(57)【要約】【課題】強度と熱電変換効率の両者が優れた熱電変換素子、及びこの熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】熱電変換素子は、成膜基板と、前記成膜基板の一方の表面に成膜された熱電膜と、前記熱電膜の前記成膜基板側とは反対側の表面に接合された支持基板とを備え、前記支持基板は、前記成膜基板よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている。熱電変換モジュールは、上記の熱電変換素子が２個以上積層されていて、前記積層されている前記熱電変換素子の前記熱電膜が互いに電気的に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜基板と、前記成膜基板の一方の表面に成膜された熱電膜と、前記熱電膜の前記成膜基板側とは反対側の表面に接合された支持基板とを備え、
前記支持基板は、前記成膜基板よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている熱電変換素子。
【請求項２】
前記成膜基板は、平均厚みが１μｍ以下である請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記成膜基板は、前記熱電膜側とは反対側の表面の縁部に凸部が設けられている請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記支持基板は、前記熱電膜よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記支持基板は、前記熱電膜側とは反対側の表面の縁部に凸部が設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記支持基板は、ガラス基板であり、前記熱電膜の表面と前記支持基板とが陽極接合されている請求項１から５のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の熱電変換素子が２個以上積層されていて、前記積層されている前記熱電変換素子の前記熱電膜が互いに電気的に接続されている熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記熱電変換素子が、互いに前記熱電変換素子の前記熱電膜の表面が対向するように積層されている請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記２個以上の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一個の熱電変換素子は、前記支持基板を貫通する貫通電極を有し、前記積層される前記熱電変換素子が、前記貫通電極を介して電気的に接続されている請求項７または８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記２個以上の前記熱電変換素子が、前記熱電膜がＰ型半導体であるＰ型熱電変換素子と前記熱電膜がＮ型半導体であるＮ型熱電変換素子とを含み、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが交互に積層されている請求項７から９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記２個以上の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一個の熱電変換素子は、前記支持基板の縁部に凸部が設けられていて、前記支持基板の前記凸部が設けられている側の表面に、前記２個以上の前記熱電変換素子の前記熱電膜に電気的に接続する制御回路ユニットが収容されている請求項７から１０のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及び熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点より、利用されないまま消失している熱の利用が着目されている。特に内燃機関や燃焼装置に関連する分野において、熱電変換素子を用いて、排熱を電気エネルギーに変換して利用することが盛んに検討されている。
【０００３】
熱電変換素子は、一般に、成膜基板と、成膜基板の上に成膜された熱電膜とから構成されている。熱電膜の成膜方法としては、成膜基板に単結晶基板を用いたエピタキシャル成長法が利用されている。しかしながら、成膜基板として用いる単結晶基板は、一般に熱伝導率が高い。このため、熱電膜をエピタキシャル成長法で成膜した熱電変換素子は、熱電膜内の温度差が小さくなりやすく、高い熱電変換効率を得るのが難しい傾向があった。
【０００４】
特許文献１には、熱電膜を成膜した後の成膜基板（単結晶基板）の厚みを薄くして、熱伝導率を低下させると共に、成膜基板に絶縁性の補強部を設けて、厚みが薄くなることによる成膜基板の強度の低下を抑制した熱電変換モジュールが開示されている。この特許文献１には、成膜基板の厚みを、成膜基板の裏面に溝を形成することによって薄くし、その溝に樹脂材を充填することによって補強部を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１１６３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱電変換素子の熱電変換効率を向上させるために、成膜基板の厚みを薄くすることは有効である。しかしながら、特許文献１に記載されているように、成膜基板の裏面に溝を形成して部分的に薄くし、その溝に樹脂材を充填すると、成膜基板の溝を形成した部分とその他の部分で強度や熱伝導性などの特性が異なり、熱電変換素子全体の強度が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、強度を低下させずに熱電変換素子の熱電変換効率を向上させること、すなわち強度と熱電変換効率の両者が優れた熱電変換素子、及びこの熱電変換素子を用いた熱電変換モジュール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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
［１］成膜基板と、前記成膜基板の一方の表面に成膜された熱電膜と、前記熱電膜の前記成膜基板側とは反対側の表面に接合された支持基板とを備え、前記支持基板は、前記成膜基板よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている熱電変換素子。
［２］前記成膜基板は、平均厚みが１μｍ以下である前記［１］に記載の熱電変換素子。
［３］前記成膜基板は、前記熱電膜側とは反対側の表面の縁部に凸部が設けられている前記［１］または前記［２］に記載の熱電変換素子。
［４］前記支持基板は、前記熱電膜よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている前記［１］から前記［３］のいずれか１つに記載の熱電変換素子。
［５］前記支持基板は、前記熱電膜側とは反対側の表面の縁部に凸部が設けられている前記［１］から前記［４］のいずれか１つに記載の熱電変換素子。
［６］前記支持基板は、ガラス基板であり、前記熱電膜の表面と前記支持基板とが陽極接合されている前記［１］から前記［５］のいずれか１つに記載の熱電変換素子。
【０００９】
［７］前記［１］から［６］のいずれか１つに記載の熱電変換素子が２個以上積層されていて、前記積層されている前記熱電変換素子の前記熱電膜が互いに電気的に接続されている熱電変換モジュール。
［８］前記熱電変換素子が、互いに前記熱電変換素子の前記熱電膜の表面が対向するように積層されている前記［７］に記載の熱電変換モジュール。
［９］前記２個以上の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一個の熱電変換素子は、前記支持基板を貫通する貫通電極を有し、前記積層される前記熱電変換素子が、前記貫通電極を介して電気的に接続されている前記［７］または前記［８］に記載の熱電変換モジュール。
［１０］前記２個以上の前記熱電変換素子が、前記熱電膜がＰ型半導体であるＰ型熱電変換素子と前記熱電膜がＮ型半導体であるＮ型熱電変換素子とを含み、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが交互に積層されている前記［７］から前記［９］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１１］前記２個以上の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一個の熱電変換素子は、前記支持基板の縁部に凸部が設けられていて、前記支持基板の前記凸部が設けられている側の表面に、前記２個以上の前記熱電変換素子の前記熱電膜に電気的に接続する制御回路ユニットが収容されている前記［７］から前記［１０］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、強度と熱電変換効率の両者が優れた熱電変換素子、及びこの熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子の平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの平面図である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【図８】図６のVIII−VIII線断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る熱電変換モジュールの平面図である。
【図１１】図１０のXI−XI線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る熱電変換素子及びこの熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。
以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を熱電変換素子の特定の面内における第１の方向、Ｙ軸方向を熱電変換素子の特定の面内における第２の方向、Ｚ軸方向を熱電変換素子の特定の面内と直交する厚み方向（高さ方向）として、それぞれ示すものとする。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。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子の構成を、図１〜図３を参照して説明する。なお、図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子の平面図である。図２は、図１のII−II線断面図であり、図３は、図１のIII−III線断面図である。
【００１４】
本実施形態の熱電変換素子１０は、図１〜図３に示すように、成膜基板１１と、成膜基板１１の一方の表面に成膜された熱電膜１４と、熱電膜１４の成膜基板１１側とは反対側の表面に接合された支持基板１５とを備える。本実施形態の熱電変換素子１０は、平面視したときの形状が、Ｘ方向に延びた矩形とされていて、Ｘ方向の両端に貫通電極１８ａ、１８ｂが設けられている。熱源１００は、図２に示すように、Ｘ方向の一方の端部の近傍に配置される。以下、熱源１００が配置されている側の端部を＋Ｘ側、その反対側の端部を−Ｘ側という。
【００１５】
本実施形態の熱電変換素子１０では、支持基板１５は、成膜基板１１よりも熱伝導率の小さい材料から構成されている。支持基板１５を設けることにより、成膜基板１１の厚みを薄くしても熱電変換素子１０の強度を高くすることができる。また、成膜基板１１の厚みを薄くすることによって、熱源１００から熱電膜１４の＋Ｘ側に伝わった熱が、成膜基板１１を経由して−Ｘ側の端部には伝わりにくくなる。さらに、支持基板１５は、成膜基板１１よりも熱伝導率の小さい材料から構成されているので、熱源１００から熱電膜１４の＋Ｘ側に伝わった熱が支持基板１５を経由して−Ｘ側の端部には伝わりにくい。このため、熱電膜１４のＸ方向における両端の温度差が大きくなり、熱電膜１４の起電力が高くなる。よって、本実施形態の熱電変換素子１０は、強度と熱電変換効率の両者に優れたものとなる。
【００１６】
成膜基板１１は、熱電膜１４を成膜する際の基材となる部材である。本実施形態において、成膜基板１１は、厚みが薄い薄肉部１２と、熱電膜１４側とは反対側の表面の縁部に設けられた凸部１３とを有する形状（トレンチ形状）とされている。薄肉部１２（成膜基板１１の凸部１３以外の部分）は、平均厚みが１μｍ以下であることが好ましい。薄肉部１２の平均厚みが１μｍ以下であると、成膜基板１１の熱伝導性が低くなり、成膜基板１１を熱が伝わりにくくなるので、熱電膜１４のＸ方向における両端の温度差をより大きくすることができる。なお、成膜基板の強度の観点から、成膜基板１１の平均厚みは、０．０１μｍ以上であることが好ましい。成膜基板１１の凸部１３は、成膜基板１１の強度を高くする作用がある。凸部１３の高さは、薄肉部１２を基準として０．０１μｍ以上８００μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、１μｍ以上８００μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。凸部１３の高さが低くなりすぎると、成膜基板１１の強度を高くする作用が不十分となるおそれがある。一方、凸部１３の高さが高くなりすぎると、凸部１３の強度が低下して、凸部１３が破損しやすくなるおそれがある。成膜基板１１の強度をさらに向上させるために、凸部１３の内側面に柱状の補強部（リブ）を設けてもよい。
【００１７】
成膜基板１１としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。また、成膜基板１１は、比抵抗が１０Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。成膜基板１１の比抵抗が１０Ω・ｃｍ以上となることで、熱電膜１４の両端での電気的な短絡が生じるのを防止することができる。
【００１８】
熱電膜１４は、熱を電気エネルギーに変換する部材である。熱電膜１４の厚みは、特に制限はないが、一般に０．０５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある。
【００１９】
熱電膜１４としては、例えば、シリコン系半導体を用いることができる。シリコン系半導体はＰ型半導体であってもよいし、Ｎ型半導体であってもよい。
シリコン系Ｐ型半導体としては、例えば高濃度（１０１８〜１０２１ｃｍ−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。シリコン系Ｐ型半導体からなる熱電膜１４では、Ｘ方向における両端の温度が生じると、高温側から低温側に向けて電流が流れる。
【００２０】
シリコン系Ｎ型半導体としては、例えば高濃度（１０１８〜１０２１ｃｍ−３）のリン（Ｐ）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。シリコン系Ｎ型半導体からなる熱電膜１４では、Ｘ方向における両端の温度が生じると、低温側から高温側に向けて電流が流れる。
【００２１】
なお、熱電膜１４は、上述したシリコン系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型半導体又はＮ型半導体の単層膜からなるものであってもよい。また、熱電膜１４として、シリコン系半導体以外の酸化物系の半導体などを用いることもできる。さらに、有機高分子膜や金属膜などからなる熱電膜１４を用いることができる。
【００２２】
支持基板１５は、熱電変換素子１０の強度を向上させるための部材である。本実施形態において、支持基板１５は、厚みが薄い薄肉部１６と、熱電膜１４側とは反対側の表面の縁部に設けられた凸部１７とを有する形状（トレンチ形状）とされている。支持基板１５の薄肉部１６は、平均厚みが、成膜基板１１の薄肉部１２よりも厚い方が好ましい。支持基板１５の薄肉部１６の平均厚みを厚くすることによって、熱電変換素子１０全体の強度を高くすることができる。ただし、支持基板１５の薄肉部１６の厚みが厚くなりすぎると、支持基板１５の熱伝導性が高くなり、支持基板１５を熱が伝わりやすくなるおそれがある。このため、支持基板１５の薄肉部１６は、平均厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。支持基板１５の凸部１７は、支持基板１５の強度を高くする作用がある。凸部１７の高さは、薄肉部１６を基準と０．０１μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましく、１μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。凸部１７の高さが低くなりすぎると、支持基板１５の強度を高くする作用が不十分となるおそれがある。一方、凸部１７の高さが高くなりすぎると、凸部１７の強度が低下して、凸部１７が破損しやすくなるおそれがある。支持基板１５の強度をさらに向上させるために、凸部１７にリブを設けてもよい。
【００２３】
支持基板１５は、熱電膜１４よりも熱伝導率の小さい材料から構成されていることが好ましい。この場合は、支持基板１５の熱伝導性が低くなり、支持基板１５を熱が伝わりにくくなるので、熱電膜１４のＸ方向における両端の温度差をより大きくすることができる。
【００２４】
支持基板１５としては、ガラス基板、高分子材料基板などの絶縁性材料基板を用いることができる。熱電膜１４がシリコン系半導体である場合、支持基板１５としてガラス基板を用いることが好ましい。ガラス基板は、陽極接合を用いて接合することによって、熱電膜１４（シリコン系半導体）に対して高い接合力が得られるので好ましい。ガラス基板は、ソーダガラス（ソーダライムガラス）基板、クリスタルガラス基板、ホウケイ酸ガラス基板などのアルカリ金属イオンを含むガラス基板であることが好ましい。これらのガラス基板のなかでは、ホウケイ酸ガラス基板は、シリコン系半導体と熱膨張係数が近いため、接合界面からの剥がれや割れが起こりにくいので、特に好ましい。
【００２５】
高分子材料基板の材料の例としては、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂などの樹脂材料、及びゴムを挙げることができる。
【００２６】
本実施形態において、熱電膜１４に電気的に接続する貫通電極１８ａ、１８ｂは、支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けられている。貫通電極１８ａ、１８ｂの材料としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）などの導電性金属を用いることができる。貫通電極１８ａ、１８ｂは、それぞれ、取出電極１９ａ、１９ｂに電気的に接続している。
【００２７】
本実施形態の熱電変換素子１０では、熱源１００から＋Ｘ側端部に熱が伝えられることにより、熱電変換素子１０の＋Ｘ側（熱源１００に近い高温側）と−Ｘ側（熱源１００から離れた低温側）との間に温度差が生じる。この温度差によって、熱電膜１４がＰ型半導体である場合は、＋Ｘ側（高温側）の貫通電極１８ｂから−Ｘ側（低温側）の貫通電極１８ａに向けて電流が流れる。また、熱電膜１４がＮ型半導体である場合は、−Ｘ側（低温側）の貫通電極１８ａから＋Ｘ側（高温側）の貫通電極１８ｂに向けて電流が流れる。そして、熱電変換素子１０で流れた電流は、取出電極１９ａ、１９ｂから外部に取り出される。
【００２８】
次に、本実施形態の熱電変換素子１０の製造方法を、図４と図５を参照して説明する。
本実施形態の熱電変換素子１０は、例えば、成膜用基板を用意する用意工程と、成膜用基板の表面に熱電膜を成膜する成膜工程と、熱電膜の平面基板側とは反対側の表面に支持用基板を接合する接合工程と、支持用基板に貫通電極を形成する電極形成工程と、支持用基板を加工する第１加工工程と、成膜用基板を加工する第２加工工程を含む方法によって製造することができる。
【００２９】
用意工程では、図４（ａ）に示すように、熱電膜１４を成膜する際の基材となる成膜用基板２１を用意する。成膜用基板２１は、次の成膜工程で良好な熱電膜を成膜できるように、表面洗浄されていることが好ましい。表面洗浄としては、ＲＣＡ洗浄やフッ酸洗浄を用いることができる。
【００３０】
成膜工程では、図４（ｂ）に示すように、成膜用基板２１の表面に熱電膜を成膜する。熱電膜の成膜方法としては、特に制限はなく、エピタキシャル成長法など熱電膜の成膜方法として利用されている各種の方法を用いることができる。
【００３１】
接合工程では、図４（ｃ）に示すように、熱電膜１４の成膜用基板２１側とは反対側の表面に支持用基板２５を接合する。支持用基板２５は、貫通電極形成用の貫通孔２６ａ、２６ｂが形成されているものであることが好ましい。支持用基板２５の接合方法は特に制限はないが、支持用基板２５がガラス基板である場合は、陽極接合を用いることができる。陽極接合とは、熱電膜１４と支持用基板２５とを接触させ、熱電膜１４を陽極として両者のあいだに直流電圧を加えることによって接合を行う方法である。また、支持用基板２５が高分子材料基板である場合は、樹脂接合もしくは常温接合を用いることができる。樹脂接合は接着剤を用いて接合を行う方法である。接着剤としては、例えば、エポキシ系接着材、シアノアクリレート系接着剤、メタクリル酸メチル系接着材を用いることができる。常温接合は、分子間結合を利用した直接接合を行う方法である。具体的には、熱電膜１４および支持用基板２５の接合面を、例えば、表面粗さＲｍａｘが１０ｎｍ以下の平滑な面とし、次いで高真空環境下で、両者を接触させ加圧することにより常温で接合することができる。熱電膜１４および支持用基板２５の接合面を平滑な面とする方法としては、研磨やＣＭＰ等を用いることができる。
【００３２】
電極形成工程では、図４（ｄ）に示すように、支持用基板の貫通孔２６ａ、２６ｂに、導電性金属を充填して貫通電極１８ａ、１８ｂを形成する。貫通電極１８ａ、１８ｂの形成方法としては、例えば、貫通孔２６ａ、２６ｂの側面に無電解めっきにより導電性金属のシード層を形成したのち、電解めっきにより貫通孔２６ａ、２６ｂに導電性金属を充填する方法を用いることができる。また、別の形成方法として、支持用基板の貫通孔２６ａ、２６ｂに、導電性金属粒子を含む導電性ペーストを充填し、次いで、導電性ペーストを加熱して、導電性金属粒子を焼結させる方法を用いることができる。
【００３３】
第１加工工程では、図５（ｅ）に示すように、支持用基板２５の貫通電極１８ａ、１８ｂ及び縁部の周囲にメタルマスク２７を配置して、メタルマスク２７が配置されていない部分を除去する表面加工を行う。これにより、表面が平坦な薄肉部１６と、熱電膜１４側とは反対側の表面の縁部に設けられた凸部１７とを有する支持基板１５を形成する。表面加工としては、例えば、ブラスト加工を用いることができる。
【００３４】
第２加工工程では、図５（ｆ）に示すように、成膜用基板２１の表面を、縁部を残して選択的に除去する表面加工を行う。これにより表面が平坦な薄肉部１２と、熱電膜１４側とは反対側の表面の縁部に設けられた凸部１３とを有する成膜基板１１を形成する。表面加工としては、例えば、フォトレジストを用いたパターンエッチングを用いることができる。エッチングとしては、ウエットエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の熱電変換素子１０によれば、熱電膜１４の成膜基板１１側とは反対側の面に支持基板１５が接合されているので、成膜基板１１の厚みを薄くしても熱電変換素子１０の強度を高くすることができる。また、成膜基板１１の厚みを薄くすることによって、熱源１００から熱電膜１４の＋Ｘ側に伝わった熱が成膜基板１１を経由して−Ｘ側の端部には伝わりにくくなる。さらに、支持基板１５は、成膜基板１１よりも熱伝導率の小さい材料から構成されているので、熱源１００から熱電膜１４の＋Ｘ側に伝わった熱が支持基板１５を経由して−Ｘ側の端部には伝わりにくい。このため、熱電膜１４のＸ方向における両端の温度差が大きくなり、熱電膜１４の起電力が高くなる。よって、本実施形態の熱電変換素子１０は、熱電変換効率と強度の両者に優れたものとなる。
【００３６】
なお、本実施形態の熱電変換素子１０においては、成膜基板１１に凸部１３が、支持基板１５に凸部１７がそれぞれ設けられているが、凸部１３および凸部１７が無くても熱電変換素子１０の強度に問題が無い場合には、凸部１３および凸部１７は無くてもよい。
【００３７】
また、本実施形態の熱電変換素子１０においては、支持基板１５側に支持基板１５を貫通する２つの貫通電極１８ａ、１８ｂが設けられているが、これに限定されるものではない。２つの貫通電極１８ａ、１８ｂをそれぞれ、成膜基板１１側に成膜基板１１を貫通するように設けてもよいし、一方の貫通電極を、成膜基板１１を貫通するように成膜基板１１側に設けて、他方の貫通電極を、支持基板１５を貫通するように支持基板１５側に設けてもよい。成膜基板１１側に貫通電極を設ける場合は、成膜工程において成膜用基板２１の表面に熱電膜を成膜した後、成膜用基板２１に貫通孔を形成し、その貫通孔に貫通電極を形成すればよい。
【００３８】
また、本実施形態の熱電変換素子１０においては、平面視したときの形状が矩形とされているが、熱電変換素子１０の形状は特に制限はない。例えば、熱電変換素子１０は、平面視したときの形状が円であってもよい。
【００３９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの構成を、図６〜図８を参照して説明する。なお、図６は、本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの平面図である。図７は、図６のVII−VII線断面図であり、図８は、図６のVIII−VIII線断面図である。
【００４０】
本実施形態の熱電変換モジュール３０は、図６〜図８に示すように、熱電変換素子１０を８個有する。８個の熱電変換素子１０は、それぞれ厚み方向（Ｚ方向）の２段に４個ずつ分かれて積層されている。上段の熱電変換素子１０は、熱電膜１４がＰ型半導体１４ａであるＰ型熱電変換素子１０ａとされている。一方の下段の熱電変換素子１０は、熱電膜１４がＮ型半導体１４ｂであるＮ型熱電変換素子１０ｂとされている。Ｐ型熱電変換素子１０ａは、貫通電極１８ａ、１８ｂがそれぞれ支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けられている。Ｎ型熱電変換素子１０ｂは、貫通電極１８ａ、１８ｂがそれぞれ成膜基板１１側に成膜基板１１を貫通して設けられている。なお、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂは上記の点以外は、上記第１実施形態の熱電変換素子１０と共通するので、共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂは、Ｐ型熱電変換素子１０ａの支持基板１５とＮ型熱電変換素子１０ｂの成膜基板１１とが対向するように積層されている。Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとは、貫通電極１８ａ、１８ｂを介して、Ｐ型熱電変換素子１０ａ、Ｎ型熱電変換素子１０ｂ、・・・・、Ｐ型熱電変換素子１０ａ、Ｎ型熱電変換素子１０ｂの順に電気的に直列に接続されている。Ｐ型熱電変換素子１０ａの貫通電極１８ａとＮ型熱電変換素子１０ｂの貫通電極１８ａ、及びＰ型熱電変換素子１０ａの貫通電極１８ｂとＮ型熱電変換素子１０ｂの貫通電極１８ｂはそれぞれ、導電性接着剤（図示せず）によって電気的に接続されている。Ｐ型熱電変換素子１０ａの末端の貫通電極１８ａは取出電極１９ａに接続し、Ｎ型熱電変換素子１０ｂの末端の貫通電極１８ａは取出電極１９ｂに接続している。
【００４２】
本実施形態の熱電変換モジュール３０では、熱源１００から＋Ｘ側端部に熱が伝えられることにより、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂの＋Ｘ側（熱源１００に近い高温側）と−Ｘ側（熱源１００から離れた低温側）との間に温度差が生じる。この温度差によって、Ｐ型熱電変換素子１０ａでは、＋Ｘ側（高温側）の貫通電極１８ｂから−Ｘ側（低温側）の貫通電極１８ａに向けて電流が流れる向きの起電力が発生し、Ｎ型熱電変換素子１０ｂでは、−Ｘ側（低温側）の貫通電極１８ａから＋Ｘ側（高温側）の貫通電極１８ｂに向けて電流が流れる向きの起電力が発生する。そして、各Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂで発生した起電力は、取出電極１９ａ、１９ｂから、その総和として外部に取り出される。
【００４３】
以上のように、本実施形態の熱電変換モジュール３０は、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとが交互に直列で接続されているので、高い起電力を得ることができる。
【００４４】
なお、本実施形態の熱電変換モジュール３０においては、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとが交互に直列で接続されているが、これに限定されるものではない。例えば、Ｐ型熱電変換素子１０ａ同士が直列に接続され、Ｎ型熱電変換素子１０ｂ同士が直列で接続されている構成としてもよい。
【００４５】
また、本実施形態の熱電変換モジュール３０においては、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとの２種類の熱電変換素子１０を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、２個以上のＰ型熱電変換素子１０ａが電気的に接続されたＰ型熱電変換モジュールとしてもよいし、２個以上のＮ型熱電変換素子１０ｂが電気的に接続されたＮ型熱電変換モジュールとしてもよい。
【００４６】
また、本実施形態の熱電変換モジュール３０においては、４個のＰ型熱電変換素子１０ａと４個のＮ型熱電変換素子１０ｂはそれぞれ分離した構成であるが、これに限定されるものではない。例えば、４個のＰ型熱電変換素子１０ａの代わりに、１つの成膜基板に４個のＰ型半導体からなる熱電膜を形成したものを用い、４個のＮ型熱電変換素子１０ｂの代わりに、１つの成膜基板に４個のＮ型半導体からなる熱電膜を形成したものを用いてもよい。また、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂの個数は、熱電変換モジュール３０の設置場所に合わせて、任意に設定することができる。
【００４７】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールの構成を、図９を参照して説明する。なお、図９は、本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。以下の説明では、上記第２実施形態の熱電変換モジュール３０と共通する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
本実施形態の熱電変換モジュール４０は、図９に示すように、Ｎ型熱電変換素子１０ｂは、貫通電極１８ａ、１８ｂがそれぞれ支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けられていて、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとが、互いの支持基板１５が対向するように積層されている。すなわち、Ｐ型熱電変換素子１０ａのＰ型半導体１４ａの表面（成膜基板１１側と反対側の面）とＮ型熱電変換素子１０ｂのＮ型半導体１４ｂの表面（成膜基板１１側と反対側の面）とが対向し、支持基板１５を貫通した貫通電極１８ａ、１８ｂで電気的に接続するように積層されている点において、上記第２実施形態の熱電変換モジュール３０と相違する。支持基板１５として、ガラス基板、高分子材料基板のような絶縁体の基板を用いた場合は、通常、成膜基板１１よりも絶縁性が高くなる。このため、貫通電極１８ａ、１８ｂを、支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けることによって、貫通電極１８ａ、１８ｂを流れる電流がリークしにくくなるので、熱電変換モジュール４０の熱電変換効率が向上する。
【００４９】
また、本実施形態の熱電変換モジュール４０は、図９に示すように、支持基板１５の凸部１７が設けられている側の表面に、制御回路ユニット４１が収容されている点において、上記第２実施形態の熱電変換モジュール３０と相違する。制御回路ユニット４１は、熱電変換モジュール４０を流れる電流の電圧や電流量を調整するためのユニットであり、昇電圧回路、コンデンサ、回路の電源（電池）などを含む。図９の熱電変換モジュール４０では、Ｐ型熱電変換素子１０ａの末端の貫通電極１８ａが制御回路ユニット４１を介して、取出電極１９ａに接続し、Ｎ型熱電変換素子１０ｂの末端の貫通電極１８ａは取出電極１９ｂに接続している。
【００５０】
本実施形態の熱電変換モジュール４０によれば、貫通電極１８ａ、１８ｂが、支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けられているので、貫通電極１８ａ、１８ｂを流れる電流がリークしにくくなり、熱電変換モジュール４０の熱電変換効率が向上する。また、制御回路ユニット４１が収容されているので、高い起電力を長期間にわたって安定して、取出電極１９ａ、１９ｂから取り出すことができる。さらに制御回路ユニット４１が支持基板１５の凸部１７が設けられている側の表面に収容されているので、熱電変換モジュール４０の省スペース化を実現できる。
【００５１】
なお、本実施形態の熱電変換モジュール４０においては、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂの両方に貫通電極１８ａ、１８ｂが、支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けられているが、これに限定されるものではない。ただし、２個以上の熱電変換素子１０のうちの少なくとも一個の熱電変換素子１０は、支持基板１５側に支持基板１５を貫通する貫通電極が設けられていることが好ましい。貫通電極１８ａ、１８ｂを成膜基板１１よりも絶縁性が高い支持基板１５側に支持基板１５を貫通して設けることによって、貫通電極１８ａ、１８ｂを流れる電流がリークしにくくなるので、熱電変換モジュール４０の熱電変換効率が向上する。
【００５２】
また、本実施形態の熱電変換モジュール４０においては、制御回路ユニット４１が支持基板１５同士の間に収容されているが、制御回路ユニット４１の収容場所は、これに限定されるものではない。例えば、第２実施形態の熱電変換モジュール３０の場合は、成膜基板１１と支持基板１５との間（支持基板１５の凸部１７が設けられている側の表面）に制御回路ユニット４１を収容してもよい。
【００５３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る熱電変換モジュールの構成を、図１０と図１１を参照して説明する。なお、図１０は、本発明の第４実施形態に係る熱電変換モジュールの平面図である。図１１は、図１０のXI−XI線断面図である。
【００５４】
本実施形態の熱電変換モジュール５０は、図１０、図１１に示すように、受熱基板５１の一方の表面に、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとが、交互に２個ずつ（合計４個）積層された構成とされている。受熱基板５１は、平面視したときの形状が円であり、中央に備えられた円柱状の伝熱部材５２と熱的に接続している。Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂはそれぞれ、平面視したときの形状が円であり、中央に伝熱部材５２が通る貫通孔を有する。Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂは、絶縁膜５３を介して伝熱部材５２と熱的に接続している。
【００５５】
Ｐ型熱電変換素子１０ａは、支持基板１５の外周側に支持基板１５を貫通する貫通電極１８ａが、成膜基板１１の中央側に成膜基板１１を貫通する貫通電極１８ｂが設けられている。Ｎ型熱電変換素子１０ｂは、成膜基板１１の外周側に成膜基板１１を貫通する貫通電極１８ａが、支持基板１５の中央側に支持基板１５を貫通する貫通電極１８ｂが設けられている。なお、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂは上記の点以外は、上記第１実施形態の熱電変換素子１０と共通するので、共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂは、Ｐ型熱電変換素子１０ａの支持基板１５とＮ型熱電変換素子１０ｂの成膜基板１１とが対向するように積層されている。Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとは、貫通電極１８ａ、１８ｂを介して、受熱基板５１側から、Ｐ型熱電変換素子１０ａ、Ｎ型熱電変換素子１０ｂ、Ｐ型熱電変換素子１０ａ、Ｎ型熱電変換素子１０ｂの順に電気的に直列に接続されている。Ｐ型熱電変換素子１０ａの貫通電極１８ａとＮ型熱電変換素子１０ｂの貫通電極１８ａ、及びＰ型熱電変換素子１０ａの貫通電極１８ｂとＮ型熱電変換素子１０ｂの貫通電極１８ｂはそれぞれ、導電性接着剤（図示せず）によって電気的に接続されている。最上段のＮ型熱電変換素子１０ｂの貫通電極１８ａは、取出電極１９ｂに電気的に接続している。最下段のＰ型熱電変換素子１０ａは、取出電極１９ｂに電気的に接続している。
【００５７】
受熱基板５１は、耐熱性と高い熱伝導率とを有するものであることが好ましい。受熱基板５１の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属やシリコン（Ｓｉ）等を用いることができる。
【００５８】
伝熱部材５２は、受熱基板５１で受熱した熱を、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂを伝える機能を有する。伝熱部材５２は、高い熱伝導率を有するものであることが好ましい。伝熱部材５２の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属やシリコン（Ｓｉ）等を用いることができる。
【００５９】
絶縁膜５３は、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂと伝熱部材５２との間を電気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜５３は、高い絶縁性と熱伝導率を有するものであることが好ましい。絶縁膜５３としては、例えば酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)や窒化アルミニウム(ＡｌＮ)などを用いることができる。絶縁膜５３は、伝熱性の観点から、できるだけ薄く形成されることが好ましい。
【００６０】
なお、伝熱部材５２は、それ自体が絶縁性を有する場合、上述した絶縁膜５３を介さずにＰ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂと直接接合された構成としてもよい。すなわち、伝熱部材５２が絶縁性を有する場合は、絶縁膜５３を省略した構成とすることも可能である。
【００６１】
本実施形態の熱電変換モジュール５０では、矢印５４の方向に流れる熱を受熱基板５１で受熱する。受熱した熱は矢印５５の方向に沿って伝熱部材５２に伝えられる。伝熱部材５２に伝わった熱は矢印５６の方向に沿って、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂに伝えられる。これにより、Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂの中央側（伝熱部材５２に近い高温側）と外周側（伝熱部材５２から遠い高温側）との間に温度差が生じる。この温度差が生じることによって、Ｐ型熱電変換素子１０ａでは中央側（高温側）の貫通電極１８ｂから外周側（低温側）の貫通電極１８ａに向けて電流が流れる向きの起電力が発生し、Ｎ型熱電変換素子１０ｂでは中央側（高温側）の貫通電極１８ｂから外周側（低温側）の貫通電極１８ａに向けて電流が流れる向きの起電力が発生する。そして、各Ｐ型熱電変換素子１０ａ及びＮ型熱電変換素子１０ｂで発生した起電力は、取出電極１９ａ、１９ｂから、その総和として外部に取り出される。
【００６２】
以上のように、本実施形態の熱電変換モジュール５０によれば、Ｐ型熱電変換素子１０ａとＮ型熱電変換素子１０ｂとが交互に直列で接続されているので、高い起電力を得ることができる。また、受熱基板５１を用いて受熱するので種々の場所に設置することができる。
【００６３】
なお、本実施形態の熱電変換モジュール５０においては、熱電変換素子１０が４個（Ｐ型熱電変換素子１０ａが２個、Ｎ型熱電変換素子１０ｂが２個）積層された構成とされているが、熱電変換素子１０の個数はこれに限定されるものではない。熱電変換素子１０は２個以上積層されていればよい。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態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、熱電変換素子１０及び熱電変換モジュール３０、４０、５０は、モールド成形により、周囲を樹脂で被覆してもよい。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。
【００６５】
また、熱電変換素子１０は、上述した熱電変換モジュール３０、４０、５０の形態でなく、単独で使用してもよい。また、２個以上の熱電変換素子１０を横方向（Ｙ方向）に並列して使用してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０…熱電変換素子、１０ａ…Ｐ型熱電変換素子、１０ｂ…Ｎ型熱電変換素子、１１…成膜基板、１２…薄肉部、１３…凸部、１４…熱電膜、１４ａ…Ｐ型半導体、１４ｂ…Ｎ型半導体、１５…支持基板、１６…薄肉部、１７…凸部、１８ａ、１８ｂ…貫通電極、１９ａ、１９ｂ…取出電極、２１…成膜用基板、２５…支持用基板、２６ａ、２６ｂ…貫通孔、２７…メタルマスク、３０、４０、５０…熱電変換モジュール、４１…制御回路ユニット、５１…受熱基板、５２…伝熱部材、５３…絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
2020035863.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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