JP2001185770A - 熱電発電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な熱電発電素子の製造し配線を容易に行
う方法と、その構造を提供することである。 【解決手段】 ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状
素子５１とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子
５２とを絶縁層５０を介しつつ規則的に配置あるいは固
定し熱電発電素子ブロック５３を形成する工程と、熱電
発電素子ブロック５３の配線端面および配線端面と同一
面の絶縁層を平坦化する工程と、ｎ型棒状素子とｐ型棒
状素子の端部を接続して、複数の直列した熱電対を形成
するような導電性接着剤からなる導電体を配置した透明
基板あるいは半透明基板５９を熱電発電素子ブロックに
接合し、導電性接着剤を硬化させるために加熱する工程
とを有する熱電発電素子とその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電発電素子の構
造およびその構造を形成するための製造方法に関するも
のであり、とくに熱電発電素子を直列に接続する方法と
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種金属材料が電子部品に利用されてい
るが、年々微小化が進められている。その代表例とし
て、熱電発電素子が挙げられる。熱電発電素子は、その
両端部に温度差を与えることにより電圧を発生する。こ
の電圧を電気エネルギーとして利用しようとするのが熱
電発電である。

【０００３】熱電発電に用いる熱電発電素子は、構造が
簡単なため、他の発電機に比らべて微小化に有利なこと
や、酸化還元電池のように消耗せず、電解液の漏洩の問
題もないことから、腕時計のような携帯型電子機器への
応用が注目されている。

【０００４】熱電発電素子では、ｐ型半導体の熱電材料
とｎ型半導体の熱電材料との熱電対が直列に複数個配列
している。腕時計駆動に必要な１．５Ｖ以上の電圧を得
るためには、熱電発電素子の冷接点と温接点の温度差を
１．３℃とすると、性能指数が高いといわれるＢｉＴｅ
系の熱電対を用いても、２０００対以上が必要となる。

【０００５】また、腕時計内部の限られた空間に配置す
ることから、できる限り小さくすることが必要である。
このため、限られた面積に熱電対を多数対含む、高密度
で、微小な熱電発電素子が必要となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように熱電対の数
が多く、しかも小型の熱電発電素子の製造方法として、
たとえば特開昭６３−２０８８０号公報に開示されてい
るものがある。この公報には、薄い板状に加工したｐ型
熱電材料とｎ型熱電材料を断熱材を挟みながら、交互に
積層し、積層面に垂直な方向に一定間隔で溝を形成し、
ｐ型棒状素子およびｎ型棒状素子を形成する手段が開示
されている。また、ｐ型棒状素子とｎ型棒状素子は、ス
パッタリング法と、エッチング処理により、それぞれの
両端面に、電極材料を配することにより直列に接続され
る。

【０００７】前述の公報に記載の方法により作成した熱
電発電素子は、３０×２０×３．５（ｍｍ）の大きさ
で、全棒状素子数７０００個、熱電対３５００対を含
み、非常に高密度である。したがって、直接棒状素子の
端面でｐ型棒状素子とｎ型棒状素子とを配線する場合、
非常に細かい作業となる。この公報では、配線は、スパ
ッタリング法により電極材料を全面に形成し、エッチン
グ処理により所定のパターンを形成している。このエッ
チング処理をするためには、感光性樹脂などによるパタ
ーン形成のフォトリソグラフィー処理が必要になるが、
スパッタリング法により形成した電極材料があるので、
棒状素子の位置が見えず、フォトリソグラフィー処理に
おけるアライメントが困難である。

【０００８】また、配線部が開口した金属板などをマス
クとして、真空蒸着法やスパッタリング法により配線材
料をその開口内に形成し、直接パターン化された電極材
料を得るには、マスクと棒状素子の位置のアライメント
が必要な上に、アライメントした状態でマスクの固定が
必要になる。マスクは、棒状素子の端面とマスク面の間
隙をほとんどない状態で固定する必要があり、難しい。

【０００９】さらに、作成した熱電発電素子は絶縁する
必要があり、配線後に絶縁基板や絶縁膜などを用いるこ
とになる。

【００１０】〔発明の目的〕そこで、本発明の目的は、
上記課題を解決して、アライメント作業が容易な熱電発
電素子の構造とその製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の熱電発電素子およびその製造方法におい
ては、下記に説明する手段を採用する。

【００１２】本発明の熱電発電素子においては、ｎ型熱
電半導体からなる複数のｎ型棒状素子とｐ型熱電半導体
からなる複数のｐ型棒状素子とを絶縁層を介しつつ規則
的に配置あるいは固定した熱電発電素子ブロックと、熱
電発電素子ブロックに接合され、ｎ型棒状素子とｐ型棒
状素子の端部を接続して複数の直列した熱電対を形成す
るような導電性接着剤からなる導電体を配置した透明基
板または半透明基板を備えることを特徴とする。

【００１３】本発明の熱電発電素子においては、ｎ型熱
電半導体からなる複数のｎ型棒状素子とｐ型熱電半導体
からなる複数のｐ型棒状素子とを絶縁層を介しつつ規則
的に配置あるいは固定した熱電発電素子ブロックと、ｎ
型棒状素子とｐ型棒状素子の端面部に形成する導電膜
と、熱電発電素子ブロックに接合され、ｎ型棒状素子と
ｐ型棒状素子の端部を接続して複数の直列した熱電対を
形成するような導電性接着剤からなる導電体を配置した
透明基板または半透明基板とを備えることを特徴とす
る。

【００１４】本発明における熱電発電素子の製造方法に
おいては、ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状素子
とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを絶縁
層を介しつつ規則的に配置あるいは固定し熱電発電素子
ブロックを形成する工程と、熱電発電素子ブロックの配
線端面および配線端面と同一面の絶縁層を平坦化する工
程と、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を接続して、
複数の直列した熱電対を形成するような導電性接着剤か
らなる導電体を配置した透明基板または半透明基板を熱
電発電素子ブロックに接合し、導電性接着剤を硬化させ
るために加熱する工程よりなることを特徴とする。

【００１５】本発明における熱電発電素子の製造方法に
おいては、ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状素子
とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを絶縁
層を介しつつ規則的に配置あるいは固定し熱電発電素子
ブロックを形成する工程と、熱電発電素子ブロックの配
線端面および配線端面と同一面の絶縁層を平坦化する工
程と、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部に導電膜を形
成する工程と、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を接
続して、複数の直列した熱電対を形成するような導電性
接着剤からなる導電体を配置した透明基板または半透明
基板を熱電発電素子ブロックに接合し、導電性接着剤を
硬化させるために加熱する工程とを有することを特徴と
する。

【００１６】〔作用〕本発明における熱電発電素子にお
いては、熱電発電素子中の棒状素子を配線する際に、透
明基板や半透明基板に導電体で配線パターンを形成した
後、棒状素子と配線パターンの位置合わせを行ない接合
する。配線パターンを形成した基板が、透明または半透
明なので、基板裏側から配線パターンを見ることがで
き、棒状素子と配線パターンとの位置合わせが簡単であ
る。

【００１７】さらにまた、基板を絶縁基板とすれば、従
来必要であった絶縁基板や絶縁膜の形成が必要でなく、
外部との電気的絶縁効果も発揮することができる。

【００１８】配線用の導電体を設けた透明基板として、
ガラス板を用いる場合、熱伝導率が問題となってくる。
たとえば熱電発電素子を腕時計に搭載した場合、体温を
ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の接続部に伝導し、できる
だけ多くの発電をするために、熱伝導率が大きな材料を
選択するのが有効である。しかしながら、ガラスの熱伝
導率は１０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1前後のものが多く、ケイ素の
１６８Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1と比較しても非常に小さい。

【００１９】熱伝導率が大きい材料であるアルマイト処
理を行なったアルミニウム（熱伝導率：２３８Ｗ・ｍ^-1
・Ｋ^-1）は、熱電発電素子の絶縁基板として使用するこ
とができる。導電体を形成した透明基板に、ガラスのな
かでは熱伝導率が大きい石英ガラス（熱伝導率：１４Ｗ
・ｍ^-1・Ｋ^-1）を使用すると、アルミニウムの１５分の
１である。

【００２０】しかし、熱伝導率の差は、透明基板の厚さ
を薄くすることで解消することが可能で、ガラス類の方
が金属類より薄くしてもハンドリングしやすい。また、
腕時計等に搭載する場合、熱電発電素子は小型である必
要があり、透明基板の厚さを薄くすることは不利にはな
らない。

【００２１】また、熱伝導率の面で不利が生じないため
に、導電体を形成した基板として透光性セラミックスを
用いる手段もある。太陽電池式腕時計における文字盤に
用いるような透過率の高いセラミックスであれば半透明
であり、配線パターンの導電体を裏側から見ることが可
能であり、さらに、棒状素子の位置を確認できるので、
透明基板と同じようにアライメントが簡単にできる。ア
ルミナからなるセラミックスの熱伝導率は、２１０Ｗ・
ｍ^-1・Ｋ^-1であり、アルミニウムとほとんど変わらな
い。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の熱電
発電素子の製造方法およびその構造における最適な実施
形態を説明する。

【００２３】〔構造の第１の例：図８〜図１１〕はじめ
に、本発明における熱電発電素子構造を図８から図１１
を用いて説明する。図８および図９は本発明の実施形態
における熱電発電素子構造を示す平面図であり、図１０
は本発明の実施形態における熱電発電素子構造を示す斜
視図であり、図１１は本発明の実施形態における熱電発
電素子構造を示す断面図である。

【００２４】図１０と図１１に示すように、本発明の熱
電発電素子の構造は、熱電発電素子ブロック５３と、そ
の熱電発電素子ブロック５３の上面５５と下面にそれぞ
れ設ける導電体５８を設けた石英ガラスからなる透明基
板５９とを有する。

【００２５】熱電発電素子ブロック５３は、ｎ型熱電半
導体を加工して柱状にしたｎ型棒状素子５１と、ｐ型熱
電半導体を加工して柱状にしたｐ型棒状素子５２を規則
的に配置して構成する。ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素
子５２、あるいはｎ型棒状素子５１同士、あるいはｐ型
棒状素子５２同士を絶縁し、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒
状素子５２を固定するために、絶縁性樹脂からなる絶縁
層５０を設ける。

【００２６】熱電発電素子ブロック５３の上面５５およ
び下面５６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２の表
面には、図１１に断面図を示すように、導電膜５７を配
置する。

【００２７】石英ガラスからなる透明基板５９には、熱
電発電素子ブロック５３の上面５５と下面５６に配置
し、熱電発電素子ブロック５３に接する面に導電体５８
を形成する。この導電体５８は、熱電発電素子ブロック
５３の上面５５においては、図８に示すように、ｎ型棒
状素子５１とｐ型棒状素子５２とを直列に接続するよう
に配置している。

【００２８】熱電発電素子ブロック５３の下面５６にお
いては、図９に示すように、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒
状素子５２とを直列に接続するように配置する。ｎ型棒
状素子５１とｐ型棒状素子５２とは、それらの端部で導
電体５８により直列に接続され、複数の直列接続した熱
電対を構成する。

【００２９】透明基板５９、導電体５８、導電膜５７、
および熱電発電素子ブロック５３の構成の断面図は、図
１１に示す。

【００３０】図１０に示すように、熱電発電素子ブロッ
ク５３の側面６５にも、導電体６１を設け、その導電体
６１を引き出し線用パッドとして使用し、導線と半田や
導電性接着剤で接続する。導線は、他素子または他回路
への接続に用いる。

【００３１】〔製造方法の第１の例：図１〜１１〕つぎ
に、上記の熱電発電素子構造を得るための製造方法を説
明する。図１から図６は本発明の実施形態における熱電
発電素子の製造方法を示す斜視図であり、図７から図９
は本発明の実施形態における熱電発電素子の製造方法を
示す平面図であり、図１０は本発明の実施形態における
熱電発電素子の製造方法を示す斜視図であり、図１１は
本発明の実施形態における熱電発電素子構造を示す断面
図である。

【００３２】はじめに、図１に示すように、ｎ型熱電半
導体ブロック１とｐ型熱電半導体ブロック２とを用意す
る。ｎ型熱電半導体ブロック１およびｐ型熱電半導体ブ
ロック２は、加工後にそれぞれ柱形状のｎ型棒状素子お
よびｐ型棒状素子となる半導体金属ブロックである。

【００３３】本発明の実施形態では、ｎ型熱電半導体ブ
ロック１としてｎ型熱電半導体であるｎ型のＢｉＴｅの
焼結体、ｐ型熱電半導体ブロック２としてｐ型熱電半導
体であるｐ型のＢｉＴｅＳｂの焼結体を用い、大きさは
ともに１２ｍｍｘ１２ｍｍｘ４ｍｍとする。

【００３４】続いて図２に示すように、ｎ型熱電半導体
ブロック１に縦溝２６を形成し、縦隔壁２７を残してｎ
型溝入ブロック２１とする。同じように、ｐ型熱電半導
体ブロック２からｐ型溝入ブロック２２を形成するが、
このとき、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２
２とで、縦溝のピッチ寸法を同一にし、かつ、一方のブ
ロックの縦溝幅寸法が他方のブロックの縦隔壁幅寸法よ
りも大きくなるように、縦溝２６と縦隔壁２７とを形成
する。

【００３５】この縦溝２６の幅寸法への制限は、後述の
工程で、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２
を溝同士で嵌め合わせるために設定してある。この縦溝
幅と縦隔壁幅の差は、後工程で絶縁樹脂層の幅寸法を決
定するため、確実に絶縁をとることと、嵌め合わせの工
程における作業性を考慮すると、１０μｍ以上あること
が好ましい。

【００３６】なお、本発明の実施形態における熱電発電
素子の製造方法では、縦溝２６の加工としては、ワイヤ
ーソーによる研磨加工により行う。

【００３７】ここではワイヤーソーのワイヤー断面は円
形であるため、縦溝２６の加工溝底は厳密には曲面とな
るが、図面の都合上、図２の斜視図においては、平らな
底として図示してある。

【００３８】そして、それぞれのブロックには、深さ３
ｍｍ（ここで、外形の４ｍｍを厚さ方向とする）、ピッ
チ１２０μｍ、幅７０μｍの縦溝２６をワイヤーソーに
より形成する。

【００３９】つぎに図３の工程に示すように、図２に示
したｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２と
を、縦溝２６に相手の縦隔壁２７を互いに挿入し合っ
て、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２を組
み合わせて一体化する。組み合わせた２つのｎ型溝入ブ
ロック２１とｐ型溝入ブロック２２は、嵌合部に接着層
６２を設けて固着することによって、一体化ブロック３
とする。

【００４０】一体化ブロック３を作製する際の接着工程
で注意すべき点は、接着層６２には２つのブロックの接
合以外に、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２
２とのあいだの電気的絶縁性を確保する働きをも、具備
させなければならないことにある。

【００４１】ワイヤーソーのような研磨加工によって縦
溝２６の内壁が非常に平滑に加工することができた場合
には、流動性の高い接着剤中に、固着前の一体ブロック
３を部分的に浸漬し、毛管現象により接着剤を縦溝２６
と縦隔壁２７との隙間に充填すれば絶縁性は確保でき
る。

【００４２】ここで接着層６２に用いる接着剤として
は、低粘度の常温硬化型のエポキシ系の接着剤を用いる
こととする。

【００４３】さて、このように図３において完成した一
体化ブロック３は、つぎに図４に示すように、再度の溝
加工工程により横溝４６を形成し、溝入一体化ブロック
４３にする。横溝４６の加工は、図２での縦溝２６の工
程と同じように行ない、残った部分が横隔壁４７とな
る。すなわち、ワイヤーソーによる研磨加工により横溝
４６を形成する。

【００４４】なお、本工程での横溝４６は縦溝２６に交
差した方向に形成するもので、一般的には、図４に示し
たとおり直交させるのが最適である。

【００４５】横溝４６は、図４に示すように、一体化ブ
ロック３のｐ型熱電半導体側の面から形成してもよく、
また、これとは逆にｎ型熱電半導体側の面から形成して
もよい。すなわち、横溝４６は一体化ブロック３の上下
いずれの側からでも形成可能である。また、横溝４６の
深さ加工は、一体化ブロック３におけるｎ型熱電半導体
とｐ型熱電半導体の縦溝２６や縦隔壁２７の嵌合部を切
断する箇所まで形成することが好ましい。

【００４６】横溝４６の加工幅寸法は、縦溝２６とは異
なり、なるべく微細な幅寸法で行なうがよい。これはつ
ぎの工程でわかるとおり、熱電発電素子としての発電能
力に寄与するのは横隔壁４７の部分であり、横溝４６の
領域をできるだけ小さくすることが、熱電発電素子性能
面から好ましいからである。

【００４７】したがって、本発明の実施形態では、ピッ
チ１２０μｍ、幅４０μｍ、深さ３ｍｍの横溝４６を形
成する。なお、溝幅４０μｍはワイヤーソー加工での溝
幅としてのほぼ限界値である。

【００４８】図４の工程に続いて、図５に示すように、
横溝４６にエポキシ系の絶縁性樹脂を充填し、その後、
この絶縁性樹脂を硬化して絶縁樹脂層５４を形成する。
その後、絶縁樹脂層５４で固めた溝入一体化ブロック４
３は、その上下面の研削かくを行ない溝入一体化ブロッ
ク４３の上下面を除去して、ｎ型熱電半導体とｐ型熱電
半体の縦溝２６と縦隔壁２７との嵌合部を残すように研
削し、図６に示す熱電発電素子ブロック５３を形成す
る。

【００４９】前述の図３を用いて説明した工程で形成し
た接着層６２と、図５を用いて説明した工程で形成した
絶縁樹脂層５４とは、電気的な絶縁を得るという、同じ
機能をもつ層なので、この図６以降の説明では、接着層
６２と絶縁樹脂層５４の両者あわせて絶縁層５０と記載
する。

【００５０】図６に示す状態における熱電発電素子ブロ
ック５３は、ｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体が柱状に
規則的に並んでおり、ｎ型熱電半導体のそれぞれの柱が
ｎ型棒状素子５１であり、ｐ型熱電半導体のそれぞれの
柱がｐ型棒状素子５２となっている。ｎ型棒状素子５１
とｐ型棒状素子５２の断面形状は、５０μｍ×８０μｍ
の長方形である。熱電発電素子ブロック５３を６×２．
４×２ｍｍとすれば、５０×８０×２０００μｍの柱状
のｎ型棒状素子およびｐ型棒状素子を各１０００本ず
つ、熱電対を１０００対形成している。

【００５１】その後、熱電発電素子ブロック５３の上面
５５と下面５６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５
２、すなわち棒状素子の両端部に、無電解メッキ処理に
よりニッケルからなる導電膜５７を２μｍの厚さで形成
する。

【００５２】この状態の熱電発電素子ブロック５３の上
面５５、および下面５６を真上からみた上面図を図７に
示す。ただし、図６においては、熱電発電素子ブロック
５３の側面６５において、棒状素子が露出しているが、
図面の関係上、図７においては露出させていない。

【００５３】そののち図８に示すように、石英ガラスか
らなる透明基板５９に、スクリーン印刷法により、導電
性接着剤からなる導電体５８の配線パターンを形成す
る。この配線パターンは、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状
素子５２とを、その端面で接続する。

【００５４】石英ガラスの透明基板５９の配線パターン
非形成面のうら面側から、配線パターンと、熱電発電素
子ブロック５３の上面５５上のニッケルからなる導電膜
５７とを観察しながら、両者の位置合わせを行う。石英
ガラスからなる透明基板５９は透明であるため、配線パ
ターンを形成していないうら面側から、配線パターンと
熱電発電素子ブロック５３の上面５５との双方を観察す
ることができる。

【００５５】ここで導電体５８として用いる導電性接着
剤としては、銀フィラーを含有する加熱硬化型のエポキ
シ系の樹脂を用いることとする。

【００５６】配線パターンと熱電発電素子ブロック５３
との位置合わせは、熱電発電素子ブロック５３の上面５
５のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２が、石英ガラ
スからなる透明基板５９の合わせ位置６０の位置にくる
ようにして行なう。

【００５７】このように熱電発電素子ブロック５３と石
英ガラスからなる透明基板５９の位置合わせをおこなっ
たら、そののち圧力を加え、熱電発電素子ブロック５３
に透明基板５９を仮止めする。その後、温度１２０℃の
炉にて３時間の加熱処理を行ない、配線パターンを形成
した導電体５８の導電性接着剤を硬化させる。

【００５８】ここで、透明基板５９として使用する石英
ガラスの厚さは、できるだけ薄くして、熱伝導率の影響
を少なくする。この実施の形態においては、１００μｍ
の厚さのものを透明基板５９として使用する。

【００５９】つぎに、以上の説明と同じような処理工程
を行なうことによって、熱電発電素子ブロック５３の下
面５６も同様に、導電膜５７にてｎ型棒状素子５１とｐ
型棒状素子５２とを配線する。これを図９を用いて説明
する。

【００６０】図９に示すように、石英ガラスからなる透
明基板５９に、スクリーン印刷法により、導電性接着剤
からなる導電体５８の配線パターンを形成する。石英ガ
ラスの透明基板５９の配線パターンを形成していないう
ら面側から、配線パターンと、熱電発電素子ブロック５
３の下面５６上のニッケルからなる導電膜５７とを見な
がら、両者の位置合わせを行う。

【００６１】配線パターンと熱電発電素子ブロック５３
との位置合わせは、熱電発電素子ブロック５３の下面５
６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２が、石英ガラ
スからなる透明基板５９の合わせ位置６０の位置にくる
ようにして行なう。

【００６２】図８と図９の配線パターンの関係は、ｎ型
棒状素子とｐ型棒状素子からなる熱電対が、直列に複数
接続するようにする。

【００６３】このようにして、熱電発電素子ブロック５
３と、石英ガラスからなる透明基板５９の位置合わせを
おこなったら、そののち圧力を加え、透明基板５９を熱
電発電素子ブロック５３に仮止めする。その後、温度１
２０℃の炉にて３時間の加熱処理を行ない、配線パター
ンを形成した導電体５８の導電性接着剤を硬化させる。

【００６４】本発明の実施形態で用いたｎ型熱電半導体
であるＢｉＴｅ、およびｐ型熱電半導体であるＢｉＴｅ
Ｓｂは、導電性接着剤との接触抵抗が非常に大きいが、
熱電発電素子ブロック５３の上面５５および下面５６の
ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２に、本発明の実施
形態のようにニッケル膜からなる導電膜５７を形成した
後、配線することにより、接触抵抗を低くすることがで
きる。

【００６５】その後、熱電発電素子ブロック５３の１つ
の側面６５に、他回路への引き出し線を接続するパッド
を形成する。金属板に開口部を２箇所設け、その開口部
が熱電発電素子ブロック５３の上面５５で行う配線の両
端と接するようにする。金属板を側面に密着させ、固定
する。

【００６６】その後、熱電発電素子ブロック５３の側面
６５での引き出し線用のパッド形成のための真空蒸着処
理を行なう。真空蒸着処理における膜厚はクロム１００
ｎｍ、銅９００ｎｍとを順次形成する。この開口部を形
成した金属板を用いて真空蒸着処理を行なうことによっ
て、図１０に示すように、熱電発電素子ブロック５３の
側面６５に２箇所の引き出し線用パッド６１を形成する
ことができる。

【００６７】その後、図９に示す導電体６１と導線（図
示せず）とを半田付けにより接続する。この導線を他回
路との接続、あるいは他の熱電発電素子への引き出し線
として用いる。

【００６８】配線工程により、ｎ型棒状素子とｐ型棒状
素子の熱電対１０００対が直列に電気的に接続される。
直列接続の両端の電極は、熱電発電素子ブロック５３の
側面６５の引き出し線用のパッドと電気的に接続してい
るため、側面に引き出し線を接続することができる。

【００６９】側面には、配線パターンがないため、充分
なスペースがあり、引き出し線用のパッドは、熱電発電
素子ブロック５３の側面の大きさ６×２ｍｍのスペース
に２箇所設ければよいので、ある程度大きな寸法をもっ
て形成できる。そのため、半田や導電性接着剤等によ
り、容易に引き出し線を接続することができる。

【００７０】この製造方法により、図１０に示すような
熱電発電素子を作成することができる。熱電発電素子ブ
ロックの上下に石英ガラスが設けられているため、再
度、絶縁基板を形成する必要が無く、石英ガラスの厚さ
も、前述のように１００μｍ程度と薄いので、この石英
ガラスで熱伝導を損なうほどではない。

【００７１】ｎ型棒状素子５１と、ｐ型棒状素子５２
と、それらの端面部に形成した導電膜５７と、導電体５
８との配線部の断面構造を図１１に示す。

【００７２】この製造方法により作成した１０００対の
熱電対を形成した熱電発電素子の電気抵抗値は、１１ｋ
Ωであり、熱電半導体材料のみの理論特性にたいして１
０％程度高いだけであった。また、起電力は３９２Ｖ／
℃であり、同じく理論特性に対して、９８％の値を示
し、充分実用のレベルであった。

【００７３】作成した熱電発電素子の大きさは６×２．
４×２．２ｍｍである。１．３℃の温度差で、腕時計を
駆動し、さらに充電するのに充分な２．６Ｖを得るため
に必要な熱電対は５０００対であり、本例により作成し
た熱電発電素子を５個格納する必要がある。しかし、５
個の断面積は７２ｍｍ²であり、腕時計に格納するのに
充分に小型である。

【００７４】〔構造の第２の例：図８〜１１〕つぎに本
発明の第２の実施形態における熱電発電素子の構造を図
８から図１１を使用して説明する。図１０、および図１
１に示すように、本発明の第２の実施形態における熱電
発電素子の構造は、熱電発電素子ブロック５３と、その
熱電発電素子ブロック５３の上面５５と下面５６にそれ
ぞれ導電体５８を設けたアルミナ系のセラミックからな
る半透明基板５９とを有する。

【００７５】熱電発電素子ブロック５３は、ｎ型熱電半
導体を加工して柱状にしたｎ型棒状素子５１と、ｐ型熱
電半導体を加工して柱状にしたｐ型棒状素子５２を規則
的に配置して構成する。ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素
子５２、またはｎ型棒状素子５１同士、またはｐ型棒状
素子５２同士を絶縁し、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素
子５２の固定するために、絶縁性樹脂からなる絶縁層５
０を設ける。

【００７６】熱電発電素子ブロック５３の上面５５およ
び下面５６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２との
表面には、図１１に断面図を示すように、導電膜５７を
配置する。

【００７７】セラミックからなる半透明基板５９には、
熱電発電素子ブロック５３の上面５５と下面５６とに配
置し、熱電発電素子ブロック５３に接する面に導電体５
８を形成する。

【００７８】この導電体５８は、熱電発電素子ブロック
５３の上面５５においては、図８に示すように、ｎ型棒
状素子５１とｐ型棒状素子とを直列に接続するように配
置する。熱電発電素子ブロック５３の下面５６において
は、図９に示すように、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素
子５２とを直列に接続するように配置する。ｎ型棒状素
子５１とｐ型棒状素子５２とは、それらの端部で導電体
５８により直列に接続され、複数の直列した熱電対を構
成する。

【００７９】半透明基板５９、導電体５８、導電膜５
７、および熱電発電素子ブロック５３の構成の断面図
は、図１１に示す。

【００８０】図１０に示すように、熱電発電素子ブロッ
ク５３の側面６５にも、導電体６１を設け、その導電体
６１を引き出し線用パッドとして使用し、導線と半田や
導電性接着剤を用いて接続する。導線は、他素子または
他回路への接続に用いる。

【００８１】〔製造方法の第２の例：図１〜図１１〕つ
ぎに本発明の第２の実施形態における熱電発電素子構造
を得るための製造方法を図１から図１１を使用して説明
する。製造方法の第１の例と同様の方法で、図６に示す
ような熱電発電素子ブロック５３を作成する。

【００８２】その後、熱電発電素子ブロック５３の上面
５５と下面５６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５
２、すなわち棒状素子の両端部に、無電解メッキ処理に
よりニッケルからなる導電膜５７を２μｍの厚さで形成
する。

【００８３】この状態の熱電発電素子ブロック５３の上
面５５、および下面５６を真上からみた上面図を図７に
示す。

【００８４】セラミック基板を作成する。このセラミッ
ク基板はアルミナの粉末をプレス成形し、その後、温度
１４７０℃で仮焼成し、１７３０℃で真空焼成する。さ
らにその後、１４７０℃でホワイティング焼成し、両面
研削加工を行なった後、バレル研磨を行ない、最後に再
び１４７０℃で焼成する。

【００８５】この方法により、５００μｍ厚のセラミッ
ク基板を作成し、熱電発電素子の配線用の基板として用
いる。

【００８６】そののち、図８に示すように、石英ガラス
からなる透明基板５９に、スクリーン印刷法により、導
電性接着剤からなる導電体５８の配線パターンを形成す
る。この配線パターンは、ｎ型棒状素子５１とｐ型棒状
素子５２とを、その端面で接続する。

【００８７】セラミックの半透明基板５９の配線パター
ン非形成面のうら面側から、配線パターンと熱電発電素
子ブロック５３の上面５５上のニッケルからなる導電膜
５７を見ながら、両者の位置合わせを行う。セラミック
からなる半透明基板５９は、透光率がおよそ５０％の半
透明であるため、配線パターンを形成していないうら面
側から、配線パターンと熱電発電素子ブロック５３の上
面５５との双方を観察することができる。

【００８８】ここで導電体５８として使用した導電性接
着剤は、製造方法の第１の実施形態と同様に、銀フィラ
ーを含有する熱硬化型のエポキシ系樹脂を用いればよ
い。

【００８９】配線パターンと熱電発電素子ブロック５３
との位置合わせは、熱電発電素子ブロック５３の上面５
５のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２が、セラミッ
クからなる半透明基板５９の合わせ位置６０の位置にく
るようにして行なう。

【００９０】このように熱電発電素子ブロック５３と、
セラミックからなる半透明基板５９の位置合わせをおこ
なったら、その後圧力を加え、熱電発電素子ブロック５
３を半透明基板５９に仮止めする。その後、温度１２０
℃の炉にて３時間の加熱処理を行ない、配線パターンを
形成した導電体５８の導電性接着剤を硬化させる。

【００９１】つぎに、以上の説明と同じような処理工程
を行なうことによって、熱電発電素子ブロック５３の下
面５６も同様に、導電膜５７にてｎ型棒状素子５１とｐ
型棒状素子５２とを配線する。これを図９を用いて説明
する。

【００９２】図９に示すように、セラミックからなる半
透明基板５９に、スクリーン印刷法により、導電性接着
剤からなる導電体５８の配線パターンを形成する。セラ
ミックからなる半透明基板５９の配線パターンを形成し
ていないうら面側から、配線パターンと熱電発電素子ブ
ロック５３の下面５６上のニッケルからなる導電膜５７
を見ながら、両者の位置合わせ作業を行う。

【００９３】配線パターンと熱電発電素子ブロック５３
との位置合わせは、熱電発電素子ブロック５３の下面５
６のｎ型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２が、セラミッ
クからなる半透明基板５９の合わせ位置６０の位置にく
るようにして行なう。

【００９４】図８と図９の配線パターンの関係は、ｎ型
棒状素子とｐ型棒状素子からなる熱電対が、直列に複数
接続するようにする。

【００９５】このようにして、熱電発電素子ブロック５
３とセラミックからなる半透明基板５９の位置合わせを
おこなったら、その後、圧力を加え、半透明基板５９を
熱電発電素子ブロック５３に仮止めする。その後、温度
１２０℃の炉にて３時間の加熱処理を行い、配線パター
ンを形成した導電体５８の導電性接着剤を硬化させる。

【００９６】本発明の実施形態で用いたｎ型熱電半導体
であるＢｉＴｅおよびｐ型熱電半導体であるＢｉＴｅＳ
ｂは、導電性接着剤との接触抵抗が非常に大きいが、熱
電発電素子ブロック５３の上面５５および下面５６のｎ
型棒状素子５１とｐ型棒状素子５２に、この発明の第２
の実施形態のように、ニッケル膜からなる導電膜５７を
形成した後、配線することにより、接触抵抗を低くする
ことができることは、製造方法における第１の実施形態
と同様である。

【００９７】その後、熱電発電素子ブロック５３の１つ
の側面６５に、他回路への引き出し線を接続するパッド
を形成する。金属板に開口部を２箇所設け、その開口部
が熱電発電素子ブロック５３の上面５５で行う配線の両
端と接するようにする。金属板を側面に密着させ、固定
する。

【００９８】その後、熱電発電素子ブロック５３の側面
６５での引き出し線用のパッド形成のための真空蒸着処
理を行なう。真空蒸着処理における膜厚はクロム１００
ｎｍ、銅９００ｎｍとを順次形成する。この開口部を形
成した金属板を用いて真空蒸着処理を行なうことによっ
て、図１０に示すように、熱電発電素子ブロック５３の
側面６５に２箇所の引き出し線用パッド６１を形成する
ことができる。

【００９９】その後、図９に示す導電体６１と導線（図
示せず）とを半田付けにより接続する。この導線を他回
路との接続、あるいは他の熱電発電素子への引き出し線
として用いる。

【０１００】配線工程により、ｎ型棒状素子とｐ型棒状
素子の熱電対１０００対が直列に電気的に接続される。
直列接続の両端の電極は、熱電発電素子ブロック５３の
側面６５の引き出し線用のパッドと電気的に接続してい
るため、側面に引き出し線を接続することができる。

【０１０１】側面には、配線パターンがないため、充分
なスペースがあり、引き出し線用のパッドは、熱電発電
素子ブロック５３の側面の大きさ６×２ｍｍのスペース
に２箇所設ければよいので、ある程度大きな寸法をもっ
て形成できる。そのため、半田や導電性接着剤等によ
り、容易に引き出し線を接続することができる。

【０１０２】この製造方法により、図１０に示すような
熱電発電素子を作成することができる。熱電発電素子ブ
ロックの上面下面にセラミック基板が設けられているた
め、再度、絶縁基板を形成する必要が無い。またさら
に、アルミナはアルミニウム並の熱伝導率をもつので、
腕時計にこの熱電発電素子を搭載しても、体温のエネル
ギーを損なうことなく熱電発電素子に伝導し、冷接点か
らの放熱も行われやすい。

【０１０３】ｎ型棒状素子５１と、ｐ型棒状素子５２
と、それらの端面部に形成した導電膜５７と、導電体５
８との配線部の断面構造を図１１に示す。

【０１０４】この製造方法により作成した１０００対の
熱電対を形成した熱電発電素子の電気抵抗値および起電
力は、製造方法における第１の実施形態で製造したもの
とほぼ同等であり、実用のレベルであった。

【０１０５】作成した熱電発電素子の大きさは６×２．
４×３ｍｍである。１．３℃の温度差で、腕時計を駆動
し、さらに充電するのに充分な２．６Ｖを得るために必
要な熱電対は５０００対であり、本例により作成した熱
電発電素子を５個格納する必要がある。しかし、５個の
断面積は７２ｍｍ²であり、腕時計に格納するのに充分
に小型である。

【０１０６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
熱電発電素子によれば、微小な熱電発電素子の配線を容
易な作業で行うことができる。また、それにより本来の
特性を損なうことがないため、腕時計などへの微小な機
器への組み込みも可能である。

【０１０７】本発明の熱電発電素子により、腕時計など
の携帯用電子機器へ温度差発電を利用できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図３】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図６】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す斜視図である。

【図７】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す平面図である。

【図８】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す平面図である。

【図９】本発明の実施の形態における熱電発電素子およ
びその製造方法を示す平面図である。

【図１０】本発明の実施の形態における熱電発電素子お
よびその製造方法を示す斜視図である。

【図１１】本発明の実施の形態における熱電発電素子お
よびその製造方法を示す断面図である。

【符号の説明】

１：ｎ型熱電半導体ブロック ２：ｐ型熱電
半導体ブロック ２６：縦溝 ２７：縦隔壁 ４６：
横溝 ４７：横隔壁 ５０：絶縁層 ５
１：ｎ型棒状素子 ５２：ｐ型棒状素子 ５３：熱電発電素子
ブロック ５８：導電体 ５９：基板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状
   素子とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを
   絶縁層を介しつつ規則的に配置あるいは固定した熱電発
   電素子ブロックと、 熱電発電素子ブロックに接合され、ｎ型棒状素子とｐ型
   棒状素子の端部を接続して複数の直列した熱電対を形成
   するような導電性接着剤からなる導電体を配置した透明
   基板または半透明基板とを備えることを特徴とする熱電
   発電素子。
2. 【請求項２】 ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状
   素子とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを
   絶縁層を介しつつ規則的に配置あるいは固定した熱電発
   電素子ブロックと、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端面部に形成する導電膜
   と、 熱電発電素子ブロックに接合され、ｎ型棒状素子とｐ型
   棒状素子の端部を接続して複数の直列した熱電対を形成
   するような導電性接着剤からなる導電体を配置した透明
   基板または半透明基板とを備えることを特徴とする熱電
   発電素子。
3. 【請求項３】 ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状
   素子とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを
   絶縁層を介しつつ規則的に配置あるいは固定し熱電発電
   素子ブロックを形成する工程と、 熱電発電素子ブロックの配線端面および配線端面と同一
   面の絶縁層を平坦化する工程と、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を接続して、複数の
   直列した熱電対を形成するような導電性接着剤からなる
   導電体を配置した透明基板または半透明基板を熱電発電
   素子ブロックに接合し、導電性接着剤を硬化させるため
   に加熱する工程とを有することを特徴とする熱電発電素
   子の製造方法。
4. 【請求項４】 ｎ型熱電半導体からなる複数のｎ型棒状
   素子とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子とを
   絶縁層を介しつつ規則的に配置あるいは固定し熱電発電
   素子ブロックを形成する工程と、 熱電発電素子ブロックの配線端面および配線端面と同一
   面の絶縁層を平坦化する工程と、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部に導電膜を形成する
   工程と、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を接続して、複数の
   直列した熱電対を形成するような導電性接着剤からなる
   導電体を配置した透明基板または半透明基板を熱電発電
   素子ブロックに接合し、導電性接着剤を硬化させるため
   に加熱する工程とを有することを特徴とする熱電発電素
   子の製造方法。
5. 【請求項５】 透明基板は、 ガラスよりなる請求項１または請求項２記載の熱電発電
   素子。
6. 【請求項６】 半透明基板は、 セラミックよりなる請求項１または請求項２記載の熱電
   発電素子。
7. 【請求項７】 透明基板は、 ガラスよりなる請求項３または請求項４記載の熱電発電
   素子の製造方法。
8. 【請求項８】 半透明基板は、 セラミックよりなる請求項３または請求項４記載の熱電
   発電素子の製造方法。