JP2018125498A

JP2018125498A - 熱電変換装置

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Publication number: JP2018125498A
Application number: JP2017018971A
Authority: JP
Inventors: 柴田　誠; Makoto Shibata; 誠柴田; 和也前川; Kazuya Maekawa
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Also published as: US20180226559A1

Abstract

【課題】出力の向上を可能とした熱電変換装置を提供する。【解決手段】第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間に配置されて、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３と他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３とが交互に直列に接続されるように、各熱電変換素子３の第１の電極７と第２の電極８との何れかの間を電気的に接続する第１の配線１０及び第２の配線１１を備え、第１の配線１０と第２の配線１１とは、基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁層を介して交差するように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

例えば、内燃機関や燃焼装置などからの排熱は、利用されないまま消失している。このため、省エネルギー化の観点から、この排熱の利用が近年着目されている。特に、熱から電気への変換を可能とする熱電変換装置の研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１を参照。）。

具体的に、下記特許文献１には、絶縁性基板と、ｐ型及びｎ型の何れか一方の熱電変換材料からなり、絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、絶縁性基板の第１の面側に配置され、第１の電極に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、絶縁性基板の第２の面側に配置され、絶縁性基板の第２の面上であって第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材とを有する熱電変換モジュール（熱電変換装置）が開示されている。

また、この熱電変換モジュールでは、第１の電極が熱電変換材料膜の一方の辺に沿って形成され、第２の電極が熱電変換材料膜の一方の辺に対向する他方の辺に沿って形成され、第１の電極が一方の側に隣接する熱電変換材料膜上の第２の電極に接続され、第２の電極が他方の側に隣接する熱電変換材料膜上の第１の電極に接続された構成となっている。

国際公開第２０１１／０６５１８５号

ところで、上述した特許文献１に記載の熱電変換モジュールでは、隣接する熱電変換材料膜の第１の電極と第２の電極との間を熱電変換材料膜の外周において引き回された配線により接続する構成となっている。しかしながら、このような構成の場合、配線を引き回す距離が長くなり、配線の抵抗が増加するため、十分な出力が得られなくなるといった問題があった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、出力の向上を可能とした熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１）厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内において互いに交差する第１の方向と第２の方向とのうち、前記第１の方向に並ぶ複数の熱電変換素子を有し、且つ、これら複数の熱電変換素子が前記第２の方向に並んで配置された一対の熱電変換素子列と、
前記熱電変換素子列を構成する各熱電変換素子の前記第１の方向における一端側と電気的に接続された第１の電極及び前記各熱電変換素子の前記第１の方向における他端側と電気的に接続された第２の電極と、
前記第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列と他方の熱電変換素子列との間に配置されて、前記一方の熱電変換素子列を構成する熱電変換素子と前記他方の熱電変換素子列を構成する熱電変換素子とが交互に直列に接続されるように、各熱電変換素子の前記第１の電極と前記第２の電極との何れかの間を電気的に接続する第１の配線及び第２の配線とを備え、
前記第１の配線と前記第２の配線とは、前記基板の厚み方向から見て少なくともその一部の配線同士が絶縁層を介して交差するように配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
（２）前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極側から前記第２の電極側に向けて電流が流れる第１の熱電変換素子と、前記第２の電極側から前記第１の電極側に向けて電流が流れる第２の熱電変換素子とが、前記第１の方向において交互に並んで配置されていることを特徴とする前記（１）に記載の熱電変換装置。
（３）前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間で流れる電流の方向が逆向きとなる熱電変換素子が、前記第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする前記（２）に記載の熱電変換装置。
（４）前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間で流れる電流の方向が同じ向きとなる熱電変換素子が、前記第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする前記（２）に記載の熱電変換装置。
（５）前記第１の電極及び前記第２の電極は、第１の導電膜と第２の導電膜とを順次積層した積層膜からなり、
前記第１の配線は、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との何れか一方の導電膜からなり、
前記第２の配線は、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との何れか他方の導電膜からなることを特徴する前記（１）〜（４）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
（６）前記基材の前記第１の面側に配置された第１の伝熱部材を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極とのうち、温接点側となる電極と前記第１の伝熱部材とが熱的に接合されていることを特徴とする前記（１）〜（５）の何れか一項に記載の熱電変換装置。
（７）前記基材の前記第２の面側に配置されて、前記基材と熱的に接合される第２の伝熱部材を備えることを特徴とする前記（６）に記載の熱電変換装置。

以上のように、本発明を適用した熱電変換装置では、隣り合う一方の熱電変換素子列と他方の熱電変換素子列との間で、基板の厚み方向から見て少なくともその一部の配線同士が絶縁層を介して交差するように、第１の配線と第２の配線とが配置されている。これにより、第１の配線及び第２の配線を引き回す距離を短縮し、これら第１の配線及び第２の配線の抵抗を下げることができる。したがって、本発明によれば、各熱電変換素子で発生した電流が第１の配線及び第２の配線を流れる際の損失を抑えることができ、その結果、熱電変換装置において出力の向上を図ることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す平面図である。図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置の断面図である。図２中に示す囲み部分Ｂを拡大した熱電変換装置の断面図である。図１中に示す線分Ｃ−Ｃによる熱電変換装置の断面図である。図１中に示す線分Ｄ−Ｄによる熱電変換装置の断面図である。図１中に示す線分Ｅ−Ｅによる熱電変換装置の断面図である。図１に示す熱電変換装置の製造工程を順に説明するための図であり、熱電変換膜が配置された状態を示す平面図である。図１に示す熱電変換装置の製造工程を順に説明するための図であり、第１の電極及び第２の電極と第１の配線及び第３の配線とを構成する第１の導電膜が配置された状態を示す平面図である。図１に示す熱電変換装置の製造工程を順に説明するための図であり、絶縁膜が配置された状態を示す平面図である。図９中に示す囲み部分Ｆを拡大した平面図である。図１に示す熱電変換装置の製造工程を順に説明するための図であり、第１の電極及び第２の電極と第２の配線及び第３の配線とを構成する第２の導電膜が配置された状態を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す平面図である。一対の熱電変換素子列を構成する複数の熱電変換素子の配置を例示した平面図である。第２の伝熱板の変形例を例示した断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１〜図６に示す熱電変換装置１Ａについて説明する。なお、図１は、熱電変換装置１Ａの概略構成を示す平面図である。図２は、図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置１Ａの断面図である。図３は、図２中に示す囲み部分Ｂを拡大した熱電変換装置１Ａの断面図である。図４は、図１中に示す線分Ｃ−Ｃによる熱電変換装置１Ａの断面図である。図５は、図１中に示す線分Ｄ−Ｄによる熱電変換装置１Ａの断面図である。図６は、図１中に示す線分Ｅ−Ｅによる熱電変換装置１Ａの断面図である。

また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を熱電変換装置１Ａの水平面内における第１の方向、Ｙ軸方向を熱電変換装置１Ａの水平面内における第２の方向、Ｚ軸方向を熱電変換装置１Ａの厚み方向として、それぞれ示すものとする。

本実施形態の熱電変換装置１Ａは、図１〜図６に示すように、基板２の面上に並んで配置された複数の熱電変換素子３を一対の端子４ａ，４ｂの間で直列に接続した構造を有している。また、熱電変換装置１Ａは、高温（加熱）側となる第１の伝熱板５と、低温（放熱／冷却）側となる第２の伝熱板６との間で、複数の熱電変換素子３が配置された基板２を挟み込んだ構造を有している。

基板２は、厚み方向において互いに対向する第１の面（本実施形態では上面）２ａと第２の面（本実施形態では下面）２ｂとを有する絶縁性の基材からなる。基板２としては、例えば基板抵抗が１０Ω以上となる高抵抗シリコン(Ｓｉ)基板を用いることが好ましい。基板抵抗が１０Ω以上となることで、複数の熱電変換素子３の間で電気的な短絡が生じるのを防止することが可能である。

また、基板２としては、上述した高抵抗Ｓｉ基板の他にも、例えば、基板内に酸化絶縁層を有するＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板や、セラミック基板、その他の高抵抗単結晶基板などを用いることができる。さらに、基板２としては、基板抵抗が１０Ω以下となる低抵抗基板であっても、この低抵抗基板と熱電変換素子３との間に高抵抗材料を配置したものを用いることができる。

熱電変換素子３は、ｐ型半導体又はｎ型半導体の何れか一方（本実施形態ではｐ型半導体）である熱電変換膜からなる。熱電変換素子３をｐ型の熱電変換膜とした場合は、例えば高濃度（１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３）のボロン(Ｂ)がそれぞれドープされたｐ型シリコン(Ｓｉ)膜とｐ型シリコン・ゲルマニウム(ＳｉＧｅ)合金膜との多層膜を用いることができる。また、複数の熱電変換素子３は、互いに同じ構成を有するｐ型半導体であってもよく、互いに異なる構成を有するｐ型半導体であってもよい。熱電変換素子３をｐ型半導体とした場合、熱電変換素子３には、温接点側から冷接点側に向けて電流が流れる。

一方、熱電変換素子３をｎ型の熱電変換膜とした場合は、例えば高濃度（１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３）のアンチモン(Ｓｂ)がそれぞれドープされたｎ型シリコン(Ｓｉ)膜とｎ型シリコン・ゲルマニウム(ＳｉＧｅ)合金膜との多層膜を用いることができる。また、複数の熱電変換素子３は、互いに同じ構成を有するｎ型半導体であってもよく、互いに異なる構成を有するｎ型半導体であってもよい。熱電変換素子３をｎ型半導体とした場合、熱電変換素子３には、冷接点側から温接点側に向けて電流が流れる。

さらに、熱電変換膜素子３は、上述したｐ型又はｎ型半導体の多層膜に必ずしも限定されるものではなく、ｐ型又はｎ型半導体の単層膜であってもよい。また、半導体として酸化物の半導体を用いることもできる。また、例えば、有機高分子膜や金属膜などからなる熱電変換膜を用いることができる。また、熱電変換膜素子３は、上述した熱電変換膜に限らず、バルクからなるものを用いてもよい。

本実施形態の熱電変換装置１Ａは、基板２の第１の面２ａ側の面内において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向と第２の方向とのうち、第１の方向に並ぶ複数（本実施形態では７つ）の熱電変換素子３を有している。また、熱電変換装置１Ａは、これら複数の熱電変換素子３が第２の方向に並んで配置された一対（２列）の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを有している。

熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを構成する各熱電変換素子３は、互いに同じ大きさで平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。また、各熱電変換素子３は、第１の方向を短手方向とし、第２の方向を長手方向として、第１の方向に一定の間隔で並んで配置されている。さらに、第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとは、その間に一定の間隔を設けて互いに平行に並んで配置されている。

熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを構成する各熱電変換素子３は、第１の方向における一端（−Ｘ軸）側と電気的に接続された第１の電極７と、第１の方向における他端（＋Ｘ軸）側と電気的に接続された第２の電極８とを有している。

第１の電極７及び第２の電極８は、それぞれ第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂとを順次積層した積層膜からなる。第１の導電膜９ａ及び第２の導電膜９ｂの材料としては、金属を用いることが好ましく、その中でも特に、導電性及び熱伝導性が高く、且つ、形状加工がし易い、例えば銅(Ｃｕ)や金(Ａｕ)などを好適に用いることができる。なお、第１の導電膜９ａ及び第２の導電膜９ｂの材料については、互いに同じ金属を用いてもよく、互いに異なる金属を用いてもよい。

第１の電極７及び第２の電極８を構成する第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂのうち、第１の導電膜９ａは、熱電変換素子３とほぼ同じ厚みで形成されている。一方、第２の導電膜９ｂは、第１の導電膜９ａの上に第１の導電膜９ａと平面視で重なるように形成されている。したがって、第１の電極７及び第２の電極８は、厚み方向において熱電変換素子３よりも第２の導電膜９ｂの厚み分だけ上方（＋Ｚ軸方向）に突出して設けられている。

第１の電極７と第２の電極８とは、熱電変換素子３の第１の方向において対向する一端側の側面と他端側の側面とにそれぞれ接触した状態で、熱電変換素子３の長手方向（第２の方向）の全域に亘って、互いに同じ大きさで平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。また、第１の方向において隣り合う一方の熱電変換素子３と他方の熱電変換素子３との各間において、一方の熱電変換素子３の第１の電極７（又は第２の電極８）と、他方の熱電変換素子３の第２の電極８（又は第１の電極７）とが互いに離間した状態で配置されている。

一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂは、複数の熱電変換素子３のうち、第１の電極７側から第２の電極８側に向けて電流が流れる熱電変換素子３（以下、必要に応じて「第１の熱電変換素子３ａ」として区別する。）と、第２の電極８側から第１の電極７側に向けて電流が流れる熱電変換素子３（以下、必要に応じて「第２の熱電変換素子３ｂ」として区別する。）とが、第１の方向において交互に並んで配置された構成を有している。

なお、図１では、一方の端子４ａ及び第１の熱電変換素子３ａに流れる電流の方向（＋Ｘ軸方向）と、他方の端子４ｂ及び第２の熱電変換素子３ｂに流れる電流の方向（−Ｘ軸方向）とをそれぞれ矢印の向きで表している。

また、一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂは、複数の熱電変換素子３のうち、第１の電極７と第２の電極８との間で流れる電流の方向が逆向きとなる熱電変換素子３が、第２の方向に並んで配置された構成を有している。すなわち、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間では、互いの第１の熱電変換素子３ａ（又は第２の熱電変換素子３ｂ）と第２の熱電変換素子３ｂ（又は第１の熱電変換素子３ａ）とが第２の方向に並んで配置されている。

一対の端子４ａ，４ｂは、上述した第１の電極７及び第２の電極８と同様に、第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂとを順次積層した積層膜からなる。このうち、一方の端子４ａは、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も一端（−Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３（第１の熱電変換素子３ａ）の第１の電極７と電気的に接続されている。すなわち、一方の端子４ａは、この第１の電極７と連続した第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂとの積層膜によって、第１の電極７の外側（−Ｘ軸側）に平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に突出して形成されている。

これに対して、他方の端子４ｂは、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も一端（−Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３（第２の熱電変換素子３ｂ）の第１の電極７と電気的に接続されている。すなわち、他方の端子４ｂは、この第１の電極７と連続した第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂとの積層膜によって、第１の電極７の外側（−Ｘ軸側）に平面視で矩形状（本実施形態では長方形状）に突出して形成されている。

一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間には、各熱電変換素子３の第１の電極７と第２の電極８との何れかの間を電気的に接続する第１の配線１０及び第２の配線１１が配置されている。

このうち、第１の配線１０は、上述した第１の電極７及び第２の電極８を構成する下層の第１の導電膜９ａと連続した第１の導電膜９ａにより線状に形成されている。一方、第２の配線１１は、上述した第１の電極７及び第２の電極８を構成する上層の第２の導電膜９ｂと連続した第２の導電膜９ｂにより線状に形成されている。

第１の配線１０及び第２の配線１１は、一方の端子４ａと他方の端子４ｂとの間で、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３とが交互に直列に接続されるように、各熱電変換素子３の第１の電極７と第２の電極８との何れかの間を電気的に接続している。

具体的に、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側からｎ（ｎは自然数）番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側からｎ＋１番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７とが、第２の方向に対して斜めに配置された第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜６である。）

また、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側からｎ番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８と、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側からｎ＋１番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７とが、第２の方向に対して第１の配線１０とは逆向きに斜めに配置された第２の配線１１（第２の導電膜９ｂ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜６である。）

さらに、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も他端（＋Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３の第２の電極８と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も他端（＋Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３の第２の電極８とが、第２の方向に対して平行に配置された第３の配線１３を介して電気的に接続されている。第３の配線１３は、上述した第１の電極７及び第２の電極８と同様に、第１の導電膜９ａと第２の導電膜９ｂとを順に積層した積層膜からなる。

これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ａは、一方の端子４ａ側から第１の方向の他端（＋Ｘ軸）側に向かって、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する第１の熱電変換素子３ａと、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する第１の熱電変換素子３ａとを交互に直列に接続した後、第１の方向の他端（＋Ｘ軸）側から他方の端子４ｂ側に向かって、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する第２の熱電変換素子３ｂと、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する第２の熱電変換素子３ｂとを交互に直列に接続した構成となっている。

第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）と第２の配線１１（第２の導電膜９ｂ）とは、その間に配置された絶縁膜１２を介して厚み方向において互いに重ならない高さ位置にある。すなわち、第１の配線１０と第２の配線１１とは、絶縁膜１２を介して互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１の配線１０と第２の配線１１とは、基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁膜１２を介して交差するように配置されている。

絶縁膜１２は、第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）と第２の配線１１（第２の導電膜９ｂ）との間を電気的に絶縁可能な材料（絶縁層）であればよく、例えば酸化シリコン(ＳｉＯ_２)や窒化シリコン(ＳｉＮ)などを用いることができる。絶縁膜１２は、第１の電極７及び第２の電極８が形成された位置を除く、第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）と第２の配線１１（第２の導電膜９ｂ）との間の全面に亘って、所定の厚みで形成されている。

第１の伝熱板５は、高温（加熱）側の第１の伝熱部材として、基板２の第１の面２ａ側に配置されている。第１の伝熱板５は、空気よりも熱伝導率の高い材料、好ましくは基板２よりも熱伝導率の高い材料からなる。そのような第１の伝熱板５の材料としては、金属を用いることが好ましく、その中でも特に、熱伝導率が高く、且つ、形状加工がし易い、例えばアルミニウム(Ａｌ)や銅(Ｃｕ)などを好適に用いることができる。また、第１の伝熱板５は、複数の伝熱部材により構成されていてもよい。

第１の伝熱板５は、温接点側となる第１の電極７及び第２の電極８（以下、まとめて「温接点側電極１４」という。）と伝熱部１５を介して熱的に接合されている。温接点側電極１４は、第１の方向において隣り合う第１の熱電変換素子３ａの第１の電極７及び第２の熱電変換素子３ｂの第２の電極８からなる。したがって、温接点側電極１４は、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間で、第１の方向において互い違いに並んで配置されている。

一方、冷接点側となる第１の電極７及び第２の電極８（以下、まとめて「冷接点側電極１６」という。）は、第１の方向において隣り合う第１の熱電変換素子３ａの第２の電極８及び第２の熱電変換素子３ｂの第１の電極７からなる。したがって、冷接点側電極１６は、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間で、第１の方向において互い違いに並んで配置されている。

すなわち、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間では、互いの温接点側電極１４（又は冷接点側電極１６）と冷接点側電極１６（又は温接点側電極１４）とが第２の方向に並んで配置されている。

伝熱部１５は、第１の伝熱板５と温接点側電極１４との互いに対向する面のうち、何れか一方の面側から突出された凸部１５ａを有している。本実施形態の伝熱部１５は、第１の伝熱板５の各温接点側電極１４と対向する位置から下方（−Ｚ軸方向）に向けて突出された複数の凸部１５ａを有している。各凸部１５ａは、平面視で矩形状（本実施形態では断面長方形状）を有して、各温接点側電極１４を構成する第１の電極７及び第２の電極８と重なる範囲で突出して設けられている。また、各凸部１５ａの先端は、例えば絶縁性の接合材（図示せず。）を介して各温接点側電極１４と電気的に絶縁された状態で熱的に接合されている。接合材は、空気よりも熱伝導率の高い絶縁材料からなる。そのような接合材の材料としては、例えばＵＶ硬化型樹脂やシリコーン系樹脂、熱伝導グリース（例えばシリコーン系のグリースや、金属酸化物を含む非シリコーン系のグリース等）などを用いることができる。

なお、伝熱部１５は、上述した凸部１５ａの先端に設けられた絶縁層等により温接点側電極１４と電気的に絶縁されている場合、又は、凸部１５ａの先端と温接点側電極１４との間で電気的な絶縁性が問題とならない場合、上述した絶縁性の接合材を介さずに温接点側電極１４と直接接合されていてもよい。

また、伝熱部１５は、上述した第１の伝熱板５側から突出された凸部１５ａにより構成された場合に限らず、温接点側電極１４側から突出された凸部により構成することも可能である。さらに、伝熱部１５として、第１の伝熱板５と温接点側電極１４との間を熱的に接合する別の伝熱部材（上記接合材を含む。）を設けることも可能である。例えば、温接点側電極１４の厚みを冷接点側電極１６の厚みよりも大きくすることによって、第１の伝熱板５と温接点側電極１４とが、上述した凸部１５ａを介さずに、伝熱部１５としての上記接合材を介して熱的に接合された構成とすることも可能である。

また、第１の伝熱板５と温接点側電極１４とは、上述した伝熱部１５を介して熱的に接合された構成に限らず、第１の伝熱板５の表面に設けられた絶縁層等により、第１の伝熱板５と温接点側電極１４とが電気的に絶縁されている場合、又は、第１の伝熱板５と温接点側電極１４との間で電気的な絶縁性が問題とならない場合には、上述した絶縁性の接合材を介さずに、第１の伝熱板５と温接点側電極１４とを直接接合した構成とすることも可能である。

また、熱電変換装置１Ａでは、上述した第１の伝熱板５と温接点側電極１４との間を伝熱部１５（凸部１５ａ）を介して接合することによって、基板２の第１の面２ａ側と第１の伝熱板５との間に空間Ｋが設けられている。なお、熱電変換装置１Ａでは、この空間Ｋに伝熱部１５よりも熱伝導性が低い材料からなる断熱材を充填することも可能である。すなわち、伝熱部１５は、第１の伝熱板５と温接点側電極１４との間において、その周囲（空間Ｋや断熱材）よりも相対的に熱伝導率が高い部分を形成している。

第２の伝熱板６は、低温（放熱／冷却）側の第２の伝熱部材として、基板２の第２の面２ｂ側に配置されている。第２の伝熱板６は、空気よりも熱伝導率の高い材料、好ましくは基板２よりも熱伝導率の高い材料からなる。そのような第２の伝熱板６の材料としては、上述した第１の伝熱板５で例示した材料と同じものを用いることができる。また、第２の伝熱板６は、複数の伝熱部材により構成されていてもよい。

第２の伝熱板６は、少なくとも伝熱部１５（凸部１５ａ）と厚み方向において重なる範囲Ｔ１で、基板２の第２の面２ｂ側と熱的に接合されている。また、第２の伝熱板６は、冷接点側電極１６から伝熱部１５（凸部１５ａ）に至る領域と厚み方向において重なる範囲Ｔ２で、基板２の第２の面２ｂ側と熱的に接合されていることが好ましい。本実施形態の第２の伝熱板６は、基板２の第２の面２ｂの全面に亘って熱的に接合されている。

なお、第２の伝熱板６については、放熱又は冷却に適した形状とすることも可能である。例えば、第２の伝熱板６を空冷するため、放熱フィン（ヒートシンク）を第２の伝熱板６の基板２とは反対側の面に設けた構成としてもよい。また、第２の伝熱板６を水冷するため、第２の伝熱板６の内部に冷却液を流通させる流路を設けた構成としてもよい。

以上のような構成を有する熱電変換装置１Ａでは、第１の伝熱板５を高温（加熱）側に配置し、第２の伝熱板６を低温（放熱／冷却）側に配置する。これにより、第１の伝熱板５から伝熱部１５を介して温接点側電極１４に伝わる熱によって、各熱電変換素子３の温接点側電極１４側が相対的に高温となる。一方、各熱電変換素子３に伝わる熱は、冷接点側電極１６から基板２及び第２の伝熱板６を介して外部に放熱されるため、各熱電変換素子３の冷接点側電極１６側が相対的に低温となる。したがって、各熱電変換素子３の温接点側電極１４と冷接点側電極１６との間に温度差が発生する。

これにより、各熱電変換素子３の第１の電極７と第２の電極８との間に電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、各熱電変換素子３の第１の電極７と第２の電極８との間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生し、各熱電変換素子３には、温接点側電極１４から冷接点側電極１６に向けて電流が流れる。

１つの熱電変換素子３で発生する起電力（電圧）は小さいものの、一方の端子４ａと他方の端子４ｂとの間には、複数の熱電変換素子３が直列に接続されている。したがって、これら一方の端子４ａと他方の端子４ｂとの間からは、その総和の起電力として、比較的高い電圧を取り出すことが可能である。

ところで、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、上述した隣り合う一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間で、基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁膜１２を介して交差するように、第１の配線１０と第２の配線１１とが配置されている。

これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、第１の配線１０及び第２の配線１１を引き回す距離を従来よりも短縮し、これら第１の配線１０及び第２の配線１１の抵抗を下げることができる。

したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、各熱電変換素子３で発生した電流が第１の配線１０及び第２の配線１１を流れる際の損失を抑えることができ、その結果、出力（電力）の向上を図ることが可能である。

次に、上記熱電変換装置１Ａの製造工程について、図７〜図１１を参照して説明する。なお、図７は、熱電変換装置１Ａの製造工程を順に説明するための図であり、熱電変換膜が配置された状態を示す平面図である。図８は、熱電変換装置１Ａの製造工程を順に説明するための図であり、第１の電極７及び第２の電極８と第１の配線１０及び第３の配線１３とを構成する第１の導電膜９ａが配置された状態を示す平面図である。図９は、熱電変換装置１Ａの製造工程を順に説明するための図であり、絶縁膜１２が配置された状態を示す平面図である。図１０は、図９中に示す囲み部分Ｆを拡大した平面図である。図１１は、熱電変換装置１Ａの製造工程を順に説明するための図であり、第１の電極７及び第２の電極８と第２の配線１１及び第３の配線１３とを構成する第２の導電膜９ｂが配置された状態を示す平面図である。

上記熱電変換装置１Ａを製造する際は、先ず、図７に示すように、基板２の第１の面２ａの上に、熱電変換膜を成膜した後、この熱電変換膜をエッチングにより選択的に除去する。これにより、上述した形状にパターニングされた複数の熱電変換素子３（一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂ）を形成する。

次に、図８に示すように、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８と第１の配線１０及び第３の配線１３とに対応した位置に開口部を有するマスク（図示せず。）を形成し、第１の導電膜９ａを成膜した後、マスクを除去する。これにより、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８と第１の配線１０及び第３の配線１３とに対応した第１の導電膜９ａを形成する。

次に、図９及び図１０に示すように、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８に対応した位置にマスクを形成し、絶縁膜１２を成膜した後、マスクを除去する。これにより、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８と第３の配線１３に対応した位置に開口部を有する絶縁膜１２を形成する。

次に、図１１に示すように、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８と第２の配線１１とに対応した位置に開口部を有するマスク（図示せず。）を形成し、第２の導電膜９ｂを成膜した後、マスクを除去する。これにより、各熱電変換素子３の第１の電極７及び第２の電極８と第２の配線１１及び第３の配線１３とに対応した第２の導電膜９ｂを形成する。

以上のような工程を経ることによって、上述した隣り合う一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間で、基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁膜１２を介して交差するように、第１の配線１０と第２の配線１１とを配置することが可能である。

その後、図１１に示す工程で得られた基板２を伝熱部１５となる凸部１５ａが形成された第１の伝熱板５と、第２の伝熱板６とで挟み込んだ状態で接合する。これにより、上記熱電変換装置１Ａを製造することが可能である。

なお、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、上述した基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁膜１２を介して交差するように、下層側の第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）と上層側の第２の配線１１（第２の導電膜）とが配置された構成となっているが、第１の配線１０と第２の配線１１との厚み方向の配置を逆とした構成とすることも可能である。すなわち、第１の配線１０が上層側の第２の導電膜９ｂからなり、第２の配線１１が下層側の第１の導電膜９ａからなる構成とすることも可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図１２に示す熱電変換装置１Ｂについて説明する。なお、図１２は、熱電変換装置１Ｂの概略構成を示す平面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態の熱電変換装置１Ｂは、図１２に示すように、第１の熱電変換素子３ａ及び第２の熱電変換素子３ｂの配置が上記熱電変換装置１Ａと異なる以外は、上記熱電変換装置１Ａと基本的に同じ構成を有している。

なお、図１２では、一方の端子４ａ及び第１の熱電変換素子３ａに流れる電流の方向（＋Ｘ軸方向）と、他方の端子４ｂ及び第２の熱電変換素子３ｂに流れる電流の方向（−Ｘ軸方向）とをそれぞれ矢印の向きで表している。

具体的に、この熱電変換装置１Ｂは、一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを構成する複数の熱電変換素子３のうち、第１の電極７と第２の電極８との間で流れる電流の方向が同じ向きとなる熱電変換素子３が、第２の方向に並んで配置された構成を有している。すなわち、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間では、互いの第１の熱電変換素子３ａが第２の方向に並ぶと共に、互いの第２の熱電変換素子３ｂが第２の方向に並んで配置されている。

また、一方の熱電変換素子列３Ａと他方の熱電変換素子列３Ｂとの間では、互いの温接点側電極１４が第２の方向に並ぶと共に、互いの冷接点側電極１６が第２の方向に並んで配置されている。伝熱部１５（凸部１５ａ）は、基板２の厚み方向において各温接点側電極１４と対向する位置に配置されている。

一方の端子４ａは、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も一端（−Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３（第１の熱電変換素子３ａ）の第１の電極７と電気的に接続されている。これに対して、他方の端子４ｂは、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において最も他端（＋Ｘ軸）側に位置する熱電変換素子３（第１の熱電変換素子３ａ）の第２の電極８と電気的に接続されている。

具体的に、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ−１（ｎは自然数）番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ−１番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７とが、第２の方向に対して斜めに配置された第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜４である。）

また、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ−１番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８とが、第２の方向に対して斜めに配置された第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜３である。）

また、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ＋１（ｎは自然数）番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７とが、第２の方向に対して斜めに配置された第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜３である。）

また、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ番目に位置する熱電変換素子３の第１の電極７と、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する熱電変換素子３のうち、第１の方向において一端（−Ｘ軸）側から２ｎ番目に位置する熱電変換素子３の第２の電極８とが、第２の方向に対して第１の配線１０とは逆向きに斜めに配置された第２の配線１１（第２の導電膜９ｂ）を介して電気的に接続されている。（但し、本実施形態では、ｎ＝１〜３である。）

これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｂは、一方の端子４ａ側から他方の端子４ｂ側に向かって、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する第１の熱電変換素子３ａと、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する第１の熱電変換素子３ａとを直列に接続した後、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する第２の熱電変換素子３ｂと、他方の熱電変換素子列３Ｂを構成する第２の熱電変換素子３ｂとを直列に接続し、これを交互に繰り返しながら、これら複数の熱電変換素子３を直列に接続した構成となっている。

これにより、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、第１の配線１０及び第２の配線１１を引き回す距離を従来よりも短縮し、これら第１の配線１０及び第２の配線１１の抵抗を下げることができる。

したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、上記熱電変換装置１Ａと同様に、各熱電変換素子３で発生した電流が第１の配線１０及び第２の配線１１を流れる際の損失を抑えることができ、その結果、出力の向上を図ることが可能である。

なお、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、上述した基板２の厚み方向から見て少なくともその一部の配線１０，１１同士が絶縁膜１２を介して交差するように、下層側の第１の配線１０（第１の導電膜９ａ）と上層側の第２の配線１１（第２の導電膜）とが配置された構成となっているが、第１の配線１０と第２の配線１１との厚み方向の配置を逆とした構成とすることも可能である。すなわち、第１の配線１０が上層側の第２の導電膜９ｂからなり、第２の配線１１が下層側の第１の導電膜９ａからなる構成とすることも可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、基板２の面内において、第１の方向に並ぶ複数の熱電変換素子３がそれぞれ長方形状を有して、これら複数の熱電変換素子３が第１の方向と直交する第２の方向に並んで配置された構成となっている。一方、複数の熱電変換素子３は、必ずしも長方形状を有する必要はなく、その形状や数等について適宜変更することが可能である。また、複数の熱電変換素子３は、第１の方向と直交する第２の方向に並んで配置された構成に必ずしも限定されるものではなく、その並べる方向について適宜変更することが可能である。

具体的に、一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを構成する複数の熱電変換素子３の配置を例示した平面図を図１３（ａ）〜（ｃ）に示す。
このうち、図１３（ａ）に示す構成では、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する複数の熱電変換素子３と、一方の熱電変換素子列３Ｂを構成する複数の熱電変換素子３とが、第１の方向（図１３中の左右方向）においてそれぞれ平面視で逆向きに傾斜した平行四辺形状を有して、第１の方向に並んで配置されると共に、第１の方向と直交する第２の方向（図１３中の上下方向）に並んで配置された構成となっている。

一方、図１３（ｂ）に示す構成では、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する複数の熱電変換素子３と、一方の熱電変換素子列３Ｂを構成する複数の熱電変換素子３とが、第１の方向（図１３中の左右方向）においてそれぞれ平面視で同じ向きに傾斜した平行四辺形状を有して、第１の方向に並んで配置されると共に、第１の方向に対して斜めとなる第２の方向（図１３中の上下斜め方向）に並んで配置された構成となっている。

一方、図１３（ｃ）に示す構成では、一方の熱電変換素子列３Ａを構成する複数の熱電変換素子３と、一方の熱電変換素子列３Ｂを構成する複数の熱電変換素子３とが、それぞれ平面視で長方形形状を有して、第１の方向に並んで配置されると共に、第１の方向に対して斜めとなる第２の方向（図１３中の上下斜め方向）にずらして並んで配置された構成となっている。

また、上記実施形態では、一対（２列）の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを配置した熱電変換装置１Ａ，１Ｂを例示しているが、これら熱電変換素子列３Ａ，３Ｂを配置する数を更に増やすことも可能である。

また、上記熱電変換装置１Ｂでは、第２の配線１１と交差していない第１の配線１０が一部存在しているが、上記熱電変換装置１Ａのように、全ての配線１０，１１同士が交差している構成に限らず、その一部の配線１０，１１同士が交差している構成であってもよい。また、上記熱電変換装置１Ｂでは、１本の第２の配線１１が２本の第１の配線１０と交差した構成となっているが、上記熱電変換装置１Ａのように、１本の配線１０，１１同士が交差している構成に限らず、１本の配線１０，１１が複数本の配線１１，１０と交差している構成であってもよい。

また、上記実施形態では、ｐ型半導体又はｎ型半導体の何れか一方からなる複数の熱電変換素子３が基板２の面上に並んで配置された構成を例示しているが、ｐ型半導体からなる複数の熱電変換素子３により構成される一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂと、ｎ型半導体からなる複数の熱電変換素子３により構成される一対の熱電変換素子列３Ａ，３Ｂとが基板２の面上に並んで配置された構成としてもよい。

また、上記実施形態では、第１の伝熱板５と第２の伝熱板６との間に、複数の熱電変換素子３が配置された１つの基板２を挟み込んだ構成を例示しているが、第１の伝熱板５と第２の伝熱板６との間に、複数の熱電変換素子３が配置された複数の基板２を挟み込んだ構成としてもよい。

また、上記実施形態では、第２の伝熱板６が基板２の第２の面２ｂの全面に亘って熱的に接合されている構成を例示しているが、例えば図１４（ａ），（ｂ）に示すような構成としてもよい。なお、図１４（ａ），（ｂ）は、図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置１の断面図に対応した断面図によって、第２の伝熱板６の変形例を例示したものである。

具体的に、図１４（ａ）に示す構成では、第２の伝熱板６が伝熱部１５（凸部１５ａ）と厚み方向において重なる範囲Ｔ１で、伝熱部１７を介して基板２と熱的に接合された構成となっている。伝熱部１７は、第２の伝熱板６と基板２との互いに対向する面のうち、何れか一方（図１４（ａ）中では第２の伝熱板６）の面側から突出された凸部１７ａを有して、第２の伝熱板６と基板２との間を熱的に接合した構成となっている。

一方、図１４（ｂ）に示す構成では、第２の伝熱板６が冷接点側電極１６と厚み方向において重なる範囲Ｔ３で、伝熱部１７（凸部１７ａ）を介して基板２と熱的に接合された構成となっている。

さらに、第２の伝熱板６については、必ずしも必要な構成ではなく、場合によって省略した構成とすることも可能である。

１Ａ，１Ｂ…熱電変換装置２…基板（基材）２ａ…第１の面２ｂ…第２の面３…熱電変換素子３Ａ…一方の熱電変換素子列３Ｂ…他方の熱電変換素子列３ａ…第１の熱電変換素子３ｂ…第２の熱電変換素子４ａ…一方の端子４ｂ…他方の端子５…第１の伝熱板（第１の伝熱部材）６…第２の伝熱板（第２の伝熱部材）７…第１の電極８…第２の電極９ａ…第１の導電膜９ｂ…第２の導電膜１０…第１の配線１１…第２の配線１２…絶縁膜（絶縁層）１３…第３の配線１４…温接点側電極１５…伝熱部１５ａ…凸部１６…冷接点側電極１７…伝熱部１７ａ…凸部

Claims

厚み方向において互いに対向する第１の面と第２の面とを有する基材と、
前記基材の前記第１の面側の面内において互いに交差する第１の方向と第２の方向とのうち、前記第１の方向に並ぶ複数の熱電変換素子を有し、且つ、これら複数の熱電変換素子が前記第２の方向に並んで配置された一対の熱電変換素子列と、
前記熱電変換素子列を構成する各熱電変換素子の前記第１の方向における一端側と電気的に接続された第１の電極及び前記各熱電変換素子の前記第１の方向における他端側と電気的に接続された第２の電極と、
前記第２の方向において隣り合う一方の熱電変換素子列と他方の熱電変換素子列との間に配置されて、前記一方の熱電変換素子列を構成する熱電変換素子と前記他方の熱電変換素子列を構成する熱電変換素子とが交互に直列に接続されるように、各熱電変換素子の前記第１の電極と前記第２の電極との何れかの間を電気的に接続する第１の配線及び第２の配線とを備え、
前記第１の配線と前記第２の配線とは、前記基板の厚み方向から見て少なくともその一部の配線同士が絶縁層を介して交差するように配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極側から前記第２の電極側に向けて電流が流れる第１の熱電変換素子と、前記第２の電極側から前記第１の電極側に向けて電流が流れる第２の熱電変換素子とが、前記第１の方向において交互に並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間で流れる電流の方向が逆向きとなる熱電変換素子が、前記第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
前記熱電変換素子列を構成する熱電変換素子のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間で流れる電流の方向が同じ向きとなる熱電変換素子が、前記第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、第１の導電膜と第２の導電膜とを順次積層した積層膜からなり、
前記第１の配線は、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との何れか一方の導電膜からなり、
前記第２の配線は、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との何れか他方の導電膜からなることを特徴する請求項１〜４の何れか一項に記載の熱電変換装置。
前記基材の前記第１の面側に配置された第１の伝熱部材を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極とのうち、温接点側となる電極と前記第１の伝熱部材とが熱的に接合されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の熱電変換装置。
前記基材の前記第２の面側に配置されて、前記基材と熱的に接合される第２の伝熱部材を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。