JP6792987B2

JP6792987B2 - 熱センサおよびその熱センサを用いた熱検知システム

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Publication number: JP6792987B2
Application number: JP2016191372A
Authority: JP
Inventors: 健二大木; 康平日下; 英人濱田
Original assignee: Nippon Dry Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Dry Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: JP2018054474A

Description

本発明は、熱センサおよびその熱センサを用いた熱検知システムに関するものである。

従来から、建造物等における火災による熱などを検知する熱センサに関する技術は種々提案されている（特許文献１等）。

これらの熱センサは、半導体素子等で構成される熱検知素子からの出力信号に基いて、火災等の熱を検知している。

特開平１０−１６０５３８号公報

ところが、従来の熱センサに用いられる熱検知素子は、例えば一辺が数ｃｍ程度となる直方体形状のものが多く、熱センサ内に複数個組み込む場合には、比較的広い設置スペースを要し、熱センサ自体も大型化するという難点があった。

また、熱検知素子を複数個に亘って接続する場合には、各素子の両端に端子ピンをハンダ付けしているため振動や衝撃等に対する機械的強度が比較的弱いという不都合もあった。

本発明は上記の事情に鑑み、小型化を図ることができ、また機械的強度の向上を図ることのできる熱センサおよびその熱センサを用いた熱検知システムの提供を目的としている。

本発明は、板状の絶縁基材と、前記絶縁基材の厚さ方向の一方の面上に形成される複数の熱電変換素子とを備える熱センサであって、前記各熱電変換素子は、前記絶縁基材の厚さ方向の一方の面上で直線状、蛇行線状、或いは渦巻き線状に配列されると共に、電気的に直列接続されている熱センサである。

他の発明に係る熱検知システムは、前記各熱センサにおける電位差の出力端子に接続される電位差検出回路と、前記各電位差検出回路による検出信号を受信する受信器、または前記検出信号を他の機器との間で中継する中継器と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化を図ることができ、また機械的強度の向上を図ることのできる熱センサおよびその熱センサを用いた熱検知システムを提供できる。

第１の実施形態に係る熱センサの全体構成を示す一部透視平面図である。第１の実施形態に係る熱センサのＡ−Ａ断面図である。第１の実施形態に係る熱センサを用いた熱検知システムの構成例を示すブロック図である。消防用ホースに適用した熱検知システムの模式例を示す概略説明図である。第２の実施形態に係る熱センサの全体構成を示す概略説明図である。第３の実施形態に係る熱センサの全体構成を示す概略説明図である。第３の実施形態に係る熱センサによる熱検知の例を示すグラフである。第４の実施形態に係る熱センサの全体構成を示す概略説明図である。実施形態に係る熱センサの製造手順を示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサの製造手順の続きを示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサの製造手順の続きを示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサの製造手順の続きを示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサの製造手順の続きを示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサの製造手順の続きを示す工程図（ａ）、（ｂ）である。実施形態に係る熱センサに適用可能な基板の変形例を示す斜視図である。本実施形態に係る熱センサの適用の仕方を示す説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１および図２を参照して、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１について説明する。

ここで、図１は、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１の全体構成を示す一部透視平面図、図２は、熱センサＴＳ１のＡ−Ａ断面図である。

第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１は、Ｓｉ、ＭｇＯ、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等の単結晶、多結晶の絶縁基材で構成される絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に形成される複数の熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥ９）とを備える熱センサである。なお、絶縁基板１０の絶縁基材は石英ガラス、アルミノシリケートガラス、無アルカリガラスなどのガラスで構成されても良い。

図１に示す構成例では、各熱電変換素子ＳＥ１〜ＳＥ９は、絶縁基板１０上に蛇行線状に配列されると共に、導体４０を介して電気的に直列接続されている。

なお、絶縁基板１０の面積等によっては、蛇行線状の配列を２つ以上形成し、互いを接続して一つの直列接続状態とするようにしてもよい。

図２を参照して、各熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥ９）の構成について説明する。

なお、図２では、説明の簡易化のため、熱電変換素子ＳＥ１，ＳＥ２の構成について示すが、他の熱電変換素子ＳＥ３〜ＳＥ９も同様の構成を備える。

また、図１に示す熱センサＴＳ１は、計９個の熱電変換素子ＳＥ１〜ＳＥ９を設ける場合について示すが、これには限定されず、ｎ個（ｎは整数）の熱電変換素子を設ける場合であってもよい。

図２に示すように、熱電変換素子ＳＥ１，ＳＥ２は、ＣｕやＡｌ等の金属薄膜で構成される第１の電極部４１を介して接続されたｎ型半導体部３１およびｐ型半導体部３０を備える。

ｎ型半導体部３１は、Ｓｉ等の半導体材料にＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）等の所定のドナーを添加して形成されるｎ型半導体薄膜で構成される。

ｐ型半導体部３０は、Ｓｉ等の半導体材料にＢ（ホウ素）やＡｌ（アルミニウム）等の所定のアクセプタを添加して形成されるｐ型半導体薄膜で構成される。

また、ｎ型半導体部３１において、第１の電極部４１と反対側には、ＣｕやＡｌ等の金属薄膜で構成される第２の電極部４０ａ（４０ｄ）が接続されている。

一方、ｐ型半導体部３０において、第１の電極部４１と反対側には、ＣｕやＡｌ等の金属薄膜で構成される第３の電極部４０ｂ（４０ｃ）が接続されている。

なお、各熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥ９）は、電気的に直列接続するために、例えば図２に示す熱電変換素子ＳＥ１，ＳＥ２との間における接続状態のように、第２の電極部４０ａと第３の電極部４０ｂとは、絶縁基板１０上に形成される同じ層の金属薄膜４０により共通化されている。

また、各ｎ型半導体部３１と各ｐ型半導体部３０との間の領域には、ＳｉＯ_２等から成る酸化膜３３、５０、５１が形成されている。

これにより、各ｎ型半導体部３１と各ｐ型半導体部３０との間の領域が電気的に絶縁すると共に、各ｎ型半導体部３１および各ｐ型半導体部３０を含むデバイス全体をソリッド化して、振動や衝撃に対する機械的強度を高めることができる。

また、各第１の電極部４１、各ｎ型半導体部３１および各ｐ型半導体部３０の上面を覆う酸化アルミニウム等の酸化金属膜６０が形成されている。酸化金属膜６０は面一な平面でもよく、熱電変換素子ＳＥ部や電極部４０が基板１０の面より凸となる凹凸のある面であっても良い。

この酸化金属膜６０は、熱センサＴＳ１において、受熱板としての役割や、各第１の電極部４１、各ｎ型半導体部３１および各ｐ型半導体部３０の酸化等の劣化を防ぐ役割を果たす。

また、酸化金属膜６０に代えて、或いは酸化金属膜６０に加えて、カーボンの皮膜を設けて、熱センサＴＳ１の吸熱性を高めるようにしてもよい。

なお、熱センサＴＳ１の製造方法の例については後述する。

このような構成の熱センサＴＳ１は、第１の電極部４１側（所謂、温接点に相当）を熱検知対象に対向させた際に、第２の電極部４０ａと第３の電極部４０ｂ（第２の電極部４０ａと第３の電極部４０ｂは、所謂、冷接点に相当）との間に生じる全体の電位差を出力する。

したがって、熱に応じて熱センサＴＳ１から出力される電圧を検出することにより、例えば、火災の有無等を判定することができる。

以上述べた構成の熱センサＴＳ１によれば、絶縁基板１０上に、微細な構成（例えば、数１０μｍ〜数１００μｍ程度のサイズ）を有する複数の熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥ９）が作り込まれているので、従来の熱センサに比して、小型化を図ることができる。

また、熱センサＴＳ１は、後述するように、熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥ９）を含むデバイス全体が、半導体装置（ＬＳＩ等の半導体デバイスを含む）などに適用される製造方法により、ソリッドステート化（チップ化）されているので、従来の熱センサに比して、振動や衝撃に対する機械的強度を向上させることができる。

（熱検知システムについて）
図３および図４を参照して、熱センサＴＳ１を用いた熱検知システム５００の例について説明する。

図３は、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１を用いた熱検知システム５００の構成例を示すブロック図、図４は、消防用ホースＨに適用した熱検知システムの模式例を示す概略説明図である。

図３に示すように、熱検知システム５００は、ｍ個（ｍは整数）の感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）と、熱に応じて全感熱ユニットＵから出力される検出信号を受信する受信器２００（または検出信号を他の機器との間で中継する中継器）とから構成されている。

各感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）は、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１と、その熱センサＴＳ１から出力される電圧を検出する検出回路７０との対で構成されている。

図４では、感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）を消防用ホースＨの表面に所定間隔で配置する例を示している。

なお、説明の都合上、図４では、２つの感熱ユニットＵ１、Ｕ２を消防用ホースＨの表面に配置した例を示しているが、実際には、消防用ホースＨの長さ等に応じてｍ個の感熱ユニットＵを配置できる。

また、各感熱ユニットＵは、導線８０〜８３を介して並列に接続されている。

また、図４では図示を省略するが、例えば消防用ホースＨの右端側には、図３に示すような全感熱ユニットＵから出力される検出信号を受信する受信器２００、または検出信号を他の機器との間で中継する中継器が設けられている。

このような構成の熱検知システム５００によれば、例えば、消防用ホースＨが敷設される火災現場等において、各感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）から出力される熱に応じた検出信号を受信器２００等で監視することにより、消防用ホースＨの近辺の温度が危険温度（例えば、消防要員の避難が必要な温度、或いは消防用ホースＨに焼損を生じるような温度など）に達している等を把握、報知することができる。

また、消防用ホースＨに代えて、感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）を家屋、ビル等の所定箇所に配置する場合には、各感熱ユニットＵ（Ｕ１〜Ｕｍ）から出力される熱に応じた検出信号を受信器２００等で監視することにより、家屋、ビル等の何れの位置で火災が発生したかを把握、報知することができる。

ここで、図１６を参照して、従来の熱センサＴＳ１００と、実施形態に係る熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）との適用の仕方の違いについて簡単に説明する。

図１６（ａ）に示す従来の熱センサＴＳ１００は、主に熱電変換素子や熱電対式の熱センサであり、天井等に配置した際には、全体の電圧Ｖ１０の測定により、部屋全体における温度上昇を監視できるのみであった（所謂、分布型）。

また、図１６（ａ）に示す従来の熱センサＴＳ１００を本実施の形態に係る熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）に置き換えても同様の分布型の監視ができる。

さらに、本実施の形態に係る熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）は従来の熱センサＴＳ１００より小型で起電力が高いため、図１６（ａ）のような直列接続ではなく、全体の電圧Ｖ１０を測定する平行電線間に並列接続しても良い（図示せず）。

一方、図１６（ｂ）に示す構成としても、小型であり熱電変換効率の高い本実施の形態に係る熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）では、全体の電圧Ｖ１の測定により、従来と同様に部屋全体における温度上昇を監視できる（分布型）。

さらに、図１６（ｂ）に示すように、熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）と検出回路７０で構成された感熱ユニットＵ１〜Ｕ４（図４参照）の各熱センサＴＳ１（ＴＳ２〜ＴＳ４）の電圧Ｖ１（Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ）を測定することにより、部屋等の局所の温度上昇の監視（所謂、スポット型）を行うこともでき、火災等の検出の精度、安全性および利便性を向上できる。

（第２の実施形態）
図５を参照して、第２の実施形態に係る熱センサＴＳ２について説明する。

なお、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

上述の第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１との相違点は、各熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥｎ（ｎは整数））の配列の仕方である。

図５に示す矢印を追跡すると分かるように、各熱電変換素子ＳＥ１〜ＳＥｎは、二重の渦巻き線状に配列されている。

これにより、絶縁基板１０上において、より多くの熱電変換素子ＳＥを電気的に直列接続することができ、熱の検出精度を向上させることができる。

なお、各熱電変換素子ＳＥ１〜ＳＥｎの配列は、図５に示すような二重の渦巻き線状に限定されず、通常の渦巻き線状に配列するようにしてもよい。また、絶縁基板１０の面積等によっては、渦巻き線状の配列を２つ以上形成し、互いを接続して一つの直列接続状態とするようにしてもよい。

また、第２の実施形態に係る熱センサＴＳ２は、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１と同様に、図３および図４に示すような熱検知システム５００等に適用することができる。

（第３の実施形態）
図６および図７を参照して、第３の実施形態に係る感熱ユニットＵ３と熱検知システム５００について説明する。

第３の実施形態に係る感熱ユニットＵ３の配列は、天井面６００に敷設した蛇行線状の配列の１種であり、本実施形態では、計１６個の感熱ユニットＵ３ａ〜Ｕ３ｐを天井面６００に配置して、平行電線４０１などで電気的に並列接続している。

ここで、図７のグラフを参照して、感熱ユニットＵ３ａ〜Ｕ３ｐを用いた熱検知システム５００（図３、図４参照）において、火災と判定する基準について説明する。

図７に示す例では、感熱ユニットＵ３ａ〜Ｕ３ｐの内、何れか２個以上の出力電圧が閾値を超えた場合に、火災であると判定している。

なお、図７に示す判定基準は一例であり、例えば３個以上の感熱ユニットＵ３が閾値を超えた場合に火災と判定してもよい。

（第４の実施形態）
図８を参照して、第４の実施形態に係る熱センサＴＳ４について説明する。

上述の第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１との相違点は、絶縁基材を絶縁基板１０に代えて、可撓性を有する絶縁基材である絶縁性テープ１００の上に、熱電変換素子ＳＥ（ＳＥ１０〜ＳＥｎ（ｎは整数））を直線状に配列している点である。絶縁性テープ１００の材料としてはポリエステルなどがあり、ポリイミドなどの絶縁耐熱材料やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂材料は耐熱性が良いので好ましい。

なお、配列の仕方は、直線状に限らず、蛇行線状、あるいは渦巻き線状であってもよい。

第４の実施形態に係る熱センサＴＳ４によれば、可撓性を有する消防用ホースＨ等に容易に熱センサＴＳ４自体を貼付するなど、より容易に配置することが可能となる。

（製造方法について）
図８〜図１４を参照して、第１の実施形態に係る熱センサＴＳ１の製造方法の例について説明する。

なお、第２〜第４の実施形態に係る熱センサＴＳ２〜ＴＳ４についても同様の製造方法を適用可能である。

熱センサＴＳ１の製造工程が開始されると、まず、絶縁基板１０上にレジスト１０１が塗布され、続いて所定パターンが形成されたマスクの位置合わせ→露光処理→現像処理の順で各処理が行われる（図９（ａ）、（ｂ））。これにより、図９（ｂ）に示すように、レジスト１０１に所定パターンの溝や穴１０１ａが形成される。

次いで、図１０（ａ）に示すように、レジスト１０１に形成された所定パターンの溝や穴１０１ａを介してＣｕやＡｌから成る金属膜１０２（熱センサＴＳ１において、第２の電極部４０ａおよび第２の電極部４０ｂに相当）の成膜が行われる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、レジスト１０１の除去が行われる。

続いて、図１１（ａ）に示すように、レジスト１０３の塗布処理→所定パターンが形成されたマスクの位置合わせ→露光処理→現像処理の工程を有する酸化膜用パターニングが行われる。これにより、レジスト１０３に所定パターンの穴１０３ａが形成される。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、レジスト１０３に形成された所定パターンの１０３ａを介してＳｉＯ_２等から成る酸化膜１０５の成膜が行われる。

次に、図１２（ａ）に示すように、レジスト１０３の除去が行われる。

続いて、図１２（ｂ）に示すように、レジスト１０６の塗布処理→所定パターンが形成されたマスクの位置合わせ→露光処理→現像処理の工程を有する半導体薄膜用パターニングが行われる。これにより、レジスト１０６に所定パターンの穴１０６ａ、１０６ｂが形成される。

次に、図１３（ａ）に示すように、所定パターンが形成されたメタルマスクＭ１を用いて、ｎ型半導体薄膜１１０の成膜が行われる。

次いで、図１３（ｂ）に示すように、所定パターンが形成されたメタルマスクＭ２を用いて、ｐ型半導体薄膜１１１の成膜が行われる。

なお、ｎ型半導体薄膜１１０とｐ型半導体薄膜１１１の成膜順序は逆であってもよい。

続いて、図１４（ａ）に示すように、所定パターンが形成されたメタルマスクＭ３を用いて、熱センサＴＳ１において第１の電極部４１に相当する金属薄膜１２０の成膜が行われる。

そして、レジストを除去した後に酸化膜１３０を形成し、最後に上面を覆うように酸化アルミニウム等から成る酸化金属膜６０を形成して、熱センサＴＳ１が完成される。酸化金属膜６０は面一な平面でもよく、熱電変換素子ＳＥ部や電極部４０が基板１０の面より凸となる凹凸のある面であっても良い。

（絶縁基板の変形例について）
図１５に示す絶縁基板１０Ａは、底面に複数の溝３００が形成されている。

このような形状の絶縁基板１０Ａを図２に示すような一般的な絶縁基板１０に代えて使用することにより、底面側からの放熱性を高めることができる。

これにより、熱検知時における熱センサＴＳ１の起電力を向上させることができ、熱検知の精度を高めることができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

ＴＳ１〜ＴＳ４…熱センサ
ＳＥ（ＳＥ１〜ＳＥｎ）…熱電変換素子
Ｈ…消防用ホース
Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３ａ〜Ｕ３ｐ）…感熱ユニット
１０、１０Ａ…絶縁基板
３０…ｐ型半導体部
３１…ｎ型半導体部
３３、５０、５１…酸化膜
４０（４０ａ〜４０ｄ）…第２の電極部、第３の電極部、金属薄膜、導体
７０…検出回路
２００…受信器（中継器）
５００…熱検知システム

Claims

Ｓｉ、ＭｇＯ、Ａｌ _２Ｏ _３の単結晶または多結晶で構成されている板状の絶縁基材と、
前記絶縁基材の厚さ方向の一方の面上に形成される複数の熱電変換素子と、
を備える熱センサであって、
前記各熱電変換素子は、前記絶縁基材の厚さ方向の一方の面上で直線状、蛇行線状、或いは渦巻き線状に配列されると共に、電気的に直列接続されており、
前記各熱電変換素子は、
第１の電極部を介して接続された、Ｓｉの半導体材料にＰおよび／またはＡｓのドナーを添加して形成されるｎ型半導体薄膜部、および、Ｓｉの半導体材料にＢおよび／またはＡｌのアクセプタを添加して形成されるｐ型半導体薄膜部と、
前記ｎ型半導体薄膜部において、前記第１の電極部と反対側に接続された第２の電極部と、
前記ｐ型半導体薄膜部において、前記第１の電極部と反対側に接続された第３の電極部とを有し、
前記電極部は金属薄膜で構成され、
前記ｎ型半導体薄膜部と前記ｐ型半導体薄膜部の間は、前記第２の電極部と前記第３の電極部とで接続され、前記第２の電極部は、前記絶縁基材の厚さ方向の一方の平面上に設けられている金属薄膜の一部で構成され、前記第３の電極部は、前記金属薄膜の他部で構成され、
前記第１の電極部側を熱検知対象に対向させた際に、前記第２の電極部と前記第３の電極部との間に生じる全体の電位差を出力することを特徴とする熱センサ。
前記各熱電変換素子が有する第１の電極部の表面側には、酸化金属膜が形成されており、
前記ｎ型半導体薄膜部と前記ｐ型半導体薄膜部の間の領域には絶縁のための酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱センサ。
前記絶縁基材の厚さ方向の他方の面には、放熱用の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱センサ。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱センサを備えた熱検知システムであって、
前記熱センサと前記熱センサにおける電位差の出力端子に接続される電位差検出回路とを備えた感熱ユニットを複数備え、
前記複数の感熱ユニットは並列に接続され、
前記複数の感熱ユニットは熱による検出信号を受信する受信器、または、前記検出信号を他の機器との間で中継する中継器を備え、
前記受信器、または、前記中継器によって前記検出信号を監視することにより、建屋の何れかの位置で火災が発生したことを把握、報知することを特徴とする熱検知システム。