(57)【要約】【課題】熱電変換素子の熱的な接続信頼性を向上させた熱電変換装置を提供する。【解決手段】各熱電変換素子３の温接点側と冷接点側との何れか一方側に設けられた一方の電極５ｂと、伝熱部材７との間を熱的に接合する複数の伝熱部７ａを備え、基材２は、第２の面２ｂ側に、各熱電変換素子３の温接点側と冷接点側との何れか他方側に設けられた他方の電極５ａの間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられた複数の凹部８ｂを有し、各熱電変換素子３の伝熱部材７と対向する面側には、当該熱電変換素子３よりも熱膨張率が低い低熱膨張層１０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内に並んで設けられた複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子の並び方向における各熱電変換素子の一端側及び他端側に各々設けられた複数の電極と、
前記基材の前記第１の面側に、前記複数の熱電変換素子の少なくとも一部との間に間隔を設けて配置された伝熱部材と、
前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか一方側に設けられた一方の電極と、前記伝熱部材との間を熱的に接合する複数の伝熱部とを備え、
前記基材は、前記第２の面側に、前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか他方側に設けられた他方の電極の間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられた複数の凹部を有し、
前記各熱電変換素子の前記伝熱部材と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が低い低熱膨張層が設けられていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内に並んで設けられた複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子の並び方向における各熱電変換素子の一端側及び他端側に各々設けられた複数の電極と、
前記基材の前記第１の面側に、前記複数の熱電変換素子の少なくとも一部との間に間隔を設けて配置された伝熱部材と、
前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか一方側に設けられた一方の電極と、前記伝熱部材との間を熱的に接合する複数の伝熱部とを備え、
前記基材は、前記第２の面側に、前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか他方側に設けられた他方の電極の間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられた複数の凹部を有し、
前記各熱電変換素子の前記凹部と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が高い高熱膨張層が設けられていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項３】
前記高熱膨張層は、前記凹部の底面に位置して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記高熱膨張層は、前記基板と前記熱電変換素子との間に位置して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記各熱電変換素子の前記伝熱部材と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が小さい低熱膨張層が設けられていることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記低熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１又は５に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記低熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記高熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記高熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下であることを特徴とする請求項８に記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
前記各熱電変換素子は、熱膨張したときに、前記一方の電極と前記他方の電極との間で互いに同一方向に撓み変形可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項１１】
前記凹部の底面に前記熱電変換素子の少なくとも一部が位置していることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項１２】
前記基材は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関や燃焼装置などからの排熱は、利用されないまま消失している。このため、省エネルギー化の観点から、この排熱の利用が近年着目されている。特に、熱から電気への変換を可能とする熱電変換装置の研究が盛んに行われている（例えば、下記特許文献１を参照。）。
【０００３】
具体的に、下記特許文献１には、絶縁性基板と、ｐ型及びｎ型の何れか一方の熱電変換材料からなり、絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、絶縁性基板の第１の面側に配置され、第１の電極に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、絶縁性基板の第２の面側に配置され、絶縁性基板の第２の面上であって第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材とを有する熱電変換モジュール（熱電変換装置）が開示されている。
【０００４】
また、この熱電変換モジュールでは、第１の電極が熱電変換材料膜の一方の辺に沿って形成され、第２の電極が熱電変換材料膜の一方の辺に対向する他方の辺に沿って形成され、第１の電極が一方の側に隣接する熱電変換材料膜上の第２の電極に接続され、第２の電極が他方の側に隣接する熱電変換材料膜上の第１の電極に接続された構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０６５１８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した熱電変換装置における熱電変換特性の向上を図るためには、熱電変換素子の温接点側と冷接点側との間で温度差を大きくすることが重要である。また、熱源からの熱を効率良く利用するためには、熱電変換素子の温接点側に対して熱源から伝わる熱を集中させる必要がある。
【０００７】
例えば、上記特許文献１に記載の熱電変換モジュールでは、絶縁性基板を介して熱が伝わるため、この絶縁性基板を介して熱が逃げてしまい、出力が低下するといった問題が発生してしまう。
【０００８】
本発明者らは、この対策として、絶縁性基板の熱電変換材料膜が設けられた面とは反対側の面に凹部を設けて、絶縁性基板を介して熱が逃げにくくすることを検討している。
【０００９】
しかしながら、このような凹部を設けた場合、基板の面内に並んで設けられた複数の熱電変換素子に熱膨張による変形が発生することがあり、各熱電変換素子に発生する変形が不均一となってしまい、一部の電極と凸部（伝熱部）との熱的な接触が不安定となることを本発明者らは見出した。したがって、この場合、各熱電変換素子の熱的な接続信頼性が低下してしまい、十分な出力が得られなくなることを本発明者らは見出した。
【００１０】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、熱電変換素子の熱的な接続信頼性を向上させた熱電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１）  厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内に並んで設けられた複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子の並び方向における各熱電変換素子の一端側及び他端側に各々設けられた複数の電極と、
前記基材の前記第１の面側に、前記複数の熱電変換素子の少なくとも一部との間に間隔を設けて配置された伝熱部材と、
前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか一方側に設けられた一方の電極と、前記伝熱部材との間を熱的に接合する複数の伝熱部とを備え、
前記基材は、前記第２の面側に、前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか他方側に設けられた他方の電極の間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられた複数の凹部を有し、
前記各熱電変換素子の前記伝熱部材と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が低い低熱膨張層が設けられていることを特徴とする熱電変換装置。
（２）  厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内に並んで設けられた複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子の並び方向における各熱電変換素子の一端側及び他端側に各々設けられた複数の電極と、
前記基材の前記第１の面側に、前記複数の熱電変換素子の少なくとも一部との間に間隔を設けて配置された伝熱部材と、
前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか一方側に設けられた一方の電極と、前記伝熱部材との間を熱的に接合する複数の伝熱部とを備え、
前記基材は、前記第２の面側に、前記各熱電変換素子の温接点側と冷接点側との何れか他方側に設けられた他方の電極の間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられた複数の凹部を有し、
前記各熱電変換素子の前記凹部と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が高い高熱膨張層が設けられていることを特徴とする熱電変換装置。
（３）  前記高熱膨張層は、前記凹部の底面に位置して設けられていることを特徴とする前記（２）に記載の熱電変換装置。
（４）  前記高熱膨張層は、前記基板と前記熱電変換素子との間に位置して設けられていることを特徴とする前記（２）に記載の熱電変換装置。
（５）  前記各熱電変換素子の前記伝熱部材と対向する面側には、当該熱電変換素子よりも熱膨張率が小さい低熱膨張層が設けられていることを特徴とする前記（２）〜（４）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
（６）  前記低熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みよりも小さいことを特徴とする前記（１）又は（５）に記載の熱電変換装置。
（７）  前記低熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下であることを特徴とする前記（６）に記載の熱電変換装置。
（８）  前記高熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みよりも小さいことを特徴とする前記（２）〜（５）に記載の熱電変換装置。
（９）  前記高熱膨張層の厚みは、前記熱電変換素子の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下であることを特徴とする前記（８）に記載の熱電変換装置。
（１０）  前記各熱電変換素子は、熱膨張したときに、前記一方の電極と前記他方の電極との間で、互いに同一方向に撓み変形可能に設けられていることを特徴とする前記（１）〜（９）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
（１１）  前記凹部の底面に前記熱電変換素子の少なくとも一部が位置していることを特徴とする前記（１）〜（１０）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
（１２）  前記基材は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板であることを特徴とする前記（１）〜（１１）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、熱電変換素子の熱的な接続信頼性を向上させた熱電変換装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す透視平面図である。
【図２】図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置の断面図である。
【図３】図２中に示す囲み部分Ｂを拡大して示す要部断面図である。
【図４】図２に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】図５中に示す囲み部分Ｃを拡大して示す要部断面図である。
【図７】図５に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図９】図８中に示す囲み部分Ｄを拡大して示す要部断面図である。
【図１０】図８に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図１２】図１１中に示す囲み部分Ｅを拡大して示す要部断面図である。
【図１３】図１１に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図１５】図１４中に示す囲み部分Ｆを拡大して示す要部断面図である。
【図１６】図１４に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す透視平面図である。
【図１８】図１７に示す熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図１９】本発明の第７の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１５】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１〜図４に示す熱電変換装置１Ａについて説明する。なお、図１は、熱電変換装置１Ａの概略構成を示す透視平面図である。図２は、図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置１Ａの断面図である。図３は、図２中に示す囲み部分Ｂを拡大して示す要部断面図である。図４は、各熱電変換素子３に伝わる熱によって、各熱電変換素子３が撓んだ状態を示す断面図である。
【００１６】
また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を熱電変換装置１Ａの特定の面内における第１の方向とし、Ｙ軸方向を熱電変換装置１Ａの特定の面内における第１の方向と直交した第２の方向とし、Ｚ軸方向を熱電変換装置１Ａの特定の面内と直交する第３の方向（厚み方向／高さ方向）として、それぞれ示すものとする。
【００１７】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、図１及び図２に示すように、基板２の面上に並んで配置された複数（本実施形態では８個）の熱電変換素子３を一対の端子４ａ，４ｂの間で直列に接続した構造を有している。
【００１８】
基板２は、厚み方向において互いに対向する第１の面（本実施形態では上面）２ａと第２の面（本実施形態では下面）２ｂとを有する絶縁性の基材からなる。本実施形態では、基板２として、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板２０を用いている。
【００１９】
ＳＯＩ基板２０は、支持基板となるシリコン(Ｓｉ)基板２１の面上に、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ(Buried OXide)層）となる酸化シリコン(ＳｉＯ２)層２２を介してＳＯＩ層（デバイス層）となる薄膜シリコン(Ｓｉ)層２３が形成された構造を有している。
【００２０】
また、基板２としては、上述したＳＯＩ基板２０の他にも、例えばシート抵抗が１０Ω以上となる高抵抗シリコン(Ｓｉ)基板を用いることが好ましい。基板２のシート抵抗が１０Ω以上となることで、複数の熱電変換素子３の間で電気的な短絡が生じるのを防止することが可能である。
【００２１】
なお、基板２としては、上述したＳＯＩ基板２０や高抵抗Ｓｉ基板の他にも、例えば、セラミック基板や、ガラス基板、その他の高抵抗単結晶基板などを用いることができる。さらに、基板２としては、シート抵抗が１０Ω以下となる低抵抗基板であっても、この低抵抗基板と熱電変換素子３との間に高抵抗材料を配置したものを用いることができる。
【００２２】
複数の各熱電変換素子３は、基板２の第１の面２ａ側の面内（特定の面内）において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向と第２の方向とのうち、第１の方向を短手方向とし、第２の方向を長手方向として、第１の方向に一定の間隔で並んで配置されている。また、各熱電変換素子３は、平面視で互いに同じ大きさで矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。
【００２３】
複数の熱電変換素子３は、ｐ型半導体とｎ型半導体との何れか一方（本実施形態ではｎ型半導体）からなる第１の熱電変換素子（一方の熱電変換素子）３ａと、ｐ型半導体とｎ型半導体との何れか他方（本実施形態ではｐ型半導体）からなる第２の熱電変換素子（他方の熱電変換素子）３ｂとが交互に並んで配置された構成を有している。
【００２４】
第１の熱電変換素子３ａには、例えば高濃度（１０１８〜１０１９ｃｍ−３）のアンチモン(Ｓｂ)がそれぞれドープされたｎ型シリコン(Ｓｉ)膜とｎ型シリコン・ゲルマニウム(ＳｉＧｅ)合金膜との多層膜を用いることができる。ｎ型半導体からなる第１の熱電変換素子３ａでは、冷接点側から温接点側に向けて電流が流れる。
【００２５】
第２の熱電変換素子３ｂには、例えば高濃度（１０１８〜１０１９ｃｍ−３）のボロン(Ｂ)がそれぞれドープされたｐ型シリコン(Ｓｉ)膜とｐ型シリコン・ゲルマニウム(ＳｉＧｅ)合金膜との多層膜を用いることができる。ｐ型半導体からなる第２の熱電変換素子３ｂでは、温接点側から冷接点側に向けて電流が流れる。
【００２６】
なお、熱電変換素子３は、上述したｐ型又はｎ型半導体の多層膜からなるものに必ずしも限定されるものではなく、ｐ型又はｎ型半導体の単層膜からなるものであってもよい。また、半導体として酸化物系の半導体を用いることもできる。また、有機高分子膜や金属膜などからなる熱電変換膜を用いることができる。さらに、熱電変換素子３は、上述した熱電変換膜に限らず、バルクからなるものを用いてもよい。
【００２７】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、複数の熱電変換素子３の並び方向（第１の方向）における各熱電変換素子３の一端側及び他端側に各々設けられた複数（本実施形態では９個）の電極５を備えている。
【００２８】
複数の電極５は、基板２の第１の面２ａ上に配置されると共に、熱電変換素子３の第１の方向において対向する一端側の側面及び他端側の側面と、熱電変換素子３の一端側の側面及び他端側の側面に沿った上面とに、それぞれ接触した状態で配置されている。
【００２９】
なお、複数の電極５は、熱電変換素子３の第１の方向において対向する一端側の側面と他端側の側面とに沿った上面に配置された構成であってもよい。また、複数の電極５は、基板２の第１の面２ａ上に、熱電変換素子３の第１の方向において対向する一端側の側面と他端側の側面とに接触した状態で配置された構成としてもよい。
【００３０】
複数の電極５は、熱電変換素子３の長手方向（第２の方向）の全域に亘って、平面視で互いに同じ大きさで矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。電極５には、導電性及び熱伝導性が高く、且つ、形状加工がし易い、例えば銅(Ｃｕ)や金(Ａｕ)などを好適に用いることができる。
【００３１】
複数の電極５は、冷接点側電極となる５つの第１の電極（他方の電極）５ａと、温接点側電極となる４つの第２の電極（一方の電極）５ｂとが交互に並んで配置された構成を有している。複数の熱電変換素子３は、これら複数の電極５の並び方向において交互に隣り合う第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの各間に配置されて、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとに電気的に接続されている。
【００３２】
第１の電極５ａは、各第１の熱電変換素子３ａの一端側（本実施形態では＋Ｘ側）及び各第２の熱電変換素子３ｂの他端側（本実施形態では−Ｘ側）に配置されている。一方、第２の電極５ｂは、各第１の熱電変換素子３ａの他端側（本実施形態では−Ｘ側）及び各第２の熱電変換素子３ｂの一端側（本実施形態では＋Ｘ側）に配置されている。
【００３３】
ｎ型半導体からなる第１の熱電変換素子３ａでは、冷接点となる第１の電極５ａ側から温接点となる第２の電極５ｂ側に向けて電流が流れる。一方、ｐ型半導体からなる第２の熱電変換素子３ｂでは、温接点となる第２の電極５ｂ側から冷接点となる第１の電極５ａ側に向けて電流が流れる。
【００３４】
したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、第１の熱電変換素子３ａに流れる電流の向きと、第２の熱電変換素子３ｂに流れる電流の向きとが互いに同一方向となっている。
【００３５】
一対の端子４ａ，４ｂは、基板２の第１の面２ａ上に配置されている。このうち、一方の端子４ａは、熱電変換素子３の並び方向（第１の方向）において最も他端側（−Ｘ側）に位置する熱電変換素子３（本実施形態では第２の熱電変換素子３ｂ）の−Ｘ側に配置された第１の電極５ａと第１の配線６ａを介して電気的に接続されている。本実施形態において、一方の端子４ａは、平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されると共に、第１の電極５ａの長手方向（第２の方向）の中央部から、この第１の電極５ａよりも外側（−Ｘ側）に延長された第１の配線６ａと一体に形成されている。
【００３６】
これに対して、他方の端子４ｂは、熱電変換素子３の並び方向（第１の方向）において最も一端側（＋Ｘ側）に位置する熱電変換素子３（本実施形態では第１の熱電変換素子３ａ）の＋Ｘ側に配置された第１の電極５ａと第２の配線６ｂを介して電気的に接続されている。本実施形態において、他方の端子４ｂは、平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されると共に、第１の電極５ａの長手方向（第２の方向）の中央部から、この第１の電極５ａよりも外側（＋Ｘ側）に延長された第２の配線６ｂと一体に形成されている。
【００３７】
なお、一対の端子４ａ，４ｂ、第１の配線６ａ及び第２の配線６ｂについては、第１の電極５ａと一体に形成されていることから、上述した電極５で例示した材料と同じものを用いることができる。
【００３８】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、伝熱部７ａを介して熱電変換素子３と熱的に接合された伝熱板７を備えている。熱電変換装置１Ａでは、伝熱板７が高温（熱源）側となり、基板２が低温（放熱／冷却）側となるように配置される。
【００３９】
伝熱板７は、高温（熱源）側の伝熱部材として、空気よりも熱伝導率の高い材料、好ましくは基板２よりも熱伝導率の高い材料からなる。そのような伝熱板７の材料としては、金属を用いることが好ましく、その中でも特に、熱伝導率が高く、且つ、形状加工がし易い、例えばアルミニウム(Ａｌ)や銅(Ｃｕ)などを好適に用いることができる。また、伝熱板７の材料としては、酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)のようなセラミック材料を用いることもできる。また、伝熱板７は、複数の部材により構成されていてもよい。
【００４０】
伝熱板７は、基板２の熱電変換素子３が設けられた面（本実施形態では第１の面２ａ）側に対向して、各熱電変換素子３及び第１の電極５ａとの間に間隔Ｓを設けて配置されている。なお、間隔Ｓについては、熱電変換素子３と第１の電極５ａとの厚みの違いによって部分的に異なることがある。
【００４１】
この構成の場合、後述する熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して温接点となる第２の電極５ｂへと集中的に伝わることになる。一方、熱源から伝熱板７に伝わる熱が冷接点となる第１の電極５ａへと伝わり難くなる。これにより、各熱電変換素子３の温接点と冷接点との間で大きな温度差を得ることによって、高い出力を得ることが可能である。
【００４２】
伝熱部７ａは、伝熱板７と第２の電極５ｂとの互いに対向する面のうち、何れか一方の面側から突出された凸部により構成されている。本実施形態の伝熱部７ａは、伝熱板７の各第２の電極５ｂと対向する位置から、熱電変換素子３側である下方（−Ｚ方向）に向けて突出された凸部により構成されている。この凸部（伝熱部７ａ）は、上述した伝熱板７で例示した材料と同じものを用いることができる。また、伝熱部７ａは、伝熱板７と一体に構成することができる。
【００４３】
各伝熱部７ａは、平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）を有して、各第２の電極５ｂと平面視で重なる範囲を含んで突出して設けられている。伝熱部７ａを構成する各凸部は、それぞれの先端が各第２の電極５ｂと突き合わされた状態となっている。これにより、伝熱板７は、凸部（伝熱部７ａ）を介して熱電変換素子３の温接点側（第１の熱電変換素子３ａの−Ｘ側、及び第２の熱電変換素子３ｂの＋Ｘ側）と熱的に接合されている。また、各伝熱部７ａの先端は、絶縁層（図示せず。）を介して各第２の電極５ｂと電気的に絶縁された状態で熱的に接合されている。
【００４４】
絶縁層には、伝熱部７ａの一部を構成するものとして、例えば、酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)や酸化シリコン(ＳｉＯ２)、窒化シリコン(ＳｉＮ)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)などの空気よりも熱伝導率の高い絶縁材料を用いることができる。また、例えばＵＶ硬化型樹脂やシリコーン系樹脂、熱伝導グリース（例えばシリコーン系のグリースや、金属酸化物を含む非シリコーン系のグリース等）などを用いることができる。なお、伝熱部７ａの先端と第２の電極５ｂとの間で電気的な絶縁性が問題とならない場合には、上述した絶縁層を設けずに、伝熱部７ａの先端と第２の電極５ｂとが直接接合されていてもよい。
【００４５】
また、伝熱部７ａは、上述した伝熱板７側から突出された凸部により構成された場合に限らず、第２の電極５ｂ側から、伝熱板７側である上方（＋Ｚ方向）に向けて突出された凸部により構成することも可能である。このような凸部は、例えば、第２の電極５ｂの厚みを熱電変換素子３の厚みよりも大きくすることによって形成することができ、このような凸部を介して伝熱板７と熱電変換素子３（第２の電極５ｂ）とを熱的に接合することも可能である。さらに、伝熱部７ａとして、伝熱板７と熱電変換素子３（第２の電極５ｂ）との間を熱的に接合する別の部材（上記絶縁層を含む。）を設けることも可能である。
【００４６】
基板２と伝熱板７との間には、空気層となる空間Ｋが設けられている。また、空間Ｋは、互いに隣り合う伝熱部７ａの各間において区画されている。すなわち、空間Ｋは、各熱電変換素子３及び第１の電極５ａと伝熱板７との間に設けられている。この空間Ｋは、熱の伝導を遮断する（断熱する）機能を有している。これにより、熱源から伝熱板７に伝わる熱が第１の電極５ａへと更に伝わり難くなるため、後述する各熱電変換素子３の温接点と冷接点との間で温度差を拡大しながら、高い出力を得ることが可能である。
【００４７】
なお、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、上述した空間Ｋに伝熱部７ａよりも熱伝導率が低い低熱伝導材料が充填された構成とすることも可能である。
【００４８】
本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、基板２において、少なくとも冷接点側電極となる第１の電極５ａと対向する部分の厚みが、少なくとも温接点側電極となる第２の電極５ｂと対向する部分の厚みよりも厚くなる構成を有している。
【００４９】
具体的に、基板２の第１の面２ａが平面であるのに対して、基板２の第２の面２ｂには、複数（本実施形態では５個）の凸部８ａと、複数（本実施形態では４個）の凹部８ｂとが第２の方向に交互に並んで設けられている。
【００５０】
複数の凸部８ａは、各第１の電極５ａと平面視で重なる範囲を含んで一定の高さで突出して設けられている。複数の凹部８ｂは、複数の凸部８ａの各間に亘って一定の深さで凹んで設けられている。すなわち、複数の凹部８ｂは、複数の第１の電極５ａの各間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられている。
【００５１】
これにより、基板２の凸部８ａが設けられた部分の厚みが、凹部８ｂが設けられた部分の厚みよりも厚くなっている。なお、第２の方向の両端に位置する凸部８ａは、第２の面２ｂの第２の方向の両端まで一定の高さで延長して設けられている。
【００５２】
本実施形態では、図３に拡大して示すように、薄膜Ｓｉ層２３に至る深さの凹部８ｂが設けられている。すなわち、凹部８ｂの底面に薄膜Ｓｉ層２３が位置している。ＳＯＩ基板２０を用いた基板２では、第２の面２ｂ側から、ＳｉＯ２層２２をエッチングストッパとして、パターンエッチングすることにより、凹部８ｂに対応した領域のＳｉ基板２１を除去する。その後、凹部８ｂに対応した領域のＳｉＯ２層２２を除去することによって、薄膜Ｓｉ層２３に至る深さの凹部８ｂを形成している。
【００５３】
本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、各熱電変換素子３の伝熱板７と対向する面（本実施形態では上面）側に、低熱膨張層１０が設けられている。低熱膨張層１０は、熱電変換素子３よりも熱膨張率が低い材料からなる。そのような低熱膨張層１０の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２：０．５１×１０−６〜０．５８×１０−６）や、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４：２．８×１０−６〜３．５×１０−６）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：７．２×１０−６）などを挙げることができる。なお、上記材料のカッコ内の数値は、各材料の熱膨張率［１／Ｋ］を表す。低熱膨張層１０としては、上記材料等の中から熱電変換素子３よりも熱膨張率が低いものを選択して用いることができる。
【００５４】
一方、熱電変換素子３の熱膨張率［１／Ｋ］については、例えば、シリコン(Ｓｉ)系熱電変換材料（Ｓｉ：２．４×１０−６〜２．６×１０−６）、シリコン(Ｓｉ)−ゲルマニウム(Ｇｅ)系熱電変換材料（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜１）：３×１０−６〜５×１０−６）、ビスマス(Ｂｉ)−テルル(Ｔｅ)系熱電変換材料（Ｂｉ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）：１３×１０−６〜１４×１０−６）を例示することができる。
【００５５】
低熱膨張層１０は、各熱電変換素子３の面上に平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。本実施形態では、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で熱電変換素子３の上面を覆うように低熱膨張層１０が設けられている。
【００５６】
また、低熱膨張層１０の厚みは、熱電変換素子３の厚みよりも小さいことが好ましい。低熱膨張層１０の厚みを薄くすることにより、この低熱膨張層１０による熱の伝導を抑制することができる。
【００５７】
具体的に、低熱膨張層１０の厚みについては、熱電変換素子３の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下（０．００５〜０．２倍）であることが好ましく、１／１００倍以上、１／１０倍以下（０．０１〜０．１倍）であることがより好ましい。これにより、低熱膨張層１０による熱の伝導を抑制しながら、後述する熱電変換素子３が熱膨張により変形した際の熱電変換素子３が変形する向きを低熱膨張層１０により制御することができる。
【００５８】
また、低熱膨張層１０は、熱電変換素子３よりも熱伝導率が低い材料からなることが好ましい。これにより、低熱膨張層１０による熱の伝導を抑制することができる。
【００５９】
なお、上述した低熱膨張層１０で例示した材料の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］は、酸化シリコン（ＳｉＯ２：１．３８）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４：２０〜２８）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：２５〜３６）となっている。
【００６０】
一方、上述した熱電変換素子３で例示した材料の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］は、シリコン(Ｓｉ)系熱電変換材料（Ｓｉ：１４８）、シリコン(Ｓｉ)−ゲルマニウム(Ｇｅ)系熱電変換材料（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜１）：５〜１００）、ビスマス(Ｂｉ)−テルル(Ｔｅ)系熱電変換材料（Ｂｉ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）：１〜２）となっている。
【００６１】
以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、熱源（図示せず。）から伝熱板７に伝わる熱が、伝熱部７ａを介して第２の電極５ｂに伝わることによって、各熱電変換素子３の第２の電極５ｂ側が第１の電極５ａ側よりも相対的に高温となり、各熱電変換素子３の第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間に温度差が発生する。
【００６２】
これにより、各熱電変換素子３の第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間に電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、各熱電変換素子３の第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生する。
【００６３】
ここで、１つの熱電変換素子３で発生する起電力（電圧）は小さいものの、一対の端子４ａ，４ｂの間には、第１の熱電変換素子３ａと第２の熱電変換素子３ｂとが交互に直列に接続されている。したがって、これら一対の端子４ａ，４ｂの間からは、その総和の起電力として、比較的高い電圧を取り出すことが可能である。
【００６４】
ところで、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、上述した各熱電変換素子３の伝熱板７と対向する面側に、熱電変換素子３よりも熱膨張率が低い低熱膨張層１０が設けられている。この構成の場合、図４に示すように、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【００６５】
このとき、各熱電変換素子３は、その上面に設けられた低熱膨張層１０との熱膨張率の違いから、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、低熱膨張層１０よりも熱電変換素子３の熱膨張率が高いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた第２の電極５ｂが伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【００６６】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【００６７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図５〜図７に示す熱電変換装置１Ｂについて説明する。なお、図５は、熱電変換装置１Ｂの概略構成を示す断面図である。また、図５は、上記図１中に示す線分Ａ−Ａに対応した熱電変換装置１Ｂの断面図である。図６は、図５中に示す囲み部分Ｃを拡大して示す要部断面図である。図７は、熱電変換装置１Ｂの各熱電変換素子３が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００６８】
本実施形態の熱電変換装置１Ｂは、図５に示すように、上述した凹部８ｂの底面に熱電変換素子３の少なくとも一部が位置している以外は、上記熱電変換装置１Ａと基本的に同じ構成を有している。
【００６９】
具体的に、本実施形態の熱電変換装置１Ｂは、図６に拡大して示すように、熱電変換素子３に至る深さの凹部８ｂが設けられている。すなわち、この熱電変換装置１Ｂでは、凹部８ｂに対応した領域に基板２を貫通する孔部２ｃを設けることによって、凹部８ｂの底面に熱電変換素子３の一部及び第１の電極５ａが位置（露出）している。
【００７０】
また、ＳＯＩ基板２０を用いた基板２では、第２の面２ｂ側から、ＳｉＯ２層２２をエッチングストッパとして、パターンエッチングすることにより、凹部８ｂに対応した領域のＳｉ基板２１を除去する。その後、凹部８ｂに対応した領域のＳｉＯ２層２２及び薄膜Ｓｉ層２３を除去することによって、熱電変換素子３に至る深さの凹部８ｂを形成している。
【００７１】
本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、上述した各熱電変換素子３の伝熱板７と対向する面側に、熱電変換素子３よりも熱膨張率が低い低熱膨張層１０が設けられている。この構成の場合、図７に示すように、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【００７２】
このとき、各熱電変換素子３は、その面上に設けられた低熱膨張層１０との熱膨張率の違いから、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、各熱電変換素子３の面上に設けられた低熱膨張層１０よりも熱電変換素子３の熱膨張率が高いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた第２の電極５ｂが伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【００７３】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【００７４】
また、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、上述した熱電変換素子３に至る深さの凹部８ｂを設けることによって、この凹部８ｂの底面に熱電変換素子３の一部及び第１の電極５ａが位置（露出）している。この場合、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａから基板２を介して熱電変換素子３の冷接点側へと逃げてしまうことを防ぐことができる。これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、各熱電変換素子３の温接点と冷接点との間で温度差を拡大しながら、高い出力を得ることが可能である。
【００７５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図８〜図１０に示す熱電変換装置１Ｃについて説明する。なお、図８は、熱電変換装置１Ｃの概略構成を示す断面図である。また、図８は、上記図１中に示す線分Ａ−Ａに対応した熱電変換装置１Ｃの断面図である。図９は、図８中に示す囲み部分Ｄを拡大して示す要部断面図である。図１０は、熱電変換装置１Ｃの各熱電変換素子３が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ｂと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００７６】
本実施形態の熱電変換装置１Ｃは、図８に示すように、上述した低熱膨張層１０の代わりに、高熱膨張層１１が設けられた以外は、上記熱電変換装置１Ｂと基本的に同じ構成を有している。
【００７７】
具体的に、本実施形態の熱電変換装置１Ｃは、図９に拡大して示すように、各熱電変換素子３の凹部８ｂと対向する面（本実施形態では下面）側に、高熱膨張層１１が設けられた構成を有している。高熱膨張層１１は、熱電変換素子３よりも熱膨張率が高い材料からなる。そのような高熱膨張層１１の材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：７．２×１０−６）、スズ（Ｓｎ：２３×１０−６）、マグネシウム(Ｍｇ)合金（２６〜２８×１０−６）、ポリイミド（２７×１０−６）などを挙げることができる。なお、上記材料のカッコ内の数値は、各材料の熱膨張率［１／Ｋ］を表す。高熱膨張層１１としては、上記材料等の中から熱電変換素子３よりも熱膨張率が高いものを選択して用いることができる。
【００７８】
本実施形態の熱電変換装置１Ｃでは、上記熱電変換装置１Ｂと同様に、凹部８ｂに対応した領域に基板２を貫通する孔部２ｃを設けることによって、凹部８ｂの底面に熱電変換素子３の一部及び第１の電極５ａが位置している。
【００７９】
本実施形態の高熱膨張層１１は、この凹部８ｂの底面に位置して、熱電変換素子３の下面を含む凹部８ｂの底面及び凹部８ｂの側面を覆うように設けられている。一方、高熱膨張層１１は、凹部８ｂの底面に位置する熱電変換素子３の間（第１の電極５ａに対応した位置）で分断されている。
【００８０】
また、高熱膨張層１１の厚みは、熱電変換素子３の厚みよりも小さいことが好ましい。高熱膨張層１１の厚みを薄くすることにより、この高熱膨張層１１による熱の伝導を抑制することができる。
【００８１】
具体的に、高熱膨張層１１の厚みについては、熱電変換素子３の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下（０．００５〜０．２倍）であることが好ましく、１／１００倍以上、１／１０倍以下（０．０１〜０．１倍）であることがより好ましい。これにより、高熱膨張層１１による熱の伝導を抑制しながら、後述する熱電変換素子３が熱膨張により変形した際の熱電変換素子３が変形する向きを高熱膨張層１１により制御することができる。
【００８２】
また、高熱膨張層１１は、熱電変換素子３よりも熱伝導率が低い材料からなることが好ましい。これにより、高熱膨張層１１による熱の伝導を抑制することができる。なお、上述した高熱膨張層１１で例示した材料の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：２５〜３６）、スズ（Ｓｎ：６７）、マグネシウム(Ｍｇ)合金（０．１１〜０．１７）、ポリイミド（０．１６）となっている。
【００８３】
以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１Ｃでは、図１０に示すように、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【００８４】
このとき、各熱電変換素子３は、その下面に設けられた高熱膨張層１１との熱膨張率の違いから、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、高熱膨張層１１よりも熱電変換素子３の熱膨張率が低いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた第２の電極５ｂが伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【００８５】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｃでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【００８６】
なお、上記熱電変換装置１Ｃでは、上記熱電変換装置１Ｂの構成において、上述した低熱膨張層１０の代わりに、凹部８ｂの底面に高熱膨張層１１が設けられた構成となっているが、上記熱電変換装置１Ａの構成において、上述した低熱膨張層１０の代わりに、凹部８ｂの底面に高熱膨張層１１が設けられた構成とすることも可能である。
【００８７】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態として、例えば図１１〜図１３に示す熱電変換装置１Ｄについて説明する。なお、図１１は、熱電変換装置１Ｄの概略構成を示す断面図である。また、図１１は、上記図１中に示す線分Ａ−Ａに対応した熱電変換装置１Ｄの断面図である。図１２は、図１１中に示す囲み部分Ｅを拡大して示す要部断面図である。図１３は、熱電変換装置１Ｄの各熱電変換素子３が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ｂと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００８８】
本実施形態の熱電変換装置１Ｄは、図１１に示すように、上述した低熱膨張層１０の代わりに、高熱膨張層１２が設けられた以外は、上記熱電変換装置１Ｂと基本的に同じ構成を有している。
【００８９】
具体的に、本実施形態の熱電変換装置１Ｄは、図１２に拡大して示すように、各熱電変換素子３の凹部８ｂと対向する面側に、高熱膨張層１２が設けられた構成を有している。高熱膨張層１２は、熱電変換素子３よりも熱膨張率が高い材料からなる。したがって、高熱膨張層１２としては、上記高熱膨張層１１で例示した材料等の中から熱電変換素子３よりも熱膨張率が高いものを選択して用いることができる。
【００９０】
本実施形態の熱電変換装置１Ｄでは、上記熱電変換装置１Ｂと同様に、凹部８ｂに対応した領域に基板２を貫通する孔部２ｃを設けることによって、凹部８ｂの底面に高熱膨張層１２の一部及び第１の電極５ａが位置している。
【００９１】
本実施形態の高熱膨張層１２は、基板２と熱電変換素子３との間に位置して、熱電変換素子３の下面を覆うように設けられている。すなわち、本実施形態では、基板２の第１の面２ａ側に、高熱膨張層１２と熱電変換素子３とが積層された状態で設けられている。
【００９２】
また、高熱膨張層１２の厚みは、熱電変換素子３の厚みよりも小さいことが好ましい。高熱膨張層１２の厚みを薄くすることにより、この高熱膨張層１２による熱の伝導を抑制することができる。
【００９３】
具体的に、高熱膨張層１２の厚みについては、熱電変換素子３の厚みに対して、１／２００倍以上、１／５倍以下（０．００５〜０．２倍）であることが好ましく、１／１００倍以上、１／１０倍以下（０．０１〜０．１倍）であることがより好ましい。これにより、高熱膨張層１２による熱の伝導を抑制しながら、後述する熱電変換素子３が熱膨張により変形した際の熱電変換素子３が変形する向きを高熱膨張層１２により制御することができる。
【００９４】
また、高熱膨張層１２は、上述した高熱膨張層１１と同様に、熱電変換素子３よりも熱伝導率が低い材料からなることが好ましい。これにより、高熱膨張層１２による熱の伝導を抑制することができる。
【００９５】
以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１Ｄでは、図１３に示すように、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【００９６】
このとき、各熱電変換素子３は、その下面に設けられた高熱膨張層１２との熱膨張率の違いから、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、高熱膨張層１２よりも熱電変換素子３の熱膨張率が低いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた第２の電極５ｂが伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【００９７】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｄでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【００９８】
なお、上記熱電変換装置１Ｄでは、上記熱電変換装置１Ｂの構成において、上述した低熱膨張層１０の代わりに、基板２と熱電変換素子３との間に高熱膨張層１２が設けられた構成となっているが、上記熱電変換装置１Ａの構成において、上述した低熱膨張層１０の代わりに、基板２と熱電変換素子３との間に高熱膨張層１２が設けられた構成とすることも可能である。
【００９９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態として、例えば図１４〜図１６に示す熱電変換装置１Ｅについて説明する。なお、図１４は、熱電変換装置１Ｅの概略構成を示す断面図である。また、図１４は、上記図１中に示す線分Ａ−Ａに対応した熱電変換装置１Ｅの断面図である。図１５は、図１４中に示す囲み部分Ｆを拡大して示す要部断面図である。図１６は、熱電変換装置１Ｅの各熱電変換素子３が熱膨張により変形した状態を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ｂ，１Ｄと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１００】
本実施形態の熱電変換装置１Ｅは、図１４に示すように、上述した低熱膨張層１０と共に、高熱膨張層１２が設けられた以外は、上記熱電変換装置１Ｂ，１Ｄと基本的に同じ構成を有している。すなわち、この熱電変換装置１Ｅは、上記熱電変換装置１Ｂの構成に、上記熱電変換装置１Ｄの構成を追加したものである。
【０１０１】
具体的に、本実施形態の熱電変換装置１Ｅは、図１５に拡大して示すように、上記熱電変換装置１Ｂの構成に加えて、各熱電変換素子３の凹部８ｂと対向する面側に、高熱膨張層１２が設けられた構成となっている。すなわち、この熱電変換装置１Ｅでは、基板２の第１の面２ａ側に、高熱膨張層１２と熱電変換素子３と低熱膨張層１０とが積層された状態で設けられている。
【０１０２】
以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１Ｅでは、図１６に示すように、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【０１０３】
このとき、各熱電変換素子３は、その上面に設けられた低熱膨張層１０と、その下面に設けられた高熱膨張層１１との熱膨張率の違いから、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、低熱膨張層１０よりも熱電変換素子３の熱膨張率が高く、且つ、高熱膨張層１１よりも熱電変換素子３の熱膨張率が低いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた第２の電極５ｂが伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【０１０４】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｅでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【０１０５】
なお、上記熱電変換装置１Ｅでは、上記熱電変換装置１Ｂの構成に加えて、基板２と熱電変換素子３との間に高熱膨張層１２が設けられた構成となっているが、上記熱電変換装置１Ａの構成に加えて、基板２と熱電変換素子３との間に高熱膨張層１２が設けられた構成とすることも可能である。さらに、上記高熱膨張層１２の代わりに、上記熱電変換装置１Ａの構成に加えて、凹部８ｂの底面に高熱膨張層１１が設けられた構成や、上記熱電変換装置１Ｂの構成に加えて、凹部８ｂの底面に高熱膨張層１１が設けられた構成とすることも可能である。
【０１０６】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態として、例えば図１７及び図１８に示す熱電変換装置１Ｆについて説明する。なお、図１７は、熱電変換装置１Ｆの概略構成を示す透視平面図である。図１８は、熱電変換装置１Ｆの概略構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１０７】
本実施形態の熱電変換装置１Ｆは、基板２の第１の面２ａ側の面内において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向（Ｘ軸方向）と第２の方向（Ｙ軸方向）とのうち、第１の方向に並ぶ複数（本実施形態では４つ）の熱電変換素子３を各々有して、第２の方向に並んで配置された複数（本実施形態では６列）の熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆを備えている。複数の熱電変換素子３は、ｎ型半導体又はｐ型半導体の何れか一方（本実施形態ではｎ型半導体）である熱電変換膜からなる。
【０１０８】
熱電変換装置１Ｆは、熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆを構成する各熱電変換素子３の第２の方向における一端側（−Ｙ側）に設けられた第３の電極５ｃと、各熱電変換素子３の第２の方向における他端側（＋Ｙ側）に設けられた第４の電極５ｄとを有している。なお、第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄの材料としては、上述した電極５で例示した材料と同じものを用いることができる。
【０１０９】
また、第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子３と他方の熱電変換素子３との各間において、一方の熱電変換素子３に設けられた第３の電極５ｃ（又は第４の電極５ｄ）と、他方の熱電変換素子３に設けられた第４の電極５ｄ（又は第３の電極５ｃ）とが互いに離間した状態で配置されている。
【０１１０】
熱電変換装置１Ｆは、複数の熱電変換素子３のうち、第３の電極５ｃ側から第４の電極５ｄ側に向けて電流が流れる熱電変換素子３（以下、必要に応じて「第３の熱電変換素子３ｃ」として区別する。）と、第４の電極５ｄ側から第３の電極５ｃ側に向けて電流が流れる熱電変換素子３（以下、必要に応じて「第４の熱電変換素子３ｄ」として区別する。）とを有している。
【０１１１】
なお、図１７では、第３の熱電変換素子３ｃに流れる電流の方向と、第４の熱電変換素子３ｄに流れる電流の方向と、一方の端子４ａに流れる電流の方向と、他方の端子４ｂに流れる電流の方向とを、それぞれ矢印の向きで表している。
【０１１２】
本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、熱電変換素子列３０Ａ，３０Ｃ，３０Ｅが複数の第３の熱電変換素子３ｃにより構成され、熱電変換素子列３０Ｂ，３０Ｄ，３０Ｆが複数の第４の熱電変換素子３ｄにより構成されている。
【０１１３】
一対の端子４ａ，４ｂのうち、一方の端子４ａは、第２の方向において最も一端側（−Ｙ側）に位置する熱電変換素子列３０Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も一端側（−Ｘ側）に位置する熱電変換素子３（第３の熱電変換素子３ｃ）の第３の電極５ｃと電気的に接続されている。
【０１１４】
これに対して、他方の端子４ｂは、第２の方向において最も他端側（＋Ｙ側）に位置する熱電変換素子列３０Ｆを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も一端（−Ｘ側）に位置する熱電変換素子３（第４の熱電変換素子３ｄ）の第３の電極５ｃと電気的に接続されている。
【０１１５】
本実施形態の熱電変換装置１Ｆは、各熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆを構成する複数の熱電変換素子３の各間を互いに直列に接続する複数の第３の配線６ｃと、複数の熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆのうち、第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列を構成する複数の熱電変換素子３と、他方の熱電変換素子列を構成する複数の熱電変換素子３との各間が互いに直列に接続されるように、複数の熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆの各間を互いに直列に接続する複数の第４の配線６ｄ，６ｅとを備えている。なお、第３の配線６ｃ及び第４の配線６ｄ，６ｅの材料としては、上述した電極５で例示した材料と同じものを用いることができる。
【０１１６】
熱電変換装置１Ｆは、熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆを構成する各熱電変換素子３に設けられた、温接点側となる第３の電極５ｃ又は第４の電極５ｄ（以下、まとめて「温接点側電極５０Ａ」という。）と、冷接点側となる第４の電極５ｄ又は第３の電極５ｃ（以下、まとめて「冷接点側電極５０Ｂ」という。）とを有している。
【０１１７】
温接点側電極５０Ａは、第３の熱電変換素子３ｃに設けられた第４の電極５ｄ及び第４の熱電変換素子３ｄに設けられた第３の電極５ｃにより構成されている。一方、冷接点側電極５０Ｂは、第３の熱電変換素子３ｃに設けられた第３の電極５ｃ及び第４の熱電変換素子３ｄに設けられた第４の電極５ｄにより構成されている。
【０１１８】
温接点側電極５０Ａは、第２の方向において隣り合う第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄにより構成されている。また、冷接点側電極５０Ｂは、第２の方向において隣り合う第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄにより構成されている。
【０１１９】
但し、第２の方向において最も一端側（−Ｙ側）に位置する第３の熱電変換素子３ｃに設けられた第３の電極５ｃと、第２の方向において最も他端側（＋Ｙ側）に位置する第４の熱電変換素子３ｄに設けられた第４の電極５ｄとは、それぞれ単独で冷接点側電極５０Ｂを構成している。
【０１２０】
伝熱板７は、温接点側電極５０Ａと伝熱部７ａを介して熱的に接合されている。伝熱部７ａは、伝熱板７と温接点側電極５０Ａとの互いに対向する面のうち、何れか一方の面側から突出された凸部により構成されている。本実施形態の伝熱部７ａは、伝熱板７の各温接点側電極５０Ａと対向する位置から、熱電変換素子３側である下方（−Ｚ方向）に向けて突出された凸部により構成されている。
【０１２１】
各伝熱部７ａは、平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）を有して、各温接点側電極５０Ａを構成する第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄと重なる範囲Ｔ１を含んで突出して設けられている。伝熱部７ａを構成する各凸部は、それぞれの先端が各温接点側電極５０Ａと突き合わされた状態となっている。これにより、伝熱板７は、凸部（伝熱部７ａ）を介して熱電変換素子３の温接点側（第３の熱電変換素子３ｃの＋Ｙ側、及び第４の熱電変換素子３ｄの−Ｙ側）と熱的に接合されている。また、各伝熱部７ａの先端は、絶縁層（図示せず。）を介して各温接点側電極５０Ａと電気的に絶縁された状態で熱的に接合されている。
【０１２２】
基板２と伝熱板７との間には、空気層となる空間Ｋが設けられている。また、空間Ｋは、互いに隣り合う伝熱部７ａの各間において区画されている。すなわち、空間Ｋは、各熱電変換素子３及び冷接点側電極５０Ｂと伝熱板７との間に設けられている。
【０１２３】
本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、基板２の第１の面２ａが平面であるのに対して、基板２の第２の面２ｂには、複数（本実施形態では４個）の凸部８ａと、複数（本実施形態では３個）の凹部８ｂとが第２の方向に交互に並んで設けられている。
【０１２４】
複数の凸部８ａは、各冷接点側電極５０Ｂと平面視で重なる範囲Ｔ２を含んで一定の高さで突出して設けられている。複数の凹部８ｂは、複数の凸部８ａの各間に亘って一定の深さで凹んで設けられている。すなわち、複数の凹部８ｂは、複数の冷接点側電極５０Ｂの各間の領域と平面視で重なる範囲で凹んで設けられている。本実施形態では、上記図３に示す場合と同様に、上述した薄膜Ｓｉ層２３に至る深さの凹部８ｂが設けられている。
【０１２５】
本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、各熱電変換素子３の伝熱板７と対向する面（本実施形態では上面）側に、低熱膨張層１０が設けられている。低熱膨張層１０は、各熱電変換素子３の面上に平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。本実施形態では、第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間で熱電変換素子３の上面を覆うように低熱膨張層１０が設けられている。
【０１２６】
以上のような構成を有する熱電変換装置１Ｆでは、伝熱板７から伝熱部７ａを介して温接点側電極５０Ａに伝わる熱によって、各熱電変換素子３の温接点側電極５０Ａ側が相対的に高温となる。一方、各熱電変換素子３に伝わる熱は、冷接点側電極５０Ｂから基板２の凸部８ａを介して外部に放熱されるため、各熱電変換素子３の冷接点側電極５０Ｂ側が相対的に低温となる。したがって、各熱電変換素子３の温接点側電極５０Ａと冷接点側電極５０Ｂとの間に温度差が発生する。
【０１２７】
これにより、各熱電変換素子３の第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間に電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、各熱電変換素子３の第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生する。
【０１２８】
ここで、本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、上述した各熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆを構成する複数の熱電変換素子３の各間を互いに直列に接続する複数の第３の配線６ｃと、複数の熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆのうち、第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列を構成する複数の熱電変換素子３と、他方の熱電変換素子列を構成する複数の熱電変換素子３との各間が互いに直列に接続されるように、複数の熱電変換素子列３０Ａ〜３０Ｆの各間を互いに直列に接続する複数の第４の配線６ｄ，６ｅとが、一対の端子４ａ，４ｂの間で引き回されている。したがって、一対の端子４ａ，４ｂの間からは、その総和の起電力として、比較的高い電圧を取り出すことが可能である。
【０１２９】
ところで、本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、上述した各熱電変換素子３の伝熱板７と対向する面側に、熱電変換素子３よりも熱膨張率が低い低熱膨張層１０が設けられている。この構成の場合、上記図４に示す場合と同様に、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【０１３０】
このとき、各熱電変換素子３は、その上面に設けられた低熱膨張層１０との熱膨張率の違いから、第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、低熱膨張層１０よりも熱電変換素子３の熱膨張率が高いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた温接点側電極５０Ａ（第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄ）が伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【０１３１】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｆでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【０１３２】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態として、例えば図１９に示す熱電変換装置１Ｇについて説明する。なお、図１９は、熱電変換装置１Ｇの概略構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ｃ，１Ｆと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１３３】
本実施形態の熱電変換装置１Ｇは、図１９に示すように、上述した低熱膨張層１０の代わりに、高熱膨張層１１が設けられた以外は、上記熱電変換装置１Ｆと基本的に同じ構成を有している。
【０１３４】
具体的に、本実施形態の熱電変換装置１Ｇは、各熱電変換素子３の凹部８ｂと対向する面（本実施形態では下面）側に、高熱膨張層１１が設けられた構成を有している。
【０１３５】
また、本実施形態の熱電変換装置１Ｇでは、上記図９に示す場合と同様に、凹部８ｂに対応した領域に基板２を貫通する孔部２ｃを設けることによって、凹部８ｂの底面に熱電変換素子３の一部が位置している。
【０１３６】
本実施形態の高熱膨張層１１は、この凹部８ｂの底面に位置して、熱電変換素子３の下面を含む凹部８ｂの底面及び凹部８ｂの側面を覆うように設けられている。一方、高熱膨張層１１は、凹部８ｂの底面に位置する熱電変換素子３の間（温接点側電極５０Ａに対応した位置）で分断されている。
【０１３７】
以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１Ｇでは、上記図１０に示す場合と同様に、熱源から伝熱板７に伝わる熱が伝熱部７ａを介して各熱電変換素子３に伝わることによって、第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間で各熱電変換素子３が熱膨張により変形する。
【０１３８】
このとき、各熱電変換素子３は、その下面に設けられた高熱膨張層１１との熱膨張率の違いから、第３の電極５ｃと第４の電極５ｄとの間で互いに同一方向に撓んだ状態となる。すなわち、高熱膨張層１１よりも熱電変換素子３の熱膨張率が低いことから、各熱電変換素子３の一端側及び他端側が伝熱板７側に向かって反った形状となる。同時に、伝熱板７の伝熱部７ａと突き合わされた温接点側電極５０Ａ（第３の電極５ｃ及び第４の電極５ｄ）が伝熱部７ａ側に押し付けられた状態となる。
【０１３９】
これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｇでは、各熱電変換素子３が熱膨張により変形した場合でも、各熱電変換素子３が変形する向きを揃えながら、各熱電変換素子３の熱的な接続信頼性を確保することが可能である。
【０１４０】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記熱電変換装置１Ａ〜１Ｅでは、伝熱板７を高温（熱源）側とし、基板２を低温（放熱／冷却）側に配置した場合を例示しているが、基板２を高温（熱源）側に配置し、伝熱板７を低温（放熱／冷却）側に配置することによって、熱源からの熱が基板２側から伝わるようにしてもよい。この場合、第１の電極５ａが温接点側電極となり、第２の電極５ｂが冷接点側電極となる。
【０１４１】
また、上記熱電変換装置１Ａ〜１Ｅでは、上述した第２の電極（一方の電極）５ｂと伝熱板７との間が伝熱部７ａを介して熱的に接合され、第１の電極（他方の電極）５ａの間の領域と平面視で重なる範囲で凹部８ｂが設けられた構成となっているが、それとは逆に、第１の電極（一方の電極）５ａと伝熱板７との間が伝熱部７ａを介して熱的に接合され、第２の電極（他方の電極）５ｂの間の領域と平面視で重なる範囲で凹部８ｂが設けられた構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１４２】
１Ａ〜１Ｇ…熱電変換装置  ２…基板  ２ａ…第１の面  ２ｂ…第２の面  ３…熱電変換素子  ３０Ａ〜３０Ｆ…熱電変換素子列  ３ａ…第１の熱電変換素子（一方の熱電変換素子）  ３ｂ…第２の熱電変換素子（他方の熱電変換素子）  ３ｃ…第３の熱電変換素子（一方の熱電変換素子）  ３ｄ…第４の熱電変換素子（他方の熱電変換素子）  ４ａ…一方の端子  ４ｂ…他方の端子  ５…電極  ５０Ａ…温接点側電極  ５０Ｂ…冷接点側電極  ５ａ…第１の電極（一方の電極／冷接点側電極）  ５ｂ…第２の電極（他方の電極／温接点側電極）  ５ｃ…第３の電極（一方の電極）  ５ｄ…第４の電極（他方の電極）  ６ａ…第１の配線  ６ｂ…第２の配線  ６ｃ…第３の配線  ６ｄ，６ｅ…第４の配線  ７…伝熱板（伝熱部材）  ７ａ…伝熱部  ８ａ…凸部  ８ｂ…凹部  １０…低熱膨張層  １１，１２…高熱膨張層  ２０…ＳＯＩ基板  ２１…Ｓｉ基板（支持基板）  ２２…ＳｉＯ２層（ＢＯＸ層）  ２３…薄膜Ｓｉ層（ＳＯＩ層）  Ｓ…間隔  Ｋ…空間
【図１】
2020025047.tif 000003
【図２】
2020025047.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020025047.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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