JP6583073B2

JP6583073B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6583073B2
Application number: JP2016052659A
Authority: JP
Inventors: 長友　憲昭; 憲昭長友; 文夫松本; 生方　康弘; 康弘生方
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP2017166988A

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の定着ローラの温度を測定することに好適な温度センサに関する。

一般に、複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用されている定着ローラ（加熱ローラ）には、その温度を測定するために温度センサが接触状態に設置されている。このような温度センサとしては、例えば特許文献１に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられ定着ローラに接触させる保護テープとを有する温度センサが提案されている。
上記特許文献１には、感熱素子としてビードサーミスタやチップサーミスタの他に、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。

また、近年、柔軟性に優れると共に全体を薄くすることができるフィルム型温度センサとして、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成した温度センサが開発されている。例えば、特許文献２には、一対のリードフレームと、一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、一対のリードフレームに固定されてリードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備えた温度センサが提案されている。

この温度センサは、センサ部が、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面に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及び下の少なくとも一方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た一対の櫛型電極と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、一対のリードフレームが、絶縁性フィルムの表面に薄膜サーミスタ部を間に配して延在して接着されていると共に一対のパターン電極に接続されている。

特開２０００−７４７５２号公報特開２０１４−５２２２８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
特許文献２に記載の技術では、一対のリードフレームの間隔よりも広い絶縁性フィルムを用いて一対のリードフレームにセンサ部を接着しているため、大きな面積のセンサ部が必要になっていた。応答性の向上や部材コストの低減を図るためにセンサ部を小型化する場合、一対のリードフレームの間隔よりも小さいセンサ部にするとリードフレームとの接続が困難になるという不都合が生じる。また、比較的小さいセンサ部を一対のリードフレーム上に直接、設置した場合、センサ部がリードフレーム上の段差部となり、定着ローラへの接触面に段差が生じることになって定着ローラに対して安定して正確に接触させ難いという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、センサ部の小型化が可能であると共に測定対象物に対して安定して正確に接触させ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、一対のリードフレームと、一対の前記リードフレームの先端側に接続された連結用基板と、前記連結用基板に接続され感熱素子を有するセンサ部と、前記一対のリードフレームの基端側に固定されて一対の前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、前記センサ部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、前記サーミスタ部に接続された一対の対向電極と、一端が一対の前記対向電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の接続電極とを備え、前記連結用基板が、基板本体と、一端が一対の前記リードフレームの先端側における一方の面に接続され他端が一対の前記リードフレームの間に配されて一対の前記接続電極の他端に接続され前記基板本体上に形成された一対の連結用配線膜とを備え、前記センサ部が、一対の前記リードフレームの間に配されて前記リードフレームの他方の面と前記絶縁性フィルムの他方の面とが面一に配されていることを特徴とする。

本発明の温度センサでは、連結用基板を介してリードフレームに接続されたセンサ部が、一対のリードフレームの間に配されてリードフレームの他方の面と絶縁性フィルムの他方の面とが面一に配されているので、測定対象物への接触面となる絶縁性フィルムの他方の面側がリードフレームの他方の面と共に平坦面を構成し、測定対象物に対して安定して正確に接触させることができる。また、センサ部自体は、一対のリードフレーム間に収まる小さいサイズに小型化することが可能になる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の温度センサにおいて、前記連結用基板が、フレキシブルプリント配線板であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、連結用基板が、フレキシブルプリント配線板であるので、フレキシブルなセンサ部と共に連結用基板も柔軟性を有することで、測定対象物に押し当てた際に、より柔軟に湾曲して接触させることが可能になる。

第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記センサ部が、前記接続電極の前記連結用配線膜との接続部を除いて前記サーミスタ部及び前記対向電極を覆って前記絶縁性フィルム上に形成された絶縁性の保護膜を備え、前記連結用基板が、少なくとも前記リードフレーム及び前記接続電極との接続部を除いて前記連結用配線膜を覆って前記基板本体上に形成された絶縁性膜を備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、連結用基板が、少なくともリードフレーム及び接続電極との接続部を除いて連結用配線膜を覆って基板本体上に形成された絶縁性膜を備えているので、連結用配線膜が水分で腐食することを抑制して耐湿性を向上させることができる。

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、連結用基板を介してリードフレームに接続されたセンサ部が、一対のリードフレームの間に配されてリードフレームの他方の面と絶縁性フィルムの他方の面とが面一に配されているので、センサ部自体の小型化が可能であると共に、絶縁性フィルムの他方の面側がリードフレームの他方の面と共に平坦面を構成し、測定対象物に対して安定して正確に接触させることができる。
したがって、本発明の温度センサによれば、平坦面を測定対象物に押し当ることで、より安定して正確な温度測定が可能になり、複写機やプリンタ等の定着ローラの温度測定用の温度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平面図である。本実施形態において、センサ部を示す平面図である。本実施形態において、連結用基板を示す平面図である。本実施形態において、センサ部の製造方法を工程順に示す平面図である。本実施形態において、連結用基板及びセンサ部を取り付ける前の状態を示す平面図である。本実施形態において、互いに接着した連結用基板とセンサ部とを示す平面図である。本実施形態において、リードフレームに連結用基板及びセンサ部を取り付けた状態を示す要部の平面図である。図７のＡ−Ａ線断面図（ａ）及びＢ−Ｂ線断面図（ｂ）である。

以下、本発明に係る温度センサにおける一実施形態を、図１から図８を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて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に示すように、一対のリードフレーム２と、一対のリードフレーム２の先端側に接続された連結用基板３と、連結用基板３に接続され感熱素子を有するセンサ部４と、一対のリードフレーム２の基端側に固定されて一対のリードフレーム２を保持する絶縁性の保持部５とを備えている。

上記センサ部４は、図２に示すように、絶縁性フィルム６と、絶縁性フィルム６の一方の面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部７と、サーミスタ部７に接続された一対の対向電極８と、一端が一対の対向電極８に接続されていると共に絶縁性フィルム６の一方の面に形成された一対の接続電極９とを備えている。

上記連結用基板３は、図３に示すように、基板本体１１と、一端が一対のリードフレーム２の先端側における一方の面に接続され他端が一対のリードフレーム２の間に配されて一対の接続電極９の他端に接続され基板本体１１上に形成された一対の連結用配線膜１２とを備えている。
また、センサ部４は、一対のリードフレーム２の間に配されてリードフレーム２の他方の面と絶縁性フィルム６の他方の面とが面一に配されている。

上記連結用基板３は、フレキシブルプリント配線板である。すなわち、基板本体１１は、ポリイミドフィルムで形成され、連結用配線膜１２はＣｕ箔あるいはＣｕめっき膜で形成されている。なお、基板本体１１の幅は、一対のリードフレーム２の先端部２ａの間隔よりも広く、かつ一対のリードフレーム２の基端側の間隔よりも小さく設定されている。
上記センサ部４は、接続電極９の連結用配線膜１２との接続部であるパッド部９ａを除いてサーミスタ部７及び対向電極８を覆って絶縁性フィルム６上に形成された絶縁性の保護膜１０を備えている。
また、本実施形態の温度センサ１は、一対のリードフレーム２とセンサ部４とを上下から挟んで互いに接着された一対の絶縁性の保護テープ２０を備えている。

上記連結用基板３は、少なくともフレーム側接続部１２ｂ及びセンサ側接続部１２ａを除いて連結用配線膜１２を覆って基板本体１１上に形成された絶縁性膜１３を備えている。この絶縁性膜１３は、例えば厚さ１５μｍのレジスト膜である。
上記連結用配線膜１２は、例えば厚さ１８μｍの銅箔である。また、連結用配線膜１２のセンサ側接続部１２ａ及びフレーム側接続部１２ｂは、銅箔上に厚さ３μｍのＮｉめっき膜及び厚さ０．０５μｍのＡｕめっき膜が積層されている。

一対のリードフレーム２は、図５に示すように、保持部５から互いに平行に延在しており、その先端部２ａは、基端側に比べて互いに内側に幅広な形状とされている。
なお、保持部５には、取付孔５ａが形成されている。
一対の上記接続電極９の先端側（他端側）には、幅広なパッド部９ａが形成されている。これらのパッド部９ａに、図６に示すように、連結用基板３のセンサ側接続部１２ａが、ハンダ接合により接着されている。

また、連結用基板３のフレーム側接続部１２ｂは、リードフレーム２の先端部２ａに、抵抗溶接、スポット溶接、ハンダ材又は導電性樹脂接着剤等の接着剤により接着されている。特に、溶接によってフレーム側接続部１２ｂとリードフレーム２の先端部２ａとを接合する場合、連結用配線１２の厚さが、センサ部４のパッド部９ａよりも厚く形成されていることで、センサ部４のパッド部９ａとリードフレーム２の先端部２ａとを直接溶接した場合よりも、高い溶接強度を得ることができる。
なお、センサ部４では、パッド部９ａを除いた接続電極９，サーミスタ部７及び対向電極８を覆う絶縁性の保護膜１０が絶縁性フィルム６上に形成されている。

上記絶縁性フィルム６は、略長方形状とされ、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。この絶縁性フィルム６の幅は、一対のリードフレーム２の基端側の間隔よりも小さく設定されている。
なお、絶縁性フィルム６としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、定着ローラの温度測定用としては、最高使用温度が２３０℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。

上記サーミスタ部７は、パターン形成された薄膜サーミスタであり、絶縁性フィルム６の基端側に配され、例えばＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、サーミスタ部７は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記接続電極９及び対向電極８は、サーミスタ部７上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。
上記対向電極８は、サーミスタ部７の上に複数の櫛部８ａを有して互いに対向してパターン形成されている。
すなわち、一対の対向電極８は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部８ａが並んだ櫛型パターンとされている。
このように、絶縁性フィルム６、サーミスタ部７、対向電極８及び接続電極９によって感熱素子が構成されている。

上記保護膜１０は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ１５μｍのポリイミド膜が採用される。
上記保護テープ２０は、テフロン（登録商標）等のフッ化炭素樹脂で形成されている。
なお、本実施形態では、センサ部４が直接リードフレーム２に接着されていない分、従来に比べて保護テープ２０がリードフレーム２に接する面積を大きくでき、保護テープ２０の高い接着性が得られることで剥がれ等を抑制することができる。

上記リードフレームの厚さは、例えば０．８ｍｍとされ、絶縁性フィルム６の厚さも同じ０．８ｍｍとされる。すなわち、図８に示すように、リードフレーム２に連結用基板３を介して接続されたセンサ部４の他方の面は、リードフレーム２の他方の面と面一になるように設定されている。

本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム６の表面にサーミスタ部７をパターン形成するサーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の対向電極８をサーミスタ部７上に配して絶縁性フィルム６の表面に一対の接続電極９をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム６上に保護膜１０を形成する保護膜形成工程と、センサ部４と連結用基板３とを接続する基板接続工程と、連結用基板３とリードフレーム２とを固定するリードフレーム固定工程と、リードフレーム２、連結用基板３及びセンサ部４を上下から保護テープ２０で挟んで互いに接着する保護テープ接着工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ７５μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム６上（一方の面上）に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝０．０９、ｙ＝０．４３、ｚ＝０．４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。

成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図４の（ａ）に示すように、レジスト剥離にて所望の形状のサーミスタ部７にする。

次に、サーミスタ部７及び絶縁性フィルム６上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図４の（ｂ）に示すように、レジスト剥離にて所望の対向電極８及び接続電極９を形成する。

次に、絶縁性フィルム６の表面にポリイミドワニスを印刷法により所定部分に塗布して、１８０℃、３０分でキュアを行い、図４の（ｃ）に示すように、１５μｍ厚のポリイミド保護膜１０を形成する。
次に、パッド部９ａとなる幅広な領域にＮｉめっきを施して、パッド部９ａを形成する。
なお、複数のセンサ部４を同時に作製する場合、絶縁性フィルム６の大判シートに複数のサーミスタ部７、対向電極８、接続電極９、保護膜１０及びパッド部９ａを上述のように形成した後に、大判シートから各センサ部４に切断する。

次に、図６に示すように、連結用基板３とセンサ部４とを接合させる。すなわち、連結用基板３のセンサ側接続部１２ａとセンサ部４のパッド部９ａとを互いに向かい合わせてハンダ接合する。すなわち、連結用基板３の連結用配線１２の形成面とセンサ部４の接続電極９の形成面とを互いに向かい合わせて、センサ側接続部１２ａとパッド部９ａとをハンダで接合させる。

さらに、図１に示すように、接合された連結用基板３及びセンサ部４をリードフレーム２の先端部２ａに取り付ける。すなわち、一対のフレーム側接続部１２ｂに一対のリードフレーム２の先端部２ａを抵抗溶接等により接着し、リードフレーム２と連結用基板３及びセンサ部４に固定する。

このように連結用基板３を介してリードフレーム２に取り付けられたセンサ部４は、図７及び図８に示すように、一対のリードフレーム２の間に配された状態で、絶縁性フィルム６の他方の面（サーミスタ部７を形成した面の反対面）とリードフレーム２の他方の面（連結用基板３を接着した面の反対面）とが面一となる。
最後に、センサ部４と連結用基板３とリードフレーム２の先端側とを上下から一対の保護テープ２０で挟んで、一対の保護テープ２０をプレスして接着することで、本実施形態の温度センサ１が作製される。

このように本実施形態の温度センサ１では、連結用基板３を介してリードフレーム２に接続されたセンサ部４が、一対のリードフレーム２の間に配されてリードフレーム２の他方の面と絶縁性フィルム６の他方の面とが面一に配されているので、測定対象物への接触面となる絶縁性フィルム６の他方の面側がリードフレーム２の他方の面と共に平坦面を構成し、測定対象物に対して安定して正確に接触させることができる。また、センサ部４自体は、一対のリードフレーム２間に収まる小さいサイズに小型化することが可能になる。

また、連結用基板３が、フレキシブルプリント配線板であるので、フレキシブルなセンサ部４と共に連結用基板３も柔軟性を有することで、定着ローラ等の測定対象物に押し当てた際に、より柔軟に湾曲して接触させることが可能になる。
さらに、連結用基板３が、少なくともリードフレーム２との接続部１２ａ及び接続電極９との１２ｂを除いて連結用配線膜１２を覆って基板本体１１上に形成された絶縁性膜１３を備えているので、連結用配線膜１２が水分で腐食することを抑制して耐湿性を向上させることができる。

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。

１…温度センサ、２…リードフレーム、３…連結用基板、４…センサ部、５…保持部、６…絶縁性フィルム、７…サーミスタ部、８…対向電極、９…接続電極、１０…保護膜、１１…基板本体、１２…連結用配線膜、１２ａ…センサ側接続部、１２ｂ…フレーム側接続部、１３…絶縁性膜

Claims

一対のリードフレームと、一対の前記リードフレームの先端側に接続された連結用基板と、前記連結用基板に接続され感熱素子を有するセンサ部と、前記一対のリードフレームの基端側に固定されて一対の前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、
前記センサ部が、絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、
前記サーミスタ部に接続された一対の対向電極と、
一端が一対の前記対向電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の接続電極とを備え、
前記連結用基板が、基板本体と、一端が一対の前記リードフレームの先端側における一方の面に接続され他端が一対の前記リードフレームの間に配されて一対の前記接続電極の他端に接続され前記基板本体上に形成された一対の連結用配線膜とを備え、
前記センサ部が、一対の前記リードフレームの間に配されて前記リードフレームの他方の面と前記絶縁性フィルムの他方の面とが面一に配されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記連結用基板が、フレキシブルプリント配線板であることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記センサ部が、前記接続電極の前記連結用配線膜との接続部を除いて前記サーミスタ部及び前記対向電極を覆って前記絶縁性フィルム上に形成された絶縁性の保護膜を備え、
前記連結用基板が、少なくとも前記リードフレーム及び前記接続電極との接続部を除いて前記連結用配線膜を覆って前記基板本体上に形成された絶縁性膜を備えていることを特徴とする温度センサ。