熱電変換温度センサおよびその製造方法
【課題】温度の検出に適した起電力が得られる熱電変換半導体を使用した熱電変換温度センサを提供する。
【解決手段】Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２の接合面８の面積（第１面積）に対して、それに続くＮ型熱電変換半導体２とＰ型熱電変換半導体３の接合面９の面積（第２面積）を小さくすることで、外側にあるＰ型熱電変換半導体１から内部にあるＰ型熱電変換半導体３への熱の伝導が早くすることができる。
【解決手段】Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２の接合面８の面積（第１面積）に対して、それに続くＮ型熱電変換半導体２とＰ型熱電変換半導体３の接合面９の面積（第２面積）を小さくすることで、外側にあるＰ型熱電変換半導体１から内部にあるＰ型熱電変換半導体３への熱の伝導が早くすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換温度センサおよび熱電変換温度センサの製造方法に関し、詳細には温度変化を電気信号に変換して温度を検出する熱電変換温度センサおよび熱電変換温度センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度変化を検出する方法としては、サーミスタによる抵抗値の変化、バイメタルによる物理的な形状変化、空気を使用した圧力の変化を捉える温度センサなどが知られている。また、異種金属を接触させた熱電対のゼーベック効果による起電力により温度を検出する方法も知られている。
【０００３】
より具体的には、熱電対を使用したものとしては、図１０に示すような棒状に形成された形態の熱電対温度センサが商品化されている。
【０００４】
また、図１１に示すように、コンスタンタン４１、純鉄４２の異種金属を密着した接合部４６、空洞の接合部４７、密着した接合部４８と連続して接合した温度センサが商品化されている。このような温度センサは、形状が長く（大きく）、発生する起電力が少ない。
【０００５】
そこで、より小型で、起電力が大きな材料として熱電変換半導体を使用した温度センサが開発されている。熱電変換半導体は、Ｐ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体にそれぞれ大別される。具体的には、例えば、図３に示すようにＰ型熱電変換半導体５２と、Ｎ型熱電変換半導体５１が対になった温度センサがある。この熱電変換半導体を使用した温度センサは、熱電対を使用した温度センサに比べ熱源との熱交換により大きな起電圧が発生することが知られている（特許文献１、非特許文献１など）。
【特許文献１】特願２００６−１５５５７８号公報
【非特許文献１】「ＦｅＳｉ２系熱電変換モジュールのゼーベック係数の測定」、田中勝之他、Ｔｈｅ ２８ｔｈ Ｊａｐａｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｏｃｔ．２４−２６，２００７，Ｓａｐｐｏｒｏ．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱電変換半導体を用いた温度センサは、熱電変換半導体配置、接続方法、接続する導線の接続により大きく影響し、熱電変換半導体に発生する起電力が大きく変わることがわかってきた。そこで、起電力を大きくするための効率的な構造を解明することが技術的な課題となっている。
【０００７】
本発明の目的は、温度の検出に適した起電力が得られるようにした熱電変換半導体を用いた熱電変換温度センサおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面を有する第１導電型の第１熱電変換半導体と、前記第２面と接する前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面を有する第２導電型の第２熱電変換半導体と、前記第４面と接する前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面を有する第１導電型の第３熱電変換半導体と、前記第６面と接する前記第１面積の第７面および前記第１面積の第８面を有する第２導電型の第４熱電変換半導体とを備え、上記各半導体が異なる導電型の順に連続して接合されていることを特徴とする熱電変換温度センサである。
【０００９】
請求項２に係わる発明は、請求項１において、前記第１面積が円形状であり、前記第２面積が前記第１面積より直径が小さな円形状であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係わる発明は、請求項１または２において、前記第１面積が円形状であり、前記第２面積が前記第１面積の一部を切り欠いた形状であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係わる発明は、請求項１〜３において、前記各熱電変換半導体同士の接合が放電プラズマ接合法により接合されたものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係わる発明は、請求項１において、前記各熱電変換半導体が一体的に接合された状態となるように焼結されたものであることを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するため、請求項６に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、焼結後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように接合するステップとを含むことを特徴とする熱電変換温度センサである。
【００１４】
請求項７に係わる発明は、請求項６において、前記接合するステップにおいて、放電プラズマ接合法により接合することを特徴とする。
【００１５】
さらに、上記目的を達成するため、請求項８に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形するステップと、前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形するステップと、前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形するステップと、前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形するステップと、形成後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように焼結するステップとを含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係わる熱電変換温度センサによれば、異種熱電変換半導体の接合部分の面積を変えて複数対の異種熱電変換半導体を接合したので、外側にある第１熱電変換半導体と内部にある第３熱電変換半導体との熱容量の差を大きくすることができる。したがって温度変化に対して、従来の熱電対を使用した温度センサよりも大きな起電力を得ることができる。
【００１７】
また、本発明に係わる熱電変換温度センサの製造方法によれば、各熱電変換半導体をそれぞれ粉末原料から成形、焼結するだけであるので、温度変化に対して大きな起電力が得られる温度センサを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した実施形態について添付した図面を参照して説明する。
【００１９】
（実施形態１）
図１は本実施形態１による熱電変換温度センサの構成を示す側面図であり、図２はこの熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【００２０】
熱電変換温度センサ２０は、Ｐ導電型（以下Ｐ型という）とＮ導電型（以下Ｎ型という）の熱電変換半導体特性を持つ熱電変換半導体を接合したものである。ここで言う熱電変換半導体特性とは、温度差により起電力が発生する特性を言い、Ｐ型とＮ型では発生する起電力極性が逆の特性を表す。
【００２１】
本実施形態の熱電変換温度センサ２０は、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２を備えた第１型の異種熱電半導体、第３熱電変換半導体（Ｐ型）３、第４熱電変換半導体（Ｎ型）４を有する。第１熱電変換半導体（Ｐ型）１は対向する面がともに第１面積である第１面（上端面７という）および第２面８ａを有する。第２熱電変換半導体（Ｎ型）２は第１面積の第３面８ｂと第１面積より小さな第２面積の第４面９ａを有する。第３熱電変換半導体（Ｐ型）３は第２面積の第５面９ｂと第１面積の第６面１０ａを有する。第４熱電変換半導体（Ｎ型）４は第１面積の第７面１０ｂおよび第８面（下端面１１という）を有する。
【００２２】
そして、これらがＰ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型の順に連続して密着して接合している。すなわち、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１の第２面８ａと第２熱電変換半導体（Ｎ型）２の第３面８ｂとが接合し、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２の第４面９ａと第３熱電変換半導体（Ｐ型）３の第５面９ｂとが接合し、第３熱電変換半導体（Ｐ型）３の第６面１０ａと第４熱電変換半導体（Ｎ型）４の第７面１０ｂとが接合している。
【００２３】
したがって、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１と第２熱電変換半導体（Ｎ型）２との接合面（第１面積）８、および第３熱電変換半導体（Ｐ型）３と第４熱電変換半導体（Ｎ型）４との接合面（第１面積）１０の面積に対して、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２と第３熱電変換半導体（Ｐ型）３との接合面（第２面積）９の面積が小さくなっている。
【００２４】
そして、熱電変換温度センサ２０としては、終端面である第１熱電変換半導体（Ｐ型）１の上端面７に導線５をはんだ付けし、第４熱電変換半導体（Ｎ型）４の下端面１１に導線６をはんだ付けしている。
【００２５】
この熱電変換温度センサ２０に熱（温度変化）を加えると導線５、導線６間に起電力が発生する。この起電力を例えば別回路で増幅することで、温度検出に用いることができる。
【００２６】
第１面積と第２面積の大きさの比は、出来るだけ大きくすることが好ましい。これは、面積比を大きくすることで、その熱容量に差が生じて温度差が発生しやすくなり、最大起電力が面積比に対数関数的に増加するからである。図１２は、面積比を変えた場合における起電力Ｅ（ｍＶ）の時間経過ｔ（ｓ）に伴う変化を示す特性図である。図１２に示すように、面積比に応じて発生する起電力が変化することが確認されている。また図１３は、面積比と最大起電力Ｅ（ｍＶ）との関係を示す特性図である。図１３に示すように、最大起電力は面積比に対数関数的に増加することが確認されている。
【００２７】
一方、各熱電変換半導体の厚さＬ１〜Ｌ４は、特に限定されない。例えば、すべて同じ厚さとしてもよい。また、第２面積となる部分の厚さＬ５は、接合面９が確実に第２面積で接合できればよい。
【００２８】
この熱電変換温度センサ２０の製造方法は、例えば、それぞれの熱電変換半導体を形成後、接合してもよいし、すべてを一体的に形成してもよい。
【００２９】
より具体的には、まず、一つ一つの熱電変換半導体を形成する場合は、上述した第１〜第４の熱電変換半導体となるように、熱電変換半導体の粉末原料を成形する。成形には、上述の各熱電変換半導体の形状をした型内に粉末原料を投入して、ある程度圧縮する。その後、所定の加圧加熱を行って焼結させる。これにより第１〜第４の熱電変換半導体が形成される。
【００３０】
そして形成された第１〜第４の熱電変換半導体を上述のように、それぞれの面が接合されるように、はんだ付けや、銀ペーストなどの導電性接着材を使用して接合する。その後、終端面に導線５および６をハンダ付けすることで、熱電変換温度センサ２０が完成する。
【００３１】
一体的に製造する方法としては、例えば第１〜第４の熱電変換半導体となる粉末原料を図１および２に示した各熱電変換半導体形状となるように成形し、第１〜第４の熱電変換半導体がそれぞれ接合されるように重ねてそのまま焼結して形成する。このようにすれば、熱電変換半導体の形成と、Ｐ−Ｎ接合を一度に行うことができ、製造コスト、製造時間の短縮となる。
【００３２】
なお、これら鉄シリサイド系熱電変換素子の成形および焼結は、一定の圧力、温度、時間の焼結条件下、放電プラズマ焼結法により製造することにより半導体特性を有する素子となる。なお、通常の電気炉を用いた焼結では金属相ができてしまうため、半導体特性を有する素子は得られない。また、通常の電気炉において成型で粉体加工することも可能であるが、この場合も有効な半導体特性を有する素子は得られない。
【００３３】
原料粉末としては、例えばＰ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−４．１質量％Ｃｒ、Ｎ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−２．４質量％Ｃｏを使用してそれぞれＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体を製造し得る。
【００３４】
なお、Ｐ型とＮ型を接続したものを１対とすれば、図示した形態では、異種熱電変換半導体を２対接続した形態となる。また、さらに３対、４対と連続して接合してもよい。例えば、３対の場合は、図１の第４熱電変換半導体４の下端面１１に、第１面積よりも小さな第２面積の面（第２熱電変換半導体２の第４面９ａに相当）を形成し、この面に第３熱電変換半導体３、第４熱電変換半導体４と同一構造の一対の半導体を接合した構造となる。または、図１の第１熱電変換半導体１の上端面７に、第１面積よりも小さな第２面積の面（第３熱電変換半導体３の第５面９ｂに相当）を形成し、この面に第１熱電変換半導体１、第２熱電変換半導体２と同一構造の一対の半導体を接合した構造となる。
【００３５】
このようにさらに多くの熱電変換半導体を接続することで、発生する起電力は対数にほぼ比例して大きな起電力が発生させることができる。したがって、熱電変換温度センサ２０として必要な起電力に合わせ、熱電変換半導体接続の対数を選択するとよい。また、各熱電変換半導体の導電型は、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型の順となるように接合してもよい。
【００３６】
次に、本実施形態による熱電変換温度センサ２０の動作原理を説明する。
【００３７】
図３は、熱電変換温度センサの動作原理を説明する説明図である。異種熱電変換半導体を接合した温度センサの基本動作原理は、図３に示すように、導電体５３を加熱、電極５４、電極５５を冷却すると、Ｐ型熱電変換半導体５２、Ｎ型熱電変換半導体５１に温度差が発生し、熱電変換半導体のゼーベック効果により起電力が発生して電流５６が流れるというものである。
【００３８】
この原理と同じく、本実施形態１による熱電変換温度センサ２０全体に熱を加えると上端面７は温度上昇する。このとき接合面８は上端面に比べ熱容量が大きく上端面７の方が接合面８に比べ温度が高くなる。このため上端面７と接合面８では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。また、接合面９は接合面８に比べ接合面積を小さく加工してあるため、接合面９に比べ接合面８の熱容量は大きい。つまり接合面９の方が、接合面８に比べ熱の伝導は早く内部に到達し、接合面８は冷、接合面９は温となる。また接合面９に比べ接合面１０の接合面積が大きく、接合面９は温、接合面１０は冷となる。同様に接合面１０と下端面１１は冷、温となる。
【００３９】
Ｐ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体の温、冷のゼーベック効果の電流の向きは逆であることから、導線５からＰ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、導線６と２対の熱電変換モジュールが直列に接続されたものとなっているので、ゼーベック効果により電流が流れ、導線５、導線６間には起電圧が発生する。この起電力はＰ型−Ｎ型−Ｐ型−Ｎ型の対数により比例して増加することが、後述の図８の特性図により確認されている。
【００４０】
本実施形態の熱電変換温度センサ２０は、熱の絶対温度を測定するものではなく、熱の温度上昇率を測定するものであり、この熱電変換温度センサ２０全体に温度を加えると熱電変換半導体の接合面の温度差により起電力を発生し、その経過時間、起電圧の上昇率により温度差を判定する温度検出機器として使用することができる。
【００４１】
（実施形態２）
図４および５は、熱電変換温度センサ４０の変形形状を示す図面である。前述した図１および２に示した熱電変換温度センサ２０は、熱電変換半導体同士の接合面８、９、および１０のいずれも円形状とした。
【００４２】
本実施形態２の熱電変換温度センサ４０は、図４および５に示すように、円形の一部を切り欠いた切欠形状３２としてもよい。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００４３】
このような形態にした場合でも、実施形態１と全く同じように起電力を発生させることができる。したがって、これらの形状の違いは、焼結または加工の際に様々に選択すればよい。
【実施例】
【００４４】
本発明を適用した実施形態１の熱電変換温度センサ２０を製作して実験した。また、従来の温度センサも比較例として実験した。
【００４５】
（実施例１）
実施例１は、図１および２に示したように、Ｗ１＝φ２０ｍｍ、Ｗ２＝φ１０ｍｍ、Ｌ１〜Ｌ４＝７ｍｍ、Ｌ５＝４．５ｍｍの熱電変換半導体よりなる円筒状切欠熱電変換温度センサを製作した。
【００４６】
製作は、熱電変換半導体として、原料粉末Ｐ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−４．１質量％Ｃｒ、Ｎ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−２．４質量％Ｃｏを使用し、加圧力３５ＭＰａ、温度１０２３Ｋ、保持時間６００ｓの焼結条件下、放電プラズマ焼結法によりＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体を形成した。各寸法は上記の通りである。これを、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型の順に連続して密着接合した。この接合には銀ペースト等の導電性接着材を用いた。
【００４７】
図６は実施例１の熱電変換温度センサ２０の起電力の変化を示す特性図である。
【００４８】
起電力の測定は、この熱電変換温度センサ２０を室温より３０度高く、風速８５センチメートル毎秒の垂直気流に投入して、時間と起電力を測定した。
【００４９】
図６に示すように、約５０秒後に約３．１ｍＶに飽和し、その後起電力が減少した。これは、後述する比較例４の熱電対温度センサと同様の応答特性を示しており、かつ、比較例の熱電対温度センサよりも約３．２倍の起電力が発生することを示している。
【００５０】
また、この図から、熱電変換温度センサ２０は、熱が全体に伝達された状態となった後は、起電力が低下していることがわかる。したがって、熱電変換温度センサ２０と指定使用するときは、図６に示したデータのうち、起電力が上昇している間の上昇率により温度差を判定することができる。
【００５１】
（比較例１〜３）
比較例１の熱電変換温度センサ２０は、実施例１と同様にして、直径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体をそれぞれ焼結製作して接合し、１対の熱電変換温度センサ２０としたものである。同様に比較例２は、直径をその１／２としたもの、比較例３は直径を比較例１の１／４としたものである。そしてこれら熱電変換温度センサ２０の温度差における起電力の変化を測定した。
【００５２】
測定は、一方（高温側）にヒーター、他方（低温側）にペルチェクーラーを取り付け、温度制御し、導線５および６間の電圧を測定した。
【００５３】
図７は比較例１〜３の温度差に対する起電力を示す特性図である。
【００５４】
図７から、１／１サイズ、１／２サイズ、１／４サイズの１対で構成された熱電変換温度センサ２０はゼーベック係数α（α＝Ｖ／ΔＴ、α：ゼーベック係数、Ｖ：起電力、温度差：ΔＴ）＝０．３０２近似データとなることが、この特性図により確認できる。この結果から、本発明を適用した実施例１の形態において、いっそう小型化した場合でも大きな起電力を得られることが期待できる。
【００５５】
（実施例２）
実施例１と同じ形状の２対の熱電変換半導体よりなる熱電変換温度センサ２０をさらに接合して、合計４対の熱電変換半導体よりなる熱電変換温度センサ２０を製作した。
【００５６】
図８は、熱電変換半導体の対数の違いによる起電力の変化を示す特性図である。
【００５７】
図８においては、比較例１の１対の熱電変換温度センサ２０、実施例１の２対の熱電変換温度センサ２０、実施例２の４対の熱電変換温度センサ２０それぞれにおける温度差に対する起電力の違いを示す特性図である。起電力の測定は、前述した比較例１〜３と同様である。
【００５８】
図８から、１対の熱電変換温度センサ２０（比較例１）の場合のゼーベック係数αは０．３０２、２対の熱電変換温度センサ２０（実施例１）の場合のゼーベック係数αは０．６１７、４対の熱電変換温度センサ２０（実施例２）の場合のゼーベック係数αは１．３１となり、対数に比例して起電圧が発生することがわかる。
【００５９】
（比較例４）
比較例４は、図１０および１１に示したものと同様に、コンスタンタン、純鉄を１０対使用した熱電対温度センサを製作した。この熱電対温度センサはφ２．２ｍｍ×全長４４５ｍｍ１本の熱電対温度センサである。
【００６０】
図９はこの比較例４の熱電対温度センサにおける起電力を測定した特性図である。
【００６１】
測定は実施例１と同様に、この比較例４の熱電対温度センサ１本を室温より３０度高く、風速８５センチメートル毎秒の垂直気流に投入して時間の経過ともに起電力を測定した。
【００６２】
図９に示すように、この比較例４の熱電対温度センサでは、約７秒後に約０．９８ｍＶに飽和し、その後起電圧は減少した。
【００６３】
以上の実施例および比較例の結果から、本発明を適用した熱電変換温度センサ２０は、熱電対を使用した温度センサと同様な応答性能を有し、かつ、熱電対温度センサよりも大きな起電力が得られることが明らかとなった。また、必要な起電力は熱電変換温度センサ２０の対数、寸法、熱容量をかえることで、容易に調整可能である。また、温度特性を変化させることもできる。また、熱電対温度センサに比較して小型化することができ、特に長手方向において大幅な小型化が可能となる。また、熱電対はコンスタンタン、純鉄を中空の特殊構造に加工する必要があるのに対し熱電変換温度センサ２０は、半導体はＣｒ、Ｃｏは微少で、主材となるＦｅ、Ｓｉ粉は安価であるとともに、接合箇所が熱電対に比べ少なくできるというメリットがある。
【００６４】
また、粉末原料を焼結させて形成することができるため、製造が容易となる。特に、Ｎ型熱電変換半導体とＰ型熱電変換半導体を放電プラズマ焼結法と同じ製造機械で接合することもできる。さらに複数のＰ型熱電変換半導体、Ｎ型熱電変換半導体を焼結と同時に一体的に形成することもでき、製造行程を短縮することができる。
【００６５】
このような特徴を有する本発明に係わる熱電変換温度センサ２０は、例えば空調装置、プラントなどの温度センサとして、また、火災報知設備差動式感知器として防災システムにも利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施形態１による熱電変換温度センサの構成を示す側面図である。
【図２】実施形態１による熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【図３】熱電変換温度センサの動作原理を説明する説明図である。
【図４】本実施形態２による熱電変換温度センサの構成を示す側面図である。
【図５】実施形態２による熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【図６】実施例１の熱電変換温度センサの起電力の変化を示す特性図である。
【図７】比較例１〜３の温度差に対する起電力を示す特性図である。
【図８】比較例１の１対の熱電変換温度センサ、実施例１の２対の熱電変換温度センサ、実施例２の４対の熱電変換温度センサそれぞれにおける温度差に対する起電力の違いを示す特性図である。
【図９】比較例４の熱電対温度センサにおける起電力を測定した特性図である。
【図１０】比較例４の熱電対温度センサを示す図面である。
【図１１】比較例４の熱電対温度センサを示す図面である。
【図１２】面積比を変えた場合における起電力の時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１３】面積比と最大起電力との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 第１熱電変換半導体（Ｐ型）
２ 第２熱電変換半導体（Ｎ型）
３ 第３熱電変換半導体（Ｐ型）
４ 第４熱電変換半導体（Ｎ型）
７ 第１面（上端面）
８ 接合面（第１面積）
８ａ 第２面
８ｂ 第３面
９ 接合面（第２面積）
９ａ 第４面
９ｂ 第５面
１０ 接合面（第１面積）
１０ａ 第６面
１０ｂ 第７面
１１ 第８面（下端面）
２０ 熱電変換温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換温度センサおよび熱電変換温度センサの製造方法に関し、詳細には温度変化を電気信号に変換して温度を検出する熱電変換温度センサおよび熱電変換温度センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度変化を検出する方法としては、サーミスタによる抵抗値の変化、バイメタルによる物理的な形状変化、空気を使用した圧力の変化を捉える温度センサなどが知られている。また、異種金属を接触させた熱電対のゼーベック効果による起電力により温度を検出する方法も知られている。
【０００３】
より具体的には、熱電対を使用したものとしては、図１０に示すような棒状に形成された形態の熱電対温度センサが商品化されている。
【０００４】
また、図１１に示すように、コンスタンタン４１、純鉄４２の異種金属を密着した接合部４６、空洞の接合部４７、密着した接合部４８と連続して接合した温度センサが商品化されている。このような温度センサは、形状が長く（大きく）、発生する起電力が少ない。
【０００５】
そこで、より小型で、起電力が大きな材料として熱電変換半導体を使用した温度センサが開発されている。熱電変換半導体は、Ｐ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体にそれぞれ大別される。具体的には、例えば、図３に示すようにＰ型熱電変換半導体５２と、Ｎ型熱電変換半導体５１が対になった温度センサがある。この熱電変換半導体を使用した温度センサは、熱電対を使用した温度センサに比べ熱源との熱交換により大きな起電圧が発生することが知られている（特許文献１、非特許文献１など）。
【特許文献１】特願２００６−１５５５７８号公報
【非特許文献１】「ＦｅＳｉ２系熱電変換モジュールのゼーベック係数の測定」、田中勝之他、Ｔｈｅ ２８ｔｈ Ｊａｐａｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｏｃｔ．２４−２６，２００７，Ｓａｐｐｏｒｏ．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱電変換半導体を用いた温度センサは、熱電変換半導体配置、接続方法、接続する導線の接続により大きく影響し、熱電変換半導体に発生する起電力が大きく変わることがわかってきた。そこで、起電力を大きくするための効率的な構造を解明することが技術的な課題となっている。
【０００７】
本発明の目的は、温度の検出に適した起電力が得られるようにした熱電変換半導体を用いた熱電変換温度センサおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面を有する第１導電型の第１熱電変換半導体と、前記第２面と接する前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面を有する第２導電型の第２熱電変換半導体と、前記第４面と接する前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面を有する第１導電型の第３熱電変換半導体と、前記第６面と接する前記第１面積の第７面および前記第１面積の第８面を有する第２導電型の第４熱電変換半導体とを備え、上記各半導体が異なる導電型の順に連続して接合されていることを特徴とする熱電変換温度センサである。
【０００９】
請求項２に係わる発明は、請求項１において、前記第１面積が円形状であり、前記第２面積が前記第１面積より直径が小さな円形状であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係わる発明は、請求項１または２において、前記第１面積が円形状であり、前記第２面積が前記第１面積の一部を切り欠いた形状であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係わる発明は、請求項１〜３において、前記各熱電変換半導体同士の接合が放電プラズマ接合法により接合されたものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係わる発明は、請求項１において、前記各熱電変換半導体が一体的に接合された状態となるように焼結されたものであることを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するため、請求項６に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、焼結後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように接合するステップとを含むことを特徴とする熱電変換温度センサである。
【００１４】
請求項７に係わる発明は、請求項６において、前記接合するステップにおいて、放電プラズマ接合法により接合することを特徴とする。
【００１５】
さらに、上記目的を達成するため、請求項８に係わる発明は、第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形するステップと、前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形するステップと、前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形するステップと、前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形するステップと、形成後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように焼結するステップとを含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係わる熱電変換温度センサによれば、異種熱電変換半導体の接合部分の面積を変えて複数対の異種熱電変換半導体を接合したので、外側にある第１熱電変換半導体と内部にある第３熱電変換半導体との熱容量の差を大きくすることができる。したがって温度変化に対して、従来の熱電対を使用した温度センサよりも大きな起電力を得ることができる。
【００１７】
また、本発明に係わる熱電変換温度センサの製造方法によれば、各熱電変換半導体をそれぞれ粉末原料から成形、焼結するだけであるので、温度変化に対して大きな起電力が得られる温度センサを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した実施形態について添付した図面を参照して説明する。
【００１９】
（実施形態１）
図１は本実施形態１による熱電変換温度センサの構成を示す側面図であり、図２はこの熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【００２０】
熱電変換温度センサ２０は、Ｐ導電型（以下Ｐ型という）とＮ導電型（以下Ｎ型という）の熱電変換半導体特性を持つ熱電変換半導体を接合したものである。ここで言う熱電変換半導体特性とは、温度差により起電力が発生する特性を言い、Ｐ型とＮ型では発生する起電力極性が逆の特性を表す。
【００２１】
本実施形態の熱電変換温度センサ２０は、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２を備えた第１型の異種熱電半導体、第３熱電変換半導体（Ｐ型）３、第４熱電変換半導体（Ｎ型）４を有する。第１熱電変換半導体（Ｐ型）１は対向する面がともに第１面積である第１面（上端面７という）および第２面８ａを有する。第２熱電変換半導体（Ｎ型）２は第１面積の第３面８ｂと第１面積より小さな第２面積の第４面９ａを有する。第３熱電変換半導体（Ｐ型）３は第２面積の第５面９ｂと第１面積の第６面１０ａを有する。第４熱電変換半導体（Ｎ型）４は第１面積の第７面１０ｂおよび第８面（下端面１１という）を有する。
【００２２】
そして、これらがＰ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型の順に連続して密着して接合している。すなわち、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１の第２面８ａと第２熱電変換半導体（Ｎ型）２の第３面８ｂとが接合し、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２の第４面９ａと第３熱電変換半導体（Ｐ型）３の第５面９ｂとが接合し、第３熱電変換半導体（Ｐ型）３の第６面１０ａと第４熱電変換半導体（Ｎ型）４の第７面１０ｂとが接合している。
【００２３】
したがって、第１熱電変換半導体（Ｐ型）１と第２熱電変換半導体（Ｎ型）２との接合面（第１面積）８、および第３熱電変換半導体（Ｐ型）３と第４熱電変換半導体（Ｎ型）４との接合面（第１面積）１０の面積に対して、第２熱電変換半導体（Ｎ型）２と第３熱電変換半導体（Ｐ型）３との接合面（第２面積）９の面積が小さくなっている。
【００２４】
そして、熱電変換温度センサ２０としては、終端面である第１熱電変換半導体（Ｐ型）１の上端面７に導線５をはんだ付けし、第４熱電変換半導体（Ｎ型）４の下端面１１に導線６をはんだ付けしている。
【００２５】
この熱電変換温度センサ２０に熱（温度変化）を加えると導線５、導線６間に起電力が発生する。この起電力を例えば別回路で増幅することで、温度検出に用いることができる。
【００２６】
第１面積と第２面積の大きさの比は、出来るだけ大きくすることが好ましい。これは、面積比を大きくすることで、その熱容量に差が生じて温度差が発生しやすくなり、最大起電力が面積比に対数関数的に増加するからである。図１２は、面積比を変えた場合における起電力Ｅ（ｍＶ）の時間経過ｔ（ｓ）に伴う変化を示す特性図である。図１２に示すように、面積比に応じて発生する起電力が変化することが確認されている。また図１３は、面積比と最大起電力Ｅ（ｍＶ）との関係を示す特性図である。図１３に示すように、最大起電力は面積比に対数関数的に増加することが確認されている。
【００２７】
一方、各熱電変換半導体の厚さＬ１〜Ｌ４は、特に限定されない。例えば、すべて同じ厚さとしてもよい。また、第２面積となる部分の厚さＬ５は、接合面９が確実に第２面積で接合できればよい。
【００２８】
この熱電変換温度センサ２０の製造方法は、例えば、それぞれの熱電変換半導体を形成後、接合してもよいし、すべてを一体的に形成してもよい。
【００２９】
より具体的には、まず、一つ一つの熱電変換半導体を形成する場合は、上述した第１〜第４の熱電変換半導体となるように、熱電変換半導体の粉末原料を成形する。成形には、上述の各熱電変換半導体の形状をした型内に粉末原料を投入して、ある程度圧縮する。その後、所定の加圧加熱を行って焼結させる。これにより第１〜第４の熱電変換半導体が形成される。
【００３０】
そして形成された第１〜第４の熱電変換半導体を上述のように、それぞれの面が接合されるように、はんだ付けや、銀ペーストなどの導電性接着材を使用して接合する。その後、終端面に導線５および６をハンダ付けすることで、熱電変換温度センサ２０が完成する。
【００３１】
一体的に製造する方法としては、例えば第１〜第４の熱電変換半導体となる粉末原料を図１および２に示した各熱電変換半導体形状となるように成形し、第１〜第４の熱電変換半導体がそれぞれ接合されるように重ねてそのまま焼結して形成する。このようにすれば、熱電変換半導体の形成と、Ｐ−Ｎ接合を一度に行うことができ、製造コスト、製造時間の短縮となる。
【００３２】
なお、これら鉄シリサイド系熱電変換素子の成形および焼結は、一定の圧力、温度、時間の焼結条件下、放電プラズマ焼結法により製造することにより半導体特性を有する素子となる。なお、通常の電気炉を用いた焼結では金属相ができてしまうため、半導体特性を有する素子は得られない。また、通常の電気炉において成型で粉体加工することも可能であるが、この場合も有効な半導体特性を有する素子は得られない。
【００３３】
原料粉末としては、例えばＰ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−４．１質量％Ｃｒ、Ｎ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−２．４質量％Ｃｏを使用してそれぞれＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体を製造し得る。
【００３４】
なお、Ｐ型とＮ型を接続したものを１対とすれば、図示した形態では、異種熱電変換半導体を２対接続した形態となる。また、さらに３対、４対と連続して接合してもよい。例えば、３対の場合は、図１の第４熱電変換半導体４の下端面１１に、第１面積よりも小さな第２面積の面（第２熱電変換半導体２の第４面９ａに相当）を形成し、この面に第３熱電変換半導体３、第４熱電変換半導体４と同一構造の一対の半導体を接合した構造となる。または、図１の第１熱電変換半導体１の上端面７に、第１面積よりも小さな第２面積の面（第３熱電変換半導体３の第５面９ｂに相当）を形成し、この面に第１熱電変換半導体１、第２熱電変換半導体２と同一構造の一対の半導体を接合した構造となる。
【００３５】
このようにさらに多くの熱電変換半導体を接続することで、発生する起電力は対数にほぼ比例して大きな起電力が発生させることができる。したがって、熱電変換温度センサ２０として必要な起電力に合わせ、熱電変換半導体接続の対数を選択するとよい。また、各熱電変換半導体の導電型は、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型の順となるように接合してもよい。
【００３６】
次に、本実施形態による熱電変換温度センサ２０の動作原理を説明する。
【００３７】
図３は、熱電変換温度センサの動作原理を説明する説明図である。異種熱電変換半導体を接合した温度センサの基本動作原理は、図３に示すように、導電体５３を加熱、電極５４、電極５５を冷却すると、Ｐ型熱電変換半導体５２、Ｎ型熱電変換半導体５１に温度差が発生し、熱電変換半導体のゼーベック効果により起電力が発生して電流５６が流れるというものである。
【００３８】
この原理と同じく、本実施形態１による熱電変換温度センサ２０全体に熱を加えると上端面７は温度上昇する。このとき接合面８は上端面に比べ熱容量が大きく上端面７の方が接合面８に比べ温度が高くなる。このため上端面７と接合面８では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。また、接合面９は接合面８に比べ接合面積を小さく加工してあるため、接合面９に比べ接合面８の熱容量は大きい。つまり接合面９の方が、接合面８に比べ熱の伝導は早く内部に到達し、接合面８は冷、接合面９は温となる。また接合面９に比べ接合面１０の接合面積が大きく、接合面９は温、接合面１０は冷となる。同様に接合面１０と下端面１１は冷、温となる。
【００３９】
Ｐ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体の温、冷のゼーベック効果の電流の向きは逆であることから、導線５からＰ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、導線６と２対の熱電変換モジュールが直列に接続されたものとなっているので、ゼーベック効果により電流が流れ、導線５、導線６間には起電圧が発生する。この起電力はＰ型−Ｎ型−Ｐ型−Ｎ型の対数により比例して増加することが、後述の図８の特性図により確認されている。
【００４０】
本実施形態の熱電変換温度センサ２０は、熱の絶対温度を測定するものではなく、熱の温度上昇率を測定するものであり、この熱電変換温度センサ２０全体に温度を加えると熱電変換半導体の接合面の温度差により起電力を発生し、その経過時間、起電圧の上昇率により温度差を判定する温度検出機器として使用することができる。
【００４１】
（実施形態２）
図４および５は、熱電変換温度センサ４０の変形形状を示す図面である。前述した図１および２に示した熱電変換温度センサ２０は、熱電変換半導体同士の接合面８、９、および１０のいずれも円形状とした。
【００４２】
本実施形態２の熱電変換温度センサ４０は、図４および５に示すように、円形の一部を切り欠いた切欠形状３２としてもよい。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００４３】
このような形態にした場合でも、実施形態１と全く同じように起電力を発生させることができる。したがって、これらの形状の違いは、焼結または加工の際に様々に選択すればよい。
【実施例】
【００４４】
本発明を適用した実施形態１の熱電変換温度センサ２０を製作して実験した。また、従来の温度センサも比較例として実験した。
【００４５】
（実施例１）
実施例１は、図１および２に示したように、Ｗ１＝φ２０ｍｍ、Ｗ２＝φ１０ｍｍ、Ｌ１〜Ｌ４＝７ｍｍ、Ｌ５＝４．５ｍｍの熱電変換半導体よりなる円筒状切欠熱電変換温度センサを製作した。
【００４６】
製作は、熱電変換半導体として、原料粉末Ｐ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−４．１質量％Ｃｒ、Ｎ型ＦｅＳｉ２：ＦｅＳｉ２−２．４質量％Ｃｏを使用し、加圧力３５ＭＰａ、温度１０２３Ｋ、保持時間６００ｓの焼結条件下、放電プラズマ焼結法によりＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体を形成した。各寸法は上記の通りである。これを、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型の順に連続して密着接合した。この接合には銀ペースト等の導電性接着材を用いた。
【００４７】
図６は実施例１の熱電変換温度センサ２０の起電力の変化を示す特性図である。
【００４８】
起電力の測定は、この熱電変換温度センサ２０を室温より３０度高く、風速８５センチメートル毎秒の垂直気流に投入して、時間と起電力を測定した。
【００４９】
図６に示すように、約５０秒後に約３．１ｍＶに飽和し、その後起電力が減少した。これは、後述する比較例４の熱電対温度センサと同様の応答特性を示しており、かつ、比較例の熱電対温度センサよりも約３．２倍の起電力が発生することを示している。
【００５０】
また、この図から、熱電変換温度センサ２０は、熱が全体に伝達された状態となった後は、起電力が低下していることがわかる。したがって、熱電変換温度センサ２０と指定使用するときは、図６に示したデータのうち、起電力が上昇している間の上昇率により温度差を判定することができる。
【００５１】
（比較例１〜３）
比較例１の熱電変換温度センサ２０は、実施例１と同様にして、直径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのＰ型熱電変換半導体とＮ型熱電変換半導体をそれぞれ焼結製作して接合し、１対の熱電変換温度センサ２０としたものである。同様に比較例２は、直径をその１／２としたもの、比較例３は直径を比較例１の１／４としたものである。そしてこれら熱電変換温度センサ２０の温度差における起電力の変化を測定した。
【００５２】
測定は、一方（高温側）にヒーター、他方（低温側）にペルチェクーラーを取り付け、温度制御し、導線５および６間の電圧を測定した。
【００５３】
図７は比較例１〜３の温度差に対する起電力を示す特性図である。
【００５４】
図７から、１／１サイズ、１／２サイズ、１／４サイズの１対で構成された熱電変換温度センサ２０はゼーベック係数α（α＝Ｖ／ΔＴ、α：ゼーベック係数、Ｖ：起電力、温度差：ΔＴ）＝０．３０２近似データとなることが、この特性図により確認できる。この結果から、本発明を適用した実施例１の形態において、いっそう小型化した場合でも大きな起電力を得られることが期待できる。
【００５５】
（実施例２）
実施例１と同じ形状の２対の熱電変換半導体よりなる熱電変換温度センサ２０をさらに接合して、合計４対の熱電変換半導体よりなる熱電変換温度センサ２０を製作した。
【００５６】
図８は、熱電変換半導体の対数の違いによる起電力の変化を示す特性図である。
【００５７】
図８においては、比較例１の１対の熱電変換温度センサ２０、実施例１の２対の熱電変換温度センサ２０、実施例２の４対の熱電変換温度センサ２０それぞれにおける温度差に対する起電力の違いを示す特性図である。起電力の測定は、前述した比較例１〜３と同様である。
【００５８】
図８から、１対の熱電変換温度センサ２０（比較例１）の場合のゼーベック係数αは０．３０２、２対の熱電変換温度センサ２０（実施例１）の場合のゼーベック係数αは０．６１７、４対の熱電変換温度センサ２０（実施例２）の場合のゼーベック係数αは１．３１となり、対数に比例して起電圧が発生することがわかる。
【００５９】
（比較例４）
比較例４は、図１０および１１に示したものと同様に、コンスタンタン、純鉄を１０対使用した熱電対温度センサを製作した。この熱電対温度センサはφ２．２ｍｍ×全長４４５ｍｍ１本の熱電対温度センサである。
【００６０】
図９はこの比較例４の熱電対温度センサにおける起電力を測定した特性図である。
【００６１】
測定は実施例１と同様に、この比較例４の熱電対温度センサ１本を室温より３０度高く、風速８５センチメートル毎秒の垂直気流に投入して時間の経過ともに起電力を測定した。
【００６２】
図９に示すように、この比較例４の熱電対温度センサでは、約７秒後に約０．９８ｍＶに飽和し、その後起電圧は減少した。
【００６３】
以上の実施例および比較例の結果から、本発明を適用した熱電変換温度センサ２０は、熱電対を使用した温度センサと同様な応答性能を有し、かつ、熱電対温度センサよりも大きな起電力が得られることが明らかとなった。また、必要な起電力は熱電変換温度センサ２０の対数、寸法、熱容量をかえることで、容易に調整可能である。また、温度特性を変化させることもできる。また、熱電対温度センサに比較して小型化することができ、特に長手方向において大幅な小型化が可能となる。また、熱電対はコンスタンタン、純鉄を中空の特殊構造に加工する必要があるのに対し熱電変換温度センサ２０は、半導体はＣｒ、Ｃｏは微少で、主材となるＦｅ、Ｓｉ粉は安価であるとともに、接合箇所が熱電対に比べ少なくできるというメリットがある。
【００６４】
また、粉末原料を焼結させて形成することができるため、製造が容易となる。特に、Ｎ型熱電変換半導体とＰ型熱電変換半導体を放電プラズマ焼結法と同じ製造機械で接合することもできる。さらに複数のＰ型熱電変換半導体、Ｎ型熱電変換半導体を焼結と同時に一体的に形成することもでき、製造行程を短縮することができる。
【００６５】
このような特徴を有する本発明に係わる熱電変換温度センサ２０は、例えば空調装置、プラントなどの温度センサとして、また、火災報知設備差動式感知器として防災システムにも利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施形態１による熱電変換温度センサの構成を示す側面図である。
【図２】実施形態１による熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【図３】熱電変換温度センサの動作原理を説明する説明図である。
【図４】本実施形態２による熱電変換温度センサの構成を示す側面図である。
【図５】実施形態２による熱電変換温度センサを示す斜視図である。
【図６】実施例１の熱電変換温度センサの起電力の変化を示す特性図である。
【図７】比較例１〜３の温度差に対する起電力を示す特性図である。
【図８】比較例１の１対の熱電変換温度センサ、実施例１の２対の熱電変換温度センサ、実施例２の４対の熱電変換温度センサそれぞれにおける温度差に対する起電力の違いを示す特性図である。
【図９】比較例４の熱電対温度センサにおける起電力を測定した特性図である。
【図１０】比較例４の熱電対温度センサを示す図面である。
【図１１】比較例４の熱電対温度センサを示す図面である。
【図１２】面積比を変えた場合における起電力の時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１３】面積比と最大起電力との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 第１熱電変換半導体（Ｐ型）
２ 第２熱電変換半導体（Ｎ型）
３ 第３熱電変換半導体（Ｐ型）
４ 第４熱電変換半導体（Ｎ型）
７ 第１面（上端面）
８ 接合面（第１面積）
８ａ 第２面
８ｂ 第３面
９ 接合面（第２面積）
９ａ 第４面
９ｂ 第５面
１０ 接合面（第１面積）
１０ａ 第６面
１０ｂ 第７面
１１ 第８面（下端面）
２０ 熱電変換温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面積の第１面および第２面を有する第１導電型の第１熱電変換半導体と、
前記第２面と接する前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面を有する第２導電型の第２熱電変換半導体と、
前記第４面と接する前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面を有する第１導電型の第３熱電変換半導体と、
前記第６面と接する前記第１面積の第７面および前記第１面積の第８面を有する第２導電型の第４熱電変換半導体と、
を備え、上記各半導体が異なる導電型の順に連続して接合されていることを特徴とする熱電変換温度センサ。
【請求項２】
前記第１面積は円形状であり、前記第２面積は前記第１面積より直径が小さな円形状であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換温度センサ。
【請求項３】
前記第１面積は円形状であり、前記第２面積は前記第１面積の一部を切り欠いた形状であることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換温度センサ。
【請求項４】
前記各熱電変換半導体同士の接合が放電プラズマ接合法により接合されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換温度センサ。
【請求項５】
前記各熱電変換半導体が一体的に接合された状態となるように焼結されたものであることを特徴とする請求項１記載の熱電変換温度センサ。
【請求項６】
第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
焼結後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように接合するステップと、
を含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法。
【請求項７】
前記接合するステップにおいて、放電プラズマ接合法により接合することを特徴とする請求項６記載の熱電変換温度センサの製造方法。
【請求項８】
第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形するステップと、
形成後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように焼結するステップと、
を含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法。
【請求項１】
第１面積の第１面および第２面を有する第１導電型の第１熱電変換半導体と、
前記第２面と接する前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面を有する第２導電型の第２熱電変換半導体と、
前記第４面と接する前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面を有する第１導電型の第３熱電変換半導体と、
前記第６面と接する前記第１面積の第７面および前記第１面積の第８面を有する第２導電型の第４熱電変換半導体と、
を備え、上記各半導体が異なる導電型の順に連続して接合されていることを特徴とする熱電変換温度センサ。
【請求項２】
前記第１面積は円形状であり、前記第２面積は前記第１面積より直径が小さな円形状であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換温度センサ。
【請求項３】
前記第１面積は円形状であり、前記第２面積は前記第１面積の一部を切り欠いた形状であることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換温度センサ。
【請求項４】
前記各熱電変換半導体同士の接合が放電プラズマ接合法により接合されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換温度センサ。
【請求項５】
前記各熱電変換半導体が一体的に接合された状態となるように焼結されたものであることを特徴とする請求項１記載の熱電変換温度センサ。
【請求項６】
第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形して焼結するステップと、
焼結後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように接合するステップと、
を含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法。
【請求項７】
前記接合するステップにおいて、放電プラズマ接合法により接合することを特徴とする請求項６記載の熱電変換温度センサの製造方法。
【請求項８】
第１面積の第１面および第２面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第１熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第１面積の第３面および前記第１面積より小さな第２面積の第４面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第２熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第２面積の第５面および前記第１面積の第６面が対向する位置となるように粉体状の第１導電型の第３熱電変換半導体を成形するステップと、
前記第１面積の第７面および第８面が対向する位置となるように粉体状の第２導電型の第４熱電変換半導体を成形するステップと、
形成後の前記第１〜第４熱電変換半導体それぞれを、前記第２面と前記第３面、前記第４面と前記第５面、前記第６面と前記第７面が接するように焼結するステップと、
を含むことを特徴とする熱電変換温度センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２２４６３４（Ｐ２００９−２２４６３４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６８７６４（Ｐ２００８−６８７６４）
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（５９１０７７００３）沖電気防災株式会社 (17)
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（５９１０７７００３）沖電気防災株式会社 (17)
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