(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電デバイス及びその製造方法に関し、より柔軟な構造を従来と同じか、それ以下の製造コストで製造可能にする製造方法の提供。【解決手段】可撓性を有する帯状の絶縁性基材１１に一定の間隔でスリット１２１，１２２を入れ、このスリット１２１，１２２で区分された領域に熱電材料膜要素１３１，１３２を設ける。次いで、熱電材料膜要素１３１，１３２同士を電気的に直列接続するようにスリット１２１，１２２を迂回する配線１４を形成する。【選択図】図１
2014060333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する帯状の絶縁性基材と、
前記絶縁性基材に一定の間隔で設けられたスリットと、
前記スリットで区分された領域に設けられた熱電材料膜要素と、
隣接する前記熱電材料膜要素同士を電気的に直列接続する配線と
を有することを特徴とする熱電デバイス。
【請求項２】
前記スリットが、前記絶縁性基材の幅方向の両側から挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項３】
前記熱電材料膜要素を設けた帯状の前記絶縁性基材を円錐台状に巻回することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電デバイス。
【請求項４】
可撓性を有する帯状の第１の絶縁性基材に一定の間隔で第１のスリットを設ける工程と、
可撓性を有する帯状の第２の絶縁性基材に前記第１のスリットと同じ間隔で第２のスリットを設ける工程と、
前記第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域が交互に上下が入れ替わるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、
前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出両面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて第１の導電型の熱電材料を成膜して第１の熱電材料膜を形成する工程と、
前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材を分離したのち、第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域の上下関係が逆になるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、
前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出表面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて前記第１の導電型とは逆導電型の第２の導電型の熱電材料を成膜して第２の熱電材料膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を分離する工程と、
前記第１の絶縁性基材において、前記第１のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程と、  
前記第２の絶縁性基材において、前記第２のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程と、  
を有することを特徴とする熱電デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記第１の絶縁性基材の幅が、前記第２の絶縁性基材の幅のｎ倍に対応する幅を有し、
前記第１のスリットが前記第１の絶縁性基材の幅方向にｎ行形成され、
前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を重ね合わせる工程において、ｎ個の前記第２の絶縁性基材を前記各行の第１のスリットを交互に潜り抜けるように挿入して重ね合わせることを特徴とする請求項４に記載の熱電デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材が同じ平面構造を有しており、
前記第１のスリットと前記第２のスリットが一端側が開放されたスリットであり、
前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を重ね合わせる工程において、前記第１のスリットで区分された領域と前記第２のスリットで区分された領域が交互に上下が逆になる様に、前記スリットの開放端側から差し込むことを特徴とする請求項４に記載の熱電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電デバイス及びその製造方法に関するものであり、例えば、可撓性のある基材を利用して形成された熱電デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電デバイスは基本的に多数のＰ型半導体とＮ型半導体の直列接続体から形成され、これら半導体部に温度差を加えることにより電力が発生することを利用したデバイスである。このような熱電デバイスにおいて、従来より、可撓性のある基材を活用して作製する熱電デバイスが提案されている。
【０００３】
例えば、図２９に示すように、細長いフレキシブルな基材８１上にＮ型熱電材料膜８２とＰ型熱電材料膜８３とを、基材８１の伸びる方向で交互に電気的に直列になると共に、幅方向には熱的に並列となるように配置する。この基材８１を折り曲げ或いは円柱状に巻くことによって熱電デバイスを実現する方法が示されている（例えば、特許文献１参照）。なお、符号８４１，８４２は伝熱板である。
【０００４】
このような可撓性のある基材を活用して作製する熱電デバイスの利点は、熱電材料を繋ぐ多数の接続部分を一括して成膜形成できることにある。また、基材がフレキシブルである点を活かして、熱電材料や配線の成膜後であっても基材そのものを変形することができ、比較的自由度の高いデバイス形状を形成することができるという利点もある。
【０００５】
しかし、熱電デバイスでは多数のＰ型熱電材料膜とＮ型熱電材料膜が電気的に直列につながっており、一箇所でも導通しなくなると直列接続が断線するために熱電デバイスとしての機能を果たさなくなる。そこで、熱電デバイスとしての高信頼性を実現するには、多数の配線と熱電素子の接続をいかに簡便に、しかも故障しないように形成するかが重要なポイントの一つである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０８６５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の可撓性のある基材を活用して作製する熱電デバイスは、基材形状が帯状となっているため帯状の基材を円柱や角柱状に巻き上げることはできる。しかし、円錐台状に巻き上げることができない。即ち、高温側と低温側の断面積が異なる形状の熱電デバイスに仕上げることができないという問題がある。
【０００８】
また、図３０（ａ）に示すように、可撓性のある基材を利用した熱電デバイスの一つの応用例として、流体や気体が流れているパイプ９１の面に巻き付けることが想定されている。例えば、高温の流体や気体がパイプ９１を流れるに従って、パイプ表面からの放熱が起こり、パイプ９１の長手方向に温度差が発生する。この温度差を利用して電気を発生させる場合、前述したようにフレキシブルな基材８１上にＮ型熱電材料膜８２／Ｐ型熱電材料膜８３が交互に電気的に直列になっている熱電デバイス８０をパイプ９１の表面に巻き付ければ良い。
【０００９】
しかしながら、このような流体や気体が流れるパイプは直径が一定なストレート形状ばかりではない。一般的にはパイプの径が異なる箇所をつなぐものがあったり、継ぎ手部分では比較的複雑な形状をなしている。特に、直径が一定なストレート形状のところでは往々にして保温剤などの外装がなされている場合が多い。
【００１０】
一方、継ぎ手部分やバルブ部分ではこのような外装がされておらず、外形が外部に露出していることが多い。すなわち、従来例のように基材の形状が帯状となっていると、使用範囲が狭まってしまうという課題があった。
【００１１】
また、図３０（ｂ）に示すようなパイプ９２の径が異なる接続部分９３では、例えば、高圧の気体が流れるパイプ９２においては断熱膨張を起こすため、急激な温度変化が起こりやすい。即ち、単純なストレート部分よりも大きな温度差をもたらす場合が多い。そのため、このようなストレートでない部分に対応できる熱電デバイスがあれば、より一層発電量の増加が期待できる。
【００１２】
そこで、可撓性のある基材を利用した熱電デバイスであっても、従来よりも、より柔軟な形状を形成することができる熱電デバイスがあればさらなる普及が見込まれ、そのようなデバイスが望まれる。なおかつ、このような熱電デバイスの製造にあたっては従来と同じか、それ以下の製造コストで製造できることが必要とされる。
【００１３】
したがって、熱電デバイスにおいて、より柔軟な構造を従来と同じか、それ以下の製造コストで製造可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
開示する一観点からは、可撓性を有する帯状の絶縁性基材と、前記絶縁性基材に一定の間隔で設けられたスリットと、前記スリットで区分された領域に設けられた熱電材料膜要素と、隣接する前記熱電材料膜要素同士を電気的に直列接続する配線とを有することを特徴とする熱電デバイスが提供される。
【００１５】
また、開示する別の観点からは、可撓性を有する帯状の第１の絶縁性基材に一定の間隔で第１のスリットを設ける工程と、可撓性を有する帯状の第２の絶縁性基材に前記第１のスリットと同じ間隔で第２のスリットを設ける工程と、前記第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域が交互に上下が入れ替わるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出両面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて第１の導電型の熱電材料を成膜して第１の熱電材料膜を形成する工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材を分離したのち、第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域の上下関係が逆になるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出両面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて前記第１の導電型とは逆導電型の第２の導電型の熱電材料を成膜して第２の熱電材料膜を形成する工程と、前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を分離する工程と、前記第１の絶縁性基材において、前記第１のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程と、前記第２の絶縁性基材において、前記第２のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程とを有することを特徴とする熱電デバイスの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
開示の熱電デバイス及びその製造方法によれば、より柔軟な構造を従来と同じか、それ以下の製造コストで製造可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の熱電デバイスの説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の熱電デバイスの製造工程に用いる絶縁性基材の一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施例１の熱電デバイスの概略的平面図である。
【図４】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図４以降の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。
【図７】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図６以降の途中までの説明図である。
【図８】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図７以降の途中までの説明図である。
【図９】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図８以降の途中までの説明図である。
【図１０】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図９以降の途中までの説明図である。
【図１１】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図１０以降の途中までの説明図である。
【図１２】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図１１以降の途中までの説明図である。
【図１３】本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程の図１２以降の説明図である。
【図１４】本発明の実施例１の熱電デバイスの実使用例の説明図である。
【図１５】従来の帯状テープを基材として熱電デバイスを巻き上げた場合の構成説明図である。
【図１６】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の途中までの説明図である。
【図１７】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図１６以降の途中までの説明図である。
【図１８】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図１７以降の途中までの説明図である。
【図１９】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図１８以降の途中までの説明図である。
【図２０】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図１９以降の途中までの説明図である。
【図２１】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図２０以降の途中までの説明図である。
【図２２】本発明の実施例２の熱電デバイスの製造工程の図２１以降の説明図である。
【図２３】本発明の実施例３の熱電デバイスの平面図である。
【図２４】本発明の実施例３の熱電デバイスの使用例の説明図である。
【図２５】本発明の実施例３の熱電デバイスの製造工程の途中までの説明図である。
【図２６】本発明の実施例３の熱電デバイスの製造工程の図２５以降の説明図である。
【図２７】本発明の実施例４の熱電デバイスの製造工程の説明図である。
【図２８】本発明の実施例５の熱電デバイスの平面図である。
【図２９】従来のフレキシブル基材を用いた熱電デバイスの斜視図である。
【図３０】従来のフレキシブル基材を用いた熱電デバイスの使用例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の熱電デバイスを説明する。図１は本発明の実施の形態の熱電デバイスの説明図であり、図１（ａ）はスリットを一方の側から入れた熱電デバイスの平面図であり、図１（ｂ）はスリットを両側から入れた場合の平面図である。
【００１９】
図に示すように、可撓性を有する帯状の絶縁性基材１１に一定の間隔でスリット１２１，１２２を入れ、このスリット１２１，１２２で区分された領域に熱電材料膜要素１３１，１３２を設ける。次いで、熱電材料膜要素１３１，１３２同士を電気的に直列接続するようにスリット１２１，１２２を迂回する配線１４を形成する。
【００２０】
熱電材料膜要素１３１と熱電材料膜要素１３２が同じ熱電材料であれば、スリット１２１，１２２で区分された１つの領域が１つの熱電ユニットになる。また、熱電材料膜要素１３１と熱電材料膜要素１３２が互いに導電型が逆の熱電材料であれば、スリット１２１，１２２で区分された２つの領域で１つの熱電ユニットを形作る。
【００２１】
可撓性を有する絶縁性基材１１としては、ポリイミドが典型的であるが、同じような柔軟性を有する樹脂フィルムなどを利用することができる。このような例として、例えば、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエチルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）等を利用することができる。これらの基材の選択方法としては、熱電材料の成膜条件（温度、脱ガス）に合致するか否か、デバイスの使用条件に合致するか否か、また所望とするコスト条件に合うか否か、などを吟味して選択する。
【００２２】
熱電材料としては、Ｎ型熱電材料としてはＢｉ２Ｔｅ３等のＢｉＴｅ系合金が、また、Ｐ型熱電材料としてはＢｉ０.３Ｓｂ１．７Ｔｅ３等のＢｉＴｅ系合金が典型的であるが、他のＢｉＴｅ系（ＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ及びこれらの化合物）でも良い。また、Ｐ型熱電材料としてはＮｉとＣｒを主成分とするクロメルを、また、Ｎ型熱電材料としてはＣｕとＮｉを主成分とするコンスタンタンを用いても良い。
【００２３】
或いは、ＰｂＴｅ系（ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ及びこれらの化合物）、Ｓｉ−Ｇｅ系（Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ）、シリサイド系（ＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ、ＣｒＳｉ）、スクッテルダイト系（ＭＸ３、若しくはＲＭ４Ｘ１２と記載される化合物、ここでＭ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒを表し、Ｘ＝Ａｓ、Ｐ、Ｓｂを表し、Ｒ＝Ｌａ、Ｙｂ、Ｃｅを表す。）、遷移金属酸化物系（ＮａＣｏＯ、ＣａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ、ＢａＢｉＣｏＯ）、亜鉛アンチモン系（ＺｎＳｂ）、ホウ素化合物（ＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ、ＬｉＢ）、クラスター固体（Ｂクラスター、Ｓｉクラスター、Ｃクラスター、ＡｌＲｅ、ＡｌＲｅＳｉ）、酸化亜鉛系（ＺｎＯ）、カーボンナノチューブなどを用いても良い。
【００２４】
熱電材料膜要素１３１，１３２の成膜方法としては、スパッタ法が典型的であるが、これに限られるものでなく、例えば、蒸着法、ＣＶＤ法、メッキ法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法を用いても良い。
【００２５】
スリット１２１，１２２の形成方法としては、サイズによってはカッターやはさみといった器具を用いても良いし、予めスリットの型を作製してパンチングする方法でも良い。或いは、ＣＯ２レーザーのようなレーザー加工や、超音波加工によって微細なスリットを形成しても良い。
【００２６】
また、配線１４は、ＡｌやＣｕ等の熱電材料と比較して非常に抵抗率が低い材料が望ましい。従来構造に対して本発明構造で懸念される点として、熱電材料膜要素同士を接続する配線１４の一部が切れ目を迂回するために長さが長くなってしまうという点が挙げられる。
【００２７】
しかし、膜状の熱電材料膜から形成される熱電デバイスにおいては、温度差によって発生する電力量の想定はせいぜいｍＷレベルのものであるため、配線に流れる電流は小さく、配線の長さが長くなることによる発熱効果などは無視できる程度である。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態の熱電デバイスの製造工程に用いる絶縁性基材の一例を示す平面図である。図に示すように、２つのタイプの異なる第１の絶縁性基材２１１と第２の絶縁性基材２１２を用意し、それぞれに同じピッチで第１のスリット２２１及び第２のスリット２２２を形成する。
【００２９】
第１の絶縁性基材２１１と第２の絶縁性基材２１２を、第１のスリット２２１で区分される領域と第２のスリット２２２で区分された領域が交互に上下が入れ替わるように重ね合わせる。この状態で熱電材料を成膜することにより、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を１回ずつ成膜するだけで、従来の２倍の数の素子を形成できる。
【００３０】
その結果、製造コスト上、最も高いと考えられる熱電材料の成膜にかかるコストを１/２にすることが可能となる。また、この製造方法では熱電材料の成膜時にメタルマスクは必ずしも必要ではなく、使い捨てのシールやレジストパターンをマスクとして用いても良い。なお、図２においては、２：１の例を示しているが、１：１でもｎ：１（ｎは整数）でも良い。
【００３１】
以上説明してきたように本発明の実施の形態では、個々の熱電材料膜要素の間に一定方向からスリットを形成しているので、従来よりも柔軟な曲面にはりつけることが可能になり、自由度の高い形状の熱電デバイスを形成することができる。
【実施例１】
【００３２】
次に、図３乃至図１５を参照して本発明の実施例１の熱電デバイスを説明する。図３は、本発明の実施例１の熱電デバイスの概略的平面図である。ここでは、後述するタイプ１のシートから形成された熱電デバイス３０を例に説明する。図に示すように、ポリイミドシート３１１には、一定の間隔でスリット３２１が設けられており、このスリット３２１で区分された領域にＮ型熱電材料膜要素５２１とＰ型熱電材料膜要素５４１が交互に設けられている。そして、このＮ型熱電材料膜要素５２１とＰ型熱電材料膜要素５４１を順次電気的に直列接続するように電極パターン３３１が設けられている。
【００３３】
この本発明の実施例１の熱電デバイスは、帯状のポリイミドシート３１１にスリット３２１を設けているので、巻回する際の変形の自由度が大きくなり、屈曲形状やテーパ形状の部材への取り付けが容易になる。
【００３４】
次に、図４乃至図１３を参照して、本発明の実施例１の熱電デバイスの製造工程を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、タイプ１のポリイミドシート３１１，３１２とタイプ２のポリイミドシート４１を用意する。タイプ１のポリイミドシート３１１，３１２は厚さが２５μｍであり、長さが２０ｃｍで幅を５．９ｍｍとする。このポリイミドシート３１１，３１２には幅０．２ｍｍで長さが２．７５ｍｍのスリット３２１，３２２が、２．２ｍｍのピッチで幅方向の両側から形成されている。
【００３５】
一方、タイプ２のポリイミドシート４１は、厚さが２５μｍで、長さが２０ｃｍ、幅を１２ｍｍとする。このポリイミドシート４１には、長さが５．６ｍｍで幅が０．２ｍｍの幅方向の端部で開放されていないスリット４２が２．２ｍｍのピッチで２列形成されている。なお、スリット３２１，３２２,４２はパンチングで形成する。
【００３６】
次いで、図５（ｂ）に示すように、ポリイミドシート４１の各スリット４２に対してポリイミドシート３１１，３１２を一つ置きに上側−下側を交互に潜るように挿入し、スリット４２とスリット３２１，３２２とが一致するように整列させる。なお、挿入時には、弧状に撓んだ板状部材（図示は省略）を利用して、挿入を容易にする。
【００３７】
図６（ｃ）は、挿入後の平面図である。次いで、図６（ｄ）に示すように、幅０．８ｍｍの使い捨てのシールをマスク５１として、電極形成領域に貼り付ける。
【００３８】
次いで、図７（ｅ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが５μｍのＮ型熱電材料膜５２を形成する。ここでは、Ｎ型熱電材料膜５２として、Ｎ型ＢｉＴｅ合金を用いる。なお、図においては、状況を分かりやすくするために、マスク５１上に堆積したＮ型熱電材料膜は図示を省略している。次いで、図７（ｆ）に示すように、マスク５１を除去する。
【００３９】
次いで、図８（ｇ）に示すように、ポリイミドシート３１１，３１２を引き抜いた後、再び、ポリイミドシート４１の各スリット４２に対してポリイミドシート３１１，３１２を一つ置きに上側−下側を交互に潜るように挿入する。但し、この時、図５（ｂ）とは上下関係が逆になるように挿入し、スリット４２とスリット３２１，３２２とが一致するように整列させる。
【００４０】
図９（ｈ）は、挿入後の平面図である。次いで、図９（ｉ）に示すように、幅０．８ｍｍの使い捨てのシールをマスク５３として、電極形成領域に貼り付ける。
【００４１】
次いで、図１０（ｊ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが５μｍのＰ型熱電材料膜５４を形成する。ここでは、Ｐ型熱電材料膜５４として、Ｐ型ＢｉＳｂＴｅ合金を用いる。なお、図においては、状況を分かりやすくするために、マスク５３上に堆積したＰ型熱電材料膜は図示を省略している。次いで、図１０（ｋ）に示すように、マスク５３を除去する。
【００４２】
次いで、図１１（ｌ）に示すように、ポリイミドシート３１１，３１２を引き抜くことで、Ｎ型熱電材料膜５２とＰ型熱電材料膜５４を交互に縞状に設けたタイプ１の２枚のシートとタイプ２の１枚のシートの合計３枚のシートが得られる。
【００４３】
次いで、図１２（ｍ）に示すように、各シートにマスク蒸着法を用いて厚さが０.１μｍのアルミを成膜して電極パターン３３１，３３２,４３を形成する。この時、電極パターン３３１，３３２,４３は、後述するように、個々の熱電デバイスに分離した場合に、各Ｎ型熱電材料膜要素５２１と各Ｐ型熱電材料膜要素５４１とが直列接続されるパターンとする。また、一個のＮ型熱電材料膜要素５２１と一個のＰ型熱電材料膜要素５４１からなる熱電ユニットの相互の接続は、スリット３２１，３２２,４２の縁に沿って蛇行した形状のパターンとする。なお、熱電デバイスには大電流は流れないので、電極パターン３３１，３３２,４３の厚さが０．１μｍ程度で十分である。
【００４４】
次いで、図１３（ｎ）に示すように、２枚のタイプ１のシートを長さ方向の中心線に沿って２つに切断することによって、合計４個の熱電デバイス３０が得られる。一方、タイプ２のシートを長さ方向に沿って４等分するように切断することによって、合計４個の熱電デバイス４０が得られ、総計で８個の熱電デバイスが得られる。
【００４５】
このように、本発明の実施例１においては、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を1回ずつ成膜するだけで、従来の製造方法の２倍の数の素子を形成できる。また、基材に成膜された熱電材料からなる熱電デバイスにおいては、熱電材料の抵抗を下げるために成膜された膜厚ができるだけ厚い方が望ましい。一般に製品化されているものでは１０μｍに至る厚い膜が成膜されている例がある。即ち、成膜の時間がかなり長いと考えられる。このことから推察されるように、このタイプの熱電デバイスの製造コストに占める熱電材料の成膜コストは大変大きい。そのため本発明の実施例１の構造と製造方法を用いた場合には、熱電材料の成膜コストを約１／２にすることができ、熱電デバイス全体の製造コストを大きく下げる効果がある。
【００４６】
また、厚い膜を例えばメタルマスクなどを用いて成膜すると、多くの場合メタルマスクの目詰まり等が発生し、メタルマスクの洗浄や消費が激しい。本発明の実施例１の構造と製造方法を用いた場合には、熱電材料専用のマスクは必要ないのでこのような問題が発生しにくく、また、熱電材料の無駄をなくすことができるので、結果として製造コストを低下させる効果がある。
【００４７】
図１４は、本発明の実施例１の熱電デバイスの実使用例の説明図であり、まず、図１４（ａ）に示すように、断面がくさび形状となった断熱材テープ５５を利用して熱電デバイス３０（４０）を巻き上げる。この時、スリット３２１（３２２,４２）の解放端がある側を、断熱材テープ５５の断面が太い方向（図面上では上側）に合わせる。
【００４８】
図１４（ｂ）は巻き上がった熱電デバイス３０（４０）の斜視図であり、円錐台状の形状となる。次いで、図１４（ｃ）に示すように、熱電デバイス３０（４０）の底面と頂面に熱伝導性の良好な絶縁円板５６１，５６２を設置し、径の大きな絶縁円板５６１の上には金属フィン５７を設置する。ここでは、熱伝導性の良好な絶縁円板５６１，５６２として、表面をアルミナ処理したアルミニウムを素材とする金属円板を用い、また、金属フィン５７も同じ素材を利用した。
【００４９】
図１５は、従来の帯状テープを基材として熱電デバイスを巻き上げた場合の構成説明図であり、図１５（ａ）は巻き上げた状態の斜視図であり、ポリイミドシート３１に一方が開放端になったスリットを設けていないので円柱状となる。図１５（ｂ）は、図１４（ｃ）と同様に、絶縁円板と金属フィンを設置した場合の斜視図である。
【００５０】
このような熱電デバイスは、常温よりも熱い面、例えば、ボイラーの表面や車のエンジン表面などにデバイスの下面を密着させて設置し、金属フィンからの放熱により温度差を発生させて使う。即ち、高温となる表面と室温との温度差から発電する利用の仕方が考えられる。
【００５１】
この場合、室温からの放熱を高めて温度差を大きくし、発電量を増やすことが望まれるが、図１４に示すように放熱側の面積を大きくすることで、放熱効率が高まり、その結果、底面側と頂面側の温度差が大きくなり、発電量が大きくなる。また、頂面側の絶縁円板の表面積が大きいほど、金属フィンの設置の設計自由度が上がる。また、同じ数の金属フィンを設置した場合でも、頂面側の絶縁円板の面積が大きくなると、金属フィンの間の間隔も広くすることができ、このことによっても放熱効率が高まる。
【実施例２】
【００５２】
次に、図１６乃至図２２を参照して、本発明の実施例２の熱電デバイスを説明するが、最終的な構造は上記の実施例１と同様であるので、ここでは、製造工程を説明する。まず、図１６（ａ）に示すように、同一形状の２枚のポリイミドシート６１１，６１２を用意する。ここでは、ポリイミドシート６１１，６１２の厚さは２５μｍで、長さ２０ｃｍで幅３ｍｍとし、幅が０．２ｍｍで長さが２．６ｍｍのスリット６２１，６２２を２.２ｍｍのピッチでパンチングで形成する。なお、ここでは、工程を理解しやすいように、２枚のポリイミドシート６１１，６１２を互いに異なったハッチングで示している。
【００５３】
次いで、図１７（ｂ）に示すように、スリット６２１，６２２で区分された部分を一つ置きに交互に持ち上げて、ポリイミドシート６１１とポリイミドシート６１２を互いに差し込んで重ね合わせる。図１７（ｃ）は重ね合わせた状態を示す平面図である。
【００５４】
次いで、図１８（ｄ）に示すように、幅０．８ｍｍの使い捨てのシールをマスク６３として、電極形成領域に貼り付ける。次いで、図１８（ｅ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが５μｍのＮ型熱電材料膜６４を形成する。ここでは、Ｎ型熱電材料膜６４として、Ｎ型ＢｉＴｅ合金を用いる。なお、図においては、状況を分かりやすくするために、マスク６３上に堆積したＮ型熱電材料膜は図示を省略している。次いで、図１８（ｆ）に示すように、マスク６３を除去する。
【００５５】
次いで、図１９（ｇ）に示すように、ポリイミドシート６１１，６１２を引き抜く。次いで、図１９（ｈ）に示すように、スリット６２１，６２２で区分された部分を一つ置きに図１７（ｂ）の場合とは上下が逆になるように、交互に持ち上げて、ポリイミドシート６１１とポリイミドシート６１２を互いに差し込んで重ね合わせる。図２０（ｉ）は重ね合わせた状態を示す平面図である。
【００５６】
次いで、図２０（ｊ）に示すように、幅０．８ｍｍの使い捨てのシールをマスク６５として、電極形成領域に貼り付ける。次いで、図２０（ｋ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが５μｍのＰ型熱電材料膜６６を形成する。ここでは、Ｐ型熱電材料膜６６として、Ｐ型ＢｉＳｂＴｅ合金を用いる。なお、図においては、状況を分かりやすくするために、マスク６５上に堆積したＰ型熱電材料膜は図示を省略している。
【００５７】
次いで、図２１（ｌ）に示すように、マスク６５を除去する。次いで、図２１（ｍ）に示すように、ポリイミドシート６１１，６１２を引き抜くことで、Ｎ型熱電材料膜６４とＰ型熱電材料膜６６を交互に縞状に設けた２枚のシートが得られる。
【００５８】
次いで、図２２（ｎ）に示すように、各シートにマスク蒸着法を用いて厚さが０.１μｍのアルミを成膜して電極パターン６７１，６７２を形成する。
【００５９】
このように、本発明の実施例２においては、最終工程においてシートをカットする必要がない。また、成膜前の基材の重ね合わせ方が単純であり、工程を自動化しやすい。但し、スパッタリング装置を用いて無駄なく大面積に成膜するには、２枚の帯状の絶縁性基材を重ね合わせたものを、平行に多数並べる必要がある。
【実施例３】
【００６０】
次に、図２３乃至図２６を参照して、本発明の実施例３の熱電デバイスを説明する。図２３は、本発明の実施例３の熱電デバイスの平面図であり、基本的構成は上記実施例１の熱電デバイスと同様であるが、ポリイミドシート３１１，３１２の幅方向の両側からスリット３２３,３２４，３２５，３２６を設けたものである。なお、ここでは、タイプ１のシートについて説明している。
【００６１】
図２４は、本発明の実施例３の熱電デバイスの使用例の説明図であり、スリット３２３,３２４，３２５，３２６を両側に設けているので、上底面側及び下底面側の両側に広げることができるので、変形の自由度が高まり、適用範囲が広くなる。例えば、図に示すように、流体や気体が流れるパイプ５８の屈曲部に熱電デバイスを巻き付けることができる。
【００６２】
次に、図２５及び図２６を参照して、本発明の実施例３の熱電デバイスの製造工程を説明するが、上述のようにスリットを両側に設けた点が異なるだけであり、基本的な成膜工程は全く同様であるので、シートの重ね合わせ工程のみを説明する。
【００６３】
まず、図２５に示すように、タイプ１のポリイミドシート３１１，３１２とタイプ２のポリイミドシート４１を用意する。タイプ１のポリイミドシート３１１，３１２は厚さが２５μｍであり、長さが２０ｃｍで幅を５．９ｍｍとする。このポリイミドシードには幅０．２ｍｍで長さが２．２５ｍｍのスリット３２３，３２４が、２．２ｍｍのピッチで幅方向の両側から形成されているとともに、その間に長さが１ｍｍのスリット３２５，３２６が形成されている。このスリット３２５，３２６が他端に設けたスリットに相当する。
【００６４】
一方、タイプ２のポリイミドシート４１は、厚さが２５μｍで、長さが２０ｃｍ、幅を１２ｍｍとする。このポリイミドシート４１には、長さが４．６ｍｍで幅が０．２ｍｍの幅方向の端部で開放されていないスリット４２１が２．２ｍｍのピッチで２列形成されている。また、スリット４２１の間には長さが１ｍｍのスリット４２２が形成されるとともに、幅方向の両側には長さが０．５ｍｍのスリット４２３が形成されている。なお、スリット３２３，３２４,３２５，３２６，４２１，４２２，４２３はパンチングで形成する。
【００６５】
次いで、図２６に示すように、ポリイミドシート４１の各スリット４２１に対してポリイミドシート３１１，３１２を一つ置きに上側−下側を交互に潜るように挿入し、スリット４２１とスリット３２３，３２４とが一致するように整列させる。なお、挿入時には、弧状に撓んだ板状部材（図示は省略）を利用して、挿入を容易にする。以降は、上記の実施例１の工程と同様の工程を行えば良い。
【００６６】
このように、本発明の実施例３においては、スリットを両側に形成しているので、変形の自由度が高くなり、適用範囲を広げることができる。
【実施例４】
【００６７】
次に、図２７を参照して、本発明の実施例４の熱電デバイスを説明するが、この場合もスリットを両側に設けた点が異なるだけで、基本的な製造工程は上記の実施例４と同様であり、また、最終的な構造は上記の実施例３と同様であるので、シートの重ね合わせ工程までを説明する。
【００６８】
まず、図２７（ａ）に示すように、同一形状の２枚のポリイミドシート６１１，６１２を用意する。ここでは、ポリイミドシートの厚さは２５μｍで、長さ２０ｃｍで幅３ｍｍとする。また、幅が０．２ｍｍで長さが２ｍｍのスリット６２３，６２４を２．２ｍｍのピッチでパンチングで形成するとともに、逆方向から長さが０．５ｍｍのスリット６２５，６２６を形成する。なお、ここでは、工程を理解しやすいように、２枚のポリイミドシート６１１，６１２を互いに異なったハッチングで示している。
【００６９】
次いで、図２７（ｂ）に示すように、スリット６２３，６２４で区分された部分を一つ置きに交互に持ち上げて、ポリイミドシート６１１とポリイミドシート６１２を互いに差し込んで重ね合わせる。以降は、上記の実施例２の工程と同様の工程を行えば良い。
【００７０】
このように、本発明の実施例４においては、スリットを両側に形成しているので、変形の自由度が高くなり、適用範囲を広げることができる。また、実施例２と同様に、最終工程においてシートをカットする必要がなく、また、成膜前の基材の重ね合わせ方が単純であるので工程の自動化が容易になる。
【実施例５】
【００７１】
次に、図２８を参照して、本発明の実施例５の熱電デバイスを説明する。図２８は、本発明の実施例５の熱電デバイスの平面図であり、ここでは、Ｎ型熱電材料膜のみで熱電ユニットを形成している。即ち、ポリイミドシート７１に一定の間隔でスリット７２を形成し、このスリット７２で区分された領域に５μｍの厚さのＮ型ＢｅＴｅＮを成膜してＮ型熱電材料膜７３を形成する。
【００７２】
次いで、マスク蒸着法を用いて、０．１μｍの厚さのアルミニウムを蒸着してスリット７２で区分された領域に形成されたＮ型熱電材料膜７３を電気的に直列接続する電極パターン７４を形成する。このスリット７２で区分された領域に形成されたＮ型熱電材料膜７３が熱電ユニットになる。
【００７３】
熱電材料の種類によっては、良好な特性を持つＰ型熱電材料とＮ型熱電材料の両方をそろえることが困難な場合がある。本発明の実施例５においては、配線のレイアウトをわずかに変更することにより、Ｎ型熱電材料だけで熱電デバイスを実現することができる。
【００７４】
なお、Ｎ型熱電材料に代えて、Ｐ型熱電材料のみで熱電デバイスを形成しても良い。また、上記の実施例３或いは実施例４と同様に、帯状の絶縁性基板の幅方向の両側からスリットを形成しても良い。
【００７５】
なお、上記の各実施例においては、重ね合わせるシートを同じ素材で形成しているが、互いに異なった素材のシートを重ね合わせても良い。この場合には、一度の製造工程において、柔軟性等の特性が異なる２種類の熱電デバイスを製造することができる。
【００７６】
ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）可撓性を有する帯状の絶縁性基材と、前記絶縁性基材に一定の間隔で設けられたスリットと、前記スリットで区分された領域に設けられた熱電材料膜要素と、隣接する前記熱電材料膜要素同士を電気的に直列接続する配線とを有することを特徴とする熱電デバイス。
（付記２）前記スリットが、前記絶縁性基材の幅方向の両側から挿入されていることを特徴とする付記１に記載の熱電デバイス。
（付記３）前記スリットで区分された各領域に、Ｎ型熱電材料膜要素とＰ型熱電材料膜要素が交互に設けられていることを特徴とする付記１または付記２に記載の熱電デバイス。
（付記４）前記スリットで区分された領域に、Ｎ型熱電材料膜要素のみ或いはＰ型熱電材料膜要素のみが設けられていることを特徴とする付記１または付記２に記載の熱電デバイス。
（付記５）前記熱電材料膜要素を設けた帯状の前記絶縁性基材を円錐台状に巻回することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の熱電デバイス。
（付記６）前記円錐台状に巻回した熱電デバイスの上底面及び下底面に絶縁性板状部材を配置するとともに、前記上底面及び下底面の内の面積の大きな底面に放熱部材を設けたことを特徴とする付記５に記載の熱電デバイス。
（付記７）前記絶縁性部材が、表面に絶縁膜を設けた金属部材であることを特徴とする付記６に記載の熱電デバイス。
（付記８）可撓性を有する帯状の第１の絶縁性基材に一定の間隔で第１のスリットを設ける工程と、可撓性を有する帯状の第２の絶縁性基材に前記第１のスリットと同じ間隔で第２のスリットを設ける工程と、前記第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域が交互に上下が入れ替わるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出両面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて第１の導電型の熱電材料を成膜して第１の熱電材料膜を形成する工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材を分離したのち、第１のスリットで区分される領域と前記第２のスリットで区分される領域の上下関係が逆になるように前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材とを重ね合わせる工程と、前記重ね合わせた第１の絶縁性基材と第２の絶縁性基材の露出両面の前記第１のスリット及び第２のスリットの近傍を一つ置きに除いて前記第１の導電型とは逆導電型の第２の導電型の熱電材料を成膜して第２の熱電材料膜を形成する工程と、前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を分離する工程と、前記第１の絶縁性基材において、前記第１のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程と、前記第２の絶縁性基材において、前記第２のスリットで区分された領域に形成された前記第１の熱電材料膜と前記第２の熱電材料膜をその一端側において相互に接続すると共に、他端側において隣接する区分された領域に形成された逆導電型の熱電材料膜と電気的に直列接続する配線を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電デバイスの製造方法。
（付記９）前記第１の絶縁性基材の幅が、前記第２の絶縁性基材の幅のｎ倍に対応する幅を有し、前記第１のスリットが前記第１の絶縁性基材の幅方向にｎ行形成され、前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を重ね合わせる工程において、ｎ個の前記第２の絶縁性基材を前記各行の第１のスリットを交互に潜り抜けるように挿入して重ね合わせることを特徴とする付記８に記載の熱電デバイスの製造方法。
（付記１０）前記配線を形成した第１の絶縁性基材を長さ方向に沿って２ｎ分割する工程と、前記配線を形成した第２の絶縁材基材を長さ方向に沿って２分割する工程とをさらに有することを特徴とする付記９に記載の熱電デバイスの製造方法。
（付記１１）前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材が同じ平面構造を有しており、前記第１のスリットと前記第２のスリットが一端側が開放されたスリットであり、前記第１の絶縁性基材と前記第２の絶縁性基材を重ね合わせる工程において、前記第１のスリットで区分された領域と前記第２のスリットで区分された領域が交互に上下が逆になる様に、前記スリットの開放端側から差し込むことを特徴とする付記８に記載の熱電デバイスの製造方法。
【符号の説明】
【００７７】
１１  絶縁性基材
１２１，１２２  スリット
１３１，１３２  熱電材料膜要素
１４  配線
２１１  第１の絶縁性基材
２１２  第２の絶縁性基材
２２１  第１のスリット
２２２  第２のスリット
３０  熱電デバイス
３１，３１１，３１２  ポリイミドシート
３２１〜３２６  スリット
３３１，３３２  電極パターン
４０  熱電デバイス
４１  ポリイミドシート
４２，４２１，４２２，４２３  スリット
４３  電極パターン
５１，５３  マスク
５２  Ｎ型熱電材料膜
５２１  Ｎ型熱電材料膜要素
５４  Ｐ型熱電材料膜
５４１  Ｐ型熱電材料膜要素
５５  断熱材テープ
５６１，５６２  絶縁円板
５７  金属フィン
５８  パイプ
６１１，６１２  ポリイミドシート
６２１〜６２６  スリット
６３、６５  マスク
６４  Ｎ型熱電材料膜
６６  Ｐ型熱電材料膜
６７１，６７２  電極パターン
７１  ポリイミドシート
７２  スリット
７３  Ｎ型熱電材料膜
７４  電極パターン
８０  熱電デバイス
８１  基材
８２  Ｎ型熱電材料膜
８３  Ｐ型熱電材料膜
８４１，８４２  伝熱板
９１，９２  パイプ
９３  接続部分
【図１】
2014060333.tif 000003
【図２】
2014060333.tif 000004
【図３】
2014060333.tif 000005
【図４】
2014060333.tif 000006
【図５】
2014060333.tif 000007
【図６】
2014060333.tif 000008
【図７】
2014060333.tif 000009
【図８】
2014060333.tif 000010
【図９】
2014060333.tif 000011
【図１０】
2014060333.tif 000012
【図１１】
2014060333.tif 000013
【図１２】
2014060333.tif 000014
【図１３】
2014060333.tif 000015
【図１４】
2014060333.tif 000016
【図１５】
2014060333.tif 000017
【図１６】
2014060333.tif 000018
【図１７】
2014060333.tif 000019
【図１８】
2014060333.tif 000020
【図１９】
2014060333.tif 000021
【図２０】
2014060333.tif 000022
【図２１】
2014060333.tif 000023
【図２２】
2014060333.tif 000024
【図２３】
2014060333.tif 000025
【図２４】
2014060333.tif 000026
【図２５】
2014060333.tif 000027
【図２６】
2014060333.tif 000028
【図２７】
2014060333.tif 000029
【図２８】
2014060333.tif 000030
【図２９】
2014060333.tif 000031
【図３０】
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