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WO2015129176A1 - 非接触温度センサ - Google Patents

非接触温度センサ Download PDF

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Publication number
WO2015129176A1
WO2015129176A1 PCT/JP2015/000598 JP2015000598W WO2015129176A1 WO 2015129176 A1 WO2015129176 A1 WO 2015129176A1 JP 2015000598 W JP2015000598 W JP 2015000598W WO 2015129176 A1 WO2015129176 A1 WO 2015129176A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thermistor
pair
insulating film
temperature sensor
formation region
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/000598
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
中村　賢蔵
雅史 西山
文夫 松本
Original Assignee
三菱マテリアル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱マテリアル株式会社 filed Critical 三菱マテリアル株式会社
Priority to KR1020167021914A priority Critical patent/KR20160125369A/ko
Priority to EP15754934.6A priority patent/EP3112829A4/en
Priority to US15/120,835 priority patent/US10168232B2/en
Priority to CN201580004195.XA priority patent/CN105899921B/zh
Publication of WO2015129176A1 publication Critical patent/WO2015129176A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • G01K7/223—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor characterised by the shape of the resistive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/024—Special manufacturing steps or sacrificial layers or layer structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/20—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat
    • G03G15/2003—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat
    • G03G15/2014—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat using contact heat
    • G03G15/2039—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat using contact heat with means for controlling the fixing temperature

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact temperature sensor suitable for measuring the temperature of a heating roller such as a copying machine or a printer.
  • a heating roller used in a copying machine or a printer in which a temperature sensor is installed in a non-contact state in order to measure the temperature.
  • a non-contact temperature sensor for example, in Patent Document 1, a flexible printed circuit board in which a conductor pattern is formed on the surface of a resin film and a temperature sensitive element is mounted on the conductive pattern, A non-contact temperature sensor including a housing fixed at a peripheral portion has been proposed.
  • Patent Document 2 describes a non-contact temperature sensor in which a thermistor element glass-sealed is fixed to the back surface of an infrared transparent film. In this non-contact temperature sensor, the end or peripheral edge of the infrared transmitting film is fixed to a base having a fixing flange. The thermistor elements are electrically connected via lead wires.
  • the flexible printed circuit board or film on which the temperature sensitive element is mounted is fixed to the casing or the base at the peripheral edge or end thereof, the heat generated by receiving infrared rays passes through the film.
  • the temperature detection accuracy is lowered due to escape to the surrounding casing and base.
  • the thermal capacity of the temperature sensing element is large and the thermal conductance due to the wiring is large, resulting in poor responsiveness.
  • the flexible printed circuit board and film are fixed to the housing and base at the peripheral edge and edge, paper is jammed between the roller and sensor when measuring the temperature of the heating roller of a copying machine or the like.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a non-contact temperature sensor that can suppress heat escape, is highly accurate and has excellent responsiveness, and can recover the original state even when a paper jam occurs.
  • the purpose is to do.
  • the non-contact temperature sensor according to the first invention is provided on at least one of an insulating film, a thin film thermistor portion patterned with a thermistor material on the surface of the insulating film, and an upper surface and a lower surface of the thin film thermistor portion.
  • a pair of comb-shaped electrodes having a plurality of comb portions and patterned opposite to each other, a pair of pad electrodes patterned on the surface of the insulating film, and one end connected to the pair of comb-shaped electrodes And a pair of pattern wiring portions having the other end connected to the pair of pad electrodes and patterned on the surface of the insulating film, and a pair bonded to the pair of pad electrodes on the surface side of the insulating film
  • the thin film thermistor portion is formed in a thermistor forming region disposed on the leading end side of the insulating film, and the pad
  • the electrode is formed in an electrode forming region disposed on the base end side of the insulating film, and the distal ends of the pair of lead frames are disposed so as to surround the thermistor forming region in a non-contact manner.
  • the tip side of the pair of lead frames is arranged so as to surround the thermistor formation region in a non-contact manner, so that the thin film thermistor is mechanically protected by the surrounding lead frame and Since it is not in contact with the lead frame, heat hardly escapes to the lead frame, and high response and high detection accuracy can be obtained.
  • the sensor position will return to its original state due to the spring nature (elasticity) of the lead frame when the paper is removed. Can be recovered.
  • a non-contact temperature sensor is the non-contact temperature sensor according to the first invention, wherein the base end side is bonded to the back side of the electrode forming region of the insulating film, and the tip end side surrounds the thermistor forming region in a non-contact manner.
  • a pair of back side frames arranged in a That is, this non-contact temperature sensor includes a pair of back side frames whose base end side is bonded to the back side of the electrode formation region of the insulating film and whose front end side is disposed so as to surround the thermistor formation region in a non-contact manner.
  • the thermistor forming region is mechanically protected not only by the front-side lead frame but also by the back-side frame, and is reinforced with higher rigidity.
  • the electrode forming region can be supported by being sandwiched between the lead frame and the back frame, and the bonding strength between the lead frame and the pad electrode can be maintained to improve the reliability.
  • a non-contact temperature sensor is characterized in that, in the first or second invention, the non-contact temperature sensor includes an insulating protective film provided so as to cover the back side of the thermistor formation region in a non-contact manner.
  • this non-contact temperature sensor has an insulating protective film provided so as to cover the back side of the thermistor formation region in a non-contact manner, so that the protective film shields radiant heat on the back side, The influence and the interference of heat from other than the measurement object can be suppressed.
  • a non-contact temperature sensor is characterized in that, in any one of the first to third inventions, the pattern wiring portion is formed of a thin film having a thickness of 100 to 300 nm. That is, in this non-contact temperature sensor, the pattern wiring portion is formed of a thin film having a film thickness of 100 to 300 nm, and therefore compared with a metal foil having a thickness of about 100 ⁇ m that is used as a wiring on a normal printed circuit board or the like. By making the nano-level thin film, the thermal conductance is greatly reduced, and higher response can be obtained.
  • the film thickness is less than 100 nm, the insulating film may be broken when bent, and when the film thickness exceeds 300 nm, the thermal conductance becomes large as in the case of conventional metal foil wiring. Therefore, it is preferable to set the film thickness within the above range.
  • a non-contact temperature sensor is the non-contact temperature sensor according to any one of the first to fourth inventions, wherein the insulating film is disposed between the thermistor formation region and the electrode formation region.
  • the wiring formation region is formed narrower than the thermistor formation region and the electrode formation region. That is, in this non-contact temperature sensor, since the wiring formation region is formed to be narrower than the thermistor formation region and the electrode formation region, it is difficult for heat to escape through the wiring formation region, and higher responsiveness is obtained. be able to.
  • the present invention has the following effects. That is, according to the non-contact temperature sensor according to the present invention, the tip end sides of the pair of lead frames are disposed so as to surround the periphery of the thermistor formation region in a non-contact manner. In addition to being protected by heat, it is difficult for heat to escape to the lead frame, so that high responsiveness and high detection accuracy can be obtained, and furthermore, since the heat capacity is small, high responsiveness can be obtained. Further, when a copying machine roller or the like is a measurement target, the original shape can be recovered by the spring property of the lead frame even if the distance from the roller changes due to a paper jam. Therefore, it can be installed closer to the roller than in the past, and high detection accuracy can be obtained. Therefore, according to the non-contact temperature sensor of the present invention, the thin film thermistor portion is protected, and the temperature can be measured accurately in a non-contact manner with high responsiveness. Suitable for measurement.
  • FIG. 2 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) taken along the line AA showing an inside showing an embodiment of the non-contact temperature sensor according to the present invention.
  • it is a top view which shows a sensor part.
  • it is a perspective view of the principal part which shows the manufacturing process of a sensor part in order of a process.
  • it is a top view which shows a lead frame attachment process.
  • it is the top view and front view which show a back surface side frame attachment process.
  • it is the top view and front view which show a protective film attachment process.
  • the non-contact temperature sensor 1 includes an insulating film 2, a thin film thermistor section 3 that is patterned on the surface of the insulating film 2 with a thermistor material, and a thin film thermistor section.
  • a pair of comb electrodes 4 having a plurality of comb portions 4a on 3 and patterned to face each other, a pair of pad electrodes 5 patterned on the surface of the insulating film 2, and a pair of one ends
  • a pair of pattern wiring portions 6 connected to the comb-shaped electrode 4 and having the other end connected to a pair of pad electrodes 5 and patterned on the surface of the insulating film 2, and a pair on the surface side of the insulating film 2
  • a pair of lead frames 7 bonded to the pad electrode 5 is provided.
  • the above-described insulating film 2, thin film thermistor portion 3, comb electrode 4, pad electrode 5 and pattern wiring portion 6 constitute a sensor portion S.
  • the sensor unit S includes a protective film 8 formed on the surface of the insulating film 2 except for the region where the pad electrode 5 is disposed.
  • the thin film thermistor portion 3 is formed in a thermistor forming region 2 a disposed on the leading end side of the insulating film 2.
  • the pad electrode 5 is formed in an electrode formation region 2 b disposed on the base end side of the insulating film 2.
  • the insulating film 2 has a wiring formation region 2c in which the pattern wiring portion 6 is disposed between the thermistor formation region 2a and the electrode formation region 2b.
  • the wiring formation region 2c is formed narrower than the thermistor formation region 2a and the electrode formation region 2b.
  • the distal end sides of the pair of lead frames 7 are arranged so as to surround the thermistor forming region 2a in a non-contact manner. That is, the front end sides of the pair of lead frames 7 extend to both sides of the thermistor formation region 2a, and further bend in the opposite direction to extend from the side of the thermistor formation region 2a so as to surround the front portion 7a. have. These tip portions 7a are opposed to each other in the proximity state.
  • the base end sides of the pair of lead frames 7 are formed wider than the side portions of the thermistor forming region 2a, and are welded and bonded to the pair of pad electrodes 5 in the electrode forming region 2b.
  • the pair of lead frames 7 extend in parallel to each other, and only the side portions of the thermistor formation region 2a are formed narrow so as to surround the thermistor formation region 2a.
  • the thermistor formation region 2a protrudes into a region surrounded by the distal ends of the pair of lead frames 7 without contacting them, and is in a state of floating in the air.
  • the lead frame 7 may be bonded to the pad electrode 5 by soldering.
  • the base end side is adhered to the back side of the electrode forming region 2b of the insulating film 2, and the tip end side is disposed so as to surround the thermistor forming region 2a in a non-contact manner.
  • a pair of backside frames 9 and an insulating protective film 10 provided so as to cover the backside of the thermistor forming region 2a in a non-contact manner are provided. Therefore, in this non-contact temperature sensor 1, as shown in FIG. 1B, only the surface side of the insulating film 2 is opened, and the radiant heat from the measurement object (one-dot broken line arrow in FIG. 1). Can receive.
  • the back frame 9 is preferably formed of the same metal material as the lead frame 7 in order to prevent deformation due to a difference in thermal expansion coefficient.
  • the lead frame 7 and the back frame 9 are preferably made of a material having a certain degree of elasticity in order to maintain a position parallel to the measurement object and to restore the position when the sensor is bent.
  • the pattern wiring portion 6 is formed of a thin film having a thickness of 100 to 300 nm.
  • the insulating film 2 is formed of, for example, a polyimide resin sheet.
  • the insulating film 2 can also be made of PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate, etc., but for measuring the temperature of the heating roller, a polyimide film is desirable because the maximum use temperature is as high as 230 ° C.
  • the thin film thermistor portion 3 is disposed on the leading end side of the insulating film 2 and is formed of a TiAlN thermistor material.
  • the pattern wiring 6 and the comb-shaped electrode 4 have a thickness of 50 to 295 nm made of a noble metal such as Au on the bonding layer and a Cr or NiCr bonding layer having a thickness of 5 to 100 nm formed on the thin film thermistor portion 3. And an electrode layer formed.
  • the pair of comb-shaped electrodes 4 has a comb-shaped pattern in which comb portions 4a are arranged alternately and arranged in opposition to each other.
  • the protective film 8 is an insulating resin film or the like, for example, a polyimide film having a thickness of 20 ⁇ m is employed.
  • the said protective film 10 is an insulating resin film etc., for example, a polyimide film is employ
  • the thin film thermistor portion 3 is a columnar crystal that is formed in a film shape of, for example, a thickness of 100 to 1000 nm and extends in a direction perpendicular to the surface of the film. Further, it is preferable that the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface. Whether the a-axis orientation (100) is strong or the c-axis orientation (002) is strong in the direction perpendicular to the film surface (film thickness direction) is determined using X-ray diffraction (XRD).
  • XRD X-ray diffraction
  • the manufacturing method of the non-contact temperature sensor 1 includes a thin film thermistor portion forming step for patterning the thin film thermistor portion 3 on the insulating film 2 and a pair of comb-shaped electrodes 4 facing each other on the thin film thermistor portion 3.
  • the sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 5 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa, a sputtering gas pressure of 0.4 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 20 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
  • a resist solution is applied onto the deposited thermistor film with a bar coater, pre-baked at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, exposed to light with an exposure apparatus, and unnecessary portions are removed with a developer, and further at 150 ° C. Patterning is performed by post-baking for minutes. Thereafter, the thermistor film unnecessary Ti x Al y N z by wet etching in a commercial Ti etchant, as shown in (b) of FIG. 3, with a resist peeling the thin-film thermistor portion 3 of a desired shape.
  • a 20 nm-thick Cr film bonding layer is formed on the thin film thermistor portion 3 and the insulating film 2 by sputtering. Further, an Au film electrode layer is formed to a thickness of 100 nm on the bonding layer by sputtering.
  • pre-baking was performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions were removed with a developer, and 150 ° C.
  • patterning is performed by post-baking for 5 minutes. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched in the order of commercially available Au etchant and Cr etchant, and as shown in FIGS. 2 and 3C, desired pattern wiring 6 and comb-shaped electrode 4 are removed by resist stripping.
  • a polyimide varnish is applied thereon by a printing method, and cured at 250 ° C. for 30 minutes to form a polyimide protective film 8 having a thickness of 20 ⁇ m as shown in FIG. Part S is produced.
  • a pair of lead frames 7 are welded to the pair of pad electrodes 5 of the sensor unit S on the base end side. At this time, the pair of lead frames 7 are arranged so as to surround the thermistor formation region 2a on the tip side.
  • a pair of back surface side frames 9 are bonded to the back surface side of the insulating film 2 so as to face the pair of lead frames 7 with an adhesive or the like.
  • the pair of rear surface side frames 9 are also arranged so as to surround the thermistor forming region 2a on the front end side.
  • a non-contact temperature is obtained by sticking a polyimide film protective film 10 on the pair of backside frames 9 with an adhesive or the like and closing the upper opening between the pair of backside frames 9.
  • the sensor 1 is manufactured.
  • the several thin film thermistor part 3, the comb-shaped electrode 4, the pattern wiring 6, the pad electrode 5, and the protective film 10 are formed as mentioned above on the large format sheet of the insulating film 2. After that, the sensor sheet S is cut from the large sheet.
  • the distal end sides of the pair of lead frames 7 are arranged so as to surround the thermistor forming region 2a in a non-contact manner, so that the thin film thermistor portion 3 is the surrounding lead frame. 7 is mechanically protected, and since it is not in contact with the surrounding lead frame 7, heat hardly escapes to the lead frame 7, and high detection accuracy can be obtained. Further, high response can be obtained by receiving radiant heat at the thin film thermistor portion 3 having a smaller heat capacity than a chip-type thermistor element or the like, and the thermistor formation region 2a protrudes in a non-contact manner in a hollow space.
  • the base end side is attached to the back side of the electrode forming region 2b of the insulating film 2, and the front end side is provided with a pair of back side frames 9 arranged so as to surround the thermistor forming region 2a in a non-contact manner.
  • the thermistor formation region 2a is mechanically protected by the back surface side frame 9 in addition to the front surface side lead frame 7, and is reinforced with higher rigidity.
  • the electrode forming region 2b can be supported by being sandwiched between the lead frame 7 and the back frame 9, and the bonding strength between the lead frame 7 and the pad electrode 5 can be maintained to improve the reliability.
  • the protective film 10 shields radiant heat on the back side, and influences of outside air, etc. Interference with heat from other than the object can be suppressed.
  • the pattern wiring portion 6 is formed of a thin film having a film thickness of 100 to 300 nm, it is reduced by a nano-level thin film as compared with a metal foil having a thickness of about 100 ⁇ m that is used as a wiring on a normal printed circuit board or the like. The thermal conductance is greatly reduced, and higher responsiveness can be obtained.
  • the wiring formation region 2c is formed narrower than the thermistor formation region 2a and the electrode formation region 2b, it is difficult for heat to escape through the wiring formation region 2c, and higher responsiveness can be obtained. .
  • the thin film thermistor portion 3 is formed of the thermistor material layer on the insulating film 2, the thin film thermistor is formed without firing and has a high B constant and high heat resistance.
  • the part 3 can use the insulating film 2 having a low heat resistance such as a resin film, and a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics.
  • SYMBOLS 1 Non-contact temperature sensor, 2 ... Insulating film, 2a ... Thermistor formation area, 2b ... Electrode formation area, 2c ... Wiring formation area, 3 ... Thin film thermistor part, 4 ... Comb-shaped electrode, 4a ... Comb part, 5 ... Pad Electrode, 6 ... Pattern wiring, 7 ... Lead frame, 8 ... Protective film, 9 ... Back side frame, 10 ... Protective film, S ... Sensor part

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Abstract

　絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの表面に形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部の上に形成された一対の櫛型電極と、絶縁性フィルムの表面に形成された一対のパッド電極５と、一端が一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が一対のパッド電極に接続された一対のパターン配線部６と、絶縁性フィルムの表面側で一対のパッド電極に接着された一対のリードフレーム７とを備え、薄膜サーミスタ部が絶縁性フィルムの先端側に配されたサーミスタ形成領域２ａに形成され、パッド電極が絶縁性フィルムの基端側に配された電極形成領域２ｂに形成され、一対のリードフレームの先端側が、サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されている。

Description

非接触温度センサ
　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な非接触温度センサに関する。
　一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラ（定着ローラ）には、その温度を測定するために温度センサが非接触状態に設置されているものがある。このような非接触温度センサとしては、例えば特許文献１に、樹脂フィルムの表面に導体パターンが形成され、この導体パターン上に感温素子が実装されたフレキシブルプリント基板と、このフレキシブルプリント基板をその周縁部分で固定した筐体とを備えた非接触温度センサが提案されている。
　また、特許文献２には、赤外線透過性フィルムの裏面にガラス溶封されたサーミスタ素子が固定された非接触温度センサが記載されている。この非接触温度センサでは、赤外線透過性フィルムの端部又は周縁部が固定用フランジを有するベースに固定されている。また、サーミスタ素子はリード線を介して電気的に接続されている。
特開２０１０－４３９３０号公報 特開２００４－２０５４１７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、従来の技術では、感温素子が実装されたフレキシブルプリント基板やフィルムがその周縁部分や端部で筐体やベースに固定されているため、赤外線を受けて生じた熱がフィルムを介して周囲の筐体やベースに逃げてしまい、温度の検出精度が低くなってしまうという問題があった。また、感温素子の熱容量が大きいと共に配線による熱コンダクタンスが大きく、応答性も悪くなってしまうという問題があった。
　さらに、フレキシブルプリント基板やフィルムがその周縁部分や端部で筐体やベースに固定されているため、複写機等の加熱ローラの温度を測定する際に、ローラとセンサとの間に紙が詰まった場合に筐体やベースが曲がる又は折れる等の問題があった。このため、紙を取り除いた後にローラとセンサとの距離が変わってしまい、原状を回復できない不都合があった。また、このような破損の問題があるため、従来はセンサを支障のない距離までローラから離して配置しており、検出精度が落ちてしまう問題があった。
　本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱の逃げを抑制でき、高精度で応答性に優れていると共に、紙詰まりがあった場合でも原状を回復できる非接触温度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の発明に係る非接触温度センサは、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上面及び下面の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパッド電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のパッド電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン配線部と、前記絶縁性フィルムの表面側で前記一対のパッド電極に接着された一対のリードフレームとを備え、前記薄膜サーミスタ部が前記絶縁性フィルムの先端側に配されたサーミスタ形成領域に形成され、前記パッド電極が前記絶縁性フィルムの基端側に配された電極形成領域に形成され、前記一対のリードフレームの先端側が、前記サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されていることを特徴とする。
　この非接触温度センサでは、一対のリードフレームの先端側が、サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されているので、薄膜サーミスタ部が周囲のリードフレームで機械的に保護されると共に、周囲のリードフレームと非接触であるために熱がリードフレームに逃げ難く、高い応答性かつ高い検出精度を得ることができる。また、チップ型のサーミスタ素子等に比べて熱容量の小さい薄膜サーミスタ部で輻射熱を受けることで高い応答性を得ることができると共に、サーミスタ形成領域が中空に非接触で突き出ており、リードフレームにまで延ばさないことで小さい面積に設定可能であり、センサが小型化できる。さらに、複写機のローラ等を測定対象とした場合、紙詰まりでローラとの距離が変わっても、紙を取り除いた際にリードフレームのバネ性（弾性）によりセンサ位置が元に戻り、原状を回復することができる。
　第２の発明に係る非接触温度センサは、第１の発明において、基端側が前記絶縁性フィルムの前記電極形成領域の裏面側に接着され、先端側が前記サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されている一対の裏面側フレームを備えている。
　すなわち、この非接触温度センサでは、基端側が絶縁性フィルムの電極形成領域の裏面側に接着され、先端側がサーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されている一対の裏面側フレームを備えているので、表面側のリードフレームに加えて裏面側フレームによってもサーミスタ形成領域が機械的に保護され、より高い剛性を有して補強される。また、電極形成領域をリードフレームと裏面側フレームとで挟んで支持することができ、リードフレームとパッド電極との接合強度を維持して信頼性の向上を図ることができる。
　第３の発明に係る非接触温度センサは、第１又は第２の発明において、前記サーミスタ形成領域の裏面側を非接触で覆って設けられた絶縁性の保護フィルムを備えていることを特徴とする。
　すなわち、この非接触温度センサでは、サーミスタ形成領域の裏面側を非接触で覆って設けられた絶縁性の保護フィルムを備えているので、保護フィルムが裏面側で輻射熱を遮蔽して、外気等の影響や測定対象物以外からの熱の干渉を抑制することができる。
　第４の発明に係る非接触温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記パターン配線部が、膜厚１００～３００ｎｍの薄膜で形成されていることを特徴とする。
　すなわち、この非接触温度センサでは、パターン配線部が、膜厚１００～３００ｎｍの薄膜で形成されているので、通常のプリント基板等で配線として用いられている厚さ１００μｍ程度の金属箔に比べてナノレベルの薄膜化によって大幅に熱コンダクタンスが小さくなって、さらに高い応答性を得ることができる。なお、膜厚が１００ｎｍ未満の場合は、絶縁性フィルムが曲がった際に断線することがあり、膜厚が３００ｎｍを超える場合は、従来の金属箔の配線と同様に熱コンダクタンスが大きくなってしまうため、上記膜厚範囲とすることが好ましい。
　第５の発明に係る非接触温度センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記絶縁性フィルムが、前記サーミスタ形成領域と前記電極形成領域との間に、前記パターン配線部が配された配線形成領域を有し、前記配線形成領域が、前記サーミスタ形成領域及び前記電極形成領域よりも幅狭に形成されていることを特徴とする。
　すなわち、この非接触温度センサでは、配線形成領域が、サーミスタ形成領域及び電極形成領域よりも幅狭に形成されているので、配線形成領域を介して熱が逃げ難くなり、より高い応答性を得ることができる。
　本発明によれば、以下の効果を奏する。
　すなわち、本発明に係る非接触温度センサによれば、一対のリードフレームの先端側が、サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されているので、薄膜サーミスタ部が周囲のリードフレームで機械的に保護されると共に、熱がリードフレームに逃げ難く、高い応答性かつ高い検出精度を得ることができ、さらに熱容量が小さいことで、高い応答性を得ることができる。また、複写機のローラ等を測定対象とした場合、紙詰まりでローラとの距離が変わっても、リードフレームのバネ性により原状を回復することができる。したがって、従来よりもローラに近づけて設置することも可能になり、高い検出精度を得ることが可能になる。
　したがって、本発明の非接触温度センサによれば、薄膜サーミスタ部が保護されていると共に、高い応答性で正確に温度を非接触で測定することができ、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。
本発明に係る非接触温度センサの一実施形態を示す内部を透視した平面図（ａ）及びＡ－Ａ線断面図（ｂ）である。 本実施形態において、センサ部を示す平面図である。 本実施形態において、センサ部の製造工程を工程順に示す要部の斜視図である。 本実施形態において、リードフレーム取り付け工程を示す平面図である。 本実施形態において、裏面側フレーム取り付け工程を示す平面図及び正面図である。 本実施形態において、保護フィルム取り付け工程を示す平面図及び正面図である。
　以下、本発明に係る非接触温度センサにおける一実施形態を、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図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
　本実施形態の非接触温度センサ１は、図１から図３に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパッド電極５と、一端が一対の櫛型電極４に接続されていると共に他端が一対のパッド電極５に接続され絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパターン配線部６と、絶縁性フィルム２の表面側で一対のパッド電極５に接着された一対のリードフレーム７とを備えている。
　なお、図２及び図３に示すように、上記の絶縁性フィルム２、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４、パッド電極５及びパターン配線部６によりセンサ部Ｓが構成されている。
　また、上記センサ部Ｓは、パッド電極５が配された領域を除いて絶縁性フィルム２の表面に形成された保護膜８を備えている。
　上記薄膜サーミスタ部３は、絶縁性フィルム２の先端側に配されたサーミスタ形成領域２ａに形成されている。また、上記パッド電極５は、絶縁性フィルム２の基端側に配された電極形成領域２ｂに形成されている。さらに、絶縁性フィルム２は、サーミスタ形成領域２ａと電極形成領域２ｂとの間に、パターン配線部６が配された配線形成領域２ｃを有している。この配線形成領域２ｃは、サーミスタ形成領域２ａ及び電極形成領域２ｂよりも幅狭に形成されている。
　上記一対のリードフレーム７の先端側は、サーミスタ形成領域２ａの周囲を非接触で囲んで配されている。すなわち、一対のリードフレーム７の先端側は、サーミスタ形成領域２ａの両側方に延在し、さらにそれぞれ対向方向に曲がってサーミスタ形成領域２ａの側方から前方を囲むように延びている先端部７ａを有している。これらの先端部７ａは、近接状態に対向している。また、一対のリードフレーム７の基端側は、サーミスタ形成領域２ａの側方部分よりも幅広に形成され、電極形成領域２ｂの一対のパッド電極５に溶接されて接着されている。
　したがって、一対のリードフレーム７は互いに平行に延在していると共に、サーミスタ形成領域２ａの側方部分だけが幅狭に形成されて、サーミスタ形成領域２ａを囲むように配設されている。このように、サーミスタ形成領域２ａは、一対のリードフレーム７の先端側に囲まれた領域にこれらに接触しない状態で突出し、中空に浮いている状態とされている。
　なお、リードフレーム７は、はんだ付けでパッド電極５に接合して接着しても構わない。
　また、本実施形態の非接触温度センサ１は、基端側が絶縁性フィルム２の電極形成領域２ｂの裏面側に接着され、先端側がサーミスタ形成領域２ａの周囲を非接触で囲んで配されている一対の裏面側フレーム９と、サーミスタ形成領域２ａの裏面側を非接触で覆って設けられた絶縁性の保護フィルム１０とを備えている。したがって、この非接触温度センサ１では、図１の（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２の表面側だけが開口しており、測定対象物からの輻射熱（図１中の一点破線矢印）を受けることができる。
　なお、裏面側フレーム９は、熱膨張係数の違いによる変形を防ぐために、リードフレーム７と同じ金属材料で形成することが好ましい。また、リードフレーム７及び裏面側フレーム９は、測定対象物と平行な位置を維持するため、またセンサを曲げた際に位置を回復するために、ある程度の弾性を有した材料が好ましい。
　上記パターン配線部６は、膜厚１００～３００ｎｍの薄膜で形成されている。
　上記絶縁性フィルム２は、例えばポリイミド樹脂シートで形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、加熱ローラの温度測定用としては、最高使用温度が２３０℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。
　上記薄膜サーミスタ部３は、絶縁性フィルム２の先端側に配され、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。
　上記パターン配線６及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５～１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０～２９５ｎｍで形成された電極層とを有している。
　一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。
　上記保護膜８は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。
　上記保護フィルム１０は、絶縁性樹脂フィルム等であり、例えばポリイミドフィルムが採用される。
　上記薄膜サーミスタ部３は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。
　また、この薄膜サーミスタ部３は、例えば膜厚１００～１０００ｎｍの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
　なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。
　この非接触温度センサ１の製造方法について、図２から図５を参照して以下に説明する。
　本実施形態の非接触温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２上に一対のパターン配線６をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２の表面に保護膜８を形成する保護膜形成工程と、パッド電極５にリードフレーム７を溶接するリードフレーム接着工程と、絶縁性フィルム２に裏面側フレーム９を接着する裏面側フレーム接着工程と、保護フィルム１０を裏面側フレーム９に接着する保護フィルム接着工程とを有している。
　より具体的な製造方法の例としては、図３の（ａ）に示す厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ－Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、ＴｉｘＡｌｙＮｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０－６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。
　成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉｘＡｌｙＮｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図３の（ｂ）に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部３にする。
　次に、薄膜サーミスタ部３及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚１００ｎｍ形成する。
　次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図２及び図３の（ｃ）に示すように、レジスト剥離にて所望のパターン配線６及び櫛型電極４を形成する。
　さらに、その上にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、２５０℃、３０分でキュアを行い、図３の（ｄ）に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜８を形成することで、センサ部Ｓが作製される。
　次に、センサ部Ｓの一対のパッド電極５に、図４に示すように、一対のリードフレーム７をその基端側で溶接する。このとき、一対のリードフレーム７を、その先端側でサーミスタ形成領域２ａを囲むように配置する。
　さらに、図５に示すように、絶縁性フィルム２の裏面側に、一対のリードフレーム７と対向状態に、一対の裏面側フレーム９を接着剤等により接着する。このとき、一対のリードフレーム７の先端側と同様に、一対の裏面側フレーム９もその先端側でサーミスタ形成領域２ａを囲むように配置する。
　そして、図６に示すように、一対の裏面側フレーム９上にポリイミドフィルムの保護フィルム１０を接着剤等で貼り付け、一対の裏面側フレーム９間の上部開口部分を塞ぐことで、非接触温度センサ１が作製される。
　なお、複数のセンサ部Ｓを同時に作製する場合、絶縁性フィルム２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４、パターン配線６、パッド電極５及び保護フィルム１０を上述のように形成した後に、大判シートから各センサ部Ｓに切断する。
　このように本実施形態の非接触温度センサ１では、一対のリードフレーム７の先端側が、サーミスタ形成領域２ａの周囲を非接触で囲んで配されているので、薄膜サーミスタ部３が周囲のリードフレーム７で機械的に保護されると共に、周囲のリードフレーム７と非接触であるために熱がリードフレーム７に逃げ難く、高い検出精度を得ることができる。また、チップ型のサーミスタ素子等に比べて熱容量の小さい薄膜サーミスタ部３で輻射熱を受けることで高い応答性を得ることができると共に、サーミスタ形成領域２ａが中空に非接触で突き出ており、リードフレーム７にまで延ばさないことで小さい面積に設定可能であり、センサが小型化できる。さらに、複写機のローラ等を測定対象とした場合、紙詰まりでローラとの距離が変わっても、紙を取り除いた際にリードフレーム７のバネ性（弾性）によりセンサ位置が元に戻り、原状を回復することができる。したがって、従来よりもローラに近づけて設置することも可能になり、高い検出精度を得ることが可能になる。
　また、基端側が絶縁性フィルム２の電極形成領域２ｂの裏面側に接着され、先端側がサーミスタ形成領域２ａの周囲を非接触で囲んで配されている一対の裏面側フレーム９を備えているので、表面側のリードフレーム７に加えて裏面側フレーム９によってもサーミスタ形成領域２ａが機械的に保護され、より高い剛性を有して補強される。また、電極形成領域２ｂをリードフレーム７と裏面側フレーム９とで挟んで支持することができ、リードフレーム７とパッド電極５との接合強度を維持して信頼性の向上を図ることができる。
　さらに、サーミスタ形成領域２ａの裏面側を非接触で覆って設けられた絶縁性の保護フィルム１０を備えているので、保護フィルム１０が裏面側で輻射熱を遮蔽して、外気等の影響や測定対象物以外からの熱の干渉を抑制することができる。
　また、パターン配線部６が、膜厚１００～３００ｎｍの薄膜で形成されているので、通常のプリント基板等で配線として用いられている厚さ１００μｍ程度の金属箔に比べてナノレベルの薄膜化によって大幅に熱コンダクタンスが小さくなって、さらに高い応答性を得ることができる。
　また、配線形成領域２ｃが、サーミスタ形成領域２ａ及び電極形成領域２ｂよりも幅狭に形成されているので、配線形成領域２ｃを介して熱が逃げ難くなり、より高い応答性を得ることができる。
　なお、薄膜サーミスタ部３が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
　また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
　さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。
　したがって、本実施形態の非接触温度センサ１では、絶縁性フィルム２上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部３が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部３により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム２を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
　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、絶縁性フィルムにおいて薄膜サーミスタ部の反対側の面（サーミスタ形成領域の裏面）に特に何も形成していないが、この部分にＡｕ等で赤外線反射膜を形成しても構わない。この場合、赤外線反射膜によって裏面側からの赤外線を反射してさらに測定対象物以外からの輻射熱の干渉を防ぐことができる。
　また、上記実施形態では、裏面フレームと保護フィルムとを別体として接着しているが、これらを樹脂等でケース状に一体化して絶縁性フィルムの裏面に接着しても構わない。
　１…非接触温度センサ、２…絶縁性フィルム、２ａ…サーミスタ形成領域、２ｂ…電極形成領域、２ｃ…配線形成領域、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パッド電極、６…パターン配線、７…リードフレーム、８…保護膜、９…裏面側フレーム、１０…保護フィルム、Ｓ…センサ部

Claims (5)

  1. 　絶縁性フィルムと、
    　前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
    　前記薄膜サーミスタ部の上面及び下面の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
    　前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパッド電極と、
    　一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のパッド電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン配線部と、
    　前記絶縁性フィルムの表面側で前記一対のパッド電極に接着された一対のリードフレームとを備え、
    　前記薄膜サーミスタ部が前記絶縁性フィルムの先端側に配されたサーミスタ形成領域に形成され、
    　前記パッド電極が前記絶縁性フィルムの基端側に配された電極形成領域に形成され、
    　前記一対のリードフレームの先端側が、前記サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されていることを特徴とする非接触温度センサ。
  2. 　請求項１に記載の非接触温度センサにおいて、
    　基端側が前記絶縁性フィルムの前記電極形成領域の裏面側に接着され、先端側が前記サーミスタ形成領域の周囲を非接触で囲んで配されている一対の裏面側フレームを備えていることを特徴とする非接触温度センサ。
  3. 　請求項２に記載の非接触温度センサにおいて、
    　前記サーミスタ形成領域の裏面側を非接触で覆って設けられた絶縁性の保護フィルムを備えていることを特徴とする非接触温度センサ。
  4. 　請求項１に記載の非接触温度センサにおいて、
    　前記パターン配線部が、膜厚１００～３００ｎｍの薄膜で形成されていることを特徴とする非接触温度センサ。
  5. 　請求項１に記載の非接触温度センサにおいて、
    　前記絶縁性フィルムが、前記サーミスタ形成領域と前記電極形成領域との間に、前記パターン配線部が配された配線形成領域を有し、
    　前記配線形成領域が、前記サーミスタ形成領域及び前記電極形成領域よりも幅狭に形成されていることを特徴とする非接触温度センサ。

     
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