(57)【要約】【課題】迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法を提供する。【解決手段】熱電素子の評価方法では、熱電素子１０の一対の端子１６間に定電流又は定電圧が印加される。定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子１６間の第１電気測定が行われる。定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子１６間の第２電気測定が行われる。第１電気測定及び第２電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。【選択図】図３
2019145733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子の一対の端子間に定電流又は定電圧を印加し、
前記定電流又は前記定電圧の印加開始直後の前記一対の端子間の第１電気測定を行い、
前記定電流又は前記定電圧の印加開始から所定時間経過後の前記一対の端子間の第２電気測定を行い、
前記第１電気測定及び前記第２電気測定の結果を用いて評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記一対の端子間に定電流を印加し、
前記第１電気測定では第１電圧を測定し、前記第２電気測定では第２電圧を測定する
熱電素子の評価方法。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記第１電気測定及び前記第２電気測定は４端子法で行う
熱電素子の評価方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記第１電圧と前記第２電圧との差を用いて前記評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記第１電圧と前記第２電圧との前記差の前記第１電圧に対する比率を用いて前記評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１項に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記定電流の大きさが１００ｍＡ以下である
熱電素子の評価方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか1項に記載の熱電素子の評価方法であって、
前記所定時間が１０秒以下である
熱電素子の評価方法。
【請求項８】
複数の熱電素子を作製し、
前記複数の熱電素子のそれぞれについて、一対の端子間に定電流又は定電圧を印加し、前記定電流又は前記定電圧の印加開始直後の前記一対の端子間の第１電気測定を行い、前記定電流又は前記定電圧の印加開始から所定時間経過後の前記一対の端子間の第２電気測定を行い、前記第１電気測定及び前記第２電気測定の結果を用いて評価指標を算出し、
前記評価指標に基づいて前記複数の熱電素子を選別する
熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子の評価方法、及び熱電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギを熱エネルギに変換可能な熱電素子が知られている。熱電素子は、一対の基板間に配列された複数の熱電チップが、一対の端子間において直列接続された構成を有する。このような構成により、熱電素子は、ペルチェ効果によって、一対の端子間の電位差を、一対の基板間の温度差に変換することができる。
【０００３】
熱電素子は、一対の基板間の温度差を利用して対象物を冷却することができる。熱電素子の冷却性能は、電気エネルギを熱エネルギに変換する性能である熱電変換性能に依存する。熱電素子の熱電変換性能の評価指標として、最大温度差（ΔＴｍａｘ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
熱電素子のΔＴｍａｘは、高温側の基板の温度を一定に保ちながら一対の端子間に印加する電圧を変化させたときの、一対の基板間の温度差の最大値として得られる。熱電素子のΔＴｍａｘは、一対の基板間に発生させることが可能な温度差の実測値であるため、熱電変換性能を直接的に表している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱電素子のΔＴｍａｘの測定は、対流による熱伝達の影響を排除するために、真空中で行う必要がある。また、熱電素子のΔＴｍａｘの測定では、複数の測定点において基板の温度が安定するまで待機する必要がある。このため、熱電素子のΔＴｍａｘの測定には長時間を要する。
【０００７】
また、熱電素子のΔＴｍａｘの測定では、正確な測定値を得るために、例えば熱抵抗の低減などの熟練した技術を要する作業が必要となる。これらの要因により、ΔＴｍａｘによる熱電素子の評価は、熱電素子の熱電変換性能を正確に把握できるものの、大量の熱電素子の検査には適していない。
【０００８】
つまり、ΔＴｍａｘによる評価を利用した熱電素子の検査は、熱電素子の製造工程において、全数検査とすることが困難であり、抜き取り検査とせざるを得ない。このため、迅速かつ容易に実施可能であり、熱電素子の製造工程における全数検査に利用可能な熱電素子の熱電変換性能の評価方法が望まれる。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法、及びこれを用いた熱電素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱電素子の評価方法では、熱電素子の一対の端子間に定電流又は定電圧が印加される。
定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子間の第１電気測定が行われる。
定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子間の第２電気測定が行われる。
第１電気測定及び第２電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。
【００１１】
一対の端子間に定電流が印加され、第１電気測定では第１電圧が測定され、第２電気測定では第２電圧が測定されてもよい。
第１電気測定及び第２電気測定は４端子法で行われてもよい。
第１電圧と第２電圧との差を用いて評価指標が算出されてもよい。
第１電圧と第２電圧との差の第１電圧に対する比率を用いて評価指標が算出されてもよい。
定電流の大きさが１００ｍＡ以下であってもよい。
所定時間が１０秒以下であってもよい。
【００１２】
本発明の一形態に係る熱電素子の製造方法では、複数の熱電素子が作製される。
複数の熱電素子のそれぞれについて、一対の端子間に定電流又は定電圧が印加され、定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子間の第１電気測定が行われ、定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子間の第２電気測定が行われ、第１電気測定及び第２電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。
評価指標に基づいて複数の熱電素子が選別される。
【発明の効果】
【００１３】
迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法、及びこれを用いた熱電素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱電素子を示す斜視図である。
【図２】上記熱電素子の分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電圧測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子の平面図である。
【図４】上記評価方法を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る電流測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子の平面図である。
【図６】実施例１に係るΔＶ／Ｖ１の時間変化を示すグラフである。
【図７】実施例２に係るΔＶ／Ｖ１とΔＴｍａｘとの相関を示すグラフである。
【図８】実施例３に係るΔＩ／Ｉ１の時間変化を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態に係る熱電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。
【００１６】
１．熱電素子の構成
本発明は、熱電素子の熱電変換性能の評価方法に関する。本発明の熱電素子の評価方法の実施形態を説明する前に、本発明の評価方法の対象となる熱電素子の一例について簡単に説明する。なお、本発明の評価方法は、以下の構成の熱電素子のみならず、任意の構成の熱電素子に適用可能である。
【００１７】
図１，２は、本実施形態に関連する熱電素子１０を示す図である。図１は、熱電素子１０の斜視図である。図２は、熱電素子１０の分解斜視図である。熱電素子１０は、ＸＹ平面に沿って延びる矩形の平板状である。熱電素子１０では、Ｘ軸方向が長手方向に対応し、Ｙ軸方向が短手方向に対応し、Ｚ軸方向が厚さ方向に対応する。
【００１８】
熱電素子１０は、高温側基板１１と低温側基板１２とを有する。高温側基板１１及び低温側基板１２は、いずれもＸＹ平面に沿って延び、相互にＺ軸方向に対向している。上側の高温側基板１１の下面には、複数の高温側電極１４が設けられている。下側の低温側基板１２の上面には、複数の低温側電極１５が設けられている。
【００１９】
熱電素子１０は、複数の熱電チップ１３を更に有する。熱電チップ１３は、高温側基板１１及び低温側基板１２の間に配列されている。熱電チップ１３は、Ｐ型チップ１３ａ及びＮ型チップ１３ｂで構成される。Ｐ型チップ１３ａはＰ型熱電材料で形成され、Ｎ型チップ１３ｂはＮ型熱電材料で形成されている。
【００２０】
各熱電チップ１３を形成する熱電材料としては、例えば、ビスマス−テルル系化合物、シリサイド系化合物、ハーフホイスラー系化合物、鉛−テルル系化合物、シリコン−ゲルマニウム系化合物、スクッテルダイト系化合物、テトラヘドライト系化合物、コルーサイト系化合物などが用いられる。
【００２１】
熱電素子１０は、低温側基板１２に設けられた一対の端子１６と、一対の端子１６にそれぞれ接合された一対のリード線１７と、を更に有する。熱電素子１０では、一対の端子１６間において、Ｐ型チップ１３ａとＮ型チップ１３ｂとが、高温側電極１４及び低温側電極１５によって交互に直列接続されている。
【００２２】
このような構成により、熱電素子１０では、一対のリード線１７を介して一対の端子１６間に印加される電圧によって、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が発生する。以下、本発明の一実施形態に係る評価方法を、上記の構成の熱電素子１０に適用した例について説明する。
【００２３】
２  熱電素子の評価方法
２．１  概略説明
本発明の一実施形態に係る熱電素子１０の評価方法では、熱電素子１０の一対の端子１６間の電気測定を行うことにより、熱電素子１０の熱電変換性能の評価を行う。本実施形態に係る評価方法では、電気測定として、電圧測定、電流測定、及び電気抵抗測定を用いることができる。以下、各電気測定を用いた評価方法について説明する。
【００２４】
２．２  電圧測定を用いた評価方法
２．２．１  基本構成
図３は、電圧測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子１０の平面図である。図３では、高温側基板１１の下側に配置された熱電チップ１３及び低温側電極１５の位置を破線で示している。なお、図３では、リード線１７を省略して示している。また、熱電変換性能の評価は、リード線１７を設ける前に行ってもよい。
【００２５】
熱電素子１０の熱電変換性能の評価には、定電流源２１ａ及び電圧計２２ａを用いる。定電流源２１ａ及び電圧計２２ａは各別に、一対の端子１６に接続されている。定電流源２１ａ及び電圧計２２ａの一対の端子１６に対する接続には、典型的にはプロービングが用いられるが、その他の公知の方法を用いてもよい。
【００２６】
この構成では、一対の端子１６間に一定の大きさの電流である定電流を印加し、一対の端子１６間の電圧を測定可能である。つまり、この構成では、一対の端子１６間の電圧を４端子法で測定するため、定電流源２１ａ及び電圧計２２ａの一対の端子１６に対する接触抵抗の影響が抑制され、高精度の電圧測定が可能となる。
【００２７】
定電流源２１ａが端子１６間に印加する定電流は、図３に矢印で示すように、Ｐ型チップ１３ａとＮ型チップ１３ｂとに交互に流れる。これにより、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が発生する。これに伴い、熱電素子１０には、定電流源２１ａが端子１６間に印加している電圧とは反対向きの逆起電力が発生する。
【００２８】
熱電素子１０に発生する逆起電力は、定電流源２１ａが印加する定電流を小さくするように作用する。このため、定電流源２１ａは、定電流の大きさを一定に維持するために、熱電素子１０に発生する逆起電力の分だけ端子１６間に印加する電圧を大きくすることにより、逆起電力を相殺する。
【００２９】
図４は、定電流源２１ａが端子１６間に定電流の印加を開始した後の高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差の時間変化を模式的に示すグラフである。図４に示すように、時刻ｔ１に定電流源２１ａが端子１６間に定電流の印加を開始すると、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が発生する。
【００３０】
高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差は、時刻ｔ１からの時間の経過に伴って、最大値Ｄに達するまで増加し、最大値Ｄに達すると一定の熱平衡状態となる。高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差は、熱電素子１０の熱電変換性能に基づいているため、熱電変換性能の評価指標として利用可能である。
【００３１】
しかしながら、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差を得るためには、高温側基板１１及び低温側基板１２の温度を測定する必要があるため、時間及び手間がかかる。そこで、本評価方法では、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差によって熱電素子１０に発生する逆起電力に着目した評価指標を用いる。
【００３２】
より詳細に、本評価方法では、定電流の印加開始直後の第１時刻ｔ１に、端子１６間の第１電圧測定（第１電気測定）を行うことにより、端子１６間の第１電圧Ｖ１を得る。また、定電流の印加開始から所定時間経過後の第２時刻ｔ２に、端子１６間の第２電圧測定（第２電気測定）を行うことにより、端子１６間の第２電圧Ｖ２を得る。
【００３３】
第１時刻ｔ１では、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差がゼロであるため、熱電素子１０に逆起電力が発生していない。したがって、第１電圧Ｖ１は、定電流の大きさをＩとし、熱電素子１０の電気抵抗をＲとすると、以下の式で表すことができる。
Ｖ１＝Ｉ×Ｒ
【００３４】
第２時刻ｔ２では、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が発生しているため、熱電素子１０に逆起電力が発生している。したがって、第２電圧Ｖ２は、逆起電力の大きさをＶｂとすると、以下の式で表すことができる。
Ｖ２＝Ｉ×Ｒ＋Ｖｂ
【００３５】
ここで、第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２とで熱電素子１０の電気抵抗Ｒが等しいものと仮定すると、第１時刻ｔ１における第１電圧Ｖ１と第２時刻ｔ２における第２電圧Ｖ２との差ΔＶは、以下の式で表すことができる。
ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１＝Ｖｂ
【００３６】
このように、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差ΔＶは、熱電素子１０に発生している逆起電力の大きさＶｂと等しくなる。したがって、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差に代えて、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差ΔＶを評価指標として熱電素子１０の熱電変換性能を評価可能である。
【００３７】
なお、第２時刻ｔ２は、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差が最大値Ｄに到達する時刻以降に設定することが好ましい。これにより、熱電素子１０の逆起電力が一定の平衡に達した状態で第２電圧Ｖ２を測定することができる。このため、第２電圧Ｖ２の測定誤差を抑制することができる。
【００３８】
また、第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２までの時間は、１０秒以下であることが好ましく、５秒以下であることがより好ましく、１秒以下であることが更に好ましく、例えば、０．１秒以上１秒以下の範囲内で設定することができる。これにより、評価指標が迅速に得られるため、熱電素子１０の熱電変換性能をより迅速に評価可能である。
【００３９】
更に、定電流源２１ａが印加する定電流の大きさは、１００ｍＡ以下であることが好ましい。これにより、大きい電流を印加するための大掛かりな装置が必要なくなる。また、作業者が大きい電流を扱わずに作業可能であるため、より安全な作業環境での評価が可能となる。
【００４０】
加えて、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の測定は、大気中で温度管理をせずに行っても測定誤差が発生しにくい。このため、本評価方法は、非常に迅速かつ容易に実施可能である。しかし、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の測定は、必要に応じ、真空中で行ってもよく、また高温側基板１１の温度を一定に保ちながら行ってよい。
【００４１】
また更に、本評価方法では、温度の実測定を行うことなく、電気的に温度をモニタリング可能であるため、温度の分解能が高いというメリットがある。例えば、本評価方法では、定電流の大きさを０．０１Ａ程度と小さくすることにより、０．１℃程度の高い分解能を実現可能である。
【００４２】
これに対し、温度の実測定を行うΔＴｍａｘの測定では、熱電素子１０の基板１１，１２に対する温度計の接触状態などによる熱伝導のばらつきの影響で測定誤差が大きくなる。このため、ΔＴｍａｘの測定を用いた評価では、１℃〜数℃程度の分解能しか得られず、本評価方法のような高い分解能を得ることは困難である。
【００４３】
２．２．２  評価指標の他の実施形態
熱電素子１０の熱電変換性能を評価するための評価指標はΔＶに限定されない。例えば、ΔＶに他の変数を組み合わせた評価指標を用いることで、熱電素子１０をより正確に評価可能となる。ΔＶに組み合わせる他の変数としては、例えば、第１電圧Ｖ１や、第２電圧Ｖ２や、熱電素子１０の電気抵抗Ｒなどが挙げられる。
【００４４】
例えば、電気抵抗Ｒが大きい熱電素子１０ほど、定電流の印加のために必要な第１電圧Ｖ１が大きくなり、大きい逆起電力が発生するため、ΔＶが大きくなりやすくなる。したがって、ΔＶでは、複数の熱電素子１０間で電気抵抗Ｒにばらつきがある場合に、熱電変換性能を正確に比較できない場合がある。
【００４５】
これに対し、熱電素子１０の電気抵抗Ｒの影響を受けにくい評価指標として、ΔＶの第１電圧Ｖ１に対する比率であるΔＶ／Ｖ１を用いることができる。つまり、評価指標としてΔＶ／Ｖ１を用いることにより、複数の熱電素子１０間で電気抵抗Ｒにばらつきがある場合にも、熱電変換性能を正確に比較可能となる。
【００４６】
また、熱電素子１０の熱電変換性能を評価するための評価指標は、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を含み、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差を比較可能に構成されていれば、ΔＶを含まなくてもよい。一例として、第２電圧Ｖ２の第１電圧Ｖ１に対する比率Ｖ２／Ｖ１を評価指標とすることもできる。
【００４７】
２．２．３  電圧測定の他の実施形態
熱電素子１０の一対の端子１６間の電圧測定の方法は上記の構成に限定されない。一例として、一対の端子１６間の電圧は、４端子法ではなく２端子法によって測定してもよい。この場合、例えば、定電流源２１ａ及び電圧計２２ａをいずれもリード線１７に接続することにより、熱電素子１０の熱電変換性能を更に簡単に評価可能となる。
【００４８】
また、上記の構成における定電流源２１ａに代えて、定電圧源を用いてもよい。この場合、電圧計２２ａで測定される電圧は、定電圧源が一対の端子１６間に印加する定電圧よりも熱電素子１０に発生する逆起電力の分だけ大きくなる。このため、上記の構成と同様の評価指標によって、熱電素子１０の熱電変換性能を評価可能である。
【００４９】
２．３  電流測定を用いた評価方法
２．３．１  基本構成
図５は、電流測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子１０の平面図である。電流測定を用いた方法では、上記の電圧測定を用いた方法における定電流源２１ａ及び電圧計２２ａに代えて、定電圧源２１ｂ及び電流計２２ｂを用いる。定電圧源２１ｂ及び電流計２２ｂは、相互に直列接続された状態で、一対の端子１６に接続されている。
【００５０】
本評価方法では、定電圧の印加開始直後の第１時刻ｔ１に、端子１６間の第１電流測定（第１電気測定）を行うことにより、端子１６間の第１電流Ｉ１を得る。また、定電圧の印加開始から所定時間経過後の第２時刻ｔ２に、端子１６間の第２電流測定（第２電気測定）を行うことにより、端子１６間の第２電流Ｉ２を得る。
【００５１】
第１時刻ｔ１では、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差がゼロであるため、熱電素子１０に逆起電力が発生していない。この一方で、第２時刻ｔ２では、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が発生しているため、熱電素子１０に逆起電力が発生している。
【００５２】
熱電素子１０に逆起電力が発生すると、定電圧源２１ｂから熱電素子１０の一対の端子１６に加わる電圧が大きくなる。つまり、第２時刻ｔ２では、第１時刻ｔ１よりも、定電圧源２１ｂが発生させる定電圧のうち、熱電素子１０の一対の端子１６間に加わる電圧の比率が大きくなり、電流計２２ｂに加わる電圧の比率が小さくなる。
【００５３】
熱電素子１０に発生する逆起電力が大きいほど、定電圧源２１ｂから熱電素子１０の一対の端子１６間に加わる電圧が大きくなる。したがって、第１時刻ｔ１における第１電流Ｉ１と第２時刻ｔ２における第２電流Ｉ２との差ΔＩ（＝Ｉ２−Ｉ１）は、マイナスの値となり、熱電素子１０に発生する逆起電力が大きいほどその絶対値が大きくなる。
【００５４】
このように、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２との差ΔＩは、熱電素子１０に発生している逆起電力の大きさに応じて変化する。したがって、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差に代えて、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２との差ΔＩを評価指標として熱電素子１０の熱電変換性能を評価可能である。
【００５５】
２．３．２  評価指標の他の実施形態
熱電素子１０の熱電変換性能を評価するための評価指標はΔＩに限定されない。例えば、ΔＩに他の変数を組み合わせた評価指標を用いることで、熱電素子１０をより正確に評価可能となる。ΔＩに組み合わせる他の変数としては、例えば、第１電流Ｉ１や、第２電流Ｉ２や、熱電素子１０の電気抵抗Ｒなどが挙げられる。
【００５６】
一例として、ΔＩの第１電流Ｉ１に対する比率であるΔＩ／Ｉ１を用いることができる。また、熱電素子１０の熱電変換性能を評価するための評価指標は、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２を含み、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２との差を比較可能に構成されていれば、ΔＩを含まなくてもよく、例えばＩ２／Ｉ１などであってもよい。
【００５７】
２．３．３  電流測定の他の実施形態
熱電素子１０の一対の端子１６間の電流の測定方法は上記の構成に限定されない。一例として、定電圧源２１ｂ及び電流計２２ｂは、直列接続ではなく、並列接続であってもよい。つまり、この構成では、定電圧源２１ｂに対して熱電素子１０及び電流計２２ｂが並列接続されている。
【００５８】
この構成では、熱電素子１０に発生する逆起電力の分だけ定電圧源２１ｂが印加する電圧が大きくなる。したがって、この構成では、電流計２２ｂで測定される電流の変化量によって、熱電素子１０における逆起電力の大きさを評価可能である。このため、上記の構成と同様の評価指標によって、熱電素子１０の熱電変換性能を評価可能である。
【００５９】
更に、この構成では、定電圧源２１ｂに代えて定電流源を用いてもよい。この場合、熱電素子１０に発生する逆起電力の分だけ、熱電素子１０に流れる電流が小さくなり、電流計２２ｂに流れる電流が大きくなる。したがって、この構成でも、電流計２２ｂで測定される電流の変化量によって、熱電素子１０における逆起電力の大きさを評価可能である。
【００６０】
２．４  電気抵抗測定を用いた評価方法
本実施形態に係る熱電素子１０の評価方法では、電気測定として電気抵抗測定を用いることができる。つまり、熱電素子１０に逆起電力が発生すると、熱電素子１０の見掛けの電気抵抗が変化する。このため、熱電素子１０の見掛けの電気抵抗の変化量によって、熱電素子１０に発生している逆起電力の大きさを評価することも可能である。
【００６１】
例えば、熱電素子１０に定電流を印加する場合には、逆起電力によって端子１６間に加わる電圧が大きくなるため、見掛けの電気抵抗が大きくなる。また、熱電素子１０に定電圧を印加する場合にも、逆起電力によって端子１６間に流れる電流が小さくなるため、見掛けの電気抵抗が大きくなる。
【００６２】
したがって、第１時刻ｔ１における第１電気抵抗Ｒ１及び第２時刻ｔ２における第２電気抵抗Ｒ２を用いた評価指標によっても、熱電素子１０の熱電変換性能を評価可能である。評価指標としては、例えば、ΔＲ（＝Ｒ２−Ｒ１）やΔＲ／Ｒ１やＲ２／Ｒ１などを用いることができる。
【００６３】
２．５  評価可能な熱電素子
以上で説明した本実施形態に係る各評価方法は、ペルチェ効果による性能を評価するため、ペルチェ素子の熱電変換性能の評価に特に適している。しかし、熱電素子におけるペルチェ効果による性能とゼーベック効果による性能とには高い相関があるため、本実施形態の評価方法は熱電発電素子の熱電変換性能の評価にも利用可能である。
【００６４】
３．実施例
３．１  実施例１
実施例１では、同一設計の熱電素子１０の２つのサンプル１，２を作製し、図３に示す構成で、各サンプル１，２において端子１６間に１００ｍＡの定電流を印加したときの端子１６間の電圧の時間変化を測定した。そして、各サンプル１，２について、各時刻における端子１６間の電圧を第２電圧Ｖ２としたときのΔＶ／Ｖ１の時間変化を算出した。
【００６５】
図６は、サンプル１，２のΔＶ／Ｖ１の時間変化を示すグラフである。図６では、横軸が時間を示し、縦軸がΔＶ／Ｖ１を百分率で示している。図６に示すように、サンプル１では、いずれの時刻を第２時刻ｔ２としてもサンプル２よりも高いΔＶ／Ｖ１が得られており、サンプル２よりも熱電変換性能が高いことがわかる。
【００６６】
また、図６に示すように、１秒程度でΔＶ／Ｖ１がほぼ一定の平衡状態になっており、各サンプル１，２の評価にそれぞれ数秒程度の時間しか掛からない。このため、本実施形態に係る熱電変換性能の評価方法を用いることにより、熱電素子１０の評価を非常に迅速に実施可能であることがわかる。
【００６７】
３．２  実施例２
実施例２では、ΔＶ／Ｖ１と最大温度差（ΔＴｍａｘ）との熱電変換性能の評価指標としての比較を行った。具体的に、同一のロットで製造された同一設計の熱電素子１０の４つのサンプルについてΔＶ／Ｖ１及びΔＴｍａｘの測定を行い、ΔＶ／Ｖ１とΔＴｍａｘとの相関を評価した。
【００６８】
各サンプルのΔＴｍａｘの測定は、真空中で、温調システムによって高温側基板１１の温度を１００℃に保ちながら各サンプルを駆動させることにより行った。第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の測定では、図３に示す構成を用い、定電流の大きさを１００ｍＡとし、定電流の印加開始から第２電圧Ｖ２を測定するまでの時間を５秒とした。
【００６９】
図７は、各サンプルにおけるΔＶ／Ｖ１及びΔＴｍａｘの測定結果を示すグラフである。図７では、横軸がΔＶ／Ｖ１を百分率で示し、縦軸がΔＴｍａｘを示している。つまり、図７のグラフ中には、各サンプルにおけるΔＶ／Ｖ１及びΔＴｍａｘの測定結果が１つのプロットとして示されている。
【００７０】
図７に示すように、ΔＶ／Ｖ１が大きいサンプルほど、ΔＴｍａｘが大きい傾向が見られる。また、図７に示すように、各サンプルのプロットは、正の傾きを有する一次関数でフィッティング可能である。したがって、熱電素子１０では、ΔＶ／Ｖ１が得られれば、高い精度でΔＴｍａｘを推定することができる。
【００７１】
このように、評価指標としてΔＶ／Ｖ１を用いることにより、評価指標としてΔＴｍａｘを用いた場合と同等の熱電変換性能の評価を、迅速かつ容易に実施することができる。このため、本実施形態に係る評価方法を用いることにより、ΔＴｍａｘの抜き取り検査の抜き取り頻度を低減することができる。
【００７２】
３．３  実施例３
実施例３では、同一設計の熱電素子１０の２つのサンプル３，４を作製し、図５に示す構成で、各サンプル３，４において端子１６間に１００ｍＶの定電圧を印加したときの端子１６間の電流の時間変化を測定した。そして、各サンプル３，４について、各時刻における端子１６間の電流を第２電流Ｉ２としたときのΔＩ／Ｉ１の時間変化を算出した。
【００７３】
図８は、サンプル３，４のΔＩ／Ｉ１の時間変化を示すグラフである。図８では、横軸が時間を示し、縦軸がΔＩ／Ｉ１を百分率で示している。図８に示すように、サンプル３では、いずれの時刻を第２時刻ｔ２としてもサンプル４よりも絶対値の大きいΔＩ／Ｉ１が得られており、サンプル４よりも熱電変換性能が高いことがわかる。
【００７４】
また、図８に示すように、１秒程度でΔＩ／Ｉ１がほぼ一定の平衡状態になっており、各サンプル３，４の評価にそれぞれ数秒程度の時間しか掛からない。このため、本実施形態に係る熱電変換性能の評価方法を用いることにより、熱電素子１０の評価を非常に迅速に実施可能であることがわかる。
【００７５】
４．熱電素子の製造方法
図９は、本実施形態に係る熱電素子１０の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る熱電素子１０の製造方法では、上記の熱電変換性能の評価方法を用いて、熱電素子１０の検査を実施する。以下、図９を参照して、一例として図３に示す構成での評価方法を用いた熱電素子１０の製造方法について説明する。
【００７６】
ステップＳ０１では、複数の熱電素子１０を作製する。ステップＳ０１では、典型的には、量産工程によって同一設計の多数の熱電素子１０を作製する。熱電素子１０の作製方法は、特定の構成に限定されず、任意に決定可能である。また、熱電素子１０の構成も、任意に決定可能である。
【００７７】
ステップＳ０２では、ステップＳ０１で作製された複数の熱電素子１０のそれぞれについて、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を測定する。ステップＳ０３では、ステップＳ０２で得られた第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を用いて、複数の熱電素子１０のそれぞれについて共通の評価指標を算出する。
【００７８】
ステップＳ０４では、ステップＳ０３で各熱電素子１０について得られた評価指標を用いて熱電素子１０の選別を行う。ステップＳ０４では、熱電素子１０を良品と不良品とを選別するための評価指標の基準値が設定される。そして、評価指標が基準値以上の熱電素子１０を良品とし、評価指標が基準値未満の熱電素子１０を不良品とする。
【００７９】
このように、本実施形態の熱電素子１０の製造方法では、上記の評価方法を用いることにより、熱電変換性能の全数検査を行うことが可能である。また、抜き取り検査の場合であっても、抜き取り頻度を低減することができる。これにより、この熱電素子の製造方法では、低コストで信頼性の高い熱電素子を製造可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１０…熱電素子
１１…高温側基板
１２…低温側基板
１３…熱電チップ
１３ａ…Ｐ型チップ
１３ｂ…Ｎ型チップ
１４…高温側電極
１５…低温側電極
１６…端子
１７…リード線
２１ａ…定電流源
２１ｂ…定電圧源
２２ａ…電圧計
２２ｂ…電流計
【図１】
2019145733.tif 000003
【図２】
2019145733.tif 000004
【図３】
2019145733.tif 000005
【図４】
2019145733.tif 000006
【図５】
2019145733.tif 000007
【図６】
2019145733.tif 000008
【図７】
2019145733.tif 000009
【図８】
2019145733.tif 000010
【図９】
2019145733.tif 000011