JP2018132497A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【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、絶縁性フィルムに形成された一対の第１対向電極３Ａと、絶縁性フィルム上で一対の第１対向電極３Ａを覆った薄膜サーミスタ部４と、薄膜サーミスタ部上に形成された一対の第２対向電極３Ｂと、絶縁性フィルムに形成され一対の第１対向電極の一方と一対の第２対向電極の一方とに接続された一対のパターン配線と、第１対向電極と第２対向電極とを直列又は並列に接続する接続配線部と、絶縁性フィルムの一方の面に薄膜サーミスタ部と第２対向電極とパターン配線とを絶縁性フィルムとの間に挟んで形成された絶縁性保護膜７と、を備え、薄膜サーミスタ部の直上または直下における絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さである。【選択図】図２

Description

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。

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。

特開２０１３−２０５３１９号公報

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、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、複写機の加熱ローラＲ（半径６ｍｍ）を測定対象物とし、加熱ローラＲ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。

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。

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互いに対向して形成された一対の第１対向電極と、前記絶縁性フィルムの一方の面に前記一対の第１対向電極を覆って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上に互いに対向して形成された一対の第２対向電極と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され一対の前記第１対向電極の一方と一対の前記第２対向電極の一方とに接続された一対のパターン配線と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され一対の前記第１対向電極と一対の前記第２対向電極とを直列又は並列に接続する接続配線部と、前記絶縁性フィルムの一方の面に前記第１対向電極と前記薄膜サーミスタ部と前記第２対向電極とを前記絶縁性フィルムとの間に挟んで形成された絶縁性保護膜と、を備え、前記薄膜サーミスタ部の直上または直下における前記絶縁性フィルムと前記絶縁性保護膜とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さであることを特徴とする。

この温度センサでは、一対の第１対向電極と一対の第２対向電極とが薄膜サーミスタ部の下と上とに分かれて形成されていると共に、薄膜サーミスタ部の直上または直下における絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さであるので、対向電極を含めて薄膜サーミスタ部の上下で応力的に対称になり、絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とに挟まれた薄膜サーミスタ部にかかる応力（圧縮応力と引っ張り応力）が相殺される。したがって、絶縁性フィルムを曲げた際に、薄膜サーミスタ部の凸面側の伸びによる抵抗値変化と、薄膜サーミスタ部の凹面側の圧縮による抵抗値変化とが上記直列接続又は並列接続によって相殺され、曲げによる抵抗値変化が抑制される。

第２の発明に係る温度センサでは、第１の発明において、前記絶縁性フィルムと前記絶縁性保護膜とが、同じポリイミド樹脂で形成され直接接合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、絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とが、同じポリイミド樹脂で形成され直接接合されているので、互いに接合性が良好で、高い接合強度を得ることができる。

第３の発明に係る温度センサでは、第１の発明において、前記絶縁性保護膜が、前記絶縁性フィルムに接着層を介して接着されたフィルムであることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性保護膜が、絶縁性フィルムに接着層を介して接着されたフィルムであるので、容易に絶縁性保護膜を絶縁性フィルム上に貼り付けることができる。また、薄膜サーミスタ部、対向電極及びパターン配線により生じた絶縁性フィルム上の凹凸を接着層で埋めて隙間が生じ難く、高い熱伝導性を得ることができる。

第４の発明に係る温度センサでは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、少なくとも前記絶縁性フィルムの前記薄膜サーミスタ部が形成されている部分が湾曲状態とされて使用されることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、少なくとも絶縁性フィルムの薄膜サーミスタ部が形成されている部分が湾曲状態とされて使用されるが、湾曲前と変わらない抵抗値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、本発明に係る温度センサによれば、一対の第１対向電極と一対の第２対向電極とが薄膜サーミスタ部の下と上とに分かれて形成されていると共に、薄膜サーミスタ部の直上または直下における絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さであるので、絶縁性フィルムと絶縁性保護膜とに挟まれた薄膜サーミスタ部にかかる応力が相殺される。
したがって、本発明の温度センサでは、少なくとも絶縁性フィルムの薄膜サーミスタ部が形成されている部分が湾曲状態とされて使用されても、湾曲前と変わらない抵抗値を得ることができる。

本発明に係る温度センサの第１実施形態において、絶縁性保護膜接着前の状態を示す直列接続の場合の平面図（ａ）及び並列接続の場合の平面図（ｂ）である。 図１のＡ−Ａ線において絶縁性保護膜接着後の状態を示す断面図である。 第１実施形態において、製造方法を工程順に示す断面図である。 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。 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。 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。

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。

本実施形態の温度センサ１Ａ，１Ｂ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の一方の面に互いに対向して形成された一対の第１対向電極３Ａと、絶縁性フィルム２の一方の面に一対の第１対向電極３Ａを覆ってサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部４と、薄膜サーミスタ部４上に互いに対向して形成された一対の第２対向電極３Ｂと、絶縁性フィルム２の一方の面に形成され一対の第１対向電極３Ａの一方と一対の第２対向電極３Ｂの一方とに接続された一対のパターン配線５と、絶縁性フィルム２の一方の面に形成され一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとを直列又は並列に接続する接続配線部６Ａ，６Ｂ，６Ｃと、絶縁性フィルム２の一方の面に第１対向電極３Ａと薄膜サーミスタ部４と第２対向電極３Ｂとを絶縁性フィルム２との間に挟んで形成された絶縁性保護膜７と、を備えている。

薄膜サーミスタ部４の直上または直下における上記絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７とは、同じヤング率の材料かつ同じ厚さである。なお、各図において、絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７との厚さが作図の便宜上異なって図示されているが、同じ厚さである。
また、絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７とは、同じポリイミド樹脂で形成され直接接合されている。

一対のパターン配線５は、絶縁性フィルム２の基端部に形成された一対のパッド部５ａを有している。
上記パッド部５ａは、リードフレーム等を接続するためにパターン配線５の他の部分よりも幅広に形成された端子部である。

上記一対の第１対向電極３Ａ及び一対の第２対向電極３Ｂは、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、複数の櫛部３ａを有している。
また、一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとは、互いに同じサイズで形成され、互いに絶縁性フィルム２の延在方向に並んで近接配置されている。なお、一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとを、薄膜サーミスタ部４を挟んで互いに上下に対向配置させると、電気的に干渉してしまうため好ましくない。
上記第１対向電極３Ａ、第２対向電極３Ｂ、パターン配線５及び接続配線部６Ａ〜６Ｃは、例えば膜厚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。

上記絶縁性フィルム２は、帯状の長方形とされ、例えば厚さ７．５〜１２５μｍ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，ＬＣＰ：液晶ポリマー等でも作製できる。

上記薄膜サーミスタ部４は、フレキシブル性を有したサーミスタ膜であって、例えばＭ−Ａｌ−Ｎ膜（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す）である。
すなわち、薄膜サーミスタ部４は、一般式：Ｍ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す。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。なお、これらの膜については、フレキシブル性と良好なサーミスタ特性とが確認されている。

なお、本実施形態では、特にＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料で矩形状に形成された薄膜サーミスタ部４を採用している。すなわち、薄膜サーミスタ部４は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（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。

一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとを直列接続する場合、図１の（ａ）に示すように、接続配線部６Ａにより、一対のパターン配線５が接続されていない一対の第１対向電極３Ａの他方と一対の第２対向電極３Ｂの他方とを接続する。
また、一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとを並列接続する場合、図１の（ｂ）に示すように、接続配線部６Ｂにより、一対のパターン配線５の一方が接続されている一対の第１対向電極３Ａの一方と一対の第２対向電極３Ｂの他方とを接続すると共に、接続配線部６Ｃにより、一対のパターン配線５の他方が接続されている一対の第２対向電極３Ｂの一方と一対の第１対向電極３Ａの他方とを接続する。

本実施形態の温度センサ１Ａ，１Ｂの製造方法は、絶縁性フィルム２の一方の面に一対の第１対向電極３Ａをパターン形成する第１対向電極形成工程と、絶縁性フィルム２の一方の面に一対のパターン配線５及び接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）をパターン形成するパターン配線形成工程と、絶縁性フィルム２の表面に一対の第１対向電極３Ａを覆って薄膜サーミスタ部４をパターン形成するサーミスタ部形成工程と、薄膜サーミスタ部４上に一対の第２対向電極３Ｂをパターン形成する第２対向電極形成工程と、絶縁性フィルム２の一方の面に薄膜サーミスタ部４を絶縁性フィルム２との間に挟んで絶縁性保護膜７を形成する保護膜形成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、厚さ７５μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上（一方の面上）に、スパッタ法にて、Ｃｒ層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、このＣｒ層上に、スパッタ法にてＡｕ層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜したＡｕ層の上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、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３の（ａ）に示すように、レジスト剥離にて所望の第１対向電極３Ａ、パターン配線５及び接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）を形成する。

次に、絶縁性フィルム２及び第１対向電極３Ａ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、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝０．０９、ｙ＝０．４３、ｚ＝０．４８）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スピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、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Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ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４にする。

次に、薄膜サーミスタ部４上に、スパッタ法にて、Ｃｒ層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、このＣｒ層上に、スパッタ法にてＡｕ層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜したＡｕ層の上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、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３の（ｃ）に示すように、レジスト剥離にて所望の第２対向電極３Ｂを形成する。なお、このとき、第２対向電極３Ｂとパターン配線５及び接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）とを接続する。

さらに、パッド部５ａを除き、第１対向電極３Ａ，薄膜サーミスタ部４，第２対向電極３Ｂ，パターン配線５及び接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）を覆うようにして、スクリーン印刷でポリイミド樹脂を絶縁性フィルム２上に絶縁性フィルム２と同じ厚さで塗布し、図３の（ｄ）に示すように、絶縁性保護膜７を形成する。このようにして温度センサ１Ａ，１Ｂが作製される。

なお、複数の温度センサ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４、第１対向電極３Ａ、第２対向電極３Ｂ、パターン配線５、接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）及び絶縁性保護膜７を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ１Ａ，１Ｂに切断する。

このように本実施形態の温度センサ１Ａ，１Ｂでは、一対の第１対向電極３Ａと一対の第２対向電極３Ｂとが薄膜サーミスタ部４の下と上とに分かれて形成されていると共に、薄膜サーミスタ部４の直上または直下における絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さであるので、対向電極を含めて薄膜サーミスタ部４の上下で応力的に対称になり、絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７とに挟まれた薄膜サーミスタ部４にかかる応力が相殺される。

したがって、絶縁性フィルム２を曲げた際に、薄膜サーミスタ部４の凸面側の伸びによる抵抗値変化と、薄膜サーミスタ部４の凹面側の圧縮による抵抗値変化とが上記直列接続又は並列接続によって相殺され、曲げによる抵抗値変化が抑制される。
例えば、図４に示すように、加熱ローラＲに沿って温度センサ１Ａ，１Ｂを曲げて使用する場合であって、少なくとも絶縁性フィルム２の薄膜サーミスタ部４が形成されている部分が湾曲状態とされても、湾曲前と変わらない抵抗値を得ることができる。
また、絶縁性フィルム２と絶縁性保護膜７とが、同じポリイミド樹脂で形成され直接接合されているので、互いに接合性が良好で、高い接合強度を得ることができる。

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。

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、絶縁性フィルム２上にスクリーン印刷で絶縁性保護膜７を形成したのに対し、第２実施形態の温度センサ２１Ｂでは、図５に示すように、絶縁性フィルム２上に別のフィルムを接着層２７ａを介して接着して絶縁性保護膜２７を形成している点である。
すなわち、第２実施形態では、絶縁性フィルム２と同じ厚さであると共にヒートシール性のあるフッ素樹脂ＦＥＰ（接着層２７ａ）付きのポリイミドフィルムの絶縁性保護膜２７を用いて、この絶縁性保護膜２７を絶縁性フィルム２上に熱融着させ貼り合わせている。

したがって、接着層２７ａがフッ素樹脂ＦＥＰの熱融着層であり、この接着層２７ａが絶縁性フィルム２上の薄膜サーミスタ部４、第２対向電極３Ｂ、パターン配線５及び接続配線部６Ａ（又は６Ｂ，６Ｃ）による段差を埋め、その上にポリイミドフィルムの絶縁性保護膜２７が形成されている。
なお、図５は、第１実施形態の図１の（ｂ）におけるＡ−Ａ線と同じ位置の断面図である。

このように第２実施形態の温度センサ２１Ｂでは、絶縁性保護膜２７が、絶縁性フィルム２に接着層２７ａを介して接着されたフィルムであるので、容易に絶縁性保護膜２７を絶縁性フィルム２上に貼り付けることができる。また、薄膜サーミスタ部４、第２対向電極３Ｂ及びパターン配線５等により生じた絶縁性フィルム２上の凹凸を接着層２７ａで埋めて隙間が生じ難く、高い熱伝導性を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、同じ薄膜サーミスタ部の下と上とに第１対向電極と第２対向電極とを形成しているが、薄膜サーミスタ部を第１対向電極側と第２対向電極側とに分割してパターン形成しても構わない。

１Ａ，１Ｂ，２１Ｂ…温度センサ、２…絶縁性フィルム、４…薄膜サーミスタ部、３Ａ…第１対向電極、３Ｂ…第２対向電極、５…パターン配線、５ａ…パッド部、７，２７…絶縁性保護膜、２７ａ…接着層

Claims (4)

1. 絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に互いに対向して形成された一対の第１対向電極と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に前記一対の第１対向電極を覆って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上に互いに対向して形成された一対の第２対向電極と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され一対の前記第１対向電極の一方と一対の前記第２対向電極の一方とに接続された一対のパターン配線と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され一対の前記第１対向電極と一対の前記第２対向電極とを直列又は並列に接続する接続配線部と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に前記第１対向電極と前記薄膜サーミスタ部と前記第２対向電極とを前記絶縁性フィルムとの間に挟んで形成された絶縁性保護膜と、を備え、
   前記薄膜サーミスタ部の直上または直下における前記絶縁性フィルムと前記絶縁性保護膜とが、同じヤング率の材料かつ同じ厚さであることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記絶縁性フィルムと前記絶縁性保護膜とが、同じポリイミド樹脂で形成され直接接合されていることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記絶縁性保護膜が、前記絶縁性フィルムに接着層を介して接着されたフィルムであることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
   少なくとも前記絶縁性フィルムの前記薄膜サーミスタ部が形成されている部分が湾曲状態とされて使用されることを特徴とする温度センサ。

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