JPWO2019155565A1 - 赤外線温度センサ - Google Patents
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Abstract
Description
定着器は、記録紙と、記録紙に静電気によって担持させたトナーとを、回転しながら搬送するローラからなる定着手段と、定着手段に圧接しながら反対方向に回転するローラからなる加圧手段とで挟み込む。そして、記録紙が熱と圧力を加えながら移動されることによって、トナーを溶着して記録紙に定着させる。トナーは、樹脂材、磁性体および着色料からなる。
これまで、例えば特許文献1に記載されるように、赤外線の熱量を用いて温度を測定する赤外線温度センサについて種々の提案がなされている。
そこで、本発明は、検知温度の応答性が高い赤外線温度センサを提供することを目的とする。
なお、べた状とは、一面に広がっていることを言う。
本発明におけるべた状の配線パターンは、好ましくは、赤外線検知素子および温度補償素子の周囲を取り囲むように形成される。
このべた状の配線パターンは、他の配線パターンよりも熱伝導性が低い低熱伝導領域を備える、ことができる。この低熱伝導領域は、典型的には、べた状の配線パターンを構成する導電層が形成されておらず、フィルムの第二フィルム面がむき出しとされている。また、べた状の配線パターンに形成される低熱伝導領域は、赤外線検知素子と温度補償素子との間に形成される。
赤外線温度センサ10は、例えば図11に示すように、コピー機やプリンタ等の画像形成装置に備えられるトナー定着器1の定着手段としてのローラ2の温度を非接触で検知するセンサである。トナー定着器1は、定着手段としてのローラ2と、加圧手段としてのローラ3とを備えている。
なお、本実施形態の赤外線温度センサ10において、図1に示すように、電線70が引き出される側を後Rと定義し、また、その逆側を前Fと定義する。また、前Fと後Rを結ぶ方向を前後方向Lと定義し、前後方向Lとは直交する方向を幅方向Wと定義する。また、前後方向Lおよび幅方向Wと直交する方向を厚さ方向Tと定義する。この定義は、センサケース20およびセンサカバー30についても適用される。
以下、赤外線温度センサ10の構成要素を説明する。
センサケース20は、図2(a)に示すように、平面視した形状が矩形のケース基部21と、ケース基部21のおもて面211から突出する遮光ドーム22と、遮光ドーム22と幅方向Wに隣接して設けられ、平面視した開口形状が矩形の赤外線入射窓26と、を備えている。トナー定着器1に対して所定の位置に赤外線温度センサ10が設置されると、図11(a),(b)に示すように、センサケース20のおもて面211がローラ2に臨むように配置される。
なお、ここでは赤外線入射窓26が開口の例を示すが、赤外線を透過させる部材でこの開口が覆われていても、赤外線入射窓26であることには変わりはない。
ケース基部21には、おもて面211の開口である赤外線入射窓26からうら面212までが貫通することにより、赤外線入射窓26に連なる導光域28が備えられている。導光域28は、ケース基部21のおもて面211とうら面212を繋ぐ側壁27に取り囲まれる。
赤外線入射窓26および導光域28と遮光ドーム22は、図2(a)に示すように、互いの一つの辺同士が対向するように、かつ、互いの前後方向Lの中央部が一致するように、幅方向Wに微小間隔をおいて並んで配列されている。
図1(d)に示すように、導光域28と遮光域25の境界部分に位置する側壁23の裾の部分が、導光域28と遮光域25を区画する区画壁29として機能している。ローラ2から放射された赤外線は、その一部が遮光ドーム22により遮光されるので、導光域28のみを介して熱変換フィルム40に入射する。導光域28から、区画壁29よりも内側、つまり遮光域25には赤外線が漏れない。
後述するセンサカバー30も、熱伝導率の高い金属材料からなる板材から一体的に形成される。このように、センサケース20およびセンサカバー30を高熱伝導率の金属により形成することで、周囲の温度変化に追従して赤外線温度センサ10が全体として迅速に均一な温度になるのに寄与する。
なお、本実施形態においては、センサケース20及びセンサカバー30に用いられる材料として、熱伝導率の高い金属材料からなる板材を用いて一体的に形成する場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。熱伝導率の高い材料であれば、金属材料以外の材料、例えば、樹脂材料を用いて形成してもよい。
次に、センサカバー30について説明する。
センサカバー30は、図1(b),(c)および図3に示すように、平面視した形状が矩形のカバー基部31と、カバー基部31のうら面312から突出する素子収容ドーム32と、を備えている。
カバー基部31には、図3(a)〜(c)に示すように、切欠き36が形成されている。切欠き36は、幅方向Wの両端の所定範囲を除いて、カバー基部31の後Rの端部側から前Fの端部側への所定範囲を略U字状に打ち抜くことで形成される。
素子収容ドーム32は、幅方向Wの寸法が、センサケース20の遮光ドーム22と赤外線入射窓26を合わせた幅方向Wの寸法とほぼ一致するように形成され、また、前後方向Lの寸法が遮光ドーム22や赤外線入射窓26の前後方向Lの寸法とほぼ一致するように形成されている。そして、センサカバー30にセンサケース20が組み付けられると、素子収容ドーム32の投影面に遮光ドーム22と赤外線入射窓26の全体が含まれる。
熱変換フィルム40(図1(d))は、赤外線が照射されると赤外線が持つエネルギーを熱に変換し、変換された熱が赤外線検知素子43に伝達されることにより、赤外線検知素子43により温度が検知される。
熱変換フィルム40は、センサケース20およびセンサカバー30の外形にほぼ一致する形状に形成されている。熱変換フィルム40は、赤外線検知素子43および温度補償素子45を支持することに加え、赤外線検知素子43および温度補償素子45への熱影響(赤外線の直接輻射によるものを除く)を同等にするため、赤外線が入射しない遮光域25も含め、導光域28および遮光域25の両方に亘り配置されている。
熱変換フィルム40がセンサケース20とセンサカバー30の間に保持されると、赤外線検知素子43と温度補償素子45は、図1(d)に示すように、センサカバー30の素子収容室33の内部に配置される。特に、本実施形態においては、赤外線検知素子43と温度補償素子45が、センサケース20の幅方向Wの中心を基準に線対称の位置に配置される。より具体的には、赤外線検知素子43と温度補償素子45は、センサケース20を幅方向Wに二等分する中心線C1(図1(a))に対して線対称に配置される。中心線C1は、導光域28と遮光域25との境界部に位置する。
また、熱変換フィルム40は、その厚さは任意であるが、赤外線吸収率を向上できること、および、センサケース20とセンサカバー30の間に保持させる作業の際にしわが形成されるのを防ぐこと、を考慮すると、5〜50μm程度の厚さにすることが好ましい。
赤外線検知素子43は、検知対象物であるローラ2の表面から放射された赤外線が熱変換フィルム40に吸収されて生ずる熱により昇降する温度を検知し、温度補償素子45は雰囲気温度を検知する。
赤外線検知素子43および温度補償素子45としては、例えば、小型の薄膜サーミスタ、白金温度センサ等の温度係数を持つ抵抗体を広く使用でき、特定の材質、形態に限定されない。
赤外線検知素子−温度補償素子=
(「直接輻射」+「熱伝導」+「対流」+「再輻射」)−(「熱伝導」+「対流」+「再輻射」)
この時、検知対象物からの熱影響のうち、赤外線検知素子43と温度補償素子45への影響の差は、赤外線の「直接輻射」のみとなるため、赤外線検知素子43による検知温度と温度補償素子45による検知温度との差に基づいて、検知対象物から発せられる赤外線を正確に検知できる。ただし、赤外線検知素子43における「熱伝導」+「対流」+「再輻射」による熱影響と、温度補償素子45による「熱伝導」+「対流」+「再輻射」における熱影響が同じであることが前提となる。
したがって、この赤外線検知素子43と温度補償素子45における熱伝導、対流および再輻射による熱影響を同じにすることが望まれる。
次に、図4を参照して、赤外線温度センサ10における配線パターン50を説明する。
配線パターン50は、赤外線検知素子43と温度補償素子45を接続する第一配線51と、赤外線検知素子43に接続される第二配線53と、温度補償素子45に接続される第三配線55と、を備えている。配線パターン50は、熱変換フィルム40のうら面412(第二フィルム面)に赤外線検知素子43と温度補償素子45を避けるように形成されている。赤外線温度センサ10が所定の機器内に組み込まれると、熱変換フィルム40のおもて面411(第一フィルム面)が検知対象物に対向する。
なお、図4(a),(b)において、一点鎖線で示される矩形の領域Aは、素子収容室33が平面方向に占有する領域を示している。図6などの他の図面においても同様である。
第一要素51Aおよび第三要素51Cは、線状の配線パターンからなる。
べた状の配線パターンは、厚さが、例えば、20μmに形成される。なお、べた状の配線パターンは、好ましくは厚さが一定で形成されるが、赤外線検知素子43と温度補償素子45の均熱化が図れる限り、厚さが異なる部分が存在してもよい。さらに、べた状の配線パターンが熱変換フィルム40に占める面積は、電気的なアイソレーションが確保できれば任意である。つまり、その面積が微小でも熱応答性の向上の効果が見込めるが、面積が大きければ大きいほどこの効果が大きくなる。したがって、熱応答性を向上させる、と言う観点からすると、熱変換フィルム40のうら面412の全域にわたってべた状の配線パターを形成するのが最も好ましい。
また、配線パターン50を構成する導電体は任意であるが、電気導電率の高い銅、銅合金、その他の金属材料を用いることができる。
赤外線温度センサ10においては、図1に示すように、センサケース20とセンサカバー30が、各々の基部21,31の互いの周縁が一致するように位置決めされ、熱変換フィルム40を介して接合される。
熱変換フィルム40がセンサケース20とセンサカバー30により保持されると、平面視で、赤外線検知素子43は導光域28の略中央に配置され、温度補償素子45は遮光域25の略中央に配置される。本実施形態によれば、後述するように、赤外線検知素子43および温度補償素子45が受ける熱の影響を、ローラ2からの赤外線の照射を除けば、略同等にすることができる。
なお、本実施形態では、カバー基部31の厚さT3が電線70の太さと同等以上であるため、図1(b)に示すように、電線70は、カバー基部31のうら面312からその外周面がはみ出すことがない。
次に、赤外線温度センサ10の配線パターン50による効果を説明する。
本実施形態に係る配線パターン50は、熱変換フィルム40の表面の広い範囲を占有する、べた状の第一配線51を備えている。べた状の第一配線51は熱伝導性の高い金属材料、とりわけ銅、銅合金から構成されるので、周囲から熱を受けると熱変換フィルム40も含めて温度が迅速に均一になりやすい。これにより、赤外線検知素子43と温度補償素子45の均熱化が図られるので、赤外線温度センサ10は、検知温度の応答性が高くなる。
センサケース20とセンサカバー30が金属材料から構成されている場合、べた状の配線パターンがセンサケース20又はセンサカバー30と接すると、電気的な短絡が生ずる。したがって、図5(a)に示すように、例えばべた状の配線パターンである第一配線51が、センサケース20のケース基部21とセンサカバー30のカバー基部31で挟む保持部分よりも内側に留まらせ、センサケース20とセンサカバー30には接触しないようにする。
絶縁層42は、熱変換フィルム40と同じ材料を用いることができるし、他の材料を用いることもできる。
はじめに、図6は、第二配線63および第三配線65がべた状の配線パターンを有し、第一配線61が線状の配線パターからなる例を示す。
第三配線65は、温度補償素子45に接続される第一要素65Aと、第一要素65Aに接続されるべた状の第二要素65Bと、第二要素65Bと端子56を接続する第三要素51Cと、を備えている。
非導体領域57は、赤外線温度センサ10を幅方向Wに二等分する中心線C1と中心が一致する矩形の形状を有しており、赤外線検知素子43と温度補償素子45の間の中間地点にまたがって設けられる。
赤外線温度センサ10を使用していると、非導体領域57が設けられているところにも赤外線が照射される。ここに熱伝導性の優れた導体が存在していると輻射熱が生じる。この輻射熱が遮光域25に伝わると、赤外線検知素子43と温度補償素子45の温度差が小さくなる。そこで、当該領域を非導体にすることにより輻射熱の発生を抑えるとともに、輻射熱が温度補償素子45へ最短距離で伝わるのを抑える。
なお、非導体領域57は、配線パターン50よりも熱伝導性が劣る材料で構成される低熱伝導領域が設けられていてもよい。
また、図9(b)に示すように、線状の配線パターンをなす第二配線53、第三配線55を幅方向Wの両側に引き出すこともできる。
また、図9(c)に示すように、第一配線51を線状の配線パターン(第二要素51B,第三要素51C)にするとともに、第二配線53および第三配線55をべた状の配線パターン(第二要素53B、第二要素55B)にすることもできる。
なお、図9および図10において、図4と同じ要素には図4と同じ符号を付している。
2,3 ローラ
10 赤外線温度センサ
20 センサケース
21 ケース基部
22 遮光ドーム
25 遮光域
26 赤外線入射窓
28 導光域
30 センサカバー
31 カバー基部
32 素子収容ドーム
33 素子収容室
40 熱変換フィルム
42 絶縁層
43 赤外線検知素子
45 温度補償素子
50 配線パターン
51 第一配線
51A 第一要素
51B 第二要素
51C 第三要素
52,54,56 端子
53 第二配線
53A 第一要素
53B 第二要素
53C 第三要素
55 第三配線
55A 第一要素
55B 第二要素
55C 第三要素
57 非導体領域
60 配線パターン
61 第一配線
61A 第一要素
61C 第二要素
63 第二配線
63A 第一要素
63B 第二要素
63C 第三要素
65 第三配線
65A 第一要素
65B 第二要素
65C 第三要素
70 電線
Claims (11)
- 検知対象物から放射される赤外線を吸収して熱に変換するフィルムと、
前記フィルムに支持され、前記フィルムで変換された前記赤外線による温度変化を検知する赤外線検知素子と、
前記フィルムに支持され、周囲の雰囲気の温度変化を検知する温度補償素子と、
前記赤外線検知素子および前記温度補償素子に接続され、前記フィルムに支持されるべた状の配線パターンと、
を備えることを特徴とする赤外線温度センサ。 - べた状の前記配線パターンは、
前記赤外線検知素子と前記温度補償素子の間の中間地点を中心とする対称な平面形状を有する、
請求項1に記載の赤外線温度センサ。 - べた状の前記配線パターンは、
前記赤外線検知素子および前記温度補償素子の周囲を取り囲むように形成される、
請求項1又は請求項2に記載の赤外線温度センサ。 - 前記フィルムの第一フィルム面が、前記検知対象物に対向し、
前記第一フィルム面のうら側の第二フィルム面に、前記赤外線検知素子および前記温度補償素子と、べた状の前記配線パターンが設けられる、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の赤外線温度センサ。 - 前記配線パターンは、
前記赤外線検知素子と前記温度補償素子を接続し、かつ、引き出される第一配線と、
前記赤外線検知素子から引き出される第二配線と、
前記温度補償素子から引き出される第三配線と、を備え、
前記第一配線、または、前記第二配線及び前記第三配線のいずれか一方はべた状の前記配線パターンを有し、かつ、他方は線状の前記配線パターンからなる、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の赤外線温度センサ。 - べた状の前記配線パターンは、
他の前記配線パターンよりも熱伝導性が低い低熱伝導領域を備える、
請求項5に記載の赤外線温度センサ。 - べた状の前記配線パターンに形成された前記低熱伝導領域は、前記赤外線検知素子と前記温度補償素子との間に形成される、
請求項6に記載の赤外線温度センサ。 - 前記低熱伝導領域は、べた状の前記配線パターンを構成する導電層が形成されておらず、前記フィルムの前記第二フィルム面がむき出しとされる、
請求項6または請求項7に記載の赤外線温度センサ。 - 放射された前記赤外線を導く導光域、および、周囲に対して閉じられて前記赤外線が遮蔽される遮光域が形成されるセンサケースと、
前記センサケースに対向して配置されるセンサカバーと、からなる筐体を備え、
前記フィルムは、前記センサケースと前記センサカバーの間の保持部分にて保持されており、
べた状の前記配線パターンは、
前記保持部分よりも内側に留まるように形成されている、
請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の赤外線温度センサ。 - 放射された前記赤外線を導く導光域、および、周囲に対して閉じられて前記赤外線が遮蔽される遮光域が形成されるセンサケースと、
前記センサケースに対向して配置されるセンサカバーと、からなる筐体を備え、
前記フィルムは、前記センサケースと前記センサカバーの間の保持部分にて保持されており、
べた状の前記配線パターンは、
絶縁層を介して前記保持部分にて保持される、
請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の赤外線温度センサ。 - 前記筐体は、
前記赤外線検知素子と前記温度補償素子を収容する素子収容室を備え、
べた状の前記配線パターンは、少なくとも前記素子収容室が前記フィルムの平面方向に占有する面積と同等以上の表面積を有する、
請求項9または請求項10に記載の赤外線温度センサ。
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