(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型熱電材料からなる複数のＰ型エレメントと、
Ｎ型熱電材料からなる複数のＮ型エレメントと、
前記Ｐ型及びＮ型エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成するための電極をそれぞれ有するとともに、互いに対向して前記Ｐ型及びＮ型エレメントを挟持する第１基板及び第２基板からなる熱電変換装置において、
接着剤により前記第１基板に接続される第１吸放熱板と、
チキンソトロピー性を有する高熱伝導性物質により前記第２基板に接続される第２吸放熱板と、
前記第１吸放熱板と前記第２吸放熱板とを接続する低熱伝導性物質からなる補強部材と、を備えることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記高熱伝導性物質は、油脂に高熱伝導性物質を分散してなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記高熱伝導物質は、シリコーン・コンパウンドにアルミナの微粒子を分散してなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記第１基板と前記第２基板との間に樹脂材料が充填されたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうち何れかに記載の熱電変換装置を発電装置として用いたことを特徴とする小型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｐ型およびＮ型熱電材料からなるエレメントを備え、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電）やペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電変換素装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二枚の基板に熱電エレメントを挟んだ構造を有する、いわゆる、π型熱電変換素子を発電装置として用いる場合、熱電変換素子に対する熱の流入、流出を効率良く行う様にするため、これら二枚の基板に金属など熱伝導性の高い物質からなる吸放熱板（一方が吸熱板となり、他方が放熱板となることはいうまでもなく、その機能は状況によって入れ替わる）を接着剤で接続したり、バネやゴムをはじめとする弾性部材を介すると同時にネジ締結等により接続していた。
【０００３】
また、近年、小型の熱電変換素子を発電装置として用いることにより、体温と外気温との温度差により発電を行い、腕時計等の携帯型の小型電子機器を駆動させるといった動きが広く見られるようになってきている。このような小型の熱電変換素子の構造や作製方法については、特開昭６３−２０８８０号公報、特開平８−１８１０９号公報や特開平８―９７４７２号公報などに記載・開示されている。
【０００４】
さらに、このような熱電変換素子の腕時計等への発電装置としての応用やその取り付け構造については、特開昭５５―２０４８３号公報、特開平８―４６２４９号公報、特開平６―１０９８６８号公報等に記載・開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電変換素子の二枚の基板と吸放熱板を接着剤やネジ等により強固に接着や接続を行った場合、吸放熱板に力、とくにせん断方向に力が加えられると、熱電変換素子を破損してしまうという問題があった。
一方、腕時計等に熱電変換素子を熱発電装置として、腕時計等の電子機器とくに携帯型の電子機器に搭載する場合、一般に、室温付近で最も熱電変換性能が高いと言われている物質であるビスマス−テルル系材料が用いられるが、この材料は、非常に機械的強度が低い物質である。したがって、腕時計のような携帯電子機器では、振動、落下等の衝撃にたえるだけの機械的な強度を考えた構造設計も要求される。この場合、熱電変換素子に吸放熱板を取り付けた場合、一般的な熱電変換素子だけでなく、特開昭６３−２０８８０や特開平８−１８１０９などに開示されている熱電変換素子を構成するエレメントの間隙に樹脂を充填することにより補強された素子においてさえも熱電変換素子を破損してしまうという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電変換装置では、熱電変換素子の二枚の基板と二枚の吸放熱板の接続が、少なくとも一方の接続において、流動性や粘弾性、特に通常は一定の形態を有し、外力が加わることにより変形する性質を意味するチキソトロピー性を有する材料を介してなされている。この材料により、吸放熱板を介して伝わる外部からの衝撃を吸収し、熱電変換素子の破壊、損傷を防ぐことができる。この場合には、チキソトロピー性を有する材料として、熱伝導率の高い材料を選択する必要があるが、シリコーンオイルにアルミナ等の微粒子を混合することにより作られるいわゆるシリコーン・コンパウンドをはじめとする油脂等に高熱伝導性物質の微粒子分散したものや粘土などがあげられる。
【０００７】
また、本発明の熱電変換装置では、上記のごとく熱電変換素子の基板に接続された二枚の吸放熱板を樹脂、ガラス、セラミックス、金属等からなる熱伝導率の小さな物質からなる構造体で強固に接続している。これにより、吸放熱板に外力が与えられた場合においても、熱電変換装置としての形態を維持することが出来ると同時に、熱電変換素子と吸放熱板の接続が上記のように外力により変形するチキソトロピー性を有する接続材によっているため、熱電変換素子を破損することがなくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係わる熱電変換装置の概略断面図である。図１に示すように、熱電素子１００９は、Ｐ型熱電エレメント１００４とＮ型熱電エレメント１００５が第１基板１００２と第２基板１００３に挟持されると同時に第１電極１００６および第２電極１００７を介して直列に接続され、さらに、各エレメント間の間隙に樹脂１００８が充填された構成である。そして、この熱電素子１００９、第１吸放熱板１０１０、第２吸放熱板１０１１、及び、これらの吸放熱板を互いに接続するプラスチック製の断熱構造体１０１２により熱電変換装置が構成されている。ここで第１基板１００２と第１吸放熱板１０１０は接着剤層１０１３で強固に接続されており、第２基板１００３と第２吸放熱板１０１１はチキソトロピー性を有する熱伝導性シリコーンコンパウンド１０１４で熱的に接触を保つようになっている。また、この熱電変換装置１００１は、樹脂が充填された熱電変換素子１００９の第１基板１００２上に設けられた入出力電極１０１５に接続されるリード線１０１６により外部と電気的に接続がなされるようになっている。
【０００９】
次に、本実施例の熱電変換装置１００１の作製方法について説明する。
図２に、樹脂が充填された熱電変換素子１００９のうち樹脂１００８を除いた部分の製造工程の概略を示す。まず、図２（ａ）に示すように一定の厚さに研磨したＰ型熱電材料板２００１を用意する。次に図２（ｂ）のように、このＰ型熱電材料板２００１の両面にフォトレジストを塗付し、露光・現像することにより所望のパターンを有するレジスト層２００２を形成する。次に、図２（ｃ）のようにニッケル層２００３を湿式法により形成する。さらに、図２（ｄ）のようにその上にハンダ層２００４を形成する。図２（ｅ）に、レジスト層２００２を剥離・除去した状態を示す。次に、図２（ｆ）に示すように、ハンダ層２００４の組成を均一化し、ハンダ層を球形にすることにより高さを整えることを目的としたリフロー処理（溶融処理）によりハンダバンプ２００５を形成する。ここで、上述のニッケル層２００３は、その形状からニッケルバンプ２００６と呼ぶこととする。これらの一連の処理により、ハンダバンプ構造体を有するＰ型熱電材料板２００７を得た。
【００１０】
次に、図２（ｇ）に示すシリコンウエハ２００８を用意する。このシリコンウェハは表面を熱酸化することにより絶縁化されている。次に、図２（ｈ）のように、このシリコンウエハ２００８上にクロム、ニッケル、金からなる金属層２００９をスパッタリング法により形成する。この金属層２００９をフォトリソグラフィー法により、所望のパターンを有する電極２０１０とすることにより、第１基板２０１１を作り上げる（図２（ｉ））。この電極２００１は、ＰＮ接合を行うための電極と外部への入出力を行うための電極となる。
【００１１】
次に、図２（ｊ）のように、このように作製された両面にバンプ構造体を有するＰ型熱電材料板２００７と第１基板２０１１とをハンダバンプ２００５を溶融することによりハンダで接続する。この際、Ｐ型熱電材料板２００１と第１基板２０１１との間には、ニッケルバンプ２００６により、間隙が設けられている。次に、このようにして形成されたＰ型熱電材料板と第１基板２０１１との接合体を、Ｐ型熱電材料上に形成されたハンダバンプの間でＰ型熱電材料を必要に応じた刃具を備えたダイシングマシンやワイヤーソーなどの切断装置で切断することにより、不要な部分を除去する。この際、第１基板２０１１上の電極２０１０や第１基板自体を破損しないように刃具の刃先をニッケルバンプにより出来た間隙内に収めるように切断装置を操作する。このようにして、第１基板２０１１にＰ型熱電エレメント２０１２が接合されているＰ型熱電エレメント接合基板２０１３Ａを作製した（図２（ｋ））。
【００１２】
次に、同様にＮ型熱電材料についても、所望のエレメント配置を有するＮ型熱電エレメント接合基板２０１３Ｂを作製しておき、これらを向かい合わせ、位置合わせしたのち、加圧・加熱することにより、各々のエレメントと基板上の電極とをハンダバンプを介して接合することにより、熱電変換素子２０１４を作製した。
【００１３】
具体的には、Ｐ型熱電材料板にはビスマス、アンチモン、及びテルルからなる化合物を、Ｎ型熱電材料板にはビスマス、テルルからなる化合物を使用した。また、厚みはともに６００μｍとした。ニッケルバンプは直径８０μｍ、高さ２０μｍの円筒型、ハンダバンプは約直径８０μｍの球形に近いものとした。また、バンプ中心間の距離は２２０μｍとし、切断刃具の幅は１４０μｍとした。これにより、エレメントの大きさは８０μｍ角、高さ６００μｍとなった。また、エレメントの本数は、Ｐ型とＮ型を併せて１０２本直列につないだ。
【００１４】
この熱電変換素子２０１４に流動性を有する樹脂を流し込み、硬化させることにより、樹脂１００８が充填された熱電変換素子１００９を作製した。具体的には、樹脂としてエポキシ樹脂を使用した。
黄銅にニッケルめっきを施したものからなる第１吸放熱板１０１０上に、この１０個の熱電変換素子１００９をエポキシ接着剤で接着した後、各々をワイヤーボンドにより金ワイヤーで直列に接続し、入出力電極１０１５にはリード線１０１６を取り付けた。すなわち、１０２本×１０個＝１０２０本の熱電エレメントを直列につないだものを作製した。つぎに、第１吸放熱板１０１０にプラスチック製の断熱構造体１０１２をエポキシ接着剤により接続した。１０個の熱電変換素子１００９の第２基板１００３の全てにシリコーコンパウンド１０１４を第２基板１００３と第２吸放熱板１０１１との間で熱接触が十分とれるように適量載せた後、黄銅にニッケルめっきを施したものからなる第２吸放熱板１０１１をこれらの上にのせ、接着剤によりプラスチック製の断熱構造体１０１２と接着・固定することにより本発明の熱電変換装置１００１を作り上げた。
【００１５】
このようにして作製した熱電変換装置１００１の性能を調べたところ、電気抵抗は１０００Ωを示し、第１吸放熱板１０１０第２吸放熱板１０１１の間に温度差を付けたところ、１℃当たり１５０ｍＶの開放電圧を得ることができた。
次に、この熱電変換装置１００１を腕時計に組み込み、その性能を調べた。
図３は、本発明の熱電変換装置１００１を腕時計に組み込んだものの断面を示した図である。熱電変換装置１００１は、第２吸放熱板が、金属製のケース３００１と弾性を有する金属製の導熱板３００２を介して接続されている。他方の第１吸放熱板は、裏蓋３００３に熱伝導性の高いゴム３００４により、熱接触を保ちながら接続されている。一方、ケース３００１と裏蓋３００３の間にはプラスチック製の断熱枠３００５が設けられており、この断熱枠によりケースと裏蓋の間の断熱が図られている。このような構造により、腕から発せられた熱が裏蓋３００３、熱電変換装置１００１を効率よく通り、ケース３００１及びガラス３００６から外部に放熱する様になってる。これにより、熱電変換装置１００１を通過する熱により発電がなされ、発電された電力は、０．２Ｖ以上あれば、時計ムーブ内３００７に収められた昇圧・整流装置等により、１．５Ｖに安定化され時計を駆動するようになっている。
【００１６】
この腕時計を携帯したところ、図４のような熱電変換装置１００１からの発電特性が得られた。曲線Ａは、外気温１８℃の時の発電特性で、ピーク電圧は携帯直後から約１５秒後に１．２Ｖに達し、定常時でも０．４Ｖを示した。曲線Ｂは外気温２２℃のデータであり、曲線Ｃは２８℃のものである。いずれの場合も、０．２Ｖを超えており時計を駆動させるのに十分な出力を有していることが示された。
【００１７】
さらに、時計としての耐衝撃性については、実施例１と同様、落下試験を行った。落下試験は、裏蓋面、ガラス面、１２時方向、３時方向、６時方向、９時方向を落下方向として、１ｍの高さからコンクリート上へ落下することにより行ったが、いずれの方向の試験においても、熱電変換装置には何ら損傷はなかった。以上、本発明による熱電変換装置によれば、耐衝撃性に優れ、熱電性能としても十分なものとして作用する。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の熱電変換装置によれば、耐衝撃性に優れるばかりでなく、高温、高湿度等の耐環境性にも優れたものを提供することができる。また、腕時計等の小型携帯機器のエネルギー源として使用することが出来ると同時に高信頼性を有するペルチェ素子、すなわち、冷却素子としても使用できることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる熱電変換装置の縦断面図である。
【図２】本発明に係わる熱電変換素子の製造工程の概略を示す図である。
【図３】本発明に係わる熱電変換装置が腕時計に組み込まれた場合の腕時計主用部の断面を示した図である。
【図４】腕時計に組み込まれた本発明の熱電変換装置の発電性能を表した図表である。
【符号の説明】
１００１  熱電変換装置
１００２  第１基板
１００３  第２基板
１００４  Ｐ型熱電エレメント
１００５  Ｎ型熱電エレメント
１００６  第１電極
１００７  第２電極
１００８  樹脂
１０１０  第１吸放熱板
１０１１  第２吸放熱板
１０１２  断熱構造体
１０１３  接着剤層
１０１４  シリコーンコンパウンド
【図１】
0003556494.tif 000002
【図２】
0003556494.tif 000003
【図３】
0003556494.tif 000004
【図４】
0003556494.tif 000005