JPH11135841A - 熱電素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電半導体を利用した発電または冷却装置に
用いる熱電素子では、従来、ｎ型熱電半導体とｐ型熱電
半導体の識別が困難で、熱電素子の極性を特定しにくい
という問題があった。 【解決手段】 熱電素子のｎ型熱電半導体素片５１とｐ
型熱電半導体素片５２を規則的に配列させるとともに少
なくとも一部のｎ型とｐ型の熱電半導体素片の面積ある
いは形状を変えることで、識別を可能にする熱電素子と
その製造方法

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱勾配をかけること
によって発電するゼーベック効果を利用した発電装置に
用いる熱電素子、あるいは電流を流すことによって温度
差を発生させるペルチェ効果を利用した冷却装置に用い
る熱電素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電対はその両端に温度差を与えること
により電圧を発生する。これがゼーベック効果であり、
この電圧を電気エネルギーとして取り出すことで発電装
置が得られる。このような熱電発電によれば、熱エネル
ギーから電気エネルギーへの変換が直接できるため、廃
熱利用に代表されるような熱エネルギーの有効的な利用
法として注目されている。

【０００３】一方、熱電対に電流を流すと一端で発熱、
他端で吸熱が起こる。これがペルチェ効果であり、この
吸熱現象を利用して冷却装置が得られる。このような冷
却装置は機構部品を含まずかつ小型化も可能なことか
ら、ポータブルな冷蔵庫あるいはレーザーや集積回路な
どの局部冷却器として活用されている。

【０００４】発電装置や冷却装置に用いられる熱電素子
としては、たとえば図１１に示した構造が、特開昭６３
―２０８８０号公報に開示されている。

【０００５】図１１は交互の列をなして規則的に配置さ
れたｎ型熱電半導体素片１５１およびｐ型熱電半導体素
片１５２が絶縁体１５４により一体化された熱電素子ブ
ロック１５３である。

【０００６】この後、熱電素子ブロック１５３の上面と
下面に電極を蒸着などによって形成し、ｎ型熱電半導体
素片１５１とｐ型熱電半導体素片１５２とを交互に直列
接続して熱電素子として完成する。

【０００７】さて、この熱電素子ブロック１５３の配置
では、図から明らかなように、仮にｎ型半導体素片１５
１とｐ型半導体素片１５２の配置が逆になった場合も両
型の半導体材料の色がほぼ同一であるため配置の違いを
外観から認識することはできない。

【０００８】このため、一般には、電極形成後に熱勾配
をかけテスタなどで極性を確認してから、外部への引き
出し線を配線する手段をとる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のような熱電素子
ブロックでの熱電半導体素片の配置では、電極形成後の
熱電素子の極性がはっきりしないという問題がある。こ
のため熱電素子から外部への引き出し線のプラス、マイ
ナスが逆になることがあり、実装形態の変更を余儀なく
されたり、誤って逆配線になり使えなくなることがあ
る。また、熱電素子ブロックの段階で微細な探針を用い
てテスタなどで熱電半導体の測定をしプラス、マイナス
を確認しなければならず、工程が増える。さらにテスタ
で測定した後プラス、マイナスがわかるように保管しな
ければならない。

【００１０】（発明の目的）本発明の目的は、熱電半導
体素片の断面形状により、熱電素子ブロックのｎ型熱電
半導体素片と、ｐ型熱電半導体素片とを見分ける手段を
提供し電極形成により完成する熱電素子の極性を容易に
判定できるようにすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の熱電素子は、棒状の第１の導電型の熱電半導
体素片、およびこれと長さが等しく、少なくともこれと
端部形状の異なるものを含む棒状の第２の導電型の熱電
半導体素片が、相互に絶縁体を介して平行な関係で、か
つ棒状の熱電半導体素片の端部がそれぞれ上面と下面と
で同一面をなすように規則性をもって配置され、上面お
よび下面において、第１の導電型の熱電半導体素片と、
第２の導電型の熱電半導体素片が交互に直列になるよう
に端部間を接続する導電体が形成されたことを特徴とす
る。さらに、本発明の熱電素子の製造方法は、棒状の第
１の導電型の熱電半導体ブロック、および第２の導電型
の熱電半導体ブロックのそれぞれに、同一ピッチでかつ
異なる幅の第１の溝を形成する工程と、第１と第２の導
電型の熱電半導体ブロックを第１の溝加工面で互いに嵌
合する工程と、嵌合部の空隙に第１の絶縁部材を充填し
第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを固定し一体
化ブロックとする工程と、一体化ブロックに第１の溝加
工と交差する第２の溝加工を施す工程と、第２の溝加工
部に第２の絶縁部材を充填し固化させる工程と、第２の
絶縁部材を充填固化した一体化ブロックの上下面を除去
し第１と第２の導電型の熱電半導体素片を露出させる工
程と、第１と第２の導電型の熱電半導体素片を直列的に
接続する電極を形成する工程とを有することを特徴とす
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の熱電
素子を実施するための最適な形態を詳細に説明する。ま
た、第１の導電型の熱電半導体をｎ型熱電半導体とし、
第２の導電型の熱電半導体をｐ型熱電半導体として説明
するが、それらは逆であってもよい。

【００１３】〔第１の実施形態：図１、図２、図３、図
４、図５、図６、図７〕本実施形態の熱電素子ブロック
５３では、図５、図６に示すようにｎ型熱電半導体素片
５１とｐ型熱電半導体素片５２の電極配線面における断
面の大きさを変えることにより視覚的に認識可能な特徴
をもたせる。これにより、どの素片がｎ型熱電半導体で
どの素片がｐ型熱電半導体であるかが一目でわかるた
め、従来の熱電素子で問題であった前述の極性の不明瞭
さという問題を解決することができる。

【００１４】すなわち熱電素子ブロックの段階で熱電半
導体素片の配置関係を正確に把握できることから形成す
る電極のパターンや外部接続電極の位置などに特徴を持
たせたり何らかのマークを形成することなどによって熱
電素子の極性を簡単に判断できるようにすることが可能
である。

【００１５】つぎに本実施形態の熱電素子の製造方法に
ついて図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７を用
いて説明する。はじめに、図１に示すようにｎ型熱電半
導体ブロック１とｐ型熱電半導体ブロック２とを用意す
る。ｎ型熱電半導体ブロック１およびｐ型熱電半導体ブ
ロック２は、加工後に、それぞれ柱形状のｎ型熱電半導
体素片５１およびｐ型熱電半導体素片５２となる半導体
ブロックである。

【００１６】この実施形態では、ｎ型熱電半導体ブロッ
ク１として、ＢｉＴｅの焼結体を用い、ｐ型熱電半導体
ブロック２としてＢｉＴｅＳｂの焼結体を用い、大きさ
はともに１２ｍｍ×１２ｍｍ×４ｍｍとする。

【００１７】続いて図２に示す工程においては、ｎ型熱
電半導体ブロック１に縦溝２６を形成し、縦隔壁２７を
残してｎ型溝入ブロック２１とする。同様に、ｐ型熱電
半導体ブロック２からｐ型溝入ブロック２２を形成する
が、このとき、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロッ
ク２２とで、縦溝のピッチを同一とする。

【００１８】そして、ｎ型溝入ブロック２１の縦隔壁２
７の幅とｐ型溝入ブロック２２の縦隔壁２４の幅を変え
る（本実施形態ではｎ型溝入ブロック２１の隔壁の幅の
方を大きくしてある）。このように縦隔壁２４と縦隔壁
２７との幅を変えることにより最終的に完成した熱電素
子のｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２
の断面積が変わることになる。

【００１９】なお、一方の溝入ブロックの縦溝の幅が他
方のブロックの縦隔壁の幅よりも大きくなるようにもし
ておくが、これは、後述の工程でｎ型溝入ブロック２１
とｐ型溝入ブロック２２を嵌め合わせるために必要な条
件である。

【００２０】また、縦溝２３，２６の加工はワイヤーソ
ーによる研磨加工により行う。

【００２１】ワイヤーソーのワイヤー断面は円形である
ため、縦溝２３、２６の加工溝底は厳密には曲線となる
が、ここでは図面の都合上、図２においては平らな底と
して図示した。

【００２２】それぞれの熱電半導体ブロックには、深さ
３ｍｍ（外形の４ｍｍが厚さ方向）で、ピッチ１２０μ
ｍの縦溝を形成したが、溝幅寸法はｎ型での縦溝２６が
６０μｍ、ｐ型での縦溝２３が８０μｍである。

【００２３】図３の工程においては、図２に示したｎ型
溝入ブロック２１の縦溝２６にｐ型溝入ブロック２２の
縦隔壁２４を挿入し組み合わせて一体化する。組み合わ
せた２つのブロックは嵌合部に接着層３２を設けて固着
することで一体化ブロック３とする。

【００２４】一体化ブロック３を作製する際の接着で注
意すべき点は、接着層３２には２つのブロックの接合以
外に、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２と
の間の電気的絶縁性を確保する働きをも持たせなければ
ならないことにある。

【００２５】ワイヤーソーのような研磨加工によって縦
溝２３、２６の内壁が非常に平滑に加工できた場合に
は、流動性の高い接着剤中に固着前の一体化ブロック３
を部分的に浸漬し、毛管現象により接着剤を縦溝２６と
縦隔壁２４との隙間に充填すれば絶縁性は確保できる。

【００２６】接着層３２の接着剤としては、ここでは低
粘度の常温硬化型のエポキシ系の接着剤を用いることと
する。

【００２７】図３の一体化ブロック３は、つぎに図４で
示した再度の溝加工工程によって横溝４６を形成し、溝
入一体化ブロック４３にする。横溝４６の加工は、図２
での縦溝２３，２６の工程と同様にワイヤーソーによる
研磨加工で行い、残った部分が横隔壁４７となる。本工
程での横溝４６は縦溝２６に交差した方向に形成するも
ので、一般的には図４に示したとおり直交させるのが最
適である。

【００２８】横溝４６は図４のように一体化ブロック３
のｐ型熱電半導体側の面から形成しても、これとは逆に
ｎ型熱電半導体の面から形成してもよい。すなわち横溝
４６は一体化ブロック３の上下いずれの側からでも形成
可能である。また横溝４６の深さは、一体化ブロック３
でのｎ型熱電半導体の縦溝２６や縦隔壁２７とｐ型熱電
半導体の縦溝２３や縦隔壁２４の嵌合部を切断する箇所
まで形成することが好ましい。

【００２９】横溝４６の幅は、縦溝２６とは異なり、な
るべく細くするのがよい。これは素子機能に直接かかわ
る熱電半導体が残るのは横隔壁４７の部分であり、横溝
４６の領域をできるだけ小さくするのが素子性能面から
好ましいからである。

【００３０】したがって、この説明ではピッチ１２０μ
ｍ、幅４０μｍ、深さ４ｍｍの横溝４６を形成する。な
お、溝幅４０μｍはワイヤーソー加工での細幅としてほ
ぼ限界値である。

【００３１】上記の工程に続いて、横溝４６にエポキシ
系の絶縁性樹脂を充填し硬化して絶縁樹脂層を形成す
る。絶縁樹脂層で固めた溝入一体化ブロック４３は、そ
の上下面を研削して除去し、ｎ型熱電半導体の縦溝２６
とｐ型熱電半導体の縦隔壁２４との嵌合部を残すように
仕上げることで、図５の熱電素子ブロック５３が得られ
る。

【００３２】絶縁体５４は、図３における接着層３２と
図４において横溝４６に充填した絶縁樹脂層４４が一体
となった部分を示している。

【００３３】この状態の熱電素子ブロックの上面図を図
６に示す。熱電素子ブロック５３では、ｎ型熱電半導体
素片５１とｐ型熱電半導体素片５２が交互に列をなすよ
うに規則的に並んでおり、ｎ型熱電半導体素片５１の断
面がｐ型熱電半導体素片５２の断面より明らかに大きく
形成されている。

【００３４】このために、熱電素子ブロック５３では外
見上から明確にｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導
体素片５２とを識別でき、前述の熱電素子の極性にかか
わる問題を解決できる。

【００３５】図７は熱電素子ブロック５３に電極７７を
形成して得られた熱電素子７３の上面図（下面にも電極
は形成する）であり、電極７７によりｎ型とｐ型の熱電
半導体素片が交互に直列に接続される。

【００３６】電極７７は蒸着により形成するがその工程
はつぎの通りである。ニッケルからなる金属板に開口部
を設け、上面におけるｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱
電半導体素片５２とが開口部の所定の位置に来るように
位置合わせをしてから熱電素子ブロック５３の上面に金
属板を密着させて固定する。

【００３７】続いてこの金属板を設けた面の熱電素子ブ
ロック５３に蒸着を行う。蒸着は真空中でクロム１００
ｎｍ、銅９００ｎｍの厚さで順次行う。これにより、熱
電素子ブロック５３の上面には、図７に示すようなパタ
ーンで配線が形成される。配線は熱電素子ブロック５３
の下面においても同様にして形成する。

【００３８】最後に引き出し線７０、７１を設けるが、
本実施形態ではｐ型熱電半導体素片からの引き出し線７
０の太さをｎ型熱電半導体素片からの引き出し線７１よ
りも細くすることにより熱電素子７３の極性が簡単に判
別できるようにした。

【００３９】〔第２の実施形態：図８〕これまでの実施
形態の熱電素子ブロックでは何れも同型の熱電半導体素
片がストライプ状に配置されたものであったが本発明の
効果は必ずしもこのようなものに限られるものではなく
ｎ型とｐ型の熱電半導体が一定の規則性をもって配置さ
れたものであれば適用可能である。

【００４０】本実施形態の図８はそのような規則性をも
つ配置の１つであり、ｎ型熱電半導体素片５１およびｐ
型熱電半導体素片５２が市松模様になっている。図８で
も図６の場合同様に、ｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱
電半導体素片５２の配線電極面での断面積の大きさが異
なるようにしてあるため、本実施形態では大きい方がｎ
型熱電半導体であることが目視により容易に認識でき
る。

【００４１】本実施形態の熱電素子ブロックの製造方法
としては角形棒状のｎ型熱電半導体素片とこれよりも細
いやはり角形棒状のｐ型熱電半導体素片を多数用意し、
これらを治具を用いて図８のように個々に一つ一つ並べ
てから接着剤で固める方法がある。

【００４２】ただし、この製造方法ではピンセット等で
取り扱うことのできる熱電半導体素片の大きさは強度的
に見て数百μ角程度以上といえる。そこで更に微細な熱
電半導体素片を用いて熱電素子を形成する方法としては
第１の実施形態に類似した方法がよい。

【００４３】この方法ではまず、ｎ型とｐ型の熱電半導
体ブロックに図２に示したのと同様に幅の異なる縦溝２
６、２３を形成し、これに引き続いてこのブロックに図
４で示したのと同様の方向に溝加工する。このときｎ型
とｐ型の熱電半導体ブロックで横溝幅と同じにしたとす
れば角形棒状の熱電半導体素片が剣山のように並んだブ
ロックが得られる。しかも図８のようにｎ型の熱電半導
体素片の方がｐ型のそれよりも太くなる。その後、ｎ型
熱電半導体素片とｐ型熱電半導体素片がそれぞれ剣山状
に並んだブロック同士をこれらの素片が図８のような配
置になる関係で図３と似た形に組み合わせて、組み合わ
せた隙間に接着剤を注入し固化固定する。続いて端面を
研削して熱電半導体素片を露出させてから研磨して面を
仕上げることによって熱電素子ブロック５３を作製す
る。絶縁体５４は注入し固化させた接着剤の部分であ
る。

【００４４】なお、本実施形態の市松模様状の配置で
は、すでに知られている様に第１の実施形態の図６のス
トライプ状の配置と比べて、熱電素子ブロック５３に形
成する電極のパターンが単純化されるという利点があ
る。

【００４５】〔第３の実施形態：図９〕図９に本発明の
第３の実施形態の熱電素子ブロックの上面図を示す。こ
こでは、ｎ型熱電半導体素片５１およびｐ型熱電半導体
５２がストライプ状に配置されているが、ｎ型熱電半導
体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の電極配線面での
断面形状が異なるようにしてある。本実施形態では四角
い方がｎ型熱電半導体、丸い方がｐ型熱電半導体であ
り、このことが目視により容易に認識できる。この熱電
素子ブロック５３は第２の実施形態で述べたのと同様に
して角形棒状のｎ型熱電半導体素片５１と丸形棒状のｐ
型熱電半導体素片５２を個々に一つ一つ並べる方法によ
り実現できる。

【００４６】〔第４の実施形態：図１０〕本実施形態
は、図１０に示すように、熱電素子ブロック５３の電極
配線面におけるｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導
体素片５２の断面の大きさを部分的に変えたものであ
る。このようにすることによっても、ｎ型とｐ型の熱電
半導体素片の全体的な配置に規則性を持たせてあるの
で、すべての熱電半導体素片の位置関係を把握できる。
しかも、本実施形態によれば太いｐ型熱電半導体素片５
２ｂを多数設けることができ、細いｐ型熱電半導体素片
５２ａによる直列抵抗の上昇を抑えることができるとい
う利点がある。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明において
は、熱電素子ブロックの熱電半導体素片の形状や配置に
固有の特徴を与えることにより、配線電極形成前にｎ型
熱電半導体素片とｐ型熱電半導体素片の位置を正確に確
認でき、配線電極や入出力端子の位置を容易に決定する
ことができる。このため、外部への引き出し線のプラ
ス、マイナスが逆になることがない。また実装形態の変
更の必要性もなく、誤って逆配線になり使えなくなるこ
ともなくなる。さらに、熱電素子ブロック段階でテスタ
などで測定しプラス、マイナスを確認する工程がいらな
くなる。これにより熱電素子ブロックでの保管も容易に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の熱電素子におけるｎ
型熱電半導体ブロックおよびｐ型熱電半導体ブロックを
示す斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の熱電素子の溝入ブロ
ックを示す斜視図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の熱電素子の一体化ブ
ロックを示す斜視図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の熱電素子における溝
入一体化ブロックを示す斜視図である。

【図５】本発明の第１の実施形態の熱電素子における熱
電素子ブロックを示す斜視図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の熱電素子の熱電素子
ブロックを上面から見た図面である。

【図７】本発明の第１の実施形態の熱電素子を上面から
見た図面である。

【図８】本発明の第２の実施形態の熱電素子における熱
電素子ブロックを上面から見た図面である。

【図９】本発明の第３の実施形態の熱電素子における熱
電素子ブロックを上面から見た図面である。

【図１０】本発明の第４の実施形態の熱電素子における
熱電素子ブロックを上面から見た図面である。

【図１１】従来例の熱電素子における熱電半導体ブロッ
クを示す斜視図である。

【符号の説明】

１ ｎ型熱電半導体ブロック ２ ｐ型熱電半導体ブロック ３ 一体化ブロック ２１ ｎ型溝入ブロック ２２ ｐ型溝入ブロック ２３、２６ 縦溝 ２４、２７ 縦隔壁 ５１、１５１ ｎ型熱電半導体素片 ５２、１５２ ｐ型熱電半導体素片 ５３、１５３ 熱電素子ブロック ５４，１５４ 絶縁体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 棒状の第１の導電型の熱電半導体素片、
   および第１の導電型の熱電半導体素片と長さが同じで、
   少なくともこれと異なる端部形状であるものを含む棒状
   の第２の導電型の熱電半導体素片が、相互に絶縁体を介
   して平行な関係で、かつ棒状の熱電半導体素片の端部が
   それぞれ上面と下面とで同一面をなすように規則性をも
   って配置固定されており、上面および下面において、第
   １の導電型の熱電半導体素片と、第２の導電型の熱電半
   導体素片が交互に直列になるように端部間を接続する導
   電体が形成されていることを特徴とする熱電素子。
2. 【請求項２】 第１の導電型の熱電半導体素片と第２の
   導電型の熱電半導体素片は、交互にストライプ状に並ん
   でいることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
3. 【請求項３】 第１の導電型の熱電半導体素片と第２の
   導電型の熱電半導体素片は、市松模様状に並んでいるこ
   とを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
4. 【請求項４】 第１の導電型の熱電半導体素片と第２の
   導電型の熱電半導体素片の断面形状が異なることを特徴
   とする請求項１記載の熱電素子。
5. 【請求項５】 第１の導電型の熱電半導体素片と第２の
   導電型の熱電半導体素片との断面の大きさを部分的に変
   えたことを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
6. 【請求項６】 棒状の第１の導電型の熱電半導体ブロッ
   ク、および第２の導電型の熱電半導体ブロックのそれぞ
   れに、同一ピッチでかつ異なる幅の第１の溝を形成する
   工程と、 第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを第１の溝加
   工面で互いに嵌合する工程と、 嵌合部の空隙に第１の絶縁部材を充填し第１と第２の導
   電型の熱電半導体ブロックを固定し一体化ブロックとす
   る工程と、 一体化ブロックに第１の溝加工と交差する第２の溝加工
   を施す工程と第２の溝加工部に第２の絶縁部材を充填し
   固化させる工程と、 第２の絶縁部材を充填固化した一体化ブロックの上下面
   を除去し第１と第２の導電型の熱電半導体素片を露出さ
   せる工程と、 第１と第２の導電型の熱電半導体素片を直列的に接続す
   る電極を形成する工程と、 を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。