(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の入口側に位置する第１の押出し経路と、前記第１の押出し経路に継続する第２の押出し経路であって、前記第１の押出し経路に対して０度より大きく１８０度より小さい角度を成す前記第２の押出し経路とが少なくとも形成されたダイスと、
前記第１の押出し経路に注入された材料を押すための押出し工具と、
背圧をかけながら後退させることにより、前記第２の押出し経路から押し出される材料を押し返すための押さえ工具と、
を具備する押出し加工装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の押出し経路の各々が矩形断面を有することを特徴とする請求項１記載の押出し加工装置。
【請求項３】
前記ダイスが複数の出口を有することを特徴とする請求項１又は２記載の押出し加工装置。
【請求項４】
第１の方向に設けられた材料の入口側に位置する第１の押出し経路と、第２の方向に設けられた材料の入口側に位置する第２の押出し経路と、前記第１及び第２の押出し経路に継続する第３の押出し経路であって、前記第１及び第２の押出し経路に対して０度より大きく１８０度より小さい角度を成す前記第３の押出し経路とが少なくとも形成されたダイスと、
前記第１の押出し経路に注入された材料を第１の方向から押すための第１の押出し工具と、
前記第２の押出し経路に注入された材料を第２の方向から押すための第２の押出し工具と、
前記第３の押出し経路から押し出される材料を押し返すための押さえ工具と、
を具備する押出加工装置。
【請求項５】
前記第２の押出し経路が、前記第１の押出し経路と１８０度を成すことを特徴とする請求項４記載の押出加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の押出し加工装置を用いて材料の押出し加工を行うことを特徴とする押出し加工方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項記載の押出加工装置を用いて、材料の先端にダミー材を入れながら材料の押出し加工を複数回行うことを特徴とする押出し加工方法。
【請求項８】
熱間で材料の押出し加工を行うことを特徴とする請求項６又は７記載の押出し加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、金属、半導体材料、酸化物等に対して塑性変形加工の一種である押出し加工を施すために用いられる押出し加工装置及び押出し加工方法に関し、特に、熱電素子を製造するために用いられる熱電材料の押出し加工に適した押出し加工装置及び押出し加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子とは、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用した素子、熱電対、電子冷却素子等をいい、構造が簡単かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できることから、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、電子冷却素子としては、局所冷却や室温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニクスや半導体レーザ等の温度調節、並びに、小型冷蔵庫等への適用に向けて、広く研究開発が進められている。
【０００３】
熱電素子としては、比抵抗（抵抗率）ρ、熱伝導率κ、ゼーベック係数αを用いて、Ｚ＝α2／ρκで表される性能指数Ｚの大きなものが望まれる。また、熱電半導体材料の多くは、結晶構造に起因した異方性を有する。一般に、異方性結晶はへき開性を有し、材料強度が脆弱である。このため、実用材料としては、単結晶材料ではなく、性能指数の大きな結晶方位に配向させた多結晶材料が使用される。良好な性能指数を得るためには、凝固させた結晶材料を粉体化後に燒結し、燒結後にせん断応力を与える押出し加工等の塑性加工の工程を設けることが有効である。
【０００４】
日本国特許出願公開（特開）２０００−１２４５１２号公報には、熱電半導体材料の配向度を高めると共に、直方体状の熱電素子を切り出す際の歩留まり率を高め、表面の研磨工程と圧密工程を可能とする熱電半導体材料の製造方法が開示されている。
【０００５】
図１５は、特開２０００−１２４５１２号公報に開示されている熱電半導体材料の製造方法を模式的に説明する図であり、図１５の（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。この製造方法においては、熱電材料を直方体状の焼結体２１０とし、この焼結体２１０をダイス２１１に注入してパンチ２１３を下降させる。ダイス２１１には、焼結体２１０が注入される入口側経路２１５と、入口側経路２１５より断面積の小さい直方体状の押出し経路２１７とが設けられている。パンチ２１３の下方向Ｄの押圧力により、焼結体２１０は押出し経路２１７から押し出され、直方体状の成形品が得られる。この押出しの際には、焼結体２１０が、ダイス２１１の側面方向Ｅから外力を受けて塑性変形する。このため、材料にかかる外力は大きく、かつ、材料全体に力がかかり易い。
【０００６】
従って、この製造方法によれば、塑性変形による破壊と成形中の動的再結晶が良好に行われ、結晶粒が微細化する。この結晶粒の微細化により熱伝導率κが小さくなり、性能指数Ｚが向上する。また、熱間鍛造よりも外力の加わり度合いが良好であり、異方性が高まって性能指数が向上する。
【０００７】
また、祝迫らによる文献「強せん断付加押し出しによるＢｉ−Ｔｅ系材料の配向制御」（第５１回塑性加工連合講演会、２０００年１１月３〜５日）には、Ｌ字型の経路を有するダイスを用いて熱電材料に高いせん断応力を与えることにより、より完全な異方性の再発現を可能にすることが開示されている。
【０００８】
図１６は、上記文献に開示されている方法を模式的に説明する図であり、図１６の（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。この方法においては、入口側経路２２５と出口側経路２２７とからなるＬ字型の経路を有するダイス２２１中にＢｉ−Ｔｅ系材料２２０を封入し、パンチ２２３により押圧する。材料２２０は、経路の直角部Ｘで強いせん断応力を受けながら押し出される。このとき、Ｂｉ−Ｔｅ結晶の容易すべり面（へき開面）ですべりが発生し、同時に回転を起こすことにより、結晶は再配列する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年では、熱電素子が適用されるオプトエレクトロニクス、半導体レーザなどの高性能化や高速化にともなって、より性能の高い熱電素子の開発が進んでいる。さらに、この分野の発展により、熱電素子の効率的な大量生産も要求されている。
【００１０】
上述の特開２０００−１２４５１２号公報に開示されている方法によれば、ダイス中の材料とダイスとの接触面近傍では十分なせん断応力が得られており結晶が再配列し易いが、図１５（Ｂ）に示す材料の中心部Ｃと側部Ｐとのせん断応力の差をなくすことにより、さらに均一な配向度を得ることが期待される。
【００１１】
また、「強せん断付加押し出しによるＢｉ−Ｔｅ系材料の配向制御」に開示されている方法によれば、材料は断面中のどの部分をとっても均一にせん断応力を受けるため、材料の内部において特性が一様な製品が得られる。しかしながら、材料がせん断応力を受けるのは、ダイスの直角部（Ｌ字型部）Ｘを通過する際の１回だけである。このため、付加されるせん断応力の量が十分とはいえず、十分な配向が得られ難い。
【００１２】
一方、従来の他の金属材料のＬ字押出しにおいては、ダイスの入口と出口の形状を同じにして複数回のＬ字押出しをすることによって、せん断応力を複数回付加することができる。しかし、Ｂｉ−Ｔｅ等の脆い脆性材料を用いる場合には、出口を入口より小さくすることにより、出口において圧縮応力を付加する必要がある。これは、入口と出口の形状を等しくすると、Ｌ字部で材料が破壊（座屈）してしまうためである。従って、熱電材料の成形においては、複数回のＬ字押出しを行うことができず、せん断応力を複数回付加することができない。
【００１３】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、材料に十分なせん断応力を付加することにより、高い熱電性能をもつ熱電材料を製造できる押出し加工装置及び押出し加工方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る押出し加工装置は、材料の入口側に位置する第１の押出し経路と、第１の押出し経路に継続する第２の押出し経路であって、第１の押出し経路に対して０度より大きく１８０度より小さい角度を成す第２の押出し経路とが少なくとも形成されたダイスと、第１の押出し経路に注入された材料を押すための押出し工具と、背圧をかけながら後退させることにより、第２の押出し経路から押し出される材料を押し返すための押さえ工具とを具備する。
【００１７】
本発明の第１の観点によれば、背圧をかけながら後退させることによりダイスの第２の押出し経路から押し出される材料を押し返す工具を備えることにより、材料の破壊（座屈）を防ぐことができる。また、第２の押出し経路から高い圧縮応力を付加できるため、Ｌ字部でのせん断応力も高くなる。その後、押出しパンチ１３と押さえパンチ１４の動きを逆転させて往復させることにより、繰り返し押出しを行うこともできる。
さらに、第１の押出し経路と第２の押出し経路の形状を同じにすることができるため、材料の繰り返し押出しが可能となる。従って、同一の装置を用いて、せん断応力を複数回付加することにより、結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。
【００１８】
以上において、第１及び第２の押出し経路の各々が矩形断面を有することが望ましい。断面を矩形とすることにより、ダイスの幅方向におけるせん断応力のバラツキをなくして、せん断応力を均一化することができる。また、ダイスが複数の出口を有するようにすれば、１度に複数の材料を製造することができるので量産に適している。
【００１９】
また、本発明の第２の観点に係る押出し加工装置は、第１の方向に設けられた材料の入口側に位置する第１の押出し経路と、第２の方向に設けられた材料の入口側に位置する第２の押出し経路と、第１及び第２の押出し経路に継続する第３の押出し経路であって、第１及び第２の押出し経路に対して０度より大きく１８０度より小さい角度を成す第３の押出し経路とが少なくとも形成されたダイスと、第１の押出し経路に注入された材料を第１の方向から押すための第１の押出し工具と、第２の押出し経路に注入された材料を第２の方向から押すための第２の押出し工具と、第３の押出し経路から押し出される材料を押し返すための押さえ工具とを具備する。
【００２０】
本発明の第２の観点によれば、第１及び第２の経路において熱電材料に両側から押し圧力をかけて第３の経路に押し出すので、熱電材料に左右対称のせん断応力が付加される。従って、熱電材料において、結晶粒の配向の対称性を向上させることができる。
【００２２】
本発明に係る押出し加工方法は、上記のいずれかの押出し加工装置を用いて材料の押出し加工を行う。また、本発明の第１の観点に係る押出し加工装置を用いる場合には、材料の先端にダミー材を入れながら材料の押出し加工を複数回行うことが好ましい。特に、複数回Ｌ字押出しを行う際に、材料の破壊（座屈）を防ぐことができる。さらに、以上において、熱間で材料の押出し加工を行うことが望ましい。その場合には、材料が破壊し難くなり、再結晶が起こり易くなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素については同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る押出し加工装置の概要を示す図である。
図１に示すように、押出し加工装置１０は、粉末成形された熱電材料２０を押し出すパンチ（押出し工具）１３と、パンチ１３によって押し出される熱電材料２０を塑性変形させる金型であるダイス１１を含んでいる。パンチ１３は、例えば油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）によって駆動されるスライド１によって上下動を行う。パンチ１３の押出し圧力は、荷重計２によって計測され、パンチ１３の変位は、変位計５によって計測される。変位計５の計測値と経過時間との関係をモニターすることにより、パンチ１３がほぼ一定の押出し速度で熱電材料２０を押し出すように、スライド１の駆動を制御することができる。
【００２４】
ダイス１１が設置されているベース７の上には、ダイス１１及び熱電材料２０を加熱するためのヒータ６が設置されている。ヒータ６を用いることにより、熱間押出し加工を行うことが可能である。ダイス１１の温度は、ダイス１１の近傍に配置された温度センサ８によって計測される。温度センサ８の計測値をフィードバックしてヒータ６の発熱量を制御することにより、ダイス１１及び熱電材料２０を所望の温度に保つことができる。
【００２５】
熱間押出し加工は、アルゴン等の不活性ガス雰囲気もしくは真空中で、加工温度を３５０℃〜６００℃、より好ましくは４２０℃〜５００℃程度に保ちながら、押出し速度を例えば０．１ｍｍ／ｍｉｎとして行うことが望ましい。なお、本実施形態においては、ダイス１１を固定してパンチ１３を移動させたが、この逆に、パンチ１３を固定してダイス１１を移動させてもかまわない。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、図２の（Ａ）と（Ｂ）は、押出し加工中の２つの状態を示している。
ダイス１１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路１５と、成形品が押し出される出口側経路１７とが形成されている。入口側経路１５と出口側経路１７は連通（継続）しており、入口側経路１５の長手方向の軸と出口側経路１７の長手方向の軸とが角度θを形成している。本発明においては、角度θが０°より大きく１８０°より小さい範囲にあることが必要であり、望ましくは４５〜１３５°とする。以下の実施形態においては、角度θを約９０°としている。
【００２７】
入口側経路１５は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、断面積は経路の長手方向においてほぼ一定である。出口側経路１７は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、ダイス１１の出口に向かって断面積が減少する領域を有するように形成されている。すなわち、出口側経路１７は、入口側経路１５との連通部１７ａと、断面積が徐々に減少する絞り部１７ｂと、断面積が減少したままの縮径部１７ｃとを含んでいる。なお、出口側経路１７の断面は、幅方向（紙面と垂直な方向）の寸法をほぼ一定として、図中の上下方向においてのみ絞りをかけることが望ましい。
【００２８】
熱電素子の製造に使用される熱電材料としては、アンチモン、ビスマス、セレン、テルル、コバルト、マンガン、シリコン、亜鉛、マグネシウム、鉄、ゲルマニウム等、及びこれらを含む化合物が挙げられる。このような材料の溶製材、粉体、圧粉体、焼結体、及びこれらの加工体に対して、押出し加工が行われる。
【００２９】
さらに詳しく説明すると、例えば、Ｖ族元素としてアンチモン（Ｓｂ）やビスマス（Ｂｉ）を用い、ＶＩ族元素としてセレン（Ｓｅ）やテルル（Ｔｅ）を用いる。Ｖ族元素とＶＩ族元素の固溶体は、六方晶構造を有する。熱電材料の具体的な組成については、Ｐ型素子の材料として、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）とテルル化アンチモン（Ｓｂ2Ｔｅ3）との混晶系固溶体にＰ型のドーパントを添加して用いたり、Ｎ型素子の材料として、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）とセレン化ビスマス（Ｂｉ2Ｓｅ3）との混晶系固溶体にＮ型のドーパントを添加して用いることができる。
【００３０】
ダイス１１を用いて熱電材料２０の押出し加工する際には、熱電材料２０を入口側経路１５に注入し、パンチ１３を下降させると、出口側経路１７から成形品が押し出される。このとき、図２（Ｂ）に示すように、焼結体２０には、様々なせん断応力が付加される。入口側経路１５と出口側経路１７がほぼ直角に連通する境界部Ｘがせん断帯となり、境界部Ｘにおいて熱電材料２０は強いせん断応力を受ける。
【００３１】
さらに、熱電材料２０が出口側経路１７に進むと、同径路の絞り部１７ｂの側面方向Ｅから外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。従って、Ｌ字押出しと通常押出しのそれぞれの場合におけるせん断応力を加えることができるので、結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。特に、径路の断面を矩形とすることにより、ダイスの幅方向におけるせん断応力のバラツキをなくして、せん断応力を均一化することができる。
また、ダイス１１の出口側の形状は、上述のように絞り形状となっているので、ダイス１１の出口から加工を受けて出てくる材料を拘束し、材料の破壊（座屈）を防ぐことができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、図３の（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。
【００３３】
本実施形態に係る押出し加工装置は、２つのパンチ１３、１４を備えている。ダイス２１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路２５と、パンチ１４が左右に出し入れされる出口側経路２７とが形成されている。ダイス２１において、入口側経路２５と出口側経路２７は連通している。入口側経路２５と出口側経路２７は、同じ四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、それぞれの経路の断面積は長手方向においてほぼ一定であることが望ましい。入口側経路２５には、同径路に注入された材料を押すための押出しパンチ（押出し工具）１３が、同経路をスライドするように設けられている。また、出口側経路２７には、同径路から押し出される材料を押し返すことにより背圧をかける押さえパンチ（押さえ工具）１４が、同経路をスライドするように設けられている。
【００３４】
ダイス２１を用いて熱電材料の押出し加工する際には、入口側経路２５に熱電材料を注入し、押出しパンチ１３を下降させるとともに、押さえパンチ１４を背圧をかけながら後退させる。このとき、図３（Ｂ）に示すように、熱電材料２０には、様々なせん断応力が付加される。すなわち、第１の実施形態と同様に、入口側経路２５と出口側経路２７がほぼ直角に連通する境界部Ｘがせん断帯となり、境界部Ｘにおいて熱電材料２０は強いせん断応力を受ける。さらに、熱電材料２０は、出口側経路２７において押さえパンチ１４から高い圧縮応力Ｓを受けているため、境界部Ｘでのせん断応力が強くなる。
その後、押出しパンチ１３と押さえパンチ１４の動きを逆転させて往復させることにより、繰り返し押出しを行うこともできる。
【００３５】
また、本実施形態においては、入口側経路２５と出口側経路２７の断面形状を同じにすることにより、材料の繰り返し押出しが可能となる。その場合には、材料に複数回せん断応力を付加することができるので、結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、図４の（Ａ）と（Ｂ）は、押出し加工中の２つの状態を示している。
【００３７】
本実施形態に係る押出し加工装置は、第２の実施形態における２つのパンチの形状を変更したものである。押出しパンチ２３は、その押出し面が、ダイス２１の境界部Ｘにおける熱電材料２０のせん断面とほぼ平行を保ちながら、入口側経路２５をスライドする。また、押さえパンチ２４は、ダイス２１の境界部Ｘにおける熱電材料２０のせん断面とほぼ平行を保ちながら、出口側経路２７をスライドする。これにより、押出し力の方向を材料の移動方向と一致させて、よりスムーズな押出し加工を行うことができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、燒結された熱電材料のバルクを斜めに切り出すことにより押出し加工用の熱電材料２０を作成し、結晶のへき開面がダイス２１の境界部Ｘにおけるせん断面とほぼ平行となるようにして押出し加工を行うことが望ましい。
【００３９】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
ダイス３１には、パンチ３３が上下に出し入れされる入口側経路３５と、成形品が押し出される出口側経路３７とが形成されている。ダイス３１において、入口側経路３５と出口側経路３７は連通している。
【００４０】
入口側経路３５は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、出口側経路３７との連通部に向かって断面積が減少する領域を有するように形成されている。すなわち、入口側経路３５は、断面積がほぼ一定の入口部３５ａと、断面積が徐々に減少する絞り部３５ｂと、断面積が減少したままの縮径部３５ｃとを含んでいる。出口側経路３７は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、断面積は経路の長手方向においてほぼ一定である。なお、入口側経路３５の断面は、幅方向（紙面と垂直な方向）の寸法をほぼ一定として、図中の上下方向においてのみ絞りをかけることが望ましい。
【００４１】
ダイス３１を用いて熱電材料の押出し加工する際には、熱電材料２０を入口側経路３５に注入し、パンチ３３を下降させると、出口側経路３７から成形品が押し出される。このとき、入口側経路３５の絞り部３５ｂの側面方向から外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。さらに、熱電材料２０が出口側経路３７に進むと、入口側経路３５と出口側経路３７がほぼ直角に連通する境界部Ｘがせん断帯となり、境界部Ｘにおいて熱電材料２０は強いせん断応力を受ける。従って、通常押出しとＬ字押出しのそれぞれの場合におけるせん断応力を加えることができるので、結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。特に、断面を矩形とすることにより、ダイスの幅方向におけるせん断応力のバラツキをなくして、せん断応力を均一化することができる。
【００４２】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
ダイス４１には、パンチ３３が上下に出し入れされる入口側経路４５と、成形品が押し出される出口側経路４７とが形成されている。ダイス４１において、入口側経路４５と出口側経路４７は連通している。
【００４３】
入口側経路４５は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、出口側経路４７との連通部に向かって断面積が減少する領域を有するように形成されている。すなわち、入口側経路４５は、断面積がほぼ一定の入口部４５ａと、断面積が徐々に減少する絞り部４５ｂとを含んでいる。出口側経路４７は、四角形（より好ましくは矩形）の断面形状を有し、ダイス４１の出口に向かって断面積が減少する領域を有するように形成されている。すなわち、出口側経路４７は、入口側経路４５との連通部４７ａと、断面積が徐々に減少する絞り部４７ｂと、断面積が減少したままの縮径部４７ｃとを含んでいる。なお、入口側経路４５及び出口側経路４７の断面は、幅方向（紙面と垂直な方向）の寸法をほぼ一定として、図中の上下方向においてのみ絞りをかけることが望ましい。
【００４４】
ダイス４１を用いて熱電材料の押出し加工する際には、熱電材料２０を入口側経路４５に注入し、パンチ３３を下降させると、出口側経路４７から成形品が押し出される。このとき、入口側経路４５の絞り部４５ｂの側面方向から外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。さらに、熱電材料２０が出口側経路４７に進むと、入口側経路４５と出口側経路４７がほぼ直角に連通する境界部Ｘがせん断帯となり、熱電材料２０は、強いせん断応力を受ける。加えて、出口側経路４７の絞り部４７ｂの側面方向から外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。
【００４５】
従って、Ｌ字押出しと２回分の通常押出しのそれぞれの場合におけるせん断応力を加えることができるので、結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。特に、断面を矩形とすることにより、ダイスの幅方向におけるせん断応力のバラツキをなくして、せん断応力を均一化することができる。また、ダイス４１の出口側の形状は、上述のように絞り形状となっているので、ダイス４１の出口から加工を受けて出てくる材料を拘束して、材料の破壊（座屈）を防ぐことができる。
【００４６】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第６の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置のダイス５１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路５５と、成形品が押し出される２つの出口側経路５７、５８とが形成されている。入口側経路５５と出口側経路５７、５８は連通しており、出口側経路５７、５８は、入口側経路５５に対してそれぞれ約９０°の角度を成し、互いに反対方向に延びている。また、出口側経路５７、５８は、第１の実施形態と同様に、ダイスの出口に向かって断面積が減少するように形成されている。
【００４７】
入口側経路５５に熱電材料２０を注入し、パンチ１３を下降させると、２つの出口側経路５７、５８から成形品が押し出される。このとき、入口側経路５５と２つの出口側経路５７、５８とがほぼ直角に連通する２つの境界部Ｘ、Ｙはせん断帯となり、熱電材料２０にせん断応力が付加される。
【００４８】
なお、本実施形態においては２つの出口側経路５７、５８を入口側経路５５に対してそれぞれ約９０°の角度を成すように設けたが、出口側経路は３つ以上設けても良い。また、入口側経路と出口側経路との成す角度は、０°より大きく１８０°より小さい範囲にあれば良く、特に４５°〜１３５°の範囲が望ましい。
【００４９】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第７の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置は、３つのパンチ１２、１３、１４を備えている。ダイス６１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路６５と、パンチ１２が左右に出し入れされる出口側経路６７と、パンチ１４が左右に出し入れされる出口側経路６８とが形成されている。ダイス６１において、入口側経路６５と出口側経路６７、６８は連通している。入口側経路６５には、同径路に注入された材料を押すための押出しパンチ（押出し工具）１３が、同経路をスライドするように設けられている。また、出口側経路６７には、同径路から押し出される材料を押し返すことにより背圧をかける押さえパンチ（押さえ工具）１２が、同経路をスライドするように設けられている。同様に、出口側経路６８には、同径路から押し出される材料を押し返すことにより背圧をかける押さえパンチ１４が、同経路をスライドするように設けられている。
【００５０】
ダイス６１を用いて熱電材料の押出し加工する際には、入口側経路６５に熱電材料を注入し、押出しパンチ１３を下降させるとともに、押さえパンチ１２、１４を背圧をかけながら後退させる。このとき、入口側経路６５と２つの出口側経路６７、６８とがほぼ直角に連通する２つの境界部Ｘ、Ｙはせん断帯となり、熱電材料２０にせん断応力が付加される。さらに、熱電材料２０は、出口側経路６７、６８において押さえパンチ１２、１４から高い圧縮応力を受けているため、境界部Ｘ、Ｙでのせん断応力が強くなる。
【００５１】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第８の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置のダイス７１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路７５と、成形品が押し出される出口側経路７７と、入口側経路７５と出口側経路７７とを接続する中間経路７６とが形成されている。各経路は連通しており、入口側経路７５と中間経路７６のなす角度は約９０°であり、中間経路７６と出口側経路７７のなす角度は約９０°である。各経路の断面形状は、四角形（より好ましくは矩形）である。また、入口側経路７５の断面積と中間経路７６の断面積とは等しい。出口側経路７７は、ダイス７１の出口に向かって断面積が減少するように形成されている。即ち、出口側経路７７は、中間経路７６との連通部から断面積が徐々に減少する絞り部７７ａと、断面積が減少したままの縮径部７７ｂとを含んでいる。
【００５２】
入口側経路７５に熱電材料を注入し、パンチ１３を下降させると、焼結体は中間経路７６を通って出口側経路７７から押し出される。このとき、連通する経路内には、入口側経路７５と中間経路７６が直角に連通する境界部Ｘ、及び、中間経路７６と出口側経路７７が直角に連通する境界部Ｙの２ヶ所において、熱電材料２０に強いせん断帯が付加される。さらに、出口側経路７７には絞り部７７ａが形成されているため、この絞り部７７ａにおいても側面方向Ｅから外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。従って、結晶粒をさらに微細化させ、配向性を高めることが可能である。また、ダイス７１の出口側の形状は、上述のように絞り形状となっているので、ダイス７１の出口から加工を受けて出てくる材料を拘束して、材料の破壊（座屈）を防ぐことができる。
【００５３】
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第９の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置のダイス８１には、パンチ１３が上下に出し入れされる入口側経路８５と、成形品が押し出される出口側経路８７と、入口側経路８５と出口側経路８７とを接続する中間経路８６とが形成されている。各経路は連通しており、入口側経路８５と中間経路８６のなす角度は約９０°であり、中間経路８６と出口側経路８７のなす角度は約９０°である。各経路の断面形状は、四角形（より好ましくは矩形）である。また、各経路の断面積は、入口側経路８５、中間経路８６、出口側経路８７の順に小さくなっている。さらに、出口側経路８７は、ダイス８１の出口に向かって断面積が減少するように形成されている。
【００５４】
入口側経路８５に熱電材料２０を注入し、パンチ１３を下降させると、焼結体は中間経路８６を通って出口経路８７から押し出される。このとき、これらの経路は材料の出口側に向かうに従って断面積が減少しているため、材料の座屈を防ぐのに大変効果的である。
【００５５】
特に、第８の実施形態又は第９の実施形態におけるように、押出し経路が複数の湾曲部をもつ場合には、熱電材料２０の先端にダミー材を入れて押出し加工を行うことにより、材料の破壊を抑えることができる。
【００５６】
次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。以下の実施形態においては、２つのパンチを用いてＴ字押出しを行う。
図１１は、本発明の第１０の実施形態に係る押出し加工装置の概要を示す図である。図１１に示すように、押出し加工装置１００は、粉末成形された熱電材料２０を押し出す２つのパンチ１１２、１１３と、パンチ１１２、１１３によって押し出される熱電材料２０を塑性変形させる金型であるダイス１１１とを含んでいる。パンチ１１２、１１３は、例えば油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）によって駆動されるスライド１０１、１０２によって左右に移動する。パンチ１１２、１１３の押出し圧力は、荷重計１０３、１０４によってそれぞれ計測され、パンチ１１２、１１３の変位は、変位計１０５、１０６によってそれぞれ計測される。変位計１０５、１０６の計測値と経過時間との関係をモニターすることにより、パンチ１１２、１１３がほぼ一定の押出し速度で熱電材料２０を押し出すように、スライド１０１、１０２の駆動を制御することができる。
【００５７】
ダイス１１１が設置されているベース１０７の上には、ダイス１１１及び熱電材料２０を加熱するためのヒータ１０８が設置されている。ヒータ１０８を用いることにより、熱間押出し加工を行うことが可能である。ダイス１１１の温度は、ダイス１１１の近傍に配置された温度センサ１０９によって計測される。温度センサ１０９の計測値をフィードバックしてヒータ１０８の発熱量を制御することにより、ダイス１１１及び熱電材料２０を所望の温度に保つことができる。
【００５８】
熱間押出し加工は、アルゴン等の不活性ガス雰囲気もしくは真空中で、加工温度を３５０℃〜６００℃、より好ましくは４２０℃〜５００℃程度に保ちながら、押出し速度を例えば０．１ｍｍ／ｍｉｎとして行うことが望ましい。
【００５９】
図１２は、本発明の第１０の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置のダイス１１１には、２つのパンチ１１２、１１３が左右にそれぞれ出し入れされる２つの入口側経路１２１、１２２と、成形品が押し出される出口側経路１２３とが形成されている。入口側経路１１２、１１３と出口側経路１２３は連通している。本発明においては、出口側経路１２３が、入口側経路１１２及び１１３に対して０°より大きく１８０°より小さい角度を成すことが必要であり、望ましくは４５°〜１３５°とする。以下の実施形態においては、この角度を約９０°とし、また、入口側経路１１２と１１３とが成す角を約１８０°としている。
【００６０】
入口側経路１２１又は１２２から熱電材料２０を注入し、パンチ１１２及び１１３を駆動すると、熱電材料２０は両側から均等に加圧され、出口側経路１２３から成形品が押し出される。このとき、２つの入口側経路１２１、１２２と出口側経路１２３とがほぼ直角に連通する２つの境界部Ｘ、Ｙはせん断帯となり、熱電材料２０にせん断応力が付加される。このように、左右から均等にせん断応力を付加することにより、熱電材料における結晶粒の配向が、熱電材料の中心面に対して左右対称となる。
【００６１】
次に、本発明の第１１の実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第１１の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置のダイス１３０には、２つのパンチ１１２、１１３が左右にそれぞれ出し入れされる入口側経路１３１、１３２と、成形品が押し出される２つの出口側経路１３３とが形成されている。出口側経路１３３には、第１の実施形態と同様に、ダイスの出口に向かって断面積が減少するように、絞り部１３４が形成されている。
【００６２】
入口側経路１３１又は１３２に熱電材料２０を注入し、パンチ１１２及び１１３を駆動すると、熱電材料２０は両側から均等に加圧され、出口側経路１３３から成形品が押し出される。このとき、２つの入口側経路１３１、１３２と出口側経路１３３とがほぼ直角に連通する２つの境界部Ｘ、Ｙはせん断帯となり、熱電材料２０にせん断応力が付加される。さらに、熱電材料２０が出口側経路１３３に進むと、同径路の絞り部１３４の側面方向Ｅから外力を受け、熱電材料２０が塑性変形する。これにより、熱電材料を構成する結晶粒がさらに微細化し、配向度が向上する。
【００６３】
本実施形態によれば、Ｔ字押出しと通常押出しとの両方により、熱電材料の中心線に対して左右対称なせん断応力を受ける。従って、熱電材料の内部全体に渡って、粒界の配向が左右対称であり、位置による組織の特性にバラツキがない熱電材料を製造することができる。
【００６４】
次に、本発明の第１２の実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第１２の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
本実施形態に係る押出し加工装置は、３つのパンチ１１２、１１３、１１４を備えている。ダイス１４０には、２つのパンチ１１２、１１３が左右にそれぞれ出し入れされる入口側経路１４１、１４２と、パンチ１１４が上下に出し入れされる出口側経路１４３とが形成されている。入口側経路１４１、１４２には、同径路に注入された材料を両側から押すための押出しパンチ１１２、１１３が、同経路をスライドするように設けられている。また、出口側経路６７には、同径路から押し出される材料を押し返すことにより背圧をかける押さえパンチ（押さえ工具）１１４が、同経路をスライドするように設けられている。
【００６５】
ダイス１４０を用いて熱電材料の押出し加工する際には、入口側経路１４１又は１４２から熱電材料を注入し、押出しパンチ１１２及び１１３を駆動させるとともに、押さえパンチ１１４を背圧をかけながら後退させる。このとき、２つの入口側経路１４１、１４２と出口側経路１４３とがほぼ直角に連通する２つの境界部Ｘ、Ｙはせん断帯となり、熱電材料２０にせん断応力が付加される。さらに、熱電材料２０は、出口側経路１４３において押さえパンチ１１４から高い圧縮応力を受けているため、境界部Ｘ、Ｙでのせん断応力が強くなる。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明によれば、Ｌ字押出しと通常押出しのそれぞれの場合におけるせん断応力を加えることができるので、結晶粒をさらに微細化し、配向度を向上させることができる。この結晶粒の微細化により熱伝導率κが小さくなり、性能指数Ｚが向上する。また、配向度の向上によっても性能指数Ｚが向上する。従って、高い熱電性能をもつ熱電材料を製造することが可能となる。また、Ｔ字押出しによりせん断応力を加える場合には、結晶粒を微細化すると共に、押出し方向に対して左右対称な配向性を有し、位置による組織の特性にバラツキがない、均質な熱電材料を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る押出し加工装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、（Ａ）と（Ｂ）は、押出し加工中の２つの状態を示している。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図であり、（Ａ）と（Ｂ）は、押出し加工中の２つの状態を示している。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施形態に係る押出し加工装置の概要を示す図である。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図１３】本発明の第１１の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図１４】本発明の第１２の実施形態に係る押出し加工装置において用いるダイスとパンチの構造を示す側面断面図である。
【図１５】特開２０００−１２４５１２号公報に開示されている熱電半導体材料の製造方法を模式的に説明する図であり、（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。
【図１６】文献「強せん断付加押し出しによるＢｉ−Ｔｅ系材料の配向制御」に開示されている方法を模式的に説明する図であり、（Ａ）はパンチ押圧前、（Ｂ）はパンチ押圧後の状態を示している。
【符号の説明】
１、１０１、１０２  スライド
２、１０３、１０４  荷重計
５、１０５、１０６  変位計
６、１０８  ヒータ
７、１０７  ベース
８、１０９  温度センサ
１０、１００  押出し加工装置
１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１  ダイス
１２、１３、１４、２３、２４、３３  パンチ
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５  入口側経路
７６、８６  中間経路
１７、２７、３７、４７、５７、５８、６７、６８、７７、８７  出口側経路
２０  熱電材料
１１１、１３０、１４０  ダイス
１１２、１１３、１１４  パンチ
１２１、１２２、１３１、１４２、１４１、１４２  入口側経路
１２３、１３３、１４３  出口側経路
１３４  絞り部
【図１】
0003942873.tif 000002
【図２】
0003942873.tif 000003
【図３】
0003942873.tif 000004
【図４】
0003942873.tif 000005
【図５】
0003942873.tif 000006
【図６】
0003942873.tif 000007
【図７】
0003942873.tif 000008
【図８】
0003942873.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003942873.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0003942873.tif 000013
【図１３】
0003942873.tif 000014
【図１４】
0003942873.tif 000015
【図１５】
0003942873.tif 000016
【図１６】
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