JP5092872B2 - 面状温度検出センサ - Google Patents

Description

この発明は、平面領域での温度検出を行う面状温度検出センサに関するものである。

現在、ＰＴＣサーミスタやＮＴＣサーミスタ等の抵抗変化型の温度検出センサが一般に多く使用されている。そして、このような温度検出センサとして、平面領域での温度検出を行うセンサが存在する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、シート状の導電性ポリマー組成物に電極を形成した構造の面状温度検出センサが開示されている。図７は従来の面状温度検出センサの概略構成を示す図である。図７の面状温度検出センサは層状シート９１０の対向する両面に電極９０１，９０２がパターン形成された構造からなる。検出部９１２は、層状シート９１０とこの層状シート９１０を挟んで対向する電極９０１，９０２とで構成される。そして、検出部９１２として機能しない電極９０１，９０２が配線電極となる。

このような構造の温度検出センサでは、シート状導電性ポリマー組成物の表面に発熱体が接触すると、この熱が層状シート９１０に伝達し、当該熱により層状シート９１０の抵抗率が変化する。そして、この抵抗率の変化による電極９０１，９０２間の電圧変化を検出することで温度検出を行う。

そして、上述のような温度検出センサの利用用途として、例えばＩＨ調理システムや非接触型充電システム等が存在する。このようなシステムでは、温度検出センサは所定の磁場内に配置されることになる。
特表２００２−５２８８７４号公報

しかしながら、上述のようなシステムでは、システムの効率上、所定の磁場内に配置された温度検出センサの検出面は磁束方向に垂直に配置される。そして、特許文献１に記載の構成では、検出面が磁束方向に垂直に配置されることで、検出部および配線電極を構成する各電極も磁束方向と垂直に配置されることとなる。このような配置では、各電極で渦電流が発生しやすく、当該渦電流により電極が発熱してしまう。このため、検出部では、目的とする検温対象物の温度のみでなく、渦電流により発熱した電極の温度をも検出してしまい、検温対象物の温度を精度良く測定することができない。

したがって、本発明の目的は、面状温度検出センサの構成要素の発熱による影響を抑制し、検温対象物の温度を精度良く検出できる面状温度検出センサを実現することにある。

この発明は、一面を検出面とする平板状の筐体と、該筐体の内部に配置され、それぞれが電気的特性の温度依存性に応じて温度検出を行える複数の検出部と、該複数の検出部を接続する配線電極と、を備え、検出面が外部磁界の方向に対して略垂直に配置された面状温度検出センサに関するものである。そして、この面状温度検出センサの配線電極は、検出部を挟んで筐体の検出面と反対側に配置されている。

この構成では、渦電流の発生により発熱する配線電極が検出面から離間されるので、当該配線電極の発熱が検出部の検出温度に影響を与えない。

また、この発明の面状温度検出センサの検出部は、それぞれが個別に形成された直方体形状のサーミスタ素子である。さらに、配線電極は、検出部に接続する端部を含む少なくとも一部が外部磁界による渦電流の発生を抑制する形状からなる渦電流抑制部を有する。

この構成では、配線電極自体の発熱が抑制されるので、さらに検出部での検出温度に影響を与えない。

また、この発明の配線電極は、外部磁界の磁束の中心を放射中心として、検出面から見て放射状に形成されている。

この構成では、配線電極が放射状に形成されていることで、渦電流の流れる方向に対する有効面積を小さくすることができるので、渦電流の発生をさらに効果的に抑制できる。

また、この発明の面状温度検出センサは、筐体の内部における検出部と異なる領域を非検出部として、当該非検出部を検出部よりも低い熱伝導率で構成する。

この構成では、配線電極で発生した熱の伝導が、低熱伝導率の非検出部で抑止される。これにより、さらに検出部への影響を抑制できる。

また、この発明の面状温度検出センサは、筐体の検出部よりも検出面の側が絶縁部材からなる。

この構成では、検出部より検出面側が絶縁部材であるので、検出面自体での発熱も抑制でき、検出部でさらに精度良く温度検出することができる。

この発明によれば、配線電極等の温度検出センサを構成する素子からの発熱に影響されることなく、検出面に配置された検温対象物の温度を精度良く検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係る面状温度検出センサについて図を参照して説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態の面状温度検出センサ１の検出側層１１を取り除いた状態での検出面１１１側から見た平面図であり、（Ｂ）は面状温度検出センサ１における（Ａ）のＡ−Ａ’断面に相当する部分を示す側面断面図である。

面状温度検出センサ１は、平板状の筐体１０を備える。筐体１０は、検出側層１１、中間層１３、非検出側層１３が厚み方向に重ねられた層構造からなる。
検出側層１１は、サーミスタ素子ＴＨと略同じ熱伝導率（例えば、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の絶縁性部材からなる。この検出側層１１の中間層１３と反対側の外方に向く面が検出面１１１となる。検出側層１１は、検出面１１１に存在する発熱体からの熱が、中間層１３のサーミスタ素子ＴＨへ十分熱伝導可能な厚みで形成されている。

中間層１３は、サーミスタ素子ＴＨおよび検出側層１１よりも低い熱伝導率（例えば、１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の樹脂からなり、内部に所定の配置パターンでサーミスタ素子ＴＨが複数設置されている。このような構成により検出面１１１側から見てサーミスタ素子ＴＨが配置された領域が検出部となり、当該検出部間の領域が非検出部１００となる。サーミスタ素子ＴＨは、ＰＴＣ型の所謂チップ型サーミスタであり、外部電極面とは異なる一つの側壁面が検出側層１１へ当接するように設置されている。このサーミスタ素子ＴＨは、例えば、外部電極面が０．８ｍｍ×０．８ｍｍで、外部電極間距離に略相当するチップ長が１．６ｍｍのものが使用される。また、各サーミスタ素子は、高い熱伝導率（例えば、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））のものを用い、常温状態で高い抵抗値を有するものであるとよりよい。

複数のサーミスタ素子ＴＨは、図１（Ａ）に示すように、検出面１１１から見て基準点Ｏを中心に放射状に配置されている。具体的には、図１（Ａ）に示すｘ軸およびｙ軸に沿ってそれぞれ４つのサーミスタ素子ＴＨが配置され、検出面１１１側から見て、これら軸に対して４５°の角を為す二方向に沿ってそれぞれ２つのサーミスタ素子ＴＨが配置されている。

さらに、中間層１３には、複数のサーミスタ素子ＴＨの各外部電極に接続する複数の第１部分電極１５１（本発明の渦電流抑制部に相当する）が形成されている。これら第１部分電極１５１は、筐体１０の各層が並ぶ方向に沿って延びる形状で形成されている。第１部分電極１５１は、例えばビアホール形成法等により形成される。

非検出側層１２は、中間層１３と同様に、サーミスタ素子ＴＨおよび検出側層１１よりも低い熱伝導率（例えば、１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の樹脂からなり、第２部分電極１５２が形成されている。第２部分電極１５２は、非検出側層１２の中間層１３側面である筐体内側面１２１に、当該筐体内側面１２１すなわち検出面１１１に平行に延びる形状で形成されている。さらに、第２部分電極１５２は、上述のサーミスタ素子ＴＨの配列パターンと同様に、検出面側から見た基準点Ｏを中心として放射状に延びる形状で形成されている。この際、第２部分電極１５２は、図１（Ａ）に示すように、検出面１１１側から見て、放射状に配置されたサーミスタ素子ＴＨを最短距離で接続する放射形状で形成されている。

さらに、非検出側層１２は、検出面１１１側から見て、第２部分電極１５２の前記放射方向の末端となる位置に、外部引き出し電極１６が形成されている。外部引き出し電極１６は、非検出側層１２を前記各層が並ぶ方向に沿って貫通する形状からなり、一方端が第２部分電極１５２に接続し、他方端が非検出側層１２の外方面１２２から外部へ露出している。

以上のような構成とすることで、面状温度検出センサ１は、検出面１１１側から見て、それぞれが検出部となる複数のサーミスタ素子ＴＨが、所定基準点Ｏを中心に放射状に配置され、これらサーミスタ素子ＴＨが、第１部分電極１５１および第２部分電極１５２からなる配線電極１５により接続される構造を備える。そして、このような構造の面状温度検出センサ１は、当該センサが設置されるシステムによって印加される磁束（磁界）と検出面１１１とが直交するように配置される。さらに、上述の基準点Ｏが磁束の中心となる位置に配置される。

この様なシステムでは、面状温度検出センサ１の検出面１１１上に金属などの導電性物体が存在すると、印加磁束により導電性物体で渦電流が発生して発熱する。この熱は、検出面１１１を有する検出側層１１を介してサーミスタ素子ＴＨへ伝導する。この際、非検出部１００となる中間層１３の熱伝導率が検出側層１１およびサーミスタ素子ＴＨよりも低いので、検出面１１１からの熱は殆どサーミスタ素子ＴＨへ伝導する。これにより、高精度且つ高速に検出面１１１での異常発熱を検出できる。

このような環境で上述の構成を備えることで、以下の作用効果が得られる。

面状温度検出センサ１では、システムに発生する磁束に応じて、当該磁束の方向に垂直な面を有する第２部分電極１５２で渦電流が発生し発熱する。一方、絶縁性部材からなる検出側層１１、非検出側層１２および中間層１３は、導電性を有さないので渦電流は発生せず、発熱しない。また、第１部分電極１５１は、磁束の方向に沿って延びる形状であり、磁束方向に垂直な面積が略「０」であるので、渦電流の発生は略皆無となる。

ここで、第２部分電極１５２は、検出側層１１およびサーミスタ素子ＴＨから離間される。したがって、検出側層１１およびサーミスタ素子ＴＨへ、第２部分電極１５２で発生した熱が殆ど伝導しない。これにより、第２部分電極１５２からの熱をサーミスタ素子ＴＨが検出することを抑制でき、検出面１１１に対するサーミスタ素子ＴＨの温度検出精度を高くすることができる。

さらに、第２部分電極１５２と、検出面１１１およびサーミスタ素子ＴＨとの間に中間層１３を構成する熱伝導率の低い樹脂が介在することで、検出側層１１およびサーミスタ素子ＴＨへ、第２部分電極１５２で発生した熱がさらに伝導し難くなる。これにより、サーミスタ素子ＴＨの温度検出精度がさらに向上する。

また、さらに、第２部分電極１５２が磁束の中心を基準にして放射状のパターンで形成されることで、過電流の流れる方向に対する電極の有効面積を小さくすることができるので、第２部分電極１５２での渦電流の発生を抑制することができる。これにより、さらに確実にサーミスタ素子ＴＨへの不要な熱伝導を抑制することができる。

また、さらに、サーミスタ素子ＴＨの抵抗値を高くすることで、サーミスタ素子ＴＨ自体の発熱も抑えられ、より温度検出精度を向上させることができる。

次に、第２の実施形態に係る面状温度検出センサについて説明する。
図２（Ａ）は、本実施形態の面状温度検出センサ２の検出側層２１を取り除いた状態での検出面２１１側から見た平面図であり、（Ｂ）は面状温度検出センサ２における（Ａ）のＢ−Ｂ’断面に相当する部分を示す側面断面図である。

本実施形態の面状温度検出センサ２は、第１の実施形態に示した面状温度検出センサ１に対して、サーミスタ素子ＴＨの配列パターンが異なるのみで、他の構成は同じである。
図２に示すように、本実施形態の面状温度検出センサ２の複数のサーミスタ素子ＴＨは、直交する二方向に沿って所定の間隔に配置されている。具体的に、図２の例であれば、検出面２１１に対して平行で且つ互いに直交する二方向（図中のｘ方向およびｙ方向）に沿って、それぞれ４つずつと６つずつのサーミスタ素子ＴＨが二次元配列されている。

このような面状温度検出センサ２でも、配線電極２５は、検出面２１１に対して直交する方向に延びる第１部分電極２５１と検出面２１１に対して平行に延びる第２部分電極２５２とから構成される。そして、面状温度検出センサ２は、第２部分電極２５２がサーミスタ素子ＴＨおよび検出面２１１から離間して配置され、当該第２部分電極２５２を第１部分電極２５１でサーミスタ素子ＴＨに接続する構成を有する。

このように本実施形態の構成を用いても、第１の実施形態と同様に、磁束の作用により第２部分電極２５２が発熱しても、当該熱が検出面２１１およびサーミスタ素子ＴＨに伝導されることを抑制できる。これにより、検出面２１１に対するサーミスタ素子ＴＨの温度検出精度を高くすることができる。

次に、第３の実施形態に係る面状温度検出センサ３について説明する。

図３（Ａ）は、本実施形態の面状温度検出センサ３の検出側層３１を取り除いた状態での検出面３１１側から見た平面図であり、（Ｂ）は面状温度検出センサ３における（Ａ）のＣ−Ｃ’断面に相当する部分を示す側面断面図である。

本実施形態の面状温度検出センサ３は、第１の実施形態に示した面状温度検出センサ１に対して、配線電極３５の形状が異なるのみで、他の構成は同じである。
図３に示すように、本実施形態の面状温度検出センサ３では、配線電極３５が検出面３１１に平行に延びる形状の部分から構成される。そして、配線電極３５は、サーミスタ素子ＴＨに直接接続する構造を有する。このため、配線電極３５は、筐体３０における検出面３１１に直交する方向の略中心位置に配設される。このような構造の場合、サーミスタ素子ＴＨには直接接続するが、検出面３１１に対しては中間部３３を構成する樹脂により離間される。したがって、配線電極３５の熱が検出面３１１に与える影響は少ない。

一方、配線電極３５は第１の実施形態と同様に放射状に形成されているので、磁束の影響による発熱は抑制される。このため、サーミスタ素子ＴＨに直接接続していても、配線電極３５は、サーミスタ素子ＴＨへ殆ど熱を与えることがない。

このように、本実施形態の構成を用いても、上述の第１、第２の実施形態と同様に、検出面３１１に対するサーミスタ素子ＴＨの温度検出精度を高くすることができる。

次に、以上の第１〜第３の実施形態の構成による従来技術との優位性について、図４の実験結果を参照して説明する。
図４は、第１、第２、第３の実施形態に示した面状温度検出センサの構成と、従来技術に示した面状温度検出センサ９００の構成とでの、検出面上の特定点の温度変化を示した図である。なお、図中では、第１の実施形態の面状温度検出センサ１と実施例１とが対応し、第２の実施形態の面状温度検出センサ２と実施例２とが対応し、第３の実施形態の面状温度検出センサ３と実施例３とが対応し、第１の実施形態の面状温度検出センサ１においてサーミスタ素子ＴＨの基準抵抗値を１／１０とした面状温度検出センサ１’と実施例４とが対応し、従来技術の面状温度検出センサ９００とモニターとが対応する。

ここで、各面状温度検出センサの構成と前記特定点の位置（Ｐ）とは、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示し、（Ａ）が第１の実施形態の面状温度検出センサ１および面状温度検出センサ１’に対応し、（Ｂ）が第２の実施形態の面状温度検出センサ２に対応し、（Ｃ）が第３の実施形態の面状温度検出センサ３に対応し、（Ｄ）は、基板として（Ａ）〜（Ｃ）と同一の材料を有するサーミスタ基板を用いた従来技術の図の形状の面状温度検出センサ９００に対応する。この図に示すように、本実験では、隣り合うサーミスタ素子ＴＨもしくは検知部９１２の中間の検出面上に特定点（Ｐ）を設定している。

なお、本実験において、第１〜第３の実施形態の面状温度検出センサ１〜３の構成のサーミスタ素子ＴＨは、第１の実施形態の説明に示した、外部電極面が０．８ｍｍ×０．８ｍｍで、外部電極間距離に相当するチップ長が１．６ｍｍであるＰＴＣ型のチップ型サーミスタを使用し、基準抵抗値が４７０Ωのものを用いた。そして、このサーミスタ素子ＴＨの熱伝導率は、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とする。また、各検出側層１１，２１，３１の熱伝導率も、サーミスタ素子ＴＨと同じ２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とする。そして、面状温度検出センサ１〜４の他の樹脂分の熱伝導率は、１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とする。

また、面状温度検出センサ１〜３，１’において、検出面に直交する方向の長さは、１．６ｍｍとし、面状温度検出センサ１〜３の非検出面とサーミスタ素子ＴＨとの間隔が０．８ｍｍとする。一方、従来技術の面状温度検出センサ９００は、検出面に直交する方向の長さを１．６ｍｍとし、熱伝導率を２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。また、検出部９１２の配置間隔が０．８ｍｍとなるように電極パターンを形成した。

このような条件下において、１００μＴの磁場を印加して実験を行った結果、図４に示すように、例えば１２０秒後に、従来技術では約６４℃まで昇温しているのに対して、面状温度検出センサ１〜３，１’は、約４２℃以下となっている。特に、面状温度検出センサ１，１’は、約３４℃以下となっている。これにより、本発明の各実施形態の構成を用いることで、経時的な検出面の温度上昇を大幅に抑制することができる。すなわち、センサ自身の構成要素に起因する検出面の温度上昇を大幅に低下させることができる。特に、第１の実施形態の構成を用いることで、検出面の温度上昇をさらに効果的に抑制することができる。

また、面状温度検出センサ１，１’の実験結果から分かるように、サーミスタ素子ＴＨの基準抵抗値を高くすることで、さらに検出面の温度上昇を抑制することができる。

次に、第４の実施形態に係る面状温度検出センサ４について説明する。
図６（Ａ）は、本実施形態の面状温度検出センサ４の検出側基板４１を取り除いた状態での検出面４１１側から見た平面図であり、（Ｂ）は面状温度検出センサ４における（Ａ）のＤ−Ｄ’断面に相当する部分を示す側面断面図である。

本実施形態の面状温度検出センサ４は、第２の実施形態に示したように、サーミスタ素子ＴＨが検出面４１１に対して平行で且つ直交する二方向に配列設置されたものである。複数のサーミスタ素子ＴＨを介して検出側基板４１と反対側には、非検出側基板４２が設置されている。非検出側基板４２には配線電極４５が形成されており、当該配線電極４５に対して複数のサーミスタ素子ＴＨが接続されるように実装されている。

ここで、配線電極４５は、少なくともサーミスタ素子ＴＨとの接続側端部から所定距離において電極幅が狭く形成されている。ここで、電極幅とは、検出面４１１に対して平行で且つ配線電極４５の延びる方向に直交する方向の長さを示す。

また、各サーミスタ素子ＴＨは、樹脂４１０でモールドされている。樹脂４１０は、サーミスタ素子ＴＨと同じ熱伝導率で絶縁特性を有する。さらに、樹脂４１０は、塗布可能な態様であり、固化することで各サーミスタ素子ＴＨと検出側基板４１とを物理的に接合させる。さらに、樹脂４１０は、非検出側基板４２上において、配線電極４５の電極幅が広い部分を含まないようにモールドする。この構成により、本実施形態の面状温度検出センサ４の筐体４０は、検出側基板４１と非検出側基板４２とがサーミスタ素子ＴＨと樹脂４１０とにより所定間隔で離間され、当該サーミスタ素子ＴＨおよび樹脂４１０のない部分すなわち非検出部４００では、検出側基板４１と非検出側基板４２との間が空隙となる。

このような構成では、磁束の作用により配線電極４５で発熱するが、サーミスタ素子ＴＨ接続側の電極幅の狭い部分によりサーミスタ素子ＴＨへの熱伝導が抑制される。また、非検出部４００における検出側基板４１と非検出側基板４２との間が空隙であるので、配線電極４５から検出側基板４１への熱伝導が空気により抑制される。

これにより、本実施形態の構成を用いても、上述の第１、第２、第３の実施形態と同様に、検出面４１１に対するサーミスタ素子ＴＨの温度検出精度を高くすることができる。

なお、第４の実施形態において、配線電極４５の幅は、部分的に狭くするのではなく、全体的に狭くしても良い。
また、上述の各実施形態で示した放射状配列もしくは二次元配列されたサーミスタ素子ＴＨの配置数および配列数は、上述の例に限るものではなく、センサの仕様に応じて適宜設定すればよい。
また、上述の各実施形態では、サーミスタ素子ＴＨとしてＰＴＣ型サーミスタを例に示したが、ＮＴＣ型サーミスタであってもよい。

第１の実施形態の面状温度検出センサ１の構成を示す図である。 第２の実施形態の面状温度検出センサ２の構成を示す図である。 第３の実施形態の面状温度検出センサ３の構成を示す図である。 第１、第２、第３の実施形態に示した面状温度検出センサの構成と、従来技術に示した面状温度検出センサの構成とでの、検出面上の特定点の温度変化を示した図である。 図４に示す実験での各面状温度検出センサの構成と前記特定点の位置（Ｐ）とを示す図である。 第４の実施形態の面状温度検出センサ４の構成を示す図である。 従来の面状温度検出センサの構成を示す図である。

符号の説明

１，１’，２，３，４，−面状温度検出センサ、１０，２０，３０，４０−筐体、１１，２１，３１−検出側層、１２−非検出側層、１３−中間層、４１−検出側基板、４２−非検出側基板、１５，２５，３５，４５−配線電極、１６，２６，３６，４６−外部引き出し電極、１００、２００，３００，４００−非検出部、１１１，２１１，３１１，４１１−検出面、ＴＨ−サーミスタ素子

Claims (5)

1. 一面を検出面とする平板状の筐体と、該筐体の内部に配置され、それぞれが電気的特性の温度依存性に応じて温度検出を行える複数の検出部と、該複数の検出部を接続する配線電極と、を備え、前記検出面が外部磁界の方向に対して略垂直に配置された面状温度検出センサであって、
   前記配線電極は、前記検出部を挟んで前記筐体の前記検出面と反対側に配置される、面状温度検出センサ。
2. 前記検出部は、それぞれが個別に形成された直方体形状のサーミスタ素子であり、
   前記配線電極は、前記検出部に接続する端部を含む少なくとも一部が前記外部磁界による渦電流の発生を抑制する態様からなる渦電流抑制部を有する、請求項１に記載の面状温度検出センサ。
3. 前記配線電極は、前記外部磁界の磁束の中心を放射中心として、前記検出面から見て放射状に形成される請求項１または請求項２に記載の面状温度検出センサ。
4. 前記筐体の内部における前記検出部と異なる領域である非検出部は、前記検出部よりも低い熱伝導率からなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の面状温度検出センサ。
5. 前記筐体の前記検出部よりも前記検出面の側が絶縁部材からなる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の面状温度検出センサ。

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