JP2008124388A - 熱電変換デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる熱電変換デバイス提供する。
【解決手段】所定の間隔をもって厚さ方向に並列する複数の熱電対形成用部材２，２，…と、複数の熱電対形成用部材２，２，…にそれぞれ形成され、直列に接続された複数の熱電対５，５，…よりなる複数の熱電対群３，３…と、複数の熱電対形成用部材２，２，…の複数の熱電対群３，３，…を直列に接続する導電性接着剤８Ｂ，８Ｂ，…とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換デバイス及びその製造方法に関し、特に温接点と冷接点との温度差によって発電する熱電変換デバイス及びその製造方法に関する。

従来の熱電変換デバイスとして、第１熱電対エレメントとしての第１金属線（例えば銅線）と第２熱電対エレメントとしての第２金属線（例えばニッケル線）とを接続してなる複数の熱電対を有するものがある（特許文献１）。

この熱電変換デバイスは、可撓性を有する電気絶縁性シートと、この電気絶縁性シートの一方側の面に形成された熱電対群と、この熱電対群を覆うようにして電気絶縁性シートにその両方側の面からそれぞれ固定された１対の形状維持シートとを備えている。

電気絶縁性シートは、平面矩形状のプラスチックシートをそのシート長辺が波打つように折り曲げることにより、全体が断面波形状に形成されている。電気絶縁性シートには、シート長辺に沿って延びる複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、熱電対群が形成されていない領域に配置されている。熱電対群は、第１金属線と第２金属線からなる複数の熱電対を電気絶縁性シートの一方側の面上で直列に接続することにより形成されている。１対の形状維持シートは、可撓性及び伸縮性を有する平面矩形状の電気絶縁性材料によって形成されている。

以上の構成において、複数の熱電対の第１及び第２金属線の接点部における加熱及び加冷に基づいて発電が行われる。

一方、電気絶縁性シートの全体をそのシート長辺が波打つように断面波形状に形成しているため、電気絶縁性シートのシート長辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。また、電気絶縁性シートのシート長辺に沿って延びる複数のスリットを形成しているため、電気絶縁性シートのシート短辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、複数のスリットが電気絶縁性シートのシート短辺の方向に広がり、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。これにより、熱電変換デバイスを様々な方向に撓ますことが可能となる。
特開２００５−３２８０００号公報

しかし、特許文献１の熱電変換デバイスによると、熱電対の高密度化を図るために電気絶縁性シートを断面波形状に加工する必要が生じ、製造加工を面倒なものにするという問題があった。

また、特許文献１の熱電変換デバイスによると、複数の熱電対の接点部が電気絶縁性シートの折曲部近傍に形成されているため、電気絶縁性シートの折り曲げ（波形加工）時に電気絶縁性シート上における複数の熱電対の接点部に曲げ応力が作用し、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性が低下するという問題もあった。

従って、本発明の目的は、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる熱電変換デバイス及びその製造方法を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、所定の間隔をもって厚さ方向に並列する複数のシート状部材と、前記複数のシート状部材にそれぞれ形成され、直列に接続された複数の熱電対よりなる複数の熱電対群と、前記複数のシート状部材の複数の熱電対群を直列に接続する接続部材とを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスを提供する。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、所定の面積を有するシートに複数の熱電対が直列に接続してなる複数の熱電対群を形成する第１ステップと、前記シートを前記複数の熱電対群毎に分割して複数のシート状部材を形成する第２ステップと、前記複数のシート状部材を所定の間隔をもって厚さ方向に並列に配置する第３ステップと、前記複数のシート状部材の前記複数の熱電対群を直列に接続する第４ステップとを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法を提供する。

本発明によると、
従って、本発明の目的は、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す平面図である。

（熱電変換デバイスの全体構成）
図１及び図２において、符号１で示す熱電変換デバイスは、柔軟性材料からなる熱電対形成用部材２，２，…と、熱電対形成用部材２，２，…上で温接点と冷接点との間に温度差を与えることにより発電する熱電対群３，３…と、熱電対形成用部材２，２，…と同様に柔軟性材料からなるパッケージ部材４とから大略構成されている。なお、熱電変換デバイス１においては、熱電対群３，３，…に通電することにより発熱・吸熱作用を得ることができる。

（熱電対形成用部材２，２，…の構成）
熱電対形成用部材２，２，…は、図１に示すように、所定の間隔（０．３〜０．５ｍｍ）をもって厚さ方向に並列して配置され、全体が例えばポリイミド樹脂からなる平面略矩形状の絶縁プラスチックシートによって形成されている。熱電対形成用部材２，２，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成用部材２，２は、その表面と裏面とが互いに対向する位置に配置されている。これら２つの熱電対形成用部材２，２のうち一方の熱電対形成用部材２の一方側（前方）端縁及び他方の熱電対形成用部材２の他方側（後方）端縁にはスルーホール８Ａ，８Ａがそれぞれ形成されている。また、熱電対形成用部材２，２，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成用部材２，２間には、前方部のスルーホール８Ａ及び後方部のスルーホール８Ａにそれぞれ接続する接続部材としての導電性接着剤８Ｂ，８Ｂが介在して配置されている。熱電対形成用部材２，２，…のうち両端部の熱電対形成用部材２，２における一方側（後方）端縁には、パッケージ部材４の外部に露出する突出片２Ｃ，２Ｃが一体に形成されている。熱電対形成用部材２，２，…の平面寸法は、例えば縦寸法が３〜５ｍｍ程度の寸法に、また横寸法が７０〜１００ｍｍ程度の寸法にそれぞれ設定されている。熱電対形成用部材２，２，…の厚さは、例えば１２〜１２５μｍ程度の寸法に設定されている。

突出片２Ｃ，２Ｃには、外部に出力する銅（Ｃｕ）等の端子パターン９，９が熱電対形成用部材２，２，…のうち両端部の熱電対形成用部材２，２に跨ってそれぞれ形成されている。

（熱電対群３，３，…の構成）
熱電対群３，３，…は、図１に示すように、それぞれが複数（合計が例えば１００００個）の熱電対５，５，…からなり、熱電対形成用部材２，２，…に形成（配置）されている。熱電対５，５，…は、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…を有し、温接点としての第１接点部６，６，…及び冷接点としての第２接点部７，７，…によって直列に接続されている。熱電対形成用部材２，２，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成用部材２，２における複数の熱電対（熱電対群）同士は、Ｃｕ（銅）等のスルーホール８Ａ，８Ａ，…及び導電性接着剤８Ｂ，８Ｂ，…によって接続されている。熱電対５，５，…のうち最端部の熱電対５，５は、端子パターン９，９にそれぞれ接続されている。

第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…は、図１に示すように、ｐ型熱電半導体からなり、熱電対形成用部材２，２，…一方側の面（表面）にパターン形成されている。第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…は、図１に示すように、ｎ型熱電半導体からなり、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…と同様に、熱電対形成用部材２，２，…の表面にパターン形成されている。ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体としては、良好な熱電能（ゼーベック効果）を得るためにＢｉ（ビスマス）Ｔｅ（テルル）系の半導体材料が用いられる。

（パッケージ部材４の構成）
パッケージ部材４は、図１及び図２に２点鎖線で示すように、例えば直方体からなり、全体が例えばシリコーン樹脂（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）等の柔軟性材料によって形成されている。そして、熱電対形成用部材２，２，…及び熱電対群３，３，…を覆うように構成されている。

（熱電変換デバイス１の動作）
熱電変換デバイス１の第１接点部側を高温度（例えば車両用ボンネットの廃熱）雰囲気中に配置するとともに、その第２接点部側を低温度雰囲気（例えば大気）中に配置すると、熱電対５，５，…の第１接点部６，６，…と第２接点部７，７，…との間に温度差（１０℃程度）が生じる。このため、熱電対５，５，…のうち最端部の熱電対５，５にそれぞれ接続する端子パターン９，９間に電圧（４〜６Ｖ程度）が生じる。

（熱電変換デバイスの製造方法）
図３〜図７は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法を説明するために示す図である。図３は、熱電対群の形成工程を説明するために示す平面図である。図３（ａ）は熱電対群の形成前（端子パターンとスルーホールの形成後）の状態を、図３（ｂ）は熱電対群の形成後の状態をそれぞれ示す。図４は、熱電対形成用部材の形成工程（第１ステップ）を説明するために示す平面図である。図５は、熱電対形成用部材の整列工程（第２ステップ）を説明するために示す斜視図である。図５（ａ）は吊持部材の載置前の状態を、図５（ｂ）は吊持部材の載置後の状態を、図５（ｃ）は熱電対形成用部材に対する吊持部材の接着前の状態を、図５（ｄ）を熱電対形成用部材に対する吊持部材の接着後の状態を、図５（ｅ）は吊持部材による熱電対形成用部材の整列前の状態を、図５（ｆ）は吊持部材による熱電対形成用部材の整列後の状態をそれぞれ示す。図６は、熱電対群の接続工程（第３ステップ）を説明するために示す斜視図である。図７は、パッケージ部材の形成工程を説明するために示す斜視図である。

本実施の形態に示す熱電変換デバイスの製造方法は、「熱電対群の形成」，「熱電対形成用部材の形成」，「熱電対形成用部材の整列」，「熱電対群の接続」及び「パッケージ部材の形成」の各工程が順次実施されるため、これら各工程を順次説明する。

「熱電対群の形成」
先ず、図３（ａ）に示すように、第１領域部２０Ａ及び第２領域部２０Ｂを有し、ポリイミド樹脂からなる柔軟性材料によって予め形成された平面略矩形状（縦１００ｍｍ，横７０〜１００ｍｍ程度）シートからなる基部材２０における所定の部位に端子パターン９，９及びスルーホール８Ａ，８Ａ，…を形成する。端子パターン９，９の形成は、例えばスパッタリング法を用い、基部材２０の第１領域部２０Ａ及び第２領域部２０Ｂに跨ってＣｕ層を形成した後、このＣｕ層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。スルーホール８Ａの形成は、例えば基部材２０の第１領域部部２０Ａに貫通孔を設け、これら貫通孔の内面に銅めっき処理を施すことにより行われる。

次に、図３（ｂ）に示すように、基部材２０の第１領域部２０Ａ（図３（ａ）に示す）の一方側の面（表面）であって、その単一の方向に沿って区分された複数の熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ，…に第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び複数の第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…のうち互いに対応する第１熱電対エレメント５Ａと第２熱電対エレメント５Ｂとを有する複数の熱電対５，５，…を長手（横）方向に沿って互いに直列に接続して形成する。この場合、複数の熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ，…にそれぞれ複数の熱電対５，５，…が直列に接続して形成されると、複数の熱電対群３，３，…が形成される。第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…の形成は、例えば熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ，…にスパッタリング法を用いて厚さ４〜５μｍ程度，幅３００μｍ程度のｐ型半導体層を形成した後、このｐ型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。また、第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…の形成は、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…を形成する場合と同様に、熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ，…にスパッタリング法を用いて厚さ４〜５μｍ程度，幅３００μｍのｎ型半導体層を形成した後、このｎ型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。

「熱電対形成用部材の形成」
図４に示すように、レーザ装置（図示せず）を用い、複数の熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２０ａ，２０ａ間の境界線ｂ（図３（ｂ）に示す）に沿って基部材２０を分割（切断）することにより、複数の熱電対形成用部材２，２，…（最端部の熱電対形成用部材２，２は突出片２Ｃ，２Ｃを有する）を形成する。

「熱電対形成用部材の整列」
先ず、図５（ａ）に示すように、熱電対形成用部材２，２，…を所定の間隔をもって厚さ方向に整列する整列部１００Ａ，１００Ａ，…、これら整列部１００Ａ，１００Ａ，…の整列方向に延在する第１載置面１００Ｂと第２載置面１００Ｃ、及びこれら第１載置面１００Ｂと第２載置面１００Ｃに開口して接着剤２００（後述）を導入する導入孔１００Ｄ，１００Ｄ，…を有する整列台１００を用意する。次いで、図５（ｂ）に示すように、整列台１００の第１載置面１００Ｂ，１００Ｂ，…及び第２載置面１００Ｃ，１００Ｃに吊持部材としてのワイヤ３００，３００をそれぞれ載置する。

しかる後、図５（ｃ）に示すようにワイヤ３００，３００を覆うようにして整列台１００の整列部１００Ａ,１００Ａ，…上に熱電対形成用部材２，２，…を載置して整列し、図５（ｄ）に示すように整列台１００の導入孔１００Ｄ，１００Ｄ，…（図５（ａ），（ｂ）に示す）から第１載置面１００Ｂ，１００Ｂ，…と第２載置面１００Ｃ，１００Ｃに接着剤２００を導入して熱電対形成用部材２，２，…にワイヤ３００，３００を接着する。そして、図５（ｅ）に示すようにワイヤ３００，３００，…を接着したまま整列台１００を取り除き、図５（ｆ）に示すようにワイヤ３００，３００及び熱電対形成用部材２，２，…を上下反転させる。この場合、ワイヤ３００，３００及び熱電対形成用部材２，２，…が反転すると、熱電対形成用部材２，２，…に重力が作用するため、熱電対形成用部材２，２，…が所定の間隔をもって厚さ方向に整列した状態でワイヤ３００，３００に吊持される。

「熱電対群の接続」
図６に示すように、熱電対形成用部材２，２，…を厚さ方向に整列した状態を保持しながら、熱電対形成用部材２，２，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成用部材２，２間に導電性接着剤８Ｂ，８Ｂ，…を介在させ、これら２つの熱電対形成用部材２，２における熱電対同士を導電性接着剤８Ｂ，８Ｂ，…によって接続する。この場合、導電性接着剤８Ｂ，８Ｂ，…によって熱電対同士が接続されると、複数の熱電対５，５，…を直列に接続してなる複数の熱電対群３，３，…が形成される。

「パッケージ部材の形成」
図７に示すように、熱電対群３，３，…が形成された熱電対形成用部材２，２，…を成形用型６００内に収容する。この際、熱電対形成用部材２，２の突出片２Ｃ，２Ｃを成形用型６００のスリット６００Ａ，６００Ａから成形用型６００外に露出させ、熱電対形成用部材２，２，…を整列溝６００Ｂ，６００Ｂ，…内に挿入して厚さ方向に整列する。次に、成形用型６００内に樹脂注入孔６００Ｃからシリコーン樹脂液を注入した後、この注入したシリコーン樹脂液を加熱して固化することによりパッケージ部材４（図１に示す）を形成する。この場合、熱電対群３，３，…及び熱電対形成用部材２，２，…が端子パターン９，９及び突出片２Ｃ，２Ｃの一部を除きパッケージ部材４によって覆われる。そして、パッケージ部材４によって覆われた熱電対群３，３，…及び熱電対形成用部材２，２，…を押し出しピン（図示せず）等によって成形用型６００外に取り出すとともに、ワイヤ３００，３００を熱電対形成用部材２，２，…から取り外す。
このようにして、熱電変換デバイス１を製造することができる。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）熱電対の高密度化を図るために、所定の間隔をもって厚さ方向に並列する複数の熱電対形成用部材２，２，…、及びこれら複数の熱電対形成用部材２，２，…にそれぞれ形成された熱電対群３，３，…を有する熱電変換デバイス１を得ることができる。これにより、熱電対の高密度化を図るために従来必要とした電気絶縁性シートの波形状加工が不要となり、製造加工の簡素化を図ることができる。

（２）第１接点部６，６，…が熱電対形成用部材２，２，…の一方側（上方）端縁に、また第２接点部７，７，…が熱電対形成用部材２，２，…の他方側（下方）端縁にそれぞれ配置されている（熱電変換デバイス１に折曲部が無い構造である）ため、熱電変換デバイス１の製造時に熱電対５，５，…（第１接点部６，６，…及び第２接点部７，７，…）に対して曲げ応力が発生せず、熱電対５，５，…における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。

以上、本発明の熱電変換デバイス（熱電変換デバイスの製造方法）を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

本実施の形態では、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…の材料としてＢｉＴｅ系の半導体材料が用いられる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、Ｐｂ（鉛）Ｔｅ（テルル）系，Ｆｅ（鉄）Ｓｉ（シリコン）系あるいはＰｂ（鉛）Ｓｎ（錫）Ｔｅ（テルル）系等の半導体材料を用いることができる。また、熱電対５，５，…Ｂとしては、半導体材料以外に、例えばＣｕ（銅）とＮｉ（ニッケル），Ｃｕ（銅）とＢｉ（ビスマス）又はＦｅ（鉄）とＮｉ（ニッケル）など２種の金属材料を用いてもよい。

本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法における熱電対群の形成工程を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法における熱電対形成用部材の形成工程を説明するために示す平面図。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法における熱電対形成用部材の整列工程を説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法における熱電対群の接続工程を説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法におけるパッケージ部材の形成工程を説明するために示す斜視図。

符号の説明

１…熱電変換デバイス、２…熱電対形成用部材、３…熱電対群、４…パッケージ部材、５…熱電対、５Ａ…第１熱電対エレメント、５Ｂ…第２熱電対エレメント、６…第１接点部、７…第２接点部、８Ａ…スルーホール、８Ｂ…導電性接着剤、９…導電性接着剤、２０…基部材、２０Ａ…第１領域部、２０ａ…熱電対形成領域部、２０Ｂ…第２領域部、１００…整列台、１００Ａ…整列部、１００Ｂ…第１載置面、１００Ｃ…第２載置面、１００Ｄ…導入孔、２００…接着剤、３００…ワイヤ、６００…成形用型、６００Ａ…スリット、６００Ｂ…整列溝、６００Ｃ…樹脂注入孔、ｂ…境界線

Claims (6)

1. 所定の間隔をもって厚さ方向に並列する複数のシート状部材と、
   前記複数のシート状部材にそれぞれ形成され、直列に接続された複数の熱電対よりなる複数の熱電対群と、
   前記複数のシート状部材の複数の熱電対群を直列に接続する接続部材と
   を備えたことを特徴とする熱電変換デバイス。
2. 前記複数のシート状部材は、複数のポリイミドフィルムであり、
   前記接続部材は、導電性接着剤である請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記複数の熱電対群及び前記複数のシート状部材は、パッケージ部材によって覆われている請求項１に記載の熱電変換デバイス。
4. 所定の面積を有するシートに複数の熱電対が直列に接続してなる複数の熱電対群を形成する第１ステップと、
   前記シートを前記複数の熱電対群毎に分割して複数のシート状部材を形成する第２ステップと、
   前記複数のシート状部材を所定の間隔をもって厚さ方向に並列に配置する第３ステップと、
   前記複数のシート状部材の前記複数の熱電対群を直列に接続する第４ステップと
   を備えたことを特徴とする熱電変換デバイス。
5. 前記第１ステップにおいて、前記シートの一方側の面に前記複数の熱電対群を形成する請求項４に記載の熱電変換デバイスの製造方法。
6. 前記第３ステップにおいて、予め吊持部材が載置された整列台上に前記複数のシート状部材を整列し、次に前記複数のシート状部材に前記吊持部材を接着した後、前記吊持部材によって前記複数のシート状部材を吊持する請求項４に記載の熱電変換デバイスの製造方法。

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