(57)【要約】【課題】体積および面積が極小で、高い出力電圧および出力電力を得ることができる熱電素子を提供する。【解決手段】柔軟性を有する有機薄膜１３上に、薄膜状態において柔軟性を有する第１の材料による第１のストライプ状薄膜２１と薄膜状態において柔軟性を有する第２の材料による第２のストライプ状薄膜２２のそれぞれの一端２３、２４を接合し、それぞれの他端２５、２６を開放した複数の熱電対２０を配列する。配列した複数の熱電対２０の開放端２５、２６は隣接する熱電対２０の開放端２６、２５にそれぞれ接続して複数の熱電対２０を直列接続した熱電部材１１を形成する。この熱電部材を第１および第２のストライプ状薄膜２１、２２に直交する方向にロール状に巻回して熱電素子を構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差を与えて熱を電気に変換する熱電素子であって、柔軟性を有する基板上に、第１の材料による第１のストライプ状薄膜と第２の材料による第２のストライプ状薄膜のそれぞれの一端を接続点により接合し、それぞれの他端を開放した複数の熱電対を有し、複数の前記熱電対の開放した前記他端を、隣接する前記熱電対の開放した前記他端に接続して熱電部材を形成し、前記熱電部材を前記第１および第２のストライプ状薄膜に直交する方向にロール状に巻回したことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
前記第１および第２の材料がそれぞれ薄膜状態において柔軟性を有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
前記第１の材料が金属窒化物、アモルファス半導体、金属、または合金のいずれかであり、前記第２の材料がアモルファス半導体、金属、または合金のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子。
【請求項４】
柔軟性を有する前記基板が有機薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項５】
柔軟性を有する前記基板の一端に熱伝導率が小さい材料の心棒が設けられ、前記心棒の周りに前記熱電部材を巻回したことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項６】
前記基板の一端に心棒を設け、前記心棒の周りに前記熱電部材を巻回した後、前記心棒を除去したことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い出力電圧及び出力電力を有し、温度差発電や冷却に用いる熱電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合してＰＮ接合対を形成し、接合対間に温度差を与えることでゼーベック効果に基づく熱起電力を発生させる発電装置や、素子に電流を流すことによるペルチェ効果により接合部の冷却、発熱させる冷却装置などに利用される。熱電素子は、構造やその動作が簡単であるため、他の熱電変換システムに比べて小型化に有利であり、熱を電気エネルギーに変換できる性質を生かした発電素子としては、たとえば、腕時計などの携帯用電子機器内部での発電などへ応用され、電気エネルギーで温度差を生じさせる性質を生かした冷却素子としては、たとえば、半導体素子やセンサ素子などの局所的な冷却へ応用されている。
熱電素子として発電あるいは冷却に使われている半導体材料の中で、最も一般的なものは、ビスマス（Ｂｉ）とテルル（Ｔｅ）を主成分にしたいわゆるＢｉＴｅ合金である。たとえば、Ｎ型熱電半導体としてＢｉＳｅＴｅ合金を、Ｐ型熱電半導体としてＢｉＳｂＴｅ合金を使用し、一列に並んだ柱状のＮ型熱電半導体列とＰ型熱電半導体列を交互に複数並べて配置し、隣り合った極性の異なる熱電半導体の柱端面を配線電極で電気的に接続するとともに、最外列となるＮ型熱電半導体列またはＰ型熱電半導体列に含まれる熱電半導体の少なくとも一部を、内列に位置する熱電半導体の約１／２の断面積とすることにより、小型で高密度化が可能であり、温度分布や吸熱量の分布が生じない熱電素子が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
また、柔軟性を有する基板上にＰ型熱電素子層とＮ型熱電素子層とを蒸着によって形成し、熱電変換部材を薄膜状にすることにより、複雑形状に加工することができ、省スペース化および高い効率の熱電変換部材を実現する構成が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１３６２４０号公報（（００１８）、（００２１）〜（００２２）および図１〜図２など）
【特許文献２】特開２００３−１３３６００号公報（（０００６）〜（０００７）、（００３１）〜（００３３）、および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１による熱電素子は、Ｎ型熱電半導体とＰ型熱電半導体を柱状に形成してこれらを交互に複数並べて配置しているので、Ｎ型熱電半導体とＰ型熱電半導体の柱の高さに対応する厚さを有している。また、熱電素子の出力電圧および出力電力を高くするには、配列するＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体の数を多くしなければならないので、配列平面の面積も大きくなる。したがって体積および面積の小型化に限度がある。
特許文献２による熱電変換部材は、熱電変換部材が薄膜状であるので厚さは小さくなるが、熱電変換部材としての出力電圧および出力電力を高くするには、特許文献１と同様に、配列するＮ型熱電半導体層とＰ型熱電半導体層の数を多くしなければならないので、熱電変換部材としての面積は大きくなる。したがって面積の小型化に限度がある。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するもので、体積および面積が極小で、しかも高い出力電圧および出力電力を得ることができる熱電素子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】
【０００５】
請求項１に記載の本発明の熱電素子は、温度差を与えて熱を電気に変換する熱電素子であって、柔軟性を有する基板上に、第１の材料による第１のストライプ状薄膜と第２の材料による第２のストライプ状薄膜のそれぞれの一端を接続点により接合し、それぞれの他端を開放した複数の熱電対を有し、複数の前記熱電対の開放した前記他端を隣接する前記熱電対の開放した前記他端に接続して形成し、前記熱電部材を前記第１および第２のストライプ状薄膜に直交する方向にロール状に巻回したことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱電素子において、第１および第２の材料がそれぞれ薄膜状態において柔軟性を有する材料であることを特徴とする。
請求項3に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の熱電素子において、前記第１の材料が金属窒化物、アモルファス半導体、金属、または合金のいずれかであり、前記第２の材料がアモルファス半導体、金属、または合金のいずれかであることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の熱電素子において、柔軟性を有する前記基板が有機薄膜であることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の熱電素子において、柔軟性を有する前記基板の一端に熱伝導率が小さい材料の心棒が設けられ、前記心棒の周りに前記熱電部材を巻回したことを特徴とする。
請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載の熱電素子において、前記基板の一端に心棒を設け、前記心棒の周りに前記熱電部材を巻回した後、前記心棒を除去したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、体積および面積が極小で、しかも高い出力電圧および出力電力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による熱電素子は、柔軟性を有する基板上に、複数の熱電対を有し、複数の熱電対を直列接続した熱電部材を第１および第２のストライプ状薄膜に直交する方向にロール状に巻回したものである。本実施の形態によれば、体積および面積が極小で、しかも高い出力電圧および出力電力の熱電素子を実現することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による熱電素子において、熱電対を構成する材料を薄膜状態において柔軟性を有する材料としたものである。本実施の形態によれば、熱電対自体が柔軟性を有するので、小さい径でロール状に巻回することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による熱電素子において、熱電対を構成する第１の材料を金属窒化物、アモルファス半導体、金属、および合金のいずれかとし、第２の材料がアモルファス半導体、金属、および合金のいずれかとしたものである。本実施の形態によれば、熱電対自体に柔軟性を持たせるとともに、出力が高く、ＪＩＳ規格に準拠ないしそれに準ずる使用温度範囲が広い小型の熱電素子を実現することができる。特にアモルファス半導体を使用した場合は、温度差を付けやすい熱電素子を実現することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による熱電素子において、柔軟性を有する基板を有機薄膜としたものである。本実施の形態によれば、熱電対自体に柔軟性を持たせるとともに、温度差を付けやすい熱電素子を実現することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による熱電素子において、柔軟性を有する基板の一端にセラミックなどの熱伝導率が小さい材料の心棒を設け、この心棒の周りに熱電部材を巻回したものである。本実施の形態によれば、体積および面積が極小で、しかも高い出力電圧および出力電力の熱電素子を簡単に製造することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による熱電素子において、基板の一端に心棒を設けてこの心棒の周りに熱電部材を巻回した後、心棒を除去したものである。本実施の形態によれば、体積および面積が極小で、しかも高い出力電圧および出力電力の熱電素子を簡単に製造することができる。
【実施例】
【０００８】
以下、本発明の実施例について、図面とともに詳細に説明する。
図２は本発明の実施例にかかる熱電素子を構成する熱電対の基本構成を示す。熱電対２０は、第１のストライプ状薄膜２１と第２のストライプ状薄膜２２から構成されており、第１のストライプ状薄膜２１の一端２３と第２のストライプ状薄膜２２の一端２４は接続点２５において接続されている。第１のストライプ状薄膜２１の他端２６および第２のストライプ状薄膜２２の他端２７はそれぞれ開放されている。第１のストライプ状薄膜２１および第２のストライプ状薄膜２２は薄膜状態において柔軟性を有する材料で構成され、第１のストライプ状薄膜２１の材料としては、たとえば、窒化インジウム（ＩｎＮ）や窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）のような金属窒化物や半導体、アモルファス半導体、または、アルメル、コンスタンタタン、白金などの金属、または合金などが使用される。特に、金属窒化物は十分薄い薄膜を製作しやすく、有毒成分を有していないので好ましい。一方、第２のストライプ状薄膜２２の材料としては、たとえば、アモルファス半導体、または、クロメル、鉄、銅、白金ロジウムなどの金属、または合金などが使用される。第１のストライプ状薄膜２１および第２のストライプ状薄膜２２の材料は結晶状態でもよいが、後述するように巻回したときに亀裂などが入ることがあるので、アモルファス状にすることが好ましい。
【０００９】
図１は図２で説明した熱電対を複数個直列接続して構成した、本発明の実施例にかかる熱電素子の一構成例を示した図で、（ａ）は熱電対を複数個直列接続した熱電素子の基本構造である熱電部材を説明する平面図、（ｂ）は熱電素子の熱電部材の展開平面図、（ｃ）は熱電素子の斜視図である。なお、以下の説明においては、第１のストライプ状薄膜２１として窒化インジウム（ＩｎＮ）、第２のストライプ状薄膜２２としてクロメルを使用した実施例について詳細に説明する。
【００１０】
図１（ａ）において、窒化インジウム（ＩｎＮ）よりなる第１のストライプ状薄膜２１とクロメルよりなる第２のストライプ状薄膜２２を、接続点２５において接合して形成した複数の熱電対２０は、第１のストライプ状薄膜２１の開放端２６を隣接する第２のストライプ状薄膜２２の開放端２７と直列接続して熱電部材１１が形成される。この結果、第１のストライプ状薄膜２１と第２のストライプ状薄膜２２はジグザグ状に接続される。第１のストライプ状薄膜２１および第２のストライプ状薄膜２２は、スケール１２で示すように、各々の幅は０．５ｍｍ程度であり、各熱電対２０の幅は１．３ｍｍ程度である。また、第１のストライプ状薄膜２１および第２のストライプ状薄膜２２の長さ、すなわち、熱電対２０の長さは９〜１０ｍｍ程度である。
熱電部材１１は以下のようにして作成される。まず窒素およびアルゴンガス雰囲気で、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）基板上にクロメルを、第２のストライプ状薄膜２２のパターンをフォトエッチングで形成したステンレスマスクを介してスパッタリングする。つぎに、窒化インジウム（ＩｎＮ）を、第１のストライプ状薄膜２１のパターンをフォトエッチングで形成したステンレスマスクを介してスパッタリングする。第１のストライプ状薄膜２１および第２のストライプ状薄膜２２の膜厚は１ミクロン程度と極薄でよい。このとき、第２のストライプ状薄膜２２のパターンと第１のストライプ状薄膜２１のパターンは、第１のストライプ状薄膜２１と第２のストライプ状薄膜２２の接続点２５および各々の開放端２６、２７において、重なるように形成されている。したがって、クロメルおよび窒化インジウム（ＩｎＮ）をスパッタリングした状態で、図１（ａ）に示す第１のストライプ状薄膜２１と第２のストライプ状薄膜２２が所定位置で接合されたパターンが形成される。
【００１１】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した複数の熱電対２０を直列接続した熱電部材１１をポリイミドのような有機薄膜１３上に形成した状態を示す展開平面図である。前述のように、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）基板上に形成された熱電部材１１は、図１（ｂ）に示すようにポリイミドなどの有機薄膜１３上に転写される。有機薄膜１３の一端にはセラミックや木材などの熱伝導率が小さい材料による心棒１４が設けられている。熱電部材１１の両端の開放端には出力リード１５、１６が接続される。有機薄膜１３の膜厚は任意であるが、後述するように心棒１４の周りに巻回して熱電素子を作成したり、熱電素子を小さく作成するためには薄い方が好ましく、かつ強度との関係からたとえば、０．３ｍｍ程度が好ましい。
熱電部材１１が形成された有機薄膜１３をストライプ状薄膜２１、２２に直交する方向に、すなわち、心棒１４の周りに巻回していくことにより、熱電部材１１は多重に重ねられながらロール状に巻回されて、図１（ｃ）に示すような細い棒状に加工される。
【００１２】
図１（ｃ）は、熱電対２０を１２０個直列接続した１７０ｍｍ×１０ｍｍの熱電部材１１を太さが２ｍｍの心棒１４の周りに巻回して棒状の熱電素子１０を作成した例で、棒状の熱電素子１０の太さは３〜４ｍｍ程度にすることができる。熱電部材１１を巻回した状態における熱電部材１１の長さは有機薄膜１３の幅により定まり、熱電素子１０の長さは心棒１４の長さにより定まる。したがって、有機薄膜１３の幅および心棒１４の長さを小さくすれば、熱電素子１０の長さを小さくすることができる。
心棒１４は熱電部材１１を巻回する場合は必要であるが、熱電素子１０の構成には必ずしも必要ではない。したがって、有機薄膜１３の一端に任意の材料の心棒を設けて、この心棒を軸にして熱電部材１１を巻回した後、心棒を取り除くことにより細くて短いロール状の熱電素子１０を製造することができる。
【００１３】
つぎに、本実施例による熱電素子１０の熱電特性を説明する。
熱電素子１０の熱電部材１１における第１のストライプ状薄膜２１と第２のストライプ状薄膜２２の接続点２５側を加温して、温度Ｔｎの高温側、開放端２６、２７側を室温Ｔｃの低温側となるように設定し、温度差Ｔｎ−Ｔｃを与えて、出力リード１５、１６間に熱電素子１０の熱電作用により発生する出力電圧および出力電力の電流特性を図３および図４に示す。図３は窒化インジウム−クロメルの熱電対２０を６０個直列接続した６０対熱電素子の温度差を変化させた場合の出力特性、図４は窒化インジウム−クロメルの熱電対２０を１２０個直列接続した１２０対熱電素子の温度差を変化させた場合の出力特性である。図３において、直線Ａ〜Ｄはそれぞれ温度差を７４Ｋ、８７Ｋ、１２８Ｋおよび１６０Ｋに設定した場合の出力電圧特性、曲線Ｅ〜Ｈはそれぞれ同温度差に設定した場合の出力電力特性である。また、図４において、直線Ａ〜Ｄはそれぞれ温度差を７０Ｋ、９１Ｋ、１４３Ｋおよび１６８Ｋに設定した場合の出力電圧特性、曲線Ｅ〜Ｈはそれぞれ同温度差に設定した場合の出力電力特性である。いずれの熱電素子においても、温度差が大きくなるほど出力電圧および出力電力が大きくなることが観察される。
６０対熱電素子においては、図３に見られるように、温度差が１６０Ｋにおいて、出力電圧は１１８ｍV、出力電力は電流が０．３２×１０-6Ａのときに最大電力２３ｎＷが得られる。同様に、１２０対熱電素子においては、図４に見られるように、温度差が１６０Ｋにおいて、出力電圧は２１０ｍV、出力電力は電流が０．６８×１０-6Ａのときに最大電力６５ｎＷが得られる。
【００１４】
図５は、６０対熱電素子と１２０対熱電素子における出力電圧の温度特性である。図５において、直線Ａは６０対熱電素子の特性、直線Ｂは１２０対熱電素子の特性で、出力電圧および温度差ΔＴを対数軸で表現したものである。温度差ΔＴは、６０対熱電素子については７４Ｋ、８７Ｋ、１２８Ｋおよび１６０Ｋに、１２０対熱電素子については７０Ｋ、９１Ｋ、１４３Ｋおよび１６８Ｋに設定した場合である。６０対熱電素子は、出力電圧が温度差の０．８９乗に比例し、１２０対熱電素子は、出力電圧が温度差の１乗に比例している。出力電圧が温度差の１乗に比例するということは、出力電圧が温度差に対して一定であることを意味しており、熱電素子をセンサとして使用する場合に好ましい特性である。
【００１５】
図６は、６０対熱電素子と１２０対熱電素子における出力電力の温度特性である。図６において、直線Ａは６０対熱電素子の特性、直線Ｂは１２０対熱電素子の特性で、出力電力および温度差ΔＴを対数軸で表現したものである。温度差ΔＴは、６０対熱電素子については７４Ｋ、８７Ｋ、１２８Ｋおよび１６０Ｋに、１２０対熱電素子については７０Ｋ、９１Ｋ、１４３Ｋおよび１６８Ｋに設定した場合である。６０対熱電素子は、出力電力が温度差の２．００乗に比例し、１２０対熱電素子は、出力電力が温度差の２．０９乗に比例している。
図３〜図６で示すように、窒化インジウム−クロメル熱電対２０を多数個配列した熱電部材をロール上に巻回にて多重化した熱電素子は、体積および面積が非常に小さい形状でありながら高い出力電圧および出力電力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明の熱電素子は、素子に温度差を与えてゼーベック効果に基づく熱起電力を発生させる発電装置や、素子に電流を流すことによるペルチェ効果を利用して接合部を冷却あるいは発熱させる冷却装置に利用して好適である。特に、本発明の熱電素子は体積および面積が非常に小さい形状でありながら高い出力電圧および出力電力を得ることができるので、熱を電気エネルギーに変換できる性質を生かした発電素子としては、腕時計などの携帯用電子機器内部での発電素子として好適である。また、電気エネルギーで温度差を生じさせる性質を生かした冷却素子としては、半導体素子やセンサ素子などの局所的な冷却へ応用する冷却素子として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例における熱電素子の一構成例を示した図で、（ａ）は熱電対を複数個直列接続した熱電素子の基本構造である熱電部材を説明する平面図、（ｂ）は熱電素子の熱電部材の展開平面図、（ｃ）は熱電素子の斜視図
【図２】本発明の実施例における熱電素子を構成する熱電対の基本構成を説明する平面図
【図３】本発明の実施例における、窒化インジウム−クロメル熱電対を６０個直列接続した６０対熱電素子の温度差を変化させた場合の出力特性図
【図４】本発明の実施例における、窒化インジウム−クロメル熱電対を１２０個直列接続した１２０対熱電素子の温度差を変化させた場合の出力特性図
【図５】本発明の実施例における、窒化インジウム−クロメル熱電対を６０個直列接続した６０対熱電素子と窒化インジウム−クロメル熱電対を１２０個直列接続した１２０対熱電素子の出力電圧の温度特性図
【図６】本発明の実施例における、窒化インジウム−クロメル熱電対を６０個直列接続した６０対熱電素子と窒化インジウム−クロメル熱電対を１２０個直列接続した１２０対熱電素子の出力電力の温度特性図
【符号の説明】
【００１８】
１０  熱電素子
１１  熱電部材
１２  スケール
１３  有機薄膜
１４  心棒
１５、１６  出力リード
２０  熱電対
２１  第１のストライプ状薄膜
２２  第２のストライプ状薄膜
２３  第１のストライプ状薄膜の一端
２４  第２のストライプ状薄膜の一端
２５  接続点
２６  第１のストライプ状薄膜の他端（開放端）
２７  第２のストライプ状薄膜の他端（開放端）
【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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