurality of
例えば、フレキシブル基板12側を基準とした場合は、フレキシブル基板12側が低温側、フレキシブル基板11側が高温側であり、フレキシブル基板12側に対するフレキシブル基板11側の相対的な温度を検出することができる。つまり、フレキシブル基板12側(基準側)に対するフレキシブル基板11側(測定側)の温度差を検出することができる。この場合は、フレキシブル基板12側(基準側)の温度が一定の温度となるようにすることが好ましい。また、フレキシブル基板12側の温度が特定できる場合は、フレキシブル基板12側に対するフレキシブル基板11側の温度差を検出することで、フレキシブル基板11側の絶対的な温度を求めることができる。フレキシブル基板11側を基準とした場合についても同様である。
For example, when the
本実施の形態にかかる温度センサでは、温度センサの感度を高めるために、基準側(低温側)のフレキシブル基板(11または12)を冷却するための手段を設けてもよい。例えば、フレキシブル基板側(低温側)を冷却するための手段として、ヒートシンク、フィン、グラファイトシート、放熱シート、ヒートスプレッダーなどの放熱手段や水冷システム等を用いることができる。なお、冷却手段はこれらに限定されることはなく、他の任意の冷却手段を用いてもよい。 In the temperature sensor according to the present embodiment, in order to increase the sensitivity of the temperature sensor, a means for cooling the flexible substrate (11 or 12) on the reference side (low temperature side) may be provided. For example, as a means for cooling the flexible substrate side (low temperature side), heat dissipation means such as a heat sink, fins, graphite sheet, heat dissipation sheet, heat spreader, a water cooling system, or the like can be used. The cooling means is not limited to these, and any other cooling means may be used.
また、本実施の形態にかかる温度センサでは、温度センサの感度を高めるために、熱を伝えるための手段を測定側(高温側のフレキシブル基板)に設けてもよい。例えば、熱を伝えるための手段として熱伝導性シートなどを用いることができる。 Further, in the temperature sensor according to the present embodiment, in order to increase the sensitivity of the temperature sensor, a means for transferring heat may be provided on the measurement side (flexible substrate on the high temperature side). For example, a heat conductive sheet or the like can be used as a means for transferring heat.
本実施の形態においてセンシング部13は、主として熱電変換材料を用いて構成されている。上述のように、熱電変換材料はゼーベック効果を利用して熱を電力に変換する材料である。熱電変換材料の性能は、無次元熱電性能指数(ZT)を用いて評価される。無次元熱電性能指数(ZT)は以下の式(1)を用いて求めることができる。
In the present embodiment, the
ZT=(S2・σ・T)/κ ・・・(1) ZT = (S 2 · σ · T) / κ ··· (1)
ここで、Sはゼーベック係数(V/K)、σは導電率(S・m)、Tは絶対温度(K)、κは熱伝導率(W/(m・K))である。さらに、熱電変換材料から取り出せる電圧は、下記の式(2)を用いて算出することができる。 Here, S is the Seebeck coefficient (V / K), σ is the conductivity (Sm), T is the absolute temperature (K), and κ is the thermal conductivity (W / (mK)). Further, the voltage that can be taken out from the thermoelectric conversion material can be calculated by using the following formula (2).
V(V)=S(V/K)×ΔT(K) ・・・(2) V (V) = S (V / K) x ΔT (K) ... (2)
式(2)に示すように、熱電変換材料から取り出せる電圧は、同じ熱電変換材料であれば熱電変換材料の両端に生じる温度差ΔTが大きくなるほど取り出せる電圧は高くなる。 As shown in the formula (2), the voltage that can be extracted from the thermoelectric conversion material increases as the temperature difference ΔT generated at both ends of the thermoelectric conversion material increases if the same thermoelectric conversion material is used.
本実施の形態において熱電変換材料は、ゼーベック効果を発現し、熱電変換材料として用いることができる材料であれば特に限定されることはない。一例を挙げると、熱電変換材料は、Bi−Te化合物、Pb−Te化合物、Sb−Te化合物等のテルル系化合物、Co−Sb化合物、Fe−Sb化合物、Zn−Sb化合物、スクッテルダイト化合物等のアンチモン系化合物、Fe−Si化合物、Ge−Si化合物、Mn−Si化合物、Mg−Si化合物等のシリコン系化合物、六ホウ化物等のホウ素化合物、クラスレート化合物等のガリウム系化合物、ホイスラー化合物、Alクラスレート化合物等のアルミニウム系化合物、ハーフホイスラー金属間化合物等の錫系・希土類系化合物、Co酸化物、Ti酸化物、V酸化物、Zn酸化物等の金属酸化物系、炭素材料、有機低分子材料、有機導電性高分子、高分子複合材料等の有機導電性材料を用いることができる。 In the present embodiment, the thermoelectric conversion material is not particularly limited as long as it exhibits the Seebeck effect and can be used as the thermoelectric conversion material. As an example, the thermoelectric conversion material includes tellurium compounds such as Bi-Te compounds, Pb-Te compounds and Sb-Te compounds, Co-Sb compounds, Fe-Sb compounds, Zn-Sb compounds, scutterdite compounds and the like. Antimon compounds, Fe-Si compounds, Ge-Si compounds, Mn-Si compounds, Mg-Si compounds and other silicon compounds, hexaborates and other boron compounds, crustrate compounds and other gallium compounds, Whistler compounds, Aluminum-based compounds such as Al-claslate compounds, tin-based / rare earth-based compounds such as half-Whisler metal-to-metal compounds, metal oxide-based compounds such as Co oxide, Ti oxide, V oxide, and Zn oxide, carbon materials, and organic Organic conductive materials such as low molecular weight materials, organic conductive polymers, and polymer composite materials can be used.
本実施の形態では、温度センサが柔軟性を有する点、また製造時に熱電変換材料を印刷や塗布で形成することができる点を考慮すると、導電性を有する有機材料(有機導電性材料)を用いて熱電変換材料を構成することが好ましい。 In the present embodiment, considering that the temperature sensor has flexibility and that the thermoelectric conversion material can be formed by printing or coating at the time of manufacturing, a conductive organic material (organic conductive material) is used. It is preferable to construct a thermoelectric conversion material.
有機導電性材料としては、例えば、チオフェンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、アニリンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンおよびその誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、シアニン、キノン、ナフトキノンなどの低分子材料を用いることができる。特に、製造工程や大気下での安定性、また電荷移動度などを考慮すると、ポリチオフェンおよびその誘導体が特に好ましい。 Examples of the organic conductive material include a polymer having thiophene and its derivative as a skeleton, a polymer having phenylene vinylene and its derivative as a skeleton, a polymer having aniline and its derivative as a skeleton, and an oligomer having pyrrole and its derivative as a skeleton. Polymers, oligomers and polymers with acetylene and its derivatives in the skeleton, polymers with heptadiene and its derivatives in the skeleton, phthalocyanines and their derivatives, diamines, phenyldiamines and their derivatives, pentacene and its derivatives, porphyrin and its derivatives Low molecular weight materials such as derivatives, cyanine, quinone and naphthoquinone can be used. In particular, polythiophene and its derivatives are particularly preferable in consideration of the manufacturing process, stability in the atmosphere, charge mobility, and the like.
炭素材料としては、例えば、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェンナノプレート及びグラフェン等を用いることができる。ゼーベック係数と導電率との両立を考慮すると、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェンナノプレート及びグラフェンからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、より好ましくはカーボンナノチューブであり、特に好ましくは単層カーボンナノチューブである。これらの炭素材料は、必要に応じて置換基を導入して変性したり、電荷移動を促進し得る化合物を共存させて使用したりすることもできる。 As the carbon material, for example, graphite, carbon nanotubes, carbon black, graphene nanoplates, graphene and the like can be used. Considering both the Seebeck coefficient and the conductivity, at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, graphene nanoplates and graphene is preferable, more preferably carbon nanotubes, and particularly preferably single-walled carbon nanotubes. Is. If necessary, these carbon materials can be modified by introducing a substituent, or can be used in coexistence with a compound capable of promoting charge transfer.
熱電変換材料は、単独で用いてもよく、また複数の熱電変換材料を組合せて用いてもよい。 The thermoelectric conversion material may be used alone or in combination of a plurality of thermoelectric conversion materials.
図2、図3は、本実施の形態にかかる温度センサを説明するための上面図である。本実施の形態にかかる温度センサは、例えば図2に示すように、行方向および列方向に複数のセンシング部13を配置してもよい。換言すると、複数のセンシング部13をマトリックス状に配置してもよい。複数のセンシング部13をこのように配置することで、温度センサ1(フレキシブル基板11)の面内における温度分布を測定することができる。
2 and 3 are top views for explaining the temperature sensor according to the present embodiment. In the temperature sensor according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. 2, a plurality of
また、本実施の形態にかかる温度センサは、例えば図3に示すように、複数のセンシング部13を短冊状に配置してもよい。複数のセンシング部13をこのように配置することで、温度センサ1(フレキシブル基板11)の面内における温度分布(短冊状のセンシング部13と直行する方向の温度分布、つまり紙面左右方向の温度分布)を測定することができる。
Further, in the temperature sensor according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, for example, a plurality of
なお、図2、図3の構成は一例であり、複数のセンシング部13の平面における配置(つまり、温度センサ1の主面の面内における配置)はこれ以外の配置としてもよい。
The configurations of FIGS. 2 and 3 are examples, and the arrangement of the plurality of
このように、本実施の形態にかかる温度センサは、基板としてフレキシブル基板11、12を用いているので、温度センサに柔軟性を持たせることができる。したがって、例えば、測定対象物が曲面形状を有する場合であっても、温度センサを測定対象物に適切に接触させることができ、測定対象物の温度を正確に測定することができる。よって、本実施の形態にかかる発明により、利便性の高い温度センサを提供することができる。
As described above, since the temperature sensor according to the present embodiment uses the
本実施の形態にかかる温度センサ1の厚さは、5μm以上20mm以下であることが好ましい。温度センサ1の厚さを20mm以下とすることで、温度センサ1の厚さを薄くすることができ、測定対象物に温度センサを適切に接触させることができる。なお、温度センサの厚さの値は一例であり、本実施の形態にかかる温度センサ1の厚さは温度センサを使用する環境等に応じて適宜変更することができる。
The thickness of the
次に、本実施の形態にかかる温度センサの変形例について説明する。
図4は、本実施の形態にかかる温度センサを説明するための断面図である。図4に示す温度センサ2は、センシング部13が熱電変換材料17と低熱伝導領域18とを備えている。これ以外の構成については図1に示した温度センサ1と同様である。
Next, a modified example of the temperature sensor according to the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the temperature sensor according to the present embodiment. In the
図4に示すように、センシング部13は、熱電変換材料17よりも熱伝導率が低い低熱伝導領域18を一部に有している。低熱伝導領域18は、センシング部13におけるフレキシブル基板11側からフレキシブル基板12側への熱伝導を低減させるように構成されている。図4に示す構成例では、センシング部13の熱電変換材料17は厚さ方向と平行な平面で切断した際の断面形状がコ字状である。そして、熱電変換材料17のコ字状の断面の上面が電極14と接続されており、熱電変換材料17のコ字状の断面の下面が電極15と接続されている。熱電変換材料17のコ字状の断面の上面と下面との間には低熱伝導領域18が形成されている。
As shown in FIG. 4, the
上述のように、本実施の形態にかかる温度センサは、センシング部13(熱電変換材料)の上部と下部との間に温度差が生じることで電圧差が発生し、この発生した電圧差(温度を示す信号)を検出している。このとき、センシング部13の上部(フレキシブル基板11側)の熱は、センシング部13の上部から下部へと伝導するので、センシング部13の上部と下部との間の温度差は次第に小さくなり、この結果、センシング部13で発生した電圧差(温度を示す信号)が次第に小さくなる。そして、センシング部13全体で温度が均一になると、センシング部13の上部と下部との温度差がなくなるので、センシング部13の電圧差(温度を示す信号)が検出されなくなる。すなわち、本実施の形態にかかる温度センサは、センシング部13の上部から下部へと伝わる熱を少なくする(熱が伝わりにくくする)ことが重要である。
As described above, in the temperature sensor according to the present embodiment, a voltage difference is generated due to a temperature difference between the upper part and the lower part of the sensing unit 13 (thermoelectric conversion material), and the generated voltage difference (temperature). (Signal indicating) is being detected. At this time, since the heat of the upper part (
ここで、熱の伝わりやすさの指標となるのが熱抵抗R(m2・K/W)であり、熱抵抗が高いほど熱が伝わりにくく、熱抵抗が低いほど熱が伝わりやすい。熱抵抗Rは、熱電変換材料の熱伝導率λ(W/(m・K))と、熱が伝わる距離d(m)(図1、図4では厚さ)の値を用いて、下記式(3)で表すことができる。 Here, the thermal resistance R (m 2 · K / W) is an index of the ease of heat transfer. The higher the thermal resistance, the more difficult it is to transfer heat, and the lower the thermal resistance, the easier it is to transfer heat. The thermal resistance R is calculated by the following formula using the values of the thermal conductivity λ (W / (m · K)) of the thermoelectric conversion material and the distance d (m) (thickness in FIGS. 1 and 4) through which heat is transferred. It can be represented by (3).
R=d/λ ・・・(3) R = d / λ ・ ・ ・ (3)
さらに、熱の伝わる方向に対して、熱伝導率の異なる領域が存在する場合には、下記式(4)のように領域毎の熱抵抗を求め、足し合わせた熱抵抗の和が全体の熱抵抗RTとなる。 Further, when there are regions having different thermal conductivity with respect to the direction of heat transfer, the thermal resistance for each region is obtained as shown in the following equation (4), and the sum of the added thermal resistances is the total heat. It becomes the resistance RT .
RT=Σ(dn/λn) ・・・(4) RT = Σ (dn / λn) ・ ・ ・ (4)
ここでnは熱伝導の異なる領域の数を表し、1以上の整数である。また、dnはn個目の領域の距離(厚さ)を、λnはn個目の領域の熱伝導率である。 Here, n represents the number of regions having different heat conduction and is an integer of 1 or more. Further, dn is the distance (thickness) of the nth region, and λn is the thermal conductivity of the nth region.
式(4)に示すように、センシング部13の内部に熱伝導率が低い領域(低熱伝導領域18)が存在することで、センシング部13の厚さ方向の熱抵抗が高くなる。よって、センシング部13の上部と下部との間の温度差を保つことができ、S/N比の良好な高感度な温度検出を行うことができる。また、同様に、センシング部13の内部に低熱伝導領域18を存在させることで、センシング部13の厚さを薄くしても、センシング部13の上部と下部との間において高い熱抵抗を保つことができる。したがって、センシング部13の薄型化と小型化を実現することができる。
As shown in the equation (4), the presence of a region having a low thermal conductivity (low thermal conductivity region 18) inside the
低熱伝導領域18を構成する材料は、熱電変換材料17よりも熱伝導率が低い材料であればどのような材料を用いてもよいが、特に熱電変換材料17との熱伝導率の差が大きいほど好ましい。また、低熱伝導領域18を構成する材料の形状に特に制限はなく、例えば、樹脂、ゲル、紙、木、繊維、布、発泡体、セラミック、金属、化合物等の単体で形状を維持できる材料を用いてもよい。また、領界面を形成できるのであれば、例えば、空気、ガス等の気体、水、溶剤、液状化合物、液状樹脂化合物等の液体など特定の形状を有さない材料を用いてもよい。これらの構成成分は、1種類でもよく、また2種類以上を組み合わせて使用してもよい。熱伝導率が低いこと、またハンドリングを考慮すると、低熱伝導領域18を構成する材料には、樹脂、紙、発泡体、繊維、空気等を用いることが好ましい。これらの中でも特に発泡体、繊維、紙を用いることが好ましい。
As the material constituting the low
なお、熱電変換材料17および低熱伝導領域18の配置は、センシング部13全体の熱伝導率が下がるような配置であれば、デバイス設計に応じて自由に設計することができる。
The arrangement of the
図5(a)〜(i)は、センシング部13における熱電変換材料17と低熱伝導領域18の配置例を示す断面図である。図5(a)は、センシング部13の中央部の一部に低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。図5(b)、(c)、(g)は、センシング部13の上部の一部に低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。図5(d)、(f)は、センシング部13の上部から下部の一部に低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。図5(e)は、センシング部13の上部の一部および中央部の一部に低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。図5(h)は、センシング部13の内部に円形(球状)の低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。図5(i)は、センシング部13の内部にランダムに低熱伝導領域18が配置されている構成例を示している。
5 (a) to 5 (i) are cross-sectional views showing an arrangement example of the
図5(a)〜(i)に示す構成のように、センシング部13内に低熱伝導領域18を設けることで、センシング部13の上部から下部への熱伝導を低減させることができる。なお、図5(a)〜(i)に示した構成は一例であり、本実施の形態ではセンシング部13の構成はこれら以外の構成としてもよい。
By providing the low
温度センサの感度は、センシング部13と測定対象物との接触面積(実際に接触しているのはフレキシブル基板と測定対象物)が大きく、さらに、センシング部13の厚さ方向の温度差が保たれるほど向上する。したがって、センシング部13の構成は、図4、図5(a)、(h)に示すように、センシング部13の上部表面全体とセンシング部13の下部表面全体がそれぞれ熱電変換材料17で構成されていることが好ましい。
The sensitivity of the temperature sensor is such that the contact area between the sensing
また本実施の形態では、熱電変換材料17は、フレキシブルな繊維基材と、当該繊維基材に含浸された導電性材料と、を用いて構成してもよい。さらに、低熱伝導領域18は断熱材を用いて構成してもよい。この場合は、図6に示すように、熱電変換材料17を折り曲げて、内部に断熱材(低熱伝導領域18)を挟むことでセンシング部13を構成することができる。
Further, in the present embodiment, the
すなわち、繊維基材に導電性材料を含浸させて熱電変換材料17を構成した場合は、熱電変換材料17に柔軟性を持たせることができる。この場合は、図6に示すように、柔軟性のある熱電変換材料17で断熱材(低熱伝導領域18)を挟むことでセンシング部13を形成することができる。したがって、低熱伝導領域18を有するセンシング部13を容易に形成することができる。
That is, when the
また本実施の形態では、図7に示すように、フレキシブルな基材21上に複数の熱電変換材料22を短冊状に形成する。そして、図8に示すように、短冊状の熱電変換材料22の長手方向の一端がフレキシブル基板11側(上側)となるように(図4参照)、他端がフレキシブル基板12側(下側)となるように熱電変換材料22が形成された基材21を折り曲げて、内部に断熱材(低熱伝導領域23)を挟むことでセンシング部13を形成してもよい。なお、基材21を構成する材料については、上記で列挙したフレキシブル基板11、12を構成する材料と同様の材料を用いることができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, a plurality of
また本実施の形態では、発泡体に熱電変換材料17を含浸させることで、センシング部13を構成してもよい。この場合は、発泡体が図4に示した低熱伝導領域18に対応する。
Further, in the present embodiment, the
上述のようにして形成したセンシング部13(図6、図8参照)は、その後、上側に電極14とフレキシブル基板11を設け、下側に電極15とフレキシブル基板12を設けることで、図4に示したような温度センサ2を形成することができる。
The sensing unit 13 (see FIGS. 6 and 8) formed as described above is subsequently provided with an
また、図9に示すように、本実施の形態ではp型半導体とn型半導体を用いてセンシング部を構成してもよい。具体的には、図9に示すように、温度センサ3の下側のフレキシブル基板12に電極33と電極34とを設け、その上にp型半導体31とn型半導体32をそれぞれ配置する。また、温度センサ3の上側のフレキシブル基板11に電極35を設け、電極35を用いてp型半導体31の上端とn型半導体32の上端とを電気的に接続する。
Further, as shown in FIG. 9, in the present embodiment, the sensing unit may be configured by using a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. Specifically, as shown in FIG. 9, an
図9に示す温度センサ3においても、p型半導体31とn型半導体32の厚さ方向における温度差に起因して、電極33と電極34との間に電圧差(起電力)が生じる。したがって、この電圧差を測定することで、フレキシブル基板11側の温度を検出することができる。図9に示すように、熱電変換材料としてp型半導体31とn型半導体32とを用いた場合は、単一の熱電変換材料を用いた場合よりも大きな電位差を得ることができる。したがって、温度センサの感度を向上させることができる。
Also in the temperature sensor 3 shown in FIG. 9, a voltage difference (electromotive force) is generated between the
例えば、p型半導体31およびn型半導体32の材料には上述した熱電変換材料を用いることができる。また上述した材料に、適宜、ドーパントを添加することで、p型またはn型の半導体を得ることができる。
For example, the above-mentioned thermoelectric conversion material can be used as the material of the p-type semiconductor 31 and the n-
次に、本実施の形態にかかる温度センサ(図1参照)の製造方法について説明する。
温度センサ1を製造する際は、まずフレキシブル基板11、12に電極14、15のパターンを形成する。例えば、電極14、15は、スパッタ法などの蒸着法を用いることで形成することができる。また、金属粉末をペースト状にした導電ペースト(銀ペーストなど)を、印刷法(スクリーン印刷など)を用いてフレキシブル基板11、12上に印刷して電極14、15のパターンを形成してもよい。
Next, a method of manufacturing the temperature sensor (see FIG. 1) according to the present embodiment will be described.
When manufacturing the
次に、センシング部13を形成する。センシング部13は、バルク体の熱電変換材料を切削、研磨して形成してもよい。この場合は、形成したセンシング部13を、下側の電極15上に配置する。
Next, the
また、センシング部13は、フレキシブル基板12(電極15)に熱電変換材料を印刷することで形成してもよい。具体的には、熱電変換材料の粒子を含む液体を、フレキシブル基板12に形成された電極15の上に印刷することで、電極15上にセンシング部13を形成してもよい。この場合は必要に応じて、熱電変換材料の粒子を含む液体に、溶剤、バインダー、添加剤等を加えてもよい。また、印刷を用いて熱電変換材料を形成する場合は、熱電変換材料として、導電性を有する有機材料を用いてもよい。
Further, the
その後、センシング部13の上にフレキシブル基板11を配置する。具体的には、上側の電極14がセンシング部13と接触するように、フレキシブル基板11を位置決めして、フレキシブル基板11とフレキシブル基板12とを貼り合わせる。これにより、温度センサ1を形成することができる。
After that, the
また、低熱伝導領域18を有するセンシング部13(図4〜図8参照)を形成する場合は、次のような方法を用いることができる。例えば、木や紙などの低熱伝導材料で構成した低熱伝導領域18の周囲に、シート状にした熱電変換材料17を巻きつけることで、センシング部13を形成してもよい(図6参照)。また、熱電変換材料よりも熱伝導率の低い材料を、熱電変換材料の粒子を含む液体に分散させた後、この分散液をフレキシブル基板上に塗工して、硬化することでセンシング部13を形成してもよい。この場合は、熱電変換材料17の内部に低熱伝導領域18を形成することができる(図5(h)参照)。また、発泡体(繊維やスポンジ状の成形物)に液状の熱電変換材料を含浸させることで、センシング部13を構成してもよい。この場合は、発泡体が低熱伝導領域に対応する。
Further, when forming the sensing unit 13 (see FIGS. 4 to 8) having the low
なお、上述した温度センサの製造方法は一例であり、本実施の形態では他の製造方法を用いて温度センサを製造してもよい。 The above-mentioned manufacturing method of the temperature sensor is an example, and in the present embodiment, the temperature sensor may be manufactured by using another manufacturing method.
本実施の形態にかかる温度センサ1は複数のセンシング部13を備えるので(図2、図3参照)、温度センサ1(フレキシブル基板11)の面内における温度を同時に測定することができる。したがって、温度センサ1の面内における温度分布を測定することができる。また、本実施の形態にかかる温度センサ1は柔軟性を備えるので、測定対象物の表面形状が曲面形状であっても、この曲面形状に温度センサ1の表面を適切に接触させることができる。したがって、測定対象物の表面形状が曲面形状であっても、測定対象物の表面の温度分布を測定することができる。
Since the
上述のように、本実施の形態にかかる温度センサ1は柔軟性を備えるので、様々な測定対象物の温度を測定することができる。一例を挙げると、体温分布の測定、回路等の電子機器の局所発熱の検知などに使用することができる。
As described above, since the
本実施の形態にかかる温度センサ1において、複数のセンシング部13で検出された電圧差(信号)は、ディスプレイに個別に表示させてもよく、またサーモグラフのように温度分布を視覚的に表示するようにしてもよい。
In the
また、上述のように、本実施の形態にかかる温度センサ1で得られる温度情報は相対温度(つまり、フレキシブル基板12側の温度に対するフレキシブル基板11側の温度)である。このため、本実施の形態にかかる温度センサ1を用いて温度検出を行う場合には、必要に応じて、複数のセンシング部13で検出された電圧差のデータに対して所定の処理を施し、データを正規化して温度分布情報としてもよい。さらに、基準温度を別途測定し、正規化した温度分布情報や検量線等と組合せることで、相対温度ではなく絶対温度の情報としてもよい。例えば、フレキシブル基板12側の温度を基準温度(一定)となるように設定し、フレキシブル基板12側に対するフレキシブル基板11側の温度差を検出することで、フレキシブル基板11側の絶対的な温度を求めることができる。
Further, as described above, the temperature information obtained by the
<実施の形態2>
次に本発明の実施の形態2について説明する。
図10、図11はそれぞれ、実施の形態2にかかる温度センサを説明するための断面図及び上面図である。図10、図11に示すように、本実施の形態にかかる温度センサ4は、フレキシブル基板41、センシング部43、及び電極44、45を備える。本実施の形態では、フレキシブル基板41の面内方向における温度勾配に起因して生じた電圧差(起電力)を用いて温度を検出する構成について説明する。これ以外の構成については、実施の形態1で説明した温度センサと同様であるので重複した説明は適宜省略する。
<
Next,
10 and 11 are a cross-sectional view and a top view for explaining the temperature sensor according to the second embodiment, respectively. As shown in FIGS. 10 and 11, the
図10、図11に示すように、本実施の形態にかかる温度センサ4は、フレキシブル基板41の上にセンシング部43が形成されている。複数のセンシング部43の各々は、フレキシブル基板41の面内方向において伸びるように配置されるとともに、センシング部43の長手方向の一方側において電極44と接続されており、センシング部43の長手方向の他方側において電極45と接続されている。本実施の形態にかかる温度センサ4は、フレキシブル基板41の面内方向における温度勾配に起因して生じた電極44と電極45との間の電圧差を用いて温度を検出する。
As shown in FIGS. 10 and 11, in the
例えば、電極45側(紙面右側)を基準とした場合は、電極45側が低温側、電極44側が高温側であり、電極45側に対する電極44側の相対的な温度を検出することができる。つまり、電極45側に対する電極44側の温度差を検出することができる。この場合は、電極45側(基準側)の温度が一定の温度となるようにすることが好ましい。また、電極45側の温度が特定できる場合は、電極45側に対する電極44側の温度差を検出することで、電極44側の絶対的な温度を求めることができる。電極44側(紙面左側)を基準とした場合についても同様である。
For example, when the
本実施の形態にかかる温度センサでは、温度センサの感度を高めるために、基準側(低温側)の電極45を冷却するための手段を備えていてもよい。例えば、電極45側(低温側)を冷却するための手段として、ヒートシンク、フィン、グラファイトシート、放熱シート、ヒートスプレッダーなどの放熱手段や水冷システム等を用いることができる。なお、冷却手段はこれらに限定されることはなく、他の任意の冷却手段を用いてもよい。
The temperature sensor according to the present embodiment may be provided with means for cooling the
また、本実施の形態にかかる温度センサでは、温度センサの感度を高めるために、熱を伝えるための手段を測定側(高温側のフレキシブル基板)に設けてもよい。例えば、熱を伝えるための手段として熱伝導性シートなどを用いることができる。 Further, in the temperature sensor according to the present embodiment, in order to increase the sensitivity of the temperature sensor, a means for transferring heat may be provided on the measurement side (flexible substrate on the high temperature side). For example, a heat conductive sheet or the like can be used as a means for transferring heat.
本実施の形態においてフレキシブル基板41、センシング部43、及び電極44、45を構成する材料は、実施の形態1で説明した温度センサが備えるフレキシブル基板11、12、センシング部13、及び電極14、15を構成する材料と同様の材料を用いることができる。
In the present embodiment, the materials constituting the
また、本実施の形態にかかる温度センサにおいても実施の形態1にかかる温度センサと同様に、センシング部13は、熱電変換材料よりも熱伝導率が低い低熱伝導領域を一部に備えていてもよい。
Further, in the temperature sensor according to the present embodiment, similarly to the temperature sensor according to the first embodiment, even if the
すなわち、図12、図13に示す温度センサ5ように、熱電変換材料47と低熱伝導領域48とを用いてセンシング部13を構成してもよい。具体的に説明すると、図12、図13に示すように、センシング部43は、熱電変換材料47よりも熱伝導率が低い低熱伝導領域48を一部に有している。低熱伝導領域48は、センシング部43における電極44側から電極45側への熱伝導を低減させるように構成されている(電極45側を低温側とした場合)。
That is, as in the
図12、図13に示す構成例では、センシング部43の熱電変換材料47はフレキシブル基板41の面内方向に伸びており、熱電変換材料47の中央部付近の上部に低熱伝導領域48が設けられている。なお、低熱伝導領域48を配置する場所は図12、図13に示す場所に限定されることはなく、センシング部43の電極44と電極45との間であればどのような場所に設けてもよい。換言すると、センシング部43における電極44側から電極45側への熱伝導を低減させることができる位置であれば、任意の場所に配置することができる。なお、低熱伝導領域48を構成する材料については、実施の形態1で説明した場合と同様であるので重複した説明は省略する。
In the configuration examples shown in FIGS. 12 and 13, the
また、本実施の形態では、熱電変換材料よりも熱伝導率の低い材料を、熱電変換材料の粒子を含む液体に分散させた後、この分散液をフレキシブル基板41上に塗工して硬化することでセンシング部43を形成してもよい。この場合は、熱電変換材料47の内部に低熱伝導領域48を形成することができる(図5(h)参照)。また、発泡体(繊維やスポンジ状の成形物)に液状の熱電変換材料を含浸させることで、センシング部43を構成してもよい。この場合は、発泡体が低熱伝導領域に対応する。
Further, in the present embodiment, a material having a thermal conductivity lower than that of the thermoelectric conversion material is dispersed in a liquid containing particles of the thermoelectric conversion material, and then this dispersion is applied onto the
本実施の形態にかかる温度センサ4、5においても、基板としてフレキシブル基板41を用いているので、温度センサに柔軟性を持たせることができる。したがって、例えば、測定対象物が曲面形状を有する場合であっても、温度センサを測定対象物に適切に接触させることができ、測定対象物の温度を正確に測定することができる。よって、本実施の形態にかかる発明により、利便性の高い温度センサを提供することができる。
Since the
なお、図10〜図13に示す構成例では、センシング部43、及び電極44、45が露出している構成を示したが、本実施の形態にかかる温度センサは、センシング部43、及び電極44、45の上面を覆うようにカバーを更に設けてもよい。カバーは、例えばフレキシブル基板41と同様の材料や樹脂材料を用いて構成することができる。上部にカバーを設けることで、センシング部43、及び電極44、45が直接測定対象物と接することを防ぐことができる。
In the configuration example shown in FIGS. 10 to 13, the
次に、本発明の実施例について説明する。以下で説明する実施例では、熱電変換材料を用いて温度センサを作製し、作製した温度センサを用いて温度を検出することができるか否かについて検証した。 Next, examples of the present invention will be described. In the examples described below, a temperature sensor was manufactured using a thermoelectric conversion material, and it was verified whether or not the temperature could be detected using the manufactured temperature sensor.
<実施例1>
実施例1にかかる温度センサを下記の方法を用いて作製した。実施例1にかかる温度センサは、図1に示した温度センサ1の構成に対応している。
<Example 1>
The temperature sensor according to Example 1 was produced by using the following method. The temperature sensor according to the first embodiment corresponds to the configuration of the
まず、50μmのPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム(フレキシブル基板12に対応)上に5mm×10mmの銀ペーストを間隔が1cmとなるように一直線上に5ヶ所に塗布することにより電極15を形成した。次に、各電極15の中央部に、センシング部13となる断面5mm×5mm、厚さ15mmにダイシングされたn型半導体を配置した。n型半導体には、Bi2Te3を用いた。Bi2Te3の300Kにおける熱伝導率およびゼーベック係数はそれぞれ1.5W/(m・K)、−180μV/Kである。
First, the
さらに、50μmのPETフィルム(図1のフレキシブル基板11に対応)に電極14を形成した。電極14の配置は、電極15の配置と対応する位置とした。そして、センシング部13の上部と電極14の中央部とが接するように、下部のPETフィルム(フレキシブル基板12に対応)と上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)を貼り合わせた。その後、150℃30分の条件で電極の銀ペーストを乾燥・硬化させ、電極14、15とセンシング部13とを一体化させて、実施例1にかかる温度センサを作製した。
Further, the
このようにして作製した実施例1にかかる温度センサを用いて、センシング部13における電圧差を測定して温度を求めた。具体的には、電極15のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の一端に、電極14のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の他端にそれぞれ接続した。そして、センシング部13における温度差に起因して生じた起電力を電圧計を用いて測定した。他の4つの電極についても同様に電圧計を接続して起電力を測定した。なお、以下では5つのセンシング部を区別するために、センシング部S11〜S15と記載する。
Using the temperature sensor according to Example 1 produced in this way, the voltage difference in the
27℃雰囲気下において、上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)の上に40℃の金属ブロックと60℃の金属ブロックを設置した。40℃の金属ブロックはセンシング部S11〜S13と対応する位置に、60℃の金属ブロックはセンシング部S14〜S15と対応する位置にそれぞれ設置した。そして、金属ブロックを設置した直後のセンシング部S11〜S15における起電力を、電圧計を用いて測定した。 In an atmosphere of 27 ° C., a metal block at 40 ° C. and a metal block at 60 ° C. were placed on the upper PET film (corresponding to the flexible substrate 11). The metal block at 40 ° C. was installed at a position corresponding to the sensing units S11 to S13, and the metal block at 60 ° C. was installed at a position corresponding to the sensing units S14 to S15. Then, the electromotive force in the sensing units S11 to S15 immediately after the metal block was installed was measured using a voltmeter.
この結果、40℃の金属ブロックに対応するセンシング部S11〜S13の電圧値はそれぞれ、−2260μV、−2370μV、−2290μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S11〜S13の上部の温度を求めると、それぞれ39.6℃、40.2℃、39.7℃であった。また、60℃の金属ブロックに対応するセンシング部S14〜S15の電圧値はそれぞれ、−5820μV、−5900μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S14〜S15の上部の温度を求めると、それぞれ59.3℃、59.8℃であった。 As a result, the voltage values of the sensing units S11 to S13 corresponding to the metal block at 40 ° C. were −2260 μV, −2370 μV, and −2290 μV, respectively. When the temperature of the upper part of the sensing units S11 to S13 was obtained using these voltage values, it was 39.6 ° C., 40.2 ° C., and 39.7 ° C., respectively. The voltage values of the sensing units S14 to S15 corresponding to the metal block at 60 ° C. were −5820 μV and −5900 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S14 to S15 were obtained using these voltage values, they were 59.3 ° C. and 59.8 ° C., respectively.
以上の結果から、実施例1にかかる温度センサを用いて正確に温度を測定することができることが検証できた。 From the above results, it was verified that the temperature can be accurately measured by using the temperature sensor according to the first embodiment.
<実施例2>
実施例2にかかる温度センサを下記の方法を用いて作製した。実施例2にかかる温度センサは、図1に示した温度センサ1の構成に対応している。実施例2にかかる温度センサは、実施例1にかかる温度センサと比べて、使用している熱電変換材料が異なる。
<Example 2>
The temperature sensor according to Example 2 was produced by using the following method. The temperature sensor according to the second embodiment corresponds to the configuration of the
まず、50μmのPETフィルム(図1のフレキシブル基板12に対応)上に5mm×10mmの銀ペーストを間隔が1cmとなるように9箇所(縦3列、横3行)に塗布することにより電極15を形成した。次に、各電極15の中央部に5mm×5mmの大きさのセンシング部13を、ポリチオフェン誘導体の一種であるOrgacon EL−P 5015(SIGMA−ALDRICH社製PEDOT:PSS(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸からなる複合物)をスクリーン印刷することにより形成、乾燥させて作製した。さらに同じ部分にスクリーン印刷と乾燥を9サイクル繰り返すことにより、250μmのセンシング部13を形成した。このセンシング部の300Kにおける熱伝導率およびゼーベック係数はそれぞれ0.2W/(m・K)、+17μV/Kである。
First, the
さらに、50μmのPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)に電極14を形成した。電極14の配置は、電極15の配置と対応する位置とした。そして、センシング部13の上部と電極14の中央部とが接するように、下部のPETフィルム(フレキシブル基板12に対応)と上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)を貼り合わせた。その後、150℃30分の条件で電極の銀ペーストを乾燥・硬化させ、電極14、15とセンシング部13とを一体化させて、実施例2にかかる温度センサを作製した。
Further, the
このようにして作製した実施例2にかかる温度センサを用いて、センシング部13における電圧差を測定して温度を求めた。具体的には、電極15のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の一端に、電極14のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の他端にそれぞれ接続した。そして、センシング部13における温度差に起因して生じた起電力を、電圧計を用いて測定した。他の8つの電極についても同様に電圧計を接続して起電力を測定した。なお、以下では9つのセンシング部を区別するために、センシング部S21〜S29と記載する。
Using the temperature sensor according to Example 2 produced in this way, the voltage difference in the
27℃雰囲気下において、上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)の上に、40℃の金属ブロックと60℃の金属ブロックと80℃の金属ブロックをそれぞれ設置した。40℃の金属ブロックはセンシング部S21〜S23と対応する位置に、60℃の金属ブロックはセンシング部S24〜S26と対応する位置に、80℃の金属ブロックはセンシング部S27〜S29と対応する位置にそれぞれ設置した。そして、金属ブロックを設置した直後のセンシング部S21〜S29における起電力を、電圧計を用いて測定した。 In an atmosphere of 27 ° C., a metal block at 40 ° C., a metal block at 60 ° C., and a metal block at 80 ° C. were placed on the upper PET film (corresponding to the flexible substrate 11), respectively. The 40 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S21 to S23, the 60 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S24 to S26, and the 80 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S27 to S29. Each was installed. Then, the electromotive force in the sensing units S21 to S29 immediately after the metal block was installed was measured using a voltmeter.
この結果、40℃の金属ブロックに対応するセンシング部S21〜S23の電圧値はそれぞれ、218μV、207μV、213μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S21〜S23の上部の温度を求めると、それぞれ39.8℃、39.2℃、39.5℃であった。 As a result, the voltage values of the sensing units S21 to S23 corresponding to the metal block at 40 ° C. were 218 μV, 207 μV, and 213 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S21 to S23 were obtained using these voltage values, they were 39.8 ° C, 39.2 ° C, and 39.5 ° C, respectively.
60℃の金属ブロックに対応するセンシング部S24〜S26の電圧値はそれぞれ、544μV、558μV、546μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S24〜S26の上部の温度を求めると、それぞれ59℃、59.8℃、59.1℃であった。 The voltage values of the sensing units S24 to S26 corresponding to the metal block at 60 ° C. were 544 μV, 558 μV, and 546 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S24 to S26 were obtained using these voltage values, they were 59 ° C., 59.8 ° C., and 59.1 ° C., respectively.
80℃の金属ブロックに対応するセンシング部S27〜S29の電圧値はそれぞれ、884μV、874μV、879μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S27〜S29の上部の温度を求めると、それぞれ79℃、78.4℃、78.7℃であった。 The voltage values of the sensing units S27 to S29 corresponding to the metal block at 80 ° C. were 884 μV, 874 μV, and 879 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S27 to S29 were obtained using these voltage values, they were 79 ° C., 78.4 ° C., and 78.7 ° C., respectively.
以上の結果から、実施例2にかかる温度センサを用いて正確に温度を測定することができることが検証できた。また、スクリーン印刷でセンシング部13を形成した場合であっても、温度センサを用いて温度を測定することができた。
From the above results, it was verified that the temperature can be accurately measured by using the temperature sensor according to the second embodiment. Further, even when the
<実施例3>
実施例3にかかる温度センサを下記の方法を用いて作製した。
まず、20mm×40mmの紙ウエス(厚さ5μm)にClevios PH1000(Heraeus社製PEDOT:PSS)を含浸させ、室温にて12時間乾燥させた。PH1000を含有する紙ウエスの長辺を半分に折り、その間に15mm×15mm(厚み570μm)の厚紙を挟んでセンシング部S31を形成した。
<Example 3>
The temperature sensor according to Example 3 was produced by using the following method.
First, a 20 mm × 40 mm paper waste cloth (
厚紙の一方の面上にある紙ウエスを上部側紙ウエスとし、もう一方の面上にある紙ウエスを下部側紙ウエスと呼ぶ。このPH1000を含有する紙ウエスの300Kにおける熱伝導率およびゼーベック係数はそれぞれ、0.1W/(m・K)、+18μV/Kである。なお、実施例3にかかるセンシング部は厚紙を含有しているため、センシング部の熱伝導率はさらに低いことが予想される。 The paper waste on one side of the thick paper is called the upper side paper waste, and the paper waste on the other side is called the lower side paper waste. The thermal conductivity and Seebeck coefficient of the paper waste containing PH1000 at 300 K are 0.1 W / (m · K) and + 18 μV / K, respectively. Since the sensing unit according to the third embodiment contains thick paper, the thermal conductivity of the sensing unit is expected to be even lower.
その後、50μmのPETフィルム上に30mm×10mmの銀ペースト塗布したものを2つ作製し、各々の銀ペーストを上部電極および下部電極とした。下部電極が下部側紙ウエスの中央部となるように、また上部電極が上部側紙ウエスの中央部となるように、2枚のPETフィルムを貼り合せて、実施例3にかかる温度センサを作製した。 Then, two pieces of 30 mm × 10 mm silver paste coated on a 50 μm PET film were prepared, and each silver paste was used as an upper electrode and a lower electrode. The temperature sensor according to Example 3 was produced by laminating two PET films so that the lower electrode was at the center of the lower side paper waste and the upper electrode was at the center of the upper paper waste. did.
上部電極のセンシング部と接していない電極部分を電圧計の一端に、下部電極のセンシング部と接していない電極部分を電圧計の他端にそれぞれ接続した。そして、センシング部における温度差に起因して生じた起電力を電圧計を用いて測定した。 The electrode portion not in contact with the sensing portion of the upper electrode was connected to one end of the voltmeter, and the electrode portion not in contact with the sensing portion of the lower electrode was connected to the other end of the voltmeter. Then, the electromotive force generated due to the temperature difference in the sensing unit was measured using a voltmeter.
27℃雰囲気下において、上部のPETフィルムの上に40℃の金属ブロックを設置した。そして、金属ブロックを設置した後、5分経過後のセンシング部S31における起電力を、電圧計を用いて測定したところ、電圧値は215μVであった。この電圧値を用いてセンシング部S31の上部の温度を求めると38.9℃であった。
A metal block at 40 ° C. was placed on the upper PET film in an atmosphere of 27 ° C. Then, when the electromotive force in the
以上の結果から、導電性を有する有機材料を紙ウエスに含浸させてセンシング部を作製した場合であっても温度センサを形成することができた。また、実施例3では、センシング部に低熱伝導領域(厚紙)を設けて、センシング部の熱伝導率を低くしている。したがって、金属ブロックを設置した後、5分経過後においてもセンシング部の温度を測定することができた。つまり、センシング部の温度が均一になることを抑制できたと考えられる。 From the above results, it was possible to form the temperature sensor even when the sensing portion was manufactured by impregnating the paper waste with a conductive organic material. Further, in the third embodiment, a low thermal conductivity region (thick paper) is provided in the sensing portion to lower the thermal conductivity of the sensing portion. Therefore, the temperature of the sensing unit could be measured even after 5 minutes had passed since the metal block was installed. That is, it is considered that the temperature of the sensing unit could be prevented from becoming uniform.
<実施例4>
実施例4にかかる温度センサを下記の方法を用いて作製した。
まず、20mm×20mmの紙ウエス(厚さ100μm)にClevios PH1000(Heraeus社製PEDOT:PSS)を含浸させ、室温にて12時間乾燥させることによりセンシング部S41を形成した。このPH1000を含有する紙ウエスの300Kにおける熱伝導率およびゼーベック係数はそれぞれ、0.1W/(m・K)、+18μV/Kである。
<Example 4>
The temperature sensor according to Example 4 was produced by using the following method.
First, a 20 mm × 20 mm paper waste (thickness 100 μm) was impregnated with Clevios PH1000 (PEDOT: PSS manufactured by Heraeus) and dried at room temperature for 12 hours to form a sensing portion S41. The thermal conductivity and Seebeck coefficient of the paper waste containing PH1000 at 300 K are 0.1 W / (m · K) and + 18 μV / K, respectively.
次に、50μmのPETフィルム上に30mm×10mmの銀ペースト塗布したものを2つ作製し、各々の銀ペーストを上部電極および下部電極とした。下部電極が下部側紙ウエスの中央部となるように、また上部電極が上部側紙ウエスの中央部となるように、2枚のPETフィルムを貼り合せて、実施例4にかかる温度センサを作製した。 Next, two pieces of 30 mm × 10 mm silver paste coated on a 50 μm PET film were prepared, and each silver paste was used as an upper electrode and a lower electrode. Two PET films are laminated so that the lower electrode is at the center of the lower side paper waste and the upper electrode is at the center of the upper paper waste to prepare the temperature sensor according to Example 4. did.
上部電極のセンシング部と接していない電極部分を電圧計の一端に、下部電極のセンシング部と接していない電極部分を電圧計の他端にそれぞれ接続した。そして、センシング部における温度差に起因して生じた起電力を電圧計を用いて測定した。 The electrode portion not in contact with the sensing portion of the upper electrode was connected to one end of the voltmeter, and the electrode portion not in contact with the sensing portion of the lower electrode was connected to the other end of the voltmeter. Then, the electromotive force generated due to the temperature difference in the sensing unit was measured using a voltmeter.
27℃雰囲気下において、上部のPETフィルムの上に40℃の金属ブロックを設置した。そして、金属ブロックを設置した直後のセンシング部S41における起電力を、電圧計を用いて測定したところ、電圧値は210μVであった。この電圧値を用いてセンシング部S41の上部の温度を求めると38.7℃であった。 A metal block at 40 ° C. was placed on the upper PET film in an atmosphere of 27 ° C. Then, when the electromotive force in the sensing unit S41 immediately after installing the metal block was measured using a voltmeter, the voltage value was 210 μV. When the temperature of the upper part of the sensing unit S41 was obtained using this voltage value, it was 38.7 ° C.
以上の結果から、導電性を有する有機材料を紙ウエスに含浸させてセンシング部を作製した場合であっても温度センサを形成することができた。 From the above results, it was possible to form the temperature sensor even when the sensing portion was manufactured by impregnating the paper waste with a conductive organic material.
<実施例5>
実施例5にかかる温度センサを下記の方法を用いて作製した。実施例5にかかる温度センサは、図1に示した温度センサ1の構成に対応している。実施例5にかかる温度センサは、実施例1にかかる温度センサと比べて、使用している熱電変換材料が異なる。
<Example 5>
The temperature sensor according to Example 5 was produced by using the following method. The temperature sensor according to the fifth embodiment corresponds to the configuration of the
まず、50μmのPETフィルム(図1のフレキシブル基板12に対応)上に5mm×10mmの銀ペーストを間隔が1cmとなるように9箇所(縦3列、横3行)に塗布することにより電極15を形成した。
First, the
次に、カーボンナノチューブを含む熱電変換材料を作製した。具体的には、楠本化成社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」を0.4質量部、下記の有機化合物Aを0.4質量部、N−メチルピロリドンを79.2質量部それぞれ準備して混合した。更にジルコニアビーズ(粒子径φ1.25mm)を140質量部加え、分散機で2時間振とう後、ろ過してジルコニアビーズを除去し、熱電変換材料を含む分散液を作製した。 Next, a thermoelectric conversion material containing carbon nanotubes was prepared. Specifically, 0.4 parts by mass of the single-walled carbon nanotube "TUBALL" manufactured by Kusumoto Kasei Co., Ltd., 0.4 parts by mass of the following organic compound A, and 79.2 parts by mass of N-methylpyrrolidone are prepared and mixed. did. Further, 140 parts by mass of zirconia beads (particle diameter φ1.25 mm) were added, shaken with a disperser for 2 hours, and then filtered to remove the zirconia beads to prepare a dispersion liquid containing a thermoelectric conversion material.
次に、各電極15の中央部に、5mm×5mmの大きさのセンシング部13を形成した。具体的には、上述のようにして作製した熱電変換材料を含む分散液を、各電極の上にスクリーン印刷し、その後乾燥させることで作製した。さらに同じ部分にスクリーン印刷と乾燥を9サイクル繰り返すことにより、250μmのセンシング部13を形成した。このセンシング部の300Kにおける熱伝導率およびゼーベック係数はそれぞれ8W/(m・K)、+65.3μV/Kである。
Next, a
さらに、50μmのPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)に電極14を形成した。電極14の配置は、電極15の配置と対応する位置とした。そして、センシング部13の上部と電極14の中央部とが接するように、下部のPETフィルム(フレキシブル基板12に対応)と上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)を貼り合わせた。その後、150℃30分の条件で電極の銀ペーストを乾燥・硬化させ、電極14、15とセンシング部13とを一体化させて、実施例5にかかる温度センサを作製した。
Further, the
このようにして作製した実施例5にかかる温度センサを用いて、センシング部13における電圧差を測定して温度を求めた。具体的には、電極15のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の一端に、電極14のセンシング部13と接していない電極部分を電圧計の他端にそれぞれ接続した。そして、センシング部13における温度差に起因して生じた起電力を、電圧計を用いて測定した。他の8つの電極についても同様に電圧計を接続して起電力を測定した。なお、以下では9つのセンシング部を区別するために、センシング部S51〜S59と記載する。
Using the temperature sensor according to Example 5 produced in this way, the voltage difference in the
27℃雰囲気下において、上部のPETフィルム(フレキシブル基板11に対応)の上に、40℃の金属ブロックと60℃の金属ブロックと80℃の金属ブロックをそれぞれ設置した。40℃の金属ブロックはセンシング部S51〜S53と対応する位置に、60℃の金属ブロックはセンシング部S54〜S56と対応する位置に、80℃の金属ブロックはセンシング部S57〜S59と対応する位置にそれぞれ設置した。そして、金属ブロックを設置した直後のセンシング部S51〜S59における起電力を、電圧計を用いて測定した。 In an atmosphere of 27 ° C., a metal block at 40 ° C., a metal block at 60 ° C., and a metal block at 80 ° C. were placed on the upper PET film (corresponding to the flexible substrate 11), respectively. The 40 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S51 to S53, the 60 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S54 to S56, and the 80 ° C. metal block is located at a position corresponding to the sensing units S57 to S59. Each was installed. Then, the electromotive force in the sensing units S51 to S59 immediately after the metal block was installed was measured using a voltmeter.
この結果、40℃の金属ブロックに対応するセンシング部S51〜S53の電圧値はそれぞれ、816.3μV、835.8μV、822.8μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S51〜S53の上部の温度を求めると、それぞれ39.5℃、39.8℃、39.6℃であった。 As a result, the voltage values of the sensing units S51 to S53 corresponding to the metal block at 40 ° C. were 816.3 μV, 835.8 μV, and 822.8 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S51 to S53 were obtained using these voltage values, they were 39.5 ° C, 39.8 ° C, and 39.6 ° C, respectively.
60℃の金属ブロックに対応するセンシング部S54〜S56の電圧値はそれぞれ、2141.8μV、2154.9μV、2122.3μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S54〜S56の上部の温度を求めると、それぞれ59.8℃、60℃、59.5℃であった。 The voltage values of the sensing units S54 to S56 corresponding to the metal block at 60 ° C. were 2141.8 μV, 2154.9 μV, and 2122.3 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S54 to S56 were obtained using these voltage values, they were 59.8 ° C, 60 ° C, and 59.5 ° C, respectively.
80℃の金属ブロックに対応するセンシング部S57〜S59の電圧値はそれぞれ、3447.8μV、3454.4μV、3421.7μVであった。これらの電圧値を用いてセンシング部S57〜S59の上部の温度を求めると、それぞれ79.8℃、79.9℃、79.4℃であった。 The voltage values of the sensing units S57 to S59 corresponding to the metal block at 80 ° C. were 3447.8 μV, 3454.4 μV, and 3421.7 μV, respectively. When the temperatures of the upper parts of the sensing units S57 to S59 were obtained using these voltage values, they were 79.8 ° C, 79.9 ° C, and 79.4 ° C, respectively.
以上の結果から、実施例5にかかる温度センサを用いて正確に温度を測定することができることが検証できた。また、カーボンナノチューブを含む熱電変換材料を用いてセンシング部13を形成した場合であっても、温度センサを用いて温度を測定することができた。
From the above results, it was verified that the temperature can be accurately measured by using the temperature sensor according to the fifth embodiment. Further, even when the
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 Although the present invention has been described above in accordance with the above-described embodiment, the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and is within the scope of the claimed invention within the scope of the claims of the present application. It goes without saying that it includes various modifications, modifications, and combinations that can be made by a person skilled in the art.
1、2、3、4、5 温度センサ
11、12 フレキシブル基板
13 センシング部
14、15 電極
17 熱電変換材料
18 低熱伝導領域
21 基材
22 熱電変換材料
23 断熱材(低熱伝導領域)
31 p型半導体
32 n型半導体
33、34、35 電極
41 フレキシブル基板
43 センシング部
44、45 電極
47 熱電変換材料
48 低熱伝導領域
1, 2, 3, 4, 5
31 p-type semiconductor 32 n-
Claims (12)
前記フレキシブル基板上に配置された複数のセンシング部と、を備え、
前記複数のセンシング部の各々は熱電変換材料を含み、前記センシング部における温度勾配に起因して生じた電圧差を用いて前記各々のセンシング部における温度を検出する、
温度センサ。 Flexible board and
A plurality of sensing units arranged on the flexible substrate are provided.
Each of the plurality of sensing units contains a thermoelectric conversion material, and the temperature in each of the sensing units is detected by using the voltage difference caused by the temperature gradient in the sensing unit.
Temperature sensor.
前記複数のセンシング部は、前記第1のフレキシブル基板と前記第2のフレキシブル基板との間に配置されており、
前記各々のセンシング部は、前記第1のフレキシブル基板側において第1の電極と接続されており、前記第2のフレキシブル基板側において第2の電極と接続されており、
前記複数のセンシング部の各々は、前記フレキシブル基板の厚さ方向における温度勾配に起因して生じた前記第1及び第2の電極の電圧差を用いて前記第1のフレキシブル基板側における温度を検出する、
請求項1に記載の温度センサ。 The flexible substrate includes a first flexible substrate and a second flexible substrate arranged so as to face the first flexible substrate.
The plurality of sensing units are arranged between the first flexible substrate and the second flexible substrate.
Each of the sensing units is connected to the first electrode on the first flexible substrate side, and is connected to the second electrode on the second flexible substrate side.
Each of the plurality of sensing units detects the temperature on the first flexible substrate side by using the voltage difference between the first and second electrodes caused by the temperature gradient in the thickness direction of the flexible substrate. To do,
The temperature sensor according to claim 1.
前記低熱伝導領域は、前記センシング部における前記第1のフレキシブル基板側から前記第2のフレキシブル基板側への熱伝導を低減させるように構成されている、
請求項2に記載の温度センサ。 The sensing unit partially has a low thermal conductivity region having a lower thermal conductivity than the thermoelectric conversion material.
The low heat conduction region is configured to reduce heat conduction from the first flexible substrate side to the second flexible substrate side in the sensing unit.
The temperature sensor according to claim 2.
前記コ字状の断面の上面が第1の電極と接続されており、
前記コ字状の断面の下面が第2の電極と接続されており、
前記コ字状の断面の上面と下面との間に前記低熱伝導領域が形成されている、
請求項3に記載の温度センサ。 The thermoelectric conversion material of the sensing portion has a U-shaped cross section when cut in a plane parallel to the thickness direction.
The upper surface of the U-shaped cross section is connected to the first electrode.
The lower surface of the U-shaped cross section is connected to the second electrode.
The low heat conduction region is formed between the upper surface and the lower surface of the U-shaped cross section.
The temperature sensor according to claim 3.
前記低熱伝導領域は断熱材を用いて構成されており、
前記センシング部は、前記熱電変換材料を折り曲げて、内部に前記断熱材を挟むことで形成されている、
請求項3に記載の温度センサ。 The thermoelectric conversion material is composed of a flexible fiber base material and a conductive material impregnated in the fiber base material.
The low thermal conductivity region is constructed by using a heat insulating material.
The sensing portion is formed by bending the thermoelectric conversion material and sandwiching the heat insulating material inside.
The temperature sensor according to claim 3.
前記センシング部は、前記短冊状の熱電変換材料の長手方向の一端が前記第1のフレキシブル基板側となるように、他端が前記第2のフレキシブル基板側となるように、前記熱電変換材料が形成された基材を折り曲げて、内部に前記低熱伝導領域を構成している断熱材を挟むことで形成されている、
請求項3に記載の温度センサ。 The thermoelectric conversion material is formed in a plurality of strips on a flexible base material.
In the sensing unit, the thermoelectric conversion material is provided so that one end of the strip-shaped thermoelectric conversion material in the longitudinal direction is on the first flexible substrate side and the other end is on the second flexible substrate side. It is formed by bending the formed base material and sandwiching a heat insulating material constituting the low heat conductive region inside.
The temperature sensor according to claim 3.
前記フレキシブル基板の面内方向において伸びるように配置されるとともに、前記センシング部の長手方向の一方側において第1の電極と接続されており、前記センシング部の長手方向の他方側において第2の電極と接続されており、
前記フレキシブル基板の面内方向における温度勾配に起因して生じた前記第1及び第2の電極の電圧差を用いて温度を検出する、
請求項1に記載の温度センサ。 Each of the plurality of sensing units
The flexible substrate is arranged so as to extend in the in-plane direction, is connected to the first electrode on one side in the longitudinal direction of the sensing portion, and is connected to the first electrode on the other side in the longitudinal direction of the sensing portion. Is connected to
The temperature is detected by using the voltage difference between the first and second electrodes caused by the temperature gradient in the in-plane direction of the flexible substrate.
The temperature sensor according to claim 1.
前記低熱伝導領域は、前記センシング部における前記第1の電極側から前記第2の電極側への熱伝導を低減させるように構成されている、
請求項9に記載の温度センサ。 The sensing unit partially has a low thermal conductivity region having a lower thermal conductivity than the thermoelectric conversion material.
The low heat conduction region is configured to reduce heat conduction from the first electrode side to the second electrode side in the sensing unit.
The temperature sensor according to claim 9.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023127591A1 (en) * | 2021-12-28 | 2023-07-06 | 日東電工株式会社 | Sensor-equipped vacuum heat insulation material |
Citations (2)
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JPS54114090A (en) * | 1978-02-25 | 1979-09-05 | Mitsuteru Kimura | Hottwire detector |
JP2018197696A (en) * | 2017-05-24 | 2018-12-13 | 株式会社Kri | Temperature sensor |
-
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- 2019-04-22 JP JP2019081109A patent/JP2020176981A/en active Pending
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