JP7124725B2

JP7124725B2 - 温度センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP7124725B2
Application number: JP2019007486A
Authority: JP
Inventors: 昂平高橋; 均稲場
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: JP2020118472A

Description

本発明は、複写機やプリンタの加熱ローラ等の温度を測定することに好適な温度センサ及びその製造方法に関する。

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設置されている。例えば特許文献１に、絶縁性フィルムと、絶縁性フィルム上に形成された薄膜サーミスタ部と、絶縁性フィルム上に形成され薄膜サーミスタ部に接続された一対の電極とを備えたセンサ部が、高剛性の金属板（支持基板）上に接着された温度センサが記載されている。

この温度センサは、加熱ローラ等に押し当てて温度を検出する際に、高い剛性を有して押し当てることができるように高剛性の金属板が絶縁性フィルムの裏面に樹脂接着剤で接着されている。

特開２０１４－１４５６５５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、上記従来の技術では、金属板の表面にエポキシ系接着剤等の樹脂接着剤を塗布して絶縁性フィルムの裏面に金属板を接着しているが、接着剤が絶縁性フィルムと金属板との間に介在するために、接着剤の断熱性により熱応答性が低下してしまう不都合があった。また、介在する接着剤の厚さ制御が難しく、厚さにばらつきが生じ易いために、熱応答性にばらつきが生じるおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱応答性に優れていると共に熱応答性のばらつきが少ない金属板を備えた温度センサ及びその製造方法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、金属板と、前記金属板の上面に設置されたセンサ部とを備え、前記センサ部が、前記金属板の上面に接合された絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上面に設けられた感熱素子と、前記絶縁性フィルムの上面に形成され前記感熱素子に接続された一対のパターン配線とを備え、前記絶縁性フィルムの下面に金属膜が形成され、前記金属膜と前記金属板とが、前記感熱素子及び前記パターン配線の直下を避けた領域で直接接合されていることを特徴とする。

この温度センサでは、金属膜と金属板とが、感熱素子及びパターン配線の直下を避けた領域で直接接合されているので、樹脂接着剤のような断熱性が高いと共に厚さにばらつきが生じ易い材料を介在させないことで、金属同士の直接接合により高い熱応答性が得られると共に、熱応答性にばらつきを抑制することができる。また、感熱素子及びパターン配線の直下を避けて接合されていることで、接合時の感熱素子及びパターン配線へのダメージを回避できると共に、接合による応力が感熱素子及びパターン配線に直接加わることを抑制することができる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記金属膜が、少なくとも前記絶縁性フィルムの周縁部全周に形成され、前記金属膜と前記金属板とが、前記絶縁性フィルムの周縁部全周で接合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、金属膜が、少なくとも絶縁性フィルムの周縁部全周にわたって形成され、金属膜と金属板とが、絶縁性フィルムの周縁部全周で接合されているので、絶縁性フィルムの周縁部全周において金属板からの熱伝導性が高くなり、感熱素子に対して周囲から熱を伝えることができる。また、絶縁性フィルムの周縁部全周が接合されていることで、全周にわたって高い接着強度を得ることができる。

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、前記金属膜が、前記感熱素子の直下に形成された素子直下部を有し、前記素子直下部が、前記金属膜と前記金属板との接合部と接続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、金属膜が、感熱素子の直下に形成された素子直下部を有し、素子直下部が、金属膜と金属板との接合部と接続されているので、素子直下部と金属板とが接触していることで、最短距離で金属板からの熱を感熱素子で受けることが可能になると共に、接続された接合部から素子直下部に熱が伝わることで、より熱応答性が向上する。

第４の発明に係る温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記金属膜が、前記絶縁性フィルムの下面全面に形成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、金属膜が、絶縁性フィルムの下面全面に形成されているので、接合されている領域以外の他の領域の金属膜も金属板に接触することで、さらに高い熱応答性を得ることができる。

第５の発明に係る温度センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記金属膜と前記金属板とが、同じ金属で形成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、金属膜と金属板とが、同じ金属で形成されているので、高い接合強度及び熱伝導性を得ることができる。

第６の発明に係る温度センサの製造方法は、第１から第５の発明のいずれかの温度センサの製造方法であって、金属板の上面にセンサ部を設置する設置工程を有し、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上面にサーミスタ材料で形成された感熱素子と、前記絶縁性フィルムの上面に形成され前記感熱素子に接続された一対のパターン配線とを備え、前記絶縁性フィルムの下面に金属膜が形成され、前記設置工程で、前記金属膜と前記金属板とを、前記感熱素子及び前記パターン配線の直下を避けた領域で超音波接合により接合することを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、設置工程で、金属膜と金属板とを、感熱素子及びパターン配線の直下を避けた領域で超音波接合により接合するので、間に接着剤等を介在させずに、金属膜と金属板とを高い接合強度で直接接合することができる。また、金属膜と金属板とを、感熱素子及びパターン配線の直下を避けた領域で超音波接合させるので、感熱素子，パターン配線及びこれらの直下の絶縁性フィルムに対して超音波接合によるダメージを避けることができる。なお、感熱素子及びパターン配線の直下の絶縁性フィルムに超音波接合によるダメージが生じた場合、その絶縁性が劣化して金属板と導通するおそれがある。

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及びその製造方法によれば、金属膜と金属板とが、感熱素子及びパターン配線の直下を避けた領域で直接接合されるので、樹脂接着剤のような断熱性が高いと共に厚さにばらつきが生じ易い材料を介在させないことで、金属同士の直接接合により高い熱応答性が得られると共に、熱応答性にばらつきを抑制することができる。
したがって、本発明の温度センサでは、熱応答性が高く熱応答性のばらつきも少ないことから、高精度な温度測定が可能になる。

本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第１実施形態を示す平面図（ａ）及びＡ－Ａ線断面図（ｂ）である。第１実施形態において、センサ部を示す平面図（ａ）及び下面図（ｂ）である。第１実施形態において、超音波接合のホーン端面を示す図である。本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第２実施形態を示す平面図である。本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第３実施形態を示す平面図である。

以下、本発明に係る温度センサ及びその製造方法における第１実施形態を、図１から図３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及び図２に示すように、金属板２と、金属板２の上面に設置されたセンサ部３とを備えている。
上記センサ部３は、金属板２の上面に接合された絶縁性フィルム４と、絶縁性フィルム４の上面に設けられた感熱素子５と、絶縁性フィルム４の上面に形成され感熱素子５に接続された一対のパターン配線６とを備えている。

上記絶縁性フィルム４の下面には、金属膜７が形成されている。
上記金属膜７と金属板２とは、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けた領域で直接接合されている。
本実施形態では、金属膜７が、絶縁性フィルム４の周縁部全周にわたって形成され、金属膜７と金属板２とが、絶縁性フィルム４の周縁部全周で接合されている。
すなわち、長方形状の絶縁性フィルム４の周縁部全周にわたって矩形環状の金属膜７がパターン形成され、この部分が接合部８となる。

上記金属膜７と金属板２とは、同じ金属で形成されている。
本実施形態では、例えば金属膜７と金属板２とが銅で形成されている。すなわち、金属膜７は、銅箔であり、金属板２は銅板である。
なお、図１及び図２では、金属膜７の部分にハッチングを施している。

上記絶縁性フィルム４は、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４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。

上記感熱素子５は、例えばサーミスタ材料で形成され両端部に端子電極が形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、感熱素子５として、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ－Ｃｏ－Ｃｕ系材料、Ｍｎ－Ｃｏ－Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。

上記パターン配線６は、銅箔でパターン形成されている。
一対のパターン配線６の一端部は、感熱素子５の対応する端子電極にそれぞれ接続されている。また、パターン配線６の他端部には、外部のリード線等と接続するためのパッド部６ａが設けられている。

本実施形態の温度センサ１の製造方法は、金属板２の上面にセンサ部３を設置する設置工程を有している。
上記設置工程では、金属膜７と金属板２とを、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けた領域で超音波接合により接合する。すなわち、本実施形態では、矩形環状の金属膜７の部分が矩形環状の接合部８となる。
上記超音波接合のホーン（共振体）Ｈは、図３に示すように、その端面が、接合部８の形状に対応して矩形環状とされた凸部Ｈ１と、凸部Ｈ１の内側に形成された矩形状の凹部Ｈ２とを有している。なお、図３では、凸部Ｈ１にハッチングを施して図示している。

このように本実施形態の温度センサ１では、金属膜７と金属板２とが、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けた領域で直接接合されているので、樹脂接着剤のような断熱性が高いと共に厚さにばらつきが生じ易い材料を介在させないことで、金属同士の直接接合により高い熱応答性が得られると共に、熱応答性にばらつきを抑制することができる。また、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けて接合されていることで、接合時の感熱素子５及びパターン配線６へのダメージを回避できると共に、接合による応力が感熱素子５及びパターン配線６に直接加わることを抑制することができる。

また、金属膜７が、少なくとも絶縁性フィルム４の周縁部全周にわたって形成され、金属膜７と金属板２とが、絶縁性フィルム４の周縁部全周で接合されているので、絶縁性フィルム４の周縁部全周において金属板２からの熱伝導性が高くなり、感熱素子５に対して周囲から熱を伝えることができる。また、絶縁性フィルム４の周縁部全周が接合されていることで、全周にわたって高い接着強度を得ることができる。
さらに、金属膜７と金属板２とが、同じ金属で形成されているので、高い接合強度及び熱伝導性を得ることができる。

また、本実施形態の温度センサ１の製造方法では、設置工程で、金属膜７と金属板２とを、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けた領域で超音波接合により接合するので、間に接着剤等を介在させずに、金属膜７と金属板２とを高い接合強度で直接接合することができる。また、金属膜７と金属板２とを、感熱素子５及びパターン配線６の直下を避けた領域で超音波接合させるので、感熱素子５，パターン配線６及びこれらの直下の絶縁性フィルム４に対して超音波接合によるダメージを避けることができる。

次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第２及び第３実施形態について、図４及び図５を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、金属膜７が絶縁性フィルム４の周縁部全周のみにパターン形成されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図４に示すように、感熱素子５の直下にも金属膜２７が形成されている点である。

すなわち、第２実施形態では、金属膜２７が、感熱素子５の直下に形成された素子直下部２７ａを有し、素子直下部２７ａが、金属膜２７と金属板２との接合部８と接続されている。
上記素子直下部２７ａは、感熱素子５の平面視よりも大きな矩形状に形成され、その一辺が矩形環状の接合部８の内周部に接続されている。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、金属膜２７が、感熱素子５の直下に形成された素子直下部２７ａを有し、素子直下部２７ａが、金属膜２７と金属板２との接合部８と接続されているので、素子直下部２７ａと金属板２とが接触していることで、最短距離で金属板２からの熱を感熱素子５で受けることが可能になると共に、接続された接合部８から素子直下部２７ａに熱が伝わることで、より熱応答性が向上する。

また、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、金属膜７が絶縁性フィルム４の周縁部全周のみにパターン形成されているのに対し、第３実施形態の温度センサ３１では、図５に示すように、金属膜３７が、絶縁性フィルム４の下面全面に形成されているので、接合されている領域（接合部８）以外の他の領域の金属膜３７も金属板２に接触することで、さらに高い熱応答性を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各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、上記各実施形態では、感熱素子としてチップサーミスタを採用しているが、薄膜サーミスタや焦電素子などを採用しても構わない。

１，２１，３１…温度センサ、２…金属板、３…センサ部、４…絶縁性フィルム、５…感熱素子、６…パターン配線、７，２７，３７…金属膜、８…接合部、２７ａ…素子直下部

Claims

金属板と、
前記金属板の上面に設置されたセンサ部とを備え、
前記センサ部が、前記金属板の上面に接合された絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの上面に設けられた感熱素子と、
前記絶縁性フィルムの上面に形成され前記感熱素子に接続された一対のパターン配線とを備え、
前記絶縁性フィルムの下面に金属膜が形成され、
前記金属膜と前記金属板とが、前記感熱素子及び前記パターン配線の直下を避けた領域で直接接合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、
前記金属膜が、少なくとも前記絶縁性フィルムの周縁部全周にわたって形成され、
前記金属膜と前記金属板とが、前記絶縁性フィルムの周縁部全周で接合されてい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、
前記金属膜が、前記感熱素子の直下に形成された素子直下部を有し、
前記素子直下部が、前記金属膜と前記金属板との接合部と接続されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記金属膜が、前記絶縁性フィルムの下面全面に形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１から４のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記金属膜と前記金属板とが、同じ金属で形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１から５のいずれか一項に記載の温度センサの製造方法であって、
金属板の上面にセンサ部を設置する設置工程を有し、
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上面にサーミスタ材料で形成された感熱素子と、
前記絶縁性フィルムの上面に形成され前記感熱素子に接続された一対のパターン配線とを備え、
前記絶縁性フィルムの下面に金属膜が形成され、
前記設置工程で、前記金属膜と前記金属板とを、前記感熱素子及び前記パターン配線の直下を避けた領域で超音波接合により接合することを特徴とする温度センサの製造方法。