JP6476596B2 - 温度センサ - Google Patents
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Description
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フィルム上に、検知用感熱素子と補償用感熱素子との二つの感熱素子を備えている。検知用感温素子は、フィルム上の赤外線が入射する領域に配置されており、赤外線が赤外線受光に起因するフィルムの温度上昇を検知する。補償用感温素子は、フィルム上の赤外線から遮蔽された領域に配置されており、赤外線の影響を取り除いたフィルムの温度を検知している。
この二つの感温素子の検出温度の差は、入射する赤外線から得られた熱エネルギー量を反映している。したがって、検出温度の差から、赤外線を放射している熱源の温度を推定することができる。
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いる、このような感温素子として、抵抗温度特性を有するサーミスタ、サーモパイル、金属測温度体等が知られている。また、フィルムとして、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。
センサを搭載する面(搭載面)に温度傾斜があると、搭載面の温度分布がセンサ筐体に伝わるため、搭載面の温度傾斜に応じてセンサ筐体にも温度傾斜が生じ、検知用感温素子と補償用感温素子にも温度差を生じせしめる。
本来、検知用感温素子と補償用感温素子との温度差の要因は、赤外線が入射するかしないかだけであるべきであるのに、他の要因からも温度差を生じることは、赤外線温度センサの検出精度を狂わす結果となる。
また、装置のふたが開けられたときに外気が流れ込み、搭載面のふたに近い側が冷えることなどによっても起こる。
熱伝導、装置内の空気の温度上昇、対流などが起こり、搭載面に温度傾斜が生じる。検知対象物の温度制御用に温度センサを用いる場合、検知対象物の温度変化を正確に検知することが重要であるが、このとき搭載面に温度傾斜が生じ、その影響により温度センサの精度が低下すると、制御用温度センサとしての使命が果たせない。
以上の例のように、搭載面に温度傾斜が生じることは、稼働状態の装置では頻繁に起こることであり、そのたびにセンサの温度検出精度が低下することは好ましくない。
そこで、本発明は、搭載面の温度傾斜による検出精度への悪影響、とくに温度傾斜が過渡的に起きた場合でも、その悪影響を受けにくい温度センサを提案することを目的とする。あわせて、センサの配線を伝導する熱の影響による精度低下も起きにくいセンサを提案する。
信号用パターンが相互に熱結合する程度に密集する密集部分と、信号用パターンが形成された面とは反対側のフィルム面に接する熱伝導部を有し、密集部分の中心軸はフィルムの中心軸に一致して配置され、信号用パターンの各端子から密集部分に至る部分が、フィルム上の中心軸に対し左右線対称に配置され、熱伝導部をフィルムの信号用パターンが形成された面に投影した領域は密集部分を包含することを特徴とする温度センサである。
このような構成により、熱結合された密集部分は、左右の感温素子に対して熱的アースとして機能し、そこを基準として、左右の感温素子の熱的条件の違いは赤外線が入射するかしないかだけとなり、他の熱的要因はすべて左右均等な構成となる。赤外線入射による要因以外は、左右の感温素子に均等に影響を及ぼすため、左右の感温素子の温度差においては、赤外線入射による要因以外は打ち消される。従って、赤外線の入射以外の要因から温度差を生じることによる温度センサの検出精度の狂いを抑えることができる。
熱流出部は熱的に左右対称に形成された温度センサの対称軸上に配置されていることが望ましい。
熱流出入部は温度センサを外部部材に固定する固定部を兼ねることが現実的である。
熱接地用パターンの厚みは、前記信号用パターンの厚みより大きいことがより望ましい。
あるいは、前記熱接地用パターンに重ねた熱容量層をもたせてもよい。
あるいは、流出入部と、信号用パターンを接続するリード線取り付け部とが、第1、第2の感温素子の中心を結ぶ線をはさんで、お互いに対抗する位置にあってもよい。
あるいは、第1、第2の感温素子の中心を結ぶ線に対し、熱流出入部と、リード線取り付け部とがお互いに同じ側に位置してもよい。
さらに、フィルム上であって、前記感温素子の電極取り付け部分から放射状に伸びるとともに、前記信号用パターンに接続された集熱用パターンを有し、
前記集熱用パターンは、前記フィルム上に前記中心軸に対して左右対称に配置されていると、センサの応答性も向上する。
また、以上に説明した信号用パターン、熱接地用パターン、熱接地補助パターンは、実施形態においてはフィルムの表面上に形成された銅箔層を目的に応じた形状にパターン化することにより形成されるものとして、信号用銅箔パターン、熱接地用銅箔パターン、熱接地補助銅箔パターンと述べる。しかし、銅箔以外の手段によってもこれらのパターンを形成し、同様の機能を実現することも可能である。
図1は実施形態1に係わる温度センサ100の説明図である。
図1(a)は温度センサ100の上部から(赤外線を受ける側)の外観、図1(b)は底部(取付け面側)から見た外観、図1(c)は上部から見た構成要素の組立、図1(d)は底部から見た構成要素の組立、を示したものである。
主な構成要素は、上部カバー160、底部カバー170、フィルム150である。
上部カバー160には、開口部161、遮光板162、上部フィルム押え部163が設けられている
底部カバー170には、熱流出入部171、底部フィルム押え部173が設けられている。
上部カバー160と底部カバー170はフィルム150を挟み込み、結合手段172により結合される。結合手段は例えばハトメのようなカシメ手段である。フィルム150の中央部は、上部フィルム押え部163および底部フィルム押え部173によって上下から挟まれる。
図2はフィルム150を赤外線が入射する面とは反対側の面から見たものであり、その面上に設けられた第1の感温素子101、第2の感温素子102、銅箔パターンを示す(図1(a)においても感温素子101はフィルム150の裏側にある)。
図1(a)において、検知対象物(図示しない)から放射された赤外線99のうち、開口部161を通ったものはフィルム150に吸収される。遮蔽版162によって遮られた赤外線はフィルムに吸収されない。
感温素子101の電極111,113は、信号用銅箔パターン121,123に、感温素子102の電極112,114は、信号用銅箔パターン122,124に、それぞれ接続する。信号用銅箔パターン121と122は合流点125で合流し、信号用銅箔パターン126となる。感温素子101,102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信号用銅箔パターン123,126,124を介して取出し用銅箔パターン131,132,133にもたらされる。取出し用銅箔パターン131,132,133にはそれぞれ図1に示すリード線141,142,143が接続され、感温素子101,102の温度変化に対応する電気特性の変化は外部に取り出される。感温素子101,102が例えば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101,102の温度変化は、抵抗値変化として現れる。感温素子101,102に予め所定の電流を流しておくことにより、感温素子101,102の抵抗値変化は、電圧変化として検出される。感温素子101の出力電圧は、取出し用銅箔パターン131,132間に現れ、感温素子102の出力電圧は、取出し用銅箔パターン132,133間に現れ、それぞれの感温素子の信号がリード線141,142,143により外部へ取り出される。
本実施例は検知精度に悪影響をおよぼす要因を排除するために工夫されたものである。以下にその内容を説明する。
密集部分152は、信号用銅箔パターン121、123,126,122、124に共通のサーマルグランド(1点アース)として機能し、複数のリード配線141,142,143の温度勾配はサーマルグランドで終端され、それぞれの熱的条件が均一化される。これにより、熱的条件の偏差がゼロに収束し、正確な温度補償を実現できる。
密集部分152はフィルム150の中央にある、すなわち、密集部分152の中心軸はフィルム150の中心軸151に一致している。信号用銅箔パターン121、123,126,122、124はサーマルグランドに対して左右対称に形成されているため、サーマルグランドからの左右の感温素子101,102への熱伝導条件、すなわち熱抵抗、熱伝達時間が等しい。
従って、左右の感温素子101,102から信号用銅箔パターンを通じての外部への放熱特性を揃えることができる。
また、外部からの熱の影響に対してリード線141,142,143が異なる影響を受けた場合であっても、取出し用銅箔パターン131,132,133を経て密集部分152において熱結合により信号用銅箔パターン123,126,124の温度は均一化され、そこからは信号用銅箔パターン121、122、123,124が対称に伸びているので、左右の感温素子101,102への温度変動は等しくなる。従って左右の感温素子101,102への温度差への影響は打ち消される。
以上説明したように、フィルム中央に信号用銅箔の密集部分をもち、その熱結合点から信号用銅箔を対称に形成することにより、赤外線の入射による以外の、感温素子の温度の差に影響を与える要因が打ち消され、温度センサの検出精度を保つことができる。
熱伝導部は熱伝導率の高い金属などが好適である。本実施例では、金属製筐体の一部である上部フィルム押え部163が、銅箔パターンの密集部分の反対面においてフィルムに接触することにより、熱伝導部として機能する。
信号用銅箔パターン123,126,124は密集部分152によって相互の距離が近接することにより熱結合する。密集部分においてフィルム150を挟んで信号用銅箔パターンとは反対の面には、フィルム押え部163が接している。フィルムは非常に薄い(例えば20〜30μm程度)ので、信号用銅箔パターン123,126,124の熱は容易にフィルムを透過しフィルム押え部163に伝わる。フィルム押え部163は金属であるため熱伝導性が高い。したがって信号用銅箔パターン123,126,124は、上部フィルム押え部163を通じてより強く熱結合する。このように上部フィルム押え部163は信号用銅箔パターン123,126,124の熱結合を一層高めるための、熱伝導部として機能する。
そのためには、外部との熱流出入部を設け、そこからセンサの熱的条件が対称に構成されていればよい。
図4(a)は温度センサ100を、密集部分を含む面で切断した様子を示す。銅箔パターンは図示を省略している。図4(b)は、温度センサ100を固定手段402により、外部部材400に取付けた状態において、同じ断面を示す。固定手段402はネジのほか、リベットやハトメなど、温度センサ101を外部部材400に押えつけて固定するものであればよい。
図5(a)は温度センサ100を、二つの感温素子101,102の中心同士を結ぶ線に沿ってフィルム面に垂直に切断した様子を示す。銅箔パターンは図示を省略している。図5(b)は、温度センサ100を固定手段402により、外部部材400に取付けた状態において、同じ断面を示す。
図4(b)において、密集部分152の裏側にある上部フィルム押え部163は、図3で説明したように熱伝導層として機能する。結合手段172の上部は熱伝導層(上部フィルム押え部163)の近傍にある。
また図5(b)において、結合手段172の底部は熱流出入部171の近傍で熱結合されている。熱流出入部171は固定手段402により、外部部材表面400に押し付けられている。
結合手段172は金属などの熱伝導性の高い材質でできており、しかも短いので、結果的に、結合手段172と熱流出入部171を経路として、外部部材400に対し熱伝導部(上部フィルム押え部163)は熱結合される。熱流出入部171も金属などの熱伝導性の良いものであるので、温度センサと外部との熱の流出入は熱流出入部171が支配的となる。
したがって、温度センサ100の筐体も、信号用銅箔パターン121、123,126,122、124も、左右の感温素子101,102も、つまり温度センサのすべての構成要因の温度分布が、熱流出入点171を中心に左右対称となる。
このようにして、赤外線の入射による以外の、感温素子の温度の差に影響を与える要因が打ち消され、温度センサの検出精度を保つことができる。
従って、熱流出入部171は固定部を兼ねている。
また、結合手段172は、固定手段402と熱結合しており、固定手段402の先部は外部部材400にねじ込まれる、あるいは弾性的にはめ込まれるなどして外部部材400とも熱結合している。結果的に、固定手段402も、外部部材に対し、熱伝導部を熱結合する流出入部として機能している。
次に、集合部における熱結合を強化する実施形態について説明する。
図6は、両面銅箔付のフィルムを用いたものであり、フィルムを挟んで信号用銅箔パターン123,126,124が形成された面と反対の面であって、密集部分152を包含する領域に熱接地用銅箔パターン127を形成する。A−A´に沿った断面を図7に示す。熱接地用銅箔パターン127はフィルムと一体に形成された銅箔であるので、フィルム150との熱結合が強い。従って、信号用銅箔パターン123,126,124から薄いフィルムを透過して伝導する熱を均一に拡散することより、信号用銅箔パターン123,126,124の熱結合を高める。この実施形態においては、熱接地用銅箔パターン127が直接の熱伝導部として機能し、上部フィルム押え部163は熱接地用銅箔パターン127上に接して補助的な熱伝導部として機能する。
図8は、信号用銅箔パターン123,126,124よりも厚い銅箔を熱接地用銅箔パターン127に用いたものである。信号用銅箔パターン123,126,124の厚みが例えば20〜30μmであるのに対し、熱接地用銅箔パターン127の厚みは例えば100μm程度である。厚い分、フィルム方向への熱伝導性がさらに向上するため、熱結合の効果を一層高める。また、熱容量も増すため、熱結合領域における温度変動も低減する。この実施形態においては、熱接地用銅箔パターン127が直接の熱伝導部として機能し、上部フィルム押え部163は熱接地用銅箔パターン127上に接して補助的な熱伝導部として機能する。
図9は、熱接地用銅箔パターン127の上に熱容量層129を重ねたものである。信号用銅箔パターン123,126,124の厚みが例えば20〜30μmであるのに対し、熱容量層129の厚みは例えば20μm以上である。材質は銅、金のような熱伝導率の高い材質のめっきほか、簡便にできる半田めっきなどでもよい。熱接地用銅箔パターン127の厚みに加えて、フィルム方向への熱伝導性がさらに向上するため、熱結合の効果を一層高める。また、熱容量も増すため、熱結合領域における温度変動も低減する。熱容量層129の別の材質としては、グラファイト等の熱伝導率の高いものでも熱伝導性向上の効果が得られる。この実施形態においては、熱接地用銅箔パターン127および熱容量層129が直接の熱伝導部として機能し、上部フィルム押え部163は熱容量層129に接して補助的な熱伝導部として機能する。
図10において、熱伝導部(163,127)が設けられた面とは反対の面のフィルム上であって、熱伝導部に相当する領域内に、熱流出入部材と結合される熱接地補助銅箔パターン128を更に有する。
また、この実施例において、図11(a)は温度センサ100を、二つの感温素子101,102の中心同士を結ぶ線に沿ってフィルム面に垂直に切断した様子を示す。銅箔パターンは図示を省略している。図11(b)は、温度センサ100を固定手段402により、外部部材400に取付けた状態において、同じ断面を示す。
図11(b)において、熱接地補助銅箔パターン128の領域は薄いフィルム150を挟んで熱接地用銅箔パターン127と重なっているので、両者は熱結合する。また、熱接地補助銅箔パターン128は、底部カバー170の中央部において熱流出入部171の近傍にある。したがって、熱接地補助銅箔パターン128があることによって、熱伝導部(163,127)と熱流出入部171との熱結合がさらに強化される。
点線で示し検出誤差特性は、熱的対称性を考慮していない従来構造の非接触温度センサ
であり、一時的には17℃の検出誤差が発生している。しかし、本考案の実施形態5のように熱的対称性を考慮した形状であると図14の実線の特性で示すように、ほとんど検出誤差を発生しない事が分かる。
温度センサの受光領域と遮光領域に挟まれた位置より外側に熱流出入部を配置すれば、受光領域と遮光領域とを近づけることができ、両者の熱的条件をより近いものにすることができ、また温度センサの幅を小さくすることができる。
固定部を兼ねた熱流出入部171が、2つの感温素子の中心を結ぶ線をはさんで、リード線取り付け部側と同じ側に位置にする実施形態について、図12(a)に上方から見た筐体、(b)に底部側から見た筐体を示す。この実施形態に対応するフィルムを図12(b)に示す。
熱流出入部171は、これまでの実施形態と違って、2つの感温素子の中心を結ぶ線上にないが、温度センサ100の対称軸上にあり、また、密集部分152の中心もフィルムの対称軸151軸上にある。
二つの感熱素子101,102、信号用銅箔121,122,123,124も密集部分を中心に左右対称に配置されている。
密集部分152は、熱接地用銅箔パターン127、熱接地補助銅箔パターン128に熱結合し、熱接地用銅箔パターン127、熱接地補助銅箔パターン128は上部カバー160と底部カバー170とにはさみこまれる。結果的に密集部分152は温度センサ100の底部の熱流出入部171に熱結合される。本実施例において赤外線センサ100は熱流出入部171に対して熱的に左右対称に構成されている。
以上のように熱流出入点を中心とした熱的要素の構成の左右対称性が守られているので、赤外線の入射による以外の、感温素子の温度の差に影響を与える要因が打ち消され、温度センサの検出精度を保つことができる。
固定部を兼ねた熱流出入部171が、2つの感温素子の中心を結ぶ線をはさんで、リード線取り付け部側と対抗する位置にある実施形態について、図13(a)に上方から見た筐体、(b)に底部側から見た筐体を示す。この実施形態に対応するフィルムを図13(c)に示す。熱流出入部171は、図13(b)に示すように、結合手段172が底部側に突出して固定面と接することにより実現されている。図13(c)において半円状切欠き部153の中心は対称軸151上にあり、結合手段172は半円状切欠き部153に勘合するので、結合手段172の端部にある熱流出入部171も対称軸151上にくる。熱接地用銅箔パターン127は対称軸151に沿って設けられており、熱接地用銅箔パターン127の設けられたフィルムの反対面には、密集部分152が設けられている。密集部分152はこれまでの実施形態に比べて広い領域になっており、かつ信号用銅箔123,124,126は密集部分152において相互に近接しつつ、密集部分152全域にわたって蛇行している。蛇行することにより、信号用銅箔パターン123,124,126の密集部分152内でのパターン経路長を長くとることができる、すなわち近接して隣り合う長さが長くなりかつ熱接地用銅箔パターン127と熱結合している長さも長くなるので、熱結合の度合いが高まる。
集熱用銅箔パターン145,146,147,148も、対称軸151に対して、対称に形成されている。
以上のように熱流出入点を中心に熱的要素の構成の左右対称性が守られているので、赤外線の入射による以外の、感温素子の温度の差に影響を与える要因が打ち消され、温度センサの検出精度を保つことができる。
101・・・第1の感温素子、102・・・第2の感温素子
111〜114・・・感温素子の電極
121〜124・・・信号用銅箔パターン
126・・・合流点
127・・・熱接地用銅箔パターン
128・・・熱接地補助銅箔パターン
129・・・熱容量層
131〜133・・・取出し用銅箔パターン
141〜143・・・リード線
145〜148・・・集熱用銅箔パターン
150・・・フィルム
151・・・対称軸
152・・・密集部分
153・・・半円状切欠き部
160・・・上部カバー
161・・・開口部、162・・・遮光板
163・・・上部フィルム押え部
170・・・底部カバー
171・・・熱流出入部
172・・・結合手段
173・・・底部フィルム押え部
400・・・外部部材
402・・・固定手段
Claims (13)
- 熱源の温度を非接触測定する温度センサであって、
フィルムの中心軸に対し左右線対称に配置された第1の感温素子と第2の感温素子とを有し、
第1の前記感温素子は前記フィルム上であって赤外線が入射する領域に配置され、
第2の前記感温素子は前記フィルム上であって赤外線が遮蔽された領域に配置され、
前記第1、第2の感温素子の各端子に連結する信号用パターンが前記フィルム上に形成され、
前記信号用パターンが相互に熱結合する程度に密集する密集部分と、
前記信号用パターンが形成された面とは反対側の前記フィルム面に接する熱伝導部を有し、
前記密集部分の中心軸は前記フィルムの中心軸に一致して配置され、
前記信号用パターンの前記各端子から前記密集部分に至る部分が、前記フィルム上の中心軸に対し左右線対称に配置され、
前記熱伝導部を前記フィルムの前記信号用パターンが形成された面に投影した領域は前記密集部分を包含しており、前記温度センサの外部にある外部部材に対し、前記熱伝導部を熱結合する、熱流出入部を備えることを特徴とする温度センサ。 - 前記熱流出入部は熱的に左右対称に形成された温度センサの対称軸上に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の温度センサ
- 前記熱流出入部は前記温度センサを前記外部部材に固定する固定部を兼ねることを特徴とする請求項1または2に記載の温度センサ。
- 前記熱伝導部は前記フィルムに設けられた熱接地用銅箔パターンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の温度センサ
- 前記熱接地用パターンの厚みは、前記信号用パターンの厚みより大きいことを特徴とする請求項4に記載の温度センサ。
- 前記熱接地用パターンに重ねた熱容量層を更に有することを特徴とする請求項4または5に記載の温度センサ。
- 前記熱伝導部が設けられた面とは反対の面の前記フィルム上であって、前記熱伝導部に相当する領域内に、前記熱流出入部と結合される熱接地補助パターンを更に有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の温度センサ
- 前記熱流出入部は、前記第1、第2の感温素子の中心を結ぶ線上にあることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の温度センサ
- 前記第1、第2の感温素子の中心を結ぶ線に対し、前記熱流出入部と、前記リード線取り付け部とがお互いに同じ側に位置することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の温度センサ
- 前記熱流出入部と、前記信号用パターンを接続するリード線取り付け部とが、前記第1、第2の感温素子の中心を結ぶ線をはさんで、お互いに対抗する位置にあることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の温度センサ
- 前記信号用パターンは、前記密集部分において、お互いに近接しつつ蛇行することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の温度センサ。
- 前記信号用パターンは、前記感温素子の周囲において折り返して引き回されることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の温度センサ。
- 前記フィルム上であって、前記感温素子の電極取り付け部分から放射状に伸びるとともに、前記信号用パターンに接続された集熱用パターンを有し、前記集熱用パターンは、前記フィルム上に前記中心軸に対して左右対称に配置されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の温度センサ。
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