JPWO2020032021A1 - 温度センサ及び温度センサを備えた装置 - Google Patents

Abstract

薄型化するとともに絶縁性を確保して信頼性、応答性及び測温精度を向上することができる耐熱性のある温度センサ、この温度センサを備えた装置を提供すること。絶縁性基板（１１）と、前記絶縁性基板（１１）上に形成された感熱膜（１３）と、前記絶縁性基板（１１）上に形成され前記感熱膜（１３）と電気的に接続された電極層（１２ａ）、（１２ｂ）と、を有する感熱素子（１０）と、前記電極層（１２ａ）、（１２ｂ）と溶接による接合により電気的に接続される接合部（２１ａ）、（２１ｂ）と、前記接合部（２１ａ）、（２１ｂ）から一体的に延出されるリード部（２２ａ）、（２２ｂ）と、を有するリード部材（２０）と、少なくとも前記感熱素子（１０）及びリード部材（２０）の接合部（２１ａ）、（２１ｂ）を両面から挟んで封止する一対の絶縁性フィルム（３０ａ）、（３０ｂ）と、を備えている。

Description

本発明は、被検知体の温度を検知するのに適する温度センサ及び温度センサを備えた装置に関する。

複写機やプリンタ等のＯＡ機器、移動体通信端末やパソコン等の情報通信機器、映像機器、民生用機器及び自動車用電装機器等の電子機器には、被検知体の温度を検知するために温度センサが備えられている。
近時、このような電子機器において、電子機器の小型化が要望されており、この要望に伴い温度センサの薄型化のための開発が行われている。

従来、温度センサを構成する感熱抵抗素子とリード線との接合は、一般的には、はんだ付けや導電性ペースト等を用いて行われている。したがって、接合に際し、はんだペースト等のろう材や導電性ペースト等の付加材料が用いられている。接合箇所に付加材料が付加された状態で接合される場合、接合箇所の厚さ寸法が約３０μｍ〜１００μｍと厚くなるとともに、熱容量が大きくなり熱応答性及び測温精度が悪くなるという問題が発生する。また、はんだでの接合では、温度サイクルを考慮した耐熱温度が１５０℃以下となり、２００℃以上の耐熱性の確保ができない問題がある。

一方、温度センサの薄型化のため、フレキシブル配線板（ＦＰＣ）を用いて、フレキシブル配線板に形成された配線パターンに感熱抵抗素子を溶接によって接合する技術が試みられている。しかしながら、この場合、フレキシブル配線板における絶縁層に、溶接によるレーザ光が照射されるため、絶縁層が部分的に除去され絶縁性が低下するという課題が生じる（例えば、特許文献２の図１２参照）。

国際公開第２０１７／０４７５１２号 国際公開第２０１８／０６６４７３号 特開２０００−７４７５２号公報 特許第５７０７０８１号公報 特許第５７６３８０５号公報 特開２０１５−２１９３９６号公報 特開２０１６−４５１３０号公報 実用新案登録第２５０５６３１号公報 特開２００８−２４１５６６号公報 特開２０１０−１９７１６３号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、薄型化するとともに絶縁性を確保して信頼性、応答性及び測温精度を向上することができる耐熱性のある温度センサ、この温度センサを備えた装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の温度センサは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された感熱膜と、前記絶縁性基板上に形成され前記感熱膜と電気的に接続された電極層と、を有する感熱素子と、
前記電極層と溶接による接合で電気的に接続される接合部と、前記接合部から一体的に延出されるリード部と、を有するリード部材と、
少なくとも前記感熱素子及びリード部材の接合部を両面から挟んで封止する一対の絶縁性フィルムと、を具備する。

本発明によれば、薄型化することで応答性及び測温精度を向上させるとともに絶縁性を確保して信頼性を向上することができる耐熱性のある温度センサ、この温度センサを用いた装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態において、感熱素子が絶縁性フィルムにより絶縁被覆されている状態を示す平面図である。 同感熱素子を示す平面図である。 同感熱素子を示す断面図である。 同感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆する前の状態を示し、図１中、Ｙ−Ｙ線に沿う断面図である。 同感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆した後の状態を示し、図１中、Ｙ−Ｙ線に沿う断面図である。 同じく、感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆する状態の変形例（実施例１）を示す断面図である。 同じく、感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆する前の状態の変形例（実施例２）を示す断面図である。 同感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆する後の状態の変形例（実施例２）を示す断面図である。 感熱素子とリード部材との接合状態を示す変形例であり、リード部材の斜視図及び接合状態の断面図である。 感熱素子の別の実施形態（実施形態１）を示す断面図である。 同実施形態（実施形態２）を示す断面図である。 同温度センサとして近接非接触温度センサを示す平面図である。 同温度センサとして近接非接触温度センサ示す側面図である。 同温度センサとして近接非接触温度センサ示す裏面図である。 同温度センサの製造方法において、用意する部材を示す部品図である。 同温度センサの製造方法において、製造工程を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る温度センサとして赤外線温度センサを示す斜視図である。 同温度センサとして赤外線温度センサを示す断面図である。 同温度センサとして赤外線温度センサにおける感熱素子及びリード部材を示す平面図である。 同温度センサとして赤外線温度センサにおける感熱素子が絶縁性フィルムにより絶縁被覆されている状態を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る温度センサについて図１乃至図２０を参照して説明する。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、説明上、各部材の縮尺を適宜変更している。また、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
［第１の実施形態］

第１の実施形態について図１乃至図１６を参照して説明する。図１は感熱素子が絶縁性フィルムにより絶縁被覆されている温度センサの状態を示し、図２及び図３は感熱素子を示し、図４乃至図８は感熱素子を絶縁性フィルムにより絶縁被覆する状態を示している。図９は感熱素子とリード部材との接合状態を示す変形例であり、図１０及び図１１は感熱素子の別の実施形態を示している。また、図１２乃至図１４は温度センサを示し、図１５及び図１６は温度センサの製造方法を示している。
本実施形態の温度センサは、図１に示すように感熱素子１０、リード部材２０及び絶縁性フィルム３０を備えている。

図２及び図３を併せて参照して示すように、感熱素子１０は、表面実装型のものであり、絶縁性基板１１と、電極部として一対の電極層１２ａ、１２ｂと、感熱膜１３と、保護膜１４とを有している。

感熱素子１０は、感熱抵抗素子であり、具体的には薄膜サーミスタである。感熱素子１０は、略直方体形状に形成されており、横の寸法が１．０ｍｍ、縦の寸法が０．５ｍｍであり、総厚寸法が１００μｍである。形状及び寸法は、特段制限されるものではなく、用途に応じて適宜選定することができるが薄型小型化されている。

絶縁性基板１１は、略長方形状をなしていて、絶縁性のジルコニア、窒化ケイ素、アルミナ又はこれらの少なくとも１種の混合物等のセラミック材料を用いて形成されている。この絶縁性基板１１は厚み寸法が１００μｍ以下、好ましくは、５０μｍ以下に薄型化されて形成されている。また、絶縁性基板１１の曲げ強度は６９０ＭＰａ以上であり、セラミック材料の焼成後の平均粒径は０．１μｍ〜２μｍとなっている。このように平均粒径の範囲を設定することにより、６９０ＭＰａ以上の曲げ強度を確保することができ、薄型化された絶縁性基板１１の作製時における割れを抑制することが可能となる。また、絶縁性基板１１の厚み寸法が薄いため熱容量を少なくすることができる。

一対の電極層１２ａ、１２ｂは、絶縁性基板１１上に形成されており、感熱膜１３が電気的に接続される部分であり、所定の間隔を有して対向するように配置されている。詳しくは、一対の電極層１２ａ、１２ｂは、金属薄膜をスパッタリング法等の薄膜形成技術によって厚み寸法１μｍ以下に成膜して形成されるものであり、その金属材料には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属やこれらの合金、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金等が適用される。

なお、一対の電極層１２ａ、１２ｂは、後述するリード部材が溶接により接合される部分であり、低融点金属として金（Ａｕ：融点１０６４℃）、銀（Ａｇ：融点９６１℃）、銅（Ｃｕ：融点１０８５℃）又はこれらの少なくとも１種を主成分として含む合金を用いるのが好ましい。また、電極層１２ａ、１２ｂは、本実施形態においては、感熱膜１３の膜下に形成しているが、感熱膜１３の膜上又は膜中に形成してもよい。

感熱膜１３は、感熱薄膜であり、負の温度係数を有する酸化物半導体からなるサーミスタの薄膜である。感熱膜１３は、前記電極層１２ａ及び１２ｂの上に、スパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜して電極層１２ａ及び１２ｂを跨ぐように形成され、電極層１２ａ及び１２ｂと電気的に接続されている。

感熱膜１３は、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属元素の中から選ばれる２種又はそれ以上の元素から構成され、スピネル型結晶構造を有する複合金属酸化物を主成分として含むサーミスタ材料で構成される。また、特性向上等のために副成分が含有されていてもよい。主成分、副成分の組成及び含有量は、所望の特性に応じて適宜決定することができる。

保護膜１４は、感熱膜１３が形成された領域を覆うとともに、前記電極層１２ａ、１２ｂの少なくとも一部が露出するように露出部１２１ａ、１２１ｂを形成して電極層１２ａ、１２ｂを覆っている。保護膜１４は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等をスパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜して形成したり、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス及びホウケイ酸鉛ガラス等を印刷法によって形成したりすることができる。

以上のような感熱素子１０には、一対のリード部材２０ａ、２０ｂが溶接により接合されて電気的に接続されている。リード部材２０ａ、２０ｂは、化学エッチングやプレス等の手段で形成された弾性を有する弾性体であって、板状の薄い細幅の金属板であり、リードフレームである。また、リード部材２０の厚さ寸法は１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ程度である。

詳しくは、リード部材２０ａ、２０ｂは、接合部２１ａ、２１ｂと、この接合部２１ａ、２１ｂから一体的に延出されるリード部２２ａ、２２ｂとを有して形成されている。接合部２１ａ、２１ｂは、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂに溶接により接合される部分であり、電極層１２ａ及び電極層１２ｂが並んで配置される方向と直交する方向に配置されている。リード部２２ａ、２２ｂは、接合部２１ａ、２１ｂから外側へ折曲し、接合部２１ａ、２１ｂと平行する方向に延出している。感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂに接合される接合部２１ａ、２１ｂの幅寸法は、リード部２２ａ、２２ｂの幅寸法より細幅に形成されている。この接合部２１ａ、２１ｂの先端部に感熱素子１０が接合されて架橋状に接続されるようになっている。

リード部材２０ａ、２０ｂは、低融点金属、すなわち、融点が１３００℃以下の金属から形成されていて、例えば、リン青銅、コンスタンタン、マンガニン等の銅を主成分に含む銅合金が用いられている。

感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂとを例えば、レーザー溶接によって接合する場合、リード部材２０ａ、２０ｂの融点は１３００℃以下であるからレーザー光等で加熱し溶融しても融点の１３００℃以上の温度にならない。したがってセラミック基板の融点１６００℃〜２１００℃を超えることがないため、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂや電極層１２ａ、１２ｂ直下の絶縁性基板１１の損傷を抑制してリード部材２０ａ、２０ｂを接合することができる。また、この場合、バンプ等の付加材料を用いないので、接続（接合）箇所に付加材料が実質的に付加された状態で接合されることなく、厚さ寸法が大きくなることがなく、また、熱容量も増加することなく、熱応答性を高速にすることが可能となる。

従来、上記のようなリード部材には、ステンレス、コバール、ニッケル合金等の鉄系の金属が用いられている。この鉄系の金属は、融点が高く、例えば、ステンレス、コバールはいずれも鉄系の合金であることから鉄の融点１５３８℃程度まで温度上昇してしまうことがある。このような高融点金属のリード部材にレーザ溶接用のレーザ光を照射すると、リード部材及びその周囲が高温に熱せられて、絶縁性基板（例えば、アルミナ基板）が損傷を受けやすくなるという問題が発生する。また、はんだでの接合では、温度サイクルを考慮した耐熱温度が１５０℃以下となり、２００℃以上の耐熱性の確保ができない問題がある。

上記本実施形態の構成によれば、２００℃以上の耐熱性を確保することができ、このような問題を解決することができる。なお、リード部材は、断面が円形状の丸線の線材又は平角線で形成してもよく、この場合は、外径寸法又は厚み寸法が１００μｍ以下に形成される。好ましくは、５０μｍ以下に薄型化されて形成されている。このような線材の場合、引張強度の強い銅銀合金線などを用いるのがよい。

図１に示すように、感熱素子１０にリード部材２０ａ、２０ｂが接続された状態において、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって、少なくとも感熱素子１０及びリード部材２０の接合部２１ａ、２１ｂが両面側から挟んだ状態で封止され被覆されている。

図４及び図５を参照して、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって感熱素子１０及びリード部材の接合部２０を封止して絶縁被覆する状態について説明する。図４は絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって被覆する前の状態を示し、図５は被覆した後の状態を示している。

図４に示すように絶縁性フィルム３０は、基材が熱硬化性のポリイミド樹脂材料から形成されていて、略長方形状の半透明のフィルムであり、厚さ寸法は１００μｍ以下であり、具体的には、１２．５μｍのものを用いている。また、絶縁性フィルム３０は、電気的絶縁性、高い剛性、耐熱性や耐油性を有している。

具体的には、絶縁性フィルム３０は、熱硬化性の基材層３１と、この熱硬化性の基材層３１の両表面に形成された熱可塑性の熱融着層３２とで構成された３層構造となっている。基材層３１は熱的に安定したポリイミド樹脂からなっており、熱反応後の安定した状態の層である。一方、熱可塑性の熱融着層３２は同様にポリイミド樹脂であるが、熱可塑性の状態の層である。つまり、基材層３１は熱的に安定状態の層であり、熱融着層３２は熱的な反応性のある熱可塑の層である。また、熱融着層３２の厚みは約２μｍであり極めて薄い層である。このように基材層３１の両表面には熱融着層３２を有する構成となっている。

これらの構成材料を用いて、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂを熱プレスによってラミネート加工が可能となっている。このような絶縁性フィルム３０ａ及び３０ｂの間に、リード部材２０ａ、２０ｂが接続された感熱素子１０を挟むように配置して熱プレスする。なお、図示上、感熱素子１０の感熱膜１３側を下側にして示している。

この方法で確実に封止して絶縁を確保するには、リード部材２０ａ、２０ｂに溶接にて接合された感熱素子１０としての薄膜サーミスタが極めて薄い状態でないと、約２μｍと極めて薄い熱融着層３２の材料で熱プレスで封止する場合大きな気泡等か発生し絶縁性能の確保が難しくなる。

図５に示すように熱プレスによって、絶縁性フィルム３０ａ及び３０ｂの内側の各熱融着層３２が軟化溶融し熱融着する。したがって、感熱素子１０及びリード部材の接合部２０は、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって熱融着された状態で両面から挟まれて封止されて密着して絶縁被覆される。この感熱素子１０が絶縁被覆された状態での総厚寸法は、２５０μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下にすることができる。このような両面に熱可塑性の熱融着層３２を構成にすることで被検知体に容易に貼り付けることも可能となる。

なお、熱融着層３２は、少なくとも一表面（内側の面）に形成されていればよい。また、絶縁性フィルムを構成する材料は、熱可塑性の材料としてはポリイミド樹脂には限定されない。より絶縁性能を向上させる方法として、ポリイミド樹脂と比較して柔らかい材料であってもよい。この場合、例えば、ポリアミド樹脂を用いることで形状追従性が改善し、ポリイミド樹脂と比較して気泡等がより小さくなる利点がある。

なお、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂは、部材の共通化を可能とするため同じ形状や寸法関係であることが好ましい。しかし、必ずしも同じ形状や寸法関係である必要はなく、形状等が相違していてもよい。また、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂを生体適合性を有する材料で構成することにより、上記のような感熱素子を医療機器の分野に好適に用いることができる。ポリイミド樹脂は生体適合性の確認された材料である。

以上のように絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂは、熱プレスする場合、基材層３１は軟化溶融しないので、熱可塑性の熱融着層３２のみを軟化溶融の反応をさせて熱融着することができる。このため感熱素子１０を確実に封止して絶縁被覆することができる。

次に、図６に示すように熱硬化性フイルム３５を用いた場合の変形例（実施例１）について説明する。絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂの間に熱硬化層として熱硬化性フイルム３５を介在させたものである。熱硬化性フイルム３５の厚み寸法は４０μｍ以下が好ましい。

本実施例の場合、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂは、熱硬化性の基材層３１の一層から形成されている。基材層３１は熱反応後の安定した状態の層である。また、熱硬化性フイルム３５は、熱プレスによって軟化溶融し、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂ及び感熱素子１０を一体化して、感熱素子１０を封止して絶縁被覆するようになっている。なお、熱硬化性フイルム３５は熱的に安定している絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂのいずれか一方に層を形成して接合された材料としてもよい。

従来の方法では、厚み寸法が約４０μｍの熱硬化性又は熱可塑性フイルムを２枚用いて、リード部材にはんだ等で接合された感熱素子を上下で挟む構成にしていた。この場合、はんだの接合材料（付加材料）の影響で薄くすることが困難なため、厚み寸法が約４０μｍもの熱硬化性又は熱可塑性フイルムを２枚を用いないと気泡の少ない良好な封止ができなかった。
本実施例によれば、薄型化して感熱素子１０を確実に封止して絶縁被覆することができる。

熱硬化性フイルム３５は、赤外線放射率の高い熱硬化性フィルム３５を介在させてもよい。熱硬化性フィルム３５はフィラーを含有したエポキシ樹脂であり赤外線領域の放射率を９０％以上とすることができる。このようなことから熱硬化性フィルム３５を介在させることにより、感熱素子１０の受光エネルギーが大きくなり赤外線に対する感度の向上を図ることができる。

次に、図７及び図８を参照して金属箔３６を用いた場合の変形例（実施例２）について説明する。少なくとも一方の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂの外表面に例えば、アルミニウム材料から形成された金属箔３６を設けるものである。この金属箔３６は絶縁性フィルム３０ａの外側の熱融着層３２に熱プレスによって熱融着される。なお、金属箔３６は、両方の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂの外表面に設けるようにしてもよい。

本実施例によれば、金属箔３６によって、赤外線は反射されるので外乱の赤外光の影響を軽減して正確な温度の検知が可能となる。さらに、両面に金属箔３６を設けることにより赤外光の影響を軽減して空気温の測定に適した温度センサを構成することが可能となる。

続いて、図９を参照して、感熱素子１０とリード部材２０との接合における変形例について説明する。リード部材２０ａ、２０ｂの接合部２１ａ、２１ｂの先端部は、他の部分に比較して厚さ寸法を薄くした凹部２３ａ、２３ｂがハーフエッチング等の手段によって形成されている。この凹部２３ａ、２３ｂに感熱素子１０が配置され、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂの接合部２１ａ、２１ｂとが溶接によって電気的に接続される。

さらに、感熱素子の別の実施形態について図１０（実施形態１）及び図１１（実施形態２）を参照して説明する。格別言及しない場合には、既述の感熱素子１０の構成と同じである。
（実施形態１）

図１０に示すように本実施形態では、電極層１２ａ、１２ｂの露出部と接続され、絶縁性基板１１上に形成された一対の外電極部１２ｃ、１２ｄを備えている。この外電極部１２ｃ、１２ｄは、リード部材２０ａ、２０ｂの接合部２１ａ、２１ｂが溶接により接合される部分であり、低融点金属として金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）又はこれらの少なくとも１種を主成分として含む合金が用いられている。
（実施形態２）

本実施形態の感熱素子１０は、電極部１２ｃ、１２ｄを多層膜で形成し、絶縁性基板１１の損傷を抑制してリード部材２０ａ、２０ｂの接合部２１ａ、２１ｂを溶接によって接合することができるものである。

図１１に示すように感熱素子１０は、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上に形成された一対の電極層１２ａ、１２ｂと、一対の電極層１２ａ、１２ｂの各々に対して電気的に接続された電極部１２ｃ、１２ｄと、絶縁性基板１１上に形成された感熱膜１３と、感熱膜１３上に形成された保護膜１４とを備えている。電極部１２ｃ、１２ｄは、絶縁性基板１１上で感熱膜１３を挟んで対向するように一対設けられる。一対の電極部１２ｃ、１２ｄの各々は、絶縁性基板１１上に形成された電極層１２ａ、１２ｂを介して感熱膜１３に対して電気的に接続されている。

電極部１２ｃ、１２ｄは、多層膜であり、機能的に３つの層を有している。すなわち、電極部１２ｃ、１２ｄは、絶縁性基板１１上に形成され、高融点金属を主成分とし、接着性のある活性層１５と、活性層１５上にそれと一体の層又は独立の層として形成された高融点金属を主成分とするバリア層１６と、バリア層１６上に形成された低融点金属を主成分とする接合層１７と、を含んでいる。ここでいう高融点とは、低融点金属の融点よりも高いことを意味する。

活性層１５は、絶縁性基板１１の表面に被着して形成され、セラミック等の材料の絶縁性基板１１と電極部１２ｃ、１２ｄとの間の接着強度を高め、リード部材２０ａ、２０ｂｂが電極部１２ｃ、１２ｄに接合された際に優れた引張強度を実現できる機能を有している。加えて、活性層１５は、その融点が高いという条件を満たし、具体的には１３００℃以上、好ましくは１４００℃以上の融点を有している。この様な材料は電極部１２ｃ、１２ｄに対してリード部材２０ａ、２０ｂを接合する溶接工程時に溶融しない特徴をあわせ持つことができる。活性層１５の上記機能及び上記条件を満たす材料は、チタン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、タンタルのいずれか、又はそれらの合金若しくは酸化物である。例えば、チタンは、その融点が１６８８℃であるから、その純金属を用いることができる。他方、例えば、マンガンはその融点が１２４６℃であるから、特殊な形態では酸化物である酸化マンガン（融点１９４５℃）の形態で用いることができる。

特に従来は、十分な引張強度を確保するためにリード部材２０ａ、２０ｂとの接合箇所に数１０μｍの厚さを有する銀ペーストや金バンプ等の熱ダメージを軽減する付加材料を配置し、さらにガラス保護層を設ける必要があった。一方、本実施形態では、電極部１２ｃ、１２ｄに活性層１５を設けることで、バンプ、銀ペースト及びガラス保護層のいずれも設けることなく、薄い構成で十分な引張強度を実現できるようになっている。

活性層１５の厚さは、特に制限はないが、接着機能を保持できる範囲で可及的に小さな膜厚にすることが可能であり、例えば、金属のチタンの場合は０．０１μｍまで薄くすることができる。チタンのような活性金属は、活性が極めて高いために極薄の薄膜でも接着性のある機能膜として機能することができる。

高融点金属を主成分とするバリア層１６は、電極部１２ｃ、１２ｄへのリード部材２０ａ、２０ｂの接合工程の際に融点に到達しないように工程を管理することで、工程中に溶融することなくバリア層として機能する。この機能を果たすうえで、高融点金属のバリア層１６は、その融点が少なくとも１３００℃以上、好ましくは１４００℃以上である条件を満たしている。この条件に適う好適な材料は、白金、バナジウム、ハフニウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタルのいずれか、又はそれらの合金である。因みに、白金の融点は１７６８℃、モリブデンの融点は２６２２℃である。

高融点金属のバリア層１６は、一般的には、活性層１５の上に重なる独立した層として形成される。例えば、チタンからなる活性層１５の上に、白金からなる高融点金属のバリア層１６が形成される。もっとも、高融点金属のバリア層１６は、活性層１５と同一材質又は一体の層として形成されてもよい。

例えばモリブデンからなる活性層１５の上に、同じくモリブデンからなる高融点金属のバリア層１６が一体又は別々に成膜される構成も可能である。この場合、活性層１５と高融点金属のバリア層１６とは、同一のプロセスで形成される。

高融点金属のバリア層１６の厚さ寸法も、特に制限はないが、この実施形態では、０．１〜０．４μｍとしている。これは、膜厚が０．１μｍよりも薄くなってしまうと、合金化によって融点が下がり、溶接工程時に溶融してしまう可能性があるためである。例えば、白金を材質とする場合は高価な材料であるため、極力薄くすることが望ましく、最適な厚み寸法は例えば、０．１５μｍとすることができる。

接合層１７は、高融点金属のバリア層１６の上に重なる独立の層として成膜されている。接合層１７は、接合電極部１６に対するリード部材２０ａ、２０ｂの溶接工程において、溶融することによりリード部材２０ａ、２０ｂとの接合構造を形成する。このとき、高融点金属はバリア層１６の合金化部分以外は全く溶融しない。溶接工程では、リード部材２０ａ、２０ｂを介して外部から熱又はエネルギー、例えばレーザ溶接、スポット溶接、パルスヒート等のエネルギーが供給されると、接合層１７が速やかに溶融する。このように接合層１７は、リード部材２０ａ、２０ｂと溶融接合により溶接する機能を有している。この機能を奏するうえで、低融点金属の接合層１７は、その融点が１３００℃より低いことを条件としている。この条件を満たす好適な低融点金属の材料は、金（融点１０６４℃）、銀（融点９６１℃）及び銅（融点１０８５℃）の少なくとも一つを主成分として含む純金属又は合金である。

接合層１７の厚さも、特に制限はないが、この実施形態では、可能な限り膜厚を薄くすることが可能であり、例えば、金を材質とする場合は０．１〜０．４μｍまで薄くすることができる。

以上の３つの層のそれぞれの膜厚が活性層１５が０．０１μｍ、バリア層０．１５μｍ及び接合層０．２μｍとすると電極部１２ｃ、１２ｄの総厚みは０．３６μｍと極めて薄くすることができる。このように容易に１μｍ以下の膜厚で構成できる

続いて上記構成を有する感熱素子１０の電極部１２ｃ、１２ｄ（接合層１７）に対して、リード部材２０ａ、２０ｂが溶接により接合される形態について説明する。

電極部１２ｃ、１２ｄの接合層１７には、接合加工を受けることによりリード部材２０ａ、２０ｂが接合される。ここで電極部１２ｃ、１２ｄに対してリード部材２０ａ、２０ｂが受ける接合加工には各種溶接が広く採用可能である。このような溶接には、例えば、接触接合である抵抗溶接、超音波溶接、摩擦溶接等や、非接触接合であるレーザ溶接、電子ビーム溶接等が広く含まれる。

リード部材２０ａ、２０ｂは、電極部１２ｃ、１２ｄに対して、接合層１７を介して溶接される。リード部材２０ａ、２０ｂは、リード部材２０ａ、２０ｂの溶接工程において、高融点金属のバリア層１６を全く又は殆ど溶かさずに、外から供給される熱又はエネルギー（例えば、レーザ光のエネルギー）を吸収して接合層１７を加熱して、接合層１７と共に溶融し、又は接合層１７のみを溶融して溶接する機能を有している。この条件を満たすうえで好適な材料は、低融点金属の金、銀及び銅を主成分として有する金属又は合金であり、特に適した合金はリン青銅、ベリリウム銅、黄銅、白銅、洋白、コンスタンタン、銅銀合金、銅鉄合金、銅金合金である。因みに、リン青銅は、融点が１０００℃であり、コンスタンタンは、融点が１２２５℃〜１３００℃である。

次に、リード部材２０ａ、２０ｂが接続され、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって被覆された感熱素子１０が取り付けられた温度センサ４０について図１２乃至図１４を参照して説明する。図１２は温度センサの平面図であり、図１３は温度センサの側面図であり、図１４は温度センサの裏面図である。温度センサは、非接触形の温度センサであり、近接非接触温度センサである。例えば、複写機やプリンタ等の定着装置に使用される加熱ローラの表面温度を検知し、加熱ローラの温度制御を行うために用いられる。

温度センサ４０は、保持体としてのホルダ４１と、一対の導電性部材である細幅金属板４２ａ、４２ｂと、感熱素子１０とを備えている。なお、上述のリード部材２０ａ、２０ｂ及び絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂは、ホルダ４１の寸法に合うように適宜切断されて寸法が調整されている。

ホルダ４１は、絶縁性の樹脂材料によって横長の略直方体形状に形成されていて、その略中央部に長方形状の開口部４１ａを有して枠状に形成されている。また、ホルダ４１の長手方向の一端側には、引掛け孔部４１ｂが形成されており、他端側にはねじ孔４１ｃが形成されている。この引掛け孔部４１ｂ及びねじ孔４１ｃは、例えば、温度センサ４０を定着装置に取付ける場合に用いられる。さらに、他端側には、一対の溝部４１ｄ、４１ｅが形成されており、この溝部４１ｄ、４１ｅには、一対の外部引出線４３ａ、４３ｂが配設されるようになっている。外部引出線４３ａ、４３ｂは、具体的には、絶縁被覆されたリード線である。

ホルダ４１には、一対の細幅金属板４２ａ、４２ｂが固定されて保持されている。細幅金属板４２ａ、４２ｂは、化学エッチングやプレス等の手段で形成された弾性を有する弾性体であって、低融点金属から形成されていて、例えば、リン青銅、コンスタンタン、マンガニン等の銅を主成分に含む銅合金が用いられている。細幅金属板４２ａ、４２ｂは、ホルダ４１にインサート成形等の手段によって保持されている。

詳しくは、細幅金属板４２ａ、４２ｂは、ホルダ４１の両側壁４１ｆ、４１ｇに長手方向に沿うように配設された固定部４２１ａ、４２１ｂと、この固定部４２１ａ、４２１ｂの一端側から開口部４１ａへそれぞれ互いに対向するように延出した環状部４２２ａ、４２２ｂとを有している。この環状部４２２ａ、４２２ｂにリード部材２０ａ、２０ｂのリード部２２ａ、２２ｂが溶接等によって接合されている。これによって絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂで被覆された感熱素子１０は、開口部４１ａ内に位置されるようになる。したがって、枠状のホルダ４１が形成する開口部４１ａである空間部に感熱素子１０は位置される。なお、固定部４２１ａ、４２１ｂの他端側は、ホルダ４１に埋設され、外部引出線４３ａ、４３ｂに接続されている。この外部引出線４３ａ、４３ｂは、図示しないコネクタ等を介して定着装置等の装置側に接続されるようになっている。

次に、図１５及び図１６を参照して温度センサの製造方法の一例について説明する。リード部材２０に感熱素子１０を溶接により接合し、その後、感熱素子１０及びリード部材２０の接合部２１ａ、２１ｂを一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって両面側から挟んで、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂを熱融着し、感熱素子１０を絶縁被覆して温度センサ４０を作製する。

図１５に示すように、リード部材の素材としてリードフレーム素材２と、感熱素子１０と、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂとを用意する。リードフレーム素材２は、銅を主成分に含む銅合金を化学エッチング等により成形したものであり、このリードフレーム素材２から複数のリード部材２０を作製できる。リードフレーム素材２は、リード部材２０が横方向に並べられて両側の連結部材としての帯状部２ａ、２ｂにより連結されている状態である。

まず、図１６（ａ）に示すように、感熱素子１０を図示しない冶具に設置し、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂの位置にリード部材２０の接合部２１ａ、２１ｂを配置する（配置工程）。次いで、電極層１２ａ、１２ｂと接合部２１ａ、２１ｂとをレーザ溶接等により溶接して接合する（溶接工程）。続いて、リードフレーム素材２の両側の連結部材としての帯状部２ａ、２ｂを切断し除去する（切断工程）。これにより、図１６（ｂ）に示すように、感熱素子１０にリード部材２０が電気的に接続された部材が作製される。その後、図１６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂの間に前記部材を挟むようにしてヒータープレートの金型Ｍに配置し熱プレスする（熱プレス工程）。この熱プレスにより絶縁性フィルム３０ａ及び３０ｂの内側の各熱融着層３２が軟化溶融し熱融着する。

以上のような工程で、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂが熱融着して、感熱素子１０及びリード部材２０の接合部２１ａ、２１ｂを絶縁被覆することができる。
［第２の実施形態］

次に、第２の実施形態について図１７乃至図２０を参照して説明する。図１７は温度センサの斜視図を示し、図１８は温度センサの断面図を示している。また、図１９はリード部材と感熱素子とが接合されている状態を示し、図２０は感熱素子が絶縁性フィルムにより絶縁被覆されている状態を示している。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の温度センサは、赤外線温度センサであり、被検知体からの赤外線を非接触で検知して、被検知体の温度を測定する非接触形の温度センサである。第１の実施形態と同様に、感熱素子とリード部材とを溶接により接合し、感熱素子及びリード部材の接合部を一対の絶縁性フィルムで両面から挟んで被覆する形態である。

図１７及び図１８に示すように、赤外線温度センサ５０は、保持体としてのケース５２と、赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素子１０ｂと、リード部材２０と、絶縁性フィルム３０とを備えている。

ケース５２は、第１のケース５３と第２のケース５４とから構成されている。第１のケース５３は、図示上、上側へ突出する略直方体形状の本体部５３ａと、この本体部５３ａの周囲に形成された略長方形状のフランジ部５３ｂとを備えている。本体部５３ａには、赤外線を導く導光部５５及び赤外線を遮蔽する遮蔽部５６が形成されている。

導光部５５は、前面側に開口部５３ｂを有して側壁５３ｃ及び区画壁５３ｄによって略直方体形状の筒状に形成されている。区画壁５３ｄは、導光部５５と遮蔽部５６との境界部に位置して導光部５５と遮蔽部５６とを仕切る役目をなしている。

遮蔽部５６は、導光部５５隣接して配置されており、区画壁５３ｄを軸として導光部５５と略対称の形態に形成されている。遮蔽部５６は、遮蔽壁５６ａを図示上、上側に有して側壁５３ｃ及び区画壁５３ｄによって略直方体形状の空間部５６ｂが形成されている。また、遮蔽壁５６ａと対向する背面側は開口されている。

第２のケース５４は、図示上、下側へ突出する略直方体形状の本体部５４ａと、この本体部５４ａの周囲に形成された略長方形状のフランジ部５４ｂとを備えている。本体部５４ａは、第１のケース５３における本体部５３ａの背面側の形状と略合致する形態に形成されていて、内側には前記導光部５５と遮蔽部５６に対応して連続するような空間部５４ｃが形成されるようになっている。

図１９に示すようにリード部材２０は、赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素子１０ｂを接続するための配線経路を構成するように形成されていて、リード部材２０の終端には外部引出端子２０ｃが形成されている。この外部引出端子２０ｃには外部引出線が接続される。

第１の実施形態と同様に、リード部材２０は、化学エッチングやプレス等の手段で形成された弾性を有する弾性体であって、板状の薄い細幅の金属板であり、リードフレームである。このリード部材２０には、赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素子１０ｂが溶接により接合されて電気的に接続される。

赤外線検知用感熱素子１０ａは、被検知体からの赤外線を検知して、被検知体の温度を測定する。温度補償用感熱素子１０ｂは、周囲温度を検知して、周囲温度を測定する。これら赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素１０ｂは、少なくとも略等しい温度特性を有する感熱素子で構成されている。

図２０に示すように、赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素子１０ｂが溶接により接合されたリード部材２０は、一対の絶縁性フィルム３０ａ、３０ｂによって、少なくとも赤外線検知用感熱素子１０ａ、温度補償用感熱素子１０ｂ及びリード部材の接合部２０が両面側から挟んだ状態で被覆される。

この赤外線検知用感熱素子１０ａ、温度補償用感熱素子１０ｂ及びリード部材の接合部２１ａ、２１ｂを挟んで被覆した絶縁性フィルム３０は、第１のケース５３と第２のケース５４とが組合わされ結合されることによって、第１のケース５３のフランジ部５３ｂと第２のケース５４のフランジ部５４ｂとの間に介在され固定されるようになっている。また、この場合、赤外線検知用感熱素子１０ａは、導光部５５に対応する位置に配設され、温度補償用感熱素子１０ｂは、遮蔽部５６に対応する位置に配設されるようになる。したがって、赤外線検知用感熱素子１０ａ及び温度補償用感熱素子１０ｂは、ケース５２が形成する空間部に位置される。

このような赤外線温度センサ５０において、被検知体の表面から放射された赤外線は、導光部５５における開口部５３ｂから入射し、導光部５５に導かれて導光部５５を通過し絶縁性フィルム３０に到達する。この絶縁性フィルム３０に到達した赤外線は、絶縁性フィルム３０に吸収されて熱エネルギーに変換される。

変換された熱エネルギーは、赤外線検知用感熱素子１０ａに伝達され、赤外線検知用感熱素子１０ａの温度を上昇させる。赤外線検知用感熱素子１０ａと温度補償用感熱素子１０ｂとは、ほぼ等しい温度特性を有しているので、被検知体からの赤外線によって赤外線検知用感熱素子１０ａの抵抗値が変化する。このため、赤外線検知用感熱素子１０ａと温度補償用感熱素子１０ｂとは、周囲の温度変化に対して同じように変化し、熱的外乱に対する影響を防ぐことができ、被検知体からの赤外線による温度変化を確実に検出することが可能となる。
なお、第１の実施形態で説明した変形例や感熱素子の別の実施形態等は、この第２の実施形態においても適用できるのは勿論のことである。

以上説明してきた各実施形態における近接非接触温度センサ４０及び赤外線温度センサ５０は、複写機やプリンタ等のの定着装置、移動体通信端末やパソコン等の情報通信機器、映像機器、民生用機器及び自動車用電装機器等の電子機器の温度検知のため各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

本発明の実施形態によれば、薄型化するとともに絶縁性を確保して信頼性を向上することができる温度センサ４０、５０、これら温度センサ４０、５０を備えた装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０・・・・・・・・・・感熱素子
１０ａ・・・・・・・・・赤外線検知用感熱素子
１０ｂ・・・・・・・・・温度補償用感熱素子
１１・・・・・・・・・・絶縁性基板
１２ａ、１２ｂ・・・・・電極部（電極層）
１２ｃ、１２ｄ・・・・・外電極部、電極部
１３・・・・・・・・・・感熱膜
１４・・・・・・・・・・保護膜
１５・・・・・・・・・・活性層
１６・・・・・・・・・・バリア層
１７・・・・・・・・・・接合層
２０（２０ａ、２０ｂ）・・・リード部材
３０（３０ａ、３０ｂ）・・・絶縁性フィルム
２１ａ、２１ｂ・・・・・接合部
２２ａ、２２ｂ・・・・・リード部
３１・・・・・・・・・・基材層
３２・・・・・・・・・・熱融着層
４０・・・・・・・・・・温度センサ（近接非接触温度センサ）
５０・・・・・・・・・・温度センサ（赤外線温度センサ）
４１・・・・・・・・・・ホルダ
４１ａ・・・・・・・・・開口部
５２・・・・・・・・・・ケース
５５・・・・・・・・・・導光部
５６・・・・・・・・・・遮蔽部

Claims (16)

1. 絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された感熱膜と、前記絶縁性基板上に形成され前記感熱膜と電気的に接続された電極層と、を有する感熱素子と、
   前記電極層と溶接による接合で電気的に接続される接合部と、前記接合部から一体的に延出されるリード部と、を有するリード部材と、
   少なくとも前記感熱素子及びリード部材の接合部を両面から挟んで封止する一対の絶縁性フィルムと、
   を具備することを特徴とする温度センサ。
2. 前記感熱素子及びリード部材の接合部を一対の絶縁性フィルムで両面から挟んで封止した状態での総厚寸法は、２３０μｍ以下あることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記絶縁性基板の厚み寸法は１００μｍ以下であり、曲げ強度は６９０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記感熱素子における電極層の厚み寸法は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の温度センサ。
5. 前記リード部材の厚さ寸法又は外径寸法は１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度センサ。
6. 前記絶縁性フィルムの少なくとも一表面に熱融着層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項にに記載の温度センサ。
7. 前記一対の絶縁性フィルムの間には、熱硬化層が介在していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度センサ。
8. 前記熱硬化層は、赤外線放射率の高いフィルムであることを特徴とする請求項７に記載の温度センサ。
9. 前記一対の絶縁性フィルムの少なくとも一方の外表面には、金属箔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の温度センサ
10. 前記感熱素子は、薄膜サーミスタであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の温度センサ
11. 前記感熱素子における電極層は、高融点金属を主成分とする活性層と、この活性層上に形成された高融点金属を主成分とするバリア層と、このバリア層上に形成された低融点金属を主成分とする接合層とから構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の温度センサ。
12. 前記リード部材の熱伝導率は、２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の温度センサ。
13. 前記リード部材は、融点が１３００℃以下の金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の温度センサ。
14. 前記絶縁性基板は、セラミック材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の温度センサ。
15. 前記絶縁性フィルムは、生体適合性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の温度センサ。
16. 請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載された温度センサが備えられていることを特徴とする温度センサを備えた装置。

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