(57)【要約】【課題】熱電変換材料間の高さバラツキを吸収して全ての熱電変換材料を電極に対して均一に接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる熱電変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】対向して配された通電加圧部材２の内面に電極４を配し、該電極４間に複数個の熱電変換材料３を介装し、前記通電加圧部材２を内側方向に加圧しながら通電することにより、前記電極４と前記熱電変換材料３を接合する熱電変換素子の製造方法であって、前記電極４と前記熱電変換材料３との間に、導電性の金属粉体を含む変形可能な中間層５を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配された通電加圧部材の内面に電極を配し、該電極間に複数個の熱電変換材料を介装し、前記通電加圧部材を内側方向に加圧しながら通電することにより、前記電極と前記熱電変換材料を接合する熱電変換素子の製造方法であって、
前記電極と前記熱電変換材料との間に、導電性の金属粉体を含む変形可能な中間層を備えたことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記中間層は、前記金属粉体を含んだペースト状の接着材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記金属粉体は、拡散性の高い金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記金属粉体は、Ｃｕ又はＮｉであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子の製造方法に関し、より詳しくは、熱電特性の安定した熱電変換素子の製造に適した熱電変換素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。この性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換素子は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。
このような熱電変換素子は、一般的に、複数個の熱電変換材料（ｐ型及びｎ型）を電極で接合して構成される。熱電変換材料は、焼結材料を左右のダイス、及び上下のパンチで形成される空間に充填し、これをパンチで上下からプレスしながら直接電流を加えること（パルス通電）により製造される。このように、焼結炉を温めるのではなく、電流を流すことによってジュール発熱させるので、狭い範囲のみの加熱で行うことができ、焼結時間が短くなり、温度ムラが少なくなる。
【０００３】
このようなパルス通電焼結は、例えば特許文献１に開示されている。そして、熱電変換材料を電極で接合して製造する方法は、例えば特許文献２に開示されている（特に特許文献２の図１４参照）。
しかしながら、ｐ型及びｎ型の熱電変換材料を電極に接合して設ける場合に、熱電変換材料間の高さバラツキによって熱電変換材料と電極との間に接合強度等の接合バラツキを生じる。そのため、電極と熱電変換素子間の接合界面が容易に剥離して接合されていない部分ができたり、剥離しないまでも接合不良となって接合界面での熱的抵抗や電気的抵抗にバラツキを生じたりする原因となることがある。
【０００４】
すなわち、熱電変換材料を電極で接合する際には、上下から加圧して電流を与えるわけだが、高さバラツキがあって電極と熱電変換材料が接合されていない状態であると、この界面抵抗が大きくなり、この部分が発熱することになり、部分的に温度が上がることになる。これは、熱電変換素子の熱電特性に影響を与えるおそれがある。また、電極と熱電変換材料の間に隙間ができると、プレスの際に荷重が集中される部分が生じ、バランスが悪いものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４６１４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、熱電変換材料間の高さバラツキを吸収して全ての熱電変換材料を電極に対して均一に接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる熱電変換素子の製造方法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】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、対向して配された通電加圧部材の内面に電極を配し、該電極間に複数個の熱電変換材料を介装し、前記通電加圧部材を内側方向に加圧しながら通電することにより、前記電極と前記熱電変換材料を接合する熱電変換素子の製造方法であって、前記電極と前記熱電変換材料との間に、導電性の金属粉体を含む変形可能な中間層を備えたことを特徴とする熱電変換素子の製造方法を提供する。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１に記載の発明において、前記中間層は、前記金属粉体を含んだペースト状の接着材料であることを特徴としている。
請求項３の発明では、求項１又は２に記載の発明において、前記金属粉体は、拡散性の高い金属からなることを特徴としている。
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記金属粉体は、Ｃｕ又はＮｉであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、電極と熱電変換材料との間に、導電性の金属粉体を含む変形可能な中間層が備わるため、複数個の熱電変換材料に高さバラツキがあっても、電極と熱電変換材料との間の隙間間隔に応じて中間層が変形してこれを補い、全ての熱電変換材料を電極に対して均一に接合させることができる。また、中間層には金属粉体が含まれるため、電極と熱電変換材料間の導電性を維持することができ、通電加圧による熱電変換素子の製造に支障を来すことはない。
【００１０】
請求項２の発明によれば、中間層がペースト状の接着材料であるため、電極と熱電変換材料との接合を確実なものとできる。さらにペースト状とすることにより電極と熱電変換材料間に塗布するだけで容易に中間層を設けることができ、取り扱い性が向上する。
請求項３の発明によれば、金属粉体は、拡散性の高い金属からなるため、電極と熱電変換材料間の接合強度が向上する。
【００１１】
請求項４の発明によれば、金属粉体としてＣｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）を用いるため、拡散性が高く、導電性も兼ねているため、中間層に含まれる金属粉体として高さ吸収と接合強度を実現する上で好適なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の概略図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の概略図であり、図２は図１のＡ部拡大図である。
図示したように、熱電変換素子の製造装置１は、上下に配設された通電加圧部材たるパンチ２を含む。パンチ２は、導電性を有する材料（例えば黒鉛）によって構成される。このパンチ２の間に、熱電変換材料３が複数個配設される（図では６個の熱電変換材料３）。
【００１４】
この際、熱電変換材料３はｐ型とｎ型が交互になるように配設される。なお、ｐｎ接合構造を有する熱電変換材料の場合は、電極４を介した熱電変換材料がｐｎの順番で、すなわち異なる熱電的性質が隣り合うように連結されるように配設される。熱電変換材料３は、例えば２φの長さが５ｍｍ〜１０ｍｍであり、これが５×５の計２５個並べられて配設される（図では６個の熱電変換素子を１列に並べたものを表示）。パンチ２は、例えば３５ｍｍ角〜４０ｍｍ角で、厚さが５ｍｍ〜６ｍｍである。
【００１５】
これら複数個の熱電変換材料３は、それぞれ隣り合う熱電変換材料３と電極４を介して連結されている。この連結は、熱電変換材料３が直列に接続されるように、熱電変換材料３の上下で交互に連結される。電極４としては、例えば銅が用いられる。
熱電変換材料３と電極４との間に、さらに中間層５が設けられる。中間層５は、導電性の金属粉体を含む変形可能な状態に形成される。したがって、パンチ２の加圧によりその形状がつぶれるように変化させることができる。なお、中間層５の厚さは１０μｍ程度である。
【００１６】
パンチ２の間に電極４を配し、熱電変換材料３を並べ、中間層５を形成した後、両側のパンチ２を熱電変換材料３方向に加圧しながら電流を流すことにより、熱電変換材料３と電極４が拡散接合（プラズマ接合）される。これにより、熱電変換素子が製造される。この通電加圧は、真空、窒素ガス又は不活性ガス雰囲気のチャンバ（不図示）内で行われる。
【００１７】
上記中間層５を設けることにより、複数個の熱電変換材料３に高さバラツキがあったとしても、電極４と熱電変換材料３との間の隙間間隔に応じて中間層が変形してこれを補う。すなわち、高さが低い熱電変換材料３と電極４との間の中間層５は加圧されてもそのままであるが、高さが高い熱電変換材料３と電極４との間の中間層５は加圧によりつぶされて変形する。これにより、中間層５を介して熱電変換材料３の全てが均一に電極４に接合され、安定した熱電特性を有する熱電変換素子を得ることができる。この中間層５には金属粉体が含まれるため、電極４と熱電変換材料３との間の導電性を維持することができ、通電加圧による熱電変換素子の製造に支障を来すことはない。なお、中間層５は熱電変換材料３の両側に配してもよいし、片側のみに配してもよい。
【００１８】
さらに、中間層５をペースト状にすることもできる。具体的には、金属粉体に対してエポキシ樹脂等の有機バインダーを用いてペースト状の接着材料とする。この接着性能により、電極４と熱電変換材料３との接合を確実なものとできる。この場合、ペースト状中間層５を塗布するだけですむので、取り扱い性が向上する。
さらに、中間層５に含める金属粉体として、拡散性の高い金属を用いることが好ましい。上記通電加圧による熱電変換材料３と電極４の接合の場合、界面で互いに成分拡散を起こさせて合金化して接合するので、拡散性が高ければ高いほど、電極と熱電変換材料間の接合強度が向上するからである。
【００１９】
また、金属粉体として、Ｃｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）を用いれば、これらの金属は拡散性が高く、導電性も兼ねているため、上記効果（高さ吸収と接合強度の向上）を実現する上で好適である。
【符号の説明】
【００２０】
１  熱電変換素子の製造装置
２  パンチ
３  熱電変換材料
４  電極
５  中間層
【図１】
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【図２】
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