JP2011232294A

JP2011232294A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2011232294A
Application number: JP2010105358A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Ushioda; 健太郎潮田; Yutaka Matsuo; 裕松尾; Hiroshi Kobayashi; 浩小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: JP5046198B2

Abstract

【課題】熱源の温度を正確かつ応答性よく測定できる温度センサを提供する。
【解決手段】温度センサ１００は、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜２０と、赤外線吸収膜２０の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子１０と、感温素子１０から電気信号を出力するためのリードパターン３１，３２と、赤外線吸収膜２０に分布する熱量を感温素子１０に集熱するための集熱パターン４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は熱源の温度を非接触測定する温度センサに関する。

特開２００３−１９４６３０号公報には、熱源から輻射される赤外線の熱量を検出することにより、熱源の温度を非接触測定する温度センサが開示されている。この種の温度センサは、熱源からの赤外線を効率よく吸収する赤外線吸収膜を備えており、赤外線受光に起因する赤外線吸収膜の温度上昇を感温素子で検知する。感温素子は、温度に対応して電気的特性が変化する温度特性を有しており、感温素子から出力される電気信号に基づいて熱源の温度を推定することができる。このような感温素子として、抵抗温度特性を有するサーミスタ、サーモパイル、金属測温度体等が知られている。また、赤外線吸収膜として、遠赤外線の波長帯域を吸収する特性を有するポリイミド等の高分子フィルムが知られている。

特開２００３−１９４６３０号公報

しかし、高分子フィルム等の赤外線吸収膜は、熱抵抗が大きいので、赤外線吸収膜の面内に分布する熱量を感温素子に効率よく伝熱することができない。このため、感温素子に接する赤外線吸収膜の一部の領域に蓄熱された熱量しか感温素子の温度上昇に寄与しておらず、赤外線吸収膜の面内に広範囲に分布する熱量は、感温素子の温度上昇に殆ど寄与していなかった。

更に、感温素子から電気信号を取り出すためのリードパターンの熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）は、赤外線吸収膜の熱伝導率（０．２〜０．４Ｗ／ｍＫ）よりも極めて高いため、赤外線吸収膜から感温素子に流れ込んだ熱量は、リードパターンを伝わって外部に流出してしまい、感温素子の温度低下をもたらす要因の一つとして指摘されている。

また、赤外線吸収膜から感温素子へ至る伝熱経路の熱抵抗が非常に大きいため、熱源の温度が変化したときに、感温素子がその変化に敏感に追従することができず、応答特性低下の要因にもなっていた。このような理由により、従来の温度センサには、熱源の温度を正確かつ応答性よく測定する上で検討の余地が残されていた。

そこで、本発明は、上述の問題点を解決し、熱源の温度を正確かつ応答性よく測定できる温度センサを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる温度センサは、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子と、赤外線吸収膜に分布する熱量を感温素子に集熱するための集熱パターンとを備える。赤外線吸収膜に分布する熱量は、集熱パターンを伝わって感温素子に速やかに伝熱するため、熱源の温度を正確かつ応答性よく測定することができる。

感温素子は、電気信号を出力するためのリードパターンに接続する電極を更に備えていてもよく、この場合、集熱パターンは、この電極を起点として赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されているのが好ましい。或いは、集熱パターンは、感温素子を起点として赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されているのが好ましい。集熱パターンの形状を放射状にすることで、赤外線吸収膜に分布する熱量をきめ細かく掻き集めることが可能になり、集熱効率を高めることができる。

リードパターンと集熱パターンとは、異なる材質から成るものでもよく、或いは同一の材質から成るものでもよい。リードパターンの材質と集熱パターンの材質とが同一である場合には、リードパターンと集熱パターンとを同一の成膜工程で形成することができる。

本発明の他の観点に係わる温度センサは、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力する直列接続された複数の感温素子と、赤外線吸収膜に分布する熱量を複数の感温素子に集熱する集熱パターンと、を備え、集熱パターンは、複数の感温素子間の接続点を起点として赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されている。赤外線吸収膜による赤外線吸収エネルギー量が増大するときには、複数の感温素子は、集熱パターンが集めた熱量を急速に蓄熱し、感度よく温度上昇する。一方、赤外線吸収膜による赤外線吸収エネルギー量が減少するときには、複数の感温素子から外部に熱量が流出するため、複数の感温素子は、感度よく温度低下する。これにより、温度センサの立ち上がり応答特性及び立下り応答特性を共にバランスよく調整することができる。

本発明に係わる温度センサによれば、熱源の温度を正確かつ応答性よく測定することができる。

実施例１に係わる温度センサの説明図である。実施例２に係わる温度センサの説明図である。実施例３に係わる温度センサの説明図である。実施例４に係わる温度センサの説明図である。実施例５に係わる温度センサの説明図である。実施例６に係わる温度センサの説明図である。実施例７に係わる温度センサの説明図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の部材については同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。なお、図面は、模式的なものであり、部材相互間の寸法の比率や部材の形状等は、本発明の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。

図１は実施例１に係わる温度センサ１００の説明図である。温度センサ１００は、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜２０と、赤外線吸収膜２０の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子１０と、感温素子１０から電気信号を出力するためのリードパターン３１，３２と、赤外線吸収膜２０に分布する熱量を感温素子１０に集熱するための集熱パターン４０とを備える。赤外線吸収膜２０の材質は、熱源からの輻射赤外線を吸収して発熱する材質であればよく、例えば、遠赤外線と称される４μｍ〜１０μｍの波長帯域の光に吸収スペクトラムを有する材質が望ましい。このような材質として、フッ素、シリコーン、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレン、ポリカーボネート、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の高分子材料からなる樹脂が好ましい。感温素子１０は、温度に応じて電気的特性が変化するセンサ素子であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、抵抗温度特性を有するサーミスタ、サーモパイル、金属測温度体などが好適である。感温素子１０は、リードドパターン３１，３２にそれぞれ接続する電極１１，１２を備えており、感温素子１０の温度変化に対応する電気特性の変化は、熱源の温度に対応する電気信号としてリードパターン３１，３２から外部に取り出される。感温素子１０が例えば抵抗温度特性を有するサーミスタである場合には、感温素子１０の温度変化は、抵抗値変化として現れる。感温素子１０に予め所定の電流を流しておくことにより、感温素子１０の抵抗値変化は、電圧変化として検出される。感温素子１０の出力電圧は、熱源の温度に対応する電気信号として信号処理される。

集熱パターン４０は、赤外線吸収膜２０の各所に分布している熱量を捕捉し、これを感温素子１０に集熱させるための集熱部材である。集熱パターン４０は、感温素子１０近傍の領域だけでなく感温素子１０から離れた領域からも広範囲にわたって熱量を捕捉し、感温素子１０に効率良く集熱できるように、電極１１，１２を起点として赤外線吸収膜２０の面内に放射状に形成されている。集熱パターン４０は、電気信号の伝送に係わる部材ではなく、熱伝導のみに係わる部材であるため、外部の部品に接続することなく、赤外線吸収膜２０の面内で終端している。このため、集熱パターン４０から外部に熱が流出することはなく、集熱パターン４０の終端から感温素子１０へ向かって一方向に熱が流れる。集熱パターン４０は、赤外線吸収膜２０の各所に蓄熱している熱量を万遍なく捕捉するために、電極１１，１２を起点として赤外線吸収膜２０の外周端部に向かって枝分かれを繰り返しながら放射状に形成されているのが好ましい。このような構成により、赤外線吸収膜２０に分布する熱量は、集熱パターン４０の枝と枝との間に島状に点在し、赤外線吸収膜２０と感温素子１０との間の温度勾配により、感温素子１０へ向けて熱の流れを生じさせることができる。また、集熱パターン４０を放射状に形成することで、熱を捕捉できる集熱範囲５０を赤外線吸収膜２０全体に拡大することが可能になり、集熱効率を高めることができる。また、集熱パターン４０の根元部分（集熱パターン４０と電極１１，１２との接続部分）から赤外線吸収膜２０の各点へ至る伝熱経路を短くできるため、赤外線吸収膜２０に分布する熱量を低熱抵抗の伝熱経路を通じて感温素子１０へ素早く集熱することができる。これにより、感温素子１０は、熱源の温度変化に対して応答性よく反応することができる。

集熱パターン４０を流れる熱量は、感温素子１０に近づく程、多くなるので、感温素子１０に近づく程、集熱パターン４０を太くして熱抵抗を下げるのが好ましい。これにより、集熱パターン４０は、終端に近づく程、細くなり、熱抵抗が高くなるので、終端方向への熱の流れを抑制し、感温素子１０への熱の流れを促進させることができる。また、赤外線吸収膜２０の各点に分布する熱量が少ない場合であっても、低抵抗の集熱パターン４０を介して熱が集められ、感温素子１０へ流れ込むため、感温素子１０の温度低下を抑制し、感度特性を高めることができる。

熱源からの赤外線が赤外線吸収膜２０に輻射され始めた時点では、感温素子１０と赤外線吸収膜２０との間の温度差は大きく、両者の温度勾配によって集熱パターン４０から感温素子１０へ熱が流入する。すると、感温素子１０の温度上昇に伴い、温度勾配は小さくなるので、感温素子１０への熱流入は少なくなる。一方、感温素子１０に集熱された熱量の一部は、リードパターン３１，３２や外界雰囲気を伝わって放熱され、感温素子１０の温度低下が生じるため、温度勾配によって感温素子１０への熱流入が持続する。そして、感温素子１０へ流れ込む熱量と感温素子１０から流れ出す熱量とが釣り合ったところで、熱平衡状態になり、感温素子１０の温度は一定になる。なお、感温素子１０に集熱された熱量の一部は、リードパターン３１，３２を伝わって外部に流出するため、赤外線吸収膜２０の外周端部付近に配線されているリードパターン３１，３２の少なくとも一部を細くし、且つ蛇行させて熱抵抗を高め、外部への熱流出を抑制するのが好ましい。

集熱パターン４０の材質は、赤外線吸収膜２０の熱抵抗よりも小さい熱抵抗を有し、熱伝導性に優れている材質であればよい。例えば、集熱パターン４０の材質は、リードパターン３１，３２の材質と同一でもよく、或いは異なるものでもよい。集熱パターン４０の材質がリードパターン３１，３２の材質と同一である場合には、集熱パターン４０とリードパターン３１，３２とを同一の成膜工程で形成できるという利点を有する。例えば、赤外線吸収膜２０上に銅箔を形成し、公知の印刷技術を用いてこれを所定形状にパターニングすることで、導電性を有する集熱パターン４０とリードパターン３１，３２とを一括形成することができる。集熱パターン４０の材質がリードパターン３１，３２の材質と異なる場合には、集熱パターン４０の材質として、例えば、金属以外の熱伝導率の高い材質（カーボングラファイト膜など）を用いてもよい。

図２は実施例２に係わる温度センサ２００の説明図である。同図に示すように、集熱パターン４０は、電極１１，１２を起点として放射状に形成されている幹４１がつづら折状に屈曲し、その屈曲点４２から針状の先端４３が枝分かれしている点で実施例１と相違し、その余の点で実施例１，２は共通のセンサ構造を有している。実施例２によれば、針状の先端４３によって幹４１の間の空間に集熱パターン４０を張り巡らすことができるので、集熱範囲５０からきめ細かく熱を掻き集めることができる。

図３は実施例３に係わる温度センサ３００の説明図である。同図に示すように、集熱パターン４０は、電極１１，１２を起点として放射状に形成されているものの、そのパターンは単純化されている点で実施例１と相違し、その余の点で実施例１，３は共通のセンサ構造を有している。実施例３によれば、簡易な製造プロセスで温度センサ３００を作成することができる。

図４は実施例４に係わる温度センサ４００の説明図である。同図に示すように、集熱パターン４０は、電極１１，１２を起点として、枝分かれすることなく放射状に形成され、赤外線吸収膜２０の外周端部付近及びリードパターン３１，３２の蛇行部分の間に入り込んでいる点で実施例１と相違し、その余の点で実施例１，４は共通のセンサ構造を有している。実施例４によれば、集熱パターン４０の形状を簡略化しつつ、集熱効率を高めることができる。

図５は実施例５に係わる温度センサ５００の説明図である。同図に示すように、集熱パターン４０は、電極１１，１２を起点として、枝分かれすることなく蛇行しながら放射状に形成されている点で実施例１と相違し、その余の点で実施例１，５は共通のセンサ構造を有している。実施例５によれば、集熱パターン４０の形状を簡略化しつつ、集熱効率を高めることができる。

図６は実施例６に係わる温度センサ６００の説明図である。同図において、符号６０１は、赤外線吸収膜２０上に存在し、且つ感温素子１０の底部に密着する点を示している。実施例６に係わる集熱パターン４０は、点６０1を起点として赤外線吸収膜２０の面内に放射状に形成されている点で実施例１と相違し、その余の点で実施例１，６は共通のセンサ構造を有している。実施例６に係わる集熱パターン４０は、点６０１を起点として放射状に形成されるものに加えて、電極１１，１２を起点として放射状に形成されるものを含んでもよく、或いは、点６０１を起点として放射状に形成されるもののみを含んでもよい。なお、点６０１を起点として放射状に形成される集熱パターン４０は、感温素子１０に電気的に接続せず、また、リードパターン３１、３２とも接続していない。このため、集熱パターン４０が集熱した熱がリードパターン３１，３２を経由して外部に流出することを防ぐことが出来る。実施例６によれば、集熱範囲５０に分布する熱量をきめ細かく掻き集めることができる。

図７は実施例７に係わる温度センサ７００の説明図である。同図に示すように、温度センサ７００は、複数の感温素子１０，６０を備えている。複数の感温素子１０，６０は、直列接続されており、両感温素子の接続点７０１を起点として赤外線吸収膜２０の面内に集熱パターン４０が放射状に形成されている。感温素子１０に接続するリードパターン３１と、感温素子６０に接続するリードパターン３２は、それぞれ、複数の感温素子１０，６０の接続方向に関して平行に直線状に形成されており、熱抵抗が小さくなるように構成されている。集熱パターン４０とリードパタンーン３１，３２とは、金属箔としては接続していないため、集熱パターン４０の集めた熱量がそのままリードパターン３１，３２を通じて外部に流出することを防ぐことができ、温度センサ７００の感度特性が向上する。例えば、赤外線吸収膜２０による赤外線吸収エネルギー量が増大するときには、感温素子１０，６０は、集熱パターン４０が掻き集めた熱量を急速に蓄熱し、感度よく温度上昇する。一方、赤外線吸収膜２０による赤外線吸収エネルギー量が減少するときには、感温素子１０，６０から熱抵抗の低いリードパターン３１,３２を伝わって外部に熱量が流出するため、感温素子１０，６０は、感度よく温度低下する。これにより、温度センサ７００の立ち上がり応答特性及び立下り応答特性を共にバランスよく調整することができる。なお、同図では、二つの感温素子１０，６０を図示しているが、三つ以上の感温素子を直列に接続し、感温素子間の接続点を起点とする放射状の集熱パターン４０を形成してもよい。

本発明に係わる温度センサは、熱源の温度を非接触測定する用途に応用できる。

１０…感温素子
１１，１２…電極
２０…赤外線吸収膜
３１，３２…リードパターン
４０…集熱パターン
５０…集熱範囲
１００，２００，３００，４００，５００，６００,７００…温度センサ

Claims

熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜と、
前記赤外線吸収膜の熱量を検知することにより前記熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子と、
前記赤外線吸収膜に分布する熱量を前記感温素子に集熱するための集熱パターンと、
を備える温度センサ。
請求項１に記載の温度センサであって、
前記集熱パターンは、前記感温素子を起点として前記赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されている、温度センサ。
請求項１に記載の温度センサであって、
前記感温素子は、前記電気信号を出力するためのリードパターンに接続する電極を更に備え、
前記集熱パターンは、前記電極を起点として前記赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されている、温度センサ。
請求項３に記載の温度センサであって、
前記リードパターンと前記集熱パターンとは同一の成膜工程で形成される、温度センサ。
請求項３に記載の温度センサであって、
前記リードパターンと前記集熱パターンとは異なる材質から成る、温度センサ。
熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜と、
前記赤外線吸収膜の熱量を検知することにより前記熱源の温度に対応した電気信号を出力する直列接続された複数の感温素子と、
前記赤外線吸収膜に分布する熱量を前記複数の感温素子に集熱する集熱パターンと、を備え、
前記集熱パターンは、前記複数の感温素子間の接続点を起点として前記赤外線吸収膜の面内に放射状に形成されている、温度センサ。