JP2003298127A - 熱電変換装置及びその製造方法、並びに熱電発電装置 - Google Patents
熱電変換装置及びその製造方法、並びに熱電発電装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い生産効率と低いコストで大量生産でき、
しかも、電子機器内の配置を容易にするフレキシブルな
シート形状を有する熱電変換装置及びその製造方法、並
びに熱電発電装置を提供する。 【解決手段】 互いに異なる導電性材料Ａ、Ｂをプラズ
マ処理した後に、各プラズマ処理面同士を常温で圧着接
合し、しかる後にエッチング処理により前記導電性材料
を導電性パターン１、２に加工して、複数の熱電対が直
列に接続された構造を形成する。製法上、基板を必要と
せず、焼結や溶接のように材料が高温にさらされること
がないので、導電性材料や絶縁材料の選択に関しほとん
ど制限されることがない。さらに、熱電対を組み立てる
のではなく、異なる導電性材料を貼り合わせたシートか
ら多数の熱電対をエッチングでパターン化するという独
特の発想に基づいているため、半導体技術を応用でき、
微細な熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産
できる。
しかも、電子機器内の配置を容易にするフレキシブルな
シート形状を有する熱電変換装置及びその製造方法、並
びに熱電発電装置を提供する。 【解決手段】 互いに異なる導電性材料Ａ、Ｂをプラズ
マ処理した後に、各プラズマ処理面同士を常温で圧着接
合し、しかる後にエッチング処理により前記導電性材料
を導電性パターン１、２に加工して、複数の熱電対が直
列に接続された構造を形成する。製法上、基板を必要と
せず、焼結や溶接のように材料が高温にさらされること
がないので、導電性材料や絶縁材料の選択に関しほとん
ど制限されることがない。さらに、熱電対を組み立てる
のではなく、異なる導電性材料を貼り合わせたシートか
ら多数の熱電対をエッチングでパターン化するという独
特の発想に基づいているため、半導体技術を応用でき、
微細な熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産
できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換装置及び
その製造方法、並びに熱電発電装置に関するものであ
る。
その製造方法、並びに熱電発電装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、エネルギー資源保護や環境保全、
エコロジー等の観点から、電子機器の低消費電力化が強
く求められている。また、小型化した電子機器において
は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、スイッチン
グ素子、パワートランジスタ等で発生した熱を機器外部
へ逃がし、熱による回路素子の損傷を防止することは、
電子機器のパフォーマンスを決定する重要な課題であ
る。さらに、電子機器の使用環境等によっては、低温火
傷等の人体への危害の心配のない廃熱処理の方法が求め
られることもある。
エコロジー等の観点から、電子機器の低消費電力化が強
く求められている。また、小型化した電子機器において
は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、スイッチン
グ素子、パワートランジスタ等で発生した熱を機器外部
へ逃がし、熱による回路素子の損傷を防止することは、
電子機器のパフォーマンスを決定する重要な課題であ
る。さらに、電子機器の使用環境等によっては、低温火
傷等の人体への危害の心配のない廃熱処理の方法が求め
られることもある。
【０００３】バッテリー駆動の携帯機器等においては、
性能対消費電力で表わされるエネルギー効率が重要であ
り、このエネルギー効率の良否は同一バッテリー量でど
れだけの時間その機器を使用できるかという性能に直結
する。
性能対消費電力で表わされるエネルギー効率が重要であ
り、このエネルギー効率の良否は同一バッテリー量でど
れだけの時間その機器を使用できるかという性能に直結
する。
【０００４】電子機器内で発生する熱を電気エネルギー
に変換して再利用すれば、エネルギー効率の改善と廃熱
処理という２つの問題を同時に解決することができる。
そのための手段として、熱エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換でき、しかもコンパクトな装置として熱電変
換装置が注目されているが、製造上の問題やコスト上の
難点から実用化されて来なかった。
に変換して再利用すれば、エネルギー効率の改善と廃熱
処理という２つの問題を同時に解決することができる。
そのための手段として、熱エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換でき、しかもコンパクトな装置として熱電変
換装置が注目されているが、製造上の問題やコスト上の
難点から実用化されて来なかった。
【０００５】特開平１１−１７７１５４号公報には、基
板上に多数の微細な熱電対を集積して形成し、これらの
基板を積層して利用する案が開示されている。しかし、
基板を用いる方法では、積層する枚数は比較的少数に限
定され、大きな熱伝導性が求められる接合部と断熱性が
求められる導電部の相反する要求を１枚の基板で両立さ
せることは難しい。
板上に多数の微細な熱電対を集積して形成し、これらの
基板を積層して利用する案が開示されている。しかし、
基板を用いる方法では、積層する枚数は比較的少数に限
定され、大きな熱伝導性が求められる接合部と断熱性が
求められる導電部の相反する要求を１枚の基板で両立さ
せることは難しい。
【０００６】また、上記公報に示された実施例では、基
板上に印刷された２種の金属の導電パターンを高温で焼
結して接合しているので、使用可能な基板等の材料が限
定される。開示された実施例では、セラミック基板が用
いられており、装置にフレキシビリティを持たせること
が難しい。
板上に印刷された２種の金属の導電パターンを高温で焼
結して接合しているので、使用可能な基板等の材料が限
定される。開示された実施例では、セラミック基板が用
いられており、装置にフレキシビリティを持たせること
が難しい。
【０００７】基板を用いない方法として、特開平８−２
５４６８号公報には、２種類の金属の金属板又は金属箔
を溶接等により交互に接合し、複数の枚数の板状又は箔
状の熱電対を、ツヅラ折り状態に積層する案が開示され
ている。
５４６８号公報には、２種類の金属の金属板又は金属箔
を溶接等により交互に接合し、複数の枚数の板状又は箔
状の熱電対を、ツヅラ折り状態に積層する案が開示され
ている。
【０００８】しかし、この方法では微細な熱電対を形成
することはできず、多数の熱電対を集積するとかさ高に
なり、シート状にフレキシビリティを持たせることも難
しい。また、接合部を一つずつ溶接等の方法で接合する
ので製造工程が煩雑になり、多数の熱電対を製造するに
は適さず、コストも高くなる。
することはできず、多数の熱電対を集積するとかさ高に
なり、シート状にフレキシビリティを持たせることも難
しい。また、接合部を一つずつ溶接等の方法で接合する
ので製造工程が煩雑になり、多数の熱電対を製造するに
は適さず、コストも高くなる。
【０００９】また、発明の実施形態が、ツヅラ折り状態
になっているため、接合部も含め折りの部分全面が、断
熱されにくく、低温接合部と高温接合部の温度差を取り
にくい構造となっている。そのため、熱源の影響を受け
易くなる。
になっているため、接合部も含め折りの部分全面が、断
熱されにくく、低温接合部と高温接合部の温度差を取り
にくい構造となっている。そのため、熱源の影響を受け
易くなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高い
生産効率と低いコストで大量生産でき、しかも、電子機
器内の配置を容易にするフレキシブルなシート形状に作
製可能な熱電変換装置及びその製造方法を提供し、並び
にその熱電変換装置を用いて電子機器内で発生した熱を
再利用する熱電発電装置を提供することである。
生産効率と低いコストで大量生産でき、しかも、電子機
器内の配置を容易にするフレキシブルなシート形状に作
製可能な熱電変換装置及びその製造方法を提供し、並び
にその熱電変換装置を用いて電子機器内で発生した熱を
再利用する熱電発電装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、互いに
異なる導電性材料からなる複数の導電性パターンの接合
部がプラズマ処理後に圧着接合されることにより、複数
の熱電対が接続された構造を有する熱電変換装置、及
び、互いに異なる導電性材料をプラズマ処理した後に、
各プラズマ処理面同士を圧着接合し、しかる後にエッチ
ング処理により前記導電性材料を導電性パターンに加工
して、複数の熱電対が接続された構造を形成する熱電変
換装置の製造方法に係わり、並びにその熱電変換装置を
備え、前記熱電対の高温側接合部が発熱部品に熱的に結
合して配置され、前記熱電対の低温側接合部に接続され
た端子から電気エネルギーが取り出されるように構成さ
れた熱電発電装置に係わる。
異なる導電性材料からなる複数の導電性パターンの接合
部がプラズマ処理後に圧着接合されることにより、複数
の熱電対が接続された構造を有する熱電変換装置、及
び、互いに異なる導電性材料をプラズマ処理した後に、
各プラズマ処理面同士を圧着接合し、しかる後にエッチ
ング処理により前記導電性材料を導電性パターンに加工
して、複数の熱電対が接続された構造を形成する熱電変
換装置の製造方法に係わり、並びにその熱電変換装置を
備え、前記熱電対の高温側接合部が発熱部品に熱的に結
合して配置され、前記熱電対の低温側接合部に接続され
た端子から電気エネルギーが取り出されるように構成さ
れた熱電発電装置に係わる。
【００１２】本発明によれば、前記導電性材料のプラズ
マ処理面同士を圧着するので、常温での接合が可能にな
る。焼結や溶接のように材料が高温にさらされることが
ないので、前記導電性材料を様々な材料および形状の組
み合わせの中から選ぶことができ、また、加熱による材
料の劣化の心配もない。
マ処理面同士を圧着するので、常温での接合が可能にな
る。焼結や溶接のように材料が高温にさらされることが
ないので、前記導電性材料を様々な材料および形状の組
み合わせの中から選ぶことができ、また、加熱による材
料の劣化の心配もない。
【００１３】また、製法上、基板を必要とせず、前記接
合面が形成された後に絶縁材料の接着が行われるので、
絶縁材料の選択に関しほとんど制限されることがない。
合面が形成された後に絶縁材料の接着が行われるので、
絶縁材料の選択に関しほとんど制限されることがない。
【００１４】さらに、前記熱電対を組み立てるのではな
く、異なる前記導電性材料を貼り合わせたシートから多
数の前記熱電対をエッチングでパターン化するという独
特の発想に基づいているため、半導体技術を応用でき、
微細な前記熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に
生産できる。
く、異なる前記導電性材料を貼り合わせたシートから多
数の前記熱電対をエッチングでパターン化するという独
特の発想に基づいているため、半導体技術を応用でき、
微細な前記熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に
生産できる。
【００１５】以上から、本発明の熱電変換装置は薄いシ
ート状に作製でき、多数の前記熱電対をコンパクトかつ
フレキシブルに集積することができ、狭い電子機器内に
も容易に配置でき、電子機器内で発生した熱を効果的に
電気エネルギーに変換できる。
ート状に作製でき、多数の前記熱電対をコンパクトかつ
フレキシブルに集積することができ、狭い電子機器内に
も容易に配置でき、電子機器内で発生した熱を効果的に
電気エネルギーに変換できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明においては、前記複数の熱
電対の高温側接合部が集合的に配置され、それとは別の
位置に、前記複数の熱電対の低温側接合部が集合的に配
置されているのがよい。
電対の高温側接合部が集合的に配置され、それとは別の
位置に、前記複数の熱電対の低温側接合部が集合的に配
置されているのがよい。
【００１７】本発明においては、前記接合部が熱伝導性
の大きい絶縁材料、例えばシリコンゴムで被覆されてい
るのがよい。また、前記接合部以外の導電部が断熱性の
絶縁材料で被覆され、フレキシブルなシート状の形状を
なすように作られているのがよい。前記断熱性の絶縁材
料は、ポリイミドであってよい。
の大きい絶縁材料、例えばシリコンゴムで被覆されてい
るのがよい。また、前記接合部以外の導電部が断熱性の
絶縁材料で被覆され、フレキシブルなシート状の形状を
なすように作られているのがよい。前記断熱性の絶縁材
料は、ポリイミドであってよい。
【００１８】本発明の熱電変換装置の製造方法において
は、圧着接合された前記導電性材料を導電性パターンに
加工した後に、このパターン上に断熱性の絶縁シートを
接着するのがよい。
は、圧着接合された前記導電性材料を導電性パターンに
加工した後に、このパターン上に断熱性の絶縁シートを
接着するのがよい。
【００１９】本発明の発電装置においては、前記電気エ
ネルギーがコンデンサに蓄積され、前記低温側接合部が
電子機器の冷却手段に接しているのがよい。
ネルギーがコンデンサに蓄積され、前記低温側接合部が
電子機器の冷却手段に接しているのがよい。
【００２０】次に、本発明の好ましい実施の形態を図面
参照下に詳しく説明する。
参照下に詳しく説明する。
【００２１】実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態の一例としての熱電変換装
置１０の概略平面図（ａ）とＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断
面における概略断面図（ｂ）および（ｃ）である。
置１０の概略平面図（ａ）とＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断
面における概略断面図（ｂ）および（ｃ）である。
【００２２】熱電変換装置１０では、電圧取り出し用の
端子３ａと３ｂとの間において、それぞれ互いに異なる
導電性材料Ａおよび導電性材料Ｂからなる複数の帯状の
導電性パターン１および導電性パターン２が交互に平行
に配置され、導電性パターン２の端部が導電性パターン
１の端部に重なる形で複数の高温側接合部４および低温
側接合部５が形成され、全体が蛇行状にパターニングさ
れている。
端子３ａと３ｂとの間において、それぞれ互いに異なる
導電性材料Ａおよび導電性材料Ｂからなる複数の帯状の
導電性パターン１および導電性パターン２が交互に平行
に配置され、導電性パターン２の端部が導電性パターン
１の端部に重なる形で複数の高温側接合部４および低温
側接合部５が形成され、全体が蛇行状にパターニングさ
れている。
【００２３】導電性パターン１（導電性材料Ａ）、導電
性パターン２（導電性材料Ｂ）、高温側接合部４、低温
側接合部５の各１つずつの１組が、１つの熱電対（例え
ば、図１中で点線で囲んで示した熱電対９）を形成す
る。高温部１１を発熱部品等の高温体に接触させると、
高温側接合部４では、端子３ａ−３ｂ間に正の起電力を
生じ、また、低温側接合部５では、電圧取り出し方向と
は逆の負の起電力を生じる。
性パターン２（導電性材料Ｂ）、高温側接合部４、低温
側接合部５の各１つずつの１組が、１つの熱電対（例え
ば、図１中で点線で囲んで示した熱電対９）を形成す
る。高温部１１を発熱部品等の高温体に接触させると、
高温側接合部４では、端子３ａ−３ｂ間に正の起電力を
生じ、また、低温側接合部５では、電圧取り出し方向と
は逆の負の起電力を生じる。
【００２４】図１には端子３ａと３ｂとの間に６つの熱
電対が直列に形成されている例を示したが、これらは多
数の熱電対の代表として示したものであり、これに限る
ものではない。
電対が直列に形成されている例を示したが、これらは多
数の熱電対の代表として示したものであり、これに限る
ものではない。
【００２５】図１に示されているように、熱電変換装置
１０では、電圧取り出し用の端子３ａ、３ｂが設けられ
ている一辺側に、各熱電対の低温側接合部５が集合して
形成され、反対側の一辺側に高温側接合部４が集合して
形成されている。
１０では、電圧取り出し用の端子３ａ、３ｂが設けられ
ている一辺側に、各熱電対の低温側接合部５が集合して
形成され、反対側の一辺側に高温側接合部４が集合して
形成されている。
【００２６】導電性材料Ａおよび導電性材料Ｂとして
は、後述するように導体性パターンの接合を常温での圧
着によって行うので接合法による制限を受けることが少
なく、様々な材料および形状の組み合わせの中から選ぶ
ことができる。
は、後述するように導体性パターンの接合を常温での圧
着によって行うので接合法による制限を受けることが少
なく、様々な材料および形状の組み合わせの中から選ぶ
ことができる。
【００２７】例えば、安価で容易に入手できる金属材料
の中から熱起電力の大きな組み合わせを選ぶとすると、
銅（Ｃｕ）とコンスタンタン（Ｃｕ５５％、Ｎｉ４５％
の合金）、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）
とビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）とコンスタンタン、鉄
（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）などの組み合わせが考えら
れる。
の中から熱起電力の大きな組み合わせを選ぶとすると、
銅（Ｃｕ）とコンスタンタン（Ｃｕ５５％、Ｎｉ４５％
の合金）、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）
とビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）とコンスタンタン、鉄
（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）などの組み合わせが考えら
れる。
【００２８】銅とコンスタンタンの組み合わせの場合に
は、ゼーベック係数αは、約６０μＶ／Ｋである。各熱
電対における高温側接合部４と低温側接合部５の温度差
ΔＴが平均で３０Ｋとすると、直列接続によって実用的
な大きさの起電力Ｖｓ、例えば１．５Ｖを得るに必要な
熱電対の個数Ｎは、 Ｎ＝Ｖｓ／（αΔＴ）＝１.５／（０．００００６０×
３０）＝８５６ となる。
は、ゼーベック係数αは、約６０μＶ／Ｋである。各熱
電対における高温側接合部４と低温側接合部５の温度差
ΔＴが平均で３０Ｋとすると、直列接続によって実用的
な大きさの起電力Ｖｓ、例えば１．５Ｖを得るに必要な
熱電対の個数Ｎは、 Ｎ＝Ｖｓ／（αΔＴ）＝１.５／（０．００００６０×
３０）＝８５６ となる。
【００２９】本発明に基づく熱電変換装置であれば、薄
いシート状に形成された熱電変換装置１０を積層し、シ
ート間をスルーホールによって直列に接続することで、
１０００個程度の熱電対を小型に集積することは可能で
ある。
いシート状に形成された熱電変換装置１０を積層し、シ
ート間をスルーホールによって直列に接続することで、
１０００個程度の熱電対を小型に集積することは可能で
ある。
【００３０】また、１枚の長いシートをロール紙状に巻
くこともできる。例えば１ｍｍに１本の熱電対を１００
０個配置した長さ１ｍの熱電変換シートを１０層に巻け
ば、直径３〜４ｃｍ程度のコンパクトな円筒形にまとめ
ることができる。
くこともできる。例えば１ｍｍに１本の熱電対を１００
０個配置した長さ１ｍの熱電変換シートを１０層に巻け
ば、直径３〜４ｃｍ程度のコンパクトな円筒形にまとめ
ることができる。
【００３１】高い変換効率をめざすには、金属のかわり
にｐ形およびｎ形の熱電半導体を用いるのがよい。ｐ形
熱電半導体およびｎ形熱電半導体の絶対熱電能はプラス
とマイナスの反対の符号をもち、その絶対値は金属に比
べて非常に大きいから、ｐ形とｎ形熱電半導体を対にし
て接合し、高温側接合部と低温側接合部とを組み合わせ
ると、大きなゼーベック効果が得られる。
にｐ形およびｎ形の熱電半導体を用いるのがよい。ｐ形
熱電半導体およびｎ形熱電半導体の絶対熱電能はプラス
とマイナスの反対の符号をもち、その絶対値は金属に比
べて非常に大きいから、ｐ形とｎ形熱電半導体を対にし
て接合し、高温側接合部と低温側接合部とを組み合わせ
ると、大きなゼーベック効果が得られる。
【００３２】室温付近で最も良い熱電半導体系の熱電材
料としては、例えばｐ形およびｎ形のビスマス・テルル
（Ｂｉ2Ｔｅ3）がある。
料としては、例えばｐ形およびｎ形のビスマス・テルル
（Ｂｉ2Ｔｅ3）がある。
【００３３】原理的には、上記の接合された導電性パタ
ーンのみで熱電変換素子として機能するが、実使用上の
利便性を考えると、上記の導電性パターンが支持体を兼
ねた絶縁材料で被覆されていることが望ましい。
ーンのみで熱電変換素子として機能するが、実使用上の
利便性を考えると、上記の導電性パターンが支持体を兼
ねた絶縁材料で被覆されていることが望ましい。
【００３４】発電効率を高めるには、高温側接合部と電
子機器の高温部（例えば、発熱部品）との熱的接触、お
よび低温側接合部と電子機器の低温部（例えば、金属筐
体部のような放熱部）との熱的接触は、密接であるほど
よい。積層して用いる場合も考えると、前記接合部の両
面は、熱伝導性フィラー入りのシリコンゴム等の熱伝導
性の大きい絶縁材料で被覆されているのが望ましい。
子機器の高温部（例えば、発熱部品）との熱的接触、お
よび低温側接合部と電子機器の低温部（例えば、金属筐
体部のような放熱部）との熱的接触は、密接であるほど
よい。積層して用いる場合も考えると、前記接合部の両
面は、熱伝導性フィラー入りのシリコンゴム等の熱伝導
性の大きい絶縁材料で被覆されているのが望ましい。
【００３５】一方、高温側接合部から低温側接合部への
熱の流れは、熱損失となり熱電変換の効率を下げる原因
となる。したがって、接合部以外の導電パターン部は断
熱性の絶縁材料、例えばカプトンやユーピレックスなど
のポリイミド系の材料からなる断熱性絶縁シート７で被
覆されているのが望ましい。また、端面は絶縁材１６で
被覆するのがよい。
熱の流れは、熱損失となり熱電変換の効率を下げる原因
となる。したがって、接合部以外の導電パターン部は断
熱性の絶縁材料、例えばカプトンやユーピレックスなど
のポリイミド系の材料からなる断熱性絶縁シート７で被
覆されているのが望ましい。また、端面は絶縁材１６で
被覆するのがよい。
【００３６】また、電子機器内への配置の容易さを高め
るために、断熱性の絶縁材料はフレキシブルなシート状
の形状をなすように作られているのがよい。
るために、断熱性の絶縁材料はフレキシブルなシート状
の形状をなすように作られているのがよい。
【００３７】本実施の形態による熱電変換装置１０で
は、製法上、基板を必要とせず、接合面が形成された後
に絶縁材料の接着が行われるので、絶縁材料の選択に関
しほとんど制限されることがない。従って、適材適所、
目的に最適化した絶縁材料やその形状を選択することが
できる。
は、製法上、基板を必要とせず、接合面が形成された後
に絶縁材料の接着が行われるので、絶縁材料の選択に関
しほとんど制限されることがない。従って、適材適所、
目的に最適化した絶縁材料やその形状を選択することが
できる。
【００３８】実施の形態２
次に、本発明の実施の形態としての熱電変換装置の作製
工程の１例を、図２〜４を参照しながら順を追って説明
する。
工程の１例を、図２〜４を参照しながら順を追って説明
する。
【００３９】作製工程の第一段階は、導電性材料Ａから
なるシート材２１と導電性材料Ｂからなるシート材２２
の貼り合わせである。本発明に基づく熱電変換装置の製
造方法の第１の特徴は、プラズマ処理面同士を圧着する
ことで常温での貼り合わせを可能にすることである。
なるシート材２１と導電性材料Ｂからなるシート材２２
の貼り合わせである。本発明に基づく熱電変換装置の製
造方法の第１の特徴は、プラズマ処理面同士を圧着する
ことで常温での貼り合わせを可能にすることである。
【００４０】まず、準備として、図２（ａ）に示すよう
に、シート材２１とシート材２２を真空チャンバ２５に
入れ、脱ガスを行い、表面に吸着されている不純物分子
等を除き、１×１０-４Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-2Ｐ
ａ）以下の真空度に保つ。
に、シート材２１とシート材２２を真空チャンバ２５に
入れ、脱ガスを行い、表面に吸着されている不純物分子
等を除き、１×１０-４Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-2Ｐ
ａ）以下の真空度に保つ。
【００４１】続いて、図２（ｂ）のように、真空チャン
バ２５の中にアルゴン等を導入してチャンバの圧力を１
０-４〜１０-１Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-2〜１．３３
×１０1Ｐａ）とし、高周波電源を使用してグロー放電
を起こさせ、アルゴンを放電ガスとするプラズマを発生
させる。シート材２１とシート材２２の表面を、エネル
ギーに富んだアルゴン原子やアルゴンイオンなどによる
衝撃でエッチングして、金属表面に形成されている酸化
膜や付着物等の不純物を削り取る。
バ２５の中にアルゴン等を導入してチャンバの圧力を１
０-４〜１０-１Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-2〜１．３３
×１０1Ｐａ）とし、高周波電源を使用してグロー放電
を起こさせ、アルゴンを放電ガスとするプラズマを発生
させる。シート材２１とシート材２２の表面を、エネル
ギーに富んだアルゴン原子やアルゴンイオンなどによる
衝撃でエッチングして、金属表面に形成されている酸化
膜や付着物等の不純物を削り取る。
【００４２】このようにして、新鮮な導電性材料Ａおよ
び導電性材料Ｂを露出させた２枚のシート材２１、２２
をローラーの間に挟んで押し合わせ、常温で圧着接合す
る。このときの圧延率は、０．１〜３０％の範囲が好ま
しい。
び導電性材料Ｂを露出させた２枚のシート材２１、２２
をローラーの間に挟んで押し合わせ、常温で圧着接合す
る。このときの圧延率は、０．１〜３０％の範囲が好ま
しい。
【００４３】通常の溶接等と異なり、導電性材料Ａおよ
び導電性材料Ｂの原子同士が結合を形成する領域に不純
物原子が含まれないため、非常に良好な結合面が形成さ
れ、最適な異種材料間の接合部が形成される（図２
（ｃ））。
び導電性材料Ｂの原子同士が結合を形成する領域に不純
物原子が含まれないため、非常に良好な結合面が形成さ
れ、最適な異種材料間の接合部が形成される（図２
（ｃ））。
【００４４】作製工程の第二段階では、貼り合わせたシ
ートをパターニングして熱電対を形成し、同時に、支持
体も兼ねる絶縁シート７を貼りつける。本発明に基づく
熱電変換装置の製造方法の第二の特徴は、貼り合わせた
シートからエッチング処理によって多数の熱電対を「削
り出す」ことである。半導体技術の応用によって、微細
な熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産でき
る。
ートをパターニングして熱電対を形成し、同時に、支持
体も兼ねる絶縁シート７を貼りつける。本発明に基づく
熱電変換装置の製造方法の第二の特徴は、貼り合わせた
シートからエッチング処理によって多数の熱電対を「削
り出す」ことである。半導体技術の応用によって、微細
な熱電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産でき
る。
【００４５】まず、導電性材料Ａからなるシート材２１
側にフォトレジスト膜２３を塗布した後パターニングし
（図２（ｄ））、続いて、エッチング処理して導電パタ
ーン１を形成する（図３（ｅ））。
側にフォトレジスト膜２３を塗布した後パターニングし
（図２（ｄ））、続いて、エッチング処理して導電パタ
ーン１を形成する（図３（ｅ））。
【００４６】フォトレジスト膜２３を除去した後（図３
（ｆ））、これに断熱性絶縁シート７を接着剤８で貼り
つける（図３（ｇ））。
（ｆ））、これに断熱性絶縁シート７を接着剤８で貼り
つける（図３（ｇ））。
【００４７】次に、裏返して、導電性材料Ｂからなるシ
ート材２２側にも、フォトレジスト膜２３の塗布及びパ
ターニング（図３（ｈ））、エッチング処理による導電
パターン２の形成（図４（ｉ））、フォトレジスト膜２
３の除去（図４（ｊ））、断熱絶縁シート７の貼りつけ
（図４（ｋ））を行う。
ート材２２側にも、フォトレジスト膜２３の塗布及びパ
ターニング（図３（ｈ））、エッチング処理による導電
パターン２の形成（図４（ｉ））、フォトレジスト膜２
３の除去（図４（ｊ））、断熱絶縁シート７の貼りつけ
（図４（ｋ））を行う。
【００４８】最後に、端子３ａ、３ｂをスポット溶接等
で張り付け、シート状の熱電変換デバイスが、完成する
（図１）。
で張り付け、シート状の熱電変換デバイスが、完成する
（図１）。
【００４９】本実施の形態による熱電変換装置１０の製
造方法においては、製法上基板を必要とせず、接合面が
形成された後に絶縁シートの接着が行われるので、絶縁
材料の選択に関しほとんど制限されることがない。従っ
て、適材適所、目的に最適化した絶縁材料やその形状を
選択することができる。
造方法においては、製法上基板を必要とせず、接合面が
形成された後に絶縁シートの接着が行われるので、絶縁
材料の選択に関しほとんど制限されることがない。従っ
て、適材適所、目的に最適化した絶縁材料やその形状を
選択することができる。
【００５０】実施の形態３
図５（ａ）は、本発明の実施の形態の一例としての熱電
発電装置３０の概略平面図と概略断面図である。全体は
シート状に形成され、断熱性絶縁シート７の間に上記の
シート状の熱伝変換装置１０が積層され、電気的には直
列に結合されている（但し、熱伝変換装置１０は単層で
も原理的には使用可能である）。高温部１１には熱電対
の高温側接合部４が集合的に配置され、低温部１２には
熱電対９の低温側接合部５が集合的に配置されている。
高温部１１および低温部１２には、外部との熱的接触を
助ける熱伝導性フィラー入りのシリコンゴム等の熱伝導
性絶縁材６が設けられている。
発電装置３０の概略平面図と概略断面図である。全体は
シート状に形成され、断熱性絶縁シート７の間に上記の
シート状の熱伝変換装置１０が積層され、電気的には直
列に結合されている（但し、熱伝変換装置１０は単層で
も原理的には使用可能である）。高温部１１には熱電対
の高温側接合部４が集合的に配置され、低温部１２には
熱電対９の低温側接合部５が集合的に配置されている。
高温部１１および低温部１２には、外部との熱的接触を
助ける熱伝導性フィラー入りのシリコンゴム等の熱伝導
性絶縁材６が設けられている。
【００５１】図５（ｂ）は、熱電発電装置３０を電子機
器内の発熱部品４０（例えば、ＣＰＵのような発熱量の
多いＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＥＤ（Light Emit
tingDiode）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）など）
から発生する熱を電気エネルギーに変換して再利用し、
エネルギー効率の改善と廃熱処理の問題の解決に応用し
た例を示す。
器内の発熱部品４０（例えば、ＣＰＵのような発熱量の
多いＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＥＤ（Light Emit
tingDiode）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）など）
から発生する熱を電気エネルギーに変換して再利用し、
エネルギー効率の改善と廃熱処理の問題の解決に応用し
た例を示す。
【００５２】プリント基板５０上などに設けられた発熱
部品４０の放熱面に、熱電発電装置３０の高温部１１の
熱伝導性絶縁材６を密着させる。一方、電子機器の金属
筐体６０等に設けられた放熱部７０に、熱電発電装置３
０の低温部１２の熱伝導性絶縁材６を密着させる。
部品４０の放熱面に、熱電発電装置３０の高温部１１の
熱伝導性絶縁材６を密着させる。一方、電子機器の金属
筐体６０等に設けられた放熱部７０に、熱電発電装置３
０の低温部１２の熱伝導性絶縁材６を密着させる。
【００５３】熱電発電装置３０は、フレキシブルな熱電
変換装置１０を用いているので、図示のごとく適宜な形
状に折曲して配置でき、狭い電子機器内でも任意に利用
可能となる。発生する電力は、コンデンサ８０等に蓄
え、例えば電子機器がデジタルスチルカメラであれば、
そのフラッシュ用の電源などに利用すればよい。
変換装置１０を用いているので、図示のごとく適宜な形
状に折曲して配置でき、狭い電子機器内でも任意に利用
可能となる。発生する電力は、コンデンサ８０等に蓄
え、例えば電子機器がデジタルスチルカメラであれば、
そのフラッシュ用の電源などに利用すればよい。
【００５４】以上、本発明を３種類の実施の形態に基づ
いて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定される
ものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更
可能であることは言うまでもない。
いて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定される
ものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更
可能であることは言うまでもない。
【００５５】
【発明の作用効果】本発明によれば、導電性材料のプラ
ズマ処理面同士を圧着するので、常温での接合が可能に
なる。焼結や溶接のように材料が高温にさらされること
がないので、導電性材料を様々な材料および形状の組み
合わせの中から選ぶことができ、また、加熱による材料
の劣化の心配もない。
ズマ処理面同士を圧着するので、常温での接合が可能に
なる。焼結や溶接のように材料が高温にさらされること
がないので、導電性材料を様々な材料および形状の組み
合わせの中から選ぶことができ、また、加熱による材料
の劣化の心配もない。
【００５６】また、製法上、基板を必要とせず、接合面
が形成された後に絶縁材料の接着が行われるので、絶縁
材料の選択に関しほとんど制限されることがない。
が形成された後に絶縁材料の接着が行われるので、絶縁
材料の選択に関しほとんど制限されることがない。
【００５７】さらに、熱電対を組み立てるのではなく、
異なる導電性材料を貼り合わせたシートから多数の熱電
対をエッチングでパターン化するという独特の発想に基
づいているため、半導体技術を応用でき、微細な前記熱
電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産できる。
異なる導電性材料を貼り合わせたシートから多数の熱電
対をエッチングでパターン化するという独特の発想に基
づいているため、半導体技術を応用でき、微細な前記熱
電対を高い生産効率と低いコストで大量に生産できる。
【００５８】以上から、本発明の熱電変換装置は薄いシ
ート状の形状を有し、多数の前記熱電対をコンパクトか
つフレキシブルに集積することができ、狭い電子機器内
にも容易に配置でき、電子機器内で発生した熱を効果的
に電気エネルギーに変換できる。
ート状の形状を有し、多数の前記熱電対をコンパクトか
つフレキシブルに集積することができ、狭い電子機器内
にも容易に配置でき、電子機器内で発生した熱を効果的
に電気エネルギーに変換できる。
【図１】本発明の実施の形態の一例としての熱電変換装
置の概略平面図（ａ）とＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面に
おける概略断面図（ｂ）、（ｃ）である。
置の概略平面図（ａ）とＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面に
おける概略断面図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２】本発明の実施の形態としての熱電変換装置の作
製工程の１例を示す概略断面図である。
製工程の１例を示す概略断面図である。
【図３】同、熱電変換装置の作製工程の１例を示す概略
断面図である。
断面図である。
【図４】同、熱電変換装置の作製工程の１例を示す概略
断面図である。
断面図である。
【図５】本発明の実施の形態としての熱電発電装置の概
略平面図と概略断面図（ａ）、および、電子機器に設置
した状態を示す概略断面図（ｂ）である。
略平面図と概略断面図（ａ）、および、電子機器に設置
した状態を示す概略断面図（ｂ）である。
１…導電性パターン、２…導電性パターン、３ａ、３ｂ
…端子、４…高温側接合部、５…低温側接合部、６…熱
伝導性絶縁材、７…断熱絶縁シート、８…接着材、９…
熱電対、１０…熱電変換装置、１１…高温部、１２…低
温部、２１…導電性材料Ａからなるシート材、２２…導
電性材料Ｂからなるシート材、２３…フォトレジスト
膜、２５…真空チャンバ、３０…熱電発電装置、４０…
発熱部品、５０…プリント基板、６０…電子機器筐体、
７０…放熱部、８０…コンデンサ、Ａ、Ｂ…導電性材料
…端子、４…高温側接合部、５…低温側接合部、６…熱
伝導性絶縁材、７…断熱絶縁シート、８…接着材、９…
熱電対、１０…熱電変換装置、１１…高温部、１２…低
温部、２１…導電性材料Ａからなるシート材、２２…導
電性材料Ｂからなるシート材、２３…フォトレジスト
膜、２５…真空チャンバ、３０…熱電発電装置、４０…
発熱部品、５０…プリント基板、６０…電子機器筐体、
７０…放熱部、８０…コンデンサ、Ａ、Ｂ…導電性材料
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ
Claims (24)
- 【請求項１】 互いに異なる導電性材料からなる複数の
導電性パターンの接合部がプラズマ処理後に圧着接合さ
れ、複数の熱電対が接続された構造を有する熱電変換装
置。 - 【請求項２】 前記複数の熱電対の高温側接合部が集合
的に配置され、それとは別の位置に、前記複数の熱電対
の低温側接合部が集合的に配置されている、請求項１に
記載した熱電変換装置。 - 【請求項３】 前記接合部が熱伝導性の大きい絶縁材料
で被覆されている、請求項１に記載した熱電変換装置。 - 【請求項４】 前記熱伝導性の大きい絶縁材料がシリコ
ンゴムからなる、請求項３に記載した熱電変換装置。 - 【請求項５】 前記接合部以外の導電部が断熱性の絶縁
材料で被覆されている、請求項１に記載した熱電変換装
置。 - 【請求項６】 前記断熱性の絶縁材料がポリイミドから
なる、請求項５に記載した熱電変換装置。 - 【請求項７】 フレキシブルなシート状の形状をなす、
請求項５に記載した熱電変換装置。 - 【請求項８】 互いに異なる導電性材料をプラズマ処理
した後に各プラズマ処理面同士を圧着接合し、しかる後
にエッチング処理により前記導電性材料を導電性パター
ンに加工して、複数の熱電対が接続された構造を形成す
る、熱電変換装置の製造方法。 - 【請求項９】 前記パターン加工後に前記導電性パター
ン上に断熱性の絶縁シートを接着する、請求項８に記載
した熱電変換装置の製造方法。 - 【請求項１０】 前記複数の熱電対の高温側接合部を集
合的に配置し、それとは別の位置に、前記複数の熱電対
の低温側接合部を集合的に配置する、請求項８に記載し
た熱電変換装置の製造方法。 - 【請求項１１】 前記接合部を熱伝導性の大きい絶縁材
料で被覆する、請求項８に記載した熱電変換装置の製造
方法。 - 【請求項１２】 前記熱伝導性の大きい絶縁材料として
シリコンゴムを用いる、請求項１１に記載した熱電変換
装置の製造方法。 - 【請求項１３】 前記接合部以外の導電部を断熱性の絶
縁材料で被覆する、請求項８に記載した熱電変換装置の
製造方法。 - 【請求項１４】 前記断熱性の絶縁材料としてポリイミ
ドを用いる、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造
方法。 - 【請求項１５】 フレキシブルなシート状の形状とす
る、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造方法。 - 【請求項１６】 互いに異なる導電性材料からなる複数
の導電性パターンの接合部がプラズマ処理後に圧着接合
されることにより、複数の熱電対が接続された構造を有
する熱電変換装置を備え、前記熱電対の高温側接合部が
発熱部品に熱的に結合して配置され、前記熱電対の低温
側接合部に接続された端子から電気エネルギーが取り出
されるように構成した熱電発電装置。 - 【請求項１７】 前記電気エネルギーがコンデンサに蓄
積される、請求項１６に記載した熱電発電装置。 - 【請求項１８】 前記低温側接合部が電子機器の冷却手
段に接している、請求項１６に記載した熱電発電装置。 - 【請求項１９】 前記複数の熱電対の高温側接合部が集
合的に配置され、それとは別の位置に、前記複数の熱電
対の低温側接合部が集合的に配置されている、請求項１
６に記載した熱電発電装置。 - 【請求項２０】 前記接合部が、熱伝導性の大きい絶縁
材料で被覆されている、請求項１６に記載した熱電発電
装置。 - 【請求項２１】 前記熱伝導性の大きい絶縁材料がシリ
コンゴムからなる、請求項２０に記載した熱電発電装
置。 - 【請求項２２】 前記接合部以外の導電部が、断熱性の
絶縁材料で被覆されている、請求項１６に記載した熱電
発電装置。 - 【請求項２３】 前記断熱性の絶縁材料がポリイミドか
らなる、請求項２２に記載した熱電発電装置。 - 【請求項２４】 フレキシブルなシート状の形状をな
す、請求項２２に記載した熱電発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002099455A JP4147800B2 (ja) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | 熱電変換装置の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP7138070B2 (ja) | 2019-03-29 | 2022-09-15 | 株式会社アマダ | 金型プレス装置及び金型プレス方法 |
-
2002
- 2002-04-02 JP JP2002099455A patent/JP4147800B2/ja not_active Expired - Fee Related
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