JP5644257B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は熱源の温度を非接触測定する温度センサに関する。

熱源の温度を非接触測定するための温度センサとして、熱源から輻射される赤外線の熱量を検出する方式が知られている。この種の温度センサは、熱源からの赤外線を効率よく吸収する赤外線吸収膜を備えており、赤外線受光に起因する赤外線吸収膜の温度上昇を感温素子で検知する。感温素子は、温度に対応して電気的特性が変化する温度特性を有しており、感温素子から出力される電気信号に基づいて熱源の温度を推定することができる。このような感温素子として、温度に応じて抵抗値が変化する抵抗温度特性を有するサーミスタ、又は温度に応じた熱起電力を発生する熱電対等が知られている。また、赤外線吸収膜として、遠赤外線の波長帯域を吸収する特性を有するポリイミド等の高分子フィルムが知られている。

感温素子から出力される電気信号は、赤外線吸収膜上に配線されたリード配線を伝わって検出回路に供給される。リード配線の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）は、赤外線吸収膜の熱伝導率（０．２〜０．４Ｗ／ｍＫ）よりも極めて高いため、赤外線吸収膜から感温素子に流れ込んだ熱量の一部は、感温素子の温度上昇に殆ど寄与せずに、リード配線を伝わって外部に流出してしまい、感温素子の感度低下を招く要因の一つとして指摘されている。このような事情に鑑み、感温素子からリード配線を伝わって外部に熱が流出することを抑制するための配線パターンとして、例えば、実用新案登録２５０６２４１号公報に開示されているように、ミアンダ状の配線パターンが知られている。ミアンダ状の配線パターンは、繰り返し折り返しながら屈曲しているため、実質的な配線長を長くすることが可能になり、熱抵抗を高くできるという利点を有している。

実用新案登録２５０６２４１号公報

しかし、赤外線吸収膜の面積が小さいと、限られたスペース内にミアンダ状のリード配線を詰め込まなければならないので、折り曲げの曲率半径は極めて小さいものとなり、回路設計上の制限を受ける虞がある。また、リード配線を小さな曲率半径で繰り返し屈曲させると、折り返し箇所に作用する応力によってリード配線の剥離やひび割れ等を引き起こす場合があるので、好ましくない。特に、感温素子からの熱流出抑制のためにリード配線の熱抵抗を高くする場合には、リード配線を細く薄くするので、応力に対して脆くなりやすくなる。

そこで、本発明は、リード配線の曲率半径を小さくすることなく、その配線長を長くできる温度センサを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる温度センサは、熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子と、電気信号を出力するためのリード配線と、を備え、リード配線は、所定点の周囲を巻回するように配線されている。このような配線構造によれば、リード配線が配線される領域の周縁に沿ってリード配線を巻回させることができるので、リード配線が配線される領域面積が小さくても、リード配線の配線長を長くできる。

温度センサは、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜を更に備えてもよい。感温素子は、赤外線吸収膜の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力することができる。また、赤外線吸収膜の周縁に沿ってリード配線を巻回させることができるので、赤外線吸収膜の面積が小さくても、リード配線の配線長を長くできる。リード配線による熱伝導以外の熱が感温素子から逃げる場合を想定した場合、熱の逃げる方向に対してリード配線が横断しているため、熱がより逃げにくい構成を提供できる。

本発明に係わる温度センサは、赤外線吸収膜に分布する熱量を感温素子に集熱するための集熱部材を更に備えてもよい。赤外線吸収膜に分布する熱量は、集熱部材を伝わって感温素子に速やかに伝熱するため、熱源の温度を正確かつ応答性よく測定することができる。

本発明に係わる温度センサによれば、リード配線の曲率半径を小さくすることなくその配線長を長くできる。

実施例１に係わる温度センサの説明図である。 実施例２に係わる温度センサの説明図である。 比較例に係わる温度センサの説明図である。 実施例４に係わる温度センサの回路構成図である。 実施例４に係わる温度センサの断面図である。 実施例４に係わる温度センサの一部平面図である。 実施例４に係わる温度センサの説明図である。 実施例４に係わる温度センサの一部断面図である。 実施例４に係わる温度センサの一部断面図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の部材については同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。なお、図面は、模式的なものであり、部材相互間の寸法の比率や部材の形状等は、本発明の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。

図１は実施例１に係わる温度センサ１００の説明図である。温度センサ１００は、熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜２０と、赤外線吸収膜２０の熱量を検知することにより熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子１０と、感温素子１０から電気信号を出力するためのリード配線３１，３２とを備える。赤外線吸収膜２０の材質は、熱源からの輻射赤外線を効率よく吸収して発熱する材質であればよく、例えば、遠赤外線と称される４μｍ〜１０μｍの波長帯域の光に吸収スペクトラムを有する材質が望ましい。このような材質として、フッ素、シリコーン、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレン、ポリカーボネート、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の高分子材料からなる樹脂が好ましい。感温素子１０は、温度に応じて電気的特性が変化するセンサ素子（例えば、抵抗温度特性を有するサーミスタ、サーモパイル、金属測温度体等）である。感温素子１０は、リード配線３１，３２にそれぞれ接続する電極１１，１２を備えており、感温素子１０の温度変化に対応する電気特性の変化は、熱源の温度に対応する電気信号としてリード配線３１，３２から外部に取り出される。例えば、感温素子１０が抵抗温度特性を有するサーミスタである場合には、感温素子１０の温度変化は、抵抗値変化として現れる。感温素子１０に予め所定の電流を流しておくことにより、感温素子１０の抵抗値変化は、電圧変化として検出される。感温素子１０の出力電圧は、熱源の温度に対応する電気信号として信号処理される。

リード配線３１，３２は、所定点の周囲を巻回するように配線されている。所定点の位置は、特に限定されるものではないが、例えば、感温素子１０が配置されている箇所の任意の箇所が好ましく、感温素子１０の中心位置がより好ましい。このような配線構造によれば、赤外線吸収膜２０の周縁に沿ってリード配線３１，３２を巻回させることができるので、赤外線吸収膜２０の面積が小さくても、リード配線３１，３２の配線長を長くできる。また、所定点の周囲を巻回するようにリード配線３１，３２を巻回させることにより、リード配線３１，３２の屈曲部分５０の曲率半径を大きくできるため、リード配線３１，３２を急峻に折り曲げる必要がなく、リード配線３１，３２の剥離やひび割れ等を効果的に抑制できる。例えば、赤外線吸収膜２０の形状が矩形である場合には、リード配線３１，３２の屈曲部分５０の折り曲げ角度を９０°程度に抑えることができる。

図２は実施例２に係わる温度センサ２００の説明図である。同図に示すように、温度センサ２００は、集熱部材４０を備える点において実施例１と相違し、その余の点で実施例１，２は共通のセンサ構造を有している。集熱部材４０は、赤外線吸収膜２０の各所に分布している熱量を捕捉し、これを感温素子１０に集熱させるための部材である。集熱部材４０は、感温素子１０近傍の領域だけでなく感温素子１０から離れた領域からも広範囲にわたって熱量を捕捉し、感温素子１０に効率良く集熱できるように、電極１１，１２を起点として赤外線吸収膜２０の面内に放射状に形成されている。集熱部材４０は、電気信号の伝送に係わる部材ではなく、熱伝導のみに係わる部材であるため、外部の部品に接続することなく、赤外線吸収膜２０の面内で終端している。このため、集熱部材４０から外部に熱が流出することはなく、集熱部材４０の終端から感温素子１０へ向かって一方向に熱が流れる。集熱部材４０は、赤外線吸収膜２０の各所に蓄熱している熱量を万遍なく捕捉するために、電極１１，１２を起点として赤外線吸収膜２０の外周端部に向かって枝分かれを繰り返しながら放射状に形成されているのが好ましい。このような構成により、赤外線吸収膜２０に分布する熱量は、集熱部材４０の枝と枝との間に島状に点在し、赤外線吸収膜２０と感温素子１０との間の温度勾配により、感温素子１０へ向けて熱の流れを生じさせることができる。また、集熱部材４０を放射状に形成することで、熱を捕捉できる集熱範囲５０を赤外線吸収膜２０全体に拡大することが可能になり、集熱効率を高めることができる。また、集熱部材４０と電極１１，１２との接続部分から赤外線吸収膜２０の各点へ至る伝熱経路を短くできるため、赤外線吸収膜２０に分布する熱量を低熱抵抗の伝熱経路を通じて感温素子１０へ素早く集熱することができる。これにより、感温素子１０は、熱源の温度変化に対して応答性よく反応することができる。

集熱部材４０を流れる熱量は、感温素子１０に近づく程、多くなるので、感温素子１０に近づく程、集熱部材４０を太くして熱抵抗を下げるのが好ましい。これにより、集熱部材４０は、終端に近づく程、細くなり、熱抵抗が高くなるので、終端方向への熱の流れを抑制し、感温素子１０への熱の流れを促進させることができる。また、赤外線吸収膜２０の各点に分布する熱量が少ない場合であっても、低抵抗の集熱部材４０を介して熱が集められ、感温素子１０へ流れ込むため、感温素子１０の温度低下を抑制し、感度特性を高めることができる。

熱源からの赤外線が赤外線吸収膜２０に輻射され始めた時点では、感温素子１０と赤外線吸収膜２０との間の温度差は大きく、両者の温度勾配によって集熱部材４０から感温素子１０へ熱が流入する。すると、感温素子１０の温度上昇に伴い、温度勾配は小さくなるので、感温素子１０への熱流入は少なくなる。一方、感温素子１０に集熱された熱量の一部は、リード配線３１，３２や外界雰囲気を伝わって放熱され、感温素子１０の温度低下が生じるため、温度勾配によって感温素子１０への熱流入が持続する。そして、感温素子１０へ流れ込む熱量と感温素子１０から流れ出す熱量とが釣り合ったところで、熱平衡状態になり、感温素子１０の温度は一定になる。

集熱部材４０の材質は、赤外線吸収膜２０の熱抵抗よりも小さい熱抵抗を有し、熱伝導性に優れている材質であればよい。例えば、集熱部材４０の材質は、リード配線３１，３２の材質と同一でもよく、或いは異なるものでもよい。集熱部材４０の材質がリード配線３１，３２の材質と同一である場合には、集熱部材４０とリード配線３１，３２とを同一の成膜工程で形成できるという利点を有する。例えば、赤外線吸収膜２０上に銅箔を形成し、公知の印刷技術を用いてこれを所定形状にパターニングすることで、導電性を有する集熱部材４０とリード配線３１，３２とを一括形成することができる。集熱部材４０の材質がリード配線３１，３２の材質と異なる場合には、集熱部材４０の材質として、例えば、金属以外の熱伝導率の高い材質（カーボングラファイト膜など）を用いてもよい。

リード配線３１，３２は、所定点の周囲（より詳細には、集熱部材４０の周囲）を巻回するように配線されている。このような配線構造によれば、赤外線吸収膜２０の周縁に沿ってリード配線３１，３２を巻回させることができるので、集熱部材４０の形成領域４１の面積を十分に確保しつつ、リード配線３１，３２の配線長を長くできる。一方、図３に示す比較例に係わる温度センサ３００では、リード配線３１，３２をミアンダ状に折り返し屈曲させているため、リード配線３１，３２の形成領域７１，７２の占有面積によって集熱部材４０の形成領域４２の面積が圧迫されてしまい、集熱部材４０の大面積化が困難である。また、リード配線３１，３２の屈曲部分７０の折り曲げ角度は、回路設計上の制約により限度があるため、限られたスペースの中でその配線長を長くするのは困難である。実施例２と比較例とを比較すると、実施例２に係わる集熱部材４０の形成領域４１の面積は、比較例に係わる集熱部材４０の形成領域４２の面積の約１．５倍であり、且つ実施例２に係わるリード配線３１，３２の配線長は、比較例に係わるリード配線３１，３２の配線長の約１．５倍である。このように、実施例２によれば、集熱部材４０の大面積化による集熱効率の向上と、リード配線３１，３２の熱抵抗増大による熱流出の抑制を両立させることができる。

比較例では、リード配線３１，３２の屈曲部分７０に作用する応力を低減するために、屈曲部分７０の曲率半径を大きくすると、リード配線３１，３２の折り返し回数が少なくなるので、結果的にその配線長が短くなってしまう。これに対し、実施例２では、リード配線３１，３２の屈曲部分６０に作用する応力を低減するために、屈曲部分６０の折り曲げ角度を大きくしても、その配線長は殆ど短くならない。このように、実施例２によれば、屈曲部分６０の曲率半径を大きくすることによって、屈曲部分６０に作用する応力を低減しつつ、リード配線３１，３２の配線長を長くすることができる。なお、実施例２において、赤外線吸収膜２０の四隅が丸まっている場合には、その丸みに沿って屈曲部分６０を緩やかに（曲率半径を大きく）してもリード配線３１，３２の長さに殆ど影響は生じないが、比較例において、赤外線吸収膜２０の四隅が丸まっている場合には、リード配線３１，３２と赤外線吸収膜２０の四隅とが接触しないように屈曲部分７０を緩やかにすると、屈曲部分６０が広がるため折返し数が減り、リード配線３１，３２の配線長が短くなるという不都合が生じる。

図４は実施例３に係わる温度センサ４００の回路構成図である。赤外線温度センサ４００は、直列接続された赤外線検知用感温素子１０Ａ及び固定抵抗素子１３Ａから成るハーフブリッジ回路と、直列接続された温度補償用感温素子１０Ｂ及び固定抵抗素子１３Ｂから成るハーフブリッジ回路とが並列接続されたフルブリッジ回路を有している。二つの固定抵抗素子１３Ａ，１３Ｂの接続点と、二つの感温素子１０Ａ，１０Ｂの接続点との間には、電源１４が接続されており、フルブリッジ回路に電流が流れるように構成されている。赤外線検知用感温素子１０Ａは、熱源から放射される赤外線の熱量を検知するためのセンサ素子であり、温度補償用感温素子１０Ｂは、外部環境からの熱量を検知するためのセンサ素子である。赤外線検知用感温素子１０Ａが受け取る熱量は、熱源から放射される赤外線の熱量に限らず、外部環境からの熱量も受け取るため、外部環境からの熱量を温度補償用感温素子１０Ｂで検出することにより、熱源から放射される赤外線の熱量（即ち、熱源の温度）を推定することができる。このため、赤外線検知用感温素子１０Ａは、熱源から放射される赤外線を受光できるように配置される一方、温度補償用感温素子１０Ｂは、熱源から放射される赤外線を受光しないように（言い換えれば、外部環境からの熱量のみを検知できるように）配置される。

赤外線検知用感温素子１０Ａと固定抵抗素子１３Ａとの接続点には出力端子１５が接続され、温度補償用感温素子１０Ｂと固定抵抗素子１３Ｂとの接続点には出力端子１６が接続されている。赤外線検知用感温素子１０Ａ及び温度補償用感温素子１０Ｂの抵抗温度特性を略同一に調整し、固定抵抗素子１３Ａ，１３Ｂの抵抗値を略同一に調整すると、赤外線温度センサ４００に熱源からの赤外線が照射されない状態では、出力端子１５，１６の間の電圧はゼロとなる一方、赤外線温度センサ４００に熱源からの赤外線が照射される状態では、赤外線検知用感温素子１０Ａ及び温度補償用感温素子１０Ｂのそれぞれの抵抗値変化の相違により、出力端子電極１５，１６の間に不平衡電圧が出力される。この不平衡電圧と熱源の温度とを予め対応付けたマップデータを用意しておくことで、不平衡電圧から熱源の温度を推定することができる。

図５は温度センサ４００の断面図であり、図６は温度センサ４００の一部平面図である。図６に示すように、赤外線検知用感温素子１０Ａは、赤外線吸収膜２０Ａ上においてリード配線３１Ａ，３２Ａにそれぞれ接続する電極１１Ａ，１２Ａを備えており、赤外線検知用感温素子１０Ａの温度変化に対応する電気特性の変化は、熱源と外部環境からもたらされる熱量に対応する電気信号としてリード配線３１Ａ，３２Ａから外部に取り出される。同様に、温度補償用感温素子１０Ｂは、赤外線吸収膜２０Ｂ上においてリード配線３１Ｂ，３２Ｂにそれぞれ接続する電極１１Ｂ，１２Ｂを備えており、温度補償用感温素子１０Ｂの温度変化に対応する電気特性の変化は、外部環境からもたらされる熱量に対応する電気信号としてリード配線３１Ｂ，３２Ｂから外部に取り出される。リード配線３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂは、半田４１２を介して電線４１１に接続されている。なお、赤外線吸収膜２０Ａ，２０Ｂは、相互に熱伝導しないように分離しているのが好ましい。図５に示すように、赤外線吸収膜２０Ａ，２０Ｂは、スペーサ４０３を介してカバー４０２と底板４０１との間に介挿されている。カバー４０２は、熱源からの赤外線が温度補償用感温素子１０Ｂに入射しないように遮蔽するとともに、熱源からの赤外線を赤外線吸収膜２０Ａに導くための導光部４２０を備える。電線４１１は、接着剤４１３によって底板４０１に接着されている。

温度センサ４００の感度を向上させるための構造として、導光部４２０の開口面積を大きくとることが考えられるが、感温素子１０Ａ近傍の赤外線吸収膜２０Ａの温度分布しか感温素子１０Ａの温度変化に寄与しないため、図７に示すように、赤外線吸収膜２０Ａの面積（受光面積）は、導光部４２０の開口面積よりも小さくてもよい。赤外線吸収膜２０Ａの面積を導光部４２０の開口面積よりも小さくするための構造として、例えば図８に示すように、赤外線の受光面にアパーチャ４２１を設けて、赤外線吸収膜２０Ａの面積を小さくする構造、又は図９に示すように、導光部４２０の内壁をテーパ状にして赤外線吸収膜２０Ａの面積を小さくする構造等が考えられる。このような構造においては、赤外線吸収膜２０Ａの面積は、小さくなるため、リード配線３１Ａ，３１Ｂの配線パターンは、実施例１或いは実施例２と同様の配線パターンに設計するのが好ましい。なお、図８に示すθ１及び図９に示すθ２は、それぞれ赤外線入射角度範囲を示す。赤外線吸収膜２０Ａには、実施例２と同様に、集熱部材を設けてもよい。また、導光部４２０の内壁には、赤外線吸収膜又は赤外線反射膜の何れか一方を形成してもよい。

本発明に係わる温度センサは、熱源の温度を非接触測定する用途に利用できる。

１０…感温素子
１１，１２…電極
２０…赤外線吸収膜
３１，３２…リード配線
４０…集熱部材
１００，２００，３００，４００…温度センサ

Claims (1)

1. 熱源から輻射される赤外線を吸収して発熱する赤外線吸収膜と、
   前記赤外線吸収膜の発熱を検知して前記熱源の温度に対応した電気信号を出力する感温素子と、
   前記電気信号を出力するためのリード配線と、を備え、
   前記リード配線は、感温素子の中心位置の周囲を巻回するように前記赤外線吸収膜上に配線され、
   前記赤外線吸収膜に分布する熱量を前記感温素子に集熱するための集熱部材を更に備え、
   前記感温素子は、前記赤外線吸収膜上において前記リード配線に接続する電極を備えており、
   前記集熱部材は、前記電極を起点として前記赤外線吸収膜の面内に放射状に形成され、
   前記リード配線は、前記集熱部材の周囲を巻回するように配線されている、温度センサ。

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