JP6985900B2

JP6985900B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6985900B2
Application number: JP2017221217A
Authority: JP
Inventors: 壮一朗簗瀬
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: JP2019090762A

Description

本発明は、温度センサに関する。

ワークステーションやパーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載されている中央演算処理装置（ＣＰＵ）は、強く発熱する。そのため、ＣＰＵが実装されるプリント回路板において、ＣＰＵの発熱が、他の電子部品に悪影響を及ぼさないように、熱伝導経路を特定方向に制限することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。一方、部屋、保管庫、房、漕及び炉等の閉空間においては、品質管理やトレーサビリティを目的として、温度センサが配置される場合がある（例えば、特許文献２、３参照。）。温度センサは、例えば、プリント回路板に実装された温度検出素子を備えるが、温度検出素子の発熱量は、ＣＰＵの発熱量と比較して著しく弱い。

特開平１１−０４０９０１号公報国際公開２０１６／１２３０６２号国際公開２０１６／１２３１７７号

閉空間内に限らず、任意の配置において温度を正確に測定可能な温度センサが求められている。そこで、本発明は、温度を正確に測定可能な温度センサを提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、基板と、基板上に配置された温度検出素子と、基板上に設けられた平面導電層であって、間隙が設けられた平面導電層と、を備える、温度センサが提供される。

上記の温度センサが、温度検出素子を複数備えていてもよい。

上記の温度センサにおいて、平面導電層の間隙が、複数の温度検出素子の並び方向に対して垂直又は法線方向に設けられていてもよい。

上記の温度センサにおいて、平面導電層の間隙が、複数の温度検出素子の並び方向に対して平行に設けられていてもよい。

上記の温度センサにおいて、平面導電層に設けられた間隙が、スリット又は孔であってもよい。

上記の温度センサにおいて、基板上に配置された、温度検出素子に電力を供給する電源部をさらに備え、電源部と温度検出素子の間に、平面導電層の間隙が設けられていてもよい。

上記の温度センサにおいて、基板上に配置された、温度検出素子を制御する制御部をさらに備え、制御部と温度検出素子の間に、平面導電層の間隙が設けられていてもよい。

上記の温度センサにおいて、基板に、平面導電層の間隙に連通する間隙が設けられていてもよい。

上記の温度センサが、基板、温度検出素子、及び平面導電層を覆う保護層をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、温度を正確に測定可能な温度センサを提供可能である。

第１実施形態に係る温度センサを示す模式的正面図である。第１実施形態に係る温度センサを示す模式的側面図である。参考例に係る温度センサを示す模式的正面図である。第２実施形態に係る温度センサを示す模式的正面図である。第３実施形態に係る温度センサを示す模式的正面図である。第３実施形態に係る温度センサの電気回路を示すブロック図である。参考例に係る温度センサを示す模式的正面図である。他の実施形態に係る温度センサを示す模式的正面図である。他の実施形態に係る温度センサを示す模式的正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る温度センサは、図１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃと、基板１０上に温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの周囲に設けられた平面導電層３０であって、間隙３１が設けられた平面導電層３０と、を備える。

基板１０は、リジッド基板であってもよいし、フレキシブル基板であってもよい。基板１０の材料としては、例えば、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、フッ素樹脂及びセラミックス等が使用可能である。基板１０の機械的強度が強いと、温度センサの製造や取り扱いが容易になる。基板１０の形状は、例えば正方形や長方形等の多角形であってもよいし、真円や楕円等の円形であってもよい。

基板１０に実装される温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの数は任意であり、１個でもよいし、複数個でもよい。温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃとしては、例えば、熱電対、白金測温抵抗体及びサーミスタが使用可能である。温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、基板１０上において、直線状に列をなすように配置されていてもよいし、曲線状に列をなすよう配置されていてもよい。

平面導電層３０は、例えば銅（Ｃｕ）等の金属からなる。平面導電層３０は、ベタ（ＳｏｌｉｄＰｌａｎｅあるいはＰｏｕｒ）とも呼ばれ、基板１０上の他の配線より広い幅を有する。平面導電層３０は、グラウンド導電層であってもよいし、信号を伝送する導電層であってもよい。ノイズの抑制や、基板１０の剛性向上のために、平面導電層３０が設けられることもある。グラウンド導電層は、ベタグラウンド（ＧｒｏｕｎｄＰｌａｎｅ）と呼ばれることがある。銅からなる平面導電層は、銅ベタ（ＣｕＰｏｕｒ）と呼ばれることがある。平面導電層３０は、例えば、基板１０上の他の配線の間に配置されている。

平面導電層３０の間隙３１は、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間に、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの並び方向に対して垂直又は法線方向に設けられている。平面導電層３０には、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの並び方向に対して平行な間隙がさらに設けられていてもよい。間隙３１は、平面導電層３０の外辺から切り込まれスリットであってもよいし、平面導電層３０の内部に設けられたスリットや孔であってもよい。

温度センサは、図２に示すように、基板１０、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、及び平面導電層３０を覆い、保護する保護層４０をさらに備えていてもよい。保護層４０は、例えば基板１０、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、及び平面導電層３０を封止する。基板１０、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、及び平面導電層３０は、保護層４０内に包埋されていてもよい。あるいは、保護層４０と、基板１０、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、及び平面導電層３０と、の間に、空間があってもよい。保護層４０は、例えばポリエチレン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂、あるいはガラス等からなる。保護層４０は、コーティングにより形成されてもよい。

第１実施形態に係る温度センサは、例えば、図１に示すように、医薬品等の溶液５５が入れられたバイアル５０に入れられる。バイアル５０は、例えば、凍結乾燥炉内のプレート６０上に配置される。この場合、バイアル５０内の溶液５５は、プレート６０を介して冷却され、凍結乾燥させられる。この場合、バイアル５０内の溶液５５は、バイアル５０の底面に近いほうから温度が下がっていく。そのため、例えば、溶液５５の深さ方向において、バイアル５０の底面に近いほうが温度が低く、液面に近いほうが温度が高い温度分布が生じる場合がある。

例えば、温度検出素子２０Ａは、溶液５５の液面に近い領域の温度を測定する。温度検出素子２０Ａは、溶液５５の液面と底の間に近い領域の温度を測定する。温度検出素子２０Ｃは、溶液５５の底に近い領域の温度を測定する。

例えば、平面導電層３０が銅からなる場合、銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫである。また、基板１０がガラスエポキシからなる場合、ガラスエポキシの熱伝導率は０．４Ｗ／ｍＫである。保護層４０がポリエチレン樹脂やエポキシ樹脂からなる場合、ポリエチレン樹脂やエポキシ樹脂の熱伝導率はおよそ０．１から０．５Ｗ／ｍＫである。そのため、温度センサにおける熱伝導は、主に平面導電層３０で生じる。

ここで、図３に示すように、平面導電層３０に間隙が設けられていないと、熱伝導体である平面導電層３０を介して熱が伝わりやすくなる。そのため、例えば、溶液５５において温度分布がある場合であっても、液面に近い領域の熱が平面導電層３０を介して温度検出素子２０Ｂ、２０Ｃに伝わりやすくなる。その結果、温度検出素子２０Ｂ、２０Ｃが、測定対象領域における溶液５５の実際の温度よりも高い温度を測定してしまう場合がある。例えば、温度検出素子２０Ｂが測定する温度が、温度検出素子２０Ａの測定対象領域の実際の温度と、温度検出素子２０Ｂの測定対象領域の実際の温度と、の平均値に近くなる場合がある。

これに対し、図１に示す第１実施形態に係る温度センサにおいては、測定対象である溶液５５の温度分布に対して、間隙３１が垂直又は法線方向に設けられている。そのため、液面に近い領域の熱が平面導電層３０を介して温度検出素子２０Ｂ、２０Ｃに伝わりにくくなる。よって、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれが、測定対象領域における溶液５５の温度を正確に測定することが可能である。このように、第１実施形態に係る温度センサによれば、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれが、独立して、測定対象領域の温度を正確に測定可能である。

（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態に係る温度センサにおいては、基板１０に、平面導電層３０の間隙３１に連通する間隙１１が設けられている。平面導電層３０の間隙３１と同様に、基板１０の間隙１１は、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間に、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの並び方向に対して垂直又は法線方向に設けられている。基板１０には、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの並び方向に対して平行な間隙がさらに設けられていてもよい。間隙１１は、基板１０の外辺から切り込まれスリットであってもよいし、基板１０の内部に設けられたスリットや孔であってもよい。

第２実施形態に係る温度センサの他の構成要素は、第１実施形態と同様であってもよい。第２実施形態に係る温度センサにおいては、平面導電層３０のみならず、基板１０にも熱伝導を妨げる間隙１１が設けられているため、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれが、独立して、測定対象領域の温度をより正確に測定可能である。

（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態に係る温度センサは、基板１０上に配置された、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに電力を供給する電源部７１と、基板１０上に配置された、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを制御する制御部７２と、をさらに備える。第３実施形態に係る温度センサにおいては、電源部７１又は制御部７２と温度検出素子２０Ａの間に、平面導電層３０の間隙３１と、基板１０の間隙１１と、が設けられている。

図６に示すように、例えば電源部７１は、制御部７２を介して、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに電力を供給する。電源部７１は、電池により、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに電力を供給してもよい。あるいは、電源部７１は、外部配線を介して供給された電力を、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに供給してもよい。またあるいは、電源部７１は、照射されたマイクロ波等の電磁波や、光によって電力を発生させ、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに電力を供給してもよい。

電源部７１及び制御部７２は、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃより発熱量が大きい場合がある。ここで、図７に示すように、平面導電層３０に間隙が設けられていないと、熱伝導体である平面導電層３０を介して、電源部７１及び制御部７２から温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに熱が伝わりやすくなる。そのため、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが、測定対象領域の実際の温度よりも高い温度を測定してしまう場合がある。

これに対し、図５に示す第３実施形態に係る温度センサにおいては、電源部７１又は制御部７２と温度検出素子２０Ａの間に、平面導電層３０の間隙３１と、基板１０の間隙１１と、が設けられている。そのため、電源部７１又は制御部７２で生じた熱が、平面導電層３０を介して温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに伝わりにくくなる。よって、温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれが、測定対象領域の温度を正確に測定することが可能である。

（他の実施形態）
上記のように本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図
面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様
々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、上述した実施形態を組み合わせてもよい。また、温度センサの測定対象は、液体に限らず、固体及び気体であってもよい。温度センサの測定対象は、意図的な温度分布を有していてもよいし、温度分布を有しないことが意図されていてもよい。温度センサは、食品、飲料及び酒類等の発酵工程及び燻製工程等にも使用可能である。さらに、温度センサはバイアル等の容器に入れられる必要はなく、様々な場所に配置可能である。例えば、温度センサは、湯沸かし器、風呂及びプール等に配置されてもよい。

また、温度センサにおいては、図８に示すように、基板１０上に温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが格子状に複数列配置されていてもよい。この場合も、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間に、平面導電層３０の間隙３１が設けられる。図８に示す温度センサによれば、二次元的な温度分布を正確に測定することが可能である。

あるいは、温度センサにおいては、図９に示すように、基板１０上に温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが放射状に配置されていてもよい。この場合も、複数の温度検出素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間に、平面導電層３０の間隙３１が設けられる。図９に示す温度センサによれば、例えば加熱素子や冷却素子等の温度制御素子８０で生じた同心円状の温度分布を正確に測定することが可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。

実施形態に係る温度センサによれば、例えば、食品加工や食品製造において、食品の品質を均一にすること等を目的として、タンクや鍋内の温度分布を正確に測定することが可能である。また、実施形態に係る温度センサによれば、例えば、工業製品の製造において、過加熱や過冷却を抑制したり、品質を管理したり記録したりすることを目的として、加熱装置や冷却装置内の温度分布を正確に測定することが可能である。あるいは、実施形態に係る温度センサは、加熱機器や冷却機器等の熱制御機器に組み込まれ、熱制御機器により生じる温度分布を正確に測定することが可能である。

１０・・・基板、１１・・・間隙、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ・・・温度検出素子、３０・・・平面導電層、３１・・・間隙、４０・・・保護層、５０・・・バイアル、５５・・・溶液、６０・・・プレート、７１・・・電源部、７２・・・制御部、８０・・・温度制御素子

Claims

基板と、
前記基板上に配置された複数の温度検出素子と、
前記基板上に設けられた金属からなる平面導電層であって、前記複数の温度検出素子の間に間隙が設けられた平面導電層と、
を備える、温度分布測定センサ。
前記平面導電層の間隙が、前記複数の温度検出素子の並び方向に対して垂直又は法線方向に設けられている、請求項１に記載の温度分布測定センサ。
前記平面導電層の間隙が、前記複数の温度検出素子の並び方向に対して平行にさらに設けられている、請求項２に記載の温度分布測定センサ。
前記平面導電層に設けられた間隙が、スリット又は孔である、請求項１から３のいずれか１項に記載の温度分布測定センサ。
前記基板上に配置された、前記複数の温度検出素子に電力を供給する電源部をさらに備え、
前記電源部と前記複数の温度検出素子の間に、前記平面導電層の間隙が設けられている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の温度分布測定センサ。
前記基板上に配置された、前記複数の温度検出素子を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部と前記複数の温度検出素子の間に、前記平面導電層の間隙が設けられている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の温度分布測定センサ。
前記基板に、前記平面導電層の間隙に連通する間隙が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の温度分布測定センサ。
前記基板、前記複数の温度検出素子、及び前記平面導電層を覆う保護層をさらに備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の温度分布測定センサ。
請求項１から８のいずれか１項に記載の前記温度分布測定センサを用意することと、
前記温度分布測定センサの前記複数の温度検出素子を用いて、測定対象の温度分布を測定することと、
を含む、温度分布の測定方法。
前記温度分布測定センサをバイアルに入れることをさらに含み、
前記測定対象が、前記バイアル内の溶液である、
請求項９に記載の温度分布の測定方法。