(57)【要約】【課題】集積した熱電対を備えると共に半導体製造装置を用いて形成した熱電変換デバイスに比して低コストで形成できる熱電変換デバイス及び熱電変換デバイスユニットを提供する。【解決手段】熱電変換デバイス１２は、可撓性を備えた絶縁性フィルム２０と、その絶縁性フィルム２０上に成膜形成されると共に互いに直列接続された複数の熱電対２２からなる熱電対群２１とを備えた。絶縁性フィルム２０を巻くことにより多層構造部２０ｂを構成したと共に前記直列接続された複数の熱電対２２を集積した。また、この熱電変換デバイス１２は放熱板及び吸熱板を含めたサイズが１ｍｍとされているため、半導体を用いた熱電変換デバイスと比して大きい。従って、半導体製造装置のような大がかりな装置を用いずに熱電変換デバイス１２を製造できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を備えた絶縁性フィルムと、その絶縁性フィルム上に成膜形成されると共に互いに直列接続された複数の熱電対からなる熱電対群とを備え、
前記絶縁性フィルムにおける各部位の少なくとも一つの部位同士を重ねることにより、又は複数の前記絶縁性フィルムを重ね合わせることにより多層構造部を構成したことを特徴とする熱電変換デバイス。
【請求項２】
前記多層構造部は、その多層構造部端面にて前記熱電変換デバイス自体を自立可能とすることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換デバイス。
【請求項３】
前記多層構造部は、前記絶縁性フィルムを巻いたことにより形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の熱電変換デバイスを備え、
前記各熱電対は、第１接点及び第２接点をそれぞれ備え、
前記各第１接点と熱交換可能に接続された第１熱交換体と、
前記各第２接点と熱交換可能に接続された第２熱交換体とを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの供給電源や補助電源、及び温度センサや赤外線センサ等として利用可能な素子であって、温接点と冷接点との温度差により発電するゼーベック効果を利用した熱電変換デバイス及び熱電変換デバイスユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、複数の熱電対を集積した熱電変換デバイスが提案されている。上記熱電変換デバイスの一例として、シリコン基板上に複数の熱電対を互いに直列接続した熱電変換デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の熱電変換デバイスは、半導体製造装置を用いてＬＰＣＶＤ、ＡＰＣＶＤ、ドーピング、ＲＩＥ、蒸着、ウェットエッチング等の処理を経て製造されている。ＬＰＣＶＤは、「ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」であり、ＡＰＣＶＤは、「ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」であり、ＲＩＥ「ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ」である。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５０８０１号公報（段落番号「００２０」〜「００２３」、第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の熱電変換デバイスにおいては、半導体製造装置を用いるため、製造工程が複雑でかつコスト高となってしまうという問題があった。このため、半導体製造装置を用いずにかつ集積した熱電対を有する熱電変換デバイスが望まれていた。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は集積した熱電対を備えると共に半導体製造装置を用いて形成した熱電変換デバイスに比して低コストで形成できる熱電変換デバイス及び熱電変換デバイスユニットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可撓性を備えた絶縁性フィルムと、その絶縁性フィルム上に成膜形成されると共に互いに直列接続された複数の熱電対からなる熱電対群とを備え、前記絶縁性フィルムにおける各部位の少なくとも一つの部位同士を重ねることにより、又は複数の前記絶縁性フィルムを重ね合わせることにより多層構造部を構成したことを要旨とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱電変換デバイスにおいて、前記多層構造部は、その多層構造部端面にて前記熱電変換デバイス自体を自立可能とすることを要旨とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱電変換デバイスにおいて、前記多層構造部は、前記絶縁性フィルムを巻いたことにより形成されていることを要旨とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の熱電変換デバイスを備え、前記各熱電対は、第１接点及び第２接点をそれぞれ備え、前記各第１接点と熱交換可能に接続された第１熱交換体と、前記各第２接点と熱交換可能に接続された第２熱交換体とを備えたことを特徴とすることを要旨とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図２及び図３に示すように熱電変換デバイスユニット１１は、複数の熱電変換デバイス１２、放熱板１３、吸熱板１４、及び前記放熱板１３と前記吸熱板１４とを固定するスペーサ１５（図３でのみ図示）を備えている。前記放熱板１３は第１熱交換体に相当し、前記吸熱板１４は第２熱交換体に相当する。前記放熱板１３は可撓性を備えると共にアルミニウムから構成され、前記吸熱板１４は可撓性を備えると共に黒体材料（例えば、酸化コバルト）を混ぜたポリイミド系樹脂から構成されている。
【００１１】
まず、熱電変換デバイス１２について説明する。
図１に示すように、熱電変換デバイス１２は、巻物状をなす絶縁性フィルム２０と、その絶縁性フィルム２０における熱電対成膜面２０ａに成膜された熱電対群２１とを備えている。
【００１２】
前記絶縁性フィルム２０は可撓性を備えた長尺な帯状をなすフィルムから構成されており、同絶縁性フィルム２０はその熱電対成膜面２０ａ側に非導電性接着剤を塗布した状態で巻いて形成されている。即ち、絶縁性フィルム２０が巻物状とされていることにより、絶縁性フィルム２０における各部位同士が重ねられて多層構造部２０ｂが構成されている。前記多層構造部２０ｂの両端面は、それぞれ載置面２０ｃ及び積載面２０ｄとされている。前記載置面２０ｃ及び積載面２０ｄは多層構造部端面に相当する。前記載置面２０ｃは放熱板１３と当接する面であり、前記積載面２０ｄは吸熱板１４と当接する面である。前記載置面２０ｃ及び前記積載面２０ｄは平面視リング形状（図４参照）とされている。前記載置面２０ｃにて熱電変換デバイス１２自体を自立可能とされている。即ち、水平な平面に対して載置面２０ｃを当接させると熱電変換デバイス１２が倒れないように、載置面２０ｃは構成されている。
【００１３】
図８（ｂ）に示すように、前記絶縁性フィルム２０を長尺な帯状に展開した状態において、同絶縁性フィルム２０の熱電対成膜面２０ａの全面に亘って前記熱電対群２１は蛇行状をなすように成膜されている。前記熱電対群２１は、互いに直列接続された複数の熱電対２２により形成されている。前記各熱電対２２は、ニッケル（Ｎｉ）からなる第１金属線２３と、モリブデン（Ｍｏ）からなる第２金属線２４とをそれぞれ備えている。即ち、熱電対群２１は、前記第１金属線２３と前記第２金属線２４とが交互に複数配置されると共に互いに接続されることにより構成されている。
【００１４】
前記第１金属線２３と前記第２金属線２４との各接続点である接点２５は、絶縁性フィルム２０の短手方向（以下、単に短手方向という）両端側に位置するように形成されている。前記各接点２５のうち短手方向における一端側に位置する接点２５を第１接点としての冷接点２５ａといい、短手方向における他端側に位置する接点２５を第２接点としての温接点２５ｂという。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態では、冷接点２５ａは載置面２０ｃ側に位置し、温接点２５ｂは積載面２０ｄ側に位置している。前記冷接点２５ａの先端面は前記載置面２０ｃに対して面一とされ、前記温接点２５ｂの先端面は前記積載面２０ｄに対して面一とされている。前記熱電対群２１の両端部には、端子２６，２７がそれぞれ接続されている。前記両端子２６，２７は、前記載置面２０ｃから積載面２０ｄとは反対方向へ向けて突出するように形成されている。前記端子２６はリング形状をなす前記載置面２０ｃの内周部に対応する位置に配置され、前記端子２７はリング形状をなす前記載置面２０ｃの外周部に対応する位置に配置されている。
【００１６】
次に、前記熱電変換デバイス１２を複数個備えた熱電変換デバイスユニット１１について説明する。
図２及び図３に示すように、熱電変換デバイスユニット１１を構成する放熱板１３上には、複数（本実施形態では２０個）の前記熱電変換デバイス１２が密集して配置されている。図４及び図５に示すように、前記放熱板１３には絶縁層１３ａを備えており、その絶縁層１３ａ内には、互いに隣接する熱電変換デバイス１２における熱電対群２１同士を互いに直列接続する複数の配線３１が配置されている。前記各配線３１は、その両端面３１ａ，３１ｂが前記絶縁層１３ａの表面に対して凹むように配置されている。また、前記各配線３１における両端面３１ａ，３１ｂ以外の部分は、前記絶縁層１３ａに覆われている。
【００１７】
前記熱電対群２１と配線３１との接続状態を詳しく述べると、前記各熱電対群２１における端子２６が前記各配線３１の端面３１ａに接続され、前記各熱電対群２１における端子２７が前記各配線３１の端面３１ｂに接続されている。前記熱電変換デバイス１２の載置面２０ｃは前記絶縁層１３ａに対して非導電性接着剤にて固定されている。この非導電性接着剤は熱伝達性が高いものが好ましい。即ち、前記各熱電変換デバイス１２における各冷接点２５ａが前記放熱板１３に対して熱伝達可能にそれぞれ接着固定されている。
【００１８】
図３に示すように、前記放熱板１３には一対のスペーサ１５を介して吸熱板１４が同放熱板１３に対して平行となるように固定されている。また、吸熱板１４には、前記各熱電変換デバイス１２の積載面２０ｄが非導電性接着剤にて固定されている。この非導電性接着剤においても、熱伝達性が高いものが好ましい。即ち、前記各熱電変換デバイス１２における各温接点２５ｂが前記吸熱板１４に対して熱伝達可能にそれぞれ接着固定されている。
【００１９】
前記各熱電変換デバイス１２は、一つの熱電変換デバイス１２の外周面１２ａに対して、最高で６個の熱電変換デバイス１２の外周面１２ａが当接するように、密集して配置されている。前記熱電変換デバイスユニット１１の厚さｔは１ｍｍとされている（図３参照）。
【００２０】
次に、本実施形態の熱電変換デバイスユニット１１を構成する熱電変換デバイス１２の製造方法について図６〜図８に従って説明する。
まず、図６（ａ），（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２０上にニッケル層を物理蒸着法としての真空蒸着法により成膜形成し、そのニッケル層をウェットエッチング等にて所定のパターンに形成することにより複数の短冊状の第１金属膜４０を形成する。また、絶縁性フィルム２０上に第１金属膜４０を成形する方法として、物理蒸着法としてのステンシルマスクを利用して蒸着し所定パターンに成形してもよい。
【００２１】
次に、前記第１金属膜４０上にマスクを施し、そのマスク上及び熱電対成膜面２０ａ上にモリブデン層を真空蒸着法により成膜形成し、前記マスクを除去することにより、同マスク上のモリブデン層も共に除去される。すると、図７（ａ），（ｂ）に示すように、前記各第１金属膜４０間に短冊状の第２金属膜４１がそれぞれ形成され、その際、前記第１金属膜４０と前記第２金属膜４１とがなす境界部は互いに接続される。
【００２２】
そして、図８（ａ），（ｂ）に示すように、前記各第１金属膜４０及び前記各第２金属膜４１に対してウェットエッチング等にて接続規制孔４２をそれぞれ形成し、この結果、各第１金属線２３及び各第２金属線２４を形成する。即ち、この接続規制孔４２により前記各第１金属膜４０と前記各第２金属膜４１との接続部分が制限され、この結果、各第１金属膜４０と各第２金属膜４１とが蛇行状に接続される。次に、この複数の第１金属線２３及び第２金属線２４にて構成された熱電対群２１の両端部に端子２６，２７をそれぞれ接続する（図１参照）。さらに、前記第１金属線２３、第２金属線２４、及び熱電対成膜面２０ａに対して非導電性接着剤を塗布して絶縁性フィルム２０を巻くことにより、熱電変換デバイス１２が完成する。
【００２３】
従って、本実施形態の熱電変換デバイス１２を備えた熱電変換デバイスユニット１１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、熱電変換デバイス１２は、可撓性を備えた絶縁性フィルム２０と、その絶縁性フィルム２０上に成膜形成されると共に互いに直列接続された複数の熱電対２２からなる熱電対群２１とを備えた。そして、前記絶縁性フィルム２０を巻くことにより、多層構造部２０ｂを構成すると共に前記直列接続された複数の熱電対２２を集積した。また、この熱電変換デバイス１２は放熱板１３及び吸熱板１４を含めたサイズが１ｍｍとされているため、半導体を用いた熱電変換デバイスと比して大きい。従って、半導体製造装置のような大がかりな装置を用いずに熱電変換デバイス１２を製造できるため、半導体製造装置を用いて熱電変換デバイスを製造する場合と比べて、低コストで熱電変換デバイス１２を製造することができる。また、この熱電変換デバイス１２により集積した熱電対２２を得ることができる。
【００２４】
（２）本実施形態では、熱電変換デバイス１２は多層構造部２０ｂを備えた。そして、多層構造部２０ｂの載置面２０ｃにて熱電変換デバイス１２自体を自立可能とした。従って、載置面にてその全体を自立できない熱電変換デバイスと比べて、本実施形態では、安定した状態で放熱板１３に対して熱電変換デバイス１２を接着することができる。また、載置面にてその全体を自立できない熱電変換デバイスと比べて、本実施形態の熱電変換デバイス１２は、放熱板１３に対する接着強度を上げることができる。
【００２５】
（３）本実施形態では、多層構造部２０ｂを絶縁性フィルム２０を巻いたことにより形成した。このように、絶縁性フィルム２０を巻くことにより多層構造部２０ｂを構成したため、一枚の絶縁性フィルム２０にて多層構造部２０ｂを構成することができる。また、絶縁性フィルム２０を巻くことにより多層構造部２０ｂを構成したため、熱電対成膜面２０ａ側同士が直接対向することがなく、この結果、熱電対成膜面２０ａ上の熱電対２２同士が直接接触することがない。
【００２６】
（４）本実施形態では、熱電変換デバイス１２の各冷接点２５ａに放熱板１３を接着固定し、熱電変換デバイス１２の各温接点２５ｂに吸熱板１４を接着固定することにより熱電変換デバイスユニット１１を構成した。従って、熱電変換デバイスユニット１１の熱電変換デバイス１２において、各冷接点２５ａは放熱板１３を介して効率よく放熱を行うことができ、かつ各温接点２５ｂは吸熱板１４を介して効率よく熱吸収を行うことができる。
【００２７】
（５）本実施形態では、熱電変換デバイスユニット１１は、熱電変換デバイス１２の絶縁性フィルム２０、放熱板１３、及び吸熱板１４の３つが可撓性を有するようにした。従って、熱電変換デバイスユニット１１を曲面に対して設置することができる。また、曲面に対して熱電変換デバイスユニット１１を設置しても、平面に対して熱電変換デバイスユニット１１を設置した場合と比して熱電変換効率を同じとすることができる。このように、熱電変換デバイスユニット１１をフレキシブルに構成することにより、熱電変換デバイスユニット１１の利用範囲を広げることができる。
【００２８】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態は以下のような他の実施形態に変更して具体化してもよい。
【００２９】
・前記実施形態では、第１金属線２３をニッケル（Ｎｉ）、第２金属線２４をモリブデン（Ｍｏ）から構成していた。これに限らず、前記第１金属線２３及び前記第２金属線２４の材料（金属）は、熱電対として機能するものであれば、他の材料（金属）を採用してもよい。即ち、前記第１金属線２３及び前記第２金属線２４は、互いに異なる材料（金属）で熱電変換が行える材料（金属）であればどのような材料（金属）を採用してもよい。特に、ゼーベック係数の差が大きな２種類の材料（金属）を用いるほど、熱電対２２の出力電圧（熱電変換効率）は大きくなる。
【００３０】
・前記実施形態では、熱電変換デバイスユニット１１において、各熱電変換デバイス１２が一つの熱電変換デバイス１２の外周面１２ａに対して、最高で６個の熱電変換デバイス１２の外周面１２ａが当接するように、密集して配置していた。これに限らず、熱電変換デバイスユニット１１において、各熱電変換デバイス１２の外周面１２ａが互いに当接しないように各熱電変換デバイス１２をそれぞれ配置してもよい。このようにすると、熱電変換デバイスユニット１１において、可撓性がより一層向上する。
【００３１】
・前記実施形態では、熱電変換デバイスユニット１１は２０個の熱電変換デバイス１２を備えるように構成していた。これに限らず、熱電変換デバイスユニット１１を構成する熱電変換デバイス１２の数は、熱電変換量に応じて増やしたり減らしたりしてもよい。
【００３２】
・前記実施形態では、熱電変換デバイスユニット１１は複数の熱電変換デバイス１２を備えていたが、一つの熱電変換デバイス１２により熱電変換デバイスユニット１１を構成してもよい。この場合、図９に示すように、吸熱板１４（放熱板１３）上の大多数の面積を占めるように、熱電変換デバイス１２における絶縁性フィルム２０の巻き数を増やしてもよい。
【００３３】
・前記実施形態では、熱電変換デバイス１２は、絶縁性フィルム２０を巻くことにより多層構造部２０ｂを構成していた。これに限らず、図１０（ａ）に示すような多層構造部５０を備えた熱電変換デバイス５１を構成してもよい。なお、図１０（ａ）においては、説明の便宜上複数の熱電対２２の図示を省略している。即ち、熱電変換デバイス５１は、前記絶縁性フィルム２０を蛇行状に重ねることにより多層構造部５０を構成する。言い換えると、絶縁性フィルム２０の各部同士が重ねられて多層構造部５０が構成されている。そして、前記絶縁性フィルム２０の各部位を、互いに接着剤にて接着固定する。この多層構造部５０の端面である多層構造部端面としての載置面５０ａにおいても、熱電変換デバイス５１自体を自立可能とされている。この場合、図１０（ｂ）に示すように、前記絶縁性フィルム２０の熱電対成膜面２０ａに形成された熱電対２２の上面を絶縁材５３にて覆う。このようにすることにより、図１０（ａ）に示すように、絶縁性フィルム２０における熱電対成膜面２０ａ同士が対向する部分において、熱電対２２同士が直接接触することを防ぐ。即ち、熱電対２２同士が互いに対向する部位には絶縁材５３が介在するようにした。
【００３４】
・また、図１１に示すような多層構造部６０を備えた熱電変換デバイス６１を構成してもよい。即ち、熱電変換デバイス６１は、複数の前記絶縁性フィルム２０を積層するように重ね合わせることにより多層構造部６０を構成する。各絶縁性フィルム２０を互いに非導電性接着剤にて接着固定する。この多層構造部６０の端面である多層構造部端面としての載置面６０ａにおいても、熱電変換デバイス６１自体を自立可能とされている。この場合、各絶縁性フィルム２０上に形成された熱電対群２１は、その端部同士を図示しない配線にて互いに直列接続となるように接続する。
【００３５】
・前記実施形態では、熱電変換デバイス１２の製造方法において、絶縁性フィルム２０の熱電対成膜面２０ａ上に対してニッケル層及びモリブデン層を形成する際に、物理蒸着法としての真空蒸着法を用いていた。これに限らず、メッキ法や、物理蒸着法としてのスパッタリング法にてニッケル層及びモリブデン層を形成してもよい。
【００３６】
・前記実施形態では、放熱板１３をアルミニウムから構成していたが、表面に金属膜を形成した絶縁性樹脂にて構成してもよい。
・前記実施形態では、熱電変換デバイスユニット１１の厚さを１ｍｍとしていたが、この熱電変換デバイスユニット１１の厚さはいくつでもよい。
【００３７】
次に、上記実施形態及び他の実施形態から把握できる技術的思想について以
下に追記する。
（イ）前記多層構造部は、前記絶縁性フィルムを蛇行状に重ねると共に前記絶縁性フィルム上の前記熱電対同士が互いに対向する部位には絶縁材を介在したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換デバイス。
【００３８】
（ロ）前記熱電対群は、物理蒸着法又はメッキ法により形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３、技術的思想（イ）のうちいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、集積した熱電対を備えると共に半導体製造装置を用いて形成した熱電変換デバイスに比して低コストで形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における熱電変換デバイスの斜視図。
【図２】本実施形態における熱電変換デバイスユニットの斜視図。
【図３】本実施形態における熱電変換デバイスユニットの正面図。
【図４】本実施形態における放熱板の平面図。
【図５】図４におけるＡ−Ａ線矢視断面図。
【図６】（ａ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す断面図。（ｂ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す平面図。
【図７】（ａ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す断面図。（ｂ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す平面図。
【図８】（ａ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す断面図。（ｂ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す平面図。
【図９】他の実施形態における熱電変換デバイス及び吸熱板の底面図。
【図１０】（ａ）は、他の実施形態における熱電変換デバイス及び吸熱板の底面図。（ｂ）は、他の実施形態における熱電変換デバイスの部分断面図。
【図１１】他の実施形態における熱電変換デバイスの断面図。
【符号の説明】
１１…熱電変換デバイスユニット、１２，５１，６１…熱電変換デバイス、
１３…第１熱交換体としての放熱板、１４…第２熱交換体としての吸熱板、
２０…絶縁性フィルム、２０ｂ，５０，６０…多層構造部、
２０ｃ，５０ａ，６０ａ…多層構造部端面としての載置面、
２０ｄ…多層構造部端面としての積載面、２１…熱電対群、２２…熱電対、
２５ａ…第１接点としての冷接点、２５ｂ…第２接点としての温接点。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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