JP2009025294A - 熱電対とその測温接点形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２本の熱電対素線を溶融接合した測温部を、溶融部が団子状に肥大化していない熱電対とその製造方法を提供する。
【解決手段】熱電対測温部は、２本の熱電対素線が相互に接触した部分がハンダフリーに溶融されて一体化され、当該溶融箇所の大きさが素線の太さと同等か２倍未満であることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、２本の熱電対素線を溶融接合してなる測温部を有する熱電対とその測温接点形成方法に関する。

熱電対は、構成する２本の熱電対素線を溶融接合した測温部を有しているが、この測温部は図１２に示すように、溶融部が団子状に肥大化している。一方、感度を敏感にするには、素線の直径を細くするとともに測温部の体積を小さくするのが良いとされているが、溶融部の肥大化のため、感度を上げるには限界があった。
また、直径が１００ミクロン以下の微小な測温部を形成するのは、従来は、ハンダ付けを行わざるを得ないので、そのハンダによる影響を受けて、高温での測定は、ハンダの溶融温度までとされていた。

本発明は、このような実情に鑑み、溶融部が団子状に肥大化していない熱電対とその製造方法を提供するととともに、ハンダフリーの微小測温部を提供することを目的とする。

発明１の熱電対は、前記測温部は、二本の熱電対素線が相互に接触した部分が溶融されて一体化され、当該溶融箇所の大きさ（直径）が素線太さの２倍未満であることを特徴とする。

発明２は、発明１の熱電対において、前記熱電対素線の線径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
発明３は、発明1又は２の熱電対において、前記測温部は、ハンダフリーであることを特徴とする。

発明４は、発明１から３のいずれかの熱電対の測温接点形成方法であって、２本の熱電対素線の溶融接合を、次の（式１）に示すＫが０．２以上であるようにして、不活性ガス中にてパルス状の高電圧マイクロ放電により行うことを特徴とする。
（式1）
発明５は、発明４の熱電対の測温接点形成方法であって、前記（式１）に示すＫが１．５以上にして、前記高電圧マイクロ放電を一回のみで２本の熱電対素線の溶融接合を行うことを特徴とする。
発明６は、発明４の熱電対の測温接点形成方法であって、前記（式１）に示すＫが０．３以上にして、前記高電圧マイクロ放電と非放電による冷却を多数飼い繰り返して２本の熱電対素線の溶融接合することを特徴とする。

測温部の肥大化を抑制して熱電対素線の直径を細くすることにより、測定感度・応答性の向上が計られ、従来には望むことが出来ない極めて高感度の熱電対を提供することが出来た。
さらに、ハンダフリーの測温部を達成したので、ハンダによる影響を受けずに、高い温度の測定まで可能になった。

発明４により、従来行っていた溶接法によるものに比べ，測温接点を形成するためのエネルギー制御性を良くして溶融部を肥大化することを抑え、測温部の大きさを素線の太さの２倍未満にすることができた。
また、素線同士を溶融して一体化することで、ハンダフリーを実現できた。

以下の実施例では、Ｋ熱電対（＋脚:クロメル合金、−脚：アルメル合金）の測温接点を形成する方法について述べている。この方法を応用して、金やニッケル以外に、難接合材で高融点のタングステンワイヤと金属粒子を接合した例があり、Ｒ熱電対およびＢ熱電対等の白金系熱電対やＷＲｅ５：２６型等の超高温用熱電対の素材の融点は、タングステンの融点３４２２°Ｃよりも低いので、素線径が数十μｍの極細熱電対であれば、これらの熱電対の測温接点形成にも適用できる。（詳細は、［No.01-26］日本機械学会第9会機械材料・材料加工技術講演会講演論文集［2001-11.08,09、沖縄］,p.89-90、未踏科学技術協会第14回インテリジェント材料／システムシンポジウムアジアワークショップ講演要旨集「2005-03.09,10、東京」,p.78-79、粉体工学会2002年度秋期研究発表会論文集［2002-11.14,15、千葉］,p.144-145）
これらの公開情報および実施例では、測温接点形成の前段階として２本の素線先端部を顕微鏡で観察しながら、素線をそれぞれ手で動かして交差させている。このような方法で２本の線の先端部を精度よく交差させることは難しく、実施例１では２本の熱電対素線の先端部が少し飛び出た形で交差させている。飛び出した部分は測温接点形成後も残っており、温度測定を高精度・高感度で行う妨げになる。従って、熱電対素線の先端が飛び出さないように交差させる必要がある。そのため、リール状に巻き込んだ熱電対素線をガイドに沿って送り出す機構を設けると、素線を繰り出すだけで先端を交差させることができる。
また、このときのエネルギーは、次の（式１）に示すＫが０．３以上となるように設定した。
（式1）
前記高電圧マイクロ放電を一回のみで素線同士を溶融する場合は、Ｋが1.5から3.0より好ましくは２．５以下とする。この場合、前記（式1）のＫが、1.4以下であると、測温接点の一部が溶融するが、完全溶融して一体化することはない。
また、Ｋが過剰であると、エネルギーが過大に供給され、素線の溶融や測温接点の肥大化が起きてしまう可能性があると考える。
また、前記高電圧マイクロ放電と非放電による冷却とを繰り返し行う場合は、一回の放電時のエネルギーが前記（式１）のＫで、０．２以上、より好ましくは。３以上１．０以下より好ましくは０．８以下とするのが好ましい。
０．２未満であると、素線同士の溶融が不充分で、測温接点としては安定して使用できなくなる。
また、１．０を超える放電を繰り返すと、素線の溶融や測温接点の肥大化が起きてしまう可能性があると考える。

本発明の実施例は添付図面を参照しながら説明する。本実施例では、線径１３μｍ、２５μｍと５０μｍの極細熱電対素線を用いたアルメル合金−クロメル合金（Ｋ）熱電対の作製例を示す。なお、Ｋ熱電対は２本の素線の融点に大きな差があり、さらに高温で酸化しやすいために接合しにくい材料である。図１、２は本発明である熱電対の測温部の形成手法の模式図を示した。図１は熱電対素線を垂直に立てる手法で、図２は熱電対素線を水平に寝かせる手法である。いずれも取り扱いを容易にするために、前記電対素線よりも相当太くて同質の基線（１）に、極細熱電対素線を継ぎ足した形状のものを用いている。図１の方法では、１対の線径０．２ｍｍの基線（１）を垂直に立てた接地電極となる金属基板（５）に固定し、前記金属基板は作業台（１２）に固定する。このとき、基線（１）と金属基板間は同電位になるようにする。

また、それぞれの基線（１）には、極細のアルメル合金線（２）とクロメル合金線（３）がはんだ付けされている。極細の合金線の先端は、金属基板から０．５ｍｍ以上飛び出して、かつ互いに交差して接触するようにして固定している。交差部（４）の直上約１ｍｍ以下の位置に印加電極とする金属針（６）の先端がくるように、金属針を垂直に配置する。パルス方式の高電圧電源（７）の電圧印加側を金属針に、接地電位（８）側を金属基板にそれぞれ接続した。金属針上方から不活性ガス（９）を流しながら、金属針に高電圧を印加して、金属針−交差部の間で放電させる。
なお、前記式（１）での時間ｔは、パルス方式での電流印加時の印加時間である。

図２の方法では極細熱電対素線をそれぞれはんだ付けした一対の線径０．２ｍｍの基線（１）を接地電極となる金属基板（５）に固定し、装置の作業台（１２）の上面に置く。交差部（４）の直上約０．１ｍｍの位置に印加電極とする金属針（６）の先端がくるように、金属針を垂直に配置し、図１と同様に金属針上方から不活性ガス（９）を流しながら、金属針に高電圧を印加して、金属針−交差部の間で放電させる。金属針は先端半径２μｍ、先端角５°、軸経０．６６ｍｍのタングステン、印加電圧は２ｋＶ以上１０ｋＶ以下とし、０．５−１秒印加した。なお、放電が生じると電圧が高速に復帰するコッククロフト・ウォルトン回路をもつ電源を使っており、１秒間の放電中には、実際には1ｍＡ程度の電流がパルスで流れている。不活性ガスは放電開始５秒前から放電終了５秒後まで流した。

図３は線径２５μｍの熱電対素線を、図１に示すように、立てて用いた場合の放電中の様子を時間経過にしたがって示す。不活性ガスはヘリウム−１０％水素の混合ガスを毎分１リットルの割合で流して、基線を含む全体を、この混合ガスで包み込んだ状態を維持し、放電炎の周辺を大気からシールドした。周辺の圧力は常圧を保っていた（以下同じ）。金属針と熱電対素線の交差部との間を４００μｍとし、印加電圧は５ｋＶ、定格電流は１ｍＡ、放電時間は０．５秒とした。図中の各写真は１／３０秒間隔で撮影されたもので、１画面に２つの画像があるのは同じものを別方向から同時に撮影しているためである。放電は２本の素線を包み込みながら発生し、放電が開始して約０．１秒後、素線は白熱化する（図中上段右端の写真）。さらに、放電を開始して約０．４秒後に２本の素線は溶融接合して一体化した。この時、素線の先端部が高温になったために折れ曲がってしまった（図中４段目左から２枚目の写真）。図４は放電終了後の熱電対外観を示すＳＥＭ写真である。写真中央の白丸部分が溶融接合している箇所で、その大きさは素線径の約１．５倍である。写真の手前にある素線がクロメル合金脚（素線）、奥がアルメル合金脚（素線）を示す。アルメル合金はクロメル合金より低い融点にあるために、完全に溶融して交差部に集まったか、あるいは放電で一部吹き飛ばされてしまったと考えられる。折れ曲がったのはクロメル合金のみである。

図５は素線径５０μｍの熱電対素線を垂直に立てた場合の放電中の様子を撮影した動画の１コマである。不活性ガスとして窒素を毎分１リットルの割合で流しており、放電炎の周辺は大気からシールドされ、放電は熱電対素線を包み込むように発生している。金属針と熱電対素線間は６００μｍ離し、印加電圧は５ｋＶとし、電圧を１秒印加しては０．５秒休止（非放電してシールドガスで冷却）するという操作を２６回繰り返した。放電−休止の繰り返し回数が１０回以上になると、入熱に対する熱の放散の割合が低くなり、金属針に近いアルメル合金素線の上方が蓄熱されて白熱化した。
なお、（式１）における、一回のＫは、０．４であった。

図６は放電終了後の交差部の外観である。実線の○印で示す領域が交差部の熱電対素線同士が接合している部分である。素線同士が一体化したというよりも、接触部で微小な接合部が多数生成している。測温部となる溶け合った部分は非常に小さく熱容量も少ないため、応答性良く、かつ高感度に温度を測定できると考えられる。
また、一点鎖線の○印で示す領域は高電圧放電によりアルメル合金線が溶融して球状になった部分で、直径は７０μｍ（素線径の１．４倍）である。本実験では２本の熱電対素線の先端部が少し飛び出た形で交差させているが、飛び出しを最小にし、放電条件の最適化を実施することで、素線径２５μｍの場合のように、交差部が完全に溶融した測温部を形成することが可能で、一点鎖線で示した球状部分と同等な微小な体積の測温接点が形成できると思われる。

図７は作製した極細熱電対の測温接点部をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（以下ＥＤＸと略記する）で成分分析した結果の一例である。−脚であるアルメル合金と＋脚であるクロメル合金の成分であるＮｉ、Ｃｒ、Ｍｎの存在が明瞭に示された。表１はＥＤＸにより計測した素線および測温接点部の組成を重量％で表示した結果で、上段は最小値、下段は最大値をそれぞれ示す。

ＥＤＸは本来微小領域を対象とした定性分析用であり、正確な定量分析は難しいために、各計測結果の最大と最小値のばらつきは非常に大きく、約１桁違う物もある。図８は図４で示した測温部を樹脂包埋した後に研磨した断面全体のＳＥＭ写真である。写真の左下に示す大きな丸い部分は樹脂中に残ってしまった気泡である。白丸で囲まれた部分が測温部の断面である。測温部以外の断面はクロメル合金線およびアルメル合金線である。図９は測温部断面の拡大像を示す。研磨後の断面の表面に薄い被膜が存在している。表２は図４の熱電対測温部の表面、図９に示すその断面及び市販の線径０．５ｍｍのＫ熱電対測温部表面を同様にＥＤＸで測定した結果を示す。

＊印は図4の測温部表面を示す結果、＊＊印は図9に示した測温部断面の結果、＊＊＊印は市販品表面の結果である。
試作した測温部表面のＮｉ成分はその内側に比べ少ない。一方、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎの各成分は表面側で大きく検出されている。図９の薄い被膜は高電圧放電の急激な加熱・急冷現象による析出層である。測温部断面で検出された成分は、Ｐｂ、Ｓｎの各成分が存在すること以外、市販の素線径０．５ｍｍの熱電対素線と組成が異なるとは言えない。

表３は、試作した熱電対と市販の熱電対を、同じ恒温器（ＳＩＢＡＴＡ、ＳＴＯ−３００）に並べて入れて、温度を段階的に上げながら測温した結果を示す。

恒温器の設定温度が約２５０℃まで市販の熱電対との差異は１度以下であった。また、表4は熱電対試作品、５０μｍ径市販品、０．５ｍｍ径市販品を加熱炉（ＫＤＦ、１７００型）の中に並べて入れて、設定温度を１５０℃から６５０℃まで５０℃間隔で段階的に上昇させながら測温した結果を示す。４５０℃までは、各熱電対間の出力温度差は約２-３℃であった。それ以上になると、５０μｍ径市販品のみ出力温度が低くなる傾向にあり、６５０℃では他の２つの熱電対と８℃の差があり、試作品の方が良いと思われる結果となった。

＊印は図4の測温部表面を示す結果、＊＊＊印は市販品表面の結果である。
なお、極細熱電対の測温接点形成方法において、熱電対の固定法、金属針と熱電対までの距離や印加電圧、印加時間、不活性ガス種等の作製条件はここで示した値に限定されない。

図１０は装置の概略説明図である。この装置は顕微鏡像を観察・記録しながら、直径２０μｍ以上の熱電対素線同士を溶融接合し、熱電対の測温接点を形成することを可能とするパルス方式高電圧接合装置である。この装置は作業台（１２）に取り付けた金属基板（５）を所定の位置に移動させるための電動ステージ（１０）、パルス方式高電圧電源（７）、金属針（６）、不活性ガスの供給部（１３）、熱電対の接合を観察するための顕微鏡（１１）を主要な構成要素とする。

以下図１０を用いて本発明の装置の概要について説明する。対象とする熱電対の素線径が２０μｍ以上であるため、電動ステージの分解能および繰り返し位置精度は１μｍ程度以下のものが望ましい。パルス方式高電圧電源は瞬間的に低電圧領域から高電圧領域に昇圧でき、電流値の少ないコッククロフト・ウォルトン型とした。顕微鏡は加工対象領域の観察、および金属針と対象物の初期位置設定を行うために用い、低倍率から高倍率までの観察ができ、作業空間を確保するため、長焦点対物レンズを採用した実体顕微鏡とした。不活性ガスは対象部位を大気からシールドし、安定した放電炎を発生させるためと溶融接合部に生ずる酸化物の生成を抑えるために用いる。本発明では不活性ガスとして窒素ガスや水素を含むヘリウム混合ガスを用いたが、その他の不活性ガスも用いることは可能である。

比較例１

図１１は、線径２５μｍの素線を用いた比較例で、電圧を０．５秒印加して０．５秒休止という、放電−休止のサイクルを繰り返して得られた溶融部のＳＥＭ写真である。写真中央の球状部分が溶融接合している箇所で、その大きさは写真上の計測で素線径の５倍以上あり、測温接点となる部分は肥大化している。この比較例では定格電流は図４に示した結果と同じであるが、放電動作を１回だけでなく数回加えたために、接合部が肥大化している。

比較例２

図１２は一般に使用されている線径０．３ｍｍの熱電対の先端部である。測温部はほぼ球形で，その直径は約１．５ｍｍと、素線径の約５倍程度になっている。

表５は上記各実施例及び比較例をまとめたものであり、前記式1が正しいことを明らかにするものである。なお、評価欄の○と×は、ＳＥＭ写真から目視により判断した。

本発明による熱電対は、従来では不可能であった高速・高感度での測定が可能であり、そのような特徴を持つ熱電対は以下の分野で有用であると考える。電子部品：フィードバック制御のための、マイクロプロセッサーやその他の集積回路部品の表面温度測定。マイクロタス分野：微細加工技術を駆使して、チップ上にポンプやバルブ、流路等を作製し、高速で生体分子の解析、微量血液による診断，医薬の効果測定、化学物質の合成・分析、環境モニタリングをオンチップで行う技術が研究されている。チップ上での操作のうち、温度測定・制御に使用可能である。一般家庭：電子体温計、調理温度計や調理器具への組み込み。その他プラントでの温度測定および熱に関する研究一般：直接の温度測定および温度シミュレーションの確認。

実施例１で示す熱電対測温接点形成手法のうち、熱電対素線を垂直に立てる手法の模式図 実施例１で示す熱電対測温接点形成手法のうち、熱電対素線を水平に寝かせる手法の模式図 実施例１における高電圧放電状態を示す連続写真 実施例１により作られた２５μｍ径の極細熱電対の外観を示すＳＥＭ写真 実施例１における高電圧放電状態を示す写真 実施例１により作られた５０μｍ径の極細熱電対の外観を示す写真 図６に示された極細熱電対測温部のＥＤＸによる定性分析結果 実施例１により作られた図４の熱電対の断面を示すＳＥＭ写真 図８の測温部の断面の拡大ＳＥＭ写真 実施例２で示す装置の概略模式図 比較例１により得られた極細熱電対の外観を示すＳＥＭ写真 市販の素線径０．３ｍｍ熱電対の外観を示す写真

符号の説明

（１）１対の基線
（２）極細熱電対素線
（３）極細熱電対素線
（４）熱電対素線の交差部
（５）金属基板
（６）金属針
（７）電源
（８）接地電位
（９）不活性ガス
（１０）電動ステージ
（１１）光学顕微鏡
（１２）作業台
（１３）不活性ガス供給器
（１４）ガス供給源
（１５）画像表示・記録

Claims (6)

1. ２本の熱電対素線を溶融接合してなる測温部を有する熱電対であって、前記測温部は、二本の熱電対素線が相互に接触した部分が溶融されて一体化され、当該溶融箇所の大きさ（直径）が素線太さの２倍未満であることを特徴とする熱電対。
2. 請求項１に記載の熱電対において、前記熱電対素線の線径が１００μｍ以下であることを特徴とする熱電対。
3. 請求項1又は２に記載の熱電対において、前記測温部は、ハンダフリーであることを特徴とする熱電対。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の熱電対の測温接点形成方法であって、２本の熱電対素線の溶融接合を、次の（式１）に示すＫが０．２以上であるようにして、不活性ガス中にてパルス状の高電圧マイクロ放電により行うことを特徴とする熱電対の測温接点形成方法。
   （式1）
   
5. 請求項４に記載の熱電対の測温接点形成方法であって、前記（式１）に示すＫが１．５以上にして、前記高電圧マイクロ放電を一回のみで２本の熱電対素線の溶融接合を行うことを特徴とする熱電対の測温接点形成方法。
6. 請求項４に記載の熱電対の測温接点形成方法であって、前記（式１）に示すＫが０．３以上にして、前記高電圧マイクロ放電と非放電による冷却を多数飼い繰り返して２本の熱電対素線の溶融接合することを特徴とする熱電対の測温接点形成方法。