JP2016148542A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な曲面形状や微細な凹凸を有する表面の物体でも、高い接触圧で押し付けることができ、正確な表面温度を計測可能な温度センサを提供すること。【解決手段】 支持体３と、支持体上に取り付けられたセンサ部４とを備え、センサ部が、絶縁性フィルム５と、絶縁性フィルムの上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６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、一端が一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、支持体が、凸状に形成された弾性体であり、センサ部が、支持体の頂部に薄膜サーミスタ部を配して貼り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、平坦でない物体表面の温度を計測することに好適な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等には、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及び２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。

このような温度センサは、加熱ローラの表面にリードフレームの弾性力を利用して接触され、温度検知するものである。
なお、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が採用されていると共に、特許文献２には、感熱素子として、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。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。

これら温度センサは、ビードサーミスタ、チップサーミスタ又は絶縁基板上に感熱膜を形成した薄膜サーミスタを採用しているために柔軟性を有していないが、近年、高い柔軟性を有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、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタ部を形成し、絶縁性フィルムを略Ｕ字状に曲げた状態で薄膜サーミスタ部を先端部に配し、この先端部を加熱ローラに押し付けることで温度測定を行う温度センサが記載されている。

特公平６−２９７９３号公報 特開２０００−７４７５２号公報 特開２０１４−１４９１５３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、リードフレームの弾性力を利用して平坦でない物体表面にセンサ部分を押し付けて温度を計測する特許文献１又は２に記載の技術では、平板状又は棒状のリードフレームの弾性力で押し付けているため、多様な曲面形状や微細な凹凸を有する表面の物体に押し当てた際に、物体表面形状に追従してセンサ部を接触させることが難しいという不都合があった。特に、センサ部として、ビードサーミスタ、チップサーミスタ又は基板上に感熱膜を形成した薄膜サーミスタを採用した場合は、センサ部自体に可撓性がほとんどなく、物体表面に押し当てた際に物体表面に追従した完全な面接触が得られず、隙間が生じてしまうことで、物体表面の温度を正確に計測することが困難であった。
一方、特許文献３に記載の技術では、絶縁性フィルムに薄膜サーミスタ部を形成してセンサ部自体に柔軟性を持たせていることで、物体の表面形状に応じて変形し、良好な面接触が得られるものの、絶縁性フィルムの剛性が小さいために、物体表面への押し付けが弱くなってしまうおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、多様な曲面形状や微細な凹凸を有する表面の物体でも、高い接触圧で押し付けることができ、正確な表面温度を計測可能な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、支持体と、前記支持体上に取り付けられたセンサ部とを備え、前記センサ部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上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、一端が前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記支持体が、凸状に形成された弾性体であり、前記センサ部が、前記支持体の頂部に前記薄膜サーミスタ部を配して前記支持体上に貼り付けられていることを特徴とする。

この温度センサでは、支持体が、凸状に形成された弾性体であり、センサ部が、支持体の頂部に薄膜サーミスタ部を配して支持体上に貼り付けられているので、薄膜サーミスタ部が配された頂部を測定対象の物体表面に押し付けた際に、物体表面の形状に追従して凸状弾性体である支持体とフレキシブルなセンサ部とが撓んで隙間なく完全に面接触すると共に、支持体で支持されたセンサ部を高い接触圧で押し付けることができ、正確な温度測定が可能になる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記支持体が、略半球状の弾性部材であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、支持体が、略半球状の弾性部材であるので、測定対象に押し付けた際に高い弾性強度と可撓性とを有することができる。

第３の発明に係る温度センサは、第１の発明において、基板を備え、前記支持体が、両端部が前記基板上に固定されていると共に中央部が前記基板から離間して凸状に設けられた帯状の板バネであり、前記基板が、前記支持体の幅と略同じ幅で延在した長板状に形成され、前記絶縁性フィルムが、前記支持体に沿った帯状に形成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、支持体が、両端部が基板上に固定されていると共に中央部が基板から離間して凸状に設けられた帯状の板バネであるので、測定対象の物体表面に押し当てた際に可撓性を有したセンサ部と共に支持体も弾性を有して物体表面の形状に沿って撓むことができる。
また、支持体の中央部と基板との間が空いており、全体として軽量に構成することが可能である。さらに、基板が、支持体の幅と略同じ幅で延在した長板状に形成され、絶縁性フィルムが、支持体に沿った帯状に形成されているので、全体として細い形状となって狭い箇所にも設置可能になる。

第４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、前記支持体が、ゴム材であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサは、支持体がゴム材であるので、高い弾性力を得ることができる。

第５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、前記支持体が、ジェル材が封入された袋体であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサは、支持体が、ジェル材が封入された袋体であるので、高い可撓性が得られ、より複雑な表面形状にも追従して面接触させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、支持体が、凸状に形成された弾性体であり、センサ部が、支持体の頂部に薄膜サーミスタ部を配して支持体上に貼り付けられているので、物体表面の形状に追従して凸状弾性体である支持体とフレキシブルなセンサ部とが撓んで隙間なく完全に面接触すると共に、高い接触圧で押し付けることができ、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は、平坦でない物体表面、特に多様な曲面形状や微細な凹凸を表面に有する物体の温度測定に好適である。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す斜視図である。 第１実施形態において、温度センサを示す断面図である。 第１実施形態において、センサ部を示す斜視図である。 本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す斜視図である。 第２実施形態において、温度センサを示す断面図である。

以下、本発明に係る温度センサの第１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から図３に示すように、基板２と、基板２上に設けられた支持体３と、支持体３上に取り付けられたセンサ部４とを備えている。
上記センサ部４は、図３に示すように、絶縁性フィルム５と、絶縁性フィルム５の上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６と、薄膜サーミスタ部６の上に複数の櫛部７ａ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７と、一端が一対の櫛型電極７に接続され絶縁性フィルム５の上面にパターン形成された一対のパターン電極８とを備えている。なお、一対のパターン電極８の他端には一対のリード線９が接続されている。

上記支持体３は、凸状に形成された弾性体であり、センサ部４は、支持体３の頂部に薄膜サーミスタ部６を配して支持体３上に貼り付けられている。
支持体３は、略半球状の弾性部材であり、弾性部材はゴム材で形成されている。例えば、支持体３は、シリコーンゴムで形成されている。なお、支持体３としては、ジェル材が封入された袋体を採用しても構わない。
上記基板２は、例えば絶縁性基板や金属板であり、他の回路等を形成したプリント基板等でも構わない。

上記絶縁性フィルム５は、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。
上記一対のパターン電極８は、例えばＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との積層金属膜でパターン形成され、互いに対向状態に配した櫛形パターンの櫛形電極部分（櫛部７ａ）を有している。これらパターン電極８の櫛形電極部分は、帯状の絶縁性フィルム５の延在方向に沿って延在するように配置されている。また、一対のパターン電極８の基端部上には、リード線９の引き出し部としてめっき部８ａが形成されている。さらに、このめっき部８ａにリード線９の一端が半田材で接合されている。

上記薄膜サーミスタ部６は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍのＴｉＡｌＮ等の窒化物からなる薄膜サーミスタ材料で、矩形状に絶縁性フィルム５にパターン形成されている。
特に、本実施形態の薄膜サーミスタ部６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。

また、本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム５の上面に薄膜サーミスタ部６を覆う保護膜１０と、絶縁性フィルム５の表面に接着された絶縁性の保護シート１１とを備えている。
上記保護膜１０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。この保護膜１０は、薄膜サーミスタ部６と共に櫛部７ａを覆って矩形状にパターン形成されている。
上記保護シート１１は、ポリイミドフィルムやテフロン（登録商標）フィルム等であり、リード線９の接続部分を除いてセンサ部４を覆って絶縁性フィルム５表面に接着剤で接着されている。

上記センサ部４は、薄膜サーミスタ部６が表側になるように絶縁性フィルム５の裏面を接着剤等によって支持体３の表面に貼り付けられる。なお、薄膜サーミスタ部６を支持体３側に向けてセンサ部４を接着しても構わないが、薄膜サーミスタ部６を表面側に配した方が高い応答性が得られる。すなわち、測定対象の物体表面に支持体３の頂部を押し付けるため、頂部に配した薄膜サーミスタ部６が表側にあることで、薄膜サーミスタ部６への伝熱が早く高い応答性が得られる。

なお、上記実施形態では、一対のパターン電極８の基端部に一対のリード線９が接続されているが、絶縁性フィルム５の端部を基板２の裏面側に折り曲げて接着剤等で固定し、一対のパターン電極８の基端部を基板２の裏面側に配しても構わない。この場合、リード線９で接続しなくても、回路基板等に直接表面実装してパターン電極８の基端部と回路との接続を行うことが可能になる。

このように本実施形態の温度センサ１では、支持体３が、凸状に形成された弾性体であり、センサ部４が、支持体３の頂部に薄膜サーミスタ部６を配して支持体３上に貼り付けられているので、薄膜サーミスタ部６が配された頂部を測定対象の物体表面に押し付けた際に、物体表面の形状に追従して凸状弾性体である支持体３とフレキシブルなセンサ部４とが撓んで隙間なく完全に面接触すると共に、支持体３で支持されたセンサ部４を高い接触圧で押し付けることができ、正確な温度測定が可能になる。

また、支持体３が、略半球状の弾性部材であるので、測定対象に押し付けた際に高い弾性強度と可撓性とを有することができる。特に、支持体３をゴム材で形成することで、高い弾性力を得ることができる。また、支持体３をジェル材が封入された袋体とすることで、高い可撓性が得られ、より複雑な表面形状にも追従して面接触させることができる。

次に、本発明に係る温度センサの第２実施形態について、図４及び図５を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、支持体３が略半球状の弾性部材であるのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図４及び図５に示すように、支持体２３が、両端部が基板２２上に固定されていると共に中央部が基板２２から離間して凸状に設けられた帯状の板バネである点である。

すなわち、第２実施形態では、支持体２３が、基板２２上に中央部を浮かせた状態でブリッジ状にして両端部を固定させた板バネである。この支持体２３は、例えば薄い金属板や絶縁性フィルム５よりも高い剛性を有したフィルム等で形成されている。
第２実施形態では、基板２２が、支持体２３の幅と略同じ幅で延在した長板状に形成され、絶縁性フィルム５が、板バネ支持体２３に沿った帯状に形成されている。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、支持体２３が、両端部が基板２２上に固定されていると共に中央部が基板２２から離間して凸状に設けられた帯状の板バネであるので、測定対象の物体表面に押し当てた際に可撓性を有したセンサ部４と共に板バネの支持体２３も弾性を有して物体表面の形状に沿って撓むことができる。
また、支持体２３の中央部と基板２２との間が空いており、全体として軽量に構成することが可能である。さらに、基板２２が、支持体２３の幅と略同じ幅で延在した長板状に形成され、絶縁性フィルム５が、支持体２３に沿った帯状に形成されているので、全体として細い形状となって狭い箇所にも設置可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記各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。

１，２１…温度センサ、２，２２…基板、３，２３…支持体、４…センサ部、５…絶縁性フィルム、６…薄膜サーミスタ部、７…櫛型電極、８…パターン電極、７ａ…櫛部

Claims (5)

1. 支持体と、
   前記支持体上に取り付けられたセンサ部とを備え、
   前記センサ部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上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、一端が前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
   前記支持体が、凸状に形成された弾性体であり、
   前記センサ部が、前記支持体の頂部に前記薄膜サーミスタ部を配して前記支持体上に貼り付けられ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、
   前記支持体が、略半球状の弾性部材であることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   基板を備え、
   前記支持体が、両端部が前記基板上に固定されていると共に中央部が前記基板から離間して凸状に設けられた帯状の板バネであり、
   前記基板が、前記支持体の幅と略同じ幅で延在した長板状に形成され、
   前記絶縁性フィルムが、前記支持体に沿った帯状に形成されていることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記支持体が、ゴム材であることを特徴とする温度センサ。
5. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記支持体が、ジェル材が封入された袋体であることを特徴とする温度センサ。

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