JP5569268B2 - バッテリー用温度センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検知して該測定対象物の温度等を測定する赤外線センサおよび温度センサ装置に関する。

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検知して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、保持体に設置した樹脂フィルムと、該樹脂フィルムに設けられ保持体の導光部を介して赤外線を検知する赤外線検知用感熱素子と、樹脂フィルムに遮光状態に設けられ保持体の温度を検知する温度補償用感熱素子と、を備えた赤外線センサが提案されている。この赤外線センサでは、導光部の内側面に赤外線吸収膜を形成すると共に、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めている。

また、特許文献２には、赤外線検知用感熱素子と、温度補償用感熱素子と、これらを密着固定する樹脂フィルムと、赤外線の入射窓側に赤外線検知用感熱素子を配置すると共に赤外線を遮蔽する遮蔽部側に温度補償用感熱素子を配置した枠体を有するケースと、を備えた赤外線検出器が提案されている。この赤外線検出器では、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めていると共に、赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子との熱勾配を無くすために熱伝導の良い材料で枠体を形成している。また、赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子には、リード線がサーミスタに接続された松葉型のサーミスタが採用されている。

特開２００２−１５６２８４号公報（段落番号００２６、図２） 特開平７−２６０５７９号公報（特許請求の範囲、図２）

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、特許文献１及び２の赤外線センサでは、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させた構造が採用されているが、その場合でも赤外線の一部が感熱素子の周囲において樹脂フィルムを透過してしまい赤外線の吸収効果が十分ではないという不都合がある。また、樹脂フィルムの検出面とは反対側の方向から入射される赤外線が樹脂フィルムに吸収されてしまうと、検出精度が低下してしまう問題があった。特許文献１および２では、ケース等の筐体で検出面の反対側からの赤外線を遮蔽しているが、筐体自体から放射される赤外線を遮蔽できないため、やはり検出精度が低下してしまう。
また、複数の上記赤外線センサを用いて複数点で温度測定を行う場合、各赤外線センサにそれぞれリファレンスの感熱素子が別途設けられているため、温度検出回路が複雑になってしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、赤外線を効率的に吸収して高精度に検出可能であると共に複数点測定では簡単な温度検出回路で構成可能な赤外線センサおよび温度センサ装置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、本発明の赤外線センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に設けられた感熱素子と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記感熱素子に接続された一対の金属配線膜と、を備え、前記金属配線膜が、前記感熱素子の周囲に該感熱素子を囲うように配されていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の金属配線膜が、感熱素子の周囲に該感熱素子を囲うように配されているので、絶縁性フィルムの他方の面（検出面）から入射された赤外線の一部が絶縁性フィルムを透過しても感熱素子周囲の金属配線膜で反射されて絶縁性フィルムで吸収される。また、検出面と反対の絶縁性フィルムの一方の面側から入射しようとする赤外線は、金属配線膜で反射又は遮光され、絶縁性フィルムに吸収されない。したがって、検出面側からの赤外線は透過させずに絶縁性フィルムの熱収集を改善すると共に、検出面の反対側からの赤外線は遮蔽して高精度に赤外線を検出することが可能である。

また、本発明の赤外線センサは、前記絶縁性フィルムが、ポリイミド基板で形成され、前記金属配線膜が、銅箔で形成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、絶縁性フィルムが、ポリイミド基板で形成され、金属配線膜が、銅箔で形成されているので、材料費が安い汎用的な片面フレキシブル基板を利用することができ、低コスト化を図ることができる。

また、本発明の赤外線センサは、前記絶縁性フィルムの一方の面に接着されていると共に接着面側に形成された空洞部内に前記感熱素子を非接触で収納する筐体を備え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、絶縁性フィルムの一方の面に接着されていると共に接着面側に形成された空洞部内に感熱素子を非接触で収納する筐体を備えているので、外部から絶縁性フィルムの一方の面への赤外線の入射を筐体により防ぐことができると共に、空洞部により筐体が感熱素子に直接接触しないようにして筐体から感熱素子への熱伝導を抑制することができる。

また、本発明の赤外線センサは、前記感熱素子が、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体で形成されたサーミスタ素子であることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、感熱素子が、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子であるので、温度係数であるＢ定数が高いため、絶縁性フィルムの温度変化を感度良く検出することができる。また、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料などの他のサーミスタ材料に比べ機械的強度も高いため、耐環境に対する信頼性も高い。

さらに、本発明の赤外線センサは、前記セラミックス焼結体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。
すなわち、この赤外線センサでは、セラミックス焼結体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有しているので、電気特性のばらつきが小さく、複数の赤外線センサを用いる際に高精度な測定が可能になる。

本発明の温度センサ装置は、基板と、該基板に実装された一つの基準感熱素子と、前記基板に実装された複数の上記本発明の赤外線センサと、を備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ装置では、基板に実装された一つの基準感熱素子と、基板に実装された複数の上記本発明の赤外線センサと、を備えているので、同一基板上の一つの基準感熱素子による測定温度をリファレンスとして、複数の上記本発明の赤外線センサでの測定温度に対する共通の基準温度にできるため、簡単な温度検出回路で構成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、本発明に係る赤外線センサによれば、絶縁性フィルムの一方の面に形成された金属配線膜が、感熱素子の周囲に該感熱素子を囲うように配されているので、検出面側からの赤外線は透過させずに絶縁性フィルムの熱収集を改善すると共に、検出面の反対側からの赤外線は遮蔽して高精度に赤外線を検出することが可能である。また、本発明の温度センサ装置によれば、基板に実装された一つの基準感熱素子と、基板に実装された複数の上記本発明の赤外線センサと、を備えているので、基準温度を一つにでき、簡単な温度検出回路で構成することで全体のコストを低減することができる。

本発明に係る赤外線センサの一実施形態において、筐体を除いた赤外線センサを示す裏面図（下面図）である。 本実施形態において、赤外線センサを示す分解斜視図である。 本実施形態において、筐体を除いた赤外線センサを示す正面図である。 本発明に係る温度センサ装置の一実施形態において、バッテリーに実装した状態を示す斜視図である。 本実施形態において、温度センサ装置を示す平面図である。 本実施形態において、温度センサ装置の温度検出回路図である。

以下、本発明に係る赤外線センサおよび温度センサ装置の一実施形態を、図１から図６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、該絶縁性フィルム２の一方の面（下面）に設けられた感熱素子３と、絶縁性フィルム２の一方の面に形成され感熱素子３に接続された一対の金属配線膜４と、絶縁性フィルム２の一方の面に接着されていると共に接着面側に形成された空洞部５ａ内に感熱素子３を非接触で収納する筐体５と、を備えている。

上記絶縁性フィルム２は、赤外線の吸収膜となるフィルムであって、赤外線の放射率が高い材料が好ましく、例えばポリイミド樹脂シート（ポリイミド基板）で形成されている。
上記金属配線膜４は、パターン形成された金属薄膜であって、赤外線の反射効果が高い金属材料が好ましく、例えば銅箔で形成されている。
すなわち、本実施形態の絶縁性フィルム２および金属配線膜４は、絶縁性フィルム２とされるポリイミド基板の片面に、金属配線膜４とされる銅箔がパターン形成された片面フレキシブル基板によって作製されたものである。

また、一対の金属配線膜４は、感熱素子３の周囲に該感熱素子３を囲うように配されている。すなわち、これらの金属配線膜４は、互いに向かい合って外形状が一対で略四角形状とされた一対のコ字状部４ａを有している。そして、これら一対のコ字状部４ａの中央に、感熱素子３が配されている。

また、一対の金属配線膜４には、互いに対向するコ字状部４ａの凹部から対向方向に突出して絶縁性フィルム２上に形成された一対の接着電極４ｂと、コ字状部４ａから延びた接続配線部４ｃを介してコ字状部４ａに接続され絶縁性フィルム２上に形成された一対のフィルム側接合電極４ｄと、が接続されている。
上記接着電極４ｂには、それぞれ感熱素子３の端子電極３ａが半田等の導電性接着剤で接着されて、感熱素子３が実装される。

上記感熱素子３は、両端部に端子電極３ａが形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、感熱素子３として、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。なお、これら感熱素子３は、各端子電極３ａを対応する接着電極４ｂ上に接合させて絶縁性フィルム２に実装されている。

特に、本実施形態では、感熱素子３として、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子を採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。

上記筐体５は、例えば樹脂製であり、絶縁性フィルム２の熱を必要以上に放熱しないように絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の低い材料であることが好ましい。
上記空洞部５ａは、例えば半球状に形成され、その中央に感熱素子３は位置するように接着面に設けられている。

この筐体５には、互いに対向する側面にそれぞれ上記フィルム側接合電極４ｄと接合される一対の外部接続端子６が設けられている。これら外部接続端子６は、筐体５内に埋め込まれた金属製のリードフレーム部材であって、フィルム側接合電極４ｄに対応して接着面上に設けられフィルム側接合電極４ｄに接合される筐体側電極部６ａと、実装基板等に半田等の導電性接着剤で実装可能に底面に沿って外方に突出した実装用端子部６ｂと、側面に設けられ上記筐体側電極部６ａと上記実装用端子部６ｂとを接続する側面接続部６ｃと、で構成されている。

このように本実施形態の赤外線センサ１では、絶縁性フィルム２の一方の面に形成された一対の金属配線膜４が、感熱素子３の周囲に該感熱素子３を囲うように配されているので、図３に示すように、絶縁性フィルム２の他方の面（検出面）から入射された赤外線の一部が絶縁性フィルム２を透過しても感熱素子３周囲の金属配線膜４で反射されて絶縁性フィルム２で吸収される。また、検出面と反対の絶縁性フィルム２の一方の面側から入射しようとする赤外線は、金属配線膜４で反射又は遮光され、絶縁性フィルム２に吸収されない。したがって、検出面側からの赤外線は透過させずに絶縁性フィルム２の熱収集を改善すると共に、検出面の反対側からの赤外線は遮蔽して高精度に赤外線を検出することが可能である。

また、絶縁性フィルム２が、ポリイミド基板で形成され、金属配線膜４が、銅箔で形成されているので、材料費が安い汎用的な片面フレキシブル基板を利用することができ、低コスト化を図ることができる。
さらに、絶縁性フィルム２の一方の面に接着されていると共に接着面側に形成された空洞部５ａ内に感熱素子３を非接触で収納する筐体５を備えているので、外部から絶縁性フィルム２の一方の面への赤外線の入射を筐体５により防ぐことができると共に、空洞部５ａにより筐体５が感熱素子３に直接接触しないようにして筐体５から感熱素子３への熱伝導を抑制することができる。

また、感熱素子３が、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子であるので、温度係数であるＢ定数が高いため、絶縁性フィルム２の温度変化を感度良く検出することができる。また、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料などの他のサーミスタ材料に比べ機械的強度も高いため、耐環境に対する信頼性も高い。
さらに、感熱素子３のセラミックス焼結体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有しているので、電気特性のばらつきが小さく、複数の赤外線センサを用いる際に高精度な測定が可能になる。

次に、本実施形態の赤外線センサ１を用いた温度センサ装置について、図４から図６を参照して説明する。

本実施形態の温度センサ装置１０は、図４および図５に示すように、例えば、バッテリーモジュール１１に搭載された複数のバッテリーセル１２の温度を測定する装置であって、基板１３と、該基板１３に実装された一つの基準感熱素子２３と、基板１３に実装された複数の上記赤外線センサ１と、を備えている。なお、本実施形態では、バッテリーモジュール１１には６つのバッテリーセル１２が搭載されていると共に、これらに対応して６つの赤外線センサ１が基板１３に互いに間隔を空けて一列に実装されている。

上記基準感熱素子２３は、各赤外線センサ１の感熱素子３と同じ特性を有するチップサーミスタであり、基板１３の略中央に実装されている。
上記基板１３は、各バッテリーセル１２の充放電を制御する基板であり、各バッテリーセル１２に対向する下面に上記基準感熱素子２３および各赤外線センサ１が実装されている。なお、各赤外線センサ１は、それぞれ対応するバッテリーセル１２に対向した位置に設置されている。

また、この温度センサ装置１０の温度検出回路は、図６に示すように構成され、各赤外線センサ１は、一つの基準感熱素子２３に接続されて該基準感熱素子２３を基準温度検出用として共有している。
なお、符号２４は、抵抗であり、この抵抗２４と感熱素子３または基準感熱素子２３との分圧回路で、サーミスタである感熱素子３または基準感熱素子２３の抵抗を電圧として測定するようになっている。

このように本実施形態の温度センサ装置１０では、基板１３に実装された一つの基準感熱素子２３と、基板１３に実装された複数の上記赤外線センサ１と、を備えているので、同一基板１３上の一つの基準感熱素子２３による測定温度をリファレンスとして、複数の赤外線センサ１での測定温度に対する共通の基準温度にできるため、簡単な温度検出回路で構成することが可能になる。
また、基準感熱素子２３と複数の赤外線センサ１の感熱素子３とが、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料からなる同じセラミックス焼結体であるので、互いに電気特性のばらつきが小さく、高精度な測定が可能になる。

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、赤外線を直接吸収した絶縁性フィルムから伝導される熱を感熱素子が検出しているが、感熱素子の直上であって絶縁性フィルム上に赤外線吸収膜を別途形成しても構わない。この場合、この赤外線吸収膜および絶縁性フィルムによって測定対象物からの輻射による赤外線を吸収するようにし、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜から絶縁性フィルムを介した熱伝導によって、直下の感熱素子の温度が変化するようにしてもよい。

この赤外線吸収膜は、絶縁性フィルムよりも高い赤外線吸収率を有する材料で形成され、例えば、カーボンブラック等の赤外線吸収材料を含むフィルムや赤外線吸収性ガラス膜（二酸化珪素を７１％含有するホーケー酸ガラス膜など）で形成されているもの等が採用可能である。なお、この赤外線吸収膜は、感熱素子よりも大きなサイズでこれを覆うように、かつ金属配線膜の直上に形成することが好ましい。

また、チップサーミスタの感熱素子及び基準感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子及び基準感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。
また、筐体の空洞部に感熱素子を収納しているが、この空洞部内に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の低い発泡樹脂を充填して感熱素子を覆っても構わない。

１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３…感熱素子、４…金属配線膜、５…筐体、５ａ…空洞部、１０…温度センサ装置、１３…基板、２３…基準感熱素子

Claims (6)

1. 複数のバッテリーセルの温度を測定する温度センサ装置であって、
   基板と、該基板に実装された一つの基準感熱素子と、前記基板に実装された複数の赤外線センサと、を備え、
   前記赤外線センサが、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に設けられた感熱素子と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記感熱素子に接続された一対の金属配線膜と、前記絶縁性フィルムの一方の面に接着されている筐体と、を備え、
   前記金属配線膜が、前記感熱素子の周囲に該感熱素子を囲うように配されており、
   前記基準感熱素子及び複数の前記赤外線センサが、前記バッテリーセルに対向する前記基板の面に実装され、
   複数の前記赤外線センサが、前記基板に互いに間隔を空けて実装され、前記絶縁性フィルムの他方の面を検出面とし、それぞれ対応する前記バッテリーセルに対向した位置に配置されることを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。
2. 請求項１に記載のバッテリー用温度センサ装置において、
   前記基板が、前記バッテリーセルの充放電を制御する基板であることを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリー用温度センサ装置において、
   前記絶縁性フィルムが、ポリイミド基板で形成され、
   前記金属配線膜が、銅箔で形成されていることを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー用温度センサ装置において、
   前記筐体が、接着面側に形成された空洞部内に前記感熱素子を非接触で収納することを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリー用温度センサ装置において、
   前記感熱素子が、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体で形成されたサーミスタ素子であることを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。
6. 請求項５に記載のバッテリー用温度センサ装置において、
   前記セラミックス焼結体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることを特徴とするバッテリー用温度センサ装置。

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