JP5741924B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検知して該測定対象物の温度等を測定する赤外線センサに関する。

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検知して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、保持体に設置した樹脂フィルムと、該樹脂フィルムに設けられ保持体の導光部を介して赤外線を検知する赤外線検知用感熱素子と、樹脂フィルムに遮光状態に設けられ保持体の温度を検知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。この赤外線温度センサでは、導光部の内側面に赤外線吸収膜を形成すると共に、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めている。また、この赤外線温度センサは、アルミニウムなどの熱伝導度が大きい金属材料で形成された保持体内に設けられている。

また、特許文献２には、赤外線検知用感熱素子と、温度補償用感熱素子と、これらを密着固定する樹脂フィルムと、赤外線の入射窓側に赤外線検知用感熱素子を配置すると共に赤外線を遮蔽する遮蔽部側に温度補償用感熱素子を配置した枠体を有するケースと、を備えた赤外線検出器が提案されている。この赤外線検出器では、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めていると共に、赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子との熱勾配を無くすために熱伝導の良い材料で枠体を形成している。また、赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子には、リード線がサーミスタに接続された松葉型のサーミスタが採用されている。この赤外線検出器は、樹脂または金属のケース内に固定されている。
これら特許文献１及び２の赤外線センサでは、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させると共に一方の感熱素子側を温度補償用に遮光する構造が採用されているが、赤外線吸収材料を含有した樹脂フィルムの熱伝導が高く、赤外線検知用と温度補償用との感熱素子間で温度差分が生じ難いという不都合があった。また、これら感熱素子間で温度差分を大きくするためには、感熱素子間の距離を大きくする必要があり、全体形状が大きくなってしまい、小型化が困難になる問題がある。さらに、温度補償用の感熱素子を遮光する構造をケース自体に設ける必要があるため、高価になってしまう。
また、特許文献２では、熱伝導の良い枠体を採用しているため、赤外線吸収膜からの熱も放熱されてしまい感度が劣化する不都合がある。また、リード線が接続された松葉型のため、サーミスタとリード線との間で熱の空間伝導が生じてしまう。
さらに、一方の感熱素子について赤外線を筐体で遮光する構造を採用しているが、赤外線を遮っているだけで遮蔽部分が赤外線を吸収してしまい、遮蔽部分の温度が変化してしまうことからリファレンスとして不完全となってしまう不都合があった。

そのため、特許文献３に示すように、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の感熱素子及び第２の感熱素子に別々に接続された複数対の導電性の配線膜と、第１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吸収膜と、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ている赤外線センサが開発されている。なお、この赤外線センサは、樹脂製の筐体に支持されている。

この赤外線センサでは、赤外線吸収膜による部分的な赤外線吸収と赤外線反射膜による部分的な赤外線反射とにより、薄く熱伝導性の低い絶縁性フィルム上で第１の感熱素子と第２の感熱素子との良好な温度差分を得ることができる。すなわち、フィルムに赤外線吸収材料等を含有させていない低熱伝導性の絶縁性フィルムでも、赤外線吸収膜によって絶縁性フィルムの第１の感熱素子の直上部分のみに赤外線吸収による熱を伝導させることができる。特に、薄い絶縁性フィルムを挟んで赤外線吸収膜の熱が伝導されるため、感度の劣化がなく、高い応答性を有している。また、赤外線吸収膜の面積を任意に設定可能であるため、測定対象物との距離に合わせた赤外線検出の視野角を面積で設定でき、高い受光効率を得ることができる。また、赤外線反射膜によって絶縁性フィルムの第２の感熱素子の直上部分における赤外線を反射してその吸収を阻止することができる。なお、絶縁性フィルム上に赤外線吸収膜と赤外線反射膜とを形成しているので、赤外線吸収膜と赤外線反射膜との間の熱を伝導する媒体が、空気以外にこれら膜が対向した間の絶縁性フィルムのみとなり、伝導する断面積が小さくなる。したがって、相互の感熱素子への熱が伝わり難くなり、干渉が少なくなって検出感度が向上する。このように、低熱伝導性の絶縁性フィルム上で互いに熱の影響が抑制された第１の感熱素子と第２の感熱素子とが、それぞれ赤外線吸収膜の直下と赤外線反射膜の直下との絶縁性フィルムの部分的な温度を測定する構造を有している。したがって、赤外線検知用とされる第１の感熱素子と温度補償用とされる第２の感熱素子との良好な温度差分を得られ、高感度化を図ることができる。

特開２００２−１５６２８４号公報（段落番号００２６、図２） 特開平７−２６０５７９号公報（特許請求の範囲、図２） 特開２０１１−１３２１３号公報（特許請求の範囲、図１）

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は、樹脂または金属からなるケース内に設置されているが、ケース自体が過熱され輻射熱を放出すると該輻射熱を受けた赤外線センサの感度が変化してしまう場合があった。例えば、特許文献３の赤外線センサの場合、図７および図８に示すように、絶縁性フィルム２を透過した赤外線により筐体７自体が過熱され輻射熱を放出すると該輻射熱を受けた絶縁性フィルム２の温度が変化して感熱素子３Ａおよび感熱素子３Ｂの感度が変わってしまう不都合がある。また、筐体７と絶縁性フィルム２とに温度差があると、筐体７からの輻射熱により温度検出に影響が生じてしまうおそれがある。なお、高コストの金属に替えて低コストな樹脂で筐体７を形成すると、使用された樹脂の放射率の影響で特性が異なるため、製造ロットなどにより特性が変わったり、経年変化により特性が変わったりすることから、高精度な測定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、筐体からの輻射熱の影響を抑制す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の発明の赤外線センサは、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、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、前記第２の感熱素子に対向して前記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、前記絶縁性フィルムの一方の面に固定されて該絶縁性フィルムを支持すると共に前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子を内部の収納部に収納する筐体とを備え、前記第１の配線膜が、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜よりも大きな面積で形成されていることを特徴とする。

この赤外線センサでは、絶縁性フィルムを支持すると共に第１の感熱素子及び第２の感熱素子を内部の収納部に収納する筐体を備え、第１の配線膜が、第１の感熱素子の周囲にまで配されて第２の配線膜よりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜が、絶縁性フィルムを透過して筐体に照射される赤外線を遮断すると共に筐体から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルムへの熱影響を抑制することができる。さらに、絶縁性フィルムの赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量が近づくので、変動誤差を小さくすることができる。なお、第１の配線膜の面積及び形状は、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定することが好ましい。

第２の発明の赤外線センサは、第１の発明において、前記第１の配線膜と前記赤外線反射膜とが、平面視において前記収納部の上部を塞ぐ形状と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、第１の配線膜と赤外線反射膜とが、平面視において収納部の上部を塞ぐ形状とされているので、第１の配線膜と赤外線反射膜とにより絶縁性フィルムを透過して収納部内へ抜ける赤外線を収納部の上部全体で遮断することができ、筐体が加熱されることをさらに抑制することができる。

第３の発明の赤外線センサは、第１又は第２の発明において、前記筐体内の前記絶縁性フィルムに対向する底面に、赤外線を反射する底面反射膜が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、筐体内の絶縁性フィルムに対向する底面に、赤外線を反射する底面反射膜が形成されているので、筐体内の底面から放射される輻射熱を底面反射膜で直接反射させて遮断することで対向する絶縁性フィルムや感熱素子への影響をさらに抑制することができる。

第４の発明の赤外線センサは、第１から第３のいずれかの発明において、前記筐体が、樹脂で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、筐体が樹脂で形成されているので、金属の場合に比べて安価に製造することができる。

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、第１の配線膜が、第１の感熱素子の周囲にまで配されて第２の配線膜よりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜により絶縁性フィルムを透過する赤外線を遮断し、さらに筐体からの輻射熱を遮断して絶縁性フィルムへの熱影響を抑制すると共に、赤外線反射膜が形成された部分との熱容量が近づくことで変動誤差を小さくして高精度な温度検出が可能になる。

本発明に係る赤外線センサの一実施形態を示す断面図である。 本実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す底面図（ａ）および配線膜と収納部と赤外線反射膜との位置関係を示す底面図（ｂ）である。 本実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す平面図である。 本実施形態において、赤外線センサを示す斜視図である。 本実施形態において、筐体を除いた赤外線センサを示す斜視図である。 本実施形態において、筐体を示す平面図である。 本発明に係る赤外線センサの比較例において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す底面図である。 本発明に係る赤外線センサの比較例を示す断面図である。

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６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１は、図１から図４に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の一方の面（下面）に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂと、絶縁性フィルム２の一方の面に形成され第１の感熱素子３Ａに接続された導電性金属膜である一対の第１の配線膜４Ａ及び第２の感熱素子３Ｂに接続された導電性金属膜である一対の第２の配線膜４Ｂと、第２の感熱素子３Ｂに対向して絶縁性フィルム２の他方の面に設けられた赤外線反射膜６と、絶縁性フィルム２の一方の面に固定されて該絶縁性フィルム２を支持すると共に第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを内部の収納部７ａに収納する筐体７とを備えている。

上記第１の配線膜４Ａは、図２に示すように、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積で形成されている。これらの第１の配線膜４Ａは、一対の中央に第１の感熱素子３Ａを配し、一対で外形状が赤外線反射膜６と略同じ四角形状に設定されている。すなわち、第１の配線膜４Ａの面積及び形状は、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜６が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定している。

また、第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とは、平面視において収納部７ａの上部を塞ぐ形状とされている。すなわち、図２の（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２の上方側から視た際（平面視）に、一対で外形状が赤外線反射膜６と略同じ四角形状に設定されている第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とで、直方体形状の収納部７ａの上部の略全体を塞いでいる。

また、一対の第１の配線膜４Ａには、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第１の接着電極５Ａが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第１の端子電極８Ａが接続されている。
また、一対の第２の配線膜４Ｂは、線状に形成されており、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第２の接着電極５Ｂが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第２の端子電極８Ｂが接続されている。
なお、上記第１の接着電極５Ａ及び第２の接着電極５Ｂには、それぞれ第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの端子電極３ａが半田等の導電性接着剤で接着される。

上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで形成され、赤外線反射膜６、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂ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６、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂとされる銅箔のフロート電極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。

さらに、上記赤外線反射膜６は、図３に示すように、第２の感熱素子３Ｂの直上に四角形状で配されており、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６は、絶縁性フィルム２よりも高い赤外線放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。この赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、図５に示すように、両端部に端子電極３ａ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３Ａ及び第２の感熱素子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。なお、これら第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、各端子電極３ａを対応する第１の接着電極５Ａ上又は第２の接着電極５Ｂ上に接合させて絶縁性フィルム２に実装されている。

特に、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂとして、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子を採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。

上記筐体７は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の樹脂で形成されており、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを収納すると共に絶縁性フィルム２よりも熱伝導率の低い空気で覆う空間である収納部７ａが内部に設けられている。
この筐体７内の絶縁性フィルム２に対向する底面には、赤外線を反射する底面反射膜９が形成されている。この底面反射膜９は、上記赤外線反射膜６と同様の膜が採用可能である。

筐体７は、図４および図６に示すように、側面に設けられ第１の配線膜４Ａまたは第２の配線膜４Ｂの第２の端子電極８Ｂに上端が接続されていると共に底部まで延在された複数の側面電極部１０ａと、側面下部において側面電極部１０ａの下端に接続されて設けられ外部の回路基板上に接続させる複数の実装用外部端子１０ｂとを備えている。すなわち、本実施形態の赤外線センサ１は表面実装型とされている。なお、側面電極部１０ａと実装用外部端子１０ｂとは、例えば錫めっきされた銅合金で形成されている。

このように本実施形態の赤外線センサ１は、絶縁性フィルム２を支持すると共に第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを内部の収納部７ａに収納する筐体７を備え、第１の配線膜４Ａが、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜４Ａが、絶縁性フィルム２を透過して筐体７に照射される赤外線を遮断すると共に筐体７から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルム２への熱影響を抑制することができる。さらに、絶縁性フィルム２の赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜６が形成された部分と熱容量が近づくので、変動誤差を小さくすることができる。

また、第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とが、平面視において収納部７ａの上部を塞ぐ形状とされているので、第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とにより絶縁性フィルム２を透過して収納部７ａ内へ抜ける赤外線を収納部７ａの上部全体で遮断することができ、筐体７が加熱されることをさらに抑制することができる。

さらに、筐体７内の絶縁性フィルム２に対向する底面に、赤外線を反射する底面反射膜９が形成されているので、筐体７内の底面から放射される輻射熱を底面反射膜９で直接反射させて遮断することで対向する絶縁性フィルム２や感熱素子３Ａ，３Ｂへの影響をさらに抑制することができる。
なお、筐体７が樹脂で形成されているので、金属の場合に比べて安価に製造することができる。

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上に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。

この赤外線吸収膜は、絶縁性フィルムよりも高い赤外線吸収率を有する材料で形成され、例えば、カーボンブラック等の赤外線吸収材料を含むフィルムや赤外線吸収性ガラス膜（二酸化珪素を７１％含有するホウケイ酸ガラス膜など）で形成されているもの等が採用可能である。特に、赤外線吸収膜は、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）膜であることが望ましい。このＡＴＯ膜は、カーボンブラック等に比べて赤外線の吸収率が良いと共に耐光性に優れている。また、ＡＴＯ膜は、紫外線で硬化させるので、接着強度が強く、カーボンブラック等に比べて剥がれ難い。
なお、この赤外線吸収膜は、第１の感熱素子よりも大きなサイズでこれを覆うように形成することが好ましい。また、赤外線吸収膜を設ける場合は、赤外線反射膜側の熱容量と略等しくなるように各配線膜を含めて面積や形状を設定する必要がある。

また、チップサーミスタの第１の感熱素子及び第２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第１の感熱素子及び第２の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、上記実施形態の筐体では、第１の感熱素子及び第２の感熱素子を収納する一つの収納部を内部に設けているが、筐体内部に仕切り壁を設け、第１の感熱素子及び第２の感熱素子をそれぞれ個別に収納する一対の収納部を設けても構わない。また、収納部内は、絶縁性フィルムよりも熱伝導率の低い空気による空間としているが、絶縁性フィルムよりも熱伝導率の低い発泡樹脂を充填しても構わない。

さらに、上記実施形態では、第１の配線膜の面積を大きくし、第２の配線膜は線状に形成しているが、第２の配線膜の面積をある程度大きく設定しても構わない。この場合、赤外線反射膜側の熱容量が変わるため、周辺温度の変化に対して考慮する必要があり、反射側と吸収側とで、できるだけ熱容量が同じになるように各配線膜や赤外線反射膜の形状および面積を設定する必要がある。

１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…第１の感熱素子、３Ｂ…第２の感熱素子、４Ａ，１０４Ａ…第１の配線膜、４Ｂ…第２の配線膜、６…赤外線反射膜、７…筐体、７ａ…収納部、９…底面反射膜

Claims (4)

1. 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、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、
   前記第２の感熱素子に対向して前記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、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に固定されて該絶縁性フィルムを支持すると共に前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子を内部の収納部に収納する筐体とを備え、
   前記第１の配線膜が、前記筐体内の底面に対向配置されていると共に、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜よりも大きな面積で形成され、前記絶縁性フィルムを透過して前記筐体に照射される赤外線を遮断すると共に前記筐体から放射される輻射熱を遮断す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、
   前記第１の配線膜と前記赤外線反射膜とが、平面視において前記収納部の上部を塞ぐ形状とされ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、
   前記筐体内の前記絶縁性フィルムに対向する底面に、赤外線を反射する底面反射膜が形成され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、
   前記筐体が、樹脂で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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