赤外線センサ
【課題】 赤外線検知用と温度補償用との感熱素子間で高い温度差分が得られると共に小型化が可能で、安価な構造を有している赤外線センサを提供すること。
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２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及び第２の感熱素子３Ｂが別々に接着された一対の接着電極４と、第１の感熱素子３Ａ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吸収膜５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、を備え、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層と、を有する。
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２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及び第２の感熱素子３Ｂが別々に接着された一対の接着電極４と、第１の感熱素子３Ａ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吸収膜５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、を備え、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、を備えた赤外線センサが提案されている。この赤外線センサでは、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、赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子には、薄膜サーミスタが用いられている。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５６２８４号公報（段落番号００２６、図２）
【特許文献２】特開平７−２６０５７９号公報（特許請求の範囲、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、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、松葉型やチップ型のサーミスタの場合、スポット計測となってしまい、樹脂フィルムに温度の面内分布が生じた場合に測定誤差が生じてしまう不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、赤外線検知用と温度補償用との感熱素子間で高い温度差分が得られると共に小型化が可能で、安価な構造を有している赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、本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の感熱素子及び前記第２の感熱素子が別々に接着された一対の接着電極と、前記第１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吸収膜と、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、を備え、前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が前記接着電極に接着される一対の電極層と、を有することを特徴とする。
【０００８】
この赤外線センサでは、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、を備えているので、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。
【０００９】
また、第１の感熱素子と第２の感熱素子との熱結合が低いので、互いに近づけて配置することも可能になり、全体の小型化を図ることができる。さらに、枠体やケースによる遮光構造ではなく、赤外線反射膜によって赤外線の吸収を防いでいるので、安価に作製することができる。
また、赤外線吸収膜及び赤外線反射膜が導電性材料で構成されていても、絶縁性フィルムを挟んで設置された第１の感熱素子及び第２の感熱素子との絶縁が確保されているので、膜の絶縁性を問わずに効率の良い材料の選択が可能になる。
【００１０】
また、第１の感熱素子及び第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極に接着される一対の電極層と、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極及び電極層に熱を伝えてからサーミスタ素体に熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。すなわち、サーミスタ素体が板状であると共に広い接着電極に電極層で接着されるいわゆるフレーク形サーミスタのため、チップサーミスタのように厚いチップ状のサーミスタ素体を有して端部に電極を有するサーミスタより、優れた熱伝導性で高い熱応答性及び検出感度を得ることができる。さらに、フレーク形サーミスタの場合、通常同じ平板素体からサーミスタ素体を選別できるため、２つの感熱素子の抵抗値及びＢ定数をほぼ同じに設定することが容易である。
また、松葉型やチップ型のサーミスタに比べて検出面積を広くできると共に、赤外線吸収膜及び赤外線反射膜に対応した面積とすることが容易で、面内分布による測定誤差が生じ難い。
【００１１】
また、本発明の赤外線センサは、前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の外形状が、接着される前記接着電極よりも平面視で小さく設定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の感熱素子及び第２の感熱素子の外形状が、接着される接着電極よりも平面視で小さく設定されているので、小型化により熱容量がより小さくなって、さらに優れた熱応答性が得られる。
【００１２】
また、本発明の赤外線センサは、前記絶縁性フィルムの一方の面に、前記接着電極に細線状の接着側パターン配線で接続された接着側端子電極と、ワイヤボンディング用電極と、前記ワイヤボンディング用電極に細線状のワイヤ側パターン配線で接続されたワイヤ側端子電極と、がそれぞれ一対形成され、接着されていない前記電極層と対応する前記ワイヤボンディング用電極とが、ワイヤボンディングによる金属細線で電気的に接続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、細線状の接着側パターン配線及びワイヤ側パターン配線と、ワイヤボンディングによる金属細線と、を電極の接続に採用しているので、第１の感熱素子及び第２の感熱素子の熱が配線から接着側端子電極及びワイヤ側端子電極に伝導し難く、熱の逃げを抑制してより高い検出感度を得ることができる。したがって、従来のようにリード線とサーミスタとの間の空間伝導による他の箇所との熱結合を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の赤外線センサは、前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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を特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、第１の感熱素子と第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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ので、対となる第１の感熱素子と第２の感熱素子とで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、第１の感熱素子と第２の感熱素子とについて、Ｂ定数の選別作業や抵抗値の調整工程が不要になると共に組み合わせの履歴管理なども不要になり、生産性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
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、を備えているので、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、高感度化を図ることができると共に、小型かつ安価に作製可能である。さらに、第１の感熱素子及び第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極に接着される一対の電極層と、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極及び電極層に熱を伝えてからサーミスタ素体に熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態において、赤外線センサを示す正面図である。
【図３】第１実施形態において、第１の感熱素子及び第２の感熱素子を示す断面図である。
【図４】第１実施形態において、赤外線センサの製造方法を工程順に示す底面図である。
【図５】本発明に係る赤外線センサの第２実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】Ｂ定数と抵抗値とにおいて補償温度と最大検出誤差温度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る赤外線センサの第３実施形態を示す斜視図である。
【図９】第３実施形態の赤外線センサを表面実装したリード型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１０】第３実施形態の赤外線センサを表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１１】第３実施形態の赤外線センサを表面実装した検出回路内蔵型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１２】本発明に係る赤外線センサの第４実施形態を示す斜視図である。
【図１３】第４実施形態の他の例として、赤外線センサを表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を、図１から図４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。
【００１７】
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、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の一方の面に銅箔等でパターン形成され第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが別々に接着された一対の接着電極４と、第１の感熱素子３Ａに対向して絶縁性フィルム２の他方の面（上面）に設けられた赤外線吸収膜５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、を備えている。
【００１８】
すなわち、上記赤外線吸収膜５は、第１の感熱素子３Ａの直上に配されていると共に、上記赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂの直上に配されている。
上記絶縁性フィルム２は、赤外線透過性フィルムで形成されている。なお、本実施形態では、絶縁性フィルム２がポリイミド樹脂シートで形成されている。
【００１９】
上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、図３に示すように、板状のサーミスタ素体３ａと、該サーミスタ素体３ａの表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層３ｂと、を有したいわゆるフレーク形サーミスタである。
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サーミスタ素体３ａが形成されている。
【００２０】
上記フレーク形サーミスタの第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを作製するには、例えば上記サーミスタ材料のセラミックス焼結体からなる四角平板状の平板素体のウエハにおける上下面に、それぞれガラスペーストをスクリーン印刷等で塗布して焼き付けることによりガラス層３ｃを形成する。次に、この平板素体を短冊状にダイシングして複数の角柱素体とし、これらを互いにガラス層３ｃを並べた状態でガラス層３ｃの形成されていない両側面にもガラス層３ｃを形成して角柱状体とする。
【００２１】
次に、全側面にガラス層３ｃが形成された角柱状体を、中心軸の直交方向に切断して複数の板状体であるサーミスタ素体３ａとする。
さらに、上面にサーミスタ素体３ａに合わせて形成された複数の凹部を有する治具を用意し、凹部内にサーミスタ素体３ａを配する。この状態で凹部内にＡｕやＡｇペースト等の導電性ペーストをスクリーン印刷等で塗布して焼き付けし、サーミスタ素体３ａの表面に電極層３ｂを形成する。また、同様に、サーミスタ素体３ａの裏面にも電極層３ｂを形成する。このようにしてフレーク形のサーミスタ素子である第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが作製される。
【００２２】
なお、通常、複数の感熱素子で同時に物体の熱を比較する場合、互いに同一の特性を持つことが検出精度を向上させるために重要であるが、異なる生産工程で作製されたサーミスタ素子の場合、互いにＢ定数や抵抗値等の特性がばらついてしまう不都合がある。特に、絶対温度の１／１００程度の温度差を検出する場合、Ｂ定数の相対誤差の影響が大きくなる。
【００２３】
例えば、抵抗値（Ｒ値）が−０．１０％、Ｂ定数が−０．１０％の誤差がある場合、抵抗値が−０．０５％、Ｂ定数が−０．１０％の誤差がある場合、また抵抗値が−０．１０％、Ｂ定数が−０．０５％の誤差がある場合のそれぞれについて、補償温度と最大検出誤差温度との関係を図７に示す。
このため、高精度な検出を得るためには、Ｂ定数の選別工程を設けたり、抵抗値の調整工程が必要となる。例えば、調整用の電極部を設けて該電極部を部分的に切断して抵抗値を調整する等の調整工程が必要である。
【００２４】
しかしながら、これらの工程を導入することで、工程が複雑化し、高コスト化を招いてしまう。また、抵抗値の調整では、Ｂ定数誤差を広範囲に補正することが難しい。
これらの対策として、本実施形態の第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとは、上記のようなセラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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。
【００２５】
例えば、上述したように同一のウエハから作製した複数のフレーク形のサーミスタ素子について、それぞれ抵抗値を測定し、所定の許容誤差内のものを一対選別して、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂとする。例えば、本実施形態では、±０．０５％の許容誤差で抵抗値を選別している。
【００２６】
このように第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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ので、対となる第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂ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、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂ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ると共に組み合わせの履歴管理なども不要になり、生産性を向上させることができる。
【００２７】
また、絶縁性フィルム２の一方の面（裏面）には、図４の（ａ）に示すように、接着電極４に細線状の接着側パターン配線７ａで接続された接着側端子電極７と、ワイヤボンディング用電極８と、ワイヤボンディング用電極８に細線状のワイヤ側パターン配線９ａで接続されたワイヤ側端子電極９と、がそれぞれ一対形成されている。
さらに、接着されていない電極層３ｂと対応するワイヤボンディング用電極８とが、ワイヤボンディングによる金線等の金属細線Ｙで電気的に接続されている。
なお、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの外形状が、接着される接着電極４よりも平面視で小さく設定されている。すなわち、サーミスタ素体３ａの表面及び裏面が、接着される接着電極４よりも小さい面積とされている。
【００２８】
上記赤外線吸収膜５は、絶縁性フィルム２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％含有するホーケー酸ガラス膜など）で形成されている。すなわち、この赤外線吸収膜５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。そして、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜５から絶縁性フィルム２を介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子３Ａの温度が変化するようになっている。この赤外線吸収膜５は、第１の感熱素子３Ａ及び接着電極４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。
【００２９】
上記赤外線反射膜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、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されている。この赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂ及び接着電極４よりも大きなサイズでこれらを覆うように形成されている。
【００３０】
本実施形態の赤外線センサ１を作製するには、まず、図４の（ａ）に示すように、絶縁性フィルム２の一方の面（裏面）に接着電極４、接着側パターン配線７ａ、接着側端子電極７、ワイヤボンディング用電極８及びワイヤ側端子電極９を、それぞれパターン形成する。次に、図４の（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２の他方の面（表面）に、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６を、それぞれ対応する接着電極４に対向させてパターン形成する。次に、図４の（ｃ）に示すように、対応する接着電極４上に、半田又は導電性接着剤により第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを別々に接着する。さらに、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの接着されていない電極層３ｂとワイヤボンディング用電極８とをワイヤボンディングによる金属細線Ｙで接続する。このようにして赤外線センサ１が作製される。
【００３１】
このように本実施形態の赤外線センサ１は、第１の感熱素子３Ａ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吸収膜５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、を備えているので、赤外線吸収膜５による部分的な赤外線吸収と赤外線反射膜６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２上で第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの良好な温度差分を得ることができる。
【００３２】
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２でも、図２に示すように、赤外線吸収膜５によって絶縁性フィルム２の第１の感熱素子３Ａ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２を挟んで赤外線吸収膜５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５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。
【００３３】
また、赤外線反射膜６によって絶縁性フィルム２の第２の感熱素子３Ｂ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２上に赤外線吸収膜５と赤外線反射膜６とを形成しているので、赤外線吸収膜５と赤外線反射膜６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２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。
【００３４】
このように、低熱伝導性の絶縁性フィルム２上で互いに熱の影響が抑制された第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとが、それぞれ赤外線吸収膜５の直下と赤外線反射膜６の直下との絶縁性フィルム２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３Ａと温度補償用とされる第２の感熱素子３Ｂ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。
【００３５】
また、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの熱結合が低いので、互いに近づけて配置することも可能になり、全体の小型化を図ることができる。さらに、枠体やケースによる遮光構造ではなく、赤外線反射膜６によって赤外線の吸収を防いでいるので、安価に作製することができる。
【００３６】
また、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６が導電性材料で構成されていても、絶縁性フィルム２を挟んで設置された第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂとの絶縁が確保されているので、膜の絶縁性を問わずに効率の良い材料の選択が可能になる。
また、絶縁性フィルム２が、赤外線透過性フィルムで形成されているので、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６の周囲の絶縁性フィルム２自体による赤外線吸収を極力抑制して、周囲からの熱伝導による第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂへの影響を低減することができる。
【００３７】
また、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが、板状のサーミスタ素体３ａと、該サーミスタ素体３ａの表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層３ｂと、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極４及び電極層３ｂに熱を伝えてからサーミスタ素体３ａに熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。
【００３８】
すなわち、サーミスタ素体３ａが板状であると共に広い接着電極４に電極層３ｂで接着されるいわゆるフレーク形サーミスタのため、チップサーミスタのように厚いチップ状のサーミスタ素体を有して端部に電極を有するサーミスタより、優れた熱伝導性で高い熱応答性及び検出感度を得ることができる。さらに、フレーク形サーミスタの場合、通常同じ平板素体からサーミスタ素体３ａを選別できるため、２つの感熱素子３Ａ，３Ｂの抵抗値及びＢ定数をほぼ同じに設定することが容易である。
【００３９】
また、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの外形状が、接着される接着電極４よりも平面視で小さく設定されているので、小型化により熱容量がより小さくなって、さらに優れた熱応答性が得られる。
さらに、細線状の接着側パターン配線７ａ及びワイヤ側パターン配線９ａと、ワイヤボンディングによる金属細線Ｙと、を電極の接続に採用しているので、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの熱が配線から接着側端子電極７及びワイヤ側端子電極９に伝導し難く、熱の逃げを抑制してより高い検出感度を得ることができる。したがって、従来のようにリード線とサーミスタとの間の空間伝導による他の箇所との熱結合を防ぐことができる。
【００４０】
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４及び図５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。
【００４１】
第２実施形態の赤外線センサ２１では、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を支持する筐体２７を備え、該筐体２７に、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂをそれぞれ個別に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第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂが設けられている点で、第１実施形態と異なっている。
【００４２】
また、第２実施形態の第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの外形状は、第１実施形態と比べて、接着される接着電極４よりも平面視でさらに小さく設定されている。
【００４３】
上記筐体２７は、例えば樹脂製であり、絶縁性フィルム２の熱を必要以上に放熱しないように絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の低い材料であることが好ましい。
また、上記第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂは、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの位置にそれぞれ対応して形成された断面矩形状の孔部であり、内部に空気を密封した状態で開口部が絶縁性フィルム２で閉塞されている。
【００４４】
このように第２実施形態の赤外線センサ２１では、第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂによって、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂをそれぞれ個別に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これらを覆うので、第１の感熱素子２３Ａと第２の感熱素子２３Ｂとの間の熱伝導をさらに抑制することができる。
また、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの外形状が、第１実施形態と比べて、接着される接着電極４よりも平面視でさらに小さく設定されているので、より高い熱応答性が得られる。
【００４５】
次に、本発明に係る赤外線センサの第３実施形態および第４実施形態について、図８から図１３を参照して以下に説明する。
【００４６】
第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、外部の回路と接続するための各配線膜４の端部が側面に露出しているのに対し、第３実施形態の赤外線センサ４１は、図８に示すように、筐体２７の側面に設けられ配線膜４に上端が接続されていると共に筐体２７の底部まで延在された複数の側面電極部４４ａと、筐体２７の側面下部において側面電極部４４ａ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４４ｂと、を備えている表面実装型である点である。
【００４７】
例えば、図９に示すように、この赤外線センサ４１を、複数の配線パターン４５が形成された実装基板４３Ａ上に載せ、実装用外部端子４４ｂを配線パターン４５の所定位置に半田等で接合することで、表面実装することができる。この実装基板４３Ａは、各配線パターン４５に一端が接続された複数のリード線４６と、これらリード線４６の他端に接続されたコネクタ４７と、を備えている。このように実装基板４３Ａ上に赤外線センサ４１を表面実装することで、リード型の赤外線センサ装置４８Ａが得られる。この赤外線センサ装置４８Ａによれば、リード線４６を備えた実装基板４３Ａに赤外線センサ４１が実装されているので、リード線４６およびコネクタ４７によって取り付けおよび接続が容易になる。
【００４８】
また、別の表面実装例としては、図１０に示すように、赤外線センサ４１を、ブリッジ回路を有する実装基板４３Ｂに表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置４８Ｂとしてもよい。この赤外線センサ装置４８Ｂでは、２つの抵抗Ｒが実装され赤外線センサ４１の第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの間でブリッジ回路を構成した実装基板４３Ｂを備えている。この赤外線センサ装置４８Ｂでは、ブリッジ回路を構成しているので、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの抵抗値を高精度に検出することができる。
【００４９】
さらに、別の表面実装例として、図１１に示すように、赤外線センサ４１を、検出回路を内蔵した実装基板４３Ｃに表面実装した検出回路内蔵型の赤外線センサ装置４８Ｃとしてもよい。この赤外線センサ装置４８Ｃでは、６つの抵抗Ｒと、１つのコンデンサＣと、差分増幅回路を構成するＯＰアンプ４９と、が実装されてこれらで検出回路を構成している実装基板４３Ｃを備えたモジュールタイプである。
【００５０】
したがって、この赤外線センサ装置４８Ｃでは、赤外線センサ４１が差分増幅回路を内蔵する実装基板４３Ｃに実装されているので、差分バランスの調整部分が１枚の実装基板４３Ｃ内で閉じており、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの温度差分を電圧出力として検出することができる。
これらの赤外線センサ装置４８Ａ〜４８Ｃは、例えばバッテリーユニット、複写機、ＩＨクッキングヒータ等における温度センサ等に採用される。
なお、実装基板４３Ｂ，４３Ｃでは、配線パターンの図示を省略している。
【００５１】
次に、第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、赤外線吸収膜５および赤外線反射膜６がそのまま上面に露出しているが、第４実施形態の赤外線センサ５１では、図１２に示すように、筐体２７の周囲を囲むように設けられたケース５７を備えている点である。なお、各実装用外部端子４４ｂは、表面実装のためケース５７から外部に突出している。
【００５２】
このケース５７は、空気対流の影響を防ぐ風防ケースや、外部からの光干渉を防ぐ光学ケースとして機能する。なお、空気対流の影響を防ぐ風防ケースとしてのみ採用する場合は、上方を開口させたケースでも構わない。また、ケース５７は、例えば樹脂やガラス材等のうち赤外線を透過し易い材料で形成されている。なお、光学ケースとして採用する場合は、受光部にシリコンなどの赤外線の波長について選択性のある材料を使用することが好ましい。
【００５３】
また、他の例として、図１３に示すように、ブリッジ型の赤外線センサ装置４８Ｂにおいて、表面実装された赤外線センサ５１と共に実装基板４３全体を樹脂製のモールドケース６７で覆っても構わない。この場合、ブリッジ回路全体をモールドケース６７で保護するため、信頼性を向上させることができる。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
１，２１，４１，５１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ，２３Ａ…第１の感熱素子、３Ｂ，２３Ｂ…第２の感熱素子、３ａ…サーミスタ素体、３ｂ…電極層、４…接着電極、５…赤外線吸収膜、６…赤外線反射膜、７…接着側端子電極、７ａ…接着側パターン配線、８…ワイヤボンディング用電極、９…ワイヤ側端子電極、９ａ…ワイヤ側パターン配線、２７…筐体、２７ａ…第１の収納部、２７ｂ…第２の収納部、４８Ａ〜４８Ｃ…赤外線センサ装置、Ｙ…金属細線
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、を備えた赤外線センサが提案されている。この赤外線センサでは、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、赤外線検知用感熱素子及び温度補償用感熱素子には、薄膜サーミスタが用いられている。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５６２８４号公報（段落番号００２６、図２）
【特許文献２】特開平７−２６０５７９号公報（特許請求の範囲、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、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、松葉型やチップ型のサーミスタの場合、スポット計測となってしまい、樹脂フィルムに温度の面内分布が生じた場合に測定誤差が生じてしまう不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、赤外線検知用と温度補償用との感熱素子間で高い温度差分が得られると共に小型化が可能で、安価な構造を有している赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、本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の感熱素子及び前記第２の感熱素子が別々に接着された一対の接着電極と、前記第１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吸収膜と、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、を備え、前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が前記接着電極に接着される一対の電極層と、を有することを特徴とする。
【０００８】
この赤外線センサでは、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、を備えているので、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。
【０００９】
また、第１の感熱素子と第２の感熱素子との熱結合が低いので、互いに近づけて配置することも可能になり、全体の小型化を図ることができる。さらに、枠体やケースによる遮光構造ではなく、赤外線反射膜によって赤外線の吸収を防いでいるので、安価に作製することができる。
また、赤外線吸収膜及び赤外線反射膜が導電性材料で構成されていても、絶縁性フィルムを挟んで設置された第１の感熱素子及び第２の感熱素子との絶縁が確保されているので、膜の絶縁性を問わずに効率の良い材料の選択が可能になる。
【００１０】
また、第１の感熱素子及び第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極に接着される一対の電極層と、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極及び電極層に熱を伝えてからサーミスタ素体に熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。すなわち、サーミスタ素体が板状であると共に広い接着電極に電極層で接着されるいわゆるフレーク形サーミスタのため、チップサーミスタのように厚いチップ状のサーミスタ素体を有して端部に電極を有するサーミスタより、優れた熱伝導性で高い熱応答性及び検出感度を得ることができる。さらに、フレーク形サーミスタの場合、通常同じ平板素体からサーミスタ素体を選別できるため、２つの感熱素子の抵抗値及びＢ定数をほぼ同じに設定することが容易である。
また、松葉型やチップ型のサーミスタに比べて検出面積を広くできると共に、赤外線吸収膜及び赤外線反射膜に対応した面積とすることが容易で、面内分布による測定誤差が生じ難い。
【００１１】
また、本発明の赤外線センサは、前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の外形状が、接着される前記接着電極よりも平面視で小さく設定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の感熱素子及び第２の感熱素子の外形状が、接着される接着電極よりも平面視で小さく設定されているので、小型化により熱容量がより小さくなって、さらに優れた熱応答性が得られる。
【００１２】
また、本発明の赤外線センサは、前記絶縁性フィルムの一方の面に、前記接着電極に細線状の接着側パターン配線で接続された接着側端子電極と、ワイヤボンディング用電極と、前記ワイヤボンディング用電極に細線状のワイヤ側パターン配線で接続されたワイヤ側端子電極と、がそれぞれ一対形成され、接着されていない前記電極層と対応する前記ワイヤボンディング用電極とが、ワイヤボンディングによる金属細線で電気的に接続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、細線状の接着側パターン配線及びワイヤ側パターン配線と、ワイヤボンディングによる金属細線と、を電極の接続に採用しているので、第１の感熱素子及び第２の感熱素子の熱が配線から接着側端子電極及びワイヤ側端子電極に伝導し難く、熱の逃げを抑制してより高い検出感度を得ることができる。したがって、従来のようにリード線とサーミスタとの間の空間伝導による他の箇所との熱結合を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の赤外線センサは、前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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を特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、第１の感熱素子と第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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ので、対となる第１の感熱素子と第２の感熱素子とで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、第１の感熱素子と第２の感熱素子とについて、Ｂ定数の選別作業や抵抗値の調整工程が不要になると共に組み合わせの履歴管理なども不要になり、生産性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
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、を備えているので、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、高感度化を図ることができると共に、小型かつ安価に作製可能である。さらに、第１の感熱素子及び第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極に接着される一対の電極層と、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極及び電極層に熱を伝えてからサーミスタ素体に熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態において、赤外線センサを示す正面図である。
【図３】第１実施形態において、第１の感熱素子及び第２の感熱素子を示す断面図である。
【図４】第１実施形態において、赤外線センサの製造方法を工程順に示す底面図である。
【図５】本発明に係る赤外線センサの第２実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】Ｂ定数と抵抗値とにおいて補償温度と最大検出誤差温度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る赤外線センサの第３実施形態を示す斜視図である。
【図９】第３実施形態の赤外線センサを表面実装したリード型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１０】第３実施形態の赤外線センサを表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１１】第３実施形態の赤外線センサを表面実装した検出回路内蔵型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【図１２】本発明に係る赤外線センサの第４実施形態を示す斜視図である。
【図１３】第４実施形態の他の例として、赤外線センサを表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を、図１から図４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。
【００１７】
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、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の一方の面に銅箔等でパターン形成され第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが別々に接着された一対の接着電極４と、第１の感熱素子３Ａに対向して絶縁性フィルム２の他方の面（上面）に設けられた赤外線吸収膜５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、を備えている。
【００１８】
すなわち、上記赤外線吸収膜５は、第１の感熱素子３Ａの直上に配されていると共に、上記赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂの直上に配されている。
上記絶縁性フィルム２は、赤外線透過性フィルムで形成されている。なお、本実施形態では、絶縁性フィルム２がポリイミド樹脂シートで形成されている。
【００１９】
上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、図３に示すように、板状のサーミスタ素体３ａと、該サーミスタ素体３ａの表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層３ｂと、を有したいわゆるフレーク形サーミスタである。
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サーミスタ素体３ａが形成されている。
【００２０】
上記フレーク形サーミスタの第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを作製するには、例えば上記サーミスタ材料のセラミックス焼結体からなる四角平板状の平板素体のウエハにおける上下面に、それぞれガラスペーストをスクリーン印刷等で塗布して焼き付けることによりガラス層３ｃを形成する。次に、この平板素体を短冊状にダイシングして複数の角柱素体とし、これらを互いにガラス層３ｃを並べた状態でガラス層３ｃの形成されていない両側面にもガラス層３ｃを形成して角柱状体とする。
【００２１】
次に、全側面にガラス層３ｃが形成された角柱状体を、中心軸の直交方向に切断して複数の板状体であるサーミスタ素体３ａとする。
さらに、上面にサーミスタ素体３ａに合わせて形成された複数の凹部を有する治具を用意し、凹部内にサーミスタ素体３ａを配する。この状態で凹部内にＡｕやＡｇペースト等の導電性ペーストをスクリーン印刷等で塗布して焼き付けし、サーミスタ素体３ａの表面に電極層３ｂを形成する。また、同様に、サーミスタ素体３ａの裏面にも電極層３ｂを形成する。このようにしてフレーク形のサーミスタ素子である第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが作製される。
【００２２】
なお、通常、複数の感熱素子で同時に物体の熱を比較する場合、互いに同一の特性を持つことが検出精度を向上させるために重要であるが、異なる生産工程で作製されたサーミスタ素子の場合、互いにＢ定数や抵抗値等の特性がばらついてしまう不都合がある。特に、絶対温度の１／１００程度の温度差を検出する場合、Ｂ定数の相対誤差の影響が大きくなる。
【００２３】
例えば、抵抗値（Ｒ値）が−０．１０％、Ｂ定数が−０．１０％の誤差がある場合、抵抗値が−０．０５％、Ｂ定数が−０．１０％の誤差がある場合、また抵抗値が−０．１０％、Ｂ定数が−０．０５％の誤差がある場合のそれぞれについて、補償温度と最大検出誤差温度との関係を図７に示す。
このため、高精度な検出を得るためには、Ｂ定数の選別工程を設けたり、抵抗値の調整工程が必要となる。例えば、調整用の電極部を設けて該電極部を部分的に切断して抵抗値を調整する等の調整工程が必要である。
【００２４】
しかしながら、これらの工程を導入することで、工程が複雑化し、高コスト化を招いてしまう。また、抵抗値の調整では、Ｂ定数誤差を広範囲に補正することが難しい。
これらの対策として、本実施形態の第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとは、上記のようなセラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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。
【００２５】
例えば、上述したように同一のウエハから作製した複数のフレーク形のサーミスタ素子について、それぞれ抵抗値を測定し、所定の許容誤差内のものを一対選別して、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂとする。例えば、本実施形態では、±０．０５％の許容誤差で抵抗値を選別している。
【００２６】
このように第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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ので、対となる第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂ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、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂ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ると共に組み合わせの履歴管理なども不要になり、生産性を向上させることができる。
【００２７】
また、絶縁性フィルム２の一方の面（裏面）には、図４の（ａ）に示すように、接着電極４に細線状の接着側パターン配線７ａで接続された接着側端子電極７と、ワイヤボンディング用電極８と、ワイヤボンディング用電極８に細線状のワイヤ側パターン配線９ａで接続されたワイヤ側端子電極９と、がそれぞれ一対形成されている。
さらに、接着されていない電極層３ｂと対応するワイヤボンディング用電極８とが、ワイヤボンディングによる金線等の金属細線Ｙで電気的に接続されている。
なお、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの外形状が、接着される接着電極４よりも平面視で小さく設定されている。すなわち、サーミスタ素体３ａの表面及び裏面が、接着される接着電極４よりも小さい面積とされている。
【００２８】
上記赤外線吸収膜５は、絶縁性フィルム２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％含有するホーケー酸ガラス膜など）で形成されている。すなわち、この赤外線吸収膜５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。そして、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜５から絶縁性フィルム２を介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子３Ａの温度が変化するようになっている。この赤外線吸収膜５は、第１の感熱素子３Ａ及び接着電極４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。
【００２９】
上記赤外線反射膜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、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されている。この赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂ及び接着電極４よりも大きなサイズでこれらを覆うように形成されている。
【００３０】
本実施形態の赤外線センサ１を作製するには、まず、図４の（ａ）に示すように、絶縁性フィルム２の一方の面（裏面）に接着電極４、接着側パターン配線７ａ、接着側端子電極７、ワイヤボンディング用電極８及びワイヤ側端子電極９を、それぞれパターン形成する。次に、図４の（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２の他方の面（表面）に、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６を、それぞれ対応する接着電極４に対向させてパターン形成する。次に、図４の（ｃ）に示すように、対応する接着電極４上に、半田又は導電性接着剤により第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを別々に接着する。さらに、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの接着されていない電極層３ｂとワイヤボンディング用電極８とをワイヤボンディングによる金属細線Ｙで接続する。このようにして赤外線センサ１が作製される。
【００３１】
このように本実施形態の赤外線センサ１は、第１の感熱素子３Ａ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吸収膜５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、を備えているので、赤外線吸収膜５による部分的な赤外線吸収と赤外線反射膜６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２上で第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの良好な温度差分を得ることができる。
【００３２】
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２でも、図２に示すように、赤外線吸収膜５によって絶縁性フィルム２の第１の感熱素子３Ａ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２を挟んで赤外線吸収膜５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５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。
【００３３】
また、赤外線反射膜６によって絶縁性フィルム２の第２の感熱素子３Ｂ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２上に赤外線吸収膜５と赤外線反射膜６とを形成しているので、赤外線吸収膜５と赤外線反射膜６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２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。
【００３４】
このように、低熱伝導性の絶縁性フィルム２上で互いに熱の影響が抑制された第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとが、それぞれ赤外線吸収膜５の直下と赤外線反射膜６の直下との絶縁性フィルム２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３Ａと温度補償用とされる第２の感熱素子３Ｂ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。
【００３５】
また、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの熱結合が低いので、互いに近づけて配置することも可能になり、全体の小型化を図ることができる。さらに、枠体やケースによる遮光構造ではなく、赤外線反射膜６によって赤外線の吸収を防いでいるので、安価に作製することができる。
【００３６】
また、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６が導電性材料で構成されていても、絶縁性フィルム２を挟んで設置された第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂとの絶縁が確保されているので、膜の絶縁性を問わずに効率の良い材料の選択が可能になる。
また、絶縁性フィルム２が、赤外線透過性フィルムで形成されているので、赤外線吸収膜５及び赤外線反射膜６の周囲の絶縁性フィルム２自体による赤外線吸収を極力抑制して、周囲からの熱伝導による第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂへの影響を低減することができる。
【００３７】
また、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂが、板状のサーミスタ素体３ａと、該サーミスタ素体３ａの表裏面にそれぞれ形成され一方が接着電極４に接着される一対の電極層３ｂと、を有するので、赤外線の進行方向（厚み方向）の熱容量が小さいと共に広い接着電極４及び電極層３ｂに熱を伝えてからサーミスタ素体３ａに熱伝導させることで、熱応答性及び検出感度を改善することができる。
【００３８】
すなわち、サーミスタ素体３ａが板状であると共に広い接着電極４に電極層３ｂで接着されるいわゆるフレーク形サーミスタのため、チップサーミスタのように厚いチップ状のサーミスタ素体を有して端部に電極を有するサーミスタより、優れた熱伝導性で高い熱応答性及び検出感度を得ることができる。さらに、フレーク形サーミスタの場合、通常同じ平板素体からサーミスタ素体３ａを選別できるため、２つの感熱素子３Ａ，３Ｂの抵抗値及びＢ定数をほぼ同じに設定することが容易である。
【００３９】
また、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの外形状が、接着される接着電極４よりも平面視で小さく設定されているので、小型化により熱容量がより小さくなって、さらに優れた熱応答性が得られる。
さらに、細線状の接着側パターン配線７ａ及びワイヤ側パターン配線９ａと、ワイヤボンディングによる金属細線Ｙと、を電極の接続に採用しているので、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの熱が配線から接着側端子電極７及びワイヤ側端子電極９に伝導し難く、熱の逃げを抑制してより高い検出感度を得ることができる。したがって、従来のようにリード線とサーミスタとの間の空間伝導による他の箇所との熱結合を防ぐことができる。
【００４０】
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４及び図５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。
【００４１】
第２実施形態の赤外線センサ２１では、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を支持する筐体２７を備え、該筐体２７に、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂをそれぞれ個別に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第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂが設けられている点で、第１実施形態と異なっている。
【００４２】
また、第２実施形態の第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの外形状は、第１実施形態と比べて、接着される接着電極４よりも平面視でさらに小さく設定されている。
【００４３】
上記筐体２７は、例えば樹脂製であり、絶縁性フィルム２の熱を必要以上に放熱しないように絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の低い材料であることが好ましい。
また、上記第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂは、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの位置にそれぞれ対応して形成された断面矩形状の孔部であり、内部に空気を密封した状態で開口部が絶縁性フィルム２で閉塞されている。
【００４４】
このように第２実施形態の赤外線センサ２１では、第１の収納部２７ａ及び第２の収納部２７ｂによって、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂをそれぞれ個別に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これらを覆うので、第１の感熱素子２３Ａと第２の感熱素子２３Ｂとの間の熱伝導をさらに抑制することができる。
また、第１の感熱素子２３Ａ及び第２の感熱素子２３Ｂの外形状が、第１実施形態と比べて、接着される接着電極４よりも平面視でさらに小さく設定されているので、より高い熱応答性が得られる。
【００４５】
次に、本発明に係る赤外線センサの第３実施形態および第４実施形態について、図８から図１３を参照して以下に説明する。
【００４６】
第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、外部の回路と接続するための各配線膜４の端部が側面に露出しているのに対し、第３実施形態の赤外線センサ４１は、図８に示すように、筐体２７の側面に設けられ配線膜４に上端が接続されていると共に筐体２７の底部まで延在された複数の側面電極部４４ａと、筐体２７の側面下部において側面電極部４４ａ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４４ｂと、を備えている表面実装型である点である。
【００４７】
例えば、図９に示すように、この赤外線センサ４１を、複数の配線パターン４５が形成された実装基板４３Ａ上に載せ、実装用外部端子４４ｂを配線パターン４５の所定位置に半田等で接合することで、表面実装することができる。この実装基板４３Ａは、各配線パターン４５に一端が接続された複数のリード線４６と、これらリード線４６の他端に接続されたコネクタ４７と、を備えている。このように実装基板４３Ａ上に赤外線センサ４１を表面実装することで、リード型の赤外線センサ装置４８Ａが得られる。この赤外線センサ装置４８Ａによれば、リード線４６を備えた実装基板４３Ａに赤外線センサ４１が実装されているので、リード線４６およびコネクタ４７によって取り付けおよび接続が容易になる。
【００４８】
また、別の表面実装例としては、図１０に示すように、赤外線センサ４１を、ブリッジ回路を有する実装基板４３Ｂに表面実装したブリッジ回路型の赤外線センサ装置４８Ｂとしてもよい。この赤外線センサ装置４８Ｂでは、２つの抵抗Ｒが実装され赤外線センサ４１の第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの間でブリッジ回路を構成した実装基板４３Ｂを備えている。この赤外線センサ装置４８Ｂでは、ブリッジ回路を構成しているので、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの抵抗値を高精度に検出することができる。
【００４９】
さらに、別の表面実装例として、図１１に示すように、赤外線センサ４１を、検出回路を内蔵した実装基板４３Ｃに表面実装した検出回路内蔵型の赤外線センサ装置４８Ｃとしてもよい。この赤外線センサ装置４８Ｃでは、６つの抵抗Ｒと、１つのコンデンサＣと、差分増幅回路を構成するＯＰアンプ４９と、が実装されてこれらで検出回路を構成している実装基板４３Ｃを備えたモジュールタイプである。
【００５０】
したがって、この赤外線センサ装置４８Ｃでは、赤外線センサ４１が差分増幅回路を内蔵する実装基板４３Ｃに実装されているので、差分バランスの調整部分が１枚の実装基板４３Ｃ内で閉じており、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの温度差分を電圧出力として検出することができる。
これらの赤外線センサ装置４８Ａ〜４８Ｃは、例えばバッテリーユニット、複写機、ＩＨクッキングヒータ等における温度センサ等に採用される。
なお、実装基板４３Ｂ，４３Ｃでは、配線パターンの図示を省略している。
【００５１】
次に、第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、赤外線吸収膜５および赤外線反射膜６がそのまま上面に露出しているが、第４実施形態の赤外線センサ５１では、図１２に示すように、筐体２７の周囲を囲むように設けられたケース５７を備えている点である。なお、各実装用外部端子４４ｂは、表面実装のためケース５７から外部に突出している。
【００５２】
このケース５７は、空気対流の影響を防ぐ風防ケースや、外部からの光干渉を防ぐ光学ケースとして機能する。なお、空気対流の影響を防ぐ風防ケースとしてのみ採用する場合は、上方を開口させたケースでも構わない。また、ケース５７は、例えば樹脂やガラス材等のうち赤外線を透過し易い材料で形成されている。なお、光学ケースとして採用する場合は、受光部にシリコンなどの赤外線の波長について選択性のある材料を使用することが好ましい。
【００５３】
また、他の例として、図１３に示すように、ブリッジ型の赤外線センサ装置４８Ｂにおいて、表面実装された赤外線センサ５１と共に実装基板４３全体を樹脂製のモールドケース６７で覆っても構わない。この場合、ブリッジ回路全体をモールドケース６７で保護するため、信頼性を向上させることができる。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
１，２１，４１，５１…赤外線センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ，２３Ａ…第１の感熱素子、３Ｂ，２３Ｂ…第２の感熱素子、３ａ…サーミスタ素体、３ｂ…電極層、４…接着電極、５…赤外線吸収膜、６…赤外線反射膜、７…接着側端子電極、７ａ…接着側パターン配線、８…ワイヤボンディング用電極、９…ワイヤ側端子電極、９ａ…ワイヤ側パターン配線、２７…筐体、２７ａ…第１の収納部、２７ｂ…第２の収納部、４８Ａ〜４８Ｃ…赤外線センサ装置、Ｙ…金属細線
【特許請求の範囲】
【請求項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の感熱素子及び前記第２の感熱素子が別々に接着された一対の接着電極と、
前記第１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吸収膜と、
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、を備え、
前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が前記接着電極に接着される一対の電極層と、を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の外形状が、接着される前記接着電極よりも平面視で小さく設定されていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、
前記絶縁性フィルムの一方の面に、前記接着電極に細線状の接着側パターン配線で接続された接着側端子電極と、ワイヤボンディング用電極と、前記ワイヤボンディング用電極に細線状のワイヤ側パターン配線で接続されたワイヤ側端子電極と、がそれぞれ一対形成され、
接着されていない前記電極層と対応する前記ワイヤボンディング用電極とが、ワイヤボンディングによる金属細線で電気的に接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項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、
前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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を特徴とする赤外線センサ。
【請求項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の感熱素子及び前記第２の感熱素子が別々に接着された一対の接着電極と、
前記第１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吸収膜と、
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、を備え、
前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子が、板状のサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の表裏面にそれぞれ形成され一方が前記接着電極に接着される一対の電極層と、を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
前記第１の感熱素子及び前記第２の感熱素子の外形状が、接着される前記接着電極よりも平面視で小さく設定されていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、
前記絶縁性フィルムの一方の面に、前記接着電極に細線状の接着側パターン配線で接続された接着側端子電極と、ワイヤボンディング用電極と、前記ワイヤボンディング用電極に細線状のワイヤ側パターン配線で接続されたワイヤ側端子電極と、がそれぞれ一対形成され、
接着されていない前記電極層と対応する前記ワイヤボンディング用電極とが、ワイヤボンディングによる金属細線で電気的に接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項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、
前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とが、セラミックス焼結体で形成された同一のウエハから得たサーミスタ素子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を特徴とする赤外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１４９９２０（Ｐ２０１１−１４９９２０Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７０８７６（Ｐ２０１０−１７０８７６）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]