JP2016138773A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象物に接触させて温度測定をする際に高い集熱性が得られ、より正確な温度測定が可能になる温度センサを提供すること。【解決手段】 絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルムの裏面であって薄膜サーミスタ部の直下に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜７とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適で応答性に優れた温度センサに関する。

一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラには、その温度を測定するために温度センサが接触状態に設置されている。このような温度センサとしては、例えば特許文献１に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられ加熱ローラに接触させる薄膜シートとを有する温度センサが提案されている。
上記特許文献１には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタの他に、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。

また、感熱膜を用いたサーミスタとして、特許文献２には、絶縁基板と、絶縁基板の一面上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上にパターン形成された一対の櫛歯電極と、櫛歯電極の端部から延びて絶縁基板上の一端に形成された一対の外部引出端子部と、絶縁膜を下地とし櫛歯電極上にパターン形成された金属酸化物からなる感熱膜と、感熱膜を保護する絶縁保護膜と、一対の外部引出端子部を除く絶縁保護膜を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタが記載されている。

また、近年、柔軟性に優れると共に全体を薄くすることができるフィルム型温度センサとして、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成した温度センサが開発されている。例えば、特許文献３には、絶縁性フィルムと、絶縁性フィルム表面に薄膜サーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備えた温度センサが提案されている。

特開２０００−７４７５２号公報 特開２００７−１１５９３８号公報 特開２０１３−２０５３１７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３に記載の技術では、薄く柔軟性が高い利点があるが、絶縁性フィルムを測定対象物に接触させて温度測定を行う場合、ポリイミドフィルム等の樹脂フィルムでは集熱性が比較的低く、絶縁性フィルム上に形成した薄膜サーミスタ部に熱が伝わり難い場合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象物に接触させて温度測定をする際に高い集熱性が得られ、より正確な温度測定が可能になる温度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の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記薄膜サーミスタ部の直下に前記絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜とを備えていることを特徴とする。

この温度センサでは、絶縁性フィルムの裏面であって薄膜サーミスタ部の直下に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜を備えているので、集熱膜を測定対象物に接触させることで、絶縁性フィルムを測定対象物に直接接触させる場合に比べて高い集熱性を得ることができ、より正確な温度測定が可能になる。
なお、絶縁性フィルムの裏面全体を金属膜で覆う場合や金属基板を貼り付ける場合では、測定対象物から伝わった熱が絶縁性フィルムの裏面全体に逃げてしまい温度測定の精度や応答性が低くなるが、本発明では、集熱膜が絶縁性フィルムの裏面に部分的又は局所的にパターン形成されることで、熱の逃げを抑制し、対向する薄膜サーミスタ部に積極的に伝熱することができ、高い温度測定の精度や応答性を得ることができる。特に、本発明では、集熱膜を接触面とすることで、小さい測定対象物や測定箇所等、ピンポイントで温度測定を行う必要がある場合に好適である。
また、集熱膜が部分的または局所的であると共に金属板よりも薄く柔軟性を有するため、絶縁性フィルムの柔軟性を損なうことがない。したがって、測定対象物の曲面などに沿って集熱膜を接触させることもでき、多様な形状の測定対象物に対して効率的に集熱を図ることが可能になる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記集熱膜が、金属膜であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、集熱膜が金属膜であるので、ポリイミド等の絶縁性フィルムに比べて高い熱伝導率によって高い集熱効果が得られる。

第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記集熱膜が、少なくとも表面にＣｕ薄膜を有していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、集熱膜が少なくとも表面にＣｕ薄膜を有しているので、高い熱伝導性を有するＣｕ薄膜によって、より正確な温度測定が可能になる。

第４の発明に係る温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記集熱膜の外形状が、前記薄膜サーミスタ部の外形状以上かつ前記一対の櫛型電極の外形状以下に設定されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、集熱膜の外形状が、薄膜サーミスタ部の外形状以上かつ一対の櫛型電極の外形状以下に設定されているので、集熱膜で集熱された熱を対向する薄膜サーミスタ部全体に伝えることができると共に、集熱膜が一対の櫛型電極の外形状を超えた大きさでないことにより、必要以上に熱が広がって逃げることがなく、効率的に集熱することが可能になる。なお、薄膜サーミスタ部の外側で絶縁性フィルムの表面に直接形成された櫛型電極の部分にも、対向した集熱膜から熱が伝わり、この熱が櫛型電極を介して薄膜サーミスタ部にも伝わることで、高い集熱性が得られる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、絶縁性フィルムの裏面であって薄膜サーミスタ部の直下に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜を備えているので、集熱膜を測定対象物に接触させることで、高い集熱性を得ることができ、より正確な温度測定が可能になる。
したがって、本発明の温度センサによれば、絶縁性フィルムと薄い集熱膜とによってフレキシブルな面接触が可能であると共に、高い集熱性によってピンポイントで正確な温度測定ができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。

本発明に係る温度センサの一実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ線断面図及び裏面図である。 本実施形態において、薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態において、電極形成工程を示す平面図及びＣ−Ｃ線断面図である。

以下、本発明に係る温度センサにおける一実施形態を、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図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極４に接続され絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４を覆う絶縁性の保護膜６と、絶縁性フィルム２の裏面であって薄膜サーミスタ部３の直下に絶縁性フィルム２よりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜７とを備えている。

上記集熱膜７は、金属膜であり、好ましくは、少なくとも表面にＣｕ薄膜を有している。すなわち、本実施形態では、集熱膜７が、絶縁性フィルム２に直接成膜されたＣｒ薄膜と、その上に成膜されたＣｕ薄膜との積層構造を有している。
また、集熱膜７の外形状は、薄膜サーミスタ部３の外形状以上かつ一対の櫛型電極４の外形状以下に設定されている。本実施形態では、集熱膜７が薄膜サーミスタ部３と平面視で中心を同じくして正方形状にパターン形成されているが、その大きさは一対の櫛型電極４の外形状と同じに設定されている。

なお、絶縁性フィルム２の表面に、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆う絶縁性の保護シートを接着しても構わない。
また、一対のリードフレームを、絶縁性フィルム２の表面に導電性樹脂接着剤等の接着剤により接着すると共に一対のパターン電極５に接続させてもよい。

上記絶縁性フィルム２は、略長方形状とされ、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、加熱ローラの温度測定用としては、最高使用温度が２３０℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。

上記薄膜サーミスタ部３は、絶縁性フィルム２の一端側に配され、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記パターン電極５及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。
一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。

なお、櫛部４ａは、絶縁性フィルム２の延在方向に沿って延在している。すなわち、絶縁性フィルム２の裏面側の集熱膜７が、回転する加熱ローラに押し当てされて温度測定を行う場合、絶縁性フィルム２の延在方向に曲率を有して湾曲させられるため、薄膜サーミスタ部３にも同方向に曲げ応力が加わる。このとき、櫛部４ａが同方向に延在しているため、薄膜サーミスタ部３を補強することになり、クラックの発生を抑制することができる。

一対のパターン電極５は、櫛型電極４に先端部側が接続され、基端部側が絶縁性フィルム２の両側部に配されている。
上記保護膜６は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。

この温度センサ１の製造方法について、図１から図３を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２の表面に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２の表面に一対のパターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２の裏面に集熱膜７を形成する集熱膜形成工程と、絶縁性フィルム２の表面に保護膜６を形成する保護膜形成工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。

成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図２に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部３にする。

次に、薄膜サーミスタ部３及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図２に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極４及びパターン電極５を形成する。

次に、絶縁性フィルム２の裏面にスパッタ法にてＣｒ膜を膜厚２０ｎｍ形成し、続いてスパッタ法にてＣｕ膜を膜厚５０ｎｍ形成する。さらに、成膜したＣｕ膜上にレジスト液を塗布し、プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去してパターニングを行う。その後、不要な部分を市販のＣｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図１に示すように、レジスト剥離にて所望の集熱膜７を形成する。

さらに、絶縁性フィルム２の表面にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、１８０℃、３０分でキュアを行い、図１に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜６を形成することで、温度センサ１が作製される。

なお、この後、保護シートとして接着剤付きのポリイミドフィルムを絶縁性フィルム２の表面に貼り付けても構わない。
また、複数の温度センサ１を同時に作製する場合、絶縁性フィルム２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４、パターン電極５、焦熱膜７及び保護膜６を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ１に切断する。

このように本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム２の裏面であって薄膜サーミスタ部３の直下に絶縁性フィルム２よりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜７を備えているので、集熱膜７を測定対象物に接触させることで、絶縁性フィルム２を測定対象物に直接接触させる場合に比べて高い集熱性を得ることができ、より正確な温度測定が可能になる。

本実施形態では、集熱膜７が絶縁性フィルム２の裏面に部分的又は局所的にパターン形成されることで、熱の逃げを抑制し、対向する薄膜サーミスタ部３に積極的に伝熱することができ、高い温度測定の精度や応答性を得ることができる。特に、本実施形態では、集熱膜７を接触面とすることで、小さい測定対象物や測定箇所等、ピンポイントで温度測定を行う必要がある場合に好適である。

また、集熱膜７が部分的または局所的であると共に金属板よりも薄く柔軟性を有するため、絶縁性フィルム２の柔軟性を損なうことがない。したがって、加熱ローラ等の測定対象物の曲面などに沿って集熱膜７を接触させることもでき、多様な形状の測定対象物に対して効率的に集熱を図ることが可能になる。

さらに、集熱膜７が金属膜であるので、ポリイミド等の樹脂フィルム２に比べて高い熱伝導率によって高い集熱効果を得ることができる。特に、集熱膜７が少なくとも表面にＣｕ薄膜を有することで、高い熱伝導性を有するＣｕ薄膜によって、より正確な温度測定が可能になる。
また、集熱膜７の外形状が、薄膜サーミスタ部３の外形状以上かつ一対の櫛型電極４の外形状以下に設定されているので、集熱膜７で集熱された熱を対向する薄膜サーミスタ部３全体に伝えることができると共に、集熱膜７が一対の櫛型電極４の外形状を超えた大きさでないことにより、必要以上に熱が広がって逃げることがなく、効率的に集熱することが可能になる。なお、薄膜サーミスタ部３の外側で絶縁性フィルム２の表面に直接形成された櫛型電極４の部分にも、対向した集熱膜７から熱が伝わり、この熱が櫛型電極４を介して薄膜サーミスタ部３にも伝わることで、高い集熱性が得られる。

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。

１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パターン電極、６…保護膜、７…集熱膜

Claims (4)

1. 絶縁性フィルムと、
   該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
   前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
   前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、
   前記絶縁性フィルムの裏面であって前記薄膜サーミスタ部の直下に前記絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜とを備えていることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記集熱膜が、金属膜であることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記集熱膜が、少なくとも表面にＣｕ薄膜を有していることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
   前記集熱膜の外形状が、前記薄膜サーミスタ部の外形状以上かつ前記一対の櫛型電極の外形状以下に設定されていることを特徴とする温度センサ。

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