JP2001358373A - 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を製造し導電性接着剤に
より配線を行う方法と、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３１とｐ型熱電半導体からなる複数のｐ型棒状素子
３２とを絶縁層１７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３３を形成する工程と、ｎ型
棒状素子３１とｐ型棒状素子３２の両端部を絶縁層１７
の面位置より凹にする工程と、開口部をもつガイド用樹
脂３６を絶縁基板３５上に配置する工程と、ガイド用樹
脂３６の開口部内に導電体３８を配置する工程と、ｎ型
棒状素子３１とｐ型棒状素子３２の両端部に導電体３８
を配置する工程と、導電体３８を接合し硬化させてｎ型
棒状素子３１とｐ型棒状素子３２からなる熱電対を複数
直列に電気的接続する工程とを有することを特徴とする
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】この発明は熱電発電素子の構
造と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用電子機器への応用
が注目されている。

【０００４】熱電発電素子では、ｎ型半導体の熱電材料
とｐ型型半導体の熱電材料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】さらに、熱電発電素子を腕時計に搭載する
場合、当然他の時計部品と同等の長期にわたる信頼性、
強度などが必要になってくる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように熱電対の数
が多くかつ小型の熱電発電素子の製造方法は、たとえば
特開昭６３−２０８８０号公報に開示される。これは、
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型棒状素子及びｎ型棒状素子
を形成する方法である。ｐ型棒状素子とｎ型棒状素子
は、スパッタ、エッチングにより、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。

【０００８】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、エッチングにより所定のパターンを形成し
ている。電極材料はスパッタリング法により形成してい
るので、膜厚は１μｍ以下であり、ひっかきに弱い。ま
た、膜の密着性により長期信頼性試験等で問題が生じる
ことがある。

【０００９】長期信頼性試験で、電極材料の剥離や強度
不足により断線等の熱電発電素子の問題が生じるのを防
ぐため、導電性接着剤で配線する方法がある。

【００１０】しかしながら、前述のように時計に搭載す
るような熱電発電素子の配線は、微細で、しかも棒状素
子の両端すなわち立体的な熱電発電素子の両面に行う必
要があるため、使用する導電性接着剤の選定が難しい。
導電性接着剤の粘度と量によっては、配線パターンのだ
れが生じ、ショートを引き起こすことになる。

【００１１】〔発明の目的〕そこで、本発明の目的は、
上記課題を解決して、微小な熱電発電素子の配線をショ
ートやパターン欠落することがない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。

【００１２】

【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、下記に記載する手段を採用する。

【００１３】本発明の熱電発電素子の構造においては、
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、ｎ型棒状素子とｐ型棒
状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹にした熱電発電
素子ブロックと、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を
接続して複数の直列した熱電対を形成するような位置に
開口部をもつガイド用樹脂を配置した絶縁基板と、ガイ
ド用樹脂の開口部内の導電体と、それと一体化した熱電
発電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素子とｐ型棒状
素子の両端部の導電体を備えることを特徴とする。

【００１４】上記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ｎ型棒状素子
とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹にする
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位置に開口部を
もつガイド用樹脂を絶縁基板上に配置する工程と、ガイ
ド用樹脂の開口部内に導電体を配置する工程と、熱電発
電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素子とｐ型棒状素
子の両端部に導電体を配置する工程と、ガイド用樹脂の
開口部内の導電体と熱電発電素子ブロックの導電体を接
合し硬化させて一体化し複数の熱電対を直列に電気的接
続する工程とを有することを特徴とする。

【００１５】また、本発明の熱電発電素子の別の構造に
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、ｎ型棒状素
子とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹にし
た熱電発電素子ブロックと、熱電発電素子ブロックの凹
部であるｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の両端部に配した
導電体と、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子とを接続して複
数の直列した熱電対を形成するような位置の凸部である
絶縁層を被覆する導電体と、導電体上に接合される絶縁
基板を備えることを特徴とする。

【００１６】上記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ｎ型棒状素子
とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹にする
工程と、熱電発電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素
子とｐ型棒状素子の両端部に導電体を配置する工程と、
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位置の凸部である絶縁層
を導電体で被覆する工程と、ｎ型棒状素子とｐ型棒状素
子の端部の導電体と凸の絶縁層を被覆する導電体とを硬
化し一体化させ、絶縁基板を熱電発電素子ブロックの上
下面の導電体上に接合し複数の熱電対を直列に電気的接
続する工程とを有することを特徴とする。

【００１７】本発明の熱電発電素子の別の構造において
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位置に開口部をもつガイド用樹脂を
配置した絶縁基板と、ガイド用樹脂の開口部内の導電体
とを備えることを特徴とする。

【００１８】上記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ｎ型棒状素子
とｐ型棒状素子の両端部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位置に開口部を
もつガイド用樹脂を絶縁基板上に配置する工程と、ガイ
ド用樹脂の開口部内に導電体を配置する工程と、熱電発
電素子ブロックに絶縁基板を接合し導電体を硬化させ複
数の熱電対を直列に電気的接続する工程とを有すること
を特徴とする。

【００１９】〔作用〕腕時計に搭載するような微細な熱
電発電素子のｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の接続を導電
性接着剤で行う場合、ショートやパターン欠落が生じや
すく、導電性接着剤の量、粘度等の調整が難しく、使用
できる導電性接着剤は限定される。

【００２０】しかしながら、本発明のように、ガイド用
樹脂を設けておくと、配線パターンに配置した後に導電
性接着剤が流出して隣接する配線電極と接触しショート
を引き起こすことがない。このため、導電性接着剤の
量、粘度の調整が容易であり、接着剤選択の幅も広くな
る。

【００２１】また、配線後、導電性接着剤硬化時に絶縁
基板によりある程度圧力がかかっているので、本発明の
熱電発電素子においては、電気抵抗値低下の効果もあ
る。

【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６，図７，図９〕ま
ずはじめに、本発明の熱電発電素子の構造における第１
の実施形態を図６、図７、および図９を用いて説明す
る。図９の断面図を示すように、本発明の熱電発電素子
の構造は、主に熱電発電素子ブロック３３と導電体３８
を配した絶縁基板３５からなる。

【００２４】熱電発電素子ブロック３３は、図６の斜視
図を示すように、ｎ型熱電半導体を加工して柱状にした
ｎ型棒状素子３１と、ｐ型熱電半導体を加工して柱状に
したｐ型棒状素子３２を規則的に配置して含む。ｎ型棒
状素子３１とｐ型棒状素子３２、あるいはｎ型棒状素子
３１同士、あるいはｐ型棒状素子３２同士を絶縁し、ｎ
型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２の固定をするため
に、絶縁性樹脂からなる絶縁層１７も含む。

【００２５】図７に示すように、熱電発電素子ブロック
３３の上面５５および下面５６においては、ｎ型棒状素
子３１とｐ型棒状素子３２よりも絶縁層１７の面位置が
凸であり、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２には導
電膜３４を配置する。

【００２６】絶縁層１７の面位置を凸にするのは、導電
体３８が隣接する配線電極に接触するのを防ぐためであ
る。

【００２７】導電膜３４は、導電性接着剤からなる導電
体３８とｎ型熱電半導体およびｐ型熱電半導体の接触抵
抗を低くする役割をもつ。

【００２８】図９のように、絶縁基板３５は、熱電発電
素子ブロック３３の上面５５と下面５６に配置し、熱電
発電素子ブロック３３に接する面にガイド用樹脂３６を
設ける。ガイド用樹脂３６の開口部と、熱電発電素子ブ
ロック３３の上面５５および下面５６で凹部である導電
膜３４上にはｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２を接
続する導電性接着剤である導電体３８を含む。

【００２９】導電体３８は、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒
状素子３２の両端部を接続し、複数の直列した熱電対を
形成する。

【００３０】感光性樹脂から構成するガイド用樹脂３６
は、熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下面５６に
おいて凸になっている絶縁層１７とともに、導電体３８
が隣接する配線電極に接触するのを防ぎ、ショートをな
くす役割をもつ。

【００３１】〔製造方法の第１の例：図１〜図９、図１
５、図１６〕つぎに本発明の熱電発電素子の製造方法に
おける第１の実施形態を、図１から図９、および図１５
と図１６の図面を用いて説明する。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。

【００３２】本実施形態では、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１２ｍｍ×１２ｍｍ×４ｍｍとする。

【００３３】続いて図２に示す工程では、ｎ型熱電半導
体ブロック１に縦溝１５を形成し、縦隔壁１６を残して
ｎ型溝入ブロック１１とする。同様に、ｐ型熱電半導体
ブロック２からｐ型溝入ブロック１２を形成するが、こ
のとき、ｎ型溝入ブロック１１とｐ型溝入ブロック１２
とで、縦溝のピッチを同一にし、かつ、一方のブロック
の縦溝幅が他方のブロックの縦隔壁幅よりも大きくなる
ようにする。

【００３４】この縦溝１５の幅への制限は、後述の工程
でｎ型溝入ブロック１１とｐ型溝入ブロック１２を溝同
士で嵌め合わせるために設定してある。

【００３５】この縦溝幅と縦隔壁幅の差が後工程で絶縁
樹脂層の幅を決定するため、確実に絶縁をとることと、
嵌め合わせの工程での作業性を考慮すると、１０μｍ以
上あることが好ましい。なお、縦溝１５の加工はワイヤ
ーソーによる研磨加工により行う。

【００３６】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１５の加工溝底は厳密には曲面とな
るが、図面の都合上、図２においては平らな底として図
示してある。

【００３７】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２００μｍ、幅１１０μｍの縦溝１５をワイヤーソー
により形成する。

【００３８】図３の工程においては、図２に示したｎ型
溝入ブロック１１とｐ型溝入ブロック１２で、互いに縦
溝１５に相手の縦隔壁１６を挿入し合って組み合わせて
一体ブロック１３とする。組み合わせた２つのブロック
は、図４のように嵌合部に接着層１７を設けて固着する
ことで一体化ブロック１４とする。

【００３９】一体化ブロック１４を作製する際の接着で
注意すべき点は、接着層１７には２つのブロックの接合
以外に、ｎ型溝入ブロック１１とｐ型溝入ブロック１２
との間の電気的絶縁性を確保する働きをも持たせなけれ
ばならないことにある。

【００４０】ワイヤーソーのような研磨加工によって縦
溝１５の内壁が非常に平滑に加工できた場合には、流動
性の高い接着剤中に固着前の一体ブロック１３を部分的
に浸漬し、毛管現象により接着剤を縦溝１５と縦隔壁１
６との隙間に充填すれば絶縁性は確保できる。

【００４１】ここで接着層１７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。

【００４２】さて、このように図４において完成した一
体化ブロック１４は、つぎに図５で示した再度の溝加工
工程により横溝２６を形成する。横溝２６の加工は、図
２での縦溝１５の工程と同様に実施し、残った部分が横
隔壁２５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２６を形成する。なお、本工程での横溝２６
は縦溝１５に交差した方向に形成するもので、一般的に
は図５に示したとおり直交させるのが最適である。

【００４３】横溝２６は図５のように一体化ブロック１
４のｐ型熱電半導体側の面から形成しても、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２６は一体化ブロック１４の上下いずれの側か
らでも形成可能である。

【００４４】また、横溝２６の深さは、一体化ブロック
１４でのｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体の縦溝１５や
縦隔壁１６の嵌合部を切断する所まで形成することが好
ましい。

【００４５】横溝２６の幅は、縦溝１５とは異なり、な
るべく細くするのがよい。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２５の部分であり、横溝２６の領域をできるだけ小
さくするのが素子性能面から好ましいからである。

【００４６】したがって、本実施形態ではピッチ２００
μｍ、幅８０μｍ、深さ３ｍｍの横溝２６を形成する。

【００４７】続いて、図５に示すように横溝２６にエポ
キシ系の絶縁性樹脂を充填し硬化して絶縁層１７を形成
する。前述の図３に示した接着層１７と電気的な絶縁を
得るという、同じ機能を持つ層である。

【００４８】絶縁樹脂層２６で固めた溝入一体化ブロッ
ク２３は、その上下面を研削で除去し、ｎ型熱電半導体
とｐ型熱電半体の縦溝２６と縦隔壁２５との嵌合部を残
すように仕上げ、図６に示すような熱電発電素子ブロッ
ク３３を形成する。

【００４９】図６の状態の熱電発電素子ブロック３３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
３１であり、ｐ型熱電半導体のそれぞれの柱がｐ型棒状
素子３２となっている。

【００５０】ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２の断
面は９０×１２０μｍの長方形である。熱電発電素子ブ
ロック３３を６×７．２×２ｍｍとすれば、９０×１２
０×２０００μｍの柱状のｎ型棒状素子及びｐ型棒状素
子をおよそ１０００本ずつ、熱電対を１０００対以上含
有する。

【００５１】熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下
面５６のｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２、すなわ
ち棒状素子の両端部を酸性溶液により溶解する。この酸
性溶液はｎ型熱電半導体として用いているＢｉＴｅの焼
結体、ｐ型熱電半導体として用いているＢｉＴｅＳｂの
焼結体が溶解できれば特に限定されないが、本実施形態
では水５０％、硝酸２５％、塩酸２５％で混合した溶液
を用いることにする。

【００５２】熱電発電素子ブロック３３の側面はテフロ
ン（登録商標）テープなどで保護し、酸性溶液に浸漬す
る。上面５５と下面５６において、ｎ型棒状素子３１及
びｐ型棒状素子３２の面位置が絶縁層１７の面位置より
５〜１０μｍ低くなるよう、浸漬時間は調整する。

【００５３】図７に示すように、熱電発電素子ブロック
３３の上面５５と下面５６のｎ型棒状素子３１とｐ型棒
状素子３２に、無電解メッキによりニッケルからなる導
電膜３４を１μｍの厚さで形成する。導電膜３４は、後
述する導電体３８と、ｎ型熱電半導体と、ｐ型熱電半導
体との接触抵抗が低ければ、ニッケルに限るものではな
い。たとえば、金や銅などでも良い。

【００５４】本実施形態では、熱電発電素子ブロック３
３のｎ型棒状素子３１およびｐ型棒状素子３２を絶縁層
１７より凹にするために、酸性溶液によるウエットエッ
チングを行ったが、プラズマなどによるドライエッチン
グによる方法もある。

【００５５】図８に示すように、絶縁基板３５に感光性
樹脂からなるガイド用樹脂３６により配線パターンを形
成する。絶縁基板３５はアルミニウムにアルミナコート
したものやシリコン基板に樹脂コートしたものなど、熱
伝導性の高い材質のものを選ぶのが望ましい。

【００５６】ガイド用樹脂３６は膜厚３０μｍの感光性
ドライフィルムを用い、フォトマスクを使用し光照射す
る露光処理と未露光部のみを溶解除去するという現像処
理とのフォトリソグラフィー技術を用いて配線パターン
を形成する。

【００５７】配線パターンの平面図を図１５，および図
１６に示す。パターンは、熱電発電素子ブロック３３の
上面５５に用いるものと下面５６に用いるものと２種類
作製し、熱電発電素子ブロック３３のｎ型棒状素子３１
とｐ型棒状素子３２からなる熱電対を直列に接続するよ
うに形成する。

【００５８】図１５および図１６のように、ガイド用樹
脂３６により形成した配線パターンの凹部に導電体３８
を入れる。ガイド用樹脂３６は３０μｍの厚さがあるの
で、全体に導電体３８を塗布し、後ほど余剰分をぬぐい
去ることによって、図８のようなガイド用樹脂３６の開
口部にのみ導電体３８を塗布した状態とすることが可能
である。ガイド用樹脂３６は導電性接着剤が流れて隣接
する導電体３８が接触してショートすることを防ぐ役割
があるので、絶縁性のものを用いる。

【００５９】さらに、図８に示すように、熱電発電素子
ブロック３３の方にも上面５５，上面５６に導電体３８
を塗布し、ｎ型棒状素子３１およびｐ型棒状素子３２の
導電膜３４上に導電体３８の層を形成する。これも絶縁
基板３５に導電体を塗布したのと同様、絶縁層１７が導
電膜３４より凸になっているので、上面５５および下面
５６の全面に導電体３８を塗布し、余剰分をぬぐい去る
ことが可能である。

【００６０】配線同士がショートするのを防ぐために
は、熱電発電素子ブロック３３に塗布する導電体３８の
量は少なくし、上面５５及び下面５６において、絶縁層
１７が凸になっていることが望ましい。

【００６１】熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下
面５６にも塗布することによって、ｎ型棒状素子３１と
ｐ型棒状素子３２の導電膜３４と導電体３８との密着性
を高めることができる。

【００６２】ここで導電体３８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。

【００６３】図８のような状態に仕上がった熱電発電素
子ブロック３３と上面５５用の絶縁基板３５と下面５６
用の絶縁基板３５を、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子
３２からなる熱電対が直列に接続されるよう、位置あわ
せを行い、圧着し、導電性接着剤からなる導電体３８を
所定の温度で熱硬化させる。

【００６４】断面図を図９に示すように、絶縁基板３５
のガイド用樹脂３６の開口部の導電性接着剤である導電
体３８と、熱電発電素子ブロック３３の上面５５および
下面５６の凹部である導電層３４上の導電体３８は一体
化し、３０μｍ以上の厚膜でｎ型棒状素子とｐ型棒状素
子が接続される。

【００６５】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対以上が直列に電気的に接続され
る。

【００６６】この製造方法により作成した１０００対の
熱電対を含有する熱電発電素子の電気抵抗値は４．１ｋ
Ωで材料のみの理論特性に対して１０％高いだけであっ
た。これは、蒸着等の薄膜で配線した場合とほぼ同等の
値であるが、本実施形態は厚膜で配線しているので、強
度が高くなっている。

【００６７】また、ガイド用樹脂３６や絶縁層１７を導
電体３８のガイドとして使用するので、導電性接着剤か
らなる導電体３８がだれて、隣接する導電体と接触し、
ショートすることがない。さらに、熱電発電素子ブロッ
ク３３の上下に絶縁基板を圧着することから、絶縁基板
なしで導電性接着剤を硬化させた場合よりも抵抗を低く
おさえることができる。

【００６８】〔構造の第２の例：図６、図７、図１１〕
つぎに本発明の熱電発電素子の構造における第２の実施
形態について図６、図７、および図１１の図面を用いて
説明する。

【００６９】本実施形態における熱電発電素子の構造
は、主に熱電発電素子ブロック３３と導電体３８、およ
び絶縁基板３５からなることは構造の第１の実施形態と
同様であるが、構造の第１の実施形態が絶縁基板３５に
ガイド用樹脂３６を配しているのに対し、本実施形態で
は、図１１に示すように熱電発電素子ブロック３３の上
面５５および下面５６において凸になっている絶縁層１
７のみをガイド用として用いる点が異なる。

【００７０】図１１の断面図を示すように、本発明の熱
電発電素子の構造は、構造の第１の実施形態と同様、主
に熱電発電素子ブロック３３と導電体３８を配した絶縁
基板３５からなる。

【００７１】熱電発電素子ブロック３３は、図６に斜視
図を示すように、構造の第１の実施形態と同様、ｎ型棒
状素子３１とｐ型棒状素子３２、絶縁層１７を含む。

【００７２】図７に示すように、熱電発電素子ブロック
３３の上面５５および下面５６においては、ｎ型棒状素
子３１とｐ型棒状素子３２よりも絶縁層１７の面位置が
凸であり、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２には導
電膜３４を配置する点も構造の第１の実施形態と同様で
ある。

【００７３】構造の第１の実施形態では、絶縁基板３５
にガイド用樹脂を配置したが、本実施形態では、図１１
に示すように絶縁基板３５上にはガイド用樹脂を設け
ず、金属マスクやスクリーンマスクなどを用いた印刷に
よって、熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下面５
６の凹部である導電膜３４上に、導電性接着剤である導
電体３８を配置する。

【００７４】導電体３８は、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒
状素子３２の両端部を接続し、複数の直列した熱電対を
形成するように、熱電発電素子ブロック３３の上面５５
および下面５６において面位置が凸である絶縁層１７を
被覆する高さになるようにする。

【００７５】構造の第１の実施形態においては、絶縁基
板３８に３０μｍの厚さのガイド用樹脂３６を配してい
るが、本実施形態では、ガイド用樹脂および導電体を絶
縁基板上には配していない。このため、熱電発電素子の
厚さが薄くなり、婦人用時計など、より小型の用途に用
いることができる。

【００７６】〔製造方法の第２の例：図１〜図７、図１
０、図１１、図１５、図１６〕つづいて、図面を用い
て、熱電発電素子の製造方法の第２の実施形態について
説明する。

【００７７】製造方法の第１の実施形態と同様の方法
で、熱電発電素子ブロック３３を作製する。熱電発電素
子ブロック３３は、図６に示すように、第１の実施形態
と同様である。ｎ型棒状素子及びｐ型棒状素子をおよそ
１０００本ずつ、熱電対を１０００対以上含有する。

【００７８】製造方法の第１の実施形態と同様の方法
で、熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下面５６の
ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２、すなわち棒状素
子の両端部を酸性溶液により溶解する。上面５５と下面
５６において、ｎ型棒状素子３１及びｐ型棒状素子３２
の面位置が絶縁層１７の面位置より数μｍ低くなるよ
う、浸水時間は調整する。

【００７９】図７に示すように、熱電発電素子ブロック
３３の上面５５と下面５６のｎ型棒状素子３１とｐ型棒
状素子３２に、無電解メッキによりニッケルからなる導
電膜３４を１μｍの厚さで形成する。

【００８０】スクリーン印刷法や金属マスクによるスキ
ージにより、熱電発電素子ブロックの上面５５と下面５
６に導電体３８を配置する。

【００８１】熱電発電素子ブロック３３の上面５５と下
面５６で、図１５、図１６に示すような配線パターンで
ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２からなる熱電対を
直列に接続するように形成する。マスクの厚さや導電体
３８の量の調整によって、導電体３８の厚さは３０μｍ
以上になるようにする。

【００８２】図１１に示すように、熱電発電素子ブロッ
ク３３の上面５５と下面５６においては、絶縁層１７が
凸になっているので、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子
３２を接続する箇所では、絶縁層１７の凸部を被覆しな
ければならない。被覆できるように、またガイドとして
の役割も果たす絶縁層１７から流出しないよう、導電体
３８の量と粘度は調整する。

【００８３】ここで導電体３８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。

【００８４】図１０のような状態に仕上がった熱電発電
素子ブロック３３と上面５５用の絶縁基板３５と下面５
６用の絶縁基板３５を圧着し、導電性接着剤からなる導
電体３８を所定の温度で熱硬化させる。

【００８５】断面図を図１１に示すように、３０μｍ以
上の厚膜でｎ型棒状素子とｐ型棒状素子が接続される。

【００８６】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対以上が直列に電気的に接続され
る。

【００８７】この製造方法により作成した１０００対の
熱電対を含有する熱電発電素子の電気抵抗値は４．３ｋ
Ωで材料のみの理論特性に対して１５％高いだけであっ
た。これは、蒸着等の薄膜で配線した場合とほぼ同等の
値であるが、本実施形態は厚膜で配線しているので、強
度が高くなっている。

【００８８】また、絶縁層１７をガイド用として使用す
るので、導電性接着剤からなる導電体３８が流出して、
隣接する導電体と接触し、ショートすることがない。さ
らに、熱電発電素子ブロック３３の上下面に絶縁基板を
圧着していることから、絶縁基板なしで導電性接着剤を
硬化させた場合よりも抵抗を低くおさえることができ
る。

【００８９】〔構造の第３の例：図６、図１２、図１
４〕つぎに本発明の熱電発電素子の構造における第３の
実施形態について図６、および図１２から図１４の図面
を用いて説明する。

【００９０】本実施形態における熱電発電素子の構造
は、主に熱電発電素子ブロック３３と導電体３８、およ
び絶縁基板３５からなることは構造の第１の実施形態と
同様であるが、構造の第１の実施形態が、熱電発電素子
ブロック３３の上面５５と下面５６において絶縁層１７
の面位置がｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２より凸
であるのに対し、本実施形態は同位置である点が異な
る。

【００９１】図１４に断面図を示すように本発明の熱電
発電素子の構造は、主に熱電発電素子ブロック３３と導
電体３８を配した絶縁基板３５からなる。熱電発電素子
ブロック３３は、図６に斜視図を示すようにｎ型棒状素
子３１とｐ型棒状素子３２、絶縁層１７を含むことは、
構造の第１の実施形態と同様である。

【００９２】図１２に示すように、熱電発電素子ブロッ
ク３３の上面５５および下面５６においては、ｎ型棒状
素子３１とｐ型棒状素子３２と絶縁層１７の面位置が同
位置であり、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子３２には
導電膜３４を配置する。

【００９３】図１４のように、絶縁基板３５は、熱電発
電素子ブロック３３の上面５５と下面５６に配置し、熱
電発電素子ブロック３３に接する面にガイド用樹脂３６
を含む。ガイド用樹脂３６の開口部と、熱電発電素子ブ
ロック３３の上面５５および下面５６の導電膜３４上に
は一体化した導電性接着剤である導電体３８を含む。

【００９４】導電体３８は、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒
状素子３２の両端部を接続し、複数の直列した熱電対を
形成する。

【００９５】構造の第１および第２の実施形態では、熱
電発電素子ブロック３３の上面５５と下面５６におい
て、絶縁層１７の面位置がｎ型棒状素子３１およびｐ型
棒状素子３２の両端部よりも凸にしたが、本実施形態で
は同一面である。

【００９６】製造方法の第１および第２の実施形態にお
いては、凸にするために、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状
素子３２の両端部を酸性溶液により溶解しているが、本
実施形態ではその必要がない。そのため、酸性溶液に浸
漬する際にテフロンテープなどで保護する必要がない。

【００９７】〔製造方法の第３の例：図１〜図６、図１
２〜図１６〕つづいて、図面を用いて、熱電発電素子の
製造方法の第３の実施形態について説明する。

【００９８】製造方法の第１の実施形態と同様の方法
で、熱電発電素子ブロック３３を作製する。熱電発電素
子ブロック３３は、図６に示すように、第１の実施形態
と同様である。ｎ型棒状素子およびｐ型棒状素子をおよ
そ１０００本ずつ、熱電対を１０００対以上含有する。

【００９９】図１２に示すように、熱電発電素子ブロッ
ク３３の上面５５と下面５６のｎ型棒状素子３１とｐ型
棒状素子３２に、無電解メッキによりニッケルからなる
導電膜３４を１μｍの厚さで形成する。

【０１００】図１４に示すように、製造方法の第１の実
施形態と同様、絶縁基板３５に感光性樹脂からなるガイ
ド用樹脂３６により配線パターンを形成する。ガイド用
樹脂３６は膜厚３０μｍの感光性ドライフィルムを用
い、フォトリソグラフィー技術を用いて配線パターンを
形成する。

【０１０１】配線パターンの平面図を図１５，および図
１６に示す。パターンは、熱電発電素子ブロック３３の
上面５５に用いるものと下面５６に用いるものと２種類
作製し、熱電発電素子ブロック３３のｎ型棒状素子３１
とｐ型棒状素子３２からなる熱電対を直列に接続するよ
うに形成する。

【０１０２】図１５および図１６のように、ガイド用樹
脂３６により形成した配線パターンの凹部に導電体３８
を入れる。ガイド用樹脂３６は３０μｍの厚さがあるの
で、全体に導電体３８を塗布し、後ほど余剰分をぬぐい
去ることで、図１３のようなガイド用樹脂３６の開口部
にのみ導電体３８を塗布した状態とすることが可能であ
る。

【０１０３】ガイド用樹脂３６は、導電性接着剤が流れ
て隣接する導電体３８が接触してショートすることを防
ぐ役割があるので、絶縁性のものを用いる。

【０１０４】ここで導電体３８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。

【０１０５】図８のような状態に仕上がった熱電発電素
子ブロック３３と上面５５用の絶縁基板３５と下面５６
用の絶縁基板３５を、ｎ型棒状素子３１とｐ型棒状素子
３２からなる熱電対が直列に接続されるよう、位置あわ
せを行い、圧着し、導電性接着剤からなる導電体３８を
所定の温度で熱硬化させる。

【０１０６】断面図である図１４に示すように、絶縁基
板３５のガイド用樹脂３６の開口部の導電性接着剤であ
る導電体３８が、熱電発電素子ブロック３３の上面５５
および下面５６の導電膜３４と接合され、厚膜でｎ型棒
状素子とｐ型棒状素子が接続される。

【０１０７】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対以上が直列に電気的に接続され
る。

【０１０８】この製造方法により作成した１０００対の
熱電対を含有する熱電発電素子の電気抵抗値は４．３ｋ
Ωで材料のみの理論特性に対して１５％高いだけであっ
た。これは、蒸着等の薄膜で配線した場合とほぼ同等の
値であるが、本実施形態は厚膜で配線しているので、強
度が高くなっている。

【０１０９】また、ガイド用樹脂３６を導電体３８のガ
イドとして使用するので、導電性接着剤からなる導電体
３８がだれて、隣接する導電体と接触し、ショートする
ことがない。さらに、熱電発電素子ブロック３３の上下
に絶縁基板を圧着することから、絶縁基板なしで導電性
接着剤を硬化させた場合よりも抵抗を低くおさえること
ができる。

【０１１０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
熱電発電素子およびその製造方法によれば、微小な熱電
発電素子の配線を、ショートやパターン欠落することな
く、低い電気抵抗で導電性接着剤で行うことができる。
そのため、信頼性や強度が高くなり、腕時計などへの微
小な機器への組み込みも可能である。

【０１１１】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断面図である。

【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断面図である。

【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断面図である。

【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断面図である。

【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。

【図１２】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。

【図１３】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。

【図１４】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。

【図１５】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１６】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。

【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 １５：縦溝 １６：縦隔壁 １
７：絶縁層 ２５：横隔壁 ２６：横溝 ３
１：ｎ型棒状素子 ３２：ｐ型棒状素子 ３３：熱電発電素子ブ
ロック ３４：導電膜 ３５：絶縁基板 ３６：ガイド用樹脂 ３８：導電体

Claims (10)

【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、ｎ型棒
   状素子とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹
   にした熱電発電素子ブロックと、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部を接続して複数の直
   列した熱電対を形成するような位置に開口部をもつガイ
   ド用樹脂を配置した絶縁基板と、 ガイド用樹脂の開口部内の導電体と、 それと一体化した熱電発電素子ブロックの凹部であるｎ
   型棒状素子とｐ型棒状素子の両端部の導電体とを備える
   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ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の
   両端部を絶縁層の面位置より凹にする工程と、 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位置に開口部をもつガイ
   ド用樹脂を絶縁基板上に配置する工程と、 ガイド用樹脂の開口部内に導電体を配置する工程と、 熱電発電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素子とｐ型
   棒状素子の両端部に導電体を配置する工程と、 ガイド用樹脂の開口部内の導電体と熱電発電素子ブロッ
   クの導電体を接合し硬化させて一体化し複数の熱電対を
   直列に電気的接続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。
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、ｎ型棒
   状素子とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹
   にした熱電発電素子ブロックと、 熱電発電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素子とｐ型
   棒状素子の両端部に配した導電体と、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子とを接続して複数の直列し
   た熱電対を形成するような位置の凸部である絶縁層を被
   覆する導電体と、 導電体上に接合される絶縁基板とを備えることを特徴と
   する熱電発電素子。
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ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の
   両端部を絶縁層の面位置より凹にする工程と、 熱電発電素子ブロックの凹部であるｎ型棒状素子とｐ型
   棒状素子の両端部に導電体を配置する工程と、 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位置の凸部である絶縁層
   を導電体で被覆する工程と、 ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の端部の導電体と凸の絶縁
   層を被覆する導電体とを硬化し一体化させ、絶縁基板を
   熱電発電素子ブロックの上下面の導電体上に接合し複数
   の熱電対を直列に電気的接続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】 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
   するような位置に開口部をもつガイド用樹脂を配置した
   絶縁基板と、 ガイド用樹脂の開口部内の導電体とを備えることを特徴
   とする熱電発電素子。
6. 【請求項６】 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ｎ型棒状素子とｐ型棒状素子の
   両端部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位置に開口部をもつガイ
   ド用樹脂を絶縁基板上に配置する工程と、 ガイド用樹脂の開口部内に導電体を配置する工程と、熱
   電発電素子ブロックに絶縁基板を接合し導電体を硬化さ
   せ複数の熱電対を直列に電気的接続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。
7. 【請求項７】 上記導電体は、 導電性接着剤よりなる請求項１または請求項３または請
   求項５記載の熱電発電素子。
8. 【請求項８】 上記導電体は、 導電性接着剤よりなる請求項２または請求項４または請
   求項６記載の熱電発電素子の製造方法。
9. 【請求項９】 上記熱電発電素子ブロックのｎ型棒状素
   子とｐ型棒状素子の両端部を絶縁層の面位置より凹にす
   る工程は、 ｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体を酸性溶液で溶解する
   工程により行なう請求項２または請求項４記載の熱電発
   電素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 上記開口部をもつガイド用樹脂を絶縁
    基板上に配置する工程は、 感光性樹脂を用いたフォトリソグラフィー技術による工
    程である請求項２または請求項６記載の熱電発電素子の
    製造方法。