WO1999010937A1 - Dispositif thermoelectrique - Google Patents

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WO1999010937A1
WO1999010937A1 PCT/JP1998/003773 JP9803773W WO9910937A1 WO 1999010937 A1 WO1999010937 A1 WO 1999010937A1 JP 9803773 W JP9803773 W JP 9803773W WO 9910937 A1 WO9910937 A1 WO 9910937A1
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thermoelectric
conductive plate
heat conductive
thermoelectric device
pair
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PCT/JP1998/003773
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Inventor
Hisato Hiraishi
Original Assignee
Citizen Watch Co., Ltd.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric device used for a power generation device using the Seebeck effect or a thermoelectric device used for a cooling device using the Peltier effect, and particularly to a small and high-performance thermoelectric device.
  • Thermocouples generate voltage by providing a temperature difference across their ends. This is the Seebeck effect, and it can be used as a power generator that extracts voltage as electric energy.
  • Thermoelectric power generation is attracting attention as an effective method of using heat energy as represented by waste heat because it can directly convert heat energy into electric energy.
  • thermocouple when a current flows through the thermocouple, heat is generated at one end and heat is absorbed at the other end. This is the Peltier effect, and a cooling device can be obtained using this heat absorption phenomenon. Since such a cooling device does not include mechanical parts and can be miniaturized, it is used as a portable refrigerator or a local cooler for a laser or an integrated circuit.
  • thermoelectric devices that use thermoelectric elements such as thermocouples are useful because they have a simple structure and have conditions that are advantageous for miniaturization compared to other power generation devices and cooling devices. High in nature. For example, it is expected to be applied as a power generator built into portable electronic devices such as electronic wristwatches because it does not have the problem of electrolyte leakage or consumption seen in redox batteries.
  • thermoelectric device for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-64075, a thermoelectric semiconductor of a conductivity type different from p-type and n-type is regulated. Many thermocouples are arranged two-dimensionally, and each thermocouple is electrically connected in series by an electrode plate. There is one of the structure.
  • thermocouples are arranged two-dimensionally, and the thermoelectric element formed by these thermocouples has a substantially plate shape.
  • the front and back surfaces of the thermoelectric element are the surface where the hot junction of the thermocouple is located and the surface where the cold junction is located, respectively.
  • thermoelectric power Generates thermoelectric power.
  • thermocouple the output voltage of a thermocouple is only about 400 ⁇ VZ ° C per pair, even if it uses a BiTe material, which is currently said to have the highest figure of merit near room temperature. If a thermocouple using this BiTe-based material is incorporated in a wristwatch, only 800 ⁇ V of output voltage can be obtained for each pair. Therefore, in order to obtain the voltage of 1.5 V or more necessary for driving a watch, it is necessary to incorporate about 20000 thermocouples or more.
  • the internal volume of the storage part is very small, and it is necessary to store mechanical components and electric circuit parts in addition to thermocouples in this limited small storage space. It is also an essential condition to make the outer shape small.
  • thermoelectric element in order to electrically connect the thermoelectric element to an external circuit, wiring is necessary, and the extraction is performed as disclosed in the aforementioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-64075. This is done by connecting conductors to electrode plates located at both ends of a thermocouple connected in series.
  • thermoelectric device when incorporating a thermoelectric device into a wristwatch, it is necessary to make the size as small as possible and to be able to extract the required voltage. However, as the size is reduced, the size of the electrode plate for extracting voltage must be reduced. I will.
  • thermoelectric device For this reason, it is extremely difficult to connect a conductor to this electrode plate and connect it to an external circuit. In other words, there is a problem that it is difficult to implement what is essential for practical use, that is, electrical connection between the thermoelectric device and an external circuit, and it is difficult to incorporate the thermoelectric device into a portable electronic device expected to be applied. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to solve such a problem and to facilitate electrical connection from a small and high-performance thermoelectric device to an external circuit.
  • thermoelectric device employs the following configuration. That is, the columnar thermoelectric semiconductors of the first conductivity type and the thermoelectric semiconductor of the second conductivity type having the same length are arranged regularly so as to form a wiring end face having substantially the same plane at both end faces, and A thermoelectric element block in which thermoelectric semiconductors of the first and second conductivity types are alternately connected in series by wiring electrodes at the respective wiring end faces are integrally joined through an insulator.
  • thermoelectric element block is provided with a pair of connection electrodes electrically connected to the thermoelectric semiconductor corresponding to one end and the other end of the thermoelectric semiconductor connected in series.
  • thermoelectric device having an upper surface larger than the outer shape of the thermoelectric element block, made of an insulating material or metal having good heat conductivity, and having at least an insulating layer on the upper surface, and the heat conductive plate electrically connected to each other.
  • a thermoelectric device is constituted by a pair of input and output electrodes which are insulated and provided on the upper surface side of the heat conduction plate.
  • thermoelectric element block The one end face of the wiring of the thermoelectric element block is fixed to the upper surface of the heat conductive plate, and the connection electrodes and the input / output electrodes are electrically connected by a conductive member.
  • the pair of connection electrodes is preferably provided on a surface (side surface) other than the wiring end surface of the thermoelectric element block.
  • the thermoelectric semiconductors corresponding to at least one end and the other end of the thermoelectric semiconductors connected in series in the thermoelectric element block are exposed on surfaces other than the wiring end surfaces, and the exposed surfaces of the thermoelectric semiconductors are exposed on the surfaces.
  • an insulating substrate such as a flexible wiring board (FPC) having an opening corresponding to the outer shape of the thermoelectric element block and provided with the pair of input / output electrodes is provided on the upper surface side of the heat conductive plate.
  • FPC flexible wiring board
  • a pair of connection electrodes is provided on one wiring end face of the thermoelectric element block, and the heat conductive plate is formed in a two-stage shape having a high step portion and a low step portion around the high step portion, and the upper surface side of the heat conductive plate
  • an insulating substrate such as an FPC having an opening for fitting the high step portion and having a pair of input / output electrodes on the upper surface is provided, and one wiring end face of the thermoelectric element block is connected to the high step of the heat conductive plate.
  • the pair of connection electrodes and the pair of input / output electrode arrangements on the insulating substrate are closely opposed to each other, and the opposed electrodes are electrically connected by a conductive member. Good.
  • an upper heat conductive plate may be fixedly provided on the other wiring end surface of the thermoelectric element block insulated from the wiring 'electrode.
  • the upper heat conducting plate desirably has elasticity in the thickness direction.
  • the heat conductive plate is formed so that a plurality of thermoelectric element blocks can be mounted thereon, and a plurality of thermoelectric element blocks are fixed on the heat conductive plate with one of the wiring end faces fixed to the upper surface of the heat conductive plate. They may be arranged to constitute a thermoelectric device.
  • thermoelectric element blocks are connected in series by connecting one and the other of the input and output electrodes electrically connected to the connection electrodes of the thermoelectric element blocks adjacent to each other on a heat conductive plate. can do.
  • This heat conduction plate may be formed in an annular shape.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a thermoelectric device according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a vertical plane along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view similar to FIG. 2, showing a second embodiment of the thermoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view similar to FIG. 2 showing a third embodiment of the thermoelectric device according to the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view of the thermoelectric element block.
  • FIG. 6 is a sectional view similar to FIG. 2, showing a fourth embodiment of the thermoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing a fifth embodiment of the thermoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing a sixth embodiment of the thermoelectric device according to the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • thermoelectric device First, a first embodiment of a thermoelectric device according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
  • thermoelectric device 20 shown in FIG. 1 has a lower thermal conductive plate 1, a flexible wiring board 2, a thermoelectric element block 3, and an upper thermal conductive plate 4 as main components, and assembles them together in the arrangement shown in FIG. It is integrated.
  • Each of the lower thermal conductive plate 1 and the upper thermal conductive plate 4 is a rectangular plate having good thermal conductivity in the thickness direction. In any case, it is preferable to use a metal such as copper or aluminum from the viewpoint of good thermal conductivity. This is because, when the thermoelectric device 20 is used by attaching it to a device, the thermal gradient between the structure of the device and the thermoelectric element block 3 is reduced as much as possible, and the performance as the thermoelectric device 20 is improved. It is to make it.
  • the upper surface 1 a of the lower heat conduction plate 1 is larger than the outer shape of the thermoelectric element block 3.
  • the lower thermal conductive plate 1 and the upper thermal conductive plate 4 are fixed to the upper and lower wiring end faces of the thermoelectric element block 3, respectively, so that when they are fixed, a large number of wiring electrodes provided on the wiring end faces of the thermoelectric element block 3 which will be described later. It is a problem if a short circuit between 7 occurs. Therefore, an insulating layer is formed on the upper surface 1a of the lower thermal conductive plate 1 to which the thermoelectric element block 3 is fixed and on the lower surface 4a of the upper thermal conductive plate 4, respectively.
  • an aluminum oxide insulating film can be formed on the surface as an insulating layer by performing alumite treatment.
  • an insulating coating film can be formed on the surface of a metal plate, or an insulating sheet can be attached to form an insulating layer.
  • the adhesive layer made of the adhesive may be an insulating layer.
  • the thickness of the adhesive layer is not easy to control and may cause an unintended short circuit, at least the upper surface 1a of the lower heat conductive plate 1 and at least the lower surface 4 of the upper heat conductive plate 4 a is preferably an insulating layer.
  • insulators having good thermal conductivity for example, ceramic plates such as alumina
  • the entire structure is an insulating layer. No problem occurs.
  • the flexible printed circuit board (hereinafter abbreviated as “FPC”) 2 may be a general-purpose base film made of polyimide or polyethylene terephthalate, etc., and approximately corresponds to the lower heat conductive plate 1 by punching with a die. It has an opening 2 a corresponding to the outer shape of the thermoelectric element block 3. In the illustrated example, a pair of protrusions 2b and 2c are provided on the right side.
  • the FPC 2 has an opening 2 a, but the opening 2 a is formed to have a size just enough to fit the outer periphery of the thermoelectric element block 3. As shown in FIG. 2, the opening 2 a is provided between the thermoelectric element block 3 and the lower heat conductive plate 1 by the FPC 2.
  • the base film is formed so as not to be interposed.
  • a pair of input / output electrodes 10a and 10b are formed on the upper surfaces of the protrusions 2b and 2c by patterning the copper foil attached to the base film by etching.
  • thermoelectric element block 3 is configured such that a p-type thermoelectric semiconductor 8 as a first conductivity type and a n-type thermoelectric semiconductor 9 as a second conductivity type, each having a columnar shape, are substantially coplanar at both end surfaces.
  • a large number of wirings are regularly spaced apart from each other to form the wiring end faces 3a and 3b, and are joined and integrated via an insulating material 22 (for example, epoxy resin) as shown in Fig. 2. It is.
  • thermoelectric element block 3 is manufactured by, for example, a method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-70463.
  • a sintered body of BiTeSb is used as the p-type thermoelectric semiconductor 8
  • a sintered body of BiTeSe is used as the n-type thermoelectric semiconductor 9.
  • thermoelectric element block 3 the upper surface and the lower surface form the wiring end surfaces 3a and 3b, and a large number of wiring electrodes 7 are formed there.
  • Thermoelectric semiconductors 9 are alternately connected in series as shown in FIG.
  • connection electrodes 6a and 6b are formed below the one side surface 3c of the thermoelectric element block 3 other than the wiring end surfaces 3a and 3b.
  • the connection electrodes 6 a and 6 b are electrically connected to thermoelectric semiconductors 8 e and 9 e corresponding to one end and the other end of the thermoelectric semiconductors 8 and 9 constituting the thermoelectric element block 3, respectively. ing.
  • connection electrodes 6a and 6b and the large number of wiring electrodes 7 can be formed by a vacuum deposition method using a metal mask, but nickel (N i) and gold (A u) are used as materials, and the total of both is used. It can be formed as a laminated film having a thickness of about 1.5 / zm.
  • the connection electrodes 6 a and 6 b are formed as a continuous body extending over the side surface 3 c and the wiring end surface 3 b on the lower surface, and the thermoelectric semiconductors 8 e and 9 e corresponding to one end and the other end of the series connection. Connected to the bottom surface of each are doing.
  • thermoelectric element block 3 has an outer shape shown in FIG. 1, a width of 8 mm, a depth of 5 mm, and a height of 2 mm, and about 110 pairs of p-type thermoelectric semiconductors 8.
  • a thermocouple of the n-type thermoelectric semiconductor 9 can be included.
  • thermoelectric element block 3 the lower wiring end surface 3b is adhered to the upper surface 1a of the lower thermal conductive plate 1 with an adhesive through the opening 2a of the FPC 2 and the upper wiring end surface.
  • the adhesive layer As the adhesive, for example, a thermosetting epoxy resin is used.
  • the FPC 2 has flexibility by extending the protrusions 2 b and 2 c on which the input / output electrodes 10 a and 10 b are formed, and the upper surface 1 a of the lower heat conductive plate 1 is provided with an adhesive or It is fixed by an adhesive and integrated.
  • thermoelectric device 20 since the FPC 2 has the opening 2 a, it is not sandwiched between the thermoelectric element block 3 and the lower heat conductive plate 1. Therefore, a thermal gradient does not occur due to the influence of the base film of the FPC 2 having low thermal conductivity, and the thermal contact between the upper surface 1 a of the lower thermal conductive plate 1 and the wiring end surface 3 b becomes tight, so that a temperature difference is extremely large. Therefore, the effective performance of the thermoelectric device 20 does not decrease.
  • thermoelectric element block 3 the pair of input / output electrodes 10a, 10b on the FPC 2 and the pair of connection electrodes 6a, 6b provided on the thermoelectric element block 3 are respectively connected by conductive members 21 such as silver paste.
  • conductive members 21 such as silver paste.
  • solder may be used instead of silver paste. It is also possible to use wire bonding.
  • thermoelectric element block 3 When a temperature difference of 1.5 ° C. was given between the lower heat conductive plate 1 and the upper heat conductive plate 4 to the thermoelectric device 20 thus obtained, an open circuit voltage of 0.61 V was obtained. Obtained. As described above, almost no decrease in the output voltage was observed as compared with the case of the thermoelectric element block 3 alone.
  • thermoelectric device 20 includes a pair of connection electrodes 6a, 6b connected to thermoelectric semiconductors 8e, 9e corresponding to one end and the other end of the thermoelectric semiconductor connected in series that constitute the thermoelectric element block 3.
  • the pair of connection electrodes 6a and 6b are connected to the pair of input / output electrodes 10a and 10b. Therefore, the protrusions 2b and 2c formed on the flexible FPC 2 can be easily connected to an external circuit by inserting the protrusions 2b and 2c into a springy socket, and the output voltage of the thermoelectric element block 3 can be easily adjusted. Can be taken out to an external circuit.
  • the mutual shape of the lower thermal conductive plate 1, the upper thermal conductive plate 4, and the thermoelectric element block 3 described above is a design matter depending on the device on which the thermoelectric device 20 is mounted.
  • the form is one example.
  • the substrate on which the input / output electrodes 2b are formed is a flexible substrate, a flexible printed substrate or a simple insulating substrate may be used.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 of the thermoelectric device of this embodiment, and portions corresponding to FIG. 1 and FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
  • thermoelectric device 20 of this embodiment is different from the first embodiment in the shape of the lower heat conductive plate 1, the location of the connection electrode 6 in the thermoelectric element block 3, and the shape of the opening 2 a of the FPC 2. Since these are different from each other, the following description focuses on these differences, and the first embodiment A detailed description of points common to the above is omitted.
  • the lower heat-conducting plate 1 shown in FIG. 3 is not a flat plate-like upper surface, but a high step portion 1 b having a width smaller than the width of the thermoelectric element block 3 (length in the left-right direction in FIG. 3) and its surroundings. And has a low step portion 1c.
  • the FPC 2 has an opening 2 a, which has a shape corresponding to the high step portion 1 b of the lower heat conductive plate 1.
  • a pair of connection electrodes 10a and 10b extend outward from the vicinity of the left and right edges of the opening 2a in FIG.
  • thermoelectric element block 3 has a pair of connection electrodes 6a and 6b formed near the left and right ends in FIG. 3 of the lower wiring end face 3b.
  • thermoelectric device 20 of this embodiment is completed as follows.
  • the FPC 2 is fixed to the lower step portion 1c of the lower heat conductive plate 1 with an adhesive or the like by inserting the high step portion 1b into the opening 2a.
  • thermoelectric element block 3 an adhesive layer 31 made of an insulating adhesive is formed and adhered to the wiring end surface 3 b of the thermoelectric element block 3 on the upper surface of the high step portion 1 b of the lower heat conductive plate 1, thereby bonding the thermoelectric element block 3.
  • the pair of connection electrodes 6 a and 6 b provided on the wiring end face 3 b of the thermoelectric element block 3 and the pair of input / output electrodes 10 a and 10 b provided on the FPC 2 are respectively Opposite and parallel. Therefore, the opposing electrodes 6a and 10a and 6b and 10b are electrically connected by filling gaps with conductive members 21 such as conductive paste and solder. Thereby, the thermoelectric device 20 is completed.
  • connection electrodes 6a, 6b and the input / output electrodes 10a, 10b are arranged to face each other with a small gap therebetween, so that the connection stability of the conductive member 21 is improved. improves.
  • connection electrodes 6a and 6b may be formed simultaneously on the wiring end face 3b on which the wiring electrodes 7 of the thermoelectric element block 3 are formed, the manufacture of the connection electrodes 6 and the wiring electrodes 7 is facilitated.
  • the upper heat conducting plate is omitted in this embodiment, it may be provided if necessary.
  • the adhesive layer 31 is provided on the upper surface of the high step portion 1b of the lower heat conductive plate 1 with a stabilized thickness, the adhesive layer 31 becomes an insulating layer and is provided on the wiring end surface 3b. Yes Since the insulation of the wiring electrode 7 can be ensured, a metal plate having no insulating coating can be used as the lower heat conductive plate 1.
  • thermoelectric device Next, a third embodiment of the thermoelectric device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 of the thermoelectric device
  • FIG. 5 is a perspective view showing only the thermoelectric element block 3, and portions corresponding to FIGS. 1 to 3 have the same reference numerals. Is attached.
  • thermoelectric device 20 in this embodiment is different from the thermoelectric device block 3 in that the input / output electrodes 10 a and 10 b are formed directly on the upper surface of the lower heat conductive plate 1 without using the FPC 2.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that a and b are provided differently and that the upper heat conduction plate 4 is omitted. Therefore, these points will be mainly described, and detailed description of points common to the first embodiment will be omitted.
  • thermoelectric element block 3 in this embodiment has at least both ends of a series connection of a p-type thermoelectric semiconductor 8 and an n-type thermoelectric semiconductor 9 on opposite side surfaces 3c and 3d.
  • -Type thermoelectric semiconductor 8 e and n-type thermoelectric semiconductor 9 e are processed so as to be exposed.
  • a pair of connection electrodes 6a and 6b are provided below the side surfaces 3c and 3d, respectively, so as to be electrically connected to the exposed surfaces of the thermoelectric semiconductors 8e and 9e, respectively.
  • thermoelectric element block 3 The wiring end face 3b of the thermoelectric element block 3 is bonded to the upper surface 1a of the lower heat conductive plate 1 via an adhesive layer 31 made of an insulating adhesive, and the connection electrodes 6a and 6b and the input / output electrode 1 0a and 10b are electrically connected to each other by conductive material 21 such as conductive paste and solder.
  • thermoelectric element block 3 exposes the rows of thermoelectric semiconductors 8, 9 along both sides 3c, 3d including the thermoelectric semiconductors 8e, 9e at both ends of the series connection. It will only function as a utility.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 of the thermoelectric device, and portions corresponding to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals.
  • thermoelectric device 20 of this embodiment differs from the thermoelectric device 20 of the first embodiment in that an elastic heat conductive plate 14 is used as an upper heat conductive plate, A pair of connection electrodes 6a and 6b are provided on the left and right sides, and a pair of input / output electrodes 10a and 10 on the FPC 2 side electrically connected to the connection electrodes 6a and 6b. b also differs in that it is provided separately on the left and right of the opening 2a. However, the other points are the same as those of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the elastic thermal conductive plate 14 is formed by sandwiching a thin copper corrugated plate 14c between two copper plates 14a and 14b each having a thickness of about 0.15 mm and welding them together. It has elasticity in the thickness direction of the plate.
  • the elastic heat conductive plate 14 is fixed to the thermoelectric element block 3 with an insulating adhesive, so that the insulating property of the wiring electrode on the wiring end face 3 a can be secured by the adhesive layer 31.
  • at least the surface to be joined to the thermoelectric element block 3 is electrically insulated. It is preferred to have a layer and that the thermal conductivity in the thickness direction of the plate is not impaired. Therefore, it is preferable to form an alumina film on the lower surface of the lower copper plate 14b by thermal spraying to provide an insulating layer.
  • thermoelectric device 20 When the thermoelectric device 20 is used by being incorporated in a portable electronic device or the like, it is important to make the thermal contact between the thermoelectric device and the device tight. For this reason, in this embodiment, the elastic heat conductive plate 14 is used, and the elasticity is provided in the thickness direction of the thermoelectric device 20, so that the processing dimension error in the design of such equipment is absorbed by this elasticity. In addition, close thermal contact can be achieved.
  • thermoelectric device Next, a fifth embodiment of the thermoelectric device according to the present invention will be described with reference to the plan view of FIG.
  • thermoelectric device 20 of each embodiment described above has a structure in which one thermoelectric element block 3 is fixed on the lower heat conductive plate 1.
  • thermoelectric device 20 of the present invention also includes a thermoelectric device 20 having a structure in which a plurality of thermoelectric element blocks 3 are mounted on the same lower heat conductive plate.
  • FIG. 7 shows an example of a structure in which a plurality of thermoelectric element blocks 3 are dispersedly arranged, and the same reference numerals are given to portions corresponding to the respective drawings.
  • the heat conducting plate 11 in this embodiment is formed in an elongated shape so that a plurality (three in the example shown) of thermoelectric element blocks 3 can be placed in a line at intervals as shown by a broken line in FIG. Have been.
  • a flexible wiring board (FPC) 25 having a plurality of openings 25a arranged in a row is fixed on the heat conducting plate 11.
  • the upper surface between the openings 25a of the FPC 25 also serves as an input / output electrode electrically connected to one and the other of the pair of connection electrodes 6a and 6b of the adjacent thermoelectric element block 3.
  • Wiring patterns 50 and 50 are formed.
  • Projections 25 b and 25 c are provided at both ends in the longitudinal direction of the FPC 25, and on the upper surface thereof, a pair of connection electrodes 6 a and 6 a of the thermoelectric element block 3 placed at both ends are provided. 6 Touch one of b Terminal electrodes 51a and 5lb connected to each other are formed.
  • thermoelectric element blocks 3 in this embodiment one and the other of the pair of connection electrodes 6a and 6b are separately set on both side surfaces in the arrangement direction.
  • thermoelectric element blocks 3 are fixed to the upper surface of the heat conductive plate 11 through the openings 25a of the FPC 25 through the lower wiring end faces via an insulating layer.
  • One connection electrode 6a of the thermoelectric element block 3 and the other connection electrode 6b of the adjacent thermoelectric element block 3 are connected to the same wiring pattern 50 by a conductive member (not shown) such as a conductive paste or solder. .
  • a conductive member such as a conductive paste or solder.
  • one connection electrode 6a of the thermoelectric element block 3 placed at one end is connected to the terminal electrode 51a, and the other connection electrode 6b of the thermoelectric element block 3 placed at the other end is placed at the other end.
  • Each of the terminal electrodes 51 is connected by a conductive member.
  • thermoelectric element blocks 3, 3, ... can be connected in series, and a higher output voltage can be obtained.
  • the plurality of thermoelectric element blocks 3 are dispersed and arranged on the heat conductive plate 11, so that the degree of freedom in designing the thermoelectric device 20 is improved, and the individual thermoelectric devices 20 are further improved.
  • the manufacturing yield of the element block 3 is also advantageous.
  • thermoelectric element block 3 in this embodiment is basically the same as the thermoelectric element block 3 in the fourth embodiment, but may be configured as in the other embodiments already described. It is.
  • the wiring pattern 50 and the terminal electrodes 51a and 51b can be formed directly on the heat conductive plate 11 having at least an insulating layer on the upper surface without using the FPC.
  • the wiring pattern 50 and the terminal electrodes 51a and 51b may be formed simultaneously by vapor deposition or the like.
  • thermoelectric device according to the present invention will be described with reference to the plan view of FIG. explain.
  • parts corresponding to those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals.
  • thermoelectric device 20 having a structure in which a plurality of thermoelectric element blocks 3 are dispersed and arranged as in the fifth embodiment described above is shown.
  • This embodiment is different from the fifth embodiment in that the heat conducting plate 11 is formed in an annular shape, and that the heat conducting plate 11 does not use an FPC and has at least an insulating heat conductive layer on the upper surface. The point is that the direct wiring pattern 50 and the terminal electrodes 51 a and 51 b are formed on the upper surface of the plate 11.
  • each thermoelectric element block 3 is arranged substantially on the circumference along the lower heat conductive plate 1.
  • the other points are the same as those of the fifth embodiment, and thus the detailed description is omitted.
  • thermoelectric device 20 when the thermoelectric device 20 is formed in a ring shape, for example, when the thermoelectric device 20 is used as a power generating device of a wristwatch, it is easy to dispose the thermoelectric device 20 in a space between the timepiece driving mechanism and the timepiece exterior provided outside thereof. In that case, the movement (drive mechanism) and the electric circuit of the watch can be housed in the circular space 60 inside the thermoelectric device 20. Therefore, the thermoelectric device is highly effective as a power generation device for a wristwatch.
  • thermoelectric element blocks 3 are connected in series.
  • part or all of a large number of thermoelectric element blocks may be replaced. You may make it connect in parallel.
  • the positions of the connection electrodes 6a and 6b and the layout of the wiring pattern 50 may be changed according to the form of connection.
  • the sixth embodiment does not use the FPC, the structure can be simplified.
  • FPC2 can be used as in the case of the fifth embodiment.
  • the FPC is also formed in an annular shape similar to the heat conductive plate 11.
  • thermoelectric device according to the present invention is a small, high-performance thermoelectric device with an extremely large number of thermocouples.
  • the connection between the element block and the external circuit can be easily and stably ensured. Therefore, it becomes extremely easy to use a small and high-performance thermoelectric element block incorporated in a portable electronic device or the like.
  • thermoelectric device for power generation, a small and high output voltage can be obtained, and thus the thermoelectric device can be used as a power source for a portable electronic device such as a wristwatch.

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Description

明 細 書 熱 電 装 置
技 術 分 野
この発明は、 ゼ一ベック効果を利用した発電装置に用いる熱電装置、 あるいはぺ ルチェ効果を利用した冷却装置に用いる熱電装置に関し、 とくに、 小型高性能の熱 電装置に関する。 背 景 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。 これがゼ一べ ック効果であり、 電圧を電気エネルギーとして取り出す発電装置として利用するこ とができる。 熱電発電は、 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な利用法として注目されて いる。
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一 ザ一や集積回路などの局部冷却器として活用されている。
この熱電対のような熱電素子を用いた発電装置や冷却装置 （熱電装置） は、 構造 が簡単で他の発電装置や冷却装置に比べて小型化にも有利な条件を備えているため、 有用性が高い。 たとえば、 酸化還元電池に見られる電解液の漏洩や消耗の問題がな いというところから、 電子式の腕時計などの携帯型電子機器に内蔵する発電装置と しての応用が期待されている。
ここで、 熱電装置の一般的な構造として、 例えば、 特開昭 5 8— 6 4 0 7 5号公 報に開示されているように、 p型と n型の異なる導電型の熱電半導体を規則的に配 置して多数の熱電対を二次元的に並べ、 各熱電対を電極板により電気的に直列接続 した構造のものがある。
この構造の場合、 各熱電対を二次元的に並べて設けてあり、 これらの熱電対で構 成される熱電素子は概ね板状の形状となる。 また、 熱電素子の表面と裏面とは、 そ れぞれ熱電対の温接点が位置する面と冷接点が位置する面となり、 熱電発電素子の 場合には、 その表裏面に温度差を与えることによって、 熱電発電が行なわれる。 ところで、 このような熱電装置の応用が期待されている携帯型電子機器は、 通常、 室温近辺で使用されるため、 機器内部の温度差はあまり期待できず、 腕時計の場合 だと、 装着した腕の体温と外気温とにより、 2 °Cほどの温度差が得られるだけであ る。
ところが、 熱電対の出力電圧は、 現在、 常温付近での性能指数が最も高いと言わ れている B i T e系材料を用いたものでも、 一対あたり 4 0 0 μ VZ°Cほどである から、 この B i T e系材料を用いた熱電対を腕時計に組み込むと、 一対あたり 8 0 0 μ Vの出力電圧しか得られない。 したがって、 時計を駆動するのに必要な 1 . 5 V以上の電圧を得るためには、 およそ 2 0 0 0対以上の熱電対を組み込まねばなら ないことになる。
しかも、 腕時計の場合は、 収納部分の内容積が非常に小さく、 この限られた小さ な収納スペースに熱電対のほか機械部品や電気回路部品も収納しなくてはならない から、 できるだけ熱電素子自体の外形を小さくすることも必須条件となる。
一方、 熱電素子を外部回路と電気的に接続するためには、 配線が必要であるが、 その取り出しは、 前述の特開昭 5 8 - 6 4 0 7 5号公報に開示されているように、 直列に接続した熱電対の両端に位置する電極板にそれぞれ導線を接続して行われて いる。
このように、 熱電装置を腕時計に組み込む場合には、 その大きさをできるだけ小 さくして、 しかも必要な電圧取り出せるようにする必要がある。 しかし、 大きさを 小さくするにしたがって、 電圧を取り出すための電極板も小さくせざるを得なくな つてしまう。
このため、 この電極板に導線をつないで外部回路へ接続することは極めて難かし くなる。 つまり、 熱電装置と外部回路との電気的接続という、 実用上必須とされる ことの実施が難くなり、 応用が期待される携帯型電子機器に熱電装置を組み込むの が難くなるという問題がある。 発 明 の 開 示
この発明は、 このような問題を解決して、 小型で高性能な熱電装置から外部回路 への電気的な接続を容易ににすることを目的とする。
上記の目的を達成するため、 この発明による熱電装置は次の構成を採用する。 すなわち、 互いに長さの等しい柱状の第 1の導電型の熱電半導体及ぴ第 2の導電 型の熱電半導体が両端面で略同一面をなす配線端面を形成するように規則的に配置 され、 且つ絶縁体を介して接合一体化され、 前記各配線端面において第 1及び第 2 の導電型の熱電半導体が配線電極によって交互に直列に接続された熱電素子プロッ クを構成する。
その熱電素子プロックに、 上記直列接続された熱電半導体の一端部と他端部に対 応する熱電半導体にそれぞれ電気的に接続した対の接続電極を設ける。
さらに、 この熱電素子ブロックの外形より大きい上面を有し、 熱伝導性のよい絶 縁材または金属で形成され、 少なくとも上面に絶縁層を有する熱伝導板と、 その熱 伝導板とは電気的に絶縁されて、 その熱伝導板の上面側に設けられた対の入出力電 極とによって熱電装置を構成する。
そして、 上記熱電素子プロックの一方の配線端面が熱伝導板の上面に固着され、 上記各接続電極と上記各入出力電極とが導電部材により電気的に接続されたもので ある。
なお、 上記対の接続電極は、 熱電素子ブロックの配線端面以外の面 （側面） に設 けるとよい。 その場合、 上記熱電素子ブロックの直列接続された熱電半導体の少なくとも一端 部と他端部に対応する熱電半導体を、 配線端面以外の面に露出させ、 その面に各熱 電半導体の露出面にそれぞれ電気的に接続した対の接続電極を設けるとよい。 さらに、 上記熱伝導板の上面側に、 熱電素子ブロックの外形に対応する開口部を 有し、 上記対の入出力電極を設けたフレキシブル配線基板 （F P C ) 等の絶縁基板 を設け、 上記熱電素子プロックの一方の配線端面がその絶縁基板の開口部を通して 熱伝導板の上面に固着され、 対の接続電極と絶縁基板に設けられた対の入出力電極 とが電気的に接続されるように構成してもよい。
あるいはまた、 上記熱電素子プロックの一方の配線端面に対の接続電極を設け、 上記熱伝導板を高段部とその周囲の低段部とを有する二段形状とし、 その熱伝導板 の上面側に、 その高段部を嵌入させる開口部を有し且つ上面に対の入出力電極を設 けた F P C等の絶縁基板を設け、 上記熱電素子プロックの一方の配線端面を上記熱 伝導板の高段部の上面に固着し、 対の接続電極と絶縁基板上の対の入出力電極設と を近接して対向させ、 それぞれ対向する電極同士を導電部材によって電気的に接続 するように構成してもよい。
これらの熱電装置において、 上記熱電素子ブロックの他方の配線端面に、 その配 線'電極と絶縁して上部熱伝導板を固着して設けるとよい。 その上部熱伝導板は、 厚 さ方向に弾性を有するのが望ましい。
また、 上記熱伝導板を複数個の熱電素子ブロックを載置可能に形成し、 その熱伝 導板上に複数個の熱電素子プロックをそれぞれ一方の配線端面を熱伝導板の上面に 固着させて配置して熱電装置を構成してもよい。
その場合、 互いに隣接する熱電素子プロックの接続電極と電気的に接続される上 記入出力電極の一方と他方を熱伝導板上で互いに接続することにより、 複数個の熱 電素子ブロックを直列に接続することができる。 この熱伝導板は、 環状に形成して もよい。 図面の簡単な説明
第 1図はこの発明による熱電装置の第 1の実施形態を示す分解斜視図であり、 第 2図は第 1図の A— A線に沿う垂直な面による断面図である。
第 3図はこの発明による熱電装置の第 2の実施形態を示す第 2図と同様な断面図 である。
第 4図はこの発明による熱電装置の第 3の実施形態を示す第 2図と同様な断面図 であり、 第 5図はその熱電素子プロックの斜視図である。
第 6図はこの発明による熱電装置の第 4の実施形態を示す第 2図と同様な断面図 である。
第 7図はこの発明による熱電装置の第 5の実施形態を示す平面図である。
第 8図はこの発明による熱電装置の第 6の実施形態を示す平面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を用いて本発明における最適な実施形態を詳しく説明する。
〔第 1の実施形態：第 1図おょぴ第 2図〕
まず、 この発明による熱電装置の第 1の実施形態について、 第 1図と第 2図を用 いて説明する。
第 1図に示す熱電装置 2 0は、 下部熱伝導板 1、 フレキシブル配線基板 2、 熱電 素子ブロック 3、 上部熱伝導板 4を主要構成部品とし、 これらを第 1図に示す配置 で相互に組み立てて、 一体化したものである。
下部熱伝導板 1 と、 上部熱伝導板 4とは、 いずれも厚さ方向での熱伝導性の良い 矩形状の板材である。 いずれも、 熱伝導性の良さから、 その材質は銅やアルミニゥ ムのような金属を用いるのが好ましい。 これは、 熱電装置 2 0を機器に取り付けて 使用する際に、 この機器の構造体と熱電素子プロック 3との間の熱勾配をできるだ け少なく して、 熱電装置 2 0としての性能を向上させるためである。 下部熱伝導板 1の上面 1 aは、 熱電素子プロック 3の外形より大きい。 下部熱伝導板 1および上部熱伝導板 4は、 それぞれ熱電素子ブロック 3の上下の 配線端面に固着するので、 固着したときに熱電素子プロック 3の後述する配線端面 に設けられている多数の配線電極 7間の短絡が起こつては問題である。 そのため、 熱電素子プロック 3を固着する下部熱伝導板 1の上面 1 a、 および上部熱伝導板 4 の下面 4 aには、 それぞれ絶縁層を形成している。 各熱伝導板 1 , 4をアルミユウ ム板とする場合には、 アルマイ ト処理を施すことによって、 絶縁層として表面に酸 化アルミニウムの絶縁膜を形成することができる。
あるいは、 金属板の表面に絶縁塗膜を形成したり、 絶縁シートを貼着して絶縁層 を形成することもできる。
また、 後述のように下部熱伝導板 1 と上部熱伝導板 4を接着材で熱電素子プロッ ク 3に固着する場合は、 その接着材による接着層を絶緣層とすることもできる。 しかし、 接着層は厚さの制御が容易でなく、 意図しない短絡を発生する恐れもあ るので、 下部熱伝導板 1の少なく とも上面 1 a、 および上部熱伝導板 4の少なく と も下面 4 aは絶縁層とするが好ましい。
さらに、 これらの熱伝導板 1 , 4として、 熱伝導性の良い絶縁体 （たとえばアル ミナなどのセラミックス板） を用いることもでき、 その場合は全体が絶縁層である から、 このような短絡の問題は発生しない。
フレキシブル配線基板 （以下 「F P C」 と略称する） 2は、 ポリイミ ドゃポリエ チレンテレフタレートなどのベースフィルムからなる汎用のものでよく、 金型によ る打ち抜き加工により、 下部熱伝導板 1に略対応する外形をなし、 熱電素子ブロッ ク 3の外形に対応する開口部 2 aを有する。 そして、 図示の例では右辺部に一対の 突出部 2 b , 2 cを設けている。
F P C 2は、 開口部 2 aを設けている点が重要であるが、 この開口部 2 aは熱電 素子プロック 3の外周が丁度収まる程度の大きさに形成してある。 この開口部 2 a は、 第 2図に示すように、 熱電素子プロック 3と下部熱伝導板 1 との間に F P C 2 のベースフィルムが介在しないようにするために形成したものである。 また、 突出 部 2 b， 2 cの上面には、 ベースフィルムに貼り付けられた銅箔をエッチングでパ ターユングして、 一対の入出力電極 1 0 a , 1 0 bを形成している。
熱電素子プロック 3は、 それぞれ柱状をなす第 1の導電型である p型の熱電半導 体 8と第 2の導電型である n型の熱電半導体 9とを、 両端面で略同一面をなす配線 端面 3 a、 3 bを形成するように、 規則的に相互に離間して多数個配列し、 図 2に 示すように絶縁材 2 2 (例えばエポキシ樹脂） を介して接合一体化してなるもので ある。
この熱電素子ブロック 3は、 例えば、 特開昭 6 3 - 7 0 4 6 3号公報に開示され ているような方法によって作製される。 なお、 この実施形態では、 p型熱電半導体 8として B i T e S bの焼結体、 n型熱電半導体 9として B i T e S eの焼結体を 用いている。
この熱電素子ブロック 3は、 上面おょぴ下面が配線端面 3 a， 3 bを形成してお り、 そこにそれぞれ多数の配線電極 7を形成して、 各 p型熱雷半導体 8と n型熱電 半導体 9を、 第 2図に示すように交互に直列に接続している。
そして、 この熱電素子ブロック 3の配線端面 3 a , 3 b以外の一側面 3 cの下部 に、 第 1図に示すように一対の接続電極 6 a， 6 bを形成している。 この接続電極 6 a , 6 bは、 熱電素子ブロック 3を構成する直列接続された熱電半導体 8， 9の 一端部と他端部に対応する熱電半導体 8 e， 9 eにそれぞれ電気的に接続されてい る。
接続電極 6 a， 6 b と多数の配線電極 7とは、 いずれも金属マスクを用いた真空 蒸着法により形成できるが、 材質にニッケル （N i ) と金 （A u ) を用い、 両者の 合計膜厚が 1 . 5 /z m程度の積層膜として形成することができる。 なお、 接続電極 6 a , 6 bは、 側面 3 c と下面の配線端面 3 bとに跨る連続体として形成され、 直 列接続の一端部と他端部に対応する熱電半導体 8 e , 9 eのそれぞれ下端面に接続 している。
この熱電素子ブロック 3は、 その一例として、 第 1図に示す外形形状で、 幅 8 m m， 奥行 5 mm , 高さ 2 mmの大きさで、 約 1 1 0 0対の p型熱電半導体 8と n型 熱電半導体 9による熱電対を含めることができる。 この熱電素子ブロック 3に対し て熱伝導板 1， 4を介さずに配線端面 3 a , 3 13に直接1 . 5 °Cの温度差を与えた ところ、 0 . 6 5 Vの開放電圧が得られた。
この熱電素子ブロック 3は、 F P C 2の開口部 2 aを通して、 下側の配線端面 3 bを接着剤により下部熱伝導板 1の上面 1 aに接着するとともに、 上側の配線端面
3 aに同様な接着剤によって、 配線端面 3 a と同じ大きさの上部熱伝導板 4の下面
4 aを接着する。
このとき、 この接着剤の層が厚いと熱接触の低下をきたすので、 接着層は極力薄 くする （数/ x m程度とする） ことが必要である。 接着剤としては、 例えば熱硬化性 のエポキシ樹脂を用いる。
そして、 F P C 2は、 入出力電極 1 0 a , 1 0 bを形成した突出部 2 b , 2 cを 張り出させて柔軟性を持たせ、 下部熱伝導板 1の上面 1 aに粘着剤あるいは接着剤 により固着して一体化する。
このとき、 F P C 2は開口部 2 aを設けているから、 熱電素子ブロック 3と下部 熱伝導板 1の間に挟まれることはない。 したがって、 熱伝導性が低い F P C 2のべ 一スフイルムの影響で熱勾配が生じることなく、 下部熱伝導板 1の上面 1 a と配線 端面 3 bとの熱接触が緊密になって温度差が非常に小さくなるから、 熱電装置 2 0 としての実効性能が低下することはない。
さらに、 この F P C 2上の対の入出力電極 1 0 a， 1 0 b と熱電素子ブロック 3 に設けられた対の接続電極 6 a， 6 b とを、 それぞれ銀ペーストなどの導電部材 2 1により、 第 2図に示すように接合して電気的に接続することにより、 熱電装置 2 0が完成する。 入出力電極 1 0 a， 1 0 bと接続電極 6 a , 6 bとを電気的に接続する導電部材 2 1 としては、 銀ペース トの代わりに半田を用いてもよく、 また特殊な場合として はワイヤーボンディングを用いることも可能である。
こうして得られた熱電装置 2 0に対して、 その下部熱伝導板 1 と上部熱伝導板 4 との間に 1 . 5 °Cの温度差を与えたところ、 0 . 6 1 Vの開放電圧が得られた。 こ のように、 熱電素子プロック 3単体の場合に比べて出力電圧の低下は殆ど見られな かった。
また、 この熱電装置 2 0は、 熱電素子ブロック 3を構成する直列接続された熱電 半導体の一端部と他端部に対応する熱電半導体 8 e， 9 eに対の接続電極 6 a， 6 bを接続し、 この対の接続電極 6 a， 6 bを対の入出力電極 1 0 a， 1 0 bに接続 している。 したがって、 柔軟性のある F P C 2に形成された突出部 2 b， 2 cを、 バネ性を有するソケッ トに差し込むことによって容易に外部回路に接続して、 熱電 素子プロック 3の出力電圧を容易に外部回路に取り出すことができる。
なお、 以上説明した下部熱伝導板 1、 上部熱伝導板 4、 およぴ熱電素子ブロック 3の相互の形状は、 熱電装置 2 0を装着する装置に依存する設計的事項であり、 こ の実施形態はその一例である。 また、 入出力電極 2 bを形成する基板をフレキシブ ル基板としてあるが、 柔軟性のないプリント基板あるいは単なる絶縁基板を用いて もよい。
〔第 2の実施形態：第 3図〕
次に、 この発明による熱電装置の第 2の実施形態を第 3図によって説明する。 な お、 第 3図はこの実施形態の熱電装置の第 2図と同様な断面図であり、 第 1図およ び第 2図と対応する部分には同一の符号を付している。
この実施形態の熱電装置 2 0は、 第 1の実施形態と比較して、 下部熱伝導板 1の 形状、 熱電素子ブロック 3における接続電極 6の形成箇所、 F P C 2の開口部 2 a の形状がそれぞれ相違するので、 以下この相違点を中心に説明し、 第 1の実施形態 と共通な点については詳しい説明を省略する。
第 3図に示す下部熱伝導板 1は、 上面平坦な板状ではなく、 熱電素子ブロック 3 の幅 （第 3図で左右方向の長さ） よりも狭い幅の高段部 1 bとその周囲の低段部 1 c とを有する二段形状にしている。
F P C 2は、 開口部 2 aを有し、 それが下部熱伝導板 1の高段部 1 bに対応する 形状となっている。 そして、 その開口部 2 aの第 3図における左右両縁付近から上 面に一対の接続電極 1 0 a , 1 0 bが、 それぞれ外方へ延設されている。
熱電素子プロック 3には、 その下側の配線端面 3 bの第 3図における左右両端部 付近に一対の接続電極 6 a , 6 bを形成している。
この実施形態の熱電装置 2 0は、 次のようにして完成する。
まず、 F P C 2を、 下部熱伝導板 1の高段部 1 bを開口部 2 aに挿通させてその 低段部 1 cに粘着剤等により固定する。
次いで、 熱電素子プロック 3の配線端面 3 bを下部熱伝導板 1の高段部 1 bの上 面に、 絶縁性の接着剤による接着層 3 1を形成して接着して、 熱電素子ブロック 3 を固着する。 この状態で、 熱電素子ブロック 3の配線端面 3 bに設けた一対の接続 電極 6 a， 6 bと、 F P C 2に設けた一対の入出力電極 1 0 a， 1 0 bとが、 それ ぞれ近接して平行に対向する。 そこで、 この対向する電極 6 a と 1 0 aおよび 6 b と 1 0 bを、 その隙間に導電ペース トゃ半田などの導電部材 2 1を充填して電気的 に接続する。 これにより熱電装置 2 0が完成する。
この熱電装置 2 0は、 接続電極 6 a , 6 bと、 入出力電極 1 0 a， 1 0 bとが僅 かな空隙を介して対向配置されるので、 導電部材 2 1による接続の安定性が向上す る。
また、 接続電極 6 a， 6 bを、 熱電素子ブロック 3の配線電極 7を形成した配線 端面 3 bに同時に形成すればよいので、 接続電極 6と配線電極 7との製造が容易に なる。 なお、 この実施形態では上部熱伝導板を省略しているが、 必要に応じてこれを設 けてもよい。 また、 下部熱伝導板 1の高段部 1 bの上面に接着層 3 1を厚さを安定 化して設ければ、 この接着層 3 1が絶緣層となって配線端面 3 bに設けられている 配線電極 7の絶縁性を確保できるため、 下部熱伝導板 1として絶縁被覆のない金属 板を用いることも可能である。
〔第 3の実施形態：第 4図おょぴ第 5図〕
次に、 この発明による熱電装置の第 3の実施形態を第 4図および第 5図によって 説明する。
第 4図はその熱電装置の第 2図と同様な断面図、 第 5図はその熱電素子プロック 3のみを示す斜視図であり、 第 1図乃至第 3図と対応する部分には同一の符号を付 している。
この実施形態における熱電装置 2 0は、 F P C 2を用いずに入出力電極 1 0 a , 1 0 bを下部熱伝導板 1の上面に直接形成してある点、 熱電素子プロック 3の接続 電極 6 a， 6 bの設け方が異なる点、 及び上部熱伝導板 4を省略している点で、 第 1の実施形態と相違する。 そこで、 これらの点を中心に説明し、 その他の第 1の実 施形態と共通する点については詳しい説明は省略する。
この実施形態における熱電素子ブロック 3は、 第 5図に示すように、 その対向す る両側面 3 c , 3 dに、 p型熱電半導体 8と n型熱電半導体 9の直列接続の少なく とも両端部に対応する！)型熱電半導体 8 eおよび n型熱電半導体 9 eを露出させる ように加工している。 そして、 この両側面 3 c , 3 dの下部に、 一対の接続電極 6 a , 6 bを、 それぞれ熱電半導体 8 e， 9 eの露出面に電気的に接続させて設けて いる。
この熱電素子プロック 3の配線端面 3 bを、 絶縁性の接着剤による接着層 3 1を 介して下部熱伝導板 1の上面 1 aに接着し、 接続電極 6 a , 6 bと入出力電極 1 0 a , 1 0 bとをそれぞれ導電ペーストゃ半田等の導電部材 2 1によって電気的に接 続する。
このようにすると、 F P C 2を用いないため、 使用する部材の数が減少する利点 があり、 組立工程も容易になる。 なお、 本実施形態では下部熱伝導板 1 として、 絶 縁材である純アルミナよりなるセラミックス板を用い、 この上面に C r と C uの積 層薄膜をスパッタリング法で形成し、 エッチングによってバタ一エングして入出力 電極 1 0 a， 1 0 b形成した。
熱電素子ブロック 3は、 直列接続の両端の熱電半導体 8 e , 9 eを含む両側面 3 c、 3 dに沿う列の熱電半導体 8， 9を露出させているが、 それらの熱電半導体は 単に配線用としてしか機能しないことになる。
〔第 4の実施形態：第 6図〕
次に、 この発明による熱電装置の第 4の実施形態を第 6図によって説明する。 第 6図はこの熱電装置の第 2図と同様な断面図であり、 第 1図乃至第 5図と対応 する部分には同一の符号を付している。
この実施形態の熱電装置 2 0は、 第 1の実施形態の熱電装置 2 0と比較して、 上 部熱伝導板として弾性熱伝導板 1 4を用いた点、 熱電素子プロック 3を第 3の実施 形態と同様な側面露出型とし、 一対の接続電極 6 a , 6 bを左右の側面に設け、 そ れと電気的に接続される F P C 2側の一対の入出力電極 1 0 a， 1 0 bも、 開口部 2 aの左右に分けて設けた点で相違する。 しかし、 その他の点は第 1の実施形態と 共通であるから、 それらの詳しい説明を省略する。
弾性熱伝導板 1 4は、 0 . 1 5 m m程度の厚さを有する 2枚の銅板 1 4 a， 1 4 bの間に薄い銅製の波板 1 4 cを挟み、 これらを溶接して一体化し、 板の厚さ方向 に弾性を持つようにしたものである。
この弾性熱伝導板 1 4は、 熱電素子ブロック 3に絶縁性の接着材で固着すること によって、 その接着層 3 1によって配線端面 3 a上の配線電極の絶縁性を確保でき る。 しかし、 少なく とも熱電素子ブロック 3に接合される側の表面に電気的な絶縁 層を有するのが好ましく、 且つ板の厚さ方向での熱伝導性が損なわれないようにし なければならない。 そのため、 下側の銅板 1 4 bの下面に、 アルミナ膜を溶射によ り形成して絶縁層を設けるようにするとよい。
熱電装置 2 0を携帯型電子機器等に組み込んで用いるとき、 その熱電装置と機器 との熱的な接触を緊密にすることが重要である。 そのため、 この実施形態では弹性 熱伝導板 1 4を用い、 熱電装置 2 0の厚さ方向に弾性を持たせるようにしたので、 このような機器の設計上の加工寸法誤差などをこの弾性で吸収するとともに、 緊密 な熱接触を実現することができる。
〔第 5の実施形態：第 7図〕
次に、 この発明による熱電装置の第 5の実施形態について、 第 7図の平面図によ つて説明する。
上述した各実施形態の熱電装置 2 0は、 1個の熱電素子プロック 3が下部熱伝導 板 1上に固定された構造であった。 しかし、 この発明の熱電装置 2 0には、 複数の 熱電素子プロック 3が同一の下部熱伝導板上に実装された構造のものも含まれる。 第 7図は、 複数個の熱電素子プロック 3を分散させて配置した構造の一例を示し たもので、 これまでの各図と対応する部分には同一の符号を付している。
この実施形態における熱伝導板 1 1は、 第 7図に破線で示すように複数個 （図示 の例では 3個） の熱電素子プロック 3を間隔を置いて一列に並べて載置できるよう に細長く形成されている。
そして、 その熱伝導板 1 1上に、 複数の開口部 2 5 aを列設したフレキシブル配 線基板 （F P C ) 2 5を固定する。 この F P C 2 5の開口部 2 5 a間の上面には、 隣接する熱電素子プロック 3の対の接続電極 6 a , 6 bの一方と他方に電気的に接 続される入出力電極を兼ねた配線パターン 5 0 , 5 0が形成されている。 またこの F P C 2 5の長手方向の両端部には、 突出部 2 5 b， 2 5 cが設けられ、 その上面 に、 両端部に載置される熱電素子ブロック 3の対の接続電極 6 a， 6 bの一方に接 続される端子電極 5 1 a， 5 l bが形成されている。
この実施形態における複数個の各熱電素子ブロック 3は、 その配列方向の両側面 にそれぞれ対の接続電極 6 a , 6 bの一方と他方を分けて設定する。
そこで、 この複数個の熱電素子ブロック 3を、 それぞれ下側の配線端面を F P C 2 5の開口部 2 5 aを通して、 熱伝導板 1 1の上面に絶縁層を介して固着する。 その熱電素子プロック 3の一方の接続電極 6 a と隣接する熱電素子プロック 3の 他方の接続電極 6 b とを、 それぞれ同じ配線パターン 5 0に図示しない導電ペース トあるいは半田等の導電部材によって接続する。 そして、 一方の端部に载置される 熱電素子プロック 3の一方の接続電極 6 aは端子電極 5 1 a と、 他方の端部に载置 され熱電素子プロック 3の他方の接続電極 6 bは端子電極 5 1に、 それぞれ導電部 材によって接続される。
このようにして、 複数個の熱電素子ブロック 3 , 3 , …を直列に接続することが でき、 より高い出力電圧を得ることができる。 また、 このようにすることによって、 複数の熱電素子ブロック 3を熱伝導板 1 1上に分散させて配置することになるから、 熱電装置 2 0としての設計自由度が向上し、 さらに個々の熱電素子プロック 3の製 造歩留まり面も有利になる。
なお、 この実施形態での熱電素子ブロック 3は、 基本的に第 4の実施形態におけ る熱電素子プロック 3と同様なものとしているが、 既に説明した他の実施形態のよ うにすることも可能である。
また、 F P Cを使用せずに、 配線パターン 5 0および端子電極 5 1 a , 5 1 bを 少なく とも上面に絶縁層を有する熱伝導板 1 1上に直接形成することもできる。 そ の場合、 配線パターン 5 0および端子電極 5 1 a , 5 l bは、 蒸着等により同時に 形成すればよい。
〔第 6の実施形態：第 8図〕
最後に、 この発明による熱電装置の第 6の実施形態を、 第 8図の平面図によって 説明する。 この第 8図において、 第 7図と対応する部分には同一の符号を付してあ る。
この実施形態では、 前述した第 5の実施形態と同様に複数個の熱電素子プロック 3を分散させて配置した構造の熱電装置 2 0の例を示す。 この実施形態において、 第 5の実施形態と相違する点は、 熱伝導板 1 1が環状に形成されている点と、 F P Cを使用せずに、 少なく とも上面に絶縁層を有する環状の熱伝導板 1 1の上面に、 直接配線パターン 5 0および端子電極 5 1 a , 5 1 bを形成した点である。
したがって、 各熱電素子プロック 3が下部熱伝導板 1に沿って概ね円周上に配置 されている。 そのほかは、 第 5の実施形態と共通であるから、 詳しい説明は省略す る。
このように、 熱電装置 2 0を環状にすると、 たとえば腕時計の発電装置として用 いる場合、 時計駆動機構部と、 その外側に設けられる時計外装との間のスペースに 配置することが容易になる。 その場合、 熱電装置 2 0の内側の円形のスペース 6 0 内に時計のムーブメント （駆動機構部） や電気回路部を収納することができる。 したがって、 腕時計の発電装置としての有効性が高い熱電装置となる。
なお、 この実施形態と前述の第 5の実施形態において、 各熱電素子ブロック 3を 全て直列に接続した例を説明したが、 用途によっては、 多数の熱電素子ブロックの うちのその一部または全部を並列に接続するようにしてもよい。 その場合は、 接続 の形態に対応して、 接続電極 6 a， 6 bの位置や配線パターン 5 0のレイアウ トを. 変更すればよい。
この第 6の実施形態は F P Cを用いていないので、 構造を簡略化できる。 しかし、 第 5の実施形態の場合と同様に F P C 2を用いることもできる。 その場合は、 F P Cも熱伝導板 1 1 と同様な環状に形成する。 産業上の利用可能性
この発明による熱電装置は、 小型ながら熱電対数を極めて多く した高性能な熱電 素子プロックと外部回路との接続を、 容易に且つ安定確実にすることができる。 そのため、 小型高性能な熱電素子プロックを携帯型電子機器などに組み込んで使 用することが極めて容易になる。
たとえば、 この発明による熱電装置を発電用の熱電素子として使用すれば、 小型 で高い出力電圧が得られるので、 腕時計などの携帯型電子機器における電源として の温度差発電装置として利用できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 互いに長さの等しい柱状の第 1の導電型の熱電半導体及び第 2の導電型の熱電 半導体が両端面で略同一面をなす配線端面を形成するように規則的に配置され、 か つ、 絶縁体を介して接合一体化され、 前記各配線端面において第 1及び第 2の導電 型の熱電半導体が配線電極によって交互に直列に接続された熱電素子プロックと、 この熱電素子ブロックの前記直列接続された熱電半導体の一端部と他端部に対応 する熱電半導体にそれぞれ電気的に接続した対の接続電極と、
前記熱電素子プロックの外形より大きい上面を有し、 熱伝導性のよい絶縁材また は金属で形成され少なく とも前記上面に絶縁層を有する熱伝導板と、
該熱伝導板とは電気的に絶縁されて、 該熱伝導板の上面側に設けられた対の入出 力電極とによって構成され、
前記熱電素子プロックの一方の配線端面が前記熱伝導板の上面に固着され、 前記 各接続電極と前記各入出力電極とが導電部材により電気的に接続されたことを特徴 とする熱電装置。
2 . 前記対の接続電極が、 前記熱電素子ブロックの配線端面以外の面に設けられて いる請求の範囲第 1項記載の熱電装置。
3 . 前記熱電素子ブロックの前記直列接続された熱電半導体の少なく とも一端部と 他端部に対応する熱電半導体が、 前記配線端面以外の面に露出し、 該面に前記各熱 電半導体の露出面にそれぞれ電気的に接続した対の接続電極が設けられた請求の範 囲第 2項記載の熱電装置。
4 . 請求の範囲第 1項記載の熱電装置において、
前記熱伝導板の上面側に、 前記熱電素子プロックの外形に対応する開口部を有し、 前記対の入出力電極を設けた絶縁基板を設け、 前記熱電素子ブロックの一方の配線端面が前記絶縁基板の開口部を通して前記熱 伝導板の上面に固着され、 前記対の接続電極と前記絶縁基板に設けられた対の入出 力電極とが電気的に接続されたことを特徴とする熱電装置。
5 . 前記絶縁基板が、 フレキシブル配線基板である請求の範囲第 4項記載の熱電装 置。
6 - 前記一対の接続電極が、 前記熱電素子ブロックの配線端面以外の面に設けられ ている請求の範囲第 4項記載の熱電装置。
7 . 請求の範囲第 1項記載の熱電装置において、
前記熱電素子プロックの前記一方の配線端面に前記対の接続電極を設け、 前記熱伝導板が、 高段部とその周囲の低段部とを有する二段形状をなし、 該熱伝導板の上面側に、 前記高段部を嵌入させる開口部を有し且つ上面に前記対 の入出力電極を設けた絶縁基板を設け、
前記熱電素子プロックの前記一方の配線端面を前記熱伝導板の高段部の上面に固 着し、 前記対の接続電極と前記絶縁基板上の対の入出力電極設とを近接して対向さ せ、 それぞれ対向する電極同士を導電部材によって電気的に接続したことを特徴と する熱電装置。
8 . 前記絶縁基板が、 フレキシブル配線基板である請求の範囲第 6項記載の熱電装 置。
9 . 前記熱電素子ブロックの他方の配線端面に、 前記配線電極と絶縁して上部熱伝 導板を固着した請求の範囲第 1項記載の熱電装置。
1 0 . 前記上部熱伝導板が厚さ方向に弾性を有する請求の範囲第 9項記載の熱電装
1 1 . 請求項 1記載の熱電装置であって、
前記熱伝導板が複数個の熱電素子プロックを載置可能に形成されており、 該熱伝 導板上に複数個の熱電素子プロックをそれぞれ前記一方の配線端面を該熱伝導板の 上面に固着させて配置したことを特徴とする熱電装置。
1 2 . 請求項 1 1記載の熱電装置であって、
互いに隣接する前記熱電素子ブロックの前記接続電極と電気的に接続される前記 入出力電極の一方と他方を前記熱伝導板上で互いに接続して、 前記複数個の熱電素 子プロックを直列に接続したことを特徴とする熱電装置。
1 3 . 前記熱伝導板が環状に形成された請求の範囲第 1 2項記載の熱電装置。
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