(57)【要約】【課題】  曲げて使用する際でも曲げる前に対して抵抗値が変化し難い温度センサを提供すること。【解決手段】  絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの一方の面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部に互いに対向して形成された一対の対向電極４と、薄膜サーミスタ部の上に対向電極を覆って形成された絶縁性の保護膜５と、保護膜上に形成された応力調整膜６とを備え、応力調整膜が、一定の曲率半径で曲げた際に伸縮しない面である中立面を薄膜サーミスタ部内に位置させる厚さと材質とを有している。【選択図】図２
2018169247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部に互いに対向して形成された一対の対向電極と、
前記薄膜サーミスタ部の上に前記対向電極を覆って形成された絶縁性の保護膜と、
前記保護膜上に形成された応力調整膜とを備え、
前記応力調整膜が、一定の曲率半径で曲げた際に伸縮しない面である中立面を前記薄膜サーミスタ部内に位置させる厚さと材質とを有していることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサにおいて、
一対の前記対向電極が、互いの対向方向に突出した複数の櫛部を交互に並べて有し、
複数の前記櫛部が並ぶ方向に曲率を有して一定の曲率半径で曲げた際の最も外側の表面から厚さ方向の距離をｒとし、
前記絶縁性フィルムの厚さをＰ、ヤング率をＥＰ、ポアソン比をνＰとし、
前記薄膜サーミスタ部の厚さをＴ、ヤング率をＥＴ、ポアソン比をνＴとし、
前記保護膜の厚さをＣ、ヤング率をＥＣ、ポアソン比をνｃとし、
前記応力調整膜の厚さをＳ、ヤング率をＥＳ、ポアソン比をνＳとしたとき、
下記数１の式を満たす前記ｒが、Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係を満たすことを特徴とする温度センサ。
【数１】
2018169247.tif 000012
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記応力調整膜が、前記保護膜よりも硬い膜であることを特徴とする温度センサ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記応力調整膜と前記保護膜とが、同じ材料で形成されていることを特徴とする温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げた状態での使用に優れた温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポリイミド樹脂等で形成された絶縁性フィルム上に薄膜状のサーミスタ部を形成したフィルム型の温度センサが開発されている。例えば、特許文献１には、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの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、薄膜サーミスタ部の上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、一対の櫛型電極に接続され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電極とを備えている温度センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２０５３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来のフィルム型温度センサは、表面が湾曲している測定対象物に対応して曲げて設置する場合、絶縁性フィルムであるポリイミドフィルムが湾曲することで、薄膜サーミスタ部に伸縮応力が働くため、湾曲させる前の状態に対して抵抗値が変化してしまう不都合があった。例えば、図６に示すように、ポリイミドフィルム１０２上に薄膜サーミスタ部１０１を形成した温度センサでは、複写機の加熱ローラＲ１（半径６ｍｍ）を測定対象物とし、加熱ローラＲ１の表面に沿って薄膜サーミスタ部１０１を外側にして温度センサ１００を１８０度分曲げると、薄膜サーミスタ部１０１が引っ張られて０．４２％伸びる。このとき、抵抗値は例えば３〜４％増加する。逆に、薄膜サーミスタ部１０１をポリイミドフィルム１０２の内側にして温度センサ１００を１８０度分曲げると、薄膜サーミスタ部１０１が０．４２％圧縮される。このとき、抵抗値は薄膜サーミスタ部１０１を外側に配した場合と逆に３〜４％減少する。なお、この測定では、ポリイミドフィルム１０２の厚さを５０μｍとし、薄膜サーミスタ部１０１の厚さを０．１μｍとした。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、曲げて使用する際でも曲げる前に対して抵抗値が変化し難い温度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】
【０００６】
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の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの一方の面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部に互いに対向して形成された一対の対向電極と、前記薄膜サーミスタ部の上に前記対向電極を覆って形成された絶縁性の保護膜と、前記保護膜上に形成された応力調整膜とを備え、前記応力調整膜が、曲げた際に伸縮しない面である中立面を前記薄膜サーミスタ部内に位置させる厚さと材質とを有していることを特徴とする。
【０００７】
この温度センサでは、応力調整膜が、曲げた際に伸縮しない面である中立面を薄膜サーミスタ部内に位置させる厚さと材質とを有しているので、感熱面が凹面又は凸面になるように曲げても薄膜サーミスタ部に内部応力が発生せず、抵抗値が変化しない。すなわち、温度センサを曲げると、伸縮しない面である中立面が存在し、中立面よりも円弧の中心に近い側（内側）は圧縮応力が生じ、中立面よりも円弧の中心から遠い側（外側）は引っ張り応力が生じるが、本発明の温度センサでは、応力調整膜により中立面が薄膜サーミスタ部内に位置するように設定されていることで、曲げの方向によらず薄膜サーミスタ部に圧縮応力も引っ張り応力も生じない。
【０００８】
第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、一対の前記対向電極が、互いの対向方向に突出した複数の櫛部を交互に並べて有し、複数の前記櫛部が並ぶ方向に曲率を有して一定の曲率半径で曲げた際の最も外側の表面から厚さ方向の距離をｒとし、前記絶縁性フィルムの厚さをＰ、ヤング率をＥＰ、ポアソン比をνＰとし、前記薄膜サーミスタ部の厚さをＴ、ヤング率をＥＴ、ポアソン比をνＴとし、前記保護膜の厚さをＣ、ヤング率をＥＣ、ポアソン比をνｃとし、前記応力調整膜の厚さをＳ、ヤング率をＥＳ、ポアソン比をνＳとしたとき、下記数１の式を満たす前記ｒが、Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係を満たすことを特徴とする。
【数１】
2018169247.tif 000003
すなわち、この温度センサでは、上記数１の式を満たす前記ｒが、Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係を満たすので、上記数１の式を満たす前記ｒが外側の表面から中立面までの距離を示しており、その位置がＳ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係、すなわち薄膜サーミスタ部の位置に設定されていることで、複数の櫛部が並ぶ方向に曲げた際に薄膜サーミスタ部に内部応力が発生しない。
【０００９】
第３の発明に係る温度センサは、第１又は２の発明において、前記応力調整膜が、前記保護膜よりも硬い膜であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、応力調整膜が、保護膜よりも硬い膜であるので、局所荷重による局所的な凹みの発生を抑制することができる。
【００１０】
第４の発明に係る温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記応力調整膜と前記保護膜とが、同じ材料で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、応力調整膜と保護膜とが、同じ材料で形成されているので、同材料の応力調整膜と保護膜とを連続して一度に成膜することができ、製造工程数及び製造コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、応力調整膜が、曲げた際に伸縮しない面である中立面を薄膜サーミスタ部内に位置させる厚さと材質とを有しているので、感熱面が凹面又は凸面になるように曲げても薄膜サーミスタ部に内部応力が発生せず、抵抗値が変化しない。
したがって、本発明の温度センサでは、例えば複写機の加熱ローラの表面に沿って曲げた状態で取り付けても、曲げる前後で抵抗値が変化せず、安定した温度測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】第１実施形態において、計算式のための説明図である。
【図４】第１実施形態において、温度センサを加熱ローラに沿って曲げた状態を示す概略的な断面図である。
【図５】本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る温度センサの従来例を、加熱ローラに沿って曲げた状態を示す概略的な断面による説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る温度センサにおける第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。
【００１４】
本実施形態の温度センサ１は、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の一方の面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３に互いに対向して形成された一対の対向電極４と、薄膜サーミスタ部３の上に対向電極４を覆って形成された絶縁性の保護膜５と、保護膜５上に形成された応力調整膜６とを備えている。
なお、本実施形態では、一対の対向電極４を薄膜サーミスタ部３の上に形成しているが、薄膜サーミスタ部３の下、すなわち絶縁性フィルム２の上に形成しても構わない。
【００１５】
上記応力調整膜６は、一定の曲率半径Ｒで曲げた際に伸縮しない面である中立面Ｎを薄膜サーミスタ部３内に位置させる厚さと材質とを有している。
この応力調整膜６は、保護膜５よりも硬い膜であり、例えばアルミニウム箔や銅箔等の金属膜である。この応力調整膜６は、例えばスパッタリングで成膜又はポリイミド接着剤で接着することで保護膜５上に設けられる。なお、応力調整膜６と保護膜５との硬さは、ビッカース硬さで比較される。
【００１６】
上記一対の対向電極４は、薄膜サーミスタ部３の上に互いに対向して櫛型状にパターン形成された櫛型電極であり、互いの対向方向に突出した複数の櫛部４ａを交互に並べて有している。
上記絶縁性フィルム２は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍの長方形状の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，ＬＣＰ：液晶ポリマー等でも作製できる。
【００１７】
上記薄膜サーミスタ部３は、絶縁性フィルム２の一端側に配され、例えばＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料で矩形状に形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、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。
【００１８】
本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム２上にパターン形成されていると共に一対の対向電極４に接続された一対のパターン配線７を備えている。
上記対向電極４及びパターン配線７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５０〜１０００ｎｍ形成された電極層とを有している。
【００１９】
一対のパターン配線７は、絶縁性フィルム２の他端部に配された一対のパッド部７ａを有している。
上記パッド部７ａは、リードフレーム等を接続するためにパターン配線７の他の部分よりも幅広に形成された端子部である。
【００２０】
上記保護膜は、例えばスクリーン印刷等によりポリイミド樹脂で形成されている。
また、保護膜５及び応力調整膜６は、一対の対向電極４と共に薄膜サーミスタ部３を覆って絶縁性フィルム２上にそれぞれ矩形状に形成されている。
【００２１】
本実施形態の温度センサ１において、応力調整膜６の厚さと材質とを、中立面Ｎを薄膜サーミスタ部３内に位置させる設定するには、図３に示すように、複数の櫛部４ａが並ぶ方向に曲率を有して一定の曲率半径Ｒで曲げた際の最も外側の表面（本実施形態では、応力調整膜６の表面）から厚さ方向の距離をｒとし、絶縁性フィルム２の厚さをＰ、ヤング率をＥＰ、ポアソン比をνＰとし、薄膜サーミスタ部３の厚さをＴ、ヤング率をＥＴ、ポアソン比をνＴとし、保護膜５の厚さをＣ、ヤング率をＥＣ、ポアソン比をνｃとし、応力調整膜６の厚さをＳ、ヤング率をＥＳ、ポアソン比をνＳとしたとき、下記「数１」の式を満たす前記ｒが、Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係を満たすように設定する。
【数１】
2018169247.tif 000004
【００２２】
上記「数１」の計算式は、次のように求められる。
すなわち、中立面Ｎから位置ｘでの伸びは、下記「数２」に示す式で表される。
【数２】
2018169247.tif 000005
また、位置ｘでの歪みは、下記「数３」に示すように記載できる。
【数３】
2018169247.tif 000006
さらに、位置ｘでの応力は、下記「数４」に示す式で表される。
【数４】
2018169247.tif 000007
【００２３】
そして、中立面Ｎでの応力のつり合いは、下記「数５」のように表すことができる。
【数５】
2018169247.tif 000008
この式より、下記「数６」の式が得られる。
【数６】
2018169247.tif 000009
【００２４】
さらに、この式を整理すると、下記「数１」の式となる。
【数１】
2018169247.tif 000010
【００２５】
この計算式は、曲げた際の最も外側の表面（応力調整膜６の表面）から厚さ方向の距離ｒの位置が中立面Ｎとなる条件を示している。すなわち、保護膜５と絶縁性フィルム２との間の薄膜サーミスタ部３内に中立面Ｎが位置する条件は、上記「数１」の式において、算出される距離ｒが、
Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔ
となるように、各膜厚を設定する。
すなわち、「応力調整膜６の表面からの厚さ方向の距離ｒ」が、「応力調整膜の厚さＳ」＋「保護膜の厚さＣ」と「応力調整膜の厚さＳ」＋「保護膜の厚さＣ」＋「薄膜サーミスタ部の厚さＴ」との間に介在する薄膜サーミスタ部３の位置となるように設定する。
【００２６】
上記計算では、例えば図４に示すように、加熱ローラＲ１の円筒面に沿って曲率半径Ｒで温度センサ１を曲げた場合であり、曲率半径Ｒが等しければ、圧縮応力と引っ張り応力との大きさは等しくなる。
なお、上記計算の仮定として、曲げの円弧の接線に垂直な方向（厚さ方向）の伸縮は無視している。また、対向電極４は、曲げた方向の櫛部４ａと櫛部４ａとの間はつながっておらず、対向電極４の影響は非常に小さいため、対向電極４の強度は考慮していない。さらに、温度センサ１を弾性変形の範囲内で曲げている。
【００２７】
このように本実施形態の温度センサ１では、応力調整膜６が、曲げた際に伸縮しない面である中立面Ｎを薄膜サーミスタ部３内に位置させる厚さと材質とを有しているので、感熱面が凹面又は凸面になるように曲げても薄膜サーミスタ部３に内部応力が発生せず、抵抗値が変化しない。すなわち、温度センサ１を曲げると、伸縮しない面である中立面Ｎが存在し、中立面Ｎよりも円弧の中心に近い側（内側）は圧縮応力が生じ、中立面Ｎよりも円弧の中心から遠い側（外側）は引っ張り応力が生じるが、本実施形態の温度センサ１では、応力調整膜６により中立面が薄膜サーミスタ部３内に位置するように設定されていることで、曲げの方向によらず薄膜サーミスタ部３に圧縮応力も引っ張り応力も生じない。
【００２８】
また、上記数１の式を満たす前記ｒが、Ｓ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係を満たすので、上記数１の式を満たす前記ｒが外側の表面から中立面Ｎまで距離を示しており、その位置がＳ＋Ｃ＜ｒ＜Ｓ＋Ｃ＋Ｔの関係、すなわち薄膜サーミスタ部３の位置に設定されていることで、複数の櫛部４ａが並ぶ方向に曲げた際に薄膜サーミスタ部３に内部応力が発生しない。
さらに、応力調整膜６が、保護膜５よりも硬い膜であるので、局所荷重による局所的な凹みの発生を抑制することができる。
【実施例】
【００２９】
上記実施形態の温度センサ１について、ポリイミド樹脂の絶縁性フィルム２と、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎの薄膜サーミスタ部３と、ポリイミド樹脂の保護膜５と、アルミニウム箔の応力調整膜６とした場合で、応力調整膜６の厚さを変え、上記「数１」の計算式に基づいて中立面Ｎの位置を求めた。
なお、計算に使用した上記の各構成の厚さ及び材質（ヤング率、ポアソン比）を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2018169247.tif 000011
【００３１】
例えば、応力調整膜６の厚みを３μｍにした場合では、上記「数１」の計算式から中立面Ｎが絶縁性フィルム２内に位置するため、温度センサ１の感熱面側を凸面となるように曲げると、薄膜サーミスタ部３内に引っ張り応力が発生して、抵抗値が増加する。
また、応力調整膜６の厚みを９μｍにした場合では、上記「数１」の計算式から中立面Ｎが保護膜５内に位置するため、温度センサ１の感熱面側を凸面となるように曲げると、薄膜サーミスタ部３内に圧縮応力が発生して、抵抗値が減少する。
【００３２】
これらに対して、応力調整膜６の厚みを８．５μｍにした場合では、上記「数１」の計算式から中立面Ｎが薄膜サーミスタ部３内に位置するため、温度センサ１の感熱面側を凸面又は凹面となるように曲げても、薄膜サーミスタ部３内に内部応力が発生せず、抵抗値が変化しない。
このように本発明の温度センサでは、上記「数１」の計算式から、絶縁性フィルム２を厚さ５０μｍとし、薄膜サーミスタ部３を厚さ０．１μｍとし、保護膜５を厚さ１５μｍとした場合、応力調整膜６の厚さを８．４６〜８．５３μｍに設定することで、中立面Ｎを薄膜サーミスタ部３内に位置させることができる。
【００３３】
次に、本発明に係る温度センサの第２実施形態について、図５を参照して以下に説明する。なお、以下の各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。
【００３４】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、応力調整膜６の材料を保護膜５と異なるものを採用しているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図５に示すように、応力調整膜２６と保護膜２５とが、同じ材料で形成されて単一膜とされている点である。
【００３５】
すなわち、第２実施形態では、例えばスパッタリングにより絶縁性材料であるＡｌ−Ｎの保護膜２５を薄膜サーミスタ部３上に成膜した後、連続して同じＡｌ−Ｎで応力調整膜２６を上記計算式に基づいた膜厚でスパッタリングにより成膜する。したがって、同材料で連続して一度に成膜された保護膜２５と応力調整膜２６とは、実質的に単一膜となっている。すなわち、保護膜２５と応力調整膜２６とは、応力調整と薄膜サーミスタ部３の保護との両機能を併せ持つ単一膜となっている。
このように第２実施形態の温度センサ２１では、応力調整膜２６と保護膜２５とが、同じ材料で形成されているので、同材料の応力調整膜２６と保護膜２５とを連続して一度に成膜することができ、製造工程数及び製造コストの低減を図ることができる。
なお、保護膜２５として、Ａｌ−Ｎの他にＳｉ−Ｏ，Ｓｉ−Ｎ，Ｓｉ−ＯＮ等の材料も採用可能である。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１，２１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…対向電極、４ａ…櫛部、５，２５…保護膜、６，２６…応力調整膜、Ｎ…中立面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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