JP2004165366A - 熱電変換素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能及び機械的強度の向上が可能な熱電変換素子を得ることにある。
【解決手段】電極１２を有する第１基板１１と、他の電極２６を有して第１基板と対向して設けられた第２基板２５と、両基板１１，２５間に挟設され両電極を介してＰＮ接合されたＰ型及びＮ型の熱電導体１７，１８とを備える熱電変換素子１を前提とする。Ｐ型及びＮ型の各熱電導体１７，１８を、基板２５に接合された平行部２１と、この平行部に一体に連続して基板１１に接合された拡大端部２２とで形成する。平行部２１の両基板１１，２５と平行な断面の面積を各部等しくする。拡大端部２２の前記両基板１１，２５と平行な断面の面積を、この拡大端部２２が接合された基板１１に向けて次第に大きくしている。
【選択図】 図１
【解決手段】電極１２を有する第１基板１１と、他の電極２６を有して第１基板と対向して設けられた第２基板２５と、両基板１１，２５間に挟設され両電極を介してＰＮ接合されたＰ型及びＮ型の熱電導体１７，１８とを備える熱電変換素子１を前提とする。Ｐ型及びＮ型の各熱電導体１７，１８を、基板２５に接合された平行部２１と、この平行部に一体に連続して基板１１に接合された拡大端部２２とで形成する。平行部２１の両基板１１，２５と平行な断面の面積を各部等しくする。拡大端部２２の前記両基板１１，２５と平行な断面の面積を、この拡大端部２２が接合された基板１１に向けて次第に大きくしている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電）、及びペルチェ効果による冷却と発熱とが可能な熱電変換素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に熱電変換素子は、その出力を大きくするために、複数のＰＮ接合対が直列に接続されたモジュールとして用いられる。このモジュールは、電極を有した面を互いに対向させて配置される第１及び第２の基板と、これら２枚の基板に電極を介してＰＮ接合されて基板間に挟まれた複数のＰ型及びＮ型の熱電導体とを備え、複数のＰＮ接合対を電極構造により直列に接続している。この熱電変換素子が備える各熱電導体は、それらの一端から他端に向けて、前記両基板と平行な断面の面積が連続的に減少する柱状の構成となっている。
【０００３】
この熱電変換素子は以下の手順で製造されている。まず、平板状の半導体ウェハで作られたＰ型とＮ型の熱電導体ブロックを、電極が所定のパターンで設けられているＰ型用の基板とＮ型用の基板とに個別に接合する。この後、両基板の平面方向に沿って直交する縦横２方向からダイシングソーなどを用いて、基板上の熱電導体ブロックに対する切断による除去を行って、柱状をなすＰ型及びＮ型のエレメント（熱電導体）を形成する。次に、両基板を互いに向かい合わせて、各エレメントの先端とそれらが接する基板の電極とを接合して組立てを行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２０１８３号公報（段落００１８−００２０、図１−図４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、平板状のＰ型とＮ型の熱電導体ブロックの夫々に対して直交する縦横２方向の切断除去加工を行ってＰ型及びＮ型の熱電導体を基板上に形成している。この場合、切断除去された領域の跡には異種の熱電導体が組立工程において配置され、この配置により互いに隣接する異種のＰ型とＮ型との熱電導体は非接触とする必要がある。これは、隣接するＰ型とＮ型との熱電導体が接触して短絡すると、既述のように複数のＰＮ接合対を直列に接続して使用することできなくなるからである。これにより、縦横に切断除去される各領域の幅は、柱状の熱電導体の幅に前記非接触とするための寸法を加えた幅が必要である。
【０００６】
このため、Ｐ型とＮ型の各熱電導体ブロックに対する切断除去量は、約６０〜７０％と多く、この改善がコスト低減などのために求められている。更に、Ｐ型とＮ型との柱状熱電導体を形成するのに、Ｐ型とＮ型の熱電導体ブロックの夫々に対して直交する縦横２方向の切断除去加工を行っているので、合計４回の切断除去加工が必要である。このため、切断除去を行う加工時間が長く掛かり、製造性が良くないので、この改善も求められている。
【０００７】
又、特許文献１の製造方法で作られた熱電変換素子の各熱電導体の横断面積は、それらの一端から他端に向けて連続的に減少しているので、各熱電導体の軸方向両端の面積、言い換えれば、基板の電極に対する接合面積の差が大きい。このため、小さな接合面積によりＰＮ接合部における吸熱又は放熱の作用が抑制され易い傾向がある。しかも、各熱電導体の横断面積が小さくなるにつれて機械的強度が低下するので、組立の際などに加えられる外力や衝撃等で各熱電導体が破損する恐れが考えられる。そのために、充分な取り扱い上の注意も求められていて、製造に時間が掛かる因子の一つとなっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、性能及び機械的強度の向上が可能な熱電変換素子及びこの素子の製造性の向上と低コスト化が可能な製造方法を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の熱電変換素子は、第１、第２の基板間に挟まれてＰＮ接合されたＰ型及びＮ型の各熱電導体を、いずれか一方の基板に接合されるとともに前記両基板と平行な断面の面積が各部等しい平行部と、この平行部との間に段差を形成することなく前記平行部に一体に連続して他方の基板に接合されるとともに前記両基板と平行な断面の面積が他方の基板に向けて次第に大きくなっている拡大端部とで形成している。
【００１０】
本発明で、Ｐ型及びＮ型の熱電導体には例えば熱電半導体を好適に使用でき、この熱電半導体としては、Ｂｉ−Ｔｅ系材料、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料Ｃｏ−Ｓｂ系材料などを挙げることができる。
【００１１】
本発明では、平行部と拡大端部とから各熱電導体を形成したので、基板に電極を介して接合される各熱電導体の軸方向両端の面積の差を小さくできるとともに、各熱電導体の機械的強度を向上させることが可能である。
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、第１基板が有する電極と前記第１接続層とを接合して、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互に前記第１基板上に間隔的に並べて取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。
【００１３】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互にかつスペーサ要素を挟んで間隔的に並べるとともに、各熱電導体素片が有する前記第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記第１基板上に前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片並びに前記スペーサ要素をそれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。この発明では、前記スペーサ要素を可溶性材料として、前記第３工程での切断後に可溶手段によりスペーサ要素を除去することが可能であり、又、前記スペーサ要素を断熱性を有する電気絶縁材料として、このスペーサの断片からなるスペーサを隣接した前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体間に残すことも可能である。
【００１４】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に個別に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を互いに接触させるとともに、これら各熱電導体素片の第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片を前記第１基板上に交互に並べて取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断するとともに、この切断の前又は後に、前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片の接触部を前記並び方向と直交する方向に沿って切断して、前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。
【００１５】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、第１基板が有する電極と前記Ｐ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＰ型熱電導体素片を前記第１基板上に間隔的に並べて取付けるとともに、第２基板が有する電極と前記Ｎ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＮ型熱電導体素片を前記第２基板上に間隔的に並べて取付ける。第３工程では、前記各Ｐ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体を形成するとともに、前記各Ｎ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記Ｐ型熱電導体が取付けられた前記第１基板と前記Ｎ型熱電導体が取付けられた前記第２基板とを向かい合わせて、前記Ｐ型熱電導体の第２接続層を前記第２基板が有する電極に接合するとともに、前記Ｎ型熱電導体の第２接続層を前記第１基板が有する電極に接合する。
【００１６】
これらの製造方法では、切断軌跡の先端部が先細となるように各熱電導体素片の一部を切断除去してＰ型やＮ型の熱電導体を形成するので、一端部が拡大端部をなしこれ以外の部分が平行部をなす熱電導体を備えた熱電変換素子を製造できる。
【００１７】
更に各製造方法では、第１工程で得た各熱電導体素片を第２工程で第１基板上に並べた状態で、第３工程での切断除去によりＰ型やＮ型の熱電導体を形成するので、第１基板に対する各熱電導体素片の並べ方に応じて、熱電導体の形成に必要とする基板の縦方向又は横方向に沿って実施される切断除去が１回又は２回で済む。このため、第１工程で各熱電導体素片を得るための切断除去を含めて、製造過程で必要とする切断除去は最大で２回又は３回と少なくできる。
【００１８】
各製造方法では、その第２工程で複数の熱電導体素片を間隔的に並べた場合には、前記間隔の分に応じた切断除去量の削減が可能であり、更に、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよいので、切断除去量の削減が可能である。又、第２工程で異種の熱電導体素片を接触させて並べた場合にも、切断除去によってＰ型とＮ型の熱電導体を同時に形成するので、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、異種及び同種の熱電導体が非接触となるように切断除去するだけでよく、それによる切断除去量の削減が可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子をその製造方法とともに説明する。図１に示した熱電変換素子１は、例えば電子式腕時計等の各種形態用電子機器の発電に利用されるものであって、その製造方法は、第１〜第４の工程を具備している。なお、各工程の最後の段階ではいずれも洗浄処理が施される。
【００２０】
第１工程は、図２（Ａ）に例示したＰ型又はＮ型の熱電導体ブロック２から図２（Ｂ）に夫々１個ずつ例示した熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを形成する素片作成工程である。
【００２１】
詳しくは、熱電導体ブロック２は、Ｐ型及びＮ型の熱電半導体により直方体形状をなしているとともに、その互いに平行な第１、第２の面、例えば図２（Ａ）で下面と上面の夫々には、ＰＮ接合が可能な金属で作られた複数の金属帯３、４がメッキ等により個別に取付けられている。ＰＮ接合が可能な金属としては、Ｎｉ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ｓｎ等を挙げることができる。図２（Ａ）では理解を容易にするために、金属帯３、４には平行斜線を付して識別し易くしてある。この点は他の各実施形態でも同様である。各金属帯３は熱電導体ブロック２の下面に所定間隔を置いて互いに平行に設けられ、各金属帯４は熱電導体ブロック２の上面に所定間隔を置いて互いに平行に設けられている。上下の金属体３、４は熱電導体ブロック２の厚み方向に対応して配設されている。
【００２２】
第１工程では、熱電導体ブロック２をその金属帯３又は４が並ぶ方向に沿って図示しない切断手段により切断して、所定厚みの熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々複数形成する。図２（Ａ）中１点鎖線は切断が施される位置を示している。熱電導体素片５ＰはＰ型の熱電導体ブロック２をスライスすることによって形成し、熱電導体素片５ＮはＮ型の熱電導体ブロック２をスライスすることによって形成する。前記切断手段としてはダイシングソーやワイヤソー等を用いることができる。
【００２３】
こうして形成された各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの下面の夫々には、半田バンプ例えば金属帯３の断片からなる第１接続層３ａが複数間隔的に設けられている。同様に、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの上面には、夫々金属帯４の断片からなる第２接続層４ａが複数間隔的に設けられている。図２（Ｂ）では理解を容易にするために、各接続層３ａ、４ａに平行斜線を付して識別し易くしてある。この点は以下の各工程並びに他の実施形態でも同様である。
【００２４】
このように第１工程で半田バンプを得る方法では、一つ一つの半田バンプを個々に所定の位置に作成する手間を要することがなく、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを切断して作ることによって同時に作ることができる。このため、容易に半田バンプを設け得る点で優れている。
【００２５】
第２工程は第１基板１１に所定数のＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを取付ける接合工程である。第１基板１１は、良熱伝導材料、例えばシリコン等の金属、又は窒化アルミ等の金属化合物、若しくはアルミナ等のセラミックスで例えば矩形状に作られていて、その一面に所定パターンで設けられた電極１２を有している。電極１２は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料からなり、真空蒸着、スパッタリング、フォトリソグラフ、メッキ等により設けられている。第２工程でのＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの基板１１への取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極１２に接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型熱電導体素片５ＰとＮ型各熱電導体素片５Ｎとが交互に所定間隔Ａを置いて第１基板１１上に並べて取付けられる。この取付けにより作られたアセンブリＢを図３に示す。
【００２６】
第３工程は、多数のＰ型及びＮ型の熱電導体を同時に形成する切断加工工程である。この工程では切断軌跡の終端部が先細となるように切断加工する。具体的には切断軌跡の終端部が先細となるカッターを用いる。このカッターには例えばダイシングソー１５を好適に使用できる。このダイシングソー１５の半径寸法は各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの高さ寸法Ｃ（図３参照）よりも充分に大きく、図４（Ｂ）に示すようにダイシングソー１５の周部で形成される刃先部１５ａの幅は、先端に向かうに従い両側から連続的に狭まっている。更に、ダイシングソー１５の刃先部１５ａより内径側部分の両側面１５ｂ、１５ｃは平行であり、したがって、前記内径部分の幅は各部同じに作られている。
【００２７】
第３工程では、第１基板１１上に立設されているＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを、それらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。これらの切断部位は、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの第２接続層４ａ間の部分に対して施される。
【００２８】
こうした第１基板１１の一辺に沿う一方向の切断により、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐが、夫々複数のＰ型熱電導体１７に分割されて、隣接した互いのＰ型熱電導体１７が非接触に設けられる。同時に、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎも、夫々複数のＮ型熱電導体１８に分割されされて、隣接した互いのＮ型熱電導体１８も非接触に設けられる。形成されたＰ型の各熱電導体１７の上端には第２接続層４ａが残されているとともに、Ｎ型の各熱電導体１８の上端にも第２接続層４ａが残されている。第３工程により作られたアセンブリＤを図５に示す。Ｐ型及びＮ型の熱電導体１７、１８は、いずれも柱状（チップ状）、詳しくは横断面の一辺が数百μｍから数μｍの直方体形状をなしている。
【００２９】
前記切断の際、ダイシングソー１５は、電極１２の厚み分に相当する深さまで切込まれるので、第１基板１１を切断することなく、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々複数の各熱電導体１７、１８に分割できる。更に、こうして各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを同時に作成する前記切断に伴って、分割されて互いに隣接されるようになったＰ型熱電導体１７間、及びＮ型熱電導体１８間には、ダイシングソー１５の半径方向の厚みに応じた隙間が形成される。
【００３０】
このため、図１に示すように、各熱電導体１７、１８は、平行部２１と、この平行部２１に一体に連続して第１基板１１に接合された拡大端部２２とを有して形成されている。平行部２１の第１基板１１と平行な断面の面積は各部等しい。言い換えれば、平行部２１の各部の幅は一定である。拡大端部２２は、第１基板１１と平行な断面の面積が、第１基板１１に向けて次第に大きくなるように形成されている。しかも、平行部２１と拡大端部２２とが一体につながる部分は、製造される過程での応力集中を抑制するために、その断面積を連続的に変化していて、段差は形成されていない。なお、平行部２１と拡大端部２２との境界に相当する位置を図１中２点鎖線で示す。
【００３１】
第４工程は、アセンブリＤに第２基板２５を組付ける組立て工程である。第２基板２５は、第１基板１１と同種の基板が用いられ、その一面に所定パターンで設けられた電極２６（図１参照）を有している。電極２６は前記電極１２と同種の金属で同様に設けられている。第４工程は、第２基板２５をアセンブリＤに対して位置決めして、その電極２６を第２接続層４ａに例えば半田付けにより接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８が第１、第２の両基板１１、２５間に挟設されて、電極１２、２５を介してＰＮ接合された熱電変換素子１が作成される。こうした得られた熱電変換素子１を図１及び図６に示す。
【００３２】
以上の製造方法では、第１工程で得たＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを第２工程で第１基板１１上に交互に所定間隔で並べた状態で、ダイシングソー１５を用いる第３工程での切断除去により所定数のＰ型及びＮ型の熱電導体１７、１８を同時に形成できる。
【００３３】
これらの熱電導体１７、１８の形成に必要な切断除去は、矩形状をなした第１基板１１の一辺に沿う縦方向、又は前記一辺と直角な他片に沿う横方向の内の一方向に沿ってのみ実施される。このため、製造過程で必要とする切断除去は、第１工程で熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを得るための切断除去を含めて、２回である。したがって、切断除去に掛かる時間が短くなって、製造性を向上できる。
【００３４】
更に前記製造方法では、第２工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを交互に間隔的に並べるので、この間隔Ａの分に応じた切断除去量の削減が可能である。その上、熱電導体ブロック２から熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作る考慮をすることがないとともに、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐを切断してＰ型熱電導体１７を作るとき、及びＮ型の各熱電導体素片５Ｎを切断してＮ型熱電導体１８を作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよい。このため、切断除去量の削減が可能である。こうした切断除去量の削減に伴い、材料コストが高い熱電半導体の材料使用率を向上できるので、製造コストを低減することが可能である。
【００３５】
しかも、第１実施形態で、Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを第１基板１１に接合する第２工程は１回の接合工程と認識できるので、これ以外に必要な接合工程は、第２基板２５とＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８とを接合する第４工程だけである。このように熱電変換素子１を製造する上での接合回数は２回で済むので、この点においても製造性を向上できる点で第１実施形態は優れている。
【００３６】
その上、第１実施形態において組立てを実施する第４工程では、微小なチップ状をなしているＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８が既に非接触となる所定の配置で設けられている。このため、Ｐ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８とが接触しないように微細な位置合わせをする必要がない。この点においても製造性を向上できる点で第１実施形態は優れている。
【００３７】
以上の製造方法で作られた熱電変換素子１の各熱電導体１７、１８は、いずれも平行部２１とこれに連続した拡大端部２２とから形成される。このため、第１基板１１に電極１２を介して接合される各熱電導体１７、１８の軸方向一端、つまり拡大端部２２の拡大端の面積と、第２基板２５に電極２６を介して接合される各熱電導体１７、１８の軸方向他端、つまり平行部２１の先端の面積との差を小さくできる。これにより、各熱電導体１７、１８の機械的強度を向上させることが可能となるので、製造される過程で各熱電導体１７、１８が損傷することを抑制し易くできる。
【００３８】
更に、既述のように面積差が小さいことに伴い第１、第２の基板１１、２５に対する接合面積、つまり吸熱側及び放熱側でのＰＮ接合部の面積、言い換えれば、熱電変換が行われる部分の面積を夫々大きくできる。それにより、熱電変換の性能を向上することが可能である。
【００３９】
本発明の第２〜第４の各実施形態を以下説明する。これらの実施形態は基本的には第１実施形態と同じ構成であるので、同じ構成については第１実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００４０】
図７に示す本発明の第２実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態の構成に加えて、交互に並んでいるＰ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との間に、図７（Ｂ）に示すように断熱性を有する電気絶縁材料製のスペーサ３１を夫々挟設している。
【００４１】
このようにＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８が交互に並んでいる方向にスペーサ３１を介して連続していることにより、Ｐ型とＮ型の各熱電導体１７、１８がスペーサ３１で補強される。このため、製造される過程で各熱電導体１７、１８が損傷することを更に抑制し易くできる点で優れている。スペーサ３１は断熱性を有する電気絶縁材料（例えばセラミックスを好適に使用できる。）製であるので、Ｐ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との間での熱干渉及び電気的短絡がスペーサ３１によってもたらされることはない。
【００４２】
以上説明した点以外の構成は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００４３】
この第２実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図８に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００４４】
第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの第１接続層３ａを例えば半田付けにより第１基板１１の電極１２に接合して、第１基板１１上に、Ｐ型熱電導体素片５ＰとＮ型各熱電導体素片５Ｎとを交互に所定間隔を置いて並べて取付けるとともに、その際にスペーサ要素３２をＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎ間に挟設する工程である。このため、異種の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎはスペーサ要素３２によって所定間隔に設けられる。各スペーサ要素３２は、断熱性を有する電気絶縁材料製である。各スペーサ要素３２は、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎと略同じ長さを有していて、その長手方向と直交する方向の断面形状は矩形であり、高さは各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの高さ以下であリ、又、幅は異種の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを非接触とするのに必要な大きさである。第２工程で作られたアセンブリＥを図９に示す。
【００４５】
図１０に示した第３工程は、ダイシングソー１５を用いて所定個所を切断除去する工程で、第１実施形態の第３工程と同じであるので、説明を省略する。しかし、この場合、ダイシングソー１５は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎとともに、これらの間に挟まれている各スペーサ要素３２も同時に切断除去する。それにより、所定数のＰ型及びＮ型の熱電導体１７、１８が同時に形成されるとともに、各スペーサ要素３２の断片からなるスペーサ３１が形成される。この第３工程により作られたアセンブリＦを図１１に示す。
【００４６】
図１２に示した第４工程は、第１実施形態の第４工程と同じであるので、説明を省略する。
【００４７】
以上説明した点以外は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の製造方法においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備える熱電変換素子１を容易に製造できるとともに、第１実施形態と同じ理由により、熱電変換素子１の製造性の向上と低コスト化が可能である。
【００４８】
なお、この第２実施形態においてスペーサ要素３２は、熱又は溶剤で溶けることができる可溶性材料からなるものを使用することができる。この場合、シート状のスペーサ要素３２であっても差し支えない。こうしたスペーサ要素３２を第３工程で使用する場合、第３工程はスペーサ要素３２を除去する最終過程を含むとよい。この最終過程では、切断除去後に残ったスペーサ要素３２の断片（スペーサ３１）を、加熱して溶かすこと、又は溶剤を用いて溶かすことによって、除去する。このため、製造された熱電変換素子１は図１のものと同じとなる。
【００４９】
図１３に示す本発明の第３実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態と同じ構成であるので、この第３実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００５０】
この第３実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図１４に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５１】
第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを互いの側面を接触させて交互に並べるとともに、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより第１基板１１の電極１２に接合して、第１基板１１上に並べて取付ける工程である。これにより、Ｐ型熱電導体素片５Ｐ同士はＮ型熱電導体素片５Ｎの幅に相当する所定間隔を置いて第１基板１１上に配置され、同様にＮ型熱電導体素片５Ｎ同士はＰ型熱電導体素片５Ｐの幅に相当する所定間隔を置いて第１基板１１上に配置される。この第２工程で作られたアセンブリＧを図１５に示す。
【００５２】
図１６に示した第３工程は、ダイシングソー１５、１６を用いてアセンブリＧの所定個所を切断除去する工程である。一方のダイシングソー１５を用いての切断除去により、Ｐ型熱電導体素片５Ｐを複数のＰ型熱電導体１７に分割するとともに、Ｎ型熱電導体素片５Ｎを複数のＮ型熱電導体１８に分割する。この分割過程は、図１６（Ａ）に示されるが、第１実施形態の第３工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５３】
他方のダイシングソー１６は、前記ダイシングソー１５より幅が薄いものであって、これを用いてのアセンブリＧの所定個所の切断除去は、前記ダイシングソー１５の移動方向に直交する方向にダイシングソー１６を移動させて行われる。なお、この離し過程は、一方のダイシングソー１５を用いての切断除去過程の前に実施してもよい。
【００５４】
他方のダイシングソー１６は、Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの長手方向に沿って、これらの接触部に通される。これにより、互いに接触しているＰ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との双方の接触部が切断除去されて、熱電導体１７、１８を非接触とできる。以上の分割過程と離し過程とを含む第３工程により作られたアセンブリＨを図１８に示す。
【００５５】
第４工程は、図示しないが第１実施形態の第４工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５６】
以上説明した点以外は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の製造方法においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備える熱電変換素子１を容易に製造できるとともに、第１実施形態と同じ理由により、熱電変換素子１の製造性の向上と低コスト化が可能である。なお、この第３実施例における切断除去は、熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るとき、及び第３工程での分離過程と離し過程との夫々に必要とするが、それでも合計３回で済むので、切断除去に掛かる時間を総合的に短くできることには変わりがない。
【００５７】
図１８に示す本発明の第４実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態と同じ構成であるので、この第４実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００５８】
この第４実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図１９に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５９】
図２０（Ａ）及び図２１（Ａ）に示す第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々に対応した第１基板１１及び第２基板２５に個別に取付ける第１接合工程である。
【００６０】
第１基板１１に対する複数のＰ型熱電導体素片５Ｐの取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極１２に接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型熱電導体素片５Ｐは所定間隔を置いて第１基板１１上に並べて取付けられる。隣接するＰ型熱電導体素片５Ｐ間の所定の間隔は、そこにＮ型熱電導体素片５ＮをＰ型熱電導体素片５Ｐに非接触に配置できる大きさである。こうした取付け完了状態を図２０（Ａ）に示す。
【００６１】
同様に、第２基板２５に対する複数のＮ型熱電導体素片５Ｎの取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極２６に接合することで実施する。この接合によって、Ｎ型熱電導体素片５Ｎは所定間隔を置いて第２基板２５上に並べて取付けられる。隣接するＮ型熱電導体素片５Ｎ間の所定の間隔は、そこにＰ型熱電導体素片５ＰをＮ型熱電導体素片５Ｎに非接触に配置できる大きさである。この取付け完了状態を図２１（Ａ）に示す。
【００６２】
図２０（Ｂ）及び図２１（Ｂ）に示す第３工程は、基板１１、２５上のＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎに対する個別加工により、これらを複数に夫々分割して所定数のＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８を形成する切断加工工程である。
【００６３】
第１基板１１上のＰ型熱電導体素片５Ｐに対する切断除去はダイシングソー１５を用いて、各Ｐ型熱電導体素片５Ｐをそれらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。このような第１基板１１の一辺に沿う一方向の切断により、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐが、夫々柱状（チップ状）をなすとともに上端には第２接続層４ａが残された複数のＰ型熱電導体１７に分割される。第３工程により作られたＰ型のアセンブリＩを図２０（Ｃ）に示す。
【００６４】
同様に、第２基板２５上のＮ型熱電導体素片５Ｎに対する切断除去もダイシングソー１５を用いて、各Ｎ型熱電導体素片５Ｎをそれらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。このような第２基板２５の一辺に沿う一方向の切断により、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎが、夫々柱状（チップ状）をなすとともに上端には第２接続層４ａが残された複数のＮ型熱電導体１８に分割される。この第３工程により作られたＮ型のアセンブリＪを図２１（Ｃ）に示す。
【００６５】
第４工程は、前記Ｐ型及びＮ型の両アセンブリＩ、Ｊを組立てる組立て工程である。詳しくは、図２２に示すように第４工程では、Ｐ型アセンブリＩの第１基板１１とＮ型アセンブリＪの第２基板２５とを向かい合わせ、これらを適正に位置合わせした上で、各Ｐ型熱電導体１７と各Ｎ型熱電導体１８とが互い違いに入り込むようにする。さらに、この状態で、各Ｐ型熱電導体１７の先端にある第２接続層４ａを第２基板２５が有する電極２６に例えば半田付けにより接合すると同時に、各Ｎ型熱電導体１８の先端にある第２接続層４ａを第１基板１１が有する電極１２に例えば半田付けにより接合する。こうして得られた熱電変換素子１を図１８（Ａ）（Ｂ）に示す。
【００６６】
以上の製造の過程で必要とする切断除去は、第１工程で熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを得るための切断除去と、熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの夫々よりＰ型又はＮ型の熱電導体１７、１８を分離させるための切断除去であり、合計で３回である。これにより、切断除去に掛かる時間が短くなって、製造性を向上できる。
【００６７】
更に前記製造方法では、第２工程でＰ型の各熱電導体素片５Ｐ同士を間隔的に並べるとともに、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎ同士を間隔的に並べるので、これらの間隔の分に応じた切断除去量の削減が可能である。その上、熱電導体ブロック２から熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作る考慮をすることがないとともに、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐを切断してＰ型熱電導体１７を作るとき、及びＮ型の各熱電導体素片５Ｎを切断してＮ型熱電導体１８を作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよい。このため、切断除去量の削減が可能である。こうした切断除去量の削減に伴い、材料コストが高い熱電半導体の材料使用率を向上できるので、製造コストを低減することが可能である。
【００６８】
しかも、第４実施形態での接合は、Ｐ型熱電導体素片５Ｐの第１基板１１への接合、Ｎ型熱電導体素片５Ｎの第２基板２５への接合、及び各熱電導体１７、１８と第１、第２の基板１１、２５との接合だけである。このように熱電変換素子１を製造する上での接合回数が３回で済むので、この点においても製造性を向上できる点で第４実施形態は優れている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る熱電変換素子によれば、基板に電極を介して接合されるＰ型及びＮ型の各熱電導体の軸方向両端の面積の差が小さいので、吸熱及び放熱の性能を向上可能であるとともに、各熱電導体の機械的強度の向上も可能である。
【００７０】
本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、一端部が拡大端部をなしこれ以外の部分が平行部をなすＰ型及びＮ型の熱電導体を備えた熱電変換素子を製造するのに好適である。これとともに、熱電変換素子の製造過程で必要とする切断除去が２回又は３回と少ないので、熱電変換素子の製造性を向上することが可能であり、更に、製造過程で必要とする切断除去は、異種及び同種の熱電導体を非接触とするためであって、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行わないので、切断除去量の削減が可能である。したがって、本発明によれば、低コストで熱電変換素子を製造可能な製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子を示す側面図。
【図２】（Ａ）は図１の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図２（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図３】図１の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図１の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する切断加工状態を示す斜視図。
（Ｂ）は図４（Ａ）の切断加工を行うダイシングソーを示す半径方向の断面図。
【図５】図１の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す斜視図。
【図６】図１の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する斜視図。
【図７】（Ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱電変換素子を示す側面図。
（Ｂ）は図７（Ａ）中Ｆ７−Ｆ７線に沿って示す熱電変換素子の断面図。
【図８】（Ａ）は図７の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図８（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図９】図７の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
【図１０】図７の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する切断加工状態を示す平面図。
【図１１】図７の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す平面図。
【図１２】図７の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する一部切欠き側面図。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る熱電変換素子を一部切欠いて示す側面図。
【図１４】（Ａ）は図１３の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図１４（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた複数の熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図１５】図１３の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
【図１６】（Ａ）は図１３の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する第１の切断加工状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１３の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する第２の切断加工状態を示す平面図。
【図１７】図１３の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す平面図。
【図１８】（Ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱電変換素子を一部切欠いて示す側面図。
（Ｂ）は図１８（Ａ）中Ｆ１８方向から見て示す熱電変換素子の矢視図。
【図１９】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図１９（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた複数の熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図２０】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板にＰ型熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１８の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型熱電導体を形成する切断加工状態を示す平面図。
（Ｃ）は図１８の熱電変換素子を製造する前記第３工程で作られたＰ型アセンブリを示す平面図。
【図２１】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板にＮ型熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１８の熱電変換素子を製造する第３工程でＮ型熱電導体を形成する加工状態を示す平面図。
（Ｃ）は図１８の熱電変換素子を製造する前記第３工程で作られたＮ型アセンブリを示す平面図。
【図２２】図１８の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する側面図。
【符号の説明】
１…熱電変換素子
２…熱電導体ブロック
３、４…金属帯
３ａ…第１接続層
４ａ…第２接続層
５Ｐ…Ｐ型熱電導体素片
５Ｎ…Ｎ型熱電導体素片
１１…第１基板
１２…電極
１５、１６…ダイシングソー（カッター）
１７…Ｐ型熱電導体
１８…Ｎ型熱電導体
２１…平行部
２２…拡大端部
２５…第２基板
２６…電極
３１…スペーサ
３２…スペーサ要素
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電）、及びペルチェ効果による冷却と発熱とが可能な熱電変換素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に熱電変換素子は、その出力を大きくするために、複数のＰＮ接合対が直列に接続されたモジュールとして用いられる。このモジュールは、電極を有した面を互いに対向させて配置される第１及び第２の基板と、これら２枚の基板に電極を介してＰＮ接合されて基板間に挟まれた複数のＰ型及びＮ型の熱電導体とを備え、複数のＰＮ接合対を電極構造により直列に接続している。この熱電変換素子が備える各熱電導体は、それらの一端から他端に向けて、前記両基板と平行な断面の面積が連続的に減少する柱状の構成となっている。
【０００３】
この熱電変換素子は以下の手順で製造されている。まず、平板状の半導体ウェハで作られたＰ型とＮ型の熱電導体ブロックを、電極が所定のパターンで設けられているＰ型用の基板とＮ型用の基板とに個別に接合する。この後、両基板の平面方向に沿って直交する縦横２方向からダイシングソーなどを用いて、基板上の熱電導体ブロックに対する切断による除去を行って、柱状をなすＰ型及びＮ型のエレメント（熱電導体）を形成する。次に、両基板を互いに向かい合わせて、各エレメントの先端とそれらが接する基板の電極とを接合して組立てを行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２０１８３号公報（段落００１８−００２０、図１−図４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、平板状のＰ型とＮ型の熱電導体ブロックの夫々に対して直交する縦横２方向の切断除去加工を行ってＰ型及びＮ型の熱電導体を基板上に形成している。この場合、切断除去された領域の跡には異種の熱電導体が組立工程において配置され、この配置により互いに隣接する異種のＰ型とＮ型との熱電導体は非接触とする必要がある。これは、隣接するＰ型とＮ型との熱電導体が接触して短絡すると、既述のように複数のＰＮ接合対を直列に接続して使用することできなくなるからである。これにより、縦横に切断除去される各領域の幅は、柱状の熱電導体の幅に前記非接触とするための寸法を加えた幅が必要である。
【０００６】
このため、Ｐ型とＮ型の各熱電導体ブロックに対する切断除去量は、約６０〜７０％と多く、この改善がコスト低減などのために求められている。更に、Ｐ型とＮ型との柱状熱電導体を形成するのに、Ｐ型とＮ型の熱電導体ブロックの夫々に対して直交する縦横２方向の切断除去加工を行っているので、合計４回の切断除去加工が必要である。このため、切断除去を行う加工時間が長く掛かり、製造性が良くないので、この改善も求められている。
【０００７】
又、特許文献１の製造方法で作られた熱電変換素子の各熱電導体の横断面積は、それらの一端から他端に向けて連続的に減少しているので、各熱電導体の軸方向両端の面積、言い換えれば、基板の電極に対する接合面積の差が大きい。このため、小さな接合面積によりＰＮ接合部における吸熱又は放熱の作用が抑制され易い傾向がある。しかも、各熱電導体の横断面積が小さくなるにつれて機械的強度が低下するので、組立の際などに加えられる外力や衝撃等で各熱電導体が破損する恐れが考えられる。そのために、充分な取り扱い上の注意も求められていて、製造に時間が掛かる因子の一つとなっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、性能及び機械的強度の向上が可能な熱電変換素子及びこの素子の製造性の向上と低コスト化が可能な製造方法を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の熱電変換素子は、第１、第２の基板間に挟まれてＰＮ接合されたＰ型及びＮ型の各熱電導体を、いずれか一方の基板に接合されるとともに前記両基板と平行な断面の面積が各部等しい平行部と、この平行部との間に段差を形成することなく前記平行部に一体に連続して他方の基板に接合されるとともに前記両基板と平行な断面の面積が他方の基板に向けて次第に大きくなっている拡大端部とで形成している。
【００１０】
本発明で、Ｐ型及びＮ型の熱電導体には例えば熱電半導体を好適に使用でき、この熱電半導体としては、Ｂｉ−Ｔｅ系材料、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料Ｃｏ−Ｓｂ系材料などを挙げることができる。
【００１１】
本発明では、平行部と拡大端部とから各熱電導体を形成したので、基板に電極を介して接合される各熱電導体の軸方向両端の面積の差を小さくできるとともに、各熱電導体の機械的強度を向上させることが可能である。
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、第１基板が有する電極と前記第１接続層とを接合して、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互に前記第１基板上に間隔的に並べて取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。
【００１３】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互にかつスペーサ要素を挟んで間隔的に並べるとともに、各熱電導体素片が有する前記第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記第１基板上に前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片並びに前記スペーサ要素をそれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。この発明では、前記スペーサ要素を可溶性材料として、前記第３工程での切断後に可溶手段によりスペーサ要素を除去することが可能であり、又、前記スペーサ要素を断熱性を有する電気絶縁材料として、このスペーサの断片からなるスペーサを隣接した前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体間に残すことも可能である。
【００１４】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に個別に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を互いに接触させるとともに、これら各熱電導体素片の第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片を前記第１基板上に交互に並べて取付ける。第３工程では、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断するとともに、この切断の前又は後に、前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片の接触部を前記並び方向と直交する方向に沿って切断して、前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する。
【００１５】
同様に、前記課題を解決するために、本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、第１〜第４の工程を具備する。第１工程では、互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する。第２工程では、第１基板が有する電極と前記Ｐ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＰ型熱電導体素片を前記第１基板上に間隔的に並べて取付けるとともに、第２基板が有する電極と前記Ｎ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＮ型熱電導体素片を前記第２基板上に間隔的に並べて取付ける。第３工程では、前記各Ｐ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体を形成するとともに、前記各Ｎ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＮ型熱電導体を形成する。第４工程では、前記Ｐ型熱電導体が取付けられた前記第１基板と前記Ｎ型熱電導体が取付けられた前記第２基板とを向かい合わせて、前記Ｐ型熱電導体の第２接続層を前記第２基板が有する電極に接合するとともに、前記Ｎ型熱電導体の第２接続層を前記第１基板が有する電極に接合する。
【００１６】
これらの製造方法では、切断軌跡の先端部が先細となるように各熱電導体素片の一部を切断除去してＰ型やＮ型の熱電導体を形成するので、一端部が拡大端部をなしこれ以外の部分が平行部をなす熱電導体を備えた熱電変換素子を製造できる。
【００１７】
更に各製造方法では、第１工程で得た各熱電導体素片を第２工程で第１基板上に並べた状態で、第３工程での切断除去によりＰ型やＮ型の熱電導体を形成するので、第１基板に対する各熱電導体素片の並べ方に応じて、熱電導体の形成に必要とする基板の縦方向又は横方向に沿って実施される切断除去が１回又は２回で済む。このため、第１工程で各熱電導体素片を得るための切断除去を含めて、製造過程で必要とする切断除去は最大で２回又は３回と少なくできる。
【００１８】
各製造方法では、その第２工程で複数の熱電導体素片を間隔的に並べた場合には、前記間隔の分に応じた切断除去量の削減が可能であり、更に、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよいので、切断除去量の削減が可能である。又、第２工程で異種の熱電導体素片を接触させて並べた場合にも、切断除去によってＰ型とＮ型の熱電導体を同時に形成するので、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、異種及び同種の熱電導体が非接触となるように切断除去するだけでよく、それによる切断除去量の削減が可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子をその製造方法とともに説明する。図１に示した熱電変換素子１は、例えば電子式腕時計等の各種形態用電子機器の発電に利用されるものであって、その製造方法は、第１〜第４の工程を具備している。なお、各工程の最後の段階ではいずれも洗浄処理が施される。
【００２０】
第１工程は、図２（Ａ）に例示したＰ型又はＮ型の熱電導体ブロック２から図２（Ｂ）に夫々１個ずつ例示した熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを形成する素片作成工程である。
【００２１】
詳しくは、熱電導体ブロック２は、Ｐ型及びＮ型の熱電半導体により直方体形状をなしているとともに、その互いに平行な第１、第２の面、例えば図２（Ａ）で下面と上面の夫々には、ＰＮ接合が可能な金属で作られた複数の金属帯３、４がメッキ等により個別に取付けられている。ＰＮ接合が可能な金属としては、Ｎｉ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ｓｎ等を挙げることができる。図２（Ａ）では理解を容易にするために、金属帯３、４には平行斜線を付して識別し易くしてある。この点は他の各実施形態でも同様である。各金属帯３は熱電導体ブロック２の下面に所定間隔を置いて互いに平行に設けられ、各金属帯４は熱電導体ブロック２の上面に所定間隔を置いて互いに平行に設けられている。上下の金属体３、４は熱電導体ブロック２の厚み方向に対応して配設されている。
【００２２】
第１工程では、熱電導体ブロック２をその金属帯３又は４が並ぶ方向に沿って図示しない切断手段により切断して、所定厚みの熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々複数形成する。図２（Ａ）中１点鎖線は切断が施される位置を示している。熱電導体素片５ＰはＰ型の熱電導体ブロック２をスライスすることによって形成し、熱電導体素片５ＮはＮ型の熱電導体ブロック２をスライスすることによって形成する。前記切断手段としてはダイシングソーやワイヤソー等を用いることができる。
【００２３】
こうして形成された各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの下面の夫々には、半田バンプ例えば金属帯３の断片からなる第１接続層３ａが複数間隔的に設けられている。同様に、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの上面には、夫々金属帯４の断片からなる第２接続層４ａが複数間隔的に設けられている。図２（Ｂ）では理解を容易にするために、各接続層３ａ、４ａに平行斜線を付して識別し易くしてある。この点は以下の各工程並びに他の実施形態でも同様である。
【００２４】
このように第１工程で半田バンプを得る方法では、一つ一つの半田バンプを個々に所定の位置に作成する手間を要することがなく、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを切断して作ることによって同時に作ることができる。このため、容易に半田バンプを設け得る点で優れている。
【００２５】
第２工程は第１基板１１に所定数のＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを取付ける接合工程である。第１基板１１は、良熱伝導材料、例えばシリコン等の金属、又は窒化アルミ等の金属化合物、若しくはアルミナ等のセラミックスで例えば矩形状に作られていて、その一面に所定パターンで設けられた電極１２を有している。電極１２は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料からなり、真空蒸着、スパッタリング、フォトリソグラフ、メッキ等により設けられている。第２工程でのＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの基板１１への取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極１２に接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型熱電導体素片５ＰとＮ型各熱電導体素片５Ｎとが交互に所定間隔Ａを置いて第１基板１１上に並べて取付けられる。この取付けにより作られたアセンブリＢを図３に示す。
【００２６】
第３工程は、多数のＰ型及びＮ型の熱電導体を同時に形成する切断加工工程である。この工程では切断軌跡の終端部が先細となるように切断加工する。具体的には切断軌跡の終端部が先細となるカッターを用いる。このカッターには例えばダイシングソー１５を好適に使用できる。このダイシングソー１５の半径寸法は各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの高さ寸法Ｃ（図３参照）よりも充分に大きく、図４（Ｂ）に示すようにダイシングソー１５の周部で形成される刃先部１５ａの幅は、先端に向かうに従い両側から連続的に狭まっている。更に、ダイシングソー１５の刃先部１５ａより内径側部分の両側面１５ｂ、１５ｃは平行であり、したがって、前記内径部分の幅は各部同じに作られている。
【００２７】
第３工程では、第１基板１１上に立設されているＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを、それらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。これらの切断部位は、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの第２接続層４ａ間の部分に対して施される。
【００２８】
こうした第１基板１１の一辺に沿う一方向の切断により、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐが、夫々複数のＰ型熱電導体１７に分割されて、隣接した互いのＰ型熱電導体１７が非接触に設けられる。同時に、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎも、夫々複数のＮ型熱電導体１８に分割されされて、隣接した互いのＮ型熱電導体１８も非接触に設けられる。形成されたＰ型の各熱電導体１７の上端には第２接続層４ａが残されているとともに、Ｎ型の各熱電導体１８の上端にも第２接続層４ａが残されている。第３工程により作られたアセンブリＤを図５に示す。Ｐ型及びＮ型の熱電導体１７、１８は、いずれも柱状（チップ状）、詳しくは横断面の一辺が数百μｍから数μｍの直方体形状をなしている。
【００２９】
前記切断の際、ダイシングソー１５は、電極１２の厚み分に相当する深さまで切込まれるので、第１基板１１を切断することなく、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々複数の各熱電導体１７、１８に分割できる。更に、こうして各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを同時に作成する前記切断に伴って、分割されて互いに隣接されるようになったＰ型熱電導体１７間、及びＮ型熱電導体１８間には、ダイシングソー１５の半径方向の厚みに応じた隙間が形成される。
【００３０】
このため、図１に示すように、各熱電導体１７、１８は、平行部２１と、この平行部２１に一体に連続して第１基板１１に接合された拡大端部２２とを有して形成されている。平行部２１の第１基板１１と平行な断面の面積は各部等しい。言い換えれば、平行部２１の各部の幅は一定である。拡大端部２２は、第１基板１１と平行な断面の面積が、第１基板１１に向けて次第に大きくなるように形成されている。しかも、平行部２１と拡大端部２２とが一体につながる部分は、製造される過程での応力集中を抑制するために、その断面積を連続的に変化していて、段差は形成されていない。なお、平行部２１と拡大端部２２との境界に相当する位置を図１中２点鎖線で示す。
【００３１】
第４工程は、アセンブリＤに第２基板２５を組付ける組立て工程である。第２基板２５は、第１基板１１と同種の基板が用いられ、その一面に所定パターンで設けられた電極２６（図１参照）を有している。電極２６は前記電極１２と同種の金属で同様に設けられている。第４工程は、第２基板２５をアセンブリＤに対して位置決めして、その電極２６を第２接続層４ａに例えば半田付けにより接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８が第１、第２の両基板１１、２５間に挟設されて、電極１２、２５を介してＰＮ接合された熱電変換素子１が作成される。こうした得られた熱電変換素子１を図１及び図６に示す。
【００３２】
以上の製造方法では、第１工程で得たＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを第２工程で第１基板１１上に交互に所定間隔で並べた状態で、ダイシングソー１５を用いる第３工程での切断除去により所定数のＰ型及びＮ型の熱電導体１７、１８を同時に形成できる。
【００３３】
これらの熱電導体１７、１８の形成に必要な切断除去は、矩形状をなした第１基板１１の一辺に沿う縦方向、又は前記一辺と直角な他片に沿う横方向の内の一方向に沿ってのみ実施される。このため、製造過程で必要とする切断除去は、第１工程で熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを得るための切断除去を含めて、２回である。したがって、切断除去に掛かる時間が短くなって、製造性を向上できる。
【００３４】
更に前記製造方法では、第２工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを交互に間隔的に並べるので、この間隔Ａの分に応じた切断除去量の削減が可能である。その上、熱電導体ブロック２から熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作る考慮をすることがないとともに、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐを切断してＰ型熱電導体１７を作るとき、及びＮ型の各熱電導体素片５Ｎを切断してＮ型熱電導体１８を作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよい。このため、切断除去量の削減が可能である。こうした切断除去量の削減に伴い、材料コストが高い熱電半導体の材料使用率を向上できるので、製造コストを低減することが可能である。
【００３５】
しかも、第１実施形態で、Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを第１基板１１に接合する第２工程は１回の接合工程と認識できるので、これ以外に必要な接合工程は、第２基板２５とＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８とを接合する第４工程だけである。このように熱電変換素子１を製造する上での接合回数は２回で済むので、この点においても製造性を向上できる点で第１実施形態は優れている。
【００３６】
その上、第１実施形態において組立てを実施する第４工程では、微小なチップ状をなしているＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８が既に非接触となる所定の配置で設けられている。このため、Ｐ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８とが接触しないように微細な位置合わせをする必要がない。この点においても製造性を向上できる点で第１実施形態は優れている。
【００３７】
以上の製造方法で作られた熱電変換素子１の各熱電導体１７、１８は、いずれも平行部２１とこれに連続した拡大端部２２とから形成される。このため、第１基板１１に電極１２を介して接合される各熱電導体１７、１８の軸方向一端、つまり拡大端部２２の拡大端の面積と、第２基板２５に電極２６を介して接合される各熱電導体１７、１８の軸方向他端、つまり平行部２１の先端の面積との差を小さくできる。これにより、各熱電導体１７、１８の機械的強度を向上させることが可能となるので、製造される過程で各熱電導体１７、１８が損傷することを抑制し易くできる。
【００３８】
更に、既述のように面積差が小さいことに伴い第１、第２の基板１１、２５に対する接合面積、つまり吸熱側及び放熱側でのＰＮ接合部の面積、言い換えれば、熱電変換が行われる部分の面積を夫々大きくできる。それにより、熱電変換の性能を向上することが可能である。
【００３９】
本発明の第２〜第４の各実施形態を以下説明する。これらの実施形態は基本的には第１実施形態と同じ構成であるので、同じ構成については第１実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００４０】
図７に示す本発明の第２実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態の構成に加えて、交互に並んでいるＰ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との間に、図７（Ｂ）に示すように断熱性を有する電気絶縁材料製のスペーサ３１を夫々挟設している。
【００４１】
このようにＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８が交互に並んでいる方向にスペーサ３１を介して連続していることにより、Ｐ型とＮ型の各熱電導体１７、１８がスペーサ３１で補強される。このため、製造される過程で各熱電導体１７、１８が損傷することを更に抑制し易くできる点で優れている。スペーサ３１は断熱性を有する電気絶縁材料（例えばセラミックスを好適に使用できる。）製であるので、Ｐ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との間での熱干渉及び電気的短絡がスペーサ３１によってもたらされることはない。
【００４２】
以上説明した点以外の構成は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００４３】
この第２実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図８に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００４４】
第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの第１接続層３ａを例えば半田付けにより第１基板１１の電極１２に接合して、第１基板１１上に、Ｐ型熱電導体素片５ＰとＮ型各熱電導体素片５Ｎとを交互に所定間隔を置いて並べて取付けるとともに、その際にスペーサ要素３２をＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎ間に挟設する工程である。このため、異種の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎはスペーサ要素３２によって所定間隔に設けられる。各スペーサ要素３２は、断熱性を有する電気絶縁材料製である。各スペーサ要素３２は、各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎと略同じ長さを有していて、その長手方向と直交する方向の断面形状は矩形であり、高さは各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの高さ以下であリ、又、幅は異種の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを非接触とするのに必要な大きさである。第２工程で作られたアセンブリＥを図９に示す。
【００４５】
図１０に示した第３工程は、ダイシングソー１５を用いて所定個所を切断除去する工程で、第１実施形態の第３工程と同じであるので、説明を省略する。しかし、この場合、ダイシングソー１５は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎとともに、これらの間に挟まれている各スペーサ要素３２も同時に切断除去する。それにより、所定数のＰ型及びＮ型の熱電導体１７、１８が同時に形成されるとともに、各スペーサ要素３２の断片からなるスペーサ３１が形成される。この第３工程により作られたアセンブリＦを図１１に示す。
【００４６】
図１２に示した第４工程は、第１実施形態の第４工程と同じであるので、説明を省略する。
【００４７】
以上説明した点以外は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の製造方法においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備える熱電変換素子１を容易に製造できるとともに、第１実施形態と同じ理由により、熱電変換素子１の製造性の向上と低コスト化が可能である。
【００４８】
なお、この第２実施形態においてスペーサ要素３２は、熱又は溶剤で溶けることができる可溶性材料からなるものを使用することができる。この場合、シート状のスペーサ要素３２であっても差し支えない。こうしたスペーサ要素３２を第３工程で使用する場合、第３工程はスペーサ要素３２を除去する最終過程を含むとよい。この最終過程では、切断除去後に残ったスペーサ要素３２の断片（スペーサ３１）を、加熱して溶かすこと、又は溶剤を用いて溶かすことによって、除去する。このため、製造された熱電変換素子１は図１のものと同じとなる。
【００４９】
図１３に示す本発明の第３実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態と同じ構成であるので、この第３実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００５０】
この第３実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図１４に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５１】
第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを互いの側面を接触させて交互に並べるとともに、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより第１基板１１の電極１２に接合して、第１基板１１上に並べて取付ける工程である。これにより、Ｐ型熱電導体素片５Ｐ同士はＮ型熱電導体素片５Ｎの幅に相当する所定間隔を置いて第１基板１１上に配置され、同様にＮ型熱電導体素片５Ｎ同士はＰ型熱電導体素片５Ｐの幅に相当する所定間隔を置いて第１基板１１上に配置される。この第２工程で作られたアセンブリＧを図１５に示す。
【００５２】
図１６に示した第３工程は、ダイシングソー１５、１６を用いてアセンブリＧの所定個所を切断除去する工程である。一方のダイシングソー１５を用いての切断除去により、Ｐ型熱電導体素片５Ｐを複数のＰ型熱電導体１７に分割するとともに、Ｎ型熱電導体素片５Ｎを複数のＮ型熱電導体１８に分割する。この分割過程は、図１６（Ａ）に示されるが、第１実施形態の第３工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５３】
他方のダイシングソー１６は、前記ダイシングソー１５より幅が薄いものであって、これを用いてのアセンブリＧの所定個所の切断除去は、前記ダイシングソー１５の移動方向に直交する方向にダイシングソー１６を移動させて行われる。なお、この離し過程は、一方のダイシングソー１５を用いての切断除去過程の前に実施してもよい。
【００５４】
他方のダイシングソー１６は、Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの長手方向に沿って、これらの接触部に通される。これにより、互いに接触しているＰ型熱電導体１７とＮ型熱電導体１８との双方の接触部が切断除去されて、熱電導体１７、１８を非接触とできる。以上の分割過程と離し過程とを含む第３工程により作られたアセンブリＨを図１８に示す。
【００５５】
第４工程は、図示しないが第１実施形態の第４工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５６】
以上説明した点以外は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の製造方法においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備える熱電変換素子１を容易に製造できるとともに、第１実施形態と同じ理由により、熱電変換素子１の製造性の向上と低コスト化が可能である。なお、この第３実施例における切断除去は、熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るとき、及び第３工程での分離過程と離し過程との夫々に必要とするが、それでも合計３回で済むので、切断除去に掛かる時間を総合的に短くできることには変わりがない。
【００５７】
図１８に示す本発明の第４実施形態に係る熱電変換素子１は、第１実施形態と同じ構成であるので、この第４実施形態においても、平行部２１と拡大端部２２とからなるＰ型とＮ型の各熱電導体１７、１８を備えることで、熱電変換素子１の性能及び機械的強度の向上が可能である。
【００５８】
この第４実施形態の熱電変換素子１も第１〜第４の工程により製造される。図１９に示した第１工程は、第１実施形態の第１工程と同じであるので、説明を省略する。
【００５９】
図２０（Ａ）及び図２１（Ａ）に示す第２工程は、Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを夫々に対応した第１基板１１及び第２基板２５に個別に取付ける第１接合工程である。
【００６０】
第１基板１１に対する複数のＰ型熱電導体素片５Ｐの取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極１２に接合することで実施する。この接合によって、Ｐ型熱電導体素片５Ｐは所定間隔を置いて第１基板１１上に並べて取付けられる。隣接するＰ型熱電導体素片５Ｐ間の所定の間隔は、そこにＮ型熱電導体素片５ＮをＰ型熱電導体素片５Ｐに非接触に配置できる大きさである。こうした取付け完了状態を図２０（Ａ）に示す。
【００６１】
同様に、第２基板２５に対する複数のＮ型熱電導体素片５Ｎの取付けは、それらの第１接続層３ａを例えば半田付けにより電極２６に接合することで実施する。この接合によって、Ｎ型熱電導体素片５Ｎは所定間隔を置いて第２基板２５上に並べて取付けられる。隣接するＮ型熱電導体素片５Ｎ間の所定の間隔は、そこにＰ型熱電導体素片５ＰをＮ型熱電導体素片５Ｎに非接触に配置できる大きさである。この取付け完了状態を図２１（Ａ）に示す。
【００６２】
図２０（Ｂ）及び図２１（Ｂ）に示す第３工程は、基板１１、２５上のＰ型及びＮ型の各熱電導体素片５Ｐ、５Ｎに対する個別加工により、これらを複数に夫々分割して所定数のＰ型及びＮ型の各熱電導体１７、１８を形成する切断加工工程である。
【００６３】
第１基板１１上のＰ型熱電導体素片５Ｐに対する切断除去はダイシングソー１５を用いて、各Ｐ型熱電導体素片５Ｐをそれらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。このような第１基板１１の一辺に沿う一方向の切断により、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐが、夫々柱状（チップ状）をなすとともに上端には第２接続層４ａが残された複数のＰ型熱電導体１７に分割される。第３工程により作られたＰ型のアセンブリＩを図２０（Ｃ）に示す。
【００６４】
同様に、第２基板２５上のＮ型熱電導体素片５Ｎに対する切断除去もダイシングソー１５を用いて、各Ｎ型熱電導体素片５Ｎをそれらの並び方向に沿って切断する。この切断は、前記並び方向と直交する方向に沿って所定寸法毎にダイシングソー１５の切込み位置を変えて必要回数実施する。このような第２基板２５の一辺に沿う一方向の切断により、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎが、夫々柱状（チップ状）をなすとともに上端には第２接続層４ａが残された複数のＮ型熱電導体１８に分割される。この第３工程により作られたＮ型のアセンブリＪを図２１（Ｃ）に示す。
【００６５】
第４工程は、前記Ｐ型及びＮ型の両アセンブリＩ、Ｊを組立てる組立て工程である。詳しくは、図２２に示すように第４工程では、Ｐ型アセンブリＩの第１基板１１とＮ型アセンブリＪの第２基板２５とを向かい合わせ、これらを適正に位置合わせした上で、各Ｐ型熱電導体１７と各Ｎ型熱電導体１８とが互い違いに入り込むようにする。さらに、この状態で、各Ｐ型熱電導体１７の先端にある第２接続層４ａを第２基板２５が有する電極２６に例えば半田付けにより接合すると同時に、各Ｎ型熱電導体１８の先端にある第２接続層４ａを第１基板１１が有する電極１２に例えば半田付けにより接合する。こうして得られた熱電変換素子１を図１８（Ａ）（Ｂ）に示す。
【００６６】
以上の製造の過程で必要とする切断除去は、第１工程で熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを得るための切断除去と、熱電導体素片５Ｐ、５Ｎの夫々よりＰ型又はＮ型の熱電導体１７、１８を分離させるための切断除去であり、合計で３回である。これにより、切断除去に掛かる時間が短くなって、製造性を向上できる。
【００６７】
更に前記製造方法では、第２工程でＰ型の各熱電導体素片５Ｐ同士を間隔的に並べるとともに、Ｎ型の各熱電導体素片５Ｎ同士を間隔的に並べるので、これらの間隔の分に応じた切断除去量の削減が可能である。その上、熱電導体ブロック２から熱電導体素片５Ｐ、５Ｎを作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作る考慮をすることがないとともに、Ｐ型の各熱電導体素片５Ｐを切断してＰ型熱電導体１７を作るとき、及びＮ型の各熱電導体素片５Ｎを切断してＮ型熱電導体１８を作るときに、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行う必要がなく、同種の熱電導体が非接触となるように切断除去すればよい。このため、切断除去量の削減が可能である。こうした切断除去量の削減に伴い、材料コストが高い熱電半導体の材料使用率を向上できるので、製造コストを低減することが可能である。
【００６８】
しかも、第４実施形態での接合は、Ｐ型熱電導体素片５Ｐの第１基板１１への接合、Ｎ型熱電導体素片５Ｎの第２基板２５への接合、及び各熱電導体１７、１８と第１、第２の基板１１、２５との接合だけである。このように熱電変換素子１を製造する上での接合回数が３回で済むので、この点においても製造性を向上できる点で第４実施形態は優れている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る熱電変換素子によれば、基板に電極を介して接合されるＰ型及びＮ型の各熱電導体の軸方向両端の面積の差が小さいので、吸熱及び放熱の性能を向上可能であるとともに、各熱電導体の機械的強度の向上も可能である。
【００７０】
本発明に係る熱電変換素子の製造方法は、一端部が拡大端部をなしこれ以外の部分が平行部をなすＰ型及びＮ型の熱電導体を備えた熱電変換素子を製造するのに好適である。これとともに、熱電変換素子の製造過程で必要とする切断除去が２回又は３回と少ないので、熱電変換素子の製造性を向上することが可能であり、更に、製造過程で必要とする切断除去は、異種及び同種の熱電導体を非接触とするためであって、異種の熱電導体が入るスペースを作るための切断除去を行わないので、切断除去量の削減が可能である。したがって、本発明によれば、低コストで熱電変換素子を製造可能な製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電変換素子を示す側面図。
【図２】（Ａ）は図１の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図２（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図３】図１の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図１の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する切断加工状態を示す斜視図。
（Ｂ）は図４（Ａ）の切断加工を行うダイシングソーを示す半径方向の断面図。
【図５】図１の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す斜視図。
【図６】図１の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する斜視図。
【図７】（Ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱電変換素子を示す側面図。
（Ｂ）は図７（Ａ）中Ｆ７−Ｆ７線に沿って示す熱電変換素子の断面図。
【図８】（Ａ）は図７の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図８（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図９】図７の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
【図１０】図７の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する切断加工状態を示す平面図。
【図１１】図７の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す平面図。
【図１２】図７の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する一部切欠き側面図。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る熱電変換素子を一部切欠いて示す側面図。
【図１４】（Ａ）は図１３の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図１４（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた複数の熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図１５】図１３の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板に熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
【図１６】（Ａ）は図１３の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する第１の切断加工状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１３の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型及びＮ型の各熱電導体を形成する第２の切断加工状態を示す平面図。
【図１７】図１３の熱電変換素子を製造する第３工程で作られたアセンブリを示す平面図。
【図１８】（Ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱電変換素子を一部切欠いて示す側面図。
（Ｂ）は図１８（Ａ）中Ｆ１８方向から見て示す熱電変換素子の矢視図。
【図１９】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第１工程で用意される熱電導体ブロックを示す斜視図。
（Ｂ）は図１９（Ａ）の熱電導体ブロックから作られた複数の熱電導体素片を並べて示す斜視図。
【図２０】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板にＰ型熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１８の熱電変換素子を製造する第３工程でＰ型熱電導体を形成する切断加工状態を示す平面図。
（Ｃ）は図１８の熱電変換素子を製造する前記第３工程で作られたＰ型アセンブリを示す平面図。
【図２１】（Ａ）は図１８の熱電変換素子を製造する第２工程で第１基板にＮ型熱電導体素片が取付けられた状態を示す平面図。
（Ｂ）は図１８の熱電変換素子を製造する第３工程でＮ型熱電導体を形成する加工状態を示す平面図。
（Ｃ）は図１８の熱電変換素子を製造する前記第３工程で作られたＮ型アセンブリを示す平面図。
【図２２】図１８の熱電変換素子を製造する第４工程を説明する側面図。
【符号の説明】
１…熱電変換素子
２…熱電導体ブロック
３、４…金属帯
３ａ…第１接続層
４ａ…第２接続層
５Ｐ…Ｐ型熱電導体素片
５Ｎ…Ｎ型熱電導体素片
１１…第１基板
１２…電極
１５、１６…ダイシングソー（カッター）
１７…Ｐ型熱電導体
１８…Ｎ型熱電導体
２１…平行部
２２…拡大端部
２５…第２基板
２６…電極
３１…スペーサ
３２…スペーサ要素
Claims (7)
- 電極を有する第１基板と、他の電極を有して前記第１基板と対向して設けられた第２基板と、前記両基板間に挟設され前記両電極を介してＰＮ接合されたＰ型及びＮ型の熱電導体とを備える熱電変換素子において、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体は、いずれか一方の前記基板に接合された平行部と、この平行部との間に段差を形成することなく前記平行部に一体に連続して前記他方の基板に接合された拡大端部とを有し、前記両基板と平行な前記平行部の断面の面積が各部等しく、前記拡大端部の前記両基板と平行な断面の面積がこの拡大端部が接合された前記他方の基板に向けて次第に大きくなっている熱電変換素子。
- 互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する第１工程と、
第１基板が有する電極と前記第１接続層とを接合して、所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互に前記第１基板上に間隔的に並べて取付ける第２工程と、
前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する第３工程と、
前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する第４工程と、
を具備した熱電変換素子の製造方法。 - 互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する第１工程と、
所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を交互にかつスペーサ要素を挟んで間隔的に並べるとともに、各熱電導体素片が有する前記第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記第１基板上に前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を取付ける第２工程と、
前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片並びに前記スペーサ要素をそれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する第３工程と、
前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する第４工程と、
を具備した熱電変換素子の製造方法。 - 前記スペーサ要素を可溶性材料として、前記第３工程での切断後に可溶手段により前記スペーサ要素を除去する請求項３に記載の熱電変換素子の製造方法。
- 前記スペーサ要素を断熱性を有する電気絶縁材料として、このスペーサ要素の断片からなるスペーサを隣接した前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体間に残した請求項３に記載の熱電変換素子の製造方法。
- 互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に個別に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する第１工程と、
所定数の前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片を互いに接触させるとともに、これら各熱電導体素片の第１接続層と第１基板が有する電極とを接合して、前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片を前記第１基板上に交互に並べて取付ける第２工程と、
前記Ｐ型及びＮ型の各熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断するとともに、この切断の前又は後に、前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体素片の接触部を前記並び方向と直交する方向に沿って切断して、前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体及びＮ型熱電導体を形成する第３工程と、
前記第１基板に対向して配置される第２基板が有する他の電極と前記Ｐ型及びＮ型の熱電導体の第２接続層とを接合する第４工程と、
を具備した熱電変換素子の製造方法。 - 互いに平行な第１、第２の面の夫々に複数の金属帯が所定間隔で互いに平行に設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体ブロックを、夫々前記各金属帯の並び方向に沿って切断して、前記各金属帯の断片からなる複数の第１、第２の接続層が上下両面に夫々設けられたＰ型及びＮ型の熱電導体素片を夫々複数形成する第１工程と、
第１基板が有する電極と前記Ｐ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＰ型熱電導体素片を前記第１基板上に間隔的に並べて取付けるとともに、第２基板が有する電極と前記Ｎ型熱電導体素片の第１接続層とを接合して、所定数のＮ型熱電導体素片を前記第２基板上に間隔的に並べて取付ける第２工程と、前記各Ｐ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＰ型熱電導体を形成するとともに、前記各Ｎ型熱電導体素片をこれらの並び方向に沿って切断して前記第２接続層を有した多数のＮ型熱電導体を形成する第３工程と、
前記Ｐ型熱電導体が取付けられた前記第１基板と前記Ｎ型熱電導体が取付けられた前記第２基板とを向かい合わせて、前記Ｐ型熱電導体の第２接続層を前記第２基板が有する電極に接合するとともに、前記Ｎ型熱電導体の第２接続層を前記第１基板が有する電極に接合する第４工程と、
を具備した熱電変換素子の製造方法。
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