JP2020016483A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 外気等の熱の影響を受け難く、効率的に熱伝導によって正確かつ熱応答性の高い温度センサを提供すること。【解決手段】 感熱部２と、感熱部に直接又は絶縁性膜３を介して設置された板状又はブロック状の異方性熱伝導体４とを備え、異方性熱伝導体が、感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物Ｓに対向させる対向面４ｂを有し、前記対向面から前記設置面に向かう第１の方向Ｄ１の熱伝導率が、第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜サーミスタ等の感熱部を用いた温度センサに関する。

近年、ポリイミド樹脂等で形成された絶縁性フィルム上に薄膜状のサーミスタ部を形成したフィルム型の温度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、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形電極と、一対の櫛形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、櫛形電極と薄膜サーミスタ部とを覆って絶縁性フィルム上に形成された保護膜とを備えている温度センサが開発されている。

また、特許文献２には、端部に温度検出素子（面実装型サーミスタ素子）を熱的に接続させた熱伝導シートを備えた温度検出装置が記載されている。この温度検出装置では、熱伝導シートであるグラファイトシートの両面に断熱層を設け、グラファイトシートから輻射によって熱が放射されて温度が下がることを防いでいる。

特開２０１６−１３８７７３号公報 特開２０１５−１５２５０２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、上記特許文献１に記載の温度センサでは、感熱部として薄膜サーミスタ部を採用することで高精度で高い熱応答性の温度測定を可能にしているが、より正確で高い熱応答性の温度測定の実現が要望されている。そのためには、感熱部に測定対象物の熱を効率的に伝える必要があるが、感熱部が外気等の熱の影響も受けてしまう問題があった。
特許文献２では、断熱層が両面に設けられた熱伝導シートにより発熱体の熱を温度検出素子に伝えているが、断熱層を用いても薄いシート両面からの放熱が温度検出素子への熱伝導に比べて大きくなってしまう問題があった。特に、一枚の熱伝導シートの両端部に温度検出素子と発熱体とを配するために、温度検出素子と発熱体とが大きく離れてしまい、温度検出素子と発熱体との間における熱伝導シートからの熱の放射割合がさらに大きくなって、温度を正確に検出することが難しいという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、外気等の熱の影響を受け難く、効率的な熱伝導によって正確かつ熱応答性の高い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、感熱部と、前記感熱部に直接又は絶縁性膜を介して設置された板状又はブロック状の異方性熱伝導体とを備え、前記異方性熱伝導体が、前記感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物に対向させる対向面を有し、前記対向面から前記設置面に向かう第１の方向の熱伝導率が、前記第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。

この温度センサでは、板状又はブロック状の異方性熱伝導体が、感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物に対向させる対向面を有し、対向面から設置面に向かう第１の方向の熱伝導率が、第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きいので、異方性熱伝導体が、外気等の周囲の熱の影響を受け難く、測定対象物の熱を効率的に感熱部に伝えることができる。したがって、前記第１の方向の熱抵抗が小さく高伝熱の異方性熱伝導体によって、測定対象物の熱が周囲よりも効率的に感熱部へ伝わることで、正確な温度検出が可能になると共に、熱応答性が向上する。特に、特許文献２のように単なるグラファイトシートのような異方性の無い熱伝導体シートの両端部に感熱部と測定対象物とを配置した場合に比べて、板状又はブロック状の異方性熱伝導体の互いに対向する両面（設置面と対向面）に感熱部と測定対象物とを配置するので、感熱部への効率的な伝熱と共に、感熱部と測定対象物との距離も近くでき、異方性熱伝導体からの熱の放射の影響を低減することができる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記異方性熱伝導体が、複数のグラフェンシートを積層したグラフェン積層体であり、前記グラフェンシートの積層方向が、前記第１の方向に直交する少なくとも一方向であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、異方性熱伝導体が、複数のグラフェンシートを積層したグラフェン積層体であり、グラフェンシートの積層方向が、前記第１の方向に直交する少なくとも一方向であるので、前記直交する少なくとも一方向に比べて前記第１の方向の熱伝導率が非常に大きいグラフェン積層体によって熱をより選択的に集熱して感熱部に伝えることができる。

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、前記感熱部の前記異方性熱伝導体側の表面面積よりも大きい前記対向面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、異方性熱伝導体が、感熱部の異方性熱伝導体側の表面面積よりも大きい対向面を有しているので、大きい対向面で受けた測定対象物の熱をより効率的に感熱部に集熱することができる。

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、前記感熱部が、薄膜状に形成された薄膜サーミスタ部であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、感熱部が、薄膜状に形成された薄膜サーミスタ部であるので、大きい面積で異方性熱伝導体からの熱を受けることができると共に、バルク型サーミスタ（チップ型サーミスタ、フレーク型サーミスタ等）に比べて熱容量が小さいため、熱応答性をより高速化することが可能になる。

第５の発明に係る温度センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記感熱部が設けられた絶縁性基材と、前記対向面を除いた前記異方性熱伝導体の周囲を囲んだ状態で前記絶縁性基材に固定され、熱伝導率が前記異方性熱伝導体の前記第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも小さい材料で形成された低熱伝導体部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、対向面を除いた異方性熱伝導体の周囲を囲んだ状態で絶縁性基材に固定され、熱伝導率が異方性熱伝導体の前記第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも小さい材料で形成された低熱伝導体部を備えているので、対向面を除いた異方性熱伝導体の周囲から熱が異方性熱伝導体に伝わることを低熱伝導体部が抑制することで、外気等の熱の影響をさらに抑制することができる。また、異方性熱伝導体が設置面及び対向面以外の面から放熱することを、異方性熱伝導体よりも断熱性が高い低熱伝導体部によって抑制することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、異方性熱伝導体が、感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物に対向させる対向面を有し、対向面から設置面に向かう第１の方向の熱伝導率が、第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きいので、前記第１の方向の熱抵抗が小さく高伝熱の異方性熱伝導体によって、測定対象物の熱が周囲よりも効率的に感熱部へ伝わることで、正確な温度検出が可能になると共に、熱応答性が向上する。

本発明に係る温度センサの一実施形態において、温度センサを示す断面図である。 本実施形態において、グラフェンシートの積層方法が異なる３種類の異方性熱伝導体を示す斜視図である。 本実施形態において、低熱伝導体部を外した温度センサを示す下面図である。

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から図３に示すように、サーミスタ材料で形成された感熱部２と、感熱部２に絶縁性膜３を介して設置された板状又はブロック状の異方性熱伝導体４とを備えている。
上記異方性熱伝導体４は、感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物Ｓに対向させる対向面４ｂを有し、対向面４ｂから前記設置面に向かう第１の方向Ｄ１の熱伝導率が、第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも高く設定されている。なお、本実施形態では、対向面４ｂを測定対象物Ｓに接触させている。また、本実施形態では、異方性熱伝導体４の厚さ方向が、第１の方向Ｄ１となっている。

本実施形態の温度センサ１は、感熱部２が設けられた絶縁性基材５と、対向面４ｂを除いた異方性熱伝導体４の周囲を囲んだ状態で絶縁性基材５に固定され、熱伝導率が異方性熱伝導体４の第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも小さい材料で形成された低熱伝導体部６とを備えている。

上記異方性熱伝導体４は、複数のグラフェンシート（グラフェン板）４ａを積層したグラフェン積層体であり、グラフェンシート４ａの積層方向が、第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向とされている。本実施形態では、図２に示すように、板状に積層されたグラフェン積層体の異方性熱伝導体４を採用している。

この異方性熱伝導体４は、熱伝導率の異方性が高く、グラフェン積層体では、図２に示すように、グラフェンシート４ａの面、すなわちＸＹ面内がその垂直方向に対して１０倍以上大きい熱伝導率を有している。
本実施形態では、異方性熱伝導体４として、図２の（ａ）に示すように、グラフェンシート４ａの面、すなわちＸＹ面が設置面に対して平行に積層されたグラフェン積層体４Ｃではなく、図２の（ｂ）（ｃ）に示すように、ＸＹ面が設置面に対して垂直に積層されたグラフェン積層体４Ａ，４Ｂが採用される。

なお、グラフェン積層体の異方性熱伝導体４は、電気伝導率も大きいため、感熱部２との電気的導通を避けるため、感熱部２上に成膜した絶縁性膜３を介して感熱部２に設置している。また、異方性熱伝導体４は、絶縁性膜３に接触状態に設置されるが、例えば熱伝導性の高い接着剤で絶縁性膜３に接着固定しても構わない。
また、異方性熱伝導体４は、感熱部２の異方性熱伝導体４側の表面面積よりも大きい対向面４ｂを有している。すなわち、異方性熱伝導体４の設置面及び対向面４ｂは、矩形状に成膜された感熱部２を覆って感熱部２よりも大きい面積の絶縁性膜３と同じ矩形状とされている。

上記絶縁性基材５は、絶縁性フィルムであって、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで形成されている。なお、絶縁性基材５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。
また、絶縁性基材５として、プリント基板やセラミックス板などを採用しても構わない。

上記感熱部２は、薄膜状に形成された薄膜サーミスタ部である。
この感熱部２は、例えばサーミスタ特性を有するＴｉ−Ａｌ−Ｎで矩形状に形成されている。特に、感熱部２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。この感熱部２は、膜厚方向にｃ軸配向度が高い膜である。
感熱部２の膜厚は、５０〜２００ｎｍであり、極薄であり、感熱部２の熱容量は極めて小さい。

また、本実施形態の温度センサ１は、感熱部２の上にパターン形成された一対の対向電極７と、一対の対向電極７に接続され絶縁性基材５にパターン形成された一対のパターン配線８とを備えている。
上記一対の対向電極７は、感熱部２の上に互いに対向して櫛型状にパターン形成された櫛型電極であり、複数の櫛部７ａを有している。

上記絶縁性基材５は、帯状に延在し、感熱部２は、絶縁性基材５の一端側に配されている。
一対のパターン配線８は、絶縁性基材５に沿って延在していると共に絶縁性基材５の他端側に配された一対のパッド部８ａを他端に有している。
上記パッド部８ａは、リード線等を接続するために絶縁性基材５の中央部のパターン配線８よりも幅広に形成された端子部である。
上記絶縁性膜３は、一対の対向電極７と共に感熱部２を覆ってポリイミド樹脂等で矩形状に形成された保護膜である。

上記対向電極７及びパターン配線８は、感熱部２及び絶縁性基材５の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。
上記低熱伝導体部６は、異方性熱伝導体４の周囲を囲んだ状態で絶縁性基材５を上下で挟んで取り付けられた樹脂ケースである。なお、樹脂封止によって低熱伝導体部６を設けても構わない。

このように本実施形態の温度センサ１では、板状又はブロック状の異方性熱伝導体４が、感熱部２側の設置面とは反対側に測定対象物Ｓに対向させる対向面４ｂを有し、対向面４ｂから前記設置面に向かう第１の方向Ｄ１の熱伝導率が、第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きいので、異方性熱伝導体４が、外気等の周囲の熱の影響を受け難く、測定対象物Ｓの熱を効率的に感熱部２に伝えることができる。

したがって、第１の方向Ｄ１の熱抵抗が小さく高伝熱の異方性熱伝導体４によって、測定対象物Ｓの熱が周囲よりも効率的に感熱部２へ伝わることで、正確な温度検出が可能になると共に、熱応答性が向上する。特に、特許文献２のように単なるグラファイトシートのような異方性の無い熱伝導体シートの両端部に感熱部と測定対象物とを配置した場合に比べて、板状又はブロック状の異方性熱伝導体４の互いに対向する両面（設置面と対向面４ｂ）に感熱部２と測定対象物Ｓとを配置するので、感熱部２への効率的な伝熱と共に、感熱部２と測定対象物Ｓとの距離も近くでき、異方性熱伝導体４からの熱の放射の影響を低減することができる。

また、異方性熱伝導体４が、複数のグラフェンシート４ａを積層したグラフェン積層体であり、グラフェンシート４ａの積層方向が、第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向であるので、前記直交する少なくとも一方向に比べて第１の方向Ｄ１の熱伝導率が非常に大きいグラフェン積層体によって熱をより選択的に集熱して感熱部２に伝えることができる。
また、異方性熱伝導体４が、設置面のうち感熱部２と対向している部分の面積よりも大きい対向面４ｂを有しているので、大きい対向面４ｂで受けた測定対象物Ｓの熱をより効率的に感熱部２に集熱することができる。

特に、感熱部２が、薄膜状に形成された薄膜サーミスタ部であるので、大きい面積で異方性熱伝導体４からの熱を受けることができると共に、バルク型サーミスタに比べて熱容量が小さいため、熱応答性をより高速化することが可能になる。

さらに、対向面４ｂを除いた異方性熱伝導体４の周囲を囲んだ状態で絶縁性基材５に固定され、熱伝導率が異方性熱伝導体４の第１の方向Ｄ１に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも小さい材料で形成された低熱伝導体部６を備えているので、対向面４ｂを除いた異方性熱伝導体４の周囲から熱が異方性熱伝導体４に伝わることを低熱伝導体部６が抑制することで、外気等の熱の影響をさらに抑制することができる。また、異方性熱伝導体４が設置面及び対向面４ｂ以外の面から放熱することを、異方性熱伝導体４よりも断熱性が高い低熱伝導体部６によって抑制することができる。

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、上述したように、薄膜サーミスタで形成された感熱部を採用することが好ましいが、感熱部としてバルク型サーミスタを採用しても構わない。この場合、パターン配線を形成した絶縁性基材などの基板実装だけでなく、バルク型サーミスタに電極線のみを接続したものでも構わない。

また、異方性熱伝導体として、グラフェンシートを積層したグラフェン積層体を採用したが、他の異方性熱伝導体として、グラフェン粉やＢＮ（窒化ホウ素）等をフィラーとして含有した熱伝導性に異方性があるプラスチック基板、又は熱伝導性に異方性のある金属繊維（Ａｌ，Ｎｉ，Ｚｎ等）などを採用しても構わない。
なお、異方性熱伝導体が全体として絶縁性を有していれば、絶縁性膜を介在させずに感熱部に直接設置しても構わない。

１…温度センサ、２…感熱部、３…絶縁性膜、４…異方性熱伝導体、４ａ…グラフェンシート、４ｂ…対向面、５…絶縁性基材、６…低熱伝導体部、Ｄ１…第１の方向、Ｓ…測定対象物

Claims (5)

1. 感熱部と、
   前記感熱部に直接又は絶縁性膜を介して設置された板状又はブロック状の異方性熱伝導体とを備え、
   前記異方性熱伝導体が、前記感熱部側の設置面とは反対側に測定対象物に対向させる対向面を有し、前記対向面から前記設置面に向かう第１の方向の熱伝導率が、前記第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも大きい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、
   前記異方性熱伝導体が、複数のグラフェンシートを積層したグラフェン積層体であり、
   前記グラフェンシートの積層方向が、前記第１の方向に直交する少なくとも一方向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、
   前記異方性熱伝導体が、前記感熱部の前記異方性熱伝導体側の表面面積よりも大きい前記対向面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、
   前記感熱部が、薄膜状に形成された薄膜サーミスタ部であることを特徴とする温度センサ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
   前記感熱部が設けられた絶縁性基材と、
   前記対向面を除いた前記異方性熱伝導体の周囲を囲んだ状態で前記絶縁性基材に固定され、熱伝導率が前記異方性熱伝導体の前記第１の方向に直交する少なくとも一方向の熱伝導率よりも小さい材料で形成された低熱伝導体部とを備えていることを特徴とする温度センサ。

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