JP2018159559A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 より高い熱伝導性により集熱を図り、さらに熱応答性を向上させることができ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、絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂと、第１の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第１の対向電極４Ａと、第２の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第２の対向電極４Ｂと、絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第１のパターン配線５Ａ及び一対の第２のパターン配線５Ｂと、絶縁性フィルムの他方の面に形成された赤外線反射膜と、絶縁性フィルムの一方の面に形成され第１の薄膜サーミスタ部の周囲に拡がっている伝熱膜７とを備え、伝熱膜が、第１の薄膜サーミスタ部の周囲から第１の薄膜サーミスタ部の直下又は直上まで拡がっている。【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赤外線センサに関する。

一般に、複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用されている定着ローラ等の測定対象物の温度を測定するために、測定対象物に対向配置させ、その輻射熱を受けて温度を測定する赤外線センサが設置されている。
このような赤外線センサとしては、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絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成したフィルム型赤外線センサが開発されている。

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記載されている。

特開２０１３−１６０６３５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、上記従来の赤外線センサの場合、第１の感熱素子の周囲まで配されて広い面積とされた第１の配線膜で集熱された熱が第１の感熱素子に伝わることで、高精度な検出が可能になっているが、より高い熱伝導性により第１の感熱素子に集熱して、さらに高い熱応答性を実現することが要望されている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高い熱伝導性により集熱を図り、さらに熱応答性を向上させることができ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の発明に係る赤外線センサは、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の薄膜サーミスタ部及び第２の薄膜サーミスタ部と、前記第１の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第１の対向電極と、前記第２の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第２の対向電極と、一対の前記第１の対向電極に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された一対の第１のパターン配線と、一対の前記第２の対向電極に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された一対の第２のパターン配線と、前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の薄膜サーミスタ部に対向した受光領域と、前記絶縁性フィルムの他方の面に形成され前記受光領域を避けて少なくとも前記第２の薄膜サーミスタ部の直上を覆う赤外線反射膜と、前記絶縁性フィルムの一方の面に前記絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い導電性材料で形成され前記第１の薄膜サーミスタ部の周囲に拡がっている伝熱膜とを備え、前記伝熱膜が、前記第１の薄膜サーミスタ部の周囲から前記第１の薄膜サーミスタ部の直下又は直上まで拡がっていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、伝熱膜が、第１の薄膜サーミスタ部の周囲から第１の薄膜サーミスタ部の直下又は直上まで拡がっているので、第１の薄膜サーミスタ部と伝熱膜とが上下で重なり、面同士で熱伝導が行われることで高い熱伝導性が得られ、高い熱応答性を得ることができる。

第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、前記伝熱膜が、一対形成され、少なくとも前記第１の薄膜サーミスタ部と前記伝熱膜との間に中間絶縁膜が形成され、一対の前記伝熱膜が、一対の前記第１の対向電極に接続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、一対の伝熱膜が、一対の第１の対向電極に接続されているので、伝熱膜の熱が第１の対向電極にも伝わり、第１の薄膜サーミスタ部上の第１の対向電極からも第１の薄膜サーミスタ部に熱を伝えることができる。したがって、第１の薄膜サーミスタ部は、伝熱膜で集熱された熱を上下から受けることができる。なお、第１の薄膜サーミスタ部と伝熱膜との間に中間絶縁膜が形成されているので、第１の薄膜サーミスタ部の抵抗値は第１の薄膜サーミスタ部上の一対の第１の対向電極間で測定される。

第３の発明に係る赤外線センサは、第２の発明において、一対の前記第１の対向電極が、複数の櫛部を有した櫛形電極とされ、前記複数の櫛部の基端部が、すべて前記伝熱膜に直接接続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、複数の櫛部の基端部が、すべて伝熱膜に直接接続されているので、伝熱膜から各櫛部へ直接伝熱されることで、より効率的に第１の薄膜サーミスタ部へ熱を伝えることができる。

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、伝熱膜が、第１の薄膜サーミスタ部の周囲から第１の薄膜サーミスタ部の直下又は直上まで拡がっているので、第１の薄膜サーミスタ部と伝熱膜とが上下で重なり面同士で熱伝導が行われることで、高い熱伝導性が得られ、高い熱応答性を得ることができる。
したがって、本発明の赤外線センサによれば、熱応答性が高く、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度測定用として好適である。

本発明に係る赤外線センサの一実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図（ａ）及びＢ−Ｂ線断面図（ｂ）である。 本実施形態において、中間絶縁膜形成前の状態を示す平面図（ａ）及び裏面図（ｂ）である。 本実施形態の他の例を示す赤外線センサの平面図である。

以下、本発明に係る赤外線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。

本実施形態の赤外線センサ１は、図１から図３に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の一方の面（表面）に設けられた第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂと、第１の薄膜サーミスタ部３Ａに対向配置されて形成された一対の第１の対向電極４Ａと、第２の薄膜サーミスタ部３Ｂに対向配置されて形成された一対の第２の対向電極４Ｂと、一対の第１の対向電極４Ａに接続され絶縁性フィルム２の一方の面にパターン形成された一対の第１のパターン配線５Ａと、一対の第２の対向電極４Ｂに接続され絶縁性フィルム２の一方の面にパターン形成された一対の第２のパターン配線５Ｂと、絶縁性フィルム２の他方の面（裏面）に設けられ第１の薄膜サーミスタ部３Ａに対向した受光領域Ｄと、絶縁性フィルム２の他方の面に形成され受光領域Ｄを避けて少なくとも第２の薄膜サーミスタ部３Ｂの直上を覆う赤外線反射膜６と、絶縁性フィルム２の一方の面に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い導電性材料で形成され第１の薄膜サーミスタ部３Ａの周囲に拡がっている伝熱膜７とを備えている。

本実施形態では、第１の対向電極４Ａが第１の薄膜サーミスタ部３Ａ上に対向配置されて形成され、第２の対向電極４Ｂが第２の薄膜サーミスタ部３Ｂ上に対向配置されて形成されている。
上記伝熱膜７は、互いに対向配置されて一対形成され、第１の薄膜サーミスタ部３Ａの周囲から第１の薄膜サーミスタ部３Ａの直下まで拡がっている。
上記第１の薄膜サーミスタ部３Ａと伝熱膜７との間には、中間絶縁膜８が形成されている。この中間絶縁膜８は、絶縁性フィルム２上に少なくとも一対の第１のパターン配線５Ａ，一対の伝熱膜７がパターン形成された後、絶縁性フィルム２及び一対の伝熱膜７上に矩形状にパターン形成される。

上記第１の対向電極４Ａ及び第２の対向電極４Ｂは、複数の櫛部４ａを有した櫛形電極とされている。
第１の対向電極４Ａにおける複数の櫛部４ａは、その基端部がすべて対応する直下の伝熱膜７に直接接続されている。
また、第１の対向電極４Ａ及び第２の対向電極４Ｂは、複数の櫛部４ａの基端部を接続した基端連結部４ｂを有している。

すなわち、第１の対向電極４Ａにおける複数の櫛部４ａは、その基端である基端連結部４ｂが、伝熱膜７の上面に直接接合されて形成されている。したがって、一対の第１のパターン配線５Ａは、一対の伝熱膜７を介して一対の第１の対向電極４Ａに接続されている。
なお、上記第１の対向電極４Ａ及び第２の対向電極４Ｂは、第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂをパターン形成した後、例えば金属膜によりパターン形成するが、その際に、第１の対向電極４Ａでは、少なくとも複数の櫛部４ａの基端である基端連結部４ｂが伝熱膜７上に配されて形成される。
上記第１の対向電極４Ａ及び第２の対向電極４Ｂは、例えば膜厚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。

なお、本実施形態の温度センサ１では、さらに第１の対向電極４Ａ及び第２の対向電極４Ｂと共に第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂを覆うポリイミド樹脂等の絶縁性保護膜１０が矩形状にパターン形成されている。
上記中間絶縁膜８は、熱伝導及び電気絶縁に優れる材料が好ましく、本実施形態では例えばスパッタ法により成膜されたＡｌ−Ｎ膜が採用されている。また、中間絶縁膜８として、ポリイミドや有機無機複合材料などの有機材料も採用可能である。

絶縁性フィルム２の一方の面には、一対の第１の端子電極９Ａ及び一対の第２の端子電極９Ｂとがパターン形成されている。
一対の第１の端子電極９Ａは、一対の第１のパターン配線５Ａに接続されていると共に、一対の第２の端子電極９Ｂは、一対の第２のパターン配線５Ｂに接続されている。
なお、第１のパターン配線５Ａは、第２の薄膜サーミスタ部３Ｂの近傍まで延在している。また、第１のパターン配線５Ａは、さらに絶縁性フィルム２の外縁の近傍領域にまで延在している。

このように一対の上記第１のパターン配線５Ａは、一対の伝熱膜７との接続部から一対の第１の端子電極９Ａ側とは反対側に向けて延在し、さらに一対の伝熱膜７の外周の一部に沿って延在してからそれぞれ対応する第１の端子電極９Ａに達している。
すなわち、第１のパターン配線６Ａは、まず第１の薄膜サーミスタ部３Ａ下から第２の薄膜サーミスタ部３Ｂに向けて一対の伝熱膜７の間を延在し、そして一対の伝熱膜７の端部近傍で絶縁性フィルム２の短辺に沿った方向であって長辺に向けて延在している。
なお、第２のパターン配線５Ｂは、第１のパターン配線５Ａに比べて短い距離で延在し、第２の端子電極９Ｂに達している。

上記赤外線反射膜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、銅箔６ａ上に金メッキ膜６ｂが施されて形成されている。なお、金メッキ膜６ｂ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、受光領域Ｄの周囲も覆って形成されている。

本実施形態では、赤外線の受光領域Ｄ直下に配された第１の薄膜サーミスタ部３Ａが赤外線の検出用素子とされ、赤外線反射膜６直下に配された第２の薄膜サーミスタ部３Ｂが補償用素子とされている。
なお、図１において、裏面側の赤外線反射膜６を破線で図示している。また、図１及び図３の（ａ）（ｂ）において、各端子電極、各対向電極、各パターン配線、伝熱膜７、赤外線反射膜６及び絶縁性保護膜１０をハッチングで図示している。

上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで略長方形状に形成され、赤外線反射膜６、各パターン配線、各端子電極及び伝熱膜７が銅箔等で形成されている。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、各パターン配線、各端子電極及び伝熱膜７が銅箔で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。
上記一対の第１の端子電極９Ａ及び一対の第２の端子電極９Ｂは、絶縁性フィルム２の角部近傍に配設されている。

上記第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂは、フレキシブル性を有したサーミスタ膜であって、例えばＭ−Ａｌ−Ｎ膜（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す）である。
すなわち、第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂは、一般式：Ｍ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す。０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、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、これらの膜については、フレキシブル性と良好なサーミスタ特性とが確認されている。

なお、本実施形態では、特にＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料で矩形状に形成された第１の薄膜サーミスタ部３Ａ及び第２の薄膜サーミスタ部３Ｂを採用している。すなわち、サーミスタ膜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。

このように本実施形態の赤外線センサ１では、伝熱膜７が、第１の薄膜サーミスタ部３Ａの周囲から第１の薄膜サーミスタ部３Ａの直下まで拡がっているので、第１の薄膜サーミスタ部３Ａと伝熱膜７とが上下で重なり、面同士で熱伝導が行われることで高い熱伝導性が得られ、高い熱応答性を得ることができる。
また、一対の伝熱膜７が、一対の第１の対向電極４Ａに接続されているので、伝熱膜７の熱が第１の対向電極４Ａにも伝わり、第１の薄膜サーミスタ部３Ａ上の第１の対向電極４Ａからも第１の薄膜サーミスタ部３Ａに熱を伝えることができる。したがって、第１の薄膜サーミスタ部３Ａは、伝熱膜７で集熱された熱を上下から受けることができる。

なお、第１の薄膜サーミスタ部３Ａと伝熱膜７との間に中間絶縁膜８が形成されているので、第１の薄膜サーミスタ部３Ａの抵抗値は第１の薄膜サーミスタ部３Ａ上の一対の第１の対向電極４Ａ間で測定される。
また、複数の櫛部４ａの基端部が、すべて伝熱膜７に直接接続されているので、伝熱膜７から各櫛部４ａへ直接伝熱されることで、より効率的に第１の薄膜サーミスタ部３Ａへ熱を伝えることができる。

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。

例えば、上記実施形態では、複数の櫛部４ａの基端部が基端連結部４ｂで接続されているが、図４の（ａ）に示すように、基端連結部４ｂを設けず、各櫛部４ａの基端を直接伝熱膜７上に接続しても構わない。

また、上記実施形態では、一対の伝熱膜７の対向方向に延在した複数の櫛部４ａを有しているが、図４の（ｂ）に示すにように、複数の櫛部４ａを一対の伝熱膜７の対向方向に直交する方向（第１の薄膜サーミスタ部３Ａと第２の薄膜サーミスタ部３Ｂとの対向方向）に延在させても構わない。この場合、基端連結部４ｂの一端部だけが伝熱膜７に接続されるため、基端連結部４ｂ全体が伝熱膜７に直接接続される上記実施形態に比べて伝熱性がやや低くなる。

また、上記実施形態では、第１の薄膜サーミスタ部の上に第１の対向電極が形成され、伝熱膜が第１の薄膜サーミスタ部の直下まで拡がっているが、逆に第１の薄膜サーミスタ部の下（絶縁性フィルムの上）に第１の対向電極が形成され、伝熱膜が第１の薄膜サーミスタ部の直上まで拡がっているように配置しても構わない。

１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…第１の薄膜サーミスタ部、３Ｂ…第２の薄膜サーミスタ部、４Ａ…第１の対向電極、４Ｂ…第２の対向電極、４ａ…櫛部、５Ａ…第１のパターン配線、５Ｂ…第２のパターン配線、６…赤外線反射膜、７…伝熱膜、８…中間絶縁膜、Ｄ…受光領域

Claims (3)

1. 絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の薄膜サーミスタ部及び第２の薄膜サーミスタ部と、
   前記第１の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第１の対向電極と、
   前記第２の薄膜サーミスタ部に対向配置されて形成された一対の第２の対向電極と、
   一対の前記第１の対向電極に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された一対の第１のパターン配線と、
   一対の前記第２の対向電極に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された一対の第２のパターン配線と、
   前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の薄膜サーミスタ部に対向した受光領域と、
   前記絶縁性フィルムの他方の面に形成され前記受光領域を避けて少なくとも前記第２の薄膜サーミスタ部の直上を覆う赤外線反射膜と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に前記絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い導電性材料で形成され前記第１の薄膜サーミスタ部の周囲に拡がっている伝熱膜とを備え、
   前記伝熱膜が、前記第１の薄膜サーミスタ部の周囲から前記第１の薄膜サーミスタ部の直下又は直上まで拡がっ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、
   前記伝熱膜が、一対形成され、
   少なくとも前記第１の薄膜サーミスタ部と前記伝熱膜との間に中間絶縁膜が形成され、
   一対の前記伝熱膜が、一対の前記第１の対向電極に接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項２に記載の赤外線センサにおいて、
   一対の前記第１の対向電極が、複数の櫛部を有した櫛形電極とされ、
   前記複数の櫛部の基端部が、すべて前記伝熱膜に直接接続されていることを特徴とする赤外線センサ。

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