JP6128370B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、視野角を確保して感度の低下を抑制可能な非接触の温度センサに関する。

従来、非接触温度センサとして、例えば図９の（ａ）に示すように、サーミスタ等の感熱素子２の上方に開口部を有した円筒状又は角筒状の導光路部１０３が、感熱素子２の周囲を覆って基板５等に設置されたものが知られている。このような非接触温度センサでは、導光路部１０３によって赤外線の視野角を制限することで、測定対象物からの赤外線を選択的に感熱素子２に到達可能にしている。

このような非接触温度センサとして、例えば特許文献１には、被検知体から放射される赤外線をひさし部を介して赤外線温度センサで受光して、被検知体の表面温度を非接触状態で検知する温度検知装置が記載されている。この温度検知装置は、赤外線温度センサの受光開口面に筒型のひさし部を設けており、このひさし部の内部が、受光開口面から赤外線の到来方向に向けてテーパー状に広がる筒状とされている。また、このひさし部の内面には、赤外線の反射を防止する反射防止処理として概略三角山形形状を持つ凹凸形状を形成したセンサ構造も示されている。

特開２００５−２０１７３１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の非接触温度センサでは、導光路部１０３の内面に輻射率の高い（反射率の低い）材料を用い、内面での赤外線の反射を低減することで、感熱素子２の周辺と同じ温度となるようにし、対象物からの赤外線が導光路に反射してセンサに届かないようにして、導光路部１０３の開口部の大きさにより視野角を決めている。なお、非接触温度センサでは、導光路部１０３の内面の反射率が高い（輻射率が低い）と、図９の（ａ）に示すように、開口部から入射した赤外線が内面で多数反射することで、測定に誤差が生じてしまう。このため、内面の反射率が高い場合、例えば図９の（ｂ）に示すように、導光路部１０４の開口部を底部側より広げたホーン状にすることで多数反射を抑制し、視野角を制限する方法も知られている。この場合、導光路部１０４の開口部側が大径化してしまい、全体の小型化が困難であった。

また、例えば図９の（ｃ）に示すように、内面の輻射率を高く（反射率を低く）した導光路部１０５を長くすると、視野角θが必要以上に小さくなり、検出感度が下がってしまう問題がある。したがって、このような温度センサは、例えば測定対象物とセンサとの温度差が小さい製氷機に用いる温度センサとしては、不向きであった。
さらに、特許文献１に記載された技術のように、導光路部の内面全体に反射防止用の凹凸形状を形成すると、赤外線が内面全体で乱反射又は吸収されて感度が低下し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、開口部を広げずに長い導光路部を用いても広い視野角を確保でき、感度低下を抑制することができる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、感熱素子と、該感熱素子の上方に開口部を有して前記感熱素子の感熱面の周囲を覆う筒状の導光路部とを備え、該導光路部の内面が、前記開口部側の上部領域と前記感熱素子側の下部領域とに分かれ、前記上部領域に、前記開口部側に向いた開口部側反射面と前記感熱素子側に向いた素子側反射面とを有する断面三角形状の凸部が複数形成されていることを特徴とする。

この温度センサでは、導光路部の内面の上部領域に、開口部側に向いた開口部側反射面と感熱素子側に向いた素子側反射面とを有する断面三角形状の凸部が複数形成されているので、導光路部内に入射された赤外線が複数回反射して不安定となる視野部分を上部領域の複数の凸部によって排除することができる。
すなわち、浅い角度で導光路部に入射した赤外線は、凸部の開口部側反射面で上方に反射されて再び開口部から外部に出射され、視野部分内の角度で入射した赤外線は、直接感熱素子に到達するか、下部領域の内面で反射されて感熱素子に到達する。これにより視野角が広がり、導光路部を長く設定しても視野角が小さくならず、感度低下を抑制することができる。また、感熱素子自身から輻射される赤外線の一部は、上部領域の凸部の素子側反射面で下方に向けて反射され、再び感熱素子に戻るため、測定対象以外の温度（導光路温度）が加算され難く、高精度に計測可能である。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記導光路部の内面が、反射率０．８以上であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、導光路部の内面が反射率０．８以上（輻射率０．２以下）であるので、輻射率の低い導光路部で赤外線が反射されることで、導光路温度がほとんど加算されず、より高精度な計測が可能になる。なお、上記反射率が０．８未満であると、十分に赤外線が導光路部の内面で反射されず、導光路温度が加算されてしまうおそれがある。

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、導光路部の内面の上部領域に、開口部側に向いた開口部側反射面と感熱素子側に向いた素子側反射面とを有する断面三角形状の凸部が複数形成されているので、導光路部を長く設定しても視野角が小さくならず、感度低下を抑制することができ、高精度な計測が可能になる。したがって、見かけの視野角を広くすることができ、温度検出度合いを向上させることができる。
特に、本発明の温度センサは、測定対象物とセンサとの温度差が小さい製氷機などの温度計測用のセンサとして好適である。

本発明に係る温度センサの一実施形態を示す断面図である。 本実施形態において、導光路部に入射する赤外線の軌跡を示す説明図である。 本発明に係る温度センサの参考例及び従来例において、導光路部の違いによる黒体位置の感度を示すグラフである。 本実施形態の他の例において、２つのチップサーミスタを有したセンサ本体を示す斜視図である。 本実施形態の他の例において、２つのチップサーミスタを有したセンサ本体を示す正面図である。 本実施形態の他の例において、２つの薄膜サーミスタを有したセンサ本体を示す斜視図である。 本実施形態の他の例において、２つの薄膜サーミスタを有したセンサ本体を示す断面図である。 本実施形態の他の例において、２つの薄膜サーミスタを有したセンサ本体を示す分解斜視図である。 本発明に係る温度センサの従来例を示す断面図である。

以下、本発明に係る温度センサの一実施形態を、図１及び図２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。

本実施形態の温度センサ１は、図１及び図２に示すように、感熱素子２と、該感熱素子２の上方に開口部３ａを有して感熱素子２の感熱面の周囲を覆う筒状の導光路部３とを備えている。
上記導光路部３の内面は、開口部３ａ側の上部領域３Ａと感熱素子２側の下部領域３Ｂとに分かれ、上部領域３Ａに、開口部３ａ側に向いた開口部側反射面４ａと感熱素子２側に向いた素子側反射面４ｂとを有する断面三角形状の凸部４が複数形成されている。

上記感熱素子２は、例えばチップサーミスタであり、基板５上に実装されている。このチップサーミスタは、サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の両端部に形成された電極となる一対の端子部とを備えている。この感熱素子２では、サーミスタ素体の表面が主に感熱面となる。
なお、サーミスタ素体としては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタ材料があるが、本実施形態では、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタ材料は、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。

特に、本実施形態では、サーミスタ素体として、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ものを採用している。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。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。

なお、感熱素子２として、薄膜サーミスタを採用しても構わない。例えば、薄膜サーミスタとして、絶縁性フィルム等の基板の一方の面にＴｉＡｌＮの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ていると共に一対の配線膜に接続された一対の櫛型電極とを備えたものでもよい。

上記導光路部３は、例えばアルミニウム製の円筒又は角筒であり、その内面が、反射率０．８以上の鏡面とされている。なお、反射率が０．８以上の鏡面であれば、導光路部３の内面をステンレスや反射膜等の他の材料で構成しても構わない。
この導光路部３は、感熱素子２が実装された回路基板等の基板５上に固定されている。なお、導光路部３の固定は、例えば下部に設けられた弾性を有する突起部を基板５に形成された固定用孔に嵌め込んで固定する方法等が採用される。

上記凸部４は、導光路部３の内面に円環状に延在して形成され、軸線方向に複数並んで設けられている。なお、凸部４を、導光路部３の内面に螺旋状に形成しても構わない。
凸部４の開口部側反射面４ａと素子側反射面４ｂとは、互いに上下対称に形成され、導光路部３の軸線に直交する面に対して絶対値で同じ角度に設定されている。なお、所望の視野角に応じて開口部側反射面４ａと素子側反射面４ｂとの角度を、互いに異なるものとしても構わない。また、凸部４の突出量は、全て同じに設定しているが、所望の視野角に応じて導光路部３の上部側と下部側とで異なるものとしても構わない。
上記上部領域３Ａは、導光路部３の上部半分に設定しているが、所望の視野角に応じて範囲が設定される。

このように本実施形態の温度センサ１では、導光路部３の内面の上部領域３Ａに、開口部３ａ側に向いた開口部側反射面４ａと感熱素子２側に向いた素子側反射面４ｂとを有する断面三角形状の凸部４が複数形成されているので、導光路部３内に入射された赤外線が複数回反射して不安定となる視野部分を上部領域３Ａの複数の凸部４によって排除することができる。すなわち、図２の（ａ）に示すように、浅い角度で導光路部３に入射した赤外線Ｌ１は、凸部４の開口部側反射面４ａで上方に反射されて再び開口部３ａから外部に出射され、視野部分内の角度で入射した赤外線Ｌ２は、直接感熱素子２に到達するか、下部領域３Ｂの内面で反射されて感熱素子２に到達する。

これにより視野角が広がり、導光路部３を長く設定しても視野角が小さくならず、感度低下を抑制することができる。また、図２の（ｂ）に示すように、感熱素子２自身から輻射される赤外線Ｌ３の一部は、上部領域３Ａの凸部４の素子側反射面４ｂで下方に向けて反射され、再び感熱素子２に戻るため、測定対象以外の温度（導光路温度）が加算され難く、高精度に計測可能である。
また、導光路部３の内面が反射率０．８以上（輻射率０．２以下）であるので、輻射率の低い導光路部３で赤外線が反射されることで、導光路温度がほとんど加算されず、より高精度な計測が可能になる。

凸部が形成された導光路部を有した上記本実施形態の温度センサと、凸部が形成されていない導光路部を有した従来の温度センサとを比較するために、黒体の感度分布を簡易的に解析した結果を、図３に示す。
この解析結果では、検出側（グラフ横軸の正の領域：０〜６ｍｍ）に対して黒体各部が与える赤外線量を示している。すなわち、この解析は、立体角（全周）ではなく２次元の簡易解析であって、二次元状黒体の有る位置（ｘ）から、感熱素子（検出部）全体が受ける赤外線量（ｙ）を解析したものである。より具体的には、任意の黒体の位置（ｘ）から、１８０度の範囲で直接当たる場合の赤外線量は１，一回反射では０．８、２回反射では、０．６４とし、２回反射までで感熱素子に当たる赤外線量を積分している。なお、グラフの縦軸は、任意単位（ＡＲＢ：arbitrary unit）としている。

なお、上記解析では、本発明の温度センサにおける開口部側反射面の効果を簡易的に解析するために、上部領域の反射率０、凸部の突出高さ０ｍｍに設定したものを参考例とし、黒体以外からの輻射は無いものとした。なお、参考例の下部領域及び従来例における導光路部内面の反射率は、０．８に設定した。

他の解析条件は、以下のように設定した。
・導光路部（円筒状）の半径：６ｍｍ
・黒体−導光路部の距離：５ｍｍ
・導光路部の高さ：１０ｍｍ
・導光路部の上端から上部領域の下端までの高さ：３ｍｍ
なお、この解析では、開口部が小さく、２回反射までの解析であるため、凸部の突出量の影響はほとんど無いと考えられる。

この解析結果からわかるように、従来例に比べて本発明の参考例では、赤外線の最大受光量は減少しているが、感度分布は中心付近に限定されている。
したがって、上部領域に凸部が形成される本発明では、開口部側反射面の効果により参考例のように感度分布が中心寄りに変化すると共に、素子側反射面の効果により赤外線の最大受光量の減少を抑制可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例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、上記実施形態の他の例として、図４及び図５に示すように、検出用と補償用との２つの感熱素子を有したセンサ本体２１を採用しても構わない。このセンサ本体２１は、温度センサの導光路部を除いた主に基板と感熱素子とから構成される部分である。

すなわち、このセンサ本体２１は、絶縁性フィルム（基板）２２と、該絶縁性フィルム２２の一方の面（下面）に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂと、絶縁性フィルム２２の一方の面に銅箔等でパターン形成され第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂに別々に接続された複数対の導電性の配線膜２４と、第１の感熱素子２３Ａに対向して絶縁性フィルム２２の他方の面（上面）に設けられた赤外線吸収膜２５と、第２の感熱素子２３Ｂに対向して絶縁性フィルム２２の他方の面に設けられた赤外線反射膜２６とを備えている。

すなわち、上記赤外線吸収膜２５は、第１の感熱素子２３Ａの直上に配されていると共に、上記赤外線反射膜２６は、第２の感熱素子２３Ｂの直上に配されている。なお、赤外線吸収膜２５及び赤外線反射膜２６が、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの感熱面として機能する。また、この他の例を示す各図では、導光路部の図示は省略しているが、導光路部は、感熱面である赤外線吸収膜２５及び赤外線反射膜２６の周囲を覆って設置される。

上記絶縁性フィルム２２は、赤外線透過性フィルムで形成されている。なお、本実施形態では、絶縁性フィルム２２がポリイミド樹脂シートで形成されている。
上記第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂは、両端部に端子電極２３ａが形成されたチップサーミスタである。
なお、これら第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂは、各端子電極２３ａを配線膜２４上に接合させて絶縁性フィルム２２に実装されている。

上記赤外線吸収膜２５は、絶縁性フィルム２２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。すなわち、この赤外線吸収膜２５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。そして、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜２５から絶縁性フィルム２２を介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子２３Ａの温度が変化するようになっている。この赤外線吸収膜２５は、第１の感熱素子２３Ａよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

上記赤外線反射膜２６は、絶縁性フィルム２２よりも高い赤外線放射率を有する材料で形成され、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されている。この赤外線反射膜２６は、第２の感熱素子２３Ｂよりも大きなサイズでこれらを覆うように形成されている。

このようにセンサ本体２１は、第１の感熱素子２３Ａに対向して絶縁性フィルム２２の他方の面に設けられた赤外線吸収膜２５と、第２の感熱素子２３Ｂに対向して絶縁性フィルム２２の他方の面に設けられた赤外線反射膜２６とを備えているので、赤外線吸収膜２５による部分的な赤外線吸収と赤外線反射膜２６による部分的な赤外線反射とにより、薄く熱伝導性の低い絶縁性フィルム２２上で第１の感熱素子２３Ａと第２の感熱素子２３Ｂとの良好な温度差分を得ることができる。

すなわち、フィルムに赤外線吸収材料等を含有させていない低熱伝導性の絶縁性フィルム２２でも、図５に示すように、赤外線吸収膜２５によって絶縁性フィルム２２の第１の感熱素子２３Ａの直上部分のみに赤外線吸収による熱を伝導させることができる。特に、薄い絶縁性フィルム２２を挟んで赤外線吸収膜２５の熱が伝導されるため、感度の劣化がなく、高い応答性を有している。また、赤外線吸収膜２５の面積を任意に設定可能であるため、測定対象物との距離に合わせた赤外線検出の視野角を面積で設定でき、高い受光効率を得ることができる。

また、図６から図８に示すように、検出用と補償用との２つの感熱素子に薄膜サーミスタを用いたセンサ本体３１を採用しても構わない。

すなわち、このセンサ本体３１と上記センサ本体２１との異なる点は、上記センサ本体２１では、チップサーミスタの第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂを採用しているのに対し、センサ本体３１は、第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂが薄膜サーミスタで形成されている点である。

また、センサ本体３１では、絶縁性フィルム２２の一方の面に固定されて該絶縁性フィルム２２を支持する筐体３７を備え、該筐体３７に、第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂをそれぞれ個別に収納すると共に絶縁性フィルム２２よりも熱伝導率の低い空気で覆う第１の収納部３７ａ及び第２の収納部３７ｂが設けられている点で、センサ本体２１と異なっている。

上記第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂは、例えばＭｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ_３Ｏ_４−Ｃｏ_３Ｏ_４系複合金属酸化物）又はＭｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物にＮｉ、Ｆｅ、Ｃｕの少なくとも一種類を含む複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ_３Ｏ_４−Ｃｏ_３Ｏ_４−Ｆｅ_２Ｏ_３系複合金属酸化物）からなる複合金属酸化物膜（サーミスタ薄膜）３３ａと、この複合金属酸化物膜上に形成され配線膜２４に接続された櫛形電極等の電気抵抗測定用の金属電極３３ｂとを備えている。
また、この薄膜サーミスタである第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂは、それぞれ対向する赤外線吸収膜２５及び赤外線反射膜２６に対応させた大きさ及び形状に設定されている。

上記筐体３７は、例えば樹脂製であり、絶縁性フィルム２２の熱を必要以上に放熱しないように絶縁性フィルム２２よりも熱伝導性の低い材料であることが好ましい。
また、上記第１の収納部３７ａ及び第２の収納部３７ｂは、第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂの位置にそれぞれ対応して形成された断面矩形状の孔部であり、内部に空気を密封した状態で開口部が絶縁性フィルム２２で閉塞されている。

このようにセンサ本体３１では、第１の感熱素子３３Ａ及び第２の感熱素子３３Ｂが絶縁性フィルム２２の一方の面に成膜された薄膜サーミスタであるので、松葉型やチップ型のサーミスタに比べて検出面積を広くできると共に、赤外線吸収膜２５及び赤外線反射膜２６に対応した面積や形状とすることが容易で、面内分布による測定誤差が生じ難い。また、薄膜サーミスタのため、熱容量が小さく、より高い応答性が得られる。

１…温度センサ、２，２２Ａ，２２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ…感熱素子、３…導光路部、３ａ…開口部、３Ａ…上部領域、３Ｂ…下部領域、４…凸部、４ａ…開口部側反射面、４ｂ…素子側反射面

Claims (2)

1. 感熱素子と、
   該感熱素子の上方に開口部を有して前記感熱素子の感熱面の周囲を覆う筒状の導光路部とを備え、
   該導光路部の内面が、前記開口部側の上部領域と前記感熱素子側の下部領域とに分かれ、
   前記上部領域に、前記開口部側に向いた開口部側反射面と前記感熱素子側に向いた素子側反射面とを有する断面三角形状の凸部が複数形成され、
   複数の前記凸部が、前記導光路部の軸線方向に互いに隣接して並んで設けられ、
   前記下部領域が、前記凸部が無く前記軸線方向に平行な内面である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、
   前記導光路部の内面が、反射率０．８以上であることを特徴とする温度センサ。