WO2010044438A1

WO2010044438A1 - 熱センサ、非接触温度計装置、及び非接触温度測定方法

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Publication number: WO2010044438A1
Application number: PCT/JP2009/067833
Authority: WO
Inventors: 縄井伸一郎; 三浦忠将
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2010-04-22
Also published as: JPWO2010044438A1; US8192076B2; US20110164655A1; JP5321595B2

Abstract

　検出感度及び応答性が高く、製造が容易で、表面実装可能な小型の熱センサ及び非接触温度測定方法を提供する。　熱センサ（１０４）は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体（１０）、熱検知部電極（１，２）、温度補償部電極（６，７）、外部電極（３，４，８）、及び空洞部（５）を備えている。セラミック素体（１０）の表層部である熱検知部は例えば輻射伝熱により発熱し、熱検知部電極（１，２）間のサーミスタセラミック層の抵抗値が低下する。セラミック素体（１０）の熱検知部の熱は空洞部（５）で断熱され、拡散が阻止されるので、熱検知部の熱容量は小さく、高感度化、高速応答性が得られる。

Description

熱センサ、非接触温度計装置、及び非接触温度測定方法

　この発明は、非接触型で温度を検知するセンサや人体を検知するセンサ等に利用される、サーミスタボロメータ型の熱センサ、非接触温度計装置、及び非接触温度測定方法に関するものである。

　一般に、赤外線センサには、半導体の光電効果を用いた量子型センサと、輻射熱を吸収して温度が上昇することを利用した熱型センサの２種類に分類される。前者は、測定精度が高く、応答性が良い反面、波長域が狭いことや常温で使用できないなどの欠点がある。後者は、感度、応答性ともに量子型センサより劣るが、構造が簡単で、広い範囲の波長を感知でき、常温でも使用可能である。

　代表的な熱型センサには、サーモパイルを用いた熱電堆タイプ、圧電体の焦電効果を用いた焦電タイプ、抵抗変化を利用したボロメータがある。
　ボロメータ型の赤外線センサには、高感度・高速応答性・小型・低コストであることが求められる。

　従来のサーミスタボロメータ型の赤外線センサには特許文献１，２が開示されている。
　特許文献１は、キャップを封止するステム上に絶縁体を介して温度補償用サーミスタチップと赤外線検知用サーミスタチップとを備えたものである。
　図１は特許文献１の赤外線センサの構成を示す図である。この赤外線センサは、ステム１１、キャップ１２、赤外線入射窓１３、絶縁基板１４、サーミスタチップ１５，１６、熱的・電気的絶縁体１７、ピン１８、電極１９、リード線２０を備えている。

　また、特許文献１に類似の構造として特許文献２には、平面状の絶縁性セラミック基板の両面に、下地電極膜、サーミスタ膜、及び温度補償部電極膜が形成された赤外線センサが示されている。

実全昭６０－１１０４２号公報特開平１０－９００７３号公報

　特許文献１の構成では、温度補償用サーミスタチップ１６上に熱的・電気的絶縁体１７を介して赤外線検知用サーミスタチップ１５を取り付けているので、赤外線検知用サーミスタチップ１５のステム１１に対する熱抵抗が高く、赤外線検知用サーミスタチップ１５と温度補償用サーミスタチップ１６との温度差を大きくすることができ、検出感度を高められるとしている。しかし、検知部は０．５ｍｍ×１．０ｍｍ×０．２ｍｍという所定の厚みを有する赤外線検知用サーミスタチップ１５であるため、熱容量が大きい。また、赤外線検知用サーミスタチップ１５と温度補償用サーミスタチップ１９との間に熱的・電気的絶縁体１７とを設けており、熱的分離が十分になされず、十分な感度を得にくい。ここで、熱的・電気的絶縁体１７の断熱性が有効に作用するのは、赤外線検知用サーミスタチップ１５自体の熱容量が小さい場合である。そのためには赤外線検知用サーミスタチップ１５を単体で非常に薄く形成することになる。そのような場合に、熱的・電気的絶縁体１７を空気とし、リード線２０ａ，２０ｂだけで支持するようなことは非現実的である。また、ピン端子１８付きの部品に成らざるを得ないので、小型で表面実装可能な赤外線センサとして構成できない。

　特許文献２の構成については、アルミナウエハの両面に下地電極を形成し、その上にゾル・ゲル法により薄膜サーミスタを形成している。この場合、赤外線吸収膜が薄膜で形成されているので、熱容量を小さくできるが、赤外線吸収膜をゾル・ゲル法等の薄膜形成法は工程が煩雑であり、量産に向かない。また、低コスト化及び小型化が難しい。

　そこで、この発明の目的は、検出感度及び応答性が高く、製造が容易で、表面実装可能な小型の熱センサ及び非接触温度測定方法を提供することにある。

　上記課題を解決するために、この発明の熱センサ、非接触温度計装置、及び非接触温度測定方法は次のように構成する。
（１）少なくとも第１の主面側に形成された熱検知部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、前記熱検知部に設けられた、前記熱検知部の抵抗値を検出するための熱検知部電極と、を備えた熱センサであって、
　前記セラミック素体の前記熱検知部より内部に断熱部が形成された構造とする。

　この構造により、熱検知部の熱容量を小さくでき、対流伝熱や輻射伝熱による温度上昇率が高まり、検出感度が向上する。
　また、一般的な積層セラミック部品と同様の方法により容易に製造でき低コスト化が図れる。また、セラミック素体に外部電極を形成することによって表面実装可能な熱センサが構成できる。

（２）前記断熱部は、前記セラミック素体に設けられた空洞で構成する。
　空気は全ての物質の中で最も熱伝導率が低いため、空洞を形成することにより断熱作用が最も大きくなる。

（３）前記セラミック素体のうち前記断熱部の周縁を構成している周縁部が多孔質の部材で構成されていてもよい。
　この構成により、前記断熱部の周囲に配置される多孔質の層によって断熱作用が高まり、熱検知部の実質的な熱容量がより小さくなる。

（４）前記断熱部の全体が多孔質の部材で構成されていてもよい。
　この構成により、空洞を形成する場合に比べて、サーミスタ素体の抗折強度が高くなる。

（５）前記セラミック素体は複数のサーミスタ層を備え、前記熱検知部電極は、前記サーミスタ層を介して部分的に重なり合っているものとする。
　このように異なる電位に接続される熱検知部電極が、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極間の抵抗値を低く設定できるため、高いＳＮ比特性を得られる。

（６）前記セラミック素体の第２の主面側であり、前記断熱部を挟んで前記熱検知部と対向する温度補償部はサーミスタ材料からなり、前記温度補償部に、前記温度補償部の抵抗値を検出するための温度補償部電極を設ける。

　これにより、温度補償ができ、広い温度範囲で安定した感度特性が得られる。しかも、温度補償素子を設けることによる大型化も殆どない。特に、熱検知部と温度補償部とが一体焼成により一体化されていることにより、熱検知部と温度補償部との間で生じるばらつき（例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき）を低減することができ、均一な温度特性を有するために好ましい。

（７）前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置されたものとする。
　この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。

（８）前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向（前記熱検知部と前記温度補償部間の方向）に非接続状態に配置されたものとする。

　この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。

（９）厚み方向に互いに対向する前記熱検知部電極同士の層間距離をＤｃで表し、前記熱検知部電極のうち、前記外部電極の先端と、前記外部電極とは異なる電位に接続された熱検知部のうち、最も表層側に形成されている熱検知部電極の先端と、の最短距離をＤｂで表すと、　Ｄｂ／Ｄｃ≧１の関係に定める。
　この構造により、抵抗値のばらつきを抑えることができる。

（１０）前記セラミック素体の厚みをＴで表し、熱検出部の厚みをＤで表すと、Ｄ／Ｔが１／３以下の関係とする。
　この構成により、出力向上効果が高くなる。

（１１）前記熱検知部は被測定対象物からの輻射伝熱を受けて、非接触温度計用の熱センサとして用いられるようにする。

（１２）前記熱検知部は人体からの輻射伝熱を受けて、人体検知用の熱センサとして用いられるようにする。

（１３）本発明の非接触温度計装置は、
　前記熱センサと、
　前記熱センサが実装基板に実装された状態で、前記熱検知部電極により検出される電気量と前記温度補償部電極により検出される電気量とによって、被測定対象物に対する前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量を検出する手段と、
　前記温度補償部電極により検出される電気量で、前記実装基板の温度に関する量を検出し、前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量と前記実装基板の温度に関する量とによって、被測定対象物の温度を演算する演算手段と、を備えている。

（１４）この発明の非接触温度測定方法は、
　前記熱検知部電極により検出される電気量と前記温度補償部電極により検出される電気量とによって、被測定対象物に対する前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量を検出し、前記温度補償部電極により検出される電気量で、実装基板の温度に関する量を検出し、前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量と実装基板の温度に関する量とによって被測定対象物の温度を検知する。

　これにより、非接触で、被測定対象物の温度変化を相対的検知するだけでなく絶対的な温度を測定できる。

　この発明によれば、検出感度及び応答性が高く、製造が容易で、表面実装可能な小型の熱センサが構成でき、非接触で温度測定が可能となる。

特許文献１の赤外線センサの構成を示す図である。第１の実施形態に係る熱センサ１０１の断面図である。熱センサ１０１を用いた熱センサ回路の一例である。第２の実施形態に係る熱センサ１０２の断面図である。第３の実施形態に係る熱センサ１０３の断面図である。第４の実施形態に係る熱センサ１０４の断面図である。熱センサ１０４と検知対象物との関係及び熱センサの実装状態を示す図である。図８（Ａ）は、熱センサへの熱源接近時及び離間時における、被測定対象物の温度、熱センサによる出力温度、及び実装基板の温度の変化を示す図である。図８（Ｂ）は、前記熱センサを用いた熱センサ回路による差分電圧の変化を示す図である。実装基板の温度Ｔｂと被測定対象物（熱源）の温度Ｔｈを変化させたときの差分電圧ΔＶの変化を示す図である。図９を基にして、実装基板の温度Ｔｂと被測定対象物の温度Ｔｈとの差ΔＴを横軸にとり、差分電圧ΔＶを縦軸にとった図である。第６の実施形態に係る非接触温度計装置の構成を示す図である。図１２（Ａ），図１２（Ｂ）は第７の実施形態に係る熱センサ１０５，１０６の断面図である。第８の実施形態に係る熱センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図１３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。図１４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。第９の実施形態に係る熱センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図１６に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。図１７に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。４つの熱センサの構成を示す断面図である。４つの熱センサの感度と応答性を示す図である。人体検知に用いる熱センサの二つの構成例を示す図である。図２１に示した二つの熱センサ１０７，１０８の人体（熱源）接近時の検出電圧の変化を示す図である。人体検知に用いる熱センサの二つの構成例を示す図である。図２３に示した二つの熱センサ１０９，１１０の人体（熱源）接近時の検出電圧の変化を示す図である。空洞部を備えた熱センサの熱源接近時及び離間時の検出電圧の変化を示す図である。図２５の比較例であり、空洞部を備えない熱センサの熱源接近時及び離間時の検出電圧の変化を示す図である。図２５に示した特性を有する熱センサ（空洞部を備えた熱センサ）と、図２６に示した特性を有する熱センサ（空洞部を備えない熱センサ）とについて、熱検知対象物（熱源）の温度に対する差分電圧の関係を示す図である。温度補償素子を一体に設けた熱センサの特性を示す図であり、図２５に示した熱センサについて、その特性をもう一度示した図である。温度補償素子を別の素子で用意し、実装基板に実装した場合について示す図である。熱センサの斜視図、分解斜視図、及び空洞部の横断面図を示す図である。熱センサの斜視図、分解斜視図、及び空洞部の横断面図を示す図である。熱センサの斜視図、分解斜視図、及び空洞部の横断面図を示す図である。図３０，図３１，図３２の各熱センサについて、熱源接近時及び離間時の正規化した差分出力の変化を示す図である。セラミック素体の厚みＴに対する熱検出部の厚みＤの比を横軸、正規化差分出力を縦軸にとった図である。熱センサの熱検知部における電極構造を示す断面図である。セラミック素体表面から熱検知部電極１までの距離が５μｍと３０μｍの場合について、電極構造比率Ｄｂ／Ｄｃを変化させた場合の素子抵抗の変化を示す図である。

《第１の実施形態》
　図２は第１の実施形態に係る熱センサ１０１の断面図である。熱センサ１０１は、熱センサ本体となる負特性（ＮＴＣ）サーミスタセラミックスで構成されるセラミック素体１０、熱検知部電極１，２、外部電極３，４、及び空洞部５を備えている。

　セラミック素体１０のうち、熱源の対流熱又は輻射熱等が伝熱することによって発熱する第１の主面側の表層部付近が熱検知部である。熱検知部電極１，２は、セラミック素体１０の前記表層部付近で前記熱検知部のサーミスタの抵抗値を検出する位置に設けられている。すなわち、一方の熱検知部電極１は、熱源の対流熱又は輻射熱等が伝熱するセラミック素体１０の表面から一定深さで面状に広がり、他方の熱検知部電極２は一部が熱検知部電極１と対向する関係で、サーミスタセラミック層の厚み方向にサーミスタセラミック層を介して積層され、表面から一定深さで面状に広がる。

　セラミック素体１０のサーミスタセラミックスは温度変化により抵抗値が変化する半導体セラミックスであって、例えばマンガン、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミ、チタン、亜鉛など複数の遷移金属酸化物を焼結したＮＴＣサーミスタ材料を用いてもよいし、例えば希土類元素をドナーとして添加したＢａＴｉＯ₃系のＰＴＣサーミスタ材料を用いてもよい。

　熱検知部電極１，２はサーミスタセラミックスとオーミック接合する電極材料であれば、いずれの材料を選択することができる。例えば、セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスがＮＴＣサーミスタ材料であれば、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔまたはそれらの合金等で構成され、ＰＴＣサーミスタ材料であれば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌまたはそれらの合金等で構成される。

　熱検知部電極１，２は、その対向距離とセラミック素体１０の平面視での重なり面積とによって抵抗調整することができるため、所望の抵抗値を得るために、サーミスタセラミックスの抵抗率（比抵抗）に合わせて上記熱検知部電極１，２のパターンと層位置を定める。

　外部電極３，４はセラミック素体１０の両端面に形成され、熱検知部電極１，２とそれぞれ電気的に導通する。

　空洞部５は、セラミック素体１０のうち、前記表層部の熱検知部と、それより下部（セラミック素体本体）とを熱的に分離する。この空洞部５は、セラミック素体１０を形成する際にグリーンシートを複数層積み重ねて焼成され形成されるが、サーミスタセラミックグリーンシートの幾つかを、開口部に有機物等を充填したセラミックグリーンシートとし、それらを積層し焼成することにより有機物が揮発することによって構成されるものである。

　以上のような構成の熱センサ１０１において、熱検知部電極１，２が形成されたセラミック素体１０の表面に、熱源からの対流伝熱又は輻射伝熱により熱検知部のサーミスタセラミック層の温度が上昇する。

　被測定対象物からの輻射熱（赤外線）を検知する場合、赤外線は熱検知部電極１，２を殆ど透過しないので、上部の熱検知部電極１より前記表層部のサーミスタセラミック層が赤外線を吸収して発熱する。この熱は熱検知部電極１より内部方向に伝達され、熱検知部電極１と熱検知部電極２とで挟まれるサーミスタセラミック層の抵抗値が低下する。

　また、対流伝熱により被測定対象物の温度を検知する場合、熱検知部電極１と熱検知部電極２とで挟まれるサーミスタセラミック層が対流伝熱により加熱され、その抵抗値が低下する。

　図３（Ａ），図３（Ｂ）は前記熱センサ１０１を用いた熱センサ回路の二つの例である。図３（Ａ），図３（Ｂ）において、抵抗Ｒｓは熱検知部のサーミスタによる抵抗、抵抗Ｒｎは温度補償部のサーミスタの抵抗である。この抵抗Ｒｓ，Ｒｎと抵抗Ｒｏ，Ｒｏとによって抵抗ブリッジ回路を構成している。増幅回路ＡＭＰは抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。

　図３に示した熱センサ回路によれば、温度補償部のサーミスタＲｎで周囲の温度変化による影響分を補償しているため、増幅回路ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは、熱検知部のサーミスタＲｓの加熱量に応じた値となる。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔを熱検知信号として利用できる。
　このように温度上昇による抵抗変化を熱検知部電極１，２および外部電極３，４を通じて測定することで、熱検知できる。

　図３（Ａ）に示す熱センサ回路のように、二つの電流経路の一方を、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓと、温度補償部のサーミスタの抵抗Ｒｎとの直列回路で構成し、他方を二つの抵抗Ｒｏの直列回路で構成すると、高いＳＮ比が得られる。

　すなわち、図３（Ｂ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値を、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓ及び温度補償部のサーミスタの抵抗Ｒｎの抵抗値にほぼ等しくしないと大きな差動電圧が得られないが、図３（Ａ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値が前記Ｒｓ及びＲｎの抵抗値に近似する値である必要がないので、回路構成上の自由度が高く、ＳＮ比の高い回路が構成できる。例えば抵抗Ｒｏの抵抗値を充分に小さくして、増幅回路ＡＭＰへの入力インピーダンスを低くすることができる。

　上記熱は熱検知部電極２より下部のサーミスタセラミック層にも伝達されるが、それより更に下部（内部）には空洞部５があるので、ここで熱的に分離され、セラミック素体１０の全体に熱が広がろうとするのが阻止される。換言すると、空洞部を設けることで熱検知部の熱容量が小さくなる。そのため、対流伝熱または輻射伝熱による熱検知部の温度上昇率が高まり、高感度に検出できる。

　また、この熱センサは積層セラミック部品であるので製造が容易であり、低コスト化が図れる。さらに、外部電極３，４を用いて表面実装が可能であるので、金属ケースを用いてパッケージ化された従来の熱センサや、基板に素子を組込んだ熱センサと比較して、小型化および低コスト化を図ることができる。

　図２に示したように、２つの熱検知部電極１，２を対向配置すると、その２つの熱検知部電極１，２間の抵抗値を低く設定でき、検出回路の構成上、高いＳＮ比特性を得やすい。

　具体的な製造方法は次のとおりである。ここではＮＴＣサーミスタ材料を用いたサーミスタセラミックスからなるセラミック素体の事例を説明する。
　先ず、遷移金属酸化物であるMn₃O₄、NiO、Co₃O₄、Fe₂O₃等を所定量秤量し、次いで該秤量物をジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入して十分に湿式粉砕し、その後、所定の温度で仮焼してセラミック粉末を作製する。

　次に、上記セラミック粉末に有機バインダを加え、湿式で混合処理を行ってスラリー状とし、その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工を施し、セラミックグリーンシートを作製する。

　次いで、セラミックグリーンシートのうち熱検知部または温度補償部に位置するセラミックグリーンシートにＡｇ－Ｐｄを主成分とした内部電極用ペーストを使用し、セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷を施して内部電極パターンを形成する。また、空洞部に位置するセラミックグリーンシートには、レーザー加工等によって上記セラミックグリーンシートに穴を開け、その穴へ焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填を行い、空洞パターンを形成する。

　次に、内部電極パターンがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートと、空洞パターンを加工したグリーンシートを積層した後、電極パターンがスクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで上下挟持し、圧着して積層体を作製する。次いで、この積層体を所定寸法に切断してジルコニア製の匣に収容し、脱バインダ処理を行った後、所定温度（例えば１０００℃～１３００℃）で焼成処理を施す。これにより、バインダ等の有機物やカーボンペースト等が揮発し、セラミック素体の中央部付近に空洞部が形成される。これにより、熱検知部電極１，２と空洞部５を備えるセラミック素体１０を構成する。

　この後、セラミック素体１０の両端部にＡｇ等を含む外部電極用ペーストを塗布して焼付けし、外部電極３，４を形成する。なお、外部電極３，４は密着性が良好であればよく、例えばスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法で形成してもよい。

　この第１の実施形態では、セラミック素原料としてMn₃O₄等の酸化物を使用したが、Mnの炭酸塩、水酸化物等を使用することもできる。

《第２の実施形態》
　図４は第２の実施形態に係る熱センサ１０２の断面図である。熱センサ１０２は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体１０、熱検知部電極１Ａ，１Ｂ，２、外部電極３，４、及び空洞部５を備えている。

　熱検知部電極１Ａ，１Ｂ，２は、熱検知部の熱検知部電極１Ａ，１Ｂで挟まれたサーミスタ層の抵抗値を検出する位置に設けられている。被測定対象物からの輻射熱（赤外線）を検知する場合、熱検知部電極１Ａ，１Ｂは、赤外線が入射するセラミック素体１０の表面から一定深さの層に面状に広がり、他方の熱検知部電極２は一部が熱検知部電極１Ａ，１Ｂとサーミスタセラミック層を介してそれぞれ対向するように、表面から一定深さの層に面状に広がる。

　熱検知部電極２は外部電極３，４には導通せず、熱検知部電極１Ａ，１Ｂが外部電極３，４にそれぞれ導通する。

　その他の部分の構成は図２に示した熱センサ１０１と同じである。また、基本的な製造方法は第１の実施形態で示したものと同様である。

　図４に示した構造によると、セラミック素体の表面から下部の熱検知部電極２までの体積が比較的大きくなるので、同等の熱容量を有する図２の熱センサに比べて赤外線の吸収効率が高まり、同時に抵抗値を測定しようとするサーミスタセラミック層を直接発熱することになるので、高感度で高速応答性が得られる。
　なお、熱検知部電極及び温度補償用電極部の内部電極のパターン設計は種々の内部電極構造を適用することができる。例えば、熱検知部電極及び温度補償用電極部については、一対の内部電極を同一平面上に対向するように設けた対向電極のみの構造（図４の熱検知部用電極２が形成されていない構造）であってもよい。

《第３の実施形態》
　図５は第３の実施形態に係る熱センサ１０３の断面図である。熱センサ１０３は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体１０、熱検知部電極１，２、外部電極３，４、空洞部５、及び多孔質部９を備えている。

　上記多孔質部９は、空洞部５の周縁を構成するサーミスタセラミック素体の周縁部であり、焼成によって多孔質になったものである。すなわち、空洞部５を形成する開口を設けたセラミックグリーンシートは、焼成時に消失する有機物を予め分散させたものである。

　例えば第１の実施形態で図２に示した構造では、空洞部５の幅を大きくする程、断熱効果は高まるが、空洞部５を確保するために空洞部５の周囲を支える周縁部を残しておく必要がある。そこで、図５に示したように、空洞部５の周囲を支える周縁部を多孔質にすることにより、熱検知部電極２より下部は空洞部５だけでなく多孔質部９によってより効果的に断熱される。そのため、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。

《第４の実施形態》
　図６は第４の実施形態に係る熱センサ１０４の断面図である。熱センサ１０４は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体１０、熱検知部電極１，２、温度補償部電極６，７、外部電極３，４，８、及び空洞部５を備えている。

　温度補償部電極６，７及び外部電極８以外の構成は図２に示した熱センサ１０１と同じである。また、基本的な製造方法は第１の実施形態で示したものと同様である。

　被測定対象物からの輻射熱（赤外線）を検知する場合、セラミック素体１０のうち第１の主面側の表層部である熱検知部は、赤外線の入射によって発熱する。また、セラミック素体１０のうち、空洞部５を挟んで熱検知部と対向する第２の主面側の表層部である温度補償部には赤外線が入射しない。この温度補償部に温度補償部電極６，７を設ける。

　温度補償部電極６，７の対向面積及び間隔は、熱検知部電極１，２の対向面積及び間隔とほぼ同じである。熱検知部電極１，２の対と温度補償部電極６，７の対との間には空洞部５が介在しているので、セラミック素体１０に赤外線が入射して熱検知部の温度が上昇しても、空洞部がその熱を断熱する。そのため、温度補償部電極６，７部分は周囲の環境温度を保つことができる。

　また、対流伝熱により被測定対象物の温度を検知する場合、熱検知部は被測定対象物からの対流伝熱により加熱されるが、温度補償部は、空洞部５により断熱されているので、被測定対象物からの熱を殆ど受けない。

　熱検知部電極１，２間の抵抗値は外部電極３，４で検出し、温度補償部電極６，７間の抵抗値は外部電極４，８で検出する。

　熱検知部電極１，２間のサーミスタセラミック層による抵抗を、図３に示した抵抗Ｒｓ、温度補償部電極６，７間のサーミスタセラミック層による抵抗を、図３に示した抵抗Ｒｎとすれば、周囲環境温度の変動の影響を殆ど受けずに、被測定対象部からの対流伝熱または輻射伝熱に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を一定に保つことができる。

　なお、以上に示した各実施形態では、サーミスタ材料であるサーミスタセラミックの層を積層し、焼結させることによってセラミック素体を構成したが、少なくとも熱検知部電極を設ける第１主面側と、温度補償部電極を設ける第２主面側をサーミスタセラミックの層で構成し、その他の層を別の材料の層で構成して、一体焼結して形成してもよい。

　また、図６に示した例では、空洞部５で断熱部を構成したが、空洞部５に相当する領域を、または空洞部５を形成した層全体を多孔質部材で構成してもよい。

　また、以上に示した例では、単一の空洞部５を備えたが、上下方向または横方向に複数個配置してもよい。空洞部の形状はセラミック素体内に閉じられた空間を構成していてもよいし、一部で又は複数箇所で開口していてもよい。さらにはハニカム構造や細胞構造であってもよい。これらの構成によって熱抵抗の調整が可能である。

《第５の実施形態》
　第５の実施形態では、図７～図１０を参照して、非接触で被測定物の温度を測定する非接触温度測定方法について示す。

　第５の実施形態で示す非接触温度測定方法では、図６に示した熱センサ１０４を用いる。図７は、熱センサ１０４と検知対象物との関係及び熱センサの実装状態を示す図である。

　熱センサ１０４は実装基板２１に対して表面実装されている。熱センサ１０４の熱検知部に対して検知対象物２２が所定距離Ｌだけ離間した状態で近接することによって検知対象物２２の温度を測定する。例えば、実装基板２１はマザーボード、検知対象物２２はメモリ基板であり、マザーボード上のＣＰＵ周辺回路がメモリ基板またはメモリチップの温度を検知して、その検知結果に応じた制御を行う。

　図８（Ａ）は、被測定対象物の温度、熱センサの検出温度、及び実装基板の温度の変化を示す図である。図８（Ａ）は、２０［ｓｅｃ］で被測定対象物からの輻射を開始し、１７０［ｓｅｃ］で被測定対象物からの輻射を終了した例である。

　図８（Ｂ）は、前記熱センサを用いた熱センサ回路による検出電圧の変化を示す図である。熱センサ回路の構成は図３に示したとおりである。すなわち、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓ、温度補償用のサーミスタの抵抗Ｒｎ、及び二つの固定抵抗Ｒｏ，Ｒｏによる抵抗ブリッジ回路を構成し、増幅回路ＡＭＰで抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。

　図９は、温度Ｔｂの実装基板に対し、温度Ｔｈの被測定対象物を接近させ、熱的に平衡させたときの差分電圧（差動増幅出力電圧）ΔＶの変化を示している。なお、ここで実装基板の温度Ｔｂ及び被測定対象物の温度Ｔｈは一般的な温度計で測定されており、差分電圧ΔＶは本発明の熱センサの出力を示す。

　図９に表れているように、被測定対象物の温度Ｔｈが高いほど差分電圧ΔＶは高く、実装基板の温度Ｔｂが高いほど差分電圧ΔＶは小さくなる。

　図１０は、図９を基にして、実装基板の温度Ｔｂと被測定対象物の温度Ｔｈとの差ΔＴを横軸にとり、差分電圧ΔＶを縦軸にとった図である。

　このときの関係式は、次の（１）式を満たす。

　ΔＴ＝Ｔｈ－Ｔｂ　　　　　　　…（１）
　図１０の結果より、被測定対象物の温度Ｔｈと実装基板の温度（すなわち温度補償部の温度）Ｔｂとの温度差であるΔＴは差分電圧ΔＶにほぼ比例する。したがって、（２）式が成り立ち、ｋが求められる。

　ΔＴ≒ｋΔＶ　（ｋ：係数）　　…（２）
　なお、比例係数ｋは、熱センサ及び熱センサ回路の特性及び距離Ｌで変化する。

　すなわち、熱的に平衡状態で、被測定対象物の温度Ｔｈから実装基板の温度Ｔｂを差引いた温度差ΔＴが、差分電圧ΔＶにほぼ比例する。

　上記のようにして求められたｋを用いれば、差分電圧ΔＶ及び温度補償部電極間の出力電圧Ｖｂから、本発明の熱センサにて被測定対象物の温度Ｔｓを求めることができる。

　また、実装基板については、別途温度計を用いなくても、熱センサの温度補償部にて検知できる。熱センサの温度補償部にて検知される実装基板の温度Ｔｘは、温度補償部電極間の出力電圧Ｖｂの関数であり、
　Ｔｘ＝ｆ（Ｖｂ）　　　　　　　…（３）
と表すことができる。

　ここで、
　（１）式、（２）式、及び（３）式を用いて、本発明の熱センサにより検知できるＴｓ及びＴｘを求めると、
　Ｔｓ＝ΔＴ＋Ｔｘ　　　　　　　…（４）
　　　＝ｋΔＶ＋Ｔｘ　　　　　　…（５）
　　　＝ｋΔＶ＋ｆ（Ｖｂ）　　　…（６）
が成り立つ。この（６）式から被測定対象物の温度Ｔｓを求めることができる。

《第６の実施形態》
　図１１は第６の実施形態に係る非接触温度計装置の構成を示す図である。
　図１１において、抵抗Ｒｓは熱検知部のサーミスタによる抵抗、抵抗Ｒｎは温度補償部のサーミスタの抵抗である。この抵抗Ｒｓ，Ｒｎと抵抗Ｒｏ，Ｒｏとによって抵抗ブリッジ回路を構成している。定電流回路（定電流源）ＣＣＳは前記抵抗ブリッジ回路へ定電流を通電する。増幅回路ＡＭＰは抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。

　演算処理部３１は、増幅回路ＡＭＰの出力電圧、及び抵抗Ｒｎの両端電圧を入力し、前述の（６）式の演算によって被測定対象物の温度を求める。また、その演算結果を外部へ出力する。

《第７の実施形態》
　図１２（Ａ），図１２（Ｂ）は第７の実施形態に係る熱センサ１０５，１０６の断面図である。熱センサ１０５は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体１０、熱検知部電極１，２、外部電極３３，３４，３５，８及び空洞部５を備えている。図１２（Ｂ）においては、空洞部５の周囲に多孔質部９を設けている。

　図６に示した熱センサ１０４とは異なり、熱検知部の電極１，２に導通する外部電極３３，３４と、温度補償部電極６，７に導通する外部電極３５，８とは電気的にも熱的にも分離して配置されている。すなわち、セラミック素体の側面には上下方向に連なる外部電極が形成されていない。また、ビア電極はセラミック素体の上下方向に非接続状態（非貫通状態）に配置されている。

　そのため、熱検知部と温度補償部とをさらに断熱することができ、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。そのため、前記差分電圧ΔＶの値を大きくし且つその立ち上がりを急峻にできる。

《第８の実施形態》
　図１３は第８の実施形態に係る熱センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図１３において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極１になる内部電極用ペースト１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２になる内部電極用ペースト２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極６になる内部電極用ペースト６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極７になる内部電極用ペースト７Ｐがそれぞれ形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物５Ｐが形成されている。

　図１４は、図１３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極１，２、温度補償部電極６，７、及び空洞部５が形成されている。

　図１５は、図１４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図１５（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図１５（Ｂ）は外部電極形成後の斜視図である。

　外部電極３は熱検知部電極１に導通し、外部電極４は熱検知部電極１及び温度補償部電極６に導通する。また、外部電極８は温度補償部電極７に導通する。

　このように、内部電極用ペースト７Ｐの焼成による温度補償部電極７が直方体形状のセラミック素体の二つの側面に露出するように形成することによって、外部電極８を形成する際にセラミック素体の向きが揃う確率が高くなり、製造効率が高まる。

　なお、内部電極用ペースト７Ｐは、必ずしも層Ｓ８にセラミック素体の両側面に引き出す必要はなく、一側面へ引き出した構造でもよい。また、図１５（Ｂ）においては、一側面に外部電極８が形成されているが、内部電極用ペースト７Ｐが層Ｓ８の両側面に引き出されていることから、外部電極８を両側面に形成してもよい。

《第９の実施形態》
　図１６は第９の実施形態に係る熱センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図１６において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極１になる内部電極用ペースト１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２になる内部電極用ペースト２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極６になる内部電極用ペースト６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極７になる内部電極用ペースト７Ｐがそれぞれ形成されている。さらに層Ｓ９にはビア電極用の電極ペースト２３Ｐが形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物５Ｐが形成されている。

　図１７は、図１６に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極１，２、温度補償部電極６，７、ビア電極２３、及び空洞部５が形成されている。

　図１８は、図１７に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図１８（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図１８（Ｂ）は外部電極形成後の斜視図、図１８（Ｃ）は図１８（Ｂ）に示した状態の反対面側を見た斜視図である。

　外部電極３は熱検知部電極１に導通し、外部電極４は熱検知部電極１及び温度補償部電極６に導通する。また、外部電極８はビア電極２３に導通する。温度補償部電極７は、その中央部が熱的にも外部電極２３に対して低い熱抵抗で結合している。

　このように、温度補償部電極７に導通するビア電極２３を直方体形状のセラミック素体の底面の中央部に露出するように形成し、そのビア電極２３に導通する外部電極８を底面から対向する２側面にかけて形成したことにより、温度補償部と基板との接触面積が増えるので、温度補償部の熱を効果的に基板側へ放熱することができる。これにより、熱検知部と温度補償部との熱容量差がより大きくなり、感度が向上する。

　各実施形態で示した熱センサの空洞部および多孔質部の効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を図１９及び図２０に示す。
　図１９は４つの熱センサの構成を示す断面図、図２０はその４つの熱センサの感度と応答性を示す図である。図１９（Ａ）は熱検知部電極１，２の下部に空洞部を設けていない熱センサ、図１９（Ｂ）は熱検知部電極１，２の下部に外部電極３，４間方向の幅の比較的狭い空洞部５を設けた熱センサ、図１９（Ｃ）は熱検知部電極１，２の下部に外部電極３，４間方向の幅の比較的広い空洞部５を設けた熱センサ、図１９（Ｄ）は熱検知部電極１，２の下部に空洞部５及び多孔質部９を設けた熱センサをそれぞれ示している。

　図２０において横軸は経過時間、縦軸は図３に示した熱センサ回路の抵抗Ｒｎ＝Ｒｏとし、抵抗ブリッジ回路への印加電圧を3[V]としたときの抵抗ブリッジ回路の差分電圧である。図２０は、計測開始から４秒後に輻射熱（赤外線）を照射し、１２秒後に輻射熱（赤外線）を遮断した例である。

　このシミュレーションの条件は次のとおりである。
　［共通パラメータ］
　セラミック素体のサイズ：2.0[mm]×1.2[mm] × 0.5[mm]
　熱検知部電極１の位置（表面からの深さ）：30 [μm]
　熱検知部電極２の位置（電極間距離）：30 [μm]
　［熱センサ(B)］
　空洞部５のサイズ：1.4[mm]× 0.6[mm]× 0.14[mm]
　［熱センサ(C)］
　空洞部５のサイズ：1.8[mm]× 1.0[mm]× 0.14[mm]
　［熱センサ(D)］
　空洞部５のサイズ：1.8[mm]× 1.0[mm]× 0.14[mm]
　図２０に示したとおり、図１９の熱センサ(A)(B)(C)(D)の、定常状態に達したときの差分電圧の大きさ（すなわち感度）は、(A)＜(B)＜(C)＜(D)の関係にある。また、赤外線が照射されてからの差分電圧の立ち上がりの急峻度（すなわち応答性に相当する時定数）は(A)＜(B)＜(C)＜(D)の関係にある。このように、空洞部５のサイズが大きくなるほど感度・時定数がともに向上し、また、空洞部の周囲を多孔質にすることによって感度・時定数が更に向上するのが分かる。

　人体検知に用いる熱センサの実施例について、図２１，図２２を参照して説明する。
　熱センサは図７に示したものと同様に実装基板に対して表面実装されている。熱センサの熱検知部に対して検知対象物が近接することによって検知対象物の近接が検知される。

　図２１は人体検知に用いる熱センサの二つの構成例を示す図である。図２１（Ａ）は空洞部５を備えた熱センサ１０７の断面図、図２１（Ｂ）は空洞部を備えない熱センサ１０８の断面図である。熱センサ１０７の基本的な構成は図２に示したものと同様である。また、熱センサ１０８は熱センサ１０７の空洞部５を設けないものである。

　図２２は、図２１に示した二つの熱センサ１０７，１０８の人体（熱源）接近時の検出電圧の変化を示す図である。曲線Ａは熱センサ１０７の特性。曲線Ｂは熱センサ１０８の特性である。熱センサ回路の構成は図３に示したとおりである。すなわち、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓ、温度補償用のサーミスタの抵抗Ｒｎ、及び二つの固定抵抗Ｒｏ，Ｒｏによる抵抗ブリッジ回路を構成し、増幅回路ＡＭＰで抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。前記温度補償用のサーミスタは熱センサ１０７，１０８とは別に用意されたサーミスタ素子であり、実装基板に実装されている。

　図２２の縦軸は、前記差動増幅回路の出力電圧、横軸は時刻である。この例では時刻５［ｓｅｃ］で人体が近接している。

　この実測結果を得た各条件は次のとおりである。
　距離Ｌ：１０ｃｍ
　熱源温度：４０℃
　実装基板の温度：２８℃
　差動増幅回路の増幅率：２００倍
　印加電圧：３．０Ｖ
　素子サイズ：２．０×１．２×０．５ｍｍ
　空洞サイズ：１．６×０．８×０．１５ｍｍ
　上述の条件で、無風状態下で測定した。その結果、空洞部５を設けたことにより、出力電圧の立ち上がりが急峻になり、人体検知に用いる場合にも応答性が高まることが分かる。

　人体検知に用いる別の熱センサの実施例について、図２３，図２４を参照して説明する。
　図２３は人体検知に用いる熱センサの二つの構成例を示す図である。図２３（Ａ）は空洞部５及び温度補償部電極６，７を備えた熱センサ１０９の断面図、図２３（Ｂ）は空洞部を備えない熱センサ１１０の断面図である。熱センサ１０９の基本的な構成は図６に示したものと同様である。また、熱センサ１１０は熱センサ１０９の空洞部５を設けないものである。

　図２４は、図２３に示した二つの熱センサ１０９，１１０の人体（熱源）接近時の検出電圧の変化を示す図である。曲線Ａは熱センサ１０７の特性。曲線Ｂは熱センサ１０８の特性である。熱センサ回路の構成は図３に示したとおりである。

　図２４の縦軸は、差動増幅回路の出力電圧、横軸は時刻である。この例では時刻０．５［ｓｅｃ］で人体が近接している。

　この実測結果を得た各条件は次のとおりである。
　距離Ｌ：１０ｃｍ
　熱源温度：４０℃
　実装基板の温度：２８℃
　差動増幅回路の増幅率：２０００倍
　印加電圧：３．０Ｖ
　素子サイズ：２．０×１．２×０．５ｍｍ
　空洞サイズ：１．６×０．８×０．１５ｍｍ
　上述の条件で、無風状態下で測定した。その結果温度補償素子を一体に設けた構造では、空洞部５が無いと大きな出力電圧が得られないのに対し、空洞部５を設ければ、出力電圧が非常に大きくなる。そのため人体検知に用いる場合に高感度化が図れることが分かる。

　人体検知用を含む非接触熱センサの実施例について、図２５～図２７を参照して説明する。
　この熱センサは温度補償素子を一体に備えている。図２５は空洞部を備えた熱センサの熱源接近時及び離間時の検出電圧の変化を示す図である。

　図２５において、曲線Ａは熱検知部電極両端の電圧、曲線Ｂは温度補償部電極両端の電圧、曲線Ｃは熱センサ検出回路の差動増幅回路の出力電圧である。熱センサ回路の構成は図３に示したとおりである。
　この例では時刻１０［ｓｅｃ］で熱源からの輻射を受け、時刻１８０［ｓｅｃ］で熱源からの輻射を遮断している。

　図２５に表れているように、熱検知部電極両端の電圧及び温度補償部電極両端の電圧は熱源からの輻射を受けることによって加熱され、徐々に安定する。一方、差分電圧の立ち上がりは、熱検知部電極両端の電圧及び温度補償部電極両端の電圧の立ち上がりに比べて急峻である。すなわち、差分電圧は熱源からの輻射を受けると速やかに安定した電圧になる。したがった、差分電圧が例えば所定にしきい値を超えたか否かによって熱検知を行うことによって応答性の高い熱センサ回路が構成できる。

　この実測結果を得た各条件は次のとおりである。
　距離Ｌ：３ｍｍ
　熱源温度：６０℃
　実装基板の温度：２８℃
　差動増幅回路の増幅率：１倍
　印加電圧：３．０Ｖ
　素子サイズ：２．０×１．２×０．５ｍｍ
　空洞サイズ：１．６×０．８×０．１５ｍｍ
　図２６は、上述の図２５の比較例であり、空洞部を備えない熱センサの熱源接近時及び離間時の検出電圧の変化を示す図である。

　図２６において、曲線Ａは熱検知部電極両端の電圧、曲線Ｂは温度補償部電極両端の電圧、曲線Ｃは熱センサ検出回路の差動増幅回路の出力電圧である。

　図２６に表れているように、熱検知部電極両端の電圧及び温度補償部電極両端の電圧は熱源からの輻射を受けることによって加熱され、徐々に安定するが、この二つの出力電圧は近似したものとなり、差分電圧の値が小さい。

　図２７は、図２５に示した特性を有する熱センサ（空洞部を備えた熱センサ）と、図２６に示した特性を有する熱センサ（空洞部を備えない熱センサ）とについて、熱検知対象物（輻射する熱源）の温度に対する差分電圧の関係を示す図である。近似直線Ａは空洞部を備えた熱センサ、近似直線Ｂは空洞部を備えない熱センサの特性である。

　このように、前記空洞部を備えることによって、対象物温度に対する検出電圧を大きくすることができるので、前記空洞部はＳＮ比の高い検知を行う上でも効果的である。

　実施例５で測定に用いた熱センサの構造は図２３（Ａ）に示したものと同様である。ここで各部の寸法は次のとおりである。
　素子外形サイズ：２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．５ｍｍ
　空洞部のサイズ：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．１５ｍｍ
　この熱センサを用いて、図３（Ｂ）に示した熱センサ回路を構成した。

　比較対照の熱センサの構造は、図２１（Ａ）に示した構成の熱センサを２つ用意し、一方をそのままの構造で熱検知用として用い、もう一方は熱センサのうち熱検知電極が形成されている側の上方に赤外線を遮断する遮断部材を設けた構成とし、温度補償用として用いる。すなわち、熱検知電極の上方に赤外線を遮断する遮蔽部材を設けた熱センサ（温度補償用素子）を図３（Ｂ）に示した熱センサ回路の抵抗Ｒｎとし、遮蔽部材を設けていない熱センサ（熱検知用素子）を抵抗Ｒｓとなるように回路を構成した。なお、熱検知用の素子と温度補償用の素子、及び固定抵抗値Ｒ０の室温（２５℃）の抵抗値は一致している。また、これらの素子と、図２３（Ａ）に用いられる素子の室温（２５℃）での抵抗値も一致している。

　図２８は、温度補償素子を一体に設けた熱センサの特性を示す図であり、図２５に示した熱センサについて、その特性をもう一度示した図である。図２８（Ａ）において、曲線Ａは熱検知部電極両端の電圧、曲線Ｂは温度補償部電極両端の電圧である。図２８（Ｂ）は、熱センサ検出回路の差動増幅回路の出力電圧である。

　図２８（Ａ）において、曲線Ａは熱検知部電極両端の電圧、曲線Ｂは温度補償部電極両端の電圧である。図２８（Ｂ）は、熱センサ検出回路の差動増幅回路の出力電圧である。

　図２９は、温度補償素子を別の素子で用意し、実装基板に実装した場合について示す図である。図２９（Ａ）において、曲線Ａは熱検知部電極両端の電圧、曲線Ｂは温度補償用素子の電圧である。図２９（Ｂ）は、熱センサ検出回路の差動増幅回路の出力電圧である。

　図２８（Ｂ）と図２９（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、熱検知部と温度補償素子とを一体に設けた熱センサを用いて差分電圧を発生するようにした場合は、熱検知部と温度補償部とを別々に設けた熱センサを用いて差分電圧を発生するようにした場合に比べると、図２８（Ｂ）は同一のセラミックス素体からなるため熱検知部と温度補償部が熱的平衡状態に達するまでの時間が早くなるので、応答性が高い熱センサが得られることがわかる。

　図３０、図３１、図３２は、それぞれ異なる熱センサに関する図であり、何れも斜視図、分解斜視図、及び空洞部の横断面図を示している。但し、電極については図示を省略している。
　図３０は、熱検知部４１と温度補償部４３との間に、角筒状の空洞形成部４２Ａが設けられている。各部の寸法は次のとおりである。
　Ａ：２．０ｍｍ
　Ｂ：１．２ｍｍ
　Ｔ：０．６ｍｍ
　Ａｖ：１．６ｍｍ
　Ｂｖ：０．８ｍｍ
　Ｄｖ：０．２ｍｍ
　図３１は、熱検知部４１と温度補償部４３との間に、横方向に延びる部分と縦方向に延びる部分からなる空洞形成部４２Ｂが設けられている。各部の寸法は次のとおりである。
　Ａ：２．０ｍｍ
　Ｂ：１．２ｍｍ
　Ｔ：０．６ｍｍ
　Ａｖ１：１．６ｍｍ
　Ｂｖ１：１．２ｍｍ
　Ｄｖ１：０．１ｍｍ
　Ａｖ２：２．０ｍｍ
　Ｂｖ２：０．８ｍｍ
　Ｄｖ２：０．１ｍｍ
　図３２は、熱検知部４１と温度補償部４３との間に、四つの柱状の部分からなる空洞形成部４２Ｃが設けられている。各部の寸法は次のとおりである。
　Ａ：２．０ｍｍ
　Ｂ：１．２ｍｍ
　Ｔ：０．６ｍｍ
　Ａｖ１：１．６ｍｍ
　Ｂｖ１：１．２ｍｍ
　Ａｖ２：２．０ｍｍ
　Ｂｖ２：０．８ｍｍ
　Ｄｖ：０．２ｍｍ
　図３０、図３１、図３２の各熱センサを比較すると、空洞形成部の熱容量は、図３０の熱センサが最大、図３２の熱センサが最小である。

　図３３は、熱検知部４１と温度補償部４３との、熱源接近時及び離間時の正規化した差分出力の変化を示す図である。測定回路は図３（Ｂ）に示した回路と同一である。また、測定系は図７に示したものと同一である。図３３の縦軸は、図３（Ｂ）に示した回路で測定した出力電圧（差分電圧）Ｖｏｕｔを図３０の構造で得られた差分出力を１として正規化したものである。この例では、１０［ｓｅｃ］で被測定対象物からの輻射を開始し、２０［ｓｅｃ］で被測定対象物からの輻射を終了した例である。

　図３３において、曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、図３０，図３１，図３２のそれぞれ対応する各熱センサの特性である。このように空洞形成部の熱容量が小さい程、差分出力が大きくなる。そのため、空洞形成部の熱容量が小さい程、感度が高まることがわかる。

　測定対象の熱センサとして、図２３に示した構造の熱センサを用いる。
　ここで、各部の寸法は次のとおりである。
　素子サイズ：２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．６ｍｍ
　熱検知部電極面積（熱検知部電極１，２の重なり面積）：１．５ｍｍ×０．５ｍｍ
　空洞サイズ：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．２ｍｍ
　このような熱センサを用いて、素体の厚みＴに対する熱検出部の厚み（セラミック素体表面から空洞部までの距離）Ｄの比率と差分出力との関係を求めた。

　図３４は、セラミック素体の厚みＴに対する熱検出部の厚みＤの比を横軸、差分出力を縦軸にとった図である。ここで縦軸は、空洞部の無い熱センサの差分出力で正規化している。測定回路は図３（Ｂ）に示した回路と同一である。また、測定系は図７に示したものと同一である。但し、測定開始時における各抵抗値の関係は、Ｒｓ＝Ｒｎ＝Ｒｏ　とする。

　素体の厚みＴに対して熱検知部Ｄの厚みが変わると、差分出力は変化する。図３４に表れているように、Ｄ／Ｔの値が小さい程、差分出力は向上する。特に、Ｄ／Ｔが１／３以下の構造では、出力向上の効果が大きい。

　図３５は、熱センサの熱検知部における電極構造を示す断面図である。各部の寸法は次のとおりである。
　素子サイズ：２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．６ｍｍ
　熱検知部電極面積（熱検知部電極１，２の重なり面積）：１．５ｍｍ×０．５ｍｍ
　ここで、厚み方向に互いに対向する熱検知部電極１，２同士の層間距離をＤｃで表し、外部電極４とは異なる電位に接続された熱検知部のうちの最も表層側に形成されている熱検知部電極１の先端と外部電極４の先端との最短距離をＤｂで表す。そして電極構造比率をＤｂ／Ｄｃで表す。

　素体表面から熱検知部電極１までの距離が５μｍと３０μｍの場合について、電極構造比率を変化させた場合の素子抵抗値の変化を図３６（Ａ）と図３６（Ｂ）に示す。いずれの場合においても、電極構造比率が１以下になると抵抗値の変化が大きくなるが、１以上では変化の度合いが小さい。特に、層間距離が５０μｍ以下についての変化は少なくなっている。

　実施例７で示したように、出力を上げるためには、熱検知部（セラミック素体表面から空洞部までの距離）を薄くすることが有効である。しかし、熱検知部を薄くすると、検知部内に存在する内部電極が、セラミック素体の表面に近づき、熱検知部における抵抗特性において、前記距離Ｄｂによる影響を大きく受ける。その結果、距離Ｄｂのばらつきが抵抗ばらつきとなって現れることになる。

　空洞部の形状を最適化し、熱検知部の熱容量を小さくする事で感度向上が図れるが、感度を向上させようとする程、熱検知部電極が素体の表面に近づく。そのため、セラミック素体の上面への外部電極のかぶさり寸法Ｌのばらつきの影響により、抵抗値のばらつきが大きくなってしまう。そこで、Ｄｂ／Ｄｃを１以上にする。これにより、距離Ｄｂの影響が相対的に小さくなるため、抵抗値のばらつきを小さくできる。

　実施例７の結果と併せると、出力が大きく且つ抵抗値ばらつきが小さい構造は、
　熱検出部の厚みＤ　／　素体の厚みＴ　＜　１／３　且つ、Ｄｂ／Ｄｃ　≧　１　という関係で表される。

　なお、Ｄｂ／Ｄｃ　≧　１の関係は少なくとも熱検知部側に適用すればよいが、温度補償部側にも適用すれば抵抗ばらつきをより小さくできるため、好ましい。

　１，２…熱検知部電極
　１Ａ，１Ｂ…熱検知部電極
　３，４…外部電極
　５…空洞部
　６，７…温度補償部電極
　８，３３，３４，３５…外部電極
　９…多孔質部
　１０…セラミック素体
　２１…実装基板
　２２…検知対象物
　２３…ビア電極
　３１…演算処理部
　４１…熱検知部
　４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ…空洞形成部
　４３…温度補償部
　１０１～１１０…熱センサ

Claims

　少なくとも第１の主面側に形成された熱検知部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、前記熱検知部に設けられた、前記熱検知部の抵抗値を検出するための熱検知部電極と、を備えた熱センサであって、
　前記セラミック素体の前記熱検知部より内部に断熱部が形成された熱センサ。
　前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞である、請求項１に記載の熱センサ。
　前記セラミック素体のうち前記断熱部の周縁を構成している周縁部は多孔質の部材である、請求項２に記載の熱センサ。
　前記断熱部は多孔質の部材で構成された、請求項１に記載の熱センサ。
　前記セラミック素体は複数のサーミスタ層を備え、前記熱検知部電極は、前記サーミスタ層を介して部分的に重なり合っている、請求項１～４のうちいずれかに記載の熱センサ。
　前記セラミック素体の第２の主面側であり、前記断熱部を挟んで前記熱検知部と対向する位置に設けられた温度補償部はサーミスタ材料からなり、前記温度補償部に、前記温度補償部の抵抗値を検出するための温度補償部電極が設けられた、請求項１～５のいずれかに記載の熱センサ。
　前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置された、請求項６に記載の熱センサ。
　前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向に非接続状態に配置された、請求項６に記載の熱センサ。
　厚み方向に互いに対向する前記熱検知部電極同士の層間距離をＤｃで表し、前記熱検知部電極のうち、前記外部電極の先端と、前記外部電極とは異なる電位に接続された熱検知部のうち、最も表層側に形成されている熱検知部電極の先端と、の最短距離をＤｂで表すと、　Ｄｂ／Ｄｃ　≧　１の関係に定めた、請求項１～８のいずれかに記載の熱センサ。
　前記セラミック素体の厚みをＴで表し、熱検出部の厚みをＤで表すと、Ｄ／Ｔが１／３以下の関係とした、請求項９に記載の熱センサ。
　請求項１～１０のいずれかにおいて、前記熱検知部は被測定対象物からの輻射伝熱を受ける、非接触温度計用の熱センサ。
　請求項１～１０のいずれかにおいて、前記熱検知部は人体からの輻射伝熱を受ける、人体検知用の熱センサ。
　請求項６に記載の熱センサと、
　前記熱センサが実装基板に実装された状態で、前記熱検知部電極により検出される電気量と前記温度補償部電極により検出される電気量とによって、被測定対象物に対する前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量を検出する手段と、
　前記温度補償部電極により検出される電気量で、前記実装基板の温度に関する量を検出し、前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量と前記実装基板の温度に関する量とによって、被測定対象物の温度を演算する演算手段と、を備えた非接触温度計装置。
　請求項６に記載の熱センサを用いた非接触温度測定方法であって、前記熱センサが実装基板に実装された状態で、前記熱検知部電極により検出される電気量と前記温度補償部電極により検出される電気量とによって、被測定対象物に対する前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量を検出し、
　前記温度補償部電極により検出される電気量で、前記実装基板の温度に関する量を検出し、前記熱検知部の受熱又は放熱に関する量と前記実装基板の温度に関する量とによって被測定対象物の温度を検知する、非接触温度測定方法。