JP6030273B1 - 赤外線温度センサ及び赤外線温度センサを用いた装置 - Google Patents

Abstract

簡単な構成によって性能の向上を図ることができ、信頼性の高い赤外線温度センサを提供する。開口部２１ａを有し、赤外線を導くように形成された導光部２１と、遮蔽壁２２ａを有し、赤外線を遮蔽するように形成された遮蔽部２２とを備え、前記導光部２１及び遮蔽部２２の内周壁を形成する区画壁２４を有する本体２と、前記本体２の前記導光部２１及び前記遮蔽部２２に対向するように配設された基板３と、前記基板３上に配置され、前記導光部２１に対応する位置に配設された赤外線検知用感熱素子４と、前記基板３上に、前記赤外線検知用感熱素子４と離間されて配置され、前記遮蔽部２２に対応する位置に配設された温度補償用感熱素子５と、前記基板３上に形成され、前記赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５を接続するとともに一部に集熱パターンを有する配線パターン３１とを備えている。

Description

本発明は、検知対象物からの赤外線を検知して、検知対象物の温度を測定する赤外線温度センサ及びこの赤外線温度センサを用いた装置に関する。

従来、例えば、複写機の定着装置に用いられる加熱定着ローラ等の検知対象物の温度を測定する温度センサとして、検知対象物からの赤外線を非接触で検知して、検知対象物の温度を測定する赤外線温度センサが使用されている。
このような赤外線温度センサは、周囲温度の変化を補償するため、赤外線検知用感熱素子の他に温度補償用感熱素子が設けられている。
ところで、赤外線温度センサの応答性、周囲温度の変化に伴う追従性や感度等の性能を向上するため種々の提案がなされている。

例えば、赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子との間で高い温度差を得るため、赤外線反射膜を備えるもの（特許文献１参照）、熱源の温度を感度良く測定するため、集熱パターン等の各種パターンを備えるもの（特許文献２参照）及び周囲の温度変化に追従して赤外線温度センサの温度変化を全体として均一にしようとするもの（特許文献３参照）が提案されている。

特開２０１１−１０２７９１号公報 特開２０１３−５０３６５号公報 特許第５２０７３２９号公報

しかしながら、上記のような従来の赤外線温度センサにおいては、性能の向上を目指してはいるものの、簡単な構成で性能の向上を図ることができるものではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、性能の向上を図ることができ、信頼性の高い赤外線温度センサ及びこの赤外線温度センサを用いた装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の赤外線温度センサは、開口部を有し、赤外線を導くように形成された導光部と、遮蔽壁を有し、赤外線を遮蔽するように形成された遮蔽部とを備え、前記導光部及び遮蔽部の内周壁を形成する区画壁を有する本体と、前記本体の前記導光部及び前記遮蔽部に対向するように配設された基板と、前記基板上に配置され、前記導光部に対応する位置に配設された赤外線検知用感熱素子と、前記基板上に、前記赤外線検知用感熱素子と離間されて配置され、前記遮蔽部に対応する位置に配設された温度補償用感熱素子と、
前記基板上に形成され、前記赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子を接続するとともに一部に外周が連続して繋がっている集熱パターンを有する配線パターンと、を具備し、前記区画壁は、導光部及び遮蔽部の内周壁から前記集熱パターンの外形における前記外周まで一定寸法離間して基板上に接触していることを特徴とする。

赤外線温度センサは、表面実装型のものに好適に用いられるが、表面実装型に限定されるものではない。また、基板には、フレキシブル配線基板やリジット配線基板を用いることができる。特定の形式の配線基板に限定されるものではない。

赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子としては、セラミックス半導体で形成されたチップサーミスタが好適に用いられるが、これに限らず、熱電対や測温抵抗体等を用いることができる。

請求項２に記載の赤外線温度センサは、請求項１に記載の赤外線温度センサにおいて、前記開口部が前記本体の表面から突出しないとともに、前記基板上における赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子との境界の部分に対向して、前記本体の区画壁が接触していることを特徴とする。

請求項３に記載の赤外線温度センサは、請求項１又は請求項２に記載の赤外線温度センサにおいて、前記配線パターンにおいて、赤外線検知用感熱素子が接続される配線パターンと温度補償用感熱素子が接続される配線パターンとは、同一パターンの形態であることを特徴とする。

請求項４に記載の赤外線温度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサにおいて、前記集熱パターンには、少なくとも１つ以上の開口が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の赤外線温度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサにおいて、前記集熱パターンは、略四角形状の開口が複数形成された格子模様状のパターンであることを特徴とする。

請求項６に記載の赤外線温度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサにおいて、前記集熱パターンは、略円形状の開口が複数形成された水玉模様状のパターンであることを特徴とする。

請求項７に記載の赤外線温度センサは、請求項４乃至請求項６のいずれか一に記載の赤外線温度センサにおいて、前記集熱パターンにおいて、導体が形成されている部分に対する導体が形成されていない部分の比率が２０〜８０％であることを特徴とする。

請求項８に記載の赤外線温度センサは、請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の赤外線温度センサにおいて、前記集熱パターンにおいて、導体膜が酸化処理されていることを特徴とする。

請求項９に記載の赤外線温度センサを用いた装置は、請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載された赤外線温度センサが備えられていることを特徴とする。

赤外線温度センサは、例えば、複写機の定着装置、バッテリーユニット、コンデンサ、ＩＨクッキングヒータ、冷蔵庫の庫内物品等の温度検知のため各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

本発明によれば、性能の向上を図ることができ、信頼性の高い赤外線温度センサ及びこの赤外線温度センサを用いた装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線温度センサを示す斜視図である。 同赤外線温度センサを示す平面図である。 同赤外線温度センサを示す背面図である。 図２中、Ａ―Ａ線に沿う断面図である。 図２中、Ｂ―Ｂ線に沿う断面図である。 図２中、Ｃ―Ｃ線に沿う断面図である。 図６中、Ｘ―Ｘ線に沿うケースの断面図である。 図８（ａ）はケースの背面側に蓋部材を設けたものであり、図５に相当する断面図、（ｂ）は蓋部材を示す斜視図である（変形例１）。 外部との通気を許容する通気部を設けたものであり、図６に相当する断面図である（変形例２）。 配線パターンを示す平面図である（変形例３）。 本発明の第２の実施形態に係る赤外線温度センサを分解して示す斜視図である。 同赤外線温度センサを分解して背面側から見て示す斜視図である。 同赤外線温度センサを示す平面図である。 同赤外線温度センサを示し、図６に相当する断面図である。 図１４中、Ｘ―Ｘ線に沿うケースの断面図である。 接着シートを示す平面図である。 配線パターンを示す平面図である。 同じく、配線パターンを示す平面図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る赤外線温度センサについて図１乃至図１０を参照して説明する。図１は赤外線温度センサを示す斜視図、図２は赤外線温度センサを示す平面図、図３は赤外線温度センサを示す背面図である。図４は図２中、Ａ―Ａ線に沿う断面図、図５は図２中、Ｂ―Ｂ線に沿う断面図、図６は図２中、Ｃ―Ｃ線に沿う断面図である。また、図７は図６中、Ｘ―Ｘ線に沿う本体の断面図である。さらに、図８乃至図１０は変形例を示している。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１乃至図７に示すように、赤外線温度センサ１は、本体２と、基板３と、この基板３上に配設された赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５と、同様に基板３上形成された配線パターン３１及び実装用端子３２とを備えている。赤外線温度センサ１は、表面実装型であり、表面実装に適するように構成されている。

本体２は、熱伝導性を有する金属材料、例えば、鉄によって略直方体形状に形成されており、導光部２１及び遮蔽部２２と、収容空間部２３とを有している。本体２は、縦方向の長さ寸法及び横方向の長さ寸法が８ｍｍ〜１３ｍｍ、高さ寸法が２ｍｍ〜５ｍｍの小型化されたサイズからなっている。

また、本体２は、後述する表面から突出しない開口部２１ａを有し、その全体が熱処理によって酸化され黒体化されている。具体的には、本体２を４００℃〜１０００℃程度の高温で熱処理することにより、本体２の表面に酸化膜が形成され、黒化処理される。この酸化膜の膜厚寸法は、１０μｍ以下に形成することが好ましく、具体的には３μｍに形成されている。放射率は、０．８以上が好ましく、前記黒化処理により０．８〜０．９５の放射率を得ることができる。

従来における開口部が表面から突出する構造の赤外線温度センサにあっては、本体の材料は、アルミニウム、アルミ合金、亜鉛合金等の熱伝導率が９６Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが使用されていた。これは突出部があると本体に温度差が生じてしまうため、熱伝導の悪い材料が使用できなかったことによる。

複写機等の熱定着装置の場合、赤外線温度センサは熱源のヒートローラに対し５ｍｍ程度の極めて近距離に設置される。このような環境下で開口部が突出する構造の赤外線温度センサでは高価な熱伝導の良い材料でないと赤外線温度センサが正確に機能できないという問題があった。

本実施形態では、開口部２１ａが表面から突出することなく、突出部を有しないことにより、本体２の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でも使用可能になっている。鉄、ステンレス、フィラーを含有させた熱伝導性の良い樹脂等の材料が使用可能となる。

なお、本体２を形成する材料は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するものであれば、格別限定されるものではない。例えば、金属材料は、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、マンガン、銅、チタン、モリブデン又はこれらの金属の内、少なくとも１種を含む合金などを用いることができる。例えば、セラミックス材料は、アルミナ、窒化アルミ等の熱伝導が良い材料を選べばよい。また、樹脂材料は一般的に熱伝導が悪いので、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に熱伝導性を有するカーボン、金属、セラミック等のフィラーを含有させた材料を用いる。さらに、放射率の低い、金属材料、セラミックス材料に黒色塗装を施した材料等を用いることができる。樹脂自身の放射率は高いので、樹脂の表面は黒体化されるようになる。

本体２には、導光部２１と遮蔽部２２とが形成されており、導光部２１は、本体２の一面側（前面側）に開口部２１ａを有し、赤外線を導くように形成されている。遮蔽部２２は、一面側（前面側）に遮蔽壁２２ａを有し、赤外線を遮蔽するように形成されている。

導光部２１は、開口部２１ａが前面側から背面側にわたって貫通する筒状の貫通孔として、背面側が開口して形成されており、その導光部２１の内周面は、既述のように酸化によって酸化膜が形成され黒体化されている。開口部２１ａは、本体２の前面側の表面から突出することなく、表面と略同一面に形成されており、横長であって隅丸の略長方形状であり、長手方向の長さ寸法が３ｍｍ〜６ｍｍ、具体的には６ｍｍに形成されており、短手方向の長さ寸法が１ｍｍ〜２．５ｍｍ、具体的には２ｍｍに形成されている。したがって、開口部２１ａの寸法は１ｍｍ〜６ｍｍの範囲内であり、最大寸法が６ｍｍ以下に設定されている。

このように開口部２１ａの寸法を１ｍｍ〜６ｍｍ以下の小さい寸法に設定することにより、開口部２１ａの加工寸法の精度を向上することができる。具体的には、開口部２１ａの寸法を６ｍｍ以下とすることにより±０．０５ｍｍ以下の寸法精度を得ることができる。これは例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）に示される普通寸法公差とも符合している。また、１ｍｍ未満の寸法の場合には±０．０５ｍｍ以下の寸法精度を想定すると、開口部２１ａの寸法に対する公差の比率が５％を超えるため開口部２１ａの寸法の高精度確保が困難となる。

なお、開口部２１ａの形状は、特段限定されるものではない。円形状、楕円形状や多角形状等に形成してもよい。検知対象物の測定部の形態等によって適宜選定することができる。

遮蔽部２２は、導光部２１に隣接して配置されており、導光部２１と遮蔽部２２との境界を中心軸として略対称の形態に形成されている。遮蔽部２２は、遮蔽壁２２ａを前面側に有して、背面側へ導光部２１と同一形状、つまり、開口部２１ａと同一形状の隅丸の略長方形状で延出して空間部２２ｂを形成している。この空間部２２ｂは、凹状の空洞であり、遮蔽壁２２ａと対向する背面側は開口されている。

すなわち、図７に代表して示すように、本体２において、遮蔽部２２における遮蔽壁２２ａを含まない部位での横断面形状が、導光部２１と遮蔽部２２との境界を中心軸Ｃとして略対称の形態となって一体的に形成されている。換言すれば、導光部２１の開口部２１ａと遮蔽部２２の遮蔽壁２２ａの部分を除けば、導光部２１側と遮蔽部２２側とは、略同一形状に形成されている。

以上のように導光部２１及び遮蔽部２２は、一定の空間領域が周囲の区画壁２４によって形成されていることとなる。換言すれば、導光部２１及び遮蔽部２２の内周壁は、区画壁２４によって形成されている。ここで、便宜上、導光部２１と遮蔽部２２との境界の部分の区画壁２４を中央壁２４ａ、その他区画壁２４の部分を周囲壁２４ｂとする。

収容空間部２３は、本体２の内部における背面側に形成されている。具体的には、収容空間部２３は、略直方体形状の凹状に形成され、導光部２１及び遮蔽部２２の背面側の開口と連通するようになっている。

基板３は、略長方形状に形成された赤外線を吸収する絶縁性フィルムであり、可撓性を有するフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）である。基板３は、本体２の他面側（背面側）に導光部２１及び遮蔽部２２と対向するように配設される。詳しくは、基板３は、前記収容空間部２３の内壁に沿って折り曲げられて、熱溶着されて配設される。この場合、基板３を収容空間部２３の内壁に沿う形状にフォーミング加工してもよい。

基板３には、絶縁性基材の一表面（図４乃至図６中、背面側）上に赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５が配設されている。また、同様に一表面上には、導体の配線パターン３１及びこの配線パターン３１に電気的に接続されるとともに端部側に位置する実装用端子３２が形成されている。

基板３には、ポリイミド、ポリエチレン、液晶ポリマー、フッ素、シリコン、ポリエステル、ポリカーボネート、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の高分子材料からなる樹脂を用いることができる。また、これらの樹脂にカーボンブラック又は無機顔料（クロムイエロ、弁柄、チタンホワイト、群青の１種以上）を混合分散させて略全波長の赤外線を吸収し得るような材料を用いてもよい。

本実施形態においては、基板３を前記収容空間部２３の内壁に沿って折り曲げて、熱溶着によって配設するため、基板３は、熱溶着が可能なポリイミド、ポリエチレン、液晶ポリマー等の材料が用いられている。

図２及び図３に示すように配線パターン３１は、一端側に矩形状の電極端子３１ａを有し、この電極端子３１ａから細幅のパターンが、集熱パターンとしてミアンダ状のパターンで延出し、他端側の終端部に矩形状の実装用端子３２、具体的には半田付け用のランドが形成されて構成されている。集熱パターンとしてのミアンダ状のパターンは、配線パターン３１の一部を形成しているものであり、後述するように、ミアンダ状のパターンによって赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５の温度が保持され、出力を大きくすることができるとともに感度の向上を図ることができる。

これと同じパターンの配線パターン３１が電極端子３１ａの相互が対向するように一対配設されて、赤外線検知用感熱素子４又は温度補償用感熱素子５が配置され接続されるようになっている。

したがって、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５を接続するため、２対の配線パターン３１が互いに略平行に並べられて配設されている。この赤外線検知用感熱素子４が接続される配線パターン３１ｄｔと温度補償用感熱素子５が接続される配線パターン３１ｃｐとは、同一パターンの形態であり、互に接続されることなく、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とを各々個別に接続している。

また、配線パターン３１の上には、ポリイミドフィルムに代表される樹脂フィルム、レジストインク等からなる絶縁層であるカバー層３３が形成されている。カバー層３３は、配線パターン３１を被覆するように形成されているが、電極端子３１ａ及び実装用端子３２は、カバー層３３に被覆されていない露出した部分となっている。

さらに、カバー層３３には、ポリイミドフィルム、レジストインクにカーボンブラック又は無機顔料（クロムイエロ、弁柄、チタンホワイト、群青の１種以上）を混合分散させて略全波長の赤外線を吸収し得るような材料を用いてもよい。カバー層３３に赤外線吸収材料を用いることで受光エネルギーが大きくなり感度の向上を図ることができる。
なお、この配線パターン３１は、説明上、図２においては基板３を透して、図３においてはカバー層３３を透して視認できる状態を鮮明化して示している。

このような配線パターン３１は、圧延銅箔や電解銅箔などによりパターニングされて形成されており、実装用端子３２には、接続抵抗を減らし、腐食を防止するため、ニッケルめっき、金めっきや半田めっきなどのめっき処理がなされている。

赤外線検知用感熱素子４は、検知対象物からの赤外線を検知して、検知対象物の温度を測定する。温度補償用感熱素子５は、周囲温度を検知して、周囲温度を測定する。これら赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５は、少なくとも略等しい温度特性を有する感熱素子で構成されており、配線パターン３１の対向する電極端子３１ａ間に接続され、相互に離間して実装配置されている。

具体的には、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５は、両端部に端子電極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、例えば、ＮＴＣ型サーミスタを採用している。

特に、本実施形態では、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５として、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの金属酸化物又は金属窒化物を含有するセラミックス半導体、すなわち、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系材料で形成された薄膜サーミスタ素子を採用している。このセラミックス半導体は、温度係数であるＢ定数が高いため、赤外線を吸収する基板３の温度変化を感度よく検出することができる。

また、セラミックス半導体は、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望ましく、この場合、異方性もなく、また、不純物層がないので、セラミックス焼結体内で電気特性のばらつきが小さく、複数の赤外線温度センサを用いる際に高精度な測定が可能になる。さらに、安定した結晶構造のため、耐環境に対する信頼性も高い。なお、セラミックス半導体としては、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。

また、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５とが、セラミックス半導体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子、薄膜サーミスタの中から所定の許容誤差内の抵抗値で選別したものであることが好ましい。

この場合、対となる赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５とでＢ定数の相対誤差が小さくなり、同時に温度を検出する両者の温度差分を高精度に検出することができる。また、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５とについて、Ｂ定数の選別作業や抵抗値の調整工程が不要になり、生産性を向上させることができる。

なお、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５に用いるサーミスタ素子の構成は、例えば、バルクサーミスタ、積層サーミスタ、厚膜サーミスタ、薄膜サーミスタのいずれの構成であってもよい。

以上のように構成される赤外線温度センサ１は、図６に代表して示すように、赤外線検知用感熱素子４は、導光部２１に対応する位置に配設され、温度補償用感熱素子５は、遮蔽部２２に対応する位置に配設される。

また、本体２における区画壁２４である中央壁２４ａ及び周囲壁２４ｂが基板３の表面上に熱結合するように接触して配置される。具体的には、中央壁２４ａは、基板３の表面上における赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との境界の部分に対向して接触する。さらに、周囲壁２４ｂも赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との周囲における基板３の表面上に熱結合するように接触する。したがって、本体２における区画壁２４は、導光部２１及び遮蔽部２２の領域を除いて、基板３の表面上に接触している。この接触は、導光部２１側と遮蔽部２２側との接触面積が略同一で、略同一の状態の接触状態となっている。

より詳しくは、図２に代表して示すように、区画壁２４は、導光部２１及び遮蔽部２２の内周壁から配線パターン３１の外形までの一定寸法ｄを離間して基板３の表面上に接触している。さらに、基板３上の端部側に形成された実装用端子３２は、本体２の周壁における背面側端部に配設される。

主として図２に示すように、赤外線検知用感熱素子４が接続される配線パターン３１ｄｔと温度補償用感熱素子５が接続される配線パターン３１ｃｐとは、略平行に並べられて配設されており、この配線パターン３１ｄｔ、３１ｃｐに対応して導光部２１と遮蔽部２２とが並設されるようになっている。

図４乃至図６に示すように、このような赤外線温度センサ１は、回路基板１０としての実装基板に実装される。実装基板の表面側には、所定の配線パターンが形成され、赤外線温度センサ１の実装用端子３２が接続される接続端子１１が形成されている。したがって、赤外線温度センサ１の実装用端子３２が実装基板の接続端子１１に半田付け等によって電気的に接続される。なお、この接続手段は、格別のものに限定されるものではなく、例えば、導電性接着剤等を用いてもよく、電気的な接続が可能であれば手段は問わないものである。

次に、上記赤外線温度センサ１の動作について説明する。検知対象物の表面から放射された赤外線は、赤外線温度センサ１の導光部２１における開口部２１ａから入射し、導光部２１に導かれて導光部２１を通過し基板３に到達する。開口部２１ａは、視野を制限する機能を有しているので、検知対象物の測定部を効果的に特定でき検出精度を向上することが可能となる。この基板３に到達した赤外線は、基板３に吸収されて熱エネルギーに変換される。

ここで、開口部２１ａの寸法は１ｍｍ〜６ｍｍに設定されているので、開口部２１ａの寸法精度が±０．０５ｍｍと高くなっており、また、開口部２１ａは、熱処理によって酸化され黒体化されて、その酸化膜の膜厚寸法は、極めて薄く１０μｍ以下に形成されているので開口部の寸法精度への影響は極めて少ない。

したがって、赤外線温度センサ１は、格別に赤外線の受光エネルギー量を調整するための調整用の部材を要することなく、個々の赤外線温度センサの出力特性のばらつきを抑制できるものとなっている。
開口部２１ａの寸法が６ｍｍの場合、開口寸法と酸化膜の膜厚の合計寸法精度は±０．０５ｍｍ以下となるのでその誤差比率は１％以下の高精度になる。

変換された熱エネルギーは、基板３を通じて直下の赤外線検知用感熱素子４に伝達され、赤外線検知用感熱素子４の温度を上昇させる。赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とは、少なくともほぼ等しい温度特性を有するセラミックス半導体であり、検知対象物からの赤外線によって赤外線検知用感熱素子４の抵抗値が変化する。

同時に、赤外線は遮蔽部２２の遮蔽壁２２ａによって遮られるが、検知対象物からの輻射熱や周囲雰囲気温度によって本体２の温度が上昇するため、温度補償用感熱素子５の抵抗値も本体２の温度上昇に相当する抵抗値の変化を受ける。

この場合、本体２が金属等の熱伝導性を有する材料で形成されているので、周囲の温度変化に追従して赤外線温度センサ１の温度変化を全体として均一化することができる。また、導光部２１と遮蔽部２２とは、導光部２３と遮蔽部２２との境界を中心軸Ｃとして略対称の形態となっており、略同一形状に形成されている。さらに、赤外線検知用感熱素子４が接続される配線パターン３１ｄｔと温度補償用感熱素子５が接続される配線パターン３１ｃｐとは、同一パターンの形態に形成されている。

このため、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とは、周囲の温度変化に対して同じように変化し、追従性が良好で熱的外乱に対する影響を抑制することができ、検知対象物からの赤外線による温度変化を精度よく検出することが可能となる。

また、配線パターン３１の一部には、ミアンダ状のパターン（集熱パターン）が形成されているので、熱伝導経路が長くなり、熱が逃げにくくなるため、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５の温度が保持され、出力を大きくすることができるとともに感度の向上を図ることができる。

加えて、配線パターン３１ｄｔと配線パターン３１ｃｐとは、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とを各々個別に接続している。したがって、配線パターン３１ｄｔと配線パターン３１ｃｐとの相互の熱的影響を軽減することができ、感度を向上することができる。

また、基板３の表面上における赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との境界の部分に対向して、本体２の中央壁２４ａが接触するため、基板３の熱が中央壁２４ａに伝導される。このため、境界の部分の温度勾配を抑制でき、赤外線検知用感熱素子４側の基板３の熱が、温度補償用感熱素子５側の基板３に伝導するのを軽減して、相互の干渉を少なくすることができる。したがって、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との間で高い温度差分を得ることが可能となり、感度の向上が実現できる。

さらに、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との相互の熱的及び光学的な干渉が抑制されるので、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とを近づけて配置することができ、全体の小型化に寄与することができる。

さらにまた、区画壁２４は、導光部２１及び遮蔽部２２の内周壁から配線パターン３１における集熱パターンの外形までの一定寸法ｄを離間して基板３の表面上に接触している。

検知対象物の表面から放射された赤外線は、導光部２１における開口部２１ａから入射し、導光部２１に導かれて導光部２１を通過し基板３に到達する。この場合、配線パターン３１の熱伝導率は、基板３の熱伝導率より大きい。例えば、配線パターン３１の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、基板３の熱伝導率は０．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。このため、集熱パターンに吸収された赤外線の熱エネルギーは、基板３からよりも短時間で赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５に伝導される。一方、基板３に吸収された赤外線の熱エネルギーは、配線パターン３１、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５に伝導されるとともに区画壁２４へ伝導される。このように、区画壁２４は、導光部２１及び遮蔽部２２の内周壁から集熱パターンの外形までの一定寸法ｄを離間されているので、配線パターン３１から区画壁２４へ伝導される熱エネルギーは抑制され、熱時定数が改善されて応答性を向上することができる。

また、一定寸法ｄの離間距離は、導光部２１側と遮蔽部２２側とにおいて同一になるように設定されているので、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５との温度環境を等しくすることが可能となる。一定寸法ｄの離間距離は、一定寸法ｄ＝０．１ｍｍ以下になると特性バラツキが大きくなるので一定寸法ｄ＝０．１ｍｍ以上にすることが望ましい。

以上のように本実施形態によれば、検知対象物の測定部を効果的に特定できるとともに応答性、追従性や感度等の性能の向上を図ることができ、信頼性の高い赤外線温度センサを提供することができる。また、小型化が可能な表面実装型の赤外線温度センサを得ることができる。

次に、本実施形態の変形例について図８乃至図１０を参照して説明する。図８（ａ）は本体の背面側に蓋部材を設けたものであり、図５に相当する断面図、図８（ｂ）は蓋部材を示す斜視図である（変形例１）。図９は基板の変形を軽減するための通気部を設けたものであり、図６に相当する断面図である（変形例２）。また、図１０は配線パターンを示す平面図である（変形例３）。

（変形例１）図８に示すように蓋部材８は、略直方体の箱状であって、アルミニウム等の金属材料から作られている。この蓋部材８は、基板３と対向して背面側に配置されている。蓋部材８の内面の少なくとも基板３と対向する一部の面は反射面となっていて、例えば、鏡面加工されて反射率が高く、８０％以上、好ましくは８５％以上の反射率となっている。この蓋部材８は、収容空間部２３に嵌合して取り付けられる。このため、蓋部材８は、基板３を収容空間部２３に固定する機能をも有している。

このように蓋部材８の内面は反射面となっているので、放射率が低く、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５への熱的影響を抑制することができ、感度の向上を図ることができる。

（変形例２）図９に示すように遮蔽部２における空間部２２ｂは、背面側の開口が基板３によって閉塞され、密閉的な空間部となっている。本例においては、空間部２２ｂと外部との通気性を許容する通気部９が設けられている。具体的には、通気部９は、貫通孔であり、格別限定されるものではないが、φ０．１ｍｍ〜φ０．５ｍｍ程度に形成するのが好ましい。また、通気部として例えば、基板３と本体２との間に通気間隙を形成する場合、この間隙は、空気が通過する隙間であればよく、１μｍ以上の隙間があれば十分に空気を流通させることができる。重要なことは、密閉構造にしないことである。

したがって、空間部２２ｂに対応する基板３の部分にφ０．１ｍｍ〜φ０．５ｍｍ程度の穴を開けても同様の効果が得られる。さらに、導光部２１側にも前記通気部９と同様な貫通孔９´を形成し、導光部２１側と遮蔽部２２側とを略対称の略同一形状に形成するのが好ましい。

赤外線温度センサにおいては、赤外線温度センサの周囲温度が高くなると、密閉状態とされた空間部の空気が膨張して内圧が上昇し、基板が膨らみ変形する問題が発生する。また、過度に空間部の空気が膨張すると、基板の変形により基板に配線された配線パターンが切断される等の不具合が発生する場合がある。さらに、基板が変形することによって、赤外線の入射量や基板からの放熱量が変化し、赤外線温度センサの出力が変動する問題も生じる。

本例においては、空間部２２ｂの内圧が上昇するような温度環境にあっても、通気部９によって外部との通気性が確保され、内圧の上昇を抑制し、基板３の変形を軽減することが可能となる。したがって、基板３の変形を軽減し、高精度化を可能にして、信頼性を確保できる赤外線温度センサ１を提供することができる。なお、通気部９は、貫通孔に限らず、溝状のものであってもよい。通気部９は、密閉的な空間部と外部とが連通するように形成されていればよく、形成位置、形状や個数等、格別限定されるものではない。

（変形例３）図１０に示すように、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とに各々個別に配線パターン３１ｄｔと配線パターン３１ｃｐとが接続されている。配線パターン３１は、一端側に矩形状の電極端子３１ａを有し、この電極端子３１ａから細幅のパターンが赤外線検知用感熱素子４（温度補償用感熱素子５）を囲むように周囲に集熱パターンとしてのミアンダ状のパターンが形成され、さらに、細幅のパターンが矩形状の実装用端子３２に向かって集熱パターンとしてミアンダ状のパターンで延出して形成されている。

このような構成によれば、配線パターン３１の熱伝導経路が長くなるので、熱が逃げにくくなり、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５の温度がより効果的に保持され、出力を大きくすることができるとともに感度の向上を図ることが可能となる。

なお、上述においては、基板３を本体２側における収容空間部２３の内壁に熱溶着して取り付けて配設する場合について説明したが、接着や粘着によって配設するようにしてもよい。この場合、収容空間部２３の内壁に接着層や粘着層、例えば、接着シートや粘着シートを設けて、これらシートを介在させて基板３を貼り付けて配設することが望ましい。接着シート、粘着シートに熱伝導の良い材料を使用することで応答性や追従性の性能が改善できる。半田等のろう材で接合しても同様の効果が得られる。

また、基板３は、フレキシブル配線基板を用いる場合について説明したが、リジット配線基板を用いるようにしてもよい。特定の形式の配線基板に限定されるものではない。

さらに、回路基板１０としての実装基板は、表面に絶縁層を有するアルミニウムや銅などの金属基板を使用してもよい。この場合、実装基板は熱伝導性が高いので、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５は、周囲の温度変化に対して一層追従性が良好となり、熱的外乱に対する影響を抑制することができる。

加えて、実装基板において、赤外線温度センサ１を実装する範囲に対応して、その表面を反射率の高い反射面、例えば、鏡面部として形成したものを用いてもよい。この場合、蓋部材８を省略することが可能となり、鏡面部によって蓋部材８の反射面と同様な機能を果たすことができ、感度の向上を図ることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る赤外線温度センサについて図１１乃至図１６を参照して説明する。図１１は赤外線温度センサを分解して示す斜視図、図１２は赤外線温度センサを分解して背面側から見て示す斜視図、図１３は赤外線温度センサを示す平面図である。図１４は赤外線温度センサを示し、図６に相当する断面図であり、図１５は図１４中、Ｘ―Ｘ線に沿う本体の断面図である。また、図１６は、接着シートを示す平面図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、本体２は、熱伝導性を有する金属材料によって略直方体形状に形成されている。そして、本体２全体が熱処理によって酸化されて黒体化され、導光部２１及び遮蔽部２２とを有しているが、収容空間部は形成されていない。

導光部２１における開口部２１ａの寸法は６ｍｍ以下に設定されていて、開口部２１ａの寸法精度が高くなっている。さらに、開口部２１ａは、熱処理によって酸化され黒体化されて、その酸化膜の膜厚寸法は、薄く１０μｍ以下に形成されている。したがって、赤外線温度センサ１は、格別に赤外線の受光エネルギー量を調整するための調整用の部材を要することなく、個々の赤外線温度センサの出力特性のばらつきを抑制できるものとなっている。

また、基板３は、厚さ寸法が０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの矩形状に形成された平板状のリジット配線基板である。基板３は、本体２の他面側（背面側）の外形と略同一の外形を有し、本体２の背面側に配設される。具体的には、第１の実施形態と同様に、基板３は、本体２の背面側に熱溶着、接着や粘着等の手段によって取り付けられる。

図１２に示すように、本実施形態における基板３の本体２の背面側への配設は、接着シート３４を本体２の背面側へ貼り付け、この接着シート３４に基板３を貼り付けて行われる。つまり、基板３は、本体２の背面側と基板３との間に接着シート３４を介在させて取り付けられる。接着シート３４は具体的には、図１６に示すように本体２の背面側の外形と略同一の外形を有し、中央部が導光部２１及び遮蔽部２２の背面側の開口に対応して切り欠かれている。なお、接着シートに替えて粘着シートを用いてもよい。

基板３には、絶縁性基材の一表面上に赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５が配設されている。同様に一表面上には、導体の配線パターン３１及びこの配線パターン３１に電気的に接続されるとともに端部側に位置する実装用端子３２が形成されている。

図１１乃至図１４に代表して示すように、本体２には収容空間部が形成されていない。このため、本体２の背面側は平面状となっていて、この平面状部に導光部２１及び遮蔽部２２が開口して現れるようになる（図１２参照）。したがって、平板状の基板３が前記本体２の背面側の平面状部に配設されるようになる。

基板３は、平板状のリジット配線基板であり、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ樹脂）及びシリコーン樹脂材料などからなる絶縁性基材と、この絶縁性基材の表面に形成された導体の配線パターン３１とを備えている。また、配線パターン３１の上には、絶縁層であるレジスト層３３が積層されている。さらに、配線パターン３１の両端部には、レジスト層３３が積層されておらず、つまり、レジスト層３３に被覆されていない露出した電極端子３１ａ及び実装用端子３２が形成されている。なお、電極端子３１ａは、赤外線検知用感熱素子４又は温度補償用感熱素子５の端子電極が接続される一部分のみが、レジスト層３３に被覆されていない露出した部分となっている。

配線パターン３１は、一端側に略長方形状の幅広の電極端子３１ａを有し、この電極端子３１ａから細幅のパターンが直線状に延出し、他端側の終端部に矩形状の実装用端子３２が形成されて構成されている。前記幅広の電極端子３１ａは、その面積が大きく、集熱パターンとして機能するものである。この集熱パターンとしての電極端子３１ａは、面積が大きく、放熱が良好となるため、熱時定数が改善されて高速応答性の実現が可能となる。

これと同じパターンの配線パターン３１が電極端子３１ａの相互が対向するように一対配設されて、赤外線検知用感熱素子４又は温度補償用感熱素子５が配置され接続されている。

したがって、赤外線検知用感熱素子４及び温度補償用感熱素子５を接続するため、２対の配線パターン３１が略平行に並べられて配設されている。この赤外線検知用感熱素子４が接続される配線パターン３１ｄｔと温度補償用感熱素子５が接続される配線パターン３１ｃｐとは、同一パターンの形態であり、互に接続されることなく、赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とを各々個別に接続している。

なお、この配線パターン３１は、説明上、図１１においては絶縁性基材を透して、図１２においてはレジスト層３３を透して視認できる状態を鮮明化して示している。

図１４に示すように赤外線温度センサ１は、回路基板１０としての実装基板に実装される。この実装基板は、金属基板であり、例えば、アルミニウム材料からなる金属製の基材１３に、ガラスエポキシ樹脂、ガラスコンポジット材料等からなる絶縁性基材１４が積層されて形成されている。そして、絶縁性基材１４における基板３と対向する部分には孔が形成され、この孔によって金属製の基材１３との間にキャビティ１５が形成されている。さらに、基板３と対向する金属製の基材１３の表面は、反射面１６として形成されている。この反射面１６は、前述と同様に、アルミニウムの反射率が高く、８０％以上、好ましくは８５％以上の反射率となっている。このように実装基板には、例えば、図示していないがキャビティ構造の銅インレイ基板が用いられている。インレイ材料の銅表面にはニッケル／金めっき等でめっきして反射率を高めている。なお、キャビティ１５に前述の蓋部材８を配置することを妨げるものではない。

また、前述の第１の実施形態における（変形例２）で説明したように、遮蔽部２における空間部２２ｂは、背面側の開口が基板３によって閉塞され、密閉的な空間部となっているが、空間部２２ｂと外部との通気性を許容する通気部９を設けるのが望ましい。具体的には、導光部２１と遮蔽部２２との境界の部分の区画壁２４における中央壁２４ａと基板３との間に通気部９として隙間が形成されている。この隙間は、１μｍ以上あれば十分に空気を流通させることができる。

さらに、配線パターン３１は、図１７及び図１８に示すように構成してもよい。図１７に示すように赤外線検知用感熱素子４と温度補償用感熱素子５とに各々個別に配線パターン３１ｄｔと配線パターン３１ｃｐとが接続されている。一端側に幅広の矩形状の電極端子３１ａ（集熱パターン）を有し、この部分に複数の略円形状の開口３１ｈを形成したものであり、水玉模様状のパターンに形成されている。

また、図１８に示す配線パターン３１は、幅広の矩形状の電極端子３１ａ（集熱パターン）の部分に複数の略四角形状の開口３１ｈを形成し、格子模様状のパターンとしたものである。このような開口３１ｈによる開口率は２０％〜８０％に設定することが望ましい。

以上のように複数の開口３１ｈを形成することにより、開口３１ｈ相互間に熱の伝導路が形成され、伝導路が増加するので、熱の伝導を短時間に行うことができ、応答性の向上が期待でき、また、所定の出力の大きさを確保することも可能であり、応答性、追従性等の性能バランスが良好な赤外線温度センサ１を得ることができる。

なお、集熱パターンには、少なくとも１つ以上の開口が形成されていればよい。また、集熱パターンにおいて、導体が形成されている部分に対する導体が形成されていない部分（開口３１ｈ）の比率は２０〜８０％に設定するのが好ましい。さらに、ミアンダパターンと開口が形成された集熱パターンを組み合わせるとより好ましい。

また、前記集熱パターンにおいて、前記集熱パターンの導体膜を酸化処理することで赤外線を吸収することができ、赤外線の受光エルネギーが大きくなり感度が向上することが可能となる。

以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な動作を実現することができ、検知対象物の測定部を効果的に特定できるとともに応答性及び感度の性能の向上を図ることができ、信頼性の高い赤外線温度センサ１を提供することができる。また、小型化が可能な表面実装型の赤外線温度センサ１を提供することができ、さらに、本体２の構成が簡素化され、赤外線温度センサ１を回路基板１０に実装した場合、赤外線センサ１の突出高さ寸法を低くできる効果を奏する。

なお、上述において、基板３は、リジット配線基板を用いる場合について説明したが、フレキシブル配線基板を用いるようにしてもよい。特定の形式の配線基板に限定されるものではない。

以上説明してきた各実施形態における赤外線温度センサ１は、複写機の定着装置、バッテリーユニット、コンデンサ、ＩＨクッキングヒータ、冷蔵庫の庫内物品等の温度検知のため各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記各実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

例えば、赤外線温度センサは、表面実装型のものに限らない。また、赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子としては、セラミックス半導体で形成されたチップサーミスタが好適に用いられるが、これに限らず、熱電対や測温抵抗体等を用いることができる。
また、配線パターンのパターン形態は、格別限定されるものではなく、設計に応じて適宜採用することができる。

１・・・赤外線温度センサ
２・・・本体
３・・・基板
４・・・赤外線検知用感熱素子
５・・・温度補償用感熱素子
８・・・蓋部材
９・・・通気部
１０・・・回路基板
１１・・・接続端子
１２・・・赤外線反射部
１５・・・キャビティ
２１・・・導光部
２１ａ・・・開口部
２２・・・遮蔽部
２２ａ・・・遮蔽壁
２２ｂ・・・空間部
２３・・・収容空間部
２４・・・区画壁
３１・・・配線パターン
３２・・・実装用端子
３３・・・絶縁層（カバー層、レジスト層）
３４・・・接着シート

Claims (9)

1. 開口部を有し、赤外線を導くように形成された導光部と、遮蔽壁を有し、赤外線を遮蔽するように形成された遮蔽部とを備え、前記導光部及び遮蔽部の内周壁を形成する区画壁を有する本体と、
   前記本体の前記導光部及び前記遮蔽部に対向するように配設された基板と、
   前記基板上に配置され、前記導光部に対応する位置に配設された赤外線検知用感熱素子と、
   前記基板上に、前記赤外線検知用感熱素子と離間されて配置され、前記遮蔽部に対応する位置に配設された温度補償用感熱素子と、
   前記基板上に形成され、前記赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子を接続するとともに一部に外周が連続して繋がっている集熱パターンを有する配線パターンと、を具備し、
   前記区画壁は、導光部及び遮蔽部の内周壁から前記集熱パターンの外形における前記外周まで一定寸法離間して基板上に接触していることを特徴とする赤外線温度センサ。
2. 前記開口部が前記本体の表面から突出しないとともに、前記基板上における赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子との境界の部分に対向して、前記本体の区画壁が接触していることを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサ。
3. 前記配線パターンにおいて、赤外線検知用感熱素子が接続される配線パターンと温度補償用感熱素子が接続される配線パターンとは、同一パターンの形態であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線温度センサ。
4. 前記集熱パターンには、少なくとも１つ以上の開口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサ。
5. 前記集熱パターンは、略四角形状の開口が複数形成された格子模様状のパターンであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサ。
6. 前記集熱パターンは、略円形状の開口が複数形成された水玉模様状のパターンであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の赤外線温度センサ。
7. 前記集熱パターンにおいて、導体が形成されている部分に対する導体が形成されていない部分の比率が２０〜８０％であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一に記載の赤外線温度センサ。
8. 前記集熱パターンにおいて、導体膜が酸化処理されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載された赤外線温度センサ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載された赤外線温度センサが備えられていることを特徴とする赤外線温度センサを用いた装置。

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