(57)【要約】【課題】特性評価に際して熱電材料からの試料の採取が不要であって非破壊で検査でき、材料の損失が少ないと共に、測定が容易であり、任意の位置で特性を測定することができて特性の分布を測定することができる熱電特性評価方法及び装置を提供する。【解決手段】被測定物３の両端面に銅電極１６，１７を接触させ、その外側にペルチェ素子１４，１５を接触させて固定し、被測定物３の複数の測定点に熱電対１９の感温部を接触させる。その後、ペルチェ素子１５を発熱側、ペルチェ素子１４を吸熱側として被測定物３に電流を流し、測定点の温度及び測定点間の熱起電力を測定し、ゼーベック係数αを求める。また、銅電極１６，１７間に電流を流し、各測定点間の電位差から電気抵抗率ρを測定する。【選択図】　図１
2004022912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電特性を測定する被測定物に対し、その両端面に夫々電極を接触させ、更にその外側に夫々ペルチェ素子を接触させると共に、前記被測定物の複数の特性測定点に夫々熱電対の感温部を接触させ、前記ペルチェ素子のうちの一方の被測定物側の面が発熱側、前記ペルチェ素子のうちの他方の被測定物側の面が吸熱側となるように前記ペルチェ素子に夫々電流を流して前記熱電対により各測定点における温度及び各測定点間の電位差としての熱起電力を測定すると共に、前記電極間に電流を流して各測定点間の電位差を測定し、前記温度及び熱起電力からゼーベック係数を求めると共に、前記電位差と測定点間の距離から電気抵抗率を求めることを特徴とする熱電特性評価方法。
【請求項２】
前記被測定物の前記両端面は相互に平行になるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電特性評価方法。
【請求項３】
固定ブロックと、前記固定ブロックに対して進退可能の可動ブロックと、熱電特性を測定する被測定物の両端面に夫々電極及びペルチェ素子を配置し前記可動ブロックを前記固定ブロックに向けて押圧することによりこれらを前記固定ブロックと可動ブロックとの間で挟持して固定する押圧部材と、前記被測定物の複数の特性測定点に夫々熱電対の感温部を接触させて保持する弾性部材と、前記各電極に接続された第１リード線と、前記各ペルチェ素子に接続された第２リード線とを有することを特徴とする熱電特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｂｅ−Ｔｉ系等の熱電材料を実質的に加工することなく、熱起電力及び電気抵抗の分布等の特性を評価する熱電特性評価方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェ素子の高性能化のためには、使用する材料の安定化及び均一化が必要である。このため、ペルチェ素子の製造工程においては、抜き取り検査又は全数検査により、熱起電力又は電気抵抗率を検査している。特に、インゴット材又は押出材のような大型素材においては、その特性分布を求める必要があり、図７に示すように、１本のインゴット材又は押出材１から、複数箇所について試料２を切り出して、各試料２の特性を検査する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の熱電材料の特性評価技術においては、１本のインゴット又は押出材１から、複数個の試料２を切り出し、各試料２に電極を半田付けして、その熱起電力及び電気抵抗を測定する必要があるため、測定に使用した試料は製品として使用できず、材料の歩留が低いと共に、煩雑な加工が必要であるという難点がある。なお、半導体のｐ／ｎ形判定及びドープ量測定のための装置として、熱電対及びプローブ電極を備え、ゼーベック効果によって半導体のｐ／ｎ形判定を行うと共に、非破壊でドープ量の測定を同時に行えるようにした装置が開示されている（特開平０９−１５３５３２号公報）。しかしながら、この装置においても、材料を切断して切り出した試料の特性を評価する必要があり、材料の損失が多いという欠点がある。また、この公報に記載の従来技術は、ｐｎチェックとドープ量の測定のみが可能であり、熱起電力及び電気抵抗率の測定はできないと共に、特性の分布は測定できない。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、特性評価に際して熱電材料からの試料の採取が不要であって非破壊で検査でき、材料の損失が少ないと共に、測定が容易であり、任意の位置で特性を測定することができて特性の分布を測定することができる熱電材料の特性評価方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電材料の特性評価方法は、熱電特性を測定する被測定物に対し、その両端面に夫々電極を接触させ、更にその外側に夫々ペルチェ素子を接触させると共に、前記被測定物の複数の特性測定点に夫々熱電対の感温部を接触させ、前記ペルチェ素子のうちの一方の被測定物側の面が発熱側、前記ペルチェ素子のうちの他方の被測定物側の面が吸熱側となるように前記ペルチェ素子に夫々電流を流して前記熱電対により各測定点における温度及び各測定点間の電位差としての熱起電力を測定すると共に、前記電極間に電流を流して各測定点間の電位差を測定し、前記温度及び熱起電力からゼーベック係数を求めると共に、前記電位差と測定点間の距離から電気抵抗率を求めることを特徴とする。
【０００６】
この熱電材料の特性評価方法において、前記被測定物の前記両端面は相互に平行になるように加工されていることが好ましい。
【０００７】
本発明に係る熱電特性評価装置は、固定ブロックと、前記固定ブロックに対して進退可能の可動ブロックと、熱電特性を測定する被測定物の両端面に夫々電極及びペルチェ素子を配置し前記可動ブロックを前記固定ブロックに向けて押圧することによりこれらを前記固定ブロックと可動ブロックとの間で挟持して固定する押圧部材と、前記被測定物の複数の特性測定点に夫々熱電対の感温部を接触させて保持する弾性部材と、前記各電極に接続された第１リード線と、前記各ペルチェ素子に接続された第２リード線とを有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る熱電特性評価装置を示す図である。台１０上に、側面がＶ字形の２個の支持ブロック１１が設置されており、この支持ブロック１１上に、熱電材料のインゴット、押出材、焼結体又は鍛造材等の被測定物３が載置される。
【０００９】
台１１の一方の端部には、固定ブロック１２が固定されており、他方の端部には、可動ブロック１３が、支持棒２０を介して、固定ブロック１２に対して接近離隔可能に配置されている。そして、この可動ブロック１３はバネ２１により固定ブロック１２に向けて付勢されている。
【００１０】
被測定物３の固定ブロック１２側の端部には、固定ブロック１２との間に、ペルチェ素子１４と銅電極１６とが挟持されており、可動ブロック１３側の端部には、可動ブロック１３との間に、ペルチェ素子１５と銅電極１７とが挟持されている。銅電極１６，１７には夫々リード線２２ａ，２３ａが接続されており、このリード線２２ａ，２２ｂ及び銅電極１６，１７を介して被測定物３に所定の電流を通電することができるようになっている。また、ペルチェ素子１４，１５には夫々２本のリード線２３ａ，２３ｂが接続されており、この各２本のリード線２３ａ，２３ｂを介して、夫々ペルチェ素子１４及びペルチェ素子１５に、例えば、ペルチェ素子１５の被測定物３側の面が発熱側、ペルチェ素子１４の被測定物３側の面が吸熱側になるような電流が各ペルチェ素子１４，１５に対して個別に供給されるようになっている。
【００１１】
被測定物３には、その長手方向に離隔した複数の箇所に、銅−コンスタンタン等の熱電対１９の感温部が接触している。この熱電対１９の先端は、タングステン線等の支持線１８の先端に固定されたゴム２４により被測定物３に向けて押圧されている。支持線１８は被測定物に熱電対を押しつけることができるようなヤング率が高い材料であれば、タングステン線に限らず、種々の材料のものを使用することができる。この支持線１８の先端には、硬質ゴム２４が固定されており、この硬質ゴム２４により熱電対１９の先端の感温部が被測定物３に向けて押圧されるようになっている。タングステン線等の支持線１８のみでは、その断面積が小さいために、熱電対の先端部を被測定物３に確実に押圧できないが、本実施例においては、熱電対１９の先端の感温部が比較的大きな硬質ゴム２４により被測定物３に押圧されるので、熱電対１９の感温部を確実に被測定物３に押圧することができる。
【００１２】
本実施形態においては、被測定物３をＶ字状ブロック１１上に載置し、固定ブロック１２及び可動ブロック１３と、被測定物３との間に、夫々銅電極１６及びペルチェ素子１４と，銅電極１７及びペルチェ素子１５とを介在させ、バネ２１の付勢力により可動ブロック１３を固定ブロック１２に向けて押圧することにより、固定ブロック１２と可動ブロック１３との間に、被測定物３、ペルチェ素子１４，１５及び銅電極１６，１７を挟持し、これらを台１０上に固定する。なお、被測定物３と銅電極１６，１７とは、接着剤等により相互に固定する必要はない。しかし、被測定物３の両端面は、相互に平行になるように加工し、この端面にＮｉメッキ等のメッキを施しておくことが好ましい。
【００１３】
そして、タングステン線等の支持線１８により硬質ゴム２４を介して複数の熱電対１９の感温部を被測定物３に押圧して接触させる。この場合に、これらの熱電対１９の被測定物３に対する接触位置は、例えば、固定ブロック１２からの距離として実測しておく。
【００１４】
先ず、熱起電力を測定して、ゼーベック係数αを求める方法について説明する。図３に示すように、リード線２２ｂ、２３ｂを介してペルチェ素子１４，１５に夫々ペルチェ素子１５の被測定物３側の面が発熱側、ペルチェ素子１４の被測定物３側の面が吸熱側となるように電流を流すと、被測定物３にはペルチェ素子１５側の端部が高温、ペルチェ素子１４側の端部が低温となる温度勾配が生じる。この被測定物３の温度を複数点で（図示例の場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５点で）、熱電対１９により測定し、各点の温度ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ、ＴＤ、ＴＥを求める。なお、温度測定は、図示例の場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５点で行っているが、分布としてみるなら、３点以上の測定点があればよい。また、熱電対１９の銅線を利用して、各測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの相互間における電位差Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を測定する。この電位差が、各測定点間の熱起電力である。そこで、ゼーベック係数αを下記数式１により求める。但し、αＡＢ、αＢＣ、αＣＤ、αＤＥは、夫々Ａ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ間、Ｃ−Ｄ間、Ｄ−Ｅ間のゼーベック係数である。なお、被測定物３の温度測定点は、必ずしも、均等なピッチで設けられていなくても良い。例えば、特性が良いところは、間隔を広く、特性が良くないところでは、間隔を狭くして、温度分布を求めることができる。
【００１５】
【数１】
αＡＢ＝Ｖ１／（ＴＢ−ＴＡ）
αＢＣ＝Ｖ２／（ＴＣ−ＴＢ）
αＣＤ＝Ｖ３／（ＴＤ−ＴＣ）
αＤＥ＝Ｖ４／（ＴＥ−ＴＤ）
【００１６】
次に、被測定物３の抵抗率の測定方法について説明する。図４に示すように、リード線２２ａ，２３ａを介して被測定物３に例えば図示のように銅電極１６から銅電極１７に向かう電流Ｉを流す。そして、熱電対１９の銅線を利用して、各測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの相互間の電位差Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を測定する。そうすると、被測定物３の横断面積をＳとし、各測定点間の距離をＬＡＢ、ＬＢＣ，ＬＣＤ、ＬＤＥとすれば、下記数式２により各測定点間の電気抵抗率（比抵抗）ρを求めることができる。
【００１７】
【数２】
ρＡＢ＝（Ｖ１／Ｉ）×（Ｓ／ＬＡＢ）
ρＢＣ＝（Ｖ２／Ｉ）×（Ｓ／ＬＢＣ）
ρＣＤ＝（Ｖ３／Ｉ）×（Ｓ／ＬＣＤ）
ρＤＥ＝（Ｖ４／Ｉ）×（Ｓ／ＬＤＥ）
【００１８】
以上のようにして、各測定点間のゼーベック係数α及び電気抵抗率ρを測定することができる。しかも、これらの特性を被測定物の長手方向に複数点で測定することができ、長手方向の特性分布を求めることができる。本実施形態においては、測定後の被測定物３は、支持線１８を離隔させて、熱電対１９を被測定物３から離し、バネ２１を緩めて、可動ブロック１３を後退させ、被測定物３と、銅電極１６，１７と、ペルチェ素子１４，１５とを分解することにより、被測定物３を測定前の状態で取り出すことができるので、この被測定物３は、製品に加工することができる。
【００１９】
即ち、熱電材料から個別の熱電素子に切断される前の例えばインゴットを作成した時点で、本発明により、このインゴットを被測定物として、先ず、ペルチェ素子により温度勾配を与えた上で、複数点で温度測定と電位差測定を行い、熱電特性であるゼーベック係数αを算出し、引き続き、銅電極１６、１７間に通電して電位差を求めて電気抵抗率ρを算出し、これらの結果得られた測定値により、熱電材料（インゴット）が所定の特性及び分布を満たしているか否かを判定し、所定の特性及び分布を満たしているインゴットは次いで個別の熱電素子への加工工程に送り、満たしていないインゴットは不良品として除外することで、後工程の歩留を向上させることができる。測定を引き続き行うには、リード線２２ａ，２２ｂを用いた電極への通電と、リード線２３ａ，２３ｂを用いたペルチェ素子への通電とを切換可能にしておくと良い。
【００２０】
なお、本発明は上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、バネ２１で被測定物３と電極及びペルチェ素子を組み立てて固定する場合に限らず、可動ブロック１３をボルトで固定することとし、トルクドライバ等でこの可動ブロック１３を固定ブロック１２に対して締め付けることとしてもよい。
【００２１】
【実施例】
次に、本実施形態の方法により、実際に特性分布を測定した結果について説明する。被測定物は、Ｎ型ペルチェ素子として、直径が１０ｍｍ、長さが６０ｍｍのインゴットを用意した。このインゴットの組成は、Ｂｉ１．９Ｓｂ０．１Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３に０．０６質量％のＳｂＩ３を添加したものである。また、Ｐ型ペルチェ素子として、直径が１０ｍｍ、長さが６０ｍｍのインゴットを用意した。このインゴットの組成は、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３である。
【００２２】
比抵抗（電気抵抗率）ρ及びゼーベックα係数は夫々下記表１及び表２の条件で測定した。
【００２３】
【表１】
2004022912.tif 000003
【００２４】
【表２】
2004022912.tif 000004
【００２５】
このようにして測定した比抵抗ρ及びゼーベック係数αの分布を図５及び図６に示す。図５はＮ型インゴットの凝固開始点（一方向凝固のため、インゴットの一方の端面）からの距離と熱電特性との関係を示すグラフ図、図６はＰ型インゴットの凝固開始点からの距離と熱電特性との関係を示すグラフ図である。これらの図における区間比抵抗とは、数式２により算出される各測定点間の比抵抗の平均値である。また、ゼーベック係数とは数式１により算出される各測定点間の熱起電力によるゼーベック係数の平均値である。各出力因子とは、熱起電力の２乗を比抵抗で除した値である。
【００２６】
この図５，６に示すように、凝固開始点からの距離が３５ｍｍを超えると、比抵抗ρ及びゼーベック係数αが大きく変動し、特性が不均一になる。これはインゴット内のＴｅの偏析に起因する。このようにして、本実施例により、非破壊で熱電材料の特性を検査することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、熱電材料の比抵抗ρ及びゼーベック係数α等の特性を、非破壊で測定することができ、しかもこれらの特性を複数点にわたり測定してその分布を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電材料の特性評価方法を示す測定装置の正面図である。
【図２】同じくその平面図である。
【図３】熱起電力の測定によるゼーベック係数αの測定方法を示す図である。
【図４】抵抗率ρの測定方法を示す図である。
【図５】Ｎ型インゴットの凝固開始点からの距離と熱電特性との関係を示すグラフ図である。
【図６】Ｐ型インゴットの凝固開始点からの距離と熱電特性との関係を示すグラフ図である。
【図７】従来の特性測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
１：インゴット、２：試料、３：被測定物、１０：台、１１：Ｖ字ブロック、１２：固定ブロック、１３：可動ブロック、１４，１５：ペルチェ素子、１６，１７：銅電極、１８：支持線、１９：熱電対、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ：リード線、２４：硬質ゴム
【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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【図７】
2004022912.tif 000011