WO2020084811A1 - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

導光路部材内の検出用感熱素子と補償用感熱素子との温度差をつき易くして、感度を向上させることが可能な赤外線センサを提供する。本発明に係る赤外線センサは、実装基板２１と、実装基板に設けられた赤外線センサ本体１と、実装基板上に設置され赤外線センサ本体の上方に開口部２２ｂを有した導光路部材２２とを備え、赤外線センサ本体が、絶縁性基板と、絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子及び補償用感熱素子と、絶縁性基板の上面に設けられた赤外線遮蔽部５と、絶縁性基板上の赤外線の受光領域６とを備え、導光路部材が、長方形状の開口部を有した角筒状であり、受光領域が導光路部材の中央に配されていると共に、赤外線遮蔽部が開口部の長辺方向で一方の側に配され、実装基板の上面が、導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出している。

Description

赤外線センサ

　本発明は、測定対象物からの赤外線を検出して該測定対象物の温度を測定する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。
　例えば、特許文献１には、導光部を有した保持体に設置された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムに設けられ導光部を介して赤外線を検出する赤外線検出用感熱素子と、樹脂フィルムに遮光状態に設けられ保持体の温度を検出する温度補償用感熱素子とを備えた赤外線温度センサが提案されている。

　また、特許文献２には、赤外線センサ素子と、開口部を有し、かつ、赤外線センサ素子の視野の一部を覆う視野制御部とを備えた赤外線センサ装置が提案されている。
　これらの赤外線センサでは、外部からの輻射熱の入射を一定の視野角で制限するため、導光部や視野制御部として導光路部材が設置されている。
　また、特許文献３には、検出用及び補償用の感熱素子を有したセンサ本体が角筒状の導光路部材内に設置された赤外線センサが記載されている。

特開２００２－１５６２８４号公報 特開２０１４－８１２０４号公報 特開２０１７－１８１０３１号公報

　上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
　特許文献３の赤外線センサでは、検出用感熱素子と補償用感熱素子とを有したセンサ本体が導光路部材内に設置されているが、導光路部材内に配された検出用感熱素子と補償用感熱素子との温度差がつき難く、感度をさらに向上させることが難しいという不都合があった。

　本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、導光路部材内の検出用感熱素子と補償用感熱素子との温度差をつき易くして、感度を向上させることが可能な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、赤外線の受光側に上面が配される実装基板と、前記実装基板の上面に設けられた赤外線センサ本体と、前記実装基板の上面に設置され前記赤外線センサ本体の上方に開口部を有して前記赤外線センサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材とを備え、前記赤外線センサ本体が、絶縁性基板と、前記絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子及び補償用感熱素子と、前記絶縁性基板の上面又は直上に設けられた赤外線遮蔽部と、前記絶縁性基板の上面で前記赤外線遮蔽部によって赤外線の入射が遮られていない赤外線の受光領域とを備え、前記検出用感熱素子が前記受光領域又はその直下に配されていると共に、前記補償用感熱素子が前記赤外線遮蔽部の直下に配され、前記導光路部材が、長方形状の前記開口部を有した角筒状であり、前記受光領域が前記導光路部材の中央に配されていると共に、前記赤外線遮蔽部が前記開口部の長辺方向で一方の側に配され、前記実装基板の上面が、前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出していることを特徴とする。

　この赤外線センサでは、受光領域が導光路部材の中央に配されていると共に、赤外線遮蔽部が開口部の長辺方向で一方の側に配され、実装基板の上面が、導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出しているので、導光路部材内の検出用感熱素子と補償用感熱素子との温度差がつき易くなる。すなわち、導光路部材内の開口部の長辺方向で一方の側は赤外線遮蔽部で実装基板の上面の多くの部分が覆われて赤外線を吸収せずに温度が低くなるが、導光路部材内の受光領域及びその他方の側（赤外線遮蔽部の反対側）では受光領域と共に実装基板の上面が広く露出して赤外線を多く吸収するために温度が高くなる。したがって、赤外線遮蔽部側（補償側）と受光領域側（検出側）との温度差が付き易くなって感度を向上させることができる。

　第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、前記実装基板が、上面に複数の基板側配線を備え、前記基板側配線が、前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に長く前記実装基板の上面に配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、基板側配線が、導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に長く実装基板の上面に配されているので、開口部の長辺方向で一方の側で長く延在した基板側配線が他方の側よりも多く赤外線を吸収することで、開口部の長辺方向で一方の側に露出する実装基板の上面がさらに暖められて補償側と検出側との温度差をよりつけ易くなる。

　第３の発明に係る赤外線センサは、第１又は第２の発明において、前記赤外線センサ本体が、ベース部材を介して前記実装基板上に実装され、前記ベース部材が、前記絶縁性基板よりも広い上面を有していると共に前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側に寄って実装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、ベース部材が、絶縁性基板よりも広い上面を有していると共に導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側に寄って実装されているので、ベース部材により導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側に露出している実装基板がより少なくなり、さらに温度差がつき易くなる。

　本発明によれば、以下の効果を奏する。
　すなわち、本発明に係る赤外線センサによれば、受光領域が導光路部材の中央に配されていると共に、赤外線遮蔽部が開口部の長辺方向で一方の側に配され、実装基板の上面が、導光路部材内において開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出しているので、導光路部材内の検出用感熱素子と補償用感熱素子との温度差がつき易くなる。すなわち、導光路部材内の開口部の長辺方向で一方の側は温度が低くなるが、導光路部材内の受光領域及びその他方の側では赤外線を多く吸収するために温度が高くなる。
　したがって、本発明の赤外線センサでは、導光路部材内において赤外線遮蔽部側（補償側）と受光領域側（検出側）との温度差が付き易くなって感度を向上させることができる。

本発明に係る赤外線センサの一実施形態を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 本実施形態において、赤外線センサを示す要部の拡大平面図である。 本実施形態において、ベース部材に搭載された赤外線センサ本体を示す平面図である。 図４のＢ－Ｂ線断面図である。 本実施形態において、赤外線センサ本体を示す平面図である。 本実施形態において、ベース部材を示す平面図である。

　以下、本発明に係る赤外線センサの一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
　本実施形態の赤外線センサ１０は、図１から図３に示すように、実装基板２１と、実装基板２１の上面にベース部材１１を介して設けられた赤外線センサ本体１と、実装基板２１の上面に設置され赤外線センサ本体１の上方に開口部２２ｂを有して赤外線センサ本体１の周囲を覆う筒状の導光路部材２２とを備えている。

　上記赤外線センサ本体１は、図４及び図６に示すように、絶縁性基板２と、絶縁性基板２に設けられた検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂと、絶縁性基板２に設けられ検出用感熱素子３Ａに接続された一対の検出側配線４Ａ及び補償用感熱素子３Ｂに接続された一対の補償側配線４Ｂと、絶縁性基板２の上面に設けられた赤外線遮蔽部５と、絶縁性基板２の上面で赤外線遮蔽部５によって赤外線の入射が遮られていない赤外線の受光領域６とを備えている。

　上記検出用感熱素子３Ａは受光領域６の直下に配されていると共に、補償用感熱素子３Ｂは赤外線遮蔽部５の直下に配されている。本実施形態では、絶縁性基板２の下面に検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂが実装されている。
　上記導光路部材２２は、長方形状の開口部２２ｂを有した角筒状である。
　上記受光領域６は、開口部２２ｂの長辺方向において導光路部材２２の中央に配されていると共に開口部２２ｂの短辺方向に長辺を有する略長方形状とされている。
　なお、図３に示すように、矢印ｘの方向が開口部２２ｂの長辺方向であり、矢印ｙの方向が開口部２２ｂの短辺方向である。

　上記赤外線遮蔽部５は、補償用感熱素子３Ｂを直下に配した主遮蔽部５ａと、絶縁性基板２の外縁に沿って延在し受光領域６を囲んで形成された外周遮蔽部５ｂとを有している。
　上記主遮蔽部５ａは、開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に配され、実装基板２１の上面が、導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出している。なお、開口部２２ｂの長辺方向で一方の側は、図２において開口部２２ｂ内の右側の部分（符号Ｒの部分）であり、開口部２２ｂの長辺方向で他方の側は、図２において開口部２２ｂ内の左側の部分（符号Ｌの部分）である。

　上記検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂには、その一端部にそれぞれ絶縁性基板２に形成された一対の接着電極４ａが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性基板２に形成された端子電極４ｃが接続されている。また、検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂは、接着電極４ａと端子電極４ｃとを接続して延在する接続配線部４ｂをそれぞれ有している。
　二対の端子電極４ｃは、絶縁性基板２の四隅近傍に配されている。
　なお、上記接着電極４ａには、それぞれ対応する検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂの端子部が半田等の導電性接着材で接着されている。

　上記絶縁性基板２は、ポリイミド樹脂シート等の絶縁性フィルムで略長方形状又は略正方形状に形成され、赤外線遮蔽部５，検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂが銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性基板２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線遮蔽部５，検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂとされる銅箔が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。

　上記赤外線遮蔽部５は、絶縁性基板２よりも高い赤外線反射率を有する材料で形成された赤外線反射膜であり、本実施形態では銅箔上に金メッキ膜が施されてパターン形成されている。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。
　なお、図１及び図３において赤外線遮蔽部５には、ハッチングを施している。

　上記検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂは、両端部に端子部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、検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂ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。

　上記実装基板２１は、端子部材１３及び検出側配線４Ａを介して検出用感熱素子３Ａ又は補償用感熱素子３Ｂに接続される複数の基板側配線２３を上面に有している。
　上記基板側配線２３は、導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側（図１の右側）よりも他方の側（図１の左側）に長く実装基板２１の上面に配されている。
　基板側配線２３の端部には、外部配線との接続用にパッド部２３ａが形成されている。
　実装基板２１には、導光路部材２２取り付け用に複数の貫通孔２１ａが形成されている。
　この実装基板２１は、例えばプリント基板（ＰＣＢ）であり、長方形状に形成されている。

　上記導光路部材２２は、下部に複数の貫通孔２１ａに挿通された複数の固定用爪部２２ａを有し、固定用爪部２２ａの実装基板２１の下面から突出した部分が折り曲げられている。
　なお、本実施形態では、導光路部材２２の両側面の下部に固定用爪部２２ａが形成されていると共に、実装基板２１には、２つの固定用爪部２２ａに対応した２つの貫通孔２１ａが形成されている。

　導光路部材２２は、角筒状であり、固定用爪部２２ａと共に金属または樹脂で一体成形されている。導光路部材２２を構成する材質としては、例えば金属の場合、ステンレス等の金属薄板などが採用され、樹脂の場合、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、塩化ビニルなどが採用される。

　本実施形態の赤外線センサ１０は、図８に示すように、一定の幅で一定の方向に長い測定対象物Ｍに対向配置されている。
　導光路部材２２の開口部２２ｂは、その長辺方向を測定対象物Ｍの長さ方向に沿って配される。
　なお、本実施形態の測定対象物Ｍは、画像形成装置に使用される定着ローラである。

　上記ベース部材１１は、図７に示すように、平面視で略長方形状又は略正方形状とされ、実装基板２１上に実装されていると共に、赤外線センサ本体１を上部に搭載している。
　このベース部材１１は、絶縁性基板２よりも広い上面を有していると共に導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に寄って実装されている。すなわち、ベース部材１１も、絶縁性基板２と同様に、導光路部材２２の中心から開口部２２ｂの長辺方向で一方の側（補償側）に偏って配置されている。

　ベース部材１１は、図４，図５及び図７に示すように、樹脂等で成形された絶縁性のベース本体１２と、ベース本体１２に取り付けられ上端部が端子電極４ｃにはんだ等の導電性接着材で接続されると共に下面が実装基板２１の検出側配線４Ａ又は補償側配線４Ｂにはんだ等の導電性接着材で接続される導電性の複数の端子部材１３とを備えている。

　上記端子部材１３は、ベース本体１２より熱伝導性の高い金属等の材料で形成されていると共に、側方に突出した端子ピン部１３ａを有している。
　上記ベース本体１２は、側部に形成され端子ピン部１３ａが差し込み固定される端子部材用穴部１２ａと、上部に形成され感熱素子３Ａ，３Ｂの直下に配された素子収納用穴部１２ｃと、横方向に貫通し、検出用感熱素子３Ａの直下の空間と補償用感熱素子３Ｂの直下の空間とに連通している溝部１２ｄとを有している。
　また、ベース部材１１は、上部に検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの間に溝部１２ｄよりも深く形成された中間穴部１２ｅを有している。
　長く突出した端子ピン部１３ａは、長孔形状の端子部材用穴部１２ａに差し込まれて嵌め込まれることで固定される。

　本実施形態では、ベース本体１２が平面視で略長方形状又は略正方形状に形成された薄板状のブロック形状であり、４つの端子部材１３が４つの角部の近傍に嵌め込まれ、対向する両側にそれぞれ２つずつ端子部材１３が配されている。すなわち、ベース本体１２の両側にそれぞれ赤外線センサ本体１を支持する部分が２つずつ互いに間隔を空けて設けられ、全部で４箇所で赤外線センサ本体１が支持、固定される。

　なお、赤外線センサ本体１は、ベース本体１２との間に隙間を設けて支持されている。すなわち、上記端子部材１３は、その上部がベース本体１２の上面から一定量だけ突出しており、上端部にはんだ付け等の導電性接着材で接続された赤外線センサ本体１をベース本体１２から浮かせた状態で支持している。

　端子部材１３は、端子ピン部１３ａの下に該端子ピン部１３ａの突出方向と逆に延在した端子スリット部１３ｂを有し、ベース本体１２は、端子スリット部１３ｂに差し込まれる端子用差し込み部１２ｂを有している。
　端子部材１３の上端部及び下端部は、はんだ付け用に平坦部とされている。
　なお、上記端子部材１３は、金属板から型抜き加工、エッチング加工又はレーザ加工によって形成された板状である。

　このように本実施形態の赤外線センサ１０では、受光領域６が導光路部材２２の中央に配されていると共に、赤外線遮蔽部５の主遮蔽部５ａが開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に配され、実装基板２１の上面が、導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出しているので、導光路部材２２内の検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの温度差がつき易くなる。

　すなわち、導光路部材２２内の主遮蔽部５ａ側（開口部２２ｂの長辺方向で一方の側）は主遮蔽部５ａで実装基板２１の上面の多くの部分が覆われて赤外線を吸収せずに温度が低くなるが、導光路部材２２内の受光領域６及びその他方の側（主遮蔽部の反対側）では受光領域６と共に実装基板２１の上面が広く露出して赤外線を多く吸収するために温度が高くなる。したがって、主遮蔽部５ａ側（補償側）と受光領域６側（検出側）との温度差が付き易くなって感度を向上させることができる。

　また、基板側配線２３が、導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側よりも他方の側に長く実装基板２１の上面に配されているので、開口部２２ｂの長辺方向で一方の側で長く延在した基板側配線２３が他方の側よりも多く赤外線を吸収することで、開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に露出する実装基板２１の上面がさらに暖められて補償側と検出側との温度差をよりつけ易くなる。
　さらに、ベース部材１１が、絶縁性基板２よりも広い上面を有していると共に導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に寄って実装されているので、ベース部材１１により導光路部材２２内において開口部２２ｂの長辺方向で一方の側に露出している実装基板２１がより少なくなり、さらに温度差がつき易くなる。

　なお、本発明の技術範囲は上記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、上記実施形態では、チップサーミスタの感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子を採用しても構わない。
　なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。
　また、上記実施形態では、絶縁性基板の上面に銅箔等で赤外線遮蔽部が設けられているが、絶縁性基板の上又は直上に板部材等で赤外線遮蔽部を設けても構わない。
　また、上記実施形態では、検出用感熱素子が受光領域の直下、すなわち絶縁性基板の下面に配されているが、受光領域上に配されていても構わない。すなわち、絶縁性基板の上面の受光領域に検出用感熱素子を直接実装しても構わない。

　１…赤外線センサ本体、２…絶縁性基板、３Ａ…検出用感熱素子、３Ｂ…補償用感熱素子、４Ａ…検出側配線、４Ｂ…補償側配線、５…赤外線遮蔽部、５ａ…主遮蔽部、６…受光領域、１０…赤外線センサ、１１…ベース部材、２１…実装基板、２２…導光路部材、２３…基板側配線、Ｍ…測定対象物

 

Claims (3)

1. 　赤外線の受光側に上面が配される実装基板と、
   　前記実装基板の上面に設けられた赤外線センサ本体と、
   　前記実装基板の上面に設置され前記赤外線センサ本体の上方に開口部を有して前記赤外線センサ本体の周囲を覆う筒状の導光路部材とを備え、
   　前記赤外線センサ本体が、絶縁性基板と、前記絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子及び補償用感熱素子と、前記絶縁性基板の上面又は直上に設けられた赤外線遮蔽部と、前記絶縁性基板の上面で前記赤外線遮蔽部によって赤外線の入射が遮られていない赤外線の受光領域とを備え、
   　前記検出用感熱素子が前記受光領域又はその直下に配されていると共に、前記補償用感熱素子が前記赤外線遮蔽部の直下に配され、
   　前記導光路部材が、長方形状の前記開口部を有した角筒状であり、
   　前記受光領域が前記導光路部材の中央に配されていると共に、前記赤外線遮蔽部が前記開口部の長辺方向で一方の側に配され、
   　前記実装基板の上面が、前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に広く露出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、
   　前記実装基板が、上面に複数の基板側配線を備え、
   　前記基板側配線が、前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側よりも他方の側に長く前記実装基板の上面に配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、
   　前記赤外線センサ本体が、ベース部材を介して前記実装基板上に実装され、
   　前記ベース部材が、前記絶縁性基板よりも広い上面を有していると共に前記導光路部材内において前記開口部の長辺方向で一方の側に寄って実装されていることを特徴とする赤外線センサ。
   
    

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