JP5589672B2 - 熱電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は熱電変換装置およびその製造方法に関する。

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子を用いて温度差を電気に変換する熱電変換装置が実用化されている。とくに、薄膜熱電変換材料を用いる薄膜熱電変換素子は、高い変換効率と製造の容易性とが期待され、開発が進められている。

このような薄膜熱電変換素子は絶縁シート上面に薄膜として形成される。熱電変換装置は、その薄膜熱電変換素子を上下から２枚の絶縁シートで挟み，全体としてシート状の外形を有するように形成される。かかるシート状の熱電変換装置では、シート形状の装置の上下面を異なる温度の熱源に接触させる。従って、温度差はシート状の装置の厚さ方向に発生し、絶縁シートの面内の温度分布は小さい。このため、熱電変換素子の両端には小さな温度差しか発生せず、薄膜熱電変換装置の熱電変換効率は制限されていた。

薄膜熱電変換素子を用いたシート状の熱電変換装置の上下面間（厚さ方向）の温度差を、シート面内の温度差に変換することで、熱電変換効率を向上する熱電変換装置が知られている。

この熱電変換装置では、断熱性の下側シート上面に、ｐ型及びｎ型の薄膜熱電変換素子が互いの端面を接触させてｐｎ接合を形成し、その上に貼着された断熱性の上側シートで被覆する。そして、ｐ型の薄膜熱電変換素子の上方に上側シートに埋め込まれた高熱伝導率材料からなる部材が設けられ、ｎ型の薄膜熱電変換素子の下方に下側シートに埋め込まれた高熱伝導率材料からなる部材が設けられる。

このシート状の熱電変換装置では、その上下面間を流れる熱流は、主に断熱性のシートの面内の異なる領域に埋め込まれた２個の高熱伝導率材料からなる部材と薄膜熱電変換素子とを経て流れる。従って、薄膜熱電変換素子の両端に温度差を発生させることができる。しかし、高熱伝導率材料からなる部材と薄膜熱電変換素子との間には熱伝導率の低いシート材料の層が介在しており、このシート材料の層内で温度差を生ずるため薄膜熱電変換素子の両端の温度差が小さくなり熱電変換効率の向上が制限される。

さらに、薄膜熱電変換素子を上下から断熱性のシートで挟み、薄膜熱電変換素子の一端に近い領域（薄膜熱電変換素子の一部をなし，薄膜熱電変換素子の一端近傍の領域）の直下の下側シートに、下側シートを貫通し薄膜熱電変換素子の一端に近い領域に接する高熱伝導率材料からなる部材を設け、薄膜熱電変換素子の他端側に近い領域（薄膜熱電変換素子の一部をなし、薄膜熱電変換素子の他の一端近傍の領域の直上の上側シートに、上側シートを貫通し薄膜熱電変換素子の他端側領域に接する高熱伝導率材料からなる部材を設けた改良された熱電変換装置が知られている。

この改良された熱電変換装置では、高熱伝導率材料からなる部材と薄膜熱電変換素子とは薄い絶縁膜を介して接触しており、熱伝導率の低いシート材料の層が介在しないので、薄膜熱電変換素子の両端にほぼ熱電変換装置の上下面の温度差に近い温度差を生じさせることができる。このため、高い熱電変換効率が実現される。

特開２００６−１８６２５５号公報 特開２００９−０１６８１２号公報

上述したように、ｐ型及びｎ型の薄膜熱電変換素子を突き当てて形成し、その上下を断熱性のシートで挟持し、ｐ型の薄膜熱電変換素子の上方の上側シートに高熱伝導率材料からなる部材を、ｎ型の薄膜熱電変換素子の下方の下側シート高熱伝導率材料からなる部材を埋め込んだ従来の熱電変換装置では、薄膜熱電変換素子と高熱伝導率材料からなる部材との間に低熱伝導率のシート材料が介在する。このため、この介在する低熱伝導率のシート材料内での温度差が大きく、薄膜熱電変換素子の両端の温度差が減少するため、熱電変換効率が低いという問題がある。

また、薄膜熱電変換素子を上下から断熱性のシートで挟み、薄膜熱電変換素子の一端側に近い領域の下面に接し下側シートを貫通する高熱伝導率材料からなる部材を設け、薄膜熱電変換素子の他端側に近い領域の上面に接し上側シートを貫通する高熱伝導率材料からなる部材を設けた改良された従来の熱電変換装置がある。この装置では、熱流は、シート上面及び下面からそれぞれ上側シート及び下側シートを貫通する高熱伝導率材料からなる部材を介して、この部材の下面又は上面に絶縁膜を介して対向する薄膜熱電変換素子に流れる。即ち、熱電変換素への伝熱は、熱電変換素子の上面又は下面からなされる。

しかし、熱電変換素子の熱伝導率は高熱伝導率材料からなる部材と比べて著しく低いので、熱電変換素子の上面又は下面から伝熱したのでは、熱電変換素子が厚いと上下方向（膜厚方向）に大きな温度差が生ずる。このため、厚い熱電変換素子を用いた場合、高熱伝導率材料からなる部材から厚さ方向に離れて位置する熱電変換材料の両端の温度差が小さくなり、熱電変換効率が低下するという問題がある。

この問題は、熱電変換装置の熱電変換効率を上げるため薄膜熱電変換材料を多層に形成した場合に、熱電変換効率の向上を阻害する大きな障害となる。多層薄膜を用いる熱電変換素子では、多層に形成された薄膜熱電変換材料の実効熱伝導率を低く保持するために、多層間に設ける層間絶縁膜を低熱伝導率材料により構成する。このように層間絶縁膜の熱伝導率を低くすると、熱電変換素子の上下方向の熱伝導が小さくなり、熱電変換素子の上下方向に大きな温度差を生ずる。このため、熱電変換素子の両端に印加される実効的な温度差が小さくなり、熱電変換効率が低下する。

本発明は、シート形状の熱電変換装置の上下面の温度差を、シート面内の温度差に変換して薄膜熱電変換素子の両端に温度差を生じさせることで発電する熱電変換装置に関し、熱電変換素子の両端に印加される温度差の膜圧方向分布が小さく高い熱電変換効率を有する熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、その一観点によれば、
第１の絶縁シートと、前記第１の絶縁シート上に隙間を介して積層された第２の絶縁シートと、前記第１の絶縁シートを貫通して前記第１の絶縁シートの上面に突出する、前記第１及び第２の絶縁シートより高熱伝導率材料からなる第１の熱伝導部材と、前記第２の絶縁シートを貫通して前記第２の絶縁シートの下面に突出する、前記第１及び第２の絶縁シートより高熱伝導率材料からなる第２の熱伝導部材と、前記第１の熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材との間の前記第１のシート上面上に設けられた熱電変換素子と、前記隙間を充填する接着剤と、を有する熱電変換装置として提供される。

本発明の熱電変換装置では、熱電変換素子の両端が高熱伝導率材料からなる熱伝導部材の側面に近接乃至接している。このため、熱電変換素子の両端の温度は熱伝導部材の表面温度によりほぼ決定される。熱伝導部材は高熱伝導率材料から形成されており、その内部は均一な温度分布が保持されている。従って、熱電変換素子の両端の温度差は上下方向でほぼ同一となり、熱電変換素子の両端での上下方向の温度差の分布に起因する熱電変換効率の低下が回避されるので、熱電変換効率の高い熱電変換装置が実現される。

本発明の第１実施形態の熱電変換装置平面図 本発明の第１実施形態の熱電変換装置断面図 本発明の第１実施形態の熱電変換装置斜視図 本発明の第１実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その１） 本発明の第１実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その２） 本発明の第１実施形態の変形例にかかる熱電変換素子断面図 本発明の第１実施形態の他の変形例にかかる熱電変換装置断面図 本発明の第１実施形態の熱電変換素子両端の温度差を表すグラフ 比較例の熱電変換装置断面図 本発明の第２実施形態の熱電変換装置断面図 本発明の第２実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その１） 本発明の第２実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その２） 本発明の第３実施形態の熱電変換装置平面図 本発明の第３実施形態の熱電変換装置断面図 本発明の第３実施形態の熱電変換素子断面図 本発明の第３実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図 本発明の第４実施形態の熱電変換装置平面図 本発明の第５実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図 本発明の第６実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図 本発明の第７実施形態の熱電変換装置平面図 本発明の第７実施形態の熱電変換装置断面図 本発明の第７実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その１） 本発明の第７実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その２） 本発明の第７実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その３）

本発明の第１実施形態は、第１の絶縁シート上面に形成された柱体状のヘッド部を有する熱伝導部材を備えた熱電変換装置１００に関する。

図１は本発明の第１実施形態の熱電変換装置平面図であり、第１の絶縁シート１の上面１ａに形成された熱電変換素子５、配線１１、及び、第１及び第２の熱伝導部材３、４の一部をなす第１及び第２のヘッド部３ａ、４ａの平面配置を表している。図２は本発明の第１実施形態の熱電変換装置断面図であり、図１中のＡＡ’に沿う熱電変換装置１００の断面を表している。図３は本発明の第１実施形態の熱電変換装置斜視図である。なお、図３では、理解を容易にするために第２の絶縁シート２を透明に描いている。

図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る熱電変換装置１００は、第１の絶縁シート１と、その上面１ａ上に接着剤６が充填された隙間９を介して積層された第２の絶縁シート２とを有する。

第１及び第２の絶縁シート１、２として、絶縁性及び断熱性に優れた材料からなるシート、例えばポリイミド又はポリエステル樹脂のシートを用いることが好ましい。これらの樹脂からなる絶縁シート１、２は柔軟性に優れるため、フレキシブルなシート状の熱電変換装置１００を製造することができる。もちろん、柔軟性が不要ならば、剛性の高い材料を用いることもできる。

本第１実施形態では、第１及び第２の絶縁シート１、２として、厚さ５０μｍのポリイミド又はポリエステル樹脂シートを用いた。絶縁シート１、２の厚さは、熱電変換装置１００の上下面の間、即ち、第２の絶縁シート２の上面２ａと第１の絶縁シート１の下面１ｂとの間に発電のために温度差が印加されたとき、その上下面間を第１及び第２の絶縁シート１、２内の熱伝導により漏洩する熱量に起因する熱電変換効率の低下が、実用上許容される程度に小さくなる厚さに設計される。

第１の絶縁シート１の上面１ａに、高熱伝導率材料、例えば銅からなるヘッド部３ａ、４ａが行列状（即ち格子状に）に設けられている。このヘッド部４ａ、３ａは柱体状、例えば高さ８μｍ、縦横の幅が６０μｍの正方形の水平断面を有する４角柱状に形成され、その上面及び側面は熱伝導率の高い絶縁膜７、例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜で被覆されている。また、この絶縁膜７は、第１の絶縁シート１の上面１ａをも被覆するように形成することが好ましい、このように第１の絶縁シート１の上面１ａをシリコン酸化膜からなる絶縁膜７で被覆することで、その上に形成される熱電変換素子５の特性劣化が抑制される。なお、この絶縁膜７は、熱電変換素子５とヘッド部４ａ、３ａとの間を熱的に接続しかつ電気的に絶縁するためのもので、ヘッド部４ａ、３ａが絶縁材料から形成されるときは設けなくてもよい。また、熱電変換素子５の経年変化に起因する特性劣化が問題にならない場合は、熱伝導率の高い絶縁膜７を絶縁シート１上面１ａに形成しない。こうすることで、絶縁膜７を介して流れる漏洩熱流を小さくすることができる。

これらの第１及び第２のヘッド部３ａ、４ａは、互いに２次元格子の面心位置を占めるように互い違いに配列される。即ち、第１のヘッド部３ａが２次元面心格子を形成するように配置され、同様に第２のヘッド部４ａも他の２次元面心格子を形成するように配置される。そして、第１及び第２のヘッド部３ａ、４ａがそれぞれ形成する２つの２次元面心格子が、互いに縦及び横方向に１／２格子ずれて配置され、その結果、第１のヘッド部３ａと第２のヘッド部４ａはそれぞれ互いの面心格子の面心位置に配置される。言い換えれば、第１のヘッド部３ａの縦横に隣接して第２のヘッド部４ａが配置され、第２のヘッド部４ａの縦横に隣接して第１のヘッド部３ａが配置される。さらに繰り返すと、行方向及び列方向に沿って、第１のヘッド部３ａ及び第２のヘッド部４ａが交互に配置される。なお、第１及び第２のヘッド部３ａ、４ａは、列方向（図１の紙面内上下方向）に互いに６０μｍの間隔を設けて配置され（即ち１２０μｍピッチで配置され）、行方向（図１の紙面内左右向）には互いに１６０μｍの間隔を設けて配置され（即ち２２０μｍピッチで配置され）る。

第１のヘッド部３ａの下面には、第１の絶縁シート１を貫通する貫通部３ｂが設けられる。この貫通部３ｂは、柱状、例えば直径５０μｍの円柱をなし、上面がヘッド部３ａ下面に密接し、下面が第１の絶縁シート１の下面１ｂに表出する。

また、第２のヘッド部４ａの上面には、第２の絶縁シート２を貫通する貫通部４ｂが設けられる。この貫通部４ｂは、柱状、例えば直径５０μｍの円柱をなし、下面がヘッド部３ａ上面に密接し、上面が第１の絶縁シート１の上面２ａに表出する。

この第１のヘッド部３ａ及びこれに接する貫通部３ｂは第１の熱伝導部材３を構成し、第２のヘッド部４ａ及びこれに接する貫通部４ｂは第２の熱伝導部材４を構成する。これら第１及び第２の熱伝導部材３、４を構成するヘッド部３ａ、４ａ及び貫通部３ｂ、４ｂは、第１及び第２の絶縁シート１、２より高い熱伝導率を有する高熱伝導率材料、例えば銅又はアルミニウム等の金属，はんだ、高熱伝導率を有する導電性ペースト、或いはセラミックス材料を用いて形成される。従って、第１及び第２の熱伝導部材３、４は、その周囲を埋め込む第１及び第２の絶縁シート１、２材料より高い熱伝導率を有する。このため、下面１ｂと隙間９との間、及び、上面２ａと隙間９との間の熱伝達は主としてこの第１及び第２の熱伝導部材３内の熱伝導を通してなされる。

第１の絶縁シート１の上面１ａには、さらに薄膜パターンからなる熱電変換素子5 及び熱電変換素子5 間を接続し、発電した電力を外部へ出力するための配線１１が形成されている。

熱電変換素子５は、熱電変換材料の薄膜パターンからなり、第１の絶縁シート１の上面１ａに絶縁膜７を介して設けられる。この熱電変換素子５は、第１の熱伝導部材３のヘッド部３ａと第２の熱伝導部材４のヘッド部４ａとの間に設けられ、ヘッド部３ａの側面に絶縁膜７を介して一端が接し、ヘッド部４ａの側面に他端が接するように形成される。

かかる熱電変換素子５は、行列状に配置されたヘッド部３ａ、４ａの列方向（図１の紙面上下方向）に交互に並ぶヘッド部３ａ、４ａの間に設けることができる。このとき、熱電変換素子５をｐ型及びｎ型の薄膜熱電変換材料から形成し、ｐ型及びｎ型の熱電変換素子５ｐ、５ｎが列方向に交互に並ぶように配置することが好ましい。このように配置することで、詳しくは次に説明するように、隣接する熱電変換素子５間を配線１１で接続するだけで、容易に全ての熱電変換素子５を直列に接続することができる。

列方向に交互に並ぶように列設されたｐ型の熱電変換素子５ｐとｎ型の熱電変換素子５ｎは、配線１１（配線１１ａ〜１１ｃ）により直列に接続される。配線１１ａは、絶縁膜７上から、列方向に隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎの対向する端部の上面に延在し、その隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎを電気的に直列に接続する。さらに、配線１１ｂは、列の一端に位置する熱電変換素子５と隣接する列のその一端側に位置する熱電変換素子５との間を電気的に接続する。この配線１１ｂは、列ごとに直列接続された熱電変換素子５を、さらに他の列に直列に接続するように、両隣のうちの一方の側の列の熱電変換素子５を列の一端側で接続し、両隣の他方の側の熱電変換素子５を列の他端側で接続する。従って、配線１１は、行列状に配置された全ての熱電変換素子５を、つづら折り状の経路で直列接続する。

なお、本第１実施形態では、ヘッド部３ａ、４ｂの間に導電型の異なる熱電変換素子５ｐ、５ｎを交互に配置した。この配置では、例えば第１の熱伝導部材３のヘッド部３ａに、列方向に沿って一方（図１の紙面上方）からｐ型の熱電変換素子５ａが、他方（図１の紙面下方）からｎ型の熱電変換素子５ｎがヘッド部３ａを挟むように当接する。この熱電変換素子５ｐ、５ｎの他端は第２の熱伝導部材４のヘッド部４ａに接するので、第１及び第２の熱伝導部材３、４の間に印加された温度差に基づき、同じ列の熱電変換素子５ｐ、５ｎには同じ向きの起電力が発生する。従って、これらの熱電変換素子５ｐ、５ｎを直列に接続することで、熱電変換素子５ｐ、５ｎの個数倍の電圧が出力される。このように、熱電変換素子５ｐ、５ｎの出力は、配線１１により直列に接続され、配線１１の両端に設けられた電極パッド１１ｃから外部に出力される。

上述した熱電変換素子５の材料は、ゼーベック効果を生ずる熱電変換材料であればよく、薄膜材料の他バルク材料であってもよい。しかし、薄膜材料は製造容易であり、さらに柔軟性に優れる材料を容易に選択できるので、とくに安価にフレキシブル熱電変換装置を製造するに適している。かかる薄膜熱電変換材料として、例えばｐ型熱電変換材料としてクロメル（Ｎｉ₉₀Ｃｒ₁₀）、ｎ型熱電変換材料としてコンスタンタン（Ｎｉ₄₈Ｃｕ₅₂）を用いることができる。また、化合物半導体、例えばＢｉ₂ Ｔｅ₂ 、ＣｏＳｂ、ＳｉＧｅ又はＰｂＴｅを用いることもでき、単体金属、例えばＢｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉを用いてもよい。

第１及び第２の絶縁シート１、２の隙間９は、ヘッド部３ａ、３ｂ及び熱電変換素子５がその隙間９に挟持される間隔があればとくに制限はなく、例えば８μｍとする。また、ヘッド部３ａ、３ｂの上面が、上方の第２の絶縁シート２の下面２ｂに埋め込まれても、例えば１μ程度、即ち絶縁膜７の厚さ程度埋め込まれてもよい。隙間９は、接着剤６が充填され、この接着剤６により第１及び第２の絶縁シート１、２が貼着される。この接着剤６は絶縁シート１、２間の熱の漏洩を抑制する観点から熱伝導率が低いことが望ましく、また、素子の電気的絶縁を担保するため絶縁性を有することが好ましい。かかる観点から、例えば熱硬化性樹脂からなる接着剤６を用いることが好ましい。

次に、上述した本発明の第１実施形態の熱電変換装置１００の製造方法を説明する。

図４は本発明の第１実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その１）、図５は本発明の第１実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その２）であり、製造途中の熱電変換装置１００の断面を表している。なお、図４（ａ）〜（ｃ）、（ｄ）及び図５（ｆ）〜（ｊ）は図１中のＡＡ’断面を、図４（ｃ−Ｂ）、（ｄ−Ｂ）〜（ｅ−Ｂ）は図１中のＢＢ’断面を表している。

図４（ａ）を参照して、まず、上面１ａに厚さ８μｍの銅層１ｄが積層された、厚さ５０μｍのポリエステル樹脂からなる第１の絶縁シート１を準備する。次いで、第１の絶縁シート１の下面から第１の絶縁シート１を貫通し、銅層１ｄの下面を表出する、例えば直径５０μｍの円柱状の穴ｃを開口する。この穴１ｃは、図１及び図２を参照して、第１の熱伝導部材３の貫通部３ｂの位置、即ち、行方向に４４０μｍ、列方向に２４０μｍの格子間隔を有する面心格子の格子点に形成される。かかる穴１ｃは、例えばレーザ加工によりなされる。他に、エッチングにより形成することもできる。

次いで、図４（ｂ）を参照して、無電解銅めっき法を用いて、穴１ｃを埋め込む銅からなる貫通部３ｂを形成する。このとき、無電解めっき銅を穴１ｃの表面を被覆するように形成し、その後、穴１ｃの残りの部分に他の方法で形成された高熱伝導率材料、例えば高熱伝導率のペースト、導電性ペースト、電解めっき銅或いははんだを埋め込むことで形成してもよい。次いで、後工程での下面１ｂの損傷を防ぐために、下面１ｂに樹脂からなる保護シート１ｅを貼着する。

次いで、図４（ｃ）を参照して、ホトエッチング法を用いて銅層１ｄをパターニングし、第１の絶縁シート上面１ａに、例えば辺長６０μｍの正方形の銅パターンからなるヘッド部３ａ、３ｂを形成する。このうち、第１のヘッド部３ａは、第１の絶縁シート１に形成された穴１ｃの直上に、穴１ｃを塞ぐように設けられる。この第１のヘッド部３ａは、その直下に接して形成された貫通部３ｂと共に第１の熱伝導部材３を構成する。一方、第２のヘッド部４ａは、第１のヘッド部３ａが形成する面心格子の面心位置、即ち行及び列方向にそれぞれ最近接位置に位置する４個の穴１ｃの中心（４個の穴１ｃが形成する菱形の対角線の交点）に位置するように形成される。

次いで、第１の絶縁シート１の上面１ａ全面に厚さ１μｍのシリコン酸化膜をスパッタして、シリコン酸化膜からなる絶縁膜７を形成する。この絶縁膜７は、ヘッド部３ａ、３ｂの上面及び側面及びヘッド部３ａ、３ｂの外側に表出する第１の絶縁シート１の上面１ａを被覆するように形成される。

図４（ｃ−Ｂ）を参照して、絶縁膜７が形成されたとき、第１の絶縁シート１の上面１ａは絶縁膜７により、下面１ｂは保護シート１ｅにより被覆され、その絶縁シート１の上面１ａに絶縁膜７で被覆されたヘッド部３ａ、４ａが突出する。

次いで、図４（ｄ）を参照して、例えばメタルマスクを用いたスパッタ法により、熱電変換材料を、例えば厚さ１μｍの平板状のパターンとして形成し、熱電変換素子５を形成する。この熱電変換素子５は、列及び行方向にそれぞれｐ型熱電変換素子５ｐとｎ型熱電変換素子５ｎとが交互に位置するように形成される。なお、ｐ型及びｎ型熱電変換素子５ｐ、５ｎは、それぞれ別個になされる２回のスパッタリングにより形成される。

これらの熱電変換素子５は、図１、及び図４（ｄ−Ｂ）を参照して、例えば、中央部分が６０μｍ幅の帯状をなし、両端部分が幅１２０μｍまで拡幅されてヘッド部３ａ、４ａを抱持するような平面パターンに形成される。

なお、熱電変換素子５の形成は、スパッタに限られず、熱電変換素子５に必要とされる熱電変換特性を維持しかつその特性を劣化することなくパターニング可能であれば、他の方法を用いてもよい。例えば、スパッタに代えて、蒸着法、イオンプレーテング法、スクリーン印刷法又はフラッシュ蒸着法を用いることもできる。これらの薄膜形成方法は、２００℃以下の形成温度で優れた特性を有する熱電変換材料を形成することができるので、耐熱性が２００℃程度の樹脂シートからなる第１の絶縁シート１の変形を回避することができる。さらに、ＣＶＤ法、レーザアブレーション法、ゾルゲル法又は溶射法を用いてもよい。

次いで、図４（ｅ−Ｂ）を参照して、メタルマスクを用いたスパッタリング法により、導電性金属膜からなる、例えは厚さ０．２μｍの銅薄膜パターンからなる配線１１を形成する。図１及び図４（ｅ−Ｂ）を参照して、配線１１ａは、列方向に隣接するｐ型及びｎ型熱電変換素子５ｐ、５ｎの端部の上面から熱電変換素子５ｐ、５ｎの端面を覆い、熱電変換素子５ｐ、５ｎの間に表出する絶縁膜７上に延在して、この熱電変換素子５ｐ、５ｎを直列に接続する。また、各列間は、配線１１ｂにより接続され、その結果、配線１１ａ、１１ｂにより全ての熱電変換素子５が直列に接続される。なお、配線１１の両端には、外部に電力を出力するための電極パッド１１ｃが設けられている。

次いで、図５（ｆ）を参照して、第１の絶縁シート１の上面１ａに、下面２ｂに熱硬化性の接着剤６が積層された厚さ５０μｍのポリエステル樹脂からなる第２の絶縁シート２を載置し、次いで、図５（ｇ）を参照して、例えば押圧５ＭＰ、温度１５０℃で２時間圧着し、接着剤６を熱硬化させて積層した。このとき、ヘッド部３ａ、４ｂの上面を軟化した第２の絶縁シート２の下面２ｂに食い込ませ、第１及び第２の絶縁シート３、４の隙間９の間隔を８μｍにした。

次いで、図５（ｈ）を参照して、第２のヘッド部４ａの直上に、第２の絶縁シート２を貫通する例えば直径５０μｍの穴２ｃを開口する。この穴２ｃは、穴１ｃと同様の方法、例えばレーザ加工により形成され、第２の絶縁シート２及び絶縁膜７を貫通してその下面にヘッド部４ａを表出する。

次いで、図５（ｉ）を参照して、穴２ｃを穴１ｃと同様に、高熱伝導率の材料、例えば無電解銅めっきで埋め込み貫通部４ｂを形成する。この貫通部４ｂは、貫通部３ｂと同様の方法で形成することができる。その結果、貫通部４ｂの下面に第２のヘッド部４ａが密接した第２の熱伝導部材４が形成された。

次いで、図５（ｊ）を参照して、第１の絶縁シート１の下面１ｂに貼着された保護シート１ｅを除去して、本発明の第１実施形態の熱電変換装置１００が製造される。

上述した本発明の第１実施形態の熱電変換装置１００では、各熱電変換素子５は、熱電変換材料からなる一層の薄膜から構成されていた。しかし、各熱電変換素子５を多層にすることもできる。

図６は本発明の第１実施形態の変形例にかかる熱電変換素子断面図であり、多層の熱電変換材料薄膜から構成された熱電変換素子５の層構造を表している。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）はそれぞれ、第１実施形態の第１変形例及び第２変形例を表している。

図６（ａ）を参照して、本第１実施形態の第１変形例では、単層の熱電変換材料薄膜からなる第１実施形態の熱電変換素子５に代えて、熱電変換素子５を複数層の、例えば４層の熱電変換材料薄膜５ａにより構成する。各熱電変換材料薄膜５ａ間は、熱伝導率の低い絶縁材料、例えば樹脂からなる層間絶縁膜８により絶縁されている。

これらの熱電変換材料薄膜５ａ及び層間絶縁膜８は、メタルマスクを用いたスパッタ法又は蒸着法により、熱電変換材料薄膜５ａと層間絶縁膜８とを交互に積層して形成することができる。積層した後、この熱電変換材料薄膜５ａと層間絶縁膜８からなる多層構造の端面に被着した層間絶縁膜８を除去して、多層構造の端面に熱電変換材料薄膜５ａの端面を露出させる。この端面に被着した層間絶縁膜８の除去は、例えば樹脂のアッシング又はエッチングによりなすことができる。また、層間絶縁膜８としてレジストを用い、現像により除去することもできる。

また、熱電変換材料薄膜５ａと層間絶縁膜８との積層を第１の絶縁シート１の上面１ａ全面に形成した後、ホトエッチングによりパターニングして、端面に熱電変換材料薄膜５ａが露出した多層構造の熱電変換素子５を形成してもよい。

多層構造の熱電変換素子５の形成後、第１実施形態と同様に配線１１を形成する。この配線１１は、熱電変換素子５の上面から多層構造の端面を被覆し、絶縁膜７上へ延在する。従って、配線１１は、熱電変換素子５の上面及び多層構造の端面に表出する熱電変換材料薄膜５ａの端面と接触して、熱電変換素子５と電気的に接続する。なお、必要ならば、熱電変換素子５の劣化を防止するために、さらにシリコン酸化膜からなる絶縁膜７を第１の絶縁シート１の上面１ａ全面にに形成する。その後、第１実施形態の図５に示す工程と同様の工程を経て、本発明の第１実施形態の第１変形例にかかる熱電変換素子５が製造される。

本発明の第１実施形態の第２変形例にかかる熱電変換素子５は、配線１１を熱電変換材料薄膜５ａの上面で接触させ、広い接触面積を確保したものである。

図６（ｂ）を参照して、第１実施形態の第２変形例にかかる熱電変換素子５では、熱電変換材料薄膜５ａ上に配線１１が形成される配線接触領域１１Ｄに、層間絶縁膜８を形成しない。従って、配線接触領域１１Ｄでは、全ての熱電変換材料薄膜５ａは直接接して積層される。このため、各熱電変換材料薄膜５ａはこの配線接触領域１１Ｄで上下の薄膜が電気的に接続され、さらに配線接触領域１１Ｄ上に形成された配線１１に接続される。このように、熱電変換材料薄膜５ａ相互間及び熱電変換材料薄膜５ａと配線１１間の接続は、熱電変換材料薄膜５ａ端面より広い配線接触領域１１Ｄでなされるから、第１変形例に比べて低い接触抵抗で接続することができる。

図６（ｂ）に示した第２変形例は、最下層の熱電変換材料薄膜５ａをメタルマスクを用いたスパッタリングにより形成したのち、その上にレジストからなる最下層の層間絶縁膜７を形成し、露光、現像して配線接触領域１１Ｄのレジストを除去する。次いで、下から２層目の熱電変換材料薄膜５ａを最下層と同様の方法で形成したのち、下から２層目のレジストを形成し、露光、現像して配線接触領域１１Ｄのレジストを除去する。この工程を繰り返して、４層の熱電変換材料薄膜５ａと、その間に介在する３層のレジストからなる層間絶縁膜８を形成した。その後、第１変形例と同様に配線１１を形成して、本第１実施形態の第２変形例にかかる熱電変換素子５を用いた熱電変換装置が製造される。

なお、上述した第１及び第２変形例では、第１実施形態においてｐ熱電変換素子５ｐが形成される位置には、熱電変換材料薄膜の全層がｐ型からなる熱電変換素子５が形成され、第１実施形態においてｎ型熱電変換素子５ｎが形成される位置には、熱電変換材料薄膜の全層がｎ型からなる熱電変換素子５が形成される。

図７は本発明の第１実施形態の他の変形例にかかる熱電変換装置断面図であり、熱電変換装置の上下面に高熱伝導率材料からなる熱拡散板１２を設けた熱電変換装置１０１に関する。

図７を参照して、本発明の第１実施形態の他の変形例にかかる熱電変換装置１０１は、第１実施形態の熱電変換装置１００の上面２ａ及び下面１ｂの全面を被覆する、高熱伝導率材料、例えば銅又はＡｌ等の金属からなる熱拡散板１２が設けられる。

後述するように、熱電変換装置１００の上面２ａと下面１ｂ間の熱移動は、主に熱伝導部材３、４を介してなされる。従って，熱伝導部材３、４が表出する上下面２ａ、１ｂには、熱伝導部材３、４を中心とした温度分布を生ずるおそれがある。このような温度分布が大きくなると、熱伝導部材３、４の表出面と熱源との間に温度差を生じさせ、熱電変換装置１００の熱電変換効率を低下させる。本第１実施形態の他の変形例では、上下面２ａ、１ｂに設けられた熱拡散板１２により上下面２ａ、１ｂ内に発生する温度分布が緩和されるので、かかる上下面２ａ、１ｂの面内温度分布の発生による熱電変換効率の低下が抑制される。

上述した熱電変換装置１００、１０１は、その上下面２ａ、１ｂがそれぞれ異なる温度の熱源に接触し、その上下面２ａ、１ｂに印加された温度差を熱電変換素子５の両端の温度差に変換することで発電する。以下、その変換効率について説明する。

図２を参照して、例えば、第１の絶縁シート１の下面１ｂに高温、例えば３６℃の熱源を接触させ、第２の絶縁シート２の上面２ａに低温、例えば６℃の熱源を接触させた場合について説明する。

本発明の熱電変換装置では、第１及び第２の絶縁シート１、２は断熱性に優れたポリエステル樹脂であり、上下面２ａ、１ｂを熱伝導で厚さ方向に流れる漏洩熱流は十分に抑制される。他方、熱伝導部材１，２は熱伝導率の高い材料、例えば銅で形成される。また、熱電変換素子５は通常は絶縁シート１、２より熱伝導率の高い材料、例えばクロメル、コンスタンタン等の金属又は化合物半導体材料で形成される。さらに、熱電変換素子５は電気伝導によっても伝熱するので、熱伝達材料として機能する。従って、下面１ｂから上面２ａに流れる熱流は、主として、第１の絶縁シート１を貫通して設けられた熱伝導部材１、熱伝導部材１、２の間に配置された熱伝導素子５、及び第２の絶縁シート２を貫通して設けられた熱伝導部材２の経路で流れる。

本発明の第１実施形態では、熱電変換素子は、第１の絶縁シート１上面１ａ上に設けられる。また、第１及び第２の熱伝導部材３，４は、それぞれ第１及び第２の絶縁シートから突出して設けられたヘッド部３ａ、４ａにより、熱電変換素子５をその両端から挟むように設けられる。即ち、熱電変換素子の両端は、第１及び第２の熱伝導部材の突出部分（ヘッド部３ａ、４ａ）の側面に接して又は近接して配置される。

この構成では、第１及び第２の熱伝導部材３，４と熱電変換素子５との間の熱伝導は、第１及び第２の熱伝導部材３，４の側面と熱電変換素子５の両端面とを通してなされる。一方、第１及び第２の熱伝導部材３、４は大きな熱伝導率を有し、かつ熱流に垂直な断面積も熱電変換素子５の断面に比べて著しく大きいので、第１及び第２の熱伝導部材３、４内部の温度差（温度分布）は熱電変換素子５内で生ずる温度差に比べて非常に小さい。従って、熱電変換素子５の両端面の温度は第１及び第２の熱伝導部材３、４にほぼ等しい温度に保持され、厚さ方向には極めて小さな温度分布しか生じない。このように、熱電変換素子５の端面は、温度分布が小さなヘッド部３ａ、４ａの側面に接して又は近接しているから、熱電変換素子５が厚くかつ熱電変換素子５の上下方向（厚さ方向）の熱伝導率が小さい場合でも、その端面の温度は熱伝導部材３、４にほぼ等しい温度に保持される。その結果、熱電変換素子５の両端の温度差は上下方向であまり変わらず、ほぼ一定に保たれる。このため、熱電変換素子５の両端の温度差の厚さ方向分布に起因して生ずる熱電変換効率の低下が回避され、高い熱電変換効率を有する熱電変換装置１００が実現される。かかる厚さ方向の温度差は、とくに、低熱伝導率の層間絶縁膜８を介して熱電変換素子又は熱電変換材料薄膜５ａを多層に積層した場合に大きくなる。しかし、本第１実施形態では、上述した厚い熱電変換素子５の場合と同様に、多層であっても各層を構成する熱電変換素子５の両端の温度差はあまり変わらないので、高い熱電変換効率が実現される。

図８は本発明の第１実施形態の熱電変換素子両端の温度差を表すグラフであり、第１実施形態の熱電変換装置１００の熱電変換素子５の両端に印加される温度差をシミュレーションにより算出した値を表している。なお、図８中の棒グラフＡは第１実施形態の熱電変換装置１００のシミュレーション結果であり、図８中の棒グラフＡ、Ｂは、従来用いられている通常の熱電変換装置のシミュレーション結果を比較例として合わせて表示したものである。図９は比較例の熱電変換装置断面図であり、図９（ａ）及び（ｂ）は、図８中にそれぞれ比較例Ａ、Ｂとして示すシミュレーションの対象とされた通常の熱電変換装置６１、６２の構造を表している。

図９（ａ）を参照して，通常の熱電変換装置６１は、熱電変換材料薄膜からなる熱電変換素子６４を上下から、低熱伝導率材料からなる断熱性シート６３で挟み込む。そして，熱電変換素子６４の一端近傍の上面に絶縁膜を介して接し、断熱性シート６３を貫通して断熱性シート６３上面に表出する高熱電率材料６５が設けられる。一方、熱電変換素子６４の他端近傍の下面に絶縁膜を介して接し、断熱性シート６３を貫通して下面に表出する高熱電率材料６５が設けられる。

図９（ｂ）を参照して，他の通常の熱電変換装置６２は、ｐ型及びｎ型の熱電変換材料薄膜６４ｐ、６４ｎを突き合わせてｐｎ接合を形成する熱電変換素子６４を上下から低熱伝導率材料からなる断熱性シート６３で挟み込む。そして，ｐ型熱電変換材料薄膜６４ｐの上方及びｎ型熱電変換材料薄膜６５ｎの下方に、それぞれ断熱性シート６３の上面及び下面に高熱電率材料６５が埋め込まれる。この通常の熱電変換装置６１では、高熱電率材料６５と熱電変換素子６４との間に、厚さ１５μｍのポリエステルからなる断熱性シート６３が介在している。

図８に結果を示した通常の熱電変換装置６１、６２のシミュレートでは、断熱性シート６３を厚さ５０μｍのポリエステル樹脂とし、高熱電率材料６５を辺長５０μｍの正方形の平面パターンを有する銅の柱体とした。また、通常の熱電変換装置６１で、高熱電率材料６５と熱電変換素子６４との間に介在する絶縁膜を、厚さ１μｍのシリコン酸化膜とし、通常の熱電変換装置６２で、高熱電率材料６５と熱電変換素子６４との間に介在する断熱性シート６３の厚さを１２μｍとした。また、熱電変換素子６４の形状は本発明の第１実施形態と同様とした。なお、熱電変換素子６４の材料は全てクロメルとし、熱電変換素子６４を複数層とする場合は、層間絶縁膜８を厚さ４μｍのレジストとした。

図８中の棒グラフＡを参照して、本発明の第１実施形態にかかる熱電変換装置１００では、熱電変換素子５の両端に印加される温度差は、熱電変換素子６４が１層の場合はほぼ２４℃であり、熱電変換素子６４の層数を２層、３層と増加するに従い、ほぼ直線的に減少し、３層では２２．５℃まで小さくなる。

なお、シミュレーションは、熱電変換装置１０１の下面（即ち、第１の絶縁シート１の下面１ａ）に３６℃の熱源を接触させ、熱電変換装置１０１の上面（即ち、第２の絶縁シート１の上面２ａ）に６℃の熱源を接触させた場合の、熱電変換素子６４の両端の温度差を算出した。ここで、図８中の温度差は、複数層の熱電変換素子６４の両端の温度差を平均した値である。

これを通常の熱電変換装置６１と比較すると、図８中の棒グラフＢを参照して、通常の熱電変換装置６１では、１層のときの温度差は、第１実施形態の熱電変換装置１００とほぼ同じであるが、２層、３層では第１実施形態の熱電変換装置１００よりも層当たりの温度差の減少が大きい。熱電変換効率は、この温度差に大きく依存する。従って、第１実施形態の熱電変換装置１００は、熱電変換素子５を多層としたときに、従来用いられている通常の熱電変換装置６１に較べて高い熱電変換効率を有する。

このように、通常の熱電変換装置６１で、熱電変換素子５の多層化による温度差の減少が大きい理由を、以下のように推測している。

本発明の熱電変換装置１００では、多層の熱電変換素子５の全ての層が、その両端面を熱伝導部材３、４（正確にはヘッド部３ａ、４ａ）の側面に絶縁膜７を介して接している。熱伝導部材３、４及び絶縁膜７の熱伝導率は高いから、これらの内部及び表面の温度分布は小さい。従って、全ての熱電変換素子５に、熱伝導部材３、４間の温度差にほぼ等しい温度差が印加されるので、層数が増加しても温度差はあまり減少しない。

これに対して，通常の熱電変換装置６１では、１層では両端が高熱伝導率材料６５に絶縁膜を介して接し、その両端の温度差は、高熱伝導率材料６５間の温度差と大差がない。しかし、多層になると上下の熱電変換素子６４間に熱伝導率の低い層間絶縁膜が介在するため、この低熱伝導率の層間絶縁膜中の厚さ方向に大きな温度分布（温度勾配）が発生する。このため、層間絶縁膜中の温度勾配の分だけ、いい換えれば層間絶縁膜の層数に応じて、熱電変換素子６４の両端の温度差が小さくなる。

さらに、通常の熱電変換装置６２では、１層の場合でも高熱伝導率材料６５と熱電変換素子６４ｐ、６４ｎとの間に低熱伝導率の断熱性シート６３が介在する。従って、この介在する断熱性シート６３中での大きな温度勾配により、１層の場合でも熱電変換素子６４ｐ、６４ｎの両端に印加される温度差は小さくなる。本発明の発明者は、このように推測している。

本発明の第２実施形態は、第２の熱伝導部材４の一部が埋め込まれた第２の絶縁シート２を用いて製造される熱電変換装置１０２に関する。

図１０は本発明の第２実施形態の熱電変換装置断面図であり、図１のＡＡ’断面に相当している。なお、本第２実施形態の熱電変換装置１０２の平面構造は図１と同様であり、説明を簡明にするため図１を参照しつつ説明する。

図１０を参照して、本第２実施形態の熱電変換装置１０２では、第２の絶縁シート２を貫通する貫通部４ｂが、第１の絶縁シート１の上面１ａに形成された第２のヘッド部４ａ上面に当接するように設けられる。即ち、第２の熱伝導部材４を構成する第２のヘッド部４ａと貫通部４ｂとはそれぞれ別個に製造され，その後当接するように組み立てられる。熱電変換装置１０２は、上述の貫通部４ｂとヘッド部４ａとが分離している点、及び、第１実施形態の絶縁膜７に代えて側壁７ａによる電気的絶縁が採られる点で、第１実施形態と異なる。その他の構造は、第１実施形態の熱電変換装置１００と同様である。以下、製造工程を参照しつつ本第２実施形態の熱電変換装置１０２を説明する。

図１１及び図１２は、それぞれ本発明の第２実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その１）及び本発明の第２実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図（その２）であり、製造途中の熱電変換装置１０２の断面を表している。

図１１（ａ）を参照して、まず、例えばポリイミド又はポリエステル樹脂からなる絶縁シート２を準備し、この絶縁シート２を貫通する穴２ｃを例えばレーザ加工を用いて開口する。この穴２ｃの配置及び直径は、図１に示す貫通部４ｂの形成位置及び直径と同じである。

次いで、この絶縁シート２を、上面に金属膜１５が積層された支持シート１６上に載置し、押圧して密着する。このとき、穴２ｃの底面に金属膜１５が表出する。

次いで、図１１（ｂ）を参照して、例えば無電解めっき法を用いて、穴２ｃの底面に表出する金属膜１５上に高熱伝導率材料、例えば銅を堆積し、穴２ｃを埋め込む高熱伝導率材料からなる貫通部４ｂを形成する。次いで、支持シート１６を剥離し、金属膜１５をエッチング除去する。

次いで、図１１（ｃ）を参照して、絶縁シート２の上面に、後工程において絶縁シート２の上面を保護するための保護シート２ｅをラミネートして積層する。次いで図１１（ｄ）を参照して、絶縁シート２の下面に、熱硬化性樹脂からなる絶縁性の接着層を例えばラミネートにより積層する。

他方、図４（ａ）〜（ｂ）に示す第１実施形態と同様の工程を経て、第１実施形態と同様に、第１の絶縁シート１の上面１ａ上にヘッド部４ａ、３ａを、ヘッド部４ａ直下に貫通部３ｂを形成し、さらに第１の絶縁シート１の上面１ａ全面を被覆するシリコン酸化膜からなる絶縁膜７を形成する（図４（ｃ）参照）。

次いで、図１２（ｅ）を参照して、絶縁膜７をエッチバックして、ヘッド部４ａ、３ａの上面を表出すると同時に、ヘッド部４ａ、３ａの側面にシリコン酸化膜からなる側壁７ａを形成する。

次いで、図４（ｄ）〜図４（ｅ−Ｂ）に示す第１実施形態と同様の工程を経て、図１２（ｆ）を参照して、熱電変換素子５ｐ、５ｎ及び配線１１ａ〜１１ｃ（図１及び図４（ｅ−Ｂ）を参照）を形成する。

次いで、図１２（ｇ）を参照して、絶縁シート１上に、予め製造されている図１１（ｄ）に示す絶縁シート２を、貫通部４がヘッド部４ａ上に位置するように位置合わせした後、接着剤６を介して圧着する。この圧着は、例えば温度１５０℃、５ＭＰの下に２時間放置しておこない、同時に接着剤６を熱効果させた。

以上の工程を経て、本第２実施形態の熱電変換装置１０２が製造される。本第２実施形態では、熱電変換素子、ヘッド部４ａ、第１の熱伝導部材３、配線等が形成される第１の絶縁シート１と、貫通部４ｂが形成される第２の絶縁シート２とを，それぞれ各別に製造することができるから、製造工程が簡素になる。

本発明の第３実施形態は、２層に積層された熱電変換素子を直列接続した熱電変換装置に関する。

図１３は本発明の第３実施形態の熱電変換装置平面図であり、図１３（ａ）は下層の熱電変換素子５ｐ、５ｎと下層の配線１１の配置を、図１３（ｂ）は上層の熱電変換素子５ｐ、５ｎと上層の配線１１の配置を表している。図１４は本発明の第３実施形態の熱電変換装置断面図であり、図１３中のＡＡ’断面を表している。

図１３及び図１４を参照して、本発明の第３実施形態の熱電変換装置１０３は、図１に示す第１実施形態の熱電変換装置１００と同様の配置及び形状を有する第１及び第２の熱伝導部材３、４を備え、そのヘッド部３ａ、４ａは、第１実施形態の熱電変換装置１００と同様、行列状に互いに面心位置を占めるように配置されている。

なお、第３実施形態の熱電変換装置１０３では、第１実施形態の熱電変換装置１００と同様の平面パターンを有する熱電変換素子５ｐ、５ｎが、同様の面内位置に２層に重ねて配置されている。その他は、第３実施形態の熱電変換装置１０３は第１実施形態の熱電変換装置１００と同様である。以下、第３実施形態の熱電変換装置１０３の熱電変換素子５ｐ、５ｎ及びそれを接続する配線１１についてより詳細に説明する。

図１３及び図１４を参照して、本第３実施形態では、熱電変換素子５は同一平面パターンを有する下層の熱電変換素子５と上層の熱電変換素子５とからなり、この上下層の熱電変換素子５は層間絶縁膜８を介して電気的に分離されている。なお、この上下層の熱電変換素子５は、第１実施形態の熱電変換装置１００の熱電変換素子５と同様の平面パターンを有し同様の面内位置に配置されている。

図１３（ａ）を参照して、下層の熱電変換素子５ｐ、５ｎでは、ｐ型熱電変換素子５ｐ及びｎ型熱電変換素子５ｎが第１実施形態と同様の配列で配置される。また、熱電変換素子５ｐ、５ｎ間を接続する配線１１ａ、１１ｂも第１実施形態と同様に配置され、これにより下層の全ての熱電変換素子５ｐ，５ｎが直列に接続される。なお、下層の配線１１の一端は、第１実施形態と同様に外部接続用の電極パッド１１ｃを構成し、他方、下層の配線１１の他端は、ビア１１ｖを介して上層の配線１１に接続するための電極パッド１１ｃ’を構成する。

図１３（ｂ）を参照して、上層の熱電変化素子５ｐ、５ｎは、第１実施形態のｐ型熱電変換素子５ｐの位置にｎ型熱電変換素子５ｎが、第１実施形態のｎ型熱電変換素子５ｎの位置にｐ型熱電変換素子５ｐが位置するように配置される。、従って、下層のｐ型熱電変換素子５ｐ直上に上層のｎ型熱電変換素子５ｎが積層され、下層のｎ型熱電変換素子５ｎの直上にｐ型熱電変換素子５ｐが積層される。

また、上層の熱電変換素子５ｐ、５ｎ間を接続する配線１１ａ、１１ｂは、下層の配線１１と同様に、上層の全ての熱電変換素子５ｐ，５ｎを直列に接続するように配置される。なお、上層の配線１１の一端が外部接続用の電極パッド１１ｃ’を構成し、他端が、下層の電極パッド１１ｃ’とビア１１ｖを介して接続する電極パッド１１ｃ’を構成する。その結果、上下層の全ての熱電変換素子５は配線１１及びビア１１ｖを介して直列に接続され、その直列出力が外部接続用の２個の電極パッド１１ｃから出力される。

図１５は本発明の第３実施形態の熱電変換素子断面図であり、図１４に示す２層の熱電変換素子５ｐ、５ｎの断面を拡大して表している。

図１５を参照して、例えば厚さ１μｍのクロメルからなる下層のｐ型熱電変換素子５ｐが、絶縁シート１上に例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜からなる絶縁膜７を介して形成されている。その上に、例えば厚さ１μｍのコンスタンタンからなる上層のｎ型熱電変換素子５ｎが、例えば厚さ４μｍのレジストからなる層間絶縁膜８を介して形成されている。その上に，例えば熱硬化性接着剤６を介して第２の絶縁シート２が貼着されている。この層間絶縁膜８は、上下の熱電変換素子５ｐ、５ｎを電気的に絶縁し、また、熱の無用な漏洩を抑制するために、優れた絶縁性と高い断熱性を有することが望まれる。この観点から，絶縁性の高い樹脂が好ましく、特にパターニングが容易なレジスト（感光性樹脂）が好ましい。

上述した本第３実施形態の熱電変換装置１０３では、熱電変換素子５が２層に設けられ、面積当たりの熱電変換素子５数が多い。また、これらの熱電変換素子５が全て直列に接続されている。従って、高い出力電圧と大きな出力電力を発生することができる。

以下本第３実施形態の熱電変換装置１０３の製造工程を説明する。

図１６は本発明の第３実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図であり、製造途中の熱電変換装置の断面構造を表している。なお、図１６（ａ）〜（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）〜（ｇ）は図１３中のＡＡ’断面を、図１６（ｃ−Ｂ）及び（ｅ−Ｂ）は図１３中のＢＢ’断面を表している。但し、図１６（ｅ−Ｂ）では、下層の熱電変換素子５については図１３（ａ）中のＢＢ’断面で表示し、上層の熱電変換素子５については図１３（ｂ）中のＢＢ’断面で表示している。

図１６（ａ）を参照して、まず、図４（ａ）〜（ｃ）に示した第１実施形態の製造工程と同様の工程を経て、絶縁シート１上面に配列されたヘッド部３ａ、４ｂと、ヘッド部３ａ直下に絶縁シート１を貫通する高熱伝導率材料、例えば銅からなる貫通部３ｂと、上面全面を被覆するシリコン酸化膜からなる絶縁膜７と、絶縁シート１下面に貼着された保護シート１ｅとを形成する。

次いで、図１６（ｂ）を参照して、メタルマスクを用いたスパッタ法により、下層のｐ型熱電変換素子５ｐ及びｎ型熱電変換素子５ｎを順次形成する。次いで、図１６（ｃ−Ｂ）を参照して、下層の配線１１を例えはメタルマスクを用いたスパッタ法により形成する。

次いで、図１６（ｄ）を参照して、絶縁シート１の上面全面に、下層の熱電変換素子５上で厚さ４μｍになるように層間絶縁膜８となるレジスト８をスピン塗布する。その後、露光、現像して、電極パッド１１ｃ’を表出する開口８ａを開設する。この露光、現像では、下層の熱電変換素子５及び下層の配線１１の余分な部分、例えばヘッド部３ａ、４ａの側面に這い上がる部分、あるいはメタルマスクからはみ出す部分を表出するようにレジスト８をパターニングして、このレジスト８（層間絶縁膜８）をマスクとしてこれらの余分な部分をエッチング除去することもできる。

次いで、レジスト８上に、下層と同様の方法で、上層の熱電変換素子５ｐ、５ｎを順次形成する。次いで、図１６（ｅ−Ｂ）を参照して、下層と同様の方法で、上層の配線１１を形成する。このとき、電極パッド１１ｃ’は、レジスト８（層間絶縁膜８）上面から開口８ａの側面及び底面に延在して形成され、開口８ａ底面に表出する下層の電極パッド１１ｃ’と接続される。即ち、開口８ａの側面上に形成された配線１１を介して、上下層の電極パッド１１ｃ’を接続するビア１１ｖが形成される。

次いで、図１６（ｆ）を参照して、下面に接着剤６を設けた絶縁シート２を熱圧着し、次いで、上面２ａから絶縁シート２及び絶縁膜７を貫通し、底面にヘッド部４ａを表出する穴２ｃを開口する。この熱圧着は例えば温度１５０℃、５ＭＰの圧力下に２時間保持してなされる。また、穴２ｃは、例えばレーザ加工、必要ならばレーザ加工に続く絶縁膜７のエッチングにより形成することがてきる。

次いで、図１６（ｇ）を参照して、無電解銅めっきにより穴２ｃを埋め込み、絶縁シード２を貫通してヘッド部４ａに接続する貫通部４ｂを形成する。最後に保護シート１ｅを剥離して本第３実施形態の熱電変換装置１０４が製造される。

本発明の第４実施形態は、単一の導電型の熱電変換素子５を用いた熱電変換装置１０４に関する。

図１７は本発明の第４実施形態の熱電変換装置平面図であり、絶縁シート１上に配置 されたヘッド部３ａ、４ａ、熱電変換素子５−１〜５−１２及び配線１１ｂ〜１１ｄを表している。

図１７を参照して、本第４実施形態の熱電変換装置１０４では、ヘッド部３ａ、４ａ及び熱電変換素子５が、第１実施形態と同様の位置と形状で絶縁シート１上に形成される。この構成では、縦及び横に隣接する熱電変換素子５には互いに逆向きに起電力が発生する。例えば、熱電変換素子５−１の下に隣接する熱電変換素子５−９及び横に隣接する熱電変換素子５−２には、熱電変換素子５−１と逆向きの起電力が発生する。本第４実施形態の配線１１は、これら熱電変換素子５−１〜５−１２の全てを直列に接続するように配置される。

配線１１の始点となる外部接続用の電極パッド１１ｃ−１は、１行１列目に配置された熱電変換素子５−１の下端（図１７の紙面内下方の端）に接続される。次いで、この熱電変換素子５−１の上端は、配線１１ｂを介して１行２列目に配置された熱電変換素子５−２の上端に接続される。熱電変換素子５−１と熱電変換素子５−２とは互いに起電力が逆向きなので、この配線１１ｂにより、配線１１の延在方向に沿う起電力の方向が同じ向きになるように、即ち直列に接続される。

さらに、熱電変換素子５−２とその右横に隣接する熱電変換素子５−３との下端同士を配線１１ｂで接続し、熱電変換素子５−３とその右横に隣接する熱電変換素子５−４との上端同士を配線１１ｂで接続する。これにより、横に並ぶ熱電変換素子５−１〜５−４は直列に接続される。

次いで、熱電変換素子５−４の下端とその下方に隣接する熱電変換素子５−５の下端とを、配線１１ｄを介して接続する。これにより、熱電変換素子５−４、５−５は直列に接続される。

さらに、１行目と同様に、熱電変換素子５−５の上端と熱電変換素子５−６の上端、熱電変換素子５−６の下端と熱電変換素子５−７の下端、及び、熱電変換素子５−７の上端と熱電変換素子５−８の上端を接続する配線１１ｂにより、２行目の熱電変換素子５−４〜熱電変換素子５−８は直列に接続される。

同様に、２行目左端の熱電変換素子５−８と３行目左端の熱電変換素子５−９は配線１１ｄにより直列に接続され、また、３行目の熱電変換素子５−９〜５−１２は配線１１ｂにより直列に接続される。その結果、全ての熱電変換素子５−１〜５−１２は直列に接続される。

本第４実施形態の熱電変換装置１０４は、同一導電型の熱電変換素子５を用いるので製造工程が簡易になる。

本発明の第５実施形態は、柱体状の熱伝導部材を有する熱電変換装置１０５に関する。以下、その製造工程を参照して詳細を説明する。

図１８は本発明の第５実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図であり、製造途中及び製造された熱電変換装置の断面を表している。なお、本第５実施形態の熱電変換装置１０６の平面図は図１に示す第１実施形態の平面図と同様である。また、図１８（ａ）、（ｂ）〜（ｄ）は図１８中のＡＡ’断面を、図１８（ａ−Ｂ）は図１８中のＢＢ’断面を表している。ここで、図（ａ）及び図（ａ−Ｂ）は同一製造工程における２断面を表している。

図１８（ａ）〜（ａ−Ｂ）、及び図１８（ｂ）を参照して、本第５実施形態では、初めに、第１の中間部材１Ａと第２の中間部材２Ａとを製造する。

図１８（ａ）〜（ａ−Ｂ）を参照して、第１の中間部材１Ａは、第１の熱伝導部材３が設けられた第１の絶縁シート１の上面に絶縁膜７を介して熱電変換素子５ｐ、５ｎが形成され、その上を覆う絶縁膜７ｂ及び下面を覆う保護膜１ｅを備えている。これら、第１の熱伝導部材３、熱電変換素子５ｐ、５ｎは第１の実施形態と同様である。

第１の中間部材１Ａの製造では、まず、第１の絶縁シート１に第１の熱伝導部材３を形成したのち、絶縁シート１の上面全面を覆う絶縁膜７を形成し、次いで、第１の熱伝導部材３のヘッド部３ａの側面に一端を接する熱電変換素子５ｐ、５ｎを形成する。次いで、熱電変換素子５ｐ、５ｎを接続する配線１１ａ〜１１ｃを形成する。これらの工程は、以下の点を除き、図４（ａ）〜図４（ｆ−Ｂ）に示す第１実施形態の製造工程と同様にしてよい。

本第５実施形態では、第１実施形態と異なり、第１の絶縁シート１には第１の熱伝導部材３が形成され，第２の熱伝導部材４はヘッド部４ａを含めて全く形成されない。従って、熱電変換素子５ｐ、５ｎの他端は、第２の熱伝導部材４に接することなく、第２の熱伝導部材４のヘッド部４ａが緩嵌可能な間隔を設けて互いに対向している。なお、絶縁膜７を柔軟性ある断熱材料、例えは厚さ１μｍの樹脂薄膜とすることが好ましい。

次いで、絶縁シート１上全面に絶縁膜７ｂを形成する。この絶縁膜７ｂは、熱電変換素子５ｐ、５ｎの保護のために設けられ、必要なければ設けなくともよい。

図１８（ｂ）を参照して、第２の中間部材２Ａは、第２の絶縁シート２と、第２の絶縁シート２を貫通する貫通部４ｂ及び貫通部４ｂ上に形成されたヘッド部４ａとからなる第２の熱伝導部材４と、第２の絶縁シート２上にヘッド部４ａを埋め込む接着剤６とを備える。また、ヘッド部４ａ形成面の反対面を被覆する保護膜２ｅが設けられる。この第２の熱伝導部材４は第１実施形態の第２の熱伝導部材４と同様の材料、形状を有す。

かかる第２の中間部材２Ａは、図４（ａ）〜（ｃ）に示す第１実施形態での熱伝導部材３、４の製造工程と同様の工程により製造することがてきる。但し、図４（ｃ）に示す第１の熱伝導部材３を形成することなく、第２の熱伝導部材４のみを形成する。さらに、図４（ｃ）に示す絶縁膜７を形成しない。

次いで、図１８（ｃ）を参照して、第２の中間部材２Ａを上下反転して、第１の中間部材１Ａ上に、第２の熱伝導部材４のヘッド部４ａが熱電変換素子５ｐ、５ｎの対向する他端面の間に位置するように位置合わせして載置する。その後、図１８（ｄ）を参照して、圧力５ＭＰ、温度１５０℃に２時間保持して接着剤６を硬化させ、第１及び第２の中間部材１Ａ、２Ａを貼着する。最後に、保護膜１ｅ、２ｅを剥離して、本第５実施形態の熱電変換素子１０５が製造される。この貼着の際、ヘッド部３ａ、４ａの先端が第１及び第２の絶縁シート１、２の表面に埋め込まれ、これに伴いヘッド部３ａ、４ａの先端周縁近くの絶縁膜７、７ｂも絶縁シート１、２に埋め込まれるように変形する。従って、絶縁膜７、７ｂは、かかる変形により破壊されないように、断熱性及び絶縁性の他に柔軟性を有する薄膜、例えばレジストのような樹脂薄膜とすることが好ましい。

本第５実施形態では、熱伝導部材３ａ及び熱電変換素子５ｐ、５ｎが形成された第１の中間部材１Ａと、熱伝導部材４ａが形成された第２の中間部材を各別に製造した後、貼着することで製造する。この第１及び第２の中間部材１Ａ、２Ａの熱伝導部材３ａ、４ａは同様の工程５で形成され、また、貼着後は穴あけ又はパターニング等の複雑な工程がないので、製造工程が簡素である。

本発明の第６実施形態は、柱状の熱伝導部材３ａ、４ａを有する熱電変換装置１０６に関する。以下、第６実施形態の熱電変換装置１０６をその製造工程を参照しつつ説明する。

図１９は本発明の第６実施形態の熱電変換装置の製造工程断面図であり、製造途中の熱電変換装置を表している。

図１９（ａ）を参照して、まず、第１の絶縁シート上に短冊状の平面パターンを有する熱電変換素子５ｐ、５ｎを行列状に配置して形成する。なお、図１９の左右方向を列方向としている。次いで、図１９（ｂ）を参照して、列方向に隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎ間を接続する導電膜１１Ａを形成する。この導電膜１１Ａは、必要ならば後に形成される熱伝導部材３、４の外周を廻り隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎを互いに接続するか、あるいは、熱伝導部材３、４形成用の穴１ｃ、２ｃの形成により隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎ間の接続が切断されるように平面パターンが設計される。

次いで、図１９（ｃ）を参照して、下面に接着剤６を設けた第２の絶縁シート２を第１の絶縁シート１上に貼着する。この貼着は、温度１５０℃、圧力５ＭＰの下に２時間保持することでなされた。

次いで、図１９（ｄ）を参照して、第１の絶縁シート１の下面から第１の絶縁シート１、導電膜１１及び接着剤６を貫通し、底面（上面）に第２の絶縁シート２を表出する穴１ｃを形成する。また、第２の絶縁シート２の上面から第２の絶縁シート２、導電膜１１及び接着剤６を貫通し、底面（下面）に第１の絶縁シート１を表出する穴２ｃを形成する。この穴１ｃ、２ｃの形成により、導電膜１１Ａはパターニングされ、熱電変換素子５ｐ、５ｎ間を接続する配線１１ａが形成される。これらの穴１ｃ、２ｃは、柱状、例えば４角柱または円柱の形状に開設され、第１実施形態のヘッド部３ａ、４ａと同様の配置、即ち熱電変換素子５ｐ、５ｎの間に設けられる。かかる穴１ｃ、２ｃの開口は、レーザ加工によりなすことができる。

次いで、図１９（ｅ）を参照して、例えばＣＶＤ法を用いて貼着された絶縁シート２、２の全面にシリコン酸化膜を形成し、上下面上のシリコン酸化膜を除去することで、穴１ｃ、２ｃの内壁を覆うシリコン酸化膜からなる絶縁膜７ｃを形成する。この絶縁膜７ｃは、穴１ｃ、２ｃの側壁面に露出する導電膜１１Ａ（配線１１ａ）の端面を被覆するもので、穴１ｃ、２ｃの底面に形成されていなくても差し支えない。

次いで、図１９（ｆ）を参照して、穴１ｃ、２ｃを高熱伝導率材料、例えば無電解めっきを用いた銅で埋込み、絶縁シート１、２を貫通する高熱伝導率材料の柱体からなる第１及び第２の熱伝導部材３、４を形成する。これにより、本第６実施形成の熱電変換装置１０６が製造される。

さらに、図１９（ｇ）を参照して、第１の絶縁シート１の下面及び第２の絶縁シート２の上面全面に、高熱伝導率材料、例えば銅の薄板からなる熱拡散板１２を形成することもできる。この熱拡散板１２は、熱源と熱伝導部材３、４との間の吸熱及び放熱に起因して生ずる絶縁シート１、２上下面の温度分布を緩和する。これにより、熱電変換装置の変換効率の低下が抑制される。

上述した本第６実施形成の熱電変換装置１０６は、熱電変換素子５ｐ、５ｎ及び導電膜１１Ａを平坦な絶縁シート１上面に形成するので、容易に精密なパターンを形成することができる。また、ヘッド部３ａ、４ａを形成する工程が無いので、製造工程が簡素である。

本発明の第７実施形態は、錐体状の熱伝導部材を用いた熱電変換装置１０７に関する。

図２０は本発明の第７実施形態の熱電変換装置平面図であり、支持シート２０上に形成された熱電変換素子５ｎ、５ｐ及び熱伝達部材２５と、熱伝導部材２３ａ、２４ａとの配置を表している。なお、図２０は、熱電変換素子５ｎ、５ｐの上面近傍の配置を表している。図２１は本発明の第７実施形態の熱電変換装置断面図であり、図２０中のＡＡ’断面を表している。

図２０及び図２１を参照して、本第７実施形態の熱電変換装置１０７では、支持シート２０の上面に、例えば幅６０μｍ、長さ９０μｍの熱電変換素子５ｎ、５ｐが所与の間隔、例えば１２０μｍの間隔をあけて図２０の紙面の上下方向に一列に配置されている。この熱電変換素子５ｎ、５ｐは、ｐ型とｎ型とが交互に位置するように配置される。さらに、かかる熱電変換素子５ｎ、５ｐの列を複数列、例えば４８０μｍのピッチ間隔で互いに平行に配置される。従って、熱電変換素子５ｎ、５ｐは行列状に配置される。このとき、隣接する列のｐ型とｎ型の熱電変換素子５ｐ、５ｎが、互いに同一導電型となるように配置すると、全ての熱電変換素子５ｐ、５ｎを容易に直列接続できるので好ましい。

なお、図２０では図を簡明にするため、熱電変換素子５ｎ、５ｐを３行４列に配置した図を示したが、実用的な電圧を発生するために多数の素子を、例えば４０００個の熱電変換素子５ｎ、５ｐを１００行４０列に配置することもできる。図２１はかかる多数の熱電変換素子５ｎ、５ｐが配列された熱電変換装置１０７を描いている。

支持シート２０は、断熱性及び絶縁性に優れ、少なくとも後述の接合工程において必要とされる可塑性を有する材料、例えばポリエチレン樹脂シートが用いられる。支持シート２０の厚さは、熱電変換素子、熱伝達部を形成し、支持できる強度を必要とし、例えば厚さ３０μｍとされる。

熱伝達部材２５は、少なくとも後述の接合工程において必要とされる可塑性を有する高熱伝導率材料からなり、列方向に隣接する熱電変換素子５ｎ、５ｐ間に、両端が隣接する熱電変換素子５ｎ、５ｐの対向する端に接して設けられる。

例えば熱伝達部材２５は、幅１５０μｍ、列方向の長さ１８０μｍの矩形パターンに形成され、熱電変換素子５ｎ、５ｐの端から３０μｍの距離まで熱電変換素子５ｎ、５ｐの上面を覆うように設けられる。あるいは、直径１８０μｍの円形パターン（熱電変換素子５ｎ、５ｐの対向する端の周辺上面に３０μｍ延在する。）としても差し支えない。

この熱伝達部材２５を、熱伝導率の高い導電体、例えば導電ペーストにより形成することができる。同時に、隣接する列を接続する配線１１ｂ、必要ならば外部接続用の電極パッド１１ｃをも導電ペーストにより形成してもよい。これにより、熱電変換素子５ｎ、５ｐ間を接続する配線を、熱伝達部材２５で兼用することができ、配線１１形成工程を省略することがてきる。なお、熱伝達部材２５を絶縁体で形成するときは、第1 実施形態と同様に、熱電変換素子５ｎ、５ｐ間を接続する配線１１ａ〜１１ｃを熱伝達部材２５とは別に形成する。

図２１を参照して、上面に熱電変換素子５ｎ、５ｐ及び熱伝達部材２５が形成された支持シート２０の上面に、接着剤６が充填された隙間９を介して第４の絶縁シート２２が貼着されている。また、支持シート２０の下面に、第３の絶縁シート２１が貼着される。この第３及び第４の絶縁シート２１、２２の材料は、断熱性及び可撓性を有する絶縁材料、例えば厚さ４０μｍのポリエステル樹脂が用いられる。

第３の絶縁シート２１の下面及び第４の絶縁シート２２のそれぞれの上面に、錐体状の、例えば円錐又は角錐の高熱伝導率材料、例えば銅からなる熱伝導部材２３、２４のヘッド部２３ａ、２４ａが形成されている。なお、これらヘッド部２３ａ、２４ａは、少なくとも先端部分が錐体であればよく、例えは先端が尖った柱体とすることもできる。

第３の絶縁シート２１上面に設けられたヘッド部２３ａは、支持シート２０を貫通し、さらに熱伝達部材２５のほぼ中央を貫通し、その上端が第４の絶縁シート２２の下面に突き刺さるように設けられている。一方、第４の絶縁シート２２下面に設けられたヘッド部２４ａは、熱伝達部材２５のほぼ中央を貫通し、さらに支持シート２０を貫通したのち、その下端が第３の絶縁シート２１の上面に突き刺さるように設けられている。なお、これらのヘッド部２３ａ、２４ａは熱伝達部材２５を貫通していれば、必ずしもその先端が対向する絶縁シート２１、２２に接していなくてもよい。

再び図２０及び図２１を参照して、ヘッド部２３ａ、２４ａは、その断面が支持シート２０上面でほぼ等しい大きさを有するように形成される。具体的には、ヘッド部２３ａ、２４ａをそれぞれ、直径１８０μｍ及び１２０μｍ、高さが共にほぼ５０μｍの円錐体とした。その結果、支持シート２０上面で、ヘッド部２３ａ、２４ａの直径はほぼ６０μｍとなる。なお、先端のみが尖った柱状のヘッド部２３ａ、２４ａを用いて、ヘッド部２３ａ、２４ａの底面を小さくしてもよい。

これらのヘッド部２３ａ、２４ａは、熱伝達部材２５のほぼ中央を貫通するように、即ち、列方向に隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎの間のほぼ中央を貫通するように設けられる。従って、ヘッド部２３ａ、２４ａの一つに両側から隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎは、その一つのヘッド部に対し、熱伝達部材２５を介してほぼ対称に配置される。

さらに、第３の絶縁シート２１に、錐体状ヘッド部２３ａの底面に接し絶縁シート２１を貫通する柱体状の貫通部２３ｂが、第４の絶縁シート２２に、錐体状ヘッド部２４ａの底面に接し絶縁シート２１を貫通する柱体状の貫通部２４ｂが形成されている。このヘッド部２３ａ、２４ａと貫通部２３ｂ、２４ｂはそれぞれ一体として熱伝導部材２３、２４を構成する。熱電変換素子５ｐ、５ｎの端面は、この熱伝導部材２３、２４の側面（錐面）に熱伝達部材２５を介して熱的に接続される。従って、第１実施形態の熱電変換装置１０１と同様、膜厚が厚い又は多層膜からなる熱電変換素子５ｐ、５ｎを用いた場合でも、熱電変換素子５ｐ、５ｎの両端の温度差を大きく維持することができ、高い熱電変換効率が実現される。

以下、本第７実施形態の熱電変換装置１０７の製造工程を説明する。

図２２〜図２４は本発明の第７実施形態の熱電変換装置製造工程断面図（その１）〜（その３）であり、製造途中の熱電変換装置１０７を表している。なお、図２２は熱電変換素子５ｐ、５ｎが形成されたシート中間体２０Ａの製造工程を、図２３は熱伝導部材２３、２４が形成されたシート中間体２１Ａ、２２Ａの製造工程を、及び図２４はこれらのシート中間体２０Ａ、２１Ａ、２２Ａを貼着して熱電変換装置１０７を製造する工程を表している。

図２２（ａ）を参照して、シート中間体２０Ａの製造では、まず、厚さ３０μｍのポリエステル樹脂からなる支持シート２０の上面に、例えばメタルマスクを用いたスパッタ法により、行列状に配置された熱電変換素子５ｐ、５ｎを形成する。この熱電変換素子５ｐ、５ｎは、例えば支持シート２０の幅方向に４０列、延在方向に１００行設けられる。

次いで、図２２（ｂ）を参照して、列方向に隣接する熱電変換素子５ｐ、５ｎの間に、熱電変換素子５ｐ、５ｎの対向する端を接続する導電性ペーストからなる熱伝達部材２５を、例えば導電性ペーストの印刷又は滴下により形成する。この熱伝達部材２５は、熱電変換素子５ｐ、５ｎの対向する端の周辺上面を被覆するように形成される。

次いで、図２２（ｃ）を参照して、絶縁性の熱硬化型の接着剤６を１５μｍの厚さに塗布した。これらの工程を経て、支持シート２０上面に熱電変換素子５ｐ、５ｎ，熱伝達部材２５及び上面が平坦な接着剤６が形成されたシート状のシート中間体２０Ａが形成される。

次に、シート中間体２１Ａ、２２Ａの製造工程を説明する。

図２３（ａ）を参照して、シート中間体２１Ａの製造では、まず、上面に厚さ５０μｍの銅層が積層された例えは厚さ４０μｍのポリエステル樹脂からなる第３の絶縁シート２１を準備する。次いで、例えば第３の絶縁シート２１の下面にレーザ光を照射して、絶縁シート２１を貫通し、底面に銅層を表出する穴２１ｃを開口する。次いで、穴２１ｃを銅で埋め込み、銅柱からなる貫通部２３ｂを形成する。この貫通部２３ｂは、例えば銅の無電解めっき又電解めっきにより形成することができる。その後、絶縁シート２１の下面に、厚さ１０μｍの銅層を形成する。この下面の銅層は、蒸着又はスパッタにより、或いは電解めっきによる貫通部２３ｂの形成に続く電解めっきにより形成することができる。

次いで、絶縁シート２１下面の銅層をホトエッチングして、各貫通部２３ｂごとに島状に残る銅層からなる金属層２６を形成する。この金属層２６は、後工程で貫通部２３ｂが絶縁シート２１から剥落することを防止する。また、熱拡散板としても機能する。

次いで、絶縁シート２１上面の銅層上に円形平面パターンを有するマスク２８を形成し、反応性イオンエッチングにより直径がヘッド部２３ａの最大直径（錐体の底面直径）を有する円柱状の銅からなる柱状突起２７を形成する。なお、マスク２８を例えば矩形パターンとすることで矩形の柱状突起を形成することもできる。

次いで、図２３（ｂ）を参照して、柱状突起２７をイオンミリングする。このとき、柱状突起２７は、マスク２８の端面からの直径の減少に伴い、上面外周から傾斜面を形成するように除去される。その結果、図２３（ｃ）を参照して、ついには柱状突起２７は円錐状に加工され、ヘッド部２３ａが形成される。

この工程を経て、第３の絶縁シート２１の上面に円錐状のヘッド部２３ａを備える第３の熱伝導部材２３が形成され、下面に貫通部２３ｂに接する島状の金属層２６を備えたシート中間体２１Ａが製造される。さらに、同様の製造工程により，第４の絶縁シート２２の下面に円錐状のヘッド部２４ａを備える第４の熱伝導部材２４が形成され、上面に貫通部２４ｂに接する島状の金属層２６を備えたシート中間体２２Ａが形成される。このシート中間体２２Ａは、柱状突起２７の直径が異なること、及び、上下が反転していることを除きシート中間体２１Ａと同様であり、同様の工程により製造することができる。

このシート中間体２１Ａ、２２Ａは、絶縁シート２１、２２のヘッド部２３ａ、２４ａ形成面に、ヘッド部２３ａ、２４ａを被覆して保護する軟質の保護テープを貼着し、ロール状に巻回して保存することもできる。

次に、図２４を参照して、上述した図２２に示す工程により製造されたシート中間体２０Ａの上下面に、それぞれ図２３に示す工程により製造されたシート中間体２１Ａ、２２Ａを圧着する。

この圧着工程では、まず、ロール状に巻かれたシート中間体２０Ａを水平に引き出し、水平に張持する。次いで、ロール状に巻かれたシート中間体２２Ａ、２１Ａを水平に引き出し、それぞれシート中間体２０Ａの上下に水平に保持する。このとき、ヘッド部２１ａ、２２ａ形成面（２１ａ、２２ｂ）を、シート中間体２０Ａの上下面に平行に対向させる。この状態で、平面視したとき、ヘッド部２１ａ、２２ａが熱伝達部材２５の中心に位置するように、シート中間体２２Ａ、２１Ａを位置合わせする。

次いで、上下からローラで加熱，押圧して、シート中間体２０Ａの上面にシート中間体２２Ａを、シート中間体２０Ａの下面にシート中間体２１Ａを熱圧着する。この熱圧着は、例えば温度１５０℃、圧力１０ＭＰの下でなされ、その後接着剤及び熱伝達部材２５を熱硬化させるための熱処理を温度１５０℃で２時間行った。

この熱圧着の際、シート中間体２１Ａの上面２１ａに形成されている錐体状のヘッド部２１ａは、加熱されて軟化した支持シート２０に食い込み、支持シート２０を貫通して、さらに導電ペーストからなる熱伝達部材２５を貫通する。さらに、シート中間体２０Ａの上面に貼着（熱密着）されたシート中間体２１Ａの絶縁シート２２の下面２２ｂに、ヘッド部２１ａの先端を食い込ませても差し支えない。その後、熱圧着されたシート中間体２０Ａ、２１Ａ、２２Ａを幅方向に切断し、各熱電変換装置１０７ごとに分離する。

以上の熱雨着工程を経て、本第７実施形態の熱電変換装置１０７が製造される。この第７実施形態では、３種類のシート中間体２０Ａ、２１Ａ、２２Ａを各別に製造したのち、熱圧着により製造される。これらのシート中間体２０Ａ、２１Ａ、２２Ａはロール状に巻いて保存、運搬することができ、また熱圧着はロールを用いた連続工程により製造することができるので、大量生産を行うに適している。

本発明をシート状の熱電変換装置に適用することで、複数層又は厚い熱電変換素子を用いた変換効率の高い熱電変換装置が提供される。

１ 絶縁シート（第１の絶縁シート）
１Ａ、２Ａ 中間部材
１ａ、２ａ 上面
１ｂ、２ｂ 下面
１ｃ、２ｃ 穴
１ｄ 銅層
１ｅ、２ｅ 保護シート
２ 絶縁シート（第２の絶縁シート）
３ 熱伝導部材（第１の熱伝導部材）
３ａ、４ａ ヘッド部
３ｂ、４ｂ 貫通部
４ 熱伝導部材（第２の熱伝導部材）
５、５ｎ、５ｐ 熱電変換素子
５ａ 熱電変換材料薄膜
６ 接着剤
７、７ｂ 絶縁膜
７ａ 側壁
８ 層間絶縁膜（レジスト）
９ 隙間
１１、１１ａ、１１ｂ 配線
１１ｃ、１１ｃ’ 電極パッド
１１ｖ ビア
１１Ａ 導電膜
１１Ｄ 配線接触領域
１２ 熱拡散板
１５ 金属膜
１６、２０ 支持シート
２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ シート中間体
２１ 第３の絶縁シート
２１ａ、２２ａ 上面
２１ｂ、２２ｂ 下面
２２ 第４の絶縁シート
２３ 第３の熱伝導部材
２３ａ 第３のヘッド部
２３ｂ 第３の貫通部
２４ 第４の熱伝導部材
２４ａ 第４のヘッド部
２４ｂ 第４の貫通部
２５ 熱伝達部材
２６ 金属層
２７ 柱状突起
２８ マスク
６１、６２ 通常の熱電変換装置
６３ 断熱性シート
６４、６４ｐ、６４ｎ 熱電変換素子
６５ 高熱伝導率材料
６６ 電極
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 熱電変換装置

Claims (6)

1. 第１の絶縁シートと、
   前記第１の絶縁シート上に隙間を介して積層された第２の絶縁シートと、
   前記第１の絶縁シートを貫通して前記第１の絶縁シートの上面に突出する、前記第１及び第２の絶縁シートより高熱伝導率材料からなる第１の熱伝導部材と、
   前記第２の絶縁シートを貫通して前記第２の絶縁シートの下面に突出する、前記第１及び第２の絶縁シートより高熱伝導率材料からなる第２の熱伝導部材と、
   前記第１の絶縁シートの上面上であって前記第１の熱伝導部材の突出部と前記第２の熱伝導部材の突出部との間に設けられた熱電変換素子と、
   前記隙間のうち前記突出部及び前記熱電変換素子を除いた部分を充填する接着剤と、
   を有し、
   前記第１の熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材は、前記第１及び第２の絶縁シートに平行な面内で、互いに交互に面心位置を占めるように２次元格子状に配置されることを特徴とする熱電変換装置。
   
2. 前記第１の熱伝導部材は、前記第１の絶縁シート上面に形成された柱状の第１のヘッド部と、前記第１の絶縁シートを貫通して前記第１のヘッド部の下面に接する柱状の第１の貫通部とを有し、
   前記第２の熱伝導部材は、前記第１の絶縁シート上面に形成された柱状の第２のヘッド部と、前記第２の絶縁シートを貫通して前記第１のヘッド部の上面に接する柱状の第２の貫通部とを有し、
   前記熱電変換素子は、前記第１及び第２のヘッド部の間に配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
   
3. 上面に複数の熱電変換素子が列設された熱可塑性樹脂シートからなる支持シートと、
   隣接する前記熱電変換素子の間に設けられ、それぞれ互いに対向する前記熱電変換素子の端部を熱的に接続する複数の列設された熱伝達部材と、
   前記支持シートの下面に積層された第３の絶縁シートと、
   前記支持シート上面の前記熱電変換素子及び前記熱伝達部材の上面に接着剤の層を介して積層された第４の絶縁シートと、
   前記第３の絶縁シート上面に形成され、前記支持シート、前記第３の絶縁シート及び第４の絶縁シートより高熱伝導率材料からなり上端部分が尖った錐体状をなす第３のヘッド部と、
   前記第４の絶縁シート下面に形成され、前記支持シート、前記第３の絶縁シート及び第４の絶縁シートより高熱伝導率材料からなり下端部分が尖った錘体状をなす第４のヘッド部と、
   前記第３の絶縁シートを貫通して前記第３のヘッド部の下面に接する第３の貫通部と、
   前記第４の絶縁シートを貫通して前記第４のヘッド部の上面に接する第４の貫通部とを有し、
   前記第３のヘッド部は、前記支持シート及び前記複数の列設された熱伝達部材のうちの１つおきの熱伝達部材を貫通して設けられ、前記第４のヘッド部は、前記接着剤の層及び前記１つおきの熱伝達部材以外の熱伝達部材を貫通して設けられたことを特徴とする熱電変換装置。
   
4. 上面に、高熱伝導率材料からなる層が積層された前記高熱伝導率材料より低熱伝導率材料からなる第１の絶縁シートに、前記第１の絶縁シートを貫通する第１の穴を形成する工程と、
   前記第１の穴に前記高熱伝導率材料を埋込み、前記第１の絶縁シートを貫通して前記高熱伝導率材料からなる層の下面に接する前記高熱伝導率材料からなる第１の貫通部を形成する工程と、
   前記高熱伝導率材料からなる層をパターニングして、前記第１の貫通部の直上及び前記第１の貫通部から離れた位置に、それぞれ柱状の前記高熱伝導率材料からなる第１及び第２のヘッド部を形成する工程と、
   前記第１の絶縁シートの上面上であって前記第１及び第２のヘッド部の間に、熱電変換素子を形成する工程と、
   次いで、前記高熱伝導率材料より低熱伝導率材料からなる第２の絶縁シートを、前記第１の絶縁シート上に形成した前記第１、第２のヘッド部及び前記熱電変換素子の上面に接着剤の層を介して貼着する工程と、
   前記第２の絶縁シート及び前記接着剤層を貫通し、底面に前記第２のヘッド部上面を表出する第２の穴を形成する工程と、
   前記第２の穴に前記高熱伝導率材料を埋込み、前記第２の絶縁シートを貫通して前記第２のヘッド部上面に接する前記高熱伝導率材料からなる第２の貫通部を形成する工程と、
   を有する熱電変換装置の製造方法。
   
5. 第１の絶縁シートの上面に、熱電変換素子を形成する工程と、
   前記熱電変換素子が形成された前記第１の絶縁シート上に、接着剤層を介して第２の絶縁シートを貼着する工程と、
   前記熱電変換素子の一端外側に、前記第１の絶縁シート及び前記接着剤層を貫通する第３の穴を形成する工程と、
   前記熱電変換素子の他端外側に、前記第２の絶縁シート及び前記接着剤層を貫通する第４の穴を形成する工程と、
   前記第３及び第４の穴に、前記第１及び第２の絶縁シートより熱伝導率の高い材料からなる高熱伝導率材料を埋込み、前記第１の絶縁シートを貫通し前記第１の絶縁シートの上面に突出する前記高熱伝導率材料からなる第１の熱伝導部材、及び、前記第２の絶縁シートを貫通し前記第２の絶縁シートの下面に突出する前記高熱伝導率材料からなる第２の熱伝導部材を形成する工程と、
   を有する熱電変換装置の製造方法。
   
6. 絶縁性の支持シート上に、熱電変換素子を列設する工程と、
   隣接する前記熱電変換素子の対向する端部を熱的に接続するように前記熱電変換素子の間の前記支持シート上に設けられた、前記支持シートより高熱伝導率の第１の高熱伝導率材料からなる熱伝達部材を形成する工程と、
   前記熱伝達部材が形成された前記支持シート上に、接着剤を塗布する工程と、
   前記第１の高熱伝導率材料より低熱伝導率材料からなり可撓性を有する絶縁シートに、前記絶縁シートの一主面上に設けられ、前記絶縁シート及び前記支持シートより高熱伝導率の第２の高熱伝導率材料からなる先端部分が尖った錐体状のヘッド部と、前記絶縁シートを貫通して前記ヘッド部底面に接する前記第２の高熱伝導率材料からなる貫通部とを、前記絶縁シートの延在方向に沿って前記熱伝達部材間の２倍の間隔で列設する工程と、
   次いで、張持された前記支持シートの上下に、前記絶縁シートを、前記ヘッド部先端が前記支持シートに対向し、かつ、前記支持シートの上下面に対向する前記ヘッド部が交互に、隣接する前記熱伝達部材の直上に位置するように保持する工程と、
   次いで、前記支持シートの上下面に前記絶縁シートを熱圧着して、前記ヘッド部を、前記支持シートの上下面から、それぞれ前記支持シートの上下面に熱圧着された前記絶縁シートを貫通し、さらに前記熱伝達部材を貫通させる工程と、
   を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。