JP2013072821A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 設置環境に応じて熱バランスの補正が容易にでき、ネジ等を用いずに低コストである赤外線センサを提供すること。
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２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とを備え、絶縁性フィルム３の第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの周囲に、複数の孔部Ｈが並んで形成されている。
【選択図】図１

Description

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

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知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、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、絶縁性フィルムの一方の面に形成され第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、第２の感熱素子に対向して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を備えた赤外線センサが提案されている。

この赤外線センサでは、第１の感熱素子に対して赤外線の影響を抑制して高いリファレンスが得られる赤外線反射膜下の第２の感熱素子と、薄く熱伝導性の低い絶縁性フィルムとによって、第１の感熱素子と第２の感熱素子との良好な温度差分を得ることができ、高精度な測定が可能である。

また、特許文献２には、筒状の導光部の内側に突出するように設けられた遮蔽部を有し、該遮蔽部は、導光部の内側への突出距離が調整可能なように導光部に固定される箇所が任意でかつ突出距離が調整された後に、導光部に接着剤で調整不可に固定された棒状の突出部を有している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は、突出部の導光部内への突出距離を変えて検出温度を測定し、突出部の突出距離と検知温度との関係を求め、これに基づいてセンサ組立後のセンサ出力特性のばらつきを調整するものである。

特開２０１１−１０２７９１号公報 特許第４６２８５４０号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１の赤外線センサでは、赤外線を吸収し検出する温度検出器である第１の感熱素子と赤外線を反射し赤外線を検出しない温度検出器である第２の感熱素子との間に、熱バランスの差が有る場合、センサの応答性が悪化し、過渡特性にその影響が顕著に現れる不都合があった。この熱バランスを補正するために、従来は赤外線センサを各機械に組み上げた後に検出回路等を調整することにより対応する必要があった。この調整は赤外線センサを取り付けた機械一台毎の回路調整が必要である点と、調整のためのノウハウが必要であり、調整作業に時間がかかり、コストアップにつながると共に量産性の点で問題があった。
また、特許文献２の技術では、赤外線受光窓部である導光部にネジ等の突出部を設置し、赤外線受光量を調整することにより対応しており、前述のノウハウや作業時間は不要又は軽減されるが、ネジ等を取り付ける機構が必要となり、センサ自体の大型化を招くと共にコストアップにつながる不都合があった。さらに、センサを設置する上でネジ等の突出部に留意が必要で、設置の際の自由度が大幅に低下してしまう問題もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、設置環境に応じて熱バランスの補正が容易にでき、ネジ等を用いずに低コストである赤外線センサを提供することを目的とする。

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の発明の赤外線センサは、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を備え、前記絶縁性フィルムの前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の周囲に、複数の孔部が並んで形成されていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、絶縁性フィルムの第１の感熱素子及び第２の感熱素子の周囲に、複数の孔部が並んで形成されているので、使用環境に応じて任意の孔部間を切断し、第１の感熱素子と第２の感熱素子との熱バランスを補正して、応答性（過渡特性）を改善することができる。すなわち、孔部が熱バランス補正機構として機能し、孔部を連結することで双方の感熱素子に入る熱量を調整し、機器へ組み込んだ際の精度及び応答性を改善可能である。また、孔部間を切断して繋げるだけで調整可能なため、外形の変化も小さく、設置状態や取付部位の自由度が高い。

第２の発明の赤外線センサは、第１の発明において、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の配線膜に接続された一対の第１の電極パッド及び前記第２の配線膜に接続された一対の第２の電極パッドを備え、複数の前記孔部が、前記第１の電極パッドと前記第１の感熱素子との間及び前記第２の電極パッドと前記第２の感熱素子との間に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、複数の孔部が、第１の電極パッドと第１の感熱素子との間及び第２の電極パッドと第２の感熱素子との間に形成されているので、外部と接続されて熱影響の大きい電極パッドに伝わる熱を孔部間の連結によって容易に調整することができる。

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、絶縁性フィルムの第１の感熱素子及び第２の感熱素子の周囲に、複数の孔部が並んで形成されているので、孔部を連結することで熱バランスを調整し、機器へ組み込んだ際の精度及び応答性を改善可能である。したがって、ネジ等の他の部材を使用しないと共にセンサ自体の大きさや厚みを変えずに、任意の孔部間を連結するだけで熱バランスを容易にかつ低コストに調整することができる。

本発明に係る赤外線センサの一実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す底面図である。 本実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す平面図である。 本実施形態において、赤外線センサを示す正面図である。 本実施形態において、赤外線センサを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明に係る赤外線センサの実施例において、第１の感熱素子が第２の感熱素子より入熱量が少ない場合、補正前後の検出温度の変化を示すグラフである。 本発明に係る赤外線センサの実施例において、第１の感熱素子が第２の感熱素子より入熱量が多い場合、補正前後の検出温度の変化を示すグラフである。 本発明に係る赤外線センサの他の実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す底面図である。 本発明に係る赤外線センサの他の実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す平面図である。

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５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態の赤外線センサ１は、図１から図４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、底面）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の一方の面に形成され第１の感熱素子３Ａに接続された導電性金属膜である一対の第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金属膜である一対の第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６とを備えている。

上記第１の配線膜４Ａは、図１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形成されている。これらの第１の配線膜４Ａは、一対の中央に第１の感熱素子３Ａを配し、一対で外形状が赤外線反射膜６と略同じの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６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。

また、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上に形成された一対の第１の接着電極５Ａ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上に形成された一対の第１の電極パッド７Ａが接続されている。
また、一対の第２の配線膜４Ｂは、線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上に形成された一対の第２の接着電極５Ｂ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上に形成された一対の第２の電極パッド７Ｂが接続されている。

なお、上記第１の接着電極５Ａ及び第２の接着電極５Ｂには、それぞれ第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの電極パッド３ａが半田等の導電性接着剤で接着される。
また、上記第１の電極パッド７Ａ及び第２の電極パッド７Ｂは、外部の回路との接続を行うための電極である。

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６、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６、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂとされる銅箔のフロート電極が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。

また、絶縁性フィルム２の第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの周囲には、複数の孔部Ｈが並んで形成されている。
これら複数の孔部Ｈは、第１の電極パッド７Ａと第１の感熱素子３Ａとの間及び第２の電極パッド７Ｂと第２の感熱素子３Ｂとの間に形成されている。例えば、本実施形態では、第１の電極パッド７Ａと第１の感熱素子３Ａとの間及び第２の電極パッド７Ｂと第２の感熱素子３Ｂとの間に、それぞれ６つの孔部Ｈが直線状に並んで形成されている。各孔部Ｈの間隔は、カッター、ニッパー又はドリル等で容易に切断可能で、孔部Ｈを連結可能な幅に設定されている。

さらに、上記赤外線反射膜６は、図２に示すように、第２の感熱素子３Ｂの直上に略四角形状で配されており、図５に示すように、銅箔８と、該銅箔８上に積層された金メッキ膜９とで構成されている。

この赤外線反射膜６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８上に金メッキ膜９が施されて形成されている。なお、金メッキ膜９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６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。

上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、両端部に電極パッド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。なお、これら第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、各電極パッド３ａを対応する第１の接着電極５Ａ上又は第２の接着電極５Ｂ上に接合させて絶縁性フィルム２に実装されている。

このように本実施形態の赤外線センサ１は、絶縁性フィルム２の第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの周囲に、複数の孔部Ｈが並んで形成されているので、使用環境に応じて任意の孔部Ｈ間を切断し、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの熱バランスを補正して、応答性（過渡特性）を改善することができる。すなわち、孔部Ｈが熱バランス補正機構として機能し、孔部Ｈを連結することで双方の感熱素子３Ａ，３Ｂに入る熱量を調整し、機器へ組み込んだ際の精度及び応答性を改善可能である。また、孔部Ｈ間を切断して繋げるだけで調整可能なため、外形の変化も小さく、設置状態や取付部位の自由度が高い。

また、複数の孔部Ｈが、第１の電極パッド７Ａと第１の感熱素子３Ａとの間及び第２の電極パッド７Ｂと第２の感熱素子３Ｂとの間に形成されているので、外部と接続されて熱影響の大きい電極パッド７Ａ，７Ｂに伝わる熱を孔部Ｈ間の連結によって容易に調整することができる。

次に、上記実施形態の赤外線センサにより実際に熱バランスの補正を行った際の温度測定結果について、図６及び図７を参照して説明する。
＜実施例１＞
検出側温度検出器となる第１の感熱素子３Ａが参照側温度検出器となる第２の感熱素子３Ｂより入熱量が少なくなる様な周囲温度２５℃の環境に本発明の実施例である赤外線センサ１を設置して、２００℃の黒体の前にアルミの遮熱板を置いた。そして、遮熱板を置いた５秒後にその遮蔽板を取り去った時、第２の感熱素子３Ｂ両横の孔部Ｈを２ケずつ連結して補正した場合（図１中の仮想線Ｋ１で囲んだ孔部Ｈ間を切断し連結）と、当該補正無しの場合とについて温度測定を行った。その際の算出温度（両感熱素子で検出した温度及びその差分から算出した温度）を図６に示す。

この結果から、補正無しの場合では時定数１２．５秒、基準熱電対に対して算出温度が２００℃±３℃以内となるために約４７秒要したが、孔部Ｈを使用して補正を行った本発明の実施例の場合、時定数が１秒であると共に、約１０秒で算出温度が２００℃±３℃以内となり、孔部Ｈ連結による補正が有効であることが確認された。

＜実施例２＞
第１の感熱素子３Ａが第２の感熱素子３Ｂより入熱量が多くなる様な周囲温度２５℃の環境にセンサを設置して、２００℃の黒体の前にアルミの遮熱板を置いた。そして、遮熱板を置いた５秒後にその遮蔽板を取り去った時、第１の感熱素子３Ａ両横の孔部Ｈを３ケずつ連結して補正した場合（図１中の仮想線Ｋ２で囲んだ孔部Ｈ間を切断し連結）と、補正無しの場合とについて温度測定を行った。その算出温度を図７に示す。

この結果から、補正無しの場合では時定数０．７５秒と見かけ上は応答性が良く見えるが、遮熱板撤去後、算出温度は大きなオーバーシュートを生じ、遮熱板撤去後６０秒程度まで２００℃以上の算出温度となり、黒体の温度に対して不正確であった。これに対して孔部Ｈを使用して補正を行った本発明の実施例の場合、時定数が１秒であると共に、約１０秒で算出温度が２００℃±３℃以内となり、この場合でも孔部Ｈ連結による補正が有効であることが確認された。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例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。

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。

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％含有するホーケー酸ガラス膜など）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、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。
さらに、上記実施形態では、孔部が直線上に一列に並んで形成されているが、千鳥配置等の他の配列で形成しても構わない。

また、上記実施形態では、対になる電極パッドが互いに反対側に配されているが、同じ側に設置しても構わない。例えば、本発明の他の実施形態として、図８及び図９に示す赤外線センサでは、一対の第１の電極パッド２７Ａと一対の第２の電極パッド２７Ｂとが共に絶縁性フィルム２２の片側（図８中の右側）に配置されている。この赤外線センサの第１の配線膜２４Ａ及び第２の配線膜２４Ｂでは、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂ側から線状に延在した配線部分が絶縁性フィルム２２の片側にある第１の電極パッド２７Ａ及び第２の電極パッド２７Ｂまで上記実施形態よりも長く延在している。この実施形態の場合、絶縁性フィルム２２の一辺側（片側）に全ての電極パッド２７Ａ，３７Ｂが配置されているため、リード線等による外部との配線接続が容易となる。

本発明の赤外線センサは、プリンターや複合機の熱転写ローラの温度検出、ＥＶ（電気自動車）やＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）のバッテリ温度検出又はＩＨ（誘導加熱）クッキングヒータの鍋底温度の検出等に利用することができる。

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、６…赤外線反射膜、７Ａ…第１の電極パッド、７Ｂ…第２の電極パッド、８…銅箔、９…金メッキ膜、Ｈ…孔部

Claims (2)

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を備え、
   前記絶縁性フィルムの前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の周囲に、複数の孔部が並んで形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の配線膜に接続された一対の第１の電極パッド及び前記第２の配線膜に接続された一対の第２の電極パッドを備え、
   複数の前記孔部が、前記第１の電極パッドと前記第１の感熱素子との間及び前記第２の電極パッドと前記第２の感熱素子との間に形成されていることを特徴とする赤外線センサ。