JP6684435B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適で熱応答性に優れた温度センサに関する。

一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラには、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加熱ローラに接触させる保護テープ（薄膜シート）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互いに対向してパターン形成された一対の対向電極と、一対の対向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。

一方、耐湿性等を向上させるために感熱素子を樹脂モールドした温度センサが知られている。例えば、特許文献３には、リード線を備えた感熱素子の表面に有機樹脂材料により平板状の絶縁被膜を形成した平板型温度センサが記載されている。また、特許文献４には、白金薄膜抵抗測温素子を設置した方形絶縁基板を合成樹脂モールドしたモールド型温度センサが記載されている。

特開２０００−７４７５２号公報 特開２０１４−５２２２８号公報 特開２００６−６００２７号公報 特開２００３−５７１２２号公報

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、感熱素子を有するセンサ部を樹脂で封止してしまうと熱応答性が低くなってしまう不都合があった。このため、センサ部を樹脂から露出させることも考えられるが、この場合、耐衝撃性や耐湿性等が低下してしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、樹脂モールドされていても耐湿性及び熱応答性が良好な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、前記一対のリードフレームの先端側に接続されたセンサ部と、前記センサ部を前記一対のリードフレームの先端側と共に樹脂封止する樹脂モールド部と、前記一対のリードフレームとは別に前記センサ部の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が前記樹脂モールド部から露出している金属板部材とを備えていることを特徴とする。

本発明の温度センサでは、一対のリードフレームとは別にセンサ部の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が樹脂モールド部から露出している金属板部材を備えているので、露出し集熱板となる金属板部材を測定対象物に接触させることで、センサ部に熱を効果的に伝えることができ、高い熱応答性を有して温度測定を行うことができる。また、センサ部自体は露出していないため、高い耐衝撃性と耐湿性も有している。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記センサ部が、表面に前記一対のリードフレームが接着された絶縁性フィルムと、前記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、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に互いに対向してパターン形成された一対の対向電極と、一端が前記一対の対向電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記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、前記薄膜サーミスタ部を前記対向電極と共に覆う絶縁性の保護膜とを備え、前記金属板部材が、前記絶縁性フィルムの裏面又は前記保護膜の表面において少なくとも前記薄膜サーミスタ部に対向する領域に面接触していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、金属板部材が、絶縁性フィルムの裏面又は保護膜の表面においてにおいて少なくとも薄膜サーミスタ部に対向する領域に面接触しているので、薄膜サーミスタ部に対向配置された金属板部材を介して測定対象物の熱を薄膜サーミスタ部に効率的に伝えることができる。

第３の発明に係る温度センサは、第２の発明において、前記金属板部材が、前記絶縁性フィルムの表面側に配された表面支持部と、前記絶縁性フィルムの裏面側に配された裏面支持部とを備え、前記絶縁性フィルムが、前記表面支持部と前記裏面支持部との間に挿入されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性フィルムが、表面支持部と裏面支持部との間に挿入されているので、センサ部と金属板部材とが位置決めされて樹脂モールド時などでセンサ部が金属板部材からずれ難い。

第４の発明に係る温度センサは、第２又は第３の発明において、前記一対のリードフレームが、前記絶縁性フィルムの基端側に配され、前記金属板部材が、前記リードフレームに対して間隔を開けて前記絶縁性フィルムの先端側に配されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、金属板部材が、リードフレームに対して間隔を開けて絶縁性フィルムの先端側に配されているので、金属板部材とリードフレームとが分離しており、金属板部材に伝わった熱がリードフレームに逃げてしまうことを抑制することができ、高速かつ高精度な温度測定が可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームとは別にセンサ部の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が樹脂モールド部から露出している金属板部材とを備えているので、露出した金属板部材を測定対象物に接触させることで、高い熱応答性を有して温度測定を行うことができると共に、高い耐衝撃性および耐湿性も有している。
したがって、本発明の温度センサによれば、測定対象物に金属板部材を接触させて測定することで、高い熱応答性、耐衝撃性及び耐湿性を有して温度測定可能であり、特に複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度測定用として好適である。

本発明に係る温度センサの一実施形態を示す要部の平面図（ａ）及びＡ−Ａ線側面図（ｂ）である。 本実施形態において、裏面側から見た温度センサを示す斜視図である。 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、薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図（ａ）及び電極形成工程を示す平面図（ｂ）である。 本実施形態において、切り離し前のリードフレーム（リードフレーム複合体）を示す平面図である。 本実施形態において、樹脂封止工程後であって切り離し前の状態を示す斜視図である。

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６を参照しながら説明する。

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、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センサ部３と、センサ部３を一対のリードフレーム２の先端側と共に樹脂封止する樹脂モールド部４と、一対のリードフレーム２とは別にセンサ部３の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が樹脂モールド部４から露出している金属板部材５とを備えている。

上記センサ部３は、表面に一対のリードフレーム２が接着された絶縁性フィルム６と、絶縁性フィルム６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７と、薄膜サーミスタ部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た一対の櫛型電極である対向電極８と、一端が一対の対向電極８に接続されていると共に他端が一対のリードフレーム２に接続され絶縁性フィルム６の表面にパターン形成された一対のパターン電極９と、薄膜サーミスタ部７を対向電極８と共に覆う絶縁性の保護膜１０とを備えている。

上記金属板部材５は、絶縁性フィルム６の裏面において少なくとも薄膜サーミスタ部７に対向する領域に面接触している。
また、金属板部材５は、絶縁性フィルム６の表面側に配された表面支持部５ａと、絶縁性フィルム６の裏面側に配された裏面支持部５ｂとを備えている。
上記裏面支持部５ｂは、図１の（ｂ）及び図２に示すように、裏面側が樹脂モールド部４から露出している。

すなわち、金属板部材５は、絶縁性フィルム６の先端側から絶縁性フィルム６の表面側に突出した左右一対の表面支持部５ａを有している。また、金属板部材５は、左右一対の表面支持部５ａの基端に連結部５ｃを介して接続され絶縁性フィルム６の裏面側に延在している平板状の裏面支持部５ｂを有している。
裏面支持部５ｂは、基端部が屈曲して絶縁性フィルム６の表面側の連結部５ｃに接続されている。これにより、裏面支持部５ｂの基端には段差５ｄが形成され、表面支持部５ａと裏面支持部５ｂとの間に少なくとも絶縁性フィルム６の厚さ分だけ隙間が設けられている。この表面支持部５ａと裏面支持部５ｂとの間に、絶縁性フィルム６の先端部が挿入されている。

上記一対のリードフレーム２は、絶縁性フィルム６の基端側に配されている。すなわち、一対のリードフレーム２の先端部は、絶縁性フィルム６の基端側に配された一対のパターン電極９のパッド部９ａに溶接されている。
また、金属板部材５は、リードフレーム２に対して間隔を開けて絶縁性フィルム６の先端側に配されている。

上記樹脂モールド部４は、一対のリードフレーム２の先端部２ａを含んだセンサ部３全体と、裏面支持部５ｂの裏面と連結部５ｃの一部とを除く金属板部材５の略全体とを覆って全体が板状に形成されている。この樹脂モールド部４は、例えばエポキシ樹脂等で形成されている。
一対のリードフレーム２の先端部２ａは、薄膜サーミスタ部７よりも基端側でパターン電極９と接続されている。また、一対のリードフレーム２の基端部２ｂは、外部のリード線等に接続可能に断面コ字状とされている。なお、リードフレーム２の先端部２ａ及び基端部２ｂは、その間の延在部分よりも幅広な形状とされている。

一対の上記パターン電極９の先端側には、リードフレーム２の先端部２ａに対応して幅広なパッド部９ａが形成されている。これらのパッド部９ａに、一対のリードフレーム２が、抵抗溶接、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。
上記保護膜１０は、パッド部９ａを除いたパターン電極９，薄膜サーミスタ部７及び対向電極８を覆って絶縁性フィルム６の表面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。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、加熱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。

上記薄膜サーミスタ部７は、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、薄膜サーミスタ部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。

上記パターン電極９及び対向電極８は、薄膜サーミスタ部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。
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。
上記保護膜１０は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。

この温度センサ１の製造方法について、図１から図６を参照して以下に説明する。
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の表面に薄膜サーミスタ部７をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、対向した一対の対向電極８を薄膜サーミスタ部７上に配して絶縁性フィルム６の表面に一対のパターン電極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、リードフレーム２をセンサ部３に接続するリードフレーム接続工程と、樹脂でセンサ部３を封止する樹脂封止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５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム６の表面上に、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薄膜サーミスタ部７にする。

次に、薄膜サーミスタ部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及びパターン電極９を形成する。

さらに、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３に示すように、２０μｍ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３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薄膜サーミスタ部７、対向電極８、パターン電極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３に切断する。

次に、分離前の複数配列されたリードフレーム２に、作製したセンサ部３を取り付ける。
分離前の複数対のリードフレーム２は、図５に示すように、基端側の横枠部１１ａで配列方向に基端側の接続部１１ｂを介して連結されている。また、分離前の複数の金属板部材５は、基端側の横枠部１１ａと平行に配された先端側の横枠部１１ａで配列方向に先端側の接続部１１ｂを介して連結されている。また、基端側の横枠部１１ａと先端側の横枠部１１ａとは、これらに対して直交する方向に延在する複数の縦枠部１１ｃで連結されている。また、リードフレーム２は、縦枠部１１ｃの中間部分にある接続部１１ｂによって縦枠部１１ｃに支持されている。すなわち、複数対のリードフレーム２、金属板部材５、横枠部１１ａ、接続部１１ｂ及び縦枠部１１ｃにより、リードフレーム複合体１１が形成されている。

まず、絶縁性フィルム６の先端部を金属板部材５の表面支持部５ａと裏面支持部５ｂとの間に挿入し、仮止め及び位置決めした状態で、リードフレーム２の先端部２ａをパッド部９ａに抵抗溶接により接着する。
次に、一対のリードフレーム２の先端部２ａを含んだセンサ部３全体と、裏面支持部５ｂの裏面及び連結部５ｃの一部を除く金属板部材５の略全体と、をエポキシ樹脂等で封止し、板状の樹脂モールド部４を形成する。

このとき、絶縁性フィルム６の先端側だけが金属板部材５で仮止め及び位置決めされ、基端側は自由端となるので、樹脂モールド時に強いストレスがセンサ部３に加わり難い。
この樹脂封止後に、各接続部１１ｂを切断し、リードフレーム２及び金属板部材５を横枠部１１ａ及び縦枠部１１ｃから切り離すことで、各温度センサ１が分離、作製される。

このように本実施形態の温度センサ１では、一対のリードフレーム２とは別にセンサ部３の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が樹脂モールド部４から露出している金属板部材５を備えているので、露出し集熱板となる金属板部材５を測定対象物に接触させることで、センサ部３に熱を効果的に伝えることができ、高い熱応答性を有して温度測定を行うことができる。また、センサ部３自体は露出していないため、高い耐衝撃性および耐湿性も有している。

また、金属板部材５が、絶縁性フィルム６の裏面において少なくとも薄膜サーミスタ部７に対向する領域に面接触しているので、薄膜サーミスタ部７に対向配置された金属板部材５を介して測定対象物の熱を絶縁性フィルム６及び薄膜サーミスタ部７に効率的に伝えることができる。
また、絶縁性フィルム６が、表面支持部５ａと裏面支持部５ｂとの間に挿入されているので、センサ部３と金属板部材５とが位置決めされて樹脂モールド時などでセンサ部３が金属板部材５からずれ難い。

さらに、金属板部材５が、リードフレーム２に対して間隔を開けて絶縁性フィルム６の先端側に配されているので、金属板部材５とリードフレーム２とが分離しており、金属板部材５に伝わった熱がリードフレーム２に逃げてしまうことを抑制することができ、高速かつ高精度な温度測定が可能になる。

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、金属板部材が、絶縁性フィルムの裏面において少なくとも薄膜サーミスタ部に対向する領域に面接触しているが、保護膜の表面において少なくとも薄膜サーミスタ部に対向する領域に面接触させても構わない。

１…温度センサ、２…リードフレーム、３…センサ部、４…樹脂モールド部、５…金属板部材、５ａ…表面支持部、５ｂ…裏面支持部、６…絶縁性フィルム、７…薄膜サーミスタ部、８ａ…櫛部、８…対向電極、９…パターン電極、１０…保護膜

Claims (2)

1. 一対のリードフレームと、
   前記一対のリードフレームの先端側に接続されたセンサ部と、
   前記センサ部を前記一対のリードフレームの先端側と共に樹脂封止する樹脂モールド部と、
   前記一対のリードフレームとは別に前記センサ部の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が前記樹脂モールド部から露出している金属板部材とを備え、
   前記センサ部が、表面に前記一対のリードフレームが接着された絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの表面に設けられたサーミスタ部と、
   前記サーミスタ部に互いに対向して形成された一対の対向電極と、
   一端が前記一対の対向電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記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、
   前記金属板部材が、前記絶縁性フィルムの裏面において少なくとも前記サーミスタ部に対向する領域に面接触しており、
   前記金属板部材が、前記絶縁性フィルムの表面側に配された表面支持部と、前記絶縁性フィルムの裏面側に配された裏面支持部とを備え、
   前記絶縁性フィルムが、前記表面支持部と前記裏面支持部との間に挿入されていることを特徴とする温度センサ。
2. 一対のリードフレームと、
   前記一対のリードフレームの先端側に接続されたセンサ部と、
   前記センサ部を前記一対のリードフレームの先端側と共に樹脂封止する樹脂モールド部と、
   前記一対のリードフレームとは別に前記センサ部の表裏面の少なくとも一方に接触していると共に一部が前記樹脂モールド部から露出している金属板部材とを備え、
   前記センサ部が、表面に前記一対のリードフレームが接着された絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの表面に設けられたサーミスタ部と、
   前記サーミスタ部に互いに対向して形成された一対の対向電極と、
   一端が前記一対の対向電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記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、
   前記金属板部材が、前記絶縁性フィルムの裏面において少なくとも前記サーミスタ部に対向する領域に面接触しており、
   前記一対のリードフレームが、前記絶縁性フィルムの基端側に配され、
   前記金属板部材が、前記リードフレームに対して間隔を開けて前記絶縁性フィルムの先端側に配されていることを特徴とする温度センサ。

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