JP6240525B2 - 熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換素子の製造方法及びこれによって製造される熱電変換素子に関し、特に熱電特性の安定した熱電変換素子及びその製造方法に関する。

熱電変換素子は、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換素子が注目されている。

このような熱電変換素子は、一般的に、複数個の熱電変換材料（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。熱電変換素子は、焼結材料を左右のダイス、及び上下のパンチで形成される空間に充填し、これをパンチで上下からプレスしながら直接電流を加えること（パルス通電）により製造される。このように、焼結炉を温めるのではなく、電流を流すことによってジュール発熱させるため、狭い範囲のみの加熱で行うことができ、焼結時間が短くなり、更には温度ムラが少なくなる。

このようなパルス通電焼結は、例えば特許文献１に開示されている。また、熱電変換材料を電極で接合して製造する方法は、例えば特許文献２に開示されている（特に特許文献２の図１４参照）。

特開２００３−４６１４９号公報 特開２００４−２２１４６４号公報

しかしながら、ｐ型半導体又はｎ型半導体からなる熱電変換材料に電極を接合する場合に、熱電変換材料の寸法バラツキによって熱電変換材料と電極との間に接合強度等の接合バラツキを生じる。そのため、電極と熱電変換素子間の接合界面が容易に剥離して接合されていない部分ができたり、剥離しないまでも接合不良となって接合界面での熱的抵抗や電気的抵抗にバラツキを生じたりする原因となることがある。

すなわち、熱電変換材料に電極を接合する際には、上下から加圧して電流を供給することになるが、熱電変換材料の寸法バラツキ（高さバラツキ）が存在することによって電極と熱電変換材料とが接合されていない状態が生じると、このような非接合部分における界面抵抗が大きくなり、当該非接合部分が発熱して部分的に温度が上がることになる。このような部分的な温度上昇は、熱電変換素子の熱電特性に影響を与えるおそれがある。また、電極と熱電変換材料の間に隙間ができると、プレスの際に荷重が集中される部分が生じ、荷重バランスが低下することになる。

上述した熱電変換材料の寸法バラツキを少なくするために、熱電変換材料に追加の加工を加える方法がある。具体的には複数の熱電変換材料の一方端面を基準に配置し、複数の他方端面に対して同時に研削工程又は研磨工程を施すことで、個々の熱電変換素子の寸法バラツキを無くす（少なくする）ことができる。しかしながら、このような追加加工を行うと、熱電変換素子のコストが増加する問題が生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱電変換材料への追加加工を必要としないで、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止することができる熱電変換素子の製造方法、及び優れた熱電特性を備える熱電変換素子を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、本発明の熱電変換素子の製造方法は、少なくとも１つの熱電変換部材の少なくとも一端面及びその近傍の側面を露出させつつ前記熱電変換部材を保持する保持工程と、前記熱電変換部材の露出した一端面及びその近傍の側面を金属粉末によって被覆する被覆工程と、前記金属粉末を焼結させて前記熱電変換部材の一端面及びその近傍の側面に電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする。

上記製造方法は、前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材を並置させ、前記電極形成工程において、隣接する前記熱電変換部材の端部を前記電極によって電気的に接続してもよい。また、この場合に、前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材の一端面を同一平面上に配置するとともに、他端面側を露出させてもよい。更に、当該他端面側を露出させる場合に、前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材が嵌挿され且つ底面が同一平面上に配置された開口を備える保持部により、複数の前記熱電変換部材を保持してもよく、又は複数の前記熱電変換部材が嵌挿される貫通孔を含む嵌挿部と、前記嵌挿部に嵌挿されるとともに複数の前記熱電変換部材に当接して複数の前記熱電変換部材の一端面が同一平面上に位置するように位置決めする位置決め部とを備える保持部により、複数の前記熱電変換部材を保持してもよい。

上記製造方法は、前記保持工程において、前記熱電変換部材の両端面及びその近傍の側面を露出させつつ前記熱電変換部材を保持してもよい。この場合に、前記電極形成工程において、複数の前記熱電変換部材の両端のそれぞれに前記電極を独立して形成し、複数の前記熱電変換部材の保持を解除するとともに複数の前記熱電変換部材を並設し、隣接する前記熱電変換部材の電極を電気的に接続する接続工程を備えていてもよい。

上記の目的を達成するべく、本発明の熱電変換素子は、並設された複数の熱電変換部材と、前記複数の熱電変換部材の両端部のそれぞれに接合された電極と、を有し、前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極の少なくとも一方は、前記熱電変換部材の端面及びその近傍の側面を被覆するように設けられた金属粉末を焼結して形成されていることを特徴とする。

上記熱電変換素子において、前記電極は、隣接する前記熱電変換部材の端部同士を電気的に接続してもよい。この場合、前記複数の熱電変換部材の一方の端面は、同一平面上に配置されるとともに、他方の端面側に接合された前記電極は、前記金属粉末を焼結して形成されていてもよい。更に、この場合に、前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極の双方は、前記熱電変換部材の端面及びその近傍の側面を被覆するように設けられた前記金属粉末を焼結して形成されていてもよく、隣接する前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極同士を電気的に接続する接続部を有していてもよい。

隣接する前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極同士を電気的に接続する接続部を有する場合、前記電極の形成面の表面形状は、湾曲していてもよい。

以上のことから、本発明によれば、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに防止することができる熱電変換素子の製造方法、及び優れた熱電特性を備える熱電変換素子を提供することができる。

実施例１に係る熱電変換素子の概略を示す断面図である。 図１と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図１と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図１と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図４の製造工程中における電極の概略平面図である。 図１と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図１と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 実施例３に係る熱電変換素子の概略を示す断面図である。 図８と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。 図９と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換素子及びその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、熱電変換素子及びその構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例１＞
（熱電変換素子の構造）
以下において、図１を参照しつつ、本発明の実施例１に係る熱電変換素子の構造について説明する。図１は、実施例１に係る熱電変換素子の概略を示す断面図である。なお、図１は、熱電変換素子を構成する熱電変換部材の延在方向に沿った断面図である。

図１に示すように、実施例１に係る熱電変換素子１は、Ｐ型半導体材料からなる第１熱電変換部材２、Ｎ型半導体材料からなる第２熱電変換部材３、並びに第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の両端に接合した電極４ａ、４ｂから構成されている。本実施例において、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の外形は同一であり、直径が２ｍｍ、長さが５ｍｍから１０ｍｍである。また、第１熱電変換部材２と第２熱電変換部材３とは交互に並設されている。そして、隣接する第１熱電変換部材２と第２熱電変換部材３とは、小片化された電極４ａ、４ｂによって電気的に接続されている。すなわち、熱電変換素子１は、第１熱電変換部材２と第２熱電変換部材３とが直列接続された構成を備えている。

また、図１に示すように、第１熱電変換部材２の第１端部２ａ側、及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａ側に設けられた電極４ａは、第１端部２ａ、３ａを覆っている。一方、第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ側、及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂ側に設けられた電極４ｂは、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の端面（すなわち、第２端部２ｂ、３ｂの表面）に当接して設けられている。本実施例において、電極４ａは金属粉末を焼結させることによって形成されており、電極４ｂは平板状の銅板である。ここで、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の第２端部２ｂ、３ｂ側の端面は、同一平面上に配置されている。すなわち、第１熱電変換部材２と電極４ｂとの界面、及び第２熱電変換部材３と電極４ｂとの界面は、同一の基準端面（図１において破線で示す）を形成している。換言すれば、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３は、当該基準端面において一端がそろえられている。

なお、電極４ｂは銅板に限定されることなく、電極４ａと同様に、金属粉末を焼結することによって形成されてもよい。このような場合、電極４ｂも電極４ａと同様に、第１端部２ａ、３ａを覆っていてもよい。

（熱電変換素子の製造方法）
次に、図２乃至図６を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法を説明する。図２乃至図４、及び図６は、図１と同様にして示した熱電変換素子１の製造工程中の概略断面図であり、図５は熱電変換素子１の製造工程中における電極４ａの概略平面図である。

図２乃至図４から分かるように、本実施例においては、熱電変換素子１を製造するために、製造装置１０を使用する。製造装置１０は、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持する保持部（ダイス）１１、及び電極焼結用パンチ１２を備えている。図２に示すように、保持部１１には、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３が嵌挿されるための複数の開口１１ａが形成されている。ここで、開口１１ａの底面は同一平面上に位置している。換言すれば、開口１１ａの深さは全て同一である。また、保持部１１は、開口１１ａの形成面側に凹部１１ｂが形成されている。保持部１１及び電極焼結用パンチ１２は、導電性を備える材料（例えば、黒鉛）から構成されている。

先ず、図２に示すように、製造装置１０を構成する保持部１１の開口１１ａに準備した第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を嵌挿し、保持部１１によって第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持する保持工程を行う。本実施例においては、第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂが開口１１ａの底面と接触する向きに、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を交互に嵌挿し、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を並置する。ここで、開口１１ａの深さは、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の規格長の最小値よりも小さくなるように設定されている。これにより第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を開口１１ａに嵌挿すると、第１熱電変換部材２の第１端部２ａ及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａは、開口１１ａから露出（突出）し、凹部１１ｂ内に位置することになる。また、開口１１ａの底面が同一平面上に位置するように設定されているため、第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂは同一平面上に位置することになり、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の端部がそろった状態となる。一方、図２に示すように、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の長さにバラツキがあると、第１端部２ａ、３ａの位置がばらつくことになる。

次に、図３に示すように、露出した第１端部２ａ、３ａを被覆するように、開口１１ａの凹部１１ｂ内に金属粉末１３（例えば、ニッケル及び銅の粉末）を投入する被覆工程を行う。ここで、金属粉末１３の投入量は、全ての第１端部２ａ、３ａが覆われるように調整される。なお、金属粉末１３の材料は、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の材料（すなわち、半導体材料）に応じて適宜変更することができる。

次に、図４に示すように、金属粉末１３を焼結させて電極４ａを形成する電極形成工程を行う。具体的には、電極焼結用パンチ１２を開口１１ａに嵌装させ、金属粉末１３を加圧（押圧）するとともに、電極焼結用パンチ１２及び保持部１１に電流を供給して、製造装置１０内を加熱する。換言すれば、金属粉末１３に対して加圧処理及び加熱処理を施すことになる。例えば、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の材料の融点温度が比較的に高い場合には、製造装置１０内の温度が約９００℃となるようにしてもよく、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の材料の融点温度が比較的に低い場合には、製造装置１０内の温度が約６００℃〜７００℃となるようにしてもよい。なお、電極焼結用パンチ１２及び保持部１１に電流を供給することなく、他の方法によって金属粉末１３を加熱して焼結させてもよい。

また、電極焼結用パンチ１２の金属粉末１３に対して接触する面には凹凸が形成されており、当該凹凸により電極４ａのパターニングが施されることになる。すなわち、金属粉末１３を加圧することにより、第１端部２ａ、３ａ及び凹部１１ｂの形状に対応した金属粉末１３の全体形状を、当該凹凸によって所望のパターン形状に変更している。具体的には、図５に示すように、電極４ａは部分的に切断され（すなわち貫通孔が形成され）、小片状の複数の本体部１４、複数の本体部１４の一端から他端にまで延在する主連結部１５、及び本体部１４と主連結部１５とを接続する副連結部１６から構成されることになる。すなわち、図４における断面においては、第１熱電変換部材２同士及び第２熱電変換部材３同士が電気的に接続されることがないように、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材２と１つの第２熱電変換部材３とを本体部１４（電極４ａ）を介して接続されている。

次に、図６に示すように、第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂに電極４ｂを形成する工程を行う。具体的には、電極４ａによって接続された状態の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持部１１から取り出し、図６に示すような平坦な支持台１７上に載置する。第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の上記取り出しには、例えばピンセットを用いて電極４ａ（より具体的には主連結部１５）をつまむことにより行われる。また、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を載置する際、電極４ａを支持台１７に当接させる。その後、第２端部２ｂ、３ｂに平板状の銅板を接合し、電極４ｂを形成する。例えば、溶接等の技術を利用して、第２端部３ｂに銅板を接合してもよい。ここで、電極４ｂは既に小片化されており、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材２と１つの第２熱電変換部材３と電気的に接続されるものの、電極４ｂによっては第１熱電変換部材２同士及び第２熱電変換部材３同士が電気的に接続されていない。なお、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の支持方法は、上述した方法に限定されることなく、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を倒して載置してもよい。このような場合にも、第１端部２ａ、３ａが一直線上にそろうように載置することになる。

そして、電極４ｂの形成後に、副連結部１６を切断して電極４ａを小片化して（すなわち、本体部１４のみから電極４ａを構成させ）、電極４ａによって第１熱電変換部材２同士及び第２熱電変換部材３同士が電気的に接続されないように、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材２と１つの第２熱電変換部材３と電気的に接続する。以上の工程を経て、熱電変換素子１の製造が完了する。

（本実施例の効果）
本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法においては、第１熱電変換部材２の第１端部２ａ及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａを露出させつつ第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持し、当該第１端部２ａ、３ａを金属粉末１３によって被覆し、当該金属粉末１３を焼結して電極４ａを形成している。このように、当該第１端部２ａ、３ａが電極４ａによって覆われているため、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の寸法のバラツキが存在していたとしても、製造される熱電変換素子１においては、当該バラツキが吸収されることになる。すなわち、本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法においては、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止し、製造コストの低減を実現することができる。また、電極４ａと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３とを強固に接合することができる。すなわち、電極４ａと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３との接合強度を大幅に向上することができる。

本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法においては、保持工程において複数の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を並置させ、電極形成工程において隣接する第１熱電変換部材２の第１端部２ａ及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａを電極４ａによって電気的に接続している。これにより、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止しつつ、熱電変換素子１の小型化を実現することができる。更に、電極４ａと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３との接合強度を大幅に向上することもできる。

本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法においては、保持工程において複数の第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂを同一平面上に配置するとともに、第１熱電変換部材２の第１端部２ａ及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａを露出させている。これにより、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止しつつ、第２端部２ｂ、３ｂと第２端部２ｂ、３ｂ側に配置される電極４ｂとを良好に（すなわち、非接触部分が存在しない状態で）当接させ、電極４ｂを第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３に対して強固に接合することができる。すなわち、製造コストの低減を実現しつつ、電極４ｂと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３との接合強度を大幅に向上することができる。

本実施例に係る熱電変換素子１の製造方法においては、保持工程において複数の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３が嵌挿され且つ底面が同一平面上に配置された開口１１ａを備える保持部１１により、複数の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持している。このような保持部１１を用いて保持することにより、簡易な構成及び工程によって第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂを同一平面上に確実にそろえることができる。

本実施例に係る熱電変換素子１は、並設された複数の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３と、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の両端部のそれぞれに接合された電極４ａ、４ｂと、を有し、第１熱電変換部材２の第１端部２ａ及び第２熱電変換部材３の第１端部３ａに接合した電極４ａは、第１端部２ａ、３ａを被覆するように設けられた金属粉末１３を焼結して形成されている。このような電極４ａの構成により、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の寸法のバラツキが存在していたとしても、熱電変換素子１としては当該バラツキが吸収されることになる。従って、本実施例に係る熱電変換素子１は、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止され、コストが低減されている。また、本実施例に係る熱電変換素子１においては、電極４ａと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３とが強固に接合されている。すなわち、電極４ａと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３との接合強度が大幅に向上されている。

本実施例に係る熱電変換素子１は、第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂは、同一平面上に配置される。このような構造により、熱電変換材料への追加加工を必要とせずに、熱電変換材料の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下が防止されつつ、第２端部２ｂ、３ｂと第２端部２ｂ、３ｂ側に配置される電極４ｂとが良好に（すなわち、非接触部分が存在しない状態で）当接し、電極４ｂと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３とが強固に接合されている。すなわち、本実施例に係る熱電変換素子１は、コストの低減が実現されつつも、電極４ｂと第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３との接合強度が大幅に向上されている。

以上のことから、本実施例によれば、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の寸法バラツキに起因する熱電特性の低下及びプレス時の荷重バランスの低下を防止することができる熱電変換素子１の製造方法、及び優れた熱電特性を備える熱電変換素子１を提供することができる。

＜実施例２＞
上述した実施例１においては、製造装置１０の保持部１１の底面に第１熱電変換部材２の第２端部２ｂ、及び第２熱電変換部材３の第２端部３ｂを当接させ、これにより第２端部２ｂ、３ｂを同一平面上にそろえていたが、図７に示すような方法によって第２端部２ｂ、３ｂを同一平面上にそろえてもよい。図７は、図１と同様にして示した熱電変換素子１の製造工程中の概略断面図である。なお、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を製造装置によって保持する工程以外は、上述した実施例１と同様のため、保持工程以外の説明は省略する。

図７に示すように、実施例２における製造装置２０の保持部２１は、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３が嵌挿される貫通孔２２を備える嵌挿部２３と、貫通孔２２に嵌挿されて第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３に当接して位置決めをなす位置決め部２４とから構成されている。また、位置決め部２４は、貫通孔２２に嵌挿される複数のピンパンチ２５、ピンパンチ２５を保持する台座２６から構成されている。更に、複数のピンパンチ２５の長さは同一であり、且つ台座２６のピンパンチ２５の保持面は平坦であるため、台座２６によって保持されていないピンパンチの２５の一端は、同一平面上にそろって位置している。ここで、ピンパンチ２５は加工を容易に行うことができる鉄、銅等金属材料から構成され、台座は黒鉛から構成されている。

第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３が貫通孔２２に嵌挿されると、第２端部２ｂ、３ｂがピンパンチ２５に当接し、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の端部がそろった状態となる。換言すれば、ピンパンチ２５に第２端部２ｂ、３ｂを当接して位置決めすることにより、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の基準端面の形成が行われている。

なお、電極４ａの形成工程においては、電極焼結用パンチ１２及びピンパンチ２５を介して加圧が行われることになる。

本実施例の製造方法においては、上述したような保持部２１を備える製造装置２０を使用して第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持しているため、上述した実施例１の効果に加えて、第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３の寸法に柔軟に対応して熱電変換素子１を製造することができる。

また、本実施例の製造方法においては、上述したような保持部２１を備える製造装置２０を使用して第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を保持しているため、電極４ａが形成された後に、ピンパンチ２５を押し込み方向へ移動させる（すなわち、ピンパンチ２５を第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３に向けて押圧する）ことで、電極４ａが形成された状態の第１熱電変換部材２及び第２熱電変換部材３を容易に取り出すことが可能になる。

＜実施例３＞
本発明の熱電変換素子は、上述した実施例１及び実施例２に係る熱電変換素子１に限定されることなく、熱電変換部材の両端に位置する全ての電極が熱電変換部材の端部を被覆するように形成されてもよい。すなわち、すべての電極が金属粉末から形成されていてもよい。以下において、このような構造を備える熱電変換素子１０１を実施例３として、図８乃至図１４を参照しつつ、その構造及び製造方法を説明する。

（熱電変換素子の構造）
まず、図８を参照しつつ、本発明の実施例３に係る熱電変換素子１０１の構造について説明する。図８は、実施例３に係る熱電変換素子の概略を示す断面図である。なお、図８は、熱電変換素子１０１を構成する熱電変換部材の延在方向に沿った断面図である。

図８に示すように、実施例３に係る熱電変換素子１０１は、Ｐ型半導体材料からなる第１熱電変換部材１０２、Ｎ型半導体材料からなる第２熱電変換部材１０３、並びに第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端に設けられた電極１０４ａ、１０４ｂから構成されている。本実施例においても、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の外形は同一であり、直径が２ｍｍ、長さが５ｍｍから１０ｍｍである。また、第１熱電変換部材１０２と第２熱電変換部材１０３とは交互に並置されている。そして、隣接する第１熱電変換部材１０２と第２熱電変換部材１０３とは、小片化された電極１０４ａ、１０４ｂによって電気的に接続されている。すなわち、熱電変換素子１０１は、実施例１の熱電変換素子１と同様に、第１熱電変換部材２と第２熱電変換部材３とが直列接続された構成を備えている。

また、図８に示すように、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端に設けられた電極１０４ａ、１０４ｂは、各端部（第１端部１０２ａ、１０３ａ、及び第２端部１０２ｂ、１０３ｂ）を覆っている。本実施例において、電極１０４ａ、１０４ｂは金属粉末を焼結させることによって形成されている。なお、本実施例の熱電変換素子１０１においては、実施例１のような基準端面が形成されておらず、各端部の位置はそろっていなくもよい。

（熱電変換素子の製造方法）
次に、図９乃至図１４を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換素子１０１の製造方法を説明する。図９は、図８と同様にして示した熱電変換素子１０１の製造工程中の概略断面図であり、図１０乃至図１４は図９の線IX-IXに沿って示す断面であって、熱電変換素子１０１の製造工程中の概略断面図である。

図９乃至図１４から分かるように、本実施例においては、熱電変換素子１０１を製造するために、製造装置１１０を使用する。製造装置１１０は、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を保持する第１保持部（ダイス）１１１及び第２保持部（ダイス）１１２、複数の電極焼結用パンチ１１３、並びに電極焼結用パンチを支持する２つの台座１１４を備えている。また、第１保持部１１１及び第２保持部１１２には、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を保持する際に、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端を露出するための貫通孔１１１ａ、１１２ａが形成されている。更に、第１保持部１１１には、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３が載置されるための凹部１１１ｂが形成され、第２保持部１１２には、凹部１１１ｂに嵌合する凸部１１２ｂが形成さえている。ここで、第２保持部１１２の凸部１１２ｂが第１保持部１１１の凹部１１１ｂに嵌装されると、対向する貫通孔１１１ａと貫通孔１１２ａとは連通することになる。本実施例においては、第１保持部１１１、第２保持部１１２、電極焼結用パンチ１１３、及び台座１１４は、導電性を備える材料（例えば、黒鉛）から構成されている。

先ず、図９及び図１０に示すように、製造装置１１０を構成する第１保持部１１１の凹部１１１ｂ内に準備した第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を載置する。当該載置の際に、第１熱電変換部材１０２の第１端部１０２ａ及び第２端部１０２ｂ、並びに第２熱電変換部材１０３の第１端部１０３ａ及び第２端部１０３ｂが貫通孔１１１ａの形成部分において露出するようにする。

次に、図１１に示すように、第１保持部１１１の貫通孔１１１ａに電極焼結用パンチ１１３を嵌挿する。この際、電極焼結用パンチ１１３が第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３に接触しないように、電極焼結用パンチ１１３の位置を調整する。

次に、図１２に示すように、第２保持部１１２を第１保持部１１１に嵌合させる。具体的には、第２保持部１１２の凸部１１２ｂを第１保持部１１１の凹部１１１ｂに嵌装させ、第１保持部１１１と第２保持部１１２とによって第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を挟み込む。この際、貫通孔１１１ａと貫通孔１１２ａとが連通し、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端は、貫通孔１１１ａ、１１２ａの形成部分において露出した状態となる。

以上の工程を経て、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の保持工程が完了する。なお、電極焼結用パンチ１１３を嵌挿する工程と、第２保持部１１２を第１保持部１１１に嵌合させる工程とを入れ替えてもよい。

次に、図１３に示すように、露出した第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端を被覆するように、貫通孔１１１ａ、１１２ａ内に金属粉末１１５（例えば、ニッケル及び銅の粉末）を投入する被覆工程を行う。ここで、金属粉末１１５の投入量は、貫通孔１１２ａからはみ出さない程度に適宜行われる。

次に、図１４に示すように、金属粉末１１５を焼結させて電極１０４ａ、１０４ｂを同時に形成する電極形成工程を行う。具体的には、第２保持部１１２の貫通孔１１２ａにも電極焼結用パンチ１１３を嵌挿させ、金属粉末１１５を第１保持部１１１、第２保持部１１２、及び電極焼結用パンチ１１３によって取り囲む。その後、電極焼結用パンチ１１３によって金属粉末１１５を加圧（押圧）するとともに、電極焼結用パンチ１１３に電流を供給して、製造装置１１０内を加熱する。換言すれば、金属粉末１１５に対して加圧処理及び加熱処理を施すことになる。加熱温度は、実施例１と同様である。

本実施例においては、第１保持部１１１及び第２保持部１１２による第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を保持した状態において、連通した１つの貫通孔１１１ａ、１１２ａにより、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材１０２と１つの第２熱電変換部材１０３との端部同士が露出されている。このため、当該貫通孔１１１ａ、１１２ａに電極１０４ａ、１０４ｂを形成することにより、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材１０２と１つの第２熱電変換部材１０３とが電気的に接続されることになる。

次に、金属粉末１１５を焼結後、完成した熱電変換素子１０１を製造装置１１０から取り出す。第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の取り出しには、実施例１と同様に、例えばピンセットを用いて電極１０４ａ、１０４ｂをつまむことにより行われる。

以上の工程を経て、熱電変換素子１０１の製造が完了する。

（本実施例の効果）
本実施例の熱電変換素子１０１の製造方法においては、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端部分を露出させつつ第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を保持し、金属粉末１１５を焼結することによって第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端部分に電極１０４ａ、１０４ｂを同時に形成している。このような製造工程を用いることにより、上述した実施例１及び実施例２と比較して、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３と電極１０４ｂとをより強固且つ確実に接合することができる。また、電極１０４ａ、１０４ｂを同時に形成することができ、製造工程及び製造コストの削減を一層図ることができる。

更に、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の端部の位置合わせが不要となり、製造工程及び製造コストの削減をより一層図ることができる。

＜実施例４＞
上述した実施例３においては、金属粉末１１５の焼結時である電極１０４ａ、１０４ｂの形成の際に、電極１０４ａ、１０４ｂは、互いに隣接する１つの第１熱電変換部材１０２と１つの第２熱電変換部材１０３と電気的に接続されているが、金属粉末１１５の焼結時には、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３のそれぞれに、独立した電極を形成してもよい。以下において、図１５乃至図１７を参照しつつ、このような製造工程を含む製造方法を説明する。ここで、図１５乃至図１７は、図９と同様にして示した熱電変換素子の製造工程中の概略断面図である。なお、実施例３と同様の工程については、その説明を省略するものとする。

先ず、図１５に示すように、製造装置を構成する第１保持部１２１の凹部１２１ｂ内に準備した第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を載置する。当該載置の際に、第１熱電変換部材２の第１端部１０２ａ及び第２端部１０２ｂ、並びに第２熱電変換部材１０３の第１端部１０３ａ及び第２端部１０３ｂが貫通孔１２１ａの形成部分において露出するようにする。ここで、貫通孔１２１ａは、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の載置位置の両端に配設されている。すなわち、凹部１２１ｂのそれぞれの両端部分に貫通孔１２１ａが形成されている。

その後、上述した実施例３と同様に、電極焼結用パンチの嵌挿、及び第２保持部の嵌合を行い、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の保持工程を行う。この際、第２保持部の貫通孔は、第１保持部１２１の貫通孔１２１ａに対応している。すなわち、第２保持部の貫通孔は、第１保持部１２１の凹部１２１ｂに嵌挿される凸部の両端に配設されている。そして、第１保持部１２１の貫通孔１２１ａと第２保持部の貫通孔とは、実施例３と同様に、連通することになる。

続いて、上述した実施例３と同様に、金属粉末の投入及び焼成を行い、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の両端部に独立した（すなわち、隣接する第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を電気的に接続しない）電極１２４ａ、１２４ｂを形成する。更に、図１６に示すように、保持部による保持を解除し、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を交互に並設する。その後、図１７に示すように、隣接する第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の電極１２４ａ、１２４ｂ同士を電気的に接続するように、接続電極である接続部１２５を形成する。すなわち、隣接する第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の電極１２４ａ、１２４ｂを電気的に接続する接続工程を行う。接続部１２５は、例えば、スポット溶接によって形成されてもよい。

以上の工程を経て、本実施例に係る熱電変換素子１３０が形成される。

また、図１８に示すように、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を交互に並設する際に、第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を接続する電極が曲面電極となるように、複数の電極１２４ａを結ぶ軌跡及び複数の電極１２４ｂを結ぶ軌跡が曲線（図１８における破線）となるようにしてもよい。すなわち、電極１２４ａ、１２４ｂの形成面の表面形状を湾曲させてもよい。

本実施例の熱電変換素子１３０の製造方法においては、電極１２４ａ、１２４ｂが形成された第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を電気的に独立して製造し、その後においてスポット溶接等により、隣接する第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３の電極１２４ａ、１２４ｂを電気的に接続している。このような製造工程を用いることにより、電極１２４ａ、１２４ｂ同士を確実に接続し、隣接する第１熱電変換部材１０２及び第２熱電変換部材１０３を電気的に接続することができる。また、このような製造工程を用いることにより、製造される熱電変換素子１３０の形状を自在に変形することができる。

１ 熱電変換素子
２ 第１熱電変換部材
２ａ 第１端部
２ｂ 第２端部
３ 第２熱電変換部材
３ａ 第１端部
３ｂ 第２端部
４ａ、４ｂ 電極
１０ 製造装置
１１ 保持部
１１ａ 開口
１１ｂ 凹部
１２ 電極焼結用パンチ
１３ 金属粉末
１４ 本体部
１５ 主連結部
１６ 副連結部
１７ 支持台

Claims (13)

1. 少なくとも１つの熱電変換部材の少なくとも一端面及びその近傍の側面を露出させつつ前記熱電変換部材を保持する保持工程と、
   前記熱電変換部材の露出した一端面及びその近傍の側面を金属粉末によって被覆する被覆工程と、
   前記金属粉末を焼結させて前記熱電変換部材の一端面及びその近傍の側面に電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
2. 前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材を並置させ、
   前記電極形成工程において、隣接する前記熱電変換部材の端部を前記電極によって電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子の製造方法。
3. 前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材の一端面を同一平面上に配置するとともに、他端面側を露出させることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子の製造方法。
4. 前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材が嵌挿され且つ底面が同一平面上に配置された開口を備える保持部により、複数の前記熱電変換部材を保持することを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子の製造方法。
5. 前記保持工程において、複数の前記熱電変換部材が嵌挿される貫通孔を含む嵌挿部と、前記嵌挿部に嵌挿されるとともに複数の前記熱電変換部材に当接して複数の前記熱電変換部材の一端面が同一平面上に位置するように位置決めする位置決め部とを備える保持部により、複数の前記熱電変換部材を保持することを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子の製造方法。
6. 前記保持工程において、前記熱電変換部材の両端面及びその近傍の側面を露出させつつ前記熱電変換部材を保持することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子の製造方法。
7. 前記電極形成工程において、複数の前記熱電変換部材の両端のそれぞれに前記電極を独立して形成し、
   複数の前記熱電変換部材の保持を解除するとともに複数の前記熱電変換部材を並設し、隣接する前記熱電変換部材の電極を電気的に接続する接続工程を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換素子の製造方法。
8. 並設された複数の熱電変換部材と、
   前記複数の熱電変換部材の両端部のそれぞれに接合された電極と、を有し、
   前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極の少なくとも一方は、前記熱電変換部材の端面及びその近傍の側面を被覆するように設けられた金属粉末を焼結して形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
9. 前記電極は、隣接する前記熱電変換部材の端部同士を電気的に接続することを特徴とする請求項８に記載の熱電変換素子。
10. 前記複数の熱電変換部材の一方の端面は、同一平面上に配置されるとともに、
    他方の端面側に接合された前記電極は、前記金属粉末を焼結して形成されていることを特徴とする請求項９に記載の熱電変換素子。
11. 前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極の双方は、前記熱電変換部材の端面及びその近傍の側面を被覆するように設けられた前記金属粉末を焼結して形成されていることを特徴とする請求項９に記載の熱電変換素子。
12. 隣接する前記熱電変換部材の両端部に接合した前記電極同士を電気的に接続する接続部を有することを特徴とする請求項８に記載の熱電変換素子。
13. 前記電極の形成面の表面形状は、湾曲していることを特徴とする請求項１２に記載の熱電変換素子。
    

Images