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熱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とを放電プラズマ接合法により接合した。前記Ｐ型熱電変換半導体１となる原料粉末と前記Ｎ型熱電変換半導体２となる原料粉末とが接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第Ｎ型の熱電変換半導体および前記Ｐ型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを要旨とする。
【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とを放電プラズマ接合法により接合した。前記Ｐ型熱電変換半導体１となる原料粉末と前記Ｎ型熱電変換半導体２となる原料粉末とが接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第Ｎ型の熱電変換半導体および前記Ｐ型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを要旨とする。
【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その製造方法に関し、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そ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、白金抵抗測温対やサーミスタに代表される温度変化を金属抵抗変化として取り出すもの、異種金属を接合させた熱電対に代表される温度変化を熱起電力変化として取り出すもの、バイメタルに代表される温度変化を機械的変化として取り出すもの、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。
【０００３】
より具体的には、熱電対を使用したものとしては、図８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９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４０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）、発生する熱起電力が少ない。
【０００５】
そこで、より小型で、熱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１０に示すようにＰ型熱電変換半導体５１と、Ｎ型熱電変換半導体５２が対になった温度センサ５０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】特開２００７−３２４５００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熱起電力が大きく変わることが分かってきた。そこで、熱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熱起電力が得られるようにした熱電変換半導体を使用し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の本発明の熱電変換温度センサは、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、放電プラズマ法により接合したものであることを要旨とする。
【０００９】
本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は、円盤形状であることを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は円錐形状をなし、且つ円錐の底面同士が接合していることを要旨とする。
【００１１】
また、本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と前記第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の熱電変換温度センサの製造方法は、第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱電変換温度センサによれば、第１導電型の熱電変換半導体と、第２導電型の熱電変換半導体とを放電プラズマ接合したものであるため、接合箇所が熱電対に比べ少なく、製造が容易である。
【００１４】
また、本発明の熱電変換温度センサによれば、その熱電変換半導体の形状を円盤形状や円錐形状など、様々な形状の温度センサを製作することができる。特に、円錐形状にすることで、熱電変換温度センサが気流内に設置された場合に、乱気流の発生が抑制され、均一に熱電変換温度センサ全体が加熱されて、温度測定の安定性が向上する。
【００１５】
本発明の熱電変換温度センサによれば、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、それぞれの原料粉末から成形して直接それらが接合した状態に焼結したものであるので、製造コストを低くすることができる。
【００１６】
本発明の熱電変換温度センサの製造方法によれば、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、それぞれの原料粉末から成形して直接それらが接合した状態に焼結したものであるので、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体の焼結形成と、これらの接合とを一度の工程で実行することができるため、製造コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（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の外観を示す斜視図である。
【００１９】
本実施形態１による熱電変換温度センサ１０は、第１導電型の熱電変換半導体としてＰ型熱電変換半導体１、第２導電型の熱電変換半導体としてＮ型熱電変換半導体２を備え、互いに接合面７で接合されている。
【００２０】
Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の両端面５および６部には、それぞれ電極リード３および４が接続されている。電極リード３および４の接続は、例えばハンダ付け、銀ペーストなどの導電性接着材による接続などである。
【００２１】
外観形状は、本実施形態１では、図２に示すように、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２がともに円盤形状となっている。
【００２２】
なお、熱電変換半導体は、熱電変換半導体特性を有し、これは温度差により熱起電力が発生する特性を言い、Ｐ型とＮ型では発生する熱起電力極性が逆の特性を表す。
【００２３】
次に、この熱電変換温度センサの製造方法について説明する。
【００２４】
この熱電変換温度センサの製造は、放電プラズマ法を用いて焼結させることで容易に行うことができる。
【００２５】
まず、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２となる原料粉末を用意し、これらをＰ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２とが接合した状態となるように型に入れて成形する。このとき必要に応じて原料粉末を型内で圧縮する。
【００２６】
その後、所定の圧力、温度、時間で放電プラズマ法によって焼結する。これによりＰ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２とが直接接続された状態ができあがる。
【００２７】
最後に、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の両端部に、それぞれ電極リード３および４を接続して熱電変換温度センサ１０ができあがる。
【００２８】
このように放電プラズマ法を用いることにより、原料粉末から２つの熱電変換半導体が接合した状態まで一度の焼結工程により製造することができる。したがって、製造コストを低くすることが可能となる。また、様々な大きさの熱電変換温度センサ１０を製造することができる。
【００２９】
ここで、放電プラズマ法による焼結には、既存装置を使用することができる。例えば、ＳＰＳシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結機を用いることができる。
【００３０】
熱電変換温度センサ１０の製造方法としては、このほかに例えば、Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２を別々に製作してこれらを接合する方法もある。
【００３１】
これには、まず、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２をそれぞれ原料粉末から型成形した後、それぞれを焼結させて、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２を別々に製作する。
【００３２】
そして、できあがったＰ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２とを放電プラズマ接合法によって接合する。その後は電極リード３および４を接続して熱電変換温度センサ１０ができあがる。
【００３３】
この方法でも、Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２との接合面７は放電プラズマ接合法によって接合しているため強固に接合されていて電子の伝導度がよくなる。
【００３４】
この放電プラズマ法による接合にも、焼結同様に既存装置を使用することができ、例えば上記ＳＰＳシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結機を、接合にも用いることができる。
【００３５】
次に、上記のようにして製作された熱電変換温度センサ１０の動作について説明する。
【００３６】
ここでは、図１０に示した異種熱電変換半導体を接合した温度センサにより動作原理を説明する。
【００３７】
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、導電体５３を加熱、電極５４および電極５５を冷却すると、Ｐ型熱電変換半導体５１、Ｎ型熱電変換半導体５２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熱起電力が発生して電流５６が流れるというものである。
【００３８】
この原理と同様に、熱電変換温度センサ１０の上端面５は熱が加われば温度上昇する。このとき接合面７は上端面５に比べ熱容量が大きく上端面５のほうが接合面７に比べ温度が高くなる。このため上端面５と接合面７では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。また、下端面６に熱が加われば温度上昇する。このとき接合面７は下端面６に比べ熱容量が大きく下端面６のほうが接合面７に比べ温度が高くなる。このため下端面６と接合面７では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。
【００３９】
Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２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、電極リード３からＰ型熱電変換半導体１、Ｎ型熱電変換半導体２を経て、電極リード４と熱電変換半導体が直列に接続されたものには、ゼーベック効果により電流が流れ、電極リード３および導線４の間には起電圧が発生する。
【００４０】
このように、この熱電変換温度センサ１０は、接合面７と、両端面５および６の少なくともいずれか一方の面に熱が加わることにより熱起電力が発生するものであるから、この熱電変換温度センサ１０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となる。発生した起電圧の上昇率と経過時間により温度差を判定することができる。
【００４１】
なお、発生した熱起電力はさらに外部回路（増幅器）などにより増幅してもよい。
【００４２】
この熱電変換温度センサ１０におけるＰ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の大きさ、すなわち円盤形状の厚さＬ１およびＬ２と直径Ｗは、測定したい温度特性や温度センサとしての形状にあわせて適宜決定されるものである。
【００４３】
（実施形態２）
図３は本発明を適用した実施形態２による熱電変換温度センサの構成を示す側面図であり。図４はこの熱電変換温度センサの外観を示す斜視図である。
【００４４】
本実施形態２による熱電変換温度センサ２０は、第１導電型の熱電変換半導体としてＰ型熱電変換半導体２１、第２導電型の熱電変換半導体としてＮ型熱電変換半導体２２を備える。そして、これらＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２がいずれも円錐形状をなし、互いにその底面部分（接合面２６）で接合されている。
【００４５】
両半導体の接合は、実施形態１と同様に、放電プラズマ法によりＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を一体的に焼結させて接合する方法や、Ｐ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を個別に製作した後、放電プラズマ法により接合する方法などを用いることができる。
【００４６】
このようにＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を円錐形状とすることで、円錐頂部である上端面２５および下端面２６は、接合面７の円錐底部に比べ面積が少なくなる。このため実施形態１のように円盤形状とした場合と比較して、良好なゼーベック効果が出やすくなるとともに、熱の加わり方が熱気流の影響を受けないため、より安定した熱起電力を発生させることができる。
【００４７】
これは実施形態１の円盤形状とした場合には、上端面５、下端面６への熱の伝達は熱気流の方向によって変わってくる。つまり図１の横方向から熱気流により加熱された場合と図１の上方向または下方向から熱気流により加熱された場合で、上端面５、下端面６は平面であるため、乱気流が発生して均一に熱電変換温度センサ１０全体が加熱されなくなるおそれがある。
【００４８】
これに対し、本実施形態２の形状であれば、図３の横方向からの気流に対しても、上または下方向の気流に対しても乱気流が起こりにくく、均一に熱電変換温度センサ全体が加熱されるようになる。したがって、熱気流の方向性の相違による熱起電力のバラツキが少なくなり、温度測定値の変動が少なく測定精度や測定安定性が向上する。
【００４９】
この熱電変換温度センサ２０においても、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の大きさ、すなわち厚さＬ１およびＬ２と直径Ｗは、測定したい温度特性や温度センサとしての形状にあわせて適宜決定される。
【実施例】
【００５０】
本発明を適用した実施形態１の熱電変換温度センサ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。
【００５１】
（実施例）
実施例として、図１に示したものと同形状の熱電変換温度センサ１０を製作した。
【００５２】
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１とＮ型熱電変換半導体２を形成した。Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２はそれぞれφ２０ｍｍ厚さ７ｍｍに焼結した。
【００５３】
これを実施形態１に示した様に、放電プラズマ法を用いて接合し、その後、電極リード３および４をハンダ付けした。
【００５４】
この熱電変換温度センサ１０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、電極リード３および４の間に発生した熱起電力を測定した。
【００５５】
図５は、この電極リード３および４の間に発生した熱起電力と時間との関係を示す特性図である。
【００５６】
図５に示すように、熱起電力は、時間の経過ともに飽和点に達し、その後減少した。これは、後述する比較例１の熱電対温度センサと同様の応答特性を示している。また、最大熱起電力も、比較例１の熱電対温度センサと同様であり、十分使用できることが分かる。
【００５７】
また、この図から、熱電変換温度センサ１０は、熱が全体に伝達された状態となった後は、熱起電力が低下していることが分かる。したがって、温度センサとして使用するときは、図５に示したデータのうち、熱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。
【００５８】
（比較例１）
比較例１は、図８および９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。
【００５９】
図６はこの比較例１の熱電対温度センサにおける熱起電力を測定した特性図である。
【００６０】
測定は実施例１と同様に、この比較例１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熱起電力を測定した。
【００６１】
図６に示すように、この比較例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。
【００６２】
（比較例２）
比較例２として、図１０に示した従来の熱電変換半導体を使用した温度センサを製作した。すなわち、Ｐ型熱電変換半導体５１、Ｎ型熱電変換半導体５２のそれぞれの一方の端部に共通の導電体５３を接続し、他端にそれぞれに電極５４、電極５５を接続した温度センサを製作した。
【００６３】
Ｐ型熱電変換半導体５１およびＮ型熱電変換半導体５２は、それぞれφ２０、厚さ７ｍｍを基本形（１／１サイズ）とし、熱電変換半導体を１／２、１／４に切断して３個の温度センサを製作した。
【００６４】
そして、電極５４および電極５５にペルチェクーラーを取り付け低温側とし、導電体５３を高温側としてヒーターで加熱し、温度制御し、電極５４、電極５５間の電圧を測定した。
【００６５】
図７は、比較例２における温度差と熱起電力を示す特性図である。
【００６６】
図７に示すように、高温側、低温側の温度差に対する熱起電力は、１／１サイズ、１／２サイズ、１／４サイズの１対で構成された温度センサにおいていずれも同じように変化していることが分かる。また、ゼーベック係数α＝０．３０２の近似データとなることが、特性図により確認できる。したがって、熱電変換半導体のサイズを小型化してもほぼ同じ特性を持つことが分かる。
【００６７】
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は、熱電対を使用した温度センサと同様な応答性能を有することが分かる。また、比較例２の結果から、小型化することも可能であることが分かる。
【００６８】
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１０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。
【００６９】
また、粉末原料を焼結させて形成することができるため、製造が容易である。
【００７０】
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】
【００７１】
【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の外観を示す斜視図である。
【図３】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４】実施形態２による熱電変換温度センサの外観を示す斜視図である。
【図５】実施例１の熱電変換温度センサにおける熱起電力と時間の関係を示す特性図である。
【図６】比較例１の熱電対温度センサにおける熱起電力を測定した特性図である。
【図７】比較例２における熱電変換温度センサの温度差と熱起電力を示す特性図である。
【図８】従来の熱電対温度センサの外観を示す図である。
【図９】従来の熱電対温度センサの構造を示す図である。
【図１０】従来の熱電変換温度センサの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、２１…Ｐ型熱電変換半導体
２、２２…Ｎ型熱電変換半導体
３、４…電極リード
７…接合面
１０、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その製造方法に関し、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そ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、白金抵抗測温対やサーミスタに代表される温度変化を金属抵抗変化として取り出すもの、異種金属を接合させた熱電対に代表される温度変化を熱起電力変化として取り出すもの、バイメタルに代表される温度変化を機械的変化として取り出すもの、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。
【０００３】
より具体的には、熱電対を使用したものとしては、図８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９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４０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）、発生する熱起電力が少ない。
【０００５】
そこで、より小型で、熱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１０に示すようにＰ型熱電変換半導体５１と、Ｎ型熱電変換半導体５２が対になった温度センサ５０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】特開２００７−３２４５００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熱起電力が大きく変わることが分かってきた。そこで、熱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熱起電力が得られるようにした熱電変換半導体を使用し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の本発明の熱電変換温度センサは、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、放電プラズマ法により接合したものであることを要旨とする。
【０００９】
本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は、円盤形状であることを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は円錐形状をなし、且つ円錐の底面同士が接合していることを要旨とする。
【００１１】
また、本発明の熱電変換温度センサにおいて、前記第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と前記第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の熱電変換温度センサの製造方法は、第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱電変換温度センサによれば、第１導電型の熱電変換半導体と、第２導電型の熱電変換半導体とを放電プラズマ接合したものであるため、接合箇所が熱電対に比べ少なく、製造が容易である。
【００１４】
また、本発明の熱電変換温度センサによれば、その熱電変換半導体の形状を円盤形状や円錐形状など、様々な形状の温度センサを製作することができる。特に、円錐形状にすることで、熱電変換温度センサが気流内に設置された場合に、乱気流の発生が抑制され、均一に熱電変換温度センサ全体が加熱されて、温度測定の安定性が向上する。
【００１５】
本発明の熱電変換温度センサによれば、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、それぞれの原料粉末から成形して直接それらが接合した状態に焼結したものであるので、製造コストを低くすることができる。
【００１６】
本発明の熱電変換温度センサの製造方法によれば、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、それぞれの原料粉末から成形して直接それらが接合した状態に焼結したものであるので、第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体の焼結形成と、これらの接合とを一度の工程で実行することができるため、製造コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（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の外観を示す斜視図である。
【００１９】
本実施形態１による熱電変換温度センサ１０は、第１導電型の熱電変換半導体としてＰ型熱電変換半導体１、第２導電型の熱電変換半導体としてＮ型熱電変換半導体２を備え、互いに接合面７で接合されている。
【００２０】
Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の両端面５および６部には、それぞれ電極リード３および４が接続されている。電極リード３および４の接続は、例えばハンダ付け、銀ペーストなどの導電性接着材による接続などである。
【００２１】
外観形状は、本実施形態１では、図２に示すように、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２がともに円盤形状となっている。
【００２２】
なお、熱電変換半導体は、熱電変換半導体特性を有し、これは温度差により熱起電力が発生する特性を言い、Ｐ型とＮ型では発生する熱起電力極性が逆の特性を表す。
【００２３】
次に、この熱電変換温度センサの製造方法について説明する。
【００２４】
この熱電変換温度センサの製造は、放電プラズマ法を用いて焼結させることで容易に行うことができる。
【００２５】
まず、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２となる原料粉末を用意し、これらをＰ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２とが接合した状態となるように型に入れて成形する。このとき必要に応じて原料粉末を型内で圧縮する。
【００２６】
その後、所定の圧力、温度、時間で放電プラズマ法によって焼結する。これによりＰ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２とが直接接続された状態ができあがる。
【００２７】
最後に、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の両端部に、それぞれ電極リード３および４を接続して熱電変換温度センサ１０ができあがる。
【００２８】
このように放電プラズマ法を用いることにより、原料粉末から２つの熱電変換半導体が接合した状態まで一度の焼結工程により製造することができる。したがって、製造コストを低くすることが可能となる。また、様々な大きさの熱電変換温度センサ１０を製造することができる。
【００２９】
ここで、放電プラズマ法による焼結には、既存装置を使用することができる。例えば、ＳＰＳシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結機を用いることができる。
【００３０】
熱電変換温度センサ１０の製造方法としては、このほかに例えば、Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２を別々に製作してこれらを接合する方法もある。
【００３１】
これには、まず、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２をそれぞれ原料粉末から型成形した後、それぞれを焼結させて、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２を別々に製作する。
【００３２】
そして、できあがったＰ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２とを放電プラズマ接合法によって接合する。その後は電極リード３および４を接続して熱電変換温度センサ１０ができあがる。
【００３３】
この方法でも、Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２との接合面７は放電プラズマ接合法によって接合しているため強固に接合されていて電子の伝導度がよくなる。
【００３４】
この放電プラズマ法による接合にも、焼結同様に既存装置を使用することができ、例えば上記ＳＰＳシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結機を、接合にも用いることができる。
【００３５】
次に、上記のようにして製作された熱電変換温度センサ１０の動作について説明する。
【００３６】
ここでは、図１０に示した異種熱電変換半導体を接合した温度センサにより動作原理を説明する。
【００３７】
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、導電体５３を加熱、電極５４および電極５５を冷却すると、Ｐ型熱電変換半導体５１、Ｎ型熱電変換半導体５２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熱起電力が発生して電流５６が流れるというものである。
【００３８】
この原理と同様に、熱電変換温度センサ１０の上端面５は熱が加われば温度上昇する。このとき接合面７は上端面５に比べ熱容量が大きく上端面５のほうが接合面７に比べ温度が高くなる。このため上端面５と接合面７では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。また、下端面６に熱が加われば温度上昇する。このとき接合面７は下端面６に比べ熱容量が大きく下端面６のほうが接合面７に比べ温度が高くなる。このため下端面６と接合面７では温、冷と温度差が生じ熱起電力が発生する。
【００３９】
Ｐ型熱電変換半導体１とＮ型熱電変換半導体２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、電極リード３からＰ型熱電変換半導体１、Ｎ型熱電変換半導体２を経て、電極リード４と熱電変換半導体が直列に接続されたものには、ゼーベック効果により電流が流れ、電極リード３および導線４の間には起電圧が発生する。
【００４０】
このように、この熱電変換温度センサ１０は、接合面７と、両端面５および６の少なくともいずれか一方の面に熱が加わることにより熱起電力が発生するものであるから、この熱電変換温度センサ１０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となる。発生した起電圧の上昇率と経過時間により温度差を判定することができる。
【００４１】
なお、発生した熱起電力はさらに外部回路（増幅器）などにより増幅してもよい。
【００４２】
この熱電変換温度センサ１０におけるＰ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の大きさ、すなわち円盤形状の厚さＬ１およびＬ２と直径Ｗは、測定したい温度特性や温度センサとしての形状にあわせて適宜決定されるものである。
【００４３】
（実施形態２）
図３は本発明を適用した実施形態２による熱電変換温度センサの構成を示す側面図であり。図４はこの熱電変換温度センサの外観を示す斜視図である。
【００４４】
本実施形態２による熱電変換温度センサ２０は、第１導電型の熱電変換半導体としてＰ型熱電変換半導体２１、第２導電型の熱電変換半導体としてＮ型熱電変換半導体２２を備える。そして、これらＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２がいずれも円錐形状をなし、互いにその底面部分（接合面２６）で接合されている。
【００４５】
両半導体の接合は、実施形態１と同様に、放電プラズマ法によりＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を一体的に焼結させて接合する方法や、Ｐ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を個別に製作した後、放電プラズマ法により接合する方法などを用いることができる。
【００４６】
このようにＰ型熱電変換半導体２１およびＮ型熱電変換半導体２２を円錐形状とすることで、円錐頂部である上端面２５および下端面２６は、接合面７の円錐底部に比べ面積が少なくなる。このため実施形態１のように円盤形状とした場合と比較して、良好なゼーベック効果が出やすくなるとともに、熱の加わり方が熱気流の影響を受けないため、より安定した熱起電力を発生させることができる。
【００４７】
これは実施形態１の円盤形状とした場合には、上端面５、下端面６への熱の伝達は熱気流の方向によって変わってくる。つまり図１の横方向から熱気流により加熱された場合と図１の上方向または下方向から熱気流により加熱された場合で、上端面５、下端面６は平面であるため、乱気流が発生して均一に熱電変換温度センサ１０全体が加熱されなくなるおそれがある。
【００４８】
これに対し、本実施形態２の形状であれば、図３の横方向からの気流に対しても、上または下方向の気流に対しても乱気流が起こりにくく、均一に熱電変換温度センサ全体が加熱されるようになる。したがって、熱気流の方向性の相違による熱起電力のバラツキが少なくなり、温度測定値の変動が少なく測定精度や測定安定性が向上する。
【００４９】
この熱電変換温度センサ２０においても、Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２の大きさ、すなわち厚さＬ１およびＬ２と直径Ｗは、測定したい温度特性や温度センサとしての形状にあわせて適宜決定される。
【実施例】
【００５０】
本発明を適用した実施形態１の熱電変換温度センサ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。
【００５１】
（実施例）
実施例として、図１に示したものと同形状の熱電変換温度センサ１０を製作した。
【００５２】
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１とＮ型熱電変換半導体２を形成した。Ｐ型熱電変換半導体１およびＮ型熱電変換半導体２はそれぞれφ２０ｍｍ厚さ７ｍｍに焼結した。
【００５３】
これを実施形態１に示した様に、放電プラズマ法を用いて接合し、その後、電極リード３および４をハンダ付けした。
【００５４】
この熱電変換温度センサ１０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、電極リード３および４の間に発生した熱起電力を測定した。
【００５５】
図５は、この電極リード３および４の間に発生した熱起電力と時間との関係を示す特性図である。
【００５６】
図５に示すように、熱起電力は、時間の経過ともに飽和点に達し、その後減少した。これは、後述する比較例１の熱電対温度センサと同様の応答特性を示している。また、最大熱起電力も、比較例１の熱電対温度センサと同様であり、十分使用できることが分かる。
【００５７】
また、この図から、熱電変換温度センサ１０は、熱が全体に伝達された状態となった後は、熱起電力が低下していることが分かる。したがって、温度センサとして使用するときは、図５に示したデータのうち、熱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。
【００５８】
（比較例１）
比較例１は、図８および９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。
【００５９】
図６はこの比較例１の熱電対温度センサにおける熱起電力を測定した特性図である。
【００６０】
測定は実施例１と同様に、この比較例１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熱起電力を測定した。
【００６１】
図６に示すように、この比較例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。
【００６２】
（比較例２）
比較例２として、図１０に示した従来の熱電変換半導体を使用した温度センサを製作した。すなわち、Ｐ型熱電変換半導体５１、Ｎ型熱電変換半導体５２のそれぞれの一方の端部に共通の導電体５３を接続し、他端にそれぞれに電極５４、電極５５を接続した温度センサを製作した。
【００６３】
Ｐ型熱電変換半導体５１およびＮ型熱電変換半導体５２は、それぞれφ２０、厚さ７ｍｍを基本形（１／１サイズ）とし、熱電変換半導体を１／２、１／４に切断して３個の温度センサを製作した。
【００６４】
そして、電極５４および電極５５にペルチェクーラーを取り付け低温側とし、導電体５３を高温側としてヒーターで加熱し、温度制御し、電極５４、電極５５間の電圧を測定した。
【００６５】
図７は、比較例２における温度差と熱起電力を示す特性図である。
【００６６】
図７に示すように、高温側、低温側の温度差に対する熱起電力は、１／１サイズ、１／２サイズ、１／４サイズの１対で構成された温度センサにおいていずれも同じように変化していることが分かる。また、ゼーベック係数α＝０．３０２の近似データとなることが、特性図により確認できる。したがって、熱電変換半導体のサイズを小型化してもほぼ同じ特性を持つことが分かる。
【００６７】
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は、熱電対を使用した温度センサと同様な応答性能を有することが分かる。また、比較例２の結果から、小型化することも可能であることが分かる。
【００６８】
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１０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。
【００６９】
また、粉末原料を焼結させて形成することができるため、製造が容易である。
【００７０】
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】
【００７１】
【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の外観を示す斜視図である。
【図３】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４】実施形態２による熱電変換温度センサの外観を示す斜視図である。
【図５】実施例１の熱電変換温度センサにおける熱起電力と時間の関係を示す特性図である。
【図６】比較例１の熱電対温度センサにおける熱起電力を測定した特性図である。
【図７】比較例２における熱電変換温度センサの温度差と熱起電力を示す特性図である。
【図８】従来の熱電対温度センサの外観を示す図である。
【図９】従来の熱電対温度センサの構造を示す図である。
【図１０】従来の熱電変換温度センサの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、２１…Ｐ型熱電変換半導体
２、２２…Ｎ型熱電変換半導体
３、４…電極リード
７…接合面
１０、２０…熱電変換温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、放電プラズマ法により接合したものであ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導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は、円盤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導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は円錐形状をなし、且つ円錐の底面同士が接合してい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４】
前記第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と前記第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを特徴とする請求項１乃至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】
第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結する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導電型の熱電変換半導体と第２導電型の熱電変換半導体とを、放電プラズマ法により接合したものであ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導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は、円盤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導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体は円錐形状をなし、且つ円錐の底面同士が接合してい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４】
前記第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と前記第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結させて、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体を直接接合したものであることを特徴とする請求項１乃至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】
第１導電型の熱電変換半導体となる原料粉末と第２導電型の熱電変換半導体となる原料粉末とを、前記第１導電型の熱電変換半導体および前記第２導電型の熱電変換半導体が接合した状態となるように成形して、当該成形物を放電プラズマ法により焼結する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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２３９０３９（Ｐ２００９−２３９０３９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８３５５０（Ｐ２００８−８３５５０）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５９１０７７００３）沖電気防災株式会社 (17)
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５９１０７７００３）沖電気防災株式会社 (17)
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