JPH0552783A

JPH0552783A - 熱電特性測定装置

Info

Publication number: JPH0552783A
Application number: JP21740891A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hirano; 賢一平野; Shoji Tachibana; 昇二橘
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1991-08-28
Publication date: 1993-03-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】本装置は、局部加熱可能なスポット光源１、
光源１の照射による局部加熱により温度勾配を生じた試
料の２地点の温度と電位差を測定するための２本の着脱
式熱電対端子３、４、該熱電対端子に接続された熱起電
力測定器および温度測定器、スポット光源１からパルス
光あるいは断続光を発生させる装置、熱電対端子３、４
の内側で両熱電対端子を結ぶ線上に位置し、試料の２地
点間の電位差を測定するための２本の着脱式電極端子、
該電極端子に接続された電位差計、熱電対端子３または
４を構成する金属線対の一方から他の熱電対端子４また
は３を構成する金属線対の一方へ直流電流を通電する装
置を設ける。【効果】同一装置で、試料の温度条件、測定系の雰囲
気、圧力を変化させ、熱起電力、熱伝導率、電気抵抗を
測定できる。この結果、測定値の信頼性や測定時間の大
幅な短縮が可能となり、熱電材料としての適否の判定が
容易となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換素子として有
望と考えられる材料の熱電特性測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】エネルギー源の大半を他の諸外国に依存
しているわが国にとって、新エネルギー開発の問題、あ
るいは地球の温暖化、環境汚染の原因となる化石燃料の
使用低減の問題、さらには年間約２億Ｋｌにもなるわが
国の膨大な廃熱エネルギー（松原、エネルギー資源、Ｖ
ｏｌ．１２、Ｎｏ．３、１９９１年参照）の有効利用の
問題は、対策を要する緊急の課題である。

【０００３】そのような状況の中で、新しいエネルギー
源として、熱電変換材料はクリーンなエネルギーが得ら
れる材料として実用化が期待されており、そのような材
料を開発することは重要であると考えられる。

【０００４】上記熱電変換材料の適否を判断するために
は、材料の３つの特性すなわち熱起電力、熱伝導率、電
気抵抗を測定する必要がある。

【０００５】この中で、熱起電力については、今までい
くつかの測定方法が考えられている。一般的には、試料
の一端を任意の温度に加熱し高温部を設け、他端を自然
冷却あるいは強制冷却することにより低温部を設け、材
料中に温度勾配を発生させ、その間に発生した熱起電力
を測定するという方法をとっている。

【０００６】しかしながら、熱起電力の測定装置は測定
者が自作している場合が多く、それらの構造は測定者に
より、かなり異なっている。従来の熱起電力の測定方法
及び測定装置は、試料の加熱方法に着目すれば、大きく
次の３種類に分類される。

【０００７】（１）材料の近傍に発熱体を設け、試料の
一端を冷却する。（例えば、Ｃ．Ｙ．Ｌｉｎら、Ｍａ
ｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．Ｖｏｌ．１８，１９８３年参
照）（２）発熱体により加熱された２つの物体を試料の端部
２箇所に接触させる。（例えば、Ｊ．Ｆ．Ｎａｋａｈａ
ｒａら、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎ．Ｔｈｅｒｍｏｅｌ
ｅｃｔｒ．Ｅｎｅｒｇｙ．Ｃｏｎｖｅｒｓ，６ｔｈ，１
９８６年参照）（３）発散光を発生するハロゲンランプで試料と密着し
ている試料台を加熱する間接加熱を行う。（木村ら、文
部省重点領域研究、エネルギー変換技術、昭和６３年度
研究成果報告書参照）図１２〜１４はこのような熱起電力測定装置の従来例を
示すものである。

【０００８】図１２はＣ．Ｙ．Ｌｉｎらによる方法を示
したものである。試料（７２）は外部発熱体（７１）を
持つセル（７５）内のほぼ中心部に配置され、試料全体
を温度Ｔ₂に加熱し、試料（７２）の右端部方向からガ
ス（７６）を流し、右端部を温度Ｔ₁に冷却する。この
試料（７２）の左端部（温度Ｔ₂）と右端部（Ｔ₁）に形
成された温度勾配（△Ｔ＝Ｔ₂−Ｔ₁）によって発生した
熱起電力（Ｅ）を熱電対端子（７３）、（７４）で測定
する。

【０００９】図１３はＪ．Ｆ．Ｎａｋａｈａｒａらによ
る方法を示したものである。ジャケット（５５）の外部
発熱体（５１）の他に、試料の上下両端部に２つの発熱
体（５６）、（５７）を配置し、試料（５２）の上部と
下部をＴ₁とＴ₂の温度にそれぞれ加熱する。試料（５
２）の上部と下部に発生した熱起電力（Ｅ）を熱電対端
子（５３）、（５４）で測定する。

【００１０】図１４は木村らによる方法を示したもので
ある。真空チャンバー（６５）内に、中空状の試料台
（６８）上に置いた試料（６２）を配置し、試料台方向
からハロゲンランプ（６１）によるランプ加熱を行う。
このとき、試料台（６８）は、試料（６２）と接する上
部が連続、下部が不連続である中空状のものを使用する
こと、また試料台（６８）とハロゲンランプ（６１）の
間にシャッター（６６）を設け、試料台（６８）の左端
部に照射される光を制限することによって、試料台（６
８）の左端部の温度（Ｔ₁）は右端部の温度（Ｔ₂）より
低く設定することができる。したがって、試料台（６
８）に接触している試料（６２）は左端部と右端部の間
に温度勾配△Ｔができる。この温度勾配によって発生し
た熱起電力（Ｅ）を端子（６３）、（６４）によって測
定する。

【００１１】上記図１２〜１４の熱起電力測定装置に電
極端子及び電気抵抗測定装置を設けることにより、熱起
電力の他に電気抵抗の測定が可能となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
〜図１４に示した熱起電力測定装置では、上記３つの熱
電特性の中で、熱起電力のみあるいは熱起電力と電気抵
抗の２つの特性の測定は行なうことが出来るが、熱起電
力と熱伝導率の両方は測定出来なかった。したがって、
熱起電力と熱伝導率の測定は全く別の装置を用いる必要
があった。

【００１３】また、熱電変換材料の実用化を考えると、
バルク状物質よりも、材料が少なくて済み、小型化が容
易で、大量生産可能な薄膜状物質の方がより有利であ
る。ところが、Ｃ．Ｙ．ＬｉｎらとＪ．Ｆ．Ｎａｋａｈ
ａｒａらの方法では、バルク状物質の測定は可能だが、
薄膜状物質の測定はできないという問題点があった。一
方、木村らの方法ではバルク状物質及び薄膜状物質の両
方を測定できるが、試料を直接加熱するのではなく、試
料台を加熱する間接加熱の方式であるため、試料の正確
な温度制御が困難となるので、得られた熱起電力（Ｅ）
の値は不正確となる上、複雑形状の試料台が必要となる
という問題点があった。

【００１４】さらに、従来の熱起電力測定装置では発熱
体と試料台が一箇所に固定されているため、真空中また
は任意ガス雰囲気中で熱起電力の測定を行う場合に、系
を破らずに同一雰囲気に保ったまま試料の異なる箇所お
よび異なる温度条件での２回以上の測定、あるいは試料
を試料台にセットした後での任意箇所での測定は不可能
であるという問題点があった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点を解決するため鋭意努力した結果、これらを解決する
装置を完成するに至った。

【００１６】即ち、本発明は、局部加熱可能なスポット
光源（１）、該光源の照射による局部加熱により温度勾
配を生じた試料の２地点の温度および電位差を測定する
ための２本の着脱式熱電対端子（３）、（４）、該熱電
対端子に接続された熱起電力測定器（２７）および温度
測定器（２８）、並びにスポット光源（１）からパルス
光あるいは断続光を発生させる装置を設けてなることを
特徴とする熱起電力および熱伝導率の測定が可能な熱電
特性測定装置に関する。

【００１７】他の発明は、上記熱電特性測定装置に更
に、２本の着脱式熱電対端子（３）、（４）の内側で且
つ両熱電対端子を結ぶ線上に位置し、試料の２地点間の
電位差を測定するための２本の着脱式電極端子（５）、
（６）、該電極端子に接続された電位差計（１９）、前
記熱電対端子（３）または（４）を構成する金属線対の
一方から他の熱電対端子（４）または（３）を構成する
金属線対の一方へ直流電流を通電する装置（２４）を設
けてなることを特徴とする熱起電力、熱伝導率および電
気抵抗の測定が可能な熱電特性測定装置に関する。

【００１８】以下、これらの発明を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１９】図１は、本発明の熱起電力測定部の基本概
念を示す図である。図１において、（１）はスポット光
源、（２）は試料、（８）は試料ホルダー（１０）を付
属した試料台である。スポット光源（１）から発せられ
た光を試料（２）に照射することによって、任意の１点
を加熱中心として試料の一部あるいは全部を加熱する。
試料（２）の温度は、試料（２）に接した熱電対端子
（３）、（４）によって測定する。試料（２）の任意の
１点を温度Ｔ₂に加熱したとき、加熱中心より少し離れ
た端部は自然冷却あるいは必要ならば強制冷却すること
で、Ｔ₂より低い温度Ｔ₁になる。このとき熱電対端子
（３）、（４）が接した２点間の温度差（△Ｔ＝Ｔ₂−
Ｔ₁）に応じて、熱起電力（Ｅ）が発生する。この熱起
電力（Ｅ）の測定は、熱電対端子（３）を構成する１対
の金属線のうち一方の金属線と熱電対端子（４）を構成
する同じく一方の金属線、計２本の金属線間の電位差を
測定することによって行われる。

【００２０】本発明において、温度差及び電位差を測定
するための試料上の任意の２地点の内１点はスポット光
照射部とすることが、温度勾配を最大に出来るため好ま
しく採用される。尚、本発明において、スポット光照射
部とは試料の照射（表）面側の照射領域のみならず照射
面と反対（裏）面側の該表面照射領域に対応する領域も
意味する。

【００２１】試料（２）の冷却は自然冷却でもよいが、
強制冷却を行う場合には、試料台（８）またはその近傍
に冷却用媒体導入管（１１）を付属する、あるいは試料
（２）の任意の箇所にガスを吹き付けるなどの方法がと
られる。

【００２２】試料（２）にはスポット光を照射すること
によって、試料の任意の地点を加熱することができ、任
意の２地点間あるいは微小領域内に温度勾配を発生させ
ることができる。又、２地点間の温度勾配プロファイル
や各地点の温度をスポット光の照射径を変えることによ
り自由にコントロ−ルすることができるという利点も有
する。スポット光径は、これらの理由により種々変化さ
せるものであり特に限定されないが、通常１〜３０ｍｍ
程度の光径とする。

【００２３】該スポット光は、試料に照射された時点で
スポット光であればよく、光源から発せられた時点で発
散光であるかスポット光であるかについては限定されな
い。光源から発せられた時点で発散光である場合には、
点集光用ミラーあるいは鏡筒型集光装置、光ファイバー
などを設け、集光する。スポット光源（１）としては、
具体的には、赤外線点集光加熱炉、レーザー光発射装置
などがあげられる。

【００２４】図２〜６は、本発明の熱伝導率測定部の基
本概念および測定原理を示すための図である。

【００２５】熱伝導率は、熱拡散率の測定結果から計算
により算出される。熱拡散率の測定はパルス光あるいは
断続光を試料（２）に照射し、試料（２）の照射面と反
対の面の任意の地点での温度の時間的変化を測定し、解
析することによって行う。一般的には、フラッシュ法と
交流法と呼ばれる方法がある。前者は、パルス光を用い
て測定する方法で、熱伝導率の悪い材料ほどパルス光を
照射した箇所から離れた箇所へ熱伝導しにくいため、温
度上昇に時間がかかることを利用している。また後者
は、断続光を照射したときの試料の温度振幅の時間的変
化において、照射した箇所からの距離が離れるほど温度
振幅が小さくなっていくことを利用している。ここでパ
ルス光とは１度限り照射される任意時間の長さの光のこ
と、断続光とは特に２度以上照射されるパルス光のこと
を言う。

【００２６】図２及び４においては、パルス光または断
続光を発生させる装置として、試料（２）とスポット光
源（１）の間に光チョッパー（１６）を設けたところを
示している。この光チョッパー（１６）を任意の回転数
で回転させてパルス光及び断続光を発生させることでフ
ラッシュ法、交流法のいずれの方法でも測定可能とな
る。光チョッパー（１６）とは光を遮る羽の部分と光を
通す部分を計２つ以上持つ回転式の羽車である。

【００２７】試料（２）の照射面と反対の面の時間的な
温度変化は、フラッシュ法では熱電対端子（３）または
（４）のいずれか一方で、また交流法では熱電対端子
（３）、（４）の両方を用いて測定する。

【００２８】両測定方法を用いた具体的測定及び解析は
次のようにして行う。

【００２９】まずフラッシュ法を図２及び図３に基づい
て説明する。図２に示したように、あらかじめ電源を入
れておいた光源（１）と試料（２）の間を光チョッパー
（１６）によって遮っておく。そして熱電対による温度
測定の開始と同時にチョッパー（１６）を回転させ、光
が試料（２）の一方の面に照射されるようにし、１回の
照射に伴う他方の面の温度の時間的変化を記録する。温
度の時間的変化が図３のようになったとする。ここで、
照射前の温度（Ｔ₀）と最高到達温度（Ｔ_max）の平均値
（（Ｔ_max−Ｔ₀）／２）になるときの温度上昇開始から
の経過時間を読み取り、それをｔとする。熱拡散率
（α）及び熱伝導率（κ）はｔを用いて次式のように計
算される。（真空理工ＪｏｕｒｎａｌＶｏｌ１７，Ｎ
ｏ．１１９９０年参照） α＝１．３７・Ｌ²／（π²・ｔ）（１）式 κ＝α・Ｃ・ρ （２）式但し、Ｌ；試料の厚さ、Ｃ；試料の比熱、ρ；試料の密
度である。このフラッシュ法ではバルク状物質または厚
さの厚い薄膜状物質の測定を行うのに適しているが、基
板状に作成した薄膜状物質を測定する場合は次式のよう
な補正式が必要となる。

【００３０】 α＝１．３７・Ｌ_T ²／｛π²・（ｔ_T−ｔ_S）｝（３）式但し、Ｌ_T ²；薄膜の厚さ、ｔ_T；基板上の薄膜を測定し
たときのｔ、ｔ_S；基板のみを測定したときのｔであ
る。

【００３１】次に、交流法を図４〜図６に基づいて説明
する。図４に示したように、光源（１）で試料（２）の
下面の１点に光チョッパー（１６）によって発生した断
続光を照射する。試料（２）の断続光が照射されていな
い部分の時間的な温度変化をそれぞれ熱電対（３）、
（４）で同時に記録する。温度の時間的変化が図５のよ
うになったとすれば、光の照射箇所と照射されていない
箇所の境界からの熱電対（３）、（４）の距離Ｌ（それ
ぞれＬ₂₀、Ｌ₁₀とする）に対する試料（２）の温度振幅
（△Ｔ）の変化は、概ね図６に示されるようになる。こ
こで２点を結ぶ直線の傾き（ａ）から次式によって熱拡
散率（α）を求める。

【００３２】 α＝ｆ・π／ａ² （４）式但し、ｆ；断続光の周波数である。そして前出の（２）
式によって熱伝導率を算出する。この交流法は、薄膜状
物質及びバルク状物質のいずれにも適する測定法であ
る。

【００３３】図７は、本発明の電気抵抗測定部の基本概
念を示す図である。

【００３４】任意の温度における試料（２）の電気抵抗
の測定は、熱電対端子を構成する金属線（３−Ａ）、
（４−Ａ）、電極端子（５）、（６）の計４本を使い、
４端子法にて行う。すなわち直流電流を金属線（３−
Ａ）、（４−Ａ）間に流し、そのとき試料に生じた電圧
降下を電極端子（５）、（６）と電気抵抗測定器（４
３）｛電位差計（１９）、直流電源（２４）からなる｝
を用いて測定する。電気抵抗（Ｒ）は該電圧降下分
（Ｖ）から次式によって算出される。（Ｐｒｏｃ．Ｉ
ＲＥ，Ｖｏｌ．４２１９５４年参照）Ｒ＝２πＶ／（Ｉ・（１／Ｌ₁＋１／Ｌ₃＋１／（Ｌ₁＋Ｌ₂）＋１／（Ｌ₂＋Ｌ₃））（５）式但し、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃は図７に示したように熱電対端子
（３）、（４）、及び電極端子（５）、（６）の各端子
間距離である。

【００３５】本装置において測定する試料の形態は特に
限定されないが、円盤またはたんざくのバルク状物質及
び基板上の薄膜状物質が好ましい。強度が小さく、その
まま測定したのでは端子による破損が心配される試料の
場合には、他の基板上にのせて測定することも可能であ
る。

【００３６】図８、９は、熱起電力および熱伝導率の測
定が可能な熱電特性測定装置の一具体例の全体の概略図
及び測定部近傍の断面図、図１０、１１は熱起電力、熱
伝導率に加えて電気抵抗の測定可能な熱電特性測定装置
の一具体例の全体の概略図及び測定部近傍の断面図であ
る。以下、これらを基に説明するが何等これらに限定さ
れるものではない。

【００３７】図８において示す装置は、真空及び任意の
ガス雰囲気中での測定が可能な端子部（３８）付きのチ
ャンバー（３７）、スポット光源部（１）、光チョッパ
ー（１６）、熱起電力測定器（２７）、温度測定器（２
８）、冷却用媒体循環器（２９）、排気ポンプ部（３
０）、温度制御器（３１）、ガス導出入部（３９）｛ガ
ス流量計（３５）及びガスボンベ（３６）からなる｝、
真空計部（４２）｛真空ゲージ（４０）及び真空計（４
１）からなる｝、切り換えスイッチボックス（４５）に
より基本構成される。

【００３８】図１０において示す装置は、図８に示した
装置の各部に加えて更に、電気抵抗測定器（４３）｛電
位差計（１９）、直流電源（２４）からなる｝により基
本構成される。

【００３９】図８、１０の装置に用いられる熱起電力測
定器（２７）としては、通常電位差計が用いられる。但
し、正確な熱起電力を計るためには電位差計内で電圧降
下が起こらないような高インピ−ダンス（高抵抗）の電
位差計を用いることが好ましい。

【００４０】温度測定器（２８）としては、熱電対に生
じた起電力を温度に自動換算して表示する一般に用いら
れている温度測定器が採用される。

【００４１】温度制御器（３１）としては、一般に温度
コントロ−ラと称されて市販されているものが採用され
る。

【００４２】電気抵抗測定器（４３）は、一般的に用い
られる電位差計（１９）、直流電源（２４）からなる。
電圧降下の測定において、電位差計（１９）は、熱起電
力測定器（２７）の場合と同様、インピーダンスの高い
もの、かつμＶオーダーまで測定可能なものを用いるこ
とが望ましい。但し、電位差計（１９）を別途設けず
に、熱起電力測定器（２７）を用い、接続を切り換える
ことにより測定しても構わない。直流電源（２４）は、
試料（２）の抵抗値によっても異なるが、通常、１Ａ以
下の電流を発生させ得るものが望ましい。

【００４３】冷却用媒体循環器（２９）から、チャンバ
ー（３７）内に設けられた試料台（８）の支持台（１
２）へ冷却用媒体導入管（１１）で接続され、試料台
（８）の冷却を行うことができるようになっている。チ
ャンバー（３７）は、排気口（２６）から排気管を通じ
て排気ポンプ部（３０）へと接続されている。また、チ
ャンバー（３７）はガス導出入口（３４）を付属してお
り、ガス配管によりガス導出入部（３９）へ接続されて
いる。

【００４４】図９において、端子部（３８）は着脱式熱
電対端子（３）、（４）、温度制御用熱電対（７）より
構成される。熱電対端子（３）、（４）を構成する金属
線のうち（３−Ａ）及び（４−Ａ）は切り換えスイッチ
ボックス（４５）を経て、熱起電力測定器（２７）及び
温度測定器（２８）に接続されている。そして必要に応
じて熱起電力測定器（２７）あるいは温度測定器（２
８）への切り換えが行われる。一方、他方の金属線（３
−Ｂ）、（４−Ｂ）及び温度制御用熱電対（７）は温度
測定器（２８）へ直接接続されている。温度測定器（２
８）は温度制御器（３１）を通してスポット光源部
（１）に接続され、熱電対（７）によって測定された温
度データをもとに、設定した試料温度への制御を行う。

【００４５】また図１１において、端子部（３８）は着
脱式熱電対端子（３）、（４）、温度制御用熱電対
（７）の他に、電極端子（５）、（６）より構成され
る。熱電対端子（３）、（４）を構成する金属線のうち
（３−Ａ）及び（４−Ａ）は切り換えスイッチボックス
（４５）を経て、熱起電力測定器（２７）、温度測定器
（２８）、電気抵抗測定器（４３）の中の直流電源（２
４）に接続されている。そして必要に応じてそれらへの
接続の切り換えが行われる。一方、他方の金属線（３−
Ｂ）、（４−Ｂ）及び温度制御用熱電対（７）は温度測
定器（２８）へ直接接続されている。また電極端子
（５）、（６）は電気抵抗測定器（４３）の中の電位差
計（１９）に接続されている。

【００４６】図９、１１に示すように、試料（２）付近
では、中空円盤状の純銅または銅合金などで作製された
試料台（８）の上に試料（２）を置き、スポット光源
（１）より発せられたスポット光をチャンバー（３７）
の下部に設けた石英ガラス窓（２３）を通して、試料
（２）の一方の面の任意の１点に照射するような構造を
とる。スポット光源（１）は三次元可動ステージ（４
６）の上に設置し、前後左右に可動させて試料（２）の
任意の地点を照射、加熱する。又、該三次元可動ステ−
ジは上下にも可動するので、試料に照射するスポット光
の光径、即ち照射面積を自由に変化させることが出来、
先に述べたように温度及び温度勾配プロファイルが容易
にコントロ−ル可能となる。

【００４７】試料台（８）は中空円盤状の純銅または銅
合金などで作製された支持台（１２）及び支持台（２
２）により支持される。支持台（１２）の内部には冷却
用媒体循環路（４７）を設け、これに冷却用媒体導入管
（１１）を接続し、支持台（１２）及び（２２）、試料
台（８）を冷却する。

【００４８】試料台（８）と支持台（１２）は共有面を
持つ。この共有面をよく研摩しておくことにより、試料
台（８）は支持台（１２）の上面及び側面と接触したま
ま、滑って回転できる構造となる。図９においては１つ
の例としてその断面形状がＬ字形の共有面を示したが、
くの字形などでもよい。また円盤状の試料台（８）の外
側の側面は歯車状に加工されており、先端部が歯車状に
加工されたストッパー付きのマイクロメーターヘッド
（２０）と回転棒（２１）とが接点部で接続された構造
を持つ。このような構造をとることにより、試料台
（８）はこのマイクロメーターヘッド（２０）により、
チャンバー（３７）の外側からの回転操作が可能とな
る。また回転棒（２１）に別の径の異なる歯車を設け、
回転棒（２１）と試料台（８）の回転比を自由に変えて
もよい。そして測定する点が定まったら、ストッパーで
マイクロメーターヘッド（２０）を固定する。このスト
ッパーは、測定中などにおいて、熱電対端子（３）、
（４）及び温度制御用熱電対（７）が試料に接触したま
ま回転しないようにするためのものである。

【００４９】試料（２）の温度制御は、温度制御用熱電
対（７）及び温度測定器（２８）によって測定した温度
をもとに、温度制御器（３１）を用い、スポット光源
（１）への出力を制御することで行う。

【００５０】熱電対端子（３）、（４）及び温度制御用
熱電対（７）は３本とも同一材質のものを用いるのが望
ましい。また、電位差を測定するときに用いる熱電対端
子（３）、（４）を構成する金属線（３−Ａ）と（４−
Ａ）は、２本とも同一種類の線を用いることが好まし
い。なぜならば、同一種類の金属線は電気抵抗が同じで
あること、同一温度で該金属線に発生する熱起電力が同
じなので補正を行う必要がないことなどのためである。

【００５１】熱電対端子（３）、（４）と温度制御用熱
電対（７）、及び電極端子（５）、（６）の間隔は試料
の大きさにより変化させ得るものであり一概に規定され
るものではないが、充分な温度勾配を確保し、且つ通常
の試料の大きさを勘案して通常２〜１５ｍｍに設定され
る。また、これら端子は、種々の箇所での熱電特性の測
定が可能なようにその間隔を調整できるようにしておく
ことは好ましい態様である。

【００５２】上記熱電対としては、ＪＩＳで規格されて
いるＢ（白金ロジウム合金−白金ロジウム合金）、Ｒ
（白金ロジウム合金−白金）、Ｓ（白金ロジウム合金−
白金）、Ｋ（ニッケルクロム合金−ニッケル合金）、Ｅ
（ニッケルクロム合金−銅ニッケル合金）、Ｊ（鉄−銅
ニッケル合金）、Ｔ（銅−銅ニッケル合金）などが用い
られる。

【００５３】熱電対端子（３）、（４）、温度制御用熱
電対（７）及び電極端子（５）、（６）は、円筒状の端
子支持棒（１３）によって支持される。この端子支持棒
（１３）は端子との接続部である底部を真空封入してお
り、マイクロメーターヘッド（１７）、ガイド（１
５）、真空用ベロー（１４）を付属することにより、真
空下で上下可動構造をとる。そしてマイクロメーターヘ
ッド（１７）にストッパー（１８）を付けることによっ
て端子支持棒（１３）を下げ過ぎることがなく、試料
（２）の破損を防止できる。

【００５４】該端子支持棒（１３）は、中心軸を軸とし
て回転可能な構造としておけば、試料の異なった地点で
の熱起電力の測定が可能となる。しかしながら、チャン
バ−内の真空度を良くするため、あるいは試料と端子の
破損を防止するためには、この端子支持棒（１３）は回
転しない構造とし、試料台のほうを回転させて異なった
地点の測定を行うほうが好ましい。

【００５５】熱電特性の測定を真空中で行う場合には、
排気ポンプ部（３０）内のポンプでチャンバー（３７）
内を排気する。排気ポンプ部（３０）には、油回転式ポ
ンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオポン
プなどを組み合わせて用いる。真空度は、真空ゲージ
（４０）と真空計（４１）によってモニターする。一
方、任意ガス雰囲気中で測定を行う場合には、排気ポン
プで真空にひいた後、ガス導出入部（３９）より目的の
ガスを導入する。導入するガスとしては、アルゴン、ヘ
リウム、窒素、水素、酸素など、あるいはこれらの混合
ガスが用いられる。温度勾配（△Ｔ）によって試料
（２）中に発生した熱起電力（Ｅ）の測定は、熱電対端
子（３）を構成する２本の金属線のうち一方の金属線
（３−Ａ）と熱電対端子（４）を構成する同じく一方の
金属線（４−Ａ）との間の電位差を、熱起電力測定器
（２７）によって行う。このとき熱電対端子の金属線
（３−Ａ）、（４−Ａ）は切り換えスイッチボックス
（４５）を通じて、熱起電力測定器（２７）へ接続す
る。但し、手動操作あるいは自動操作によって、熱電対
端子の金属線（３−Ａ）、（４−Ａ）の接続を熱起電力
測定器（２７）から温度測定器（２８）へ瞬時に切り換
えることができるようにしておくことで、測定時の２地
点の温度と温度差及び熱起電力（Ｅ）の同時測定が可能
になる。

【００５６】該装置での熱伝導率の測定は次のようにし
て行なう。まずフラッシュ法であれば、熱電対端子
（４）の接している地点の反対側の面にスポット光を照
射し、熱電対端子（４）と温度測定器（２８）で温度の
時間的変化を測定する。このとき熱電対端子（４）を構
成する金属線（４−Ａ）は温度測定器（２８）に接続し
ておく。一方、交流法であれば、熱電対端子（３）と
（４）を結ぶ延長線上の任意の地点に断続光を照射し、
該端子（３）、（４）と温度測定器（２８）で温度の時
間的変化を測定する。このとき熱電対端子（３）、
（４）を構成する金属線（３−Ａ）及び（４−Ａ）は、
切り換えスイッチボックス（４５）を通じて温度測定器
（２８）に接続しておく。

【００５７】該装置での電気抵抗測定は、先に述べたよ
うに、熱電対端子（３）、（４）を構成する金属線（３
−Ａ）、（４−Ａ）、電極端子（５）、（６）の計４本
を使い、４端子法にて行なう。このとき熱電対端子を構
成する金属線（３−Ａ）、（４−Ａ）は、切り換えスイ
ッチボックス（４５）を通じて直流電源（２４）に接続
しておく。

【００５８】

【発明の効果】試料の加熱源として、試料の任意の箇所
に照射、加熱して温度勾配を設けることが出来るスポッ
ト光と、パルス光または断続光を発生させる装置を設け
ることにより、同一装置で、測定地点の温度および／ま
たは測定地点間の温度勾配を変えて、異なる温度条件で
の熱起電力、及び熱伝導率、更には電気抵抗の測定が可
能となった。又、スポット光の照射径を変化させれば、
温度および温度勾配プロファイルも任意にコントロ−ル
することができる。

【００５９】特に、真空中または任意のガス雰囲気下で
測定を行う場合に、一旦試料を設置した後は真空を破ら
ずに系の条件を完全に同一にしたまま、異なる温度条件
での２回以上の測定が可能となり、測定値の信頼性、お
よび測定時間の大幅な短縮が可能となった。又、端子支
持棒、又は試料台を回転可能な構造としておけば、異な
った箇所の熱起電力等が同一条件下に測定できる。

【００６０】更に、バルク状物質のみならず、薄膜状物
質の熱起電力も容易に測定可能である。

【００６１】更に又、直接試料を加熱できるので試料の
温度制御が正確、且つ容易となり、併せて、測定部の構
造も簡素化出来た。

【００６２】

【実施例】以下、実施例を示すが何等これらに限定され
ない。

【００６３】実施例１図１０、１１を基に製作した熱電特性測定装置を使い、
真空中で下記の各種熱電特性の測定を行った。熱電特性
測定装置のスポット光源（１）には真空理工製ポイント
ファーネスＥＳ−５５を、温度制御にはデジタルマルチ
プログラマブル温度コントローラ（真空理工製ＨＰＣ−
７０００−７０８２−２）、真空ポンプは油回転ポンプ
及び油拡散ポンプを用いた。熱電対は全てＲタイプを使
用した。熱電対端子（３）、（４）、（７）及び電極端
子（５）、（６）は、各々（３）、（５）、（６）、
（４）、（７）の順に一直線上に並べ、試料のほぼ中心
に（４）が設置されるようにした。各端子間すなわち
（３）−（５）間、（５）−（６）間、（６）−（４）
間、（４）−（７）間はそれぞれ３．３ｍｍ、３．３ｍ
ｍ、３．３ｍｍ、３ｍｍとした。

【００６４】試料には、ＣｒＳｉ₂粉末（高純度化学製
９９．９％）をφ３０ｍｍに圧縮成形したものを１００
０℃で５時間焼結したものを用いた。焼結後の試料の厚
さは２ｍｍであった。その後、試料にテープでマスクを
して白金を蒸着し、電極とした。電極の大きさは２ｍｍ
×１０ｍｍである。

【００６５】該試料を試料台（８）にセットして、チャ
ンバー内を油回転ポンプで１５分間、油拡散ポンプで１
時間真空にひいた。このときの到達真空度は、６×１０
^-6Ｔｏｒｒであった。

【００６６】まず熱起電力（Ｅ）の測定を行なった。マ
イクロメーターヘッド（１７）を回して端子部（３８）
を試料（２）に押し付け、試料の加熱箇所を三次元可動
ステージ（４６）を用いて中心部に合わせながら、加熱
を開始した。このときのスポット光の径は約φ１５ｍｍ
であった。試料温度は温度制御用熱電対（７）を用い、
５００℃に制御して行った。試料の加熱開始後、約１分
で５００℃に達したが、一定温度になるまで１０分間待
った。１０分後、熱電対（３）、（４）と温度測定器
（２８）によって測定された温度は、それぞれ５０３℃
及び４９０℃であった。このときの熱起電力（Ｅ）をデ
ジタルマルチメーター（アドバンテスト製ＴＲ６８７
１）で測定した結果、１．４３ｍＶであった。これより
ゼーベック係数を算出すると、１１０μＶ／Ｋであっ
た。

【００６７】次に試料（２）を室温まで冷却した後、熱
伝導率の測定をフラッシュ法で行なった。あらかじめ電
源を入れておいた光源（１）と試料（２）の間を光チョ
ッパー（１６）によって遮っておき、熱電対端子（４）
による温度測定の開始と同時にチョッパー（１６）を回
転させ、パルス光を試料（２）の一方の面に照射した。
スポット光の光径は約１０ｍｍとした。このときの最高
到達温度（Ｔ_max）は１５０℃であった。また温度の時
間的変化から、照射前の温度（Ｔ₀＝２４℃）と最高到
達温度（１５０℃）の平均温度（８７℃）になるときの
温度上昇開始からの経過時間（ｔ）は１．２秒であっ
た。この測定結果から前出の（１）式、（２）式を用い
て熱伝導率を計算すると、０．５１Ｗ／ｍ・Ｋであっ
た。

【００６８】更に、試料（２）を室温まで冷却した後、
電気抵抗の測定を行なった。直流電源（１９）にて、試
料に１０ｍＡの電流を流し、電極端子（５）−（６）間
の電圧降下を上記デジタルマルチメーターにて測定した
結果、５μＶであった。この測定結果から前出の（４）
式を用いて試料の電気抵抗を算出すると、１．０５ｍΩ
・ｃｍであった。

【００６９】実施例２実施例１の装置を用い、熱起電力の測定時のスポット光
の径を約φ２０ｍｍにした以外は実施例１と同様にして
測定した。

【００７０】熱起電力測定時の各熱電対の温度はそれぞ
れ４８０℃と４７６℃であり、熱起電力は０．４２ｍ
Ｖ、ゼ−ベック係数は１０５μＶ／Ｋであった。

【００７１】熱伝導率を測定した結果、０．５１Ｗ／ｍ
・Ｋであった。

【００７２】電気抵抗を測定した結果、１．０５ｍΩ・
ｃｍであった。

【００７３】実施例３実施例１の装置を用い、スポット光の径を約φ１０ｍｍ
に、スポット光の照射位置を試料中心より３本の熱電対
を結ぶ線に対して直角方向に約５ｍｍの地点に変更した
以外は実施例１と同様にして測定した。

【００７４】熱起電力測定時の各熱電対の温度はそれぞ
れ４４８℃と４３２℃であり、熱起電力は１．５８ｍ
Ｖ、ゼ−ベック係数は９９μＶ／Ｋであった。

【００７５】熱伝導率を測定した結果、０．５１Ｗ／ｍ
・Ｋであった。

【００７６】電気抵抗を測定した結果、１．０５ｍΩ・
ｃｍであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱起電力測定部の基本概念を示す概略
図

【図２】本発明の熱伝導率測定部の基本概念を示す概略
図

【図３】照射面と反対の面上の温度の時間的変化を示す
図

【図４】本発明の他の熱伝導率測定部の基本概念を示す
概略図

【図５】試料上の２点の温度の時間的変化および温度振
幅を示す図

【図６】各測定地点の距離とその地点の温度振幅の関係
を示す図

【図７】本発明の電気抵抗測定部の基本概念を示す概略
図

【図８】本発明の一態様を示す熱電特性測定装置の全体
概略図

【図９】本発明の一態様を示す熱電特性測定装置の測定
部の断面図

【図１０】本発明の一態様を示す熱電特性測定装置の全
体概略図

【図１１】本発明の一態様を示す熱電特性測定装置の測
定部の断面図

【図１２】従来の熱起電力測定装置の概略図

【図１３】従来の熱起電力測定装置の概略図

【図１４】従来の熱起電力測定装置の概略図

【符号の説明】

１スポット光源２試料３熱電対端子４熱電対端子５電極端子６電極端子７熱電対８試料台１０試料ホルダー１１冷却用媒体導入管１２支持台１３端子支持棒１４真空用ベロ− １５ガイド１６光チョッパー１７マイクロメ−タ−ヘッド１８ストッパ− １９電位差計２０ストッパ−付きマイクロメ−タ−ヘッド２１回転棒２２支持台２３石英ガラス窓２４直流電源２６排気口２７熱起電力測定器２８温度測定器２９冷却用媒体循環器３０排気ポンプ３１温度制御器３４ガス導出入口３５ガス流量計３６ガスボンベ３７チャンバ− ３８端子部３９ガス導出入部４０真空ゲ−ジ４１真空計４２真空計部４３電気抵抗測定器４５切り換えスイッチボックス４６三次元可動ステ−ジ４７冷却用媒体循環路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】局部加熱可能なスポット光源（１）、該
光源の照射による局部加熱により温度勾配を生じた試料
の２地点の温度および電位差を測定するための２本の着
脱式熱電対端子（３）、（４）、該熱電対端子に接続さ
れた熱起電力測定器（２７）および温度測定器（２
８）、並びにスポット光源（１）からパルス光あるいは
断続光を発生させる装置（１６）を設けてなる熱電特性
測定装置。
【請求項２】２本の着脱式熱電対端子（３）、（４）
の内側で且つ両熱電対端子を結ぶ線上に位置し、試料の
２地点間の電位差を測定するための２本の着脱式電極端
子（５）、（６）、該電極端子に接続された電位差計
（１９）、前記熱電対端子（３）または（４）を構成す
る金属線対の一方から他の熱電対端子（４）または
（３）を構成する金属線対の一方へ直流電流を通電する
装置（２４）を、更に設けてなる請求項１記載の熱電特
性測定装置。