JP4147800B2 - 熱電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換装置の製造方法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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【０００７】
基板を用いない方法として、特開平８−２５４６８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。
【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。
【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の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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シート材をプラズマ処理する工程と、
これらのプラズマ処理された導電性シート材をプラズマ処理面にて圧着接合する工程 と、
この圧着接合体における前記複数の導電性シート材のうちの一方の導電性シート材を エッチング処理して、一方の導電性パターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と、
しかる後に、前記複数の導電性シート材のうちの他方の導電性シート材をエッチング 処理して、前記一方の導電性パターンとの圧着接合部を保持した状態の他方の導電性パ ターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と
を経て、前記一方の導電性パターンと前記他方の導電性パターンとによる複数の熱電対が接続された構造を有するフレキシブルなシート状の形状に作成する、熱電変換装置の製造方法に係わるものである。
この製造方法によって、複数の熱電対が接続された構造を有する熱電変換装置、並びにその熱電変換装置を備え、前記熱電対の高温側圧着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圧着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を得ることができる。
【００１２】
本発明によれば、前記導電性シート材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、前記導電性シート材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、前記圧着接合体において一方の導電性シート材をエッチングでパターン加工し、更にその上に断熱性絶縁シートを接着し、これを支持体として他方の導電性シート材をエッチングでパターン加工しているので、エッチング加工時に基板を必要とせず、また前記圧着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。
【００１４】
さらに、前記熱電対を組み立てるのではなく、異なる前記導電性シート材を圧着接合して貼り合わせて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、熱電変換装置は薄いシート状であってフレキシブルなシート状の形状に作成されるため、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ものとなる。
【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圧着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圧着接合部を集合的に配置するのがよい。
【００１７】
本発明においては、前記圧着接合部を熱伝導性の良好な絶縁性の例えばシリコンゴムで被覆するのがよい。また、前記圧着接合部以外の導電部を前記断熱性の絶縁シートで被覆して、フレキシブルなシート状の形状をなすように作るのがよい。前記断熱性の絶縁シートは、ポリイミドによって形成するのがよい。
【００１９】
本発明によって得られる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、前記低温側圧着接合部が、良熱伝導性の絶縁性シリコンゴムを介して放熱部としての電子機器の冷却手段に取付けられるのがよい。
【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。
【００２１】
まず、図１において、本発明の実施の形態による熱電変換装置１０を概略平面図（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）について説明する。
【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（圧着）接合部４および低温側（圧着）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１０００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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態による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。
【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。
【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（１．３３×１０-2Ｐａ）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１０- 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。
【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））。
【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。
【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））。
【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））。
【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２３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）。
【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。
【００５０】
図５（ａ）は、本発明の実施の形態による熱電発電装置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電変換装置１０が積層され、電気的には直列に結合されている（但し、熱電変換装置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９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 EmittingDiode）、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３０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。
【００５４】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はそ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、導電性シート材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、導電性シート材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、圧着接合体において一方の導電性シート材をエッチングでパターン加工し、更にその上に断熱性絶縁シートを接着し、これを支持体として他方の導電性シート材をエッチングでパターン加工しているので、エッチング加工時に基板を必要とせず、また圧着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。
【００５７】
さらに、熱電対を組み立てるのではなく、異なる導電性シート材を圧着接合して貼り合わせて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。
【００５８】
以上から、熱電変換装置はフレキシブルなシート状の形状に作成されるため、多数の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ものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態による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。
【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。
【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。
【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。
【図５】 本発明の実施の形態による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。
【符号の説明】
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
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換装置の製造方法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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【０００７】
基板を用いない方法として、特開平８−２５４６８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。
【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。
【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の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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シート材をプラズマ処理する工程と、
これらのプラズマ処理された導電性シート材をプラズマ処理面にて圧着接合する工程 と、
この圧着接合体における前記複数の導電性シート材のうちの一方の導電性シート材を エッチング処理して、一方の導電性パターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と、
しかる後に、前記複数の導電性シート材のうちの他方の導電性シート材をエッチング 処理して、前記一方の導電性パターンとの圧着接合部を保持した状態の他方の導電性パ ターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と
を経て、前記一方の導電性パターンと前記他方の導電性パターンとによる複数の熱電対が接続された構造を有するフレキシブルなシート状の形状に作成する、熱電変換装置の製造方法に係わるものである。
この製造方法によって、複数の熱電対が接続された構造を有する熱電変換装置、並びにその熱電変換装置を備え、前記熱電対の高温側圧着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圧着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を得ることができる。
【００１２】
本発明によれば、前記導電性シート材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、前記導電性シート材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、前記圧着接合体において一方の導電性シート材をエッチングでパターン加工し、更にその上に断熱性絶縁シートを接着し、これを支持体として他方の導電性シート材をエッチングでパターン加工しているので、エッチング加工時に基板を必要とせず、また前記圧着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。
【００１４】
さらに、前記熱電対を組み立てるのではなく、異なる前記導電性シート材を圧着接合して貼り合わせて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、熱電変換装置は薄いシート状であってフレキシブルなシート状の形状に作成されるため、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ものとなる。
【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圧着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圧着接合部を集合的に配置するのがよい。
【００１７】
本発明においては、前記圧着接合部を熱伝導性の良好な絶縁性の例えばシリコンゴムで被覆するのがよい。また、前記圧着接合部以外の導電部を前記断熱性の絶縁シートで被覆して、フレキシブルなシート状の形状をなすように作るのがよい。前記断熱性の絶縁シートは、ポリイミドによって形成するのがよい。
【００１９】
本発明によって得られる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、前記低温側圧着接合部が、良熱伝導性の絶縁性シリコンゴムを介して放熱部としての電子機器の冷却手段に取付けられるのがよい。
【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。
【００２１】
まず、図１において、本発明の実施の形態による熱電変換装置１０を概略平面図（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）について説明する。
【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（圧着）接合部４および低温側（圧着）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１０００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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態による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。
【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。
【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（１．３３×１０-2Ｐａ）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１０- 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。
【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））。
【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。
【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））。
【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））。
【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２３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）。
【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。
【００５０】
図５（ａ）は、本発明の実施の形態による熱電発電装置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電変換装置１０が積層され、電気的には直列に結合されている（但し、熱電変換装置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９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 EmittingDiode）、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３０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。
【００５４】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はそ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、導電性シート材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、導電性シート材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、圧着接合体において一方の導電性シート材をエッチングでパターン加工し、更にその上に断熱性絶縁シートを接着し、これを支持体として他方の導電性シート材をエッチングでパターン加工しているので、エッチング加工時に基板を必要とせず、また圧着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。
【００５７】
さらに、熱電対を組み立てるのではなく、異なる導電性シート材を圧着接合して貼り合わせて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。
【００５８】
以上から、熱電変換装置はフレキシブルなシート状の形状に作成されるため、多数の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ものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態による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。
【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。
【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。
【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。
【図５】 本発明の実施の形態による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。
【符号の説明】
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
Claims (5)
- 互いに異なる導電性材料からなる複数の導電性シート材をプラズマ処 理する工程と、
これらのプラズマ処理された導電性シート材をプラズマ処理面にて圧着接合する工程 と、
この圧着接合体における前記複数の導電性シート材のうちの一方の導電性シート材を エッチング処理して、一方の導電性パターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と、
しかる後に、前記複数の導電性シート材のうちの他方の導電性シート材をエッチング 処理して、前記一方の導電性パターンとの圧着接合部を保持した状態の他方の導電性パ ターンに加工する工程と、
この導電性パターン上に断熱性の絶縁シートを接着する工程と
を経て、前記一方の導電性パターンと前記他方の導電性パターンとによる複数の熱電対が接続された構造を有するフレキシブルなシート状の形状に作成する、熱電変換装置の製造方法。 - 前記複数の熱電対の高温側圧着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圧着接合部を集合的に配置する、請求項１に記載した熱電変換装置の製造方法。
- 前記圧着接合部を熱伝導性及び絶縁性のシリコンゴムで被覆する、請求項１に記載した熱電変換装置の製造方法。
- 前記圧着接合部以外の導電部を前記断熱性の絶縁シートで被覆する、請求項１に記載した熱電変換装置の製造方法。
- 前記断熱性の絶縁シートをポリイミドによって形成する、請求項４に記載した熱電変換装置の製造方法。
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