(57)【要約】【課題】製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる熱電変換デバイスを提供する。【解決手段】所定の間隔をもって並列し、全体において折曲部２Ｂ，２Ｂ，…を介して一体に形成された複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…と、複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…に形成された複数の熱電対５，５，…を直列に接続してなる複数の熱電対群３，３，…と、折曲部２Ｂ，２Ｂ，…に形成され、複数の熱電対群３，３，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対群３，３を直列に接続する複数の接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…とを備えた。【選択図】図１
2008130594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をもって並列し、全体において折曲部を介して一体に形成された複数のシート状部材と、
前記複数のシート状部材に形成された複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群と、
前記折曲部に形成され、前記複数の熱電対群のうち互いに隣り合う２つの熱電対群を直列に接続する複数の接続導体と
を備えたことを特徴とする熱電変換デバイス。
【請求項２】
前記複数のシート状部材，前記複数の熱電対群及び前記複数の接続導体は、パッケージ部材によって覆われている請求項１に記載の熱電変換デバイス。
【請求項３】
所定の間隔をもって並列する複数の第１領域部、及び前記複数の第１領域部のうち互いに隣り合う２つの第１領域部間に全体において介在する複数の第２領域部を有するシート状の基部材を形成する第１ステップと、
前記複数の第１領域部に複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群を前記基部材に形成する第２ステップと、
前記複数の第２領域部を境界として前記基部材を折り曲げることにより、前記複数の第２領域部に対応する複数の折曲部を介して複数のシート状部材を形成する第３ステップと
を備えたことを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記第２ステップにおいて、前記基部材の一方側の面に前記複数の熱電対群を形成する請求項３に記載の熱電変換デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記第２ステップにおいて、前記複数の第２領域部にそれぞれ導電部材を形成し、前記複数の第１領域部のうち互いに隣り合う２つの第１領域部に形成された熱電対群同士を前記導電部材によって接続する請求項３に記載の熱電変換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、熱電変換デバイス及びその製造方法に関し、特に温接点と冷接点との温度差によって発電する熱電変換デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電変換デバイスとして、第１熱電対エレメントとしての第１金属線（例えば銅線）と第２熱電対エレメントとしての第２金属線（例えばニッケル線）とを接続してなる複数の熱電対を有するものがある（特許文献１）。
【０００３】
この熱電変換デバイスは、可撓性を有する電気絶縁性シートと、この電気絶縁性シートの一方側の面に形成された熱電対群と、この熱電対群を覆うようにして電気絶縁性シートにその両方側の面からそれぞれ固定された１対の形状維持シートとを備えている。
【０００４】
電気絶縁性シートは、平面矩形状のプラスチックシートをそのシート長辺が波打つように折り曲げることにより、全体が断面波形状に形成されている。電気絶縁性シートには、シート長辺に沿って延びる複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、熱電対群が形成されていない領域に配置されている。熱電対群は、第１金属線と第２金属線からなる複数の熱電対を電気絶縁性シートの一方側の面上で直列に接続することにより形成されている。１対の形状維持シートは、可撓性及び伸縮性を有する平面矩形状の電気絶縁性材料によって形成されている。
【０００５】
以上の構成において、複数の熱電対の第１及び第２金属線の接点部における加熱及び加冷に基づいて発電が行われる。
【０００６】
一方、電気絶縁性シートの全体をそのシート長辺が波打つように断面波形状に形成しているため、電気絶縁性シートのシート長辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。また、電気絶縁性シートのシート長辺に沿って延びる複数のスリットを形成しているため、電気絶縁性シートのシート短辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、複数のスリットが電気絶縁性シートのシート短辺の方向に広がり、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。これにより、熱電変換デバイスを様々な方向に撓ますことが可能となる。
【特許文献１】特開２００５−３２８０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の熱電変換デバイスによると、熱電対の接点部が電気絶縁性シートの折曲部近傍に形成されているため、熱電対の接点部における断線を回避するために電気絶縁性シートの折り曲げ（波形加工）に細心の注意を払う必要が生じ、製造加工を面倒なものにするという問題があった。
【０００８】
また、熱電対の接点部が電気絶縁性シートの折曲部近傍に形成されていることは、電気絶縁性シートの波形加工時に熱電対の接点部に曲げ応力が作用し易くなり、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性が低下するという問題もあった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる熱電変換デバイス及びそ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】
【００１０】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、所定の間隔をもって並列し、全体において折曲部を介して一体に形成された複数のシート状部材と、前記複数のシート状部材に形成された複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群と、前記折曲部に形成され、前記複数の熱電対群のうち互いに隣り合う２つの熱電対群を直列に接続する複数の接続導体とを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスを提供する。
【００１１】
（２）本発明は、上記目的を達成するために、所定の間隔をもって並列する複数の第１領域部、及び前記複数の第１領域部のうち互いに隣り合う２つの第１領域部間に全体において介在する複数の第２領域部を有するシート状の基部材を形成する第１ステップと、前記複数の第１領域部に複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群を前記基部材に形成する第２ステップと、前記複数の第２領域部を境界として前記基部材を折り曲げることにより、前記複数の第２領域部に対応する複数の折曲部を介して複数のシート状部材を形成する第３ステップとを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す平面図である。
【００１４】
（熱電変換デバイスの全体構成）
図１及び図２において、符号１で示す熱電変換デバイスは、柔軟性材料からなるデバイス本体２と、デバイス本体２上で温接点と冷接点との間に温度差を与えることにより発電する複数の熱電対群３，３，…と、デバイス本体２と同様に柔軟性材料からなるパッケージ部材４とから大略構成されている。なお、熱電変換デバイス１においては、熱電対群３，３，…に通電することにより発熱・吸熱作用を得ることができる。
【００１５】
（デバイス本体２の構成）
デバイス本体２は、図１に示すように、所定の間隔（０．３〜０．５ｍｍ）をもって厚さ方向に並列する複数の熱電対形成領域部（シート状部材）２Ａ，２Ａ，…、及びこれら熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ間に介在する複数の折曲部２Ｂ，２Ｂ，…を有し、全体が例えばポリイミド樹脂等の柔軟性材料からなるつづら折状の絶縁プラスチックシートによって形成されている。デバイス本体２の厚さは、例えば１２〜１２５μｍ程度の寸法に設定されている。
【００１６】
熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２Ａ，２Ａは、図２に示すように、その表面同士又は裏面同士が互いに対向する位置に配置されている。熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち両端部の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａの先端縁の上側部には、パッケージ４の外部に露出する突出片２Ｃ，２Ｃが一体に形成されている。また、熱電対形成領域部２Ａ，２Ａの先端縁の上側部には、外部に出力する端子パターン９，９がそれぞれ突出片２Ｃ，２Ｃに跨って形成されている。熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…の平面寸法は、例えば縦寸法が３〜５ｍｍ程度の寸法に、また横寸法が１００ｍｍ程度の寸法にそれぞれ設定されている。
【００１７】
折曲部２Ｂ，２Ｂ，…は、熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ間に全体において配置（形成）されている。折曲部２Ｂ，２Ｂ，…には、Ｃｕ（銅）等の柔軟性材料からなる導電部材としての接続パターン（接続導体）８Ｂ，８Ｂ，…が熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…に跨って形成されている。
【００１８】
（熱電対群３，３，…の構成）
複数の熱電対群３，３，…は、図１に示すように、それぞれ複数の熱電対５，５，…（合計で例えば１００００個）からなり、デバイス本体２（熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…）に形成（配置）されている。熱電対５，５，…は、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…を有し、熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…の折曲部側端縁に隣接する一方側（上方）端縁及び他方側（下方）端縁に沿ってそれぞれ並列する第１接点部６，６，…と第２接点部７，７，…によって直列に接続されている。熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２Ａ，２Ａにそれぞれ形成された熱電対５，５同士は、接続パターン８Ｂによって接続されている。熱電対５，５，…のうち最端部の熱電対５，５（第１熱電対エレメント５Ａと第２熱電対エレメント５Ｂ）には、それぞれ端子パターン９，９が接続されている。
【００１９】
第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…は、ｐ型熱電半導体からなり、熱電対形成領域２Ａ，２Ａの一方側の面（表面）にパターン形成されている。第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…は、ｎ型熱電半導体からなり、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…と同様に、熱電対形成領域２Ａ，２Ａ，…の表面にパターン形成されている。ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の厚さは４〜５μｍ程度の寸法に、また幅は３００μｍ程度の寸法にそれぞれ設定されている。ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体としては、良好な熱電能（ゼーベック効果）を得るためにＢｉ（ビスマス）Ｔｅ（テルル）系の半導体材料が用いられる。
【００２０】
第１接点部６，６，…は、熱電対形成領域２Ａ，２Ａ，…の上方端縁に配置され、熱電変換デバイス１の温接点として機能するように構成されている。第２接点部７，７，…は、熱電対形成領域２Ａ，２Ａ，…の下方端縁に配置され、熱電変換デバイス１の冷接点として機能するように構成されている。
【００２１】
（パッケージ部材４の構成）
パッケージ部材４は、図１に示すように、例えば直方体からなり、全体が例えばシリコーン樹脂（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）等の柔軟性材料によって形成されている。そして、デバイス本体２及び複数の熱電対群３，３，…（接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…）を覆うように構成されている。
【００２２】
（熱電変換デバイス１の動作）
熱電変換デバイス１の第１接点部側を高温度（例えば車両用ボンネットの廃熱）雰囲気中に配置するとともに、その第２接点部側を低温度雰囲気（例えば大気）中に配置すると、熱電対５，５，…の第１接点部６，６，…と第２接点部７，７，…との間に温度差（１０℃程度）が生じる。このため、熱電対５，５，…のうち最端部の熱電対５，５にそれぞれ接続する端子パターン９，９間に電圧（４〜６Ｖ程度）が生じる。
【００２３】
（熱電変換デバイスの製造方法）
図３〜図６は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法を説明するために示す図である。図３は、基部材（熱電対形成用部材）の形成工程（第１ステップ）を説明するために示す平面図である。図４は、熱電対群の形成工程（第２ステップ）を説明するために示す平面図である。図４（ａ）は接続（端子）パターンの形成工程を、図４（ｂ）は熱電対エレメントの形成工程をそれぞれ示す。図５は、基部材の折り曲げ形成工程（第３ステップ）を説明するために示す斜視図である。図６は、パッケージ部材の形成工程を説明するために示す斜視図である。
【００２４】
本実施の形態に示す熱電変換デバイスの製造方法は、「基部材の形成」，「熱電対群の形成」，「基部材の折り曲げ形成」及び「パッケージ部材の形成」の各工程が順次実施されるため、これら各工程を順次説明する。
【００２５】
「基部材の形成」
図３に示すように、所定の間隔をもって面方向に並列する複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…となる第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…、これら第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの第１領域部２０Ａ，２０Ａ間に全体において介在する複数の折曲部２Ｂ，２Ｂ，…となる第２領域２０Ｂ，２０Ｂ，…、及び複数の第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…のうち最端部の第１領域部２０Ａ，２０Ａにおける先端縁の一方側部にそれぞれ突出する突出片２Ｃ，２Ｃとなる第３領域部２０Ｃ，２０Ｃを有する熱電対形成用の基部材２０を形成する。基部材２０としては、例えばポリイミド樹脂等の柔軟性材料からなる帯状の絶縁プラスチックシートが用いられる。
【００２６】
「熱電対群の形成」
先ず、図４（ａ）に示すように、第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…及び第２領域部２０Ｂ，２０Ｂ，…に跨って接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…を形成するとともに、第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…のうち最端部の第１領域部２０Ａ，２０Ａ及び第３領域部２０Ｃ，２０Ｃに跨って端子パターン９，９を形成する。この場合、接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…の形成は、第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…の一方側の面及び第２領域部２０Ｂ，２０Ｂ，…の一方側の面に例えばスパッタリング法を用いてＣｕ層を形成した後、このＣｕ層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。また、端子パターン９，９の形成は、接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…を形成する場合と同様にして、第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…のうち最端部の第１領域部２０Ａ，２０Ａの一方側の面及び第３領域部２０Ｃ，２０Ｃの一方側の面に対して行われる。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、複数の第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…の所定の部位に第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…を形成することにより、これら第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…のうち互いに対応する第１熱電対エレメント５Ａと第２熱電対エレメント５Ｂとを有する複数の熱電対５，５，…を第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…の第２領域部側端縁に隣接する一方側端縁及び他方側端縁に沿ってそれぞれ並列する第１接点部６，６，…と第２接点部７，７，…によって直列に接続する。この場合、複数の熱電対５，５，…が直列に接続されると、複数の第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの第１領域部２０Ａ，２０Ａにおける熱電対５，５（熱電対群３，３）同士を接続パターン８Ｂによって接続し、かつ複数の熱電対５，５，…のうち最端部の熱電対５，５をそれぞれ端子パターン９，９に接続してなる複数の熱電対群３，３，…が基部材２０に形成される。
【００２８】
第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…の形成は、例えば第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…の一方側の面（表面）にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて厚さ４〜５μｍ程度，幅３００μｍ程度のｐ型半導体層を形成した後、このｐ型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…の形成は、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…を形成する場合と同様に、例えば第１領域部２０Ａ，２０Ａ，…の表面にＣＶＤ法を用いて厚さ４〜５μｍ程度，幅３００μｍ程度のｎ型半導体層を形成した後、このｎ型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。
【００２９】
「基部材の折り曲げ形成」
図５に示すように、基部材２０の第２領域部２０Ｂ，２０Ｂ，…をそれぞれ並列方向に２等分する仮想線ａ（図４（ｂ）に示す）を境界として基部材２０を折り曲げ形成する。この場合、基部材２０が折り曲げ形成されると、厚さ方向に所定の間隔をもって並列する複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…、複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…のうち互いに隣り合う２つの熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ間に全体において介在する複数の折曲部２Ｂ，２Ｂ，…、及び複数の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…の最端部の熱電対形成領域部２Ａ，２Ａの先端縁における一方側部にそれぞれ位置する突出片２Ｃ，２Ｃを有するつづら折状のデバイス本体２が形成される。
【００３０】
「パッケージ部材の形成」
図６に示すように、ホルダ（図示せず）等を用いてデバイス本体２のつづら折状態（基部材２０の折り曲げ状態）を保持しながら、熱電対群３，３，…が形成されたデバイス本体２を成形用型１００内に収容する。この際、デバイス本体２の突出片２Ｃ，２Ｃの一部を成形用型１００のスリット１００Ａ，１００Ａから型外に露出させる。次に、成形用型１００内に樹脂注入孔１００Ｂからシリコーン樹脂液を注入した後、この注入したシリコーン樹脂液を加熱して固化することによりパッケージ部材４を形成する。この場合、パッケージ部材４が形成されると、熱電対群３，３，…（接続パターン８Ｂ，８Ｂ，…を含む）及びデバイス本体２が端子パターン９，９及び突出片２Ｃ，２Ｃの一部を除きパッケージ部材４によって覆われる。この後、パッケージ部材４によって覆われた熱電対群３，３，…及びデバイス本体２を押し出しピン（図示せず）等によって成形用型１００外に取り出す。
このようにして、熱電変換デバイス１を製造することができる。
【００３１】
[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
【００３２】
（１）熱電対形成領域部２Ａ，２Ａ，…の折曲部側端縁に隣接する一方側端縁及び他方側端縁に沿ってそれぞれ並列する第１接点部６，６，…と第２接点部７，７，…によって複数の熱電対５，５，…を直列に接続してなるため、基部材２０の折り曲げ（熱電変換デバイス１の製造）時に従来のようには細心の注意を払う必要がなくなり、製造加工の簡素化を図ることができる。
【００３３】
（２）第１接点部６，６，…及び第２接点部７，７，…がデバイス本体２の折曲部２Ｂ，２Ｂ，…近傍に形成されておらず、このため基部材２０の折り曲げ（熱電変換デバイス１の製造）時に第１接点部６，６，…及び第２接点部７，７，…に対して曲げ応力が作用せず、熱電対５，５，…における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。
【００３４】
以上、本発明の熱電変換デバイス（熱電変換デバイスの製造方法）を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。
【００３５】
本実施の形態では、第１熱電対エレメント５Ａ，５Ａ，…及び第２熱電対エレメント５Ｂ，５Ｂ，…の材料としてＢｉＴｅ系の半導体材料が用いられる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、Ｐｂ（鉛）Ｔｅ（テルル）系，Ｆｅ（鉄）Ｓｉ（シリコン）系あるいはＰｂ（鉛）Ｓｎ（錫）Ｔｅ（テルル）系等の半導体材料を用いることができる。また、熱電対５，５，…としては、半導体材料以外に、例えばＣｕ（銅）とＮｉ（ニッケル），Ｃｕ（銅）とＢｉ（ビスマス）又はＦｅ（鉄）とＮｉ（ニッケル）など２種の金属材料を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す斜視図。
【図２】本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す平面図。
【図３】基部材の形成工程を説明するために示す平面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、熱電対群の形成工程を説明するために示す平面図。
【図５】基部材の折り曲げ形成工程を説明するために示す斜視図。
【図６】パッケージ部材の形成工程を説明するために示す斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１…熱電変換デバイス、２…デバイス本体、２Ａ…熱電対形成領域部、２Ｂ…折曲部、２Ｃ…突出片、３…熱電対群、４…パッケージ部材、５…熱電対、５Ａ…第１熱電対エレメント、５Ｂ…第２熱電対エレメント、６…第１接点部、７…第２接点部、８Ｂ…接続パターン、２０…基部材、２０Ａ…第１領域部、２０Ｂ…第２領域部、２０Ｃ…第３領域部、１００…成形用型、１００Ａ…スリット、１００Ｂ…樹脂注入孔、ａ…仮想線
【図１】
2008130594.tif 000003
【図２】
2008130594.tif 000004
【図３】
2008130594.tif 000005
【図４】
2008130594.tif 000006
【図５】
2008130594.tif 000007
【図６】
2008130594.tif 000008