JP6743741B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

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、従来の赤外線センサでは、赤外線反射膜が補償側の感熱素子に対向して形成されているが、補償側の面全体に拡がっており、補償側の感熱素子に接続されている配線膜にも対向しているため、検知側から補償側に伝導した熱が赤外線反射膜から補償側の配線膜に伝わり、補償側の配線膜に接続された端子電極から外部に逃げてしまう不都合があった。特に、配線膜の配線長さや配線幅のばらつきは、受光側と補償側との温度差に対する一つの影響因子であり、赤外線反射膜から補償側の配線膜及び端子電極に逃げる熱の影響も前記ばらつきによって変化してしまうことで、検出温度に誤差が生じてしまうおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、赤外線反射膜から補償側の配線への熱の逃げを抑制し、高精度化を図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パターン形成された一対の第１の端子電極及び一対の第２の端子電極と、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ていると共に一対の前記第１の端子電極に他端が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一対の第１のパターン配線と、前記第２の感熱素子に一端が接続されていると共に一対の前記第２の端子電極に他端が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一対の第２のパターン配線と、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の感熱素子に対向する領域を覆う赤外線反射膜とを備え、前記赤外線反射膜が、一対の前記第２のパターン配線に対向する領域を避けて前記第２の感熱素子に対向する領域の周囲に拡がっていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、赤外線反射膜が、一対の第２のパターン配線に対向する領域を避けて第２の感熱素子に対向する領域の周囲に拡がっているので、補償側である第２のパターン配線に対向した部分には赤外線反射膜が形成されておらず、赤外線反射膜から第２のパターン配線に熱が逃げることを抑制することができる。また、第２のパターン配線に対向した部分に赤外線反射膜が形成されていないことで、配線長さや配線幅の変化に起因した影響が第１のパターン配線と第２のパターン配線とで相殺され、全体として影響を抑制し、高精度な検出が可能になる。

第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、前記赤外線反射膜が、一対の前記第２の端子電極に対向する領域を避けて一対の前記第２の端子電極間の領域に対向する領域まで拡がっ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、一対の第２の端子電極に対向する領域を避けて一対の第２の端子電極間の領域に対向する領域まで拡がっているので、赤外線反射膜から補償側である第２の端子電極にも熱が逃げることを抑制することができる。また、赤外線反射膜が、一対の第２の端子電極間の領域に対向する領域まで拡がっていることで、補償側の広い範囲で赤外線を反射することができる。

第３の発明に係る赤外線センサは、第１又は第２に記載の赤外線センサにおいて、前記赤外線反射膜が、前記第１のパターン配線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。
すなわち、この赤外線センサでは、赤外線反射膜が、第１のパターン配線の一部に近接した熱結合部を有しているので、熱結合部が第１のパターン配線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。なお、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。また、熱結合部を介して赤外線反射膜に伝わった熱が、補償側の第２のパターン配線に逃げ難いため、より素早い熱バランスの収束が可能になる。

第４の発明に係る赤外線センサは、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。特に、補償側の第２のパターン配線に赤外線反射膜から熱が逃げ難いため、赤外線反射膜の熱が受光領域の周囲全体により伝わりやすくなる。

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、赤外線反射膜が、一対の第２のパターン配線に対向する領域を避けて第２の感熱素子に対向する領域の周囲に拡がっているので、赤外線反射膜から第２のパターン配線に熱が逃げることを抑制することができる。したがって、本発明の赤外線センサでは、配線長さや配線幅の変化に起因した影響も抑制でき、高精度な検出が可能になって、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、感熱素子を外した状態の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実施形態を示す平面図である。 第２実施形態において、感熱素子を外した状態の赤外線センサを示す平面図（ａ）及び裏面図（ｂ）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のパターン配線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のパターン配線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に対向する領域を覆う赤外線反射膜８とを備えている。

上記赤外線反射膜８は、一対の第２のパターン配線６Ｂに対向する領域（一対の第２のパターン配線６Ｂの直下）を避けて第２の感熱素子５Ｂに対向する領域の周囲に拡がっている。
また、赤外線反射膜８は、一対の第２の端子電極４Ｂに対向する領域（一対の第２の端子電極４Ｂの直下）を避けて一対の第２の端子電極４Ｂ間の領域に対向する領域まで拡がっている。

上記一対の第２のパターン配線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と、一端が一対の第２の接着電極３Ｂに接続され互いに平行に延在している一対の第１延在部６ａと、一対の第１延在部６ａの他端から絶縁性フィルム２の短辺に沿って一対の第２の端子電極４Ｂまで延在した第２延在部６ｂとを有している。

すなわち、赤外線反射膜８は、互いに平行な一対の第１延在部６ａ間の領域直下に延在した配線間延在部８ａと、一対の第２の端子電極４Ｂと一対の第１延在部６ａとの間に拡がって突出した一対の端子側突出部８ｂとを有している。これら端子側突出部８ｂは、一対の第２の端子電極４Ｂ間の領域に対向する領域まで拡がって突出している。そして、一対の第２のパターン配線６Ｂに対向した領域にある配線間延在部８ａと一対の端子側突出部８ｂとの間には、それぞれ切り込み部８ｃが形成されて赤外線反射膜８が部分的に排除されている。

また、本実施形態の赤外線センサ１は、第１のパターン配線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。

上記赤外線反射膜８は、一対の伝熱膜７に対向する領域を避けるようにして形成されている。
すなわち、本実施形態では、赤外線の受光面に対向して配された第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に対向して配された第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、各パターン配線、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。

上記赤外線反射膜８は、第１のパターン配線６Ａの一部に近接した熱結合部Ｃを有している。
この熱結合部Ｃは、第１のパターン配線６Ａの一部と熱結合させるための部分であり、第１のパターン配線６Ａの一部に対向して形成されている。
上記一対の第１のパターン配線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。

第１のパターン配線６Ａは、第２の感熱素子５Ｂの近傍まで延在している。また、熱結合部Ｃが、第１のパターン配線６Ａのうち第２の感熱素子５Ｂの近傍に延在した部分に対向した補償側近傍結合部Ｃ１を有している。
また、第１のパターン配線６Ａは、さらに絶縁性フィルム２の外縁の近傍領域にまで延在している。また、熱結合部Ｃが、前記近傍領域の第１のパターン配線６Ａに対向した外縁近傍結合部Ｃ２を有している。
さらに、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。

このように一対の上記第１のパターン配線６Ａは、一対の第１の接着電極３Ａから一対の第１の端子電極４Ａ側とは反対側に向けて延在し、さらに一対の伝熱膜７の外周の一部に沿って延在してからそれぞれ対応する第１の端子電極４Ａに達している。
すなわち、第１のパターン配線６Ａは、まず第１の接着電極３Ａから第２の感熱素子５Ｂに向けて一対の伝熱膜７の間を延在し、そして一対の伝熱膜７の端部近傍で絶縁性フィルム２の短辺に沿った方向であって長辺に向けて延在している。

この延在部分に対向するように補償側の赤外線反射膜８の一部が対向して形成され、補償側近傍結合部Ｃ１とされている。さらに、第１のパターン配線６Ａは、伝熱膜７の外側を絶縁性フィルム２の長辺に沿って第１の端子電極４Ａまで延在している。この延在部分に対向して絶縁性フィルム２の外縁の近傍に赤外線反射膜８が延在しており、この部分が外縁近傍結合部Ｃ２とされている。
なお、第２のパターン配線６Ｂは、第１のパターン配線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。

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、各パターン配線、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、各パターン配線、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、赤外線反射膜８が、一対の第２のパターン配線６Ｂに対向する領域を避けて第２の感熱素子５Ｂに対向する領域の周囲に拡がっているので、補償側である第２のパターン配線６Ｂに対向した部分には赤外線反射膜８が形成されておらず、赤外線反射膜８から第２のパターン配線６Ｂに熱が逃げることを抑制することができる。

また、第２のパターン配線６Ｂに対向した部分に赤外線反射膜８が形成されていないことで、配線長さや配線幅の変化に起因した影響が第１のパターン配線６Ａと第２のパターン配線６Ｂとで相殺され、全体として影響を抑制し、高精度な検出が可能になる。
すなわち、配線膜の配線長さや配線幅のばらつきの影響を、検知側と補償側とで同様に作用させることで相殺させることができる。絶縁性フィルム２上の熱は４つの端子電極４Ａ，４Ｂに向かって伝熱する。このときの端子電極４Ａ，４Ｂまでの熱抵抗は、配線幅および配線間距離によって決まるが、配線幅や配線間距離はエッチング等の製造上の制約によりある程度のばらつきを生じ、これが特性（感度）のばらつきとして現れる。

このため、赤外線反射膜８と第２のパターン配線６Ｂとが対向配置されている場合では、検知側と補償側との構造を比較すると、検知側は第１の端子電極４Ａと細い第１のパターン配線６Ａで接続されているのに対して、補償側は対向面にある赤外線反射膜８でも絶縁性フィルム２を介して第２の端子電極４Ｂと間接的に接続されている状態とある。これは事実上、面で熱的に接続されているのと同じ状況なので、多少の配線幅のばらつきでは熱抵抗としては影響を受けない。すなわち、製造ばらつきは検知側のみに大きく影響し、特性（感度）は検知側と補償側との差なので、製造ばらつきがそのまま特性に現れる。

これに対して本実施形態では、第２のパターン配線６Ｂに対向した部分には赤外線反射膜８が形成されていないので、補償側の第２の端子電極４Ｂとの接続を面から線にすることで検知側と同じように影響を受けるようにして、特性（検知側−補償側の差）としては相殺されるようにしている。絶縁性フィルム２の表面及び裏面の集熱膜７，配線６Ａ，６Ｂと赤外線反射膜８とを重ねると、検知側の「集熱膜７−感熱素子５Ａ−配線６Ａ−端子電極４Ａ」と補償側の「赤外線反射膜８−感熱素子５Ｂ−配線６Ｂ−端子電極４Ｂ」が似た形状となる。このことが配線幅ばらつきを相殺させる効果を生み出している。

また、赤外線反射膜８が、一対の第２の端子電極４Ｂに対向する領域を避けて一対の第２の端子電極４Ｂ間の領域に対向する領域まで拡がっているので、赤外線反射膜８から補償側である第２の端子電極４Ｂにも熱が逃げることを抑制することができる。また、赤外線反射膜８が、一対の第２の端子電極４Ｂ間の領域に対向する領域まで拡がっていることで、補償側の広い範囲で赤外線を反射することができる。

また、赤外線反射膜８が、第１のパターン配線６Ａ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が第１のパターン配線６Ａ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。なお、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、特に赤外線反射膜が金属膜であるので、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を介して赤外線反射膜８に伝わった熱が、補償側の第２のパターン配線６Ｂに逃げ難いため、より素早い熱バランスの収束が可能になる。

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。特に、補償側の第２のパターン配線６Ｂに赤外線反射膜８から熱が逃げ難いため、赤外線反射膜８の熱が受光領域Ｄの周囲全体により伝わりやすくなる。

次に、本発明に係る赤外線センサの第２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、一対の第２のパターン配線６Ｂが、互いに平行な一対の第１延在部６ａと、絶縁性フィルム２の短辺に沿って延在した一対の第２延在部６ｂとを有し、これらの直下を避けて赤外線反射膜８が補償側に拡がっているのに対し、第２実施形態の赤外線センサ２１では、図３及び図４に示すように、一対の第２のパターン配線２６Ｂが、互いに反対方向に延在する一対の第１延在部２６ａと、絶縁性フィルム２の長辺に沿って延在した一対の第２延在部２６ｂとを有し、これらの直下を避けて赤外線反射膜２８が補償側に拡がっている点である。

第２実施形態では、一対の第１延在部２６ａが第２の接着電極３Ｂから絶縁性フィルム２の短辺に沿って互いに反対方向に延在しており、一対の第２延在部２６ｂが絶縁性フィルム２の長辺の近傍に延在している。
すなわち、赤外線反射膜２８は、一対の第２の端子電極４Ｂ間の領域直下に突出した第１突出部２８ａと、第１延在部２６ａと第２延在部２６ｂと第２の端子電極４Ｂとの間に突出した一対の第２突出部２８ｂとを有している。そして、一対の第１延在部２６ａに対向した領域には、それぞれ切り込み部２８ｃが形成されて赤外線反射膜２８が部分的に排除されている。

このように第２実施形態の赤外線センサ２１でも、第１実施形態と同様に、赤外線反射膜２８が、一対の第２のパターン配線２６Ｂに対向する領域を避けて第２の感熱素子５Ｂに対向する領域の周囲に拡がっているので、補償側である第２のパターン配線２６Ｂに対向した部分には赤外線反射膜２８が形成されておらず、赤外線反射膜２８から第２のパターン配線２６Ｂに熱が逃げることを抑制することができる。

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の感熱素子の直下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、対向する第１の感熱素子の温度が変化するようにしてもよい。

１，２１…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のパターン配線、６Ｂ，２６Ｂ…第２のパターン配線、８，２８…赤外線反射膜、Ｃ…熱結合部、Ｄ…受光領域

Claims (4)

1. 絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成された一対の第１の端子電極及び一対の第２の端子電極と、
   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ていると共に一対の前記第１の端子電極に他端が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一対の第１のパターン配線と、
   前記第２の感熱素子に一端が接続されていると共に一対の前記第２の端子電極に他端が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一対の第２のパターン配線と、
   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の感熱素子に対向する領域を覆う赤外線反射膜とを備え、
   前記赤外線反射膜が、一対の前記第２のパターン配線に対向する領域を避けて前記第２の感熱素子に対向する領域の周囲に拡がっ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、
   前記赤外線反射膜が、一対の前記第２の端子電極に対向する領域を避けて一対の前記第２の端子電極間の領域に対向する領域まで拡がっていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、
   前記赤外線反射膜が、前記第１のパターン配線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。
4. 請求項１から３のいずれか一項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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