JP2017134024A

JP2017134024A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2017134024A
Application number: JP2016016161A
Authority: JP
Inventors: 学司魚住; Satoshi Uozumi; 長友　憲昭; Kensho Nagatomo; 憲昭長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US20190078942A1; US10488272B2; CN108351260A; WO2017130913A1; EP3410087A1; EP3410087A4

Abstract

【課題】耐湿性及び応答性に優れた温度センサを提供すること。
【解決手段】絶縁性基材２と、絶縁性基材の一方の面にサーミスタ材料で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及び下の少なくとも一方に互いに対向して形成された一対の対向電極４からなる対向電極対５とを備え、対向電極対が複数設けられ、互いに直列接続されている。これにより、一つの対向電極対で構成される単位サーミスタへの印加電圧が１／ｎ倍となり、耐湿負荷による電極腐食を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載機器や複写機等の定着ローラの温度を測定することに好適で耐湿性及び応答性に優れた温度センサに関する。

一般に、車載機器や複写機等の画像形成装置に使用されている定着ローラ（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、ガラス封止サーミスタ素子を薄板上ガラス板上に載置して、これを上下から絶縁シートで挟み込んだ定着器用温度センサが提案されている。
この定着器用温度センサでは、絶縁シートしてポリイミド樹脂やフッ素樹脂を採用している。

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２には、一対のリードフレームと、一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、一対のリードフレームに固定されてリードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備えた温度センサが提案されている。

この温度センサは、センサ部が、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、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、一対のリードフレームが、絶縁性フィルムの表面に薄膜サーミスタ部を間に配して延在して接着されていると共に一対のパターン電極に接続されている。

特開２０１０−２７７０５４号公報特開２０１４−５２２２８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
車載機器の温度測定をする場合および、定着ローラ等に温度センサを押し当てて温度測定する場合、高温多湿な外部環境に曝されることで生じる特性変化（電気特性等の変化）を防止するために、従来では、感熱素子側の表面をポリイミド樹脂やフッ素樹脂等の絶縁シートで覆っている。しかしながら、十分な耐湿性を確保するために厚い絶縁シートを採用しなければならず、熱容量が増大してしまうことで、定着ローラから感熱素子への熱伝導率が低下して応答性が犠牲になる不都合があった。すなわち、絶縁シートを構成するポリイミド樹脂やフッ素樹脂等の有機系ポリマーは、水蒸気透過係数が十分に小さくないため、高温多湿な外部環境で長期間の使用に耐えるように、絶縁シートとして少なくとも数十μｍの厚みを必要としていた。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、耐湿性及び応答性に優れた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、絶縁性基材と、前記絶縁性基材の一方の面にサーミスタ材料で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互いに対向して形成された一対の対向電極からなる対向電極対とを備え、前記対向電極対が複数設けられ、互いに直列接続されていることを特徴とする。

本発明の温度センサでは、対向電極対が複数設けられ、互いに直列接続されているので、例えばｎ個の対向電極対を直列接続すると、一つの対向電極対で構成される単位サーミスタへの印加電圧が１／ｎ倍となり、耐湿負荷による電極腐食を抑制することができる。したがって、高温多湿環境下で長時間使用してもサーミスタ特性の劣化を抑制できると共に、絶縁シート等を必要以上に厚くする必要が無くなるため、熱容量を増大させずに、温度検知応答速度の低下を抑制することができる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであり、前記薄膜サーミスタ部が互いに間隔を空けて複数設けられ、前記薄膜サーミスタ部毎に前記対向電極対が設けら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、絶縁性基材が、絶縁性フィルムであり、薄膜サーミスタ部が互いに間隔を空けて複数設けられ、薄膜サーミスタ部毎に対向電極対が設けられているので、絶縁性フィルムにおいて隣接する薄膜サーミスタ部間の薄膜サーミスタ部が無い部分で曲げることで、曲げによる薄膜サーミスタ部への影響を抑制でき、高い曲げ性を有する柔軟なフィルム型センサを得ることができる。

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、前記対向電極が、複数の櫛部と、前記複数の櫛部の基端が接続された連結部とを有し、隣接した前記対向電極対同士が、共有する同じ一つの前記連結部で接続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、隣接した対向電極対同士が、共有する同じ一つの連結部で接続されているので、接続配線部を設けて隣接した対向電極対同士を直列接続する必要が無く、全体を小型化することが可能になる。

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、対向電極対が複数設けられ、互いに直列接続されているので、一つの対向電極対で構成される単位サーミスタへの印加電圧が低減され、耐湿負荷による電極腐食を抑制することができると共に、薄い絶縁シートも採用可能になり、温度検知応答速度の低下を抑制することができる。
したがって、本発明の温度センサによれば、高い耐湿性や応答性が求められる車載機器や複写機等の定着ローラの温度測定用センサとして好適である。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す平面図である。本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す平面図である。本発明に係る温度センサの第３実施形態を示す平面図である。本発明に係る温度センサの第４実施形態を示す平面図である。

以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１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、絶縁性基材２と、絶縁性基材２の一方の面（表面）にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に互いに対向して形成された一対の対向電極４からなる対向電極対５とを備えている。
上記対向電極対５は、複数設けられ、互いに直列接続されている。
なお、本発明では、絶縁性基材２の一方の面側を、表面側又は上面側として記載している。

上記絶縁性基材２は、長方形状の絶縁性フィルムである。
上記薄膜サーミスタ部３は互いに間隔を空けて複数設けられ、薄膜サーミスタ部３毎に対向電極対５が設けられている。
本実施形態では、３つの略正方形状の薄膜サーミスタ部３が互いに間隔を空けて絶縁性基材２の延在方向に並んで直列接続されている。

すなわち、本実施形態では、３つの対向電極対５が絶縁性基材２の延在方向に並んで直列接続されている。したがって、一つの対向電極対５とその下の薄膜サーミスタ部３とで単位サーミスタ６が構成され、本実施形態では３つの単位サーミスタ６が並んで直列接続されている。
上記対向電極４は、複数の櫛部４ａと、複数の櫛部４ａの基端が接続された連結部４ｂとを有している。対向電極４は、櫛型状にパターン形成されている。
また、隣接する対向電極対５は、対向する互いの連結部４ｂの間に架け渡されて形成された接続配線部５ｂにより接続されている。

上記直列接続された複数の対向電極対５の両端には、外部接続のための接続端子部５ａが設けられている。
なお、接続端子部５ａを除いた対向電極対５，薄膜サーミスタ部３を覆う絶縁性の保護膜を絶縁性基材２上に形成しても構わない。この保護膜は、絶縁性樹脂膜等であり、例えばポリイミド膜が採用可能である。

上記絶縁性基材２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。なお、絶縁性基材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、定着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、例えば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。
なお、薄膜サーミスタ部３は、図１においてハッチングを施して図示している。
上記対向電極対５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形成された電極層とを有している。

このように本実施形態の温度センサ１では、対向電極対５が複数設けられ、互いに直列接続されているので、例えばｎ個の対向電極対５を直列接続すると、一つの対向電極対５で構成される単位サーミスタ６への印加電圧が１／ｎ倍となり、耐湿負荷による電極腐食を抑制することができる。したがって、高温多湿環境下で長時間使用してもサーミスタ特性の劣化を抑制できると共に、絶縁シート等を必要以上に厚くする必要が無くなるため、熱容量を増大させずに、温度検知応答速度の低下を抑制することができる。

また、絶縁性基材２が、絶縁性フィルムであり、薄膜サーミスタ部３が互いに間隔を空けて複数設けられ、薄膜サーミスタ部３毎に対向電極対５が設けられているので、絶縁性フィルムにおいて隣接する薄膜サーミスタ部３間の薄膜サーミスタ部３が無い部分で曲げることで、曲げによる薄膜サーミスタ部３への影響を抑制でき、高い曲げ性を有する柔軟なフィルム型センサを得ることができる。

次に、本発明に係る温度センサの第２〜第４実施形態について、図２〜図４を参照して以下に説明する。なお、以下の各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、３つの対向電極対５が長方形状の絶縁性基材２の長辺方向に並んで直列接続されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図２に示すように、３つの対向電極対２５が長方形状の絶縁性基材２２の短辺方向に並んで直列接続されている点である。
すなわち、第２実施形態では、絶縁性基材２２が第１実施形態よりも短辺が長い長方形状とされ、連結部４ｂが絶縁性基材２２の長辺方向に沿って形成されている。

なお、第２実施形態では、第１実施形態に比べて対向電極２４における櫛部４ａの本数が多いと共に櫛部４ａが短くなっている。
また、各薄膜サーミスタ部２３は、絶縁性基材２２の長辺に沿った長方形状とされ、絶縁性基材２２の短辺方向に並んでいる。
このように第２実施形態では、第１実施形態と同様に、複数の対向電極対２５が互いに直列接続されているので、単位サーミスタ２６への印加電圧が低減されて耐湿負荷による電極腐食を抑制することができる。

次に、第３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、隣接する対向電極対５が接続配線部５ｂで互いに接続されているのに対し、第３実施形態の温度センサ３１では、図３に示すように、隣接した対向電極対３５同士が、共有する同じ一つの連結部３４ｂで接続されている点である。
すなわち、第３実施形態では、接続配線部５ｂが無く、隣接する対向電極対３５の連結部３４ｂが共通しており、その連結部３４ｂの両側にそれぞれ複数の櫛部４ａが延在している。

また、第１実施形態では、３つの略正方形状の薄膜サーミスタ部３が並んで形成され各薄膜サーミスタ部上に１つの対向電極対５が形成されているのに対し、第３実施形態では、１つの長方形状の薄膜サーミスタ部３３に３つの対向電極対３５が形成されている点でも異なっている。すなわち、１つの薄膜サーミスタ部３３上に３つの単位サーミスタ３６が直列接続されて設けられている。

このように第３実施形態では、隣接した対向電極対３５同士が、共有する同じ一つの連結部３４ｂで接続されているので、接続配線部５ｂを設けて隣接した対向電極対３５同士を直列接続する必要が無く、全体を小型化することが可能になる。特に、対向電極対３５が直列接続される方向において短縮化することが可能になる。また、接続配線部５ｂが無いことにより、各櫛部４ａをより長く設定することも可能になる。

次に、第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、１つの長方形状の薄膜サーミスタ部３３上に３つの対向電極対３５が形成されているのに対し、第４実施形態の温度センサ４１では、図４に示すように、第１実施形態と同様に、３つの略正方形状の薄膜サーミスタ部３が並んで形成され、各薄膜サーミスタ部３上に１つの対向電極対３５が形成されている点である。

したがって、第４実施形態では、隣接する薄膜サーミスタ部３間において隣接する対向電極対３５が共通の連結部４４ｂで接続されている。このため、隣接する薄膜サーミスタ部３の隙間を埋めるように連結部４４ｂが、第３実施形態よりも幅広に設定されている。
このように第４実施形態では、第１実施形態と同様に、薄膜サーミスタ部３が互いに間隔を空けて複数設けられ、薄膜サーミスタ部３毎に対向電極対３５が設けられているので、曲げによる薄膜サーミスタ部３への影響を抑制でき、高い曲げ性を有する柔軟なフィルム型センサを得ることができる。

上記第１実施形態において２つの単位サーミスタ（２つの対向電極対）を直列接続した実施例１を用いて、２Ｖ印加で８５℃、ＲＨ８５％の高温高湿負荷試験を５００時間及び１０００時間行い、電極抵抗値（Ｒ２５）について評価した。なお、比較例１として、１つの単位サーミスタだけ（１つの対向電極対だけ）のものも同様に評価した。
これら評価の結果、比較例では、５００時間で電極が腐食し、１０００時間では電極抵抗値（Ｒ２５）が９〜２７％増加したのに対し、本発明の実施例１では、１０００時間印加しても電極抵抗値（Ｒ２５）はほとんど増加しなかった。

また、上記第１実施形態において５つの単位サーミスタ（５つの対向電極対）を直列接続した実施例２を用いて、２．５Ｖ印加で上記高温高湿負荷試験を行った。なお、比較例１についても、２．５Ｖ印加で同様に評価した。
これら評価の結果、比較例では、５００時間で電極が腐食し、１０００時間では電極抵抗値（Ｒ２５）が２７〜４５％増加したのに対し、本発明の実施例１では、１０００時間印加しても電極抵抗値（Ｒ２５）はほとんど増加しなかった。

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。
例えば、上記各実施形態では、薄膜サーミスタ部の上に一対の対向電極を形成しているが、薄膜サーミスタ部の下、すなわち絶縁性フィルムの一方の面上に一対の対向電極を形成し、その上に薄膜サーミスタ部を形成しても構わない。

１，２１，３１，４１…温度センサ、２…絶縁性基材、３，３３…薄膜サーミスタ部、４，２４，３４…対向電極、４ａ…櫛部、４ｂ，４４ｂ…連結部、５，２５，３５…対向電極対

Claims

絶縁性基材と、
前記絶縁性基材の一方の面にサーミスタ材料で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互いに対向して形成された一対の対向電極からなる対向電極対とを備え、
前記対向電極対が複数設けられ、互いに直列接続されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであり、
前記薄膜サーミスタ部が互いに間隔を空けて複数設けられ、前記薄膜サーミスタ部毎に前記対向電極対が設けられていることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記対向電極が、複数の櫛部と、前記複数の櫛部の基端が接続された連結部とを有し、
隣接した前記対向電極対同士が、共有する同じ一つの前記連結部で接続されていることを特徴とする温度センサ。