(57)【要約】【課題】熱電素子の中間部の充填が容易できる熱電素子、熱電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法を提供する。【解決手段】収容部３と、収容部３に達する少なくとも１つの孔１７と、を有する筐体２と、収容部３に設けられた第１電極部１３と、第１電極部１３と離間して対向し、第１電極部１３とは異なった仕事関数を有する第２電極部１４と、第１電極部１３と、第２電極部１４との間に設けられ、第１電極部１３の仕事関数と第２電極部１４の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１８を含む中間部１６と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、
前記収容部に設けられた第１電極部と、
前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備えること
を特徴とする熱電素子。
【請求項２】
前記筐体は、
前記第１電極部と接する第１基板と、
前記第２電極部と接し、前記第１基板と離間する第２基板と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられた支持部と、
を含み、
前記第１電極部は、前記第１基板と、前記支持部との間に設けられ、
前記第２電極部は、前記第２基板と、前記支持部との間に設けられること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】
前記筐体は、
前記収容部に対応した凹部を有する第１基板と、
前記凹部の上に設けられた第２基板と、
を含み、
前記第１電極部及び前記第２電極部のそれぞれは、前記凹部に設けられていること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項４】
前記第１電極部又は前記第２電極部の何れかと電気的に接続され、第１方向に延在する一対の引出配線をさらに備えること
を特徴とする請求項３記載の熱電素子。
【請求項５】
前記孔は、
前記筐体に、対向及び対角の少なくとも何れかの位置に少なくとも２つ設けられ、
前記孔を覆う封止部をさらに備えること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項６】
前記第１電極部と、前記第２電極部との間の電極間ギャップは、１０μｍ以下であり、
前記ナノ粒子の直径は、前記電極間ギャップの１／１０以下であること
を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項７】
前記ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有し、
前記絶縁膜の厚さは、２０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項８】
前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含むこと
を特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項９】
前記中間部は、前記ナノ粒子のみが充填された状態を示すこと
を特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項１０】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、
前記熱電素子は、
収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、
前記収容部に設けられた第１電極部と、
前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備えること
を特徴とする発電装置。
【請求項１１】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記熱電素子は、
収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、
前記収容部に設けられた第１電極部と、
前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備えること
を特徴とする電子機器。
【請求項１２】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第１電極部の上に、支持部を形成する工程と、
前記支持部の内に、前記第１電極部に達する収容部を形成する工程と、
前記収容部が形成された前記支持部の上に、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部を形成する工程と、
前記第１電極部、前記支持部、及び前記第２電極部の少なくともいずれか１つに、前記収容部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、
前記少なくとも１つの孔を介して、前記収容部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、
を備えること
を特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項１３】
第１基板部の上に、一対の支持部を形成する工程と、
前記支持部の内に、第１基板に達する収容部を形成する工程と、
前記収容部が形成された前記第１基板部の上に、第１電極部と、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、を櫛歯状に形成する工程と、
前記支持部の上面に、第２基板を接合する工程と、
前記収容部の開口部分に封止部を形成する工程と、
前記支持部の側面又は前記第２基板の平面上に、前記収容部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、
前記少なくとも１つの孔を介して、前記収容部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、
を備えること
を特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項１４】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第１基板部の上に、凹部を形成する工程と、
前記凹部の内に、第１電極部を形成する工程と、
前記第１電極部が形成された前記第１基板部の上に、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部を形成する工程と、
前記第１基板部、及び前記第２電極部の少なくともいずれか１つに、前記凹部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、
前記少なくとも１つの孔を介して、前記凹部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、
を備えること
を特徴とする熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特許文献１には、仕事関数差を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差（ゼーベック効果）を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合であっても発電可能である。このため、より様々な用途への利用が期待されている。
【０００３】
特許文献１には、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は１００ｎｍ以下である熱電素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１４７９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示の技術では、前記球状ナノビーズの粒子を用いた熱電素子の電極構造は、一対の電極部の間に微細なギャップを構成するもので、ナノビーズを用いて微小ギャップ量を形成している。このような特許文献１に記載のギャップ構造では、微小ギャップの間に複数のナノビーズが配置されるため、熱電素子を形成する中間部へのナノ粒子の充填が困難であった。
【０００６】
特に、実用化又は量産化にあたっては、熱電素子を形成する中間部へのナノ粒子の充填を考慮した構造及び製造プロセスが重要であり、これらが複雑となると、製造プロセスコストの増大につながり、実用性を低下させる原因となる。
【０００７】
そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、中間部の充填が容易でき、製造プロセスの簡易化を実現できる熱電素子、熱電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る熱電素子は、収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、前記収容部に設けられた第１電極部と、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２発明に係る熱電素子は、第１発明において、前記筐体は、前記第１電極部と接する第１基板と、前記第２電極部と接し、前記第１基板と離間する第２基板と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられた支持部と、を含み、前記第１電極部は、前記第１基板と、前記支持部との間に設けられ、前記第２電極部は、前記第２基板と、前記支持部との間に設けられることを特徴とする。
【００１０】
第３発明に係る熱電素子は、第１発明において、前記筐体は、前記収容部に対応した凹部を有する第１基板と、前記凹部の上に設けられた第２基板と、を含み、前記第１電極部及び前記第２電極部のそれぞれは、前記凹部に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
第４発明に係る熱電素子は、第３発明において、前記第１電極部又は前記第２電極部の何れかと電気的に接続され、第１方向に延在する一対の引出配線をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
第５発明に係る熱電素子は、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記孔は、前記筐体に、対向及び対角の少なくとも何れかの位置に少なくとも２つ設けられ、前記孔を覆う封止部をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
第６発明に係る熱電素子は、第１発明〜第５発明の何れかにおいて、前記第１電極部と、前記第２電極部との間の電極間ギャップは、１０μｍ以下であり、前記ナノ粒子の直径は、前記電極間ギャップの１／１０以下であることを特徴とする。
【００１４】
第７発明に係る熱電素子は、第１発明〜第６発明の何れかにおいて、前記ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有し、前記絶縁膜の厚さは、２０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
第８発明に係る熱電素子は、第１発明〜第７発明の何れかにおいて、前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含むことを特徴とする。
【００１６】
第９発明に係る熱電素子は、第１発明〜第７発明の何れかにおいて、前記中間部は、前記ナノ粒子のみが充填された状態を示すことを特徴とする。
【００１７】
第１０発明に係る発電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、前記熱電素子は、収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、前記収容部に設けられた第１電極部と、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
第１１発明に係る電子機器は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、前記熱電素子は、収容部と、前記収容部に達する少なくとも１つの孔と、を有する筐体と、前記収容部に設けられた第１電極部と、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
第１２発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、第１電極部の上に、支持部を形成する工程と、前記支持部に、前記第１電極部に達する収容部を形成する工程と、前記収容部が形成された前記支持部の上に、第２電極部を形成する工程と、前記第１電極部、前記支持部、及び前記第２電極部の少なくともいずれか１つに、前記収容部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、前記少なくとも１つの孔を介して、前記収容部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
第１３発明に係る熱電素子の製造方法は、第１基板部の上に、一対の支持部を形成する工程と、前記の支持部の内に、第１基板に達する収容部を形成する工程と、前記収容部が形成された前記第１基板部の上に、第１電極部と、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、を櫛歯状に形成する工程と、前記支持部の上面に、第２基板を接合する工程と、前記収容部の開口部分に封止部を形成する工程と、前記支持部の側面又は前記第２基板の平面上に、前記収容部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、前記少なくとも１つの孔を介して、前記収容部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
第１４発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、第１基板部の上に、凹部を形成する工程と、前記凹部の内に、第１電極部を形成する工程と、前記第１電極部が形成された前記第１基板部の上に、前記第１電極部と離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部を形成する工程と、前記第１基板部、及び前記第２電極部の少なくともいずれか１つに、前記凹部に達する少なくとも１つの孔を形成する工程と、前記少なくとも１つの孔を介して、前記凹部の内に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する。
【発明の効果】
【００２２】
第１発明〜第１１発明によれば、筐体は、少なくとも１つの孔を有し、第１電極部と、第２電極部との間に設けられたナノ粒子を含む中間部を備える。このため、筐体の孔を介してナノ粒子を含む中間部の注入を容易に行うことができる。これにより、例えば微小ギャップを複数のナノビーズで形成する熱電素子であっても、筐体に設けられる孔により容易に中間部の充填を実施することが可能となり、製造プロセスの簡易化を実現できる。
【００２３】
また、第１発明〜第１１発明によれば、熱電素子は、離間して対向する各電極部と、中間部を囲む収容部を有する。このため、各電極部の間隔（電極間ギャップ）を、高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【００２４】
特に、第１発明によれば、孔は、筐体に設けられる。このため、収容部に設けられる第１電極部及び第２電極部、支持部の配置や高さに応じて、適切な配置、数の孔を筐体に設けることができる。これにより、第１電極部及び第２電極部との間に設けられた微細なギャップの中間部に含まれるナノ粒子の充填が容易に実施できる。
【００２５】
特に、第２発明によれば、第１電極部は、第１基板と、支持部との間に設けられ、第２電極部は、第２基板と、支持部との間に設ける。このため、支持部によって各電極部の間隔（電極間ギャップ）が形成されるため、球状ナノビーズ等を用いた場合に比べて、電極間ギャップを高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【００２６】
特に、第３発明によれば、第１電極部及び第２電極部のそれぞれは、第１基板の有する凹部内に設けられる。すなわち、第１電極部及び第２電極部の間に設けられる中間部が、凹部内に設けられる。このため、支持部を別途設ける場合に比べて、中間部の漏れ出し等を防ぐことができ、中間部を均一に充填することができる。これにより、中間部の充填度を向上させることが可能となる。
【００２７】
特に、第４発明によれば、引出配線は、第１電極部又は第２電極部の何れかと電気的に接続される。このため、各電極部の積層数の増加に伴う配線の増加を抑制することができる。これにより、熱電素子の小型化を図ることが可能となる。
【００２８】
特に、第５発明によれば、孔は、対向及び対角の何れかの位置に設ける。このため、中間部のナノ粒子の注入側と排出側の孔を効率のよい位置に設けることが可能となる。これにより、中間部のナノ粒子を充填しやすい孔を形成することが可能となる。
【００２９】
特に、第５発明によれば、孔を覆う封止部をさらに備える。このため、熱電素子の側面から中間部が漏れることを防ぐことができる。これにより、品質の安定化を実現することが可能となる。
【００３０】
特に、第６発明によれば、ナノ粒子の直径は、電極間ギャップの１／１０以下である。このため、第１電極部と、第２電極部との間に、ナノ粒子を含む中間部を容易に形成することができる。これにより、熱電素子を製造するとき、作業性の向上を図ることが可能となる。
【００３１】
特に、第７発明によれば、ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有する。このため、第１電極部から生成した電子は、例えば、トンネル効果等によりナノ粒子間を容易に移動することができる。これにより、電気エネルギーの発生量をさらに増加させることが可能となる。
【００３２】
特に、第８発明によれば、中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含む。このため、室温以上の環境下に熱電素子が用いられた場合においても、溶媒の気化を抑制することができる。これにより、溶媒の気化に伴う熱電素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００３３】
特に、第９発明によれば、中間部は、ナノ粒子のみが充填された状態を示す。このため、高温の環境下に熱電素子が用いられた場合においても、溶媒等の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温の環境下における熱電素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００３４】
特に、第１０発明によれば、熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査を容易化することができる。このため、形成しやすい中間部を持つ熱電素子を備えた発電装置を提供できる。
【００３５】
特に、第１１発明によれば、熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査を容易化することができる。このため、熱電素子を含む電子機器を得ることができる。
【００３６】
第１２発明によれば、筐体は、少なくとも１つの孔を、第１電極部と、第２電極部との間に設けられたナノ粒子を含む中間部に形成する。このため、筐体の孔を介してナノ粒子を含む中間部の注入を容易に行うことができる。これにより、微小ギャップを複数のナノビーズで形成される熱電素子であっても、筐体に設けられる孔により容易に中間部の充填を実施することが可能となり、製造プロセスの簡易化を実現できる。
【００３７】
特に、第１２発明によれば、支持部を形成する工程は、第１基板部に達する収容部を形成し、収容部内に中間部を形成する。このため、熱電素子の側面から中間部が漏れることを防ぐことができる。これにより、品質の安定化を実現することが可能となる。
【００３８】
第１３発明によれば、筐体は、少なくとも１つの孔を、第１電極部と、第２電極部との間に設けられたナノ粒子を含む中間部に形成する。このため、筐体の孔を介してナノ粒子を含む中間部の注入を容易に行うことができる。これにより、微小ギャップを複数のナノビーズで形成される熱電素子であっても、筐体に設けられる孔により容易に中間部の充填を実施することが可能となり、製造プロセスの簡易化を実現できる。
【００３９】
特に、第１３発明によれば、第１基板上に第１電極部と第２電極部を櫛歯状に形成する。このため、第１基板の面積又は電極部の組み合わせを最適な構成とすることができる。これにより、設置場所や用途に応じ、効率的で安定した特性を得ることができる。さらに、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計値通りに設定でき、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。
【００４０】
第１４発明によれば、筐体は、少なくとも１つの孔を、第１電極部と、第２電極部との間に設けられたナノ粒子を含む中間部に形成する。このため、筐体の孔を介してナノ粒子を含む中間部の注入を容易に行うことができる。これにより、微小ギャップを複数のナノビーズで形成される熱電素子であっても、筐体に設けられる孔により容易に中間部の充填を実施することが可能となり、製造プロセスの簡易化を実現できる。
【００４１】
特に、第１４発明によれば、凹部を形成する工程は、第１基板部に凹部を形成し、凹部内に中間部を形成する。このため、球状ナノビーズ等を用いた場合に比べて、電極間ギャップを高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式平面図である。
【図２】図２（ａ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子の他の例を示す模式断面図であり、図２（ｂ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子の他の例を示す模式平面図である。
【図３】図３（ａ）は中間部の一例を示す模式断面図であり、図３（ｂ）は中間部の他の例を示す模式断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｆ）は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第２実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における６Ａ−６Ａ線に沿った模式断面図である。
【図７】図７（ａ）は、第２実施形態に係る発電装置及び熱電素子の他の例を示す模式平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における７Ａ−７Ａ線に沿った模式断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第２実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す図１０（ｂ）における１０Ａ−１０Ａ線に沿った模式断面図であり、図１０（ｂ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式平面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）における１０Ｂ−１０Ｂ線に沿った模式断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子の他の一例を示す模式断面図であり、図１１（ｂ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子の他の一例を示す模式平面図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）における１１Ｂ−１１Ｂ線に沿った模式断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子のさらに他の一例を示す模式断面図であり、図１２（ｂ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子のさらに他の一例を示す模式平面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）における１２Ｂ−１２Ｂ線に沿った模式断面図である。
【図１３】図１３は、第３実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、第３実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は、第４実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図１５（ｂ）は、第４実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、第４実施形態に係る発電装置及び熱電素子のその他の一例を示す模式断面図であり、図１６（ｂ）は、第４実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式平面図である。
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は、熱電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図であり、図１７（ｅ）〜図１７（ｈ）は、熱電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施形態における熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法それぞれの一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、各電極部が積層される高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば、直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば、直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。
【００４４】
（第１実施形態）
＜発電装置１００＞
図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式断面図である。図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子１の一例を示す模式平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）における１Ａ−１Ａ線に沿った断面を示す。図２（ａ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子１の他の例を示す模式断面図である。図２（ｂ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子１の他の例を示す模式平面図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）における２Ａ−２Ａ線に沿った断面を示す。
【００４５】
図１及び図２に示すように、発電装置１００は、収容部３を包含する筐体２で構成される。発電装置１００は、熱電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを含む。熱電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元として、熱電素子１が発生させた電気エネルギーを、第１配線１０１及び第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、例えば、電気的な機器を示している。負荷Ｒは、発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
【００４６】
＜熱電素子１＞
熱電素子１は、図１（ａ）に示すように、中間部１６を囲む側面に、孔１７を設ける。孔１７は、中間部１６を囲む側面に、一対に第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂとして設けられる。一対の第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、例えば、それぞれに複数の対として設けられてもよい。熱電素子１に備わる第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）では、支持部１５を第２方向Ｘから見て貫通して対向する。第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは中間部１６に達する。
【００４７】
また、熱電素子１は、ギャップ部１６ａを含む。ギャップ部１６ａは、例えば、外界から隔離された空間を含む。ギャップ部１６ａは、例えば、第１電極部１３、第２電極部１４、及び支持部１５のそれぞれによって区画されている。中間部１６は、ギャップ部１６ａ内に設けられる。
【００４８】
熱電素子１の熱源としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、及び工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。
【００４９】
熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、ＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。
【００５０】
熱電素子１は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流を生成する。熱電素子１は、発電装置１００内に設けるだけでなく、熱電素子１自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、熱電素子１自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。
【００５１】
熱電素子１は、収容部３と、収容部３に達する少なくとも１つの孔１７とを有する筐体２と、収容部３に設けられた第１電極部１３と、第１電極部１３と離間して対向し、第１電極部１３とは異なった仕事関数を有する第２電極部１４と、第１電極部１３及び第２電極部１４との間に設けられたナノ粒子１８を含む中間部１６を少なくとも備える。筐体２は、例えば中間部１６に接する支持部１５を有する。
【００５２】
熱電素子１では、第１電極部１３がアノードであり、第２電極部１４がカソードである。なお、第１電極部１３をカソードとし、第２電極部１４をアノードとしてもよい。第２電極部１４は、第１電極部１３と第１方向Ｚに離間して対向する。
【００５３】
このような熱電素子１では、仕事関数差を有する第１電極部１３と第２電極部１４との間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用される。このため、熱電素子１は、第１電極部１３と第２電極部１４との温度差が小さい場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、熱電素子１は、第１電極部１３と第２電極部１４との間に温度差がない場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００５４】
＜筐体２＞
筐体２は、第１電極部１３と接する第１基板１１と、第２電極部１４と接し、第１基板１１と離間する第２基板１２と、第１基板１１と、第２基板１２との間に設けられた支持部１５とを含む。さらに、例えば、孔１７と、封止部２０とを備えてもよい。
【００５５】
また、筐体２は、例えば、第１基板１１及び第２基板１２の少なくとも何れかを有する基板を有してもよい。第１基板１１は、第１方向Ｚと交わる第１主面１１ａを有する。第２基板１２は、第１主面１１ａと第１方向Ｚに離間して設けられる。第２基板１２は、第１主面１１ａと対向し、第１方向Ｚと交わる第２主面１２ａを有する。
【００５６】
また、筐体２には、第１電極部１３は、例えば、第１端子１１１を介して第１配線１０１と電気的に接続される。また、第２電極部１４は、例えば、第２端子１１２を介して第２配線１０２と電気的に接続される。なお、第１端子１１１及び第２端子１１２は、省略してもよい。第１電極部１３は、第１基板１１の第１主面１１ａ上に設けられる。第１基板１１は、例えば、絶縁性を有し、板状の石英を含む。第２電極部１４は、第２基板１２の第２主面１２ａ上に設けられる。第１基板１１及び第２基板１２は、中間部１６及び支持部１５と離間する。
【００５７】
＜収容部３＞
収容部３は、第１電極部１３、第２電極部１４、及び支持部１５との間に位置する。収容部３は、第１電極部１３が第１基板１１と支持部１５との間に設けられ、第２電極部１４が第２基板１２と支持部１５との間に設けられていてもよい。
【００５８】
＜第１電極部１３、第２電極部１４＞
第１電極部１３と第２電極部１４は、それぞれ異なる仕事関数を有する。第１電極部１３は、例えば、白金（仕事関数：約５．６５ｅＶ）を含み、第２電極部１４は、例えば、タングステン（仕事関数：約４．５５ｅＶ）を含む。仕事関数が大きい電極部はアノード（コレクタ電極）として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソード（エミッタ電極）として機能する。
【００５９】
＜中間部１６＞
中間部１６は、支持部１５、第１電極部１３、及び第２電極部１４との間に設けられる。中間部１６は、ナノ粒子１８を含む。中間部１６は、例えば、第２電極部１４（カソード）から放出された電子を、第１電極部１３（アノード）へと移動させる部分である。
【００６０】
また、中間部１６は、ギャップ部１６ａ内において、例えば、第１電極部１３、第２電極部１４、及び支持部１５のそれぞれと接し、例えば、孔１７を介して封止部２０と接する。
【００６１】
＜支持部１５＞
支持部１５は、第１電極部１３と、第２電極部１４との間に一体に設けられ、中間部１６を囲む。支持部１５の形状は、例えば、１つの円形の貫通孔、又は１つの楕円形の貫通孔を有した矩形である。
【００６２】
＜孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）＞
孔１７は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、中間部１６を囲む支持部１５に設けられる。孔１７は、支持部１５の少なくとも何れかの側面を、第２方向Ｘに沿って、収容部３に達するように貫通するように形成される。孔１７は、支持部１５に、例えば、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂとして、対向して設けられてもよい。
【００６３】
また、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、図２（ａ）に示すように、第１基板１１及び第１電極部１３、または第２基板１２及び第２電極部１４の少なくとも何れかを、第１方向Ｚに沿って、収容部３に達するように貫通するように形成される。第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、例えば、第１基板１１又は第２基板１２を貫通する。図２（ａ）に示す孔１７は、第１方向Ｚから見て、例えば、第２電極部１４及び第２基板１２を貫通して設けられる。
【００６４】
また、孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）は、円状に形成されるほか、例えば、楕円状等に形成されてもよく、孔１７が形成される数は任意である。孔１７は、第１方向Ｚ又は第２方向Ｘに沿って開けられてもよく、さらに孔１７は、テーパー状に形成されるほか、例えば、逆テーパー状又はストレート状に形成されてもよい。
【００６５】
孔１７は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、ナノ粒子１８の注入側の孔１７の奥行きの形状を、逆テーパー状の第１孔１７ａとし、他の排出側の孔１７をテーパー状の第２孔１７ｂとしてもよい。また、例えば、注入側の第１孔１７ａの形状を逆テーパー状とすることで、ナノ粒子１８の注入をしやすくし、一方の排出側の第２孔１７ｂの形状をテーパー状にすることで、漏れにくくしている。
【００６６】
＜封止部２０＞
封止部２０は、孔１７及び筐体２を封止し、中間部１６を密閉する。封止部２０は、例えば、中間部１６の注入側を第１封止部２０ａ、排出側を第２封止部２０ｂとしてもよい。封止部２０は、例えば、孔１７の外側を覆い、貫通された支持部１５の第１支持部１５ａ及び第２支持部１５ｂに設けられるほか、例えば、貫通された第１基板１１上又は第２基板１２上に設けられてもよい。
【００６７】
また、封止部２０は、例えば、孔１７の中に形成されてもよく、後述する図６（ａ）に示すように、例えば、第１基板１１及び第２基板１２の第３方向Ｙの両端を塞ぐように第３封止部２０ｃ及び第４封止部２０ｄとして、それぞれ設けてもよい。
【００６８】
また、封止部２０は、例えば、絶縁性樹脂を含む。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。
【００６９】
以下、第１実施形態に係る熱電素子１及び発電装置１００の構成を、さらに詳細に説明する。
【００７０】
＜＜第１基板１１、第２基板１２＞＞
第１基板１１及び第２基板１２のそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば、１０μｍ以上２ｍｍ以下である。第１基板１１及び第２基板１２のそれぞれの材料としては、絶縁性を有する板状の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。
【００７１】
第１基板１１及び第２基板１２は、薄板状であるほか、例えば、フレキシブルなフィルム状でもよい。例えば、第１基板１１又は第２基板１２を、フレキシブルなフィルム状とする場合には、例えば、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
【００７２】
第１基板１１と第２基板１２との間（熱電素子１の内部側）には、第１電極部１３、第２電極部１４、支持部１５、及び中間部１６が挟まれる。このため、第１基板１１及び第２基板１２を備えることで、第１電極部１３、第２電極部１４、支持部１５、中間部１６、及び接続配線２１のそれぞれの、外力や環境変化に伴った劣化や変形を抑制することもできる。したがって、熱電素子１の耐久性を高めることが可能である。
【００７３】
＜＜第１電極部１３、第２電極部１４＞＞
第１電極部１３及び第２電極部１４は、例えば、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、第１方向Ｚから見て、第１基板１１及び第２基板１２上に形成される。第１電極部１３は、図示しない第１基板１１に挿通された配線、及び第１端子１１１を介して第１配線１０１と電気的に接続される。第２電極部１４は、例えば、図示しない第２基板１２に挿通された配線、及び第２端子１１２を介して第２配線１０２と電気的に接続される。なお、第１端子１１１及び第２端子１１２は、省略してもよい。また、図示しない配線の配置箇所等は、任意である。
【００７４】
第１電極部１３は、例えば、白金（仕事関数：約５．６５ｅＶ）を含み、第２電極部１４は、例えば、タングステン（仕事関数：約４．５５ｅＶ）を含む。仕事関数が大きい電極部はアノード（コレクタ電極）として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソード（エミッタ電極）として機能する。本実施形態に係る熱電素子１では、第１電極部１３がアノードであり、第２電極部１４がカソードとして説明する。なお、第１電極部１３をカソードとし、第２電極部１４をアノードとしてもよい。
【００７５】
熱電素子１では、仕事関数差を有する第１電極部１３と第２電極部１４との間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用できる。このため、熱電素子１は、第１電極部１３と第２電極部１４との温度差が小さい場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、熱電素子１は、第１電極部１３と第２電極部１４との間に温度差がない場合、又は単一の熱源を用いる場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００７６】
第１電極部１３及び第２電極部１４それぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば、１ｎｍ以上１ｍｍ以下でもよく、好ましくは１ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１電極部１３と第２電極部１４との間の第１方向Ｚに沿った距離（電極間ギャップ）は、例えば、１０μｍ以下の有限値である。より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００７７】
第１電極部１３及び第２電極部１４それぞれの第１方向Ｚに沿った厚さ、並びに電極間ギャップのそれぞれを、上記範囲内に設定することにより、例えば、熱電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くできる。これは、例えば、複数の熱電素子１を、第１方向Ｚに沿ってスタックさせる場合に有効である。また、第１電極部１３、第２電極部１４の平面バラつきを抑えることができ、電気エネルギーの発生量の安定性を向上させることができる。上記に加え、電極間ギャップを、上記範囲内に設定することにより、電子を効率良く放出させることが可能になるとともに、電子を第２電極部１４（カソード）から第１電極部１３（アノード）へ、効率よく移動させることも可能となる。
【００７８】
第１電極部１３の材料、及び第２電極部１４の材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
熱電素子１では、第１電極部１３と第２電極部１４との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１３及び第２電極部１４の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。第１電極部１３及び第２電極部１４の材料として、金属のほか、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。このような金属化合物の例としては、例えば、六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）を挙げることができる。
【００７９】
第１電極部１３及び第２電極部１４の材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えば、ｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。
【００８０】
第１電極部１３又は第２電極部１４の材料として、高融点金属（refractory metal）以外の材料を選ぶと、以下に説明される利点を、さらに得ることができる。本明細書において、高融点金属は、例えば、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅとする。第１電極部１３（アノード）に、例えば、Ｐｔを用いた場合、第２電極部１４（カソード）には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びＬａＢ6の少なくとも１つを用いることが好ましい。
【００８１】
Ａｌ及びＴｉの融点は、上記高融点金属より低い。したがって、Ａｌ及びＴｉからは、上記高融点金属に比較して、加工しやすい、という利点を得ることができる。
【００８２】
Ｓｉは、上記高融点金属に比較して、その形成が、さらに容易である。したがって、Ｓｉからは、上記加工のしやすさに加え、熱電素子１の生産性がより向上する、という利点を、さらに得ることができる。
【００８３】
ＬａＢ6の融点は、Ｔｉ及びＮｂより高い。しかし、ＬａＢ6の融点は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅより低い。ＬａＢ6は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅに比較して加工しやすい。しかも、ＬａＢ6の仕事関数は、約２．５〜２．７ｅＶである。ＬａＢ6は、上記高融点金属に比較して電子を放出させやすい。したがって、ＬａＢ6からは、熱電素子１の発電効率の更なる向上が可能、という利点を、さらに得ることができる。
【００８４】
なお、第１電極部１３及び第２電極部１４のそれぞれの構造は、上記材料を含む単層構造の他、上記材料を含む積層構造とされてもよい。
【００８５】
＜＜支持部１５＞＞
支持部１５は、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、例えば、第１電極部１３及び第２電極部１４に挟まれる。支持部１５は、例えば、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、第１基板１１上に四角形の枠状に設けられる。
【００８６】
第１実施形態に係る支持部１５は、絶縁性を有する。支持部１５として、例えば、シリコン酸化膜のほか、ポリイミド、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、又はポリスチレン等のポリマーが用いられる。
【００８７】
例えば、支持部１５が第１基板１１、第２基板１２の何れかと一体に形成される場合は、支持部１５の材料としては、第１基板１１、第２基板１２と同様に絶縁性を有する材料を選ぶことができる。
【００８８】
絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。上記のほか、例えば、フレキシブルなフィルム状でもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
【００８９】
＜＜中間部１６＞＞
図３（ａ）は、中間部１６の一例を示す模式断面図である。図３（ａ）に示すように、中間部１６は、例えば、複数のナノ粒子１８と、溶媒１９と、を含む。複数のナノ粒子１８は、溶媒１９内に分散される。中間部１６は、例えば、ナノ粒子１８が分散された溶媒１９を、ギャップ部１６ａ内に充填することで得られる。
【００９０】
ナノ粒子１８は、例えば、導電物を含む。ナノ粒子１８の仕事関数の値は、例えば、第１電極部１３の仕事関数の値と、第２電極部１４の仕事関数の値との間にある。例えば、ナノ粒子１８の仕事関数の値は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲とされる。これにより、第１電極部１３と第２電極部１４との間に放出された電子ｅを、ナノ粒子１８を介して、例えば、第２電極部１４（カソード）から第１電極部１３（アノード）へと移動させることができる。これにより、中間部１６内にナノ粒子１８がない場合に比較して、電気エネルギーの発生量をさらに増加させることが可能となる。
【００９１】
ナノ粒子１８の材料の例としては、金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子１８の仕事関数の値は、第１電極部１３の仕事関数の値と、第２電極部１４の仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子１８の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
【００９２】
ナノ粒子１８の粒子径は、例えば、電極間ギャップの１／１０以下の有限値とされる。具体的には、ナノ粒子１８の粒子径は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ナノ粒子１８は、例えば、平均粒径（例えば、Ｄ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば、粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えば、MicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。ナノ粒子１８の粒子径を、例えば、電極間ギャップの１／１０以下とすると、ギャップ部１６ａ内に、ナノ粒子１８を含む中間部１６を形成し易くなる。これにより、熱電素子１の生産に際し、作業性を向上させることもできる。
【００９３】
ナノ粒子１８は、その表面に、例えば、絶縁膜１８ａを有する。絶縁膜１８ａの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えば、ドデカンチオール）等を挙げることができる。絶縁膜１８ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１８ａをナノ粒子１８の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば、第２電極部１４（カソード）とナノ粒子１８との間、及びナノ粒子１８と第１電極部１３（アノード）との間を、トンネル効果を利用して移動できる。このため、例えば、熱電素子１の発電効率の向上が期待できる。
【００９４】
溶媒１９には、例えば、沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば、１５℃〜３５℃）以上の環境下において、熱電素子１を用いた場合であっても、溶媒１９の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１９の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。溶媒１９は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
【００９５】
図３（ｂ）は、中間部１６の他の例を示す模式断面図である。図３（ｂ）に示すように、中間部１６は、溶媒１９を含まず、ナノ粒子１８のみを含むようにしてもよい。
【００９６】
中間部１６が、ナノ粒子１８のみを含むことで、例えば、熱電素子１を、高温の環境下に用いる場合であっても、溶媒１９の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温の環境下における熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。
【００９７】
＜＜第１配線１０１、第２配線１０２＞＞
第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれには、導電性を有する材料が用いられる。第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれの材料の例としては、ニッケル、銅、銀、金、タングステン、及びチタンを挙げることができる。第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれの構造は、熱電素子１において生成された電流を負荷Ｒへ供給できる構造であれば、任意に設計することができる。
【００９８】
＜熱電素子１の動作＞
熱エネルギーが熱電素子１に与えられると、例えば、第２電極部１４（カソード）から中間部１６に向けて電子ｅが放出される。放出された電子ｅは、中間部１６から第１電極部１３（アノード）へと移動する（図３（ａ）又は図３（ｂ）参照）。電流は、第１電極部１３から第２電極部１４に向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００９９】
放出される電子ｅの量は、熱エネルギーに依存する他、第１電極部１３（アノード）の仕事関数と、第２電極部１４（カソード）の仕事関数との差に依存する。また、放出される電子ｅの量は、第２電極部１４の仕事関数が小さい材料ほど、多くなる傾向がある。
【０１００】
移動する電子ｅの量は、例えば、第１電極部１３と第２電極部１４との仕事関数差を大きくすること、及び電極間ギャップを小さくすることで増やすことができる。例えば、熱電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、上記仕事関数差を大きくすること、及び上記電極間ギャップを小さくすること、の少なくとも何れか１つを考慮することで増加させることができる。
【０１０１】
＜熱電素子１の製造方法＞
次に、熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図４は、第１実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示すフローチャートである。図５（ａ）〜図５（ｆ）は、第１実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【０１０２】
＜支持部形成工程：Ｓ１１０＞
先ず、図４及び図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、第１電極部１３上に支持部１５を形成する（支持部形成工程Ｓ１１０）。支持部形成工程Ｓ１１０では、例えば、第２電極部１４の上に支持部１５を形成してもよい。なお、第１電極部１３は、第１基板１１の第１主面１１ａ上に形成され、第２電極部１４は、第２基板１２の第２主面１２ａ上に、それぞれ形成されているものとする（図示せず）。
【０１０３】
支持部形成工程Ｓ１１０は、例えば、スパッタリング法又は蒸着法を用いて、支持部１５を形成するほか、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。
【０１０４】
さらに、支持部形成工程Ｓ１１０では、例えば、第１電極部１３として白金が用いられ、第２電極部１４としてタングステンが用いられる。指示部形成工程Ｓ１１０では、支持部１５としてシリコン酸化膜が用いられるほか、ポリイミド、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、又はポリスチレン等のポリマーが用いられてもよい。
【０１０５】
支持部形成工程Ｓ１１０では、例えば、支持部１５が第１基板１１と第２基板１２との何れかと一体に形成される場合、支持部１５の材料としては、第１基板１１と第２基板１２と同様に絶縁性を有する材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。上記のほか、支持部１５は、例えば、フレキシブルなフィルム状でもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
【０１０６】
＜収容部形成工程：Ｓ１２０＞
次に、第１電極部１３上に形成された支持部１５の一部を除去して、収容部３を形成する（収容部形成工程Ｓ１２０）。収容部形成工程Ｓ１２０は、例えば、図５（ｃ）に示すように、第１電極部１３上に形成された収容部３を囲むように支持部１５を残す。
【０１０７】
収容部形成工程Ｓ１２０では、例えば、エッチング法を用いて、支持部１５を除去し、そして、図５（ｄ）に示すように、支持部１５上に第２電極部１４を接合させ、ギャップ部１６ａを形成する。
【０１０８】
＜孔形成工程：Ｓ１３０＞
次に、図５（ｅ）に示すように、第１電極部１３、支持部１５、及び第２電極部１４の少なくとも何れかに対し、ギャップ部１６ａに達する少なくとも１つの孔１７を形成する（孔形成工程Ｓ１３０）。孔形成工程Ｓ１３０は、例えば、収容部形成工程Ｓ１２０における第２電極部１４を接合させ、ギャップ部１６ａを形成する前に、支持部１５に形成されてもよい。
【０１０９】
孔形成工程Ｓ１３０では、例えばサンドブラスト法を用いて、孔１７（例えば第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）を形成するほか、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の異方性エッチング法を用いて、孔１７を形成してもよい。
【０１１０】
＜中間部形成工程：Ｓ１４０＞
次に、ギャップ部１６ａに、中間部１６を形成する（中間部形成工程Ｓ１４０）。孔形成工程Ｓ１３０では、例えば、図５（ｆ）に示すように、第１孔１７ａを介してギャップ部１６ａに中間部１６を形成する。中間部１６は、例えば、毛細管現象（毛細管力）によって、孔１７を介してギャップ部１６ａ内に充填及び保持される。中間部１６は、例えば、インクジェット法により、ギャップ部１６ａ内に充填される。
【０１１１】
上述した工程を経て、本実施形態における熱電素子１が形成される。なお、形成された熱電素子１に、図１（ａ）及び図２（ａ）に示す第１端子１１１、第２端子１１２、第１配線１０１、及び第２配線１０２等を接続することで、本実施形態における発電装置１００を形成することができる。
【０１１２】
なお、発電装置１００を得るには、例えば、第１配線１０１を第１電極部１３に接続し、第２配線１０２を第２電極部１４に接続すればよい。発電装置１００を使用する際には、第１配線１０１と第２配線１０２との間に、負荷Ｒを接続すればよい。
【０１１３】
第１実施形態に係る熱電素子１によれば、筐体２は、少なくとも１つの孔を有し、第１電極部１３と第２電極部１４との間に設けられたナノ粒子を含む中間部１６を備える。このため、筐体２の孔を介してナノ粒子を含む中間部１６の注入を容易に行うことができる。これにより、微小ギャップを複数のナノビーズで形成する熱電素子１であっても、筐体２に設けられる孔により容易に中間部１６の充填を実施することが可能となり、製造プロセスの簡易化を実現できる。
【０１１４】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、中間部１６は、収容部３により第１電極部１３及び第２電極部１４との間に設けられた支持部１５に囲まれる。このため、熱電素子１の側面から中間部１６が漏れることを防ぐことができる。これにより、品質の安定化を実現することが可能となる。
【０１１５】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、孔１７は、支持部１５、第１電極部１３及び第２電極部１４の少なくとも何れかを貫通する。このため、孔１７を介して中間部１６の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。
【０１１６】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、ナノ粒子１８の直径は、電極間ギャップの１／１０以下である。このため、第１電極部１３と、第２電極部１４との間に、ナノ粒子１８を含む中間部１６を容易に形成することができる。これにより、熱電素子１を製造するとき、作業性の向上を図ることが可能となる。
【０１１７】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、ナノ粒子１８は、表面に設けられた絶縁膜１８ａを有する。このため、第１電極部１３から生成した電子ｅは、例えば、トンネル効果等によりナノ粒子１８間を容易に移動することができる。これにより、電気エネルギーの発生量をさらに増加させることが可能となる。
【０１１８】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、ナノ粒子１８は、第１電極部１３の仕事関数と、第２電極部１４の仕事関数との間の仕事関数を有する。このため、第１電極部１３から生成した電子ｅは、ナノ粒子１８を介して容易に第２電極部１４に伝搬することができる。これにより、電気エネルギーの発生量をさらに増加させることが可能となる。
【０１１９】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、中間部１６は、６０℃以上の沸点を有する溶媒１９を含む。このため、室温以上の環境下に熱電素子１が用いられた場合においても、溶媒１９の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１９の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。
【０１２０】
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、中間部１６は、ナノ粒子１８のみが充填された状態を示す。このため、高温の環境下に熱電素子１が用いられた場合においても、溶媒等の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温の環境下における熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。
【０１２１】
また、第１実施形態に係る熱電素子１の製造方法によれば、収容部形成工程Ｓ１２０は、支持部１５の一部を除去し、収容部３からギャップ部１６ａを形成し、孔形成工程Ｓ１３０は、支持部１５又は第２電極部１４に孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）を形成し、中間部形成工程Ｓ１４０は、ギャップ部１６ａに中間部１６を形成する。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の間隔（電極間ギャップ）は、支持部１５を積層する際の精度に依存する。このため、球状ナノビーズ等を用いた場合に比べて、電極間ギャップを高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【０１２２】
また、第１実施形態に係る熱電素子１の製造方法によれば、収容部形成工程Ｓ１２０は、孔１７を介して支持部１５の一部を除去し、収容部３を形成し、その後、第２電極部１４を接合させ、ギャップ部１６ａを形成する。すなわち、支持部１５の未除去部に囲まれた状態で、中間部１６が形成される。このため、熱電素子１の側面から中間部１６が漏れることを防ぐことができる。これにより、品質の安定化を実現することが可能となる。
【０１２３】
また、第１実施形態に係る熱電素子１の製造方法によれば、収容部形成工程Ｓ１２０には、等方性エッチング方法が用いられる。このため、第１電極部１３及び第２電極部１４に挟まれた支持部１５を容易に除去することができる。これにより、高精度の電極間ギャップ（ギャップ部１６ａ）を容易に形成することが可能となる。
【０１２４】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を、図６〜図９を参照しながら説明する。図６（ａ）は、第２実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における６Ａ−６Ａ線に沿った模式断面図である。図７（ａ）は、第２実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の他の例を示す模式平面図であり、図７（ｂ）は、図６（ａ）における７Ａ−７Ａ線に沿った模式断面図である。
【０１２５】
上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、第１電極部１３及び第２電極部１４が第１基板１１上に櫛歯状に形成され、第１支持部１５ａ、第２支持部１５ｂ、第１基板１１、第２基盤１２、第１電極部１３、及び第２電極部１４で囲まれる中間部１６の隙間である開口部４を、第３封止部２０ｃ及び第４封止部２０ｄによりそれぞれ塞ぐ点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【０１２６】
＜開口部４＞
開口部４は、例えば、図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、中間部１６の第３方向Ｙの両端に開口する部分である。開口部４は、第３封止部２０ｃ及び第４封止部２０ｄによりそれぞれ封止される。
【０１２７】
＜支持部１５＞
支持部１５は、第１支持部１５ａと第２支持部１５ｂとを有する。第１支持部１５ａ及び第２支持部１５ｂは、例えば図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、第１基板１１の第１方向Ｚに形成され、第２方向Ｘに離間する第１電極部１３と第２電極部１４挟む。第１支持部１５ａと第２支持部１５ｂは、第１方向Ｚから見て、第３方向Ｙに延在するＩ字状に設けられる。
【０１２８】
支持部１５は、第１基板１１の第１支持部１５ａと離間する第２支持部１５ｂの隙間は、例えば絶縁体で形成された一対の封止部２０（封止部２０ｃ及び封止部２０ｄ）により塞がれる。第１支持部１５ａ、第２支持部１５ｂ、及び一対の封止部２０は、各電極部１３、１４及び中間部１６を囲む。なお、一対の封止部２０は、一体に形成されてもよい。
【０１２９】
第１実施形態に係る第１支持部１５ａ及び第２支持部１５ｂは、絶縁性を有する。第１支持部１５ａ及び第２支持部１５ｂとして、例えばシリコン酸化膜のほか、ポリイミド、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、又はポリスチレン等のポリマーが用いられる。
【０１３０】
例えば、各支持部１５ａ、１５ｂが各基板１１、１２の何れかと一体に形成される場合、各支持部１５ａ、１５ｂのそれぞれの材料としては、各基板１１、１２と同様に絶縁性を有する材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。上記のほか、各支持部１５ａ、１５ｂは、例えばフレキシブルなフィルム状でもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
【０１３１】
＜第１電極部１３、第２電極部１４＞
第１電極部１３及び第２電極部１４は、各々離間して第１基板１１上に第３方向Ｙに延在して形成される。第１電極部１３には、第１端子１１１が接続される。第２電極部１４には、第２端子１１２が接続される。
【０１３２】
第１端子１１１及び第２端子１１２は、例えば、図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、第１電極部１３と電気的に接続される第１配線１０１と、第２電極部１４と電気的に接続される第２配線１０２とを有する。
【０１３３】
＜第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ＞
第１孔１７ａ、第２孔１７ｂは、例えば、図７（ａ）に示すとおり、例えば、第２基板１２上に少なくとも１つが設けられ、第２基板１２を貫通し、中間部１６に達する。なお、第１電極部１３及び第２電極部１４は、第２基板１２と離間しているため、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂのそれぞれは、各電極部の間になくてもよい。さらに、第１孔１７ａ、第２孔１７ｂは、ナノ粒子１８の注入をしやすくするためテーパー形状にしてもよく、第１孔１７ａと第２孔１７ｂにおいて、各々逆向きのテーパー形状としてもよい。
【０１３４】
＜封止部２０＞
封止部２０は、中間部１６の隙間を塞ぐ。封止部２０は、例えば、第２方向Ｘに第１支持部１５ａと第２支持部１５ｂにそれぞれ設けられる第１孔１７ａと第２孔１７ｂ、と第１基板１１、第２基板１２、第１電極部１３、第２電極部１４、第１支持部１５ａ、及び第２支持部１５ｂで囲まれ、第３方向Ｙの両端の開口にそれぞれ設けられる。第１孔１７ａ、第２孔１７ｂには、例えば、それぞれ第１孔１７ａ、第２孔１７ｂが封止され、第３方向Ｙの両端の開口部４には、それぞれ第３封止部２０ｃ、第４封止部２０ｄにより封止される。
【０１３５】
＜第２実施形態：熱電素子１の製造方法＞
次に、第２実施形態における熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図８は、第２実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示すフローチャートである。図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第２実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【０１３６】
＜支持部形成工程：Ｓ２１０＞
先ず、図８及び図９（ａ）〜（ｂ）に示すように、第１基板１１上に支持部１５を形成する（支持部形成工程Ｓ２１０）。支持部形成工程Ｓ２１０では、第１基板１１上全体に支持部１５を形成した後、支持部１５の一部の除去を行う。次に、一対の支持部１５（図９（ｂ）では第１支持部１５ａ及び第２支持部１５ｂ）に挟まれるように収容部３（中間部１６）を形成する。支持部１５は、例えば、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成されるほか、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。
【０１３７】
＜孔形成工程：Ｓ２２０＞
次に、図９（ｂ）に示すように、支持部１５に、収容部３に達する少なくとも１つの孔１７を形成する（孔形成工程Ｓ２２０）。孔形成工程Ｓ２２０では、支持部１５を貫通する孔１７を形成する工程を有する。
【０１３８】
＜電極部形成工程：Ｓ２３０＞
電極部形成工程Ｓ２３０では、例えば、図９（ｃ）〜（ｄ）に示すように、第１基板１１上に、第１電極部１３及び第２電極部１４を、それぞれ離間して櫛歯状に形成する（電極部形成工程Ｓ２３０）。なお、第１電極部１３及び第２電極部１４を形成する順番は、任意である。第１電極部１３及び第２電極部１４は、例えば、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成されるほか、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。
【０１３９】
＜中間部形成工程：Ｓ２４０＞
中間部形成工程Ｓ２４０では、例えば、図９（ｅ）〜図９（ｆ）に示すように、第２基板１２を第１基板１１上に形成された支持部１５に接合させ、さらに、第３封止部２０ｃ、第４封止部２０ｄによる接合により開口部４の封止を行い、ギャップ部１６ａを形成した後、上述した実施形態と同様の方法により中間部１６を形成する（中間部形成工程Ｓ２４０）。
【０１４０】
上述した工程を経て、本実施形態における熱電素子１が形成される。
【０１４１】
また、第２実施形態に係る熱電素子１によれば、図９（ａ）に示すように、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、第２基板１２の平面上に複数設けられてもよい。この場合、孔形成工程Ｓ２２０は、第２基板１２を貫通する第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂを形成する工程を有する。
【０１４２】
第２実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、一体に設けられた第１支持部１５ａ、第２支持部１５ｂ、第３封止部２０ｃ、及び第４封止部２０ｄが中間部１６を囲む。このため、熱電素子１の側面から中間部１６が漏れることを防ぐことができる。これにより、品質の安定化を実現することが可能となる。
【０１４３】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を、図１０〜図１４を参照しながら説明する。図１０（ａ）は、第３実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す。図１０（ａ）は、図１０（ｂ）における１０Ａ−１０Ａ線に沿った模式断面図である。図１０（ｂ）は、第３実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図であり、図１０（ｃ）は、第３実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す図１０（ｂ）における１０Ｂ−１０Ｂ線に沿った模式断面図である。
【０１４４】
上述した実施形態と、第３実施形態との違いは、筐体２は、収容部３に対応した凹部１５ｃを有する第１基板１１と、凹部１５ｃの上に設けられた第２基板１２とを含む。第１基板１１には、凹状の凹部１５ｃが形成され、第１基板１１の上に第２基板１２が接合され、第１基板１１を貫通する貫通配線２１ａと第２基板１２を貫通する引出配線２１ｂが設けられ、貫通配線２１ａには下層電極部１３ａに接続され、引出配線２１ｂは上層電極部１４ａに接続される点である。
【０１４５】
筐体２は、収容部３に対応した凹部１５ｃを有する第１基板１１と凹部１５ｃの上に設けられた第２基板１２とを含み、第１電極部１１及び第２電極部１２のそれぞれは、凹部１５ｃに設けられる点で異なる。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【０１４６】
＜第１電極部１３、第２電極部１４＞
第１電極部１３は、例えば、第１基板１１に第１方向Ｚに形成された凹部１５ｃの上に、第３方向Ｙに延在して形成される。第２電極部１４は、例えば、第１電極部１３と第１方向Ｚに離間し、第２基板１２の下に設けられる。第２基板１２は、第１基板１１と接合され、中間部１６が形成される。
【０１４７】
＜第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ＞
第１孔１７ａ、第２孔１７ｂは、例えば、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示すとおり、第３方向Ｙに延在する第１基板１１の第１方向Ｚ上に一対に形成される。また、例えば、図１１（ａ）〜図１０（ｃ）に示すとおり、第１孔１７ａは第１基板１１を第１方向Ｚに貫通し、第２孔１７ｂは第２基板１２を第１方向Ｚに貫通し、それぞれ一対に形成されてもよい。また、例えば、図１２（ｂ）〜図１２（ｃ）に示すとおり、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂのそれぞれは、第２基板１２を第１方向Ｚに貫通し、第２基板１２の上に形成されてもよい。また、第１孔１７ａ、第２孔１７ｂは、筐体２に、対向及び対角の少なくとも何れかの位置に少なくとも２つ設けられてもよい。
【０１４８】
＜貫通配線２１ａ、引出配線２１ｂ＞
熱電素子１は、例えば、図１０（ａ）〜図１２（ａ）に示すように、第１基板１１を貫通し、第１電極部１３と電気的に接続される貫通配線２１ａと、第２基板１２を貫通し、第２電極部１４と電気的に接続される引出配線２１ｂとを有する。
【０１４９】
貫通配線２１ａは、例えば、第１方向Ｚに延在し、一対の第１電極部１３、下層電極部１３ａと電気的に接続される。引出配線２１ｂは、例えば、第１方向Ｚに延在し、一対の第２電極部１４、上層電極部１４ａと電気的に接続される。
【０１５０】
貫通配線２１ａは、さらに下層電極部１３ａに接続され、第１配線１０１を介して負荷Ｒへ出力する。引出配線２１ｂは、上層電極部１４ａに接続され、第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。
【０１５１】
＜第３実施形態：熱電素子１の製造方法＞
次に、第３実施形態における熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図１３は、第３実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１４（１）（ａ）〜（ｄ）、図１４（２）（ａ）〜（ｄ）は、第３実施形態に係る熱電素子１の製造方法の一例を示す模式断面図である。
【０１５２】
＜凹部形成工程：Ｓ３１０＞
先ず、凹部形成工程Ｓ３１０では、例えば、図１４（１）（ａ）、図１４（２）（ａ）に示すように、第１基板１１上の第１主面１１ａに凹部１５ｃを形成し、凹部１５ｃの底面から第１基板１１を貫通する配線２１（貫通配線２１ａ）を形成する（凹部形成工程Ｓ３１０）。
【０１５３】
凹部形成工程Ｓ３１０では、第２方向Ｘに離間し、第３方向Ｙに延在する凹部１５ｃを形成する。第３方向Ｙに延在する凹部１５ｃの両端は、第２方向Ｘに離間せず、例えば、図１４（２）（ａ）に示すように、一体の凹部１５ｃとして形成されてもよい。第３方向Ｙに延在した両端の凹部１５ｃには、孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）の大きさ及び位置に基づいて、さらに凹部を形成するようにしてもよい。このとき、例えば、貫通配線２１ａを形成する部分（図示せず）には、凹部１５ｃを形成しない。
【０１５４】
凹部１５ｃは、例えば、属金型を用いた熱転写プロセスにより形成される。積層方向Ｚにおいて、凹部１５ｃの深さは、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下で形成され、第１方向Ｘにおける幅は、深さの１０倍以上１０００倍以下であることが望ましい。例えば、凹部１５ｃの深さが１００ｎｍ程度の場合、幅が１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。また、例えば、加工前の第１基板１１がフィルム状の場合、それぞれつながった状態で第１基板１１の凹部１５ｃを形成してもよい。
【０１５５】
＜電極部形成工程：Ｓ３２０＞
電極部形成工程Ｓ３２０では、例えば、図１４（１）（ａ）〜（ｂ）に示すように、凹部１５ｃ内に貫通配線２１ａを形成し、貫通配線２１ａと接する下層電極部１３ａを形成し、第１基板１１上の凹部１５ｃの上に第１電極部１３を形成する。電極部形成工程Ｓ３２０では、例えば、凹部１５ｃ内に、貫通配線２１ａと接する第２電極層２４を形成する（電極部形成工程Ｓ３２０）。
【０１５６】
次に、電極部形成工程Ｓ３２０では、凹部１５ｃの底面から第１基板１１を貫通する貫通配線２１ａを形成する。貫通配線２１ａは、各凹部１５ｃの底面に形成され、第３方向Ｙに延在する。貫通配線２１ａは、例えば、第３方向Ｙに離間して複数形成されてもよい。なお、貫通配線２１ａと同時に引出配線２１ｂを形成してもよい。この場合、例えば第２方向Ｘに沿って、貫通配線２１ａと離間した位置に引出配線２１ｂが形成される。引出配線２１ｂは、第２基板１２を貫通して形成される。
【０１５７】
貫通配線２１ａは、例えば凹部１５ｃの底面をレーザー加工により貫通孔を形成したあと、メッキ法により金属を埋め込むことにより形成される。このとき、凹部１５ｃが埋まらない程度に金属を埋め込む。
【０１５８】
次に、図１４（ｂ）に示すように、第１基板１１下に、貫通配線２１ａと接する下層電極部１３ａを形成する。下層電極部１３ａは、それぞれ離間した状態で貫通配線２１ａに接して形成される。なお、下層電極部１３ａは、引出配線２１ｂに接して形成されてもよい。
【０１５９】
下層電極部１３ａは、例えばスプレイ印刷法の他、蒸着法又はインクジェット法により形成される。第２方向Ｘにおける下層電極部１３ａの幅は、貫通配線２１ａの幅よりも広く、凹部１５ｃの幅と等しい。
【０１６０】
次に、凹部１５ｃ内に、貫通配線２１ａと接する第１電極部１３を形成する。第１電極部１３は、各第１主面１１ａとは離間して形成される。なお、下層電極部１３ａは、を形成するまえに、第１電極部１３を形成してもよい。また、第１電極部１３と同時に上層電極部１４ａを形成してもよい。この場合、上層電極部１４ａは、引出配線２１ｂと接する。
【０１６１】
下層電極部１３ａは、例えばスプレイ印刷法の他、蒸着法又はインクジェット法により形成される。第２方向Ｘにおける第１電極部１３の幅は、下層電極部１３ａの幅と等しい。
【０１６２】
また、電極部形成工程Ｓ３２０では、例えば、第１基板１１を分割してもよい。第１基板１１は、第２方向Ｘにおいて分割され、これにより複数の第１基板１１が離間する。第１基板１１は、貫通配線２１ａ、下層電極部１３ａ、及び第１基板１３と離間した位置で分割される。なお、引出配線２１ｂ等を形成した部分を分割してもよい。
【０１６３】
また、電極部形成工程Ｓ３２０では、例えば、図１４〜図１６に示すとおり、第１基板１１を順番に積層してもよい。このとき、各第１基板１１の凹部1５ｃ内には、上に積層された第１基板１１に形成された下層電極部１３ａが配置される。下層電極部１３ａは、第１電極部１３と離間して配置され、凹部１５ｃには未充填部が残される。なお、各第１基板部１１の積層された最上層には、第２基板１２が積層されてもよい。また、第１基板１１の下位に形成された下層電極部１３ａは、上層電極部１４ａとして用いられる。
【０１６４】
積層された各第１基板１１は、例えば、第１基板１１の各第１主面１１ａをプラズマ洗浄やＵＶ洗浄により活性化処理した後、下側の第１基板１１の第１主面１１ａと、上側の第１基板１１の下面とを貼合することで、積層される。これにより、第１基板１１が積層して形成される。
【０１６５】
＜孔形成工程：Ｓ３３０＞
孔形成工程Ｓ３３０では、例えば、図１４（２）（ａ）〜（ｂ）に示すとおり、第１基板１１の第１方向Ｚの側面上に、第３方向Ｙに沿って凹部１５ｃに貫通する孔１７を形成する（孔形成工程Ｓ３３０）。孔形成工程Ｓ３３０は、第１基板１１及び第２基板１２の少なくともいずれか１つに、凹部１５ｃに達する少なくとも１つの孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）を形成する。また、孔１７は、第１方向Ｚに積層された第１基板１１の上の第２基板１２の上面に形成されてもよく、第２基板１２を第１方向Ｚに凹部１５ｃまで貫通させてもよい。
【０１６６】
＜中間部形成工程：Ｓ３４０＞
中間部形成工程Ｓ３４０では、例えば、図１４（１）（ｃ）〜（ｄ）、図１４（２）（ｄ）に示すように、電極部形成工程Ｓ３２０までの工程で、引出配線２１ｂと第２電極部１４が形成された第２基板１２を、第１基板１１上に接合させ、中間部１６を形成する（中間部形成工程Ｓ３４０）。その後、孔形成工程Ｓ３３０の工程で形成された孔１７のうち、例えば、第１孔１７ａを介して、凹部１５ｃ内にナノ粒子１８を含む中間部１６を形成する。第１電極部１３、及び第２電極部１４は、例えば、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成されるほか、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。
【０１６７】
第３実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、中間部１６は、第１基板１１内に凹状に形成され、第１電極部１３と、第２電極部１４との間に一体に設けられる。このため、一体の中間部１６によって第１電極部１３、第２電極部１４の電極間のギャップ部１６ａが形成されるため、球状ナノビーズ等を用いた場合に比べて、電極間ギャップを高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【０１６８】
また、第３実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、第１基板１１又は第２基板１２に間に挟まれ、第１電極部１３及び第２電極部１４と接する。このため、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、熱電素子１の内部側で第１電極部１３及び第２電極部１４と接続させることができる。これにより、第１電極部１３及び第２電極部１４と接続される貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂの劣化を抑制することが可能となる。
【０１６９】
また、第３実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、第１基板１１又は第２基板１２に挟まれる。このとき、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂの厚さを均一にした状態で、第１基板１１、第２基板１２の何れかとの間に挟ませることができる。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の間における電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
【０１７０】
また、第３実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａは、第１方向Ｚに延在し、一対の第１電極部１３、下層電極部１３ａと電気的に接続される。さらに、引出配線２１ｂは、第１方向Ｚに延在し、一対の第２電極部１４、上層電極部１４ａと電気的に接続される。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の積層数の増加に伴う配線の増加を抑制することができる。これにより、熱電素子１の小型化を図ることが可能となる。
【０１７１】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を、図１５〜図１６を参照しながら説明する。図１５（ａ）は、第４実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式断面図である。図１５（ａ）は、図１５（ｂ）における１５Ａ−１５Ａ線に沿った模式断面図である。図１５（ｂ）は、第４実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図である。
【０１７２】
上述した実施形態と、第４実施形態との違いは、第１基板１１が第１方向Ｚに複数積層され、最上位の第１基板１１の上に第２基板１２が接合され、複数積層された第１基板１１と第２基板１２を第１方向Ｚに貫通する孔１７（第１孔１７ａ、第２孔１７ｂ）が設けられる点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【０１７３】
また、第４実施形態に係る熱電素子１によれば、複数積層される第１基板１１と第２基板１２を貫通し、中間部１６に達する孔１７（第１孔１７ａと第２孔１７ｂ）を備える。このため、この孔１７を介してナノ粒子１８を含む中間部１６の注入を容易に行うことができる。これにより、第１基板１１が複数積層された場合であっても、第２基板１２上に設けられる孔により、容易に中間部１６の充填を実施することが可能となる。
【０１７４】
また、第４実施形態に係る熱電素子１によれば、中間部１６は、第１基板１１内に凹状に形成され、第１電極部１３と、第２電極部１４との間に一体に設けられる。このため、一体の中間部１６によって第１電極部１３、第２電極部１４の電極間のギャップ部１６ａが形成されるため、球状ナノビーズ等を用いた場合に比べて、電極間ギャップを高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。
【０１７５】
また、第４実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、第１基板１１又は第２基板１２に間に挟まれ、第１電極部１３及び第２電極部１４と接する。このため、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、熱電素子１の内部側で第１電極部１３及び第２電極部１４と接続させることができる。これにより、第１電極部１３及び第２電極部１４と接続される貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂの劣化を抑制することが可能となる。
【０１７６】
また、第４実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂは、第１基板１１又は第２基板１２に挟まれる。このとき、貫通配線２１ａ及び引出配線２１ｂの厚さを均一にした状態で、第１基板１１、第２基板１２の何れかとの間に挟ませることができる。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の間における電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
【０１７７】
また、第４実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、貫通配線２１ａは、第１方向Ｚに延在し、一対の第１電極部１３、下層電極部１３ａと電気的に接続される。さらに、引出配線２１ｂは、第１方向Ｚに延在し、一対の第２電極部１４、上層電極部１４ａと電気的に接続される。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の積層数の増加に伴う配線の増加を抑制することができる。これにより、熱電素子１の小型化を図ることが可能となる。
【０１７８】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を、図１６〜図１７を参照しながら説明する。図１６（ａ）は、第５実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す図１６（ｂ）における１６Ａ−１６Ａ線に沿った模式断面図である。図１６（ｂ）は、第５実施形態に係る発電装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図である。
【０１７９】
上述した実施形態と、第５実施形態との違いは、第１基板１１に形成される凹部１５ｃに第１電極部１３及び第２電極部１４が設けられる点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【０１８０】
第１電極部１３及び第２電極部１４は、図１６（ａ）に示すように、第１基板１１は、複数が積層され、積層される第１基板１１を貫通する第１孔１７ａ、第２孔１７ｂが設けられる。また、図１６（ｂ）に示すように、第１電極部１３及び第２電極部１４は、第１基板１１の凹部１５ｃに第３方向Ｙに延在して各々が設けられる。
【０１８１】
第５実施形態に係る熱電素子１によれば、上述した実施形態と同様に、中間部１６は、凹部１５ｃに第１基板１１と第１電極部１３及び第２電極部１４基板との間に挟まれる。このとき、凹部１５ｃの厚さを均一にした状態で、第１電極部１３と第２電極部１４、第１基板１１との間に挟ませることができる。このため、第１電極部１３、第２電極部１４の間における電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
【０１８２】
また、第５実施形態に係る熱電素子１によれば、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂは、積層される複数の第１基板１１と第２基板１２を第１方向Ｚに貫通する。このため、第１孔１７ａ及び第２孔１７ｂを介して中間部１６の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。
【０１８３】
＜電子機器５００＞
実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子１及び発電装置１００は、例えば、電子機器５００搭載することが可能である。以下、電子機器５００の実施形態のいくつかを説明する。
【０１８４】
図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は、熱電素子１を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。図１７（ｅ）〜図１７（ｈ）は、熱電素子１を含む発電装置１００を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。
【０１８５】
図１７（ａ）に示すように、電子機器（エレクトリックプロダクト）５００は、電子部品（エレクトロニックコンポーネント）５０１と、主電源５０２と、補助電源５０３と、を備えている。電子機器５００及び電子部品５０１のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
【０１８６】
電子部品５０１は、主電源５０２を電源に用いて駆動される。電子部品５０１の例としては、例えば、ＣＰＵ、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品５０１が、例えば、ＣＰＵである場合、電子機器５００には、内蔵されたマスター（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器５００が含まれる。電子部品５０１が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも１つを含む場合、電子機器５００には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器５００が含まれる。
【０１８７】
主電源５０２は、例えば、電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源５０２のプラス端子（＋）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。主電源５０２のマイナス端子（−）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。
【０１８８】
補助電源５０３は、熱電素子１である。熱電素子１は、実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子１の少なくとも１つを含む。熱電素子１のアノード（例えば、第１電極部１３）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）、又は主電源５０２のマイナス端子（−）、又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（−）とを接続する配線と、電気的に接続される。熱電素子１のカソード（例えば、第２電極部１４）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）、又は主電源５０２のプラス端子（＋）、又はＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）とプラス端子（＋）とを接続する配線と、電気的に接続される。電子機器５００において、補助電源５０３は、例えば、主電源５０２と併用され、主電源５０２をアシストするための電源や、主電源５０２の容量が切れた場合、主電源５０２をバックアップするための電源として使うことができる。主電源５０２が充電可能な電池である場合には、補助電源５０３は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
【０１８９】
図１７（ｂ）に示すように、主電源５０２は、熱電素子１とされてもよい。熱電素子１のアノードは、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。図１７（ｂ）に示す電子機器５００は、主電源５０２として使用される熱電素子１と、熱電素子１を用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を備えている。熱電素子１は、独立した電源（例えば、オフグリッド電源）である。このため、電子機器５００は、例えば、自立型（スタンドアローン型）にできる。しかも、熱電素子１は、環境発電型（エナジーハーベスト型）である。図１７（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。
【０１９０】
図１７（ｃ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えていてもよい。熱電素子１のアノードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＶｃｃ配線と電気的に接続される。この場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば、補助電源５０３として使うことができる。
【０１９１】
図１７（ｄ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えている場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば、主電源５０２として使うことができる。
【０１９２】
図１７（ｅ）〜図１７（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、発電装置１００を備えていてもよい。発電装置１００は、電気エネルギーの源として熱電素子１を含む。
【０１９３】
図１７（ｄ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源５０２として使用される熱電素子１を備えている。同様に、図１７（ｈ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源として使用される発電装置１００を備えている。これらの実施形態では、電子部品５０１が、独立した電源を持つ。このため、電子部品５０１を、例えば、自立型とすることができる。自立型の電子部品５０１は、例えば、複数の電子部品５０１を含み、かつ、少なくとも１つの電子部品５０１が別の電子部品５０１と離れているような電子機器５００に有効に用いることができる。そのような電子機器５００の例は、センサである。センサは、センサ端末（スレーブ）と、センサ端末から離れたコントローラ（マスター）と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品５０１である。センサ端末が、熱電素子１又は発電装置１００を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。熱電素子１又は発電装置１００は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器５００の１つと見なすこともできる。電子機器５００と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、ＩｏＴワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。
【０１９４】
図１７（ａ）〜図１７（ｈ）のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器５００は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１と、熱電素子１を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を含むことである。
【０１９５】
電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（オートノマス型）であってもよい。自律型の電子機器５００の例は、例えば、ロボット等を挙げることができる。さらに、熱電素子１又は発電装置１００を備えた電子部品５０１は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品５０１の例は、例えば、可動センサ端末等を挙げることができる。
【０１９６】
さらに、本実施形態によれば、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１の製造方法であって、支持部１５を形成する支持部形成ステップを行う支持部形成工程Ｓ１１０と、収容部３を形成する収容部形成ステップを行う収容部形成工程Ｓ１２０と、孔（充填孔）１７を形成する孔形成ステップを行う孔形成工程Ｓ１３０と、中間部１６を形成する中間部形成ステップを行う中間部形成工程Ｓ１４０により提供することができる。
【０１９７】
さらに、本実施形態によれば、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１の製造方法であって、支持部１５を形成する支持部形成ステップを行う支持部形成工程Ｓ２１０と、孔（充填孔）１７を形成する孔形成ステップを行う孔形成工程Ｓ２２０と、第１電極部１３および第２電極部１４を形成する電極部形成ステップを行う電極部形成工程Ｓ２３０と、中間部１６を形成する中間部形成ステップを行う中間部形成工程Ｓ２４０により提供することができる。
【０１９８】
さらに、本実施形態によれば、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１の製造方法であって、凹部１５ｃを形成する凹部形成ステップを行う凹部形成工程Ｓ３１０と、第１電極部１３および第２電極部１４を形成する電極部形成ステップを行う電極部形成工程Ｓ３２０と、孔１７（充填孔）を形成する孔形成ステップを行う孔形成工程Ｓ３３０と、中間部１６を形成する中間部形成ステップを行う中間部形成工程Ｓ３４０により提供することができる。
【０１９９】
以上、この発明の実施形態のいくつかを説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、これらの実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。また、この発明は、上記いくつかの実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２００】
１        ：熱電素子
１１      ：第１基板
１１ａ    ：第１主面
１２      ：第２基板
１２ａ    ：第２主面
１３      ：第１電極部
１３ａ    ：下層電極部
１４      ：第２電極部
１４ａ    ：上層電極部
１５      ：支持部
１５ａ    ：第１支持部
１５ｂ    ：第２支持部
１５ｃ    ：凹部
１６      ：中間部
１６ａ    ：ギャップ部
１７      ：孔
１７ａ    ：第１孔
１７ｂ    ：第２孔
１８      ：ナノ粒子
１８ａ    ：絶縁膜
１９      ：溶媒
１００    ：発電装置
１０１    ：第１配線
１０２    ：第２配線
１１１    ：第１端子
１１２    ：第２端子
２        ：筐体
２０      ：封止部
２０ａ    ：第１封止部
２０ｂ    ：第２封止部
２０ｃ    ：第３封止部
２０ｄ    ：第４封止部
２１      ：配線
２１ａ    ：貫通配線
２１ｂ    ：引出配線
３        ：収容部
４        ：開口部
５００    ：電子機器
５０１    ：電子部品
５０２    ：主電源
５０３    ：補助電源
Ｒ        ：負荷
Ｓ１１０  ：支持部形成工程
Ｓ１２０  ：収容部形成工程
Ｓ１３０  ：孔形成工程
Ｓ１４０  ：中間部形成工程
Ｓ２１０  ：支持部形成工程
Ｓ２２０  ：孔形成工程
Ｓ２３０  ：電極部形成工程
Ｓ２４０  ：中間部形成工程
Ｓ３１０  ：凹部形成工程
Ｓ３２０  ：電極部形成工程
Ｓ３３０  ：孔形成工程
Ｓ３４０  ：中間部形成工程
Ｚ        ：第１方向
Ｘ        ：第２方向
Ｙ        ：第３方向
ｅ        ：電子
【図１】
2020068238.tif 000003
【図２】
2020068238.tif 000004
【図３】
2020068238.tif 000005
【図４】
2020068238.tif 000006
【図５】
2020068238.tif 000007
【図６】
2020068238.tif 000008
【図７】
2020068238.tif 000009
【図８】
2020068238.tif 000010
【図９】
2020068238.tif 000011
【図１０】
2020068238.tif 000012
【図１１】
2020068238.tif 000013
【図１２】
2020068238.tif 000014
【図１３】
2020068238.tif 000015
【図１４】
2020068238.tif 000016
【図１５】
2020068238.tif 000017
【図１６】
2020068238.tif 000018
【図１７】
2020068238.tif 000019