WO2018173973A1 - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

熱バランスの収束を早め、熱応答性を向上させることができる赤外線センサを提供する。本発明に係る赤外線センサは、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の感熱素子５Ａ及び第２の感熱素子５Ｂと、絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第１の配線６Ａと、絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第２の配線６Ｂと、絶縁性フィルムの他方の面に設けられ第１の感熱素子に対向した受光領域と、絶縁性フィルムの他方の面に形成され受光領域を避けて少なくとも第２の感熱素子の直上を覆う赤外線反射膜８と、第１の感熱素子に接続され絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された伝熱膜７と、を備え、伝熱膜が、赤外線反射膜の一部に近接した熱結合部Ｃを有している。

Description

赤外線センサ

　本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適で応答性に優れた赤外線センサに関する。

　一般に、複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用されている定着ローラ等の測定対象物の温度を測定するために、測定対象物に対向配置させ、その輻射熱を受けて温度を測定する赤外線センサが設置されている。
　このような赤外線センサとしては、近年、柔軟性に優れると共に全体を薄くすることができる絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成したフィルム型赤外線センサが開発されている。

　例えば、特許文献１には、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、絶縁性フィルムの一方の面に形成され第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、第２の感熱素子に対向して絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えた赤外線センサが記載されている。

特開２０１３－１６０６３５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、上記従来の赤外線センサの場合、環境温度に変化が生じた場合、例えば周囲空気の対流の影響を受けて受光側及び補償側の一方で温度が変化した場合、温度が変化した一方で熱が配線膜を介して端子電極に逃げ易いため、受光側と補償側との熱バランスの収束が遅くなってしまい熱応答性が低下してしまう不都合があった。

　本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱バランスの収束を早め、熱応答性を向上させることができる赤外線センサ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の発明に係る赤外線センサは、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、前記第１の感熱素子に一端が接続され前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第１の配線と、前記第２の感熱素子に一端が接続され前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第２の配線と、前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の感熱素子に対向した受光領域と、前記絶縁性フィルムの他方の面に形成され前記受光領域を避けて少なくとも前記第２の感熱素子の直上を覆う赤外線反射膜と、前記第１の感熱素子に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された伝熱膜と、を備え、前記伝熱膜が、前記赤外線反射膜の一部に近接した熱結合部を有していることを特徴とする。

　この赤外線センサでは、伝熱膜が、赤外線反射膜の一部に近接した熱結合部を有しているので、熱結合部が赤外線反射膜の一部と熱結合することによって受光側と補償側との間で相互に環境温度の変化を効率的に伝えることができ、受光側と補償側との熱バランスの収束が早くなり、熱応答性が向上する。すなわち、絶縁性フィルムが薄いため、熱結合部を介して一方の面の熱が早く他方の面の赤外線反射膜に伝わり、特に赤外線反射膜が金属膜である場合、高い熱伝導性を有して受光側と補償側とで相互に熱を伝えて素早く熱バランスの収束を図ることができる。

　第２の発明に係る赤外線センサでは、第１の発明において、前記熱結合部が、前記赤外線反射膜の一部に対向して形成されていることを特徴とする。
　すなわち、この赤外線センサでは、熱結合部が、赤外線反射膜の一部に対向して形成されているので、熱結合部が薄い絶縁性フィルムを介して赤外線反射膜の一部に最も近接し、高い熱結合性を得ることができる。

　第３の発明に係る赤外線センサでは、第１又は第２の発明において、前記熱結合部が、前記第２の感熱素子の近傍に配された補償側近傍結合部を有していることを特徴とする。
　すなわち、この赤外線センサでは、熱結合部が、第２の感熱素子の近傍に配された補償側近傍結合部を有しているので、補償側近傍結合部が第２の感熱素子に近いことで、応答性がより高くなる。

　第４の発明に係る赤外線センサでは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記赤外線反射膜が、前記絶縁性フィルムの外縁の近傍領域にまで延在し、前記熱結合部が、前記近傍領域の前記赤外線反射膜の一部に近接した外縁近傍結合部を有していることを特徴とする。
　すなわち、この赤外線センサでは、熱結合部が、前記近傍領域の赤外線反射膜の一部に近接した外縁近傍結合部を有しているので、外縁近傍結合部によって絶縁性フィルム外縁の近傍領域からも熱を伝えることができる。

　第５の発明に係る赤外線センサでは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記赤外線反射膜が、前記受光領域の周囲も覆って形成されていることを特徴とする。
　すなわち、この赤外線センサでは、赤外線反射膜が、受光領域の周囲も覆って形成されているので、熱結合部を介して伝わった環境温度の変化が受光領域の周囲全体にも伝わり、さらに熱バランスの収束を早くすることが可能になる。したがって、第１の感熱素子側と第２の感熱素子側との間の空気対流による温度勾配が小さくなり、２つの感熱素子の応答速度を同等にすることが可能になる。
　例えば、第２の感熱素子に対向する領域のみに赤外線反射膜が形成されている場合、周囲空気の対流により第２の感熱素子側から空気が流れてきたとき、第２の感熱素子の上方の赤外線反射膜が冷えて絶縁性フィルムの温度が局所的に変化してしまう。これに対し、本発明の赤外線センサでは、赤外線反射膜が第１の感熱素子に対向する受光領域の周囲も覆って形成されているため、空気の流れによって第２の感熱素子側の領域が冷えても赤外線反射膜の熱伝導性によって受光領域の周囲の温度も下がり、全体的に温度の差分が生じ難くなって、周囲空気の対流による影響を受け難くなる。なお、第１の感熱素子の上方の受光領域は赤外線反射膜で覆わないため、測定対象物からの赤外線の受光を妨げない。

　本発明によれば、以下の効果を奏する。
　すなわち、本発明に係る赤外線センサによれば、伝熱膜が、赤外線反射膜の一部に近接した熱結合部を有しているので、熱結合部を介して受光側と補償側との相互で環境温度の変化を効率的に伝えることができ、受光側と補償側との熱バランスの収束が早くなり、熱応答性が向上する。
　したがって、本発明の赤外線センサによれば、熱応答性が高く、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度測定用として好適である。

本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を示す平面図である。 第１実施形態において、赤外線センサを示す平面図（ａ）及び裏面図（ｂ）である。 本発明に係る赤外線センサの第２実施形態において、感熱素子を外した状態の平面図である。 本発明に係る赤外線センサの第３実施形態において、感熱素子を外した状態の平面図である。

　以下、本発明に係る赤外線センサにおける第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。

　本実施形態の赤外線センサ１は、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の一方の面（表面）にパターン形成された一対の第１の端子電極４Ａ及び一対の第２の端子電極４Ｂと、絶縁性フィルム２の一方の面に設けられた第１の感熱素子５Ａ及び第２の感熱素子５Ｂと、第１の感熱素子５Ａに一端が接続されていると共に一対の第１の端子電極４Ａに他端が接続され絶縁性フィルム２の一方の面にパターン形成された一対の第１の配線６Ａと、第２の感熱素子５Ｂに一端が接続されていると共に一対の第２の端子電極４Ｂに他端が接続され絶縁性フィルム２の一方の面にパターン形成された一対の第２の配線６Ｂと、絶縁性フィルム２の他方の面（受光側の面、裏面）に設けられ第１の感熱素子５Ａに対向した受光領域Ｄと、絶縁性フィルム２の他方の面に形成され受光領域Ｄを避けて少なくとも第２の感熱素子５Ｂの直上を覆う赤外線反射膜８と、を備えている。

　また、本実施形態の赤外線センサ１は、第１の配線６Ａとは別に一対の第１の接着電極３Ａに接続され絶縁性フィルム２の一方の面に絶縁性フィルム２よりも熱伝導率が高い薄膜で第１の接着電極３Ａの近傍にパターン形成された一対の伝熱膜７を備えている。

　上記伝熱膜７は、赤外線反射膜８の一部に近接した熱結合部Ｃを有している。
　上記一対の第１の配線６Ａは、一端に第１の感熱素子５Ａに接続された一対の第１の接着電極３Ａを有している。また、上記一対の第２の配線６Ｂは、一端に第２の感熱素子５Ｂに接続された一対の第２の接着電極３Ｂを有している。
　上記熱結合部Ｃは、第１の配線６Ａの一部と熱結合させるための部分であり、第２の感熱素子５Ｂの近傍まで延在して第２の感熱素子５Ｂの近傍に配された補償側近傍結合部Ｃ１を有している。
　上記赤外線反射膜８は、受光領域Ｄの周囲も覆って形成されている。

　一対の上記第１の配線６Ａは、一対の第１の接着電極３Ａから第２の感熱素子５Ｂ側と逆方向に延在し、そして複数回折り返して蛇行した部分６ａを介してそれぞれ対応する第１の端子電極４Ａに達している。このように第１の配線６Ａが蛇行した部分６ａを有しているので、第１の端子電極４Ａまでの熱抵抗を大きくすることが可能になる。
　なお、第２の配線６Ｂは、第１の配線６Ａに比べて短い距離で延在し、第２の端子電極４Ｂに達している。

　上記第１の配線６Ａと伝熱膜７とは、互いに直接的には接触しておらず、第１の接着電極３Ａを介して間接的に接続されている。
　上記伝熱膜７は、第１の配線６Ａよりも広い面積で形成されている。
　一対の伝熱膜７は、それぞれ第２の感熱素子５Ｂ側に延びており、第２の感熱素子５Ｂ側の端部が赤外線反射膜８の近傍まで達した補償側近傍結合部Ｃ１となっている。

　なお、補償側近傍結合部Ｃ１の熱抵抗が、第１の配線６Ａのうち絶縁性フィルム２の検出側端部に配された部分、すなわち蛇行した部分６ａから第１の端子電極４Ａまでの延在部分６ｂの熱抵抗よりも非常に大きいと、延在部分６ｂから第１の端子電極４Ａへの熱の流れが支配的になってしまうのに対し、補償側近傍結合部Ｃ１の熱抵抗が、延在部分６ｂの熱抵抗の２倍より小さいか同程度であると、補償側近傍結合部Ｃ１から赤外線反射膜８への良好な熱の流れが得られ、熱バランスの高速安定化を図ることができる。したがって、補償側近傍結合部Ｃ１と赤外線反射膜８との良好な熱結合を得るために、「補償側近傍結合部Ｃ１の熱抵抗≦延在部分６ｂの熱抵抗×２」となるように設定することが望ましい。例えば、本実施形態では、上記各部の熱伝導率、厚さ、幅及び長さから算出した熱抵抗（＝伝熱経路の伝熱距離／（断面積×熱伝導率））の比として、延在部分６ｂが１であるのに対して補償側近傍結合部Ｃ１が約１（同程度）に設定されている。

　また、伝熱膜７の第１の接着電極３Ａへの接続部と、第１の配線６Ａの第１の接着電極３Ａへの接続部とは、別々に設定されている。
　上記第１の接着電極３Ａ及び第２の接着電極３Ｂには、それぞれ対応する第１の感熱素子５Ａ及び第２の感熱素子５Ｂの端子電極が半田等の導電性接着剤で接着されている。

　正方形状とされた第１の接着電極３Ａの４辺のうち、２辺にくびれ部７ａを介して部分的に伝熱膜７が接続されている。
　なお、第１の端子電極４Ａへの伝熱膜７の接続部分にくびれ部７ａを形成しているので、くびれ部７ａがサーマルランドとして機能し、ハンダ時に熱が必要以上に周囲に逃げてハンダが溶け難くなってハンダ不良となることを抑制することができる。

　本実施形態では、赤外線の受光面直下に配された第１の感熱素子５Ａが赤外線の検出用素子とされ、赤外線反射膜８直下に配された第２の感熱素子５Ｂが補償用素子とされている。
　なお、図１において、裏面側の赤外線反射膜８を破線で図示している。また、図２の（ａ）（ｂ）において、各端子電極、各配線、伝熱膜７及び赤外線反射膜８をハッチングで図示している。

　上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで略長方形状に形成され、赤外線反射膜８、各配線、各端子電極、各接着電極及び伝熱膜７が銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性フィルム２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線反射膜８、各配線、各端子電極、各接着電極及び伝熱膜７が銅箔でパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。
　上記一対の第１の端子電極４Ａ及び一対の第２の端子電極４Ｂは、絶縁性フィルム２の角部近傍に配設されている。

　上記赤外線反射膜８は、上述した銅箔と、該銅箔上に積層された金メッキ膜とで構成されている。
　この赤外線反射膜８は、絶縁性フィルム２よりも高い赤外線反射率を有する材料で形成され、上述したように、銅箔上に金メッキ膜が施されて形成されている。なお、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成しても構わない。

　上記第１の感熱素子５Ａ及び第２の感熱素子５Ｂは、両端部に端子電極（図示略）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、第１の感熱素子５Ａ及び第２の感熱素子５Ｂ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。

　このように本実施形態の赤外線センサ１では、伝熱膜７が、赤外線反射膜８の一部に近接した熱結合部Ｃを有しているので、熱結合部Ｃが赤外線反射膜８の一部と熱結合することによって受光側と補償側との間で相互に環境温度の変化を効率的に伝えることができ、受光側と補償側との熱バランスの収束が早くなり、熱応答性が向上する。すなわち、絶縁性フィルム２が薄いため、熱結合部Ｃを介して一方の面の熱が早く他方の面の赤外線反射膜８に伝わり、特に赤外線反射膜８が金属膜である場合、高い熱伝導性を有して受光側と補償側とで相互に熱を伝えて素早く熱バランスの収束を図ることができる。

　また、熱結合部Ｃが、第２の感熱素子５Ｂの近傍に配された補償側近傍結合部Ｃ１を有しているので、補償側近傍結合部Ｃ１が第２の感熱素子５Ｂに近いことで、応答性がより高くなる。
　さらに、赤外線反射膜８が、受光領域Ｄの周囲も覆って形成されているので、熱結合部Ｃを介して伝わった環境温度の変化が受光領域Ｄの周囲全体にも伝わり、さらに熱バランスの収束を早くすることが可能になる。したがって、第１の感熱素子５Ａ側と第２の感熱素子５Ｂ側との間の空気対流による温度勾配が小さくなり、２つの感熱素子の応答速度を同等にすることが可能になる。

　次に、本発明に係る赤外線センサの第２及び第３実施形態について、図３及び図４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。また、図３及び図４では、絶縁性フィルム２の他方の面に形成した赤外線反射膜８を破線で示している。

　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、熱結合部Ｃの補償側近傍結合部Ｃ１が赤外線反射膜８の近傍にあるが、平面方向に僅かに離れているのに対し、第２実施形態の赤外線センサ２１では、図３に示すように、熱結合部Ｃの補償側近傍結合部Ｃ２が、赤外線反射膜８の一部に対向して形成されている点である。
　すなわち、第２実施形態では、伝熱膜２７が、第１実施形態よりも第２の感熱素子５Ｂ側に延びており、その第２の感熱素子５Ｂ側の端部が赤外線反射膜８の直下まで達して補償側近傍結合部Ｃ２となっている。

　このように第２実施形態の赤外線センサ２１では、熱結合部Ｃの補償側近傍結合部Ｃ２が、赤外線反射膜８の一部に対向して形成されているので、補償側近傍結合部Ｃ２が薄い絶縁性フィルム２を介して赤外線反射膜８の一部に最も近接し、高い熱結合性を得ることができる。

　次に、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、熱結合部Ｃが、一対の補償側近傍結合部Ｃ１だけであるのに対し、第３実施形態の赤外線センサ３１では、図４に示すように、熱結合部Ｃが、一対の補償側近傍結合部Ｃ１だけでなく、絶縁性フィルム２の外縁の近傍領域に配された赤外線反射膜８の一部に近接した一対の外縁近傍結合部Ｃ３も有している点である。

　すなわち、第３実施形態では、受光領域Ｄを囲んで帯状に延在した赤外線反射膜８のうち絶縁性フィルム２の一対の長辺の近傍まで伝熱膜３７の一部が延びており、その端部が外縁近傍結合部Ｃ３となっている。
　このように第３実施形態の赤外線センサ３１では、熱結合部Ｃが、前記近傍領域の赤外線反射膜８の一部に近接した外縁近傍結合部Ｃ３を有しているので、外縁近傍結合部Ｃ３によって絶縁性フィルム２外縁の近傍領域からも熱を伝えることができる。

　また、熱結合部Ｃが、一対の補償側近傍結合部Ｃ１と一対の外縁近傍結合部Ｃ３とを有していることで、第１実施形態よりも多くの箇所で熱結合を図ることができる。
　なお、補償側近傍結合部Ｃ１及び外縁近傍結合部Ｃ３を、第２実施形態のように、さらに延ばして赤外線反射膜８の一部に対向して形成しても構わない。

　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、第１の感熱素子が赤外線を直接吸収した絶縁性フィルムから伝導される熱を検出しているが、第１の感熱素子の直上であって絶縁性フィルムの一方の面上に絶縁性フィルムよりも赤外線吸収性が高い赤外線吸収膜を形成しても構わない。この場合、さらに第１の感熱素子における赤外線吸収効果が向上して、第１の感熱素子と第２の感熱素子とのより良好な温度差分を得ることができる。すなわち、この赤外線吸収膜によって測定対象物からの輻射による赤外線を吸収するようにし、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜から絶縁性フィルムを介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子の温度が変化するようにしてもよい。

　１，２１，３１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…第１の接着電極、３Ｂ…第２の接着電極、４Ａ…第１の端子電極、４Ｂ…第２の端子電極、５Ａ…第１の感熱素子、５Ｂ…第２の感熱素子、６Ａ…第１の配線、６Ｂ…第２の配線、７，２７，３７…伝熱膜、８…赤外線反射膜、Ｃ…熱結合部、Ｃ１，Ｃ２…補償側近傍結合部、Ｃ３…外縁近傍結合部、Ｄ…受光領域

 

Claims (5)

1. 　絶縁性フィルムと、
   　前記絶縁性フィルムの一方の面に設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、
   　前記第１の感熱素子に一端が接続され前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第１の配線と、
   　前記第２の感熱素子に一端が接続され前記絶縁性フィルムの一方の面に形成された一対の第２の配線と、
   　前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられ前記第１の感熱素子に対向した受光領域と、
   　前記絶縁性フィルムの他方の面に形成され前記受光領域を避けて少なくとも前記第２の感熱素子の直上を覆う赤外線反射膜と、
   　前記第１の感熱素子に接続され前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された伝熱膜と、を備え、
   　前記伝熱膜が、前記赤外線反射膜の一部に近接した熱結合部を有していることを特徴とする赤外線センサ。
2. 　請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   　前記熱結合部が、前記赤外線反射膜の一部に対向して形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 　請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   　前記熱結合部が、前記第２の感熱素子の近傍に配された補償側近傍結合部を有していることを特徴とする赤外線センサ。
4. 　請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   　前記赤外線反射膜が、前記絶縁性フィルムの外縁の近傍領域にまで延在し、
   　前記熱結合部が、前記近傍領域の前記赤外線反射膜の一部に近接した外縁近傍結合部を有していることを特徴とする赤外線センサ。
5. 　請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   　前記赤外線反射膜が、前記受光領域の周囲も覆って形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
   
    

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